高溫合(he)金是指(zhi)以鐵、鎳、鈷為(wei)基,能(neng)在(zai)600℃以上的高溫下抗(kang)(kang)(kang)氧(yang)化(hua)、耐腐蝕,并(bing)能(neng)在(zai)一定應(ying)力作用(yong)下長期(qi)工(gong)作的一類金屬材料(liao),具(ju)有優異的高溫強度(du),良(liang)好(hao)的抗(kang)(kang)(kang)氧(yang)化(hua)和(he)抗(kang)(kang)(kang)熱腐蝕性(xing)能(neng),良(liang)好(hao)的疲勞性(xing)能(neng)、斷裂韌性(xing)等綜合(he)性(xing)能(neng),又被稱(cheng)為(wei)“超合(he)金,”主要(yao)應(ying)用(yong)于航空、航天(tian)、艦(jian)船、車輛、工(gong)業燃機和(he)能(neng)源領域(yu)。
0Cr22Ni60Mo9Nb4 (Inconel 625) 和 00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti (Inconel 625 plus) 合金既具有良好的耐蝕性、抗氧化性和高強度,又具有良好的成型性和韌性。625與625plus的區別在于后者在化學成分上稍稍降低了鉻、鉬、鈮量,且入了鈦并降碳到超低碳水平。625合金系固溶后借冷加工來提高其強度,而625 plus則靠固溶處理后再經一次或二次時效處理來提高其強度。兩種合金均適于既要求高耐蝕性又要求高強度相匹配的使用條件下。
一、化(hua)學成分和(he)組織特點
0Cr22Ni60Mo9Nb4 (Inconel 625) 和 00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti (Inconel 625plus)兩種合金的化學成分見表,此二合金固溶態均具有純奧氏體組織。由于0Cr22Ni60Mo9Nb4合金中碳量較高,并含有鈮,故合金中會有MC、M6C和M23C6 型碳化物存在且數量又較00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti為多。在中溫時效態兩種合金均有金屬間相析出,它們的數量、成分和結構受化學成分和受熱條件的影響。0Cr22Ni60Mo9Nb4 時效態會有γ”相和8相沉淀,而00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合金固溶處理再經時效會有 γ"-[Ni3 (Nb、Ti、Al)]型金屬間相沉淀,從而可使此合金獲得最高強度。
合金名稱 | 碳 | 硅 | 錳 | 磷 | 硫 | 鎳 | 鉻 | 鉬 | 鐵 | 鋁 | 鈦 | 鈮 |
0Cr22Ni60Mo9Nb4 (Inconel 625) | ≤0.10 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤0.015 | ≤0.015 | ≥58 | 20.0~23.0 | 8.0~10.0 | ≤5.0 | ≤0.4 | ≤0.4 | 3.15~4.15 |
00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti (Inconel 625plus) | ≤0.03 | ≤0.5 | ≤0.5 | ≤0.015 | ≤0.015 | 59~63 | 19.0~22.0 | 7.0~9.5 | 其余 | ≤0.035 | 1.0~1.6 | 2.75~4.0 |
二、 耐腐蝕性能
0Cr22Ni60Mo9Nb4 和00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合金(jin)(jin)在大氣(qi)、天然水、海水、中(zhong)(zhong)性(xing)(xing)鹽(yan)和堿等弱介(jie)質(zhi)中(zhong)(zhong),基(ji)本上(shang)是(shi)無明(ming)顯腐蝕的。在更苛刻的介(jie)質(zhi)中(zhong)(zhong),由(you)于鉻的存在能耐氧(yang)化性(xing)(xing)酸,并(bing)抗高溫氧(yang)化;由(you)于是(shi)鎳(nie)基(ji)且鉬(mu)含量高,因(yin)此(ci)又耐還原性(xing)(xing)酸介(jie)質(zhi)。對于局部(bu)腐蝕,高鉻、鉬(mu)量使(shi)(shi)此(ci)合金(jin)(jin)耐點蝕和縫隙腐蝕,高鎳(nie)、鉻量使(shi)(shi)此(ci)合金(jin)(jin)耐應力腐蝕;高鈮(鈦)量使(shi)(shi)此(ci)合金(jin)(jin)不易產(chan)生晶間腐蝕。
1. 耐全面腐蝕性
①. 在(zai)硝酸中 在(zai)65%HNO3中和沸騰(teng)溫度下,此合金固溶態腐蝕(shi)率≤0.75mm/a.
