Конструкционные медно-никелевые сплавы

Медно-никелевые сплавы — являются одними из наиболее распространенных и важных материалов в инженерном дизайне из-за их отличных механических свойств, стойкости к коррозии и высокой теплопроводности. Эти сплавы обладают достаточной прочностью и твердостью, чтобы использоваться для изготовления различных деталей и компонентов, таких как детали машин, электроника, трубопроводы и другие. Они также широко применяются в авиационной и космической промышленности, а также в производстве электрических контактов и элементов обогрева.

В промышленности применяют как двойные, так и сплавы, дополнительно легированные алюминием, цинком, железом, марганцем, свинцом и некоторыми другими элементами.

Многокомпонентные медно-никелевые сплавы

Среди медно-никелевых конструкционных сплавов видное место занимают двойные МН19, МН25 и более сложные по составу сплавы на основе меди, основным легирующим элементом которых является никель. Для повышения эксплуатационных свойств сплавы дополнительно легируют железом, марганцем и другими элементами.

Табл. 1. Содержание Ni+Co, вид продукции и область применения медно-никелевых сплавов
(по ГОСТ 492-2006)

  Примечания:

1. В сплавах марок MН19, МН25, МНЖМц10-1-1, МНЖМц30-1-1, МНЖ5-1 МНЦ12-24, МНЦ15-20, МНЦ18-27, МНЦ18-20 допускается массовая доля кобальта не более 0,5% за счет массовой доли никеля, которая не учитывается n сумме примесей. Массовая доля кобальта, превышающая 0,5%, учитынпп общей сумме примесей.

2. В сплавах марок МН25, МНЖМц10-1-1, МНЦ12-24, МНЦ18-27, МНЦ1Н по согласованию с потребителем допускается определение массовой доли примесей кремния, магния, мышьяка, висмута, фосфора, олова, сурьмы.

3. В сплавах марок МН19, МНЦ15-20, МНЖМц30-1-1 допускается опреление массовой доли олова.

4. В мельхиоре марки MH19, применяемом для изготовления монет, допускается повышение содержания массовой доли марганца или железа более указанного в настоящей таблице, но при этом сумма их не должна превышать 1,3%. В мельхиоре  MH19, применяемом для изготовления лент специального назначении устанавливается следующее содержание примесей: массовая доля марганца — не более 0,01%, магния — не более 0,01%, кремния — не более 0,15%, железа — не более 0, и сумма примесей — не более 0,6%.

5. В сплаве марки МНЖ5-1 и мельхиоре марки МН19 допускается массовая доля свинца не более 0,05%.

6. В мельхиоре марки МН19 по согласованию с потребителем допускается содержание массовой доли фосфора не более 0,02%.

7. Знак — , проставленный одновременно для верхнего и нижнего пределов массовой доли элемента, обозначает, что данный элемент не нормируется и определяется юлько по требованию потребителя и в этом случае содержание данной примеси включается в общую сумму примесей.

8. Примеси, не указанные в настоящей таблице, учитываются в общей сумме примесей.

9. Примесью следует считать элемент, у которого указан только максимальный предел его содержания.

Табл. 2. Полосы и ленты холоднокатанные из конструкционных медно-никелевых сплавов.
Механические свойства

Табл. 3. Трубы из конструкционных медно-никелевых сплавов. Механические свойства

Табл. 4. Прутки и проволока из конструкционных медно-никелевых сплавов. Механические свойства 

Таблица 5. Скорость коррозии мельхиора в разных средах

Сплавы системы Cu—Ni—Fe— Mn

Широкое применение нашел сплав МНЖМцЗО-1-1, содержащий 30%  Ni, и дополнительно легированный железом и марганцем (см. табл. 1). Этот сплав отличается высокой коррозионной стойкостью (см. табл. 5), в том числе против ударной (струевой) коррозии. Из сплава МНЖМцЗО-1 -1 изготавливают конденсаторные трубы (см. табл. 3), работающие при повышенных давлениях и температу­рах, где латунные и медные трубы неприменимы.

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 (см. табл. 1): он содержит примерно такое же количество никеля (около 5%) и отличается от него небольшими добавками железа и марганца (около 1%). Сплав МНЖ5-1 обладает хорошими механическими свойствами и высокой технологичностью при деформации в горя чем и холодном состояниях. Благодаря присутствию железа и мар ганца сплав МНЖ5-1 не склонен к коррозионному растрескиванию и по коррозионной стойкости превосходит сплав МН95-5. 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.

Сплавы системы Ni—Cu—Fe—Мп (монель-металлы)

Распространенным промышленным сплавом этой системы мм ляется монель-металл НМЖМц28-2,5-1,5, содержащий 65…70% Ni; 2…3% Fe; 1,2…1,8%, Mn (остальное медь) (см. табл. 1), кото рый является сплавом на никелевой основе, но по своей структуре и физико-химическим свойствам близок к другим медно-никелевым сплавам — твердым растворам (типа мельхиоров) и поэтому рассматривается в этой группе сплавов.

Монель-металл является прочным и наиболее коррозионмо стойким из группы медно-никелевых сплавов (табл. 6). Сплав деформируется в горячем и холодном состоянии, что позволяет получать листы, ленты, полосы, прутки, проволоку для изготовле ния деталей, работающих в агрессивных средах.

Монель-металл НМЖМц28-2,5-1,5 имеет высокий уровень механических свойств при комнатной температуре (табл. 7), не охрупчивается при низких температурах, сохраняет высокую прочность при нагреве до температуры 500 °С (рис. 5). Как и другие медно-никелевые сплавы, монель-металл имеет область пониженной пластичности, отличается высоким для сплавов — твердых растворов этой системы уровнем жаропрочности (табл. 8).

