Cupronickel - Cupronickel

Cupronickel eller koppar-nickel (CuNi) är en legering av koppar som innehåller nickel och förstärkande element, såsom järn och mangan . Kopparhalten varierar vanligtvis 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 resistent mot korrosion av saltvatten och används därför för rörledningar, värmeväxlare och kondensatorer i havsvattensystem , samt 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 modern användning av cupronickel är silverfärgade mynt . För denna användning har den typiska legeringen 3: 1 koppar till nickel -förhållande, med mycket små mängder mangan. Förr i tiden, sanna silver var mynt förnedras med kopparnickel.

namn

Bortsett från cupronickel och koppar-nickel har flera andra termer använts för att beskriva materialet: varumärkena Alpaka eller Alpacca , Argentan Minargent , den registrerade franska termen cuivre blanc och den romaniserade kantonesiska termen Paktong , 白銅 (de franska och kantonesiska termerna båda betyder "vit koppar"); kopparnickel är också ibland kallas hotellet silver , plata alemana ( spanska för "German silver"), tyska silver och kinesiska silver .

Ansökningar

Marinteknik

Kopparnickel-legeringar används för marina applikationer på grund av deras motståndskraft mot havsvatten korrosion , god bearbetbarhet och deras effektivitet i att sänka makroförorening nivåer. Legeringar som varierar i sammansättning från 90% Cu – 10% Ni till 70% Cu – 30% Ni specificeras vanligen i värmeväxlare eller kondensorrör i en mängd olika marina applikationer.

Viktiga marina applikationer för cupronickel inkluderar:

  • Skeppsbyggnad och reparation: skrov på båtar och fartyg, sjövattenkylning, läns och ballast, sanitet, brandbekämpning, inert gas, hydrauliska och pneumatiska kylsystem.
  • Avsaltningsanläggningar : saltvattenberedare, värmeavstötning och återvinning och i förångarslangar.
  • Olje- och gasplattformar till havs och bearbetnings- och FPSO -fartyg: system och stänkzonskydd.
  • Kraftproduktion : ångturbinkondensatorer, oljekylare, extra kylsystem och högtrycksförvärmare vid kärnkraftverk och fossila kraftverk.
  • Havsvattens systemkomponenter: kondensor- och värmeväxlarrör, rörblad, rör, högtryckssystem, kopplingar, pumpar och vattenlådor.

Mynt

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

Den framgångsrika användningen av cupronickel i mynt beror på dess korrosionsbeständighet , elektriska konduktivitet , hållbarhet, formbarhet , låg allergirisk , enkel stämpling , antimikrobiella egenskaper och återvinningsbarhet .

I Europa var Schweiz föregångare till nickelbilonmyntet 1850, med tillägg av silver. År 1968 antog Schweiz det mycket billigare förhållandet koppar till 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 cupronickelbeteckningarna med billigare förnicklade stålmynt.

Delvis på grund av silveruppsamling i inbördeskriget använde USA: s mynta först cupronickel för att cirkulera mynt i tre cent bitar från 1865, och sedan för fem cent bitar från 1866. Före dessa datum hade båda valörerna varit tillverkad endast i silver i USA. Cupronickel är beklädnaden på vardera sidan av USA halv dollar (50 ¢) sedan 1971, och alla kvartal (25 ¢) och dimes (10 ¢) gjorda efter 1964. För närvarande finns några mynt i cirkulation, till exempel USA: s Jefferson-nickel (5 ¢), schweiziska franc och sydkoreanska 500 och 100 won är gjorda av solid cupronickel (75:25 förhållande).

Annan användning

En termoelement -övergången är bildad av ett par av termoelementledare såsom järn- konstantan , koppar-konstantan eller nickel-krom / nickel-aluminium. Korsningen kan skyddas i ett hölje av koppar, koppar eller rostfritt stål.

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

Med början kring sekelskiftet av 20-talet, kula var jackor ofta tillverkade av detta material. Det ersattes snart med förgyllande metall för att minska metallföroreningar i hålet .

För närvarande förblir cupronickel och nickelsilver grundmaterialet för silverpläterade bestick. Det används vanligtvis för mekanisk och elektrisk utrustning, medicinsk utrustning, blixtlås, 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 .

