Nikkel: Het element

Nikkel is een relatief duur metaal die vooral bekend is als legeringselement in staal. De roestvaststaal industrie verbruikt circa 33% van de wereld nikkelproductie. De galvanische industrie verbruikt voor het aanbrengen van nikkellagen op materialen circa 15% van de nikkelproductie. Zonder nikkel geen austenitisch roestvast staal als AISI 304 en 316. De prijs van nikkel fluctueert zo sterk dat de prijs van hoogwaardige legeringen met een hoog nikkelgehalte gekoppeld is aan de nikkelprijs.

Nikkel in het periodiek systeem

Chemische eigenschappen van nikkel

Fysische eigenschappen van nikkel

Nikkelerts

De commercieel interessante Nikkel mineralen zijn verdeeld in sulfiden, oxiden, silicaten en arseniden. De belangrijke ertsen heden zijn de sulfiden en oxiden. Nikkel wordt meestal gewonnen uit het mineraal pentlandiet (NiS•2FeS). De belangrijkste bronnen van nikkel zijn de mineralen liminiet, garniriet en pentlandiet. Ongeveer 30% van wereldwijd gebruikt nikkel komt uit Ontario in Canada, uit Norilsk in Rusland (35%), Noorwegen, Australie, Cuba en Indonesie. De ertsen bevatten 1,2 tot 5% nikkel.

Nikkelbereiding

1. Erts gesmolten in koepeloven met cokes en kalksteentoeslag.
2. Verkregen ruwe nikkel met een flux (CaS) tot briketten geperst.
3. Briketten in een oven met 30% cokes.
4. Ruwe nikkeloxiden met een siliciumhoudende flux in Bessemer convertor gezuiverd.
5. Product bevat circa 80% nikkeloxide en circa 20% zwavel.
6. Product verpulverd in kogelmolen waarna geroost om zwavel te verwijderen.
7. Na roosten blijft er nikkeloxide over.
8. Dit nikkeloxide met koolstof samengeperst tot tabletten en 48 uur verhit.
9. Tijdens de verhitting de reactie: 2NiO + C 6 2Ni + CO²8.
10. Eindresultaat technisch zuiver nikkel (circa 99,25%).

Technisch zuiver nikkel 200 en 201

Deze kwaliteiten 200 en 201 met Werkstoff Nummers resp. 2.4066 en 2.4068 zijn technisch zuiver nikkel. Nikkel 200 hoge ductiliteit (taaiheid) goede warmtegeleiding en prima weerstand tegen corrosieve media. Nikkel 201 is practisch identiek aan nikkel 200 echter koolstofgehalte 201 is max 0,025%. Beide hebben in een reducerende omgeving goede corrosiebestendigheid. In oxiderende milieus ontstaat een passieve oxidefilm die het materiaal bestand maakt tegen natronloog, droge chloorwaterstof en droge broom. Nikkel 200 en 201 is bestand tegen spanningscorrosie in alkalische- chloridenhoudende oplossingen. Beide zijn goed koud en warm vervormbaar. Bij koudedeformatie groter dan 5% minimaal spanningsarm gloeien. Warmvervormen 800 - 1250oC. Houdt het milieu in de oven licht reducerend. Zwavelopname wegens de vorming van schadelijke nikkelsulfide. Zachtgloei temperatuur 700 -800 oC en voor spanningsarmgloeien 550 - 650oC, afkoelen in water. Nikkel 200 en 201 zijn goed lasbaar. LasprocessenTIG- en MIG en met beklede elektroden. De lastoevoegmaterialen zijn Werkstoffnummers 2.4155 voor TIG- en MIG-draad en 2.4156 voor elektroden.

