Nitronic 50

Nictronic50是一种奥氏体不锈钢,它的耐腐蚀性能和强度是同等价位的商用材料无法比拟的。

Nitronic®50
UNS S20910, XM-19, ASTM A314, ASTM A276, NACE MR-01-75 (HS)

 
Nictronic50是一种奥氏体不锈钢。它的耐腐蚀性能和强度是同等价位的商用材料无法比拟的。Nitronic50的耐腐蚀性能优于316,316L, 317, 317L等材料，且室温屈服强度高达这些牌号的两倍。高强度的Nitronic50（HS）的屈服强度可达316不锈钢的3-4倍。除此之外，Nictronic50在升温环境和低温环境都具备良好的机械性能。不同于多数奥氏体不锈钢的是，冷作加工或降温至零下温度时，Nitronic50不会磁化。
 
应用
对于316、316L、317和317L来说性能达到极限的应用，Nitronic50则极具优势。该材料广泛用于石油，石化，化工，化肥，核燃料回收，造纸，纺织，食品加工和海事行业。Nictronic50用于制造泵，阀，接头，紧固件，线缆，网筛，钢丝筛布，船舶五金，船轴，泵轴，热交换器零件，弹簧，摄影器材等既需要耐腐蚀又需要高强度的零件。
 
 
化学成分

碳                                    0.030-0.050%
锰                                    4.00-5.50%
磷                                    0.040%以下
硫                                    0.20-0.60%
铬                                     20.50-22.00%
镍                                    11.75-13.00%
钼                                     2.00-2.50%
铜                                    0.75%以下
氮                                    0.24-0.30%
钛                                    0.020%以下
铝                                    0.020%以下
硼                                    0.0008-0.0025%
钴                                    0.12-0.20%
钽                                    0.10%以下
锡                                    0.030%以下
钒                                    0.10-0.30%
钨                                    0.15%以下

 
耐腐蚀能力
在多数介质中，Nitronic50的耐腐蚀能力由于316,316L,317和317L。在大多数应用中，1066°退火态的Nitronic50能提供足够的耐腐蚀能力，同时拥有更高的强度。在腐蚀性很强的环境，或者材料需焊接时，应采用1121°C退火态。Nitronic50 高强度状态（HS）常用于制造轴类和螺母类零件，但是耐腐蚀能力一般。

实验室测得的耐腐蚀数据
 

 
物理性质
 
密度（在24°C）：7.88g/cm3
电阻（在21°C）：80 microhm-cm
磁通量
Nictronic50即使经过重度冷作加工也不会磁化。在低温环境下，Nitronic50的磁通量仍然很低。在-240°C，Nitronic 50的磁化率会出现一个峰值。这种现象和磁场强度无关，和温度有关。
 
 
 
热膨胀系数

 
导热率

 
 
机械性能—退火态圆棒

 
 
室温性能—dia 25.4圆棒，多次测试的平均值

 
短时的升温抗拉性能---3个炉批的样棒多次测试，取平均值

 
应力开裂强度---三个炉批的测试样棒多次测试，取平均值
 
 
蠕变强度—dia25.4mm圆棒，一个炉批

 
零下温度的机械性能—dia25.4mm圆棒，1121°C退火，多次测试取平均值

 
冲击强度—dia25.4mm圆棒，1121°退火态

测试样棒在677°C热处理一个小时，模拟重度焊接的受热区域。多次测试取平均值。
 
 
冷轧对圆棒机械性能的影响
 

 
Nictronic50经过特殊处理可达到高强度状态（HS）。热轧处理能提高的强度受限于棒子的直径。钢厂生产出来的HS Nitronic50，做热锻，焊接或钎焊处理会减弱强度。经过特殊旋锻制造的HS Nitronic50，其耐腐蚀能力和抗硫化物应力开裂的能力会有所减弱。

 
室温抗拉性能的最小值—HS状态的圆棒，热轧退火态

 
抗扭性能—HS圆棒，热轧退火态，dia31.7-50.8mm

 
 
短时的升温抗拉强度—高强度圆棒，热轧，未经退火


圆棒直径为25.4-50.8mm，从三个炉批各取一根试棒，三次测试，取平均值。
 
 
应力开裂强度—dia25.4mm 高强度圆棒，热轧，未经退火


试棒取自两个炉批。Nitronic50 HS状态不适宜在593°C以上的高温长时间工作。
 
  
零下温度的冲击强度—高强度圆棒，热轧，未经退火

 
低温机械性能—dia50.8mm 高强度状态
 

 
疲劳强度—旋转梁疲劳测试
 

 
*R.R Moore测试样件在室温进行测试。
** McAdam测试样件在11-31°C的海水环境进行测试
 
 
剪切强度

 
 
弹性

 
升温环境下的弹性

 
切口灵敏度

 
多次测试取平均值。测试在室温进行，缺口样件的应力集中因数Kt=1.3. 测试结果显示Nitronic50对缺口不敏感。
 
耐磨性能
 
Nitronic50的耐磨性能类似于316，只是稍微好一点。金属对金属的磨损测试证明Nitronic50比K500更耐磨，虽然K500的硬度更高。
磨损质量损失—mg/1000周


 
抗汽蚀能力—退火态

 
硫化物应力开裂
实验数据和实用情况表面Nitronic50在各种条件下有很优秀的抗硫化物应力开裂的能力。下表是实验室测试数据，用5%NaCl+0.5%醋酸+饱和的H2S模拟酸性的井下液体。

