Cupronickel or copper-nickel (CuNi) is an alloy of copper that contains nickel and strengthening elements, such as iron and manganese. The copper content typically varies from 60 to 90 percent. (Monel is a nickel-copper alloy that contains a minimum of 52 percent nickel.)
Despite its high copper content, cupronickel is silver in colour. Cupronickel is highly resistant to corrosion by salt water, and is therefore used for piping, heat exchangers and condensers in seawater systems, as well as for marine hardware. It is sometimes used for the propellers, propeller shafts, and hulls of high-quality boats. Other uses include military equipment and chemical, petrochemical, and electrical industries.[1]
Another common 20th-century use of cupronickel was silver-coloured coins. For this use, the typical alloy has 3:1 copper to nickel ratio, with very small amounts of manganese.
In the past, true silver coins were debased with cupronickel, such as coins of the pound sterling from 1947 onward having their content replaced.
Name[edit]
Aside from cupronickel and copper-nickel, several other terms have been used to describe the material: the tradenames Alpaka or Alpacca, Argentan Minargent, the registered French term cuivre blanc, and the romanized Cantonese term Paktong, 白銅 (the French and Cantonese terms both meaning «white copper»); cupronickel is also occasionally referred to as hotel silver, plata alemana (Spanish for «German silver»), German silver, and Chinese silver.[2]
Applications[edit]
Marine engineering[edit]
Cupronickel alloys are used for marine applications[3] due to their resistance to seawater corrosion, good fabricability, and their effectiveness in lowering macrofouling levels. Alloys ranging in composition from 90% Cu–10% Ni to 70% Cu–30% Ni are commonly specified in heat exchanger or condenser tubes in a wide variety of marine applications.[4]
Important marine applications for cupronickel include:
- Shipbuilding and repair: hulls of boats and ships, seawater cooling, bilge and ballast, sanitary, fire fighting, inert gas, hydraulic and pneumatic chiller systems.[5][6]
- Desalination plants: brine heaters, heat rejection and recovery, and in evaporator tubing.[7]
- Offshore oil and gas platforms and processing and FPSO vessels: systems and splash zone sheathings.[8]
- Power generation: steam turbine condensers, oil coolers, auxiliary cooling systems and high pressure pre-heaters at nuclear and fossil fuel power plants.[9]
- Seawater system components: condenser and heat exchanger tubes, tubesheets, piping, high pressure systems, fittings, pumps, and water boxes.[10][11]
Coinage[edit]
Five Indian rupees, commemorating ILO.
The successful use of cupronickel in coinage is due to its corrosion resistance, electrical conductivity, durability, malleability, low allergy risk, ease of stamping, antimicrobial properties and recyclability.[12]
In Europe, Switzerland pioneered the nickel billon coinage in 1850, with the addition of silver. In 1968, Switzerland adopted the far cheaper 75:25 copper to nickel ratio then being used in Belgium, the United States and Germany. From 1947 to 2012, all «silver» coinage in the UK was made from cupronickel, but from 2012 onwards the two smallest cupronickel denominations were replaced with lower-cost nickel-plated steel coins.
In part due to silver hoarding in the Civil War, the United States Mint first used cupronickel for circulating coinage in three-cent pieces starting in 1865, and then for five-cent pieces starting in 1866. Prior to these dates, both denominations had been made only in silver in the United States.
Cupronickel is the cladding on either side of United States half-dollars (50¢) since 1971, and all quarters (25¢) and dimes (10¢) made after 1964. Currently, some circulating coins, such as the United States Jefferson nickel (5¢),[13] the Swiss franc, and the South Korean 500 and 100 won are made of solid cupronickel (75:25 ratio).[14]
Other usage[edit]
A thermocouple junction is formed from a pair of thermocouple conductors such as iron-constantan, copper-constantan or nickel-chromium/nickel-aluminium. The junction may be protected within a sheath of copper, cupronickel or stainless steel.[15]
Cupronickel is used in cryogenic applications. Its combination of good ductility retention and thermal conductivity at very low temperatures is advantageous for low-temperature processing and storage equipment as well as for heat exchangers at cryogenic plants.[16][17][18]
Beginning around the turn of the 20th century, bullet jackets were commonly made from this material. It was soon replaced with gilding metal to reduce metal fouling in the bore.
Currently, cupronickel and nickel silver remain the basic material for silver-plated cutlery. It is commonly used for mechanical and electrical equipment, medical equipment, zippers, jewelry items, and both for strings for instruments in the violin family, and for guitar frets. Fender Musical Instruments used «CuNiFe» magnets in their «Wide Range Humbucker» pickup for various Telecaster and Starcaster guitars during the 1970s.[citation needed]
For high-quality cylinder locks and locking systems, cylinder cores are made from wear-resistant cupronickel.
Cupronickel has been used as an alternative to traditional steel brake lines, as it does not rust. Since cupronickel is much softer than steel, it bends and flares more easily, and the same property allows it to form a better seal with hydraulic components.
Properties[edit]
Cupronickel lacks a copper color due to nickel’s high electronegativity, which causes a loss of one electron in copper’s d-shell (leaving 9 electrons in the d-shell versus pure copper’s typical 10 electrons).
Important properties of cupronickel alloys include corrosion resistance, inherent resistance to macrofouling, good tensile strength, excellent ductility when annealed, thermal conductivity and expansion characteristics amenable for heat exchangers and condensers, good thermal conductivity and ductility at cryogenic temperatures and beneficial antimicrobial touch surface properties.[19]
| Alloy | Density g/cm3 |
Thermal conductivity W/(m·K) |
TEC μm/(m·K) |
Electrical resistivity μOhm·cm |
Elastic modulus GPa |
Yield strength MPa |
Tensile strength 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 |
The alloys are:
| Alloy UNS No. | Common name | European spec | Ni | Fe | Mn | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C70600 | 90–10 | CuNi10Fe | 9–11 | 1–1.8 | 1 | Balance |
| C71500 | 70–30 | CuNi30Fe | 29–33 | 0.4–1.0 | 1 | Balance |
| C71640 | 66–30–2–2 | 29–32 | 1.7–2.3 | 1.5–2.5 | Balance |
- These values may vary in other standards
Subtle differences in corrosion resistance and strength determine which alloy is selected. Descending the table, the maximum allowable flow rate in piping increases, as does the tensile strength.
In seawater, the alloys have excellent corrosion rates which remain low as long as the maximum design flow velocity is not exceeded. This velocity depends on geometry and pipe diameter. They have high resistance to crevice corrosion, stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement that can be troublesome to other alloy systems. Copper-nickels naturally form a thin protective surface layer over the first several weeks of exposure to seawater and this provides its ongoing resistance. Additionally, they have a high inherent biofouling resistance to attachment by macrofoulers (e.g. seagrasses and molluscs) living in the seawater. To use this property to its full potential, the alloy needs to be free of the effects of, or insulated from, any form of cathodic protection.
However, Cu–Ni alloys can show high corrosion rates in polluted or stagnant seawater when sulfides or ammonia are present. It is important, therefore, to avoid exposure to such conditions, particularly during commissioning and refit while the surface films are maturing. Ferrous sulfate dosing to sea water systems can provide improved resistance.
Crack in 90–10 Cu–Ni metal plate due to stresses during silver brazing
As copper and nickel alloy with each other easily and have simple structures, the alloys are ductile and readily fabricated. Strength and hardness for each individual alloy is increased by cold working; they are not hardened by heat treatment. Joining of 90–10 (C70600) and 70–30 (C71500) is possible by both welding or brazing. They are both weldable by the majority of techniques, although autogenous (welding without weld consumables) or oxyacetylene methods are not recommended. The 70–30 rather than 90–10 weld consumables are normally preferred for both alloys and no after-welding heat treatment is required. They can also be welded directly to steel, providing a 65% nickel-copper weld consumable is used to avoid iron dilution effects. The C71640 alloy tends to be used as seamless tubing and expanded rather than welded into the tube plate. Brazing requires appropriate silver-base brazing alloys. However, great care must be taken to ensure that there are no stresses in the Cu–Ni being silver brazed, since any stress can cause intergranulary penetration of the brazing material, and severe stress cracking (see image). Thus, full annealing of any potential mechanical stress is necessary.
