Применение сплава алюминия и никеля. Сплав основе никеля алюминия Сплав никеля и алюминия 4 буквы
Первые три были основными монетными металлами, хотя с древних времен предпринимались немногочисленные попытки использования для изготовления монет некоторых других металлов. В древней Византии, в средневековых Китае и Японии были в ходу железные монеты. В последние годы Римской республики, в Китае IX–X веков встречаются монеты из свинца, а на островах Сицилии, Яве, Борнео и Суматре - из олова. В древней Бактрии делали монеты из почти современного медно-никелевого сплава, содержащего 20% никеля; такой состав соответствовал естественным рудным залежам, из которых выплавляли металл.
В конце XIX века к трем основным монетным металлам добавился четвертый - никель. Этот металл открыл в 1751 году шведский минералог Аксель Фредерик Кронстедт (1722–1765). Он исследовал красновато-бурую руду. По цвету она напоминает медь, и, когда средневековые немецкие горняки не сумели выплавить из этой руды металл, они назвали ее «купферникелем», то есть «чертовой медью» (от нем. Kupfer - медь и Nickel - злой горный дух, или гном). Кстати, когда-то по-русски (например, у Менделеева в «Основах химии») писали, по немецкому шаблону, «никкель». Канада - одна из ведущих стран мира, добывающих никель. И в 1951 году в честь 200-летия открытия этого важного для страны металла в Канаде была выпущена пятицентовая монета из никеля.
В США пятицентовые монеты традиционно называют «никелями», хотя на самом деле их чеканят из медно-никелевого сплава, в котором никеля только 25% (рис. 2). Но уже 15% никеля полностью маскируют в сплаве цвет меди, делая его чисто-белым. Первые монеты в США из медно-никелевого сплава имели другой номинал - три цента; они заменили прежние трехцентовые серебряные монеты, и их чеканили с 1865 по 1889 год. Интересно, что 8 октября 1942 года в обращении в США появились «никели без никеля» - в их составе было 56% меди, 9% марганца и... 35% серебра! Причина проста: в конце 1941-го США вступили во Вторую мировую войну, и никель в больших количествах потребовался военным для изготовления стальной брони. Такие монеты чеканились вплоть до 1945 года. Много ли никеля можно было сэкономить? Только в 1941-м было отчеканено 300 152 000 пятицентовых монет массой 5 г каждая и общей массой 1500,76 т, из которых на чистый никель приходилось более 375 т. Это позволяло произвести почти 10 тыс. т крупповской брони!
Впервые монеты из медно-никелевого сплава начали чеканить в Швейцарии в 1850 году.
А из никеля - в Австро-Венгерской империи с 1892 года (10 и 20 геллеров). Монеты из почти чистого (99%) никеля чеканили в 1923–1943 годах в Италии (две лиры), а монеты номиналом одна лира, 50, 25 и 20 ченте зимо содержали в разные годы 97,5% никеля. В ХХ веке никелевые монеты чеканили во многих странах - Бельгии, Франции, Швейцарии, Германии, Венгрии, Люксембурге, Нидерландах и др.
В Российской империи за чеканку никелевой монеты выступал известный физик, открывший гальванопластику, академик Борис Якоби. Он представлял Россию в международной комиссии для выработки общих единиц мер, весов и монет. По его просьбе в 1871 году на Брюссельском монетном дворе были отчеканены пробные образцы предлагаемых монет. Однако в Министерстве финансов это предложение отклонили, как и последующие, поступавшие из Англии, Франции и Германии. В начале ХХ века в России были обнаружены богатые никелевые руды, и предложение начать чеканку никелевых монет поступило в 1911-м теперь уже от Петербургского монетного двора. Но начавшаяся вскоре война похоронила и эту инициативу. Монеты из медно-никелевого сплава начали чеканить в СССР только в 1931 году. Состав сплава изменился с изменением дизайна советских монет в 1961-м. Так, анализ сплава 20-копеечной монеты 1978 года показал, что он содержит 52,77% меди, 31,72% цинка, 11,40% никеля, 3,85% марганца и 0,26% железа.
