鎳合金具有不可替代性，包括國防、能源、船舶、航空工業和其他需要高性能和可靠材料的應用領域，并且其一般用于極端高溫的承載應用中，這遠遠超出了任何其他合金的適用性。


今天從定義到制造再到熱處理，深度的來了解一下這個不可替代的合金。


鎳的定義


純鎳是銀白色的金屬，熔點高(1455度)，力學功能和冷、熱壓力加工功能好，耐腐蝕性，是耐熱濃堿溶液腐蝕的好材料，耐中性和微酸性溶液以及有機溶劑，在大氣、淡水和海水中化學性安穩，但不耐氧化性酸和高溫含硫氣體的腐蝕。一般用作機械、化工設備的耐腐蝕構建，精密儀器結構件，電子管和無線電設備零件，器械及食品工業餐具器皿等。


鎳合金


鎳合金又稱為鎳基合金 是以鎳為基加入其他元素組成的合金。1905年前后制出的含銅約30%的蒙乃爾（Monel）合金，是較早的鎳合金。鎳具有良好的力學、物理和化學性能，添加適宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蝕性、高溫強度和改善某些物理性能，在化工、電子、醫療、航空航天等部門有著廣泛的用途。


鎳合金按用途可分為：


（1）鎳基高溫合金：主要合金元素有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼、鋯等。其中鉻起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素起強化作用。在650～1000℃高溫下有較高的強度和抗氧化、抗燃氣腐蝕能力，是高溫合金中應用最廣、高溫強度最高的一類合金。用于制造航空發動機葉片和火箭發動機、核反應堆、能源轉換設備上的高溫零部件。


（2）鎳基耐蝕合金：主要合金元素是銅、鉻、鉬。具有良好的綜合性能，可耐各種酸腐蝕和應力腐蝕。最早應用的是鎳銅合金，又稱蒙乃爾合金；此外還有鎳鉻合金、鎳鉬合金、鎳鉻鉬合金等。用于制造各種耐腐蝕零部件。


（3）鎳基耐磨合金：主要合金元素是鉻、鉬、鎢，還含有少量的鈮、鉭和銦。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蝕、焊接性能也好。可制造耐磨零部件，也可作為包覆材料，通過堆焊和噴涂工藝將其包覆在其他基體材料表面。


（4）鎳基精密合金：包括鎳基軟磁合金、鎳基精密電阻合金和鎳基電熱合金等。最常用的軟磁合金是含鎳80%左右的坡莫合金，其最大磁導率和起始磁導率高，矯頑力低，是電子工業中重要的鐵芯材料。鎳基精密電阻合金的主要合金元素是鉻、鋁、銅，這種合金具有較高的電阻率、較低的電阻率溫度系數和良好的耐蝕性，用于制作電阻器。鎳基電熱合金是含鉻20%的鎳合金，具有良好的抗氧化、抗腐蝕性能，可在1000～1100℃溫度下長期使用。


（5）鎳基形狀記憶合金：含鈦的鎳合金。其回復溫度是70℃，形狀記憶效果好。少量改變鎳鈦成分比例，可使回復溫度在30～100℃范圍內變化。多用于制造航天器上使用的自動張開結構件、宇航工業用的自激勵緊固件、生物醫學上使用的人造心臟馬達等。


鎳合金的成型工藝


金屬常見的鑄造工藝、沖壓工藝等都是鎳合金加工的常用方式。


（1）鍛造：鍛造是最普遍的金屬加工工藝，通過反復將金屬加熱錘擊淬火，直到得到想要的形狀。適合單件和小批量生產。


工藝流程：開合模具鍛造：加熱的金屬塊通過上下模具錘壓成型，用于延長金屬形狀，必須由經驗豐富的操作工手工操作；閉合模具鍛造：加熱的金屬塊（黃色部分）通過上下模具錘壓成型，用于金屬的快速成型


（2）沖壓成型：是一種金屬冷處理加工方法，又被稱之為冷沖壓或板料沖壓，借助沖壓設備的動力，使金屬板材在模具內直接受力成型，沖壓的零件廣泛應用于汽車零件制造和家用電器的制造。適合大批量生產。


工藝流程：將金屬板材固定在模具臺面上 → 沖頭垂直下落，使金屬板材在模具內部受力成型 → 沖頭上升，零件被取出等待下一步修邊打磨工序，整個過程在1s-1min左右


（3）失蠟成型：是一種少切削或無切削的精密鑄造工藝，生產出的鑄件尺寸精度、表面質量比其它精密鑄造方法要高。


工藝流程：


步驟1：將熔化的液態蠟注入到事先準備好的金屬模具中，冷卻凝固后形成多個蠟制部件

步驟2：利用蠟熔點低的特點，將單個蠟制部件組合連接成一個樹狀結構


步驟3：將組合好的蠟制樹狀結構浸泡在陶瓷漿料中


步驟4：在陶瓷表面噴上耐高溫防火粒子


步驟5：在500°-1095°的高溫烤箱中，內部的蠟將熔化并且流失殆盡，形成一個空心的陶瓷樹狀結構


步驟6：將熔化的液態金屬（灰色部分）注入，并且填滿陶瓷的空心腔體內


步驟7：等待腔體內的液態金屬完全冷卻固化后，將外表面的陶瓷硬殼敲碎，最后將單個金屬零件從樹狀結構中切割分離


鎳基合金的熱處理


熱處理作為材料科學領域的一項關鍵技術，對鎳基合金的性能具有重要影響。在熱處理過程中主要通過調整材料的微觀結構來實現對鎳基合金性能的優化。該過程通常包括固溶處理、淬火和時效處理幾個階段。


固溶處理


固溶處理是將鎳基合金加熱到高溫并保持一段時間，以便合金中的各種元素完全溶解形成均勻的固溶體，然后快速冷卻以獲得過冷的單相固溶體。此過程可以增大晶粒從而提高合金的塑性和韌性。


淬火過程


隨后是淬火過程，該過程中合金被迅速冷卻通常是在水或其他冷卻介質中以抑制晶體缺陷的形成，從而提高合金的硬度和強度。此外淬火也有助于防止組織中的不均勻性，保持材料的穩定。


最后時效處理


最后時效處理是在比固溶處理低的溫度下保持一定時間，使超飽和固溶體中的溶質原子逐漸析出形成細小的第二相粒子。這些粒子通常均勻地分布在基體上，這種微觀結構的調整使得鎳基合金的硬度和強度得到進一步提升同時保持一定的塑性和韌性。


需要注意的是鎳基合金熱處理過程的具體參數，如溫度、時間和冷卻速率等要根據合金的具體成分和所需的性能來確定。不當的熱處理可能會導致材料性能的不良改變，如晶粒長大過度可能會降低合金的強度，析出相的過量增長會導致韌性下降。


文章來源： 51DESIGN我要設計，鋼鐵智者，七號記
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來源：賢集網
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