有色金屬材料的耐腐蝕特點及應用
以下整理分析了幾種特種金屬材料的特點及應用。一.鈦及鈦合金
中國鈦合金的生產(chǎn)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(shè)備加工企業(yè)的無序競爭，一些不具備生產(chǎn)能力的企業(yè)以及一些中小鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)采用劣質(zhì)材料或以次充好也在一定程度上擾亂了鈦設(shè)備市場，使設(shè)備使用廠家談‘鈦’色變，因此這種狀況也對中國的鈦設(shè)備行業(yè)的發(fā)展起到一定阻礙作用，須引起相關(guān)管理部門的注意，并且也應成為正在發(fā)展的其他特材的前車之鑒，常用鈦材牌號(有國家材料標準)TA1 (Grade2) 工業(yè)純鈦TA2 (Grade3) 工業(yè)純鈦TA9 (Grade11) Ti-0.2PdTA10 (Grade12) Ti-0.3Mo-0.8NiTC4 (AB-1) Ti-6Al-4V
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(wěn)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(zhì)中具有優(yōu)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)。使用鐵件支撐鈦設(shè)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(qū)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(fā)生機械損壞時，氫就滲入金屬，根據(jù)溫度、壓力等條件，氫發(fā)生相應的擴散，這使鈦產(chǎn)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(tǒng)中使用要避免表面鐵污染。在一般情況下，鈦不會發(fā)生孔蝕。
鈦還具有抗腐蝕疲勞穩(wěn)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(shè)備的密封面材料，以解決設(shè)備密封面縫隙腐蝕問題。
2.鈦材的應用
由于鈦材的優(yōu)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(guān)領(lǐng)域。
鈦對大多數(shù)鹽溶液來說具有良優(yōu)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(xiàn)象。但在三氯化鋁中腐蝕率較高，這與三氯化鋁水解后產(chǎn)生濃鹽酸有關(guān)。鈦對熱的亞氯酸鈉和各種濃度的次氯酸鹽也有良好的穩(wěn)定性。因此鈦材廣泛用于真空制鹽和漂粉精行業(yè)。鈦對大多數(shù)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(wěn)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�，F(xiàn)在氯堿行業(yè)是國內(nèi)民用鈦材應用的最大領(lǐng)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(wěn)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(zhì)中也穩(wěn)定，所以鈦材是硫酸法鈦白粉生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)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(zhì)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(yōu)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(lǐng)域。
3.國內(nèi)推廣應用狀況
國內(nèi)尚無鈦制焊接壓力容器國家標準，但在容規(guī)的相關(guān)章節(jié)中有部分說明，新的《鈦制焊接壓力容器》(JB4750-2000)正在審定過程中。
南京寶色鈦業(yè)有限公司通過自身的努力并在社會各界的支持下,近幾年發(fā)展很快,尤其是在一些重大鈦設(shè)備的國產(chǎn)化研制成功,引起了國內(nèi)外的廣泛重視。
現(xiàn)在國內(nèi)鈦設(shè)備用鈦材主要由寶雞有色金屬加工廠生產(chǎn)，同時上海寶鋼集團也在積極發(fā)展鈦合金產(chǎn)業(yè)，并且發(fā)展速度較快。現(xiàn)在國內(nèi)鈦材基本可以實現(xiàn)自給，并有部分出口。二.鎳及鎳基合金
鎳及鎳基合金的國內(nèi)生產(chǎn)狀況
國內(nèi)工業(yè)用純鎳完全可以自行生產(chǎn)，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)：Ni Nickel 200 Permanickel 300Nickel 201 Darmanickel 301Ni-Cu Monel 400 Monel K-500 Monel 401Monel 502 Monel 404 Monel R405Ni-Cr 0Cr30Ni70 Corronel 230(Cr35Ni65)Inconel 671(Cr50Ni50)Ni-Mo-(Fe) Hastelloy A(Ni60Mo19Fe20) Hastelloy B(0Ni65Cr28Fe5V)Hastelloy B-2(00Ni70Mo28)Ni-Cr-Fe Corronel 600 Corronel 702 Corronel 601 Corronel 706Corronel 625 Corronel 18 Corronel X-750Ni-Cr-Mo-(W、Cu) Hastelloy C(Ni60Cr16Mo16W4)Hastelloy C-276(000Cr16Ni60Mo16W4)Hastelloy C-4(000Cr16Ni60Mo16Ti)Hastelloy N(0Cr7Ni75Mo16)BMI-HAPO-20(0Cr25Ni60Mo6Cu3)Hastelloy G(0Cr22Ni55Mo6Cu2Nb2Ni-Fe-Ni Incoloy 800 Incoloy 900 Incoloy 802Incoloy 825
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
鎳及鎳基合金的耐腐蝕性能
鎳具有較大的轉(zhuǎn)入鈍態(tài)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(wěn)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，不論時高溫的和熔融的的堿都完全穩(wěn)定，這是鎳的突出特性。
蒙乃爾合金在還原性介質(zhì)中比鎳耐腐蝕，在氧化性介質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生引力腐蝕開裂，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(wěn)定的，在有機介質(zhì)、海水及淡水中完全穩(wěn)定。三.白銅(B10、B30)
