Травин О.В. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

В пищевой промышленности углеродистые качественные стали применяют

для изготовления корпусов выпарных аппаратов, змеевиков и других,

работающих с неагрессивными и малоагрессивными пищевыми средами.

Среднеуглеродистые стали хорошо обрабатываются резанием, хорошо

прокаливаются. Для повышения прокаливаемости в них добавляется Mn до

содержания от 0,8 до 1,20 %, т.е. более высокого, чем при раскислении. При

маркировке таких сталей к цифрам, указывающим содержание углерода,

добавляется буква Г (означающая легирование марганцем), напр., 60Г, 70Г.

Добавление марганца приводит к повышению ударной вязкости.

Качественные высокоуглеродистые стали (70, 80, 85) имеют достаточно

высокие прочностные свойства (s

для стали 70 равно 730 МПа, при d = 9-10 %,

для стали 85-1150 и 6 % соответственно).

Применяются эти стали после закалки и отпуска для изготовления

высоконагруженных деталей, испытывающих вибрационные нагрузки (пружин,

рессор, упругих колец и др.).

3.2. Легированные конструкционные стали

Легирующие элементы вводят в стали для повышения конструкционной

прочности. Наиболее дешёвыми легирующими элементами являются кремний и

марганец, относительно дорогими – хром, никель, титан, ещё более дорогими –

молибден и вольфрам. Поэтому последние из указанных легирующих

элементов добавляются в небольших количествах к конструкционным сталям,

содержащим другие легирующие элементы.

По легированности стали делятся на группы: 1) низколегированные (менее

5 % легирующих элементов в сумме), 2) среднелегированные (от 5 до 10 %) и 3)

высоколегированные (более 10 % легирующих элементов).

Легирующие элементы, снижая скорость диффузии всех компонентов,

снижают критическую скорость охлаждения при закалке, повышают

устойчивость аустенита, улучшают прокаливаемость сталей. Возможность

использования масла в качестве закаливающей среды, снижает коробление

деталей, поэтому масло целесообразно использовать при закалке изделий

малых размеров.

Присутствие легирующих элементов в сталях отмечается в маркировке

буквами русского алфавита: А – азот (но буква обязательно ставится в середине

марки, потому что буква А в конце означает, что сталь высокого качества), Б –

ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М –

молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор (ставится обязательно в конце

марки), С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч –

редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Содержание компонентов в

процентах записывается цифрами, стоящими в маркировке после обозначения

элемента. Если содержание элемента менее 1,5, то за буквенным обозначением

цифра не ставится. Содержание углерода в легированных сталях обозначается

двузначным числом, соответствующим сотым долям процента. напр., сталь

40ХН означает, что в ней содержится 0,4 % углерода и примерно по 1-1,5 %

хрома и никеля. Сталь 18Х2Н4МА – содержит 0,18 % углерода, 2 % хрома, 4 %

никеля, менее 1 % молибдена и относится к высококачественным сталям (буква

А в конце маркировки).

Низколегированные конструкционные стали

Хотя наибольшая относительная экономическая эффективность

достигается при применении высоколегированных и сложнолегированных

сталей вместо нелегированных, более широкое распространение и абсолютную

экономическую выгоду даёт применение низколегированных сталей. К числу

низколегированных конструкционных сталей относятся 17ГС (0,17 % С, 1-1,2

% М

, до 0,7 % Si), 14ХГС, 35ХМ, 40ХН, 30ХГСА и др. Хромистые стали 15Х,

20Х относятся к числу дешёвых сталей нормальной прочности (s

= 700 МПа,

d = 12 %). Эти стали подвергаются цементации, в результате чего твёрдость

поверхностных слоёв достигает 58 – 62 единиц НRС. Их используют для

изготовления небольших деталей (сечением до 25мм), работающих при средних

нагрузках.

Более высокие прочностные свойства достигаются в хромоникелевых

сталях 20ХНЗА, 12Х2Н4А. После закалки и отпуска прочность этих сталей

достигает 850-860 МПа, при d = 10-11 %.

Ещё более высокая прочность достигается в сталях 18Х2Н4ВА и 1Х2Н4М

(до s

=950 МПа, d = 12 %).

