技术交流丨镍在铸造中的作用

  镍具有良好的力学、物理和化学性能，添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐蚀性、高温强度以及改善某些物理性能。

镍在铸铁中的作用

  镍在铸铁中具有石墨化剂的作用，且同硅相似有助于碳化物的分解。它对于降低白口层深度及消除碳化物的硬点，白口边缘和麻口区颇为有效。它可以减少白口形成倾向，但不会产生常因加入过量的硅而导致石墨组织的粗化和强度降低的情况。加入0.1-1.0%的少量镍对于细化晶粒和石墨尺寸经常有效，但在加入量超过1%时常需调整硅的含量。
  镍在制造灰铸铁件时可以代替硅或补充硅量的不足。在减少白口层深度方面，一般2份镍约等于1份硅，但当硅含量小于1%时，其比例关系几近于3或4比1。在许多实例中，加镍优于加硅，因为增加硅的含量常会导致物理性能的降低，使晶粒变得更为粗大以及增大发生缩松和内部收缩的倾向。
  镍除了减少或消除游离碳化物外，且略能降低珠光体中化合碳的含量，这种情况在镍达1.5%左右时特别显著。随着镍量的继续增加，这时珠光体中的化合碳量缓慢增加0.8%左右的共析量。

 强度 在灰铸铁中加入的镍经常在0.25%-2.00%范围内，假如对镍的石墨化能力不加调节的话，即使加镍达1.5%左右，其强度也不会发生显著地变化，超过此值后，强度将随着硬度的逐渐提高而微有增加。通过调整铸铁的成分，特别是调整硅的含量，加入0.50%-5.00%的镍可提高灰铸铁的强度10%-15%。降低含硅量而不加镍也能提高强度，但是，这种作法就加剧了厚薄断面的硬度差，且带来了薄的断面和边缘难于加工的不良后果。在降低硅的同时加入镍的情况下，则可获得高强度的优点而又不致造成硬而不易加工的边缘。
硬度 镍熔于铸铁的铁素体或珠光体基体的固溶体中，并使之逐渐变为索氏体，当加入量超过5%时，甚至变成马氏体。因此，镍逐渐硬化铸铁的基体。
冲击韧性 通过弯曲挠度或其它方法的测定可知，镍也能明显地改进铸铁的冲击韧性。在较薄的断面中加入1.0%-5.0%的镍，其效果很显著。
热膨胀 随加入量的不同，镍对灰铸铁的膨胀特性有一定的影响。
加工性 加镍的铸件同普通灰铸件相比较，具有更高的硬度，更大的强度以及在相等加工性的情况下具有更好的组织；若与普通铸铁的硬度，强度和组织相同时则更易于加工。
耐热性和耐蚀性 如加入铁中的镍量增加到10%-22%时，其组织将逐渐转变为无磁性的奥氏体铁，其性能也相应地发生了重大的变化。以耐热、耐蚀和膨胀性能为主要条件的一些零件应使用高镍量的铸铁。
铸造性能 在硅量适当的灰铸铁中加镍有助于获得没有缩松和内部收缩的健全铸件，对于断面相差较大的铸件尤为有效。这也是降低含硅量的结果。在断面厚度相差很大的铸件中，缩松和收缩的产生常与较高的含硅量相联系。当硅量为1.00%-1.50%时，镍阻止硬的边缘的作用，是减少缩松的间接效果。

  可以添加十种以上之合金元素，用以增进不同环境之耐蚀性；以及固溶强化或析出强化等作用。在化合碳为0.60%-0.80%的珠光体灰铸铁中，加镍可以充分发挥它的有益的影响。因此，在加镍时最好加入某些倾向于增加化合碳的其他合金元素，由于单独加镍 ，特别是在加入量在1.5%以下时，一般不会获得应有的效果。为了达到这个目的，在某些实际应用中，要求充分降低含碳量或含硅量或同时降低两者的含量。但更有效的方法是镍与铬或镍与钼或镍与两者一起加入，特别对于较大断面的铸铁件更应如此。其他碳化物形成元素如钒也可以使用。
铬 加铬是为了增加铸铁的硬度。加入镍和碳化物形成元素的通常操作方法是按两者可以相互中和各自的石墨化和白口形成的影响的比例而加入。当仅与铬使用时，其组成一般为镍不大于3.00%，铬不大于1.00%。镍1.0%-6.0%和铬0.5%-2.5%的复合合金已经应用于冷硬铸铁件或白口铸铁件中。这种材料的冷硬铸件或砂型铸件的白口部分比普通的冷硬铸件或白口铸铁件的相应部分的硬度，韧性和强度更高。
钼 钼有时用来代替全部或一部分铬，特别对于要求具有最大的强度和韧性且便于加工的零件中更应如此。按照规定，镍 与钼的比例是镍不大于2.00%，钼不大于1.00%-1.25%。但在厚断面中，其比例为1分镍比1分钼。最终所获得的合金铸铁将与未加钼的普通铸铁具有相同的白形成倾向，同时这种合金铸铁件比同样硬度的普通铸铁更易加工。个别合金元素将会保留其细化晶粒以及强化和硬化基体的作用，而这些性质在合金铸铁的组织中将会得到反映。
铜 铜和镍的复合合金大量地用于奥氏体耐蚀铸铁中，这种铸铁含有镍14%左右，铜6%和约为2%铬。

镍在铸钢中的作用

  镍和钢能无限固溶，镍扩大钢的奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素；镍和碳不形成碳化物；镍能降低临界转变温度；镍能降低钢中各元素的扩散速率，提高淬透性；镍能降低共析珠光体的碳含量，其作用仅次于氮而强于锰。在降低马氏体转变温度方面的作用约为锰的一半。

  镍能强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度，对钢的塑性影响较小。含镍钢的碳含量可适当降低，因而可使韧性和塑性有所改善。镍能提高钢的疲劳性能，减小钢对缺口的敏感性。由于对提高钢的淬透性和回火稳定性的作用并不是十分强，镍对调质钢的意义不大。

  镍能极大降低钢的热导率和电导率。镍的质量分数小于30%的钢呈现顺磁性（即无磁钢），镍的质量分数大于30%的铁镍合金是重要的精密软磁材料。镍的质量分数15%-20%或更高的钢对硫酸和盐酸有很高的耐蚀性，但不能耐硝酸的腐蚀。概括来说，含镍钢对酸、碱以及大气有一定的耐腐蚀能力。镍含量较高的钢在焊接时应采用奥氏体焊条，以防止裂纹的产生。含镍钢中易出现带状组织和白点缺陷，应在生产工艺中加以防止。

  单纯的镍钢只在有特别高的冲击韧度或很低的工作温度要求时才使用。机械制造中使用的镍铬或镍铬钼钢，在热处理后能获得强度和韧性配合良好的综合力学性能。含镍钢特别适用于需要表面渗碳的件。在高合金奥氏体不锈耐热钢中镍是奥氏体化元素，能提供良好的综合性能，主要为NiCr系钢。由于镍比较稀缺，又是重要的战略物资，除非在用其他合金元素不可能达到性能要求时才会采用，一般应尽量少用或不用镍作为钢的合金元素。

作者简介：张延（13755001922），西藏博宇金属股份有限公司湖南分公司销售负责人。该公司是我国唯一从事有色金属、钢铁炉料集采分销的全国性连锁贸易集团。