Un examen de la recherche et de l'application des alliages cuivre-nickel, y compris la recherche sur la classification, les propriétés et les applications, ainsi que les exigences de performance des alliages cuivre-nickel.
Résumé : Le développement rapide de l'industrie maritime a imposé une demande croissante en matériaux d'application de l'ingénierie maritime, notamment en cuivre blanc, largement utilisé dans les navires, dans certaines centrales électriques et dans le dessalement de l'eau de mer. Parce qu'il est soumis à l'érosion et à la corrosion à long terme de l'eau de mer, si la résistance à la corrosion ne répond pas aux exigences d'utilisation, une défaillance par corrosion se produira, entraînant d'énormes pertes. Par conséquent, le cuivre blanc a attiré une attention croissante en raison de sa bonne résistance à la corrosion par l'eau de mer (en particulier ses bonnes performances de corrosion par érosion) et de sa résistance à la fatigue par corrosion, ses excellentes performances de traitement à froid et à chaud et sa résistance à la traction élevée, sa limite d'élasticité et d'autres propriétés.
Mots-clés : cuivre blanc ; composition; résistance à la corrosion; application
Numéro de classification CTL : TG146.15 Code du document : A
Avec le développement de l'industrie maritime, la sélection des matériaux des systèmes de refroidissement à l'eau de mer a évolué depuis les premiers cuivres TUP, le laiton aluminium et l'acier inoxydable jusqu'à l'alliage cuivre-nickel actuel offrant une meilleure résistance à la corrosion par l'eau de mer. Le cuivre blanc utilise le nickel comme élément principal et contient une petite quantité de Fe, de Mn et d'autres éléments pour former une solution solide continue monophasée, lui conférant une bonne ductilité, une bonne résistance aux chocs et une bonne stabilité thermique. Dans le même temps, la solution solide infinie de cuivre et de nickel empêche la transformation de phase lors du traitement ultérieur à chaud et à froid, de sorte qu'elle a peu d'impact sur les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion de l'alliage. Cet article présente différents alliages de cuivre blanc et leurs applications, et résume les progrès de la recherche sur les alliages cuivre-nickel. La figure 1 montre le système de plate-forme offshore et la figure 2 montre les exigences de performance des matériaux.
1. Classification des alliages cuivre-nickel
Le tableau 1 montre la qualité et la composition élémentaire de l'alliage de cupronickel. Le cupronickel peut être divisé en cupronickel de manganèse, cupronickel de fer, cupronickel ordinaire, cupronickel d'aluminium et cupronickel de zinc. En raison de la teneur différente en élément Ni, ses propriétés sont différentes et les occasions d'application sont également différentes. différent. En raison de sa résistance à la corrosion irremplaçable et de ses nombreuses propriétés supérieures aux alliages traditionnels, il présente un grand potentiel d’application.
2. Propriétés et applications des alliages cuivre-nickel
Le cuivre blanc ordinaire est généralement un alliage structurel cuivre-nickel. En plus de sa résistance élevée à la corrosion, il possède également de bonnes propriétés mécaniques complètes à haute et basse température, c'est-à-dire une bonne plasticité et une bonne ténacité. Il est généralement utilisé sous forme de tiges ou de bandes. Dans le même temps, l'ajout de certains éléments d'alliage traces tels que Fe, Mn, Zn et Al sur la base du cuivre blanc ordinaire peut répondre à des exigences de performances particulières dans des applications pratiques et mieux répondre aux besoins industriels. Le cuivre fer-nickel le plus largement utilisé est le BFe10-1-1 (C70600) et
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BFe30-1-1 (C71500), lorsque la fraction massique de Ni est comprise entre 30 % et 10 %, l'alliage présente une plage de passivation plus large et la meilleure résistance à la corrosion. L'alliage présente également une très forte résistance à l'érosion et à la corrosion par l'eau de mer et est appelé « alliage d'ingénierie marine ». Les principales applications du cuivre et des alliages de cuivre dans le domaine de la construction navale sont présentées dans le tableau 2.
