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小陈毕业设计
镍基和铁镍耐蚀合金综述
姓名：
小陈
学号：
353100455
专业：
材料成型与控制
班级：
材料3101
指导教师:
袁颖，蒋清亮
学校：
西安理工大学
内容提要及关键词
随着科学技术和经济建设的深入发展，中国国民经济持续高速发展导致在电力、石油、化工以及其他民用工业中对高温耐蚀合金的需求不断提高。
我国自1956年生产第一炉高温合金以来已有五十多年的历史。
长期以来大部分高温合金用于航空及航天工业，然而，近年来民用高温耐蚀合金的需求已超过国内目前可提供的产能，而不得不依靠进口，镍基和铁镍耐蚀合金的应用逐渐扩大，因此对它们的性能的要求也就至关重要。
本篇论文较为详细的介绍了镍基和铁镍耐蚀合金的发展概况及应用现状，同时简要分析了各类合金的成分特点，主要合金元素的作用，不同元素的特性，并参考文献资料说明了镍基和铁镍耐蚀合金的焊接特点及热处理特点，同时给出了各种焊接时容易出现的问题及对策，同时从镍的特性出发列举了包括杜拉镍301，镍铜耐蚀合金，镍铬耐蚀合金，镍钼耐蚀合金，镍铬钼耐蚀合金，镍铬钼铜耐蚀合金等各类镍基耐蚀合金作用及工艺特性，
关键词：
镍基铁镍耐蚀合金
目录
一．镍基和铁镍耐蚀合金概述…………………………………………………4
（一）.镍基和铁镍耐蚀合金定义......................................4
（二）.镍基和铁镍耐蚀合金分类......................................4
（三）.主要合金元素及其作用........................................4
（四）.镍基和铁镍耐蚀合金的的发展..................................5
1.镍基合金的发展.............................................5
2.铁镍耐蚀合金的发展.........................................6
二．纯镍及其特性...................................................7
（一）.纯镍简介....................................................7
（二）.镍及其特性..................................................8
三．典型镍基和铁镍合金.............................................9
（一）.杜拉镍......................................................9
（二）.镍铜耐蚀合金Ni68Cu28Fe/Monel400合金的成分和组织性能........9
1．化学成分和组织特点.........................................10
2．耐蚀性能...................................................10
（1）.大气腐蚀................................................10
（2）.水腐蚀..................................................10
（3）.高温腐蚀......................。
........................10
3.铜镍合金...................................................11
（三）.镍铬耐蚀合金..............................................11
（四）.镍钼耐蚀合金.............................................11
（五）.镍铬钼耐蚀合金.............................................11
1.耐全面腐蚀性能.............................................13
2.耐晶间腐蚀性能...........................................13
3.耐孔蚀和缝隙腐蚀性能.....................................13
