工業(yè)用鎳基合金技術(shù)指南
新聞來(lái)源：www.ecoffee.org.cn 發(fā)布時(shí)間：2021-03-24 09:52 瀏覽量：
鎳基合金是指在650～1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度與一定的抗氧化腐蝕能力等綜合性能的一類(lèi)合金。
按照主要性能，分為鎳基耐熱合金、鎳基耐蝕合金、鎳基耐磨合金、鎳基精密合金與鎳基形狀記憶合金等。高溫合金按照基體的不同，分為：鐵基高溫合金，鎳基高溫合金與鈷基高溫合金。
鎳基合金幾大元素的作用
說(shuō)到鎳基合金，就不得不先講下鎳元素。
同鐵和銅一樣，自從進(jìn)入文明社會(huì)，鎳就被用于合金。但是與鋼、黃銅和青銅相比，鎳合金是化學(xué)工業(yè)的后來(lái)者。隨著冶金技術(shù)與制造技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)了鎳合金的發(fā)展，促進(jìn)了它們?cè)诨瘜W(xué)工業(yè)的廣泛應(yīng)用。鎳合金集優(yōu)異的耐蝕性、強(qiáng)度、韌性、冶金穩(wěn)定性、宜加工性及焊接性于一身。許多鎳合金還具有卓越的耐熱性能，是要求高溫強(qiáng)度和高溫下耐化學(xué)腐蝕用途的理想選擇。
鎳在鎳基合金中的主要作用在于它改變了材料的晶體結(jié)構(gòu)。在鎳基合金中鎳的一個(gè)重要價(jià)值就是形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等。
除鎳以外，各種元素在鎳基合金中的作用分別如下：
● 硼、硅元素的作用：顯著降低合金熔點(diǎn)，擴(kuò)大固液相線溫度區(qū)，形成低熔共晶體；脫氧還原作用和造渣功能；對(duì)涂層的硬 化、強(qiáng)化作用；改善操作工藝性能。
● 銅元素的作用：提高對(duì)非氧化性酸的耐蝕性。
● 鉻元素的作用：固溶強(qiáng)化作用、鈍化作用；提高耐蝕性能和抗高溫氧化性能；富余的鉻容易與碳、硼形成碳化鉻、硼化鉻硬質(zhì)相從而提高合金硬度和耐磨性。
● 鉬元素的作用：原子半徑大，固溶后使晶格發(fā)生大的畸變，顯著強(qiáng)化合金基體，提高基體的高溫強(qiáng)度和紅硬性；可以切斷、降低涂層中的網(wǎng)狀組織；提高抗氣蝕、沖蝕能力鎳基精密合金。
鎳合金代表作品
第一個(gè)具有商業(yè)重要性的鎳合金是合金400，它是由國(guó)際鎳公司(后來(lái)叫Inco合金公司)于1905年開(kāi)發(fā)出來(lái)并推向市場(chǎng)，商標(biāo)為蒙乃爾(MONEL)。
下一個(gè)重要的里程碑是1930年左右問(wèn)世的鎳-鉬合金B(yǎng)和鎳-鉻-鉬-鎢合金C。它們的發(fā)明者是Haynes Stellite公司(現(xiàn)在叫Haynes國(guó)際公司)，其中的兩個(gè)注冊(cè)商標(biāo)為HASTELLOY。
鎳基合金發(fā)展的下一個(gè)重要階段來(lái)自于Inco公司，1931年開(kāi)發(fā)出鎳-鉻-鐵合金600及1949年開(kāi)發(fā)出鎳-鐵-鉻合金，分別命名為INCONEL和INCOLOY。Inco和Haynes公司利用最初這些商標(biāo)的知名度和美譽(yù)度，共計(jì)推出了MONEL、INCONEL、INCOLOY和HASTELLOY系列的大約50種耐腐蝕和耐熱合金。VDM公司是一個(gè)后來(lái)比較出名的鎳基合金開(kāi)發(fā)者和生產(chǎn)者，其商標(biāo)是Nicrofer, Nimofer和Nicorros。
鎳基合金發(fā)展歷史
鎳基高溫合金(以下簡(jiǎn)稱鎳基合金)是上世紀(jì)30年代后期開(kāi)始研制的。英國(guó)于1941年首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；為了提高蠕變強(qiáng)度又添加鋁，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美國(guó)于40年代中期，蘇聯(lián)于40年代后期，中國(guó)于50年代中期也研制出鎳基合金。