Les alliages BFe10-1-1 et BFe30-1-1 présentent les avantages d'une bonne résistance à l'érosion et à la corrosion par l'eau de mer, d'un coefficient de transfert thermique élevé, d'excellentes propriétés mécaniques/de soudage, d'inhibition de l'adhésion microbienne marine, etc., et sont largement utilisés. dans les moteurs principaux et auxiliaires des navires. Conduites d'eau de refroidissement, conduites de protection incendie sur les plates-formes de production pétrolière offshore, échangeurs de chaleur dans les centrales électriques, condenseurs dans les centrales nucléaires côtières et réchauffeurs de saumure dans les dispositifs d'évaporation flash à plusieurs étages pour le dessalement de l'eau de mer [2-4]. Dans le même temps, l'alliage BFe30-1-1 a une résistance plus élevée et est également utilisé dans des pièces structurelles à haute résistance telles que des arbres, des fixations, des tiges de valve et des brides de certains appareils marins. L'alliage BFe30-2-2, qui résiste à la corrosion par érosion par l'eau de mer et à la corrosion par le sable, a été développé pour résoudre le problème de la teneur élevée en sable dans l'eau de mer de la mer de Chine orientale [5]. BFE10-1-1
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Les propriétés mécaniques des tubes en alliage BFe{{0}} à l'état dur doivent répondre à : une résistance à la traction supérieure ou égale à 370MPa, une limite d'élasticité supérieure ou égale à 150MPa, un allongement supérieur ou égal à 18%, Dureté Vickers supérieure ou égale à 85 ; résistance à la corrosion : quantité de corrosion (50 degrés, 3,5 % d'eau de mer NaCl) Inférieure ou égale à 0,025 mm/a, aucune corrosion par piqûre n'est autorisée. Le cuivre blanc de manganèse (alliage BMn3-12) a un coefficient de résistance modéré, un faible coefficient de température de résistance et est relativement stable. En raison de ses bonnes propriétés électriques, l'alliage BMn3-12 peut être utilisé pour fabriquer des résistances standard et des composants résistifs d'autres instruments de précision. Avec l'évolution des temps, les exigences en matière de précision des instruments sont de plus en plus élevées, de sorte que la recherche sur cet alliage ne peut pas se limiter à modifier la composition et la teneur de l'alliage [6]. Grâce aux processus de recuit, de rupture d'extrusion horizontale et d'étirage, l'alliage BMn3-12 présente des limites jumelles cohérentes spéciales, qui peuvent améliorer la résistance du matériau sans affecter la conductivité du matériau. L'alliage BMn40-1.5 est un alliage électrique cuivre-nickel qui a été utilisé plus tôt que l'alliage BMn3-12. En raison de son coefficient de résistance thermique plus faible, il présente une meilleure résistance à la chaleur et peut être utilisé dans une plage de températures plus large. Comparé à l'alliage BMn3-12, l'alliage BMn40-1.5 a un potentiel thermoélectrique plus élevé contre le cuivre, il convient donc aux résistances de précision, aux résistances coulissantes, aux transformateurs de démarrage et de régulation et aux jauges de contrainte de résistance pour le courant alternatif [8 ]. Le cuivre aluminium-nickel présente à la fois une résistance élevée, une bonne plasticité et une bonne ténacité. Parmi eux, l'alliage BAl13-3 est souvent utilisé pour fabriquer des pièces plus résistantes à la corrosion, et l'alliage BAl16-1.5 est utilisé pour fabriquer des ressorts plats ayant des utilisations importantes. Pendant longtemps, afin d'améliorer les performances du cuivre aluminium-nickel, une petite quantité d'oligo-éléments est souvent ajoutée pour créer une matrice renforcée de cuivre aluminium-nickel, qui a une bonne conductivité tout en conservant une résistance élevée pour répondre aux exigences des applications pratiques. . Étant donné que le cuivre aluminium-nickel a une résistance élevée, une conductivité électrique élevée et une bonne résistance à l'usure, il peut être utilisé comme matériau potentiel pour les grilles de connexion et les pièces résistantes à l'usure [9-11].
Le zinc cupronickel (alliage BZn18-18BZn15-20) est également appelé « argent allemand » [12]. Parce que le cuivre zinc-nickel présente les avantages d'une bonne résistance à la traction, d'une bonne résistance à la fatigue et d'une bonne résistance à la corrosion, il est principalement utilisé comme coques de composants ou de cristaux, d'équipements médicaux, de matériaux de construction et de coques d'instruments à vent [13].
