Дата публикации:
31.07.25
Сталь CuNiFe1: характеристики марки, расшифровка, состав
Время чтения:
50 мин
Содержание
CuNiFe1 – это марка сплава на основе меди с добавками никеля и железа. Данная сплавная сталь (хотя правильнее назвать её медно-никелевым сплавом) известна своей высокой коррозионной стойкостью, особенно в морской воде, сочетая её с хорошими механическими и тепловыми свойствами. Сплав CuNiFe1 относится к семейству так называемых мельхиоров – медно-никелевых сплавов, традиционно применяемых там, где требуется долговечность в агрессивных средах. Благодаря своим свойствам этот материал получил распространение в судостроении, теплоэнергетике и химическом машиностроении, а также в других отраслях, связанных с эксплуатацией оборудования в пресной и морской воде.
История разработки и стандартизация
Название CuNiFe отражает основные элементы в составе: медь (Cu), никель (Ni) и железо (Fe). Первоначально термин Cunife (Кунифе) появился в середине XX века применительно к магнитно-твердым сплавам на основе меди, которые содержали около 20% никеля и 20% железа.Такие сплавы разрабатывались для изготовления постоянных магнитов и имели уникальное свойство – коэффициент термического расширения, совпадающий со стеклом, что позволяло использовать их для вводных проводников электровакуумных ламп. Однако впоследствии под маркой CuNiFe1 стали подразумевать иной состав – медно-никелевый сплав с низким содержанием железа (около 1%). Такой сплав был стандартизован для нужд морской промышленности и теплообменного оборудования.
В СССР и России сплав был известен как мельхиор и нормирован ГОСТами (в частности, ГОСТ 492-2006 регламентирует химический состав). Международная стандартизация также состоялась: сплав CuNiFe1 эквивалентен марке Copper-Nickel 90/10 (90% Cu, 10% Ni) по американской классификации и включён в спецификации ASTM, DIN, EN и др. во второй половине XX века.
Марка стали CuNiFe1: расшифровка
Обозначение CuNiFe1 прямо указывает на основные химические элементы сплава. «Cu» означает медь (Cuprum) – базовый металл, которого в сплаве наибольший процент. «Ni» – никель (Nickel), легирующий элемент, повышающий прочность и коррозионную стойкость сплава. «Fe» – железо (Ferrum), ещё одна добавка. В сумме никель и железо составляют около 10–12% от состава, а остальное – медь.Небольшое содержание железа играет важную роль: несмотря на скромную долю (~1%), оно заметно улучшает сопротивляемость коррозии в морской воде за счет формирования прочной защитной плёнки на поверхности сплава. Также присутствие Fe (наряду с Ni) повышает прочностные характеристики по сравнению с чистой медью.
Таким образом, буквенная часть марки отражает три ключевых компонента: медь как основа, никель для прочности и устойчивости, железо для дополнительного упрочнения и антикоррозионного эффекта.
Цифра «1» в названии CuNiFe1 указывает на порядковый номер сплава или на условное содержание железа. В международных обозначениях медно-никелевых сплавов обычно принято прямо указывать процент никеля и других элементов. Например, аналог CuNiFe1 известен как CuNi 90/10 (что означает примерно 10% Ni, остальное Cu) или CuNi10Fe1Mn – где «10» указывает процент Ni, а «1» – доли процента железа.
В нашем случае индекс 1 подразумевает сплав с железом порядка 1%. В российских спецификациях ему соответствует марка МНЖМц 10-1-1, где цифры после букв также указывают на 10% Ni и примерно по 1% Fe и Mn соответственно.
Важно не путать CuNiFe1 с историческим Cunife-1 – магнитным сплавом, содержавшим ~20% Fe и 20% Ni (так называемый кунифе I). В контексте данной марки стали цифра «1» означает именно низколегированный вариант с железом около 1%. Таким образом, CuNiFe1 – это первый номер сплава Cu-Ni-Fe с минимальным содержанием железа (в отличие, например, от гипотетического CuNiFe2 или от варианта с высоким Fe, который выходит за рамки данной марки).
Характеристики стали CuNiFe1
Давайте рассмотрим основные свойства данной разновидности и поясним, как они влияют на эксплуатационные показатели стали.
Химический состав
Химический состав сплава CuNiFe1 регламентируется стандартами и достаточно стабилен, с небольшими допусками. В него входят следующие основные элементы (в процентах по массе):- Медь (Cu) – примерно 85,5–89,7%, это основа сплава.
- Никель (Ni) – около 9–11% (может учитываться вместе с кобальтом, который присутствует в следовых количествах). Никель – главный легирующий элемент.
- Железо (Fe) – порядка 1–2%, важная добавка для прочности и коррозионной стойкости.
- Марганец (Mn) – около 0,3–1%, дополнительная легирующая примесь для упрочнения и противокоррозионного эффекта.
