Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

выше, чем у меди. Его удельная теплоемкость сравнительно невелика и лишь ненамного пре­ вышает теплоемкость меди. Удельная электро-

и теплопроводность значительно меньше, чем

умеди. Так, при нормальной температуре удельная электропроводность никеля в 4 раза ниже, а теплопроводность в 4,5 раза ниже, чем у меди. Модули упругости у никеля выше, а температурный коэффициент линейного рас­ ширения ниже, чем у меди. Это указывает на более высокую прочность связей между ато­ мами в кристаллической решетке никеля.

Никель в отличие от меди - ферромаг­ нитный металл, но его ферромагнетизм выра­ жен значительно слабее, чем у железа и ко­ бальта. Точка Кюри для никеля составляет

361 °С, выше этой температуры он переходит в парамагнитное состояние. Медь понижает точ­ ку Кюри, и в медно-никелевых сплавах с высо­ ким содержанием меди ферромагнитизм утра­ чивается.

Оптические свойства меди и никеля раз­ личны. Чистый никель - металл серебристого цвета. При увеличении концентрации никеля в

медно-никелевых сплавах их цвет изменяется от розовато-красного, характерного для меди, до серебристо-белого.

Механические свойства никеля выше, чем у меди. По прочностным свойствам полу­ фабрикаты технического никеля (листы, поло­ сы, прутки и т.д.) существенно превосходят аналогичные полуфабрикаты из меди во всех состояниях (табл. 5.2). Медь и никель, как и другие технические металлы с ГЦК решеткой, имеют высокую пластичность и ударную вяз­ кость в литом и отожженном (мягком) состоя­ ниях. При холодной пластической деформации оба эти металла существенно упрочняются, но при этом достаточно резко понижается пла­ стичность.

Медь и никель не охрупчиваются при от­ рицательных температурах. С понижением температуры ниже комнатной прочностные свойства, относительное удлинение и ударная вязкость этих металлов даже повышаются. Важно, что эти достоинства меди и никеля присущи и медно-никелевым сплавам - твер­ дым растворам (табл. 5.3). Это делает их пре­ восходными конструкционными материалами.

Коррозионные свойства. Никель отлича­ ется более высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях по сравнению с дру­ гими техническими металлами (в том числе и медью) благодаря образованию на его поверх­ ности тонкой и прочной защитной пленки. Никель обладает достаточной устойчивостью не только в пресной, но и в морской воде. Ско­ рость коррозии никеля в пресной воде ничтож­ но мала - менее 0,003 мм/год), у меди она не­ сколько выше - 0,005.. .0,25 мм/год [92].

Минеральные кислоты, особенно азотная и азотистая, сильно действуют на никель. Он устойчив лишь в слабых растворах азотной кислоты с концентрацией менее 5 % при темпе­ ратуре 20°С и ниже. Соляная кислота довольно сильно действует на медь и никель. Серная кислота является менее агрессивной для нике­ ля, чем для меди, хотя он менее стоек в ней, чем медно-никелевый сплав монель-металл.

Щелочные и нейтральные растворы солей (карбонаты, нитраты, сульфаты, хлориды) на никель влияют незначительно даже при нагре­ вании (скорость коррозии - 0,013 мм/год), од­ нако кислые соли действуют на него сильнее (до 1 мм/год). В концентрированных растворах щелочей никель устойчив даже при высоких температурах; более стоек, чем медь, в амми­ ачных средах.

В безводном аммиаке он не корродирует, но в концентрированных растворах аммиака (более 1 0 %) никель корродирует заметно [92].

Медно-никелевые сплавы обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравне­ нию с медью и другими сплавами на ее основе,

что обусловлено образованием на их поверхно­ сти прочной оксидной пленки, обладающей хорошими защитными свойствами. Одно из основных преимуществ этих сплавов - устой­ чивость против коррозионного растрескивания под действием аммиака. Это свойство медно­ никелевых сплавов, применяемых главным образом в виде труб для конденсаторов и теп­ лообменных аппаратов, особенно важно, так как аммиак часто присутствует в загрязненной воде. Медно-никелевые сплавы подвержены только поверхностной коррозии.

