Формування мікроструктури чавуну залежить від його хімічного складу і швидкості охолодження (товщини) виливки. Змінюючи швидкість охолодження виливки і вміст силіцію можна отримувати чавун різної структури.

Характерною особливістю чавунів є те, що карбон у сплаві може знаходитися не тільки в розчиненому і зв'язаному стані (у вигляді цементиту Fe₃C), а й у вільному стані – у вигляді графіту. При цьому форма включень графіту і структура металевої основи (матриці) визначають основні типи чавуну та їх властивості [2,4,7].

Класифікація чавуну здійснюється за наступними ознаками:

- за станом карбону – вільний або зв'язаний;

- за формою включень графіту – пластинчастий, вермікулярний, кулястий, пластiвцеподiбний (рис. 7);

- за типом структури металевої основи (матриці) – феритною, перлітною, а також чавуни зі змішаною структурою, наприклад, феритно-перлітною;

- за хімічним складом – нелеговані чавуни (загального призначення) і леговані чавуни (спеціального призначення).

Рис. 7. Структура чавуну з графітом різної форми:

а – пластинчастий графіт в сірому чавуні; б – кулястий графіт у високоміцному чавуні; в – пластівцевий графіт в ковкому чавуні

Залежно від стану карбону в чавуні розрізняють:

- білий чавун, в якому весь карбон знаходиться у зв'язаному стані у вигляді цементиту Fe₃C;

- половинчастий чавун, в якому основна кількість карбону (більше 0,8 %) знаходиться у вигляді цементиту;

- сірий чавун, в якому весь карбон або його велика частина знаходиться у вільному стані у вигляді пластинчастого графіту;

- вибілений чавун, в якому основна маса металу має структуру сірого чавуну, а поверхневий шар – білого;

- високоміцний чавун, в якому графіт має кулясту форму;

- ковкий чавун, що виходить з білого шляхом відпалу, при якому вуглець переходить у вільний стан у вигляді пластiвцеподiбного графіту.

Мікроструктура чавуну складається з металевої основи (матриці) і графітових включень. Властивості чавуну визначаються властивостями металевої основи і характеру включень графіту. Чавуни містять наступні структурні складові (рис. 8): графіт (Г), перліт (П), ферит (Ф), ледебурит (Л); фосфідну евтектику.

Рис. 8. Мікроструктура чавуну: I – білий; II – сірий; III – сірий феритний;

ІІа – половинчастий; IIб – феритно-перлітний; IV – високоміцний

За мікроструктурою розрізняють (див. рис. 8):

- білий чавун I (Ц + Г);

- сірий перлітний чавун II (П + Г);

- сірий феритний чавун III (Ф + Г);

- половинчастий чавун II а (П + Ц + Г);

- високоміцний чавун IV (П + кулястий графіт).

Формування мікроструктури чавуну залежить від його хімічного складу і швидкості охолодження (товщини) виливки. Структура металевої основи визначає твердість чавуну.

У порівнянні з металевою основою графіт має низьку міцність. Місця його розташування можна вважати порушеннями суцільності металу: чавун як би пронизаний включеннями графіту, які послаблюють його металеву основу. По мірі округлення графітних включень (за рахунок модифікування чавуну присадками SiСа, FeSi, Аl, Мg) їх негативна роль як надрізів металевої основи знижується, і механічні властивості чавуну зростають.

Наприклад, сірий чавун (пластинчаста форма графіту) має низькі механічні характеристики, так як пластинки включень графіту відіграють роль концентраторів напружень у відливці. Однак сірий чавун має ряд переваг: високу рідкоплинність і малу ливарну усадку; включення графіту роблять стружку ламкою, дозволяючи легко обробляти чавун різанням; завдяки мастильній дії матеріалу графіту чавун має підвищені антифрикційні властивості; добре гасить вібрації і резонансні коливання. З високоміцних чавунів (куляста форма графіту) виготовляють відповідальні деталі: зубчасті колеса, колінчаті вали тощо.

Промисловість випускає 10 марок сірого чавуну (від СЧ10 до СЧ45). Цифра після букв вказує середнє значення міцності при розтягуванні в десятках МПа.

Для виготовлення хімічної апаратури сірі чавуни використовують обмежено. Вони працюють при температурі до 250 °С і тиску не більше 0,6-0,8 МПа. Хімічна стійкість їх досить низька.

Чавуни СЧ21 і вищих марок можна використовувати для виготовлення деталей, схильних до дії знакозмінних навантажень (наприклад, поршні насосів і компресорів), а чавуни низьких марок – для менш відповідальних деталей.

