니켈이란? – 합금, 특성 및 용도

니켈이란?

기호 Ni와 원자 번호 28을 가진 니켈은 화학 원소입니다. 니켈은 자연적으로 발생하는 은백색의 빛나는 금속 원소입니다. 그것은 행성에서 여섯 번째로 널리 퍼진 원소이며 지각과 핵에 풍부합니다. 철과 같은 니켈은 운석의 흔한 원소이며 식물, 동물 및 바다에서도 미량으로 발견됩니다.

지구에서 다섯 번째로 널리 퍼진 원소임에도 불구하고 순수한 니켈은 산소와 반응하므로 표면에서 거의 발견되지 않습니다. 니켈은 철과 결합할 때 특히 안정적이며, 이는 철 함유 광석에 니켈이 존재하고 스테인리스강 생산에 실제적으로 사용되는 이유를 설명합니다.

니켈은 매우 강하고 내부식성이 있어 금속 합금 강화에 이상적입니다. 또한 연성 및 가단성이 있어 수많은 합금이 와이어, 로드, 튜브 및 시트로 형성될 수 있습니다.

 

 

니켈의 역사

1751년 Baron Axel Fredrik Cronstedt가 처음으로 순수 니켈을 분리했지만, 오래전부터 알려져 있었습니다. 기원전 1500년경의 중국 문헌에는 '백동'이 언급되어 있는데, 이는 거의 확실히 니켈-은 합금이었습니다.

15세기 독일 광부들은 작센의 니켈 광석에서 구리를 추출할 수 있다고 믿었던 이 금속을 '악마의 구리'라는 뜻의 쿠퍼니켈(kupfernickel)이라고 불렀습니다. 광석에서 구리를 추출하려는 무익한 시도와 광석의 높은 비소 함량으로 인한 건강 영향 때문일 수 있습니다.

James Riley는 1889년에 영국 철강 연구소에서 니켈을 사용하여 전통적인 강철을 개선하는 방법에 대해 연설했습니다. Riley의 연설은 니켈의 우수한 합금 품질에 대한 관심을 불러일으켰고, 또한 뉴칼레도니아와 캐나다에서 막대한 니켈 매장량이 발견된 것과 일치했습니다.

20세기 초 러시아와 남아프리카에서 광석 자원이 발견되면서 대규모 니켈 생산이 가능해졌습니다. 곧이어 제1차 세계 대전과 제2차 세계 대전이 일어나 철강 소비가 크게 증가하고 결과적으로 니켈 수요가 증가했습니다.

 

니켈 합금

구리, 크롬, 철, 몰리브덴을 포함한 대부분의 금속은 니켈과 쉽게 합금됩니다. 다른 금속에 니켈을 첨가하면 합금의 특성이 변경되어 부식 또는 산화 저항성 개선, 고온 성능 증가 또는 열팽창 계수 감소와 같은 바람직한 특성을 달성할 수 있습니다.

다음은 니켈 합금입니다.

 

1. 니켈-철 합금
니켈-철 합금은 낮은 열팽창율이 바람직한 응용 분야에 사용됩니다. Invar의 열팽창 계수는 탄소강의 약 10분의 1입니다.

니켈-철 합금은 치수 안정성이 높기 때문에 정밀 측정 장비 및 온도 조절 막대에 유용합니다. 니켈 비율이 더 높은 다른 니켈-철 합금은 변압기, 인덕터 및 메모리 저장 장치와 같은 연자성 애플리케이션에 사용됩니다.

2. 니켈-구리 합금
니켈-구리 합금은 29-33%의 구리(Cu)의 실질적인 합금 원소를 포함하는 니켈 기반 합금입니다. 구리와 니켈의 단상 고용체. 3% 알루미늄(Al) 및 0.6% 티타늄(Ti)을 추가 합금 원소로 사용하는 열처리 가능한 니켈-구리 합금은 석출 경화를 통해 강화할 수 있습니다.

니켈-구리 합금은 우수한 산 및 알칼리 내식성, 높은 기계적 강도, 우수한 유연성 및 낮은 열팽창 계수를 가지고 있습니다. 합금은 가공성이 낮습니다. 화학 처리 장비, 밸브 스템, 스프링, 펌프, 샤프트, 피팅, 열교환기, 스크류 기계 제품 및 해양 장비는 니켈-구리 합금을 사용합니다.

3. 니켈-크롬 합금
내식성, 고온 강도 및 전기 저항은 니켈-크롬 합금의 바람직한 특성입니다. 예를 들어 NiCr 70/30은 융점이 1380oC이고 전기 저항이 1.18m입니다. Nikrothal 70, Resistohm 70 및 X30H70. 니켈-크롬 합금은 토스터 및 기타 전기 저항 가열기의 발열체입니다.

