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耐蝕合金｜NS alloy

耐蝕合金主要是指鐵鎳基耐蝕合金 Ni≥30% ，Ni+Fe≥60% ，和鎳基耐蝕合金 Ni≥50% 。

產(chǎn)品分類 / 用途

NS 112 (Incoloy 800)


 (1Cr20Ni32Fe ) 、NS 112、Incoloy 800 合金的質(zhì)量分數(shù)含碳小于0.1%,含鉻20%左右，含鎳32%左右，并含少量鋁、鈦的鐵-鎳耐蝕合金是Ni-Fe-Cr系合金的代表性牌號，通稱Incoloy 800合金。此合金是 為了節(jié)約鎳基合金中的Ni于1949年發(fā)展的。隨著化學加工業(yè)和核動力工業(yè)的發(fā) 展，需要量的在各種腐蝕環(huán)境下工作的換熱設備。長時間以來，換熱設備水側所 引起的應力腐蝕破裂事故嚴重威脅著設備的安全運行和影響生產(chǎn)廠的經(jīng)濟效益, 尋求一個適用性寬廣的耐應力腐蝕破裂合金受到工業(yè)界的普遍關注。在一些高溫高壓水中，在Ni-Fe-Cr合金體系中由于存在著一個既不產(chǎn)生穿晶又不產(chǎn)生晶間應力腐蝕破裂的Ni區(qū)間，而且Cr20Ni32Fe合金的鎳含量恰好處于此區(qū)間（圖10-1）, 且價格又遠低于鎳基合金，因此這類合金得到了深入的研究和發(fā)展，派生出許多合金牌號，按化學成分和用途至少可將Cr20Ni32型合金劃分成標準型、高碳型、中碳型和低碳型四種。


  標準型是早期的Cr20Ni32型合金，碳含量0.1%。


  高碳型合金的碳含量(C)處于0.05%~0.1%之間。主要用于600℃以上， 具有粗晶粒、高蠕變強度的特點。在化工、電廠、石油化學工業(yè)中的過熱器、再熱器、高溫加熱、轉(zhuǎn)化、裂解爐管等方面應用。


  中碳型合金的碳含量在0.03%~0.06%范圍之間，具有中等晶粒度，一 般用于350℃~600℃ 使用的過熱器、再熱器等熱強部件。也適用于高溫(750℃)氣冷堆換熱器。


  低碳型有時也稱改良型。它是標準型合金Cr20Ni32Fe合金的改進和發(fā)展。我 國鋼標號為00Cr20Ni32AlTi。碳含量(C)低于0.03%并要求控制合金中的Ti/C和Ti/C+N比值以及Al、Co等含量。此合金的特點是超低碳、細晶粒，充分穩(wěn)定化、耐應力腐蝕性能優(yōu)良,低碳型合金使用溫度≤350℃ ,主要用于壓水堆蒸發(fā)器。



一、化學成分和組織結構


  經(jīng)近60年的演變、發(fā)展的各種Cr20Ni32合金的派生牌號的化學成分列于表 10-2。



表 10-2.jpg



  表10-2所列合金在高溫固溶快冷條件下的組織為奧氏體，但在500~900℃ 中溫加熱，此合金有可能處于雙相區(qū)，對于Ni處于下限，Cr處于上限的合金可能性更大。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在650℃和750℃長期加熱有δ相析出，但數(shù)量較少，尚不足以影響合金的斷裂性能。


圖 10-10.jpg


  合金的析出行為C曲線，如圖10-10 所示，析出相種類和數(shù)量受合金成分和受熱條件所制約。



二、力學性能


 1Cr20Ni32Fe( Incoloy 800) 合金的室溫力學性能匯總于表10-3,典型的室溫抗拉和抗壓強度見表10-4。表10-5為超低碳型 Cr20Ni32Fe合金的室溫和350℃的力學性能。 溫瞬時拉伸性能如圖10-11和圖10-12所示。Cr20Ni32Fe 合金的高溫長時力學性能見表10-6、圖10-13和圖10-14。


表 10-3.jpg

表 10-5.jpg


三、耐蝕性能


  1. 全面腐蝕


  Incoloy 800合金具有良好的耐HNO3、有機酸、除鹵素鹽外的氧化性和非氧化鹽類的腐蝕，在硝酸中，它可經(jīng)受沸騰溫度70% HNO3的腐蝕。在各種介質(zhì)中的耐蝕性見表10-7。


