Медно-никелевые сплавы: состав, свойства, маркировка, применение в производстве металлотоваров

СОДЕРЖАНИЕ
Введение…..………………………………………………………………………….3
1 Химический состав медно-никелевых сплавов………………………………….4
2 Свойства сплавов меди с никелем………………………………………..………8
3 Маркировка сплавов……………………………………………………………...16
4 Применение медно-никелевых сплавов………………………………………...17
Заключение………………………………………………………………………….21
Список использованных источников……………………………………………...22

ВВЕДЕНИЕ
Ценные свойства цветных металлов обусловили их широкое применение в различных отраслях современного производства.
Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. В чистом виде медь применяется ограниченно, более широко - ее сплавы. Обладая высокой электропроводностью, теплопроводностью и коррозионной стойкостью, медь в то же время как конструкционный материал не удовлетворяет требованиям машиностроения, поэтому ее легируют, т. е. вводят в сплавы такие металлы, как никель, цинк, марганец и другие, за счет чего улучшаются ее механические и технологические свойства.
Медно-никелевые сплавы являются незаменимыми материалами для приборостроительной, электротехнической и машиностроительной промышленности.
Целью данной работы являлось изучение медно-никелевых сплавов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение ряда задач:
рассмотреть особенности химического состава сплавов меди с никелем;
изучить свойства медно-никелевых сплавов и принципов маркировки данных сплавов;
установить область применения медно-никелевых сплавов.
1 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Медно-никелевыми называют сплавы на основе меди, в которых легирующим элементом, определяющим основные свойства сплава, является никель.
Медно-никелевые сплавы выделены в особую группу. По направлению использования их делят на конструкционные и электротехнические сплавы.
К конструкционным сплавам относят:
мельхиор,
нейзильбер,
куниали.
К электротехническим сплавам относят:
копель,
константан,
манганин.
В качестве дополнительных легирующих элементов в медно-никелевые сплавы добавляют марганец, алюминий, цинк, железо, кобальт, свинец, а также хром, церий, магний, литий.Конструкционные медно-никелевые сплавы
Мельхиорами называют двойные и более сложные сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является никель.
Сплав назван в честь его изобретателей – французов Майо (Maillot) и Шорье (Chorier). Наиболее распространены мельхиоры МНЖМц30-1-1 и МН19 (табл. 1).
Широкое применение нашел сплав МНЖМц30-1-1, содержащий 30% Ni, и дополнительно легированный железом и марганцем (табл. 1). Этот сплав отличается высокой коррозионной стойкостью, в том числе против ударной (струевой) коррозии.
Среди медно-никелевых сплавов системы Cu-Ni-Fe-Mn известны также сплавы МНЖ5-1 и МНЖМц10-1-1.
Сплав МНЖ5-1 близок по химическому составу к двойному сплаву МН95-5 (табл. 1): он содержит примерно такое же количество никеля (около 5%) и отличается от него небольшими добавками железа и марганца (около 1%).
Нейзильберы принадлежат к тройной системе Сu–Ni–Zn и содержат 5–35 % Ni и 13–45 % Zn.
Слово нейзильбер происходит от немецкого Neusilber – новое серебро.
Из нейзильберов наиболее широко применяют МНЦ15-20, МНЦС16-29-1,8 (табл. 1).
Сплав с 15% Ni и 20% Zn (МПЦ15-20) является тройным твердым раствором никеля и цинка в меди.
Куниалями называют сплавы тройной системы Сu–Ni–Аl.
В промышленности применяются две разновидности сплавов такого тина: куниаль А (МНА13-3) и куниаль Б (МНАб-1,5).
Электротехнические медно-никелевые сплавы
Копель – сплав Сu (основа) с Ni (43 %) и Мn (≈ 0,5 %), константан – сплав Сu (основа) с Ni (≈ 40 %) и Мn (≈ 1,5 %), а также манганин – сплав Сu (основа) с Мn (11–13,5 %) и Ni (2,5–3,5 %) относятся к сплавам с высоким удельным электрическим сопротивлением, мало зависящим от температуры.
