技術(shù)交流丨鎳在鑄造中的作用

  鎳具有良好的力學(xué)、物理和化學(xué)性能，添加適宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蝕性、高溫強(qiáng)度以及改善某些物理性能。

鎳在鑄鐵中的作用

  鎳在鑄鐵中具有石墨化劑的作用，且同硅相似有助于碳化物的分解。它對(duì)于降低白口層深度及消除碳化物的硬點(diǎn)，白口邊緣和麻口區(qū)頗為有效。它可以減少白口形成傾向，但不會(huì)產(chǎn)生常因加入過(guò)量的硅而導(dǎo)致石墨組織的粗化和強(qiáng)度降低的情況。加入0.1-1.0%的少量鎳對(duì)于細(xì)化晶粒和石墨尺寸經(jīng)常有效，但在加入量超過(guò)1%時(shí)常需調(diào)整硅的含量。
  鎳在制造灰鑄鐵件時(shí)可以代替硅或補(bǔ)充硅量的不足。在減少白口層深度方面，一般2份鎳約等于1份硅，但當(dāng)硅含量小于1%時(shí)，其比例關(guān)系幾近于3或4比1。在許多實(shí)例中，加鎳優(yōu)于加硅，因?yàn)樵黾庸璧暮砍?huì)導(dǎo)致物理性能的降低，使晶粒變得更為粗大以及增大發(fā)生縮松和內(nèi)部收縮的傾向。
  鎳除了減少或消除游離碳化物外，且略能降低珠光體中化合碳的含量，這種情況在鎳達(dá)1.5%左右時(shí)特別顯著。隨著鎳量的繼續(xù)增加，這時(shí)珠光體中的化合碳量緩慢增加0.8%左右的共析量。

 強(qiáng)度 在灰鑄鐵中加入的鎳經(jīng)常在0.25%-2.00%范圍內(nèi)，假如對(duì)鎳的石墨化能力不加調(diào)節(jié)的話，即使加鎳達(dá)1.5%左右，其強(qiáng)度也不會(huì)發(fā)生顯著地變化，超過(guò)此值后，強(qiáng)度將隨著硬度的逐漸提高而微有增加。通過(guò)調(diào)整鑄鐵的成分，特別是調(diào)整硅的含量，加入0.50%-5.00%的鎳可提高灰鑄鐵的強(qiáng)度10%-15%。降低含硅量而不加鎳也能提高強(qiáng)度，但是，這種作法就加劇了厚薄斷面的硬度差，且?guī)?lái)了薄的斷面和邊緣難于加工的不良后果。在降低硅的同時(shí)加入鎳的情況下，則可獲得高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)而又不致造成硬而不易加工的邊緣。
硬度 鎳熔于鑄鐵的鐵素體或珠光體基體的固溶體中，并使之逐漸變?yōu)樗魇象w，當(dāng)加入量超過(guò)5%時(shí)，甚至變成馬氏體。因此，鎳逐漸硬化鑄鐵的基體。
沖擊韌性 通過(guò)彎曲撓度或其它方法的測(cè)定可知，鎳也能明顯地改進(jìn)鑄鐵的沖擊韌性。在較薄的斷面中加入1.0%-5.0%的鎳，其效果很顯著。
熱膨脹 隨加入量的不同，鎳對(duì)灰鑄鐵的膨脹特性有一定的影響。
加工性 加鎳的鑄件同普通灰鑄件相比較，具有更高的硬度，更大的強(qiáng)度以及在相等加工性的情況下具有更好的組織；若與普通鑄鐵的硬度，強(qiáng)度和組織相同時(shí)則更易于加工。
耐熱性和耐蝕性 如加入鐵中的鎳量增加到10%-22%時(shí)，其組織將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)磁性的奧氏體鐵，其性能也相應(yīng)地發(fā)生了重大的變化。以耐熱、耐蝕和膨脹性能為主要條件的一些零件應(yīng)使用高鎳量的鑄鐵。
鑄造性能 在硅量適當(dāng)?shù)幕诣T鐵中加鎳有助于獲得沒(méi)有縮松和內(nèi)部收縮的健全鑄件，對(duì)于斷面相差較大的鑄件尤為有效。這也是降低含硅量的結(jié)果。在斷面厚度相差很大的鑄件中，縮松和收縮的產(chǎn)生常與較高的含硅量相聯(lián)系。當(dāng)硅量為1.00%-1.50%時(shí)，鎳阻止硬的邊緣的作用，是減少縮松的間接效果。