Очень легки, дешевы и хорошо смотрятся монеты из алюминия, но только пока они новые. Мягкий алюминий быстро истирается, легко корродирует, и монеты становятся довольно неприглядными. Монеты из алюминия чеканили (а кое-где и сейчас чеканятся) в ГДР, Польше, Чехословакии, Албании, Венгрии, Монголии, Австрии и ряде других стран.
Удивительная история произошла с итальянскими алюминиевыми монетами. (Строго говоря, их чеканили не из чистого алюминия, а из сплава italma - от «Италия», «алюминий» и «магний», но алюминия в этом сплаве 96,2%, а магния - только 3,5%, и 0,3% марганца.) Из этого справа в послевоенной Итальянской Республике чеканились монеты самых мелких номиналов: 1, 2, 5 и 10 лир. Как говорилось в первой статье про монеты из золота, серебра и меди, цена металла в монете когда-то соответствовала номиналу. Известна так называемая порча монеты, когда правители злостно снижали пробу драгоценного металла. Но история знает и прямо противоположные случаи, когда стоимость металла превышала номинал монеты. Как правило, это связано с инфляцией и неповоротливостью чиновников, не прекращающих своевременно чеканить монеты, как говорится, себе в убыток. В Италии в 1970-е годы ХХ века возникла острая нехватка разменной монеты - из обращения почти исчезли самые мелкие номиналы. Оказалось, что некоторые фирмы скупали эти дешевые монеты, металл которых стоил больше номинала, и использовали их в различных целях, например в качестве основы для пуговиц, - это было дешевле, чем штамповать кружки даже из недорогого алюминия. В результате итальянское правительство приняло срочные меры по массовой чеканке мелких монет. Так, если в 1970 году пятилировых монет было отчеканено 3,1 млн, то в 1972-м - уже 16,4 млн, а в 1973-м - 28,8 млн! И хотя еще в 1976 году лира соответствовала всего 0,0012 долл. США, т. е. на нее ничего нельзя было купить, массовая чеканка мелких монет продолжалась почти до перехода на евро в 2002 году. Как бы в насмешку на монете достоинством одна лира был изображен рог изобилия. Справедливости ради следует сказать, что тиражи алюминиевых монет в конце ХХ - начале XXI века, конечно, были скромные. Так, в 2001-м было отчеканено всего 110 тыс. пятилировых монет, но не для обращения, а для коллекционеров - улучшенного качества.
Первые три были основными монетными металлами, хотя с древних времен предпринимались немногочисленные попытки использования для изготовления монет некоторых других металлов. В древней Византии, в средневековых Китае и Японии были в ходу железные монеты. В последние годы Римской республики, в Китае IX—X вв. еков встречаются монеты из свинца, а на островах Сицилии, Яве, Борнео и Суматре — из олова. В древней Бактрии делали монеты из почти современного медно-никелевого сплава, содержащего 20% никеля; такой состав соответствовал естественным рудным залежам, из которых выплавляли металл.
В конце XIX века к трем основным монетным металлам добавился четвертый — никель. Этот металл открыл в 1751 году шведский минералог Аксель Фредерик Кронстедт (1722−1765). Он исследовал красновато-бурую руду. По цвету она напоминает медь, и, когда средневековые немецкие горняки не сумели выплавить из этой руды металл, они назвали ее «купферникелем», то есть «чертовой медью» (от нем. Kupfer
— медь и Nickel
— злой горный дух, или гном). Кстати, когда-то по-русски (например, у Менделеева в «Основах химии») писали, по немецкому шаблону, «никкель». Канада — одна из ведущих стран мира, добывающих никель. И в 1951 году в честь 200-летия открытия этого важного для страны металла в Канаде была выпущена пятицентовая монета из никеля. Рис. 1. Пятицентовая монета из никеля (Канада) В США пятицентовые монеты традиционно называют «никелями», хотя на самом деле их чеканят из медно-никелевого сплава, в котором никеля только 25% (рис. 2). Но уже 15% никеля полностью маскируют в сплаве цвет меди, делая его чисто-белым. Первые монеты в США из медно-никелевого сплава имели другой номинал — три цента; они заменили прежние трехцентовые серебряные монеты, и их чеканили с 1865 по 1889 год. Интересно, что 8 октября 1942 года в обращении в США появились «никели без никеля» — в их составе было 56% меди, 9% марганца и… 35% серебра! Причина проста: в конце 1941-го США вступили во Вторую мировую войну, и никель в больших количествах потребовался военным для изготовления стальной брони. Такие монеты чеканились вплоть до 1945 года. Много ли никеля можно было сэкономить? Только в 1941-м было отчеканено 300 152 000 пятицентовых монет массой 5 г каждая и общей массой 1500,76 т, из которых на чистый никель приходилось более 375 т. Это позволяло произвести почти 10 тыс. т крупповской брони! 
