Мельхиор или медь-никель (CuNi) представляет собой сплав меди с никелем , обычно вместе с небольшими количествами других элементов, добавляемых для прочности, таких как железо и марганец . Содержание меди обычно варьируется от 60 до 90 процентов. ( Монель — это никель-медный сплав, содержащий минимум 52 процента никеля.)
Несмотря на высокое содержание меди, медно-никелевый сплав имеет серебристый цвет. Мельхиор обладает высокой устойчивостью к коррозии под действием соленой воды и поэтому используется для изготовления трубопроводов, теплообменников и конденсаторов в системах морской воды , а также в морском оборудовании. Иногда его используют для изготовления гребных винтов , гребных валов и корпусов высококачественных лодок . Другие области применения включают военное оборудование, а также химическую, нефтехимическую и электротехническую промышленность. [1]
Еще одним распространенным применением мельхиора в 20-м веке были монеты серебряного цвета . Для этого использования типичный сплав имеет соотношение меди и никеля 3: 1 с очень небольшим количеством марганца.
В прошлом настоящие серебряные монеты обесценивались мельхиором , например, монеты фунта стерлингов , выпущенные с 1947 года, были заменены по содержанию.
Помимо медно-никелевого и медно-никелевого сплавов , для описания материала использовалось несколько других терминов: торговые названия Alpaka или Alpacca , Argentan Minargent , зарегистрированный французский термин cuivre blanc и латинизированный кантонский термин Paktong , 白銅 (французский и кантонский термины оба что означает «белая медь»); Мельхиор также иногда называют гостиничным серебром , plata alemana ( по -испански «немецкое серебро»), немецким серебром и китайским серебром . [2]
Сплавы медно-никелевого сплава используются в судостроении [3] из-за их устойчивости к коррозии в морской воде , хорошей технологичности и эффективности в снижении уровня макрообрастания . Сплавы с составом от 90% Cu–10% Ni до 70% Cu–30% Ni обычно используются в трубках теплообменников или конденсаторов в самых разных морских применениях. [4]
Важные морские применения медноникеля включают:
Успешное использование медно-никелевого сплава в чеканке монет обусловлено его коррозионной стойкостью , электропроводностью , долговечностью, ковкостью , низким риском аллергии , легкостью чеканки , антимикробными свойствами и возможностью вторичной переработки . [12]
В Европе в 1850 году Швейцария впервые начала чеканить биллоны на основе медно - никелевого сплава с добавлением серебра и цинка для монет достоинством 5, 10 и 20 раппенов. [13] Начиная с 1860/1861 года, Бельгия выпускала 5, 10 и 20 сантимов из чистого медно-никелевого сплава (75% меди, 25% никеля, без добавления серебра и цинка), [14] [15] , а Германия выпускала 5 и 10 пфеннигов в то же соотношение 75:25 с 1873/1874 (до 1915/1916). [16] В 1879 году Швейцария для монет номиналом 5 и 10 Раппен также приняла более дешевое соотношение меди и никеля 75:25 [17] [18], которое затем использовалось в Бельгии, США и Германии. С 1947 по 2012 год все «серебряные» монеты в Великобритании чеканились из медно-никелевого сплава (но с 2012 года два наименьших номинала из мельхиора в Великобритании были заменены более дешевыми никелированными стальными монетами). Кроме того, когда цены на серебро выросли в 1960-х/1970-х годах, некоторые другие европейские страны также заменили оставшиеся серебряные номиналы медно-никелевыми, например, монеты достоинством от 1/2 до (на фото) 5 швейцарских франков , начиная с 1968 года [19] и немецкие 5 немецких марок 1975-2001 годов. С 1999 года медно-никелевый сплав также используется для изготовления внутреннего сегмента монеты номиналом 1 евро и внешнего сегмента монеты номиналом 2 евро .