В таблице 1 представлен химический состав копели марки МНМц43-0,5, константана марки МНМц40-1,5, манганина марок МНМц3-12 и МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 и других медно-никелевых сплавов.
Таблица 1 – Химический состав медно-никелевых сплавов
Продолжение таблицы 1
2 СВОЙСТВА СПЛАВОВ МЕДИ С НИКЕЛЕМ
Сплавы меди с никелем нашли широкое применение в технике. Легирование меди никелем значительно повышает ее механические свойства, коррозионную стойкость, электросопротивление и термоэлектрические характеристики. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
Медь образует с никелем непрерывные твердые растворы (рисунок 1). Никель существенно упрочняет медь.
Рисунок 1 – Диаграмма состояния системы Сu–NiМельхиоры
Мельхиоры, являясь твердыми растворами, имеют однофазную структуру (рис. 1) и поэтому хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии.
На рисунке 2 представлена зависимость механических свойств мельхиора МН19 от степени деформации.
Рисунок 2 – Изменение механических свойств сплавов МН19
с увеличением степени деформации
Никель значительно повышает прочность меди.
Дополнительное легирование железом и марганцем сплавов меди с никелем обеспечивает высокую коррозионную стойкость мельхиоров в различных средах – в пресной и морской воде и паре, органических кислотах, растворах солей, в атмосферных условиях. Так, медно-никелевый сплав с 30% Ni более стоек к коррозионному растрескиванию под напряжением, чем сплавы с 10 или 20 % Ni или латуни.
Небольшие добавки железа и марганца в мельхиор существенно повышают его стойкость даже в быстродвижущемся потоке морской воды.
Мельхиоры обладают высоким электрическим сопротивлением, малой теплопроводностью.
Механические свойства полос и лент холоднокатаных некоторых марок мельхиора представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Полосы и ленты холоднокатаные из конструкционных медно-никелевых сплавов. Механические свойства
Продукция, ГОСТ Марка Состояние поставки Толщина, ммσb,Мпаδ10, %
В пределах или не менее
Полосы из медно-никелевых сплавов, ГОСТ 5063-73 мельхиор МН19 мягкое 0,5…10,0 290 30
твердое 390 3
нейзильбер МНЦ15-20 мягкое 340 35
твердое 540 1
особотвердое640 1
монель НМЖМц28-2,5-1,5 мягкое 440 25
полутвердое 570 6,5
Ленты мельхиоровые для капсюлей, ГОСТ 1018-77 мельхиор МН19 мягкое 0,28…0,50 290…370 32
мельхиор МН19 мягкое менее 0,5 290 22
0,5 и более 25
твердое менее 0,5 390 —
0,5 и более 2,5
Ленты из мельхиора, нейзильбера и монеля, ГОСТ 5187-2003 нейзильбер МНЦ15-20 мягкое менее 0,5 340 27
0,5 и более 30
полутвердое менее 0,5 440…540 2
0,5 и более 4
твердое менее 0,5 540…690 —
0,5 и более 2
особотвердоеменее 0,5 более 690 —
0,5 и более —
монель НМЖМц28-2,5-1,5 мягкое менее 0,5 440 22
0,5 и более 25
полутвердое менее 0,5 570 4
0,5 и более 6,5
Нейзильберы
Нейзильберы – это сплавы тройной системы Cu-Ni-Zn, которые по свойствам занимают промежуточное место между медно-никелевыми сплавами и латунями.
Механические свойства продукции из нейзильбера – представлены в таблицах 2 и 3.
