구리 니켈 합금: 특성, 등급(70/30 - 90/10), 응용 분야

구리-니켈 합금(큐프로니켈), 특히 90/10(Cu-10Ni) 및 70/30(Cu-30Ni) 제품군은 해수 서비스, 응축기 및 열교환기 튜브, 해양 배관 및 방오 피복에 가장 적합한 선택이며, 우수한 가공성 및 합리적인 기계적 강도와 함께 해수의 균일하고 국소적인 부식에 대한 탁월한 저항성을 갖추고 있기 때문입니다; 설계 성공 여부는 올바른 등급(구성 + Fe/Mn 등 첨가제)을 선택하고, 관련 ASTM/EN 사양을 따르며, 올바른 시운전 및 용접 관행을 적용하는 데 달려 있습니다.

1. 빠른 기술 요약 및 권장 사항

컵로니켈 은 니켈이 많이 첨가된 구리 기반 합금입니다(일반적으로 10-30 wt% Ni). 90/10 및 70/30은 각각 약 10% 및 30% 니켈이 함유된 합금의 약어입니다. 70/30 등급(UNS C71500/CU-Ni-30)은 더 높은 속도에서 더 높은 강도와 다소 향상된 저항을 제공하며, 90/10 등급(UNS C70600/Cu-Ni-10)은 캐비테이션/충돌 저항이 우수하여 콘덴서 튜브 및 콘덴서 플레이트에 선호되는 경우가 많습니다. 해수 배관 및 열교환기 서비스의 경우, 공개된 노출 이력, 기계적 용량 및 제작 허용치가 프로젝트의 작동 속도, 온도 및 화학 물질과 일치하는 등급을 선택하세요. 공격적이거나 유속이 빠른 해수의 경우, 장기 저항성이 더 우수한 것으로 입증된 "수정된 70/30"(소량의 Fe 및 Mn 첨가 포함)을 고려하세요.

2. 구리-니켈이란? 구성과 야금학

구리-니켈 합금(일반적으로 컵로니켈)은 니켈이 구리의 주요 합금 원소인 고용체 합금입니다. 일반적인 상업적 구성입니다:

• Cu-10Ni(90/10 큐로니켈): ~88-90% Cu, 9-11% Ni, 작은 Fe/Mn/Pb 허용치(UNS C70600 제품군).
• Cu-30Ni(70/30 큐로니켈): ~70% Cu, 29-33% Ni 및 미소 Fe 및 Mn(UNS C71500 제품군).

철(Fe)과 망간(Mn)을 의도적으로 소량 첨가(예: 변형 70/30에서 각각 ~1-2%)하면 내식성을 유지하면서 충돌 공격에 대한 저항성을 향상하고 강도를 높일 수 있습니다. 미세 구조는 상온에서 단상 면 중심 입방체(FCC) 고체 용액으로 우수한 연성 및 가공성을 뒷받침합니다.

3. 일반적인 상용 등급, 유엔 번호 및 표준

주요 상용 식별자 및 표준 엔지니어가 마주하게 될 것입니다:

• UNS C70600 - CuNi 90/10; 콘덴서, 열교환기 및 빌지/브라인 시스템에 일반적입니다.
• UNS C71500 - CuNi 70/30; 해수 배관, 선박 외피 및 밸브에 일반적입니다.
• 수정된 70/30 - 때때로 Fe와 Mn을 첨가하여 내식성/내식성을 향상시키는 CuNi30Mn1Fe(EN 명칭 CW354H)로 지정되기도 합니다.

관련 ASTM/ASME 및 EN 표준(예시, 항상 사양에 최신 버전 번호를 인용):

• ASTM/ASME B111 (이음매 없는 Cu-Ni 튜브), B466 (용접된 Cu-Ni 파이프), B151 (단조 구리 및 구리 합금: 막대, 바 등). 국가 표준 기관 및 공급업체 데이터시트에는 튜브, 플레이트, 주물 및 단조에 대한 적절한 제품 표준이 나열되어 있습니다.

4. 물리적, 기계적 및 열적 특성

아래는 대표적인 속성입니다. 최종 설계 값은 항상 공급업체 데이터시트 또는 재료 테스트 인증서를 사용하세요.

