自熔合金粉末的研究
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为镍硼硅合金粉末和镍铬硼硅合金粉末两个 类别, 兹分述如下。
表 1 镍基自熔合金的化 学成分和主要性能
牌号 C
化学成分 % B Si Cr Fe
N i25
∀
0
2
10 ~20
30 ~45
-
∀8
N i35
∀
0
25
15 ~30
25 ~40
9 ~ 12
∀ 14
N i45
03 15 25 ~07~35~45
14 ~ 17
( N i3Si) 一起提高合金的硬度和耐 磨性。增 加合金中碳、硼、硅等元素的含量, 合金的硬 度可以从 H RC25 提 高到 HRC65, 但合金的 韧性相应降低( 图 3) 。
由于镍铬硼硅是以镍铬为基础的合金, 故具有良 好的耐蚀性, 对大气、海水、蒸汽、 碱、盐、硫酸、盐酸等都有较好的抗腐蚀能力, 优于 18- 8 型不锈钢。但在氧化性酸( 硝酸) 中耐蚀性极差, 这是硼与铬形成硼化铬固溶 体产生贫铬的结果。
镍硼硅合金的硬度不高, 具有良好的韧 性、抗氧化 性和耐急冷急 热性。在 650 温 度以下, 有一定的耐磨性和耐蚀性, 易于机械 加工。镍硼硅合金可用于铸铁、钢、不锈钢以 及工作温度低于 600 的零部件的防护和修 复。特别适用于硬度要求不高的玻璃模具、 塑料、橡胶模具的防护和修复以及铁、钢铸件 缺陷的修补。 1 2 镍铬硼硅合金粉末
余量 3 8
余量 3 87 余量 4 13
余量 4 1
余量 4 2
粉末性能 流动性 密度 熔点
s!50g- 1 g!cm- 3
< 20
- 1040
19 7
7 5 1050
18 9
7 21 1085
21 0
7 54 1097
18 1
7 5 1027
20
7 7 1057
焊层性能 硬度 热膨胀系数
HRC 10- 6! - 1
镍硼硅合金焊层的金相显微组织结构示
图 1 B、Si 对镍硼硅合金硬度的 影响
硅溶解于基体中, 形成 Ni Si 固溶体起固溶 强化作用。但过高硅含量( > 6% ) 的合金易形
图 2 Ni25 自熔合金焊层显微组织 ∃ 500
第2期
朱润生: 自熔合金粉末的研究
! 9!
于图 2。基 体是以镍为基础 的置换式 Ni Si 固溶体( 相) 。硅在镍中最大的溶解度约达 9% 。硅的 固溶使镍 熔点降低 并得到 强化。 固溶体硬度为 HV 10 168~ 178。
自 70 年代后期以来, 上海钢铁研究所先 后研制成功镍基、钴基、铁基、碳化钨弥散型 和铜基 5 类 16 个牌号自熔合金粉末, 并通过 了冶金工业部的系列定型鉴定。该技术已在 冶金、矿山、机械、电力、金属制 品、轻 工、石 油、化工、汽车、船舶、煤炭和玻璃模具等行业 广泛应用, 获得了显著的直接经济效益和社 会效益。国内直接或间接采用本研究成果生 产的厂家, 亦均获成功, 且开发了新的牌号, 并从国外引进新材料和新技术, 进一步促进
上述 Ni60 和 12496 实验结果表明, 合金 含铁量高除对耐腐蚀性能有不利影响外, 其 它性能较好。但含铁量较高的合金生产成本 低, 因而成为国内生产的主要产品之一。
镍铬硼硅系合金组织结构较复杂, 基体 为 Ni Cr( Mo、Cu) 固溶体 相, 在基体上弥散 分布 硼 化 物 ( N i3 B、 CrB、M3 B2 ) , 碳 化 物 ( M23 C6 、Cr7 C3 ) 以及硅化物( N i31 Si12 ) 等硬质 化合物。图 8 为 Ni60 合金焊层显微组织结 构。其中 M3 B2 , HV 2704 是 主要的硬 质相,
作者简介: 朱润生, 高级工程师, 副总经理及总工程师。 收稿日期: 1999- 07- 29
我国热喷涂技术的迅速发展。 为了更好推广这项成果, 笔者对资料进
