加熱時(shí)間對(duì)鎳卷性能均勻性影響

王文君，陳媛媛，魏幸，楊娟麗

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司 陜西 寶雞 721014）

1 引言

純鎳在許多酸性和堿性環(huán)境中表現(xiàn)出良好的耐蝕性，且在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的力學(xué)性能，易于冷加工。因此被廣泛應(yīng)用于板式換熱器、制堿、化工裝備等領(lǐng)域。

由于鎳在密度、熱加工、冷加工方面與其他有色金屬有較大差異，既要有大噸位熔煉，軋制設(shè)備的保障，同時(shí)又要有鑄錠、鎳卷制備質(zhì)量的一致性、穩(wěn)定性，技術(shù)工藝也需要實(shí)現(xiàn)突破。國外稀有金屬帶卷的生產(chǎn)，主要依賴于鋼廠，沒有專門的生產(chǎn)線，借鑒不銹鋼帶卷生產(chǎn)模式，結(jié)合稀有金屬近年來在國內(nèi)帶式生產(chǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)，尤其是鈦帶卷的批量穩(wěn)定生產(chǎn)，為寬幅鎳帶材的生產(chǎn)提供了可貴的經(jīng)驗(yàn)積累【1】。本文主要介紹卷式真空退火，鎳卷組織的均勻性。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

圖1 鎳卷取樣位置圖

選取1.0＊W＊L的冷軋態(tài)N5成品卷，單重＞10噸，中分成兩個(gè)重量5噸左右的鎳卷。分別在臥式真空退火爐進(jìn)行相同溫度，不同時(shí)間的退火，當(dāng)爐內(nèi)溫度到達(dá)指定溫度后，充一定量氬氣分壓，退火完成后充氬氣冷卻。在鎳卷外圈、中間層、內(nèi)圈的上部位各取2組試樣、中部位各取2組試樣、下部位各取2組試樣測(cè)試，將鎳卷外圈、中間層、內(nèi)圈的測(cè)試結(jié)果的平均值進(jìn)行對(duì)比，觀察、分析鎳卷卷式退火的組織均勻性，及不同退火時(shí)間對(duì)鎳卷組織均勻性的影響。鎳卷取樣位置見圖1。

3 結(jié)果與分析

3.1 卷式退火性能均勻性分析

兩個(gè)鎳卷分別經(jīng)過680℃/10h和680℃/8h進(jìn)行真空退火。由圖2可以看出，鎳卷經(jīng)680℃/10h卷式真空退火后的中心層的抗拉強(qiáng)度平均值345Mpa＞內(nèi)圈的抗拉強(qiáng)度平均值334Mpa＞外圈的抗拉強(qiáng)度平均值305Mpa；中心層的屈服強(qiáng)度平均值191Mpa＞內(nèi)圈的屈服強(qiáng)度平均值188Mpa＞外圈的屈服強(qiáng)度平均值186Mpa；中心層的伸長率平均值62%＞內(nèi)圈的伸長率平均值58.8%＞外圈的伸長率平均值54.5%；中心層的晶粒尺寸＜內(nèi)圈晶粒尺寸＜外圈晶粒尺寸，見表1；中心層維氏硬度平均值均略高于內(nèi)圈和外圈，而內(nèi)圈和外圈的硬度差異不大，見圖3。

鎳卷經(jīng)680℃/8h卷式真空退火后的中心層的抗拉強(qiáng)度平均值357Mpa＞內(nèi)圈的抗拉強(qiáng)度平均值354Mpa＞外圈的抗拉強(qiáng)度平均值331Mpa；中心層的屈服強(qiáng)度平均值219Mpa＞內(nèi)圈的屈服強(qiáng)度平均值216Mpa＞外圈的屈服強(qiáng)度平均值190Mpa；中心層的伸長率平均值62.7%＞內(nèi)圈的伸長率平均值60%＞外圈的伸長率平均值55.7%；中心層的晶粒尺寸＜內(nèi)圈晶粒尺寸＜外圈晶粒尺寸，見表1；中心層維氏硬度平均值均略高于內(nèi)圈和外圈，而內(nèi)圈和外圈的硬度差異不大，見圖3。

