化工机械设备基础-合金钢

1、7.4 合金钢,7.4.1 合金元素在钢中的作用 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作为杂质元素，Si%不超过0.37%，Mn%不超过0.8%,1、固溶强化铁素体； 2、提高钢材组织分散度，晶粒细化，分布均匀； 3、改善钢材热处理性能：降低钢材临界淬火速度，有效降低马氏体脆性； 4、提高钢材的高温强度和表面抗氧化性能； 5、提高钢材耐蚀性。,一、总体影响,二、典型元素,Cr：提高钢材耐酸性，改善抗高温氧化性能，主体元素（Cr13%） C+Cr碳化铬,Ni：主体元素，提高钢材耐蚀性（碱），改善低温脆性，降低马氏体 脆性；我国缺

2、镍，故高镍钢产量很小，一般用节镍钢或无镍钢,Mn：脱氧除硫，提高强度硬度（Mn溶入铁素体引起固溶强化）,Si：脱氧剂，提高钢材硬度，增加钢液流动性,Al：脱氧剂，细化晶粒，改善钢材低温脆性，提高抗高温氧化性能,Mo：提高强度硬度，对Cl-、Cl2耐蚀,Ti：脱氧剂，耐高温，抗晶间腐蚀,7.4.2 合金钢的分类与编号,一、分类,编号方法：钢材含碳量 合金元素种类和数量 质量级别 1、钢号的首部数字表示含碳量 合金结构钢：两位数字表示平均含碳量的万分数，35CrMo 合金工具钢：一位数字表示平均含碳量的千分数，9CrSi 0：C%=0.03%0.08%，低碳级 00：C%=0.01%0.03，超低

3、碳级 000：C%0.01%，超纯级 含碳量1 %，不表示含碳量，CrWMn,二、编号,普通合金钢：普通碳钢加入合金元素 不锈钢：优质碳钢加入合金元素,2、在表示含碳量的数字后面，标以所含合金化学元素符号 合金含量在1.5以下时，元素符号后不注数字； 合金元素含量超过1.5%时，在合金元素后标近似百分比。 09Mn2V,3、特殊性能高合金钢的编号方法视具体钢种而定 有些钢种与合金工具钢类似 2Cr13，0Cr13，00Cr17Ni14Mo2,4、含S、P较低的高级优质钢 钢号末尾加个“A”，35CrMoA,7.4.3 低合金钢,一、低合金结构钢（GB/T3274-1988）,含碳量不大于0.2

4、5，有良好的焊接性能。,低合金强度用钢：16Mn（ 16MnR）、 15MnV（ 15MnVR）、 15MnVN（ 15MnVNR）、 18MnMoNbR、 13MnNiMoNbR、 07MnCrMoVR等,低合金中温用钢：15CrMo、 12CrMo、 12CrMoV、 12Cr2Mo,低合金低温用钢： 16MnDR（- 40）、 15MnNiDR（- 45）、 09Mn2VDR（- 50） 、 09MnNiDR（- 70）、 06AlNbCuN（- 120）、20Mn23Al（- 196）,16MnR、15MnVR,优点： 强度高，高30%以上； 成本低，仅为普通碳钢的1.11.2倍； 良

5、好的加工性能。 良好的综合力学性能、焊接性能及低温冲击性能，冷冲压及可切削性均好。广泛用于锅炉、压力容器、桥梁、船舶、车辆等，还适用于40以下的低温容器。,2. 合金结构钢(GB/T3077-1999),37SiMn2MoV钢综合性能优良的高级调质钢，低温韧性好、高温强度较高、淬透性好。用于制作重型机械的轴类、齿轮、转子、连杆、高压无缝钢管、高压容器、大螺栓等。,40Cr、45Cr钢经淬火后，有较高的强度和韧性。经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击、耐磨及中等速度工作的零件、传动件。如齿轮、套筒、曲轴、连杆、阀杆等，在压力容器中主要用作双头螺柱。,含碳量范围较宽：0.170.54，压力加

6、工和切削加工使用。 按质量等级分：优质钢、高级优质钢（A）、特级优质钢（E）。共81个钢号，在压力容器中使用较多的是：40MnVB、35CrMoA、40Cr等。,7.4.4 高合金钢不锈钢和耐热钢,不锈钢是在空气、水及一些弱腐蚀介质中能抵抗腐蚀的合金钢； 不锈耐酸钢是在酸和强烈腐蚀介质中能抵抗腐蚀的合金钢。,1、不锈钢中主要合金元素的影响,铬：含量13%，耐蚀性大大提高； 镍：扩大不锈钢的耐蚀范围、耐碱腐蚀，扩展相区使不锈钢在室温下呈奥氏体组织； 锰：提高钢材的强度和硬度、低温冲击韧性； 硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S的腐蚀； 钼：抗Cl离子、硫酸的腐蚀、提高钢的耐热强度； 铜：

