Медь относится к группе цветных металлов. В чистом виде она обладает высокой тепло- и электропроводностью, именно поэтому используется в основном в электротехническом производстве. Медь – очень пластичный материал, который хорошо поддается обработке давлением в холодном и в горячем состоянии.
Для повышения механических, конструкторских и эксплуатационных свойств меди используют его соединения с другими металлами. В результате процесса сплавления изменяется строение кристаллических решеток, возникают дополнительные связи между ионами и атомами. Именно это повышает прочность сплава по сравнению с чистым металлом.
Для чего медь сплавляют с никелем
При сплавлении никель выступает главным легирующим элементом. Он обладает коррозионной стойкостью, поэтому, в основном, используется для упрочнения.
- повышается жаропрочность материала;
- существенно снижается температурный коэффициент электросопротивления;
- появляется высокая устойчивость к коррозии, особенно в морской воде.
Классификация
Свойства медно-никелевого сплава зависят от процентного содержания в нем никеля и других веществ. В настоящее время создано много новых специальных материалов с уникальными характеристиками.В зависимости от области применения их делят на конструкционные и электротехнические.
- Конструкционные - обладают высокими антикоррозионными и прочностными характеристиками. Изделия из них отличаются устойчивостью к агрессивным средам. Это мельхиор, нейзильбер и куниаль. Отдельное место в этом списке занимает монель, состав которого и пропорциональное соотношение элементов несколько иные.
- Электротехнические - отличаются повышенным электрическим сопротивлением и термоэлектрическими свойствами, используют их в энергетике и электротехнике. Это константан, манганин и копель.
Знание химического состава и физических характеристик позволяет определить медно-никелевый сплав в одну из групп.
Мельхиор
Содержит примерно 80% меди, около 20% никеля, а также немного марганца и железа. Подобный сплав был известен людям еще в III веке до н. э. под названием «белая медь» благодаря светло-серебристому цвету, напоминающему серебро. Это обладающий высокими антикоррозионными свойствами, а также большим запасом прочности и износостойкости медно-никелевый сплав.
Нейзильбер
Этот медно-никелевый сплав с добавлением цинка, имеющий серебристый с зеленоватым оттенком цвет. В зависимости от марки может содержать до 35 % никеля и до 45 % цинка, остальное – медь. Такое солидное содержание цинка существенно удешевляет его производство. Нейзильбер обладает примерно такими же механическими свойствами, что и мельхиор. Он устойчив к коррозии, прочен, достаточно пластичен для обработки в горячем и холодном состоянии методом давления.
Иногда дополнительно легируется свинцом для более качественной механической обработки. В основном из него изготовляют детали приборов, часов, медицинских инструментов. Интересно, что благодаря дешевизне сейчас именно из него чаще, чем из мельхиора, производят ювелирные изделия, медали и ордена. Нейзильбер также используют при изготовлении финифти.
Куниаль
Состоит из медной основы, никеля - до 20 %, небольших добавок алюминия. Сплавляется при температуре 1183°С с последующей закалкой и старением, чем достигаются очень высокие показатели прочности и устойчивости к низким температурам. Подразделяется на марки А (МНА13-3) и Б(МНА 6-1,5).
Марка А обладает двумя важными характеристиками – высокой прочностью и уникальной устойчивостью к коррозии в агрессивных средах. К примеру, в морской воде он может эксплуатироваться десятилетиями. Поэтому сплав используется для изготовления деталей специального назначения (гребные винты).
Марка Б обладает пружинящими свойствами, поэтому широко используется для изготовления упругих элементов ответственного назначения. Также он очень устойчив к изломам на морозе. Из него производят конструкционные детали, работающие в условиях низких температур.
Монель
В нем содержится примерно две трети никеля и одна треть меди. Температура плавления - 1350 °С. Главное свойство этого медно-никелевого сплава – устойчивость к коррозии. Он имеет высокие показатели механических свойств – прочности и пластической деформации. Монель марки НМЖМц содержит примерно 28% меди, 3% железа, около 3% магния, небольшое количество кобальта и никель.
Такие же характеристики имеет монель-400. Он является брендом Special Metals Corporation и был запатентован в 1906 году. Поэтому другие компании-производители не могут использовать это название. Так появился еще один сплав – Nicorros. Однако эти материалы идентичны по все химическим и техническим характеристикам.Так как сплав содержит более половины никеля в процентном соотношении, его стоимость достаточно высока. Однако существует технология производства медно-никелевого сплава с использованием сырья из природных сульфидных руд с содержанием обоих элементов, без предварительного разделения на отдельные составляющие. Это позволяет значительно удешевить конечный продукт.
Монель используют для производства изделий, эксплуаьтруемых в агрессивных средах, условиях повышенной механической нагрузки. Это судостроение, химическая и нефтяная промышленность, изготовление медицинских инструментов, ответственных деталей машин и аппаратов.
Константан
Имеет белый цвет с характерным желтоватым оттеком. В состав входят: медь -59 %; никель – 39-41 %; марганец – 1-2 %. Температура плавления 1260 °С. Этот медно-никелевый сплав получил свое название благодаря основному свойству – термостабильности. Он имеет очень хорошие показатели электрического сопротивления при низком значении температурного коэффициента расширения. Сплав идет для изготовления проволоки для термопар, в производстве измерительных приборов, а также электронагревательных элементах, работающих при температурах до 400-500 градусов.
