哈氏合金hastelloyalloy.docx
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哈氏合金hastelloyalloy
哈氏合金(Hastelloyalloy)
一.目前主要分为B、C、G三个系列,它主要用于铁基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不锈钢、非金属材料等无法使用的强腐蚀性介质场合。
哈氏合金牌号
为改善哈氏合金的耐蚀性能和冷、热加工性能,哈氏合金先后进行了三次重大改进,其发展过程如下:
B系列:
B→B-2(00Ni70Mo28)→B-3
C系列:
C→C-276(00Cr16Mo16W4)→C-4(00Cr16Mo16)→C-22(00Cr22Mo13W3)→C-2000(00Cr20Mo16)
G系列:
G→G-3(00Cr22Ni48Mo7Cu)→G-30(00Cr30Ni48Mo7Cu)
目前使用最广泛的是第二代材料N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)、N06455(C-4)和N06985(G-3)。
二、典型哈氏合金化学成分
材料的化学成分
Ni
Cr
Mo
Fe
C
Si
Co
Mn
P
S
W
V
Cu
Nb+Ta
N10665(B-2)
基
≤1.0
26.0~30
≤2.0
≤0.02
≤0.10
≤1.0
≤1.0
≤0.04
≤0.03
N10276(C-276)
基
14.5~16.5
15.0~17.0
4.0~7.0
≤0.01
≤0.08
≤2.5
≤1.0
≤0.04
≤0.03
3.0~4.5
≤0.035
N06007(G-3)
基
21.0~23.5
6.0~8.0
18.0~21
≤0.015
≤1.0
≤5.0
≤1.0
≤0.04
≤0.03
≤1.5
1.5~2.5
≤0.50
三、力学性能
哈氏合金的力学性能非常突出,它具有高强度、高韧性的特点,所以在机加工方面有一定的难度,而且其应变硬化倾向极强,当变形率达到15%时,约为18-8不锈钢的两倍。
哈氏合金还存在中温敏化区,其敏化倾向随变形率的增加而增大。
当温度较高时,哈氏合金易吸收有害元素使它的力学性能和耐腐蚀性能下降。
材料的力学性能
四、常用哈氏合金
1:
HastelloyB-2alloy(哈氏B-2合金)
一、耐蚀性能
哈氏B-2合金是一种有极低含碳量和含硅量的Ni-Mo合金,它减少了在焊缝及热影响区碳化物和其他相的析出,从而确保即使在焊接状态下也有良好的耐蚀性能。
众所周知,哈氏B-2合金在各种还原性介质中具有优良的耐腐蚀性能,能耐常压下任何温度,任何浓度盐酸的腐蚀。
在不充气的中等浓度的非氧化性硫酸、各种浓度磷酸、高温醋酸、甲酸等有机酸、溴酸以及氯化氢气体中均有优良的耐蚀性能,同时,它也耐卤族催化剂的腐蚀。
因此,哈氏B-2合金通常应用于多种苛刻的石油、化工过程,如盐酸的蒸馏,浓缩;乙苯的烷基化和低压羰基合成醋酸等生产工艺过程中。
但在哈氏B-2合金多年的工业应用中发现:
(1)哈氏B-2合金存在对抗晶间腐蚀性能有相当大影响的两个敏化区:
1200~1300℃的高温区和550~900℃的中温区;
(2)哈氏B-2合金的焊缝金属及热影响区由于枝晶偏析,金属间相和碳化物沿晶界析出,使其对晶间腐蚀敏感性较大;(3)哈氏B-2合金的中温热稳定性较差。
当哈氏B-2合金中的铁元素含量降至2%以下时,该合金对β相(即Ni4Mo相,一种有序的金属间化合物)的转变敏感。
当合金在650~750℃温度范围内停留时间稍长,β相瞬间生成。
β相的存在降低了哈氏B-2合金的韧性,使其对应力腐蚀变得敏感,甚至会造成哈氏B-2合金在原材料生产(如热轧过程中)、设备制造过程中(如哈氏B-2合金设备焊后整体热处理)及哈氏B-2合金设备在服役环境中开裂。
