Мельхиор или медно-никелевый (CuNi) представляет собой сплав из меди , который содержит никель и укрепление элементы, такие как железо и марганец . Содержание меди обычно колеблется от 60 до 90 процентов. ( Монель - это медно-никелевый сплав, содержащий минимум 52 процента никеля.)
Несмотря на высокое содержание меди, мельхиор имеет серебристый цвет. Мельхиор обладает высокой устойчивостью к коррозии в соленой воде и поэтому используется в трубопроводах, теплообменниках и конденсаторах в системах с морской водой , а также в судовом оборудовании. Иногда его используют для гребных винтов , гребных валов и корпусов высококачественных лодок . Другое использование включает военное оборудование и химическую, нефтехимическую и электротехническую промышленность. [1]
Еще одно распространенное современное использование мельхиора - монеты серебристого цвета . Для этого использования типичный сплав имеет соотношение меди к никелю 3: 1 с очень небольшим количеством марганца. В прошлом настоящие серебряные монеты обесценивали мельхиором.
Имя
Помимо мельхиора и медно-никелевого сплава , для описания материала использовались несколько других терминов: торговые названия Alpaka или Alpacca , Argentan Minargent , зарегистрированный французский термин cuivre blanc и латинизированный кантонский термин Paktong , 白銅 (французский и кантонский термины оба означает «белая медь»); Мельхиор также иногда называют гостиничным серебром , plata alemana (с испанского «немецкое серебро»), немецким серебром и китайским серебром . [2]
Приложения
Морская инженерия
Купроникелевые сплавы используются для морских применений [3] из-за их устойчивости к коррозии в морской воде , хорошей технологичности и их эффективности в снижении уровней макрообрастания . Сплавы в диапазоне от 90% Cu – 10% Ni до 70% Cu – 30% Ni обычно используются в трубках теплообменников или конденсаторов в самых разных морских применениях. [4]
Важные морские применения мельхиора включают:
- Судостроение и ремонт: корпуса лодок и судов, охлаждение морской водой, трюм и балласт, санитарные, противопожарные, инертные газовые, гидравлические и пневматические системы охлаждения. [5] [6]
- Установки опреснения : нагреватели рассола, отвод и утилизация тепла, а также в трубах испарителя. [7]
- Морские нефтегазовые платформы, технологические суда и суда FPSO : системы и покрытия для зон заплеска. [8]
- Производство электроэнергии : конденсаторы паровых турбин, маслоохладители, вспомогательные системы охлаждения и подогреватели высокого давления на атомных электростанциях и электростанциях, работающих на ископаемом топливе. [9]
- Компоненты систем забортной воды: трубы конденсатора и теплообменника, трубные решетки, трубопроводы, системы высокого давления, арматура, насосы и водяные камеры. [10] [11]
Чеканка
Успешное использование мельхиора в чеканке монет связано с его коррозионной стойкостью , электропроводностью , долговечностью, пластичностью , низким риском аллергии , простотой штамповки , антимикробными свойствами и пригодностью для вторичной переработки . [12]
В Европе в 1850 году в Швейцарии была впервые введена чеканка никелевых биллонов с добавлением серебра. В 1968 году в Швейцарии было принято гораздо более дешевое соотношение меди и никеля 75:25, которое тогда использовалось в Бельгии , США и Германии. С 1947 по 2012 год все «серебряные» монеты в Великобритании производились из мельхиора, но с 2012 года два наименьших номинала мельхиора были заменены более дешевыми стальными никелированными монетами.