4.耐应力腐蚀性能...........................................13
（六）.镍铬钼铜耐蚀合金...........................................14
（七）.铁镍基耐蚀合金.............................................15
四．镍基和铁镍耐蚀合金的焊接特点及热处理特点......................15
（一）.镍基和铁镍耐蚀合金焊条.....................................15
（二）.镍基和铁镍耐蚀合金的焊接特点...............................18
1.易产生焊接热裂纹..........................................18
2.液态金属流动性差，焊缝熔深浅...............................19
（三）.镍基和铁镍耐蚀合金热处理特点..............................19
1.热处理温度及析出相对镍基合金腐蚀性能的影响...............19
2.镍基高温合金的热处理.....................................20
五．镍基和铁镍耐蚀合金焊接时容易出现的问题及对策..................21
（一）.镍基合金的焊接工艺........................................21
（二）.镍基、铁镍基耐蚀合金的焊接工艺及控制要点...................21
六．参考文献....................................................22
镍基和铁镍耐蚀合金综述
一．镍基和铁镍耐蚀合金概述
（一）.镍基和铁镍耐蚀合金定义
镍基合金包括耐蚀合金和高温合金，一种是在一般常温腐蚀介质工作，称为耐蚀合金。
而另一种是在高温600℃以上工作，抵御高温氧化腐蚀等，成为高温合金；以镍为基体,含镍大于50％，具有一定的高温强度等综合性能并且能够耐氧化或水容易介质腐蚀的合金,称为镍基耐蚀合金。
与之对应的,将含镍大于30％,且含镍加铁大于50％的耐蚀合金,习惯上称为铁－镍基耐蚀合金。
（二）.镍基和铁镍耐蚀合金分类
镍基耐蚀合金多具有奥氏体组织。
在固溶和时效处理状态下，合金的奥氏体基体和晶界上还有金属间相和金属的碳氮化物存在，各种耐蚀合金按成分分类及其特性如下：
Ni-Cu合金在还原性介质中耐蚀性优于镍,而在氧化性介质中耐蚀性又优于铜，它在无氧和氧化剂的条件下，是耐高温氟气、氟化氢和氢氟酸的最好的材料（见金属腐蚀）。
Ni-Cr合金主要在氧化性介质条件下使用。
抗高温氧化和含硫、钒等气体的腐蚀，其耐蚀性随铬含量的增加而增强。
这类合金也具有较好的耐氢氧化物（如NaOH、KOH）腐蚀和耐应力腐蚀的能力。
Ni-Mo合金主要在还原性介质腐蚀的条件下使用。
它是耐盐酸腐蚀的最好的一种合金，但在有氧和氧化剂存在时，耐蚀性会显著下降。
Ni-Cr-Mo（W）合金兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。
主要在氧化－还原混合介质条件下使用。
这类合金在高温氟化氢气中、在含氧和氧化剂的盐酸、氢氟酸溶液中以及在室温下的湿氯气中耐蚀性良好。
Ni-Cr-Mo-Cu合金具有既耐硝酸又耐硫酸腐蚀的能力，在一些氧化-还原性混合酸中也有很好的耐蚀性。
由于铁镍基耐蚀合金主要用于耐蚀用途且它们的耐蚀性能主要由化学成分所决定，所以铁镍基耐蚀合金系按其化学成分的特点来分类，主要有Ni-Fe-Cr、Ni-Fe-Cr-Mo和Ni-Fe-Cr-Mo-Cu三类.
（三）.主要合金元素及其作用
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。
●硼、硅元素的作用：
显著降低合金熔点，扩大固液相线温度区，形成低熔共晶体；脱氧还原作用和造渣功能；对涂层的硬化、强化作用；改善操作工艺性能
●铜元素的作用：
提高对非氧化性酸的耐蚀性
●铬元素的作用：
固溶强化作用、钝化作用；提高耐蚀性能和抗高温氧化性能；富余的铬容易与碳、硼形成碳化铬、硼化铬硬质相从而提高合金硬度和耐磨性
●钼元素的作用：
原子半径大，固溶后使晶格发生大的畸变，显著强化合金基体，提高基体的高温强度和红硬性；可以切断、降低涂层中的网状组织；提高抗气蚀、冲蚀能力。
（四）.镍基和铁镍耐蚀合金的的发展
