miedzionikiel

Cupronickel lub miedź -nikiel (CuNi) to stop miedzi zawierający nikiel oraz elementy wzmacniające, takie jak żelazo i mangan . Zawartość miedzi zwykle waha się od 60 do 90 procent. ( Monel to stop niklu i miedzi, który zawiera co najmniej 52 procent niklu.)

Pomimo wysokiej zawartości miedzi, cupronickel ma srebrny kolor. Cupronickel jest wysoce odporny na korozję powodowaną przez słoną wodę i dlatego jest stosowany do rurociągów, wymienników ciepła i skraplaczy w systemach wody morskiej , a także do sprzętu morskiego. Czasami jest używany do śrub napędowych , wałów napędowych i kadłubów łodzi wysokiej jakości . Inne zastosowania obejmują sprzęt wojskowy oraz przemysł chemiczny, petrochemiczny i elektryczny.

Innym powszechnym zastosowaniem cupronickel w XX wieku były srebrne monety . Do tego zastosowania typowy stop ma stosunek miedzi do niklu 3: 1 i bardzo małe ilości manganu.

W przeszłości prawdziwe srebrne monety były niszczone miedzioniklem, na przykład monety funta szterlinga od 1947 r. Po wymianie ich zawartości.

Nazwa

Oprócz cupronickel i miedzioniklu , kilka innych terminów zostało użytych do opisania materiału: nazwy handlowe Alpaka lub Alpacca , Argentan Minargent , zarejestrowany termin francuski cuivre blanc oraz zlatynizowany termin kantoński Paktong , 白銅 (terminy zarówno francuskie, jak i kantońskie co oznacza „białą miedź”); cupronickel jest również czasami określany jako srebro hotelowe , plata alemana ( po hiszpańsku „niemieckie srebro”), niemieckie srebro i chińskie srebro .

Aplikacje

Inżynieria morska

Stopy miedzioniklu są stosowane w zastosowaniach morskich ze względu na ich odporność na korozję w wodzie morskiej , dobrą podatność na obróbkę i skuteczność w obniżaniu poziomu makroporostów . Stopy o składzie od 90% Cu – 10% Ni do 70% Cu – 30% Ni są powszechnie stosowane w wymienników ciepła lub skraplaczy w wielu różnych zastosowaniach morskich.

Do ważnych zastosowań morskich miedzioniklu należą:

  • Budowa i naprawa statków: kadłuby łodzi i statków, chłodzenie wodą morską, instalacje zęzowe i balastowe, systemy sanitarne, przeciwpożarowe, gaz obojętny, hydrauliczne i pneumatyczne.
  • Instalacje odsalania : podgrzewacze solanki, odprowadzanie i odzysk ciepła oraz w rurach parownika.
  • Morskie platformy naftowe i gazowe oraz statki przetwórcze i FPSO : systemy i poszycia stref rozbryzgowych.
  • Wytwarzanie energii : skraplacze turbin parowych, chłodnice oleju, pomocnicze układy chłodzenia i wysokociśnieniowe podgrzewacze w elektrowniach jądrowych i elektrowniach na paliwa kopalne.
  • Elementy systemu wody morskiej: rury skraplacza i wymiennika ciepła, arkusze rur, rurociągi, systemy wysokociśnieniowe, złączki, pompy i skrzynie wodne.

Waluta

Pięć franków szwajcarskich
Pięć rupii indyjskich upamiętniających MOP .

Pomyślne wykorzystanie miedzioniklu w produkcji monet wynika z jego odporności na korozję , przewodności elektrycznej , trwałości, plastyczności , niskiego ryzyka alergii , łatwości tłoczenia , właściwości przeciwdrobnoustrojowych i możliwości recyklingu .

W Europie Szwajcaria była pionierem monet niklowo- bilonowych w 1850 r. Z dodatkiem srebra. W 1968 r. Szwajcaria przyjęła znacznie tańszy stosunek miedzi do niklu 75:25, stosowany wówczas w Belgii , Stanach Zjednoczonych i Niemczech. Od 1947 do 2012 roku wszystkie „srebrne” monety w Wielkiej Brytanii były wytwarzane z miedzioniklu, ale od 2012 roku dwa najmniejsze nominały miedzioniklu zostały zastąpione tańszymi monetami ze stali niklowanej.

