Сталь и чугун в машиностроении

Обновлено: 16.05.2024

Сталь(польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2% ) и др. элементами. С.- важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей пром-сти. Масштабы произ-ва С. в значит, степени характеризуют технико-экономич. уровень развития государства.

Историческая справка.С. как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения С. в тестообразном состоянии - сыродутный процесс, в основе к-рого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой С. древние мастера применяли тигельную плавку - расплавление мелких кусков С. и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная С. характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность - дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до нач. 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в т. н. кричном горне (двухстадийный процесс с получением чугуна и последующим переделом его в С. является основой и совр. схем произ-ва С.). В кон. 18 в. начало применяться пудлингование, при к-ром, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом - тестообразный металл (крица)', качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Пудлингование сыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества в С. не могло. Лишь с появлением во 2-й пол. 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса (см. Мартеновское производство), а затем и томасовского процесса стало возможным массовое произ-во литой С. В кон. 19 в. начала применяться выплавка С. в электрич. печах (см. Электросталеплавилъное производство). До сер. 20 в. главенствующее положение среди способов произ-ва С. занимал мартеновский процесс, на долю к-рого приходилось ок. 80% выплавляемой в мире С. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового произ-ва С. развиваются более дорогие и менее производит, способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка (см. Дуговая вакуумная печь), вакуумная индукц. плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка (см. Плазменная металлургия).

Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S), а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Ч. — важнейший первичный продукт чёрной металлургии (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Ч. вторичной плавки — один из основных конструкционных материалов; применяется как литейный сплав. Широкому использованию Ч. в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые Ч. лишь немногим уступают углеродистой стали; см. Модифицированный чугун). В современном машиностроении на долю деталей из Ч. приходится около 75% от общей массы отливок. По выпуску чугунного литья СССР занимает 1-е место в мире (1976).

Историческая справка. Первые сведения о Ч. относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали Ч., содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Ч. был известен и античным металлургам 4—5 вв. до нашей эры. Производство Ч. в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки Ч. из руд (см. Металлургия). Полученный Ч. использовали или для передела в сталь в кричном горне (, или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство Ч. началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску Ч. превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейских стран. Появление во 2-й пол. 18 в. вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных, т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого Ч. Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна, что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный Ч. (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.).

Чугун в искусстве. Ч. как материал для производства художественных отливок использовался ещё средневековыми мастерами (например, в 10 в. нашей эры в Китае из Ч. было отлито уникальное изваяние льва весом 100 т, не сохранилось). С 15 в. в Германии, а затем и в других странах Европы (в России — с конца 17 в.; см. также Каслинское литьё) художественное литьё из Ч. получило особенно широкое распространение (парковая скульптура, надгробия, решётки, ограды, садовая мебель и пр.). В 20 в. более массивное, чем бронзовое, но более дешёвое чугунное литьё со свойственной ему выразительностью тяжёлой массы материала и глухого тона применяется почти так же широко, как и бронзовое. Ч. находит разнообразное применение в архитектуре (с конца 18 в.). Особенно характерно использование чугунных конструкций для зодчества 19 в.

Чем отличается чугун от стали

27.08.2021
Продукция черной металлургии широко применяется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Чугунные и стальные изделия металлургической промышленности используются как в быту, так и на производстве. Оба материала представляют собой особенные сплавы железа и углерода.

Основой для изготовления чугуна или стали служит железо. В природе это – металл с серебристым отливом, не имеющий достаточной твердости. Такой металл практически не используется в промышленности, а широкое применение получили различные сплавы железа.

И чугун, и сталь относятся к группе черных металлов. Именно содержание железа и углерода является их главным отличием.

Сталь

Применяется сталь повсеместно. В промышленности при производстве различных металлоконструкций, деталей машин, трубопроводов и прочих изделий. В быту сталь представлена стальными столовыми приборами, кухонной утварью, предметами интерьера, мебелью и т.д.

Сталь ‒ это сплав железа и углерода. Содержание углерода в стали - не более 2% (он увеличивает прочность), а железа не меньше 45%. Также в состав стали могут входить никель, хром, кремний, марганец и прочие добавки.

Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость.

Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу.

Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость.

Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.

В зависимости от сферы применения, марки стали делятся на следующие типы:

Конструкционная сталь используется в строительстве и машиностроении. Из неё изготавливают различные детали, механизмы, конструкции массового назначения.

