耐腐蚀材料

耐腐蚀材料

——镍基合金

0908030227

彭睿

摘要：镍在许多腐蚀性苛刻的介质中,都具有很高的耐蚀性能。镍对铜、铬、铁等金属元素有较高的固溶度,因而能组成成分范围广泛的镍合金。镍基合金是一类高性能的耐蚀材料，本文介绍了镍基耐蚀材料的耐蚀特性、并与其它材料作了比较．综述了现阶段此材料的研究与发展方向，在工程中镍基耐蚀合金的种类及其应用。

关键词：镍基合金；耐蚀；电化学；发展；

镍基合金是指在650～1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照主要主要性能又细分为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。高温合金按照基体的不同可分为：铁基高温合金，镍基高温合金与钴基高温合金。其中镍基高温合金简称镍基合金。主要合金元素有铬、钨、钼、钴、铝、钛、硼、锆等。其中Cr，Ai等主要起抗氧化作用，其他元素有固溶强化，沉淀强化与晶界强化等作用。镍基合金的代表材料有: Incoloy合金，如Incoloy800，主要成分为；32Ni-21Cr-Ti,Al；属于耐热合金；Inconel合金，如Inconel600，主要成分是；73Ni-15Cr-Ti,Al；属于耐热合金；Hastelloy合金，即哈氏合金，如哈氏C-276，主要成分为；56Ni-16Cr-16Mo-4W；属于耐蚀合金；Monel合金，即蒙乃尔合金，比如说蒙乃尔400，主要成分是；65Ni-34Cu；属于耐蚀合金；

镍基合金是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从 700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。

镍在耐蚀台金中的一个极其重要的特征，是许多具有种种耐蚀特性的元素(倒如Cu、Cr、Mo、w等)在镍中的固溶度比在Fe中的大得多(在Nl中分别可溶100“Cu、47 o％Cr、39．3％Mo、及40％W)，能形成广泛成分范围的固溶体台金，既保持了镍固有的电化学特性，又兼有合金化组元的良好特有耐蚀品质。这样镍基耐蚀合金既具有优异的耐蚀性能，义具有强度高、塑韧性好，可以冶炼、铸造，可以冷，热变形和成型加工，以及可以焊接等多方面的良好综合性能。

镍基耐蚀合金是一种以抗液体介质（室温，有时也可高于室温）腐蚀能力为其主要性能的合金。含镍量一般不超过70%，主要添加Cu，Cr，MO，W等，以适应各种不同化学性质的工作介质。加铜提高镍在还原性介质中的耐蚀性，以及在充

气的高速流动海水中均匀的钝性；铬赋予镍在氧化条件（如HNO

3，H

2

ClO

4

）下的

抗蚀能力，以及高温下的抗氧化、抗硫化的能力；钼和钨显著提高镍在还原性酸

中的抗蚀性；在镍合金中同时加入Cr，MO，可同时改善其在氧化性介质和还原性介质中的耐蚀性.由于碳化物等第二相析出（此时合金处于敏化状态）所造成的对材料耐蚀能力的严重损伤，因此，镍基耐蚀合金需要通过专门的熔炼技术，控制碳含量在尽可能低的水平（一般均在0. 03%以下）. 尽管耐热合金也有镍基和铁-镍基系列，但不应将主要用于航天、航空等高温热强用途的镍基高温合金与主要用于化工等过程以及海洋工程等领域的高镍耐蚀合金混为一谈. 事实上，它们二者在主要使用性能、成分设计上是存在显著区别的. 当然，高镍耐蚀合金除优良的耐介质腐蚀性能外，也常常具有一定的热强性（尤其Ni-Cr 系），也可以用于一定的高温条件下（如500 ~ 600 C）；而高温合金通常也具有一定的耐蚀能力，有时也可以用于腐蚀环境之中. 即使如此，这些镍基合金仍是可区分的，主要依据是化学成分、特点和用途，以及在该用途中所用合金的主要性能.简而言之，主要用其耐热或热强性能的，即是耐热或高温合金；主要用其耐蚀性能的，则称为耐蚀合金。

Ni-Cu镍基合金主要用于弱还原性溶剂、特别是氢氟酸：约含70%Ni 和30%Cu 的镍铜合金素以蒙乃尔（MOHeI）之名著称，蒙乃尔合金兼有Ni 和Cu 的许多优点，在还原性介质中比Ni 基合金耐蚀，在氧化性介质中又较铜的耐蚀，该合金在磷酸、硫酸、盐酸、盐类溶液和有机酸中都比Ni 和Cu 更为耐蚀，它是除铂、银外最好的耐氢氟酸腐蚀的金属材料之一。蒙乃尔合金在大气中能保持永恒的金属光泽，在淡水中和流动海水中的腐蚀速率很小，但在静止的海水中有点蚀倾向（平静海水对moneI 400 的浸蚀率一般小于25um/a，可能发生蚀坑时则约为400!M/a），在非氧化性的各种介质中有极好的耐蚀性。蒙乃尔在潮湿的环境中会受到氧化性酸类、氯化物和铵盐的浸蚀，所以在氧化性的水溶液中不耐蚀，另外，它在熔融苛性碱中会产生应力腐蚀。MOHeI 400 在热轧退火后屈服强度为200Mpa，抗拉强度为500 Mpa，延伸率为48%，硬度为125 HV。可通过冷加工提高强度，在冷拔和消除条件下为380 --700 Mpa。MOHeI 合金主要用于高温并有载荷下的耐蚀零件及设备，常用于制造输送浓碱液的泵、阀门等. 此外，由于镍铜合金的高强度、抗蚀和无磁性，很适合于制作无火花工具、船用螺旋桨轴等. Ni-Cr系合金主要用于强氧化性介质。铬的加入使镍的耐氧化性酸、盐以及抗高温氧化、硫化、钒腐蚀的能力显著增加。含15%Cr可使Ni 在稀硫酸中钝化；含25%以上的Cr便可在充气的稀硝酸中钝化；若要求在热浓硝酸中耐蚀，则需要35%

--50%的铬.典型的Ni-Cr耐蚀合金有inconel600（Cr

15Ni

75

Fe）,不仅抗高温氧化，

也可用于水溶液中，特别是强氧化性水溶液。它可用于室温的硫酸、磷酸、低浓度的盐酸、氢氟酸等环境中. 在大气、水和蒸汽以及碱中耐蚀性极好，广泛用于

化工、核动力工业等.inconel600（Cr

15Ni

75

Fe）的耐应力腐蚀能力进一步得到改

善，主要用于轻水堆蒸发器传热管，且由于W

c

《0. 02%，耐晶间腐蚀能力也得到提高，因而在化工领域得到广泛地使用。

其它镍基耐蚀合金：Ni-Si 合金（Ni

82和Si

9

）可抗硫酸（任一浓度和沸点温度）

腐蚀、有机酸及盐的腐蚀。Ni-Fe-Cr （如825 合金，含Fe 达30%，Cr 2l.5%及43%Ni等）主要用于氧化性溶液，价格较为便宜。Ni-Cr-Si（如D-205合金，含20% Cr，5%Si及65%Ni等）主要用于超氧化介质。

与其它耐蚀材料应用上的比较不锈钢只能用丁普通自然环境“及稀硝酸中，’它在较高温度和较苛刻的介质(无沦是还原性或氧化性的)中腐蚀严重。旦存在氯离子。不锈钢就会产生点蚀和缝隙腐蚀，还具有严重的应力腐蚀倾向(危害最大)．氯化物应力腐蚀断裂是限制奥氏体不锈钢应用的主要因素，特别是300系列；