现今,我国和世界各国指定的有关哈氏B-2合金抗晶间腐蚀性能的标准试验方法均为常压沸腾盐酸法,评定方法为失重法。
由于哈氏B-2合金是抗盐酸腐蚀的合金,因此,常压沸腾盐酸法检验哈氏B-2合金的晶间腐蚀倾向相当不敏感。
国内科研机构用高温盐酸法对哈氏B-2合金进行研究发现:
哈氏B-2合金的耐蚀性能不仅取决于其化学成分,还取决于其热加工的控制过程。
当热加工工艺控制不当时,哈氏B-2合金不仅晶粒长大,而且晶间会析出现高Mo的σ相,此时,哈氏B-2合金的抗晶间腐蚀的性能明显下降,在高温盐酸试验中,粗晶粒板与正常板的晶界浸蚀深度相差约一倍左右。
二、物理性能
密度:
9.2g/cm3,熔点:
1330~1380℃,磁导率:
(℃,RT)≤1.001
三、化学成分
化学成分
元素
Ni
Cr
Fe
C
Mn
Si
Cu
Mo
Co
P
S
最小
余量
0.4
1.6
26.0
最大
1.0
2.0
0.01
1.0
0.08
0.5
30.0
1.0
0.02
0.010
五、制造与热处理
1:
加热
对于哈氏B-2合金来说,在加热前和加热过程中表面保持清洁并远离污染物是十分重要的。
如果哈氏B-2合金在含有硫、磷、铅或其他低熔点金属污染物的环境下加热,则会变脆,这些污染物的来源主要包括标记笔痕迹、温度指示漆、油脂和液体、烟气。
此烟气必须含硫低;例如:
天然气和液化石油气含硫量不超过0.1%,城市空气含硫量不超过0.25g/m3,燃料油的含硫量不超过0.5%即为合格。
对加热炉的气体环境要求是中性环境或轻还原性环境,并且不可以在氧化性和还原性之间波动。
炉中的火焰不可以直接冲击哈氏B-2合金。
同时要以最快的加热速度把材料加热到要求达到的温度,即要求首先要把加热炉的温度上升到要求温度,再把材料放入炉中加热。
2:
热加工
哈氏B-2合金可以在900~1160℃范围内进行热加工,加工过后应该以水淬火。
为了确保有最好的耐蚀性能,热加工过后应该退火。
3:
冷加工
冷加工的哈氏B-2合金必须经过固溶处理,由于其具有比奥氏体不锈钢高得多的加工硬化率,所以成形设备要细心考虑。
如果执行了冷成形工艺,那么有必要进行级间退火。
冷加工变形量超过15%时,使用前要固溶处理。
4:
热处理
固溶热处理温度要控制在1060~1080℃之间,之后进行水冷淬火或材料厚度在1.5mm以上时可以快速空冷以获得最好的耐蚀性能。
在任何加热操作过程中,材料的表面清洁均要有预先的防范。
哈氏合金材料或设备部件在进行热处理时要注意以下一些问题:
为了防止设备部件热处理变形,应采用不锈钢加强环;对装炉温度、加热和冷却时间应严格控制;装炉前,对热处理件进行预处理,防止产生热裂纹;热处理后,对热处理件100%PT;在热处理过程中如产生热裂纹,经过打磨消除后需补焊者,要采用专门的补焊工艺。
5:
除垢
哈氏B-2合金表面的氧化物和焊缝附近的污点都要以精细的砂轮等打磨干净。
由于哈氏B-2合金对氧化性介质比较敏感,因此酸洗过程中会产生较多的含氮元素的气体。
6:
机加工
哈氏B-2合金要以退火状态进行机加工,对它的加工硬化要有清醒的认识,例如:
相对于标准奥氏体不锈钢要采用较慢的表面切削速度,对于表面的硬化层要采用较大的进刀量,并使刀具处于连续的工作状态。
7:
焊接
哈氏B-2合金焊缝金属及热影响区由于易析出β相而导致贫Mo,从而易于产生晶间腐蚀,因此,哈氏B-2合金的焊接工艺应谨慎制定,严格控制。
一般焊接工艺如下:
焊材选用ERNi-Mo7;焊接方法GTAW;控制层间温度不大于120℃;焊丝直径φ2.4、φ3.2;焊接电流90~150A。
同时,施焊前,焊丝、被焊接件坡口及相邻部位应进行去污脱脂处理。
哈氏B-2合金热传导系数比钢小得多,如选用单V型坡口,则坡口角度要在70°左右,采用较低的热输入量。
