/
Текст
КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
в НЕФТЯНОЙ
И ГАЗОВОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
СПРАВОЧНОЕ
РУКОВОДСТВО
Г. К. Шрейбер, С. М. Перлин, Б. Ф. Шибряев
Конструкционные материалы
в нефтяной,
нефтехимической
и газовой
п ромы ш лен ности
СПРАВОЧНОЕ РУКОВОДСТВО
2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Издательство «М ашиностроение». Москва 1969
УДК 66.05 : 620.193 : 669.018.8
Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой
промышленности. Шрейбер Г. К., Перлин С. М., Шибря-
е в Б. Ф., М., «Машиностроение», 1969, 396 стр.
Справочное руководство содержит сведения о составе, свойствах,
методах обработки, правилах выбора материалов, применяемых при
изготовлении нефтяного, нефтехимического и газового оборудования
(стали, чугуны, твердые сплавы, металлокерамические материалы,
цветные металлы и сплавы, резины, пластмассы, стекла, цементы,
уплотнительные материалы и др.).
На основе опыта конструирования и эксплуатации оборудования да-
ются рекомендации целесообразного использования материалов, пра-
вил их замены и технологии обработки в зависимости от условий ра-
боты.
Справочное руководство предназначено для широкого круга инже-
нерно-технических работников нефтяной, нефтехимической и газовой
промышленности — проектных институтов, конструкторских бюро, за-
водов, нефтяных и газовых промыслов и нефтебаз, студентов нефтяных
вузов и факультетов.
Илл. 137 табл. 286, библ. назв. 215.
Рецензент д-р техн, наук А. Д. Мустафьев
Редактор инж. Б. Е. Гельфер
3—14—2
364—69
ПРЕДИСЛОВИЕ
Разнообразные условия работы инструментов, машин, аппаратов и сооруже-
ний, применяемых в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности,
вызывают необходимость искать критерии рационального выбора материалов,
а в ряде случаев создавать новые типы сплавов и неметаллических материалов
применительно к своеобразным условиям работы деталей и сооружений.
Большинство деталей газо- и нефтепромыслового оборудования и инстру-
мента работают в крайне тяжелых условиях, подвергаясь значительным знако-
переменным и динамическим нагрузкам, интенсивному абразивному изнашива-
нию и коррозии. Оборудование нефтехимических и нефтеперерабатывающих
заводов испытывает воздействие высоких температур, высоких давлений, высо-
кокоррозионных рабочих сред, агрессивность которых еще более возрастает
в случае одновременного воздействия высоких температур и давления.
Весьма тяжелые условия работы оборудования и инструмента нефтяной,
нефтехимической и газовой промышленности приводят к преждевременному
износу и разрушению основных деталей этого оборудования.
Недостаточная долговечность оборудования вызывает необходимость сни-
жать нагрузки на отдельные узлы и детали, увеличивать их вес и габариты,
производить дополнительные затраты на изготовление запасных деталей и ре-
монт оборудования.
Небольшой срок службы оборудования и инструмента снижает темпы роста
механизации и. автоматизации бурения, добычи и переработки нефти и газа,
сдерживает повышение производительности труда и снижение себестоимости.
Повышение долговечности деталей оборудования и инструмента в значи-
тельной мере может быть достигнуто правильным выбором материала для их
изготовления и рациональным технологическим процессом их обработки.
Вопросами рационального выбора материалов применительно к требованиям
нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности занимаются многие
научно-исследовательские институты, высшие учебные заведения, конструктор-
ские бюро и заводские лаборатории.
Попытка обобщения и систематизации результатов всех этих исследований
была впервые предпринята в работе [197].
Эта книга решением Президиума НТО Машпром, была отмечена в 1963 г.
премией имени Н. А. Минкевича.
Настоящая книга является вторым, переработанным и дополненным изда-
нием справочного руководства «Конструкционные материалы в нефтяной, неф-
техимической и газовой промышленности».
При подготовке второго издания этого руководства авторский коллектив
стремился использовать весь опыт отечественной и зарубежной нефтяной, неф-
техимической и газовой промышленности, накопленный в области применения
различных материалов, исследования их свойств и методов обработки после
выхода в свет первого издания.
Кроме того, при подготовке к изданию этого руководства были учтены все
замечания и пожелания, полученные от различных организаций и специалистов
нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности.
4 ПРЕДИСЛОВИЕ
Авторы выражают глубокую признательность всем организациям и лицам,
приславшим свои пожелания и замечания по первому изданию.
В настоящем, втором издании справочного руководства приведены основные
^сведения о стали как основном материале современного машино- и аппарато-
•строения. Особое внимание уделено углеродистой и легированной конструкци-
онной стали, стали с особыми физическими и химическими свойствами, а также
стали, применяемой для изготовления буровых долот, бурильных и обсадных
’труб, штанг и т. д.
Кроме того, в руководстве даны краткие сведения о строении и свойствах
чугуна, некоторых твердых сплавах и изделиях, изготовляемых методами по-
рошковой металлургии, а также о ряде цветных металлов и их'сплавах.
При рассмотрении всех этих вопросов основное внимание уделялось специ-
фическим требованиям, предъявляемым к своеобразным условиям работы де-
талей в нефтяной, нефтехимической и г.азовой промышленности.
. Современная промышленность немыслима без применения неметаллических t
материалов. Поэтому значительное внимание в руководстве уделено неметал-
лическим материалам, которые в последние годы находят все более широкое
применение в различных отраслях народного хозяйства. Особенно большое зна-
чение приобретают полимерные материалы, к которым в первую очередь отно-
сятся пластические массы и резины. Эти материалы обладают комплексом
весьма ценных свойств, которые кратко описаны в настоящем руководстве.
В руководстве рассмотрены также свойству стекол, цементов и бетонов,
в последнее время широко применяемых в нефтяной, нефтехимической и газо-
вой промышленности.
Руководство составлено под общей редакцией профессора, доктора техни-
ческих наук Шрейбера Г.1 К.
Авторами отдельных глав являются:
проф. д-р техн, наук Шрейбер Г. К.— главы I и IX; канд. техн, наук
Шибряев Б. Ф.— главы III, IV, V, VI, VII и VIII; канд. техн, наук Пер-
л и и С. М.— Главы IX, X, XI и XII.
Глава II с некоторыми добавлениями и исправлениями, заимствована из
первого издания руководства.
Для первого издания эта глава была написана доцентом П о л ф е р о -
вы м А. П., которому авторы настоящего издания выражают благодарность.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ
Глава I. СТАЛЬ \
1. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ
Все применяемые в промышленности марки стали могут быть классифици-
рованы по различным признакам в зависимости от химического состава,'‘наз-
начения и способа их производства.
По химическому составу различают две основные группы стали: углеродис-
тую и легированную.
Внутри каждой группы сталь может быть классифицирована по назначению
и способу производства.
По назначению различают три основные группы: сталь конструкционная,
инструментальная и сталь с особыми физико-химическими свойствами.
Конструкционная и инструментальная сталь по химическому составу может
быть как углеродистая, так и легированная. Сталь с особыми физико-химичес-
кими свойствами — это легированная сталь.
По способу производства различают сталь обыкновенного и повышенного
качества, качественную и высококачественную.
К стали обыкновенного и повышенного качества относится углеродистая
сталь с содержанием обычно не более 0,6% углерода' (специализированная
сталь может содержать углерод до 0,82%). Эту сталь выплавляют чаще всего
в больших мартеновских печах, а также в конверторах и разливают в крупные
слитки.
К качественной относится углеродистая и легированная сталь, выплавляе-
мая в основных мартеновских печах с соблюдением более строгих требований
к составу шихты, процессам плавки и разливки.
К высококачественной относится легированная и высокоуглеродистая
сталь. Эта сталь выплавляется в электрических или кислых мартеновских пе-
чах, а также в основных мартеновских печах небольшой емкости; она характе-
ризуется большой чистотой в отношении неметаллических включений и имеет
минимальные количества вредных примесей серы и фосфора. Механические
свойства этой стали строго регламентированы.
Свойства стали определяются ее структурой и составом — концентрацией
углерода в стали и количеством примесей, которые либо попадают в нее из
руды и топлива, либо сознательно вводятся как раскислители при плавке стали
или как специальные легирующие добавки.
2. ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ
На рис. 1 представлена диаграмма состояния сплавов железа с углеродом.
Сплошными линиями показана диаграмма состояния системы железо — цемен-
тит, характеризующая метастабильное равновесие системы; пунктирными ли-
ниями— система железо — графит, характеризующая стабильное равновесие.
Пользуясь диаграммой железо — цементит, можно для различных температур
проследить влияние изменения концентрации углерода на структуру и фазовый
состав стали. Каждая точка на диаграмме характеризует концентрацию сплава
6 СТАЛЬ
А Твердый раствор 6 | | | | Жидкость*кристаллы твердого
раст вора
Ж.
Жидкость * кристаллы тве \jJobo раствора У —
^(аустенит) 0
/7 с \
Твердый раствор (аустенит) ь/ // Аустенит + цемен (вторичный)* леде (аустенит+цемен L 1 1 1
a 1 1 ли стенал
V фь Фрит 1 Г Аустенит^ (втор> * цо мм очныйt
-Р-- —
Р~ - t Т cj Перлит * це ричный)+ле | мвнти Фебурь 1внти>
71 и L #1^
AD
4 // Лг
'идкос> ть 4 //
л 7 Жидкость * цементит (пйпвииный ) _
J1)T_ F1
Л/?- -1ПП о F_
imum бурит -gib- / ии
\тит) 1 . Цементит (первичный) * । ледебурит (аустенит*
чтит ) 51 «ь | цс 'менпп UH)
I1 731 г н - Т
\т(вт< чт(пер т) о- \це лил +л 1 менти едебу) 1 tm(nep )ит ( nt 1 ти\ вичный) 723 - зрлит+цемен- 1 1 L
$ I § fl Щ025\ 0,8 ! / 2 , 3 , Щ , 5 , 0 663 77oC
5Г 5- Л ) in / пп 9П 7л ГП Tn ТП On ~ПП 1ПП°/ r- n
?i оjio (ToTo To To To To To To wo%Fey:
Феррит t перлит Цементит(вторииный) * перлит (феррит ♦ цементит)
Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов железо—углерод:
ABCD — начало затвердевания сплавов (линия ликвидус); AUJECF — конец затверде-
вания сплавов (линия солидус); GS— начало выделения феррита из аустенита; ES—
начало выделения цементита (вторичного); PS/( — превращение аустенита в перлит;
PQ — выделение из феррита цементита (третичного)
при данной температуре. Координаты важнейших точек диаграммы состояния
указаны в табл. 4.
Таблица 1
Важнейшие точки диаграммы состояния
Условное обозначение точки Температура в °C Содержание углерода в % Условное обозначение точки Температура в °C Содержание углерода в %
А 1539 0 J 1492 0,18
В 1492 0,50 N 1401 0
С 1 130 4,3 Р 723 0,02
Е 1 130 2,0 S 723 0,80
G 910 0 Q 20 0,006
Н 1492 0,10
Температурные точки, образующие на диаграмме состояния линии GS, PSK
и SE, называются критическими точками и условно обозначаются буквой А
с указанием цифровых индексов аллотропического превращения (табл. 2).
Положение критических точек зависит от скорости нагрева или охлаж-
дения.
Сплавы, содержащие до 2% углерода, называются сталью, а более 2% уг-
лерода — чугуном. В свою очередь. сталь делится на три группы: доэвтектоид-
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ 7
ную с содержанием углерода до 0,8%, эвтектоидную с содержанием его 0,8%
п заэвтектоидную с содержанием углерода в пределах 0,8—2%.
Таблица 2
условные обозначения критических точек
Критическая точка Характер превращения
At Перлитное (эвтектоидное) превращение (ACj — при нагреве, Агх — при ох-
И3 лаждении) Начало выделения феррита из аустенита при охлаждении (Аг3) или конец
растворения феррита при нагреве (Ас3) Переход у-железа в a-железо при нагревании (АС4) и обратно при охлаж-
^ст. дении (Дг4) Начало выделения цементита из аустенита при охлаждении или конец рас- творения цементита при нагреве
Доэвтектоидная сталь в равновесном (отожженном) состоянии имеет струк-
туру, состоящую из феррита и перлита; эвтектоидная — структуру перлита; за-
эвтектоидная — перлита и цементита.
Равновесные структуры стали образуются в результате распада аустенита
при медленном охлаждении. Уве-
личение скорости охлаждения при-
водит к переохлаждению аустени-
та и изменению структуры.
Превращение аустенита при
различных степенях переохлажде-
ния описывается диаграммами
изотермического превращения аус-
тенита. На рис. 2, в качестве при-
мера, приведена такая диаграмма
для эвтектоидной углеродистой
стали.
В результате распада аустенита
в области температуры от до
изгиба кривой изотермического
превращения образуется смесь фер-
рита * и цементита. Дисперсность
этой смеси тем больше, чем ниже
температура распада, т. е. чем
больше степень переохлаждения.
Так, в результате превращения
при 650—700° С образуется струк-
тура крупнопластинчатого перлита.
’С увеличением переохлаждения об-
разуется сначала структура тонко-
пластинчатого перлита — сорбита,
а затем структура троостита.
'В результате распада переохлажденного аустенита в области температур
от изгиба кривой изотермического распада до температур мартенситного пре-
вращения происходит образование игольчатой структуры, которая называется
игольчатым трооститом или бейнитом.
При переохлаждении аустенита до температуры Мн аустенит превращается
в мартенсит. Это превращение протекает в интервале температур Мп—Мп.
Значение температур Мн и Мк определяется в основном составом аустенита.
Чем больше в нем углерода, тем ниже температура Л4Н и Мк (рис. 3).
^Аустенит А ,(723 °)
-Ай
MH(2iO°)
__ Мартенситное превращение
Переохлаж-
денный
'аустенит'
Перлит
Сорбит
Игольчатый
троостит
~ (бейнит)
Троостит
15
30
40
45
55
Мартенсит + аустенит
Мартенсит * остаточный аустенит
65
°C
700
600
500
400
300
200
100
о
-100
0,5 1 10 100 1000 10000 сек
Рис. 2. Диаграмма изотермического превраще-
ния аустенита для эвтектоидной стали с О,8'°/о
углерода
8 СТАЛЬ
Скорость охлаждения, при которой достигается значительное переохлажде-
ние и в структуре стали образуется мартенсит, называется критической ско-
ростью охлаждения. Значение критической скорости охлаждения зависит от
количества углерода в стали (табл. 3).
превращения от содержания углерода
Таблица 3
Температура начала мартенситного превращения
и критическая скорость охлаждения в зависимости
от содержания углерода
Содержание углерода в % Критическая скорость охлаждения в °C!сек Температура начала мартенситного превращения в °C
0,04 4500 430
0/09 2300 420
0,19 1925 390
0,40 600 330
0,54 480 270
Мартенситное превращение никогда не идет до конца. Поэтому наряду
с мартенситом в структуре стали присутствует остаточный аустенит. Чем боль-
Рис. 4. Диаграмма изменения механиче-
ских свойств углеродистой стали в зави-
симости от содержания в ней углерода:
1 — в закаленном состоянии; 2 — в
отожженном состоянии
ше углерода в стали, тем больше ос-
таточного аустенита.
Таким образом, в зависимости от
степени переохлаждения и скорости
охлаждения можно получить различ-
ные структуры, а следовательно, и
различные свойства стали. Свойства
различных структур приведены в
табл. 4 [148].
На рис. 4 приведена диаграмма из-
менения механических свойств стали
(в отожженном и закаленном состоя-
нии) в зависимости от содержания в.
ней углерода; из диаграммы видно,
что с повышением содержания угле-
рода твердость и предел прочности
стали возрастают. Особенно резко это>
проявляется у стали, закаленной на
мартенсит.
Однако при содержании в стали
углерода менее 0,3% закалка не при-
водит еще к значительному увеличе-
нию твердости и предела прочности
по сравнению с незакаленным состоя-
нием.
При содержании углерода более
0,3% прочность и твердость стали после закалки на мартенсит возрастают
наиболее резко и соответствующие им кривые на рис. 4 круто поднимаются
вверх.
Особенно резко твердость закаленной стали возрастает при увеличении уг-
лерода до 0,5—0,6%, после чего твердость возрастает медленнее. Это
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ 9
Структуры стали и их свойства
Таблица 4
Название структуры Определение и строение Свойства
Феррит (Ф) 1 Твердый раствор углерода в а — Fe. Предельная растворимость углерода в а — Fe при 723° С около 0,0 2%, при комнатной температуре — 0,06% Феррит, как и а — Fe, имеет объем- ноцентрированную кубическую решетку Ферромагнитен до 768° С ав = 25 кГ/мм2 (Ут = 1 2 кГ/мм2 8 = 50%; Ф = 80%; НВ 70 — 100 Удельная теплоемкость феррита е» ккал/кГ °C составляет при: 100° С— 0,1107 200° С— 0,1161 300° С— 0, 1215 400° С— 0, 1275 500° С— 0, 1337 600° С— 0,1417 700° С— 0, 1515 800° С — 0,1650 900° С— 0, 1700 Коэффициент термического расширения феррита: а • 106 = 1 2,0—1 2,5 см}см °C;, теплопроводность Х = 66 ккал[м • ч °C; мо- лекулярный вес М = 55,85
Аустенит (А) Твердый раствор углерода в у — Fe. Предельная растворимость углерода в a—Fe при 1130° С-2%, при 723° С — 0,8%. Аустенит, как и у—Fe, имеет гра- нецентрированную кубическую решетку В чистых сплавах железа с углеродом ус- тойчив только при температурах выше 723° С. Аустенит, как и у — Fe, не магнитен, вязок, его твердость при обычной температуре при>- мерно НВ 180—220. Аустенит отличается пониженной теплопроводностью X = = 36 ккал!м • ч • 0С Удельная теплоемкость с аустенита' при» 100° С составляет 0,12 ккал1кГ • °C а . 10е = 17 ~ 24 см/см • °C М= 55,85
Цементит (Ц) Химическое соединение железа с угле- родом (карбид железа) или твердый рас- твор .на его основе, содержит 6,67% С. Различают три разновидности цементита: 1) первичный, выделившийся при кри- сталлизации из жидкого сплава; 2) вторичный, выделившийся при ох- лаждении из аустенита 3) третичный, выделившийся при ох- лаждении из феррита Имеет сложную орторомбическую ре- шетку, в элементарной ячейке которой находится 12 атомов железа и 4 атома углерода Ферромагнитен до 210° С, обладает высо- кой твердостью и хрупкостью; НВ 859— 1100. Удельная теплоемкость с цементита' в> ккал!кГ° С составляет при: 100° С — 0,1480 200° » — 0,1488 300° » — 0, 1490 400° » — 0, 1505 500° »— 0, 1524 600° » — 0,1557 700° » — 0, 1559 800° » — 0, 1649 900° » — 0, 1710 а • 10в = 6,6-г-6,5 см}см • °C X = 6,1 ккал/м - ч °C 179,5
10 СТАЛЬ
Продолжение табл. 4
Название структуры Определение и строение Свойства
Перлит (П) Эвтектоид — механическая смесь фер- рита и цементита, образующаяся при ра- спаде аустенита Различают пластинчатый перлит, в ко- тором в ферритной основе находятся пла- стинки цементита и зернистый перлит, в котором в ферритной основе находятся зернышки цементита В сплавах железа с углеродом перлит содержит 0,8% С Механические свойства зависят от степени измельченности (дисперсности) частичек це- ментита. Например, тонкопластинчатый пер- лит имеет сгб = 75 = 80 кГ/мм2, 8=8 = 4- Ю% Крупнопластинчатый О’б = 60-т-70 кГ/мм2, 8= 5 = 7% Зернистый сгб = 55 = 6 0 кГ/мм2', 8=10=14% Чем крупнее частицы цементита, тем ниже его твердость, которая находится в преде- лах НВ 160—250 а • 106 =10,0^-11,0 см/см • °C X = 4 4,6 ккал/м • ч • 0 С
Сорбит (С) Продукт распада аустенита в интервале температур 600 = 650° С — механичес- кая смесь феррита и цементита, отлича- ющаяся от перлита большей степенью ди- сперсности и большей твердостью. Сорбит также является продуктом распада мар- тенсита при его отпуске (сорбит отпуска) Сорбит закалки имеет повышенную твер- дость (HRC 3 0). Сорбит отпуска HRC 30— 4 0 Твердость зависит от химического состава стали, температуры и продолжительности отпуска. Пластичность и вязкость выше у сорбита отпуска
Троостит (Т) Продукт превращения аустенита в ин- тервале температур 500—600° С — меха- ническая смесь феррита и цементита очень большой дисперсности. Троостит является также продуктом распада мар- тенсита при отпуске (троостит отпуска) Обладает повышенной твердостью (HRC 40—50), высоким пределом упругости и хо- рошей износостойкостью
Игольчатый троостит или бейнит (Б) Дисперсная смесь пересыщенного a-твердого раствора и цементита чаще игольчатого строения без дифференциа- ции составных частиц структуры Образуется за счет распада аустенита в зоне промежуточного превращения. Если образование происходит в верхней области промежуточного превращения, образуется верхний бейнит, в нижней — нижний бейнит Свойства зависят от содержания углерода. При 0,8% С верхний бейнит HRC 4 0—50, нижний HRC 55 Отличается высокой износостойкостью и высокими механическими свойствами
Мартенсит (М) Пересыщенный твердый раствор угле- рода и других элементов в а — Fe, по- лученный в результате бездиффузионно- го превращения аустенита. Кристалли- ческая решетка объемноцентрированная тетрагональная Отличается высокой твердостью, которая зависит от содержания в нем углерода. Фер- ромагнитен
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ Ц
Рис. 5. Зависимость удельного веса
закаленной стали от содержания уг-
лерода
объясняется прежде всего увеличением в структуре закаленной стали количе-
ства остаточного аустенита.
Относительное удлинение, наоборот, с повышением количества углерода
в стали уменьшается. Закалка на мартенсит приводит к еще более резкому
•снижению относительного удлинения. Так, для стали, содержащей 0,4% углеро-
да, относительное удлинение в незакаленном состоянии (отожженном) состав-
ляет приблизительно 20%, а в закаленном — около 1-И,5%.
Таким образом, чем больше углерода в стали, тем выше ее твердость и
прочность, но ниже пластические свойства.
В зависимости от содержания углерода и термической обработки изменя-
ются и физические свойства углеродистой стали.
Удельный вес стали понижается с увеличением количества углерода. Из-
менение удельного веса отожженной уг-
леродистой стали может быть прибли-
женно выражено формулой
у = 7,85 — 0,04х,
где х — содержание углерода в %.
В закаленном состоянии влияние уг-
лерода па понижение удельного веса
•сказывается еще более резко (рис. 5).
Изменение удельного веса стали при
закалке на мартенсит вызывает резкое
изменение ее объема.
Так, 'удельный объем эвтектоидной
•стали при закалке увеличивается пример-
но на 1%.
Резкое изменение удельного объема
стали при закалке приводит в ряде случаев
короблению и образованию трещин.
При изменении количества углерода в стали изменяются ее магнитные и
электрические свойства.
На рис. 6 представлены кривые изменения магнитных свойств углеродис-
той стали в зависимости от содержания углерода и термической обработки.
к изменению размеров изделий,
Рис. 6. Диаграмма магнитных свойств углеро-
дистой стали в зависимости от содержания
углерода и термической обработки:
1 — закаленная сталь; 2 — отожженная
сталь
Рис. 7. Зависимость электро-
сопротивления отожженной (1)
и закаленной (2) стали от со-
держания в ней углерода
Как видно из кривых, коэрцитивная сила резко возрастает при закалке высо-
коуглеродистых сталей, достигая 60—65 э.
12 СТАЛЬ
На рис. 7 представлены кривые изменения электросопротивления отожжен-
ной и закаленной стали в зависимости от содержания углерода. Как видно из-
рисунка, при закалке стали значительно возрастает ее электросопротивление,
а следовательно, понижается электропроводность.
Аналогично электропроводности изменяется и теплопроводность углеродис-
той стали.
3. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ
На свойства стали значительное влияние оказывают различные примеси,
присутствующие в стали. К таким примесям относятся кремний, марганец,
сера, фосфор. Неизбежными спутниками стали являются также газы: водород,
азот и кислород. В ряде случаев в составе углеродистой стали присутствуют
такие элементы, как никель, хром, медь.
Первая группа примесей (кремний, марганец, сера и фосфор) попадает в
сталь из руды и топлива или специально вводится в жидкую сталь при плавке
как раскислитель. Присутствие этих примесей неизбежно в стали по условиям
современной технологии ее производства, поэтому целесообразно называть эти
примеси технологическими |[198].
Обычно содержание технологических примесей в углеродистой стали до-
пускается в следующих пределах (в %): 0,10—0,35 кремния, 0,35—0,70 мар-
ганца, 0,03—0,05 серы, 0,03—0,05 фосфора.
Марганец и кремний вводятся в сталь как раскислители при ее выплавке.
Благодаря наличию этих элементов в жидкой стали кислород связывается
в химически прочные окислы, которые затем всплывают в шлак. Без этих при-
месей сталь оказывается плохо раскисленной и имеет пониженные механичес-
кие свойства. Даже незначительные количества окислов железа в стали вызы-
вают трещины при ковке и делают невозможным применение такой стали в
производстве. В углеродистой стали, предназначенной для сварки, кремния
должно быть не более 0,1%, так как кремний ухудшает свариваемость стали.
Роль раскислителя в такой стали выполняет один марганец.
Сера и фосфор — вредные технологические примеси. Сера вызывает в стали
повышенную хрупкость в горячем состоянии — красноломкость, фосфор чрез-
вычайно понижает вязкость стали, особенно при отрицательных температурах,
вызывая так называемую хладноломкость. Количество серы и фосфора в стали
строго ограничивается. Однако в отдельных случаях, например, в автоматной
стали, характеризующейся улучшенной обрабатываемостью, допускается по-
вышенное количество серы и фосфора (до 0,2—0,3%).
Вторая группа примесей (газы) обнаруживается в стали в очень малых
количествах и обычно химическим анализом не определяется. Такие примеси
называются скрытыми [47].
Скрытые примеси в углеродистой стали обычно находятся в следующих
количествах (в %): до 0,001 водорода, до 0,01 азота, до 0,01 кислорода; они
являются вредными примесями.
Третья группа примесей (хром, никель, медь) попадает в состав углеродис-
той стали при ее плавке из шихты, в состав которой могут входить отходы ле-
гированной стали, содержащей хром, никель или медь. Эти же примеси могут
попасть в состав углеродистой стали из чугуна и руды. Так, хром и никель
содержатся в халиловской руде, медь — в уральской и т. д. Примеси хрома,
никеля и меди в углеродистой стали называются случайными примесями [47].
Допустимое количество случайных примесей в углеродистой стали следую-
щее (в %): до 0,3 хрома; до 0,3 никеля; 0,1 меди.
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ СТАЛИ 13
4. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ
И СВОЙСТВА СТАЛИ
В настоящее время в промышленности’широко применяются легированные
стали.
Легированной называют сталь, содержащую специальные элементы (хром,
никель, молибден, ванадий, вольфрам, алюминий и др.) или повышенное, про-
тив обычного, количество технологических примесей (марганца и кремния).
Как правило, в легированную сталь вводят не один какой-либо специаль-
ный (легирующий) элемент, а два, три и более, в таком сочетании, чтобы они
дополняли друг друга. Часто легированную сталь называют по тем элементам,
которые находятся в ее составе, например: хромистая, никелевая, хромонике-
левая, хромомарганцевистая, хромоникельмолибденовая и т. д. Однако за по-
следние годы все более широкое применение получает сталь легированная тре-
мя, четырьмя и даже большим числом элементов, поэтому на практике наиме-
нование стали по химическому составу малоприемлемо из-за громоздкости.
Кроме того, сталь, содержащая в различных количествах одни и те же
элементы, в ряде случаев, характеризуется отличающимися друг от друга
свойствами и применяется в технике для разных целей. Например, хромонике-
левая конструкционная сталь и хромоникелевая нержавеющая сталь. Между
тем при классификации по химическому составу такие виды стали приходится
искусственно объединять в одну группу хромоникелевых сталей.
Легирующие элементы при введении их в сталь образуют: твердые рас-
творы’на основе а- и у-железа; специальные карбиды и твердые растворы на
нх основе; легированный цемент и твердые растворы на его основе; интерме-
таллические соединения с железом (FeCr, Fe3W2, Fe2W, Fe3Mo2, FeMo,
Fe3Si2, FeSi2 и др.); окислы и другие неметаллические включения (MnO, SiO2,
AI2O3, Fe4N и др.). J
Образование тех или иных фаз определяется природой легирующего эле-
мента и его количеством в стали, а также количеством углерода, видом тер-
мической обработки и т. д. (табл. 5).
Таблица 5
Распределение некоторых легирующих элементов между основными фазами в зависимости
от вида термической обработки [56]
Термическая обработка Легирующие элементы
в феррите в карбидной фазе
Отжиг Ni, Si, Al, Си, |Мп| , Сг, Mo, W Мп, |Сг|, |Мо|, |w| , Nb, V, Zr, Ti
Закалка Ni, Si, Al, Си, Мп, Сг, Mo, W Nb, V, Zr, Ti
Закалка и отпуск при 6 00° С Ni, Si, Al, Си, |Мп| , Сг, Мо Mn, |cF|, |Mo|, |w| , Nb, V, Zr, Ti
Примечание. Обозначение в рамке указывает фазу преимущественного распре-
деления.
14 СТАЛЬ
Как видно из табл. 5 никель, кремний, алюминий и медь во всех случаях
образуют твердые растворы с «-железом, т. е. легированный феррит.
Хром, молибден, вольфрам находятся в основном в карбидной фазе и в
меньшей степени растворены в феррите. Ванадий, титан, ниобий, цирконий
также находятся преимущественно в карбидной фазе. Марганец при наличии-
в стали элементов, обладающих более сильным средством к углероду, глав-
ным образом растворен в феррите.
Растворяясь в феррите, легирующие элементы изменяют его свойства.
На рис. 8 показано изменение свойств феррита при растворении в нем раз-
личных легирующих элементов после медленного охлаждения на воздухе от
975° С (48]. Как видно из кривых, хром, молибден и вольфрам слабее упроч-
няет феррит, чем никель, марганец и кремний. Молибден, вольфрам, а также*
марганец и кремний (при содержании последних более 1%) снижают вязкость
феррита.
Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов,
а никель несколько повышает вязкость феррита.
При быстром охлаждении из у-области (закалка с температуры 975° С)
феррит, легированный хромом, марганцем или никелем, упрочняется значи-
тельно сильнее благодаря образованию игольчатой мартенситоподобной струк-
туры [48].
Растворяясь в феррите, легирующие элементы изменяют и его физические
свойства (рис. 9).
Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфизм же-
леза. Они могут повышать ( |) или понижать ( |) точки А3 и Л4, тем самым,
расширяя или сужая интервал существования у-железа (табл. 6).
Таблица 6
А* f Мп Ni С Си Co
Zr Be Al Si P Ti V Mu W Ta Nb Cr
^3 t Zr Be Al Si P Ti V Mo W Ta Nt Cr
| Мп Ni С Си
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ СТАЛИ 15
Марганец,, хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан, ниобий, цирконий
и другие элементы являются карбидообразующими, соединяясь с углеродом,
они образуют специальные (простые) или сложные карбиды.
Специальными (простыми) карбидами называются химические соединения
углерода с одним легирующим элементом (Мп3С; Сг7С3; Cr4C; W2C; WC; VC
и др.); сложными—двойные карбиды, состоящие из простых карбидов, об-
разующих друг с другом сложные химические соединения или твердые раство-
ры с железом. Так, карбид хрома Сг7'С3 может растворить до 60% железа —
в этом случае его обозначают (РеСг)7Сз-
Следует отметить, что при малых количествах углерода и карбидообразую-
щих элементов образование карбидов в стали может не наблюдаться, так как
карбидообразующий элемент, растворяясь в цементите, образует легированный
цементит, например (FeCr)3C; (FeMo)3C и т. д.
Разные карбидообразующие элементы характеризуются различной склон-
ностью к карбидообразованию. Активность элементов в качестве карбидооб-
разователей, а следовательно, и устойчивость образующихся карбидных фаз
тем больше, чем меньше достроена d-оболочка соответствующего атома [49,
50, 51].
В соответствии с этим склонность к карбидообразованию возрастает в сле-
дующем порядке: для элементов IV периода — Fe—Мп—Сг—V—Ti, V перио-
да — Mo — Nb — Zr и VI периода — W — Та.
Следовательно, при наличии в стали нескольких карбидообразующих эле-
ментов сначала образуются карбиды с наиболее активным карбидообразую-
щим элементом, а при увеличении содержания углерода возможно образование
карбидов и с менее активными карбидообразующими элементами.
Необходимо отметить, что чем устойчивее карбид, тем труднее он раство-
ряется в аустените при нагреве стали для термической обработки и труднее
выделяется при отпуске.
Данные о влиянии легирующих элементов на свойства стали
Легирующий элемент Макси- мальная раствори- мость в твердом растворе в % Влияние на свойства феррита Влияние на свойства аустенита
в у-же- лезе 6 * • (D 53 со О) m kj
. О 1 2,8 (20 при 0,5% С) Не ограничена Слабо упрочняет. Повышает коррозион- ную стойкость Сужает у-область, замыкая ее при 13% и «выклинивает» при 19%. Пре- пятствует росту зерна. Понижает температуру мартенситного превра- щения, увеличивает количество ос- таточного аустенита
с 2 Не ограничена | 15—18 Резко упрочняет, несколько снижая пла- стичность Расширяет у-область. Увеличивает склонность к росту зерна. Повышает устойчивость переохлажденного ау- стенита и понижает критическую ско- рость охлаждения. Резко понижает температуру мартенситного превраще- ния и увеличивает количество оста- точного аустенита
Таблица 7
Образование карби- дов Влияние на свойства стали
•0 о и № о со е« О Повышает твердость и прочность стали. Наиболее резко повышает твердость и прочность мартенсита. При содержании до 1,0—1,5% способствует повы- шению пластических свойств. При большом содер- жании снижает пластические свойства, особенно ударную вязкость. Увеличивает износостойкость. Несколько повышает жаропрочность. Сильно повы- шает электросопротивление и понижает теплопровод- ность. Повышает устойчивость против коррозии и окисления (при содержании >14%). Увеличивает про- каливаемость. Способствует появлению отпускной хрупкости. Образуя нитриды (CrN и Сг2Ы), является одной из обязательных присадок к сталям, подвер- гающимся азотизации
Повышает твердость и прочность стали. Особенно
сильно повышает твердость в закаленном состоянии.
В малоуглеродистых сталях, повышая прочность, не
снижает пластических свойств при содержании до
2%. В средне- и высокоуглеродистой стали снижает
ударную вязкость. Уменьшает красноломкость при
повышенном содержании серы. Увеличивает износо-
устойчивость особенно при высоком содержании. По-
вышает электросопротивление и уменьшает тепло-
проводность. При содержании в количестве, доста-
точном для получения гомогенной аустенитной струк-
туры, повышает коррозионную стойкость. Увеличи-
вает прокаливаемость. Увеличивает склонность к от-
пускной хрупкости
16 СТАЛЬ
2 Заказ 664
z Не ограничено 1 0 (при 400° С) Упрочняет, повыша- ет пластические свой- ст5а. При содержании более 2 5% резко уменьшает коэффици- ент линейного расши- рения. При содержа- нии 4 6 % коэффициент одинаков с коэффици- ентом линейного рас- ширения стекла и пла- тины Расширяет у-область. Слабо вли- яет на рост зерна. Повышает устой- чивость переохлажденного аустенита и уменьшает критическую скорость охлаждения. Понижает температуру мартенситного превращения и увели- чивает количество остаточного аусте- нита
5) 4 (при 1100 ^-1 200° С) 18,5 Резко упрочняет с потерей пластичности. Повышает сопротивле- ние коррозии. Придает особые электротехни- ческие свойства: уве- личивает электросо- противление, уменьша- ет потери на токи Фу- ко Сужает у-область «выклинивает» ее при 10%. Увеличивает склонность к росту зерна. Повышает устойчивость переохлажденного аустенита, умень- шая критическую скорость охлажде- ния
£ о см со Несколько упрочня- ет, снижая пластичес- кие свойства. Образу- ет стареющие системы в высоко-вольфрамо- вых сплавах Сужает у-область, < выклинивает» ее при 6,5%. Препятствует росту зерна. Резко повышает устойчивость переохлажденного аустенита, умень- шает критическую скорость охлажде- ния. Понижает температуру мартен- ситного превращения и увеличивает количество остаточного аустенита
s
В перлитной области (до 7% Ni) несколько повы-
шает прочность стали при очень малом снижении
пластических свойств В мартенситной области (до
2 0% Ni) сильно повышает прочность и понижает
вязкость. Стали аустенитного класса характеризуют-
ся высокой вязкостью и низкой прочностью и твер-
достью. В сочетании с хромом повышает прочность
и пластические свойства конструкционных сталей.
Снижает теплопроводность. Повышает сопротивление
коррозии на воздухе, в морской воде и некоторых
кислотах. Увеличивает прокаливаемость. Способст-
вует появлению отпускной хрупкости
Активно раскисляет. Повышает прочность и твер-
дость стали и уменьшает вязкость (особенно при со-
держании более 2,5%). Понижает теплопроводность
и значительно повышает электросопротивление.
Вследствие большой магнитной проницаемости и вы-
сокого электросопротивления значительно уменьша-
ются потери на токи Фуко и ватные потери. Увели-
чивает сопротивляемость окислению при высоких
температурах. Способствует обезуглероживанию. По-
вышает кислотоупорность (при Si > 12%). Увеличи-
вает прокаливаемость
О
£
s
О
£
Несколько повышает прочность и снижает плас-
тичность. Сильно уменьшает теплопроводность и по-
вышает коэрцитивную силу. Резко повышает красно-
стойкость. Увеличивает прокаливаемость. Сильно за-
медляет процессы, происходящие при отпуске, пре-
пятствует смягчению стали. Вызывает появление
вторичной твердости. Уменьшает склонность к отпу-
скной хрупкости
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ СТАЛИ 17
Легирующий элемент Макси- мальная раствори- мость в твердом растворе в % Влияние на свойства феррита Влияние на свойства аустенита
ф £ । ф р- со ф СП ч в а-же- лезе
V 1,5 Не ограничена Заметно упрочняет Сужает v-область. Препятствует росту зерна, повышает устойчивость переохлажденного аустенита, умень- шает критическую скорость охлаж- дения
Мо 5 35 Несколько упрочня- ет. Образует старею- щие системы в высо- комолибденовых спла- вах Сужает у-область замыкает ее при 2% и «выклинивает» при 7%. Пре- пятствует росту зерна, повышает ус- тойчивость переохлажденного аусте- нита, уменьшает критическую ско- рость охлаждения. Понижает темпе- ратуру мартенситного превращения. Несколько увеличивает количество остаточного аустенита
s
Продолжение табл. 7
18 СТАЛЬ
к
Влияние на свойства стали
О £[
После закалки с темпера гур значительно превы-
шающих ACs увеличивает твердость и прочность.
Особенно увеличивается отношение предела текуче-
сти к пределу прочности. Незначительно уменьша-
ет вязкость стали. Повышает механические свой-
ства при высоких температурах. Препятствует по-
нижению твердости стали при отпуске. При темпе-
ратурах отпуска 550—6 00° С отмечается эффект
вторичной твердости. Образуя стойкие нитриды,
значительно повышает твердость стали после азо-
тизации
s
Повышает прочность и твердость. Понижает пла-
стические свойства. Очень эффективно влияет на
сохранение механических свойств при высоких тем-
пературах (жаропрочность). Способствует повыше-
нию предела ползучести. Повышает красностой-
кость. Повышает химическую стойкость нержавею-
щих сталей против действия некоторых кислот и
щелочей. Уменьшает теплопроводность. Увеличи-
вает коэрцитивную силу и остаточный магнетизм.
Увеличивает прокаливаемость. Уменьшает склон-
ность стали к отпускной хрупкости. Препятствует
смягчению стали при отпуске за счет вторичной
твердости
1
Ti ~ 1 6,3 (при 1 298° С) Образует стареющие системы в высокотита- новых сплавах Сужает у-область, «выклинивает» ее при 1%. Препятствует росту зер- на. Уменьшает критическую скорость охлаждения
Co He ограничено 80 Упрочняет значи- тельно Слабо влияет на рост зерна. Пони- жает устойчивость переохлажденного аустенита. Повышает температуру мартенситного превращения и умень- шает количество остаточного аусте- нита
Al 1.1; увеличивается с повыше- нием содержания углерода 30 Значительно упроч- няет. Алюминиевый феррит хорошо сопро- тивляется газовой кор- розии при повышен- ных температурах Замыкает у-область. Уменьшает склонность к росту зерен за счет об- разования окислов или нитридов. По- вышает устойчивость переохлажден- ного аустенита, уменьшая критичес- кую скорость охлаждения при закал- ке. Резко повышает температуру мартенситного превращения. Умень- шает количество остаточного аусте- нита
В небольших количествах улучшает механические свойства стали. Способствует резкому повышению коэрцитивной силы. Повышает коррозионную стой- кость нержавеющих сталей и предотвращает возник-
TiC новение межкристаллитной коррозии. Повышает ус- тойчивость жароупорных сталей против окисления при высоких температурах. Образует стойкие нит- риды, значительно повышает твердость после азоти- зации
— В отожженном и нормализованном состоянии по- вышает прочность и твердость, уменьшает пласти- ческие свойства. Понижает твердость после закалки. После высокого отпуска твердость сплава повышает- ся. Повышает красностойкость. Увеличивает маг- нитную индукцию, коэрцитивную силу и остаточную индукцию. Способствует обезуглероживанию. Умень- шает прокаливаемость. Препятствует понижению твердости стали при отпуске
i
Является активным раскислителем. Повышает
электросопротивление. Увеличивает магнитную про-
ницаемость и уменьшает коэрцитивную силу. Резко
увеличивает устойчивость против окисления при
высоких температурах. Способствует обезуглерожи-
ванию. Несколько увеличивает прокаливаемость
стали. Образуя нитриды, является легирующим эле-
ментом в азотируемых сталях
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ СТАЛИ 19
20 стлль
Тип карбидов может определяться условиями термической обработки. Так,
например, при очень медленном охлаждении или длительном отпуске стали,
содержащей большие количества вольфрама и молибдена, в структуре стали
образуются WC; W2C и Мо2С. При ускоренном охлаждении обычно образу-
ются двойные карбиды Fe2W2C и FeMo2C.
Все специальные карбиды отличаются высокой твердостью, хрупкостью,
свойственной и карбиду железа (цементиту). Однако по сравнению с цемен-
титом специальные карбиды являются более твердыми и менее хрупкими [107].
К числу элементов, не образующих карбидов в стали, относятся никель,
кремний, алюминий, медь. Большое количество никеля и кремния, наоборот,
Рис. 10. Зависимость предела прочности стали различных марок от раз-
мера заготовки
вызывает в стали графитизацию, способствуя разложению цементита на же-
лезо и углерод в форме графита.
Распределяясь между основными фазами и изменяя их свойства, легирую-
щие элементы изменяют свойства стали (табл. 7). Влияние легирующих эле-
ментов на свойства стали усиливается после термической обработки.
Термическая обработка легированной стали производится часто по совер-
шенно иному режиму, чем обработка углеродистой стали. Например, при за-
калке некоторых марок стали, содержащих повышенное количество карбидо-
образующих элементов, нагрев производится значительно выше критической
точки, так как только в этом случае проявляются высокие свойства легирован-
ной стали.
Высокая температура нагрева требуется для перевода максимального ко-
личества специальных карбидов в твердый раствор.
Легирующие элементы значительно понижают теплопроводность стали.
Теплопроводность легированной стали может быть в несколько раз ниже теп-
лопроводности простой углеродистой, поэтому легированную сталь следует
нагревать при термической обработке более медленно и равномерно, чем угле-
родистую. В противном случае возможно коробление изделий или появление
трещин.
Почти все легирующие элементы увеличивают устойчивость переохлажден-
ного аустенита и тем самым способствуют получению неравновесных структур.
Чем устойчивее аустенит, тем медленнее следует охлаждать сталь при за-
калке для получения структуры мартенсита. В углеродистой стали скорость
распада аустенита очень велика, и эту сталь необходимо закаливать в холод-
ной воде. У легированной стали скорость распада аустенита меньше и ее за-
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ СТАЛИ 21
каливают при охлаждении в масле или даже на воздухе. Стали, которые в
результате охлаждения на воздухе приобретают структуру мартенсита, назы-
вают мартенситными. Если же в структуре стали помимо мартенсита присут-
ствует значительное количество карбидов, то их называют карбидными
сталями.
Естественно, что снижение скорости охлаждения при закалке приводит к сни-
жению остаточных напряжений, благодаря чему уменьшается опасность полу-
чения коробления, трещин и других видов брака.
Кроме того, благодаря повышению устойчивости переохлажденного аусте-
нита легированная сталь характеризуется более высокой прокаливаемостыо.
Преимущества легированной стали по сравнению с углеродистой заклю-
чаются главным образом в возможности получения при термической обработке
высоких механических свойств для деталей большого сечения.
На рис. 10 показано изменение предела прочности (при ф = 40%, ап —
— 6 кГ-м1см2) в зависимости от размера заготовки для стали различных ма-
рок (113].
Легирующие элементы изменяют также температуру мартенситного пре-
вращения и количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали.
Содержание легирующего элемента
а) 5)
Рис. 11. Зависимость температуры мартенситного превращения (а)
и количества остаточного аустенита (б) от содержания легирующих
элементов
На рис. 11 и табл. 8 приведены данные о влиянии легирующих элементов
на температуру мартенситного превращения и па количество остаточного ау-
стенита [52, 66].
Таблица 8
Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения
Легирующий элемент Изменение температуры точки Мн на 1% легирующего элемента в °C при содержании углерода: Легирующий элемент Изменение температуры точки Мн на 1 % легирующего элемента в °C при содержании углерода:
0,4% 0,8% 1.0% 1,2% 0,4% 0,8% 1,0% 1,2%
Мп —50 — —55 Си — —7
Сг — 8 — 15 —22 —30 Со — — + 12 —
Ni Мо — 1 2 — 17 — — 20 — 40 — Si — — 0
22 сталь
Как видно, большинство элементов снижает температуру мартенситного
превращения и увеличивает количество остаточного аустенита.
Снижение температуры мартенситного превращения позволяет в некоторых
марках высоколегированной стали в результате закалки получить структуру
аустенита. Так, например, при содержании приблизительно 5% Мп (рис. 11)
температура мартенситного превращения снижается до нуля и при закалке в
структуре стали фиксируется аустенит. Учитывая, что марганец одновременно
увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно, сни-
жает критическую скорость охлаждения, получение аустенитной структуры
возможно и при охлаждении на воздухе. Такие стали называются аустенит-
ными.
Рис. 12. Зависимость твердости закаленной легирован-
ной стали с различным содержанием никеля (а) и хро-
ма (б) от температуры отпуска
Температура отпуска
Рис. 13. Зависимость ударной
вязкости легированной стали от
температуры отпуска и скорости
охлаждения
Легирующие элементы оказывают значительное влияние на превращения в
стали при отпуске.
Отпуск закаленной на мартенсит легированной стали характеризуется мед-
ленным снижением прочности и твердости по сравнению с простой углеродис-
той сталью. Следовательно, легированная сталь обладает обычно большей
прочностью и твердостью, чем углеродистая сталь, отпущенная при тех же
температурах (рис. 12).
Если в сталях содержится большое количество карбидообразующих эле-
ментов, то отпуск стали сопровождается отчетливым повышением твердости
при температурах примерно 500—600° С. Это явление называется вторичной
твердостью.
При отпуске легированной стали можно наблюдать также явление так на-
зываемой отпускной хрупкости. Различают две зоны отпускной хрупкости:
первая зона наблюдается в интервале температур 260—325° С, вторая при тем-
пературе 450—550° С (рис. 13).
Такие элементы, как никель, хром и марганец, способствуют появлению вто-
рой зоны отпускной хрупкости, а небольшие количества молибдена или вольф-
рама препятствуют ее возникновению.
Легированная сталь имеет ряд недостатков. К ним относятся флокены, ши-
ферный излом, карбидная ликвация и т. д.
Наиболее опасным дефектом легированной стали являются флокены. Они
встречаются в прокате и поковках никелевой, хромоникелевой и хромомолиб-
деновой стали и представляют собой мельчайшие внутренние трещины. Флоке-
ны наблюдаются в изломе стали в виде светлых округлых пятен серебристо-
белого цвета, напоминающих хлопья снега. На макрошлифах стали, поражен-
ной флокенами, после травления появляются тонкие, нитевидные трещины.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 23
Образование флокенов можно предотвратить медленным охлаждением,
особенно в интервале температур 250—100° С или изотермическим отжигом
в интервале 550—650° С. Сталь, в которой флокены уже образовались, можно
исправить, прокаткой на мелкие профили или сильной уковкой, так как при
энергичной деформации флокены завариваются [199].
Шиферный (слоистый) излом получил свое название по аналогии с изло-
мом шифера или сланца, разрушающихся по слоям. Шиферный излом связан
с ликвацией легирующих элементов, а также серы, фосфора и газа и свиде-
тельствует о низком качестве стали. Сталь, имеющая шиферный излом, отли-
чается пониженными механическими свойствами. Особенно снижается ударная
вязкость стали поперек волокна.
В некоторых марках высокоуглеродистой легированной стали в ряде слу-
чаев наблюдается так называемая карбидная ликвация — местные скопления
карбидов.
Карбидная ликвация недопустима в высокоуглеродистой хромистой стали,
применяемой для изготовления деталей подшипников. Карбидные скопления
выкрашиваются на поверхности, что приводит к быстрому разрушению де-
талей.
5. КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ
Конструкционная сталь применяется для изготовления деталей машин, ме-
ханизмов и металлических сооружений.
По химическому составу конструкционная сталь делится на углеродистую,
низколегированную и легированную. В зависимости от способа производства
она делится на сталь обыкновенного качества, качественную и высококачест-
венную.
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества
В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик углеродистая
горячекатаная сталь обыкновенного качества подразделяется на три группы:
группа А — сталь, поставляемая по механическим свойствам;
группа Б -т- сталь, поставляемая по химическому составу;
группа В — сталь, поставляемая по механическим свойствам и с отдельны-
ми требованиями по химическому составу.
Общие технические требования, предъявляемые к стали обыкновенного ка-
чества, распространяются на сортовую, фасонную, листовую и широкополос-
ную (универсальную) горячекатаную сталь. Нормы химического состава рас-
пространяются также на слитки, блюмсы, слябы, заготовки, поковки, штампов-
ки, трубы, ленты и проволоку.
Сталь групп А и Б изготовляют мартеновским, конверторным и бессеме-
ровским способами. Сталь группы В — мартеновским и конверторным спо-
собами.
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества выплавля-
ются различных марок в зависимости от группы, к которой принадлежит дан-
ная плавка стали, способа выплавки, назначения и гарантируемых свойств.
Условное обозначение марок стали производится по буквенно-цифровой
системе. Буквы Ст. означают слово «сталь», цифры за буквами Ст. от 0 до 7 —
условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава ста-
ли и механических свойств. Например, Ст.0, Ст.1, Ст.2, Ст.З и др.
Способ выплавки стали обозначается буквами «М» (мартеновская), «К»
(конверторная) и «Б» (бессемеровская). Буквы «М», «К» и «Б» добавляются
перед обозначением марок стали групп Б и В.
Например, МСт.З, КСт.З, БСт.З и др., причем к обозначению марок стали
группы В добавляется впереди дополнительно буква В.
24 сталь
Например, ВМСт.2, ВКСт.2, ВКСт.З и др.
В обозначении марок стали группы А способ выплавки не указывается.
При необходимости способ выплавки в документации обозначается словами
после марки стали.
Например, Ст.З мартеновская, Ст.5 конверторная, Ст.4 бессемеровская
и др.
Для обозначения степени раскисления стали к обозначению марки добав-
ляются в конце индексы «кп» (кипящая), «пс» (полуспокойная) и «сп» (спо-
койная).
Например Ст.2кп, Ст.2сп, МС2пс, КСт.2пс, ВМСт.2кп, ВКСт.2сп и др.
В зависимости от группы углеродистую сталь обыкновенного качества из-
готовляют следующих марок:
Группы А — Ст.О, Ст.1, Ст.2, Ст.З, Ст.4, Ст.5, Ст.6 и Ст.7.
Группы Б — МСт.О, МСт.1, МСт.2, МСт.З, МСт.4, МСт.5, МСт.6, МСт.7,
КСт.О, КСт.1, КСт.2, КСт.З, КСт.4, КСт.5, КСт.6, КСт.7, БСт.О, БСт.З, БСт.4,
БСт.5, БСт.6.
Группы В —ВМСт.2, ВМСт.З, ВМСт.4, ВМСт.5, ВКСт.2, ВКСт.З, ВКСт.4,
ВКСт.5.
Марки стали всех групп с порядковыми номерами 1, 2, 3, 4, (Ст.1, Ст.2,
Ст.З, Ст.4, МСт.1, МСт.2, МСт.З, МСт.4, КСт.1, ВКСт.2, ВКСт.З, ВКСт.4 и др.)
изготовляют кипящей, полуспокойной и спокойной, а марки с порядковыми
Таблица 9
Необходимые механические свойства стали группы А после горячей прокатки (ГОСТ 380-60}
Марки стали сгт по разрядам толщин проката в кГ/мм2 не менее в кГ/мм2 8 в % не менее
1 2 3 при временном сопротивлении в кГ/мм2 не менее $10 $5
Ст. 0 — — — Не менее 3 2 Не менее 32 , 18 22
Ст. 1кп, Ст. 1пс, 32—40 3 2—40 28 33
Ст. 1 сп
Ст. 2кп, Ст. 2пс, 22 20 19 34—42 34—42 26 31
Ст. 2 сп
Ст. Зкп , 24 22 21 38—40 23 27
38—47 41—43 22 26
Ст. Зпс, Ст. Зсп 24 23 22 44—47 21 25
Ст. 4кп, Ст. 4 пс 26 25 24 42—44 21 25 <
Ст. 4сп 42—52 45-48 20 24
49-52 19 23
Ст. 5пс, Ст. 5сп 28 27 26 50—53 17 21
50—62 54-57 16 20
58—62 15 19
Ст. бпс, Ст. 6 сп 31 30 30 60—72 60—63 13 16
64—67 1 2 15
68—72 1 1 14
Ст. 7пс, Ст. 7сп 7 0 и более 7'0—7 4 9 1 1
75 и более 8 10
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 25
номерами 5, 6, 7 (Ст.5, Ст.6, Ст.7, ВМСт.5, МСт.6, МСт.7 и др.) полуспокой-
ной и спокойной.
Для стали группы А механические свойства должны соответствовать нор-
мам, приведенным в табл. 9.
Гарантируемыми характеристиками механических свойств для стали груп-
пы А являются временное сопротивление и относительное удлинение, опреде-
ляемые при испытании на растяжение.
Разряды толщин проката, указанные в табл. 9, устанавливаются:
1-й разряд — сталь сортовая толщиной до 40 лш, сталь фасонная толщиной
до 15 мм, сталь листовая и широкополосная толщиной 4—20 мм.
2-й разряд — сталь сортовая толщиной 40—100 мм, сталь фасонная толщи-
ной ’15—20 мм, сталь листовая и широкополосная толщиной 20—40 мм.
3-й разряд — сталь сортовая толщиной 100—250 мм, сталь фасон-
ная толщиной более 20 мм, сталь листовая и широкополосная толщиной
40—60 мм.
Помимо механических свойств, указанных в табл. 9, сталь группы А долж-
на также гарантировать удовлетворительные результаты испытания на загиб
в холодном состоянии (табл. 10).
Таблица 10
Условия испытаний на загиб в холодном состоянии
Марка стали Условия испытания
Ст, 1кп, Ст. 1пс, Ст. 1сп Ст, 2кп, Ст. 2пс, Ст. 2сп На 180° до соприкосновения сторон (d = 0)
Ст. Зкп, Ст Зпс, Ст. Зсп На 180° вокруг оправки диаметром, равным половине тол- щины образца (d = 0,5а)
Ст. 0, Ст. 4кп, Ст. 4пс, Ст. 4сп На 180° вокруг оправки диаметром, равным двойной тол- щине образца (d — 2а)
Ст. 5пс, Ст. 5сп На 180° вокруг оправки диаметром, равным тройной тол- щине образца (d = За)
Испытание проводится для определения способности металла принимать за-
данный по размерам и форме загиб.
Для. проведения испытания изготовляют специальные плоские образцы,
размеры которых устанавливают в зависимости от рода материала. Образцы
вырезают в холодном состоянии, как правило, без обработки поверхностного
слоя; острые ребра их немного спиливают. При этом на средней части образ-
цов не допускаются никакие метки, нанесенные зубилом или штампом, а так-
же следы от ударов молотком.
Загиб образцов производится в холодном состоянии при помощи плавного
давления (рис. 14, а). При этом различают следующие виды испытания:
загиб до определенного угла (рис. 14, б);
загиб вокруг оправки до параллельности сторон (рис. 14, в);
загиб до полного соприкосновения сторон (рис. 14, г).
Толщина оправки d должна соответствовать указанным в таблице техни-
ческим условиям и берется в зависимости от толщины испытуемого листа а.
Длина должна превышать ширину образца. Расстояние между опорными
роликами берется равным d + 2,1 а с округлением до 1 мм в большую
сторону.
'26 СТАЛЬ
Для проведения испытания на загиб применяют прессы, специальные маши-
ны, тиски с закругленными губками и т. п., причем обязательным условием
при испытаниях является плавность нарастания усилия на образец.
Образец считается выдержавшим испытание, если после загиба в нем от-
сутствуют трещины, надрывы, расслоения или изломы.