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

Cupronickel har använts som ett alternativ till traditionella stålbromsledningar, eftersom det inte rostar. Eftersom cupronickel är mycket mjukare än stål, böjer det och blossar lättare, och samma egenskap gör det möjligt att 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 koppar typiska 10 elektroner).

Viktiga egenskaper hos kopparlegeringar inkluderar korrosionsbeständighet , inneboende motståndskraft mot makrofouling , god draghållfasthet , utmärkt seghet vid glödgning , värmeledningsförmåga och expansionskarakteristika som är lämpliga för värmeväxlare och kondensatorer , god värmeledningsförmåga och duktilitet vid kryogena temperaturer och fördelaktiga antimikrobiella egenskaper vid beröring av ytor .

Egenskaper hos vissa Cu – Ni -legeringar
Legering Densitet
g/cm 3 		Värmeledningsförmåga
W/(m · K) 		TEC
μm/(m · K) 		Elektrisk resistivitet
μOhm · mm 		Elastisk modul
GPa 		Flytstyrka
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 standardkompositioner* av smide legeringar (i%). Maximal eller räckvidd.
Legering UNS No. Vanligt namn Europeisk specifikation 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 hållfasthet avgör vilken legering som väljs. Fallande i tabellen ökar den högsta tillåtna flödeshastigheten i rör, liksom draghållfastheten.

I havsvatten, legeringarna har utmärkt korrosionshastigheter som förblir låga så länge som den maximala flöde hastighet inte överskrids. Denna hastighet beror på geometri och rördiameter. De har hög motståndskraft mot sprickkorrosion , spänningskorrosionssprickor och vätskörhet som kan vara besvärliga för andra legeringssystem. Koppar-nicklar 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 föroreningsresistens mot fastsättning av makrofoulers (t.ex. havsgräs och blötdjur ) som lever i havsvattnet. För att utnyttja denna egenskap till sin fulla potential måste legeringen vara fri från effekterna av eller isolerade från någon form av katodiskt skydd .

Cu -Ni -legeringar kan dock visa höga korrosionshastigheter i förorenat eller stillastående havsvatten när sulfider eller ammoniak finns. Det är därför viktigt att undvika exponering för sådana förhållanden, särskilt under idrifttagning och återmontering medan ytfilmerna mognar. Järnsulfat dosering till havsvattensystem kan ge förbättrad motståndskraft.

Spricka i 90–10 Cu – Ni metallplatta på grund av spänningar under silverlödning

Eftersom koppar och nickellegering enkelt har varandra och har enkla strukturer är legeringarna sega och lätt tillverkade. Styrka och hårdhet för varje individuell legering ökas genom kallbearbetning ; de härdas inte av 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 svetsförbrukningsmaterial) eller oxiacetylenmetoder inte rekommenderas. 70–30 snarare än 90–10 svetsförbrukningsmaterial är normalt att föredra för både legeringar och ingen eftersvetsning av värmebehandling krävs. De kan också svetsas direkt till stål, vilket ger 65% nickel-kopparsvetsförbrukning för att undvika järnutspädningseffekter. C71640 -legeringen tenderar att användas som sömlösa rör och expanderas snarare än att svetsas in i rörplattan. Lödning kräver lämpliga silver-baslödningslegeringar. Men stor noggrannhet måste iakttas för att säkerställa att det inte finns några spänningar i att Cu – Ni är silverlödda, eftersom spänning kan orsaka intrång i hårdlödningen mellan materialet och allvarliga spänningssprickor (se bild). Således är fullständig glödgning av eventuell mekanisk spänning nödvändig.

Ansökningar om Cu – Ni-legeringar har klarat tidens test, eftersom de fortfarande används i stor utsträckning och sträcker sig från rörsystem för havsvatten, kondensatorer och värmeväxlare i marinfartyg, kommersiell sjöfart, flerstegsblixtavsaltning och kraftverk. De har också använts som stänkzonsklädsel på offshorekonstruktioner och skyddsklädsel på båtskrov, liksom för massiva skrov själva.

Tillverkning

På grund av sin formbarhet kan kopparlegeringar lätt tillverkas i en mängd olika produktformer och beslag. Kopparnickel slangen lätt kan expanderas till tubplåtar vid tillverkning av skal och rör värmeväxlare .

