从定义到制造再到热处理，深度解析不可替代的镍合金

镍合金具有不可替代性，包括国防、能源、船舶、航空工业和其他需要高性能和可靠材料的应用领域，并且其一般用于极端高温的承载应用中，这远远超出了任何其他合金的适用性。


今天从定义到制造再到热处理，深度的来了解一下这个不可替代的合金。


镍的定义


纯镍是银白色的金属，熔点高(1455度)，力学功能和冷、热压力加工功能好，耐腐蚀性，是耐热浓碱溶液腐蚀的好材料，耐中性和微酸性溶液以及有机溶剂，在大气、淡水和海水中化学性安稳，但不耐氧化性酸和高温含硫气体的腐蚀。一般用作机械、化工设备的耐腐蚀构建，精密仪器结构件，电子管和无线电设备零件，器械及食品工业餐具器皿等。


镍合金


镍合金又称为镍基合金 是以镍为基加入其他元素组成的合金。1905年前后制出的含铜约30%的蒙乃尔（Monel）合金，是较早的镍合金。镍具有良好的力学、物理和化学性能，添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蚀性、高温强度和改善某些物理性能，在化工、电子、医疗、航空航天等部门有着广泛的用途。


镍合金按用途可分为：


（1）镍基高温合金：主要合金元素有铬、钨、钼、钴、铝、钛、硼、锆等。其中铬起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素起强化作用。在650～1000℃高温下有较高的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀能力，是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。用于制造航空发动机叶片和火箭发动机、核反应堆、能源转换设备上的高温零部件。


（2）镍基耐蚀合金：主要合金元素是铜、铬、钼。具有良好的综合性能，可耐各种酸腐蚀和应力腐蚀。最早应用的是镍铜合金，又称蒙乃尔合金；此外还有镍铬合金、镍钼合金、镍铬钼合金等。用于制造各种耐腐蚀零部件。


（3）镍基耐磨合金：主要合金元素是铬、钼、钨，还含有少量的铌、钽和铟。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蚀、焊接性能也好。可制造耐磨零部件，也可作为包覆材料，通过堆焊和喷涂工艺将其包覆在其他基体材料表面。


（4）镍基精密合金：包括镍基软磁合金、镍基精密电阻合金和镍基电热合金等。最常用的软磁合金是含镍80%左右的坡莫合金，其最大磁导率和起始磁导率高，矫顽力低，是电子工业中重要的铁芯材料。镍基精密电阻合金的主要合金元素是铬、铝、铜，这种合金具有较高的电阻率、较低的电阻率温度系数和良好的耐蚀性，用于制作电阻器。镍基电热合金是含铬20%的镍合金，具有良好的抗氧化、抗腐蚀性能，可在1000～1100℃温度下长期使用。


（5）镍基形状记忆合金：含钛的镍合金。其回复温度是70℃，形状记忆效果好。少量改变镍钛成分比例，可使回复温度在30～100℃范围内变化。多用于制造航天器上使用的自动张开结构件、宇航工业用的自激励紧固件、生物医学上使用的人造心脏马达等。


镍合金的成型工艺


金属常见的铸造工艺、冲压工艺等都是镍合金加工的常用方式。


（1）锻造：锻造是最普遍的金属加工工艺，通过反复将金属加热锤击淬火，直到得到想要的形状。适合单件和小批量生产。


工艺流程：开合模具锻造：加热的金属块通过上下模具锤压成型，用于延长金属形状，必须由经验丰富的操作工手工操作；闭合模具锻造：加热的金属块（黄色部分）通过上下模具锤压成型，用于金属的快速成型


（2）冲压成型：是一种金属冷处理加工方法，又被称之为冷冲压或板料冲压，借助冲压设备的动力，使金属板材在模具内直接受力成型，冲压的零件广泛应用于汽车零件制造和家用电器的制造。适合大批量生产。


工艺流程：将金属板材固定在模具台面上 → 冲头垂直下落，使金属板材在模具内部受力成型 → 冲头上升，零件被取出等待下一步修边打磨工序，整个过程在1s-1min左右


（3）失蜡成型：是一种少切削或无切削的精密铸造工艺，生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其它精密铸造方法要高。


工艺流程：


步骤1：将熔化的液态蜡注入到事先准备好的金属模具中，冷却凝固后形成多个蜡制部件

步骤2：利用蜡熔点低的特点，将单个蜡制部件组合连接成一个树状结构


步骤3：将组合好的蜡制树状结构浸泡在陶瓷浆料中


步骤4：在陶瓷表面喷上耐高温防火粒子


步骤5：在500°-1095°的高温烤箱中，内部的蜡将熔化并且流失殆尽，形成一个空心的陶瓷树状结构


步骤6：将熔化的液态金属（灰色部分）注入，并且填满陶瓷的空心腔体内


步骤7：等待腔体内的液态金属完全冷却固化后，将外表面的陶瓷硬壳敲碎，最后将单个金属零件从树状结构中切割分离


镍基合金的热处理


热处理作为材料科学领域的一项关键技术，对镍基合金的性能具有重要影响。在热处理过程中主要通过调整材料的微观结构来实现对镍基合金性能的优化。该过程通常包括固溶处理、淬火和时效处理几个阶段。


固溶处理


固溶处理是将镍基合金加热到高温并保持一段时间，以便合金中的各种元素完全溶解形成均匀的固溶体，然后快速冷却以获得过冷的单相固溶体。此过程可以增大晶粒从而提高合金的塑性和韧性。


淬火过程


随后是淬火过程，该过程中合金被迅速冷却通常是在水或其他冷却介质中以抑制晶体缺陷的形成，从而提高合金的硬度和强度。此外淬火也有助于防止组织中的不均匀性，保持材料的稳定。


最后时效处理


最后时效处理是在比固溶处理低的温度下保持一定时间，使超饱和固溶体中的溶质原子逐渐析出形成细小的第二相粒子。这些粒子通常均匀地分布在基体上，这种微观结构的调整使得镍基合金的硬度和强度得到进一步提升同时保持一定的塑性和韧性。


需要注意的是镍基合金热处理过程的具体参数，如温度、时间和冷却速率等要根据合金的具体成分和所需的性能来确定。不当的热处理可能会导致材料性能的不良改变，如晶粒长大过度可能会降低合金的强度，析出相的过量增长会导致韧性下降。


文章来源： 51DESIGN我要设计，钢铁智者，七号记
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来源：贤集网
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