鎳及鎳合金產(chǎn)品標準現(xiàn)狀分析及應(yīng)用

楊 哲，楊 晗，程 偉，龍 卓，許 松，丁五洲

(寶鈦集團 鎳材料公司，陜西 寶雞721014)

鎳及鎳合金是一類重要的材料，具有良好的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，通過添加適宜的元素可以提高鎳基合金的抗氧化性、耐蝕性、高溫強度并改善某些物理性能。主要應(yīng)用于航空、航天渦輪發(fā)動機零件，其次是石油化工領(lǐng)域用耐蝕合金，電子工業(yè)用鎳基合金應(yīng)用產(chǎn)品包括鎳基軟磁合金、靶材、電池等。全球鎳基合金產(chǎn)量隨著經(jīng)濟的發(fā)展而增長，就全球產(chǎn)量比例來說，歐洲地區(qū)仍為全球鎳基合金主要的生產(chǎn)地區(qū)，并以石化業(yè)用鎳基耐蝕合金使用量最多；美國在鎳基合金材料方面以高性能合金為主，其制定的ASME/ASTM標準體系在全世界有廣泛的適用性。

我國自20世紀50年代開始仿制、改進國外牌號的鎳基合金，到70年代末已有10多種牌號。80年代以后，研制有了較大進展并有了一些新牌號的鎳基合金。1994年公布的鎳基耐蝕合金牌號有23種、高溫合金牌號有24種。60多年來，我國高溫耐蝕合金已經(jīng)取得了令人矚目的成就，形成了一支實踐經(jīng)驗豐富，有較高理論水平的生產(chǎn)與科研隊伍，生產(chǎn)企業(yè)主要是一些特殊鋼廠和相關(guān)研究院所，例如撫順特殊鋼集團公司、四川長城特殊鋼公司、太原鋼鐵集團、東北特鋼集團有限公司、寶鋼集團上鋼五廠、北京鋼鐵研究總院以及重慶儀表材料(重材院)、北京北冶、陜西精密合金等，是繼美國、英國和前蘇聯(lián)之后的第四個有鎳合金體系的國家。 各企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品特點在幾十年來逐漸發(fā)展起來鎳合金標準體系，如撫順特鋼主導(dǎo)的GH高溫合金系列標準，精密合金企業(yè)主導(dǎo)的精密合金1J-6J合金系列，長鋼等主導(dǎo)的耐蝕合金NS系列，以及現(xiàn)在北京、西安所生產(chǎn)的鈦鎳形狀記憶合金標準系列。

我國有全球最大的鎳基合金需求缺口，加之中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，實施的一系列大型工程如大飛機計劃、嫦娥工程、核電發(fā)展計劃、海洋工程等，這些都為中國鎳基合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了巨大的需求。目前國內(nèi)鎳及鎳合金標準美標與國標并行，國標相互之間還有交叉，對此本文作出詳細介紹。

1 美標鎳及鎳合金標準體系

美標ASME將鎳及鎳合金產(chǎn)品歸類于ASME Ⅱ卷 B篇 非鐵基材料，目前已經(jīng)更新到2019年版本。ASTM 標準號與之對應(yīng)，除了資質(zhì)證書作為必須要求外，其他內(nèi)容沒有顯著區(qū)別，后文將以ASME標準體系進行介紹，不再贅述。鎳及鎳合金因廠家不同、涉及的商標、專利不同，常用命名方式不同，主要分為Inconel、Incoloy、Monel、Hastelloy、Inva等，在ASME標準之中統(tǒng)一按照UNS 體系命名，如Inconel 600命名為UNS N06600。

ASME標準按照產(chǎn)品種類進行劃分，板材和薄板帶材為同一標準，管材、鑄件、鍛件、棒材、桿材分別劃分為不同的標準，牌號方面則按照同一類基體元素進行歸類(表1)[1]，鎳銅類板材歸ASME SB127標準，鎳鉻鐵N06600、N06601等歸ASME SB168。

表1 ASME標準鎳及鎳合金板材(節(jié)選)

