Мы продолжаем наш рассказ про никель.
Первую статью про этот элемент ("Металл по имени Колян") мы закончили на том, что металл, названный в честь зловредного духа Николауса, или, сокращенно, Никеля, остался безработным, потому что не вызвал интереса ни у кого, кроме ювелиров.
Увы, но и карьера ювелирного металла не задалась - чистый никель оказался аллергеном. Разумеется, негативно действовал он не на всех, но примерно у каждой восьмой модницы никелевые кольца или браслеты вызывали раздражение кожи. Мода на никелевые серьги и подвески быстро сошла на нет, и новооткрытый металл вновь остался на бобах.
На его счастье, в начале XIX века началось новое поветрие. Подобно тому, как рыцари Круглого стола когда-то искали Священный Грааль, все европейские металлурги кинулись придумывать заменитель серебра. И этому были причины...
Но знаменитая "Гонка за столовыми приборами" - это слишком занятная история, чтобы рассказывать ее скомкано. Поэтому про "цыганское золото", "польское серебро", а также знаменитый советский мельхиор, который совсем не мельхиор, мы расскажем как-нибудь в другой раз.
Кстати, у вас в шкафу есть такие приборы? У нас - есть!
А пока просто скажем, что в результате всей этой суеты было разработано большое количество сплавов, имитирующих серебро. Практически все они - "нейзильбер", "мельхиор", "аргентан", "альфенид", "альпака" и т.п. - включали в себя никель.
Потом мода на "альтернативное серебро" прошла, но использовать никель для создания различных сплавов металловедам понравилось, и они продолжили это занятие.
В результате "металл по имени Колян" обрел первую постоянную профессию - стал трудиться в качестве компонента для сплавов. И не просто обрел - он даже стал одним из чемпионов в этой дисциплине!
Никелевых сплавов придумано и запатентовано очень много - более 3 тысяч марок. Все перечислять не возьмемся, но несколько заметных назовем.
Большую группу "заменителей серебра" мы с вами отложили на потом, поэтому о них - позже.
Одним из самых важных для промышленности сплавов является монель-металл, или просто монель - серия сплавов на основе никеля, содержащих до 67% никеля и до 38% меди. Монель назван в честь Эмброуза Монелла - первого президента International Nickel Company, знаменитого металлурга и военного летчика, умершего в 47 лет, но ставшего легендой американского бизнеса. Вот он на фото с добытой им огромной рыбой-луной.
Главное полезное качество монель-металла — коррозионная стойкость. Обычно его применяют в химической, нефтяной, судостроительной, медицинской промышленности, в аппаратостроении - поскольку он настолько коррозионно устойчив, что его не берет даже фтор. По сравнению со сталью монель гораздо сложнее в обработке, так как закаливается при высоких температурах, а еще он всегда гораздо дороже нержавеющей стали, имейте в виду!
Еще одни сплавы, которые хотелось бы выделить это нихромы - группа сплавов, состоящих, как нетрудно догадаться по названию, из никеля и хрома.
Если быть точным, то в зависимости от марки сплава нихром - это 55—78% никеля и 15—23% хрома с добавками марганца, кремния, железа, алюминия. Первый нихром, как и первый монель, был разработан в США, в 1905 году.
Нихромы обладают высокой жаростойкостью и тугоплавкостью - их рабочая температура может составлять до 1100–1400 °C в зависимости от марки. Благодаря сочетанию высокого сопротивления и жаростойкости, нихром является идеальным материалом для преобразования электрической энергии в тепловую.
Поэтому он - главная рабочая лошадка во всех нагревательных приборах. Электрические плиты, духовки, тостеры, чайники, фены, паяльные станции, обогреватели, грили для шаурмы, во конце концов! - все это рок-н-ролл нихром.
Помните советские электрические плитки и утюги со спиралями? Спираль была нихромовой. Чрезвычайно полезная штука. Мы в общежитии приматывали кусок такой спирали к шнуру с вилкой и использовали эту конструкцию вместо кипятильника. Трехлитровая банка с водой прыгала по столу, но закипала за 5 минут, главное, чтобы предохранители на этаже выдержали!
