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鎳讓合金鋼大放異彩

金屬鎳很少單獨發揮作用,它的作用有時不易察覺,但鎳始終能讓相關技術、工藝和產品大放異彩。鎳扮演著很多角色,有時堅硬有時柔軟,具有導電性和磁性,能適應高溫或低溫,甚至能同時適應高低溫。鎳可以根據需求,以固體、溶液或合金的形態存在。


鎳所發揮的每一項作用均取決于其固有特性,包括鮮為人知的微量營養元素作用,如含鎳肥料等;鎳金屬氫化物電池和鎳鉻電池在公眾心目中的重要性不如鋰電池,但很少有人知道,在現代能源儲存行業,主流鋰化學成分研究過程中,鎳起到了極大的作用;噴氣發動機中采用的耐熱性、降噪性鎳超級合金泡沫絕熱材料,可以減小飛機噪聲印跡,讓機場周圍區域更適合人類居住;含鎳不銹鋼也開拓了新的應用領域,以確保機械和工藝運作更高效、更長久。


鎳主要用于不銹鋼的制造,但有8%的鎳用于制造合金鋼,在數以千計的工程解決方案中共同發揮著重要作用。含鎳合金鋼不屬于不銹鋼范疇,合金鋼包括多種鐵基材料,含鎳量從約0.3%(某些合金鋼)到約20%(馬氏體時效鋼)不等。合金鋼具有高于普通碳鋼的強度、硬度、耐磨性以及韌性,一般用于動力輸出、金屬成型和切割設備,也可在碳鋼韌性不足的特定低溫環境下下使用。含鎳合金鋼在工具和機械制造方面起到了至關重要的作用。合金鋼可根據特定屬性適應特定的終端用途進行分類,雖然這些合金鋼中鎳的使用量不如不銹鋼生產用量大,但它們應用非常廣泛,因此是工業上重要的促成因素。


可淬硬低合金鋼


可淬硬低合金鋼屬于鐵基材料的一種,具有優于普通碳鋼的機械性質。通過添加鎳、鉻和鉬等合金元素,然后進行淬火(快速冷卻)和回火熱處理制成。如果淬火前將這些金屬元素溶解于奧氏體中,那么就能有效提高可淬硬性。鎳補足了鉻和鉬的淬硬效果,且在讓淬火和回火熱處理形成的硬質馬氏體微觀結構具有韌性的過程中起到了重要作用。可淬硬低合金鋼常用于生產制造曲軸、齒輪和飛機起落架等。


工具鋼


工具鋼包含用于壓模(沖壓或擠出)、切割或剪切、模具制作或沖擊應用(如錘子等工具)的多種高硬度、耐磨損鋼材。其熱處理方式類似于可淬硬低合金鋼。


空氣硬化工具鋼可減小快速水淬引起的變形,使其在耐磨性與韌性之間取得了平衡。塑料模具工具鋼屬于經過成型、滲碳、硬化和回火達到較高表面硬度的低碳鋼,因此非常適合注塑模具和壓鑄模具。


高強度低合金(耐候鋼)


高強度低合金的細粒結構使得其強度高于普通碳鋼,這種細粒結構是通過影響轉變溫度實現的。在空氣冷卻過程中,奧氏體可以在較低溫度下轉變為鐵氧體和珠光體。在HSLA鋼材典型的低碳水平下,硅、銅、鎳和磷等有色金屬元素在細珠光體的生產中特別有效。添加的鉻、銅和鎳形成了一個穩定的銹層,可以附著在母材金屬上,且其孔隙遠少于普通結構鋼上形成的銹層,由此大大降低了腐蝕速度,讓這些鋼材可在無涂覆狀態下使用。


鎳鋼


含鎳量較高(一般大于3%)的鐵素體鋼在0℃~-196℃溫度范圍內被廣泛使用。這類應用包括液化烴氣儲罐以及在寒冷地區使用的結構和機械。這些鋼材利用鎳的作用降低沖擊轉變溫度來提高低溫韌性。


在碳鋼和大多數低合金鋼中,溫度降到24℃以下時,強度和硬度會增加,而拉伸延性和韌性會下降,而鎳可以有效提高其低溫韌性。


含鎳量9%的鎳鋼于1952年首次應用于制造液氧容器,主要用于制作液化天然氣罐的內殼。選擇鎳鋼而不選擇奧氏體不銹鋼的原因,是因為它在-196℃的極低溫下可同時具備高強度和可靠的斷裂韌性。


馬氏體時效鋼


馬氏體是以較高速度對奧氏體進行淬火形成的鋼材磁性結構。由于速度太快,碳原子沒有時間以足夠大的數量擴散到晶體結構之外以形成滲碳體,經過淬火后,奧氏體轉變成一種碳過飽和的強應變結構,從而達到提高機械強度和硬度的目的。


馬氏體時效鋼屬于低碳鐵鎳合金,含鎳量約為18%,還能與鈷、鉬、鈦及其他有色金屬鑄成合金。這些合金經過淬火形成馬氏體,然后在480℃~500℃條件下進行沉淀硬化熱處理,以便促進Ni3Mo和Ni3Ti等金屬間化合物的沉淀。馬氏體時效鋼的理想特性,一是室溫下具有超高強度,經過簡單的熱處理就能保證極小變形,二是與類似強度水平的淬火鋼和回火鋼相比具有優良的斷裂韌性,可焊性上佳,容易制作。這些鋼材具有很高的斷裂韌性,而其抗沖擊疲勞強度表明它們能夠有效地應對反復沖擊載荷,例如機電零件中的載荷等。較低的熱處理溫度使其變形遠小于可淬硬低合金鋼的淬火變形,因此非常適合長薄零件。馬氏體時效鋼常用于制造飛機起落架,高級高爾夫球桿的正面以及整個頭部也大量采用了此種材料。


注釋:


奧氏體是指727℃以上溫度下存在的鋼材原子結構,也是一種非磁性鐵碳固溶體。


滲碳體是分子式為Fe3C的鐵碳化合物。隨著鋼材含碳量的增加,滲碳體和珠光體的數量隨之增加,其強度也會增加。提高含碳量是提高機械強度和硬度最簡單的方式,但隨著強度的增加,韌性會隨之降低。減小粒徑也可以提高機械強度,但韌性不會隨之降低。


夏比沖擊是一項標準化試驗,衡量一塊標準尺寸的金屬片斷裂時吸收的能量。


鐵氧體是指727℃以下存在的鋼材原子結構。鐵氧體的碳溶解度低于奧氏體,因此鋼材經冷卻后溫度低于727℃時,過量的碳將以滲碳體的形式被固定,并與鐵氧體層疊形成珠光體。因此,室溫下的鋼材微觀結構由鐵氧體內的珠光體島組成。


可淬硬性是指鋼材經過快速冷卻(淬火)后能在特定深度達到特定硬度的能力。


珠光體是由鐵氧體層和滲碳體層交替組成的一種層狀結構。


沉淀硬化是一種熱處理技術,可以促進使金屬晶體結構變硬的金屬化合物(金屬間化合物)分散的細粒沉淀,從而提高可鍛金屬的機械強度或硬度。


韌性是指材料吸收能量并發生塑性變形,從而在受壓時抵抗斷裂的能力。


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