книги / Технология металлов
..pdfпримерно следующие: а* = 30 кг!мм2, ф = 40%, твердость 100 Н В .
Титан в процессе холодной пластической деформации накле пывается, т. е. становится прочнее, тверже и менее пластичным. Также изменяются свойства под влиянием примесей, обычно встречающихся в техническом титане. Например, технический ти тан (99,5% Ti), в котором имеется ряд нежелательных примесей
(С, N, О, Н), имеет |
в отожженном |
состоянии оь = 55 кг/мм2, |
||||
бо,2 * = 4 5 кг/мм2, |
6 = 25%, ф= 35%, |
а |
в |
нагартованном |
оь = |
|
= 85 кг]мм2, 6 о,2 |
=80 кг!мм2, 6 = 7,5%, ф = |
15%. |
плот- |
|||
Титан имеет две |
модификации a-Ti |
с гексагональной |
ноупакованной решеткой и (З-Ti с кубической объемноцентри-
рованной |
решеткой. |
Температура перехода a-Ti |
p-Ti со |
ставляет 885е С. Титан легируют присадками, растворяющими |
|||
ся в a-Ti |
или p-Ti. |
Обычно легируют алюминием, |
марганцем, |
оловом, хромом, молибденом и т. д. Это позволяет получить струк туру (а + р), обеспечивающую хорошее сочетание прочности и пластичности, а также позволяет улучшить ее термической обра боткой. Сплавы на основе титана поставляются в виде поковок, полос, прутков и т. д.
В настоящее время нашли применение ряд сплавов на основе титана. Например, сплав ВТЗ (содержит 1,5—2,5% Сг, 4—6 % А1, 1—2,8% Мо, остальное Ti) имеет оь—95—115 кг/мм2, 6 0 ,2 = 90—
—105 кг/мм2, 6 = 10—16%.
Прочность титанистых сплавов хорошо сохраняется до 300— 400°С. Их штампуют обычно в нагретых штампах (300—400°С). Горячую обработку проводят при 750—1000° С, а снятие наклепа при 525° С. Сплавы удовлетворительно свариваются.
Вследствие высокой удельной прочности (отношение предела прочности к плотности) сплавы на основе титана весьма перспек тивны для авиастроения. Не меньшее значение приобретают тита нистые сплавы для химического машиностроения и для судостро ения ввиду большой коррозионностойкоети. Титан обладает высо кой коррозионностойкостью в морской воде и в органических средах, он стоек в разбавленной серной и соляной кислотах, в воде, насыщенной хлором и т. д. Однако надо учитывать, что с дымя щей азотной кислотой он может давать взрывы.
12. АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Антифрикционные материалы используют в машиностроении в основном для изготовления вкладышей подшипников скольже ния, от которых требуется обеспечить малый коэффициент трения между валом и вкладышем. При этом трущиеся поверхности, осо бенно вал, должны мало изнашиваться. Такие антифрикционные
И Н. А. Баринов и др.
свойства обеспечиваются наилучшим образом тогда, когда сплав хорошо теплопроводен и антикоррозионен, трущиеся поверхности имеют неоднородную структуру и разделены между собой тонкой пленкой масляной смазки. Структура такого материала должна состоять из твердых включений, равномерно вкрапленных в мяг кую основу, при этом поверхности хорошо прирабатываются, твердые частицы легко углубляются в мягкую основу, образуются микроканалы, где удерживается жидкая смазка. Антифрикцион ные материалы вкладышей в подшипниках, как правило, не долж ны быть тверже металла шейки.
Материалы, отвечающие этим требованиям и применяемые как антифрикционные, разделяют на баббиты, антифрикционные бронзы, антифрикционные чугуны и разного рода неметалличе ские антифрикционные материалы.
Б а б б и т ы —лучшие подшипниковые материалы; применя ются в быстроходных и ответственных двигателях. Баббиты — мягкие, легкоплавкие подшипниковые сплавы. Лучшими из них
являются высокооловянистые баббиты, |
как например, Б83 |
(83% Sn, 11% Sb, 6 % Си). |
основе олова), прони |
По структуре это мягкий раствор (на |
занный твердыми мелкими включениями Cu3Sn и более крупны ми кубическими включениями SnSb, баббит марки Б16 (16% Sn, 83% Pb, 16% Sb, 2% Си) менее дефицитен, так как содержит меньше олова, но уступает по качеству сплаву марки Б83.
