常州精密钢管博客

蒙乃尔合金(Monel)

看美国战争大片,如经典的《拯救大兵瑞恩》,时常会看到相争大兵们的随身必带的一块金属牌,这块小牌可不能小觑,不仅代表其身份,被别人拿着,那就意味着挂了,所以打造这块身份牌可不是一般的钢铁,那是比不锈钢贵好几倍、高耐腐蚀的蒙乃尔合金。这种合金,小到做吉他弦、大到用于航空航天、核武器,下面我们就来揭开这种合金的面纱



Monel合金简介


Monel合金属于Ni基合金,其主要化学成分是镍(Ni),最高含量可达67%),另一个主要化学成分是铜(Cu),另含有少量铁(Fe),锰(Mn)和碳(C),硅(Si)等元素。


Monel合金的强度比纯镍高,并可耐受各种介质的腐蚀,包括快速流动的海水。Monel合金的加工方式包括热作加工,冷作加工,机加工和焊接


1901年,国际镍公司(International Nickel Company (INCO))的冶金学家罗伯特•克鲁克斯•斯坦利(Robert Crooks Stanley)创造了Monel合金。


Monel合金名称的来源,据息是为了向时任的公司董事长安布罗斯•蒙乃尔(Ambrose Monell)表达致敬,后来斯坦利先生也担任了国际镍公司董事长职位。Monel合金在1906年被授予了专利。


大家也许注意到,名称中漏掉了一个字母L,这是因为这个年代,不允许使用家族名称作为注册商标名称。现在,Monel商标已归属于特殊金属公司(Special Metals Corporation)。


Monel合金是一种昂贵的合金,其价格是纯铜和纯镍的5~10倍。因此,它仅用于那些无法用廉价替代品替代它的应用场合。


Monel合金的性能


Monel合金是一种固溶二元合金。由于Ni和Cu相互固溶,所以它也是一种单相合金。与钢相比,Monel合金机加工很困难,这主要是由于其快速加工硬化的特点所致。它需要以低转速和低进刀量进行车削。


Monel合金400的密度为8.80 g/cm3,熔化温度范围为1300~1350 °C,电导率约为34% IACS(IACS指国际退火铜标准导电率),退火态的硬度值为65 HRB。Monel合金400以其韧性好闻名,并可在相当大温度范围内保持这种韧性。


它可耐受各种酸碱的腐蚀,有些Monel合金甚至可耐受纯氧灼烧。它通常用于高腐蚀性环境。添加少量铝(Al)和钛(Ti)之后形成的Monel合金K-500,其耐蚀性与Monel合金400相同,但强度更高,这主要得益于时效处理时γ’相的形成。通常情况下,Monel合金比不锈钢材料昂贵很多。


Monel合金400在零度以下也能保持优异的力学性能,虽然强度和硬度会增加,但塑性或韧性只略有下降。即使在液氢中冷却,合金也不会发生韧脆转变,这也是Monel合金与有低温脆性黑色金属材料(钢和铁)最显著的区别。


Monel合金在很多环境下的耐蚀性较好,但在盐水下暴露时,易发生点锈;也无法耐受含有一氧化氮、硝酸、二氧化硫和次氯酸盐介质的腐蚀。使用Monel合金还会发生电化学腐蚀,换句话说,当铝,锌或铁材质的紧固件与Monel合金接触时,在某些特定情况下(例如在快速流动的海水使用),金属紧固件将被快速腐蚀掉。


Monel合金的用途


航天航空

在1960年代。Monel合金在航天航空器建造领域获得了大量订单。特别是用于建造试验性喷气式飞机的机身和蒙皮。例如北美X-15,可用于耐受极速飞行时气动摩擦时产生的大量热量。Monel合金在特别高的温度下,仍能保持其强度,使其能高的大气层飞行速度下保持形状稳定。


在航空器维护时,Monel合金被用作高温区域的锁线,以确保紧固件锁紧;出于经济性考虑,其他区域通常采用不锈钢材质的锁线。


两组钻孔螺栓头的安全锁线


石油开采和精炼

Monel 用于制作烃化装置中直接接触浓缩的氢氟酸的部件。Monel合金超常的抗氢氟酸腐蚀能力令人惊叹,它可耐受所有浓度的氢氟酸,耐受温度可达到氢氟酸的沸点。这可能是常用工程合金材料中耐蚀性最好的材料。Monel合金还能够耐受还原性环境下的各种硫化物和盐酸的腐蚀。


海洋工程

Monel合金的耐蚀性使其成为海工用途的理想材料,例如管路系统,泵轴,海水阀,曳绳钓钓线,篮状滤网。有些Monel合金是完全无磁性的,被用于制作扫雷舰的锚索,磁场测量设备的罩壳。在游艇上,Monel合金线被用于锁紧锚索卸扣,Monel合金还用于制作水箱和燃料箱和其他水下用装置,例如螺旋桨轴和龙骨螺栓。


曳绳钓钓线


需要注意的是,由于在海水中存在电化学腐蚀(双金属腐蚀)的问题,造船时,对Monel合金与其他金属(例如钢)之间务必进行隔绝处理,纽约时报1915年8月25日发表的一篇文章报道了一艘215英尺长游艇发生的事故:“首艘船体完全采用Monel合金建造的游艇,在仅仅六周的时间内就变成了碎片,被迫报废”,这正是拜电化学腐蚀所赐,游艇的钢结构龙骨与Monel合金接触后,很快被蚀薄,并最终导致了游艇船底的崩溃。


在海鸟研究方面,特别是鸟足识别环的制作材料选择上,用Monel合金制作的鸟足识别环已用于很多种类的海鸟上,例如生活在腐蚀性海水环境中的信天翁。


乐器

Monel合金被用于制造某些高质量乐器阀门活塞或转子,例如小号,大号和法国号。RotoSound公司于1962年使用Monel合金制作了电吉他的琴弦,这些琴弦被很多艺术家使用。2017年,阿达里奥琴弦公司(D'Addario string company)发布了一组小提琴琴弦产品,这种琴弦也是把Monel合金缠绕在D和G弦上的圆缠弦。


其他

用Monel合金制作的身份牌(二战期间美军士兵的身份牌(Dog tags)。


该身份牌在其本人信息的下方,还列出了其妻子的姓名和住址。左上角的小“A”代表其血型为A型,其下方的小“M”代表了他所使用的防毒面具的尺寸为中型。


对各种酸和氧的优良耐蚀性,使Monel合金成为化工行业的一种优质材料。其他使用场景如:

1、铀浓缩,大多数用于六氟化铀大口径管道是用Monel合金制作的;

2、高压强反应性瓶装气体(例如HCl)调节阀;

3、二十世纪早期,Monel合金被广泛应用于蒸汽发电机组的过热蒸汽系统;

4、Monel合金也经常被用于制作厨房水槽和眼镜框架;

5、用于制作锅炉点火管的燃烧室;

6、设计寿命为10000年Long Now时钟(Clock of Long Now),在不使用贵金属的前提下,基于耐蚀性方面的担忧,时钟一些部件使用Monel合金材料制作。


当然,除此以外还有更多的使用用途,这里就不再一一列举。


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