1.镍基合金的发展
镍基合金在许多的领域中，比如：
（1）、海洋：
海域环境的海洋构造物，海水淡化，海水养殖，海水热交换等。
（2）、环保领域：
火力发电的烟气脱硫装置，废水处理等。
（3）、能源领域：
原子能发电，煤炭的综合利用，海潮发电等。
（4）、石油化工领域：
炼油，化学化工设备等。
（5）、食品领域：
制盐，酱油酿造等。
在以上的众多领域中，普通不锈钢304是无法胜任的，在这些特殊的领域中，特种不锈钢是不可缺少的，也是不可被替代的。
近几年来，随着经济的快速发达，随着工业领域的层次的不断提高，越来越多的项目需要档次更高的不锈钢。
随着各行业对镍基合金需求量的增长。
2011年我国镍基合金市场规模达到230.7亿元，同比增长率19.47%。
因此，行业发展水平处于稳步上升趋势。
图表1：
2007-2011年中国镍基合金市场规模与增长分析单位：
亿元
镍原料主要集中在我国西部地区由于受到原材料、物流等因素的影响，镍生产加工企业为了节约成本大多集中在我国西部地区。
因此，从下图可得我国镍基合金市场主要都*******************************。
主要由于近年来东部地区经济工业发展速度较快。
预计未来几年，我国**地区将会是镍基合金生产主要聚集地。
图表2：
2011年我国镍基合金行业区域分布结构分析
数据来源：
中安顾问
2.铁镍耐蚀合金的发展
1905年美国生产的Ni-Cu合金（Monel合金Ni70Cu30）是最早的镍基耐蚀合金。
1914年美国开始生产Ni-Cr-Mo-Cu型耐蚀合金（IlliumR），1920年德国开始生产含Cr约15％、Mo约7％的Ni-Cr-Mo型耐蚀合金。
70年代各国生产的耐蚀合金牌号已近50种。
其中产量较大、使用较广的有Ni-Cu,Ni-Cr,Ni-Mo，Ni-Cr-Mo（W），Ni-Cr-Mo-Cu和Ni-Fe-Cr，Ni-Fe-Cr-Mo等合金系列,共十多种牌号。
中国在50年代开始研制镍基和铁－镍基耐蚀合金，到70年代末，已有十多种牌号。
镍的应用是由镍的抗腐蚀性能决定的，合金中添加镍可增强镍的抗腐蚀性能。
不锈钢与合金生产领域是镍的最大应用领域。
合金中加入镍的用途：
蒙乃尔高强度耐蚀镍铜锰铁合金（Ni，Cu，Fe，Mn）在化学设备、造船业领域广泛应用，还用于制造沉淀池和盖等；全球约2/3的镍用于生产不锈钢，因此不锈钢行业对镍消费的影响居第1位。
目前全球有色金属中，镍的消费量仅次于铜、铝、铅、锌，居有色金属第5位。
2005年我国产镍9.53万吨,比上年增长26.29%;2005年我国镍矿金属含量5.99万吨,比上年下降5.39%;2006年镍精矿含镍量1-8月份累计产量为4.65吨，同比增加了14.69%，我国电解镍1-8月份累计产量为6.33万吨，同比下降了3.1％,我国镍金属外贸进出口逆差继续扩大，2005年我国镍产品进口额22.67亿美元,同比增长76.5%；同期镍出口额2.64亿美元,增长19.9%;2005年镍产品外贸逆差20.0亿美元；可见2006年我国镍矿供应能力继续下降，镍的冶炼商为了保障生产继续承当高价的镍矿。
2005年LME镍价总体在高价位上徘徊,全年现货平均价为14738美元/吨,三个月期货价为14553美元/吨,LME年均镍价创下1980年以来的新高。
全年最高价为16875美元/吨,最低价为11450美元/吨。
国内市场镍价,最高达到15.5万元/吨,最低为11.5万元/吨,
国际国内市场的镍价走势基本一致，从2006年最近国际镍价行情来看，镍价已经触及每吨31500美元的新高，对比2006年初约每吨11500美元，行情非常吸引眼球。
金属镍属于全球范围内的紧缺资源，世界上只有少数几个国家有比较丰富的镍资源，我国是个镍、铬资源短缺的国家，不锈废钢也很少。
镍资源严重不足已经成为我国不锈钢产业发展的瓶颈。
由于需求的剧增，我国对进口镍的依赖度明显增强，2001年进口所占消费的比率为44.61%，2004年增至53.33%，2005年达到60%。
未来全球镍需求增长的70%以上将源自我国。
由于中国的不锈钢生产增加，在2007-2008年国际镍价将由于供不应求而继续上升，至少未来2年供应将很紧张。
市场条件：
国内镍合金市场需求迅速增加，发展前景良好，而目前国内镍合金带材加工行业处于老产业和新产业更替阶段，市场机遇良好。
国内镍合金加工水平整体落后，体现在工艺技术、产品规格、产品质量、生产规模等方面，国家急需的电子电工行业镍合金带材、工业建设镍合金板材等，目前大部分依赖国外进口，受到国外制约。