Наиболее доступным, но менее качественным является баббит БС, совершенно не содержащий олова (82% РЬ, 16% Sb, 16% Си).
Интерес представляет ряд других заменителей, таких, напри мер, как БК (0,85—1,15% Са, 0 ,6 —0,9% Na, остальное РЬ), кото рый применяют для заливки толстостенных (более 3 мм) подшип ников. В этих сплавах натрий растворяется в свинце и упрочняет раствор, а кальций со свинцом дает твердые частицы.
А н т и ф р и к ц и о н н ы е (подшипниковые) б р о н з ы приме няются в механизмах в случае больших удельных нагрузок. По составу это свинцовые, оловяносвинцовые и оловяносвинцовоцинковые бронзы.
А н т и ф р и к ц и о н н ы е ч у г у н ы используют в подшипни ках, работающих с высокими удельными давлениями и невысоки ми скоростями скольжения. Для этой цели может быть использо ван, например, серый чугун (3,5% С, 2,3% Si, 0,8% Мп) перлитно го класса с твердостью 200 НВ.
Для этих же целей в ряде случаев применяются модифициро ванные и легированные чугуны.
Из н е м е т а л л и ч е с к и х антифрикционных материалов сле дует отметить дерево и целый ряд пластмасс, разработанных в последнее время.
Глава III
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ, ХИМИЧЕСКИ СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ
1. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Коррозией называется процесс разрушения металлов и спла вов, протекающий от химического или электрохимического воз действия. Коррозия наносит огромный ущерб народному хозяй ству. Ущерб «выражается в безвозвратных потерях миллионов тонн металла в год. Например, около 10% от производимого чер ного металла теряется ежегодно от коррозии. Помимо потерь, в ряде производств образующиеся в результате коррозии окис лы металла загрязняют продукты. Предупреждение этого явле ния вызывает дополнительные расходы. Это особенно относится к пищевой промышленности, к производству химически чистых реактивов и т. п.
Разрушение металлов и сплавов коррозией в основном зави сит от природы металла, химического состава сплава, содержа-* ния агрессивных веществ в окруж-ающей среде и ее температуры* Коррозию подразделяют на химическую и электрохимиче скую. Под х и м и ч е с к о й коррозией понимают разрушение металла или другого материала при действии на него сухих га зов или неэлектролитов (бензина, масла и др.). Типичным при мером химической коррозии является окисление металла при высоких температурах. При химической коррозии на поверхности металла образуется пленка его окислов. Прочность этой пленки у различных металлов и сплавов различная. У железоуглероди стых сплавов пленка окислов непрочная, она легко разрушается
иокисление продолжается в глубь изделия.
Удругих металлов и сплавов окисные пленки весьма прочны. Например, при окислении алюминия на его поверхности обра зуется прочная окисная пленка, защищающая металл от даль нейшего окисления.
Э л е к т р о х и м и ч е с к о й коррозией называют процессы, которые протекают при действии на металл электролитов. Элек-
П*
тролитами могут быть водные растворы соды, кислот, щелочей, природные воды, атмосферный воздух, особенно повышенной влажности. Во время действия электролита на металл протекают окислительный и восстановительный процессы. При окислитель ном процессе происходит разрушение (растворение) металла, а при восстановительном — восстановление водорода и выделение кислорода из раствора. Металл посылает в раствор свои поло жительно заряженные ионы (-катионы). Сам же металл заря жается отрицательно за счет электронов, которые были с катио нами электростатически связаны.
