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鎳是一種銀白色金屬,在空氣中很容易被空氣氧化,表面形成有些發烏的氧化膜,因此人們見到的鎳常顏色發烏。鎳質堅硬,有很好的延展性,磁性和抗腐蝕性,且能高度磨光。鎳在地殼中含量也非常豐富。在自然界中以硅酸鎳礦或硫、砷、鎳化合物形式存在。鎳常被用于制造不銹鋼、合金結構鋼等鋼鐵領域,電鍍,高鎳基合金和電池等領域,廣泛用于飛機、雷達等各種軍工制造業,民用機械制造業和電鍍工業等。在很多介質中,甚至在強腐蝕介質中,鎳及鎳合金都具有很高的耐蝕性,加之其良好的力學性能與物理性能,因此在許多腐蝕環境中得到了廣泛的應用。下面簡要介紹鎳及鎳基合金的耐蝕性規律。


鎳的耐蝕性特點


鎳的標準電極電位為-0.25V,鎳在大氣中表面會存在一層化學穩定性高的鈍化膜,鎳鈍化后,電極電位更高,因此鎳在大氣環境中有很高的耐蝕性。

鎳在堿性溶液和熱濃堿液中具有優異的耐蝕性能,不會產生堿脆型應力腐蝕,但是在高溫(300-500℃)、高壓和高濃度(質量系數為0.75~0.89)苛性堿中,在拉應力條件下,鎳會產生沿晶腐蝕斷裂;在中性和微酸溶液(包含一些稀的非氧化酸、有機酸)及其有機溶劑等介質中,鎳的耐蝕性能較好;在氧化性酸和含有氧化劑的溶液及許多熔融的金屬中,鎳則不耐蝕。鎳的重要鹽類為硫酸鎳和氯化鎳。與鐵,鈷相似,在常溫下對水和空氣都較穩定,能抗堿性腐蝕,故實驗室中可以用鎳坩堝熔融堿性物質。鎳可溶于稀酸中,和鐵不同是,鈷和鎳與濃硝酸激烈反應,與稀硝酸反應較慢。在淡水、海水和高溫干氯等介質中,鎳有良好的耐蝕性能,但在含硫化物(SO2)的大氣中不耐蝕。另外,鎳對各類食品也有良好的耐蝕性能。



鎳合金的耐蝕性


1.Ni-Cr合金


Ni-Cr合金中的鉻質量分數與不銹鋼的鉻質量分數相當,因此在一般腐蝕介質中,兩者在耐蝕性能也差不多;但因為Ni-Cr合金中的鎳質量分數比不銹鋼的鎳質量分數高,所以在熱堿液與堿性硫化物等介質中,其耐蝕性和抗高溫氧化性能比不銹鋼好。實驗表明,Ni-Cr 系列合金的耐蝕性是Cr 含量的函數,耐蝕性隨著Cr 含量的增加而急劇增加,當Cr 含量大于50%時,耐蝕性則開始變壞。其中Cr35Ni65 合金的耐蝕性最佳。

最早使用的Cr20Ni80電熱合金,在高溫氧化性能中,表面生成致密的Cr2O3氧化膜,能阻止進一步的氧化,Cr2O3是高溫下唯一的熱力學穩定的固相Cr的氧化物因而具有良好的抗高溫氧化性能。它在氧化氣氛中使用溫度達1150℃,在還原性氣氛中使用溫度也高達1100℃。Cr20Ni80因其鎳含量較高,所以在硫化物的介質中的耐蝕性能較差。

在Cr20Ni80電熱合金基礎上發展出的Inconel合金,成分比較復雜,出基本元素Ni外,合金中含有Cr,Fe,Nb,Al,Mn,Si,Cu,S等元素。由于其在高溫下具有高的力學性能和抗氧化性能,因此常作為高溫材料和耐酸合金使用。例如,Inconel600合金,可在堿中、常溫的磷酸和硫酸、低濃度的沸騰硫酸、低溫低濃度的氫氟酸等介質中使用,也在醋酸、脂肪酸等有機酸中有良好的耐蝕性。Inconel600合金,可在堿中、常溫的磷酸和硫酸、低濃度的沸騰磷酸、低溫低濃度的氫氟酸等介質中使用,也在醋酸、脂肪酸等有機酸中有良好的耐蝕性。Inconel600對介質中氯離子引起的應力腐蝕不敏感,但在高溫的堿中有產生應力腐蝕的可能。


