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哈氏合金设备(Hastelloy alloy) 特材性能及介绍.

发布日期:2018-04-12 作者:哈氏合金设备 点击:

哈氏合金设备(Hastelloy alloy) 特材性能及介绍...

2017-11-24 武小月 

 

哈氏合金设备(Hastelloy alloy)



 一、引言

哈氏合金设备是镍基合金的一种,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。  

 

为改善哈氏合金设备的耐蚀性能和冷、热加工性能,哈氏合金设备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)。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。    

二、典型哈氏合金设备化学成分  

 

  三、力学性能 

 哈氏合金设备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。哈氏合金设备还存在中温敏化区,其敏化倾向随变形率的增加而增大。当温度较高时,哈氏合金设备易吸收有害元素使它的力学性能和耐腐蚀性能下降。    

 

 四、常用哈氏合金设备 

 1:Hastelloy B-2 alloy(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  

哈氏B-2合金的物理性能如下表所示。密度:9.2g/cm3, 熔点:1330~1380℃,磁导率:(℃,RT)≤1.001  

 

三、化学成分

 

四、机械性能 

哈氏B-2合金的一般机械性能如下列两表所示 室温下的最小力学性能值(参考DIN/ASTM标准)

 

高温下的最小力学性能值:图 

 

五、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。哈氏合金设备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: Hastelloy C-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

 

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

 

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

 

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 

 

缝隙腐蚀发生温度  合金  °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

 

二、物理性能  

C-276合金的物理性能如下表所示:  密度:8.90g/cm3, 比热:425J/kg/k, 弹性模量:205Gpa(21℃)

 热传导率

 

线膨胀系数 

 

三、机械性能  

典型的C-276合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

力学性能试验值

 

对C-276合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试样,则在同样的温度范围,它会显示出一定的柔韧性,这是因为焊缝的原因。板材冲击试验结果如下表所示。

 

C-276合金和普通奥氏体不锈钢有相似的成形性能。但由于其比普通奥氏体不锈钢的强度要大,所以,在冷成形加工过程中会有更大应力。此外,这种材料的加工硬化速度比普通不锈钢快得多,因此在有广泛冷成形加工过程中,要采取中途退火处理。   

四、焊接及热处理  

C-276合金的焊接性能和普通奥氏体不锈钢相似,在使用一种焊接方法对C-276焊接之前,必须要采取措施以使焊缝及热影响区的抗腐蚀性能下降最小,如钨极气体保护焊(GTAW)、金属极气体保护焊(GMAW)、埋弧焊或其他一些可以使焊缝及热影响区抗腐蚀性能下降最小的焊接方法。但对于诸如氧炔焊等有可能增加材料焊缝及热影响区含碳量或含硅量的焊接方法是不适合采用的。  关于焊接接头形式的选择,可以参照ASME锅炉与压力容器规范对C-276焊接接头的成功经验。  焊接坡口最好采用机械加工的方法,但是机械加工会带来加工硬化,所以对机械加工的坡口处进行焊接前打磨是必要的。  焊接时要采用适宜的热输入速度,以防止热裂纹的产生。  在绝大多数腐蚀环境下,C-276都能以焊接件的形式应用。但在十分苛刻的环境中,C-276材料及焊接件要进行固溶热处理以获得最好的抗腐蚀性能。  C-276合金的焊接可以选择自身作焊接材料或填料金属。如要求在C-276的焊缝中添加某些成分,象其它镍基合金或不锈钢,并且这些焊缝将暴露在腐蚀环境中时,那么,焊接所用的焊条或焊丝则要求有和母材金属耐腐蚀相当的性能。  哈氏C-276合金材料固溶热处理包括两个过程;

(1)在1040℃~1150℃加热;

(2)在两分钟之内快速冷却至黑色状态(400℃左右),这样处理后的材料有很好的耐蚀性能。因此仅对哈氏C-276合金进行消应力热处理是无效的。在热处理之前要清理合金表面的油污等可能在热处理过程中产生碳元素的一切污垢。  C-276合金表面在焊接或热处理时会产生氧化物,使合金中的Cr含量降低,影响耐蚀性能,所以要对其进行表面清理。可以使用不锈钢丝刷或砂轮,接下来浸入适当比例硝酸和氢氟酸的混合液中酸洗,最后用清水冲洗干净。