Applications for Cu–Ni alloys have withstood the test of time, as they are still widely used and range from seawater system piping, condensers and heat exchangers in naval vessels, commercial shipping, multiple-stage flash desalination and power stations. They have also been used as splash zone cladding on offshore structures and protective cladding on boat hulls, as well as for solid hulls themselves.
Fabrication[edit]
Due to its ductility, cupronickel alloys can be readily fabricated in a wide variety of product forms[21] and fittings. Cupronickel tubing can be readily expanded into tube sheets for the manufacturing of shell and tube heat exchangers.
Details of fabrication procedures, including general handling, cutting and machining, forming, heat treatment, preparing for welding, weld preparations, tack welding, welding consumables, welding processes, paintina, mechanical properties of welds, and tube and pipe bending are available.[22]
Standards[edit]
ASTM, EN, and ISO standards exist for ordering wrought and cast forms of cupronickel.[23]
Thermocouples and resistors whose resistance is stable across changes in temperature contain alloy constantan, which consists of 55% copper and 45% nickel.
History[edit]
Chinese history[edit]
Cupronickel alloys were known as «white copper» to the Chinese since about the third century BC. Some weapons made during the Warring States period were made with Cu-Ni alloys.[24] The theory of Chinese origins of Bactrian cupronickel was suggested in 1868 by Flight, who found that the coins considered the oldest cupronickel coins yet discovered were of a very similar alloy to Chinese paktong.[25]
The author-scholar, Ho Wei, precisely described the process of making cupronickel in about 1095 AD. The paktong alloy was described as being made by adding small pills of naturally occurring yunnan ore to a bath of molten copper. When a crust of slag formed, saltpeter was added, the alloy was stirred and the ingot was immediately cast. Zinc is mentioned as an ingredient but there are no details about when it was added. The ore used is noted as solely available from Yunnan, according to the story:
«San Mao Chun were at Tanyang during a famine year when many people died, so taking certain chemicals, Ying projected them onto silver, turning it into gold, and he also transmuted iron into silver – thus enabling the lives of many to be saved [through purchasing grain through this fake silver and gold]
Thereafter all those who prepared chemical powders by heating and transmuting copper by projection called their methods «Tanyang techniques».[25]
The late Ming and Qing literature have very little information about paktong. However, it is first mentioned specifically by name in the Thien Kung Khai Wu of circa 1637:
«When lu kan shih (zinc carbonate, calamine) or wo chhein (zinc metal) is mixed and combined with chih thung (copper), one gets ‘yellow bronze’ (ordinary brass). When phi shang and other arsenic substances are heated with it, one gets ‘white bronze’ or white copper: pai thong. When alum and niter and other chemicals are mixed together one gets ching thung: green bronze.»[25]
Ko Hung stated in 300 AD: «The Tanyang copper was created by throwing a mercuric elixir into Tanyang copper and heated- gold will be formed.» However, the Pha Phu Tsu and the Shen I Ching describing a statue in the Western provinces as being of silver, tin, lead and Tanyang copper – which looked like gold, and could be forged for plating and inlaying vessels and swords.[25]
Joseph Needham et al. argue that cupronickel was at least known as a unique alloy by the Chinese during the reign of Liu An in 120 BC in Yunnan. Moreover, the Yunnanese State of Tien was founded in 334 BC as a colony of the Chu. Most likely, modern paktong was unknown to Chinese of the day – but the naturally occurring Yunnan ore cupronickel alloy was likely a valuable internal trade commodity.[25]
Greco-Bactrian coinage[edit]
In 1868, W. Flight discovered a Greco-Bactrian coin comprising 20% nickel that dated from 180 to 170 BCE with the bust of Euthydemus II on the obverse. Coins of a similar alloy with busts of his younger brothers, Pantaleon and Agathocles, were minted around 170 BCE. The composition of the coins was later verified using the traditional wet method and X-ray fluorescence spectrometry.[25] Cunningham in 1873 proposed the «Bactrian nickel theory,» which suggested that the coins must have been the result of overland trade from China through India to Greece. Cunningham’s theory was supported by scholars such as W. W. Tarn, Sir John Marshall, and J. Newton Friend, but was criticized by E. R. Caley and S. van R. Cammann.[25]
In 1973, Cheng and Schwitter in their new analyses suggested that the Bactrian alloys (copper, lead, iron, nickel and cobalt) were closely similar to the Chinese paktong, and of nine known Asian nickel deposits, only those in China could provide the identical chemical compositions.[25] Cammann criticized Cheng and Schwitter’s paper, arguing that the decline of cupronickel currency should not have coincided with the opening of the Silk Road. If the Bactrian nickel theory were true, according to Cammann, the Silk Road would have increased the supply of cupronickel. However, the end of Greco-Bactrian cupronickel currency could be attributed to other factors such as the end of the House of Euthydemus.[25]
European history[edit]
The alloy seems to have been rediscovered by the West during alchemy experiments. Notably, Andreas Libavius, in his Alchemia of 1597, mentions a surface-whitened copper aes album by mercury or silver. But in De Natura Metallorum in Singalarum Part 1, published in 1599, the same term was applied to «tin» from the East Indies (modern-day Indonesia and the Philippines) and given the Spanish name, tintinaso.[25]
Richard Watson of Cambridge appears to be the first to discover that cupronickel was an alloy of three metals. In attempting to rediscover the secret of white-copper, Watson critiqued Jean-Baptiste Du Halde’s History of China (1688) as confusing the term paktong’., He noted the Chinese of his day did not form it as an alloy but rather smelted readily available unprocessed ore:
«…appeared from a vast series of experiments made at Peking- that it occurred naturally as an ore mined at the region, the most extraordinary copper is pe-tong or white copper: it is white when dug out of the mine and even more white within than without. It appears, by a vast number of experiments made at Peking, that its colour is owing to no mixture; on the contrary, all mixtures diminish its beauty, for, when it is rightly managed it looks exactly like silver and were there not a necessity of mixing a little tutenag or such metal to soften it, it would be so much more the extraordinary as this sort of copper is found no where but in China and that only in the Province of Yunnan». Notwithstanding what is here said, of the colour of the copper being owing to no mixture, it is certain the Chinese white copper as brought to us, is a mixt [sic: mixed] metal; so that the ore from which it was extracted must consist of various metallic substances; and from such ore that the natural orichalcum if it ever existed, was made.»[25]
During the peak European importation of Chinese white-copper from 1750 to 1800, increased attention was made to its discovering its constituents. Peat and Cookson found that «the darkest proved to contain 7.7% nickel and the lightest said to be indistinguishable from silver with a characteristic bell-like resonance when struck and considerable resistance to corrosion, 11.1%».
Another trial by Andrew Fyfe estimated the nickel content at 31.6%. Guesswork ended when James Dinwiddie of the Macartney Embassy brought back in 1793, at considerable personal risk (smuggling of paktong ore was a capital crime by the Chinese Emperor), some of the ore from which paktong was made.[26] Cupronickel became widely understood, as published by E. Thomason, in 1823, in a submission, later rejected for not being new knowledge, to the Royal Society of Arts.
Efforts in Europe to exactly duplicate the Chinese paktong failed due to a general lack of requisite complex cobalt-nickel-arsenic naturally occurring ore. However, the Schneeberg district of Germany, where the famous Blaufarbenwerke made cobalt blue and other pigments, solely held the requisite complex cobalt-nickel-arsenic ores in Europe.
At the same time, the Prussian Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Society for the Improvement of Business Diligence/Industriousness) offered a prize for the mastery of the process. Unsurprisingly, Dr E.A. Geitner and J.R. von Gersdoff of Schneeberg won the prize and launched their «German silver» brand under the trade names Argentan and Neusilber (new silver).[26]
In 1829, Percival Norton Johnston persuaded Dr. Geitner to establish a foundry in Bow Common behind Regents’ Park Canal in London, and obtained ingots of nickel-silver with the composition 18% Ni, 55% Cu and 27% Zn.[26]
Between 1829 and 1833, Percival Norton Johnson was the first person to refine cupronickel on the British Isles. He became a wealthy man, producing in excess of 16.5 tonnes per year. The alloy was mainly made into cutlery by the Birmingham firm William Hutton and sold under the trade-name «Argentine».