- Примеси: свинец (Pb) ≤0,03%, углерод (C) ≤0,03%, сера (S) ≤0,03%, цинк (Zn) ≤0,3% и суммарно прочие примеси до 0,5%. Небольшое количество цинка и свинца может присутствовать технологически, хотя эти элементы не вводятся специально ввиду их нежелательного влияния на свойства.
Механические свойства
Механические характеристики CuNiFe1 находятся на уровне типичных медно-никелевых сплавов средней прочности. Хотя конкретно по прочности он уступает легированным сталям, этот сплав заметно прочнее чистой меди и многих латуней, сохраняя при этом хорошую пластичность.Ключевые показатели (при комнатной температуре ~20°C) следующие:
- Предел прочности на разрыв (σв)
В мягком (отожжённом) состоянии примерно 290–310 МПа, а в упрочнённом холодной деформацией состоянии может достигать 400–420 МПа. Для сравнения, минимальное требование для труб из CuNi 90/10 в отожжённом состоянии – около 275 МПа, однако реально часто достигается ~300 МПа. После сильного наклёпа прочность повышается, приближаясь к 0,4 ГПа. - Предел текучести (σ0,2)
Он сильно зависит от степени упрочнения. В состоянии отжига – порядка 100–110 МПа, что указывает на весьма высокую пластичность материала. После деформационного упрочнения предел текучести может возрасти до ~300 МПа и выше (например, для твёрдых труб σ0,2 ~70% от σв). - Относительное удлинение (δ5)
В мягком состоянии оно очень высокое – обычно 30–40% и более. Это свидетельствует об отличной пластичности и способности материала к холодной формовке. После упрочнения пластичность ожидаемо падает – до 5–10% при максимальном наклёпе. Например, по ГОСТ 10092-2006 для отожжённых труб δ5 ≥ 35%, а для твёрдых труб лишь около 5%. - Модуль упругости (E)
Этот показатель составляет примерно 130–140 ГПа, что ниже, чем у сталей (~200 ГПа), но соответствует медным сплавам. Более низкий E означает, что CuNiFe1 более упругий и менее жёсткий материал по сравнению со сталью, что важно учитывать при проектировании (большие прогибы под нагрузкой). - Твёрдость
Обычно измеряется в состоянии поставки. У отожжённого материала твёрдость невысока (порядка HB 70–90), у наклёпанного может повышаться до ~HB 120–150. Эти значения соответствуют его относительно низкой устойчивости к абразивному износу. - Ударная вязкость
Конкретные цифры ударной работы не всегда приводятся, однако медно-никелевые сплавы известны тем, что сохраняют вязкость даже при пониженных температурах. Отсутствие хрупкокристаллических фаз означает отсутствие выраженной переходной температуры охрупчивания – материал остаётся достаточно вязким на холоде, что выгодно отличает его от многих сталей.
Следует отметить, что механические свойства могут ухудшаться при повышении температуры эксплуатации – как и у всех медных сплавов, прочность уменьшается при нагреве, поэтому при температуре, например, +200°C допускаемые напряжения будут ниже, чем при 20°C (это учитывается в нормах проектирования теплообменников и трубопроводов).
Физические свойства
Плотность
У сплава CuNiFe1 она составляет примерно 8,9 г/см³ (8900 кг/м³) при 20°С. Он немного плотнее стали (у стали ~7,85 г/см³) за счёт высокого содержания меди и никеля (оба тяжелее железа). Это означает, что изделия из данного сплава будут иметь больший вес по сравнению со стальными аналогичных размеров – фактор, который может влиять на выбор материала в весоограниченных конструкциях.Температура плавления
Сплав CuNiFe1 имеет широкую область плавления около 1100–1145 °C. Благодаря высокой точке солидуса (~1100°C) этот материал сохраняет прочность при повышенных температурах эксплуатации значительно лучше, чем чистая медь (у которой плавление ~1085°C). Однако при температурах свыше ~300°C прочностные характеристики заметно снижаются, и длительная эксплуатация при красном калении невозможна (сплав размягчается). Практически применяют CuNiFe1 до ~300°C (кратковременно до 400°C) – этого достаточно для теплообменных аппаратов и судовых пароконденсаторов, но для действительно высокотемпературных узлов (например, >500°C) требуются уже другие материалы.Теплопроводность
Одним из плюсов CuNiFe1 является довольно высокая теплопроводность для сплава – порядка 40–50 Вт/(м·K) при 20°С. Это значительно ниже, чем у чистой меди (~380 Вт/(м·K)), но существенно выше, чем у нержавеющих сталей (~15–20 Вт/(м·K)). Высокая теплопроводность – важное качество для материалов теплообменников: медно-никелевые трубки эффективно передают тепло от горячей среды к холодной. Именно поэтому сплав CuNiFe1 широко используют в конденсаторах и теплообменниках, где требуется быстро отводить тепло. Отметим, что с ростом температуры теплопроводность несколько падает, но остаётся на высоком уровне (при 100°С – около 40 Вт/(м·К)).Коэффициент термического расширения
