Issuu

Ж У Р Н А Л

НИКЕЛЬ

ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г.

В экстремальных условиях никель расширяет пределы возможного Под контролем при минусовых температурах

Новаторские разработки отправят электромобили на бóльшие расстояния

Никелевые сплавы в космосе выдерживают жару и холод

Мост Тинтажель (Tintagel Bridge) был спроектирован компаниями Ney & Partners (ведущие архитекторы и инженерыпроектировщики) и William Matthews Associates (архитекторы-компаньоны). Компанией-подрядчиком по работе с металлоконструкциями была Underhill Engineering Ltd., а генеральным подрядчиком выступала компания American Bridge. Исследование коррозионной активности условий на территории возведения объекта и консультации по выбору строительных материалов обеспечили Институт стальных конструкций (The Steel Construction Institute (SCI)) и компания Arup Materials.

Руины в районе замка Тинтажель в Корнуолле, Англия, с давних пор связывают с легендой о короле Артуре и рыцарях Круглого стола. Часть руин находится на выступающем в море мысе, отделённом от основной территории узким ущельем с отвесными скалистыми обрывами. До недавнего времени переход через это ущелье влёк за собой сложный спуск по дорожке, вьющейся по крутому уступу к короткому пешеходному мостику, а затем подъём по такой же дорожке на противоположной стороне. Новый пешеходный мост, строительство

соединяющих верхние и нижние пояса

которого было завершено в 2019 г., теперь

ферм, поперечных балках, развязках

протянут над ущельем на более высоком

верхней части моста и парапетном

уровне. Он состоит из двух консольно-

ограждении, а также в двух направляющих

арочных ферм, соединённых высоко над пропастью. Из-за узких подъездных дорог к

КОМПАНИЯ MILLSTOCK STAINLESS

ДЭВИД-ЛЕВЕН (DAVID-LEVENE) ОТ КОМПАНИИ WILLIAM MATTHEWS ASSOCIATES

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 20 МОСТ ТИНТАЖЕЛЬ

строительному объекту и ограничений на возможности использования грузоподъёмного оборудования был выбран проект легковесной конструкции в стали. Шесть удобных для монтажа сборных секций заводского изготовления для каждой консольно-арочной фермы были собраны прямо на строительном участке. Важные компоненты моста изготовлены

Тавровые профили в специальном исполнении были изготовлены швейцарской компанией Montanstahl и поставлены компанией Millstock Stainless.

«НИКЕЛЬ», Т. Т. 35, 35, № № 3, 3, 2020 2020 Г. Г. 22 || «НИКЕЛЬ»,

штангах для плит настила диаметром 50 мм и длиной 430 мм, в механически обработанных монтажных деталях для секций консольно-арочных ферм, полированных прутках (диаметром 30-65 мм), связывающих верхние и нижние пояса ферм моста, поддонах для шиферных плиток мостового настила и полированных деталях балюстрады. Кроме этого было использовано около 2,7 т тавровых профилей разной высоты, специально изготовленных с помощью гибридной лазерной сварки (272 прутка высотой 70 мм

из 20 тонн никельсодержащей дуплексной

и 60 мм).

нержавеющей стали 2205 (UNS S32205),

Туристам, ежегодно посещающим эти

обеспечивающей его долговечность в

места, чтобы открыть для себя легенду о

морском климате, высокую прочность, а

короле Артуре, гораздо легче добраться

также блестящий внешний вид. Эта сталь

до развалин замка по этому элегантному

использована в диагональных раскосах,

мосту длиной 66 м и шириной 2,4 м.

КОЛОНКА РЕДАКТОРА: НИКЕЛЬ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ © МЕЖДУНАРОДНЫЙ ПОЛЯРНЫЙ ФОНД (INTERNATIONAL POLAR FOUNDATION) — РЕНЕ РОБЕРТ (RENÉ ROBERT)

Прошлый год оказался годом пределов и крайностей, и почти все мы были вынуждены принять его вызовы. Работать «на пределе», максимально удалённом от привычной нормы, — как хорошо это теперь знакомо каждому из нас. Далеко не все привычные ожидания оказываются в таких условиях реализуемы. То же самое происходит в инженерном деле

Экстремальный

и проектировании. Однако на никель можно положиться всегда — и в поиске решений,

прилагательное 1. Д остигший наивысшей точки, крайний, предельный, например, экстремальный холод. Синонимы:

предельный

граничный

2. В ыходящий из рамок обычного, чрезвычайный (по сложности, трудности, опасности), например, в экстремальных условиях. Синонимы:

чрезвычайный

необычайный

удовлетворяющих растущие человеческие потребности, и в попытках преодолеть экстремально сложные условия и реализовать новые возможности на фоне поддержания более высокого уровня устойчивого развития, более длительного срока службы и более низких затрат.

В этом выпуске журнала «Никель» мы рассмотрим новые требования к материалам и решения, найденные благодаря применению никеля. От противостояния экстремальным температурам, необходимым для химических реакций и выработки электроэнергии, до жизнестойкости в экстремальных условиях Арктики и морей. Никель, гарантируя долговечность и необходимую ёмкость аккумуляторных батарей, обеспечивает саму возможность их колоссального циклического ресурса с перспективой создания «миллионнокилометрового» аккумулятора для следующего поколения электромобилей. А никелевые сплавы, работающие в экстремальных условиях нашей Вселенной! Жизнь на Марсе станет возможной только благодаря никельсодержащим материалам, которые смогут держать под контролем низкие температуры Красной планеты. Возвращаясь к земным проблемам — часть усилий Института никеля направлена на помощь инженерам и специалистам-материаловедам, чтобы они могли с уверенностью выбирать подходящие никельсодержащие материалы. Для достижения этой цели мы постоянно пополняем нашу обширную библиотеку технической литературы, находящейся в свободном доступе. На стр. 15 помещена информация о нашей новейшей публикации, посвящённой системам охлаждения морской водой.