鎳基合金的發(fā)展包括兩個(gè)方面：合金成分的改進(jìn)和生產(chǎn)工藝的革新。50年代初，真空熔煉技術(shù)的發(fā)展，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50年代后期，由于渦輪葉片工作溫度的提高，要求合金有更高的高溫強(qiáng)度，但是合金的強(qiáng)度高了，就難以變形，甚至不能變形，于是采用熔模精密鑄造工藝，發(fā)展出一系列具有良好高溫強(qiáng)度的鑄造合金。60年代中期發(fā)展出性能更好的定向結(jié)晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿足艦船和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的需要，60年代以來(lái)還發(fā)展出一批抗熱腐蝕性能較好、組織穩(wěn)定的高鉻鎳基合金。在從40年代初到70年代末大約40年的時(shí)間內(nèi)，鎳基合金的工作溫度從 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。
鎳基高溫合金成分和性能
鎳基高溫合金中應(yīng)用最為廣泛。主要原因在于，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ[Ni3(Al，Ti)]相作為強(qiáng)化相，使合金得到有效的強(qiáng)化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。
鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強(qiáng)化作用。根據(jù)它們的強(qiáng)化作用方式可分為：固溶強(qiáng)化元素，如鎢、鉬、鈷、鉻和釩等；沉淀強(qiáng)化元素，如鋁、鈦、鈮和鉭；晶界強(qiáng)化元素，如硼、鋯、鎂和稀土元素等。
鎳基高溫合金按強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化型合金和沉淀強(qiáng)化型合金。
鎳基高溫合金生產(chǎn)工藝
冶煉方面：為了獲得更純凈化的鋼水，減低氣體含量與有害元素含量；同時(shí)由于部分合金中有易氧化元素如Al，Ti等存在，非真空方式冶煉難以控制；更是為了獲得更好的熱塑性，鎳基耐熱合金，通常采用真空感應(yīng)爐熔煉，甚至用真空感應(yīng)冶煉加真空自耗爐或電渣爐重熔方式進(jìn)行生產(chǎn)。
變形方面：采用鍛造、軋制工藝，對(duì)于熱塑性差的合金甚至采用擠壓開(kāi)坯后軋制或用軟鋼(或不銹鋼)包套直接擠壓工藝。變形的目的是為了破碎鑄造組織，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)。
鑄造方面：通常用真空感應(yīng)爐熔煉母合金保證成分與控制氣體與雜質(zhì)含量，并用真空重熔-精密鑄造法制成零件。
熱處理方面：變形合金和部分鑄造合金需進(jìn)行熱處理，包括固溶處理、中間處理和時(shí)效處理，以Udmet 500合金為例，它的熱處理制度分為四段：固溶處理，1175℃，2小時(shí)，空冷；中間處理，1080℃，4小時(shí)，空冷；一次時(shí)效處理，843℃，24小時(shí)，空冷；二次時(shí)效處理，760℃，16小時(shí)，空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。
鎳基耐蝕合金
主要合金元素是銅、鉻、鉬。具有良好的綜合性能，可耐各種酸腐蝕和應(yīng)力腐蝕。最早應(yīng)用（1905年美國(guó)生產(chǎn)）的是鎳銅（Ni-Cu）合金，又稱蒙乃爾合金(Monel合金Ni 70 Cu30)；此外還有鎳鉻（Ni-Cr）合金（就是鎳基耐熱合金，耐蝕合金中的耐熱腐蝕合金）、鎳鉬（Ni-Mo）合金（主要是指哈氏合金B(yǎng)系列）、鎳鉻鉬（Ni-Cr-Mo）合金（主要是指哈氏合金C系列）等。與此同時(shí)，純鎳也是鎳基耐蝕合金中的典型代表。這些鎳基耐蝕合金主要用于制造石油，化工，電力等各種耐腐蝕環(huán)境用零部件。
