1、純鎳的概述

鎳在元素周期表中是第28 號(hào)元素，它和鐵、鈷共同組成了周期表中的第四周期的過(guò)渡族元素。鎳的原子量是58.6934，具有五個(gè)穩(wěn)定的同位素。純鎳的晶體結(jié)構(gòu)在其熔點(diǎn)以下的溫度范圍內(nèi)都保持著面心立方的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。晶格常數(shù)在20℃時(shí)是0.35167nm。純鎳能夠與許多金屬元素形成固溶體，鎳和銅能夠形成無(wú)限固溶體，和鐵也接近無(wú)限互溶，鎳還可以和鉬、鉻、鋁、鈦等元素形成有限固溶體。將純鎳的物理性能列于表1.2 中。需要指出的是，在溫度為25℃時(shí)，純鎳的密度為8.902g/cm³，而當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)密度變?yōu)?.9g/cm³。鎳的密度變化是隨著溫度的升高而不斷下降，在大約2227℃時(shí)達(dá)到7.0g/cm³。鎳的電阻率在20℃時(shí)是68.44nΩ·m。

其電阻率在低溫時(shí)是可以忽略不計(jì)的，但是隨著溫度的和雜質(zhì)的增加而增加。鎳在常溫下具有強(qiáng)烈的磁性，但純鎳本身很少作為磁性材料使用，偶爾在磁致伸縮方面有應(yīng)用。許多含有鎳的合金就是為了應(yīng)用鎳的磁性。通常這些合金都是以鐵為基體，鎳的含量大約在10%~20%。鎳的居里溫度是與其純度有關(guān)，純鎳多在350℃~360℃。

純鎳在具有穩(wěn)定的化學(xué)性能。在常溫下不與氧氣發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)溫度達(dá)到500℃左右是才發(fā)生輕微的氧化。由于鎳具有顯著的鈍化傾向，室溫條件下在堿性環(huán)境和非氧化性無(wú)機(jī)酸的環(huán)境中也表現(xiàn)出良好的耐蝕性能。鎳的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為與氫非常接近，所以很難在非氧化性環(huán)境下逸出氫。鎳在含有氧化劑的條件下，腐蝕速度劇烈上升，在醋酸中也不穩(wěn)定。

純鎳具有優(yōu)良的加工性能，塑形、延展性都比較好。可以通過(guò)軋制等加工工藝制成板材、帶材、管材等。純鎳根據(jù)鎳的含量分為N2、N4、N6 等牌號(hào)，其中N2 中鎳的含量最高。表1.3 為純鎳的分類以及各牌號(hào)的化學(xué)成分。

牌號(hào)為N6 是純鎳是在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，通常稱為工業(yè)純鎳N6。在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)良的耐蝕性能，并且機(jī)械加工性能良好，故本課題采用工業(yè)純鎳N6作為研究對(duì)象。

2、 純鎳N6

N6 是純鎳的一種又稱六號(hào)鎳，在美國(guó)的牌號(hào)為Ni200。其中Ni 的含量大于99.5%，其他雜質(zhì)含量不高于0.5%。在退火的供貨狀態(tài)下拉伸強(qiáng)度σb=317MPa。純鎳N6 具有良好的加工性能，可加工成管棒線板帶箔材產(chǎn)品。選擇合適的加工方法能夠產(chǎn)生抗拉強(qiáng)度達(dá)448~793MPa 的棒材和896MPa 的帶材以及1103MPa 的線材。純鎳在退火的狀態(tài)下的維氏硬度只有64HV，冷加工處理以及雜質(zhì)的增加可以使硬度增加。工業(yè)純鎳N6 的楊氏彈性模量值為207GPa。剪切模量是76GPa，泊松比0.31。在退火狀態(tài)下，伸長(zhǎng)率為10-40%，具有良好的延展性。

工業(yè)純鎳N6 在堿性和非氧化性酸中性能穩(wěn)定，同時(shí)還具有較高的電真空性，因此被廣泛應(yīng)用于化工、電子等行業(yè)。

3、元素對(duì)純鎳N6 的影響

工業(yè)純鎳N6 中的雜質(zhì)會(huì)對(duì)其組織性能有一定的影響，常見(jiàn)的雜質(zhì)有鋁、鐵、錳、硅、碳等元素。Al、Ti 是γ′相的主要形成元素，還有一定的脫氧作用。當(dāng)這兩種元素含量較少時(shí)對(duì)提高純鎳的高溫強(qiáng)度和熱腐蝕性能都是有益的，而當(dāng)其含量過(guò)高時(shí)容易出現(xiàn)粗大片狀Ni3(A1,Ti)C，使得純鎳的脆化，塑性急劇降低。在工業(yè)純鎳N6 中應(yīng)該嚴(yán)格控制C、O、N 和S 等元素的含量，這些元素對(duì)Ni 的工藝性能影響很大。其中C作為主要的脫氧劑，可以改善Ni 的鑄造性能，但Ni-C 可以形成低熔點(diǎn)共晶物，使得熱塑性能受到一定影響。而當(dāng)C 含量大于0.15%時(shí)，還能能引起冷脆性。S 是強(qiáng)烈破壞工業(yè)純鎳N6 熱加工性的有害雜質(zhì)，這是由于S 在Ni 中溶解度極小，能與Ni 形成低熔點(diǎn)共晶，多以離異共晶的形式分布于晶粒間界。