Częściowo ze względu na gromadzenie srebra podczas wojny secesyjnej, Mennica Stanów Zjednoczonych po raz pierwszy użyła miedzioniklu do obiegu monet w monetach trzycentowych począwszy od 1865 r., A następnie w monetach pięciocentowych począwszy od 1866 r. Przed tymi datami oba nominały były wykonane tylko w kolorze srebrnym w Stanach Zjednoczonych. Cupronickel to okładzina po obu stronach pół dolara amerykańskiego (50 centów) od 1971 r., A wszystkie ćwierćdolarówki (25 centów) i dziesięciocentówki (10 centów) wykonane po 1964 r. Obecnie niektóre monety będące w obiegu, takie jak amerykański nikiel Jeffersona (5 centów), frank szwajcarski oraz południowokoreańskie 500 i 100 wonów są wykonane z litego miedzioniklu (stosunek 75:25).

Inne zastosowanie

Złącze termopary jest utworzone z pary przewodników termopary, takich jak żelazo- konstantan , miedź-konstantan lub nikiel-chrom/nikiel-aluminium. Złącze może być chronione osłoną z miedzi, miedzioniklu lub stali nierdzewnej.

Cupronickel jest używany w zastosowaniach kriogenicznych . Jego połączenie dobrej zachowania plastyczności i przewodności cieplnej w bardzo niskich temperaturach jest korzystne dla urządzeń do przetwarzania i przechowywania w niskich temperaturach, a także dla wymienników ciepła w zakładach kriogenicznych.

Począwszy od przełomu XIX i XX wieku z tego materiału powszechnie wykonywano kurtki kuloodporne . Wkrótce został zastąpiony metalem złoconym , aby zmniejszyć osadzanie się metalu w otworze .

Obecnie podstawowym materiałem na posrebrzane sztućce pozostaje miedzionikl i srebro niklowe . Jest powszechnie stosowany do sprzętu mechanicznego i elektrycznego, sprzętu medycznego, zamków błyskawicznych, wyrobów jubilerskich, a także do strun do instrumentów z rodziny skrzypiec oraz do progów gitarowych. Firma Fender Musical Instruments używała magnesów „CuNiFe” w swoich przetwornikach „Wide Range Humbucker ” do różnych gitar Telecaster i Starcaster w latach 70. [ potrzebne źródło ]

W przypadku wysokiej jakości zamków bębenkowych i systemów zamykających rdzenie bębenkowe są wykonane z odpornego na zużycie miedzioniklu.

Cupronickel został użyty jako alternatywa dla tradycyjnych stalowych przewodów hamulcowych, ponieważ nie rdzewieje. Ponieważ cupronickel jest znacznie bardziej miękki niż stal, łatwiej się wygina i rozszerza, a ta sama właściwość pozwala mu tworzyć lepsze uszczelnienie z elementami hydraulicznymi.

Nieruchomości

Cupronickel nie ma miedzianego koloru ze względu na wysoką elektroujemność niklu, co powoduje utratę jednego elektronu w powłoce d miedzi (pozostawiając 9 elektronów w powłoce d w porównaniu z typowymi 10 elektronami czystej miedzi).

Ważne właściwości stopów miedzioniklu obejmują odporność na korozję , naturalną odporność na makrofouling , dobrą wytrzymałość na rozciąganie , doskonałą plastyczność po wyżarzaniu , przewodność cieplną i charakterystykę rozszerzalności odpowiednią dla wymienników ciepła i skraplaczy , dobrą przewodność cieplną i ciągliwość w temperaturach kriogenicznych oraz korzystne właściwości antybakteryjne powierzchni dotykowej .

