ВЫБОР МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

При выборе металлов и сплавов для изделий машиностроения учитывается их коррозионная стойкость в конкретных условиях эксплуатации, склонность к контактной и щелевой коррозии, технологические свойства; свариваемость,

штампуемость и т.

Коррозионная стойкость металлов и сплавов в конкретных средах оценивается с учетом опыта, накопленного в различных отраслях машиностроения. При необходимости проводятся дополнительные коррозионные испытания.

Разнообразие сред и их сочетаний, с которыми могут контактировать металлические поверхности, усложняет задачу выбора конструкционного материала и ставит ее в ряд особо важных при разработке новой техники.

При выборе конструкционных материалов, защитных покрытий или конфигурации отдельных элементов изделия рекомендуется пользоваться морфологическим подходом — методом логической организации идей.

Так, при выборе материала для наружной крышки (кожуха) роторной газонокосилки конструктор предъявляет к нему следующие требования [41]: материал должен легко штамповаться (быть пластичным), иметь относительно высокую ударную вязкость и небольшую плотность; поверхность материала должна хорошо обрабатываться для защиты от коррозии (естественная защита или окраска); стоимость материала крышки должна быть значительно ниже стоимости материала, из которого изготовляются работающие детали; крышка должна легко крепиться к раме, выдерживать вибрации и быть съемной. После этого конструктор приступает к построению матрицы решений (табл. 4).

Коэффициенты значимости задаются с учетом требований к изделию. Следует отметить, что эти коэффициенты для состава и плотности материала равны нулю, так как указанные свойства существенно не влияют на принятие реше-

4. Матрица решений при выборе материала для крышки роторной газонокосилки

ния в конкретной ситуации.

В табл. 5 приведена качественная характеристика коррозионной стойкости основных конструкционных материалов в средах химического производства, в табл. 6 — в некоторых пищевых средах [29]. Как следует из приведенных данных, для большинства сред можно выбрать достаточно стойкие материалы.

В машиностроении используются в основном конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества и качественные углеродистые стали, содержащие до 1 % марганца.

Условные обозначения те же,

Коррозионная стойкость углеродистых сталей снижается главным образом наличием примесей серы, которая вызывает межкристаллитную коррозию, образуя с железом и марганцем сульфиды, которые концентрируются по границам зерен. Примеси серы в небольших количествах межкристаллитную коррозию углеродистых сталей не вызывают.

Коррозионностойкие стали легируются металлами с более высоким, по сравнению с железом, потенциалом, а также легкопассивирующимися металлами.

Основным легирующим элементом железоуглеродистых сталей является хром, обладаю-

щий способностью пассивироваться. Вторым по значимости легирующим элементом является никель, который повышает коррозионную стойкость сталей, улучшает их механическую прочность, пластичность, а также способность к сварке.

Среди нержавеющих сталей в наибольшей степени подвержены щелевой коррозии хромистые стали. Более устойчивы к этому виду коррозии хромоникелевые стали, однако и они подвергаются интенсивным разрушениям в щелях, если коррозионная среда содержит активаторы, например хлор-ионы. Области применения основных коррозионностойких сталей, выпускаемых в СССР, следующие [36, 39]:

высокопрочные, коррозионностойкие стали

мартенситного, мартенсито-ферритного и

аустенито-мартенситного класса

08X13; 12X13; 20X13 — для изготовления деталей, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред (атмосферных условий, кроме морских, водных растворов солей органических кислот при комнатной температуре, растворов азотной кислоты слабой концентрации, продуктов жизнедеятельности животных, дезрастворов и т. д.). Стали применяются в тех случаях, когда детали должны обладать определенным запасом пластичности и ударной вязкости. Сталь 08X13 используется как жаростойкий материал при температурах до 800 °С, а 20X13 — при температурах 450—550 °С. Сталь 08X13 обладает высокой коррозионной стойкостью во многих пищевых продуктах: фруктово-ягодных смесях, сахарном сиропе, патоке, пищевом масле и др. Стали удовлетворительно свариваются различными видами сварки, деформируются в холодном и горячем состоянии;

