UHP氣體管道材料介紹

UHP氣體管道材料介紹UHP氣體管線材料介紹超純，潔凈管道系什么？20多年前,半導體，集成電路,生物制藥行業(yè)輸送純凈介質(氣體)的管路采用的管道還是普通的不銹鋼管道，雖然管道的材料和安裝成本較低，但良率(合格率)卻很低.更嚴重的問題是:隨著芯片集成度的提高，線寬的越來越小，對傳輸氣體和介質的管路提出更高的要求，管路的質量成了制約芯片產量和集成度提高的瓶頸.就在那時,日本東北大學的一位教授就這些問題前往美國的一家芯片廠調研，針對這些問題,他聯(lián)合日本的神戶特殊剛廠共同研發(fā)適合傳輸高純超高純氣體的不銹鋼管道，經過多次研制，最后成功研制出精煉母材經過特殊冷軋的BA管(光亮退火不銹鋼管)，后在此基礎上,又發(fā)明了EP管。通過對管道系統(tǒng)的改進，芯片集成度，產量有了極大的提高，高科技產業(yè)在最近幾年有了飛速發(fā)展。超純，潔凈管道系統(tǒng)的真正含義半導體，集成電路,生物制約行業(yè)輸送純凈介質(氣體)的高純管路是一種綜合考慮組織安定性,耐蝕性，加工性的最優(yōu)化不銹鋼管.要確保系統(tǒng)中立，我們要強調表面粗糙度Ra值和自身的潔凈，使顆粒發(fā)生和堆積滯留得到有效抑止.為了確?？珊附有约昂附淤|量，要求保證尺寸公差，母材的化學成分.這樣才能確保在焊接時降低煙氣的發(fā)生，顆粒的產生及提高焊接部位的耐蝕性和平滑性。.總而言之，高純管路既要有漂亮的外表(外在的純凈)，又要有貨真價實的材質(內在的純凈).外在的純凈，有別于傳統(tǒng)不銹鋼管道內外表面灰蒙蒙，凹凸不平的感覺，現(xiàn)在的超純，潔凈管道不僅有锃亮的外表，同時也有較好的內表面粗糙度，以確保管道系統(tǒng)對傳輸?shù)慕橘|保持中立以及保證最佳的徹底吹掃及清洗性能，現(xiàn)在工程師及技術人員常常提及的表面粗糙度Ra值就是對管道系統(tǒng)內表面粗糙度的基本要求.為了確保自動軌道焊接的質量和效率,尺寸公差當然也是最基本的要求。inI■ummi內在的純凈指純凈的材質:真正意義上的超純，潔凈管道僅有漂亮的內外表面是遠遠不夠的，對管道系統(tǒng)的材質也有非?？量虈栏竦囊?，無論對化學成分和機械性能都有一定的定義.所以我們提到的純凈管道是由純凈的316L制成，指不銹鋼中的不純物盡量降到一定范圍內，非金屬夾雜物以及氣體成分控制在最小極限。c.超純，潔凈管道系統(tǒng)的制造1,母材的冶煉：常規(guī)的不銹鋼是通過電爐溶解(EF)而成的。對化學成分有一定要求的話，還需要通過氫氧脫碳(AOD)或真空脫碳(VOD)，通過這種精煉方式的材料化學成分在規(guī)定的范圍內,特別是C,Mn,Si,P,S等有害化學成分降到最低，才符合用來制造上述管道系統(tǒng)的母材(SINGLEMELT).采用真空脫碳(VOD)制造的不銹鋼坯,又經過真空電弧再溶解(VAR)處理，使得材料純度更高并且不出現(xiàn)偏析,其性能特性更為優(yōu)異，這種材料又稱316LVAR(V1).用VOD材料，先用真空感應熔煉(VIM)，然后再經過真空電弧再溶解(VAR)處理,通過這種特殊精煉方式使得材料的C,Mn,Si,P,S及H,O降到最低，這種材料又稱VIM+VAR(V2).