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哈氏合金

美國哈氏合金國際公司

（Haynes International,Inc.） 公司前身的Haynes Stellite Work (哈茨鈷鉻鎢工廠 ）于1921 年創(chuàng)立于美國印地安那州 Kokomo，距今已有91年歷史，在九十余 年經(jīng)歷的生產(chǎn)和研究中不斷創(chuàng)新與發(fā)明，從而在高合金領(lǐng)域穩(wěn)居世 界首位。 Haynes 國際公司注重產(chǎn)品的生產(chǎn)和開發(fā)。主要從事高質(zhì)量 的耐腐蝕和耐高溫鎳-鈷合金的開發(fā)和生產(chǎn)。同時，公司的專家技術(shù) 人員在全球范圍內(nèi)提供進(jìn)一步的客戶服務(wù)和技術(shù)支持。Haynes公司 的服務(wù)中心及分支機構(gòu)能為客戶及時提供板材、棒材、管材、管材、 鍛件、法蘭和連接件等。

哈氏合金

(Hastelloy alloy)　　 哈氏合金是鎳基合金的一種，目前主要分為B、C、G三個系列，它主要用于鐵基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不銹鋼、非金屬材料等無法使用的強腐蝕性介質(zhì)場合，在國外已廣泛應(yīng)用于石油、 化工、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。 哈氏合金(Hastelloy alloy) 一．目前主要分為B、C、G三個系列，它主要用于鐵基Cr-Ni或Cr-Ni-Mo不銹鋼、非金屬材料等無法使用的強腐蝕性介質(zhì)場合。 哈氏合金牌號 為改善哈氏合金的耐蝕性能和冷、熱加工性能，哈氏合金先后進(jìn)行了三次重大改進(jìn)，其發(fā)展過程如下： B系列 ：B → B-2(00Ni70Mo28) → B-3 C系列 ：C → C-276(00Cr16Mo16W4) → C-4(00Cr16Mo16) → C-22 (00Cr22Mo13W3) → C-2000(00Cr20Mo16) G系列 ：G → G-3（00Cr22Ni48Mo7Cu） → G-30(00Cr30Ni48Mo7Cu) 目前使用最廣泛的是第二代材料N10665(B-2)、N10276(C-276)、N06022(C-22)、N06455(C-4)和N06985(G-3)。 從1910 年的 STELLITE （鈷鉻鎢）合金開始，耐磨合金就是 HAYNES 的強項， 1900 年又開發(fā)出來新的耐腐蝕合金 ULTIMET® 。 ULTIMET® 合金表現(xiàn)出了獨有的綜合性能。像其他的鈷基合金一樣，該合金對摩擦，氣蝕，砂漿磨蝕和熱蝕磨損具有抵抗能力。該合金還具有很好的耐蝕性能，延展性能，并且易于焊接和加工。該合金現(xiàn)已成為許多閥。泵和噴嘴制造的標(biāo)準(zhǔn)材料。 耐腐蝕磨損合金

ULTLMET® 合金（R31233）密度： 8.20g/cm

54Co-26Cr-9Ni-5Mo -3F 2-2W-0.8Mn-0.3Si-0.08N -0.06C 高屈服強度合金，抗點蝕與均勻腐蝕能力很強，特別是氧化性酸中。同時還具有優(yōu)異的耐磨性能（氣蝕，擦傷和磨損）。

典型哈氏合金化學(xué)成分

材料的化學(xué)成分 Ni Cr Mo Fe C Si Co Mn P S W V Cu Nb+Ta N10665 (B-2) 基 ≤1.0 26.0~30 ≤2.0 ≤0.02 ≤0.10 ≤1.0 ≤1.0 ≤0.04 ≤0.03 N10276 (C-276) 基 14.5~16.5 15.0~ 17.0 4.0~7.0 ≤0.01 ≤0.08 ≤2.5 ≤1.0 ≤0.04 ≤0.03 3.0~ 4.5 ≤0.035 N06007 (G-3) 基 21.0~23.5 6.0~ 8.0 18.0~21 ≤0.015 ≤1.0 ≤5.0 ≤1.0 ≤0.04 ≤0.03 ≤1.5 1.5~2.5 ≤0.50 三、