Научно-исследовательская станция им. принцессы Елизаветы противостоит экстремальным условиям Антарктики. Никельсодержащая нержавеющая сталь марки 304L, применённая в фасадной облицовке её здания, выбрана благодаря демонстрируемыми ею прочности и пластичности при температурах намного ниже -60 °C.

Как высока ни была бы неопределённость в отношение наступающего года, можно определённо сказать, что никель внесёт свой вклад в преодоление многих сложных проблем сегодняшнего дня — надёжно, безопасно, чисто, полноценно и целенаправленно. Клэр Ричардсон

Редактор журнала «Никель»

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г. | 3

03 04 06 08 11 12 14 15 15 15 16

Пример из практики № 20 Мост Тинтажель Колонка редактора В экстремальных условиях Никель. Занимательные факты

НИКЕЛЬ

«Миллионнокилометровый» аккумулятор Монокристаллические никельсодержащие катоды Отрицательные температуры Под контролем нержавеющей стали Экстремально высокие температуры Никель выдерживает и это Экстремальная среда Никелевые сплавы в космосе Спроси эксперта Гиподермические иглы и аллергия на никель Стив Барнетт 1954-2020 Новая публикация Системы охлаждения морской водой Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов Готовимся к будущему Реставрация пожарной каланчи Гарлема

Завораживающий звук Британский изготовитель гонгов Филип Джеймс (Philip James, компания Turiya Sounds) использует нейзильбер (мельхиор с добавлением цинка) для изготовления всех своих музыкальных инструментов. «Звук гонга не похож ни на что, — объяснил Филип, — он помогает достичь состояния глубокой медитации, выхода за пределы сознания». Нейзильбер — это идеальный материал для изготовления гонгов. У него непревзойдённая способность резонировать звук. «Услышав впервые звуки гонга, я перенёсся в волшебный мир, — вспоминает г-н Джеймс. — С тех самых пор я увлечён ими». Британская компания Columbia Metals поставила листы сплава NS104 (UNS C75700), содержащего 12% никеля, толщиной от 0,8 мм до 1,6 мм. Уровень его сопротивляемости коррозии и устойчивости к потускнению намного превышает уровень обычных латуней. «В изготовлении гонгов ничто не сравнится с нейзильбером, — сообщил Филип. — Это удивительный металл».

ФИЛИП ДЖЕЙМС (PHILIP JAMES)

ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ

СОДЕРЖАНИЕ

Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org

Авторы статей: Парвин Адели (Parvin Adeli), Гари Коутс (Gary Coates), Кэтрин Хуска (Catherine Houska), Ричард Матесон (Richard Matheson), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Кен Рудисуэла (Ken Rudisuela), Франк Смит (Frank Smith), Бенуа Ван Хеке (Benoît Van Hecke), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Художественное оформление: компания Constructive Communications Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией. ISSN 0829-8351 Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Обложка: компания © International Polar Foundation – Рене Роберт (René Robert) Графические материалы предоставлены: Стр. 6 iStock©Jae Young Ju

4 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г.

ROYAL CANADIAN MINT

Д-р Хадсон Бейтс (Hudson Bates), президент Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор communications@nickelinstitute.org

Производственный магнетизм растений Сок характерного неонового (сине-зелёного) цвета — отличительный признак наличия никеля (до 25%) в редких растениях, которые любят высокие концентрации этого металла; их корни Энтони Ван Дер Ент (Antony van der Ent)

притягивают его из почвы подобно магниту. На сегодняшний день в мире выявлено около 700 таких гипераккумулянтов, а их способность процветать на почвах с высоким содержанием металлов стала предметом полевых изысканий. Эти растения могут стать ресурсом для фитодобычи — заготовки сока и его обработки с целью извлечения чистого никеля или для производства никельсодержащих соединений, которые можно использовать в таких сферах, как, например, гальванопластика. Тогда как традиционная добыча полезных ископаемых для извлечения металла из богатых месторождений экономически куда более целесообразна, ниша для фитодобычи — это бедные поверхностные месторождения, находящиеся в ультраосновных почвах таких тропических регионов, как Куба, Новая Каледония, Австралия и Малайзия. Было отмечено, что после фитодобычи почва становится намного плодороднее и готова к

КОМПАНИЯ CWTEC

НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИНГАПУРА (НУС) (NATIONAL UNIVERSITY OF SINGAPORE)

выращиванию продовольственных культур.

На носу Запотевающие стёкла очков из-за плохо сидящей на лице медицинской маски...