 
退火温度
Nitronic50的供货状态可以是1066°C-1121°C的退火态。对绝大多数应用来说，应选用1066°C退火态，机械性能更高，且耐腐蚀性佳。如果在强腐蚀环境使用焊接零件，则应选择1121°C退火态。
和其他奥氏体不锈钢一样，Nitronic50退火后需要快速冷却。冷成形加工需要间隔进行退火，退火温度为1066°C。
 
加工性能
虽然Nitronic50的性能高于300系列的不锈钢，但他们可用相同的设备和工艺进行加工。
 
锻造
Nitronic50的锻造工艺类似于316不锈钢，只是需要更大的能量，锻造的温度范围是1177°C-1232°C。
 
焊接
Nitronic50 适用于所有奥氏体不锈钢可用的常规焊接方法，不需焊前预热或焊后退火。

• 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

  基于上述性能特点，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃，对于在更高温度下使用的耐热，则采用镍基和难熔金属为基的合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。

  

  发展历史编辑

  1、国际发展

  从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ'相以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。

  此外，美国还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。以后，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等;在钴基合金中,加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，如X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。

  40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。

  发展至今，国际市场每年高温金属合金消费量在30万吨，广泛应用于各个领域：过去多年，全球航天业对新能源飞机需求旺盛，空客与波音已有超万架此类飞机等待交付。而精密机件公司是全球高温合金复杂金属零部件和产品制造的龙头企业，也为航空航天、化学加工、石油和天然气的冶炼以及污染的防治等行业提供所需的镍钴等高温合金。精密机件公司就是波音、空客、劳斯莱斯、庞巴迪等军工航天企业的指定零配件制造商 [1]  。

  2、国内发展

  自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研究、生产和应用已历经60年的发展历程。60年的高温合金发展可以分为三个阶段。

  第一个阶段：从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段。本阶段主要是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。

  第二个阶段：从20世纪70年代中至90年代中期，是我国高温合金的提高阶段。主阶段主要试制欧美型号的发动机，提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制。

  第三阶段：从20世纪90年代中至今，是我国高温合金的全新发展阶段。本阶段主要是应用和开发了一批新工艺，研制和生产了一系列高性能、高档次的新合金。

  我国的高温合金研究主要研究单位是钢铁研究总院、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、北京科技大学、东北大学、西北工业大学等，主要生产企业有：中航工业、钢研高纳、炼石有色、抚顺特钢、高钢特钢和第二重型机械集团万航模锻厂（二重）等。在此基础上，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主研发和研究的能力。

  虽然高温金属合金材料在我国已发展近60年，但行业发展仍处于成长期。由于高温金属合金材料领域具有较高技术含量，该行业企业拥有较深护城河。我国高温金属合金每年需求量在2万吨以上，国内年生产量在1万吨左右，市场容量超过80亿元，其中进口占比较大。未来20年我国各类军机采购需求在2800架左右，民用飞机采购数量在5400架左右，对应的高温合金需求在1500亿以上，再加上500亿的燃气轮机需求，仅高温合金空间一项就有2000亿的市场空间即将打开。

  我国生产能力与需求相比存在两个缺口：

  （1）生产能力不足。我国高温合金生产企业数量有限，生产能力与需求之间存在较大缺口，在燃气轮机、核电等领域的高温合金主要还依赖进口。

  （2）高端产品难以满足应用需求。我国的高温合金生产水平与美国、俄罗斯等国有着较大差距，随着我国研制更高性能的航空航天发动机，高温合金材料在供应上存在无法满足应用需求的现象 [1]  。

  制备工艺编辑

  1、铸造冶金工艺

  各种先进铸件制造技术和加工设备在不断开发和完善，如热控凝固、细晶工艺、激光成形修复技术、耐磨铸件铸造技术等，原有技术水平不断提高完善从而提高各种高温合金铸件产品的质量一致性和可靠性。

  不含或少含铝、钛的高温合金，一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气中熔炼时，元素烧损不易控制，气体和夹杂物进入较多，所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量，改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织，可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；重熔的主要手段有真空自耗炉和。

  固溶强化型合金和含、钛低（铝和钛的总量约小于4.5%）的合金锭可采用锻造开坯；含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯，然后热轧成材，有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。

  2、结晶冶金工艺

  为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松，近年来又发展出定向结晶工艺。这种工艺是在合金凝固过程中使晶粒沿一个结晶方向生长，以得到无横向晶界的平行柱状晶。实现定向结晶的首要工艺条件是在液相线和固相线之间建立并保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件。此外，为了消除全部，还需研究单晶叶片的制造工艺。

  3、粉末冶金工艺

  粉末冶金工艺，主要用以生产沉淀强化型和氧化物弥散强化型高温合金。这种工艺可使一般不能变形的铸造高温合金获得可塑性甚至超塑性。

  4、强度提高工艺

  ⑴固溶强化

  加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、等)引起基体金属的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。

  ⑵ 沉淀强化

  通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（γ’、γ"、碳化物等），以强化合金。γ‘相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此γ相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。γ’相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表、钛、、钽、、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的γ‘相为Ni3(Al,Ti)。

  γ’相的强化效应可通过以下途径得到加强：

  ①增加γ‘相的数量；

  ②使γ’相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；

  ③加入铌、钽等元素增大γ’相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；

  ④加入钴、钨、钼等元素提高γ‘相的强度。γ"相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因γ"相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700℃，强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含γ相，而用强化。

Monel K500 (UNS N05500)