HASTELLOY G-30哈氏合金

一、名称

HASTELLOY G-30

二、概括

哈氏合金具有良好的物理性能和力学性能, 在很多介质中, 甚至在强腐蚀性介质中都具有很高的耐蚀性, 是石油、化工、化肥 、原子能等工业中普遍使用的结构材料。从 80 年代起, 通过对镍基合金大量的改进研究, 已开发了一种新的专用高耐蚀哈氏合金HASTELLOY G-30。它具有良好的耐蚀性和较低的价格, 在国外已应用于许多场合。为了深入了解及合理使用Hastelloy G-30( 以下简称G-30) 。

最早G合金是针对磷酸工业生产需要而设计的。G合金在大多数磷酸介质中表现出合格的性能, 但在某些场合下( 如换热器、蒸发器) 其耐蚀性较差, 经改进的G-3 和更昂贵的625镍基合金的耐蚀性也无明显提高[1, 2] 。根据合金元素的作用, 在G-3基础上增大Cr含量至 30%, 再加入1%～ 2%的Cu, 这对于湿法磷酸工艺中硫酸浓度变化大, 从开始的轻微氧化性到随后的还原性介质是必要的。为了提高对非氧化性及含有卤素离子介质的耐蚀性, 使合金得到固溶强化, 在合金中加入4%～ 6%的 Mo 和2%～3%的W ;为了降低原材料成本, 加入 10%～20%的Fe, 这样就设计成了G-30( UNS 编号为No6030) [ 3] 的标准化学成分( Ni 基-30Cr- 15Fe-5M o-2 .5W-1 .5Cu) , 详见表1。

三、特性

Hastelloy G-30哈氏合金是一种以镍、铬、钴、钨等元素组成的镍基高温合金，含镍量约为37%。Hastelloy G-30对于商用磷酸以及许多高氧化性酸介质的混合性环境如硝酸/盐酸、硝酸/氢氟酸和硫酸有较其他多数镍基和铁基合金更卓越的抗腐蚀性。G30合金能够阻止焊接热影响区内晶界沉淀的形成，因此它的焊态的产品适用于各种化学处理工程的用途。

四、对应牌号：

W.NR 2.4603   UNS N06030  AWS 056  NS3404  

五、执行标准

ASTM B619 NACE MR0175 / ISO 15156-3

六、化学成分表

表 1   G-30的化学成分

七、品种

棒材、管材、板材、丝材、带材、焊材等。

八、力学性能

1.密度8.22(0.297)

2.熔点：1399℃（2550℉）

3.膨胀系数：

12.8μm/m℃(20-1000℃)

7.1*10-6in/in℉(70-212℉)

4.刚性模数：77.6KN/MM2(11255ksi)

G-30力学性能见表2 。

所有试样经固溶处理:加热至1 177 ℃, 快速空冷或水冷。

九、 G-30耐腐蚀性能

从大量的腐蚀试验结果可知, G-30在磷酸中有很好的耐蚀性, 腐蚀速率通常在0.025～2.50mm/a的范围内, 它的耐蚀性要比G合金或625高2～10倍。G-30不仅在磷酸中有很好的耐蚀性, 而且在其他酸性介质( 如硫酸 、硝酸、甲酸) 中, 也比G-3具有更好的耐蚀性。与许多不锈钢相比, G-30在不同环境的混合酸介质中其耐蚀性能也表现不凡。在 H2SO4+HNO3和 H2SO4+Fe2(SO4)3溶液中, 高铬的G-30和SAN28合金的腐蚀速率最低。

表 3：工业磷酸＊中 4 种合金的均匀腐蚀速率,具体图表可咨询墨……钜客服索取。

表 4：不同酸中 7 种合金的均匀腐蚀速率,具体图表可咨询墨）钜客服索取。

表 5：7 种合金的临界点蚀温度,具体图表可咨询墨#！钜客服索取。

当介质中含卤素元素(如HCl或HF)时, 与316L、904L、SA N28、20CB-3和625合金相比, G-30表现出最好的耐蚀性。特别是在HNO3+HF混合酸中, G-30的耐蚀性优于所有对比不锈钢及625合金。由G-30等腐蚀速率曲线图1和图2可以看出,G-30在室温下任何浓度的盐酸和硫酸中都有极低的腐蚀速率。但随着温度升高, 其腐蚀速率增大, 在选用G-30时就要慎重考虑, 根据实际条件进行试验, 以便确定该合金是否适应使用场合。

图 1：G-30在盐酸中等腐蚀速率曲线,具体图表可咨询墨8钜客服索取。

图 2：G-30在硫酸中等腐蚀速率曲线,具体图表可咨询墨#钜客服索取。

由于G-30含铬量较高,又含有钼,其耐均匀腐蚀性能提高的同时,也具有较高的与G或G-3相当的耐局部腐蚀能力(如点蚀、缝隙腐蚀),但比所有对比不锈钢的抗点蚀能力都好很多。虽然上面所述都是实验室结果, 但这说明G-30对工业磷酸、硫酸、硝酸与盐酸、硝酸与氢氟酸混合酸以及其他复杂环境下的强氧化酸, 显示出比其他镍基合金和铁合金都具有更优良的耐蚀性, 为该合金的推广应用奠定了基础。

