Una revisión de la investigación y aplicación de las aleaciones de cobre y níquel, incluida la investigación sobre la clasificación, las propiedades y aplicaciones, y los requisitos de rendimiento de las aleaciones de cobre y níquel.
Resumen: El rápido desarrollo de la industria marina ha impuesto demandas cada vez mayores sobre los materiales de aplicación de ingeniería marina, incluido el cobre blanco, que se usa ampliamente en barcos, algunas plantas de energía y en la desalinización de agua de mar. Debido a que está sujeto a la erosión y corrosión del agua de mar a largo plazo, si la resistencia a la corrosión no cumple con los requisitos de uso, se producirá falla por corrosión, lo que resultará en enormes pérdidas. Por lo tanto, el cobre blanco ha atraído cada vez más atención debido a su buena resistencia a la corrosión del agua de mar (especialmente su buen rendimiento contra la corrosión por erosión) y su resistencia a la fatiga por corrosión, su excelente rendimiento de procesamiento en frío y en caliente y su alta resistencia a la tracción, límite elástico y otras propiedades.
Palabras clave: cobre blanco; composición; resistencia a la corrosión; solicitud
Número de clasificación CTL: TG146.15 Código del documento: A
Con el desarrollo de la industria marina, la selección de materiales de los sistemas de refrigeración de agua de mar ha evolucionado desde los primeros TUP de cobre, latón de aluminio y acero inoxidable hasta la actual aleación de cobre y níquel con mejor resistencia a la corrosión del agua de mar. El cobre blanco utiliza níquel como elemento principal y contiene una pequeña cantidad de Fe, Mn y otros elementos para formar una solución sólida monofásica continua, lo que le confiere buena ductilidad, resistencia al impacto y estabilidad térmica. Al mismo tiempo, la solución sólida infinita de cobre y níquel evita la transformación de fase durante el procesamiento posterior en caliente y en frío, por lo que tiene poco impacto en las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión de la aleación. Este artículo presenta diferentes aleaciones de cobre blanco y sus aplicaciones, y resume el progreso de la investigación de las aleaciones de cobre-níquel. La Figura 1 muestra el sistema de plataforma marina y la Figura 2 muestra los requisitos de rendimiento del material.
1. Clasificación de las aleaciones de cobre-níquel.
La Tabla 1 muestra el grado y la composición elemental de la aleación de cuproníquel. El cuproníquel se puede dividir en cuproníquel de manganeso, cuproníquel de hierro, cuproníquel ordinario, cuproníquel de aluminio y cuproníquel de zinc. Debido al diferente contenido del elemento Ni, sus propiedades son diferentes y las ocasiones de aplicación también son diferentes. diferente. Debido a su irremplazable resistencia a la corrosión y muchas propiedades superiores a las aleaciones tradicionales, tiene un gran potencial de aplicación.
2. Propiedades y aplicaciones de las aleaciones de cobre-níquel.
El cobre blanco ordinario es generalmente una aleación estructural de cobre y níquel. Además de su alta resistencia a la corrosión, también tiene buenas propiedades mecánicas integrales a altas y bajas temperaturas, es decir, buena plasticidad y tenacidad. Generalmente se utiliza en forma de varillas o tiras. Al mismo tiempo, agregar algunos elementos traza de aleación como Fe, Mn, Zn y Al sobre la base del cobre blanco ordinario puede lograr requisitos de rendimiento especiales en aplicaciones prácticas y satisfacer mejor las necesidades industriales. El cobre hierro-níquel más utilizado es BFe10-1-1 (C70600) y
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BFe30-1-1 (C71500), cuando la fracción de masa de Ni está entre 30% y 10%, la aleación tiene un rango de pasivación más amplio y la mejor resistencia a la corrosión. La aleación también tiene una resistencia súper fuerte a la erosión y corrosión del agua de mar y se denomina "aleación de ingeniería marina". Las principales aplicaciones del cobre y sus aleaciones en el campo de la ingeniería marina se muestran en la Tabla 2.
