不锈钢反应器镍、铬元素对海绵钛硬度的影响

2021-12-28毛奕翔刘正红尹世豪张盘龙

中国金属通报 2021年15期

李汉，邵智，毛奕翔，刘正红，尹世豪，张盘龙，李仪

（洛阳双瑞万基钛业有限公司，河南洛阳 471800）

海绵钛生产主要为镁还原四氯化钛的方法，该置换反应为高温条件下还原蒸馏，此方法生产海绵钛使用的反应容器一般为圆筒式的反应容器。目前该类型反应器在不同材质情况下碳钢反应器（主材质Q245R、Q345R等）使用次数7-8次，复合板反应器（碳钢+不锈钢）使用次数12-13次，不锈钢反应器（主材质310S、321、316L等）使用次数约50次，国内多数厂家使用纯不锈钢反应器进行生产，海绵钛等级主要受O、N、C、Fe、Cl、硬度影响，而不锈钢反应器则会引入新的杂质元素Cr、Ni元素，因此本文主要分析Cr、Ni对海绵钛硬度影响。

1 镍、铬元素对海绵钛硬度影响的理论分析

1.1 金属材料的硬度

从机理上分析，金属的硬度取决于金属中金属键的强弱：

（1）金属原子的半径越小，金属键越强，硬度越大。

（2）单位体积内的金属的价电子数越多，金属键越强，硬度越大。

对主族金属，从左到右，同周期，原子半径减小，价电子数增多，硬度相对增大。从上到下，同主族，原子半径增大，价电子数相同，硬度相对减小。对于过渡元素，从左到右，半径减小，但是价电子数先增多后减小，硬度变化不明显。在化学元素周期表中Ti、Cr、Ni都是副族元素，且都在第四周期，其原子半径相似，价电子结构相似，因此硬度影响不大。

1.2 固溶体结构对硬度的影响

金属的硬度，宏观上是指金属表面局部体积内抵抗因外物压入而引起的塑性变形的抗力，硬度越高表明金属抵抗塑性变形的能力越强，金属产生塑性变形越困难。对于某一种确定的金属而言，除了热处理工艺、冷加工状态等的影响外，在不产生晶体结构变化的条件下，固溶元素对其硬度有一定的影响。

固溶体有两种典型的结构形式，置换固溶体和间隙固溶体。一般金属与金属之间形成的多是置换固溶体（如图1），金属与非金属元素（如H、B、C、N、O）等形成的固溶体是间隙式的（如图2）。

图1 置换固溶体

图2 间隙固溶体

在两种典型的固溶体结构中，间隙固溶体对材料的硬度和强度影响最为明显。间隙原子直接填充了金属晶体的晶格点阵间隙，起到明显的强化作用。置换固溶体由于置换金属的直径大小和价电子结构与基体金属存在差异，也会引起晶格的变形，也有提高材料硬度的作用，但远远低于间隙固溶体对材料的硬度和强度。举例如下：

氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降，通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氢在α相中溶解度很小，钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015%以下，而金属Ni在Ti基体中，含量达到30%时，依然是固溶状态（如图3）。