کاپر نیکل و کاربرد های ان

کاپر نیکل یا مس نیکل (CuNi) آلیاژی از مس است که حاوی نیکل و عناصر تقویت کننده مانند آهن و منگنز است. محتوای مس معمولاً بین ۶۰ تا ۹۰ درصد متغیر است. (مونل یک آلیاژ نیکل-مس است که حاوی حداقل ۵۲ درصد نیکل است.)

علیرغم محتوای بالای مس، کاپر نیکل نقره ای رنگ است. کاپر نیکل در برابر خوردگی توسط آب نمک بسیار مقاوم است و بنابراین برای لوله کشی، مبدل های حرارتی و کندانسورها در سیستم های آب دریا و همچنین برای سخت افزارهای دریایی استفاده می شود. گاهی اوقات برای پروانه ها، شفت پروانه ها و بدنه قایق های با کیفیت بالا استفاده می شود. کاربردهای دیگر شامل تجهیزات نظامی و صنایع شیمیایی، پتروشیمی و برق است.

یکی دیگر از استفاده های رایج قرن بیستم از کاپر نیکل، سکه های نقره ای رنگ بود. برای این استفاده، آلیاژ معمولی دارای نسبت مس به نیکل ۳:۱ با مقادیر بسیار کمی منگنز است.

در گذشته، سکه‌های نقره واقعی با کاپر نیکل تضعیف می‌شدند، مانند سکه‌های پوند استرلینگ از سال ۱۹۴۷ به بعد که محتوای آنها جایگزین شد.

نام گذاری کاپر نیکل

به غیر از cupronickel و مس نیکل، چندین اصطلاح دیگر برای توصیف این ماده استفاده شده است: نام‌های تجاری Alpaka یا Alpacca، Argentan Minargent، اصطلاح فرانسوی ثبت‌شده Cuivre blanc، و اصطلاح کانتونی رمانتیک Paktong، 白銅 (اصطلاحات فرانسوی و کانتونی هر دو). به معنای “مس سفید”)؛ کاپر نیکل نیز گاهی اوقات به عنوان نقره هتل، پلاتا آلمانا (به اسپانیایی به معنای “نقره آلمانی”)، نقره آلمانی، و نقره چینی نامیده می شود.

کاربرد کاپر نیکل

مهندسی دریا

آلیاژهای نیکل، نیکل به دلیل مقاومت در برابر خوردگی آب دریا، قابلیت ساخت خوب و اثربخشی آنها در کاهش سطوح ماکروفولینگ برای کاربردهای دریایی  استفاده می شوند.

آلیاژهای مختلف در ترکیبات از ۹۰% مس تا ۱۰% نیکل تا ۷۰% مس تا ۳۰% نیکل معمولاً در لوله‌های مبدل حرارتی یا کندانسور در طیف گسترده‌ای از کاربردهای دریایی مشخص می‌شوند.

کاربردهای مهم دریایی برای کاپرنیکل عبارتند از:

ضرب سکه

استفاده موفقیت آمیز از مس نیکل در ضرب سکه به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، هدایت الکتریکی، دوام، چکش خواری، خطر آلرژی کم، سهولت مهر زنی، خواص ضد میکروبی و قابلیت بازیافت آن است.

در اروپا، سوئیس در سال ۱۸۵۰ با افزودن نقره پیشگام ضرب سکه های نیکل بیلون بود. در سال ۱۹۶۸، سوئیس نسبت مس به نیکل ۷۵:۲۵ بسیار ارزان‌تر را در بلژیک، ایالات متحده و آلمان به کار برد. از سال ۱۹۴۷ تا ۲۰۱۲، تمام سکه های “نقره” در بریتانیا از مسکو نیکل ساخته می شد، اما از سال ۲۰۱۲ به بعد، دو کوچیکترین مسکوک نیکل با سکه های فولادی با نیکل اندود ارزان قیمت جایگزین شدند.

تا حدی به دلیل احتکار نقره در جنگ داخلی، ضرابخانه ایالات متحده ابتدا از سال ۱۸۶۵ و سپس برای قطعات پنج سنتی از سال ۱۸۶۶، از کاپر نیکل برای گردش سکه های سه سنتی استفاده کرد. قبل از این تاریخ ها، هر دو سکه فقط در نقره در ایالات متحده ساخته شده است. کوپرونیکل روکش دو طرف نیم دلار آمریکا (۵۰¢) از سال ۱۹۷۱ است، و تمام ربع (۲۵¢) و سکه (۱۰¢) بعد از سال ۱۹۶۴ ساخته شده است. در حال حاضر، برخی از سکه های در گردش، مانند نیکل جفرسون ایالات متحده (۵¢)، [۱۳] فرانک سوئیس، و کره جنوبی ۵۰۰ و ۱۰۰ وون از مس نیکل جامد (۷۵:۲۵ نسبت) ساخته شده است.

استفاده های دیگر کاپر نیکل

اتصال ترموکوپل از یک جفت رسانای ترموکوپل مانند آهن-کنستانتان، مس-کنستانتان یا نیکل-کروم/نیکل-آلومینیوم تشکیل می شود. محل اتصال ممکن است در یک غلاف از مس، مس، مس، نیکل یا فولاد ضد زنگ محافظت شود.

