hpulcas High purity nickel (HPN): Ni 99.98

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1 hpulcas High purity nickel (HPN): Ni 99.98
Neue Technologie für die Herstellung von Reinstnickelband und -draht Theodor Stuth, Oleksandra Krivtsova 09599 Freiberg Frauensteiner Str. 107 Neues Verfahren Die hpulcas GmbH hat ein Verfahren zur Herstellung hochreiner Nickelbleche, -bänder und -drähte direkt aus Kathodenblechen entwickelt. Auf Umschmelzen der Bleche wird verzichtet; deshalb bleibt der hohe Reinheitsgrad der Bleche erhalten. Das Verfahren kommt mit vergleichsweise geringen Investitionsausgaben aus. Auch der Energieeinsatz ist erheblich geringer als bei alternativen Verfahren. Band wird durch stirnseitiges Verschweißen warmgewalzter Bleche hergestellt, Rohdraht aus zu Stäben aufgeteilten Blechen. Die dreischichtige Struktur und die dendritische Kornstruktur der Kathodenbleche werden beseitigt. Dreischichtstruktur der Bleche (a); nach primärer Rekristallisation (b). Kornstruktur nach einem dreistufigen Reduktions- und Glühprozess der Schweißnaht (c). (a) (b) (c) Querschliff Verfahrensvergleich Schmelzmetallurgie Zur Deoxidation werden C, Si, Al, Ti zugegeben, zum Einbinden von Schwefel Mg und Mn. Das gilt in ver-mindertem Ausmaß selbst für Vakuummetallurgie. Die Zuschläge werden nicht vollständig verschlackt und beeinträchtigen daher den Reinheitsgrad. Pulvermetallurgie Hoher Reinheitsgrad bei Verwendung von Carboyl-pulvern erreichbar. Die hohe Verdichtung führt zu Gitterdefekten. Verarbeitung ganzer Kathodenbleche Reinheitsgrad des Ausgangsmaterials bleibt erhalten. Auswirkungen der Verfahren auf die Eigenschaften von Nickel Die folgenden Tabellen zeigen den Gehalt an Spurenelementen in den typischen Nickelqualitäten und ihren Einfluß auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Aufgrund der Schwankungsbreite der Eigenschaften weniger reiner Nickelqualitäten weist nur Reinstnickel reproduzierbare Eigenschaften auf, wie sie für Sensoren und Steuerungen erforderlich sind. Ni 99,2 Ni 99,6 Ni 99,8 Ni 99,98 Bedeutung Ni´[%] 99,35 99,7 99,98 Der Gehalt an Spurenelementen beeinflußt die mechanischen Eigenschaften ansonsten reiner Metalle erheblich. Die Segregation von Spurenelementen fördert Bruch durch Streßkorrosion und Korngrenzenkorrosion. C [%] 0,05 0,03 0,002 Kohlenstoff führt zu Warmbrüchigkeit; C erhöht die Härte und den elektrischen Widerstand. Si [%] 0,13 0,07 0,08 <0,002 Die harten Siliziumoxide führen zum Brechen dünner Drähte und zur Lochentstehung in Folien. Al [%] 0,005 <0,0001 wie Si Ti [%] 0,045 <0,02 <0,0002 S [%]  0,13 Die Oberflächensegregation von Schwefel führt zum Zusammenbruch des passiven Films auf Nickel und erleichtert dadurch Korrosion. Segregation an Korngrenzen führt zu Warmbrüchigkeit und reduziert die Festigkeit. Mn [%] 0,066 0,01 Bindet Schwefel und verhindert Segregation von S an die Korngrenzen. Mg [%] Zustand Verfahren R0.2 [MPa] Rm [MPa] Dehnung [%] Härte [HV] Weich geglüht Hpulcas 50-100 >45 <65 Pulver- metallurgie 40-45 64-90 Halb hart 580 500 < 5 >100 590 610 2 Hart >650 < 2 >150 Pulver metallurgie 740 770 0,5 >203 Vergleich der Eigenschaften versch. Nickelqualitäten und Nutzung der Eigenschaften von HPN (b) Eigenschaft Einheit Wert Anwendung von HPN Produkt Hpulcas (HPN) Nickel 270 Nickel 200 Reinheitsgrad 99,98% min. 99,9% min. 99,0% HPN wird bei der Herstellung von Halbleitern als Diffusionssperrschicht zwischen dem Silizium des Wafers und Kupferkontakten eingesetzt. Kupfer würde sonst in den Chip eindiffundieren und die Schaltung des Chips stören. Spurenelemente segregieren an Korngrenzen und die Oberfläche eines Materials. Wird das Material als Form genutzt, können die Spurenelemnete von der Oberfläche der Form auf das verarbeitete Material übertragen werden. Sputter-Targets Evaporation Pellets Formen für Optikglas (z.B. Deckglas von Handys) und Kunststoffe nichtmetallische Einschlüsse keine viele Durch Schmelzmetallurgie hergestelltes Nickel wird mit C, Al, Si, Ti