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Roleandapplicationofnickelinsteel

Abstract

Chinaisamajorproducerofsteel,butalsoironandsteelconsumingcountryintheworld,intheeconomicdevelopmentandpeople'

slife,ironandsteelastheimportantbasicmaterialcanbeseeneverywhere,itiswidelyused,awidevariety.Inactualproductionandlife,steeloftencontainsdifferentalloyelements,suchasmanganese,nickel,vanadiumandsoon,theseelementsofthesteelisveryimportantfortheperformanceofthesteel.Influenceofdifferentalloyelementspropertiesofsteel,nickelisoneoftheelementsofthealloysteel,nickelcanimprovethemechanicalpropertiesofthesteel,steelincreasesthestrength,toughness,heatresistance,anincreaseofsteelcorrosion,acidresistanceandpermeability.Nickelalsocanrefinethegrain,improvethequenchingofsteelandincreasethehardnessofsteel.Becauseofitssuperiorpropertiesofaustenite,nickelhasbecomeanimportantalloyingelement.Becauseofitsuniqueperformanceinsteel,nickeliswidelyusedinstainlesssteel,heat-resistantsteelandsoondifferentkindsofsteel.Nickelisnotonlyinthefieldofironandsteelextensiverole.Inothernickelcontainingalloysisimpressive,andtheperformanceandadvantage,especiallynickelandchromiumbindingproducedbyexcellentperformanceisusedinimportantareas.Thispaperfocusesontheroleandapplicationofnickelinsteel.

Keywords:

Nickel;

Stainlesssteel;

Heatresistantsteel;

Application

1镍的简介

陨石包含着铁和镍，早期它们被作为上好的铁使用。

因为这种金属不生锈，它被秘鲁的土著看作是银。

一种含有锌镍的合金被叫做白铜，在公元前200年的中国被使用。

有些甚至延伸到了欧洲。

在1751年，工作于斯德哥尔摩（瑞典首都）的AxelFredrikCronstedt研究一种新的金属——叫做红砷镍矿（NiAs）——其来自瑞典的海尔辛兰的Los。

