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特種金屬材料的耐腐蝕特點及應用

靜態混合器|混合器|管道混合器 加入時間:2017-11-23 15:05:48  點擊:
隨著國內經濟的快速發展尤其是化工行業的技術改造升級的加快,特種金屬材料在國內的應用越來越廣泛,尤其是在石油、化工等相關行業,對生產設備的材料也提出了越來越高的防腐要求,從而帶動了國內相關研究院所和加工企業(如合肥通用所、寶雞有色金屬加工廠等)對此的開發研究,以及相關設備制造廠家對于特種金屬材料設備制造技術裝備能力的提高(如爆炸復合技術的應用),這期間也離不開國家政府的推動(國家鈦辦、中石化國產化辦公室),使得國產化進程不斷加快。同時一些國際特種材料供應商(德國克虜勃、美國冶聯公司等)的大力宣傳也推動了特材應用的步伐,這些因素都在不同程度上推動了國內特種金屬材料的開發應用。 鈦及鈦合金 中國鈦合金的生產與國外基本同步,但其推廣應用要落后一些,尤其是民用。同時由于近幾年來國外走私鈦材及一些設備加工企業的無序競爭,一些不具備生產能力的企業以及一些中小鄉鎮企業采用劣質材料或以次充好也在一定程度上擾亂了鈦設備市場,使設備使用廠家談‘鈦’色變,因此這種狀況也對中國的鈦設備行業的發展起到一定阻礙作用,須引起相關管理部門的注意,并且也應成為正在發展的其他特材的前車之鑒。 常用鈦材牌號(有國家材料標準) 1. 鈦材的耐腐蝕特點 鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬,在空氣中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一層穩定的氧化性保護膜,即使因為某些原因膜遭破壞,也能迅速自動恢復。因此鈦在氧化性、中性介質中具有優異的耐腐蝕性。 由于鈦的巨大鈍化性能,在許多情況下與異種金屬接觸時,并不加快腐蝕,而可能加快異種金屬的腐蝕。如在低濃度非氧化性的酸中,若將Pb、Sn、Cu或蒙乃爾合金與鈦接觸形成電偶時,這些材料腐蝕加快,而鈦不受影響。而在鹽酸中,鈦與低碳鋼接觸時,由于鈦表面產生新生氫,破壞了鈦的氧化膜,不僅引起鈦的氫脆,而且加快鈦的腐蝕,這可能是由于鈦對氫有高度的活性所致。 鈦中的含鐵量對某些介質中的耐腐蝕性能有影響,鐵增多的原因除原材料的原因外,常常是焊接時沾污的鐵滲入焊道,使焊道中局部含鐵量增高,這時腐蝕具有不均勻的性質。使用鐵件支撐鈦設備時,鐵鈦接觸面上的鐵沾污幾乎是不可避免的在鐵沾污區腐蝕加速,特別是在有氫存在的情況下。當沾污表面的鈦氧化膜發生機械損壞時,氫就滲入金屬,根據溫度、壓力等條件,氫發生相應的擴散,這使鈦產生不同程度的氫脆。因此鈦在中等溫度和中等壓力和含氫系統中使用要避免表面鐵污染。 在一般情況下,鈦不會發生孔蝕。 鈦還具有抗腐蝕疲勞穩定性。 鈦耐縫隙腐蝕性能較好,尤其是Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd合金,因此Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd合金廣泛用于容器設備的密封面材料,以解決設備密封面縫隙腐蝕問題。 2. 鈦材的應用 由于鈦材的優良耐腐蝕性能,鈦材廣泛應用于石油、化工、制鹽、制藥、冶金、電子、航空、航天、海洋等相關領域。 鈦對大多數鹽溶液來說具有優異的耐蝕性,如鈦在氯化物溶液中比高鉻鎳鋼耐蝕,并無孔蝕現象。但在三氯化鋁中腐蝕率較高,這與三氯化鋁水解后產生濃鹽酸有關。鈦對熱的亞氯酸鈉和各種濃度的次氯酸鹽也有良好的穩定性。因此鈦材廣泛用于真空制鹽和漂粉精行業。 鈦對大多數的堿溶液具有良好的耐蝕性。鈦在濃度小于50%的氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液中較為穩定。如果堿溶液中含有氯離子或氯化物,則其耐蝕性甚至超過鎳和鋯。