کاپر نیکل در کاربردهای برودتی استفاده می شود. ترکیب آن از حفظ شکل‌پذیری خوب و هدایت حرارتی در دماهای بسیار پایین برای تجهیزات پردازش و ذخیره‌سازی در دمای پایین و همچنین برای مبدل‌های حرارتی در کارخانه‌های برودتی سودمند است.

در آغاز قرن بیستم، ژاکت‌های گلوله معمولاً از این ماده ساخته می‌شدند. به زودی با فلز طلاکاری جایگزین شد تا رسوب فلز در سوراخ کاهش یابد.

در حال حاضر، مس نیکل و نقره نیکل مواد اولیه برای کارد و چنگال با روکش نقره باقی مانده است. معمولاً برای تجهیزات مکانیکی و الکتریکی، تجهیزات پزشکی، زیپ‌ها، زیورآلات، و هم برای سیم‌های سازهای خانواده ویولن و هم برای فرهای گیتار استفاده می‌شود. Fender Musical Instruments از آهنرباهای “CuNiFe” در پیکاپ “Wide Range Humbucker” خود برای گیتارهای Telecaster و Starcaster مختلف در طول دهه ۱۹۷۰ استفاده کرد.

برای قفل‌های سیلندر و سیستم‌های قفل با کیفیت بالا، هسته‌های سیلندر از کاپر نیکل مقاوم در برابر سایش ساخته شده‌اند.

کاپر نیکل به عنوان جایگزینی برای خطوط ترمز فولادی سنتی استفاده شده است، زیرا زنگ نمی زند. از آنجایی که کاپر نیکل بسیار نرمتر از فولاد است، راحت تر خم می شود و شعله ور می شود و همین ویژگی به آن اجازه می دهد تا با اجزای هیدرولیک آب بندی بهتری ایجاد کند.

خواص کاپر نیکل

کاپر نیکل به دلیل الکترونگاتیوی بالای نیکل، فاقد رنگ مسی است، که باعث از دست رفتن یک الکترون در پوسته d مس می شود (با باقی ماندن ۹ الکترون در پوسته d در مقابل ۱۰ الکترون معمولی مس خالص).

خواص مهم آلیاژهای مسی عبارتند از: مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت ذاتی در برابر ماکروفولینگ، استحکام کششی خوب، شکل‌پذیری عالی هنگام بازپخت، ویژگی‌های هدایت حرارتی و انبساط مناسب برای مبدل‌های حرارتی و کندانسورها، هدایت حرارتی و شکل‌پذیری خوب در دماهای برودتی و خواص مفید سطح لمسی ضد میکروبی.

آنالیز شیمیایی کاپر نیکل

آلیاژ کاربرد
۷۰-۳۰ و ۹۰-۱۰ cu-ni سیستم‌های خنک‌کننده و آب آتش‌نشانی آب دریا، مبدل‌های حرارتی، کندانسور و لوله‌کشی، رایزر پلت فرم و پوشش پا، بدنه قایق، خنک‌کننده‌های روغن، لوله‌های هیدرولیک، سطوح لمسی ضد میکروبی.
Cu-30Ni-Cr آهنگری، پمپ های ریخته گری آب دریا و اجزای شیر.
Cu-Ni-Al شفت و بوش بلبرینگ، پیچ و مهره، تریم پمپ و شیر، چرخ دنده، بست.
Cu-Ni-Sn یاتاقان ها و اجزای مته، اتصالات زیر دریا، پایه های محرک شیر، مهره های بالابر، دستگاه های قفل کننده، اجزای پمپ آب دریا.

تفاوت های ظریف در مقاومت در برابر خوردگی و استحکام تعیین می کند که کدام آلیاژ انتخاب شود. با پایین آمدن از جدول، حداکثر دبی مجاز در لوله کشی و همچنین استحکام کششی افزایش می یابد.

در آب دریا، آلیاژها دارای نرخ خوردگی عالی هستند که تا زمانی که از حداکثر سرعت جریان طراحی تجاوز نشود، پایین باقی می‌مانند. این سرعت به هندسه و قطر لوله بستگی دارد. آنها مقاومت بالایی در برابر خوردگی شکاف، ترک خوردگی تنشی و شکنندگی هیدروژنی دارند که می تواند برای سایر سیستم های آلیاژی مشکل ساز باشد. کاپر نیکل به طور طبیعی یک لایه سطحی محافظ نازک در طول چند هفته اول قرار گرفتن در معرض آب دریا تشکیل می دهد و این مقاومت مداوم آن را فراهم می کند. علاوه بر این، آنها دارای مقاومت ذاتی ذاتی در برابر رسوب زیستی بالا در برابر اتصال توسط ماکروفولرها (مانند علف های دریایی و نرم تنان) هستند که در آب دریا زندگی می کنند. برای استفاده از این خاصیت تا حد امکان، آلیاژ باید عاری از تأثیرات یا عایق بودن از هر نوع حفاظت کاتدی باشد.

