Nikel ve Nikel Alaşımları

Nikel cevherlerinde çoğunlukla kobalt da bulunur. Nikel ymk kristal yapısından ötürü, kafesi 417°C'ın altında sdh olan kobalta göre daha sünek davranır ve geniş bir uygulanma alanına sahiptir. Kobalt ise örneğin sert metallerin (sinterlenmiş karbürlerin) ana kütlesini oluşturur; mıknatıs malzemeleri ve takım çeliklerinde alaşım elementi olarak kullanılır. 

Saf Nikel Nedir

Saf nikelin teknik bakımdan en önemli özelliği korozyona dayanıklılığıdır. Elektrolitik olarak krom kaplanmış demir esaslı alaşımların korozyondan korunmasını gerçekte nikel sağlar. Dekoratif krom tabakası mikroskobik çatlaklar ve gözenekler içerdiğinden demirin korozyonunu önleyemez. Ancak bunun altında bulunan ve yine aynı yöntemle kaplanan nikel ara tabakası büyük ölçüde gözeneksiz olduğundan demiri etkin bir şekilde korur. Krom kaplanmış otomobil tamponları, tekerlek kapakları vb. parçaların çabuk paslanması, genellikle nikel ara tabakasının yeterli kalınlıkta yapılmadığını gösterir. 

Örneğin laboratuvar pota ve kıskaçları, kimya endüstriside kostik soda eritme kazanı gibi bazı reaktörler saf nikelden yapılır. Öte yandan büyük hacimli kapların, eksplozyon kaynağı veya haddeleme yoluyla nikel levha giydirilmiş yapı çeliğinden iman çoğu kez daha ekonomiktir. 

Nikel manyetostriktif özelliğinden dolayı sualtı haberleşme, derinlik ölçme, teknik temizleme sistemlerinin ultrasonik dalga üreteçlerinde de kullanılır. Manyetostriksiyon, menyetik alan etkisiyle malzemede küçük boyut değişimlerinin oluşmasıdır. 

360°C olan CURIE sıcaklığının üzerinde nikel ferromanyetikliğini kaybeder. Ayrıca mekanik ve fiziksel özelliklerinden çoğu bu noktada süreksizlik gösterir. Yüzey merkezli kübik kristal yapı aynı kaldığı halde sözü edilen değişimlerin ortaya çıkması, ferromanyetikliği doğuran en dış ve bir önceki kabuklara ait elektronların karşılıklı etkileşimiyle açıklanmaktadır. 

Saf nikel büyük ölçüde sülfürlü cevherlerden kavurma ve indirgeme işlemleriyle kazanılır. Cevherde demir, kobalt, bakır ile diğer metal ve metal olmyan katışkıların bulunması çok karmaşık bir arıtma sürecinin uygulanmasını zorunlu kılar. Nikelin yüksek fiyatının önemli bir nedeni de metalurjisindeki bu güçlüktür. Oksitli cevherlerden ise çoğunlukla saf metal yerine ferronikel elde edilmesi, çelikleri alaşımlandırmak açısından yeterlidir (paslanmaz çelikler, ısıl genleşmesi çok az olan %36 nikelli "invar" çeliği gibi). 

Nikelin plastik şekillendirilmesi genelde ostenitik çeliğinkine benzemekle birlikte, saf durumda örneğin kükürte karşı kimyasal ilgisinin fazla olması bazı farklılıklar yaratabilir. Örneğin ısıl işlem sırasında yanma gazlarından veya parça yüzeyindeki artık kesme sıvılarından gelen kükürt, nikelin tane sınırları boyunca yayınıp, sülfür olarak çökelir. Böyle bir malzeme soğuk şekillendirilme-de çatlamaya, sıcak şekillendirilme ve kaynakta ise sıcak yırtılmaya eğilimlidir. Ortama bağlı olarak başlayabilecek korozyon hasarı da çökeltilerin bulunduğu tane sınırlarında yoğunlaşır. 