Рис. 3. Три цента Впервые монеты из медно-никелевого сплава начали чеканить в Швейцарии в 1850 году.
А из никеля — в Австро-Венгерской империи с 1892 года (10 и 20 геллеров). Монеты из почти чистого (99%) никеля чеканили в 1923—1943 годах в Италии (две лиры), а монеты номиналом одна лира, 50, 25 и 20 ченте́зимо содержали в разные годы 97,5% никеля. В ХХ веке никелевые монеты чеканили во многих странах — Бельгии, Франции, Швейцарии, Германии, Венгрии, Люксембурге, Нидерландах и др. 
Рис. 5. Одна лира 1922 года В Российской империи за чеканку никелевой монеты выступал известный физик, открывший гальванопластику, академик Борис Якоби. Он представлял Россию в международной комиссии для выработки общих единиц мер, весов и монет. По его просьбе в 1871 году на Брюссельском монетном дворе были отчеканены пробные образцы предлагаемых монет. Однако в Министерстве финансов это предложение отклонили, как и последующие, поступавшие из Англии, Франции и Германии. В начале ХХ века в России были обнаружены богатые никелевые руды, и предложение начать чеканку никелевых монет поступило в 1911-м теперь уже от Петербургского монетного двора. Но начавшаяся вскоре война похоронила и эту инициативу. Монеты из медно-никелевого сплава начали чеканить в СССР только в 1931 году. Состав сплава изменился с изменением дизайна советских монет в 1961-м. Так, анализ сплава 20-копеечной монеты 1978 года показал, что он содержит 52,77% меди, 31,72% цинка, 11,40% никеля, 3,85% марганца и 0,26% железа.
Рис. 6. Пробные никелевые монеты 1871 года
Рис. 8. Двадцать копеек 1931 года Очень легки, дешевы и хорошо смотрятся монеты из алюминия, но только пока они новые. Мягкий алюминий быстро истирается, легко корродирует, и монеты становятся довольно неприглядными. Монеты из алюминия чеканили (а кое-где и сейчас чеканятся) в ГДР, Польше, Чехословакии, Албании, Венгрии, Монголии, Австрии и ряде других стран. 
Рис. 9. Справа — не бывшая в обращении монета из алюминия (Куба, пять сентаво, 1971), слева — алюминиевая монета, подвергшаяся коррозии (Франция, два франка, 1943) Удивительная история произошла с итальянскими алюминиевыми монетами. (Строго говоря, их чеканили не из чистого алюминия, а из сплава italma
— от «Италия», «алюминий» и «магний», но алюминия в этом сплаве 96,2%, а магния — только 3,5%, и 0,3% марганца.) Из этого справа в послевоенной Итальянской Республике чеканились монеты самых мелких номиналов: 1, 2, 5 и 10 лир. Как говорилось в первой статье про монеты из золота, серебра и меди, цена металла в монете когда-то соответствовала номиналу. Известна так называемая порча монеты, когда правители злостно снижали пробу драгоценного металла. Но история знает и прямо противоположные случаи, когда стоимость металла превышала номинал монеты. Как правило, это связано с инфляцией и неповоротливостью чиновников, не прекращающих своевременно чеканить монеты, как говорится, себе в убыток. В Италии в 1970-е годы ХХ века возникла острая нехватка разменной монеты — из обращения почти исчезли самые мелкие номиналы. Оказалось, что некоторые фирмы скупали эти дешевые монеты, металл которых стоил больше номинала, и использовали их в различных целях, например в качестве основы для пуговиц, — это было дешевле, чем штамповать кружки даже из недорогого алюминия. В результате итальянское правительство приняло срочные меры по массовой чеканке мелких монет. Так, если в 1970 году пятилировых монет было отчеканено 3,1 млн, то в 1972-м — уже 16,4 млн, а в 1973-м — 28,8 млн! И хотя еще в 1976 году лира соответствовала всего 0,0012 долл. США, т. е. на нее ничего нельзя было купить, массовая чеканка мелких монет продолжалась почти до перехода на евро в 2002 году. Как бы в насмешку на монете достоинством одна лира был изображен рог изобилия. Справедливости ради следует сказать, что тиражи алюминиевых монет в конце ХХ — начале XXI века, конечно, были скромные. Так, в 2001-м было отчеканено всего 110 тыс. пятилировых монет, но не для обращения, а для коллекционеров — улучшенного качества. 
