- •Кафедра «Пищевые машины»
- •Оглавление
- •Введение
- •1.2. Основные характеристики свойств материалов
- •Тема 2. Железо и сплавы на его основе
- •2.1. Диаграмма состояний системы железо-углерод
- •2.2. Превращения, происходящие в аустените при его нагреве и охлаждении
- •2.3. Классификация сплавов системы Fe–c по структуре
- •Тема 3. Конструкционные стали
- •3.1. Конструкционные углеродистые стали
- •Стали обыкновенного качества
- •3.2. Легированные конструкционные стали
- •3.3. Высокопрочные легированные стали
- •Тема 4. Коррозионно-стойкие стали
- •Тема 5. Сплавы на основе цветных металлов
- •5.1. Алюминий и сплавы на алюминиевой основе
- •5.2. Титан и титановые сплавы
- •5.3. Сплавы на медной основе
- •Тема 6. Новые конструкционные материалы на металлической основе
- •6.1. Аморфные металлические сплавы
- •Механические свойства (твердость, предел прочности
- •6.2. Композиционные материалы
- •6.3. Конструкционные металлокерамики
- •Тема 7. Пластические массы и неметаллические материалы
- •7.1. Пластические массы
- •7.2. Важнейшие пластмассы, используемые в пищевой промышленности
- •7.3. Резины
- •7.4. Стекло
- •Тема 8. Экологические требования, предъявляемые к конструкционным материалам
- •8.1. Источники загрязнения пищевых продуктов металлическими элементами
- •Решение тренировочных заданий:
- •Перечень лабораторных работ
- •Правильные ответы на тесты по темам:
- •Тест по дисциплине:
- •Вступительные экзамены
- •Адрес университета
- •Новые конструкционные материалы
Тема 4. Коррозионно-стойкие стали
Коррозией металлов называют разрушение, вызванное химическим и электрохимическим воздействием внешней среды.
Химическая коррозия не связана с переносом электрических зарядов. К ней относится окисление металлов при нагреве в парах и газах сгорающего топлива, в жидкостях, не проводящих электрического тока (спиртах, органических жидкостях).
Электрохимическая коррозия осуществляется в присутствии электролитов (влажном воздухе, морской воде, растворах щелочей и кислот).
По характеру разрушения коррозия может быть общей (равномерной по всей поверхности материала), местной в отдельных участках (точечной или питтинговой) и межкристаллической (по границам зёрен).
Скорость общей коррозии оценивается либо потерей массы единицей площади за единицу времени (кг/м2 × с), либо глубиной разрушения изделия в мм/год. Оценивают её также и по десятибалльной шкале: 1-му баллу соответствует скорость коррозии < 0,001 мм/год (совершенно стойкие стали), 2 – от 0,001 до 0,003 мм/год, 3 – от 0,003 до 0,01 мм/год (весьма стойкие стали), 4 – от 0,01 до 0,03 мм/год, 5 – от 0,03 до 0,1 мм/од (стойкие стали) и т.д. (для каждого балла скорость коррозии увеличивается примерно в 3 раза). 10-му баллу соответствует скорость коррозии, превышающая 10 мм/год (нестойкие стали).
Скорость межкристаллитной коррозии оценивают либо по электропроводности, либо по механическим свойствам.
Существуют различные способы повышения коррозионной стойкости материалов: 1) разработка специальных составов сталей и сплавов; 2) различные способы нанесения защитных покрытий (лужение, цинкование, напыление различных металлов и неметаллических материалов); 3) химическая обработка среды, в которой протекает коррозия, путём введения специальных добавок (ингибиторов), замедляющих коррозию, электрохимическая защита; 5) протекторная защита (например, подсоединением пластин магния или цинка к деталям).
В пищевой промышленности наиболее широко используются два первых способа, поскольку не всегда возможно введение ингибиторов в пищевую среду, в частности, когда речь идёт об использовании в качестве ингибитора нитрита натрия – NaNO2. Проблематичным является и осуществление протекторной и электрохимической защит, вследствие затруднения подвода реагентов и электричества к действующему оборудованию.
Нержавеющими называют большую группу хромистых, хромоникелевых и хромоникельмарганцевых сталей с содержанием хрома более 12 %. Такие сплавы способны сопротивляться коррозионному воздействию внешней среды при комнатной и близких к ней температурах.
Жаростойкостью (окалиностойкостью) называют сопротивление материала окислению при высоких температурах. Жаростойкостью, как правило, обладают стали с более высоким содержанием хрома (17-28 %), либо стали на хромоникелевой основе.
Коррозионно-стойкими называют, стали, устойчивые против коррозии в агрессивных средах.
Разработаны и широко используются различными отраслями промышленности несколько групп коррозионно-стойких сталей: 1) хромистые, 2) хромоникелевые, 3) сложнолегированные коррозионно-стойкие стали.
