哈氏合金(Hastelloy alloy)

一、引言
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，在國外已廣泛應用于石油、化工、環(huán)保等諸多領域。其牌號和典型使用場合如下表所示。
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，哈氏合金先后進行了三次重大改進其發(fā)展過程如下：參考:

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)。第三代材料N10675(B-3)、N10629(B-4)、N06059(C-59)處于推廣階段。由于冶金技術的進步，近年來出現(xiàn)了多個牌號的含~6%Mo的所謂“超級不銹鋼”，替代了G系列合金，使得G系列合金的生產(chǎn)和使用迅速下降。

二、典型哈氏合金化學成分

材料的化學成分

Ni Cr Mo Fe C Si Co Mn P S W V Cu Nb+T

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、力學性能參考:

哈氏合金的力學性能非常突出，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，而且其應變硬化傾向極強，當變形率達到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。當溫度較高時，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學性能和耐腐蝕性能下降。

四、常用哈氏合金

1：Hastelloy B-2 alloy(哈氏B-2合金)

一、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合金的中溫熱穩(wěn)定性較差。當哈氏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，使其對應力腐蝕變得敏感，甚至會造成哈氏B-2合金在原材料生產(chǎn)(如熱軋過程中)、設備制造過程中（如哈氏B-2合金設備焊后整體熱處理）及哈氏B-2合金設備在服役環(huán)境中開裂。現(xiàn)今，我國和世界各國指定的有關哈氏B-2合金抗晶間腐蝕性能的標準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成分，還取決于其熱加工的控制過程。當熱加工工藝控制不當時，哈氏B-2合金不僅晶粒長大，而且晶間會析出現(xiàn)高Mo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。

二、物理性能參考

哈氏B-2合金的物理性能如下表所示。

密度：9.2g/cm3, 熔點：1330~1380℃，磁導率：(℃，RT)≤1.001
物理性能
溫度 （℃） 比熱 （J/kg-k） 熱傳導系數(shù) （W/m-k） 電阻率 （μΩcm） 彈性模量 （Gpa） 室溫至T的熱膨脹系數(shù)（10-6/K）
0 373 137 218 
20 377 11.1 137 217 
100 389 12.2 138 213 10.3
200 406 13.4 138 208 10.8
300 423 14.6 139 203 11.1
400 431 16.0 139 197 11.4
500 444 17.3 141 191 11.6
600 456 18.7 146 184 11.8
700 176 

三、化學成分

化學成分
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

四、機械性能

哈氏B-2合金的一般機械性能如下列兩表所示

室溫下的最小力學性能值（參考DIN/ASTM標準）
產(chǎn)品形式 尺寸 (mm) 0.2% 屈服強度(Mpa) 1.0%屈服強度(Mpa) 抗拉強度(Mpa) 延伸率A5 % 布氏硬度 HB 晶粒尺寸（μm）
冷軋板帶 ≤5 340 380 755 40 250 127
熱軋板 5~65 214
棒 325 370 745 - -
管 340 360 755 - -
ASTM 標準 350 - 760 241 同上
高溫下的最小力學性能值
產(chǎn)品形式 0.2%屈服強度（Mpa）℃ 1.0%屈服強度（Mpa）℃
100 200 300 400 100 200 300 400
板 315 285 270 255 355 325 310 295
管 
棒 300 275 255 240 340 315 300 285

五、制造與熱處理

1：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。
2：熱加工
哈氏B-2合金可以在900~1160℃范圍內(nèi)進行熱加工，加工過后應該以水淬火。為了確保有最好的耐蝕性能，熱加工過后應該退火。
3：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，所以成形設備要細心考慮。如果執(zhí)行了冷成形工藝，那么有必要進行級間退火。
冷加工變形量超過15%時，使用前要固溶處理。
4：熱處理
固溶熱處理溫度要控制在1060~1080℃之間，之后進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先的防范。哈氏合金材料或設備部件在進行熱處理時要注意以下一些問題：為了防止設備部件熱處理變形，應采用不銹鋼加強環(huán)；對裝爐溫度、加熱和冷卻時間應嚴格控制；裝爐前，對熱處理件進行預處理，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。
5：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。
6：機加工
哈氏B-2合金要以退火狀態(tài)進行機加工，對它的加工硬化要有清醒的認識，例如：相對于標準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刀量，并使刀具處于連續(xù)的工作狀態(tài)。

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合金的焊接工藝應謹慎制定，嚴格控制。一般焊接工藝如下：焊材選用ERNiMo-7；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進行去污脫脂處理。
哈氏B-2合金熱傳導系數(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力并改善抗應力腐蝕斷裂性能。

2： Hastelloy C-276

一、耐蝕性能
哈氏C-276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)領域有著相當廣泛的應用。
哈氏C-27鎳基合金的各種腐蝕數(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-27鎳基合金中沒有足夠的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