鎳基耐蝕合金特性及其應(yīng)用研究分析

賈成濤

摘 要：鎳基耐蝕合金屬于一種高性能的耐蝕材料。針對(duì)防腐蝕問題，筆者主要總結(jié)了純鎳的性質(zhì)和耐蝕特點(diǎn)，探究了鎳基耐蝕合金與鎳鉻不銹鋼及鎳基高溫合金之間的區(qū)別與聯(lián)系，同時(shí)闡述了目前在工程中使用鎳基耐蝕合金的種類及其應(yīng)用現(xiàn)狀，突出了高性能通用型鎳鉻鉬合金的特征與實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：鎳基耐蝕合金；鎳鉻不銹鋼；純鎳；鎳基高溫合金

中圖分類號(hào)：TB37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.腐蝕問題和抗腐蝕材料

腐蝕屬于機(jī)械零部件3種主要失效方式（磨損、腐蝕、疲勞）中的一種。金屬腐蝕指的是周圍介質(zhì)對(duì)金屬材料的表面產(chǎn)生作用從而發(fā)生狀態(tài)變化同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪嗷蚴莿e的物質(zhì)，使得零件慢慢地受到損毀的一種現(xiàn)象。零件應(yīng)用于各行各業(yè)的機(jī)械、設(shè)備之中，因此研究腐蝕問題意義重大，其直接牽涉到國民經(jīng)濟(jì)的每個(gè)領(lǐng)域，零部件的使用時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)于整個(gè)設(shè)備質(zhì)量和使用壽命都有著至關(guān)重要的作用。據(jù)筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，腐蝕給合金材料造成的直接損失巨大，從而造成了極大的資源浪費(fèi)和成本支出。目前，每年全世界因?yàn)楦g造成的金屬報(bào)廢總量達(dá)到了一億噸以上，是每年金屬產(chǎn)量的五分之一左右。同時(shí)，隨著工業(yè)化的不斷推進(jìn)，世界各國的腐蝕問題都呈現(xiàn)嚴(yán)重上漲的趨勢(shì)。美國的腐蝕消耗（材料消耗與腐蝕）1950年為45億美元，到1975年已經(jīng)上漲到了900億美元，到1990年已經(jīng)高達(dá)1800億美元，和1950年相比已經(jīng)翻了幾十倍。對(duì)比美國，盡管中國的經(jīng)濟(jì)體量、基礎(chǔ)建設(shè)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如，但是中國因腐蝕所帶來的經(jīng)濟(jì)損失每年也超過了300億人民幣。國際金屬腐蝕會(huì)議每3年召開一次，同時(shí)地區(qū)性的國際會(huì)議也很活躍，全球各國關(guān)于腐蝕方面出版的正規(guī)學(xué)術(shù)刊物已經(jīng)超過了40種。當(dāng)前，怎樣加強(qiáng)設(shè)備的可靠性并延長(zhǎng)使用周期，減少材料的使用量，就成為世界各國的關(guān)注重點(diǎn)，所以腐蝕與防護(hù)科學(xué)受到各國的普遍重視，從而尋求對(duì)于腐蝕的有效控制，以加強(qiáng)設(shè)備的耐用度，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。此外，近些年來隨著環(huán)境和生態(tài)逐漸惡化以及人們環(huán)保理念的不斷提升，各國都開始注重可持續(xù)發(fā)展理念，以尋求保護(hù)人類生存的家園。從微觀角度出發(fā)，環(huán)境保護(hù)包括水污染和大氣污染的治理以及對(duì)固體廢棄物的有效處理等，而污水、廢水、垃圾等污染基本上都屬于腐蝕性極強(qiáng)的介質(zhì)，所以采取高性能的耐蝕材料，能夠有效減少腐蝕物的產(chǎn)生、避免由于腐蝕破壞所導(dǎo)致的物質(zhì)泄漏。因此，對(duì)于鎳基耐蝕合金的研究與應(yīng)用對(duì)于環(huán)境保護(hù)技術(shù)也有著重要意義。

