Сплавы меди и никеля

Сплавы на основе меди

Лекция № 9

Медь - элемент первой группы периодической системы, атомная масса 63,54, порядковый номер 29, температура плавления - 1083°С, кипения - 236О°С. Она имеет кубическую гранецентрированную ре­шетку с параметром а = 0,361 им (3,61А). Плотность 8,93 г/см². Твердость НВ 35 (350 МПа). Предел прочности относительно невысок - 220МПа (22 кг/мм²).

Медь - это пластичный металл, единственный в природе светло-розового цвета. Медь встречается в самородном состоянии и очень легко восстанавливается из руды.

На воздухе, в присутствии углекислого газа, она покрывается плен­кой зеленого цвета (патиной), гидроксидным карбонатом меди СuСО₃ • Сu(ОН)₂. При нагреве образуется черный налет оксида меди СuО.

Медь хорошо обрабатывается давлением, полируется и обладает красноватым блеском, который достаточно быстро исчезает. Медь - лучший после серебра проводник тепла и электричества и имеет очень высокую удельную теплоемкость.

Примеси по характеру взаимодействия с медью делятся на три группы:

- Ni, Zn, Sb, Sn, Al, As, P образуют твердые растворы, повыша­ют механические свойства, но резко снижают электро - и теплопроводность;

- Рb, Вi нерастворимы в меди и образуют с ней в малых количествах легкоплавкие эвтектики, располагающиеся по границам зерен, затрудняют обработку давлением и вызывают разрушение. При более высоком содержании висмута снижается порог хладноломкости;

- кислород, сера образуют химические соединения, соответственно Сu₂О, Сu₂S которые, располагаясь на границах зерен, придают меди хрупкость.

Чистая медь не используется для изготовления украшений. Для изготовления недорогих ювелирных изделий применяют сплавы на основе меди: меди с никелем (мельхиор, нейзильбер) и меди с цинком (латуни).

Медь и никель, неограниченно растворимы как в жидком, так и в твердом состоянии. Диаграмма состояния Сu - Ni показана на рис. 5-1. Структура всех двойных медно-никелевых сплавов - твердый раствор этих элементов. Кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая.

Для художественных изделий применяются коррозионно-стойкие медно-никелевые сплавы: мельхиор, нейзильбер.

Диаграмма состояния Сu - Ni

Мельхиоры. Мельхиоры - цветные сплавы меди и никеля, содержащие никель от 18 до 30%. Они отличаются высокой прочностью, хорошо обрабатываются механически, имеют высокую коррозионную стойкость. В таблице 5-1 приведен химический состав мельхиоров, используемых для изготовления художественных изделий.

Кроме никеля в некоторые марки мельхиоров вводят железо, марганец, хром. Легирование мельхиора железом и марганцем позволяет повышать коррозионную стойкость сплава. Наибольшее распространение получил мельхиор марки МН19 с пониженным, по сравнению с остальными, содержанием никеля, т.к. никель дефицитный и достаточно дорогой металл.

Сплавы МН19, МН30, МНЖМц30-1-1 однофазны по структуре, т. к. железо и марганец до 1% растворимы в мельхиоре. Эти сплавы хорошо деформируются как в холодном, так и в горячем состоянии. По коррозионной стойкости превосходят нержавеющую сталь. Для улучшения внешнего вида изделий из мельхиора их покрывают тонким слоем серебра.

Легирование мельхиора хромом приводит к расслоению твердого раствора по синодальному типу на два твердых раствора с одинаковой кристаллической решеткой, один из которых - α' - обогащен медью, а другой - α" - никелем. Это позволяет значительно упрочнять сплавы системы Сu - Ni - Сr. Так, если для сплава МН30 (Сu + 30% Ni) временное сопротивление составляет 130 - 350 МПа, для сплава МНХ30-3 (Сu + 30% Ni + 2,8% Сr) его значение возрастает до 600 МПа при относительном удлинении 30% (охлаждение на возду­хе с Т = 900°С). Сплавы системы Сu - Ni - Сr технологичны, хорошо свариваются, обладают лучшей коррозионной стойкостью в морской воде, чем сплавы Сu + 30% Ni и Сu +30% Ni +1% Fе. Усталостная прочность их на 40% выше, чем у сплава Сu + 30% Ni.

Однако никель является дефицитным материалом. Технические потребности заставляют вести поиск новых сплавов, не уступающих по коррозионной стойкости мельхиорам.

Нейзильберы. Нейзильберы - сплавы системы Сu - Ni - Zn с содержанием никеля от 5 до 35% и цинка от 13 до 45%.

В системе Сu - Ni – Zn имеется обширная область твердых растворов. Сплавы с малым и средним содержанием цинка имеют однофазную структуру а-твердого раствора.

Нейзильберы отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе, устойчивы в растворах солей и органических кислот. В дословном переводе с немецкого языка Neusilber - «новое се­ребро». Наиболее распространенным представителем нейзильберов является сплав МНЦ15-20 (Сu + 15% Ni + 20% Zn). Этот сплав широко используется в приборостроении, для изготовления технической посуды и медицинских инструментов, а также деталей часов (как коррозионно-стойкий и неферромагнитный материал). Сплав МНЦС16-29-1,8 (Сu + 16% Ni + 29% Zn + 1,8% Рb) используется для получения чистой поверхности при обработке резанием.

Для улучшения механических свойств нейзильберов, широко применяемых в центробежном литье при изготовлении ювелирных изделий, необходимо вводить добавки с учетом раскислительной способности, позволяющие уменьшить содержание оксида меди и повысить пластичность, а также прочностные свойства нейзильбера.

Кроме того, ряд добавок, например, Аl, Zn, V и др., улучшает коррозионную стойкость отливок.

С увеличением содержания никеля твердость и прочность сплавов повышаются. Нейзильбер и мельхиор хорошо деформируются, упрочняются деформационным наклепом. Введение алюминия в сплавы делает их дисперсионно-твердеющими (сплавы МНА13-3, МНА6-1,5), повышается также коррозионная стойкость. Свинцовистый нейзильбер обладает хорошими упругими свойствами, хорошо обрабатывается резанием. Температура полного отжига мельхиора МН19 и нейзильбера МНЦ15-20 составляет 600 - 780°С. Для уменьшения остаточ­ных напряжений достаточен отжиг при температуре 250 - 300°С

В ювелирном деле нейзильбер используется для изготовления булавок, посеребренных столовых приборов, игл различных форм и др.