化工機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)-合金鋼

1、7.4 合金鋼,7.4.1 合金元素在鋼中的作用 常用的合金元素有： Cr、Mn、Ni、Si、B、W、Mo、V、Ti、Nb、稀土元素（Xt）等 Si、Mn作為雜質(zhì)元素，Si%不超過0.37%，Mn%不超過0.8%,1、固溶強(qiáng)化鐵素體； 2、提高鋼材組織分散度，晶粒細(xì)化，分布均勻； 3、改善鋼材熱處理性能：降低鋼材臨界淬火速度，有效降低馬氏體脆性； 4、提高鋼材的高溫強(qiáng)度和表面抗氧化性能； 5、提高鋼材耐蝕性。,一、總體影響,二、典型元素,Cr：提高鋼材耐酸性，改善抗高溫氧化性能，主體元素（Cr13%） C+Cr碳化鉻,Ni：主體元素，提高鋼材耐蝕性（堿），改善低溫脆性，降低馬氏體 脆性；我國缺

2、鎳，故高鎳鋼產(chǎn)量很小，一般用節(jié)鎳鋼或無鎳鋼,Mn：脫氧除硫，提高強(qiáng)度硬度（Mn溶入鐵素體引起固溶強(qiáng)化）,Si：脫氧劑，提高鋼材硬度，增加鋼液流動(dòng)性,Al：脫氧劑，細(xì)化晶粒，改善鋼材低溫脆性，提高抗高溫氧化性能,Mo：提高強(qiáng)度硬度，對Cl-、Cl2耐蝕,Ti：脫氧劑，耐高溫，抗晶間腐蝕,7.4.2 合金鋼的分類與編號(hào),一、分類,編號(hào)方法：鋼材含碳量 合金元素種類和數(shù)量 質(zhì)量級(jí)別 1、鋼號(hào)的首部數(shù)字表示含碳量 合金結(jié)構(gòu)鋼：兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，35CrMo 合金工具鋼：一位數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)，9CrSi 0：C%=0.03%0.08%，低碳級(jí) 00：C%=0.01%0.03，超低

3、碳級(jí) 000：C%0.01%，超純級(jí) 含碳量1 %，不表示含碳量，CrWMn,二、編號(hào),普通合金鋼：普通碳鋼加入合金元素 不銹鋼：優(yōu)質(zhì)碳鋼加入合金元素,2、在表示含碳量的數(shù)字后面，標(biāo)以所含合金化學(xué)元素符號(hào) 合金含量在1.5以下時(shí)，元素符號(hào)后不注數(shù)字； 合金元素含量超過1.5%時(shí)，在合金元素后標(biāo)近似百分比。 09Mn2V,3、特殊性能高合金鋼的編號(hào)方法視具體鋼種而定 有些鋼種與合金工具鋼類似 2Cr13，0Cr13，00Cr17Ni14Mo2,4、含S、P較低的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 鋼號(hào)末尾加個(gè)“A”，35CrMoA,7.4.3 低合金鋼,一、低合金結(jié)構(gòu)鋼（GB/T3274-1988）,含碳量不大于0.2

4、5，有良好的焊接性能。,低合金強(qiáng)度用鋼：16Mn（ 16MnR）、 15MnV（ 15MnVR）、 15MnVN（ 15MnVNR）、 18MnMoNbR、 13MnNiMoNbR、 07MnCrMoVR等,低合金中溫用鋼：15CrMo、 12CrMo、 12CrMoV、 12Cr2Mo,低合金低溫用鋼： 16MnDR（- 40）、 15MnNiDR（- 45）、 09Mn2VDR（- 50） 、 09MnNiDR（- 70）、 06AlNbCuN（- 120）、20Mn23Al（- 196）,16MnR、15MnVR,優(yōu)點(diǎn)： 強(qiáng)度高，高30%以上； 成本低，僅為普通碳鋼的1.11.2倍； 良

5、好的加工性能。 良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能及低溫沖擊性能，冷沖壓及可切削性均好。廣泛用于鍋爐、壓力容器、橋梁、船舶、車輛等，還適用于40以下的低溫容器。,2. 合金結(jié)構(gòu)鋼(GB/T3077-1999),37SiMn2MoV鋼綜合性能優(yōu)良的高級(jí)調(diào)質(zhì)鋼，低溫韌性好、高溫強(qiáng)度較高、淬透性好。用于制作重型機(jī)械的軸類、齒輪、轉(zhuǎn)子、連桿、高壓無縫鋼管、高壓容器、大螺栓等。,40Cr、45Cr鋼經(jīng)淬火后，有較高的強(qiáng)度和韌性。經(jīng)淬火及中溫回火后用于制造承受高負(fù)荷、沖擊、耐磨及中等速度工作的零件、傳動(dòng)件。如齒輪、套筒、曲軸、連桿、閥桿等，在壓力容器中主要用作雙頭螺柱。,含碳量范圍較寬：0.170.54，壓力加