30X13; 40X13 — для изготовления тяжелона- груженных деталей, пар трения, торцовых уплотнений химических аппаратов и поршневых компрессоров, работающих в слабоагрессивных средах (водных растворах солей, азотной и некоторых органических кислотах невысоких концентраций) при температуре до 30 °С. Применяются для изготовления режущего, мерительного и хирургического инструментов, пружин, подшипников. Стали достаточно стойкие в условиях воздействия пресной воды, пара, бензина, атмосферы. Холодная пластическая деформация сталей ограничена;

20Х17Н2Б—Ш(ВД); 14Х17Н2; 95X18 —для изготовления тяжелонагруженных деталей (ножей, фильтров и валов шнековых машин, втулок подшипников, колец торцовых уплотнений, валов и мешалок оборудования с перемешивающими устройствами и др.), подвергающихся сильному износу и действию умеренно агрессивных сред: азотной и органической кислот (за исключением уксусной, муравьиной, молочной, щавелевой), большинства растворов солей органических и неорганических кислот при различных концентрациях и температурах.

высокопрочные коррозионностойкие стали

аустенито-мартенситного класса

09Х15Н8Ю; 07Х16Н6; 08Х17Н5МЗ — для изготовления высоконагруженных деталей (дисков распиливающих сушилок, уплотняющих колец сепараторов, роторов и валов центрифуг, пластин прямоточных клапанов в компрессорах, режущих устройств шнековых машин и т. д.), работающих в растворах азотной, фосфорной, уксусной кислот, солей, в атмосферных условиях, сернокислых средах (08Х17Н5МЗ). Сталь 07Н16Н6 используется как жаростойкий материал при температурах до 400 °С, а сталь 08Х17Н5МЗ — при температурах до 550 °С. Стали хорошо свариваются, деформируются в горячем состоянии;

06Х16Н7М2Ю — для изготовления дисков распыливающих сушилок при сушке двойного суперфосфата, клапанных пластин в компрессорах конвертированного газа, плунжеров и пружин карбонатных насосов. Рекомендуется для сварных конструкций;

ОЗХ14Н7В — для валов погруженных центробежных насосов, работающих в нефтяных скважинах;

стали аустенитного класса

10Х14Г14Н4Т; 10Х14АГ15 — для изготовления деталей оборудования, работающего в средах слабой агрессивности (органических кислотах невысоких концентраций и умеренных температур), а также оборудования по производству кормовых дрожжей; для кислородных компрессоров, установок газоразделения, работающих при температурах до 196 °С, а также как жаропрочные, применяющиеся при температуре до 700 °С. Сталь 10Х14АГ15 используется для изготовления деталей торгового оборудования, приборов бытового назначения (кроме режущих элементов, холодильников, стиральных машин), а также деталей оборудования пищевой и мясомолочной промышленности.

12Х18Н10Т;              12Х18Н9Т;              08Х18Н10Т — для

сварных конструкций, работающих в средах средней агрессивности (продуктах сгорания топлива, разбавленных растворах азотной, фосфорной, органических кислот, за исключением муравьиной, щавелевой, молочной, продуктах жизнедеятельности животных, дезрастворах, растворах щелочей и солей, органических и неорганических кислот при различных температурах и концентрациях, органических растворителях, атмосферных условиях и т. д.). Для повышения износостойкости пар трения рекомендуется применение упрочняющей технологии (азотирование, поверхностный наклеп). Стали используются в качестве жаростойкого и жаропрочного материала. Хорошо свариваются всеми видами ручной и автоматической сварки, обладают технологичностью при горячей и холодной пластическай деформации;

