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哈氏合金的發(fā)展、特點與分類
哈氏合金的發(fā)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HA,STELLITE的STELL及ALLOYS中的OY組成的。Haynes公司發(fā)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(yè)得到迅速而廣泛的應(yīng)用。除了在各種化工及石油化工行業(yè)扮演主要角色外,此合金還曾經(jīng)應(yīng)用于核能源工業(yè)及制藥工業(yè)。接著,Haynes公司繼續(xù)開發(fā)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(dāng)時噴氣式飛機工業(yè)急速的增長,這個合金成為發(fā)動機生產(chǎn)商的首選。一些石化工業(yè)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(fā)展。以前阻礙Hastelloy合金發(fā)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(qū)的抗腐蝕性能會大大下降,而焊接是絕大多數(shù)設(shè)備生產(chǎn)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(xiàn),使得合金能夠達到極低的碳硅含量,保證了在焊接區(qū)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(shù)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(huán)境進行專門的優(yōu)化。Hastelloy? B-2合金是在B合金的基礎(chǔ)上改進得到的,但它卻是一個針對還原性環(huán)境的耐腐蝕合金。它有著優(yōu)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(qū)域的性能仍然不理想,Hastelloy C-22的出現(xiàn)不僅解決這個問題而且在大多數(shù)情況下都達到了更好的耐腐蝕性能。在抗氧化性環(huán)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(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異。高溫合金方面,Haynes? 230合金的發(fā)明不僅使得航空航天工業(yè)得到進步,它優(yōu)異的高溫強度和抗氧化性能力也推動了化學(xué)工業(yè)的進步獲得“Chemical Processing”獎。二十世紀九十年代,Hastelloy? B-3?的發(fā)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(dǎo)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(huán)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(zhì)上是一種鎳-鉻-鉬合金,成份上更接近C系列合金。只是因為它的發(fā)明仍然是針對強氧化性以及混合酸環(huán)境設(shè)計的,所以商業(yè)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(zhì)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(yōu)點是幾乎不會發(fā)生腐蝕,但是它們多數(shù)只能應(yīng)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(shè)備相對較小,也不易修補。金屬抗腐蝕材料按照其本質(zhì)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(jié)構(gòu),晶體學(xué)上的穩(wěn)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(huán)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(yīng)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(2205,2507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(huán)境,復(fù)雜的混合酸環(huán)境以及含有鹵素離子的溶液中尤其明顯。圖1為Hastelloy? 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(nèi)有著廣泛的應(yīng)用,主要用于替代一些不銹鋼無法適應(yīng)的腐蝕環(huán)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(huán)境(法蘭,墊片密封面)就容易遭到腐蝕。而且鈦的應(yīng)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(yīng)用受到局限。所有的活性金屬都不能用于含氟環(huán)境。而多數(shù)哈氏合金則能應(yīng)用于更廣泛的環(huán)境以及溫度區(qū)間,也是為數(shù)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(zhì)和溫度的適應(yīng)能力,并針對不同行業(yè)應(yīng)用進行了專門的優(yōu)化。目前化工行業(yè)普遍追求高產(chǎn)能,不斷改進工藝,以提高溫度壓力來加快反應(yīng)速度,這樣生產(chǎn)就容易出現(xiàn)難以預(yù)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(yīng)各種無法預(yù)料的惡劣環(huán)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(xiàn)場維修。
C系列合金就是鎳-鉻-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(huán)境能力,而鉬主要提供抗還原環(huán)境能力。因此C系列合金可以應(yīng)用于既有氧化介質(zhì)又有還原介質(zhì)的環(huán)境當(dāng)中。C系列合金是應(yīng)用最廣泛的合金,尤其是C-276合金,自60年代發(fā)明后,經(jīng)過40余年的考驗后依然顯示出強大的生命力。C-4開發(fā)后主要滿足少部分歐洲用戶的需求,目前只有在較老的設(shè)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(chǎn)品提供了更大的安全使用范圍,非常適合要改善設(shè)備壽命,試驗新工藝的用戶。目前國內(nèi)在相當(dāng)多的行業(yè)中已經(jīng)應(yīng)用了C系列合金。如精細化工行業(yè)(TDI,PTA,醋酸/酐,丙烯酸等);環(huán)境工程行業(yè)(FGD,污水處理);板式換熱器行業(yè)等。還有很多行業(yè)目前國外已經(jīng)應(yīng)用了哈氏合金,而國內(nèi)仍在試驗階段,如制藥行業(yè)等。
B系列合金為鎳-鉬合金,針對完全還原的環(huán)境,提供最優(yōu)越的抗腐蝕能力。B系列合金雖然在還原性環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異,但對氧化性介質(zhì)(鐵,銅離子)卻非常敏感。50ppm的鐵離子已經(jīng)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(yīng)用相對比較集中,其中最主要的就是醋酸生產(chǎn)(羰基合成法),還有一些硫酸回收系統(tǒng)中也用到該系列合金。目前廣泛應(yīng)用的牌號為B-3,B-2由于加工性能方面的不足,已經(jīng)漸漸退出市場。
G系列合金為鎳-鉻-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(yīng)用于強氧化性的環(huán)境及混合酸的復(fù)雜環(huán)境中,如濕法磷酸,鋼廠酸洗線。
D系列合金為鎳-鉻-硅合金。由于該系列合金含有一定量的硅,能夠在表面產(chǎn)生相當(dāng)穩(wěn)定的氧化膜,針對極端的強氧化性環(huán)境,但因此該合金極難焊接。目前批量生產(chǎn)的D系列合金為D-205,應(yīng)用于高溫濃硫酸環(huán)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。