XIII. Конструкционные материалы.

Рациональный выбор материала определяет надежность и работоспособность любого оборудования, а стоимость конструкционного материала – применимость этого оборудования. Общая стоимость С_о оборудования может быть рассчитана:

,

где С_о – удельная стоимость конструкционного материала;

М – масса оборудования.

Основными требованиями к материалу являются прочность, коррозийная стойкость, температуростойкость, а также возможность обработки материала.

Основные разновидности конструкционного материала:

- черные металлы и сплавы;

- цветные металлы и сплавы;

- полимеры;

- композиционные материалы (композиты);

- уплотнительные материалы.

 

Черные металлы и сплавы.

Наибольшее распространение в применении получили черные металлы и сплавы, основной группой которых является чугуны и стали. Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2%. Основное назначение чугуна заключается в использовании его как исходного материала для выплавки стали. Сталью называют железоуглеродистый сплав с содержанием углерода меньше 2%. Углерод оказывает существенное влияние на качество сплава: повышенное содержание углерода придает сплаву твердость с точки зрения механических характеристик, в месте с тем при этом повышается материала. Очевидно, чугун – дешевые материал, но тяжелый, что делает невозможным применение его для емкостного оборудования.

Чугун подразделяют на:

- белый (Fe₃O);

- серый (получают из белого чугуна путем выжигания);

- ковкий.

Белый чугун – чугун с большим содержанием углерода, твердый и поэтому редко используется в качестве конструкционного материала. В основном белый чугун используется как цементит – сырье для производства стали или дешевых фундаментальных изделий.

Серый чугун в отличие от белого может обрабатываться механически, однако его твердость не позволяет обработку деформацией. Из серого чугуна не изготавливаются штамповки, обычно берется литая заготовка, которая в последующем обрабатывается. Используется серый чугун для изготовления дешевых корпусных деталей, труб и арматуры. Маркировка серого чугуна включает последовательное перечисление прочности на изгиб и удлинения материала (последнее в настоящее время опускается), например, СЧ12-28 или СЧ15.

Ковкий чугун обладает большей пластичностью, т.е. может обрабатываться пластической деформацией. В марку ковкого чугуна заключают уровень пластичности (% остаточной деформации) и прочность на удлинение (или сжатие): КЧ6-32. Легированием ковкого чугуна получают жаростойкие чугуны, например, ЖЧХ (жаростойкий чугун хромированный).

Сталь – наиболее распространенный материал в промышленности. Стали бывают:

- углеродистые (сплав железа и углерода с содержанием последнего менее 2%);

- качественные;

- легированные.

Углеродистые стали, например, У7, У15 (число указывает содержание углерода в десятых долях процента), применяются для изготовления дешевого режущего инструмента.

Качественные стали подразделяются на стали обычного качества и качественные стали. Обычные стали включают 6 групп, номер каждой из которых является маркой стали, например, АСт8 или БСт10. Заглавной буквой обозначается вид контроля материала (А – контролируются механические характеристики материала (стали улучшенного качества), Б – контролируются химический состав материала, а именно содержание серы и фосфора, ухудшающих качество стали, В – контролируются определенный химический состав и механические характеристики материала). Качество качественных сталей, например, улучшено за счет введения марганца (Г), который улучшает механические характеристики и уменьшает коррозию. Маркировка стали включает содержание углерода в сотых долях процента и обозначение марганца, например, Сталь 15Г.

В химической промышленности чаще используются легированные стали, где легирующие элементы вводятся в расплав стали. Причем для малолегированных сталей содержание легирующих элементов невелико – 2-3%. Пример:

Ст25КМ,

где содержание углерода указано в сотых долях процента, отсутствие цифры за легирующим элементом означает, что его доля составляет менее 1%, при этом необходимо учитывать, что суммарное содержание легирующих элементов не должно превышать 2-3%. Среднелегированные стали содержат до 10% легирующих элементов. Пример обозначения:

Ст8ХНТ,

где содержание углерода указано в сотых долях процента, доля легирующих элементов – не более 10%. Содержание легирующих элементов у высоколегированных сталей составляет 20-50%. Наиболее широко в химической промышленности используется Ст12Х18Н10Т.

Наиболее широко используются такие легирующие элементы, как марганец, увеличивающий коррозийную и литьевую стойкости, ванадий и вольфрам (придают стали прочность, коррозийную стойкость и износостойкость), а также кремний, придающий стали ударную прочность.

В соответствие со стандартами для черных металлов и сплавов для легирующих элементов приняты следующие обозначения: Г – марганец; Д – медь; Ю – алюминий; М – молибден; Н – никель; Т – титан; Х – хром; Ф – ванадий; В – вольфрам; С – кремний.