由于精煉和特殊精煉的技術難度大,目前僅有日本極少數(shù)工廠擁有這種技術，如KOBE(神戶特鋼),新日鐵的山陽特鋼(SANYO),住友鋼鐵(SUMITOMO)等，瑞典的SANDVIK有AOD和AOD+VAR冶煉.所以市面上真正的VIM+VAR的材料幾乎全部都是由日本工廠生產的。由上述精煉和特殊精煉方法得到的母材（母管，棒材和板材）就是生產高純管閥件的基礎材料。目前市場上質量較高級的管閥件均由上述工廠提,■■11BA管的軋制：BA管是由日本工廠給出定義的，按這個定義:不銹鋼管經過特殊冷軋表面粗糙度在特定值以下經光亮退火（BRIGHTANNEALED）而成。正宗的BA管表面形態(tài)是退火態(tài)，沒有經過任何機械或其他方式處理。經過機械拋光和其他方式處理最后也光亮或表面粗糙度在特定值以下并非是真正意義上的BA管。到目前為止，世界上有能力用特殊冷軋方式制造2”以上大口徑薄壁BA管只有日本3家工廠（KOBE,SUMIKIN和KUZE）。2”以下批量制造BA管除日本上述3家外，還有日本的TSK,DAIDO.英國的FINETUBE,瑞典的SANDVIK,美國的PLYMOUTH.為了降低成本，現(xiàn)在市場上流通的1”以上大口徑管道中的絕大部分并非由真正的BA管制成，一般都是由焊管經機械拋光或其他方式處理制成的“準BA管”。HII表面處理和清洗包裝：BA管經過超聲波清洗，包裝后便成為BA管成品。為了更進一步提高管道內表面的粗糙度以及耐蝕性，用BA管經過內表面電解拋光方式得到的管道叫EP管。在細長管內要完成高質量的電解拋光需要有專門“Know-How”,目前擁有這種“Know-How”技術的廠商有歐洲的Dockweiler（Henkel）,Sandvik（Calmo）,日本的三愛ami）.?I■%超純，潔凈管道系統(tǒng)的制造商 ■真正有能力提供高純母材的工廠全球也只有為數(shù)不多的幾個工廠，而且?guī)缀跞谌毡?，有能力進行特殊冷軋制造BA管的工廠也不超過10家（絕大部分也在日本）。由此，我們會發(fā)現(xiàn)市面上的所有品牌中僅有KOBE和SUMIKIN是既有能力進行精煉和特殊精煉，也有能力進行特殊冷軋并制成成品BA管（具有一貫生產能力）的二家工廠。KUZE和PLYMOUTH等雖無母材精煉和特殊精煉能力（不生產母材），但有能力進行特殊冷軋。除此以外，其他所謂的廠牌最多是一個“表面處理”工廠或者是一個“庫存商”。就像有能力加工制造芯片的廠商很多，但有能力制造芯片母機（例如光刻機）卻不多。很多所謂的高純管道廠商二頭看人臉色，原材料（BA管）看母材生產廠的臉色，產品看客戶和市場的臉色，擔當著非常難堪的角色。二十年來，有些公司跌跌撞撞還在苦苦掙扎，有些公司訇然倒地早已無聲無息（如AMI），還有些公司如曇花一現(xiàn)來去匆匆。半I.計mi.mi .Hinn..超純，潔凈管道系統(tǒng)的價格 ■由于在母材冶煉，管道軋制，表面處理方面的技術壟斷及工藝的復雜性，造成真正的高純管路系統(tǒng)價格成本的高居不下。10年前，最便宜的BA管至少在10USD/M，最便宜的EP管接近20USD/M，近幾年由于生產規(guī)模的擴大，價格有所降低，但畢竟這方面的生產技術控制在少數(shù)工廠手中，正宗產品的價格下調是非常有限的。我們會發(fā)現(xiàn)目前大多數(shù)產品價格僅為10年前的一半左右，很多產品的價格接近甚至低于工業(yè)級產品，仔細去了解一下，我們發(fā)現(xiàn)很多產品并非正宗的產品（但是這些產品卻是正宗的“著名”品牌），很多是偷工減料的，如有的原材料是普通的不銹鋼，母管并非真正的BA管，加工和檢測工藝也被簡化了。