镍合金是一种元素构成中含有一定比例镍的金属。镍主要与铬、铜、铁、钛和钼合金化。例如，Inconel® 具有优异的耐腐蚀性、抗氧化性和耐高温性。大多数镍合金表现出良好的腐蚀、氧化和高温强度性能，但有一些例外。镍铁合金不具备相同水平的耐腐蚀性和抗氧化性。镍合金通常用于极端工作环境，例如航空航天、化学加工和石油工业中遇到的环境，但也可用于电气和电子应用。
本文将介绍镍合金是什么、使用地点、特性和物理特性，以及镍合金的不同类型及其用途。
什么是镍合金？
镍合金一词是指以镍为主要元素之一的金属。某些类型的镍合金被称为高温合金，因为它们具有优异的抗氧化性和抗蠕变性，使其能够在熔点一半以上的温度下使用。镍合金可以加工和焊接，但往往会带来一些加工困难，因为一些合金在加工过程中会变硬，并且它们的高熔点会使它们难以焊接。
使用潜在镍合金的最早记录是在公元前 200 年的中国，其中谈到了一种称为“白铜”的材料（很可能是一种镍银合金）。1751 年，德国科学家 Axel Fredrik Cronstedt 能够从一种叫做镍铁矿的矿物中分离出镍。第一批镍合金含有铜和锌。它们被称为“德国白银”。这些早期的合金主要用作装饰材料。
1913 年，詹姆斯·莱利 （James Riley） 生产了一种铁铬合金，继他之后，W.H. Hatfield 博士发现了在这些铁铬合金中添加镍以制造今天所知的奥氏体不锈钢的好处，它具有优异的耐腐蚀性。
绝大多数被称为高温合金的金属都是镍基的。另一个经常用来描述镍合金的术语是高性能合金。然而，重要的是要注意，并非所有高温合金都是镍合金。
镍合金是如何制造的
镍合金通常由各种金属和镍的混合物制成。虽然并非所有金属都可以与镍有效结合。一些最常见的可以与镍合金化的元素是铁 （Fe）、铬 （Cr）、铝 （Al）、钼 （Mo）、铜 （Cu）、钴 （Co） 和钛 （Ti）。这些元素可以组合起来生产具有不同性能的合金。例如，镍、铁、钼和铬合金，如 316 型不锈钢，具有出色的耐腐蚀性。
镍合金的制造工艺与大多数其他金属合金相同。必须选择合金元素并确认它们的比例。接下来，例如，所有元素在电弧炉中熔化在一起。在冶炼过程中，合金也被提纯。然后将镍合金铸造成锭，然后使用冷或热加工技术形成。
镍合金的特性？
下面列出了镍合金的一些常见特性：
耐腐蚀性：镍合金具有出色的耐腐蚀性和抗氧化性，非常适合在恶劣环境中使用。
高强度：镍合金可以具有高强度。因此，它们在高温下需要高强度和韧性的地方特别有益。
耐热性：镍合金具有出色的耐热性，可以持续承受高达 980 °C 的温度，Inconel 718 则为镍合金®。
延性：镍合金具有很强的延展性，因此是非常坚韧的材料，能够承受冲击而不会突然断裂。
磁性能：镍合金，尤其是镍含量非常高的镍合金，具有优异的软磁性能，这意味着它们很容易被磁化和退磁。镍合金可以说具有低矫顽力（衡量磁性材料退磁难度的指标）。
焊接：镍合金可以使用 MIG（金属惰性气体）或 TIG（钨惰性气体）工艺进行焊接。它们也可以使用 MMA（手动金属电弧）焊接进行连接。镍合金可能难以焊接，热裂纹或温裂纹和气孔等问题很常见。
导热：镍合金没有特别好的导热性。然而，在高温应用中，通常需要低导热性，以限制热量传递到其他组件。但是，如果需要导热性能，则可以使用镍铜合金。
电导率：镍合金的导电性低于纯铜或纯银。然而，镍铜合金确实具有改进的导电性以及更高的耐腐蚀性。
低热膨胀系数：镍合金通常具有低热膨胀系数。这使它们成为必须在一定温度范围内保持尺寸稳定性的精密应用的理想选择。
