耐磨鎳基合金是指除承受磨料磨損、粘著磨損及其它類型的磨損外,還要經(jīng)受介質(zhì)腐蝕和高溫氧化作用的一類鎳基合金 。
故其工作條件比一般的耐磨鋼和耐磨鑄鐵要復(fù)雜得多,耐著鎳基合金的化學(xué)成分為(%):C0.10~ 0.20,Mn 0.25,Si0.60,Cr14.00~17.00,Mo1.50~6.00,Al2.5~-3.50,F(xiàn)e8.00~12.00,Ti1.50~2.50,Ni余量。在820℃時的拉伸強度為520MPa,伸長率為3% 。
除承受磨料磨損、黏著磨損及其他類型的磨損外,還要經(jīng)受介質(zhì)腐蝕和高溫氧化作用的一類鎳合金。故鎳基工作條件比一般的耐磨鋼和耐磨鑄鐵要復(fù)雜得多。
耐磨鎳基合金的化學(xué)成分為(%):Si0.60,Cr14.00~17.00,Mo4.50~6.00,Al 2.5~3.50,F(xiàn)e8.00~12.00,Ti 1.50~2.50,Ni余量。在820℃時的拉伸強度為520MPa,伸長率為3% 。
這種材料一般用作在空氣或低潤滑液體中工作的耐磨零件,如石油化工設(shè)備、原子能設(shè)備以及噴氣飛機和內(nèi)燃機等中的閥門、泵件、活塞、活塞環(huán)、密封件、制動器、挺桿、輪葉及葉片等 。
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低合金鋼定義 中國鋼產(chǎn)量已突破 6 億噸,鋼材數(shù)量不再是主要矛盾,鋼材品種 結(jié)構(gòu)不合理的矛盾十分突出。 當(dāng)前行業(yè)的主要任務(wù)是努力提高產(chǎn)品的 市場競爭力,站在可持發(fā)展的新起點上, 把大力開發(fā)低合金鋼列入發(fā) 展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。許多普鋼企業(yè)在鋼材品種結(jié)構(gòu)調(diào)整和編制科技發(fā) 展規(guī)劃中,已意識到低合金鋼生產(chǎn)是提高產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值的關(guān) 鍵,對低合金鋼開發(fā)中碰到的種種問題心中無數(shù), 一些科技管理干部 覺得“成也低合金鋼,敗也低合金鋼” ,迫切要求對低合金鋼有個全 面的了解。 按國際標(biāo)準(zhǔn),把鋼區(qū)分為非合金鋼和合金鋼兩大類,非合金鋼是 通常叫做碳素鋼的一大鋼類, 鋼中除了鐵和碳以外, 還含有爐料帶入 的少量合金元素 Mn、Si、Al,雜質(zhì)元素 P、S及氣體 N、H、O等。 合金鋼則是為了獲得某種物理、 化學(xué)或力學(xué)特性而有意添加了一定量 的合金元素 Cr、Ni、Mo、V,并對雜質(zhì)和有害元素加以控制的另一 類
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。可制造耐磨零部件,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,顯著強化合金基體,提高基體的高溫強度和紅硬性;可以切斷、降低涂層中的網(wǎng)狀組織;提高抗氣蝕、沖蝕能力。
鎳基合金是超合金中應(yīng)用最廣、強度最高的材料。超合金之名稱即源自于材料特色;包括:
(1)性能超優(yōu)異:高溫下可維持高強度,且具有優(yōu)異的抗?jié)撟?、抗疲勞等機械性質(zhì),以及抗氧化和耐蝕特性與良好的塑性和 焊接性。
(2)合金添加超繁雜:鎳基合金常添加十種以上之合金元素,用以增進不同環(huán)境之耐蝕性;以及固溶強化或析出強化等作用。
