Cupronickel

Cupronickel eller koppar-nickel ( CuNi) är en legering av koppar som innehåller nickel och stärkande element, såsom järn och mangan . Kopparhalten varierar typiskt från 60 till 90 procent. ( Monel är en nickel-kopparlegering som innehåller minst 52 procent nickel.)

Trots sin höga kopparhalt är cupronickel silverfärgad. Cupronickel är mycket motståndskraftig mot korrosion från saltvatten och används därför för rörledningar, värmeväxlare och kondensorer i havsvattensystem , såväl som för marin hårdvara. Det används ibland för propellrar , propelleraxlar och skrov på högkvalitativa båtar . Andra användningsområden inkluderar militär utrustning och kemisk, petrokemisk och elektrisk industri.

En annan vanlig användning av cupronickel från 1900-talet var silverfärgade mynt . För denna användning har den typiska legeringen 3:1 koppar till nickelförhållande, med mycket små mängder mangan.

Förr var äkta silvermynt förminskade med cupronickel, till exempel mynt av pund sterling från 1947 och framåt som fick sitt innehåll ersatt.

namn

Förutom cupronickel och kopparnickel har flera andra termer använts för att beskriva materialet: handelsnamnen Alpaka eller Alpacca , Argentan Minargent , den registrerade franska termen cuivre blanc och den romaniserade kantonesiska termen Paktong , 白銅 (de båda franska och kantonesiska termerna betyder "vit koppar"); cupronickel ses också ibland till som hotellsilver , plata alemana ( spanska för "tyskt silver"), tyskt silver och kinesiskt silver .

Ansökningar

Marinteknik

Cupronickel-legeringar används för marina applikationer på grund av deras motståndskraft mot korrosion i havsvatten , goda tillverkningsmöjligheter och deras effektivitet för att sänka nivåerna av makrobeväxning . Legeringar som sträcker sig i sammansättning från 90 % Cu–10 % Ni till 70 % Cu–30 % Ni specificeras vanligtvis i värmeväxlare eller kondensorrör i en mängd olika marina applikationer.

Viktiga marina applikationer för cupronickel inkluderar:

  • Skeppsbyggnad och reparation: skrov på båtar och fartyg, havsvattenkylning, läns och ballast, sanitet, brandbekämpning, inert gas, hydrauliska och pneumatiska kylsystem.
  • Avsaltningsanläggningar : brinevärmare, värmeavvisning och återvinning, och i förångarrör.
  • Offshore olje- och gasplattformar och process- och FPSO- fartyg: system och stänkzoner.
  • Kraftgenerering : ångturbinkondensatorer, oljekylare, extrakylsystem och högtrycksförvärmare vid kärnkraftverk och fossilbränslekraftverk.
  • Sjövattensystemkomponenter: kondensor- och värmeväxlarrör, rörplåtar, rörledningar, högtryckssystem, kopplingar, pumpar och vattenlådor.

Mynt

Fem schweiziska franc
Fem indiska rupier, till minne av ILO .

Den framgångsrika användningen av kupronickel i mynt beror på dess korrosionsbeständighet , elektriska ledningsförmåga , hållbarhet, formbarhet , låg allergirisk , lätthet att stämpla , antimikrobiella egenskaper och återvinningsbarhet .

I Europa var Schweiz banbrytande för nickelmiljardmynt 1850 , med tillägg av silver. 1968 antog Schweiz det mycket billigare förhållandet mellan koppar och nickel på 75:25 som sedan användes i Belgien , USA och Tyskland. Från 1947 till 2012 gjordes allt "silver" -mynt i Storbritannien av cupronickel, men från 2012 och framåt ersattes de två minsta cupronickelvalörerna med billigare förnicklade stålmynt.

Delvis på grund av silverhamstring under inbördeskriget använde United States Mint först cupronickel för att cirkulera mynt i trecentsbitar med början 1865 och sedan för femcentsbitar med början 1866. Före dessa datum hade båda valörerna varit tillverkad endast i silver i USA. Cupronickel är beklädnaden på vardera sidan av USA:s halvdollar (50¢) sedan 1971, och alla fjärdedelar (25¢) och dimes (10¢) tillverkade efter 1964. För närvarande cirkulerar en del mynt, såsom USA:s Jefferson-nickel (5¢), den schweiziska francen och den sydkoreanska 500 och 100 won är gjorda av solid cupronickel (förhållande 75:25).