Чавуни володіють задовільною корозійною стійкістю і нерідко використовуються для виготовлення хімічної апаратури, що працює з температурою стінки від −15 до +250 °С при діаметрі 1000 мм допускається максимальний тиск 0,6 МПа. В цілях підвищення міцності і корозійної стійкості випускають леговані чавуни.

Силіцій сприяє графітизації чавуну. Змінюючи його вміст та швидкість охолодження відливки, можна отримати чавун різної структури.

Манган перешкоджає графітизації і нейтралізує шкідливий вплив сульфуру, утворюючи з нею тугоплавкі з'єднання МnS.

Фосфор не має істотного впливу на процес графітизації. При підвищеному вмісті фосфору в структурі чавуну утворюються тверді включення фосфідної евтектики, яка підвищує його ливарні властивості.

Сульфур є шкідливою домішкою. Вона зумовлює погіршення ливарних властивостей чавуну, збільшення усадки, тріщиноутворення, зниження температури червоноламкості чавуну.

Сірий чавун – це сплав системи Fe-С-Si, що містить в якості домішок манган, фосфор, сульфур. Карбон в сірих чавунах переважно знаходиться у вигляді графіту пластинчастої форми.

Структура відливок визначається хімічним складом чавуну і технологічними особливостями його термообробки. Механічні властивості сірого чавуну залежать від властивостей металевої матриці, форми і розмірів графітових включень. Властивості металевої матриці чавунів близькі до властивостей сталі. Графіт, який має невисоку міцність і знижує міцність чавуну. Чим менше графітових включень і вище їх дисперсність, тим більша міцність чавуну.

Графітові включення викликають зменшення границі міцності чавуну при розтягуванні. На міцність при стисненні і твердість чавуну частинки графіту впливу практично не мають. Властивість графіту утворювати мастильні плівки призводить до зниження коефіцієнта тертя і збільшення зносостійкості виробів із сірого чавуну. Графіт покращує оброблюваність різанням. Сірий чавун маркують літерами СЧ (сірий чавун). Число після літерного позначення показує середнє значення межі міцності чавуну при розтягуванні. Наприклад, СЧ20 – чавун сірий, межа міцності при розтягуванні 200 МПа.

За властивостями сірі чавуни можна умовно поділити на наступні групи:

- феритні і феритно-перлітні чавуни (марки СЧ10, СЧ15), застосовують для виготовлення маловiдповiдальних ненавантажених деталей машин;

- перлітні чавуни (марки СЧ20, СЧ25, СЧ30) використовують для виготовлення зносостійких деталей, для експлуатації при великих навантаженнях: поршнів, циліндрів, блоків двигунів;

- модифіковані чавуни (марки СЧ35, СЧ40, СЧ45), отримують додаванням перед розливанням у рідкий сірий чавун присадок феросиліцію, такі чавуни мають перлітну металеву матрицю з невеликою кількістю ізольованих пластинок графіту.

Модифікування сірого чавуну магнієм, а потім феросиліцієм, дозволяє отримувати магнієвий чавун (СМЧ), що володіє міцністю сталі і високими ливарними властивостями сірого чавуну. З нього виготовляють деталі, що піддаються ударам, впливу змінних напруг і інтенсивного зносу, наприклад, колінчасті вали легкових автомобілів.

Відмінною особливістю високоміцного чавуна є його високі механічні властивості, що обумовлені наявністю в структурі кулястого графіту, який у меншій мірі, ніж пластинчастий графіт у сірому чавуні, послаблює робочий перетин металевої основи і, що найважливіше, не чинить на неї сильної надрізної дії, завдяки чому навколо включень графіту в меншій мірі створюються концентратори напружень. Чавун з кулястим графітом володіє не тільки високою міцністю, але і пластичністю.

Отримання кулястого графіту в чавуні досягається модифікуванням розплаву присадками, що містять Мg, Са, Се та інші рідкоземельні метали. Хімічний склад і властивості високоміцних чавунів регламентуються ДСТУ і маркуються літерами ВЧ (високоміцний чавун) і числом, що позначає середнє значення межі міцності чавуну при розтягуванні. Наприклад, ВЧ800-2 – високоміцний чавун, межа міцності якого при розтягуванні складає 800 МПа, а відносне подовження становить 2 %.

Високоміцний чавун з кулястим графітом є найбільш перспективним ливарним сплавом, за допомогою якого можна успішно вирішувати проблему зниження маси конструкцій при збереженні їх високої надійності і довговічності.

Високоміцний чавун використовують для виготовлення відповідальних деталей автомобілебудування (колінчаті вали, зубчасті колеса, циліндри та ін.)

Білі чавуни характеризуються тим, що у них весь карбон знаходиться в хімічно зв'язаному стані – у вигляді цементиту. Злам такого чавуну має матово білий колір. Наявність великої кількості цементиту надає білому чавуну високу твердість, крихкість і дуже погану оброблюваність різальним інструментом.