(3)工作環(huán)境超惡劣:鎳基合金被廣泛用于各種嚴(yán)苛之使用條件,如航天飛行引擎燃氣 室的高溫高壓部份、核能、石油、海洋工業(yè)之結(jié)構(gòu)件,耐蝕管線等。
三、鎳基合金之微組織
鎳基合金的晶體結(jié)構(gòu)主要為高溫穩(wěn)定之 面心立方體(FCC)沃斯田鐵結(jié)構(gòu),為了提高其耐熱性質(zhì),添加了大量的合金元素,這些元素會形成各種二次相,提升了鎳基合金之高溫強度。二次相的種類包含各種形式之 MC、M23C6、M6C、M7C3碳化物,主要分布在晶界,以及如 γ’ 或 γ’’ 等結(jié) 構(gòu)上為整合性(Coherent)之有序(Ordering)介金屬化合物。γ’與 γ’’ 相之其化學(xué)組成大致是Ni3(Al, Ti) 或 Ni3Nb,此類有序相在高溫下非常穩(wěn)定,經(jīng)由它們的強化可得到優(yōu)良的潛變破壞強度。 典型鎳基合金之微組織如下圖:
隨著合金化程度的提高,其顯微組織的變化有如下趨勢: γ’相數(shù)量逐漸增多,尺寸逐漸增大,并由球狀變成立方體,同一合金中出現(xiàn)尺寸和形態(tài)不相同的γ’相。此外,在鑄造合金中還出現(xiàn)在凝固過程中形成的γ+γ’共晶,晶界析出不連續(xù)的顆粒狀碳化物并被γ’相薄膜所包圍,這些微組織的變化改善了合金的性能。此外,現(xiàn)代鎳基合金的化學(xué)成份十分復(fù)雜,合金的飽和度很高,因此要求對每個合金元素 (尤其是主要強化元素)的含量嚴(yán)加控制,否則會在使用過程中容易析出其他有害的介金屬相,如σ、Laves相等,將損害合金的強度和韌性。
四、合金元素之作用與牌號
鎳基合金是高溫合金中應(yīng)用最廣、強度最高的一類合金。其中添加較大量的Ni 為沃斯田鐵相穩(wěn)定元素,使得鎳基合金維持 FCC結(jié)構(gòu)而可以溶解較多其它合金元素,還能保持較好的組織穩(wěn)定性與材料的塑性;而 Cr、Mo和Al則具有抗氧化和抗腐蝕作用,并具有一定的強化作用。鎳基合金的強化依元素作用方式可分為:
(1)固溶強化元素,如W、Mo、Co、Cr和V等,藉由此類原子半徑與基材的不同,在Ni-Fe之基地造成局部晶格應(yīng)變來強化材料;
(2)析出強化元素則如Al、Ti、Nb和Ta等,可以形成整合性有序的A3B型金屬間化合物,如Ni3(Al,Ti)等強化相(γ’),使合金得到有效的強化,獲得比鐵基高溫合金和鈷基合金更高的高溫強度;
(3)晶界強化元素,如B、Zr、Mg和稀土元素等,可加強合金之高溫性質(zhì)。一般鎳基合金的牌號由其所開發(fā)廠家來命名,如Ni-Cu合金又稱為Monel合金,常見如Monel 400、K-500等。Ni-Cr合金一般稱為 Inconel合金,也就是常見之鎳基耐熱合金,主要在氧化性介質(zhì)條件下使用 ,常見如 Inconel 600、625等。若是Inconel合金中加入較高量的Fe來取代Ni,則為Incoloy合金,其耐高溫程度不如鎳基析出硬化型合金,但價格便宜,可用于噴射引擎里溫度較低部份的組件及石化廠反應(yīng)器等,如Incoloy 800H、825等。若于Inconel與Incoloy中加入析出強化元素,如Ti、Al、Nb等,則成為析出硬化型(鐵)鎳基合金,可于高溫下仍保有良好的機械強度與抗蝕性,多用于噴射引擎的組件,如 Inconel 718 、Incoloy A-286 等。而 Ni-Cr-Mo(-W)(-Cu) 合金則稱為哈氏耐蝕合(Hastelloy),其中Ni-Cr-Mo主要在還原性介質(zhì)腐蝕的條件下使用。Hastelloy的代表牌號如C-276、C-2000等。