Таблица 6. Скорость коррозии монель-металла НМЖМц28-2,5-1,5 в различных средах

Монель-металл более чем в 2 раза упрочняется при холодной пластической деформации. При этом упрочнение сопровождается ростом удельного электросопротивления и резким понижением пластичности (рис. 5). Для повышения пластичности применяют рекристаллизационный отжиг с нагревом до 800…850 °С, в результате которого механические и физические свойства восстанавливаются до исходных значений (рис. 5).

Монель-металл применяют для изготовления рабочих колес, насосов, корпусов, клапанов, тройников, втулок, кранов и других деталей, работающих в различных агрессивных средах: пар, ристворы солей, щелочей и кислот. Монель-металл обладает хорошей стойкостью к окислению при температурах до 750 °С.

Рис. 4. Изменение механических свойств горячекатаных полос из монель-металла НМЖМц28-2,5-1,5 при высоких температурах

Таблица 7. Механические свойства продукции из монель-металла НМЖМц28-2,5-1,5

Таблица 8. Пределы ползучести тянугых прутков из монель-металла НМЖМц28-2,5-1,5

Рис. 5. Зависимость механических свойств и удельного электросопротивления монель-металла НМЖМц28-2,5-1,5 от степени деформации и от температуры отжтга

Сплавы системы Cu—Ni—Zn (нейзильберы)

Нейзильберы — это сплавы гройной системы Cu-Ni-Zn, содержащие 8…30% Ni и 12…45% Zn, которые по свойствам занимают промежуточное место между медно-никелевыми сплавами и латунями

Цинк упрочняет медно-никелевые сплавы и снижает их стоимость; с увеличением содержания никеля повышается коррозионная стойкость сплавов.

Широко применяемый нейзильбер МНЦ15-20 со структурой α-раствора хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях. При горячей деформации необходимо учитывать узкий интервал пластичности (800…900 °С), а также резкое снижеие пластичности при температурах 500…600 °С. Нейзильберы до пускают пластическую деформацию в холодном состоянии с суммарным обжатием свыше 90%.

Нейзильбер МНЦ15-20 применяют для изготовления пружин так как этот сплав значительно упрочняется при холодной пластческой деформации (рис. 7). При этом существенно повышается не только твердость (HV), σ_b и σ_0,02, но и характеристики, необходимые для пружин: предел упругости (σ_0,005), релаксационном стойкость, усталостная прочность.

Механические свойства продукции из нейзильбе­ром — см. табл. 2 и 4.

Нейзильберы типа МИЦ15-20 отличаются красивым серебристым цветом, не окисляются на воздухе, обладают высокой коррози­онной стойкостью и не охрупчиваются при отрицательных температурах.

Летали из сплавов хорошо соединяются пайкой и сваркой. Сплавы типа МНЦ15-20 применяют для изготовле­нии деталей приборов, пружин и других изделий, работающих во влажной и коррозионно-активной среде.

Свинцовый нейзильбер МНЦС16-29-1,8 (см. табл. 1) поструктуре 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, красимым серебристым цветом, хорошими механическими свойствами.

Рис. 6. Зависимость механических свойств и удельного электросопротивления нейзильбера МНЦ15-20 от степени деформации. Исходный материал — отожженные при 790 °С (2 ч) мягкие полосы

Сплавы системы Cu—Ni—Al (куниали)

Куниали — медно-никелевые сплавы с добавками алюминия, которые обладают высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются давле­нном в горячем состоянии.

Система Cu-Ni-Al является перспективной для создания выкопрочных термически упрочняемых сплавов, служебные характеристики которых не уступают, а в ряде случаев превосходят бериллиевую бронзу.

Химический состав сплавов МНА13-3 (куниаль А) и МНА6-1,5 (куниаль Б) — см. табл. 1. Эти сплавы отличаются высокими механическими и упругими свойствами, коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются давлением. Куниали производят в виде прутков и полос для изготовления деталей повышенной прочности (куниаль А) и для пружин ответственного назначении (куниаль Б).

Куниали не склонны к хладноломкости; при понижении температуры их прочность растет и при этом сохраняется пластичность.

Таблица 9. Свойства и температуры обработки сплавов МНА13-3 (куниаль А) и МНАб-1,5 (куниаль Б)

Сплавы системы Cu—Ni—AI—Mn—Cr (камелон, камелии)

Среди группы высокопрочных термически упрочняемых сплавов системы Cu-Ni-Al наиболее высокими прочностными свойствами и и характеристиками упругости отличаются сплавы камелон и кчмелин (табл. 10). В этих сплавах кроме никеля и алюминия         большое влияние на свойства оказывают марганец и хром.

Физические и механические свойства сплавов приведены в табл. 11, из которой следует, что камелон по прочности и пределу упругости не уступает лучшему пружинному материалу — бериллиевой бронзе БрБ2, а по релаксационной стойкости и сопротивлению усталости превосходит ее. В тех случаях, когда не требуется высокая электропроводность сплава, камелон можно использовать вместо бериллиевой бронзы для изготовления пружин, работающих при температурах 200…250 °С и в коррозионно-активных средах.

Традиционным методом повышения степени упрочнения пружинных сплавов является деформация закаленного сплава перед старением (НТМО). Это позволяет повысить временное сопротивление камелонадо 1450… 1500 МПа (см. табл. 11).

 Таблица 10. Химический состав камелона, камелина и сплава 538

Таблица 11. Физические и механические свойства пружинных сплавов

Наиболее значительные изменения механических свойств у сплава камелон в закаленном состоянии наблюдаются при увеличении степени холодной деформации до 15% (рис. 8). Увеличение степени относительной деформации свыше 30% не вызывает дальнейшего изменения механических свойств. 

 Рис. 7. Влияние степени холодной деформации на механические свойства камелона, закаленного с 1000 ^оС