Материал: Выбор конструкционных материалов

технологические характеристики;

состав и структура материала;

стоимость

Свойства материала неразрывно связаны между собой и сильно зависят от условий, в которых находится материал. Достаточно изменить температуру, чтобы сейчас же изменились все механические свойства металла, его коррозионная стойкость, его обрабатываемость - способность штамповаться , коваться, шлифоваться. Достаточно увеличить чистоту поверхности при механической обработки , чтобы ощутимо улучшить коррозионную сопротивляемость металлов и сплавов. Достаточно термической обработкой, при том же самом составе сплава, изменить его структуру, чтобы совершенно изменить его прочностные характеристики.

Химическая промышленность является одним из основных потребителей коррозионностойких сталей. Известно, что одной из важнейших проблем химических производств является проблема коррозии. С увеличением объема производства растут издержки на защиту от коррозии и замену вышедшего из строя оборудования, потери от простоев и аварий. Наиболее эффективным путем решения этих вопросов является использование в химическом машиностроении современных коррозионностойких материалов. Эксплуатационная надежность химической аппаратуры, изготовленной из нержавеющих кислотоупорных сталей, особенно коррозионная стойкость сварных соединений, определяется качеством самих сталей и технологией изготовления аппаратуры. Если среда отличается значительной агрессивностью, то применяются специальные стали: а) нержавеющие и кислотостойкие стали, б) жаростойкие и жаропрочные стали. Для каждой агрессивной среды надо подбирать соответствующую марку стали, так как нет универсально стойких сталей.

Для производства синтетических неметаллических материалов (пластмассы, стеклопластики, стекловолокно и т. д.), удобрений, а также других химических продуктов аппаратура, установки и машины работают в агрессивных кислотных средах, чаще в серной, соляной, азотной или фосфорной кислотах и их смесях разной концентрации и при разных температурах.

Нержавеющие стали оказываются недостаточно стойкими в перечисленных средах и других средах высокой агрессивности.

Для эксплуатации в этих средах следует применять более легированные стали и сплавы, называемые кислотостойкими.

Увеличение стойкости в кислотах (общая коррозия) дает присадка в аустенитные стали молибдена и особенно молибдена с медью при одновременном увеличении содержания никеля.

Рассмотрим коррозионную стойкость разных сплавов в различных средах.

Фосфорная кислота. При комнатной температуре любой концентрации аустенитные стали устойчивы, хромистые нет.

В горячей фосфорной кислоте устойчивы лишь сталь 06ХН28МДТ (до концентрации 25 %), в кипящей - лишь хастеллой (до концентрации 20-50%) а при более высокой устойчивы лишь тугоплавкие металлы.

Соляная кислота. При комнатной температуре устойчива только сталь ЭИ943 но лишь в разбавленной кислоте (5%).

В кипящей кислоте концентрацией до 20% может работать сплав хастеллой и до любой концентрации - тугоплавкие металлы.

Несмотря на малую стойкость против окисления (газовой коррозии) при высоких температурах все тугоплавкие металлы являются чрезвычайно кислотостойкими. В кипящей серной кислоте - одной из наиболее агрессивных сред - кислотостойкая хромоникельмолибденомедистая сталь может работать при концентрации Н₂SО₄ до 5 %, сплав хастеллой (80 % Ni, 20 % Мо) - при концентрации до 20 %, а тантал не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при концентрации до 80 % .

Наибольшее промышленное применение имеет хромоникельтитановая сталь марки 1Х18Н9Т, она кислотостойка в азотной кислоте и ряде других агрессивных сред, а также прочна, пластична и хорошо сваривается.

Из тугоплавких материалов тантал является наиболее кислотостойким. Ниобий по кислотостойкости превосходит сплавы на основах железа и никеля, однако уступает танталу. Использование ниобия вместо тантала представляет интерес из-за более низкой (по сравнению с танталом) его стоимости.