行了整理并撰写成文, 以期对我国自熔合金 粉末的进一步发展起到推动作用。
1 镍基自熔合金粉末
最早的自熔合金以镍基合金为基础。当 镍和几种元素如硼、硅、铬、钼和铜等组成合 金时, 合金熔点降低到易被氧 乙炔火焰所 熔化的范围。镍的熔点为 1453 , 加入适量
∀ 14
N i55
05 20 30 ~10~40~50
14 ~ 17
∀ 14
N i60
06 25 30 ~10~45~50
14 ~ 17
∀ 15
N i62
08 25 30 ~13~45~45
14 ~ 17
∀ 14
Co
-
-
8~ 16 M o2~ 4 Cu2~ 4
-
W9~ 12
松装密度 Ni
g!cm- 3 余量 #3 5
INVEST IGAT ION ON SEL F FL UXING AL LOY POWDERS
Zhu Runsheng ( Shanghai Yitongbao Special Powders Co . Ltd. , Shang hai 200439)
Abstract: Chemical composition and physical propert ies of Ni , Co , Fe and Cu based and WC dispersion self flux alloy pow ders used f or spray coat ing and m icro structure, characterist ics and uses of t he spray coat ed layers are presented. F e cont ent increment up t o 8% ~ 15% in the Ni based alloys and adding 10% ~ 29% Ni and 7% ~ 15% Fe in the Co based alloys save a great lot of Ni and Co and reduce t he production cost of t he alloys. Key words: self flux ing alloy powder; solid liquid phase; spray coat ing
在镍硼硅合金中加入碳、铬元素, 便形成 镍铬硼硅合金( 表 1) 。这类合金具有优良的 自熔性, 用途最为广泛。粉末颗粒呈良好的 球形。
铬在合金中溶解于 镍, 形成 Ni Cr 固溶 体而增加合金强度, 并提高合金的抗氧化性 和耐蚀 性。 除此 之外, 铬还 能 生成 硼 化铬 ( Cr2 B、CrB) 和碳化铬( Cr23 C6 、Cr7 C3 ) 等硬质 化合物, 与镍的硼化物( N i3B、N i2B) 和硅化物
25~ 30
-
35~ 40 13 8
40~ 45 13 1
54~ 58 13 6
55~ 62 13 4
58~ 64 12 2
1 1 镍硼硅合金粉末 镍硼硅合金是在镍中加入适量的硼、硅
元素形成的。其粉末颗粒呈球形, 合金熔点 900~ 1100 。由图 1 可知, 随着硼、硅元素 的增加, 其硬度随之增加, 而硼对硬度的影响 更大, 故其含量一般宜控制在 1 2% ~ 2 5% 之间, 过高的硼含量会使粉末熔液表面张力 增加而不易与基体金属润湿, 因而熔融合金 在基体表面集聚成球铺展不开, 喷焊性能变 坏, 合金韧性降低。
镍铬硼硅合金含有较高的铁( < 15% ) , 对合金的一些主要性能影响不大。例如: 采 用含铁量 14% 的 Ni60 自熔合金, 与含铁量 2 5% 的瑞士 12496 同类牌号合金一起实验, 两者的耐磨性、高温硬度和抗氧化性能等基 本相近。分别见图 4、图 5 和图 6a、b、c。