Апсайклинг ананасовых листьев Эта новая идея позволит ежегодно превращать тонны отходов ананасов в многоцелевой, сверхлёгкий и недорогостоящий аэрогель. Исследователи из Национального университета Сингапура (НУС) открыли метод использования волокон листьев ананаса, покрытых диэтилентриамином (ДЕТА), для создания экоаэрогелей, которые в четыре раза эффективнее по сравнению с обычными методами поглощают ионы никеля из промышленных сточных вод. Возглавляющий группу исследователей доцент Дуонг Хай-Мин (Duong Hai-Minh) рассказывает: «Благодаря своей высокой пористости экоаэрогели с большой степенью эффективности поглощают ионы металлов даже из слабых растворов с низким содержанием ионов металлов. Процесс обработки прост, более дёшев и не создаёт вторичных отходов. К тому же экоаэрогели могут легко десорбировать ионы металла и поэтому использоваться неоднократно, тем самым ещё больше снижая затраты». Этот четырёхлетний проект, в рамках которого были разработаны и другие полезные прикладные технологии, оказался «большим шагом в направлении ресурсосберегающего земледелия и переработки и утилизации отходов».

Знакомая при КОВИДе ситуация? Исправить её помогает обеспечивающий незримое удобство никель. Немецкая компания cwTec использует тончайшую полоску никельсодержащей нержавеющей стали от компании Norder Band AG, позволяющую их маске плотно прилегать к лицу. Это необходимо тем медикам и работникам служб экстренного реагирования, кто носит очки и всегда должны видеть всё отчётливо. Помимо широкой доступности источников снабжения и отсутствия аллергических реакций эти полоски нержавеющей стали можно пускать на вторичную переработку наряду с другими материалами, из которых делаются маски. Большое достижение для едва лишь одного грамма никельсодержащей нержавеющей стали!

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г. | 5

НОВАЯ «КРИСТАЛЬНО ЧИСТАЯ» ТЕХНОЛОГИЯ НОВАТОРСКОЕ РЕШЕНИЕ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯМ ДАЛЬНИЕ РАССТОЯНИЯ Преодоление «страха разряженной батареи» — один из приоритетных вопросов повестки дня производителей электромобилей и разработчиков аккумуляторных батарей. Профессор Джеф Дан (Jeff Dahn) из университета Далхаузи (Dalhousie University) и его команда из Отделения физики и науки об атмосфере из Новой Шотландии, Канада, работают над прорывной технологией использования монокристаллов, которая может оказаться перспективным решением этого вопроса. «Наша цель — помочь в снижении

микрорастрескивание, происходящее в

стоимости, увеличении удельной

типовых электродных материалах.

литий-ионных батарей», — говорит г-н Дан, которого считают одним из первых разработчиков литий-ионных аккумуляторов, используемых ныне во всём мире в портативных компьютерах и мобильных телефонах.

Когда его спросили о происхождении термина «миллионнокилометровый аккумулятор», г-н Дан ответил: «Он просто появился в процессе работы. В авторском резюме одной из опубликованной нами статей говорилось: “Мы демонстрируем, что подобные аккумуляторы могут питать электромобили на протяжении миллиона миль”. Это выражение пленило воображение корреспондента СМИ».

6 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г.

Г-н Дан объясняет: «В типовых катодах катодные частицы, как правило, ориентированы в случайных направлениях. Во время перезарядки аккумуляторной батареи, когда литий периодически вставляется между слоями катода, а потом вытаскивается, изменяется объём частиц.

В рамках лабораторных испытаний команда

И это изменение в разных направлениях

продемонстрировала, что технология

разное. Изменения в направлении,

монокристаллов в никельсодержащих

перпендикулярном слоям, самые

катодах успешно выдерживает

большие, поэтому, когда две первичные ДЭННИ АБРИЕЛ (DANNY ABRIEL) ИЗ УНИВЕРСИТЕТА ДАЛХАУЗИ (DALHOUSIE UNIVERSITY)

энергоёмкости и продлении срока жизни

частицы соприкасаются, происходит

этого типа должны быть в состоянии

пространственный перекос, который ведёт

обеспечить электромобиль энергией,

к микрорастрескиванию катодной частицы

достаточной для пробега, превышающего

и образованию множества мелких осколков,

1,6 млн км (1 млн миль); и этой энергии

вследствие чего утрачивается электрический

хватит по крайней мере на две декады

контакт и теряется доступ к активной массе

хранения в сети».

катода.

Двадцатилетний срок службы

Частица же монокристалла представляет

К счастью, это позволит аккумуляторной

собой единое кристаллическое зерно

батарее электромобиля служить столько

размером в два-три микрона. Это единый

же, сколько служит автомобиль, который

цельный кристалл, внутри которого

она питает. Более того, переход на

вообще не существует границ зёрен,

монокристаллы не увеличит сколько-нибудь

поэтому он расширяется и сжимается

существенно стоимость.

как единой целое. Это означает, что поддерживать электрическую связь с этими расширяющимися и сжимающимися частицами относительно легко. Использование монокристалла позволяет поддерживать стопроцентную связь с активной массой катода во время перезарядки аккумуляторной батареи. Это

«Для выращивания монокристаллов в лаборатории мы немного меняем исходный продукт и затем проводим термическую обработку при чуть более высокой температуре — только и всего. Весь процесс синтеза принципиально не меняется». Главный приз — «миллионнокилометровый»

(A, a), Полученное с помощью растрового электронного микроскопа изображение технически чистого монокристаллического материала Li[Ni0.5Mn0.3Co0.2]O2 (NMC532) (названного SC-532) с большим размером зерна в ~3 µm 1.

интересно!»

аккумулятор.