Частично из-за накопления серебра во время Гражданской войны Монетный двор США сначала использовал медно-никелевый сплав для обращения монет достоинством в три цента, начиная с 1865 года, а затем для монет достоинством в пять центов, начиная с 1866 года. До этих дат оба номинала были чеканены. изготавливается только из серебра в США. Мельхиор - это оболочка по обе стороны полдолларов США (50 центов) с 1971 года, а также всех четвертаков (25 центов) и десятицентовых монет (10 центов), изготовленных после 1964 года. В настоящее время в обращении находятся некоторые монеты США, такие как никель Джефферсона США. (5 центов), [20] швейцарский франк и южнокорейские монеты номиналом 500 и 100 вон изготовлены из цельного медно-никелевого сплава (соотношение 75:25). [21]
Соединение термопары формируется из пары проводников термопары, таких как железо- константан , медь-константан или никель-хром/никель-алюминий. Место соединения может быть защищено оболочкой из меди, медно-никелевого сплава или нержавеющей стали. [22]
Мельхиор используется в криогенных приложениях. Он сохраняет высокую пластичность и теплопроводность при очень низких температурах. В то время как другие металлы, такие как сталь или алюминий, разрушаются и становятся термически инертными, необычные термические и механические характеристики медно-никелевого сплава при таких низких температурах облегчают его применение в ряде ниш. Машины, которые должны выполнять множество рабочих циклов при постоянно низких температурах, и теплообменники на криогенных установках являются основными промышленными направлениями применения медноникеля в криогенных применениях. [23] [24] [25] Также существуют нишевые приложения, например, высокая теплопроводность сплава при низких температурах сделала медно-никелевый сплав повсеместным в операциях клеймения замораживанием . [26]
Примерно с начала 20-го века из этого материала обычно изготавливали пуленепробиваемые жилеты. Вскоре его заменили позолотой для уменьшения металлического загрязнения канала ствола .
В настоящее время основным материалом для посеребренных столовых приборов остаются мельхиор и нейзильбер . Он обычно используется для механического и электрического оборудования, медицинского оборудования, застежек-молний, ювелирных изделий, а также для струн для инструментов семейства скрипок и для гитарных ладов. Компания Fender Musical Instruments использовала магниты CuNiFe в звукоснимателе Wide Range Humbucker для различных гитар Telecaster и Starcaster в 1970-х годах. [ нужна цитата ]
Для качественных цилиндровых замков и запорных систем сердечники цилиндров изготавливаются из износостойкого медно-никелевого сплава.
Мельхиор использовался в качестве альтернативы традиционным стальным гидравлическим тормозным магистралям (трубкам, содержащим тормозную жидкость ), поскольку он не ржавеет. Поскольку мельхиор намного мягче стали, он легче гнется и развальцовывается , и это же свойство позволяет ему образовывать лучшее уплотнение с гидравлическими компонентами.
Мельхиор не имеет медного цвета из-за высокой электроотрицательности никеля, что приводит к потере одного электрона в d-оболочке меди (оставляя 9 электронов в d-оболочке по сравнению с типичными 10 электронами чистой меди).
Важные свойства медно-никелевых сплавов включают коррозионную стойкость , устойчивость к макрообрастанию , хорошую прочность на разрыв , отличную пластичность при отжиге , характеристики теплопроводности и расширения , подходящие для теплообменников и конденсаторов , хорошую теплопроводность и пластичность при криогенных температурах, а также полезные антимикробные свойства поверхности прикосновения . [27]
Небольшие различия в коррозионной стойкости и прочности определяют выбор сплава. Спускаясь по таблице, максимально допустимый расход в трубопроводах увеличивается, как и предел прочности.
В морской воде сплавы имеют превосходную скорость коррозии, которая остается низкой до тех пор, пока не превышается максимальная расчетная скорость потока. Эта скорость зависит от геометрии и диаметра трубы. Они обладают высокой устойчивостью к щелевой коррозии , коррозионному растрескиванию под напряжением и водородному охрупчиванию , что может создавать проблемы для других систем сплавов. Медь-никель естественным образом образует тонкий защитный поверхностный слой в течение первых нескольких недель воздействия морской воды, что обеспечивает его постоянную стойкость. Кроме того, им присуща высокая устойчивость к биообрастанию , вызываемому макрообрастанцами (например , морскими травами и моллюсками ), живущими в морской воде. Чтобы использовать это свойство в полной мере, сплав должен быть свободен от воздействия любой формы катодной защиты или изолирован от нее .
