Il Nichel

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Di colore grigio-argenteo, il Nichel elementare è un metallo duttile, con ferromagnetico a temperatura ambiente e paramagnetico a temperature superiori ai 360°C, con buone caratteristiche  meccaniche  in un ampio range di temperature, e punto di fusione a 1455°C. Da più di 3000 anni è impiegato in lega con Ferro e Rame, ma solo nel 1751 è stato isolato dallo svedese Cronstedt, che cercava di estrarre Rame  dalla niccolite; il metallo bianco estratto fu battezzato Nichel, dal termine tedesco kupfernickel, che significa falso rame, con cui i minatori tedeschi chiamavano la niccolite, o da nickel, un folletto maligno.
Il Nichel è  considerato un elemento relativamente abbondante in natura, costituendo circa lo 0,01% della crosta terrestre.
Al variare del tenore di Nichel, quasi tutte le principali proprietà fisiche degli acciai subiscono delle oscillazioni, nei loro valori numerici. Si può affermare che sono essenzialmente tre i tenori di Nichel attorno ai quali si verificano le più grandi anomalie:

Ni=25-28% perdita proprietà magnetiche

Ni = 36-38% massimi e minimi di diverse proprietà

Ni = 78% massimo permeabilità magnetica

Interessante e di notevole importanza l’andamento del  coefficiente di dilatazione termica lineare, che subisce, all’aumentare del tenore di Nichel delle  fortissime variazioni: scegliendo opportunamente i tenori di Nichel, è possibile ottenere una lega con un valore qualsiasi di detto coefficiente, compreso tra i limiti estremi. Interessante è il caso delle varie leghe INVAR dove il coefficiente di dilatazione, già molto basso, può essere portato a zero (e oltre), variando opportunamente i tenori di Nichel.  Il Nichel, durante l’elaborazione della colata, non prende parte ad alcuna reazione e non si ossida, per cui può essere aggiunto in qualsiasi momento, sebbene in genere venga aggiunto quando il bagno è ancora in effervescenza, per favorire l’eliminazione di Idrogeno.
La presenza del Nichel conferisce all’acciaio una serie di proprietà che facilitano i trattamenti termici e migliorano le caratteristiche meccaniche. In particolare: diminuisce la temperatura di ricottura e di tempra; diminuisce la velocità critica, con conseguente aumento della penetrazione di tempra e possibilità di temprare con mezzi meno energici, riducendo il rischio di fratture del pezzo; aumento della tenacità, con particolare riguardo alla resilienza, a pari Resistenza a trazione; non si evidenziano peggioramenti della deformabilità dell’acciaio né a caldo né a freddo.
In linea generale, si può dire che il Nichel sia un elemento con poche controindicazioni, in linea di massima solo negli acciai per utensili e in quelli da nitrurazione può essere un elemento non desiderato.

Invar
L’Invar è un acciaio con un tenore di Ni 36% circa e con piccole quantità di altri elementi, sia aggiunti per migliorarne la lavorabilità che non eliminati completamente durante il ciclo produttivo. Il termine Invar è la contrazione di “Invariabile”, ad indicare la quasi mancanza di deformazione termica, proprietà fondamentale per diversi strumenti di misura. Sviluppato per la prima volta in Francia, l’Invar ha un coefficiente di dilatazione lineare di 1,5×10-6, valore che può scendere ancora intervenendo con opportuni trattamenti termici. Le leghe Invar più note sono l’INVAR36, poco usato a causa delle difficoltà di lavorazione, l’INVAR FM (free machining) che contiene Selenio e Manganese , ma un maggior tenore di  Carbonio, che contribuisce all’instabilità nel lungo termine, causa di piccole deformazioni spontanee, non sempre tollerabili, il SUPRINVAR, che contiene una piccola percentuale di Cobalto, con un coefficiente di dilatazione 0,36×10-6, talvolta negativo. Il SUPERINVAR sembra essere il meno stabile strutturalmente, data la propensione a deformazioni spontanee, deformazioni  che però possono essere ridotte col rinvenimento, che però è a scapito della durezza. Recentemente la NASA ha studiato e messo a punto l’HP(high purity) INVAR 36 che ha un bassissimo coefficiente di dilatazione termica e una migliorata stabilità strutturale. Le eccezionali proprietà della lega sembrano dovute alla sua elevata purezza, soprattutto al contenuto in carbonio inferiore allo 0,01%. (da: NASA Technical Support Package “Temporally and Thermally Stable Iron/Nickel Alloy”)

Permalloy
Con una percentuale di Nichel del 78,5% e di Ferro attorno al 20%, le Permalloy hanno una elevatissima permeabilità magnetica iniziale, caratteristica fondamentale in diverse applicazioni. Fu sviluppata agli inizi del XX secolo a partire da studi per compensare l’induttanza dei cavi del telegrafo; la sua scoperta è del 1914, da  parte di Gustav Waldemar Elmen dei Bell Laboratories.
Caratteristiche del permalloy sono l’alta permeabilità magnetica, la bassa coercitività prossima allo zero, la magnetostrizione, la anisotropica magnetoresistenza. In particolare, la magnetostrizione è una criticità  per diverse applicazioni industriali, in quanto causa delle variazioni notevoli delle proprietà magnetiche. Per quanto riguarda la resistività, ha un range di variazione del 5%, in funzione della intensità e della direzione del campo magnetico applicato. Le Permalloy non sono duttile e sono lavorabili con grandissima difficoltà, per cui sono utilizzate quasi esclusivamente quando le forme non sono complesse.

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