Химический состав стали, поставляемой по группе А, указывается в серти-
фикате, но браковочным признаком не является. По требованию заказчика
предельное содержание фосфора, серы и углерода гарантируется в соответ-
ствии с нормами, указанными в табл. 11. По требованию потребителя для ста-
Таблица 11
Химический состав углеродистой горячекатаной стали обыкновенного качества
Содержание элементов в %
Марка стали С Мп Si
в кипящей стали в полуспо- койной стали в спокойной стали
Мартеновская и конверторная сталь
МСт. 0, КСт. 0 МСт. 1, КСт. 1 Не более 0,23 0,06—0, 12 0,25—0,50 Не более 0,05 0,05—0, 15 0,12—0,30
МСт. 2, КСт. 2 0,09—0,15 0,25-0,50 » » 0,07 0,05—0,15 0, 12—0,30
МСт. Зкп. 0,14—0,22 0,30-0,60 » » 0,07 —— —
КСт. Зкп МСт. Зпс. 0, 14—0,22 0,40-0,65 0,05—0,15
КСт. Зпс МСт. Зсп. 0, 14—0,22 0,40-0,65 0, 12—0,30
КСт. Зсп МСт. 4, КСт. 4 0,18—0,27 0,40—0,70 Не более 0,07 0,05—0, 15 0 , 1 2—0,3 0
МСт. 5, КСт. 5 0,28—0,37 0,50—0,80 — 0,05-0, 15 0,15—0,35
МСт. 6, КСт. 6 0,38—0,49 0,50—0,80 —— 0,05—0, 15 0,15—0,35
МСт. 7, КСт. 7 0,50—0,62 0,50—0,80 — 0,05—0, 15 0,15—0,35
Бессемеровская сталь
БСт. 0 Не более 0,14 — — — —
БСт. 3 » » 0,12 0,25—0,55 Не более 0,07 0,05—0,15 0,12—0,35
БСт. 4 0, 12—0,20 0,35-0,55 » » 0,07 0,05—0,15 0, 12—0,35
БСт. 5 0,17—0,30 0,50—0,80 — 0,05—0, 15 0,12—0,35
БСт. 6 0,26—0,40 0,60—0,90 — 0,05—0, 15 0, 12—0,35
Примечания: 1. Для мартеновской и конверторной стали марок МСт. О и КСт. О
Р<0,07%; S < 0,06%; для всех остальных марок этих сталей Р < 0,045%; S<0,055%.
2. Для бессемеровской стали марки БСт. 0 Р<0,09%; S< 0,07%; для остальных
марок этих сталей Р < 0,08 и S < 0,06%.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 27
.ли группы А гарантируются удовлетворительные результаты на загиб в холод-
ном состоянии, в соответствии с нормами, указанными в табл. 10, и ударная
вязкость при нормальной температуре (+20° С) для проката толщиной от 10
до 25 мм по нормам табл. 12.
Таблица 12
ЯНормы ударной вязкости углеродистой горячекатаной стали обыкновенного качества
Марка стали Вид проката Расположение образца Ударная вязкость ан в кГм/см2 не менее
Ст. Зпс, ВМСт. Зпс, ВКСт. Зпс, Ст. Зпс, ВМСт. Зсп, ВЦСт. Зсп Лист Поперек прокатки 7
Широкополосная сталь Вдоль прокатки 8
Фасонный и сортовой прокат Вдоль прокатки 10
Ст. 4пс. ВМСт. 4пс, ВКСт. 4пс, Ст. 4сп, ВМСт. 4сп, ВКСт. 4 сп Лист Поперек прокатки 6
Фасонный и сортовой прокат Вдоль прокатки 8
Для стали группы Б гарантируемая характеристика — химический состав,
который должен соответствовать нормам табл. 11.
Для стали группы В гарантируемые характеристики — химический состав
л механические свойства. По требованию потребителя сталь марок ВМСт.Зсп,
ВКСт.Зсп, ВМСт.Зпс, ВКСт.Зпс поставляется с гарантированной ударной вяз-
костью при температуре —20° С и после механического старения. Ударная
^вязкость при температуре —20° С, а также после механического старения для
листовой стали этих марок толщиной 10—26 мм должна быть не менее
3 кГ-м/см2.
Углеродистые стали обыкновенного качества по требованию заказчика мо-
тут поставляться в термически обработанном виде.
В частности, в промышленности нашла применение термически обработан-
ная углеродистая толстолистовая и широкополосная конструкционная сталь
марки МСт.Т (табл. 13).
Таблица 13
Химический состав стали марки МСт.Т
Содержание элементов в %
С Мп Si S 1 р
в кипящей в полуспокойной в спокойной Не более
0,09—0,22 0,30—0,50 Следы До 0,17 0, 12—0,30 0,055 0,045
В зависимости от способа раскисления в условном обозначении марки ста-
щи дополнительно указывается для кипящей стали индекс «кп» и для полу-
•спокойной индекс «пс».
Сталь марки МСт.Т подвергается закалке или закалке с последующим от-
пуском (улучшению).
28 сталь
Механические свойства термически обработанной стали МСт.Т и условия
испытания на загиб должны соответствовать нормам, указанным в табл. 14.
Таблица 14-
Механические свойства стали МСт.Т и условия испытания на загиб
Толщина лис- тов и полос в мм Механические свойства • Испытания на загиб В ХОЛОДНОМ СОСТОЯНИИ! на 180°
<JQ в кГ/мм2 в кГ/мм2, не менее I Ss В %
6-25 25—40 44,0 30,0 22,0 d = 2а d = За
По требованию заказчика в стали МСт.Т определяется ударная вязкость
при температуре 20 и —40° С.
Значение ударной вязкости на поперечных образцах для обоих видов испы-
таний должно быть не менее 3,5 кГ • м!см2.
Горячекатаная углеродистая сталь обыкновенного качества находит ши-
рокое применение в нефтяной, нефтехимической и газовой промышлен-
ности [198].
Сталь марки Ст.1 применяется в нефтяном машиностроении для изготовле-
ния неответственных деталей: простые стойки и опоры, шайбы, прокладки, ра-
мы и т. д.
Сталь марки Ст.2 применяется для изготовления различного рода фланцев,,
заклепок, анкерных болтов и т. д.
Широко распространена сталь марки Ст.З. Из стали этой марки можно из-
готовлять такие сварные и штампованные изделия, как рамы, каркасы, салаз-
ки тяжелого нефтепромыслового оборудования, основания (блоки), детали
буровых и эксплуатационных вышек и мачт, тормозные ленты, шкивы, кулач-
ковые соединительные муфты буровых установок, ключи, заглушки, крышки
грязевых насосов, стойки, кронштейны, корпуса редукторов, станины буровых
установок и т. д.
Из стали марки Ст.4 изготовляют вкладыши установок разведочного бу-
рения, крюки, тяги, серьги, шатуны, клинья и т. д.
Из стали марок Ст.5 и Ст.6 изготовляют многие детали нефтепромыслового
оборудования. Так, из стали марки Ст.5 изготовляют кожухи глубинных на-
сосов, корпусы нажимных и промежуточных дисков соединительных муфт бу-
ровых установок, пальцы, втулки, плашки зажимов и т. д.
Из стали марки Ст.6 изготовляют детали, требующие более высокой проч-
ности, например: промежуточные валы, штропы, ролики в передвижных агре-
гатах, скалки насосов, втулки, штифты, упорные винты и т. д.
Листовой и сортовой прокат углеродистых сталей обыкновенного качества
широко применяется для изготовления оборудования и аппаратуры нефтепере-
рабатывающих и нефтехимических заводов [88].
Необходимо учесть, что большинство аппаратов изготовляются сварными.
Поэтому сталь обыкновенного качества должна обладать хорошей сваривае-
мостью.
Поставка стали для изготовления сварной аппаратуры и сварных кон-
струкций оговаривается в заказе. В этом случае, в соответствии с требования-
ми ГОСТа 380-60, технологический процесс производства стали строится таким
образом, чтобы гарантировать хорошую свариваемость этих сталей.
Кроме того, следует помнить, что оборудование и аппаратура нефтепере-
рабатывающих и нефтехимических заводов, в целом ряде случаев, работает
при давлениях, подвергаясь воздействию как высоких, так и низких темпера-
тур, а температура является одним из основных факторов, влияющих на меха-
нические свойства стали. Поэтому весьма важно знать, как и в какой мере,.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 29
изменяются механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества
в зависимости от температуры.
Как известно, значительное повышение температуры ведет к резкому пони-
жению характеристик прочности стали. Пластические свойства стали при этом,
наоборот, повышаются.
0)
г)
Рис. 15. Зависимость механических свойств горячекатаной углеродистой
стали обыкновенного качества марки Ст. 1 — Ст. 6 от температуры испытания:
а — предел текучести; б — предел прочности; в — относительное уд-
линение; г — относительное сужение
На рис. 15 приведены кривые изменения предела текучести, предела проч-
ности, относительного удлинения и относительного сужения различных марок
горячекатаной углеродистой стали обыкновенного качества в зависимости от
температуры испытания [941.
30 СТАЛЬ
Как видно из рис. 15, а при повышении температуры до 200° С заметного
изменения предела текучести сталей марок Ст.1—Ст.6 не ^наблюдается; начи-
ная с этой температуры величина предела текучести резко падает. Предел
прочности этих же сталей (рис. 15, б) вначале повышается, при 200—300° С
достигает максимума и с дальнейшим повышением температуры — пони-
жается.
Относительное удлинение и сужение с повышением температуры испытания
при 200°С доходят до минимума, а затем увеличиваются (рис. 15, в и 15, г).
Особенно интересна область испытания при температурах около 300° С. При
Рис. 16. Зависимость механических
свойств горячекатаной углероди-
стой стали обыкновенного каче-
этих температурах сталь приобретает так
называемую синеломкость. С явлением си-
неломкости стали часто приходится сталки-
ваться на практике. Синеломкость стали ха-
рактеризуется увеличением предела прочно-
сти и снижением пластических свойств. Кро-
ме того, деформация металла при темпера-
туре синеломкости приводит к снижению
его пластических свойств и при комнатной
температуре. Поэтому при изготовлении ап-
паратуры (при ковке, гибке и отбортовке}
необходимо избегать деформирования стали
в интервале температур синеломкости.
Приведенные на рис. 16 кривые, состав-
ленные по средним значениям для рассмот-
ренных углеродистых сталей, показывают
изменение механических свойств в процен-
тах от исходного состояния и в зависимости
от температуры [94].
Как видно, предел прочности до 200—
300° С повышается на 15%. Дальнейшее
ства от температуры
увеличение температуры на каждые 100° С
снижает предел прочности примерно на 20%.
Аналогичная картина наблюдается для предела текучести. В этом случае при
температуре 200° С наблюдается незначительное повышение предела текучести.
Повышение температуры до 300° С приводит к значительному снижению преде-
ла текучести. Дальнейшее увеличение температуры на каждые 100° С снижает
предел текучести примерно на 15%. Относительное удлинение при нагреве до-
2000 С снижается на 50% от исходного, а затем дальнейшее повышение темпе-
ратуры на каждые 100° С нагрева приводит к увеличению относительного удли-
нения в среднем на 25%.
Таким образом механиче-
ские свойства углеродистых
сталей обыкновенного каче-
ства существенным образом
изменяются при повышении
температуры, что ограничи-
вает их применение для из-
Рис. 17. Зависимость допускаемых напряжений при
растяжении для углеродистой стали марки Ст.З
от температуры
готовления нагруженных де-
талей оборудования и аппа-
ратуры, работающих при по-
вышенных температурах.
При определении темпе-
ратурных границ применения
ми зависимости допускаемых
этих сталей можно руководствоваться графика-
напряжений от температуры. В качестве приме-
ра на рис. 17 показано влияние температуры на величину допускаемых напря-
жений при растяжении для стали марки Ст.З [73].
При использовании углеродистых сталей в нефтяной, нефтехимической и
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 31
газовой промышленности необходимо учитывать также влияние температуры
на ударную вязкость стали.
Ударная вязкость стали имеет большое значение при оценке склонности
стали к хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение сталей при испытании,
ударной вязкости можно получить, понижая температуру испытаний, изменяя
форму надреза или увеличивая скорость испытания. Наибольшее практическое-
значение имеют испытания на удар образцов при отрицательных температурах.
Рис. 18. Зависимость ударной вязкости углеродистой стали обыкновен-
ного качества марок Ст. 1 — Ст.6 от температуры испытаний [17]
позволяют установить
порог хладноломкости — температуру,,
вязкого к хрупкому разрушению.
тем-
про-
Рис. 19. Зависимость ударной вязкости от
пературы испытаний стали Ст.З и способа
изводства стали
ВЯЗКОСТИ.
ВЯЗКОСТИ
Такие испытания
соответствующую переходу металла от
На рис. 18 показано влияние температуры испытания на ударную вязкость
углеродистой стали обыкновенного качества различных марок (Ст.1—Ст.6)..
По мере повышения содержа-
ния углерода в стали порог
хладноломкости смещается в
сторону низких температур. Не-
обходимо отметить, что при по-
вышенных температурах на кри-
вых «ударная вязкость — тем-
пература», имеется вторая об-
ласть пониженной
Снижение ударной
для всех марок углеродистой
стали обыкновенного качества
наблюдается при температуре
500—550° С.
Влияние температуры испы-
таний на ударную вязкость в
значительной степени опреде-
ляется способом производства
стали.
На рис. 19 приведены кри-
вые «ударная вязкость — тем-
пература» для кипящей стали марки Ст.З мартеновского, конверторного и бес-
семеровского производства [94].
Сталь мартеновского производства имеет наиболее плавную кривую пере-
хода из вязкого в хрупкое состояние. Хрупкое состояние для этой стали.
32 СТАЛЬ
наблюдается примерно при —20°. Хрупкое состояние для бессемеровской стали
наступает при —10° С. Что же касается стали конверторного производства, то
для нее при 0°С уже происходит резкое падение кривой ударной вязкости и
наблюдается переход из вязкого в хрупкое состояние.
Рассмотренные выше особенности механических свойств углеродистой стали
обыкновенного качества и, прежде всего, влияние на эти свойства температуры,
должны учитываться при назначении марки стали для изготовления деталей
оборудования и аппаратуры нефтеперерабатывающих и нефтехимических
заводов. Как правило, температура рабочей среды для оборудования, изготов-
ленного из углеродистой стали обыкновенного качества должна быть в преде-
лах от —40 до +450° С, даже при сравнительно низких напряжениях. Это
ограничение прежде всего относится к печным трубам и листовому прокату,
применяемому для изготовления паровых котлов и сосудов, работающих
с внутренним давлением.
При ударных нагрузках нижний температурный предел рекомендуется не
ниже —25° С [73].
Для аппаратуры, работающей под высоким давлением, при температуре
выше 450° С, например, трубопроводов, реакционных камер, арматуры, фитин-
гов и др. необходимо применение специальных жаропрочных легированных
сталей (см. раздел 6, Высоколегированная сталь, применяемая для изготовле-
ния нефтезаводской и нефтехимической аппаратуры).
Ниже приводятся некоторые примеры применения углеродистой стали обык-
новенного качества для изготовления аппаратуры и оборудования нефтеза-
водов.
Листовой и сортовой прокат стали марок Ст.1 и Ст.2 применяется для из-
готовления небольших баков под налив, прямоугольных резервуаров погруж-
ных конденсаторов-холодильников, опор небольших вертикальных аппаратов,
труб, балок, уголков и другого фасонного проката, предназначенного для из-
готовления сосудов и их элементов и пр., работающих при давлении среды
не более <16 кГ1см2 и рабочей температуре стенки от —15 до +200° С.
Стали марок Ст.Зкп и Ст.4кп применяются при давлениях до 50 кГ/см2
п рабочей температуре от —30 до +200° С, а стали марок Ст.З и Ст.4 при
температуре от —30 до +400° С. Из этих сталей изготовляют детали неогневой
аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов: реакционные камеры, эвапора-
торы, Газосепараторы, корпусы теплообменников и т. д. Сталь марки Ст.4
используется также для изготовления малонагруженных крепежных деталей
л для отдельных деталей насосов, компрессоров, решеток теплообменников
жесткой конструкции и пр.
Сталь марки Ст.5 применяется для изготовления сосудов, работающих при
давлении не более 50 кГ/см2 и температуре стенки от —30 до +400° С, запор-
ных элементов арматуры, работающей при температуре до 300° С в некоррози-
онной среде, для крепежных деталей при температуре не выше 350° С, решеток
теплообменников, предназначенных для работы с некоррозионной нефтью и ее
продуктами. Из. стали марки Ст.7 изготовляют пружины для клапанов насосов
и других машин, работающих при температуре до 150—200° С в некоррозион-
ной среде, пружинные и кулачковые шайбы.
В различных отраслях техники конструкционная углеродистая сталь обык-
новенного качества имеет специальное назначение. Так, мартеновская сталь
марок МСт.2 и МСт.З с содержанием фосфора и серы не более 0,05% (каждо-
го элемента) применяется для изготовления заклепок. Заклепочная сталь этих
марок испытывается на осадку в горячем (до 7з высоты образца) и в холодном
состоянии (до 0,4 высоты образца для стали МСт.2 и до 0,5 — для стали
МСт.З). Кроме этого, производится технологическое испытание этой стали на
образование головки и расплющивание в холодном состоянии до диаметра,
равного 2,5 диаметра прутка.
Стали обыкновенного качества широко применяются для изготовления
ферм и других решетчатых, а также сплошных конструкций.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 33
Углеродистая конструкционная качественная сталь
Конструкционная углеродистая качественная сталь выпускается с нормаль-
ным или повышенным содержанием марганца.
В зависимости от содержания углерода эта сталь условно маркируется
цифрами: 110, 115, 25, 30 и т. д. Двузначные цифры указывают на среднее со-
держание углерода в сотых долях процентов. Например, сталь марки 10 со-
держит в среднем 0,10% углерода. Сталь марки 25—0,25% углерода и т. д.
Буква «Г» в маркировке стали обозначает повышенное содержание марган-
ца. Сталь выплавляется в основных конверторах с продувкой кислородом
сверху, в мартеновских и электрических печах. В зависимости от степени рас-
кисления сталь выплавляется спокойная, полуспокойная («пс») и кипящая
(«кп»).
Химический состав различных марок качественной углеродистой конструк-
ционной стали приведен в табл. 15.
В табл. 16 приведены механические свойства стали в нормализованном со-
стоянии.
Таблица 15
Химический состав качественной углеродистой конструкционной стали (ГОСТ 1050-60)
Марка стали Содержание элементов в % (при S не более 0,04 и Ni не более 0,25) С | Мп | Si | Сг (не более)
I. Группа стали с нормальным содержанием марганца
05кп* 08кп 08* 1 Окп 10* 1 5кп 15 20 кп 20 25 30 35 40 45 50 <0,06 0,05—0, 1 1 0,05—0,12 0,07—0,14 0,07—0, 14 0,12—0, 19 0,12—0, 19 0, 17—0,24 0, 17—0,24 0,22—0,30 0,27—0,35 0,32—0,40 0,37—0,45 0,42—0,50 0,47—0,55 <0,40 0,25—0,50 0,35—0,65 0,25—0,50 0,35—0,65 0,25—0,50 0,35—0,65 0,25—0,50 0,35—0,65 <0,03 <0,03 0,17—0,37 <0.07 0, 17—0,37 <0,07 0,17—0,37 <0,07 0,10 0,10 0,10 0,15 0,15 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
55 60 65 70 75 80 85 0,52—0,60 0,57—0,65 0,62—0,70 0,67-0,75 0,72—0,80 0,77—0,85 0,82—0,90 1 > 0,50—0,80 1 0, 17—0,37 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
II, Группа стали с повышенным содержанием марганца
15Г 0, 12—0, 18
20Г 0, 17—0,24
25Г 0,22—0,30
ЗОГ 0,27—0,35
35Г 0,32—0,40
40Г 0,37—0,45
45Г 0,42—0,50
50Г 0,48—0,56
60Г 0,57—0,65
6 5Г 0,62—0,70
70Г 0.67—0,75
0,70—1 , 00
0, 17—0,37
• 0,25
* Для указанных марок сталей содержание Р < 0,035%, для всех остальных марок Р <
0,04%.
3 Заказ 664
34 СТАЛЬ
Таблица 16
Механические свойства углеродистой конструкционной стали в нормализованном состоянии
(ГОСТ 1050-60)
сгт s6 ф (5 ip 1 ав 8° 1 ф
л _ в кГ/мм2 в % и > л w g О. Ч в кГ/мм2 в % д
СО KJ Sb (не менее) (не менее) с ье KJ л (не менее) (не менее) «С с se
Группа I 65 42 71 10 30
70 43 73 9 30
08 кп 1 8 30 35 60 — 75 90 11 0 । 7 30 —_
08 20 33 33 60 80 95 11 0 6 30
1 Окп 19 32 33 55 — 85 100 1 15 6 30
10 21 34 31 55 —
1 5кп 21 36 29 55 — Группа Ц
1 5 23 38 27 55 — 15Г 25 42 26 55
20кп 23 39 27 55 — 20Г 28 46 24 50
20 25 42 25 55 •— 25Г 30 50 22 50 9
25 28 46 23 50 9 ЗОГ 32 55 20 45 8
30 30 50 21 50 8 35Г 34 57 18 45 7
35 32 54 20 45 7 40Г 36 60 17 45 6
40 34 58 19 45 6 45Г 38 63 15 40 5
45 36 61 16 40 5 50Г 40 66 13 40 4
50 38 64 1 4 40 4 60Г 42 71 11 35
55 39 66 13 35 ' — 65Г 44 75 9 30
60 41 69 12 35 — 70Г 46 80 8 30 —
Примечания: 1. Сталь марок 75, 80 и 85 испытывается на образцах после закал-
ки и отпуска. Закалка — при 820° С с охлаждением в масле, отпуск при 480° С.
2. Образцы для испытания на ударную вязкость закаливаются с охлаждением в воде
(кроме стали марок 45Г и 50Г, которые охлаждаются в масле). Температура отпуска
после закалки 600° С.
3. Нормы механических свойств относятся к стали диаметром или толщиной до 80 мм.
Для размеров свыше 80 мм допускается снижение относительного удлинения на 2% ( аб-
солютных) и сужение поперечного сечения на 5% (абсолютных).
Малоуглеродистая сталь марок 0,5 0,8 и 10 характеризуется высокими плас-
тическими свойствами и применяется преимущественно для изготовления из-
делий холодной штамповкой, высадкой и волочением. Кипящая сталь этих
марок (марки 05кп, 08кп, Юкп) используется главным образом для изготовле-
ния листов, ленты, труб и проволоки.
Для повышения прочности и улучшения обрабатываемости низкоуглеродис-
тая сталь марок 05, 08 и 10 подвергается нормализации с температуры
930—950° С.
Сталь этих марок отличается очень хорошей свариваемостью.
Механические свойства стали марки 08 при низких и повышенных темпера-
турах приведены в табл. 17 и 18, а характеристики ползучести — табл. 19.
. Т а б л(и ц а 17
Механические свойства стали 08 при низких температурах [84]
Температура | °т 8 1 ф
испытания
в °C в кГ[мм2 в %
+ 17 37 23 35 75
— 196 73 72 4 4
—253 84 — 0 0
Примечание. Состав стали: 0,06% С; 0,60% Мп; 0,14% Si; 0,031% Р; 0.024% S.
Отжиг 800° С.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 35
Таблица 18
Механические свойства стали 08 при повышенных температурах [34, 210]
Температура (У гр 5 1 Ф а Е
испытания в ° в кГ/мм2 В % н в к Г • м/см2 в кГ!мм2
20 31,8 18,6 34,7 76,9 6,09 20 700
100 30,6 20,4 18,0 74,0 14,9 21 000
200 40,3 20,9 16,3 65,2 14,3 18 600
300 38,5 10,6 24,0 67,8 13,2 15 600'
400 28,0 9, 1 31,4 76,9 12, 1 14 400
450 24,3 8,5 33,0 77,6 9,24 13 600
500 20, 1 8,3 33,3 77,9 9,27 —
650 14,6 6, 1 41,3 85,2 8,26 —
700 10,8 4,8 48,5 90,1 9,70 —
Примечание. Состав стали:0,07% С; 0,27% Мп; 0,10% Si; 0,022%S; 0,019% Р.
Размер зерна—2. Сталь — после прокатки. Скорость деформирования при растяжении —
0,8 мм!мин.
Таблица 19
Характеристика ползучести стали 08
Скорость ползучести в mmJmm • ч впл в кГ/мм2 при температурах в °C
400 450 500 550
10“6 11,0 7,0 4,2 2,3
10“7 8,0 5,0 2,8 1.4
ю—8 2,35 1,83 — —
Примечание. Мартеновская сталь после нормализации должна иметь твердость
НВ 85—90.
Сталь марок 15, 20 и 25 применяется для изготовления деталей, требующих
большой вязкости и не подвергающихся при эксплуатации высоким напряже-
ниям. В частности, эта сталь применяется для изготовления неогневой аппа-
ратуры нефтеперерабатывающих заводов: реакционных камер, эвапораторов,
ректификационных колонн, газосепараторов, корпусов теплообменников и дру-
гих сосудов, а также для приварных фланцев. В нефтяном машиностроении из
стали этих марок изготовляют сердечники поршней грязевых насосов, сухари
кованых бурильных ключей, оси, соединительные муфты, пальцы крейцкопфов
и шестерни привода масляного насоса компрессоров, различные болты, гайки,
винты, шпильки, вилки, рычаги, шайбы и т. д.
Механические свойства стали 20 в нормализованном состоянии при различ-
ных температурах испытания приведены в табл. 20.
Для повышения поверхностной твердости и, следовательно, увеличения
стойкости против износа детали, изготовленные из стали марок 15, 20 и 25, в
ряде случаев подвергаются цементации или цианированию (например, паль-
цы крейцкопфов, шестерни, оси).
Цементация производится при температуре 910—930° С; цементованные
изделия закаливаются с температуры 780—800° С в воде и отпускаются при
150—.180° С. Цианируют, как правило, в ваннах из расплавленных солей, со-
держащих 20—25% цианистого натрия, при температуре 820—850° С в течение
20—40 мин. При таком режиме цианирования можно получить цианированный
слой глубиной 0,2—0,3 мм. После цианирования и закалки с отпуском при
150—180° С изделия имеют твердость на поверхности HRC 62—64.
3*
36 СТАЛЬ
Таблица 20
Механические свойства стали 20 в нормализованном состоянии
25
19
40
50
20
5 ф
(5пл в кГ/мм2 при
удлинении за
1000 чв %
0,01 0,1 1,0
55 5 — — —
56 — — - —
64 — — — —
70 6 9,5 13,0 —
80 4 1,3 2,3 4,2
— 9 - - —
— 2,5 — — —
— 1,09 — — —
Вместо стали марок 15, 20 и 25 для изготовления ответственных деталей
нефтепромыслового и нефтезаводского оборудования может быть рекомендо-
вана сталь с повышенным содержанием марганца: 15Г и 20Г. Эта сталь по
сравнению со сталями с нормальным содержанием марганца обладает боль-
шей прочностью при сохранении высоких пластических свойств.
Механические свойства стали марки 20Г в нормализованном состоянии при
различных температурах испытания приведены в табл. 21.
Таблица 21
При цементации деталей из стали с повышенным содержанием марганца
образуется более однородный цементованный слой, а после закалки такие де-
тали имеют высокую и равномерную поверхностную твердость. Сталь с повы-
шенным содержанием марганца цементуют при температуре 900—920° С. После
цементации детали следует подвергнуть промежуточной термической обработ-
ке— закалке в масле или нормализации с температуры 820—840° С — для
улучшения цементованной сердцевины. Окончательная закалка производится
с температуры 780—800° С. Крупные изделия при закалке охлаждаются в воде
или через воду и масло, а мелкие — в масле. Отпуск производится при темпе-
ратуре 180—200° С.
В нефтедобывающей и нефтехимической промышленности помимо рассмот-
ренных выше сталей марок 15, 20, 15Г и 20 Г применяются стали марок 15К
и 20К для изготовления деталей и частей паровых котлов и сосудов, работа-
ющих под давлением (табл. 22). Эти стали поставляются в виде горячеката-
ных листов толщиной от 4 до 60 мм.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 37
Таблица 22
Химический состав сталей 15К и 20К (ГОСТ 5520—62)
Марка стали Содержание элементов в %
С Мп Si S 1 р
не (. 5олее
15К 0,12-0,20 0,35—0,65 0, 15—0,30 0,045 0,040
20К 0, 16—0,24 0,35—0,65 0, 15—0,30 0,045 0,040
По механическим свойствам листы стали марок 15К и 20К в состоянии по-
ставки должны соответствовать нормам, указанным в табл. 23.
Таблица 23
Механические свойства сталей 15К и 20К в состоянии поставки
Марка стали « «О Ъ от в кГ/мм2 не менее Относительное удлинение в % не менее ан в кГ'М/см2 при 20° С не менее Загиб в холодном состоянии на 180° при толщине листа
Группа толщины при аб в кГ/мм2 $5 $10 Группа толщины
I II III I II III до 30 мм свыше 30 мм
15Ц 38 23 22 21 38—40 41—42 >43 27 26 25 23 22 21 8,0 7,0 7,5 6,5 7,0 6,0 d = 0,5 а d = 1 ,5а
20К 41 25 24 23 41—42 43—44 45-47 >48 26 25 24 23 22 21 20 19 7,0 6,0 6,5 5,5 6,0 5,0 d= 1,5а о? = 2,5а
Примечание. Группы толщин, в соответствии с ГОСТом 1520—62, устанавливаются;
группа I — толщина листов от 4 до 20 мм;
группа II — толщина листов от 21 до 4 0 мм;
группа III — толщина листов от 41 до 60 мм.
Назначения и условия применения стали марок 15К и 20К регламентиру-
ются правилами, устанавливаемыми органами надзора.
В частности, листовая сталь этих марок применяется для изготовления
элементов котлов с рабочим давлением 60 атм при температуре стенки не выше
450° С, а также для изготовления сосудов и их элементов, обечаек цилиндров,
днищ, крышек, трубных решеток, фланцев и т. д., работающих под давлением.
Для изготовления сосудов, работающих при отрицательных температурах,
разрешается применение сталей 15К и 20К при условии проведения испыта-
ний основного металла и сварных соединений сосудов на ударную вязкость
при рабочих температурах. Испытания считаются удовлетворительными, если
ни один из образцов не дал результатов менее 2 кГ-м/см2 [73].
Сталь марок 30 и 35 применяется для изготовления штропов для вертлю-
гов, крюков и элеваторов, подъемных крюков, осей, талевых блоков и крон-
блоков, лопастей глиномешалок, фланцев, валиков, установочных колец, грунд-
букс вертлюгов, деталей буровых лебедок и т. д.
38 СТАЛЬ
Сталь этих марок рекомендуется также для изготовления некоторых дета-
лей оборудования нефтеперерабатывающих заводов: шатунных болтов, валов
паровых частей насосов, поршневых штоков, валов центробежных насосов,
болтов, запорных элементов арматуры, работающей при температуре до 300° С
в некоррозионной среде, решеток теплообменников с плавающей головкой,
предназначенных для работы с некоррозионной нефтью и ее продуктами, кре-
пежных деталей, работающих при температуре 375° С [88, 32].
Сталь марок 30 и 35 применяется в нормализованном состоянии для изго-
товления деталей, испытывающих сравнительно небольшие напряжения (грунд-
Рис. 20. Зависимость механических свойств стали марок 30 (а) и 35 (б)
от температуры отпуска, °C. Закалка с 860° С в воде [2]
буксы вертлюгов, крюки, фланцы, установочные кольца и т. д.), а также после
закалки и высокого отпуска для изготовления таких деталей, как валики, оси,
траверсы и вилки буровых лебедок, валы центробежных насосов и т. д.
Сталь марок'30 и 35 подвергают нормализации с температуры 880—900° С.
Закалка производится в воде с температуры 860—880° С и отпуск — при
550—600° С.
Изменение механических свойств стали марок 30 и 35 в зависимости от
температуры отпуска показано на рис. 20, а при повышенных температурах —
в табл. 24; механические свойства предварительно отожженной стали при низ-
ких температурах даны в табл. 25.
Ударная вязкость стали марки 35 при пониженных температурах состав-
ляет: [33, 34]
Температура испытания в °C........ 4-20 —10 —30 —50 —60
ан в кГ • м/см2 .................. 6,39,4,75 4,66 1,44 1,18
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 39
Таблица 24
Механические свойства стали марок 30 и 35 при повышенных температурах [33, 34]
«я >> к £ S •ТО Условный предел текучести в кГ/мм2 Г/мм2 8 Ф 3
О) Е-< к «
Темп испы в °C а0,01 а0,02 а0,03 а0, 1 а0,2 Я 9 D в % 7 ъ ан в кГ £ в <
20 24,4 28,4 . 30,2 32,4 33, 1 54,5 24,8 52,4 21—26 6,39 20 100
100 15,6 21 , 2 24,2 30,8 31,8 51,6 19,8 53,8 7,33 20 100
200 14,4 21 , 2 24,4 30,6 31,3 59,0 9,5 39,1 18 8,43 19 000
300 12,2 14,2 > 16,5 19,6 20,7 59,2 21,3 51,7 25 7,21 17 900
•400 10,5 12,5 13,6 16,4 18,7 51,2 23,1 64,0 25 6,05 17 100
450 9,2 10,8 11,8 15,3 17,8 42,9 24,0 66,9 — 5,06 15 700
500 8,8 10,0 ' 10,9 13,7 15,4 36,5 24,0 70,3 18 4,40 —
550 6,6 7,5 8,2 10,6 11,8 29,7 26,5 69,8 —— 4,19 —
'600 5,5 6,4 6,7 7,7 8,3 19,7 34,8 82,8 — 7,57 —
Примечание. Состав стали: 0,36% С; 0,53% Мп; 0,19% Si; 0,018% S; 0,019% Р.
Скорость деформирования при испытании на растяжение 0,8 мм/мин.
Таблица 25
Механические свойства предварительно отожженной стали при низких температурах [84]
Температура | ; 5 1 ф
испытания
в °C в кГ/мм2 в %
+ 17 65 35 22 45
— 196 92 90 2 3
—253 106 — 0 0
Примечание. Состав стали: 0,34% С;' 0,76% Мп; 0,35% Si; 0,035% Р; 0,032% S.
Отжиг при 880° С.
Сталь марок 40 и 45 применяется для изготовления муфт насосных штанг,
валов центробежных насосов, компрессоров, роторов, штоков грязевых насосов,
стволов и переводников вертлюгов, переводников для рабочих и бурильных
труб, корпусов колонковых долот, паль-
цев крейцкопфов грязевых насосов, ро-
ликов превентора, конических шестерен,
фиксаторов и шпонок буровых станков,
цепных колес буровых лебедок, штифтов,
упорных винтов, скалок насосов, цапф
ц т. д. Сталь марки 40 рекомендуется
также для изготовления крепежных де-
талей.
Детали из стали марок 40 и 45 под-
вергается нормализации при температу-
ре 860—880° С или закалке в воде с тем-
пературы 840—860° С с последующим от-
пуском; температура отпуска устанавли-
вается в зависимости от требуемых меха-
пических свойств (рис. 21). Так, напри-
мер, детали буровых установок (шестер-
ни, фиксатор, шпонки) превентора (плита
Рис. 21. Зависимость механических
свойств стали марок 40 и 45 от темпера-
туры отпуска. Закалка с 840° С в воде [3]
40 СТАЛЬ
основной опоры, ролики) подвергаются отпуску при температуре 550° С, цеп-
ные колеса буровой лебедки — при температуре 500° С.
Механические свойства стали марки 45 при различных температурах испы-
тания после закалки и высокого отпуска приведены в табл. 26.
Таблица 26
Механические свойства стали марки 45 после закалки и высокого отпуска [107]
5 к Е л (5 гр ав <7-1 Е G хср НВ 8 Ф в • м[см2 О' прг за „ я кГ/мм2 пл ' I удлинении
100 ч, В %
S СХ £ о Л >> л Ь н с в в кГ/мм2 в % с * 0,01 0, 1 1 '>°
20 34,0 60,0 23—33 20 400 7950 50 207 16,0 40,0 5,0
200 35,7 70,2 19 700 —. 10,3 36,0 6,47 — — —
300 26,3 62,8 1 9 400 — —— —— 22,3 44,5 6,78 — —
400 22,9 57,3 17 500 — — 21,3 65,2 5,60 9,0 13,0 19,0»
500 17,9 38,3 — — — — 23,5 67,0 4,03 2,7 3,5 —
550 12,5 31,2 — — — — — 28,5 76,5 3,80 — — —
— 10 — — — — — — — —• — 3.99 —• — —
.—30 — — — — — — — — — 3,80 — — —
—50 — —- — — — — — — — 1 , 28 — — —
—60 — «— — — — 1,33 — — —
-196 97 106 — — — — — 14 28 — — — —
Сталь с повышенным содержанием марганца марок 40Г и 45Г обладает
после закалки и высокого отпуска повышенной прочностью, хорошей вязко-
стью и хорошей износостойкостью. В табл. 27 приведены механические свой-
ства стали 45Г при различных температурах.
Таблица 27
Механические свойства стали марки 45Г после закалки и высокого отпуска [107]
inepa- 1ытания С % tf-1 Е G НВ 8 ф ZW3/WJ при удлинений за 1000 ч, в %
Рч Н 0 Н Н S д в кГ/мм ;2 в % ** сз да 0,01 0,1
20 41 70 20 20 800 8440 269 I 1 40 9,6 — —
. 100 — — — — 8,0 — —-
400 — — — — 12,0 17,0
450 20,3 — — — 7,0 10,0
500 — —- — — 3,5 6,0
550 13,3 — — — — — — — —> 1 , 5 2,6 '
—20 — — — — — — — — 6,0 — —
Примечание. Значения сгт; ав; 8 и Ф при -]-20 ° С даны для нормализованной стали.
Сталь марок 40Г и 45Г применяется для изготовления многих ответствен-
ных деталей, например, подъемных трансмиссионных и промежуточных валов,
высоконагруженных звездочек цепных передач и зубчатых колес буровых ус-
тановок, осей, поршневых штоков, рычагов и др.
Детали из стали марок 40Г и 45Г закаливают в масле с температуры 830—
850° С с последующим отпуском при температуре 550—600° С. Необходимо
учесть, что сталь с повышенным содержанием марганца склонна к отпускной
хрупкости. Поэтому после высокого отпуска необходимо быстрое охлаждение
в воде или масле.
Сталь марок 50—70 обладает высокой прочностью и высокими упругими
свойствами и применяется для изготовления спиральных пружин лебедок,
вертлюгов, пружинных шайб и колец, клапанных пружин и т. д.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 41
Мелкие детали из стали этих марок (диаметром до 10—112 мм) закаливают
в масле с температуры 820—860° С, более крупные детали — в воде с темпе-
ратуры 800—820° С, отпуск производят при различной температуре в зависи-
мости от требуемых механических свойств (рис. 22). Пружины лебедок, верт-
Рис. 22. Зависимость механических свойств стали марок 50 и 60
от температуры отпуска [2]:
а — сталь марки 50 (закалка с 840° С в воде); б — сталь марки 60
(закалка с 820° С в масле)
люгов, колонковых долот, клапанные пружины после закалки подвергаются
отпуску при температуре 300—380° С.
В ряде случаев для изготовления пружин, пружинных шайб и колец целе-
сообразно применять стали с повышен-
ным содержанием марганца, например
сталь марки 65Г. Закалка стали 65Г
О 6 12 18 24 30 36 мм
Расстояние от охлаждающегося торца
Рис. 23. Распределение твердости по длине
образцов из стали марок 65 и 65Г после тор-
цевой закалки [3]
Рис. 24. Зависимость механических свойств
закаленной стали марки 65Г от темпера-
туры отпуска
42 СТАЛЬ
производится с температуры 780—840° С в масле, отпуск — при температуре
350—420° С. Сталь 65Г отличается более глубокой прокаливаемостью, чем
сталь 65 с нормальным содержанием марганца.
На рис. 23 показано распределение твердости по длине образцов из стали
марок 65 и 65Г после торцовой закалки {198]. На рис. 24 приведены величины
предела выносливости и другие механические свойства стали марки 65Г
в зависимости от температуры отпуска [213].
Низколегированная конструкционная сталь
Применение углеродистой конструкционной стали в нефтяной, нефтехими-
ческой и газовой промышленности, как было показано выше, ограничено узкой
«областью рабочих температур и, кроме того, низкой коррозионной стойкостью.
В связи с этим, детали оборудования и аппаратуры, работающие в агрес-
сивных средах, а также при температурах выше 475—500° С должны изготав-
ливаться из легированной стали.
Значительный интерес представляют низколегированные стали, нашедшие
в последние годы широкое применение в различных отраслях техники, в том
числе в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности.
Как показал опыт заводов, применение низколегированной стали в аппа-
ратостроении позволяет улучшить технико-экономические показатели произ-
водства и добиться существенной экономии металла за счет более высокого
предела текучести ряда марок низколегированной стали по сравнению с обыч-
ной углеродистой сталью.
По данным [88] применение низколегированной стали в нефтяном аппара-
тостроении позволило снизить вес конструкций до 25%, трудоемкость изготов-
ления облегченных конструкций на 16%, трудоемкость монтажных работ на
15% и себестоимость на 20%.
Номенклатура марок низколегированной стали весьма широка и непре-
рывно возрастает.
Таблица 27а
Химический состав в % низколегированной стали
Марка стали С Si Мп Сг Ni Си
14Г 0, 12—0, 18 0,17—0,37 0,70—1,00
19Г 0, 16—0,2 2 0, 17—0,37 0,80—1 , 15
09Г2 <0, 12 0, 17—0,37 1,40—1,80
14Г2 0,12—0, 18 0, 17—0,37 1,20—1,60
18Г2 0, 14—0,20 0,25—0,55 1 , 20—1,60
12ГС 0,09—0,15 0,50—0,80 0,80—1 , 20 <0,30 <0,30 ► <0,30
16ГС 0, 12—0, 18 0,40—0,70 0,90—1 , 20
17ГС 0,14—0,20 0,40—0,60 1,00—1,40
09Г2С <0, 12 0,50—0,80 1 ,30—1 ,70
10Г2С1 <0, 12 0,90—1 , 20 1,30-1,65 1 1 1
15ГФ 0,12—0, 18 0,17—0,37 0,90—1 , 20 J
14ХГС 0, 1 1—0, 16 0,40—0,70 0,90—1 ,30 0,50—0,80
15ХСНД 0, 12—0, 18 0,40—0,70 0,40—0,70 0,60—0,90 0,30— 0,20—
0,60 0,40
юхснд <0, 12 0,80-1 , 10 0,50—0,80 0,60—0,90 0,60— 0,40—
0,80 0,65
12МХ 0,09—0, 16 0, 15-0,30 0,40—0,70 0,40—0,60 <0,20 <0,20
Примечания: 1. В стали марки 12МХ допускается S< 0,02 5 и Р<0,03%.
В остал ьных сталях S < 0,040 и Р< 0,035%.
2. В стали марки 15ГФ содержание V= 0,05 4-0,1%, а в стали марки 12МХ содержа-
ние Мо =0,44-0,6%.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 43
Для обозначения марок низколегированной стали принято сочетание цифр
•и букв. Цифры с левой стороны букв указывают на среднее содержание угле-
рода в сотых долях процента, буквы обозначают наличие соответствующего
элемента в стали. При маркировке стали для различных легирующих элемен-
тов применяют следующие обозначения: никель — Н, хром—X, марганец—Г,
.молибден — М, кремний — С, вольфрам — В, ванадий — Ф, титан — Т, ко-
бальт — К, алюминий — Ю, медь — Д и т. д. Цифры, стоящие в марке после
-букв, указывают примерное содержание соответствующего легирующего эле-
мента, если количество этого элемента превышает 1,5%.
Сведения о некоторых марках низколегированной стали, применяемых
для изготовления металлических конструкций, их химическом составе и меха-
нических свойствах, даны в табл. 27а и 28.
Таблица 28
Механические свойства низколегированной стали в состоянии поставки
Марка стали Толщина прока- та в мм Механические свойства Марка стали Толщина прока- та в мм Механические свойства
ав Grp 35 в % ан В КГ‘М/СМ2 при тем- пературе в °C Grp 5S в % ан в кГ-м/см2 при тем- пературе
в °C
в кГ, /ММ2 -40 —70 в к Г/мм2 -40 —70
14Г 19Г 4 — 10 4-10 46 48 29 32 21 22 } 3,5 — 09Г2С 4-10 11—20 21—32 33—60 61—80 Св. 80 до 160 50 48 47 46 45 44 35 33 31 21 4,0 3,5 3,5 3,5 3,0 3,0
09Г2 4—20 21 — 32 45 45 31 30 } 21 3,0 4,0 — 29 28 27 3,5 3,5 3,5 3,0 3,0
14Г2 4—10 11—32 47 46 34 33 }2‘ 3,5 3,0 — 4—10 11—20 21—32 33—60 Св. 60 до 1 60 52 51 50 48 46 38 36 4,0 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 2,5
18Г2 12ГС 8—10 4 — 10 52 47 36 32 21 26 4,0 — 10Г2С1 3 5 34 32 - 21 2 9 5 2,5 2,5
4—10 11-20 21-32 33—60 Св. 60 4,1 3,5 3,5 3,5 3,0 2,5 2,5 2,5
16ГС 50 49 48 47 33 32 30 29 • 21 15ГФ 4—10 11—20 21—32 52 52 48 38 36 34 } 21 4,0 3,0 3,0 —
до 1 50 46 28 3,5 2,5 14ХГС 4—10 50 35 22 4,0
17ГС 4—10 52 35 | 23 4,5 — 15ХСНД 4—3 2 50 35 21 3,0 3,0
1 1—20 50 34 3,5 10ХСНД 4—10 11 — 15 16-32 33—40 54 54 54 52 40 40 40 40 19 5,0 4,0 5,0 5.0 3,0 3,0 3,0
Примечание. Для стали марок 16ГС, 09Г2С и 10Г2С1 при толщине проката от
11 мм и выше при температуре 4~20°Сак = 6,0 кГм/см2.
Сталь марок 09Г2, 14Г2, 16ГС по требованию заказчика должна постав-
ляться в термически обработанном состоянии (закалка с отпуском — улучше-
ние), при этом нормы механических свойств этих сталей должны соответство-
вать табл. 29.
44 СТАЛЬ
Таблица 29
Механические свойства низколегированной стали в термически обработанном состоянии
Марка стали Толщина проката в мм Механические свойства
«в | 65 в % ан в кГм/см2 при темпера- туре — 40° С
В К1 "/мм2
09Г2 10—20 52 40 19 5,0
14Г2 10—32 54 40 18 4,0
16ГС 10—3 2 52 40 18 4,0
10—3 2 50 37 19 5,0
09Г2С 33-60 46 32 21 5,0
10Г2С1 | 10—40 54 40 19 5,0
15ХСНД 10—32 60 50 17 4,0
Примечание. При температуре — 70° С ан >3,0 кГм1см2.
Согласно правилам Госгортехнадзора, сосуды, изготовленные из низколеги-
рованной стали с применением сварки, штамповки или вальцовки, подлежат'
обязательной термической обработке, в случае, когда толщина стенок цилин-
дрической части или днищ сосуда в месте сварного стыка более 35 мм, а также
если днища аппарата, независимо от толщины стенки, изготовлены холодной
штамповкой. Термическая
обработка производится и;
для днищ, полученных горя-
_ чей штамповкой, если темпе-
ратура окончания процесса1
- штамповки была ниже
\| 700° С.
Сосуды и аппараты под-
с вергаются термической обра-
ботке после приварки к кор-
ПРИ пусу всех деталей, включая’
и детали для крепления пло-
б, кГ/мм2
8,0
5,0 —
4,0 —
300
350
400
450
500
Рис. 25. Зависимость допускаемых напряжений
растяжении для стали 12МХ от температуры
щадок и лестниц.
В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности наиболее широко»
применяют стали марок 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 и 12МХ. В частности для изго-
товления аппаратуры и сосудов нефтеперерабатывающих и нефтехимических
заводов, работающих под давлением при температурах до 475° С, находят
применение стали марок 16ГС, 09Г2С и 10Г2С1. Предел применения этих ста-
лей при низких температурах — 70° С.
Стали марок 09Г2С и 110Г2С1 должны испытываться на растяжение при
повышенных температурах.
В результате таких испытаний предел текучести при 320° С для листов из;
стали марки 09Г2С толщиной 60 мм и более должен быть не менее 18 кГ/мм2*
а для стали марки 10Г2С1 — не менее 23 кГ/мм2.
Значительный интерес представляет сталь марки 12МХ. Эта сталь приме-
няется для изготовления аппаратуры, работающей при высоких давлениях и
температурах до 540—560° С, например, реакционных камер, труб печей и го-
рячих коммуникационных линий высокого давления, фитингов и др.
На установках каталитического риформинга и гидроочистки сталь 12МХ
используется для изготовления корпусов аппаратов, днищ, штуцеров, фланцев,
и других деталей, эксплуатируемых в малоагрессивных средах, когда необхо-
дима повышенная теплоустойчивость [153].
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 45
В условиях сероводородной коррозии ее применение, также как и углеро-
дистой стали, ограничивается температурой порядка 260° С.
Сталь 12МХ получила широкое распространение в оборудовании нефтепе-
рерабатывающих и нефтехимических заводов в качестве основного слоя в двух-
слойном листовом металле с плакирующим слоем из нержавеющей стали.
Таблица 30
/Механические свойства стали 12МХ при различных температурах [213]
Темпера- тура в °C ° в Grp 8б Ф ан в кГм]см2 Опл в кГ/мм2 для 1 % деформации за °дЛъ кГ/мм2 за
в кГ!мм2 в % 100 000 ч 10 000 ч 100 000 ч 10 000 ч
200 300 400 450 500 550 600 46 48 45 43 40 36 31 25 29 25 25 24 22 22 20 20 23 21 22 21 25 62 57 62 60 62 63 64 18 16 18 10 9 8 14 15,5 12,0 8,2 22,5 17,0 12,2 20,0 12,0 7,5 25,5 16,5 11,0
Механические свойства стали 12МХ при повышенных температурах даны
в табл. 30. Допускаемые напряжения для этой стали при высоких температу-
рах показаны на рис. 25 [73].
Легированная конструкционная сталь
Для обозначения марок легированной конструкционной стали, как и для
низколегированных сталей, принято сочетание цифр и букв. Конструкционная
легированная сталь делится на сталь качественную и высококачественную.
Для обозначения высококачественной стали, содержащей минимальные коли-
чества вредных примесей серы и фосфора, в конце условного обозначения мар-
ки стали ставится буква А.
В высококачественной стали серы должно быть не более 0,03%, а фосфо-
ра —не более 0,035%.
Например, сталь марки 18Х2Н4МА—высококачественная, содержит в сред-
нем: 0,118% С; 2% Сг; 4% Ni; 0,2—0,3% Мо. Количество серы и фосфора в этой
стали допускается не более 0,03%.
В качественной стали (без буквы А) содержание серы и фосфора — не бо-
лее 0,04% каждого.
Наиболее важной характеристикой конструкционной легированной стали яв-
ляются механические свойства. В деталях малых размеров, прокаливающихся
при термической обработке насквозь, механические свойства стали определя-
ются в. основном количеством углерода и практически не зависят от содержа-
ния легирующих элементов. Влияние легирующих элементов сказывается на
механических свойствах стали лишь в деталях крупных размеров, прокаливаю-
щихся на различную глубину (в зависимости от содержания легирующих эле-
ментов). В связи с этим для изготовления различных изделий необходимо
выбирать марки легированной конструкционной стали с учетом ее прокаливае-
мое™.
По прокаливаемости конструкционную легированную сталь можно разде-
лить на следующие три группы:
сталь небольшой прокаливаемости (прокаливается полностью в деталях
диаметром не более 25—35 мм);
сталь повышенной прокаливаемости (прокаливается полностью в деталях
диаметром до 50—75 мм);
46 СТАЛЬ
сталь высокой прокаливаемости (прокаливается полностью в деталях диа-
метром более 75—100 мм).
Эта классификация характеризует в известной мере химический состав ш
механические свойства стали,v так как чем глубже прокаливается сталь, тем
она более легирована, а следовательно, имеет более высокую прочность и плас-
тичность, особенно после закалки с последующим высоким отпуском (улучше-
ние). Кроме того, такая классификация характеризует закаливаемость стали;
например, закалку стали небольшой прокаливаемости производят с охлажде-
нием в воде или в масле, повышенной прокаливаемости — в масле и сталь,
высокой прокаливаемости — в масле или на воздухе.
В табл. 31 (ГОСТ 4543-61) приводится химический состав лишь некоторых
марок конструкционной легированной стали, наиболее широко применяемых,
в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности.
Таблица 31
Химический состав в % некоторых марок конструкционной легированной стали
Марка стали С Si Мп Сг Ni Другие элементы
15Х 0, 12—0, 18 0, 17—0,37 0,40—0,70 0,70—1 , 00
20Х 0, 17—0,23 0, 17—0,37 0,50—0,80 0,70—1 ,00 — —
ЗОХ 0,27—0,35 0, 17—0,37 0,50—0,80 0,80—1 , 10 — —
35Х 0,32—0,40 0, 17—0,37 0,50—0,80 0,80—1 , 10 —
38ХА 0,35—0,42 0, 17—0,37 0,50-0,80 0,80—1 , 10 — —
40Х 0,37—0,45 0, 17—0,37 0,50—0,80 0,80—1 , 10 — —
45Х 0,42—0,50 0, 17—0,37 0,50—0,80 0,80—1 , 10 — —
50Х 0,47—0,55 0, 17-0,37 0,50-0,80 0,80-1 , 10 — —
40ХФА 0,37—0,44 0, 17—0,37 0,50—0,80 0,80-1 , 10 — V 0, 10—0,2 0'
зохм 0,26—0,34 0, 17—0,37 0,40—0,70 0,80 — 1 , 10 — Мо 0, 15—0,2 5
1 2ХН2 <0,15 0, 18—0,24 0, 17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 1 , 50—1 , 90 2,80—3,20 —
20ХНЗА 0, 17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 —
ЗОХНЗА 0,27—0,34 0, 17—0,37 0,30—0,60 0,60—0,90 2,80—3,20 —
20ХН . 0, 17—0,23 0, 17—0,37 0,40—0,70 0,45—0,75 1 , 00—1 ,40 —
40ХН 0,37—0,45 0, 17-0,37 0,50—0,80 0,45—0,75 1 , ОС—1 , 40 .—
40ХНМА 0,37—0,44 0, 17—0,37 0,50—0,80 0,60-0,90 1 , 25—1 ,65 Мо 0, 15—0,2 5
18ХГТ 0, 17—0,23 0, 17—0,37 0,80—1 , 10 1,00—1 ,30 — Ti 0,0 6—0, 1 2
20ХГСА 0 , 1 7—0 , Г 3 0,90—1 , 20 0,80—1 , 10 0,80—1 , 10 —
25ХГСА 0,23—0,30 0,90—1 , 20 0,80—1 , 10 0,80—1 , 10 — —
зохгс 0,28—0,35 0,90—1 , 20 0,80—1 , 10 0,80—1 , 10 — —
35ХГСА 0,32—0,39 1,10—1,40 0,80—1 , 10 1 , 10—1 ,40 — —
ЗОХГСНА 0,27—0,34 0,90—1 ,20 1 , 00—1 , 30 0,90—1 ,20 1 ,40—1 , 80 —
38ХМЮА 0,35—0,42 0, 17—0,37 0,30-0,60 1 ,35—1 ,65 — Мо 0, 15—0,2 5. А1 0,7—1 , 10»
18Х2Н4ВА 0, 14—0,20 0, 17—0,37 0,25—0,55 1 ,35—1 ,65 4,00—4,40 W 0,80—1 , 2Ф
По требованию заказчика сталь поставляется как с термической обработ-
кой (отожженная, нормализованная и высокоотпущенная), так и без терми-
ческой обработки.
Твердость стали по Бринелю, поставляемой в отожженном или отпущенном'
состоянии, должна соответствовать нормам, указанным в табл. 32. В табл. 33'
показаны механические свойства этих же марок стали и режимы термической
обработки заготовок.
Хромистая сталь марок 15Х—50Х относится к стали небольшой прокали-
ваемости (прокаливается в деталях диаметром до 25—35 мм). Хром является
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 47
Таблица 32
Твердость по Бринелю некоторых марок легированной стали в отожженном
И отпущенном состоянии
Марка стали Твердость в отожженном или отпущенном состоянии, НВ Марка стали Твердость в отожженном или отпущенном состоянии, НВ
Диаметр отпечатка в мм, не менее Число твердости, не более Диаметр отпечатка ъмм, не менее Число твердости, не более
15Х; 20Х ЗОХ 35Х; 20ХН 4,5 4,4 4,3 179 187 197 45Х; 50Х; ЗОХГС; ЗОХМ; 38ХМЮА 4,0 229
38ХА; 20ХГСА; 12ХН 4,2 207 40ХФА; 20ХНЗА; ЗОХНЗА; 35ХГСА 3,9 241
40Х; 40ХН; 18ХГТ; 25ХГСА 4,1 217 40ХНМА; 18Х2Н4ВА ЗОХГСНА 3,7 3,8 269 255
одним из важнейших легирующих элементов в конструкционных сталях. Он
распределяется почти поровну между ферритной и карбидной фазами; в кон-
струкционную сталь его чаще всего вводят в количестве 1%. Растворяясь в.
аустените, хром увеличивает закаливаемость и прокаливаемость стали, что,
значительно расширяет диапазон размеров обрабатываемых деталей.
Недостатком хромистой стали является увеличение восприимчивости к от-
пускной хрупкости, что должно учитываться при назначении режима терми-
ческой обработки.
Сталь марок 15Х и 20Х применяется преимущественно для изготовления
цементуемых деталей, например, колоколов и метчиков ловильных для буриль-
Рис. 26. Изменение механических
свойств стали марки ЗОХ после
закалки с 850° С в воде и отпуска
при 500—700° С [29]
Рис. 27. Изменение механических
свойств стали марки 50Х после за-
калки с 820° С в масле и отпуска
при 400—600° С [29]
ных труб, различного рода шестерен, валиков, осей, поршневых вальцов, муфт„
фланцев, тарелок клапанов грязевых насосов, звездочек цепных передач бу-
ровых установок, работающих при высоких нагрузках и большой скорости,,
зубчатых колес буровых установок и т. д.
