镍基耐蚀合金特性及其应用研究分析

贾成涛

摘 要：镍基耐蚀合金属于一种高性能的耐蚀材料。针对防腐蚀问题，笔者主要总结了纯镍的性质和耐蚀特点，探究了镍基耐蚀合金与镍铬不锈钢及镍基高温合金之间的区别与联系，同时阐述了目前在工程中使用镍基耐蚀合金的种类及其应用现状，突出了高性能通用型镍铬钼合金的特征与实际情况。

关键词：镍基耐蚀合金；镍铬不锈钢；纯镍；镍基高温合金

中图分类号：TB37 文献标识码：A

1.腐蚀问题和抗腐蚀材料

腐蚀属于机械零部件3种主要失效方式（磨损、腐蚀、疲劳）中的一种。金属腐蚀指的是周围介质对金属材料的表面产生作用从而发生状态变化同时转变为新相或是别的物质，使得零件慢慢地受到损毁的一种现象。零件应用于各行各业的机械、设备之中，因此研究腐蚀问题意义重大，其直接牵涉到国民经济的每个领域，零部件的使用时间长短对于整个设备质量和使用寿命都有着至关重要的作用。据笔者查阅资料发现，腐蚀给合金材料造成的直接损失巨大，从而造成了极大的资源浪费和成本支出。目前，每年全世界因为腐蚀造成的金属报废总量达到了一亿吨以上，是每年金属产量的五分之一左右。同时，随着工业化的不断推进，世界各国的腐蚀问题都呈现严重上涨的趋势。美国的腐蚀消耗（材料消耗与腐蚀）1950年为45亿美元，到1975年已经上涨到了900亿美元，到1990年已经高达1800亿美元，和1950年相比已经翻了几十倍。对比美国，尽管中国的经济体量、基础建设都远远不如，但是中国因腐蚀所带来的经济损失每年也超过了300亿人民币。国际金属腐蚀会议每3年召开一次，同时地区性的国际会议也很活跃，全球各国关于腐蚀方面出版的正规学术刊物已经超过了40种。当前，怎样加强设备的可靠性并延长使用周期，减少材料的使用量，就成为世界各国的关注重点，所以腐蚀与防护科学受到各国的普遍重视，从而寻求对于腐蚀的有效控制，以加强设备的耐用度，延长设备寿命。此外，近些年来随着环境和生态逐渐恶化以及人们环保理念的不断提升，各国都开始注重可持续发展理念，以寻求保护人类生存的家园。从微观角度出发，环境保护包括水污染和大气污染的治理以及对固体废弃物的有效处理等，而污水、废水、垃圾等污染基本上都属于腐蚀性极强的介质，所以采取高性能的耐蚀材料，能够有效减少腐蚀物的产生、避免由于腐蚀破坏所导致的物质泄漏。因此，对于镍基耐蚀合金的研究与应用对于环境保护技术也有着重要意义。

2.纯镍的性质和耐腐蚀特性

镍属于铁磁性物质，是重有色金属，有着较好的强度与延展性，同时具备了较好的成型性。根据实验来看，纯镍的强度极限最多达到了500MPa，延伸率达到了40%。此外，镍虽然是中等活性金属，但是有着良好的耐各种介质腐蚀的性能。镍由于其自身标准电极电位比氢稍低，所以容易出现极化现象，且在腐蚀过程中不会逸出氢。同时，镍的电位相对铁为正，耐化学性质活泼的卤素类气体和氰化物侵蚀的能力，耐氢氧化钠、氢氧化钾等氢氧化物介质腐蚀的能力也超出铁许多。

因为镍具备了明显的钝化倾向，所以其在稀的非氧化性酸，尤其是在中性与碱性溶液里，腐蚀过程将会显著地放慢。同时，镍在干、湿大气中的耐蚀能力特别强，不过对于含有二氧化硫的大气腐蚀是极为不耐的。

