O revizuire a cercetării și aplicării aliajelor cupru-nichel, inclusiv cercetarea privind clasificarea, proprietățile și aplicațiile și cerințele de performanță ale aliajelor cupru-nichel
Rezumat: Dezvoltarea rapidă a industriei maritime a impus cereri din ce în ce mai mari pentru materialele de aplicație pentru inginerie marină, inclusiv cuprul alb, care este utilizat pe scară largă în nave, unele centrale electrice și desalinizarea apei de mare. Deoarece este supus eroziunii și coroziunii apei de mare pe termen lung, dacă rezistența la coroziune nu îndeplinește cerințele de utilizare, se va produce o defecțiune a coroziunii, ceea ce duce la pierderi uriașe. Prin urmare, cuprul alb a atras o atenție din ce în ce mai mare datorită rezistenței sale bune la coroziune în apă de mare (în special a performanței bune la coroziune la eroziune) și a rezistenței la oboseală la coroziune, a performanței excelente de prelucrare la rece și la cald și a rezistenței ridicate la tracțiune, a limitei de curgere și a altor proprietăți.
Cuvinte cheie: cupru alb; compoziţie; rezistență la coroziune; aplicarea
Număr de clasificare CTL: TG146.15 Cod document: A
Odată cu dezvoltarea industriei maritime, selecția materialelor sistemelor de răcire cu apă de mare a evoluat de la începutul TUP cupru, alamă aluminiu și oțel inoxidabil la aliajul actual de cupru-nichel, cu o rezistență mai bună la coroziunea apei de mare. Cuprul alb folosește nichelul ca element principal și conține o cantitate mică de Fe, Mn și alte elemente pentru a forma o soluție solidă monofazată continuă, oferindu-i o ductilitate bună, rezistență la impact și stabilitate termică. În același timp, soluția solidă infinită de cupru și nichel previne transformarea de fază în timpul prelucrării ulterioare la cald și la rece, astfel încât are un impact redus asupra proprietăților mecanice și rezistenței la coroziune a aliajului. Acest articol prezintă diferite aliaje de cupru alb și aplicațiile acestora și rezumă progresul cercetării aliajelor de cupru-nichel. Figura 1 prezintă sistemul de platformă offshore, iar Figura 2 prezintă cerințele de performanță a materialului.
1. Clasificarea aliajelor cupru-nichel
Tabelul 1 prezintă gradul și compoziția elementară a aliajului de cupronichel. Cupronickelul poate fi împărțit în cupronichel de mangan, cupronichel de fier, cupronichel obișnuit, cupronichel de aluminiu și cupronichel de zinc. Datorită conținutului diferit de element Ni, proprietățile sale sunt diferite, iar ocaziile de aplicare sunt, de asemenea, diferite. diferit. Datorită rezistenței sale de neînlocuit la coroziune și multor proprietăți superioare aliajelor tradiționale, are un potențial mare de aplicare.
2. Proprietăți și aplicații ale aliajelor cupru-nichel
Cuprul alb obișnuit este, în general, un aliaj structural de cupru-nichel. Pe lângă rezistența ridicată la coroziune, are și proprietăți mecanice cuprinzătoare bune la temperaturi ridicate și scăzute, adică plasticitate și duritate bune. Este folosit în general ca tije sau benzi. În același timp, adăugarea unor oligoelemente de aliaj, cum ar fi Fe, Mn, Zn și Al, pe baza cuprului alb obișnuit, poate atinge cerințe speciale de performanță în aplicații practice și poate satisface mai bine nevoile industriale. Cel mai utilizat cupru fier-nichel este BFe10-1-1 (C70600) și
imagine.png
BFe30-1-1 (C71500), când fracția de masă a Ni este între 30% și 10%, aliajul are o gamă de pasivare mai largă și cea mai bună rezistență la coroziune. Aliajul are, de asemenea, o rezistență foarte puternică la eroziunea apei de mare și la coroziune și este numit „aliaj de inginerie marină”. Principalele aplicații ale cuprului și aliajelor de cupru în domeniul ingineriei maritime sunt prezentate în Tabelul 2.