10Х17Н13М2Т; 10X17H13M3T — для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, муравьиной, уксусной кислот и других сред повышенной активности. Для повышения износостойкости пар трения рекомендуется применение упрочняющей технологии (азотирование, поверхностный наклеп);

стали аустенито-ферритного класса

08Х22Н6Т;              06Х22Н5Б — для изготовления

сварной химической аппаратуры (реакторов, теплообменников, емкостей испарителей, арматуры, трубопроводов), в том числе для приготовления катализаторов, полимеризации, сушки в производстве полиолефинов, синтетических каучуков, кормовых дрожжей и вакцин, а также сварной аппаратуры, работающей в среде кипящей 65 %-ной азотной кислоты, при выпарке и нейтрализации аммиачной селитры в производстве азотной кислоты, в производствах калийной селитры, мочевины, красителей, капролактама, фосфорной (до 65 %-ной концентрации при температуре до 185°С) и уксусной (60 %-ной концентрации до температуры кипения, 80 %-ной — до 40 °С) кислот. Используются как заменители; сталей типа Х18Н10Т и Х18Н9Т в умеренно агрессивных средах.

08Х18Г8Н2Т — для изготовления химической аппаратуры, работающей преимущественно в окислительных средах (емкостей реакторов, тру- ' бопроводов и т. д.). Используется как заменитель сталей Х18Н10Т и Х18Н9Т. Обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью в 60 %- ной азотной кислоте при температуре до 80°С, 25 %-ной фосфорной, 32 %-ной уксусной, 10 %- ной щавелевой кислотах. Рекомендуемый температурный интервал использования — от — 50 до + 300°С. Сталь хорошо сваривается ручной и автоматической сваркой, подвергается гибке и штамповке в холодном и горячем состоянии;

12Х21Н5Т — для изготовления деталей ваку- ум-выпарных аппаратов и сушильно-распылительных установок, валов с мешалками, оборудования с перемешивающими устройствами и сварных конструкций, работающих в умеренно агрессивных средах, не вызывающих межкри- сталлитную коррозию. Рекомендуется в качестве заменителя стали Х18Н9Т в средах производства молочных продуктов, вина, кормовых дрожжей и вакцин. Рекомендуемый температурный интервал использования — от —40 до +300°С;

08Х21Н6М2Т — для изготовления емкостей, реакторов, теплообменников, арматуры, трубопроводов и т. д., работающих в окислительновосстановительных средах. Рекомендуется в качестве заменителя сталей 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М2Т в производствах серной кислоты (92% Н204 + 7 % 02 при 40—60°С), 15 %-ной лимонной кислоты при 60 °С, термической фосфорной кислоты (80%—Н3Р04 при 100 6С), сульфитной и сульфатной целлюлозы (фильтрующая аппаратура), синтетического каучука (отжимные и сушильные машины), меланина, синтетической морской воды, хлористого аммония методом выпаривания и других. Для сред повышенной агрессивности, содержащих муравьиную, уксусную, щавелевую кислоты (не выше 5 %-ной концентрации), а также для фосфорной кислоты (до 32 %) Р2Об), содержащей фтористые соединения, борной кислоты с примесью серной кислоты (до 1 %) и 10 %-ной кремнефтористоводородной кислоты при температуре до 40 °С. Сварное оборудование рекомендуется эксплуатировать при температурах от —4 до +300°С. Сталь хорошо сваривается всеми видами ручной и автоматической сварки, подвергается гибке и штамповке в холодном и горячем состояниях;

ОЗХ21Н6М2Т — для изготовления деталей сварной химической аппаратуры взамен стали JOX17H13M2T в производстве мочевины, уксусной кислоты, капролактама, а также в условиях действия кипящей фосфорной, серной, 10 %-ной

уксусной кислот, сернокислых сред и т. п. Рекомендуемый температурный интервал использования— от —40 до -г300°С. Сталь хорошо сваривается, обладает хорошей технологичностью при холодной и горячей пластической деформации;

