镍及镍合金是一类重要的材料,具有良好的力学、物理和化学性能,通过添加适宜的元素可以提高镍基合金的抗氧化性、耐蚀性、高温强度并改善某些物理性能。 主要应用于航空、航天涡轮发动机零件,其次是石油化工领域用耐蚀合金,电子工业用镍基合金应用产品包括镍基软磁合金、靶材、电池等。 全球镍基合金产量随着经济的发展而增长,就全球产量比 例来说,欧洲地区仍为全球镍基合金主要的生产地区,并以石化业用镍基耐蚀合金使用量最多；美国在镍基合金材料方面以高性能合金为主,其制定的ASME/ ASTM 标准体系在全世界有广泛的适用性。
我国自 20 世纪 50 年代开始仿制、改进国外牌号的镍基合金,到 70 年代末已有 10 多种牌号。 80 年代以后,研制有了较大进展并有了一些新牌号的镍基合金。 1994 年公布的镍基耐蚀合金牌号有 23 种、高温合金牌号有 24 种。 60多年来,我国高温耐蚀合金已经取得了令人瞩目的成就,形成了一支实践经验丰富,有较高理论水平的生产与科研队伍,生产企业主要是一些特殊钢厂和相关研究院所,例如抚顺特殊钢集团公司、四川长城特殊钢公司、太原钢铁集团、东北特钢集团有限公司、宝钢集团上钢五厂、北京钢铁研究总院以及重庆仪表材料(重材院)、北京北冶、陕西精密合金等,是继美国、英国和前苏联之后的第四个有镍合金体系的国家。 各企业根据自身产品特点在几十年来逐渐发展起来镍合金标准体系,如抚顺特钢主导的 GH 高温合金系列标准,精密合金企业主导的精密合金 1J-6J 合金系列,长钢等主导的耐蚀合金 NS系列,以及现在北京、西安所生产的钛镍形状记忆合金标准系列。
我国有全球最大的镍基合金需求缺口,加之中国经济的快速发展,实施的一系列大型工程如大飞机计划、嫦娥工程、核电发展计划、海洋工程等,这些都为中国镍基合金产业发展提供了巨大的需求。 目前国内镍及镍合金标准美标与国标并行,国标相互之间还有交叉,对此本文作出详细介绍。
1、美标镍及镍合金标准体系
美标 ASME 将镍及镍合金产品归类于 ASME Ⅱ卷 B 篇 非铁基材料,目前已经更新到 2019 年版本。ASTM 标准号与之对应,除了资质证书作为必须要求外,其他内容没有显著区别,后文将以 ASME 标准体系进行介绍,不再赘述。 镍及镍合金因厂家不同、涉及的商标、专利不同,常用命名方式不同,主要分为Inconel、Incoloy、Monel、Hastelloy、Inva 等,在 ASME 标准之中统一按照 UNS 体系命名,如 Inconel 600 命名为 UNS N06600。
ASME 标准按照产品种类进行划分,板材和薄板带材为同一标准,镍管材、镍铸件、镍锻件、镍棒、镍丝材分别划分为不同的标准,牌号方面则按照同一类基体元素进行归类(表 1)[1] ,镍铜类板材归 ASME SB127 标准,镍铬铁 N06600、N06601 等归 ASME SB168。
1.1 基本内容
标准规定了使用范围、术语、化学成分、力学性能、材质书等一般要求。 部分标准规定了尺寸公差,表面状况则是提供了几种方案,并没有明确,具体由合同双方进行协商。 同时制定了一个通用的标准ASME SB906,在里面统一规定了尺寸公差、不平度等要求。 需要指出的是不同的产品尺寸公差要求不一样,对于 SB127、SB162、SB168、SB409、SB424、SB443、SB670、SB755 和 SB872 没有规定厚度公差,只规定了超重比例, 厚度公差实际可依据此进行推算； 而SB333、SB434、SB575、SB582、SB620 则明确规定了厚度公差,公差带较小,适用于全宽度和长度；SB463、SB536、SB599、SB625、SB688、SB709 则明确规定了厚度公差,且不同的宽度和长度厚度公差也不同。 之所以如此规定,笔者认为与各牌号的加工能力和产品的价格有关。
1.2 应用
标准规定了基本的内容,其他特殊的指标或检测方法等没有提及,在条文中约定为具体由合同双方自己制定。 对于镍合金而言,主要涉及腐蚀性能,对此美标没有提及明确的相关信息。 为此在实际应用中,惯例对于腐蚀性能,常用的标准为 ASTM G28、ASTMG48、BSEN-ISO3651、ASTM A262 等,而以前者最为常用。 有时候也会使用国标 GB/ T 15260-2016《镍基合金晶间腐蚀试验方法》。
在使用时需方必须要明确材料的服役条件,以确定测试方法。 区分是低温用还是高温用途,其决定了在测试时候是否需要进行敏化处理,而具体的敏化制度则由双方进行协商,包括测试结果的合格指标。 多数情况下材料一般均用于设备加工,在加工过程中不可避免要进行焊接、热处理等工序,故而一般均需要进行敏化处理。 如果供需双方对合格指标不太明确, 则可以查阅相关的腐蚀数据资料,或者以某些大型企业如壳牌公司的数据作为参考。 亦或是以理想状态下的样品实验室数据的倍数作为验收依据,一般倍数为 1.0~2.5 倍。
非金属夹杂物检测,标准没有明确,一般也是以双方进行协商。 日常使用可借鉴使用高温合金类非金属夹杂检测标准,主要检测的是碳化物。 有时也可以使用钢类非金属夹杂物标准,但是业内普遍使用前者。
