Мідно-нікелевий сплав: властивості, ГОСТ. Виробництво мідно-нікелевих сплавів. Чищення монет з мідно-нікелевого сплаву

Мідь належить до групи кольорових металів. У чистому вигляді вона володіє високою тепло - і електропровідністю, саме тому використовується в основному в електротехнічному виробництві. Мідь – дуже пластичний матеріал, який добре піддається обробці тиском в холодному і в гарячому стані. Для підвищення механічних, конструкторських і експлуатаційних властивостей міді використовують його сполуки з іншими металами. В результаті процесу сплавлення змінюється будова кристалічних решіток, виникають додаткові зв'язки між іонами і молекулами. Саме це підвищує міцність сплаву в порівнянні з чистим металом.

Для чого мідь сплавляють з нікелем

При сплавці нікель виступає головним легуючим елементом. Він має корозійною стійкістю, тому, в основному, використовується для зміцнення. При сплавці його з міддю утворюються неперервні тверді розчини. Мідно-нікелевий сплав набуває ряд нових властивостей:

підвищується жароміцність матеріалу;

істотно знижується температурний коефіцієнт електроопору;

з'являється висока стійкість до корозії, особливо в морській воді.

Класифікація

Властивості мідно-нікелевого сплаву залежать від процентного вмісту в ньому нікелю і інших речовин. В даний час створено багато нових спеціальних матеріалів з унікальними характеристиками.У залежності від області застосування їх поділяють на конструкційні та електротехнічні.

Конструкційні - володіють високими антикорозійними і міцнісними характеристиками. Вироби з них відрізняються стійкістю до агресивних середовищ. Це мельхіор, нейзильбер і куниаль. Окреме місце в цьому списку займає монель, складу якого і пропорційне співвідношення елементів дещо інші.

Електротехнічні - відрізняються підвищеним електричним опором і термоелектричними властивостями, використовують їх в енергетиці і електротехніці. Це константан, манганін і копель.

Знання хімічного складу і фізичних характеристик дозволяє визначити мідно-нікелевий сплав в одну з груп.

Мельхіор

Містить приблизно 80% міді, близько 20% нікелю, а також трохи марганцю і заліза. Подібний сплав був відомий людям ще в III столітті до н. е. під назвою «біла мідь» завдяки світло-сріблястого кольору, нагадує срібло. Це володіє високими антикорозійними властивостями, а також великим запасом міцності і зносостійкості мідно-нікелевий сплав. Температура плавлення - приблизно 1170 °С. Хороша пластичність дозволяє обробляти вироби з нього тиском. Використовується у виробництві конденсаторів, з нього виготовляють медичні інструменти, недорогі ювелірні прикраси, столові прилади, монети.

Нейзильбер

Цей мідно-нікелевий сплав з додаванням цинку, який має сріблястий з зеленуватим відтінком колір. В залежності від марки може містити до 35 % нікелю і до 45 % цинку, решта – мідь. Таке солідне утримання цинку істотно здешевлює його виробництво. Нейзильбер володіє приблизно такими ж механічними властивостями, що і мельхіор. Він стійкий до корозії, міцний, достатньо пластичний для обробки в гарячому і холодному стані методом тиску.
Іноді додатково легується свинцем для більш якісної механічної обробки. Здебільшого з неї виготовляють деталі приладів, годинників, медичних інструментів. Цікаво, що завдяки дешевизні зараз саме з нього частіше, ніж з мельхіору, виробляють ювелірні вироби, медалі та ордени. Нейзильбер також використовують при виготовленні фініфті.

