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镍基合金
哈氏合金(Hastelloyalloy)
哈氏合金(Hastelloyalloy)"GoNTM5_h_
一、引言FSv')`__}_
哈氏合金是镍基合金的一种,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,在国外已广泛应用于石油、化工、环保等诸多领域。
其牌号和典型使用场合如下表所示。
_<_y5V],-U
哈氏合金牌号'8`{u[__:
Pm;_/Ua
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,c2j?
_ 其发展过程如下: "Q_9S B系列: B→B-2(00Ni70Mo28)→B-38[_5%l7'_s C系列: C→C-276(00Cr16Mo16W4)→C-4(00Cr16Mo16)→ C-22(00Cr22Mo13W3)→C-2000(00Cr20Mo16)+: _1ay^YI G系列: G →G-3(00Cr22Ni48Mo7Cu)→ G-30(00Cr30Ni48Mo7Cu)z_Mb _7a_W 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)。 第三代材料N10675(B-3)、N10629(B-4)、N06059(C-59)处于推广阶段。 由于冶金技术的进步,近年来出现了多个牌号的含~6%Mo的所谓“超级不锈钢”,替代了G系列合金,使得G系列合金的生产和使用迅速下降。 _a_wu__UaE _{;^booq 二、典型哈氏合金化学成分hABCrdEm 材料的化学成分\_lHi=_}0_ Ni Cr Mo Fe C Si Co Mn P S W V Cu Nb+Taie^: __Pc_U N10665(B-2) 基 ≤1.0 26.0~30 ≤2.0 ≤0.02 ≤0.10 ≤1.0 ≤1.0 ≤0.04 ≤0.03 lqAU5K{wQ __G;61_5p1 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 vIG8m@-! &; _N%6jZmKip 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@;_r`_AT7 "-__XL_Y_ _ XobiF 三、力学性能jEklf0_Z__ 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。 KXcG;b_[7n 0sVCT_J@ 材料的力学性能~Cl_dqX_eI k xoJL_6IC 四、常用哈氏合金,! kqE_Ip% 1: HastelloyB-2alloy(哈氏B-2合金)4*H e<2_g 一、耐蚀性能_ez_nw05U 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。 __QV+(_' 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。 k___oim@B 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。 /_/Ioh_(N 二、物理性能)__ _6)0$U_W 哈氏B-2合金的物理性能如下表所示。 ! rb)Y;WQt_ 密度: 9.2g/cm3,熔点: 1330~1380℃,磁导率: (℃,RT)≤1.001*ky5SM(N_R 物理性能K_m _E___m 温度 (℃) 比热 (J/kg-k) 热传导系数(W/m-k) 电阻率 (μΩcm) 弹性模量 (Gpa) 室温至T的热膨胀系数(10-6/K)? .|qR_zWL 0 373 137 218 fbN_Vmjb$) 20 377 11.1 137 217 ~c__! XQJ_ 100 389 12.2 138 213 10.3*_M/3_1qI 200 406 13.4 138 208 10.8}UHuFf_f, 300 423 14.6 139 203 11.1p[hA? d_Xn 400 431 16.0 139 197 11.4>\^: _xxTf 500 444 17.3 141 191 11.6a5? R_j~h! < 600 456 18.7 146 184 11.8vxZvK0b620 700 176 puL1A? Y8UM @/`b: sv_&* 三、化学成分"npj%O 化学成分_(lwk_g8WC 元素 Ni Cr Fe C Mn Si Cu Mo Co P S_'_S)}mG_ 最小 余量 0.4 1.6 26.0 (VWT_YG7 最大 1.0 2.0 0.01 1.0 0.08 0.5 30.0 1.0 0.02 0.010__}PK_8[N z_./u;/_: _ 四、机械性能_Z_c{_at}{ 哈氏B-2合金的一般机械性能如下列两表所示r_ts@1JY_[ 室温下的最小力学性能值(参考DIN/ASTM标准)_7-'_! XD! 