Проволока, изготовленная из константана, подвергается специальной термической обработке, в результате которой металл на поверхности образует тонкую окисную пленку. Благодаря этому изделие не нуждается в дополнительной лакировке или защитном покрытии. Константан очень пластичен. Это свойство позволяет применять его при сварке медно-никелевых сплавов.
Недостатком константана является его достаточно высокая ЭДС - около 43 мкВ. Это исключает использование проволоки и ленты из него в высокоточных измерительных приборах.
Манганин
Содержит примерно 5% никеля, 12% марганца и основу из меди. Температура плавления - 960 °С. Интересно, что манганин был изобретен американцем Эдвардом Венстоном примерно в 1888 году на основе им же изобретенного константана как специальный материал для обмоток электроизмерительных приборов. Он действительно имеет высокое удельное электрическое сопротивление, а также крайне малую ЭДС в паре с медью (не более 1 мкВ), что выгодно отличает его от константана.
Для того, чтобы снизить температурный коэффициент сопротивления, мангановую проволоку отжигают при температурах около 600 градусов в условиях вакуума, затем медленно охлаждают. Эта технология позволяет увеличить температуру, при которой материал сохраняет свои электрические свойства, до 200°С. Уже намотанную в катушки проволоку дополнительно нагревают неоднократно до 150 °С. Так достигается эффект искусственного старения, после которого изменения в кристаллической структуре металла сводятся к минимуму.
Основная область применение манганина как материала со стабильными показателями электросопротивления - изготовление разнообразных приборов высокой точности для измерения показателей электрического тока (силы тока, напряжения, мощности).
Копель
Еще один специальный сплав. Содержит медь, 43% никеля, немного железа и марганца. Температура плавления 1290 °С. Благодаря оптимальному соотношению стабильно низкого удельного сопротивления и высокой ТЭДС в паре с различными металлами сплав применяется для изготовления проволоки для термопар и электродов. Показатель ТЭДС материала возрастает пропорционально рабочей температуре:
- при 100 градусах по Цельсию - 6,95В;
- при 600 - до 49В.
Копель очень термостоек - без нарушения основных свойств выдерживает нагревание до 600 градусов и устойчив к коррозии.
Копель применяется в термопарах датчиков приборов для бесконтактного измерения температуры. В них используются термопары с максимальной ТЭДС – с хромом, медью или железом Эти элементы являются положительными электродами, а копель –отрицательным. Термопара копель-хромель используется в основном в пирометрии для постоянного контроля температурного режима в диапазоне от 200 до 600 градусов в промышленных и лабораторных установках.
Процесс плавки
При производстве медно-никелевых сплавов придерживаются сравнительно похожих технологий. Мельхиор, нейзильбер, куниаль, константан, манганин сначала плавят в индукционных печах под слоем прокаленного древесного угля. Добавление к шихте отходов допускается до 80%.
Процесс плавки начинается с меди и никеля. По мере их расплавления добавляются отходы крупным куском, потом мелкие. В последнюю очередь загружается цинк. После окончательного расплавления шихты производят раскисление марганцем и кремнием (нейзильбер), либо кремнием и марганцем (константан и мельхиор). После этого с поверхности расплава убирают весь шлак и добавляют еще древесного угля. Нагревают раскаленную массу до температуры около 1300 °С, при необходимости добавляют хлористый марганец для рафинирования.
Немного отличается технология приготовления куниалей, так как они содержат алюминий. Перед введением алюминия в расплав обязательно добавляют 0,1% марганца для раскисления. А после растворения алюминия поверхность расплава посыпают флюсом. Если этого не сделать, образуются пленки, от которых расплав становится негодным для заливки.
Химические, физические и конструкционные свойства определяют область назначения различных медно-никелевых сплавов. ГОСТ 492–73, ГОСТ 5063–73, ГОСТ 5187–70, ГОСТ 5220–78, ГОСТ 17217–79, ГОСТ 10155–75 являются основными стандартами при их производстве.
Чеканка монет
Примерно с конца позапрошлого века повсеместно начали чеканить монеты из медно-никелевого сплава.
Современные российские монеты выполнены из различных сплавов. В частности, полностью из мельхиора состоят монеты, выпущенные до 2009 года. Стальные монеты номиналом одна и пять копеек и медные пятирублевые покрыты тонким слоем мельхиора. Такой материал получил название «биметалл». Так все больше снижается себестоимость изготовления металлических денег.
Сплавы меди с никелем мало подвержены окислению на воздухе. Поэтому его признаки можно встретить лишь на старых монетах, либо тех, что долгое время находились в агрессивной среде. Знатоки-кладоискатели и нумизматы применяют для очистки ценных экземпляров монет различные средства – от народных рецептов до передовых технологий.
Очистка с мыльным раствором хорошо удаляет лишь зеленоватые медные окислы. Применяют также оливковое масло, уксусную кислоту, пасту "Гойя". Нужно иметь в виду, что эти средства могут не только снять налет, но и вступить в реакцию с самим сплавом, нанеся вред монете. Наиболее эффективной, щадящей и быстрой является чистка монет из медно-никелевого сплава с помощью электролиза.
