商品用镍基合金最初是在19世纪后期提出的,而在20世纪发展到先进的高水平。元素镍首先是由瑞典科学家和政府赞助的矿学家AxelFrederik Cronstedt于1754年在发表《成果的延续和Los钴矿的实验》一文时命名的。早期,知道存在微红矿石,砷酸镍-八水合矿(Ni3 As2O8·8H2O),当在Saxony的Annaberg镇开采后,就被认知为镍华(Annabergite).它含有29.5%镍,并同样认知为Nickel bloom或Nickel ochre(译注:以上二词均译为镍华)。在Erzgebirge地区的矿工们保留一个相对红色的矿称为“Nicolite”或砷化镍(NiAs).由于它的微红色,所以最初认为该矿含有铜(Kupfer),但当它熔化时,产生的含砷火焰对冶炼工人是极其有害的,而其主要金属却很难分离出来。因此,他们认为“Old Nick”(对撒旦或魔鬼的早期标记)是造成他们工作困难和危险的直接原因。然后,术语“Kupfer-nicell”进而应用于矿床,字面上它意味着“魔鬼铜”。术语Kupfer-nicell最初用于1654年靠近现在德国的 Dresden。


  直至约100年后,Cronstedt在大量的科学咨询后正式命名该元素为镍。用他的话说:“铜镍(Kupfer nickel)是含有大量原先描述的半金属矿,并为此曾发表了声明。所以我给出了与金属块同样的名称,或者为了方便起见,我已称它为镍,一直到能够证明它仅仅是原先已知道的金属或半金属成分”。显然,Cronstedt 只具有初步的手段对新的发现下定义或作分析,虽然他的见解不足以相信,但该命名还是被采纳了。一百年以后,在加拿大Ontario的Sudbury矿田发现了重要的矿体,并在19世纪后期开始了早期的开采。原则上由硫化物组成的矿层同样含有大量的铜,并成为在New Jersey的牛津铜公司很感兴趣的项目。差不多同时,镍也在Wales的Clyddish进入熔炼和精炼。


  国际镍公司(INCO)是由牛津铜公司和加拿大铜公司于1902年3月29日组建而成的。同年,Ambrose Monell 对最初出现的镍合金之一提出了专利,具有很大的商业意义。它含有约2/3的镍和1/3的铜,是MONEL 400合金(70Ni-30Cu)的前身,至今还在使用。绝非然,这是在Sudbury矿田大多数矿中发现的镍-铜比,这种有用的合金通过对矿石的简单精炼从自然发现的金属元素中生产出来。


  十年后,1912年12月,Elwood Haynes在Indiana州的Kokomo建立了另一个镍的生产工厂,即 Haynes 司太立公司。Haynes 对镍合金和钴合金开展了大量的工作并添加了铬,最终被授予Ni-Cr和Co-Cr合金的专利。由于INCO的A.L.Marsh在专利上的竞争,Ni-Cr-Mo专利最初曾被拒绝。在对联合碳化物占有50年和对Cabot公司另外30年的所有权以后,Haynes司太立现在以Haynes 国际闻名,他们的总部仍然处在Indiana的Kokomo.他们的历史由于为数众多的普及的Ni-Mo、Ni-Cr-Mo和Ni-Cr-Mo-W型的 HASTELLOY 合金而非常显著。表1.1提供了在上一世纪重要合金发展的时间表。


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随着爆炸和采矿技术的提高,镍和铜的供应大大超过了需要。第一次世界大战的爆发,除了高能量的炮弹外,为国防工业还带来了导弹用钢的需要。战争期间,镍的需求量增加,因为它是在这些特种军事用钢中影响硬度和韧性的关键元素。第一次世界大战以后,镍的需求量再次萎缩,在1922年这个不适当的时刻,INCO在West Virginia,Huntington 建立了工厂,其许可证包括开发新的有用的镍合金并将它们引入市场,选择West Virginia,Huntington这个地方源于三个重要特征的考虑:


 1. 那里有丰富的低磷天然气,对冶炼、退火和热处理都是需要的;


 2. Huntington 位于靠近Guyandotte和Ohio河的汇合处,两条河都是可通航的;


 3. Huntington地区是居民区,有一定数量的低收入住户,他们耕作农田,有可能接受矿工教育。


 此外,铁路系统已准备在 Huntington市运行,该系统以铁路巨头Collis P.Huntington命名。


 1922年,INCO批准投资300万美元(约2008年的4000万美元)建设研究和发展基地,并在West Virginia 的 Guyandotle 河东岸建立轧制厂以及已成立的INCO Huntington厂。起初,无关紧要的市场用品例如洗衣用具、家用和商用厨房洗涤槽等都是用MONELL金属制造的,这是该金属的最早称呼。以后其名字改称为MONEL,因为U.S专利局不批准含有个人名字的专利。选择该合金是由于在不锈钢开始商业使用前它具有不锈的特性。在Huntington的基地已成为锻镍合金最早的生产厂以及研究INCO镍合金最早的场所。