2.純鎳的性質(zhì)和耐腐蝕特性

鎳屬于鐵磁性物質(zhì)，是重有色金屬，有著較好的強(qiáng)度與延展性，同時(shí)具備了較好的成型性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)來看，純鎳的強(qiáng)度極限最多達(dá)到了500MPa，延伸率達(dá)到了40%。此外，鎳雖然是中等活性金屬，但是有著良好的耐各種介質(zhì)腐蝕的性能。鎳由于其自身標(biāo)準(zhǔn)電極電位比氫稍低，所以容易出現(xiàn)極化現(xiàn)象，且在腐蝕過程中不會(huì)逸出氫。同時(shí)，鎳的電位相對(duì)鐵為正，耐化學(xué)性質(zhì)活潑的鹵素類氣體和氰化物侵蝕的能力，耐氫氧化鈉、氫氧化鉀等氫氧化物介質(zhì)腐蝕的能力也超出鐵許多。

因?yàn)殒嚲邆淞嗣黠@的鈍化傾向，所以其在稀的非氧化性酸，尤其是在中性與堿性溶液里，腐蝕過程將會(huì)顯著地放慢。同時(shí)，鎳在干、濕大氣中的耐蝕能力特別強(qiáng)，不過對(duì)于含有二氧化硫的大氣腐蝕是極為不耐的。

除去普通的自然環(huán)境外，純鎳對(duì)于氟、堿、鹽以及多種有機(jī)物的腐蝕都有較強(qiáng)的可耐性。同時(shí)，鎳在所有堿類溶液中都能實(shí)現(xiàn)徹底的穩(wěn)定，腐蝕率僅低于鋼兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這一特點(diǎn)讓鎳成了制造熔堿與堿液容器的優(yōu)秀材料。另外，雖然鎳在非氧化性的稀酸中以及許多有機(jī)酸里，在室溫條件下都呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)，不過在含有氧化劑和通氣時(shí)，鎳的腐蝕速度就會(huì)急劇增長(zhǎng)。此外，鎳在硝酸與亞硝酸等氧化性質(zhì)里較不耐蝕。在充氣條件下，其對(duì)于醋酸和蟻酸也會(huì)呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，耐蝕性不足。其在充氣的氨水溶液中甚至?xí)霈F(xiàn)溶解現(xiàn)象。

從上文中可知，雖然純鎳具備了作為耐蝕材料的基本特性，不過對(duì)于目前人類社會(huì)中所發(fā)現(xiàn)和使用的眾多苛刻且復(fù)雜的金屬來說，純鎳的特性還是不夠。而利用合金化的方法來形成鎳基耐蝕合金就能有效解決該問題，這也屬于鎳在耐蝕合金中的一個(gè)顯著特點(diǎn)，也就是鎳對(duì)于鉻、銅、鉬等具備了超強(qiáng)固溶能力的合金化元素，這些合金化元素給予了鎳更為突出的耐蝕能力，從而形成多種成分廣泛、耐蝕性能不同的鎳基耐蝕材料。

3.鎳基耐腐蝕合金與鎳鉻不銹鋼、鎳基高溫合金

鎳除了在電鍍中使用并構(gòu)成純鎳材料外，鎳大多用來生產(chǎn)不銹鋼與鎳合金，目前常見的鎳基合金包括高溫合金、精密合金、耐蝕合金等等。耐蝕合金除去鎳基外，還包括有鐵鎳基等。通常來說，行業(yè)的規(guī)定是，不銹鋼中所含有的鎳量至少超出8%，鎳基耐蝕合金中的鎳比重需要大于一半，而鐵鎳基耐蝕合金中的含鎳量則是在30%～50%。從性能上來看，不銹鋼屬于在自然環(huán)境下或是一定的工作介質(zhì)環(huán)境下使用的鋼鐵材料。鎳基耐蝕合金因?yàn)槠滏嚭繕O高以及多種合金化元素的復(fù)合作用，所以其能夠用在不銹鋼所無法適用的腐蝕條件與苛刻且復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中。像是鹵化物可以貫穿不銹鋼上覆蓋的表面鈍化膜，這時(shí)候就應(yīng)該采用鎳基合金防止被腐蝕。

鎳基高溫合金是在Cr20Ni80合金基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。為了能夠達(dá)到在1000℃高溫?zé)釓?qiáng)性與氣體介質(zhì)中的抗氧化、抗蝕性的要求，加入了許多的強(qiáng)化元素，包括鉬、鋁、鈮、鈷等，從而確保合金具備超強(qiáng)的高溫性能。添加大量鉻是為了能夠繼續(xù)加強(qiáng)高溫合金抗氧化、抗高溫的腐蝕性能。因此，鎳基高溫合金能夠應(yīng)用于在航空航天領(lǐng)域中的高溫環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)部件中，具備了良好的耐蝕效果。

