Медно-никелевые сплавы - это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель - это куанали, мельхиор, нейзильбер, манганин, копель и т.Д.

По назначению их подразделяют на конструкционные и электротехнические сплавы.

Куниали (медь - никель - алюминий) содержат 6 - 13% никеля, 1,5 - 3% алюминия, остальное - медь. Куниали подвергают термической обработке (закалка - старение). Куниали служат для изготовления деталей повышенной прочности, пружин и ряда электромеханических изделий.

Нейзилъберы (медь - никель - цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное - медь. Нейзильберы имеют приятный белый цвет, близкий к цвету серебра. Они хорошо сопротивляются атмосферной коррозии; применяют в приборостроении, производстве часов, художественных изделий, медицинского инструмента.

Мельхиоры (медь - никель - небольшие добавки железа и марганца до 1%). Обладают высокой коррозионной стойкостью, в частности, в морской воде. Их применяют для изготовления теплообменных аппаратов, штампованных и чеканных изделий. Из него изготавливают посуду, украшения, чеканят монеты.

Копель - (медь - никель - марганец) содержат: 43% никеля, 0,5% марганца, остальное - медь. Константан (медь - никель - марганец) содержит 40% никеля, 1,5% марганца. Это специальные сплавы с высоким удельным электросопротивлением; используемые в электротехнике для изготовления электронагревательных элементов и в производстве электроизмерительных приборов.

Значительное распространение для изготовления всевозможных деталей машин получили также сплавы алюминия с медью, кремнием, цинком, никелем, марганцем, магнием, сурьмой. Одни из них хорошо обрабатываются штамповкой (дюралюминий и др.), другие являются литейными сплавами (силумин). Свойства дюралюминов и силуминов описаны в разделе 6.1.

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте основные свойства (физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные) меди.

2. Назовите области применения меди. Чем вызвано применение в каждом случае?

3. Какие сплавы называются латунями? Каковы их свойства? Где используются?

4. Какие сплавы называют бронзами? Перечислите основные типы бронз. Какими свойствами они характеризуются? Где применяются?

5. Что представляют собой медно-никелевые сплавы? Какими свойствами обладают? Для каких целей применяются?

6.3. Никель и его сплавы

Содержание никеля в земной коре составляет 8-10^-3 % (масс.), а в воде океанов — 0,002 мг/л. В свободном состоянии никель в природе не встречается, а содержится в различных минералах.

Известно более 50 минералов никеля. Важнейшими из них являются: миллерит γ-NiS, никелин NiS, хлоантитNiАs₂, герсдорфит NiАsS, ульманит NiАsSb. В основном никель добывают из суль­фидных медно-никелевых и из силикатно-окисленных руд. Миро­вые запасы никеля на суше исчисляются в 70 млн.т.

В России основу минерально-сырьевой базы никелевой промышленности образуют сульфидные медно-никелевые месторождения Норильского района. На их долю приходится не менее 85% подтвержденных запасов никеля страны. 10% подтвержденных запасов никеля заключено в сульфидных месторождениях Мурманской области. Остальные 5% связаны с силикатными никелевыми рудами месторождений Южного Урала. Мировым лидером в производстве никеля и основным производителем его в России является РАО «Норильский никель», которое добывает и выплавляет около 95% металла страны. Основным объектом разработки в последние годы являются богатые руды Норильского района, со средним содержанием никеля 3.1-3.6%.

Следует отметить, что никель так же как железо и кобальт является основной составной частью космических тел падающих на Землю.

Никель - химический элемент YIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 28, атомная масса 58,69. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая. Но имеет две модификации: при обычных условиях никель существует в виде β-модификации с гранецентрированной кубической решеткой. Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере водорода, образует α-модификацию с гексагональной решеткой плотной упаковки, которая при нагревании выше 200⁰ С переходит опять в кубическую. Природный никель состоит из пяти изотопов: ⁵⁸ Ni (67,88%), ⁶⁰Ni (26,23%), ⁶¹ Ni (1,19%), ⁶²Ni (3,66%) и ⁶⁴Ni (1,04%).

Никель — серебристо-белый металл. Температура плавления - 1455° С, температура кипения - 2900° С; плотность 8,90*10³кг/м³; ферромагнетик, точка Кюри 631 К.

Чистый никель — пластичный материал, легко обрабатывается как в холодном, так и горячем состоянии, под­дается прокатке, волочению и ковке.

Из него можно получить тончайшие листы и проволоку.

