本文介绍了蒙乃尔合金的分类，并比较了蒙乃尔合金的基本性能和应用性能。 蒙乃尔合金 K-500 我们研究蒙乃尔合金 505 和蒙乃尔合金 400 合金，重点关注蒙乃尔合金 K-500 合金的结构性能、强化性能、热作变形性能和加工缺陷。
镍铜合金，又称蒙乃尔合金，是最早开发、应用最广泛的镍基耐腐蚀合金类型。 该合金于 1906 年由美国国际镍公司首次开发，并于 1950 年代在中国开始生产和使用。 蒙乃尔合金按强化方法分为固溶强化型和时效硬化型。 固溶强化蒙乃尔合金包括： 蒙乃尔合金 400、蒙乃尔合金 404 和蒙乃尔合金 405; 时效硬化蒙乃尔合金包括 Monel K-500、M-30C 和 Monel 505。 蒙乃尔合金按成型方法分为异形合金和铸造合金，每种合金的牌号和成分见表 1 和表 2。 在美国标准系统中，有 XNUMX 种主要方式可以表示蒙乃尔合金的等级。 XNUMX 是 SAE（汽车工程师协会）系统等级，由字母 K、R、H 和 S 加上蒙乃尔合金表示。 “K” 蒙乃尔合金是时效硬化型，“R” 蒙乃尔合金是易切削型，“H” 蒙乃尔合金是中等强度型，“S” 蒙乃尔合金是高强度型。 第 XNUMX 个是国际镍公司的编号名称，由 XNUMX 位或 XNUMX 位蒙乃尔合金后缀表示。 第 XNUMX 个是“ASTM-SAE 统一数字系统”品牌，简称“UNS”，用 N + XNUMX 位数字表示。 在中国，它由 “NCuxx xx xx” 表示。
表 1 蒙乃尔合金铸造合金的牌号和化学成分（质量分数，%）
年级C四锰铜铁其他镍
M-35-1 型0.351.251.526-33≤3.5–津贴
M-35-2 型0.3521.526-33≤3.5–津贴
M-30H 系列0.32.7-3.71.527-33≤3.5–津贴
蒙乃尔合金 5050.253.5-4.5≤1.527-31≤2.5–津贴
M-30C 系列0.31.0-2.01.526-33≤3.51.0-3.0 纳米津贴
表 2 蒙乃尔合金变形合金的牌号和化学成分（质量分数，%）
年级UNS 编号镍铜铁锰C四S其他
合金 400编号 N04400≥6328-342.50.20.30.50.024–
合金 401编号 N0440140-45津贴0.752.250.10.250.015–
合金 404编号 N0440452-57津贴0.50.10.150.10.0240,05 铝
合金 R-405编号 N04405≥6328-343.520.30.50.025-0.06–
合金 K-500编号 N05500≥6327-3321.50.0250.50.012.30-3.15铝、0.35-0.85Ti
已开发出 20 多个牌号的蒙乃尔合金，其中相当于中国 NCu400 的蒙乃尔合金 500（通用蒙乃尔合金）、蒙乃尔合金 K-505（时效硬化蒙乃尔合金）和蒙乃尔合金 30（高硅蒙乃尔合金）。 NCu30-3-0.5 和 NCu30-4-2-1 等级。
Monel 400 合金的显微组织是典型的单相奥氏体组织，具有优异的耐腐蚀性。 这种合金一般不产生应力腐蚀开裂，具有良好的切削性能。 对氟气、盐酸、硫酸、氢氟酸及其衍生物具有优良的耐腐蚀性。 同时对中性溶液、高温高浓度碱性溶液、水、海水、大气、有机化合物等具有良好的耐腐蚀性。 可用于发电厂的无缝水和蒸汽管道、海水交换器和蒸发器、海水和盐酸设备中的泵轴、铀萃取和同位素分离设备、反应釜等。 与大多数镍基、铁基、钴基和铜基合金一样，蒙乃尔合金 400 也表现出中热脆性机械性能，并且在 600°C 至 850°C 的温度范围内具有最低的塑性。 蒙乃尔合金 400 合金的铜含量非常高，在不添加 Cr 和 Al 元素的情况下无法形成稳定的氧化膜，因此在高温下很容易被氧化。 一般情况下，在空气中连续运行时的最高温度不超过600°C，在无水氨和氨化条件下的最高温度不超过585°C。 该合金可用于固溶和冷加工条件。 固溶处理温度一般为870-980°C，但固溶强化效果不明显，强度远低于蒙乃尔K-500合金，因此不适合用于高强度零件。
