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哈氏合金|Hastelloy

哈氏合金是一種鎳基耐腐蝕合金,主要分成鎳-鉻合金與鎳鉻鉬合金兩大類。哈氏合金具有良好的抗腐蝕性和熱穩定性,多用于航空事業,化學領域等。哈氏合金(Hastelloy alloy)就是美國哈氏合金國際公司所生產的鎳基耐蝕合金的商業牌號的統稱。

產品分類 / 用途

0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2 (Hastelloy G)

  

  (0Cr22Ni47M06.5Cu2Nb2) 、Hastelloy G合金是20世紀60年代中期發展的一種既耐硫酸又耐磷酸腐蝕的Ni-Fe-Cr-Mo-Cu-Nb變形耐蝕合金,定名為Hastelloy G合金。此合金除了在硫酸和磷酸中具有良好的耐蝕性外,在氧化-還原性介質中也具有優秀的耐腐蝕能力。在含氟硅酸、硫酸鹽、氯離子、氟離子、硝酸的硫酸和磷酸的混合介質中,Hastelloy G合金具有優異的耐蝕性。此外,該合金亦具有良好的耐局部腐蝕性能,如晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等。


  在20多年的應用實踐過程中,在HastelloyG合金的基礎上又發展了HastelloyG-3和 Hastelloy G-30以及G35、G50等合金,最終形成了Hastelloy G合金系列。


一、化學成分和組織特點


  Hestelloy G合金的化學成分列于表2-4-16中。在不同國家中,合金中主要合金元素Cr、Ni、Mo、Cu等的含量基本一致,只是碳含量的上限值有所差別。


表 4-16.jpg


  此合金在工廠固溶處理條件下是奧氏體組織并在基體上存在少許M6C和MC型碳化物,若在1150℃以上固溶處理,此合金的組織則成為純奧氏體組織。這種組織決定了合金不能通過熱處理進行強化,只能采用冷加工方法予以強化。在一定受熱條件下,如在650~1093℃范圍內進行敏化處理,合金將析出M6C、MC(多半是NbC)碳化物和Laves相(Fe2Mo),以及金屬間化合物Z相(Cr-Fe-Ni-Nb)。中溫時效所析出的沉淀相對合金的耐蝕性,特別是耐晶間腐蝕將會產生極不利的影響。


二、耐腐蝕性能


  1. 全面腐蝕


    ①. 海水 


    Ni-Fe-Cr-Mo-Cu-Nb合金由于鉻、鉬的恰當配比,使其既耐低流速又耐高流速海水的腐蝕,在被污染的海水和有海洋有機物附著的海水環境中也具有足夠的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能。在深海(720~2070m)環境的海水和埋在沉積物中的試驗結果指出,在123~1064天暴露過程中,Hastelloy G未出現局部腐蝕。



    ②. 工業水


     在含有氯化物、硫酸鹽、有機物工業廢水中此類合金具有良好的耐蝕性,在22℃的上述工業廢水中Hastelloy G合金的腐蝕速率為0.04mm/a。


    ③. 硫酸


     (0Cr22Ni47M06.5Cu2Nb2)Hastelloy G合金在純硫酸中的腐蝕數據見表2-4-17和圖2-4-16。表2-4-17為在工廠實際條件下的試驗結果,圖2-4-16系在實驗室不充氣的硫酸中的試驗結果。由這些數據可以看出,此合金在全濃硫酸中40℃以下使用是安全的。在濃度為20%~60%的硫酸中可使用到近90℃,而沸騰溫度時僅能在低于10%的硫酸中使用。


表 4-17.jpg

圖 4-16.jpg


      在工業應用的硫酸中,常常不是單純的純硫酸,而是?;煊蠬F酸、鹽類(硫酸鹽、鹽酸鹽)的硫酸。通常氧化性雜質可以促進合金的鈍化,進而提高合金的耐蝕性,而還原性的雜質,如F-、Cl-等會加速合金的腐蝕。在混有雜質的硫酸中,合金的耐蝕性見表2-4-18和圖2-4-17。顯然,在硫酸液相中,氯離子的加入降低了合金的耐蝕性,當在加入200ppm Cl-的條件下,以腐蝕速率0.13mm/a作為依據,其使用溫度下降10~20℃.在氣相中,氯離子的加入對合金的耐蝕性未見影響。氟離子與氯離子相仿,對合金耐硫酸性能產生不利影響。