超純，潔凈管道系統(tǒng)的神秘性在生物制約廠如果用鍍鋅管來輸送介質是無法想象的，但事實上，我們目前每家每戶每天生活用水都是用鍍鋅管來輸送的?，F(xiàn)在如果用一般的不銹鋼管來輸送氣體介質也是無法想象的，但20多年前輸送純凈介質（氣體）的管路采用的管道還是普通的不銹鋼管道?，F(xiàn)實中的工程師們很多往往缺少理智，建一個芯片廠無論什么系統(tǒng)，都要用價格昂貴的高純管路系統(tǒng)（很多都選用EP級，而且要選用最貴的品牌），似乎如果不這樣用就無法生產出合格的芯片來。所以對那些象印鈔廠一樣的芯片廠，他們的設計往往是“盡善盡美”，用最好的高純管路用于哪怕是用工業(yè)級都沒有問題的系統(tǒng)，這樣他們的預算就成了一個天文數(shù)字。這些善良的工程師們把這些管路系統(tǒng)神秘化了。由于神秘，他們也失去了獨立的思考和判斷，除了崇拜，就是迷信?，F(xiàn)實畢竟是現(xiàn)實，“摩爾法則”使電子產品的價格（無論芯片還是LCD/TFT）每隔一段時間降低一半，如果善良的工程師們還是以美好的愿望用天價的高純管路系統(tǒng)生產出天價的電子產品，那市場也會將他們的產品象供奉神仙一樣將他們的產品束之高閣。終于，很多工程師開始覺醒了，發(fā)現(xiàn)原來的很多設計存在嚴重的“質量過剩”，他們開始優(yōu)化科學地設計高純管路系統(tǒng)：在合適的場合用合適的材料！這并非簡單地“從終點又回到起點”，重復20多年前的原始工作（采用原始的普通不銹鋼管道系統(tǒng)），這是市場競爭法則的結果。在高純管路系統(tǒng)方面，也印證了“摩爾法則”，總體性能上升了，但價格成本卻下來了?！?■■ ■.造工藝制BIBBIII..llllll超純，潔凈管道系統(tǒng)的市場新格局就像偉人走下神壇是凡人一樣，隨著我們對高純管路系統(tǒng)了解的不斷加深，超純，潔凈管道系統(tǒng)不再象以前那樣神秘。市場也永遠遵循競爭法則：適者生存！那些擁有核心、技術的廠商，因為在關鍵的重要的場合非要使用他們的產品，盡管他們價高和寡，但他們仍然可以勉強生存。他們要提高市場占有率，關鍵要在不降低產品質量的前提下，通過優(yōu)化和改進工藝來降低生產成本，同時降低利潤率。那些沒有核心技術的廠商，因為沒有資格價高，所以只好不斷地用降價來維持生計。他們的“準BA管”灘EP管”還有市場，只不過要不斷地削減成本，因為他們的產品面臨當?shù)禺a品的競爭（事實上，他們的產品與當?shù)禺a品相比除了LOGO不一樣之外沒有太多的區(qū)別）。在上月美國舊金山舉行的SEMICOM展上，有很多來自美國一家潔凈管道,管件生產廠的職員前往日本，韓國廠商的展臺尋找就業(yè)機會，原因是美國半導體業(yè)非常不景氣及公司在全球的業(yè)績不佳，為了降低成本，削減美國的業(yè)務，所以大規(guī)模地栽減美國當?shù)貑T工.據說，該公司在韓國的生產業(yè)務（韓國工廠的EP舊生產線系早已倒閉的AMI生產線）已大于美國本土的業(yè)務，該公司僅是名義上的美國公司.該公司不生產母管，只做后道處理（清洗和包裝等），原來的母管從SANDVIK,PLYMOUTH,KOBE,RATH等工廠采購，現(xiàn)為了降低成本，很多母管改從韓國，臺灣等地廠商采購（母管不再強調要用純凈的316L材料）。