Las aleaciones BFe10-1-1 y BFe30-1-1 tienen las ventajas de una buena resistencia a la erosión y corrosión del agua de mar, un alto coeficiente de transferencia de calor, excelentes propiedades mecánicas/de soldadura, inhibición de la adhesión microbiana marina, etc., y se utilizan ampliamente. en motores principales y auxiliares de barcos. Tuberías de agua de refrigeración, tuberías de protección contra incendios en plataformas de producción de petróleo en alta mar, intercambiadores de calor en centrales eléctricas, condensadores en centrales nucleares costeras y calentadores de salmuera en dispositivos de evaporación instantánea de múltiples etapas para la desalinización de agua de mar [2-4]. Al mismo tiempo, la aleación BFe30-1-1 tiene mayor resistencia y también se utiliza en piezas estructurales de alta resistencia, como ejes, sujetadores, vástagos de válvulas y bridas de algunos dispositivos marinos. La aleación BFe30-2-2, que es resistente a la corrosión por erosión del agua de mar y a la corrosión de la arena, se desarrolló para abordar el problema del alto contenido de arena en el agua de mar en el Mar de China Oriental [5]. BFe10-1-1
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Las propiedades mecánicas de las tuberías de aleación BFe{{0}} en estado duro deben cumplir: resistencia a la tracción mayor o igual a 370 MPa, límite elástico mayor o igual a 150 MPa, alargamiento mayor o igual al 18%, Dureza Vickers Mayor o igual a 85; Resistencia a la corrosión: cantidad de corrosión (50 grados, 3,5% de agua de mar NaCl) menor o igual a 0,025 mm/a, no se permite corrosión por picaduras. El cobre blanco de manganeso (aleación BMn3-12) tiene un coeficiente de resistencia moderado, un coeficiente de temperatura de resistencia pequeño y es relativamente estable. Debido a sus buenas propiedades eléctricas, la aleación BMn3-12 se puede utilizar para fabricar resistencias estándar y componentes resistivos de otros instrumentos de precisión. Con el desarrollo de los tiempos, los requisitos de precisión de los instrumentos son cada vez mayores, por lo que la investigación sobre esta aleación no puede limitarse a cambiar la composición y el contenido de la aleación [6]. A través de procesos de recocido, falla de extrusión horizontal y trefilado, la aleación BMn3-12 tiene límites gemelos coherentes especiales, que pueden mejorar la resistencia del material sin afectar la conductividad del material. La aleación BMn40-1.5 es una aleación eléctrica de cobre y níquel que se utilizaba antes que la aleación BMn3-12. Debido a su menor coeficiente de resistencia a la temperatura, tiene mejor resistencia al calor y puede usarse en un rango de temperatura más amplio. En comparación con la aleación BMn3-12, la aleación BMn40-1.5 tiene un mayor potencial termoeléctrico frente al cobre, por lo que es adecuada para resistencias de precisión, resistencias deslizantes, transformadores de arranque y regulación y galgas extensométricas de resistencia para CA [8 ]. El cobre de aluminio y níquel tiene alta resistencia y buena plasticidad y tenacidad. Entre ellos, la aleación BAl13-3 se usa a menudo para fabricar piezas resistentes a la corrosión de mayor resistencia, y la aleación BAl16-1.5 se usa para fabricar resortes planos con usos importantes. Durante mucho tiempo, para mejorar el rendimiento del cobre de aluminio y níquel, a menudo se agrega una pequeña cantidad de oligoelementos para crear una matriz reforzada de cobre de aluminio y níquel, que tiene buena conductividad y al mismo tiempo mantiene una alta resistencia para cumplir con los requisitos de aplicaciones prácticas. . Debido a que el cobre de aluminio y níquel tiene alta resistencia, alta conductividad eléctrica y buena resistencia al desgaste, puede usarse como material potencial para marcos de plomo y piezas resistentes al desgaste [9-11].
El cuproníquel de zinc (aleación BZn18-18BZn15-20) también se denomina "plata alemana" [12]. Debido a que el cobre zinc-níquel tiene las ventajas de una buena resistencia a la tracción, resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión, se utiliza principalmente como carcasas de componentes o cristales, equipos médicos, materiales de construcción y carcasas de instrumentos de viento [13].
