Vol.2.5.2 耐蚀合金

承压设备中采用的高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢，主要有铁基合金（耐腐蚀不锈钢），镍基合金（Ni-Cr合金、Ni-Cr-Mo合金、Ni-Cu合金等）。

2.5.2.1 不锈钢

不锈钢（Stainless Steel）系指Cr含量不小于10.5%(mass)的耐空气、水汽、酸、碱、盐等介质腐蚀的钢。工程上，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐强介质腐蚀的钢称为耐酸钢。按成分可分为Cr系（400系列）、Cr-Ni系（300系列）、Cr-Mn-Ni（200系列）、耐热铬合金钢（500系列）及析出硬化系（600系列）。包括GB/T 20878[1]不锈钢和耐热钢牌号及化学成分中的各种Cr含量不小于10.5%(mass)、C含量不大于1.2%(mass)的奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢、铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢、沉淀硬化性不锈钢和耐热钢。不锈钢的铬含量最高为26％，更高的铬含量已无必要。

01 铁素体不锈钢（铬钢，如400系等）

在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢，Cr质量分数11%～30%，具有体心立方晶体结构。与奥氏体不锈钢相比，这类钢一般不含Ni，有时还含有少量的Mo、Ti、Nb等元素，炉外精炼技术（AOD,Argon Oxygen Decarburization）、VOD（Vacuum Oxygen Decarburization）的应用可使C、N等间隙元素大大降低，具有节Ni、价格低、抗应力腐蚀性能好等优点，并且具有很好的抗氧化性能，多用于抗大气、水蒸汽、水汽及氧化性酸腐蚀的环境，在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐蚀性，因此使这类钢获得广泛应用。但不耐还原性酸等介质的腐蚀，一般的铁素体不锈钢有冲击韧性差、焊后的塑性和耐蚀性差、对晶间腐蚀敏感、耐点蚀性能差等缺点，限制了它的使用。

02 奥氏体不锈钢（铬镍钢，如300系、200系不锈钢）

奥氏体不锈钢因具有无磁性，在很宽的温度范围内都有很高的强韧性、延展性，容易轧制和压制等冷加工，能耐氧化型介质的腐蚀，广泛的应用于压力容器的各种承压元件。由于奥氏体不锈钢具有面心立方结构，不发生相变，易于焊接，奥氏体不锈钢一般没有冷脆转变温度，因此常作低温用钢。

18-8系列固溶态不锈钢在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性较好，低碳或含稳定化元素Ti或Nb的抗晶间腐蚀较好，含Mo的抗点蚀性能较好。含Mo、Cu 等元素的还能耐稀硫酸、磷酸等非氧化性酸和甲酸、醋酸等有机酸的腐蚀。但抗点蚀较差，并且在卤化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。在500℃-600℃以上温度长期使用会发生蠕变和敏化。

03 铬镍钼钢（奥氏体-铁素体双相不锈钢）

双相不锈钢是在其固淬组织中铁素体相与奥氏体相各占一半，一般最少相的含量也需要达到30%。已成为既节省重量又节省投资的优良的耐蚀工程材料。

目前应用压力容器承压元件的主要牌号有S22053（022Cr23Ni5Mo3N）、S25073(022Cr25Ni7Mo4N)等。

双相不锈钢具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，与奥氏体不锈钢相比，强度高且抗晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀性能明显提高；与铁素体不锈钢比，塑性和韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，具有优良的耐点蚀等局部腐蚀性能，耐海水、有机酸等介质的腐蚀性能优良。

与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的特点如下：

① 屈服强度比普通奥氏体不锈钢高1倍多，且具有成型需要的足够的塑韧性；

② 具有优异的抗Cl-应力腐蚀破裂的能力，适用于制造介质中含Cl-的压力容器；

③ 与合金含量相当的奥氏体不锈钢相比，它的耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能都优于奥氏体不锈钢；

④ 比奥氏体不锈钢的线膨胀系数低，和碳钢接近，适合做复合板或衬里等；

⑤ 使用温度必须控制在270℃以下（不同材料或标准不完全一致）；

⑥ 塑韧性较奥氏体不锈钢低，冷，热加工工艺和成型性能不如奥氏体不锈钢；

⑦ 存在中温（475℃）脆性区，需要严格控制热处理和焊接的工艺制度，以避免有害相的出现，损害性能。

与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的特点如下：

① 塑韧性好，不像铁素体不锈钢那样对脆性敏感。冷加工工艺性能和冷成型性能远优于铁素体不锈钢；

② 除耐应力腐蚀性能外，其他耐局部腐蚀性能都优于铁素体不锈钢，应用范围较铁素体不锈钢宽；

③ 焊接性能也远优于铁素体不锈钢，一般焊前不需预热，焊后不需热处理；

④ 合金元素含量高，价格相对高。

04 马氏体不锈钢

马氏体不锈钢是一类可通过热处理强化的不锈钢，与铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢相比，有更高的含C量，强度、硬度高和耐磨性好。但耐蚀性和塑性、韧性降低，焊接性能差，一般不用作焊接件。由于这些缺点使马氏体不锈钢的使用受到限制，通常只用作制造对强度、硬度高和耐磨性要求高而对耐蚀性要求不太高的零部件等。

