Détails du fil de nickel pur dans les applications industrielles

Le fil de nickel pur est tiré de nickel commercialement pur, et l'expression décrit une famille et non un produit unique. Les deux nuances qui fournissent presque la totalité de ce fil ne diffèrent que par le carbone, elles sont couvertes par différents numéros UNS, et le choix entre elles est fait par le processus que le fil traverse et non par l'application finale. Tout le reste concernant le fil découle de deux de ses propres propriétés, et ces deux propriétés décident des applications familières qu'il peut réellement supporter.

Les applications sont généralement listées comme composants électriques, éléments chauffants et batteries. Cette liste est exacte dans la mesure où elle va, et deux des trois sont accompagnées d'une qualification publiée dont un acheteur a besoin avant que le fil ne soit commandé, car la qualification décide si l'application fonctionne du tout.

Le nickel commercialement pur est décrit dans son bulletin comme étant pur à 99,6 %, et la spécification à laquelle il est vendu fixe un minimum de 99,0 % pour le nickel plus le cobalt. Le chiffre commercial et le chiffre de spécification sont deux déclarations différentes, et l'élément qui sépare les deux nuances dans le tableau ci-dessous est le carbone, à 0,15 % maximum contre 0,02 % maximum. Cette seule différence décide si le fil survit à un recuit brillant sans risque de formation de graphite.

La ligne de commande doit porter le numéro UNS et non seulement le chiffre de pureté, car un certificat indiquant un minimum de 99,0 % et un certificat indiquant un 99,6 % commercial sont tous deux corrects pour deux nuances différentes. Lorsqu'un fil sera recuit brillamment après tréfilage, la nuance à faible teneur en carbone est celle à spécifier, et la raison est la bande de graphitation et non l'application d'électrolyse : une exposition prolongée entre 800 °F et 1 200 °F, soit 425 °C à 650 °C, précipite le graphite et peut compromettre gravement les propriétés.

Le fil de nickel est choisi pour ce à quoi il résiste, et son comportement électrique est une contrainte et non un avantage. Les constantes publiées ci-dessous sont celles qui apparaissent dans une enquête, et la ligne de résistivité est celle qui est le plus souvent mal interprétée.

Lisez les deux lignes de résistivité ensemble et une affirmation qui apparaît dans une grande partie du matériel publié sur ce fil s'effondre. Entre 20 °C et 100 °C, la résistivité passe de 0,096 à 0,130 micro-ohm mètre, soit une augmentation d'environ 35 % sur quatre-vingts kelvins, ou environ 0,44 % par kelvin en moyenne sur cet intervalle. La résistance du fil de nickel est donc fortement dépendante de la température et continue d'augmenter au-dessus de 100 °C, ce qui signifie qu'une déclaration selon laquelle le fil conserve une valeur de résistance stable à haute température est le contraire de ce que montrent les données publiées.

Le deuxième point découle du même tableau. Le nickel est un conducteur modéré et sa résistivité est plusieurs fois supérieure à celle du cuivre, il n'est donc pas spécifié pour une partie destinée à l'efficacité de la conduction. Ce pour quoi il est spécifié est la paire de propriétés dans le reste du tableau et dans la section corrosion : une surface stable et un comportement défini à température. Un concepteur qui souhaite une conductivité se tourne vers le cuivre, et un concepteur qui souhaite une résistance qui ne bouge pas se tourne vers un alliage conçu à cet effet.

C'est le plus grand groupe d'utilisations pour le fil, et les pièces sont peu glamour : fils de connexion, sorties pour équipements électriques, bornes et pièces de contact des relais et interrupteurs. Le nickel y apparaît parce que la surface reste propre et que la résistance de contact reste prévisible dans une atmosphère humide ou légèrement corrosive, ce qui est une exigence différente de la haute conductivité. La description publiée du matériau le place dans le traitement chimique et l'électronique pour cette raison exacte.

Deux qualifications appartiennent à ce groupe. Dans les contacts de relais et d'interrupteurs, le nickel est un candidat lorsque l'application est une charge légère sur une longue durée de vie dans une atmosphère corrosive, et les classes d'arcs lourds et d'usure mécanique appartiennent à une famille différente de matériaux de contact. Dans les assemblages haute fréquence et haute puissance, le conducteur lui-même est normalement du cuivre ou un métal plaqué, et les pièces en nickel sont les sorties et les supports qui doivent conserver leur forme et leur surface à température.

