Vol.2.5.2 耐蝕合金

承壓設(shè)備中采用的高合金鋼大多是耐腐蝕、耐高溫鋼，主要有鐵基合金（耐腐蝕不銹鋼），鎳基合金（Ni-Cr合金、Ni-Cr-Mo合金、Ni-Cu合金等）。

2.5.2.1 不銹鋼

不銹鋼（Stainless Steel）系指Cr含量不小于10.5%(mass)的耐空氣、水汽、酸、堿、鹽等介質(zhì)腐蝕的鋼。工程上，常將耐弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而將耐強(qiáng)介質(zhì)腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。按成分可分為Cr系（400系列）、Cr-Ni系（300系列）、Cr-Mn-Ni（200系列）、耐熱鉻合金鋼（500系列）及析出硬化系（600系列）。包括GB/T 20878[1]不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分中的各種Cr含量不小于10.5%(mass)、C含量不大于1.2%(mass)的奧氏體型不銹鋼、奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、馬氏體型不銹鋼、沉淀硬化性不銹鋼和耐熱鋼。不銹鋼的鉻含量最高為26％，更高的鉻含量已無必要。

01 鐵素體不銹鋼（鉻鋼，如400系等）

在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%～30%，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)。與奧氏體不銹鋼相比，這類鋼一般不含Ni，有時還含有少量的Mo、Ti、Nb等元素，爐外精煉技術(shù)（AOD,Argon Oxygen Decarburization）、VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）的應(yīng)用可使C、N等間隙元素大大降低，具有節(jié)Ni、價格低、抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且具有很好的抗氧化性能，多用于抗大氣、水蒸汽、水汽及氧化性酸腐蝕的環(huán)境，在室溫的稀硝酸以及弱有機(jī)酸中有一定的耐蝕性，因此使這類鋼獲得廣泛應(yīng)用。但不耐還原性酸等介質(zhì)的腐蝕，一般的鐵素體不銹鋼有沖擊韌性差、焊后的塑性和耐蝕性差、對晶間腐蝕敏感、耐點(diǎn)蝕性能差等缺點(diǎn)，限制了它的使用。

02 奧氏體不銹鋼（鉻鎳鋼，如300系、200系不銹鋼）

奧氏體不銹鋼因具有無磁性，在很寬的溫度范圍內(nèi)都有很高的強(qiáng)韌性、延展性，容易軋制和壓制等冷加工，能耐氧化型介質(zhì)的腐蝕，廣泛的應(yīng)用于壓力容器的各種承壓元件。由于奧氏體不銹鋼具有面心立方結(jié)構(gòu)，不發(fā)生相變，易于焊接，奧氏體不銹鋼一般沒有冷脆轉(zhuǎn)變溫度，因此常作低溫用鋼。

18-8系列固溶態(tài)不銹鋼在氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質(zhì)中耐腐蝕性較好，低碳或含穩(wěn)定化元素Ti或Nb的抗晶間腐蝕較好，含Mo的抗點(diǎn)蝕性能較好。含Mo、Cu 等元素的還能耐稀硫酸、磷酸等非氧化性酸和甲酸、醋酸等有機(jī)酸的腐蝕。但抗點(diǎn)蝕較差，并且在鹵化物溶液中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。在500℃-600℃以上溫度長期使用會發(fā)生蠕變和敏化。

03 鉻鎳鉬鋼（奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼）

雙相不銹鋼是在其固淬組織中鐵素體相與奧氏體相各占一半，一般最少相的含量也需要達(dá)到30%。已成為既節(jié)省重量又節(jié)省投資的優(yōu)良的耐蝕工程材料。

目前應(yīng)用壓力容器承壓元件的主要牌號有S22053（022Cr23Ni5Mo3N）、S25073(022Cr25Ni7Mo4N)等。

雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且抗晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能明顯提高；與鐵素體不銹鋼比，塑性和韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，具有優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕等局部腐蝕性能，耐海水、有機(jī)酸等介質(zhì)的腐蝕性能優(yōu)良。

與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的特點(diǎn)如下：

① 屈服強(qiáng)度比普通奧氏體不銹鋼高1倍多，且具有成型需要的足夠的塑韌性；

② 具有優(yōu)異的抗Cl-應(yīng)力腐蝕破裂的能力，適用于制造介質(zhì)中含Cl-的壓力容器；

③ 與合金含量相當(dāng)?shù)膴W氏體不銹鋼相比，它的耐磨損腐蝕和疲勞腐蝕性能都優(yōu)于奧氏體不銹鋼；

④ 比奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)低，和碳鋼接近，適合做復(fù)合板或襯里等；