Инструментальная сталь имеет высокую твердость и прочность. Этот тип стали идеально подходит для изготовления ножей, клинков и другого инструмента.

По наличию легирующих компонентов марки стали бывают:

По содержанию углерода марки стали бывают:

низкоуглеродистые - содержание углерода не превышает 0,25%;

среднеуглеродистые- не более 0,55%;

высокоуглеродистые- не более 0,85%.

По содержанию неметаллических элементов с таль бывает:

обычная- содержание фтора и серы не превышает 0,05%;

качественная- менее 0,035%;

высококачественная- менее 0,025%;

особо высококачественная сталь- менее 0,015%.

Качество стали повышается в процессе закаливания. Также этот сплав обладает высокой теплопроводностью. Температура плавления всех марок стали находится в диапазоне от 1450 до 1520 °С.

Чугун

Чугун - это тоже металл, сплав железа с углеродом. Только доля углерода в нём превышает 2,14%.

Углерод в чугуне содержится в виде цементита (карбида железа) или графита (минерала, являющегося одной из модификаций углерода). Именно эти вещества и определяют цвет готового чугуна.

В зависимости от состояния и содержания углерода чугун различают на:

Белый чугун

В состав этого сплава входит цементит, который на изломе белый. Из-за этого цвета он и получил такое название. Углерод в нем находится в связанном виде. Белый чугун одновременно с твердостью обладает хрупкостью. Из такого чугуна в основном изготавливают ковкие чугунные сплавы, получаемые путем отжига.

Серый чугун

Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода. Также в состав входят и постоянные примеси в виде магния, фосфора и серы. В составе такого сплава практически весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Из-за наличия графита излом этого чугуна имеет серый цвет.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают в результате длительного отжига белого чугуна. В результате данного процесса образуется графит хлопьевидной формы, который придает сплаву высокую пластичность, вязкость, твердость, ударную сопротивляемость. Свое название чугун получил благодаря повышенной пластичности и вязкости. Ковкий чугун довольно прочный с высоким ударным сопротивлением. Из такого металла изготавливают детали для автотехники.

Высокопрочный чугун

Такой сплав имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. В отличие от пластинчатого, шаровидный графит не сильно ослабляет металлическую основу, что улучшает прочность чугуна. Поэтому и название у него – высокопрочный.

Предельный чугун.

Данный вид чугуна подвергается дальнейшей переработке и не используется в качестве самостоятельного металла.

Температура плавления чугуна составляет от 1160 до 1250 °С, зависит от содержания в нем углерода. Чем больше элемента в сплаве, тем меньше его температура и выше текучесть при нагревании. Такая зависимость определяет хрупкость материала.

Разница стали и чугуна заключается в том, что последний не поддается обработке путем сварки и ковки. Все изделия изготавливаются только путем литья.

Способы изготовления чугуна и стали

Чугун изготавливают в доменных печах из железной руды (агломерата), кокса, известняка и горячего воздуха. Сначала закладывают кокс, а затем послойно агломерат и кокс. В нижнюю часть печи через специальные отверстия подается горячий воздух, обогащенный кислородом. Образование чугуна происходит за счет опускания железа в более горячую часть домны и растворения в нем углерода.

Сталь изготавливают из чугуна путем снижения количества углерода, серы, фосфора, марганца. Сплав получают в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.

Три способа, как отличить чугун от стали.

Определить, какое изделие перед вами находится, стальное или чугунное, можно тремя следующими способами:

По излому (визуально). Его применяют для деталей, которые идут в лом или в качестве заготовок. На чугунном сломе виден матовый темно-серый оттенок, образовавшиеся трещины имеют выраженную структуру. Стальное изделие ‒ более светлое, поверхность глянцевая.

Сверление. При сверлении стальная стружка имеет витую форму, по длине она больше сверла и хорошо гнется. Чугунная стружка крошится при малейшем воздействии.

Шлифовка. После прохождения шлифовальной машиной на стальной поверхности образуется множество продолговатых искр желтого и белого цвета. У чугунных изделий искр меньше, они короче, красноватого оттенка.

Различия чугуна и стали. Выводы.

Рассмотрев в этой статье свойства чугуна и стали, можно сделать следующие выводы:

Основное различие заключается в содержании углерода в стали и чугуне. В стали углерода меньше, в чугуне больше.

повышенной твердостью и прочностью;

высокой температурой плавления;

более высоким удельным весом;

У чугуна следующие характеристики:

более низкая температура плавления и удельный вес;

Чугун не поддается сварке и ковке. Из-за высокого содержания углерода, все чугунные изделия изготавливаются методом литья. Изделия из чугуна имеют матовую поверхность и серый цвет.

