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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

0Cr16Ni60Mo16W4 (Hastelloy C)


(0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C合金 系20世紀30年代問世的Hastelloy C系列中第一個Ni-Cr-Mo(W)型耐蝕合金。


一、化學成分和組織特點


(0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C合金的化學成分見下表


常用 鎳-鉻-鉬 耐蝕合金的化學成分.jpg


  此合金主要耐濕氯、各種氧化性氯化物(如氯化鐵、氯化銅、氧化汞等)、氯化鹽溶液(如氯化鈣、氯化鎂、氯化鉛等)、硫酸與氧化性鹽的混合物、亞硫酸、沸騰溫度的各種濃度有機酸的腐蝕,以及耐氯化物和海水的點蝕等。


 根據Ni-Cr-Mo三元合金相圖,此合金僅在≥1150℃時才具有均勻的單相固溶體組織。而當溫度低于1150℃,特別是在700~1050℃時,此合金中便有大量碳化物(M6C、M2C、M23C6)和金屬間相(o、μ、P)等析出,不僅導致合金的耐蝕性下降,而且還會產生嚴重的脆化傾向。


二、耐腐蝕性能


 1. 在海水中


 0Cr16Ni60Mo16W4合金浸入海水中,經10年的試驗結果表明,其腐蝕速率≤0.025mm/a,而且沒有點蝕產生。


 2. 在硫酸中


(0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金在室溫下各種濃度的H2SO4中,其耐蝕性良好(≤0.025mm/a),而且充人空氣對其耐蝕性無影響。圖3-5-7系0Cr16Ni60Mo16W4合金在H2SO4中試驗的結果。顯然,在70℃以下的任何濃度H2SO4中,0Cr1Ni60Mo16W4合金均耐蝕。在發煙硫酸中的試驗表明,0Cr16Ni60Mo16W4在一些條件下也耐蝕,見表3-5-7。


圖 5-7.jpg


表 5-7.jpg



 3. 在鹽酸中


(0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金耐鹽酸腐蝕的性能雖然低于鎳鉬合金,但在各種濃度室溫鹽酸中,腐蝕速率不高于0.10mm/a;在65℃的鹽酸中,腐蝕速率也≤0.5mm/a; 當鹽酸中充入空氣時,耐蝕性只在室溫以上的鹽酸中才稍有降低。此合金對氧的敏感性遠遠低于鎳鉬合金,當酸中有FeCl3、CaCl2等氧化性鹽時,此合金的耐全面腐蝕性能稍有降低。圖3-5-8系0Cr16Ni60Mo16W4 合金在鹽酸中進行腐蝕試驗的結果。在不同氣氛下的鹽酸中,0Cr16Ni60Mo16W4合金的腐蝕情況見表3-5-8。


圖 5-8.jpg


 4. 在氫氟酸中


 (0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金在HF酸中,隨溫度升高,其耐蝕性下降。HF酸的恒沸點濃度約為36%,沸點為112℃.更高濃度的HF酸只有通過無水HF溶于水才能獲得。表3-5-9系0Cr16Ni60Mo16W4合金在不同濃度、溫度和不同試驗條件下的結果。在室溫HF酸中,此合金的腐蝕速率不超過0.25mm/a,隨溫度升高和充入空氣0Cr16Ni60Mo16W4合金的腐蝕速率會有所增加。


表 5-8.jpg


  5. 在磷酸中


  磷酸的腐蝕性與磷酸的制取方法關系密切。一般濕法磷酸較普通磷酸具有更大的腐蝕性。這是因為濕法磷酸含有游離的F-、Cl-離子和SO2-4。圖3-5-9和表3-5-10系0Cr16Ni60Mo16W4合金在各種H3PO4中的試驗結果。由圖表可知,除高溫H3PO4外,0Cr16Ni60Mo16W4合金在許多條件下耐蝕性是良好的。試驗還表明,即使在沸騰溫度下的55%H3PO4+0.8%HF的條件下,0Cr16Ni60Mo16W4合金的腐蝕速率也不超過0.75mm/a。表3-5-11系在含HF的磷酸和濕法磷酸中的試驗結果。顯然,0Cr16Ni60Mo16W4合金在這些條件下具有相當好的耐蝕性。特別是在濕法磷酸生產過程中,耐蝕性極佳。


圖 5-9.jpg


表 5-10.jpg

  6. 在亞硫酸中


  亞硫酸的氧化性要高于H2SO4.因此,Cr≥15%的0Cr16Ni60Mo16W4合金在該介質中,在任何濃度和溫度下都是耐蝕的。


  7. 在硝酸中


  雖然0Cr16Ni60Mo16W4合金能夠耐室溫下所有濃度的HNO3或較高溫度下、低濃度的HNO3,但是,由于許多不銹鋼可耐此種酸的腐蝕而且價格遠比0Cr16Ni60Mo16W4低廉,因此,在耐HNO3 材料中一般不選用0Cr16Ni60Mo16W4(除非在耐HNO3的同時,還要求耐一般不銹鋼和低牌號的合金無法解決的腐蝕介質)。


圖 5-10.jpg


 8. 在含硝酸的混酸中


 HNO3+HF酸是冶金廠酸洗工藝和核燃料處理工藝中經常遇到的介質。Ni-Cr-Mo合金,包括0Cr16Ni60Mo16W4的耐蝕性隨溫度和介質濃度,特別是混酸中HNO3濃度的增加而提高。表3-5-12系一些試驗結果。HNO3+HCl酸的腐蝕性很強,特別是王水(HCl :HNO3=3 :1),當高于室溫時,任何一種Ni-Cr-Mo合金都無法耐蝕,見表3-5-13。