Сухие газы (галогены) и углекислый газ при комнатной температуре на медно­ никелевые сплавы практически не действуют, но с повышением температуры и влажности скорость коррозии их заметно увеличивается. В органических кислотах и щелочах медно­ никелевые сплавы корродируют незначитель­ но, но в минеральных кислотах, особенно в азотной кислоте и кислых солях скорость их коррозии высока. В расплавленных металлах (олово, свинец, цинк, алюминий) медно-никеле­ вые сплавы легко разрушаются.

Стойкость никеля против высокотемпера­ турного окисления (окалиностойкость) суще­ ственно выше, чем у меди. По окалиностойкости медно-никелевые сплавы занимают проме­ жуточное между медью и никелем положение (рис. 5.1). При высокотемпературном окисле­ нии никеля образуются два оксидных слоя: внутренний - светло-зеленый и внешний - темно-зеленый. Оба этих слоя состоят из окси­ да NiO, но отличаются количеством кислорода.

Медь, взаимодействующая с кислородом воздуха, окисляется, образуя в зависимости от

нию с окисью, закись меди менее сильно склонна к отслаиванию.

Тонкая и прочная оксидная пленка на по­ верхности никеля обладает лучшими защит­ ными свойствами, чем оксидные пленки на поверхности меди, поэтому никель более стоек против высокотемпературного окисления.

Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы (рис. 5.2). Никель сущест­ венно упрочняет медь, причем максимальную

прочность и твердость имеют сплавы примерно эквиатомного состава (рис. 5.3). Сплавы этого же состава имеют примерно в 30 раз большее электрическое сопротивление, самые высокие значения термоЭДС*, в десятки раз меньшую теплопроводность и практически нулевой тем­ пературный коэффициент электросопротивле­ ния (рис. 5.4). Для практического использова­ ния медно-никелевых сплавов важно, что ни­ кель, существенно упрочняя медь, мало изме­ няет ее характеристики пластичности и удар­ ную вязкость (см. рис. 5.3). Высокая пластич­ ность медно-никелевых сплавов при нормаль­ ной температуре позволяет их деформировать в холодном состоянии с суммарным обжатием более 90 %. Предел выносливости (о_0 медно­ никелевых сплавов в морской и пресной воде при 50-106 циклов нагружения составляет 120 и 140 МПа при содержании никеля 10 и 30% соответственно. Никель повышает характери­ стики жаропрочности меди. Однако макси­ мальное значение предела ползучести смещено в область высоких концентраций никеля (~ 70 % по массе). Никель повышает модуль упругости и понижает коэффициент линейного расширения и период решетки меди (рис. 5.5).

Влияние примесей. На физико-химиче­ ские, механические и технологические свойст­ ва медно-никелевых сплавов большое влияние оказывают примеси. Отрицательное влияние на свойства этих сплавов оказывают следующие элементы: висмут, свинец, мышьяк, сурьма, селен, теллур, сера, кислород, углерод и фосфор.

К вредным примесям, ухудшающим де­ формируемость медно-никелевых сплавов, относятся висмут и свинец. В твердом состоя­ нии они практически не растворяются в этих сплавах и образуют легкоплавкие эвтектики. Склонность висмута выпадать по границам зерен в виде тонкой прослойки усугубляет от­ рицательное влияние этого элемента. Содер­ жание висмута более 0,005 % приводит к горячеломкости медно-никелевых сплавов при го­ рячей прокатке. С увеличением содержания висмута (до 0 , 0 1 % и более) эти сплавы стано­ вятся хрупкими и при 20 °С.

Свинец влияет на деформируемость мед­ но-никелевых сплавов в горячем состоянии несколько слабее висмута, поэтому его содер­ жание допускается в большем количестве. Как легирующий элемент свинец вводят лишь в нейзильбер для улучшения его обрабатываемо­ сти резанием. Однако этот сплав со структурой a-твердого раствора поддается обработке дав­ лением только в холодном состоянии.

На физические свойства, в частности на электропроводность и теплопроводность, вис­ мут и свинец не оказывают заметного влияния вследствие ничтожно малой растворимости в медно-никелевом твердом растворе.

