加熱時間對鎳卷性能均勻性影響

王文君，陳媛媛，魏幸，楊娟麗

（寶雞鈦業股份有限公司 陜西 寶雞 721014）

1 引言

純鎳在許多酸性和堿性環境中表現出良好的耐蝕性，且在較寬的溫度范圍內具有良好的力學性能，易于冷加工。因此被廣泛應用于板式換熱器、制堿、化工裝備等領域。

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，軋制設備的保障，同時又要有鑄錠、鎳卷制備質量的一致性、穩定性，技術工藝也需要實現突破。國外稀有金屬帶卷的生產，主要依賴于鋼廠，沒有專門的生產線，借鑒不銹鋼帶卷生產模式，結合稀有金屬近年來在國內帶式生產的成功經驗，尤其是鈦帶卷的批量穩定生產，為寬幅鎳帶材的生產提供了可貴的經驗積累【1】。本文主要介紹卷式真空退火，鎳卷組織的均勻性。

2 實驗步驟

圖1 鎳卷取樣位置圖

選取1.0＊W＊L的冷軋態N5成品卷，單重＞10噸，中分成兩個重量5噸左右的鎳卷。分別在臥式真空退火爐進行相同溫度，不同時間的退火，當爐內溫度到達指定溫度后，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組試樣測試，將鎳卷外圈、中間層、內圈的測試結果的平均值進行對比，觀察、分析鎳卷卷式退火的組織均勻性，及不同退火時間對鎳卷組織均勻性的影響。鎳卷取樣位置見圖1。

3 結果與分析

3.1 卷式退火性能均勻性分析

兩個鎳卷分別經過680℃/10h和680℃/8h進行真空退火。由圖2可以看出，鎳卷經680℃/10h卷式真空退火后的中心層的抗拉強度平均值345Mpa＞內圈的抗拉強度平均值334Mpa＞外圈的抗拉強度平均值305Mpa；中心層的屈服強度平均值191Mpa＞內圈的屈服強度平均值188Mpa＞外圈的屈服強度平均值186Mpa；中心層的伸長率平均值62%＞內圈的伸長率平均值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圈和外圈，而內圈和外圈的硬度差異不大，見圖3。

鎳卷經680℃/8h卷式真空退火后的中心層的抗拉強度平均值357Mpa＞內圈的抗拉強度平均值354Mpa＞外圈的抗拉強度平均值331Mpa；中心層的屈服強度平均值219Mpa＞內圈的屈服強度平均值216Mpa＞外圈的屈服強度平均值190Mpa；中心層的伸長率平均值62.7%＞內圈的伸長率平均值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圈和外圈，而內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比

圖3 不同部位平均硬度對比

這是由于鎳卷卷式真空退火時，鎳卷的結構對稱，可忽略周向導熱，只考慮鎳卷的徑向和軸向傳熱。其徑向導熱是鎳卷內、外表面將獲得的熱量向冷點傳遞的過程，主要通過相鄰兩層鎳帶間氣隙傳熱的綜合效應完成的，包括保護氣體的導熱、鎳帶間輻射換熱及接觸點的導熱【2】。接觸熱阻的存在使得鎳帶徑向導熱系數降低，而較低的徑向等效導熱系數阻礙了熱量向中心層的傳輸。鎳卷外側不僅受熱輻射，還與環境進行對流換熱，升溫較快；而中心層沒有循環流動的氣體通過，只能其熱量交換主要以導熱的方式進行，故升溫相對滯后【3】。

3.2 不同熱處理時間對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，時間從8h延長至10h。鎳卷外圈的抗拉強度平均值從331MPa降至305MPa、屈服強度平均值從190MPa降至186MPa、維氏硬度HV從119降至111；鎳卷中心層的抗拉強度平均值從357MPa降至345MPa、屈服強度平均值從219MPa降至191MPa、維氏硬度HV從126降至119；鎳卷內圈的抗拉強度平均值從354MPa降至334MPa、屈服強度平均值從218MPa降至188MPa、維氏硬度HV從117降至113。晶粒尺寸隨著退火時間的延長，逐漸長大。當退火時間延長至10h，鎳卷的中心層晶粒度從7.5級長大至6.5級，但依然組織均勻，而外圈和內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小晶粒。外圈最大晶粒尺寸450um，最小晶粒尺寸33um，內圈最大晶粒尺寸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、內圈加熱時先達到退火溫度，保溫時間相對中心層較長，當再結晶退火時，大多數晶粒幾乎同時逐漸均勻長大，隨著繼續加熱，保溫時間過長，則會有少數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 結論

（1） 鎳卷無論經過680℃/10h真空退火，還是經680℃/8h真空退火，中心層的強度、硬度均略高于內圈和外圈，中心層的晶粒尺寸與外圈、內圈相比，相對細小。這是由于鎳卷外側不僅受熱輻射，還與環境進行對流換熱，升溫較快；而中心層沒有循環流動的氣體通過，只能其熱量交換主要以導熱的方式進行，故升溫相對滯后導致。

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

（3） 鎳卷采用680℃/10h退火，鎳卷中心層組織均勻，但鎳卷外圈和內圈的部分晶粒已急劇長大，開始出現二次再結晶。