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鋼鐵百科

鎳基合金常識

2023-12-29 17:35:31 閱讀次數(shù):151百科來源:本站原創(chuàng)+百度百科 字號: 默認(rèn) 超大

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合金。按照主要性能又細(xì)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。其中鎳基高溫合金簡稱鎳基合金。

鎳基合金主要分類

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,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。
鎳基耐蝕合金多具有奧氏體組織。在固溶和時效處理狀態(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,耐蝕性會顯著下降。
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??芍圃炷湍チ悴考?,也可作為包覆材料,通過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。
各種元素在合金中的作用:
●硼、硅元素的作用:顯著降低合金熔點,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

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℃溫度下長期使用。

鎳基記憶合金

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張開結(jié)構(gòu)件、宇航工業(yè)用的自激勵緊固件、生物醫(yī)學(xué)上使用的人造心臟馬達(dá)等。


重要特征

高溫性能:鎳基合金具有出色的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能,能夠在高溫環(huán)境下保持較高的力學(xué)性能。它的高溫強(qiáng)度和耐蠕變性使其成為航空航天和石油化工等領(lǐng)域高溫應(yīng)用的理想選擇。

耐腐蝕性:鎳基合金表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能,能夠抵抗酸性和堿性介質(zhì)的侵蝕。它在各種腐蝕性環(huán)境下都能夠保持良好的性能,包括硫酸、鹽酸和氯化物等。

機(jī)械性能:鎳基合金具有良好的機(jī)械性能,包括高強(qiáng)度和良好的塑性。它的高強(qiáng)度使其能夠承受高載荷和振動環(huán)境,而良好的塑性使其易于加工成各種形狀的零件和組件。

熱膨脹性:鎳基合金具有較低的熱膨脹系數(shù),使其在高溫環(huán)境下與其他材料的熱膨脹系數(shù)匹配,減少了熱應(yīng)力的產(chǎn)生,提高了零件的穩(wěn)定性和壽命。


應(yīng)用領(lǐng)域

鎳基合金在許多的領(lǐng)域中,比如:
1、海洋:海域環(huán)境的海洋構(gòu)造物,海水淡化,海水養(yǎng)殖,海水熱交換等。
2、環(huán)保領(lǐng)域:火力發(fā)電的煙氣脫硫裝置,廢水處理等。
3、能源領(lǐng)域:原子能發(fā)電,煤炭的綜合利用,海潮發(fā)電等。
4、石油化工領(lǐng)域:煉油,化學(xué)化工設(shè)備等。

5、食品領(lǐng)域:制鹽,醬油釀造等。

6、航空領(lǐng)域:國外同類合金已廣泛應(yīng)用于600℃以下的噴氣發(fā)動機(jī)燃燒室、渦輪葉片等高溫部件,并經(jīng)過了長時間的考驗。在日本,燃燒室和其他部件都是由這種合金制成的。

在以上的眾多領(lǐng)域中,普通不銹鋼304是無法勝任的,在這些特殊的領(lǐng)域中,特種不銹鋼是不可缺少的,也是不可被替代的。近幾年來,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)達(dá),隨著工業(yè)領(lǐng)域的層次的不斷提高,越來越多的項目需要檔次更高的不銹鋼。隨著各行業(yè)對鎳基合金需求量的增長。2011年我國鎳基合金市場規(guī)模達(dá)到230.7億元,同比增長率19.47%。因此,行業(yè)發(fā)展水平處于穩(wěn)步上升趨勢。

鎳基合金的代表材料有:
1、Incoloy合金,如Incoloy800,主要成分為;32Ni-21Cr-Ti,Al;屬于耐熱合金;
2、Inconel合金,如Inconel600,主要成分是;73Ni-15Cr-Ti,Al;屬于耐熱合金;
3、Hastelloy合金,即哈氏合金,如哈氏C-276,主要成分為;56Ni-16Cr-16Mo-4W;屬于耐蝕合金;