Сера также является вредной примесью в медно-никелевых сплавах. Она имеет ничтож­ но малую растворимость в меди и никеле в твердом состоянии и образует с этими метал­ лами ряд химических соединений. В системах Cu-S и Ni-S ближайшие к меди и никелю суль­ фиды Cu2S и Ni3 S2 образуют с этими металла­ ми эвтектики с температурой плавления соот­ ветственно 1067 и 644 °С. При затвердевании легкоплавкая и хрупкая эвтектика Ni + Ni3 S2, а возможно и трехфазная эвтектика, содержащая сульфиды никеля и меди, выделяется преиму­ щественно по границам зерен, нарушая связь между ними. При содержании около 0,02 %S медно-никелевые сплавы легко разрушаются при обработке давлением. При введении маг­ ния и марганца вредное действие серы значи­ тельно уменьшается.

Кислород понижает технологическую пла­ стичность медно-никелевых сплавов, ухудшает их коррозионную стойкость, затрудняет про­ цессы сварки и пайки. Кислород попадает в металл не только в процессе плавки, но и при

Рис. 5.6. Диаграмма состояния

системы Си-С [21,142]

технологических нагревах перед горячей обра­ боткой давлением, в процессе отжига, при свар­ ке и пайке. При наличии кислорода в жидком металле получаются отливки с повышенной пористостью из-за взаимодействия # кислорода со смазкой изложницы. Кроме того, медно­ никелевые сплавы с повышенным содержанием кислорода склонны к водородной болезни. По­ этому перед их разливкой кислород должен быть достаточно полно удален из жидкой ванны.

Специфика влияния углерода на свойства медно-никелевых сплавов связана с особенно­ стью его физико-химического взаимодействия с медью и никелем.

Углерод практически не взаимодействует с медью ни в твердом, ни в жидком состояниях. Как следует из диаграммы состояния Си-С (рис. 5 .6 ), ничтожно малая растворимость уг­ лерода в жидкой меди появляется лишь при температуре выше 1500 °С. Но такие темпера­ туры в технологическом процессе получения полуфабрикатов из медно-никелевых сплавов в промышленности не используется. Медь мож­ но плавить при температуре - 1200°С в графи­ товых тиглях, а перемешивать расплав графи­ товой мешалкой без риска насыщения меди углеродом в заметных количествах.

Углерод активно взаимодействует с ни­ келем как в жидком, так и в твердом состоя­ нии. Система Ni-C относится к эвтектическому типу без образования промежуточных фаз

(рис. 5.7). Эвтектика L aNi + С образуется

при 1319±2°С при содержании углерода в жидкой фазе 2,1 % (по массе). Предельная рас­ творимость углерода в никеле в твердом со­

стоянии также достаточна высока и составляет при эвтектической температуре 0,52% (по массе). Методом быстрой кристаллизации (скорость охлаждения - 105... 107 °С/с) раство­ римость углерода в никеле может быть повы­ шена до 1,5 % (по массе). В этих же условиях, а также при повышенном давлении получена метастабильная карбидная фаза Ni3C с гексаго­ нальной решеткой: а = 0,2632 нм, с = 0,4323 нм. При охлаждении расплава со скоростью ~105 107 оС/с кристаллизуется при температуре

-1053 °С метастабильная эвтектика: L aNj +

+ Ni3C (штриховые линии на диаграмме со­ стояния NHT).

Поскольку в меди углерод растворим в ничтожно малом количестве, то в медно­ никелевых сплавах растворимость его нахо­ дится в прямой зависимости от содержания никеля. В большинстве медно-никелевых спла­ вов растворимость углерода в твердом состоя­ нии незначительна. В частности, в мельхиоре, содержащем 30 % Ni, она составляет 0,045% (по массе). При содержании углерода выше предела растворимости он выделяется по гра­ ницам зерен в форме графита, что способству­ ет быстрому разрушению готовых изделий от межкристаллитной коррозии. Кроме того, сплавы с повышенным содержанием углерода становятся хрупкими в холодном состоянии.

Вчистом никеле и сплавах на его основе,

втом числе и в сплавах системы Cu-Ni, напри­

мер, монель-металле (67...70 % Ni), ситуация

Рис. 5.7. Диаграмма состояния системы Ni-C (цифры вскобках указывают содержание углерода в % (по массе» (21,142)

иная, так как растворимость углерода в твер­ дом состоянии в этих материалах значительно выше. Поэтому на никель и монель-металл углерод, при содержании его до предела рас­ творимости, оказывает положительное влия­ ние, так как, являясь отличным раскислителем, он способствует получению качественных слит­ ков и полуфабрикатов из них. В чистый никель и некоторые сплавы (твердые растворы на его основе) рекомендуется вводить углерод в ко­ личестве до 0,1 %. При содержании выше 0,2 % С эти материалы становятся хладноломкими изза выделения углерода при кристаллизации.