Sıvı nikel içinde hidrojen çözünürlüğü yüksek olduğundan kaynak dikişinde kolaylıkla gözenekler meydana gelebilir. Dolayısıyla kaynak banyosunun üzerinde atomsal hidrojen oluşumunu önlemek gerekir. Örneğin örtüleri nem iç-ren elektrotlar kaynak işleminden önce yaklaşık 250°C sıcaklıkta özenle kurutulmalıdır. Hidrojen az miktarda ve molekülsel (H^₂-gazı) olarak bulunduğu sürece hiçbir sakınca yaratmaz; hatta nikelin koruyucu gaz altındaki kaynağında %5 hidrojenli argon kullanılır.

Önerilen Makale: Paslanmaz çelik malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için paslanmaz çelik sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Katkılı Nikel Nedir

Korozyona dayanıklılığını koruyarak mekanik dayanımını yükseltmek ve ayrıca kükürtlü gazlara karşı duyarlığını da azaltmak amacıyla, nikele toplamları %5'i geçmemek üzere katılan elementlerin başında mangan gelir (DIN 17741). Nikelin endüstriyel üretimine başlandığında, sıcak şekillendirilebilmesini sağlayan tek etkin alaşım elementi mangan olmuştur. Nikel kafesinde kükürt çözünürlüğü çok az olduğundan (<%0,005), daha fazla kükürt içeren nikel eriyikleri katılaştıktan sonra da, sıcaklık 645°C'a düşünceye kadar tane sınırlarında ötektik bileşimde bir sıvı faz kalır. Malzemenin dövme veya haddeleme için tekrar ısıtılması sırasında, sözü edilen tane sınırı maddesi ötektik sıcaklıkta eriyerek sıcak kırılganlığa yol açar. Buna karşın mangan ile alaşımlama, kükürdü yüksek sıcaklıkta eriyen ve sürekli film oluşturmayan MnS halinde bağlayıp zararsız hale getirir. Günümüzde manganın bu işlevini gördürtebilmek üzere, kükürde karşı kimyasal ilgisi daha fazla olan magnezyumdan da yararlanılmaktadır. 

Manganlı nikel örneğin elektron tüpü iç parçalarında, ayrıca silisyum katılmasıyla yanma gazlarına dayanıklılığı arttığından, benzin motorları buji elektrotlarında kullanılır. Nikelin bileşiminde çözünme sınırını aşan miktarda karbon bulunması talaş kaldırılmasını kolaylaştırır. Saf nikel sünekliğinden dolayı takıma sıvandığı için, ancak düşük hızla işlenebilir. Çökelme sertleştirmesine uygun %2 berilyumlu nikelden yüksek sıcaklıklarda çalışabilecek yay, membran vb. parçalar imal edilir. 

Kanada'da nikel ve bakırın birlikte bulunduğu geniş maden yataklarındaki cevherin izabesi sonucu, yaklaşık % 68 nikel ile % 30 bakır ve bir miktar demir içeren "doğal" bir alaşım (Monel) elde edilir. Monel sülfirik asit ve diğer pek çok etkin kimyasal maddeye karşı son derece dirençlidir. Alaşımın sadece sözü edilen cevherden kazanıldığı dönemlerde, bu üstünlükleri dolayısıyla kendine özgü bir takım doğal kuvvetlere sahip olduğu sanılmıştır. 

NiCu30Fe ve çökelme sertleştirmesine elverişli NiCu30A1 alaşımları (DIN 17743) dışında, silisyum içeren G-NiCu30Si3 gibi döküm alaşımları da vardır (DIN 17730). 