Стальные же изделия светлые и блестящие. Элементы из стали быстро нагреваются и остывают. Чугунные нагреваются очень медленно и долго сохраняют тепло.

Сталь и чугун – это сплавы из железа и углерода, в их состав входят аналогичные компоненты. Но, не смотря на данный факт, отличия чугуна и стали очевидны. Это два разных металла, имеющие различные свойства и характеристики.

Изображения изделий на сайте приведены для общего представления модельного ряда и могут отличаться от реально-поставляемого товара!

Чугун. Марки, свойства и применение чугунов

Чугун — самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода.

Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.

Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.

Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по-своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.

Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения — цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита — (такие чугуны называют серыми).

Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение. Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина — из серого. Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.

Чугун серый

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.

Таблица 1. Чугуны серые литейные, их основные свойства и применение

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна. Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру, как у металлической основы чугуна.

Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.

Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается путем специальной обработки — модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит. Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.

По ГОСТ 1412-85 буквы СЧ в обозначении марки чугуна означают — серый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σ_в МПа. Стандарт нормирует предел прочности серых чугунов σ_в = 274÷637 МПа, твердость — 143÷637 НВ и химический состав.

Основные свойства серого чугуна и его применение приведены в таблице 1.

Чугун высокопрочный с шаровидным графитом

Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу. Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием). В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.

Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).

ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σ_в, предел текучести σ_т, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ_в = 412 Н/мм 2 (42 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =12%.

Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.

Чугун ковкий

В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается.

Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две стадии: изготовление фасонных отливок из белого чугуна и отжиг полученных отливок с целью графитизации цементита. При отжиге происходит разложение цементита белого чугуна с образованием графита хлопьевидной формы. В результате этого хрупкие и твердые отливки становятся пластичными и более мягкими. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную (Ф), перлитную (П) и ферритно-перлитную металлическую основу. Наибольшее распространение получил пластичный ферритный ковкий чугун. Отжиг ковкого чугуна-весьма продолжительный процесс, занимающий 70-80 ч. Однако его можно ускорить путем закалки отливок из белого чугуна перед графитизацией, а также модифицированием чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном. Существуют и другие способы ускорения процесса отжига. Использование указанных способов позволяет сократить продолжительность отжига до 35-40 ч.

Таблица 2. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение

эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках

(хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин,

глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей,

умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.

Из них получают вилки карданных валов, шестерни, червячные колеса,

поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки,

По ГОСТ 1215-79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33-8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ_в = 32.4 Н/мм 2 (33 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =8 %.

Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм. При большем сечении в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит и чугун становится не пригодным для отжига. В машиностроении чаще применяют высокопрочный чугун, который получают при менее сложных и более дешевых технологических процессах, чем процессы производства ковкого чугуна.

Основные свойства ковкого чугуна и его применение приведены в таблице 2.

Чугун легированный

Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.

Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяют на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Буква Ч означает чугун, буква Ш — шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.

Основные свойства легированного чугуна и его применение приведены в таблице 3.

Таблица 3. Чугуны легированные, их основные свойства и применение

Стали и чугуны

Сталь является сплавом железа и неболь­шого количества углерода (до 2%) с примесями серы, кремния, фосфора, марганца.

Содержание углерода оказывает большое влияние на качество стали. С его увеличением повышается предел прочности и предел текучести, снижается пластичность, уменьшается склонность ста­ли к старению, повышается хрупкость и ухудшается свариваемость. Сталь, содержащая углерода меньше 0,25%, называется низкоуг­леродистой, от 0,25 до 0,6% —среднеуглеродистой и от 0,6 до 2% (предельное содержание) — высокоуглеродистой.

Различают сталь обыкновенного и повышенного качества, ка­чественную и высококачественную. Большую часть химических ап­паратов изготовляют из углеродистой стали обыкновенного и по­вышенного качества (ГОСТ 380—71).

Сталь обыкновенного качества используется для изготовле­ния деталей и аппаратов, к которым не предъявляется особых тре­бований в отношении прочности и коррозии (с антикоррозионными покрытиями она пригодна и для изготовления аппаратов, рабо­тающих в агрессивных средах). В химическом аппаратостроении наиболее часто применяются следующие марки сталей: Ст. 3, Ст. 4 и Ст.5. Цифра за буквами Ст. (сталь) означает условный поряд­ковый номер марки в зависимости от химического состава и меха­нических свойств.

