Медь и медно-никелевые сплавы

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Институт материаловедения и металлургии

Департамент металлургии

Кафедра металловедения

Реферат

«Медно-никелевые сплавы: состав, свойства, применение»

Преподаватель:        Грачев С.В.

Студентка гр. Мт-480902:      Вотинцева Е.О.

Екатеринбург

2012 год

Введение

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.

Краткая характеристика меди

Медь — металл красного (в изломе розового) цвета, относится к тяжелым цветным металлам (r  = 8890 кг/м³). Медь кристаллизуется в гранецентрированной решетке (ГЦК) типа Al с параметром а = 0,36074 нм и полиморфных превращений не имеет.

Чистая медь обладает высокой  электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной  и морской воде, а также в  ряде химических сред. Медь принято  считать эталоном электрической  проводимости и теплопроводности по отношению к другим металлам. Характеристики этих свойств меди оцениваются 100 %, в то время как у алюминия, магния и железа они составляют соответственно 60, 40 и 17 % от свойств меди. Медь обладает отличной обрабатываемостью давлением  в холодном и горячем состоянии, хорошими литейными свойствами и  удовлетворительной обрабатываемостью  резанием.

На воздухе при наличии  влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой  так называемой «патины» зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди (CuOH)₂CO₃. Эта пленка в определенной мере защищает медь от дальнейшей коррозии.

Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, используемыми  в технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено  их высокими характеристиками механических свойств при низких температурах, хорошей коррозийной стойкостью и высокой теплопроводностью.

Характеристики  основных физико-механических свойств  меди

Все примеси, особенно входящие в твердый  раствор, снижают электропроводность меди. Наиболее сильно уменьшают электропроводность примеси P, As, Al, Sn. Вредными примесями, снижающими механические и технологические  свойства меди и ее сплавов, являются Bi, Pb, S и O. Свинец и висмут ничтожно растворимы в меди и образуют по границам зерен  легкоплавкие эвтектики, что приводит к красноломкости. Сера и кислород также нерастворимы в меди и образуют эвтектики Cu—Cu₂S и Cu—Cu₂O, но красноломкость они не вызывают, так как их температура плавления (1067 ° С и 1065 ° С соответственно) выше температур горячей обработки давлением. Однако эти эвтектики весьма хрупкие, и их наличие даже в небольших количествах приводит к снижению пластичности.

Особо вредной примесью является кислород, если медь нагревают (при термообработке или эксплуатации) в атмосфере, содержащей водород. Атомы водорода быстро диффундируют вглубь металла и восстанавливают  оксид меди  Cu₂O + H₂ = 2Cu + H₂O. Пары воды создают высокое давление, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам. Это явление называется «водородной болезнью» меди. Склонность к «водородной болезни» (ГОСТ 24048–80) определяют путем отжига медных пластин в водороде при 825–875 ° С  (30 мин), последующего визуального осмотра и испытания на перегиб. Содержание вредных примесей в меди строго ограничено, например, не более 0,005 % Bi, 0,05 % Pb и т. д. (табл. 19.1). Для предупреждения окисления медь плавят или под слоем древесного угля, или с использованием защитных газов, или в вакууме. В ряде случаев производят дополнительное раскисление жидкой меди фосфором, который вводят в виде лигатуры марки МФ9 (ГОСТ 4515–93).

Высокая тепло- и электропроводность меди затрудняют ее электросварку (точечную и роликовую), особенно массивных  изделий. Тонкие детали можно сварить  вольфрамовыми электродами. Детали толщиной более 2 мм можно сваривать  нейтральным ацетилено-кислородным  пламенем, предохраняя их от окисления и загрязнения. Наиболее надежный способ соединения медных изделий — пайка твердыми и мягкими припоями.

Благодаря своим свойствам  медь широко используется в электротехнике, радиотехнике, приборостроении и  различных отраслях машиностроения. Среди цветных металлов по объему потребления медь занимает второе место (после алюминия), причем около половины производимой меди используют в электро- и радиотехнике, а вторую половину — для получения медных сплавов.

Краткая характеристика никеля

Никель — металл серебристо-белого цвета, кристаллизующийся в решетку ГЦК с параметром а = 0,352 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не имеет. При температуре ниже 358 ° С (точка Кюри) никель является слабым ферромагнетиком. Никель — прочный, высокопластичный металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью, повышенной температурой плавления и высокой каталитической способностью. Это обусловило его широкое применение в металлургии, машиностроении, электронике, медицине и других отраслях техники.

Характеристики  основных физико-механических свойств  никеля

Никель — остродефицитный  металл. Его в больших количествах (около 80 %) используют для легирования сталей и медных сплавов, производства жаропрочных сплавов, материалов электровакуумной техники, никелирования, производства катализаторов.

Сплавы меди с никелем  отличаются хорошими механическими  свойствами, коррозионной стойкостью, технологичностью и особыми электрическими свойствами, что обусловливает широкое  применение их в технике.

Медь образует с никелем  непрерывные твердые растворы. Никель существенно упрочняет медь. Важно отметить, что при этом характеристики пластичности и ударной вязкости практически не меняются. Никель повышает характеристики жаропрочности, модуль упругости и понижает температурный коэффициент электросопротивления меди.

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.

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).

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.

Свойства и  назначения некоторых конструкционных  медно-никелевых сплавов.

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.

Свойства некоторых  медно-никелевых сплавов

Диаграмма состояния  Сu—Ni

Диаграмма состояния медь – никель приведена на рис.1. 

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: α-фазу (твёрдый раствор на основе меди с ГЦК решёткой) и γ-фазу (твёрдый  раствор на основе никеля с ГЦК  решёткой).

Применение медно-никелевых  сплавов

Заключение

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.

Список литературы

1. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов.- М.: Высшая школа, 2006.
2. Осинцев О.Е. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. - М.: Машиностроение, 2004.
3. Смирягин А.П. Промышленные цветные металлы и сплавы. - М.: Металлургиздат, 2000.
4. www.housetop.ru
5. www.svarka-lib.com
6. www.mcomplex.ru