Илья Леенсон,
канд. хим. наук, доцент Высшего химического колледжа РАН
В связи с уменьшением добычи чистых металлов, в промышленности увеличилось применение смесей, и одна из них - сплав алюминия и никеля под названием ални. Это группа магнитотвердых материалов, обладающих большой коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Содержание никеля доходит до 20–30%, а алюминия - до 10–20%.
Ални сплав.
Ални-сплавы характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому изготовление постоянных магнитов проводят методом литья. Легирование этих соединений улучшают магнитные свойства. Для этого используются медь, кобальт и некоторые другие элементы. Однако сплав алюминия с никелем, содержащий более 0,03% углерода, снижает эти качества.
Свойства сплавов
Сплав - это однородный твердый материал, состоящий из двух и более компонентов. Один из них является основой.
В ални-соединениях ею выступает никель. Они считаются главными конструкционными материалами, среди которых большое значение имеют сплавы, где в качестве основы применяется железо и алюминий. Все они наделены свойствами основных металлов:
- электропроводностью,
- теплопроводностью,
- пластичностью.
Основной характеристикой этих соединений служит способность к свариванию.
Область применения
Никель-алюминиевые сплавы, содержащие железо, обычно легируют медью и кобальтом. Полученные соединения используют для изготовления магнитов разнообразных форм. Материал выходит твердый и хрупкий, с крупнозернистой структурой, поэтому изделия из него изготавливают методом отливки, с последующей шлифовкой специальным инструментом. При легировании кобальтом и титаном с применением термомагнитной обработки получаются изделия с наивысшей энергией. Они используются в сильно разомкнутых системах, так как обладают наиболее высокой коэрцитивной силой.
Понятие «сверхпрочный сплав» - часто применяется к высокотемпературным соединениям, которые способны длительное время сохранять надежность, сопротивление ползучести и коррозии при воздействии высоких температур.
Именно эти свойства сплавов на никелевой основе дали возможность использовать их в качестве конструкционного материала для изготовления элементов газотурбинных двигателей. Детали реактивного двигателя - рабочие и сопловые лопатки, диски турбин и другие элементы - работают под воздействием температуры более 1100 °С многие тысячи часов, сохраняя при этом целостность металла.
Лопатки являются одними из самых напряженных элементов газотурбинного двигателя. На них воздействует не только высокая температура, но и огромные статические и динамические нагрузки.
Сплавы ални — незаменимы при производстве газотурбинных двигателей.
Чтобы предотвратить губительное влияние температурной коррозии, их поверхность покрывается защитным слоем. Для этого используется пакетная цементация либо покрытия, наносимые в газовой среде. В процессе диффузного воздействия происходит обогащение поверхностного слоя обрабатываемой детали алюминием с образованием алюминида никеля, который является основой покрытия.
Благодаря высоким антикоррозионным свойствам никелевые сплавы используются для плакировки сталей, что повышает их стойкость к износу и коррозии.
Никелевые сплавы — спасение от коррозии.