Для изготовления ответственных деталей аппаратов, работаю­щих в неагрессивных средах, применяется углеродистая качест­венная сталь (ГОСТ 1050—60). В зависимости от содержания уг­лерода эта сталь условно маркируется цифрами: 08, 10, 15, 25, 30 и т. д. Двухзначные цифры указывают на среднее содержание уг­лерода в сотых долях процента (например, сталь марки 10 содер­жит в среднем 0,10% углерода).

Другим видом железоуглеродистых сплавов являются чугуны. Они отличаются повышенным содержанием углерода (более 2%). Для изготовления химической аппаратуры чугуны применяются в значительно меньшей степени, чем стали. Вследствие хрупкости и меньшей прочности чугуны обычно используются в виде литья для аппаратуры, работающей под из­быточным давлением не выше 6 кгс/см 2 , а при диаметре аппарата более 2м — не выше 3 кгс/см 2 .

Большей прочностью и вязкостью обладает ковкий чугун (ГОСТ 1215—59) марок: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8 и др. (первые две циф­ры означают предел прочности при растяжении, цифры после де­фиса—относительное удлинение).

Стали и чугуны не обладают высокой коррозионной стойко­стью. Они мало устойчивы даже к действию воды при доступе кис­лорода. В растворах таких солей, как А1С1з, NaCI, K₂S0₄ и т. п., при взаимодействии которых с железом образуются растворимые соединения, коррозия протекает в еще большей. степени. Однако соли, дающие нерастворимые соединения с железом (например, Na₂CO₃, Na₃P0₄ и т. п.) уменьшают коррозию, а соли с окисли­тельными свойствами (например, К₂Сг0₄) даже при незначитель­ном содержании в растворах пассивируют железо. В растворах солей, катионы которых более электроположительны, чем железо (CuS0₄, NiS0₄ и т. п.), коррозия происходит вследствие вытесне­ния железом металла из солей.

В растворах щелочей на поверхности железоуглеродистых сплавов образуются нерастворимые продукты, защищающие их от кор­розии. Образование защитных пленок начинается уже при рН > 9,5; но при концентрациях щелочей более 30%, особенно при повышенных температурах, защитное действие этих пленок резко снижается.

В кислотах, не обладающих окислительными свойствами (на­пример, в НС1), сталь, а тем более чугун, очень сильно разру­шаются, В кислотах с окислительными свойствами (H₂SO₄, НNОз) на поверхности железа образуются защитные пленки, препятст­вующие дальнейшей коррозии. Это относится к сравнительно кон­центрированным кислотам. Так, НNОз при концентрации более 30% пассивирует железо, а при концентрации выше 50% практи­чески не действует на него.

H₂SO₄ пассивирует железо при концен­трации более 75%.

В органических кислотах, не являющихся окислителями, железоуглеродистые сплавы быстро разрушаются. В других органиче­ских средах (спирты, углеводороды, хлорпроизводные и т. п.) в отсутствие воды они практически не корродируют.

Разрушение железоуглеродистых сплавов наблюдается и в су­хих газовых средах, особенно .при повышенных температурах (вы­ше 300°С). Газовой коррозии способствует наличие окислителей, которыми чаще всего являются кислород воздуха, а также ,пере­гретый водяной пар при температурах выше 500 °С.

При 200—300 °С и давлении 300 кгс/см 2 водород вызывает водородную коррозию, в результате которой резко ухудшаются ме­ханические свойства металла. Причиной разрушения является диффузия водорода в металл, вызывающая в нем глубокие изме­нения, обусловленные образованием гидридов и их разложением. Кроме того, водород реагирует с карбидом железа

в результате чего происходит разрыхление структуры и постепен­ное обезуглероживание стали.

При высоких температурах и давлениях окись углерода, а так­же другие газообразные агенты вызывают коррозию.

Легированные стали. Для улучшения механических по­казателей и химической стойкости сталей в их состав могут вво­диться специальные добавки, к которым относятся такие металлы, как никель, хром, титан, вольфрам, ванадий, марганец и др. Стали с такими добавками называются легированными. В зависимости от количества добавок они делятся на низколегированные (до 5% ле­гирующих добавок), среднелегированные (5—10%) и высоколеги­рованные (выше 10%).

