純鎳板材強度與其雜質元素含量關系研究

楊 哲，鄭博龍，楊 晗，程 偉

（寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014）

純鎳具有優(yōu)良的耐蝕性，特別是耐苛性堿的腐蝕，同時具有較高的電磁學性能，優(yōu)良的焊接性能和加工性能，廣泛應用于化工、電子、機械等領域。目前常用的純鎳牌號為N4、N5、N6、N7，其中的雜質元素主要為Cu、Fe、Si、C、Mg、Mn，其余為有害元素S以及Pb、Bi等低熔點金屬夾雜元素，以上四個牌號中N4、N5與N6、N7的力學性能指標不同，后兩者強度要求高于前者。

純鎳強化手段一般只有形變強化和細晶強化[1，2]。純金屬中一些雜質元素的含量會對其性能有所影響，其主要影響機制是有的元素起細化晶粒的作用，有的則形成一些化合物或者第二相起到釘扎強化作用。純鎳中的雜質元素較多，需要綜合比較和采用數(shù)理統(tǒng)計的方法進行驗證，確定起強化作用的元素。

1 數(shù)據(jù)收集

通過收集大量的純鎳板材的力學性能數(shù)據(jù)及所對應的鑄錠化學成分，研究兩者之間的關系。該批純鎳板材采用同樣的加工和熱處理工藝參數(shù)，排除了該方面的影響。結合標準的要求，選取Cu、Fe、Si、C、Mg、Mn六個主要的雜質元素，其它的元素均為有害雜質元素，工程應用中要求越低越好，不做驗證。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)分析結果

對采集的數(shù)據(jù)應用Minitab的多元回歸分析：強度Rm作為響應，Cu，Si，Mn，Mg，F(xiàn)e，C含量作為變量。分析結果見表1。

表1 純鎳數(shù)據(jù)回歸分析結果

回歸分析結果可以表面雜質元素與純鎳的強度有一定的關系，P值＜0.05。具體到各元素的P值，剔除了P＞0.1的元素Si、Mn、Fe、Cu。

P＜0.05有影響的選取C和Mg。

通過進一步的試驗和測試來研究其作用機制。

2.2 C元素的作用研究

純鎳中碳是必然存在的，碳在鎳中易形成碳化物，在純鎳的凝固過程中于晶間存在，少量存在是允許的。碳元素直接影響到材料的強度、塑性、韌性和焊接性能以及耐腐蝕性能。隨著碳含量的升高，金屬的強度和硬度提高。但是大量存在會對性能產(chǎn)生不利的影響。

含碳的純鎳中易形成NiC，為一種亞穩(wěn)相[3]，在一些高溫氣氛的情況下及一定條件下會發(fā)生分解而導致石墨化，使得晶界弱化呈現(xiàn)脆性。見圖1，表2，為一種高碳的純鎳在天然氣爐加熱后出現(xiàn)了石墨化導致晶界弱化，發(fā)生脆斷現(xiàn)象。

圖1 碳在晶界聚集

同時碳含量高會對純鎳的耐腐蝕性產(chǎn)生影響，碳化物容易富集對耐腐蝕性有效的元素，導致某些區(qū)域出現(xiàn)貧化。經(jīng)過試驗測試高碳與低碳純鎳的腐蝕速率，結果表明兩者相差數(shù)倍，影響顯著。

因而純鎳在冶煉時要嚴格控制碳含量，以保證良好的綜合性能。對于純鎳而言，耐腐蝕性和電磁學性能尤為重要，即使會造成強度值偏低，國內的主流廠家也要將碳元素含量控制在極低的水平（C≤0.03%）。

表2 夾雜物能譜分析結果

2.3 Mg元素的影響

20世紀80年代在中國鎳基高溫合金界掀起了一股研究鎂元素作用的熱潮，Mg在高溫合金中的優(yōu)異作用已廣泛地得到證實。

鎳基合金中含(0.005%～0.05%)Mg，可顯著地提高合金的持久性和塑性，減少晶界碳化物、硼化物和硫化物的數(shù)量，提高晶間結合力，改善加工塑性，而加入Mg量過高則生成Ni-Ni2Mg共晶，惡化熱加工性能，對于高Cr含量的鎳基合金Mg的適宜加入量為0.01%～0.03%[4，5]。

同樣Mg在純鎳中也有顯著影響，其在鎳中的含量極少，標準要求小于0.1%。其在脫硫、脫氧、細化晶粒起到重要的作用。對此開展工藝試驗，通過控制鎂含量，發(fā)現(xiàn)鎂的加入可以提高形核率，使晶粒細化，達到細晶強化，有效的提高了純鎳的強度。

3 結論

結合試驗結果認為：

（1）純鎳中的雜質元素對其性能有影響，主要為C和Mg，其余標準內規(guī)定的元素影響極小。

（2）C含量的提高會使得強度提高，但是會影響純鎳的耐腐蝕性能，同時過量的碳會在高溫的情況下發(fā)生分解石墨化，弱化晶界，導致脆性。

（3）適宜的Mg含量可以有效的細化晶粒，起到細晶強化的作用。