⑤ 使用溫度必須控制在270℃以下（不同材料或標(biāo)準(zhǔn)不完全一致）；

⑥ 塑韌性較奧氏體不銹鋼低，冷，熱加工工藝和成型性能不如奧氏體不銹鋼；

⑦ 存在中溫（475℃）脆性區(qū)，需要嚴(yán)格控制熱處理和焊接的工藝制度，以避免有害相的出現(xiàn)，損害性能。

與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的特點(diǎn)如下：

① 塑韌性好，不像鐵素體不銹鋼那樣對脆性敏感。冷加工工藝性能和冷成型性能遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼；

② 除耐應(yīng)力腐蝕性能外，其他耐局部腐蝕性能都優(yōu)于鐵素體不銹鋼，應(yīng)用范圍較鐵素體不銹鋼寬；

③ 焊接性能也遠(yuǎn)優(yōu)于鐵素體不銹鋼，一般焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理；

④ 合金元素含量高，價格相對高。

04 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼是一類可通過熱處理強(qiáng)化的不銹鋼，與鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼相比，有更高的含C量，強(qiáng)度、硬度高和耐磨性好。但耐蝕性和塑性、韌性降低，焊接性能差，一般不用作焊接件。由于這些缺點(diǎn)使馬氏體不銹鋼的使用受到限制，通常只用作制造對強(qiáng)度、硬度高和耐磨性要求高而對耐蝕性要求不太高的零部件等。

05 超級不銹鋼

不同文獻(xiàn)對超級不銹鋼的定義不一，一般超級不銹鋼以耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN＝%Cr+3.3(%Mo)+16(%N)來表征，通常超級不銹鋼指耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN值≥35（鐵素體不銹鋼）或≥40（奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼）的高合金化高性能不銹鋼。包括高性能、高合金、有特殊要求的一些合金含量較低的不銹鋼。超級不銹鋼是一類Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12-30%的鐵基合金的不銹鋼，不屬于鐵鎳基耐蝕合金，因鐵鎳基耐蝕合金的含Ni＞30%（mass），Ni+Fe≥50%（mass），所以對含Ni的超級不銹鋼而言，含Ni量一定≤30%（mass）。

超級不銹鋼是一類針對原有不銹鋼的不足，以克服這些不足而發(fā)展的不銹鋼新品種、新牌號來適應(yīng)不銹鋼應(yīng)用的進(jìn)一步需要，并不是代替原有的不銹鋼，只在原有不銹鋼不能滿足應(yīng)用需要時才來采用超級不銹鋼。超級不銹鋼按不銹鋼的基礎(chǔ)類型分類，可分為超級奧氏體不銹鋼、超級鐵素體不銹鋼、超級雙相不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼4個大類。

① 超級奧氏體不銹鋼

以耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN≥40表征的高合金、高性能超級奧氏體不銹鋼，通常指質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20-26%Cr、18-30%Ni、3-7% Mo，并用Cu（≤4%）、N（≤0.5%）進(jìn)一步合金化的超低碳、超高潔凈度、超高均勻性的高合金、高性能奧氏體不銹鋼。主要牌號及耐點(diǎn)蝕當(dāng)量有：

00Cr20Ni18Mo6CuN(254SMO)，PREN=43；

00Cr21Ni25Mo6CuN，PREN=48.8；

00Cr25Ni25Mo6CuN，PREN=52.8；

00Cr24Ni22Mo7CuN(654 SMO)，PREN=56.1等。

這類超級奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能，強(qiáng)度高，在氧化和還原介質(zhì)中有優(yōu)異的耐蝕性，耐海水腐蝕、耐各種氯化物介質(zhì)全面腐蝕、點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕，在硫酸和磷酸中有良好的耐蝕性。

超超臨界發(fā)電機(jī)組用超級奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的高溫持久強(qiáng)度，解決了不銹鋼在520-580℃以上溫度長期使用會發(fā)生蠕變的問題，抗煙氣腐蝕、蒸氣氧化性能好，可滿足參數(shù)為605-650℃、壓力27-35MPa的超超臨界機(jī)組的使用要求，常用作超超臨界機(jī)組直流鍋爐過熱器和再熱器的管道。

INCOLOY 25-6Mo合金[2]（UNS N08926/W.Nr.1.4529）是一種超級奧氏體不銹鋼，ASME 2120-1 Nickel-Iron-Chromium-Molybdenum-Copper Low Carbon Alloy (UNS N08926) for Code Construction Section VIII, Division 1 定義了它的化學(xué)成分、最大許用應(yīng)力、以及力學(xué)性能。

