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耐蚀镍合金——选择与应用指南

重庆快乐十分作者:admin   时间:2018-04-02 20:48

重庆快乐十分 冶金技术与制造技术的不断进步推动了镍合金的发展,促进了它们在化学工业的广泛应用。

重庆快乐十分 镍合金集优异的耐蚀性、强度、韧性、冶金稳定性、加工性及焊接性于一身。许多镍合金还具有卓越的耐热性能,是要求高温强度和高温下耐化学腐蚀用途的理想选择。

这里介绍的锻轧镍基合金(定义为含镍45%以上的合金)包括了化工厂常用的各类锻轧耐蚀合金。

镍合金集优异的耐蚀性、强度、韧性、冶金稳定性、加工性及焊接性于一身。许多镍合金还具有卓越的耐热性能,是要求高温强度和高温下耐化学腐蚀用途的理想选择。

这里介绍的锻轧镍基合金(定义为含镍45%以上的合金)包括了化工厂常用的各类锻轧耐蚀合金。

重庆快乐十分 这些合金的化学成分和UNS编号列于表1中。为了方便读者,一些常用的商品名也在旁边列出

 

1合金的性能

重庆快乐十分 镍合金比昂贵。但是,根据初始而不是根据寿命周期成本进行经济性的比较可能会误导人们。例如,Ni-Cr-Mo合金价格大约是18Cr-8Ni不锈钢的5倍,是超级奥氏体不锈钢的2倍。但由于镍合金卓越的耐腐蚀性能,初始成本的增加常常能够通过设备寿命的延长,维修费用的降低和极少的停机所带来的长期费用的节省而获得补偿。

重庆快乐十分 镍合金的物理性能与300系奥氏体不锈钢的物理性能十分相似。镍基合金与碳钢的热膨胀率大致相等,而明显低于300系不锈钢的热膨胀率。

重庆快乐十分 虽然纯镍的导热率高于碳钢,但是,大多数镍合金的导热率明显比较低,在某些情况下甚至低于奥氏体不锈钢的导热率。

重庆快乐十分 除纯镍外,化学加工业所用的镍合金强度大大高于300系不锈钢。镍合金还具有非常好的延展性和韧性(见表2所列的室温力学性能)。用于化工设备的大多数合金的最大许用应力见ASME锅炉和压力容器规范第Ⅷ卷。

重庆快乐十分 镍合金是全奥氏体显微组织。化学工业使用的所有镍合金几乎都是固溶强化的。它们强度的提高来自于有效硬化元素如钼和钨的添加,而不是碳化物的形成。与奥氏体不锈钢一样,固溶镍合金不能通过热处理强化,而只能通过冷加工使其强化。

重庆快乐十分 另一大类镍基合金可通过沉淀硬化热处理来强化。这类合金大多数专门用于超高强度用途,如深层油气生产和超高压工艺过程所使用的合金。

沉淀硬化镍基合金除了用于阀门和旋转机械部件外,在化工设备的应用有限。这类合金中包括燃气轮机、燃烧室以及航天用途所使用的耐热超级合金。

2耐腐蚀性

重庆快乐十分 镍合金比传统的不锈钢和超级奥氏体铁基合金耐各类酸、碱和盐腐蚀的能力提高了一个档次。镍合金一个突出的优点是在含卤化物离子的水溶液中具有极好的耐腐蚀性能。在这方面,镍合金远远优于奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢容易受到氯离子和氟离子溶液的腐蚀。

镍合金这种优异的耐腐蚀行为不仅表现为较低的金属损耗,而且表现为更好的耐局部腐蚀能力,特别是耐点蚀/缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀断裂的能力。与均匀腐蚀相比,这些形式的局部腐蚀是化学行业腐蚀失效的主要原因。

镍合金优异的耐腐蚀性部分归功于镍所固有的较低反应活性(相对于铁),正如电动势(EMF)序列中其较为惰性的氧化电位所显示。与不锈钢类似,含铬的镍合金具有钝化能力(即自发地形成一层超薄而坚韧的表面氧化物,这层氧化物起着有效阻止腐蚀的作用)。

镍优于铁的另一个优点是镍能够容纳大比例的合金元素而不形成脆性相。能提高耐腐蚀性的合金添加元素通常是铬、钼和。下面将会简要介绍合金元素的作用。

 