1.1 基本內(nèi)容

標準規(guī)定了使用范圍、術(shù)語、化學(xué)成分、力學(xué)性能、材質(zhì)書等一般要求。部分標準規(guī)定了尺寸公差，表面狀況則是提供了幾種方案，并沒有明確，具體由合同雙方進行協(xié)商。同時制定了一個通用的標準ASME SB906，在里面統(tǒng)一規(guī)定了尺寸公差、不平度等要求。需要指出的是不同的產(chǎn)品尺寸公差要求不一樣，對于SB127、SB162、SB168、SB409、SB424、SB443、SB670、SB755和SB872沒有規(guī)定厚度公差，只規(guī)定了超重比例，厚度公差實際可依據(jù)此進行推算；而SB333、SB434、SB575、SB582、SB620則明確規(guī)定了厚度公差，公差帶較小，適用于全寬度和長度；SB463、SB536、SB599、SB625、SB688、SB709則明確規(guī)定了厚度公差，且不同的寬度和長度厚度公差也不同。之所以如此規(guī)定，筆者認為與各牌號的加工能力和產(chǎn)品的價格有關(guān)。

1.2 應(yīng)用

標準規(guī)定了基本的內(nèi)容，其他特殊的指標或檢測方法等沒有提及，在條文中約定為具體由合同雙方自己制定。對于鎳合金而言，主要涉及腐蝕性能，對此美標沒有提及明確的相關(guān)信息。為此在實際應(yīng)用中，慣例對于腐蝕性能，常用的標準為ASTM G28、ASTM G48、BSEN-ISO3651、ASTM A262等，而以前者最為常用。有時候也會使用國標GB/T 15260-2016《鎳基合金晶間腐蝕試驗方法》。

在使用時需方必須要明確材料的服役條件，以確定測試方法。區(qū)分是低溫用還是高溫用途，其決定了在測試時候是否需要進行敏化處理，而具體的敏化制度則由雙方進行協(xié)商，包括測試結(jié)果的合格指標。多數(shù)情況下材料一般均用于設(shè)備加工，在加工過程中不可避免要進行焊接、熱處理等工序，故而一般均需要進行敏化處理。如果供需雙方對合格指標不太明確，則可以查閱相關(guān)的腐蝕數(shù)據(jù)資料，或者以某些大型企業(yè)如殼牌公司的數(shù)據(jù)作為參考。亦或是以理想狀態(tài)下的樣品實驗室數(shù)據(jù)的倍數(shù)作為驗收依據(jù)，一般倍數(shù)為1.0～2.5倍。

非金屬夾雜物檢測，標準沒有明確，一般也是以雙方進行協(xié)商。日常使用可借鑒使用高溫合金類非金屬夾雜檢測標準，主要檢測的是碳化物。有時也可以使用鋼類非金屬夾雜物標準，但是業(yè)內(nèi)普遍使用前者。

2 國標鎳及鎳合金標準體系

國標鎳合金分為耐蝕合金NS、高溫合金GH、精密合金1J、2J等、耐磨合金、形狀記憶合金(Ti-Ni類)。需要指出的是在鎳及鎳合金的發(fā)展中，是以黑色金屬、有色金屬各自從自己源頭開始發(fā)展的。黑色金屬企業(yè)是在不銹鋼的基礎(chǔ)上，不斷的增加鎳含量以提高性能，先產(chǎn)生超級不銹鋼，繼續(xù)發(fā)展在Ni%≥30%時發(fā)展為鐵鎳基合金，在Ni%≥50%時變?yōu)殒嚮辖稹?/p>

而有色金屬企業(yè)則是在純鎳的基礎(chǔ)上，添加合金元素進行發(fā)展，由純鎳N2、N4、N5、N6、N7、N8等進一步添加鎂、錳、鈹?shù)仍?。目前黑色金屬企業(yè)的鎳基合金鎳含量最高已達到80%。由撫順特鋼、長城特鋼、上鋼五廠等企業(yè)黑色金屬企業(yè)為主導(dǎo)，構(gòu)成了我國鎳合金標準體系，按照分類分別形成耐蝕合金標準、高溫合金標準、精密合金標準以及耐磨和形狀記憶合金標準體系，互相之間也有交叉，因為有些鎳合金既屬于耐蝕合金又屬于高溫合金。