表1 卷式退火不同部位晶粒度

圖2 不同部位平均性能對(duì)比

圖3 不同部位平均硬度對(duì)比

這是由于鎳卷卷式真空退火時(shí)，鎳卷的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可忽略周向?qū)?，只考慮鎳卷的徑向和軸向傳熱。其徑向?qū)崾擎嚲韮?nèi)、外表面將獲得的熱量向冷點(diǎn)傳遞的過程，主要通過相鄰兩層鎳帶間氣隙傳熱的綜合效應(yīng)完成的，包括保護(hù)氣體的導(dǎo)熱、鎳帶間輻射換熱及接觸點(diǎn)的導(dǎo)熱【2】。接觸熱阻的存在使得鎳帶徑向?qū)嵯禂?shù)降低，而較低的徑向等效導(dǎo)熱系數(shù)阻礙了熱量向中心層的傳輸。鎳卷外側(cè)不僅受熱輻射，還與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱，升溫較快；而中心層沒有循環(huán)流動(dòng)的氣體通過，只能其熱量交換主要以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行，故升溫相對(duì)滯后【3】。

3.2 不同熱處理時(shí)間對(duì)性能均勻性影響分析

由圖2，圖3可以看出，采取680℃真空退火，時(shí)間從8h延長至10h。鎳卷外圈的抗拉強(qiáng)度平均值從331MPa降至305MPa、屈服強(qiáng)度平均值從190MPa降至186MPa、維氏硬度HV從119降至111；鎳卷中心層的抗拉強(qiáng)度平均值從357MPa降至345MPa、屈服強(qiáng)度平均值從219MPa降至191MPa、維氏硬度HV從126降至119；鎳卷內(nèi)圈的抗拉強(qiáng)度平均值從354MPa降至334MPa、屈服強(qiáng)度平均值從218MPa降至188MPa、維氏硬度HV從117降至113。晶粒尺寸隨著退火時(shí)間的延長，逐漸長大。當(dāng)退火時(shí)間延長至10h，鎳卷的中心層晶粒度從7.5級(jí)長大至6.5級(jí)，但依然組織均勻，而外圈和內(nèi)圈的晶粒尺寸從原先的均勻一致的晶粒變成晶粒大小不一，部分粗大晶粒周圍存在許多細(xì)小晶粒。外圈最大晶粒尺寸450um，最小晶粒尺寸33um，內(nèi)圈最大晶粒尺寸230um，最小晶粒尺寸10um，組織照片見圖4、圖5。這是由于鎳卷外圈、內(nèi)圈加熱時(shí)先達(dá)到退火溫度，保溫時(shí)間相對(duì)中心層較長，當(dāng)再結(jié)晶退火時(shí)，大多數(shù)晶粒幾乎同時(shí)逐漸均勻長大，隨著繼續(xù)加熱，保溫時(shí)間過長，則會(huì)有少數(shù)晶粒吞并周圍其他小晶粒而急劇長大，超過原始晶粒幾十倍，形成二次再結(jié)晶。

圖4 8h熱處理不同部位組織照片

圖5 10h熱處理不同部位組織照片

4 結(jié)論

（1） 鎳卷無論經(jīng)過680℃/10h真空退火，還是經(jīng)680℃/8h真空退火，中心層的強(qiáng)度、硬度均略高于內(nèi)圈和外圈，中心層的晶粒尺寸與外圈、內(nèi)圈相比，相對(duì)細(xì)小。這是由于鎳卷外側(cè)不僅受熱輻射，還與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱，升溫較快；而中心層沒有循環(huán)流動(dòng)的氣體通過，只能其熱量交換主要以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行，故升溫相對(duì)滯后導(dǎo)致。

（2） 在相同退火溫度680℃的前提下，鎳卷真空退火時(shí)間10h與退火時(shí)間8h相比，鎳卷的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、維氏硬度均略有降低，而伸長率差異不大。隨著退火時(shí)間的延長，晶粒逐漸長大。

（3） 鎳卷采用680℃/10h退火，鎳卷中心層組織均勻，但鎳卷外圈和內(nèi)圈的部分晶粒已急劇長大，開始出現(xiàn)二次再結(jié)晶。