鎳及鎳合金的應(yīng)用及展望

楊 哲，李 桂，鄭博龍

(寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721014)

1 鎳及鎳合金介紹

鎳及鎳合金是一類重要的戰(zhàn)略性材料，具有優(yōu)良的性能，如極其優(yōu)良的耐腐蝕性、熱強(qiáng)性、優(yōu)異的工藝性能，以及特殊的電磁學(xué)、記憶性等功能類性能，其加工材是一種高附加值的產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)金屬之一。鎳合金是在純鎳的技術(shù)上通過(guò)添加合金元素制備的一類合金，根據(jù)鎳含量又分為兩類：以鎳為基(Ni含量≥50%)，并含有其它合金元素合金稱為鎳基合金；當(dāng)Ni含量為30%～50%，且Fe+Ni≥60%，則稱為鐵鎳基合金。鎳合金按照使用用途又可以分為高溫合金、耐蝕合金、記憶合金、耐磨合金和精密合金。鎳合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高溫強(qiáng)度、抗氧化性，一些特殊合金還具有記憶性、優(yōu)良的電磁學(xué)等特殊功能性等，因而被廣泛應(yīng)用于軍工宇航、航天航海、電工電子、石油化工、新能源等工業(yè)領(lǐng)域[1-4]。

鎳及鎳合金在很多介質(zhì)中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性，不同的類型可以在還原性/氧化性酸、堿、鹽、氯離子等介質(zhì)中起到不可代替的作用，是目前最為完整、全能的耐蝕合金類材料體系。按照耐腐蝕性其主要分類及用途為，Ni 用于強(qiáng)堿，Ni-Cu 用于還原性酸，Ni-Mo 用于還原性酸，Ni-Fe-Cr 用于氧化性酸，Ni-Cr-Si 用于超級(jí)氧化性酸，Ni-Cr-Mo 用于強(qiáng)堿及所有酸[5]。典型鎳基合金牌號(hào)按用途分類的性能及應(yīng)用見表1[6]。

表1 鎳及鎳合金的主要品質(zhì)、性能及應(yīng)用

2 國(guó)內(nèi)鎳合金現(xiàn)狀

2.1 基本狀況

鎳及鎳合金產(chǎn)業(yè)鏈包括鎳及鎳合金冶煉、加工、裝備制造和其它應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)，參與方包括：鎳及鎳合金冶煉企業(yè)、鎳及鎳合金加工企業(yè)，各環(huán)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備制造商，以及裝備制造、金屬制品、化工等需求行業(yè)企業(yè)。按照目前鎳及鎳合金產(chǎn)業(yè)企業(yè)的分工模式，金屬鎳及鎳合金產(chǎn)業(yè)鏈可以將以上幾個(gè)階段分為上、中、下游[7-10]：

(1)上游：電解鎳生產(chǎn)。人工或機(jī)械開采有利用價(jià)值的天然鎳礦資源，將原礦石經(jīng)過(guò)焙燒得到氧化物，還原成粗鎳，然后進(jìn)行電解得到電解鎳。國(guó)內(nèi)主要企業(yè)：金川公司。

(2)中游：鎳及鎳合金熔煉與加工。主要以電解鎳和其它金屬為原料，經(jīng)過(guò)感應(yīng)熔煉、電渣重熔、真空自耗熔煉等工序生產(chǎn)鎳及鎳合金鑄錠。具有熔煉、鍛造、軋制等設(shè)備，對(duì)鎳及鎳合金鑄錠進(jìn)行鍛造、軋制、擠壓、拉拔等加工，得到板材、棒材、管材、鍛件等鎳及鎳合金產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)主要企業(yè)：撫順特鋼、長(zhǎng)城特鋼、上海寶鋼、寶鈦集團(tuán)有限公司、北京鋼研、中航上大，方大特鋼，以及江蘇、上海等地企業(yè)等。

