第五章鎳及其合金

第五章鎳及其合金

第一節(jié)純鎳一、性能1、物性熔點(diǎn)1455℃；密度8.9×103kg/m3；彈性模量（E）200000MPa；面心立方晶格a=0.36076nm；無同素異晶轉(zhuǎn)變；導(dǎo)電率是Cu的25％；鐵磁性（居里點(diǎn)358℃）。2、機(jī)械性能σb=400～500MPa（強(qiáng)度高）；δ>50％（塑性好）3、化學(xué)性能大氣中的抗蝕性極高，對堿和鹽有非常好的抗蝕性對酸的抗蝕性稍差。二、牌號(hào)用字母N代表，后附數(shù)字表示等級(jí)（數(shù)字越大，純度越低）電鍍用陽極Ni和電真空用純Ni分別在子母N的后和前附以Y和D例如：N2二號(hào)鎳Ni+Co不小于99.98NY2二號(hào)陽極鎳Ni+Co不小于99.4DN電真空用鎳Ni+Co不小于99.35牌號(hào)N2N4N6N7N8NY1NY2NY3Ni＋Co99.9899.999.599.39999.799.499純Ni的主要雜質(zhì)（C,O,S）

C－析出石墨（冷脆）；

S－形成低熔點(diǎn)化合物（Ni3S2熱脆）；

O－大于0.024%時(shí)（800－900℃）產(chǎn)生氫病，沿晶界發(fā)生裂紋。四、純Ni的用途

1、供電鍍；2、熔煉合金；3、電子工業(yè)第二節(jié)鎳合金的分類及牌號(hào)一、分類1、電工用鎳合金；2、耐蝕結(jié)構(gòu)用合金；3、高溫合金二、牌號(hào)1、電工用鎳合金及耐蝕結(jié)構(gòu)用合金以字母N開頭，后附主加元素的元素符號(hào)及含量百分?jǐn)?shù)。再加入其它元素：只在后面寫出元素的百分?jǐn)?shù)，不標(biāo)元素符號(hào)。例如：NCr20（20％Cr）NCu28-2.5-1.5（28％Cu，2.5％Fe，1.5％Mn）另外我國冶標(biāo)還有一套精密合金牌號(hào)：YB758－，精密合金牌號(hào)，數(shù)字加J（精），后附數(shù)字例：1J1－1號(hào)軟磁合金；4J29－29號(hào)膨脹合金牌號(hào)1J×2J×3J×4J×5J×6J×7J×合金軟磁變形永磁彈性膨脹雙金屬精密電阻熱電偶2、耐熱高溫合金高溫合金的類：按基體元素分：鎳基、鐵基、鈷基高溫合金按制備工藝分：變形、鑄造、粉末冶金高溫合金中國高溫合金牌號(hào)的命名：

根據(jù)合金的成形、強(qiáng)化類型和基體元素，采用漢語拼音字母作前綴，后接四位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。變形高溫合金以GH開頭，后接第一位數(shù)表示分類，1和2－鐵基或鐵-鎳基高溫合金，3和4－鎳基高溫合金，5和6－鈷基高溫合金，其中1、3、5為固溶強(qiáng)化型合金，2、4、6為沉淀強(qiáng)化型合金，第二、三、四位數(shù)表示合金牌號(hào)，如：GH4033鎳基沉淀強(qiáng)化型變形高溫合金。鑄造高溫合金用K作前綴，后接三位阿拉伯?dāng)?shù)字，

第一位為分類號(hào)（同變形合金），后兩位為合金牌號(hào)。國外高溫合金牌號(hào)按各開發(fā)生產(chǎn)廠家的注冊商標(biāo)命名

合金牌號(hào)注冊商家InconelIncoAlloysInternational,Inc.NimonicMondNickelCompanyUdimetSpecialMetalInc.第三節(jié)電工用鎳合金一、加熱電阻特點(diǎn)：高電阻、電阻溫度系數(shù)小、耐熱、抗氧化常用：NCr20，單相固溶體，可在1000～1100℃長期工作。塑性低加工困難，加Fe可改善加工性，但降低抗氧化性。

