Медно-никелевые сплавы — сплавы на основе меди, содержащие никель в качестве главного легирующего элемента. Никель образует с медью непрерывный ряд твёрдых растворов. При добавлении никеля к меди возрастают её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, сильно повышается стойкость против коррозии. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии — из них получают листы, ленты, проволоку, прутки, трубы, штампуют различные изделия. Медно-никелевые сплавы подразделяют на конструкционные и электротехнические. Конструкционные медно-никелевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью и красивым серебристым цветом, к ним относятся мельхиор и нейзильбер. Электротехнические медно-никелевые сплавы имеют высокое электросопротивление и высокую термоэдс в паре с другими металлами. Их применяют для изготовления резисторов, реостатов, термопар. К электротехническим медно-никелевым сплавам относятся константан, копель и другие сплавы. Благодаря разнообразным ценным свойствам медно-никелевые сплавы, несмотря на дефицитность никеля, находят широкое применение в электротехнике, судостроении, для производства посуды, художественных изделий массового потребления, в медицинской промышленности, пирометрии.
1. Классификация и общая характеристика медно-никелевых сплавов
Медно-никелевые сплавы по механическим, физико-химическим свойствам и областям применения можно условно разделить на следующие основные группы: конструкционные, термоэлектродные, сплавы сопротивления и сплавы с особыми свойствами. В Украине маркировку сплавов проводят следующим образом:
Каждый элемент, входящий в сплав имеет своё собственное буквенное обозначение. Некоторые из них представлены в табл. 1.1.
Табл. 1.1. Буквенные обозначения некоторых элементов в Украине
|
Элемент |
Обозначение |
Элемент |
Обозначение |
|
|
Zn |
Ц |
Pb |
С |
|
|
Mn |
Мц |
Fe |
Ж |
|
|
Al |
А |
Si |
К |
|
|
Ni |
Н |
P |
Ф |
|
|
Sn |
О |
Ti |
Т |
|
|
Be |
Б |
Cr |
Х |
|
|
Cu |
М |
|||
Название сплава состоит из букв элементов, входящих в него. Вначале ставятся буквы основных компонентов, определяющих свойства сплава, а затем буквы остальных компонентов в порядке уменьшения содержания этих элементов в сплаве. Среднее содержание элементов в сплаве указывается цифрами, разделёнными тире, сразу после буквенного обозначения сплава в том же порядке, в котором расположены буквы элементов в названии сплава. Содержание основного компонента не указывается, а рассчитывается как разность 100% и суммарного содержания всех легирующих компонентов.
Например, сплав МН10 содержит в своём составе 10% (по массе) никеля (Н), остальное — медь (М).
Сплав МНЦС16-29-1,8 содержит в своём составе 16% никеля (Н), 29% цинка (Ц), 1,8% свинца (С), остальное — медь (М) [2].
К конструкционным сплавам относят мельхиоры, нейзильберы и некоторые другие сплавы. Их применяют для изготовления деталей с повышенными механическими и коррозионными свойствами (см. табл. 1.2.).
Мельхиор
Мельхиор — однофазный сплав, представляющий собой твёрдый раствор; хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии, после отжига имеет предел прочности около 400 Мн/м2 (40 кгс/мм2).
Наиболее ценное свойство Мельхиора — высокая стойкость против коррозии в воздушной атмосфере, пресной и морской воде. Увеличенное содержание никеля, а также добавки железа и марганца обеспечивают повышенную коррозионную и кавитационную стойкость, особенно в морской воде и в атмосфере водяного пара. В мельхиоре марки МН19, применяемом для изготовления монет, допускается повышение содержания марганца или железа, но при этом сумма их не должна превышать 1,3%. В мельхиоре марки МН19, применяемом для изготовления лент специального назначения, устанавливается следующее содержание примесей: марганца не более 0,01%, магния не более 0,01%, кремния не более 0,15 %, железа не более 0,3% и сумма примесей не более 0,6%.