由图 4 可知, Ni60 和 12496 合金耐磨性 处于同一水平, 均比 GCr15 和 45# 钢提高 4 ~ 5 倍( 4 种 材料 硬度均 为 HRC60 左右) 。 图 5 说明 Ni60 和 12496 高温硬度良好, 水平 相近。
图 3 镍基合金 硬度与韧性的关系
在镍铬硼硅合金中加入钼、铜, 可显著提 高合金在非氧化性酸中的耐蚀性, 但在氧化 性酸中的耐蚀性见效不大。另外, 合金具有 较宽的固 液相区间( 约 200 ) , 能改善粉末 的喷焊工艺性能, 有利于形状复杂工件和厚 涂层( 2 5m m) 的喷焊。在镍 铬硼硅 合金中 加入适量的钴或钨, 可提高合金的高温性能。 钴固溶于奥氏体基体起阻止沉淀硬化析出相 的聚集作用, 从而提高合金的热强性。钴还 有利于喷焊工艺性能, 一般钴加入量以 8% ~ 15% 为宜。钨是强碳化物形成元素, 由于 钨和碳形成复杂的碳化物而特别耐磨, 而且 又可提高合金的红硬性, 所以合金在高温下 耐磨性很好, 一般加入量为 10% ~ 15% 。
成 相, 韧性降低。而过低硅含量( < 3% ) 合金 熔液变粘和熔点增高, 喷焊性能变差。因此合 金的硅含量控制在 3% ~ 5%为宜。
该合金中没有形成碳化物的合金元素。 为了避免出现碳硼化物和游离碳, 不使合金 的塑性下降, 合金中的碳应控制在< 0 1% 。 此外, 合金中的铁含量在 1% ~ 12% 内对粉 末的硬度、熔点和喷焊工艺性能均无大的影 响。因此, 采用硼铁生产粉末是经济可取的, 但其带入的铁含量不宜超过 8% 。
沉淀相是金属间化合物 N i3 B 和 N i3 Si。
N i3B 和钢中渗碳体的结构相同, 属于复杂的 正交点阵结构, 是一种硬质相, 其显微硬度为 HV 10 450~ 553。N i3 Si 相的基线与 N i Si 固 溶体的线相重, 其超点阵线又很弱, 故不能直 接辨认, 通过计算可知其含量约为 10% 。
第 10 卷 第 2 期 2000 年 4 月
粉末冶金工业
POWDER METALLURGY INDUSTRY
V ol. 10 N o. 2 Apr. 2000
自熔合金粉末的研究
朱润生
( 上海亿通宝特种粉末有限公司 上海 200439)
摘 要: 介绍了研制用于喷焊的镍基、钴基、铁基、碳化钨弥散型和铜基等 5 类 16 个牌号的自熔合金粉末的化学成分、物理性能及喷焊层的金相显微组织、特 性和用途。所研制的镍基合金中, 铁含量增至 8% ~ 15% ; 钴基合金中, 加入了 10% ~ 29% 的镍和 7% ~ 15% 的铁。从而节约大量镍和钴贵重元素, 并降低合 金的生产成本。 关键词: 自熔合金粉末; 固液相; 喷焊 中图分类号: T F123. 7+ 1
由图 6 可知, Ni60 和 12496 合金属于完 全抗氧化级, 它们的抗氧化数据互有上下, 说 明两种合金的抗氧化能力基本相同。另外, 两种合金的热膨胀系数和导热系数也相近。
! 10 !
粉末冶金工业
第 10 卷
图 4 Ni60、12496、GCr15 合金及 45# 钢的耐磨性能比较
1. 45# 钢 2. G Cr15 3. N i60 下限成分 4. N i60 中限成分 5. 12496( 瑞士) 6. N i60 上限成分
! 11 !
图 8 Ni60 自熔合金焊层显微组织 ∃ 800
方面的问题尚需继续深入研究。 镍铬硼硅自熔合金综合性能优良, 用途
广泛, 可用于强化和修复承受金属摩擦磨损
图 7 不 同含铁量镍基自溶合金在室温 10%HNO3 溶液中的腐蚀速度
碳化铬硬度 HV1000 左右。Ni3 B 在高温条 件下相当稳定, 因此合金在高温条件下仍保 持较高的硬度。鉴于这类合金的组元较多, 往往是在固溶体上析出多种化合物, 在某些 条件下, 还可能形成有序超结构相。有关这
第2期
朱润生: 自熔合金粉末的研究
!8!