  可以添加十種以上之合金元素，用以增進(jìn)不同環(huán)境之耐蝕性；以及固溶強(qiáng)化或析出強(qiáng)化等作用。在化合碳為0.60%-0.80%的珠光體灰鑄鐵中，加鎳可以充分發(fā)揮它的有益的影響。因此，在加鎳時(shí)最好加入某些傾向于增加化合碳的其他合金元素，由于單獨(dú)加鎳 ，特別是在加入量在1.5%以下時(shí)，一般不會(huì)獲得應(yīng)有的效果。為了達(dá)到這個(gè)目的，在某些實(shí)際應(yīng)用中，要求充分降低含碳量或含硅量或同時(shí)降低兩者的含量。但更有效的方法是鎳與鉻或鎳與鉬或鎳與兩者一起加入，特別對(duì)于較大斷面的鑄鐵件更應(yīng)如此。其他碳化物形成元素如釩也可以使用。
鉻 加鉻是為了增加鑄鐵的硬度。加入鎳和碳化物形成元素的通常操作方法是按兩者可以相互中和各自的石墨化和白口形成的影響的比例而加入。當(dāng)僅與鉻使用時(shí)，其組成一般為鎳不大于3.00%，鉻不大于1.00%。鎳1.0%-6.0%和鉻0.5%-2.5%的復(fù)合合金已經(jīng)應(yīng)用于冷硬鑄鐵件或白口鑄鐵件中。這種材料的冷硬鑄件或砂型鑄件的白口部分比普通的冷硬鑄件或白口鑄鐵件的相應(yīng)部分的硬度，韌性和強(qiáng)度更高。
鉬 鉬有時(shí)用來(lái)代替全部或一部分鉻，特別對(duì)于要求具有最大的強(qiáng)度和韌性且便于加工的零件中更應(yīng)如此。按照規(guī)定，鎳 與鉬的比例是鎳不大于2.00%，鉬不大于1.00%-1.25%。但在厚斷面中，其比例為1分鎳比1分鉬。最終所獲得的合金鑄鐵將與未加鉬的普通鑄鐵具有相同的白形成傾向，同時(shí)這種合金鑄鐵件比同樣硬度的普通鑄鐵更易加工。個(gè)別合金元素將會(huì)保留其細(xì)化晶粒以及強(qiáng)化和硬化基體的作用，而這些性質(zhì)在合金鑄鐵的組織中將會(huì)得到反映。
銅 銅和鎳的復(fù)合合金大量地用于奧氏體耐蝕鑄鐵中，這種鑄鐵含有鎳14%左右，銅6%和約為2%鉻。

鎳在鑄鋼中的作用

  鎳和鋼能無(wú)限固溶，鎳擴(kuò)大鋼的奧氏體區(qū)，是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要合金元素；鎳和碳不形成碳化物；鎳能降低臨界轉(zhuǎn)變溫度；鎳能降低鋼中各元素的擴(kuò)散速率，提高淬透性；鎳能降低共析珠光體的碳含量，其作用僅次于氮而強(qiáng)于錳。在降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度方面的作用約為錳的一半。

  鎳能強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化和增多珠光體，提高鋼的強(qiáng)度，對(duì)鋼的塑性影響較小。含鎳鋼的碳含量可適當(dāng)降低，因而可使韌性和塑性有所改善。鎳能提高鋼的疲勞性能，減小鋼對(duì)缺口的敏感性。由于對(duì)提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性的作用并不是十分強(qiáng)，鎳對(duì)調(diào)質(zhì)鋼的意義不大。

  鎳能極大降低鋼的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%的鋼呈現(xiàn)順磁性（即無(wú)磁鋼），鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%的鐵鎳合金是重要的精密軟磁材料。鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%-20%或更高的鋼對(duì)硫酸和鹽酸有很高的耐蝕性，但不能耐硝酸的腐蝕。概括來(lái)說(shuō)，含鎳鋼對(duì)酸、堿以及大氣有一定的耐腐蝕能力。鎳含量較高的鋼在焊接時(shí)應(yīng)采用奧氏體焊條，以防止裂紋的產(chǎn)生。含鎳鋼中易出現(xiàn)帶狀組織和白點(diǎn)缺陷，應(yīng)在生產(chǎn)工藝中加以防止。

  單純的鎳鋼只在有特別高的沖擊韌度或很低的工作溫度要求時(shí)才使用。機(jī)械制造中使用的鎳鉻或鎳鉻鉬鋼，在熱處理后能獲得強(qiáng)度和韌性配合良好的綜合力學(xué)性能。含鎳鋼特別適用于需要表面滲碳的件。在高合金奧氏體不銹耐熱鋼中鎳是奧氏體化元素，能提供良好的綜合性能，主要為NiCr系鋼。由于鎳比較稀缺，又是重要的戰(zhàn)略物資，除非在用其他合金元素不可能達(dá)到性能要求時(shí)才會(huì)采用，一般應(yīng)盡量少用或不用鎳作為鋼的合金元素。

作者簡(jiǎn)介：張延（13755001922），西藏博宇金屬股份有限公司湖南分公司銷(xiāo)售負(fù)責(zé)人。該公司是我國(guó)唯一從事有色金屬、鋼鐵爐料集采分銷(xiāo)的全國(guó)性連鎖貿(mào)易集團(tuán)。