商品用鎳基合金最初是在19世紀后期提出的,而在20世紀發展到先進的高水平。元素鎳首先是由瑞典科學家和政府贊助的礦學家AxelFrederik Cronstedt于1754年在發表《成果的延續和Los鈷礦的實驗》一文時命名的。早期,知道存在微紅礦石,砷酸鎳-八水合礦(Ni3 As2O8·8H2O),當在Saxony的Annaberg鎮開采后,就被認知為鎳華(Annabergite).它含有29.5%鎳,并同樣認知為Nickel bloom或Nickel ochre(譯注:以上二詞均譯為鎳華)。在Erzgebirge地區的礦工們保留一個相對紅色的礦稱為“Nicolite”或砷化鎳(NiAs).由于它的微紅色,所以最初認為該礦含有銅(Kupfer),但當它熔化時,產生的含砷火焰對冶煉工人是極其有害的,而其主要金屬卻很難分離出來。因此,他們認為“Old Nick”(對撒旦或魔鬼的早期標記)是造成他們工作困難和危險的直接原因。然后,術語“Kupfer-nicell”進而應用于礦床,字面上它意味著“魔鬼銅”。術語Kupfer-nicell最初用于1654年靠近現在德國的 Dresden。


  直至約100年后,Cronstedt在大量的科學咨詢后正式命名該元素為鎳。用他的話說:“銅鎳(Kupfer nickel)是含有大量原先描述的半金屬礦,并為此曾發表了聲明。所以我給出了與金屬塊同樣的名稱,或者為了方便起見,我已稱它為鎳,一直到能夠證明它僅僅是原先已知道的金屬或半金屬成分”。顯然,Cronstedt 只具有初步的手段對新的發現下定義或作分析,雖然他的見解不足以相信,但該命名還是被采納了。一百年以后,在加拿大Ontario的Sudbury礦田發現了重要的礦體,并在19世紀后期開始了早期的開采。原則上由硫化物組成的礦層同樣含有大量的銅,并成為在New Jersey的牛津銅公司很感興趣的項目。差不多同時,鎳也在Wales的Clyddish進入熔煉和精煉。


  國際鎳公司(INCO)是由牛津銅公司和加拿大銅公司于1902年3月29日組建而成的。同年,Ambrose Monell 對最初出現的鎳合金之一提出了專利,具有很大的商業意義。它含有約2/3的鎳和1/3的銅,是MONEL 400合金(70Ni-30Cu)的前身,至今還在使用。絕非然,這是在Sudbury礦田大多數礦中發現的鎳-銅比,這種有用的合金通過對礦石的簡單精煉從自然發現的金屬元素中生產出來。


  十年后,1912年12月,Elwood Haynes在Indiana州的Kokomo建立了另一個鎳的生產工廠,即 Haynes 司太立公司。Haynes 對鎳合金和鈷合金開展了大量的工作并添加了鉻,最終被授予Ni-Cr和Co-Cr合金的專利。由于INCO的A.L.Marsh在專利上的競爭,Ni-Cr-Mo專利最初曾被拒絕。在對聯合碳化物占有50年和對Cabot公司另外30年的所有權以后,Haynes司太立現在以Haynes 國際聞名,他們的總部仍然處在Indiana的Kokomo.他們的歷史由于為數眾多的普及的Ni-Mo、Ni-Cr-Mo和Ni-Cr-Mo-W型的 HASTELLOY 合金而非常顯著。表1.1提供了在上一世紀重要合金發展的時間表。


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隨著爆炸和采礦技術的提高,鎳和銅的供應大大超過了需要。第一次世界大戰的爆發,除了高能量的炮彈外,為國防工業還帶來了導彈用鋼的需要。戰爭期間,鎳的需求量增加,因為它是在這些特種軍事用鋼中影響硬度和韌性的關鍵元素。第一次世界大戰以后,鎳的需求量再次萎縮,在1922年這個不適當的時刻,INCO在West Virginia,Huntington 建立了工廠,其許可證包括開發新的有用的鎳合金并將它們引入市場,選擇West Virginia,Huntington這個地方源于三個重要特征的考慮:


 1. 那里有豐富的低磷天然氣,對冶煉、退火和熱處理都是需要的;


 2. Huntington 位于靠近Guyandotte和Ohio河的匯合處,兩條河都是可通航的;


 3. Huntington地區是居民區,有一定數量的低收入住戶,他們耕作農田,有可能接受礦工教育。


 此外,鐵路系統已準備在 Huntington市運行,該系統以鐵路巨頭Collis P.Huntington命名。


 1922年,INCO批準投資300萬美元(約2008年的4000萬美元)建設研究和發展基地,并在West Virginia 的 Guyandotle 河東岸建立軋制廠以及已成立的INCO Huntington廠。起初,無關緊要的市場用品例如洗衣用具、家用和商用廚房洗滌槽等都是用MONELL金屬制造的,這是該金屬的最早稱呼。以后其名字改稱為MONEL,因為U.S專利局不批準含有個人名字的專利。選擇該合金是由于在不銹鋼開始商業使用前它具有不銹的特性。在Huntington的基地已成為鍛鎳合金最早的生產廠以及研究INCO鎳合金最早的場所。


