耐蚀镍合金—选择和应用指南

耐蚀镍合金—选择和应用指南冶金和制造技术的不断进步推动了镍合金的发展，使得它们在化学工业中的应用范围日渐扩大。镍合金具有优良的耐蚀性、强度、韧性、冶金稳定性、可加工性及可焊接性的总合性能。许多镍合金又具有卓越的耐热性能，而成为要求耐化学腐蚀和高温强度用途的理想选择。这里介绍的可锻轧镍基合金（定义为含镍以上的合金）包括了在化学工厂常用的可锻轧耐蚀合金。这些合金的化学成分和牌号见表表1耐蚀镍合金的名义化学成分，%合金UNS牌号NiCrMoFeWCu其它200N0220099.6400N0440066.51.031.51.0Mn600N0660075.015.58.0625N0662562.021.59.02.53.8（Nb+Ta）690N0669061.029.09.0825N0882542.021.53.029.52.31.0TiG-3N0698544.022.07.019.51.5﹡2.0﹡2.1NbG-30N0603043.029.85.015.02.81.71.0（Nb+Ta）CN1025715153.-27676.0.56.0.58C22N0602256.022.013.03.03.0C-2000N1020059.023.016.01.51.6686N0668660.021.016.05.0﹡3.759N0605960.023.015.81.5﹡B-2N1066569.01.0﹡28.02.0﹡B-3N1067568.51.528.51.53.0﹡B-4N1062966.01.028.03.5﹡为最大值1.合金的性能镍合金比不锈钢更贵。但是，使用初始成本而不是根据使用寿命周期进行比较的话，会出现错误的想法。例如，Ni-Cr-Mo合金成本大致是18Cr-8Ni不锈钢的5倍，是超级奥氏体不锈钢成本的大约2倍。由于镍合金优越的耐蚀性能，初始成本的增加常常能够通过延长设备寿命，减少维修费用和极少的停机带来的长期费用的节省而获得补偿。镍合金的物理性能与300系列奥氏体不锈钢的物理性能十分相似。作为一类，镍基合金的热膨胀系数与碳钢的热膨胀系数大致相等，但是，显著低于300系列不锈钢的热膨胀系数。虽然纯镍的导热性能超过了碳素钢，但是，大多数的导热性相当低，在某些情况下，甚至低于奥氏体不锈钢。除纯镍以外，用于化学加工过程的镍合金大大优于300系列不锈钢。镍合金还有非常好的塑性和韧性（室温力学性能列于表2）。用于化学工厂设备的大多数合金的最大许用应力见ASME锅炉和压力容器标准的第Ⅷ部分。表2镍合金室温力学性能的最小值合金极限抗拉强度ksi屈服强度0.2%ksi延伸率%2005515404007028356008035306251105530690853530825853530G-3903545G-30853530C-2761004140C-221004545C-200010041456221004545591004545B-21105140B-31105140B-41105140镍合金具有全奥氏体显微组织。化学工业使用的几乎所有的镍合金都是固溶强化状态。添加有效硬化元素，如Mo和W，而不是碳化物形成元素，可以提高它们的强度。与奥氏体不锈钢一样，固溶的镍合金不能通过热处理强化，而只能通过冷加工使其强化。另外一大类镍基合金通过沉淀硬化热处理可以使其强化。这类合金大多数是专供超高强度用途的合金，如在深层油气生产中和超高压工艺过程使用的合金。除了阀门和旋转机械设备中部分零件外，沉淀硬化镍合金在化学工厂中的使用有限。这类合金中还包含有在燃气涡轮、燃烧室以及宇航应用中使用的耐热超级合金。2.耐腐蚀性镍合金的使用象征着传统不锈钢抗各种各样的酸、碱和盐腐蚀的能力的提高。镍合金的突出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。关于这一点，镍合金是大大优于众所周知的易于遭受氯化物和氟化物水溶液腐蚀的奥氏体不锈钢。