第16章镍基和铁镍基耐蚀合金的冶炼

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1、第16章 镍基和铁镍基耐蚀合金的冶炼,主讲人：姚春发 高工,16.1镍基和铁镍基耐蚀合金概况,16.1.1耐蚀合金的含义 以镍铬或铁镍铬元素为基体，含有钼、钨、铜、铌、铝、钛等元素的耐蚀材 料；在强腐蚀介质中表面能形成一层致密、稳定、耐蚀性极强的保护膜，抵抗腐蚀 介质对金属的侵蚀；具有比耐酸不锈钢更强的耐蚀性的合金，称为耐蚀合金。,16.1镍基和铁镍基耐蚀合金概况,16.1.2耐蚀合金的分类、化学成分及用途 1.耐蚀合金的分类 根据组成合金的基体元素，耐蚀合金可分为：镍铬系耐蚀合金和铁镍铬系耐蚀 合金两大类。 (1)镍铬系耐蚀合金镍铬系耐蚀合金又称镍基耐蚀合金。其化学成分（质 量分数）中Ni5

2、0%、Cr = 14% 21%。进一步又细分为镍铬、镍钼、镍铬钼三类合金。 (2)铁镍铬系耐蚀合金铁镍铬系耐蚀合金又称铁镍基耐蚀合金。其化学成 分（质量分数）中Ni30%、Cr = 19%27%、（Ni + Fe) 50%。进一步又可以 细分为铁镍铬、铁镍铬钼两类合金。,16.1镍基和铁镍基耐蚀合金概况,2.耐蚀合金的用途 (1)铁镍基耐蚀合金的用途 1)不含钼的铁镍铬合金。主要用于氧化性腐蚀介质中使用的换热器、蒸汽发 生器以及加热管等结构件，还可以用于压力水中耐应力腐蚀的核电站蒸汽管线等。 2)含钼的铁镍铬合金。主要用于氧化-还原性腐蚀介质中使用的换热器、冷凝 器以及含卤族元素的腐蚀介质容器

3、等，还可用于硫酸工业用装置。 (2)镍基耐蚀合金的用途 1)不含钼的镍铬合金。主要用于强氧化性腐蚀介质中使用的化工、核工程装 置。例如：强硝酸、硝酸与氟氢酸混合酸用的容器和装置。 含钼的镍铬合金。主要用于强还原性腐蚀介质和强氧化-还原性腐蚀介质， 以及海水介质中使用的装置、容器和管线等。,16. 2合金元素在耐蚀合金中的作用,16.2.1镍元素的作用 镍在合金中的作用主要体现在以下几个方面。 1.使合金具备稳定的奥氏体组织 2.镍使合金具有一定的耐蚀性 3.镍能改善耐蚀合金的力学性能,16. 2合金元素在耐蚀合金中的作用,16.2.2铬元素的作用 1.提高合金的耐蚀性 镍铬耐蚀合金中，随添加铬

4、量的增加，合金的耐蚀性增强。特别能使其耐氧化 性酸、盐介质以及耐硫化介质的腐蚀性能得到提高。 2.提高合金高温抗氧化和抗硫 化性能 铬能显著提高镍基耐蚀合金和铁 镍基耐蚀合金的高温抗氧化和抗硫化 性能。 3.铬与钼共同使用可发挥最好效果 铬单独使用时，只能提高耐蚀合金在氧化性酸介质（如硝酸）中的耐蚀性， 不能改善合金在还原性酸（如硫酸）介质中的耐蚀性。铬与钼同时使用时，铬能提高耐蚀合金 在还原性酸介质中的耐蚀性。,16. 2合金元素在耐蚀合金中的作用,16.2.3钼元素的作用 1.提高合金在还原性介质中的耐蚀性 镍中加人钼时，可以提高在还原酸介质盐酸、硫酸中的耐蚀性。 2.钼对合金组织结构的影

5、响 钼和铬均为铁素体形成元素。随含量 的增加，为了保持耐蚀合金具有稳定的奥 氏体组织，应当提高合金中的镍含量。,16. 2合金元素在耐蚀合金中的作用,16.2.4铜元素的作用 1.铜对合金耐蚀性的作用 铜能同镍形成固溶体，提髙镍在还原性酸中的耐蚀性。 2.铜对合金加工性能的影响 铜降低合金的加工硬化倾向，改善冷加工塑性；铜降低合金的热加工塑性，使 热加工变形困难。,16. 2合金元素在耐蚀合金中的作用,16.2.5铌和钽元素的作用 1.降低合金晶间腐蚀敏感性 镍铁基耐蚀合金中，加人8 10倍碳含量的铌或钽后，同合金中的碳形成NbC 或TaC,防止出现碳化铬Cr23C6而产生晶间腐蚀。 2.减少