C'est l'application où le fil et la bande de ce matériau sont achetés en plus grand volume, et la règle de polarité est la partie la plus utile à avoir sur papier. Dans une cellule lithium-ion, l'électrode positive est construite sur un collecteur de courant en aluminium et l'électrode négative sur du cuivre, et le matériau de l'onglet suit la même division, de sorte qu'un pack est assemblé avec des onglets en aluminium du côté positif et du nickel pur ou du cuivre plaqué nickel du côté négatif. La littérature publiée sur les onglets de batterie indique l'arrangement en ces termes, et la raison est la compatibilité électrochimique de l'onglet et du collecteur de courant et non une préférence entre deux métaux.

Le point de soudage est la deuxième raison pour laquelle ce matériau est choisi ici, et il découle de la résistivité et non malgré elle. Le nickel pur est décrit dans la littérature sur l'assemblage de batteries comme le plus facile des matériaux d'onglet à souder par points, car sa résistivité se situe dans la plage dont le soudage par résistance a besoin pour générer de la chaleur à la jonction. Un pack construit avec des interconnexions en nickel peut donc être soudé avec l'équipement standard utilisé pour l'assemblage de cellules, ce qui est une décision de production et non de matériaux. Dans les packs nickel-hydrure métallique et nickel-cadmium, le même fil est utilisé pour les interconnexions et les connexions de borne, et dans les packs lithium-ion, y compris les classes 3C et de puissance, c'est le matériau d'onglet et d'interconnexion du côté négatif.

Lorsque le fil est utilisé comme connexion et non comme conducteur de puissance, l'exigence est une jonction qui ne corrode pas et ne se desserre pas sur des milliers de cycles. C'est une exigence de corrosion et une exigence mécanique ensemble, et c'est la raison pour laquelle le matériau survit dans des packs où un métal moins cher ne le ferait pas.

C'est le groupe où les données publiées contredisent la façon dont le matériau est généralement décrit, et la contradiction vaut la peine d'être énoncée clairement car c'est la différence entre un radiateur qui fonctionne et un qui échoue. Deux affirmations doivent être séparées. La première est que le fil de nickel conserve une résistance stable à température, ce que le tableau de résistivité ci-dessus exclut, puisque la valeur augmente d'environ 35 % entre 20 °C et 100 °C et continue d'augmenter. Un élément dont la propre résistance varie autant ne délivre pas une puissance prévisible pour une tension donnée, et la conception de l'élément suppose une résistance qu'il peut calculer sur la plage de fonctionnement.

La deuxième affirmation est que le fil ne s'oxyde pas sur de longues périodes à haute température. Le bulletin du matériau répond directement à celle-ci, et la réponse est un avertissement : le chauffage dans des atmosphères oxydantes à haute température doit être évité en raison du danger d'oxydation intergranulaire. L'oxydation intergranulaire n'est pas une décoloration de surface. Elle suit les joints de grains dans le métal, et un fil qui en a subi échoue à la limite du grain et non à sa surface. Un fil d'élément fonctionnant à l'air à température de four est exactement l'application que le bulletin dit à un utilisateur d'éviter.

Les éléments spécifiés pour les applications de four et d'appareil sont donc tirés des alliages de chauffage contenant du chrome, qui forment un oxyde protecteur à température et dont le comportement de résistance est celui sur lequel la conception de l'élément est basée. Le fil de nickel est toujours un matériau de résistance au sens plus étroit du terme, et les applications où il convient sont les applications modérées : une atmosphère contrôlée, une température de fonctionnement plus basse, ou un composant où la résistance n'est pas la chose contrôlée.

Ce qui survit de la description habituelle, c'est le côté traitement. Le fil est ductile à l'état recuit, ce que le bulletin indique comme faible dureté et bonne ductilité, et il peut être enroulé en bobine ou formé en maille sans se fissurer. Cette formabilité est réelle, et c'est la raison pour laquelle le fil apparaît dans les composants enroulés de nombreux types, y compris ceux ci-dessus.

Le fil de nickel est souvent décrit comme un matériau de thermocouple, et les normes ne le soutiennent pas. Les couples standardisés à base de métaux et de métaux nobles sont construits à partir d'alliages et de paires définies : nickel-chrome contre nickel-aluminium dans un Type K, nickel-chrome-silicium contre nickel-silicium dans un Type N, nickel-chrome contre cuivre-nickel dans un Type E, fer contre cuivre-nickel dans un Type J, et cuivre contre cuivre-nickel dans un Type T. Le nickel pur n'est pas l'une de ces branches. Un fil utilisé comme branche de mesure en dehors de ces paires définies ne produit pas de sortie que toute table publiée décrit, donc un thermocouple n'est pas une application dans laquelle ce matériau peut être vendu sur la base d'une norme.