力學(xué)性能

哈氏合金的力學(xué)性能非常突出，它具有高強度、高韌性的特點，所以在機加工方面有一定的難度，而且其應(yīng)變硬化傾向極強，當(dāng)變形率達(dá)到15%時，約為18-8不銹鋼的兩倍。哈氏合金還存在中溫敏化區(qū)，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。當(dāng)溫度較高時，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降。

材料的力學(xué)性能

常用哈氏合金

1：Hastelloy B-2alloy(哈氏B-2合金)

耐蝕性能

哈氏B-2合金是一種有極低含碳量和含硅量的Ni-Mo合金，它減少了在焊縫及熱影響區(qū)碳化物和其他相的析出，從而確保即使在焊接狀態(tài)下也有良好的耐蝕性能。 眾所周知，哈氏B-2合金在各種還原性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，能耐常壓下任何溫度，任何濃度鹽酸的腐蝕。在不充氣的中等濃度的非氧化性硫酸、各種濃度磷酸、高溫醋酸、甲酸等有機酸、溴酸以及氯化氫氣體中均有優(yōu)良的耐蝕性能，同時，它也耐鹵族催化劑的腐蝕。因此，哈氏B-2合金通常應(yīng)用于多種苛刻的石油、化工過程，如鹽酸的蒸餾，濃縮；乙苯的烷基化和低壓羰基合成醋酸等生產(chǎn)工藝過程中。 但在哈氏B-2合金多年的工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：（1）哈氏B-2合金存在對抗晶間腐蝕性能有相當(dāng)大影響的兩個敏化區(qū)：1200~1300℃的高溫區(qū)和550~900℃的中溫區(qū)；（2）哈氏B-2合金的焊縫金屬及熱影響區(qū)由于枝晶偏析，金屬間相和碳化物沿晶界析出，使其對晶間腐蝕敏感性較大；（3）哈氏B-2合金的中溫?zé)岱€(wěn)定性較差。當(dāng)哈氏B-2合金中的鐵元素含量降至2%以下時，該合金對β相（即Ni4Mo相，一種有序的金屬間化合物）的轉(zhuǎn)變敏感。當(dāng)合金在650~750℃溫度范圍內(nèi)停留時間稍長，β相瞬間生成。β相的存在降低了哈氏B-2合金的韌性，使其對應(yīng)力腐蝕變得敏感，甚至?xí)斐晒螧-2合金在原材料生產(chǎn)(如熱軋過程中)、設(shè)備制造過程中（如哈氏B-2合金設(shè)備焊后整體熱處理）及哈氏B-2合金設(shè)備在服役環(huán)境中開裂?，F(xiàn)今，我國和世界各國指定的有關(guān)哈氏B-2合金抗晶間腐蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法均為常壓沸騰鹽酸法，評定方法為失重法。由于哈氏B-2合金是抗鹽酸腐蝕的合金，因此，常壓沸騰鹽酸法檢驗哈氏B-2合金的晶間腐蝕傾向相當(dāng)不敏感。國內(nèi)科研機構(gòu)用高溫鹽酸法對哈氏B-2合金進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：哈氏B-2合金的耐蝕性能不僅取決于其化學(xué)成分，還取決于其熱加工的控制過程。當(dāng)熱加工工藝控制不當(dāng)時，哈氏B-2合金不僅晶粒長大，而且晶間會析出現(xiàn)高M(jìn)o的σ相，此時，哈氏B-2合金的抗晶間腐蝕的性能明顯下降，在高溫鹽酸試驗中，粗晶粒板與正常板的晶界浸蝕深度相差約一倍左右。

