книги / Технология металлов

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

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.

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.

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.

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

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.

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-

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

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