Вместо приведённых, сравнительно дорогих, марок сталей высокой

прочности можно добиваться в дешёвых хромомарганцевых сталях,

легированных титаном, после цементации. Примером может служить сталь

18ХГТ. Присутствие титана в ней в количестве 0,06-0,12 % приводит к

образованию мелких частиц карбида титана и существенному измельчению

зерна. После закалки и отпуска в сердцевине изделия получают прочность 1150

МПа при d = 10 %. Легирование стали 18ХГТ бором (марка 18ХГТР) приводит

к ещё большему измельчению зерна, увеличению устойчивости аустенита

(вероятность протекания мартенситного превращения зависит от размеров

зерна), повышает прокаливаемость изделий до диаметра ~ 40мм.

Из низколегированных конструкционных сталей в пищевой

промышленности изготавливают днища теплообменных аппаратов, различные

трубы и трубные решётки, фланцы и различные крепежные детали. Стали 20Х,

40ХН, 30ХГСА и др. разрешены для изготовления деталей непосредственно

контактирующих с пищевыми средами.

3.3. Высокопрочные легированные стали

К высокопрочным относятся стали, предел прочности которых достигает

1800-2000 и более МПа, но обязательно в сочетании с определённым запасом

вязкости (а

не должна быть менее 0,2 МДж/м

Указанным сочетанием свойств обладают: 1)среднеуглеродистые стали

после их термомеханической обработки, либо комплексно-легированные стали

после низкого отпуска, 2) мартенситно-стареющие стали, 3) метастабильные

аустенитные стали, получившие название ПНП и ПНД сталей.

Из числа среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей, свойства

которых повышаются только термообработкой (закалка с 900

С + отп. 250

С)

можно отметить стали марок 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА. Их свойства

характеризуются для первой (s

=1850 МПа, KCU=0,55 МДж/м

, для второй

=2000 МПа, KCU=0,45 МДж/м

При упрочнении термомеханической обработкой (сочетанием

термообработки с деформацией) достигаются еще более высокие показатели

свойств. Так, в стали 40ХНПА можно достичь величин s

= 2200-2400 МПа.

Высокие механические свойства достигаются за счёт измельчения кристаллов

мартенсита и высокой плотности дислокаций.

В мартенситно-стареющих сталях высокие механические свойства

достигаются в результате старения мартенсита, т.е. выделения в кристаллах

мартенсита мелкодисперсных интерметаллических соединений.

Мартенситно-стареющими являются низкоуглеродистые (с содержанием

углерода не выше 0,03%) сплавы железа с никелем и др. компонентами

(кобальтом, титаном, вольфрамом, молибденом). Следует особо подчеркнуть,

что после закалки такие стали ещё не являются высокопрочными, потому что

прочность образующегося в них практически безуглеродистого мартенсита

низка. И только после старения (при 480-520

С) в сталях указанного класса

достигается прочность 2000-2500Мпа при ударной вязкости KCU=0,5 МДж/м

Отмеченная особенность упрочнения этих сталей позволяет

деформировать стали с большими степенями обжатия (изготавливать

штамповкой, напр., изделия нужной формы), либо проводить другие типы

деформации. Напр., целесообразно нарезать рифли на мельничные валки

непосредственно после закалки стали, не допуская самоотпуска и старения

стали за счёт аккумулированного в валках тепла. Упрочнение же валков

проводить затем путём старения при 480-500

С. К числу мартенситно-

стареющих сталей относятся ОЗН18К9М5Т. После закалки её прочность

составляет 1000-1100 МПа , (d =18-20% и KCU=2,0 МДж/м

. А после старения

=1900-2000 МПа, относительное удлинение 8-12 %, а KCU=0,6 МДж/м

. Ещё

более высоким комплексом свойств обладает сталь ОЗН12К15М10, её

прочность достигает 2500 МПа при KCU=0,5 МДж/м

Следует отметить, что мартенситно-стареющие стали сохраняют высокие

эксплуатационные свойства в широком интервале температур (от - 196

С до

500-700

С).

Метастабильные аустенитные ПНП и ПНД стали получили своё название в

результате сокращения следующих словосочетаний; ПНП – пластичность,

наведённая фазовым превращением (иногда их называют трипп-сталями по

аббревиатуре английской транскрипции – transformation Induced Plasticity), а

ПНД означает пластичность, наведённую двойникованием, т.е. сдвиговой

деформацией кристаллической решётки.

К ПНП – сталями относятся стали марок 25Н24М4Г и 30Н12Х9Г2.

