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      1. 耐蝕鎳合金——選擇與應用指南

        作者:admin   時間:2018-04-02 20:48

        冶金技術與制造技術的不斷進步推動了鎳合金的發展,促進了它們在化學工業的廣泛應用。

        鎳合金集優異的耐蝕性、強度、韌性、冶金穩定性、加工性及焊接性于一身。許多鎳合金還具有卓越的耐熱性能,是要求高溫強度和高溫下耐化學腐蝕用途的理想選擇。

        這里介紹的鍛軋鎳基合金(定義為含鎳45%以上的合金)包括了化工廠常用的各類鍛軋耐蝕合金。

        鎳合金集優異的耐蝕性、強度、韌性、冶金穩定性、加工性及焊接性于一身。許多鎳合金還具有卓越的耐熱性能,是要求高溫強度和高溫下耐化學腐蝕用途的理想選擇。

        這里介紹的鍛軋鎳基合金(定義為含鎳45%以上的合金)包括了化工廠常用的各類鍛軋耐蝕合金。

        這些合金的化學成分和UNS編號列于表1中。為了方便讀者,一些常用的商品名也在旁邊列出

         

        1合金的性能

        鎳合金比不銹鋼昂貴。但是,根據初始成本而不是根據壽命周期成本進行經濟性的比較可能會誤導人們。例如,Ni-Cr-Mo合金價格大約是18Cr-8Ni不銹鋼的5倍,是超級奧氏體不銹鋼的2倍。但由于鎳合金卓越的耐腐蝕性能,初始成本的增加常常能夠通過設備壽命的延長,維修費用的降低和極少的停機所帶來的長期費用的節省而獲得補償。

        鎳合金的物理性能與300系奧氏體不銹鋼的物理性能十分相似。鎳基合金與碳鋼的熱膨脹率大致相等,而明顯低于300系不銹鋼的熱膨脹率。

        雖然純鎳的導熱率高于碳鋼,但是,大多數鎳合金的導熱率明顯比較低,在某些情況下甚至低于奧氏體不銹鋼的導熱率。

        除純鎳外,化學加工業所用的鎳合金強度大大高于300系不銹鋼。鎳合金還具有非常好的延展性和韌性(見表2所列的室溫力學性能)。用于化工設備的大多數合金的最大許用應力見ASME鍋爐和壓力容器規范第Ⅷ卷。

        鎳合金是全奧氏體顯微組織?;瘜W工業使用的所有鎳合金幾乎都是固溶強化的。它們強度的提高來自于有效硬化元素如鉬和鎢的添加,而不是碳化物的形成。與奧氏體不銹鋼一樣,固溶鎳合金不能通過熱處理強化,而只能通過冷加工使其強化。

        另一大類鎳基合金可通過沉淀硬化熱處理來強化。這類合金大多數專門用于超高強度用途,如深層油氣生產和超高壓工藝過程所使用的合金。

        沉淀硬化鎳基合金除了用于閥門和旋轉機械部件外,在化工設備的應用有限。這類合金中包括燃氣輪機、燃燒室以及航天用途所使用的耐熱超級合金。

        2耐腐蝕性

        鎳合金比傳統的不銹鋼和超級奧氏體鐵基合金耐各類酸、堿和鹽腐蝕的能力提高了一個檔次。鎳合金一個突出的優點是在含鹵化物離子的水溶液中具有極好的耐腐蝕性能。在這方面,鎳合金遠遠優于奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹鋼容易受到氯離子和氟離子溶液的腐蝕。

        鎳合金這種優異的耐腐蝕行為不僅表現為較低的金屬損耗,而且表現為更好的耐局部腐蝕能力,特別是耐點蝕/縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕斷裂的能力。與均勻腐蝕相比,這些形式的局部腐蝕是化學行業腐蝕失效的主要原因。

        鎳合金優異的耐腐蝕性部分歸功于鎳所固有的較低反應活性(相對于鐵),正如電動勢(EMF)序列中其較為惰性的氧化電位所顯示。與不銹鋼類似,含鉻的鎳合金具有鈍化能力(即自發地形成一層超薄而堅韌的表面氧化物,這層氧化物起著有效阻止腐蝕的作用)。

        鎳優于鐵的另一個優點是鎳能夠容納大比例的合金元素而不形成脆性相。能提高耐腐蝕性的合金添加元素通常是鉻、鉬和。下面將會簡要介紹合金元素的作用。

         