②. 在硫酸中 表中指出,0Cr22Ni60Mo9Nb4合金在H2SO4中的耐蝕性。在酸洗用酸溶液中(28%H2SO4,5.9%HF,50~79℃)進行試驗,0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金的腐蝕速率為1.225mm/a。0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金在沸騰的H2SO4中是不耐蝕的。
0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金在80℃H2SO4中的耐蝕性 | ||||||
濃度/% | 15℃① | 15℃② | 50℃ | 60℃ | 70℃ | 80℃ |
腐蝕速率 / mm·a-1 | 0.185 | 0.185 | 0.42 | 0.7 | 1.6 | 2.25 |
①. 溶液中通人空氣; | ②. 溶液中通入氮氣。 |
③. 在磷酸中0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金在濃度≤50%的H3PO4中具有非常優良的耐蝕性。當濃度高于50%后,隨H3PO4濃度的增加0Cr22Ni60Mo9Nb4的腐蝕速率急劇升高。因此,此合金僅適用于濃度≤50%的H3PO4。
④. 在氫氟酸中用(yong)(yong)(yong)螢(ying)石與硫酸反應(ying)制取氫氟酸的(de)蒸發器,它的(de)襯里(li)一般用(yong)(yong)(yong)0Cr22Ni60Mo9Nb4合金制造(zao)。與此同時,蒸發器之間的(de)管線、配件等也是采用(yong)(yong)(yong)此合金。在HF氣提(ti)塔頂(ding)部掛片結(jie)果(guo)表明,0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金的(de)全面腐蝕(shi)速率僅為0.075m/a。
⑤. 在(zai)含磷酸的一些介質(zhi)中試驗指出,在(zai)55%H3PO4+0.8%HF 溶液中,0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金的腐蝕速率(lv)為0.412mm/a。
⑥. 在堿(jian)中(zhong)(zhong)在實驗室內50%NaOH中(zhong)(zhong)0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金的年腐蝕速(su)率為0.0125mm/a。經500小時試(shi)驗,未見有應力腐蝕產生。
⑦. 在(zai)鹽酸(suan)中由于此合金鉬含量高,在(zai)室(shi)溫(wen)鹽酸(suan)中有一(yi)定的耐蝕性。但(dan)溫(wen)度(du)升高,耐蝕性下降。
2. 耐局部腐蝕性
①. 耐晶間腐蝕(shi)性
由于(yu)其(qi)鈮含量高,0Cr22Ni60o9Nb4 合金(jin)(jin)具有非常好的耐敏(min)化態晶間(jian)腐蝕(shi)的性能。正是由于(yu)0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金(jin)(jin)的此(ci)(ci)種性能,因而敏(min)化處理或焊后,此(ci)(ci)合金(jin)(jin)不需再進行固溶處理。
根據00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti 和 0Cr22Ni60Mo9Nb4 在硫酸鐵+50%H2SO4沸騰溶液中的晶間腐蝕試驗結果。從這些結果可看出,雖然由于00Cr22Ni60Mo9Nb3Ti雙時效態晶界有大量析出相,在此介質中的耐晶間腐蝕性要低于冷軋態的0Cr20Ni60Mo9Nb4,但卻優于0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti (Inconel 718)。
根(gen)據在ASTM G28A溶(rong)液中(zhong),經(jing)(jing)120銷售(shou)試驗得出(chu)的T-T-S(時間-溫(wen)度-敏(min)(化(hua))曲線(xian)。顯然,軟化(hua)退火處(chu)理(li)再經(jing)(jing)敏(min)化(hua)較固溶(rong)處(chu)理(li)再敏(min)化(hua)的00Cr22Ni60M09Nb4(5923 hMo)合(he)金(jin)晶間腐蝕敏(min)感性要低得多,這與(yu)軟化(hua)退火態經(jing)(jing)敏(min)化(hua)后合(he)金(jin)中(zhong)大量NbC先于鉻碳化(hua)物優先析出(chu),防止晶界(jie)貧(pin)鉻區的形成有關。
②. 耐點(dian)蝕(shi)性
