鎳及鎳合金的應用及展望

楊 哲，李 桂，鄭博龍

(寶鈦集團有限公司，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略性材料，具有優良的性能，如極其優良的耐腐蝕性、熱強性、優異的工藝性能，以及特殊的電磁學、記憶性等功能類性能，其加工材是一種高附加值的產品，是國內外研究的熱點金屬之一。鎳合金是在純鎳的技術上通過添加合金元素制備的一類合金，根據鎳含量又分為兩類：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。鎳合金具有優異的耐腐蝕性、高溫強度、抗氧化性，一些特殊合金還具有記憶性、優良的電磁學等特殊功能性等，因而被廣泛應用于軍工宇航、航天航海、電工電子、石油化工、新能源等工業領域[1-4]。

鎳及鎳合金在很多介質中表現出優異的耐腐蝕性，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 用于超級氧化性酸，Ni-Cr-Mo 用于強堿及所有酸[5]。典型鎳基合金牌號按用途分類的性能及應用見表1[6]。

表1 鎳及鎳合金的主要品質、性能及應用

2 國內鎳合金現狀

2.1 基本狀況

鎳及鎳合金產業鏈包括鎳及鎳合金冶煉、加工、裝備制造和其它應用四個環節，參與方包括：鎳及鎳合金冶煉企業、鎳及鎳合金加工企業，各環節生產設備制造商，以及裝備制造、金屬制品、化工等需求行業企業。按照目前鎳及鎳合金產業企業的分工模式，金屬鎳及鎳合金產業鏈可以將以上幾個階段分為上、中、下游[7-10]：

(1)上游：電解鎳生產。人工或機械開采有利用價值的天然鎳礦資源，將原礦石經過焙燒得到氧化物，還原成粗鎳，然后進行電解得到電解鎳。國內主要企業：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，經過感應熔煉、電渣重熔、真空自耗熔煉等工序生產鎳及鎳合金鑄錠。具有熔煉、鍛造、軋制等設備，對鎳及鎳合金鑄錠進行鍛造、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品。國內主要企業：撫順特鋼、長城特鋼、上海寶鋼、寶鈦集團有限公司、北京鋼研、中航上大，方大特鋼，以及江蘇、上海等地企業等。

(3)下游：鎳及鎳合金深加工(鎳及鎳合金制品及構件)。用鎳及鎳合金材，加工生產零件和設備。國內主要企業：撫順特鋼、寶鈦集團有限公司、上海中州等。

2.2 鎳及鎳合金生產能力

我國目前純鎳產品的生產企業主要是寶鈦集團有限公司、重慶材料研究院、寶雞海吉鈦鎳有限公司、秦皇島核誠鎳業有限公司等，其中寶鈦集團有限公司生產量最大。表2是相關企業的產品和產量調研數據。

表2 國內主要純鎳生產企業概況

鎳基耐蝕、高溫合金的主要生產廠家有撫順特鋼、長城特鋼、上海寶鋼等。寶鈦集團有限公司等處于產業發展階段。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生產。寶鈦集團可以生產少量牌號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生產。

國內技術水平同國際先進水平仍有較大差距，很多牌號及成品規格不能生產，需要依賴進口。主要表現在：(1)撫順特鋼、長城特鋼等傳統特鋼企業的裝備以熔煉爐為主，后部加工手段欠缺；(2)寶鈦集團有限公司等企業加工手段齊全，優勢是加工技術，而鎳合金熔煉技術為剛起步，僅自產少量的幾個牌號；(3)江蘇、上海等地民營企業規模較小，裝備也是以熔煉為主，而且熔煉鑄錠單重較小。鎳合金牌號生產能力和產品結構很分散，各自擅長部分產品牌號，普遍加工手段欠缺，可生產的產品規格小，質量體系也不完善，品質良莠不齊。

裝備制造領域所需的鎳基合金中厚板、大型鍛件等國內企業不能滿足，需要采購進口材料。電工電子、彩電、電器、醫療衛生等所需的精密合金、記憶合金精密帶材、絲桿材等高質量要求的產品更是主要依賴進口，根據公布的數據，該類產品年進口額達數億美元[11]。

3 寶鈦集團鎳及鎳合金產業

3.1 基本情況

寶鈦集團有限公司是我國最大的鈦及鈦合金等有色金屬生產企業，金屬種類含鈦、鎳、鋯、鉿、鎢、鉬、鉭、鈮，在國內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業鏈。公司近年來將鎳及鎳合金產業作為發展方向，進行了資源整合。目前具備2.5t真空感應爐、5t電渣重熔爐、10t真空自耗爐、萬噸水壓機、3300mm熱軋機、25m熱處理爐加淬火機，1200mm熱冷軋機、1380mm和350mm帶材軋機以及絲棒材、管材生產線，同時預備再上1800mm軋機，構建起了完整的板帶生產線、復合材生產線以及棒材、絲桿、管材生產線。