颜色： 镍合金的颜色完全取决于其特定的成分。天然镍具有银白色外观，镍合金根据其镍含量会具有相似的颜色。由于涂层中存在磷，化学镀镍涂层可能具有金棕色外观。
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一般来说，可能很难将镍合金与同样具有金属外观的其他金属区分开来。镍合金可以具有银白色外观，但这在很大程度上取决于合金的表面光洁度和成分。粗糙的表面会给人一种暗淡的外观，而光滑的表面可能会显得反光。
不同类型的镍合金 镍合金种类繁多。下面列出了一些常见的等级： 1. 铬镍铁合金® Inconel® 是一种镍合金的商品名，其主要合金元素为铬、钼和铁。它以其抗氧化性、在高温环境中的优异性能和机械强度而闻名。铬镍铁合金®由于其快速的加工硬化行为而难以冷成型。典型的合金是 Inconel 625、718 和 600。 2. 蒙乃尔合金® 蒙乃尔合金®是一组铜基镍合金的商品名。蒙乃尔合金具有高强度和优异的耐盐水性，以及在低温环境中表现良好的能力，即延展性没有大幅降低，硬度和强度有所增加。蒙乃尔合金®在冷成型过程中往往会变硬，因此难以加工。典型的合金是 Monel® 400、R-405 和 K-500。 3. 哈氏合金® 哈氏合金®是镍铬合金或镍钼合金的高耐腐蚀合金的商品名。此外，哈氏合金®还具有良好的热稳定性，用于航空航天和化学加工行业。典型的合金包括 C-22 和 C-276。 4. 镍铜合金 镍铜合金具有优异的耐盐水腐蚀和抗结垢性。因此，它们被广泛用于船舶工业。有时会添加铁、锡和锰以进一步提高耐腐蚀性。铜含量在 55% 到 91.5% 之间，镍是第二大合金元素。其他合金元素占总重量的一小部分。蒙乃尔合金®被认为是一种镍铜合金。 5. 镍铁合金 镍铁合金具有良好的延展性、低热膨胀性和耐腐蚀性。这些合金还具有软磁性能。这些合金用于需要低热膨胀的应用，如敏感的科学设备或有益于软磁特性的应用，如变压器。镍铁合金的常见商品名称是 Invar®。 6. 镍铬合金 镍铬合金具有出色的耐腐蚀性和抗氧化性，同时在高温下也能保持其强度。它们还具有很高的电阻率。这使得镍铬合金特别适合用作加热器元件，例如烤箱或烤面包机中的加热器元件。镍铬合金的熔点可能超过 1300 °C。 这些合金通常具有 70% 的高镍含量。 7. 镍钛合金 镍钛合金具有优异的耐腐蚀性和良好的机械强度。然而，最有趣的特性是它们是一种形状记忆合金 （SMA）。它们可以在一定的高温以上形成特定的形状，称为转变温度。冷却后，零件会发生一定程度的变形，但如果加热回其转变温度，它将恢复其原始形状。这种变化发生的确切温度可以通过改变合金的成分来调整。这些合金在医疗应用中特别有用。例如，支架可以以其压缩形式插入，但一旦进入体内，就会膨胀成最终形状。镍钛合金也被称为镍钛合金®。 8. 镍钼合金 镍钼合金在高温下具有优异的耐腐蚀性和抗氧化性。它们在高温下也能保持其机械性能。一种常见的镍钼合金也称为哈氏合金®。这种镍合金通常用于热交换器、泵和反应器压力容器。 镍合金的特性 镍合金可以承受高工作温度和腐蚀性环境，并具有良好的机械强度。除此之外，它们还可以具有软磁行为、低导热性和良好的导电性。下面的表 1 列出了镍合金的性能：
表 1：镍合金特性
财产
描述
镍合金示例
其他优势
应用
极限抗拉强度 [MPa]
在纯张力下加载时会导致最终失效的应力
铬镍铁合金 625
优异的耐腐蚀性和抗氧化性， 高蠕变强度
航空航天部件，如涡轮叶片
居里温度 [°C]