        3焊接指南

        大多數鎳合金焊接都采用手工電孤焊(SMAW)、氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)和氣體保護熔化極電弧焊(GMAW)。鎳合金焊接件延展性非常好,它們較低的熱膨脹特性減少了殘余應力和彎曲變形。僅沉淀硬化型牌號要求焊后熱處理。美國焊接學會(AWS)發布的鎳合金焊條和填充金屬技術條件見表4。

        鎳合金的焊接工藝與奧氏體不銹鋼的焊接工藝非常類似。但是,由于富鎳焊縫溶池更加粘滯,熔透性更差,要獲得全熔透的焊縫,可能需要改進接頭外形和焊接技術。鎳合金比鋼鐵材料更不允許污染物的存在,污染物會造成焊縫脆裂。

        富鎳焊材的高延展性、低熱膨脹率以及容許各種金屬元素稀釋的能力使其廣泛用于異種金屬的焊接。不僅包括鎳基合金與鐵基合金的焊接,也包括不銹鋼與碳鋼和合金鋼的焊接。同樣,鎳合金能夠堆焊到碳鋼表面而沒有開裂的危險。

         

        4鎳合金的種類

        市場上可以買到的鎳合金產品形式多種多樣,包括中板、薄板、帶材、管材、接頭和鍛件。部分產品的ASTM規范列于表5。某些鎳合金還有鑄造產品,它們通常具有與其鍛軋產品不同的特性。

        鎳合金一般按照其主要合金成分進行分類,下面簡要介紹廣泛用于化工設備的鎳合金:

        純鎳純鎳(合金200)對各類還原性酸和鹽有非常好的耐蝕性,但不適用于強氧化性的介質如硝酸。純鎳最重要的特性是其無可比擬的耐苛性堿甚至是熔融態苛性堿腐蝕的能力。雖然純鎳在干燥鹵素介質中耐蝕性很突出,但在水露點以下其耐蝕性不足。對于溫度超過600℉的應用,最好選用合金200的衍生牌號--低碳含量的鎳201(UNSUO2201)。

        鎳-銅合金400與鎳一樣,鎳-銅合金400的耐蝕性在還原性介質條件下表現最好,而充氣和氧化性化學物質對其耐蝕性不利。合金400具有非常好的耐氫鹵酸和鹵化物腐蝕的性能,特別是能耐氫氟酸和含氟或氟化氫的高溫氣體。這種合金廣泛用于處理硫酸溶液、海水和鹽水。對于要求高強度的用途,如閥和泵部件,常常采用合金K-500(NO5500),它是合金400的一種沉淀硬化型衍生牌號。

        鎳-鉻-鐵合金600在鎳基體中加入鉻擴大了合金600在氧化性環境中的適用性。合金600盡管對無機酸的耐蝕性屬于中等,但它對有機酸的耐蝕性卻非常好,因此廣泛用于脂肪酸的加工。合金600也廣泛用于氫氧化物和堿性化學品的生產和儲運。

        對于兼有耐熱和耐蝕要求的高溫應用,合金600也是一種極好的材料。該合金在高溫鹵素環境下出色的使用性能使它成為有機氯化反應工藝的理想選材。合金600還表現出優異的抗氧化、抗滲碳和抗滲氮等抗高溫退化性能。

         

        鎳-鉻-鉬合金625在鎳鉻系合金中加入鉬增加了材料對氧化性和還原性無機酸和鹽的耐蝕性。鉬使合金具有耐氯離子點蝕和縫隙腐蝕的能力。合金625是一種抗疲勞性能非常優異的高強度材料,合金625LCF是合金625的衍生牌號,波紋管專用,具有十分優異的抗低周疲勞和耐熱疲勞性能。與合金600一樣,合金625用作耐蝕材料和耐熱材料均可。合金625出色的高溫強度,以及耐鹵素腐蝕,抗氧化和抗滲碳的綜合性能使其成為在苛刻的高溫環境下運行的化工和石化設備的理想選材。?

        鎳-鉻合金690合金690是承壓設備制造所用的鎳合金中鉻含量最高的,對氧化性介質有極強的耐蝕能力。它能有效地用于熱濃硫酸、硝酸和硝酸/氫氟酸混合酸以及氧化性鹽介質。高鉻含量也提高了材料在高溫硫化環境中的耐蝕能力。?