Стремление металлов выделять в раствор ионы называется упругостью растворения. Каждый металл обладает присущей ему упругостью растворения. Вследствие этого металлы, по мещенные в один и тот же электролит, будут обладать различ ными потенциалами и образовывать гальванические пары. В этих парах металл с более низким потенциалом будет являть ся анодом и разрушаться, т. е. корродировать или переходить в раствор. Второй металл, обладающий более высоким потенциа лом, является катодом и растворяться не будет. Таким образом, способность металла выделять в электролит катионы и разру шаться при образовании гальванических пар находится в зави симости от его упругости растворения. Этим и объясняются про цессы, протекающие при электрохимической коррозии металлов. Обычно структура технических металлов (сплавов) неоднород на, она может состоять из твердых растворов, химических соеди нений, механической смеси и чистого металла. При погружении такого металла в электролит отдельные участки в нем будут иметь различные потенциалы. Так как в металле структурные составляющие коротко замкнуты друг с другом в массе металла, то металл можно рассматривать как комплекс, состоящий из большого числа элементов, обладающих различными потен циалами.
Если расположить металлы по возрастанию их электроотри цательных свойств, то получится так называемый ряд напряже ний, согласно которому разрушается тот, который стоит ниже в ряду напряжений (табл. 1 0 ). Интенсивность разрушения ме талла зависит от разности потенциалов данной пары, темпера туры электролита и его концентрации.
Коррозионное разрушение начинается с поверхности системы металл— среда и постепенно распространяется во внутрь ме талла.
Коррозионные разрушения можно разделить на следующие основные виды:
1- Равномерная коррозия, при которой металл разрушается с одинаковой силой по всей поверхности. Этот вид коррозии наиболее часто наблюдается у чистых металлов и у однородных
твердых растворов в сильно действующих средах, препятству ющих образованию защитной пленки.
|
Электроотрицательные |
свойства металлов |
Т а б л и ц а 10 |
|
|
|
|||
Металл |
Ряд напряжений |
Металл |
Ряд напряжений |
|
Аи |
+ |
1,50 |
Н 2 |
0 |
P t |
+ |
0,86 |
Sn |
— 0,10 |
Ag |
+ |
0,80 |
Pb |
— 0,12 |
Си |
+ |
0,34 |
Ni |
0,20 |
Со |
— 0,29 |
Мп |
— 1,04 |
|
Cd |
— 0,40 |
А1 |
— 1,340 |
|
F e |
•— 0,44 |
Mg |
— 1,51 |
|
Cr |
— 0,56 |
Zn |
— 0,76 |
2.Местная коррозия. В этом случае разрушение происходит на некоторых участках поверхности металла. Местная коррозия появляется в результате нарушения защитной окисной пленки; на прожженных местах коррозия распространяется в глубь ме талла. Этот вид коррозии наиболее часто наблюдается у много фазных сплавов. Развитию местной коррозии способствуют де фекты поверхности (царапины, задиры и т. п.).
3.Интеркристаллитная (межкристаллитная) коррозия за ключается в разрушении металла или сплава по границам зер на. Коррозия распространяется далеко в глубь, не вызывая за
метных изменений на поверхности, что может явиться причиной серьезных аварий.
В результате коррозии металлы теряют блеск, покрываются продуктами коррозии, при этом резко снижаются механические овойства. Наиболее сильно снижается предел усталости (корро зионная усталость).
2. ХИМИЧЕСКИ СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Химически стойкими материалами называют такие, которые обладают способностью противостоять разрушительному хими ческому воздействию окружающей среды. Любой материал в той или иной степени подвергается химическому воздействию среды, поэтому к химически стойким материалам принято относить та кие материалы, скорость разрушения которых практически до пустима в данном конкретном случае, а изготовленные из них изделия достаточно долговечны.
Химически стойкие материалы делятся на металлические и неметаллические. К первым относятся индивидуальные метал лы различной степени чистоты и сплавы; ко вторым относятся различные силикатные материалы, пластические массы, мате риалы на основе каучука, древесина, уголь и графит, лаки и
краски. Лаки и краски используются в виде защитных по
крытий.