• 밀도≈ 8.9-8.95 g/cm³(대부분의 강철보다 약간 가볍습니다).
• 전기 전도성순수 구리보다 낮고, 90/10은 70/30보다 전도도가 높습니다.
• 열 전도성보통; 순수 구리보다 전도성이 낮지만 열교환기 애플리케이션에 적합합니다.
• 항복 강도(어닐링): 성질에 따라 다름 - 거친 범위: 90/10 어닐링 ≈ 70-150 MPa, 70/30 어닐링 ≈ 120-250 MPa; 냉간 가공은 항복율과 인장 강도를 높입니다.
• 신장일반적으로 양호(어닐링 조건에서 20-40%).
• 용융 범위녹는점 없음; 고체 ≈ 1170-1190 °C, 액체 ≈ 1220-1240 °C, 조성에 따라 다름.

(이는 예시입니다. 자격 및 용접 매개변수는 인증된 데이터시트를 참조하세요).

5. 부식 행동: 바닷물, 생물 오염 및 국부적 공격

Cu-Ni 합금은 장기간 균일한 내식성을 위해 천연 바닷물에서 많은 일반적인 합금보다 성능이 뛰어나며, 미량의 Cu 방출로 인해 해양 성장을 줄이는 자연적인 방오성 경향이 있습니다. 중요한 실용적 포인트:

• 초기 높은 부식 속도 노출 후 첫 몇 주/몇 달 동안은 일반적으로 보호막이 형성되면서 낮은 정상 속도로 감소하며, 이러한 '런인' 현상은 현장 실험을 통해 잘 입증되었습니다. 장기 정상 상태 부식 속도는 매우 낮을 수 있습니다(잔잔한 바닷물 조건에서 0.05mpy 미만).
• 속도 이펙트: 유속이 빠르거나 충돌이 발생하는 곳(제트기, 날카로운 엘보, 높은 난류)에서는 침식 부식으로 인해 공격률이 높아질 수 있습니다. 개질된 70/30 합금(Fe 및 Mn 함유)은 일반 70/30에 비해 충돌 공격에 대한 저항성이 우수합니다. 엔지니어는 국부 속도를 제한하거나, 희생적인 설계 기능을 추가하거나, 고속 구간에 대해 더 높은 저항력을 가진 소재를 선택해야 합니다.
• 구멍 및 틈새 부식: 컵로니켈은 일반적으로 일반적인 바닷물에서 내성이 강하지만 산소가 적거나 염화물 농도가 높은 정체된 포켓은 위험을 높일 수 있습니다. 적절한 흐름 설계와 검사를 위한 접근은 이러한 문제를 완화합니다.
• 바이오 오염: 구리 이온 방출은 자연적인 생체 오염 제어 기능을 제공하여 일부 상황에서 많은 강철 및 티타늄에 비해 열교환기 표면의 유지 보수를 줄여줍니다. 그러나 오염 방지 성능은 합금, 막 형성 및 지역 생태에 따라 달라집니다.

6. 제작, 용접 및 열처리

큐프로니켈은 작업성이 뛰어납니다. 실용적인 권장 사항:

• 냉간 작업 및 어닐링: 90/10 및 70/30 모두 냉간 가공에 반응하며 중간 어닐링은 연성을 회복합니다. 생산자 템퍼링 표를 따르세요.
• 용접: 가스 및 아크 용접 방법(GTAW, SMAW, GMAW)이 일반적으로 사용됩니다. 일치하거나 승인된 필러 금속을 사용하고 열 균열을 방지하기 위해 열 입력을 제어합니다. 얇은 섹션에는 일반적으로 예열이 필요하지 않으며, 용접 후 어닐링은 일반적으로 필요하지 않지만 부품 형상에 따라 응력 완화 조치가 필요합니다. 특정 UNS 등급에 대해 인증된 적격 절차 및 용접기를 사용하세요.
• 브레이징 및 납땜: 승인된 플럭스를 사용하여 얇은 부품 및 수리 작업에 사용할 수 있으며, 해수 서비스에서 플럭스 잔류물을 피하십시오.
• 가공: 비철금속 거동에 맞게 공구 형상과 절삭 속도를 조정해야 합니다.