        鎳-鉻-合金825由于合金含有近30%的鐵,所以合金825有時也被列入超級奧氏體不銹鋼系列中。它在硫酸和磷酸介質條件表現出色,與合金20類似,開發它們主要目的是用于硫酸和磷酸介質。雖然合金825耐鹽酸腐蝕的能力尚可,但是它容易發生氯離子點蝕和縫隙腐蝕,特別是在不流動、不通氣的溶液中。合金825鐵含量高,所以它對堿和鹵素的耐蝕能力低于鎳含量較高的合金。

        鎳-鉻-鐵-鉬“G”合金合金G-3的耐腐蝕能力在許多應用中都超過合金400、合金600和合金825。這種合金特別耐硫酸和不純凈磷酸的腐蝕,能夠經受還原性和氧化性兩種介質條件。后來開發的合金G-30焊接性能更好,耐腐蝕能力全面提高,特別是焊縫熱影響區的耐蝕能力?

        鎳-鉻-鉬“C”合金合金C-276是化學工業用于應對腐蝕性極強的介質條件(超出不銹鋼的能力范疇)的卓越合金材料,它在各種酸、酸性鹽和其它各類腐蝕性化學物質中具有杰出的耐蝕能力。合金C-276在濕氯氣和次氯酸鹽這樣的惡劣環境中表現優異。由于合金C-276鉬含量較高,因此它對氯離子引起的點蝕和縫隙腐蝕有很好的耐蝕能力。尋求比合金C-276冶金性能和耐腐蝕性能更好的材料的過程,促進了幾種專利“C”系列合金的開發與商業化,它們是合金C-22、622、59、686和C-2000。這些合金的鉬含量大致相當,而鉻含量都大大高于合金C-276。某些牌號還含有鎢或銅。這些次要合金元素對冶金性能和耐腐蝕性的影響是復雜的,本文不作論述。

        鎳-鉬“B”合金合金B-2對具有還原性的硫酸、磷酸和鹽酸有突出的耐腐蝕能力。它特別適用于全部濃度范圍和溫度高達沸點的鹽酸設備。氧化性化學物質對這種合金的耐腐蝕性有不利的影響,尤其是溶液中作為雜質的鐵離子和銅離子等強氧化劑。后來開發的合金B-3和合金B-4的性能比合金B-2更好,這些新牌號的一個好處是最大程度降低了加工中不良顯微組織(可能造成脆化)的形成。

        5鎳合金的發展

        同鐵和銅一樣,自從進入文明社會,鎳就被用于合金。但是與鋼、黃銅和青銅相比,鎳合金是化學工業的后來者。

        第一個具有商業重要性的鎳合金是合金400,它是由國際鎳公司(后來叫Inco合金公司)于1905年開發出來并推向市場,商標為蒙乃爾(MONEL)。下一個重要的里程碑是1930年左右問世的鎳-鉬合金B和鎳-鉻-鉬-鎢合金C。它們的發明者是HaynesStellite公司(現在叫Haynes國際公司),其中的兩個注冊商標為HASTELLOY。鎳基合金發展的下一個重要階段來自于Inco公司,1931年開發出鎳-鉻-鐵合金600及1949年開發出鎳-鐵-鉻合金,分別命名為INCONEL和INCOLOY。

        Inco和Haynes公司利用最初這些商標的知名度和美譽度,共計推出了MONEL、INCONEL、INCOLOY和HASTELLOY系列的大約50種耐腐蝕和耐熱合金。

        德國的克虜伯VDM公司是一個后來比較出名的鎳基合金開發者和生產者,其商標是Nicrofer,Nimofer和Nicorros。

        這三家世界領先的公司還在繼續開發化學工業感興趣的新型鎳合金和改進型合金。本文提到的它們的專利合金列于表A。

        所有早期的專利合金早已失去專利保護,現在世界許多其它生產廠都可以生產這些合金,或是其自己的商品名,或是符合標準或技術規范的通用合金名稱。如同藥品一樣,關于通用名產品和專利權產品之間的等效問題還存有爭論。

        常用的標準規范如ASTM和DIN可能比著名合金開發生產廠家自定的標準限制性要求更少,廠商企業內部標準對合金化學成分和冶金參數控制得更嚴一些,目標在于確保較高的材料性能。

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