通过焊后热处理可以消除残余应力并改善抗应力腐蚀断裂性能。
2:
HastelloyC-276合金(哈氏C-276合金)
一、耐蚀性能
哈氏C-276合金属于镍-钼-铬-铁-钨系镍基合金。
它是现代金属材料中最耐蚀的一种。
主要耐湿氯、各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸与氧化性盐,在低温与中温盐酸中均有很好的耐蚀性能。
因此,近三十年以来、在苛刻的腐蚀环境中,如化工、石油化工、烟气脱硫、纸浆和造纸、环保等工业领域有着相当广泛的应用。
哈氏C-276合金的各种腐蚀数据是有其典型性的,但是不能用作规范,尤其是在不明环境中,必须要经过试验才可以选材。
哈氏C-276合金中没有足够的Cr来耐强氧化性环境的腐蚀,如热的浓硝酸。
这种合金的产生主要是针对化工过程环境,尤其是存在混酸的情况下,如烟气脱硫系统的出料管等。
下表是四种合金在不同环境下的腐蚀对比试验情况。
(所有焊接试样采用自熔钨极氩弧焊)
四种金属在不同环境下的腐蚀对比试验
试验环境(沸腾)
腐蚀率(毫米/)
典型316
AL-6XN
Inconel625
C-276
基本金属试样
焊接试样
基本金属试样
焊接试样
基本金属试样
基本金属试样
焊接试样
20%醋酸
0.003
0.003
0.0036
0.0018
0.0076
0.013
0.006
45%蚁酸
0.277
0.262
0.116
0.142
0.13
0.07
0.049
10%草酸
1.02
0.991
0.277
0.274
0.15
0.29
0.259
20%磷酸
0.177
0.155
0.007
0.006
0.001
0.001
0.0006
10%氨基磺酸
1.62
1.58
0.751
0.381
0.12
0.07
0.061
10%硫酸
9.44
9.44
2.14
2.34
0.64
0.35
0.503
10%碳酸氢钠
1.06
1.06
0.609
0.344
0.10
0.07
0.055
哈氏C-276合金可以用作燃煤系统的烟气脱硫部件,在这种环境下C-276是最耐蚀的材料。
下表是C-276合金和典型316在烟气模拟系统“绿色死亡”溶液中的腐蚀对比试验情况。
“绿色死亡”溶液中的腐蚀对比试验
“绿色死亡”溶液(沸腾)
腐蚀率(mm/a)
典型316
C-276
7%硫酸
破坏
0.67
3%盐酸
1%CuCl2
1%FeCl3
由上表可见,C-276合金对混合的具有氯离子的酸、盐溶液有很好的耐蚀性能。
哈氏C-276合金中Cr、Mo、W的加入将C-276合金的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力大大提高。
C-276合金在海水环境中被认为是惰性的,所以C-276被广泛地应用在海洋、盐水和高氯环境中,甚至在强酸低PH值情况下。
下表是四种金属在6%FeCl3(按ASTM标准G-48执行)溶液中发生缝隙腐蚀的对比情况。
缝隙腐蚀发生情况
合金
缝隙腐蚀发生温度
°F
°C
典型316
27
2.5
AL-6XN
113
45
Inconel625
113
45
C-276
140
60
C-276合金中高含量的Ni和Mo使其对氯离子应力腐蚀断裂也有很强的抵抗能力,下表是四种金属在不同含氯离子溶液中的应力腐蚀断裂试验情况。
氯离子应力腐蚀断裂试验情况
试验溶液
弯曲U形试样试验时间(Hours)和试验结果
典型316
AL-6XN
Inconel625
C-276
42%MgCl2(沸腾)
失败(24小时)
兼有(1000小时)
抵抗(1000小时)
抵抗(1000小时)
33%LiCl(沸腾)
失败(100小时)
抵抗(1000小时)
抵
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