銅ニッケル合金の分類、特性と用途、性能要件に関する研究を含む、銅ニッケル合金の研究と応用のレビュー
要約: 海洋産業の急速な発展により、船舶、一部の発電所、海水淡水化で広く使用されている白銅などの海洋工学応用材料に対する需要が高まっています。 長期にわたって海水の浸食・腐食を受けるため、耐食性が使用条件を満たさないと腐食破壊が発生し、多大な損失をもたらします。 そこで、優れた海水耐食性（特に良好なエロージョンコロージョン性能）と耐腐食疲労性、優れた冷間・熱間加工性能、高い引張強さ、降伏強さなどの特性を備えた白銅がますます注目を集めています。
キーワード: 白銅; 構成; 耐食性。 応用
CTL分類番号：TG146.15 文書コード：A
海洋産業の発展に伴い、海水冷却システムの材料選択は、初期の TUP 銅、アルミニウム黄銅、ステンレス鋼から、海水腐食に対する耐性がより優れた現在の銅ニッケル合金へと進化しました。 白銅はニッケルを主成分とし、少量のFe、Mn等を含む連続単相固溶体を形成しており、延性、耐衝撃性、熱安定性に優れています。 同時に、銅とニッケルの無限固溶体は、その後の熱間および冷間加工中の相変態を防止するため、合金の機械的特性や耐食性への影響はほとんどありません。 この記事では、さまざまな白色銅合金とその用途を紹介し、銅ニッケル合金の研究の進歩を要約します。 図 1 に海洋プラットフォーム システムを示し、図 2 に材料性能要件を示します。
1. 銅ニッケル合金の分類
表１に白銅合金の品位と元素組成を示します。 白銅は、マンガン白銅、鉄白銅、普通白銅、アルミニウム白銅、亜鉛白銅に分けられます。 Ni元素の含有量が異なるため、その特性が異なり、適用場面も異なります。 違う。 かけがえのない耐食性と従来の合金よりも優れた多くの特性により、大きな応用可能性を秘めています。
2. 銅ニッケル合金の特性と用途
通常の白銅は、一般に構造用の銅とニッケルの合金です。 高い耐食性に加えて、高温および低温における優れた総合的な機械的特性、つまり優れた可塑性と靭性も備えています。 一般にロッドまたはストリップとして使用されます。 同時に、通常の白銅をベースにFe、Mn、Zn、Alなどの微量合金元素を加えることにより、実際の用途で特別な性能要件を達成し、産業ニーズをよりよく満たすことができます。 最も広く使用されている鉄ニッケル銅は BFe10-1-1 (C70600) です。
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BFe30-1-1 (C71500)、Ni の質量分率が 30% ～ 10% の場合、合金の不動態化範囲はより広くなり、最高の耐食性が得られます。 この合金は海水の浸食や腐食に対しても非常に強い耐性を持ち、「海洋工学合金」と呼ばれています。 海洋工学分野における銅および銅合金の主な用途を表 2 に示します。
BFe10-1-1およびBFe30-1-1合金は、海水の侵食および腐食に対する優れた耐性、高い熱伝達係数、優れた機械的/溶接特性、海洋微生物の付着の抑制などの利点を備えており、広く使用されています。船舶の主エンジンおよび補助エンジンに使用されます。 冷却水パイプ、海洋石油生産プラットフォームの防火パイプライン、発電所の熱交換器、沿岸原子力発電所の復水器、海水淡水化用の多段フラッシュ蒸発装置のブラインヒーター[2-4]。 同時に、BFe30-1-1 合金は強度が高く、一部の船舶用機器のシャフト、ファスナー、バルブステム、フランジなどの高強度構造部品にも使用されています。 BFe30-2-2 合金は、海水浸食腐食と耐砂腐食に耐性があり、東シナ海の海水中の高砂量の問題に対処するために開発されました[5]。 BFe10-1-1
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硬質状態のBFe{{0}}合金パイプの機械的特性は、引張強さ370MPa以上、降伏強さ150MPa以上、伸び18%以上、ビッカース硬度 85 以上。 耐食性：腐食量（50度、3.5％NaCl海水）0.025mm/a以下、孔食は認められません。 マンガン白銅 (BMn3-12 合金) は、適度な抵抗係数と小さな抵抗温度係数を持ち、比較的安定しています。 BMn3-12 合金は、その優れた電気特性により、標準的な抵抗器や他の精密機器の抵抗コンポーネントの製造に使用できます。 時代の発展に伴い、機器の精度に対する要求はますます高くなっており、この合金の研究は合金組成や含有量を変えるだけではとどまりません[6]。 焼きなまし、水平押出破壊、および絞りプロセスを通じて、BMn3-12 合金は特殊な凝集双晶境界を持ち、材料の導電性に影響を与えることなく材料の強度を向上させることができます。 BMn40-1.5 合金は、BMn3-12 合金よりも早く使用されていた電気銅ニッケル合金です。 抵抗温度係数が小さいため耐熱性に優れ、より広い温度範囲で使用できます。 BMn3-12 合金と比較して、BMn40-1.5 合金は銅に対する熱起電力が高いため、精密抵抗器、滑り抵抗器、起動および調整変圧器、交流用の抵抗ひずみゲージに適しています [8] ]。 