7、同钼，与钼同时加入效果更好； 钛：防不锈钢发生晶间腐蚀。,（一）不锈钢与不锈耐酸钢,2、铬不锈钢,1Cr13、2Cr13等钢为马氏体不锈钢，耐弱腐蚀性介质（盐水、海水、淡水、硝酸、低浓度有机酸、潮湿大气等）的腐蚀。制作化工机器中受力大的耐蚀零件如轴、活塞杆、阀体等； 0Cr13、0Cr17Ti等钢,在常温和高温下为铁素体组织，具有较好的塑性，耐氧化性酸（如稀硝酸）和硫化氢气体的腐蚀，在碱性溶液、无氯盐水、丙烯睛、苯、汽油等介质中也有较好的耐蚀性。,GB1220-84：不锈钢共有55个钢号，按照钢中金相组织的不同，分为铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体铁素体型不锈钢、沉淀硬化

8、型不锈钢等。,1Cr13 作用机理，Cr+O2CrO2 钢材含碳量高会消耗耐腐蚀的Cr，Cr+CCr23C6, 1Cr18Ni9Ti性能： a、高强度、高硬度、塑性韧性较好。良好的焊接性能和弯曲成型性； b、-196700，机械性能基本不变化； 0Cr19Ni9（-253 ）， 00Cr25Ni20（-269） c、较高的耐腐蚀性，抗氧化性介质耐蚀能力强，抗还原性介质耐蚀能力差； 为加强抗还原性介质能力，常加入Mo、Cu， 1Cr18Ni8Mo2CuTi d、可用来制造大型高压容器设备。,3、铬镍不锈钢,1Cr18Ni9Ti (18-8) 、0Cr18Ni9、00Cr19Ni11 室温下为奥氏

9、体，良好的耐蚀性、耐热性、低温和高温机械性能及焊接性能。 固溶处理加热至10001100，空气中或水中淬冷，反而塑性会增加 固溶处理后的1Cr18Ni9Ti的s=200MPa、 b=550MPa ； 冷作硬化能力强，经冷加工的“18-8”钢，其s=10001200MPa b=12001400MPa 。,7.4.5 耐热钢： 普通碳钢在370以上机械性能大大降低，在570以上发生显著的氧化。,耐热性包括热安定性与抗热性 热安定性指金属对高温气体（O2、H2S、SO2、H2）腐蚀的抵抗能力 抗热性指金属在高温下对机械载荷的抵抗能力。 提高热安定性：加入Cr、Al、Si等元素，生成氧化膜，阻止接触腐

10、蚀气体 增加高温强度：融入Ni、Mn、Al、Cr、W、V等元素,晶间腐蚀： 加热至500800时，或从高温冷却时，溶解的碳会以Cr23C6析出，使晶界处的的Cr含量急剧降低，使晶界处变成贫铬区，耐蚀性急剧降低。 内部产生的局部腐蚀，防治措施： a、对钢材进行淬火处理； b、使用低碳钢或超低碳钢； c、加入与C结合力更强的Ti、Nb等元素。 Ti+CTiC，Nb+CNbC,1、低温用钢 普通碳钢低温（-20以下）变脆 低温用钢要求：良好的韧性，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 特殊性能钢,2、抗氢腐蚀钢 高温（200300，3

11、0MPa时），氢会扩散到钢内，与Fe3C反应生成CH4 防治措施：加入Cr、Ti、W、V，Ti、Nb、Mo等元素锁碳； 降低钢材含碳量。,3、抗氮腐蚀钢 高温（300500），NH3分解成初生态的N，能与任何碳化物的金属元素形成氮化物，氮化物很脆。 18-8，1Cr18Mn8Ni5N,常见不锈钢型号及对应牌号,304、304L、306、314、316、316L、317、317L,304： 0Cr18Ni9 304L： 00Cr19Ni10 超低碳不锈钢 306： （美国牌号AiSi306）0Cr19Ni9低碳奥氏体不锈钢 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 有色金属及其合金,分类： 自然状态：轻有色金属、重有色金属、贵有色金属、稀土有色金属 生产方法和用途：有色冶炼产品、有色加工产品、铸造有色金属、轴承合金 合金产品牌号的表示方法： 以代号字头和元素符号后的成分数字或结合产品类别或组别名称表示。,一、铜及其合金高的导电性、导热性 、塑性、冷韧性及耐蚀性,1、纯铜：紫铜 耐不浓的硫酸、亚硫酸、稀和中等浓度的

13、盐酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸，对淡水、大气、碱溶液的耐蚀能力好，不耐硝酸、氨和铵盐。 纯铜的牌号有：T1、 T2、 T3 、T4,3.青铜：除铜锌合金外，铜与其它元素组成的合金 锡青铜的特点是：具有高强度和硬度，优良的铸造性，良好的化学性能。 ZQSn10-1 锡青铜有和纯铜类似的化学稳定性，在大气和海水中耐蚀性较好。,2、黄铜：Cu、Zn的合金 普通黄铜：H80、H70、H68、H62 黄铜有极为良好的塑性和较高的强度，可切削加工，焊接性好； 耐蚀性类似纯铜，比纯铜有更好的耐大气腐蚀性能。 黄铜中加入微量的砷（As），可防止黄铜脱锌。,二、铝及其合金,铝的特点是：比重小，导电性、导热性