Механические свойства некоторых марок легированной стали и режим термической обработки заготовок
Таблица 33
Термическая обработка Механические свойства
Размеры
Закалка Отпуск (Т (Угр 8 Ф сечения
Марка в заготовок для термической обработки
стали
Температура в °C Среда Темпера- Среда в кГ/мм2 в % Я W22 (круг, квадрат) в мм
охлаждения тура охлаждения
первой второй в °C
закалки закалки пе менее
15Х 880 770—820 Вода или масло 180 Воздух или масло 70 50 12 45 7 15
20Х 880 770—820 То же 180 То же 80 65 И 40 6 15
ЗОХ 860 — Масло 500 Вода или масло 90 70 12 45 7 25
35Х 860 — То же 500 То же 95 75 11 45 7 25
38ХА 860 — » 550 » 95 80 12 50 9 25
40Х 850 — » 500 » 100 80 10 45 6 25
45Х 840 — » 520 » 105 85 9 45 5 25
50Х 830 — » 520 » 110 90 9 40 4 25
40ХФА 880 — » 650 » 90 75 10 50 9 25
ЗОХМ 880 — Масло или теплая вода 540 » 95 75 11 45 8 х 25
12ХН2 860 760—810 Масло или вода 180 Воздух или масло 80 60 12 50 9 15
20ХНЗА 820 — Масло 500 Вода или масло 95 75 12 55 10 15
ЗОХНЗА 820 То же 530 То же 100 80 10 50 8 25
20ХН 860 760—810 Вода или масло 180 » 80 60 14 50 8 15
40ХН 820 — То же 500 » 100 80 И 45 7 25
40ХНМА 850 — Масло 620 » 100 85 12 50 8 25
18ХГТ 880 870 То же 200 » 100 85 9 50 8 В образцах
20ХГСА 880 — » 500 » 80 65 12 45 7 15
25ХГСА 880 — » 480 » ПО 85 10 40 6 1 5
ЗОХГС 880 — » 540 » 110 85 10 45 4,5 25
35ХГС 950 масло отпуск 890 » 230 Воздух или масло 165 130 9 40 4 В образцах
700 воздух
ЗОХГСНА 900 — » 200—300 То же 165 140 9 45 6 В образцах
38ХМЮА 940 — Масло или теплая вода 640 Вода или масло 100 85 14 50 9 30
18Х2Н4ВА 950 850 Воздух 180 Воздух или масло 115 85 12 50 10 15
950 воздух 860 Масло 525—575 Воздух 105 80 12 50 12 15
48 СТАЛЬ
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 49
Цементация этой стали производится при температуре 920—950° С с по-
следующей закалкой с температуры 800—820° С в масле и отпуском при 180—
200° С. Время выдержки при температуре цементации ориентировочно может
быть определено из расчета 1 ч на 0,1 мм толщины цементованного слоя.
Цементованная и термически обработанная сталь марок 15Х и 20Х имеет
большую прочность сердцевины, чем сталь марок 15 и 20.
Сталь марок ЗОХ и 50Х применяется преимущественно в улучшенном со-
стоянии. Закалка стали производится с температуры 830—860° С (в зависимо-
сти от содержания углерода). Охлаждение при закалке стали марок ЗОХ и 35Х
(в зависимости от толщины и формы изделий) производится в воде или масле,
а стали марок 40Х, 45Х, 50Х~—в масле. Отпуск стали указанных выше марок
производится при 500—600° С в зависимости от заданной твердости и проч-
ности (рис. 26 и 27). Необходимо учитывать, что ударная вязкость хромистой
стали при медленном охлаждении после высокого отпуска, по сравнению с
вязкостью при быстром охлаждении, может понизиться в 1,5—2 раза. Поэтому
изделия из хромистой стали после отпуска при 500—650° С нужно охлаждать
быстро (например, в масле).
Отжиг стали марок ЗОХ—50Х производится при температурах 800—860° С
(в зависимости от содержания углерода) с охлаждением 40—50° С в час.
После отжига эта сталь хорошо обрабатывается.
Хромистая сталь марок ЗОХ—50Х широко применяется в нефтяной, нефте-
химической и газовой промышленности. Так, из стали марок ЗОХ и 35Х изго-
товляют шпильки и болты фланцевых соединений установок нефтеперерабаты-
вающих заводов, где температура среды не выше 450° С при открытых флан-
цах и 400° С — при изолированных. Сталь марки 38ХА применяется для из-
готовления деталей турбобуров, корпусов, ниппелей, переводников, валов.
Сталь марок 40Х и 45Х — для изготовления сильно нагруженных валов, што-
ков насосов и задвижек, работающих при температуре не выше 450° С в не-
коррозионной среде, для высоконагруженных болтов и шпилек, для валов
центробежных насосов.
В табл. 34 приведены механические свойства стали марки 40Х при различ-
ных температурах испытания. Из стали указанных марок также изготовля-
ются переводники для бурильных колонн и замки для бурильных труб, рас-
трубы и ниппели (соединительные концы для приварки встык к трубам),
Таблица 34
Механические свойства стали 40Х после закалки с 850° С и отпуска при 500° С в зависимости
от температуры испытания [107]
Темпера- тура испытания в °C (5 гр 8 Ф ан в кГм/см2 впл в кГ/мм2 при удлинении за 1 000 ч в %
в к.1 '!мм2 в % 0,01 0,1
20 >80 >100 >9,0 >45 >6,0 — —
200 98,9 113,5 12,5 47,9 11,4 — —
400 83, 1 90,4 18,8 66,9 8,6 — —
450 — — — — 5,0—5,8 8,0—9,0
500 61,0 66,3 21,8 71,7 6,3 — —
540 — — — — 2, 1
600 23,6 29. 1 38,6 76,6 14,8 — —
700 8,4 11,6 58, 1 67,4 38,0 «— ——
—50 113,3 123,4 15,3 55,2 6,8 — —
—74 115,2 12 5,0 15,8 54,2 6,9 — —•
— 100 — — — 5,8 — —
— 193 155,6 158,7 15,0 45,0 1,3 — —
Примечание. При температуре испытания 20° С o’_j = 48 -н 52 кГ/мм2, Е —
= 20 000 н- 21 170 кГ/мм2 и G = 8080 кГ/мм2.
4 Заказ 664
50 СТАЛЬ
бандажи редукторов станков качалок, тройники фонтанной арматуры, штоки
грязевых насосов, конические шестерни редукторов, грязевые трубы вертлю-
гов, зубчатые колеса, валы трансмиссии силового привода, кулачковые и зуб-
чатые соединительные муфты, звездочки цепных передач буровых установок,
защелки и оси элеваторов, пальцы шарниров трубных ключей и т. д.
Часто детали нефтепромыслового оборудования из стали марок 40Х и 45Х
(например, цилиндрическая поверхность на рабочем участке штоков поршня
грязевых насосов, валы, звездочки и зубчатые колеса буровых установок,
пальцы шарниров и т. д.) подвергают поверхностной закалке с нагревом то-
ками высокой частоты.
К стали небольшой прокаливаемости относится
Температура отпуска
Рис. 28.’ Изменение механических свойств
стали марки 40ХФА после закалки в
масле с 850° С и отпуска при 180—700° С
также хромованадиевая
конструкционная сталь марки 40ХФА,
которая является высококачественной
сталью с хорошей обрабатываемостью.
Введение ванадия в небольших количест-
вах (не свыше 0,2%) в хромистую сталь
значительно измельчает зерно и повыша-
ет пластические свойства стали без сни-
жения ее прочности. На рис. 28 показа-
ны механические свойства стали 40ХФА
после закалки в масле с 850° С и отпус-
ка при 180—700° С [176]. Обычно сталь
марки 40ХФА применяется в улучшенном
состоянии. Закалка производится с тем-
пературы 850—880° С в масле с последу-
ющим отпуском при 500—650° С.
После отпуска эту сталь следует ох-
ладить в масле для предупреждения от-
пуской хрупкости.
Сталь марки 40ХФА является хоро-
шим заменителем дорогой хромоиикелей
стали, кроме того, она может применяться вместо стали 38ХМЮА для изготов-
ления деталей, подвергающихся азотированию.
В нефтяном машиностроении сталь 40ХФА применяется для изготовления
полумуфт, муфт ограждения, сухарей, трубных ключей, нагруженных валов,
, - (- Таблица 35
Механические свойства стали 40ХФД после закалки с 850° С и отпуска при 640° С
в зависимости от температуры испытания [210]
Темпера- тура испытания в °C 8 ф анъ кГм/см2 впл в кГ/мм2 при удлинении за 1000 ч в %
в к! в 1 % 0,01 1 о-1
20 86', 1 94,5 26,6 63,0 8,0 —
200 8-2,4 92,4 22,4 46,8 — —• —
300 ‘ 76,2 86,2 18,7 35,5 —— — —
400 72,2 87,3 28,8 50,6 — — —
425 — — — 7,0 20
500 41,8 50,5 30,4 68,5 — 3—4 8—8,4
550 — — — — 1,0—1,4 2,7—3,3
600 38,5 51,0 80,0 — — 1,2
700 — 18,0 48,8 86,0 — — —
—25 — — •— — 3,1 —— —-
—70 — — — — 2,6 — —
Примечание. При температуре испытания 20° С cr__i = 38 кГ{мм2 и НВ 285—316.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 5f
штоков для насосов, задвижек, работающих при температуре не выше 450° С
в неагрессивных средах, нагруженных пружин для насосов, амортизаторов и
предохранительных клапанов, работающих при температуре до 350° С.
Пружины и амортизаторы из этой стали подвергают закалке с 850—870° С
в масле с последующим отпуском при 350—420° С и охлаждением в масле.
В табл. 35 приведены механические свойства стали 40ХФА при различных
температурах испытания.
Высокой прочностью и вязкостью характеризуется сталь марки ЗОХМ. Вве-
дение в хромистую сталь молибдена устраняет склонность к отпускной хруп-
кости и приводит к повышению механических свойств при высокой температу-
ре. Эти стали обладают хорошей свариваемостью.
Из стали марки ЗОХМ изготовляют шпильки фонтанной арматуры, рабо-
тающие при давлении до 250 кГ1см2, валы центробежных горячих насосов,
оси, болты, работающие при температуре от —40 до 525° С (для высокона-
груженных крепежных деталей — до 475° С и для средне- и низконагружен-
ных — до 525°С).
Обычно детали из этой стали подвергают закалке и отпуску (иногда нор-
мализации и отпуску). Закалка сталей производится с температуры 830—
880° С в масле с последующим отпуском при 550—650° С.
В табл. 36 приведены свойства стали ЗОХМ при различных температурах.
Таблица 36
Механические свойства стали ЗОХМ после закалки с 330° С и отпуска при 560° С
в зависимости от температуры испытаний [107]
Температура испытания в °C Grp 5 в % апл в кГ/мм2 при удлинении за 1000 ч в %
в кГ!мм2 0, 1 ‘ 1,0
20 >75 >95. 12 —
230 49 68 23 — —
315 46 74 32 —
425 40 56 29,5 — —
535 — —— 23,2 4 2,0
650 — — — 6,0 10,8
Примечание. При температуре испытания 20° С напряжение tcj9 = 80 кГ/мм2',
о_,1 =31 4-41 кГ/мм2', 1 = 23 кГ/мм2', Е = 21 900 кГ/мм2\ G=8400’[кГ/мм2; НВ 1 98;
Ф > 50% и ан > 9 кГм/см2.
К стали повышенной прокаливаемости, т. е. прокаливающейся в деталях
диаметром 50—75 мм, относится хромоникелевая сталь марок 12ХН2, 20ХН
и 40ХН.
Сталь этих марок относится к лучшим образцам конструкционной стали.
Комбинация никеля с хромом позволяет получить марки конструкционной ста-
ли, пригодной для изготовления деталей самого ответственного назначения.
Так как никель целиком растворяется в твердом растворе, он способствует
более значительному увеличению твердости и прочности феррита, чем хром.
Особенно важно, что упрочнение здесь сопровождается также увеличением
пластичности. При одновременном присутствии в стали никеля и хрома до-
стигается хорошее сочетание механических свойств (прочности и вязкости),
а также большая прокаливаемость.
Сталь марки 12ХН2 является цементуемой. Цементация производится при
900—920° С с последующей закалкой в масле с температуры 780—800° С, и от-
пуском при 170—)180° С. Эта сталь применяется для изготовления метчиков
и колоколов для ловильных работ в бурении, плашёк труболовок, поршневых
4*
52 сталь
пальцев крупных компрессоров, валов, соединительных зубчатых муфт, звез-
дочек, тяжелонагруженных и быстроходных зубчатых передач буровых уста-
новок, собачек роторных клиньев, сухарей трубных ключей, валиков и втулок
втулочно-роликовых цепей и т. д. Сталь 12ХН2 используется также для изго-
товления лап и шарошек буровых долот, шарошек и пальцев колонковых
долот.
Сталь 20ХН применяется для производства насосных штанг. Штанги из этой
стали подвергают нормализации с последующей закалкой и высоким отпуском.
Сталь марки 40ХН относится к группе улучшаемой стали. Закалка этой
стали производится с температуры 820—840° С в масле, отпуск — при 450—
650° С в зависимости от заданной твердости и прочности.
Рис. 29. Зависимость механических свойств зака-
ленной стали марки 40ХН от температуры отпуска
Таблица 37
Механические свойства стали 40ХН после
закалки и отпуска при 500° С в зависимости
от температуры испытания [107]
Темпера- тура испытания в °C (Tip ав 8 в %
в кГ/мм2
>10
27
29,5
30,5
20 >80
200 63,5
425 49
535 25
>100
88,5
61,5
41,5
Примечание. При температуре
испытания 20° С =36 кГ/мм2',
НВ 300; ф = 45%; кГм/см2.
На рис. 29 показано изменение механических свойств стали 40ХН в зави-
симости от температуры отпуска, а в табл. 37 — в зависимости от температуры
испытания.
Сталь марки 40ХН широко применяется в нефтяном машиностроении для
изготовления наиболее ответственных деталей — особо нагруженных подъем-
ных, трансмиссионных и промежуточных валов, зубчатых соединительных
муфт, звездочек цепных передач буровых установок, пластин и роликов вту-
лочно-роликовых цепей, осей талевых блоков, стволов вертлюгов, защелок и
осей элеваторов и т. д.
При применении хромоникелевой стали необходимо иметь в виду, что она
обладает значительной склонностью к отпускной хрупкости особенно в интер-
вале температур 450—550° С. Поэтому детали из этой стали следует после
высокого отпуска охлаждать быстро (в воде или в масле). При введении в хро-
моникелевую сталь (например, в сталь 40ХН) небольших количеств молибдена
склонность к отпускной хрупкости понижается.
Малой чувствительностью к отпускной хрупкости характеризуется сталь
марки 40ХНМА.
Эта сталь применяется для изготовления замков и переводников для бу-
рильных труб и электробуров, осей блоков и кронблоков, стволов и траверс
пластинчатых крюков, переводников вертлюгов, шайб шарошечных коронок
колонковых долот, шатунных болтов компрессоров и т. д.
Закалка стали 40ХНМА производится с температурой 840—860° С в масле,
отпуск — при температуре 500—650° С в зависимости от требуемых механичес-
ких свойств (рис. 30, табл. 38).
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 53
Таблица 3S
Механические свойства стали 40ХНМА после закалки и отпуска при 600° С
в зависимости от температуры испытания [107]
Темпера- тура Grp ав <7-1 Е НВ 5 Ф ан в
испытания в °C в кГ/мм2 в % кГм/см2
20 85 100 45,6 20 400 350 >12 >55 >10
—70 1 17 129 — 13 50 6,0
— 196 152 157 — — — 12 26 4,0
Примечания: 1. При температурах испытания 455° С; 535° Си 590° С при
удлинении за 1000 ч на 0,1% соответственно будет равно 7,0 кГ/мм', 4,5 кГ/мм и 1,26 кГ/мм.
2. При температуре испытания — 40° С ан — 9,5 кГм!см2.
Хромоникелевая и хромоникельмолибденовая стали относятся к дорогим
легированным маркам стали, поэтому они применяются для изготовления
лишь особо ответственных крупных деталей, требующих глубокой прокалпвае-
Рис. 30. Зависимость механических свойств
стали марки 40ХНМА, закаленной с 850° d
в масле от температуры отпуска
Рис. 31. Зависимость механических свойств стали
марки 18ХГТ, закаленной с 880° С в масле от
температуры отпуска
мости. Обычно вместо этой стали применяют другие, более дешевые марки,,
не содержащие никеля и молибдена.
К числу таких заменителей относится цементуемая сталь марки 18ХГТ,.
в ряде случаев используемая в промышленности вместо стали марки 12ХЫ2.
Сталь 18ХГТ может применяться как для цементуемых, так и для улучшае-
мых деталей. Закалка этой стали производится с температуры 850—880° С в
масле с последующим отпуском при температуре 500—650°С (рис. 31).
Так как сталь 18ХГТ характеризуется отпускной хрупкостью, необходимо
после высокого отпуска ускоренное охлаждение деталей.
Цементация стали 18ХГТ производится при 940—950° С с последующей
закалкой с температуры 780—800° С в масле и отпуском при 180—200° С.
В результате цементации и последующей термической обработки сталь
марки 18ХГТ приобретает несколько большую прочность по сравнению со
сталью 12ХН2 при практически равных значениях ударной вязкости и плас-
тичности (табл. 39).
Однако следует учитывать, что сталь 18ХГТ прокаливается хуже чем сталь
12ХН2.
54 СТАЛЬ
Таблица 39
Сравнительная характеристика механических свойств стали марок 18ХГТ и 12ХН2
Марка стали Режимы термической обработки в °C ав 8 Ф в кГ • м!см2
Закалка в масле Отпуск в кГ/мм2 в %
18ХГТ 12ХН2 800 780 200 200 120 80 90 60 13 12 55 50 7 8
В нефтяном машиностроении сталь 18ХГТ применяется для изготовления
ответственных высоконагруженных деталей: валов, шестерен коробок передач,
осей, червяков, кулачковых муфт и т. д.
Для изготовления деталей толщиной до 50—70 мм вместо хромоникелевой
стали может применяться хромомарганцевокремнистая сталь марок 20ХГС—
35ХГС (хромансил). Эта сталь за-
каливается в масле с температуры
550 860—880° С. Отпуск производится
при температуре 200—600° С в за-
z висимости от требуемых механиче-
ских свойств.
На рис. 32 показано изменение
350 механических свойств стали ЗОХГС
в зависимости от температуры от-
пуска. При высоком отпуске
г50 (400—600° С) изделия из хромо-
марганцевокремнистой стали необ-
150 ходимо охлаждать в воде или
200 300 ЧОО 500 600 °C
Рис. 32. Изменение механических свойств стали
марки ЗОХГС после закалки с 880° С в масле и
отпуска при 200—600° С, с последующим охла-
ждением в воде
масле.
Сталь марок 20ХГС и ЗОХГС
применяется для изготовления вы-
соконапряженных крепежных дета-
лей, работающих при температуре
до 400° С, клапанных пружин ком-
прессоров, валиков, осей, кулачков соединительных муфт и зубчатых колес бу-
ровых установок, роликов втулочно-роликовых цепей, штропов элеваторов,
хомутов вертлюгов и других деталей нефтезаводского и нефтепромыслового
оборудования. Ниже показана зависимость предела выносливости закаленной
стали марки ЗОХГС от температуры отпуска.
Температура отпуска в °C....................................... 200 400 600
Предел выносливости в кГ/мм2.................................... 71 65 48
В табл. 40 приведены свойства стали ЗОХГС при различных температурах.
В последние годы выявилась необходимость получения после термической
обработки более высоких значений предела прочности, увеличения прокаливае-
мое™, а также способности к воздушной закалке стали типа хромансил.
В связи с этим сталь ЗОХГС была дополнительно легирована никелем и в на-
стоящее время применяется как сталь новой марки — ЗОХГСНА. Свойства
этой стали выше свойств стали ЗОХГС (см. табл. 33). Добавка никеля ока-
зала влияние как на увеличение пластичности, так и на сопротивление разру-
шению. Механические свойства повышаются в результате растворения никеля
в твердом растворе и увеличения дисперности получаемой структуры из-за
более низких температур превращения.
КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ 55
Таблица 40
Механические свойства стали 30ХС после закалки с 880° С и отпуска при 550° С
в зависимости от температуры испытания [107, 176]
Темпера- тура испытания в °C Gtp °, Е 8 в % анв кГм/см2 апл при удлинении за 200 ч на 0,2% в кГ)мм2 °дл за 200 ч в кГ/мм2
в кГ{мм2
20 >85 >110 20 200 >10 4,5
200 98,4 117,0 18 600 9,6 — —
400 83,6 96,5 17 700 11,5 — 60
450 — — — 16,3 46
500 63,9 72,7 16 400 18,5 11,3 26
550 — 5,5 12
600 14,4 21,1 53,0 •— 2,2
700 7,4 • 10,8 58,9 ——
—50 113,2 129,1 20 500 10,4 5,05
— 100 121,2 134,9 20 500 10,4 3,25 —— —
— 193 147,0 156,0 21 800 11,7 1,15 — —
Примечание. При температуре испытания 20° С G= 8300 кГ/мм2', НВ 400;
4 > 45%.
Широкое применение в промышленности для изготовления деталей, под-
вергающихся азотированию, получила сталь марки 38ХМЮА. При насыщении
поверхности такой стали азотом образуются весьма твердые нитриды алюми-
ния, хрома и молибдена, что резко повышает твердость, сопротивление
износу и коррозии азотированных деталей. Перед азотированием детали
из стали 38ХМ.ЮА подвергают закалке в масле с 950—-970° С и отпуску
при 600—650° С.
В нефтяном машиностроении сталь марки 38ХМЮА применяется для из-
готовления азотируемых втулок и плунжеров глубинных насосов. В настоящее
время вместо стали 38ХМЮА для деталей глубинных насосов применяют
сталь марки 35ХЮА, не содержащую молибдена. Сталь 38ХМЮА может быть
заменена также сталью 40ХФА.
К стали высокой прокаливаемости относится хромоникелевая сталь марок
20ХНЗА и ЗОХНЗА, а также хромоникельвольфрамовая сталь марки 18Х2Н4ВА.
Стали этих марок, наряду с высокой прокаливаемостью, обладают очень
высокими механическими свойствами 100кГ]мм2 и ан —114-12кГ-м1см2).
Однако преимущества этой стали по сравнению с менее легированной в
полной мере проявляются лишь в изделиях диаметром или толщиной более
75—100 мм.
Следовательно, высоколегированные стали следует применять для изготов-
ления главным образом крупных изделий, для которых менее легированные
стали не могут обеспечить сквозную прокаливаемость.
Сталь марок 20ХНЗА и ЗОХНЗА может подвергаться улучшению. Закалка
стали этих марок производится в масле с температуры 820—860° С с последу-
ющим отпуском при температуре 550—650° С, иногда с низким отпуском при
температуре 200—220° С.
На рис. 33 показано изменение механических свойств стали марок 20ХНЗА
и ЗОХНЗА в зависимости от температуры отпуска.
При проведении термической обработки необходимо учитывать значитель-
ную склонность этой стали к отпускной хрупкости, в связи в чем изделия из
стали марок 20ХНЗА и ЗОХНЗА при высоком отпуске следует охлаждать
быстро (например, в масле). Кроме того, необходимо иметь в виду, что после
нормального отжига не достигается достаточного понижения твердости и сталь
\марок 20ХНЗА и ЗОХНЗА характеризуется плохой обрабатываемостью, поэтому
56 СТАЛЬ
в качестве предварительной термической обработки рекомендуется изотерми-
ческий отжиг или длительная выдержка при температуре 640—650° С.
Рис. 33. Зависимость механических свойств стали от температуры отпуска:
а — марки 20ХНЗА, закаленной с 820° С в масле; б — марки ЗОХНЗА, закален-
ной с 860° С в масле
В табл. 41 приведены механические свойства стали ЗОХНЗА в зависимости
от температуры испытания.
Таблица 41
Механические свойства стали ЗОХНЗА после закалки и отпуска при 530° С
в зависимости от температуры испытания [107]
Темпера- тура (Угр 8 ПРИ удлинении Темпера- тура (Угр 5 удлинении)
испытания в °C в кГ/мм2 в % за 1000ч 0,1% испытания в °C в кГ/мм2 в % за 1000 ч 0,1%
20 >80 >110 >9 425 70 88 22 7
200 93 108 15 —> 590 26 53 27
370 — — — 21 650 8 . 21 45 —
Примечание. При температуре испытания 20° С а j = 49 ч-51 кГ/мм2", Е =
= 21 200 кГ/мм2', G= 8300 кГ/мм2; НВ 300; Ф = 45%; ан > 8 кГ • м/см2.
Сталь ЗОХНЗА применяется в нефтяном машиностроении для изготовления
пластин и роликов втулочно-роликовых буровых цепей повышенной прочности.
Сталь 20ХНЗА применяется после цементации для изготовления высокойа-
груженных деталей, работающих при больших скоростях и ударных нагруз-
ках: шестерен, кулачковых муфт, силовых шпилек, валиков, втулок, зубчатых,
колес тяжелонагруженных и быстроходных зубчатых передач буровых уста-
новок, собачек роторных клиньев, сухарей трубных ключей и т. д.
В настоящее время эту сталь используют также для изготовления шарошек
и лап буровых долот (см. раздел «Сталь для буровых долот» в настоящей
главе).
Цементация этой стали проводится при температуре 930—960° С. После-
цементации рекомендуется проводить двойную закалку с низким отпуском.
Первая закалка обычно производится с цементационного нагрева в масле, вто-
рая закалка с температуры 750—790° С, отпуск — при температуре 180—200° С-
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 57
Для уменьшения количества остаточного аустенита в цементованном слое
после первой закалки рекомендуется проводить высокий отпуск при темпера-
туре 630—650° С.
Хромоникелевая сталь марки 48Х2Н4ВА применяется как улучшенная и
как цементуемая.
Вольфрам в хромоникелевой стали повышает ее прочность и снижает
склонность к отпускной хрупкости.
Сталь марки 18Х2Н4ВА закаливается на мартенсит при охлаждении на воз-
духе. Нормальный отжиг не дает значительного снижения ее твердости, по-
этому заготовки из этой стали перед механической обработкой подвергают
длительному нагреву при температуре 650—680° С. Такая обработка позволяет
снизить твердость до HRC 24—26.
Сталь марки 18Х2Н4ВА закаливают в масле или на воздухе с температуры
850—870° С с последующим отпуском при 200—220° С (табл. 42) или высоким
отпуском при 550—650° С.
Таблица 42
Механические свойства стали 18Х2Н4ВА после закалки и низкого отпуска при различных
температурах испытания [107]
Темпера- тура Grp % С-1 8 Ф ан в °пл при удлинении за
испытания в °C в кГ/мм2 в % кГ-м/см2 100 ч на 0,2% в кГ/мм,2
20 >85 >115 54—60 >12 >50 >10
250 108 121 —— 12,0 60 13,6 —
300 107 121 — 15,6 64 12,2 77,2
400 97,7 108 46 14,0 69,5 10,7 25,8
450 94 103 13,6 68 10,2 8
500 83 90 — 14, 1 70 10,2 12,6
550 72 77 40 13,8 73 10,6 5,4
— 20 134 — 13,0 54 1 1 —
—40 — 139 — 13,0 54 9 —
4 —70 — 143 — 13,0 57 9 ——
— 196 — 173 — 14,0 48 4 —
Примечание. При температуре испытания 20° С Е = 20 400 кГ/мм2', НВ 400.
6. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ,
ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕФТЕЗАВОДСКОЙ
И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
Аппаратура нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов работает в
очень тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высокоагрессивных рабочих
сред при высоких температурах и давлениях.
Поэтому сталь, применяемая для изготовления аппаратуры, должна обла-
дать высокой сопротивляемостью коррозии, окалиностойкостью и жаропроч'
ностью. Кроме того, сталь должна иметь достаточно высокие механические
и технологические свойства и прежде всего хорошо свариваться, так как почти
вся аппаратура выполняется сварной, исключая группу кованых аппаратов,
работающих при высоком давлении.
Наиболее полно требуемые свойства удовлетворяются высоколегированной
сталью с особыми физико-химическими свойствами (нержавеющие, окалино-
стойкие, кислотостойкие и жаропрочные стали). Из этих сталей в настоящее-
время изготовляют всю наиболее ответственную нефтезаводскую и нефтехи-
мическую аппаратуру.
58 сталь
Нержавеющая и кислотостойкая сталь
Примерно 33% вводимого ежегодно в эксплуатацию металла выходит из
строя вследствие коррозии. Особенно большие размеры приняла коррозия
в нефтяной промышленности: около Vs всех разрушений металла от коррозии
^приходится на промышленность химического и нефтехимического синтеза,
причем коррозии подвергается не только углеродистая, но и высоколегирован-
ная сталь.
Как показала практика, наиболее интенсивное разрушение в результате
коррозии наблюдается в следующих узлах аппаратуры [139, 78]:
печное оборудование (печные трубы, ретурбенды, арматура);
погоноразделительная аппаратура (эвапораторы, ректификационные ко-
лонны) ;
конденсационно-холодильная аппаратура и продуктовые емкости.
В наиболее тяжелых условиях работают печные трубы, наружная поверх-
ность которых непосредственно омывается горячими топочными газами
с температурой примерно 500° С и выше, а внутренняя — контактирует с горя-
чей агрессивной нефтью и ее дистиллятами, которые в процессе нагрева вы-
деляют активную серу. Кроме того, трубы работают при повышенных давле-
ниях и больших скоростях потока агрессивных сред.
В тяжелых условиях работают также трубные решетки, подвески и крон-
штейны. Находясь в топочном пространстве, они подвергаются воздействию
высоких температур (до >1000°С), раскаленных газов, что приводит к быстро-
му их износу.
Продолжительность службы ректификационных колпачков из углеродистой
стали в условиях переработки сернистой нефти не превышает четырех-шести
месяцев.
Чрезвычайно сильная коррозия наблюдается в аппаратах, где конденсиру-
ются водяные пары и наиболее легкие фракции (в трубах, холодильниках, га-
зосепараторах, конденсаторах, теплообменниках и т. п.).
Интенсивная коррозия вызывает нарушение нормальной работы аппарату-
ры, простои оборудования, безвозвратную потерю металла от коррозии. Не-
обходимо отметить, что процесс коррозии очень часто сопровождается эрозион-
ными процессами, усиливающими разрушение аппаратуры и оборудования.
Одной из наиболее эффективных мер борьбы с коррозией аппаратуры неф-
теперерабатывающих и нефтехимических заводов является применение спе-
циальных нержавеющих и кислотостойких сталей.
Основным легирующим элементом всех типов нержавеющей стали является
хром, повышающий сопротивление коррозии. Влияние хрома на коррозионную
стойкость объясняется способностью образовывать на поверхности стали ус-
тойчивую защитную пассивирующую пленку окислов. Эта пленка, несмотря на
очень незначительную толщину, предохраняет металл от коррозии. Образование
защитной пленки на поверхности стали сопровождается повышением электрод-
ного потенциала. Изменение электродного потенциала и, следовательно, кор-
розионной стойкости стали происходит с увеличением содержания хрома не
постепенно, а скачкообразно.
На рис. 34 приведена кривая зависимости электродного потенциала от со-
держания хрома в стали. Как видно из рисунка, электродный потенциал резко
•повышается при содержании хрома более 12%. Поэтому минимальное содержа-
ние хрома в нержавеющей стали должно составлять примерно 12%.
Так как коррозионная стойкость хромистой стали зависит от пассивирую-
щего свойства хрома, то эта сталь обладает стойкостью лишь в таких средах,
которые способствуют образованию защитных пленок. Если же среда препят-
ствует образованию пленки или ионы агрессивной среды (например, ионы хло-
ра) настолько малы, что могут проникать через поры пленки, то хромистая
сталь разрушается. Так, в азотной кислоте любой концентрации и концентри-
;рованной серной кислоте, в воздухе, в парах воды, в большинстве органичес-
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 59
«ких сред, не обладающих восстановительными свойствами, хромистая сталь
имеет хорошую стойкость. В то же время хромистая сталь не обладает доста-
точной стойкостью в соляной и в слабой серной кислоте, а также в растворах
хлористых солей.
С увеличением содержания углерода коррозионная стойкость хромистой
нержавеющей стали падает. Это объясняется тем, что коррозионная стойкость
•стали определяется количеством хрома, находящимся в твердом растворе.
Углерод, образуя с хромом карбиды, обедняет твердый раствор, что может
«привести к понижению концентрации хрома в твердом растворе ниже порога
устойчивости (112% Ст).
Кроме того, между карбидами хрома и твердым раствором возможна корро-
зия вследствие образования электрохимической пары, что и происходит при
повышенных концентрациях углерода,
-когда образуются сложные карбиды
(FeCr)7C3, имеющие электродный потен-
циал, значительно отличающийся по ве-
личине от потенциала твердого раствора.
При малых концентрациях углерода об-
разуется карбид (FeCr)4C, который име-
ет потенциал, близкий к потенциалу твер-
дого раствора, и электрохимической па-
ры не образуется.
Таким образом, чем выше содержание
углерода, тем большая концентрация хро-
ма требуется для сохранения коррозион-
ной стойкости, и наоборот, коррозионная
Рис. 34. Зависимость электродного по-
тенциала от содержания хрома в стали
стойкость стали при постоянном со-
держании хрома будет тем выше, чем ниже концентрация углерода.
В стали с содержанием хрома 12—14% резкое падение потенциала наблю-
дается при концентрации углерода примерно 0,4% (рис. 35).
Поэтому в хромистой нержавеющей
стали (с содержанием хрома 12—14%)
содержание углерода не должно превы-
шать 0,4%.
Хромистая нержавеющая сталь, со-
держащая 12% хрома, обладает поли-
морфным превращением а+^у и, следо-
вательно, может подвергаться термичес-
Тис. 35. Зависимость электродного потенциа-
ла (содержание хрома 12—14%) от концен-
трации углерода в хромистой нержавеющей
стали
Рис. 36. Тройная диаграмма состояния
Fe — С — Сг при постоянном содержании
хрома, равном 12°/о (разрез)
Структура хромистой стали зависит от содержания углерода. При содер-
-жаиии до 0,1% С после закалки с 920—950° С в масле структура стали обычно
состоит из мартенсита и феррита, а при 0,2—0,4% С — имеет мартенситную
структуру. При нагреве стали во время закалки происходит растворение кар-
'бицной фазы в твердом растворе; последующее быстрое охлаждение стали
фиксирует структуру мартенсита с некоторым количеством карбидов. При
Таблица 43
Химический состав в %, термическая обработка и механические свойства основных марок хромистой нержавеющей стали [32, 78, 139]
Марка Si Мп Термическая обработка °в Grp 8 Ф а,, в Твердость в отож-
стали С Сг в кГ/мм2 в % н кГ-м/см2 женном состоянии, НВ
0X13 <0,08 <0,6 <0,6 11,0—13,0 Отжиг при 840° С 45 24 25 60 — 179
Закалка с 1010—1050° С (масло); отпуск при 680— 780° С 60 42 20 60 9 —
1X13 <0,15 <0,6 . <0,6 12,0—14,0 Закалка с 1000—1050° С (масло или вода); отпуск при 700—790° С 60 42 20 60 9 179
2X13 0, 16—0,24 <0,6 <0,6 12,0—14,0 Закалка с 1000—1050° С (масло или вода); отпуск при 660—740° С 66 45 16 55 8 187
3X13 0,25—0,34 <0,6 <0,6 12,0—14,0 Закалка с 1000—1050° С (воздух или масло); отпуск при 720—740° С 70 50 15 55 5 —
Отпуск при 620—670° С 95 75 9 40 3 107
Закалка с 1050—1 100° С (масло); отпуск при 200° С Как инстру 'ментальная, твердость HRC>45 —
4X13 0,35—0,45 <0,6 <0,6 12,0—14,0 Закалка с 1050—1 100° С (масло); отпуск при 200° С Как инструментальная, твердость HRC > 50 —
Х17 <0,12 <0,8 <0,7 16,0—18,0 Отжиг при 760—780° С 40 25 20 50 — —
Х25 <0,20 <1,0 <0,8 23,0—27,0 То же 45 30 20 45 — —
Х28 <0,15 <1,0 <0,8 27,0—30,0 » 45 30 20 45 — —
Х18 0,9—1,0 <0,8 <0,7 17,0—19,0 Закалка с 1 100—1040° С (масло); отпуск при 150° С Твердость HRC > 50 (60) —
60 СТАЛЬ
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 61
Рис. 37. Зависимость механических
свойств стали типа 1X13 от температу-
ры отпуска (закалка с 980° С в масле)
закалке хромистой стали необходимо ее нагревать до высокой температуры,
так как карбиды хрома весьма устойчивы и растворяются в аустените лишь
при высокой температуре.
Отпуск вызывает выделение мелкодисперсных карбидных частиц из «-рас-
твора. В зависимости от температуры отпуска соответственно изменяются ме-
ханические свойства хромистой стали. При температуре отпуска 450—550° С
наблюдается значительное падение ударной вязкости (рис. 37), сопровождаю-
щееся также ухудшением коррозионной стойкости. Поэтому отпуск производят
либо ниже 400° С, либо выше 600° С. Обычно термическая обработка нержаве-
ющей хромистой стали, содержащей 12%
хрома, заключается в закалке с 1000—
1050° С в масле и отпуске при 600—
780° С (табл. 43).
Хромистая сталь характеризуется
склонностью к отпускной хрупкости, по-
этому после отпуска ее следует охлаж-
дать быстро (в масле).
Содержание хрома более 12% повы-
шает коррозионную стойкость стали. К
таким сталям относится высокохромис-
тая нержавеющая сталь с содержанием
17—30% хрома.
При незначительном содержании уг-
лерода (до 0,1%) эта сталь не испыты-
вает фазовых превращений (а^у) и от-
носится к стали ферритного класса.
При содержании углерода свыше
6,1% сталь приобретает частичную спо-
собность к превращению и может
быть отнесена к полуферритному классу.
Высокохромистая сталь обладает хо-
рошей кислотостойкостью и высокой ока-
линостойкостью (при содержании 17—
18% Сг — до 700—800° С, а при содержа-
нии 25—30% Сг до 1100° С).
Наиболее распространенным и реко-
мендуемым режимом термической обра-
ботки высокохромистой стали является
отжиг при 760—780° С с последующим охлаждением на воздухе или вместе с
печыо. В результате такой термообработки сталь приобретает наиболее равно-
весную структуру в виде ферритокарбидной смеси, характеризующейся благо-
приятным сочетанием прочности и коррозионной стойкости. Иногда применяет-
ся также нагрев и выдержка стали при 850—900° С в течение нескольких часов
с последующим быстрым охлаждением. При этом наблюдается растворение
карбидов и несколько повышается пластичность.
Необходимо отметить, что введение в высокохромистую сталь небольшого
количества титана (до 0,8%) уменьшает склонность к росту зерна, повышает
антикоррозионные свойства стали и несколько повышает пластичность.
На рис. 38 показано изменение механических свойств некоторых марок не-
ржавеющей хромистой стали, а на рис. 39 — изменение предела ползучести
отожженной стали марок 1X13, 0X13 и Х28 в зависимости от температуры.
В табл. 44 дана оценка коррозионной стойкости нержавеющей стали в раз-
личных средах [179] по пятибалльной
шкале со следующими градациями по-
терь веса металла от коррозии:
Потеря веса в Г/м2 • ч Балл
Менее 0,1 .................... 1
От 0,1 до 1,0.................. 2
От 1,0 до 3,0...................3
Потеря веса в Г/л*2 • ч Балл
От 3,0 до 10,0 .....................4
Свыше 10 5
62 СТАЛЬ
Хромистые нержавеющие стали (см. табл. 43) широко применяются в неф
тяной и нефтехимической промышленности.
Сталь марок 1X13 и 2X13 применяется для изготовления штоков, валов,,
втулок горячих центробежных и поршневых насосов, уплотнительных колец,
арматуры, крепежных изделий и внутренних устройств аппаратуры переработ-
ки горячих агрессивных сернистых нефтей.
Рис. 38. Зависимость механических
свойств хромистой нержавеющей стали от температуры»
испытания:
а — сталь марки 0X13 (отпуск при 760—780° С) [23]; б — сталь марки 1X13 (закалка с
1020° С в масле, отпуск при 500° С) [23]; в — сталь марки 3X13 (закалка с 1020° С на
воздухе, отпуск при 750° С) [2]
вызывающие
10-6 и
39. Напряжения,
ползучести
Рис.
скорости ,
10-7 мм/мм-ч у хромистых нержавею-
щих сталей [21]:
1 — сталь марки 1X13; 2 — сталь
марки 0X13; 3 — сталь марки Х28
Для изготовления предохранительных клапанов, работающих при темпера-
туре 300—400° С, применяется сталь 08X13.
Коэффициент расширения стали 08X13 составляет 0,85 от коэффициента для
углеродистой стали, поэтому эта сталь применяется для коррозионного слоя
двухслойного проката в аппаратуре и деталях, изготовляемых методом горячей
обработки. Кроме того, сталь 08X13 приме-
няется для изготовления ректификационных
тарелок, колпачков и других элементов,
внутренних устройств аппаратуры, овальных
прокладок, работающих в среде коррозион-
ных нефтепродуктов, сернистом газе, серово-
дороде и др. при максимальном рабочем
давлении 400 кГ/сж2 и температуре до»
540° С.
Сталь марки 3X13 служит для изготовле-
ния пружин предохранительных клапанов н
уплотнительных колец арматуры.
Сталь 4X13 используется для изготовле-
ния деталей машин и приборов, работаю-
щих на износ при высоких нагрузках и воз-
действии коррозионной среды.
Сталь марки Х17 обладает высокой стой-
костью в азотной кислоте и широко приме-
няется при изготовлении аппаратуры и обо-
рудоваия азотнокислых заводов (адсорб-
ционные башни, теплообменники для горя-
чих нитрозных газов и горячей азотной кис-
лоты, трубопроводы и др.), баков и цистерц
для перевозки азотной кислоты.
Сталь марок Х25 и Х28 применяется для
изготовления конусов топок, работающих под давлением, насадок для нефтя-
ных форсунок, чехлов термопар, порогов топок и других печных деталей.
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 63
Таблица 44
Неорганические кислоты
Азотная:
1—5 20 1 1 — 1 1 1 1 1 1
1—5 80 2 2 2 1 1 1 1 1 1
5 Кипения 2-3 3—4 — 1 1 1 1 1 1
20 20—30 1—2 1—2 1—2 1 1 , 1 1 1 1
50 20—50 1 1 1 1 1 1 1 1 1.
50 80 2 2 2 1—2 1-2 1 1 1 1
50 Кипения 3 3 3 ! 3 2 2 2 2
60 20—60 1 1 1—2 1 1 1 1 1 1
60 Кипения 4 4 3 2 2 2 1-2 2 2'
65 20 1 1 ‘ 1 • 1 1 1 1 1 1 1
65 85 2 2 2 2 1 1 1 1 Ь
65 Кипения 4 4 4 3 3 2 2 2 2
99 20 2 2 3 2 2 2 2 2 2'
99 Кипения ' 4 4 4 4 ’ 2 4 4 4 4
Серная:
0,5 20 4 4 — 2 2 2 2 2 1
1 20 4 4 «— 4 4 2 2 2 1
3 20 4 4 — 4 4 - 2 2 2 li
40 20 5 5 5 5 5 4 4 4 1
80 20 2 3 2 3 2 2 2 2 2
98 20 2 2 2 2 2 1-2 1—2 1-2 1
98 100 4 4 4 4 4 4 4 4 —
98 150 5 5 5 5 5 5 5 5 —
Сернистая:
2 20 —— — — 2 2 — — —-
2 50 — —— — 2 2 — —- —
20 20 3 3 — 3 3 1 1 1 1
Сернистый газ 20 — — — — — 1-2 1-2 1—2 ——
влажный
Фосфорная:
1 20 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 Кипения 3 3 — 2 2 1 1 1 1
10 20 4 4 3 3 2 1 1 1 1
10 Кипения — — — 2 1 1 1 L
40 100 5 5 5 5 4 2 2 2 1
40 Кипения 5 5 5 5 3 — — 2-
65 80 5 5 5 2 3 1 1 1 L
65 ПО 5 5 5 3 5 5 5 5 3
80 60 5 5 — — — 1 1 1 1
90 20 1 1 — 1 1 1 1 1 1
90 80 —• — — — — 2 2 2 2
90 110 — — — — 5 о 5 3
Соляная техничес-
ки очищенная:
0,5 ' 20 3 3 2 2 2 2 2 2 1
0,5 Кипения 5 5 5 5 5 5 5 5 3
3 20 4 4 4 4 4 9 2 2 1
5 20 5 5 5 5 5 2 2 2 1
10 20 5 5 3 5 5 2 2 2 2
30 20 5 5 5 5 5 5 5 5 4
64 СТАЛЬ
Продолжение табл. 44
Х18Н12М2Т
Фто ристоводород-
ная (плавиковая, технически очи- щенная): п 1
10 10 20 100 5 5 5 5 5 2 4 2 4 z 4 3
Хромовая: 1
10 До 40 1 1 -— 1 1 1 1 1 2 1 2
10 Кипения 2 2 — — •“
20 40 50 50 50 20 5 5 2 1 5 2 1 5 2 3 2 3 2 3 2 2 1
Органические кислоты
Винная: 1 20 2 2 1 1 1 1 1 1 1
5 20 3 3 ——• 2 2 1 1 1
5 Кипения 5 5 — 5 3 1 1 1 1 1 1
10 —— 5 5 — 5 5 1 1 1
20 100 3 3 —— 3 3 — 1 к — 1
50 Кипения 5 5 — 5 5 1 1 5 1 2
75 » — — — — — 5 О
Дигалловая (ду-
бильная):
10 80 3 3 —- 1 1 1 1 1 1
50 Кипения 2 2 — 2 2 1 1 1 1
Карболовая (фено-
ловая).^
5 От 20 до 1 1 — 1 1 1 1 1 1
кипения
Карболовая кон- То же 1 1 — 1 1 1 1 1 1
центрированная , химически чис-
тая
Лимонная:
5 Кипения 5 5 — 4 3 1 1 1 1
25 20 3 3 — 2 2 1 1 1—2 1 1
25 85 5 5 — 5 3 1—2 1—2 1
25 Кипения 5 5 — 5 3 3—4 3—4 3—4 1
50 20 о 3 — 2 2 1 1 1 1
50 Кипения 5 5 — 5 5 4 4 4 1
Лимонная, насы-
щенная при 100° С:
67 Кипения 5 5 — 5 5 5 5 5 —
Молочная: 1 20—50 2 2 1 1 1 1 1 1
1,5 Кипения — — — — — 1—3 1—3 1—3 —
5 50—80 5 5 —— 5 5 1 1 1 1
5 Кипения 5 5 — 5 5 2-3 2—3 2—3 1
10 20 4 4 •— 3 3 1 1 1 1
10 50—75 5 5 — 5 5 1 1 1 1
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 65
Продолжение табл. 44
Среда, концентрация в % Температура ис- пытания в °C Марка стали
1X13 2X13 Х18 Х17 Х28 £ со о 1Х18Н9Т Х18Н11Б Х18Н12М2Т
10 Кипения 5 5 5 5 3 3 3 1—3
25 90 5 5 5 5 2 2 2 1
50 20 5 5 3 3 1 1 1 1
50 Молочная концент- рированная: 90 5 о — 5 5 2 2 2 1
20 3 3 — 3 , 3 3 1 1
50 4 4 — 3 , 3 2 2 2
100 5 5 — 5 , 5 3 3 3
Муравьиная: Кипения 5 5 — 5 5 3 3 3 2
0,5 70 1 1 1 1 1 1 1 1
1 Кипения 5 5 — 5 5 2 2 2 1
5 20 3-4 3—4 — 3 3 1 1 1 1
5 100 5 5 — 4 4 3 3 3
10 Кипения 5 । о —- 5 5 3 3 3 2
50 80 5 5 —— 5 5 5 , 5 5 1
50 Кипения 5 5 — 5 5 5 5 5 2—4
80 20 4 ' 4 — 3 3 1 1 1 1
80 Кипения 5 5 5 5 3 3 3 2
100 20 2 2 — 1 ( 1 1 1 1 1
100 60 2 | 2 —— 1 1 . 1 1 1 1
100 Олеиновая, техни- чески чистая: Кипения — — — 2 2 2 2
20 1 1 — 1 1 1 1 1 1
100 1 1 —— 1 1 1 1 1 1
Пикриновая: 150 2 2 — 2 2 1 1 1 1
1 От 20 до кипения 5 5 — — — 1 1 1 1
Пирогалловая всех концентра- ций Салициловая: То же 1 1 1 1 : 1 1 1 1
0,5 Стеариновая кис- лота (уд. вес 0,85): 20-Г-85 1 1 1 1 1 1 1 1
80 1 1 — 1 1 1 1 1 1
Уксусная: , 130 — — — 1 1 1 1
1 Кипения — — — — — 1 1 1 1
5 20 2 2 2 1 1 1 1 1 1
5 75 4 4 4 3 3 3 1 1 1
5 Кипения 5 5 5 4 4 2 2 2 1
25 50 4 4 4 1—2 1 — 2 1-1 1 1 1
25 Кипения 5 5 5 4 4 2-3 2—3 2—3 1
50 20 2-3 2-3 1 2 2 1 1 1 1
50 Кипения 5 5 5 3 3 3 3 3 1
60 » 5 5 — 4 4 3 3 3 1
80 20 3 3 2 2 1 1 1 1
80 Кипения 5 5 5 4 3 2—3 2—3 2—3 1—2
100 20 2 2 1 1 1 1 1 1
100 90 4 4 — 1 1 1 1
100 Кипения 5 5 — 3 3 3 3 3
5 Заказ 664
66 СТАЛЬ
Продолжение табл. 44
Среда, концентрация в % Температура ис- пытания в °C Марки стали
1X13 2X13 Х18 Х17 Х28 0Х18Н9 1Х18Н9Т Х18Н11Б Х18Н12М2Т
Уксусный ангид-
рид (уд. 1,073) вес 20 2 2 1 1 1 1 1 1
80 2 2 — 1 1 1 1 1 1
Кипения ’ 3 3 — 2 2 2 2 2 1
Щавелевая:
2 5 20 2 2 1 1 . 1 1 1 1
2’, 5 2,5 60 4 4 2 2 2 2 2 1
Кипения 5 5 — 5 5 1 4 4 4 1 1
1 0 20 3 3 —— 2 2 1 1 1
10 50 Кипения » 5 5 5 5 — 5 . 5 5 5 4 4 4 4 4 4 3 2
Щелочи
Аммиак (водный раствор всех концентраций): Едкое кали: 25 50 50 68 Расплавленное ед- кое кали: Кипения 20 Кипения 120 300 • 20 J 1 1 2 2 5 1 , 1 1 . 2 2 ’ 5 1111* 1 1 2 2 5 1 1 ' 1 , 2 2 5 1 1 1 2 1 4 1 1 1 2 1 4 1 1 1 2 1 4 1 1 1 1 1 3
Едкий натр (кау-
стическая сода):
10—20 Кипения 2 2 —‘ 1 1 1 1 1 1 1 1 1
30 100 2 2 —— 2 2 1 1 1 1 1 1
40 90 2 , 2 —— 2 2 1 1 1 1 1
50 50 60 60 90 100 90 120 3 2 3 2 2. 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 1 1 1
70 70 90 Расплавленный 90 Кипения 300 318 5 5 5 5 5 5 5 5 1 3 3 4 1 3 3 4 А 3 3 4 1 3
едкий натр
Соли и смеси солей
Аммоний хлорис-
тый (нашатырь): б 10 10 10 90 20 90 Кипения 2 1 . 2 2 2 : 1 2 2 2 2 1 2 2 2 1 . 2 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1
25 (При 20й С) 50 90 Кипения 2 5 2 5 — 2 5 2 5 2 2 1 2 2 1 2 2 1 1 2 1
33,5 (при 50 — —• — 1
50° С) 43 (при Кипения 5 5 — — — 2 2 2 2
100° С) с 4 4 2—3 2—3 2-3 2
50 (при 115° С) » 5 о
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 67
Продолжение табл. 44
Марки стали
Среда, концентрация в % Темпера- тура испытания в ° С 1X13 2X13 Х18 X17 X28 0X18H9 1X18H9T ! Х18Н11Б X18H12M2T
Железо сернокис- лое (железный купорос): 10 10 10 Г оряченасыщенный раствор Железо хлорное: 1 %-ный раст- вор 5-г-7%-ный раст- вор Известь хлорная (4 -г 10 г/л ак- тивного хлора) То же, сухая То же, влажная Калий азотнокис- лый (силитра всех концентра- ций) То же, расплав- ленный Калий двухромо- вокислый (хром- пик): 20 25 Калий двууглеки- слый всех кон- центраций То же, 5%-ный Калий железисто- синеродистый (красная кровя- ная соль): 25 То же Калий марганцево- кислый: 5—10 10 Калий углекислый (поташ) 50 Калий углекис- лый, расплав- ленный Магний хлорис- тый: 15 19 Медь азотнокис- лая, всех кон- центраций 20 90 Кипения Кипения 20 20 От 20 до кипения 20 20 От 20 до кипения 550 90 Кипения 20 60 20 Кипения 20 Кипения Кипения 900—1000 20 Кипения От 20 до кипения 2 3 5 1 1 1 1 1 2 1 5 3 3 1 2 3 5 1 1 1 1 1 2 1 5 3 3 1 III II II II 1 III 1 III III Illi 1—2 1—2 1—2 2 5 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1—2 1—2 1—2 2 5 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1—2 1—2 1—2 2 5 21 1J 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1—2 1—2 1—2 2 5 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 1—2 1—2 1—2 2 5 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 J 5 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 . 1
5 *
68 СТАЛЬ
Продолжение табл. 44
Среда, концентрация в % Темпера- тура испытания в °C Марки стали
1X13 2X13 Х18 Х17 Х28 0Х18Н9 1Х18Н9Т Х18Н11Б X18HI2M2T
Медь хлорная: 1 20 1 1 1 1
1 75 —— — — — — 3 3 3 —•
5 20 — — — — 1 1 1
8 Кипения 5 5 — 5 5 5 5 5 5
Кальций хлорис-
тый:
5 20 1 1 — 1 1 1 1 1 I
10 20 1—2 1-2 — 1 1 1 1 1 1
10 50 1—2 1—2 — 1-2 1—2 1 1 1 1
20 20 1—2 1—2 — 1—2 1—2 1 1—2 1 1 —
20 Кипения — — — — — 1—2 1—2 —
Калий хлористый,
насыщенный на холоду:
42 20 1—2 1-2 —— 1 — 2 1—2 I 1 1 —
42 100 — — — «— 2 2 2 —
42 Кипения 2 2 — 2 2 2 2 2 1
Калий хлористый, » 2 2 — 2 2 2 2 2 1
горяченасыщен- ный раствор
Медь сернокислая Кипения 1 1 — — 1 1 1 1 1
(медный купо- рос), всех кон- центраций
Натрий азотно- От 20 до 1 1 — 1 1 1 1 1 1
кислый (селитра) кипения
всех концентра- ций
Натрий азотнокис- 360 1 1 — 1 1 1 1 1 1
лый, расплав- ленный
Натрий борнокис- 20 — — — 1 1 1 1 1 1
лый насыщенный раствор
Натрий двууглеки- 60 1 1 — 1 1 1 1 1 1
слый, всех кон-
центраций
Натрий кремнеки- 20 1 1 —• 1 1 1 1 1 1
слый (раствори- мое стекло) уд. в. 1,025, насы- щенный
То же Горячий 1 1 — 1 1 1 1 1 1
Натрий кислый
сернокислый (би- сульфат натрия):
10 20 3 3 — 3 3 2 2 2 1
Натрий серновати-
стокислый (ги- посульфит):
16 и 25 Кипения 1 1 — 1 1 1 1 1 1
Натрий сернокис-
лый (глауберова соль):
5 20 1 1 — 1 1 1 1 1 1
30 100 — — — 1 1 1 1 1 1
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 69
Продолжение табл. 4 4
Среда, концентрация в % Темпера- тура испытания в °C Марки стали
1X13 2X13 Х18 Х17 Х28 ! 0Х18Н9 1Х18Н9Т Х18Н11Б Х18Н12М2Т
Натрий углекис- лый (сода) горя- ченасыщенный: 31 Кипения 1 1 1 1 1 1 1 1
То же, расплав- ленный Натрий фосфорно- кислый: 13 900 5 5 — 5 5 5 5 5 5
15 1 1 1 1
Натрий фосфорпо- 20 — — — — — 1 1 1 1
кислый раствор насыщенный То же Кипения — — — — 1 1 1 1
Натрий фторис- тый: 5 20 3 3 . 2 2 2 2 2 2
Натрий хлористый поваренная (соль): 3 " 20 1—2 1—2 1 1 1 1
5—10 От 20 до — — — 1 — 2 1 — 2 1 1 1 1
20 кипения 20 . . 1—2 1 — 2 1 1 1 1
20 90 2-3 2—3 — 2—3 2—3 1 1 1 1
20 Кипения 2-3 2-3 2-3 2—3 1 1 1 1
Натрий уксусно- Кипения 1 1 — 1 1 1 1 1 1
кислый, горяче- насыщенный раствор Никель азотнокис- лый: 5—10 20 1 1 1 1 1 1 1 1
Никель сернокис- Кипения — — 1 1 1 1 1 1 1
лый, горячена- сыщенный раст- вор Никель хлорис- 20 1 1 1 1
тый, водный раствор Олово хлористое: 5 50 2 2 2
То же Кипения — — — — — 5 5 5 —
Олово хлорное: 5 20 5 5 2 2 2
24 20 5 5 — — 2 2 2 —
24 Кипения 5 5 5 5 3 3 3 —•
Перекись водоро- да; % об. 0,3 60 1 1 1 1 1 1 1 1
20 60 1 1 — 1 1 1 1 1 1
20 90 5 5 — — 3 3 3 —
Перекись водоро- да, концентриро- ванная (пер- гидроль): 30 20 1 1 1__
70 СТАЛЬ
Продолжение табл. 44
Среда, концентрация в % Темпера- тура испытания в °C Марки стали
1X13 2X13 Х18 Х17 Х28 0Х18Н9 1Х18Н9Т Х18Н11Т Х18Н12М2Т
Ртуть хлорная (су- лема): 0, 1 20 2—3 2—3 2 2 2 2 2 1
0, 1 Кипения 5 5 — 5 5 2 2 2 1
0,7 20 3 3 — 3 3 2 2 2 2
0,7 Кипения 5 5 — 5 5 4 4 4 4
Свинец азотнокис- лый: 50 Кипения — 1 1 1 1
Свинец уксусно- кислый: 20 20 1 1 1 1 1 1 1 1
20 90 1 1 —— 1 1 1 1 1 1
20 Кипения 2 2 — 1 1 1 1 1 1
Серебро азотно- кислое (ляпис): 5 20 1 1 1 1 1 1 1 1
10 Кипения — — — — — 1 1 1 1
Сталь с высоким содержанием углерода марки XI8 применяется для кор-
розионно-стойких подшипников в нефтеперерабатывающей промышленности.