Отчасти из-за накопления серебра во время Гражданской войны Монетный двор США сначала использовал мельхиор для обращения монет трехцентовыми монетами, начиная с 1865 года, а затем - пятицентовыми монетами, начиная с 1866 года. производится только в серебре в США. Мельхиор является облицовкой по обе стороне от США половин долларов (50 центов) с 1971 года, и все четверти (25 ¢) и пятаки (10 центов) производятся после 1964 г. В настоящее время некоторые циркулирующие монеты, такие как Соединенные Штаты никель Джефферсона (5 ¢), [13] швейцарский франк и Южная Корея 500 и 100 вон выполнены из твердого мельхиора (75:25 соотношения). [14]
Другое использование
В одножильных кабелях для термопар используется однопроводная пара проводников для термопар, таких как железо- константан , медь-константан или никель-хром / никель-алюминий. У них есть нагревательный элемент из константана или никель-хромового сплава в оболочке из меди, мельхиора или нержавеющей стали. [15]
Купроникель используется в криогенных приложениях. Его сочетание хорошей пластичности и теплопроводности при очень низких температурах является преимуществом для низкотемпературного технологического оборудования и оборудования для хранения, а также для теплообменников на криогенных установках. [16] [17] [18]
Начиная примерно на рубеже 20 - го века, пуля куртки были обычно сделаны из этого материала. Вскоре его заменили позолотой, чтобы уменьшить загрязнение канала ствола .
В настоящее время основным материалом для изготовления посеребренных столовых приборов остается мельхиор и мельхиор . Он обычно используется для механического и электрического оборудования, медицинского оборудования, застежек-молний, ювелирных изделий, а также для струн для инструментов семейства скрипок и для ладов гитары. Музыкальные инструменты Fender использовали магниты "CuNiFe" в звукоснимателе "Wide Range Humbucker " для различных гитар Telecaster и Starcaster в 1970-х годах. [ необходима цитата ]
Для высококачественных цилиндровых замков и запорных систем сердечники цилиндров изготавливаются из износостойкого мельхиора.
Мельхиор используется в качестве альтернативы традиционным стальным тормозным магистралям, поскольку он не ржавеет. Поскольку мельхиор намного мягче стали, он легче изгибается и расширяется, и это же свойство позволяет ему лучше уплотняться с гидравлическими компонентами.
Характеристики
Мельхиор не имеет медного цвета из-за высокой электроотрицательности никеля, что приводит к потере одного электрона в d-оболочке меди (оставляя 9 электронов в d-оболочке по сравнению с типичными 10 электронами чистой меди).
Важные свойства медно-никелевых сплавов включают коррозионную стойкость , внутреннее сопротивление макрообрастанию , хорошую прочность на разрыв , отличную пластичность при отжиге , теплопроводность и характеристики расширения, подходящие для теплообменников и конденсаторов , хорошую теплопроводность и пластичность при криогенных температурах, а также полезные антимикробные свойства сенсорной поверхности . [19]
Сплав | Плотность г / см 3 | Теплопроводность Вт / (м · К) | ПЭС мкм / (м · К) | Удельное электрическое сопротивление мкОм · мм | Модуль упругости ГПа | Предел текучести МПа | Предел прочности при растяжении МПа |
---|---|---|---|---|---|---|---|
90–10 | 8.9 | 40 | 17 | 19 | 135 | 105 | 275 |
70–30 | 8,95 | 29 | 16 | 34 | 152 | 125 | 360 |
66–30–2–2 | 8,86 | 25 | 15.5 | 50 | 156 | 170 | 435 |
Сплавы бывают:
Сплав UNS No. | Распространенное имя | Европейская спецификация | Ni | Fe | Mn | Cu |
---|---|---|---|---|---|---|
C70600 | 90–10 | CuNi 10 Fe | 9–11 | 1–1,8 | 1 | Остаток средств |
C71500 | 70–30 | CuNi 30 Fe | 29–33 | 0,4–1,0 | 1 | Остаток средств |
C71640 | 66–30–2–2 | 29–32 | 1,7–2,3 | 1,5–2,5 | Остаток средств |
- Эти значения могут отличаться в других стандартах.
Тонкие различия в коррозионной стойкости и прочности определяют, какой сплав будет выбран. При спуске по таблице максимально допустимая скорость потока в трубопроводе увеличивается, как и прочность на разрыв.
В морской воде сплавы имеют отличную скорость коррозии, которая остается низкой до тех пор, пока не превышается максимальная расчетная скорость потока . Эта скорость зависит от геометрии и диаметра трубы. Они обладают высокой устойчивостью к щелевой коррозии , коррозионному растрескиванию под напряжением и водородному охрупчиванию, что может создавать проблемы для других систем из сплавов. Медно-никелевый сплав естественным образом образует тонкий защитный поверхностный слой в течение первых нескольких недель воздействия морской воды, что обеспечивает его постоянную стойкость. Кроме того, они обладают высокой присущей им сопротивляемостью биологическому обрастанию прикреплением макрофообразователей (например, морских водорослей и моллюсков ), обитающих в морской воде. Чтобы использовать это свойство в полной мере, сплав должен быть свободен от воздействия или изолирован от любой формы катодной защиты .