4. 니켈-몰리브덴 합금
니켈-몰리브덴 합금은 강산 및 염산, 염화수소, 황산 및 인산과 같은 기타 환원제에 화학적으로 내성이 있습니다. Alloy B-2와 같은 합금은 화학적 구성에서 몰리브덴 농도가 29-30%이고 니켈 농도가 66-74%입니다. 응용 분야에는 펌프 및 밸브, 개스킷, 압력 용기, 열교환기 및 파이프 작업이 포함됩니다.

5. 니켈-크롬-철 합금
니켈-크롬-철 합금은 이러한 원소를 결합하여 산화 및 고온 부식에 저항하는 합금을 생성합니다. Incoloy 800, Ferrochronin 800, Nickelvac 800 및 Nicrofer 3220이라고도 하는 Alloy 800은 석유화학 용광로 분해관과 같은 용광로 구성요소 및 전기 발열체용 외장재로 사용됩니다.

이 합금은 또한 고온 크리프 및 파열 특성으로 인해 높이 평가됩니다. 이러한 합금은 일반적으로 30-35% 니켈, 19-23% 크롬 및 최소 39.5% 철입니다. 높은 철 농도로 인해 이러한 합금은 스테인리스강으로 분류되었습니다.

6. 니켈-크롬-코발트 합금
크리프 파열 강도를 증가시키기 위해 크롬 및 몰리브덴이 포함된 니켈 합금이 추가됩니다. 예를 들어 Alloy 617은 20~24%의 크롬, 10~15%의 코발트, 8~10%의 몰리브덴으로 구성되어 있으며 최소 니켈 농도는 44.5%로 Inconel 617 및 Nicole 617이라는 브랜드 이름으로 공급됩니다.

산업용 용광로 구성 요소, 가스 터빈, 질산 촉매 그리드 지지체 및 화석 연료 생산 시설에는 이러한 합금이 필요합니다.

7. 니켈-크롬-몰리브덴 합금
합금 C-276(N10276)은 이러한 내식성 합금 중 가장 잘 알려져 있습니다. 그들은 염산 및 황산과 같은 환원산에 대한 높은 내성을 가지고 있습니다. 이 조성을 기반으로 한 여러 변형은 Cr 및 Mo 양을 변경했으며 일부 경우에는 더 많은 산화 또는 환원 환경에서 내식성을 증가시키기 위해 Cu 또는 W를 추가했습니다. 합금 C-22(N06022), 합금 59(N08059), 합금 C-2000(UNS N06200) 및 합금 686(N06686)이 사용 가능한 합금 중 일부입니다.

8. 니켈-티타늄 합금
형상 유지 및 형상 기억 품질은 니켈-티타늄 합금에서 볼 수 있습니다. 이 합금으로 더 높은 온도에서 모양을 만든 다음 더 낮은 온도에서 생성된 모양에서 변형함으로써 합금은 원래 모양을 기억하고 이 소위 전이 온도로 가열될 때 변형됩니다.

전이 온도는 합금의 조성을 조작하여 변경할 수 있습니다. 이 합금은 무엇보다도 석조 건축물의 완충재로 사용할 수 있는 초탄성 특성을 가지고 있습니다.

 

니켈 광석

1. 황화물
니켈, 구리 및 철을 포함하는 황화물은 캐나다 광석에서 발견됩니다. Pentlandite(Ni, Fe)9S8이 가장 중요한 니켈 광물이며, 철의 일부가 니켈로 대체된 자황철석(FeS~Fe7S8)이 그 뒤를 잇습니다. 이 광석의 주요 구리 광물은 황동석(CuFeS2)과 입방정(CuFe2S3)입니다.

또한 일부 금, 은 및 6개의 백금족 금속이 있으며 이들의 회수가 중요합니다. 코발트, 셀레늄, 텔루륨 및 유황은 모두 광석에서 추출할 수 있습니다.

2. 라테라이트
라테라이트는 소량의 니켈과 함께 감람석 풍화로 인해 형성되는 광석입니다. 아열대 기후에서 풍화 작용으로 대부분의 모암이 제거되지만 함유된 니켈은 용해되어 하류로 스며들며 잠재적으로 높은 농도에 도달하여 채광을 수익성 있게 만듭니다.

 

니켈 제조

니켈은 약 1%의 니켈을 함유하는 니켈 황화물 펜틀란다이트, 자철석 및 밀러라이트와 약 4%의 니켈을 함유하는 철 함유 라테라이트 광석 갈모나이트 및 가니에라이트에서 주로 회수됩니다.

