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.
|
|