アルミニウム - ニッケル銅は、高い強度と良好な可塑性および靭性を兼ね備えています。 その中でも、BAl13-3合金は高強度耐食部品の製造によく使用され、BAl16-1.5合金は重要な用途の板バネの製造に使用されます。 長い間、アルミニウム - ニッケル銅の性能を向上させるために、少量の微量元素を添加してアルミニウム - ニッケル銅の強化されたマトリックスを作成することがよくありました。これは、実際の用途の要件を満たす高い強度を維持しながら、良好な導電性を備えています。 。 アルミニウムニッケル銅は、高強度、高導電性、優れた耐摩耗性を備えているため、リードフレームや耐摩耗部品の材料として使用できる可能性があります[9-11]。
亜鉛白銅（BZn18-18BZn15-20 合金）は「ジャーマンシルバー」とも呼ばれます[12]。 亜鉛ニッケル銅は、優れた引張強度、耐疲労性、耐食性という利点があるため、主に部品や結晶のシェル、医療機器、建築材料、管楽器のシェルとして使用されます[13]。
3. 銅ニッケル合金の性能要件
我が国の造船業、海洋石油・ガス産業、海洋鉱業、海洋電力、海水淡水化産業の急速な発展に伴い、材料に対する要求はますます高くなっています[16]。 中でも銅ニッケル合金管が多く使用されています。 船舶用の銅合金復水器パイプは、高温、高圧、腐食性の高い冷却媒体、つまり海水環境で長い間使用されてきました。 したがって、製品の化学組成、機械的特性、耐海水耐食性が要求を満たすだけでは不十分になります。 幾何学的な寸法精度、プロセスのパフォーマンス、内部組織、その他の指標にも厳しい要件を課す必要があります。 同時に、銅ニッケル合金管には良好な耐食性も求められます。 、高い熱伝達係数、大口径、高精度、優れた機械的溶接技術、および海洋微生物の付着を抑制する優れた能力[17]などの特性を備えています。 現在、中国の加工設備の問題により、大径銅管合金は依然として量産できず、主に海外からの輸入に頼っている。 したがって、大口径銅管の製造上の困難は依然として克服される必要がある。
4. 銅ニッケル合金の研究の進展
4.1 銅ニッケル合金の腐食メカニズム
図4は、酸素を含んだ海水中での白銅の腐食反応のさまざまなプロセスを示しています。 図のAB線は海水中での白銅の陰極反応過程であり、次のように表すことができます。
1/2[O2]+[H2O]+2e−=2[OH−] (1)
図 4 の CD ラインは、海水中での不動態化を行わない白銅のアノード反応プロセスです。 これは次のように表現できます。
Cu=Cu++e−(2)
図 4 の T1、T2、T3
曲線は、海水中での白銅の不動態化の陽極反応プロセスです。 EF ラインは酸素欠乏による白銅の水素発生反応プロセスであるため、このプロセス中に不動態化や腐食生成物は生成されません。
Cu(orCu2O)=Cu2++2e−(3)
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2[Cu2+]+3[OH−]+[Cl−]=Cu2(OH)3Cl (4)
4.2 銅ニッケル合金の耐食性に関する研究
海洋産業用材料の性能要件を満たすために、銅ニッケル合金の耐食性を向上させるために多くの研究が行われてきました。 Deng Chuping [19] は、希土類 Ce を添加した白銅の引張強さと伸びが向上し、結晶粒構造がより緻密であることを発見しました。 さらに、希土類元素 Ce を添加すると、硫黄含有媒体中での合金の典型的なデニッケル腐食が改善される可能性があります。 傾向。 ジャンら。 [20] は、B10 合金の構造と特性に対するさまざまな Fe 含有量の影響を研究し、Fe 含有量が増加するにつれて耐食性が最初に増加し、その後減少する傾向を示すことを発見しましたが、耐食性のメカニズムについてはこれ以上調査しませんでした。 。 研究。 北京非鉄金属研究所
Zhang Jianing [21] は、Fe/Mn 比を制御することで B10 の耐食性を向上させる最適な合金比を発見しました。 この研究では、Fe/Mn=3:2 の場合、合金の耐食性が最も優れていることがわかりました。 マら。 中国科学院 [22] は、固溶体 + 冷間圧延変形 + 再結晶焼鈍プロセスを使用すると、粒界と双晶境界の数が増加し、それによってより優れた耐食性を備えた合金が得られることを発見しました。
5。結論
この記事では、主に銅 - ニッケル合金を出発点として、さまざまな銅 - ニッケル合金の化学組成と応用シナリオを説明し、国内外の主要な銅コンデンサーチューブ生産工場、および銅 - ニッケル合金チューブの性能を紹介します。国内の海洋システムパイプライン。 銅ニッケル合金の開発における需要と将来の傾向。 銅ニッケル合金の主な研究の進捗状況を要約します。 現在、主な進歩は、微量の希土類元素の添加から、さまざまな含有量の添加までです。
Fe元素、母材合金元素の比率の変更、および粒界工学により銅ニッケル合金の耐食性を向上させます。
