1、純鎳的概述

鎳在元素周期表中是第28 號元素，它和鐵、鈷共同組成了周期表中的第四周期的過渡族元素。鎳的原子量是58.6934，具有五個穩(wěn)定的同位素。純鎳的晶體結(jié)構(gòu)在其熔點以下的溫度范圍內(nèi)都保持著面心立方的結(jié)構(gòu)，沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。晶格常數(shù)在20℃時是0.35167nm。純鎳能夠與許多金屬元素形成固溶體，鎳和銅能夠形成無限固溶體，和鐵也接近無限互溶，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，純鎳的密度為8.902g/cm³，而當(dāng)溫度達到熔點時密度變?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℃時達到7.0g/cm³。鎳的電阻率在20℃時是68.44nΩ·m。

其電阻率在低溫時是可以忽略不計的，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)境和非氧化性無機酸的環(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?？梢酝ㄟ^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，其中N2 中鎳的含量最高。表1.3 為純鎳的分類以及各牌號的化學(xué)成分。

牌號為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，并且機械加工性能良好，故本課題采用工業(yè)純鎳N6作為研究對象。

2、 純鎳N6

N6 是純鎳的一種又稱六號鎳，在美國的牌號為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)生抗拉強度達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、元素對純鎳N6 的影響

工業(yè)純鎳N6 中的雜質(zhì)會對其組織性能有一定的影響，常見的雜質(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對提高純鎳的高溫強度和熱腐蝕性能都是有益的，而當(dāng)其含量過高時容易出現(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，還能能引起冷脆性。S 是強烈破壞工業(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的熔點分別可達到1610℃和2000℃以上，形成的難熔化合物呈點狀彌散分布。可以消除S 對冷、熱加工的有害影響，還可起到一定的細化晶粒作用。但Mg 的含量過高時，會生成Ni-Ni2Mg 共晶，會惡化熱加工性能。在純鎳中Mg 的含量不宜超過0.03%。

4、純鎳的焊接性

對于工業(yè)純鎳N6 來說，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)計出現(xiàn)漏洞都會導(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)致在焊接加工的過程中有可能會出現(xiàn)一些焊接缺陷問題。

(1)形成氣孔的傾向

氣孔是在焊接生產(chǎn)過程中經(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來分析產(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)該對焊材和焊接工件表面清理。清理時，采用機械清理和有機溶液清理兩種方法。機械清理可采用鋼絲刷打磨掉坡口及其附近的氧化皮，有機溶液清理采用丙酮、乙醇對油脂、灰塵、和其他污染物等進行清理。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。焊接熔池的流動性能又比較差，這就導(dǎo)致了當(dāng)熔池凝固時，會有一部分的氧氣和氫氣來不及溢出。殘留在熔池中的O 與Ni 形成NiO，而殘留下來的H2 與NiO 反應(yīng)將Ni 還原出來，同時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，將純鎳在焊接過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、磷形成的低熔點共晶物的熔點遠低于純鎳的熔點。在焊縫金屬凝固的后期，低熔點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損探傷手段—X 射線探傷儀不易檢測到，容易成為安全問題的隱患，應(yīng)該引起對這些問題的重視。