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哈氏合金的發展、特點與分類

 

哈氏合金

哈氏合金的發展:哈氏合金的名稱源于Hastelloy®,是美國Haynes International公司(前身為Haynes Stellite Works)的商標。這個是由HAYNES中的HASTELLITESTELLALLOYS中的OY組成的。Haynes公司發明的第一個哈氏合金是Hastelloy® B,用于航空器的火箭噴嘴。緊跟B合金之后的Hastelloy® C合金在化工工業得到迅速而廣泛的應用。除了在各種化工及石油化工行業扮演主要角色外,此合金還曾經應用于核能源工業及制藥工業。接著,Haynes公司繼續開發出了有極好耐高溫性能的Hastelloy® X合金,并取得極大成功。隨著當時噴氣式飛機工業急速的增長,這個合金成為發動機生產商的首選。一些石化工業中的火炬也是用它制作而成的。

到了二十世紀六十年代,哈氏耐腐蝕合金得到了突破性的發展。以前阻礙Hastelloy合金發展的最大障礙是該合金需要焊后固溶處理,不然焊接熱影響區的抗腐蝕性能會大大下降,而焊接是絕大多數設備生產中所必須的加工過程。Hastelloy® C-276為此難題提供了解決方案。由于氬氧脫碳重熔精煉工藝的出現,使得合金能夠達到極低的碳硅含量,保證了在焊接區域仍能具有和基材一樣的抗腐蝕性能。近代的抗腐蝕合金基本上都是通過這種技術保證極低的碳硅含量。

二十世紀七八十年代,耐腐蝕合金性能再次得到提升,并且開始針對不同的環境進行專門的優化。Hastelloy® B-2合金是在B合金的基礎上改進得到的,但它卻是一個針對還原性環境的耐腐蝕合金。它有著優異的抗腐蝕性能,但加工性較差。C-276雖然獲得巨大的成功,但它焊接區域的性能仍然不理想,Hastelloy C-22的出現不僅解決這個問題而且在大多數情況下都達到了更好的耐腐蝕性能。在抗氧化性環境方面Hastelloy® G-3, G-30®合金相繼問世,它們在強氧化性或混合酸的環境下表現優異。高溫合金方面,Haynes® 230合金的發明不僅使得航空航天工業得到進步,它優異的高溫強度和抗氧化性能力也推動了化學工業的進步獲得“Chemical Processing”獎。二十世紀九十年代,Hastelloy® B-3®的發明徹底改變了B-2在通過中間溫度時容易析出Ni-Mo沉淀相導致沉淀的缺點,加工性能得到很大改善。為了進一步拓展C系列合金的適用范圍,在Hastelloy® C-2000®加入銅,在很大程度上拓展了C-2000®在還原性環境中的抗腐蝕能力,尤其是硫酸和氫氟酸。新型的Hastelloy® G-35®合金雖然歸入G系列,但它本質上是一種鎳--鉬合金,成份上更接近C系列合金。只是因為它的發明仍然是針對強氧化性以及混合酸環境設計的,所以商業牌號仍然歸入G系列。

