一文讀懂鎳基合金前世今生

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超級(jí)合金應(yīng)用領(lǐng)域

第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，“超級(jí)合金”一詞首次用于描述在高溫下需要高性能的渦輪增壓器和飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中開(kāi)發(fā)的一組合金。超級(jí)合金的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到許多其他領(lǐng)域，現(xiàn)在包括飛機(jī)和陸基燃?xì)廨啓C(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，化學(xué)和石油裝置等。它們特別適用于這些要求苛刻的應(yīng)用。超合金基于VIIIB族元素，通常由Fe，Ni，Co和Cr的各種組合以及較少量的W，Mo，Ta，Nb，Ti和Al組成。超級(jí)合金的三大類是鎳，鐵和鈷基合金。今天小編來(lái)分享一下鎳合金的發(fā)展。

鎳合金的發(fā)展

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。

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。
這三家世界領(lǐng)先的公司還在繼續(xù)開(kāi)發(fā)化學(xué)工業(yè)感興趣的新型鎳合金和改進(jìn)型合金。本文提到的它們的專利合金列于表A。

INCO國(guó)際鎳業(yè)公司

國(guó)際鎳業(yè)有限公司是世界上最大的鎳生產(chǎn)商之一。它經(jīng)營(yíng)加拿大在安大略省薩德伯里的最大的采礦和加工業(yè)務(wù),并在加拿大、印度尼西亞等地經(jīng)營(yíng)其他礦場(chǎng)。在全球40多個(gè)國(guó)家的設(shè)立銷售和業(yè)務(wù)。INCO公司還生產(chǎn)鈷、銅、貴金屬、特種鎳制品。


在薩德伯里淡水河谷的Inco SuperStack冶煉廠

國(guó)際鎳業(yè)公司（INCO）成立于1902年，由兩家著名的鎳公司合并，由羅伯特托馬辛1878年創(chuàng)立的奧福德鎳和銅公司，以及由SJ Ritchie于1886年創(chuàng)立加拿大銅業(yè)公司。在第一次世界大戰(zhàn)期間，對(duì)鎳的需求相當(dāng)高。戰(zhàn)后結(jié)束，需求下滑，鎳價(jià)暴跌，導(dǎo)致INCO于1921年停止采礦煉鎳。到1922年底，INCO恢復(fù)采礦和加工鎳。這是INCO總裁羅伯特克羅克斯斯坦利（Robert Crooks Stanley）努力尋找鎳的民用用途的結(jié)果。

在1929年，INCO進(jìn)行了另一次合并。Mond鎳公司和INCO都在安大略省擁有Frood鎳礦床的部分。兩家公司都認(rèn)為合并比對(duì)這種大型鎳礦更有利。這兩家公司成為加拿大國(guó)際鎳業(yè)公司，但仍然使用INCO的昵稱。

INCO經(jīng)過(guò)大蕭條進(jìn)入第二次世界大戰(zhàn)。這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)就像對(duì)第一次世界大戰(zhàn)一樣，對(duì)鎳產(chǎn)生了需求。INCO是鎳的主要供應(yīng)商。到20世紀(jì)50年代末和60年代初，鎳的精煉過(guò)程有所改善，不銹鋼可能用于廚房電器和其他用途。由于朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā)，鎳需求旺盛，INCO開(kāi)始難以滿足這一需求。其他公司順利進(jìn)入鎳產(chǎn)業(yè)，INCO作為最重要的鎳生產(chǎn)商和供應(yīng)商開(kāi)始減少。

2006年8月14日,巴西礦業(yè)公司淡水河谷以170億美元現(xiàn)金收購(gòu)Inco。收購(gòu)協(xié)議的一部分,淡水河谷將Inco鎳作為一個(gè)獨(dú)立的礦業(yè)部門(mén)運(yùn)行;所有的淡水河谷鎳業(yè)務(wù),包括礦山被轉(zhuǎn)移到Inco的管理。2006年11月16日Inco紐交所摘牌。Inco成為淡水河谷的全資子公司。

Haynes International海恩斯國(guó)際

海恩斯國(guó)際公司（又譯：哈氏合金國(guó)際公司、漢斯合金國(guó)際公司）Haynes International, Inc.(NASDAQ:HAYN)成立于1912年，前身是前身的Haynes Stellite Work（哈茨鈷鉻鎢工廠），總部位于美國(guó)印第安納州Kokomo，全職雇員1,147人，是一家在美國(guó)，歐洲，中國(guó)和國(guó)際上從事高性能鎳和鈷基合金開(kāi)發(fā)，制造，銷售和分銷的公司。


showcase-horizonta-haynes

海恩斯國(guó)際是世界上最大的用于高溫和腐蝕應(yīng)用的高性能鎳和鈷基合金的開(kāi)發(fā)商，制造商和經(jīng)銷商之一。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品形式包括板材和板材，棒材和坯料，無(wú)縫焊接管材和管材，焊絲和焊接材料，配件和法蘭。