Właściwości niektórych stopów Cu–Ni
Stop
Gęstość g/cm 3
Przewodność cieplna W/(m·K)
TEC μm/(m·K)
Oporność elektryczna μOhm·cm
Moduł sprężystości GPa
Granica plastyczności MPa
Wytrzymałość na rozciąganie MPa
90–10 8.9 40 17 19 135 105 275
70–30 8,95 29 16 34 152 125 360
66–30–2–2 8.86 25 15,5 50 156 170 435

Stopy to:

Standardowe składy UNS* stopów do obróbki plastycznej (w at%). Maksimum lub zakres.
Nr UNS stopu Nazwa zwyczajowa Specyfikacja europejska Ni Fe Mn Cu
C70600 90–10 CuNi 10 Fe 9–11 1–1,8 1 Balansować
C71500 70–30 CuNi 30 Fe 29–33 0,4–1,0 1 Balansować
C71640 66–30–2–2 29–32 1,7–2,3 1,5–2,5 Balansować
  • Wartości te mogą różnić się w innych standardach

Subtelne różnice w odporności na korozję i wytrzymałości decydują o wyborze stopu. W dół tabeli wzrasta maksymalne dopuszczalne natężenie przepływu w rurociągu, podobnie jak wytrzymałość na rozciąganie.

W wodzie morskiej stopy wykazują doskonałą szybkość korozji, która pozostaje niska, dopóki nie zostanie przekroczona maksymalna projektowa prędkość przepływu . Prędkość ta zależy od geometrii i średnicy rury. Mają wysoką odporność na korozję szczelinową , pękanie korozyjne naprężeniowe i kruchość wodorową , które mogą być kłopotliwe dla innych systemów stopowych. Nikiel miedzi naturalnie tworzy cienką ochronną warstwę powierzchniową w ciągu pierwszych kilku tygodni kontaktu z wodą morską, co zapewnia jej ciągłą odporność. Ponadto mają one wysoką naturalną na biofouling przy przyczepianiu się makrofoulerów (np. trawy morskiej i mięczaków ) żyjących w wodzie morskiej. Aby w pełni wykorzystać tę właściwość, stop musi być wolny od wszelkich form ochrony katodowej lub być od nich izolowany .

Jednak stopy Cu-Ni mogą wykazywać wysokie tempo korozji w zanieczyszczonej lub stojącej wodzie morskiej, gdy obecne są siarczki lub amoniak . Dlatego ważne jest, aby unikać narażenia na takie warunki, szczególnie podczas uruchamiania i remontów, gdy powłoki powierzchniowe dojrzewają. Dozowanie siarczanu żelazawego do systemów wody morskiej może zapewnić lepszą odporność.

Pęknięcie w blasze metalowej 90–10 Cu–Ni spowodowane naprężeniami podczas lutowania srebrem

Ponieważ stopy miedzi i niklu łatwo łączą się ze sobą i mają prostą strukturę, stopy te są plastyczne i łatwe w obróbce. Wytrzymałość i twardość każdego stopu zwiększa się poprzez obróbkę na zimno ; nie są utwardzane przez obróbkę cieplną . Łączenie 90–10 (C70600) i 70–30 (C71500) jest możliwe zarówno przez spawanie , jak i lutowanie twarde . Oba nadają się do spawania większością technik, chociaż metody autogeniczne (spawanie bez materiałów dodatkowych) lub acetylenowo-tlenowe nie są zalecane. W przypadku obu stopów zwykle preferowane są materiały spawalnicze 70–30 zamiast 90–10 i nie jest wymagana żadna obróbka cieplna po spawaniu. Można je również spawać bezpośrednio do stali, pod warunkiem, że materiał spawalniczy zawierający 65% ​​niklu i miedzi jest stosowany w celu uniknięcia efektu rozcieńczania żelaza. Stop C71640 jest zwykle używany jako bezszwowa rura i rozprężany, a nie spawany w płycie rurowej. Lutowanie wymaga odpowiednich stopów lutowniczych na bazie srebra. Należy jednak zachować dużą ostrożność, aby nie było naprężeń w lutowanym srebrem Cu-Ni, ponieważ każde naprężenie może spowodować penetrację międzykrystaliczną materiału lutowniczego i poważne pękanie naprężeniowe (patrz ilustracja). Dlatego konieczne jest pełne wyżarzanie wszelkich potencjalnych naprężeń mechanicznych.