Однако сплавы Cu–Ni могут демонстрировать высокие скорости коррозии в загрязненной или застойной морской воде при наличии сульфидов или аммиака . Поэтому важно избегать воздействия таких условий, особенно во время ввода в эксплуатацию и ремонта, пока поверхностные пленки созревают. Дозирование сульфата железа в системы морской воды может обеспечить повышенную устойчивость.
Поскольку медь и никель легко сплавляются друг с другом и имеют простую структуру, сплавы пластичны и легко обрабатываются. Прочность и твердость каждого отдельного сплава повышают холодной обработкой ; они не закалены термической обработкой . Соединение 90–10 (C70600) и 70–30 (C71500) возможно как сваркой , так и пайкой . Оба они пригодны для сварки большинством методов, хотя автогенные (сварка без сварочных материалов) или ацетиленовые методы не рекомендуются. Для обоих сплавов обычно предпочтительны сварочные материалы 70–30, а не 90–10, и послесварочная термообработка не требуется. Их также можно приваривать непосредственно к стали, при условии использования сварочного материала с 65% содержанием никеля и меди, чтобы избежать эффекта разжижения железа. Сплав C71640, как правило, используется в качестве бесшовных труб и расширяется, а не приваривается к трубной доске. Для пайки необходимы соответствующие припои на основе серебра. Однако необходимо проявлять особую осторожность, чтобы гарантировать отсутствие напряжений в паяемом медно-никелевом сплаве, паяемом серебром, поскольку любое напряжение может вызвать межкристаллитное проникновение припоя и сильное растрескивание под напряжением (см. изображение). Таким образом, необходим полный отжиг любого потенциального механического напряжения.
Применение сплавов Cu–Ni выдержало испытание временем, поскольку они до сих пор широко используются и варьируются от трубопроводов систем морской воды, конденсаторов и теплообменников на военно-морских судах, коммерческого судоходства, многоступенчатого мгновенного опреснения воды и электростанций. Они также использовались в качестве облицовки зоны забрызгивания морских сооружений и защитной облицовки корпусов лодок, а также самих твердых корпусов.
Благодаря своей пластичности медно-никелевые сплавы могут быть легко изготовлены в самых разных формах изделий [30] и приспособлениях. Мельхиоровые трубы можно легко раскатать в трубные решетки для изготовления кожухотрубных теплообменников .
Доступны подробные сведения о процедурах изготовления, включая общие операции, резку и механическую обработку, формование, термообработку, подготовку к сварке, подготовку к сварке, прихватку, сварочные материалы, сварочные процессы, окраску, механические свойства сварных швов, а также гибку труб и труб. [31]
Для заказа деформируемых и литых форм из медно-никелевого сплава существуют стандарты ASTM , EN и ISO . [32]
Термопары и резисторы , сопротивление которых стабильно при изменении температуры, содержат сплав константан , который состоит из 55% меди и 45% никеля.
Мельхиоровые сплавы были известны китайцам как «белая медь» примерно с третьего века до нашей эры. Некоторое оружие, изготовленное в период Воюющих царств, было изготовлено из сплавов Cu-Ni. [33] Теория китайского происхождения бактрийского медно-никелевого сплава была предложена в 1868 году Флайтом, который обнаружил, что монеты, считавшиеся самыми старыми обнаруженными медно-никелевыми монетами, были из сплава, очень похожего на китайский пактонг . [34]
Автор-ученый Хо Вэй точно описал процесс изготовления медно-никелевого сплава примерно в 1095 году нашей эры. Сплав пактонг был описан как полученный путем добавления небольших таблеток природной юньнаньской руды в ванну с расплавленной медью. Когда образовалась корка шлака , добавляли селитру , сплав перемешивали и сразу же отливали слиток . Цинк упоминается в качестве ингредиента, но нет подробностей о том, когда он был добавлен. Согласно истории, использованная руда доступна исключительно из провинции Юньнань :
«Сань Мао Чунь находился в Таньяне во время голодного года, когда погибло много людей, поэтому, взяв определенные химические вещества, Ин спроецировал их на серебро, превратив его в золото, а также превратил железо в серебро, что позволило спасти жизни многих [ через покупку зерна через это поддельное серебро и золото] После этого все те, кто готовил химические порошки путем нагревания и трансмутации меди с помощью проекции, называли свои методы «техниками Таньяна» [34] .