(3)下游：鎳及鎳合金深加工(鎳及鎳合金制品及構(gòu)件)。用鎳及鎳合金材，加工生產(chǎn)零件和設(shè)備。國(guó)內(nèi)主要企業(yè)：撫順特鋼、寶鈦集團(tuán)有限公司、上海中州等。

2.2 鎳及鎳合金生產(chǎn)能力

我國(guó)目前純鎳產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)主要是寶鈦集團(tuán)有限公司、重慶材料研究院、寶雞海吉鈦鎳有限公司、秦皇島核誠(chéng)鎳業(yè)有限公司等，其中寶鈦集團(tuán)有限公司生產(chǎn)量最大。表2是相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品和產(chǎn)量調(diào)研數(shù)據(jù)。

表2 國(guó)內(nèi)主要純鎳生產(chǎn)企業(yè)概況

鎳基耐蝕、高溫合金的主要生產(chǎn)廠家有撫順特鋼、長(zhǎng)城特鋼、上海寶鋼等。寶鈦集團(tuán)有限公司等處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段。精密合金主要是北京北冶功能材料和陜西精密合金、常州中鋼精密等企業(yè)生產(chǎn)。寶鈦集團(tuán)可以生產(chǎn)少量牌號(hào)的鎳基低膨脹合金如4J36、彈性合金3J68、軟磁合金1J50等。鈦鎳記憶合金主要是北京有研和西安賽特等企業(yè)生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)技術(shù)水平同國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大差距，很多牌號(hào)及成品規(guī)格不能生產(chǎn)，需要依賴進(jìn)口。主要表現(xiàn)在：(1)撫順特鋼、長(zhǎng)城特鋼等傳統(tǒng)特鋼企業(yè)的裝備以熔煉爐為主，后部加工手段欠缺；(2)寶鈦集團(tuán)有限公司等企業(yè)加工手段齊全，優(yōu)勢(shì)是加工技術(shù)，而鎳合金熔煉技術(shù)為剛起步，僅自產(chǎn)少量的幾個(gè)牌號(hào)；(3)江蘇、上海等地民營(yíng)企業(yè)規(guī)模較小，裝備也是以熔煉為主，而且熔煉鑄錠單重較小。鎳合金牌號(hào)生產(chǎn)能力和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)很分散，各自擅長(zhǎng)部分產(chǎn)品牌號(hào)，普遍加工手段欠缺，可生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格小，質(zhì)量體系也不完善，品質(zhì)良莠不齊。

裝備制造領(lǐng)域所需的鎳基合金中厚板、大型鍛件等國(guó)內(nèi)企業(yè)不能滿足，需要采購(gòu)進(jìn)口材料。電工電子、彩電、電器、醫(yī)療衛(wèi)生等所需的精密合金、記憶合金精密帶材、絲桿材等高質(zhì)量要求的產(chǎn)品更是主要依賴進(jìn)口，根據(jù)公布的數(shù)據(jù)，該類產(chǎn)品年進(jìn)口額達(dá)數(shù)億美元[11]。

3 寶鈦集團(tuán)鎳及鎳合金產(chǎn)業(yè)

3.1 基本情況

寶鈦集團(tuán)有限公司是我國(guó)最大的鈦及鈦合金等有色金屬生產(chǎn)企業(yè)，金屬種類含鈦、鎳、鋯、鉿、鎢、鉬、鉭、鈮，在國(guó)內(nèi)外具有舉足輕重的地位。公司具備完整的熔煉、鍛造、軋制、擠壓、拉拔、裝備制造、深加工一體化的完整產(chǎn)業(yè)鏈。公司近年來(lái)將鎳及鎳合金產(chǎn)業(yè)作為發(fā)展方向，進(jìn)行了資源整合。目前具備2.5t真空感應(yīng)爐、5t電渣重熔爐、10t真空自耗爐、萬(wàn)噸水壓機(jī)、3300mm熱軋機(jī)、25m熱處理爐加淬火機(jī)，1200mm熱冷軋機(jī)、1380mm和350mm帶材軋機(jī)以及絲棒材、管材生產(chǎn)線，同時(shí)預(yù)備再上1800mm軋機(jī)，構(gòu)建起了完整的板帶生產(chǎn)線、復(fù)合材生產(chǎn)線以及棒材、絲桿、管材生產(chǎn)線。