物理性能

密度：9.2g/cm3, 熔點：1330~1380℃，磁導(dǎo)率：(℃，RT)≤1.001

化學(xué)成分

元素 Ni Cr Fe C Mn Si Cu Mo Co P S 最小 余量 0.4 1.6 26.0 最大 1.0 2.0 0.01 1.0 0.08 0.5 30.0 1.0 0.02 0.010

制造與熱處理

加熱

對于哈氏B-2合金來說，在加熱前和加熱過程中表面保持清潔并遠(yuǎn)離污染物是十分重要的。如果哈氏B-2合金在含有硫、磷、鉛或其他低熔點金屬污染物的環(huán)境下加熱， 則會變脆，這些污染物的來源主要包括標(biāo)記筆痕跡、溫度指示漆、油脂和液體、煙氣。此煙氣必須含硫低；例如：天然氣和液化石油氣含硫量不超過0.1%，城市空氣含硫量不超過0.25g/m3,燃料油的含硫量不超過0.5%即為合格。 對加熱爐的氣體環(huán)境要求是中性環(huán)境或輕還原性環(huán)境，并且不可以在氧化性和還原性之間波動。爐中的火焰不可以直接沖擊哈氏B-2合金。同時要以最快的加熱速度把材料加熱到要求達(dá)到的溫度，即要求首先要把加熱爐的溫度上升到要求溫度，再把材料放入爐中加熱。

熱加工

哈氏B-2合金可以在900~1160℃范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工，加工過后應(yīng)該以水淬火。為了確保有最好的耐蝕性能，熱加工過后應(yīng)該退火。

冷加工

冷加工的哈氏B-2合金必須經(jīng)過固溶處理，由于其具有比奧氏體不銹鋼高得多的加工硬化率，所以成形設(shè)備要細(xì)心考慮。如果執(zhí)行了冷成形工藝，那么有必要進(jìn)行級間退火。冷加工變形量超過15%時，使用前要固溶處理。

熱處理

固溶熱處理溫度要控制在1060~1080℃之間，之后進(jìn)行水冷淬火或材料厚度在1.5mm以上時可以快速空冷以獲得最好的耐蝕性能。在任何加熱操作過程中，材料的表面清潔均要有預(yù)先的防范。哈氏合金材料或設(shè)備部件在進(jìn)行熱處理時要注意以下一些問題：為了防止設(shè)備部件熱處理變形，應(yīng)采用不銹鋼加強環(huán)；對裝爐溫度、加熱和冷卻時間應(yīng)嚴(yán)格控制；裝爐前，對熱處理件進(jìn)行預(yù)處理，防止產(chǎn)生熱裂紋；熱處理后，對熱處理件100%PT；在熱處理過程中如產(chǎn)生熱裂紋，經(jīng)過打磨消除后需補焊者，要采用專門的補焊工藝。

除垢

哈氏B-2合金表面的氧化物和焊縫附近的污點都要以精細(xì)的砂輪等打磨干凈。 由于哈氏B-2合金對氧化性介質(zhì)比較敏感，因此酸洗過程中會產(chǎn)生較多的含氮元素的氣體。

機加工

哈氏B-2合金要以退火狀態(tài)進(jìn)行機加工，對它的加工硬化要有清醒的認(rèn)識，例如：相對于標(biāo)準(zhǔn)奧氏體不銹鋼要采用較慢的表面切削速度，對于表面的硬化層要采用較大的進(jìn)刀量，并使刀具處于連續(xù)的工作狀態(tài)。