Дальнейшее повышение коррозионной
стойкости хромистой нержавеющей стали
может быть достигнуто введением в нее
никеля. В настоящее время в промыш-
ленности широко применяется ряд марок
хромоникелевой нержавеющей стали с со-
держанием от 18 до 25% хрома и от 8
до 20% никеля.
Наиболее широко применяется сталь
с содержанием 18% хрома и 8% никеля
и с небольшим содержанием углерода
(до 0,2%). Такие стали относят к типу
18-8. Имея высокую коррозионную стой-
кость при повышенной прочности и плас-
тичности и хорошую свариваемость, хро-
моникелевые нержавеющие стали нашли
широкое применение для изготовления
аппаратуры нефтеперерабатывающих и
нефтехимических заводов.
На рис. 40 приведен разрез диаграм-
мы состояния Fe—Сг—Ni—С при содержании 18% хрома и 8% никеля. Как
видно из рисунка, сталь, содержащая С ^0,04 %, испытывает при нагревании
и охлаждении полиморфные превращения (ia=^y). В равновесном состоянии
при атмосферной температуре структура этой стали представляет смесь леги-
рованного феррита, аустенита и карбидов. Растворимость углерода в аустени-
те при комнатной температуре не превышает 0,04%. При содержании углерода
более 0,04% последний образует карбидную фазу (Сг2зС6).
1400
1200
1000
800
ЖаЛс. _с Ж+Ст
ж+0т< Z
Предел растворимости
у- карбидов в аустените-
у+Ст
Аустенит-
★карбиды
600
do
200^-у+а+Ст
0,2 0,0 0,6 0,8 %С
Рис. 40. Диаграмма состояния - сплавов
Fe — Сг — Ni — С при содержании 18%
хрома и 8% никеля (разрез)
7Й
8
Е
К
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 71
Растворимость карбидов в аустените с повышением температуры увеличи-
вается (линия SE).
Гомогенный аустенит в стали типа 18-8 с содержанием углерода 0,2% на-
блюдается лишь при температуре нагрева 1000° С и выше. При последующем
охлаждении даже на воздухе сталь типа 18-8 сохраняет аустенитную струк-
туру- Таким образом, эта сталь относится к группе сталей аустенитного
класса.
Совместное влияние пассивирующего воздействия хрома и однородной
аустенитной структуры придает хромоникелевой нержавеющей стали высокую
коррозионную стойкость.
Для получения максимальной коррозионной стойкости нержавеющую хромо-
никелевую сталь 18-8 закаливают с
температуры 1050—1100° С в воде.
Применение ускоренного охлаждения
обусловливается тем, что при более
медленном охлаждении из аустенита
иногда успевают выделиться хромис-
тые карбиды, особенно при содержа-
нии углерода выше 0,1%. Присутст-
вие в аустените карбидов хрома вы-
зывает снижение коррозионной устой-
чивости стали, так как аустенит обед-
няется хромом и образуются электро-
химические пары между карбидами и
аустенитом.
Хромоникелевая нержавеющая
сталь аустенитного класса в некото-
рых коррозионных средах, встречаю-
щихся при переработке нефти и неф-
тяных дистиллятов, обладает более
высокой устойчивостью против корро-
Рис. 41. Склонность хромоникелевой стали ти-
па 18-8 к межкристаллитной коррозии (МКК)
в зависимости от времени выдержки и кон-
центрации углерода:
/ — выдержка при 675° С; 2 — выдержка
при 650° С
зии, чем хромистая нержавеющая
сталь. Благодаря этому аустенитная
нержавеющая сталь нашла широкое
применение при изготовлении обору-
дования и аппаратуры, работающих при высокой температуре, а также в не-
которых агрессивных средах при отрицательной температуре [32, 78, 139].
Недостатками хромоникелевых нержавеющих сталей является их склон-
ность к межкристаллитной коррозии и относительно низкая прочность в зака-
ленном состоянии.
Межкристаллитная коррозия представляет собой такой вид коррозии, ког-
да под воздействием определенной агрессивной среды коррозионный» процесс
протекает только по границам зерен. В результате этого связи между зернами
ослабевают, они разобщаются между собой и возникают трещины, которые
делают металл непригодным к эксплуатации. Этот вид коррозии редко может
быть обнаружен визуальным наблюдением, поэтому для ее выявления приме-
няются специальные методы.
Межкристаллитная коррозия вызывает в начальной стадии понижение плас-
тичности и вязкости сплава, а затем его разрушение.
Склонность нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии зависит
главным образом от состава стали, условий термической обработки, режимов
сварки и характера коррозионной среды и проявляется при нагреве в темпера-
турном интервале 450—850° С. При этом большое значение имеет время вы-
держки в указанном интервале температур (рис. 41).
При сварке межкристаллитная коррозия проявляется в зоне термического
влияния и может вызвать разрушение сварных соединений при воздействии
агрессивных сред.
72 сталь
Скорость распространения межкристаллитной коррозии зависит также от
содержания углерода (см. рис. 41). Установлено, что при содержании в стали
менее 0,02% С склонность к межкристаллитной коррозии отсутствует.
Крупнозернистая сталь обладает большой склонностью к межкристаллит-
ной коррозии, чем мелкозернистая.
Явление межкристаллитной коррозии происходит из-за неодинаковой ско-
рости диффузии хрома и углерода. Карбиды в аустенитной стали выделяются
по границам зерна. Так как скорость диффузии углерода значительно выше,,
чем у хрома, весь углерод успевает продиффундировать к границам зерна,
тогда как для образования карбида хром берется только из окружающих по*
верхность зерна объемов. В результате выделения карбида поверхность зерна
оказывается обедненной хромом меньше порога коррозионной устойчивости
«12% Сп).
Коррозионное разрушение распространяется вглубь по обедненным хромом
границам зерна аустенита.
В результате межкристаллитной коррозии в ряде случаев может наблюдать-
ся разрушение аппаратуры и оборудования нефтеперерабатывающих и нефте-
химических заводов. Так, известны примеры разрушения после сравнительно
короткого срока эксплуатации технологических трубопроводов, печных труб,,
защитных облицовок и деталей реакторов, выполненных из хромоникелевых
аустенитных сталей [153].
Межкристаллитную коррозию в аустенитной нержавеющей стали можно-
предотвратить различными методами:
Снижением содержания углерода до 0,02—0,04%, что исключает карбидо-
образование при нагреве стали в интервале опасных температур и устраняет
склонность к межкристаллитной коррозии. Кроме того, такая малоуглеродис-
тая аустенитная сталь благодаря отсутствию карбидных включений обладает
очень высокой пластичностью. В некоторые стандарты введены марки нержа-
веющей стали типа 18-8 с содержанием углерода до 0,03%, без титана и нио-
бия [145]. К таким маркам относятся, например, американские марки
304L (18—20% Сг; 8—12% Ni) и 316L (6—18% Сг; 10—14% Ni; 2—
3% Мо).
Использованием стали с феррито-аустенитной структурой. Образование
феррито-аустенитной структуры достигается за счет введения в сталь феррито-
образующих элементов. Наличие в структуре стали феррита в количестве
10—20% сообщает стали меньшую восприимчивость к межкристаллитной кор-
розии, что можно объяснить значительно большей скоростью диффузии хрома
в феррите, чем в аустените. Однако следует иметь в виду, что присутствие
феррита заметно снижает пластичность стали, что затрудняет технологию ее
горячей обработки.
Введением в сталь ряда легирующих элементов (титана, ниобия, молибде-
на, ванадия и др.), которые стабилизируют карбидную фазу и придают ей ма-
лую растворимость в твердом растворе. Карбидообразующие элементы, сое-
диняясь с углеродом в виде карбидов, снижают количество углерода в стали,
а при ее нагреве в опасном интервале температур устраняется склонность к
межкристаллитной коррозии. Наиболее широко практикуется введение в сталь
титана и ниобия. Для предотвращения межкристаллитной коррозии содержа-
ние титана по отношению к углероду в стали должно быть пятикратным, а
ниобия — десятикратным. Минимальное количество карбидов титана в стали,
достаточное для предотвращения межкристаллитной коррозии при температу-
ре около 450° С, может быть определено по следующей эмпирической фор-
муле [184]:
TiC>5[C —625- Ю-’/г"-1 (Сг— 16,7)],
где TiC — содержание карбида титана; С — углерода; Сг — хрома; п — размер
зерна.
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 73,
Очевидно, что количество карбидов титана, необходимое для предупреж-
дения межкристаллитной коррозии, должно быть тем больше, чем выше содер-
жание углерода, ниже содержание хрома и меньше размер зерна.
Термической обработкой при температуре, обеспечивающей растворение-
карбидной фазы в твердом растворе с последующим быстрым охлаждением
для фиксации гомогенного хромоникелевого аустенита. Для хромоникелевой
стали, содержащей титан, иногда рекомендуется применять стабилизирующий
отжиг при температуре 850—900° С с выдержкой, обеспечивающей гомогениза-
цию аустенита (обычно 3—5 ч). В результате
такого отжига диффузионные процессы, вырав-
нивающие концентрацию хрома в зерне аусте-
нита, протекают с большой скоростью и обед-
нение границ зерна хрома не наблюдается.
Закаленная хромоникелевая сталь типа 18-8
характеризуется высокой пластичностью при
умеренной твердости и прочности.
Необходимо отметить, что для аустенитной
стали характерно низкое отношение предела
текучести к пределу прочности.
Эффективный метод упрочнения стали мар-
ки 18-8 — холодная деформация, что связано
с фазовым превращением у а.
На рис. 42 приведены кривые, показываю-
щие изменение свойств хромоникелевой нержа-
веющей аустенитной стали в зависимости от
степени обжатия. При прокатке с 40%-ным об-
жатием предел прочности повышается в 2 раза
(с 60 до 120 к,Г!мм2, а предел пропорциональ-
ности — в 4 раза (с 25 до 100 кГ)мм2).
Нагартованные стали типа 18-8 использу-
ются, в частности, для бандажирования' емкос-
тей, работающих под давлением, для изготов-
ления канатов, мембран, пружин и других из-
делий, предназначенных для работы в агрес-
сивных средах.
Холод?1ая деформация сталей 18-8 наряду
с наклепом аустенита вызывает у->а превра-
щение, что приводит к изменению коррозион-
ной стойкости этих сталей.
В работе [200] показано, что скорость коррозии хромоникелевых нержавею-
щих сталей в кипящем 15%-ном растворе серной кислоты резко увеличивается
при появлении небольших количеств a-фазы, достигает максимума при содер-
жании a-фазы порядка 30—60% и понижается при дальнейшем увеличении-
количества а-фазы.
Пластическая деформация ускоряет протекание процессов, вызывающих
появление межкристаллитной коррозии, и вместе с тем уменьшает скорость
распространения межкристаллитной коррозии в глубь стали. Поэтому в силь-
нодеформированном состоянии стали типа 18-8, нестабилизированные титаном,
могут применяться наряду со сталями, стабилизированными титаном, без опас-
ности разрушения от межкристаллитной коррозии [200].
Химический состав и механические свойства наиболее широко применяемой
в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности нержавеющей
аустенитной стали приведены в табл. 45.
Хромоникелевая сталь марок 0Х18Н10, Х18Н9 и Х18Н9Т обладает высокой
устойчивостью против коррозии во влажном и сухом сернистом ангидриде при
температуре выше 300° С в высокотемпературных участках аппаратуры и тру-
бопроводов установок, перерабатывающих нефтепродукты (содержащие наф-
20 00 60 %
Обжатие
I'-' > I ' 1 " - I / с
2,2 1,55 1,0
Толщина листа
Рис. 42. Зависимость свойств хро-
моникелевой нержавеющей аусте-
нитной стали типа 18-8 от степени
обжатия
74 СТАЛЬ
<CQ
а-
•S
\о
СЗ
Химический состав в % и механические свойства нержавеющей аустенитной стаПЙ
анв кГХ \Хм/см2 25 25 25 25 15 21 25
•э- в % I in ю ю ю ю о о Щ Ю Ю Ю Ю Ю LQ
tG 40—35 40—35 40 40 40 35 35
НВ 135—170 150—200 140—170 135—200 135—185 145—210
to в кГ}мм2 1 ООО» СЧ ОО СЧ СЧ СЧ «-1 сч со со
48—52 55—58 55 50—54 52—54 50 55—60
Прочие элементы о.^ о Q^OtOin 1 1 о S-CO® сч 1 1 *_?! 1 1 н 2 ° с°-со СЧ О —<
9,0—1 1,0 8,0—10,0 8,0—9,5 11,0—13,0 12,0—14,0 12,0—15,0 18,0—21,0
и 17,0—19,0 17,0—19,0 17,0—19,0 17,0—19,0 16,0—18,0 22,0—25,0 24,0—27,0
Мп 1,0—2,0 1,0—2,0 1,0—2,0 1,0—2,0 1,0—2,0 <2, 0 <1,5
с75 о ОО ОО ОО ОО ОО О О О О О о —. I V/V/V/V/ v V/O сч
О <0,08 <0, 14 <0,12 <0,08 <0,10 <0,20 <0,20
Марка стали to § сч о СЧ g и — °C) 00 о X от от X -< г* сч ооХХоо к —IOOCO’-' Г- X — — х —- 04 сч оХХо X XX
теновые кислоты), в растворах соля-
ной кислоты низкой концентрации
(до 3,5%) при комнатной температу-
ре, в сухом хлористом водороде до
температуры 250° С, в серной кислоте
низкой концентрации (до 5%) и в
растворах сернокислого алюминия
при нормальной температуре (см.
табл. 44).
В нефтезаводской аппаратуре лис-
товой прокат стали марок 0Х18Н10 и
Х18Н9Т применяется для изготовле-
ния сварной аппаратуры, предназна-
ченной для работы при температуре
до 650° С (например, регенераторов и
реакторов каталитического крекинга)
и в некоторых агрессивных средах на
холоде.
Сортовая сталь этих марок (преж-
де всего марки Х18Н9Т) применяется
для изготовления деталей насосов и
арматуры, работающих при темпера-
туре до 650° С, для крепежных дета-
лей внутренних элементов колонн и
машин, соприкасающихся с агрессив-
ной горячей сернистой нефтью. Печ-
ные и коммуникационные трубы из
стали марок 0Х18Н10 и Х18Н9Т ис-
пользуются для высокотемпературных
линий, например, регенерационной си-
стемы каталитического крекинга, для
деструктивной гидрогенизации, произ-
водства неогексана, а также при пере-
работке наиболее агрессивных сернис-
тых нефтей. Проволока из стали
0Х18Н10 и 0Х18Н12Б применяется
для сварки стыков, в которых не дол-
жно быть межкристаллитной корро-
зии.
Сталь марок 0Х18Н10 и Х18Н9Т
используют также для изготовления
овальных прокладок, работающих в
среде коррозионных нефтепродуктов,
водяном паре, нейтральных и корро-
зионных газах и парах при рабочем
давлении до 400 кГ!см2 и температу-
ре до 550° С.
При применении нержавеющей
хромоникелевой стали для изготовле-
ния аппаратов, работающих при высо-
кой температуре, необходимо иметь в
виду, что коэффициент линейного рас-
ширения этой стали в 1,4—1,5 раза
больше, чем углеродистой стали, а
теплопроводность минимум в 3 раза
меньше.
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 75
Наряду с хромоникелевой нержавеющей сталью для изготовления деталей
нефтезаводского и нефтехимического оборудования применяется также сталь
более сложного состава.
Присадка в хромоникелевую сталь молибдена увеличивает химическую
стойкость стали по отношению к растворам, содержащим ионы хлора и к не-
окислительным средам (горячие растворы сернистой кислоты, фосфорная и
уксусная кислоты при кипении и др.).
Молибден, помимо общего увеличения химической стойкости стали, снижает
также склонность последней к межкристаллитной коррозии, но не устраняет
ее полностью. Поэтому, кроме молибдена в сталь вводят титан.
Молибден является ферритообразующим элементом и изменяет структуру
хромоникелевой стали, действуя аналогично хрому, в связи с чем для сохра-
нения аустенитной структуры необходимо большее содержание никеля (на 2—
4%) по сравнению со сталью типа 18-8.
Хромоникельмолибденовая нержавеющая сталь марки Х17Н13М2Т приме-
няется для облицовки и изготовления элементов нефтезаводского и нефтехи-
мического оборудования, соприкасающихся со слабой серной кислотой, сернис-
той, кипящей фосфорной, муравьиной и уксусной кислотами. Кроме того, из
стали этих марок изготовляют детали оборудования установок сернокислот-
ного алкилирования, соприкасающихся с горячими сернокислыми растворами,
а также детали оборудования катализаторных фабрик, соприкасающихся с рас-
творами сернокислого алюминия в присутствии свободной H2SO4. ,
Стали Х23Н13 и Х25Н20С2 отличаются высокой температурой начала ин-
тенсивного окисления (980—1100°С), поэтому эти стали применяются для из-
готовления ответственных сильно нагруженных деталей, работающих при высо-
ких температурах в условиях газовой коррозии — печные конвейеры, крепеж-
ные детали, трубы для пиролиза метана, пирометрические трубы, трубы для
электролизных и пиролизных установок, подвесок и опор в котлах и т. д.
Необходимо иметь в виду, что хромоникелевые и хромоникельмолибдено-
вые нержавеющие стали аустенитного класса отличаясь высокой коррозионной
стойкостью в ряде агрессивных сред нефтеперерабатывающей и нефтехимичес-
кой промышленности содержат большое количество остродефицитных элемен-
тов (никеля, молибдена, ниобия и Др.). Поэтому применение этих сталей не
всегда экономически целесообразно.
Для изготовления аппаратуры, работающей в средах с пониженной агрес-
сивностью, при пониженных температурах эксплуатации, применяют нержа-
веющие стали с марганцем взамен никеля, с азотом и другими элемен-
тами [88].
К таким сталям относятся стали аустенитно-мартенситного класса марки
2Х13Н4Г2 и стали аустенитного класса марок Х14Г14Н, Х14Г14НЗТ,
Х17Г9АН4 и Х17АГ14 с азотом. В целях экономии никеля применяют также
стали аустенитно-ферритного класса марок 0X21Н5Т, 1X21Н5Т, 0Х21Н6М2Т,
стали с присадками редкоземельных элементов — церия, селена и теллура
[178, 154].
Значительный интерес представляют коррозионностойкие безникелевые ста-
ли, в которых никель заменен марганцем, в сочетании с кремнием и тита-
ном [169].
Химический состав и механические свойства наиболее рациональных соста-
вов безникелевых нержавеющих сталей приведены в табл. 46.
Как показали исследования [169], безникелевые стали, приведенные в
табл. 46, обладают высокими антикоррозионными свойствами в ряде
минеральных и органических кислот и могут быть рекомендованы для изго-
товления:
арматурных деталей сборника уксусной кислоты сырца, реактора, ректифи-
кационных форколонн, кожуха трубчатых кипятильников, деталей установок
по разгонке кислотно-альдегидных смесей, ректификации уксусной кислоты, а
также различной аппаратуры и оборудования в производстве пластмасс;
76 СТАЛЬ
Химический состав в % и механические свойства безникелевых нержавеющих сталей
й
s
ч
ю
й
литых арматурных деталей, рабо-
тающих в нафтеновых кислотах, та*
релок, колпачков, а также двойников
змеевика печи, арматурных деталей на
линии от печи до ректификационных
колонн (работающих при температу-
ре 275° С и выше) нефтеперерабаты-
вающих заводов, перерабатывающих
богатые нафтеновыми кислотами
нефти;
литых арматурных деталей, перека-
чечных средств при транспортировке и
перекачке горячих концентрированных
растворов серной кислоты, при произ-
водстве синтетического каучука и дру-
гих химических продуктов;
литых деталей установок крекинг-
заводов, в особенности каталитичес-
кого крекинга;
деталей ротационных хлорных ва-
куум-компрессоров по переработке
хлора, а также цилиндров хлорных
компрессоров, в которых в качестве
уплотняющей и смазывающей жидко-
сти применяется высококонцентриро-
ванная горячая серная кислота.
Окалиностойкая
и жаропрочная
сталь
Окалиностойкой (жаростойкой)
сталью называют высоколегирован-
ную сталь, обладающую стойкостью
против газовой коррозии при высокой
температуре.
Повышение окалиностойкости до-
стигается, в основном, введением в
сталь хрома, алюминия и кремния,
образующих при нагреве плотные ак-
сидные пленки (Cr, Fe)2O3; (Al, Fe)2O3
и другие, защищающие основной ме-
талл от окисления.
Этот защитный слой окислов на
поверхности металлов образуется
вследствие более высокого, чем у же-
леза, химического сродства с кисло-
родом у хрома, алюминия и крем-
ния.
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 77
Рис. 43. Влияние содержания хрома
на окалиностойкость стали:
1 — ферритные стали; 2 — аусте-
нитные стали
Хром является основным элементом, входящим в состав окалиностойкой
стали. При повышении содержания хрома интенсивное окисление начинается
при более высоких температурах. Чем выше рабочая температура детали, тем
больше должно быть содержание хрома. Минимальное содержание хрома,
обеспечивающее окалиностойкость стали при разных температурах, показано
на рис. 43.
Из рисунка видно, что введение в сталь 5—8% Сг повышает окалиностой-
кость до 700—750° С, 15—17% Сг —до 950—1000° С, а 25% Сг —до 1100° С.
При этом следует иметь в виду, что окалиностойкость зависит только от со-
става стали и не зависит от ее структуры. Окалиностойкость аустенитной и
ферритной стали при равном содержании
хрома практически одинакова (см. рис. 43).
Введение в сталь кремния также способ-
ствует значительному повышению окалино-
стойкости. Однако при введении одного
кремния (без хрома) сталь становится круп-
нозернистой и хрупкой. В сочетании с хро-
мом влияние кремния на окалиностойкость
весьма эффективно и широко используется
на практике в марках стали, называемых
сильхромами.
Присадка алюминия в значительной мере
увеличивает сопротивление сплавов окисле-
нию при высокой температуре. Однако су-
щественным недостатком железоалюминие-
вых сплавов является их хрупкость. Для
снижения хрупкости в сталь, наряду с алю-
минием, вводятся хром и кремний.
Окалиностойкая сталь делится на две группы: 1) сталь, стойкая до темпе-
ратуры 850—900° С; 2) сталь, стойкая до температуры 1000—1100° С.
К первой группе относятся сильхромы марок Х6С, Х9С2 и Х12ЮС
(табл. 47); ко второй — сталь с более высоким содержанием хрома марок
Х25 и Х28 (см. табл. 44).
Таблица 47
Химический состав окалиностойкой стали первой группы в %
Марка стали С Si Мп Сг Ni Температура начала интенсивного окисления в °C
Х6С <0, 15 1,5—2,0 <0,7 5,0—6,5 <0,6 750
Х9С2 0,35—0,50 2,0—3,0 <0,7 8,0—10,0 <0,6 800
Х12ЮС 0,07—0,12 1 , 2—2,0 <0,7 11,5—14,0 <0,5 900
Примечание. Для стали X 1 2ЮЕ содержание элементов: А1=1,0-т-1,8%; Р<0,05%;
S < 0,03%; для остальных марок сталей Р < 0,03% и S < 0,03%.
Сильхромы применяют главным образом для изготовления впускных клапа-
нов тракторных и автомобильных двигателей. Сильхром марки Х6С используют
также для изготовления деталей котлов, работающих с повышенной нагрузкой
при температуре до 750° С.
Критические точки сильхромов сильно повышены: температура закалки со-
ставляет 950—1'100° С. Отпуск после закалки производят при 700—800° С для
получения сорбитовой структуры с твердостью HRC 25—35.
78 СТАЛЬ
Для улучшения обрабатываемости резанием сильхромы подвергают предва-
рительной термической обработке (высокий отпуск при 820—850°С). Сильхро-
мы очень чувствительны даже к небольшим колебаниям режимов термической
обработки, которые могут привести к значительной хрупкости. Высокое содер-
жание в стали кремния и хрома повышает склонность к отпускной хрупкости.
Значительный интерес для нефтеперерабатывающей и нефтехимической
промышленности представляет сталь, сохраняющая достаточно высокую проч-
ность и окалиностойкость при высокой температуре. Такую сталь называют
жаропрочной.
Жаропрочная сталь должна хорошо сопротивляться ползучести и обладать
высокой кратковременной и длительной прочностью при высокой температуре.
Жаропрочность зависит от межатомных связей сплава. В сплавах на одной и
той же основе можно значительно увеличить жаропрочность легированием,
так как при этом возрастает прочность межатомных связей и повышается тем-
пература рекристаллизации.
Жаропрочные свойства стали (длительная прочность, предел ползучести)
в значительной степени зависят также от микроструктуры, термической обра-
ботки, размера зерна, наличия легкоплавких примесей и т. д.
Так, аустенитная сталь обладает большей жаропрочностью, чем ферритная.
Это связано с тем, что аустенитная сталь имеет более высокую температуру
рекристаллизации, чем ферритная. Поэтому введение в состав стали никеля,
а также марганца, способствуя образованию аустенитной структуры, повышает
ее жаропрочность.
Хром — обязательный элемент жаропрочной стали, он упрочняет твердый
раствор и повышает окалиностойкость стали.
Элементы с высокой температурой плавления такие, как вольфрам и молиб-
ден, повышают температуру рекристаллизации стали и тем самым предотвра-
щают разупрочнение ее при высокой температуре.
Кроме того, присадка этих элементов способствует стабилизации структуры
при отпуске, устраняя так называемую отпускную хрупкость, наблюдаемую
у хромистой стали без молибдена.
Кремний, а также алюминий вводят в состав жаропрочной стали для повы-
шения ее окалиностойкости. Однако при наличии в стали кремния необходимо
присутствие молибдена, так как кремний придает стали склонность к отпуск-
ной хрупкости. Содержание кремния не должно превышать 2%, иначе молиб-
ден не будет способствовать устранению хрупкости.
Жаропрочность стали и сплавов повышают те легирующие элементы, кото-
рые вызывают старение и упрочнение вследствие выделения микроскопических
частиц, затрудняющих пластическую деформацию при высокой температуре.
Наибольший эффект упрочнения стали достигается в том случае, когда вво-
дится не один, а несколько легирующих элементов, играющих различную роль
в повышении жаропрочности стали.
Высокая жаропрочность стали в большой степени зависит от режима ее
термической обработки. Термическая обработка аустенитной стали состоит из
закалки с последующим старением.
Нагревать сталь необходимо на очень высокую температуру (1150—
1200°С), чтобы перевести избыточные фазы (карбиды и интерметаллиды типа
iWTi и др.) в твердый раствор. Быстрое охлаждение фиксирует пересыщенный
твердый раствор. Пересыщение твердого раствора легирующими элементами
приводит к значительному искажению кристаллической решетки, росту напря-
жений и дроблению блоков, что увеличивает сопротивление пластической де-
формации. Во время старения происходит выделение избыточных фаз из твер-
дого раствора. При правильно выбранном режиме старения твердость и жаро-
прочность сплава повышаются.
Выделение избыточных фаз повышает жаропрочность лишь при условии
сохранения достаточно высокой легированности твердого раствора. При значи-
тельном обеднении твердого раствора и укрупнении избыточной фазы жаро-
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 79»
прочность сплава понижается. Старение должно проводиться при температу-
рах, превышающих рабочую температуру в условиях эксплуатации.
Жаропрочность стали зависит также от величины зерна. Крупнозернистая
сталь оказывается более жаропрочной, чем мелкозернистая. Особенно опасна*
неоднородность размера зерна.
В зависимости от рабочей температуры жаропрочная сталь делится на две-
группы: 1) применяемая до температуры 600—550° С; 2) применяемая до тем-
пературы 700—800° С.
В первую группу входит сталь марок: Х5М, Х5СМ, Х7СМ, Х10С2М^
Х18Н9Т, Х13Н7С2; во вторую — аустенитная сталь марок Х17Н13М2Т,
4Х14Н14В2М, Х14Н14В2М.
Химический состав стали обеих групп приведен в табл. 48.
Таблица 48
Химический состав жаропрочной стали в %
Марка стали С Si Мп Сг
Х5М <0,15 <0,5 <0,6 4,0—6,0
Х6СМ <0,15 1,5—2,0 <0,7 5,0—6,5
Х7СМ <0,15 1 , 5—2,0 <0,7 6,5—8,0
Х10С2М 0,35—0,45 1,9—2,6 <0.7 9,0—10,5
Х13Н7С2 0,25—0,37 2,0—3,0 <0,7 1 1.5—14,5
4Х14Н14В2М 0,40-0,50 <0,8 <0,7 13,0—15,0
Х14Н14В2М <0,15 <0,8 <0,7 13,0—15,0
Марка стали
Мо
Х5М
Х6СМ
Х7СМ
Х10С2М
Х13Н7С2
4Х14Н14В2М
Х14Н14В2М
<0,5
6,0—7,5
13,0—15,0
13,0—15,0
2,0—2,75
2,0—2,75
0,50—0,60
0,45—0,60
0,45-0,60
0,70—0,90
0,25—0,40
0,45—0,60
Примечание. Для сталей марок Х6СМ и Х7СМ Р < 0,035%, a S < 0,03%; для*
всех остальных марок сталей содержание S и Р будет не более 0,03% каждого.
Химический состав стали марок Х18Н9Т и Х17Н13М2Т даны в табл. 45;
Сталь марки Х5М получила наибольшее распространение в нефтепереработ-
ке и нефтехимии. Эта сталь используется главным образом в виде труб и по-
ковок для изготовления фланцев, фитингов и других изделий, применяемых
в процессах прямой перегонки и крекинга, перерабатывающих сернистые неф-
ти и нефтепродукты при температурах до 550° С [153].
По данным лабораторных исследований [88], сталь Х5М в сернистой среде-
обладает в 4—10 раз более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с
углеродистой сталью. Ее сопротивление окислению при 540° С в 3 раза превы-
шает сопротивление углеродистой стали.
Листовая сталь марки Х5М используется для изготовления штампосварных
угольников, заглушек, переходов и других деталей горячих коммуникаций.
Характерная особенность стали Х5М — способность при охлаждении на воз-
духе после горячей обработки или сварки закаливаться, приобретая высокую
твердость (НВ 400—420). После отжига сталь становится мягкой (НВ 130—
160). В аппаратуре эту сталь чаще применяют в отожженном состоянии.
.80 СТАЛЬ
Повышенные пластические свойства отожженной стали Х5М позволяют с
успехом производить развальцовку при монтаже труб в печных двойниках и
трубных решетках теплообменников.
Обычно отжиг стали Х5М производится при 850—860° С с последующим мед-
ленным охлаждением, со скоростью не более 25° С в час до температуры
650° С, далее на спокойном воздухе или в печи.
Сталь Х5М относится к термически упрочняемым сталям.
Нормализация при 1000° С с последующим высоким отпуском при 700° С
и охлаждением на воздухе, значительно повышает прочность стали Х5М, что
позволяет существенно уменьшить толщину стенок труб. Термически обрабо-
танная сталь Х5М применяется в реактивных блоках установок каталитичес-
кого риформинга для изготовления змеевиков трубчатых печей, горячих трубо-
проводов, штуцеров, фитингов, фланцев и ответственных элементов аппарату-
ры, эксплуатируемых при температурах до 575° С, а при кратковременном
воздействии — до 600° С [153].
В табл. 49 приведены механические свойства труб, поковок и листового
проката стали Х5М в отожженном и термически обработанном состоянии.
Таблица 49
Механические свойства труб, поковок и листового проката стали марки Х5М
Вид изделия Термическая обработка О*ут 8 Ф ан в кГ-м/см2 (не менее) НВ (не более)
в кГ/ (не м 'мм2 енее) в (не М' % енее) ;
Трубы Отжиг 40 22 22 50 12 170
Нормализация и отпуск 60 42 16 65 11 (4,4)
Поковка Отжиг 40 21 20 45 8 170
Нормализация и отпуск 60 42 13 35 5 (4,4)
Листовой прокат Отжиг 40 22 20 50 10 Не менее (4,6)
Расчетные характеристики этой стали при повышенных температурах, ис-
пользуемые согласно рекомендациям Гипронефтемаша в расчетах на прочность
элементов аппаратов и трубопроводов, приведены в табл. 50, а пределы дли-
тельной прочности и ползучести даны в табл. 51 [153].
Таблица 50 Таблица 51
Механические свойства стали Расчетные характеристики длительной прочности
ЭС5М при повышенных и сопротивления ползучести стали Х5М
температурах
Температура испытаний в °C * 0 ЧО Ъ 3 Д к о м « £ Н ь Е'о Температура испытания в °C в кГ/мм2 при времени до разрушения в ч <Зпл в кГ1мм2, вызывающее ско- рость ползучести
10 000 100 000 ю—6 в мм/мм-ч 3» й 3. 1 В о г_| я
20 200 300 400 500 40,0 35,7 34,2 33,8 28,6 Н^О । 9 9 п
20,3 18,0 °ТЖИГ 500 550 600 14,0 9,2 5.9 11,4 7, 1 4,5 9.8 6,8 3,8 7,3 4,3 2,2
16’3 Норма- 14 о лизация ’ и отпуск 500 550 600 22,8 12,0 7,0 19,0 8,8 5,3 — —
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 81
Для изготовления труб взамен молибденосодержащей стали Х5М могут
быть рекомендованы стали марок Х5, Х8, Х5ВФ и Х8ВФ. Химический состав
этих марок сталей приведен в табл. 52.
Таблица 52
Химический состав в % стали марок Х5, Х8, Х5ВФ и Х8ВФ
Марка стали С Si Мп Сг S 1 р W V
Не € >олее
Х5 <0,15 <0,5 <0,5 4,5—6,0 0,025 0,03
Х8 <0, 12 0, 17—0,37 0,3—0,6 7,5-9,0 0,030 0,035 —
Х5ВФ <0, 15 0,08— 0, 15 0,3—0,6 <0,5 4,5-6,0 0,025 0,03 0,4—0,7 0,4—0,6
Х8ВФ <0,6 <0,5 7,8—8,5 0,025 0,03 0,6 — 1,0 0,3—0,5
Механические свойства этих сталей в горячекатаных изделиях (листовой и
сортовой прокат, трубы и поковки) весьма олизки к свойствам стали Х5М, по-
этому практически в расчетах их можно принимать одинаковыми.
Однако сталь марки Х5 может быть рекомендована взамен стали Х5М в
средах, содержащих серу только до температуры 425° С, а сталь Х5ВФ — в
средах, содержащих серу до температуры 500° С. При температурах выше ука-
занных пределов стали Х5 и Х5ВФ имеют несколько худшие показатели проч-
ности чем сталь Х5М.
В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности сталь Х5
и Х5ВФ применяется для горячих трубопроводов, змеевиков печей стабилиза-
ции, трубок теплообменников и т. д.
Стали Х8 и Х8ВФ по жаропрочности при 550 и 600° С не уступают стали
Х5М, а по коррозионной стойкости в содержащих серу средах процессов пер-
вичной перегонки и крекинга превосходят эту сталь в 2—3 раза [153].
Сталь Х8 рекомендуется для труб теплообменного и конденсационно-холо-
дильного оборудования, работающего при температуре от —40 до +420° С,
сталь Х8ВФ — для изготовления труб, применяющихся на нефтезаводах в ка-
честве печных и коммуникационных труб, работающих при температуре до
575° С в условиях агрессивных сред, содержащих серу.
Сталь марок Х6СМ и Х7СМ (см. табл. 49), имеющих более высокую окали-
ностойкость, чем сталь Х5М в нефтезаводском аппаратостроении применяется
для изготовления печных и коммуникационных труб, работающих при темпе-
ратуре до 600° С и давлении до 100 кТ/слЛ Из стали этих марок изготовляют
также печные двойники, внутренние элементы аппаратов и теплообменные
трубки, работающие в агрессивной среде.
При работе с сернистыми нефтями при температуре до 700° С, для изготов-
ления печных труб может быть рекомендована сталь марки Х10С2М. Меха-
нические свойства этой стали, полученные при кратковременном испытании на
растяжение при различной температуре, приведены в табл. 53.
Таблица 53
Механические свойства стали Х10С2М при кратковременном испытании на растяжение
Температура испытания в °C Ge в кГ/мм2 8 в % Ф в % Температура испытания в °C ав в кГ/мм2 S в % Ф в %
20 95 10 35 800 6 30 98
600 40 18 85
700 16 27 96 900 3,5 48 98
6 Заказ 661
82 СТАЛЬ
Испытания проводились на образцах, прошедших закалку с 1010—1050° С
в масле, отпуск при 750—730° С и охлаждение в масле.
Сопротивление ползучести стали марки Х10С2М приведено в табл. 54,
Сопротивление ползучести стали марки Х10С2М
Таблица 54
Темпера- тура испытания в °C Напря- жение в кГ/мм2 Скорость ползуче- сти в % за 100 ч Общая деформа- ция в мм/мм Темпера- тура испытания в °C Напря- жение в кГ/мм2 Скорость ползуче- сти в % за 100 ч Общая деформа- ция в мм/мм
35 0,25 0,07 1 0,3 0,2
500 30 0,1 0,03 0,6 0,15 0,09
25 0.06 0,01 700 0,4 0,08 0,045
20 0,024 — 0,3 0,05 0,03
6 0,3 0, 15 0,2 0,25
4 0,12 0,05 800 0, 1
600 3 0,07 0,03 0,08
2 0,04 0,012 0, 1 0,03
Как было указано выше, сталь марок Х18Н9Т и Х17Н13М2Т применяется
при высокой температуре и давлении при переработке наиболее агрессивных
сернистых нефтей. Эти стали жаропрочны до 700° С и окалиностойки. Характе-
ристики механических свойств
стали Х18Н9Т при высоких
температурах приведены в
табл. 55, а расчетные пределы
длительной прочности — на
рис. 44.
Необходимо отметить, что
сталь Х18Н9Т имеет не вполне
устойчивую аустенитную струк-
туру. Аустенит при определен-
ных условиях может претерпе-
вать частичное превращение.
Образовавшаяся в результате
превращения ферритная состав-
ляющая (a-фаза) ухудшает
механические свойства стали
при повышенной температуре.
Исследование сварных сое-
динений из стали Х18Н9Т пока-
зало, что в результате длитель-
ных нагревов наблюдается
кГ/ммг
Рис. 44. Длительная прочность стали Х18Н9Т при раз-
личных температурах
ухудшение механических
свойств в сварных швах при комнатной температуре. Особенно резко сни-
жается ударная вязкость [149].
Предел ползучести стали Х18Н9Т, вызывающий удлинение 1% за 10 000 ч,
составляет:
т в °C
в кГ/мм*
538 593 704 815
12,6 9,1 3,1 0,6
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ДЛЯ АППАРАТУРЫ 83
Механические свойства стали Х18Н9Т при высоких температурах [149]
Таблица 55
Темпера- тура в °C Термиче- ская обработка в кГ[мм2 вт в кГ!мм2 | 86 в % | Ф в % | ан в кГ-м/см2
Не менее
20 I II 57,7 65,5 , 24,4 31,0 69,7 55,0 79,6 75,5 28,5 25,0
100 II 51,0 24,5 44,0 76,5 —
200 II 46,5 20,0 38,0 70,0 37,0
300 II 45,0 22,0 29,0 66,0 —
400 II 44,5 22,0 26,5 64,0 31,7
500 II 43,0 21,0 30,0 64,5 36,5
550 I II 43,6 44,5 14,4 18,0 37,3 40,5 66,2 61 ,0 28,8 ’ 36,5
600 I II 37,8 36,0 18,3 21,0 31,0 28,5 62,5 64,5 30,3 36,0
650 I II 40,8 35,5 13,2 19,5 34,6 30,0 65,6 68,3 29,2
700 I II 35,6 27,5 13,3 21,0 20,0 29,5 58,8 57,5 32,0 34,0
Примечание. Термообработка I — закалка с 1050—1 100° С, охлаждение на возду-
хе. Термообработка II—закалка с 1 130—1 160° С в воде, старение при 800° Св течение
1 0 ч или 700° С — 20 ч.
Результаты кратковременных и длительных испытаний на растяжение стали
Х17Н13М2Т при высокой температуре приведены в табл. 56 и 57.
Таблица 56
Результаты кратковременных испытаний на растяжение стали Х17Н13М2Т
при высокой температуре
Температу- 1 ОД, 2 5 1 II Температу- | а0,2 8 1 Ф
ра испы- тания в °C в кГ/мм2 в % 1 ра испы- тания в °C в кГ/мм2 В %
538 598 648 51,5 48,5 42,5 14,2 13,7 14,6 46 48 40,5 65 65 51 704 760 815 35,0 27,3 22,0 13,1 12,5 12,3 43,0 49,5 54,5 50 58 63
Сталь марки 4Х14Н14В2М применяется для изготовления крепежных изде-
лий (болты, шпильки, гайки) для фланцевых соединений из хромоникелевых
сталей на горячих трубопроводах. Механические свойства этой стали после
закалки с температуры 1175° С в воде и старение при 750° С в течение 5 ч
приведены в табл. 58.
6*
84 сталь
Таблица 57
Результаты длительных испытаний на растяжение стали Х17Н13М2Т при высокой температуре
; Темпера- тура ис- пытания в °C в кГ/мм2 при времени до разрушения в ч впл в кГ/мм2 при скорости деформа- ции за 1000 ч в %
1 10 100 300 500 1000 10000 100000 0,01 I 0,1
538 593 648 704 760 815 871 981 35 27 21 14,5 12 5,8 27 21 14,5 10,5 7,7 3,5 22 16,4 1 1 7,7 5,2 1,9 19?6 15,5 9,3 6,6 4,2 1,3 18,9 14,0 8,4 6,1 3,9 1,0 18,2 12,6 7,3 4,9 3,0 0,84 14,0 8,4 4,9 2,3 11,2 6,22 2,98 1,12 10,0 8,40 4,75 3,00 1,96 1 , 25 17,0 14,6 10,0 6,44 4,42 2,94
Таблица 58
Механические свойства стали 4Х14Н14В2М при различных температурах
а Ge Ф г-м!см2 спл в кГ/мм2 при скорости ползучести о^л в кГ1мм2 при времени до разру-
шени: я в ч
<и
Темп в °C в кГ!мм2 в % Я ю—6 ю—7 в ММ!ММ'Ч В 10 000 10 000
20 79,3 38,9 37,2 48,8 9,8
550 58,2 26, 1 22,0 31,8
600 50, 1 25,6 15,6 26,3 6,7 18,0 8,0 18,0 15,0
650 44,8 24,1 12,6 24,9 7,5 8,0 4,0 13,0 10,0
700 34,5 22,3 10,5 22,0 7,9 3,7 1,6 2,3
750 28,2 20, 1 8,8 17,5 8,3 — — — —
Вследствие относительно высокого содержания углерода сталь типа
4Х14Н14В2М отличается значительной склонностью к старению, причем кар-
бидные фазы при нагреве образуются длительное время. Одновременно воз-
действие высоких напряжений и температур приводит к большой структурной
неустойчивости, связанной с падением жаропрочных свойств при эксплуата-
ции. Стабильность стали 4Х14Н14В2М можно повысить, снизив содержание
углерода, например, содержание углерода в стали Х14Н14В2М не превышает
0,15% (см. табл. 49).
7. СТАЛЬНОЕ ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ
Стальное фасонное литье широко используется для изготовления деталей
оборудования и аппаратов нефтехимических и нефтеперерабатывающих заво-
дов, а также деталей газо- и нефтепромыслового оборудования и инструмента.
Стальное литье является основным полуфабрикатом для изготовления
большой группы таких деталей нефтезаводского оборудования, как корпуса
паровых п центробежных насосов весьма сложной конфигурации, печное обо-
рудование термических крекингов, печные литые двойники, фитинги, задвижки,
предохранительные редукционные клапаны, дросселирующая и запорная арма-
тура и др.
Наибольшее количество фасонного стального литья производится в песча-
ных формах. Однако ряд деталей отливается в металлические формы и полу-
чается методами точного литья.
СТАЛЬНОЕ ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ 85
В табл. 59 приведены химический состав и механические свойства литой
углеродистой стали в нормализованном или отожженном состоянии (ГОСТ
977—65).
Таблица 59
Химический состав в % и минимальные механические свойства литой углеродистой стали
в нормализованном или отожженном состоянии
Марка стали С Мп ат | os в кГ/мм2 5 | ф в % анъ кГ-м/см2 НВ
1 5Л 0, 1 2—0,20 0,30—0,75 20 40 24 35 5,0 109-136
20Л 0, 17—0, 25 0,35—0,75 22 42 22 35 5,0 116—144
25Л 0,22—0,30 0,35—0,75 24 45 19 30 4,0 124 — 151
ЗОЛ 0,27—0,35 0,40—0,90 26 48 17 30 3,5 131 — 157
3 5Л 0,32—0,40 0,40—0,90 28 50 15 25 3,5 137—166
40Л 0,37—0,45 0,40—0,90 30 53 14 25 3,0 146—173
45Л 0,42—0,50 0,40—0,90 32 55 12 20 3,0 153-179
50Л 0,47—0,55 0,40—0,90 34 58 11 20 2,5 159-190
5 5Л 0,52—0,60 0,40—0,90 35 60 10 18 2,5 170—199
Примечание. Содержание кремния для всех марок сталей Si=0,2 -4-0,42%.
(сплошные линии) и относительного удлине-
ния (пунктирные линии) углеродистого литья
из стали марок 25Л—35Л от температуры ис-
пытания
Рис. 46. Ударная вязкость литой
стали марки 35Л при низких тем-
пературах:
1 — закалка и отпуск; 2 —
нормализация и отпуск
На рис. 45 показано изменение предела прочности и относительного удли
нения литой углеродистой стали марок 25Л—35Л в зависимости от температу
ры испытаний, а на рис. 46 показаны
значения ударной вязкости литой ста-
ли марки 35Л при низких температу-
рах. Ударная вязкость определялась
на образцах, вырезанных из брусков
толщиной 30 мм после закалки или
нормализации с температуры 850—
880° С и отпуска при 670° С.
Характеристики ползучести для
литья из углеродстоп стали приведе-
ны в табл. 60. Эти характеристики мо-
гут быть приняты как средние для
литья с содержанием 0,15—0,45% С.
По качественным показателям
Таблица 60
Характеристики ползучести для литья
из углеродистой стали
Темпера- тура испы- тания в °C Напряжение в кГ/мм2, вызы- вающее скорость ползучести в мм/мм-ч
10—6 ю—7
425 14.5 8,5
450 10,8 7, 1
500 6,3 4,0
550 2,5 0,68
86 СТАЛЬ
отливки из углеродистой стали делятся на три группы: I — отливки нормаль-
ного качества; II — повышенного качества; III —особого качества.
Разница между этими группами заключается в способах выплавки стали и
содержании вредных примесей (табл. 61).
Таблица 61
Содержание вредных примесей серы и фосфора в литой углеродистой стали для различных
групп отливок и способов выплавки
Г руппа отливки Способ выплавки стали
Основной | Кислый | Конверторный Основной | Кислый | Конверторный
Сера Фосфор
I 0,05 0,06 0,07 0,05 0,06 0,09
II 0,045 0,06 0,06 0,04 0,06 0,08
III 0,045 0,05 — 0,04 0,05 —
Для каждой группы отливок устанавливается их назначение и объем конт-
роля (табл. 62).
Таблица 62
Характеристика отливок из углеродистой стали различных групп и объем контроля (ГОСТ 977—65)
Группа отли- вок Назначение Характеристика отливок Обязательные виды контроля
I Отл ивки обычного наз- начения Отливки для деталей, не рассчитываемых на проч- ность, конфигурация и раз-' меры которых определяются конструктивными и техноло- гическими соображениями а) Наружный осмотр; б) контроль размеров; в) определение химического состава по фосфору и сере
II Отливки ответственного назначения Отливки для деталей, рас- считываемых на прочность и работающих при статистиче- ских нагрузках а) Наружный осмотр; б) контроль размеров; в) определение химического соста- ва; г) определение механических свойств: предела текучести и относи- тельного удлинения
III Отливки осо- бо ответствен- ного назначе- ния Отливки для деталей, рас- считываемых на прочность и работающих при динамиче- ских и знакопеременных на- грузках а) Наружный осмотр; б) контроль размеров; в) определение химического состава; г) определение механических свойств: предела текучести, относи- тельного удлинения и ударной вяз- кости
Для получения необходимых свойств, исправления литой структуры, устра-
нения ликвационной неоднородности и уменьшения остаточных напряжений
стальное фасонное литье подвергается термической обработке (отжигу, норма-
лизации, закалке, отпуску).
Закалка с отпуском используется при изготовлении ответственных деталей
и дает наилучшее сочетание механических свойств. Отливки из углеродистой
стали несложной формы обычно закаливают в воде. Для предотвращения об-
разования трещин отливки необходимо сразу после закалки подвергать отпус-
ку при температуре 600—650° С. Длительность выдержки при температуре
СТАЛЬНОЕ ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ 87
Нормализация Закалка Нормализация Закалка
Температура отпуска Толщина стенки
стали марки 35Л при раз-
Рис. 47. Механические свойства
личных режимах термической обработки
отпуска для отливок сечением до 25 мм должна составлять 2 ч; для отливок
с большим сечением продолжительность выдержки увеличивается из расчета
30 мин на каждые 25 мм.
Механические свойства литой углеродистой стали марки 35Л при различ-
ных режимах термической обработки, полученные на образцах, вырезанных
из пробных брусков с различной толщиной стенки, иллюстрируются рис. 47.
Пробные бруски подвергались закалке или нормализации с 850—880° С и от-
пуску. Механические свойства при различной температуре отпуска получены на
образцах, вырезанных из
пробных брусков толщи-
ной 30 мм. Испытания
образцов из брусков с
различной толщиной стен-
ки проводились после от-
пуска при 650—670° С
[Ю7].
Хорошие результаты
дают гомогенизация с по-
следующим обычным от-
жигом и нормализация с
отпуском при 600—700° С.
Отжиг с фазовой пере-
кристаллизацией приме-
няется только в некото-
рых специальных случаях
и дает несколько снижен-
ные механические свой-
ства: в частности, снижа-
ет, по сравнению
мализацией,
вязкость при
ре ниже 0° С.
Фасонные
углеродистой
нефтехимической
мышленности применяют
для изготовления запор-
ной, дросселирующей и
предохранительной арма-
туры, печных двойников,
с нор-
ударную
температу-
отливки из
стали в
Про-
фитингов, стальных литых фланцев, корпусов насо-
сов, корпусов сосудов и т. д., не обогреваемых непосредственно пламенем или
радиационным теплом при отсутствии агрессивных сред [78].
Печные двойники, предназначенные для соединения труб в змеевиках труб-
чатых печей крекинговых, атмосферно-вакуумных или других установок, в на-
стоящее время полностью изготовляются из стального литья.
Кованая конструкция печных двойников, ранее имевшая широкое приме-
нение в нефтезаводском оборудовании, также заменяется более рациональной"
и технологичной литой конструкцией [73].
Для ответственных отливок, работающих при повышенном давлении и по-
вышенной температуре (например, корпуса печных двойников, горячих центро-
бежных насосов, детали арматуры, установленной на горячих трубопроводах,
фланцев), применяется литье повышенного или особого качества (группы II
и III). В качестве примера в табл. 63 показаны пределы применения углеро-
дистой стали II и III групп для изготовления литых фланцев в зависимости
от величины условного давления и температуры рабочей среды.
Менее ответственные отливки изготовляют из стального литья нормального
качества (группа I), но обязательно из мартеновской стали |[32].
88 сталь
Таблица 63
Пределы применения литых фланцев из углеродистой стали
Давление Ру в кГ/см2 Марки стали при температуре среды в °C
до 300 до 3 50 | до 400 | до 425 до 4 50
16 и 25 15Л, 20Л и 25Л 11 группа II группа 20Л и 25Л III группа 20Л, 25Л
40 и 64 II и III группы 20Л и 25Л | III группа 25Л
100, 160 и 200 III группа 25Л
При выборе группы фасонных отливок углеродистой стали в зависимости
от давления и температуры можно руководствоваться табл. 64.
Таблица 64
Применение фасонных отливок из углеродистой стали
Группа отливки и марка стали Температура стенки в °C Давление не более в кГ)СМ2
Группа I 15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ От —1 5 до +400 50
Группа II или III 15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ От —40 до +4 50 Не ограничено
Стальное фасонное литье из углеродистой стали широко используется также
для изготовления деталей газо- и нефтепромыслового оборудования. Так, из
стального литья марок 15Л и 25Л изготовляют кулачковые и зубчатые муфты
буровых установок. Звездочки буровых установок могут быть изготовлены из
стального литья марок 45Л или 55Л. Марка стали в этом случае определяется
условиями эксплуатации цепных передач буровых установок. Так, в малона-
груженных, тихоходных и редко действующих передачах звездочки могут быть,
изготовлены из литой стали марки 45Л; при больших нагрузках и скоростях
применяется сталь марки 55Л [68].
Стальное литье марок 45Л и 55Л в нормализованном состоянии применя-
ется также при низких окружных скоростях и невысоких удельных давлениях
на зуб. Стальное литье марки 35Л применяется для изготовления дисков ста-
тора турбины турбобура, бочек барабанов, тормозных шкивов, корпусов под-
шипников и ступиц буровых лебедок, корпусов вертлюгов, станин и клапанных
коробок буровых насосов и т. д.
Таблица 65
Химический состав в % некоторых марок литой среднехромистой стали
/Марка стали С Мп Si Сг Другие элементы
ЗОХМЛ 0,25—0,35 0,40—0,70 <0,5 0,8—1 , 1 0, 15—0,25 Мо
3 5 ХМ Л 0,30—0,40 0,40—0,70 <0,5 0,8—1 , 1 0, 15—0,2 5 Мо
Х5МЛ 0, 15—0,25 <0,40 0,3—0,6 4,5—6,0 0,4—0,6 Мо
Х5ТЛ 0, 15—0,2 5 <0,40 0,3—0,6 4,5—6,0 <0,1 Ti
Х5ВЛ 0, 15—0,2 5 <0,40 0,3—0,6 4,5—6,0 0,8—1 , 25 W
СТАЛЬНОЕ ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ 89
Для изготовления ответственных
деталей, работающих при больших
нагрузках и повышенных температу-
рах, а также в горячих серосодержа-
щих нефтяных и других агрессивных
средах, применяют фасонное литье из
легированной и высоколегированной
стали.
В табл. 65 приведен химический
состав некоторых марок литой сред-
нехромистой стали, наиболее широко
применяемой в нефтеперерабатываю-
щей и нефтехимической промышлен-
Таблица 66
Механические свойства литой среднехромистой
стали при нормальной температуре
Марка I 5 1 ф
стали в кГ/'мм2 в %
ЗОХМЛ 60 40 18 35
35ХМЛ 60 40 18 35
Х5ТЛ 65,7 48,5 16,5 42
Х5МЛ 72, 1 56,5 10,4 34,9'
Х5ВЛ 73,8 60,9 12,9 57,9
ности, а в табл. 66 и 67 — механические свойства стали этих марок при нор'
мальной и повышенной температурах [78].
Таблица 67
Механические свойства литой среднехромистой стали при повышенных температурах
Марка стали Температура испытания в °C 1 (УГ1Л в кГ/мм2 при скорости ползучести 1Q—7 мм'мм-ч Окалиностопкое до* температуры в °C
В Ki ^'ММ2
ЗОХМЛ и 35ХМЛ — — — — 550
Х5ТЛ 400 450 500 52,2 46,4 38,9 41,7 35,3 27,4 8,9 600
Х5ВЛ 400 450 500 530 550 600 58,8 52,4 47,0 42,1 37,4 31,8 47,2 42,3 36,7 31,7 28, 1 19, 1 15,0 700
Х5МЛ 400 425 480 500 530 550 600 650 60,0 47,5 33,9 29,7 50, 1 36,6 24,7 15,8 15,7 8,4 6,5 4,7 3,6 2, 1 0,7 700
При выборе марки среднехромистой стали для изготовления литых дета-
лей аппаратуры и оборудования нефтеперерабатывающих заводов необходимо
руководствоваться следующими соображениями [78]:
Для изготовления высоконагруженных элементов оборудования при пере-
работке неагрессивных нефтепродуктов при температуре до 500° С и слабо-
агрессивных сернистых нефтепродуктов при температуре до 400° С может быть
рекомендовано стальное литье марок ЗОХМЛ и 35ХМЛ.
Фасонное литье из стали этих марок применяется на установках прямой
гонки, крекинга, масляного производства при неагрессивных средах. Из сталь-
ного литья марок ЗОХМЛ и 35ХМЛ изготовляют корпуса задвижек, вентилей
и редукционных клапанов, печные двойники, фитинги и т. д. Отливка чаще
всего подвергается двойной термической обработке — закалке с 880° С в воде
и отпуску при 650—670° С с охлаждением на воздухе.
90 СТАЛЬ
Для изготовления литых элементов оборудования для переработки сернис-
тых нефтепродуктов средней агрессивности при температуре до 425° С может
быть рекомендована сталь Х5ТЛ, при температуре до 550° С — сталь Х5МЛ
и Х5ВЛ.
Фасонное стальное литье этих марок находит применение для высокотем-
пературных элементов крекинга, перерабатывающих агрессивные высокосер-
нистые нефти. Из стального литья марок Х5ТЛ, Х5МЛ и Х5ВЛ изготовляют
корпуса задвижек, вентилей и редукционных клапанов, печные двойники, кор-
пусы горячих насосов и т. д.