Легирующие элементы в них выбирают таким образом, чтобы мартенситная

точка была ниже комнатной температуры. Это позволяет закалить их на

аустенит, а затем в результате последующей пластической деформации при

повышенной температуре (350

С-500

С) добиться одновременного сочетания

деформационного старения аустенита (выделения в нём карбидов) и

протекания мартенситного превращения. Сочетание двух указанных

механизмов приводит к сочетанию высокой прочности (s

до 2300-2600 МПа)

при очень высокой для данного уровня прочности величине пластичности (d =

25-35 %).

В ПНД – сталях, к числу которых относятся 60Г14Ф2, 50Г20Х4,

40Х4Г18Ф, сочетание высокой прочности с высокой пластичностью

достигается аналогичным способом с ПНП – сталями, но механизмом

упрочнения в них является не мартенситное упрочнение в сочетании с

деформационным старением аустенита, а двойникование. Стали эти

легированы более дешёвыми легирующими элементами, чем ПНП (марганцем

и хромом). В ПНД – сталях значение s

достигают 1550-1600 МПа, при

пластичности d = 17-22 %.

Высокопрочные стали, рассмотренные выше, относятся к числу

сравнительно новых материалов и поэтому области их использования пока ещё

не так широки, как они того заслуживают.

Мартенситно-стареющие стали уже широко используются для

изготовления высокопрочных штампов и др. инструментов. В пищевой

промышленности их целесообразно использовать в качестве матриц при

производстве макаронных изделий, различных пружин, работающих в узлах

при повышенных температурах, для различных дозирующих устройств, для

изготовления штифтов мельниц, ножей делительного оборудования в сахарной

и мясоперерабатывающей промышленности.

ПНП и ПНД стали целесообразно использовать для узлов оборудования,

работающего при высоких циклических нагрузках, например, для изготовления

сёдел клапанов в дозаторах, используемых при розливе шампанского, в

транспортирующих устройствах хлебопекарной промышленности

(дёжеопрокидыватели, тестоделители и др.) для различных крепежных деталей.

Вопросы для самоконтроля по теме

1. Как подразделяются углеродистые конструкционные стали по качеству

и области применения?

2. Как маркируются легированные стали?

3. Какие стали относятся к высокопрочным, и какими способами

достигается высокая прочность?

4. Перечислите возможные области применения высокопрочных сталей в

пищевой промышленности.

5. Что такое термомеханическая обработка?

6. Какие стали используют для изготовления пружин?

Тесты по теме 3

Тест 1. Что означает буква А в маркировке сталей?

1.1. принадлежность стали к классу высококачественных;

1.2. легированность стали азотом;

1.3. значение буквы А зависит от ее местоположения.

Тест 2. Какие элементы являются вредными примесями в сталях?

2.1. Р, О, S, H;

2.2. P, N, Mn, Si;

2.3. С, Mn, Al.

Тест 3. Как маркируется сталь с содержанием С = 0,4%, Cr = 1,3%, Ni =

1,2%?

3.1. 4ХI, 3HI, 2;

3.2. 40XHI, 2;

3.3. 40ХН.

Тест 4. На какие классы делят углеродистые стали по структуре?

4.1. ферритные и доэвтектоидные;

4.2. аустенитные;

4.3. заэвтектоидные;

4.4. доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Тест 5. Какие стали относятся к высокопрочным?

5.1. низколегированные и среднелегированные;

5.2. среднеуглеродистые легированные, упрочненные ТМО;

5.3. мартенситностареющие, ПНП и ПНД.

Тема 4. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали

Коррозией металлов называют разрушение, вызванное химическим и

электрохимическим воздействием внешней среды.

Химическая коррозия не связана с переносом электрических зарядов. К ней

относится окисление металлов при нагреве в парах и газах сгорающего

топлива, в жидкостях, не проводящих электрического тока (спиртах,

органических жидкостях).

Электрохимическая коррозия осуществляется в присутствии электролитов

(влажном воздухе, морской воде, растворах щелочей и кислот).

По характеру разрушения коррозия может быть общей (равномерной по

всей поверхности материала), местной в отдельных участках (точечной или

питтинговой) и межкристаллической (по границам зёрен).

Скорость общей коррозии оценивается либо потерей массы единицей

площади за единицу времени (кг/м

× с), либо глубиной разрушения изделия в

мм/год. Оценивают её также и по десятибалльной шкале: 1-му баллу

соответствует скорость коррозии < 0,001 мм/год (совершенно стойкие стали), 2

– от 0,001 до 0,003 мм/год, 3 – от 0,003 до 0,01 мм/год (весьма стойкие стали), 4

– от 0,01 до 0,03 мм/год, 5 – от 0,03 до 0,1 мм/год (стойкие стали) и т.д. (для

каждого балла скорость коррозии увеличивается примерно в 3 раза). 10-му

баллу соответствует скорость коррозии, превышающая 10 мм/год (нестойкие

стали).