Нейзильбер
Нейзильбер — сплав меди с 5—35% Ni и 13—45% Zn. При повышенном содержании никеля имеет красивый белый цвет с зеленоватым или синеватым отливом и высокую стойкость против коррозии. Дорогие изделия из сплавов типа Нейзильбер под названием «пакфонг» завезены в Европу из Китая в 18 в. В 19 в. изделия из сплавов такого типа, обычно посеребрённые, производили под разными наименованиями: китайское серебро, мельхиор и др.
Табл. 1.2. Свойства и назначения некоторых конструкционных медно-никелевых сплавов.
|
Название и марка сплава |
Типичные механические свойства |
Примерное назначение |
|||
|
Мельхиор МН19 |
35 |
35 |
70 |
Медицинский инструмент, детали точной механики, изделия широкого потребления |
|
|
Мельхиор МНЖМц30-1-1 |
38 |
45 |
70 |
Трубы для конденсаторов |
|
|
Нейзильбер МНЦ15-20 |
40 |
45 |
70 |
Детали приборов точной механики, техническая посуда, художественные изделия, изделия широкого потребления |
|
Мельхиоры содержат 20 — 30% никеля и часто дополнительно легируются железом и марганцем. Нейзильберы относятся к тройной системе Cu — Ni — Zn и содержат 5 — 35% никеля и 13 — 45% цинка.
Важнейшими представителями термоэлектродных сплавов являются хромель, алюмель, копель и сплавы для компенсационных проводов. Эти сплавы отличаются большой электродвижущей силой и высоким удельным электросопротивлением при малом температурном коэффициенте электросопротивления. Применяются они для изготовления прецизионных приборов, термопар и компенсационных проводов к ним.
Наконец, к группе сплавов сопротивления и сплавов с особыми свойствами относятся сплавы, обладающие высокой жаропрочностью и жароупорностью и применяющиеся для изготовления разного рода электронагревательных приборов и электропечей.
2. Свойства некоторых медно-никелевых сплавов
|
Mapки |
Характерные свойства |
||
|
поГОСТ492-73 |
по СТ СЭВ 378-76 |
||
|
МН19 |
CuNi19 |
Плохо деформируется в холодном состоянии, хорошо сваривается, коррозионно-стойкий |
|
|
МН25 |
CuNi25 |
Плохо деформируется в холодном состоянии, хорошо сваривается, коррозионно-стойкий, износостойкий |
|
|
МНЖ5-1 |
CuNi5Fe1Mn |
Коррозионно-стойкий, хорошо деформируется в холодном состоянии |
|
|
МНЖМц10-1-1 |
CuNi10Fe1Mn |
Деформируется в холодном состоянии, коррозионно-стойкий, хорошо сваривается |
|
|
МНЖМцЗО-1-1 |
CuNi30Fe1Mn |
Очень хорошая эрозионная и коррозионная стойкость, хорошо сваривается |
|
|
МНЦ15-20 МНЦ18-20 |
CuNi15Zn21 CuNi18Zn20 |
Коррозионно-стойкие. Хорошо деформируются в холодном состоянии, хорошие пружинные свойства |
|
|
МНЦ12-24 МНЦ18-27 |
CuNi12Zn24 CuNi18Zn27 |
Хорошо деформируются в холодном состоянии, хорошие пружинные свойства |
|
3. Плавка медно-никелевых сплавов
Медные сплавы плавят в пламенных, дуговых и индукционных печах. Плавка большинства медных сплавов на воздухе сопровождается окислением элементов шихты и растворением водорода. Окисление сплавов, содержащих алюминий, кремний, бериллий, происходит с образованием плотной оксидной пленки на поверхности расплава, которая оказывает влияние на механические свойства отливок. Медные сплавы при затвердевании склонны к образованию газовой пористости (за исключением латуни), особенно характерной для сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации, в частности для оловянных бронз. Для раскисления никеля используют также силикокальций. Для защиты от окисления плавку медных сплавов ведут под слоем древесного угля или флюса. Шихту следует загружать в печь, нагретую до 600-700оC. Сначала загружают медь по частям или полностью. Если в состав входит никель, его загружают вместе с медью. Расплав перегревают до 1’200оC и раскисляют фосфористой медью (0,3-1% массы меди).