鎳基耐蝕合金類(lèi)別
鎳基耐蝕合金多具有奧氏體組織。在固溶和時(shí)效處理狀態(tài)下，合金的奧氏體基體和晶界上還有金屬間相和金屬的碳氮化物存在，各種耐蝕合金按成分分類(lèi)及其特性如下：
Ni-Cu合金 在還原性介質(zhì)中耐蝕性優(yōu)于鎳,而在氧化性介質(zhì)中耐蝕性又優(yōu)于銅，它在無(wú)氧和氧化劑的條件下，是耐高溫氟氣、氟化氫和氫氟酸的最好的材料（見(jiàn)金屬腐蝕）。
Ni-Cr合金 也就是鎳基耐熱合金；主要在氧化性介質(zhì)條件下使用。抗高溫氧化和含硫、釩等氣體的腐蝕，其耐蝕性隨鉻含量的增加而增強(qiáng)。這類(lèi)合金也具有較好的耐氫氧化物（如NaOH、KOH）腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕的能力。
Ni-Mo合金 主要在還原性介質(zhì)腐蝕的條件下使用。它是耐鹽酸腐蝕的最好的一種合金，但在有氧和氧化劑存在時(shí)，耐蝕性會(huì)顯著下降。
Ni-Cr-Mo(W)合金 兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。主要在氧化－還原混合介質(zhì)條件下使用。這類(lèi)合金在高溫氟化氫氣中、在含氧和氧化劑的鹽酸、氫氟酸溶液中以及在室溫下的濕氯氣中耐蝕性良好。
Ni-Cr-Mo-Cu合金 具有既耐硝酸又耐硫酸腐蝕的能力，在一些氧化-還原性混合酸中也有很好的耐蝕性。
鎳基耐磨合金
主要合金元素是鉻、鉬、鎢，還含有少量的鈮、鉭和銦。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蝕、焊接性能也好。可制造耐磨零部件，也可作為包覆材料，通過(guò)堆焊和噴涂工藝將其包覆在其他基體材料表面。
鎳基合粉末有自熔性合金粉末與非自熔性合金粉末。
非自熔性鎳基粉末是指不含B、Si或B、Si含量較低的鎳基合金粉末。這類(lèi)粉末，廣泛的應(yīng)用于等離子弧噴涂涂層、火焰噴涂涂層和等離子表面強(qiáng)化。主要包括：Ni-Cr合金粉末、Ni-Cr-Mo合金粉末、Ni-Cr-Fe合金粉末、Ni-Cu合金粉末、Ni-P和Ni-Cr-P合金粉末、Ni-Cr-Mo-Fe合金粉末、Ni-Cr-Mo-Si高耐磨合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al-B-Si合金粉末、Ni-Cr-Si合金粉末、Ni-Cr-W基耐磨耐蝕合金粉末等。
在鎳合金粉末中加入適量B、Si便形成了鎳基自熔性合金粉末。所謂自熔性合金粉末亦稱低共熔合金，硬面合金，是在鎳、鈷、鐵基合金中加入能形低熔點(diǎn)共晶體的合金元素（主要是硼和硅）而形成的一系列粉末材料。常用的鎳基自熔性合金粉末有Ni-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si-Mo、Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu、高鉬鎳基自熔性合金粉末、高鉻鉬鎳基自熔性合金粉末、Ni-Cr-W-C基自熔性合金粉末、高銅自熔性合金粉末、碳化鎢彌散型鎳基自熔性合金粉末等。
鎳基精密合金
包括鎳基軟磁合金、鎳基精密電阻合金和鎳基電熱合金等。最常用的軟磁合金是含鎳80%左右的玻莫合金，其最大磁導(dǎo)率和起始磁導(dǎo)率高，矯頑力低，是電子工業(yè)中重要的鐵芯材料。鎳基精密電阻合金的主要合金元素是鉻、鋁、銅，這種合金具有較高的電阻率、較低的電阻率溫度系數(shù)和良好的耐蝕性，用于制作電阻器。鎳基電熱合金是含鉻20%的鎳合金，具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能，可在1000～1100℃溫度下長(zhǎng)期使用。
鎳基形狀記憶合金
含鈦50（at)%的鎳合金。其回復(fù)溫度是70℃，形狀記憶效果好。少量改變鎳鈦成分比例，可使回復(fù)溫度在30～100℃范圍內(nèi)變化。多用于制造航天器上使用的自動(dòng)張開(kāi)結(jié)構(gòu)件、宇航工業(yè)用的自激勵(lì)緊固件、生物醫(yī)學(xué)上使用的人造心臟馬達(dá)等。