Таблица 3 – Прутки и проволока из конструкционных медно-никелевых сплавов. Механические свойства
Продукция,
ГОСТ Марка Способ
изготовления Состояние
поставки Диаметр,
мм σb, МПа /  δ10, %
В пределах или не менее
Прутки из сплава монель, ГОСТ 1525-91 монель НМЖМц28-2,5-1,5 тянутые мягкое 5,0...70,0 440 / 25
твердое 590 / 10
горячекат.   490 / 18
Проволока нейзильберовая, ГОСТ 5220—78 нейзильбер МНЦ15-20 холодно-
деф. мягкое 0,10...0,20 0,25...0,50
0,60...1,00 1,10...5,00 343 / 15
343 / 20
343 / 25
343 / 30
полутв. 0,60...1,00 1,10...5,00 441 / 3
441 / 5
твердое 0,10...0,50
0,60...1,00 1.10...2,00 2,20...5,00 686... / -
1078
539 / -
Примечание: твердость продукции не регламентируется.
Цинк упрочняет медно-никелевые сплавы и снижает их стоимость; с увеличением содержания никеля повышается коррозионная стойкость сплавов.
В системе Сu–Ni–Zn наблюдается обширная область твердых растворов. Сплавы указанных составов (кроме высоко цинковых) лежат в области α-твердого раствора и имеют однофазную структуру. Нейзильберы представляют собой твердые растворы на основе меди.
Легирование цинком приводит к повышению механических свойств медно-никелевых сплавов, приданию им красивого серебристого цвета и их удешевлению.Нейзильберы, по сравнению с мельхиорами, характеризуются более высокой прочностью из-за дополнительного легирования цинком.
Сплавы легко поддаются горячей и холодной обработке давлением.
Нейзильберы отличаются высокой коррозионной стойкостью, не окисляются на воздухе, сравнительно устойчивы в растворах солей и органических кислотах.
Детали из сплавов хорошо соединяются пайкой и сваркой.
Некоторые сплавы этого типа для улучшения обрабатываемости резанием легируют свинцом в количестве до 2 %. Из-за присутствия свинца эти сплавы нельзя подвергать горячей прокатке, поэтому для получения листовых полуфабрикатов слитки обрабатывают в холодном состоянии. Свинцовый нейзильбер МНЦС16-29-1,8 по структуре относится к α-сплавам с включениями свинца. Сплав обрабатывается давлением лишь в холодном состоянии, так как свинец вызывает горячеломкость. Сплав отличается хорошей обрабатываемостью резанием, обладает высокой коррозионной стойкостью, красивым серебристым цветом, хорошими механическими свойствами.
КуниалиНикель и алюминий при высоких температурах растворяются в меди в больших количествах, но с понижением температуры растворимость резко уменьшается. По этой причине сплавы системы Сu–Ni–А1 эффективно упрочняются закалкой и старением. Сплавы под закалку нагревают до 900–1000 оС, а затем подвергают старению при 500–600 оС. Упрочнение при старении обеспечивают дисперсные выделения фаз Ni3Аl и NiАl.
Свойства и температуры обработки сплавов МНА13-3 (куниаль А) и МНАб-1,5 (куниаль Б) представлены в таблицах 4 и 5.
Таблица 4 – Физические, механические и технологические свойства сплавов
МНА13-3 (куниаль А) и МНАб-1,5 (куниаль Б)
Свойства и температуры обработки МНА13-3
(куниаль А) МНАб-1,5
(куниаль Б)
Физические свойства
Температура плавления, °С1183 1140
γ, кг/м5 8500 8700
с, Дж/(кг К) 377 373
Механические и технологические свойства
σb, МПа:
мягкое состояние 370...460 340...440
твердое состояние 880...930 640...735
после закалки и старения — 540
σ0,2, МПа:
мягкое состояние — 80
δ,%:    
мягкое состояние 10...15 28...40
твердое состояние 2...5 4...7
после закалки и старения — 3
НВ:
мягкое состояние 65 62
твердое состояние 255 205
после закалки и старения 260 210
KCU, МДж/м2:
твердое состояние 0,5 1,2
Обрабатываемость резанием, % от ЛС63-3 20 20
Таблица 5 – Температуры обработки сплавов МНА13-3 (куниаль А) и
МНАб-1,5 (куниаль Б)
Температуры обработки
Температура литья, °С1250... 1300 1200... 1250
Температура горячей обработки кипением, °С900... 1000 850...900
Температура отжига, °С650...780 650...750
Температура закалки, °С900 900
Температура старения, °С500 500
Система Cu-Ni-Al является перспективной для создания высокопрочных термически упрочняемых сплавов, служебные характеристики которых не уступают, а в ряде случаев превосходят бериллиевую бронзу.