Mn 和Mg 在高溫對(duì)S 有很大的親和力是理想的脫S 劑，反應(yīng)產(chǎn)物MnS 和MgS的熔點(diǎn)分別可達(dá)到1610℃和2000℃以上，形成的難熔化合物呈點(diǎn)狀彌散分布。可以消除S 對(duì)冷、熱加工的有害影響，還可起到一定的細(xì)化晶粒作用。但Mg 的含量過(guò)高時(shí)，會(huì)生成Ni-Ni2Mg 共晶，會(huì)惡化熱加工性能。在純鎳中Mg 的含量不宜超過(guò)0.03%。

4、純鎳的焊接性

對(duì)于工業(yè)純鎳N6 來(lái)說(shuō)，焊接工藝是至關(guān)重要的。如果焊接方法選擇不當(dāng)或者焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)漏洞都會(huì)導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)缺陷從而影響其性能。由于純鎳本身的物理性能導(dǎo)致在焊接加工的過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)一些焊接缺陷問(wèn)題。

(1)形成氣孔的傾向

氣孔是在焊接生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的一種體積性缺陷，由于氣孔占據(jù)了焊縫金屬的一定體積，削弱了焊縫的有效工作截面積，從而影響焊接接頭的性能。從焊接工藝的選擇和材料本身的特點(diǎn)來(lái)分析產(chǎn)生氣孔的傾向。本課題的焊接方法選用TIG 焊，TIG 焊對(duì)焊接材料以及焊接試件表面的油、水分等非常敏感，這就要求在焊前應(yīng)該對(duì)焊材和焊接工件表面清理。清理時(shí)，采用機(jī)械清理和有機(jī)溶液清理兩種方法。機(jī)械清理可采用鋼絲刷打磨掉坡口及其附近的氧化皮，有機(jī)溶液清理采用丙酮、乙醇對(duì)油脂、灰塵、和其他污染物等進(jìn)行清理。本課題中選用的材料工業(yè)純鎳N6 電阻率大，熱導(dǎo)率低，因此熔池的流動(dòng)性也就較差。而有研究表明：熔融態(tài)的鎳中可以溶解一定量的氧氣和氫氣，隨著溫度的降低，氧和氫在鎳中的溶解度也降低。焊接熔池的流動(dòng)性能又比較差，這就導(dǎo)致了當(dāng)熔池凝固時(shí)，會(huì)有一部分的氧氣和氫氣來(lái)不及溢出。殘留在熔池中的O 與Ni 形成NiO，而殘留下來(lái)的H2 與NiO 反應(yīng)將Ni 還原出來(lái)，同時(shí)H 與O 結(jié)合形成水蒸氣氣孔，這些氣孔經(jīng)常出現(xiàn)在熔合線附近[16]。因此在焊接工業(yè)純鎳N6 時(shí)要確保氬氣的純度，以及在焊接之前提前通氬氣。

(2)焊接熱裂紋

在工藝純鎳N6 的焊接過(guò)程中，最多出現(xiàn)的熱裂紋就是結(jié)晶裂紋。這種裂紋可以在光學(xué)顯微鏡下觀察到，多出現(xiàn)在焊縫中的樹(shù)枝晶的交界處。從金屬結(jié)晶的理論可以知道，后結(jié)晶的金屬含雜質(zhì)較多，且富集在晶界[15]。而這些雜質(zhì)所形成的共晶都具有較低的熔點(diǎn)，將純鎳在焊接過(guò)程中可能形成的共晶物成分及溫度列于表1.4 中。從表中可以看出鎳與硫、磷形成的低熔點(diǎn)共晶物的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純鎳的熔點(diǎn)。在焊縫金屬凝固的后期，低熔點(diǎn)共晶物被排擠在柱狀晶相交的中心部位，是形成一種所謂的“液態(tài)薄膜”，在焊縫冷卻的過(guò)程中存在較高殘余應(yīng)力，液態(tài)薄膜就變成了薄弱地帶。通常導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生熱裂紋。其中顯微裂紋采用最常用的無(wú)損探傷手段—X 射線探傷儀不易檢測(cè)到，容易成為安全問(wèn)題的隱患，應(yīng)該引起對(duì)這些問(wèn)題的重視。