Структура білого чавуну представлена перлітом і ледебуритом. Білий чавун застосовують головним чином для отримання сталі і в невеликій кількості – для отримання ковкого чавуну.

Ковкий чавун одержують шляхом відпалу білого чавуну певного хімічного складу, що відрізняється зниженим вмістом графітизируючих елементів (2,4-2,9 % С і 1,0-1,6 % Si), так як в литому стані необхідно отримати повністю вибілений чавун по всьому перетину виливки, що забезпечує формування пластівцеподібного графіту в процесі відпалу.

Механічні властивості і рекомендований хімічний склад ковкого чавуну регламентують ДСТУ та маркують літерами КЧ (ковкий чавун) і цифрами. Перша група цифр показує межу міцності чавуну при розтягуванні, друга – відносне його подовження при розриві. Наприклад, КЧ33-8 означає: ковкий чавун з межею міцності при розтягуванні 33 кг/мм² (330 МПа) і відносним подовженням при розриві 8 %.

Для прискорення процесу відпалу КЧ використовують різні прийоми: підвищують температуру витримки, модифікують і мікролегують чавун присадками алюмінію, бору, титану або вісмуту. Всі ці прийоми сприяють збільшенню числа центрів кристалізації зниження стійкості цементиту.

Ковкий чавун використовують для виготовлення дрібних і середніх тонкостінних відливок відповідального призначення, що працюють в умовах динамічних знакозмінних навантажень (деталі привідних механізмів, коробок передач, гальмівних колодок, шестерень, маточин і т.п.). Однак ковкий чавун – мало перспективний матеріал із-за складної технології отримання та тривалості виробничого циклу виготовлення деталей з нього.

Залежно від призначення розрізняють зносостійкі, антифрикційні, жаростійкі і корозійностійкі леговані чавуни.

Хімічний склад, механічні властивості при нормальних температурах і рекомендовані види термічної обробки легованих чавунів регламентуються ДСТУ. У позначенні марок легованих чавунів букви і цифри, що відповідають вмісту легуючих елементів, ті ж, що і в марках сталі.

Для виготовлення апаратів, що працюють з лужними розчинами і розплавами, випускають лугостійкий чавун двох марок (СЧЩ-1, СЧЩ-2), що легований хромом (0,4-0,8 %) і нікелем (0,5-1,0 %). Ці чавуни успішно використовують у виробництві твердого гідроксиду натрію.

З лугостійких чавунів (СЧЩ) виготовляють казани, призначені для концентрування розчинів лугів, упарювання яких здійснюють при температурах до 350 °С. При цьому швидкість корозії чавуну досягає 2,5-5,0 мм/рік.

Зносостійкі чавуни, леговані нікелем (до 5 %) і хромом (0,8 %), застосовують для виготовлення деталей, що працюють в абразивних середовищах. Чавуни (до 0,6 % Cr і 2,5 % Ni) з додаванням титану, купруму, ванадію, молібдену володіють підвищеною зносостійкістю в умовах тертя без мастильного матеріалу. Їх використовують для виготовлення гальмівних барабанів автомобілів, дисків зчеплення, гільз циліндрів та ін.

Жаростійкі леговані чавуни ЧХ2, ЧХ3 застосовують для виготовлення деталей контактних апаратів хімічного обладнання, турбокомпресорів, експлуатованих при температурі 690 °С (ЧХ2) і 700 °С (ЧХ3).

Жароміцні леговані чавуни ЧНМШ, ЧНПГ7Х2Ш з кулястим графітом працездатні при температурах 500-600 °С і застосовуються для виготовлення деталей дизелів, компресорів і ін.

Корозійностійкі леговані чавуни марок ЧХ1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низьколеговані) володіють підвищеною корозійною стійкістю в газовому, повітряному і лужному середовищах. Їх застосовують для виготовлення деталей вузлів тертя, що працюють при підвищених температурах (поршневих кілець, блоків і головок циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, деталей дизелів, компресорів і т.д.).

Антифрикційні чавуни використовуються як підшипникові сплави, оскільки представляють групу спеціальних сплавів, здатних працювати в умовах тертя як підшипники ковзання.

Для легування антифрикційних чавунів використовують хром, мідь, нікель, титан.

ДСТУ включає шість марок антифрикційного сірого чавуну (АЧС-1 – АЧС-6) з пластинчастим графітом, дві марки високоміцного (АЧВ-1, АЧВ-2) та дві марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чавунів. Цим стандартом регламентуються хімічний склад, структура, режими роботи, в ньому також містяться рекомендації щодо застосування антифрикційних чавунів.