Cr對抗氧化性的影響：

Ni的表面是NiO，當(dāng)加少量Cr時(shí)，Cr進(jìn)入NiO破壞了它的保護(hù)作用（defectoxide）。當(dāng)Cr含量達(dá)到20％時(shí)，表面膜就由堅(jiān)固致密的Cr3O2所代替，當(dāng)Cr含量在20～30％時(shí)，氧化速率常數(shù)要比純Ni小5倍。

為了細(xì)化晶粒，防止晶粒長大，進(jìn)一步提高抗氧化性，加少量Ca（鈣）、Ce（鈰）、Th（釷）、Zr（鋯），可使工作壽命提高5～8倍。NiCr二元合金相圖（在Ni2Cr產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)，但形成速度很慢）Fe－Cr－Al合金電阻絲（代替NCr20）Fe－30Cr－5Al－0.15C，可在1300℃工作，價(jià)格便宜，加工變形更困難，晶粒易長大，特別是使用一段時(shí)間后變脆。二、高電阻精密合金

數(shù)值大于1Ωmm2/m的電阻為高電阻優(yōu)點(diǎn)：高電阻、更低的電阻溫度系數(shù)、抗蝕（抗氧化性好）、耐磨。電阻系數(shù)ρ=1.2～1.4Ωmm2/m，電阻溫度系數(shù)α=±20×10－6／℃，對Cu熱電勢E0～100≤20毫伏／℃，使用溫度范圍-60～125℃。缺點(diǎn)：焊接性比錳銅（BMn3-12）差，必須選擇合適的焊料及工藝。與錳銅合金相比，Ni-Cr精密電阻有以下特點(diǎn)：工作溫度范圍寬，（在較大溫度范圍，電阻溫度系數(shù)接近常數(shù)）具有較大的電阻率，ρ=1.3～1.4×10－6歐·米而錳銅的電阻率，ρ=45×10－8歐·米但長期工作穩(wěn)定性和焊接性不如錳銅合金

在Ni-20Cr合金（6J20）的基礎(chǔ)上，

添加少量Al、Fe、Cu、Mn、Si等元素，

提高電阻和耐磨性例如：6J22（Ni-20Cr-3Al-2Mn-2.5Fe）卡瑪合金

Al提高電阻、降低電阻溫度系數(shù)。6J23（Ni-20Cr-3Al-2Cu）伊文合金

用于：高歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻，精密繞線電位器，微型精密電阻，高溫應(yīng)變電阻。典型的精密電阻合金是卡瑪合金（6J22）

900℃退火，快冷，550℃回火保溫4～5h，電阻率1.33×10－6歐姆米，電阻溫度系數(shù)α=±5～20×10－6／℃，對Cu的熱電勢ECu<2.0μV/℃,工作溫度為20～100℃。三、熱電偶用合金

特點(diǎn)：高的電阻、熱電勢和耐熱性正極：NCr10（無磁）負(fù)極：NAl2-2-1（Ni-2Al－2Mn-1Si）目前用NSi2.5（有磁性）

NSi2.5更經(jīng)濟(jì)，在氧化氣氛中有更高的熱電勢穩(wěn)定性。

例如：NSi2.5在900℃經(jīng)3000小時(shí)，電勢變化小于0.02毫伏。而NAl2-2-1在同樣條件下，熱電勢變化達(dá)0.21毫伏。使用