deoxidiert. S wird eingerundet und immobilisiert durch Mn oder Mg. Während all diese Zusätze verschlackt werden sollen, verbleiben sie doch teilweise in der Schmelze. Oxide von Si, Al and Ti sind sehr hart, sie lassen sich nicht wie Nickel verformen. Deshalb brechen dünne Drähte mit Oxideinschlüssen, Folien entwickeln Löcher und reißen schließlich. hpulcas Nickel ist (in Breiten von 100 mm) bis auf 4 µm Dicke gewalzt worden. Oxide erhöhen die Abnutzung von Stanzwerkzeugen; HPN wird deshalb für die Produktion von Streckmetall eingesetzt. dünne Drähte, Folien Streckmetall Kristallgitter keine Gitter-fehler Gitterfehler als Folge der Verdichtung Daß hpulcas Nickel weniger Gitterfehler aufweist als das gleich reine pulvermetallurgisch hergestellte Nickel 270 läßt sich daran ablesen, daß Ni 270 eine geringere elektrische Leitfähigkeit hat eine größere Härte aufweist Ein Material ohne Gitterfehler ist wichtig für den Einsatz von Nickel als Temperatursensor. Widerstands-Temperaturmessung Schallgeschwindigkeit im Metall m/s 5.660 4.700 4.400 Die Schallgeschwindigkeit bestimmt die Geschwindigkeit mit der sich nach Detonation eines Hohlladungsgeschosses der Jet bewegt. Einlage für Hohlladungen Max. Verformungsgrad, max. Dehnung % 98 % Draht aus HPN kann von 1,6 mm auf 0,2 mm reduziert werden. Das entspricht einer Reduktion > 98%. Der hohe Grad der Verformbarkeit erspart Zwischenglühungen; die Wirtschaftlichkeit der Produktion erhöht sich. Ein hoher Verformungsgrad ist bei Einlagen von Hohlladungsgeschossen erforderlich, damit ein möglichst langer ununterbrochener Jet entsteht. Rekristallisations-temperatur °C °C (abhängig vom Grad der vorherigen Verformung) °C Nickel neigt ab ca. 500 °C zum Kleben. Es wird deshalb üblicherweise in Durchlaufglühen, nicht in Haubenglühen geglüht. Dadurch entstehen zusätzliche Kosten. Aufgrund der niedrigen Rekristallisationstemperatur kann HPN in Haubenglühen geglüht werden. Nickelbänder, die mit Al bzw. Mg plattiert werden, können weichgeglüht werden, da die Rekristallisationstemperatur von HPN unter der Schmelztemperatur von Al (660 °C) und Mg liegt. Al und Ni können zwar mit Nickel-Standardqualitäten plattiert werden, die Plattierung kann aber nicht weichgeglüht werden, da die Rekristallisationstemperatur dieser Qualitäten oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium liegt. Flüssiges Aluminium reagiert exotherm mit Nickel, so daß auch das Nickel schmilzt. Kontakte von prismatischen Batterien in Aluminiumbechern Weichheit HV < 65 Für Plattierkombinationen, zu deren Herstellung eine Nickelfolie auf ein weiches Kernmaterial plattiert wird (z.B. AgCu28), ist eine weiche Nickelfolie erforderlich. Metallische Dichtungen für den Einsatz bei hohem Vakuum oder hohen Überdrücken (z.B. bei der Produktion von GaN). Die Weichheit von HPN erlaubt das Schweißen mit Ultraschall. Tiefziehteile Ni/AgCu/Ni Metallische Dichtungen. Kontaktierung von Al-Batteriebechern Elektroden von CCFL-Lampen Elektrischer Widerstand µΩ*cm 7,1 7,4 für Ni = 99,98 8,9 Der elektrische Widerstand von Reinstnickel ist 20% niedriger als der der Standardqualität Ni 200. Diese Eigenschaft ist wichtig, wenn der Formfaktor eine Rolle spielt, wie bei Stromsammlern in Batterien. Stromsammler in Batterien Verbindung zwischen Batteriezellen Temperatur-koeffizient des elektrischen Widerstandes 10-6K +6,600 + 4,700 to 5,800 Sensor: Thermometer, u.a. in E-Zigaretten. Der hohe Wert erleichtert die Temperaturmessung; ein konstanter Wert - auch über verschiedene Produktionslots - ist Voraussetzung für den Einsatz als Widerstands-Thermometer Steuerung: der mit zunehmender Temperatur steigende Widerstand drosselt die Stromzufuhr und verhindert Überhitzung eines Bauteils. Widerstands-Thermometer. Regelwendel in Glühkerzen von Dieselmotoren Curie Punkt 360 +/- 1 Aufgrund der konsistenten Temperatur des Curie-Punktes kann HPN als Sensor für Temperaturmessungen eingesetzt werden. Thermometer Korrosionsfestigkeit Oxidationsfestigkeit