1.3 Мідно-нікелеві сплави

Мідно-нікелеві сплави – це високолеговані тверді розчини на основі міді та нікелю з невеликою концентрацією легувальних елементів (Al, Mn, Fe, Zn та інші). Тому мідь і нікель визначають фізико-хімічні, механічні та технологічні властивості цих сплавів.

Сплави міді з нікелем мають добрі механічні властивості, високу корозійну стійкість, особливі електричні властивості та добре оброблюються тиском. Більшість цих сплавів відноситься до деформівних. Висока пластичність мідно-нікелевих сплавів дозволяє їх деформувати в холодному стані із сумарним ступенем обтиснення 90%.

Мідь з нікелем утворюють між собою необмежені тверді розчини (рис.1.52).

Рисунок 1.52 – Діаграма стану системи Cu-Ni [1]

Нікель суттєво зміцнює мідь, причому максимальну міцність та твердість мають сплави приблизно еквіатомного складу (50%Cu, 50%Ni), рис.1.53. При цьому нікель мало змінює пластичність та ударну в’язкість міді. Сплави еквіатомного складу мають приблизно в 30 разів більший електричний опір, найбільш високе значення термоелектрорушійної сили (термоЕРС), в десятки разів меншу теплопровідність та практично нульове значення температурного коефіцієнту електроопору. Нікель підвищує границю витривалості, характеристики жароміцності, модуль пружності і зменшує коефіцієнт лінійного розширення та період гратки міді.

Рисунок 1.53 – Вплив вмісту нікелю на механічні властивості

мідно-нікелевих сплавів [1]

Мідно-нікелеві сплави поділяють на дві групи: корозійностійкі та електротехнічні.

1.3.1 Корозійностійкі мідно-нікелеві сплави. До корозійностійких сплавів відносять: мельхіор, нейзильбер, куніаль.

Мельхіори – це подвійні та більш складні сплави на основі міді, основним легувальним елементом в яких є Ni. Сплави мають сріблястий колір. Мельхіори відомі з ІІІ століття до н.е. як «біла мідь». Сучасну назву отримали від імен французьких винахідників Майо і Шорьє (французькою Maillot, Chorier). На німецькій мові сплави мають назву «Melchior» (спотворена французька назва «Maillot-Chorier»). В сучасних європейських мовах назва сплаву пов’язана з латинською назвою його компонентів: Cupronickel.

Мельхіори мають однофазну структуру (рис.1.52, рис.1.54) і тому добре оброблюються тиском як в гарячому так і в холодному стані. Легування Fe та Mn підвищує корозійну стійкість мельхіорів в прісній і морській воді та в середовищі парового конденсату. Також залізо підвищує кавітаційну стійкість сплавів у воді. Найбільш розповсюджені марки мельхіорів МН19 та МНЖМц30-1-1. Приклад маркування: МН19 – мельхіор, що містить 19% Ni, основа – Cu; МНЖМц30-1-1 – мельхіор, що містить 30% Ni та легований Fe (1%) і Mn (1%), основа – Cu. Хімічний склад мельхіорів та механічні властивості наведено в додатку 1.

-твердий розчин

Рисунок 1.54 – Мікроструктура сплаву МН19 (литий стан), 340

(при друкуванні зменшено в 1,5 рази)

Мельхіори мають достатньо високі характеристики міцності, які можна суттєво підвищити поверхневою пластичною деформацією.

Недолік мельхіорів – великий вміст дефіцитного нікелю.

Мельхіори використовують в установках для опріснення морської води, в морському кораблебудуванні (конденсаторні труби), для виготовлення медичного інструменту та деталей точних приладів (термогенератори, резистори та інше), для товарів широкого побуту (ножі, виделки, ложки, підстаканники), для ювелірних прикрас та монет.

Нейзильбери (від німецького «Neusilber» – нове срібло) – це сплави на основі системи Cu-Ni (5…35%)-Zn (13…45%). Сплави мають однофазну структуру (рис.1.55, 1.56).

Нейзильбери займають проміжне положення між мельхіорами і латунями. Завдяки додатковому легуванню цинком нейзильбери порівняно з мельхіорами мають більш високу міцність. Крім того, цинк зменшує вартість сплаву. Нікель впливає на колір сплавів (10…12% Ni надають сплаву жовтуватий відтінок,  12% – сріблястий), на стійкість до потемнення та корозійну стійкість (із збільшенням вмісту Ni корозійна стійкість зростає).

Рисунок 1.55 – Ізотермічний переріз діаграми стану системи Cu-Ni-Zn

при температурах 20°С [1]

Рисунок 1.56 – Мікроструктура сплаву МНЦ15-20 (литий стан):

-твердий розчин, 340 (при друкуванні зменшено в 1,5 рази)

Приклад маркування нейзильберів: сплав МНЦ15-20 – нейзильбер, що містить 15% Ni, 20% Zn, основа – Cu. Хімічний склад нейзильберів та механічні властивості наведено в додатку 1.

