加热时间对镍卷性能均匀性影响

王文君，陈媛媛，魏幸，杨娟丽

（宝鸡钛业股份有限公司 陕西 宝鸡 721014）

1 引言

纯镍在许多酸性和碱性环境中表现出良好的耐蚀性，且在较宽的温度范围内具有良好的力学性能，易于冷加工。因此被广泛应用于板式换热器、制碱、化工装备等领域。

由于镍在密度、热加工、冷加工方面与其他有色金属有较大差异，既要有大吨位熔炼，轧制设备的保障，同时又要有铸锭、镍卷制备质量的一致性、稳定性，技术工艺也需要实现突破。国外稀有金属带卷的生产，主要依赖于钢厂，没有专门的生产线，借鉴不锈钢带卷生产模式，结合稀有金属近年来在国内带式生产的成功经验，尤其是钛带卷的批量稳定生产，为宽幅镍带材的生产提供了可贵的经验积累【1】。本文主要介绍卷式真空退火，镍卷组织的均匀性。

2 实验步骤

图1 镍卷取样位置图

选取1.0＊W＊L的冷轧态N5成品卷，单重＞10吨，中分成两个重量5吨左右的镍卷。分别在卧式真空退火炉进行相同温度，不同时间的退火，当炉内温度到达指定温度后，充一定量氩气分压，退火完成后充氩气冷却。在镍卷外圈、中间层、内圈的上部位各取2组试样、中部位各取2组试样、下部位各取2组试样测试，将镍卷外圈、中间层、内圈的测试结果的平均值进行对比，观察、分析镍卷卷式退火的组织均匀性，及不同退火时间对镍卷组织均匀性的影响。镍卷取样位置见图1。

3 结果与分析

3.1 卷式退火性能均匀性分析

两个镍卷分别经过680℃/10h和680℃/8h进行真空退火。由图2可以看出，镍卷经680℃/10h卷式真空退火后的中心层的抗拉强度平均值345Mpa＞内圈的抗拉强度平均值334Mpa＞外圈的抗拉强度平均值305Mpa；中心层的屈服强度平均值191Mpa＞内圈的屈服强度平均值188Mpa＞外圈的屈服强度平均值186Mpa；中心层的伸长率平均值62%＞内圈的伸长率平均值58.8%＞外圈的伸长率平均值54.5%；中心层的晶粒尺寸＜内圈晶粒尺寸＜外圈晶粒尺寸，见表1；中心层维氏硬度平均值均略高于内圈和外圈，而内圈和外圈的硬度差异不大，见图3。

镍卷经680℃/8h卷式真空退火后的中心层的抗拉强度平均值357Mpa＞内圈的抗拉强度平均值354Mpa＞外圈的抗拉强度平均值331Mpa；中心层的屈服强度平均值219Mpa＞内圈的屈服强度平均值216Mpa＞外圈的屈服强度平均值190Mpa；中心层的伸长率平均值62.7%＞内圈的伸长率平均值60%＞外圈的伸长率平均值55.7%；中心层的晶粒尺寸＜内圈晶粒尺寸＜外圈晶粒尺寸，见表1；中心层维氏硬度平均值均略高于内圈和外圈，而内圈和外圈的硬度差异不大，见图3。

表1 卷式退火不同部位晶粒度

图2 不同部位平均性能对比

图3 不同部位平均硬度对比

这是由于镍卷卷式真空退火时，镍卷的结构对称，可忽略周向导热，只考虑镍卷的径向和轴向传热。其径向导热是镍卷内、外表面将获得的热量向冷点传递的过程，主要通过相邻两层镍带间气隙传热的综合效应完成的，包括保护气体的导热、镍带间辐射换热及接触点的导热【2】。接触热阻的存在使得镍带径向导热系数降低，而较低的径向等效导热系数阻碍了热量向中心层的传输。镍卷外侧不仅受热辐射，还与环境进行对流换热，升温较快；而中心层没有循环流动的气体通过，只能其热量交换主要以导热的方式进行，故升温相对滞后【3】。

3.2 不同热处理时间对性能均匀性影响分析

由图2，图3可以看出，采取680℃真空退火，时间从8h延长至10h。镍卷外圈的抗拉强度平均值从331MPa降至305MPa、屈服强度平均值从190MPa降至186MPa、维氏硬度HV从119降至111；镍卷中心层的抗拉强度平均值从357MPa降至345MPa、屈服强度平均值从219MPa降至191MPa、维氏硬度HV从126降至119；镍卷内圈的抗拉强度平均值从354MPa降至334MPa、屈服强度平均值从218MPa降至188MPa、维氏硬度HV从117降至113。晶粒尺寸随着退火时间的延长，逐渐长大。当退火时间延长至10h，镍卷的中心层晶粒度从7.5级长大至6.5级，但依然组织均匀，而外圈和内圈的晶粒尺寸从原先的均匀一致的晶粒变成晶粒大小不一，部分粗大晶粒周围存在许多细小晶粒。外圈最大晶粒尺寸450um，最小晶粒尺寸33um，内圈最大晶粒尺寸230um，最小晶粒尺寸10um，组织照片见图4、图5。这是由于镍卷外圈、内圈加热时先达到退火温度，保温时间相对中心层较长，当再结晶退火时，大多数晶粒几乎同时逐渐均匀长大，随着继续加热，保温时间过长，则会有少数晶粒吞并周围其他小晶粒而急剧长大，超过原始晶粒几十倍，形成二次再结晶。

图4 8h热处理不同部位组织照片

图5 10h热处理不同部位组织照片

4 结论

（1） 镍卷无论经过680℃/10h真空退火，还是经680℃/8h真空退火，中心层的强度、硬度均略高于内圈和外圈，中心层的晶粒尺寸与外圈、内圈相比，相对细小。这是由于镍卷外侧不仅受热辐射，还与环境进行对流换热，升温较快；而中心层没有循环流动的气体通过，只能其热量交换主要以导热的方式进行，故升温相对滞后导致。

（2） 在相同退火温度680℃的前提下，镍卷真空退火时间10h与退火时间8h相比，镍卷的抗拉强度、屈服强度、维氏硬度均略有降低，而伸长率差异不大。随着退火时间的延长，晶粒逐渐长大。

（3） 镍卷采用680℃/10h退火，镍卷中心层组织均匀，但镍卷外圈和内圈的部分晶粒已急剧长大，开始出现二次再结晶。