但在溫度和濃度增大的情況下,腐蝕會增大。現在氯堿行業是國內民用鈦材應用的最大領域。 鈦在干燥的氯氣中不耐蝕,同時有著火的危險,但在潮濕的氯氣中具有很高的穩定性,超過鋯、哈氏合金C及蒙乃爾合金,甚至在飽和氯氣的硫酸、鹽酸和氯化物等介質中也穩定,所以鈦材是硫酸法鈦白粉生產關鍵設備的首選材料。 由于鈦材在碳氫化合物中的耐蝕性很好,甚至在含有酸及氯化物類雜質時也很好。因此鈦材在有機化工中也廣泛應用,如PTA(精對苯二甲酸),PVA(維尼綸)等。 鈦材在海水中具有優異的耐腐蝕性能,因此鈦材也廣泛應用于海洋石油鉆井平臺、海水淡化等海洋領域。 鎳及鎳基合金 1.鎳及鎳基合金的國內生產狀況 國內工業用純鎳完全可以自行生產,但一些鎳基合金則主要依賴進口。 鎳及鎳基合金種類(部分有國家材料標準) 常用的鎳及鎳基合金型號有:純鎳 N6;Monel 400; Hastelloy B、Hastelloy B-2; Hastelloy C-276等。 鋯塔 2.鎳及鎳基合金的耐腐蝕性能 鎳具有較大的轉入鈍態的傾向。在一般溫度下鎳的表面覆蓋一層氧化膜,這層氧化膜使它在水及許多鹽類水溶液中具有耐蝕性。 鎳在非氧化性稀酸中,如<15%鹽酸、<17%硫酸和許多有機酸中,在室溫下相當穩定。但在增加氧化劑(FeCl2、CuCl2、HgCl2、AgNO3和次氯亞酸鹽)和通氣時,鎳的腐蝕速度顯著增加。 鎳在所有堿類溶液中,不論是高溫的還是熔融的堿都完全穩定,這是鎳的突出特性。 蒙乃爾合金在還原性介質中比鎳耐腐蝕,在氧化性介質中又較銅耐腐蝕,在磷酸、硫酸、鹽酸、鹽類溶液和有機酸中都比鎳和銅更為耐腐蝕。 任何濃度的氫氟酸中,在氧進入不多時蒙乃爾合金很耐蝕。但當溶液中有充氣和有氧化劑時,或者溶液中存在鐵鹽、銅鹽等有害雜質時,它耐氫氟酸性能下降。在金屬材料中除鉑、銀外,它是耐氫氟酸腐蝕的最好材料之一。 在苛性堿溶液中它很耐蝕,但當氫氧化鈉濃度很高時,蒙乃爾合金的耐腐蝕性雖比鎳差一些,但仍比其他金屬材料耐堿。 蒙乃爾合金容易產生應力腐蝕開裂,最好在530-650℃退火消除應力后使用。 哈氏合金常用的是哈氏B(B-2、B-3)和哈氏C-276,它們在非氧化性的無機酸和有機酸中有高的耐蝕性,如耐70℃的稀硫酸,耐所有濃度的鹽酸、磷酸、醋酸和蟻酸,特別能耐熱濃鹽酸。 哈氏合金在苛性堿和堿溶液中是穩定的,在有機介質、海水及淡水中完全穩定。 白銅(B10、B30) 白銅是銅鎳合金,白銅國內可以滿足生產,主要由洛銅生產。 白銅的耐蝕性能基本與純銅相似,在無機酸中,特別是硝酸中會發生嚴重的腐蝕。但對于濃度<70%的氫氟酸,在無氧及低于沸點的情況下是耐蝕的。在有機酸中白銅腐蝕不大,在堿性溶液和有機化合物中腐蝕率很小。 在苛化法燒堿中,或在隔膜電解燒堿中,可以采用B30(70-30銅鎳合金來代替純鎳制造膜式蒸發器設備,特別是降膜部分,它不僅可以提高使用壽命,而且可以節約70%的鎳。B10(91-9銅鎳合金)也可以代替純鎳來制造升膜蒸發器的蒸發管、蒸發室等設備。 白銅在海水中具有較高的耐蝕性,因此用海水冷卻的換熱器經常采用B10、B30的白銅。 鋯材 常用鋯及鋯合金牌號有:非核用鋯R60702、R60703、 R60704、 R60705、 R60706。 中國雖然沒有鋯和鋯合金容器的規范,但已能生產核用和非核用的鋯材。 鋯有比不銹鋼、鎳基合金、鈦更優異的耐腐蝕性能,力學性能和工藝性能也很適于制造容器及換熱器。但由于價格昂貴,過去使用較少。但隨著國內化工行業的發展,許多強腐蝕的設備正在越來越多地采用鋯材,大大提高設備壽命及可靠性,取得更好的經濟效益。目前從鋯材的生產,到設備的設計、制造和檢驗技術也已日漸成熟,為鋯容器的廣泛應用提供了基礎。 鉭材 Ta1、Ta2、TaNb3、TaNB20 鉭有很高的化學穩定性,在150℃以下抗化學腐蝕及大氣腐蝕的能力很強,即使在污染的工業大氣中也是耐蝕的。 鉭耐沸騰溫度下任何濃度的鹽酸和硝酸,耐室溫至150℃的發煙硝酸和發煙硫酸所組成的混合酸。