Zastosowania stopów Cu-Ni przetrwały próbę czasu, ponieważ są one nadal szeroko stosowane i obejmują rurociągi systemów wody morskiej, skraplacze i wymienniki ciepła na statkach wojennych, statki handlowe, wieloetapowe odsalanie błyskawiczne i elektrownie. Były również stosowane jako stref rozbryzgowych na konstrukcjach morskich i okładziny ochronne na kadłubach łodzi, a także na same kadłuby pełne.

Produkcja

Ze względu na swoją plastyczność stopy miedzioniklu można łatwo wytwarzać w szerokiej gamie form produktów i kształtek. Rury miedzioniklowe można łatwo rozszerzyć na arkusze rurowe do produkcji płaszczowo-rurowych wymienników ciepła .

Dostępne są szczegółowe informacje na temat procedur produkcyjnych, w tym ogólnych czynności związanych z obróbką, cięciem i obróbką skrawaniem, formowaniem, obróbką cieplną, przygotowaniem do spawania, przygotowaniami do spawania, sczepianiem, materiałami spawalniczymi, procesami spawania, malowaniem, właściwościami mechanicznymi spoin oraz gięciem rur i rurek.

Normy

ASTM , EN i ISO dotyczące zamawiania kutych i odlewanych form miedzioniklu.

Termopary i rezystory , których rezystancja jest stabilna przy zmianach temperatury, zawierają stop konstantanu , który składa się w 55% z miedzi i w 45% z niklu.

Historia

chińska historia

Stopy miedzioniklu były znane Chińczykom jako „biała miedź” od około III wieku pne. Niektóre bronie wykonane w okresie Walczących Królestw zostały wykonane ze stopów Cu-Ni. Teoria chińskiego pochodzenia baktriańskiego cupronickel została zasugerowana w 1868 roku przez Flighta, który stwierdził, że monety uważane za najstarsze odkryte dotychczas monety cupronickel były wykonane z bardzo podobnego stopu do chińskiego paktong .

Autor-uczony, Ho Wei, dokładnie opisał proces wytwarzania cupronickelu około 1095 r. n.e. Stop paktong został opisany jako wytworzony przez dodanie małych pigułek naturalnie występującej rudy yunnan do kąpieli ze stopionej miedzi. Kiedy tworzyła się skorupa żużla , dodawano saletry , stop mieszano i wlewek natychmiast odlewano . Cynk jest wymieniony jako składnik, ale nie ma żadnych szczegółów na temat tego, kiedy został dodany. Użyta ruda jest dostępna wyłącznie w Yunnan , zgodnie z historią:

„San Mao Chun przebywał w Tanyang podczas roku głodu, kiedy wielu ludzi zmarło, więc biorąc pewne chemikalia, Ying rzucił je na srebro, zamieniając je w złoto, a także przekształcił żelazo w srebro – umożliwiając w ten sposób uratowanie życia wielu [ poprzez kupowanie zboża za pośrednictwem tego fałszywego srebra i złota] Następnie wszyscy ci, którzy przygotowywali chemiczne proszki poprzez ogrzewanie i transmutację miedzi przez projekcję, nazwali swoje metody „technikami Tanyanga”.

Późna literatura Ming i Qing zawiera bardzo niewiele informacji na temat paktong . Jednak po raz pierwszy jest wymieniona z nazwy w Thien Kung Khai Wu z około 1637 roku:

„Kiedy lu kan shih (węglan cynku, kalamina ) lub wo chhein (metal cynku) miesza się i łączy z chih thung (miedź), otrzymuje się „żółty brąz” (zwykły mosiądz). Kiedy phi shang i inne substancje arsenowe są podgrzewane za pomocą otrzymuje się „biały brąz” lub białą miedź: pai thong . Kiedy ałun , saletra i inne chemikalia są zmieszane razem, otrzymuje się ching thung : zielony brąz.

Ko Hung stwierdził w 300 rne: „Miedź Tanyang została stworzona przez wrzucenie rtęciowego eliksiru do miedzi Tanyang i podgrzana - powstanie złoto”. Jednak Pha Phu Tsu i Shen I Ching opisali posąg w zachodnich prowincjach jako wykonany ze srebra, cyny, ołowiu i miedzi Tanyang - który wyglądał jak złoto i można go było wykuć do platerowania i inkrustowania naczyń i mieczy.