Однако сплавы Cu – Ni могут проявлять высокие скорости коррозии в загрязненной или стоячей морской воде, когда присутствуют сульфиды или аммиак . Поэтому важно избегать воздействия таких условий, особенно во время ввода в эксплуатацию и ремонта, когда поверхностные пленки созревают. Дозирование сульфата железа в системах морской воды может обеспечить повышенную стойкость.
Поскольку медь и никель легко соединяются друг с другом и имеют простую структуру, эти сплавы пластичны и легко производятся. Повышение прочности и твердости каждого сплава путем холодной обработки ; они не затвердевают при термической обработке . Соединение 90–10 (C70600) и 70–30 (C71500) возможно как сваркой, так и пайкой . Оба они пригодны для сварки большинством методов, хотя не рекомендуются автогенные (сварка без сварочных материалов) или кислородно-ацетиленовые методы. Сварочные материалы 70–30, а не 90–10 обычно предпочтительны для обоих сплавов, и термообработка после сварки не требуется. Их также можно приваривать непосредственно к стали, при условии использования сварочного материала на 65% никель-медь, чтобы избежать эффектов разбавления железа. Сплав C71640 обычно используется в качестве бесшовных труб и расширяется, а не приваривается к трубной пластине. Для пайки требуются соответствующие припои на основе серебра. Тем не менее, необходимо проявлять большую осторожность, чтобы гарантировать отсутствие напряжений в Cu – Ni, паяемом серебром, поскольку любое напряжение может вызвать межзерновое проникновение припоя и серьезное растрескивание под напряжением (см. Изображение). Таким образом, необходим полный отжиг любого потенциального механического напряжения.
Применения для сплавов Cu – Ni выдержали испытание временем, поскольку они по-прежнему широко используются и варьируются от трубопроводов систем забортной воды, конденсаторов и теплообменников на морских судах, коммерческого судоходства, многоступенчатого опреснения воды и электростанций. Они также использовались в качестве облицовки зон брызг на морских сооружениях и защитной облицовки корпусов лодок, а также для самих прочных корпусов.
Изготовление
Благодаря своей пластичности , мельхиоровые сплавы могут быть легко изготовлены в широком диапазоне форм продукта [21] и арматуры. Из мельхиоровых труб можно легко превратить трубные решетки для изготовления кожухотрубных теплообменников .
Доступны подробные сведения о процедурах изготовления, включая общую обработку, резку и механическую обработку, формование, термообработку, подготовку к сварке, подготовку к сварке, прихватку, сварочные материалы, сварочные процессы, окраску, механические свойства сварных швов, а также гибку труб и труб. [22]
Стандарты
Для заказа кованых и литых форм мельхиора существуют стандарты ASTM , EN и ISO . [23]
Термопары и резисторы , сопротивление которых стабильно при изменении температуры, содержат константан , состоящий из 55% меди и 45% никеля.
История
Китайская история
Сплавы мельхиора были известны китайцам как «белая медь» примерно с третьего века до нашей эры. Некоторое оружие, изготовленное в период Воюющих Государств, было изготовлено из сплавов Cu-Ni. [24] Теория китайского происхождения бактрийского мельхиора была предложена в 1868 году Флайтом, который обнаружил, что монеты, считающиеся старейшими из обнаруженных мельхиоровых монет, были из сплава, очень похожего на китайский пактонг . [25]
Автор-ученый Хо Вэй точно описал процесс производства мельхиора примерно в 1095 году нашей эры. Paktong сплав был описан как делается путем добавления небольших таблеток в природе YUNNAN руды в ванну с расплавленной меди. Когда образовалась корка шлака , добавляли селитру , перемешивали сплав и сразу же отливали слиток . Цинк упоминается как ингредиент, но нет никаких подробностей о том, когда он был добавлен. Согласно легенде, использованная руда была добыта исключительно из Юньнани :
«Сан Мао Чунь был в Таньяне в голодный год, когда многие люди умерли, поэтому, приняв определенные химические вещества, Ин спроецировал их на серебро, превратив его в золото, и он также преобразовал железо в серебро, что позволило спасти жизни многих [ через покупку зерна через это поддельное серебро и золото]. После этого все те, кто готовил химические порошки путем нагревания и преобразования меди с помощью проекции, называли свои методы «техниками Таньян» [25].