他以为其包含铜，但他提取出的是一种新的金属，他于1754年宣布并命名为nickel（镍）[1]。

许多化学家认为它是钴，砷，铁和铜的合金——这些元素以微量的污染物出现。

直到1775年纯净的镍才被TorbernBergman制取，这才确认了它是一种元素。

镍：

近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素，它能够高度磨光和抗腐蚀。

主要用于合金（如镍钢和镍银）及用作催化剂（如拉内镍，尤指用作氢化的催化剂）[nickel]——元素符号Ni。

在自然界，最主要的镍矿是红镍矿（砷化镍）与辉砷镍矿（硫砷化镍）。

古巴是世界上最著名的蕴藏镍矿的国家，在多米尼加也有大量的镍矿[2]。

金属镍主要用于电镀工业，镀镍的物品美观、干净、又不易锈蚀。

极细的镍粉，在化学工业上常用作催化剂。

镍大量用于制造合金。

镍是优良的耐腐蚀材料，也是合金钢的重要合金化元素，在钢中加入镍可以提高机械强度，改善钢的性能。

钛镍合金具有“记忆”的本领，而且记忆力很强，经过相当长的时间，重复上千万次都准确无误。

它的“记忆”本领就是记住它原来的形状，所以人们称它为“形状记忆合金”。

原来这种合金有一个特性转变温度，在转变温度之上，它具有一种组织结构，而在转变温度之下，它又有另一种组织结构。

结构不同，性能也就不同。

例如：

一种钛镍记忆合金，当它在转变温度之上时，很坚硬，强度大，而在这个温度以下，它却很软，容易冷加工。

这样，当我们需要它记忆什么形状时，就把它做成那种形状，这就是它的“永久记忆”形状，在转变温度以下，由于它很软，我们便可以在相当大的程度内使其任意变形。

而当需要它恢复到原来形状时，只要把它加热到转变温度以上就行了。

镍具有磁性，能被磁铁吸引。

而用铝、钴与镍制成的合金，磁性更强了。

这种合金受到电磁铁吸引时，不仅自己会被吸过去，而且在它下面吊了比它重六十倍的东西，也不会掉下来。

这样，可以用它来制造电磁起重机。

镍的盐类大都是绿色的。

氢氧化镍是棕黑色的，氧化镍则是灰黑色的。

氧化镍常用来制造铁镍碱性蓄电池。

2镍在钢中的作用

2.1提高钢的强度

镍在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著。

一般地讲，对不需调质处理而在轧钢、正火或退火状态使用的低碳钢，一定的含镍量能提高钢的强度而不显著降低其韧性。

据统计，每增加1%的镍约可提高强度29.4Pa。

随着镍含量的增加，钢的屈服程度比抗拉强度提高的快[3]。

镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。

对于中碳钢，由于镍降低珠光体转变温度，使珠光体变细；

又由于镍降低共析点的含碳量，因而和相同的碳含量的碳素钢比，其珠光体数量较多，使含镍的珠光体铁素体钢的强度较相同碳含量的碳素钢高。

反之，若使钢的强度相同，含镍钢的碳含量可以适当降低，因而能使钢的韧性和塑性有所提。

镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。

镍降低钢的低温脆性转变温度，这对低温用钢有极重要的意义。

含镍3.5%的钢可在-100℃时使用，含镍9%的钢则可在-196℃时工作。

2.2提高钢的淬透性

镍形成碳化物的倾向要比铁弱一些，能促进石墨化，镍不溶于碳化物而无限固溶于铁，镍降低奥氏体临界冷却速率，促使马氏体转变提高淬透性[4]。

在中碳与高碳钢中，当含有量达到有效含量值时，淬火后倾向于保留奥氏体。

由于镍扩大奥氏体相区，镍加入不超过1.0%为宜。

2.3扩大奥氏体区

镍在钢中是形成奥氏体的元素，普通碳钢的晶体结构称为铁氧体，呈体心立方（BCC）结构，加入镍，促使晶体结构从体心立方（BCC）结构转变为面心立方（FCC）结构，这种结构被称为奥氏体。

在低碳镍钢中要获得纯奥氏体单相组织，镍含量就需要达到24%以上。

2.4提高钢的热强性和耐蚀性

镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。

此外，镍加入钢中不但能耐酸，还能抗碱，对大气及盐都有抗蚀能力，但是镍的作用只有与铬配合才能充分表现出来。

3镍在钢中的应用

镍以其独特的性质及在钢中的作用，应用较广泛。

由于它和铬结合产生相当多的优良属性，被应用在大多数不锈钢、耐热钢及其他钢种中。

3.1镍在不锈钢中的应用

不锈钢是在特定腐蚀介质中具有一定抗腐蚀能力的结构材料。

不锈钢的主要合金元素是铬，铬元素增加提高耐蚀性，其遵循“n/8”规律。

碳含量增加可以提高强度，但会降低耐蚀性。

镍增加到一定量可以提高耐腐蚀性，实际上镍含量需要达到27%时，才能显著地提髙不锈钢的耐蚀性，所以在不锈钢中没有单独以镍作为合金元素的。

当镍和铬配合时，含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能[5]。

基于上面的情况可知：

镍作为合金元素在不锈钢中的作用，在于它使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。

因此，镍在不锈钢中的应用可以大致分为两大类。

3.1.1镍在奥氏体不锈钢中的应用

奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。

钢中含Cr约18%、Ni8%～10%、C约0.1%时[6]，具有稳定的奥氏体组织。

奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。

与铁素体不锈钢和马氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢除了具有很高的耐腐蚀性外，还有许多优点。

它无磁性而且具有高韧性和塑性，低温韧性好[7]，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。

在这里，镍的加入发挥了至关重要的作用。

此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。

此类钢中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。

高硅的奥氏体不锈钢对浓硝酸具有良好的耐蚀性。

由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，是应用最广泛的不锈钢，约占不锈钢总产量的2/3。

3.1.2镍在双相不锈钢中的应用

在不锈钢中，有两种相反的力量同时作用：

铁素体形成元素不断形成铁素体，奥氏体形成元素不断形成奥氏体。

最终的晶体结构取决于两类添加元素的相对数量。

铬是一种铁素体形成元素，所以铬在不锈钢晶体结构的形成上和奥氏体形成元素之间是一种竞争关系。

因为铁和铬都是铁素体形成元素，所以400系列不锈钢是完全铁素体不锈钢，具有磁性。

在把奥氏体形成元素-镍加入到铁-铬不锈钢的过程中，随着镍成分增加，形成的奥氏体也会逐渐增加，直至所有的铁素体结构都被转变为奥氏体结构，这样就形成了300系列不锈钢。

