纯镍板材强度与其杂质元素含量关系研究

杨 哲，郑博龙，杨 晗，程 伟

（宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014）

纯镍具有优良的耐蚀性，特别是耐苛性碱的腐蚀，同时具有较高的电磁学性能，优良的焊接性能和加工性能，广泛应用于化工、电子、机械等领域。目前常用的纯镍牌号为N4、N5、N6、N7，其中的杂质元素主要为Cu、Fe、Si、C、Mg、Mn，其余为有害元素S以及Pb、Bi等低熔点金属夹杂元素，以上四个牌号中N4、N5与N6、N7的力学性能指标不同，后两者强度要求高于前者。

纯镍强化手段一般只有形变强化和细晶强化[1，2]。纯金属中一些杂质元素的含量会对其性能有所影响，其主要影响机制是有的元素起细化晶粒的作用，有的则形成一些化合物或者第二相起到钉扎强化作用。纯镍中的杂质元素较多，需要综合比较和采用数理统计的方法进行验证，确定起强化作用的元素。

1 数据收集

通过收集大量的纯镍板材的力学性能数据及所对应的铸锭化学成分，研究两者之间的关系。该批纯镍板材采用同样的加工和热处理工艺参数，排除了该方面的影响。结合标准的要求，选取Cu、Fe、Si、C、Mg、Mn六个主要的杂质元素，其它的元素均为有害杂质元素，工程应用中要求越低越好，不做验证。

2 数据分析

2.1 数据分析结果

对采集的数据应用Minitab的多元回归分析：强度Rm作为响应，Cu，Si，Mn，Mg，Fe，C含量作为变量。分析结果见表1。

表1 纯镍数据回归分析结果

回归分析结果可以表面杂质元素与纯镍的强度有一定的关系，P值＜0.05。具体到各元素的P值，剔除了P＞0.1的元素Si、Mn、Fe、Cu。

P＜0.05有影响的选取C和Mg。

通过进一步的试验和测试来研究其作用机制。

2.2 C元素的作用研究

纯镍中碳是必然存在的，碳在镍中易形成碳化物，在纯镍的凝固过程中于晶间存在，少量存在是允许的。碳元素直接影响到材料的强度、塑性、韧性和焊接性能以及耐腐蚀性能。随着碳含量的升高，金属的强度和硬度提高。但是大量存在会对性能产生不利的影响。

含碳的纯镍中易形成NiC，为一种亚稳相[3]，在一些高温气氛的情况下及一定条件下会发生分解而导致石墨化，使得晶界弱化呈现脆性。见图1，表2，为一种高碳的纯镍在天然气炉加热后出现了石墨化导致晶界弱化，发生脆断现象。

图1 碳在晶界聚集

同时碳含量高会对纯镍的耐腐蚀性产生影响，碳化物容易富集对耐腐蚀性有效的元素，导致某些区域出现贫化。经过试验测试高碳与低碳纯镍的腐蚀速率，结果表明两者相差数倍，影响显著。

因而纯镍在冶炼时要严格控制碳含量，以保证良好的综合性能。对于纯镍而言，耐腐蚀性和电磁学性能尤为重要，即使会造成强度值偏低，国内的主流厂家也要将碳元素含量控制在极低的水平（C≤0.03%）。

表2 夹杂物能谱分析结果

2.3 Mg元素的影响

20世纪80年代在中国镍基高温合金界掀起了一股研究镁元素作用的热潮，Mg在高温合金中的优异作用已广泛地得到证实。

镍基合金中含(0.005%～0.05%)Mg，可显著地提高合金的持久性和塑性，减少晶界碳化物、硼化物和硫化物的数量，提高晶间结合力，改善加工塑性，而加入Mg量过高则生成Ni-Ni2Mg共晶，恶化热加工性能，对于高Cr含量的镍基合金Mg的适宜加入量为0.01%～0.03%[4，5]。

同样Mg在纯镍中也有显著影响，其在镍中的含量极少，标准要求小于0.1%。其在脱硫、脱氧、细化晶粒起到重要的作用。对此开展工艺试验，通过控制镁含量，发现镁的加入可以提高形核率，使晶粒细化，达到细晶强化，有效的提高了纯镍的强度。

3 结论

结合试验结果认为：

（1）纯镍中的杂质元素对其性能有影响，主要为C和Mg，其余标准内规定的元素影响极小。

（2）C含量的提高会使得强度提高，但是会影响纯镍的耐腐蚀性能，同时过量的碳会在高温的情况下发生分解石墨化，弱化晶界，导致脆性。

（3）适宜的Mg含量可以有效的细化晶粒，起到细晶强化的作用。