5.2.3. Металічні сплави

Сплави – системи, які складаються із двох чи декількох металів або металів і неметалів. Сплави мають найрізноманітніші властивості, тому в техніці їх використовують частіше, ніж чисті метали.

У хімічному апарато- і машинобудуванні використовують різні метали й сплави на їх основі, які класифікують таким чином: вуглецеві та леговані сталі; чавуни; кольорові метали та сплави.

Вуглецеві сталі

Основною продукцією чорної металургії є сталь. Вуглецева сталь промислового виробництва – це складний сплав заліза з вмістом вуглецю менше 2,14 %, в якому крім вуглецю, що вводиться спеціально, є декілька інших елементів – постійних домішок. Вони потрапляють у сталь внаслідок особливостей технологічних процесів одержання сталі. Вплив основних домішок не суттєвий при малій їх місткості, де масова частка Марганцю не більше 0,6 %, Силіцію – 0,3 %, Фосфору – 0,4 %, Сульфуру – 0,2 %. При більш високій місткості ці домішки впливають на механічні властивості та корозійну стійкість сталі.

Властивості вуглецевих сталей, насамперед, визначаються місткістю в них вуглецю.У хлоридній, ортофосфатній, нітратній і розведеній сульфатній кислотах вуглецеві сталі сильно кородують. У концентрованій сульфатній кислоті (більше 80 %) та в лужних розчинах при нормальній температурі вуглецеві сталі стійкі.

Вуглецеві сталі використовують переважно для виготовлення металоконструкцій, які експлуатуються в атмосферних умовах, і обладнання, що працює в інертних середовищах.

Леговані сталі

Леговані сталі за вмістом легованих елементів розподіляють на низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5-10 %) і високолеговані (10-50 %). В залежності від основних легованих елементів (табл. 5.1) розрізняють 12 груп сталей з різними фізико-механічними, технологічними, експлуатаційними властивостями і умовами термічної обробки.

Таблиця 5.1

Основні леговані елементи та їх

символи в марках легованих сталей

Елемент	Символ	Елемент	Символ	Елемент	Символ
Алюміній Нітроген (Азот) Ванадій Вольфрам	Ю А Ф В	Силіцій Манган Купрум Молібден	С Г Д М	Нікол Ніобій Титан Хром	Н Б Т Х

Високолеговані сталі

Для виготовлення хімічної апаратури, яка працює в жорстких умовах, в основному використовують сталі трьох груп:

I група – корозійностійкі (нержавіючі) сталі для експлуатації в агресивних середовищах;

II група – жаростійкі сталі, які мають стійкість у газових середовищах при температурі вище 550 ⁰С;

III група – жаростійкі сталі, які працюють у навантаженому стані при високих температурах.

Основними типами високолегованих сталей є хромисті, хромонікелеві та хромонікельмолібденові сталі.

Хромисті сталі містять 13, 17, 25, 28 % хрому та відносяться до групи сталей підвищеної стійкості, що обумовлено здатністю хрому до пасивації. Сталі, які містять 13 % і більше хрому, називають нержавіючими.

Хромонікелеві сталі більш технологічні, корозійностійкі, що обумовлено введенням до їх складу нікелю. Недоліком хромонікелевої сталі є характерна для металів схильність до точкової корозії (особливо в зоні зварювальних швів) у розчинах, які містять йони Хрому та окисника.

Хромонікельмолібденові сталі виготовляються на основі хромонікелевих сталей з додаванням до них 4 % молібдену, а іноді й міді. При цьому підвищується корозійна стійкість.

Чавуни

Чавуни – це сплави заліза з вуглецем, де вміст останнього більше 2 %.

Чавуни, які виплавляють у доменних печах поділяють на: переробні, які використовуються для виробництва сталі у кисневих конверторах, електропечах, мартенівських печах; ливарні, які використовуються для одержання виливків у ливарних цехах машинобудівних чи ливарних заводів. Частка цих чавунів зменшується й не перевищує 10 %.

Широке застосування чавунів у машинобудуванні пояснюється порівняно невеликою вартістю й добрими технологічними властивостями чавунів – високою рідкотекучістю й незначною (~ 1 %) усадкою під час кристалізації та наступного охолодження, здатністю легко оброблятися різанням, можливістю зміни властивостей термообробкою й легуванням. Найкращі ливарні властивості мають евтектичні чавуни, оскільки в них менший температурний інтервал кристалізації.

Залежно від хімічного складу та умов кристалізації Карбон в чавунах може кристалізуватися як у вільному стані у вигляді графіту, так і у вигляді сполуки з Ферумом – цементиту Fe₃C. Залежно від стану Карбону в чавунах, їх класифікують на білі та машинобудівні чавуни.

У білих чавунах весь Карбон перебуває в цементиті. Завдяки цементиту такі чавуни мають білий блискучий злам, від кольору якого і походить їх назва. За рахунок твердого цементиту, кількість якого збільшується зі збільшенням вмісту карбону, білі чавуни мають високу твердість, дуже крихкі, практично не підлягають різанню лезовим інструментом. Тому в машинобудуванні білі чавуни мають обмежене застосування. Їх використовують тільки як зносотривкий матеріал для відливання деталей шламових насосів, гідроциклонів, доменних печей, кульових млинів для розмелювання руд. З виливків білого чавуну отримують ковкі чавуни.

Машинобудівні чавуни відливають за таких умов, що забезпечують повну або часткову графітизацію – виділення графіту. Тому властивості цих чавунів визначаються не тільки структурою металевої основи (ферит, перліт), але й формою, розмірами, кількістю й характером розташування в основі графітних виділень. Виливки з цих чавунів добре обробляються різанням й не підлягають обробці тиском.