表系(xi)0Cr22Ni60Mo9Nb4和00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合(he)金(jin)等(deng)在(zai)(zai)兩 種酸介質中的(de)耐點(dian)蝕性(xing),可以看出0Cr22Ni60Mo9Nb4和00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti在(zai)(zai)試驗條件下均有優良的(de)耐點(dian)蝕性(xing),而0Cr20Ni55Mo3Nb5Ti(Inconel 718)合(he)金(jin)則耐點(dian)蝕性(xing)不良。
③. 縫隙腐蝕
表系0Cr22Ni60Mo9Nb4和(he)00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti等合(he)金(jin)(jin)的(de)縫隙(xi)腐(fu)蝕試(shi)驗結果。顯然,在所試(shi)驗的(de)條(tiao)件下,625 和(he)625 plus 兩種合(he)金(jin)(jin)的(de)耐縫隙(xi)腐(fu)蝕性能中625 plus稍優(you),但(dan)二者均(jun)顯著優(you)于718合(he)金(jin)(jin)。
④. 應力腐蝕
模(mo)擬實際使用環(huan)境對0Cr22Ni60Mo9Nb4等合(he)金進行了幾種應力腐蝕試驗,結果(guo)見表(biao)。表(biao)系模(mo)擬深氣(qi)井條(tiao)件,在(zai)高壓釜中(zhong)進行試驗所取得的(de)結果(guo),在(zai)此條(tiao)件下,表(biao)明(ming)無論是(shi)C型(xing)(xing)樣還是(shi)U型(xing)(xing)樣,00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合(he)金的(de)耐應力腐蝕性能(neng)都是(shi)最佳。
表(biao)(biao)(biao)系在(zai)5%NaCl+0.5%醋酸+H2S (按(an)NACE TM-077)15%MgCb溶液(ye)沸(fei)騰(teng)溫度下(xia)(xia)進行(xing)試(shi)驗所取得(de)的(de)(de)結果。表(biao)(biao)(biao)的(de)(de)結果表(biao)(biao)(biao)明,試(shi)驗的(de)(de)合金耐應力腐(fu)蝕(shi)性能均良好,沒有斷裂產生。而表(biao)(biao)(biao)的(de)(de)結果表(biao)(biao)(biao)明,5%MgCl2沸(fei)騰(teng)條件下(xia)(xia) 0Cr22Ni60Mo9Nb4 和 00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti耐應力腐(fu)出性能良好,且均優于718合金。
⑤. 腐蝕(shi)疲勞
圖系0Cr22Ni60Mo9Nb4 合(he)金在室(shi)溫(wen)海水(shui)中的腐蝕(shi)疲勞試驗結(jie)果,顯然(ran),0Cr22Ni60Mo9Nb4合(he)金的腐蝕(shi)疲勞強度要高(gao)于(yu)所試驗的 Hastel-loy C和 Incoloy 800 以及通(tong)用不銹鋼304和316。
三(san)、力學性能(neng)等其他性能(neng)
1. 力學性能
一般使(shi)用(yong)(yong)(yong)溫(wen)度(du)≤ 650℃ ,0Cr22Ni60Mo9Nb4 合(he)金適用(yong)(yong)(yong)于冷、熱加工并退火(huo)后使(shi)用(yong)(yong)(yong);使(shi)用(yong)(yong)(yong)溫(wen)度(du)高(gao)于650℃時,則(ze)退火(huo)或固溶(rong)態(tai)均可應用(yong)(yong)(yong)。對于有高(gao)溫(wen)蠕(ru)變或持久(jiu)要(yao)求時,建(jian)議在固溶(rong)態(tai)使(shi)用(yong)(yong)(yong);而細晶粒合(he)金則(ze)在≤ 816℃ 使(shi)用(yong)(yong)(yong)以及在對疲(pi)勞強度(du)、硬度(du)和瞬時強度(du)又要(yao)去的條件(jian)下使(shi)用(yong)(yong)(yong)。