Розрізняють перлітні і перлітно-феритні антифрикційні чавуни. Антифрикційні перлітні чавуни (АЧС-1, АЧС-2) та перлітно-феритні (АЧС-З) застосовують при тиску в зоні контакту фрикційних пар до 50 МПа. Чавуни з кулястим графітом АЧВ-1 (перлітний) і АЧВ-2 (перлітно-феритний) застосовують при підвищених навантаженнях (до 120 МПа) [2-5].

Високохромисті чавуни (наприклад, Х28Л) володіють підвищеною жаростійкістю і жароміцністю, їх можна застосовувати при температурах до 500 °С.

Кременисті чавуни характеризуються підвищеною корозійною стійкістю в кисненьвмісних кислотах – сульфатній і нітратній. В той же час вони недостатньо міцні, крихкі і розтріскуються при різких перепадах температур. Стійкість їх до хлорводневої кислоти підвищується при введенні 3,5- 4,0 % Мо, коли утворюються чавун С15МЧ – пермалой. Цей чавун-антихлор стійкий в розчинах сульфатаної і хлорводневої кислот будь-яких концентрацій і відрізняється високою жаростійкістю, його використовують при температурах до 900 °С.

Висококременисті чавуни не піддаються механічній обробці, деталі з них отримують відливанням. Ці чавуни застосовують для виготовлення насосів, арматури, труб, теплообмінників і колонної апаратури. Необхідно враховувати, що дані чавуни нестійкі в лужних розплавах, розчинах фторводневої кислоти і фтористих солей.

Для виготовлення апаратів і труб, які контактують з нітратною та хлорводневою кислотами, застосовують чавуни, що містять 15-17 % силіцію (феросиліди С-15, С-17 і «антихлор»). Антихлор МФ-15 містить 15 % Si і 4 % Мо. Він стійкий до дії гарячої концентрованої хлорводневої кислоти. Проте ці матеріали дуже крихкі, піддаються обробці тільки абразивними матеріалами, дуже чутливі до перепадів температур. Тому їх використовують обмежено.

Кольорові метали та сплави

Багато кольорових металів та їх сплавів володіють рядом цінних властивостей: високими пластичністю, в'язкістю, електро- і теплопровідністю, корозійною стійкістю тощо. Завдяки цим якостям кольорові метали та їх сплави займають важливе місце серед конструкційних матеріалів.

З кольорових металів в чистому вигляді і у вигляді сплавів широко використовуються алюміній, мідь, свинець, олово, магній, цинк, титан.

Найбільше розповсюдження в хімічній промисловості знаходять алюміній, мідь, свинець і титан.

Алюміній та його сплави

Алюміній – метал сріблясто-білого кольору, що характеризується низькою густиною (2,7 г/см³), високою електропровідністю, його температура плавлення 660 °С. Механічні властивості алюмінію невисокі, тому в чистому вигляді як конструкційний матеріал він застосовується обмежено.

Алюміній утворює в окислювальному середовищі на своїй поверхні міцну оксидну плівку, тому найширше його застосовують у виробництві азотної кислоти. З нього виготовляють майже всю апаратуру для виробництва, зберігання і транспортування концентрованої кислоти. Сюди відносяться відбілювальні колони, поглинаючі башти, холодильники, цистерни і інше устаткування.

Алюміній стійкий до концентрованої азотної кислоти, але не стійкий до дії лужних розчинів і розбавлених кислот.

Для підвищення фізико-механічних і технологічних властивостей алюміній легують різними елементами (Cu, Mg, Si, Zn). Залізо і силіцій є постійними домішками алюмінію. Залізо викликає зниження пластичності і електропровідності алюмінію. Силіцій, як і мідь, магній, цинк, марганець, нікель і хром, відноситься до легуючих добавок, що зміцнюють алюміній.

Залежно від змісту постійних домішок розрізняють:

- алюміній особливої чистоти марки А999 (0,001 % домішок);

- алюміній високої чистоти – А995, А99, А97, А95 (0,005-0,5 % домішок);

- технічний алюміній – А85, А8, А7, А6, А5, А0 (0,15-0,5 % домішок).

Технічний алюміній випускають у вигляді напівфабрикатів для подальшої переробки у вироби. Алюміній високої чистоти застосовують для виготовлення фольги, струмопровідних і кабельних виробів.

Позитивними властивостями алюмінію є його висока теплопровідність (у 4,5 разу вище, ніж у сталі), мала щільність і висока пластичність, що забезпечує добре вальцювання і здатність штампуватися. Але він володіє низькими ливарними якостями, погано обробляється різанням і має малу міцність.

Широке застосування отримали сплави на основі алюмінію, що класифікуються за технологією виготовлення; ступенем зміцнення після термічної обробки; експлуатаційними властивостями.