С учетом более высокой растворимости углерода в твердом состоянии в монельметалле содержание его в этом сплаве допус­ кается на порядок больше (до 0 , 2 %) по срав­ нению с другими медно-никелевыми сплавами.

Сурьма, мышьяк, селен, теллур, фосфор и кадмий оказывают отрицательное влияние на медно-никелевые сплавы. Под влиянием сурь­ мы и мышьяка ухудшается обрабатываемость давлением этих сплавов, а селен и теллур сни­ жают их пластичность в интервале температур 520...720°С. Фосфор и кадмий также являются вредными примесями, так как резко снижают механические, физические и технологические свойства сплавов.

Содержание этих примесей в медно­ никелевых сплавах регламентируется ГОСТ 492-73.

По назначению медно-никелевые сплавы можно разделить на две группы: конструкци­ онные и электротехнические [47]. К первой группе относятся высокопрочные и коррозион­ но-стойкие сплавы типа монель-металла, мель­ хиора, нейзильбера и куниапи (табл. 5.4). В группу электротехнических сплавов входят константан, манганин, копель и др., обладаю­ щие высоким удельным электросопротивлени­ ем, тензочуствительностью и определенными термоэлектрическими свойствами.

5.2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

Марки важнейших медно-никелевых спла­ вов по ГОСТ 492-73 и их зарубежных аналогов по стандартам США, Германии и Японии даны в табл. 5.4, а в табл. 5.5 химический состав отечественных сплавов и области их примене­ ния. В промышленности применяются как двойные медно-никелевые сплавы, так и медно­ никелевые сплавы, дополнительно легирован­ ные алюминием, цинком, железом, марганцем, свинцом и некоторыми другими элементами. Свойства и режимы обработки этих сплавов приведены в табл. 5.6...5.9.

МН95-5 МН19 (мельхиор) МН25

Сплавы системы Cu-Ni-AI (куниали)

МНА6-1,5 (куниаль Б)

МНА13-3 (куниаль А)

МНЦ15-20

-

-

-

МНЦ12-24

-

-

-

МНЦ18-27 МНЦ18-20

-

МНЦС 16-29-1,8

-

-

-

-

Сплавы системы Cu-Ni-Fe-Mn

Марка

МН95-5

МН19 (мельхиор)

МН25

МНА6-1,5 (куниаль Б)

МНА13-3

МНЦ15-20

Ni+Co А1

4,4...

-

5,0

18,0...

-

2 0 , 0

24,0...

-

26,0

5,50... 1 ,2 ...

6,50 1 , 8

1 2 ,0 ... 2,3...

15,0 3,0

13,5...

15,0

Сплавы системы Cu-Ni-Zn и Cu-Ni-Zn-Pb (нейзильберы)

Полуфабрикаты и области применения

Прутки, трубы различного диаметра; детали для электротехники и приборостроения

Листы, ленты, прутки, проволока, применяется для изготовления монет, плакированный материал для медицинского инструмента, сетки, детали точной механики и химической промышленности

Листы, полосы, ленты прутки, трубы; для изготовления монет, декоративных изделий и др.

Полосы для изготовления пружин и других изделий в электротехничесой промышленности

Прутки для изготовления изделий повышенной прочности, применяемых в машиностроении

Полосы, ленты, трубы, прутки, проволока; для приборов точной механики, медицинский инструмент, детали телефонии, сантехники, столовые приборы; детали, получаемые глубокой вытяжкой; для электротехнических целей, для изготовления пружин реле

СПЛАВЫ НИКЕЛЕВЫЕ-МЕДНО

- -

- -

- -

- -

1 ,0 ... 0,3...

1,4 0 , 8

1 ,0 ... 0,3...

2 , 0 1 , 0

СПЛАВЫ КОНСТРУКЦИОННЫЕ

СПЛАВЫ НИКЕЛЕВЫЕ-МЕДНО