Линейное расширение CuNiFe1 с нагревом умеренно выше, чем у сталей, но ниже, чем у чистой меди. В среднем коэффициент составляет около α = 16–17×10^-6 1/°C в интервале 20–300°С. Для сравнения, у углеродистой стали α ~12×10^-6 1/°C, у меди ~17×10^-6 1/°C. То есть CuNiFe1 при нагреве расширяется примерно так же, как медь. Это нужно учитывать при комбинировании с другими материалами: например, трубная решетка из стали и трубки из CuNiFe1 могут иметь разные удлинения при нагреве, требуя компенсировать термические напряжения.Электропроводность
Добавка никеля и железа сильно уменьшает электропроводность меди. Электропроводность CuNiFe1 составляет примерно 5–10% от проводимости чистой меди. В единицах IACS это около 9% IACS. То есть сплав проводит электричество хуже примерно в 10 раз по сравнению с медью. На практике это означает, что CuNiFe1 не используют для токопроводящих жил, но в то же время достаточно низкая электропроводность свидетельствует о его более высоком удельном сопротивлении, что, например, минимизирует токи Фуко в теплобменниках (чуть уменьшая тепловые потери). Низкая проводимость связана с рассеянием электронов на атомах никеля и железа – типично для всех медно-никелевых сплавов.Магнитные свойства
В отожжённом состоянии сплав CuNiFe1 является практически немагнитным (магнитная проницаемость μ приблизительно равна 1). Хотя он содержит железо, его доля невелика, и сплав имеет однофазную структуру твердого раствора, не проявляя ферромагнетизма. Это выгодно отличает CuNiFe1 от ферромагнитных материалов – такие трубопроводы не намагничиваются и не влияют на приборы (что ценно, например, в судовых системах). Важно отметить: если сплав сильно холодно деформирован, проницаемость может слегка возрасти из-за наклёпа, но после отжига немагнитность полностью восстанавливается. Таким образом, CuNiFe1 – хороший выбор, когда нужна комбинация коррозионной стойкости и отсутствие магнитных помех (например, для морских датчиков и аппаратов).Коррозионная стойкость
Одно из главных достоинств сплава CuNiFe1 – выдающаяся устойчивость к коррозии, особенно во влажных средах, морской и пресной воде. В морской воде (солёной) сплав 90-10 Cu-Ni ведет себя значительно лучше, чем обычные стали и многие другие медные сплавы. Причина – способность образовывать на своей поверхности тонкую, плотно прилипающую защитную плёнку из продуктов коррозии, обогащенную оксидами никеля и железа. Эта плёнка изначально имеет темно-коричневый цвет, со временем может приобретать зеленоватый налёт патинирования, и она предотвращает дальнейшее разъедание металла. Причём, в отличие от стали, у которой ржавчина рыхлая и отслаивается, защитный слой на CuNiFe1 прочный и не дает коррозии углубляться. Согласно исследованиям, хорошая коррозионная стойкость 90-10 Cu-Ni в морской воде напрямую связана с формированием именно такой тонкой комплексной плёнки.В практических условиях CuNiFe1 стоек как к равномерной коррозии, так и к точечной (питтингу). В пресной воде и морской воде скорость коррозии у данного сплава крайне низкая – порядка тысячных долей миллиметра в год. Он превосходит по этому показателю даже нержавеющие стали в морской воде: последние подвержены точечной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением из-за хлоридов, тогда как CuNiFe1 к хлоридному растрескиванию нечувствителен. Более того, медно-никелевый сплав обладает естественной стойкостью к биологическому обрастанию: ионы меди, высвобождаясь с поверхности, препятствуют росту микроорганизмов и ракушек. Это свойство широко используется – например, 90/10 Cu-Ni применяют для обшивки подводной части судов или сеток аквакультур, так как на нём значительно меньше нарастают водоросли и морские организмы. В результате требуется меньше обслуживания и очистки.
Важно отметить, что для поддержания коррозионной стойкости необходимо правильное введение сплава в эксплуатацию. При первом заполнении системы морской водой сплаву нужно дать время на формирование защитной плёнки – обычно это достигается медленной циркуляцией чистой морской воды в течение нескольких дней. После этого сплав может выдерживать даже достаточно высокие скорости потока без повреждений. Трубы из CuNiFe1, испытанные в морской воде, показали отсутствие эрозии при скоростях потока до 7,3 м/с, что весьма высокая величина для трубопроводов (для сравнения, у латуни допустимые скорости ~1,5–2 м/с). Тем не менее, проектировочно рекомендуют ограничивать скорость воды ~2–3 м/с, дабы гарантированно избежать эрозионно-коррозионных износов и обеспечить долговечность. Также нежелательно допускать длительный застой морской воды в системе без протока – при наличии бродячих токов и без кислорода защитная плёнка может ухудшиться. При соблюдении рекомендаций мельхиоровые трубопроводы служат десятилетиями: например, в конденсаторах электростанций 90-10 CuNi трубки работают 20+ лет без замены.