一、競爭格局
鎳合金在家用領(lǐng)域主要應(yīng)用在電子電工產(chǎn)品方面,主要應(yīng)用于電視制造、家電制造等。
曾經(jīng)預(yù)測銅合金引線框架帶材將完全代替鎳合金引線框架帶材的情況,目前通過市場的甄別分類,顯示出鎳合金不能完全代替,并且已基本形成鎳合金占20%,銅合金占80%的比例。近年來隨著集成電路的小型化,Ni42鎳合金帶材由于特殊的性能,用量在擴大。
二、驅(qū)動力
1、鎳基合金材料國產(chǎn)化水平較低,機會較大
我國已是世界彩電、彩管生產(chǎn)的大國,但是到目前為止,彩管用金屬功能材料基本上依靠進口,彩管材料的國產(chǎn)化率不足10%,這為我國精密合金行業(yè)的發(fā)展提供了發(fā)展空間,高精度精密合金板帶材已列入國家鼓勵發(fā)展的高科技項目,因此顯像管電視用鎳合金帶材將仍有很大的量。
2、鎳基合金材料在電視機行業(yè)的不可替代性。
3、低膨脹鎳合金優(yōu)勢明顯。
三、阻礙因素
1、電視機等家用電子行業(yè)競爭激烈,整體步入微利時代。
彩電行業(yè)在家電行業(yè)中甚至于與經(jīng)濟領(lǐng)域內(nèi)的任何一個行業(yè)相比,都可以說是市場化程度最深的行業(yè)之一。低價格策略的無序競爭使彩電行業(yè)整體進入了微利時代,當(dāng)然這也許只是對久經(jīng)價格戰(zhàn)的國內(nèi)彩電廠商而言,外國的跨國公司不可以同日而語。
2、鎳基合金在家用電子行業(yè)應(yīng)用比重的下降。
一、競爭格局
國際鎳業(yè)研究組織(INSG)預(yù)期2011年全球鎳消費量將由2010年的143萬噸升至153萬噸。INSG對2010年和2011年的產(chǎn)量預(yù)期不包括可能影響產(chǎn)量的調(diào)整因素。2009年鎳市場過剩量約為11萬噸,全球產(chǎn)量為135萬噸,消費量為124萬噸。
二、驅(qū)動力
國內(nèi)鎳合金市場需求迅速增加,發(fā)展前景良好,而目前國內(nèi)鎳合金帶材加工行業(yè)處于老產(chǎn)業(yè)和新產(chǎn)業(yè)更替階段,市場機遇良好。國內(nèi)鎳合金加工水平整體落后,體現(xiàn)在工藝技術(shù)、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模等方面,國家急需的電子電工行業(yè)鎳合金帶材、工業(yè)建設(shè)鎳合金板材等。
三、阻礙因素
1、國內(nèi)鎳合金加工水平整體落后
主要體現(xiàn)在工藝技術(shù)、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模等方面,國際急需的電子電工行業(yè)鎳合金帶材、工業(yè)建設(shè)鎳合金板材等,目前大部分依賴國外進口,受到國外制約。因此,全面提升鎳合金加工水平、加快產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進步顯得非常緊迫,這是國家對鎳合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求,也是加快經(jīng)濟發(fā)展的必需。
2、原材料價格波動較大,成為未來主要的競爭點
鎳及鎳合金板帶材作為重要的金屬材料具有很強的增值能力,隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展對鎳幾鎳合金板帶材的需求日益旺盛,產(chǎn)品價格也將隨著市場的發(fā)展發(fā)生波動。