材料失去磁性的温度
因瓦 36
低导热性
工具、模具、低温组件
线性热膨胀系数 @ @ 93 °C （退火） （μm/μm·°C）
样品在 93C 时的线性膨胀度
因瓦 36
熔融温度高
工具、模具、低温组件
导热系数 @ 93 °C （退火） （W/m·K）
材料吸收和传递热量的能力
蒙乃尔合金 400
优异的耐盐水性和低温强度
工艺容器、工艺管道、泵
镍合金的物理性质 下表 2 列出了一些常见镍合金的物理性质：
表 2：镍合金的物理特性
财产
描述
铬镍铁合金® 625
哈氏合金® 276
因瓦® 36
蒙乃尔合金® 400
镍铬合金 35-20
密度 [g/cm3]
定义原子的紧凑度
8.44
8.89
8.05
8.8
7.9
极限抗拉强度 [MPa]
在纯张力下加载时会导致最终失效的应力
689 - 1103
601.2 - 826.7
621
450 - 550
750
居里温度 [°C]
材料失去磁性的温度
-196
-269 > 26.85
279
20-50
那
熔化温度 [°C]
材料开始转变为液态的温度
1290 - 1350
1323 - 1271
1427
1300-1350
1390
电阻率 @ 93 °C （退火） [μΩ·cm]
材料抵抗电流流动的强度
132
130
82
54.7
104
线性热膨胀系数 @ @ 93 °C （退火） （μm/μm·°C）
样品在 93C 时的线性膨胀度
12.8
11.2
1.3
13.9
19
导热系数 @ 93 °C （退火） （W/m·K）
材料吸收和传递热量的能力
10.8
11.1
10.15
21.8
13
比热 @ 93°C （退火） （J/kg·°C）
将一公斤材料的温度提高 1C 所需的能量
427
427
515
427
500
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表格信用：
镍合金的化学性质 表 3 列出了各种镍合金的一些化学性质：
表 3：镍合金的化学性质
镍合金型
耐腐蚀性
抗氧化性
主要合金元素
磁
耐热性 [Solidus] °C
铬镍铁合金® 625
非常耐点蚀、氯离子应力腐蚀开裂和缝隙腐蚀
在高温下具有很强的抗氧化性
镍 - 58% / 铬 - 20 至 23% / 铁 - 5% / Nb，Ta - 3.15 至 4.15%
不
1290
哈氏合金® 276
非常耐点蚀、氯离子应力腐蚀开裂和缝隙腐蚀
在高温下具有很强的抗氧化性
镍 - 57% / Mo - 15至17% / Cr - 14.5至16.5% / Fe - 4至7% / Co - 2.5% / Mn - 1%
不
1323
因瓦® 36
由于铁含量高，不耐腐蚀;必须镀镍以提高耐腐蚀性
与其他镍合金相比，由于铁含量而具有特别的抗氧化性
铁 - 63% / 镍 - 36%
是的
1427
蒙乃尔合金® 400
对盐水环境具有很强的抵抗力
一些蒙乃尔合金牌号具有良好的高温抗氧化性。
镍 - 63% / 铜 - 28 至 34% / 铁 - 2.5% / 锰 - 2%
不
1300
镍铬合金 35 -20
不是很耐腐蚀
抗氧化性不强
铁 - 42% / 镍 - 35% / 铬 - 20% / 硅 - 2% / 锰 - 1%
不
1390
表格信用：