По кислотостойкости молибден и вольфрам в условиях эксплуатации в кипящих неорганических кислотах значительно превосходят ниобий и мало уступают танталу. При их стоимости, существенно меньшей по сравнению с танталом, они явились бы весьма перспективными материалами для химического машиностроения. Однако технологические трудности изготовления химической аппаратуры ограничивают применение молибдена и вольфрама.

Тугоплавкие сплавы, в первую очередь тантал, сплав ниобия с танталом и в отдельных случаях молибден, являются самыми кислотостойкими металлическими материалами. Их применение особенно целесообразно в средах, в которых другие материалы не обладают коррозионной стойкостью. К таким средам относятся неорганические крепкие кислоты при повышенных температурах, а также некоторые промышленные среды. Несмотря на высокую стоимость тугоплавких материалов по сравнению с такими кислотостойкими материалами, как высоколегированная нержавеющая сталь или сплав хастеллой, применение сплавов Ta-Nb, экономически оправданно, так как вследствие высокой коррозионной стойкости можно эксплуатировать химическую аппаратуру весь срок без замены облицовки. Следует иметь в виду, что коррозионная стойкость в крепких кислотах определяется в основном химическим составом сплава и мало зависит от структуры и способа производства.

Ниже в таблице представлены важнейшие физические свойства тугоплавких металлов.

Табл. 1 Физические свойства тугоплавких металлов

Наибольший практический интерес представляют свойства тугоплавких металлов при повышенных температурах, поскольку главное назначение этих металлов и, в первую очередь, их сплавов для деталей, работающих при высоких температурах, выше 1000 С

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. Ниобий и тантал - высокопластичные материалы и хорошо свариваются.

Сплав на основе ниобия ВН2А - t=1200°C, sв=850МПа.

Сплав на основе молибдена ЦМ3 - t=1200°С, sв=500МПа, s100=180МПа.

Сплав на основе вольфрама ВВ2 - t=1200С°, sв=130МПа, s100=80МПа.

Для ряда металлов прочность при растяжении представлена на рис. Как и следовало ожидать, прочность тем выше (при одинаковой температуре), чем выше температура плавления.

Рисунок 6 - Температурные зависимости предела прочности при растяжении (а) относительного сужения (б) тугоплавких металлов.

Жаропрочность можно повысить легированием тугоплавких металлов другими элементами. Используя две системы легирования, либо вводят большое количество других тугоплавких металлов (молибден в ниобий или вольфрам в молибден) для образования двойного, более прочного твердого раствора либо вводят небольшое количество более сильных карбидообразователей для образования вместе с углеродом упрочняющей карбидной фазы. Во избежание сильного охрупчивания количество вводимых элементов должно быть невелико. Часто используют оба способа легирования.

Составы и жаропрочные свойства некоторых сплавов на основе ниобия и молибдена приведены в таблице 2.

Табл.2 Жаропрочные свойства сплавов на основе ниобия и молибдена.

Список литературы

.        Рогов В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки.- М., 2008.- 336с.

.        Таранцева К.Р. Материаловедение. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во ПГТА.. 2011. - 265 с.

.        Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 2008. - 544 с.

.        Материаловедение и технология металлов/ Под ред. Г. П. Фетисова.- М., 2008.- 877с.

.        Бондаренко Г.Г. Материаловедение - М.: Издательство Юрайт, 2013. - 359 с.

.        Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / под ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М., 2009.

.        Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) - М., 2008. - 288с.

.        Оськин В.А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. - М., 2008. - 447с.

.        Черепахин А.А. Технология конструкционных материалов: Обработка резанием. - М., 2008. - 288с.

.        Таранцева К.Р. Выбор конструкционных материалов Учебное пособие. Пенза. Изд-во ПГТА, 2011, 119 с.

.        http://material.osngrad.info/node/116

.        http://supermetalloved.narod.ru/lectures_materialoved.htm

.        http://lib.ssga.ru