Сплавы меди и никеля

История

Название металла имеет немецкое происхождение. Так именуют в немецком фольклоре духа гор. Он подбрасывал старателям, разыскивающим медь, ее имитацию (никелин).

Путь к признанию был извилистым:

Промышленники обнаружили присутствие металла в «купферникеле» (по-немецки – «упрямая» медь) в 1751 году. Шведский металлург Август Кронштедт опознал соединение как никелево-мышьяковое.
Никель классифицировали как «полуметалл».
Спустя 24 года швед Томас Бергман доказал, что это просто металл.
Немецкий химик Иоганн Рихтер получил чистый никель восстановлением никелевого купороса (1804 год), дал его научное описание.

Металл обрел международный статус.

СВОЙСТВА

Никель — ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400—500 Мн/м2, предел упругости 80 Мн/м2 , предел текучести 120 Мн/м2; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м2; твёрдость по Бринеллю 600—800 Мн/м2. В температурном интервале от 0 до 631К (верхняя граница соответствует Кюри точке ). Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек его атомов. Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл, инвар и др.).

Научная точка зрения

Чтобы определить, какие металлы не магнитятся, нужно выяснить, как все металлы вообще могут относиться к магнитам и магнитному полю. По отношению к внесенному магнитному полю все вещества делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Они непрерывно движутся, что создает магнитное поле. Магнитные поля электронов одного атома могут усиливать друг друга или уничтожать, что зависит от направления их движения. Причем скомпенсированы могут быть:

Магнитные моменты, вызванные движением электронов относительно ядра – орбитальные.
Магнитные моменты, вызванные вращением электронов вокруг своей оси — спиновые.

Если все магнитные моменты равны нулю, вещество относят к диамагнетикам. Если скомпенсированы только спиновые моменты — к парамагнетикам. Если поля не скомпенсированы – к ферромагнетикам.

Медь

Мягкий, пластичный металл розовато-золотистого цвета. Его красота издревле привлекала человека, поэтому первыми изделиями из меди были украшения.

В присутствии кислорода медные слитки и изделия из меди приобретают красновато-жёлтый оттенок за счёт образования плёнки из оксидов. Во влажной среде в присутствии углекислого газа медь становится зеленоватой.

Медь имеет высокие показатели теплопроводности и электропроводности, что обеспечивает ей использование в электротехнике. Не меняет свойств в значительном диапазоне температур от очень низких до очень высоких. Не магнитная.

В природе залежи медной руды чаще, чем других металлов, находятся на поверхности. Это позволяет вести добычу открытым способом. Встречаются крупные медные самородки с высокой чистотой меди и медные жилы. Помимо этого медь получают из таких соединений:

медный колчедан,
халькозин,
борнит,
ковеллин,
куприт,
азурит,
малахит.

ПРИМЕНЕНИЕ

Подавляющая часть никеля используется для получения сплавов с другими металлами (fe, cr, cu и др.), отличающихся высокими механическими, антикоррозионными, магнитными или электрическими и термоэлектрическими свойствами. В связи с развитием реактивной техники и созданием газотурбинных установок особенно важны жаропрочные и жаростойкие хромоникелевые сплавы. Сплавы никеля используются в конструкциях атомных реакторов.

Значительное количество никеля расходуется для производства щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий никель в чистом виде применяют для изготовления листов, труб и т.д. Он используется также в химической промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов. Никель — весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.

Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана), протезирования. Широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель». Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

Никель (англ. Nickel) – Ni

Молекулярный вес	58.69 г/моль
Происхождение названия	Из немецкого Nickel, означает демон, как сокращенная форма Kupfernickel, медь дьявола
IMA статус	утвержден

Мельхиор — сплав меди, никеля, марганца, железа, цинка

Мельхиор представляет металлический сплав серебристого цвета из нескольких металлов.

Обычно в состав мельхиора входят следующие металлы:

медь,
никель,
марганец,
железо.

Второй вариант состава мельхиора:

медь,
никель,
марганец,
железо,
цинк.

Преимущества мельхиоровых сплавов:

мельхиор обладает высокой пластичностью,
мельхиор хорошо поддаётся ковке,
мельхиор имеет коррозийную устойчивость к воде,
мельхиор не окисляется в воздухе.

Области применения мельхиора:

производство посуды;
ювелирные изделия и украшения;
медицина и медицинские приборы;
электроника и приборостроение
коллекционные монеты.