焊接

哈氏B-2合金焊縫金屬及熱影響區(qū)由于易析出β相而導(dǎo)致貧Mo，從而易于產(chǎn)生晶間腐蝕，因此，哈氏B-2合金的焊接工藝應(yīng)謹(jǐn)慎制定，嚴(yán)格控制。一般焊接工藝如下：焊材選用ERNi-Mo7；焊接方法GTAW；控制層間溫度不大于120℃；焊絲直徑φ2.4、φ3.2；焊接電流90~150A。同時，施焊前，焊絲、被焊接件坡口及相鄰部位應(yīng)進(jìn)行去污脫脂處理。 哈氏B-2合金熱傳導(dǎo)系數(shù)比鋼小得多，如選用單V型坡口，則坡口角度要在70°左右，采用較低的熱輸入量。通過焊后熱處理可以消除殘余應(yīng)力并改善抗應(yīng)力腐蝕斷裂性能。 2： Hastelloy C-276合金(哈氏C-276合金)

耐蝕性能

哈氏C-276合金屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金。它是現(xiàn)代金屬材料中最耐蝕的一種。主要耐濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸與氧化性鹽，在低溫與中溫鹽酸中均有很好的耐蝕性能。因此，近三十年以來、在苛刻的腐蝕環(huán)境中，如化工、石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。 哈氏C-276合金的各種腐蝕數(shù)據(jù)是有其典型性的，但是不能用作規(guī)范，尤其是在不明環(huán)境中，必須要經(jīng)過試驗才可以選材。哈氏C-276合金中沒有足夠的Cr來耐強氧化性環(huán)境的腐蝕，如熱的濃硝酸。這種合金的產(chǎn)生主要是針對化工過程環(huán)境，尤其是存在混酸的情況下，如煙氣脫硫系統(tǒng)的出料管等。下表是四種合金在不同環(huán)境下的腐蝕對比試驗情況。(所有焊接試樣采用自熔鎢極氬弧焊)

四種金屬在不同環(huán)境下的腐蝕對比試驗

試驗環(huán)境 （沸騰） 腐蝕率 （毫米/） 典型316 AL-6XN Inconel625 C-276 基本 金屬試樣 焊接 試 樣 基本 金屬 試樣 焊接 試 樣 基本 金屬 試樣 基本 金屬 試樣 焊接 試 樣 20%醋酸 0.003 0.003 0.0036 0.0018 0.0076 0.013 0.006 45%蟻酸 0.277 0.262 0.116 0.142 0.13 0.07 0.049 10%草酸 1.02 0.991 0.277 0.274 0.15 0.29 0.259 20%磷酸 0.177 0.155 0.007 0.006 0.001 0.001 0.0006 10%氨基磺酸 1.62 1.58 0.751 0.381 0.12 0.07 0.061 10%硫酸 9.44 9.44 2.14 2.34 0.64 0.35 0.503 10%碳酸氫鈉 1.06 1.06 0.609 0.344 0.10 0.07 0.055 哈氏C-276合金可以用作燃煤系統(tǒng)的煙氣脫硫部件，在這種環(huán)境下C-276是最耐蝕的材料。下表是C-276合金和典型316在煙氣模擬系統(tǒng)“綠色死亡”溶液中的腐蝕對比試驗情況。 “綠色死亡”溶液中的腐蝕對比試驗 “綠色死亡”溶液 （沸騰） 腐蝕率 (mm/a) 典型316 C-276 7%硫酸 破壞 0.67 3%鹽酸 1%CuCl2 1%FeCl3 由上表可見，C-276合金對混合的具有氯離子的酸、鹽溶液有很好的耐蝕性能。 哈氏C-276合金中Cr、Mo、W的加入將C-276合金的耐點蝕和縫隙腐蝕的能力大大提高。C-276合金在海水環(huán)境中被認(rèn)為是惰性的，所以C-276被廣泛地應(yīng)用在海洋、鹽水和高氯環(huán)境中，甚至在強酸低PH值情況下。下表是四種金屬在6%FeCl3(按ASTM標(biāo)準(zhǔn)G-48執(zhí)行)溶液中發(fā)生縫隙腐蝕的對比情況。