Nikel-bakır alaşımlarının korozyona dayanıklılığı, sulu çözeltiler tarafından yüzeylerinde pasif bir tabakanın oluşturulmasına bağlıdır. Bu tabakanın bozulduğu bölgelerde yerel korozyon meydana gelebilir. Ancak noktasal korozyon, taneler arası korozyon, gerilme korozyonu veya korozyon yorulması gibi olaylar, söz konusu malzemelerde çok seyrek ve ancak bütün olumsuz koşulların bir araya gelmesiyle görülür. Nikel-bakır alaşımlarının tuzu giderilmiş ve gazı alınmış saf suya (nükleer reaktörlerin birincil soğutma devrelerinde), deniz suyuna, acı suya, anorganik tuzların ve oksitleyici olmayan asitlerin çözeltilerine karşı dayanıklı olduk-arı söylenebilir. Kuvvetli oksitleyici tuzlar ve asitler (örneğin nitrik asit) ile amonyak çözeltileri ise bu malzemeleri korozyona uğratır. Enerji santralları, gemiler ve kimya endüstrisi için cihaz, kondenser ve ısı değiştirgeçlerinin üretiminde, nikel-bakır alaşımları yüksek sıcaklık dayanımlarının da iyi olması nedeniyle yaygın olarak kullanılırlar.
 

Termik kuvvet makinalarının verimini iyileştirmek için pratikte öncelikle izlenen yol, artırılan çalışma sıcaklığına dayanabilecek malzemeleri geliştirmektir. Böylece malzeme teknolojisi enerji kaynaklarının etkin olarak kullanılmasında önemli rol oynar. Günümüzün termik makinalarında aşırı ısıl zorlanma ile karşılaşan parçaların büyük bir bölümü, çoğunluğu nikel esaslı olan yüksek sıcaklık alaşımlarından (süper alaşımlar) imal edilmektedir. 

STEFAN-BOLTZMANN kanununa göre ısı ışınımı mutlak sıcaklığın 4.kuvveti ile orantılıdır. Bu nedenle kızgın durumda çalıştırılan ısıtıcı elektrik dirençlerinde sıcaklık katsayısının değişmemesinden çok, örneğin NiCr 80 20 alaşımında olduğu gibi sürünme ve tufallanmaya dayanıklılık özellikleri aranır. 

Yüksek sıcaklıkta tufal tabakası oluşumu metalin oksitleyici ortamla temasını tümüyle engellese bile, oksijen ve metal iyonlarının bu tabaka içinde karşılıklı yayınıp birleşmelerinden ötürü reaksiyon devam eder. Dolayısıyla olay FICK yayına kanununa dayanılarak matematik açıdan incelenirse, oksit tabakası kalınlığı (x) ile zaman (t) ve tufal sabiti (k veya k") arasında 

x² = 2.k.t = k”.t

denklemi elde edilir. Metallerin çoğu için geçerli olan bu parabol bağıntısında, x değeri birim yüzeydeki ağırlık artışını da ifade eder; tufal sabiti ise sıcaklık ve bileşime bağlıdır. Uygulamada çeşitli nedenlerle bu ideal eğriden sapmalar görülür. Örneğin elektrik fırınlarının direnç tellerinde sıcaklık sabit kalmaz; ısıl genleşmesi metalinkinden farklı olan oksit tabakası çatlayabilir. Gaz türbini kanatçıklarında ise yanma külünden başka, emilen deniz havasından gelebilecek tuz, oksitlenmeyi etkiler. Gaz veya sıvı yakıt brülörlerinin ağızları ve koruyucu atmosferli tav fırınlarının muflaları yalnız sıcaklığı değil karışım oranı da değişen ortamlarda çalışırlar. 

Bir malzemenin, belirli bir kullanım sıcaklığının üzerine çıkılmamak koşuluyla, tufallanmaya dayanıklı olarak nitelenebilmesi için, yüzeyindeki oksit tabakası koruyucu yani kalınlığı çok fazla artmayan ve çatlamayan türden olmalıdır. Bir ısıtıcı elemanın boyutlandırılmasında birim yüzeye yüklenen güç (W/cm²) dikkate alınır; işletme ömrü ise bu değerden başka sıcaklık, seramik taşıyıcının bileşimi, fırın atmosferi, devre açma kapama sıklığı gibi çalışma koşullarına bağlıdır. 