3:Hastelloy C-22 Alloy(哈氏C-22合金)  

一、耐蚀性能和产品形式  

哈氏C-22合金是一种Ni-Cr-Mo合金,它对点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀断裂均有极强的抵抗力。Ni、Cr、Mo和W的共同作用,使哈氏C-22合金在较大的氧化和还原性环境范围内具有优异的耐蚀性能。  下表所示可见,哈氏C-22合金在大多数苛刻的环境中有突出的耐蚀性能,它对焊接操作或锻造操作中晶间碳化物的析出和多元相的产生有抵抗性能。  

 哈氏C-22合金被广泛地应用于烟气脱硫系统、纸浆和造纸工业中的漂白系统、垃圾焚化炉、化工厂、制药厂和放射性垃圾储存等工业领域。  哈氏C-22合金强度高,并且有良好的延展性、焊接性和成形性能,因此在ASME和ASTM标准中都有一致的详细叙述。其材料产品形式有板材、带材、管材、棒材和锻件等。 

二、化学成分

 



三、物理性能  

具有典型化学成分的C-22合金退火状态下的物理性能

 

四、焊接性能

哈氏C-22合金的焊接性能非常好,它可以很容易地以钨极气体保护焊、金属极气体保护焊、埋弧焊等方法焊接,填料金属要求有与之相匹配的化学成分。    五、机械性能  哈氏C-22合金具有良好的热加工性能。其退火状态室温下的机械性能如下表所示,测试板材厚度范围4.76mm到50.8mm. 

 

图*最小 **最大

4:Hastelloy C-59 Alloy(哈氏C-59合金)  

一、引言  

C-59是一种超低碳Ni-Cr-Mo合金,具有优异的耐蚀性能和高机械强度。其性质有如下几条:

1、在氧化性和还原性条件下有广泛的耐蚀性能;  

2、对点蚀和缝隙腐蚀有良好的抵抗力,同时对氯致应力腐蚀断裂有免疫特性。 

3、对无机酸如硝酸、磷酸、硫酸、盐酸和硫酸盐酸混合酸有良好的耐蚀性能; 

4、对含有杂质的无机酸同样有良好的耐蚀性能; 

5、对40℃以下任何浓度的盐酸有良好的耐蚀性能; 

6、被许可在-196-450℃之间使用于压力容器上;  

7、被NACE标准MR-01-75 Ⅶ级许可使用在酸气环境下。    (NACE是美国和印度的国家电子顾问委员会)   

二、化学成分  

C-59合金的化学成分表如下所示。  

化学成分 

 

三、耐蚀性能和应用  

C-59合金是一种有极低含碳量和含硅量的Ni-Cr-Mo合金,在热加工和焊接过程中不倾向于产生中间相,所以此合金可以应用于化工过程中的氧化性和还原性介质。  由于有较高的含Ni、Cr、Mo的含量,C-59对氯离子有良好的耐蚀性能。在涉及氧化性环境的标准腐蚀试验中已经证实:C-59合金有比其它Ni-Cr-Mo合金更高级的性能。C-59合金在还原性环境中有良好的耐蚀性能,例如:10%沸腾硫酸溶液中的腐蚀率是其它Ni-Cr-Mo合金的1/3左右,在盐酸环境下同样有很好的耐蚀性能。  下面两表是不同腐蚀试验情况。

C-276和C-59试验对比

 


三种不同合金在不同溶液中腐蚀试验

 

下表是三种合金的CPT和CCCT试验情况

 

试验溶液:7Vol.%H2SO4+3Vol.%HCl+1%CuCl2+1%FeCl3-6H2O(绿色死亡溶液), 时效24小时后,以5℃递增。  

应用:  C-59合金在化工、石油化工、能源和环保工程等。  

1、含氯有机过程设备,尤其是在有卤族酸性催化剂存在的情况下; 

2、纸浆和造纸工业中的溶解和漂白系统设备;  

3、焚化炉和烟气脱硫系统的预热器、阀门、叶轮等元件; 

4、酸气处理系统设备和元件;

 5、醋酸和醋酐反应器; 

6、硫酸冷凝器。

四、物理性能  

密度:8.6g/cm3  熔点范围:1310-1360℃ 磁导率:20℃,(RT)≤1.001  高温下的物理性能

 

