Hợp kim đồng-niken Tính chất, gia công, ứng dụng - Phần 1

Tìm hiểu thông tin về Đồng Niken:

Đồng niken còn được gọi là đồng trắng là một hợp kim của đồng, với nguyên tố hợp kim hóa chính niken và tăng cường thêm chất đệm, như là sắt và mangan. Đồng niken không bị ăn mòn trong môi trường nước biển, bởi vì điện tiềm năng của nó được điều chỉnh để trung lập đối với nước biển. Hợp kim này được sử dụng cho chi tiết tàu thuỷ, và đôi khi cho chân vịt tàu thuỷ, trục hãm và vỏ của các loại tàu thuyền.

Một sử dụng phổ biến của Đồng niken là ở chế tạo tiền xu. Một điển hình hợp kim với 75% đồng, 25% niken, và một số nhỏ mangan. Mặc dù hàm lượng đồng trong hợp kim này khá cao nhưng màu sắc của chúng là ánh bạc.

Nó còn được sử dụng làm cặp đo nhiệt. Một loại hợp kim với 45%Cu và 55%Ni được sử dụng để làm điện trở rất chính xác.

Cũng xem như đồng thiếc (hợp kim của đồng với thiếc), đồng thau (hợp kim của đồng với kẽm), và bạc niken (một nhóm các loại hợp kim đồng-niken).[ Theo:  - Theo Bách khoa toàn thư mở Wikipedia]

Lịch sử Đồng Niken:

Năm 1751, AF Cronstedt đã thành công trong việc cô lập niken. Tuy nhiên, hợp kim Cu-Ni đã tồn tại sớm hơn nhiều, chủ yếu được điều chế bằng quặng. Ngày nay, hợp kim Cu-Ni đã thu được nhiều ứng dụng thú vị vì các đặc tính cụ thể của chúng [Theo : Legierungen des Kuplike mit Zinn, Niken, Blei und anderen Metallen (Fachbuch). Deutsches Kupfer- lnstitut, Berlin 1965] .

Đồng và niken nằm liền kề nhau trong hệ thống các nguyên tố định kỳ, với số nguyên tử 29 và 28 và trọng lượng nguyên tử 63,54 và 68,71. Hai nguyên tố này có liên quan chặt chẽ và hoàn toàn có thể trộn lẫn ở cả trạng thái lỏng và rắn. Hợp kim Cu-Ni kết tinh trên toàn bộ dải nồng độ trong một mạng tinh thể lập phương tâm diện. Khoảng cách mạng tinh thể của dung dịch rắn khối trung tâm mặt thay đổi gần như tuyến tính với nồng độ nguyên tử giữa các giá trị đối với đồng () và đối với niken ().

Hợp kim Cu-Ni là hợp kim của đồng (kim loại cơ bản có hàm lượng riêng lớn nhất) và niken có hoặc không có các nguyên tố khác, theo đó hàm lượng kẽm có thể không quá 1%. Khi có các yếu tố khác, niken có hàm lượng riêng lớn nhất sau đồng, so với các nguyên tố khác.

Cũng như các hợp kim đồng khác, cần phân biệt giữa các hợp kim rèn, được chế biến thành bán thành phẩm và hợp kim đúc, từ đó vật đúc được sản xuất bởi các quá trình đúc khác nhau.

Ngoài 8,5 đến 45% Ni, hầu hết các hợp kim thương mại thường chứa mangan, sắt và thiếc để cải thiện tính chất cụ thể, hợp kim đúc cũng có bổ sung niobi và silicon.

Các hợp kim đồng-niken-silic cứng có tuổi với 1,0 đến 4,5% Ni và 0,2 đến 0,6% Be không được xử lý ở đây. Trong các tiêu chuẩn châu Âu, các hợp kim này được gán cho 'hợp kim đồng hợp kim thấp' (xem CR 13388 và các tiêu chuẩn sản phẩm có liên quan).