Скорость межкристаллитной коррозии оценивают либо по

электропроводности, либо по механическим свойствам.

Существуют различные способы повышения коррозионной стойкости

материалов: 1) разработка специальных составов сталей и сплавов; 2)

различные способы нанесения защитных покрытий (лужение, цинкование,

напыление различных металлов и неметаллических материалов); 3) химическая

обработка среды, в которой протекает коррозия, путём введения специальных

добавок (ингибиторов), замедляющих коррозию, электрохимическая защита; 4)

протекторная защита (например, подсоединением пластин магния или цинка к

деталям).

В пищевой промышленности наиболее широко используются два первых

способа, поскольку довольно не всегда возможно введение ингибиторов в

пищевую среду, в частности, когда речь идёт об использовании в качестве

ингибитора нитрита натрия – NaNO

. Проблематичным является и

осуществление протекторной и электрохимической защит вследствие

затруднения подвода реагентов и электричества к действующему

оборудованию.

4.1. Коррозионностойкие стали

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.

Жаростойкостью (окалиностойкостью) называют сопротивление материала

окислению при высоких температурах. Жаростойкостью, как правило,

обладают стали с более высоким содержанием хрома (17-28 %), либо стали на

хромоникелевой основе.

Коррозионно-стойкими называют, стали, устойчивые против коррозии в

агрессивных средах.

Разработаны и широко используются различными отраслями

промышленности несколько групп коррозионно-стойких сталей: 1) хромистые,

2) хромоникелевые, 3) сложнолегированные коррозионно-стойкие стали.

Хромистые коррозионно-стойкие стали – наиболее дешёвые. В

зависимости от содержания в них хрома и углерода они по структуре могут

быть ферритными (напр., стали 08Х13 или 08Х17Т), феррито-мартенситными

(сталь 12Х13) и мартенситными (20Х13, 30Х13).

Ферритные хромистые стали имеют сравнительно невысокую прочность

@ 400-600 МПа), они хорошо прокаливаются и свариваются. Их используют

для различных свариваемых ёмкостей в хлебопекарной и спиртоводочной

промышленности, сварных автоклавов и др. изделий.

При этом сталь 08Х17Т является не только коррозионно-стойкой, но и

жаростойкой. Изделия из неё могут длительное время работать при

температурах до 700

С.

Стали феррито-мартенситного класса также хорошо прокаливаются,

штампуются и свариваются. Кроме того, они обладают повышенной ударной

вязкостью (для стали 12Х13, например, KCU = 0,9 МДж/м

). Их используют для

свариваемых ёмкостей (напр., для изготовления деж в хлебопекарной

промышленности), обечаек теплообменных аппаратов и других изделий.

Используют их также и в качестве жаростойких деталей печей, работающих

при температурах до 700

С.

Хромистые стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13 и др.) используются

для изготовления деталей, работающих в условиях циклических нагрузок в

различных агрессивных средах (шестерни, пружины, подшипники, корпуса

насосов и др.). Сталь 30Х13 используются для изготовления ножей для резки

хлеба и скальпелей в медицинской промышленности.

Наиболее широкое использование в пищевой промышленности получили

хромоникелевые коррозионно-стойкие стали.

Содержание углерода в них сравнительно невысокое (С £ 0,2 %), а

суммарное содержание легирующих (Cr + Ni + другие добавки £ 30 %).

Коррозионная стойкость сталей этого класса тем выше, чем меньше в них

содержание углерода. В зависимости от содержания углерода, эти стали могут

относиться по структуре к аустенитно-ферритному классу (12Х21Н5Т,

08Х22Н6Т и др.), аустенитно-мартенситному (14Х17Н2) или к аустенитному

классу (12Х18Н9, 08Х18Н10Т, 08Х22Н6Т).

Большинство из этих сталей допускает 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. Эти стали используются 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 или нескольких слоёв различных материалов).

Так, в хлебопекарной промышленности плакируют сталью 08Х18Н10Т

дёжи из Ст3, в рыбоперерабатывающей и мясоперерабатывающей

промышленности плакируют емкости, работающие с рассолами, тузлуками.