Команда из университета Далхаузи

«Это служит свидетельством того, насколько

работает над созданием различных

ценно проводить очень длительные

монокристаллических никельсодержащих

испытания. Некоторые из рассчитанных

катодов, преимущество которых состоит

на миллионы километров аккумуляторов,

в том, что они хорошо переносят

о которых говорится в статье, всё ещё

большое количество перезарядок, при

находятся в процессе тестирования. Я совсем

(B, b) Полученное с помощью растрового электронного микроскопа изображение поликристаллина (NMC532) без покрытия (UC-532) 1.

этом выигрывают от высокой удельной

недавно проверял их. Более трёх лет прогона

энергоёмкости. Профессор Дан и

при комнатной температуре с количеством

возглавляемая им группа исследователей

зарядных циклов, доведённым почти до

опубликовали научную статью в «Журнале

9500 (что значительно превышает миллион

электрохимического общества» (the Journal

километров (миль) пробега), при менее

of The Electrochemical Society), в которой они

10% потерь — эти аккумуляторы просто

приходят к заключению, что «аккумуляторы

невероятны!»

Ли Дж., Камерон А. Р., Ли Х., Глазиер С., Зионг Д, Чадзидакис М, Аллен Дж., Боттон Г. А. и Дан Дж. Р. 2017 г., Журнал электрохимического общества, 164 1534 (Li J., Cameron A. R., Li H., Glazier S., Xiong D., Chatzidakis M., Allen J., Botton G. A. and Dahn J. R. 2017 J. Electrochem. Soc. 164 1534)

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г. | 7

НИКЕЛЬ БЕРЁТСЯ ЗА РАБОТУ ПРИ МИНУСОВЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

При понижении температуры, а на морозе особенно, трудно сохранить контроль над многими вещами. Люди ли, транспортные ли средства — все сталкивались с такими сложными ситуациями. Но как же никель позволяет контролировать технологию, когда показания термометра зловеще стремятся к абсолютному минимуму? Интерьер танкера для сжиженного природного газа демонстрирует произведённую из нержавеющей стали систему хранения груза Mark III, спроектированную компанией GTT.

8 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г.

Материалы для минусовых

не ломаясь; она важна для многих

температур

технических приложений. Конструкционные

Аустенитные нержавеющие стали (как

стали обладают хорошей пластичностью при

правило, с содержанием от 7 до 25% никеля)

комнатной температуре, но при её

демонстрируют великолепную пластичность

понижении ферритная структура становится

при очень низких (криогенных)

всё более хрупкой, что делает эти стали

температурах. Пластичность — это

неподходящими для эксплуатации при

способность материала поглощать энергию,

криогенных температурах. Напротив,

основному свариваемому металлу.

нержавеющие стали сохраняют хорошую

Если сварочный шов обладает плохой

пластичность даже при температуре жидкого

пластичностью, то трещины появятся вне

гелия.

зависимости от качества основного металла.

Вторая семья материалов, демонстрирующая

Другой пример — научно-исследовательская

хорошие криогенные свойства, — это

инфраструктура в Антарктике, где в

легированные никелем стали. Добавка от

2008 г. была возведена бельгийская

1,50 до 9,00% никеля к стальной матрице

научно-исследовательская станция. Её

одновременно с соответствующей тепловой обработкой придаёт необходимые пластичность и прочность при температурах от -60 °C и ниже до -200 °C. Однако в отсутствие хрома в своём составе эти стали не являются имманентно коррозиестойкими,

фасад выполнен в панелях из нержавеющей стали марки 304L (UNS S30403) толщиной 1,50 мм. Выбор пал именно на этот материал, поскольку аустенитная нержавеющая сталь марки (304L) и при температурах гораздо ниже даже -60 °C продолжает

в отличие от нержавеющих сталей.

демонстрировать достаточную прочность и

Служба в Арктике

пластичность.

Районы Арктики — трудные регионы

Сжиженный природный газ

для найма служащего персонала и

Спрос на электроэнергию растёт постоянно,

сварочных работ, не говоря уже о

поэтому всё более важными становятся

сложности транспортировки товаров туда

транспортировка и хранение энергии. С этой

и обратно. Критически важным фактором

точки зрения привлекателен сжиженный

использования сталей в Арктике является температура. Там не исключением являются температуры -50 °C и ниже. Для большинства марганцево-углеродистых конструкционных сталей, используемых в строительстве в районах арктических нефтяных полей, такие температуры ниже критической температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое.

природный газ (СПГ) благодаря его коэффициенту отношения объёма к удельной энергоёмкости. Объём природного газа в жидкой фазе почти в 600 раз меньше его объёма в газообразном состоянии в трубопроводе для транспортировки природного газа. Процесс сжижения позволяет транспортировать природный

Другими факторами, определяющими выбор материала для эксплуатации в Арктике в

газ туда, где отсутствуют газопроводы, и даже использовать природный газ в качестве транспортного топлива. Без никеля всё

рамках нефтегазовой промышленности,

Станция принцессы Елизаветы, Антарктика. Фасад выполнен в панелях из нержавеющей стали марки 304L (S30403) толщиной 1,50 мм.