縫隙腐蝕發(fā)生情況

合金 縫隙腐蝕發(fā)生溫度 °F °C 典型316 27 2.5 AL-6XN 113 45 Inconel625 113 45 C-276 140 60 C-276合金中高含量的Ni和Mo使其對氯離子應(yīng)力腐蝕斷裂也有很強的抵抗能力，下表是四種金屬在不同含氯離子溶液中的應(yīng)力腐蝕斷裂試驗情況。

氯離子應(yīng)力腐蝕斷裂試驗情況

試驗溶液 彎曲U形試樣試驗時間（Hours）和試驗結(jié)果 典型316 AL-6XN Inconel 625 C-276 42%MgCl2(沸騰) 失敗(24小時) 兼有(1000小時) 抵抗(1000小時) 抵抗(1000小時) 33%LiCl(沸騰) 失敗(100小時) 抵抗(1000小時) 抵抗(1000小時) 抵抗(1000小時) 26%NaCl(沸騰) 失敗(300小時) 抵抗(1000小時) 抵抗(1000小時) 抵抗(1000小時)

物理性能

密度：8.90g/cm3, 比熱：425J/kg/k, 彈性模量：205Gpa(21℃)

機械性能

典型的C-276合金的拉力試驗結(jié)果如下表所示，其材料是在1150℃退火，并以水急冷。 力學(xué)性能試驗值 溫 度 (℃) 屈服強度σ0.2 (Mpa) 抗拉強度σb (Mpa) 延伸率δ5 （%） -196 565 965 45 -101 480 895 50 21 415 790 50 93 380 725 50 204 345 710 50 316 315 675 55 427 290 655 60 538 270 640 60 對C-276合金進(jìn)行冷變形加工會使其強度增加。在對其進(jìn)行沖擊試驗時，V形槽沖擊試樣采用10mm厚的板材（板材要經(jīng)過退火處理），如果試樣是采用焊接的試樣，則在同樣的溫度范圍，它會顯示出一定的柔韌性，這是因為焊縫的原因。板材沖擊試驗結(jié)果如下表所示。

試驗溫度（℃） V形槽試樣沖擊功（J）

-196 245 21 325 200 325 C-276合金和普通奧氏體不銹鋼有相似的成形性能。但由于其比普通奧氏體不銹鋼的強度要大，所以，在冷成形加工過程中會有更大應(yīng)力。此外，這種材料的加工硬化速度比普通不銹鋼快得多，因此在有廣泛冷成形加工過程中，要采取中途退火處理。 四、焊接及熱處理 C-276合金的焊接性能和普通奧氏體不銹鋼相似，在使用一種焊接方法對C-276焊接之前，必須要采取措施以使焊縫及熱影響區(qū)的抗腐蝕性能下降最小，如鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）、金屬極氣體保護(hù)焊（GMAW）、埋弧焊或其他一些可以使焊縫及熱影響區(qū)抗腐蝕性能下降最小的焊接方法。但對于諸如氧炔焊等有可能增加材料焊縫及熱影響區(qū)含碳量或含硅量的焊接方法是不適合采用的。 關(guān)于焊接接頭形式的選擇，可以參照ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范對C-276焊接接頭的成功經(jīng)驗。 焊接坡口最好采用機械加工的方法，但是機械加工會帶來加工硬化，所以對機械加工的坡口處進(jìn)行焊接前打磨是必要的。 焊接時要采用適宜的熱輸入速度，以防止熱裂紋的產(chǎn)生。 在絕大多數(shù)腐蝕環(huán)境下，C-276都能以焊接件的形式應(yīng)用。但在十分苛刻的環(huán)境中，C-276材料及焊接件要進(jìn)行固溶熱處理以獲得最好的抗腐蝕性能。 C-276合金的焊接可以選擇自身作焊接材料或填料金屬。如要求在C-276的焊縫中添加某些成分，象其它鎳基合金或不銹鋼，并且這些焊縫將暴露在腐蝕環(huán)境中時，那么，焊接所用的焊條或焊絲則要求有和母材金屬耐腐蝕相當(dāng)?shù)男阅堋?/span> 哈氏C-276合金材料固溶熱處理包括兩個過程：（1）在1040℃~1150℃加熱；（2）在兩分鐘之內(nèi)快速冷卻至黑色狀態(tài)（400℃左右），這樣處理后的材料有很好的耐蝕性能。因此僅對哈氏C-276合金進(jìn)行消應(yīng)力熱處理是無效的。在熱處理之前要清理合金表面的油污等可能在熱處理過程中產(chǎn)生碳元素的一切污垢。 C-276合金表面在焊接或熱處理時會產(chǎn)生氧化物，使合金中的Cr含量降低，影響耐蝕性能，所以要對其進(jìn)行表面清理?？梢允褂貌讳P鋼絲刷或砂輪，接下來浸入適當(dāng)比例硝酸和氫氟酸的混合液中酸洗，最后用清水沖洗干凈。