 很快,在建立Huntington基地后,在N.J.的Bayonne建立了鑄造廠和早期階段的焊接研究機構。從1930-1950年,氫原子焊和氧燃氣焊方法得到了廣泛的應用,并將鎳合金母材拉成絲作為焊接材料。隨著“氦弧”焊(現在稱為鎢極氣體保護弧焊,GTAW)和金屬極氣體保護弧焊(GMAW)的出現,要求改善焊接材料的合金成分以避免新方法的快速加熱和冷卻周期帶來的氣孔和開裂的傾向性。具有代表性地加入鋁和鈦是為了控制來自大氣中的氧和氮的污染,而鈮和鈦最早是為了有效地提高抗裂性。


  在20世紀的前半段,Sherritt Gordon和Falconbridge合伙建立了鎳礦開采和精煉基地,在聯合王國(UK)的Henry Wiggin有限公司和在Indiana Kokomo的 Haynes合金公司都啟動了鎳合金的研究和生產。


 Henry Wiggin公司首先開始,然后與Rolls Royce公司緊密合作開發NIMONIC族系的鎳-鉻合金。Haynes合金在HASTELLOY商標的名下也開始開發商用合金。在歐洲和亞太地區出現了其他的鎳合金生產者,但總的來說其發展滯后于美國和英國。


 在20世紀20年代和30年代,市場對較高強度鎳基合金的需求促進了INCO物理學家Paul D.Merica的研究,并最終開發了沉淀硬化鎳基合金。從Monell的早期起,除了基本組織是奧氏體,基體本身在凝固時為面心立方結構外,冶金學家對鎳合金的冶金相對是不夠了解的。事實上,越來越清楚,在大多數早期開發的合金中,鎳是最有效和最有用的奧氏體穩定劑。早期的造船、航空、石油和天然氣的應用對較高強度結合耐蝕性的要求促進了在Ni-Cu合金中添加鋁和鈦的研究,其結果是生產出比70Ni-30Cu強度更高的合金,經適當的熱處理后會形成二次相。該二次相就是已知的Y'相。這種沉淀強化的Ni-Cu合金就成為已知的K-MONEL和以后的MONELK-500合金。在進行了熱處理沉淀硬化后,由于形成γ',合金在抗拉強度和屈服強度上相對于標準的400合金幾乎翻了一番。


 沉淀硬化具有顯著提高鎳基合金強度的能力成為20世紀鎳合金工業最有創新性的技術發現之一。由于沉淀硬化合金使強度與重量比明顯增加成為可能,把航天航空工業真正推入了噴氣發動機時代,使透平發動機的重量能大大減輕。后來,INCONEL718合金的開發進一步促進了燃氣透平噴氣發動航空器的發展。由于形成γ'相使得沉淀硬化效應成為可能。隨著沉淀硬化MONELK-500的推廣使鎳基合金引申出許多新的應用,例如用于在石油鉆井時控制方向的無磁鉆探環,又如具有極佳抗扭強度和耐海水腐蝕大型軍艦傳動軸。其他的高強度鎳合金當時還包括INCONEL X-750合金。


雖然與鎳合金的發展并不直接有關,但實現鎳在鑄鐵工業中的使用是另一個創新性的發現。這里包括NI-HARD族系①鐵基研磨和破碎合金的開發以及采用Ni-Mg合金延性鐵來孕育含鎂鐵熔池析出圓形石墨顆粒來代替薄片。這些發展跨越30年代到40年代后期。


 鎳基合金技術的下一個引人注目的應用是核電站的發展。處于建設商用核電站最前沿的是 INCONEL 600 合金,選用該合金是由于它在水環境中有優異的耐蝕性記錄,在20世紀50年代末到70年代末世界范圍建設核電站的興旺時期得到了廣泛的應用。后來知道,該合金在核電站一回路水環境中對應力腐蝕開裂敏感。這一發現引起了耐應力腐蝕開裂的含30%鉻合金和焊接材料的開發。


 鎳和鎳基合金在過去100年技術發展中的作用有很好的記錄。在18世紀末,從Cronstedt命名開始一直到現在,里程碑式的使用和合金的開發使許多工業獲得極大的發展,而采用其他合金體系則是不可能的。雖然最初發現要精煉和分離有一定的難度,但鎳已成為唯一的和幾乎通用的基體作為在許多現代合金和焊接產品中有溶解力的元素。由于鎳幾乎完全不可能與碳形成化合物(僅僅知道會形成鎳碳基,一種具有高度毒性的氣體),它的冶金和焊接性問題比那些鐵基材料相對要簡單一些。讀者會發現,鎳冶金的訣竅以及與焊接性有關的難題在本書中已成功地充分論述到。