它含有6%（mass）的Mo并通過添加N提高性能。該合金是一種對點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕有著出色抵抗能力的全奧氏體合金，合金的PREN（PREN=%Cr + (3.3×% Mo) + (30×%N)）為47，臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）在65-70℃，高的Mo含量以及N使得它能夠抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，含有的Cu能夠提高它對H2SO4的抗腐蝕性。當(dāng)普通奧氏體不銹鋼（AISI 316和317）耐蝕性達(dá)到極限時，它能夠代替這些不銹鋼。因此，該合金被歸到超級奧氏體不銹鋼。此外，在一些海洋和化工環(huán)境中該合金還可作為高鎳合金的一種經(jīng)濟(jì)的替代品。是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的抗強(qiáng)氯化物腐蝕的合金。抗晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂性能大大優(yōu)于317不銹鋼。在高流速的海水中，在環(huán)境溫度下過濾的海水以15.2m·s-1流速沖擊其表面時沒有任何的腐蝕跡象。對非氧化性酸如H2SO4、H3PO4有著很好的抗腐蝕性。

INCOLOY 25-6Mo合金最出色的性能之一是該合金對含氯化物以及鹵化物的環(huán)境有著很好的抗腐蝕性，特別適用于一些處理高氯化物的環(huán)境中，如鹽水、海水、腐蝕性氯化物以及紙漿廠的漂白系統(tǒng)。應(yīng)用領(lǐng)域包括化工和食物工程、紙漿和紙的漂白設(shè)備、海洋和近海石油平臺設(shè)備、鹽廠的蒸發(fā)器、大氣污染控制系統(tǒng)、以及電廠的冷凝管道系統(tǒng)、循環(huán)水管道系統(tǒng)和供水加熱器等。在高氯含量或相對較高的溫度情況，特別在法蘭區(qū)域或縫隙處，有時會出現(xiàn)腐蝕。

在飽和氯化鈉環(huán)境pH為6-8時，INCOLOY 25-6Mo的腐蝕速率小于1 mpy (0.025 mm·a-1)。即使在腐蝕性更強(qiáng)的氧化條件下的氯化鈉環(huán)境也保持低于1 mpy(0.025 mm·a-1)腐蝕速率，并在沸騰條件下無點(diǎn)蝕發(fā)生。隨著這些鹽液的酸度增加，INCOLOY 25-6Mo為結(jié)晶器和蒸發(fā)器應(yīng)用中也是優(yōu)異的選材。INCOLOY 25-6Mo合金已經(jīng)在主要化工設(shè)備中的鹽蒸發(fā)器本體和管殼換熱器得到應(yīng)用。在紙漿和造紙工業(yè)中已經(jīng)被廣泛使用在漂白環(huán)境，尤其在使用腐蝕性的ClO2的情況下。在煙囪貼襯和出口煙道是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料，因?yàn)檫@些部位會形成酸性介質(zhì)結(jié)露而導(dǎo)致點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。

由于INCOLOY 25-6Mo 對MIC的良好抗力，該合金大量使用在電廠的廢水管道系統(tǒng)。

② 超級鐵素體不銹鋼

為了克服鐵素體不銹鋼的缺點(diǎn)，通過加入各種元素特別是運(yùn)用AOD、VOD等爐外精煉技術(shù)發(fā)展了高純鐵素體不銹鋼和超級鐵素體不銹鋼。

超級鐵素體不銹鋼通常指含質(zhì)量分?jǐn)?shù)18-30% Cr、2-4% Mo、C+N≤250×10-6及適量穩(wěn)定化元素、超高潔凈度、超高均勻性、耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN≥35的高Cr、高M(jìn)o、超低C+N的高性能特殊鐵素體不銹鋼。具有低的韌-脆性轉(zhuǎn)變溫度、良好的焊接和力學(xué)性能。其主要牌號及耐蝕當(dāng)量有：00Cr30Mo2(447J1)，PREN=36.6；00Cr25Ni4Mo4Ti，PREN=38.2；00Cr29Mo3Ti，PREN=38.9；00Cr27Ni2Mo3.5Ti（Sea-Cure），PREN=39；00Cr29Mo4Ti（Al29-4C），PREN=42.2；00Cr29Mo4Ni2，PREN=42.2。

這類鋼在熱的Cl-溶液中具有極高的抗全面腐蝕和局部腐蝕性能，如00Cr30Mo2(447J1)在含氯化物溶液中耐點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、全面腐蝕均優(yōu)于300系列不銹鋼和2205雙相鋼，在NaOH和HAc中耐蝕性與純Ni相當(dāng)，在含NaClO3 氧化劑的高溫NaOH中優(yōu)于高純Cr26Mo1和純Ni，主要用于NaOH濃縮設(shè)備、煙氣脫硫設(shè)備、火電廠冷凝器。00Cr25Ni4Mo4Ti在海水和含氯化物介質(zhì)中有極好的耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕性能，主要用于使用海水或其它含氯化物溶液的工廠，制造洗滌器、熱交換器和冷凝器等設(shè)備。