Вместо стали марки Х5МЛ для изготовления печных двойников и армату-
ры, применяющихся в печах и на коммуникациях нефтезаводов и работающих
при температуре до 575° С, Гипронефтемаш [150] предложил коррозионно-ус-
стойчивую и теплоустойчивую сталь марки Х8ВЛ, которая содержит: 0,15—
0,25% С; 0,3—0,6% Si; =<^0,5% Мп; 7,5—9,0% Сг; 1,25—1,75% W; ^0,035% S;
=^0,04% Р.
Механические свойства стали Х8ВЛ при нормальной температуре:
^60 кГ1мм2, сгг^40 кГ/см2, 6^16%, ф^30%, Ян^4 кГм!см2, НВ 190—240,
а при повышенных температурах приведены в табл. 68.
По данным Гипронефтемаша [150] в табл. 69 приведены пределы длительной
прочности для среднехромистых марок литой стали.
Таблица 68
Механические свойства стали Х8ВЛ при повышенных температурах (нормаль Н806-56МНП)
Температура в °C Напряжение в кГ1мм2, вызывающее разрыв за Напряжение в кГ/мм2, вызывающее скорость деформации
10 000 ч 100 000 ч 10 6 мм/мм-ч 10 7 мм/мм-ч
500 19,0 16,0 11,5 6,8
550 11,8 9,5 8,0 4,9
600 7,8 5,8 4,5 2,4
Таблица 69
Характеристика длительной прочности литых среднехромистых сталей
Марка стали Температура испытания в °C (У^л в кГ!мм2 Рекомендуемая наибольшая темпера- тура применения в °C
за 10000 ч за 100 000 ч
Х5МЛ 500 550 600 18,3 9,3 4,9 13,0 6,4 3,4 550
Х5ВЛ 500 550 600 18,0 10,5 5,5 14,5 7,5 3,6 550
Х8ВЛ 500 550 600 19,0 11,8 7,8 16,0 9,5 . 5,8 575
Х5ТЛ 450 19,0 16,0 425
В табл. 70 приведен химический состав отливок из нержавеющей,
кислотоупорной, окалиностойкой и жаропрочной стали, применяемой для
изготовления подвесок, решеток, кронштейнов, опор и других деталей печей
Марка стали С Si Мп Сг Ni Мо Другие элементы
1Х13Л <0,15 <0,7 <0,6 12,0—14,0 <0,6 —
2X1ЗЛ 0,16—0,24 <0,7 <0,6 12,0—14,0 <0,6 — —
Х25ТЛ <0,2 <1,2 <0,8 23,0—27,0 <0,6 0,4—0,8Ti
Х18Н9ТЛ < 0, 14 <1,0 1 ,0—2,0 17,0—20,0 8,0—11,0 < 0,8Ti
Х18Н12МЗТЛ <0,12 <1,0 1,0—2,0 16,0—19,0 11 ,0—13,0 3,0—4, о 0,3—0,6Ti
Х9С2Л 0,35—0,50 2,0—3,0 <0,7 8,0—10,0 <0,6 —
Х24Н12СЛ < 0,40 0,5—1,5 0,3—0,8 22,0—26,0 11,0—13,0 — —
Х18Н24С2Л 0,30—0,40 2,0—3,0 <1,5 17,0—20,0 23,0—25,0
Х25Н19С2Л <2,0 2,0—3,0 <1,5 23,0—27,0 18,0—20,0 —- —
Х6С2МЛ <0,15 1,5—2,0 <0,7 5,0—6,5 <0,6 0,45—0,60 —
Х21Н11В2Л 0, 10—0,25 0,7—1,5 0,6—1,2 20,0—22,0 11,0—12.5 <0,25 2,4—3,0W 0,05—0,2Ti
4Х14Н14В2МЛ 0,40—0,50 <0,8 <0,7 13,0—15,0 13,0—15,0 0,25—0,40 2,0—2,75W
Х15Н60Л < 0, 15 <1,0 <1,5 15,0—18,0 55,0—61,0 — —
Примечание. Для стали марки X 1 5Н60Л содержание S < 0,025% и Р < 0,035%. Для всех остальных марок стали содержание
S < 0,03% и Р < 0,03 5% каждого.
Механические свойства литой высоколегированной стали при нормальных температурах
Таблица 71
Марка стали Термическая обработка °т | 5 1 1 ф а в кГ-м/см2 (не менее;
в кГ/мм2 (не менее) в % (не менее)
1Х13Л Отжиг 950° С, закалка 1050° С (вода), от- пуск при 750° С, (воздух) 40 56 20 50 8
2Х13Л Отжиг 950° С, закалка 10 50° С (масло), от- пуск при 750° С (воздух) 45 63 16 40 6
Х25ТЛ Без термической обработки 28 45 — — —
Х18Н9ТЛ Закалка 110 0 ° С (вода) 20 45 25 32 10
Х18Н12МЗТЛ Закалка 115 0 ° С (вода) 22 50 30 30 10
Х9С2Л Закалка 1050° С (вода) 56 70 — —
Х24Н12СЛ Закалка 1150° С (вода) -. . . . 25 50 20 28 —
Х18Н24С2Л Закалка 1150° С (вода) 30 56 20 25 —
Х25Н19С2Л Закалка 1 100° С (вода) 25 50 25 28 —
Х6С2МЛ Закалка 780° С (вода) 40 56 20 50 —
СТАЛЬНОЕ ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ 91
92 сталь
Таблица 72
Назначение отливок из высоколегированной стали со специальными свойствами
Марка стали Основные свойства Примерное назначение
1Х13Л Высокая стойкость против атмо- сферной коррозии Детали с повышенной пластично- стью, подвергающиеся ударным на- грузкам (турбинные лопатки, клапа- ны гидравлических прессов), арма- тура крекинг-установок, а также из- делия, подвергающиеся действию относительно слабых агрессивных сред (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и др.)
2Х 13Л Стойкость против атмосферной коррозии несколько меньшая, чем стали марки 1Х13Л Те же детали, но с повышенной твердостью
Х25ТЛ Кислотостойкая, окалиностой- кая при температуре до 1100° С Детали, не подвергающиеся дейст- вию постоянных и переменных нагру- зок (аппаратура для дымящейся азотной или фосфорной кислоты, многие детали аппаратуры для хими- ческого машиностроения, печная ар- матура, плиты и др.)
Х18Н9ТЛ Кислотостойкая, жаропрочная при температуре до 600° С, об- ладает высокой стойкостью про- тив газовой и межкристаллитной коррозии Арматура химической промышлен- ности, выхлопные коллекторы газо- проводов, арматура для нефтепере- рабатывающих и других установок
Х18Н12МЗТЛ Кислотостойкая, жаропрочная при температуре 800° С, не под- вержена межкристаллитной кор- розии Детали, устойчивые против дейст- вия сернистой, кипящей фосфорной, муравьиной, уксусной и других кис- лот
Х9С2Л Окалиностойкая при температу- ре до 800° С, жаропрочная при температуре до 700° С Детали, работающие длительное время при температуре до 700° С
Х24Н12СЛ Кислотостойкая, окалиностой- кая при температуре до 1000° С, жаропрочная Детали, работающие при высоких температурах и давлении
Х18Н24С2Л Кислотостойкая, окалиностой- кая при температуре до 1100° С, жаропрочная Детали, работающие при высоких температурах в сильно нагруженном состоянии (печные конвейеры, шне- ки, крепежные детали)
Х25Н19С2Л То же То же
Х6С2МЛ Окалиностойкая, при темпера- туре до 750° С, жаропрочная Детали, работающие под нагруз- кой при температуре до 750° С
Х21Н11В2Л Жаропрочная при температуре до, 870° С, окалиностойкая при температуре до 970° С Детали, работающие под нагруз- кой в интервале температур 6 50— —870° С
СТАЛЬНОЕ ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ 93
Продолжение табл. 7 2
Марка стали Основные свойства Примерное назначение
4Х14Н14В2МЛ Жаропрочная при температуре до 800° С Детали пароперегревателей, рабо- тающие в условиях высоких темпе- ратур и давлений
Х15Н60Л Окалиностойкая, жаропрочная при температуре до 1000° С Нагревательные элементы электри- ческих печей, детали гидрогенизаци- онных установок
нефтеперерабатывающих заводов, а также аппаратуры для дымящейся азот-
ной, сернистой, фосфорной и уксусной кислот, деталей пароперегревателей, ра-
ботающих в условиях высоких температур и давлений.
Для изготовления литых элементов оборудования, соприкасающихся при
высоких температурах с агрессивными средами и в частности, с топочной сре-
дой, содержащей сернистые соединения, могут быть рекомендованы отливки
из высоколегированной стали со специальными свойствами. Механические
свойства литой высоколегированной стали при нормальных температурах при-
ведены в табл. 71.
Примерные назначения отливок из высоколегированной стали приведены
в табл. 72.
Фасонное литье из легированной стали применяется также для изготовле-
ния деталей газо- и нефтепромыслового оборудования и инструмента. Так,
шарошки буровых долот ЛО", 12", 14", 18" и 20" отливают из стали марок
17ХН2Л и 20ХНЗЛ (табл. 73).
Таблица 73
Химический состав в % стали 17ХН2Л и 20ХНЗЛ
Марка стали С Si Мп Сг Ni
17ХН2Л 0, 17—0,25 0, 17—0,37 0,3—0,6 0,6—0,9 1,5—2,5
20ХНЗЛ 0,17—0,25 0,17—0,37 0,3—0,6 0,6—0,9 2,75—3,25
Шарошки отливаются методом точного литья по выплавляемым мо-
делям.
Отливки шарошек после отрезки прибыли и очистки поверхности и внут-
ренней полости на дробеструйном аппарате подвергают химико-термической
обработке: цементации при температуре 920—940° С в течение 17—20 ч, пер-
вый— закалке с 880—900° С в масле, второй закалке с 720—740° С в масле и
«отпуску при 180—200° С.
Широко применяется для изготовления литых деталей газо- и нефтепромыс-
лового оборудования сталь марок: 40ГЛ, 40ХЛ, 40ХНЛ. Химический состав
и механические свойства стали этих марок после закалки и отпуска при 600—
650° С приведены в табл. 74.
Сталь 40ГЛ применяется для изготовления литых корпусов роторных клинь-
«ев, сталь 40ХЛ — для изготовления рычагов, челюстей, замков и подвесок
трубных ключей, сталь 40ХНЛ — для изготовления тормозных шкивов буровых
лебедок, шкивов талевого блока, цепных колес и муфт буровых установок,
.корпусов элеваторов для бурильных труб и т. д.
94 СТАЛЬ
Таблица 74
Химический состав в % и механические свойства стали 40ГЛ, 40ХЛ и 40ХНЛ после закалки
и отпуска при 600—650° С
Марка стали С Мп Сг Ni |
в кГ не n '/Л£Л£2 1енее
4 ОГЛ 0,35-0,45 1,20—1,60 60 40
40ХЛ 0,35—0,45 0,40—0,90 0,8-1,10 — 65 50
40ХНЛ 0,35—0,45 0,40—0,90 0,45—0,75 1,00—1,50 70 50
Примечания: 1. Для стали марки 4 ОГЛ будет 0,035%S (не более); 0,04%Р(не
более); 0,2-j-0,42%Si; ан> 4 кГм1см2', Ф > 25%; 5 >12%.
2. Для всех остальных марок стали будет 0,2 0,42%Si; 0,04%S и Р (не более) каж •
дого; S > 10%; Ф>25%; ан 3,5 кГм/см2.
Фасонные отливки из легированной стали подвергают термической обработ-
ке. Предварительная термическая обработка отливок состоит из отжига или
нормализации с отпуском и выполняется с целью снятия внутренних напряже-
ний, смягчения стали для облегчения механической обработки, подготовки
структуры стали к окончательной термической обработке. Обычно термообра-
ботке предшествуют отрезка литников прибылей и очистка отливок. Обрубку,
вырубку и заварку дефектов выполняют после предварительной термической
обработки. Окончательная термическая обработка отливок, как правило, со-
стоит из закалки и отпуска. Закалку отливок следует производить в масле с
температуры 850—870° С. Для предотвращения образования трещин отливки
необходимо сразу же после закалки загружать в печь для отпуска. Отпуск от-
ливок из стали марок 40ГЛ, 40ХЛ и 40ХНЛ рекомендуется, производить при
температуре 600—650° С «[107]. Длительность выдержки при температуре отпус-
ка для отливок сечением 25 мм должна составлять 2 ч\ для отливок большего
сечения продолжительность выдержки увеличивается из расчета 30 мин на
каждые 25 мм.
8. СТАЛЬ ДЛЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ
Бурение эксплуатационных и разведочных скважин осуществляется специ-
альными инструментами — буровыми долотами, конструкции которых выби-
рают в зависимости от назначения и геологических условий бурения.
Для бурения нефтяных и газовых скважин широко применяют трехшаро-
шечные долота, которые в общем балансе используемых долот составляют
около 90% (исключая колонковое бурение). Главная причина выхода из строя
трехшарошечных долот — малая долговечность вооружения шарошек и опор-
ного узла долота. Повышение долговечности шарошек и лап долота опре-
деляется прежде всего правильным выбором стали для их изготовления, ре-
жимом термической и химико-термической обработки, а также способом и
схемой армирования вооружения шарошек.
В табл. 75 приведен перечень марок стали, применяемых для изготовления
деталей буровых шарошечных долот [79].
Лапы и шарошки буровых долот для повышения износоустойчивости под-
вергаются цементации с последующей термической обработкой.
Цементация шарошек и лап долот производится, как правило, в древесно-
угольном карбюризаторе. Шарошки и лапы из стали 12ХН2 цементуют при
температуре 930—960° С.
Таблица 75
Химический состав сталей в %, применяемых для изготовления деталей шарошечных буровых долот
Марка стали Назначение стали С Si Мп Сг Ni Мо S 1 р
Не более
12ХН2 Для лап и шарошек буровых долот диа- метром 295 мм и выше (см. табл. 31) (см. табл. 3 1)
20ХНЗА Для лап и шарошек буровых долот диа- метром 190 мм и выше
17НЗМА Для шарошек буровых долот диаметром от 76 мм до 190 мм включительно 0, 17—0,23 0, 17—0,37 0,40—0,60 <0,30 3,25—3,75 0,20—0,30 0,030 0,035
14Х2НЗМА Для лап буровых до- лот всех типов и размеров 0,12—0, 17 0, 17—0,37 0,30—0,60 1,50—1,75 2,80—3,20 0,20—0,30 0,025 0,025
55СМА Для шариков буровых долот всех типов и размеров 0,50—0,60 0,80—1,00 0,30—0,50 <0,30 <0,30 0,40—0,60 0,030 0,030
55СМА-1 Для роликов буровых долот всех типов и размеров 0,50—0,60 0,80—1 , 10 0,30—0,60 <0,30 < 0,30 0,40—0,60 0,025 0,025
50ХН То же 0,45—0,55 <0,35 0,50—0,80 0,45—0,75 1,0-1 ,5 — 0,030 0,030
СТАЛЬ для БУРОВЫХ долот 95
'96 СТАЛЬ
Толщина цементованного слоя и время выдержки при цементации изме-
няются в широких пределах и определяются типом и размером долот.
Заводские технические условия предусматривают изменения толщины це-
ментованного слоя на шарошках в пределах 0,7—2,0 мм, на лапах 1,0—2,5 мм
.[105].
После цементации шарошки и лапы подвергаются двойной закалке и низ-
кому отпуску.
Первая закалка шарошек и лап производится непосредственно из цемента-
дионного ящика без подстуживания в масле, вторая — с температуры 780—
.800° С в масле. Лапы при второй закалке охлаждают в воде, причем в воду
погружается только цапфа лапы, а хвостовик и двугранный угол остаются
да воздухе. Температура нагрева лап при второй закалке 760—780° С. После
второй закалки шарошки и лапы подвергают низкому отпуску при температуре
180—200° С в течение 2—2,5 ч.
Механические свойства тела шарошки и лап, а также твердость цементо-
ванной поверхности после окончательной термической обработки должны со-
ответствовать показателям, приведенным в табл. 76.
Таблица 76
Механические свойства тела шарошки и лапы после окончательной термической обработки
Показатели механических свойств (не менее) Шарошка Лапы
аб в кГ/мм2 75 70
» » 60 50
Ф в % 55 50
в кГ • м/см.2 И 10
BRC на беговых дорожках и наружной поверхности шарошек . . . 58 59
Твердость хвостовика лапы НВ 229—285. Так как твердость хвостовика
низкая, то резьбу можно легко нарезать на собранном долоте.
Цементация и первая закалка шарошек из стали 17НЗМА и 20ХНЗА и лап
из стали 20ХНЗА и 14Х2НЗМА производятся по режиму, принятому для стали
12ХН2.
Вторая закалка шарошек из стали 17ХН2А и 20ХНЗА производится с тем-
пературы 770—780° С, отпуск — при температуре 180—200° С. Температура вто-
рой закалки лап из стали 20ХНЗА и 14Х2НЗМА — 780—790° С. Отпуск — при
температуре 180—200° С.
Термическая обработка долот из стали 20ХНЗА и 14Х2НЗМА выполняется,
как правило, с высоким отпуском при температуре 630—650° С после первой
закалки.
Высокий отпуск производится для уменьшения количества остаточного аус-
тенита в цементованном слое. Наличие остаточного аустенита вредно отра-
жается на твердости и прочности цементованного слоя. Особенно резко ска-
зывается вредное влияние остаточного аустенита на прочность, когда он за-
легает в структуре стали в виде крупных обособленных участков.
В результате лабораторных исследований и стендовых испытаний опытных
долот установлено, что долговечность шарошек в значительной степени опре-
деляется глубиной цементованного слоя.
На рис. 48 и 49 приведена зависимость работоспособности долот от глуби-
ны цементованного слоя и отношения
кцем
А _ ------ ,
т
СТАЛЬ ДЛЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ 97
где h4PM—глубина цементованного слоя на зубьях шарошек в мм\
т — величина средней линии поперечного сечения зуба второго ряда на
высоте V3 Н от основания в мм\
Н — высота зуба в мм.
Из рис. 49 видно, что максимальная проходка долот 4-8Т и К9Т дости-
гается при К = 0,184 и 0,181.
Рис. 48. Проходка долот 4-8Т, К11СТ и К9Т
с шарошками из стали 20ХНЗА в зависимости
от глубины цементованного слоя
Отношение глубины цементобанного
слоя к средней линии
Рис. 49. Проходка долот 4-8Т, К11СТ и К9Т
с шарошками из стали 20ХНЗА в зависимости
от коэффициента К
Приняв К = 1,085, С. И. Хачатуров [177] рассчитал оптимальную глубину
цементованного слоя на зубьях шарошек долот типа Т по формуле
h4eM = 0,185 • т.
Расчетная и рекомендуемая глубина цементованного слоя для шарошек
дана в табл. 77.
X
Таблица 77
Оптимальная глубина цементованного слоя для шарошек, изготовленных из стали 17НЗМА
и 20ХНЗА
Размер долота в мм Глубина цементованного слоя в мм Размер долота в мм Глубина цементованного слоя в мм
расчетная рекомендуемая расчетная рекомендуемая
17НЗМА 20ХНЗА 17НЗМА 20ХНЗА
76—93 __ 0,6—0,9 243 1 , 7 1,7—2,0 ’
97—132 1 ,0 — 1 ,3 —- 269—295 1,9 1 , 8—2, 1
140—161 1 . 1 — 1 ,4 — 320 — — 1,9-2,3
190 1.6 1 , 5—1,8 346 2,0 — 2,0—2,3
214 1,6 — 1 ,6—1,9 394_490 2,0 — 2, 1—2,4
Рекомендуемая концентрация углерода в поверхностном слое 0,7—
0,85%.
Твердость цементованной поверхности HRC 57—61, твердость сердцевины
зуба показана в табл. 78.
7 Заказ 664
98 сталь
Твердость HRC сердцевины тела и зуба шарошек [79]
Таблица 78
Размер долота в мм 17НЗМА 20ХНЗА Размер долота в мм 17НЗМА 20ХНЗА
«j ч О) зуба 2-го ряда на -3— высоты от основания зуба 2-го ряда на —— высоты от основания «1 ч н зуба 2-го ряда на -3— высоты от основания зуба 2-го ряда на —— высоты от основания
76—132 140—161 190 214—243 32—40 30—39 32—40 35—43 33—43 269—295 320 346 394—490 — — 32—43 32—41 30—38 30—38
Рекомендуемая глубина цементованного слоя беговых дорожек цапф лап
из стали 20ХНЗА и 14Х2НЗМА после окончательной механической обработки
[79] приведена ниже.
Размер Глубина Размер ' Глубина
долота цементованного долота цементованного
в мм слоя в мм в мм слоя в мм
76—93 0,7—1,0
97—132 1,1-1 ,4
140—161 1,2—1,5
190 1 ,6—1,9
214 1 ,7—2,0
243 1,8—2,1
269—295 1,9—2,2
320—346 2,0—2,3
394—490 2,1—2,4
Требуемая твердость сердцевины дана в табл. 79.
Таблица 79
Твердость сердцевины цапф лап [НЦС\
Размер долота в мм Большая роликовая дорожка Малая роликовая дорожка Размер долота в мм Большая роликовая дорожка Малая роликовая дорожка
14Х2НЗМА 20ХНЗА 14Х2НЗМА 20ХНЗА 14Х2НЗМА 20ХНЗА 14Х2НЗМА 20ХНЗА
76—132 33—38 33—38 33—38 34—38 269—295 26—32 26—35 26-34 26—36
140—161 30—36 32—38 32—38 34—38 320 24—32 24—34 26—34 26—34
190 28—34 30—36 ЗО-г-36 32—38 348 24-30 24—32 24-30 26—32
214 28—34 30—36 30—36 32—38 394 22—28 22—30 24—30 2 4—30
243 26—34 28—36 28—36 30—38 445—490 20—28 20—28 24—30 24—30
Концентрация углерода на глубине 0,2 мм от поверхности цапфы должна
быть 0,94-1,1 %.
Твердость на поверхности беговых дорожек цапфы составляет HRC 58—62.
Твердость на поверхности буртов не более HRC 52, сердцевины HRC 34—45.
Несмотря на высокие механические свойства стали марок 12ХН2, 20ХНЗА,
17НЗМА и 14Х2НЗМА стойкость буровых долот, изготовленных из стали этих
марок, все еще остается недостаточной, особенно при работе долот в крепких
породах на форсированных режимах бурения. Поэтому в последние годы ши-
СТАЛЬ для БУРОВЫХ долот 99
роко проводятся исследования по изысканию новых марок стали для изготов-
ления деталей шарошечных долот. В основном эти исследования ведутся в об-
ласти изучения цементуемой стали.
Помимо твердого цементованного слоя детали должны иметь прочную,
сердцевину, чтобы исключить возникновение пластической деформации под
слоем.
Основной фактор, регулирующий прочность сердцевины,— содержание уг-
лерода в стали. Исследованиями, проведенными в последние годы, доказано,
что применение
50- I
55- !
для изготовления шарошек и лап буровых долот стали с по-
вышенным содержанием углерода увеличивает их стойкость.
Поэтому большинство исследований было посвящено
изучению цементуемой стали, содержащей повышенное со-
держание углерода.
50
45
40
*35
% 30
У
20
15
10
5
Для определения оптимального со-
держания углерода в цементуемой
стали применительно к деталям ша-
рошечных буровых долот было прове-
рке. 50. Зависимость средней проходки на долота типа ЗТ-12 от геологических горизонтов
буровых скважин «Туймазабурнефть»:
1 — опытное долото из стали 16ХН2В; 2 — опытное долото с шарошками из стали 19НЗМ
и лапами из стали 16ХН2М; 3 — серийное долото из стали 12ХН2
сталей, содержащих 0,82—1,40% Сг и 2,9—3,4% iN1! с различным содержанием
углерода (0,13—0,39% С) [29].
Образцы из этих сталей по форме и размерам копировали зуб периферий-
ного венца шарошки долот типа Т.
Перед испытанием образцы подвергались цементации в твердом карбюри-
заторе на глубину 0,7—0,9 мм и последующей термической обработке (нор-
мализации, высокому отпуску при 600° С, закалке и низкому отпуску при
180°С). Образцы испытывались на многократный циклический удар [29].
Наибольшую стойкость при испытании показали образцы стали, содержащей
0,2—0,3% С.
Таким образом, оптимальным содержанием углерода в цементуемых сталях,
применяемых для изготовления шарошек буровых долот, является 0,2—0,3% С.
7*
100 СТАЛЬ
Значительный интерес представляют попытки применения для изготовления
шарошек и лап буровых долот хромоникельвольфрамовой и хромоникельмо-
либденовой стали марок 16ХН2В, 18ХН2В, 16ХН2М и 18Х2Н4М [71,
79, 157].
При промысловых испытаниях долота с шарошками и лапами, изготовлен-
ными из стали 16ХН2В, показали лучшие результаты по сравнению с серий-
ными долотами, изготовленными из стали 12ХН2.
На рис. 50 приведена проходка на каждое опытное и серийное долото типа
ЭТ-12 по различным геологическим горизонтам.
Для опытного долота из стали 16ХН2В почти по всем геологическим гори-
зонтам характерна большая проходка. В среднем по всему геологическому
разрезу увеличение проходки на долото составило 35% по сравнению с се-
рийным.
Кроме того, были испытаны долота с лапами, изготовленными из стали
16ХН2М, и с шарошками — из стали 19ХЗМ. При промысловых испытаниях
проходка на опытное долото по сравнению с серийным увеличилась всего лишь
на 8% (рис. 50).
Химический состав и механические свойства стали марок 16ХИ2В, 16ХН2М
и 19НЗМ после термической обработки приведены в табл. 80.
Еще более низкие результаты показали опытные долота с шарошками и ла-
пами из стали 18Х2Н4М. Химический состав стали 18Х2Н4М в %: 0,15—
0,22 С, 0,4—0,7 Мп; <0,35 Si; 1,45-/1,75 Сг; 3,25—3,75 Ni; 0,2—0,3 Мо. По
сравнению с серийными долотами, увеличение проходки составило 2—9%.
Помимо указанных выше марок стали в разное время в различных научно-
исследовательских организациях (преимущественно в лабораторных условиях)
были исследованы многие другие марки цементуемой стали. Химический состав
некоторых из них приведен в табл. 81.
Лабораторные исследования образцов из стали этих марок выявили неко-
торые преимущества отдельных опытных марок перед сталью 12ХН2. Однако
промысловых испытаний опытных долот проведено не было.
Рассмотренные выше результаты исследований различных цементуемых
сталей относятся к сталям, легированным такими дорогими и дефицит-
ными элементами, как например, никель, вольфрам, ванадий, молибден.
В области исследований цементуемых сталей, не содержащих никеля и дру-
гих дефицитных легирующих элементов, следует указать прежде всего на ра-
боты ВНИИБТ и Московского института нефтехимической и газовой промыш-
ленности им. Губкина [79, 157, 158].
В результате этих работ еще в 1948 г. для изготовления шарошек и лап
буровых долот была предложена сталь марки 18ХГТ, а в 1950 г.— сталь ЗОХГС
(см. табл. 31).
Шарошки и лапы опытных долот из стали марки 18ХГТ подвергались
цементации при 900—920° С с охлаждением из ящика на воздухе. После це-
ментации производилась одинарная закалка с 870—880° С и отпуск при
200° С.
Опытные долота, изготовленные из этой стали, показали хорошие резуль-
таты при многократных промысловых испытаниях. Однако при массовом про-
изводстве долот из стали 18ХГТ не удалось обеспечить устойчивое повышение
их долговечности.
Детали опытных долот, изготовленные из стали марки ЗОХГС, подвергались
цементации по технологии, принятой для серийных долот. Закалка после це-
ментации производилась с температуры 880° С в масле, отпуск — при темпера-
туре 200—220° С.
После такой термической обработки твердость цементованного слоя была
HRC 62—64 при структуре мелкоигольчатого мартенсита с мелкими карбидами
и небольшим количеством остаточного аустенита; твердость сердцевины ша-
рошки — HRC 36—42 при структуре сорбита с трооститом; твердость сердце-
вины зуба шарошки HRC 52—53.
Химический состав (в <%>) и механические свойства стали марки 16ХН2В, 19НЗМ и 16ХН2М после термической обработки
Таблица 80
Марка С Мп Si Сг Ni W Мо Р S Режим термической обработки в кГ/мм2 G гр 8 в % Ф ан в кГм/см2
16ХН2В 0, 15 0,54 0, 16 0,85 1,80 0,77 — 0,030 0,027 Нагрев на 940° С, выдержка 1,5 ч. Охлаждение в масле. Закалка с 800° С в масле. Отпуск при 1 80 ° С 105,0 93,8 13,5 59,5 10,8
Нагрев на 940° С, выдержка 1,5 ч. Охлаждение в масле. Закалка с 780° С в воде. Отпуск при 180° С 131,3 116,8 11,5 52,5 3, 1
19НЗМ 0, 10— 0,22 0,40— 0,60 0, 17 — 0,37 < 0,20 3,25— 3,60 — 0,20— 0,30 <0,03 <0,03 Цементация 940—960° С, за- калка в масле. Закалка с 80 0° С в масле. Отпуск при 180° С 114,0 109 14,4 37,0 7,9— 7,3
16ХН1 2М 0,12— 0,20 0,30— 0,60 0,17— 0,37 0,60— 0,90 1,5— 2,0 — 0,20— 0,30 <0,03 <0,03 Цементация 940—960° С, за- калка в масле. Закалка с 800° С в воде. Отпуск при 180° С 72,0 56,9 18,0 27,5 12,4
Таблица 81
Химический состав (в %) некоторых марок цементуемой стали
Марка стали С Мп Si Сг Ni W V Другие элементы
25ХН2 0,25 0,48 0,28 0,75 1,76
25ХНЗ 0,27 0,51 0,31 0,78 2,98 — — —
25Х2НЗ 0,27 0,51 0,31 1,49 3,02 — — —
25ХН2В1 0,25 0,53 0,30 0,75 1,76 1,03 0,55 — —
25ХН2В05 0,25 0,54 0,26 0,75 1,56 — —
ЗОХНЗ 0,31 0,44 0,23 0,80 2,82 — — —
30ХН2МФ 0,32 0,65 0,27 0,85 2,04 — 0,31 0,25Мо
15Х2ГН2ДГФ 0, 12—0, 18 0,8—1 , 1 0,3—0,4 1,5—1,8 1,8—2,2 о, 15—0,2 1,8—2,2Си
25Х2ГН2Д2Ф 0,2—0,28 0,8—1 , 1 0,3—0,4 1 , 5—1 , 8 1 , 8—2,2 — 0, 15—0,2 1 , 8—2,2Си
35Х2ГН2Д2Ф 0,3—0,4 0,8—1 , 1 0,3—0,4 1 , 5—1,8 1,8—2,2 — 0, 15—0,2 1,8—2,2Сп
15Х2ГН2Т 0, 12—0, 18 0,8—1 , 1 0,3—0,4 1,5—1,8 1,8—2,2 — — 0,08—0, 15Ti
25Х2ГН2Т 0,2—0,28 0,8—1, 1 0,3—0,4 1 , 5— 1,8 1 ,8—2,2 —* — 0,08—0,1 5Ti
35Х2ГН2Т 0,3—0,4 0,8— 1, 1 0.3—0,4 1,5—1,8 1,8—2,2 — — 0,08—0, 15Ti
25ХНФР 0,2—0,28 0,6—0,8 0,3—0,4 0,9—1,2 0,9—1,2 — 0, 15—0,2 0,003—0,004В
СТАЛЬ ДЛЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ Ц)1
102 СТАЛЬ
Испытания механических свойств образцов, вырезанных из тела шарошки
после полной термической обработки, дали следующие результаты: вв = 130-5-
-5- 138 кГ1мм2\ 6 = 84- 8,7%; гр = 27,2 4- 31 %; ан = 4,95 4- 7,6 кГм!см2.
При промысловых испытаниях опытные долота с шарошками и лапами из
стали ЗОХГС увеличили проходку на 22,6% и механическую скорость на 29%
по сравнению с серийными долотами. Однако при испытаниях были случаи
аварийного выхода из строя опытных долот из-за поломки лап.
Краткий перечень исследованных за последние годы цементуемых марок ста-
ли дает возможность утверждать, что легированные цементуемые стали, при-
менительно к шарошкам и лапам буровых долот, изучены с достаточной пол-
нотой. Максимальное увеличение проходки, полученное при испытании опыт-
ных'долот с шарошками и лапами из различных цементуемых марок стали,
составили 30—40% по сравнению с серийными долотами из стали марки
12ХН2.
Однако долговечность современных трехшарошечных долот особенно при
форсированном турбинном бурении остается все еще низкой и составляет в
среднем в крепких породах 1,5—2 ч, а в мягких породах 5—6 ч [158].
В работах [30, 31] показано, что значительное повышение долговечности
буровых долот может быть достигнуто в том случае, если будет получена вы-
сокая твердость по всему сечению зубьев шарошек.
Известно, что высокая износостойкость цементованных сталей наблюдается
только в пределах цементованного слоя. После полного износа цементованного
слоя изнашивание сталей резко возрастает.
Следовательно, в начальный период работы долота на забое, когда с поро-
дой взаимодействует цементованный слой, вооружение шарошек будет отли-
чаться повышенной износостойкостью. Однако цементованный слой уже в на-
чальный период работы долота на забое разрушается и в контакт с породой
вступает нецементованная сердцевина зуба, имеющая пониженную твердость.
Начиная с этого момента, интенсивность износа зубьев возрастает, что резко
снижает работоспособность вооружения шарошек буровых долот и механичес-
кую скорость бурения.
Результаты лабораторных исследований, а также исследование отработан-
ных на промыслах долот, позволяет утверждать, что зубья шарошек должны
иметь по всему сечению высокую твердость и износостойкость [30, 31].
Это тем более важно, что в ряде случаев отработка долот идет до полного
износа всех зубьев шарошек.
Следовательно, чем выше твердость тела зуба шарошки, тем дольше и эф-
фективнее будут работать долота на забое.
Эти соображения дают основание считать целесообразным изыскания но-
вых сталей для шарошек буровых долот вести в области нецементуемых вы-
сокоуглеродистых сталей.
Замена цементуемых сталей высокоуглеродистыми сталями помимо повы-
шения износостойкости зубьев шарошек должно обеспечить повышение их
прочности.
Известно, что главной причиной разрушения цементуемых деталей явля-
ются дефекты цементации: резкие колебания концентрации углерода в поверх-
ностном слое между отдельными партиями деталей и невозможность точного
регулирования содержания углерода в поверхностном слое, особенно при це-
ментации в твердом карбюризаторе, рост зерна в процессе цементации, возмож-
ное насыщение стали при цементации кислородом и т. д.
Исследование концентрации углерода в цементованном слое целого ряда
серийных партий шарошек из стали 20ХНЗА, показало, что содержание угле-
рода в слое колеблется в пределах значительно более широких, чем это обус-
ловлено техническими условиями (рис. 51).
При исследовании серийных долот в целом ряде случаев наблюдается в
структуре цементованного слоя зубьев шарошек образование сетки избыточ-
ных карбидов.
СТАЛЬ для БУРОВЫХ долот юз
Повышенное против требований, обусловленных техническими условиями,
содержание углерода в цементованном слое и образование в слое сетки избы-
точных карбидов является одной из главных причин низкой долговечности
вооружения буровых долот.
При применении высокоуглеродистых сталей наиболее напряженный поверх-
ностный слой имеет стабильный химический состав и обладает, следовательно,
более стабильными механическими свойствами по сравнению с цементованным
слоем [143]. ’ .
Повышение прочности зубьев шарошек, при применении для' их изготовле-
ния высокоуглеродистых нецементуемых сталей, определяется не только ста-
бильностью химического состава, но и устранением при этом возможности пе-
ренапряжения поверхностного
слоя из-за пластической дефор-
мации сердцевины.
Высокоуглеродистые стали
обладают по сравнению с це-
ментованными более высокой
статической прочностью и вяз-
костью. При динамическом из-
гибе высокоуглеродистые стали
поглощают существенно боль-
шую работу, чем цементован-
ные стали различных марок, в
том числе сложнолегированные.
Вопрос о применении для из-
готовления шарошек буровых
долот нецементуемой стали не
является новым.
В результате лабораторных
исследований, проведенных еще
в 1951 г., была предложена для
изготовления шарошек конст-
рукционная сталь марки 45ХН
Рис. fjl. Распределение концентрации углерода в
поверхностном слое цементованных шарошек серий-
ных долот из стали 20ХНЗА
и марганцовистая сталь аусте-
нитного класса марки Л Г13
136].
Испытания на промыслах
опытных долот с шарошками, изготовленными из сталей 45ХН и ЛГ13, при
бурении в средних породах в интервале глубин 200—1400 м показали хорошую
стойкость опоры, но наблюдалось в процессе бурения смятие зубьев ша-
рошек.
Повторных испытаний долот с шарошками из этих сталей проведено
не было.
Значительный интерес представляют исследования, проведенные в Инсти-
туте электросварки им. Е. Д. Патона [175].
В результате этих исследований была предложена технология изготовления
биметаллических шарошек.
С этой целью на шарошку из стали 18ХГТ наплавлялся толстый слой высо-
кохромистой инструментальной стали типа Х12 (2% С и 12% Сг).
На полученной подобным образом заготовке нарезались зубья шарошки.
Стендовые испытания долот с биметаллическими шарошками показали, что
-опытные долота имели стойкость в несколько раз выше, чем стойкость серий-
ных долот [69, 157, 175].
Однако, несмотря на положительные результаты испытаний долот с биме-
таллическими шарошками, изготовление последних представляет значительные
технологические трудности, что осложняет внедрение этого способа в массовое
производство.
104 СТАЛЬ
Определенный интерес представляют исследования возможности применения
для изготовления шарошек штамповых сталей марок 5ХНМ, 6ХНМ, 5ХНВ и
6ХНВ (табл. 82).
Таблица 82
Химический состав (в %) некоторых марок штамповой стали
Марка стали G Si W Мо
5ХН/М 5ХНВ 6ХНМ 6ХНВ 0,5—0,6 0,5—0,6 0,6—0,7 0,6—0,7 < 0,35 0, 15—0,35 <0,35 0, 15—0,35 0,6—1,0 0,6-1,0 0, 15—0,30 0, 15—0,30
Примечание. Для всех марок стали содержание Мп и Сг составляет 0,5—0,8%,
а содержание Ni = 1 , 4 н- 1,8%.
Сталь этих марок подвергалась закалке в масле по режимам, оптимальным
для каждой марки и отпуску на твердость HRC 58—60.
При лабораторных испытаниях на контактное смятие в условиях повторного
удара (с энергией удара 48 кГ/см) сталь марок 5ХНМ, 6ХНМ, 5ХНВ и 6ХНВ
имела значительное преимущество перед цементованной сталью. Образования
трещин в месте контакта у образцов из этих сталей не наблюдалось даже после
100 000 ударов, в то время как у образцов из стали 12ХН2 цементованный
слой разрушился после 20 000 ударов.
Однако стендовых и промысловых испытаний долот с шарошками из ста-
лей 5ХНМ, 5ХНВ, 6ХНМ и 6ХНВ проведено не было.
В. Д. Таран и Л. П. Скугорова [159] произвели исследование ударной вяз-
кости и предела прочности при статическом растяжении ряда инструменталь-
ных сталей в зависимости от различных режимов термической обработки с
целью выбора наиболее рациональной марки стали для изготовления шарошек
буровых долот.
В результате этих исследований ими рекомендована для изготовления ша-
рошек сталь марки 4Х8В2.
Однако в работе В. Д. Тарана и Л. П. Скугоровой исследование произво-
дилось без учета специфических особенностей работы зубьев шарошек буровых
долот, поэтому их рекомендации не могут считаться достаточно убедитель-
ными.
В США ведутся работы по применению для изготовления деталей буровых
шарошечных долот нецементуемых сталей с различным количеством углерода
(0,40—0,85%), легированных марганцем (0,7—1,6%), хромом (до 1,75%), ни-
келем (до 4,0%), молибденом (0Д5—0,55%) и вандием (0,20—0,35%).
Результаты рассмотренных выше исследований показывают, что примене-
ние нецементуемых сталей для изготовления шарошек представляет значитель-
ный интерес и может повысить долговечность буровых долот.
Кроме того, внедрение нецементуемых сталей значительно сократит тех-
нологический цикл производства долот, устранит трудоемкий процесс цемен-
тации шарошек и упростит режим их окончательной термической обработки.
Однако необходимо отметить, что работы по изысканию новых марок сталей
для изготовления шарошек буровых долот велись без должного научного обос-
нования и в большинстве случаев выбор химического состава стали и методов
их обработки носил случайный характер.
Такое положение в значительной мере объяснялось недостаточной изучен-
ностью механизма износа и разрушения вооружения шарошек и отсутствием
в связи с этим надежных методов лабораторных испытаний, наиболее полно'
моделирующих условия работы долота на забое.
СТАЛЬ ДЛЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ 105
Отсутствие таких методов затрудняло разработку основных критериев, ко-
торым должна удовлетворять сталь, предназначенная для изготовления шаро-
шек буровых долот.
В работах [30, 31] показано, что такими критериями могут служить износо-
стойкость и долговечность, определяемые с помощью лабораторных методов
испытаний образцов на ударно-абразивный износ и повторно-переменный дина-
мический изгиб в сочетании с центральным ударом.
Систематические исследования ударно-абразивного износа и долговечности
различных сталей позволили установить, что стали для изготовления шарошек
буровых долот должны содержать 0,65—0,75% углерода. В связи с этим для
шарошек были предложены стали марок У7ХФ и Д7ХФН со следующим хими-
ческим составом в %: 0,65—0,74 С; 0,15—0,35 Мп; 0,15—0,35 Si; 0,2—0,34 V; не
более 0,03 S и Р (каждого); для стали У7ХФ—0,5—0,7 Сг, и для стали
Д7ХФН — 0,6—0,8 Сг и 1,2—1,7 Ni.
Для проверки целесообразности применения стали марок У7ХФ и Д7ХФЫ
для шарошек буровых долот были проведены стендовые и промысловые испы-
тания.
Для проведения стендовых и промысловых испытаний на Верхне-Сергин-
ском заводе были изготовлены долота 4В6АС и 2В4АТ с шарошками из стали
У7ХФ.
Опытные долота изготовлялись с частичным армированием шарошек твер-
дым сплавом — армировались только торцы зубьев периферийного венца.
Термическая обработка шарошек из стали У7ХФ производилась по опти-
мальному режиму: закалка с температуры 840—860° С, охлаждение в масле
и последующий отпуск при температуре 160—180° С в течение 2 ч.
После закалки и отпуска твердость на рабочей поверхности зубьев и серд-
цевины шарошек находилась в пределах НДС 58—60.
Опытные долота с шарошками из стали У7ХФ при стендовых испытаниях
во всех случаях показали по сравнению с серийными долотами повышение
проходки на долото и механической скорости бурения.
Так, например, проходка на долото 4В6АС с шарошками из стали У7ХВ
возросла почти на 34%, а механическая скорость бурения на 16% [31].
Результаты стендовых испытаний были подтверждены испытаниями на про-
мыслах в тресте «Башзападнефтеразведка» и в Волгоградской Геологоразве-
дочной конторе бурения. ,
При проведении этих испытаний опытные долота с шарошками из стали
У7ХФ также показали повышение проходки на 35% и механической скорости
бурения на 16%.
Необходимо отметить, что как при стендовых, так и при промысловых ис-
пытаниях наблюдалось повышение износостойкости опытных долот по срав-
нению с серийными.
Скорость изнашивания опытных долот по диаметру и по высоте зубьев бы-
ла значительно меньше чем у серийных.
При промысловых испытаниях долот 2В4АТ средний износ зубьев шарошек
составлял всего 10—16% от первоначальной высоты [31].
Еще лучше результаты были получены на долотах с шарошками из стали
Д7ХФН. Стендовые испытания опытных долот В97Т показали увеличение про-
ходки и механической скорости бурения в среднем на 33% при меньшем по
сравнению с серийными долотами износе вооружения долота — на 20%.
Шарошки из стали Д7ХФН были обработаны по следующему режиму: на-
грев под закалку до 860 ± 10° С, выдержка 30 мин, охлаждение в масле, от-
пуск при 170 ± 10° С —2 ч. Твердость шарошек на поверхности и по сечению
составляла НДС 58—61.
Результаты исследований показывают, что применение нецементуемой стали
повысит долговечность шарошечных буровых долот. Внедрение нецементуемой
стали значительно сократит технологический цикл производства долот,
106 СТАЛЬ
устранив трудоемкий процесс цементации и упростив режим окончательной
термической обработки шарошек.
Работоспособность шарошечных буровых долот определяется так же долго-
вечностью тел качения опор долота—шариков и роликов. Шарики опор шарошек
буровых долот изготовляют в соответствии с ТУ 3312Т-5В следующих диамет-
ров: 5/1б" (7,938 мм), V (9,525 мм), Vie" (НД13 мм), V/' (12,7 мм),
5/s" (15,875 мм), 3Л" (19,05 мм), Vs" (22,225 мм) и 1" (25,4 мм). Шарики де-
лают из стали марки 55СМА (табл. 75) и подвергают закалке с последующим
низким отпуском при 180—200° С.
Необходимо, чтобы после термической обработки шарики имели структуру
мелкоигольчатого мартенсита с твердостью HRC 54—58.
Поверхность шариков должна быть полированной, без следов шлифовки,
пятен, коррозии, без забоин, черновик и других внешних дефектов, видимых
невооруженным глазом.
Разрушающая нагрузка при испытании шариков должна быть не менее при-
веденной ниже:
Диаметр шарика в дюймах Нагрузка в кГ Диаметр шарика в дюймах Нагрузка в кГ
71в 5 000 *74 29 000
3/8 7 200 7/а 39 000
*/2 12 900 1 51 000
•/8 20 ооо
Ролики опор шарошек, в соответствии с ТУ 3313Т-53, должны иметь сле-
дующие размеры (диаметр X длину, в мм): 6X12; 8X16; 10X12; 12,5x22;
14x28 и 15x30. Ролики изготовляют из стали марок 50ХН и 55СМА-1
(табл. 75).
После закалки с температуры 820—840° С, в воде или масле и отпуска при
180—200° С твердость роликов должна быть HRC 53—60.
Замковые пальцы изготовляют из стали 40 по ГОСТу 1050—60. Химиче-
ский состав этой марки стали приведен в табл. 16.
9. СТАЛЬ ДЛЯ ТРУБ И НАСОСНЫХ ШТАНГ
В бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин применяются спе-
циальные бурильные, обсадные и насосно-компрессорные трубы, а также на-
сосные штанги.
Бурильные трубы
Как известно, бурильная колонна состоит из бурильных труб, соединенных
при помощи резьбовых замков, рабочей 'штанги, утяжеленных бурильных труб,
устанавливаемых над долотом или турбобуром, и переводников.
Бурильные трубы изготовляют из углеродистой стали марки Д и легиро-
ванных сталей марок 36Г2С и 38ХНМ (табл. 83) следующих категорий проч-
ности: Д, Е, Ем, Л и М (табл. 84).
СТАЛЬ ДЛЯ ТРУБ И НАСОСНЫХ ШТАНГ Ю7
Таблица 83
Химический состав стали (в %), применяемой для изготовления труб
Марка С Мп Si S 1 р
стали Не более
Д 0,41—0,47 0,90—1 ,15 0,20—0,35 0,045 0,045
36Г2С 0,32—0,40 1,50—1 ,80 0,40—0,70 0,040 0,050
Примечание. Химический состав стали 38ХНМ см. табл. 31.
При изготовлении бурильных труб основным видом термической обработки
является нормализация. В табл. 85 приведены механические свойства основных
Таблица 84
Механические свойства готовых бурильных
труб (не менее)
Марка % \ <7Т ^10 | §5
трубы в кГ/мм2 в %
Д 65 38 12 16
Е 75 55 10 12
Ем 70 50 12 16
Л 95 65 10 12
м 110 75 10 12
Таблица 85
Механические свойства стали основных марок
трубного сортамента после нормализации
(не менее)
Марка | GT 1 8‘
стали в кГ/мм2 в %
Д 65 38 12 16
36Г2С 75 50 10 12 ,
38ХНМ 75 55 10 12
Примечание. Для всех марок ан >
> 4 кГм/см2 и Ф > 40%.
Примечание. Для всех марок стали
ан > 4 кГм/см2 и Ф > 40%.
марок стали трубного сортаментЛ, полученные после нормализации. Как видно
из таблицы, предел текучести стали этих марок не превышает 55 кГ1мм2, что
-соответствует категории прочности Д и Е. Необходимо учесть, что после нор-
мализации наблюдается значительный разброс механических свойств по длине
трубы.
В табл. 86 приведены значения механических свойств по длине трубы, изго-
товленной из стали марки 36Г2С после прокатки и нормализации.
Таблица 86
Механические свойства стали 36Г2С по длине трубы после прокатки и нормализации
Вид обработки °в I 5 в % ИВ
в к! "/мм2
После прокатки: минимальные 70,5 45,5 16,6 196
максимальные 84,0 57,0 21,0 217
средние 77,8 52,2 19,5 204
После нормализации: минимальные 76,5 51,5 19,5 196
максимальные 82,5 57,0 22,0 217
средние 80,8 55,8 20,5 204
108 СТАЛЬ
Из таблицы видно, что нормализация не устраняет полностью неоднород-
ность механических свойств тела трубы, полученную в результате прокатки.
Разброс значений механических свойств увеличивается еще больше при изго-
товлении труб с высаженными концами.
Наиболее эффективный способ повышения прочности бурильных труб —
закалка с последующим высоким отпуском.
Проведенные УкрНИТИ работы показали, что такой термической обработ-
кой можно получить высокопрочные трубы марок Е, Л и М из сталей марок
Д и 36Г2С (табл. 87). Термическая об-
работка производилась по режиму:
нагрев под закалку до 850—870° С в
печах скоростного нагрева, охлажде-
Таблица 87
Механические свойства сталей трубного
сортамента после закалки и отпуска [186]
Марка (Tip 5 в %
стали в кГ/мм2
Д 79-95 55—70 16—26
36Г2С 85—110 75—100 14—24
Таблица 88
Механические свойства тела трубы
и высаженного конца ее после закалки
и отпуска (сталь марки 36Г2С)
Свойства Тело трубы Выса- женный конец
в кГ1мм2 115 88,5
G гр я 105 77,0
8 в % 16,2 17, &
Ф » » 58,8 55,4
ан в кГм^см2 10,8 9,5
НВ 334 259
ние водой в специальной спрейерной установке, высокий отпуск при темпера-
туре 660—680° С.
Как видно из табл. 87, механические свойства стали Д после термической
обработки соответствуют трубам марки Е, а стали 36Г2С — свойствам труб
марки Л и М.
Однако необходимо иметь в виду, что после закалки и отпуска в пределах
одной трубы может наблюдаться некоторый разброс механических свойств,
например: различие между свойствами в теле трубы и в высаженном конце
(табл. 88).
Для устранения неоднородности механических свойств по длине трубы ре-
комендуется перед закалкой с высоким отпуском проводить отжиг или нор-
мализацию.
Производство бурильных труб с повышенными механическими свойствами
позволяет снизить общий вес колонны, а также повысить их экспулатацион-
ную надежность, увеличить скорость и глубину бурения.
Замки и переводники для бурильных труб изготовляют из стали марки
40ХН (см. табл. 31). Кроме того, действующим стандартом на поставку замков
для бурильных труб (ГОСТ 5286—58) допускается, с согласия заказчика, из-
готовлять замки ЗН-172, ЗН-197, ЗШ-178, ЗШ-2ОЗ, ЗУ-185 и ЗУ-212 из стали
марки 45 (см. табл. 15).
Замки и переводники бурильных труб подвергают закалке с 820—840° С и
высокому отпуску при температуре 560—660° С. Механические свойства замков
и переводников из стали марок 40ХН и 45 после термической обработки даны
в табл. 89.
Многократное свинчивание и развинчивание замков бурильной колонны,
абразивный износ резьбы струей промывочной жидкости, а также истирание
наружной поверхности о стенки скважины или обсадные трубы, приводят к
быстрому выходу из строя замков бурильной колонны.
Для предохранения резьбовых соединений от заеданий производится фос-
фатирование замковой резьбы у муфт и ниппелей или цинкование резьбы и
упорных уступов у ниппелей.
Утяжеленные бурильные трубы (ТБУ) с нарезанными концами и штанги
СТАЛЬ ДЛЯ ТРУБ И НАСОСНЫХ ШТАНГ Ю9
Таблица 89
Механические свойства замков и переводников из стали марок 40ХН и 45 после термической
обработки
Марка стали 1 ан в кГм!см2 НВ
в кГ/мм2, не менее
40ХН 58 78 8 255—321
45 45 70 5 217—285
Примечание. Для сталей марок 40ХН и 45 значения 8 > 14%, ф > 50%.
бурильные квадратные изготовляют из стали марок Д или 36Г2С. Механиче-
ские свойства стали этих марок должны соответствовать требованиям табл. 85.
Для повышения прочности утяжеленных бурильных труб и увеличения
износостойкости резьбы следует применять термическую обработку, которая
должна состоять из закалки в масле с 820—840° С и высокого отпуска при
температуре 500—600° С [160].
Для бурильных труб из стали марки Д раструбы и ниппеля (соединитель-
ные концы, приваренные в стык) изготовляют из стали марок 45 или 40Х. Сое-
динительные концы приваривают на мощных стыкосварочных машинах, после
чего сварной шов подвергают термической обработке. Во избежание искаже-
ния профиля резьбы соединительных концов термической обработке подверга-
ют только сварные швы, а не всю трубу, так как нагрев может вызвать изме-
нение механических свойств стали соединительных концов, которые перед при-
варкой уже подвергались закалке и высокому отпуску. Местная термическая
обработка сварного шва производится за счет нагрева ацетилено-кислородным
пламенем или за счет индукционного нагрева.
Термическая обработка сварного шва состоит из нормализации с темпера-
туры 880—900° С, или из нормализации и высокого отпуска при температуре
550° С. Такая обработка дает значительное улучшение микроструктуры шва и
повышает ударную вязкость до 2,5—2,7 кГ -м!см2 [160].
Обсадные и насосно-компрессорные трубы
Обсадные трубы поставляются по ГОСТу 632—64. Для их изготовления
применяются стали марок А, С, Д, а также 36Г2С и 38ХНМ.
Химический состав стали для изготовления обсадных труб и механические
свойства этих труб приведены в табл. 90 и 91.
Таблица 90
Химический состав (в %) углеродистой стали применяемой для изготовления
обсадных труб
Марка стали С Мп Si
А 0, 18—0,25 0,30—0,60 0, 15—0,25
С 0,30—0,37 0,65—0,90 0,20—0,35
Д 0,41 — 0,47 0,90 — 1 , 15 0,20—0,35
Примечание. Для всех марок сталей содержание серы и фосфора не
более 0,045%.
110 СТАЛЬ
Механические свойства обсадных труб (не менее)
Таблица 91
Марка | ат $10 | 81 1 Марка ° в 1 I ат $10 1 8‘
трубы в кГ!мм2 в % | трубы в кГ/мм* в %
А 42 25 19 25 Ем 70 50 10 12
С 55 32 14 18 Л 95 65 10 1 2
ЕД 65 75 38 55 12 10 16 12 М 100 75 10 12
За последние годы отечественными трубопрокатными заводами были изго-
товлены опытные партии обсадных труб марок СГБЛ для сверхглубокого бу-
рения (из легированной стали) и СГБМ для сверхглубокого бурения (из мар-
ганцевистой стали) с более высокими показателями прочности, чем, например,
трубы из стали марки Д [/160].
Для труб СГБМ ат — 45-4-51 кГ1мм2 и — 80-4-85 кГ1мм2\ для труб СГБЛ
GT = 60-4-80 кГ1мм2 и Ge = 854-100 кГ!мм2. Трубы этих марок могут приме-
няться для обсаживания скважин глубиной 400—6000 м.
Обсадные трубы в зависимости от предъявляемых требований делятся по
точности изготовления на два класса: трубы I класса — для скважин, пробу-
ренных в обычных и сложных геологических условиях, и II класса — для не-
ответственных скважин, когда допускаются незначительные дефекты на по-
верхности труб.
Трубы диаметрами 43/4Х/—И3//' изготовляются только бесшовными, а трубы
диаметром 123/4/z—163/4/х — бесшовными и сварными.
Обсадные трубы выполняют с резьбой под муфты. Новые конструкции об-
садных труб выполняют с раструбом, составляющим единое целое с трубой.
Такие трубы изготовляют двумя способами.
К гладкообрезанным трубам из стали марки Д приваривают электроконтакт-
ной стыковой сваркой предварительно нарезанные концы (ниппеля и растру-
бы), которые изготовляют из стали марок 40Х, 40ХН или из стали марки Д
с термической обработкой.
На гладких трубах из стали марки Д производят высадку одного из концов
труб на прессе под раструб. После этого оба конца трубы термически обраба-
тывают и нарезают резьбу. Такие трубы называют трубами ДУК (буква Д—
марка стали, буквы У и К — упрочненные концы трубы). Термическая обработ-
ка концов труб выполняется путем местного поверхностного нагрева ацетиле-
но-кислородным пламенем или индукционным нагревом до температуры 850—
900° С закалки и высокого отпуска при 550—600° С.
Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним поставляются по ГОСТу
633—64. Изготовляются трубы и муфты из стали марок С и Д. Механические
свойства труб и муфт должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 91
для обсадных труб.
Насосные штанги
Насосные штанги, применяемые при добыче нефти, работают в сложных
условиях, подвергаясь одновременному воздействию коррозионной среды и пе-
ременных напряжений. Обрывы насосных штанг ведут к значительным .про-
стоям оборудования, снижающим добычу нефти.
Для массового производства насосных штанг применяются стали марок
20ХН, 36Г1 (с содержанием марганца по нижнему пределу) и 40У. Химичес-
кий состав стали этих марок приведен в табл. 92.