Никель, химически малоактивный элемент. Однако тонкодисперс­ный порошок, полученный восстановлением соединений никеля во­дородом при низких температурах, пирофорен - на воздухе самовоспламеняется.

При хранении на воздухе никель покрывается тонкой защитной пленкой оксида. Не взаимодействует ни с водой, ни с влагой воздуха. При нагревании до 800° С начинается процесс его оксидирования. С серной, фосфорной, фтороводородной кислотами никель реагирует очень медленно. На него не действуют органические кислоты, особенно в отсутствие воздуха. Никель хорошо реагирует с разбавленной азотной кислотой, а с концентрированной пассивен. Никель не реагирует с растворами и расплавами щелочей и карбонатов щелочных металлов, не реагирует также с жидким аммиаком. Водные же растворы аммиака корродируют никель.

Никель в высокодисперсном состоянии является активным ката­лизатором в процессах синтеза в органической химии.

Применение никеля. Металлический никель - конструкционный материал для химической аппаратуры и ядерных реакторов, для аккумуляторных электродов, материал для покрытий стали, чугуна, алюминия и других металлов.

Ковкий никель в чистом виде применяют для изготовления листов и труб.

Способность никеля растворять в себе значительное количество других металлов и сохранять при этом пластичность привела к созданию большого числа никелевых сплавов.

Основная масса производимого никеля является компонентом легированных сталей, жаростойких, сверхтвердых, магнитных, коррозионно-стойких сплавов. Он используется для изготовления сплавов из железа и цветных металлов преимущественно с медью, в производстве жаропонижающих сплавов, нержавеющей стали, конструкционной стали, стального и чугунного литья, сплавов с высоким электросопротивлением, для никелирования.

В качестве коррозионностойких материалов применяются сплавы никеля легированные медью, молибденом, алюминием, кремнием и марганцем.

Так же широкое значение имеют жаропрочные материалы, способные выдерживать большие нагрузки при высоких температурах.

Для придания сплавам необходимых свойств вводят титан, молибден, бор, кальций и цирконий. Из этих сплавов производят трубы, листы, профили для деталей.

Некоторым сплавам никеля (никоей - никель, кобальт, кремний; нитинол - никель, титан) свойственен «эффект памяти», который используется для изготовления самораскрывающихся антенн космических кораблей и других целей.

Полезные свойства сплавов никеля в определенной степени обусловлены свойствами самого никеля, среди которых выделяются ферромагнетизм, высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, высокая температура плавления и кипения и др.

С конца 19 в. сравнительно широко используются медно-никелевые сплавы (куниали, нейзильберы, мельхиоры, копель, константан), обладающие высокой пластичностью в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, важными электрическими свойствами (см. раздел «Медь и ее сплавы»). Сплавы никеля мельхиор и нейзильбер используются для изготовления посуды и столовых приборов.

Важную роль в технике играют ферромагнитные сплавы никеля с железом ( высоконикелевые пермаллои содержат 72 – 80% Ni, и низконикелевые –40 – 50% Ni), относящиеся к классу магнитно-мягких материалов. Среди этих материалов имеются сплавы, характеризующиеся наивысшим значением магнитной проницаемости, её постоянством, сочетанием высокой намагниченности насыщения. Такие сплавы применяют во многих областях техники, где требуется высокая чувствительность рабочих элементов к изменению магнитного поля. Особенно хорошо зарекомендовали себя эти сплавы при работе в слабых электрических полях (телефон, радио).

Недостатком пермаллоев является высокая стоимость и сильная зависимость от механических напряжений.

Для химической аппаратуры, работающей в высокоагрессивных средах, например в соляной, серной и фосфорной кислотах различной концентрации при температурах, близких к температуре кипения, широко используются сплавы Ni - Мо или Ni - Сг - Мо, известные за рубежом под названием хастелой, реманит и др. Эти сплавы превосходят по коррозионной стойкости в подобных средах все известные коррозионностойкие стали.

Практическое применение находят сплавы типа монель-металла (27 - 29% Ni, 2-3%Fe, 1,2 – 1,8 Mn, остальное никель), которые наряду с куниалями выделяются среди конструкционных материалов высокой химической стойкостью в воде, кислотах, крепких щелочах, на воздухе.

В настоящее время известно, что жаростойкость Ni на воздухе, достаточно высокая сама по себе, может быть улучшена путём введения А1, Si или Сг.

Из сплавов такого типа важное практическое значение имеют алюмель и хромель.