До сплавів нормальної міцності відносяться сплави системи Алюміній+Мідь+Магній (дюралюмін), які маркуються літерою «Д». Дюралюмін (Д1, Д16, Д18) характеризуються високою міцністю, достатньою твердістю та в'язкістю. Для зміцнення сплавів застосовують загартовування з наступним охолодженням у воді. Загартований дюралюміній піддається старінню, що сприяє збільшенню його корозійної стійкості.

Дюралюмін відрізняється суттєво більшою твердістю, порівняно з чистим алюмінієм. Завдяки підвищеній питомій міцності дуралюміни стали найважливішим конструкційним матеріалом у авіабудуванні, виготовленні швидкісних потягів, а також у багатьох інших галузях машинобудування

Для підвищення корозійної стійкості на листи дуралюміна при прокаті наносять з двох сторін плакуючий шар чистого алюмінію так, щоб товщина його складала 3-5 % від товщини основного листа. Температура в апаратах, виготовлених з алюмінію, повинна бути не вище 200 °С, а тиск не більше 0,6 МПа. Зварку алюмінію проводять в атмосфері аргону і гелію.

Високоміцні сплави алюмінію (В93, В95, В96) відносяться до системи Алюміній+Цинк+Магній+Купрум. В якості легуючих добавок використовують манган і хром, які збільшують корозійну стійкість і ефект старіння сплаву. Для досягнення необхідних міцнісних властивостей сплави загартовують з наступним старінням. З цих сплавів виготовляють високо навантажені зовнішні конструкції в авіабудуванні – деталі каркасів, шасі і обшивки.

Жароміцні сплави алюмінію (АК4-1, Д20) мають складний хімічний склад, леговані ферумом, нікелем, купрумом і іншими елементами. Жароміцність сплавам надає легування, що уповільнює дифузійні процеси. Деталі з жароміцних сплавів можуть експлуатуватися при температурах до 300 °C.

Для виготовлення деталей методом лиття застосовують алюмінієві сплави систем А1-Si, А1-Сu, Аl-Мg, які для поліпшення механічних властивостей легують титаном, бором, ванадієм. Головною перевагою ливарних сплавів є висока рідкоплинність, невелика усадка, хороші механічні властивості.

Сплави алюмінію з силіцієм (силуміни) містять 9-13 % Si, отримали найбільше поширення серед алюмінієвих ливарних сплавів завдяки своїм високим ливарним властивостям і гарним механічним і технологічним характеристикам.

Силуміни вельми стійкі в різних середовищах. Особливо високою стійкістю до дії нітратної кислоти відрізняються силуміни АК12ч і АК12ж, що містять 10-13 % Si.

Манган підвищує стійкість

Силуміни марок АК12, АК9ч, АК8л мають високу рідкоплинність, гарну герметичність, достатню міцність, добре обробляються різанням, легко зварюються, чинять опір корозії і стійкі до утворення гарячих тріщин.

Сплав АК12 застосовується для виготовлення тонкостінних деталей складної форми при литті в землю: корпуси агрегатів та приладів.

Сплав АК9ч – високо навантажених деталей відповідального призначення: корпуси компресорів, блоки двигунів, поршні циліндрів тощо.

Сплав АК8л – виготовлення деталей середньої навантажуваності, але складної конфігурації, а також для деталей, що піддаються зварюванню.

Сплави алюмінію з магнієм володіють найбільш високою корозійної стійкістю і більш високими механічними властивостями після термічної обробки в порівнянні з іншими алюмінієвими сплавами. З них виготовляють схильні корозійним впливам деталі морських суден, а також деталі, що працюють при високих температурах (наприклад, головки циліндрів потужних двигунів повітряного охолодження).

Сплави алюмінію з купрумом володіють зниженою корозійної стійкістю та високими механічними властивостями. Застосовуються для виготовлення відливок нескладної форми, що працюють з великими напругами (головки циліндрів малопотужних двигунів повітряного охолодження).

Сплави алюмінію, купруму і силіцію характеризуються гарними ливарними властивостями, але корозійна стійкість їх невисока. Застосовуються для виготовлення відливок корпусів, карбюраторів і арматури бензинових двигунів, дрібних деталей.

Сплави алюмінію, цинку і силіцію (типовий представник – цинковий силумін) володіють високими ливарними властивостями і для підвищення механічних властивостей піддаються модифікуванню. Використовуються для виготовлення відливок складної форми – картерів, блоків двигунів внутрішнього згоряння тощо.

Найбільше застосування з алюмінієвих підшипникових матеріалів отримав сплав АСМ. За антифрикційними властивостями він близький до свинцевої бронзи, але перевершує її за корозійною стійкістю та технологічністю.