白銅是銅鎳合金，白銅國內(nèi)可以滿足生產(chǎn)，主要由洛銅生產(chǎn)。
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(fā)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(fā)器設(shè)備，特別是降膜部分，它不僅可以提高使用壽命，而且可以節(jié)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(fā)器的蒸發(fā)管、蒸發(fā)室等設(shè)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(jīng)常采用B10、B30的白銅。四.鋯材Zirconium
常用鋯及鋯合金牌號：
非核用鋯R60702、R60703、R60704、R60705、R60706
中國雖然沒有鋯和鋯合金容器的規(guī)范，但已能生產(chǎn)核用和非核用的鋯材。
鋯有比不銹鋼、鎳基合金、鈦更優(yōu)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(nèi)化工行業(yè)的發(fā)展，許多強腐蝕的設(shè)備正在越來越多地采用鋯材，大大提高設(shè)備壽命及可靠性，取得更好的經(jīng)濟效益。目前從鋯材的生產(chǎn)，到設(shè)備的設(shè)計、制造和檢驗技術(shù)也已日漸成熟，為鋯容器的廣泛應用提供了基礎(chǔ)。五.鉭材Tantalum : (Ta1、Ta2、TaNb3、TaNB20)
鉭有很高的化學穩(wěn)定性，某些方面鈦、鎳基合金及不銹鋼，近似于鉑和玻璃。
鉭在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(yè)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(fā)煙硝酸和發(fā)煙硫酸所組成的混合酸。除氫氟酸、發(fā)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(wěn)定的。
鉭在200℃以下的酸性和堿性介質(zhì)中有很高的穩(wěn)定性，甚至比金、鉑都高。
鉭在濃堿液中耐腐蝕性不好。不賴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(fā)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。六.其他特種金屬材料 雙相鋼AL-6XN
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(zhì)中發(fā)生鈍化，不出現(xiàn)雙相選擇性腐蝕，其耐均有腐蝕及孔蝕性能良好。
今天，雙相不銹鋼用于各種應用領(lǐng)域，不僅在化工、石化和制藥工業(yè)應用，還用于紙漿和造紙工業(yè)、食品和飲料工業(yè)以及建筑、樓房和結(jié)構(gòu)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(yè)中反應器和其他工業(yè)設(shè)備。在大多數(shù)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他們的耐化學產(chǎn)品的腐蝕性能，但最重要得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(zhì)中。
2. AL-6XN
AL-6XN合金是美國Allegheny Ludlum公司發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(zhì)具有抗腐蝕性。Cr是在自然和氧化環(huán)境中抗腐蝕代表，Cr、Mo、Ni的含量增長增加了抗點蝕能力，鎳提供了奧氏體結(jié)構(gòu)，鎳鉬增加了對氯離子的壓力縫隙腐蝕能力和對降低環(huán)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(jīng)常應用于設(shè)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力。
AL-6XN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(huán)境如：食品、海水或其它化工環(huán)境。
今年該不銹鋼首次在國內(nèi)使用，是國內(nèi)某大型化工廠進口的原材料(AL-6XN板材、管材及焊絲)，由南京寶色鈦業(yè)有限公司承擔全套設(shè)備制造(共11臺)，并由合肥通用所承擔監(jiān)制，現(xiàn)該批設(shè)備已基本完工。七.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(shù)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(jīng)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(jié)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(gòu)成組元的優(yōu)點，而使單組組元的性能不足得到克服，它即優(yōu)化了材料設(shè)計，又體現(xiàn)了合理使用材料的原則，是當前材料科學與工程的發(fā)展方向之一。
復合方式：爆炸復合、爆炸-軋制復合、軋制復合，現(xiàn)國內(nèi)大多采用爆炸復合方式。
復合材料品種：復合板(兩層、三層)、復合棒、復合管
優(yōu)點：復層材料與基層材料性能的合理組合和配比；
根據(jù)需要確定兩種材料的厚度比；
節(jié)約貴重希缺金屬，降低設(shè)備造價；
減少結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度或提高結(jié)構(gòu)的使用應力；
應用到冶金、石油、化工、制鹽、制堿、電力等工業(yè)生產(chǎn)中，收到極好的經(jīng)濟效益。
目前國家已有復合材料的相關(guān)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。
綜上所述,由于特種金屬材料具有良好的耐腐蝕性能及機械加工性能,可以大大滿足使用廠家生產(chǎn)設(shè)備的耐腐蝕需求并提升設(shè)備耐腐蝕等級,近十年來在國內(nèi)的推廣應用已取得一定成果,但隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,尤其是全球經(jīng)濟一體化格局的逐步形成及中國加入世貿(mào)組織,國內(nèi)的特種金屬材料的發(fā)展存在著巨大空間(包括進入國際市場),但需要國家相關(guān)行業(yè)管理部門制定必要的標準及相關(guān)政策規(guī)范,以促進整個行業(yè)的發(fā)展。
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