镍合金的应用 镍合金广泛用于许多行业。下面列出了各种合金的一些典型应用： 1. 航空航天 航空航天业是镍基合金的最大用户之一，因为高性能航空航天设备通常具有较高的工作温度。涡轮叶片和火箭发动机部件通常由 Inconel® 等合金制成。 2. 化学加工 化学加工行业通常需要对腐蚀性环境具有高度抵抗力的材料。镍合金具有优异的耐腐蚀性，尤其是与铬和镍等元素合金化时，高铁含量合金的耐腐蚀性会降低。典型应用包括储罐、管道和混合设备。 3. 石油和天然气 石油和天然气行业很复杂，涉及从石油开采到燃料、塑料和其他复杂材料加工的方方面面。因此，材料通常需要承受高温、高压和腐蚀性环境。镍合金非常适合这些情况。典型应用包括泵、管道、压力容器和热交换器。 4. 医疗设备 医疗设备（如手术器械）通常必须在强溶剂或高温下进行消毒。镍合金是这种服务环境的理想选择。镍钛合金®等形状记忆合金也用于支架，因为它们可以在塌陷状态下植入并在就位后膨胀。镍合金也用于骨科植入物。 5. 电气和电子应用 像蒙乃尔合金®这样的镍合金与铜形成合金，具有良好的导电性，并具有耐腐蚀性的额外优势。由于这些原因，这些合金非常适合在腐蚀性环境中进行电接触。一些镍合金，如 Ni-Fe 合金，具有低矫顽力，这使其成为变压器或内存存储设备等软磁应用的理想选择。 6. 船舶应用 海洋环境可能具有极强的腐蚀性。没有多少合金可以承受长时间暴露在盐水和盐雾中。镍合金，尤其是与铜合金化时，对海洋环境具有很强的抵抗力。典型应用包括螺旋桨、舱底泵和阀门。 7. 精密仪器 一些精密仪器需要具有非常低的热膨胀系数，以限制温度对敏感应用的影响。这种应用的一个例子是 X 射线管中的气密密封。在其他情况下，低热膨胀镍合金与高热膨胀金属结合使用，连接成双金属片，用作温度开关。 镍合金的优点和局限性 以下是使用镍合金的一些主要好处：
耐腐蚀性：镍合金具有出色的耐腐蚀性和抗氧化性，使其在其他材料会迅速降解的环境中非常受欢迎。
高强度： 镍合金具有高抗拉强度，可以承受高温和极端条件，使其适用于关键部件和应用。
软磁特性： 一些镍合金表现出优异的软磁性能和低矫顽力。这意味着它们可以很容易地磁化和消磁。
耐热性：镍合金具有非常高的耐高温性。它们可以在较高温度下保持其性能，并且由于某些镍合金的导热性低，还可以防止热量传递到其他组件。
低热膨胀：一些镍合金的热膨胀率非常低。此特性在热效应有可能对性能产生负面影响的精密应用中特别有用。
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以下是镍合金的一些局限性：
成本： 由于镍和其他合金元素的成本很高，镍合金可能比其他金属更昂贵。因此，它们通常仅适用于高性能应用，例如航空航天工业中的应用。
切削：一些镍合金由于其高强度和韧性而难以加工。此外，镍合金在加工过程中往往会变硬。它们通常需要特殊的工具和技术来加工。
焊接： 一些镍合金由于熔点高，可能难以焊接。高熔化温度意味着必须向工件中添加更多的热量，以获得足够的焊接金属池来形成良好的接头。这种额外的能量会感应出残余应力，从而导致焊接部件变形。
皮炎：一些镍合金在与皮肤长期接触时会引起过敏反应。这限制了它们在可穿戴设备或医疗设备方面的潜在应用。
玷污：一些镍合金在暴露在自然环境中会随着时间的推移而失去光泽。铜基镍合金通常容易失去光泽。
镍合金与铝 镍合金通常包含元素 Ni （镍） 以及铜 （Cu）、铬 （Cr）、钼 （Mo） 和铁 （Fe） 等其他元素。铝是一种完全不同的金属，也可以与其他金属形成合金，有时在镍合金中用作合金元素。
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