③ 超級雙相不銹鋼

為了進(jìn)一步提高雙相不銹鋼的性能，發(fā)展了抗局部腐蝕和焊接性能更好的超級雙相不銹鋼。超級雙相不銹鋼通常指含質(zhì)量分?jǐn)?shù)25-27% Cr、6.5-7.5% Ni、3-4% Mo、N≤0.3%，含適量Cu、W、Si 等元素，超高潔凈度、相比例精細(xì)控制、耐點(diǎn)蝕當(dāng)量PREN≥40的高Cr、高M(jìn)o、高N的超低碳雙相不銹鋼。其主要牌號與耐點(diǎn)蝕當(dāng)量有：

00Cr25Ni7.5Mo3W2N，PREN=40；

00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN，PREN=40.55；

00Cr25Ni7Mo3.5CuN(Zeron 100)，PREN=40.55；

00Cr25Ni7Mo3.5Cu1.5N，PREN=41.35；

00Cr25Ni7Mo4N，PREN=43；00Cr27Ni7Mo3.5CuWN，PREN=43.35；

00Cr27Ni6.5Mo5N(2707HD)，PREN=49等。

00Cr25Ni6.5Mo3.5CuN、00Cr25Ni7Mo3.5CuN、00Cr25Ni7Mo3.5WCuN、00Cr27Ni7Mo3.5CuWN用于制造氯乙烯生產(chǎn)用塔、換熱器、容器及氯氧反應(yīng)器、HCl冷卻器、合成橡膠用聚合反應(yīng)器、泵、管線等，化肥工業(yè)中硝酸生產(chǎn)冷卻器、冷凝器等。

00Cr25Ni7Mo4N、00Cr25Ni7.5Mo4CuWN用于含胺的堿溶液管線、海水熱交換器等；00Cr27Ni6.5Mo5N（2707HD）是特超級雙相不銹鋼，特別適用于苛刻的、酸性、含氯環(huán)境（推薦用于熱海水），它可使在苛刻環(huán)境下使用的熱交換器承受更高的運(yùn)行溫度和更長的運(yùn)行時間，保證設(shè)備運(yùn)行可靠、安全和性能良好。

④ 超級馬氏體不銹鋼

為了克服馬氏體不銹鋼的不足，引入了軟馬氏體的概念，開發(fā)出一系列抗拉強(qiáng)度高，延展性好，焊接性能得到改善的新合金，開拓了超級馬氏體不銹鋼的研制。超級馬氏體不銹鋼通常指含12-17% Cr、2-6.5% 、Ni≤2.5% Mo、≤0.3%Cu元素的超低C、超高潔凈度、強(qiáng)韌性好、耐蝕性優(yōu)于傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼，特別是焊接性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼的回火馬氏體組織的“軟”馬氏體不銹鋼。不僅保持了傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼強(qiáng)度硬度高、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)，還克服了傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼塑韌性差、耐蝕性差，特別是一般不能用作焊接件的缺點(diǎn)。

其主要牌號、C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和耐點(diǎn)蝕當(dāng)量為：

00Cr12Ni4.5Mo1.5Cu(X80 12Cr-4.5Ni-1.5Mo)，C≤0.02%，PREN=17；00Cr13Ni4Mo1(HP13Cr)，C≤0.03%，PREN=17；00Cr12Ni4.5Mo1.5Cu1.5 (CRS :95Ksi)，C≤0.02%，PREN=18.2；00Cr16Ni5Mo1(248SV)，C≤0.03%，PREN=19.3；00Cr13Ni6Mo2Cu1.5(CRS：110Ksi)，C≤0.02%，PREN=19.6；00Cr13Ni5Mo2N(D13-5-2-N)，C≤0.02%，PREN=20；00Cr13Ni6Mo2.5Ti，C≤0.015%，PREN=21.2。

超馬氏體不銹鋼由于含C量低，相當(dāng)于提高了基體金屬中含鉻量的比例，所以耐腐蝕性好。如248SV馬氏體不銹鋼抗全面腐蝕和點(diǎn)腐蝕的性能優(yōu)于13%鉻和17%鉻馬氏體不銹鋼，而與304型奧體不銹鋼相當(dāng)。對于弱酸性腐蝕環(huán)境，超馬氏體不銹鋼有取代其它耐蝕合金的趨勢。但是，在高溫和有CO2存在的腐蝕條件下，會產(chǎn)生全面腐蝕和局部腐蝕；在CO2和H2S同時存在的條件下，必須考慮在室溫下產(chǎn)生的SCC和在高溫下產(chǎn)生的全面和局部腐蝕。

由于超級馬氏體不銹鋼比傳統(tǒng)馬氏體不銹鋼在塑韌性、耐蝕性和焊接性能方面有明顯改善，它的強(qiáng)度比雙相不銹鋼高得多，因此很多工業(yè)領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 20878-2007.不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分

[2] SPECIAL METALS.INCOLOY alloy 25-6Mo.2002.10,出版物編號：SMC-005