Металлические химически стойкие материалы. Оценку стой кости металлических материалов производят на основании ла бораторных и производственных испытаний. Измеряют какуюлибо характеристику материала, связанную с происходящим химическим разрушением до и после воздействия агрессивной сре ды на образец. Чаще всего для этого служит вес образца. Если продукты реакции легко удаляются с поверхности металла (на пример, растворимые соли, образуемые при действии кислот), то отмечается потеря веса или, реже, его увеличение (например, в случае образования нерастворимых окислов). Изменение веса (в граммах) образца, имеющего определенную величину поверх ности, происходящее за определенный срок, относят к 1 ж2 за 1 час (г/м2час). Это дает весовое выражение скорости коррозии. Если химическое разрушение протекает равномерно по всей по верхности, то, зная плотность материала, можно по потере веса вычислить уменьшение толщины образца, т. е. глубину проник новения коррозии. Так вычисляется скорость коррозии (мм!год). Если коррозия протекает неравномерно, сосредоточиваясь на от носительно малых участках поверхности, то оценка химически стойких материалов весовым методом ненадежна. Тогда изме ряют наибольшую глубину изъязвлений или изменение механи ческих свойств. Последнее особенно важно в том случае, если коррозия происходит по границам зерен металла (интеркристаллитная коррозия).
Металлические химически стойкие материалы можно подраз делить.
1 . Железные сплавы (например, углеродистая и низколеги рованная сталь, чугун) нестойки .в кислотах, ржавеют в атмо сфере и природных водах, но стойки в концентрированной сер ной кислоте и растворах щелочей при комнатной температуре.
Хромистые стали |
(12—14% Сг, |
0,1—0,4% С) |
мартенситного |
и полуферритного |
класса (16—18% Сг, 0,1% С |
и иногда с до |
|
бавкой 1,5—2,0% |
Ni и с 27—30% |
Сг), ферритного класса стой |
ки во влажном воздухе, в пресной воде, азотной кислоте; не стой ки в серной и соляной кислотах, в соленой воде наблюдается их точечная коррозия. При более высоком содержании Сг стойкость их выше. Хромистые стали с 12—14% Сг (типичная нержавею щая сталь) и с 27—30% Сг (жароупорная сталь) применяется в машиностроении и химической промышленности для работы главным образом в азотной кислоте. Сходными свойствами обла дает высокохромистый чугун с содержанием 2% С, 35% Сг. Хромоникелевые стали (17—20%’ Сг, 8—10% Ni и 0,1% С, обыч но с добавками Ti, иногда содержащие 2 —3% Мо) относятся к аустенитному классу. Они стойки в тех же средах, значительно
менее склонны к точечной коррозии, несколько более стойки в серной кислоте и соленой воде. Мо дополнительно увеличивает
стойкость. После нагревания до 600—800° С (например, |
в зоне |
||
сварного шва) появляется |
их склонность к интеркристаллитной |
||
коррозии, устраняемая почти полностью |
добавкой Ti |
(иног |
|
да Nb). Существует много |
разновидностей |
аустенитной |
стали |
с различным содержанием Сг и Ni, часто Мо, Си, обычно Ti, об ладающей повышенной стойкостью в определенных средах. Осо бенно широко применяют сталь, содержащую 18% Сг, 9% Ni и 1% Ti (1Х18Н10Т). Благодаря высокой химической стойкости эта сталь обладает хорошими механическими технологическими свойствами в виде проката, штампованных, кованых и литых из делий и используется в химической, пищевой промышленности и в машиностроении. Применяются и аустенитные чугуны, со держащие 20% Сг, 20% Ni, а иногда 5—8 % Си. Сталь с 25% Сг и 20% Ni жароупорна и жаропрочна. Мартенситная и ферритная стали также проявляют склонность к межкристаллической кор розии. Сплав Fe — Si, содержащий не менее 14% Si, весьма стоек в серной кислоте различной концентрации и даже горячей, нестоек в соляной кислоте, но он очень хрупок и тверд и обла дает пониженными литейными свойствами. Используется только в литом состоянии для изготовления насосов, клапанов и т. д. Сплав с 14—17% Si и 2,5—3% Мо стоек в серной и соляной кислотах.
2. Медь и ее сплавы. Чистая медь стойка в серной |
кислоте |
и разбавленной соляной в отсутствие кислорода, |
нестойка |
в азотной, в растворах NH3, KCN в присутствии кислорода, мед |
ленно тускнеет и окисляется во влажном воздухе и природных водах.