Куниаль

Складається з мідної основи, нікелю - до 20 %, невеликих добавок алюмінію. Плавиться при температурі 1183°С з наступним загартуванням і старінням, чим досягаються дуже високі показники міцності і стійкості до низьких температур. Підрозділяється на марки А (МНА13-3) і Б(МНА 6-15).
Марка А володіє двома важливими характеристиками, високою міцністю і унікальною стійкістю до корозії в агресивних середовищах. Наприклад, у морській воді він може експлуатуватися десятиліттями. Тому сплав використовується для виготовлення деталей спеціального призначення (гребні гвинти). Марка Б володіє пружними властивостями, тому широко використовується для виготовлення пружних елементів відповідального призначення. Також він дуже стійкий до зламів на морозі. З нього виготовляють конструкційні деталі, що працюють в умовах низьких температур.

Монель

У ньому міститься приблизно дві третини нікелю і одна третина міді. Температура плавлення - 1350 °С. Головне властивість цього мідно-нікелевого сплаву – стійкість до корозії. Він має високі показники механічних властивостей – міцності і пластичної деформації. Монель марки НМЖМц містить приблизно 28% міді, 3% заліза, близько 3% магнію, невелику кількість кобальту і нікелю. Такі ж характеристики має монель-400. Він є брендом Special Metals Corporation і був запатентований в 1906 році. Тому інші компанії-виробники не можуть використовувати цю назву. Так з'явився ще один сплав – Nicorros. Однак ці матеріали ідентичні за все хімічним і технічним характеристикам.Так як сплав містить більше половини нікелю в процентному співвідношенні, його вартість досить висока. Однак існує технологія виробництва мідно-нікелевого сплаву з використанням сировини з природних сульфідних руд з вмістом обох елементів, без попереднього поділу на окремі складові. Це дозволяє значно здешевити кінцевий продукт.
Монель використовують для виробництва виробів, эксплуаьтруемих в агресивних середовищах, умовах підвищеної механічної навантаження. Це суднобудування, хімічна і нафтова промисловість, виготовлення медичних інструментів, відповідальних деталей машин і апаратів.

Константан

Має білий колір з характерним жовтуватим оттеком. До складу входять: мідь -59 %; нікель – 39-41 %; марганець – 1-2 %. Температура плавлення 1260 °С. Цей мідно-нікелевий сплав отримав свою назву завдяки основному властивості – термостабільності. Він має дуже хороші показники електричного опору при низькому значенні температурного коефіцієнта розширення. Сплав йде для виготовлення дроту для термопар, у виробництві вимірювальних приладів, а також електронагрівальних елементів, що працюють при температурах до 400-500 градусів. Дріт, виготовлений з константана, піддається спеціальній термічній обробці, в результаті якої метал на поверхні утворює тонку окисну плівку. Завдяки цьому виріб не потребує додаткової лакування або захисному покритті. Константан дуже пластичний. Це властивість дозволяє застосовувати його при зварюванні мідно-нікелевих сплавів. Недоліком константана є його досить висока ЕРС - близько 43 мкВ. Це виключає використання дроту та стрічки з нього у високоточних вимірювальних приладах.

Манганін

Містить приблизно 5% нікелю, 12% марганцю і основу з міді. Температура плавлення - 960 °С. Цікаво, що меннінг був винайдений американцем Едвардом Венстоном приблизно в 1888 році на основі ним же винайденого константана як спеціальний матеріал для обмоток електровимірювальних приладів. Він дійсно має високий питомий електричний опір, а також вкрай малу ЕРС у парі з міддю (не більше 1 мкВ), що вигідно відрізняє його від константана. Для того, щоб знизити температурний коефіцієнт опору, мангановую дріт отжигают при температурах близько 600 градусів в умовах вакууму, потім повільно охолоджують. Ця технологія дозволяє збільшити температуру, при якій матеріал зберігає свої електричні властивості, до 200°С. Вже намотану в дріт котушки додатково нагрівають неодноразово до 150 °С. Так досягається ефект штучного старіння, після якого зміни у кристалічній структурі металу зводяться до мінімуму. Основна область застосування манганина як матеріалу зі стабільними показниками електроопору - виготовлення різноманітних приладів високої точності для вимірювання показників електричного струму (сили струму, напруги, потужності).