6、工和切削加工使用。 按質(zhì)量等級(jí)分：優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（A）、特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（E）。共81個(gè)鋼號(hào)，在壓力容器中使用較多的是：40MnVB、35CrMoA、40Cr等。,7.4.4 高合金鋼不銹鋼和耐熱鋼,不銹鋼是在空氣、水及一些弱腐蝕介質(zhì)中能抵抗腐蝕的合金鋼； 不銹耐酸鋼是在酸和強(qiáng)烈腐蝕介質(zhì)中能抵抗腐蝕的合金鋼。,1、不銹鋼中主要合金元素的影響,鉻：含量13%，耐蝕性大大提高； 鎳：擴(kuò)大不銹鋼的耐蝕范圍、耐堿腐蝕，擴(kuò)展相區(qū)使不銹鋼在室溫下呈奧氏體組織； 錳：提高鋼材的強(qiáng)度和硬度、低溫沖擊韌性； 硅：提高強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度、耐熱性及耐H2S的腐蝕； 鉬：抗Cl離子、硫酸的腐蝕、提高鋼的耐熱強(qiáng)度； 銅：

7、同鉬，與鉬同時(shí)加入效果更好； 鈦：防不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕。,（一）不銹鋼與不銹耐酸鋼,2、鉻不銹鋼,1Cr13、2Cr13等鋼為馬氏體不銹鋼，耐弱腐蝕性介質(zhì)（鹽水、海水、淡水、硝酸、低濃度有機(jī)酸、潮濕大氣等）的腐蝕。制作化工機(jī)器中受力大的耐蝕零件如軸、活塞桿、閥體等； 0Cr13、0Cr17Ti等鋼,在常溫和高溫下為鐵素體組織，具有較好的塑性，耐氧化性酸（如稀硝酸）和硫化氫氣體的腐蝕，在堿性溶液、無氯鹽水、丙烯睛、苯、汽油等介質(zhì)中也有較好的耐蝕性。,GB1220-84：不銹鋼共有55個(gè)鋼號(hào)，按照鋼中金相組織的不同，分為鐵素體型不銹鋼、馬氏體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、奧氏體鐵素體型不銹鋼、沉淀硬化

8、型不銹鋼等。,1Cr13 作用機(jī)理，Cr+O2CrO2 鋼材含碳量高會(huì)消耗耐腐蝕的Cr，Cr+CCr23C6, 1Cr18Ni9Ti性能： a、高強(qiáng)度、高硬度、塑性韌性較好。良好的焊接性能和彎曲成型性； b、-196700，機(jī)械性能基本不變化； 0Cr19Ni9（-253 ）， 00Cr25Ni20（-269） c、較高的耐腐蝕性，抗氧化性介質(zhì)耐蝕能力強(qiáng)，抗還原性介質(zhì)耐蝕能力差； 為加強(qiáng)抗還原性介質(zhì)能力，常加入Mo、Cu， 1Cr18Ni8Mo2CuTi d、可用來制造大型高壓容器設(shè)備。,3、鉻鎳不銹鋼,1Cr18Ni9Ti (18-8) 、0Cr18Ni9、00Cr19Ni11 室溫下為奧氏

9、體，良好的耐蝕性、耐熱性、低溫和高溫機(jī)械性能及焊接性能。 固溶處理加熱至10001100，空氣中或水中淬冷，反而塑性會(huì)增加 固溶處理后的1Cr18Ni9Ti的s=200MPa、 b=550MPa ； 冷作硬化能力強(qiáng)，經(jīng)冷加工的“18-8”鋼，其s=10001200MPa b=12001400MPa 。,7.4.5 耐熱鋼： 普通碳鋼在370以上機(jī)械性能大大降低，在570以上發(fā)生顯著的氧化。,耐熱性包括熱安定性與抗熱性 熱安定性指金屬對高溫氣體（O2、H2S、SO2、H2）腐蝕的抵抗能力 抗熱性指金屬在高溫下對機(jī)械載荷的抵抗能力。 提高熱安定性：加入Cr、Al、Si等元素，生成氧化膜，阻止接觸腐