據了解,前段時間，該公司還派人前往中國國內考察不銹鋼管道工廠，希望能盡可能地降低采購成本.基于適者生存的市場競爭法則，很多市場上耳熟能詳?shù)钠放朴械馁绕煜⒐模娜煌顺龈偁?，如美國的AMI,有的被其他公司收購，如BENKAN被KITZ收購，CARTEN被FUJIKIN收購，EVAL和VERIFLO被PARKER收購，MOTOYAMA被HAMLET收購，當然還有不少仍在苦苦掙扎。還有一些以前我們沒有聽說過的品牌，如韓國的TK，他們憑籍著在閥門管件方面的生產經驗，生產規(guī)模以及對高純管路系統(tǒng)產品的準確理解，努力擴大生產規(guī)模，降低生產成本，在最近的幾年中成了這個行業(yè)中的一匹黑馬，脫穎而出，無論在產品銷售規(guī)模還是銷售額方面都遙遙領先于同行。常見化學成分對不銹鋼管道性能的影響碳（C）:熔點為3540攝氏度碳是合金鋼成分中最重要的合金成分。除了碳以外合金鋼中還含有因生產過程中所產生的其他雜質如硅、錳、磷以及硫等。隨著碳含量的增加，鋼材的硬度以及強度會有明顯的提高。而延伸性、鍛造性、焊接性以及加工性則有明顯的減弱。鋼材中的碳含量不會影響其對水、酸以及高溫氣體的耐腐蝕性。鉻（Cr）:熔點為1920攝氏度因有鉻的存在所以鋼材才有淬火的可能（在油或空氣中）。通過對生成馬氏體結構所最低要求的淬火速度之降低，可提高鋼材的硬度以及冶煉性能。而鋼材的抗撞擊性能則會減弱，延伸性能所受到的影響不大。純鉻鋼的焊接性能隨著鉻成分的提高將會減弱。每增加1%的鉻成分將會提高材料的抗拉強度80-100%N/mm2。鉻對合金的耐腐蝕性能有著決定性的影響。鉻極易氧化，可在合金鋼表面形成一層氧化鉻表面，從而阻止或延遲氧分子的侵入，使得合金鋼體耐腐蝕的性能得以加強。若合金中鉻的成分大于12.5%，則此合金鋼被稱為不銹合金鋼。因不銹鋼耐腐蝕的性能主要是通過表面所形成的氧化鉻層實現(xiàn)的，故此類不銹合金鋼的耐腐蝕性能主要是針對氧化類的腐蝕而言的。鉻還可以提高合金鋼的耐腐蝕性能以及表面鈍化層的穩(wěn)定性。銅（Cu）:熔點為1048攝氏度銅只在少數(shù)合金鋼中可以找到。銅極易在材料的表層下面聚集并向分子間隙滲漏，從而使得材料表面在熱成型處理過程中變得極為敏感。銅一般是作為有害成分來對待的。銅可以提高材料延伸性能以及擴張性與材料強度之比率。超過0.30%的銅的含量可以穩(wěn)定合金材料的淬火性能。對焊接性能尤其影響。在非合金鋼以及低量合金鋼中銅的成分可明顯增加材料對氣候類侵蝕的抵抗性能。在耐酸型合金鋼中銅的成分若超過1%可使材料對鹽酸以及硫酸的耐腐蝕性能得到提高。mumiiinHmuniiiiiiiiiiiiiiiiiiiHii錳（Mn）:熔點為1221攝氏度錳具有抗氧性能。遇到硫極易生成亞硫酸錳，從而減少合金中生成亞硫酸錳的機會，這在工具鋼中極為重要。錳可大幅度降低合金鋼的臨界冷卻速度，從而提高材料的硬度。材料的延伸性能以及強度也隨之得到一定程度上的提高。錳也可提高合金鋼材料的鍛造性能以及焊接性能，材料的硬度性能在深度方面也將得到較大的提高。若錳的成分含量超過4%，在非淬火類冷卻過程中會導致難以處理馬氏體結構的產生。鑰（Mo）:熔點為2622攝氏度鑰一般是同其他合金成分一起投入的。鑰同錳在降低合金鋼的臨界冷卻速度方面有著相似的作用，從而間接提高材料的硬度。