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镍基合金
 

镍基合金

 
镍基合金是指在650~1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照主要性能又细分为镍基耐热合金,镍基耐蚀合金,镍基耐磨合金,镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。高温合金按照基体的不同,分为:铁基高温合金,镍基高温合金与钴基高温合金。其中镍基高温合金简称镍基合金。
中文名
锌镍合金
外文名
NI ZN

解释

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按照主要性能又细分为镍基耐热合金,镍基耐蚀合金,镍基耐磨合金,镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。[1] 

耐蚀合金

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主要合金元素是铜、。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(1905年美国生产)的是镍铜(Ni-Cu)合金,又称蒙乃尔合金(Monel合金Ni 70 Cu30);此外还有镍铬(Ni-Cr)合金(就是镍基耐热合金,耐蚀合金中的耐热腐蚀合金)、镍钼(Ni-Mo)合金(主要是指哈氏合金B系列)、镍铬钼(Ni-Cr-Mo)合金(主要是指哈氏合金C系列)等。与此同时,纯镍也是镍基耐蚀合金中的典型代表。这些镍基耐蚀合金主要用于制造石油,化工,电力等各种耐腐蚀环境用零部件。
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 也就是镍基耐热合金;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。

应用领域

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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

耐磨合金

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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。
镍基合粉末有自熔性合金粉末与非自熔性合金粉末。
非自熔性镍基粉末是指不含B、Si或B、Si含量较低的镍基合金粉末。这类粉末,广泛的应用于等离子弧喷涂涂层、火焰喷涂涂层和等离子表面强化。主要包括:Ni-Cr合金粉末、Ni-Cr-Mo合金粉末、Ni-Cr-Fe合金粉末、Ni-Cu合金粉末、Ni-P和Ni-Cr-P合金粉末、Ni-Cr-Mo-Fe合金粉末、Ni-Cr-Mo-Si高耐磨合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al-B-Si合金粉末、Ni-Cr-Si合金粉末、Ni-Cr-W基耐磨耐蚀合金粉末等。
在镍合金粉末中加入适量B、Si便形成了镍基自熔性合金粉末。所谓自熔性合金粉末亦称低共熔合金,硬面合金,是在镍、钴、铁基合金中加入能形低熔点共晶体的合金元素(主要是硼和硅)而形成的一系列粉末材料。常用的镍基自熔性合金粉末有Ni-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si合金粉末、Ni-Cr-B-Si-Mo、Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu、高钼镍基自熔性合金粉末、高铬钼镍基自熔性合金粉末、Ni-Cr-W-C基自熔性合金粉末、高铜自熔性合金粉末、碳化钨弥散型镍基自熔性合金粉末等。
各种元素在合金中的作用:
●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。

精密合金

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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%左右的玻莫合金,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。

记忆合金

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含钛50(at)%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。

市场趋势

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一、产品结构
随着我国宏观经济环境及工业发展形势的良好运行,各个行业均或多或少获得了相应的影响,镍基合金行业也不例外,加之行业内的企业通过近些年不断引进国外的先进生产设备及配套技术,带动了镍基合金行业市场的繁荣发展。目前有合金镍粉末、镍合金型材、镍合丝及镍合金管等几类基本产品。
二、价格
价格的高低是镍基合金企业在做战略时的主要考虑因素,因为当前镍基合金行业集中度较高,所以竞争比较激烈,但是未来随着我国经济运行形势良好发展,我国廉价劳动力的劳动成本也在逐年上升,加之镍基合金行业也逐渐的开始集群化发展,并与国内知名机构在一定的区域内集中形成上、中、下游结构完整性,外围加大对产业体系的支持,终将导致镍基合金产品价格呈现上升趋势。
三、渠道
目前我国镍基合金行业的营销渠道分为以下两种:一是生产企业——经销商——消费者二是生产企业——代理商——经销商——消费者,这种营销渠道存在一定的市场瓶颈。未来,我国镍基合金行业产品的营销渠道很有可能向宽渠道、长渠道拓展,加强与上、下游企业的紧密供应及与科研界、学术机构等的紧密合作,使自身企业的延伸产业链条,向一体化的全产业链模式前进,为自身企业谋得更多的市场份额的同时,也推动了镍基合金行业的整体发展。
四、服务
随着科学技术的进步,产品技术越来越复杂,消费者对企业的依赖性越来越大。他们购买产品时,不仅购买产品本身,并且希望在购买产品后,得到可靠而周到的服务。企业的质量保证、服务承诺、服务态度和服务效率,已成为消费者判定产品质量,决定购买与否的一个重要条件。