而有色金屬標準體系則在不停的擴大，在新版GB/T5235標準中，將鎳銅、鎳鉻、鎳鉻鐵等典型的牌號也納入進去，與現(xiàn)有的耐蝕合金、高溫合金又產(chǎn)生了交叉重疊，造成了目前國標鎳合金標準體系反復(fù)交叉的情形，使用不便。為此在實際使用中，較多使用的為美標，只有一些國產(chǎn)牌號或者精密類功能材料、高溫合金多使用國標。

國標是按照鎳合金的分類來制定的，有交叉的在標準附錄后均有對照表，可以對照參考。

(1)高溫合金。顧名思義適用于高溫用途，代號為GH，典型牌號有GH3128、GH4169等，標準為GB/T14992、GB/T14995《高溫合金熱軋板》等，需要指出的是在高溫合金中包含鐵基、鎳基、鈷基、鎢基等幾種。標準除了一般要求外，還規(guī)定了高溫性能。

(2)耐蝕合金。鎳基耐蝕合金，代號為NS，典型牌號有NS331等，標準有YB/T5353-2012《耐蝕合金熱軋板》等。

(3)精密合金。均屬于特殊的功能材料，具體為1J-軟磁材料、2J-硬磁材料、3J-彈性合金、4J-膨脹合金、5J-熱雙材料和6J-電熱合金。目前基于此又發(fā)展了大量的新材料，類似非晶材料、納米材料等。有單獨的標準體系，標準中規(guī)定了特殊的工藝性能指標以及功能性指標，如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、磁通等。GB/T32286.1-2015《軟磁合金第1部分鐵鎳合金》，以及一系列的精密合金標準，見表2[2]。

(4)Ti-Ni形狀記憶合金。為高端材料，用于航空航天、高鐵、醫(yī)療衛(wèi)生、眼鏡架等領(lǐng)域，具有高彈性和記憶性，目前國內(nèi)僅有北京、西安少數(shù)幾家企業(yè)可以生產(chǎn)，品質(zhì)低于進口產(chǎn)品?，F(xiàn)行標準有YS/T1076-2015《鈦鎳合金板材》、GB/T 15620《鎳及鎳合金焊絲》等。

(5)有色系鎳標準。有色系鎳標準是在純鎳的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，目前主要有GB/T5235-2017《加工鎳及鎳合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》、GB/T 2054-2013《鎳及鎳合金板》、GB/T 2072-2007《鎳及鎳合金帶材》、GB/T 2882-2013《鎳及鎳合金管》等。內(nèi)容均為一般標準的要求，性能為拉伸、硬度、晶粒度、彎曲等常規(guī)性能指標。

在市場應(yīng)用中主要看其中對純鎳的要求，有較好的適用性，尤其其中的N2、N4、N6為我國自主命名的牌號。標準里面的合金牌號主要以高鎳為主，為鎳鎂、鎳鈹、鎳錳等，近些年也吸納了N04400、N06600、N08800等一些美標牌號，市場反饋適用性不強，且造成了重疊交叉，目前簽訂合同時該類合金均直接使用美標。

(6)國標特殊檢測項目。晶間腐蝕參照執(zhí)行JB/T 4756-2006《鎳及鎳合金制壓力容器》中第五部分材料篇，晶間腐蝕方法和指標在附錄D：鎳合金晶間腐蝕敏感性檢驗。其中提供了3種檢測方法，具體采用哪一種方法由供需雙方協(xié)商。

表2 精密合金類標準(節(jié)選)

3 結(jié)論與建議

(1)鎳合金牌號眾多，美標相對統(tǒng)一，國標有交叉重復(fù)。一般的鎳及鎳合金主要使用美標，但是美國標準中只明確規(guī)定了一般的指標，對于鎳合金應(yīng)用而言，眾多的指標如腐蝕性能、表面狀態(tài)均需要供需雙方協(xié)商；

(2)國標依據(jù)鎳合金的種類制定標準，因而在確定的用途，尤其是功能類、耐蝕、高溫、精密等用途國標有更好的適用性，相關(guān)的指標也更加明確；

(3)黑色金屬和有色金屬企業(yè)各自制定的鎳及鎳合金標準不宜再進行重疊。目前黑色金屬鎳合金標準體系基本完善，有色金屬企業(yè)制定的GB/T5235、GB/T2054、GB/T2072等標準可將牌號限定在純鎳及高鎳含量(Ni%≥85%)即可，如此可確保為獨立的標準體系，避免與其他標準過多的交叉重疊。