05 超级不锈钢

不同文献对超级不锈钢的定义不一，一般超级不锈钢以耐点蚀当量PREN＝%Cr+3.3(%Mo)+16(%N)来表征，通常超级不锈钢指耐点蚀当量PREN值≥35（铁素体不锈钢）或≥40（奥氏体不锈钢和双相不锈钢）的高合金化高性能不锈钢。包括高性能、高合金、有特殊要求的一些合金含量较低的不锈钢。超级不锈钢是一类Cr质量分数为12-30%的铁基合金的不锈钢，不属于铁镍基耐蚀合金，因铁镍基耐蚀合金的含Ni＞30%（mass），Ni+Fe≥50%（mass），所以对含Ni的超级不锈钢而言，含Ni量一定≤30%（mass）。

超级不锈钢是一类针对原有不锈钢的不足，以克服这些不足而发展的不锈钢新品种、新牌号来适应不锈钢应用的进一步需要，并不是代替原有的不锈钢，只在原有不锈钢不能满足应用需要时才来采用超级不锈钢。超级不锈钢按不锈钢的基础类型分类，可分为超级奥氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢、超级双相不锈钢和超级马氏体不锈钢4个大类。

① 超级奥氏体不锈钢

以耐点蚀当量PREN≥40表征的高合金、高性能超级奥氏体不锈钢，通常指质量分数为20-26%Cr、18-30%Ni、3-7% Mo，并用Cu（≤4%）、N（≤0.5%）进一步合金化的超低碳、超高洁净度、超高均匀性的高合金、高性能奥氏体不锈钢。主要牌号及耐点蚀当量有：

00Cr20Ni18Mo6CuN(254SMO)，PREN=43；

00Cr21Ni25Mo6CuN，PREN=48.8；

00Cr25Ni25Mo6CuN，PREN=52.8；

00Cr24Ni22Mo7CuN(654 SMO)，PREN=56.1等。

这类超级奥氏体不锈钢具有优良的综合性能，强度高，在氧化和还原介质中有优异的耐蚀性，耐海水腐蚀、耐各种氯化物介质全面腐蚀、点蚀和应力腐蚀，在硫酸和磷酸中有良好的耐蚀性。

超超临界发电机组用超级奥氏体不锈钢具有优良的高温持久强度，解决了不锈钢在520-580℃以上温度长期使用会发生蠕变的问题，抗烟气腐蚀、蒸气氧化性能好，可满足参数为605-650℃、压力27-35MPa的超超临界机组的使用要求，常用作超超临界机组直流锅炉过热器和再热器的管道。

INCOLOY 25-6Mo合金[2]（UNS N08926/W.Nr.1.4529）是一种超级奥氏体不锈钢，ASME 2120-1 Nickel-Iron-Chromium-Molybdenum-Copper Low Carbon Alloy (UNS N08926) for Code Construction Section VIII, Division 1 定义了它的化学成分、最大许用应力、以及力学性能。

它含有6%（mass）的Mo并通过添加N提高性能。该合金是一种对点蚀和缝隙腐蚀有着出色抵抗能力的全奥氏体合金，合金的PREN（PREN=%Cr + (3.3×% Mo) + (30×%N)）为47，临界点蚀温度（CPT）在65-70℃，高的Mo含量以及N使得它能够抗点蚀和缝隙腐蚀，含有的Cu能够提高它对H2SO4的抗腐蚀性。当普通奥氏体不锈钢（AISI 316和317）耐蚀性达到极限时，它能够代替这些不锈钢。因此，该合金被归到超级奥氏体不锈钢。此外，在一些海洋和化工环境中该合金还可作为高镍合金的一种经济的替代品。是一种经济实惠的抗强氯化物腐蚀的合金。抗晶间腐蚀、应力腐蚀开裂性能大大优于317不锈钢。在高流速的海水中，在环境温度下过滤的海水以15.2m·s-1流速冲击其表面时没有任何的腐蚀迹象。对非氧化性酸如H2SO4、H3PO4有着很好的抗腐蚀性。

INCOLOY 25-6Mo合金最出色的性能之一是该合金对含氯化物以及卤化物的环境有着很好的抗腐蚀性，特别适用于一些处理高氯化物的环境中，如盐水、海水、腐蚀性氯化物以及纸浆厂的漂白系统。应用领域包括化工和食物工程、纸浆和纸的漂白设备、海洋和近海石油平台设备、盐厂的蒸发器、大气污染控制系统、以及电厂的冷凝管道系统、循环水管道系统和供水加热器等。在高氯含量或相对较高的温度情况，特别在法兰区域或缝隙处，有时会出现腐蚀。