十、加工性能

G-30具有良好的成形加工性能, 特别适于冷加工, 其延展性好, 但比奥氏体不锈钢硬且易加工硬化。因此冷成形时所需能量较大, 对多次冷成形必要时须增加中间退火。一般来讲冷加工不会影响G-30抵抗均匀腐蚀的能力, 也不会影响抗局部腐蚀的能力。但须注意的是, 纤维方向延伸率为≥10时, 在某些介质中, G-30构件中的残余应力将会导致应力腐蚀裂纹产生。可通过热处理减小或消除残余应力。

G-30也可进行锻造、热卷、热( 冷) 冲压等一系列热加工, 但须注意它的热加工温度范围较窄, 因此操作时应十分小心, 以获得满意的加工效果。

十一、焊接性能

G-30的焊接性能在许多方面与奥氏体不锈钢相似,只要按正确的焊接技术和工艺要求进行操作, 焊接是不成问题的。为了获得高质量的焊缝,首先应编制和评定焊接工艺, 主要考虑:母材和焊接金属匹配、焊接方法、接头形式、电源特性、预热、层间温度控制和焊后热处理等。

母材是G-30的焊接,与之相匹配的焊接金属应选用焊丝ER NiCrMo-11, 即UNS N06030(钨极和溶化极气体保护焊),或使用药皮焊条ENiCrMo-11, 即UNS W86030(手工电弧焊)。

对于焊接方法除上述几种外, 一般不要使用氧乙炔焊和埋弧自动焊, 因为埋弧焊热量输入大, 而焊接冷却速度慢, 可能造成热裂纹、铬损失( 若使用非铬填充剂) 和硅偏析等。选择电源时应使焊接热量输入控制在低到中等范围内。为了获得高质量的焊缝, 必须仔细考虑接头形式及焊道的布置。焊接时, 不宜采用宽焊道, 电极不宜横向摆动, 而应采用窄焊道焊接技术。

G-30焊接坡口区焊前准备非常重要。坡口可以用机械加工或热切割方法加工( 氧乙炔切割除外) , 所有热切割边缘在焊前都必须打磨光亮, 露出母材金属。焊前坡口及附近区域应彻底清污, 用合适的溶剂清理一切油、脂 、颜色标记、切割油、机加润滑剂、腐蚀产物、铁锈 、涂料、污垢、染料 、硫化物及其他杂质。

一般G-30焊接时无需预热, 除非母材表面有水。控制层间温度一般可采用辅助冷却 ( 如水冷) 。当在薄壁容器的外表面上安装附件时, 最好在容器的内表面作辅助冷却以减小热影响区的范围。通常G-30焊后无需进行固溶处理或消除应力处理, 以焊态使用。

十二、热处理

G-30锻件均以固溶处理状态供货。固溶处理是加热到1177 ℃, 然后快速空冷或水冷。热成形零部件, 在最终装配前均须进行固溶处理。

十三、应用

工业应用

80 年代初G-30问世以来, 美国在现有不锈钢及传统的高性能合金不能满足要求的各种化工工业中, 迅速地推广使用了G-30。尤其是在湿法磷酸生产过程中, 其用量不断扩大。虽然最初设计 G-30是为了满足磷酸生产过程中提高材料耐蚀性的要求, 但在许多工业中该合金也能满足长久耐蚀的要求, 在硫酸、硝酸/ 氢氟酸混合溶液中, 可以取代C-276 合金。G-30可制作闪蒸塔、管板式热交换器( HNO3/ HF介质)、酸洗吊篮、台架、气体加热器(含3～5HF)、管材( 氨基氟硅酸盐介质) 以及各种工业腐蚀环境下的管材、线材和衬里 。

十四、经济性分析

对于具体的工业用途, 材料的经济性选择受各种因素的影响, 最主要的是耐蚀性能和成本价格两方面。如果认为成本是主要因素时, 具有最长使用寿命的材料并非总是最佳选择。因为采用耐用材料而支付的费用很可能高于因腐蚀偶尔更换部件的费用和损失[4] 。相反地, 从设备操作、维修和性能的可靠性出发, 就要求正确地选择材料。如果设备因腐蚀而需要过多的维修, 甚至最终以较高的费用来更换, 那么, 最初的低成本优势将不复存在, 还不如在最初选材时把耐蚀性能作为主要因素。

G-30的设计就是以提高合金耐蚀性为出发点, 使不可预见的失效危险性减至最小[5], 通过选择最低初始成本的材料来获得最经济的设备使用寿命[6]。综合考虑Cr、Fe、Mo+W的化学成分, 与其他合金相比, G-30确实是一种具有优良耐蚀性的低成本材料。

如果从设备的寿命周期内的维修费、停工损失、折旧和税收等方面考虑, G-30可能在某些场合下是更为经济的选择了。曾经有人对一台预期寿命为 5 年的G-30换热器平均年度费用作过估算与几种优质不锈钢制换热器相比, 认为G-30是经济的材料[7]。

结束语

综上所述, 与优质不锈钢( 如904L、20CB-3、SAN 28)及高性能合金(如825、G-3、625、690) 相比, G-30在许多腐蚀场合中, 表现出更好的耐蚀性, 其价格在优质不锈钢范围内, 比高性能合金低一点(或相当)。当考虑设备维修、经济性和其他因素时, 它可以和非金属材料( 如石墨管换热器)竞争, 是一种新型的、具有良好耐蚀性的结构材料。当然, 最近几年新开发的镍基合金B-3、B-4、59 和686也属高性能合金, 有些场合下耐蚀性比G-30还要高, 使用时可按照实际情况灵活选择, 以满足工况要求。