Виды медно-никелевых сплавов

Легированный сплав меди никелем образует большое количество твердых растворов, которые делятся на несколько групп:

конструкционные;
электротехнические;
ювелирные.

Основные характеристики конструкционных медно-никелевых сплавов: высокая твердость, сопротивление стиранию, коррозионная стойкость. Вместе с никелем используют марганец, хром, алюминий, цинк и другие компоненты.

В электротехнических сплавах содержание марганца может превосходить никель. Сплавы обладают стабильным сопротивлением, высокой токопроводностью.

К декоративным относятся соединения меди и никеля, хорошо поддающиеся разным видам обработки: резанию, деформации. Они обладают высокой жидкотекучестью.

Константан

Сплав маркируется — МНМц 40-1,5. Такое обозначение говорит о том, что в нем около 40% никеля. Константан относится к электротехническим материалам. Имеет высокое омическое сопротивление и малое линейное расширение при нагреве.

Пластичный материал хорошо обрабатывается прокаткой. Из константана делают проволоку и лист для термоэлектродов, преобразователей.

Копель

Медно-никелевый сплав с высокой термической устойчивостью, маркируется МНМц 43-0,5. Дополнительный легирующий компонент — марганец. Выпускается в виде проволоки различных диаметров. Используется для изготовления компенсационных проводов и низкотемпературных преобразователей. Устойчив к воздействию кислой среды, работает в инертных газах.

Основное свойство — высокая стабильность сопротивления при изменении температур. Относится к жаростойким материалам. Устойчиво сохраняет свои характеристики при температуре до 600⁰.

Проволока

Нейзильбер

Ювелирный медный сплав с содержанием никеля 15% и цинка в пределах 20%. Никель придает сплаву белый цвет с зеленоватым или голубым отливом.

Немецкие химики изобрели сплав, как дешевый заменитель белого золота, не отличающийся от него внешне. Нейзильбер получился более твердым, устойчивым к влаге и пару. Не темнеет и не теряет своих декоративных свойств. В Европе использовался для изготовления наград и бижутерии. В настоящее время из него делаются медали, ордена, лады для гитар и хирургические инструменты.

Куниаль

Сплав выпускается в 2 вариантах и в конце маркировки имеет буквы А и Б. Оба вида сплава обладают коррозийной стойкостью. При повышенных температурах склонен к растрескиванию.

Куниаль-А легируется дополнительно алюминием, кобальтом и железом. Производится в виде прутков.

Куниали-Б — в меди растворяют только никель, содержание остальных веществ в сумме составляют не более 1%. Из материала изготавливают полосы для пружин и рессор.

Манганин

В этом сплаве кроме меди и никеля присутствует 13% марганца. Имеет красивый золотисто-красный цвет. Манганин может содержать железо. Он относится к изначально состаренным сплавам — приобретает свои механические свойства после термической обработки. Обладает электрической стабильностью при изменении температуры.

Манганин применяется в электроизмерительных приборах высокой точности, для создания эталонов.

Существует и другой состав сплава, в котором медь заменена серебром. Технические характеристики практически не отличаются. Белый Манганин значительно дороже.

Монель

Кроме меди и никеля в сплав добавляют марганец и железо. Монель назван в честь руководителя американской химической лаборатории, где разрабатывался сплав. Материал устойчив к коррозии, пластичен и прочен. Обладает высокой устойчивостью к воздействию кислот, щелочей. Маркируется — НМЖМц28-2,5-1,5.

Монель применяется при изготовлении приборов, оборудования химической, нефтяной промышленности. Используется в аппаратостроении, медицине и судостроительной промышленности для изготовления антикоррозионных деталей.

Сплав высокопластичный, легко обрабатывается в холодном и горячем состоянии. Механическая обработка возможна только на низких оборотах.

Мельхиор

Белый твердый сплав содержит меди в пределах 70–90%. Относится к ювелирным составам. Кроме никеля имеет легирующие вещества:

0,8% железа;
1% марганец.

Обладает высокой коррозионной устойчивостью в морской соде и среде газов. Температура плавления в пределах 1150–1230⁰, не зависит от соотношения составляющих.

Наиболее распространенные марки мельхиора — МНЖМц30-1-1 и МН16. Свои технические характеристики получает после отжига. Относится к группе изначально состаренных сплавов.

Из мельхиора делают ложки, вилки, столовую посуду, различные украшения. Он хорошо поддается обработке, резьбе, чеканке. Из него изготавливают хирургические инструменты, монеты, медали.