因此，全面提升镍合金加工水平、加快产品结构调整和技术进步显得非常紧迫，这是国家对镍合金产业发展的要求，也是加快经济发展的必需。
二．纯镍及其特性
（一）.纯镍简介
镍是一种化学元素。
化学符号Ni，原子序数28，原子量58.69，属周期系Ⅷ族。
古代埃及、中国和巴比伦人都曾用含镍量很高的陨铁制作器物，中国古代云南生产的白铜中含镍量就很高。
1751年瑞典A.F.克龙斯泰德用木炭还原红镍矿制得金属镍，其英文名称来源于德文Kupfernickel，含义是假铜。
镍在地壳中的含量为0.018％，主要矿物有镍黄铁矿〔（Ni，Fe）9S8〕、硅镁镍矿〔（Ni，Mg）SiO3·nH2O〕、针镍矿或黄镍矿（NiS）、红镍矿（NiAs）等。
海底的锰结核中镍的储量很大，是镍的重要远景资源。
镍是银白色金属，熔点1455℃，沸点2730℃，密度8.90克／厘米3。
有铁磁性和延展性，能导电和导热。
常温下，镍在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，不但能阻止继续被氧化，而且能耐碱、盐溶液的腐蚀。
块状镍不会燃烧，细镍丝可燃，特制的细小多孔镍粒在空气中会自燃。
加热时，镍与氧、硫、氯、溴发生剧烈反应。
细粉末状的金属镍在加热时可吸收相当量的氢气。
镍能缓慢地溶于稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸，但在发烟硝酸中表面钝化。
镍的氧化态为－1、＋1、＋2、＋3、＋4，简单化合物中以＋2价最稳定，＋3价镍盐为氧化剂。
镍的氧化物有NiO和Ni2O3。
氢氧化镍〔Ni（OH）2〕为强碱，微溶于水，易溶于酸。
硫酸镍（NiSO4）能与碱金属硫酸盐形成矾Ni（SO4）2·6H2O（MI为碱金属离子）。
＋2价镍离子能形成配位化合物。
在加压下，镍与一氧化碳能形成四羰基镍〔Ni（CO）4〕，加热后它又会分解成金属镍和一氧化碳。
镍的制法有：
①电解法。
将富集的硫化物矿焙烧成氧化物，用炭还原成粗镍，再经电解得纯金属镍。
②羰基化法。
将镍的硫化物矿与一氧化碳作用生成四羰基镍，加热后分解，又得纯度很高的金属镍。
③氢气还原法。
用氢气还原氧化镍，可得金属镍。
镍大部分用于制造不锈钢和抗腐蚀合金。
镍还大量用于镀镍。
镍铜合金用于电阻合金、热交换器和冷凝器管道。
镍铬铁合金用于制造蒸气叶轮机和电热丝。
在化学工业中镍用作加氢反应的催化剂。
（二）.镍及其特性
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。
溶于硝酸后，呈绿色。
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。
镍具有良好的机械强度和延展性，难熔、在空气中不氧化的特性。
常温下在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜，能阻止本体金属继续氧化。
盐酸、硫酸、有机酸和碱性溶液对镍的浸蚀极慢。
镍在稀硝酸缓慢溶解。
强硝酸能使镍表面钝化而具有抗腐蚀性。
镍同铂、钯一样，钝化时能吸大量的氢，粒度越小，吸收量越大。
镍的重要盐类为硫酸镍和氯化镍。
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。
在钢中加入镍，可以提高机械强度。
如钢中含镍量从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2。
镍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。
含镍36%、含碳0.3-0．5%的镍钢，它的膨胀系数非常小，几乎不热胀冷缩，用来制造多种精密机械，精确量规等。
含镍46%、含碳0．15%的高镍钢，叫“类铂”，因为它的膨胀系数与铂、玻璃相似，这种高镍钢可熔焊到玻璃中。
在灯泡生产上很重要，可作铂丝的代用品。
一些精密的透镜框，也用这种类铂钢做，透镜不会因热胀冷缩而从框中掉下来。
由67．5%镍、16%铁、15%铬、1．5%锰组成的合金，具有很大的电阻，用来制造各种变阻器与电热器。
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。
氢氧化镍是棕黑色或者绿色的，氧化镍则是灰黑色的。
氧化镍常用来制造铁镍碱性蓄电池。
氢氧化镍常作为镍氢、镍镉电池的正极材料。
二价镍离子常用丁二酮肟来鉴定，在氨性溶液中，镍离子（Ni2+）与丁二酮肟（Dimethylglyoxime）生成鲜红色沉淀（Ni（dmgH）2）。