10、蝕氣體 增加高溫強(qiáng)度：融入Ni、Mn、Al、Cr、W、V等元素,晶間腐蝕： 加熱至500800時(shí)，或從高溫冷卻時(shí)，溶解的碳會(huì)以Cr23C6析出，使晶界處的的Cr含量急劇降低，使晶界處變成貧鉻區(qū)，耐蝕性急劇降低。 內(nèi)部產(chǎn)生的局部腐蝕，防治措施： a、對鋼材進(jìn)行淬火處理； b、使用低碳鋼或超低碳鋼； c、加入與C結(jié)合力更強(qiáng)的Ti、Nb等元素。 Ti+CTiC，Nb+CNbC,1、低溫用鋼 普通碳鋼低溫（-20以下）變脆 低溫用鋼要求：良好的韌性，良好加工性和可焊性 含碳量低，0.080.18%，添加Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N,7.4.6 特殊性能鋼,2、抗氫腐蝕鋼 高溫（200300，3

11、0MPa時(shí)），氫會(huì)擴(kuò)散到鋼內(nèi)，與Fe3C反應(yīng)生成CH4 防治措施：加入Cr、Ti、W、V，Ti、Nb、Mo等元素鎖碳； 降低鋼材含碳量。,3、抗氮腐蝕鋼 高溫（300500），NH3分解成初生態(tài)的N，能與任何碳化物的金屬元素形成氮化物，氮化物很脆。 18-8，1Cr18Mn8Ni5N,常見不銹鋼型號(hào)及對應(yīng)牌號(hào),304、304L、306、314、316、316L、317、317L,304： 0Cr18Ni9 304L： 00Cr19Ni10 超低碳不銹鋼 306： （美國牌號(hào)AiSi306）0Cr19Ni9低碳奧氏體不銹鋼 314： C 0.25； Mn 2.00； P 0.045；S 0.03

12、0； Si 1.503.00；Cr=23.0026.00；Ni=19.0022.00 316： 0Cr17Ni14Mo2 316L： 00Cr17Ni14Mo2 317： 0Cr19Ni13Mo3 317L： 00Cr19Ni13Mo3,7.5 有色金屬及其合金,分類： 自然狀態(tài)：輕有色金屬、重有色金屬、貴有色金屬、稀土有色金屬 生產(chǎn)方法和用途：有色冶煉產(chǎn)品、有色加工產(chǎn)品、鑄造有色金屬、軸承合金 合金產(chǎn)品牌號(hào)的表示方法： 以代號(hào)字頭和元素符號(hào)后的成分?jǐn)?shù)字或結(jié)合產(chǎn)品類別或組別名稱表示。,一、銅及其合金高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性 、塑性、冷韌性及耐蝕性,1、純銅：紫銅 耐不濃的硫酸、亞硫酸、稀和中等濃度的

13、鹽酸、醋酸、氫氟酸及其它非氧化性酸，對淡水、大氣、堿溶液的耐蝕能力好，不耐硝酸、氨和銨鹽。 純銅的牌號(hào)有：T1、 T2、 T3 、T4,3.青銅：除銅鋅合金外，銅與其它元素組成的合金 錫青銅的特點(diǎn)是：具有高強(qiáng)度和硬度，優(yōu)良的鑄造性，良好的化學(xué)性能。 ZQSn10-1 錫青銅有和純銅類似的化學(xué)穩(wěn)定性，在大氣和海水中耐蝕性較好。,2、黃銅：Cu、Zn的合金 普通黃銅：H80、H70、H68、H62 黃銅有極為良好的塑性和較高的強(qiáng)度，可切削加工，焊接性好； 耐蝕性類似純銅，比純銅有更好的耐大氣腐蝕性能。 黃銅中加入微量的砷（As），可防止黃銅脫鋅。,二、鋁及其合金,鋁的特點(diǎn)是：比重小，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性

14、、塑性、冷韌性好，強(qiáng)度低，可承受各種壓力加工。 耐腐蝕性能：在干燥和潮濕的大氣中、在氧化劑的鹽溶液中、在濃硝酸及干氯化氫、氨氣中穩(wěn)定；不耐氫氟酸、堿溶液、鹵素離子的鹽類的腐蝕。,1、工業(yè)純鋁：含鋁99.00%, 如1A99含鋁99.99 2、鋁合金： 硬鋁、防銹鋁、超硬鋁、鑄鋁四種 防銹鋁：Al-Mn或Al-Mg-Mn合金。特點(diǎn)是耐蝕性好、強(qiáng)度略高于純鋁、塑性和焊接性能良好，不能熱處理。 硬鋁：Al-Cu-Mg合金。其特性是強(qiáng)度高，在退火與剛淬火狀態(tài)下具有良好的塑性、焊接性較好，抗晶間腐蝕性較差。 超硬鋁：Al-Zn-Cu-Mg合金。常溫下力學(xué)性能比硬鋁高，但應(yīng)力腐蝕傾向大。 鑄鋁：Al-Si