При маркировке стали легирующие элементы условно обозна­чаются соответствующими буквами; Х — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Д — медь, С — кремний, Б — ниобий, Г — марганец, Ю—алюминий, В—вольфрам, Ф—ванадий, Р—бор и т. д. Цифра, стоящая после буквенного обозначения легирую­щего элемента, указывает примерное содержание (в %) данного элемента в сплаве; при содержании элемента до 1% цифра 1 опу­скается. В марках низколегированной стали цифры, стоящие слева от букв, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Так, сталь марки 14Г2 содержит углерода около 0,14% (и марганца ~2%).

Из низколегированных сталей большое применение в аппара­то- и котлостроении получила хромомолибденовая сталь марки 12МХ с содержанием молибдена около 0,5% и хрома около 0,5%. Из этой стали изготавливаются теплообменники, работающие при высоких температурах, горячие коллекторы и паропроводы высо­кого давления.

Высоколегированные стали (ГОСТ 5632—61) в зависимости от основных свойств подразделяются на три группы: к I группе относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали, обладаю­щие стойкостью против электрохимической коррозии (атмосфер­ной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой и др.); ко II группе— жаростойкие (окалиностойкие) стали, работающие в ненагру­женном или слабонагруженном состоянии и обладающие при этом стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше 550 °С; к III группе— жаропрочные стали, выдерживающие высокие температуры в нагруженном состоянии и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.

Основным легирующим элементом всех типов нержавеющей стали является хром, влияние которого на коррозионную стойкость связано с образованием на поверхности стали устойчивой защит­ной пленки окислов. Минимальное содержание хрома в нержавею­щей стали должно составлять примерно 12%.

Дальнейшее повышение коррозионной стойкости стали дости­гается введением в нее никеля, титана, молибдена и других при­садок. Широко применяются стали марок ОХ18Н10 (содержание хрома 18%, никеля 10% и содержание углерода не более 0,08%), Х18Н10Т (содержание хрома 18%, 10% никеля, титана до 0,8% и углерода не более 0,12%).

Повышение жаростойкости стали достигается в основном вве­дением в сталь хрома, алюминия и кремния.

Легированные чугуны получаются подобно легирован­ным сталям. Особый интерес представляют сплавы, известные под названием ферросилидов, или кремнистых чугунов, с содер­жанием кремния до 15—17% (марки С15, С17, ГОСТ 2233—70). Они стойки к HNO₃ всех концентраций, даже при температуре ки­пения, к серной кислоте (до 98%), нагретой до 100°С, Однако стойкость их к НСl растворам едких щелочей и восстановительным средам недостаточна. Если ввести в состав ферросилида С15 3,5— 4% молибдена, получается кремнемолибденовый чугун марки С15М4, известный под названием антихлор. Этот материал приго­ден для изготовления деталей, работающих в среде горячей НС1. Изделия из ферросилидов (отливки) обладают высокой твердостью, хрупкостью и плохо переносят местный или быстрый нагрев.

Для изготовления аппаратуры, эксплуатируемой в условиях воз­действия горячих водных растворов или расплавов NaOH иКОН,используются щелочестойкие чугуны (СЧЩ-1, СЧЩ-2).

Металлургической промышленностью выпускаются высоко­прочные чугуны (ВЧ 45-5, ВЧ 50-2 и др., ГОСТ 7293—70), пред­ставляющие большой интерес как конструкционные материалы для химического аппаратостроения.

Медь и ее сплавы. Вследствие дефицитности, высокой стоимо­сти и недостаточной химической стойкости во многих средах (ми­неральные кислоты, аммиак, хлориды и т. д.) медь находит огра­ниченное применение в качестве материала для химической аппа­ратуры. Однако она имеет очень ценное свойство - сохраняет пластичность при весьма низких температурах. Поэтому для аппаратуры, работающей в таких условиях, медь—очень удоб­ный материал. Верхняя предельная температура применения меди 400 °С.

Следует отметить высокую теплопроводность меди (в 6—7 раз выше, чем у железа) и легкость ее обработки, как в холодном, так и в горячем состояниях.

В зависимости от количества примесей медь подразделяется на ряд марок: МО, Ml, М2, МЗ, М4 и др. (ГОСТ 859—66). Наи­меньшее количество примесей содержится в марке МО. Для изго­товления, аппаратуры применяют медь Ml, М2 и МЗ.

Для изготовления отдельных деталей аппаратов, насосов, кра­нов широко используются различные медные сплавы — латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Широко при­меняются латуни с содержанием цинка до 50%. Они обладают хорошими механическими и технологическими свойствами. Марки простых латуней: Л96, Л90, Л80, Л70, Л68, Л62 (ГОСТ 15527—70); двухзначные цифры в марке означают среднее содер­жание меди. Латуни с большим содержанием меди (90—96%) на­зываются томпаками.