Le véritable rôle du nickel dans la mesure de température est le thermomètre à résistance, et c'est un rôle réel avec une limite publiée. Le nickel est l'un des métaux utilisés pour les éléments de détection de résistance, et l'élément en nickel conforme aux exigences DIN 43760 est limité à une plage de mesure de −80 à +260 °C. Ce plafond est bien inférieur à la plage de l'élément en platine utilisé dans les mêmes instruments, qui est la norme de l'industrie pour cette application, et la raison est la même courbe qui apparaît dans le tableau de résistivité : le nickel est un métal de détection sensible et non linéaire, et la non-linéarité est ce qui limite sa plage utile.

Ainsi, un fil acheté pour une application de détection de température doit être commandé selon la spécification du thermomètre à résistance et sa conception d'élément, et non selon un numéro de type de thermocouple, car les deux sont des instruments différents avec des matériaux différents.

Chaque ligne ci-dessous est une application que les données publiées qualifient ou excluent, et la qualification fait partie de ce qu'est le fil.

Deux choses, et elles sont différentes. Les nuances forgées sont décrites dans leur bulletin comme étant commercialement pures à 99,6 %, tandis que la spécification à laquelle elles sont vendues fixe un minimum de 99,0 % pour le nickel plus le cobalt avec le reste en résiduels contrôlés. Le certificat est vérifié par rapport au plancher de 99,0 %, donc la commande doit porter le numéro UNS, avec le chiffre de pureté commerciale à côté comme description.

Non, et c'est la correction la plus importante pour un fil destiné à une application de résistance ou de chauffage. La résistivité publiée est de 0,096 micro-ohm mètre à 20 °C et de 0,130 à 100 °C, une augmentation d'environ 35 % sur quatre-vingts kelvins, et elle continue d'augmenter au-delà. Le coefficient moyen sur cet intervalle est d'environ 0,44 % par kelvin, donc la résistance d'un élément en nickel est fortement dépendante de la température.

Pas à l'air à haute température, d'après le bulletin du matériau, qui indique que le chauffage dans des atmosphères oxydantes à haute température doit être évité en raison du danger d'oxydation intergranulaire. Un élément en nickel peut être utilisé à une température de fonctionnement plus basse ou dans une atmosphère contrôlée où la variation de résistance est acceptable, et les éléments spécifiés pour les applications de four et d'appareil sont tirés des alliages de chauffage contenant du chrome.

Pas comme branche standardisée. Les couples définis sont construits à partir de paires d'alliages, tels que le nickel-chrome contre le nickel-aluminium dans le Type K et le nickel-chrome contre le cuivre-nickel dans le Type E, et le nickel pur n'en fait pas partie. Le rôle de mesure de température de ce matériau est l'élément de résistance, où la version en nickel conforme à la norme DIN 43760 est limitée à −80 à +260 °C par rapport à la plage beaucoup plus large de l'élément en platine.

Du côté négatif. Une cellule lithium-ion est construite avec un collecteur de courant en aluminium sur l'électrode positive et en cuivre sur l'électrode négative, et le matériau de l'onglet suit cette division, de sorte que les packs sont assemblés avec des onglets en aluminium du côté positif et du nickel pur ou du cuivre plaqué nickel du côté négatif. Le comportement de soudage du nickel pur, que la littérature publiée sur l'assemblage de batteries décrit comme le plus facile des matériaux d'onglet à souder par points, est la raison pour laquelle il occupe cette place dans la production ainsi que dans la conception.

Le fil est fourni en bobines ou sur bobines, à l'état recuit ou tréfilé à froid, à partir de 0,025 mm de diamètre et selon le dessin. La norme matérielle pour le fil de cette famille est ISO 9724, avec ASTM B 160 et son équivalent ASME couvrant les barres et les tiges et ISO 9723 couvrant les barres, et les résultats d'analyse et mécaniques pour le lot sont émis sur le document d'inspection pour la coulée dont le fil provient.

Le fil de nickel pur est une famille de deux nuances, séparées par le carbone et identifiées par le numéro UNS, tiré de nickel commercialement pur à 99,6 % nominal contre un minimum spécifié de 99,0 % pour le nickel plus le cobalt. Il est acheté pour sa surface et pour son comportement dans les produits chimiques réducteurs et les alcalis caustiques, et non pour sa conductivité ou pour une résistance constante, car sa résistivité augmente d'environ un tiers entre 20 °C et 100 °C. Les deux applications où les données publiées doivent être lues attentivement sont l'élément chauffant, où le bulletin du matériau met en garde contre le chauffage dans des atmosphères oxydantes à haute température en raison de l'oxydation intergranulaire, et le thermocouple, où les branches standardisées sont des alliages et où le véritable rôle de mesure de ce matériau est l'élément de résistance en nickel DIN 43760 avec une plage allant jusqu'à 260 °C.