市场分析

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家用市场

一、竞争格局
镍合金在家用领域主要应用在电子电工产品方面,主要应用于电视制造、家电制造等。
曾经预测铜合金引线框架带材将完全代替镍合金引线框架带材的情况,目前通过市场的甄别分类,显示出镍合金不能完全代替,并且已基本形成镍合金占20%,铜合金占80%的比例。近年来随着集成电路的小型化,Ni42镍合金带材由于特殊的性能,用量在扩大。
二、驱动力
1、镍基合金材料国产化水平较低,机会较大
我国已是世界彩电、彩管生产的大国,但是到目前为止,彩管用金属功能材料基本上依靠进口,彩管材料的国产化率不足10%,这为我国精密合金行业的发展提供了发展空间,高精度精密合金板带材已列入国家鼓励发展的高科技项目,因此显像管电视用镍合金带材将仍有很大的量。
2、镍基合金材料在电视机行业的不可替代性
3、低膨胀镍合金优势明显
三、阻碍因素
1、电视机等家用电子行业竞争激烈,整体步入微利时代
彩电行业在家电行业中甚至于与经济领域内的任何一个行业相比,都可以说是市场化程度最深的行业之一。低价格策略的无序竞争使彩电行业整体进入了微利时代,当然这也许只是对久经价格战的国内彩电厂商而言,外国的跨国公司不可以同日而语。
2、镍基合金在家用电子行业应用比重的下降

商用市场

一、竞争格局
国际镍业研究组织(INSG)预期2011年全球镍消费量将由2010年的143万吨升至153万吨。INSG对2010年和2011年的产量预期不包括可能影响产量的调整因素。2009年镍市场过剩量约为11万吨,全球产量为135万吨,消费量为124万吨。
二、驱动力
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
三、阻碍因素
1、国内镍合金加工水平整体落后
主要体现在工艺技术、产品规格、产品质量、生产规模等方面,国际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。
2、原材料价格波动较大,成为未来主要的竞争点
镍及镍合金板带材作为重要的金属材料具有很强的增值能力,随着中国经济的发展对镍几镍合金板带材的需求日益旺盛,产品价格也将随着市场的发展发生波动。

耐热合金

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镍基合金的代表材料有:
1,Incoloy合金,如Incoloy800,主要成分为;32Ni-21Cr-Ti,Al;属于耐热合金;
2,Inconel合金,如Inconel600,主要成分是;73Ni-15Cr-Ti,Al;属于耐热合金;
3,Hastelloy合金,即哈氏合金,如哈氏C-276,主要成分为;56Ni-16Cr-16Mo-4W;属于耐蚀合金;
4,Monel合金,即蒙乃尔合金,比如说蒙乃尔400,主要成分是;65Ni-34Cu;属于耐蚀合金;

合金元素

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。
在650~1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力,由于足够高的高温强度与抗氧化腐蚀能力,所以常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。

发展历史

镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti);为了提高蠕变强度又添加铝,研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期,苏联于40年代后期,中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面:合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初,真空熔炼技术的发展,为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期,由于涡轮叶片工作温度的提高,要求合金有更高的高温强度,但是合金的强度高了,就难以变形,甚至不能变形,于是采用熔模精密铸造工艺,发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要,60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内,镍基合金的工作温度从 700℃提高到1100℃,平均每年提高10℃左右。

成分性能

镍基高温合金中应用最为广泛。主要原因在于,一是镍基合金中可以溶解较多合金元素,且能保持较好的组织稳定性;二是可以形成共格有序的 A3B型金属间化合物γ[Ni3(Al,Ti)]相作为强化相,使合金得到有效的强化,获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度;三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素,其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用,其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为:固溶强化元素,如钨、钼、钴、铬和钒等;沉淀强化元素,如铝、钛、铌和钽;晶界强化元素,如硼、锆、镁和稀土元素等。
镍基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。

生产工艺

冶炼方面:为了获得更纯净化的钢水,减低气体含量与有害元素含量;同时由于部分合金中有易氧化元素如Al,Ti等存在,非真空方式冶炼难以控制;更是为了获得更好的热塑性,镍基耐热合金,通常采用真空感应炉熔炼,甚至用真空感应冶炼加真空自耗炉或电渣炉重熔方式进行生产。
变形方面:采用锻造、轧制工艺,对于热塑性差的合金甚至采用挤压开坯后轧制或用软钢(或不锈钢)包套直接挤压工艺。变形的目的是为了破碎铸造组织,优化微观组织结构。
铸造方面:通常用真空感应炉熔炼母合金保证成分与控制气体与杂质含量,并用真空重熔-精密铸造法制成零件。
热处理方面:变形合金和部分铸造合金需进行热处理,包括固溶处理、中间处理和时效处理,以Udmet 500合金为例,它的热处理制度分为四段:固溶处理,1175℃,2小时,空冷;中间处理,1080℃,4小时,空冷;一次时效处理,843℃,24小时,空冷;二次时效处理,760℃,16小时,空冷。以获得所要求的组织状态和良好的综合性能。
 
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