15、合金，ZL101、ZL107等，有良好的耐蝕性、耐熱性、鑄造性和焊接性。,三、鉛及其合金,特點(diǎn)：強(qiáng)度小、硬度低、熔點(diǎn)低（327 ）、導(dǎo)熱性差， 耐腐蝕性能：耐80的熱硫酸、92的冷硫酸、磷酸（低于85）、鉻酸、氫氟酸等腐蝕，不耐蟻酸、醋酸、硝酸和堿溶液的腐蝕。 用途：設(shè)備襯里,四、鎳及其合金： 特點(diǎn)：具有高的強(qiáng)度、高塑性和冷韌性，耐強(qiáng)堿的腐蝕。,五、鈦及其合金： 特點(diǎn)：密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫、低溫韌性好 在氧化性介質(zhì)和中性介質(zhì)中耐腐蝕性好 鈦的工作溫度范圍寬：196350,7.6 非金屬材料,一、無機(jī)非金屬 1、化工陶瓷：無機(jī)粘土高溫?zé)Y(jié)，成本低、耐蝕、脆性大 2、化工搪瓷： 金屬表

16、面上貼上含Si量很高的瓷釉，在900以上高溫?zé)Y(jié)而成 常規(guī)使用溫度-30300，耐溫度急變性差； 對無機(jī)酸、有機(jī)酸、各種有機(jī)溶劑、耐腐蝕，不耐氫氟酸； 反應(yīng)中沒有雜質(zhì)離子溶解析出； 線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)大，不能直接火焰加熱，適宜于油浴或 蒸汽緩慢加熱 3、玻璃：硼硅玻璃 二、有機(jī)非金屬 1、工程塑料：強(qiáng)度硬度高，耐蝕性好，加工性好，導(dǎo)熱性差，耐熱性差 2、玻璃鋼：合成樹脂+玻璃纖維 3、不透性石墨：合成樹脂+不透性石墨,金屬的腐蝕與防護(hù),一、腐蝕 1、金屬腐蝕的分類 金屬和周圍介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用而引起破壞稱為腐蝕。 物理溶解 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕 應(yīng)力腐蝕,2、化學(xué)腐蝕： 指金屬遇

17、到干燥的氣體和非電解質(zhì)溶液發(fā)生化學(xué)作用所引起的腐蝕。,高溫氧化反應(yīng)： 300570，氧化皮為結(jié)構(gòu)均勻性能穩(wěn)定的氧化膜 超過570時(shí)，生成FeO（松散疏松的結(jié)構(gòu)） 脫碳反應(yīng)：t700 Fe3C+O2Fe+CO2 Fe3C+CO2Fe+CO Fe3C+H2OFe+CO+H2 氫腐蝕： a、溶解性破壞：H溶解在鐵素體晶格內(nèi)形成固溶體 b、反應(yīng)破壞： Fe3C+H2Fe+CH4,3、局部腐蝕,應(yīng)力腐蝕：殘存應(yīng)力的區(qū)域 縫隙腐蝕或小孔腐蝕 靜止腐蝕 晶間腐蝕,二、腐蝕的防治方法,1、冶煉新化工材料，改變其中化學(xué)成分 2、設(shè)計(jì)化工容器時(shí)，要避免有死角、縫隙、銳角、靜止區(qū)域 3、加工后進(jìn)行焊后熱處理,1、從

18、強(qiáng)度角度看：s、b、= s/b（屈強(qiáng)比） 中低壓容器：若容器直徑不大，可以選擇s343MPa的鋼種 高壓容器：若容器直徑不大，可以選擇s392MPa的鋼種 選擇大的材料，對設(shè)備有利，但塑性降低 一般，0.85的材料制造容器，要經(jīng)過特殊處理 t900考慮蠕變極限,三、材料選用的一般方法,2、從塑性、韌性角度看 要求14%（最好18% ）,3、從材料經(jīng)濟(jì)性來看 鑄鐵普通碳鋼優(yōu)質(zhì)碳鋼低合金鋼高合金鋼特殊合金鋼,4、從材料的耐蝕性來看,5、從材料設(shè)計(jì)溫度來看 -20400，普通碳鋼，p1.6MPa -20475，優(yōu)質(zhì)碳鋼，p3.0MPa -40475，普通低合金鋼，p3.0MPa -55580，普通鉻鋼，p4.5MPa -90500，普通高合金鋼，p6.4M