3. Requisitos de rendimiento de la aleación de cobre y níquel.
Con el rápido desarrollo de la industria de construcción naval, la industria del petróleo y el gas en alta mar, la minería marina, la energía marina y la desalinización de agua de mar de mi país, los requisitos de materiales son cada vez mayores [16]. Entre ellos, se utilizan principalmente tubos de aleación de cobre y níquel. Las tuberías de condensadores de aleación de cobre para barcos han estado trabajando durante mucho tiempo en ambientes de alta temperatura, alta presión y medio de enfriamiento altamente corrosivo: agua de mar. Por lo tanto, ya no es suficiente que la composición química, las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión del agua de mar del producto cumplan los requisitos. También se deben imponer requisitos estrictos a la precisión dimensional geométrica, el rendimiento del proceso, la organización interna y otros indicadores. Al mismo tiempo, también se requiere que las tuberías de aleación de cobre y níquel tengan una buena resistencia a la corrosión. , alto coeficiente de transferencia de calor, gran diámetro, alta precisión, excelente tecnología de soldadura mecánica y buena capacidad para inhibir la adhesión de microorganismos marinos [17] y otras características. En la actualidad, debido a problemas con los equipos de procesamiento en China, las aleaciones de tubos de cobre de gran diámetro aún no pueden producirse en masa y dependen principalmente de las importaciones extranjeras. Por lo tanto, aún es necesario superar las dificultades de producción de tubos de cobre de gran diámetro.
4. Avances de la investigación de las aleaciones de cobre y níquel.
4.1 Mecanismo de corrosión de la aleación de cobre-níquel.
La Figura 4 muestra los diversos procesos de la reacción de corrosión del cuproníquel en agua de mar oxigenada. La línea AB en la figura es el proceso de reacción catódica del cuproníquel en agua de mar, que se puede expresar como:
1/2[O2]+[H2O]+2e−=2[OH−] (1)
La línea CD en la Figura 4 es el proceso de reacción anódica de cobre blanco sin pasivación en agua de mar. Se puede expresar como:
Cu=Cu++e−(2)
T1, T2, T3 en la Figura 4
La curva es el proceso de reacción anódica de pasivación del cobre blanco en agua de mar. La línea EF es un proceso de reacción de desprendimiento de hidrógeno del cobre blanco debido a la falta de oxígeno, por lo que durante este proceso no se forman productos de pasivación ni de corrosión.
Cu(oCu2O)=Cu2++2e−(3)
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2[Cu2+]+3[OH−]+[Cl−]=Cu2(OH)3Cl (4)
4.2 Investigación sobre la resistencia a la corrosión de la aleación de cobre-níquel.
Para cumplir con los requisitos de rendimiento de los materiales de la industria marina, se han realizado muchas investigaciones para mejorar la resistencia a la corrosión de las aleaciones de cobre y níquel. Deng Chuping[19] descubrió que la resistencia a la tracción y el alargamiento del cobre blanco añadido con Ce de tierras raras mejoraron y la estructura del grano era más densa. Además, agregar Ce de tierras raras podría mejorar la corrosión típica por deníquel de la aleación en medios que contienen azufre. tendencia. Jiang et al. [20] estudiaron los efectos de diferentes contenidos de Fe en la estructura y propiedades de la aleación B10, y encontraron que a medida que aumentaba el contenido de Fe, la resistencia a la corrosión mostraba una tendencia de primero aumentar y luego disminuir, pero no exploraron más a fondo el mecanismo de resistencia a la corrosión. . Investigación. Instituto de Investigación de Metales No Ferrosos de Beijing
Zhang Jianing [21] encontró la mejor relación de aleación para mejorar la resistencia a la corrosión del B10 controlando la relación Fe/Mn. El estudio encontró que cuando Fe/Mn=3:2, la resistencia a la corrosión de la aleación es la mejor. Ma et al. [22] de la Academia China de Ciencias descubrió que el uso de una solución sólida + deformación por laminación en frío + proceso de recocido por recristalización puede aumentar el número de límites de grano y límites gemelos, obteniendo así una aleación con mejor resistencia a la corrosión.
5. Conclusión
Este artículo toma principalmente la aleación de cobre-níquel como punto de partida, explica la composición química y los escenarios de aplicación de diferentes aleaciones de cobre-níquel, presenta las principales fábricas de producción de tubos de cobre para condensadores en el país y en el extranjero, y el rendimiento de los tubos de aleación de cobre-níquel para Tuberías del sistema marino doméstico. demanda y tendencias futuras en el desarrollo de aleaciones de cobre-níquel. Se resumen los principales avances de la investigación de las aleaciones de cobre-níquel. En la actualidad, el principal avance consiste en agregar trazas de elementos de tierras raras a agregar diferentes contenidos.
Elemento Fe, que cambia la proporción de elementos de aleación de matriz y la ingeniería de límites de grano para mejorar la resistencia a la corrosión de las aleaciones de cobre y níquel.