除去普通的自然环境外，纯镍对于氟、碱、盐以及多种有机物的腐蚀都有较强的可耐性。同时，镍在所有碱类溶液中都能实现彻底的稳定，腐蚀率仅低于钢两个数量级，这一特点让镍成了制造熔碱与碱液容器的优秀材料。另外，虽然镍在非氧化性的稀酸中以及许多有机酸里，在室温条件下都呈现出稳定的状态，不过在含有氧化剂和通气时，镍的腐蚀速度就会急剧增长。此外，镍在硝酸与亚硝酸等氧化性质里较不耐蚀。在充气条件下，其对于醋酸和蚁酸也会呈现稳定的状态，耐蚀性不足。其在充气的氨水溶液中甚至会出现溶解现象。

从上文中可知，虽然纯镍具备了作为耐蚀材料的基本特性，不过对于目前人类社会中所发现和使用的众多苛刻且复杂的金属来说，纯镍的特性还是不够。而利用合金化的方法来形成镍基耐蚀合金就能有效解决该问题，这也属于镍在耐蚀合金中的一个显著特点，也就是镍对于铬、铜、钼等具备了超强固溶能力的合金化元素，这些合金化元素给予了镍更为突出的耐蚀能力，从而形成多种成分广泛、耐蚀性能不同的镍基耐蚀材料。

3.镍基耐腐蚀合金与镍铬不锈钢、镍基高温合金

镍除了在电镀中使用并构成纯镍材料外，镍大多用来生产不锈钢与镍合金，目前常见的镍基合金包括高温合金、精密合金、耐蚀合金等等。耐蚀合金除去镍基外，还包括有铁镍基等。通常来说，行业的规定是，不锈钢中所含有的镍量至少超出8%，镍基耐蚀合金中的镍比重需要大于一半，而铁镍基耐蚀合金中的含镍量则是在30%～50%。从性能上来看，不锈钢属于在自然环境下或是一定的工作介质环境下使用的钢铁材料。镍基耐蚀合金因为其镍含量极高以及多种合金化元素的复合作用，所以其能够用在不锈钢所无法适用的腐蚀条件与苛刻且复杂的工业环境中。像是卤化物可以贯穿不锈钢上覆盖的表面钝化膜，这时候就应该采用镍基合金防止被腐蚀。

镍基高温合金是在Cr20Ni80合金基础上发展而来的。为了能够达到在1000℃高温热强性与气体介质中的抗氧化、抗蚀性的要求，加入了许多的强化元素，包括钼、铝、铌、钴等，从而确保合金具备超强的高温性能。添加大量铬是为了能够继续加强高温合金抗氧化、抗高温的腐蚀性能。因此，镍基高温合金能够应用于在航空航天领域中的高温环境下工作的结构部件中，具备了良好的耐蚀效果。

镍基耐蚀合金的主要性能表现为抗液体介质腐蚀能力强。合金中的镍含量通常小于65%，主要加入铬、铜、钼、钨等元素，从而满足多种不同化学性质的工作需求，不同元素的加入给予了镍在不同环境下的耐腐蚀能力。

因为碳化物等第二相的析出会导致材料耐蚀能力的严重下降，所以，镍基耐蚀合金需要借助于专业的熔炼技术，使得碳含量尽量控制在较低的标准下，通常不会超过0.05%。虽然耐热合金也包括了镍基与铁镍基合金，不过用在航天、航空等领域的镍基高温合金和应用于海洋工程领域的铁镍耐蚀合金需要仔细地区分开来。实际上，此二者无论在使用性能还是成分设计上都有着明显的差异。当然，由于镍基合金与铁镍基的耐蚀能力较好，所以镍基高温合金也能运用于海洋工程领域，铁镍集合金也能运用于航天、航空领域，二者都能使用在高温条件与腐蚀环境下都是没有问题的。即便如此，依据二者合金中的化学成分、特点和使用途径还是可以进行有效区分。简单来说就是主要用其耐热或热强性能的合金，就是耐热或高温合金；主要用其耐蚀性能的合金则是耐蚀合金。

