Виды конструкционных материалов

В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Специфические условия эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном давлений и температур при агрессивном воздействии среды, определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:

- высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах при рабочих параметрах;

- высокая механическая прочность при заданных рабочих давлениях, температуре и дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических

испытаниях и в период эксплуатации аппаратов;

- хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств сварных соединений;

- низкая стоимость и недефицитность материалов.

Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, условно делятся на четыре класса:

- стали;

- чугуны;

- цветные металлы и сплавы;

- неметаллические материалы.

Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1-2 %. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.

Стали по химическому составу делятся на несколько групп:

- углеродистые обыкновенного качества;

- углеродистые конструкционные;

- легированные конструкционные и др.

Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий – 1, 2, 3, 4, 5, 6 – чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность.

По степени раскисления стали всех категорий изготавливают кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп).

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.

Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок

Ст3, Ст3кп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в

1,5 раза при высоком 15-26 % относительном удлинении.

Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает

механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический

эффект.

Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.

Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Наиболее распространенные легирующие добавки:

- хром (Х) – повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;

- никель (Н) – повышает прочность, пластичность и вязкость;

вольфрам (В) – повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;

- молибден (М) – повышает твердость, предел текучести при растяжении вязкости, улучшает свариваемость;

- марганец (Г) – повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;

- кремний (С) – повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;

- ванадий (Ф) – повышает твердость, предел текучести при растяжении,

вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;

- титан (Т) – увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (>800 °С) температурах.

Обычно в состав легированных сталей входит несколько добавок.

По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:

- низколегированные – с содержанием добавок до 3 %;

- среднелегированные – с содержанием добавок от 3 до 10 %;

- высоколегированные – с содержанием добавок > 10 %.

Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико-термическая обработка, т.е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения ее поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.

К основным видам химико-термической обработки изделий из стали

относятся:

- цементация – процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает его прочность и твердость;

- азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что

повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;

- алитирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного

слоя алюминием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800-1000 °С;

- хромирование – поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.

Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей развивается по двум направлениям: насыщение диффузионного слоя азотом и упрочнение деталей термоциклической обработкой в процессе насыщения. Основой новых технологических процессов стала нитроцементация со ступенчатым возрастанием расхода аммиака. Толщина слоя при этом увеличивается до 1-2 мм и более, возрастает его твердость.

Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и

других металлургических добавок кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7 %, при этом большая

его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около

0,8-0,9 % находится в связанном состоянии в виде цементита (карбида железа – FeC). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен.

По микроструктуре различают:

- чугун серый – в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;

- чугун белый – в структуре которого углерод выделяется в связанном состоянии;

- чугун отбеленный – в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина – структуру серого чугуна;

- чугун половинчатый – в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.

Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.

Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.

Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность.

Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.

Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует предел прочности на растяжение, второе – предел прочности на изгиб, например, СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.

Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.

Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.

Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3-10 %).

Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.

Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и др. По суммарному содержанию легирующих добавок чугуны делят на три группы:

- низколегированные – сумма легирующих добавок до 3 %;

- среднелегированные – сумма легирующих добавок от 3 до 10 %;

- высоколегированные – сумма легирующих добавок более 10 %.

Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, молибдена,

кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5-6 %) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30 % Cr) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а так же хлористых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4 % (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.