3. Exigences de performance des alliages cuivre-nickel
Avec le développement rapide de l'industrie chinoise de la construction navale, de l'industrie pétrolière et gazière offshore, des industries minières marines, de l'énergie marine et du dessalement de l'eau de mer, les exigences en matière de matériaux sont de plus en plus élevées [16]. Parmi eux, les tuyaux en alliage cuivre-nickel sont principalement utilisés. Les tuyaux de condenseur en alliage de cuivre pour navires fonctionnent depuis longtemps dans un environnement de refroidissement à haute température, haute pression et hautement corrosif - l'eau de mer. Par conséquent, il ne suffit plus que la composition chimique, les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion de l’eau de mer du produit répondent aux exigences. Des exigences strictes doivent également être imposées en matière de précision dimensionnelle géométrique, de performances des processus, d'organisation interne et d'autres indicateurs. Dans le même temps, les tuyaux en alliage cuivre-nickel doivent également avoir une bonne résistance à la corrosion. , coefficient de transfert thermique élevé, grand diamètre, haute précision, excellente technologie de soudage mécanique et bonne capacité à inhiber l'adhésion des micro-organismes marins [17] et d'autres caractéristiques. À l'heure actuelle, en raison de problèmes liés aux équipements de transformation en Chine, les alliages de tubes de cuivre de grand diamètre ne peuvent toujours pas être produits en masse et dépendent principalement des importations étrangères. Par conséquent, les difficultés de production de tuyaux en cuivre de grand diamètre doivent encore être surmontées.
4. Progrès de la recherche sur les alliages cuivre-nickel
4.1 Mécanisme de corrosion de l'alliage cuivre-nickel
La figure 4 montre les différents processus de la réaction de corrosion du cupronickel dans l'eau de mer oxygénée. La ligne AB sur la figure est le processus de réaction cathodique du cupronickel dans l'eau de mer, qui peut être exprimé comme suit :
1/2[O2]+[H2O]+2e−=2[OH−] (1)
La ligne CD de la figure 4 est le processus de réaction anodique du cuivre blanc sans passivation dans l'eau de mer. On peut l'exprimer ainsi :
Cu=Cu++e−(2)
T1, T2, T3 sur la figure 4
La courbe représente le processus de réaction anodique de passivation du cuivre blanc dans l'eau de mer. La ligne EF est un processus de réaction de dégagement d'hydrogène du cuivre blanc en raison du manque d'oxygène, de sorte qu'aucun produit de passivation ni de corrosion ne se forme au cours de ce processus.
Cu(ouCu2O)=Cu2++2e−(3)
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2[Cu2+]+3[OH−]+[Cl−]=Cu2(OH)3Cl (4)
4.2 Recherche sur la résistance à la corrosion de l'alliage cuivre-nickel
Afin de répondre aux exigences de performance des matériaux de l’industrie maritime, de nombreuses recherches ont été menées pour améliorer la résistance à la corrosion des alliages cuivre-nickel. Deng Chuping [19] a découvert que la résistance à la traction et l'allongement du cuivre blanc additionné de terres rares Ce étaient améliorés et que la structure des grains était plus dense. De plus, l’ajout de terres rares Ce pourrait améliorer la corrosion typique du denickel de l’alliage dans des milieux contenant du soufre. tendance. Jiang et coll. [20] ont étudié les effets de différentes teneurs en Fe sur la structure et les propriétés de l'alliage B10 et ont constaté qu'à mesure que la teneur en Fe augmentait, la résistance à la corrosion montrait une tendance à l'augmentation puis à la diminution, mais n'ont pas exploré davantage le mécanisme de résistance à la corrosion. . Recherche. Institut de recherche sur les métaux non ferreux de Pékin
Zhang Jianing [21] a trouvé le meilleur rapport d'alliage pour améliorer la résistance à la corrosion du B10 en contrôlant le rapport Fe/Mn. L'étude a révélé que lorsque Fe/Mn=3:2, la résistance à la corrosion de l'alliage est la meilleure. Ma et coll. [22] de l'Académie chinoise des sciences ont découvert que l'utilisation d'un processus de solution solide + déformation par laminage à froid + recuit de recristallisation peut augmenter le nombre de joints de grains et de joints jumeaux, obtenant ainsi un alliage avec une meilleure résistance à la corrosion.
5. Conclusion
Cet article prend principalement l'alliage cuivre-nickel comme point de départ, explique la composition chimique et les scénarios d'application de différents alliages cuivre-nickel, présente les principales usines de production de tubes de condenseur en cuivre au pays et à l'étranger, ainsi que les performances des tubes en alliage cuivre-nickel pour pipelines du système maritime national. demande et tendances futures dans le développement des alliages cuivre-nickel. Les principaux progrès de la recherche sur les alliages cuivre-nickel sont résumés. À l'heure actuelle, le principal progrès consiste à ajouter des traces d'éléments de terres rares à l'ajout de différents contenus.
Élément Fe, modifiant le rapport des éléments d'alliage de matrice et l'ingénierie des joints de grains pour améliorer la résistance à la corrosion des alliages cuivre-nickel.