表 4-18.jpg


圖 4-17.jpg


    ④. 磷酸 


   在化學純和含雜質的磷酸中,0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2 合金耐蝕性見表2-4-19和圖2-4-18。在化學純的磷酸中,此合金在沸騰溫度濃度小于30%的酸中是耐蝕的,在30%~85%的H3PO4中其使用溫度要限制在100℃以下。磷酸中的雜質Cl-、F-、SO42-等加速了合金的腐蝕,而三價Fe和A1因與F-形成絡合物減緩了合金的腐蝕。在化肥生產中,以濕法磷酸為主要原料,濕法磷酸含有大量的雜質,包括F-、Cl-、硫酸根、Al、Fe、Si等,由于F-、Cl-的摻雜使其腐蝕性增強,0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2合金在濕法磷酸的腐蝕中的數據見表24-20。在不同組成的濕法磷酸中,此合金可使用到110℃,過高的溫度合金的耐蝕性急劇下降。


表 4-19.jpg

表 4-20.jpg

表 4-20.1.jpg


    ⑤. 鹽酸


    鹽酸較硫酸具有更強的腐蝕性。0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2 合金僅在室溫或略高于室溫,濃度小于2%的稀鹽酸中耐蝕。合金在鹽酸中的腐蝕數據列于表2-4-21和圖2-4-19。


圖 4-19.jpg


    ⑥. 氫氟酸和氟硅酸


    在不通氣的氫氟酸中,0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2合金在60℃耐蝕,在較高溫度將產生明顯的腐蝕甚至完全溶解。氟硅酸的腐蝕性不如氫氟酸強烈,這種介質在濕法磷酸生產中用水凈化含SiF4氣體時產生,對材料也會產生明顯腐蝕,此合金在氟硅酸中的使用溫度可高于在氫氟酸中的使用溫度。0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2在氫氟酸和氟硅酸中的耐蝕性見表2-4-22。


表 4-22.jpg



    ⑦. 硝酸


   硝酸是一種氧化性酸,由于此合金的鉻含量很高,因此具有良好的耐蝕性,在沸騰溫度,濃度低于40%的HNO3中,合金具有極好的耐蝕性。在40%~70%HNO3中,OCr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2合金可使用到100℃.在硝酸磷肥生產工藝介質中,此合金亦具有極好的耐蝕性。表2-4-23和圖2-4-20給出了合金在硝酸系統中的耐蝕性。


表 4-23.jpg

圖 4-20.jpg


    ⑧. 核燃料包殼溶解液

 

   為了在乏核燃料中提取有用物質,必須將核燃料包殼溶解,然后再進行萃取,即通常所說的核燃料化工后處理過程。對于不同的包殼材料采用不同的溶解介質,為了使鋁、鋯合金、不銹鋼等包殼材料溶解,這些介質均具有極強的蝕性,而溶解產物又會改變介質的腐蝕性。在這類工藝介質中所使用的溶解器材料必須經得起氧化性、還原性或氧化-還原性介質的腐蝕。0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2 合金在多種復雜介質中均具有良好的耐蝕性,可以滿足核燃料溶解器對結構材料耐蝕性的要求。但在純鹽酸+硝酸或6mol/L H2SO4中,合金的耐蝕性則不足,但當(鋁、錳、不銹鋼、鋯)包殼溶解后,溶解產物會減緩介質對材料的腐蝕性,而在上述介質中溶解工藝開始之前尚需采用要的緩蝕措施。表2-4-24 給出了0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2合金在核燃料包殼溶解介質中的耐蝕性。


表 4-24.jpg

 