항상 제조업체의 용접 절차 사양(WPS)과 제품 표준의 제작 참고 사항을 따르세요.

7. 일반적인 애플리케이션 및 선택 근거

염화물 환경에서의 내식성, 열 전도성 및 가공성의 고유한 조합이 필요한 경우 Cu-Ni 합금이 선택됩니다:

• 해양 배관 (선박 및 해양 플랫폼의 해수 시스템).
• 열교환기 및 응축기 튜브 발전소 및 해수 냉각 장비(응축기 플레이트 및 튜브에 널리 사용되는 90/10)에 사용됩니다.
• 담수화 플랜트 및 냉각수 시스템생체 오염 감소 및 긴 서비스 수명으로 수명 주기 비용 절감.
• 펌프 및 밸브 구성 요소국부적인 내마모성과 내식성이 요구되는 해양 피복 및 샤프트 슬리브에 사용됩니다.

스테인리스 스틸이나 티타늄 대신 큐프로니켈을 선택하는 이유는 무엇일까요? 수명 주기 비용과 서비스 이력이 결정적입니다. 큐프로니켈은 보통 속도의 바닷물에서 고합금 스테인리스강이나 티타늄보다 일반적으로 낮은 재료 비용으로 입증된 장기 성능을 제공하며, 특히 오염 및 유지보수 비용을 포함할 때 더욱 그렇습니다. 설계 시에는 속도, 염화물 함량 및 온도를 고려해야 합니다.

8. 설계, 검사 및 서비스 수명 요인

주요 설계 고려 사항

• 속도 제한: 충돌을 피하기 위해 내부 해수 유속을 가이드라인(프로젝트별, 니켈 연구소 지침 참조)에 명시된 임계값 이하로 유지하세요. 빠른 유속을 피할 수 없는 경우 벽 두께를 늘리거나 희생 마모 패드를 추가하거나 합금을 변경하세요.
• 시작 절차: 적절한 시운전(느린 램핑, 염소 처리 사용 시 제어된 염소 처리, 이물질 제거)을 통해 초기 부식 급증을 줄일 수 있습니다. 안정적인 보호막을 형성하면 수개월에 걸쳐 부식 속도가 감소하는 경우가 많습니다.
• 음극 커플링: 컵로니켈은 여러 금속과 결합할 때 양호한 성능을 발휘하지만 이종 금속 결합과 부유 전류 경로를 확인해야 합니다.
• 검사: 고위험 위치(엘보, 용접부, 감속기)에 대한 비파괴 검사를 계획하고 부식률과 생물 오염을 모니터링합니다. 장기적으로 쿠폰 또는 프로브 모니터링을 사용하여 비율을 확인합니다.

9. 비교 표: 90/10 대 70/30 대 수정된 70/30

기능	Cu-90/10(UNS C70600)	Cu-70/30(UNS C71500)	수정된 70/30(CuNi30Mn1Fe)
약. Ni(wt%)	~10	~30	~29-33
일반적인 사용	응축기 튜브, 응축기 플레이트, 열교환기 튜브	해수 파이프, 피복, 밸브	고속 해수 배관, 엘보우, 피팅
강도(어닐링)	보통	90/10 이상	70/30과 유사(약간 높음)
충돌/침식 저항	Good	중간 속도에서 90/10보다 우수함	충돌에 가장 적합한 세 가지
바이오 오염 제어	Good	Good	Good
용접성	우수	우수	우수(WPS 따르기)
표준 예제	ASTM B111, B151	ASTM B111, B171, B466	EN CW354H; 해상용 사양에서 일반적

(표는 요약본이므로 항상 공급업체의 기술 데이터시트 및 프로젝트 표준을 확인하세요.)

10. 조달, 사양 체크리스트 및 품질 관리

큐로니켈 부품을 지정하거나 조달할 때는 다음을 포함합니다:

• 유엔 번호 및 합금 지정(예: C70600 또는 C71500).
• 제품 형태 및 관련 ASTM/EN 표준(튜브, 플레이트, 파이프, 주물).
• 필요한 성질 또는 기계적 특성(인장, 항복, 연신율).
• 용접 절차 사양 참조, 필러 금속 유형 및 자격 기록.
• 검사 및 테스트: PMI/OES 화학적 검증, 기계적 테스트 인증서, 수압 테스트, 용접부 NDT, 육안 검사, 치수 검사.
• 표면 마감 및 패시베이션 요구 사항(있는 경우).
• 배송 서류: 열/배치 번호로 추적 가능한 공장 테스트 보고서(MTR).