Введение в латунь небольших количеств олова, никеля, алю­миния, марганца, железа и других, добавок во многих случаях улучшает механические свойства сплава и его коррозионную стой­кость—специальные латуни (например, алюминиевая— ЛА77-2, оловянистая—Л070-1, Л090-1, свинцовая — ЛС74-3, ЛС64-2 и др.).

Из бронз (сплав меди с алюминием или оловом) следует особо отметить алюминиевые (Бр. АЖН 10-4-4, Бр. АЖМц 10-3-1,5 и др.; ГОСТ 493—54), значительно превосходящие по коррозионной стойкости оловянистые бронзы и латуни. Они стойки в фосфористой, уксусной, лимонной и других органических кислотах, в условиях атмосферной коррозии, в мор­ской воде и т. д.

Кремнемарганцовистая бронза марки Бр. КМцЗ-1 применяется для изготовления аппаратуры, работающей под давлением, а так­же для взрывоопасной аппаратуры, так как эта бронза не дает искр при ударах.

Никель и его сплавы. Никель и сплавы на его основе благо­даря высокой механической прочности и значительной химической стойкости во многих агрессивных средах, пластичности и способ­ности к обработке различными способами представляют большой интерес для химического аппаратостроения.

Никель выпускается пяти марок: Н-0, Н-1, Н-2, Н-3 и Н-4 (ГОСТ 849—70). Для изготовления химической аппаратуры при­меняют две марки НП2 и НПЗ (в виде проката).

Никель отличается высокой стойкостью к воздействию горячих растворов и расплавов щелочей, высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах во многих органических средах, в том числе в жирных кислотах, феноле, спиртах и т. д., выдерживает действие слабых холодных растворов соляной кислоты и ее солей.

Вследствие дефицитности и высокой стоимости никель при­меняется для изготовления 'аппаратуры сравнительно редко. Зна­чительно чаще используются сплавы никеля с медью, молибденом и другими металлами, обладающими более высокой коррозионной стойкостью, чем никель.

Сплавы никеля с медью известны под названием монель-металл, они обладают высокой стойкостью в окислительных сре­дах при температурах до.750°С и сохраняют механическую проч­ность до 500 °С. Монель-металл стоек в чистой НзР04 высокой кон­центрации при нагревании и в растворах HF всех концентраций (включая и безводный HF) при всех температурах вплоть до ки­пения при ограниченном доступе воздуха.

К другим высокостойким в агрессивных средах сплавам никеля относятся никельмолибденовые (Н70М26Л, Н65МЗОЛ, Н60М35Л), пригодные для отливки арматуры и отличающиеся высокой кор­розионной стойкостью в слабых (до 5%) растворах соляной кис­лоты и 65—78%-ных растворах серной кислоты.

Алюминий. Высокой степени чистоты (не ниже 99,6%) алю­миний стоек к действию кислот — азотной, ортофосфорной, уксус­ной — и очень многих органических сред. Сернистые соединения и газы, содержащие сероводород, сернистый ангидрид, пары серы, сухой хлористый водород, также не действуют на алюминий. По­этому он находит применение в химическом аппаратостроении. Из алюминия изготовляют сборники, баки и цистерны для хране­ния и перевозки азотной кислоты, трубы, реакторы, теплообменники и другие аппараты, работающие без давления и при темпера­туре стенок не выше 150 °С.

Марки алюминия А995, А99, АО и др. (ГОСТ 11069—64).

Находят применение сплавы алюминия с кремнием (силумины СИЛ-1 и СИЛ-2—сплавы алюминия с 10—13% кремния, отли­чающиеся высокой стойкостью к азотной кислоте), марганцем (АМд), магнием (АМг1,АМг2 и др.), медью и магнием (Д1, ДЛ6 и др.), бериллием.

Свинец. Обладает высокой химической стойкостью, особенно как в чистой H₂S0₄, так и в ее растворах. Однако свинец весьма мало прочен. Поэтому его чаще всего применяют не непосредствен­но, а в качестве защитного покрытия стальных и чугунных аппа­ратов и деталей. Как самостоятельный материал он употребляется для изготовления труб.

Верхний температурный предел применения свинца 150— 200°С, при более высоких температурах он постепенно теряет прочность и коррозионную стойкость, что затрудняет его приме­нение.