哈氏合金發(fā)展過程

1、哈氏合金來自Hastelloy，始于哈氏B合金，應(yīng)用于航空器的火箭噴嘴；隨后的哈氏C合金在化工工業(yè)，石油化工，核能源工業(yè)及制藥行業(yè)得到應(yīng)用與推廣；緊接著的哈氏X合金表現(xiàn)出了極好的耐高溫性能，伴隨著噴氣式飛機工業(yè)的急速增長。 2、由于早期的哈氏合金B(yǎng),哈氏合金C,以及哈氏合金X合金需要焊接后固溶處理，否則，焊接熱影響區(qū)的耐腐蝕性能會大大降低；所以上述合金已經(jīng)逐漸被改進(jìn)或不再使用； 3、影響上述材料焊接性能的關(guān)鍵原因在于C,Si含量，由于精煉技術(shù)的出現(xiàn)與提高，哈氏合金焊接方面的問題得以改善，于是出現(xiàn)很多現(xiàn)在正在推廣使用的改進(jìn)型的哈氏B系列，哈氏C系列合金等，非常遺憾的是很多哈氏合金的生產(chǎn)與推廣單位反而將前期的哈氏合金取代后來改進(jìn)的哈氏合金，不僅不降低C,Si含量，反而回到以前高Si,高C含量上；特殊鋼事業(yè)的推廣任重道遠(yuǎn)。 4、耐還原性介質(zhì)的哈氏B系列合金在哈氏B牌號的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的側(cè)重點包括極低的C,Si含量改善焊接區(qū)域的性能，進(jìn)一步合金化思路，純凈化鋼水思路的應(yīng)用等，這樣哈氏合金B(yǎng)系列出現(xiàn)哈氏B-2,哈氏B-3,哈氏B-4合金；其中哈氏B-2合金一定程度上解決了焊接區(qū)域性能問題；哈氏B-3解決了哈氏B-2容易析出Ni-Mo沉淀硬化的缺點，極大的改善了熱加工與冷加工性能。 5、還原性環(huán)境應(yīng)用材料哈氏B系列改進(jìn)過程中；在氧化還原復(fù)合環(huán)境中的哈氏C系列合金也在持續(xù)改進(jìn)，其中哈氏C276合金由于更低的C,Si含量而一定程度上改進(jìn)了焊接區(qū)域性能問題，但是仍舊不太滿意，加上加工性能沒能加大改善；而哈氏C22材料較徹底解決了焊接區(qū)域的耐腐蝕問題，加工性能問題，更主要是在材料成本不提高的基礎(chǔ)上解決的，所以哈氏C22材料是哈氏C系列中性價比最高的材料，以后必將更大批量的應(yīng)用；而新近開發(fā)的哈氏C2000材料在合金中加入了Cu,這拓展了哈氏C合金在還原性環(huán)境中的腐蝕能力，為更安全的使用，為更高的設(shè)備壽命要求，新工藝試制場合提供了可能。