表 10-7.jpg

表 10-7.1.jpg


  2. 高溫腐蝕


  盡管Cr20Ni32Fe合金在濕態(tài)介質(zhì)中具有較好的耐蝕性，但此類合金良好的耐高溫腐蝕性能是其突出優(yōu)點。在高溫條件下，由于合金中具有較高的銘含量和足夠的鎳含量，使其能形成防護性良好的氧化膜，具有良好的抗?jié)B碳性能，是耐高溫腐蝕的良好材料，在工業(yè)中得到了廣泛應用。


  在高溫爐氣中 Cr20Ni32Fe合金的耐蝕性優(yōu)于一般奧氏體不銹鋼，數(shù)據(jù)見表 10-8。


表 10-8.jpg


    h2+H2S環(huán)境，在石油精煉加工中常常遇到含硫化氫的氫氣腐蝕問題, Cr20Ni32Fe合金的耐蝕性優(yōu)于一般奧氏體不銹鋼，也優(yōu)于Inconel 600合金，試 驗室試驗結果列于表10-9。


表 10-9.jpg

   抗?jié)B碳性能，Cr20Ni32Fe具有良好的抗?jié)B碳性能，試驗室試驗結果見表 10-10。它的抗?jié)B碳性能優(yōu)于常規(guī)不銹鋼，相當于含質(zhì)量分數(shù)為25% 鉻的耐髙溫 腐蝕的奧氏體不銹鋼。



  3. 晶間腐蝕


   Cr20Ni32Fe合金在593 ~816℃之間受熱將出現(xiàn)晶間腐蝕（圖1-4）。對含質(zhì)量分數(shù)為0.04%碳的合金試驗結果指出，最敏感的溫度為650℃（見圖10-15）。影響 Cr20Ni32Fe合金晶間腐蝕的因素是合金中的碳含量，Ti/C[Ti/（C+N）]比值、固溶處理溫度和晶粒尺寸等，其根源是由于Cr23C6在中溫析出所引起的貧鉻所致。盡管此類合金在850℃附近析出TiC沉淀，但不足以解決晶間腐蝕問題。 降低合金中的碳含量，提高合金的穩(wěn)定化程度即提高Ti/C,控制固溶處理溫度和采取細化晶粒尺寸等措施，可有效地降低合金的晶間腐蝕敏感性，如圖10-16和圖10-17所示。


圖 10-15.jpg

圖 10-16.jpg


   4. 應力腐蝕


    a. 高溫水介質(zhì)中


   工程實踐和實驗室試驗表明，在高溫水的某些條件下，低碳的Cr20Ni32Fe (00Cr20Ni32AlTi)合金的耐應力腐蝕性能顯著優(yōu)于18-8型奧氏體不銹鋼.在某些條件下甚至優(yōu)于00Crl5Ni75Fe( Inconel 600)合金。圖10-18 給出了在316℃和 330℃含100×10-6Cl- , 8×10-6 溶解氧的高溫靜水中的應力腐蝕試驗結果，顯然 00Cr20Ni32AlTi 合金的耐應力腐蝕性能，既優(yōu)于 18-8、2520、00Cr25Ni25Si2V2Ti 等不銹鋼，又優(yōu)于Inconel 600和Monel 400合金，但經(jīng)2500~10000小時試驗，它也產(chǎn)生了晶間應力腐蝕斷裂。


圖 10-18.jpg


   盡管Cr20Ni32Fe合金表現(xiàn)出良好的耐應力腐蝕性，但此合金對應力腐蝕并非免疫。在各種高溫水中的耐應力腐蝕性能與合金成分、熱處理條件、冷變形等 有密切關系。試驗結果指出，降低合金中的碳含量(≤0.03%),提高鎳含 量，增大Ti/C比將提高合金的耐應力腐蝕性能。通常敏化和冷變形對合金的耐應力腐蝕性能有害，但有的試驗結果指出，650℃長期時效可顯著降低合金的應力腐蝕敏感性。


   b. 苛性水介質(zhì)中


   在壓水堆蒸發(fā)器和鈉冷快堆蒸發(fā)器中，有可能會出現(xiàn)含NaOH的苛性水介質(zhì)，目前已遇到18-8不銹鋼和 Inconel 600合金的苛性應力腐蝕破裂問題。


