Спецматериаловедение

О.В. Травин
МГУТУ, 2004 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

Коррозионно-стойкие стали

Коррозионностойкими или нержавеющими называют большую группу хромистых, хромоникелевых и хромоникельмарганцевых сталей с содержанием хрома более 12 %. Такие сплавы способны сопротивляться коррозионному воздействию внешней среды при комнатной и близких к ней температурах.
Хромистые коррозионно-стойкие стали - наиболее дешёвые. В зависимости от содержания в них хрома и углерода они по структуре могут быть ферритными (напр., стали 08X13 или 08Х17Т). феррито-мартенситными {сталь 12X13) и мартенситными (20X13, 30X13).
Ферритные хромистые стали имеют сравнительно невысокую прочность (ав= 400-600 МПа). они хорошо прокаливаются и свариваются. Их используют для различных свариваемых ёмкостей в хлебопекарной и спиртоводочной промышленности, сварных автоклавов и др. изделий.
Стали феррито-мартенситного класса также хорошо прокаливаются, штампуются и свариваются. Кроме того, они обладают повышенной ударной вязкостью (для стали 12X13, например, KCU = 0,9 МДж/м2). Их используют для свариваемых ёмкостей (напр., для изготовления деж в хлебопекарной промышленности), обечаек теплообменных аппаратов и других изделий.
Хромистые стали мартенситного класса (20X13, 30X13 и др.) используются для изготовления деталей, работающих в условиях циклических нагрузок в различных агрессивных средах (шестерни, пружины, подшипники, корпуса насосов и др.). Сталь 30X13 используются для изготовления ножей для резки хлеба и скальпелей в медицинской промышленности.
Наиболее широкое использование в пищевой промышленности получили хромоникелевые коррозионно-стойкие стали (14Х17Н2, 12Х18Н9, 08Х18Н10Т и др.).
Эти стали допускают непосредственный контакт с пищевыми продуктами.
Сталь 08Х22Н6Т используется для изготовления оборудования, контактирующего с кислыми средами. Например, для изготовления деталей насосов, клапанов при производстве дрожжей, глюкозы, для деталей дефростеров. Недостатком этой стали является склонность к межкристаллитной коррозии.
Указанного недостатка лишены стали аустенитного класса 08Х18Н10Т либо    12Х18Н10Т.   Их   используют   для   изготовления   деталей   выпарных аппаратов в свеклосахарной промышленности, при производстве уксусной кислоты и др. отраслях.
Аустенитные хромоникелевые стали могут работать в области температур от -196°С до +600°С и давлениях до 5 атмосфер.
Их используют для изготовления вакуумных камер, различных трубопроводов и фильтров в теплообменных аппаратах пищевой промышленности, при производстве лекарств в химико-фармацевтической промышленности, для медицинского инструмента.
Широко используют стали типа 08Х18Н10Т и другие нержавеющие аустенитные стали для плакирования изделий из углеродистых и низколегированных сталей (плакирование - нанесение защитного слоя путём совместной прокатки двух пли нескольких слоев различных материалов).
Так. в хлебопекарной промышленности плакируют сталью 08Х18Н10Т дёжи из СтЗ, в рыбоперерабатывающей и мясоперерабатывающей промышленности плакируют емкости, работающие с рассолами, тузлуками.
Широко используются хромомарганцовистые сложнолегированные стали: 10Х14Г14Н4Т, Х14П4НЗТ, Х17АГ14 (сталь с азотом, от 0.15 до 0.35 вводится при выплавке), а также Сталь Х20Н4Г11 и др.
Указанные стали, сочетают сравнительно высокую прочность (ав - 650-700 МПа) с высокой пластичностью и ударной вязкостью (8 от 35 до 40 %). Они могут быть использованы для изготовления оборудования, непосредственно контактирующего с пищевыми продуктами.
Сталь 10Х14Г14Н4Т рекомендуется для изготовления узлов оборудования, работающего в слабоагрессивных средах, в частности в кондитерской промышленности для изготовления шоколадных форм. Широко её используют в холодильном оборудовании и для изготовления ёмкостей, соприкасающихся с моющими средами (моечного оборудования и стиральных машин).
Сталь 12Х17Г9АНА используется для изготовления деталей, контактирующих с пищевыми продуктами и моющими средами в хлебопекарной, сыродельной, мясоперерабатывающей и др. отраслях.
Сталь Х14Г14НЗТ рекомендована в качестве заменителя стали 08Х18Н10Т при изготовлении изделий, работающих в слабоагрессивных средах (органических кислотах, растворах солей и щелочей).
Безникелевые стали, например Х17АГ14. в пищевой промышленности особенно целесообразно использовать при изготовлении оборудования, связанного с переработкой жиров (поскольку никель, так же, как и медь и ванадий) способствует протеканию нежелательных биохимических процессов, и снижают органолептпческие свойства продуктов.
В таблице 1 приведены данные о коррозионной стойкости различных марок коррозионно-стойких сталей при контакте с конкретными пищевыми продуктами.
Из приведённой таблицы видно, что среда, в которой работает материал, часто оказывает коррозионное воздействие на материал больше, чем структура и свойства самих сталей.
5.2. Титан и титановые сплавы
Титан и титановые сплавы относятся к числу сравнительно новых конструкционных материалов. Их широкое использование в пищевой промышленности началось примерно 30-35 лет назад. Причиной этого служит тот комплекс свойств, которыми обладают эти сплавы и, в первую очередь, исключительно высокая коррозионная стойкость практически во всех пищевых, дезинфицирующих и моющих средах. Титановые сплавы обладают наиболее высокой удельной прочностью из всех допущенных к использованию в пищевой промышленности сплавов на основе цветных металлов.