10Х32Н8; 10Х32Н8—Ш(ВД) — для тяжело- нагруженных деталей, подвергающихся сильному износу в средах умеренной агрессивности. Коррозионная стойкость данной стали такая же, как стали Х18Н9Т. Рекомендуется также в качестве износостойких наплавок;

сплавы на железоникелевой основе

06Н28МДТ — для изготовления деталей сварной аппаратуры, в том числе реакторов; теплообменников, трубопроводов, емкостей, работающих в растворах, содержащих ионы хлора, серной и фосфорной кислот при температуре до 80 °С. Сплав сваривается ручной и автоматической сваркой в защитном газе и с применением флюса;

ОЗХН28МДТ — для изготовления деталей сварной аппаратуры, применяемой в производстве минеральных удобрений, серной кислоты всех концентраций, в среде экстракционной фосфорной кислоты (32 % Р2О5) с примесями фтора при температуре до 60 °С и в других производствах для сред повышенной агрессивности. Сплав хорошо сваривается электродуговой и аргонодуговой ручной и автоматической сваркой;

04ХН40МДТЮ — для изготовления тяжело- нагруженных деталей (сепараторов, центрифуг, сушилок) и другой химической аппаратуры, подвергающейся одновременному воздействию износа и агрессивных сред (растворов серной кислоты с концентрацией до 60 % при температуре до 80 °С, растворов фосфорной кислоты с концентрацией до 70 % при температуре до 80 °С, 10 %- ной кислоты фтористоводородной при 70 °С, 110—115%-ной полифтористой кислоты при 120—135 °С, сернистого газа при температуре до 400 °С, обессоленной, деаэрированной воды при 330 °С и давлении 15 МПа (150 кгс/см2). Рекомендуется к применению в следующих производствах: полиэтилена низкого давления (ионов хлора до 150 мг/л, pH до 2, температура до 90 °С), двойного суперфосфата, капролактама, а также для оборудования коксохимических (отделение хлората натрия от твердых частиц графита) и металлургических заводов (купоросные установки, работающие в водных растворах 20 %-ной серной кислоты и 15 %-ного железного купороса при температуре до 40 °С). Сплав имеет удовлетворительную технологичность при горячей и холодной пластической деформации и обработке резанием. Сварное соединение без горячих трещин может быть получено при толщине сварных элементов до 6 мм;

сплавы на никелевой основе

ХН70МФ—для изготовления изделий, работающих при высоких температурах в серной (всех концентраций при температуре до 100°С), фосфорной, органических кислотах, а главное, в соляной кислоте всех концентраций и при всех температурах, включая температуру кипения. Сваривается ручной аргонодуговой и электроду- говой сваркой;

ХН65МВ — для изготовления сварных конструкций (ректификационные колонны, пленочные испарители, разлагатели и др.), работающих при повышенных температурах в сернокислых средах, обладающих окислительным характером, в концентрированной уксусной кислоте, сухом хлоре, хлоридах железа и других высоко

агрессивных средах. Сваривается аргонодуговой и электродуговой сваркой. Подвергается пластической деформации при 1200—950 °С;

ХН60МБ — для изготовления изделий, работающих в контакте с растворами кремниефтористоводородной кислоты при 80 °С, азотной и фос-

Рис. 53. Анодные поляризационные кривые алюминиевых сплавов и малоуглеродистой стали в

водном растворе Na2S04:

1 — сталь СтЗкп; 2 — алюминий АК-5М2. легированный титаном (до

6%); 3 — алюминий АМц.

форной кислот, в производстве минеральных удобрений. Сварку сплава при толщине деталей 4—

10 мм проводят ручным электродуговым способом электродами марки ОЗЛ—21. Подвергается пластической деформации при температурах 1200—900 °С.