Eigenschappen van technisch zuiver nikkel

• Kubisch vlakkengecenterd rooster.
• Hoge ductiliteit dankzij vele glijvlakken.
• Goede corrosiebestendigheid.
• Nikkel is één van de vier ferromagnetische metalen. D.w.z. dezelfde magnetische eigenschappen als ijzer (Fe), de andere twee zijn kobalt (Co) en gadolinium (Gd).
• Constante magnetische permeabiliteit.
• Geringe thermische uitzetting.
• Goede eigenschappen bij hoge temperatuur.
• Hoofd legeringselement in austenitische roestvaste stalen.
• Lasbaarheid nikkel goed.
• Goede kruipvastheid door tweelingen in de matrix en uitscheidingen, waardoor "wandelen" van dislocaties wordt belemmerd.

Lage mechanische waarden van technisch zuiver nikkel

• Treksterkte 470 N/mm2
• Strekgrens 150 N/mm2
• Verlenging 40%
• Insnoering 45%
• Hardheid HB 110 HB
• Elasticiteitsmodules 210.000 N/mm2

Chemisch vernikkelen(stroomloos vernikkelen)

• Goede corrosiebestendigheid.
• Hardheid van 50 HRc
• Hoge hardheid, slijtvast onder barre omstandigheden b.v. offshore industrie.
• Lage wrijvingscoëfficiënt (vermijdt koudlas)
• Goede bases voor solderen

Chemisch nikkel

Kenmerk van het autokatalytische proces is dat overal waar het vloeibare medium kan komen de deklaag opgebouwd wordt, ook aan de binnenzijde van blinde gaten in het product. voordeel t.o.v. elektrolytisch nikkel is dat er een gelijkmatige laagdikte ontstaat die tot op microns nauwkeurig onder controle is. Het product is gelijk aan de maat zonder nabewerking. De nikkellaag is corrosiebestendig en soldeerbaar.

De hardheid van de chemisch nikkellaag is 450 – 500 HV. Door gloeien bij 280 ºC kan een hardheid van 850 – 900 HV verkregen worden (dispersieharding). Chemisch nikkel is een legering van nikkel en fosfor. Het meest gebruikte procédé is het "midden fosfor"procédé met 6 –9 % P. Er is ook een procédé met 10 – 12 % P. Dat geeft betere corrosie-eigenschappen.

Toepassing van chemische nikkellagen

• Algemene machinebouw
• Verpakkingsindustrie
• Matrijzenbouw
• Voedingsmiddelen industrie

Nikkel als legeringselement in roestvast staal

Voor alle nikkellegeringen geldt fosfor- en zwavel minimaal. Vooral zwavel vermijden omdat nikkelsulfide (NiS) het metaal bros maakt. Bij smelten van nikkel moet het zwavel gebonden worden door weinig mangaan en/of magnesium. Chroomhoudende nikkellegeringen toepassen in een oxiderende omgeving en chroomvrije soort in een reducerende omgeving.

Invloed nikkel op staal

• Nikkel is een austenietvormer, maakt staal austenitisch tot ver onder nul.
• Betere bewerkbaarheid en taaiheid en hogere sterkte bij hoge temperatuur.
• Verbetert de lasbaarheid.
• Austenietisch staal is niet magnetiseerbaar.
• Slechtere warmtegeleiding.
• Hogere elektrische weerstand.
• Nikkel heeft geen invloed op putcorrosie; in Pitting Resistance Equivalent formule (PREn) ontbreekt nikkel.

Bekende hoog nikkelhoudende legeringen

Invloed van nikkel op de gezondheid

Lage concentraties nikkel komt voor in lucht, water, voedsel en sigaretten. In kleine hoeveelheden is nikkel onmisbaar in het menselijk lichaam, maar te veel is een gevaar voor de volksgezondheid.

• Grotere kans op long-, neus- en strottenhoofdkanker.
• Misselijkheid en duizeligheid na contact met nikkelgas.
• Stagneren van de ademhaling - astma en chronische bronchitis
• Nikkeldamp irriteert het ademhalingsstelsel en longontsteking veroorzaken.
• Allergische reacties; nikkelverbindingen kunnen dermatitis "nikkel jeuk" veroorzaken.
• Geboorteafwijkingen.
• Hartstoornis.