HASTELLOY G-30哈氏合金

一、名稱

HASTELLOY G-30

二、概括

哈氏合金具有良好的物理性能和力學(xué)性能, 在很多介質(zhì)中, 甚至在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中都具有很高的耐蝕性, 是石油、化工、化肥 、原子能等工業(yè)中普遍使用的結(jié)構(gòu)材料。從 80 年代起, 通過(guò)對(duì)鎳基合金大量的改進(jìn)研究, 已開(kāi)發(fā)了一種新的專用高耐蝕哈氏合金HASTELLOY G-30。它具有良好的耐蝕性和較低的價(jià)格, 在國(guó)外已應(yīng)用于許多場(chǎng)合。為了深入了解及合理使用Hastelloy G-30( 以下簡(jiǎn)稱G-30) 。

最早G合金是針對(duì)磷酸工業(yè)生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)的。G合金在大多數(shù)磷酸介質(zhì)中表現(xiàn)出合格的性能, 但在某些場(chǎng)合下( 如換熱器、蒸發(fā)器) 其耐蝕性較差, 經(jīng)改進(jìn)的G-3 和更昂貴的625鎳基合金的耐蝕性也無(wú)明顯提高[1, 2] 。根據(jù)合金元素的作用, 在G-3基礎(chǔ)上增大Cr含量至 30%, 再加入1%～ 2%的Cu, 這對(duì)于濕法磷酸工藝中硫酸濃度變化大, 從開(kāi)始的輕微氧化性到隨后的還原性介質(zhì)是必要的。為了提高對(duì)非氧化性及含有鹵素離子介質(zhì)的耐蝕性, 使合金得到固溶強(qiáng)化, 在合金中加入4%～ 6%的 Mo 和2%～3%的W ;為了降低原材料成本, 加入 10%～20%的Fe, 這樣就設(shè)計(jì)成了G-30( UNS 編號(hào)為No6030) [ 3] 的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分( Ni 基-30Cr- 15Fe-5M o-2 .5W-1 .5Cu) , 詳見(jiàn)表1。

三、特性

Hastelloy G-30哈氏合金是一種以鎳、鉻、鈷、鎢等元素組成的鎳基高溫合金，含鎳量約為37%。Hastelloy G-30對(duì)于商用磷酸以及許多高氧化性酸介質(zhì)的混合性環(huán)境如硝酸/鹽酸、硝酸/氫氟酸和硫酸有較其他多數(shù)鎳基和鐵基合金更卓越的抗腐蝕性。G30合金能夠阻止焊接熱影響區(qū)內(nèi)晶界沉淀的形成，因此它的焊態(tài)的產(chǎn)品適用于各種化學(xué)處理工程的用途。

四、對(duì)應(yīng)牌號(hào)：

W.NR 2.4603   UNS N06030  AWS 056  NS3404  

五、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

ASTM B619 NACE MR0175 / ISO 15156-3

六、化學(xué)成分表

表 1   G-30的化學(xué)成分

七、品種

棒材、管材、板材、絲材、帶材、焊材等。

八、力學(xué)性能

1.密度8.22(0.297)

2.熔點(diǎn)：1399℃（2550℉）

3.膨脹系數(shù)：

12.8μm/m℃(20-1000℃)

7.1*10-6in/in℉(70-212℉)

4.剛性模數(shù)：77.6KN/MM2(11255ksi)

G-30力學(xué)性能見(jiàn)表2 。

所有試樣經(jīng)固溶處理:加熱至1 177 ℃, 快速空冷或水冷。

九、 G-30耐腐蝕性能

從大量的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果可知, G-30在磷酸中有很好的耐蝕性, 腐蝕速率通常在0.025～2.50mm/a的范圍內(nèi), 它的耐蝕性要比G合金或625高2～10倍。G-30不僅在磷酸中有很好的耐蝕性, 而且在其他酸性介質(zhì)( 如硫酸 、硝酸、甲酸) 中, 也比G-3具有更好的耐蝕性。與許多不銹鋼相比, G-30在不同環(huán)境的混合酸介質(zhì)中其耐蝕性能也表現(xiàn)不凡。在 H2SO4+HNO3和 H2SO4+Fe2(SO4)3溶液中, 高鉻的G-30和SAN28合金的腐蝕速率最低。