это было бы невозможным, поскольку

являются коррозионная стойкость и

природный газ становится жидким

свариваемость. Первая важна не столько

только при температуре ниже -163 °C. Как

для строительных целей, сколько для

КОМПАНИЯ TWI – ЖЕНЕ МАТЕРС (GENE MATHERS)

обычные никельсодержащие аустенитные

производства и транспортировки таких

говорилось выше, аустенитная нержавеющая

агрессивных сред, как нефть и газ. В сварных

сталь и легированные никелем стали —

швах важно сохранять ту же повышенную

лучшее решение для сборки резервуаров для

изломостойкость, что свойственна

транспортировки и хранения сжиженного МИНИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ЭКСПЛУАТАЦИИ

-273 °C

-196 °C

-130 °C

-101 °C

-60 °C

Спецификация пластины

ASTM 304L EN 10088-1

ASTM A353/ A553 EN 10028-4

ASTM A645 EN10028-4

ASTM A203GrE EN 10028-4

ASTM A203GrB

EN10028-4

Тип стали

Аустенитная нержавеющая сталь

9%-я никельсодержащая сталь

5%-я никельсодержащая сталь

3.5%-я никельсодержащая сталь

2.5%-я никельсодержащая сталь

1.5%-я никельсодержащая сталь

Типичные системы хранения

Азот, водород, гелий

СПГ, кислород, аргон

Этилен (LEG)

Углекислый газ, ацетилен, этан

Аммиак, пропан, сероуглерод

В нефтегазовой промышленности температура, сопротивляемость коррозии, а также свариваемость являются определяющими факторами выбора материала для эксплуатации в арктических условиях.

Рост содержания никеля Понижение температуры хранения

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г. | 9

природного газа, а также для работы с ним

(прекурсор) для получения аммиака при

при таких низких температурах.

производстве удобрений. У него к тому же

Дизайн танкера Танкеры с СПГ преимущественно курсируют из Катара и Австралии в районы высокого

в качестве топлива, если объёмы его

Япония, Китай и Южная Корея. В дизайне

производства достаточно велики (при этом

современного танкера оптимально

предпочтительно его получение «зелёным»

используется пространство внутри корпуса,

способом посредством ветро- или

металлическом мембранном модуле с изоляционным покрытием. В этих системах хранения груза используются исключительно либо тонкий лист нержавеющей стали марки 304L, гофрированный в форме вафельного листа (для поправки на расширение и сжатие), либо ещё более тонкий и плоский лист сплава 36 (K93600) с низким

воду, но не углекислый газ. В энергоёмкой сталелитейной промышленности некоторые производители уже ищут возможность снижения своего «углеродного следа» с помощью более активного использования водорода. Исследование космического пространства

показателем термического расширения и 36%

невозможно без жидких газов. Водород — это лёгкое и высокоэнергетическое

Другие сжиженные газы

ракетное топливо. В сочетании с окисля-

• -183 °C — жидкий кислород

солнечной энергетики), производит только

содержанием никеля.

Ниже СПГ (-163 °C) по температурной шкале находятся следующие газы:

10 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г.

электроэнергии. Сжигание водорода

спроса на электроэнергию, такие как

когда сжиженный газ содержится в двойном

Вид Международного экспериментального термоядерного реактора (International Thermonuclear Experimental Reactor) в разрезе. Находящийся во Франции реактор снабжён охлаждающей системой на жидком гелии, которая обеспечивает охлаждение до 4,5° по Кельвину.

большой потенциал для декарбонизации топливных смесей при выработке

• -196 °C — жидкий азот • -253 °C — жидкий водород

ющим компонентом, таким как жидкий кислород, жидкий водород оказывается самым эффективным из всех видов ракетного топлива. И наконец, что в состоянии охладить

• -269 °C — жидкий гелий

сверхпроводящий электромагнит,

Применение им часто находится в

удерживающий плазму? Ответ прост —

промышленности, которая использует эту продукцию в регазифицированной

жидкий гелий. Но его температура! Именно при температуре -269°C (4° по Кельвину)

форме. Водород уже нередко применяется

никель полностью раскрывает свой

как исходный промышленный продукт

потенциал…

НИКЕЛЬ ВЫДЕРЖИВАЕТ ЭКСТРЕМАЛЬНО ВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

КОМПАНИЯ MCDERMOTT

Трубы для установки реформинга производятся из никелевых литейных сплавов и рассчитаны на работу в науглероживающей среде в течение сотен тысяч часов при температуре 800-1000 °C. Их используют для производства водорода в среде, содержащей пар и углеводороды.

ПРОКАТ ИЗ СПЛАВОВ

Бóльшая часть химических процессов протекает быстрее при повышенной температуре, да и выработка электроэнергии происходит в таких условиях более эффективно. Но смогут ли материалы выдержать подобную температуру? На практике максимальная температура многих процессов ограничена именно возможностями материала. И здесь на помощь может прийти никель. при его выборе для применения в условиях высоких температур — это прочность,

стабильность во времени, ограниченная

реакция на воздействие окружающей среды и лёгкость изготовления оборудования. С ростом температуры слабеют

технические характеристики металла.

Есть много сталей, более прочных при

умеренно высоких температурах, чем марки нержавеющей стали семейства 300. При

температуре 540 °C большинство из них

уступает нержавеющим сталям по своим

техническим характеристикам. А вот при 650 °C с наилучшей стороны проявляют

себя никельсодержащие сплавы. Однако при температуре выше 540 °C самыми

скорость формирования этих фаз; в сплавах никель-хром-железо, содержащих не менее 33% никеля, эти фазы не образуются вообще. При очень высоких температурах металл

Радиантные трубы опосредованно нагревают термические печи. Различные никелевые сплавы используются при температурах до 1150 °C, даже если металл может выдержать 1200 °C.