鑰可減少合金在非淬火冷卻過程中產生難以處理的馬氏體的機會，促使合金材料內部形成細微顆粒結構，并對材料的焊接性能產生正面影響。鑰可以提高材料的伸展性能，從而提高材料的強度。但較高的鑰的含量會對材料鍛造性能產生負面影響。鑰屬于可以提高合金耐腐蝕性能的成分。在高鉻以及鉻鎳合金鋼中常常得到應用，提高鑰的含量可以降低合金材料產生孔狀腐蝕的機會。■體...■造工藝...an■n鎳（Ni）:熔點為1453攝氏度鎳不易碳化。鎳只有在奧氏體鉻鎳合金鋼中才會提高合金鋼材料的耐腐蝕性能，其耐腐蝕性能主要表現(xiàn)在對還原類化學物質的侵襲方面。其在對氧化類侵蝕的不足則通過鉻得到補充。磷（P）:熔點為44攝氏度磷為合金鋼材料中的有害物質，因磷的熔析點極低，所以磷在合金材料中分布很不均勻。磷不易清除，在高品質合金鋼中磷的含量力爭控制在0.05%以下。磷即使在合金材料中所占的成分比例很小也會促使合金材料出現(xiàn)不易處理的趨勢。此所謂“磷造成的不易處理性"會隨著合金材料中碳成分的提高、淬火溫度的提高、材料分子體積的增大以及鍛造程度的減少而進一步加強。其表現(xiàn)形式為冷軋斷裂以及不易鍛造。在含碳量為0.1%的低合金類建筑用鋼中磷可以提高材料的強度以及對環(huán)境類侵蝕的抵抗性能。適當加入銅的成分則效果更佳?！觥觥觥觥觥隽颍⊿）:熔點為118攝氏度硫是影響合金鋼材料各種性能的有害雜質中危害最大的成分。遇鐵分子會氧化成亞硫酸鐵，因亞硫酸鐵的熔點很低，絕大部分均分布在材料分子的間隙中，從而形成對合金材料分子的網狀包圍，因而減弱了合金材料分子間的有效連接，使合金材料在熱處理成型時易于斷裂。硫對錳有著極強的親和力，故而在冶金實踐中用錳來牽制硫，以減少硫對合金材料性能的影響。硫的成分達到一定程度會使焊縫出現(xiàn)裂縫。硅（Si）:熔點為1414攝氏度硅同錳一樣在任何一種合金鋼材料中都可以找到。除了鐵礦石中帶有硅以外，爐水從煉鋼爐壁的耐火層中也會攝取相當部分的硅成分。只有在硅的含量超過0.4%時，合金鋼才成為硅合金鋼。硅具有脫氧性，有助于石墨的熔析。硅可以提高合金材料的強度以及耐耗損性能。合金材料的彈性極限通過硅也可以得到明顯的提高，是彈簧鋼合金的首要成分。硅可以大幅度提高耐高溫合金材料的鱗層強度，從而提高耐高溫材料的冶煉性能。但因它同時對材料的冷成型以及熱成型性能有著很大的影響，所以硅的成分在合金材料中一般都控制在較小的范圍內。硅的成分若提高到12%以上，則合金材料會呈現(xiàn)出極強的耐酸腐蝕性，但此時的合金鋼只能用打磨的方式進行處理了。■MHIHHH^HBII程■■UBIIIIBIHIIIIHIIIIIIIHIIIIIIIIIIHIII鈦（Ti）:熔點為1727攝氏度鈦對氧、氮、硫以及碳有著極強的親和力。在耐腐蝕類合金不銹鋼材料中鈦常常被用來作為穩(wěn)定劑使用，以提高合金材料對分子間類腐蝕的抵抗能力。不銹鋼管道系統(tǒng)的表面若是要接觸載體應具有下列特征：耐腐蝕性、載體中立、易于吹掃清洗等?；诖?，項目規(guī)劃設計應該選擇合適的材料，以便用戶的最終要求能在最大程度上得到滿足。以所規(guī)定的檢測技術去評判設備各個部分表面質量，即使依用戶的最終要求已選擇了合適的材料，也還是常常會發(fā)現(xiàn)一些另人難以滿意的技術空白之地。