Изделия из мельхиора

Источники меди для вторсырья

Экономия ресурсов – важная экологическая и технологическая задача. Медь – слишком ценный элемент, чтобы запросто им разбрасываться. Поэтому при утилизации бытовых устройств и приборов (телевизоров, холодильников, компьютерной техники) нужно срезать все медь содержащие элементы и сдавать их на пункты сбора вторсырья. На производствах должен быть организован централизованный сбор списанных силовых кабелей и трансформаторов, электродвигателей, прочих медь содержащих деталей и устройств. Определённое содержание меди есть в испорченных люминесцентных лампах, что тоже стоит учитывать при утилизации.

Медь и медные сплавы, освоенные человечеством на самой заре цивилизации, остаются востребованными материалами и в технологическую эпоху, основу которой составляет железо. Современное промышленное производство невозможно себе представить без использования цветных металлов

В дальнейшем потребность в меди её сплавах будет только расти, поэтому очень важно относиться к данным материалам экономно и использовать их рационально

Рейтинг: 0/5 — 0 голосов

Марки и химический состав сплава

Сплавы изготавливаются на основе меди, в которую добавляется никель и другие составляющие, согласно ГОСТ 492-73. Обладая высокой пластичностью, материалы относятся к обрабатываемым давлением. Дополнительно легируются другими элементами:

марганцем;
алюминием;
цинком;
железом.

Наибольшее количество выпускаемых сплавов приходится на двухкомпонентные составы, которые отличаются лишь содержанием основных веществ. Это марки МН25, МН19 и МН95-5. с увеличением доли никеля повышается электросопротивление и прочность. Снижаются теплопроводность, пластичность и линейное расширение. Например, МН95-5 характеризуется хорошими механическими свойствами, легко обрабатывается давлением, не образует коррозионных трещин.

Мельхиор марки МН19 значительно превосходит МН95-5 по прочности, твердости, коррозионной устойчивости. Он не образует микротрещин при низких температурах, подвергается холодной и горячей штамповке. Температура плавления и рекристаллизации (переход в твердое состояние) у него гораздо выше.

Конструкционные составы обладают высокой коррозионной прочностью и твердостью. В качестве дополнительных легирующих веществ в них входят хром, магний, литий, кобальт. К таким сплавам относятся:

куниали;
нейзильбер;
мельхиоры;
МН95-5;
МНЖ5-1.

Сплавы представляют собой твердые растворы никеля и других компонентов. Имеют высокую прочность, коррозионную устойчивость. Свои свойства приобретают после термической обработки.

Куниали — трехкомпонентные составы с добавлением алюминия. Обрабатываются давлением в горячем состоянии. Нейзильберы и мельхиоры устойчивы в кислой и щелочной среде, морской воде. Обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Обработка резанием допускается только на малых режимах, чтобы исключить сильный нагрев и подкаливание в зоне реза.

Электротехнические составы отличаются высокой электропроводностью, пластичностью, стабильной ЭДС. К ним можно отнести:

МН0,6 — ТП;
МНЖКТ5-1-0.2-0.2;
МНМц40-1,5 — Константан;
МНМц3-12;
МНМц43-0,5 — Копель.

Из них изготавливают проволоку, прутки и полосу методом проката. Применяют в различных электрических приборах, сетях, термопарах и другом электрическом оборудовании.

Добавление марганца делает медно-никелевые составы пластичными, устойчивыми к низким температурам.

Производство сплава

Латуни

Латуни — это медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк.

В зависимости от содержания цинка латуни промышленного применения бывают:

однофазные a — латуни, содержащие до 39 % цинка (это предельная растворимость цинка в меди);
двухфазные (a+b|)- латуни, содержащие до 46 % цинка;
однофазные b|- латуни ,содержащие до 50 % цинка.

Однофазные a- латуни пластичны, хорошо обрабатываются резанием, давлением при температурах ниже 300 0 С и выше 700 0 С (в интервале от 300 0 С до 700 0 С — зона хрупкости). С увеличением содержания цинка прочность латуней повышается. В латунях b|- фаза представляет собой упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения СuZn с решеткой ОЦК, она хрупкая и прочная. Поэтому, чем больше в латунях b|- фазы, тем они прочнее и менее пластичны. Практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 42…43 %.

