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镍质量控制

介绍

镍在宇宙中是一种非常丰富的金属,但尽管如此,它在地壳中的含量却并不丰富。当它来自陨石时,镍可能以金属形式存在,否则它会以矿石的形式存在。这些矿石中镍所占比例较低,即其他元素含量较高,如铁、铜、钴、镁、硫、砷等。

镍矿石可分为:砷矿石、硫化矿石和氧化矿石。一般来说,砷矿石和硫化物矿石是从地下开采的,有时是很深的矿井(2000米),而氧化矿石总是从露天矿山开采的,因为它们是在地表形成的。


元素符号:Ni
原子序数:28
密度:8.9
摩尔质量:58,7 g.mol-1
熔点:1440 °C

冶炼过程

镍矿石中所存在的多种元素使得其冶炼过程变得复杂,只有通过一系列的工业步骤才能获得含有高浓度镍的产品。

这个过程可以总结如下:

  • 第一阶段 是浓缩,包括连续的部分焙烧,然后是还原熔炼:这涉及氧化气氛中的高温,其目的是通过尽可能地消除杂质,富集镍元素。
    如果砷矿石(镍、钴和砷的混合物),得到的物质被称为“黄渣”;如果与硫化矿石(镍、铜和硫的混合物),得到的物质被称为“锍”。最后一次焙烧将得到的物质转化为氧化物。
  • 第二阶段 是对氧化矿石的处理,一般包括还原与金属结合的氧化物或直接还原金属镍。
    对于所存在的大量氧化物,可以进行不同的热处理或化学作业过程,以还原特定的氧化物。

性能和应用

镍是一种相对坚硬、耐腐蚀的金属,具有可延展性、韧性、延展性和易于轧制的优点。它是铁磁性的,具有良好的导电性和导热性。

镍主要用于合金(配方)或用作催化剂:

  • 不锈钢,加入镍可以提高耐腐蚀性能。
  • 因瓦合金/铁镍钴合金,一种热膨胀系数极低的铁、镍(和铬为铁镍钴合金)合金,用于制表、地形测量设备等。
  • 镀铜铁镍合金和铁镍钴合金, 一种铜、镍和铁的合金,与某些类型的玻璃具有相同的热膨胀系数。
  • 钴铬镍合金, 是一种奥氏体高温合金,由钴、铬、镍、铁和钼组成,具有很高的耐腐蚀性。
  • 镍银,是铜、镍和锌的合金,因其低氧化和银色外观,用于珠宝首饰、乐器、精密仪器、制表等。
  • 铝镍钴合金,用于制造永磁体(AlNiCo磁铁)。
  • 金镍合金 因其颜色和优良的机械性能等用于珠宝首饰。

然而,它的主要非合金用途是用作涂层。镍涂层在大气环境中可防止本体金属生锈,结合其银白色外观,可用于防止腐蚀,改善机械性能(耐摩擦,磨损)和/或改善外观。
这些涂覆操作称为“镀镍”。有电解镀镍和化学镀镍两种工艺。

各类镍合金(%Ni > 50%)因其抗腐蚀/氧化性和抗蠕变性的应用:

铜镍合金(Monel), 比非合金镍具有更强的机械抗腐蚀性,并且在化学环境中非常耐腐蚀。它们可被热处理,加入铝和钛其合金将保持其耐腐蚀性能并具有增强的机械性能。因此,它们被用于海洋工业,石油和天然气工业,蒸汽和水(淡水和海水)的运输,电线电缆等。
牌号示例: Ni-Cu35(Monel或合金400);Ni-Cu35AlTi(Monel或K-500合金)。

• 镍铬合金, 具有较高的电阻率,非常好的抗氧化性和在高温下良好的机械强度。由于这些特性,它们经常被用于制作电热电阻(电烤箱、烤面包机、烘干机等)。可在镍铬合金中加入铁以增加其抗蠕变能力。
牌号示例: Ni-Cr20 (Chromel A); NiCr14Fe6 (Inconel 600).