Алюмель, сплав, применяемый в пирометрии в качестве отрицательного термоэлектрода термопары хромель-алюмель, а также в виде компенсационных проводов. Химический состав алюмеля (в %): 1,8-2,5 алюминия 0,85-2,0 кремния; 1,8-2,2 марганца; остальное - никель и кобальт, причем кобальт присутствует как примесь в никеле, и для обеспечения требуемого значения термоэдс его содержание должно быть в пределах 0,6-1,0.

Хромель [от хром и (ник)ель], сплав никеля с хромом, обладающие благоприятным сочетанием термоэлектрических свойств и жаростойкости Содержит около 10% Сг, около 1% Со, а также примеси (до 0,2% С и до О,3 Fе). Хромель изготовляют в виде проволоки и применяют в паре с алюмелем в термопарах для измерения температуры.

Хромель-алюмелевые термопары относятся к числу наиболее распространенных термопар, применяемых в промышленности и лабораторной технике. Находят практическое использование также термопары из хромеля и копеля.

Благодаря хорошему сочетанию термоэлектрических свойств и жаростойкости важное применение в технике получили жаростойкие сплавы Ni с Сг -нихромы.

Нихром, общее название группы жаростойких сплавов никеля (65-80%) с хромом (15-30%). В разных странах выпускается большое число разновидностей нихрома. Благодаря сочетанию высокой жаростойкости в окислительной атмосфере (до 1250⁰ С) и высокого электрического сопротивления нихром применяются как материал для нагревательных элементов электрических печей и бытовых приборов; кроме того, он используются для изготовления деталей, работающих при высокой температуре в условиях малых нагрузок, и иногда - для изготовления реостатов.

Попытки удешевить нихромы уменьшением содержания в них Ni привели к созданию т. н. ферронихромов, в которых значительная часть Ni замещена Fе. Наиболее распространённой оказалась композиция из 60% Ni, 15% Сг и 25% Fе.

Хромаль (от хром и алюминий), общее название группы жаростойких сплавов на основе железа, содержащих 17-30% Сг и 4,5-6,0% А1. Сплавы характеризуются редким сочетанием высокой жаростойкости (до 1400⁰ С) и высокого удельного электрического сопротивления. Температура плавления 1500-1510⁰ С, плотность 7,15-7,3*10³ кг/м³ . Хромали применяются в виде проволоки и ленты для изготовления нагревательных элементов высокотемпературных электрических печей. Они дешевле и более жаростойки, чем нихромы, но более сложны в производстве и требуют особых условий эксплуатации вследствие низкой прочности при температурах выше 1000⁰С, охрупчивания в процессе службы, а также химического взаимодействия с парами и окислами некоторых распространённых в практике металлов. Xромали обладают высокой жаростойкостью на воздухе, в водороде, окислительной атмосфере, содержащей серу и углерод.

Нимоник, общее название группы жаропрочных сплавов на основе никеля, содержащих Сг, Тi, А1. Впервые разработаны в Великобритании (1941-42г.). Выпускается ряд разновидностей нимоника., которые, в зависимости от назначения, содержат 10-21% Сг, 0,2-4% Тi, 0,5-6,0% А1; кроме того, нимоник легируются Со (до 22%), Мо (до 6%) и др. элементами. Температура плавления сплавов 1310 -1390⁰ С (в зависимости от химического состава). Лучшие нимоники работоспособны до 1000⁰ С. Сплавы достаточно хорошо поддаются горячей обработке давлением и в меньшей степени холодной обработке. Изготовляются в виде поковок, прутков, листов, труб и т.д.; применяются как конструкционный материал для деталей газотурбинных двигателей, ракет и т.д.

Появление их послужило мощным толчком для развития авиационных газотурбинных двигателей. За сравнительно короткий срок было создано большое число сплавов этого типа.

Особыми свойствами обладает сплав никеля с железом – ковар.

Ковар содержит 18% Со и 29% Ni, остальное железо. Характеризуется низким коэффициентом теплового расширения близким к коэффициенту теплового расширения стекла. Температура плавления К. 1450⁰ С, удельное электрическое сопротивление 0,5мком-м, температура Кюри 420⁰ С. Во влажной среде сплав подвержен коррозии, требует защитных покрытий. При впайке в стекло ковар образует прочное вакуумно-плотное сцепление, что используется в электровакуумной технике при изготовлении корпусов и токовыводов различных ламп, приборов.