2.Ni-Mo合金


Ni60Mo20Fe20(Hastelloy A),Ni65Mo28Fe5V(Hastelloy B)是兩種典型的Ni-Mo合金,合金中Mo的質量分數大于0.16,可使合金的耐蝕性顯著提高。Ni-Mo合金的最突出特點是其具有優異的奶鹽酸腐蝕性能,尤其是Hastelloy B比Hastelloy A更耐鹽酸腐蝕。

在硫酸、磷酸、氫氟酸、溴酸、甲酸、醋酸及有機酸等非氧化性酸中,Ni-Mo合金具有良好的耐蝕性。在氯化鋁、氯化鎂、氯化銅、氯化銻等非氧化性閆榮業和濕氯化氫氣體中,Ni-Mo合金也具有良好的耐蝕性。但是,在含氧化性離子的溶液,如硝酸等氧化性酸中,Ni-Mo合金的耐蝕性不好。在硫酸和鹽酸中,只要有10-6量級質量分數的氧化性鹽存在,就可以顯著增大Ni-Mo合金的腐蝕速率;鹽酸中的溶解氧、微量的硝酸雜質都會使Ni-Mo合金的腐蝕速率增加,尤其是后者的作用更加顯著。

Ni-Mo合金在許多介質中沒有應力腐蝕傾向,但在高溫、高壓的純水中,其晶間型應力腐蝕開裂的敏感性很高。


3.Ni-Cr-Mo合金


具有代表性的Ni-Cr-Mo合金是HastelloyC(Ni-16Cr-16Mo-4W)和不含W的Chromet合金。為改善HastelloyC合金在敏化狀態下晶間腐蝕敏感性,在HastelloyC合金的成分基礎上降低合金中的碳、硅質量分數,就發展出HastelloyC-4,HastelloyC-276合金。

HastelloyC為面心立方晶格結構。通過控制鐵和鉻含量在最小值,降低了加工脆性,阻止了在700~870℃間Ni4Mo相的析出。具有優異的抗應力腐蝕開裂能力和好的耐局部腐蝕能力,在很多化工工藝介質中有滿意的耐蝕特性,包括浸蝕很強的無機酸溶液、氯氣和含氯化物的各種介質、干燥氯氣、甲酸和醋酸、海水和鹽水等,但在鹽酸中的耐蝕性不如Ni-Mo合金。因而,合金HastelloyC在化學、石化、能源制造和污染控制領域中有著廣泛的應用,尤其是在硫酸、鹽酸、磷酸、醋酸等工業中。

HastelloyC-4合金比HastelloyC-276合金的碳質量分數更小,在敏化狀態或焊接態,析出的碳化物和金屬間化合物相對少,因此,在氧化性介質和含氯化物介質中不致產生嚴重的晶間腐蝕。


4.Ni-Cu合金


Ni-Cu合金也稱Monel合金,其成分(質量百分數)Cu0.27~0.29,Fe 0.02~0.03,Mn 0.012~0.018,其余為Ni。Ni和Cu可形成無限固溶體,當合金中摩爾分數XNi<0.50時,其耐蝕性接近于Cu,反之,其耐蝕性接近于Ni。因此,在一般腐蝕介質中,Ni-Cu固溶體合金與銅或鎳相比,更具優越性。Monel合金最突出的特點是,在各種濃度和溫度的氫氟酸中非常耐蝕,其耐蝕性僅次于鉑和銀。

Monel合金中最重要的之一就是Monel400合金(UNS N04400或MCu-28-1.5-1.8或Ni68Cu28Fe) ,它是一種在海水、化學溶劑、氨硫氯、氯化氫、各種酸性介質如硫酸、氫氟酸、鹽酸、磷酸、有機酸,堿性介質、鹽和熔融鹽中具有良好耐腐蝕性能的鎳基合金材料,一般不產生應力腐蝕裂紋。Monel400合金同時具有良好的機械性能,切削性能良好,從低溫到高溫廣泛的使用溫度,具有良好的焊接性能和中、高強度。Monel400主要應用于化學和石油化工以及海洋開發等領域??捎脕碇圃旄鞣N換熱設備、鍋爐給水加熱器、石油和化工管線、容器、塔、槽、閥門、泵、反應釜、軸等。



結語


鎳及鎳合金一直在不斷發展,衍生出新的合金材料,推動工業的發展。它們有著相當優越的環境適應能力,抗腐蝕能力相當可靠。針對各種行業的特殊環境,合理選材,都有針對性的解決方案。并且,它們絕大多數是作為成熟的商業化產品,完全可以滿足各種需求。


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