短期測量可達(dá)1200℃，氧化性和中性介質(zhì)中，可在900℃以下長期使用，在還原性介質(zhì)中，最好測500℃以下的溫度。幾種熱電偶的電勢100℃500℃1000℃鎳鉻－考銅EA-26.95毫伏40.15毫伏鎳鉻－鎳鋁EU-24.10毫伏20.65毫伏41.27毫伏鉑銠－鉑LB-30.64毫伏4.22毫伏9.56毫伏NCr10、NAl2-2-1、NSi2.5合金中，均含少量的Co（約0.3～1.2％）加Co的目的：主要：增加熱電勢的穩(wěn)定性，防止長期工作后熱電勢變化。另外：提高電阻和抗氧化能力。四、電真空用Ni合金

制造各種電子管的陰極、陽極、柵極、支架和外殼。電真空用鎳合金按特性可分為：氧化物陰極芯和電真空結(jié)構(gòu)用兩大類。1、氧化物陰極芯加入對堿金屬氧化物（氧化鋇）還原作用強(qiáng)而且還能顯著提高純Ni高溫強(qiáng)度的合金元素。如：Si、Mg、Ca、Sr、Zr、Ti、Tb、Ta、W、Al、Re和RE。不許加入揮發(fā)性高的Zn和Mn如：NSi0.19及NMg0.1合金2、電真空結(jié)構(gòu)用Ni合金NMn3和NMn5制造電子管柵極和各種發(fā)動(dòng)機(jī)火花電嘴NCu40-2-1具有較高的室溫和高溫強(qiáng)度、抗蝕、易加工、無磁性。

是制造行波管和其它電子管的良好結(jié)構(gòu)材料。加少量Al、Be、Si等元素（形成Ni3Al、NiBe、Ni3Si），可時(shí)效強(qiáng)化。800～900℃淬火，500℃時(shí)效σb=1300MPa，δ=20％應(yīng)用：石油精煉工業(yè)的機(jī)械、化工、造船、醫(yī)療器材。第四節(jié)耐蝕結(jié)構(gòu)用鎳合金MonelMetal“孟奈爾”合金典型牌號(hào)：NCu28－2.5－1.5（Fe，Mn）特點(diǎn)：極高的抗蝕性（抗酸、抗堿）高的強(qiáng)度、塑性和耐熱性單相固溶體充分退火：σb=450～500MPa，δ=35％500℃以上工作機(jī)械性能開始降低第五節(jié)鎳基耐熱合金（高溫合金）高溫合金:

能在600℃以上高溫抗氧化或耐腐蝕,并能在一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料。因其合金化程度高,在英、美等國稱之為超合金（Superalloy）

高溫合金既是航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的關(guān)鍵材料，又是工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和能源、化工等工業(yè)部門的高溫耐蝕、耐磨部件材料，因此是國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的一類重要材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展要求不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度，以增大推力，為此，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端使用的材料成了關(guān)鍵因素。

按基體元素分：鎳基、鐵基、鈷基高溫合金

按制備工藝分：變形、鑄造、粉末冶金高溫合金

高溫合金中應(yīng)用最廣的是鎳基高溫合金，其原因如下：鎳基高溫合金中可溶解較多的合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性?？尚纬晒哺裼行虻腁3B型金屬間化合物［γˊ（Ni3（AlTi））］作為強(qiáng)化相，使合金得到有效強(qiáng)化，獲得比Fe基和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度。含Cr的Ni基合金具有比Fe基合金更好的抗氧化性和抗燃?xì)飧g能力。其中Cr主要起抗氧化和抗燃?xì)飧g作用。

從上個(gè)世紀(jì)三十年代后期，英、德、美等國就開始研究高溫合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了滿足新型發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，高溫合金的研究和使用進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期。40年代初，英國首先生產(chǎn)出鎳基合金Nimonic75（Ni-20Cr-0.4Ti）40年代中期，美國生產(chǎn)出Inconel40年代末期，蘇聯(lián)生產(chǎn)出鎳基高溫合金50年代末期，中國生產(chǎn)出鎳基高溫合金噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)（王磊教授提供）