鎳基耐蝕合金的主要性能表現(xiàn)為抗液體介質(zhì)腐蝕能力強(qiáng)。合金中的鎳含量通常小于65%，主要加入鉻、銅、鉬、鎢等元素，從而滿足多種不同化學(xué)性質(zhì)的工作需求，不同元素的加入給予了鎳在不同環(huán)境下的耐腐蝕能力。

因?yàn)樘蓟锏鹊诙嗟奈龀鰰?huì)導(dǎo)致材料耐蝕能力的嚴(yán)重下降，所以，鎳基耐蝕合金需要借助于專業(yè)的熔煉技術(shù)，使得碳含量盡量控制在較低的標(biāo)準(zhǔn)下，通常不會(huì)超過0.05%。雖然耐熱合金也包括了鎳基與鐵鎳基合金，不過用在航天、航空等領(lǐng)域的鎳基高溫合金和應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域的鐵鎳耐蝕合金需要仔細(xì)地區(qū)分開來。實(shí)際上，此二者無論在使用性能還是成分設(shè)計(jì)上都有著明顯的差異。當(dāng)然，由于鎳基合金與鐵鎳基的耐蝕能力較好，所以鎳基高溫合金也能運(yùn)用于海洋工程領(lǐng)域，鐵鎳集合金也能運(yùn)用于航天、航空領(lǐng)域，二者都能使用在高溫條件與腐蝕環(huán)境下都是沒有問題的。即便如此，依據(jù)二者合金中的化學(xué)成分、特點(diǎn)和使用途徑還是可以進(jìn)行有效區(qū)分。簡(jiǎn)單來說就是主要用其耐熱或熱強(qiáng)性能的合金，就是耐熱或高溫合金；主要用其耐蝕性能的合金則是耐蝕合金。

4.常見鎳基耐蝕合金

根據(jù)上文中所說的，純鎳一般用在堿性溶液環(huán)境中，而在腐蝕性更強(qiáng)更苛刻的環(huán)境下就以使用不同的鎳基耐蝕合金為主，如Ni-Cu，Ni-Mo與Ni-Cr等耐蝕合金。

（1）Ni-Cu合金通常是用在弱還原性溶劑中，尤其是氫氟酸鎳、銅含量約七三開的鎳銅和金素以蒙乃爾之名而聞名，由于添加了不同的元素使得其合金具備了不同的性能。該合金具備了鎳和銅的諸多遠(yuǎn)點(diǎn)，在還原性介質(zhì)中其比鎳基合金的耐蝕性能更強(qiáng)，在氧化性介質(zhì)中其比之銅又更耐蝕，此外，在硫酸、鹽酸等溶液和有機(jī)酸中其較之鎳、銅材料都更為耐蝕。蒙乃爾在非氧化性的不同介質(zhì)中具備了較強(qiáng)的耐蝕性，不過其在潮濕環(huán)境下容易受氧化性酸蝕、氯化物的浸蝕，因此，蒙乃爾遇到氧化性的水溶液是呈不耐蝕狀態(tài)。

目前該合金通常應(yīng)用于高溫同時(shí)具備荷載情況下的耐蝕零件與設(shè)備，主要構(gòu)成制造輸送濃堿液的泵、閥門等材料。同時(shí)，鎳銅合金具備了強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)以及無磁性的特質(zhì)，因此適合用于無火花工具、船用螺旋槳軸等的零件制作。

（2）Ni-Mo合金主要用于強(qiáng)還原性介質(zhì)

鹽酸屬于腐蝕性極強(qiáng)的無機(jī)酸的一種，鎳鉬耐蝕合金是由研究鉬對(duì)鎳在鹽酸中腐蝕行為的影響發(fā)展而來。在鎳基中加入鉬的作用是為了加強(qiáng)其抗蝕性、強(qiáng)度與高溫加工性。根據(jù)相關(guān)研究顯示，加入不同含量的鉬，能使得鎳鉬合金具備較強(qiáng)的在不同介質(zhì)中的耐蝕性能。此種合金也被叫做哈氏合金，具備了較強(qiáng)的力學(xué)性能，有著優(yōu)良的工藝性。

（3）Ni-Cr系合金主要用于強(qiáng)氧化性介質(zhì)