14、、塑性、冷韧性好，强度低，可承受各种压力加工。 耐腐蚀性能：在干燥和潮湿的大气中、在氧化剂的盐溶液中、在浓硝酸及干氯化氢、氨气中稳定；不耐氢氟酸、碱溶液、卤素离子的盐类的腐蚀。,1、工业纯铝：含铝99.00%, 如1A99含铝99.99 2、铝合金： 硬铝、防锈铝、超硬铝、铸铝四种 防锈铝：Al-Mn或Al-Mg-Mn合金。特点是耐蚀性好、强度略高于纯铝、塑性和焊接性能良好，不能热处理。 硬铝：Al-Cu-Mg合金。其特性是强度高，在退火与刚淬火状态下具有良好的塑性、焊接性较好，抗晶间腐蚀性较差。 超硬铝：Al-Zn-Cu-Mg合金。常温下力学性能比硬铝高，但应力腐蚀倾向大。 铸铝：Al-Si

15、合金，ZL101、ZL107等，有良好的耐蚀性、耐热性、铸造性和焊接性。,三、铅及其合金,特点：强度小、硬度低、熔点低（327 ）、导热性差， 耐腐蚀性能：耐80的热硫酸、92的冷硫酸、磷酸（低于85）、铬酸、氢氟酸等腐蚀，不耐蚁酸、醋酸、硝酸和碱溶液的腐蚀。 用途：设备衬里,四、镍及其合金： 特点：具有高的强度、高塑性和冷韧性，耐强碱的腐蚀。,五、钛及其合金： 特点：密度小、重量轻、比强度高、耐高温、低温韧性好 在氧化性介质和中性介质中耐腐蚀性好 钛的工作温度范围宽：196350,7.6 非金属材料,一、无机非金属 1、化工陶瓷：无机粘土高温烧结，成本低、耐蚀、脆性大 2、化工搪瓷： 金属表

16、面上贴上含Si量很高的瓷釉，在900以上高温烧结而成 常规使用温度-30300，耐温度急变性差； 对无机酸、有机酸、各种有机溶剂、耐腐蚀，不耐氢氟酸； 反应中没有杂质离子溶解析出； 线膨胀系数大，导热系数大，不能直接火焰加热，适宜于油浴或 蒸汽缓慢加热 3、玻璃：硼硅玻璃 二、有机非金属 1、工程塑料：强度硬度高，耐蚀性好，加工性好，导热性差，耐热性差 2、玻璃钢：合成树脂+玻璃纤维 3、不透性石墨：合成树脂+不透性石墨,金属的腐蚀与防护,一、腐蚀 1、金属腐蚀的分类 金属和周围介质之间发生化学和电化学作用而引起破坏称为腐蚀。 物理溶解 化学腐蚀 电化学腐蚀 应力腐蚀,2、化学腐蚀： 指金属遇

17、到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用所引起的腐蚀。,高温氧化反应： 300570，氧化皮为结构均匀性能稳定的氧化膜 超过570时，生成FeO（松散疏松的结构） 脱碳反应：t700 Fe3C+O2Fe+CO2 Fe3C+CO2Fe+CO Fe3C+H2OFe+CO+H2 氢腐蚀： a、溶解性破坏：H溶解在铁素体晶格内形成固溶体 b、反应破坏： Fe3C+H2Fe+CH4,3、局部腐蚀,应力腐蚀：残存应力的区域 缝隙腐蚀或小孔腐蚀 静止腐蚀 晶间腐蚀,二、腐蚀的防治方法,1、冶炼新化工材料，改变其中化学成分 2、设计化工容器时，要避免有死角、缝隙、锐角、静止区域 3、加工后进行焊后热处理,1、从

18、强度角度看：s、b、= s/b（屈强比） 中低压容器：若容器直径不大，可以选择s343MPa的钢种 高压容器：若容器直径不大，可以选择s392MPa的钢种 选择大的材料，对设备有利，但塑性降低 一般，0.85的材料制造容器，要经过特殊处理 t900考虑蠕变极限,三、材料选用的一般方法,2、从塑性、韧性角度看 要求14%（最好18% ）,3、从材料经济性来看 铸铁普通碳钢优质碳钢低合金钢高合金钢特殊合金钢,4、从材料的耐蚀性来看,5、从材料设计温度来看 -20400，普通碳钢，p1.6MPa -20475，优质碳钢，p3.0MPa -40475，普通低合金钢，p3.0MPa -55580，普通铬钢，p4.5MPa -90500，普通高合金钢，p6.4M