常用特種金屬材料的耐腐蝕特點及應(yīng)用
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(yīng)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(yīng)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）
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(fù)。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(yīng)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。
由于鈦材的優(yōu)良耐腐蝕性能,鈦材廣泛應(yīng)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。現(xiàn)在氯堿行業(yè)是國內(nèi)民用鈦材應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于海洋石油鉆井平臺、海水淡化等海洋領(lǐng)域。
鎳及鎳基合金
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)
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，不論是高溫的還是熔融的堿都完全穩(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)生應(yīng)力腐蝕開裂，最好在530－650℃退火消除應(yīng)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。
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。
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(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(xué)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(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
鉭材 (Ta1、Ta2、TaNb3、TaNB20)
鉭有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，在150℃以下抗化學(xué)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(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(fù)和襯里材料。
其他特種金屬材料
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(yīng)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，其耐均勻腐蝕及孔蝕性能良好。
今天，雙相不銹鋼已經(jīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，不僅在化工、石化和制藥等方面應(yīng)用，還用于紙漿和造紙、食品和飲料以及建筑、樓房和結(jié)構(gòu)等方面。
但雙相不銹鋼最重要的應(yīng)用是化工、化肥、石化、電力和紙漿造紙工業(yè)中的反應(yīng)器和其他工業(yè)設(shè)備。在大多數(shù)應(yīng)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(xué)產(chǎn)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(yīng)力腐蝕斷裂性能的熱水溶液介質(zhì)中。
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(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(yīng)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。
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(yīng)用于很多環(huán)境中，如食品、海水或其它化工環(huán)境。
金屬復(fù)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(fù)合技術(shù)又從另一方面促進了這些特種金屬材料的應(yīng)用。
金屬復(fù)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(fù)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(xué)與工程的發(fā)展方向之一。
復(fù)合方式有：爆炸復(fù)合、爆炸-軋制復(fù)合、軋制復(fù)合，現(xiàn)國內(nèi)大多采用爆炸復(fù)合方式。
復(fù)合材料品種包括：復(fù)合板（兩層、三層）、復(fù)合棒、復(fù)合管。
復(fù)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(yīng)力。
目前國家已有復(fù)合材料的相關(guān)國家標準，如GB8547-87《鈦-鋼復(fù)合板》、GB8546-87《鈦-不銹鋼復(fù)合板》、JB4733-94《壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)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，近年來在國內(nèi)的推廣應(yīng)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。
本文作者：張清彪（南京奇石樂電氣有限公司有色金屬事業(yè)部總工程師）
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