جدیدآلیاژ کوپرونیکل (Cupronickel) چیست؟ [بررسی خواص و 11 کاربرد برجسته آلیاژ]
مقدمه
آلیاژهای کوپرونیکل به علت مقاومت بالایی که در برابر خوردگی دارند، در ابتدا برای خطوط لولۀ واقع در آب دریا تولید می شدند. اما اکنون استفاده از آن ها به طیف گسترده ای از کاربردهای بسیار حیاتی گسترش یافته است. کاربردهایی که می توانند از ویژگی های خاص این آلیاژها بهترین بهره را ببرند ...
اگر به دنبال مواد جدیدی هستید که بتوانند در برابر خوردگی آب شور مقاومت کنند، به احتمال زیاد با آلیاژهای کوپرونیکل (Cu-Ni) یا مس-نیکل مواجه شده اید. این آلیاژها جدا از این که حاوی مس و نیکل هستند، در بعضی موارد اغلب حاوی آهن، آلومینیوم، منگنز و همچنین قلع نیز هستند.
مقاومت در برابر خوردگی آب شور، مزیت اصلی این آلیاژهای فلزی فوق العاده است. با این حال، کوپرونیکل در سایر کاربردهای مهم، فراتر از محیط های دریایی در حال استفاده است.
منشأ کلمۀ مس (Copper) کلمۀ Cuprum است. این کلمه نیز به معنی سنگ معدنی است که در قبرس (Cyprus) یافت می شود. دلیل استفاده از نماد “Cu” برای این فلز نیز از همین جا ریشه می گیرد.
مس رسانای بسیار خوبی برای گرما و برق است. می توان آن را به راحتی با سایر فلزات آلیاژ و تقویت کرد و نیازهای مختلفی را با آن مرتفع ساخت. آلیاژهای غنی از مس علاوه بر ویژگی های الکتریکی خوب، دارای ضریب حرارتی کم هستند.
مقاومت الکتریکی این آلیاژها در دماهای مختلف تقریباً ثابت می ماند. نیکل موجود در کوپرونیکل، به آلیاژ کمک می کند تا حتی در دماهای بالاتر استحکام مکانیکی بالایی داشته باشد.
مشخصات اصلی آلیاژهای کوپرونیکل (Cu-Ni)
از ویژگی های قابل توجه آلیاژهای مختلف کوپرونیکل می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- خصوصیات مکانیکی و حرارتی خود را در طیف وسیعی از درجه حرارت، از دمای بالا تا دماهای برودتی، حفظ می کنند.
- از طریق کار سرد و یا کار گرم، می توان آن ها را به اشکال و اندازه های هندسی دلخواه با ابعاد دقیق و با استحکام مکانیکی مطلوب شکل داده و تمام کاری کرد.
- دارای حداقل مقاومت الکتریکی با توجه به تغییرات دما هستند. برخی از آلیاژها با افزایش دما افزایش مقاومت کنترل شده ای را از خود نشان می دهند.
- آلیاژ کوپرونیکل مقاومت در برابر خوردگی در آب شور و همچنین مقاومت در برابر فرسایش و خاصیت جلوگیری از رسوب دارد. گازهایی مانند کلر، دی اکسید گوگرد و کلرید هیدروژن با این آلیاژها واکنش نشان نمی دهند.
- آلیاژهای حاوی درصد بیشتری از نیکل (حداقل 15 درصد) دارای براقیت و رنگ مطلوبی هستند.
- در برابر ترک ناشی از خوردگی تنشی (SCC)، خوردگی Impingement و خوردگی حفره ای مقاوم هستند.
به طور کلی، آلیاژهای استاندارد کوپرونیکل حاوی 10 یا 30 درصد نیکل هستند. در بعضی موارد از آلیاژهای حاوی درصدهای مختلف نیکل، منگنز، آهن و سایر ترکیبات استفاده می شود. پژوهش ها نشان می دهد که یک آلیاژ Cu-Ni با 30 درصد نیکل دارای استحکام مکانیکی بالاتر و مقاومت در برابر خوردگی حفره ای است. در حالی که یک آلیاژ با 10 درصد نیکل مقاومت مناسبی در برابر رسوب های زیستی (Biofouling) دارد.
از آلیاژ کوپرونیکل چه استفاده هایی می شود؟
پتروشیمی ها ، پالایشگاه ها و کارخانه های شیمیایی
در کارخانه های شیمیایی و پالایشگاه ها، آلیاژهای کاپونریکل حاوی منگنز و آهن در دریچه ها، بدنه های پمپ، اجزای چرخان مانند پروانه ها، اجزای مبدل حرارتی و بخش هایی از ماشین های تقطیر، تجهیزات همزن، پرس ها و خطوط لولۀ مقاوم در برابر خوردگی کاربرد دارند.