3.2 所取得的成果

寶鈦集團(tuán)有限公司具有多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，具有鈦鎳技術(shù)研究中心、博士后科研工作站、院士工作站，以及國(guó)內(nèi)一流的檢測(cè)手段，并與國(guó)內(nèi)高校和科研院所有著長(zhǎng)期的合作關(guān)系，擁有一大批具有較高學(xué)歷和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期致力于稀有金屬產(chǎn)品的研究及成果轉(zhuǎn)化的科研人員。

目前公司通過(guò)與相關(guān)企業(yè)、研究院所等合作、采取客戶帶料加工等方式，即由客戶提供板坯，我方進(jìn)行加工技術(shù)開發(fā)的方式。目前已經(jīng)開發(fā)了近30個(gè)牌號(hào)的中厚板加工技術(shù)，先后生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)最大的N10276板材，國(guó)內(nèi)最大的核電用高溫合金(厚度80mm，寬度3100mm，長(zhǎng)度大于3500mm)，以及采用疊軋工藝生產(chǎn)國(guó)內(nèi)最大的寬幅Incoloy鎳合金薄板[12]。

在自主研發(fā)鎳合金熔煉技術(shù)方面，也已經(jīng)開發(fā)了多個(gè)牌號(hào)的大規(guī)格鑄錠(單重大于3t)熔煉技術(shù)，包括純鎳、Inconel 600、Inconel 625、Monel 400、Hateslloy 276等。公司主導(dǎo)制定GB/T2054、GB/T5235、GB/T2072等多項(xiàng)鎳及鎳合金國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)鎳合金產(chǎn)品技術(shù)申報(bào)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，具備良好的鎳及鎳合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景[13-16]。一些產(chǎn)品實(shí)物見圖1和圖2。

(a)純鎳；(b)鎳銅N04400；(c)哈氏合金C276

(a)鎳合金板坯；(b)鎳合金鍛件；(c)核聚變用鎳合金-陶瓷復(fù)合線圈；(d)哈氏合金C276板式換熱器用板片；(e)鎳基高溫合金鑄件；(f)鎳合金中厚板；(g)中國(guó)最大鎳塔

3.3 發(fā)展需求

3.3.1 化工行業(yè)需求

純鎳一般用于化工設(shè)備耐蝕結(jié)構(gòu)件、精密儀器、電子管和無(wú)線電設(shè)備零件等領(lǐng)域，高純鎳N4在電解、電鍍等行業(yè)有量大需求，主要為寬幅的中厚板。超純鎳則應(yīng)用在電池等領(lǐng)域。厚度為0.5mm～0.6mm純鎳及N10276冷軋薄板在板式換熱器制造方面有大量需求。鐵鎳基耐蝕合金N08020、N08028板材等在油氣傳輸管道制備有廣泛應(yīng)用。N08825與管線鋼復(fù)合材料管道在石油行業(yè)有大量的需求。鎳基耐蝕合金N06600、N04400、N06625、N10276耐腐蝕性優(yōu)良，市場(chǎng)需求量大，以往大量均靠進(jìn)口，現(xiàn)在逐步開始國(guó)產(chǎn)化。裝備制造為了節(jié)約成本，減少焊縫，提高安全性，這一類行業(yè)主要需求寬幅中厚板，厚度大于6mm，寬度大于1800mm，長(zhǎng)度5000mm以上。

