Термодинамика химической и электрохимической устойчивости медно-никелевых сплавов (стр. 1 из 11)
Дипломная работа
"Термодинамика химической и электрохимической устойчивости медно-никелевых сплавов"
Введение
В группу медно-никелевых сплавов входят такие сплавы на основе меди, в которых никель является основным легирующим компонентом, оказывающим решающее влияние на свойства. В зависимости от содержания никеля и других легирующих компонентов, такие сплавы обладают различными физико-механическими характеристиками: прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и жароупорностью и другими свойствами.
Медно-никелевые сплавы используются в различных областях промышленности, начиная от судостроения и заканчивая изготовлением деталей прецизионных механизмов. Очень часто изделия из медно-никелевых сплавов работают в агрессивных коррозивных средах: морской воде, парах воды и других газах.
Именно поэтому исследования коррозионного поведения медно-никелевых сплавов в различных условиях широко проводились и проводятся.
Целью данной работы является изучение термодинамики химической и электрохимической устойчивости мельхиоров МН19 и МНЖМц30–1–1.
1. Литературный обзор
1.1 Медно-никелевые сплавы
1.1.1 Классификация и общая характеристика медно-никелевых сплавов
Медно-никелевые сплавы по механическим, физико-химическим свойствам и областям применения можно условно разделить на следующие основные группы: конструкционные, термоэлектродные, сплавы сопротивления и сплавы с особыми свойствами [1].
В России маркировку сплавов проводят следующим образом:
Каждый элемент, входящий в сплав имеет своё собственное буквенное обозначение. Некоторые из них представлены в табл. 1.1.
Табл. 1.1. Буквенные обозначения некоторых элементов в России
| Элемент | Обозначение | Элемент | Обозначение |
| Zn | Ц | Pb | С |
| Mn | Мц | Fe | Ж |
| Al | А | Si | К |
| Ni | Н | P | Ф |
| Sn | О | Ti | Т |
| Be | Б | Cr | Х |
| Cu | М |
Название сплава состоит из букв элементов, входящих в него. Вначале ставятся буквы основных компонентов, определяющих свойства сплава, а затем буквы остальных компонентов в порядке уменьшения содержания этих элементов в сплаве. Среднее содержание элементов в сплаве указывается цифрами, разделёнными тире, сразу после буквенного обозначения сплава в том же порядке, в котором расположены буквы элементов в названии сплава. Содержание основного компонента не указывается, а рассчитывается как разность 100% и суммарного содержания всех легирующих компонентов.
Например, сплав МН10 содержит в своём составе 10% (по массе) никеля (Н), остальное – медь (М). Сплав МНЦС16–29–1,8 содержит в своём составе 16% никеля (Н), 29% цинка (Ц), 1,8% свинца (С), остальное – медь (М) [2].
К конструкционным сплавам относят мельхиоры, нейзильберы и некоторые другие сплавы. Их применяют для изготовления деталей с повышенными механическими и коррозионными свойствами (см. табл. 1.2.).
Табл. 1.2. Свойства и назначения некоторых конструкционных медно-никелевых сплавов
| Название и марка сплава | Типичные механические свойства | Примерное назначение | ||
 |  |  | ||
| Мельхиор МН19 | 35 | 35 | 70 | Медицинский инструмент, детали точной механики, изделия широкого потребления |
| Мельхиор МНЖМц30–1–1 | 38 | 45 | 70 | Трубы для конденсаторов |
| Нейзильбер МНЦ15–20 | 40 | 45 | 70 | Детали приборов точной механики, техническая посуда, художественные изделия, изделия широкого потребления |
Мельхиоры содержат 20 – 30% никеля и часто дополнительно легируются железом и марганцем. Нейзильберы относятся к тройной системе Cu – Ni – Zn и содержат 5 – 35% никеля и 13 – 45% цинка [3].
Также в группу конструкционных сплавов входят нейзильбер МНЦС16–29–1,8, используемый в производстве деталей часовых механизмов, куниали МНА6–1,5 и МНА13–3, из которых изготовляют детали повышенной прочности и пружины ответственного назначения, сплавы МН5 и МНЖ5–1, используемые в производстве прутьев и труб и другие сплавы.
Важнейшими представителями термоэлектродных сплавов являются хромель, алюмель, копель и сплавы для компенсационных проводов. Эти сплавы отличаются большой электродвижущей силой и высоким удельным электросопротивлением при малом температурном коэффициенте электросопротивления. Применяются они для изготовления прецизионных приборов, термопар и компенсационных проводов к ним.
Например, копель (МНМц43–0,5) применяют для создания радиотехнических приборов и в пирометрии, сплав МН0,6 – как компенсационные провода к платино-платинородиевым термопарам, а сплав МН16 – как компенсационные провода к платино-золотым и палладий-платинородиевым термопарам.