Для защиты от коррозии используют свинец маркиС2(ГОСТ 3778—65).

Серебро. Этот металл очень редко применяется для изготов­ления химической аппаратуры из-за высокой стоимости. Однако в отдельных производствах, где перерабатываются особенно сложные агрессивные смеси (например, производство хлоруксусной кисло­ты), он является единственным подходящим материалом.

Титан. Это самый перспективный материал для изготовления химического оборудования. Отличается исключительно высокой прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью, малой плотно­стью, высокой сопротивляемостью эрозии и усталостным напря­жениям, хорошими технологическими свойствами и высокой кор­розионной стойкостью, превосходящей в ряде случаев стойкость высоколегированных кислотостойких сталей.

Исключительные антикоррозионные свойства титана обуслов­лены образованием на его поверхности защитной окисной пленки. Поэтому титан стоек в тех средах, которые способствуют созда­нию такой пленки или, по крайней мере, не разрушают ее. Он стоек в разбавленной H₂S0₄, разбавленной и концентрированной НNОз (за исключением дымящей), Н₂0₂, H₂S, сухом и влажном хлоре, царской водке, уксусной и молочной кислотах, а также во многих других средах, агрессивных для большинства металлов. Для титана характерна исключительно высокая стойкость в морской воде; в НС1иНзР0₄ она зависит от концентрации кислот и их температуры. Титан стоек в очень разбавленных растворах этих кислот при от­носительно невысоких температурах, но с повышением концентра­ции кислот и их температуры скорость коррозии увеличивается.

Большим преимуществом титана перед другими коррозионно-стойкими металлами и сплавами является то, что его коррозион­ное разрушение протекает равномерно—межкристаллитнаяиточечная виды коррозии наблюдаются в очень редких случаях.

Однако титан взаимодействует при повышенных температурах с кислородом, азотом и водородом, а также с СО, CO₂, NНз, во­дяным паром и многими летучими органическими соединениями. Марки технического титана: ВТ-1, ВТ1-2.

Представляют большой интерес также сплавы титана с различными металлами: алюминием, молибденом, хромом, вана­дием и др. (например, марки ВТ4, ВТ5, ВТ14, ВТ15, ОТ4 и др.). Добавки этих металлов приводят к улучшению механических свойств и повышению коррозионной стойкости титана. Предельная температура эксплуатации титановых сплавов 350—500°С.

Несмотря на сравнительно высокую стоимость, титан и его сплавы быстро внедряются в химическую промышленность, глав­ным образом для изготовления ответственных деталей химической аппаратуры.

Другие металлы. Помимо титана, важное значение, в химиче­ском машиностроении приобретают цирконий, тантал, молибден, ниобий (и сплавы на их основе).

Отличительной характеристикой циркония является его стойкость в НС1, НNОз и H₂S0₄ (до концентрации кислоты 80%).

По стойкости в щелочах цирконий превосходит титан и тантал; он стоек в горячих концентрированных растворах NaOH и обла­дает исключительно высокой коррозионной стойкостью в морской воде при комнатной температуре.

Тантал стоек в горячей НС1 и в царской водке. Однако он нестоек к действию олеума, горячей НзР0₄, соединений фтора и концентрированных растворов щелочей. Следует также отметить склонность этого металла к водородной коррозии.

Конструкционные материалы из чугуна и стали

Сталь – это сплав железа с углеродом (до 2%). В строительстве применяют в основном углеродистую и низколегированную сталь.

Стали подразделяют на:

· обычные (СтО. Ст6) групп А, Б и В;

· качественные углеродистые (08кп, Ст45, А20, АС14),

· легированные конструкционные (ле­гирующие элементы обозначают русскими буквами: Н— никель, Г — марганец,- X — хром, С — кремний и т. п., например, 40ХН, 20ХГСА).

В строительстве сталь применяют для изготовления прокатных изделий (уголок, швеллер, двутавр и др.), из которых возводят каркас здания. Также из стали делают арматуру для изготовления железобетонных изделий и трубы для водоснабжения. Кроме того, для крепления конструкций используют т.н. крепеж: гвозди, болты, гайки, шурупы и проч. В качестве ограждающих конструкций используют сэндвич-панели: кровельные и стеновые панели с пенополистиролом (минеральной ватой).

Основные физические свойства стали:

Плотность стали - (7,7-7,9)*10³ кг/м³ или приблизительно 7,8*10³ кг/м 3 .