Detaljer om tillverkningsförfaranden, inklusive allmän hantering, skärning och bearbetning, formning, värmebehandling, förberedelse för svetsning, svetspreparat, häftsvetsning, förbrukningsmaterial för svetsning, svetsprocesser, paintina, mekaniska egenskaper hos svetsar och rör- och rörböjning finns tillgängliga.

Standarder

ASTM , EN och ISO -standarder finns för beställning av smides- och gjutformar av cupronickel.

Termoelement och motstånd vars resistans är stabil över förändringar i temperatur innehåller legerings konstantan , som består av 55% koppar och 45% nickel.

Historia

Kinesisk historia

Cupronickel -legeringar var kända som "vit koppar" för kineserna sedan ungefär det tredje århundradet f.Kr. Några vapen som tillverkades under perioden med stridande stater gjordes med Cu-Ni-legeringar. Teorin om det kinesiska ursprunget för den baktriska kupronickeln föreslogs 1868 av Flight, som fann att de mynt som ansågs vara de äldsta kupronickelmynten som ännu upptäcktes var av en mycket liknande legering till kinesisk paktong .

Författarforskaren Ho Wei beskrev exakt processen att göra cupronickel cirka 1095 e.Kr. Den paktong legering beskrevs som görs genom tillsats av små piller av naturligt förekommande yunnan malm till ett bad av smält koppar. När en skorpa av slagg bildas, salpeter tillsattes, legeringen omrördes och götet var omedelbart gjutas . Zink nämns som ingrediens men det finns inga detaljer om när det tillsattes. Malmen som används noteras som enbart tillgänglig från Yunnan , enligt berättelsen:

"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 förvandlade också järn till silver - vilket möjliggjorde att många kunde rädda [ genom att köpa säd genom detta falska silver och guld] Därefter kallade alla de som framställde kemiska pulver genom att värma och transmutera koppar genom projektion sina metoder "Tanyang -tekniker".

Den sena Ming- och Qing -litteraturen har väldigt lite information om paktong . Det är dock först nämns specifikt med namn i Thien Kung Khai Wu av cirka 1637:

"När lu kan shih (zinkkarbonat, kalamin ) eller wo chin (zinkmetall) blandas och kombineras med chih thung (koppar) får man" gult brons "(vanlig mässing). När phi -shang och andra arseniska ämnen värms upp med det får man "vitt brons" eller vitt koppar: pai -string . När alun och niter och andra kemikalier blandas samman får man tånk : grönt brons. "

Ko Hung uppgav år 300 e.Kr.: "Tanyang-koppar skapades genom att kasta ett kvicksilver-elixir i Tanyang-koppar och uppvärmt guld kommer att bildas." Men Pha Phu Tsu och Shen I Ching beskriver en staty i västra provinserna som av silver, tenn, bly och Tanyang koppar - som såg ut som guld och kunde smidas för plätering och inläggning fartyg och svärd.

Joseph Needham et al. hävda att cupronickel åtminstone var känt som en unik legering av kineserna under Liu Ans regering år 120 f.Kr. i Yunnan. Dessutom grundades den yunnanesiska staten Tien 334 f.Kr. som en koloni i Chu. Mest troligt var modern paktong okänd för dagens kineser - men den naturligt förekommande Yunnan malm cupronickel legeringen var sannolikt en värdefull intern handelsvara.

Grekisk-baktriska mynt

År 1868 upptäckte W. Flight ett grekisk-baktriskt mynt bestående av 20% nickel från 180 till 170 fvt med bysten av Euthydemus II på framsidan. Mynt av en liknande legering med byster av hans yngre bröder, Pantaleon och Agathocles , präglades runt 170 fvt. Myntens sammansättning verifierades senare med den traditionella våtmetoden och röntgenfluorescensspektrometri. Cunningham 1873 föreslog "Bactrian nickel theory", som föreslog att mynten måste ha varit resultatet av handel över land från Kina genom Indien till Grekland. Cunninghams teori stöddes av forskare som WW Tarn, Sir John Marshall och J. Newton Friend, men kritiserades av ER Caley och S. van R. Cammann.