После перемешивания сплава считают шлаки, в несколько приемов загружают отходы и чушки переплава из стружки, подогретые до 1’000-1’500о. При температуре расплава 1’160-1’200оC вводят цинк, олово и свинец. В нагретую до 700оC печь загружают медь и железо. Поверхность расплава должна быть покрыта древесным углем или флюсом, содержащим, % (мас. доля): битого стекла 90; полевого шпата 10. После расплавления шихты при температуре 1200оC расплав раскисляют фосфористой медью (0,1-0,2%).
Затем вводят лигатуры: медь-марганец, медно-алюминиево-железную и т.д. Последней добавляют медно-алюминиевую лигатуру. Если в состав шихты входят чистый никель, марганец и железо, то сначала вводят железо и марганец, а затем никель. При плавке латуней в качестве шихтовых материалов применяют чушки, возврат, переплав стружки и лигатуры. После подогрева печи в нее загружают чушки и расплавляют их. Сгущают шлак и загружают возврат и переплав; по необходимости подшихтовывают сплав лигатурами.
Особенностью никеля и никелевых сплавов являются их повышенная склонность взаимодействовать с газами печной атмосферы. Растворимость газов в жидком никеле при температуре 1’600оC составляет: кислорода до 0,5% и водорода до 43 см3/100 г металла. Основная причина газовой пористости при кристаллизации отливок — выделение водорода.
Плавку никеля ведут в индукционных канальных и тигельных печах, реже дуговых, для вакуумной техники — в вакуумных индукционных тигельных печах. Футеровка печей основная или нейтральная. При плавке в индукционных канальных печах с железным сердечком промышленной частоты под набивают огнеупорной массой следующего состава, % (мас. доля): плавленого магнезита 98, буры или борной кислоты 2. Высокочастотные печи футеруют массой состава, % (мас. доля): магнезита 90, жидкого стекла 8 и воды 12.
Плавку ведут под слоем флюса, состоящего из стекла (бутылочный бой), плавикового шпата, извести, молотого магнезита со стеклом и других компонентов; расход флюса составляет 5-10% от массы шихты, толщина слоя флюса, покрывающего зеркало ванны 10-15 мм. Не допускается использовать в качестве флюса древесный уголь и гипс. Шихтовыми материалами для плавки чистого никеля являются катодный никель Н0 и Н1, гранулы никеля и крупные никелевые отходы собственного производства в количестве, не превышающем 50% от массы шихты. Очистку никеля от кислорода и серы проводят при температуре расплава 1’500-1’600оC с применением комплексного раскислителя, содержащего углерод, кремний, марганец и магний. Основным раскислителем является углерод, который загружают в печь вместе с шихтой в виде графитового боя или лигатуры. Ni -C [содержание углерода 1,5-2% (мас. доля)]. Расход комплексного раскилителя составляет 0,18-0,22% от массы расплава (углерода 0,05-0,5%, кремния 0,07-0,15%, марганца 0,5-0,2%, магния 0,05-0,1%).
Избыточное количество углерода придает никелю хрупкость. Для раскисления никеля используют также силикокальций, содержащий 23 % Са; силикокальций вводят в таком количестве, чтоб в никеле содержалось 0,05-0,1% (мас. доля) Са.
Перед разливкой расплава по формам (1’600оC) флюс сгущают, засыпая на поверхность расплава молотый магнезит в количестве 0,2% от массы шахты во избежание попадания флюса в полость формы. Очистку никелевых сплавов от растворенных газов проводят наведением окислительного шлака (MnO + CuO + Na2CO3 + SiO2) или продувкой расплава интерными газами (аргоном или гелием).
Для повышения уровня эксплуатационных свойств никелевых жаропрочных сплавов их модифицируют присадками бора (0,01-0,03%) и циркония (0,03-0,1%).