Johnsons’ most serious competitors, Charles Askin and Brok Evans, under the brilliant chemist Dr. EW Benson, devised greatly improved methods of cobalt and nickel suspension and marketed their own brand of nickel-silver, called «British Plate».[26]
By the 1920s, a 70–30 copper-nickel grade was developed for naval condensers. Soon afterwards, a 2% manganese and 2% iron alloy now known as alloy C71640 was introduced for a UK power station which needed better erosion resistance because the levels of entrained sand in the seawater. A 90–10 alloy first became available in the 1950s, initially for seawater piping, and is now the more widely used alloy.
See also[edit]
- Brass (copper alloyed with zinc)
- Bronze (copper alloyed with tin)
- Copper alloys in aquaculture
- Freeze branding
References[edit]
- ^ Sakiewicz P.,Nowosielski R., Babilas R. Production aspects of inhomogeneous hot deformation in as-cast CuNi25 alloy, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, Vol. 22, August 2015, pp. 389-398
- ^ Deutsches Kupfer-Institut (Hrsg.): Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen. Berlin 1980.
- ^ Marine Applications for Copper-Nickel Alloys http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/#non_marine
- ^ Kobelco: Copper alloy tubes for heat-exchanger; Shinko Metal Products, Japan; http://www.shinkometal.co.jp/catalog/copperalloy-en-sc.pdf Archived 2013-10-29 at the Wayback Machine
- ^ Copper-Nickel Alloys in Boat and Ship Hulls http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/hulls/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Shipbuilding and Repair http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/shipbuilding_and_repair/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Desalination Plants http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/desalination_plants/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Offshore Oil and Gas Platforms and Processing http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/offshore_oil_and_gas/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Power Generation http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/power_generation/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Seawater System Design http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/seawater_system_design/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Seawater System Components http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/seawater_system_components/
- ^ Copper-Nickel in Coinage
- ^ «The United States Mint: Coin Specifications». Retrieved 2008-06-11.
- ^ «Currency in Circulation: Introduction to Coins». Archived from the original on 2014-12-31. Retrieved 2010-09-27.
- ^ Robert Monro Black, The history of electric wires and cables Science Museum (Great Britain), IET, 1983, ISBN 0-86341-001-4, p. 161
- ^ Cryogenic Properties of Copper-Nickel http://www.copper.org/applications/marine/cuni/properties/cryogenic/
- ^ Low-Temperature Properties of Copper and Copper Alloys http://www.copper.org/publications/pub_list/pdf/104-5-low-temperatuare.pdf
- ^ Mechanical Properties of Copper and Copper Alloys at Low Temperatures http://www.copper.org/resources/properties/144_8/
- ^ Properties of Copper-Nickel Alloys http://www.copper.org/applications/marine/cuni/properties/
- ^ Physical Properties of Copper-Nickel
- ^ «Copper-Nickel Alloy Product Forms». Copper Development Association Inc.
- ^ «Copper-Nickel Alloy Fabrication». Copper Development Association Inc.
- ^ Copper-Nickel Standards http://www.copper.org/applications/marine/cuni/standards/
- ^ Ancient Chinese weapons Archived 2005-03-07 at the Wayback Machine and A halberd of copper-nickel alloy, from the Warring States Period. Archived 2012-05-27 at archive.today
- ^ a b c d e f g h i j k Joseph Needham, Ling Wang, Gwei-Djen Lu, Tsuen-hsuin Tsien, Dieter Kuhn, Peter J Golas, Science and civilisation in China: Cambridge University Press: 1974, ISBN 0-521-08571-3, pp. 237–250
- ^ a b c d Mcneil I Staff, Ian McNeil Encyclopaedia of the History of Technology: Routledge: 2002: ISBN 0-203-19211-7: pp98
External links[edit]
- Copper-Nickel Alloys
- Copper-Nickel-Alloys: Properties, Processing, Applications (Source: German Copper Institute (DKI))]
- Copper-Nickel Alloys for Seawater Corrosion Resistance and Antifouling — A State of the Art Review (C.A. Powell and H.T. Michels; Corrosion 2000, NACE March 2000 ( NACE))
Cupronickel or copper-nickel (CuNi) is an alloy of copper that contains nickel and strengthening elements, such as iron and manganese. The copper content typically varies from 60 to 90 percent. (Monel is a nickel-copper alloy that contains a minimum of 52 percent nickel.)
Despite its high copper content, cupronickel is silver in colour. Cupronickel is highly resistant to corrosion by salt water, and is therefore used for piping, heat exchangers and condensers in seawater systems, as well as for marine hardware. It is sometimes used for the propellers, propeller shafts, and hulls of high-quality boats. Other uses include military equipment and chemical, petrochemical, and electrical industries.[1]
Another common 20th-century use of cupronickel was silver-coloured coins. For this use, the typical alloy has 3:1 copper to nickel ratio, with very small amounts of manganese.
In the past, true silver coins were debased with cupronickel, such as coins of the pound sterling from 1947 onward having their content replaced.
Name[edit]
Aside from cupronickel and copper-nickel, several other terms have been used to describe the material: the tradenames Alpaka or Alpacca, Argentan Minargent, the registered French term cuivre blanc, and the romanized Cantonese term Paktong, 白銅 (the French and Cantonese terms both meaning «white copper»); cupronickel is also occasionally referred to as hotel silver, plata alemana (Spanish for «German silver»), German silver, and Chinese silver.[2]
Applications[edit]
Marine engineering[edit]
Cupronickel alloys are used for marine applications[3] due to their resistance to seawater corrosion, good fabricability, and their effectiveness in lowering macrofouling levels. Alloys ranging in composition from 90% Cu–10% Ni to 70% Cu–30% Ni are commonly specified in heat exchanger or condenser tubes in a wide variety of marine applications.[4]
Important marine applications for cupronickel include:
- Shipbuilding and repair: hulls of boats and ships, seawater cooling, bilge and ballast, sanitary, fire fighting, inert gas, hydraulic and pneumatic chiller systems.[5][6]
- Desalination plants: brine heaters, heat rejection and recovery, and in evaporator tubing.[7]
- Offshore oil and gas platforms and processing and FPSO vessels: systems and splash zone sheathings.[8]
- Power generation: steam turbine condensers, oil coolers, auxiliary cooling systems and high pressure pre-heaters at nuclear and fossil fuel power plants.[9]
- Seawater system components: condenser and heat exchanger tubes, tubesheets, piping, high pressure systems, fittings, pumps, and water boxes.[10][11]
Coinage[edit]
Five Indian rupees, commemorating ILO.
The successful use of cupronickel in coinage is due to its corrosion resistance, electrical conductivity, durability, malleability, low allergy risk, ease of stamping, antimicrobial properties and recyclability.[12]
In Europe, Switzerland pioneered the nickel billon coinage in 1850, with the addition of silver. In 1968, Switzerland adopted the far cheaper 75:25 copper to nickel ratio then being used in Belgium, the United States and Germany. From 1947 to 2012, all «silver» coinage in the UK was made from cupronickel, but from 2012 onwards the two smallest cupronickel denominations were replaced with lower-cost nickel-plated steel coins.
In part due to silver hoarding in the Civil War, the United States Mint first used cupronickel for circulating coinage in three-cent pieces starting in 1865, and then for five-cent pieces starting in 1866. Prior to these dates, both denominations had been made only in silver in the United States.
Cupronickel is the cladding on either side of United States half-dollars (50¢) since 1971, and all quarters (25¢) and dimes (10¢) made after 1964. Currently, some circulating coins, such as the United States Jefferson nickel (5¢),[13] the Swiss franc, and the South Korean 500 and 100 won are made of solid cupronickel (75:25 ratio).[14]
Other usage[edit]
A thermocouple junction is formed from a pair of thermocouple conductors such as iron-constantan, copper-constantan or nickel-chromium/nickel-aluminium. The junction may be protected within a sheath of copper, cupronickel or stainless steel.[15]
Cupronickel is used in cryogenic applications. Its combination of good ductility retention and thermal conductivity at very low temperatures is advantageous for low-temperature processing and storage equipment as well as for heat exchangers at cryogenic plants.[16][17][18]
Beginning around the turn of the 20th century, bullet jackets were commonly made from this material. It was soon replaced with gilding metal to reduce metal fouling in the bore.
