鎳及鎳合金是一類重要的材料,具有良好的力學、物理和化學性能,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。 主要應用于航空、航天渦輪發動機零件,其次是石油化工領域用耐蝕合金,電子工業用鎳基合金應用產品包括鎳基軟磁合金、靶材、電池等。 全球鎳基合金產量隨著經濟的發展而增長,就全球產量比 例來說,歐洲地區仍為全球鎳基合金主要的生產地區,并以石化業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取得了令人矚目的成就,形成了一支實踐經驗豐富,有較高理論水平的生產與科研隊伍,生產企業主要是一些特殊鋼廠和相關研究院所,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、英國和前蘇聯之后的第四個有鎳合金體系的國家。 各企業根據自身產品特點在幾十年來逐漸發展起來鎳合金標準體系,如撫順特鋼主導的 GH 高溫合金系列標準,精密合金企業主導的精密合金 1J-6J 合金系列,長鋼等主導的耐蝕合金 NS系列,以及現在北京、西安所生產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,加之中國經濟的快速發展,實施的一系列大型工程如大飛機計劃、嫦娥工程、核電發展計劃、海洋工程等,這些都為中國鎳基合金產業發展提供了巨大的需求。 目前國內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 將鎳及鎳合金產品歸類于 ASME Ⅱ卷 B 篇 非鐵基材料,目前已經更新到 2019 年版本。ASTM 標準號與之對應,除了資質證書作為必須要求外,其他內容沒有顯著區別,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 標準之中統一按照 UNS 體系命名,如 Inconel 600 命名為 UNS N06600。
ASME 標準按照產品種類進行劃分,板材和薄板帶材為同一標準,鎳管材、鎳鑄件、鎳鍛件、鎳棒、鎳絲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。
1.1 基本內容
標準規定了使用范圍、術語、化學成分、力學性能、材質書等一般要求。 部分標準規定了尺寸公差,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商。 同時制定了一個通用的標準ASME SB906,在里面統一規定了尺寸公差、不平度等要求。 需要指出的是不同的產品尺寸公差要求不一樣,對于 SB127、SB162、SB168、SB409、SB424、SB443、SB670、SB755 和 SB872 沒有規定厚度公差,只規定了超重比例, 厚度公差實際可依據此進行推算； 而SB333、SB434、SB575、SB582、SB620 則明確規定了厚度公差,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。 之所以如此規定,筆者認為與各牌號的加工能力和產品的價格有關。
1.2 應用
標準規定了基本的內容,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信息。 為此在實際應用中,慣例對于腐蝕性能,常用的標準為 ASTM G28、ASTMG48、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商,包括測試結果的合格指標。 多數情況下材料一般均用于設備加工,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, 則可以查閱相關的腐蝕數據資料,或者以某些大型企業如殼牌公司的數據作為參考。 亦或是以理想狀態下的樣品實驗室數據的倍數作為驗收依據,一般倍數為 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,但是業內普遍使用前者。
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展中,是以黑色金屬、有色金屬各自從自己源頭開始發展的。 黑色金屬企業是在不銹鋼的基礎上,不斷的增加鎳含量以提高性能,先產生超級不銹鋼,繼續發展在 Ni％ ≥30％時發展為鐵鎳基合金,在 Ni％≥50％時變為鎳基合金。
而有色金屬企業則是在純鎳的基礎上,添加合金元素進行發展,由純鎳 N2、N4、N5、N6、N7、N8 等進一步添加鎂、錳、鈹等元素。 目前黑色金屬企業的鎳基合金鎳含量最高已達到 80％。 由撫順特鋼、長城特鋼、上鋼五廠等企業黑色金屬企業為主導,構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,與現有的耐蝕合金、高溫合金又產生了交叉重疊,造成了目前國標鎳合金標準體系反復交叉的情形,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,標準中規定了特殊的工藝性能指標以及功能性指標, 如電導率、 磁導率、 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、醫療衛生、眼鏡架等領域,具有高彈性和記憶性,目前國內僅有北京、西安少數幾家企業可以生產,品質低于進口產品。 現行標準有 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上發展而來,目前主要有 GB/ T5235-2017《加工鎳及鎳合金化學成分和產品形狀》、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、彎曲等常規性能指標。在市場應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商。
3、 結論與建議
1）鎳合金牌號眾多,美標相對統一,國標有交叉重復。 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定了一般的指標,對于鎳合金應用而言,眾多的指標如腐蝕性能、表面狀態均需要供需雙方協商；
2）國標依據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,相關的指標也更加明確；
3）黑色金屬和有色金屬企業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。
參考文獻
[1] ASME:Ⅱ卷.B 篇.非鐵基材料(2017) 中文版[M].中國石化出版社,2019.
[2] 鋼鐵材料手冊:第 10 卷. 精密合金類材料[M].中國標準出版社,2003.
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