Joseph Needham i in. twierdzą, że cupronickel był przynajmniej znany jako wyjątkowy stop przez Chińczyków za panowania Liu An w 120 rpne w Yunnan. Co więcej, w 334 rpne założono stan Yunnanese Tien jako kolonię Chu. Najprawdopodobniej współczesny paktong był nieznany Chińczykom tamtych czasów - ale naturalnie występujący stop miedzioniklu z rudy Yunnan był prawdopodobnie cennym towarem w handlu wewnętrznym.

Moneta grecko-baktriańska

W 1868 roku W. Flight odkrył grecko-baktriańską monetę zawierającą 20% niklu, datowaną na okres od 180 do 170 pne, z popiersiem Eutydema II na awersie. Monety z podobnego stopu z popiersiami jego młodszych braci, Pantaleona i Agatoklesa , wybito około 170 roku p.n.e. Skład monet został później zweryfikowany przy użyciu tradycyjnej metody mokrej i rentgenowskiej spektrometrii fluorescencyjnej. Cunningham w 1873 roku zaproponował „teorię niklu baktriańskiego”, która sugerowała, że ​​monety musiały być wynikiem handlu lądowego z Chin przez Indie do Grecji. Teoria Cunninghama była wspierana przez uczonych, takich jak WW Tarn, Sir John Marshall i J. Newton Friend, ale została skrytykowana przez ER Caleya i S. van R. Cammanna.

W 1973 roku Cheng i Schwitter w swoich nowych analizach zasugerowali, że stopy baktryjskie (miedź, ołów, żelazo, nikiel i kobalt) są bardzo podobne do chińskiego paktongu, a spośród dziewięciu znanych azjatyckich złóż niklu tylko te w Chinach mogą zapewnić identyczne składy chemiczne. Cammann skrytykował artykuł Chenga i Schwittera, argumentując, że upadek waluty cupronickel nie powinien był zbiegać się z otwarciem Jedwabnego Szlaku. Według Cammanna, gdyby teoria baktryjskiego niklu była prawdziwa, Jedwabny Szlak zwiększyłby podaż miedzioniklu. Jednak koniec grecko-baktryjskiej waluty cupronickel można przypisać innym czynnikom, takim jak koniec Domu Eutydemusa.

Historia Europy

Wydaje się, że stop został ponownie odkryty przez Zachód podczas eksperymentów alchemicznych . Warto zauważyć, że Andreas Libavius ​​w swojej Alchemii z 1597 r. wspomina o wybielonym powierzchniowo miedzianym albumie aes rtęcią lub srebrem. Ale w De Natura Metallorum in Singalarum Part 1, opublikowanym w 1599 r., ten sam termin zastosowano do „cyny” z Indii Wschodnich (dzisiejsza Indonezja i Filipiny ) i nadano jej hiszpańską nazwę tintinaso .

Richard Watson z Cambridge jako pierwszy odkrył, że cupronickel jest stopem trzech metali. Próbując ponownie odkryć tajemnicę białej miedzi, Watson skrytykował Historię Chin Jeana-Baptiste'a Du Halde'a ( 1688) jako mylącą termin paktong'. Zauważył, że Chińczycy jego czasów nie utworzyli go jako stopu, ale raczej wytopiona łatwo dostępna nieprzetworzona ruda:

„… wynikało z ogromnej serii eksperymentów przeprowadzonych w Pekinie – że występowała naturalnie jako ruda wydobywana w regionie, najbardziej niezwykłą miedzią jest petong lub biała miedź: jest biała po wydobyciu z kopalni, a nawet bardziej biały wewnątrz niż na zewnątrz. Wydaje się, na podstawie ogromnej liczby eksperymentów przeprowadzonych w Pekinie, że jego kolor nie wynika z żadnej mieszanki, przeciwnie, wszystkie mieszanki zmniejszają jego piękność, ponieważ kiedy jest właściwie zarządzany, wygląda dokładnie jak srebro i gdyby nie było konieczności mieszania odrobiny tutenagu lub takiego metalu, aby go zmiękczyć, byłoby to o wiele bardziej niezwykłe, ponieważ tego rodzaju miedź nie można znaleźć nigdzie indziej niż w Chinach i tylko w prowincji Yunnan ”. Niezależnie od tego, co tutaj powiedziano, że kolor miedzi nie wynika z mieszanki, jest pewne, że chińska biała miedź, którą nam przywieziono, jest metalem mieszanym [sic: mieszanym]; tak więc ruda, z której została wydobyta, musi składać się z różnych substancji metalicznych; i z takiej rudy, że naturalny orichalcum, jeśli kiedykolwiek istniał, został wykonany”.