表 3：工業(yè)磷酸＊中 4 種合金的均勻腐蝕速率,具體圖表可咨詢墨……鉅客服索取。

表 4：不同酸中 7 種合金的均勻腐蝕速率,具體圖表可咨詢墨）鉅客服索取。

表 5：7 種合金的臨界點(diǎn)蝕溫度,具體圖表可咨詢墨#！鉅客服索取。

當(dāng)介質(zhì)中含鹵素元素(如HCl或HF)時(shí), 與316L、904L、SA N28、20CB-3和625合金相比, G-30表現(xiàn)出最好的耐蝕性。特別是在HNO3+HF混合酸中, G-30的耐蝕性優(yōu)于所有對(duì)比不銹鋼及625合金。由G-30等腐蝕速率曲線圖1和圖2可以看出,G-30在室溫下任何濃度的鹽酸和硫酸中都有極低的腐蝕速率。但隨著溫度升高, 其腐蝕速率增大, 在選用G-30時(shí)就要慎重考慮, 根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行試驗(yàn), 以便確定該合金是否適應(yīng)使用場(chǎng)合。

圖 1：G-30在鹽酸中等腐蝕速率曲線,具體圖表可咨詢墨8鉅客服索取。

圖 2：G-30在硫酸中等腐蝕速率曲線,具體圖表可咨詢墨#鉅客服索取。

由于G-30含鉻量較高,又含有鉬,其耐均勻腐蝕性能提高的同時(shí),也具有較高的與G或G-3相當(dāng)?shù)哪途植扛g能力(如點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕),但比所有對(duì)比不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力都好很多。雖然上面所述都是實(shí)驗(yàn)室結(jié)果, 但這說(shuō)明G-30對(duì)工業(yè)磷酸、硫酸、硝酸與鹽酸、硝酸與氫氟酸混合酸以及其他復(fù)雜環(huán)境下的強(qiáng)氧化酸, 顯示出比其他鎳基合金和鐵合金都具有更優(yōu)良的耐蝕性, 為該合金的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

十、加工性能

G-30具有良好的成形加工性能, 特別適于冷加工, 其延展性好, 但比奧氏體不銹鋼硬且易加工硬化。因此冷成形時(shí)所需能量較大, 對(duì)多次冷成形必要時(shí)須增加中間退火。一般來(lái)講冷加工不會(huì)影響G-30抵抗均勻腐蝕的能力, 也不會(huì)影響抗局部腐蝕的能力。但須注意的是, 纖維方向延伸率為≥10時(shí), 在某些介質(zhì)中, G-30構(gòu)件中的殘余應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生。可通過(guò)熱處理減小或消除殘余應(yīng)力。

G-30也可進(jìn)行鍛造、熱卷、熱( 冷) 沖壓等一系列熱加工, 但須注意它的熱加工溫度范圍較窄, 因此操作時(shí)應(yīng)十分小心, 以獲得滿意的加工效果。

十一、焊接性能

G-30的焊接性能在許多方面與奧氏體不銹鋼相似,只要按正確的焊接技術(shù)和工藝要求進(jìn)行操作, 焊接是不成問(wèn)題的。為了獲得高質(zhì)量的焊縫,首先應(yīng)編制和評(píng)定焊接工藝, 主要考慮:母材和焊接金屬匹配、焊接方法、接頭形式、電源特性、預(yù)熱、層間溫度控制和焊后熱處理等。

母材是G-30的焊接,與之相匹配的焊接金屬應(yīng)選用焊絲ER NiCrMo-11, 即UNS N06030(鎢極和溶化極氣體保護(hù)焊),或使用藥皮焊條ENiCrMo-11, 即UNS W86030(手工電弧焊)。

對(duì)于焊接方法除上述幾種外, 一般不要使用氧乙炔焊和埋弧自動(dòng)焊, 因?yàn)槁窕『笩崃枯斎氪? 而焊接冷卻速度慢, 可能造成熱裂紋、鉻損失( 若使用非鉻填充劑) 和硅偏析等。選擇電源時(shí)應(yīng)使焊接熱量輸入控制在低到中等范圍內(nèi)。為了獲得高質(zhì)量的焊縫, 必須仔細(xì)考慮接頭形式及焊道的布置。焊接時(shí), 不宜采用寬焊道, 電極不宜橫向擺動(dòng), 而應(yīng)采用窄焊道焊接技術(shù)。

G-30焊接坡口區(qū)焊前準(zhǔn)備非常重要。坡口可以用機(jī)械加工或熱切割方法加工( 氧乙炔切割除外) , 所有熱切割邊緣在焊前都必須打磨光亮, 露出母材金屬。焊前坡口及附近區(qū)域應(yīng)徹底清污, 用合適的溶劑清理一切油、脂 、顏色標(biāo)記、切割油、機(jī)加潤(rùn)滑劑、腐蝕產(chǎn)物、鐵銹 、涂料、污垢、染料 、硫化物及其他雜質(zhì)。