Annan användning

En termoelementövergång bildas av ett par termoelementledare som järnkonstantan, kopparkonstantan eller nickel-krom/nickel-aluminium. Kopplingen kan skyddas i ett hölje av koppar, kupronickel eller rostfritt stål.

Cupronickel används i kryogena applikationer. Dess kombination av god duktilitetsbevarande och värmeledningsförmåga vid mycket låga temperaturer är fördelaktig för lågtemperaturbearbetnings- och lagringsutrustning samt för värmeväxlare vid kryogena anläggningar.

Från och med början av 1900-talet tillverkades kuljackor vanligtvis av detta material . Det ersattes snart med förgyllande metall för att minska metallpåsmutsning i hålet .

För närvarande förblir cupronickel och nickelsilver grundmaterialet för silverpläterade bestick. Det används ofta för mekanisk och elektrisk utrustning, medicinsk utrustning, dragkedjor, smycken och både för strängar för instrument i fiolfamiljen och för gitarrband. Fender Musical Instruments använde "CuNiFe"-magneter i sin "Wide Range Humbucker " pickup för olika Telecaster- och Starcaster - gitarrer under 1970-talet. [ citat behövs ]

För högkvalitativa cylinderlås och låssystem är cylinderkärnor tillverkade av slitstark cupronickel.

Cupronickel har använts som ett alternativ till traditionella stålbromslinor, eftersom den inte rostar. Eftersom cupronickel är mycket mjukare än stål böjs och böjs den lättare, och samma egenskap gör att den kan bilda en bättre tätning med hydrauliska komponenter.

Egenskaper

Cupronickel saknar en kopparfärg på grund av nickels höga elektronegativitet, vilket orsakar en förlust av en elektron i koppars d-skal (lämnar 9 elektroner i d-skalet kontra ren koppars typiska 10 elektroner).

Viktiga egenskaper hos kopparnickellegeringar inkluderar korrosionsbeständighet , inneboende motståndskraft mot makrobeväxning , god draghållfasthet , utmärkt duktilitet vid glödgning , värmeledningsförmåga och expansionsegenskaper tillgängliga för värmeväxlare och kondensorer , god värmeledningsförmåga och duktilitet vid kryogena antirobiska ytegenskaper och fördelaktiga ytberöringsegenskaper .

Egenskaper hos vissa Cu-Ni-legeringar
Legering
Densitet g/cm 3
Värmeledningsförmåga W/(m·K)
TEC μm/(m·K)
Elektrisk resistivitet μOhm·cm
Elastisk modul GPa
Sträckgräns MPa
Draghållfasthet MPa
90–10 8.9 40 17 19 135 105 275
70–30 8,95 29 16 34 152 125 360
66–30–2–2 8,86 25 15.5 50 156 170 435

Legeringarna är:

UNS standardsammansättningar* av smideslegeringar (i at%). Maximum eller räckvidd.
Legering UNS nr. Vanligt namn Europeiska spec Ni Fe Mn Cu
C70600 90–10 CuNi 10 Fe 9–11 1–1,8 1 Balans
C71500 70–30 CuNi 30 Fe 29–33 0,4–1,0 1 Balans
C71640 66–30–2–2 29–32 1,7–2,3 1,5–2,5 Balans
  • Dessa värden kan variera i andra standarder

Subtila skillnader i korrosionsbeständighet och styrka avgör vilken legering som väljs. Nedför tabellen ökar den maximalt tillåtna flödeshastigheten i rörledningar, liksom draghållfastheten.

I havsvatten har legeringarna utmärkta korrosionshastigheter som förblir låga så länge som den maximala designerade flödeshastigheten inte överskrids. Denna hastighet beror på geometri och rördiameter. De har hög motståndskraft mot sprickkorrosion , spänningskorrosionssprickor och väteförsprödning som kan vara besvärande för andra legeringssystem. Kopparnickel bildar naturligt ett tunt skyddande ytskikt under de första veckorna av exponering för havsvatten och detta ger dess pågående motstånd. Dessutom har de en hög inneboende biologisk beväxningsresistens mot vidhäftning av makrobeväxtare (t.ex. sjögräs och blötdjur ) som lever i havsvattnet. För att kunna använda denna egenskap till sin fulla potential måste legeringen vara fri från effekterna av, eller isolerad från, någon form av katodiskt skydd .