Копель

Ще один спеціальний сплав. Містить мідь, 43% нікелю, трохи заліза і марганцю. Температура плавлення 1290 °С. Завдяки оптимальному співвідношенню стабільно низького питомого опору і високою ТЕДС в парі з різними металами сплав застосовується для виготовлення дроту для термопар і електродів. Показник ТЕДС матеріалу зростає пропорційно робочій температурі:

при 100 градусах за Цельсієм - 695;

при 600 - до 49В.

Копель дуже термостійкий - без порушення основних властивостей витримує нагрівання до 600 градусів і стійкий до корозії.
Копель застосовується в термопарах датчиків приладів для безконтактного вимірювання температури. В них використовуються термопари з максимальною ТЕДС – з хромом, міддю або залізом Ці елементи є позитивними електродами, а копель –негативним. Термопара копель-хромель використовується в основному в пірометрії для постійного контролю температурного режиму в діапазоні від 200 до 600 градусів в промислових і лабораторних установках.

Процес плавки

При виробництві мідно-нікелевих сплавів дотримуються порівняно схожих технологій. Мельхіор, нейзильбер, куниаль, константан, манганін спочатку плавлять в індукційних печах під шаром прожареного деревного вугілля. Додавання до шихті відходів допускається до 80%. Процес починається з плавки міді і нікелю. По мірі їх розплавлення додаються відходи великим шматком, потім дрібні. В останню чергу завантажується цинк. Після остаточного розплавлення шихти виробляють розкислення марганцем і кремнієм (нейзильбер), або кремнієм і марганцем (константан і мельхіор). Після цього з поверхні розплаву прибирають весь шлак і додають ще деревного вугілля. Нагрівають розпечену масу до температури близько 1300 °С, при необхідності додають хлористий марганець для рафінування. Трохи відрізняється технологія приготування куниалей, так як вони містять алюміній. Перед введенням алюмінію в розплав обов'язково додають 01% марганцю для розкислення. А після розчинення алюмінію поверхню розплаву посипають флюсом. Якщо цього не зробити, утворюються плівки, від яких розплав стає непридатним для заливки. Хімічні, фізичні і конструкційні властивості визначають область призначення різних мідно-нікелевих сплавів. ГОСТ 492-73 ГОСТ 5063-73 ГОСТ 5187-70 ГОСТ 5220-78 ГОСТ 17217-79 ГОСТ 10155-75 є основними стандартами при їх виробництві.

Карбування монет

Приблизно з кінця позаминулого століття повсюдно почали карбувати монети з мідно-нікелевого сплаву. Склад його сильно відрізнявся на різних монетних дворах. Але в основному він містив до 30% нікелю, незначну залізну домішка і мідь як основу. Так як метал для звичайних монет повинен бути в першу чергу пластичним, ковким, зносостійким і недорогим, практичним шляхом було визначено склад монетного сплаву. Згодом особливою популярністю для виготовлення монет користувався мельхіор. Сучасні російські монети виготовлені з різних сплавів. Зокрема, повністю з мельхіору складаються монети, випущені до 2009 року. Сталеві монети номіналом одна та п'ять копійок і мідні п'ятирубльової покриті тонким шаром мельхіору. Такий матеріал отримав назву «біметал». Так все більше знижується собівартість виготовлення металевих грошей. Сплави міді з нікелем мало схильні до окислення на повітрі. Тому його ознаки можна зустріти лише на старих монетах, або тих, що тривалий час перебували в агресивному середовищі. Знавці-шукачі скарбів і нумізмати застосовують для очищення цінних екземплярів монет різні засоби – від народних рецептів до передових технологій.
Очищення з мильним розчином добре видаляє лише зеленуваті мідні оксиди. Застосовують також оливкова олія, оцтову кислоту, пасту "Гойя". Потрібно мати на увазі, що ці кошти можуть не тільки зняти наліт, але і вступити в реакцію з самим сплавом, завдавши шкоди монеті. Найбільш ефективною, простою і швидкою є чищення монет з мідно-нікелевого сплаву з допомогою електролізу.