Отличительной особенностью стали является то, что ее свойства определяются термообработкой стали. Влияние термообработки на качество стали – целенаправленное термическое воздействие на готовую сталь, а именно отжиг, нормализация или закалка. Отжигом является нагревание стали свыше 1000ºС с последующим медленным охлаждением (100ºС в час). Отжиг позволяет устранить внутренние дефекты металла, сталь становится мягче и легче обрабатывается. Нормализация – нагрев и относительно быстрое охлаждение стали, обеспечивает равенство свойств материала по всему объему заготовки. Закалка стали заключается в нагревании металла до 1000-1200ºС с условием быстрого охлаждения (600ºС в час), причем охлаждение может осуществляться в воде или масле. Закалка обеспечивает повышенную твердость на поверхности детали. Наряду с термообработкой, также используется химико-термическая обработка, в режиме которой самыми распространенными являются цементация (обработка нагретой стали угарным газом, понижающая содержание углерода в стали на 0,2-0,3% и увеличивающая поверхностную прочность материала). Азотирование – процесс насыщения азотом поверхностного слоя нагретой детали, осуществляемое в среде аммиака. Азот, проникающий до 0,5 мм глубины, увеличивает твердость поверхности. Сочетание цементации и азотирования называется цианированием, в режиме которого нагретая деталь выдерживается в смеси угарного газа и аммиака, в результате чего увеличивается коррозийная стойкость материала детали. Воронение – способ насыщения углеродом поверхности детали, в ходе которого нагретую сталь помещают в мелкий порошок угля. Воронение применяется в малосерийном производстве. Наряду с воронением, придающим цвет детали, используются хромирование и никелирование – покрытие хромом и никелем соответственно.

 

Цветные металлы и сплавы.

Выполненные из цветного металла или сплава изделия отличаются от стальных меньшей плотностью, повышенной коррозийной стойкостью, меньшим коэффициентом трения, при этом 5-10 раз дороже стальных, что ограничивает их применение.

Цветные металлы и сплавы изготавливаются с использованием алюминия, титана, меди, цинка, олова и свинца. Из алюминиевых сплавов широко распространены дюралюминий (ДМ-1) и силумин (Л-1), используемые для изготовления легких деталей (например, крыльев самолета). Титан используется как легирующий элемент в производстве летательных аппаратов, двигателей, работающих при невысокой температуре. Сам титан самодостаточен, имеет плотность ρ = 4,8 г/см³, его прочность составляет 60-70% от стали.

Класс цветных сплавов составляют латуни (сочетание меди и цинка) и бронзы. Латуни (например, Л60, где 60% меди и 40% цинка) относительно легкие, имеют средний по величине коэффициент трения. Бронза дороже, чем латунь, используется с добавлением легирующих элементов. Например, БрОЦС-3-2-2 – бронза, содержащая 3% олова (О), 2% цинка (Ц) и 2% свинца (С).

Наибольшее распространение в промышленности находят Баббит 83 (сплав свинца (80%) и олова (20%), используемый чаще для изготовления вкладышей в подшипники скольжения, мягкий, с малым коэффициентом трения) и мельхиор – сплав меди (68%), никеля (30%), железа (1%) и цинка (1%).

Легирующие элементы цветных металлов и сплавов имеют обозначения: А – алюминий, Ж – железо, Мт – марганец, М (Мд) – медь, О – олово, Ц – цинк, Ф – фосфор, С – свинец.

 

Полимеры (пластмассы).

Пластмассы получают за счет использования органических соединений, отличаются малой плотностью (весом), коррозийной стойкостью, относительной дешевизной и технологичностью в изготовлении. Главной особенностью полимеров является химическая стойкость при невысоких прочностях. Пластмассы работают при невысоких температурах.

Пластмассы разделяются на:

- пластмассы термостойкие (или термопласты);

- термореактивные пластмассы;

Термопласты при нагревании могут быть вторично обработаны деформацией (вторичная обработка). К ним относят полиэтилен низкого давления, полиэтилен высокого давления, поливинилхлорид (ПВХ), капроны, фторопласт (имеет наименьший коэффициент трения, нейтральный, но при повышении температуры до 500ºС разлагается с выделением фосгена).

Термореактивные пластмассы не подлежат вторичной обработке, чаще выполняются как комбинации различных волокнистых материалов.

В отличие от пластичных материалов (пластмасс) керамические материалы, изготавливаемые на основе природных глин, имеют тестообразную структуру с добавлением связующих элементов. Керамические материалы в основном применяются для футеровки (обмазка внутренней поверхности реакторов).