Cu-Ni-legeringar kan dock uppvisa höga korrosionshastigheter i förorenat eller stillastående havsvatten när sulfider eller ammoniak är närvarande. Det är därför viktigt att undvika exponering för sådana förhållanden, särskilt under driftsättning och återmontering medan ytfilmerna mognar. Järnsulfatdosering till havsvattensystem kan ge förbättrat motstånd.

Spricka i 90–10 Cu–Ni metallplåt på grund av spänningar vid silverlödning

Som koppar- och nickellegering med varandra lätt och har enkla strukturer, är legeringarna formbara och lätttillverkade. Styrka och hårdhet för varje enskild legering ökas genom kallbearbetning ; de härdas inte genom värmebehandling . Sammanfogning av 90–10 (C70600) och 70–30 (C71500) är möjlig genom både svetsning eller lödning . De är båda svetsbara med de flesta tekniker, även om autogena (svetsning utan svetstillsatsmaterial) eller oxyacetylenmetoder inte rekommenderas. 70–30 istället för 90–10 svetstillsatser är normalt att föredra för båda legeringarna och ingen eftersvetsvärmebehandling krävs. De kan också svetsas direkt på stål, förutsatt att en 65 % nickel-koppar svetstillsats används för att undvika järnutspädningseffekter. C71640-legeringen tenderar att användas som sömlösa rör och expanderas snarare än svetsas in i rörplattan. Lödning kräver lämpliga silverbaserade hårdlödningslegeringar. Stor noggrannhet måste dock iakttas för att säkerställa att det inte finns några spänningar i Cu-Ni som silverlöds, eftersom varje spänning kan orsaka intergranulär penetrering av hårdlödningsmaterialet och allvarliga spänningssprickor (se bild). Således är fullständig glödgning av eventuella mekaniska påkänningar nödvändig.

Applikationer för Cu-Ni-legeringar har stått emot tidens tand, eftersom de fortfarande används i stor utsträckning och sträcker sig från havsvattensystemrör, kondensorer och värmeväxlare i örlogsfartyg, kommersiell sjöfart, flerstegs snabbavsaltning och kraftverk. De har också använts som stänkzonsbeklädnad på offshorekonstruktioner och skyddsbeklädnad på båtskrov, såväl som för själva solida skrov.

Tillverkning

På grund av dess duktilitet kan cupronickel-legeringar lätt tillverkas i en mängd olika produktformer och beslag. Cupronickelslangar kan lätt expanderas till tubplåtar för tillverkning av skal- och tubvärmeväxlare .

Detaljer om tillverkningsprocedurer, inklusive allmän hantering, skärning och bearbetning, formning, värmebehandling, förberedelse för svetsning, svetsförberedelser, häftsvetsning, svetstillsatsmaterial, svetsprocesser, målning, mekaniska egenskaper hos svetsar och rör- och rörböjning finns tillgängliga.

Standarder

ASTM- , EN- och ISO -standarder finns för beställning av bearbetade och gjutna former av kupronickel.

Termoelement och resistorer vars resistans är stabil över temperaturförändringar innehåller legeringskonstantan, som består av 55 % koppar och 45 % nickel.

Historia

kinesisk historia

Cupronickellegeringar var kända som "vit koppar" för kineserna sedan omkring det tredje århundradet f.Kr. Vissa vapen tillverkade under de krigande staterna gjordes med Cu-Ni-legeringar. Teorin om det kinesiska ursprunget för baktrisk cupronickel föreslogs 1868 av Flight, som fann att mynten som anses vara de äldsta cupronickelmynten som hittills upptäckts var av en mycket liknande legering som kinesisk paktong .