При плавке никелевых жаропрочных сплавов в дуговых электропечах после загрузки никеля и кусковых отходов под электроды вводят шлакующуюся смесь (известь с плавиковым шпатом 1:1) в количестве 3-5% от массы шихты. После расплавления добавляют лигатуры в чистые металлы (Мо, Nb, W и др.).
После отбора проб на химический анализ расплав рафинируют и раскисляют. Для раскисления используют: смесь извести с алюминиевым порошком (1:1) в количестве 3-4 кг на тонну расплава, марганец (0,25%), алюминий (0,3-0,5%) и титан (0,01-0,15%).
Модификацию проводят цирконием и бором.
При плавке никелевых сплавов в индукционных тигельных печах используют шлакообразующую смесь, содержащую, % (мас. доля): извести 70; плавикового шпата 30; расход смеси 3—4% (маc. доля).
Раскисление проводят порошком алюминия (2кг/т) или марганцем и титаном.
При производстве фасонных отливок из никелевых и медно-никелевых сплавов применяют вакуумные индукционные тигельные печи непрерывного и периодического действия.
4. Диаграмма состояния Сu—Ni
Диаграмма состояния медь — никель приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Диаграмма состояния Cu — Ni.
В интервале температур 1000-1500 °С исследование проведено с использованием катодной Сu чистотой 99,99% (по массе) и электролитического Ni чистотой 99,95% (по массе) методом микрорентгеноспектрального анализа образцов, закаленных из твердожидкого состояния. Результаты работы хорошо совпадают с данными,полученными методами термического, металлографического и микрорентгеноспектрального анализов в области концентраций 0-100% (ат.) Ni. Система Сu-Ni характеризуется образованием в процессе кристаллизации непрерывного ряда твердых растворов (Сu, Ni) с гранецентрированной кубической (далее — ГЦК) структурой. По данным спектрального анализа установлено равновесие Ж-Г с азеотропным минимумом при температуре 2500 °С и концентрации 50 — 60%; (ат.) Ni; указывается на наличие области расслоения на две фазы (газообразный и жидкий растворы разного состава) при концентрации 60 — 100% (ат.) Ni. В интервале концентраций 0 — 60% (ат.) Ni область расслоения настолько узка, что практически вырождается в прямую линию.
Граница расслаивания твердого раствора и критическая точка несмешиваемости, соответствующая концентрации никеля 69,7% (ат.) и температуре 342 °С приведена на основании расчета, проведенного по термодинамическим константам [9].
При температурах ниже 342?С раствор расслаивается на 2 фазы: ?-фазу (твёрдый раствор на основе меди с ГЦК решёткой) и ?-фазу (твёрдый раствор на основе никеля с ГЦК решёткой).
медь никель химический
5. Применение материалов Медно-никелевых сплавов
|
Материал |
Применение, другое обозначение (если есть) |
|
|
МН0.6 |
для производства проволоки, предназначенной для изготовления компенсационных проводов к платино-платинородиевым термопарам. СплавТП |
|
|
МН10 |
конденсаторные трубы, сварные конструкции в судостроении. |
|
|
МН16 |
для производства проволоки, предназначенной для изготовления компенсационных проводов к платино-золотым и палладий-платинородиевым термопарам Тип сплава — мельхиор. СплавТБ |
|
|
МН19 |
плакировочный материал для медицинских инструментов, точная механика; сплав плохо деформируется в холодном состоянии, хорошо сваривается, коррозионно-стойкий.. Тип сплава — мельхиор |
|
|
МН25 |
монеты, декоративные изделия; сплав плохо деформируется в холодном состоянии, хорошо сваривается, коррозионно-стойкий. Тип сплава — мельхиор |
|
|
МН95-5 |
в машиностроении |
|
|
МНА13-3 |
прутки для изготовления изделий повышенной прочности в машиностроении. КуниальА |
|
|
МНА6-1.5 |
полосы для изготовления пружин ответственного назначения и других изделий в электротехнической промышленности. КуниальБ |
|
|
МНЖ5-1 |