Currently, cupronickel and nickel silver remain the basic material for silver-plated cutlery. It is commonly used for mechanical and electrical equipment, medical equipment, zippers, jewelry items, and both for strings for instruments in the violin family, and for guitar frets. Fender Musical Instruments used «CuNiFe» magnets in their «Wide Range Humbucker» pickup for various Telecaster and Starcaster guitars during the 1970s.[citation needed]
For high-quality cylinder locks and locking systems, cylinder cores are made from wear-resistant cupronickel.
Cupronickel has been used as an alternative to traditional steel brake lines, as it does not rust. Since cupronickel is much softer than steel, it bends and flares more easily, and the same property allows it to form a better seal with hydraulic components.
Properties[edit]
Cupronickel lacks a copper color due to nickel’s high electronegativity, which causes a loss of one electron in copper’s d-shell (leaving 9 electrons in the d-shell versus pure copper’s typical 10 electrons).
Important properties of cupronickel alloys include corrosion resistance, inherent resistance to macrofouling, good tensile strength, excellent ductility when annealed, thermal conductivity and expansion characteristics amenable for heat exchangers and condensers, good thermal conductivity and ductility at cryogenic temperatures and beneficial antimicrobial touch surface properties.[19]
| Alloy | Density g/cm3 |
Thermal conductivity W/(m·K) |
TEC μm/(m·K) |
Electrical resistivity μOhm·cm |
Elastic modulus GPa |
Yield strength MPa |
Tensile strength 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 |
The alloys are:
| Alloy UNS No. | Common name | European spec | Ni | Fe | Mn | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C70600 | 90–10 | CuNi10Fe | 9–11 | 1–1.8 | 1 | Balance |
| C71500 | 70–30 | CuNi30Fe | 29–33 | 0.4–1.0 | 1 | Balance |
| C71640 | 66–30–2–2 | 29–32 | 1.7–2.3 | 1.5–2.5 | Balance |
- These values may vary in other standards
Subtle differences in corrosion resistance and strength determine which alloy is selected. Descending the table, the maximum allowable flow rate in piping increases, as does the tensile strength.
In seawater, the alloys have excellent corrosion rates which remain low as long as the maximum design flow velocity is not exceeded. This velocity depends on geometry and pipe diameter. They have high resistance to crevice corrosion, stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement that can be troublesome to other alloy systems. Copper-nickels naturally form a thin protective surface layer over the first several weeks of exposure to seawater and this provides its ongoing resistance. Additionally, they have a high inherent biofouling resistance to attachment by macrofoulers (e.g. seagrasses and molluscs) living in the seawater. To use this property to its full potential, the alloy needs to be free of the effects of, or insulated from, any form of cathodic protection.
However, Cu–Ni alloys can show high corrosion rates in polluted or stagnant seawater when sulfides or ammonia are present. It is important, therefore, to avoid exposure to such conditions, particularly during commissioning and refit while the surface films are maturing. Ferrous sulfate dosing to sea water systems can provide improved resistance.
Crack in 90–10 Cu–Ni metal plate due to stresses during silver brazing
As copper and nickel alloy with each other easily and have simple structures, the alloys are ductile and readily fabricated. Strength and hardness for each individual alloy is increased by cold working; they are not hardened by heat treatment. Joining of 90–10 (C70600) and 70–30 (C71500) is possible by both welding or brazing. They are both weldable by the majority of techniques, although autogenous (welding without weld consumables) or oxyacetylene methods are not recommended. The 70–30 rather than 90–10 weld consumables are normally preferred for both alloys and no after-welding heat treatment is required. They can also be welded directly to steel, providing a 65% nickel-copper weld consumable is used to avoid iron dilution effects. The C71640 alloy tends to be used as seamless tubing and expanded rather than welded into the tube plate. Brazing requires appropriate silver-base brazing alloys. However, great care must be taken to ensure that there are no stresses in the Cu–Ni being silver brazed, since any stress can cause intergranulary penetration of the brazing material, and severe stress cracking (see image). Thus, full annealing of any potential mechanical stress is necessary.
Applications for Cu–Ni alloys have withstood the test of time, as they are still widely used and range from seawater system piping, condensers and heat exchangers in naval vessels, commercial shipping, multiple-stage flash desalination and power stations. They have also been used as splash zone cladding on offshore structures and protective cladding on boat hulls, as well as for solid hulls themselves.
Fabrication[edit]
Due to its ductility, cupronickel alloys can be readily fabricated in a wide variety of product forms[21] and fittings. Cupronickel tubing can be readily expanded into tube sheets for the manufacturing of shell and tube heat exchangers.
Details of fabrication procedures, including general handling, cutting and machining, forming, heat treatment, preparing for welding, weld preparations, tack welding, welding consumables, welding processes, paintina, mechanical properties of welds, and tube and pipe bending are available.[22]
Standards[edit]
ASTM, EN, and ISO standards exist for ordering wrought and cast forms of cupronickel.[23]
Thermocouples and resistors whose resistance is stable across changes in temperature contain alloy constantan, which consists of 55% copper and 45% nickel.
History[edit]
Chinese history[edit]
Cupronickel alloys were known as «white copper» to the Chinese since about the third century BC. Some weapons made during the Warring States period were made with Cu-Ni alloys.[24] The theory of Chinese origins of Bactrian cupronickel was suggested in 1868 by Flight, who found that the coins considered the oldest cupronickel coins yet discovered were of a very similar alloy to Chinese paktong.[25]
The author-scholar, Ho Wei, precisely described the process of making cupronickel in about 1095 AD. The paktong alloy was described as being made by adding small pills of naturally occurring yunnan ore to a bath of molten copper. When a crust of slag formed, saltpeter was added, the alloy was stirred and the ingot was immediately cast. Zinc is mentioned as an ingredient but there are no details about when it was added. The ore used is noted as solely available from Yunnan, according to the story:
«San Mao Chun were at Tanyang during a famine year when many people died, so taking certain chemicals, Ying projected them onto silver, turning it into gold, and he also transmuted iron into silver – thus enabling the lives of many to be saved [through purchasing grain through this fake silver and gold]
Thereafter all those who prepared chemical powders by heating and transmuting copper by projection called their methods «Tanyang techniques».[25]
The late Ming and Qing literature have very little information about paktong. However, it is first mentioned specifically by name in the Thien Kung Khai Wu of circa 1637:
«When lu kan shih (zinc carbonate, calamine) or wo chhein (zinc metal) is mixed and combined with chih thung (copper), one gets ‘yellow bronze’ (ordinary brass). When phi shang and other arsenic substances are heated with it, one gets ‘white bronze’ or white copper: pai thong. When alum and niter and other chemicals are mixed together one gets ching thung: green bronze.»[25]
Ko Hung stated in 300 AD: «The Tanyang copper was created by throwing a mercuric elixir into Tanyang copper and heated- gold will be formed.» However, the Pha Phu Tsu and the Shen I Ching describing a statue in the Western provinces as being of silver, tin, lead and Tanyang copper – which looked like gold, and could be forged for plating and inlaying vessels and swords.[25]
Joseph Needham et al. argue that cupronickel was at least known as a unique alloy by the Chinese during the reign of Liu An in 120 BC in Yunnan. Moreover, the Yunnanese State of Tien was founded in 334 BC as a colony of the Chu. Most likely, modern paktong was unknown to Chinese of the day – but the naturally occurring Yunnan ore cupronickel alloy was likely a valuable internal trade commodity.[25]
Greco-Bactrian coinage[edit]