Есть инвар - сплав 36% никеля с железом (остальные проценты). Главная его особенность - уникально низкий коэффициент температурного расширения, он практически не увеличивается при нагревании. Если предметно - при нагреве от 0 до 40°С его объем увеличивается всего на одну миллионную долю. Почему он и был назван "инваром": от латинского слова invariabilis — неизменный.
Главная сфера применения - точное приборостроение. Из ивара изготавливают мерные проволоки в геодезии, эталоны длины, детали часовых механизмов (балансиры хронометров, пружины), детали барографов и высотомеров, несущие конструкции лазеров и многое другое. Он даже в космос вышел - применялся в трубе советского орбитального телескопа «Астрон».
Есть платинит - еще один союз никеля с железом, приправленный углеродом (Ni (42-46%); C (0,15%); остальное Fe). Несмотря на название, не является ювелирным сплавом, так как создавался совсем для другого.
Главное место работы платинита - стекло.
Дело в том, что коэффициент линейного расширения у него близок к аналогичному коэффициенту у стекла, поэтому платинит применяется для выделки оправ к стеклам в тех случаях, если изделие подвергается нагреву, детали из платинита запаивают в стекло и т.п.
Поскольку тем же самым коэффициентом обладает и платина, раньше для этих целей использовались дорогостоящие платиновые проводники. А сравнительно дешевый платинит специально разрабатывали "под замену" - отсюда и название.
Перечисляем дальше.
Элинвар - брат инвара. Название собрано из древнегреческого слова elastos — эластичный, упругий и уже знакомого нам латинского invariabilis — неизменный. Элинварами называется группа железно-никелевых сплавов, упругие свойства которых практически не зависят от температуры. В основном элинвары идут на изготовление пружин.
Первый элинвар был создан в конце десятых годов двадцатого века Шарлем Эдуаром Гийомом, швейцарско-французским физиком, который незадолго до этого открыл инвар.
За эти два открытия в 1920 году Гийом получил Нобелевскую премию по физике.
Какие хорошие были времена! Сразу любому обывателю понятно - за что дали. Не то, что сейчас.
Есть серия японских магнитных никелевых сплавов - алнико (алюминий-никель-кобальт), мишима, альни, ставших основой для производства самых дешевых (но и самых слабых) магнитов - так называемых ферромагнитов. Если у вас дома на холодильнике висят магнитики - практически наверняка это ферромагниты.
Группа ферроникелевых сплавов пермаллой — это "суперпроводники" для магнитного потока. Ключевое свойство пермаллоя — чрезвычайно высокая магнитная проницаемость, в десятки тысяч раз выше, чем у железа. Даже в очень слабых внешних полях он сильно намагничивается, что делает его незаменимым для работы с малыми сигналами.
Основная и самая важная сфера применения пермаллоев — это магнитомягкие сердечники для электротехники и радиоэлектроники.
Именно из пермаллоя делали магнитные головки для записи и воспроизведения в кассетных и катушечных магнитофонах и первых видеомагнитофонах, показывающих, как Терминатор отжимает у волосатого байкера одежду, ботинки и мотоцикл.
Сейчас эту сферу у пермаллоев уже отжали более износостойкие ферриты, но пермаллои еще рано списывать на свалку истории. Они уверенно контролируют такие сектора, как высокочастотные трансформаторы и дроссели, датчики магнитного поля и, особенно, магнитное экранирование — здесь у пермаллоя до сих пор нет равных для низкочастотных полей, и эта область применения активно растет.
"Сладкая парочка" алюмель и хромель - это классика, которая не устаревает, несмотря на появление новых материалов. Если говорить кратко, то их главная "суперсила" — это точное измерение высоких температур. А это очень важно, даже не столько в быту, сколько в промышленности. Поэтому для инженеров измерение температуры - насущная потребность, с которой мало что сравнится.
Хромель и алюмель - это не просто сплавы, а парные термоэлектродные материалы, почти всегда работающие вместе. Хромель - сплав на основе никеля (около 90%) и хрома (около 10%). Он выступает положительным электродом. Алюмель состоит из того же никеля (около 95%) с добавками алюминия, марганца и кремния - и это отрицательный электрод. Вместе они образуют самую распространенную в мире термопару типа K.