2、国标镍及镍合金标准体系
国标镍合金分为耐蚀合金 NS、高温合金 GH、精密合金 1J、2J 等、耐磨合金、形状记忆合金(Ti-Ni类)。 需要指出的是在镍及镍合金的发展中,是以黑色金属、有色金属各自从自己源头开始发展的。 黑色金属企业是在不锈钢的基础上,不断的增加镍含量以提高性能,先产生超级不锈钢,继续发展在 Ni％ ≥30％时发展为铁镍基合金,在 Ni％≥50％时变为镍基合金。
而有色金属企业则是在纯镍的基础上,添加合金元素进行发展,由纯镍 N2、N4、N5、N6、N7、N8 等进一步添加镁、锰、铍等元素。 目前黑色金属企业的镍基合金镍含量最高已达到 80％。 由抚顺特钢、长城特钢、上钢五厂等企业黑色金属企业为主导,构成了我国镍合金标准体系,按照分类分别形成耐蚀合金标准、高温合金标准、精密合金标准以及耐磨和形状记忆合金标准体系,互相之间也有交叉,因为有些镍合金既属于耐蚀合金又属于高温合金。
而有色金属标准体系则在不停的扩大,在新版GB/ T5235 标准中,将镍铜、镍铬、镍铬铁等典型的牌号也纳入进去,与现有的耐蚀合金、高温合金又产生了交叉重叠,造成了目前国标镍合金标准体系反复交叉的情形,使用不便。 为此在实际使用中,较多使用的为美标,只有一些国产牌号或者精密类功能材料、高温合金多使用国标。
国标是按照镍合金的分类来制定的,有交叉的在标准附录后均有对照表,可以对照参考。
(1)高温合金。 顾名思义适用于高温用途,代号为 GH,典型牌号有 GH3128、GH4169 等,标准为 GB/T14992、GB/ T14995《高温合金热轧板》等,需要指出的是在高温合金中包含铁基、镍基、钴基、钨基等几种。 标准除了一般要求外,还规定了高温性能。
(2)耐蚀合金。 镍基耐蚀合金,代号为 NS,典型牌号有 NS331 等,标准有 YB/ T5353-2012《耐蚀合金热轧板》等。
(3)精密合金。 均属于特殊的功能材料,具体为1J-软磁材料、2J-硬磁材料、3J-弹性合金、4J-膨胀合金、5J-热双材料和 6J-电热合金。 目前基于此又发展了大量的新材料,类似非晶材料、纳米材料等。 有单独的标准体系,标准中规定了特殊的工艺性能指标以及功能性指标, 如电导率、 磁导率、 磁通等。 GB/T32286.1-2015《软磁合金第 1 部分铁镍合金》,以及一系列的精密合金标准,见表 2 [2] 。
(4)Ti-Ni 形状记忆合金。 为高端材料,用于航空航天、高铁、医疗卫生、眼镜架等领域,具有高弹性和记忆性,目前国内仅有北京、西安少数几家企业可以生产,品质低于进口产品。 现行标准有 YS/ T1076-2015《钛镍合金板材》、GB/ T 15620《镍及镍合金焊丝》等。
(5)有色系镍标准。 有色系镍标准是在纯镍的基础上发展而来,目前主要有 GB/ T5235-2017《加工镍及镍合金化学成分和产品形状》、GB/ T 2054-2013《镍及镍合金板》、GB/ T 2072-2007《镍及镍合金带材》、GB/ T 2882-2013《镍及镍合金管》等。 内容均为一般标准的要求,性能为拉伸、硬度、晶粒度、弯曲等常规性能指标。在市场应用中主要看其中对纯镍的要求,有较好的适用性,尤其其中的 N2、N4、N6 为我国自主命名的牌号。 标准里面的合金牌号主要以高镍为主,为镍镁、镍铍、镍锰等,近些年也吸纳了 N04400、N06600、N08800 等一些美标牌号,市场反馈适用性不强,且造成了重叠交叉,目前签订合同时该类合金均直接使用美标。
(6)国标特殊检测项目。 晶间腐蚀参照执行 JB/T 4756-2006《镍及镍合金制压力容器》中第五部分材料篇,晶间腐蚀方法和指标在附录 D:镍合金晶间腐蚀敏感性检验。 其中提供了 3 种检测方法,具体采用哪一种方法由供需双方协商。
3、 结论与建议
1）镍合金牌号众多,美标相对统一,国标有交叉重复。 一般的镍及镍合金主要使用美标,但是美国标准中只明确规定了一般的指标,对于镍合金应用而言,众多的指标如腐蚀性能、表面状态均需要供需双方协商；
2）国标依据镍合金的种类制定标准,因而在确定的用途,尤其是功能类、耐蚀、高温、精密等用途国标有更好的适用性,相关的指标也更加明确；
3）黑色金属和有色金属企业各自制定的镍及镍合金标准不宜再进行重叠。 目前黑色金属镍合金标准体系基本完善,有色金属企业制定的GB/ T5235、GB/ T2054、GB/ T2072 等标准可将牌号限定在纯镍及高镍含量(Ni％≥85％)即可,如此可确保为独立的标准体系,避免与其他标准过多的交叉重叠。
参考文献
[1] ASME:Ⅱ卷.B 篇.非铁基材料(2017) 中文版[M].中国石化出版社,2019.
[2] 钢铁材料手册:第 10 卷. 精密合金类材料[M].中国标准出版社,2003.
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