In 1868, W. Flight discovered a Greco-Bactrian coin comprising 20% nickel that dated from 180 to 170 BCE with the bust of Euthydemus II on the obverse. Coins of a similar alloy with busts of his younger brothers, Pantaleon and Agathocles, were minted around 170 BCE. The composition of the coins was later verified using the traditional wet method and X-ray fluorescence spectrometry.[25] Cunningham in 1873 proposed the «Bactrian nickel theory,» which suggested that the coins must have been the result of overland trade from China through India to Greece. Cunningham’s theory was supported by scholars such as W. W. Tarn, Sir John Marshall, and J. Newton Friend, but was criticized by E. R. Caley and S. van R. Cammann.[25]
In 1973, Cheng and Schwitter in their new analyses suggested that the Bactrian alloys (copper, lead, iron, nickel and cobalt) were closely similar to the Chinese paktong, and of nine known Asian nickel deposits, only those in China could provide the identical chemical compositions.[25] Cammann criticized Cheng and Schwitter’s paper, arguing that the decline of cupronickel currency should not have coincided with the opening of the Silk Road. If the Bactrian nickel theory were true, according to Cammann, the Silk Road would have increased the supply of cupronickel. However, the end of Greco-Bactrian cupronickel currency could be attributed to other factors such as the end of the House of Euthydemus.[25]
European history[edit]
The alloy seems to have been rediscovered by the West during alchemy experiments. Notably, Andreas Libavius, in his Alchemia of 1597, mentions a surface-whitened copper aes album by mercury or silver. But in De Natura Metallorum in Singalarum Part 1, published in 1599, the same term was applied to «tin» from the East Indies (modern-day Indonesia and the Philippines) and given the Spanish name, tintinaso.[25]
Richard Watson of Cambridge appears to be the first to discover that cupronickel was an alloy of three metals. In attempting to rediscover the secret of white-copper, Watson critiqued Jean-Baptiste Du Halde’s History of China (1688) as confusing the term paktong’., He noted the Chinese of his day did not form it as an alloy but rather smelted readily available unprocessed ore:
«…appeared from a vast series of experiments made at Peking- that it occurred naturally as an ore mined at the region, the most extraordinary copper is pe-tong or white copper: it is white when dug out of the mine and even more white within than without. It appears, by a vast number of experiments made at Peking, that its colour is owing to no mixture; on the contrary, all mixtures diminish its beauty, for, when it is rightly managed it looks exactly like silver and were there not a necessity of mixing a little tutenag or such metal to soften it, it would be so much more the extraordinary as this sort of copper is found no where but in China and that only in the Province of Yunnan». Notwithstanding what is here said, of the colour of the copper being owing to no mixture, it is certain the Chinese white copper as brought to us, is a mixt [sic: mixed] metal; so that the ore from which it was extracted must consist of various metallic substances; and from such ore that the natural orichalcum if it ever existed, was made.»[25]
During the peak European importation of Chinese white-copper from 1750 to 1800, increased attention was made to its discovering its constituents. Peat and Cookson found that «the darkest proved to contain 7.7% nickel and the lightest said to be indistinguishable from silver with a characteristic bell-like resonance when struck and considerable resistance to corrosion, 11.1%».
Another trial by Andrew Fyfe estimated the nickel content at 31.6%. Guesswork ended when James Dinwiddie of the Macartney Embassy brought back in 1793, at considerable personal risk (smuggling of paktong ore was a capital crime by the Chinese Emperor), some of the ore from which paktong was made.[26] Cupronickel became widely understood, as published by E. Thomason, in 1823, in a submission, later rejected for not being new knowledge, to the Royal Society of Arts.
Efforts in Europe to exactly duplicate the Chinese paktong failed due to a general lack of requisite complex cobalt-nickel-arsenic naturally occurring ore. However, the Schneeberg district of Germany, where the famous Blaufarbenwerke made cobalt blue and other pigments, solely held the requisite complex cobalt-nickel-arsenic ores in Europe.
At the same time, the Prussian Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Society for the Improvement of Business Diligence/Industriousness) offered a prize for the mastery of the process. Unsurprisingly, Dr E.A. Geitner and J.R. von Gersdoff of Schneeberg won the prize and launched their «German silver» brand under the trade names Argentan and Neusilber (new silver).[26]
In 1829, Percival Norton Johnston persuaded Dr. Geitner to establish a foundry in Bow Common behind Regents’ Park Canal in London, and obtained ingots of nickel-silver with the composition 18% Ni, 55% Cu and 27% Zn.[26]
Between 1829 and 1833, Percival Norton Johnson was the first person to refine cupronickel on the British Isles. He became a wealthy man, producing in excess of 16.5 tonnes per year. The alloy was mainly made into cutlery by the Birmingham firm William Hutton and sold under the trade-name «Argentine».
Johnsons’ most serious competitors, Charles Askin and Brok Evans, under the brilliant chemist Dr. EW Benson, devised greatly improved methods of cobalt and nickel suspension and marketed their own brand of nickel-silver, called «British Plate».[26]
By the 1920s, a 70–30 copper-nickel grade was developed for naval condensers. Soon afterwards, a 2% manganese and 2% iron alloy now known as alloy C71640 was introduced for a UK power station which needed better erosion resistance because the levels of entrained sand in the seawater. A 90–10 alloy first became available in the 1950s, initially for seawater piping, and is now the more widely used alloy.
See also[edit]
- Brass (copper alloyed with zinc)
- Bronze (copper alloyed with tin)
- Copper alloys in aquaculture
- Freeze branding
References[edit]
- ^ Sakiewicz P.,Nowosielski R., Babilas R. Production aspects of inhomogeneous hot deformation in as-cast CuNi25 alloy, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, Vol. 22, August 2015, pp. 389-398
- ^ Deutsches Kupfer-Institut (Hrsg.): Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen. Berlin 1980.
- ^ Marine Applications for Copper-Nickel Alloys http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/#non_marine
- ^ Kobelco: Copper alloy tubes for heat-exchanger; Shinko Metal Products, Japan; http://www.shinkometal.co.jp/catalog/copperalloy-en-sc.pdf Archived 2013-10-29 at the Wayback Machine
- ^ Copper-Nickel Alloys in Boat and Ship Hulls http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/hulls/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Shipbuilding and Repair http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/shipbuilding_and_repair/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Desalination Plants http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/desalination_plants/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Offshore Oil and Gas Platforms and Processing http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/offshore_oil_and_gas/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Power Generation http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/power_generation/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Seawater System Design http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/seawater_system_design/
- ^ Copper-Nickel Alloys in Seawater System Components http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/seawater_system_components/
- ^ Copper-Nickel in Coinage
- ^ «The United States Mint: Coin Specifications». Retrieved 2008-06-11.
- ^ «Currency in Circulation: Introduction to Coins». Archived from the original on 2014-12-31. Retrieved 2010-09-27.
- ^ Robert Monro Black, The history of electric wires and cables Science Museum (Great Britain), IET, 1983, ISBN 0-86341-001-4, p. 161
- ^ Cryogenic Properties of Copper-Nickel http://www.copper.org/applications/marine/cuni/properties/cryogenic/
- ^ Low-Temperature Properties of Copper and Copper Alloys http://www.copper.org/publications/pub_list/pdf/104-5-low-temperatuare.pdf
- ^ Mechanical Properties of Copper and Copper Alloys at Low Temperatures http://www.copper.org/resources/properties/144_8/
- ^ Properties of Copper-Nickel Alloys http://www.copper.org/applications/marine/cuni/properties/
- ^ Physical Properties of Copper-Nickel
- ^ «Copper-Nickel Alloy Product Forms». Copper Development Association Inc.
- ^ «Copper-Nickel Alloy Fabrication». Copper Development Association Inc.