Aliajele BFe10-1-1 și BFe{30-1-1 au avantajele unei rezistențe bune la eroziunea și coroziunea apei de mare, un coeficient ridicat de transfer de căldură, proprietăți mecanice/de sudare excelente, inhibarea aderenței microbiene marine etc. și sunt utilizate pe scară largă. în motoarele principale și auxiliare ale navei. Conducte de apă de răcire, conducte de protecție împotriva incendiilor pe platformele de producție de petrol offshore, schimbătoare de căldură în centralele electrice, condensatoare din centralele nucleare de coastă și încălzitoare de saramură în dispozitive de evaporare rapidă în mai multe etape pentru desalinizarea apei de mare [2-4]. În același timp, aliajul BFe30-1-1 are o rezistență mai mare și este, de asemenea, utilizat în părți structurale de înaltă rezistență, cum ar fi arbori, elemente de fixare, tije de supapă și flanșe ale unor dispozitive marine. Aliajul BFe30-2-2, care este rezistent la coroziune prin eroziunea apei de mare și rezistența la coroziunea nisipului, a fost dezvoltat pentru a face față problemei conținutului ridicat de nisip din apa de mare din Marea Chinei de Est [5]. BFe10-1-1
imagine.png
Proprietățile mecanice ale țevilor din aliaj BFe{{0}} în stare dură trebuie să îndeplinească: rezistență la tracțiune mai mare sau egală cu 370MPa, limită de curgere mai mare sau egală cu 150MPa, alungire mai mare sau egală cu 18%, Duritate Vickers Mai mare sau egală cu 85; rezistență la coroziune: cantitatea de coroziune (50 de grade, 3,5% NaCl apă de mare) Mai mică sau egală cu 0,025 mm/a, nu este permisă coroziunea prin pitting. Cuprul alb de mangan (aliaj BMn3-12) are un coeficient de rezistență moderat, un coeficient de temperatură de rezistență mic și este relativ stabil. Datorită proprietăților sale electrice bune, aliajul BMn3-12 poate fi utilizat pentru a face rezistențe standard și componente rezistive ale altor instrumente de precizie. Odată cu evoluția vremurilor, cerințele pentru precizia instrumentelor sunt din ce în ce mai mari, astfel că cercetările asupra acestui aliaj nu se pot opri la modificarea compoziției și conținutului aliajului [6]. Prin procesele de recoacere, de eșec de extrudare orizontală și de trefilare, aliajul BMn3-12 are limite duble coerente speciale, care pot îmbunătăți rezistența materialului fără a afecta conductivitatea materialului. Aliajul BMn40-1.5 este un aliaj electric de cupru-nichel care a fost folosit mai devreme decât aliajul BMn3-12. Datorită coeficientului său de temperatură mai mic de rezistență, are o rezistență mai bună la căldură și poate fi utilizat într-un interval mai larg de temperatură. În comparație cu aliajul BMn3-12, aliajul BMn{40-1.5 are un potențial termoelectric mai mare împotriva cuprului, deci este potrivit pentru rezistențe de precizie, rezistențe de alunecare, transformatoare de pornire și reglare și calibre de tensiune pentru AC [8] ]. Cuprul aluminiu-nichel are atât rezistență ridicată, cât și plasticitate și duritate bune. Printre acestea, aliajul BAl13-3 este adesea folosit pentru a face piese rezistente la coroziune cu rezistență mai mare, iar aliajul BAl16-1.5 este folosit pentru a face arcuri plate cu utilizări importante. Pentru o lungă perioadă de timp, pentru a îmbunătăți performanța cuprului aluminiu-nichel, se adaugă adesea o cantitate mică de oligoelemente pentru a crea o matrice consolidată de cupru aluminiu-nichel, care are o conductivitate bună, menținând în același timp rezistența ridicată pentru a îndeplini cerințele practice de aplicare. . Deoarece cuprul aluminiu-nichel are o rezistență ridicată, o conductivitate electrică ridicată și o rezistență bună la uzură, poate fi utilizat ca material potențial pentru ramele de plumb și piesele rezistente la uzură [9-11].
Cupronicalul de zinc (aliaj BZn18-18BZn{15-20) este numit și „argint german” [12]. Deoarece cuprul zinc-nichel are avantajele unei bune rezistențe la tracțiune, rezistență la oboseală și rezistență la coroziune, este folosit în principal ca înveliș de componente sau cristale, echipamente medicale, materiale de construcție și carcase pentru instrumente de vânt [13].