VDM Metals VDM金屬

VDM縮寫(xiě)起源于Vereinigte Deutsche Metallwerke AG。公司成立于1930年，當(dāng)時(shí)來(lái)自Altena的Berg-Heckmann-Selve AG接管了法蘭克福的Heddernheimer Kupferwerk和SüddeutscheKabelwerk AG。兩家前身公司的根源可追溯到19世紀(jì)初。由Vereinigte Deutsche Metallwerke AG組成的合并由Metallgesellschaft（現(xiàn)為GEA集團(tuán)股份公司）發(fā)起，該公司自1893年起是Heddernheimer Kupferwerk公司的控股股東，并獲得了該公司集團(tuán)的多數(shù)股權(quán)。


Werdohl_VDM_Metals_FFSW

由此創(chuàng)立的企業(yè)是一家有色金屬制造商，擁有大量半成品和合金產(chǎn)品。最初重點(diǎn)是銅和黃銅，但后來(lái)的鋁，不銹鋼和鎳合金變得重要。公司總部在法蘭克福，而其生產(chǎn)地點(diǎn)包括Altena和Werdohl，杜伊斯堡，科隆，紐倫堡和法蘭克福。VDM的成立是德國(guó)半成品行業(yè)集中趨勢(shì)的一個(gè)初步步驟，受到全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的打擊。 今天，該公司現(xiàn)在是VDM Metals GmbH，總部位于Werdohl，是一家國(guó)際領(lǐng)先的鎳，鈷和鋯合金生產(chǎn)商和經(jīng)銷商，除了特殊的合金。

直到今天，VALE INCO、Haynes International、VDM Metals依然是世界領(lǐng)先的鎳合金半成品成本材料供應(yīng)商之一。當(dāng)不銹鋼達(dá)到極限時(shí)，合金通常是唯一的解決方案。

所有早期的專利合金早已失去專利保護(hù)，現(xiàn)在世界許多其它生產(chǎn)廠都可以生產(chǎn)這些合金，或是其自己的商品名，或是符合標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范的通用合金名稱。常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如ASTM和DIN可能比著名合金開(kāi)發(fā)生產(chǎn)廠家自定的標(biāo)準(zhǔn)限制性要求更少，廠商企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)合金化學(xué)成分和冶金參數(shù)控制得更嚴(yán)一些，目標(biāo)在于確保較高的材料性能。

鎳合金的種類

市場(chǎng)上可以買到的鎳合金產(chǎn)品形式多種多樣，包括中板、薄板、帶材、管材、接頭和鍛件。部分產(chǎn)品的ASTM規(guī)范列于表。某些鎳合金還有鑄造產(chǎn)品，它們通常具有與其鍛軋產(chǎn)品不同的特性。鎳合金一般按照其主要合金成分進(jìn)行分類，下面簡(jiǎn)要介紹廣泛用于化工設(shè)備的鎳合金：

純鎳(合金200)

對(duì)各類還原性酸和鹽有非常好的耐蝕性，但不適用于強(qiáng)氧化性的介質(zhì)如硝酸。純鎳最重要的特性是其無(wú)可比擬的耐苛性堿甚至是熔融態(tài)苛性堿腐蝕的能力。雖然純鎳在干燥鹵素介質(zhì)中耐蝕性很突出，但在水露點(diǎn)以下其耐蝕性不足。對(duì)于溫度超過(guò)600℉的應(yīng)用，最好選用合金200的衍生牌號(hào)--低碳含量的鎳201(UNS UO2201)。

鎳-銅合金400

與鎳一樣，鎳-銅合金400的耐蝕性在還原性介質(zhì)條件下表現(xiàn)最好，而充氣和氧化性化學(xué)物質(zhì)對(duì)其耐蝕性不利。合金400具有非常好的耐氫鹵酸和鹵化物腐蝕的性能，特別是能耐氫氟酸和含氟或氟化氫的高溫氣體。這種合金廣泛用于處理硫酸溶液、海水和鹽水。對(duì)于要求高強(qiáng)度的用途，如閥和泵部件，常常采用合金K-500(NO5500)，它是合金400的一種沉淀硬化型衍生牌號(hào)。