Температура плавления, при которой твердое вещество переходит в жидкое состояние. Температура плавления стали - 1300-1400oC. Сталь достаточно тугоплавкий металл. Для сравнения температура плавления свинца 328 oC, он относится к легкоплавким металлам.

Удельная теплоемкость стали при 20°C - 0,11 кал/град;

Коэффициент теплопроводности стали - 39ккал/м*час*град.

Коэффициент линейного расширения стали (при температуре около 20°C) :

- сталь 3 (марка 20) - 11,9 (1/град);

- сталь нержавеющая - 11,0 (1/град).

Для инструментальных сталей твердость измеряется в единицах по шкале Рокуэлла, сокращенно HRC. У ножей, в зависимости от области их применения, твердость должна быть от 56 до 62 HRC, при этом, чем больше число, тем выше твердость. Алмаз, самый твердый материал, имеет твердость в 100 единиц по шкале Рокуэлла. При проверке материала на твердость в него вдавливают алмазный шарик и по глубине его проникновения определяют твердость материала по шкале Рокуэлла. Твердость стали зависит от термической обработки, в особенности от отпуска, температура и длительность которого определяют ее эксплуатационную твердость. В начале сталь должна приобрести свою исходную твердость. Для этого высоколегированная инструментальная сталь нагревается до температуры закалки (данная температура указывается заводом-изготовителем стали), при чем разогрев осуществляется в вакууме или инертном газе, как правило, в аргоне, так как при соприкосновении с кислородом на поверхности изделия в процессе нагрева может начаться химическая реакция, в результате которой образуется окалина, что требует дополнительной обработки поверхности после закалки. После того как температура стали достигла заданной величины, изделие охлаждается в закаливаемой среде - это может быть воздух, вода или масло. Простые сорта стали, например, углеродистые, закаливают в воде. Высоколегированные стали требуют закалки в более мягкой среде, а именно, в масле или сжатом воздухе. После закалки твердость стали слишком высока, чтобы ее можно было сразу использовать. Выше уже говорилось о том, что необходимая эксплуатационная твердость стали достигается с помощью отпуска, в процессе которого изделие вновь нагревается до температуры, которая значительно ниже температуры закалки, после чего вновь охлаждается. При отпуске на поверхности стали образуется оксидная пленка, в результате чего ее цвет меняется, причем в зависимости от толщины изделия цвет может быть разным, что объясняется различной температурой металла при той или иной его толщине. Цвет, который приобретает поверхность изделия в процессе отпуска, показывает, какой температуре оно подвергалось при нагреве, исходя из чего опять-таки можно судить о твердости стали.

Все остальные металлы и их сплавы относят к группе цветных металлов. Это сплавы на основе:

· алюминия с магнием (АЛ8, АЛ 13),

· алюминия с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9),

· алюминия с медью (АЛ7, АЛЮ);

· магния (Мг95 и Мг96 — обычные, МА2 и МА8 — деформируемые, МА5 — высокопрочный, МЛЗ и МЛ6 — литейные);

· меди с оловом и свинцом — бронзы (БрСЗО, БрАМц),

· меди с цинком — латуни (Л63, ЛМцЖ); титана (ВТ4, ВТ5).

Чугун – это сплав железа с углеродом (от 2до 4%). Серый чугун, содержащий 3,5-4% углерода, около 1% кремния и столько же марганца, - самый распространенный в мире литейный материал, применяемый для изготовления блоков и головок цилиндров, редукторных корпусов, тормозных барабанов, станин металлорежущих станков и многих других изделий. Белый чугун представляет собой более твердую форму серого с содержанием 2,5% углерода, менее 1% кремния и менее 1% марганца. Углерод входит в состав чугуна в виде карбидов (цементита). Белый чугун весьма тверд, но, как и серый, малопластичен. Он используется в основном в качестве износостойкого материала, например для шаров и броневых плит мельниц, размалывающих минералы. Белый чугун можно термообработкой превратить в т.н. ковкий чугун. Ковкий чугун гораздо более пластичен, чем серый и белый, но менее прочен и не так тверд. Ковкие чугуны применяются в основном для сложных отливок, таких, как трубопроводная арматура, цепи, крепеж для строительных лесов.

Основная же масса получаемого из железной руды чугуна идет на производство стали.

Читайте также:

  
• Сталь листовая углеродистая обыкновенного качества гост
  
• Сталь а335 р9 аналог российский
  
• Паустовский стальное колечко 3 класс
  
• Surgical steel что за сталь
  
• Укладка стального футляра в траншею