1 Анотация 2
2 Введение 3
3 Характеристика детали 4
4 Выбор способа никелирования 5
4.2 Электролитический способ 5
4.2 Химический способ 5
5 Требования к покрытию и выбор его толщины 6
6 Выбор осуществления технологического процесса 7
7 Теория процесса химического никелирования 8
8 Выбор раствора 10
9 Выбор основных технических операций 12
9.1 Обезжиривание химическое 12
9.2 Обезжиривание электрохимическое 13
9.3 Травление 13
9.4 Осветление 14
9.6 Химическое никелирование 14
9.7 Промывки 14
10 Схема технологического процесса 16
11 Составы растворов и режимы их работы 17
12.1 Расчет размеров подвесок и ванны химического
никелирования 19
12.2 Расчет фондов времени работы оборудования 21
12.3 Годовой объем производства одной ванны химического
никелирования 22
12.4 Расход химикатов 22
12.5 Корректировка растворов 24
12.6 Расход воды 28
12.7 Расход воды на промывки 30
13 Список литературы 33
2 Введение
Применение алюминиевых сплавов для изготовления деталей машин с каждым годом возрастает, что обусловлено рядом специфических свойств алюминия (лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al 2 O 3 , которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. Но алюминий имеет существенный недостаток – низкую твердость (100-150 МПа), вследствие чего поверхность деталей, работающих на трение, быстро срабатываются. Поэтому большое практическое значение представляет упрочнение поверхности деталей из алюминиевых сплавов путем нанесения более твердого слоя другого металла. В этом отношение большой практический интерес представляет никелевое покрытие, обладающее высокой твердостью и адгезией к основе, особенно после термической обработки.
Никелевые покрытия применяют в различных отраслях промышленности как в качестве подслоя, так и самостоятельно для защитно-декоративных и специальных целей. Они характеризуются твердостью, значительной коррозионной стойкостью и хорошей отражательной способностью (58 - 62%), удельным электросопротивлением 8,3-10 -2 Ом·м.
Никелевые покрытия применяют в промышленности для защитно-декоративной и декоративной отделки изделий и деталей машин, аппаратов, приборов; для защиты от коррозии при повышенных температурах и в специальных средах (щелочах, некоторых кислотах), как промежуточный подслой для нанесения других покрытий на сталь с целью обеспечения прочного сцепления покрытий с основой, для повышения износостойкости трущихся поверхностей.
В настоящее время применяют два способа нанесения никелевого покрытия: электрохимический и химический. Только с помощью химического никелирования можно получить покрытие сложнопрофилированных деталей. За счет введения неорганических добавок, содержащих фосфор и бор, можно регулировать твердость получаемого покрытия, что является немаловажным для деталей из алюминиевых сплавов. При этом нужно учитывать, что покрытие, полученные химическим никелированием, обладают высокой коррозионной стойкостью.
3
Характеристика детали
В качестве детали для нанесения покрытия выбран корпус радиоэлектронного прибора, изготовленный фрезерованием и из сплава алюминия Д16
Деталь покрывается как с внешней, так и с наружной стороны, характерным является наличие различных отверстий для вывода проводов, болтовых соединений.
Данный корпус с радиоэлектронным прибором впоследствии подвергается герметизации с помощью болтового соединения или низкотемпературной пайке. Для обеспечения надежности работы прибора наносимое на корпус покрытие должно обеспечить коррозионную стойкость, износостойкость, оптимальную твердость и быть равномерным по толщине.
Обычно корпуса из сплавов алюминия подвергают операции никелирования с последующим нанесением других функциональных покрытий, например покрытия олова, висмута, серебра.
Размеры детали:
l=5.4см 2 , h=8.8см 2 , b=1.3см 2
Так как деталь покрывается как с внешней, так и с внутренней стороны, то площадь покрытия одной детали будет равна:
S покр =168 см 2
4
Выбор способа никелирования
Возможно два способа нанесения никелевых покрытий:
4.1 Электролитический способ
Электролитический способ - нанесение никелевых покрытий на поверхность изделия из электролита под действием электрического тока. Преимущество способа – четко контролируется толщина покрытия, минимальный расход покрывающего металла. Кроме того, подбирая вид электролита и режим осаждения, можно получать осадки нужной структуры, внешнего вида и с различными механическими свойствами. Недостатком электролитического никелирования является неравномерность осаждения никеля при нанесении на рельефную поверхность, а также невозможность покрытия узких и глубоких отверстий и полостей.
4.2 Химический способ
При химическом способе покрываемое изделие помещают в водный раствор, содержащий растворенную соль металла и восстановитель. На поверхности изделия высаживается слой металла.