Матеріали на основі алюмінію, що отримані методами порошкової металургії, володіють у порівнянні з ливарними сплавами більш високою міцністю, стабільністю властивостей при підвищених температурах і корозійною стійкістю.

Матеріали з спечених алюмінієвих порошків (САП) складаються з найдрібніших частинок алюмінію і його оксиду Аl₂O₃. Порошок для спікання отримують розпиленням технічно чистого алюмінію з наступним подрібненням гранул у млинах.

Технологічний процес отримання виробів з САП складається з операцій виготовлення заготівель і механічної обробки. Заготівлі отримують методом брикетування (холодного або з підігрівом) порошку з наступним спіканням при температурах 590-620 °С і тисках 260-400 МПа.

Спечені алюмінієві порошки (марок САП-1 – САП-4) застосовують для виготовлення деталей підвищеної міцності і корозійної стійкості для застосування при робочих температурах до 500 °С.

Спечені алюмінієві сплави (САС) отримують з порошків алюмінію з невеликим вмістом Аl₂O₃ легованих ферумом, нікелем, хромом, манганом, купрумом і іншими елементами. Представником цієї групи матеріалів є САС-1, що містить 25-30 % Si і 7 % Ni, і застосовується замість більш важких матеріалів в приладо- та машинобудуванні [2,4,8].

Мідь та її сплави

Вельми цінним конструкційним матеріалом для створення хімічної апаратури є мідь. Мідь у чистому вигляді має червоний колір; чим більше в ній домішок, тим грубіше і темніше злам. Температура плавлення міді 1083 °С, щільність 8,92 г/см³.

Домішки справляють істотний вплив на фізико-механічні характеристики міді. Її випускають шести марок: від М00 (99,99 %) до М4 (99,0 %). Для конструювання хімічного устаткування застосовують мідь марки М2 (99,7 %) і М3 (99,5 %).

Головними перевагами міді як конструкційного матеріалу є високі електропровідність, пластичність, корозійна стійкість в поєднанні з досить високими механічними властивостями. Важлива характеристика міді – максимальна серед конструкційних матеріалів теплопровідність.

До недоліків міді відносять низькі ливарні властивості і погану оброблюваність різанням. Основними способами нероз'ємного з'єднання частин апаратури з міді служать клепки, зварка і іноді паяння. Зварку бажано проводити в середовищі аргону.

Мідь не утворює міцних захисних оксидних плівок, тому не стійка до дії «окислювальних» кислот. У розчинах лугів і аміаку, хлорводневої кислоти вона достатньо стійка за відсутності інших окиснювачів і контакту, зокрема, з повітрям. Руйнування апаратури з міді у вказаних середовищах відбуватиметься при утворенні оксидів Сu₂О і СuО, які потім будуть перетворюватися у розчинні сполуки іонами Н⁺, аміаком і іншими комплексоутворювачами.

Цінна властивість міді – це здатність зберігати міцність, теплопровідність і ударну в'язкість при низьких температурах, що робить її незамінним матеріалом для виготовлення апаратів глибокого холоду і теплообмінної апаратури. Вироби з міді можуть експлуатуватися в інтервалі температур від −250 до +250°С.

Легування міді здійснюється з метою надання сплаву необхідних механічних, технологічних, антифрикційних та інших властивостей. Хімічні елементи, які використовуються при легуванні, позначають у марках мідних сплавів наступними індексами: А – алюміній; Вм – вольфрам; Ви – вісмут; В – ванадій; Км – кадмій; Гл – галій; Г – германій; Ж – залізо, Зл – золото ; К – миш'як; Н – нікель; О – олово; С – свинець; Сн – селен; Ср – срібло; Су – сурма; Ти – титан; Ф – фосфор; Ц – цинк.

У хімічному машинобудуванні використовують також сплави міді – латунь і бронзу. Ці сплави легують і іншими елементами (алюмінієм, ферумом, манганом, нікелем).

Латуні – сплави міді, в яких головним легуючим елементом є цинк, відносяться до числа матеріалів з високими механічними та технологічними характеристиками.

Залежно від вмісту легуючих компонентів розрізняють: прості (подвійні) латуні та багатокомпонентні (леговані) латуні.

Прості латуні маркують буквою Л і цифрами, які показують середній вміст міді в сплаві. Наприклад, сплав Л90 – латунь, що містить 90 % міді, все інше – цинк.

Практичне застосування знаходять латуні, що містять до 45 % цинку.

В залежності від вмісту цинку розрізняють однофазні латуні α-латуні, двофазні α+β-латуні і чисті β-латуні (рис. 9). При підвищенні температури в сплаві існують β і α+β-фази.