- ^ Copper-Nickel Standards http://www.copper.org/applications/marine/cuni/standards/
- ^ Ancient Chinese weapons Archived 2005-03-07 at the Wayback Machine and A halberd of copper-nickel alloy, from the Warring States Period. Archived 2012-05-27 at archive.today
- ^ a b c d e f g h i j k Joseph Needham, Ling Wang, Gwei-Djen Lu, Tsuen-hsuin Tsien, Dieter Kuhn, Peter J Golas, Science and civilisation in China: Cambridge University Press: 1974, ISBN 0-521-08571-3, pp. 237–250
- ^ a b c d Mcneil I Staff, Ian McNeil Encyclopaedia of the History of Technology: Routledge: 2002: ISBN 0-203-19211-7: pp98
External links[edit]
- Copper-Nickel Alloys
- Copper-Nickel-Alloys: Properties, Processing, Applications (Source: German Copper Institute (DKI))]
- Copper-Nickel Alloys for Seawater Corrosion Resistance and Antifouling — A State of the Art Review (C.A. Powell and H.T. Michels; Corrosion 2000, NACE March 2000 ( NACE))
Медно-никелевый сплав мельхиор
Мельхиор — медно-никелевый сплав устойчивый к коррозии. Стойкость к окислению и химическому разрушению позволяет применять его в качестве конструкционного материала в изделиях, которые подвержены контакту с агрессивными средами. На странице представлено описание мельхиора: физические свойства, области применения, марки, виды продукции.
Основные сведения о мельхиоре
Мельхиор — коррозионностойкий медно-никелевый сплав. Основными компонентами являются медь (Cu) и никель (Ni), в небольшом количестве может присутствовать марганец (Mn) и железо (Fe). Обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей пластичностью. Данный материал применяется в судостроительной, медицинской, а также в аппаратостроении и при производстве посуды и монет.
История создания
Мельхиор был разработан французскими учеными Майо и Шорье. Название он получил в честь своих создателей путем объединения их фамилий.
Свойства мельхиора
Основным практически полезным свойством является его высокая коррозионная стойкость в морской и пресной воде, атмосфере сухих газов.
Среди механических свойств сплава стоит отметить высокую прочность, которая обеспечена наличием в его составе никеля. Чем больше процентное содержание Ni в конкретной марке мельхиора, тем выше его прочность.
Описываемый материал обладает хорошей пластичностью, которая относится к группе технологических свойств. Это позволяет проводить обработку описываемого сплава под давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Также он поддается пайке и хорошо полируется.
| Свойство | МНЖМц30-1-1 | МН19 |
|---|---|---|
| Плотность, г/см3 | 8,9 | 8,9 |
| Температура плавления, °С | 1230 | 1190 |
| Удельное электрическое сопротивление, Ом·м | 420·10-9 | 287·10-9 |
| Магнитность | Не магнитен | Не магнитен |
| Твердость, НВ | 58,8-68,9 (после отжига) 98 |
69 (после отжига) 117 |
| Температурный коэффициент линейного расширения, °С-1 в интервале 20-100 °С | 16·10-6 | 16·10-6 |
| Температурный коэффициент электрического сопротивления, °C-1 | 0,1·10-3 | 0,1·10-3 |
Марки мельхиора
Наиболее распространенными марками являются МН19 и МНЖМц30-1-1. Также промышленность выпускает сплавы МН16, МН25, МНЖМц10-1-1.
Мельхиор МН19 содержит никель + кобальт (Ni + Co) — 18-20%, медь (Cu) — остальное (приблизительно 78,5-82%), незначительное количество марганца (Mn) и железа (Fe). В состав сплава МНЖМц30-1-1 входит большее количество никеля + кобальта (Ni + Co), марганца (Mn) и железа (Fe): 29-33%, 0,5-1%, 0,5-1% соответственно. Медь (Cu) составляет оставшуюся часть (приблизительно 64,4-70%).
Достоинства / недостатки
- Достоинства:
- обладает высокой стойкостью к коррозии в некоторых средах;
- имеет приемлемые прочностные характеристики;
- обладает хорошими технологическими свойствами — пластичностью и свариваемостью;
- имеет привлекательный внешний вид.
- Недостатки:
- достаточно дорогой материал по сравнению с другими коррозионностойкими материалами.
Области применения мельхиора
Основным практически полезным свойством является высокая коррозионная стойкость в пресной и морской воде. Это позволяет использовать мельхиор как конструкционный материал для производства деталей судов, теплообменных аппаратов, трубопроводной арматуры. Также из данного материала изготавливают различные медицинские инструменты.
Мельхиор также нашел широкое распространение при производстве монет, создании украшений и посуды. Для данных целей, как правило, применяется марка МН25 с содержанием никеля 24-26%.
Продукция из мельхиора
Во многих отраслях промышленности используются металлы и их сплавы. Среди огромного разнообразия сырья большой спрос получил мельхиор, в состав которого входит никель и медь. Некоторые производители могут использовать и другие компоненты. Из этого сплава изготавливают столовые приборы, а также другие предметы. Из-за высокой стоимости серебра на производствах чаще используют именно мельхиор. Химическая формула этого сплава изучается в 9 классе.
Содержание
- Разновидности сплавов и их химический состав
- Эксплуатационные свойства
- Используемые маркировки
- Положительные и отрицательные характеристики
- Область применения
- Правила ухода и хранения
Разновидности сплавов и их химический состав
Мельхиор представляет собой высококачественный сплав из меди. В качестве основного легирующего компонента используется никель. Чтобы материал быстро не портился под воздействием морской воды, производители добавляют в состав соединения марганца и железа. Всего доступно около 65 разновидностей мельхиора, каждая из которых обладает как положительными, так и негативными характеристиками.
На производственных участках чаще всего используются следующие виды сплавов:
- МН19. В составе этого мельхиора отсутствует железо и марганец. На 81% материал состоит из меди, а оставшиеся 19% — никель.
- МНЖМц 30−1−1. Около 30% состава — никель, 1% марганца и столько же железа.
Отдельного внимания заслуживает нейзильбер, который представляет собой трёхкомпонентный медно-никелевый сплав, отличающийся широким спектром применения. Кроме привычного никеля и меди, производитель добавил в состав ещё и 15% цинка. Этот материал отличается высокими показателями прочности, хорошо обрабатывается высоким давлением. Нейзильбер подвержен негативному воздействию коррозии, но при этом он является устойчивым к органическим кислотам и соляным растворам.
Не менее востребованным является монель — металлический сплав, который содержит в своём составе до 67% никеля. Этот материал часто используется для изготовления высококачественных медицинских инструментов, а также для производства изделий, используемых в химической, нефтяной и кораблестроительной отрасли.
До 41% никеля содержится в константане. Материал обладает высокой прочностью и твёрдостью. Благодаря своим характеристикам сплав получил большой спрос в производстве металлорежущих станков и других приспособлений.
Эксплуатационные свойства
Внешний вид мельхиора позволяет имитировать дорогостоящее серебро. При этом сплав отличается большой прочностью и весит гораздо меньше, чем благородный металл. Чтобы разобраться во всех нюансах использования такого материала, нужно первым делом изучить его характеристики. Если нужно написать развёрнутый доклад о мельхиоре по химии в 9 классе, то следует изучить основную информацию об этом сплаве, чтобы за проделанную работу получить высокую оценку.
Среди основных химических свойств материала можно выделить следующие:
- Сплав отлично противостоит газам и большим атмосферным нагрузкам.
- Высокий показатель сопротивляемости негативному воздействию коррозии.
- Материал не реагирует на агрессивную кислотную среду.
- Инертность к воздействию пресной и морской воды.
Не менее интересными являются физические свойства. Даже если мельхиор будет использоваться при температуре до +150 °C, он всё равно не окислится. Этот материал можно подвергать спайке. Мельхиор разрешено полировать. На производстве столовые приборы из этого материала покрывают тонким слоем серебра либо золотым напылением. В противном случае необработанный сплав может придавать пище характерный металлический привкус.
Чтобы добиться идеального серебристого блеска, потускневшие приборы обрабатывают специальными растворами. Если чистка изделий происходит в домашних условиях, тогда могут быть задействованы неагрессивные народные составы.
Плотность материала находится в пределах 8900 кг/м³, что ниже, чем у серебра. Температура плавления зависит от марки используемого сплава, но чаще всего итоговое значение находится в пределах от 1180 до 1240 °C. Удельное электрическое сопротивление мельхиора в 20 раз превышает показатели меди — 285 нОм*м. Если в составе снижено содержание марганца и железа, тогда сплав будет проводить ток. Прочностные показатели описываемого сплава можно сравнить со сталью. Временное сопротивление на разрыв достигает отметки 400 МПа. На производстве сплав проходит термическую обработку, так как это позволяет существенно повысить твёрдость.