鎳-鉻-鐵合金600

在鎳基體中加入鉻擴(kuò)大了合金600在氧化性環(huán)境中的適用性。合金600盡管對(duì)無(wú)機(jī)酸的耐蝕性屬于中等，但它對(duì)有機(jī)酸的耐蝕性卻非常好，因此廣泛用于脂肪酸的加工。合金600也廣泛用于氫氧化物和堿性化學(xué)品的生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)。對(duì)于兼有耐熱和耐蝕要求的高溫應(yīng)用，合金600也是一種極好的材料。該合金在高溫鹵素環(huán)境下出色的使用性能使它成為有機(jī)氯化反應(yīng)工藝的理想選材。合金600還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化、抗?jié)B碳和抗?jié)B氮等抗高溫退化性能。

鎳-鉻-鉬合金625

在鎳鉻系合金中加入鉬增加了材料對(duì)氧化性和還原性無(wú)機(jī)酸和鹽的耐蝕性。鉬使合金具有耐氯離子點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的能力。合金625是一種抗疲勞性能非常優(yōu)異的高強(qiáng)度材料，合金625LCF是合金625的衍生牌號(hào)，波紋管專用，具有十分優(yōu)異的抗低周疲勞和耐熱疲勞性能。與合金600一樣，合金625用作耐蝕材料和耐熱材料均可。合金625出色的高溫強(qiáng)度，以及耐鹵素腐蝕，抗氧化和抗?jié)B碳的綜合性能使其成為在苛刻的高溫環(huán)境下運(yùn)行的化工和石化設(shè)備的理想選材。

鎳-鉻合金690

合金690是承壓設(shè)備制造所用的鎳合金中鉻含量最高的，對(duì)氧化性介質(zhì)有極強(qiáng)的耐蝕能力。它能有效地用于熱濃硫酸、硝酸和硝酸/氫氟酸混合酸以及氧化性鹽介質(zhì)。高鉻含量也提高了材料在高溫硫化環(huán)境中的耐蝕能力。

鎳-鉻-鐵合金825

由于合金含有近30%的鐵，所以合金825有時(shí)也被列入超級(jí)奧氏體不銹鋼系列中。它在硫酸和磷酸介質(zhì)條件表現(xiàn)出色，與合金20類似，開(kāi)發(fā)它們主要目的是用于硫酸和磷酸介質(zhì)。雖然合金825耐鹽酸腐蝕的能力尚可，但是它容易發(fā)生氯離子點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，特別是在不流動(dòng)、不通氣的溶液中。合金825鐵含量高，所以它對(duì)堿和鹵素的耐蝕能力低于鎳含量較高的合金。

鎳-鉻-鐵-鉬“G”合金

合金G-3的耐腐蝕能力在許多應(yīng)用中都超過(guò)合金400、合金600和合金825。這種合金特別耐硫酸和不純凈磷酸的腐蝕，能夠經(jīng)受還原性和氧化性兩種介質(zhì)條件。后來(lái)開(kāi)發(fā)的合金G-30焊接性能更好，耐腐蝕能力全面提高，特別是焊縫熱影響區(qū)的耐蝕能力。

鎳-鉻-鉬“C”合金

合金C-276是化學(xué)工業(yè)用于應(yīng)對(duì)腐蝕性極強(qiáng)的介質(zhì)條件（超出不銹鋼的能力范疇）的卓越合金材料，它在各種酸、酸性鹽和其它各類腐蝕性化學(xué)物質(zhì)中具有杰出的耐蝕能力。合金C-276在濕氯氣和次氯酸鹽這樣的惡劣環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異。由于合金C-276鉬含量較高，因此它對(duì)氯離子引起的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕有很好的耐蝕能力。尋求比合金C-276冶金性能和耐腐蝕性能更好的材料的過(guò)程，促進(jìn)了幾種專利“C”系列合金的開(kāi)發(fā)與商業(yè)化，它們是合金C-22、622、59、686和C-2000。這些合金的鉬含量大致相當(dāng)，而鉻含量都大大高于合金C-276。某些牌號(hào)還含有鎢或銅。這些次要合金元素對(duì)冶金性能和耐腐蝕性的影響是復(fù)雜的，本文不作論述。

鎳-鉬“B”合金

合金B(yǎng)-2對(duì)具有還原性的硫酸、磷酸和鹽酸有突出的耐腐蝕能力。它特別適用于全部濃度范圍和溫度高達(dá)沸點(diǎn)的鹽酸設(shè)備。氧化性化學(xué)物質(zhì)對(duì)這種合金的耐腐蝕性有不利的影響，尤其是溶液中作為雜質(zhì)的鐵離子和銅離子等強(qiáng)氧化劑。后來(lái)開(kāi)發(fā)的合金B(yǎng)-3和合金B(yǎng)-4的性能比合金B(yǎng)-2更好，這些新牌號(hào)的一個(gè)好處是最大程度降低了加工中不良顯微組織（可能造成脆化）的形成。