År 1973 föreslog Cheng och Schwitter i sina nya analyser att de baktriska legeringarna (koppar, bly, järn, nickel och kobolt) var mycket lik den kinesiska paktong , och av nio kända asiatiska nickelavlagringar kunde endast de i Kina tillhandahålla identiska kemiska kompositioner. Cammann kritiserade Cheng och Schwitters tidning och hävdade att nedgången i cupronickelvalutan inte borde ha sammanfallit med öppnandet av sidenvägen. Om den baktriska nickelteorin var sann, enligt Cammann, hade sidenvägen ökat utbudet av cupronickel. Slutet på den grekisk-baktriska kupronickelvalutan kan dock hänföras till andra faktorer, till exempel slutet på Euthydemus-huset.

Europas historia

Legeringen verkar ha återupptäckts av väst under alkemi -experiment. I synnerhet nämner Andreas Libavius i sin alkemi 1597 ett ytblekt kopparalbum av kvicksilver eller silver. Men i De Natura Metallorum i Singalarum del 1, publicerad 1599, tillämpades samma term på "tenn" från Ostindien (dagens Indonesien och Filippinerna ) och fick det spanska namnet tintinaso .

Richard Watson från Cambridge verkar vara den första som upptäckte att cupronickel var en legering av tre metaller. I ett försök att återupptäcka hemligheten med vita koppar, Watson kritis Jean-Baptiste Du Halde 's History of China (1688) som förvirrande begreppet paktong'. Konstaterade han kineserna på hans tid inte bilda det som en legering utan smält lätt tillgänglig obearbetad malm:

"... visade sig från en omfattande serie experiment som gjordes vid Peking- att det förekommit naturligt som en malm som utvunnits i regionen, det mest extraordinära koppar är pe-tong eller vit koppar: det är vitt när det grävs ur gruvan och till och med mer vitt inuti än utan. Det verkar genom ett stort antal experiment som gjorts på Peking att dess färg inte beror på någon blandning; tvärtom minskar alla blandningar dess skönhet, för när den hanteras 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 denna typ av koppar inte finns någon annanstans än i Kina och det bara i provinsen Yunnan ". Trots vad som sägs här, om kopparnas färg inte beror på någon blandning, är det säkert att den kinesiska vita kopparen som vi fått den är en blandning [sic: blandad] metall; så att malmen från vilken den utvanns måste bestå av olika metalliska ämnen; och av sådan malm att den naturliga orichalcum, om den någonsin funnits, gjordes. "

Under den största europeiska importen av kinesiskt vitt koppar från 1750 till 1800 uppmärksammades ökad uppmärksamhet på dess upptäckt av dess beståndsdelar. Torv och Cookson fann att "den mörkaste visade sig innehålla 7,7% nickel och den ljusaste sägs vara oskiljbar från silver med en karakteristisk klockliknande resonans när den träffades och avsevärt motstånd mot korrosion, 11,1%".

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

Ansträngningar i Europa för att exakt kopiera den kinesiska paktongen misslyckades på grund av en allmän brist på nödvändiga komplexa naturligt förekommande kobolt-nickel-arsen. I Schneeberg- distriktet i Tyskland , där den berömda Blaufarbenwerke tillverkade koboltblått och andra pigment, innehöll dock endast de nödvändiga komplexa kobolt-nickel-arsenmalmerna i Europa.

Samtidigt erbjöd preussiska Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Society for the Improvement of Business Diligence/Industriousness) ett pris för att bemästra processen. Inte 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 nickelsilver med sammansättningen 18% Ni, 55% Cu och 27% Zn. Mellan 1829 och 1833 var Percival Norton Johnson den första personen som förädlade cupronickel på de brittiska öarna. Han blev en rik man och producerade över 16,5 ton per år. Legeringen tillverkades huvudsakligen av bestick av Birmingham- företaget William Hutton och såldes under handelsnamnet "Argentine".

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

Vid 1920-talet utvecklades en 70–30 koppar-nickelgrad för marin kondensorer. Strax därefter introducerades en 2% mangan- och 2% järnlegering som nu kallas legering C71640 för ett brittiskt kraftverk som behövde bättre erosionsbeständighet eftersom halterna av innesluten sand i havsvattnet. En legering på 90–10 blev först tillgänglig på 1950 -talet, ursprungligen för havsvattenledningar och är nu den mest använda legeringen.

Se även

Referenser

externa länkar