粉末冶金工业
第 10 卷
硼、硅 和 其 它 元 素 后, 合 金 具 有 温 度 在 1000 左右的固液相状态, 而且可在 HRC25 ~ H RC65 之间调节硬度, 并具有耐磨、耐蚀 和抗氧化性能, 表 1 所示为镍基自熔合金的
化学成分和主要性能。 由表 1 还可知, 镍基自熔合金粉末可分
图 5 Ni60、12496 合金高温硬度 1. N i60 上限成分 2. 12496( 瑞士) 3. Ni60 中限成分 4. N i60 下限成分
Hale Waihona Puke Baidu
图 6 Ni60、12496 合金在不同温度、24h 下的静态等温氧化动力学曲线 1. N i60 2. 12496( 瑞士)
但是, 合金的含铁量过高, 其耐蚀性明显降低 ( 图 7) 。
表 1 镍基自熔合金的化 学成分和主要性能
牌号 C
化学成分 % B Si Cr Fe
N i25
∀
0
2
10 ~20
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N i35
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∀ 14
N i45
03 15 25 ~07~35~45
14 ~ 17
( N i3Si) 一起提高合金的硬度和耐 磨性。增 加合金中碳、硼、硅等元素的含量, 合金的硬 度可以从 H RC25 提 高到 HRC65, 但合金的 韧性相应降低( 图 3) 。
由于镍铬硼硅是以镍铬为基础的合金, 故具有良 好的耐蚀性, 对大气、海水、蒸汽、 碱、盐、硫酸、盐酸等都有较好的抗腐蚀能力, 优于 18- 8 型不锈钢。但在氧化性酸( 硝酸) 中耐蚀性极差, 这是硼与铬形成硼化铬固溶 体产生贫铬的结果。
镍硼硅合金的硬度不高, 具有良好的韧 性、抗氧化 性和耐急冷急 热性。在 650 温 度以下, 有一定的耐磨性和耐蚀性, 易于机械 加工。镍硼硅合金可用于铸铁、钢、不锈钢以 及工作温度低于 600 的零部件的防护和修 复。特别适用于硬度要求不高的玻璃模具、 塑料、橡胶模具的防护和修复以及铁、钢铸件 缺陷的修补。 1 2 镍铬硼硅合金粉末
余量 3 8
余量 3 87 余量 4 13
余量 4 1
余量 4 2
粉末性能 流动性 密度 熔点
s!50g- 1 g!cm- 3
< 20
- 1040
19 7
7 5 1050
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7 54 1097
18 1
7 5 1027
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7 7 1057
焊层性能 硬度 热膨胀系数
HRC 10- 6! - 1
镍硼硅合金焊层的金相显微组织结构示
图 1 B、Si 对镍硼硅合金硬度的 影响
硅溶解于基体中, 形成 Ni Si 固溶体起固溶 强化作用。但过高硅含量( > 6% ) 的合金易形
图 2 Ni25 自熔合金焊层显微组织 ∃ 500
第2期
朱润生: 自熔合金粉末的研究
! 9!
于图 2。基 体是以镍为基础 的置换式 Ni Si 固溶体( 相) 。硅在镍中最大的溶解度约达 9% 。硅的 固溶使镍 熔点降低 并得到 强化。 固溶体硬度为 HV 10 168~ 178。
自 70 年代后期以来, 上海钢铁研究所先 后研制成功镍基、钴基、铁基、碳化钨弥散型 和铜基 5 类 16 个牌号自熔合金粉末, 并通过 了冶金工业部的系列定型鉴定。该技术已在 冶金、矿山、机械、电力、金属制 品、轻 工、石 油、化工、汽车、船舶、煤炭和玻璃模具等行业 广泛应用, 获得了显著的直接经济效益和社 会效益。国内直接或间接采用本研究成果生 产的厂家, 亦均获成功, 且开发了新的牌号, 并从国外引进新材料和新技术, 进一步促进
上述 Ni60 和 12496 实验结果表明, 合金 含铁量高除对耐腐蚀性能有不利影响外, 其 它性能较好。但含铁量较高的合金生产成本 低, 因而成为国内生产的主要产品之一。
镍铬硼硅系合金组织结构较复杂, 基体 为 Ni Cr( Mo、Cu) 固溶体 相, 在基体上弥散 分布 硼 化 物 ( N i3 B、 CrB、M3 B2 ) , 碳 化 物 ( M23 C6 、Cr7 C3 ) 以及硅化物( N i31 Si12 ) 等硬质 化合物。图 8 为 Ni60 合金焊层显微组织结 构。其中 M3 B2 , HV 2704 是 主要的硬 质相,