Используемые маркировки
У всех изделий, которые изготовлены из мельхиора, проба обозначается двумя большими буквами: М и Н. Они означают то, что в состав сплава входит медь и цинк. Если возле букв МН указано ещё и Ж, а также Мц, тогда в виде лигатуры использовались марганец и железо. Помимо стандартного буквенного обозначения, на производстве используются ещё и цифры. Например, если на изделие нанесена маркировка МНЖМц 30−1−1, тогда в сплаве, кроме стандартной медной основы, используется 30% никеля, 1% железа и 1% марганца.
На территории России приборы и украшения из мельхиора особенно активно изготавливались до распада СССР. После этого сплав начали на серийном уровне выпускать с добавлением в состав цинка. Благодаря этому получился нейзильбер (одна из разновидностей мельхиора). Сегодня изделия из медно-никелевого сплава без добавления цинка можно купить только в антикварной лавке. По внешнему виду и показателям прочности приборы из нейзильбера не отличить от настоящего серебра, но вот только дорогостоящий металл может потемнеть в результате контакта с влажной поверхностью.
Отличительной чертой медно-никелевого сплава является его клеймо — МНЦ. Но в некоторых случаях на изделии может отсутствовать проба. Для правильного определения маркировки нужно узнать дату изготовления либо оценить цвет прибора или украшения. Если в сплаве присутствует жёлтый оттенок, тогда речь касается нейзильбера.
Для лучшего запоминания изложенной информации можно кратко записывать небольшие сообщения о мельхиоре. В химии такой подход является востребованным, так как все основные данные под рукой.
Положительные и отрицательные характеристики
Так же как и любой другой материал, мельхиор обладает своими плюсами и минусами. Среди основных положительных характеристик этого сплава можно выделить следующие:
- Материал отличается инертностью к коррозии, не гнётся.
- Предметы для интерьера и столовые приборы из мельхиора выглядят презентабельно. Такие изделия способны составить достойную конкуренцию аналогичным товарам из настоящего серебра.
- Сплав медленно нагревается, что тоже очень важно при использовании столовых приборов.
- Готовые изделия отличаются доступной ценой, но при этом способны впечатлить внешним сходством с дорогостоящим металлом.
Большой спрос на приборы из мельхиора связан ещё и с тем, что этот материал отличается продолжительным сроком эксплуатации. Например, монеты, предметы интерьера и даже украшения могут использоваться несколькими поколениями.
Среди недостатков можно выделить то, что при отсутствии должного ухода изделия быстро теряют свою привлекательность, так как на поверхности начинают появляться чёрные пятна разного диаметра. Для избежания таких последствий нужно регулярно чистить и полировать приобретённые товары. Хранить украшения и другие изделия нужно в сухом, хорошо проветриваемом и недоступном для прямых солнечных лучей месте.
Область применения
Изделия из мельхиора пользуются большим спросом в разных отраслях. Отличные эксплуатационные характеристики, доступность и долговечность повлияли на то, что этот сплав начали использовать для решения следующих задач:
- Из мельхиора изготавливают качественные детали для термогенераторов. Этот материал также используют при производстве различных радиодеталей.
- Изготовление высококачественных товаров, которые длительное время должны соприкасаться с насыщенным паром либо морской водой.
- Производство медицинских инструментов. Чаще всего из мельхиора делают скальпели и пинцеты.
- Так как описываемый сплав очень похож на серебро, его часто используют для изготовления различных ювелирных украшений.
- Производство посуды, столовых приборов.
- Изготовление запорной арматуры, фиттингов, а также других узлов систем трубопровода.
- Различные автомобильные механизмы покрываются мельхиором, так как это позволяет нивелировать риск возникновения коррозии.
- Изготовление оригинальных декоративных монет.
Высокая прочность и длительный срок службы мельхиора повлияли на то, что этот материал используется на тех производствах, которые занимаются изготовлением гаек, труб, шаровых кранов, ниппелей, крестовин, тройников, дросселей. Из этого сплава также выпускают детали теплогенераторов. На специальных заводах из мельхиора изготавливают прецизионные резисторы, а также другие электрические изделия.
Правила ухода и хранения
Приобретённые товары из медно-никелевого сплава нужно хранить в определённых условиях. Чтобы изделия из мельхиора всегда радовали своей эстетичностью, необходимо соблюдать несколько простых рекомендаций:
- Для чистки предметов декора, столовых приборов, монет можно использовать только те средства, в составе которых нет абразивных частиц. От хлора тоже следует отказаться, так как он может окончательно испортить внешний вид изделия.
- Для борьбы с тёмными пятнами на вилках, ножах или других предметах можно использовать специальные средства либо проверенные народные рецепты.
- Наборы столовых предметов из мельхиора лучше всего хранить в изолированном от окружающей среды контейнере. При этом каждый предмет рекомендуется обернуть мягкой сухой салфеткой, фольгой либо пищевой плёнкой. Сплав отрицательно реагирует на сырость в комнате, из-за чего начинает темнеть.
После изучения всей изложенной информации учащемуся будет гораздо проще написать развёрнутый по химии доклад на тему: «Сплав мельхиора».
Предыдущая
ХимияПриродные источники углеводородов — основные виды, способы добычи и переработки
Следующая
ХимияКлассификация неорганических веществ — свойства, реакции и примеры с названиями
Серебряная посуда – красиво, но не практично и дорого. Ее нужно постоянно чистить и пользоваться при сервировке крайне аккуратно.
Столовые приборы из мельхиора похожи на изделия из серебра, их украшают чернением, покрывают тонким слоем золота или родия. Они имеют массу преимуществ – красивый внешний вид, высокую износоустойчивость. И стоят дешевле приборов из благородного металла. Практически в каждой кухне можно найти столовые приборы из мельхиора.
Содержание статьи
- Что такое мельхиор
- История мельхиора
- Свойства
- Физические свойства
- Химические свойства
- Как его получают
- Маркировка
- Области применения
- Достоинства и недостатки мельхиора
- Как отличить его от серебра
- Как ухаживать за изделиями
- Цена
Что такое мельхиор
Мельхиор – это однофазный (зерна одного размера) сплав на основе меди и никеля, а не чистый металл. В некоторые его виды добавляют легирующие металлы, железо. В состав сплава входит до 30% никеля, до 0,8% железа и до 1% марганца. Пропорции могут варьироваться, но общие правила соблюдаются.
В прошлом под мельхиором понимали и сплавы на основе никеля и цинка. Но в настоящее время их называют нейзильберами. В промышленности используются близкие к мельхиору твердые растворы. Например, константан на основе меди (59%) и никеля (41%) или монель, который содержит 67% Ni. Хотя все сплавы выполнены из одинаковых компонентов, но их физические и потребительские свойства отличаются.
История мельхиора
Купроникелиевые сплавы используются более 1000 лет. Первые упоминания о твердом растворе из меди, никеля и селитры встречаются в китайских рукописях еще в 300 годах до рождества Христова. Кроме того, подобные составы использовались для изготовления монет в Древней Греции.
Современное название произошло по фамилии французов Майо (Maillot) и Шорье (Chorier), которые в конце XIX века повторно открыли медно-никелевый сплав. А слово «мельхиор» – это калька на немецком языке от фамилий европейских «первооткрывателей».
Французские ученые искали способы снижения скорости коррозии меди. Эксперименты длились 4 года. Ученые выявили, что при добавлении никеля медь становится химически инертной в морской воде, повышается ее устойчивость к действию кислот, насыщенного пара.
Изделия из купроникеля хорошо поддаются обработке, химически инертны, отличаются высокими эстетическими свойствами. Мельхиор стал использоваться для изготовления посуды. Но внешний вид приборы напоминали предметы из серебра, но их стоимость была ниже. Это способствовало популярности мельхиоровых вилок, ложек, подстаканников.
Свойства
Мельхиор – это сборное название сплавов на основании цветных металлов – меди с никелем, цинком, прочими добавками. Их физические свойства, химическая активность зависит от концентрации чистых веществ в твердом растворе.
