摘 要:鎳基耐蝕合金是以鎳為基體,能在一些介質(zhì)中耐腐蝕的合金,稱為鎳基耐蝕合金。此外,含鎳大于30%,且含鎳加鐵大于50%的耐蝕合金,習(xí)慣上稱為鐵-鎳基耐蝕合金(見不銹耐酸鋼),文章重點(diǎn)就熱處理對(duì)鎳基合金G3耐蝕性能的影響進(jìn)行闡述和分析。
關(guān)鍵詞:熱處理;鎳基合金G3;耐蝕性能
鎳基耐蝕合金多具有奧氏體組織,在固溶和時(shí)效處理狀態(tài)下,合金的奧氏體基體和晶界上還有金屬間相和金屬的碳氮化物存在。鎳基耐蝕合金在加熱過程中易與爐氣中的硫結(jié)合,形成低熔點(diǎn)的硫化鎳,在加工過程中發(fā)生龜裂,因此,加熱要用電爐,保護(hù)氣體加熱爐或用低硫燃料的加熱爐。這類合金通常都有比較好的冷加工性能。每次固溶或退火處理后,允許的冷加工變形量一般在20~80%之間。耐蝕合金的熱處理工藝都用固溶熱處理以求最大限度地固溶合金中的各種沉淀相,從而獲得良好的耐蝕性和力學(xué)性能。但是,由于晶粒度對(duì)合金耐晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕很有影響,有些合金為了細(xì)化晶粒,又常采用比較低的固溶處理溫度。此外,對(duì)沉淀硬化耐蝕合金既要求耐蝕性又要求有高硬度,因而多采用在固溶后再進(jìn)行一次或二次時(shí)效處理的工藝。
1.鎳基耐蝕合金分類及特性
耐蝕合金按成分分類及其特性如下,Ni-Cu合金:在還原性介質(zhì)中耐蝕性優(yōu)于鎳,而在氧化性介質(zhì)中耐蝕性又優(yōu)于銅,它在無氧和氧化劑的條件下,是耐高溫氟氣、氟化氫和氫氟酸的最好的材料(見金屬腐蝕)。Ni-Cr合金:主要在氧化性介質(zhì)條件下使用??垢邷匮趸秃?、釩等氣體的腐蝕,其耐蝕性隨鉻含量的增加而增強(qiáng)。這類合金也具有較好的耐氫氧化物(如NaOH、KOH)腐蝕和耐應(yīng)力腐蝕的能力。Ni-Mo合金;主要在還原性介質(zhì)腐蝕的條件下使用。它是耐鹽酸腐蝕的最好的一種合金,但在有氧和氧化劑存在時(shí),耐蝕性會(huì)顯著下降。Ni-Cr-Mo(W)合金:兼有上述Ni-Cr合金、Ni-Mo合金的性能。主要在氧化-還原混合介質(zhì)條件下使用。
2.熱處理對(duì)G3耐蝕性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)
G3鋼屬于一種新型的鎳基耐蝕合金,在進(jìn)行油套管加工制造過程中,對(duì)其進(jìn)行熱處理以提高強(qiáng)度,滿足井下使用環(huán)境對(duì)其強(qiáng)韌性及耐蝕性的要求。但是材料在煉制及熱處理過程中,當(dāng)合金成分控制不合理或熱處理過程中溫度以及冷卻速度控制不當(dāng)時(shí),在奧氏體晶內(nèi)或者晶界處會(huì)有大量碳化物等第二相析出,可不同程度地影響合金的耐蝕能力和材料的綜合性制。為了掌握鎳基合金在固溶時(shí)效處理時(shí)析出相的類型、狀態(tài)以及對(duì)材料抗腐蝕性的影響,本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同熱處理后組織的變化以及析出相對(duì)材料性能的影響進(jìn)行研究,從而為G3鋼的冶煉以及熱處理工藝的制定提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)用材料是國產(chǎn)商用的鎳基耐蝕合金G3,固溶和時(shí)效處理均在箱式電阻爐中進(jìn)行,根據(jù)金屬手冊和Ni-Cr-Mo系合金相圖及大量摸索試驗(yàn),確定固溶溫度分別為1120,1150和1180℃。然后在不同溫度、相同處理時(shí)間下進(jìn)行時(shí)效處理,觀察晶粒度及析出相隨溫度的變化情況。力學(xué)性能用UH-F500KNI萬能試驗(yàn)機(jī)測試。微觀組織用JEM-2100分析型透射電鏡(TEM)觀察分析,電子槍加速電壓220 kV。腐蝕產(chǎn)物膜微觀形貌用JSM-58000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。高溫高壓靜態(tài)腐蝕試驗(yàn)用34.4 MPa高溫高壓釜進(jìn)行,試樣掛片采用線切割加工,試樣裝載在試樣架的圓盤上。試驗(yàn)前先通入高純氮?dú)鈒Oh以上除氧,然后裝上試樣并將高壓釜密封,繼續(xù)通入高純氮除氧,再通入H2S和CO2至所需分壓。升溫至所需溫度,試驗(yàn)結(jié)束后將試樣表面用蒸餾水沖洗除去腐蝕介質(zhì)。