Нейзильбери достатньо корозійностійкі: мають високу корозійну стійкість в атмосферних умовах, морському кліматі, стійкі до дії прісної та морської води, до розчину лугів (KOH, NaOH).

Нейзильбери оброблюються тиском як в гарячому так і в холодному стані, добре поліруються та добре сприймають нанесення гальванічних покриттів.

Характеристики міцності нейзильберів можна підвищити поверхневою пластичною деформацією.

Для зняття наклепу та для відновлення пластичності сплави Cu-Ni-Zn піддають рекристалізаційному відпалу. Структура сплаву МНЦ15-20 після рекристалізаційного відпалу наведена на рис.1.57.

Рисунок 1.57 – Мікроструктура сплаву МНЦ15-20 після деформації

та рекристалізаційного відпалу: -твердий розчин, 340

(при друкуванні зменшено в 1,5 рази)

Нейзильбери використовують для виготовлення деталей точних приладів, медичних інструментів, парової та водяної арматури, державних нагород (орденів та медалей), ювелірних виробів та монет.

Куніалі (назва за першими буквами відповідних елементів) – це сплави на основі системи Cu-Ni-Al (рис.1.58). В промисловості використовують куніаль А (МНА13-3: 13% Ni; 3% Al; основа – Cu) та куніаль Б (МНА6-1,5: 6% Ni; 1,5% Al; основа – Cu). Хімічний склад та механічні властивості сплавів наведено в додатку 1.

Куніалі характеризуються високими механічними властивостями, корозійною стійкістю, задовільно оброблюються тиском в гарячому стані, не схильні до холодноламкості (із зниженням температури зростає не тільки міцність, а і пластичність). Нікель та алюміній добре розчиняються в гратці Cu при високих температурах, із зниженням температури розчинність зменшується внаслідок виділення дисперсних частинок Ni₃Al (гратка ГЦК) та NiAl (гратка ОЦК). Тому ці сплави здатні до зміцнення: гартування та старіння. Температура гартування та зміцнювальна фаза обирається зо допомогою діаграми стану Cu-Ni-Al (рис.1.58, 1.59). Додатковий приріст міцності можливий при застосуванні низькотемпературної термомеханічної обробки (НТМО): після гартування перед старінням проводять деформацію на 25%.

1 – МНА6-1,5; 2 – МНА13-3

Рисунок 1.58 – Ізотермічний переріз діаграми стану

системи Cu-Ni-Al при 1000°С (а) та 400°С (б) [1]

Куніаль А використовують для виготовлення деталей спеціального призначення, куніаль Б – для виготовлення пружин, пружних елементів відповідального призначення та для деталей криогенної техніки. Також куніалі використовують для виготовлення гребних гвинтів.

Рисунок 1.59 – Мікроструктура сплаву МНА6-1,5 (литий стан):

-твердий розчин + Ni₃Al, 340 (при друкуванні зменшено в 1,5 рази)

1.3.2 Електротехнічні сплави. Мідно-нікелеві сплави цієї групи (табл.1.6) мають високий питомий електроопір, особливі термоелектричні властивості та широко використовуються в промисловості для електротехнічних цілей. Сплави високого електроопору ділять на прецизійні, реостатні та сплави для нагрівальних елементів, тензорезисторів та електродів термопар.

Таблиця 1.6 – Хімічний склад (%, решта Cu) та призначення електротехнічних деформівних міднонікелевих сплавів (ГОСТ492-2006)

Марка сплаву	Основні компоненти				Напівфабрикат та використання
	Ni+Co	Fe	Mn	Al
МН0,6 (ТП)	0,57…0,63	-	-	-	Дріт для виготовлення компенсаційних проводів
МН16 (ТБ)	15,3…16,3	-	-	-	Дріт для виготовлення компенсаційних проводів
МНМц43-0,5 (копель)	42,5…44,0	-	0,1… 1,0	-	Дріт для термопар, компенсаційних проводів та радіотехнічних приладів з робочою температурою до 600°С
МНМц40-1,5 (константан)	39,0…41,0	-	1,0… 2,0	-	Дріт, штаби, стрічка, для електротехнічних цілей (для виготовлення реостатів), термопар, нагрівальних приладів з робочою температурою до 500°С
МНМц3-12 (манганін)	2,50…3,50	-	11,5…13,5	-	Листи, дріт; резисторний матеріал з малим температурним коефіцієнтом електроопору; використовується для приладів електроопору з робочою температурою до 100°С, а також для точних вимірювальних приладів
МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 (манганін)	2,50…3,50	0,2…0,5	11,5…13,5	0,20…0,40