3.3.2 電工電子領(lǐng)域需求

電子電工用鎳合金功能材料是鎳合金應(yīng)用的重要方面，主要應(yīng)用于家電、IT制造、信息產(chǎn)品和電工產(chǎn)品制造等。如彩電制造用鎳合金帶材需求很大，國(guó)產(chǎn)化不足10%，這為鎳基精密合金發(fā)展提供了機(jī)遇。但是需要很高的技術(shù)能力和裝備實(shí)力。

3.3.3 核電新能源領(lǐng)域需求

鎳基高溫合金具備良好耐高溫、耐蝕性能或某種特定的環(huán)境適應(yīng)性。2018年，中國(guó)共有7臺(tái)核電機(jī)組正式投入商業(yè)運(yùn)行。雖然核電行業(yè)每年新增量有較大的起伏，但從長(zhǎng)期來(lái)看，仍維持增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在核電裝備制造業(yè)中，高溫合金材料因具有耐高溫、耐高強(qiáng)度等優(yōu)異特性，具有難以替代的作用，主要應(yīng)用于承擔(dān)核反應(yīng)工作的核島內(nèi)。核電裝備中主要使用高溫合金的部件包括燃料機(jī)組、控制棒、壓力容器、蒸發(fā)器、高溫氣體爐熱交換器等，這些部件在工作時(shí)需要承受 600℃～800℃的高溫，需要較高的蠕變強(qiáng)度，必須采用高溫合金材料。

3.3.4 航空航天領(lǐng)域的需求

目前我國(guó)航空航天領(lǐng)域急需的鎳基高溫合金與國(guó)外有很大差距。國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目、航空項(xiàng)目以及軍用飛機(jī)等的發(fā)動(dòng)機(jī)所用渦輪機(jī)葉片急需高性能的高溫合金。高溫合金經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展，目前國(guó)外的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了單晶高溫合金制造單晶渦輪葉片，該技術(shù)難度很大，國(guó)產(chǎn)的葉片制造時(shí)存在很多缺陷。國(guó)內(nèi)單晶高溫合金材料與葉片制造研究薄弱，航空航天用高溫合金制造技術(shù)已成為制約我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

3.3.4 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的需求

鈦鎳形狀記憶合金廣泛應(yīng)用于人體心臟支架、牙科矯正等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)鈦鎳記憶合金主要生產(chǎn)單位集中在北京和西安。隨著我國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)研發(fā)投入的逐步加深，醫(yī)療器械產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和材料應(yīng)用得到飛速發(fā)展，對(duì)形狀記憶合金等高技術(shù)材料的需求規(guī)模呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，我國(guó)醫(yī)療領(lǐng)域?qū)π螤钣洃浐辖鸬男枨笠?guī)模達(dá)到了50億元。同時(shí)航空航天、汽車、機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)對(duì)于形狀記憶合金的需求規(guī)模也表現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)鎳及鎳合金是重要的戰(zhàn)略性材料，具有優(yōu)異的性能，在化工、核電、新能源、軍工、宇航、醫(yī)療、電工電子行業(yè)有不可替代的廣泛的需求，是高附加值的產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)狀不能滿足需求，表現(xiàn)為所生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格小，高性能的高端產(chǎn)品不能生產(chǎn)或者質(zhì)量不能滿足。

(2)目前國(guó)內(nèi)主要的鎳生產(chǎn)企業(yè)均以熔煉為主，缺乏加工能力，市場(chǎng)急需的中厚板、寬幅帶材均受到制約。而鎳基合金加工特點(diǎn)和難度決定了其不適宜于目前鋼廠的連續(xù)作業(yè)模式，反而適宜于類似寶鈦集團(tuán)有限公司這種有色金屬企業(yè)的生產(chǎn)模式。

(3)加快資源整合，建設(shè)完整的鎳及鎳合金熔煉、加工、裝備制造、深加工、循環(huán)經(jīng)濟(jì)為一體的產(chǎn)業(yè)鏈,有利于我國(guó)鎳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且面對(duì)復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境，打破依賴進(jìn)口的局面更顯得迫在眉睫。