Рис. 9. Характерна мікроструктура однофазної (а) і двофазної латуней (б)

α-Латунь містить до 39 % Zn, α+β-латунь – 39-47 % Zn, а β-латунь – 47-50 % Zn. Характерним видом корозії для латуней є знецинкування. Твердий розчин, що містить більше міді (α-латунь), зазвичай є катодом по відношенню до твердого розчину, що містить менше міді (β-латунь). В результаті цього у змішаних латунях β-фаза переважно розчиняється. Часто цей процес пов'язаний із вторинним виділенням міді на кородуючій поверхні, тобто призводить до знецинкування. Змішані латуні α+β, а також чисті β-латуні більш схильні до знецинкування, ніж α-латунь. Особливо з підвищеним вмістом міді.

У марках легованих латуней групи букв і цифр, що стоять після них, позначають легуючі елементи та їх вміст у відсотках. Наприклад, сплав ЛАНКМц 75-2-2,5-0,5-0,5 – латунь, що містить 75 % міді, 2 % алюмінію, 2,5 % нікелю, 0,5 % силіцію, 0,5 % мангану, все інше – цинк.

В залежності від основного легуючого елемента розрізняють алюмінієві, манганові, нікелеві, олов'яні, свинцеві та інші латуні.

Алюмінієві латуні – ЛА 85-0,6, ЛА 77-2, ЛАМш 77-2-0,05 володіють підвищеними механічними властивостями і корозійною стійкістю.

Манганові латуні – ЛМц 58-2, ЛМцА 57-3-1, що деформуються, в гарячому і холодному стані, мають високі механічні властивості, стійкі до корозії в морській воді та перегрітому парі.

Нікелеві латуні – ЛН 65-5 і інші мають високі механічні властивості, добре обробляються тиском у гарячому і холодному стані.

Олов'яні латуні ЛО90-1, ЛО70-1, ЛО62-1 відрізняються підвищеними антифрикційними властивостями і корозійною стійкістю, добре обробляються.

Свинцеві латуні – ЛС63-3, ЛС74-3, ЛС60-1 характеризуються підвищеними антифрикційними властивостями і добре обробляються різанням. Свинець в цих сплавах присутній у вигляді самостійної фази, практично не змінює структури сплаву.

Корозійна стійкість латуні у ряді випадків вища, ніж у чистої міді. Для виготовлення теплообмінної апаратури і апаратів глибокого холоду (наприклад, для розділення повітря) найбільше застосування знаходить латунь Л68 і Л62.

Бронзи – це сплави міді з оловом та іншими елементами (алюміній, силіцій, манган, плюмбум, берилій). Залежно від вмісту основних компонентів, бронзи можна умовно розділити на олов'яні, головним легуючим елементом яких є олово, та безолов'яні (спеціальні), що не містять олова.

Бронзи маркують літерами Бр, правіше ставляться літерні індекси елементів, що входять до складу. Потім слідують цифри, що позначають середній вміст елементів у відсотках (цифру, що позначає вміст міді в бронзі, не ставлять). Наприклад, сплав марки БрОЦС 5-5-5 означає, що бронза містить олова, цинку і свинцю по 5 %, все решта – мідь (85 %).

Олов'яні бронзи мають високі антифрикційні властивості, нечутливі до перегріву, морозостійкі, немагнітні.

Для поліпшення якості олов'яні бронзи легують цинком, свинцем, нікелем, фосфором та іншими елементами. Легування фосфором підвищує механічні, технологічні, антифрикційні властивості олов'яних бронз. Введення нікелю сприяє підвищенню механічних і протикорозійних властивостей. При легуванні свинцем збільшується густина бронз, покращуються їх антифрикційні властивості та оброблюваність різанням, проте помітно знижуються механічні властивості. Легування цинком покращує технологічні властивості. Введення заліза (до 0,09 %) сприяє підвищенню механічних властивостей бронз, однак зі збільшенням ступеня легування різко знижуються їх корозійна стійкість і технологічні властивості.

Алюмінієві бронзи мають високі механічні, антифрикційні та антикорозійні властивості. Ці бронзи знайшли застосування для виготовлення відповідальних деталей машин, що працюють при інтенсивному зношуванні і підвищених температурах.

Силіцієві бронзи характеризуються високими антифрикційними і пружними властивостями, корозійною стійкістю. Додаткове легування силіцієвих бронз іншими елементами сприяє поліпшенню їх експлуатаційних і технологічних властивостей: цинк підвищує їх ливарні властивості, манган і нікель покращують корозійну стійкість і міцність, плюмбум – оброблюваність різанням і антифрикційні властивості. Силіцієві бронзи застосовують замість цинових для виготовлення антифрикційних деталей, пружин, мембран приладів та обладнання.