Hình 1: (DKI A 4049) Sơ đồ cân bằng Cu-Ni

Mặc dù niken nguyên tố chỉ được phát hiện tương đối muộn, nhưng việc sử dụng nó trong hợp kim - không có kiến ​​thức về thành phần hợp kim - đã quay trở lại ít nhất hai nghìn năm. Điều này được xác nhận bằng cách tìm thấy các đồng tiền từ thời cổ đại, có chứa tới 10% niken ngoài đồng [Theo: F. Pawlek: Metallhtlenkunde, Walter de Gruyter, Berlin-New York 1983] .

Đồng xu Cu-Ni cổ xưa nhất đã được lưu lại cho hậu thế xuất phát từ khoảng thời gian khoảng năm BC trước Công nguyên. Nó được tìm thấy ở Bactria và bao gồm một hợp kim tương tự, ví dụ như 50-Pfennig của Đức và 1 mảnh DM (khoảng 75% Cu và 25% Ni). Những đồng tiền này và nhiều đồng tiền cũ khác là những ví dụ nổi bật cho khả năng chống ăn mòn cao của hợp kim Cu-Ni.

Vào thời Trung cổ, những người khai thác Saxon đã cho một loại khoáng sản, từ màu đỏ của họ, họ đã suy ra một loại quặng đồng, biệt danh là 'Coppernickel' (niken = goblin = troll núi). Tuy nhiên, họ sẽ không thành công trong việc chiết xuất đồng từ nó - một câu thần chú được đúc trên quặng bởi một 'niken'. Đó chỉ là pyrites niken đỏ (NiAs), vì các mạch quặng làm việc trong các vỉa cũng kết hợp đồng sunfua đồng và sắt cũng như arsenide.

Ở Anh, thuật ngữ 'cupronickel' được sử dụng vào đầu thế kỷ 20 cho một hợp kim 80% Cu và 20% Ni. Ở Đức, mô tả 'Hợp kim Cu-Ni' được sử dụng chung cho nhóm vật liệu chứa ít hơn 50% Ni (xem 1.).

Hợp kim Cu-Ni có bổ sung mangan rất quan trọng trong kỹ thuật điện được đề cập lần đầu tiên vào năm 1895 trong bài báo của Physikalisch-Technischen Reichsanstalt ở Berlin về 'Tính chất điện của hợp kim Cu-Ni'. Khoảng năm 1925, người ta đã nhận ra rằng việc bổ sung sắt giúp cải thiện đáng kể khả năng chống lại hợp kim Cu-Ni đối với sự ăn mòn trong nước biển chảy và các vùng nước hung dữ khác.

Sơ đồ cân bằng Cu-Ni:

Sơ đồ cân bằng được thành lập đầu tiên bởi Gürtler và Tammann và sau đó được cải thiện bởi Pilling và Kihlgren, trong số những người khác. Hình 1 cho thấy sơ đồ cân bằng Cu-Ni [3] .

Hợp kim của hai kim loại tạo thành một chuỗi các dung dịch rắn liên tục có mạng tinh thể lập phương tâm diện, tức là hệ Cu-Ni thể hiện khả năng hòa tan hoàn toàn ở cả trạng thái lỏng và rắn. Do đó sơ đồ cân bằng rất đơn giản. Các điểm nóng chảy của hai thành phần mở rộng đến một phạm vi nóng chảy trong hợp kim. Đường cong trên, tạo thành ranh giới dưới của sự tan chảy chất lỏng, được gọi là 'chất lỏng'. Đường cong tạo thành ranh giới trên của khu vực của một tinh thể được gọi là 'solidus'. Một khu vực hai pha trong đó chất lỏng và tinh thể cùng tồn tại được hình thành giữa chất lỏng và chất rắn.

Bên dưới một đường thẳng chấm chấm ở phía dưới bên phải, hành vi là sắt từ, phía trên nó là thuận từ. Do đó, ví dụ, tất cả các hợp kim lên đến 80% Ni đều có tính thuận từ ở 150 ºC trong khi ở hợp kim 20 ºC chứa hơn 68,5% niken biểu hiện hành vi sắt từ.