может реагировать с окружающей его средой. На воздухе он будет окисляться. Легирование хромом и алюминием обеспечивает дополнительную защиту. В восстановительных средах, например, с

©WIRCO_GOODRODFRAMBASKET

Четыре самых главных свойства материала

наличием окиси углерода (угарного газа), именно никель и силикон помогают снизить науглероживание. Разрабатываются и испытываются новые сплавы для самых суровых сред, когда может произойти быстрое науглероживание, называемое

важными свойствами становятся предел

металлическим запыливанием. Все

ползучести и предел долговременной

эти сплавы характеризуются высоким

разрывной прочности.

содержанием никеля.

Со временем при высокой температуре в

Наконец, процесс изготовления

Наиболее опасно формирование в металле

металла, а в этом никельсодержащим

его ломким как стекло. Никель замедляет

просто нет равных.

металле могут происходить изменения.

оборудования включает формовку и сварку

хрупких твёрдых фаз, которые делают

нержавеющим сталям и никелевым сплавам

В решётчатые термостойкие короба помещают детали для обработки в термических печах. Выбор никельсодержащего сплава зависит от окисляющего либо восстанавливающего характера среды. Как правило, они эксплуатируются в суровых условиях.

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г. | 11

В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ В КОСМОСЕ

NASA.GOV

2020 г. ознаменовал начало нового захватывающего десятилетия исследования космоса и новаторских решений, где нашли применение никельсодержащие нержавеющие сплавы, играющие важную роль в строительстве ракет, производстве колёс и катализаторов — список областей применения можно продолжить. теплового воздействия, а зачастую и вообще её не требует. Тем временем НАСА исследует ещё одно возможное применение никельсодержащих материалов в колёсах своих марсоходов Rover. На Луне или Марсе резиновые колёса непрактичны, поэтому колёса на оригинальных луноходах Apollo были сконструированы из рессорной стали. Однако на более крупных и тяжёлых транспортных средствах, предназначенных для работы на Марсе, колёса из рессорной стали будут деформироваться. Для решения этой проблемы НАСА в настоящее время разрабатывает шину из металлической сетки, сделанной из нитинола (UNS N01555), никель-титанового сплава с эффектом памяти формы, способного

NASA.GOV

Инженеры НАСА устанавливают новейшую версию рессорной шины из сплавов с эффектом памяти формы на экспериментальный стенд. Эта версия весит 7 кг (15 фунтов), может переносить в два раза больший вес, чем предыдущая версия, и демонстрирует лучшие результаты в температурах глубокого космоса.

SpaceX, американская компания, занимающаяся производством аэрокосмической продукции и космическим транспортом многократного использования, выпустила звездолёт Starship и сверхтяжёлые ракеты из разновидности никельсодержащей нержавеющей стали марки 304 (S30400). Для этого компания SpaceX выбрала нержавеющую сталь, потому что она дешевле углеродного волокна, стоимость килограмма которого более чем в 60 раз превышает стоимость этой марки стали. К тому же она демонстрирует намного бóльшую термостойкость, чем углеродное волокно или другие металлы, такие как алюминий, и тем самым требует гораздо меньшей дополнительной защиты от

12 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г.

справиться с деформацией, в тридцать раз превышающей деформацию колёс из рессорной стали.

выплавляемой модели может оказаться

Предназначенный для доставки в будущем людей на Марс звездолёт Starship компании SpaceX, оснащённый ракетным двигателем Raptor, является одним из первых транспортных средств, которое будет приводиться в действие топливом на жидком метане и жидком кислороде и рассчитано на тысячекратное использование. Метан был выбран с целью производства на Марсе ракетного топлива для обратного рейса. Метан можно производить с помощью реакции Сабатье из двуокиси углерода и водорода, когда при повышенных температурах (оптимально при 300 – 400 °C) и высоком давлении в присутствии катализатора водород вступает в реакцию с двуокисью углерода, в результате которой образуются метан и вода. Никель является одним из возможных катализаторов.

ликвации и возникновению очень большой

К тому же медно-никелевый сплав K-500 (N05500) обладает великолепными показателями пластичности при криогенных температурах и стойкостью к воспламенению в чистом кислороде. Это делает его предпочтительным материалом для кислородных топливных насосов, подающих кислород ракетным двигателям. Цельные однодетальные ракетные двигатели Обладая высокой прочностью и пластичностью, сплав 718 (N07718), дисперсионно-твердеющий хромоникелевый сплав, используемый в авиационных турбореактивных двигателях, применяется также и в ракетных двигателях, и в ёмкостях высокого давления, поэтому в процессе реактивного движения они могут выдержать криогенные сжиженные газы при температурах до - 250 °C. Однако свойства сплава 718 делают его механическую обработку и формовку более сложными по сравнению с другими материалами. Точное литьё по

подвержен образованию пористости,

крупнозернистости, что предполагает необходимость дальнейших этапов обработки.

Каково же решение проблемы? Послойная объёмная печать позволяет более

эффективно применять сплавы на

основе никеля, такие как сплав 718, для создания приборов и аппаратуры со

сложной конфигурацией и высокими

эксплуатационными характеристиками. Объёмная печать может сделать

обработку сплава 718 более удобной и простой и обеспечить хорошее

сохранение свойств материалов. Этот процесс позволяет избежать сварки и

КОМПАНИЯ HYPERGANIC TECHNOLOGIES AG

Агентство НАСА подтвердило наличие воды на Марсе, тогда как его атмосфера на 95% состоит из двуокиси углерода. Это и есть необходимое сырьё для производства метана и кислорода — последний важен как для ракетного топлива, так и для дыхания астронавтов. А низкая окружающая температура Красной планеты плюс низкие температуры, необходимые для работы со сжиженными метаном, водородом и кислородом, также потребуют использования никельсодержащих материалов.

