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

Плотность r , кг/м3	8890
Температура плавления Тпл, ° С	1083
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г	208
Теплопроводность l , Вт/ (м  × град), при 20–100 ° С	390
Удельная теплоемкость Ср, Дж/ (г × К),   при 20–100 ° С	0,375
Коэффициент линейного расширения   a × 10–6, град–1, при 0–100 ° С	16,8
Удельное электросопротивление r × 108, Ом × м,   при 20–100 ° С	1,724
Температурный коэффициент  электросоп-  ротивления, град–1, при 20–100 ° С	4,3× 10–3
Предел прочности s в, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	190–215
твердой меди (в нагартованном  состоянии)	280–360
Относительное удлинение d , %
мягкой меди (в отожженном состоянии)	60
твердой меди (в нагартованном  состоянии)	6
Твердость по Бринеллю НВ, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	45
твердой меди (в нагартованном  состоянии)	110
Предел текучести s t , МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	60–75
твердой меди (в нагартованном  состоянии)	280–340
Ударная вязкость KCU, Дж/см2	630–470
Модуль сдвига G × 10–3, МПа	42–46
Модуль упругости Е × 10–3, МПа
мягкой меди (в отожженном состоянии)	117–126
твердой меди (в нагартованном  состоянии)	122–135
Температура рекристаллизации, ° С	180–300
Температура горячей деформации, ° С	1050–750
Температура литья, ° С	1150–1250
Линейная усадка, %	2,1

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

Плотность r , кг/м3	8900
Температура плавления Тпл, ° С	1455
Скрытая теплота плавления D Нпл, Дж/г	310
Теплопроводность l , Вт/ (м  × град),   при 20–100 ° С	4–92
Удельная теплоемкость Ср, Дж/ (г × град),   при 20–100 ° С	0,44–0,47
Коэффициент линейного расширения   a × 10–6, 1/ град–1, при 0–100 ° С	13,3
Удельное электросопротивление   r × 108, Ом× м, при 20–100 ° С	8,7
Температурный коэффициент  электросопро-  тивления, град–1, при 20–100 ° С	4,7 × 10–3
Предел прочности s в, МПа	450
Относительное удлинение d , %	35–40
Твердость по Бринеллю НВ, МПа   (в отожженном состоянии)	800–900
Модуль сдвига G × 10–3, МПа	73
Модуль упругости Е × 10–3, МПа	180–227
Температура рекристаллизации, ° С	640
Температура горячей деформации, ° С	1250–800
Температура литья, ° С	1500–1575
Температура отжига, ° С	750–900

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.