Сплав алюминия с никелем 4. Монетные металлы: никель и алюминий

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

Допустимые контакты металлов по ГОСТ 9.005-72

Любому электромонтажнику известно, что нельзя скручивать между собой медный и алюминиевый провода. Медная шина заземления или латунная стойка для платы плохо сочетаются с оцинкованными винтиками, купленными в ближайшем строительном супермаркете - коррозия может уничтожить электрический контакт. Голая алюминиевая деталь вообще может постепенно превратиться в прах, если к ней приложить даже низковольтное напряжение.

В советских ГОСТах было написано почти всё о допустимых контактах металлов, однако сейчас может быть весьма неудобно искать в старых документах информацию о соединениях. Хабраюзер @teleghost собрал все данные в одной таблице.

Буква «А» означает «ограниченно допустимый в атмосферных условиях». Определение данного понятия из ГОСТ под спойлером.

Данные контакты могут применяться в изделиях, конструкционные особенности и эксплуатационные условия которых позволяют периодически возобновлять защиту контактных поверхностей нанесением рабочих или консервационных смазок, лакокрасочных покрытий или при условии допустимости коррозионного поражения контактирующих материалов для назначенного срока службы изделия.

Несколько слов о металлах.

Оцинкованная сталь - основная рабочая лошадка народного хозяйства. В виде различных метизов «оцинковка» встречается в магазинах стройматериалов гораздо чаще, чем, например, нержавейка. Фабричные корпуса ПК, технологические ящички и шкафчики для оборудования чаще всего выполнены из оцинкованной холоднокатанной стали толщиной порядка 1мм.

Нержавеющая сталь - королева сталей: прочная, пластичная, стойкая к коррозии, электропроводная, круто выглядит. Слишком тугая, чтобы резать и гнуть её дома в промышленных масштабах. Хромистые и хромисто-никелевые нержавейки электрически плохо совместимы с цинком и «голой» сталью, зато дают надёжный контакт с медью без помощи олова. Алюминий, а также азотированная, оксидированная и фосфатированная низколегированная сталь ограниченно совместимы при стандартных атмосферных условиях. Нержавейка марки А2 не «магнитится», но существуют и нержавеющие стали с магнитными свойствами. Магнитные свойства не влияют на коррозионную стойкость нержавеющей стали.

Алюминий и его сплавы бывают анодированные (с защитным слоем) и обычные (неанодированные). Алюминий легко обрабатывать в домашних условиях, но необходимо помнить о коррозии. Не используйте голый алюминий в качестве проводника даже с низковольтным напряжением, иначе ток медленно обратит деталь в прах. Обработанным в мастерской алюминиевым и дюралюминиевым деталям показана полная эквипотенциальность (наведённые полями токи вроде бы по фиг, заземлять тоже можно). Алюминий совместим с цинковым покрытием, но для контакта с медью, «голой» или никелированной сталью требуется оловянная «прокладка». Ограниченно допустим контакт алюминия с нержавейкой в атмосферных условиях. Для простоты можно принять, что при контакте с другими металлами и покрытиями алюминий будет корродировать сам по себе, без помощи внешнего электричества.

Медь мягкая и довольно неаппетитно окисляется на воздухе, поэтому изделия из меди заключают в герметичную оболочку или лакируют. Латунные бляхи солдатских ремней и стойки для электронных печатных плат лучше сопротивляются окислению и выглядят аппетитнее позеленевшей меди, особенно если их периодически полировать (я про бляхи, конечно). При этом ни медь, ни её сплав с цинком (латунь) «не дружат» с чистым цинком и его покрытиями. Зато медь совмещается с хромом, никелем и нержавейкой. А если вы держите в руках какую-нибудь клемму, то она наверняка из лужёной (покрытой оловом) меди.

Олово относительно стойко к коррозии (в комнатных условиях) и электрически совместимое почти со всем, кроме чугуна, низколегированных и углеродистых сталей и магния. Не стоит паять оловом и бериллий, будьте внимательны при сборке домашнего ядерного реактора. Олово используют, чтобы из недопустимого электрического контакта получить допустимый, т.е. в качестве «прокладки». Клеммы из лужёной меди - отличный пример.

Не следует использовать олово при низких температурах - с прошлого века известна т.н. «оловянная чума» - полиморфное превращение т. н. "белого олова" в "серое" (b-Sn → a-Sn), при котором металл рассыпается в серый порошок. Причина разрушения состоит в резком увеличении удельного объёма металла (плотность b-Sn больше, чем a-Sn). Переход облегчается при контакте олова с частицами a-Sn и распространяется подобно "болезни". Наибольшую скорость распространения оловянная чума имеет при температуре -33°С; свинец и многие др. примеси её задерживают. В результате разрушения "чумой" паянных оловом сосудов с жидким топливом в 1912 погибла экспедиция Р. Скотта к Южному полюсу.

Никелем покрыты блестящие «компьютерные» винтики. Такое покрытие совместимо с медью и бронзой, латунью, оловом, хромом и нержавеющей сталью. Никель несовместим с цинком и алюминием (для алюминия лучше контакт с нержавеющей сталью, см. ниже).

Особенности коррозионной агрессивности неметаллов. Приложение 3б к ГОСТ 9.005-72:

1. Коррозионная агрессивность органических материалов определяется активностью выделяющихся продуктов старения.
   • Коррозионная агрессивность фенопластов, аминопластов, пенопластов, формальдегидных клеев определяется выделением формальдегида, возможностью его окисления до муравьиной кислоты и уротропина, который может быть источником аммиака.
   • Коррозионная агрессивность материалов из древесины определяется выделением растворов уксусной и муравьиной кислот.
   • Коррозионная агрессивность эпоксидных материалов определяется наличием в них свободного хлора и хлористого водорода, карбоновых и дикарбоновых кислот.
   • Коррозионная агрессивность резинотехнических изделий определяется содержанием в них серы и ее соединений, соединений водорода с галогенидами, органических соединений с окислительными свойствами.
2. Полимерные материалы, получаемые реакцией конденсации (эпоксидные, полиэфирные и т.п.), обладают наибольшей коррозионной агрессивностью в период отверждения. Процесс отверждения в замкнутых объемах конструкции проводить не рекомендуется.
3. Облучение неметалла ионизирующим облучением (ультрафиолетовым, гамма-облучением и т.д.) может увеличивать его коррозионную агрессивность.
4. Коррозионная агрессивность неметалла при прямом контакте с металлом определяется его водо- и кислородопроницаемостью. Значения водо- и кислородопроницаемости для ряда неметаллов приведены в табл.4 и 5.

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.

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.