4.常见镍基耐蚀合金

根据上文中所说的，纯镍一般用在碱性溶液环境中，而在腐蚀性更强更苛刻的环境下就以使用不同的镍基耐蚀合金为主，如Ni-Cu，Ni-Mo与Ni-Cr等耐蚀合金。

（1）Ni-Cu合金通常是用在弱还原性溶剂中，尤其是氢氟酸镍、铜含量约七三开的镍铜和金素以蒙乃尔之名而闻名，由于添加了不同的元素使得其合金具备了不同的性能。该合金具备了镍和铜的诸多远点，在还原性介质中其比镍基合金的耐蚀性能更强，在氧化性介质中其比之铜又更耐蚀，此外，在硫酸、盐酸等溶液和有机酸中其较之镍、铜材料都更为耐蚀。蒙乃尔在非氧化性的不同介质中具备了较强的耐蚀性，不过其在潮湿环境下容易受氧化性酸蚀、氯化物的浸蚀，因此，蒙乃尔遇到氧化性的水溶液是呈不耐蚀状态。

目前该合金通常应用于高温同时具备荷载情况下的耐蚀零件与设备，主要构成制造输送浓碱液的泵、阀门等材料。同时，镍铜合金具备了强度高、抗腐蚀性强以及无磁性的特质，因此适合用于无火花工具、船用螺旋桨轴等的零件制作。

（2）Ni-Mo合金主要用于强还原性介质

盐酸属于腐蚀性极强的无机酸的一种，镍钼耐蚀合金是由研究钼对镍在盐酸中腐蚀行为的影响发展而来。在镍基中加入钼的作用是为了加强其抗蚀性、强度与高温加工性。根据相关研究显示，加入不同含量的钼，能使得镍钼合金具备较强的在不同介质中的耐蚀性能。此种合金也被叫做哈氏合金，具备了较强的力学性能，有着优良的工艺性。

（3）Ni-Cr系合金主要用于强氧化性介质

在镍基合金中添加铬元素能够有效提高其耐氧化性酸盐和硫化等多种能力。根据合金的耐蚀能力需求不同，添加不同含量的铬元素可满足其在稀硫酸、稀硝酸、热浓硝酸中耐蚀性能加强的要求。

常用的镍铬耐蚀合金不但能够抗高温氧化，还能在水溶液中使用，即便是强氧化性的水溶液也不在话下，其主要适用于室温条件下的硫酸、硫酸等环境。此外，该种合金在大气、水以及蒸汽、碱环境下的耐蚀性表现最佳，因此，目前在化工、核动力等领域被广泛地使用。

5.镍基耐蚀合金在现代化建设中的使用

国外某大型化学公司专门生产氯化物和氟化物的反应器受到严重腐蚀，根据行业规定，设备使用在一年至一年半后就必须进行更换。反应技术中采取了多种碳氢化合物、硫酸、氟化铵和足够的催化剂，在一定的温度下运行，然后挑选多种材料在反应器中完成了一年半的试验评价，腐蚀速率较快。然后根据试验评价使用添加了20%的铬、15%钼，不多于0.5%铁的镍基合金材料制作反应器，根据反馈信息来看，其目前已实际使用超过36个月，依旧性能完好，预计使用能达到4年左右，服役期限大大延长。

美国305和320L奥氏体不锈钢在沸腾的40%的氯化镁浸泡1～2个小时后就会出现应力腐蚀断裂的状况，而镍基耐蚀合金Cr-Ni-Mo在同样条件下浸泡则表现出极强的耐蚀性能，超过1000个小时还没有断裂。若是换为在60℃的15%的氯化铁环境中遭受缝隙腐蚀，奥氏体不锈钢的表现要远逊于镍基耐蚀合金Cr-Ni-Mo，后者基本不受影响。另外，笔者通过查阅资料发现，在一定浓度的高温氯化氢溶液中，奥氏体不锈钢的腐蚀速度远远超过镍基合金。

结论

镍基耐蚀合金属于一种综合性能非常优秀的耐蚀材料，能够处理好普通不锈钢与别的金属、非金属材料所不能处理的严重工程腐蚀问题，在当今的技术水平和工程发展阶段，是值得大力推广的。同时，因为镍基耐蚀合金添加的元素不同，使得其形成了多种不同合金，所以，在使用的过程中需要注意介质的性质、工作环境等。

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