В литературе поздних династий Мин и Цин очень мало информации о пактонге . Тем не менее, впервые упоминается конкретно по имени в Тиен Kung Кхай Ву из CIRCA 1637:
«Когда lu kan shih (карбонат цинка, каламин ) или wo chhein (металлический цинк) смешивают и соединяют с chih thung (медью), получается« желтая бронза »(обычная латунь). Когда phi shang и другие вещества мышьяка нагреваются с это, один получает «белую бронзу» или нейзильбер: пай плети Когда. квасцы и селитра и другие химические вещества смешиваются вместе один получает цин Thung :. зеленый бронзы» [25]
Ко Хунг заявил в 300 году нашей эры: «Медь Таньян была создана путем добавления ртутного эликсира в медь Таньян и образовалось нагретое золото». Тем не менее, Пха Фу Цу и Шен И Цзин описывают статую в западных провинциях как сделанную из серебра, олова, свинца и таньянской меди, которая выглядела как золото и могла быть выкована для покрытия и инкрустации сосудов и мечей. [25]
Джозеф Нидхэм и др. утверждают, что мельхиор был по крайней мере известен как уникальный сплав китайцами во время правления Лю Аня в 120 г. до н.э. в Юньнани. Более того, юньнаньское государство Тянь было основано в 334 г. до н.э. как колония Чу. Скорее всего, современный пактонг был неизвестен китайцам того времени, но медно-никелевый сплав Юньнаньской руды, вероятно, был ценным товаром для внутренней торговли. [25]
Греко-бактрийская чеканка
В 1868 году У. Флайт обнаружил греко-бактрийскую монету, содержащую 20% никеля, которая датируется периодом 180–170 гг. До н.э. с бюстом Евтидема II на лицевой стороне. Монеты из аналогичного сплава с бюстами его младших братьев Панталеона и Агафокла чеканились около 170 г. до н. Э. Позднее состав монет был проверен с использованием традиционного мокрого метода и рентгенофлуоресцентной спектрометрии. [25] Каннингем в 1873 году предложил «теорию бактрийского никеля», которая предполагала, что монеты, должно быть, были результатом сухопутной торговли из Китая через Индию в Грецию. Теория Каннингема была поддержана такими учеными, как У. В. Тарн, сэр Джон Маршалл и Дж. Ньютон Френд, но подверглась критике со стороны Э. Р. Кейли и С. ван Р. Камманна. [25]
В 1973 году Ченг и Швиттер в своем новом анализе предположили, что бактрийские сплавы (медь, свинец, железо, никель и кобальт) очень похожи на китайский пактонг , а из девяти известных азиатских месторождений никеля только те, что находятся в Китае, могут обеспечить идентичные химические составы. [25] Камманн раскритиковал работу Ченга и Швиттера, заявив, что падение курса мельхиоровой валюты не должно было совпадать с открытием Шелкового пути. По словам Камманна, если бы теория бактрийского никеля была верной, Шелковый путь увеличил бы поставки мельхиора. Однако конец греко-бактрийской мельхиоровой валюты можно отнести к другим факторам, таким как конец дома Евтидема. [25]
Европейская история
Сплав, кажется, был заново открыт Западом во время алхимических экспериментов. Примечательно, что Андреас Либавиус в своей книге « Алхимия 1597 года» упоминает об альбоме с побеленной поверхностью меди, содержащей ртуть или серебро. Но в De Natura Metallorum in Singalarum Part 1, опубликованном в 1599 году, тот же термин был применен к «олову» из Ост-Индии (современная Индонезия и Филиппины ) и получил испанское название tintinaso . [25]
Ричард Уотсон из Кембриджа, кажется, первым обнаружил, что мельхиор был сплавом трех металлов. Пытаясь заново открыть секрет белой меди, Уотсон критиковал « Историю Китая» Жана-Батиста Дю Хальда (1688 г.) как сбивающий с толку термин « пактонг». Он отметил, что китайцы его времени сформировали его не как сплав, а, скорее, выплавляла легкодоступную необработанную руду:
