3.1. Виды конструкционных материалов

Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, условно делятся на четыре класса: стали, чугуны, цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы.

3.1.1. Стали

Стали наиболее часто применяют в химической промышленности, так как они лучше других материалов удовлетворяют вышеперечисленным требованиям. 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 углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий — 1, 2, 3, 4, 5, 6 — чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. 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. Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.

Стали углеродистые конструкционные выпускаются следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 55, 58 и 60. 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 (X) — 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, вязкость, 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 входят 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 химикотермическая 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 высоких температурах;

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.