圖 10-19.jpg

  大量的研究表明Cr20Ni32Fe合金在含NaOH的苛性水介質(zhì)中的耐應力腐蝕性能取決于NaOH濃度和應力水平(圖10-19 和 圖10-20)。 NaOH濃度和應力水平愈高，合金的耐應力腐蝕性能下降。對低碳型的00Cr20Ni32AITi合金只有在低 NaOH濃度、低應力下才處于免疫區(qū)（見圖10-21，該圖中NaOH為質(zhì)量分數(shù)）。 因此，只有在使用過程中避免高應力出現(xiàn)和防止NaOH濃縮，才能保證采用 00Cr20Ni32AlTi合金設備的安全運行。


   c. NaCl溶液中


  在沸騰溫度不同濃度(物質(zhì)的量濃度)的NaCl溶液中經(jīng)650℃敏化1小時 的1Cr20Ni32Fe合金的應力腐蝕與電位的關系曲線如圖10-22所示。在MgCl2中的 SCC行為如圖10-23所示。在此種介質(zhì)中的耐SCC行為與高性能不銹鋼相同。


圖 10-23.jpg


四、 熱加工、冷加工、熱處理和焊接性能


   1. 熱加工


    Cr20Ni32Fe合金的熱加工性能良好，類似于一般Cr-Ni奧氏體 不銹鋼，熱加工溫度范圍為900~1200℃，合金的熱彎成形通常在1000~1150℃ 范圍內(nèi)進行。熱成形后可以空冷，但為了減輕合金的晶間腐蝕傾向，應盡量快速通過540~760℃敏化區(qū)。


   2. 冷加工


     合金的冷加工成型性能近似于18-8型奧氏體不銹鋼，但加工硬化傾向低于18-8型奧氏體不銹鋼。盡管如此，在冷加工成型過程中，中間軟化退火常常是需要的，中間退火溫度與固溶退火溫度相同。


   3. 熱處理


    合金的固溶退火溫度在920~980℃ , 一般控制在980℃ ,±10℃保溫時間視產(chǎn)品厚度而定，但保溫時間不得少于10分鐘，對于高碳合金且在550℃以上溫度使用者，其固溶處理溫度應為1150~1205℃。消除應力的熱處理，一般在540℃以上即可產(chǎn)生效果，但殘余應力的完全消除需在高于870℃的溫度進行退火。

  

   4. 焊接


    Cr20Ni32Fe型合金焊接性能良好，可釆用通常的焊接方法進行 焊接。試驗表明，釆用新2號焊絲對00Cr20Ni32AlTi合金管材與不銹鋼管板進行 TIG焊接，取得了滿意的效果。合金的抗裂性能良好，接頭的晶間腐蝕、應力腐 蝕等亦近于母材。根據(jù)使用條件可選用表10-11所列的焊接材料。


表 10-11.jpg


五、物理性能


    Cr20Ni32Fe合金的物理性能隨合金的成分和試驗條件會有微小變化，但不會有大的變動。1Cr20Ni32Fe合金(Incoloy 800)的物理性能見表10-12和圖 10-24。


表 10-12.jpg


六、應用


  產(chǎn)品類型和應用舉例：此類合金的冶金生產(chǎn)工藝與通常的18-8型奧氏體不 銹鋼類似，可以提供板（中板、薄板）、管（熱擠壓和冷加工管）、絲、帶、棒 和鍛件等冶金產(chǎn)品，亦可以提供各種鑄件。


  Cr20Ni32Fe合金在含氯化物和低濃度NaOH的苛性水介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐應力 腐蝕性能，廣泛用于制造耐應力腐蝕破壞的設備，代替慣用的18-8奧氏體不銹鋼。


   在動力工業(yè)中，用以制造壓水堆蒸發(fā)器、高溫氣冷堆、鈉冷快堆換熱器，以 及過熱蒸汽管。


   在化學加工業(yè)中，用以制造硝酸冷卻器、醋酐裂化管以及各種換熱設備。