Осаждаемое в процессе химического никелирования покрытие не является чистым никелевым, как при гальваническом никелировании, а состоит из сплава никеля с фосфором. Покрытие этим сплавом не имеет ничего общего с покрытием чистым никелем как по физико-механическим, так и по химико-коррозионным свойствам.
Покрытие может быть нанесено на изделия сложной конфигурации с высокой степенью равномерности. Его можно нанести на внутренние полости и каналы изделия, что практически невозможно реализовать при гальваническом нанесении.
Широкий спектр применения химически осажденного никель-фосфорного покрытия объясняется впечатляющим набором его полезных свойств: твердостью от 6000 до 10000 МПа, высокой коррозионной стойкостью, антифрикционностью (низким износом при сухом трении), способностью экранировать высокочастотные электромагнитные излучения, низким переходным сопротивлением на электрических контактах, хорошей паяемостью.
Механические свойства никелирования не зависят от толщины: например, покрытия толщиной 1 мкм и 100 мкм обладают одинаковой удельной износостойкостью.
В данном случае целесообразнее использовать химическое никелирование. Это обусловлено тем, что деталь имеет сложную конфигурацию (наличие отверстий, углублений, полостей), а также требуется покрытие, как с внешней, так и с внутренней стороны.
5
Требования к покрытию и выбор его толщины
Толщина покрытия устанавливается в зависимости от условий эксплуатации, назначения покрытия по нормативно-технической документации, а также способа нанесения покрытия.
Так как на нашу деталь необходимо нанести функциональное покрытие, то покрытия должно быть равномерным по толщине, а также обеспечивать коррозионную стойкость, износостойкость и твердость основного металла в условиях эксплуатации.
По ГОСТ 9.303-84 минимальная толщина покрытия должна составлять 9 мкм. Допустимая максимальная толщина покрытия составляет 15 мкм. Средняя толщина никеля, получаемая в ванне никелирования, составляет 15 мкм.
6 Выбор осуществления технологического процесса
Существуют три способа осуществления технологического процесса химического никелирования, различающихся в зависимости от вида реагента, выбранного в качестве восстановителя.
1) гипофосфитный способ, характеризующийся совместным выделением фосфора в никелевое покрытие;
2) боргидридный способ, при котором происходит выделение бора, входящего в состав покрытия;
3) гидразинный способ, при котором никель осаждается с наименьшим количеством примесей.
Промышленное применение получил пока лишь гипофосфитный способ. Это обусловлено тем что, боргидридный способ нанесения покрытия характеризуется сильно щелочной средой (рН>13), что приведет к растворению алюминия.
Несмотря на то, что гидразинный способ позволяет получить никелевое покрытие высокого качества, его использование практически не распространено, ввиду маленькой скорости осаждения никеля, основной компонент (гидразин) практически отсутствует в продаже, данный способ очень требователен к соблюдению техники безопасности, т.к. при нарушении условий эксплуатации возможна детонация.
Химическое осаждение никеля на сплавы алюминия целесообразно проводить с помощью раствора с гипофосфитом натрия. Осажденное покрытие имеет полублестящий металлический вид, аморфную структуру и является сплавом никеля с фосфором.
7 Теория процесса химического никелирования
Механизм восстановления ионов никеля с помощью гипофосфита носит электрохимический характер, при этом на поверхности катализатора - основы одновременно (сопряженно) протекают анодная стадия окисления восстановителя (5.1) и катодная стадия восстановления никеля (5.6) и водорода (5.3).
Анодная стадия окисления гипофосфита – реакция взаимодействия гипофосфита натрия с водой – представляется как присоединение иона ОН¯ от молекулы воды к месту разрыва связи
Р – Н в молекуле гипофосфита натрия. Эта реакция, протеканию которой способствует каталитическое действие поверхности никеля, может быть выражена следующим уравнением:
Н 2 О ↔ Н + + ОН¯, (5.1)
Н 2 РО 2 ¯ + ОН¯→ Н 2 РО 3 ¯ + Н + е. (5.2)
Освобожденный от аниона гипофосфита электрон через металлическую поверхность может передаваться иону водорода и превращать его в атомарный:
Н + + е → Н. (5.3)
Два атома водорода, один из которых образовался из связи Р – Н анион гипофосфита, а другой – из воды, соединяясь между собой образуют молекулярный водород.