3.2 所取得的成果

寶鈦集團有限公司具有多年生產經驗，具有鈦鎳技術研究中心、博士后科研工作站、院士工作站，以及國內一流的檢測手段，并與國內高校和科研院所有著長期的合作關系，擁有一大批具有較高學歷和豐富實踐經驗，長期致力于稀有金屬產品的研究及成果轉化的科研人員。

目前公司通過與相關企業、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，我方進行加工技術開發的方式。目前已經開發了近30個牌號的中厚板加工技術，先后生產了國內最大的N10276板材，國內最大的核電用高溫合金(厚度80mm，寬度3100mm，長度大于3500mm)，以及采用疊軋工藝生產國內最大的寬幅Incoloy鎳合金薄板[12]。

在自主研發鎳合金熔煉技術方面，也已經開發了多個牌號的大規格鑄錠(單重大于3t)熔煉技術，包括純鎳、Inconel 600、Inconel 625、Monel 400、Hateslloy 276等。公司主導制定GB/T2054、GB/T5235、GB/T2072等多項鎳及鎳合金國家標準。相關鎳合金產品技術申報多項國家發明專利，具備良好的鎳及鎳合金產業發展前景[13-16]。一些產品實物見圖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)中國最大鎳塔

3.3 發展需求

3.3.1 化工行業需求

純鎳一般用于化工設備耐蝕結構件、精密儀器、電子管和無線電設備零件等領域，高純鎳N4在電解、電鍍等行業有量大需求，主要為寬幅的中厚板。超純鎳則應用在電池等領域。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用。N08825與管線鋼復合材料管道在石油行業有大量的需求。鎳基耐蝕合金N06600、N04400、N06625、N10276耐腐蝕性優良，市場需求量大，以往大量均靠進口，現在逐步開始國產化。裝備制造為了節約成本，減少焊縫，提高安全性，這一類行業主要需求寬幅中厚板，厚度大于6mm，寬度大于1800mm，長度5000mm以上。

3.3.2 電工電子領域需求

電子電工用鎳合金功能材料是鎳合金應用的重要方面，主要應用于家電、IT制造、信息產品和電工產品制造等。如彩電制造用鎳合金帶材需求很大，國產化不足10%，這為鎳基精密合金發展提供了機遇。但是需要很高的技術能力和裝備實力。

3.3.3 核電新能源領域需求

鎳基高溫合金具備良好耐高溫、耐蝕性能或某種特定的環境適應性。2018年，中國共有7臺核電機組正式投入商業運行。雖然核電行業每年新增量有較大的起伏，但從長期來看，仍維持增長的趨勢。在核電裝備制造業中，高溫合金材料因具有耐高溫、耐高強度等優異特性，具有難以替代的作用，主要應用于承擔核反應工作的核島內。核電裝備中主要使用高溫合金的部件包括燃料機組、控制棒、壓力容器、蒸發器、高溫氣體爐熱交換器等，這些部件在工作時需要承受 600℃～800℃的高溫，需要較高的蠕變強度，必須采用高溫合金材料。

3.3.4 航空航天領域的需求

目前我國航空航天領域急需的鎳基高溫合金與國外有很大差距。國產大飛機項目、航空項目以及軍用飛機等的發動機所用渦輪機葉片急需高性能的高溫合金。高溫合金經過幾代的發展，目前國外的先進航空發動機都采用了單晶高溫合金制造單晶渦輪葉片，該技術難度很大，國產的葉片制造時存在很多缺陷。國內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已成為制約我國相關產業發展的關鍵。

3.3.4 醫學領域的需求

鈦鎳形狀記憶合金廣泛應用于人體心臟支架、牙科矯正等領域。國內鈦鎳記憶合金主要生產單位集中在北京和西安。隨著我國醫療器械行業研發投入的逐步加深，醫療器械產品的技術創新和材料應用得到飛速發展，對形狀記憶合金等高技術材料的需求規模呈現明顯的上升趨勢，我國醫療領域對形狀記憶合金的需求規模達到了50億元。同時航空航天、汽車、機器人等新興產業對于形狀記憶合金的需求規模也表現出快速增長的趨勢。

4 結語

(1)鎳及鎳合金是重要的戰略性材料，具有優異的性能，在化工、核電、新能源、軍工、宇航、醫療、電工電子行業有不可替代的廣泛的需求，是高附加值的產品。目前國內生產現狀不能滿足需求，表現為所生產產品規格小，高性能的高端產品不能生產或者質量不能滿足。

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

(3)加快資源整合，建設完整的鎳及鎳合金熔煉、加工、裝備制造、深加工、循環經濟為一體的產業鏈,有利于我國鎳產業的發展，而且面對復雜的國際環境，打破依賴進口的局面更顯得迫在眉睫。