6、合金焊接热裂纹的产生 焊接镍基或铁镍基耐蚀合金时，当有少量铌或钽时，在焊后单一奥氏体焊缝中 会形成少量铁素体，能有效地降低高温低塑性裂纹的产生。,16. 2合金元素在耐蚀合金中的作用,16.2.6铝和钛元素的作用 1.铝、钛元素的时效强化作用 在镍基和铁镍基耐蚀合金中，当铝、钛同时存在时，它们以Ni3Al、Ni3Ti或 Ni3 (Al，Ti)等金属间化合物相存在。当合金进行时效处理时，金属间化合物， 以弥散状自基体金属中析出，使合金得到强化。 2.铝能提高合金高温抗氧化、抗渗碳和抗氯化性能 耐蚀合金的铝还能在高温氧化气氛中，在合金表面形成一层致密的A1203氧化 膜，抵制氧、碳、氯的侵蚀作用。

7、 3.降低合金晶间腐蚀敏感性 镍基和铁镍基耐蚀合金中，加入少量钛能同合金中碳形成TiC，避免碳化铬 Cr23C6的析出，从而降低合金产生晶间腐蚀的可能性。,16. 2合金元素在耐蚀合金中的作用,16.2.7钨、钴、钒元素的作用 1.钴在合金中的作用 镍基耐蚀合金中，含钴量（质量分数）为1.0% 2.0%。钻是不形成碳化物 的元素，性质相似于镍。钴主要固溶于奥氏体中使基体得到强化，特别有益于提高 合金的髙温强度。 2.钨元素在合金中的作用 在耐蚀合金中，钨与钼的作用相似。钨主要改善镍基耐蚀合金的耐点蚀、耐缝 隙腐蚀和耐局部腐蚀性能。 3.钒元素在合金中的作用 钒加入镍铬耐蚀合金中，主要形成VN，

8、起细化合金晶粒，提高强度的作用。,16.3杂质元素对耐蚀合金性能的影响,16.3.1碳元素的影响 碳在耐蚀合金中为有害杂质，它对合金性能的危害有以下几方面。 1.降低合金的耐蚀性 碳在耐蚀合金中的危害，与在不镑耐酸钢中相同。碳同合金中的铬形成碳化铬 Cr23C6，从而导致局部贫铬，使合金的耐蚀性下降，并形成晶间腐蚀。 2.对合金的固溶强化作用 碳是间隙型原子，有很强的固溶强化奥氏体能力。随着合金中含碳量的增加， 耐蚀合金的强度提高。,16.3杂质元素对耐蚀合金性能的影响,16.3.2硅元素的影响 1.硅对合金耐蚀性的影响 耐蚀合金中含硅量分为两类：一类的含硅量（质量分数）小于0.5%,或小于0

9、.10%;另一类的含硅量（质量分数）为0.70% 1.00%。不同含硅量对合金的 耐蚀性产生不同的影响。 (1)硅能提高合金的耐蚀性当合金含硅量大于1.00% (质量分数，下同） 和小于0.10%时，随着含硅量的增加（Si 1.00%时）和含硅量降低（Si 0.10% 时），合金在氧化性介质中的耐蚀性均得到改善。 (2)硅降低合金的耐蚀性当合金含硅量（质量分数）为0. 10% 1.00% 时，硅对耐蚀合金的抗氧化性酸介质的腐蚀性能，以及合金在固溶状态下的晶间腐 蚀性能等均产生不利影响。但是，硅还是合金中的重要脱氧元素，还应当维持一定 含量。,16.3杂质元素对耐蚀合金性能的影响,2.硅对耐蚀合

10、金力学性能的影响 硅是铁素体形成元素，能促进铁素体的形成。导致合金脆化。 3.硅的脱氧作用 在采用中频感应炉冶炼的耐蚀合金中，硅作为脱氧元素是有益的。,16.3杂质元素对耐蚀合金性能的影响,16.3.3铁元素的影响 在镍基耐蚀合金中，铁是杂质元素。在镍基耐蚀合金中，应依据规定对含铁 量进行控制。当要求含Fe量（质量分数） 备1.00%时，应尽量低控铁含量。 16.3.4硫元素的影响 硫是耐蚀合金中影响其性能较大的杂质元素 硫对合金性能的影响主要表现在以下几个方面。 1.降低合金的耐蚀性 硫与镍、锰形成NiS、MnS、（Ni, Mn) S等硫化物，存在于合金晶界区。这 些硫化物溶于酸性氯化物溶液

11、中产生的蚀坑就成为点蚀和缝隙腐蚀的源头。,16.3杂质元素对耐蚀合金性能的影响,2.降低耐蚀合金的热加工性能 含镍、铬、钼、铜、钨较髙的耐蚀合金，本身具有较高的变形抗力，很难进行 热加工。如果再加上低熔点硫化物的存在，将使合金热加工塑性下降，给热加工带 来更大难度。 3.降低合金的高温强度 随着合金含硫量的升高，耐蚀合金的高温强度和塑性下降，特别是对高温持久 强度会产生不利的影响。,16.3杂质元素对耐蚀合金性能的影响,16.3.5非金属夹杂物的影响 1.硫化物夹杂对合金的危害 耐蚀合金中，硫化物夹杂主要以MnS、NiS、（Mn, Ni) S，或以氧化物、硅酸 盐为核心，外包硫化物的复合夹杂物