После сталей к числу наиболее распространенных материалов можно отнести алюминий и его сплавы. Алюминий обладает способностью к самопассивации в окислительных средах. Он стоек в воде и водных растворах солей, во влажных газах при pH растворов от 4 до 9, в концентрированных серной и азотной кислотах, во многих органических кислотах. Однако алюминий разрушается в средах, не обладающих окислительными свойствами. Легирование алюминия титаном повышает его способность к пассивации (рис. 53).

Коррозионные свойства алюминия и его сплавов в щелях и зазорах имеют свои особенности. Сплавы, которые в объеме электролита находятся в пассивном состоянии, могут потерять пас

сивное состояние в зазоре, в результате чего увеличится скорость коррозии. Зависимость скорости коррозии алюминия и некоторых алюминиевых сплавов от ширины зазора приведена на рис. 54 [29].

Медь и ее сплавы имеют слабо выраженную способность к пассивированию, в связи с чем они

Рис. 54. Зависимость скорости

коррозии алюминия и его сила

вов от ширины зазора в 0,5—Ы

водном растворе NaCl:

/ — алюминий; 2— Д16 плакирован

ный; 3 — АМц; 4 — АМг; 5 — В95 не

плакированный; 6 — Д16 неплакиро

ванный.

не стойки в сильных окислительных средах (азотной, концентрированной серной кислотах, кислых растворах солей хромовой кислоты).

Более высокими коррозионными свойствами обладают сплавы меди: бронзы, латуни, сплавы с никелем, мельхиор, никелин и др.). Скорость коррозии меди и оловянистой бронзы в зазорах почти на два порядка ниже, чем на поверхности со свободным доступом электролита, латунь корродирует в зазорах сильнее, чем в объеме электролита.

К новым коррозионностойким материалам относятся титан и его сплавы. Титан легко пассивируется, образуя очень прочную, сплошную, хорошо сцепляющуюся с основным металлом пленку окиси титана, которая способствует возрастанию потенциала титана до положительного значения. В нашей стране выпускаются коррозионностойкий технически чистый титан ВТ1, а так

же сплавы титана с алюминием и добавками других легирующих элементов.

Сварку титана рекомендуется проводить в защитной атмосфере (например, в среде аргона), так как с повышением температуры он легко на-

alt="" />Рис. 55. Анодные поляризационные кривые металлоуглеродистой и низколегированных сталей в водном растворе Na2S04: 1 — СтЗкп; 2 — ЮХНДП; 3 - ЮХНДП, легированная титаном.

сыщается газами и становится хрупким.

В нейтральных электролитах титан и его сплавы не подвергаются щелевой коррозии. В кислых средах (например, в серной кислоте) наблюдается щелевая коррозия этого материала.

Установлено, что титан в качестве легирующего элемента повышает склонность к пассивации низколегированных сталей (рис. 55).

В настоящее время очень трудно создать изделие, все детали которого были бы изготовлены из одного материала. А контактирование деталей из разнородных металлов или их соединение электропроводящими путями (металлическим проводом, электролитом, водой, конденсатом) приводит к разрушению одной из деталей в результате контактной коррозии. Поэтому при конструировании необходимо учитывать следующие количественные показатели скорости коррозии анода применительно к типичным атмосферам и парам: 0—50 г/(м2-год)—абсолютно допустимые контакты; 50—150              г/(м2 • год) — условно

допустимые; выше 150 г/(м2*год)—недопустимые. При условно допустимых контактах необхо

димо обеспечить периодическую смазку, возобновление лакокрасочных покрытий, периодическую очистку контактов от продуктов коррозии.

При затруднениях в определении скорости коррозии рекомендуется пользоваться распределением металлов по группам, в пределах которых контакт может считаться допустимым. Для атмосферных условий эксплуатации можно выделить пять таких групп: I — магний; II — алюминий, цинк, кадмий; III — железо, углеродистые стали, свинец, олово: IV — никель, хром, коррозионностойкие стали (в пассивном состоянии) типа Х17 и 18—8; V — медно-никелевые и медноцинковые сплавы, медь, серебро, золото.