Значительный эффект упрочнения можно достичь нагартовкой сплавов после закалки перед старением (НТМО). Так, например, предел прочности сплавов, предварительно прокатанных в горячем и холодном состояниях, после закалки от температуры 900°С равен 250—300 МПа. Дальнейшая холодная деформация закаленных образцов (обжатие 25%) с последующим старением при температуре 550°С приводят к увеличению прочности до 800—900 МПа при удлинении до 5 - 10%.
Куниали отличаются высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются давлением в горячем состоянии. Значительного повышения механических свойств сплавов никеля с медью достигают посредством их легирования присадками алюминия.
Куниали не склонны к хладноломкости. При понижении температуры растет не только прочность, но и пластичность этих сплавов. Так, при комнатной температуре у куниаля Б в состаренном состоянии временное сопротивление разрыву составляет 638 МПа и поперечное сужение 50 %, а при температуре –180 оС эти характеристики равны 700 МПа и 67 % соответственно.
Электротехнические сплавы (копель, константан, манганин) обладают высоким удельным электрическим сопротивлением, незначительно зависящим от температуры.
Рабочая температура копеля около 600 оС, константана – 500 оС, а манганина – от 15 до 35 оС.
Манганин (МНМцЗ-12) отличается от многих известных сплавов сочетанием низкого термического коэффициента электросопротивления и очень малой термоЭДС в паре с медью (1 мкВ на 1°С), что обусловливает его применение в электротехнических измерительных приборах и резисторах.
Манганин, будучи пластичен, легко поддается обработке давлением как в горячем, так и в холодном состояниях. Сплавы МН0,6 (ТП) и МН16 (ТБ) отличаются малой термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Так, например, при контакте с платиной при температуре свободного конца 0°С и рабочего конца 100°С ТЭДС равна соответственно +0,12 мВ для МН0,6 (ТП) и -2,21 мВ для МН16 (ТБ). По своей структуре сплавы относятся к типу твердых растворов (см. рис. 9.8) и отличаются хорошей технологичностью при обработке давлением.
3 МАРКИРОВКА СПЛАВОВ
В российских (ГОСТ Р) и межгосударственных стандартах (ГОСТ) обозначения меди и медных сплавов имеют следующее строение.
Обозначения деформируемых медных сплавов составляют следующим образом: на первом месте помещают прописные буквы, указывающие тип сплава: МН - медно-никелевые сплавы.
Для медно-никелевых сплавов за буквой, указывающей тип сплава, следует ряд прописных букв русского алфавита, обозначающих легирующие элементы, входящие в сплав, затем следуют цифры через тире.
В медно-никелевых сплавах первая цифра характеризует среднее суммарное содержание никеля и кобальта в процентах, а последующие – содержание каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части обозначения.
Главный легирующий элемент сплава указывается первым, независимо от его содержания. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала идет тот элемент, которого больше, а далее — по нисходящей.
При обозначении сплава указывают только важные легирующие элементы, второстепенные составляющие не перечисляют. Если даны верхний и нижний пределы основного и легирующего элемента, в обозначении используют среднее округленное значение. Применяют следующие обозначения легирующих элементов: алюминий – А, марганец – Мц, титан – Т, железо – Ж, никель – Н, цинк – Ц, свинец – С.
Примеры расшифровки обозначений медно-никелевых сплавов:
МНМц3-12 – суммарное содержание никеля и кобальта 3 %, 12 % марганца, остальное – медь.