CuNiFe1 хорошо сопротивляется коррозии и в атмосфере: в морском воздухе он покрывается благородной патиной и практически не деградирует. В пресной воде (например, в системах охлаждения) он тоже очень стоек, хотя в чистой холодной воде патина образуется медленнее. Сплав чувствителен к окислительным кислотам (азотной, хромовой) – в таких средах его применять нельзя. А вот в слабых неокислительных кислотах и щелочах он держится удовлетворительно, хотя уступает спецсталям. Тем не менее, основная ниша CuNiFe1 – именно морская и пресная вода, влажные газы, рассолы и подобные среды, где этот сплав практически вне конкуренции по надежности.
Износостойкость и эрозия
С точки зрения абразивного износа, CuNiFe1 – сравнительно мягкий материал. Его твердость ниже, чем у сталей, поэтому при трении с твердыми поверхностями (песок в воде, контакт с твердыми деталями) изнашиваться он будет быстрее, чем закаленная сталь. Например, в насосах, если рабочее колесо выполнено из CuNi, а корпус из стали, то медно-никелевая часть может страдать при попадании абразива. Поэтому для узлов с интенсивным трением или ударными нагрузками (шестерни, валы, подшипники скольжения) данный сплав применяют редко либо снабжают специальные покрытия.Однако эрозионная стойкость в потоке воды у CuNiFe1 очень высокая. Как упоминалось, он выдерживает быстрый поток морской воды без значимых повреждений, тогда как более твердые материалы (например, некоторые стали или бронзы) могут получать эрозионные повреждения из-за турбулентности и кавитации. В этом плане CuNiFe1 обладает уникальным сочетанием: относительная мягкость приводит к тому, что возникающие микроповреждения быстро пассивируются, и дальнейшая эрозия прекращается. Именно поэтому этот сплав предпочитают для труб, изгибов и фитингов в системах перекачки морской воды – минимальный риск возникновения утечек по причине эрозии стенок. Кроме того, отсутствие искрообразования (медь – немагнитный мягкий металл) означает отсутствие микроскопических повреждений покрытия.
В целом, износостойкость CuNiFe1 можно охарактеризовать как среднюю: при отсутствии твёрдых примесей и при правильной конструкции потока (избежание локальных кавитаций) трубы и детали практически не изнашиваются десятилетиями. Но в присутствии механических абразивов (песок, шлам) скорость износа повышается. В таких случаях чаще применяют более твёрдый сплав 70/30 или переходят на никелевые бронзы.
Отдельно следует упомянуть коррозионно-механическое растрескивание: сплав CuNiFe1, будучи однородным твердым раствором, практически не подвержен этому виду износа. Ни хлоридное растрескивание (как у аустенитных сталей), ни водородное охрупчивание (как у высокопрочных бронз) ему не страшны – медь и никель не образуют хрупких фаз при взаимодействии с водородом, а защитная плёнка препятствует проникновению нежелательных элементов вглубь. Благодаря этому CuNiFe1 используется в узлах, где присутствуют вибрации, напряжения и агрессивная среда одновременно – он сохраняет целостность там, где многие стали трескаются.
Подытоживая: коррозионная стойкость CuNiFe1 исключительна, особенно в морской воде. Правильно спроектированные узлы из этого сплава служат очень долго, не требуя частой замены. Износостойкость же в плане механического трения у него умеренная, но достаточная для труб и фитингов при условии отсутствия грубого абразива. В случае требований повышенной прочности и твердости можно выбрать родственную марку или альтернативный материал, но зачастую именно сочетание антикоррозионных свойств и приемлемой прочности делает CuNiFe1 оптимальным решением.