如果仅添加一半数量的镍，就会形成50%的铁素体和50%的奥氏体，这种结构被称为双相不锈钢。

因此，双相不锈钢（DuplexStainlessSteel，简称DSS），指铁素体与奥氏体各约占50%，一般较少相的含量最少也需要达到30%的不锈钢。

在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。

有些钢还含有Mo、Cu、Nb、Ti、N等合金元素。

该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。

与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高[8]。

双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。

3.2镍在耐热钢中的应用

在高温工作下的金属材料，温度相对他们来说，有很大影响。

因此，耐热钢应运而生，耐热钢是在高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的钢。

为满足高温服役要求，耐热钢要有好的化学稳定性、热强性及相应的力学性能。

镍在耐热钢中的应用也可分为两类。

3.2.1镍在奥氏体型抗氧化钢中的应用

奥氏体型抗氧化钢是在奥氏体不锈钢的基础上发展起来的，该类钢的组织以奥氏体为基体，可在600～870℃温度范围内工作，作为抗氧化钢可用到1200℃，代表性的钢种是含镍高于8％的铬镍奥氏体耐热钢，它们具有优异的抗氧化性能、良好的冶炼加工性能以及力学性能。

3.2.2镍在奥氏体型热强钢中的应用

奥氏体型热强钢的基体具有面心立方结构，与一般马氏体型钢相比，其原子排列密度高，原子间结合力强，晶格间原子扩散能力差，而且奥氏体钢中的共格碳化物与金属间化合物的析出温度比马氏体钢中高，所以奥氏体型热强钢有显著优于马氏体型热强钢钢的热强性。

这使得奥氏体型热作模具钢的工作温度可以高达750℃以上[9]。

3.3镍在其他含镍钢中的应用

镍不仅在不锈钢和耐热钢中应用广泛，因为它良好的淬透性及其他优良性能还应用在其他钢种中。

3.3.1镍在超高强度钢中的应用

超高强度钢是近30年来为适应航空和航天技术的需要而发展起来的一种比强度高的结构材料，其室温拉伸强度超过1400Mpa，屈服强度大于1300MaP[10]。

Ni-4Co型超高强度钢；

含9%镍使钢固溶强化和提高韧性，加4%钴的作用在于尽量减少钢中残留奥氏体量，钼和铬是为了产生沉淀硬化效应。

含碳0.20～0.30%时，抗拉强度可达130～160kgf/mm2；

断裂韧度达400kgf/mm以上。

综合性能好，抗应力腐蚀性高，具有良好的工艺性能。

3.3.2镍在高淬透性渗碳钢中的应用

它含有较多的铬、镍等元素，不但淬透性好，而且具有很好的韧性，特别是低温冲击韧性。

当钢中含镍量从2.94％增加到了7.04％时，抗拉强度便由52.2公斤/毫米2增加到72.8公斤/毫米，因此高淬透性渗碳钢用来制造机器承受较大压力、承受冲击和往复负荷部分的零件，如涡轮叶片、曲轴、连杆等。

4结论

（1）镍由于其储量低、价格昂贵的特点，一般应用在重要的钢材料上。

（2）镍在钢中的大部分作用都因为它是奥氏体化元素才得以体现，镍可以提高钢的机械性能，增加钢的强度、韧性、耐热性，增加钢的防腐蚀、抗酸性及其导磁性等。

（3）镍绝大多数情况下都是应用在铬钢中，可以说镍的作用只有在铬钢中才最大化的体现出来。

（4）镍不仅在钢铁领域作用广泛，在其他含镍合金中也表现不俗，且性能及其优越。

参考文献：

[1]TomK.Grimsrud.AxelFredrikCronstedt（Born1722,Died1765）[J].Epidemiology,2005,Vol.16

（2）：

232-232

[2]曹宏梅，赖红伟，董树国，朱志国.微量元素镍概论[J].广东微量元素科学，2006，13（12）：

1-6.

[3]狄国标，周砚磊，麻庆申，姜中行，刘振宇.镍含量对海洋平台用钢组织性能的影响[J].钢铁研究学报.2012，24（6）：

52-56.

[4]曹艺，王昭东，吴迪，王国栋.变形及合金元素对NM400连续冷却转变的影响[J].热加工工艺，2011，1-4.

[5]靳赛特.400系铁素体不锈钢热轧板材耐腐蚀性能研究[D].兰州理工大学大学，2010.

[6]周建男.特殊钢生产工艺技术概述（续）[J].山东冶金，2008，30（3）：

1-12.

[7]赵丽萍，刘宗昌.金属材料学[M].北京：

北京大学出版社，2012.

[8]汤瑞瑞，龚利华.节镍型双相不锈钢的研究进展[J].全面腐蚀控制，2013：

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[9]罗学心，何向山.国内外热挤压工模具用材的发展[J].材料科学与工程，1991：

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[10]万翛如.新型高合金二次硬化超高强度钢的发展[J].材料工程，1994：

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