Наконец, к группе сплавов сопротивления и сплавов с особыми свойствами относятся сплавы, обладающие высокой жаропрочностью и жароупорностью и применяющиеся для изготовления разного рода электронагревательных приборов и электропечей.
Например, константан (МНМц40–1,5) применяется для производства реостатов, термопар, нагревательных приборов, работающих при температурах до 500оС. Манганин (МНМц3–12) используется в производстве электроизмерительных приборов и приборов электросопротивления, работающих при температурах ниже 100оС [1].
1.1.2 Влияние примесей на свойства медно-никелевых сплавов
Добавки других элементов в медно-никелевые сплавы в качестве легирующих компонентов или их присутствие в качестве примесей существенно влияет на механические, технологические и физико-химические свойства этих сплавов.
Алюминий значительно растворяется, как в меди, так и в никеле. Его часто добавляют в сплавы как раскислитель и дегазатор. Добавки алюминия несколько увеличивают прочность и пластичность, но не влияют на электропроводность и термоэдс. Также они понижают температуру магнитных превращений.
Железо значительно облегчает процессы обработки сплавов, однако значительно понижает их жаропрочность и термоэдс. Поэтому примеси железа в термоэлектродных сплавах и сплавах сопротивления нежелательны. Однако добавки железа к мельхиорам повышают их стойкость против ударной коррозии.
Кремний ограниченно растворим как в никеле, так и в меди и иногда применяется в качестве раскислителя. Кремний снижает пластичность сплавов, вызывая брак по трещинам при обработке давлением. На термоэлектродные сплавы кремний влияет отрицательно, и его содержание не должно превышать 0,002%. В сплавах сопротивления кремния может быть не больше 0,1%.
Марганец положительно влияет на механические свойства и жаростойкость медно-никелевых сплавов. Кроме того, марганец является хорошим раскислителем, он парализует вредное влияние серы. Полезно добавлять марганец в мельхиоры, так как он устраняет хрупкость сплавов после отжига при наличии в них углерода.
Магний иногда применяется в качестве раскислителя и дегазатора. Также он парализует вредное влияние серы.
Цинк является одним из основных компонентов в нейзильберах. Однако он является вредной примесью в термоэлектродных сплавах и сплавах сопротивления из-за того, что легко испаряется.
Хром растворим в никеле в твёрдом состоянии, причём при нагревании растворимость повышается. Хром повышает электросопротивление и жаростойкость.
Сера является очень вредной примесью. При затвердевании её соединения с никелем выделяются по границам кристаллитов, придавая сплаву хрупкость. При содержании серы 0,01% сплавы легко разрушаются при обработке давлением. Вредное действие серы можно нейтрализовать, вводя в сплавы марганец, магний или литий.
Кислород также отрицательно влияет на медно-никелевые сплавы. Сплавы, содержащие кислород склонны к «водородной болезни». Кроме того, он придаёт сплавам хрупкость.
Углерод ничтожно мало растворим в медно-никелевых сплавах. При содержании никеля 30% растворимость углерода составляет всего лишь 0,045%. При содержании углерода выше предела растворимости, он выделяется в виде графита по границам кристаллитов, что способствует быстрому разрушению готовых изделий от интеркристаллитной коррозии.
Висмут и свинец – вредные примеси. При их содержании более 0,002% сплавы легко разрушаются при горячей обработки давлением. Свинец вводится лишь в нейзильбер МНЦС16–29–1,8 для улучшения его обрабатываемости резанием. Но этот сплав можно обрабатывать давлением только в холодном состоянии.
Сурьма и мышьяк – вредные примеси. Они резко ухудшают обрабатываемость сплавов давлением.
Фосфор и кадмий – вредные примеси, так как они резко снижают механические, физические и технологические свойства сплавов.
Добавки кальция, бора и циркония в количестве до 0,05 – 0,1% несколько увеличивают пластичность [1].
1.1.3 Характеристики мельхиоров МН19 и МНЖМц30–1–1
Мельхиор МН19 отличается высокой коррозионной стойкостью, высокими механическими свойствами, хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии. Листы и ленты из МН19 применяют для изготовления разменной монеты, медицинского инструмента, сеток, деталей в точной механике и химической промышленности, а так же для производства изделий широкого потребления.
Мельхиор МНЖМц30–1–1 обладает хорошими механическими свойствами, удовлетворительно обрабатывается давлением в горячем и холодном состоянии. Отличительной особенностью МНЖМц30–1–1 является его высокая коррозионная стойкость в пресной и морской воде и в парах воды. Поэтому он широко применяется в морском судостроении, главным образом, для изготовления конденсаторных труб, работающих в тяжёлых условиях при повышенных скоростях воды, давлениях и температурах, где медные и латунные трубы неприемлемы.