Свинцеві бронзи використовують у парах тертя, експлуатованих при високих відносних швидкостях переміщення деталей. Для підвищення механічних властивостей та корозійної стійкості свинцеві бронзи легують нікелем і станумом.

Берилієві бронзи відрізняються високою міцністю, зносостійкістю і стійкістю до впливу корозійних середовищ. Вони забезпечують працездатність виробів при підвищених температурах (до 500 °С), добре обробляються різанням і зварюються. Бронзи цього типу використовують для виготовлення деталей відповідального призначення, що експлуатуються при підвищених швидкостях переміщення, навантаженнях, температурі.

Сплави міді з нікелем підрозділяють на конструкційні та електротехнічні.

Куніалі (купрум-нікель-алюміній) містять 6-13 % Ni, 1,5-3 % Аl, решта – купрум. Вони піддаються термічній обробці та застосовуються для виготовлення деталей підвищеної міцності, пружин і ряду електротехнічних виробів.

Нейзильбер (нікель-цинк-купрум) містять 5-35 % Ni, 13-45 % Zn, решта – купрум. Вони мають білий колір, близький до кольору срібла. Нейзильбер дуже стійкий до атмосферної корозії. Його застосовують у приладобудуванні та виробництві годинників.

Мельхіор (купрум, нікель з невеликою добавкою феруму і мангану до 1 %) мають високу корозійну стійкість. Їх застосовують для виготовлення теплообмінних апаратів, штампованих і карбованих виробів.

Копель (купрум-нікель-манган) містять 43 % Ni, 0, 5% Мn, решта – мідь. Це спеціальний сплав з високим питомим електроопором, що використовується для виготовлення електронагрівальних елементів [2,5,9].

Титан та його сплави

Титан – сріблясто-білий метал низької густини (4,5 г/см³) з високою механічною міцністю, корозійною і хімічною стійкістю. Температура плавлення титану 1660 ^оС, з вуглецем він утворює дуже тверді карбіди. Титан задовільно кується, прокатується і пресується.

У земній корі міститься близько 60 сполук, що містять титан, промислову цінність серед яких мають ільменіт, перовскит і сфен.

Основними способами отримання титану є вибіркова відновлювальна плавка, відновлення тетрахлоридом магнію, переплав титанової губки. Очищення від домішок титану проводять методом зонної плавки.

Титан – це один з перспективних металів для виготовлення хімічної апаратури. Його випускають наступних марок: ВТ1-00 (99,53 %), ВТ1-0 (99,48 %) і ВТ1-1 (99,44 %). Він хімічно стійкий до киплячої азотної кислоти, але при концентрації кислоти 98 % відбувається його спалах, що супроводжується вибухом.

Титан знаходить все більш широке застосування для виготовлення хімічної апаратури завдяки високій механічній міцності і корозійній стійкості в деяких середовищах. Максимальна температура його застосування складає 350 °С, подальше підвищення температури призводить до різкого зниження міцності.

Титан стійкий до розчинів нітратів, хлоридів, карбаміду у вологому хлорі, але руйнується в розчинах нітратної, сульфатної, хлорводневої, фтористоводневої і фосфорної кислот. Його доцільно застосовувати в середовищах, в яких леговані сталі піддаються точковій корозії або проявляють схильність до міжкристалітної корозії.

У концентрованій нітратній кислоті, що містить розчинені оксиди азоту, в сухому хлорі і бромі титан спалахує. Високою корозійною стійкістю володіють сплави титану з танталом і молібденом.

Механічні властивості титану визначаються ступенем його чистоти. Домішки кисню, азоту та вуглецю, які утворюють з титаном різні сполуки, справляють істотний вплив на його властивості. До шкідливих домішок відноситься водень, що викликає окрихчення титану.

Із-за дорожнечі титан переважно використовують як плакуючий матеріал з товщиною листа 0,5-3 мм. Широкого поширення набув сплав ВТ1, що містить не більше 0,3 % Fe, 0,15 % Si, 0,1 % С, 0,215 % інших елементів, все решта – титан.

Вартість устаткування, футерованого листовим титаном, приблизно в 3 рази перевищує вартість таких же апаратів, виготовлених з хромнікелевої сталі. Проте висока вартість окупається низькими витратами на ремонт, довговічністю устаткування і скороченням простоїв із-за несправностей. Титанова замкова арматура служить в 5-10 разів довше, ніж сталева, фанерована гумою, пластмасами і емаллю. Вживані у виробництві хлора теплообмінники з титану набагато дешевше скляних і займають в 8 разів меншу площу.

Для отримання сплавів титану з заданими механічними властивостями його легують різними елементами. У більшості титанових сплаві

Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 11 12 13 Следующая