产品形式 尺寸 (mm) 0.2%屈服强度(Mpa) 1.0%屈服强度(Mpa) 抗拉强度(Mpa) 延伸率A5 % 布氏硬度 HB 晶粒尺寸(μm)mG1=8{_o^_ 冷轧板带 ≤5 340 380 755 40 250 127>(|T_]u](q 热轧板 5~65 214/_U`"X_x 棒 325 370 745 - -H.JA_)*b- 管 340 360 755 - -d_TB^6_>H ASTM 标准 350 - 760 241 同上y['$^T? _oP 高温下的最小力学性能值MQ_G(_n+c 产品形式 0.2%屈服强度(Mpa)℃ 1.0%屈服强度(Mpa)℃V__Wj]_X7v 100 200 300 400 100 200 300 400*_}_ft-*_w 板 315 285 270 255 355 325 310 295MXh0_a@*] 管 Nz'fMdaX, 棒 300 275 255 240 340 315 300 285|e! _%6Q_q3 _Bk_23ygO_ 五、制造与热处理,6=j'_j1#a 1: 加热mXt_sP1_ 对于哈氏B-2合金来说,在加热前和加热过程中表面保持清洁并远离污染物是十分重要的。 如果哈氏B-2合金在含有硫、磷、铅或其他低熔点金属污染物的环境下加热,则会变脆,这些污染物的来源主要包括标记笔痕迹、温度指示漆、油脂和液体、烟气。 此烟气必须含硫低;例如: 天然气和液化石油气含硫量不超过0.1%,城市空气含硫量不超过0.25g/m3,燃料油的含硫量不超过0.5%即为合格。 z\_Hg@J 对加热炉的气体环境要求是中性环境或轻还原性环境,并且不可以在氧化性和还原性之间波动。 炉中的火焰不可以直接冲击哈氏B-2合金。 同时要以最快的加热速度把材料加热到要求达到的温度,即要求首先要把加热炉的温度上升到要求温度,再把材料放入炉中加热。 ? 1T )_cd* 2: 热加工x_A_b_x.\ 哈氏B-2合金可以在900~1160℃范围内进行热加工,加工过后应该以水淬火。 为了确保有最好的耐蚀性能,热加工过后应该退火。 `$_*I%oT; 3: 冷加工_Gf__Je_ 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。 ^SM>bJ1Z_ 冷加工变形量超过15%时,使用前要固溶处理。 L{1MyR7`I+ 4: 热处理_UCV1{ 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。 L|__ZxB7xk 5: 除垢~8: q-m_h__ 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。 w_q_X~__d/ 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。 a_;bm_Zh_ 6: 机加工___{6Y|Z> 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。 F_xU_a5n 7: 焊接9`y_@2_/! Y 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ERNiMo-7;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。 t_E_'^O 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。 *! oV? N[eA' 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。 56wuk_[) 2: HastelloyC-276金(哈氏C-276金);n,__xu0/ 一、耐蚀性能G+_7#! _yY 哈氏C-276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。 ___A_jVX_ 哈氏C-276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_C_K_I._\o 试验情况。 (所有焊接试样采用自熔钨极氩弧焊)3_C____{A 四种金属在不同环境下的腐蚀对比试验f_f&jR71E 试验环境(沸腾) 腐蚀率 (毫米/)}ChSc_Y 典型316 AL-6XN Inconel625 C-276JR__%v=n~x 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qCkC2Fy( @r&*Qsf| 20%醋酸 0.003 0.003 0.0036 0.0018 0.0076 0.013 0.006U_,NG__V0 45%蚁酸 0.277 0.262 0.116 0.142 0.13 0.07 0.049`>_0%Ha_ 10%草酸 1.02 0.991 0.277 0.274 0.15 0.29 0.259ayI_<-_s_- 20%磷酸 0.177 0.155 0.007 0.006 0.001 0.001 0.0006_'ZJ__b__` 10%氨基磺酸 1.62 1.58 0.751 0.381 0.12 0.07 0.061IR: Go_D__+ 10%硫酸 9.44 9.44 2.14 2.34 0.64 0.35 0.503Lk)I___;; 10%碳酸氢钠 1.06 1.06 0.609 0.344 0.10 0.07 0.055E{0_e5.