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(jì)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(biāo)準(zhǔn)體系在全世界有廣泛的適用性。
我國自 20 世紀(jì) 50 年代開始仿制、改進(jìn)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(jìn)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(tuán)公司、四川長城特殊鋼公司、太原鋼鐵集團(tuán)、東北特鋼集團(tuán)有限公司、寶鋼集團(tuán)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(biāo)準(zhǔn)體系,如撫順特鋼主導(dǎo)的 GH 高溫合金系列標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)美標(biāo)與國標(biāo)并行,國標(biāo)相互之間還有交叉,對此本文作出詳細(xì)介紹。
1、美標(biāo)鎳及鎳合金標(biāo)準(zhǔn)體系
美標(biāo) 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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行介紹,不再贅述。 鎳及鎳合金因廠家不同、涉及的商標(biāo)、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(biāo)準(zhǔn)之中統(tǒng)一按照 UNS 體系命名,如 Inconel 600 命名為 UNS N06600。
ASME 標(biāo)準(zhǔn)按照產(chǎn)品種類進(jìn)行劃分,板材和薄板帶材為同一標(biāo)準(zhǔn),鎳管材、鎳鑄件、鎳鍛件、鎳棒、鎳絲材分別劃分為不同的標(biāo)準(zhǔn),牌號方面則按照同一類基體元素進(jìn)行歸類(表 1)[1] ,鎳銅類板材歸 ASME SB127 標(biāo)準(zhǔn),鎳鉻鐵 N06600、N06601 等歸 ASME SB168。
1.1 基本內(nèi)容
標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行協(xié)商。 同時制定了一個通用的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基本的內(nèi)容,其他特殊的指標(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo) 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(jìn)行敏化處理,而具體的敏化制度則由雙方進(jìn)行協(xié)商,包括測試結(jié)果的合格指標(biāo)。 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(jìn)行焊接、熱處理等工序,故而一般均需要進(jìn)行敏化處理。 如果供需雙方對合格指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)沒有明確,一般也是以雙方進(jìn)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(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn),但是業(yè)內(nèi)普遍使用前者。
2、國標(biāo)鎳及鎳合金標(biāo)準(zhǔn)體系
國標(biāo)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(jìn)行發(fā)展,由純鎳 N2、N4、N5、N6、N7、N8 等進(jìn)一步添加鎂、錳、鈹?shù)仍亍?目前黑色金屬企業(yè)的鎳基合金鎳含量最高已達(dá)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(biāo)準(zhǔn)體系,按照分類分別形成耐蝕合金標(biāo)準(zhǔn)、高溫合金標(biāo)準(zhǔn)、精密合金標(biāo)準(zhǔn)以及耐磨和形狀記憶合金標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)體系則在不停的擴(kuò)大,在新版GB/ T5235 標(biāo)準(zhǔn)中,將鎳銅、鎳鉻、鎳鉻鐵等典型的牌號也納入進(jìn)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(biāo)鎳合金標(biāo)準(zhǔn)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(biāo),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(biāo)。
國標(biāo)是按照鎳合金的分類來制定的,有交叉的在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)體系,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了特殊的工藝性能指標(biāo)以及功能性指標(biāo), 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(biāo)準(zhǔn),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(jìn)口產(chǎn)品。 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。 有色系鎳標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的要求,性能為拉伸、硬度、晶粒度、彎曲等常規(guī)性能指標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)。
(6)國標(biāo)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(biāo)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。
3、 結(jié)論與建議
1）鎳合金牌號眾多,美標(biāo)相對統(tǒng)一,國標(biāo)有交叉重復(fù)。 一般的鎳及鎳合金主要使用美標(biāo),但是美國標(biāo)準(zhǔn)中只明確規(guī)定了一般的指標(biāo),對于鎳合金應(yīng)用而言,眾多的指標(biāo)如腐蝕性能、表面狀態(tài)均需要供需雙方協(xié)商；
2）國標(biāo)依據(jù)鎳合金的種類制定標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)有更好的適用性,相關(guān)的指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)不宜再進(jìn)行重疊。 目前黑色金屬鎳合金標(biāo)準(zhǔn)體系基本完善,有色金屬企業(yè)制定的GB/ T5235、GB/ T2054、GB/ T2072 等標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)體系,避免與其他標(biāo)準(zhǔn)過多的交叉重疊。
參考文獻(xiàn)
[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(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.
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