镍基高温合金 是一种高性能合金,最初被用于涡喷发动机部件(航空工业)。今天,它们也被用于发电、石油、汽车、化学、核工业等。它们的主要优点在于高温下优异的机械性能(抗蠕变、抗氧化/腐蚀、延展性、疲劳等)。有些合金还具有低温性能。镍基高温合金的镍含量在50%以上。可以加入多种添加元素,并进行热处理,通过改变合金的微观组织来影响其力学性能。
牌号示例: Inconel (625, 718); Hastelloy; Nimonic; Rene等。

• 其他镍合金, 如:
镍钛合金 (Ni-Ti) 又称镍钛诺 受益于其形状记忆和超弹性性能,使它们能够在承受严重变形之后恢复其初始形状。它们被用于航天工业(耦合套管、锁紧释放装置、太阳能电池板)、生物医学行业(仪器、心脏支架等)和日用品行业(服装和运动设备等)。

帕莫合金(Permalloy) 是镍和铁合金,因其高磁导率和磁阻,以及低矫顽力和磁致伸缩而被应用。

Alumel合金, 由95%的镍(含锰、铝和硅)组成,可用于制造热电偶。

Objet créé avec du nickel, controle qualité nickel

金相制备

一般来说,在加工和转化操作以及各种机械、热和化学处理过程中,镍及其合金的性能和显微组织都会受到影响。正是这些影响决定了金相质量控制的性能,如:显微组织检查,寻找孔隙率和/或非均质性,寻找和检查夹杂物,硬度测试,加工硬化控制,晶粒尺寸等等。

无论何种材料,为了展示其最真实的微观组织,需要进行一系列同样重要的金相试样制备步骤,顺序如下:

• 从零件中获取待检试样(如有必要),称为“切割”。

• 标准化试样外观尺寸(如有必要),称为“镶嵌”。

• 提升样品表面状态,称为“研磨抛光”。

• 样品表征:(如有必要)利用腐蚀剂腐蚀样品获取微观组织信息,称为“金相腐蚀”;通过光学或电子显微镜观察。

=> 这些步骤中的每一步都必须严格执行,否则其之后的步骤将无法展开。

切割

切割的目的是在不改变镍的物理化学性质的情况下,选取试样,以获得一个合适的部分进行检查。换句话说,必须避免加热或任何可能导致应变硬化的金属变形。切割是零件进一步制备和检验的基础步骤。

PRESI提供自小型精密切割机至中、大型切割设备,以适应不同切割精度、切割尺寸以及切割效率需求:

每一台切割设备都有其配套适用的附件夹具和耗材。夹具与耗材的正确选择对实现良好的切割质量至关重要。各类附件夹具的重要性显而易见。如果试样在切割过程中未被正确夹持,其将对切割轮,工件,甚至切割设备产生不利影响。

耗材

所有的切割机都使用由水基和防锈添加剂混合而成的润滑/冷却液,用于改善切割和冷却性能。添加剂还可以保护试样和切割设备免受腐蚀。
Meule 镍及镍合金
精密切割 UTW
S Ø180 mm
MNF
AO
中型切割 MNF
AO
S
大型切割 MNF
AO
S

表1;选择合适的切割轮

=> 切割轮的选择必须适当以避免切割失效,或过度的切割轮损耗甚至破碎。切割轮的选择主要由切割对象的硬度决定。

镶嵌

样品镶嵌的目的是为了包埋一些形状复杂、易碎、小尺寸的试样,方便其后续的研磨抛光操作。镶嵌技术及工艺应同时保证镶嵌气泡的排除并杜绝边缘收缩的发生。

高质量的镶嵌对保护易碎材料至关重要,同时也为后续抛光和其他分析获得良好的制备结果。
镶嵌前,试样应该用粗颗粒砂纸去毛刺,例如,去除任何切割毛刺。用乙醇清洗(在超声波槽中,效率更高)。这使得树脂尽可能地粘附在样品上,从而限制收缩(树脂和样品之间的空间)。

如果持续收缩,会导致抛光过程中出现问题。磨料颗粒可能会滞留在试样缝隙中,在后期释放出来,则会对样品和抛光表面造成污染的风险。在这种情况下,建议在每个步骤之间用超声波清洗机清洗。

两种镶嵌方法:

热镶嵌

热镶嵌可有效保护样品边缘,或为后续硬度测试需求服务(因其相较于冷镶嵌,能提供更刚性的支撑)。

该方法需经由热镶嵌机实现。
PRESI MECAPRESS 3自动热镶嵌机
:

• 全自动工作循环

• 操作简便:参数设定、储存、调用,保证高可重现性

• 25.4 – 50 毫米,6种内模尺寸

+ POINT

热镶嵌在边缘保护、硬度、耐化学腐蚀方面表现出色。

冷镶嵌

冷镶嵌更适用于:

• 脆性材料,温度/压力敏感材料

• 复杂的几何结构,如蜂窝结构样品

• 需要镶嵌样品数量较大时

可使用设备为:

+ POINT

大幅提高镶嵌质量,特别是通过减少收缩,优化透明度和促进树脂浸渍。

+ POINT

用环氧树脂对多孔材料进行真空浸渍的设备。
因为树脂的固化收缩特性,冷镶嵌试样的“背面”易形成不平整表面。在研磨抛光之前,可用砂纸简单打磨使得两端面平行。

耗材

PRESI提供直径20-50毫米的、不同材质的多种模杯,包括KM2.0“一次性”模杯,特氟龙、橡胶、聚乙烯模杯等。为应对不同使用需求,也可提供不同尺寸的长方形模具。
Meule 镍及镍合金
热镶嵌 环氧树脂
酚醛
烯丙基
冷镶嵌 KM-U
KM-B
IP – IP FAST
2S*

表2:选择合适的镶嵌树脂
* 适用于大批量样品

研磨抛光

研磨抛光是试样制备的最后一个步骤。在每一个步骤中,均使用比之前一个步骤更细小的磨削颗粒来磨制样品表面,以最终得到一个高度平整的样品表面,消除残留的划痕和缺陷,以免影响微观分析、硬度测试、显微组织观察等实验目的。

PRESI提供一系列手动与自动研磨抛光设备,包含丰富的夹具、附件等配件,以满足从预磨直至最终抛光、单个或批次样品的工作需求。

MINITECH系列手动研磨抛光机
 采用了最先进的技术,用户友好,功能强大,可靠,操作简便。

MECATECH系列台式自动研磨抛光机 即可满足手动工作,也可满足自动工作需求。凭借其先进的技术理念,750-1500瓦的电机功率,可处理各种不同材料及满足需要制备大量样品的需求

耗材及磨抛工艺步骤

下述所有磨抛工艺步骤均为常用的推荐信息,可根据实际工况灵活调整。

每种工艺的第一步都被称为“求平”步骤,即快速去除材料(及镶嵌树脂)表面,使其平整。

施加于样品的压力将由其面积尺寸决定。通常而言,在粗磨步骤中,每10毫米直径样品可施加1daN(10牛顿)力,即Ø40mm=4daN,并在之后的每个抛光步骤中逐步递减0.5daN.

磨抛工艺步骤 N°1

磨抛介质 悬浮液/润滑液 底盘转速
(RPM)
工作头转速
(RPM)
旋转方向-底盘/工作头 时间
1 SiC P320 Ø / 水 300 150
1’
2 TOP 9μm LDP / Reflex Lub 150 135
4’
3 RAM 3μm LDP / Reflex Lub 150 135
2’
4 NT 1μm LDP / Reflex Lub 150 135
1’
5 SUPRA SPM / 水 150 100
1’



图1:镍合金 – P320 砂纸(5X物镜)




图2:镍合金 – TOP 抛光布+9μm 金刚石悬浮液(5X物镜)




图3:镍合金 – RAM 抛光布+3μm 金刚石悬浮液(5X物镜)




图4:镍合金 – NT 抛光布+1μm 金刚石悬浮液(5X物镜)




图5:镍合金 – SUPRA 抛光布+SPM二氧化硅悬浮液(5X物镜)

可用N°3氧化铝悬浮液(0.8μm)代替上述氧化物抛光阶段所使用的SPM二氧化硅悬浮液。

上述磨抛工艺是完整的,但也可根据实际检测需求进行合理调整。

如果镍不是被磨抛的主要材料,则需要根据实际对象来调整具体工艺。

在此制备后,可以直接观察抛光试样,而无需金相蚀刻。

镍及其合金的金相腐蚀通常使用ADLER试剂进行。金相腐蚀在不同的成分组织之间产生不同的高度差或颜色差,以利显微观察。

金相观察

所有的显微照片均使用

PRESI VIEW图像软件制作:



图6:镍基合金抛光至1μm(20X物镜)




图7:镍基合金抛光至1μm,ADLER试剂腐蚀(20X物镜)







图8和9:镍合金紧固件抛光至1μm(5X和20X物镜)







图10和11:高温合金抛光至SPM(20X和50X物镜)







图12和13:高温合金抛光至SPM(20X和100X物镜)




图14:黄铜上的镍和金沉积层(100X物镜)




图15:高温合金粉末样品(50X物镜)