哈氏合金HASTELLOY
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描述：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對于商用磷酸以及許多高氧化性酸介質的混合性環境如硝酸/鹽酸、硝酸/氫氟酸和硫酸有較其他多數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內晶界沉淀的形成，因此它的焊態的產品適用于各種化學處理工程的用途。
規格：板，棒，帶，線，管，可定制
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性能, 在很多介質中, 甚至在強腐蝕性介質中都具有很高的耐蝕性, 是石油、化工、化肥 、原子能等工業中普遍使用的結構材料。從 80 年代起, 通過對鎳基合金大量的改進研究, 已開發了一種新的專用高耐蝕哈氏合金 G-30。它具有良好的耐蝕性和較低的價格, 在國外已應用于許多場合。為了深入了解及合理使用Hastelloy G-30( 以下簡稱G-30) 。
最早G合金是針對磷酸工業生產需要而設計的。G合金在大多數磷酸介質中表現出合格的性能, 但在某些場合下( 如換熱器、蒸發器) 其耐蝕性較差, 經改進的G-3 和更昂貴的625鎳基合金的耐蝕性也無明顯提高[1, 2] 。根據合金元素的作用, 在G-3基礎上增大Cr含量至 30%, 再加入1%～ 2%的Cu, 這對于濕法磷酸工藝中硫酸濃度變化大, 從開始的輕微氧化性到隨后的還原性介質是必要的。為了提高對非氧化性及含有鹵素離子介質的耐蝕性, 使合金得到固溶強化, 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, 這樣就設計成了G-30( UNS 編號為No6030) [ 3] 的標準化學成分( Ni 基-30Cr- 15Fe-5M o-2 .5W-1 .5Cu) , 詳見表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對于商用磷酸以及許多高氧化性酸介質的混合性環境如硝酸/鹽酸、硝酸/氫氟酸和硫酸有較其他多數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內晶界沉淀的形成，因此它的焊態的產品適用于各種化學處理工程的用途。
四、對應牌號：
W.NR 2.4603 UNS N06030 AWS 056 NS3404
五、執行標準
ASTM B619 NACE MR0175 / ISO 15156-3
六、化學成分表
表 1 G-30的化學成分
元素 | Ni | Co | Cr | Mo | W | Fe | Si | Mn | Cu | C |
含量% | 基體 | ≤0 .5 | 28.0～31.5 | 4.0～6.0 | 1.5～4.0 | 13.0～17.0 | ≤0.8 | ≤1.5 | 1.0～2.4 | ≤0.03 |
棒材、管材、板材、絲材、帶材、焊材等。七、品種
八、力學性能
1.密度8.22(0.297)
2.熔點：1399℃（2550℉）
3.膨脹系數：
12.8μm/m℃(20-1000℃)
7.1*10-6in/in℉(70-212℉)
4.剛性模數：77.6KN/MM2(11255ksi)
G-30力學性能見表2 。
試驗溫度 | 彈性模量 | 抗拉強度 | 屈服強度 | 延伸率 ( 50 .8mm ) | |
T / ℃ | E/GPa | σb/MPa | σ0.2/MPa | ||
δ5/% | |||||
室溫24 | 202 | 710 | 338 | 53 | |
93 | — | 655 | 290 | 54 | |
204 | 196 | 607 | 248 | 59 | |
316 | 194 | 572 | 228 | 59 | |
427 | 192 | 552 | 214 | 60 | |
538 | 184 | 524 | 200 | 62 |
表 3：工業磷酸＊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。從大量的腐蝕試驗結果可知, 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, 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( 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在不同環境的混合酸介質中其耐蝕性能也表現不凡。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。九、 G-30耐腐蝕性能所有試樣經固溶處理:加熱至1 177 ℃, 快速空冷或水冷。
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 種合金的臨界點蝕溫度,具體圖表可咨詢墨#！鉅客服索取。
當介質中含鹵素元素(如HCl或HF)時, 與316L、904L、SA N28、20CB-3和625合金相比, G-30表現出最好的耐蝕性。特別是在HNO3+HF混合酸中, G-30的耐蝕性優于所有對比不銹鋼及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時就要慎重考慮, 根據實際條件進行試驗, 以便確定該合金是否適應使用場合。
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,也具有較高的與G或G-3相當的耐局部腐蝕能力(如點蝕、縫隙腐蝕),但比所有對比不銹鋼的抗點蝕能力都好很多。雖然上面所述都是實驗室結果, 但這說明G-30對工業磷酸、硫酸、硝酸與鹽酸、硝酸與氫氟酸混合酸以及其他復雜環境下的強氧化酸, 顯示出比其他鎳基合金和鐵合金都具有更優良的耐蝕性, 為該合金的推廣應用奠定了基礎。
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。因此冷成形時所需能量較大, 對多次冷成形必要時須增加中間退火。一般來講冷加工不會影響G-30抵抗均勻腐蝕的能力, 也不會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, 在某些介質中, G-30構件中的殘余應力將會導致應力腐蝕裂紋產生?？赏ㄟ^熱處理減小或消除殘余應力。