3. Cerințe de performanță ale aliajului de cupru-nichel
Odată cu dezvoltarea rapidă a industriei construcțiilor navale maritime din țara mea, a industriei petroliere și gazelor offshore, a mineritului maritim, a energiei maritime și a industriilor de desalinizare a apei de mare, cerințele pentru materiale devin din ce în ce mai mari [16]. Printre acestea, cele mai multe sunt utilizate țevi din aliaj de cupru-nichel. Țevile de condensare din aliaj de cupru pentru nave au funcționat de mult timp în mediu de răcire cu temperatură ridicată, presiune ridicată și mediu de răcire foarte coroziv - mediu cu apă de mare. Prin urmare, nu mai este suficient ca compoziția chimică, proprietățile mecanice și rezistența la coroziune a apei de mare a produsului să îndeplinească cerințele. De asemenea, trebuie impuse cerințe stricte privind acuratețea dimensională geometrică, performanța procesului, organizarea internă și alți indicatori. În același timp, țevile din aliaj de cupru-nichel trebuie, de asemenea, să aibă o rezistență bună la coroziune. , coeficient ridicat de transfer de căldură, diametru mare, precizie ridicată, tehnologie excelentă de sudare mecanică și capacitate bună de a inhiba aderența microorganismelor marine [17] și alte caracteristici. În prezent, din cauza problemelor cu echipamentele de procesare din China, aliajele cu tuburi de cupru cu diametru mare nu pot fi produse în serie și se bazează în principal pe importuri străine. Prin urmare, dificultățile de producție ale țevilor de cupru cu diametru mare trebuie încă depășite.
4. Progresul cercetării aliajelor cupru-nichel
4.1 Mecanismul de coroziune al aliajului cupru-nichel
Figura 4 prezintă diferitele procese ale reacției de coroziune a cupronichelului în apa de mare oxigenată. Linia AB din figură este procesul de reacție catodică a cupronicilului în apa de mare, care poate fi exprimat astfel:
1/2[O2]+[H2O]+2e−=2[OH−] (1)
Linia CD din figura 4 este procesul de reacție anodic a cuprului alb fără pasivare în apa de mare. Poate fi exprimat astfel:
Cu=Cu++e−(2)
T1, T2, T3 în figura 4
Curba este procesul de reacție anodic de pasivizare a cuprului alb în apa de mare. Linia EF este un proces de reacție de evoluție a hidrogenului a cuprului alb din cauza lipsei de oxigen, astfel încât în timpul acestui proces nu se formează nici produse de pasivare, nici de coroziune.
Cu(sauCu2O)=Cu2++2e−(3)
imagine.png
2[Cu2+]+3[OH−]+[Cl−]=}Cu2(OH)3Cl (4)
4.2 Cercetări privind rezistența la coroziune a aliajului cupru-nichel
Pentru a îndeplini cerințele de performanță ale materialelor din industria marină, s-au făcut multe cercetări pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune a aliajelor de cupru-nichel. Deng Chuping[19] a constatat că rezistența la tracțiune și alungirea cuprului alb adăugat cu Ce pământ rar au fost îmbunătățite, iar structura granulelor a fost mai densă. Mai mult, adăugarea de pământuri rare de Ce ar putea îmbunătăți coroziunea tipică de denichel a aliajului în mediile care conțin sulf. tendinţă. Jiang şi colab. [20] au studiat efectele diferitelor conținuturi de Fe asupra structurii și proprietăților aliajului B10 și au descoperit că, pe măsură ce conținutul de Fe a crescut, rezistența la coroziune a arătat o tendință de creștere mai întâi și apoi de scădere, dar nu a explorat în continuare mecanismul de rezistență la coroziune. . Cercetare. Institutul de Cercetare a Metalelor Neferoase din Beijing
Zhang Jianing [21] a găsit cel mai bun raport de aliaj pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune a B10 prin controlul raportului Fe/Mn. Studiul a constatat că atunci când Fe/Mn=3:2, rezistența la coroziune a aliajului este cea mai bună. Ma și colab. [22] a Academiei Chineze de Științe a constatat că utilizarea soluției solide + deformare la laminare la rece + proces de recoacere cu recristalizare poate crește numărul de granițe și limite duble, obținând astfel un aliaj cu o rezistență mai bună la coroziune.
5. Concluzie
Acest articol ia în principal aliajul de cupru-nichel ca punct de plecare, explică compoziția chimică și scenariile de aplicare a diferitelor aliaje de cupru-nichel, prezintă principalele fabrici de producție de tuburi condensatoare de cupru din țară și străinătate și performanța tuburilor din aliaj de cupru-nichel pentru conducte interne ale sistemului marin. cererea și tendințele viitoare în dezvoltarea aliajelor cupru-nichel. Principalele progrese ale cercetării aliajelor de cupru-nichel sunt rezumate. În prezent, principalul progres este de la adăugarea de urme de elemente de pământuri rare până la adăugarea de conținut diferit.
Element Fe, schimbarea raportului dintre elementele de aliaj de matrice și ingineria granulelor pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune a aliajelor de cupru-nichel.