三．典型镍基和铁镍合金
（一）.杜拉镍
duranickelalloy 一种变形镍合金。
含有93.90％镍和钴，4.5％铝及少量钛、铜、硅、铁、锰或碳等元素。
可以通过热处理强化。
具有很高的强度和良好的耐蚀性，易压力加工。
主要用作弹簧、仪表零件和捕鱼工具等。
杜拉镍301性能及用途良好,在980°C以下具有良好的耐腐蚀和抗氧性能,同时还具有较高的强度,在低温环境中有优异的机械性能。
主要用于：
制造航空舰艇和工业用燃气轮机的呙轮叶片,导向叶片,制造航天飞行器,火箭发动机,核反应堆,石油化工设备。
（二）.镍铜耐蚀合金Ni68Cu28Fe/Monel400合金的成分和组织性能
Monel400合金是一种用量最大、用途最广泛、综合性能最佳的耐腐蚀镍铜合金，其化学成分主要由30%Cu和65%Ni加少量的Fe（1%-2%）所组成。
由于化学成分上的差异，它又可以有多种合金牌号，但是他们之间在耐蚀性上并没有显著差别。
Monel400合金比纯镍更耐还原性介质的腐蚀，而较纯铜更耐氧化性介质的腐蚀。
Monel400合金的化学元素成分：
C:
≤0.3，Si:
≤0.50，Mn:
≤2.0,Ni:
≥63，Cu:
28～34,S:
≤0.024,Fe≤2.5,单位：
%
1．化学成分和组织特点
Monel400合金的化学成分主要由30%Cu和65%Ni加上少量的Fe（1%-2%）所组成。
组织结构为典型单相奥氏体组织。
由于镍和铜可以任何比例互溶，故一般没有金属间相析出。
在金相显微镜下非浸蚀条件观察此合金的组织，可见奥氏体基体上有非常弥散的非金属杂夹物，例如硫化物和硅酸盐。
在某些条件下，也可观察到有碳化物存在。
2．耐蚀性能
前面已经提到镍铜合金较纯镍更耐还原性介质的腐蚀，而较纯铜更耐氧化性介质的腐蚀。
Monel400合金也不例外，由于Ni68Cu28Fe合金是呈单相奥氏体组织，因此，此合金不存在由于复相合金不同相间电偶反应而引起的腐蚀。
（1）.大气腐蚀
在大气中，Ni68Cu28Fe合金具有极高的耐腐蚀性，属于极耐腐蚀的合金。
（2）.水腐蚀
目前许多工业合金，例如不锈钢和铝合金等，在工业水腐蚀所遇到最为头疼的问题就是点蚀和应力腐蚀。
即使它们耐一般腐蚀性能非常好，但是一旦遇到水腐蚀，选择不锈钢和铝合金时就要慎重对待。
但是，Monel400合金在多少水腐蚀情况下，不仅耐腐蚀性极佳，而且点蚀、应力腐蚀等也很少发现。
在天然水和蒸馏水中，Monel400合金是极耐腐蚀，腐蚀速率一般小于0.025mm/a（包括不同温度、不同流速和充入空气的许多苛刻的条件）在酸性含氧化性盐类的矿浆水中，对Monel400合金的腐蚀会加重，但仍属于耐蚀材料之列。
在核反应堆高纯水条件下，Monel400合金腐蚀速率比普通的Ni-Cr合金0Cr15Ni75Fe和含铌不锈钢0Cr18Ni11Nb高出2-3倍。
在蒸汽和水共存的条件下，例如在冷凝器中，如果有二氧化碳和空气存在，Ni68Cu28Fe合金在气相中将有明显的腐蚀。
试验表明，气相中含有70%二氧化碳和30%空气，71℃的蒸汽冷凝时，Ni68Cu28Fe合金的腐蚀速率可达1.5mm/a，当气相中的二氧化碳和空气的比例有变化时，此合金的腐蚀速率则有所降低，在天然和人造海水中，Ni68Cu28Fe合金有优良的耐蚀性。
在有空蚀-磨蚀条件下，此合金的耐蚀性更为优越。
因此，它可以制造螺旋桨和轴、泵轴、冷凝器传热管和叶轮等。
在海水中，Monel400合金的另一个重要用途是制造采油平台飞溅区防海水腐蚀的结构部件。
Monel400合金在强搅动，有空气存在的海水中，其腐蚀速率一般不超过0.026mm/a。
但是在静止的海水中，Monel400合金易产生点蚀，而此种点蚀扩展确很慢，几年后其深度也不会超过1.3mm。
（3）.高温腐蚀
在空气和氧中的试验表明，Monel400合金的抗氧化能力要低于纯镍。
此时，合金表面氧化膜的外层含有CuO和Cu2O,而内层富镍，基本上市纯氧化镍。
Monel400合金在空气中连续工作的温度一般认为是在600℃左右。
在高温蒸汽中，（无论是干的还是湿的蒸汽），Monel400合金的使用温度要低于485℃。
在高流速的蒸汽中，Monel400合金的耐冲蚀性也很好。
受应力的Monel400合金在温度高于455℃蒸汽中会产生沿晶脆化，此种现象尤以474℃和500℃尤为明显。
这也是确定此合金用于蒸汽中上限温度的主要依据。
在150-250℃干蒸汽中，试验1000-1150h，Monel400合金的腐
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