범위가 잘 설정된 구매 주문은 생산 시 대체품과 모호함을 줄여줍니다.

11. 환경, 재활용 및 수명 종료

큐프로니켈은 재활용성이 뛰어나며, 구리와 니켈은 모두 가치가 있어 수명이 다하면 일반적으로 회수됩니다. 지정할 때 효율적인 분류와 재활용이 가능하도록 합금 코드를 계획하세요. 사용 중 환경으로의 미량 구리 방출은 일반적으로 낮지만 일부 시설의 경우 구리 배출에 대한 환경 규제를 고려해야 합니다.

12. 자주 묻는 질문

Q1. 해양 플랫폼의 해수 주전원에는 어떤 큐로니켈을 선택해야 하나요?
A: 유속이 보통인 해수 본선의 경우, 충돌 공격에 대한 저항성이 향상되어 업계에서 일반적으로 70/30(Fe 및 Mn 첨가)을 선택합니다. 저속 서비스의 경우, 압력 및 기계적 요구 사항에 따라 70/30 또는 90/10이 적합할 수 있습니다. 항상 현장 속도 프로파일과 니켈 연구소 가이드라인을 참조하세요.

Q2. 침식이 심각해지기 전에 컵로니켈 파이프를 통해 해수가 얼마나 빨리 흐를 수 있습니까?
A: 허용 속도는 파이프 형상, 부유 물질의 존재 여부 및 난기류에 따라 달라지며, 보편적인 단일 차단은 없습니다. 설계자는 보수적인 속도 제한에 마모/검사 허용치를 더하여 사용하며, 권장 속도 범위는 Nickel Institute 지침을 참조하고 필요한 경우 더 두꺼운 벽이나 침식 방지 디테일을 고려합니다.

Q3. 큐로니켈은 틈새 부식이나 구멍이 생기기 쉬운가요?
A: 정상적으로 흐르는 바닷물에서는 우수한 저항력을 보이지만, 산소가 부족한 틈새나 침전물이 고여 있으면 국부적인 위험이 높아질 수 있으므로 데드 레그를 피하고 적절한 세척과 점검을 실시하세요.

Q4. 큐로니켈을 스테인리스 스틸에 용접할 수 있나요?
A: 이종 금속 접합이 가능하지만 자격을 갖춘 절차와 적합한 필러 금속 또는 전이 부품이 필요합니다. 갈바닉 효과와 기계적 호환성을 확인합니다.

Q5. 수정된 70/30이 표준 70/30과 다른 점은 무엇인가요?
A: 현장 경험과 실험을 바탕으로 보호막을 강화하고 충돌 및 침식에 대한 저항력을 향상시키기 위해 Fe와 Mn을 소량 첨가했습니다.

Q6. 큐로니켈은 콘덴서용 티타늄과 어떻게 다른가요?
A: 티타늄은 내식성이 우수하고 일부 환경에서는 장기적인 오염이 적은 경우가 많지만 비용이 훨씬 더 많이 듭니다. 큐프로니켈은 재료 비용, 열 성능 및 오염 제어의 균형으로 인해 많은 해안 발전 및 공정 플랜트에서 낮은 수명 주기 비용을 제공하는 경우가 많습니다. 귀사의 사이트에 맞는 수명 주기 비용 모델을 사용하여 비교해 보세요.

Q7.큐로니켈 사용에 대한 건강 또는 환경적 제한이 있나요?
A: 일반적인 공학적 사용은 널리 퍼져 있지만, 구리 농도에 관한 현장 배출 규정 및 현지 환경 규정을 확인하고 준수해야 합니다.

Q8.설계를 위한 검증된 머티리얼 속성 데이터는 어디에서 찾을 수 있나요?
A: 제조업체 데이터시트, 공인 재료 시험성적서(MTR), MatWeb 또는 공인 표준(ASTM/EN)을 사용하세요. 부식 지침은 니켈 연구소 기술 지침 및 해양 산업 참고 자료를 참조하세요.