镍及镍合金产品标准现状分析及应用

2020-05-03丁五洲

有色金属加工 2020年2期

杨哲，杨晗，程伟，龙卓，许松，丁五洲

(宝钛集团镍材料公司，陕西宝鸡721014)

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，管材、铸件、锻件、棒材、杆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。

表1 ASME标准镍及镍合金板材(节选)

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、ASTM G48、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。