проблематичным, так как сплав 718

механической обработки, тем самым сводя производственные отходы к минимуму.

Преимущества этого производственного

метода продемонстрированы на примере экспериментального образца ракетного двигателя, изготовленного методом

объёмной печати из сплава 718. Этот двигатель был разработан немецкой

компанией по программному обеспечению Hyperganic и полностью спроектирован с помощью искусственного интеллекта.

В отличие от традиционного ракетного двигателя, собранного из отдельно

спроектированных деталей, экспериментальный образец, созданный методом

объёмной печати, представляет собой

цельную однодетальную конструкцию. Он включает в себя камеру сгорания,

где сжигаются топливо и окислитель, а

также поверхностные каналы, по которым циркулирует топливо для охлаждения

камеры сгорания и предотвращения её перегрева. Результатом производства

цельной однодетальной конструкции является максимально низкий вес и наиболее эффективный процесс

охлаждения, что приводит к достижению

максимально возможных эксплуатационных характеристик данной ракеты.

Объёмная печать была также применена

Университетом Калифорнии в Сан-Диего

для печати ракетного двигателя Ignus II из сплава 718 для проекта ракеты Vulcan II. С каждым новым устройством никель помогает продвигать исследование

космического пространства всё дальше в будущее.

Цельный однодетальный ракетный двигатель изготовлен методом объёмной печати из сплава 718 Сплав 718 — рабочая лошадка в семействе суперсплавов. Высокопрочный, коррозиестойкий хромоникелевый сплав используется при температурах от -252 ° до 700 °C (от -423 ° до 1300 °F). Его прочность и противоокислительная устойчивость при высоких температурах делают его наиболее предпочтительным материалом для ракетных двигателей. А его показатели пластичности при криогенных температурах определяют выбор этого сплава для топливных баков ракеты, несущих сжиженное ракетное топливо.

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г. | 13

СПРОСИ ЭКСПЕРТА ПОПУЛЯРНЫЕ ВОПРОСЫ НА САЙТЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ИНСТИТУТА НИКЕЛЯ

В О

В: У меня аллергия на никель. Хотелось бы знать, существуют ли иглы для подкожных инъекций (гиподермические), в состав которых не входит никель? О: Никель является основным компонентом

к коррозионному воздействию пота и

нержавеющих сталей, таких как марка

высвобождает ничтожное количество

304 (S30400). Он обеспечивает высокую

никеля; а гиподермическая игла

пластичность, формовочные свойства

контактирует с кожей на протяжении всего

и свариваемость стали, что позволяет

нескольких секунд.

Гир Мо (Geir Moe), лицензированный инженер, является координатором Службы технической консультации Института никеля. Наряду с другими специалистами-материаловедами, находящимися в разных странах мира, Гир Мо помогает конечным пользователям и спецификаторам никельсодержащих материалов, заинтересованным в получении технической помощи. Для того, чтобы пользователи с уверенностью применяли никель, эта команда всегда готова бесплатно предоставлять технические консультации по широкому ряду тем, таких, например, как нержавеющие стали, никелевые сплавы и никелирование

проблемой аллергии на никель пройдите по

иглы может начинаться со стальной

ссылке:

полосы шириной 18 мм и толщиной 0,5 мм, намотанной на большую бобину. Полоса протягивается через ряд валков и в конечном итоге из неё формируется трубка диаметром приблизительно в 6 мм и производится роликовая контактная сварка краёв продольным швом. По мере продвижения сваренной трубки по конвейеру она проходит через серию постепенно уменьшающихся отверстий, которые называются калибрующими фильерами. По мере уменьшения диаметра внутреннее напряжение трубки возрастает, и её необходимо периодически отжигать с помощью нагрева. Изначальный диаметр в 6 мм снизится до 0,35 мм, то есть, произойдёт 95% уменьшение диаметра. С уменьшением внешнего диаметра уменьшается толщина стенки трубки. После последнего этапа протяжки материал, подвергшийся холодной деформации, становится прочным и твёрдым. Большинство аллергических реакций на никель возникает от недорогой никелированной бижутерии, находящейся в долгом контакте с кожей. Никель может выделиться из никелевого покрытия изделия из-за контакта с потовыми выделениями, тогда как марка 304 устойчива

14 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г.

Для более детального ознакомления с

Например, производство гиподермической

nickelinstitute.org/science/human-health-factsheets/fact-sheet-1-nickel-allergic-contactdermatitis/

ЖУРНАЛ

«НИКЕЛЬ»

О Н Л А Й Н

производить гиподермические иглы.

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/library/ ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2009 г. www.nickelinstitute.org/library/ СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере Twitter @NickelInstitute ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на страничку Института никеля СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute

СТИВ БАРНЕТТ. 1954-2020 Гааге и Йоханнесбурге. В 1996 г. он переехал в Брисбен и возглавил отдел проектно-конструкторских разработок и технического контроля в компании Billiton Nickel, ставшей затем частью компании BHP Billiton (Stainless Steel Materials), после чего перешёл на работу в Институт никеля. Стив был настоящим интернационалистом, талантливым харизматиком, оптимистом; он был предприимчив и очень смел — таким он и оставался вплоть до своей безвременной кончины после тяжёлой продолжительной болезни 4 ноября 2020 г. в Брисбене. Нам, его друзьям и коллегам по никелевой промышленности, будет его очень не хватать.