Близкие свойства имеют обычные медные сплавы. Оловянистая бронза с содержанием до 13% олова несколько более стой ка, чем медь. Бронза алюминиевая (до 10% А1) имеет хорошую стойкость в разбавленных кислотах, кроме азотной, в растворах многих солей; применяется в химической промышленности. Хо рошую стойкость имеют кремнистые бронзы с содержанием 3—4% Si. Весьма широко используется латунь, содержащая обычно до 40% Zn. Она применяется для изделий, работающие главным образом в природных водах и во влажном воздухе, но« имеет склонность к так называемому обесцинкованию, т. е. по тере Zn за счет окисления, с отложением чистой меди на поверх ности изделия (особенно в кислых средах) и к «коррозионному растрескиванию» под действием агрессивной среды и механиче ских напряжений, особенно в присутствии аммиака.
3. Никель и его сплавы. Чистый никель стоек во влажном воздухе -и в природных водах, очень стоек в щелочах, сравни тельно медленно разрушается в серной и соляной кислотах
(в азотной кислоте не стоек). При нагреве нестоек в-газах, со держащих сернистые соединения. Более высокой стойкостью обладает сплав, содержащий около 68—69% Ni, 28—29% Си, остальные примеси (Fe, Mn, Si), так называемый моне ль - ме т а л л . Сплав с 20% Мо, остальное Ni (с примесью железа) весьма стоек даже в горячей соляной кислоте. Он обладает хо рошими механическими свойствами. Применение его ограничено вследствие высокой стоимости. Нинель и его сплавы нашли ши рокое применение в химической, пищевой, фармацевтической промышленностях.
4 . Свинец и его сплавы. Чистый свинец обладает высокой стойкостью в серной кислоте и растворах ее солей. Стоек в 10%-ной соляной кислоте при комнатной температуре. Не сто ек (или мало стоек) в азотной, уксусной кислотах, щелочах, •водах, содержащих свободную С02 и многих других средах. Применяется свинец главным образом в виде листов для футе ровки аппаратов и других -приборов. Многие изделия (насосы, арматура) изготовляются из сплава с 10% Sb (твердый свинец)., стойкость которого близка к стойкости свинца.
5. Алюминий и его сплавы. Чистый алюминий стоек во влаж ном воздухе, растворах нитратов, хроматов, концентрированной азотной кислоте, медленно разрушается в серной и уксусной кис лотах при комнатной температуре. Не стоек в соляной кислоте и щелочах, несколько более стоек в серной кислоте. Стойкость алюминия растет с уменьшением содержания примесей (Fe, Zn и др.). Он применяется в химической, фармацевтической и пи щевой промышленности. Сплавы алюминия, применяемые для машиностроения, химически менее стойки.
6 . Благородные металлы. Серебро устойчиво в кислотах, в отсутствие сильных окислителей, в растворах и расплавах ще лочей. Оно не стойко в азотной, концентрированной серной кислотах.
Золото стойко в подавляющем большинстве сред. Нестойко в царской водке, в цианидах и водных растворах галогенов а присутствии кислорода.
Платина нестойка в царской водке, в газах НВг (бромово-
дороде) и HJ (йодистом |
водороде) |
при высокой |
температуре, |
в некоторых расплавах. |
находят |
ограниченное |
применение |
Благородные металлы |
в химической промышленности; их используют лишь для особо ответственных целей.
Неметаллические химически стойкие материалы
Оценка химической стойкости неметаллических материалов производится так же, как и металлических, т. е. по изменению веса образца или навески порошка. При испытании весовая ха-
рактерисгика дополняется определением изменений прочности, объема, набухания, внешнего вида и т. д. Ввиду разнообразия природы и свойств неметаллических химически стойких мате риалов общепринятой единой шкалы оценки их стойкости не существует. Ниже приведены основные группы неметаллических материалов.
/. Силикатные материалы. В эту группу входят как природ ные, так и искусственные материалы. Они обладают высокой стойкостью во всех кислотах, кроме плавиковой, в растворах со лей, агрессивных газах, содержащих хлор. Менее стойки или вовсе не стойки в растворах и особенно расплавах щелочей.