12、等形式存在。这些硫化夹杂物的数量，随着合 金中含硫量和含锰量的增加而增多。硫化物和硫氧化物夹杂物，大多沿晶界区分 布，易溶于酸中，成为孔蚀和缝隙腐蚀的源头。 2.氧化物和硅酸盐夹杂物对合金的危害 耐蚀合金中氧化物夹杂主要有Cr203、Al203。 这些夹杂物主要能降低合金的塑性和韧性。,16.4耐蚀合金的冶炼方法,16.4.1耐蚀合金对冶金质量的要求 根据耐蚀合金的冶金质量特点来选择冶炼方法。 1.准确控制合金中易氧化元素含量 部分合金中含有Al =0.15%1.7% (质量分数，下同）、Ti =0.15% 1.2%,而且铝、钛的成分范围又比较窄。另外，还有一些合金要求加入B =0.005%

13、0. 015%和RE =0.20% 0. 60%。因此，必须选择合适的冶炼方法，保 证易氧化元素能有效地加人合金。 2.降低合金中碳、硅、硫含量 部分镍基耐蚀合金根据使用性能的需要，要求合金中含C0. 015% 0. 020% (质量分数，下同）、Si0.10% -0.050%、S0.015% 0. 020%。为此，应通过 合适的冶炼工艺，使合金中C、Si、S含量达到尽量低的水平，以保证合金的使 用。,16.4耐蚀合金的冶炼方法,3.降低合金中非金属夹杂物的含量 合金中硫化物夹杂能降低耐点蚀和耐缝隙腐蚀性能。对含镍量高的镍基耐蚀合 金来说，硫化物夹杂的危害更为严重。 4.得到致密的低倍组织 致

14、密的钢锭组织，对合金的耐蚀性和力学性能具有极其重要的作用。,16.4耐蚀合金的冶炼方法,16.4.2耐蚀合金适用的冶炼方法 1.冶炼方法对耐蚀合金腐蚀性能的影响 从合金的腐蚀速度来评定，感应炉、真空感应炉、感应炉+电渣重熔这三种冶炼方法中，最佳 的方法是感应炉+电渣重熔双联法。 从有效控 制Al、Ti含量的角度考虑，最佳冶炼方 法应当是真空感应炉+电渣重熔。 但是，采用真空感应炉+电渣重 熔双联法冶炼会增加生产成本。,16.4耐蚀合金的冶炼方法,2.电渣重熔可以显著提高合金的热塑性 镍基耐蚀合金中热加工比较困难的牌号，合金的热塑性差，变 形抗力大。但是，经过电揸重熔之后，合金 的热塑性得到显著

15、提高。高温热塑性几乎提 高了一倍。 3.适合冶炼耐蚀合金的冶炼方法 1)真空感应炉冶炼。适合冶炼含易氧化 元素铝、钛含量较低的铁镍铬耐蚀合金。 2)真空感应炉-电渣重熔双联法。适合 冶炼镍基高钼、高钨以及含较高铝、钛的耐蚀合金。 3)中频感应炉-电渣重熔双联法。适合冶炼含硅、碳较高，不含铝、钛元素的 耐蚀合金。,16.4耐蚀合金的冶炼方法,16.4.3低硫耐蚀合金的冶炼操作要点 硫以低熔点硫化物和硫氧化物夹杂的形态存在，对合金的耐蚀性和力学性能产 生危害。降低硫含量就成为冶炼的重要任务之一。 1.控制耐蚀合金含硫量的途径 （1）耐蚀合金含硫量的控制水平按照耐蚀合金用途的不同，对含硫量提出 三级

16、要求。如表所示,16.4耐蚀合金的冶炼方法,(2)降低合金含硫量的途径采用双联法冶炼时，主要通过以下方法控制和 降低含硫量： 1）控制由原材料带人的硫含量。 2）通过合金的初炼过程降低含硫量。 3)通过电渣重熔降低合金含硫量。 2.感应炉冶炼耐蚀合金时的脱硫操作 中频感应炉冶炼低硫合金时的脱硫措施包括以下内容： (1)选用低含硫量的造渣用石灰和萤石 (2)预熔碱性还原渣脱硫,16.4耐蚀合金的冶炼方法,采用 预熔底渣脱硫。具体操作如下： 1)预熔脱硫渣的配制。 2)预熔脱硫渣的使用方法。 3)还原期合金的沉淀脱硫,16.4耐蚀合金的冶炼方法,3.真空感应炉冶炼耐蚀合金时的脱硫操作 真空感应炉冶炼在选用脱硫方法时，不能使用大量熔渣进行脱硫。 目前真 空感应炉冶炼低含硫量（S 0.0030%,质量分数）耐蚀合金时的主要措施如下： (1)控制由原材料带人的硫含量 (2)利用高碱度预熔渣粉脱硫 (3)利用氧化钙粉脱硫 (4)利用稀土元素进行沉淀脱硫,16.4耐蚀合金的冶炼方法,4.电渣重熔耐蚀合金时的脱硫操作 由于大部分耐蚀合金采用双联法冶炼，因