除了用肉眼進行視覺上的檢測以及根據一些常用的企業(yè)自定標準進行檢測外，作為快捷、相對便宜的檢測手段通常是采用現(xiàn)時通行的同步點觸粗糙度檢測儀（如豪摩爾檢測儀、百盾檢測儀等）對粗糙度進行檢測。這種檢測方法是通過儀器所提供的二維幾何比較數(shù)據進行分析。但由于管道表面情況復雜，以及這類測試儀的性能有著極大的局限性，所以對由其所提供的數(shù)據作出正確的分析是相當困難的。為此有必要對此進行一下探討。為了能正確地分析這些數(shù)據，現(xiàn)將評判的視野分成以下三個部分：表面結構；形態(tài)結構；能量水平。不同的表面處理方法也將予以充分的考慮。表面結構分析是以三維的形式來描述表面以及表面相連的細微孔穴的具體結構。為了能準確地把握表面的具體結構，在釋義表面結構分析所提供的信息時，應將具體的環(huán)境因素（比如靜力、動力等）以及因渦流而形成的介層及其自然擴散效應考慮在內。按表面結構分析的標準來評判管道的表面，用前面提高的檢測方法無疑是無法達到的。基于此，以一孤立的、通過上述檢測儀器測得的粗糙度Ra值來作為評判管道表面結構的唯一依據是不可信的。另外，還可用掃描電鏡（SEM）來輔助分析表面缺陷。需要特別說明的是，由于歐美、日本粗糙度檢測手段和測試距離的不一致（如歐洲的測試距離是4.8mm，美國的測試距離是3.81mm，日本的測試距離是1.25mm）使得測試的結果就不一樣，在這種情況下Ra值也缺乏可比性。一般來說，測試距離越長，可信性越高。作為對處理過的管道表面結構評判的一個重要輔助手段可采用比如無離子水析法，用這種方法可測定液體及氣體范圍內離子自然擴散的效應，藉此推定表面結構。通過形態(tài)結構分析可以發(fā)現(xiàn)管道表面的奧氏體結構因選用的表面處理方式之緣故而受到負面影響。這種影響通過特殊的檢驗（包括ESCA鈍化膜鉻氧比例分析、俄歇電子能譜（AES）分析鈍化膜層厚度測試）可以毫無困難地深入到表層以下30微米處進行。通過這樣的檢測可以發(fā)現(xiàn)，接觸載體的管道表面已非擁有原來精確定義出來的物質結構。通過形態(tài)結構分析還可以發(fā)現(xiàn)，管道表層內隨著表面處理的方法不同而殘留了不同的雜質（比如研磨殘屑等），物質成分結構也被改變（比如鐵素體的成分）?？偟恼f來，管道表面的結構因處理方式而引起的改變除了對清潔度有著負影響外對耐腐蝕性也有著十分不利的影響。而用光能量色散分析（EDX）可以分析表面夾雜物。管道表面整體能量水平的提高將對管道表面的所有性能（比如耐腐蝕性、附著性、過濾性等）產生不利的影響。由此也可以得到，上述三個方面是互相影響的，沒有一項可以孤立地存在。所以，有關通過前面得到的檢測方法得到的粗糙度數(shù)據只有同其他的信息（比如通過產品附帶文件確定表面處理的方式）結合起來才會有說服力。只有在質量保證體系下使用非標準化一系列附加的檢測方式，用戶的要求才會得到完全的滿足。鈍化層的產生及作用■.高科技業(yè)界諸如半導體、光電子、生物制藥等的敏感、腐蝕性強的介質對輸送的管道提出了更高的要求。如：管道在傳輸過程中必須保持中立和有極好的耐腐蝕性。而傳統(tǒng)的拉、磨、羽布拋光等機械處理盡管可以使管道表面的粗糙度Ra值做得很好，但這些機械拋光手段無法從根本上改善表面質量，尤其是形態(tài)結構和能量水平。而具有所謂鉻氧化物鈍化層的高純不銹鋼管道正符合現(xiàn)代高科技業(yè)界的技術要求。LIubruiiii■