Doğrudan ısı üretmeyen (pasif) parçalar için seçilen ısıya dayanıklı malzemelerde ise, işletme ömrünün uzatılması amacıyla, en yüksek kullanım sıcaklığı dirençlerinkinden daha düşük tutulur. Bu sıcaklıkta malzemenin 120 saat bekletilmesi sonucu oluşan tufal miktarı en çok 1 g/ (m²h) olmalı, ayrıca sıcaklığın 50 K artırılması halinde de 2 g/(m²h) değerini aşmamalıdır. 

Bulunduğu gaz atmosferinin karakteri bir parçanın işletme ömrünü ve müsaade edilebilir sıcaklığını büyük ölçüde etkiler. Özellikle birbiri ardına oksitleyici ve redükleyici olabilen ortamlar, malzemenin dayanıklılığını sağlayan kararlı tufal tabakasının oluşumunu güçleştirir. Yeterince korunamayan yüzeylerden içyapıya azotun da girebilmesi, örneğin demir-krom-alüminyum alaşımlarında nitrür meydana getirerek gevrekleşmeye yol açar. 

Yüksek sıcaklık dayanımlı alaşımlar titan ve alüminyum katkılar içerdiklerinden çökelme sertleşmesine elverişlidirler. Ancak yüksek sıcaklıklarda uzun süre kalmaları halinde aşırı yaşlanabilecekleri, diğer bir deyişle kullanım sürelerinin bu bakımdan da sınırlı olduğu hesaba katılmalıdır. İşletme ömrü olarak, basınçlı kaplar ve termik kuvvet santralı donanım/arı için genellikle 100.000 saat öngörülürken, tepkili uçak motor parçalarında birkaç 100, füzelerde ise 1 saat gibi: çok kısa süreler söz konusudur. Uygulamada bu tür malzemelerin denenmesi ve seçiminde öncelikle sürünme eğrisinin II. bölgesi dikkate alınmaktadır. Sertleştirilebilen nikel alaşımlarının dayanımı kobalt, molibden ve volfram katkılarıyla ayrıca yükselir. 
 

Nikelin zaten iyi olan korozyona dayanıklılığı krom, molibden ve bakır ile alaşımlandırılarak daha da artırılabilir. Bu alaşımlar kimyasal kararlılık bakımından ostenıtik paslanmaz çeliklerden üstündür. %45'ten fazla nikel içeren malzemelerde gerilme korozyonu çatlamasına hemen hemen hiç rastlanmaz. LC-Low Carbon (düşük karbon) kaliteleri ile titan veya niyobla stabilize edilmiş türler taneler arası korozyona uğramaz. Klorürlü çözeltilerde noktasal korozyon da sadece çok olumsuz koşullar altında ortaya çıkar. 

Nitrik, sülfirik ve fosforik aside karşı dirençli Ni-Mo-Cr-(CW (DIN17744) alaşımları öncelikle kimya endüstrisi donatımlarında kullanılır. Bu malzemeler kaynakla birleştirilebilir. Tavlama gerektiren plastik şekillendirme işlemlerinde ise fırın atmosferinin kükürtsüz olması sağlanmalıdır. 
 

Saf nikelin manyetikliği demir ve kobaltınkinden çok daha azdır. Bu durum saf metallerin manyetik akı yoğunluğu doyma değerlerinin karşılaştırılmasından açıkça görülür. Oda sıcaklığındaki nikel-demir alaşımlarında ise, söz konusu B_maks değeri artan nikel miktarıyla önce sıfıra kadar azalıp, daha sonra yaklaşık %50 Ni için maksimuma ulaşır. Nikelin %29 dolayında bulunmasıyla manyetikliğin kayboluşu (B_maks=0), manyetik dönüşüm (CURIE) noktasının oda sıcaklığının altına düşmesinden ileri gelir. Nitekim yeterince alçak sıcaklıklarda bu alaşım manyetiktir.