    ⑨. 濕氯、鹽和有機物


    在濕氯、鹽類和有機物等介質中,此合金的耐蝕性見表2-4-25。


表 4-25.jpg


   2. 晶間腐蝕


  由于0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2合金中含有足夠的穩定化元素Nb,因此具有良好的抗晶間腐蝕性能,可以經受多次焊接的考驗。然而在一定的受熱條件下,經固溶處理的供貨狀態材料的正常組織若遭到破壞,在苛刻的腐蝕介質中會出現晶間腐蝕,在沸騰65%HNO3 240h和在沸騰50%H2SO4+42g/LFe2(SO4)3120h試驗結果指出,在649~1093℃敏化1h的合金,其耐蝕性發生明顯變化,在兩種試驗中出現腐蝕峰值溫度均在704℃,隨著敏化溫度的提高,在硝酸中的腐蝕速率下降,而在硫酸鐵中的腐蝕速率在871℃出現第二個峰值。高的腐蝕速率表明了合金出現了晶間腐蝕,見圖2-4-21。


表 4-26.jpg


  研究結果表明,此合金在650~870℃間敏化,在奧氏體組織的晶界上或基體上析出,M23C6、M6C和金屬間化合物(o相、Z相),高于此溫度可析出Laves相。這些碳化物和金屬間相的析出,造成臨近區域鉻、鉬、鎳貧化,當其沿晶界形成連續網狀時,在足夠的腐蝕條件下就會產生晶間腐蝕。實踐表明,0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2合金的焊接試樣,在大多數介質中具有與未焊合金相同的耐蝕性。


  3. 點腐蝕和縫隙腐蝕


 由于此合金具有高鉻、鉬含量,因此具有良好的耐點蝕和縫隙腐蝕性能,在產生點蝕和縫隙腐蝕的環境中常常被選用。0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2 合金耐點蝕和縫隙腐蝕性能見表2-4-26~表2-4-28.由這些數據可知,0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2在控制污染的凈化二氧化硫系統中具有良好的耐點蝕性能,但在模擬凈化條件下只能在50℃以下使用。


表 4-26.jpg

表 4-28.jpg




  4. 應力腐蝕


  在高濃氯化物中,此合金的耐應力腐蝕斷裂性能優于一般奧氏體不銹鋼和其他鐵鎳基合金,與Hastelloy C-276鎳基耐蝕合金相當。實驗室試驗結果列于表2-4-29中。


表 4-29.jpg


三、力學性能


  0Cr22Ni47Mo6,5Cu2Nb2和00Cr22Ni48Mo7Cu2Nb合金的低溫、室溫和高濕力學性能等列于表2-4-30~表2-4-33中。


表 4-30.jpg

表 4-32.jpg


四、物理性能


  (0Cr22Ni47M06.5Cu2Nb2) 、Hastelloy G 合金的物理性能常數列于表 2-4-34 中。


表 4-34.jpg


五、焊接性能


  0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2具有良好的焊接性能,可采用常規焊接方法進行焊接,焊前、焊后均不需熱處理。在焊接時應控制熱輸入量,層間溫度≤150℃.焊芯材料為Nicrofer S6020,其成分為0.05C-21Cr-9Mo-3Nb-65Ni。


六、冷熱加工及成型性能


  0Cr22Ni47Mo6.5Cu2Nb2的熱加工性能良好。熱加工溫度范圍為900~1150℃.最適宜的加熱溫度為.1150℃.設備制造過程中,在熱成型后,建議進行固溶處理,以便保持合金的最宜耐蝕性。合金的冷成型性能良好,但較通常的奧氏體不銹鋼有更大的加工硬化傾向,因此在選用成型設備時應予以考慮。合金的冷加工硬化傾向列于表2-4-35,冷加工硬化可以通過中間退火得到軟化。


表 4-35.jpg


七、熱處理工藝


  為了使合金獲得最佳耐蝕性,固溶退火溫度應選用1100~1150℃,保溫時間,視產品的截面尺寸而定,冷卻方法為水冷或快速空冷。


八、應用


  此合金具有廣泛的適用性,可以生產板、管、絲、帶材、鍛件和鑄件。此合金在硫酸、磷酸、濕法磷酸、核燃料溶解液、污染控制和造紙工業以及油氣井開采中可用以制作管道、容器、換熱器、泵和閥門。


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