4、Monel合金,即蒙乃爾合金,比如說蒙乃爾400,主要成分是;65Ni-34Cu;屬于耐蝕合金;


合金元素

主要合金元素有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。其中Cr,Ai等主要起抗氧化作用,其他元素有固溶強(qiáng)化,沉淀強(qiáng)化與晶界強(qiáng)化等作用。
鎳基合金焊條在650~1000℃高溫下有較高的強(qiáng)度與一定的抗氧化腐蝕能力,由于足夠高的高溫強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力,所以常用于制造航空發(fā)動機(jī)葉片和火箭發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備上的高溫零部件。


發(fā)展歷史

鎳基高溫合金(以下簡稱鎳基合金)是30年代后期開始研制的。英國于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)。美國于40年代中期,蘇聯(lián)于40年代后期,中國于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。


成分性能

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。 


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,對于熱塑性差的合金甚至采用擠壓開坯后軋制或用軟鋼(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,空冷;中間處理,1080℃,4小時,空冷;一次時效處理,843℃,24小時,空冷;二次時效處理,760℃,16小時,空冷。以獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。


代表牌號

進(jìn)口高溫合金牌號:哈氏系列C-276、C-22、C-2000、C-4、B-3、G-30、ALLOY59、Inconel600、Inconel601、Inconel625、Inconel718、Inconel X750、Incoloy800、Incoloy800H、Incoloy800HT、Incoloy825、Monel400、Monel k500、Alloy20、Alloy 28 、Alloy31、RA330、RA333、N02201、NIMONIC系列、MP35N、ELGILOY、HAYNES HR-120 / HR-160 、HAYNES 556/242/230等。


純 鎳:NI201、NI200等。


變形高溫合金牌號:GH1015、GH1016、GH1035、GH1040、GH1131、GH1139、GH1140、GH1180、GH1333、GH2132、GH2136、GH2696、GH2747、GH2018、GH2026、GH2036、GH2038、GH2130、GH2135、GH2136、GH2150、GH2302、GH2328、GH2706、GH2761、GH2787、GH2901、GH2903、GH2907、GH2909、GH2984、GH3128、GH3039、GH3030、GH3044、GH3536、GH3230、GH3170、GH3181、GH3600、GH3625、GH3652、GH4049、GH4090、GH4099、GH4105、GH4141、GH4145、GH4169、GH4648、GH4738、GH4202、GH4080A、GH4093、GH4098、GH4133、GH4137、GH4163、GH4199、GH4220、GH4413、GH4500、GH4586、 GH4698、 GH4708、 GH4710、 GH4720Li、GH4742、GH5605、GH5188、GH6159、GH6783等。
鑄造高溫合金牌號:K213 、K403 、K417、K417G、 K418 、K418B、 K423、 K424、 K438 、K465、K4169、K4163、K644、MAR-M246、MA956等 。DZ404、DZ405、DZ406、DZ408 、DZ411、 DZ417G、 DZ422 、DZ422B、DZ438G、DZ468、DZ4125、DZ4125L、DZ4951、DZ640M等。DD402、DD403、DD404、DD406、DD407、DD408、DD426、DD432、DD499等。


耐蝕合金牌號:NS111、NS112、NS113、NS142、 NS143、 NS312、 NS313、NS315、 NS321、 NS322、 NS333、 NS334、 NS335、NS336、N08800、N08810、N08110、N08120等。

特種不銹鋼牌號:2205、2507、2520、317L、310S、904L、254smo、253ma、316lmod、725ln尿素鋼、AL-6XN、1.4529、Nitronic50、Nitronic60等。

精密合金牌號:1J22、1j31、1j34、1j36、1j38、1j46、1J50、1J79、1j85、2j04、2j07 、2j09、 2j10 、2j11、 2j12、2J85、3j01、3j21、3j33、3j53、4j9、4j28、4J29、4J32、4j33、4j34、4J36/Invar、4j39、4j40、4J42、4j50、4j52、5j11、5j16、6j20、6J22、6j23、6J40康銅、Hiperco27、Hiperco50等。


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