表(biao)系00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)力學性(xing)能。從(cong)表(biao)結(jie)(jie)果(guo)可(ke)知,此(ci)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)經732℃單(dan)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)后屈服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)較(jiao)(jiao)低(di)(690~793MPa),而經雙(shuang)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)后,可(ke)獲得高達827~956MPa的(de)(de)(de)(de)屈服(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)且仍具有較(jiao)(jiao)高塑性(xing),雙(shuang)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)時(shi)(shi)(shi),若將第一次時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)從(cong)718℃提(ti)高到746℃,則(ze)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)硬度(du)也會有所提(ti)高。表(biao)3-5-109的(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)果(guo)表(biao)明,00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合(he)(he)(he)金(jin)(jin)經固溶處理(li)再經746℃x8h爐冷+621℃ × 8小時(shi)(shi)(shi)空冷雙(shuang)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)處理(li)并(bing)在316℃保(bao)持(chi)1000小時(shi)(shi)(shi)后測定其性(xing)能,對此(ci)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)抗(kang)張(zhang)性(xing)能并(bing)無明顯(xian)影響(xiang);表(biao)的(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)果(guo)系經時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)處理(li)的(de)(de)(de)(de)00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合(he)(he)(he)金(jin)(jin)和經冷加(jia)工變形(xing)量25%的(de)(de)(de)(de)0Cr22Ni60Mo9Nb4合(he)(he)(he)金(jin)(jin)在232℃時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)抗(kang)拉性(xing)能,可(ke)以看出,與室溫(wen)性(xing)能相比,經冷加(jia)工變形(xing)提(ti)高強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)0Cr22Ni60Mo9Nb4合(he)(he)(he)金(jin)(jin)其強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)降低(di)明顯(xian),而經時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)處理(li)提(ti)高強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)則(ze)降低(di)較(jiao)(jiao)少,表(biao)系0Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)力學性(xing)能。
2. 物理(li)性能
表列出了 0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金(jin)的物理性能
3. 焊接性能
0Cr22Ni60Mo9Nb4 合金焊接性(xing)能良好。可采用(yong)通用(yong)的焊接方法,例如 GTAW (TIG)、GMAW ( MIG/MAG )和(he)SAW以及SMAW(MMA)等,而不會遇到特殊困難(nan)。
4. 冷(leng)熱加工及(ji)成型性能