为了提高合金的耐磨性，研究人员在 400 年代在 Monel 1980 合金中添加了 Si 元素，以提高材料的耐磨性。 他们开发了属于 SMonel 系列的 NCu30-4-2-1 合金，即蒙乃尔合金 505。 时效后，微观组织将是面心的立方奥氏体基体和 Ni。3Si 相。 D3Si 相是含硅蒙乃尔合金的主要强化相，在凝固过程中会析出，但在时效过程中会显著析出。 这种合金具有高硬度、高强度、耐磨和耐焊接的特点。 主要用于制造需要稳定运行的精密摩擦件，如方向舵、舵轴、航空燃油系统，以及空对空导弹等飞机发动机燃料辅助设备。 推荐的热处理工艺为 950°C×2h 固溶处理 + 600°C×8h 时效处理。 由于硅容易与氢氟酸反应生成氟硅酸，因此含硅材料会被氢氟酸腐蚀，因此这种合金不能应用于氢氟酸介质。 Si 的添加使其更难溶解和形成，其塑性明显低于蒙乃尔合金 K-500 合金。 它不能焊接或成型，目前应用范围比较窄，主要应用于航空领域。
同时，为了提高镍铜合金的强度，研究人员在蒙乃尔合金 400 合金中添加了一定量的 Al 和 Ti 元素，以开发蒙乃尔合金 K-500 合金。 Monel K-500 合金的物理性能基本相似，但与 Monel 400 合金相比，导热系数和磁转变温度较低（见表 3）。 因此，两者的应用领域基本相同，但加入了钛和铝，整体性能优于蒙乃尔合金 400。 在石油、化工、航海、核电、冶金、纺织、印染、造纸、食品机械、医疗器械等领域的应用可能性大大扩大。 主要产品包括泵轴、油井工具、刮板等。 、气门饰件、紧固件（螺栓）、弹簧等。
表 3 蒙乃尔合金 K-500 和蒙乃尔合金 400 的室温特性
项目蒙乃尔 K-500（成熟）蒙乃尔合金 400
熔程/K1588.71-1622.041572.04-1622.04
比热容/（J.kg-1K-1)4186.94186.9
导热系数 / （Wm-1K-1)57.35715.43
热膨胀系数：10-5K-11.561.61
居里温度/K170.37–
弹性模量/GPa177.84177.84
刚度系数/GPa64.9864.98
泊松比0.320.32
密度/（g.cm-3)8.448.8
时效后 Monel K-500 合金的显微组织主要由面心立方奥氏体基体和 Ni 组成。3 与蒙乃尔合金 505 的增强相组成完全不同的 （Al，Ti） 分散体沉淀。 这种合金是除钛合金外高强度船用材料中所含卤素元素最耐腐蚀的材料。 因此，它在海外也被广泛用于制造船用设备。 据报道，蒙乃尔合金 K-500 合金主要用于北海输油管道和英国泰晤士河大桥上的紧固件、螺栓和螺母。 广泛应用于船舶螺旋桨、键轴、泵的某些部件等。 这种材料还用于法国“戴高乐”号航空母舰的许多设备和系统。 美国海军的弗吉尼亚潜艇使用 Monel K-500 生产螺旋桨轴、紧固件和某些具有出色应用性能的外部设备。 军队进行了大规模采购。 蒙乃尔合金 K-500 合金不仅广泛应用于船舶领域，还广泛应用于我国石油化工行业，主要用作注油泵的气门弹簧和泵轴。 在我们的研究中，我们发现，与不锈钢弹簧相比，用作石油聚合物注入泵的蒙乃尔合金 K-500 可以更可靠地保证泵在碱性聚合物母液介质中的使用寿命和可靠性。 但是，当用作船用紧固件时，应避免与高潜力材料结合使用。 综上所述，蒙乃尔合金 K-500 合金和蒙乃尔合金 505 合金都是通过在蒙乃尔合金 400 合金的基础上添加不同的强化元素而开发的新牌号。 然而，蒙乃尔合金 K-500 合金的整体性能远超蒙乃尔合金 505 合金，并被用于更广泛的市场。