Сравнение стали CuNiFe1 с аналогами
Теперь рассмотрим основные отечественные и зарубежные аналоги данного материала.Российские аналоги и их маркировки
В российской классификации ближайшим аналогом CuNiFe1 является сплав МНЖМц10-1-1, известный как мельхиор (медно-никелево-железный сплав с марганцем). Он содержит 10% Ni + Co, ~1% Fe, ~1% Mn, остальное медь. Фактически, МНЖМц10-1-1 и CuNiFe1 – это одно и то же химически, просто записанное в разной нотации. ГОСТ 492-2006 устанавливает для него тот же состав, что и международные стандарты для 90/10 Cu-Ni. Поэтому любая металлопродукция, выпускаемая по ГОСТ под этой маркой, соответствует зарубежному CuNiFe1.Близкородственным сплавом в РФ является МНЖМц30-1-1 – это медно-никелевый сплав с повышенным (~30%) содержанием никеля, остальными добавками Fe и Mn около 1%. Он соответствует международному 70/30 CuproNickel (то есть 70% Cu, 30% Ni). Формально МНЖМц30-1-1 не является аналогом CuNiFe1, а представляет отдельную марку с более высоким легированием никелем. Однако зачастую рассматривается как “старший брат” CuNiFe1: его применяют, когда нужна ещё большая коррозионная стойкость или прочность, чем даёт сплав 90/10. Плотность у 70/30 немного выше (~8,95 г/см³), теплопроводность ниже (порядка 29 Вт/(м·K) из-за большого никеля), а коррозионная стойкость – ещё лучше. Но стоимость и трудность обработки у 70/30 выше, поэтому стандартно выбирают CuNiFe1, а марку с 30% Ni только при действительно жёстких условиях эксплуатации. В российской практике оба сплава присутствуют: трубы выпускают как из МНЖМц10-1-1, так и из МНЖМц30-1-1 для особо ответственных узлов.
Таким образом, российским аналогом CuNiFe1 по сути является МНЖМц10-1-1. Другая похожая марка – МНЖ5-1 (иногда упоминается в ТУ как МНЖКТ 5-1-0,2-0,2) – это сплав с 5% Ni и 1% Fe, но он заметно отличается по характеристикам (более низкий никель делает его мягче и менее коррозионно-стойким). Поэтому его нельзя считать полноценным аналогом. В контексте конструкционных материалов для морской воды основное семейство – это мельхиоры 10-1-1 и 30-1-1.
Зарубежные аналоги
За рубежом сплав CuNiFe1 известен под разными обозначениями, перечислим основные:- UNS C70600 (он же Alloy 706, или просто 90/10 Cu-Ni): североамериканская маркировка, широко применяемая в ASTM-стандартах (например, трубы по ASTM B111 C70600, прутки ASTM B151 и др.). Эта марка полностью эквивалентна CuNiFe1. Под этим номером сплав часто фигурирует в технической литературе США.
- DIN WNr. 2.0872 / 2.1972: немецкие обозначения. Werkstoffnummer 2.0872 относится к деформируемому сплаву CuNi10Fe1Mn, а 2.1972 – технический код (WL – Werkstoffblatt) для трубной продукции из этого сплава. В стандартах DIN сплав прописан, например, в DIN 86019 (бесшовные трубы CuNi10Fe1,6Mn).
- EN CW352H: европейская маркировка в соответствии с EN 12449/12451, где CW352H – сплав CuNi10Fe1Mn для конденсаторных труб. Буквенно-цифровой код CW352H используется в стандартах ЕС для полуфабрикатов (C – медный сплав, W – обработанный давлением, номер 352H уникален для 90/10 CuNi).
- BS CN 102: британский стандарт BS 2871 часть 2 определяет марку CN 102 для 90/10 медно-никеля. Также в старых британских спецификациях (Def Stan, NES) мог фигурировать термин Cupronickel 90/10 или Cupro-Nickel Grade B.
- JIS C7060 (и C7060T): японский промышленный стандарт JIS H 3300 имеет марку C7060T для труб из этого сплава, а также C7060 для прутков/листов.
- Европейские и отраслевые стандарты: в судостроении и нефтегазовой отрасли есть свои обозначения. Например, EEMUA 234 Grade 90/10 (он же UNS 7060X) применяется в системах морских платформ. Во французских NF стандартах сплав может обозначаться как CuNi10Fe, в ISO – как CuNi10Fe1Mn. В военно-морских спецификациях НАТО – как сплав Grade 90-10.