Физические свойства
Внешне мельхиор очень напоминает серебро. Это серебристая блестящая масса. Физические свойства твердого раствора зависит от его состава, поэтому в таблице приведены усредненные цифры.
Таблица 1. Физические свойства купроникеля.
| Показатели | Характеристики |
|---|---|
| Внешний вид | Серебристо-белый металл |
| Плотность | 8900 кг/ метр кубический |
| Удельное электрическое сопротивление | 285 нОм*м, чем меньше легирующих металлов, тем хуже сплав проводит электрической ток |
| Магнитное поле | Не реагирует |
| Прочность | Соответствует стали |
| Прочность на разрыв | 400 мПа |
| Твердость | 70 ед. по Бринеллю |
| Относительное удлинение | 35%, относится к высокопластичным сплавам. Добавление легирующих металлов снижает его пластичность. |
| Температура плавления | 1190– 1230 в зависимости от состава |
| Удельная теплоемкость | 90–400 Дж/кг при нормальных условиях |
Химические свойства
Мельхиор – это многокомпонентный сплав, поэтому к его химическим свойствам относится устойчивость к кислотам, воде (в том числе и морской). Купроникель не поддается коррозии, не темнеет на воздухе.
Важная информация
Окислительные процессы возможны только при нагревании изделия свыше 150 градусов Цельсия. Сплав не вступает в реакции с солями, щелочами и органическими кислотами.
Как его получают
В природе мельхиор не встречается. Единственный метод его получения – плавка компонентов в печах. Для получения малых объемов купроникелиевых сплавов разрешается использовать тигельные печи.
Маркировка
Разработаны и исследованы более 65 сплавов на основе меди и никеля.
В промышленности применяются 2 марки твердого раствора:
- МНЖ Мц 30-1-1 – 30% никель, содержание 1% железа и марганца, остальное – медь;
- МН19 – в его составе отсутствуют легирующие металлы, только медь и 19% никеля.
Также промышленность выпускает сплавы МН16 с кобальтом (он может полностью замещать никель), МН25 (также с кобальтом, но его концентрация выше, чем у МН16), МНЖМц10-1-1 (до 89% меди, остальное никель и легирующиеметаллы). Количество основных и дополнительных компонентов регулируются ГОСТами.
Области применения
Мельхиор в первую очередь рассматривался как недорогой заменитель серебра. Но в настоящее время он воспринимается как индивидуальный материал, который используют в технике, для изготовления украшений и посуды.
Таблица 2. Области применения сплавов на основе меди и никеля.
| Область хозяйствования | Виды продукции |
|---|---|
| Морская промышленность | Различные станки, детали, узлы, охладители – все что, так или иначе, контактирует с морской водой. |
| Электроника | Резисторы, устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую. |
| Медицина | Мельхиор является биологически совместимым сплавом, не вызывает аллергические реакции,не воздействует на ткани, проходит термообработку без изменения свойств изделия. Из него изготавливают инструменты, скальпели, различную медицинскую технику. |
| Ювелирное дело, нумизматика | Недорогие украшения, приборы и столовые приборы. Особенно хороши посеребренные или позолоченные. Также монеты, в том числе и памятные. |
| Трубопроводы | Из него изготавливают фитинги, дроссели, тройники, прочие соединительные элементы. |
Кроме того, сплав используют в химической промышленности, в точном машиностроении, судо- и авиастроении.
Достоинства и недостатки мельхиора
Потребительские качества мельхиора – совокупность свойств компонентов этого сплава. Его преимущества и недостатки смотрите в таблице №3.
Талица 3. Плюсы и минусы купроникеля.
| Плюсы | Минусы |
|---|---|
|
|
Как отличить его от серебра
Мельхиоровая посуда, бижутерия очень напоминает изделия из серебра. Главное существенное различие – это стоимость. Поэтому при покупке хочется быть уверенным, что платишь за предметы из благородного металла, а не из сплава меди и никеля.
Таблица 4. Особенности серебра и мельхиора.
| Серебро | Мельхиор |
|---|---|
| На изделии должна быть проба. Для серебра обычно это 925. | На изделии из мельхиора указывается его маркировка –МНЦ, МНЖМц. |
| При нахождении в воде, на воздухе темнеет из-за образования сульфидов серебра. | При нахождении в воде покрывается зеленым налетом оксида меди. |
| При нанесении линии ляписным карандашом цвет прибора не изменится. | При нанесении линии ляписным карандашом появится темная полоса. |
| Приборы тяжелые. | Мельхиор значительно легче серебра. |
| Не имеет запаха. | Имеет слабый, но характерный запах меди. |
| Темнеет под действием агрессивных кислот. | Приобретает зеленый цвет под действием агрессивных кислот. |
| Чистка мелом – серебро потемнеет. | Чистка мелом – мельхиор не изменяется, а становится ярче и приобретает блеск. |
| Серебро не притягивается магнитом. | Может иметь слабые магнитные свойства, так как в состав входит железо. |
| Ржавчина – серебро не коррозирует. | Возможны следы ржавчины, так как в некоторые мельхиоровых сплавов входит железо. |
| Под действием уксусной кислоты на серебряном изделии образуется белая пена. | Под действиям уксуса образуется зеленая пена. |
| Под действием йода серебряная посуда темнеет | Под действием йода мельхиор цвет не изменяет. |
Если вы подозреваете, что прибор просто покрыт слоем серебра, то сделайте небольшую царапину на поверхности. Если изделие посеребрено, то цвет прибора и царапины будет отличаться. Кроме того, серебро обладает большей теплопроводностью и, следовательно, быстрее нагревается, чем изделия из мельхиора.
Если же вас гложут сомнения, то обратитесь к ювелиру. Специалист без труда отличит благородный металл от купроникеля и подобных ему сплавов. И если хочется именно серебряную посуду, то покупайте ее в ювелирных салонах. Так вы получите гарантию ее подлинности.
Как ухаживать за изделиями
Мельхиор хоть и является недорогой альтернативой серебру, но посуда из него требовательна к уходу. При нарушении правил использования, мытья и чистки изделия быстро теряют свой внешний вид.
Что запрещено делать с мельхиоровыми столовыми приборами:
- мыть в посудомоечной машине;
- чистить хлорсодержащими средствами, порошками с абразивами;
- обрабатывать уксусом.
Полезная информация
Рекомендуется только ручное мытье в теплой воде. После чего посуда должна быть насухо вытерта. В противном случае он потемнеет.
Для придания блеска рекомендуют обрабатывать посуду следующими составами:
- мыльный раствор с мелом – нанести, вымыть, тщательно прополоскать и высушить приборы;
- пищевая сода – полоскать ложки, вилки, ножи, подстаканники и прочую посуду в слабом растворе, потом промыть чистой водой и тщательно высушить;
- небольшие пятна уберет слабый раствор уксуса или спирта – сразу же после обработки посуду следует прополоскать в большом объеме воды;
- специальные моющие средства – на них должно быть указано, что допускается обрабатывать посуду из мельхиора.
Хранят приборы из мельхиора в сухом месте. Желательно в полиэтиленовом пакете или специальном футляре. Влажность – это враг ложек и вилок из мельхиора. Они быстро темнеют, а в некоторых случаях и зеленеют.
Цена
Стоимость мельхиора зависит от его формы – лом, проволока, листы или готовые изделия. Цена проката составляет от 155 до 200 рублей за 1 кг, металлом – значительно дешевле.
Стоимость готовых наборов столовых приборов определяет производитель. На ее влияет вид изделия, штучный или прибор для массмаркета, внешнее покрытие – позолота, серебрение, обработка родием. Например, одну вилку можно купить в среднем за 120 рублей, тогда как набор из 12 предметов обойдется от 4200 до 6600 рублей. А стоимость 1 подстаканника варьируется от 1600 до 2500 рублей.
В моём личном блоге я познакомлю вас с особенностями разных драгоценных камней, влиянием зодиакальных камней в отношении каждого знака зодиака, а также целебными свойствами некоторых из них.
Оцените статью
Поделиться статьей