除氫氟酸、發煙的三氧化硫及高溫的濃硫酸和濃磷酸外,鉭對其他的酸都是穩定的。 鉭在200℃以下的酸性和堿性介質中有很高的穩定性,甚至比金、鉑都高。 鉭在濃堿液中耐腐蝕性不好。不耐碘化鉀及含氟離子的溶液。 鉭的腐蝕是均勻的全面腐蝕,對切口不敏感,不發生腐蝕疲勞和腐蝕破裂等局部類型的腐蝕。利用鉭的這一特性,可以做包復和襯里材料。 其他特種金屬材料 1. 雙相鋼 低級雙相不銹鋼(2304型) 標準雙相不銹鋼(2205型) 超級雙相不銹鋼(2507型) 對于鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼來說,它兼有鐵素體鋼和奧氏體鋼的特性。奧氏體的存在,降低了高鉻鐵素體鋼的脆性,防止了晶粒長大傾向,提高了鐵素體鋼的韌性和可焊性。鐵素體的存在,提高了Cr-Ni奧氏體鋼的屈服強度,同時使鋼具有抗應力腐蝕及焊接時熱裂傾向小等特點。這類鋼含有較高Cr、Ni、Cu、Mo等耐蝕合金元素。盡管雙相組織易引起微電池腐蝕,但若合金元素含量達到一定值時,使兩相均有可能在介質中發生鈍化,不出現雙相選擇性腐蝕,其耐均勻腐蝕及孔蝕性能良好。 今天,雙相不銹鋼已經用于各種應用領域,不僅在化工、石化和制藥等方面應用,還用于紙漿和造紙、食品和飲料以及建筑、樓房和結構等方面。 但雙相不銹鋼最重要的應用是化工、化肥、石化、電力和紙漿造紙工業中的反應器和其他工業設備。在大多數應用中,雙相不銹鋼被認為是具有成本效益的替代材料,填補了普通奧氏體鋼如316L和較高合金之間的空白。 盡管一般認為使用雙相合金是因為它們的耐化學產品的腐蝕性能,但最重要的是在那些奧氏體不銹鋼不具足夠耐孔蝕和應力腐蝕斷裂性能的熱水溶液介質中。 2. AL-6XN AL-6XN合金是美國Allegheny Ludlum公司發現的超奧氏體不銹鋼,它比標準的300系列合金對氯離子具有較高的抗點蝕、縫隙腐蝕和壓力縫隙腐蝕能力,比傳統的抗腐蝕鎳基合金成本低。 在不銹鋼中Cr、Mo、Ni、C分別對不同的介質具有抗腐蝕性。Cr是在自然和氧化環境中是抗腐蝕代表,Cr、Mo、Ni的含量增長增加了抗點蝕能力,鎳提供了奧氏體結構,鎳鉬增加了對氯離子的壓力縫隙腐蝕能力和對降低環境的抗腐蝕能力。 高鎳(24%)-鉬(6.3%)合金AL-6XN具有較好的抗壓力縫隙腐蝕能力。鉬具有抗氯離子點蝕能力,鎳進一步增強抗點蝕能力,而且能提供比300奧氏體不銹鋼更高的強度,因此經常應用于設備中較薄的部分。在AL-6XN中,較高含量的鉻、鉬和鎳也提供了不銹鋼的成形和焊接時的抗腐蝕性能。 高鉻、鉬、鎳和氮使AL-6XN具有較好的抗氯離子點蝕能力、縫隙腐蝕,這就使AL-6XN應用于很多環境中,如食品、海水或其它化工環境。 金屬復合材料 盡管特種金屬材料具有各自的較好的耐腐蝕性能,但同時也相對價格較高,這也是其中一些不能大面積推廣的原因之一,但金屬復合技術又從另一方面促進了這些特種金屬材料的應用。 金屬復合材料是由a、b、c等若干金屬或合金組元,經不同的加工工藝復合而成的新金屬材料,各界面形成金屬鍵集結合,具有原單體金屬材料同等或更佳的性能。它既不是a也不是b(或c)。它綜合了構成組元的優點,而使單組組元的性能不足得到克服,它即優化了材料設計,又體現了合理使用材料的原則,是當前材料科學與工程的發展方向之一。 復合方式有:爆炸復合、爆炸-軋制復合、軋制復合,現國內大多采用爆炸復合方式。 復合材料品種包括:復合板(兩層、三層)、復合棒、復合管。 優點: 復層材料與基層材料性能的合理組合和配比; 根據需要確定兩種材料的厚度比; 節約貴重希缺金屬,降低設備造價; 減少結構設計厚度或提高結構的使用應力。 目前國家已有復合材料的相關國家標準,如GB8547-87《鈦-鋼復合板》、GB8546-87《鈦-不銹鋼復合板》、JB4733-94《壓力容器用爆炸不銹鋼復合鋼板》等。
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