Медно-никелевые сплавы. 
Материаловедение и технология материалов

Сплавы меди с никелем нашли широкое применение в технике. Легирование меди никелем значительно повышает ее механические свойства, коррозионную стойкость, электросопротивление и термоэлектрические характеристики. Применяющиеся в промышленности медно-никелевые сплавы можно условно разделить на две основные группы: коррозионностойкие и электротехнические.

В первую группу входят сплавы под названием мельхиор, нейзильбер и куниали. Ко второй группе относятся сплавы для компенсационных проводов, манганин и термоэлектродные сплавы.

Мельхиор (МНЖМцЗО-1−1; МН19). Мельхиоры — это двойные и более сложные сплавы на основе меди, в которые в качестве основного легирующего компонента вводится никель. Никель значительно повышает прочность меди. Мельхиоры обладают высоким электрическим сопротивлением, малой теплопроводностью. Особенностью сплавов этой группы является их высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах (морской воде, в органических кислотах, растворах солей и т. д.). Так, медно-никелевый сплав с 30% Ni более стоек к коррозионному растрескиванию под напряжением, чем сплавы с 10 или 20% Ni или латуни. Небольшие добавки железа и марганца в мельхиор существенно повышают его стойкость даже в быстродвижущемся потоке морской воды. Имея однофазную структуру (рис. 9.12), мельхиоры способны хорошо обрабатываться давлением при горячей и холодной пластических деформациях. На рис. 9.13 представлена зависимость механических свойств мельхиора МН19 от степени деформации. Состав, физико-механические свойства наиболее распространенных сплавов типа мельхиоров (МПЖМцЗО-1−1 и МП 19) и их применение приведены в табл. 9.13, 9.14.

Нейзильбер (МНЦ15−20; МНЦС16−29−1,8). В сплавах тройной системы Си—Ni—Zn типа нейзильбер содержится 5—35% Ni и 13—45% Zn. Наиболее широкое распространение получил сплав с 15% Ni и 20% Zn (МПЦ15−20), являющийся тройным твердым раствором никеля и цинка в меди.

Повышение прочности сплавов типа нейзильбер по сравнению с мельхиором достигается дополнительным легированием медноникелевого твердого раствора цинком. Сплавы могут легко подвергаться холодной и горячей пластическим деформациям. Изделия.

Рис. У. 12. Диаграмма состояния системы Си—Ni.

Рис. 9.13. Изменение механических свойств сплавов МН19 с увеличением степени деформации Состав и применение медно-никелевых сплавов.

Таблица 9.13

Таблица 9.14

Физико-механические свойства* медно-никелевых сплавов.

* Свойства сплавов даны для отожженного (верхнее число) и нагартованного 60% (нижнее число) состояний.

** Механические свойства сплава после закалки с 900 °C и последующего старения при 550 °C в течение 2—3 ч.

из нейзильбера отличаются высокой коррозионной стойкостью (достаточно устойчивы в растворах солей и органических кислотах) и имеют красивый серебристый цвет. С целью улучшения обрабатываемости резанием в нейзильберы вводят в небольших количествах (до 2%) свинец. Такой нейзильбер (МНЦС16−29−1,8), содержащий свинец, используется для станочного изготовления мелких деталей часовых механизмов и др. Из-за присутствия свинца эти сплавы нельзя подвергать горячей прокатке, поэтому для получения листовых полуфабрикатов слитки обрабатывают в холодном состоянии.

Куниали. Значительного повышения механических свойств сплавов никеля с медью достигают посредством их легирования присадками алюминия. Такие сплавы, созданные на основе тройной системы Си—Ni—А1, называются в технике куниалями. В промышленности применяются две разновидности сплавов такого тина: куниаль, А (МНА13−3) и куниаль Б (МНАб-1,5). Сплавы обладают высокими механическими и упругими свойствами (см. табл. 9.14), а также коррозионной стойкостью; не склонны к хладноломкости. Куниали могут подвергаться обработке давлением в горячем состоянии. Эти сплавы можно значительно упрочнять посредством термической обработки. Затвердевание сплавов тройной системы Си—Ni—А1 сопровождается первичным выделением кристаллов NiAl, содержащих медь и изоморфных при высокой температуре фазе Си₃А1. При 1250 °C в сплаве протекает эвтектическое превращение с выделением кристаллов, а и Ni₃Al. При более низких температурах уже существуют фазы ос, NiAl и Ni₃Al. Растворимость алюминия и никеля в меди с понижением температуры (как следует из изотермических разрезов тройной системы Си—Ni—А1, представленных на рис. 9.14) сильно уменьшается. Это позволяет посредством термообработки (закалка с температур 900— 1000 °C с последующим старением при 500—600°С) значительно повысить прочность и твердость сплава. При этом происходит распад твердого раствора с образованием гетерогенной структуры с высокодиспсрсными выделениями Ni₃Al или одновременно Ni₃Al и NiAl.

Значительный эффект упрочнения можно достичь нагартовкой сплавов после закалки перед старением (НТМО). Так, например, предел прочности сплавов, предварительно прокатанных в горячем и холодном состояниях, после закалки от температуры 900 °C равен 250—300 МПа. Дальнейшая холодная деформация закаленных образцов (обжатие — 25%) с последующим старением при температуре 550 °C приводят к увеличению прочности до 800—900 МПа при удлинении до 5—10%.

Сплавы МН0,6 (ТП) и МН16 (ТБ). Из этих сплавов соответственно изготавливают проволоку для компенсационных проводов к платина-платинородиевым термопарам (ТП) и термопарам платина-золото, палладий—платинородий (ТБ). Оба сплава отлича;

Рис. 9.14. Изотермические разрезы диаграммы состояния системы.

Си—Ni—А! югся малой термоэлектродвижущей силой (ТЭДС). Так, например, при контакте с платиной при температуре свободного конца 0 °C и рабочего конца 100 °C ТЭДС равна соответственно +0,12 мВ для МН0,6 (ТП) и -2,21 мВ для МН16 (ТБ). По своей структуре сплавы относятся к типу твердых растворов (см. рис. 9.8) и отличаются хорошей технологичностью при обработке давлением.

Сплав МНМцЗ-12 (манганин) отличается от многих известных сплавов очень малыми значениями термоэлектродвижущей силы в контакте с медью (1 мкВ на 1°С). Очень ценным свойством манганина при его высоком электросопротивлении является весьма малый температурный коэффициент электросопротивления (10 ^;)).

Манганин, будучи пластичен, легко поддается обработке давлением как в горячем, так и в холодном состояниях. С учетом этих ценных свойств манганина он применяется для изготовления эталонных катушек электросопротивления и точных электроизмерительных приборов.