 很快,在建立Huntington基地后,在N.J.的Bayonne建立了铸造厂和早期阶段的焊接研究机构。从1930-1950年,氢原子焊和氧燃气焊方法得到了广泛的应用,并将镍合金母材拉成丝作为焊接材料。随着“氦弧”焊(现在称为钨极气体保护弧焊,GTAW)和金属极气体保护弧焊(GMAW)的出现,要求改善焊接材料的合金成分以避免新方法的快速加热和冷却周期带来的气孔和开裂的倾向性。具有代表性地加入铝和钛是为了控制来自大气中的氧和氮的污染,而铌和钛最早是为了有效地提高抗裂性。


  在20世纪的前半段,Sherritt Gordon和Falconbridge合伙建立了镍矿开采和精炼基地,在联合王国(UK)的Henry Wiggin有限公司和在Indiana Kokomo的 Haynes合金公司都启动了镍合金的研究和生产。


 Henry Wiggin公司首先开始,然后与Rolls Royce公司紧密合作开发NIMONIC族系的镍-铬合金。Haynes合金在HASTELLOY商标的名下也开始开发商用合金。在欧洲和亚太地区出现了其他的镍合金生产者,但总的来说其发展滞后于美国和英国。


 在20世纪20年代和30年代,市场对较高强度镍基合金的需求促进了INCO物理学家Paul D.Merica的研究,并最终开发了沉淀硬化镍基合金。从Monell的早期起,除了基本组织是奥氏体,基体本身在凝固时为面心立方结构外,冶金学家对镍合金的冶金相对是不够了解的。事实上,越来越清楚,在大多数早期开发的合金中,镍是最有效和最有用的奥氏体稳定剂。早期的造船、航空、石油和天然气的应用对较高强度结合耐蚀性的要求促进了在Ni-Cu合金中添加铝和钛的研究,其结果是生产出比70Ni-30Cu强度更高的合金,经适当的热处理后会形成二次相。该二次相就是已知的Y'相。这种沉淀强化的Ni-Cu合金就成为已知的K-MONEL和以后的MONELK-500合金。在进行了热处理沉淀硬化后,由于形成γ',合金在抗拉强度和屈服强度上相对于标准的400合金几乎翻了一番。


 沉淀硬化具有显著提高镍基合金强度的能力成为20世纪镍合金工业最有创新性的技术发现之一。由于沉淀硬化合金使强度与重量比明显增加成为可能,把航天航空工业真正推入了喷气发动机时代,使透平发动机的重量能大大减轻。后来,INCONEL718合金的开发进一步促进了燃气透平喷气发动航空器的发展。由于形成γ'相使得沉淀硬化效应成为可能。随着沉淀硬化MONELK-500的推广使镍基合金引申出许多新的应用,例如用于在石油钻井时控制方向的无磁钻探环,又如具有极佳抗扭强度和耐海水腐蚀大型军舰传动轴。其他的高强度镍合金当时还包括INCONEL X-750合金。


虽然与镍合金的发展并不直接有关,但实现镍在铸铁工业中的使用是另一个创新性的发现。这里包括NI-HARD族系①铁基研磨和破碎合金的开发以及采用Ni-Mg合金延性铁来孕育含镁铁熔池析出圆形石墨颗粒来代替薄片。这些发展跨越30年代到40年代后期。


 镍基合金技术的下一个引人注目的应用是核电站的发展。处于建设商用核电站最前沿的是 INCONEL 600 合金,选用该合金是由于它在水环境中有优异的耐蚀性记录,在20世纪50年代末到70年代末世界范围建设核电站的兴旺时期得到了广泛的应用。后来知道,该合金在核电站一回路水环境中对应力腐蚀开裂敏感。这一发现引起了耐应力腐蚀开裂的含30%铬合金和焊接材料的开发。


 镍和镍基合金在过去100年技术发展中的作用有很好的记录。在18世纪末,从Cronstedt命名开始一直到现在,里程碑式的使用和合金的开发使许多工业获得极大的发展,而采用其他合金体系则是不可能的。虽然最初发现要精炼和分离有一定的难度,但镍已成为唯一的和几乎通用的基体作为在许多现代合金和焊接产品中有溶解力的元素。由于镍几乎完全不可能与碳形成化合物(仅仅知道会形成镍碳基,一种具有高度毒性的气体),它的冶金和焊接性问题比那些铁基材料相对要简单一些。读者会发现,镍冶金的诀窍以及与焊接性有关的难题在本书中已成功地充分论述到。