Хромистые коррозионно-стойкие стали – наиболее дешёвые. В зависимости от содержания в них хрома и углерода они по структуре могут быть ферритными (напр., стали 06Х13 или 08Х17Т), феррито-мартенситными (сталь 12Х13) и мартенситными (20Х13, 30Х13).
Ферритные хромистые стали имеют сравнительно невысокую прочность (sв @ 400-600 МПа), они хорошо прокаливаются и свариваются. Их используют для различных свариваемых ёмкостей в хлебопекарной и спиртоводочной промышленности, сварных автоклавов и др. изделий.
При этом сталь 08Х17Т является не только коррозионно-стойкой, но и жаростойкой. Изделия из неё могут длительное время работать при температурах до 7000С.
Стали феррито-мартенситного класса также хорошо прокаливаются, штампуются и свариваются. Кроме того, они обладают повышенной ударной вязкостью (для стали 12Х13, например, KCU = 0,9 МДж/м2). Их используют для свариваемых ёмкостей (напр., для изготовления деж в хлебопекарной промышленности), обечаек теплообменных аппаратов и других изделий. Используют их также и в качестве жаростойких деталей печей, работающих при температурах до 7000С.
Хромистые стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13 и др.) используются для изготовления деталей, работающих в условиях циклических нагрузок в различных агрессивных средах (шестерни, пружины, подшипники, корпуса насосов и др.). Сталь 30Х13 используются для изготовления ножей для резки хлеба и скальпелей в медицинской промышленности.
Наиболее широкое использование в пищевой промышленности получили хромоникелевые коррозионно-стойкие стали.
Содержание углерода в них сравнительно невысокое (С £ 0,2 %), а суммарное содержание легирующих (Cr + Ni + другие добавки £ 30 %).
Коррозионная стойкость сталей этого класса тем выше, чем меньше в них содержание углерода. В зависимости от содержания углерода, эти стали могут относиться по структуре к аустенитно-ферритному классу (12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т и др.), аустенитно-мартенситному (14Х17Н2) или к аустенитному классу (12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 08Х22Н6Т).
Большинство из этих сталей допускает непосредственный контакт с пищевыми продуктами.
Сталь 08Х22Н6Т используется для изготовления оборудования, контактирующего с кислыми средами. Например, для изготовления деталей насосов, клапанов при производстве дрожжей, глюкозы, для деталей дефростаторов. Недостатком этой стали является склонность к межкристаллитной коррозии.
Указанного недостатка лишены стали аустенитного класса 08Х18Н10Т либо 12Х18Н10Т. Эти стали используются для изготовления деталей выпарных аппаратов в свеклосахарной промышленности, при производстве уксусной кислоты и др. отраслях.
Аустенитные хромоникелевые стали могут работать в области температур от –1960С до +6000С и давлениях до 5 атмосфер.
Их используют для изготовления вакуумных камер, различных трубопроводов и фильтров в теплообменных аппаратах пищевой промышленности, при производстве лекарств в химико-фармацевтической промышленности, для медицинского инструмента.
Широко используют стали типа 08Х18Н10Т и другие нержавеющие аустенитные стали для плакирования изделий из углеродистых и низколегированных сталей (плакирование – нанесение защитного слоя путём совместной прокатки двух или нескольких слоёв различных материалов).
Так, в хлебопекарной промышленности плакируют сталью 08Х18Н10Т дёжи из Ст3, в рыбоперерабатывающей и мясоперерабатывающей промышленности плакируют емкости, работающие с рассолами, тузлуками.
Дефицит никеля привёл к тому, что были разработаны нержавеющие стали либо с пониженным содержанием никеля, либо вообще безникелевые стали, в частности хромомарганцовистых сложнолегированных сталей. Из числа нержавеющих сталей этого класса можно отметить стали 10Х14Г14Н4Т, Х14Г14Н3Т, Х17АГ14 (сталь с азотом, от 0,15 до 0,35 вводится при выплавке), а также сталь Х20Н4Г11 и др.
Указанные стали, сочетают сравнительно высокую прочность (sв – 650-700 МПа) с высокой пластичностью и ударной вязкостью (d от 35 до 40 %). Они могут быть использованы для изготовления оборудования, непосредственно контактирующего с пищевыми продуктами.
Сталь 10Х14Г14Н4Т рекомендуется для изготовления узлов оборудования, работающего в слабоагрессивных средах, в частности в кондитерской промышленности для изготовления шоколадных форм. Широко её используют в холодильном оборудовании и для изготовления ёмкостей, соприкасающихся с моющими средами (моечного оборудования и стиральных машин).