СТАЛЬ ДЛЯ ТРУБ И НАСОСНЫХ ШТАНГ Щ
Таблица 92
Химический состав стали [в %], применяемой для массового производства насосных штанг'
Марка стали С Мп Прочие Р
36Г1 0,30—0,40 0,70—1,00 Сг < 0,30 < 0,040
40У 0,40—0,50 0,50—0,80 Ni < 0,30 < 0,045
Примечание. Химический состав стали марки 20 ХН см. в табл. 31. Для всех марок
стали содержание Si=0,17 — 0,37%, S < 0,045%.
Муфты для штанг изготовляют из стали марки 40 по ГОСТу 1050—60
(табл. 15).
Штанги подвергают нормализации; для наиболее ответственных условии
работы штанги из стали марок 20ХН и 36Г1, кроме нормализации, подвергают
последующей закалке с высоким отпуском. Режимы термической обработки
штанг приведены в табл. 93.
Таблица 93
Режимы термической обработки штанг [21]
Марка стали Операции термической обработки Температура нагрева в °C
20ХН Нормализация Нормализация с последующим улучшением: нормализация без правки закалка в масле высокий отпуск 890—900 890—900 850—860 650—660
36Г1 Нормализация Нормализация с последующим улучшением: нормализация без правки закалка в масле высокий отпуск 870—880 870—880 830—840 670—680
40У Нормализация 870-880
Термическая обработка штанг производится в специальном механизирован-
ном агрегате [21], который предназначен для массовой термической обработки,
нормализации или улучшения штанг по всей длине.
Для предохранения штанг от коробления агрегат оборудован растягиваю-
щим устройством, позволяющим проводить правку горячих штанг в процессе
термической обработки.
Установлено, что правка штанг диаметром 19 мм из стали марки 20ХН
после нормализации дает хорошие результаты при температуре около 600° С и
нагрузке 2,5—3 Т, а из стали марки 36ГТ — при нагрузке около 4 т. Правка
после отпуска тех же штанг из стали марки 20ХН производится при темпера-
туре 540—550° С под нагрузками 6—8 Т.
Термическая обработка штанг позволяет получить однородную по всей дли-
не штанги мелкозернистую структуру и высокие механические свойства
(табл. 94).
112 СТАЛЬ
Механические свойства штанг после термической обработки
Таблица 94
Марка стали
40 4 0У 36Г1 20ХН
Механические свойства (не менее) Нормализация Нормали- зация Нормали- зация, закалка, отпуск Нормали- зация Нормали- зация, закалка, отпуск
ов в кГ/мм2 ст » » 5 в % Ф в % ан в кГсм/см2 .... НВ 57 32 16 45 170—217 57 32 16 45 6 170—217 60 40 17 40 10 185—221 68 50 15 55 12 197—241 60 39 18 60 12 149—167 70 55 15 60 15 192—229
Однако термическая обработка не устраняет обрыва насосных штанг. Од-
ним из наиболее перспективных методов упрочнения насосных штанг является
поверхностная закалка штанг с нагревом токами высокой частоты.
Индукционная поверхностная закалка насосных штанг в производственных
условиях является сложной технологической задачей, так как насосная штанга
при длине 8 м имеет диаметр ,16—25 мм, Поэтому поверхностную закалку их
следует проводить непрерывно-последовательным способом. Штанги нагрева-
ются и закаливаются на специальном станке с горизонтальным расположением
обрабатываемой штанги [30]. Глубина закаленного слоя в зависимости от диа-
метра штанги — 1,8—2,8 мм, твердость для стали 40У—56—60.
Промышленное применение насосных штанг из стали 40У показало, что при
поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты сокращается число
обрывов штанг примерно в 4 раза и соответственно уменьшается число ремон-
тов и недобор нефти из-за простоев скважин. Коррозионно-усталостная проч-
ность насосных штанг из стали 40У в результате поверхностной закалки по-
вышается более чем в 2 раза и значительно превышает прочность штанг из
легированной стали [135].
В результате внедрения поверхностной закалки штанг можно полностью
отказаться от легированной стали марки 20ХН; кроме того, применение по-
верхностно закаленных штанг позволит значительно уменьшить вес колонн за
счет снижения диаметра насосных штанг на одну, а иногда и на две ступени.
Такое уменьшение веса колонны, помимо экономии металла, благоприятно
влияет на долговечность станков-качалок и значительно уменьшает расход
мощности на их привод.
Муфты для штанг, изготовляемые из стали марки 40У, подвергают норма-
лизации, поверхностной закалке поясками на твердость не ниже HRC 42.
10. СТАЛЬ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ,
РЕЗЕРВУАРОВ И ГАЗГОЛЬДЕРОВ
Трубы
Магистральные газопроводы, нефтепроводы и продуктопроводы изготовляют
из стальных бесшовных или сварных труб. Стыки между трубами соединяют
сваркой [144, 161].
Стальные трубы для магистральных трубопроводов по способу их изготов-
ления можно разделить на два типа: бесшовные горячекатаные и сварные.
СТАЛЬ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, РЕЗЕРВУАРОВ ЦЗ
Диаметр и длина отдельных типов труб в зависимости от способа изготов-
ления приведены в табл. 95 [144].
Таблица 95
Типы и основные размеры стальных труб
Типы труб Диаметр в мм Длина в м
Бесшовные горячекатаные Сварные с прямым швом, выполненным автоматической свар- 25—426 4-12,5
кой под флюсом Сварные со спиральным швом, выполненным автоматической 219—1620 Группа А 10—24 Г руппа Б 5—24
сваркой под флюсом Сварные с прямым швом, выполненным электроконтактной 426—1220 10—18
сваркой 200—800 6—12
Сварные плоскосварачиваемые 8 = 1,5 ч- 2,0 мм 100—200 500—2000
Трубы изготовляют из углеродистых и низколегированных сталей и по-
ставляются в состоянии проката, упрочненные экспандированием, а также
термически упрочненные.
Бесшовные, горячекатаные и сварные трубы небольших диаметров (не выше
426 мм) изготовляют из углеродистых сталей марок ВСт.З, ВСт.4, ВСт.5, ВСт.6,
15, 20 и 25.
Для изготовления сварных труб, главным образом диаметром 529 мм, при-
меняется малолегированная сталь марки 10Г2СД (жк), а для труб больших
диаметров (720 мм и выше) сталь марок 14ХГС и 19Г [144].
Химический состав и механические свойства стали 10Г2СД приведены
в табл. 96.
Таблица 96
Химический состав (в %) и механические свойства стали марки 10Г2СД для сварных
тонкостенных труб
С Si Мп Сг Ni Си
<0,12 0,80—1 , 10 1,30—1,65 <0,30 <0,30 0,15—0,30
Р | S ат 1 В в % (не менее)
не более в кГ/мм2 (не менее)
0,045 0,050 35 50 18
Для повышения механических свойств и получения правильной цилиндри-
ческой формы требуемого стандартного диаметра трубы иногда подвергают
экспандированию — пластической деформации за счет внутреннего гидравли-
ческого давления.
Для получения эффекта упрочнения за счет наклепа при пластическом де-
формировании размер трубной заготовки берется таким, чтобы после сварки
наружный диаметр трубы был на 1,5% меньше диаметра, принятого по стан-
дарту. \
3 Заказ 664
114 СТАЛЬ
В табл. 97 показан эффект упрочнения за счет экспандирования для труб
из стали 19Г.
Т а б ^л и ц а 97
Механические свойства труб и стали марки 19Г в состоянии поставки
и после экспандирования
Вид обработки Qyr । 5 в %
в кГ/мм2
В состоянии поставки 30 47 18
После экспандирования 34 48 18
Широкое применение экспандированной стали марки 19Г показало, что она
в ряде случаев не удовлетворяет необходимым требованиям эксплуатации
трубопроводов и обладает склонностью к хрупкому разрушению [144]. Взамен
стали 49Г в настоящее время применяются новые более надежные марки ма-
лолегированной стали (табл. 98).
Таблица 9&
Новые марки сталей, применяемые для изготовления магистральных трубопроводов [144]
Марка стали Вид обработки | GT §10 в % (не менее)
в кГ)мм2 (не менее)
14Г2 В состоянии поставки 48 34 18
15ГС То же 50 35 18
16ГН » 50 35 18
14ГН » 48 33 20
14ГН Экспандированная 48 34 18
14ГН Термообработанная 55 40 20
17ГС Экспандированная (поперечной прокатки) . . 50 35 18
09Г2С В состоянии поставки i 50 35 20
Наиболее высокой прочностью обладает сталь марки 14ГН термообрабо-
танная, легированная марганцем и никелем (табл. 99). Изготовляется она из
железных руд природнолегированным никелем.
Таблица 99
Химический состав (в %) и механические свойства малолегированной стали марки 14ГН
С Si Мп Сг Ni Толщина проката | т в % (не менее)
кГ!мм2 (I ie менее)
0,11 — 0,20— 0,90— 0,20— 0,80— 4—10 54 40 15
—0,17 —0,40 — 1,30 —0,60 — 1,30 11—20 52 40 15
Весьма перспективной для изготовления магистральных трубопроводов
является сталь марки 17ГС, а для трубопроводов эксплуатируемых в северных
районах СССР — сталь марки 09Г2С.
Наиболее эффективным способом повышения долговечности и надежности
магистральных трубопроводов является термическая обработка листовой за-
готовки перед сваркой. В этом случае режим термической обработки должен
быть выбран таким образом, чтобы уменьшить разупрочнение труб в зоне*
влияния сварного шва [88].
СТАЛЬ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, РЕЗЕРВУАРОВ Ц5
Резервуары и газгольдеры
Наиболее распространенный тип хранилищ темных и особенно светлых
нефтепродуктов — сварные металлические резервуары различной емкости.
Стальные резервуары — ответственные инженерные сооружения, работаю-
щие в сложных климатических, тяжелых грунтовых и эксплуатационных усло-
виях. Поэтому правильный выбор марки стали для нефтерезервуаров является
одним из главных условий их надежной эксплуатации [59, 144, 162].
Основными требованиями, предъявляемыми к стали для резервуаров, яв-
ляются: достаточная прочность, хорошая свариваемость и пластичность как
при нормальных, так и при низких температурах, а также малая чувствитель-
ность к старению.
Марка стали для изготовления деталей резервуаров выбирается с учетом
конструкции резервуара, его емкости, технологии изготовления и климатичес-
ких условий эксплуатации. Для корпусов и днищ цилиндрических резервуаров
емкостью менее 700 ж3 применяется сталь марки ВСт.Зкп.
Для изготовления корпуса, днища и кольца жесткости, вертикальных ци-
линдрических резервуаров емкостью 700—5000 ж3, сооружаемых в районах,
где температура воздуха бывает не ниже —20° С, применяется мартеновская
спокойная сталь обыкновенного качества марки ВСт.З с гарантированной удар-
ной вязкостью при температуре —20° С. В районах с более низкими температу-
рами (—40° С и ниже) применяется спокойная сталь марки МСт.З улучшенного
раскисления (ЧМТУ 5232—55) или хорошо раскисленная сталь марки ВСт.З
с гарантированной ударной вязкостью при температуре —40° С.
Дополнительное раскисление стали марок МСт.З и ВСт.З по ЧМТУ 5232—55,
производится присадкой в ковш 1 кГ алюминия на 1 Т стали. Эта сталь (в
листах толщиной более 6 мм) испытывается на ударную вязкость при темпе-
ратуре —40° С и на излом. Средняя величина ударной вязкости при —40° С
на образцах, вырезанных поперек проката, должна быть не менее 3,5 кГм!см2.
В образцах, испытанных на излом при комнатной температуре, должно быть
не менее 70% волокна от общей площади излома [162].
У резервуаров емкостью 10 000 ж3 нижний пояс корпуса изготовляется из
низколегированной стали (09Г2С, 14Г2 и др.) с гарантированной ударной вяз-
костью при температуре эксплуатации —20° и ниже, верхние пояса корпуса,
днище и кольцо жесткости изготовляются из мартеновской спокойной стали
марки Ст.З улучшенного раскисления (ЧМТУ 5282—55) или ВСт.З.
Сталь МСт.З улучшенного раскисления также как и низколегированная
сталь обладает меньшей склонностью к хладноломкости по сравнению с угле-
родистой сталью обыкновенного качества.
Для изготовления нижних поясов резервуаров емкостью свыше 10 000 м3
рекомендуется независимо от климатических условий применять низколегиро-
ванные стали марок 09Г2С, 14Г2 и др.
Для нижнего пояса корпуса резервуаров емкостью 30 000 м3 и более реко-
мендуется применять термически упрочненные низколегированные стали.
При термической обработке низколегированные стали подвергаются улуч-
шению— закалке и высокому отпуску.
Улучшение повышает прочность стали, не понижая практически ее пластич-
ности, уменьшает склонность стали к хладноломкости, к старению, увеличивает
однородность стали по сравнению с горячекатаной сталью.
Улучшенные стали по прочности делятся на четыре категории (табл. 100).
Сталь марки >14Г2 подвергается закалке с температуры 900—930° С водяным
струйным охлаждением верхней и нижней поверхности листа. Для категории
прочности Т-45 температура отпуска равна 650° С.
Улучшенная сталь независимо от содержания углерода выдерживает ис-
пытание на изгиб в холодном состоянии на 180° С. Порог хладноломкости
улучшенной стали ниже —60° С, а горячекатаной низколегированной —40° С.
8*
•116 СТАЛЬ
Таблица 100
Свойства термически упрочненной стали в зависимости от категории прочности [144]
Категория прочности Толщина листов в мм О'«у» 1 °в 3 в % (не менее)
в кГ/мм2 (не менее)
Т-30 8—26 30,0 : 44,0 20
27—40 30,0 44,0 20
Т-4 5 8—40 45,0 55,0 17
Т-60 8-40 60,0 70,0 13
Т-75 8-3 2 75,0 85,0 10
Улучшение в значительной мере понижает анизотропность свойств, возник-
шую при прокатке стали. Хорошо свариваются стали категорий прочности Т-30
и Т-45. При сварке улучшенная сталь разупрочняется на 20—22%.
Однако несмотря на разупрочнение термически улучшенная низколегирован-
ная сталь имеет в зоне сварки большую прочность, чем углеродистая сталь
обыкновенного качества и сталь марки Ст.З улучшенного раскисления. Приме-
нение в резервуарах термичности упрочненных сталей на ряду с повышением
их надежности уменьшает расход металла на 20—25% [144].
Для изготовления кровли вертикальных цилиндрических резервуаров несу-
щих конструкций покрытия (центральной стойки, колонн и др.), а также лест-
ниц ограждения применяется сталь марок ВСт.Зкп или ВСт.Зпс.
Для настила площадок и ступеней лестниц допускается применять сталь
марки МСт.О. К сталям, применяемым для изготовления газгольдеров, предъ-
являются такие же требования, как и для резервуаров.
Листовая оболочка газгольдеров емкостью 700—3000 м3 (корпус, крышка
и днище толщиной от 4 мм и более) изготовляется из спокойной стали ВСт.З.
При отрицательных температурах эксплуатации газгольдеры изготовляются из
стали ВСт.З с гарантированной ударной вязкостью при соответствующей от-
рицательной температуре. Для газгольдеров, емкостью менее 700 м3, сооружае-
мых в районах с температурой воздуха не ниже —30° применяется сталь марки
ВСт.Зкп.
Для газгольдеров емкостью 3000 м3 и более листовая оболочка нижнего
пояса корпуса изготовляется из низколегированной стали марок 15ХСНД и
14Г2. Верхняя часть газгольдера — из спокойной стали ВСт.З. Для лестниц,
обслуживающих площадки газгольдеров, а также для несущих элементов газ-
гольдеров (стоек, стропил, распорок и прочих элементов) применяется сталь
ВСт.Зкп.
Глава II. ЧУГУН
1. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНА
Чугуном называют сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2% уг-
лерода. Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний,
марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси находятся в разных количествах
и оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а сле-
довательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна. Коли-
чество этих примесей при переплавке чугуна для изготовления отливок можно
регулировать и, таким образом, получать нужные химический состав, струк-
туру и свойства. Важнейшие компоненты чугуна, при помощи которых регу-
лируется формирование структурных составляющих чугуна,— углерод и крем-
ний. Количественное их соотношение определяет количество графита и струк-
туру металлической основы. Примеси марганца, фосфора и серы в тех пределах,
в которых они находятся в обычном чугуне, не вносят существенных измене-
ний в структуру и фазовые превращения чугуна.
Чугун классифицируется главным образом по химическому составу и мик-
роструктуре.
По химическому составу чугун делится на простой углеродистый и легиро-
ванный.
Простым углеродистым называется чугун, в котором, кроме углерода, со-
держится до 4% кремния, до 2% марганца, до 1,0—1,2% фосфора, до 0,18—
0,2% серы.
Легированным называется чугун, в котором кремния и марганца содержится
выше указанных пределов или имеются специально введенные легирующие
элементы: хром, никель, молибден и др.
В зависимости от микроструктуры чугун делится па белый, половинчатый,
серый, ковкий и высокопрочный с шаровидным графитом.
Структура белого чугуна, в соответствии с метастабильной диаграммой
состояния системы железо — цементит (сплошные линии на рис. 1), состоит из
перлита, вторичного цементита и ледебурита. Вид излома — белый лучистый.
Структура половинчатого чугуна состоит из перлита, ледебурита, цементи-
та и графита. Вид излома — белый с темными вкраплениями.
Структура серого чугуна определяется структурой его металлической ос-
новы и характером распределения, формой и размером графита.
В зависимости от структуры основы серый чугун может быть ферритным,
перлитным или ферритоперлитным (смешанным). Вид излома — серый, и чем
больше графита, тем он темнее.
Графит в чугуне содержится в различном количестве, имеет различные ха-
рактер распределения, формы и размер.
Графит имеет некомпактную гексагональную решетку с отношением осей
Q
— > 2. Атомы в решетке расположены параллельными слоями. Связь между
а
слоями слабая, металлическая. Слои находятся друг от друга на расстоянии
о
3,40 А. Слабая связь и большое расстояние между слоями обусловливают
118 чугун
легкую расщепляемость кристаллов графита и выкрашиваемость последнего
из чугуна. Графит имеет удельный вес 2,25; он мягок и хрупок, плохо прово-
дит электричество, обладает хорошей теплопроводностью.
Наиболее распространены простые углеродистые серые чугуны, обладающие
хорошими технологическими свойствами и обрабатываемостью. Из серого ли-
тейного чугуна, как из хорошего конструкционного материала, можно полу-
чить отливки сложных конфигураций.
В связи с применением более дешевой шихты и экономично работающих
плавильных агрегатов отливки из серого чугуна по сравнению с другими по-
луфабрикатами отличаются наибольшей дешевизной.
Механические свойства серых чугунов зависят от их состава и структуры
Однако решающими факторами, влияющими на свойства чугуна, являются:
размеры, количество, форма и характер расположения графитовых включений.
В соответствии с ГОСТом 3443—57 предусматривается следующая класси-
фикация графита, в структуре серого чугуна:
по характеру распределения (табл. 101);
Таблица 101
Классификация по характеру распределения графита
Обозначение Характеристика распределения графита
Гр. 1 Гр. 2 Гр. 3 Гр. 4 Гр. 5 Гр. 6 Гр. 7 Гр. 8 и 9 Гр. 10 Изолированные включения Колонии большой степени изолированности То же средней » » малой Сетчатый дисперсный (точечный) То же пластинчатый Розеточный Междендритный дисперсный (точечный) Мс ж ден дритный пластинчатый
по длине графитных включений (табл. 102);
Классификация по длине графитных включений
Таблица 102
Обозначение Длина в мк Обозначение Длина в мк Обозначение Длина в мк
Гд 1 Гд 2 Гд 3 Гд 4 <5 <10 10—25 25—40 Гд 5 Гд 6 Гд 7 40—80 80 — 150 150—300 Гд 8 Гд 9 Гд 10 300—500 500 — 1000 >1000
по сочетанию форм графитных включений (табл. 103);
Таблица 103
Классификация по сочетанию форм графитных включений
Обозначение
Характеристика форм и сочетания
Гф 4 Пластинчатая длиной более 40 мк -|- гнездообразная
Гф 5 Пластинчатая длиной 25—40 мк + гнездообразная
Гф 6 Пластинчатая длиной менее 2 5 мк + гнездообразная
Гф 7 Пластинчатая ф- гнездообразная -|- малое количество точечной
Гф 8 Пластинчатая 4- гнездообразная -|- среднее количество точечной
Гф 9 Пластинчатая -|- гнездообразная большое количество точечной
Гф 10 Точечная
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНА Ц9
по количеству графита (табл. 104).
Таблица 104
Классификация по количеству графита
Обозначение Г02 Г04 ГО 6 ПО Г12
Количество графита в % (по площади) >3 3—5 5—8 9—12 >12
Тем же ГОСТом 3443—57 предусмотрена классификация структуры метал-
лической основы серого чугуна:
по количеству перлита в структуре (табл. 105);
Таблица 105
Классификация по количеству перлита
Обозначение Количество перлита в % Обозначение Количество перлита в % Обозначение Количество перлита в %
П П95 П85 П70 >98 91—97 80 -90 65—79 П50 П40 ПЗО 55—64 45—54 21—44 П15 П5 ПО 1 1—20 3—10 <2
по степени дисперсности перлита (табл. 406);
Классификация по степени дисперсности перлита
Таблица 106
Обозначение Меж пластинчатые расстояния в мк Характеристика перлита
Пд 0,2 Пд 0,5 Пд 1,0 Пд 1 ,4 Пд 1,6 ОО СО СО О II 1 7 со со со Д о о — Весьма тонкопластинчатый сорбитообразный Тонкопластинчатый Мелкопластинчатый Среднепластинчатый Крупнопластинчатый
Примечание. Степень дисперсности перлита определяется средним расстоянием
между пластинками цементита в перлите.
по количеству свободного цементита
(табл. 108).
Таблица 107
Классификация по количеству свободного
цементита
(табл. 107) и фосфидной эвтектики
Обозначение Площадь включений цементита в мк2
Ш <2 000
Ц2 2 000—10 000
ЦЗ 10 000—16 000
Ц4 16 000—25 000
Ц5 >25 000
Таблица 108
Классификация по количеству фосфидной
эвтектики
Обозначение Площадь максимальных включений в поле шлифа в мк2
Фв 1 <2 000
Фв 2 2 000—10 000
Фв 3 10 000—16 000
Фв 4 16 000—25 000
Фв 5 >25 000
Примечание. Эталоны фосфидной
эвтектики предусматривают степень изоли-
рованности фосфидных включений, а также
ее строение (двойная или тройная).
120 ЧУГУН
Для измельчения структуры серого чугуна применяют модифицирование.
Структура серого модифицированного чугуна в основном состоит из перлита
и мелких, равномерно распределенных включений графита.
Такая структура определяет более высокие механические свойства модифи-
цированного чугуна, его более высокую износоустойчивость.
Процесс получения модифицированного чугуна обычно состоит из двух ста-
дий. Сначала выплавляют малоуглеродистый и малокремнистый чугун, который
в нормальных условиях охлаждения дает белый или половинчатый чугун. За-
тем путем присадки перед заливкой в формы в небольших количествах (при-
мерно 0,5—0,8% от веса жидкого металла) графитизирующих элементов (фер-
росилиций, силикокальций и др.) он переводится в процессе охлаждения в чу-
гун с серым изломом.
Примерный химический состав модифицированного чугуна следующий:
2,8—3,1 % С; 0,8—1,2% Мп; 1,2—2,0% Si; до 0,2% Р до 0,14% S. Сравнительно
низкое содержание углерода и кремния в модифицированном чугуне обеспечи-
вает характерную для него однородную структуру металлической основы —
тонко и среднепластинчатый перлит и равномерно распределенный средний
величины графит.
Ковкий чугун может быть ферритный, перлитный или перлитоферритный.
Характерная форма графита для ковкого чугуна — хлопьевидная. Излом
у ферритного ковкого чугуна — черно-бархатистый, у перлитного — более свет-
лый. Ковкий чугун изготовляется из белого чугуна длительным отжигом.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом может быть ферритным,
феррито-перлитным (смешанным) или перлитным. Характерная форма графи-
та — округлая, шаровидная.
ГОСТ 344—57 предусматривает классификацию графита и дает эталоны по
количеству графита и по диаметру графитовых включений, а также преду-
сматривает классификацию структуры металлической основы высокопрочного
чугуна аналогичную серому литейному чугуну. Высокопрочный чугун является
новым перспективным конструкционным материалом, получающим все более
широкое применение в различных отраслях промышленности.
Высококачественный чугун с шаровидным графитом получают обработкой
жидкого металла с повышенным содержанием углерода и кремния присадками
(модификаторами), содержащими магний или церий и графитизирующие эле-
менты. Присадки, содержащие магний или церий, обеспечивают получение ша-
ровидного графита, а присадка графитизирующих модификаторов, способствуя
графитизации, не допускает получения в отливках структурно-свободного це-
ментита.
2. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
И СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ
И СВОЙСТВА ЧУГУНА
Представление о формировании структуры и фазовых превращениях, про-
текающих в чугуне при охлаждении и нагревании можно составить по диа-
грамме состояния системы железо — цементит и железо — графит (см. рис. 1),
а также по диаграмме состояния системы железо — углерод — кремний
(рис. 52).
В гл. I была рассмотрена часть диаграммы состояния системы железо —
углерод, характеризующий метастабильное равновесие системы (железо —
цементит).
В системе железо — графит, характеризующей стабильное равновесие
(пунктирные линии на рис: 1), вместо фазы цементит будет графит. Линия
CD характеризует выделение первичного графита, линия S'Ef—предельную
растворимость углерода в аустените и выделение вторичного графита.
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СКОРОСТИ НА СТРУКТУРУ ЧУГУНА 121
Эвтектическая линия Е'С'Р' (1152° С) характеризует равновесие трех фаз:
графита, аустенита (состава Е') и жидкого сплава (состава С'). При темпе-
ратуре 1152° С образуется графитная эвтектика — графит и аустенит (соста-
ва Е').
Эвтектоидная линия P'S'К' (733° С) соответствует равновесию трех фаз:
графита, аустенита (состава и феррита. При температуре 733° С аустенит
распадается с образованием механической смеси феррита и графита, называе-
мой графитным эвтектоидом в отличие от метастабильного эвтектоида —
перлита.
Таким образом, в результате окончательного затвердевания ниже линии
P'S'К' чугун любого состава, затвердевающий по стабильной системе, будет
состоять из двух фаз: феррита и графита.
Кроме указанных выше фаз, в основном определяющих характер структу-
ры и свойства чугуна, в последнем могут присутствовать и другие фазы, на-
Рис. 52. Диаграмма состояния системы железо — углерод — кремний:
а — метастабильная система; б — стабильная система
пример: соединения серы с железом и марганцем (FeS, MnS), фосфора с же-
лезом (типа Fe3P) и т. д. Основными факторами, определяющими образование
этих фаз, являются химический состав и скорость охлаждения (толщина стенок
отливок) чугуна.
Реальные превращения протекают с отклонением от равновесных условий,
что приводит к изменению состава фаз и концентрации углерода в них. Так,
изменение скорости охлаждения чугуна может привести к образованию различ-
ных структур металлической основы, состоящих по фазовому составу из фер-
рита и цементита, а по структурному — из перлита, феррита-перлита или пер-
лита-цементита [20].
Влияние отдельных элементов на состояние системы железо — углерод
можно проследить на примере влияния кремния, как третьего компонента
сплава. Из. диаграммы (рис 52) следует, что кремний уменьшает раствори-
мость углерода в жидком и твердом растворах сдвигает линии диаграммы
влево (1% снижает содержание углерода в эвтектике на 0,3%), т. е. изменяет;
степень эвтектичности. Изменение эвтектичности чугуна при изменении содер-
жания углерода и кремния можно определить по формуле
с 4,25 —0,312Si
где Sc — степень эвтектичности чугуна;
С и Si — содержание углерода и кремния в чугуне.
Кремний относится к числу сильных графитизирующих элементов. Помимо
кремния, на фазовые превращения и формирование структуры чугуна могут1
оказывать влияние и другие элементы, входящие в состав чугуна. Они могут1
122 чугун
влиять на растворимость углерода в жидкой и твердой фазах, на устойчивость
•отдельных фаз и химических соединений, на диффузионные процессы, происхо-
дящие в сплаве, на образование новых фаз и т. п. (табл. 109).
Таблица 109
Классификация элементов по их влиянию на структурообразование по А. Ф. Ланда [96]
Группа Наименование элементов Действие элемента на ли- тую структуру основной металлической массы Влияние элемента на пер- вую и вторую стадии графитизации
1 а) Н, О, N, Сг, Mo, W, В, V, Те, Mg б) Мп более 1 % сверх расходуемого на образование MnS в) при повышенных коли- чествах Ti , Та, Zr, Nb, Способствует образова- нию свободных и связан- ных карбидов (отбели- вает) Затрудняет первую и вторую стадии
2 Si, С, Al Вызывает графитизацию и увеличивает количество феррита Ускоряет первую и вто- рую стадии
3 Ni, Си Вызывает графитизацию и увеличивает количество перлита Ускоряет первую ста- дию и тормозит вторую
4 Ti, Ta, Zr, Nb Графитизирует при ма- лых добавках (модифици- рует) Увеличивает количество перлита Ускоряет первую ста- дию
5 Мп до 1 % сверх расходу- емого на образование MnS Затрудняет вторую ста- дию
Относительное влияние отдельных элементов на первую (эвтектическое
превращение) и вторую (эвтектоидное превращение) стадии графитизации
приведено в табл. ПО.
Таблица 110
Относительное влияние отдельных элементов на графитизацию чугуна
Наименование элемента Влияние 1 % легиру- ющего элемента на положение точки S диаграммы Fe—С в °C Пределы применения легирующего элемента в сером чугуне в % (весовые) Интенсивность влияния на первую стадию графитизации* Интенсивность влияния на вторую стадию графитизации*
Si От +20 до —30 0,7—3,0 + 1,0 + 1,0
Мп —30 До 1,0 (сверхбаланса) 0 —0,3
Ni — 20 0,4—1,5 +0,5 —0,25
Сг +8 0, 15-0,8 — 1,2 — 1,2
Р Повышает 0, 1-1,0 0 —0, 1
Си — 10 0,3—3,0 +0,35 —0,8
А1 + ю 0,02-0,25 +3,0 + 1,0
S 0 0,03—0,15 — 1 ,0 —0,25
Ti Несколько повышает 0,05—0,25 + 3,0 —0, 1
Мо +25 0,2—1 ,0 -0,5 — 1,4
* Данные таблицы приведены в сравнении с кремнием, интенсивность влияния которого
принимается за единицу. Знак плюс указывает на графитизирующее влияние, знак минус —
*на тормозящее графитизацию влияние элемента.
Пользуясь данными табл. 1109 и НО и зная влияние различных элементов
на первую и вторую стадии графитизации, можно при помощи подбора соот-
ветствующего химического состава получить нужную однородную структуру
в различных сечениях отливки, независимо от различной скорости охлаждения
тонких и толстых сечений. Необходимо отметить, что приведенные данные яв-
.ляются ориентировочными, гак как причины комплексного влияния отдельных
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СКОРОСТИ НА СТРУКТУРУ ЧУГУНА 123
элементов на графитизацию и формирование структуры чугуна пока нельзя
считать окончательно установленными.
На механизм фазовых превращений в чугуне и формирование его струк-
турных составляющих оказывает существенное влияние также скорость ох-
лаждения, зависящая главным образом от толщины стенок отливки и условий
охлаждения, т. е. от вида формы, в которую заливается металл (земляная,
.металлическая и др.). Разнообразие конструкций отливок и технология изго-
товления форм затрудняет процесс использования скорости охлаждения для
управления формированием структурных составляющих чугуна в условиях
производства (применение холодильников, утеплителей и т. п.). Поэтому не-
обходимо в каждом отдельном
случае правильно выбирать хи-
мический состав чугуна для
данной толщины стенки отлив-
ки. Зависимость между химичес-
ким составом, толщиной стенок
отливок и структурой выраже-
на в структурных диаграммах.
Из значительного количества
разработанных в разное время
диаграмм [40, 41, 95, 96] наи-
большее значение имеют диа-
граммы Н. Г. Гиршовича и
А. Ф. Ланда. Являясь более
универсальными, они с доста-
точной точностью позволяют
Рис. 53. Структурная диаграмма Н. Г. Гиршо
вина, показывающая зависимость между содер-
жанием углерода, кремния, приведенной толщи-
ной отливки и степенью эвтектичности
выбрать оптимальный состав
чугуна в зависимости от скоро-
сти охлаждения для получения
нужных структур, а следова-
тельно, и свойств чугуна.
В диаграмме Н. Г. Гиршовича показана зависимость между содержанием
углерода, кремния, приведенной толщиной отливки и степенью эвтектичности
(рис. 53).
По оси ординат показано количество углерода, по оси абсцисс — Si + 1g R,
где R — приведенная толщина отливки, определяемая отношением площади
сечения отливки к периметру этого сечения в мм. Согласно этой диаграмме
получение чугуна нужной структуры металлической основы определяется сле-
дующими условиями [40]:
область I — белый чугун С (Si + lg R) < 4,5;
» II —перлитный чугун С (Si + 1g 7?) = 6—10;
» III— ферритный чугун С (Si + 1g/?) > 14;
» II, а и II, б — половинчатый и перлито-ферритовой чугун соответст-
венно.
Прямые линии Сэ на диаграмме показывают степень эвтектичности чугуна
с учетом углеродного эквивалента. Если эта величина равна 4,25, то чугун
эвтектический; если она меньше 4,25, то чугун доэвтектический.
Углеродный эквивалент определяется формулой
УЭ = С+ y-(Si + р)’
где С, Si, Р—содержание углерода, кремния и фосфора в чугуне.
Диаграмма дает представление о структуре металлической основы чугуна
в зависимости от состава и приведенной толщины отливки.
Номограмма, разработанная А. Ф. Ланда, позволяет установить
.зависимость между химическим составом, структурой и свойствами чугуна
.(рис 54 .и .55;).
124 чугун
Рис. 54. Номограмма А. Ф. Ланда для расчета химического состава, структуры и свойств
чугуна (нелегированного) при литье в песчаные формы:
а — белый чугун для отжига на ковкий; б — половинчатый чугун (чугун для моди-
фицирования); в — перлитный серый чугун; г — феррито-перлитный серый чугун
Для расчета состава и свойств чугуна в основу берется не степень эвтек-
тичности, а раздельное содержание углерода, кремния и структура чугуна.
Последняя определяется не только степенью эвтектичности, но и степенью
эвтектоидности.
Номограмма построена по формулам:
__ 75Ccg-|-40
°s ~ Qp + 1,0 ’
0,4НВ
°в ~~ Сгр + 1,0 '
где (Ув —прочность при растяжении;
Сев — углерод связанный;
Сер —углерод в виде графита;
Соб —углерод общий;
Ат и Д —коэффициенты.
Ат = 6,3— 1g Т (Т — толщина стенки отливки в мм)\
К = 0,94-1,0 — для серого феррито-перлитного чугуна;
К = 1,04-1,2 — для серого перлитного чугуна;
Д = 0,34-0,5 — для половинчатого чугуна, подлежащего модифициро-
ванию;
Д =2,8 4-3,2 — для белого чугуна, подлежащего отжигу на ковкий.
В табл. 111 приведены значения величины Ат для различной толщины от-
ливок.
Номограмма (рис. 54) представляет собой сочетание трех диаграмм, даю-
щих зависимости: а) между ае, Соб, Ссе; б) между толщиной стенки, Сев и
(Лт — СОб); в) между Si и (Ат — СОб).
ВЛИЯНИЕ 'ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СКОРОСТИ НА СТРУКТУРУ ЧУГУНА 125
Зависимости коэффициента Ат от толщины отливки
Таблица 111
Толщина отливки в мм Коэффициент Ат Толщина отливки в мм Коэффициент Ат Толщина отливки в мм Коэффициент Ат
5 5,6 25 4,9 60 4,5
10 5,3 30 4,8 75 4,4
15 5,1 40 4,7 100 4,3
20 5,0 50 4,6 125 4,2
Номограмма построена следующим образом: на первой оси ординат даны
значения об серого чугуна, а на верхней оси абсцисс — значения Ссв и НВ.
Идущие от этой оси ординат
линии характеризуют зависи-
мость между С об, Юв и Сев и
указывают на то, что чем мень-
ше Ссв при данном Соб, тем
ниже ов. В середине номограм-
мы имеется вторая ось ординат,
дающая значения 6,3—(1g? +
4- Соб). Эта ось ординат — об-
щая для нижней левой' оси аб-
сцисс, дающей значения толщи-
ны отливки в миллиметрах, и
правой оси абсцисс, дающей
значения требуемого процента
кремния. Кривые линии, иду-
щие влево от общей оси орди-
нат, показывают зависимость
между Соб, толщиной отливки
i
отбеливания
Рис. 55. Схема для определения требуемого содер-
жания кремния и возможности отбеливания в сером
чугуне
и этой осью. Прямые линии (лучи), идущие вправо от общей оси, показывают
зависимость между Si и общей осью ординат, которая необходима только при
построении номограммы.
Ниже приведены примеры использования расчетной номограммы.
1. Для серого чугуна. Требуемое СОб может быть определено при заданном
и металлической основе (Сев) пересечением перпендикуляров, проведенных
ют первой оси ординат и верхней оси абсцисс. Линия, проходящая через точку
пересечения этих перпендикуляров, дает ответ на поставленный вопрос. На
схеме (рис. 54 и 55) перпендикуляры 1 и 2 показывают, что при ов = 24 кГ)мм2
и Сев = 0,67% содержание Соб = 3,4%.
Из этого же примера видно, что если задаться ое и СОб, то можно опреде-
лить требуемое Ссв и, наоборот, зная СОб и СОв, можно определить прочность
данного чугуна.
Если задаться перлитной структурой и СОб — 3,4%, то предел прочности
чугуна при растяжении повышается с 24 до 27,8 кГ1мм2.
Требуемый процент Si можно определить следующим образом. На левой
нижней оси абсцисс от заданной толщины отливки проводится перпендикуляр
3 до кривой Соб (она сопрягается с равнозначной линией Соб, ранее найден-
ной). Отсюда проводят линию 4 вправо до соответствующего луча С св (рав-
нозначному ранее найденному или заданному Ссв и опускают перпендикуляр 5
на правую ось абсцисс, где и получают требуемый ответ. Данный пример ил-
люстрируется стрелками, которые показывают, что для отливки толщиной
40 мм, содержащей СОб = 3,4% и имеющей структуру, состоящую приблизи-
тельно из 80% перлита и 20% феррита (ССб = 0,67), требуемое содержание
кремния составит около 1,7%.
126 чугун
Если от 1,7% кремния подняться до верхнего предела перлитной области^
провести отсюда линию 6 влево до той же кривой (СОб = 3,4%) и опустить
перпендикуляр 7 вниз, то увидим, что при максимальной толщине стенки
40 мм наименьшая толщина стенки, в которой не будет содержаться струк-
турно-свободного цементита, составит около 15 мм.
Если в отливке с СОб = 3,4% и толщиной 40 мм нужно получить перлитную
структуру, то из номограммы видно, что в ней должно содержаться 1,3 и 1,6%
Марганец, %
6 Ю /4 18 22 26 30мм
Кокиль без облииобки (25°)
Рис. 56. Номограмма П. И. Степина для определения содержания углерода и кремния в ко-
кильном литье
кремния, но при этом в наиболее тонкой стенке получится отбеливание и при-
дется прибегнуть к модифицированию.
2. Для модифицированного чугуна. Требуемое СОб легко можно определить
по заданной прочности, если принять, что структура должна быть перлитной.
В частности, для ав = 27,8 кГ)мм2 (см. предыдущий пример) СОб = 3,4%. Далее
определяют требуемое содержание кремния в жидком чугуне до модифициро-
вания.
Предположим, что отливка имеет максимальную толщину 40 мм и мини-
мальную толщину 15 мм. Вначале находим требуемое содержание кремния из
расчета, чтобы получился половинчатый чугун (Ссв = 2,04-2,5%) в наиболее
толстом сечении. Так же, как и в предыдущем случае, проводим перпендику-
ляр от левой оси абсцисс до соответствующей кривой Саб = 3,4%, отсюда—*
линию направо, до луча ССб = 2,0% и до луча Сс0 = 2,5%, и опускаем вниз.
Отсчет получается Si = 0,94-1,1 %, или в среднем 1%.
СЕРЫЙ ЧУГУН 127
Затем проверяем, при какой минимальной толщине стенки половинчатый
чугун не будет переходить границу сплошного отбеливания. Содержание крем-
ния определяется по формуле
%Si =
Afn -- Соб
О,5ССб + 7< *
в которую следует вставить значения Si= 1,0; СОб = Ссв = 3,4 и 7<=0,4 (средняя
величина между 0,3 и 0,5). Тогда получается, что Ат = 5,5.
Из приведенных в табл. 111 данных находим, что при Ат=5,5 минималь-
ная толщина стенки отливки значительно меньше заданной (15 мм). Это зна-
чит, что в жидком чугуне (до модифицирования) может содержаться кремния
0,9—1,1 % и что данный состав соответствует половинчатому чугуну, который
благодаря модифицированию получит перлитную основу.
3. Для белого чугуна, отжигаемого на ковкий. Требуемый процент кремния
определяют по заданной толщине и заданному Ссб- Для этой цели так же,
как и в предыдущих случаях пользуются номограммой (см. рис. 54). На левой
нижней оси абсцисс от максимальной толщины отливки проводят перпендику-
ляр до соответствующей кривой Соб и от нее линию вправо до луча Ссв — Соб
и опускают перпендикуляр на правую ось абсцисс, где находят требуемый от-
вет. Например, для толщины отливки до 20 мм и СОб = 2,8% кремния полу-
чается 0,9%.
4. Для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. При отливке высо-
копрочного чугуна нужно определить необходимое содержание кремния до
модифицирования, чтобы после модифицирования магнием и ферросилицием
получилась требуемая металлическая основа. Для этой цели можно также вос-
пользоваться номограммой (см. рис. 54). В этом случае чугун до модифициро-
вания магнием должен соответствовать простому серому чугуну. После моди-
фицирования чугун должен содержать кремния примерно на 0,4—0,6% больше,
чем немодифицированный серый чугун с аналогичной структурой.
Для определения требуемого состава (С + Si) и структуры при кокильном
литье можно пользоваться номограммой П. И. Степина (рис. 56).
На осях абсцисс номограммы отложена толщина отливки для трех вариан-
тов облицовки и нагрева кокиля; на осях ординат — толщина стенок кокиля
С + Si для трех случаев содержания марганца. Номограммой пользуются сле-
дующим образом. На оси абсцисс выбирают соответствующую точку и подни-
маются вверх либо по наклонной линии (если отливки выбрасываются из ко-
киля раскаленными), либо по вертикальной линии (если отливки выбрасыва-
ются после полного охлаждения) до пересечения с горизонталью, соответству-
ющей толщине стенки кокиля. Затем, следуя по лучу вверх, как это показано
на рис. 54, до требуемой области в структурной диаграмме находят искомое
С 4- Si при заданном количестве марганца.
3. СЕРЫЙ ЧУГУН
Серый чугун обладает хорошими технологическими и физико-механически-
ми свойствами и является наиболее важным конструкционным материалом,
получившим широкое применение в нефтяной, нефтехимической и газовой
промышленности.
Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6—7,4 и зависит от
количества углерода в чугуне, степени графитизации и количественного соот-
ношения структурных составляющих.
Наименее плотный серый чугун имеет удельный вес 6,6; обычный серый чу-
гун 7,0; плотный высококачественный чугун 7,4.
Удельный вес жидкого чугуна при температуре его плавления равен
7,0±0,1.
128 чугун
Теплоемкость серого чугуна зависит также от природы и количественного
соотношения структурных составляющих и может быть принята (средняя
удельная) в интервале температур *0 4- 700° С = 16 кал!г °C и в интервале тем-
ператур от 800° С до температуры плавления = 0,18 кал/г °C.
При расчетах объемная теплоемкость для твердого чугуна, ориентировоч-
но, может быть принята равной 1 кал/см3-°С и для жидкого чугуна —
1,5 кал/см3 °C.
Теплопроводность серого чугуна можно принять равной 0,16 кал!см• сек, °C.
По мере повышения температуры теплопроводность уменьшается. Тепло-
проводность зависит главным образом от состава чугуна и в меньшей степени
от его структурных составляющих. Кремний, никель, марганец и ванадий
уменьшают теплопроводность, а хром и вольфрам увеличивают ее.
Средний коэффициент линейного термического расширения а для серого чу-
гуна в интервале температур 0—100° С можно принять равным (10—
—11)106 см!см-°С, а в интервале температур 100—700°С = i14-i106 см/см °C.
Дальнейшее повышение температуры, ведущее к фазовым превращениям, при-
водит к резкому изменению а.
Удельное электросопротивление р серого чугуна может быть принято равным
75 ±25 мком‘См. Повышение температуры чугуна на 100° С повышает его
электросопротивление примерно на 10 мком-см. Удельное электросопротивле-
ние зависит как от химического состава, так и от структуры чугуна. Например,
увеличение содержания кремния в чугуне на 1 % повышает электросопротив-
ление на 12—14 мком-см, увеличение графита на 1% повышает электросопро-
тивление на 6—20 мком-см.
Магнитные свойства серого чугуна, применяемого в электромашинострое-
нии, приведены в табл. 112 [98, 1511, 206].
Таблица 112
Магнитные свойства серого чугуна
в кГ/ммЕ 2 Нсьз Вг в гс Js эс
12—14 10 4 000—5 000 17 000
18—20 10 5 000—6 000 18 000
На магнитные свойства чугуна оказывают влияние как химический состав,
так и структура чугуна.
Линейная усадка чугуна «Е» определяется отношением разности начальной
и конечной величин линейных размеров к их конечной величине и выражается
в процентах:
Е = ~п~ек 100%,
ек
где ev — начальная длина;
ек — конечная длина.
Для серого обычного чугуна, отлитого в песчаные формы, усадка может
быть принята в пределах 0,9—1,3%; для чугуна, отлитого в металлическую
форму,— 1,1 —1,5%, для модифицированного серого чугуна — соответственно в
пределах 1,0—1,4% и 1,1—1,5%.
Линейная усадка зависит от скорости охлаждения (песчаная, металлическая
формы) и от толщины стенки отливки (сечения), например: в образцах сечени-
ем 12,7 X 12,7 мм\ 50,8 X 50,8 мм и ;102 X 102 мм усадка соответственно равня-
лась 1,32; 0,87 и 0,62%.
Все виды отливок из серого чугуна независимо от их назначения стандар-
тизованы. На отливки из серого чугуна (в этом числе и модифицированного)
серый чугун 129
распространяется ГОСТ 1412—54, которым в зависимости от предела прочно-
сти при растяжении или при изгибе предусматриваются различные марки се-
рого чугуна (табл. 113).
Таблица 113
Механические свойства серого чугуна (не менее)
Марка чугуна ав в кГ/мм2 в кГ/мм2 f в мм при расстоянии между опорами в мм НВ
600 | 300
СЧ. 00 Испытание не производится
СЧ. 12-28 1 2 28 6,0 2,0 143—229
СЧ. 15-32 15 32 8,0 2,5 163—229
СЧ. 18-36 18 - 36 8,0 2,5 170—229
СЧ. 21-40 21 40 9,0 3,0 170—241
СЧ. 24-44 24 44 9,0 3,0 170—241
СЧ. 28-48 28 48 9,0 3,0 170—241
СЧ. 32-52 32 52 9,0 3,0 187—255
СЧ. 35-56 35 56 9,0 3,0 197—269
СЧ. 38-60 38 60 9,0 3,0 207—269
Примечание. Чугун марок СЧ. 28-48, СЧ. 32-52, СЧ. 35-56 и СЧ. 38-60 получают
методом модифицирования.
Образцы для испытания на изгиб отливают в сухие или сырые песчаные
формы и испытывают в соответствии с ГОСТом 2055—43. Диаметр образца
30 мм, длина 650 мм (для расстояния между опорами 600 мм) или 340 мм
(для расстояния между опорами 300 мм). Испытание при растяжении произ-
водится на образцах диаметром 10 или 15 мм с пятикратной расчетной длиной.
Образцы на растяжение изготовляют из литых цилиндрических заготовок диа-
метром 30 мм. Для отливок с толщиной стенки более 50 мм, а также для от-
ливок всех сечений из чугуна марок СЧ 32-52, СЧ 35-55 и СЧ 38-60 допуска-
ются наряду с заготовками диаметром 30 мм также и заготовки диаметром
50 мм.
Модуль нормальной упругости серого чугуна находится в пределах 6000—
17 000 кГ!мм2 и зависит от количества и формы графита, а также от величины
абсолютных значений напряжений (т. е. определенный модуль упругости может
быть отнесен только к определенной величине напряжений). Чем выше проч-
ность чугуна, тем выше относительный модуль упругости. Ударная вязкость
серого чугуна (образцы без надреза) находится примерно в пределах ОД-
ГО ка м!см2.
Предел усталости серого чугуна при изгибе (испытание гладких образцов)
обычно колеблется в пределах 0,3—0,5 от предела прочности.
Циклическая вязкость чугуна определяется обычно при касательном напря-
жении, равном Уз предела текучести при растяжении. Чем меньше характерис-
тики статической и усталостной прочности, тем больше циклическая вязкость.
Это объясняется количеством и формой графита (чем больше графита и круп-
нее его размер, тем больше циклическая вязкость).
Серый чугун позволяет производить отливки с толщиной стенки до 3—4 мм.
Вместе с тем он характеризуется высоким коэффициентом квазиизотропии
(однородностью), что объясняется высокой зависимостью процесса графитиза-
ции от скорости охлаждения. Коэффициент квазиизотропии определяется
по формуле
/ d \а
Gd \ D ) '
9 Заказ 664
130 чугун
где Od — прочность чугуна, определяемая на образце диаметром Р;
Od — прочность чугуна, определяемая на образце диаметром d;
а — коэффициент квазиизотропии.
Коэффициент квазиизотропии серого чугуна а для марки СЧ 24-44 состав-
ляет 0,4; для СЧ 32-52 равен 0,32; для СЧ 38—60 равен 0,2, т. е. с увеличением
прочности однородность чугуна улучшается.
Влияние толщины стенки на механические свойства определяется по ГОСТу
1412—54 (см. табл. 114).
Таблица 114
Изменение механических свойств чугуна с увеличением диаметра образца
Механические свойства при диаметре образца в мм
Марка 30 50 100 200
ч угу на °вв кГ!ммг НВ °6В кГ/ммг НВ кГ/мм2 НВ авв к.Г/мм2 НВ
СЧ. 24-44 24 187—217 23 187—217 22 163—207 20 143—187
СЧ. 28-48 28 170—241 27 170—241 26 170—229 25 170—217
СЧ. 32-52 32 170—241 30 170—241 28 170—229 26 170—229
СЧ. 35-56 35 197—255 34 197—255 30 197—255 26 197—241
СЧ. 38-60 38 197—255 36 197—255 32 197—255 27 197—255
В табл. 115 приведены данные ЦНИИТМаша для модифицированных серых
чугунов.
Из таблицы видно, что чувствительность чугуна к толщине стенок отливки
с повышением прочности, а также связанная с ней степень квазиизотропии чу-
гуна а уменьшается.
Зависимость механических свойств модифицированного чугуна от толщины отливок
Диаметр литой
Показатели механических свойств 30 I 50 | 100 1 200 30 50 | 100 | 200
СЧ. 28-48 СЧ. 32-52
Ов в кГ/мм2 28 27 26 25 32 30 28 26
Gc » 110 100 100 90 120 120 115 95
48 48 48 48 52 52 52 52
% хв 35 33 30 28 39 38 35 31
35 35 34 33 39 39 38 32
f (в мм) при расстоянии между опорами: 300 мм 3 3 4 4,5 3,5 3,5 4 4,5
600 мм 9 9 11 12 10 10 1 1 1 2
НВ 170—241 170—241 170—229 170-217 170-241 170—241 170—229 170—229
Е в кГ1мм2 12000 1 1 000 10 000 8 200 13 000 12 000 10 000 8 900
G » 5 200 4 750 4 000 3 500 5 60Ю 5 000 4 500 3 800
ан в кГ-м!см2 1,0 1,0 0,8 0,6 1.0 0,9 0,8 0,7
СГ— 1 в кГ/мм2 14 14 12,5 9 14 14 12,5 1 1
G1K 12 12 12,5 9 13 13 12,5 1 1
Циклическая 18 18 22 30 18 18 20 25
вязкость в % Gijt — — — — — 0,7— — 0,85 —
СЕРЫЙ ЧУГУН 131
В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности наряду с обычным
серым чугуном марок СЧ 00, СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40 приме-
няется также чугун с повышенными механическими свойствами. Чугун более
высоких марок (СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 35-56, СЧ 38-60) получают модифици-
рованием.
Чугун марки СЧ 00 применяется для получения отливок малой прочности и
простой конфигурации: стойки, контргрузы, опоры, подкладки, колпачки ректи-
фикационных колонн и др.
Чугун марки СЧ 12-28 применяется для изготовления деталей с повышен-
ными требованиями к механической прочности и износу (корпусы фильтров и
масленок, нажимные стаканы клапанов, промежуточные сальники, кольца,
всасывающие трубы, патрубки, колпачки, не подвергающиеся давлению за-
глушки). Из чугуна этой марки изготовляют также арматуру для печей (ши-
беры, заслонки, задвижки, дверцы, наружные решетки для конвекционных
секций, тарелки ректификационных колонн).
Чугун марки СЧ 15-32 применяется для изготовления направляющих крейц-
копфов грязевых насосов, фланцев механизмов буровых установок, труб кон-
денсаторов низкого давления, двойников, конденсационных горшков, армату-
ры, фитингов низкого давления (р = 10 кГ!см2) и т. д.
Из чугуна марки СЧ 18-36 изготовляют втулки сальников, упорные грунд-
буксы, корпусы коробок редукторов и крейцкопфного сальника, крышки кар-
теров, станины плунжерных насосов, шкивы, балансиры, фундаментные плиты,
рамы двигателей и компрессоров, втулки буровых насосов с толщиной стенок
до 29 мм и т. д.
Из чугуна марок СЧ 21-40 и СЧ 24-44 изготовляют детали машин, подвер-
гающиеся повышенному износу и напряжению (втулки буровых насосов с тол-
щиной стенки более 29 мм, корпусы задвижек и клапанов, работающих под
давлением, колеса центробежных насосов, головки цилиндров, поршни, втулки
для поршневых колец паровых цилиндров и др.).
Таблица 115
заготовки в мм
30 | 50 I 100 | 200 30 | 50 | 100 | 200
СЧ. 35-56 СЧ. 38-60
35 34 30 26 38 36 32 27
120 120 115 100 140 135 120 105
56 56 56 56 60 60 60 55
40 39 36 34 44 42 38 35
40 39 38 32 46 44 40 33
4 4 4 4,5 4 4 4 4,5
1 1 И 11 12 1 1 1 1 И 12
197—255 197—255 197—255 197—241 197—255 197—255 197—255 197—255
14 500 13 000 1 1 500 10 000 16 000 14 400 12 600 1 1 000
6 400 5 750 5 000 4 400 7 000 6 300 5 500 4 800
1 , 1 1,0 0,8 0,6 1,0 0,8 0,7 0,6
15 15 12,5 11 15 15 12,5 11
1 4 14 12,5 1 1 14 14 12,5 1 1
18 18 20 25 18 18 20 25
— — — — — — — —
9*
132 чугун
Для деталей машин, подвергающихся усиленному износу и повышенным
напряжениям (плунжеры насосов, корпусы станин буровых установок, литье
для компрессоров и паровых машин среднего давления), рекомендуется чугун
марки СЧ 28-48.
Чугун марок СЧ 32-52, СЧ 35-56 и СЧ 38-60 применяется для изготовления
особо ответственных деталей компрессоров и насосов, работающих при повы-
шенном или высоком давлении, а также для деталей, испытывающих при экс-
плуатации значительный износ, например: цилиндры насосов НТ 45-601, гид-
равлические цилиндры ЗЦН-161, шестерни, цилиндровые втулки различного
назначения и т. п.
4. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом в отличие от серого чугуна
вызывает меньшие концентрации напряжений и позволяет повысить прочность
металлической основы чугуна на 70—90% при наличии некоторой пластичности.
Химический состав нелегированного высокопрочного учгуна с шаровидным
графитом колеблется до ввода магния и ферросилиция в следующих пределах:
2,5—4,0% С; 0,8—6,0% Si; 0,5—1,2% Мп; до 0,2% Р, до 0,14% S.
ГОСТ 7293—54 предусматривает пять марок высокопрочного чугуна с ша-
ровидным графитом: ВЧ 45-0; ВЧ 50-1,5; ВЧ 60-2; ВЧ 45-5 и ВЧ 40-10 (табл. L16).
Механические свойства чугуна с шаровидным графитом
Таблица 116
Марка чугуна Механические свойства (не менее)
% в кГ1мм2 <?0,2 в кГ[мм2 8 в % ан (без надре- за) в кГм’см2 НВ
ВЧ 45-0 45 36 Не регламентирован 187—255
ВЧ 50-1,5 50 38 1,5 1,5 187—255
ВЧ 60-2 60 42 2,0 1,5 197—269
ВЧ 45-5 45 33 5,0 2,0 170—207
ВЧ 40-10 40 30 10,0 3,0 156—197
Благодаря преобладанию перлита в структуре металлической основы чу-
гун марок ВЧ 45-0, ВЧ 50-1,5, ВЧ 60-2 относится к перлитному типу и характе-
ризуется высокой прочностью при сравнительно невысокой пластичности.
Чугун марок ВЧ 45-5 и ВЧ 40-10 относится к ферритному типу и характе-
ризуется пониженной прочностью при сравнительно высокой пластичности.
Характерные особенности чугуна с шаровидным графитом:
высокий предел прочности;
высокое отношение предела текучести к пределу прочности
0,08
повышенная пластичность (удлинение и ударная вязкость);
высокий предел усталости;
большая, чем у стали, циклическая вязкость.
Сравнительная статическая и усталостная прочность обычного серого, мо-
дифицированного чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
дана в табл. 117.