ا این حال، آلیاژهای مس-نیکل می توانند نرخ خوردگی بالایی را در آب دریای آلوده یا راکد نشان دهند که سولفید یا آمونیاک وجود دارد. بنابراین، اجتناب از قرار گرفتن در معرض چنین شرایطی، به ویژه در هنگام راه اندازی و نصب مجدد در حالی که لایه های سطح در حال بلوغ هستند، مهم است. دوز کردن سولفات آهن در سیستم های آب دریا می تواند مقاومت بهتری ایجاد کند.

به عنوان آلیاژ کاپر نیکل به راحتی با یکدیگر و ساختار ساده ای دارند، آلیاژها انعطاف پذیر و به راحتی ساخته می شوند. استحکام و سختی برای هر آلیاژ جداگانه با کار سرد افزایش می یابد. آنها با عملیات حرارتی سخت نمی شوند. اتصال ۹۰-۱۰ (C70600) و ۷۰-۳۰ (C71500) با هر دو جوش یا لحیم کاری امکان پذیر است.

هر دو با اکثر تکنیک‌ها قابل جوش هستند، اگرچه روش‌های اتوژن (جوشکاری بدون مواد مصرفی جوش) یا اکسی استیلن توصیه نمی‌شود. مواد مصرفی جوش ۷۰-۳۰ به جای ۹۰-۱۰ معمولاً برای هر دو آلیاژ ترجیح داده می شوند و هیچ عملیات حرارتی پس از جوشکاری مورد نیاز نیست. آنها همچنین می توانند مستقیماً به فولاد جوش داده شوند، با ارائه یک ماده مصرفی جوش نیکل-مس ۶۵٪ برای جلوگیری از اثرات رقیق شدن آهن استفاده می شود.

آلیاژ C71640 تمایل دارد به عنوان لوله بدون درز استفاده شود و به جای جوشکاری در صفحه لوله، منبسط شود. لحیم کاری به آلیاژهای لحیم کاری با پایه نقره ای مناسب نیاز دارد. با این حال، باید دقت زیادی کرد تا اطمینان حاصل شود که هیچ تنشی در مس-نیکل که به صورت نقره ای لحیم کاری شده وجود ندارد، زیرا هر تنش می تواند باعث نفوذ بین دانه ای مواد لحیم کاری و ترک خوردگی شدید تنش شود (تصویر را ببینید). بنابراین، بازپخت کامل هرگونه تنش مکانیکی بالقوه ضروری است.

ترک در صفحه فلزی Cu-Ni 90-10 به دلیل تنش در هنگام لحیم کاری نقره

کاربردهای آلیاژهای Cu-Ni در آزمون زمان مقاومت کرده اند، زیرا هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و از لوله کشی سیستم آب دریا، کندانسورها و مبدل های حرارتی در کشتی های دریایی، حمل و نقل تجاری، نمک زدایی فلاش چند مرحله ای و نیروگاه ها را شامل می شود. آنها همچنین به عنوان روکش منطقه اسپلش روی سازه های دریایی و روکش محافظ روی بدنه قایق ها و همچنین برای خود بدنه های جامد استفاده شده اند.

ساخت کاپر نیکل

به دلیل شکل‌پذیری، آلیاژهای کاپر نیکل را می‌توان به آسانی در انواع مختلف محصولات و اتصالات ساخت]. لوله‌های کاپر نیکل را می‌توان به راحتی به ورق‌های لوله برای ساخت مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله تبدیل کرد.

جزئیات مراحل ساخت، از جمله جابجایی عمومی، برش و ماشینکاری، شکل‌دهی، عملیات حرارتی، آماده‌سازی برای جوشکاری، آماده‌سازی جوش، جوشکاری چسبناک، مواد مصرفی جوشکاری، فرآیندهای جوشکاری، رنگ‌آمیزی، خواص مکانیکی جوش‌ها، و خمش لوله و لوله در دسترس است.

استاندارد های کاپر نیکل

استانداردهای ASTM، EN، و ISO برای سفارش فرم های فرفورژه و ریخته گری کاپر نیکل وجود دارد.

ترموکوپل ها و مقاومت هایی که مقاومت آنها در برابر تغییرات دما پایدار است، حاوی آلیاژ کنستانتان هستند که از ۵۵ درصد مس و ۴۵ درصد نیکل تشکیل شده است.

تاریخچه کاپر نیکل

تاریخچه چین

آلیاژهای کاپر نیکل از حدود قرن سوم قبل از میلاد در نزد چینی ها به عنوان “مس سفید” شناخته می شد. برخی از تسلیحات ساخته شده در دوره کشورهای متخاصم با آلیاژهای Cu-Ni ساخته می شدند. تئوری منشأ چینی کاپر نیکل باختری در سال ۱۸۶۸ توسط فلایت پیشنهاد شد، که دریافت که سکه‌هایی که قدیمی‌ترین سکه‌های کاپر نیکل کشف‌شده در نظر گرفته می‌شوند، از آلیاژی بسیار شبیه به پکتونگ چینی هستند.