В литературе позднего периода Мин и Цин имеется очень мало информации о пактонге . Однако впервые оно упоминается по имени в « Тьен Кунг Кхай Ву» примерно в 1637 году:
«Когда лу кан ши (карбонат цинка, каламин ) или во чхейн (металлический цинк) смешивают и соединяют с чи тхунг (медь), получают «желтую бронзу» (обычную латунь). Когда фи шанг и другие мышьяковые вещества нагревают с Из него получают «белую бронзу» или белую медь: пай-тонг . Когда квасцы , селитру и другие химические вещества смешивают вместе, получают цинг-тунг : зеленую бронзу». [34]
Ко Хунг заявил в 300 году нашей эры: «Медь Таньян была создана путем добавления ртутного эликсира в медь Таньян, и образовалось нагретое золото». Однако в Фа Фу Цу и Шэнь И Цзин описываются статуи в западных провинциях как сделанные из серебра, олова, свинца и таньянской меди, которые выглядели как золото и могли быть выкованы для покрытия и инкрустации сосудов и мечей. [34]
Джозеф Нидэм и др. утверждают, что мельхиор был, по крайней мере, известен китайцам как уникальный сплав во время правления Лю Аня в 120 г. до н. э. в Юньнани. Более того, юньнаньское государство Тянь было основано в 334 г. до н.э. как колония Чу. Скорее всего, современный пактонг был неизвестен китайцам того времени, но встречающийся в природе юньнаньский медно-никелевый сплав, вероятно, был ценным товаром внутренней торговли. [34]
В 1868 году У. Флайт обнаружил греко-бактрийскую монету, содержащую 20% никеля, датированную 180–170 гг. До н.э., с бюстом Евтидема II на аверсе. Монеты из аналогичного сплава с бюстами его младших братьев Панталеона и Агафокла чеканились около 170 г. до н.э. Позднее состав монет был проверен традиционным мокрым методом и рентгенофлуоресцентной спектрометрией. [34] Каннингем в 1873 году предложил «теорию бактрийского никеля», которая предположила, что монеты, должно быть, были результатом сухопутной торговли из Китая через Индию в Грецию. Теория Каннингема была поддержана такими учеными, как У. В. Тарн, сэр Джон Маршалл и Дж. Ньютон Френд, но подверглась критике со стороны Э. Р. Кейли и С. ван Р. Камманна. [34]
В 1973 году Ченг и Швиттер в своем новом анализе предположили, что бактрийские сплавы (медь, свинец, железо, никель и кобальт) очень похожи на китайский пактонг , а из девяти известных азиатских месторождений никеля только те, что находятся в Китае, могут обеспечить идентичный состав. химические составы. [34] Камманн раскритиковал статью Ченга и Швиттера, утверждая, что упадок мельхиоровой валюты не должен был совпадать с открытием Шелкового пути. Если бы теория бактрийского никеля была правдой, по мнению Каммана, Шелковый путь увеличил бы поставки медно-никелевого сплава. Однако конец греко-бактрийской медно-никелевой валюты можно было объяснить другими факторами, такими как конец Дома Евтидема. [34]
Похоже, что этот сплав был заново открыт Западом во время алхимических экспериментов. Примечательно, что Андреас Либавиус в своей «Алхимии » 1597 года упоминает медный альбом aes , поверхность которого была отбелена ртутью или серебром. Но в De Natura Metallorum в Singalarum Part 1, опубликованном в 1599 году, тот же термин был применен к «олову» из Ост-Индии (современные Индонезия и Филиппины ) и получил испанское название « tintinaso» . [34]
Ричард Уотсон из Кембриджа, по-видимому, первым обнаружил, что медно-никелевый сплав представляет собой сплав трех металлов. Пытаясь заново открыть секрет белой меди, Ватсон раскритиковал « Историю Китая » Жана-Батиста Дюальда (1688 г.) за то, что она сбивает с толку термин «пактонг». Он отметил, что китайцы того времени не формировали его как сплав, а скорее выплавляемая легкодоступная непереработанная руда:
«...в результате обширной серии экспериментов, проведенных в Пекине, выяснилось, что она встречается естественным образом в виде руды, добываемой в этом регионе, самая необычная медь - это пе-тонг или белая медь: она белая, когда ее выкапывают из шахты и даже Внутри более белый, чем снаружи. Судя по огромному числу экспериментов, проведенных в Пекине, выяснилось, что его цвет не обусловлен никаким смешением, напротив, все смеси умаляют его красоту, ибо при правильном обращении с ним оно выглядит в точности как серебро. и если бы не было необходимости примешать немного тутенага или такого металла, чтобы смягчить его, это было бы тем более необычно, поскольку этот сорт меди не встречается нигде, кроме Китая, и то только в провинции Юньнань». Несмотря на то, что здесь сказано, что цвет меди не обусловлен отсутствием примеси, несомненно, что китайская белая медь, привезенная к нам, представляет собой смесь [sic: смешанный] металл; так что руда, из которой она была извлечена, должна состоять из различных металлических веществ; и из такой руды был сделан природный орихалк, если он когда-либо существовал» .