G-30也可進行鍛造、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, 因此操作時應十分小心, 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和工藝要求進行操作, 焊接是不成問題的。為了獲得高質量的焊縫,首先應編制和評定焊接工藝, 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選用焊絲ER NiCrMo-11, 即UNS N06030(鎢極和溶化極氣體保護焊),或使用藥皮焊條ENiCrMo-11, 即UNS W86030(手工電弧焊)。
對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焊, 因為埋弧焊熱量輸入大, 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。選擇電源時應使焊接熱量輸入控制在低到中等范圍內。為了獲得高質量的焊縫, 必須仔細考慮接頭形式及焊道的布置。焊接時, 不宜采用寬焊道, 電極不宜橫向擺動, 而應采用窄焊道焊接技術。
G-30焊接坡口區焊前準備非常重要。坡口可以用機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。焊前坡口及附近區域應徹底清污, 用合適的溶劑清理一切油、脂 、顏色標記、切割油、機加潤滑劑、腐蝕產物、鐵銹 、涂料、污垢、染料 、硫化物及其他雜質。
一般G-30焊接時無需預熱, 除非母材表面有水?？刂茖娱g溫度一般可采用輔助冷卻 ( 如水冷) 。當在薄壁容器的外表面上安裝附件時, 最好在容器的內表面作輔助冷卻以減小熱影響區的范圍。通常G-30焊后無需進行固溶處理或消除應力處理, 以焊態使用。
十二、熱處理
G-30鍛件均以固溶處理狀態供貨。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行固溶處理。
十三、應用
工業應用
80 年代初G-30問世以來, 美國在現有不銹鋼及傳統的高性能合金不能滿足要求的各種化工工業中, 迅速地推廣使用了G-30。尤其是在濕法磷酸生產過程中, 其用量不斷擴大。雖然最初設計 G-30是為了滿足磷酸生產過程中提高材料耐蝕性的要求, 但在許多工業中該合金也能滿足長久耐蝕的要求, 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)、酸洗吊籃、臺架、氣體加熱器(含3～5HF)、管材( 氨基氟硅酸鹽介質) 以及各種工業腐蝕環境下的管材、線材和襯里 。
十四、經濟性分析
對于具體的工業用途, 材料的經濟性選擇受各種因素的影響, 最主要的是耐蝕性能和成本價格兩方面。如果認為成本是主要因素時, 具有最長使用壽命的材料并非總是最佳選擇。因為采用耐用材料而支付的費用很可能高于因腐蝕偶爾更換部件的費用和損失[4] 。相反地, 從設備操作、維修和性能的可靠性出發, 就要求正確地選擇材料。如果設備因腐蝕而需要過多的維修, 甚至最終以較高的費用來更換, 那么, 最初的低成本優勢將不復存在, 還不如在最初選材時把耐蝕性能作為主要因素。
G-30的設計就是以提高合金耐蝕性為出發點, 使不可預見的失效危險性減至最小[5], 通過選擇最低初始成本的材料來獲得最經濟的設備使用壽命[6]。綜合考慮Cr、Fe、Mo+W的化學成分, 與其他合金相比, G-30確實是一種具有優良耐蝕性的低成本材料。
如果從設備的壽命周期內的維修費、停工損失、折舊和稅收等方面考慮, G-30可能在某些場合下是更為經濟的選擇了。曾經有人對一臺預期壽命為 5 年的G-30換熱器平均年度費用作過估算與幾種優質不銹鋼制換熱器相比, 認為G-30是經濟的材料[7]。
結束語
綜上所述, 與優質不銹鋼( 如904L、20CB-3、SAN 28)及高性能合金(如825、G-3、625、690) 相比, G-30在許多腐蝕場合中, 表現出更好的耐蝕性, 其價格在優質不銹鋼范圍內, 比高性能合金低一點(或相當)。當考慮設備維修、經濟性和其他因素時, 它可以和非金屬材料( 如石墨管換熱器)競爭, 是一種新型的、具有良好耐蝕性的結構材料。當然, 最近幾年新開發的鎳基合金B-3、B-4、59 和686也屬高性能合金, 有些場合下耐蝕性比G-30還要高, 使用時可按照實際情況靈活選擇, 以滿足工況要求。
參考文獻
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[2]Miknus R .A performance comparison of heat exchangers used in phosphoric acid evaporation .A IChE, Clearwater Beach .F lorida, 1984
[3]ASM E Boiler and Pressure Vessel Code.Section Ⅸ , Divi- sion2, 1995
[4]Slack A V, Editor .P hosphoric Acid .V ol 1, Part Ⅱ .M arcel Dekker Inc, New York, 1968 .808
[5]Moniz B .P rocess Industries Corrosi on .AS TM S tandard- ization New s .1987 .50
[6]Tuner M .M aterials for the Process Industry .M etals and M aterials, M arch, 1987 .136
[7]Agarwal D C .HAS TELLOY alloy G-30 and FERRAL I- UM alloy 255, the cost eff ective answ ers to C orrosion/ Ero- sion problems in Wet Phosphoric Acid Production .A IC hE,Clearwater Beach .Florida, 1987