Là où le fil est acheté en plus grand volume, c'est le pack de batteries, et la règle de polarité est la partie utile de cela. Onglets en aluminium du côté positif, nickel pur ou cuivre plaqué nickel du côté négatif, et bande ou fil de nickel pour les interconnexions, choisis car il se soude de manière fiable et car la jonction conserve sa surface pendant la durée de vie du pack. Le fil est fourni en bobines et sur bobines de Changzhou, Jiangsu, à l'état recuit ou tréfilé à froid, coupé à la longueur ou en continu, avec les résultats d'analyse et mécaniques émis par rapport à la coulée.

1. Bulletin de Special Metals Corporation pour Nickel 200 et Nickel 201. Source pour la description du matériau comme nickel forgé commercialement pur à 99,6 %, les limites de composition incluant le minimum de 99,0 % pour le nickel plus le cobalt et les limites de carbone de 0,15 % et 0,02 %, les désignations et les numéros Werkstoff, les constantes physiques incluant la densité, la plage de fusion, la température de Curie, le module d'élasticité et la conductivité thermique, la résistivité électrique de 0,096 micro-ohm mètre à 20 °C et 0,130 à 100 °C, l'affirmation que le nickel recuit a une faible dureté et une bonne ductilité, la description du matériau comme hautement résistant aux produits chimiques réducteurs et inégalé en résistance aux alcalis caustiques, l'avertissement que le chauffage dans des atmosphères oxydantes à haute température doit être évité en raison du danger d'oxydation intergranulaire, le rapport selon lequel une exposition prolongée entre 800 °F et 1 200 °F précipite le graphite, et la liste des numéros de spécification par forme de produit.
2. ISO 9723, barres de nickel et d'alliages de nickel ; ISO 9724, fil et fil de tréfilage de nickel et d'alliages de nickel ; ISO 9725, pièces forgées de nickel et d'alliages de nickel ; avec ASTM B 160 et ASME SB 160 pour les tiges et barres. Source pour les normes qui couvrent les formes fournies et pour l'affirmation que la norme matérielle pour le fil de cette famille est ISO 9724, qui spécifie la composition, les propriétés de traction, la qualité de surface et les tolérances dimensionnelles pour le fil.
3. Littérature publiée sur les onglets de batterie et l'assemblage de packs, y compris les pages techniques des fournisseurs pour les onglets de batterie au lithium et pour la bande de nickel pur en soudage par points. Source pour l'affirmation que l'électrode positive d'une batterie lithium-ion utilise des onglets en aluminium et l'électrode négative utilise des onglets en nickel pur ou des onglets en cuivre plaqué nickel, et pour l'affirmation que le nickel pur est le plus facile des matériaux d'onglet à souder par points. Ce sont des sources techniques commerciales et elles sont citées comme telles et non comme des normes.
4. Littérature publiée sur les éléments de résistance, y compris l'affirmation que le nickel est limité à une plage de mesure de −80 à +260 °C et que les éléments en nickel sont conformes aux exigences DIN 43760, ainsi que l'affirmation que le platine est le matériau de détection standard de l'industrie avec une plage beaucoup plus large. Source pour la comparaison des deux matériaux de détection.
5. Listes publiées de matériaux et de types de thermocouples. Source pour les compositions de branches des couples standardisés à base de métaux, y compris le nickel-chrome contre le nickel-aluminium dans le Type K, le nickel-chrome-silicium contre le nickel-silicium dans le Type N, le nickel-chrome contre le cuivre-nickel dans le Type E, le fer contre le cuivre-nickel dans le Type J, et le cuivre contre le cuivre-nickel dans le Type T, et donc pour l'affirmation que le nickel pur n'est pas l'une des branches définies.
6. Données produit détenues par DLX Alloy. Source pour les formes fournies, la plage de diamètre à partir de 0,025 mm, les conditions recuites et tréfilées à froid, l'emballage en bobine et sur bobine, et la position d'inspection.

Chaque chiffre ci-dessus est une valeur publiée pour le matériau nommé, et le coefficient cité dans la discussion sur la résistance est calculé à partir des deux valeurs de résistivité publiées et non mesuré sur un fil livré. Un lot de fil de nickel est accepté selon la nuance, le diamètre, le tempérage et l'état de surface commandés, avec les résultats d'analyse et mécaniques confirmés sur le document d'inspection pour la coulée. La résistivité, la dureté et les propriétés de traction varient avec la nuance, le tempérage et le diamètre du fil, c'est pourquoi la condition est indiquée partout où une valeur est citée. Les applications en dehors des applications décrites ici doivent être vérifiées par rapport au milieu et à la température spécifiques, et les deux qualifications sur cette page, l'avertissement d'oxydation pour l'application de chauffage et la plage de mesure de l'élément en nickel, sont celles à prendre en compte dans cette vérification.