镍合金的这种优良的耐腐蚀行为证明它本身不仅仅具有更低的金属损耗，而且能经受局部腐蚀，特别是耐孔蚀或缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。这些局部腐蚀的形成，更加淡化了均匀腐蚀，是化学工厂中由腐蚀引起失效的主要原因。镍合金的耐蚀性部分地归因于镍固有的活动性低与铁，正如测的的它的氧化电位在电动势（EMF）序列中比铁高得多。与不锈钢类似，含铬镍合金具有钝化能力（即自发的形成一层超薄的但附着力很强的表面氧化物，这层氧化物起着有效阻止腐蚀的作用）。镍的另一个优点就是能够与大量的合金元素结合而不形成脆性相。通常为提高耐腐蚀性，合金化添加元素是Cr、Mo、Cu等。在普通化学工厂环境下镍合金的耐级别比较见表3。这些一般性指南不代表特定用途，仅仅作为选择参考。表3耐蚀性一般指南合金硫酸磷酸盐酸氢氟酸硝酸有机酸强碱还原性盐氧化性盐200▲▲▲●■●●●■400●▲▲●■●●●■600▲▲■▲▲●●●▲625●●●●●●●●●690▲●▲●●●●●●825●●▲■●●▲●▲G-3●●▲●●●●●●C-276●●▲●▲●●●●B-2●●●●■●●●■●代表很好，好▲代表好，满意■不推荐3.焊接指南大多数镍合金焊接都是采用手工电弧焊（SMAW）、气体保护钨极电弧焊（GTAW）和气体保护金属极电弧焊（GMAW）。镍合金焊接件塑性非常好，它们较低的热膨胀特性减少了残余应力和变形。一般只要求对沉淀硬化不锈钢进行焊后热处理。美国焊接学会（AWS）对镍合金焊条和焊丝规定的技术条件见表4。表4焊接材料的AWS技术条件合金焊接电极（A5.11）填充金属（A5.14）200ENi-1ERNi-1400ENiCu-7ERNiCu-7600ENiCrFe-3ERNiCrFe-3625ENiCrMo-3ERNiCrMo-3G-3ENiCrMo-9ERNiCrMo-9G-30ENiCrMo-11ERNiCrMo-11C-276ENiCrMo-4ERNiCrMo-4C-22ENiCrMo-10ERNiCrMo-10622ENiCrMo-10ERNiCrMo-10686ENiCrMo-14ERNiCrMo-1459ENiCrMo-13ERNiCrMo-13镍合金的焊接方法与奥氏体不锈钢的焊接方法非常类似。但是，由于富镍焊缝熔池凝固特别迟缓和更差的焊透性，全焊透焊缝的产品可能要求修正接头形式和焊接技术。镍合金比钢铁材料更不允许有可能引起焊缝脆性的污染物存在。高塑性、低膨胀性和容许不同金属元素溶解的综合性能已使富镍焊接消耗材料可通用于不同类型金属的焊接。不仅包括了镍基合金对铁基合金的焊接，还包括了不锈钢对碳素钢和合金钢的焊缝。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，其中中板、薄板、带钢、无缝管、焊管、配件和锻件。其中部分产品的ASTM技术规范列与表5中。某些镍合金也以铸造方式生产。这些产品通常与它们对应的锻件具有不同的特性。表5部分产品形式的ASTM技术规范合金中/薄板无缝管焊管无缝管材焊管材200B162B161B725B161B730400B127B165B725B165B730600B168B167B517B167B516625B443B444B705B444B704690B168B167B167825B409B407B407B515G-3B582B622B619B622B626G-30B582B622B619B622B626C-276B575B622B619B626B626C-22B575B622B619B626B626C-2000B575B622B619B626B626622B575B622B619B626B62659B575B622B619B626B626B-2B333B622B333B626B626B-3B333B622B333B626B626B-4B333B622B333B626B626镍合金一般是按照它的主要合金元素组成来进行分类，大量用于化学工厂设备的镍合金简要介绍其特征如下：-纯镍纯镍（合金200）对范围很广的还原性酸和盐有非常好的抗蚀性，但是不适合用于强氧化性的条件，如硝酸。