МН95-5 – 95 % меди, суммарное содержание никеля и кобальта 5 %.
МН16 – суммарное содержание никеля и кобальта 16 %, остальное – медь.
4 ПРИМЕНЕНИЕ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Копель – сплав, который имеет большую термоэлектродвижущую силу, выпускается в виде проволоки и применяется для компенсационных проводов, а также для изготовления термопар.
Константан – термостабильный сплав с высоким удельным электросопротивлением, выпускается в виде проволоки, полос и лент. Используется для изготовления приборов высокого класса точности, реостатов и электронагревательных элементов, компенсационных проводов и термопар.
Мельхиор – конструкционный медно-никелевый сплав, применяется для изготовления монет, недорогих ювелирных украшений и посуды. Из него делают трубные доски кондиционеров, конденсаторные трубы. Сплав также используется в приборостроении.
Из сплава МНЖМц30-1 -1 изготавливают конденсаторные трубы (см. таблица 6), работающие при повышенных давлениях и температурах, где латунные и медные трубы неприменимы.
Сплав МНЖ5-1 применяют в виде холоднокатаных листов, прутков и труб для трубопроводов, деталей электротехники и приборостроения. Сплав МНЖ5-1 применяют также и в судостроительной промышленности в системах, контактирующих с морской водой.
Нейзильбер применяется для изготовления столовых приборов, которые серебрятся после отливки. В промышленности нейзильбер применяется для производства паровой и водяной арматуры, медицинских инструментов и деталей точных приборов. Из него производят ордены и медали, ювелирные изделия, гитарные лады. Нейзильбер также используется для изготовления финифти и филиграни. Нейзильбер (МНЦС16-29-1,8), содержащий свинец, используется для станочного изготовления мелких деталей часовых механизмов и др. Сплав выпускается в виде ленты, труб, полос, проволоки и прутков. Нейзильбер МНЦ15-20 применяют для изготовления пружин, так как этот сплав значительно упрочняется при холодной пластической деформации. При этом существенно повышается не только твердость (HV), σb и σ0,02, но и характеристики, необходимые для пружин: предел упругости (σ0,005), релаксационном стойкость, усталостная прочность.
Куниаль — дисперсионно-твердеющий сплав меди, никеля и алюминия. Куниаль А (МНА13-3) выпускается в виде прутков, применяется в машиностроении для изделий повышенной прочности. Из куниаля Б изготавливают полосы, которые используются в электротехнике для пружин и других изделий.
Манганин (МНМц3-12) — термостабильный сплав, выпускается в виде листов и проволоки, находит применение в измерительной технике: из манганина делают шунты, катушки, добавочные сопротивления, магазины сопротивлений и др.
Монель (НМЖМц28-2,5-1,5) выпускается в виде лент, полос, листов и проволоки. Применяется в различных сферах промышленности: медицинской, химической, нефтяной, судо- и авиастроительной. Из него делают дрели, музыкальные инструменты, оправы для очков, различные антикоррозионные детали.
Сплавы МН0,6 (ТП) и МН16 (ТБ). Из этих сплавов соответственно изготавливают проволоку для компенсационных проводов к платина-платинородиевым термопарам (ТП) и термопарам платина-золото, палладий—платинородий (ТБ).
В таблице 4 представлены виды изделий и примерное назначение медно-никелевых сплавов.