作者简介: 朱润生, 高级工程师, 副总经理及总工程师。 收稿日期: 1999- 07- 29
我国热喷涂技术的迅速发展。 为了更好推广这项成果, 笔者对资料进
行了整理并撰写成文, 以期对我国自熔合金 粉末的进一步发展起到推动作用。
1 镍基自熔合金粉末
最早的自熔合金以镍基合金为基础。当 镍和几种元素如硼、硅、铬、钼和铜等组成合 金时, 合金熔点降低到易被氧 乙炔火焰所 熔化的范围。镍的熔点为 1453 , 加入适量
∀ 14
N i55
05 20 30 ~10~40~50
14 ~ 17
∀ 14
N i60
06 25 30 ~10~45~50
14 ~ 17
∀ 15
N i62
08 25 30 ~13~45~45
14 ~ 17
∀ 14
Co
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8~ 16 M o2~ 4 Cu2~ 4
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W9~ 12
松装密度 Ni
g!cm- 3 余量 #3 5
INVEST IGAT ION ON SEL F FL UXING AL LOY POWDERS
Zhu Runsheng ( Shanghai Yitongbao Special Powders Co . Ltd. , Shang hai 200439)
Abstract: Chemical composition and physical propert ies of Ni , Co , Fe and Cu based and WC dispersion self flux alloy pow ders used f or spray coat ing and m icro structure, characterist ics and uses of t he spray coat ed layers are presented. F e cont ent increment up t o 8% ~ 15% in the Ni based alloys and adding 10% ~ 29% Ni and 7% ~ 15% Fe in the Co based alloys save a great lot of Ni and Co and reduce t he production cost of t he alloys. Key words: self flux ing alloy powder; solid liquid phase; spray coat ing
在镍硼硅合金中加入碳、铬元素, 便形成 镍铬硼硅合金( 表 1) 。这类合金具有优良的 自熔性, 用途最为广泛。粉末颗粒呈良好的 球形。
铬在合金中溶解于 镍, 形成 Ni Cr 固溶 体而增加合金强度, 并提高合金的抗氧化性 和耐蚀 性。 除此 之外, 铬还 能 生成 硼 化铬 ( Cr2 B、CrB) 和碳化铬( Cr23 C6 、Cr7 C3 ) 等硬质 化合物, 与镍的硼化物( N i3B、N i2B) 和硅化物
25~ 30
-
35~ 40 13 8
40~ 45 13 1
54~ 58 13 6
55~ 62 13 4
58~ 64 12 2
1 1 镍硼硅合金粉末 镍硼硅合金是在镍中加入适量的硼、硅
元素形成的。其粉末颗粒呈球形, 合金熔点 900~ 1100 。由图 1 可知, 随着硼、硅元素 的增加, 其硬度随之增加, 而硼对硬度的影响 更大, 故其含量一般宜控制在 1 2% ~ 2 5% 之间, 过高的硼含量会使粉末熔液表面张力 增加而不易与基体金属润湿, 因而熔融合金 在基体表面集聚成球铺展不开, 喷焊性能变 坏, 合金韧性降低。
镍铬硼硅合金含有较高的铁( < 15% ) , 对合金的一些主要性能影响不大。例如: 采 用含铁量 14% 的 Ni60 自熔合金, 与含铁量 2 5% 的瑞士 12496 同类牌号合金一起实验, 两者的耐磨性、高温硬度和抗氧化性能等基 本相近。分别见图 4、图 5 和图 6a、b、c。
由图 4 可知, Ni60 和 12496 合金耐磨性 处于同一水平, 均比 GCr15 和 45# 钢提高 4 ~ 5 倍( 4 种 材料 硬度均 为 HRC60 左右) 。 图 5 说明 Ni60 和 12496 高温硬度良好, 水平 相近。
图 3 镍基合金 硬度与韧性的关系