Стив Барнетт (Steve Barnett) был президентом Института никеля в очень непростое время (2006–2010 гг.). Его выдающаяся карьера в металлургии длилась сорок лет. По получении в 1976 г. степени магистра металлургии в Imperial College и работы в компаниях Davy Process Technology и Rustenburg Platinum, он в 1981 г. поступил на работу в компанию, которая впоследствии стала называться BHP Billiton. Работая в ней, он ввёл в эксплуатацию ферроникелевый завод Cerro Matoso в Колумбии и вёл проекты, связанные с чёрными и цветными металлами. Некоторое время он занимался вопросами слияния и поглощения в

НОВАЯ ПУБЛИКАЦИЯ В публикации «Сравнение медных сплавов и нержавеющих сталей для работы в системах охлаждения морской водой — за и против» (Copper alloys versus stainless steels for seawater cooling systems – the pros and cons) (11027) сравнивается использование медных сплавов, таких как медно-никелевые сплавы 70/30 и 90/10 и никель-алюминиевая бронза, с

KNOWLEDGE FOR A BRIGHTER FUTURE

Copper alloys versus stainless steels for seawater cooling systems – the pros and cons

использованием как аустенитных, так и дуплексных нержавеющих сталей. Принципиально новая публикация, написанная консультантом Института никеля Роджером Франсисом (Roger Francis), поможет проектировщикам и руководителям заводов выбрать правильный сплав. Эту публикацию можно бесплатно загрузить с сайта www.nickelinstitute.org

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

A GUIDE TO THE USE OF NICKEL-CONTAINING ALLOYS

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (весовой в %) сплавов и нержавеющих сталей, упомянутых в данном выпуске журнала «Никель»

UNS

C75700 p. 4

63.566.5

0.25 max.

0.50 max.

11.013.5

K93600 p. 10

0.10 max

1.0 max

0.50 max

bal

0.60 max

0.50 max

35.038.0

N05500 p. 13

2.303.15

0.25 max

bal

2.00 max

1.50 max

N07718 p. 13

0.0200.080

0.006 max.

0.08 max.

1.0 max.

17.021.0

0.30 max.

bal

0.35 max.

2.803.30

N01555 p. 13

0.07 max

0.05 max

0.01 max

0.005 max

S30400 p. 12,14

0.08 max

18.020.0

bal

2.00 max

S30403 p. 8

0.03 max

18.020.0

bal

S31603 p. 16

0.03 max

16.018.0

S32205 p. 2

0.030 max

22.023.0

0.10 max.

Bal

0.025 max

0.35 max

63.070.0

0.01 max

0.50 max

0.350.85

4.755.25

50.055.0

0.015 max.

0.35 max.

0.651.15

0.025 max

0.005 max

54.057.0

bal

8.010.5

0.045 max

0.030 max

1.00 max

2.00 max

8.012.0

0.045 max

0.030 max

1.00 max

bal

2.00 max

2.003.00

10.014.0

0.045 max

0.030 max

1.00 max

bal

2.00 max

3.003.50

0.140.20

4.506.50

0.030 max

0.020 max

1.00 max

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 3, 2020 Г. | 15

УКРЕПЛЯЯ БУДУЩЕЕ С ПОМОЩЬЮ КОНСТРУКЦИОННЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ АЛЕКСАНДР СЕВЕРИН. АРХИТЕКТУРНАЯ ФОТОГРАФИЯ

Пожарная каланча Гарлема в Нью-Йорк Сити, возведённая ещё в 1856 г., — одно из старейших в Америке и дошедших до наших дней чугунных рамных строений, внесённых в Национальный регистр исторических мест. Оно сильно обветшало и находилось на грани обрушения из-за коррозии и колебаний конструкции. Для руководства реставрационными работами была привлечена команда Торнтона Томасетти (Thornton Tomasetti), занимающаяся реставрацией и восстановлением зданий и состоящая из специалистов разного профиля. Воспроизведённая специалистами модель пожарной каланчи показала, что оригинальный проект конструкции был неверным. Когда отреставрированные детали каланчи аккуратно собрали, к ним добавили тщательно продуманную систему раскосов из нержавеющей стали, чтобы исправить просчёты конструкции и решить задачу сохранения здания. Холоднодеформированная нержавеющая сталь марки 316L (UNS S31603), обладающая высочайшими показателями коррозионной стойкости и прочности, была выбрана для перекрёстных раскосов анкерных креплений. Высокая прочность

16 «НИКЕЛЬ», | «НИКЕЛЬ»,Т. Т.35,35,№№3,3,2020 2020Г. Г.

материала позволила сократить диаметр прутка. Чтобы улучшить светорассеяние и сделать нержавеющую сталь менее заметной, была проведена финишная обработка поверхности мягкоотражающим матированием с помощью дробеструйной обработки. Внешне нержавеющая сталь отличается от использованного в историческом строении чугуна, поэтому она была сделана минимально заметной, как того требует реставрация исторических объектов. Реставрационный проект удостоился награды Люси Г. Мозес (Lucy G. Moses Award) за 2020 г., присуждаемой за выдающиеся достижения в области сохранения архитектурного наследия, и награды MASterworks Общества городского искусства (Municipal Arts Society) за лучшую реставрационную работу в Нью-Йорк Сити.