由(you)于(yu)0Cr22Ni60Mo9Nb4合(he)金(jin)(jin)較(jiao)高的(de)高溫(wen)變(bian)(bian)形抗(kang)力,因此(ci)需要(yao)較(jiao)高的(de)加(jia)熱(re)溫(wen)度(du),一般(ban)約為1170℃。大量變(bian)(bian)形以(yi)在(zai)1170~1010℃為宜;微量變(bian)(bian)形可在(zai)930℃以(yi)上進(jin)(jin)行(xing)。此(ci)合(he)金(jin)(jin)的(de)冷(leng)加(jia)工和(he)冷(leng)成型(xing)性亦(yi)佳(jia);與(yu)其(qi)他高鎳(nie)、鉻、鉬(mu)合(he)金(jin)(jin)性能相近。圖(tu)系(xi)合(he)金(jin)(jin)冷(leng)變(bian)(bian)形量與(yu)硬度(du)的(de)關(guan)系(xi)并與(yu)其(qi)他材料進(jin)(jin)行(xing)比較(jiao)的(de)結果(guo)。由(you)圖(tu)可知,由(you)于(yu)0Cr22Ni60Mo9Nb4合(he)金(jin)(jin)冷(leng)作硬化傾向(xiang)較(jiao)大,故進(jin)(jin)行(xing)冷(leng)加(jia)工和(he)冷(leng)成型(xing)時要(yao)及(ji)時進(jin)(jin)行(xing)中間軟(ruan)化退(tui)火處理。
5. 熱處理
0Cr22Ni60Mo9Nb4合金用(yong)(yong)(yong)于(yu)高(gao)溫高(gao)強度用(yong)(yong)(yong)途(tu),系在約(yue)1120℃進行(xing)固溶處(chu)(chu)理(合金中含碳(tan)量(liang)~0.05%).用(yong)(yong)(yong)于(yu)耐(nai)濕態(tai)腐蝕用(yong)(yong)(yong)途(tu)(低碳(tan)量(liang)~0.03%)多采(cai)用(yong)(yong)(yong)軟化(hua)退火(huo)處(chu)(chu)理,溫度為950~1050℃(以(yi)~980℃為宜);為了防止焊后的(de)(de)晶間腐蝕傾向,也可在900~1100℃進行(xing)穩定化(hua)處(chu)(chu)理,由于(yu)NbC的(de)(de)優(you)先形成(cheng)可避免鉻(ge)碳(tan)化(hua)物形成(cheng)所導致(zhi)的(de)(de)晶界鉻(ge)貧化(hua)。
00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti合金(jin)的(de)(de)大截面棒(bang)材可(ke)在(zai)(zai)1025~1052℃加(jia)熱,保溫2~4小時(shi)(shi)(shi)后(hou)快冷,此(ci)(ci)時(shi)(shi)(shi)可(ke)獲(huo)得(de)(de)(de)充分再(zai)結晶,同時(shi)(shi)(shi)仍有穩定的(de)(de)高(gao)鈦、鈮的(de)(de)碳(tan)化(hua)物沉淀存在(zai)(zai)。為了使此(ci)(ci)合金(jin)獲(huo)得(de)(de)(de)最高(gao)強度,固溶處理后(hou)可(ke)再(zai)進(jin)行(xing)雙時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao),第一次在(zai)(zai)718~746℃時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)8小時(shi)(shi)(shi),隨(sui)后(hou)以50℃/小時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)速度冷卻到(dao)621℃,再(zai)進(jin)行(xing)保溫8小時(shi)(shi)(shi)的(de)(de)第二次時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao),隨(sui)后(hou)空冷。控制適宜的(de)(de)時(shi)(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)時(shi)(shi)(shi)間,會由于高(gao)鉻、鉬碳(tan)化(hua)物的(de)(de)減少獲(huo)得(de)(de)(de)良(liang)好的(de)(de)耐(nai)點蝕(shi)、耐(nai)縫隙(xi)腐蝕(shi)和(he)耐(nai)應力腐蝕(shi)性能。
四、應(ying)用
由于0Cr22Ni60Mo9Nb4 和 00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti 兩種合金既具有高耐蝕性又具良好的熱強性,因此既可做耐蝕合金又可做熱強合金使用。通常在耐蝕用途中,0Cr22Ni60Mo9Nb4主要用以耐HNO3、HNO3+H2SO4、HNO3+HF的混酸以及含H2SO4和F-、Cl-的濕法磷酸以及耐海水腐蝕等;而00Cr20Ni60Mo8Nb3Ti 合金除在酸介質中和海水中耐蝕性與 0Cr22Ni60Mo9Nb4 相近外,即使在時效態也有優良的耐氯化物和硫化物應力腐蝕的性能以及耐點蝕、耐縫隙腐蝕等性能。兩種合金均可用做耐蝕、高強度材料,制造塔、槽、容器、管線以及反應器、換熱器閥件等。