Дефицит никеля привёл к тому, что были разработаны нержавеющие стали

либо с пониженным содержанием никеля, либо вообще безникелевых сталей, в

частности хромомарганцовистых сложнолегированных сталей. Из числа

нержавеющих сталей этого класса можно отметить стали 10Х14Г14Н4Т,

Х14Г14Н3Т, 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 (s

– 650-700

МПа) с высокой пластичностью и ударной вязкостью (d 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 Х14Г14Н3Т 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 органолептические свойства продуктов.

В таблице 1 приведены данные о коррозионной стойкости различных

марок коррозионно-стойких сталей при контакте с конкретными пищевыми

продуктами.

Следует также отметить, что при производстве виноводочных изделий не

рекомендуется использовать стали с азотом, т.к. их стойкость в указанных

средах соответствует 7-8 баллам.

4.2. Жаростойкие стали

В качестве жаростойких сталей используются стали марок 15Х28, 15Х25Т,

20Х13Н4Г9, Х23Н18 и др. Указанные марки сталей обладают высокой

окалиностойкостью до температур 1050-1100

С.

Их используют для изготовления различных деталей печей. Относятся они

к ферритному классу, хорошо прокатываются и свариваются. Сталь 15Х25Т

может применяться для сварных конструкций жаростойких, но не

подвергающихся нагрузкам (ёмкости, трубы теплообменных аппаратов,

работающих при 500-600

С и др.).

Из приведённой таблицы видно, что среда, в которой работает материал,

часто оказывает коррозионное воздействие на материал больше, чем структура

и свойства самих сталей.

Табл. 1. Коррозионная стойкость различных марок сталей в конкретных пищевых и моющих средах

Марки сталей

10Х17Н13М2Т

В качестве высококоррозионностойкой по отношению к моющим средам рекомендуется использовать

сталь 10Х14Г14Т. Ее стойкость в порошках типа Лотос, Астра и др. при 90

С соответствует 1-му баллу. Сталь

используется при изготовлении стиральных машин.

08Х18Н10Т

12Х18Н10Т

12Х21Н5Т

08Х20Н5Т

15Х25Т

15Х28

12Х17

14Х17Н2

08Х13

12Х13

Температура,

5-100

100

120

100

Коррозионная среда

Приготовление дрожжей

Закваска для ржаного хлеба

Пиво

Водка (40

)

Варка овощей

Фруктовое пюре

Сахарный сироп с 1% лимон.

кисл.

Молочн. прод. (кислые)

Сыры

Уксусная эссенция

Мыло

Сода

Вопросы для самоконтроля по теме

1. Перечислите основные виды коррозии и методы борьбы с ней.

2. Назовите основные группы коррозионностойких сталей и области их

применения в пищевой промышленности.

3. Назовите основные группы жаростойких сталей и области их

использования.

4. Что такое лужение?

5. Возможно ли использование ингибиторов для коррозионной защиты

деталей в пищевой промышленности?

Тесты по теме 4

Тест 1. Какие из этих сталей являются коррозионностойкими?

1.1. 40ХН;

1.2. 30ХГСА;

1.3. 08Х18Н10Т, 15Х14Г14Н2.

Тест 2. Какие стали относятся к жаростойким?

2.1. 14ХГС;

2.2. 25Г2С;

2.3. 10Х23Н18.

Тест 3. Какой характеристикой оценивают жаропрочность материала?

3.1. температурой плавления;

3.2. статистической прочностью при повышенных температурах;

3.3. длительной прочностью.

Тест 4. Какое минимальное содержание хрома должно быть в

коррозионностойких сталях?

4.1. 5%;

4.2. 11%;

4.3. 13%.

Тест 5. Какие коррозионностойкие стали используют при варке овощей?

5.1. 15Х28;

5.2. 08Х13;

5.3. 12Х18Н10Т, 08Х20Н5Т.

Тема 5. Стали и сплавы с особыми свойствами

К материалам с особыми свойствами относят стали и сплавы, для которых

основным требованием является обеспечение определённых физических или

механических свойств. При этом, в первом случае, механические свойства

могут играть второстепенную роль, во втором, наоборот – главную, а

физические (электрические, магнитные и др.) – второстепенную.

5.1. Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами

В материаловедении по магнитным свойствам материалы делят на

магнито-мягкие, магнито-твёрдые и немагнитные в зависимости от характера

взаимодействия материалов с приложенным магнитным полем.