蒙乃尔合金 K-500 合金的主要元素包括镍、铜、铝、钛等。 铜可以提高合金在还原介质中的耐腐蚀性。 铝和钛的主要功能是提高合金的强度和机械性能。 铁显著提高了蒙乃尔合金 K-500 合金对海水中湍流冲击腐蚀的抵抗力，并改善了合金的加工性能。 锰还可以提高合金在流动海水中的耐腐蚀性，并增强铁的有益效果，例如组织细化。 硫可以提高蒙乃尔K-500合金的切削性能，但过量的硫含量会降低焊接和锻造性能，因此应将其控制在0.03wt%以内。 碳对蒙乃尔 K-500 合金的影响非常复杂。 一方面可以提高合金的强度，另一方面可以降低合金的塑性。 在合金中的溶解度很小，很容易与钛形成初级碳化物和次级碳化物。 碳化物析出量与碳含量成正比，对合金的锻造性能影响很大。 高变形零件的含量应保持在 0.15 wt% 以下。
一般来说，镍基合金的主要强化方法包括晶界强化、固溶强化和析出强化。 Monel K-500 的强化机理包括固溶强化和沉淀强化，其中时效沉淀强化是主要的强化方法。 表 4 显示了蒙乃尔合金 K-500 的固溶强化系数，例如 C、Ti 和 Mn。 由此可见，C 的强化效果很明显。 因此，蒙乃尔合金 K-500 通常具有较高的碳含量 （C ≥ 0.10%），可以有效提高间隙强化。 与蒙乃尔合金 400 合金相比，在相同的固溶强化前提下，时效处理后的蒙乃尔合金 K-500 合金的抗拉强度和屈服强度提高了 2 倍以上。 合金的强化主要是由于 γ' 相在中低温下的分散沉淀。
表 4 蒙乃尔合金 K-500 各种元素的加固系数 Ki （MPa）
C锰四铁铝钛铜
106144827515322577586.7
Monel K-500 合金的主要强化相 γ' 是 Ni3 （Al， Ti） 是一种长距离有序面心立方结构。 晶格常数与矩阵的晶格常数相似，差异一般小于 1%。 长期老化沿 （110） 沉淀，同时保持球形并与基质保持一致关系。 13 相的界面能非常低，约为 XNUMX m J/m。2。 它的强化作用是由于干扰了位错的运动。 蒙乃尔合金 K-500 合金的强度与 γ' 相的数量、大小和分布有关。 数字越高，γ' 相的大小越小，分布越均匀，强化效果越大。 该相的形成主要受 Al 含量、Ti 含量、熔体保持时间、老化温度和老化时间的影响。 其中，Al 是 γ ′ 相的主要形成元素。 在不添加 Ti 的情况下，γ ′ 相沉淀的临界 Al 含量为 3.5%。 Al 和 Ti 的组合可以促进 γ′ 相的沉淀，例如，0.5% Ti 可以显着促进 γ ′ 相的沉淀。 当保持在同一温度下时，沉淀相对强度的贡献在老化约 0.5 min 时达到峰值，之后强化效果随着 γ' 相的聚集和生长而减弱。 γ' 相的沉淀温度为 60~400°C。 随着老化温度的升高，γ' 相的含量增加。 γ' 相的最佳沉淀温度为 800~560°C。 如果超过这个温度范围，由于 γ' 相的粗化，强化效果会降低。 此外，增加Fe、Mn等微量元素的含量，还可以促进γ'相的析出。