Технологические особенности обработки
Обработка сплава CuNiFe1 имеет свою специфику, которая связана с его физическими свойствами (высокая пластичность, средняя твердость, хорошая свариваемость). Рассмотрим особенности различных технологических процессов:Металлообработка (резание, штамповка, протяжка)
- Механическая обработка резанием
Сплав CuNiFe1 относительно трудно поддается резанию из-за вязкости и склонности к наклёпу. Его обрабатываемость оценивается примерно в 20% относительно эталонной свободнорежущей латуни. Это означает, что при точении, фрезеровании, сверлении необходимы меньшие скорости резания, острые твердосплавные инструменты и эффективное охлаждение. Материал снимается непрерывной стружкой, может залипать на режущей кромке, поэтому рекомендуется использовать СОЖ и положительный передний угол резца. При сверлении глубоких отверстий важен отвод стружки. В целом, обработка CuNiFe1 схожа с обработкой мягкой меди, но несколько легче, чем чистая медь, благодаря присутствию никеля (повышающего твердость). Следует учитывать свойство наклёпа: поверхность детали после резания уплотняется, поэтому повторный проход резцом может натолкнуться на более твердую корку – желательна правильная заточка и подача, избегание трения без резания. Протяжка (в смысле обработки отверстий протяжными инструментами) возможна, однако инструментальный материал должен быть износостойким (карбиды) и форма стружколомов оптимизирована под вязкий сплав. Часто для улучшения обрабатываемости применяют легирование серой или свинцом, но в CuNiFe1 это недопустимо (примеси строго ограничены ГОСТом), поэтому приходится полагаться на режимы резания. - Холодная штамповка и волочение
Благодаря высокой пластичности CuNiFe1 прекрасно деформируется в холодном состоянии. Этот сплав подходит для глубокої вытяжки, холодной штамповки листа, волочения проволоки и труб. Промышленно трубы из него именно так и производят. Изделия могут быть получены в твёрдом (наклёпанном) состоянии или затем подвергнуты отжигу для снятия напряжений, в результате чего становятся мягкими. При холодной деформации сплав упрочняется: предел прочности растёт почти в 1,5 раза, но пластичность падает. Тем не менее даже в наклёпанном состоянии CuNiFe1 сохраняет некоторую пластичность, что позволяет проводить многопереходную обработку (с промежуточными отжигами при необходимости). Штамповке поддаются как листовые детали (например, фланцы, днища), так и трубные – путем раскатки или обжимки. Сплав демонстрирует отличную способность к холодной формовке – в рейтингах он оценивается как "Good" (хорошо деформируемый). Это означает, что вероятность трещинообразования при правильном инструменте и смазке минимальна. Например, из отожжённой трубной заготовки можно выкатать отвод 90° без разрывов, что сложно сделать с большинством бронз или сталей без нагрева. - Горячая обработка давлением
Хотя CuNiFe1 чаще деформируют холодным способом, он может коваться и прессоваться в горячем состоянии. Температурный интервал ковки – примерно 843–954°C. Выше 950°C сплав становится слишком мягким (близко к солидусу), а ниже ~800°C – усиливается наклёп. Обычно поковки (например, фланцы, фитинги) делают нагревом заготовок до ~900°C и осадкой или штамповкой на прессах. После горячей ковки требуется быстрое охлаждение – специального нормализационного отпуска не нужно,так как сплав однофазный. Горячая прокатка листов также возможна, но менее распространена: заготовки прокатывают и далее все равно проводят холодную отделочную прокатку для точности размеров. В целом, способность к горячей деформации у CuNiFe1 оценивается как хорошая, материал пластичен при высоких температурах и не склонен к раскристаллизационному растрескиванию.
Области применения и практические рекомендации
А теперь коротко рассмотрим, где может быть использован данный материал.Судостроение и морская техника
В судостроении сталь CuNiFe1 (мельхиор) является одним из ключевых материалов для систем, контактирующих с морской водой. Основные применения на судах и морских объектах:- Трубопроводы забортной воды
Почти на каждом корабле трубопроводы забортной охлаждающей воды выполнены из CuNiFe1. Через них морская вода поступает к теплообменникам, охладителям двигателей, конденсаторам и т.п. Благодаря сплаву, трубы служат очень долго без протечек, не зарастая ракушками (биообрастание минимально). Даже в условиях постоянного контакта с солёной водой внутренние поверхности покрываются защитной плёнкой и сохраняются десятилетиями. Это резко снижает расходы на обслуживание судна. - Теплообменники и конденсаторы
На судах (и промышленных береговых установках) часто стоят кожухотрубные теплообменники, где через трубки протекает морская вода для охлаждения. Трубки теплообменников почти всегда делают из CuNiFe1 или его аналога 70/30. Такие трубки выдерживают нагрев от горячего конденсата/масла и контакт с морской водой снаружи. В судовых пароконденсаторах медно-никелевые трубки – стандарт со времен середины XX века, поскольку ни углеродистая сталь (быстро ржавеет), ни латунь (децинкование) не обеспечивают сопоставимого ресурса. Аналогично, в испарителях опреснительных установок на кораблях используют 90/10 CuNi трубки – сплав стоек и к солёной воде, и к пару, и к периодическим остановкам. - Арматура, клапаны, фитинги
Многие детали морской трубопроводной арматуры изготавливают из этого сплава или бронз с его участием. Например, фланцы, отводы, тройники труб – часто из CuNiFe1 (отлитые или кованые). Клапаны забортной воды могут быть выполнены из никелевых бронз, но интерфейсные части, контактирующие с трубами, нередко также из CuNi, чтобы не было гальванической пары. Медно-никелевые фитинги ценятся за надежность соединения с такими же трубами – при пайке серебром получается монолит. Итальянские и немецкие производители поставляют целые системы marinePRES (пресс-фитинги для судовых труб) именно из сплава CuNiFe1, диаметрами 15–108 мм – это позволяет быстро монтировать трубопроводы без сварки, с защитой от коррозии. - Корпусные детали и защита от обрастания
Иногда CuNi 90/10 используют для облицовки подводной части корпуса судна или сооружения. Например, существуют экспериментальные катера, обшитые мельхиоровыми листами – на них практически не растут водоросли и моллюски (токсины меди препятствуют). Также этим сплавом покрывают кромки лопастей, гребные кольца, сетки забортных фильтров и др. В оффшорной технике (нефтеплатформы) из CuNiFe1 делают защитные кожухи насосов, решетки водозаборов, пожарные стояки и другое оборудование, предназначенное для эксплуатации в агрессивной морской среде.