Как сегодня пишут в описании этого товара на маркетплейсах: "Хотите измерить температуру жала паяльника, узнать при скольких градусах цельсия плавился терминатор T-800 или насколько жарко в деревенской печи? Термопара K-типа утрет нос полупроводниковым термометрам и поможет измерить температуру измеряемой среды!".
Что в них такого особенного, почему именно парочка алюмель-хромель стала "золотым стандартом" в инженерии?
Ответ прост - они надежно работают в диапазоне от -200 °C до +1250 °C. Это покрывает огромное количество промышленных и научных задач. По большому счету, для большинства повседневных измерений (в печах, котлах, двигателях) этого более чем достаточно.
Это блестящее инженерное решение начала XX века, которое до сих пор остается актуальным. Термопара типа К представляет собой идеальный баланс стоимости, надежности и точности, что и сделало алюмель и хромель главными "рабочими лошадками" в сфере измерения температуры.
Кроме хромеля и алюмеля, в термопарах используется множество других никелевых сплавов - никросил, нисил, константан (к имени Константин не имеет отношения, название образовано от слова constant — постоянный), копель...
Но мы о них говорить не будем - и так разболтались сегодня.
Осталось последнее семейство никелевых сплавов. Потерпите?
Все началось со сплава под названием нитинол. Нитинол - это одно из самых удивительных и почти "магических" изобретений в материаловедении.
Как многие другие прорывные изобретения, нитинол появился на свет в военных лабораториях. В данном случае это даже закреплено в названии. Nitinol — это аббревиатура из Ni + Ti + NOL. То есть Никель + Титан + Военно-морская лаборатория боеприпасов США (Naval Ordnance Laboratory).
Именно в этой лаборатории в 1960-х годах Уильям Бюлер и его команда и создали этот уникальный материал.
Вернее, сначала он вовсе не был уникальным. Нитинол считался обычной перспективной разработкой - ну, неплохой сплав, но не более того. Достаточно легкий, прочный и пластичный, коррозионностойкий - но и только. Таких в мире богато.
Уникальность сплава выявили случайно. Во время экспериментов нитиноловую спираль зачем-то нагрели до 150°С. Потом, когда она остыла, стали испытывать способность сплава сопротивляться растяжению - подвешивали к ней все более и более тяжелые грузики, пока они не растянули спираль в ровную проволоку. И потом эту проволоку зачем-то опять нагрели - до 95°С. Вот тут-то и произошло чудо - на глазах исследователей (несоразмерно вытаращенных глазах, я бы сказал) проволока вдруг... опять превратилась в спираль.
Оказалось, что нитинол помнит прошлое, и при определенных условиях принимает форму, которая у него была ранее. Предприимчивые американцы даже устраивали из этого натуральное шоу - изгибали проволоку словом "нитинол", потом растягивали, а на презентации пропускали через прямую проволоку сильный электрический импульс, мгновенно разогревавший ее, и под взорами восхищенной публики она изгибалась в название сплава.
Как только не собирались использовать это волшебное свойство сплава с памятью формы! Думали делать из нитинола антенны для спутников - и пусть на орбите небольшой комок проволоки, нагретый лучами Солнца, разворачивается в огромную антенну. Или собирались делать из нитинола заклепки для конструкций, к которым можно подобраться лишь с одной стороны...
Но в итоге главной сферой применения сплавов с памятью формы стала медицина.
Из сплавов делают стенты - проволочные трубочки, которые в вытянутом состоянии вводят больному в сосуд. Попав на место спайки, он расправляется и не только восстанавливает проток крови, но и поддерживает стенки сосуда.
Проволоку из нитинола используют для изготовления брекетов - сплав создает постоянное, мягкое давление на зубы, постепенно выравнивая их. Из сплавов с памятью формы делают специальные хирургические инструменты, которые вводят в тело через маленький разрез в миниатюрном состоянии, а внутри они принимают нужную рабочую форму - и так далее, и тому подобное.
Один из главных центров изучения сплавов с памятью формы находится у нас, в Университете МИСИС, где отечественные материаловеды занимаются этой темой с 70-х годов ХХ века.
Интервью с одним из пионеров этого исследовательского направления, научным руководителем лаборатории сплавов с памятью формы профессором Сергеем Прокошкиным вы можете прочитать на нашем Дзен-канале.
А мы пока прощаемся с вами. В следующий раз поговорим о других сферах применения никеля.