纯镍最显著的特性是不耐强碱的腐蚀，特别是强碱处于熔融状态时。虽然对于干燥卤素环境的耐蚀性很突出，但是镍不适宜在水的露点以下的环境。为了用于6000F以上的环境，最好选择一种低碳的牌号，代号为镍201（UNSN02201）。-镍-铜合金400镍-铜合金400的耐蚀性与镍一样，最好用在还原性条件之下，同时可被氧化性气氛侵害。合金400具有非常好的耐卤素酸和卤素化合物腐蚀的性能，特别耐氢氟酸和富含氟或氟化氢的高温气体的腐蚀。这种合金广泛应用于处理硫酸溶液、海水和盐水。对于那些要求更高强度要求的用途，如阀和泵零件所要求的，常常用合金K-500（N05500）来制造，这是合金400的一种沉淀硬化改型牌号。-镍-铬-铁合金600在镍基体中加入铬增强了合金600在氧化性环境中的适应能力。对于无机酸的耐蚀性仅仅是中等的，但是，对有机酸的耐蚀性合金600非常好，因此，广泛用于脂肪酸的加工中，它也广泛用于强碱性化学剂的加工和生产中。合金600也看作是一种高温应用中要求兼有耐热和耐蚀的极好材料。该合金在高温卤素环境下优良的使用性能使它成为有机氯化物加工中最佳的材料选择。在其他高温降解工艺中，已经证实合金600具有优良的抗氧化、抗渗碳和渗氮性能。-镍-铬-钼合金625在镍铬系合金中加入钼增强了对氧化性和还原性无机酸和盐的耐蚀性。加入镍使合金具有奶含水氯化物造成的孔蚀和缝隙腐蚀。合金625是一种抗疲劳性非常优秀的材料，合金625LCF是625的改型钢种，具有波纹管所要求的性能，其区别是具有优良的抗低周期疲劳和热疲劳性能。与合金600一样，625能有效的用做耐热和耐蚀材料。它的优良高温强度和耐卤化物侵蚀，耐氧化和渗碳的综合性能已经使得合金6235广泛用于化学和石化加工设备，这些设备往往都暴露在极易受损坏的高温环境下。-镍-铬合金690合金690在所有镍合金中铬含量最高，适宜于制造压力设备，对氧化介质有极强的耐蚀能力，它能有效地用于高温浓缩的硫酸、硝酸和硝酸氢氟酸混合酸以及氧化性盐环境中。高的含铬量也提高了它在高温硫化环境中的耐硫化能力。-镍-铬-铁合金825由于该合金含有30%左右的铁，所以合金825有时也被列入超级奥氏体不锈钢系列中。这种合金和合金20一样，开发的目的主要是用于含硫和含磷的各种用途。虽然合金825有很强的耐盐酸腐蚀的能力，但是易受氯化物孔蚀和缝隙腐蚀，特别是在不流动、不通气的溶液中。合金825含铁高使得它对强碱和卤素的耐蚀能力低于含镍更高的合金。-镍-铬-铁-钼“G”字合金合金G-3的耐腐蚀能力在许多用途中都超过合金400、600、825。这种合金特别耐硫酸和不纯净磷酸的腐蚀，能够承受还原性和氧化性两种环境条件的侵蚀，最近开发的合金G-30焊接性能更好，全面提高耐腐蚀能力，特别是对焊缝热影响区的耐蚀能力。-镍-铬-钼“C”字合金对在特殊腐蚀环境的化学工业中，合金C-276被认为是优秀的合金，具有非常特出的耐各种酸、酸式盐和在化学处理过程中遇到的其它各种侵蚀性物质的腐蚀。合金C-276适用于象有水分的氯化物和次氯酸盐这样恶劣的环境。由于合金C-276含钼，因此这种合金更耐氯化物引起的点蚀和缝隙腐蚀。在寻求比合金C-276有更好的冶金性能和耐腐蚀性能材料过程中，产生有几种有专利权的合金，如C-22、622、59、686和C-2000。在含钼量大致相等的所有合金中，含铬量都大大高于合金C-276。部分还含有W和Cu，这些次要的合金元素对冶金性能和耐腐蚀性能的影响是复杂的，这里不做讨论。-镍-钼“B”合金合金B-2在还原条件下具有突出的耐硫酸、磷酸和盐酸能力。它特别适用于加工任何浓度和一直到沸点温度的盐酸的设备。氧化性化合物对这种这种合金的耐腐蚀性有不利的影响，特别值得注意的是象铁和铜盐类强氧化剂可能会造成夹杂。最近推荐的合金B-3和B-4的性能比B-2的性能更好，主要是那些不希望有的显微组织将减至最少。5.镍合金的发展进入文明社会以来，象铁和