Таблица 6 – Виды изделий и примерное назначение медно-никелевых сплавов
Наименование
сплава Марка Вид изделия Примерное назначение
КопельМНМц43-0,5 Проволока Для термопар и компенсационных проводов
Константан МНМц40-1,5 Проволока, полосы, ленты Для электротехнических целей и компенсационных проводов
Манганин МНМц3-12 Листы, проволока Для электротехнических целей, измерительных приборов
Манганин МНМцАЖ3-12-0,3-0,3 Проволока Для компенсационных проводов
Сплав ТП МН0,6 Проволока Для компенсационных проводов
Сплав МН95-5 Листы, трубы, прутки Изделия в машиностроительной промышленности
Мельхиор
(сплав ТБ) МН16 Проволока Для компенсационных проводов
Мельхиор МН19 Листы, полосы, трубы, прутки Плакировочный материал для медицинских инструментов, точная механика
Мельхиор МН25 Листы, полосы, трубы, прутки Монеты. декоративные изделия
Мельхиор МНЖМц30-1-1 Полосы, ленты, трубы, Конденсаторные трубы, маслоохладители, трубные доски кондиционеров в приборостроении
Мельхиор МНЖМц10-1-1 Трубы Конденсаторные трубы, маслоохладители, трубные доски кондиционеров в приборостроении
Продолжение таблицы 6
Наименование
сплава Марка Вид изделия Примерное назначение
Сплав МНЖ5-1 Листы, трубы, прутки Трубопроводы, детали для электротехники и приборостроения
Сплав МНЖКТ5-1-0,2-0,2 Проволока Для сварки, наплавки и пайки
Куниаль БМНА6-1,5 Полосы Для пружин и других изделий в электротехнической промышленности
МонельМНМц3-12 Листы, полосы, ленты, проволока Для антикоррозионных деталей
Нейзильбер МНЦ12-24 Листы, полосы, ленты, прутки, профили, трубы, проволока Корпуса для часов, горячепрессованные детали
Нейзильбер МНЦ15-20 Полосы, ленты, прутки, трубы, проволока Пружины реле, детали для электротехники, детали, получаемые глубокой вытяжкой; столовые приборы, художественные изделия
Нейзильбер МНЦ18-20 Листы, полосы, ленты, прутки, профили, трубы, проволока Пружины реле, детали, получаемые глубокой вытяжкой; столовые приборы, художественные изделия
Нейзильбер МНЦ18-27 Листы, полосы, ленты, прутки, профили, трубы, проволока Корпуса для часов, горячепрессованные детали
Свинцовистый нейзильбер МНЦС16-29-1,8 Полосы Изделия часовой промышленности
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе изучены химический состав, особые свойства и принцип маркировки медно-никелевых сплавов, а также их области применения.
По назначению двухкомпонентные сплавы меди с никелем и многокомпонентные медно-никелевые сплавы, дополнительно легированные другими элементами (марганцем, цинком, алюминием, свинцом и т.д.) делятся на две группы – конструкционные и электротехнические.
Конструкционные сплавы мельхиор, нейзильбер, куниали применяются для изготовления различных деталей в машиностроении, электротехнические сплавы копель, константан, манганин – для электротехнических целей, измерительных приборов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ГОСТ 492-2006 Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки.
2. ГОСТ 5063-73 Полосы из медно-никелевых сплавов. Технические условия.
3. ГОСТ 1018-77 Ленты алюминиевые, медные, латунные и мельхиоровые для капсюлей. Технические условия.
4. ГОСТ 5187-2003 Ленты из мельхиора, нейзильбера и монеля. Технические условия.
5. ГОСТ 1525-91 Прутки из сплава монель. Технические условия.
6. ГОСТ 5220-78 Проволока нейзильберовая. Технические условия.
7. Арзамасов Б. Н. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.;. // 2-е изд. - М.: Машиностроение, 2006. - 384 с.
8. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоатомиздат, 2005. - 304 с.
9. Карева Н.Т. Цветные металлы и сплавы. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2008. – 424 с.
10. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: МИСиС, 2005. - 432 с.
11. Меркулова, Г. А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: учеб. пособие / Г. А. Меркулова. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2008 – 312 с.
12. Металловедение: Учебник / А. М. Бялик, С. Черненко, В. М. Писаренко, Ю. Н. Москаленко.-2-е изд., Перераб. и доп. - К.: Политехника, 2006. - 384 с.
13. Овчинников В.В. Металловедение. - М.: Инфра. – 2011. – 274 с.
14. Осинцев О. Е. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. – М.: Машиностроение, 2004 – 336 с.