Ряд металлов в порядке возрастания электродного потенциала в морской воде можно представить следующим образом: магний, цинк, алюминий, железо, углеродистая сталь, хастеллой С, хастеллой В, латунь, медь, бронза, коррозионно- стойкие стали (в пассивном состоянии) типа 18—8 и 17—33, серебро, золото [29].

Материал, имеющий больший электродный потенциал, усиливает коррозию контактирующего с ним материала с меньшим потенциалом. Чем дальше расположены друг от друга материалы в ряду, тем сильнее коррозия при их контакте.

Стандартные электродные потенциалы металлов приведены в табл. 7.

В качестве примера рационального выбора конструкционного материала можно привести емкость агрегата для внесения химконсервантов в корма растительного происхождения для животных [18]. Срок службы агрегата должен быть не менее 6 лет при контакте с водными растворами муравьиной кислоты. В зависимости от конкретных условий концентрация кислоты может из-

меняться от 10. до 50%. Условия работы следующие: агрегат используется для консервирования сочных кормов (измельченной стебельчатой массы кукурузы, подсолнечника и других растений) на протяжении 180—200 ч в год (остальное время емкость не имеет контакта с кислотой); агрегат перемещается по полю, имеющему неровности, следовательно, имеет место периодическое смачивание стенок емкости муравьиной кислотой, нижняя часть емкости имеет постоянный контакт с кислотой.

Чтобы правильно, экономически обоснованно выбрать конструкционный материал для изготовления емкости агрегата с учетом срока его службы, проведены дополнительные исследования коррозионной стойкости некоторых сталей. В результате исследований установлено, что коррозия углеродистой стали СтЗкп в растворе муравьиной кислоты имеет тот же порядок, что и в водопроводной и дистиллированной воде. Кроме того, этот материал корродирует в 5—10 раз медленнее, чем низколегированная и диффузион- нохромированная стали (рис. 56). Следовательно, сталь СтЗкп можно использовать при

Рис. 57. Зависимость коррозии диффузионнохромиро- ванной стали (сплошные линии), стали ЮХНДП (штрих-пунктирные) и стали СтЗкп (штриховые) от концентрации муравьиной кислоты и времени испытаний:

1. 4, 7 — 504 ч; 2. 5, 8 - 360 ч;

3, 6, 9 - 192 ч.

изготовлении емкости агрегата для внесения хим- консерванта. Этот вывод подтверждается также тем, что при времени испытания материалов, близком к времени сезонной работы агрегата, коррозия стали СтЗкп практически не зависит

от концентрации раствора муравьиной кислоты (рис. 57).

Установлено, что с увеличением концентрации водного раствора муравьиной кислоты скорость коррозии диффузионнохромированной стали и стали 10ХНДП уменьшается. Скорость коррозии малоуглеродистой стали СтЗкп при времени испытания до 192 ч не зависит от концентрации кислоты (рис. 57) и значительно ниже, чем других материалов.

В связи с тем что скорость коррозии малоуглеродистой стали СтЗкп при испытаниях в растворе муравьиной кислоты имеет тот же порядок, что и при испытании в водопроводной воде, и не зависит от концентрации муравьиной кислоты, при конструировании агрегатов для внесения химконсервантов можно использовать сталь СтЗкп. Этот материал при толщине стенки емкости 3—4 мм обеспечит долговечность изделия не менее 6 лет. />Выбор материала для конкретных изделий машиностроения зависит от конкретных условий эксплуатации.

При выборе материала конструктор должен исходить из того, что во многих случаях окончательный вывод о правильности выбора можно сделать только после испытания материала в условиях эксплуатации. Поэтому заключительный этап создания конструкции изделия — его испытания — должен быть проведен с особой тщательностью и в полном объеме.