Во время пика европейского импорта китайской белой меди с 1750 по 1800 годы повышенное внимание уделялось обнаружению ее составляющих. Пит и Куксон обнаружили, что «самый темный из них содержал 7,7% никеля, а самый светлый, как говорят, неотличим от серебра с характерным колоколообразным резонансом при ударе и значительной устойчивостью к коррозии - 11,1%.
Другое исследование, проведенное Эндрю Файфом, оценило содержание никеля в 31,6%. Догадки закончились, когда Джеймс Динвидди из посольства Макартни привез обратно в 1793 году, со значительным личным риском (контрабанда руды пактонга считалась тяжким преступлением со стороны китайского императора), часть руды, из которой был изготовлен пактонг . [35] Мельхиор получил широкое понимание, как было опубликовано Э. Томасоном в 1823 году в представлении, позже отклоненном как не новое знание, в Королевское общество искусств .
Попытки в Европе точно воспроизвести китайский пактонг потерпели неудачу из-за общего отсутствия необходимой сложной кобальт-никель-мышьяковой природной руды. Однако район Шнеберг в Германии , где знаменитая компания Blaufarbenwerke производила кобальтовый синий и другие пигменты, располагал единственными необходимыми в Европе комплексными кобальт-никель-мышьяковыми рудами.
В то же время прусское Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Общество улучшения делового усердия/трудолюбия) предложило приз за мастерство в этом процессе. Неудивительно, что д-р Э. А. Гайтнер и Дж. Р. фон Герсдофф из Шнеберга выиграли приз и запустили свой бренд « немецкого серебра » под торговыми марками Argentan и Neusilber (новое серебро). [35]
В 1829 году Персиваль Нортон Джонстон убедил доктора Гейтнера основать литейный завод в Боу-Коммон за каналом Риджентс-Парк в Лондоне и получил слитки мельхиора состава 18% Ni, 55% Cu и 27% Zn. [35]
Между 1829 и 1833 годами Персиваль Нортон Джонсон был первым человеком, который переработал мельхиор на Британских островах. Он стал богатым человеком, производя более 16,5 тонн в год. Из этого сплава в основном производились столовые приборы бирмингемской фирмой William Hutton и продавались под торговой маркой «Аргентинский».
Наиболее серьезные конкуренты Джонсона, Чарльз Аскин и Брок Эванс, под руководством блестящего химика доктора Э. У. Бенсона разработали значительно улучшенные методы суспензии кобальта и никеля и продали на рынок свою собственную марку никель-серебра под названием «British Plate». [35]
К 1920-м годам для военно-морских конденсаторов была разработана медно-никелевая марка 70–30. Вскоре после этого сплав с содержанием 2% марганца и 2% железа, известный теперь как сплав C71640, был внедрен для британской электростанции, которой требовалась лучшая устойчивость к эрозии из-за высокого уровня содержания песка в морской воде. Сплав 90–10 впервые стал доступен в 1950-х годах, первоначально для трубопроводов морской воды, и в настоящее время является более широко используемым сплавом.