五、力学性能  下表是C-59合金固溶处理状态的力学性能表。  室温下的最小力学性能

 

*力学值依据德国国家标准VdTüV数据505       下表是依据德国国家标准VdTüV数据505,在高温下的力学性能值。

 

①对于板厚度在30-50mm之间的材料,其屈服强度值要减去20MPa ②只针对棒材

最大许用应力(图)

 

焊接管件的焊缝系数取0.85  

六、V形槽冲击功  

室温下的平均值:≥225J/cm2       -196℃下:≥200 J/cm2 

七、晶体结构  

C-59合金的是面心立方晶体结构。   

八、制造和热处理  

C-59合金可以很容易地用普通制作工艺来加工。 

1、加热  C-59合金在热处理前和热处理过程中不可以和任何污染物接触。  在含有S、P、Pb和其它低熔点金属的环境中加热,会使C-59合金的性能下降。污染物的来源主要有标记笔痕迹、温度指示漆、粉笔、润滑油脂、燃料等。  加热炉燃料的含硫量必须低,天然气的含硫量必须低于0.1%(质量),燃料油的含硫量不可超过0.5%。  炉气环境应该是轻微的氧化性,不可以在氧化性和还原性之间波动。不可以让火焰直接冲击合金材料。  

2、热加工  C-59合金可以在950-1180℃之间进行热加工。冷却要用水急冷。 热加工后退火可以确保材料有良好的耐蚀性能。 

3、冷加工  退火的C-59合金才可以用来冷加工,C-59合金的加工硬化率是很高的,对成形设备的要求要高一些。  当冷变形加工执行时,工序间退火是必要的。

 4、热处理  固溶热处理温度应该在1100-1180℃,最好在1120℃处理。  水冷是确保材料有最好耐蚀性能的基本要点。在任何热操作过程中,材料表面必须清洁。  

5、除垢  C-59合金焊缝附近的氧化物比其它不锈钢要紧密的多,可以用细砂轮打磨干净。 酸洗前,材料表面的氧化物、污点等可以用细砂轮或不锈钢丝刷打磨干净。 

6、机加工  机加工C-59合金应该是固溶处理状态。由于其加工硬化率较大,所以相对于低合金奥氏体不锈钢来说,要采用较低的表面切削速度,且进刀量要大,以忽略硬度较高的表面。同时要让刀具处于连续运转的状态。 

 九、焊接      焊接镍基合金时,要遵守下列操作规程:  

1、工作场地  C-59合金的焊接场该是独立的,最好和碳钢加工场地分开,同时不可以有气流扰动。  

2、着装  焊接着装应该采用皮革手套和工作服。 

3、加工工具和机械  工具要采用镍基合金专用工具,制造和加工机械如:剪板机、卷板机、压制机械等,其工作台面要用毛毡、纸板、塑料等覆盖,防止C-59合金表面在加工过程中被压入污染物,导致最终的腐蚀。  

4、清理  基材金属的焊缝区域清理和填料金属的清理应该使用丙酮。 

5、坡口准备  C-59合金的焊接坡口成形可以采用机械方法,如车削成形、磨削成形或刨制成形;等离子切割也是可以的,不过切割后的坡口要打磨干净,并且不可以使坡口附近过热。  

6、坡口角度一般焊接后应该立即用不锈钢丝刷刷去氧化部分。  镍基合金和特种不锈钢相对于普通碳钢的一般区别在于其有较低的热传导系数和有较高的热膨胀率。其焊接焊脚要大(1-3 mm),坡口角度要在60-70°左右,主要因为C-59合金的熔化金属有较高的粘性,而且其焊后收缩倾向比较大。  

7、引弧  引弧时只可以在即将焊接的焊缝区域内进行,不可以在已完成的焊接件上,以免造成耐蚀性能的下降。 

 8、焊接工艺  C-59合金可以用多种常规焊接工艺焊接,如:TIG/GTAW,MIG/MAG,手工金属焊接、等离子弧焊等。不过焊接前的清理是必要的。 

 9、焊接参数和有关影响因素  焊接时要谨慎选择热输入量,一般要采用较低的热输入量,层间温度不要超过150℃。同时采用较薄的焊道焊接工艺。

一般焊接后应该立即用不锈钢丝刷刷去氧化部分。


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