3.熱處理對(duì)鎳基合金G3耐蝕性能的影響
3.1時(shí)效處理對(duì)合金微觀組織的影響
對(duì)經(jīng)1150℃固溶處理的試樣進(jìn)行時(shí)效處理,空冷,觀察時(shí)效處理溫度對(duì)析出相的影響規(guī)律。處理溫度分別為700和800℃,保溫50 h。700℃時(shí)效處理后微觀組織金相表明,晶界處析大大量的碳化物,析出相已經(jīng)連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。晶內(nèi)有大量粒狀的納米級(jí)的析出相,以及一些長條狀或片狀的析出相,這些相主要起到強(qiáng)化作用。透射電鏡衍射花樣標(biāo)定結(jié)果表明,G3合金中晶界處析出相主要是M23C6相,品內(nèi)析出的彌散細(xì)小的顆粒豐要是TiN或TiC以及σ相。時(shí)效處理溫度升高至800℃且經(jīng)過相同時(shí)間處理,發(fā)現(xiàn)耐蝕合金的品界上的析出物也基本呈網(wǎng)狀分布且晶內(nèi)析出大量的片狀、長條狀的析出相,數(shù)量隨溫度升高向增多,尺寸l-2μm。晶內(nèi)也有非常細(xì)小的顆粒狀析出物。晶界析出相主要是M23C6相。說明時(shí)效溫度的升高加快了合金元素成分的擴(kuò)散,導(dǎo)致析出物成形快且迅速增大。
3.2析出相對(duì)材料耐蝕性能的影響
鎳基耐蝕合金G3中加入了10多種合金元素,主要起固溶強(qiáng)化作用,但同時(shí)也會(huì)促進(jìn)碳化物形成。這些碳化物則是時(shí)效過程中主要的析出相。對(duì)該G3鋼試樣進(jìn)行高溫高壓腐蝕試驗(yàn)(200℃,PH2S=2 MPa,PCO2=3 MPa,P總=25 MPa),且在溶液CL-高含量(250g/L)環(huán)境下進(jìn)行。腐蝕試樣表面都有深灰色的腐蝕膜。有析出相和無析出相試樣在高溫高壓腐蝕試驗(yàn)后表面腐蝕形貌比較可以發(fā)現(xiàn),兩種試樣的腐蝕程度宵明顯區(qū)別。無析出相試樣表面可見小且淺的腐蝕坑,有析出相的試樣表面有明顯大的點(diǎn)蝕坑和沿晶界處的溝槽坑,點(diǎn)蝕沿著品界發(fā)展擴(kuò)大且蝕坑較深。材料在熱處理過程中。由于C和Cr、Mo等合金元素?cái)U(kuò)散速率不同,碳向晶界的擴(kuò)散速度大于鉻,因此在晶界處以及相鄰區(qū)域由于M23C6析出使得Cr含量大大降低,因而靠近晶粒邊界附近形成貧鉻區(qū),并且當(dāng)Cr、Mo含量低于抵抗腐蝕介質(zhì)侵蝕所需的最低臨界值時(shí),腐蝕就會(huì)發(fā)生。正是由于晶界貧鉻區(qū)造成該處電位下降,從而形成大陰極(基體)和小陽極的微電池反應(yīng),加速了局部腐蝕的發(fā)生。因此耐蝕合金晶間析出物的產(chǎn)生對(duì)其耐蝕性影響較大,極易在晶界處產(chǎn)生點(diǎn)蝕。析出物的存在增大了合金材料點(diǎn)蝕敏感性,點(diǎn)蝕程度加重。
4.結(jié)束語
G3合金的固溶處理溫度不宜超過1150℃,以避免合金晶粒過大而影響材料力學(xué)性能。碳化物的析出使得耐蝕合金極易在晶界處產(chǎn)生局部腐蝕(點(diǎn)蝕),從而降低了材料的耐蝕性能。因此,要嚴(yán)格控制熱處理溫度范圍,使碳化物不析出或少析出,防止因析出相造成的點(diǎn)蝕破壞。
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