Преимущество высокопрочного чугуна по сравнению с обычным заключается
в более высокой квазиизотропии (однородности), позволяющей получать из
высокопрочного чугуна более массивные толстостенные отливки с одинаковыми
механическими свойствами в различных сечениях (коэффициент квазиизотропии
КОВКИЙ ЧУГУН 133
Таблица 117
Сравнительная прочность и твердость отливок из серого, модифицированного
и высокопрочного чугуна
Марка по ГОСТам 1412—54 и 7293—54 Предел статической прочности (в кГ/мм2) при НВ Предел усталостной прочности (в кГ/мм2) при
разрыве сжатии изгибе кручении срезе изгибе кручении
симмет- ричный цикл е 2 симмет- ричный цикл пульсиру- ющий цикл
Серый чугун
СЧ 12—28 12 50 28 16 143—229 6 8 6,5 8,5
СЧ 18—36 18 67 36 25 — 170—229 8 10 8,5 10,5
СЧ 21 — 40 21 75 40 28 170—241 9,5 13 10 1 1
СЧ 24—44 24 83 44 40 — 170—241 10 14 13 16
Модифицированный чугун
СЧ 28-48 28 90 48 36 28 170—241 12 17 13 19
СЧ 32—52 32 110 52 37 37 170—241 14 19 15 21
СЧ 35—56 35 1 10 56 40 34 197—269 16 22 18 23
СЧ 38-60 38 120 60 42 36 207—2С9 18 25 20 25
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом
ВЧ 45—0 45 160 70 56 — 207—269 23 25 17 18
ВЧ 50—1,5 55 180 90 64 — 207—285 25 27 18 20
ВЧ 45-5 45 170 44 180—229 14 16 —
ВЧ 40-10 40 140 — 42 — 180—229 15 17 — —
высокопрочного чугуна составляет 0,04—0,17). Наличие в структуре высоко-
прочного чугуна разобщенных включений графита снижает способность чугуна
к окислению и росту. Так, высокопрочный чугун сохраняет свою прочность до
температуры 500°С (обычный чугун до температуры 400°С).
Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усад-
ка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, рыхлости,
газовых раковин и других макродефектов.
Тем не менее высокопрочный чугун — полноценный заменитель стального
литья и поковок. В настоящее время он широко применяется при производстве
коленчатых валов двигателей, компрессоров, различных деталей, работающих
в условиях повышенных температур.
В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности высокопрочный
чугун с шаровидным графитом используется пока недостаточно. Между тем
он может с успехом применяться для изготовления втулок грязевых насосов,
корпусов откачивающих насосов, цилиндров, коленчатых валов, различного ро-
да задвижек и т. д.
5. КОВКИЙ ЧУГУН
Ковкий чугун изготовляется из белого чугуна определенного химического
состава с последующим длительным отжигом. В промышленности широкое
применение получили ферритный и перлитный чугун. ГОСТ 1215—59 преду-
сматривает следующие марки ковкого чугуна: КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10;
КЧ 37-12; КЧ 45-6; КЧ 50-4; КЧ 56-4; КЧ60-3; КЧ 63-2 (табл. 118).
134 чугун
Механические свойства ковкого чугуна
Таблица 118
Марка чугуна ов в кГ/мм2 (не менее) 8 в % (не менее) НВ (не более) Марка чугуна । $в в кГ^мм3 (не менее) 8 в % (не менее) НВ (не более)
Образец d = 1 6 мм Образец d = 1 2 мм Образец \d = 16 мм Образец d — 12 мм
кч 30-6 30 6 163 КЧ 50-4 50 4 241
кч 33-8 33 8 — 149 КЧ 56-4 56 4 269
КЧ 35—10 35 10 <_ 149 КЧ 60-3 60 —— 43 269
кч 37 — 12 37 12 — 149 КЧ 63-2 63 2 201
КЧ 45—6 45 — 6 241
Ковкий чугун широко применяется в автотракторостроении, транспортном
машиностроении, для изготовления различной арматуры и т. п. Наиболее ра-
ционально его применять там, где серый чугун, а в ряде случаев и сталь не
Состав, свойства и применение легированного чугуна за рубежом
Отливки Химический состав
Si Соб Графит Ссв S Р Мп Ni
Гильзы компрессоров, работа- ющих на газах, содержа- 1,5— 1,8 2,7— 2,8 2,0— 2,2 0,6- 0,8 До 0,1 До 0,2 1,0— 2,0 14,0— 16,0
щих сероводород
Гильзы откачивающих насо- 1 ,6— 2,8— 2,0— 0,8— До До 0,7— 1,8—
сов, применяемых при буре- 1.8 3, 1 2,2 0,9 0,08 0,15 0,8 2,0
нии нефтяных колодцев 1,2— 2,9— 2, 1 — 0,7- 0,04— 0,9-
Корпусы насосов 0,09— 0,8—
1,4 3, 1 2,2 1 , 0 0, 12 0,06 1 , о 1 , 1
То же 0,8— 2,9— 2, 1— 2,3 0,8— 0, 1- 0,15— 0,7— 1,9—
1 . о 3,1 1 , о 0, 13 0, 19 0,8 2, 1
Гильзы буровых насосов 1,2— 1 ,4 2,9- 3, 1 2,2— 2,4 0,6- 0,8 0, 1 — 0,13 0,12— 0,16 0,7— 0,8 —
Конденсационные пластины 1,5 — 1,8 2,7— 2,9 2,0— 2,2 0,6- 0,8 До 0,1 До 0,2 1 , о— 1,2 14—16
Секторы крекинговых башен, 1,0— 3,0— 2, 2— 0,75— 0, 1 — 0,15— 0,6— 1 ,4—
колонны 1 , 25 3,2 2,35 0,9 0,12 0,25 0,7 1,6
Трубы и фитинги в кислотных процессах 1,5— 1 ,8 2, 1 — 2,9 — 0,6 — 0,8 До 0, 1 0,2— 0,6 1—1 , 2 14,0— 16,0
Трубы и фитинги для пере- качки нефти 1,4— 1,5 3,4- 3,5 — — 0,06— 0,08 0,6— 0,7 0,5— 0,6 0,16- 0,2
Конденсационные трубы и фи- тинги 1,4— 2,0 3,4— 3,5 — — 0,06— 0,08 0,3— 0,6 0,5— 0,6 —
* Образец диаметром 29,4 мм\ расстояние между опарами 294 мм.
ЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН 135
позволяют получить нужной сложной конфигурации изделий при высоких ме-
ханических и других свойствах. Ковкий чугун дает возможность отливать де-
тали с довольно тонкой стенкой (3—6 мм) при очень хорошей чистоте поверх-
ности отливок. Он характеризуется высоким отношением предела текучести
к пределу прочности (предел текучести составляет около 67% от предела
прочности), высоким пределом усталости, хорошей циклической вязкостью,
высокой износоустойчивостью и т. п. Однако в нефтяной, нефтехимической
и газовой промышленности он не получил еще достаточно широкого примене-
ния. В настоящее время ковкий чугун используют для изготовления деталей
водогазопаропроводной арматуры, корпусов, вентилей, кранов, задвижек и т. п.
6. ЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН
Легированный чугун, кроме обычных элементов (Сг, Si, Мп, S и Р), содер-
жит специально введенные элементы для повышения механических свойств
или для придания каких-либо специальных свойств (износоустойчивости, жа-
ропрочности, кислотоупорности и др.). При легировании чугуна применяются
те же элементы, что и при легировании стали (хром, никель, медь, титан, мо-
либден и др.). Чугун с повышенным содержанием кремния (выше 4%) и
Таблица 119
В % Толщина стенки в мм Вес в кг НВ Испытание на изгиб* Сопротивление разрыву в кГ/мм2 Примечание
Мо Сг Прочие элементы Ломающее усилие в кГ я 5 £ О к й
— 2,5— 3,0 5,5- 6,5 20—40 100— 250 180— 200 1250 — 2000 6,4— 8,9 — После 3 лет работы износ гильзы диаметром 450 мм составил лишь 0,4 мм\ износ гильз из простого чугуна после 1 года работы —1,9 мм
— 0,7— 0,8 — 20—50 20— 50 250— 270 — — 35-39 —
0,6— 0,8 0,04— 0,6 — 50— 150 2000— 8000 269— 293 — — 40—42 Выдерживает гидравличес- кое давление до 350 кГ/см2
0,OS- О.5 — , — 50— 150 3500— 5000 290— 320 •— — 34—38 Срок испытания под этим давление 30 мин
0,45— 0,55 — — 25—50 100— 350 235— 255 2400— 2650 — 33—37 —
— 2,0— 2,5 5,5— 6,5 12—35 100— 300 180— 200 1250— 2000 6,3 — 8,8 18—2 5 Весьма коррозионно—ус- тойчивы
— 0,6— 0,8 — 20—40 100— 200 230— 250 2750— 3000 6,3— 6,9 28—32 Устойчив при высоких тем- пературах (до 650° С), после 4 лет эксплуата- ции коррозии нет
— 2,0— 2,5 5,5— 6,5 5—15 — 180— 200 1300— 1500 7, 1 — 8.1 21 — 28 —
— 0,28— 0,35 — 5—25 — 200— 250 1300— 1500 7,1 — 8, 1 21—28 —
— — 0,75- 1,0 10—20 — 200— 225 1200— 1400 6,4- 7,6 21—35 —
136 ЧУГУН
марганца (свыше 2%) относится также к легированному чугуну. В зависимо'
сти от степени легирования различают низколегированный (с содержанием ле'
гирующих элементов до 1—3%), среднелегированный (3—10%) и высоколеги-
рованный чугун (свыше 10%).
Все легирующие элементы изменяют как процесс графитообразования при
эвтектическом превращении, так и процесс формирования структуры металли-
ческой основы при эвтектоидном превращении (см. табл. 109 и 110). Они
увеличивают устойчивость жидкой фазы и аустенита, способствуя большей
степени переохлаждения. Вследствие этого кристаллизация и формирование
структуры металлической основы происходит в более благоприятных условиях
для получения мелкого и среднего графита и более дисперсной основы. Пра-
вильно подбирая содержание основных и легирующих элементов, можно полу-
чить ферритную, перлитную, сорбитную, трооститную, мартенситную и аусте-
нитную структуры металлической основы при определенных размерах, форме
и распределении графита. Указанным способом можно достигать более высо-
ких значений механических свойств, чем у обычного и модифицированного
серого чугуна (бв = 604-70 кГ/мм2), и обеспечить более высокие эксплуата-
ционные свойства деталей (повышенную износоустойчивость, лучшие анти-
фрикционные свойства, жаропрочность и т. п.). Низко- и среднелегированный
чугун обычно содержит до: 1% Ст и 4% fNi, иногда 2% Си, 0,2% Ti, 0,6% Мо,
0,2% V.
Йз низколегированных чугунов в нефтяной, нефтехимической и газовой
промышленности наибольшее применение получил хромоникелевый чугун, хи-
мический состав которого обычно колеблется в следующих пределах: 2,9—
3,3% С; 1,4—2,3% Si; 0,5—1,0% Мп; 0,11—0,3% Р; 0,1—0,12% S; 0,2—1,5% Ni;
0,2—0,7% Сг; иногда от 0,5 до 1,0% Си и до 0,2% Ti.
Состав среднелегированного хромоникелевого чугуна колеблется в преде-
лах: 2,8—3,2% С; 1,0—1,8% Si; 2,0—4,0% Ni; 0,3—1,0% Сг; 0,6—1,0% Мп; до
0,12% S; до 0,2% Р. В нефтяном машиностроении широко применяется низко-
и отчасти среднелегированный чугун, выплавляемый с присадкой природно-
легированного хромоникелевого и титаномедистого чугуна и ферросплавов в
сочетании с модифицированием или без него.
При использовании в составе шихты природнолегированного чугуна (от 10
до 20%) легированный чугун будет иметь невысокую стоимость. Введение в
шихту устойчивого природнолегированного чугуна позволяет получать высокие
марки чугуна: СЧ 28—48, СЧ 32—52 до СЧ 38—60 включительно.
Номенклатура деталей нефтяной, нефтехимической и газовой промышлен-
ности, отливаемых из чугуна этих марок, довольно обширна: рабочие колеса,
направляющие аппараты погружных насосов, направляющие аппараты турбин,
лопастные колеса, цилиндры высокого давления, втулки глубинных насосов
и т. п.
В табл. 119 приведены некоторые данные о химическом составе, меха-
нических свойствах и применении легированных чугунов в зарубежной нефтя-
ной, нефтехимической и газовой промышленности [98].
Однако мало- и среднелегированный чугун не может во многих случаях
обеспечить нужные свойства деталей, например: повышенную коррозионную
стойкость, ростоустойчивость, жаропрочность и т. п. Эти свойства обеспечи-
вает высоколегированный чугун.
7. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН С ОСОБЫМИ ФИЗИКО-
ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности широко приме-
няется высоколегированный чугун — главным образом нержавеющий (аусте-
нитный), высокохромистый и высококремнистый, сочетающий в себе коррози-
онную стойкость, жаропрочность и другие свойства.
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН 137
Нержавеющий (аустенитный) чугун благодаря однофазной структуре обла-
дает высокой химической стойкостью во многих агрессивных средах. Так, он
обладает повышенной стойкостью (в 5—10 раз по сравнению с серым обыч-
ным чугуном) в серной, муравьиной, уксусной кислотах, в каустической соде,
в ряде щелочных сред, в морской воде, однако менее стоек в соляной и быст-
ро разрушается в азотной кислоте. Аустенитный чугун также достаточно про-
чен, износоустойчив, обладает хорошими технологическими свойствами.
Примерный химический состав наиболее широко известного никелемедехро-
мистого чугуна марки Ж4НДХ (нирезист), следующий: 2,5—3,0% С; 1,4—
1,8% Si; 0,5—0,8% Мп; .13,0—16,0% Ni; 6,0—8,0% Си; 1,5—3,5% Сг; 0,2—
0,4% Р; 0,07—0,1% S.
Микроструктура нирезиста: аустенит, пластинчатый графит и карбиды.
Механические свойства нирезиста: = 21 4- 27 кГ1мм2\ ои = 31 4- 43 кГ1мм2г
/зоо — 4 4- 8 мм\ 6 = 0,5 4-3,0%, НВ 130—150, ан = 0,4 4- 0,5 кГ • м!см\
Е = 8500 4- 11 500 кГ1мм2.
Физические свойства нирезиста: 1Пл = 1300° С, у = 7,5 Г)см\ а = 18-10—б;
(при 18—20% Ni). Нирезист немагнитен.
Данные о химической стойкости нирезиста приведены в табл. 120.
Таблица 120
Химическая стойкость аустенитного чугуна типа нирезист в кислотах
Среда Концентрация в % Температура в 0 С Продолжи- тельность испытания в ч Показатели коррозии
Весовой в Г/м • ч. Глубинный в мм/год
Азотная 1 20 2,91 3,41
кислота
То же 5 20 — 9,0 10,5
» 20 20 —- 30,0 0,06
Винная кислота 5 20 — 0,046 0,06
Серная кислота 1 20 — 0, 1 1 0,13
То же 5 20 —. 0,15 0,18
» 10 20 —. 0,22 0,256'
» 20 20 — 0,27 0,21
» 25 20 — 0, 10 0,17
25 60 0,75 0,875.
40 20 — 0,06 0,070'
» 100 20 —— 0,90 1 ,05
Соляная 0,5 20 48 0,09 0,10
кислота
То же 1 20 48 0, 1 1 0.13
» 10 20 720 0,3—0,37 0,3—0,45
» 10 20 48 0,18 0,20
» 10 70 720 6,30 6,93
» 37,5 20 720 3,73 4,10
Фосфорная 5 30 — 2,794 2,43
То же 5 88 — 9,144 7,98
» 15 30 — 1,86 2, 13
» 15 88 16,86 12,446
» 25 30 —. 1,585 1 ,82
» 25 88 — 11,25 12,954 .
» 84%Р2О6 60 —• 0,0432 0,0508
» 84%Р2О5 120 — 0,665 0,762
» 84%Р2О6 180 — 0,354 0,4064
Аустенитный чугун типа нирезист находит применение и как жаропрочный
материал. Зависимость предела прочности нирезиста от температуры показана
на рис. 57.
Нирезист начинает окисляться только при 1050° С [58]. Так, при испытании1
после выдержки в течение 240 ч при температуре 750° С вес нирезиста умень-
шается всего лишь на 9 г, в то время как вес обычного серого чугуна
138 чугун
уменьшается на 97 г. Он обладает также высокой ростоустойчивостыо (при
испытании в перегретом паре в течение 1300 ч при 480° С рост его в 7 раз
меньше, чем серого чугуна).
Существенное влияние на растоустойчивостл и жаропрочность оказывает
'Содержание хрома [19].
При испытании нирезиста химического состава: 2,8% С, 1,9% Si; 0,8% Мп;
с0,04% Р; 4,6% Ni, 7,2% Си в течение 240 ч рост образцов дан в табл. 421.
Таблица 121
Линейный рост образцов при испытании нирезиста
Содержание Сг в % Линейный рост образцов в % при температуре в °C
750 1 850 | 950 1050
2,б 0,6 0,9 1,35 7,0
4,6 0,0 — 0,4 0,8
Длительная прочность нирезиста при испытании в течение 1000 ч при ско-
рости испытания около 10-5 мм/ч составляет при 450° С—6,4 кГ!мм\ при
538° С—3,2 кГ1мм2.
Приведенный выше химический состав нирезиста рекомендуется для отли-
вок с толщиной стенки до 25 мм. Для отливок
Тис. 57. Зависимость предела
•прочности нирезиста от темпера-
туры
с более толстыми стенками необходимо повы-
шать содержание никеля на 2—3%.
В нефтяной и нефтехимической промышлен-
ности нирезист применяется для изготовления
труб конденсаторов (в установках, где выде-
ляется хлористый водород), фитингов, пропел-
леров мешалок, контакторов для сернокислот-
ной очистки и сернокислотного алкилирования,
гильз компрессоров для газов, содержащих
H2S, корпусов клапанов, фильтров и т. д.
Высокохромистый чугун обладает высокой
химической стойкостью в ряде агрессивных
сред: в азотной, серной, фосфорной кислотах, в
растворах щелочей, солей, морской воде и др.
Высокая коррозионная стойкость высокохро-
мистого чугуна объясняется тем, что хром (в
пределах 15—30%) образует пассивирующую
пленку.
Таблица 122
.Химический состав (в ®/0J и механические свойства чугуна марок Х28Л и Х34Л
Марка чугуна С Сг Si S < не более °в в кГ/мм2 °и в кГ/мм2 f в мм (1 = 600). НВ
Не менее
Х28Л Х34Л 0,5—1 ,0 1,5—2,2 26—30 32—36 0,5—1,3 1,3-1,7 0,08 0,1 35 40 55 60 6 5 220—270 250—320
Примечание: Для указанных марок чугуна содержание Мп = 0,5-г-0,8% и Р <
0 , 1 %.
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН 139
ГОСТ 2176—67 предусматривает две марки высокохромистого чугуна Х28Л
м Х34Л. Химический состав и механические свойства чугуна этих марок при-
ведены в табл. 122. Физические свойства высокохромистого чугуна приведены
в табл. 123.
Таблица 123
'Физические свойства высокохромистого чугуна
Показатели Величина
*пл " °С V в г/см3 аот0до 200°С Е в кГ/мм2 Линейная усадка в % р в ом мм2/м 1350—1450 7,3—7,4 9,4-10,0- 10~6 18 000—22 000 1 ,5-1,8 «0,4
Микроструктура высокохромистого чугуна соответствует микроструктуре
доэвтектического белого чугуна. Высокохромистый чугун при затвердевании
дает большую усадку, поэтому сечения отливки по возможности следует при-
нимать одинаковыми. Рекомендуемая толщина стенок 8—20 мм.
Для снятия внутренних напряжений отжиг ведется по режиму: нагрев до
850° С (скорость нагрева 20—30° С/^ до 500° С и 50° С/ч до 850° С), выдержка
из расчета 1 ч на каждые 25 мм толщины отливки, охлаждение со скоростью
не более 25—40° С/ч.
Химическая стойкость высокохромистого чугуна Х34 приведена в табл. 124.
Наряду с высокой стойкостью
против коррозии высокохромистый
чугун характеризуется высокой
ростоустойчивостью, жаропрочно-
стью, окалиностойкостью, высокой
износоустойчивостью. Окалино-
стойкость чугуна зависит от содер-
жания хрома, и при 30% хрома
она достигает 1200° С (начало об-
разования окалины); при 1100° С
детали из этого чугуна могут ра-
ботать более 5000 ч.
Испытания высокохромистого
чугуна при повышенных темпера-
турах показывают, что кратковре-
Рис. 58. Зависимость механических свойств
высокохромистого чугуна от температуры
менная и длительная прочность
его почти не изменяется до 500% С.
Выше этой температуры прочность
резко снижается, а пластичность
непрерывно возрастает. Длительная прочность составляет при 1000° С пример-
но 0,2 кГ1мм2 [19]. Влияние температуры на механические свойства высокохро-
мистого чугуна показано на рис. 58.
Высокохромистый чугун марок Х28Л и Х34Л применяется в нефтяной, неф-
техимической и газовой промышленности для изготовления труб и фасонных
частей, кранов, вентилей, в центробежных насосах для холодной и горячей
фосфорной кислоты, в изделиях, от которых требуется повышенная износостой-
кость при температуре до 550° С. Кроме того, чугун марки Х34Л используется
для изготовления насосов, работающих в 80 %-ной кипящей фосфорной
кислоте.
140 ЧУГУН
Химическая стойкость высокохромистого чугуна Х34 в различных средах
Таблица 124
Среда Концентрация в % Температура °C Показатели коррозии
весовой в г/м2 • ч глубинный мм/год
Азотная кислота 7 Кипения <0,1 <0,1
То же 37 — дымящая 20 <0,1 <0,1
» 37-66 Кипения <1,0 <1,0-
» Дымящая 40 >10,0 >10,0'
» » Кипения <3,0 <3, О'
Уксуснокислый алюминий Насыщенный 20—100 <0,1 <0,1
Сернистокислый аммоний » 20—100 <0,1 <0, 11
Сернокислый аммоний 50 Кипения <0,1 <0,1
Бензол Технический То же <0, 1 <0,1
Водородная перекись 30 20 <0,1 <0, 1
Диагалловая кислота 10—50 Кипения <0,1 <0, в
Железосернокислые окис- 10 20—100 <0,1 <0, 1!
лы
Кальций кислый, серни- стокислый Насыщенный на холоде 90 <0, 1 <0, в
Калий азотнокислый 25 Кипения <0,1 <0, Г
Калий углекислый 50 100 <0,1 <0, 11
Масляная кислота 80 20 <0, 1 <0,11
Медь сернокислая Насыщенный 100 <0,1 <0, 1!
Молочная кислота 1,5 концентри- рованная 20 <0,1 <0, 1
Монохлоруксусная кисло- 10 20 <0,1 <0, 1
та
Натрий сернистокислый 50 Кипения <0,1 <0,3
Натрий сернистый 50 То же <0,1 <0,3
Натрий сернокислый 10 100 <0,1 <0,1
Натрий хлористый 20 100 <1,0 <1,0
То же Расплавленный 900 >10,0 >10,0
» 10 20 0,02 0,022
Олеиновая кислота Техническая 150 <0,1 <0, 1
Свинец уксуснокислый 25 Кипения <0,1 <0,1
Сернистая кислота Насыщенная 20 <1,0 <1,0
Углерод четыреххлори- стый Чистый Кипения О', 1 0, 1
Уксусная кислота 100 То же <0,1 <0,1
Фенол 80 180 <0,1 <0, 1
Формальдегид 40 20 <0,1 <0, 1
Фосфорная кислота 45 Кипения 0,1 0, 1
То же 73 То же 1,97 2,35
Хлорная известь Насыщенная 25 40 <1,0 <1,0
Цинк сернокислый Насыщенный Кипения <0,1 <0, 1
Цинк хлористый Уд. в. 1,2 То же <0,1 <0, 1
То же Уд. в. 1,9 » >10,0 >10,0
» 78+FeCl3 » 0,57 0,65
Этиловый спирт 10—100 20 <0,1 . <0, 1
Этан треххлористый — Кипения <0, 1 <0, 1
Фосфорная кислота 45 То же <0,1 <0, 1
То же 73 » 1,97 2,35
» 80 60 0,018 0,02
» 80 110 1,6 1,76
» 80 120 5,9 6,5
» 80—85 Кипения >10,0 >10,0
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН 141
В табл. 125 приведен химический состав и механические свойства, а в
табл. 126 — физические свойства ферросилидов двух марок С-15 и С-17.
Химический состав (в %) и механические свойства ферросилидов
Таблица 125
Марка чугуна С Si %в кГ/мм2 ° и в кГ/мм2 f в мм (/ = 600 мм) НВ ан в к Г • м!см2
С-15 С-17 0,5—0,8 0,3—0,8 14,5—16,0 16,0—18,0 6-8 17 14 2 1,5 300—400 400—460 0,45—0,5
Примечание: Чугун марки С-15 и С-17 содержит от 0,3 до 0,8% марганца, до
0,07% серы, до 0,01% фосфора.
Физические свойства ферросилидов
Таблица 126
Показатели Величина Показатели Величина
1пл в °с у в Г/см3 а • 10~"6 в интервале темпе- ратур в °C: 0—100 0—200 0—300 0—400 0—500 0—600 0—1200 — 1200 6,9* 3,6 4,7 6, 15 7,15 7,75 9,10 15,60 Теплопроводность при 0° С, калием • сек • град) р при 0° С, ом ♦ мм21м Линейная усадка в %: для марки С-15 » » С-17 0,125 — 0,63 1 ,2—2,6 1,7—2,3
* Для сплава с 13% Si; с увеличением содержания Si на 1% удельный вес снижается
на 0,1.
Вследствие большой линейной усадки ферросилида при отливке сложных
деталей создаются большие внутренние напряжения; кроме того, ферросилид
обладает низкой теплопроводностью. Это необходимо учитывать, чтобы пред-
отвратить появление трещин (медленное охлаждение в форме, последующий
отжиг и т. д.).
Рекомендуется следующий режим отжига ферросилида:
нагрев от 20 до 200° С со скоростью 20° С/ч
» » 200 » 400 » 25 »
» » 400 » 600 » 30 »
» » 600 » 730—750 » 40 »
выдержка при 780—740° С — 2 ч
охлаждение до 450° С со скоростью 30° С/ч
» от 450 до 300° С » 25 »
» от 300 » 200 » 20 »
» от 200° С — на воздухе.
Для оценки коррозионной стойкости ферросилида производят испытание
на образцах 40 X 20 X 10 мм, отбираемых от каждой плавки в количестве
трех штук [27].
142 чугун
Таблица 127
Коррозионная стойкость высококремнистого чугуна (типа ферросилид) в кислотах
Среда Концентрация в % Температура в °C Показатели коррозии
весовой в Г/м2 • ч Глубинный в мм/год
Азотная кислота 10 20 <0, 1 <0, 12
То же 10 Кипения <0,1 <0, 12
» » 30 20 <0,1 <0,12
» » 30 Кипения <1,0 <1,26'
» » 100 20 <0,1 <0, 12
» » 100 Кипения <0,3 <0, 12
» » 37 20 <0,1 <0, 12
» » 37 Кипения <1,0 <1,26'
» » 65 20 <0,1 <0,12
» » 65 Кипения <0,1 <0,12
» » 99,6 20 <0, 1 <0,12
» » 99,6 Кипения <0,1 <0,12
Серная кислота 10 20 <1,0 <1 , 26
То же 10 Кипения <3,0 <3,78
» » 50 20 <0,1 <0,126
» » 50 Кипения <1,0 <1,26
» » 100 20 <0,1 <0,126
» » 100 100 <0, 1 <0, 126
» » 100 Кипения <0,1 <0, 126
» » 10 20 <6,1 <0, 126
» » 10 Кипения <1,0 <1 , 26
» » 50 То же <0,1 <0,126
Соляная кислота 6,5 20 <0, 1 <0,12
То же 6,5 Кипения 3,0—10,0 3,0—10,0
» » 3,6 20 <0,1 <0,12
» » 3,6 Кипения >10,0 >10,0
» » 18, 1 20 0, 1—1,0 0, 1—1,0
» » 18, 1 Кипения >10,0 >10,0
» » 37,2 20 0, 1—1 ,0 0, 1 — 1,0
» » 37,2 Кипения 10,0 10,0
» » Пар сухой 20 <0,1 <0,1
» » 0,5 Кипения 3,0—10,0 3,0—10,0
» » 3,6 То же >10,0 >10,0
» » 18, 1 20 <0,1 <0,1
» » 18, 1 Кипения <10,0 >10,0
» » 37,2 20 0,1 —1,0 0, 1 — 1 , 0
» » 37,2 Кипения >10,0 >10,0
» » Пар сухой 20 <0,1 <0, i
Фосфорная 10—50 97 6,08 0, 1
То же 10 20 <0,08 <0,1
» » 10 Кипения <1,0 <1 , о
» » 80 20 <0, 1 <0,1
» » 80 60 <0,1 <0, 1
» » 80 Кипения >10,0 >10,0
» » 80 200 >10,0 >10,0
л- » 10 Кипения <0, 1 <0,1
» » 80 60 <0,1 <0, 1
» » 80 Кипения 3,0—10,0 3,0—10,0
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН 143,
Испытание производится в следующих средах: в 40%-ной H2SO4 при 60°С;
в 20%-ной HNO3 при 120—150°С; в смеси HNO3 и H2SO4 при 180—200°С.
Потери веса не должны быть более 0,1 г1см21ч на шлифованных образ-
цах, не имеющих на поверхности никаких дефектов и включений.
Ферросилид обладает высокой коррозионной стойкостью в азотной, серной,
уксусной, фосфорной, лимонной, муравьиной и других кислотах, а также в
большинстве растворов солей (табл. 127).
В щелочах, серной кислоте, фтористых соединениях ферросилид не стоек,
так как эти среды разрушающе действуют на защитную пленку. В этом случае
применяют кремнемолибденовый чугун, называемый антихлором. Благодаря
присутствию в нем молибдена, способствующего образованию на поверхности
деталей защитной пленки из хлористых солей молибдена и окислов кремния,
антихлор обладает высокой коррозионной стойкостью в средах, в которых фер-
росилид не может быть применен.
В промышленности нашел широкое применение антихлор марки МФ 15 сле-
дующего химического состава: 0,5—0,6% С; 14,5—16% Si; 3,4—4% Мо; 0,3—
0,8% Мп; до 0,1% S; до 0,1% Р.
Физико-механические свойства антихлора приведены в табл. 128.
Таблица 128
Физико-механические свойства антихлора
Показатели Величина Показатели Величина
в °с V в Г/см2 Линейная усадка в % .... Теплопроводность в ккал)см • • сек ' град р в ом • мм2!м «1170 7 « 2 1 , 2—2,6 «0,63 вв в кГ/мм2 ви* * f в мм (1 = 6 0 0 мм) ан в кГ • м!см2 НВ 5,9—7,5 14,0—18,0 2,0—3,0 0,47-0,55- 400—500
Высокую коррозионную стойкость антихлор приобретает через 30—40 ч ра-
боты, после образования на его поверхности защитной пленки.
Антихлор наряду с высокой коррозионной стойкостью характеризуется
также высокой ростоустойчивостыо и жаростойкостью до температуры при-
мерно 900° С.
Технология изготовления отливок из антихлора не отличается от технологии
изготовления отливок из ферросилида. Однако необходимо иметь в виду, что
антихлор имеет большую склонность к образованию усадочных раковин и ос-
таточных напряжений в отливках, чем ферросилид.
В нефтяной и нефтехимической промышленности ферросилид применяется
для изготовления фитингов, запорной арматуры и корпусов насосов для пере-
качки любых растворов серной кислоты в холодном и кипящем состоянии»
трубопроводов, колонн и реакционных котлов, арматуры, тарельчатых и наса-
дочных колонн, циркуляторов смесителей и др.
Из антихлора отливают детали, которые работают при воздействии раство-'
ров соляной и серной кислот всех концентраций (трубопроводы, насосы, ре-
зервуары, арматура).
Глава 111. МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
1. СВОЙСТВА МЕДИ
Медь (Си) относится к группе цветных металлов, наиболее широко приме-
няемых в промышленности. Порядковый номер меди в периодической системе
элементов Д. И. Менделеева — 29, атомный вес А = 63,57. Медь имеет гране-
центрированную кубическую решетку с периодом d = 3,607 А. Удельный вес
меди у = 8,94 Г!см3. Температура плавления— 1083° С. Чистая медь обладает
высокой тепло- и электропроводностью. Теплопроводность меди 0,910 калЦсм-
• сек • Г • град). Удельная электропроводность меди составляет 64 м/ом • мм2.
Коэффициент линейного расширения а = 46,42 • 10~6 мм/мм • °C.
В табл. 129 приведены свойства отожженной (мягкой), нагартованной про-
каткой (твердой) и литой меди.
Таблица 129
Механические свойства отожженной, нагартованной и литой меди
Состояние меди Е *-1 8 в % 1 « * <3 я апл в кГ/мм* при t в °C НВ
в h :Г/мм2 20 200 400
Отожженная. . 22—25 2—3 10 800 2,8— 4,2 40-60 5—6 7,0 5,0 1,4 40—50
Нагартованная 40—45 30—32 13 000 — 2—3 — — — 110-130
Литая 18-21 — 12 000 2,0—3,5 15—17 3—5 — — —• 50—60
В зависимости от способа получения, медь может содержать различное ко-
личество примесей. К числу важнейших примесей относятся: кислород, сурьма,
висмут, мышьяк, свинец, железо, никель, олово, цинк, селен, сера, теллур,
кремний, фосфор, кадмий, алюминий, водород. Кислород присутствует во всех
сортах меди, кроме катодной и бескислородной в количестве 0,01—0,11%.
Наибольшее количество кислорода, растворяющегося в твердой меди со-
ставляет 0,005%. Избыточный кислород выделяется в виде эвтектики: медь —
закись меди по границам зерен, ухудшая механические и технологические
свойства металла.
Сурьма значительно снижает пластичность меди, что особенно нежелатель-
но для деформируемых медноцинковых сплавов.
Висмут плохо растворяется в меди (менее 0,002%). При содержании в меди
0,005% и выше висмута медь разрушается в процессе ее горячей обработки.
Следует отметить, что присутствие в меди никеля, мышьяка и сурьмы несколь-
ко ослабляет вредное влияние висмута.
Мышьяк в количестве до 1% может находиться в меди в виде твердого
раствора. Присутствие мышьяка улучшает жаростойкость меди, не ухудшая
при этом ее механических и технологических свойств.
Присутствие свинца в меди значительно ухудшает ее горячую обработку.
СВОЙСТВА МЕДИ Г45
Железо растворяется в меди в небольших 'количествах, способствуя измель-
чению структуры меди и повышению ее механических свойств.
Сера образует с медью соединение Cu2S, которые лишь до некоторого пре-
дела растворимо в меди в жидком состоянии.
В твердой меди сера не растворяется и выделяется в виде эвтектики
(Си + Cu2S). Хрупкое соединение Cu2S резко ухудшает свойства меди.
Фосфор понижает теплопроводность меди, но несколько повышает ее меха-
нические свойства, а также жидкотекучесть.
Водород обладает способностью диффундировать через медь при повышен-
ной температуре. Он восстанавливает Си2О, образуя при определенных усло-
виях водяной пар, который может разрывать медь образуя множество мелких
трещин. Такое явление принято называть «водородной болезнью» меди.
Кремний значительно улучшает механические свойства меди, при этом элек-
тропроводность сплава снижается незначительно.
Цинк, олово, никель, алюминий добавляют в медь обычно в небольших
количествах. Эти элементы полностью растворяются в меди, не ухудшая при
этом ее механических свойств.
В зависимости от количества примесей техническая медь подразделяется
на ряд марок. В табл. 130 показан химический состав основных марок техни-
ческой меди (ГОСТ 859—66).
Химический состав (в %) различных марок технической меди
Таблица 130
Марка Меди не менее Bi Sb As Fe Pb s o2
МО 99,95 0,002 0,002 0,002 0,005 0,005 0,005 0,2
Ml 99,90 0,002 0,002 0,002 0,005 0,005 0,005 0,08
М2 99,70 0,002 0,005 0,010 0,050 0,010 0,010 0, 10
М3 99,50 0,003 0,050 0,050 0,050 0,050 0,010 0, 10
М4 99,0 0,005 0,20 0^20 0, 10 0,30 0,020 0,15
Значительное количество изделий из меди изготовляется обработкой метал-
ла давлением (прессованием, волочением, прокаткой). Обработка давлением
при нормальных температурах вызывает наклеп меди. Наклепанная (нагарто-
ванная) медь, как было указано выше, обладает повышенной прочностью.
Для снятия наклепа медь подвергают термической обработке — отжигу, при
температуре 600—700° С. При более высоких температурах отжига (выше
900° С) происходит бурный рост зерен меди и ухудшаются ее механические
свойства.
С повышением температуры испытания механические свойства меди ухуд-
шаются. Характер изменения механических свойств технической меди марки
М3 в зависимости от температуры испытания представлен в табл. 131.
Таблица 131
Влияние температуры на механические свойства меди марки М3
Механические свойства Температура испытания в °C
20 100 200 300 400 500 600 700
<yQ кГ/мм2 23 23 21,5 19,5 16 1 1 7 4,5
8 в % 70 67 58 49 47 45 42 41
Ф в % 76 75 70 58 57 71 74 77
1Q Заказ 664
146 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
2. СПЛАВЫ МЕДИ С ЦИНКОМ (ЛАТУНЬ)
Широко применяются латуни, содержащие до 50% цинка. Латуни облада-
ют хорошими механическими и технологическими свойствами.
В твердом состоянии медь и цинк образуют ряд твердых растворов
(рис. 59). Твердый раствор а наиболее богат медью (содержание в
нем цинка не превышает 39%). Твердые растворы, содержащие большое
количество цинка, построены уже
не на базе чистых металлов, а на
основе интерметаллических соеди-
нений электронного типа. Так, в
основе p-раствора лежит соедине-
ние CuZn, в основе у-раствора на-
ходится соединение Cu5Zn8. е-фа-
за основана на базе соединения
CuZns. В зависимости от состава
и структуры меняются механичес-
кие свойства латуни. В а-латуни,
пластичность при добавлении цин-
ка увеличивается. Максимальное
относительное удлинение а-латуни
имеет место при содержании 30—
32% цинка, т. е. до начала образо-
вания р-латуни. С появлением в
структуре латуни P-фазы и с уве-
личением количества этой фазы от-
носительное удлинение сплава за-
Рис. 59. Диаграмма состояния сплавов CuZn
метно снижается, и при содержа-
нии 47—50% цинка достигает минимальных значений. Поэтому сплавы,
содержащие большое количество p-фазы, обладают значительной хруп-
костью.
Из а-латуней наибольшее распространение получили сплавы, содержащие в
среднем 62—96% Си.
Латуни марок Л96 и Л90, содержащие соответственно 96 и 90% Си, на-
зываются томпаками и применяются для изготовления радиаторных трубок, а
также лент и листов.
Латуни поставляются в мягком (отожженном), полутвердом и твердом
(наклепанном) состоянии.
В табл. 132 показан химический состав и механические свойства различных
марок двойных латуней (ГОСТ 1019—47).
Таблица 132
Химический состав в % и механические свойства простых латуней
Марка латуни Си РЬ Fe Zn 1 °т 1 °-1 5 1 ф а в н кГм/см2 НВ
в кГ!м Л42 в %
Л96 95—97 0,03 0, 10 <D 24 6,3 52 22
Л90 88—91 0,03 0, 10 О Ж 26 13 12,6 44 —ь 18 53
Л80 79—81 0,03 0, 10 31 12 10,5 52 69 16 53
Л70 69—72 0,03 0,07 ж 33 — — 55 75 —- —
Л6 8 67—70 0,03 0,10 н 33 10 12 56 70 17 —
Л62 60,5—63,5 0,08 0, 15 О 36 И 12 49 66 14 56
Примечание. Для всех марок латуни, кроме Л70, содержание Sb = 0,005% ,
Bi = 0,002%, Р= 0,01%.
СПЛАВЫ МЕДИ С ОЛОВОМ (БРОНЗА) 147
При нагартовке механические свойства латуней изменяются.
В процессе наклепа повышается прочность и снижаются пластические
свойства латуней. Так, нагартованная латунь марки Л96 имеет следующие
механические свойства: авр = 35 ~ 45 кГ!мм* 2 3 * *, о0,2 = 30-?38 кг! мм2, 6 = 2—4%.
Повышение механических свойств латуни может быть достигнуто легиро-
ванием их другими элементами. Такие сложные по своему химическому составу
сплавы называются специальными латунями. В’ табл. 133 показан химический
состав и свойства некоторых специальных латуней, применяемых для изготов-
ления конденсационно-холодильного оборудования нефтеперерабатывающих
заводов.
Из табл. 133 видно, что легирование латуней такими элементами как алю-
миний, олово заметно -повышает механические свойства металла.
Таблица 133
Химический состав (в %) и физико-механические свойства некоторых специальных
марок латуни
ЛА-77-2
ЛО-70-1
Л 0-62-1.
76,0—
79,0
69,0—
71 , О
61-63
1,75—
2,50
1,0-
1,5
0,7-
40 65
35 70
40 70
- 55
60 60
60 40
60 170 8,5
3,24 18,5-10~в
95 8,54 0,25 20,2.10“6
95 0,26 21 , 4-10—•
4
4
Примечание. Мягкая — для латуни, отожженной при 600° С; твердая — для лату-
ни, деформированной на 50%. Для всех марок латуни ЕЮ =1,05 кГ(см2.
Кроме повышения механических свойств легирование латуней придает им
специальные свойства: высокую коррозионную стойкость, жаростойкость и т. д.
3. СПЛАВЫ МЕДИ С ОЛОВОМ (БРОНЗА)
Сплав меди с оловом называется оловянистой бронзой.
Оловянистые бронзы имеют ограниченное применение, так как в настоящее
время изысканы более прочные и экономичные сплавы, с успехом их заменяю-
щие. Так, сплавы меди с алюминием (алюминиевые бронзы) обладают по
сравненйю с оловянистой бронзой повышенными механическими свойствами,
лучшей коррозионной стойкостью и лучшей жидкотекучестью. Однако следует
отметить, что оловянистые бронзы обладают минимальной линейной усадкой.
Олово в сплавах с медью повышает прочность и твердость сплава и резко
снижает его пластичность. В технических сплавах олово содержится в преде-
лах 3—,14%. Различают оловянистую бронзу литейную и обрабатываемую
давлением. В табл. 134 приведены химический состав и механические свойства
в отожженном состоянии некоторых марок оловянистых бронз, подвергаю-
щихся обработке давлением (ГОСТ 5017—49).
В табл. 135 приводятся химический состав и механические свойства литей-
ных оловянистых бронз, отлитых в земляную форму (ГОСТ 613—65).
Сплавы на основе меди с добавками алюминия, маргацца,^кремния, берил-
лия и некоторых других элементов, не содержащие олова,Называются специ-
альными бронзами.
10*
148 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Таблица 134
Химический состав (в %) и механические свойства некоторых марок оловянистых бронз,
обрабатываемых давлением
Марка сплава Sn Р Zn Pb | а0.2 8 1 ф НВ
в кГ /мм2 в %
Бр. ОФ 65-0 , 4 6—7 0,3—0,4 30 14 38 65
Бр. ОФ 4-0,2 5 3,5—4 0,2—0,3 — — 34 — 52 70
Бр. ОЦСАЗ-5 3-5 — 3,5 1 , 5—3,5 31 13 44 34 62
Бр. ОЦС 4-4-4 3-5 — 3—5 3,5—4,5 40 35 — — 62
Таблица 135
Химический состав (в ю/о) и механические свойства литейных оловянистых бронз
Марка сплава Sn Zn Pb Ni ° вв кГ/мм2 8 1 ф ан* кГм/см2
в %
Бр. ОЦСН 3-7-5-1 2,5-4,5 6—9,5 3—6 0,5—1,5 18 8 18 3
Бр. ОЦС 5-5-5 4—6 4—6 4—6 — 15 6 12 2,6
Бр. OUCA 4-4-4-17 3,5—5,5 2—6 14—2 0 — 15 5 17 1 ,7
Бр.'ОЦСЗ 3,5-6-5 3—4,4 5—7 4—6 — 15 6 12 —
В табл. 136 показаны химический состав и механические свойства ряда ма-
рок специальных бронз (ГОСТ 493—54).
Таблица 136
Химический состав в % и механические свойства специальных бронз (в нагартованном
состоянии)
Марка сплава Be Al Fe Мп Ni | ст0,2 8 в % .НВ
В Ki "/мм2
Бр. АЖМц 10-3-1,5 — 9—1 1 2—4 1—2 — 60—70 — 9—2 16 0— .200
Бр. АЖН 10-4-4 — 9,5— И 3-5 — 3,5- 5,5 77 55—60 9—15 180— 200
Бр. Мц5 — — — 4,5— 5,5 — 50—60 45 2 160
Бр. Б2 1,9- 2,2 — — — — 87 74 2—4 315
Бронза марки Бр. АЖН 10-4-4 является наиболее прочной из всех алюми-
ниевых бронз. Сочетание большой прочности с высокой химической стойкостью
делает эту бронзу ценным материалом для изготовления деталей нефтяного
и нефтехимического оборудования.
Присадка кадмия к меди приводит к значительному повышению ее меха-
нической прочности и твердости. Предел прочности при растяжении кадмие-
вой бронзы достигает 100 кГ1мм2.
Из бронзы марок Бр. АЖН <10-4-4 и Бр. АЖМц 10-3-1,5 изготовляются тру-
бы, прутки и поковки.
Наряду с деформируемыми безоловянистыми бронзами нашли широкое
распространение литейные безоловянистые бронзы, обладающие высокой проч-
ностью, хорошими антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью.
В табл. 137 приводятся химический состав и механические свойства литейных
безоловянистых бронз (ГОСТ 493—54).
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ Ц9
Таблица 137
Химический состав (в %) и механические свойства литейных безоловянистых бронз
Марка сплава А1 Fe М'п Ni Si Pb кГ/мм2 8 в % НВ
Бр. АЖС 7-1/5-1,5 6-8 1 — 1,5 — — — 1,0— 1,5 30 18 —
Бр. АЖН 11-6-6 10,5- 11,5 5—6,5 — 5-6,5 — — 60 2 250
Бр. АМц 10-2 9-11 — 1,5- 9 £ — — — 50 13 110
Бр. МцНКС 5-2-1-20 — — / * О 4-5 1—2 0,6—1 15—20 27 4 100
Бр.АЖ 9-4 8-10 2—4 — — — — 50 12 100
4. СПЛАВЫ МЕДИ С НИКЕЛЕМ
В промышленности- получили распространение сплавы меди с никелем.
Медь и никель, взаимно растворяясь, образуют непрерывный ряд твердых рас-
творов. Медноникелевые сплавы обладают высокой прочностью и пластично-
стью, а также хорошей коррозионной стойкостью.
В табл. 138 приводится химический состав и механические свойства (в отож-
женном состоянии) некоторых медно-никелевых сплавов, применяющихся в
СССР и за рубежом.
Таблица 138
Химический состав (в «/о) и механические свойства (в отожженном состоянии)
медно-никелевых сплавов
Сплав Ni Fe Мп Pb Си ае 1 <*0,2 8 в % HRB
в кГ, 1мм2
70—30 2 9—3 2 0,4—0,8 0,5—1,2 0,07 о 40 16 33 35
80—20 19—22 0,6—1 ,0 0.5—1 , 2 0,07 д л 35 13 29 25
90—10 9-11 1—1,4 0,3—0,8 0,07 ч 33 11 29 —
МНЖ 5-1 5—6,5 1—1,4 ' 0,3—0,8 — 24 — 25 —
МНЖМц 30-0,8-1 29—33 0,6—1 ,0 0,8—1,3 — О 35 14 38 —
Механические свойства медноникелевых сплавов могут быть изменены за
счет нагартовки. Так, сплав типа 80-20 в нагартованном состоянии характери-
зуется следующими механическими свойствами: ав = 55 4- 60 кГ1мм2, а0>2 =
= 48 4- 52 кГ/мм2, 6 = 24-3%, HRB 82—85.
5. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Медь устойчива против атмосферной коррозии вследствие образования на
ее поверхности защитной пленки, состоящей в основном из серномедной соли
(CuSO4-3Cu(OH)2).
Кислород воздуха при отсутствии влаги почти не действует на литую и про-
катанную медь при комнатной температуре. Однако при температуре 180° С
и выше медь начинает окисляться с поверхности, а при температуре 500° С
процесс окисления происходит энергично и медь покрывается слоем окалины,
состоящим из окиси и закиси меди.
Во влажном воздухе кислород при обычной температуре слабо реагирует
с медью. Однако в присутствии углекислоты это действие усиливается
150 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
и поверхность металла покрывается пленкой основной углемедной соли («па-
тина»).
Чистая вода практически не действует на медь. Относительно устойчива
медь и в соленой (морской) воде, при условии отсутствия контакта меди со
стальными деталями. Коррозия меди в воде наблюдается в присутствии дву-
окиси углерода.
Быстро разрушается медь под воздействием азотной кислоты. Соляная кис-
лота, обладающая удельным весом 1,12, растворяет медь при кипячении. Сер-
ная кислота без доступа воздуха слабо реагирует с медью. Органические
кислоты в присутствии кислорода образуют медные соли.
Со щелочами, за исключением аммиака, в отсутствии кислорода медь реа-
гирует слабо. Расплавленные соли, водные растворы щелочей и аммиака в при-
сутствии кислорода разрушают медь. Растворы сернистых металлов также
сильно реагируют с металлической медью. В растворах неокисленных солей
медь весьма устойчива. Сероводород в присутствии кислорода образует сер-
нистую медь. Если во влажном сероводороде медь быстро разрушается, то в
сухом — корродирует незначительно.
Хлористый водород разрушает медь. В атмосфере сухого хлора медь обла-
дает недостаточной коррозионной стойкостью.
Сухие газы (галогены) оказывают незначительное влияние на медь.
Фенол в смеси с влажным воздухом вызывает небольшую коррозию на
поверхности меди. Ацетон и бензол также не вызывают значительного разру-
шения меди.
Бронзы обладают достаточно высокой коррозионной стойкостью в атмосфе-
ре, соленой воде, в растворах едкого кали, сульфатов натрия, серы. Оловянис-
тые бронзы подвергаются коррозионному разрушению под действием бисуль-
фата натрия, минеральных кислот (азотной и соляной), аммиака и растворов
сернокислых сол^й.
Алюминиевые бронзы по своей коррозионной стойкости превосходят обычно
оловянистые бронзы.
Латуни обычно более устойчивы в коррозионном отношении по сравнению
с чистой медью. Особенно резко эта разница наблюдается в растворах, содер-
жащих хлористые соединения.
В атмосферных условиях латуни корродируют слабо. Скорость коррозии
латуней в атмосфере составляет 0,0001—0,004 мм/год. Сухой пар слабо влияет
на латунь. Однако скорость коррозии резко возрастает, если в паровом кон-
денсате присутствуют кислород, двууглекислый газ или аммиак. Влажный на-
сыщенный пар при больших скоростях (порядка 1000 м/сек) вызывает на по-
верхности латуни «ударную» коррозию.
В пресной воде скорость коррозии латуни незначительна (0,002—
0,003 мм/год). В морской воде она может достигать 0,1 мм/год при темпера-
ратуре порядка 20° С, а с повышением температуры скорость коррозии лату-
ней обычно возрастает.
С увеличением содержания в латуни цинка устойчивость сплава против
коррозионного разрушения в среде сероводорода повышается.
Минеральные кислоты (азотная и соляная) действуют на латунь очень
сильно. Серная кислота действует значительно медленнее, однако в присутст-
вии окислительных солей скорость коррозии латуни может увеличиться в не-
сколько раз.
Наравне с общей коррозией латуней встречаются специальные виды корро-
зии, которые имеют место при применении латуней в нефтяной, нефтехимичес-
кой и газовой промышленности: обесцинкование, коррозионное растрескива-
ние, точечная (питтинговая) коррозия и «ударная» коррозия.
Обесцинкование встречается в латунях, содержащих менее 85% меди, при
отсутствии в сплаве примесей, тормозящих процесс выделения цинка — мышь-
яка, фосфора, сурьмы. Электрохимический процесс обесцинкования приводит
к растворению цинка, обладающего более низким электродным потенциалом.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ 151
Обесцинкование латуни сопровождается образованием пористой, лишенной
цинка медной массы, имеющей низкие механические свойства. Эта масса быст-
ро разрушается, с образованием на поверхности меди значительных пораже-
ний, а в ряде случаев и сквозных отверстий.
Известно несколько видов обесцинкования. Обесцинкование в виде точек
или пробок, характеризуется поражениями металла, имеющими форму мелких
дырочек. Подобный случай обесцинкования можно наблюдать на латунных
трубках бензинового кожухо-трубчатого конденсатора.
Обесцинкование может встречаться в виде слоя, покрывающего большие
поверхности. Этот слой образуется в результате слияния большого количества
мелких медных участков.
Обесцинкование может проходить внутри границ зерен сплава — межкрис-
таллитное обесцинкование.
Добавление в латунь стабилизирующих добавок в небольших количествах
обычно снижает склонность латуней к обесцинкованию. Обычно в качестве та-
ких добавок в медноцинковые сплавы вводят мышьяк в количестве 0,02—
0,06% или 0.2% фосфора.
Повышение стойкости латуни к обесцинкованию может быть также достиг-
нуто добавлением алюминия в количестве 2—2,5%. Добавление алюминия
способствует образованию на поверхности латуни защитного слоя окисла алю-
миния [187].
Обесцинкование может быть также уменьшено химической или механичес-
кой чисткой поверхности металла.
Латуни склонны к коррозионному растрескиванию.
Коррозионное растрескивание в латунных изделиях (в частности в труб-
ках) может происходить из-за целого ряда различных причин. Обычно образо-
вание трещин имеет место в результате совместного действия напряжения и
коррозии. Наиболее часто растрескивание латуней наблюдается в средах, со-
держащих аммиак. Присутствие аминов во влажной аммиачной атмосфере мо-
жет усилить процесс коррозионного растрескивания. Способствует растрески-
ванию латуней также влажный сернистый газ.
Незатухающие колебания в латунных трубках могут привести к появлению
в них поперечных трещин усталостного характера. Такие трещины обычно
образуются в середине латунной трубы. Для ликвидации растрескивания труб
в этом случае целесообразно устраивать в трубчатых аппаратах дополнитель-
ные опоры (трубные решетки или деревянные прокладки).
Склонность латуней к коррозионному растрескиванию возрастает с повыше-
нием содержания цинка в сплаве и с увеличением растягивающих напряжений
в конструкциях, изготовленных из латуни.
Для предупреждения коррозионного растрескивания все изделия и полу-
фабрикаты, изготовленные из латуни, необходимо подвергать специальному
виду термической обработки — отжигу при температуре порядка 270° С.
При конструировании трубчатой конденсационно-холодильной аппаратуры
необходимо учитывать, что при развальцовке латунных трубок в них могут
появиться значительные остаточные напряжения. Если при этом в охлаждаю-
щей воде будут присутствовать элементы, вызывающие коррозию металла, то
может произойти растрескивание концов трубок. Таким образом, необходимо*
следить не только за состоянием металла трубок, но и за составом оборотной
воды (среды), вступающей в контакт с металлом трубок.
Жидкость или газ, поступающие в трубки, могут вызывать «ударную» кор-
розию. Удары потока жидкости или газа о стенки трубок могут привести к
местному удалению защитной пленки с их поверхности и к последующему ее
разрушению. «Ударная» коррозия чаще всего встречается у входных концов
трубок. Жидкость, засоренная нерастворимыми частичками, может также спо-
собствовать уменьшению толщины стенок трубки, особенно у входных концов.
Удары жидкости по вогнутому месту внутри трубы могут также удалить
защитную пленку в этом месте и разрушить трубу.
152 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Рис. 60. Зависимость коррози-
онной стойкости меднонике-
левых сплавов в. морской во-
де от содержания в сплаве
никеля
В зависимости от состава латуни обладают различной склонностью к «удар-
ной» коррозии. Так, латунь марки ЛО 70-1, стабилизированная мышьяком,
хорошо сопротивляется «ударной» коррозии при скоростях воды до 1,8 м/сек,
а латунь марки ЛА-77-2 при скоростях воды до 2,7 м/сек.
По внешнему виду разрушения металла от «ударной» коррозии в основном
представляют собой разнообразные по форме и глубине язвинки и углубле-
ния, располагающиеся чаще всего в направлении движения охлаждающего
потока.
Основными мерами борьбы с «ударной» коррозией является снижение скО’
ростей движения охлаждающей среды, очистка среды от посторонних приме-
сей и загрязнений и применение более устойчивых сплавов: например алюми-
ниевой латуни ЛА-77-2, стабилизированной мышьяком.
Инородные частицы (кусочки разложившейся
древесины, материи, бумаги, продукты коррозии,
пузырьки газа и т. д.), присутствующие в жидко-
сти, могут откладываться на поверхности латуни,
образуя своеобразный осадок. Под слоем осадка
участки металлической поверхности обедняются
кислородом и являются анодами по отношению к
чистой металлической поверхности. В результате
происходит точечная (питтинговая) коррозия.
Точечная (питтинговая) коррозия встречается
обычно при небольших скоростях движения жид-
кости. Если же скорость движения жидкости до-
статочна для того, чтобы помешать инородным
частицам осесть на поверхности трубы, то указан-
ный вид коррозии обычно отсутствует.
Медноникелевые сплавы обладают высокой
коррозионной стойкостью. Коррозионная стой-
кость повышается с увеличением в сплаве никеля.
На рис. 60 показана зависимость коррозионной
стойкости (потеря в весе) медноникелевых спла-
вов в морской воде в зависимости от содержания
в сплаве никеля. Сплавы меди с никелем хорошо сопротивляются «ударной»
коррозии при скоростях воды до 4,5 м/сек. Добавление к медноникелевым
сплавам в количестве 0,4-е-1 % железа и 0,54-1,5%' марганца позволяет еще
больше повысить сопротивление сплавов этому виду коррозии.