3焊接指南

重庆快乐十分 大多数镍合金焊接都采用手工电孤焊(SMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)和气体保护熔化极电弧焊(GMAW)。镍合金焊接件延展性非常好,它们较低的热膨胀特性减少了残余应力和弯曲变形。仅沉淀硬化型牌号要求焊后热处理。美国焊接学会(AWS)发布的镍合金焊条和填充金属技术条件见表4。

重庆快乐十分 镍合金的焊接工艺与奥氏体不锈钢的焊接工艺非常类似。但是,由于富镍焊缝溶池更加粘滞,熔透性更差,要获得全熔透的焊缝,可能需要改进接头外形和焊接技术。镍合金比钢铁材料更不允许污染物的存在,污染物会造成焊缝脆裂。

重庆快乐十分 富镍焊材的高延展性、低热膨胀率以及容许各种金属元素稀释的能力使其广泛用于异种金属的焊接。不仅包括镍基合金与铁基合金的焊接,也包括不锈钢与碳钢和合金钢的焊接。同样,镍合金能够堆焊到碳钢表面而没有开裂的危险。

 

4镍合金的种类

市场上可以买到的镍合金产品形式多种多样,包括中板、薄板、带材、管材、接头和锻件。部分产品的ASTM规范列于表5。某些镍合金还有铸造产品,它们通常具有与其锻轧产品不同的特性。

镍合金一般按照其主要合金成分进行分类,下面简要介绍广泛用于化工设备的镍合金:

重庆快乐十分 纯镍纯镍(合金200)对各类还原性酸和盐有非常好的耐蚀性,但不适用于强氧化性的介质如硝酸。纯镍最重要的特性是其无可比拟的耐苛性碱甚至是熔融态苛性碱腐蚀的能力。虽然纯镍在干燥卤素介质中耐蚀性很突出,但在水露点以下其耐蚀性不足。对于温度超过600℉的应用,最好选用合金200的衍生牌号--低碳含量的镍201(UNSUO2201)。

重庆快乐十分 镍-铜合金400与镍一样,镍-铜合金400的耐蚀性在还原性介质条件下表现最好,而充气和氧化性化学物质对其耐蚀性不利。合金400具有非常好的耐氢卤酸和卤化物腐蚀的性能,特别是能耐氢氟酸和含氟或氟化氢的高温气体。这种合金广泛用于处理硫酸溶液、海水和盐水。对于要求高强度的用途,如阀和泵部件,常常采用合金K-500(NO5500),它是合金400的一种沉淀硬化型衍生牌号。

重庆快乐十分 镍-铬-铁合金600在镍基体中加入铬扩大了合金600在氧化性环境中的适用性。合金600尽管对无机酸的耐蚀性属于中等,但它对有机酸的耐蚀性却非常好,因此广泛用于脂肪酸的加工。合金600也广泛用于氢氧化物和碱性化学品的生产和储运。

对于兼有耐热和耐蚀要求的高温应用,合金600也是一种极好的材料。该合金在高温卤素环境下出色的使用性能使它成为有机氯化反应工艺的理想选材。合金600还表现出优异的抗氧化、抗渗碳和抗渗氮等抗高温退化性能。

 

镍-铬-钼合金625在镍铬系合金中加入钼增加了材料对氧化性和还原性无机酸和盐的耐蚀性。钼使合金具有耐氯离子点蚀和缝隙腐蚀的能力。合金625是一种抗疲劳性能非常优异的高强度材料,合金625LCF是合金625的衍生牌号,波纹管专用,具有十分优异的抗低周疲劳和耐热疲劳性能。与合金600一样,合金625用作耐蚀材料和耐热材料均可。合金625出色的高温强度,以及耐卤素腐蚀,抗氧化和抗渗碳的综合性能使其成为在苛刻的高温环境下运行的化工和石化设备的理想选材。

镍-铬合金690合金690是承压设备制造所用的镍合金中铬含量最高的,对氧化性介质有极强的耐蚀能力。它能有效地用于热浓硫酸、硝酸和硝酸/氢氟酸混合酸以及氧化性盐介质。高铬含量也提高了材料在高温硫化环境中的耐蚀能力。