表 5-12.jpg


 9. 在鉻酸中


 鉻酸雖然是強氧化性酸,但其離子化傾向并不大。因此,(0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金在中等溫度的任何濃度下是耐蝕性的。表3-5-14 列出了一些試驗結果。


表 5-14.jpg


 10. 在一些有機酸及其混合物中


 (0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金在甲酸、醋酸等有機酸及其混合物中的耐蝕性見表 3-5-15 ~ 表3-5-20 。顯然,在所試驗的條件下 (0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金具有非常好和比較好的耐腐蝕性能。


表 5-15.jpg


表 5-18.jpg


 11. 在鹵素氣體中


  除氟氣外,0Cr16Ni60Mo16W4合金耐干的氯、溴、碘的腐蝕。當有水分存在時,例如在濕氯中,僅能用于≤40℃.在濕氯中的試驗結果見表3-5-21.顯然,在大多數情況下,Ni-Cr-Mo(W)合金具有非常優異的耐蝕性。因而,耐干、濕氯氣的腐蝕是高鉬含量的Ni-Cr-Mo(W)耐蝕合金的一個重要特性。表3-5-22是在含氯氣的水溶液中Ni-Cr-Mo合金耐蝕性的試驗結果。


表 5-21.jpg


 12. 在HF氣體中


  0Cr16Ni60Mo16W4合金耐高溫 HF氣腐蝕的性能優良,它可允許在≤750℃的HF氣中使用,而且氧的存在對0Cr16Ni60Mo16W4 合金并無明顯影響。國內一些試驗結果見圖3-5-11和圖3-5-12。


圖 5-13.jpg


 13. 晶間腐蝕


 0Cr16Ni60Mo16W4 合金經過600~1150℃敏化處理或焊接,在一些介質,例如鹽酸、鉻酸、碳酸中會產生晶間腐蝕。圖3-5-13系在10%沸騰鹽酸中的試驗結果。由圖可知,此合金敏化區范圍較寬。在此區域內加熱,Cr16Ni60Mo16W4合金不僅產生晶間腐蝕,耐蝕性下降,而且還伴隨著嚴重的脆化傾向。試驗表明,隨腐蝕介質的不同,此合金的敏化溫度亦異。


 研究表明,0Cr16Ni60Mo16W4合金產生晶間腐蝕的原因是由于合金在600~1150℃加熱時,有大量碳化物(M6C、M2C、M23C6)和金屬間相(o、Ni7Mo6、μ、P相)沉淀。這些析出相中有的富鉻,有的高鉻,有的既高鉬、又富鉻,它們沿晶界沉淀,導致其周圍鉻、鉬元素貧化。在一些介質作用下,由于貧化區受到優先腐蝕而產生晶間腐蝕。當然,在一些氧化性介質中,0Cr16Ni60Mo16W4合金中碳化物和富鉬相本身的選擇性溶解也是一個原因。


 為了防止0Cr16Ni60Mo16W4合金的晶間腐蝕,采取的措施有選用適宜的熱處理(見本節熱處理工藝)和用低碳、低硅的第二代合金00Cr15Ni60Mo16W4(Hastelloy C-276)及低碳、低硅、降鐵、加鈦和不含鎢的第三代合金000Cr16Ni63Mo16Ti (Hastelloy C-4)。


 14. 點蝕


 0Cr16Ni60Mo16W4和其他高鉻、高鉬的Ni-Cr-Mo型耐蝕合金是最耐點蝕的一類合金。無論是在NaCl、FeCl3等介質中,還是在易產生點蝕的其他介質中,0Cr16Ni60Mo16W4均具有很好的性能。


三、力學性能


  表 3-5-23系 (0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金的室溫和高溫瞬時力學性能。


表 5-23.jpg



四、物理性能


 (0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金的物理常數見表 3-5-24。


表 5-24.jpg



五、焊接性能


  (0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金焊接性能良好,它可采用各種通用焊接方法,例如TIG、MIG、電弧焊、電阻焊等焊接而無特殊困難。焊接時所用填絲和焊芯一般與母材相同。


六、冷熱加工及成型性能


(0Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C 合金冷加工并無特殊困難。但是,其熱加工則是鎳基耐蝕合金中較困難的一種。這并不是由于其熱塑性低,而是由于變形抗力大,加工工藝控制要求嚴格所致。圖3-5-14和圖3-5-15系國內對0Cr16Ni60Mo16W4合金的熱塑性進行試驗所取得的結果。顯然,電渣重熔冶煉可明顯提高此合金的熱塑性。合金鍛態的熱塑性高于鑄態。合金的熱加工及熱成型溫度以1000~1200℃為宜。


圖 5-14.jpg


七、熱處理工藝


 適宜的熱處理是使0Cr16Ni60Mo16W4合金獲得良好的耐蝕性,特別是耐晶間腐蝕性能不可缺少的環節。試驗表明,為了使0Cr16Ni60Mo16W4合金具有良好的耐蝕性和塑、韌性,在約1218℃加熱后急冷是需要的,這既包括焊后,也包括熱成型后。但對于鑄件,則建議在1177℃加熱后急冷或空冷。


八、應用


  0Cr16Ni60Mo16W4合金可制成板、棒、帶、絲材,焊管和鑄件。由于高溫變形抗力大,一般不生產無縫管材。此合金由于在各種氯化物,如濕氯、氧化性氯化物(FeCl3,CuCl2等)、氯化物鹽(NaCl、CaCl2、MgCl2等),以及含各種氧化性鹽的硫酸、亞硫酸、磷酸,各種有機酸、高溫氟化氫等介質中的良好的耐全面腐蝕和局部腐蝕性能,因此可制造耐這些介質腐蝕的各種容器、管道、閥門、塔、槽等。




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