Författaren-forskaren, Ho Wei, beskrev exakt processen att göra cupronickel omkring 1095 e.Kr. Paktonglegeringen beskrevs som tillverkad genom att tillsätta små piller av naturligt förekommande yunnanmalm till ett bad av smält koppar. När en slaggskorpa bildades tillsattes salpeter, legeringen rördes om och götet göts omedelbart . Zink nämns som ingrediens men det finns inga detaljer om när det tillsattes. Den använda malmen noteras som enbart tillgänglig från Yunnan , enligt historien:

"San Mao Chun var i Tanyang under ett svältår när många människor dog, så med vissa kemikalier projicerade Ying dem på silver, förvandlade det till guld, och han omvandlade också järn till silver – vilket gjorde att mångas liv kunde räddas [ genom att köpa spannmål genom detta falska silver och guld] Därefter kallade alla de som beredde kemiska pulver genom att värma och omvandla koppar genom projektion sina metoder "Tanyang-tekniker".

Den sena Ming- och Qing-litteraturen har mycket lite information om paktong . Det nämns dock först specifikt vid namn i Thien Kung Khai Wu från cirka 1637:

"När lu kan shih (zinkkarbonat, calamin ) eller wo chhein (zinkmetall) blandas och kombineras med chih thung (koppar) får man 'gul brons' (vanlig mässing). När phi shang och andra arsenikämnen värms upp med det, man får 'vit brons' eller vit koppar: pai string . När alun och niter och andra kemikalier blandas samman får man ching thung : grön brons."

Ko Hung uttalade år 300 e.Kr.: "Tanyang-koppar skapades genom att kasta ett kvicksilverelixir i Tanyang-koppar och upphettat guld kommer att bildas." Men Pha Phu Tsu och Shen I Ching beskriver en staty i de västra provinserna som varande av silver, tenn, bly och Tanyang-koppar – som såg ut som guld och kunde smidas för att plätera och lägga in kärl och svärd.

Joseph Needham et al. hävda att kupronickel åtminstone var känd som en unik legering av kineserna under Liu Ans regeringstid 120 f.Kr. i Yunnan. Dessutom grundades den Yunnanesiska staten Tien 334 f.Kr. som en koloni av Chu. Sannolikt var modern paktong okänd för dåtidens kineser – men den naturligt förekommande Yunnan-malm-cupronickellegeringen var sannolikt en värdefull handelsvara för intern handel.

Grekisk-bakteriskt mynt

År 1868 upptäckte W. Flight ett grekisk-baktriskt mynt bestående av 20 % nickel som daterades från 180 till 170 f.Kr. med Euthydemus II: s byst på framsidan. Mynt av en liknande legering med byster av hans yngre bröder, Pantaleon och Agathocles , präglades runt 170 f.Kr. Sammansättningen av mynten verifierades senare med den traditionella våta metoden och röntgenfluorescensspektrometri. Cunningham föreslog 1873 den "bakterianska nickelteorin", som föreslog att mynten måste ha varit resultatet av handel över land från Kina genom Indien till Grekland. Cunninghams teori fick stöd av forskare som WW Tarn, Sir John Marshall och J. Newton Friend, men kritiserades av ER Caley och S. van R. Cammann.

1973 antydde Cheng och Schwitter i sina nya analyser att de baktriska legeringarna (koppar, bly, järn, nickel och kobolt) var nära lika den kinesiska paktong, och av nio kända asiatiska nickelfyndigheter kunde endast de i Kina ge identiska kemiska sammansättningar. Cammann kritiserade Cheng och Schwitters tidning och menade att nedgången av kupronickelvalutan inte borde ha sammanfallit med öppnandet av Sidenvägen. Om den baktriska nickelteorin vore sann, enligt Cammann, Sidenvägen ha ökat utbudet av kupronickel. Slutet på den grekisk-baktriska kupronikelvalutan kunde dock tillskrivas andra faktorer som slutet på Euthydemus-huset.

europeisk historia

Legeringen verkar ha återupptäckts av väst under alkemiexperiment . Noterbart Andreas Libavius ​​i sin Alchemia från 1597 ett ytvitat koppar- aes-album av kvicksilver eller silver. Men i De Natura Metallorum i Singalarum del 1, publicerad 1599, användes samma term för "tenn" från Ostindien (dagens Indonesien och Filippinerna ) och gavs det spanska namnet tintinaso .