Сталь 12Х17Г9АНА используется для изготовления деталей, контактирующих с пищевыми продуктами и моющими средами в хлебопекарной, сыродельной, мясоперерабатывающей и др. отраслях.
Сталь Х14Г14Н3Т рекомендована в качестве заменителя стали 08Х18Н10Т при изготовлении изделий, работающих в слабоагрессивных средах (органических кислотах, растворах солей и щелочей).
Безникелевые стали, например Х17АГ14 в пищевой промышленности особенно целесообразно использовать при изготовлении оборудования, связанного с переработкой жиров (поскольку никель, так же как и медь и ванадий способствует протеканию нежелательных биохимических процессов, и снижают органолептические свойства продуктов).
В таблице 1 приведены данные о коррозионной стойкости различных марок коррозионно-стойких сталей при контакте с конкретными пищевыми продуктами.
Следует также отметить, что при производстве виноводочных изделий не рекомендуется использовать стали с азотом, т.к. их стойкость в указанных средах соответствует 7-8 баллам.
В качестве жаростойких сталей используются стали марок 15Х28, 15Х25Т, 20Х13Н4Г9, Х23Н18 и др. Указанные марки сталей обладают высокой окалиностойкостью до температур 1050-11000С.
Их используют для изготовления различных деталей печей. Относятся они к ферритному классу, хорошо прокатываются и свариваются. Сталь 15Х25Т может применяться для сварных конструкций жаростойких, но не подвергающихся нагрузкам (ёмкости, трубы теплообменных аппаратов, работающих при 500-6000С и др.).
Из приведённой таблицы видно, что среда, в которой работает материал, часто оказывает коррозионное воздействие на материал больше, чем структура и свойства самих сталей.
Табл. 1. Коррозионная стойкость различных марок сталей в конкретных пищевых и моющих средах |
Марки сталей |
10Х17Н13М2Т |
1 |
1 |
- |
1 |
- |
- |
- |
2 |
1 |
5 |
3 |
5 |
В качестве высококоррозионной по отношению к моющим средам рекомендуется использовать сталь 10Х14Г14Т. Ее стойкость в порошках типа Лотос, Астра и др. при 900С соответствует 1-му баллу. Сталь используется при изготовлении стиральных машин. |
08Х18Н10Т 12Х18Н10Т |
1 |
1 |
1 |
1 |
2 |
1 |
4 |
3 |
1 |
8 |
3 |
5 |
|||
12Х21Н5Т 08Х20Н5Т |
- |
- |
- |
- |
2 |
1 |
- |
3 |
1 |
8 |
3 |
- |
|||
15Х25Т 15Х28 |
- |
- |
- |
- |
7 |
1 |
- |
5 |
1 |
8 |
5 |
6 |
|||
12Х17 14Х17Н2 |
3 |
1 |
2 |
1 |
8 |
1 |
4 |
5 |
1 |
9 |
5 |
6 |
|||
08Х13 12Х13 |
- |
- |
2 |
2 |
10 |
1 |
- |
5 |
1 |
10 |
5 |
6 |
|||
Температура, 0С |
22 |
22 |
5-100 |
20 |
100 |
80 |
120 |
20 |
20 |
100 |
90 |
90 |
|||
Коррозионная среда |
Приготовление дрожжей |
Закваска для ржаного хлеба |
Пиво |
Водка (400) |
Варка овощей |
Фруктовое пюре |
Сахарный сироп с 1% лимон. кисл. |
Молочн. прод. (кислые) |
Сыры |
Уксусная эссенция |
Мыло |
Сода |
Вопросы для самоконтроля по теме
1. Какие способы защиты от коррозии используют в технике?
2. Какими характеристиками оценивают коррозионную стойкость сталей?
3. Какие марки сталей относят к коррозионностойким, а какие – к жаростойким?
4. Меняется ли коррозионная стойкость одной и той же марки стали в различных пищевых средах?
Тесты по теме 4
Тест 1. Что такое коррозионная стойкость материалов?
1.1. сопротивление материала разрушению под действием окружающей среды;
1.2. способность материала покрываться защитной пленкой;
1.3. толщина окисной пленки.
Тест 2. Что такое балл коррозионной стойкости?
2.1. способность стали терять металлический блеск;
2.2. скорость образования окисной пленки;
2.3. глубина коррозии в мм/год.
Тест 3. Какие из этих сталей являются коррозионностойкими?
3.1. 08, А40;
3.2. 30ХГСА;
3.3. 12Х18Н10Т, 08Х25Т.
Тест 4. Какое минимальное количество хрома должно содержаться в коррозионностойких сталях?
4.1. 3%;
4.2. 10%;
4.3. 13%.
Тест 5. Какие стали наиболее устойчивы в моющих средах?
5.1. 40ХН;
5.2. 38ХН3А;
5.3. 10Х14Г14Т.