Demir-nikel diyagramında FeNi3 bileşimine karşılık gelen ve ortalama %75 nikel içeren bir süper kafes oluşum alanı görülmektedir. Süper kafesin düzenlenme derecesi soğuma hızına bağlıdır. Yavaş soğumada düzenlenme çok iyi ve dolayısıyla manyetik geçirgenlik düşüktür. Hızlı soğutma (su verme) ile süper kafes oluşumu engellenerek yüksek geçirgenlik değerleri elde edilebilir. Teknik alaşımlara ise süper kafes oluşumunu önlemek için bakır ile krom veya molibden katılır. 

Demir-nikel sisteminde pratik açıdan önemi fazla olan dört alaşımın özellikleri ile kullanım yerleri aşağıda özetlenmiştir: 

Yaklaşık %29 nikel içeren demir-nikel alasımı oda sıcaklığında manyetik değildir. Geçmişte elektrik makinalarının mıknatıslanması gerekmeyen parçaları için kullanılmıştır. Günümüzde ise sözü edilen uygulamalarda, nikelin bir bölümü yerine mangan ve krom katılmış, örneğin FeNi9Mn8Cr4 vb. alaşımlardan yararlanılmaktadır. FeNi29 gibi oda sıcaklığında manyetik olmayan bu malzemeler daha ucuz ve daha yüksek dayanımlıdırlar.

Yaklaşık %36 Ni içeren demir-nikel alaşımı, manyetik alan şiddeti üst değerlere ulaşıncaya kadar, geçirgenliği çok az değişen bir malzemedir. Dolayısıyla en başta elektro-akustik amaçlarla kullanılan, distorsiyona yol açmayacak trafoların yapımına yarar. Ayrıca anılan bileşim bölgesinde elektrik direncinin artması, girdap akımları kaybını azaltır. Bu özellik kalın röle parçalarında fayda sağlar.

Yaklaşık %50 Ni içeren  demir-nikel alaşımının hem başlangıç geçirgenliği, hem de manyetik akı yoğunluğunun doyma değeri yüksektir. Başlıca kullanım yerleri arasında ölçme trafoları ve şasi akımı koruyucu röleleri sayılabilir. 

Yaklaşık %75 Ni içeren nikel-demir alaşımlarının küçük alan şiddetlerindeki manyetik geçirgenliği özellikle yüksektir. Kullanım yerlerine örnek olarak elektronik cihazlar ve yabancı alanlardan korunması gereken çok duyarlı ölçü aletlerinin manyetik ekranları gösterilebilir.

Kristal yapı kusurları manyetik geçirgenlik (p), kalıcı manyetiklik (Br), koersif alan şiddeti (He) gibi özellikleri etkiler ve histerezis alanının büyümesine yol açarlar. Bu nedenle yumuşak manyetik  malzemelere şekil verme işlemi uygulanırsa, genellikle bir son tav yapılarak dislokasyon yoğunluğunun azaltılmasına çalışılır. Yukarıda açıklanan manyetik alaşımlar bu gruba girer.

BLOCH duvarlarının geri dönüşünü ve dolayısıyla manyetikliğin ortadan kalkmasını önleyen kristal yapı kusurları, sert manyetik malzemelerde bir ölçüde istenir. Demir-Nikel-Kobalt esaslı olan bu alaşımlara alüminyum, titan veya niyob katılarak çökelme sertleşmesi özelliği kazandırılabilir (çökelen parçacıklar BLOCH duvarlarını kilitlerler). Optimum sonuçlar ısıl işleminin manyetik alanda yapılması halinde elde edilir.