Hình 2: (DKI A 4963) Độ bền kéo và độ giãn dài của hợp kim Cu-Ni là hàm của hàm lượng niken	Hình 3: (DKI A 4050) Đặc tính làm mềm của hợp kim Cu-Ni chứa 20% Ni với các bổ sung mangan khác nhau

 

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim:

Niken có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất vật lý và cơ học của hợp kim Cu-Ni (xem 2.). Trong khi độ bền kéo, độ bền bằng chứng 0,2%, cường độ nóng, nhiệt độ rắn và chất lỏng và khả năng chống ăn mòn tăng với hàm lượng niken, độ dẫn nhiệt và điện giảm. Độ bền kéo và độ giãn dài được thể hiện trong hình 2 như là một hàm của hàm lượng niken. Độ bền kéo tăng theo hàm lượng niken, độ giãn dài gần như không đổi sau khi giảm nhẹ (tới 5% Ni).

Mangan được thêm vào để tan chảy để khử oxy. Nó liên kết với lưu huỳnh, gây bất lợi cho hoạt động nóng, vì mangan sunfua vô hại, cải thiện đặc tính đúc, tăng sức mạnh và đặc biệt là nhiệt độ làm mềm ( Hình 3 ).

Hình 4: (DKI A 4053) Giới hạn hòa tan của sắt đối với hợp kim Cu-Ni chứa 10% Ni là hàm của nhiệt độ	Hình 5: (DKI A 4054) Ảnh hưởng của sắt đến sự thay đổi độ cứng của hợp kim Cu-Ni chứa 10% Ni (mẫu được làm nguội từ 900 ° C và nhiệt được xử lý trong 2 giờ ở các nhiệt độ khác nhau)

 

Sắt - hòa tan trong dung dịch rắn - làm tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim Cu-Ni. Nó thúc đẩy sự hình thành của một lớp bảo vệ đồng nhất, tuân thủ trong nước và do đó cải thiện khả năng chống ăn mòn, chủ yếu trong nước biển chảy nhanh (xem 2.3). Độ hòa tan của sắt trong dung dịch rắn Cu-Ni giảm khi nhiệt độ hạ thấp ( Hình 4 ), tức là các hợp kim này - tốt nhất là có hàm lượng sắt cao hơn - khó bị lão hóa. Độ hòa tan của sắt cũng phụ thuộc vào hàm lượng niken của hợp kim, tăng theo hàm lượng niken để đạt mức tối đa 30% niken và giảm trở lại khi hàm lượng niken tiếp tục tăng. Hình 5 cho thấy ảnh hưởng của sắt đến độ cứng. Tính chất cơ học được cải thiện phần nào bằng sắt. Khả năng làm việc lạnh là hơi xấu đi.

Thiếc như một yếu tố bổ sung làm tăng độ bền kéo, chống xỉn màu và chống mài mòn của hợp kim Cu-Ni. Hợp kim Cu-Ni chứa c. 2% Sn được phân biệt bởi khả năng chống thư giãn rất tốt và do đó được sử dụng làm vật liệu lò xo. Hợp kim có hàm lượng thiếc thậm chí cao hơn (4 đến 10%) cũng có thể được làm cứng theo tuổi ( Hình 6 ).

Hình 6 : (DKI A 4964) Độ cứng của hợp kim Cu-Ni (84,5% Cu, 7,5% Ni, 8% Sn)

Silicon cải thiện khả năng đúc của hợp kim đúc và đồng thời hoạt động như chất khử oxy. Trong hệ thống Cu-Ni, độ hòa tan của silic tăng theo hàm lượng niken. Lên đến giới hạn độ hòa tan, tăng hàm lượng silicon tăng cường độ và giảm độ dẻo.

Niobi làm tăng độ bền kéo và độ bền bằng chứng, trong khi độ giãn dài giảm xuống. Tác dụng thuận lợi của niobi đối với khả năng hàn của hợp kim đúc là rất quan trọng (xem 3.6.1).

Chì được giữ dưới 0,02% trong các hợp kim rèn dành cho gia công nóng. Ngay cả hàm lượng chì của hơn 0,01% khả năng hàn. Tuy nhiên, các hợp kim đúc có hàm lượng chì cao, ví dụ như trong ASTM B 584 từ 1 đến 11% Pb (C97300 đến C97800), nổi tiếng và được sử dụng để gia công.