在饱和氯化钠环境pH为6-8时，INCOLOY 25-6Mo的腐蚀速率小于1 mpy (0.025 mm·a-1)。即使在腐蚀性更强的氧化条件下的氯化钠环境也保持低于1 mpy(0.025 mm·a-1)腐蚀速率，并在沸腾条件下无点蚀发生。随着这些盐液的酸度增加，INCOLOY 25-6Mo为结晶器和蒸发器应用中也是优异的选材。INCOLOY 25-6Mo合金已经在主要化工设备中的盐蒸发器本体和管壳换热器得到应用。在纸浆和造纸工业中已经被广泛使用在漂白环境，尤其在使用腐蚀性的ClO2的情况下。在烟囱贴衬和出口烟道是一种经济实惠的材料，因为这些部位会形成酸性介质结露而导致点蚀和缝隙腐蚀。

由于INCOLOY 25-6Mo 对MIC的良好抗力，该合金大量使用在电厂的废水管道系统。

② 超级铁素体不锈钢

为了克服铁素体不锈钢的缺点，通过加入各种元素特别是运用AOD、VOD等炉外精炼技术发展了高纯铁素体不锈钢和超级铁素体不锈钢。

超级铁素体不锈钢通常指含质量分数18-30% Cr、2-4% Mo、C+N≤250×10-6及适量稳定化元素、超高洁净度、超高均匀性、耐点蚀当量PREN≥35的高Cr、高Mo、超低C+N的高性能特殊铁素体不锈钢。具有低的韧-脆性转变温度、良好的焊接和力学性能。其主要牌号及耐蚀当量有：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。

这类钢在热的Cl-溶液中具有极高的抗全面腐蚀和局部腐蚀性能，如00Cr30Mo2(447J1)在含氯化物溶液中耐点腐蚀、应力腐蚀、全面腐蚀均优于300系列不锈钢和2205双相钢，在NaOH和HAc中耐蚀性与纯Ni相当，在含NaClO3 氧化剂的高温NaOH中优于高纯Cr26Mo1和纯Ni，主要用于NaOH浓缩设备、烟气脱硫设备、火电厂冷凝器。00Cr25Ni4Mo4Ti在海水和含氯化物介质中有极好的耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能，主要用于使用海水或其它含氯化物溶液的工厂，制造洗涤器、热交换器和冷凝器等设备。

③ 超级双相不锈钢

为了进一步提高双相不锈钢的性能，发展了抗局部腐蚀和焊接性能更好的超级双相不锈钢。超级双相不锈钢通常指含质量分数25-27% Cr、6.5-7.5% Ni、3-4% Mo、N≤0.3%，含适量Cu、W、Si 等元素，超高洁净度、相比例精细控制、耐点蚀当量PREN≥40的高Cr、高Mo、高N的超低碳双相不锈钢。其主要牌号与耐点蚀当量有：

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用于制造氯乙烯生产用塔、换热器、容器及氯氧反应器、HCl冷却器、合成橡胶用聚合反应器、泵、管线等，化肥工业中硝酸生产冷却器、冷凝器等。

00Cr25Ni7Mo4N、00Cr25Ni7.5Mo4CuWN用于含胺的碱溶液管线、海水热交换器等；00Cr27Ni6.5Mo5N（2707HD）是特超级双相不锈钢，特别适用于苛刻的、酸性、含氯环境（推荐用于热海水），它可使在苛刻环境下使用的热交换器承受更高的运行温度和更长的运行时间，保证设备运行可靠、安全和性能良好。

④ 超级马氏体不锈钢

为了克服马氏体不锈钢的不足，引入了软马氏体的概念，开发出一系列抗拉强度高，延展性好，焊接性能得到改善的新合金，开拓了超级马氏体不锈钢的研制。超级马氏体不锈钢通常指含12-17% Cr、2-6.5% 、Ni≤2.5% Mo、≤0.3%Cu元素的超低C、超高洁净度、强韧性好、耐蚀性优于传统马氏体不锈钢，特别是焊接性能远远优于传统马氏体不锈钢的回火马氏体组织的“软”马氏体不锈钢。不仅保持了传统马氏体不锈钢强度硬度高、耐磨性好的优点，还克服了传统马氏体不锈钢塑韧性差、耐蚀性差，特别是一般不能用作焊接件的缺点。

其主要牌号、C 质量分数和耐点蚀当量为：

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。

超马氏体不锈钢由于含C量低，相当于提高了基体金属中含铬量的比例，所以耐腐蚀性好。如248SV马氏体不锈钢抗全面腐蚀和点腐蚀的性能优于13%铬和17%铬马氏体不锈钢，而与304型奥体不锈钢相当。对于弱酸性腐蚀环境，超马氏体不锈钢有取代其它耐蚀合金的趋势。但是，在高温和有CO2存在的腐蚀条件下，会产生全面腐蚀和局部腐蚀；在CO2和H2S同时存在的条件下，必须考虑在室温下产生的SCC和在高温下产生的全面和局部腐蚀。

由于超级马氏体不锈钢比传统马氏体不锈钢在塑韧性、耐蚀性和焊接性能方面有明显改善，它的强度比双相不锈钢高得多，因此很多工业领域极具应用潜力。

参考文献

[1] GB/T 20878-2007.不锈钢和耐热钢牌号及化学成分

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