Следует учесть практический момент: при монтаже CuNiFe1-трубопроводов на судах нужно применять диэлектрические вставки при переходе на сталь, иначе гальваническая пара медь-сталь может вызвать коррозию стали. Обычно фланцы с медно-никелевым покрытием или специальные прокладки решают эту проблему. Кроме того, для защиты от электрохимической коррозии корпус судна снабжают цинковыми анодами – они эффективно предохраняют и мельхиоровые трубы тоже, хотя последние сами по себе довольно благополучны.
Оборудование химической промышленности
В химической и нефтехимической промышленности сплав CuNiFe1 нашел применение преимущественно в теплосиловом и вспомогательном оборудовании, которое контактирует с природной водой или солеными растворами:- Охладители и конденсаторы в технологических установках
На многих химических заводах и электростанциях в качестве охлаждающей среды используют либо морскую воду (если объект на побережье), либо техническую воду с солями. Трубки конденсаторов и холодильников из CuNiFe1 обеспечивают надежность: даже при длительном простое в них не образуется сквозной коррозии. Например, на нефтеперерабатывающих заводах теплообменники холодного цикла (охлаждение продуктов) часто снабжаются пучками труб из 90/10 Cu-Ni, особенно если охлаждение градиренное и вода агрессивна. В АЭС и ТЭЦ, расположенных у моря, конденсаторы турбин традиционно делают из мельхиоровых труб. Это уменьшает риск неожиданного протекания и попадания соленой воды в паровой тракт – медно-никелевые трубки служат дольше, чем латунные. - Аппараты для хранения и транспортировки солей, щелочей
Некоторые концентрированные рассолы (например, натр едкий, соляной раствор) вызывают сильную коррозию обычных металлов. Медно-никелевые сплавы в них работают лучше, хотя и не универсальны. CuNiFe1 стоек к щелочам, в особенности к морской воде – поэтому его используют даже в установках для испытания на соляной туман, компонентах систем электролиза (например, для производства хлора). Однако в окислительных кислотах (азотная, хромовая) он не выстоит, и в серной горячей – тоже нет. Так что в химии его сфера – это нейтральные и щелочные среды, особенно содержащие хлориды. - Криогенная техника
Интересно, что медно-никелевые сплавы применяются и в криогенных установках. Благодаря тому, что при низких температурах они не становятся хрупкими, CuNiFe1 годится для трубопроводов сжиженных газов, теплообменников жижения. Например, в установках СПГ (сжиженного природного газа) могут использоваться трубки из этого сплава, хотя чаще применяют алюминий. Однако комбинация прочность + немагнитность + коррозионная стойкость делает CuNiFe1 кандидатом для арматуры и фитингов в криогенных системах. - Антисапфировые и отводящие устройства
В химической аппаратуре иногда вставляют детали из CuNiFe1, чтобы предотвратить искрообразование и коррозию. Например, в смесителях, где присутствуют горючие газы, применяют антиискровые медные сплавы – мельхиор может быть одним из вариантов (хотя чаще там бронзы). В резервуарах с химикатами теплообменные змеевики охлаждения тоже могут выполняться из CuNiFe1, если жидкости не агрессивны к нему.