Kẽm là thành phần chính của hợp kim đồng-niken-kẽm (trước đây là 'bạc niken' hoặc bạc Đức), được xử lý trong một tập sách thông tin đặc biệt của DKI. Ngược lại, hàm lượng kẽm trong hợp kim Cu-Ni bị giới hạn ở mức tối đa 1%. Hợp kim không có kẽm được yêu cầu làm vật liệu cho các phụ kiện trong ống điện tử để tránh sự bay hơi kẽm.

Titanium thúc đẩy sự hình thành các mối hàn không có lỗ rỗng vì nó có thể liên kết oxy, hydro và nitơ, do nó có ái lực cao với các khí này. Do đó titan là thành phần thiết yếu của vật tư hàn.

Phốt pho có tác dụng hấp thụ mạnh trong các hợp kim Cu-Ni và làm giảm khả năng hàn (độ ngắn nóng và hình thành vết nứt). Do đó hàm lượng phốt pho được giữ ở mức thấp nhất có thể, nhưng nhiều nhất là 0,015 đến 0,05%.

Hơn nữa, crôm, nhôm và berili rất thú vị khi là nguyên tố hợp kim. Những bổ sung này làm cho hợp kim Cu-Ni khó bị lão hóa. Chromium làm tăng sức mạnh và có tác dụng thuận lợi đáng ngạc nhiên đối với khả năng chống ăn mòn trong nước biển chảy xiết và xói mòn bởi chất rắn. Nhôm làm tăng sức mạnh, nước biển và khả năng chống co giãn. Beryllium có tác dụng mạnh nhất đối với các tính chất cơ học sau khi làm cứng tuổi.

Độ hòa tan của carbon trong niken (tối đa 0,18%) bị giảm nghiêm trọng khi hàm lượng đồng tăng lên - khoảng 0,01% với hàm lượng đồng là 90%. Carbon không gây bất lợi trong hợp kim Cu-Ni.

Cobalt thường có thể xảy ra như một thành phần không được kiểm soát trong hợp kim Cu-Ni tùy thuộc vào hàm lượng coban của niken được sử dụng.

Antimon, asen, lưu huỳnh, Tellurium và bismuth được sử dụng với số lượng nhỏ, một mình hoặc kết hợp và không nên có mặt trong thực tế trong các hợp kim Cu-Ni.

Bảng 1 : Hợp kim Cu-Ni rèn đến EN; Thành phần

Hợp kim 1.4 Cu-Ni trong EN và các tiêu chuẩn DIN trước đây:

Hợp kim rèn Cu-Ni được tiêu chuẩn hóa trong các tiêu chuẩn EN khác nhau. Bảng 1 cho thấy thành phần của các hợp kim này. Theo ISO 1190-1, ký hiệu nhận dạng CuNi được áp dụng cho các hợp kim Cu-Ni rèn, theo sau là một số biểu thị hàm lượng niken trung bình. Do đó CuNi25 chứa khoảng. 75% Cu và 25% Ni. Các yếu tố bổ sung khác được chỉ định trong biểu tượng nhận dạng bằng cách gắn biểu tượng hóa học và rất thường xuyên bằng cách nêu nội dung trung bình. Hợp kim rèn Cu-Ni được cung cấp dưới dạng dải, tấm, tấm, ống, thanh, dây và vật rèn (Bảng 2). Dữ liệu về tính chất cơ học được đưa ra trong các tiêu chuẩn bán chế tạo tương ứng cho các hợp kim tương ứng.

EN chỉ chứa hợp kim nhị phân CuNi25. Các hợp kim nhị phân khác có chứa 2, 6 và 10% Ni có thể được sử dụng ở nhiệt độ ứng dụng tối đa 300 đến 400ºC. và được tiêu chuẩn hóa như hợp kim kháng trong DIN 17 471 trong số những người khác. Các hợp kim tiêu chuẩn có chứa mangan và sắt cũng được bao gồm được đặc trưng bởi ký hiệu hóa học sau đây cho mangan hoặc sắt nếu và trong trường hợp cần thiết để phân biệt các vật liệu tương tự, ví dụ CuNi23Mn (23% Ni, 1,5% Mn và do đó khoảng 75,5% Cu), CuNi30Mn (30% Ni, 3% Mn và khoảng 67% Cu) hoặc CuNi44 cho hợp kim chứa 44% Ni, 1% Mn và 55% Cu, trong ký hiệu nhận dạng chỉ có số lượng hàm lượng niken trung bình được nêu. Ba vật liệu cuối cùng được chỉ định phù hợp với nhiệt độ ứng dụng tối đa từ 500 đến 600ºC.