Podczas szczytowego europejskiego importu chińskiej białej miedzi w latach 1750-1800 zwrócono większą uwagę na odkrywanie jej składników. Peat i Cookson stwierdzili, że „najciemniejszy okazał się zawierać 7,7% niklu, a najlżejszy podobno nie do odróżnienia od srebra z charakterystycznym dzwonkowatym rezonansem po uderzeniu i znaczną odpornością na korozję, 11,1%”.

W innej próbie przeprowadzonej przez Andrew Fyfe'a oszacowano zawartość niklu na 31,6%. Zgadywanie skończyło się, gdy James Dinwiddie z ambasady Macartney przywiózł w 1793 r., Narażając się na znaczne osobiste ryzyko (przemyt rudy paktongu był przestępstwem śmiertelnym ze strony chińskiego cesarza), część rudy, z której wykonano paktong . Cupronickel stał się szeroko rozumiany, jak opublikował E. Thomason w 1823 r. W zgłoszeniu, później odrzuconym, ponieważ nie był nową wiedzą, do Royal Society of Arts .

Wysiłki w Europie mające na celu dokładne odtworzenie chińskiego paktongu nie powiodły się z powodu ogólnego braku wymaganej złożonej naturalnie występującej rudy kobaltowo-niklowo-arsenowej. Jednak dystrykt Schneeberg w Niemczech , gdzie słynna Blaufarbenwerke wytwarzała błękit kobaltowy i inne pigmenty, posiadał wyłącznie wymagane złożone rudy kobaltowo-niklowo-arsenowe w Europie.

W tym samym czasie pruskie Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Towarzystwo Poprawy Staranności Biznesowej / Pracowitości) przyznało nagrodę za opanowanie procesu. Jak można było się spodziewać, dr EA Geitner i JR von Gersdoff ze Schneeberg zdobyli nagrodę i wprowadzili na rynek swoją markę „ niemieckiego srebra ” pod nazwami handlowymi Argentan i Neusilber (nowe srebro).

W 1829 roku Percival Norton Johnston przekonał dr Geitnera do założenia odlewni w Bow Common za Regents' Park Canal w Londynie i uzyskał wlewki niklowo-srebrowe o składzie 18% Ni, 55% Cu i 27% Zn.

W latach 1829-1833 Percival Norton Johnson był pierwszą osobą, która rafinowała cupronickel na Wyspach Brytyjskich. Stał się zamożnym człowiekiem, produkując ponad 16,5 ton rocznie. Stop był wytwarzany głównie na sztućce przez firmę William Hutton z Birmingham i sprzedawany pod nazwą handlową „Argentine”.

Najpoważniejsi konkurenci Johnsona, Charles Askin i Brok Evans, pod kierownictwem genialnego chemika, dr EW Bensona, opracowali znacznie ulepszone metody zawieszania kobaltu i niklu i wprowadzili na rynek własną markę srebra niklowego, zwaną „British Plate”.

W latach dwudziestych XX wieku opracowano gatunek miedzi i niklu 70–30 do skraplaczy morskich. Wkrótce potem 2% manganu i 2% stopu żelaza, znanego obecnie jako stop C71640, został wprowadzony do brytyjskiej elektrowni, która wymagała lepszej odporności na erozję ze względu na poziom porwanego piasku w wodzie morskiej. Stop 90–10 po raz pierwszy stał się dostępny w latach pięćdziesiątych XX wieku, początkowo do rurociągów wody morskiej, a obecnie jest stopem szerzej stosowanym.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cupronickel&oldid=1135427723 ”