Высокотемпературные узлы и теплообменники
Под "высокотемпературными узлами" в контексте CuNiFe1 понимаются, скорее, узлы, где имеется умеренно высокая температура в сочетании с коррозионной средой. Как уже отмечалось, свыше ~300°C этот сплав применять нецелесообразно, поэтому речь о температурном диапазоне 100–300°С. В таких условиях CuNiFe1 используется в следующих случаях:- Пароконденсаторы и пароохладители
В энергетике (ТЭЦ, судовые энергетические установки) пар с температурой 150–200°С конденсируется в трубках из CuNiFe1, охлаждаемых морской водой. Тут сплав работает при температурном градиенте: внутри трубок ~150°С (пар), снаружи морская вода ~30°С. Благодаря высокой теплопроводности передача тепла эффективна, а материал выдерживает термоциклы "прогрев-охлаждение" без трещин. Если бы использовали сталь, при тех же условиях возник бы риск коррозии солёной водой + возможное коррозионное растрескивание из-за нагретого металла. CuNiFe1 лишён этих недостатков. - Теплообменники высокотемпературных газов
Иногда надо охлаждать агрессивные горячие газы (скажем, дымовые) морской водой. Медь в данном сплаве устойчива к сухим газам, а никель улучшает жаростойкость. Поэтому теплообменные трубы в аппаратах, где температура газа 250–300°С, а снаружи морская вода – тоже могут быть сделаны из CuNiFe1. Он не окаливается на воздухе до ~300–400°С (окисная пленка будет, но неразрушающая). А со стороны воды все преимущества уже известны. Таким образом, сплав способен работать на границе фаз "горячий газ – холодная солёная вода", где многие материалы испытывают сложности. - Высокотемпературные трубопроводы
Если по каким-то причинам требуется трубопровод для горячей жидкости (~200°С) с сопротивлением морской воде, CuNiFe1 может подойти. Хотя обычно выбирают сталь с наружной антикоррозионной окраской для таких температур, бывают случаи, где внутренняя коррозия от морской воды или рассола значимее. Например, линии противопожарных систем на морских платформах: по ним может идти относительно горячая морская вода (прогретая климатом или оборудованием) под давлением, и при разрядке (пожаре) материал испытывает и высокую температуру окружающей среды, и контакт с морской водой внутри. Медно-никелевые трубы показали отличную надежность в таких системах, тогда как стальные (даже с покрытиями) имели проблемы. - Соединительные узлы высокотемпературных аппаратов
В местах, где соединяются разнородные металлы, CuNiFe1 иногда используют как переходник, принимающий на себя разницу коэффициентов расширения. Например, соединение стеклянной трубки и металлического узла может быть выполнено через деталь из Cunife – за счет близкого к стеклу ТКЛР обеспечивает герметичность при нагреве/охлаждении. В радиолампах так делали вводы, но и в современной технике (датчики, приборы) похожие решения встречаются. Конечно, это узкоспециальное применение, но демонстрирует универсальность сплава.
Когда стоит выбирать сталь CuNiFe1
Сплав CuNiFe1 (мельхиор 10-1-1, он же медно-никелевый 90/10) зарекомендовал себя как надежный материал для оборудования, работающего в условиях контакта с водой, солевыми растворами и морской атмосферой. Выбирать CuNiFe1 имеет смысл, когда приоритетом являются коррозионная стойкость и долговечность, а рабочие температуры и нагрузки укладываются в возможности этого сплава.Ниже перечислены типичные ситуации, в которых CuNiFe1 будет оптимальным выбором:
- Системы забора и охлаждения морской/пресной водой
Если ваш проект связан с морской техникой, прибрежной станцией или охлаждением с использованием природной воды – трубы, теплообменники и фитинги из CuNiFe1 обеспечат многолетнюю бесперебойную работу без коррозии. Например, для конденсатора электростанции на морской воде сплав 90/10 – один из лучших вариантов. - Необходимость сопротивления биообрастанию
В случаях, когда рост морских организмов или водорослей на оборудовании нежелателен (сетки, трубы, корпусы приборов под водой), медно-никелевый сплав предпочтителен. Он заметно снижает интенсивность обрастания за счет высвобождения Cu2+ и тем экономит усилия на очистку. Пример – сетчатые ограждения в море, фильтры водозаборов, части днища судна. - Комбинация "средняя температура + агрессивная среда"
Если у вас узел, где присутствует нагрев (до ~200°С) и при этом коррозионно-активная среда (вода, влажный газ), CuNiFe1 может быть лучшим компромиссом. Он выдерживает умеренный нагрев, не теряя стойкости к коррозии, в то время как многие стали при тех же условиях теряют пассивность или растрескиваются от хлоридов. - Требование к немагнитности и проводимости
В специальных приборах, где важна минимальная магнитная восприимчивость (например, в измерительной технике на морских платформах), применение стали может создавать магнитные помехи. CuNiFe1 же практически немагнитен и потому применяется для корпусов приборов, датчиков, установленных в морской воде. Он также сохраняет проводимость тепла, что помогает отводу последнего от приборов.
В заключение можно сказать, что сталь CuNiFe1 является одним из самых надежных материалов для эксплуатации в сложных морских и промышленных условиях, и при грамотном обращении она обеспечивает долговременную бесперебойную службу оборудования. Именно сочетание экспертно подобранного состава (Cu-Ni-Fe), баланс свойств и накопленный опыт применения делают эту марку практически стандартом в своей нише. Выбирая CuNiFe1 и соблюдая описанные выше меры, инженер или закупщик может быть уверенным в стойкости и эффективности своего решения на годы вперед.
В каталоге на сайте СПб Металл вы можете ознакомиться с ассортиментом стали разных марок, в том числе и CuNiFe1. Наша продукция применяется для самых ответственных задач, где важны высокая прочность, износостойкость и другие характеристики. Если вам потребуется консультация, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону или с помощью форм обратной связи на сайте.