Примером того, насколько важна высокая удельная прочность, может служить такой. В системах перекачки агрессивных жидкостей используются змеевики из освинцованной меди, вес которых достигает 484 кг. Если же аналогичные змеевики изготавливаются из титановых сплавов, то вес их тогда составляет всего 24 кг.
Помимо высоких характеристик коррозионной стойкости и удельной прочности, Титан и его сплавы обладают хорошей технологичностью (прокатываются. штампуются. свариваются). Исключительно важным свойством титановых сплавов является отсутствие хладноломкости, они могут работать при температурах от -250°С до 500 - 800°С. Это делает незаменимыми эти сплавы при работе в условиях Севера, а также в холодильной промышленности.
Титан и его сплавы не оказывают вредного воздействия на человеческий организм и пищевые продукты. Поэтому они широко используются в медицине и фармацевтической промышленности. При длительном хранении деликатесных продуктов (например, икры) в ёмкостях из титановых сплавов продукт сохраняется гораздо лучше, чем в ёмкостях из нержавеющей стали.
Титан активно взаимодействует с неметаллическими элементами (С, N, О, Н). Из этих элементов наиболее опасен водород, т.к. он вызывает охрупчпвание. Способность титана к активному взаимодействию с ними позволяет использовать его в качестве геттеров и различных фильтров.
Суммарное количество указанных примесей в титане может достигать 0,5% (в техническом), при суммарном содержании примесей в количестве - 0.3 % Титан считается чистым и маркируется ВТ1 - 0. прочность такого титана достигает 450 - 500 Мпа при 8 = 15-20 %.
Минздравом России для использования в пищевой промышленности, помимо чистого титана рекомендованы сплавы ВТ - 5 (Ti - 5 %А1), ВТ — 4 (Ti — 4 %А1 - 1.5 °-Мо). ВТ - 6 (Ti - 6 %А1 - 5 %V), ОТ - 4 (2%А1 - 1,2 %Мп). ВТ -14 (Ti- 4,6 % - 1,2 %V - 2,5 - 3,5 %Мо).
Механические свойства указанных сплавов в зависимости от состава и термообработки меняются в диапазоне от 600-700 Мпа до 1000-1150 Мпа. при 8 от 40-20 % до 12-8 %. соответственно.
Наряду с деформируемыми, промышленностью используются и литейные сплавы. Состав их такой же как и у деформируемых, но в марке указывается буква Л (напр., ВТ5Л, ВТ4Л и др.).
Прочность литейных сплавов несколько ниже, чем деформируемых соответствующего состава, но главное у них более низкая ударная вязкость. циклов. В консервной промышленности (овощной, мясной), масло- и молокоперерабатывающей отраслях эти сплавы широко используются для
различных смесителей, варочных котлов, резервуаров, работающих с острыми соусами и маринадами, в сахарной промышленности - для фильтров при очистке сахарных соков и сиропов.
При этом трубы из нержавеющей стали работают в выпарных аппаратах 2 - 3 года, а из титановых сплавов - до 20 лет.
Широко используют титановые сплавы в холодильной промышленности в виде различных ёмкостей для замораживателей. дефростеров, сепараторов и центрифуг, а также для различных дозаторов и порционников.
5.3. сплавы на медной основе
Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью (выше эти характеристики только у серебра), коррозионно устойчива во многих средах (спиртах, органических кислотах и др.), но плохо сопротивляется воздействию аммиака и щелочных растворов, а также хлоридов.
В продовольственном машиностроении технически чистую медь марки МЗ (99,5) используют для изготовления ёмкостей варочной аппаратуры, различных испарителей и трубчатых термообменников. медь непригодна для оборудования по переработке молочных продуктов и жиров (прогоркание). В этих случаях требуется лужение медных изделий.
Медь является основой важнейших конструкционных материалов -латуней и бронз.
Латуни
Латунями называют сплавы меди, главным легирующим элементом в которых является цинк. В бинарных латунях содержание пинка меняется от 4-х до 45 °-о. При содержаниях < 39 % латуни - однофазны, при больших -двухфазны (соответственно менее пластичны). При увеличении содержания Zn в однофазных латунях прочность растет (ств от 200 до 400 МПа). При этом, с увеличением концентрации Zn до 30 %, пластичность 5 не только не падает, а наоборот. - растёт (б увеличивается от 30 до 60 %). При ещё больших концентрациях цинка, 8 начинает снижается.
Тепло- и электропроводность латуней снижается с ростом концентрации в них цинка (при 39 % Zn эти характеристики составляют только 20 % от их значений в чистой меди).
Помимо бинарных латуней выпускаются промышленностью и легированные латуни. Легирующими элементами являются Al, Si, Sn, Ni и др. Все эти элементы повышают стойкость латуней. Легированные алюминием, кроме того, повышает прочность латуней (ств до 700 Мпа). Легирование латуней никелем улучшает их штампуемость. Легирование кремнием повышает пластичность не только при комнатной температуре, но и при низких до -183°С. Все латуни делятся на деформируемые и литейные.
Существует специальная система маркировки латуней. У бинарных деформируемых латуней маркировка начинается с буквы - Л (латунь), и затем
Как уже отмечалось, Титан и его сплавы очень широко используются в различных отраслях пищевой промышленности. Они незаменимы в рыбоперерабатывающей промышленности из-за самой высокой коррозионной стойкости в морской воде. Применяются они для рыбонасосов, корзин, подвесок. Стальная подвеска работает 100 - 150 циклов, а титановая до 2500