Richard Watson från Cambridge verkar vara den förste att upptäcka att kupronickel var en legering av tre metaller. I ett försök att återupptäcka vitkopparns hemlighet, kritiserade Watson Jean-Baptiste Du Haldes History of China (1688) som en förvirring av termen paktong. Han noterade att kineserna på sin tid inte bildade den som en legering utan snarare smält lättillgänglig obearbetad malm:

"... visade sig från en stor serie experiment gjorda i Peking- att den förekom naturligt som en malm som bröts i regionen, den mest extraordinära kopparn är pe-tong eller vit koppar: den är vit när den grävdes ut ur gruvan och till och med mer vit inuti än utvändigt. Det verkar, genom ett stort antal experiment gjorda i Peking, att dess färg inte beror på någon blandning, tvärtom, alla blandningar minskar dess skönhet, ty när den sköts på rätt sätt ser den exakt ut som silver och om det inte var nödvändigt att blanda lite tutenag eller sådan metall för att mjuka upp det, skulle det vara så mycket mer extraordinärt eftersom den här typen av koppar finns ingen annanstans än i Kina och det bara i provinsen Yunnan." Oavsett vad som sägs här, att färgen på kopparn inte beror på någon blandning, är det säkert att den kinesiska vita kopparn, som den kommer till oss, är en blandad metall; så att malmen, från vilken den utvunnits, måste bestå av olika metalliska ämnen; och av sådan malm att den naturliga orichalcum, om den någonsin funnits, gjordes."

Under den högsta europeiska importen av kinesisk vitkoppar från 1750 till 1800 ägnades ökad uppmärksamhet åt att upptäcka dess beståndsdelar. Peat och Cookson fann att "den mörkaste visade sig innehålla 7,7 % nickel och den lättaste sägs vara omöjlig att skilja från silver med en karakteristisk klockliknande resonans när den träffades och avsevärd motståndskraft mot korrosion, 11,1 %".

En annan studie av Andrew Fyfe uppskattade nickelhalten till 31,6 %. Gissningar slutade när James Dinwiddie från Macartney-ambassaden 1793, med avsevärd personlig risk (smuggling av paktongmalm var ett kapitalbrott av den kinesiske kejsaren), förde tillbaka en del av malmen som paktong tillverkades av. Cupronickel blev allmänt förstådd, som publicerad av E. Thomason, 1823, i en inlämning, som senare avvisades för att inte vara ny kunskap, till Royal Society of Arts .

Ansträngningar i Europa för att exakt duplicera den kinesiska paktong misslyckades på grund av en allmän brist på erforderlig komplex kobolt-nickel-arsenik naturligt förekommande malm. Men Schneeberg- distriktet i Tyskland , där den berömda Blaufarbenwerke tillverkade koboltblått och andra pigment, innehöll enbart de nödvändiga komplexa kobolt-nickel-arsenikmalmerna i Europa.

Samtidigt erbjöd preussiskan Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Sällskapet för förbättring av affärsflit/industriöshet) ett pris för att behärska processen. Föga överraskande vann Dr EA Geitner och JR von Gersdoff från Schneeberg priset och lanserade sitt " tyska silver "-märke under handelsnamnen Argentan och Neusilber (nytt silver).

År 1829 övertalade Percival Norton Johnston Dr. Geitner att etablera ett gjuteri i Bow Common bakom Regents' Park Canal i London, och erhöll göt av nickel-silver med sammansättningen 18% Ni, 55% Cu och 27% Zn.

Mellan 1829 och 1833 var Percival Norton Johnson den första personen att förfina cupronickel på de brittiska öarna. Han blev en rik man och producerade över 16,5 ton per år. Legeringen tillverkades huvudsakligen till bestick av Birmingham -företaget William Hutton och såldes under handelsnamnet "Argentine".

Johnsons mest seriösa konkurrenter, Charles Askin och Brok Evans, under den briljante kemisten Dr. EW Benson, utarbetade kraftigt förbättrade metoder för kobolt- och nickelsuspension och marknadsförde sitt eget märke av nickel-silver, kallat "British Plate".

På 1920-talet utvecklades en 70–30 koppar-nickelkvalitet för sjökondensatorer. Strax därefter introducerades en legering på 2 % mangan och 2 % järn nu känd som legering C71640 för ett kraftverk i Storbritannien som behövde bättre erosionsbeständighet på grund av halterna av sand i havsvattnet. En 90–10-legering blev först tillgänglig på 1950-talet, till en början för havsvattenledningar, och är nu den mest använda legeringen.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cupronickel&oldid=1135427723 "