Латуни, обрабатываемые давлением, маркируются буквой Л (латунь), после которой ставятся буквенные обозначения легирующих элементов; цифры, следующие за буквами, указывают содержание меди и количество соответствующего легирующего элемента в процентах. Содержание цинка определяется по разности от 100 %. Например, латунь Л62 содержит 62 % Сu и 38 % Zn. Литейные латуни маркируются буквой Л, после которой ставится содержание цинка и других легирующих элементов в процентах. Количество меди определяется по разности от 100 %. Например, латунь ЛЦ36Мц20С2 содержит 36 % Zn, 20 % Mn, 2 % Pb и 42 % Сu.

К однофазным a — латуням относятся Л96 (томпак), Л80 (полутомпак), Л68, имеющая наибольшую пластичность (d = 56 %). Двухфазные (a+b|) — латуни марок Л59 и Л60 имеют меньшую пластичность в холодном состоянии, но большую прочность и износостойкость. Однофазные имеют после отжига sв = 250…350 МПа и d = (50…56) %, двухфазные — sв = 400…450 МПа и d = (35… 40 %).

Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости латуни могут легироваться оловом, алюминием, марганцем, кремнием, никелем, железом и др.

Введение легирующих элементов (кроме никеля) уменьшает растворимость цинка в меди и способствует образованию b|- фазы, поэтому такие латуни чаще двухфазные (a+b|). Никель увеличивает растворимость цинка в меди, и при достаточном его содержании латунь из двухфазной становится однофазной. Свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства. Сопротивление коррозии повышают Al, Zn, Si, Mn, Ni, Sn.

В морском судостроении применяются оловянистые ”морские” латуни, например, ЛО70-1 (70 % Сu, 1 % Sn, 29 % Zn). Она используется для изготовления конденсаторных трубок, деталей теплотехнической аппаратуры.

Алюминиевые латуни

используют для изготовления конденсаторных трубок, цистерн, втулок, а также для изготовления коррозионно-стойких деталей, работающих в морской воде. Марки латуней: ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1, ЛАН59-3-2 (в электрических машинах, в хим. машиностроении). Из латуни ЛАНКМц75-2-2,5-0,5-0,5 изготовляют цельнотянутые круглые трубы для производства манометрических трубок и пружин в приборах повышенного класса точности. С помощью закалки и старения sв достигает 700 МПа.

Марганцевые латуни

кроме хороших механических и технологических свойств (обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии) обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде, хлоридах и перегретом паре. Латуни ЛМц 58-2 и ЛМцА 57-3-1 применяются в основном для изготовления крепежных изделий арматуры.

Кремнистые латуни

характеризуются высокой прочностью (sв до 640 МПа), пластичностью и вязкостью до минус 183 0 С. Латунь ЛК80-3 применяют для изготовления арматуры, деталей приборов в судо- и общем машиностроении.

Свинцовистые латуни

отлично обрабатываются резанием и обладают высокими антифрикционными свойствами. Латуни ЛС60-1, ЛС59-1 применяют для изготовления крепежных деталей , зубчатых колес, втулок.

Никелевая латунь

обладает повышенными механическими (sв до 785 МПа) и коррозионными свойствами, обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Латунь ЛН65-5 применяется для изготовления манометрических и конденсаторных трубок, различного вида проката.

Литейные латуни

содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением; от последних литейные отличает, как правило, большее легирование цинком и другими металлами. Вследствие этого они обладают хорошими литейными характеристиками.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Месторождения сульфидных медно-никелевых руд связаны с лополитоподобными или плитообразными массивами расслоенных габброидов, приуроченных к зонам глубинных разломов на древних щитах и платформах. Характерной особенностью медно-никелевых месторождений всего мира является выдержанный минеральный состав руд: пирротин, пентландит, халькопирит, магнетит; кроме них в рудах встречаются пирит, кубанит, полидимит, никелин, миллерит, виоларит, минералы группы платины, изредка хромит, арсениды никеля и кобальта, галенит, сфалерит, борнит, макинавит, валлерит, графит, самородное золото.

Экзогенные месторождения силикатных никелевых руд повсеместно связаны с тем или иным типом коры выветривания серпентенитов. при выветривании происходит стадийное разложение минералов, а также перенос подвижных элементов, с помощью воды из верхних частей коры в нижние. Там эти элементы выпадают в осадок в виде вторичных минералов.
В месторождениях этого типа заключены запасы никеля в 3 раза превышающие его запасы в сульфидных рудах, а запасы некоторых месторождений достигают 1 млн т. и более никеля. Крупные запасы силикатных руд сосредоточены на Новой Каледонии, Филиппинах, Индонезии, Австралии и др. странах. Среднее содержание в них никеля равно 1.1-2%. Кроме того в рудах часто содержится кобальт.