حمل و نقل و ترابری
در طراحی هواپیما و اتومبیل، آلیاژهای کوپرونیکل غنی شده از آهن و منگنز، برای اجزایی مانند لوله های کولر روغن و آسترهای ترمز با طول عمر بالا انتخاب می شوند. این آلیاژ در اتومبیل های سواری و وسایل نقلیۀ تجاری، آلیاژهای 10Fe1Mn (کوپونریکل با 10 درصد نیکل و غنی شده با آهن و منگنز) برای آسترهای ترمز استفاده می شود. همچنین در خنک کننده ها و سیستم تعلیق هیدرولیک نیز به کار می روند.
7
دقیــقه مطالعه
هیدرولیک و پنوماتیک (Hydraulic Vs. Pneumatics)
امروزه در اکثر فرایندهای صنعتی، کاهش هزینه و افزایش دقت در انتقال قدرت مورد توجه...
فرآوری مواد غذایی
در فرآیند تولید شکر، از آلیاژهای فلزی کاپونریکل برای ساخت آبگرمکن، همزن و سیستم های بسته بندی استفاده می شود. در فرآوری میوه از آن ها برای ساخت میکسر، لوله ها، غربال آب و تصفیه استفاده می شود.
نساجی و کارخانه های تولید کاغذ
در کارخانه های کاغذ سازی، نساجی و چاپخانه ها نیز می توان کوپرونیکل را یافت. این آلیاژ در اتصالات لولۀ ضد خوردگی، ظروف فرآوری، رول و لوله ها استفاده می شود.
فلزات نیمه قیمتی (Semi-precious Metal)
آلیاژهای مس-نیکل به دلیل عمر طولانی، خطر آلرژی کم، ویژگی های ضد میکروبی، انعطاف پذیری بالا، کیفیت تمام کاری، دقت ابعادی، رنگ، حفظ ظاهر طولانی مدت (مقاومت به لکه) و مقاومت در برابر خوردگی در ضرب سکه استفاده می شوند.
در این راستا، آلیاژهای کوپرونیکل با منگنز در محدودۀ 05/0 تا 4/0 و 25 درصد نیکل اغلب به عنوان فلزات نیمه قیمتی در تولید مدال و سکه استفاده می شوند.
در ایالات متحده، ابتدا از آلیاژ Cu-Ni با 12 درصد نیکل به عنوان متریال سکه استفاده شد که بعداً این ترکیب به 25 درصد ترکیب نیکل تغییر کرد. در آلمان سکه هایی از مواد 3 لایۀ Cu-Ni تولید می شود.
این سکه ها از یک هستۀ نیکل با یک لایۀ آلیاژ کوپونریکل (CuNi25) در هر دو طرف تولید می شوند. دلیل این ساختار این است که از خاصیت مغناطیسی مشخصی برای تشخیص سکه های آلمانی از سکه های تقلبی در دستگاه های خودکار بررسی سکه استفاده شود.
از آلیاژهای کوپرونیکل همچنین برای تولید اقلام جواهرات، کارد و چنگال با روکش نقره، قطعات قفل با کیفیت بالا، قطعات ارزشمند تجهیزات پزشکی و آلات موسیقی استفاده می شود.
به عنوان روکش (Cladding) در محیط های دریایی
با توجه به ویژگی های مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر رسوب های زیستی، آلیاژهای نیکل مس با 10 درصد یا 30 درصد نیکل به عنوان مواد روکش برای صفحات ورودی آب شور، پایه های سیستم عامل های دریایی نفت و گاز و بدنۀ کشتی های تجاری و دریایی استفاده می شود.
این آلیاژها نوعی خاصیت صافی پایدار (Consistent Smoothness) دارند که آن ها را برای بدنۀ کشتی ها مناسب می سازد. بر خلاف فولاد که باعث تشکیل سطوح بدنۀ خشن و عوارض رسوب های زیستی می شود و در نتیجه، از سرعت کشتی و بازدۀ سوخت می کاهد.
بنابراین، روکش کاری کوپرونیکل روی بدنۀ کشتی، ضمن کاهش هزینه های سوخت، عملکرد و سرعت کشتی را بهبود می بخشد. امروزه آلیاژ کوپرونیکل حاوی آهن و منگنز، به طور گسترده ای به عنوان روکش مناطق پاششی و مناطق زیر آب سکوهای دریایی و کشتی ها انتخاب می شوند.