니켈 분리 공정은 광석 유형에 크게 의존합니다. Canadian Shield와 시베리아에서 발견되는 것과 같은 니켈 황화물은 일반적으로 깊은 곳에서 발견되므로 추출이 어렵고 비용이 많이 듭니다.

그러나 이러한 광석의 분리 방법은 뉴칼레도니아에서 발견되는 것과 같은 라테라이트 광석보다 훨씬 저렴합니다. 또한, 황화니켈에는 경제적으로 추출할 수 있는 기타 귀금속의 불순물이 포함되어 있는 경우가 많습니다.

니켈 매트 및 산화니켈은 거품 부유선광, 습식 제련 또는 자기 방법에 의해 황화물 광석으로 만들 수 있습니다. Sherritt-Gordon Treat는 일반적으로 40-70%의 니켈을 포함하는 이러한 중간 제품을 추가로 처리하는 데 일상적으로 사용됩니다.

몬드(또는 카르보닐) 공정은 니켈 황화물을 처리하는 가장 대중적이고 효율적인 기술은 몬드(또는 카르보닐) 공정입니다. 이 절차에서 황화물은 수소로 처리되고 휘발 가마로 공급됩니다. 약 60℃에서 일산화탄소와 반응하여 니켈 카르보닐 가스를 생성합니다.

니켈 카르보닐 가스는 필요한 크기에 도달할 때까지 가열 챔버를 순환하는 예열된 니켈 펠릿의 표면에서 분해됩니다. 이 절차는 더 높은 온도에서 니켈 분말을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

철 함량이 높기 때문에 라테라이트 광석은 종종 프로 메탈릭 기술을 사용하여 제련됩니다. 라테라이트 광석은 수분 함량이 35~40%로 높기 때문에 회전 가마로에서 건조해야 합니다. 그것은 전기로에서 (1360 °C -1610 °C) 온도 범위에서 환원되고 휘발되어 Class I 니켈 금속 및 황산니켈을 생성하는 산화니켈을 생성합니다.

 

니켈의 속성

▷ 니켈은 강자성이므로 주변 온도에서 쉽게 자화됩니다.
▷ 가단성과 연성입니다.
▷ 니켈은 원자번호가 28번입니다.
▷ 열, 산화 및 부식에 대한 니켈의 내성은 최고의 품질 중 하나입니다.
▷ 은백색이며 황금색입니다.
▷ 니켈의 녹는점은 1555°C이고 끓는점은 약 2835°C입니다. 니켈은 순수한 상태에서 산소와 반응합니다.

 

니켈의 용도

이 천연 원소는 현재 다양한 용도로 사용되어 가장 중요한 금속 중 하나입니다. 니켈의 중요한 용도 중 일부는 다음과 같습니다.

▷ 스테인리스 스틸은 생산되는 전체 니켈의 65% 이상을 사용합니다.
▷ 니켈 금속 수소화물 및 충전식 니켈 카드뮴 배터리는 니켈 원소를 포함하는 두 가지 유형의 배터리입니다.
▷ 휴대용 전동 공구, 캠코더, 스캐너 라디오, 기타 줄, 랩톱, 휴대폰 및 무선 전화기는 니켈이 포함된 일상적인 장치의 몇 가지 예에 불과합니다.
▷ 담수화 플랜트는 일반적으로 해수를 담수로 전환하기 위해 구리-니켈 합금을 사용합니다.
▷ 니켈은 가단성과 유연성 때문에 와이어를 만드는 데 좋은 재료입니다.
▷ 가스터빈 및 제트엔진 부품에는 니켈과 철 또는 코발트를 결합하여 만든 초합금이 사용됩니다.
▷ 니켈 디메틸글리옥심 화합물은 화장품, 페인트 및 일부 폴리머의 착색제로 사용됩니다.
▷ 니켈은 또한 이 천연 재료를 사용하여 다른 금속을 전기도금하는 데 사용됩니다.

 

니켈의 장점

니켈은 전이 금속으로 분류됩니다. 상온에서 산화 속도가 느리기 때문에 단단하고 가단성이 있으며 부식에 강합니다. 또한 주변 온도에서 자성을 가지며 융점이 높습니다.

니켈의 단점

너무 많은 니켈이 인체에 들어가면 지구상의 다른 많은 금속과 마찬가지로 부정적인 결과를 초래합니다. 우선, 채광하는 동안 특정 니켈 화합물을 흡입하면 광부에게 생명을 위협하는 알레르기가 발생할 수 있습니다.

섬유증, 폐암 및 기타 질병은 이러한 직원에게 더 흔합니다. 높은 니켈 농도가 공기, 토양, 음식 또는 물 공급에 축적되면 인간은 중독될 위험이 있습니다.