В качестве футеровочных материалов, насадок, для построй ки реакционных башен в химической промышленности применя ют природные граниты, бештаунит, кварциты и др. Плавленые базальт и диабаз применяются в виде футеровочных плиток, труб, желобов, фасонных изделий. Из стекла изготовляют разно образные, часто сложные изделия, например насосы. Плотная керамика применяется в виде кислотоупорных футеровочных плиток, труб и фильтров. В качестве вяжущего вещества для фу теровки применяется кислотоупорный цемент. На его основе изготовляется кислотоупорный бетон для устройства башен, пла вильных ванн и различных сосудов. Кислотоупорная эмаль слу жит для защиты металлических изделий, на которые она нано сится тонким слоем. К силикатным материалам близок плавле ный кварц, нечувствительный к резким колебаниям температуры, из которого изготовляют трубы, сосуды и различные детали химической аппаратуры.
2. Органические материалы. К этой группе химически стой ких материалов относятся .различные пластические массы. Пла стические массы различаются по составу и свойствам. Для всех пластмасс характерна относительно низкая теплостойкость. Боль шинство из них обладает высокой стойкостью в минеральных и органических кислотах, растворах солей, агрессивных газах, со держащих хлор и сернистые соединения. Они обычно нестойки в азотной (HN0 3), концентрированной серной (H2 S04) кислотах, растворах щелочей в некоторых органических растворителях. Из пластмасс изготовляются листы, трубы, вентили и другие фа сонные изделия, часто весьма сложные.
К органическим металлам относятся химически стойкие ма териалы на основе каучука: резина мягкая и твердая (эбонит), стойкие в большинстве минеральных сред, кроме сильных оки слителей (например, HNO3 ). Резину применяют часто для об кладки металлических изделий, работающих при температуре не выше 60—70° С.
Битумные материалы используют обычно в качестве обма зок, защищающих материал от коррозии (например, подземные
трубопроводы). Обычно слой обмазки укрепляется' тканевой обмоткой. Из асфальто-битумных материалов с добавкой на полнителей изготовляют баки для аккумуляторов, трубы, пли ты и т. д.
В отдельную группу химически стойких материалов следует отнести различные лаки и краски, применяемые для защиты металлических изделий от разрушения агрессивной средой. Не которые из них обладают высокой химической стойкостью, на
пример бакелитовый лак, |
лак из хлорированного каучука и др. |
К химически стойким |
материалам относятся так же древе |
сина, уголь и графит. Древесина обладает достаточной стойко стью в некоторых кислотах, растворах солей; но она нестойка в окислителях, крепких растворах кислот (особенно H2 SO4 , HN03) и в щелочах. Хвойные сорта древесины более стойки. Прессованная древесина имеет лучшие механические свойства, а пропитанная, например, расплавленными искусственными смо лами имеет более высокую стойкость, однако нестойка в оки слителях и некоторых органических растворителях. Из древе сины изготовляют резервуары, баки, трубы, мешалки, реакто ры и т. п.
Уголь и графит нестойки в сильных окислителях и растворя ются в некоторых расплавленных металлах. Для уменьшения пористости применяют пропитку угля и графита, например, фе нолформальдегидными смолами. Это мало влияет на стойкость, но снижает температуру, при которой возможно использование материалов до 140—150° С. Из угля* и графита изготовляют ректификационные колонны, теплообменники (благодаря высо кой теплопроводности), насосы, а также трубы и футеровочные плитки и другие сложные изделия.
3.ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ
Внастоящее время применяются различные методы защиты металлов от коррозии: 1 ) электрохимическая защита; 2 ) обра ботка внешней среды и 3) защитные покрытия.
Легирование сплавов также относится к .мерам борьбы с кор розией металла. Коррозионная стойкость таких сплавов возра стает вследствие образования в них стойких защитных пленок или продуктов коррозии.
Электрохимическая защита
Электрохимическая защита состоит из протектирова.ния или электрозащиты.
Протекторная защита от коррозии получила применение в кот лах, конденсаторах, трубопроводах, в судостроении и самолето