镍-铬-合金825由于合金含有近30%的铁,所以合金825有时也被列入超级奥氏体不锈钢系列中。它在硫酸和磷酸介质条件表现出色,与合金20类似,开发它们主要目的是用于硫酸和磷酸介质。虽然合金825耐盐酸腐蚀的能力尚可,但是它容易发生氯离子点蚀和缝隙腐蚀,特别是在不流动、不通气的溶液中。合金825铁含量高,所以它对碱和卤素的耐蚀能力低于镍含量较高的合金。

镍-铬-铁-钼“G”合金合金G-3的耐腐蚀能力在许多应用中都超过合金400、合金600和合金825。这种合金特别耐硫酸和不纯净磷酸的腐蚀,能够经受还原性和氧化性两种介质条件。后来开发的合金G-30焊接性能更好,耐腐蚀能力全面提高,特别是焊缝热影响区的耐蚀能力

重庆快乐十分 镍-铬-钼“C”合金合金C-276是化学工业用于应对腐蚀性极强的介质条件(超出不锈钢的能力范畴)的卓越合金材料,它在各种酸、酸性盐和其它各类腐蚀性化学物质中具有杰出的耐蚀能力。合金C-276在湿氯气和次氯酸盐这样的恶劣环境中表现优异。由于合金C-276钼含量较高,因此它对氯离子引起的点蚀和缝隙腐蚀有很好的耐蚀能力。寻求比合金C-276冶金性能和耐腐蚀性能更好的材料的过程,促进了几种专利“C”系列合金的开发与商业化,它们是合金C-22、622、59、686和C-2000。这些合金的钼含量大致相当,而铬含量都大大高于合金C-276。某些牌号还含有钨或铜。这些次要合金元素对冶金性能和耐腐蚀性的影响是复杂的,本文不作论述。

重庆快乐十分 镍-钼“B”合金合金B-2对具有还原性的硫酸、磷酸和盐酸有突出的耐腐蚀能力。它特别适用于全部浓度范围和温度高达沸点的盐酸设备。氧化性化学物质对这种合金的耐腐蚀性有不利的影响,尤其是溶液中作为杂质的铁离子和铜离子等强氧化剂。后来开发的合金B-3和合金B-4的性能比合金B-2更好,这些新牌号的一个好处是最大程度降低了加工中不良显微组织(可能造成脆化)的形成。

5镍合金的发展

重庆快乐十分 同铁和铜一样,自从进入文明社会,镍就被用于合金。但是与钢、黄铜和青铜相比,镍合金是化学工业的后来者。

第一个具有商业重要性的镍合金是合金400,它是由国际镍公司(后来叫Inco合金公司)于1905年开发出来并推向市场,商标为蒙乃尔(MONEL)。下一个重要的里程碑是1930年左右问世的镍-钼合金B和镍-铬-钼-钨合金C。它们的发明者是HaynesStellite公司(现在叫Haynes国际公司),其中的两个注册商标为HASTELLOY。镍基合金发展的下一个重要阶段来自于Inco公司,1931年开发出镍-铬-铁合金600及1949年开发出镍-铁-铬合金,分别命名为INCONEL和INCOLOY。

重庆快乐十分 Inco和Haynes公司利用最初这些商标的知名度和美誉度,共计推出了MONEL、INCONEL、INCOLOY和HASTELLOY系列的大约50种耐腐蚀和耐热合金。

重庆快乐十分 德国的克虏伯VDM公司是一个后来比较出名的镍基合金开发者和生产者,其商标是Nicrofer,Nimofer和Nicorros。

这三家世界领先的公司还在继续开发化学工业感兴趣的新型镍合金和改进型合金。本文提到的它们的专利合金列于表A。

所有早期的专利合金早已失去专利保护,现在世界许多其它生产厂都可以生产这些合金,或是其自己的商品名,或是符合标准或技术规范的通用合金名称。如同药品一样,关于通用名产品和专利权产品之间的等效问题还存有争论。

重庆快乐十分 常用的标准规范如ASTM和DIN可能比著名合金开发生产厂家自定的标准限制性要求更少,厂商企业内部标准对合金化学成分和冶金参数控制得更严一些,目标在于确保较高的材料性能。

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