"... из обширной серии экспериментов, проведенных в Пекине, явствует, что это происходило естественным образом, поскольку руда, добываемая в этом регионе, самая необычная медь - это пе-тонг или белая медь: она белая, когда ее выкапывают из шахты, и даже более белый внутри, чем снаружи. По результатам огромного количества экспериментов, проведенных в Пекине, выяснилось, что его цвет не является результатом смешения; напротив, все смеси уменьшают его красоту, поскольку при правильном использовании он выглядит в точности как серебро и если бы не было необходимости смешивать немного тутенага или такого металла для его смягчения, это было бы гораздо более необычным, поскольку этот вид меди не встречается нигде, кроме Китая, и только в провинции Юньнань ». Несмотря на то, что здесь говорится о том, что цвет меди не является следствием смешения, несомненно, что китайская белая медь, доставленная нам, представляет собой смесь металлов; так что руда, из которой она была извлечена, должна состоять из различных металлических веществ; и из такой руды был сделан природный орихалк, если он когда-либо существовал » [25].
Во время пика европейского импорта китайской белой меди с 1750 по 1800 годы повышенное внимание было уделено обнаружению ее составляющих. Пиф и Куксон обнаружили, что «самый темный содержит 7,7% никеля, а самый светлый, как утверждается, неотличим от серебра с характерным колоколообразным резонансом при ударе и значительной устойчивостью к коррозии - 11,1%».
Другое исследование Эндрю Файфа оценило содержание никеля в 31,6%. Догадки закончились, когда Джеймс Динвидди из посольства Макартни привез в 1793 году, со значительным личным риском (контрабанда пактонговой руды была уголовным преступлением китайского императора), часть руды, из которой был сделан пактонг . [26] Купроникель стал широко известен, как было опубликовано Э. Томасоном в 1823 году в представлении, которое позже было отклонено как не новое знание, Королевскому обществу искусств .
Попытки в Европе точно воспроизвести китайский пактонг потерпели неудачу из-за общего отсутствия необходимой сложной кобальт-никель-мышьяковой руды природного происхождения. Однако в районе Шнеберг в Германии , где знаменитая Blaufarbenwerke производила кобальтовый синий и другие пигменты, находились исключительно необходимые сложные кобальт-никель-мышьяковые руды в Европе.
В то же время прусское Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Общество повышения деловой прилежности / трудолюбия) предложило приз за мастерство в этом процессе. Неудивительно, что доктор Е.А. Гайтнер и Дж. Р. фон Герсдофф из Schneeberg выиграли приз и запустили свой бренд «немецкое серебро» под торговыми марками Argentan и Neusilber (новое серебро). [26]
В 1829 году Персиваль Нортон Джонстон убедил доктора Гейтнера основать литейный завод в Боу Коммон за каналом Риджентс-Парк в Лондоне и получил слитки нейзильбера с составом 18% Ni, 55% Cu и 27% Zn. [26] Между 1829 и 1833 годами Персиваль Нортон Джонсон был первым человеком, переработавшим мельхиор на Британских островах. Он стал богатым человеком, производя более 16,5 тонн в год. Сплав в основном сделаны в столовых приборов в Бирмингеме фирмы William Hutton и продаваемый под торговым названием «аргентинской».
Самые серьезные конкуренты Джонсона, Чарльз Аскин и Брок Эванс, под руководством блестящего химика доктора Э. У. Бенсона, разработали значительно улучшенные методы суспендирования кобальта и никеля и выпустили на рынок свою собственную марку никелевого серебра, названную «British Plate». [26]
К 1920-м годам для военно-морских конденсаторов была разработана медно-никелевая марка 70–30. Вскоре после этого сплав 2% марганца и 2% железа, теперь известный как сплав C71640, был представлен для электростанции в Великобритании, которая нуждалась в лучшей стойкости к эрозии из-за высокого уровня уносимого песка в морской воде. Сплав 90–10 впервые стал доступен в 1950-х годах, первоначально для трубопроводов забортной воды, а в настоящее время является более широко используемым сплавом.