蒙乃尔合金 K-500 合金零件通常使用电渣精炼然后进行热加工制造。 由于蒙乃尔合金 K-500 合金成分中铜的含量高，因此在合金生产中总是难以进行热加工，尤其是在生产大型铸锭时，容易出现芯开裂和表面开裂，甚至出现中心穿透裂纹。 型芯开裂不仅发生在铸造过程中，也发生在锻造过程中。 然而，目前还没有对这种现象的统一解释。 卢文斌认为，这种合金热加工范围窄，导热系数低，热加工时容易过热，导致晶界结合力减小和晶界开裂。 在外力下。 Zhu Yuliang 等人认为，该合金的导热系数低，中心散热慢，导致沿晶网析出大量碳化物。 碳化物坚硬而脆，基体与基体之间存在较大的弹塑性差异，阻碍了基体的变形能力，成为裂纹形成的核心。 综上所述，晶界的弱化是裂纹形成和扩展的直接原因。 研究表明，Mg、Cr 和 Co 可以显著提高金属的晶间结合力和高温塑性，但如何加强蒙乃尔合金 K-500 合金的晶界还需要更多的研究。 由于合金中不含铬或钼，因此不能在表面形成耐腐蚀的氧化膜。 在高温下加热时，容易氧化，导致表面产生大量的微裂纹，在热加工过程中，微裂纹会膨胀形成表面裂纹。
晶界的弱化和不均匀的热变形是蒙乃尔合金 K-500 合金热加工开裂的直接原因。 蒙乃尔 K-500 合金热加工性能的提高主要涉及 XNUMX 个方面。 XNUMX是钢锭熔炼质量的提高，另外XNUMX是合金晶界结合力的加强。 在这部分研究中，许多学者都专注于合金 XNUMX 相沉淀的研究。 第 XNUMX 个是优化热加工技术，改善产品的结构和性能，主要是通过对热变形过程的控制的研究。
Monel K-500 合金的第 XNUMX 相含有镍2Si 相、MC 相、γ' 相（见表 5）。 关于前者的报道很少，后两个阶段对蒙乃尔合金 K-500 合金的加工性能有重要影响。 MC 相分为初级碳化物和次级碳化物。 两者最大的区别是降水温度不同。 初级碳化物主要是在将合金从液体转化为固体的过程中形成的，其熔点非常高。 在 1100°C 以上的固溶处理中，相基本可以去除，但在高应变率变形的作用下，熔融温度进一步提高。 再生碳化物是在中温慢冷过程中形成的，析出峰值温度为 850 °C。 这些碳化物沿晶界分布，比初级碳化物更细。 次生碳化物对蒙乃尔合金 K-500 合金加工性能的影响很少单独讨论。 碳化物可以抑制加热过程中的晶粒生长，大尺寸的碳化物可以促进动态再结晶，降低加工过程中的变形阻力。 但是，这是变形过程中的应力集中区域，促进了铸锭晶界处微裂纹的形成，是锻造过程中心出现裂纹的重要原因。 此外，碳化物附近会出现有缺陷的 γ' 相区，这间接影响了合金的塑性。 γ' 期是 Monel K-XNUMX 的增强期。 由于相的粒径小，抑制了动态再结晶，增加了抗变形能力。 其次，虽然它呈球形分散在晶粒中，但在晶界附近变成垂直于晶界的棒状物，使晶界变脆。
表 5 蒙乃尔合金 K-500 合金的主要析出相
沉淀阶段形式晶体结构晶格常数/nm降水温度/°C最大尺寸/μm
原发性 MC大规模的催化 裂化0.437–1-10
次要 MC小块形状催化 裂化0.433750-850–
γ'球形催化 裂化0.357400-800–
镍硅2三角形催化 裂化0.544–0.2
4.3 蒙乃尔合金 K-500 合金的热变形性能
几位研究人员使用 Gleeble-500 热模拟测试仪来模拟蒙乃尔合金 K-3800 合金的热变形行为。 研究表明，高温热变形过程中的流应力曲线是典型的连续动态再结晶类型，不会发生加工硬化。 峰值流应力主要受温度和应变速率的影响，变形量影响不大。 随着变形温度的升高，流应力显著降低。 当温度恒定时，流应力也会随着变形速率的增加而增加。 峰值流量应变也与温度和应变速率有关，但与峰值应力不同，它们之间没有显着的线性关系。