一般G-30焊接時(shí)無(wú)需預(yù)熱, 除非母材表面有水。控制層間溫度一般可采用輔助冷卻 ( 如水冷) 。當(dāng)在薄壁容器的外表面上安裝附件時(shí), 最好在容器的內(nèi)表面作輔助冷卻以減小熱影響區(qū)的范圍。通常G-30焊后無(wú)需進(jìn)行固溶處理或消除應(yīng)力處理, 以焊態(tài)使用。

十二、熱處理

G-30鍛件均以固溶處理狀態(tài)供貨。固溶處理是加熱到1177 ℃, 然后快速空冷或水冷。熱成形零部件, 在最終裝配前均須進(jìn)行固溶處理。

十三、應(yīng)用

工業(yè)應(yīng)用

80 年代初G-30問(wèn)世以來(lái), 美國(guó)在現(xiàn)有不銹鋼及傳統(tǒng)的高性能合金不能滿足要求的各種化工工業(yè)中, 迅速地推廣使用了G-30。尤其是在濕法磷酸生產(chǎn)過(guò)程中, 其用量不斷擴(kuò)大。雖然最初設(shè)計(jì) G-30是為了滿足磷酸生產(chǎn)過(guò)程中提高材料耐蝕性的要求, 但在許多工業(yè)中該合金也能滿足長(zhǎng)久耐蝕的要求, 在硫酸、硝酸/ 氫氟酸混合溶液中, 可以取代C-276 合金。G-30可制作閃蒸塔、管板式熱交換器( HNO3/ HF介質(zhì))、酸洗吊籃、臺(tái)架、氣體加熱器(含3～5HF)、管材( 氨基氟硅酸鹽介質(zhì)) 以及各種工業(yè)腐蝕環(huán)境下的管材、線材和襯里 。

十四、經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)于具體的工業(yè)用途, 材料的經(jīng)濟(jì)性選擇受各種因素的影響, 最主要的是耐蝕性能和成本價(jià)格兩方面。如果認(rèn)為成本是主要因素時(shí), 具有最長(zhǎng)使用壽命的材料并非總是最佳選擇。因?yàn)椴捎媚陀貌牧隙Ц兜馁M(fèi)用很可能高于因腐蝕偶爾更換部件的費(fèi)用和損失[4] 。相反地, 從設(shè)備操作、維修和性能的可靠性出發(fā), 就要求正確地選擇材料。如果設(shè)備因腐蝕而需要過(guò)多的維修, 甚至最終以較高的費(fèi)用來(lái)更換, 那么, 最初的低成本優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在, 還不如在最初選材時(shí)把耐蝕性能作為主要因素。

G-30的設(shè)計(jì)就是以提高合金耐蝕性為出發(fā)點(diǎn), 使不可預(yù)見(jiàn)的失效危險(xiǎn)性減至最小[5], 通過(guò)選擇最低初始成本的材料來(lái)獲得最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備使用壽命[6]。綜合考慮Cr、Fe、Mo+W的化學(xué)成分, 與其他合金相比, G-30確實(shí)是一種具有優(yōu)良耐蝕性的低成本材料。

如果從設(shè)備的壽命周期內(nèi)的維修費(fèi)、停工損失、折舊和稅收等方面考慮, G-30可能在某些場(chǎng)合下是更為經(jīng)濟(jì)的選擇了。曾經(jīng)有人對(duì)一臺(tái)預(yù)期壽命為 5 年的G-30換熱器平均年度費(fèi)用作過(guò)估算與幾種優(yōu)質(zhì)不銹鋼制換熱器相比, 認(rèn)為G-30是經(jīng)濟(jì)的材料[7]。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述, 與優(yōu)質(zhì)不銹鋼( 如904L、20CB-3、SAN 28)及高性能合金(如825、G-3、625、690) 相比, G-30在許多腐蝕場(chǎng)合中, 表現(xiàn)出更好的耐蝕性, 其價(jià)格在優(yōu)質(zhì)不銹鋼范圍內(nèi), 比高性能合金低一點(diǎn)(或相當(dāng))。當(dāng)考慮設(shè)備維修、經(jīng)濟(jì)性和其他因素時(shí), 它可以和非金屬材料( 如石墨管換熱器)競(jìng)爭(zhēng), 是一種新型的、具有良好耐蝕性的結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)然, 最近幾年新開(kāi)發(fā)的鎳基合金B(yǎng)-3、B-4、59 和686也屬高性能合金, 有些場(chǎng)合下耐蝕性比G-30還要高, 使用時(shí)可按照實(shí)際情況靈活選擇, 以滿足工況要求。