Thành phần của hợp kim đúc Cu-Ni được tiêu chuẩn hóa trong EN 1982 được nêu trong Bảng 4. EN 1982 cũng chứa các tính chất cơ học đặc trưng. Số theo ký hiệu nhận dạng CuNi đại diện cho hàm lượng niken trung bình. AC với dấu gạch nối được đặt sau đó, làm ký hiệu nhận dạng để đúc hợp kim - ví dụ CuNi10Fe1Mn1-C. Hợp kim Cu-Ni có hàm lượng chì cao hơn được tiêu chuẩn hóa tại Hoa Kỳ, nhưng không phải ở Đức.

Trong số các tiêu chuẩn bao gồm hợp kim Cu-Ni, trong số các tiêu chuẩn khác, phải đề cập đến EN 12451 (Ống dùng cho bộ ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt), DIN 1653 (Tấm cho thiết bị ngưng tụ và bộ trao đổi nhiệt), EN 12452 (Ống có vây cuộn để sưởi ấm bộ trao đổi), DIN 74 234 (Hệ thống phanh thủy lực, ống, mặt bích), DIN 1733 (Vật liệu hàn cho hợp kim đồng và đồng), DIN 46 460, DIN 46 461, DIN 46 462 và DIN 46 464 (Dây tròn của hợp kim điện trở ) và DIN 46 465 (Dây phẳng của hợp kim điện trở).

Bảng 2: Hợp kim Cu-Ni rèn theo tiêu chuẩn sản phẩm EN; Các hình thức bán chế tạo có sẵn

Bảng 3: Hợp kim Cu-Ni là hợp kim kháng với DIN 17 471 (04.1983)-Thành phần

Các tiêu chuẩn Quốc tế:(So sánh các mác tương tự của các quốc gia và tiêu chuẩn khác nhau)

Nhật Bản	Châu Âu EN	Đức DIN	Anh BS[2]	Pháp [3]	Hoa Kỳ UNS [1]	Tiêu chuẩn QT ISO [4]
C72900	CuNi9Sn2	CuNi9Sn2	-	-	72500	CuNi9Sn2
	CuNi10Fe1-Mn	CuNi10Fe1Mn	CN102	CuNi10Fe1Mn	C 70600	CuNi10Fe1Mn
	CuNi25	CuNi25	CN105	CuNi25	C 71300	CuNi25
	CuNi30Mn1-Fe	CuNi30Mn1Fe	CN107	CuNi30Mn1Fe	71500	CuNi30Mn1Fe
	CuNi30Fe2-Mn2	CuNi30Fe2Mn2	CN108	CuNi30Fe2Mn2	C 71640	CuNi30Fe2Mn2
	CuNi44Mn1	CuNi44Mn1	-	CuNi44	72150	CuNi44Mn1
	CuNi10Fe1-Mn1-C	G-CuNi10	-	-	C 96200	-
	CuNi30Fe1-Mn1-C	-	-	-	-	-
	CuNi30Cr2-FeMnSi-C	-	-	-	-	-
	CuNi30Fe1-Mn1NbSi-C	G-CuNi30	N2	-	C 96400	G-CuNi30Nb

[1] UNS = Hệ thống đánh số thống nhất.  [2] BS = Tiêu chuẩn Anh.  [3] NF = Norme Franaise  [4] ISO = Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế

Mời Quý khách xem tiếp Phần 2: Hợp kim đồng-niken Tính chất, gia công, ứng dụng - Phần 2

 

ĐỪNG NGẦN NGẠI HÃY GỌI NGAY CHO CHÚNG TÔI - CHÚNG TÔI LUÔN SẴN SÀNG PHỤC VỤ

HOẶC CLICK: ĐỀ NGHỊ BÁO GIÁ