{ 0W__0GS_Dx 哈氏C-276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。 denxcDFu/~ Zs(BViTb| ___L3w. -: 95ypi__ -RJ~S_ky[ {+zG.1o^__ “绿色死亡”溶液中的腐蚀对比试验)w~1VcnJEp “绿色死亡”溶液 (沸腾) 腐蚀率 (mm/a),s_s"__s3 典型316 C-276>_yr;Y4y7K 7%硫酸 破坏 0.67tmOy"mq6_7 3%盐酸 "f8__,9@ 1%CuCl2 ] ? )_uYo_t 1%FeCl3 ysZ(*Kn(? ____}-__sh 由上表可见,C-276金对混合的具有氯离子的酸、盐溶液有很好的耐蚀性能。 g_0"xG}d 哈氏C-276金中Cr、Mo、W的加入将C-276金的耐点蚀和缝隙腐蚀的能力大大提高。 C-276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。 ! ? _CIt$_p 缝隙腐蚀发生情况_o2B|r_`R 合金 缝隙腐蚀发生温度l? $X.CwX °F °C? mM: oQH +> 典型316 27 2.534X__]b[^_ AL-6XN 113 45_BKO^__ux% Inconel625 113 45_8\9W: D@"x C-276 140 600LXu! iix_ _c_~/_poFj C-276金中高含量的Ni和Mo使其对氯离子应力腐蚀断裂也有很强的抵抗能力,下表是四种金属在不同含氯离子溶液中的应力腐蚀断裂试验情况。 *z_6A_~U 氯离子应力腐蚀断裂试验情况WF*j^__%5 试验溶液 弯曲U形试样试验时间(Hours)和试验结果A_cE_z$_wy 典型316 AL-6XN Inconel625 C-276s__ _o1_ 42%MgCl2(沸腾) 失败(24小时) 兼有(1000小时) 抵抗(1000小时) 抵抗(1000小时)__6_T+ym9 33%LiCl(沸腾) 失败(100小时) 抵抗(1000小时) 抵抗(1000小时) 抵抗(1000小时)ctHQ_Z#.[( 26%NaCl(沸腾) 失败(300小时) 抵抗(1000小时) 抵抗(1000小时) 抵抗(1000小时)_-_H,S)kI` __! -_n*]C g$__m_M_H_ 二、物理性能_~N}Z__r$D C-276金的物理性能如下表所示: 82+2_P_E{ 密度: 8.90g/cm3,比热: 425J/kg/k,弹性模量: 205Gpa(21℃)op2Zf? Bx{+ 热传导率 温度 热传导率E__$_nsM8? ℃ W/m.K_[>__zV.X -168 7.3__6_vT_nm4 -73 8.7S76MY&Vx23 21 10.2_v8'X_chJ_ 93 11.0_D+.vg? _8 204 13.0#H_|p)2k 316 15.1d: vc)]M>f{ 427 17.0__[e_cs_Q 538 19.0y=+OC1k\8 线膨胀系数Unq_~lt_%2 线膨胀系数[_4bE"u_ 从21℃到 线膨胀系数wL]_ #]DiE ℃ 10-6/℃_MT)q? NcG 93 11.2i|,}y`C# 204 12.0E _;_'{qp 316 12.8B_G.8q4[ 427 13.2_r|_\_""_ 538 13.4m! ^$__d\%~ _nra)t_|m 三、机械性能<}_c7E3_Uc 典型的C-276金的拉力试验结果如下表所示,其材料是在1150℃退火,并以水急冷。 l_ua____c 力学性能试验值_cH|___J 温 度)"{}L._gC6 (℃) 屈服强度σ0.2 (Mpa) 抗拉强度σb (Mpa) 延伸率δ5 (%){-]K! t_Wda -196 565 965 45Vu4L_C_&_q -101 480 895 50_1;{nU.If_ 21 415 790 50KI_WHn__: 93 380 725 50_z__^4+Un 204 345 710 50ZnR_j_}y 316 315 675 55/! 6VP__| 427 290 655 60j____b'M 538 270 640 60_,qV_7$u _IC$"\7@ 对C-276金进行冷变形加工会使其强度增加。 在对其进行冲击试验时,V形槽冲击试样采用10mm厚的板材(板材要经过退火处理),如果试样是采用焊接的
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- 合金