Трубопроводы, детали для электротехники и приборостроения; электроды для сварки медно-никелевого сплава между собой и латунью и алюминиево-марганцевой бронзой. Сплав хорошо деформируется в холодном состоянии, коррозионно-стойкий |
|
|
МНЖКТ5-1-0.2-0.2 |
Проволока для ручной, полуавтоматической сварки в защитных газах медно-никелевых сплавов, медно-никелевых сплавов и меди с бронзой, латунью и сталью (углеродистой, легированной и коррозионно-стойкой), а также наплавки на сталь. |
|
|
МНЖМц10-1-1 |
конденсаторные трубы, трубные доски кондиционеров в приборостроении; сплав деформируется в холодном состоянии, хорошо сваривается, коррозионно-стойкий. Тип сплава — мельхиор |
|
|
МНЖМц30-1-1 |
конденсаторные трубы маслоохладителя, трубные доски кондиционеров, в приборостроении; сплав хорошо сваривается, коррозионно-стойкий, эрозионно-стойкий. Тип сплава — мельхиор |
|
|
МНМц3-12 |
для электротехнических целей, измерительных приборов, используется в производстве электроизмерительных приборов и приборов электросопротивления, работающих при температурах ниже 100оС Манганин |
|
|
МНМц40-1.5 |
для изготовления полуфабрикатов (проволока, ленты и полосы), применяемых для электротехнических целей и компенсационных проводов и для производства реостатов, термопар, нагревательных приборов, работающих при температурах до 500оС. Константан |
|
|
МНМц43-0.5 |
проволока для термопар и компенсационных проводов применяют для создания радиотехнических приборов и в пирометрии Копель |
|
|
МНМцАЖ3-12-0.3-0.3 |
проволока для компенсационных проводов |
|
|
МНЦ12-24 |
горячепресованные детали; сплав хорошо деформируется в холодном состоянии, хорошие пружинные свойства. . Тип сплава — нейзильбер |
|
|
МНЦ15-20 |
пружины реле, детали для электротехники, детали, получаемые глубокой вытяжкой, столовые приборы; сплав хорошо деформируется в холодном состоянии, коррозионно-стойкий, хорошие пружинные свойства. Тип сплава — нейзильбер |
|
|
МНЦ18-20 |
пружины реле, детали, получаемые глубокой вытяжкой, столовые приборы, художественные изделия; сплав хорошо деформируется в холодном состоянии, коррозионно-стойкий, хорошие пружинные свойства.Тип сплава — нейзильбер |
|
|
МНЦ18-27 |
горячепрессованные детали; сплав хорошо деформируется в холодном состоянии, хорошие пружинные свойства. Тип сплава — нейзильбер |
|
|
МНЦС16-29-1.8 |
в часовой промышленности.Тип сплава — свинцовистый нейзильбер |
|
|
НМЖМц28-2.5-1.5 |
для полуфабрикатов (проволока, ленты, листы и полосы), применяемых при изготовлении антикоррозионных деталей Монель |
|
Вывод
Медно-никелевые сплавы нашли широкое применение как коррозионностойкие и электротехнические материалы. Из мельхиоров изготавливают конденсаторные трубы, трубные доски конденсаторов, медицинский инструмент и т.д. Нейзильберы используются как плакировочный материал для медицинских инструментов, из них также изготавливают детали точной механики и часовой конструкции. Медно-никелевые сплавы, используются для чеканки разменных монет с конца XIX века, причем их состав на разных монетных дворах весьма разнообразен. Одним из замых известных таких сплавов является мельхиор или нойзильбер (нем. Newsilber, от neu — новый и silber — серебро) с составом медь (55-67%), никель (11-13%) и цинк (25-32%), однако в настоящее время он не применяется для чеканки монет. Тянутые и холоднокатаные мельхиоровые трубы, применяемые в различных отраслях промышленности для изготовления теплообменных аппаратов, работающих в условиях морской воды.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/medno-nikelevyie-splavyi/
1. Большая советская энциклопедия. — М.Советская энциклопедия. 1969—1978.И.И. Новиков.
2. http://ometals.ru/medno-nikelevye-splavy
3. GOST_492-73.pdf
4. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов.- М.2006.