Как чистить?

Мельхиоровая посуда будет блестеть и радовать глаз, если регулярно использовать чистящие средства. Можно применять народные рецепты или промышленные препараты. Темный налет образуется в результате неправильного использования или хранения посуды при высокой влажности. Предупредить появление темного налета можно следующим образом:

вымывайте приборы сразу после использования, остатки блюд способствуют быстрому окислению;
вытирайте приборы мягкой салфеткой после мытья;
стоит хранить посуду из мельхиора в сухом месте; можно даже поместить рядом средство, которое впитывает влагу, например, соль;
заверните каждый предмет в пищевую пленку или в фольгу и поместите в коробку, поскольку ограничение доступа кислорода препятствует быстрому окислению металла;
нельзя держать посуду из сплава рядом с бытовой химией, особенно с хлорсодержащей; вещество ускоряет окисление.

Слабы раствор (2 ст. л. на 1 л. воды) помогает справиться с незначительными загрязнениями. Достаточно выдержать прибор в жидкости 5 минут и промыть под проточной водой. А также можно смочить соду до состояния каши и отполировать пятно.

Если же нужно отмыть серьезное загрязнение, то необходимо действовать следующим образом:

дно кастрюли из алюминия застелите куском пищевой фольги;
насыпьте на дно соду с расчета 1 ст. л. на 1 л. воды;
уложите столовые приборы в емкость и залейте водой;
при необходимости можно добавить в раствор 1–2 ст. л. соли, тогда процесс чистки ускорится;
закипятите воду, уменьшите газ до минимального и подождите еще 20 минут;
снимите емкость с плиты и дождитесь полного остывания.

Другие интересные народные средства для удаления окиси сплава.

Нашатырный спирт стоит разбавить в воде. Поместите мельхиоровое изделие в раствор на несколько минут, промойте проточной водой и тщательно протрите. Отбеливающие свойства раствора аммиака позволяют справиться даже с очень темными и большими пятнами.
Винный уксус (винный спирт) подходит для очищения предметов с позолотой. Загрязненное место нужно смочить средством и промыть в большом количестве проточной воды, после этого натереть.
Пищевой уксус можно разбавить в воде в соотношении 1: 10. Раствор нанесите губкой, тщательно протрите. Промойте проточной водой и протрите насухо.
Лимонная кислота, растворенная в воде из расчета 100 г на 1 л воды. Необходимо прокипятить в жидкости посуду на медленном огне в течение 20 минут.

О том, как правильно чистить мельхиор, вы узнаете из видео ниже.

Область применения сплавов меди

Медь обладает невысоким удельным сопротивлением. Это свойство обеспечило меди широкое применение в электротехнической промышленности. Из меди изготавливаются проводники, провода, кабели. Медь используется при изготовлении печатных плат различных электронных устройств. Медные провода используются в электрических двигателях и трансформаторах.

У меди высокая теплопроводность. Это обеспечивает ей применение при изготовлении охладительных и отопительных радиаторов, кондиционеров, кулеров.

Прочность и коррозиоустойчивость меди послужили основанием для изготовления из неё труб, находящих значительную сферу применения: в водопроводных, газовых и отопительных системах, в охладительном оборудовании, в кондиционировании.

В строительстве медь применяется при изготовлении крыш и фасадных деталей зданий.

Бактерицидные особенности меди дают ей возможность использования в медицинских заведениях как дезинфицирующего материала: при изготовлении деталей интерьера, которых люди касаются больше всего – дверных ручек, перил, поручней, бортиков кроватей и т.п.

Медные сплавы имеют не меньшую сферу применения.

Бронзы (по маркам) применяются при производстве деталей машин: паровой и водяной арматуры, элементов ответственного назначения, подшипников, втулок. Оловянистые деформируемые бронзы используют для производства сеток, используемых в целлюлозно-бумажной промышленности.

Латуни (по маркам) находят применение при производстве деталей машин в области теплотехники и химической аппаратуры. Из них изготавливают различные змеевики и сильфоны. В автомобилестроении латуни используют для изготовления конденсаторных труб, патрубков, метизов. В судостроении и авиастроении латуни также используются для изготовления деталей, конденсаторных труб, метизов. Из латуней изготавливаются детали часовых механизмов, полиграфические матрицы.

Мельхиор МНЖМц используется для производства конденсаторных трубок морских судов, работающих в наиболее тяжёлых условиях. Мельхиор МН19 используется для изготовления медицинских инструментов, монет, украшений, столовых приборов.