在镍铬硼硅合金中加入钼、铜, 可显著提 高合金在非氧化性酸中的耐蚀性, 但在氧化 性酸中的耐蚀性见效不大。另外, 合金具有 较宽的固 液相区间( 约 200 ) , 能改善粉末 的喷焊工艺性能, 有利于形状复杂工件和厚 涂层( 2 5m m) 的喷焊。在镍 铬硼硅 合金中 加入适量的钴或钨, 可提高合金的高温性能。 钴固溶于奥氏体基体起阻止沉淀硬化析出相 的聚集作用, 从而提高合金的热强性。钴还 有利于喷焊工艺性能, 一般钴加入量以 8% ~ 15% 为宜。钨是强碳化物形成元素, 由于 钨和碳形成复杂的碳化物而特别耐磨, 而且 又可提高合金的红硬性, 所以合金在高温下 耐磨性很好, 一般加入量为 10% ~ 15% 。
成 相, 韧性降低。而过低硅含量( < 3% ) 合金 熔液变粘和熔点增高, 喷焊性能变差。因此合 金的硅含量控制在 3% ~ 5%为宜。
该合金中没有形成碳化物的合金元素。 为了避免出现碳硼化物和游离碳, 不使合金 的塑性下降, 合金中的碳应控制在< 0 1% 。 此外, 合金中的铁含量在 1% ~ 12% 内对粉 末的硬度、熔点和喷焊工艺性能均无大的影 响。因此, 采用硼铁生产粉末是经济可取的, 但其带入的铁含量不宜超过 8% 。
沉淀相是金属间化合物 N i3 B 和 N i3 Si。
N i3B 和钢中渗碳体的结构相同, 属于复杂的 正交点阵结构, 是一种硬质相, 其显微硬度为 HV 10 450~ 553。N i3 Si 相的基线与 N i Si 固 溶体的线相重, 其超点阵线又很弱, 故不能直 接辨认, 通过计算可知其含量约为 10% 。
第 10 卷 第 2 期 2000 年 4 月
粉末冶金工业
POWDER METALLURGY INDUSTRY
V ol. 10 N o. 2 Apr. 2000
自熔合金粉末的研究
朱润生
( 上海亿通宝特种粉末有限公司 上海 200439)
摘 要: 介绍了研制用于喷焊的镍基、钴基、铁基、碳化钨弥散型和铜基等 5 类 16 个牌号的自熔合金粉末的化学成分、物理性能及喷焊层的金相显微组织、特 性和用途。所研制的镍基合金中, 铁含量增至 8% ~ 15% ; 钴基合金中, 加入了 10% ~ 29% 的镍和 7% ~ 15% 的铁。从而节约大量镍和钴贵重元素, 并降低合 金的生产成本。 关键词: 自熔合金粉末; 固液相; 喷焊 中图分类号: T F123. 7+ 1
由图 6 可知, Ni60 和 12496 合金属于完 全抗氧化级, 它们的抗氧化数据互有上下, 说 明两种合金的抗氧化能力基本相同。另外, 两种合金的热膨胀系数和导热系数也相近。
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粉末冶金工业
第 10 卷
图 4 Ni60、12496、GCr15 合金及 45# 钢的耐磨性能比较
1. 45# 钢 2. G Cr15 3. N i60 下限成分 4. N i60 中限成分 5. 12496( 瑞士) 6. N i60 上限成分
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图 8 Ni60 自熔合金焊层显微组织 ∃ 800
方面的问题尚需继续深入研究。 镍铬硼硅自熔合金综合性能优良, 用途
广泛, 可用于强化和修复承受金属摩擦磨损
图 7 不 同含铁量镍基自溶合金在室温 10%HNO3 溶液中的腐蚀速度
碳化铬硬度 HV1000 左右。Ni3 B 在高温条 件下相当稳定, 因此合金在高温条件下仍保 持较高的硬度。鉴于这类合金的组元较多, 往往是在固溶体上析出多种化合物, 在某些 条件下, 还可能形成有序超结构相。有关这
第2期
朱润生: 自熔合金粉末的研究
!8!
粉末冶金工业
第 10 卷
硼、硅 和 其 它 元 素 后, 合 金 具 有 温 度 在 1000 左右的固液相状态, 而且可在 HRC25 ~ H RC65 之间调节硬度, 并具有耐磨、耐蚀 和抗氧化性能, 表 1 所示为镍基自熔合金的
化学成分和主要性能。 由表 1 还可知, 镍基自熔合金粉末可分
图 5 Ni60、12496 合金高温硬度 1. N i60 上限成分 2. 12496( 瑞士) 3. Ni60 中限成分 4. N i60 下限成分
Hale Waihona Puke Baidu
图 6 Ni60、12496 合金在不同温度、24h 下的静态等温氧化动力学曲线 1. N i60 2. 12496( 瑞士)
但是, 合金的含铁量过高, 其耐蚀性明显降低 ( 图 7) 。