کاربردهای نوظهور
آلیاژهای کوپرونیکل در ابتدا به عنوان مادۀ مقاوم در برابر خوردگی برای خطوط لولۀ آب های شور و کندانسورها در ساخت کشتی های دریایی تولید شدند. اما اکنون استفاده از آن ها به اجزای سیستم لولۀ آب دریا مانند پمپ ها، شیرآلات، اتصالات و همچنین لوله کشی سیستم های آتش نشانی، سیستم های خنک کننده، مبدل های حرارتی و واحدهای بهداشتی گسترش یافته است. این آلیاژها همچنین برای ساخت لوله های هیدرولیکی، لوله های نفتی و لوله های روغنکاری کشتی های تجاری و دریایی انتخاب می شوند.
کاربردهای الکتریکی
آلیاژ CuNi44 دارای حداقل ضریب حرارتی و حداکثر مقاومت الکتریکی است. از این رو در کاربردهایی مورد استفاده قرار می گیرد که تغییرات مقاومت الکتریکی ناشی از تغییرات دما باید به حداقل برسد. نمونه هایی از کاربرد این آلیاژ، شامل ابزار آزمایشگاهی مانند مقاومت های دقیق (استاندارد) و مقاومت های شانت (shunt) و سری مورد استفاده در ابزارهای الکتریکی می شود. از این آلیاژ در ترموکوپل ها نیز استفاده می شود.
7
دقیــقه مطالعه
ترموکوپل مذاب ؛ راهنمای خرید، نصب و استفاده
مطمئنا اگر بخواهید دمای آتشفشان را اندازه گیری کنید، یک دماسنج جیوه ای معمولی به...
در کاربردهایی که مقاومت باید دارای نرخ تغییر متناسب با تغییرات دما باشد، از آلیاژ کوپرونیکل CuNi30Mn تحت استاندارد DIN 17471 سود می برند. مقاومت های استارت موتور، مقاومت در برابر بار (Load) و مقاومت مدار کنترل، نمونه هایی از این کاربردها هستند.
آلیاژ CuNi9Sn2 به دلیل ویژگی های انعطافی مانند فنر، برای ساخت قطعات رله ها، سوئیچ های جریان نور انتخاب می شود. آلیاژ CuNi5Al4Mn2 به طور مشابه کاربرد هایی را در ابزارهای ناوبری و سوئیچ ها پیدا می کند. آلیاژهای کوپرونیکل با نیکل تا 10 درصد برای ساخت کابل های گرمایشی انتخاب می شوند.
تجهیزات ساحلی نفت و گاز
همان طور که گفتیم، آلیاژهای کوپرونیکل در برابر خوردگی حفره ای ناشی از کلریدها و ترک ناشی از خوردگی تنشی (SCC) مقاوم هستند. بنابراین، این خصوصیات برای تأسیسات دریایی و ساحلی واقع در آب و هوای گرم ترجیح داده می شوند.
کاربردهای برودتی
آلیاژهای کوپرونیکل در دماهای برودتی هیچ گونه شکنندگی نشان نمی دهند. این فلزات حداقل تغییرات در خصوصیات مکانیکی مانند ازدیاد طول (Elongation) در دمای پایین را دارند.
در کارخانه های شیرین سازی آب شور، از آلیاژهای کوپرونیکل برای ساخت لوله های اواپراتور و اجزای سانتریفیوژ استفاده می شود. این آلیاژها همچنین برای ساخت بخاری های آب نمکی، واحدهای دفع حرارت و بازیابی گرما استفاده می شوند.
مهندسی مکانیک
مهندسان مکانیک، آلیاژهای کاپرونیکل را به همراه آهن برای کندانسورهای بخار، سیستم های خنک کننده روغن و هوا، گرمکن های آب آشامیدنی، چرخ دنده ها و پره های توربین در نیروگاه ها انتخاب می کنند. آخرین کاربردها برای این آلیاژها شامل شافتهای تحت بار (با استحکام بالا)، اتصال دهنده ها، یاتاقان نوع بوش (bush type bearings)، اجزای پمپ، قطعات مته و جعبه دنده است.
جمع بندی
آلیاژهای کوپرونیکل از آلیاژهای مهم پایه مس است که در برخی مواقع با عناصر دیگری مثل آلومینیوم، قلع، آهن و … برای رسیدن به خواص مورد نظر ترکیب می شود. یکی از ویژگی های بارز این آلیاژ، مقاومت بالای آن در برابر خوردگی است که آن را برای محیط هایی مثل پتروشیمی ها، پالایشگاه ها و محیط های دریایی مناسب می کند. با اصلاح ترکیب شیمیایی، می توان از کوپرونیکل در طیف گستره ای از کاربردهای مهندسی تا مصارف زینتی بهره برد.
منابع
دیدگاه کاربران