哈氏合金的特點抗腐蝕材料按照其性質可分為非金屬材料和金屬材料。常見的非金屬材料有陶瓷,玻璃鋼,搪瓷,石墨,塑料等等,它們的優點是幾乎不會發生腐蝕,但是它們多數只能應用到200℃,而且不能承受高的壓力。由于不能焊接,它們制造的設備相對較小,也不易修補。金屬抗腐蝕材料按照其本質來說主要有鐵基合金(不銹鋼),鎳基合金以及活性金屬。哈氏合金就屬于高等的鎳基合金。由于鎳本身為面心立方結構,晶體學上的穩定性使得它能夠比鐵基合金容納更多的合金元素(鉻,鉬等)以達到抵抗各種環境的能力。加上鎳本身的就具有一定的抗腐蝕能力,尤其是抵抗氯離子引起的應力腐蝕能力是所有的不銹鋼所不能比擬的。無論是普通的300系列不銹鋼(304,316L等),還是抗腐蝕能力較強的奧氏體不銹鋼(904L,254SMO等),雙相鋼(22052507等)及含銅的20合金系列的總體抗腐蝕能力都不及鎳基合金(哈氏合金),這種抗腐蝕性的差距在還原性的環境,復雜的混合酸環境以及含有鹵素離子的溶液中尤其明顯。圖1Hastelloy® C-2000®和幾種鐵基材料在鹽酸中0。1mm/y等腐蝕線的比較活性金屬(鈦,鋯,鉭)有著非常好的抗腐蝕能力,尤其是鈦材在國內有著廣泛的應用,主要用于替代一些不銹鋼無法適應的腐蝕環境。但是,鈦主要通過形成致密的氧化膜來提供保護,在還原性較強或者密閉性高(缺乏氧氣)的環境(法蘭,墊片密封面)就容易遭到腐蝕。而且鈦的應用溫度也只能到300℃。鋯、鉭雖然有著極佳的抗腐蝕能力,但由于價格昂貴,應用受到局限。所有的活性金屬都不能用于含氟環境。而多數哈氏合金則能應用于更廣泛的環境以及溫度區間,也是為數不多能夠抵抗氟離子的金屬材料之一。哈氏合金本身屬于鎳基合金,但不同于一般的純鎳(Ni200)和Monel,它以鉻鉬作為主要的合金元素,旨在提高對各種介質和溫度的適應能力,并針對不同行業應用進行了專門的優化。目前化工行業普遍追求高產能,不斷改進工藝,以提高溫度壓力來加快反應速度,這樣生產就容易出現難以預計的情況,造成非計劃檢修。哈氏合金正是針對這樣的一種需求,適應各種無法預料的惡劣環境,將非計劃檢修降到最低。同時,它還具有很好的加工焊接性能,便于現場維修。

 C系列合金就是鎳--鉬合金。由于鉻能在合金表面形成致密的氧化膜(鈍化),提供抗氧化環境能力,而鉬主要提供抗還原環境能力。因此C系列合金可以應用于既有氧化介質又有還原介質的環境當中。C系列合金是應用最廣泛的合金,尤其是C-276合金,自60年代發明后,經過40余年的考驗后依然顯示出強大的生命力。C-4開發后主要滿足少部分歐洲用戶的需求,目前只有在較老的設備中才看得到。C-22合金在不提高成本的情況下增強了抗腐蝕能力,性價比尤其出色。C-2000®作為新一代產品提供了更大的安全使用范圍,非常適合要改善設備壽命,試驗新工藝的用戶。目前國內在相當多的行業中已經應用了C系列合金。如精細化工行業(TDIPTA,醋酸/酐,丙烯酸等);環境工程行業(FGD,污水處理);板式換熱器行業等。還有很多行業目前國外已經應用了哈氏合金,而國內仍在試驗階段,如制藥行業等。

B系列合金為鎳-鉬合金,針對完全還原的環境,提供最優越的抗腐蝕能力。B系列合金雖然在還原性環境中表現優異,但對氧化性介質(鐵,銅離子)卻非常敏感。50ppm的鐵離子已經足已讓B系列合金抗腐蝕能力有明顯下降。B系列合金由于它性能的特殊性,應用相對比較集中,其中最主要的就是醋酸生產(羰基合成法),還有一些硫酸回收系統中也用到該系列合金。目前廣泛應用的牌號為B-3,B-2由于加工性能方面的不足,已經漸漸退出市場。

G系列合金為鎳--鐵合金(G-35®合金除外)。高的鉻含量使該系列的合金在抗氧化性方面非常出眾。同時,新型的G系列合金(G-30® G-35®)也有很好的抗點蝕能力,加上少量的銅含量,增強了抗硫酸及氫氟酸的能力。因此,G系列合金主要應用于強氧化性的環境及混合酸的復雜環境中,如濕法磷酸,鋼廠酸洗線。

D系列合金為鎳--硅合金。由于該系列合金含有一定量的硅,能夠在表面產生相當穩定的氧化膜,針對極端的強氧化性環境,但因此該合金極難焊接。目前批量生產的D系列合金為D-205,應用于高溫濃硫酸環境的板式換熱器。該合金目前通過阿法拉法公司獨家代理,只提供成品板。

 哈氏合金分類:目前,抗腐蝕哈氏合金主要分為C系列,B系列,G系列及D系列合金。

 

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