Смотрите также
- Латунь (медь, легированная цинком )
- Бронза (медь, легированная оловом )
- Медные сплавы в аквакультуре
Рекомендации
- ^ Сакевич П., Новосельски Р., Бабилас Р. Производственные аспекты неоднородной горячей деформации в литом сплаве CuNi25, Индийский журнал инженерии и материаловедения, Vol. 22 августа 2015 г., стр. 389–398.
- ^ Deutsches Kupfer-Institut (Hrsg.): Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen . Берлин 1980 г.
- ^ Морское применение медно-никелевых сплавов http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/#non_marine
- ^ Kobelco: трубки из медного сплава для теплообменника; Shinko Metal Products, Япония; http://www.shinkometal.co.jp/catalog/copperalloy-en-sc.pdf Архивировано 29 октября 2013 г. на Wayback Machine
- ^ Медно-никелевые сплавы в корпусах лодок и судов http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/hulls/
- ^ Медно-никелевые сплавы в судостроении и ремонте http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/shipbuilding_and_repair/
- ^ Медно-никелевые сплавы на опреснительных установках http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/desalination_plants/
- ^ Медно-никелевые сплавы на морских нефтегазовых платформах и переработке http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/offshore_oil_and_gas/
- ^ Медно-никелевые сплавы в электроэнергетике http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/power_generation/
- ^ Медно-никелевые сплавы в проектировании систем морской воды http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/seawater_system_design/
- ^ Медно-никелевые сплавы в компонентах систем с морской водой http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/seawater_system_components/
- ^ Медно-никелевый сплав в чеканке
- ^ «Монетный двор США: Характеристики монет» . Проверено 11 июня 2008 .
- ^ «Валюта в обращении: введение в монеты» . Архивировано из оригинала на 2014-12-31 . Проверено 27 сентября 2010 .
- ^ Роберт Монро Блэк, История электрических проводов и кабелей Научный музей (Великобритания), IET, 1983, ISBN 0-86341-001-4 , стр. 161
- ^ Криогенные свойства медно-никелевого сплава http://www.copper.org/applications/marine/cuni/properties/cryogenic/
- ^ Низкотемпературные свойства меди и медных сплавов http://www.copper.org/publications/pub_list/pdf/104-5-low-temperatuare.pdf
- ^ Механические свойства меди и медных сплавов при низких температурах http://www.copper.org/resources/properties/144_8/
- ^ Свойства медно-никелевых сплавов http://www.copper.org/applications/marine/cuni/properties/
- ^ Физические свойства медно-никелевого сплава
- ^ Формы изделий из медно-никелевого сплава http://www.copper.org/applications/marine/cuni/forms/
- ^ Производство медно-никелевых сплавов http://www.copper.org/applications/marine/cuni/fabrication/
- ^ Медно-никелевые стандарты http://www.copper.org/applications/marine/cuni/standards/
- ^ Древнекитайские оружия Архивировано 2005-03-07 в Wayback Machine и алебарду из медно-никелевого сплава, из периода Воюющих государств. Архивировано 27 мая 2012 г. в archive.today.
- ^ a b c d e f g h i j k Джозеф Нидхэм , Лин Ван, Гвэй-Джен Лу, Цуэн-сюинь Цзянь , Дитер Кун, Питер Дж. Голас, Наука и цивилизация в Китае : Издательство Кембриджского университета: 1974, ISBN 0-521-08571-3 , стр. 237–250
- ^ a b c d Mcneil I Staff, Энциклопедия истории технологии Яна МакНила : Routledge: 2002: ISBN 0-203-19211-7 : pp98
Внешние ссылки
- Медно-никелевые сплавы
- Медно-никелевые сплавы: свойства, обработка, применение (Источник: Немецкий институт меди (DKI))]
- Медно-никелевые сплавы для защиты от коррозии в морской воде и защиты от обрастания - современный обзор (CA Powell и HT Michels; Corrosion 2000, NACE, март 2000 (NACE))