在鎳基合金中添加鉻元素能夠有效提高其耐氧化性酸鹽和硫化等多種能力。根據(jù)合金的耐蝕能力需求不同，添加不同含量的鉻元素可滿足其在稀硫酸、稀硝酸、熱濃硝酸中耐蝕性能加強(qiáng)的要求。

常用的鎳鉻耐蝕合金不但能夠抗高溫氧化，還能在水溶液中使用，即便是強(qiáng)氧化性的水溶液也不在話下，其主要適用于室溫條件下的硫酸、硫酸等環(huán)境。此外，該種合金在大氣、水以及蒸汽、堿環(huán)境下的耐蝕性表現(xiàn)最佳，因此，目前在化工、核動(dòng)力等領(lǐng)域被廣泛地使用。

5.鎳基耐蝕合金在現(xiàn)代化建設(shè)中的使用

國外某大型化學(xué)公司專門生產(chǎn)氯化物和氟化物的反應(yīng)器受到嚴(yán)重腐蝕，根據(jù)行業(yè)規(guī)定，設(shè)備使用在一年至一年半后就必須進(jìn)行更換。反應(yīng)技術(shù)中采取了多種碳?xì)浠衔?、硫酸、氟化銨和足夠的催化劑，在一定的溫度下運(yùn)行，然后挑選多種材料在反應(yīng)器中完成了一年半的試驗(yàn)評(píng)價(jià)，腐蝕速率較快。然后根據(jù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)使用添加了20%的鉻、15%鉬，不多于0.5%鐵的鎳基合金材料制作反應(yīng)器，根據(jù)反饋信息來看，其目前已實(shí)際使用超過36個(gè)月，依舊性能完好，預(yù)計(jì)使用能達(dá)到4年左右，服役期限大大延長(zhǎng)。

美國305和320L奧氏體不銹鋼在沸騰的40%的氯化鎂浸泡1～2個(gè)小時(shí)后就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂的狀況，而鎳基耐蝕合金Cr-Ni-Mo在同樣條件下浸泡則表現(xiàn)出極強(qiáng)的耐蝕性能，超過1000個(gè)小時(shí)還沒有斷裂。若是換為在60℃的15%的氯化鐵環(huán)境中遭受縫隙腐蝕，奧氏體不銹鋼的表現(xiàn)要遠(yuǎn)遜于鎳基耐蝕合金Cr-Ni-Mo，后者基本不受影響。另外，筆者通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，在一定濃度的高溫氯化氫溶液中，奧氏體不銹鋼的腐蝕速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鎳基合金。

結(jié)論

鎳基耐蝕合金屬于一種綜合性能非常優(yōu)秀的耐蝕材料，能夠處理好普通不銹鋼與別的金屬、非金屬材料所不能處理的嚴(yán)重工程腐蝕問題，在當(dāng)今的技術(shù)水平和工程發(fā)展階段，是值得大力推廣的。同時(shí)，因?yàn)殒嚮臀g合金添加的元素不同，使得其形成了多種不同合金，所以，在使用的過程中需要注意介質(zhì)的性質(zhì)、工作環(huán)境等。

參考文獻(xiàn)

[1]于滿，劉明忠，李京社，等.鎳基耐蝕合金高溫加工特性的研究[J].上海金屬，2010，32（4）：5-8.

[2]王成，巨少華，荀淑玲，等.鎳基耐蝕合金研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（3）：71-76.

[3]王凱旋，楊瑞成，呂學(xué)飛，等.通用性鎳基耐蝕合金的研制[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31（6）：28-31.

[4]楊瑞成，王暉，鄭麗平，等.高性能鎳基耐蝕合金的特性與研究動(dòng)向[J].材料導(dǎo)報(bào)，2001，15（11）：21-23.

[5]李隆盛，秦紫瑞，于勇.稀土對(duì)鎳基耐蝕合金的組織和性能的影響[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1988（2）：37-44.

[6]林愛潔.采用鎳基耐蝕合金新材質(zhì)改進(jìn)多晶硅生產(chǎn)設(shè)備及其工藝[J].稀有金屬，1983（5）：16-21.

[7]楊瑞成，牛紹蕊，王凱旋.鎳基耐蝕合金擴(kuò)散均勻化處理及組織性能演變[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，30（1）：32-35.

[8]陳惠慈，蔣雪雅，高全祥.鐵——鎳基薄壁小管的氬弧焊工藝[J].焊接技術(shù)，1983（4）：10-14.