原理:是將空氣吸入，與燃油混合，點(diǎn)火，爆炸膨脹后的空氣向后噴出，其反作用力則推動(dòng)飛機(jī)向前。下圖的發(fā)動(dòng)機(jī)剖面圖里，一個(gè)個(gè)壓氣風(fēng)扇從進(jìn)氣口中吸入空氣，并且一級(jí)一級(jí)的壓縮空氣，使空氣更好的參與燃燒。風(fēng)扇后面橙紅色的空腔是燃燒室，空氣和油料的混和氣體在這里被點(diǎn)燃，燃燒膨脹向后噴出，推動(dòng)最后兩個(gè)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，最后排出發(fā)動(dòng)機(jī)外。而最后兩個(gè)風(fēng)扇和前面的壓氣風(fēng)扇安裝在同一條中軸上，因此會(huì)帶動(dòng)壓氣風(fēng)扇繼續(xù)吸入空氣，從而完成了一個(gè)工作循環(huán)。

渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)（王磊教授提供）原理：基本與噴氣原理相同，具有加速快、設(shè)計(jì)簡便等優(yōu)點(diǎn)。但如果要讓渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)提高推力，則必須增加燃?xì)庠跍u輪前的溫度和增壓比，這將會(huì)使排氣速度增加而損失更多動(dòng)能，于是產(chǎn)生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)油耗大，對于商業(yè)民航機(jī)來說是個(gè)致命弱點(diǎn)。一、Ni基高溫合金的合金化原理合金化主要是為了提高抗氧化性和高溫強(qiáng)度1、耐蝕和抗氧化性的提高提高抗氧化性的主要元素是CrCr含量低時(shí)，表面形成一種缺陷型氧化物“defectoxide”(非化學(xué)計(jì)量)，氧在這種氧化物中擴(kuò)散比在純NiO中容易，這時(shí)隨Cr含量的增加抗氧化性下降。Cr含量達(dá)到20％時(shí)，表面形成粘附性很好又致密的Cr3O2，氧化速度降低，抗氧化性提高。2、高溫強(qiáng)度和抗蠕變性的提高

（鎳基高溫合金強(qiáng)化的基本手段）（1）第二相強(qiáng)化

（γ′相的沉淀）（或粉末法）形成γ′相的主要合金元素是Al、Ti

γ′相本身有兩個(gè)特點(diǎn)：▼晶格與基體相同，界面能低，不易吞并長大，高的高溫穩(wěn)定性。▼在800℃以下本身的強(qiáng)度隨溫度升高而升高（2）固溶強(qiáng)化

作用最強(qiáng)的是W、Mo、Cr（3）晶界強(qiáng)化

阻礙晶粒長大和晶界滑動(dòng)的元素C、B、Zr、Ce二、Ni基高溫合金的典型組織

及其合金元素的作用典型組織：合金化的奧氏體基體（γ），彌散分布于基體及合理地分布于晶界的強(qiáng)化相。GH4199合金元素的作用

最基本的合金元素是：Cr、Al、TiCr：主要起抗氧化、抗燃?xì)飧g作用。Al和Ti：形成A3B型金屬間化合物（γˊ），使合金有時(shí)效強(qiáng)化能力。除Cr、Al、Ti以外，

Ni基高溫合金中常常還加入的元素：

W、Mo、Co、Nb、Ta、V、C、B、Zr、Mg、Ce、HfW和Mo：是最強(qiáng)的固溶強(qiáng)化元素（Ni中加W和Mo熔點(diǎn)升高）Co：高強(qiáng)Ni基合金中往往含10～20％Co，其作用如下：

固溶強(qiáng)化（Co降低基體的層錯(cuò)能，而合金的蠕變速率與層錯(cuò)能的n次方成正比）

改變?chǔ)茫猫@的溶解度變曲線，增加γˊ的數(shù)量。改善塑性及熱加工性。減少碳化物的析出。Nb和Ta：鈮和鉭與碳有很大親和力，形