Ниже приводятся результаты исследования коррозионной стойкости раз-
личных медных сплавов в средах, содержащих соляную кислоту и сероводород
при температурах 30, 50, 70 и 90° С.
Для исследования были выбраны латуни марок ЛО-70-1, ЛО-62-1, Л-68 и
ЛН-65-5, бронза марки Бр. АЖМц 10-8-4,5.
Все сплавы были поставлены в отожженном состоянии.
В табл. 139 приводятся данные, характеризующие коррозионную стойкость
различных медных сплавов в средах, содержащих различные концентрации
соляной кислоты. Из таблицы видно, что наилучшую коррозионную стойкость
в указанных средах показала бронза марки Бр. АЖМц 10-3-1,5. Скорость кор-
розии в этом случае не превышает 0,53 мм/год. Следует отметить, что из брон-
зы этой марки изготовляются прессованные трубы. Согласно ГОСТу 1208—54
трубы выпускаются с наружным диаметром 50 мм и выше при толщине стен-
ки от 5 мм и выше.
Латуни марок Л-68, ЛО-62-1 и ЛО-70-1 имеют в этих средах приблизитель-
но равную коррозионную стойкость. Наибольшая скорость коррозии наблюда-
лась у никелевой латуни.
В табл. 140 приводятся данные, характеризующие сопротивление различных
медных сплавов коррозионному ’разрушению в средах, содержащих как соля-
ную кислоту, так и сероводород (насыщенный раствор).
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ 153
Таблица 139
Коррозионная стойкость сплавов меди в соляной кислоте различных концентраций
Марка сплава Температура испытания в °C Концентрация НС1
0.0005N 0,005N 0,03N 0,07N
30 0,36 0,36 0,40 0,37
ЛО-70-1 50 0,74 0,53 0,56 0,57
70 0,85 0,59 0,63 0,59
90 0,44 0,39 0,44 0,44
30 0,33 0,36 0,42 0,38
Л-68 50 0,65 0,53 0,51 0,60
70 0,82 0,61 0,78 0,78
90 0,36 0,42 0,54 0,48
зо - 0,38 0,26 0,28 0,22
ЛО-62-1 50 0,49 0,58 0,43 0,52
70 0,43 0,45 0,55 0,50
90 0,33 0,41 0,49 0,39
30 0,59 0,73 0,74 0,73
50 0,98 1,08 1,12 1,02
ЛН-65-5 70 1,18 1,37 1,35 1 , 17
90 0,94 0,99 1 , 04 0,95
30 0,21 0,15 0,20 0, 19
Бр. АЖМц 50 0,24 0,29' 0,24 0,21
10-8-1,5 70 0,45: 0,41 0,50 0,53
90 0,27 0,32 0,20 0,42
Таблица 140
Коррозионная стойкость сплавов меди в средах, содержащих соляную кислоту
и сероводород
Марка сплава Температура испытания в °C Концентрация НС1 + H2S
0,0005N 0,005N 0,03N 0,07N
30 0,16 0,28 0,59 0,53
50 0,21 0,37 0,68 0,72
ЛО-70-1 70 0,23 0,41 0,79 0,69
90 0,40 0,48 0,46 0,50
30 0, 19 0,46 0,73 0,74
50 0,20 0,45 0,56 0,76
ЛО-62-1 70 0,21 0,51 0,84 1,03
- 90 0, 15 0,66 0,78 0,92
30 0,39 0,67 0,99 1,15
50 0,49 0,76 1,45 1,76
ЛН-65-5 70 0,55 0,86 1,59 2,31
90 0,71 0,82 1,69 1 , 56
30 0,56 0,84 0,73 0,70
Бр. АЖМн 50 0,73 0,89 1,00 0,95
10-3-0, 5 70 0,78 0,98 1,12 1 ,15
90 0,63 1,08 0,92 0,57
154 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Из таблицы видно, что добавление сероводорода к солянокислым средам
ухудшает коррозионную стойкость бронзы. Коррозионные свойства латуней из-
меняются при этом менее резко.
Наилучшую коррозионную стойкость в средах, содержащих соляную кис-
лоту и сероводорода, показала латунь марки ЛО-70-1.
Скорость коррозии этой латуни не превышает 0,8 мм!год, что согласуется со
сроками службы латунных трубок на установках АВТ нефтеперерабатывающих
заводов.
В табл. 141 приведены данные по коррозии различных бронз в сернокис-
лотных средах.
Таблица 141
Коррозия бронз в серной кислоте различной концентрации
Концентрация серной кислоты в % Темпера- тура в °C Потеря веса бронз в Г!м2ч
Алюминиевая Марганцевистая Оловянистая Фосфористая
10 20 0,002 0,09 0,01 0, 16
10 40 4,38 2,87 0,95 0,95
10 60 4,63 3,85 0,98 1, 15
25 20 0,003 0,10 1,04 0,10
25 40 4,60 3,37 2,92 0,46
25 60 4,61 3,36 2,98 0,60
40 20 0,003 0,12 0,002 0,1
40 40 — 1,43 1,27 1,87
40 60 2, 18 1,14 1,31 1,25
6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ
В НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
На нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах медь и ее сплавы
широко применяются для изготовления трубок теплообменной и конденсацион-
но-холодильной аппаратуры, а также для изготовления некоторой аппаратуры
при производстве смазочных масел и спиртов из нефтяных газов.
Трубчатые пучки и доски теплообменной и конденсационно-холодильной
аппаратуры часто изготовляют из латуней различных марок. В частности, для
изготовления трубчатых пучков конденсаторов широко используется латунь
марки ЛО-704.
Ознакомление с опытом эксплуатации латунных труб на нефтеперерабаты-
вающих и нефтехимических заводах показывает, что коррозия труб происхо-
дит благодаря контакту поверхности трубы с технологическим продуктом, а
также водой, охлаждающей трубчатую конденсационно-холодильную аппа-
ратуру.
В ряде случаев, как например, в конденсаторах установки термического
крекинга разрушение латунных трубок происходит преимущественно за
счет контакта внутренней поверхности трубок с охлаждающей (оборот-
ной) водой.
Интенсивная коррозия латунных трубок за счет контакта технологического
продукта с наружной поверхностью этих трубок наблюдается обычно в тех
случаях, когда углеводородные газы термических и каталитических крекингов,
перерабатывающих сернистые нефти, не подвергаются осушке и очистке от
сероводорода и других примесей. В этом случае, в особенно тяжелых уело-
ПРИМЕНЕНИЕ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 155
виях находится конденсационно-холодильное и теплообменное оборудование
газофракционирующих установок, предназначенных для ректификации жирных
газов и нестабильных бензинов, установок каталитического крекинга с исполь-
зованием катализаторов.
Кроме большого количества сероводорода, в этих условиях обнаружено
значительное количество кислорода, двуокиси серы, двуокиси углерода и ам-
миака. Действие столь сложного агрессивного комплекса газообразных про-
дуктов вызывает быстрое разрушение трубок, изготовленных из латуни марки
ЛО-70-1 главным образом под действием аммонистых соединений и кислорода
при наличии конденсирующейся влаги.
Характерными видами коррозионного разрушения латунных трубок, изго-
товленных из латуни марки ЛО-70-1, на нефтеперерабатывающих и нефтехи-
мических заводах являются следующие:
при воздействии воды, охлаждающей трубчатые установки чаще всего на
поверхности трубок наблюдается появление язвин и сквозных разъеданий.
Разрушение металла в этих случаях идет за счет обесцинкования латуни;
на наружной поверхности трубок — поверхности контакта с технологичес-
ким продуктом наблюдается преимущественно равномерная коррозия с отло-
жениями продуктов коррозии в виде серного осадка.
Для предотвращения обесцинкования латуни типа ЛО-70-1 и повышения
ее служебных свойств в качестве материала труб конденсационно-холодиль-
ного и теплообменного оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимиче-
ских заводов необходимо применять стабилизированную латунь.
Сроки службы трубок из стабилизированной латуни при коррозии с внут-
ренней стороны (поверхности контакта с охлаждающей водой) значительно
выше, чем у трубок из нестабилизированной латуни. Что касается коррозии
трубок из латуни ЛО-70-1 с наружной стороны (поверхности контакта с тех-
нологическим продуктом), то применение стабилизированной латуни не дает
дополнительно положительного эффекта. В этом случае рекомендуется приме-
нять материалы, имеющие более высокую общую коррозионную стойкость
(медноникелевые сплавы, содержащие более 10% Ni, и др.).
Интенсивность коррозии можно уменьшить, подготовляя сырье путем его
очистки и сушки, а также применяя замедлители коррозии — ингибиторы.
Высокой коррозионной стойкостью отличается стабилизированная алюми-
ниевая латунь следующего состава: 76% меди, 2% алюминия, 0,05% мышьяка.
Трубки, изготовленные из этого материала, развальцованные в трубных решет-
ках из фосфористой бронзы (96,5% меди, 4,3% олова, 0,2% фосфора), показа-
ли в 2 раза более высокую коррозионную стойкость по сравнению с стабили-
зированной оловянистой латунью [188].
В ряде случаев на различных нефтеперерабатывающих установках трубча-
тые пучки конденсаторов, изготовленные из нестабилизированной латуни слу-
жат без заметных коррозионных разрушений в течение ряда лет. Так трубки,
изготовленные из латуни марки ЛО-70-1, установленные в конденсаторе деизо-
бутанизатора установки алкилации Куйбышевского нефтеперерабатывающего
завода служат в течение 6—7 лет. Такой же срок службы имеют трубчатые
аппараты, изготовленные из латуни марки ЛО-70-1 на установке ГФУ в аппа-.
рате предконтактного холодильника крекинга и в других местах. Технологи-
ческие среды, охлаждающие воды и режим работы аппаратов в этих случаях
не вызывают быстрого разрушения нестабилизированной латуни.
Трубчатые змеевики, применяемые для обогрева емкостей жирных кислот,
а также некоторые аппараты для производства спиртов из нефтяных газов
изготовляются обычно из красной меди. Так, для изготовления щелочного
скруббер-аппарата бутылочного типа диаметром 2200 мм в верхней и 1100 мм
в нижней части, высотой 10 750 мм применяется медь марки М.3. В верхнюю
часть аппарата подается щелочь концентрации 1—2%, а в нижнюю часть по-
ступают пары спирто-водяной фракции, при температуре 110° С.
156 МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Для изготовления труб конденсационно-холодильного оборудования нахо-
дит применение и биметалл: внутренняя часть труб изготовляется из стабили-
зированной алюминиевой латуни, а наружная часть — из малоуглеродистой
стали.
Применение таких труб дает возможность значительно сократить потребле-
ние дефицитных медных сплавов.
Для устранения коррозии холодильников и теплообменников легких дистил-
лятов под действием H2S, NH3 и СО2 с успехом применяются биметаллические
трубы (алюминий — латунь). Алюминиевое покрытие трубы играет роль про-
тектора. Медь и ее сплавы применяются при изготовлении оборудования для
бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Так, в качестве под-
шипников, различных втулок, направляющих седел, шестерен и многих других,
обычно небольших, но ответственных деталей буровых насосов, лебедок и
другого бурового оборудования применяются бронзы. Для предохранения мор-
ских буровых оснований от коррозии используются тонкостенные латунные
гильзы, а также гильзы из медноникелевых сплавов [209].
Глава IV. НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ
1. СВОЙСТВА НИКЕЛЯ
Никель (!N’i) химический элемент VIII группы периодической системы
Д. И. Менделеева с атомным номером 28 и атомным весом А = 58,69. Темпе-
ратура плавления чистого никеля /пл = 4455° С, удельный вес у = 8,9 г/см\
теплопроводность (К) при
20°С = 0,14, при 100° С =
= 0,20, при 300°С=0,15, при
500° С = 0,15 кал!(см. сек-град)
коэффициент линейного расши-
рения а от 0 до 300° = 16,6 X
X Ю-6, от 0 до 600° = 17,8 X
X Ю“б мм/мм °C. Кристалличе-
ская решетка — кубическая гра-
нецентрированная. Параметр
решетки 2,518 А.
При температуре порядка
360° С никель ферромагнитен,
Рис. 61. Удельная теплоемкость никеля при различ-
ных температурах
выше 360° С — парамагнитен. Магнитное превращение сопровождается измене-
нием некоторых свойств никеля. Так, на рис. 61 показано изменение удельной
теплоемкости никеля при различных температурах.
Механические свойства никеля при комнатной температуре приводятся в
табл. 142 [80].
Таблица 142
Механические свойства никеля при комнатной температуре
Состояние металла 1 а0,2 5 в % НВ
в кГ, /мм2
Чистейший никель (в отожженном состоянии) 28-30 40—50
Литой никель 35-42 14—21 20—30 60—80
Кованый никель 54—61 28—33 31—37 127—158
Холоднокатаный никель 63—77 59—74 1 — 2 130—160
Модуль нормальной упругости (Е) никеля колеблется в пределах 21 000—
23 000 кг/мм2.
Механические свойства никеля изменяются в зависимости от температуры
испытания (см. табл. 143).
При деформации никель нагартовывается и его прочность может быть до-
ведена до 80—85 кГ/мм2.
На рис. 62 показано изменение механических свойств никеля под действи-
ем холодной деформации.
158 НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ
Таблица 143
Влияние температуры испытания на механические свойства никеля
Свойства Температура в °C
— 253 — 196 — 20 300 455 593 800 1000 1100
Gв в кГ1мм2 79 63 49 44 30 21 9 4 1 2
8 в % 48 46 26 31 20 16 1 1 1 1 1 1
Ф в % 69 — 72 67 31 25 18 15 24
Рекристаллизация холоднодеформируемого никеля начинается с температу-
ры около 500° С. Поэтому при повышенных температурах происходит его зна-
Степерь деформации
Рис. 62. Изменение механических
свойств никеля под действием холод-
ной пластической деформации
чительное разупрочнение.
Многие элементы образуют с никелем
сплавы — твердые растворы, характеризую-
щиеся хорошим комплексом механических и
физических свойств.
Обычными примесями в техническом ни-
келе являются: железо (до 0,7%), кобальт
(до 1%), медь (до 0,6%), кремний (до
0,2%), углерод (до 0,3%), сера и кислород.
Углерод, сера и кислород являются вредны-
ми примесями. Так сера вызывает красно-
ломкость никеля — вследствие образования
сульфида, дающего с никелем легкоплавкую
эвтектику, расположенную по границам зе-
рен.
Марки никеля, выпускаемые в СССР,
представлены в табл. 144.
Никель обладает весьма высокой корро-
зионной стойкостью. В атмосфере воздуха
скорость коррозии никеля составляет
0,0025—0,025 мм!год.
Вода (речная и морская) слабо дейст-
вует на никель. Растворы нейтральных и щелочных солей в воде могут разъ-
едать поверхностный слой никеля до глубины 0,1 мм!год. Соли, содержащие
свободный хлор, могут сильно разрушать никель. Щелочные растворы, содер-
Таблица 144
Химический состав |в °/d) марок чистого никеля
Марка никеля Ni + СО (не менее) В том числе Со (не более) Примесей не более
Fe | Si с 1 s 1 с
НО 99,8 0,2 0,04 0,002 0,04 0,005 0,06
Н1 99,7 0,3 0, 10 0.005 0,06 0,01 0,10
Н2 98,9 0,4 0,25 0,3 0,10 0,03 0,15
НЗ 98,6 0,75 — — 0,3 0,03 0,6
Н4 97,6 0,9 — — 0,3 0,04 0,6
жащие перекись водорода, не действуют на него. Никель относительно устой-
чив против холодных растворов серной кислоты. В 80%-ной серной кислоте он
разрушается со скоростью 0,1 мм!год. Горячая серная кислота при концентра-
ции более 15% вызывает коррозию никеля со скоростью 0,8 4- 1,2 мм!год.
СПЛАВЫ НИКЕЛЯ 159
Соляная кислота при комнатных температурах разъедает (в зависимости
от концентрации) поверхностный слой никеля со скоростью от 0,25 до
6,00 мм!год. Соляная кислота при повышенных температурах действует на
никель более интенсивно. Уже при концентрациях 2% и выше происходит за-
метное разрушение никеля. Сернистая кислота также сильно действует на ни-
кель, но еще сильнее действует азотная кислота. Органические соединения
(кислые, щелочные) практически не разрушают никель. Никель стоек также
против воздействия холодных и горячих щелочей.
В табл. 145 приводятся скорости коррозии никеля в различных средах.
Таблица 145
Скорость коррозии никеля в различных средах
Среда Концентра- ция в % t в °C Скорость коррозии в мм^од Среда Концентра- ция в % t в °C Скорость коррозии в мм!год
Серная кислота 5 5 20 20 95 30 102 20 105 20 0,06 0,84 0,1 2,82 1 ,8 Сероводород- ная вода Насыщен- ный раствор 25 0,048
Растворы нейтральных и щелочных солей — При нагре- вании 0,013
Соляная кислота 10 20 30 1 5 30 30 30 100 100 0,25 1 2 17 146
Хлористый натрий Насыщен- ный раствор 95 0,053
Двухлористый этилен С водным слоем 2 5 0,01
Сернистая кислота 1 20 1,4
Уксусная кислота 50 50 20 Кипе- ния 0,25 0,48
2. СПЛАВЫ НИКЕЛЯ
Сплавы никеля широко применяются в технике для изготовления., труб,
лент, проволоки. Эти сплавы находят достаточно широкое применение в неф-
тяной и нефтехимической промышленности.
Наибольшее распространение нашли сплавы никеля с медью, которые об-
разуют между собой непрерывный ряд твердых растворов.
В качестве представителя сплавов никеля с медью можно назвать сплав,
содержащий 67—69% Ni, 28% Си, 1,5—2,5% Fe и 1—2% Мп. Этот сплав, из-
вестный под названием монельметалл, характеризуется очень высокой проч-
ностью и пластичностью, обладает хорошими антикоррозийными свойствами.
Монель-металл широко используется в нефтехимическом аппаратостроении.
Однако высокая коррозионная стойкость этого сплава имеет место лишь
тогда, когда монель-металл работает без контакта с другими металлами, или
сплавами.
Широко применяются никелевые сплавы для изготовления ответственной
аппаратуры и изделий, работающих в области высоких температур. В нагрева-
телях электропечей и других нагревательных аппаратах широко применяются
сплавы никеля с хромом — нихромы. Так, нихром марки Х15Н60 содержит
55—61% Ni + Со, 15—18% Сг, 1,2% Мп и остальное железо (ГОСТ 492—52).
В табл. 146 приводятся химический состав и механические свойства неко-
торых сплавов никеля.
Механические свойства сплавов определялись после термической обработки
(нагрев 1200°С, охлаждение в воде).
160 НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ
Химический состав [в %) и механические свойства сплавов никеля
Таблица 146
Марка сплава Мо Ni Fe W Сг V ° в I 2 s 1 Ф
в кГ/мм2 в %
Н70М27 (ЭП 495) .... 25—29 1 ,5 — 85 40 43 60
Н70М27Ф (ЭП496) .... 25—29 о 4,0 — — 1,4— 1 ,7 95 45 45 —
Х15Н55М16В (ЭП 375) 15—17 н 7,0 3,0 — 4,5 14,5— 16,5 0,35 85 42 35 50
ХЮН80ТЗ (ЭИ 437) . . . — О — Ti = = 2н-3 20 — 80 — 40 50
Большая группа сплавов на никелевой основе применяется для деталей,
работающих при температуре 700-4-980° С. При более высоких температурах
прочность никелевых сплавов снижается настолько, что использование их в ус-
ловиях значительных напряжений становится неэффективным.
Распространенным материалом для печей, камер сгорания является сплав
Х20Н80ТЗ. Механические свойства этого сплава при различных температурах
приведены в табл. .147.
Таблица 147
Механические свойства сплава Х20Н80ТЗ при различных температурах
Температура в 0 С в кГ/мм2 8 в % Температура в °C в кГ/мм2 8 в %
20 80 40 800 18 70
600 60 40 1000 7 95
Никельмолибденовые и никельхромомолибденовые сплавы, обладая высокой
коррозионной стойкостью в соляной и серной кислотах, применяются для соз-
дания современного оборудования для производства пропилена, полифосфор-
ных кислот, метафосфата калия, процессов пиролиза, органического синтеза
и др.
В табл. 148 приводятся данные по коррозионной стойкости некоторых ни-
келевых сплавов в серной и соляной кислотах.
Таблица 148
Коррозионная стойкость некоторых никелевых сплавов
Среда Концен- трация в % t в °C Средняя скорость коррозии в мм!год
Н70М27Ф Н15Н55М16В
Серная кислота 10 95 Кипения 0,106 0,035 0,274 0,376
50 95 Кипения 0, 106 0,294 0,417 11,55
93 95 Кипения 0,02 7,3 0,17 4,35
Соляная кислота 5 70 95 Кипения 0,2 0,126 0,42 2,37 4,47
21 Кипения 0,5 —
ПРИМЕНЕНИЕ НИКЕЛЯ В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 161
3. ПРИМЕНЕНИЕ НИКЕЛЯ И ЕГО СПЛАВОВ В НЕФТЯНОЙ
И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Никелевые сплавы находят применение в тех случаях, когда от металла тре-
буется большая коррозионная стойкость, в сочетании с высокими механичес-
кими свойствами или высокой жаростойкостью.
Так, для защиты морских буровых оснований от коррозии применяются
футляры из монель-металла, предохраняющие от разрушения стальные сваи в
зоне, имеющей переменный уровень морской воды (зона прилива и отлива).
В США для изготовления антимагнитных переводников для долота при
вращательном бурении нефтяных скважин применяется монель-металл марки
«К-Монель». Его химический состав: 63% Ni, 29% Си, 2% Fe, 1% Si, 1,0% Мп,
4% Al.
Монель-металл марки «К-Монель» обладает высокими механическими свой-
ствами: бв = 80+85 кГ1мм2, а0)2 — 60+65 кГ/л/ж2, 6 = 204-25%. Применение
немагнитных переводников позволяет производить магнитную геофизическую
съемку вблизи долота, снаружи стальной бурильной колонны.
Никелевые сплавы «К-Монель» и «S-Монель» применяются для изготов-
ления оборудования газ-лифта для клапанов, насосов, для насосных штанг
глубинных насосов и т. п.
Монель-металл нашел применение в нефтеперерабатывающей и нефтехими-
ческой промышленности. Так, например, на нефтеперерабатывающем заводе
в г. Суэц (ОАР) при переработке агрессивных сернистых Белаимских нефтей
трубчатые пучки и решетки в холодильниках выполнены из монель-металла
(63% Ж 2,5% Fe, 2% Мп, остальное медь). В этих условиях монель-металл
показал хорошую коррозионную стойкость как в среде перерабатываемого
продукта, так и в агрессивной охлаждающей воде (вода Красного моря со-
держит большое количество солей и обладает высокой агрессивностью).
В процессе эксплуатации бензиновых кожухо-трубчатых конденсаторов с
трубками, изготовленными из монель-металла, выяснилось, что с экономичес-
кой точки зрения целесообразно применение никелевого сплава при переработ-
ке агрессивных сернистых нефтей. Если трубчатые пучки из монель-металла в
этих условиях служат (по данным Суэцкого нефтеперерабатывающего завода)
450 дней, то аналогичные трубки из алюминиевой латуни в этих условиях слу-
жат не более 300 дней [188].
За рубежом в оборудовании вакуумной переработки нефти ряд теплообмен-
ных аппаратов и ребойлеров изготовляются из никелевого сплава инконель,
устойчивого против сероводородной коррозии. Сплав инконель имеет следую-
щий химический состав: 72% Ni, до 0,7% Си, 6—10% Fe, до 1,0% Мп, осталь-
ное — хром.
В оборудовании каталитического крекинга, реформинга и гидроочистки ма-
териал в ряде случаев наравне с высокой коррозионной стойкостью должен
обладать высоким сопротивлением износу (решетка реактора, бровик в обо-
рудовании каталитического крекинга, валы плунжера, втулки насосов и т. п.).
В этих условиях хорошие результаты показал сплав колтоллой-6, содержащий
63—67% Ni, 15—22% Сг и 3—6% В.
Сплав имеет высокую поверхностную твердость, так как содержит на по-.,
верхности большое количество боридов хрома.
Для перекачки серной кислоты в процессах алкилации для насосов нашли
применение литейные никелевые сплавы, химический состав которых представ-
лен в табл. 149.
В изомеризационных процессах, идущих с катализатором, 40% А1СОз +
+ 90% SbCl3 хорошо зарекомендовали себя никелевые сплавы хастеллой В
и карронел.
Для процессов, протекающих при температурах порядка 700—760° С, обо-
рудование нефтеперерабатывающих заводов изготовляется в ряде случаев из
никелевого сплава нимоник ДС.
11 Заказ 664
162 НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ
Химический состав (в %) литейных никелевых сплавов
Таблица 149
Сплав Ni Сг Си Fe Si Мп Мо.
Хастеллой Д Лаидаллой 6Р Хастеллой В Карронел Остальное 85 Остальное Остальное 1,0 1,0 2—4 3 0,2- -0.4 20 4—7 5—8 8,5—10 10 1,0 0,7 0,5—1 , 25 6—30 26—30
Химический' состав ‘этого сплава: 36—39% Ni, 17—19% Сг, 2—2,5% Si,.
1,3% Мп, остальное — Fe.
Аппаратура, изготовленная из никелевых сплавов (например, кожухо-труб-
чатые аппараты), обладая высокой коррозионной стойкостью, может иметь
меньший вес за счет уменьшения толщины стенки трубы.
Кроме того, применение никелевых сплавов обеспечит большую надежность
при эксплуатации технологического оборудования укрупненных высокопроизво-
дительных установок. — - -
Наиболее стойким в агрессивных средах конденсационно-холодильного обо-
рудования является монель-металл. В табл. 150 приводятся сравнительные
Таблица 150
Сравнительная стойкость различных
металлов в растворе соляной кислоты,
насыщенной сероводородом
Материал Скорость коррозии в мм!год
Углеродистая сталь 17,8
Сталь Х17Т 15,2
Сплав АМг-3 13,1
Сталь 1Х18Н9Т 11,5
Оловянистая латунь ЛО-70-1 0,38
Монель-металл 0,19
Рис. 63. Скорость коррозии различных металлов
в морской воде при различных температурах:
1 — сталь 10; 2 — мельхиор; 3 —- монель
данные о скорости коррозии ряда металлов в 0,050 N растворе соляной кисло-
ты, насыщенной сероводородом при температуре 70° С, т. е. в условиях, близ-
ко имитирующих наиболее агрессивную среду, воздействующую на конденса-
ционно-холодильное оборудование нефтеперерабатывающих заводов.
Из таблицы видно, что монель- металл обнаруживает коррозионную стой-
кость, во много раз превышающую стойкость нержавеющих хромистых и хром-
никелевых сталей, а также приблизительно в 10 раз превышает стойкость ла-
туней.
Результаты сравнительных коррозионных испытаний ряда материалов в
морской воде, используемой в качестве охлаждающего агента, представлены
на рис. 63.
ПРИМЕНЕНИЕ НИКЕЛЯ В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 163
Все это свидетельствует о необходимости широкого внедрения никель-мед-
ного сплава — монеля в качестве материала для труб и облицовки корпусов
конденсаторов, соприкасающихся с содержащими соляную кислоту и серово-
дород средами (например, нестабильный бензин), т. е. в условиях, в которых
легированные мышьяком латуни ЛА-77-2 и Л0-70-1 обнаруживают недоста-
точную стойкость. Применение монеля позволит увеличить срок службы обо-
рудования и длительность межремонтных периодов в несколько раз.
В США, ФРГ, Англии и Японии широко применяются никелевые сплавы
типа хастеллой. Из этих сплавов изготовляют листы, трубы, сортовой мате-
риал. Кроме высокой кислотоупорности во многих средах, сплавы типа хастел-
лой обладают высокими механическими свойствами: (овр > 90 кГ!мм\ а0)2 >
>40 кГ1мм2), что делает их'ценным конструкционным материалом.
Высокие механические свойства сплава хастеллой достигаются типичной для
никелевых сплавов (нимоник) термической обработкой: воздушная закалка с
последующим старением при 800° С. Однако максимально упрочненное состоя-
ние соответствует минимуму коррозионной стойкости.
Существенным недостатком сплавов типа хастеллой является их склон-
ность к межкристаллитной коррозии [120, 189].
Из никелевых сплавов, подвергнутых специальной термической обработке,
может с успехом изготовляться аппаратура, предназначенная для работы при
сверхнизких температурах [167].
11
Глава V. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
1. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
Алюминий является химическим элементом III группы периодической систе-
мы элементов Д. И. Менделеева; его порядковый номер — 13 и атомный вес
А = 26,97.
Алюминий имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решет-
ку с периодом 4,0414 А. Технический алюминий плавится при температуре
658° С, кипит при 2500° С. Характерная особенность алюминия — его малый
удельный вес (2,72 г/см3), большая пластичность, высокая электропроводность
и теплопроводность.
Алюминий высокой чистоты марки AB0000 содержит не менее 99,996% алю-
миния, технический алюминий марки АЗ содержит не менее 98,0% алюминия.
Химический состав-некоторых марок алюминия показан в табл. 151.
Химический состав алюминия в %
Таблица 151
Марка алюминия Содержание А1 (не менее) Примесей (не более)
Fe | Si Fe + Si Си Всего
AB0000 99,996 0,0015 0,0015 0,0010 0,004
AB000 99,99 0,003 0,0025 — 0,0050 0,010
AB00 99,97 0,015 0,015 — 0,0050 0,030
АВО 99,93 0,04 0,04 — 0,010 0,07
А00 99,7 0,16 0,16 0,26 0,01 0,30
АО 99,6 0,25 0,20 0,36 0,01 0,40
А1 99,5 0,30 0,30 0,45 0,015 0,50
‘ А2 99,0 0,50 , 0,50 0,90 0,02 1,0
АЗ 98,0 1,10 1 , 00 1,8 0,05 2,0
Чем чище алюминий, тем выше его пластичность. Основными примесями
технического алюминия являются железо и кремний, которые снижают плас-
тичность и повышают прочность металла.
В табл. 152 приводятся механические свойства литого алюминия различной
чистоты.
Таблица 152
Механические свойства литого алюминия различной чистоты
Марка алюминия | а0,2 <?-1 S 1 ф НВ
в кГ/мм? в %
AB0000 АЗ 5,0 9,0 3,5 2,0 4,0 50 15 80 65 14 28
КЛАССИФИКАЦИЯ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ 165
Нагартовкой можно значительно повысить прочностные и понизить плас-
тические свойства алюминия.
В табл. 153 показаны механические свойства алюминия марки А2 в отож-
женном и нагартованном состоянии.
Таблица 153
Механические свойства отожженного и нагартованного алюминия
Вид обработки 1 ст0,2 | а—1 1 Е 8 1 1 41 НВ
в кГ/мм2 В %
Отожженный 9,0 3,0 4,0 7200 30 80 25 24—32
Нагартованный 14,0 10,0 5,0 7200 12 60 32 45—60
Для устранения наклепа алюминий подвергают отжигу при температуре
330—360° С.
С повышением температуры испытания, механические свойства алюминия
изменяются.
В табл. 154 показано изменение механических свойств алюминия марки АЗ
в зависимости от температуры.
Таблица 154
Влияние температуры на механические свойства алюминия
Основные механические свойства Температура испытания в °C
20 | 50 | 100 150 200 | 250 300 400
gq в кГ/мм2 8,0 7,4 6,7 5,9 5,0 3,7 2,8 1,2
S в % 40 40 43 48 47 55 65 85
Как видно из таблицы, с повышением температуры прочность алюминия
понижается, а пластические свойства увеличиваются [35].
2. КЛАССИФИКАЦИЯ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ
Существуют две основные группы алюминиевых сплавов: деформируемые
и литейные.
Деформируемые сплавы, в свою очередь, делятся на не упрочняемые терми-
ческой обработкой и упрочняемые термической обработкой.
К сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся однофазные,
состоящие из однородного твердого раствора. Эти сплавы характеризуются
невысокой прочностью и высокой пластичностью. Упрочнение таких спла-
вов может быть достигнуто нагартовкой. Из этой группы сплавов наи-
большее распространение нашли сплавы алюминия с марганцем и алюминия
с магнием.
К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы, обла-
дающие ограниченной растворимостью в твердом состоянии. К этой группе
относятся сплавы алюминия с магнием и кремнием и алюминия с медью и
магнием.
Отличительной особенностью литейных сплавов алюминия является нали-
чие в их структуре эвтектики, которая способствует повышению жидкотекуче-
сти и, следовательно, улучшению литейных свойств. Однако количество
166 АЛЮМИНИИ И ЕГО СПЛАВЫ
эвтектики в структуре сплава должно быть ограничено (не более 15—20% по
объему) из-за ухудшения механических и некоторых технологических свойств.
Среди литейных сплавов наибольший интерес представляют сплавы алюми-
ния с кремнием — силумины. Упрочнение этих сплавов достигается их терми-
ческой обработкой. '
3. ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ,
НЕ УПРОЧНЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Из этой группы сплавов наибольшее распространение нашли сплавы алю-
миния с марганцем и магнием.
Сплавы алюминия с марганцем обычно состоят из бедного марганцем твер-
дого раствора а (содержащего 0,05% марганца) и фазы МпА16. Вредной при-
месью в алюминиево-марганцевистых сплавах является железо, которое спо-
собствует образованию хрупкого химического соединения (FeMn)Al6 и резкому
снижению пластических свойств сплава. Примеси кремния в этом случае вли-
яют положительно, так как кремний связывает железо в более легко дефор-
мирующиеся фазы типа AlFeSi.
Характерными свойствами алюминиево-марганцевистых сплавов является их
высокая коррозионная стойкость, хорошая свариваемость и большая чем у
алюминия прочность.
Механические свойства алюминиево-марганцевистого сплава можно изме-
нить нагартовкой. В табл. 155 показано влияние нагартовки на механические
Таблица 155
Механические свойства сплава марки АМц
Сплав °в 1 а0,2 | а-1 8 в % НВ
• в кГ/мм2 ‘
Отожженный 11,2 3,5 5,5 40 28
Нагартованный 20,4 17,5 7,0 10 55
свойства алюминиево-марганцевистого сплава марки АМц, содержащего 1 —
1,6% марганца.
Таким образом, нагартовкой можно почти в 2 раза ' повысить прочность
алюминиево-марганцевистого сплава.
Механические свойства алюминиево-марганцевистого сплава изменяются
в зависимости от температуры. В табл. 156 показано изменение прочностных
Таблица 156
влияние температуры на механические свойства сплава АМц
Механические свойства в кГ!мм2 Температура испытания в °C
— 160 —49 — 18 24 100 140 | 1 204 260 315
° в 23,0 13,5 12,0 11,2 9,1 7,7 6,0 4,2 2,8
<*0,2 6,00 4,9 4,2 4,0 3,7 3,5 3,0 2,5 1,8
свойств сплава марки АМц, содержащего 1,2% марганца, в зависимости
от температуры.
ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, БЕЗ ТЕРМООБРАБОТКИ 167
Как видно из таблицы, с повышением температуры прочность сплава по-
нижается.
Сплав марки АМц выпускается в виде листов, плит, труб, профилей, прут-
ков и проволоки [173].
Сплавы алюминия с магнием характеризуются высоким сопротивлением
коррозии, хорошей свариваемостью. Механические свойства алюминиево-маг-
ниевых сплавов более высокие, чем у сплавов алюминия с марганцем.
Деформируемые сплавы алюминия с магнием, применяемые в нефтяной,
нефтехимической и газовой промышленности, содержат обычно не более 6—7%
магния. Магний имеет достаточно высокую растворимость в алюминии, поэто-
му сплавы, содержащие до 7% магния, являются практически однофазными и,
следовательно, не подвергаются термической обработке. При содержании в
сплаве более 8% магния они приобретают возможность упрочняться термиче-
ской обработкой. Однако ввиду специфических трудностей горячего деформи-
рования слитков алюминиево-магниевые сплавы, содержащие 8% магния и
более, не нашли практического применения.
Алюминиево-магниевые сплавы склонны к образованию крупного зерна.
Для измельчения зерна в сплавы вводятся специальные добавки марганца,
хрома, ванадия и титана.
Примеси железа и кремния ухудшают свойства сплава, поэтому их содер-
жание не допускается выше 0,5—0,6%. Присутствие меди несколько увеличи-
вает прочностные свойства сплавов, но приводит к ухудшению его коррозион-
ной стойкости. В табл. 157 приводится химический состав и некоторые меха-
Таблица 157
Химический состав (в %) и механические свойства алюминиево-магниевых сплавов
Марка сплава Mg Мп Си Прочие Ge 1 g0,2 | g—1 8 в %
в кГ/мм2
АМг1 0,5—1 ,8 <0,1 8—14 25—30
АМг2 1 ,8—2,8 0,4 <0,1 — 20 10 12 23
АМгЗ 3.2—3,8 0,4 0,5 23 10 —— 21
АМг5В 4,6—5,4 0,4 0,05 V = 0,02—0,2 < >31 15 —
АМгбТ 6—7 0,3- —0,6 0,05 Ti = 0,02-0,2 32 17 — 24
Примечание. Для всех марок алюминиево-магниевых сплавов, кроме АМгбТ, содер-
жание Fe < 0,5%.
нические свойства различных марок алюминиево-магниевых сплавов в отож-
женном состоянии [173].
Механические свойства алюминиево-магниевых сплавов так же, как алюми-
ниево-марганцевистых, можно изменять путем нагартовки (рис. 64). В табл. 158
Таблица 158
Механические свойства алюминиево-магниевых сплавов в зависимости от их обработки
Механические свойства АМг2 АМгЗ
отож- женный полуна- гартованный отож- женный полуна- гартованный
<Ув в кГ/мм2 20 25 23 27
в кГ/мм2 10 20 10 22
* в % 23 6 21 11
168 АЛЮМИНИИ И ЕГО СПЛАВЫ
Рис. 64. Зависимость механических свойств спла-
вов типа AlMg и А1Мп от степени нагартовки
(верхняя кривая — AlMg; нижняя — А1Мп)
показано изменение механичес-
ких свойств сплава марок
АМг2 и АМгЗ в зависимости от
его обработки.
Как видно из табл. 158, в
процессе нагартовки повышают-
ся прочность и снижаются плас-
тические свойства алюминиево-
магниевых сплавов.
Механические свойства алю-
миниево-магниевых сплавов из-
меняются и в зависимости от
температуры испытания. В
табл. 159 показана эта зависи-
мость для сплавов марок АМгЗ,
АМг5В и АМгбТ (поставлен-
ных в отожженном состоянии).
С повышением температуры прочность сплавов снижается. Особенно силь-
ное снижение прочности наблюдается при температурах 150—200° С. Поэтому
алюминиево-магниевые сплавы применяются обычно при температурах не
выше 150° С.
Таблица 159
Влияние температуры испытаний на механические свойства алюминиевого сплава
Марка сплава Температу- ра испыта- ния в °C 1 а0, 2 5 в % Марка стали Температу- ра испыта- ния в °C % 1 I а0," 5 в %
В КГ в кГ '/мм2
— 193 33 10, 1 43 — 193 42,0 16,9 41 ,6
— 100 31,2 14,9 35,0
—74 23 9,5 29 АМгбВ —50 30,2 14,2 30,0
-50 22,6 9,7 25,6 20 100 31,5 2'9,4 15,1 13,7 27,3 4 2,3.
АМгЗ -20 100 23,4 23,1 9,7 10,0 21,9 22,7 200 300 16,3 7,8 11,7 7,4 67,7 106,7
150 19,3 10,0 44,0 20 32,5 17,0 24,5
200 100 30,6 15,0 31,5
14,0 9,2 51,9 АМгбТ 150 25,0 13,5 37,0
250 8,6 7,2 73,2 200 250 19,5 16,0 12,5 10,5 43,5 45,8.
300 6,2 5,9 89,0 300 14,0 9,5 48,0
Из алюминиево-магниевых сплавов изготовляются листы, профили, трубы п
прутки.
4. ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ,
УПРОЧНЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Сплавы, упрочняемые термической обработкой, относятся к сплавам, обла-
дающим ограниченной растворимостью в твердом состоянии, предел раствори-
мости которых меняется с изменением температуры. Задача термической об-
работки заключается в фиксации при комнатных температурах пересыщенного1
твердого раствора. Это достигается нагревом сплава до температуры, обеспе-
чивающей получение равновесного однородного твердого раствора и последу-
ющим быстрым охлаждением (закалка).
При длительных выдержках закаленного сплава при комнатных температу-
рах происходит его естественное старение. Старение сопровождается самопро-
ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ С ТЕРМООБРАБОТКОЙ 169
Рис. 65. Диаграмма состояния сплавов.
Al — Mg—Si (по Диксу и Келлеру)
извольным переходом закаленного
твердого раствора в более устойчивое
состояние. При повышении температу-
ры выдержки процесс распада твер-
дого раствора идет быстрее (искусст-
венное старение). Процессы старения
сопровождаются упрочнением сплава.
К числу наиболее важных и рас-
пространенных сплавов, упрочняемых
закалкой с последующим старением,
относятся сплавы алюминия с магни-
ем и кремнием, с медью, магнием и
цинком, с медью и магнием.
Сплавы алюминия с магнием п
кремнием принадлежат к тройной си-
стеме А1—Mg—Si и лежат обычно
вблизи квазибинарного разреза А1—
Mg2—Si в области концентрации с
избытком кремния (рис. 65). Закалка
грева сплава в интервале температур 530—550° С. Наибольший эффект упроч-
нения наблюдается при искусственном старении при температурах 140—160° С
в течение 6—10 ч.
Химический состав и механические свойства сплавов алюминия с магнием
и кремнием после закалки и старения приведены в табл. 160.
Таблица 160
этих сплавов осуществляется после на-
Химический состав (в %| и механические свойства сплавов АВ и АК-5
Марка сплава Mg Si ав 1 °0,2i |<?-1 8 1 Ф НВ
в кГ1мм2 В %
АВ АК-5 0,4 5—0,9 0,6—0,9 0,5-1 ,2 0,6—1,2 22 23 12 28 7,5 22 12 50 20 65 95
Примечание. Механические свойства сплава марки АВ приведены после закалки и
естественного старения, сплава марки АК-5 —после закалки и искусственного старения. Для
сплавов АВ и АК-5 содержание меди равно 0,2—0,6%.
Сплавы алюминия с медью и магнием (типа дуралюминий) принадлежат
к тройной системе А1—Си—Mg. Упрочняющими фазами в них являются сое-
динения СиА12 и Al2CuMg. Обычным видом термической обработки дуралю-
минов является закалка и старение. В табл. 161 приводится химический состав
и механические свойства некоторых марок дюралюминия после термической
обработки.
Таблица 16 Ь
Химический состав (в %) и механические свойства дюралюминия
Марка сплава Си Mg Мп А1 | а0,2| <7—1 8 1 ф НВ
в кГ/мм2 в %
Д1 3,8—4,8 0,4—0,8 0,4—0,8 <и о я 42 24 10 18 35 100
Д16 3,8—4,9 1 , 2—1,8 0,3—0,9 я t; 43 30 1 1 18 30 105
Д18П 2,2—3,0 0,2—0,5 —— СО 30 17 10 24 50 70
Д6 4.6—5,2 0,6—1 ,0 0,5—1 ,0 О 47 33 12 17 30 105
170 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Термическая обработка для упрочнения дюралюминия сводится к следую-
щим операциям:
закалка с охлаждением в воде. Температура нагрева для сплава Д1—505—
510° С, для сплавов Д6 и Д16—495—503° С; естественное старение. В резуль-
тате старения при комнатной температуре, дюралюминий приобретает высокие
механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии.
На рис. 66 показано влияние длительности процесса старения на изменение
.предела прочности дюралюминия. Понижение температуры тормозит процесс
старения, повышение температуры, наоборот, ускоряет этот процесс. Однако
искусственное старение при повышенных температурах не обеспечивает полу-
чения максимальных свойств и сни-
мин день нед. нес. год лет.
Рис. 66. Зависимость прочности дюралю-
миния от продолжительности естествен-
ного старения
Следует отметить, что сплавы типа
ханические свойства.
жает сопротивление коррозии.
Кратковременный нагрев наклепан-
ного дюралюминия при 250—270° С
после естественного старения, вновь
возвращает сплаву свойства, получен-
ные в результате закалки — возврат.
Процесс возврата используется в
практике вместо вторичной закалки
при холодной штамповке состаривше-
гося дюралюминия.
Представителем высокопрочных
алюминиевых сплавов является сплав
марки В95. Он имеет следующий хи-
мический состав: 6% Zn; 2,3% Mg;
1,7% Си; 0,4% Мп, 0,2% Сг.
После закалки с температур 460—
480° С и искусственного старения при
120—150° С в течение 10—12 ч сплав
приобретает следующие механические
свойства: ов = 60 кГ!мм2, а©,2 =
= 55 кГ/мм\ б = 12%, НВ 150.
В95 могут иметь и более высокие ме-
Сплав В95 часто применяют в плакированном состоянии вследствие склон-
ности его коррозионному разрушению.
Для создания жестких и прочных конструкций (например, вышка буровой
установки) применяемые материалы должны обладать высоким модулем уп-
ругости в сочетании с высокой прочностью.
Термическая обработка, холодная и горячая деформация не оказывают
существенного влияния на величину модуля упругости деформируемых алюми-
ниевых сплавов.
Единственным путем, существенно повышающим модуль упругости, являет-
ся легирование алюминиевых сплавов элементами, обладающими высоким
модулем упругости.
К таким элементам относятся бериллий (Е = 31 000 кГ1мм2) и кремний
(Е = 11 950 кГ1мм2). Легирование алюминия кремнием неэффективно, так как
для повышения модуля упругости алюминиевых сплавов пришлось бы вводить
•более 50% Si.
Наиболее эффективной добавкой для повышения модуля упругости алю-
миниевых сплавов является бериллий.
Для повышения модуля упругости в 1,5—2 раза надо ввести в алюминие-
вый сплав бериллия больше, чем его содержится в эвтектическом спла-
ве (рис. 67).
Высокомодульные алюминиево-бериллиевые сплавы имеют достаточную тех-
нологическую пластичность и прессуются, катаются и штампуются значительно
лучше, чем чистый бериллий. При высоких содержаниях бериллия двойные
ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ С ТЕРМООБРАБОТКОЙ 171
сплавы А1—Be имеют высокий модуль упругости, но обладают недостаточной
прочностью, и малым сопротивлением ползучести.
Так, при 40% Be предел прочности двойных сплавов в отожженном состоя-
нии не превышает 20—30 кГ/мм2 при относительном удлинении, равном
14-18%.
Для повышения предела прочности сплавов содержание бериллия увеличи-
вают до 57—76%. Однако при этом заметно снижается пластичность. Так, на-
шример, прессованный сплав, содержащий 64% Be, имеет в отожженном со-
стоянии ое — 37 кГ1мм2, 6 = 9%, Е = 20 000 кГ1мм2.
В зависимости от содержания легирующих добавок и бериллия в СССР по-
лучены два типа высокопрочных и
высокомодульных сплавов на осно-
ве системы алюминий—бериллий:
сплавы, не упрочняемые терми-
ческой обработкой, с Ов — 40 4-
4- 60 кГ!мм\ д = 84-20%, Е =
= 10 0004-18 000 кГ1мм2 при содер-
жании 154-60% Be и с суммой
других добавок до 15%;
сплавы, упрочняемые термичес-
кой обработкой с . (Зв — 52 4-
— 69 кГ!мм2, 6 = 84-1%, Е =
= 11 500 4- 14 500 кГ1мм2 при 15-
40% Be с суммой других добавок
до 10%.
В США также применяются
сложнолегированные сплавы на
алюминиево-бериллйевой основе,
.подвергаемые термической обра-
ботке. .
Однако общий уровень механических
чительно выше, чем американских (табл. 162).
Рис. 67. Диаграмма состояния сплавов
Al — Be
свойств отечественных сплавов зна-
Таблица 162
Свойства отечественных и американских алюминиево-бериллиевых сплавов [174]
Вид полуфабриката Терми- ческая обработка Отечественные Американские
ав3 кГ/ммг 8 в % Е в кГ/мм2 «в в кГ/мм* 8 в % Е в кГ/мм*
"Прессованный . Закалка и старение 65 8 13 500 38,9 7 16 700
Лист Отжиг 48 12 13 500 42,7 12 17 500
Прессованный (сплав лок- аллой) Отжиг 52 12 18 120 . 30,0 . . .9 . 18 000
Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, характеризуются тем,
•что они способны выдерживать длительные нагревы до 500° С без изменения
своих механических свойств.
При применении алюминиево-бериллиевых сплавов в конструкциях, для ко-
торых решающим расчетным критерием является жесткость (модуль упруго-
сти), можно получить снижение веса конструкций на 20—50%.
172 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
5. ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности находят приме-
нение литейные алюминиевые сплавы, обладающие высокой коррозийной стой-
костью и малым удельным весом.
Наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием, маг-
нием и медью.
Сплавы алюминия с кремнием (силумины), содержащие 9—13% кремния,,
обладают высокой жидкотекучестью и хорошо отливаются в форму. Эти спла-
вы характеризуются достаточно высокой коррозионной стойкостью. Для по-
вышения механических свойств силуминов их дополнительно легируют маг-
нием, медью и марганцем. Наличие в сплаве присадок магния и меди приво-
дит к образованию соединений СиА12 и Mg2Si, а также А1—Си—Mg—Si (так
называемой W-фазы), которые в процессе термической обработки (закалка и
старение) упрочняют сплавы. Содержание меди в силуминах не должно быть,
больше 3%, так как в противном случае резко понижаются пластические и*
коррозионные свойства сплава. Вредной примесью в силуминах является же-
лезо, образующее с алюминием и кремнием тройные фазы a (Fe2SiAl7 и
и FeSiAU). Наличие этих фаз, а также FeAl3, снижает прочность и пластиче-
ские свойства сплавов этой группы. Для борьбы с вредным действием железа
в сплавы добавляют марганец (обычно не больше 0,5%).
Повысить механические свойства силуминов можно за счет модифицирова-
ния их небольшим количеством натрия.
В табл. 163 и 164 приводится химический состав и некоторые механические
Таблица 163
Химический состав и механические свойства литейных алюминиевых сплавов
Химические свойства сплавов в %
Элементы АЛ2 | АЛ4 АЛ9 | АЛ8 № 1 | АЛ 27-1
Mg 0, 17—0,3 0,2—0,4 9,5—11,5 10,5 10,5—11,5,
Si 10-13 8—10,5 6—8 0,3 —
Be — — 0, 1 0,05—0,2
Ti —» — 0, 1 0,05—0, 15
Мп До 0,5 0,25—0,5 До 0,5 До 0,1 — 0,05—0,2
Средние механические свойства литейных алюминиевых сплавов
Таблица 164
Режим термообработки
Свойства Без термо- обработки АЛ2 Закалка -f- старение Закалка
АЛ 4 АЛ9 АЛ8 № 1 | АЛ 27-1
в кГ/мм2 18 26 22 30 38 35
8 в % 6 4 4 12 20 15
ан в кГ^м/см2 0,5 0,4 0,4 1,5 2,0 2,0'
НВ 55 70 70 70 90 75
свойства литейных алюминиевых сплавов, которые применяются в нефтяной
и химической промышленности.
Сплав алюминия с магнием марки АЛ8 применяется для изготовления де-
талей с высокими механическими свойствами и хорошей коррозионной стой-
костью. Для борьбы с окислением в сплавы типа АЛ8 рекомендуется,добан-
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 173
лять небольшие количества бериллия, а для измельчения структуры — неболь-
шие добавки титана.
С повышением температуры испытания прочность литейных алюминиевых
сплавов снижается. В табл. 165 показано изменение предела прочности ряда
литейных алюминиевых сплавов в зависимости от температуры испытания.
Таблица 165
влияние температуры
на прочность литейных алюминиевых сплавов
Температу- ра испы- тания в °C Значение предела прочности в кГ/мм2 для сплавов марки
АЛ2 | АЛ4 АЛ8 | АЛ9
20 28 26 30 22
200 15 16 22 14
250 13 14 15 1 1
300 8 10 9 9
/мм?
Рис. 68. Зависимость механических свойств
сплавов системы А1 — Si — Mg — Be и
Al — Si — Mg от содержания титана:
1 — сплав с 0,3% Be; 2 — сплав без бе-
риллия
Благоприятное влияние на свойства литейных алюминиевых сплавов оказы-
вает бериллий, когда его содержание не превышает 0,5—-1,0%. Дальнейшее
повышение количества бериллия способствует значительному росту зерна. Для
измельчения структуры силуминов, содержащих бериллий, необходимо допол-
нительное модифицирование. Введение в алюминиевые сплавы некоторых туго-
плавких компонентов (титана, циркония и др.) вызывает сильное измельчение
зерна [2].
Так, например, добавка 0,25—0,30% титана, измельчая зерно, повышает
механические свойства литейного сплава (рис. 68).
6. КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В связи с широким применением алюминия и его сплавов в нефтяной, неф-
техимической и газовой промышленности особый интерес представляет их кор-
розионная стойкость в средах, наиболее характерных для этих отраслей про-
мышленности.
На воздухе поверхность алюминия быстро теряет металлический блеск, по-
крываясь тонкой и прочной защитной пленкой, состоящей из окиси алюминия.
Защитная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. Толщина
защитной пленки обычно 50—70 А. Чистый атмосферный воздух не вызывает
коррозии алюминия. В загрязненной атмосфере промышленных городов, а так-
же на морском побережье происходит заметная коррозия алюминия. Однако
с течением времени скорость ее уменьшается: если для первых шести месяцев
коррозия составляет 1—2 мм/год, то в дальнейшем снижается до 0,1 мм!год
и меньше [215].
Вода обычно способствует коррозии алюминия. Однако в некоторых случа-
ях, разбавляя и вымывая с поверхности алюминия осадки, вызывающие кор-
розию, вода может уменьшать скорость последней. Если мягкая вода не при-
водит к значительному коррозионному разрушению, то жесткая вода часто
174 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
вызывает точечную коррозию алюминия или его сплавов. Присутствие в воде*
(как мягкой, так и жесткой) меди увеличивает коррозию алюминия. Щелочные
воды также разрушают алюминиевые изделия. С повышением температуры
скорость коррозии алюминия и его сплавов в жидкой среде обычно возрастает.
Но иногда нагрев может оказать и благоприятное действие, ускоряя высыха-
ние поверхности, подвергающейся коррозии, т. е. сокращая соприкосновения
коррозионной среды с поверхностью алюминия.
Движение коррозионной жидкости также увеличивает скорость коррозии
алюминия, но в некоторых случаях движение агрессивной жидкости может не-
повышать точечной коррозии алюминия, а даже снижать скорость коррозии
вследствие предотвращения или уменьшения выпадения осадка, вызывающего'
разрушение металла.
Коррозионная стойкость алюминия в зависимости от типа и характера поч-
вы изменяется в широких пределах. Коррозия алюминия во влажной почве-
обычно наблюдается в виде точек или местных поражений, сопровождающихся
небольшой потерей веса металла.
Значительный интерес представляет коррозионная стойкость алюминия в
средах, встречающихся на нефтехимических заводах.
В табл. 166 показана скорость коррозии алюминия марки А00 в растворе
Таблица 166
Скорость коррозии алюминия марки АОО в мм/год
Среда Температура испы- тания в °C Среда Температура испы- тания в °C
20 50 70 20 50 70
Муравьиная кислота. Концентрация в %: 5 25 0,046 0,056 0,434 0,701 2,28 2,84 Пропионовая кисло- та. Концентрация в %: 5 0,010 0,092
50 0,037 0,590 1,72 25 0,011 0,094
86 0, 190 0,765 0,83 50 0,014 0,088 —
ряда жирных кислот.
Как видно из таблицы, алюминий можно использовать для изготовления
аппаратуры, соприкасающейся с указанными жирными кислотами при темпе-
ратурах до 50° С. При более высокой температуре коррозионная стойкость
алюминия резко ухудшается.
В табл. 167 приводятся данные о коррозионной стойкости алюминия марки
АВО в солянокислых средах в присутствии сероводорода и без него.
Таблица 167
Скорость коррозии алюминия марки АВО в мм/год
Среда Температура испытания в °C 1 Среда Температура испытания в °C
30 50 70 1 90 30 50 70 | 90
HC1(N) HC1(N) 4- на-
0,0001 0,12 0,27 0,28 0,29 сыщенный
0,0005 0, 15 0,37 0,41 0,44 раствор се-
0,001 0, 16 0,54 0,70 0,80 роводорода
0,005 0,37 1,43 3,20 3,80 0,0001 0,15 0,34 0,35 0,36
0,01 0,51 1,95 4,00 10,80 0,0005 0, 19 0,46 0,50 0,53
0 ,05 0,65 3,85 11,20 33,56 0,001 0,21 0,65 0,75 0,85
0,10 0,92 4,99 51,50 91,90 0,005 0,31 1,10 2,65 4,45
0,01 0,39 1,19 3,64 8,23
0,05 0,56 2,84 7,51 29,80
0, 10 2,45 22,0 60,2 95,5
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 175
Из таблицы видно, что в условиях солянокислых сред, особенно в средах^
содержащих дополнительно сероводород, алюминий подвергается значитель-
ному коррозионному разрушению. Таким образом, с повышением температуры
испытания скорость коррозии алюминия резко возрастает.
Примеси, присутствующие в техническом алюминии, оказывают существен-
ное влияние на его коррозионную стойкость. Наиболее нежелательные приме-
си в техническом аллюминии — железо и медь. Они приводят к быстрому кор-
розионному разрушению алюминия.
Примеси элементов, обладающих отличными от алюминия электродными
потенциалами, приводят к образованию местных зон вызывающих более быст-
рое коррозионное разрушение по сравнению с коррозионным разрушением
чистого алюминия.
Значительный интерес представляет коррозионная стойкость алюминия в
контакте с другими металлами.
Цинк является анодом по отношению к алюминию и, следовательно, на
воздухе и в большинстве вод защищает его при взаимном контакте. Однако
в контакте с оцинкованным железом цинковый слой может быстро разру-
шиться до обнажения железных участков, которые в паре с алюминием спо-
собны вызвать его коррозионное разрушение.
Кадмий является слабым катодом по отношению к алюминию. Поэтому
кадмиевые покрытия достаточной толщины можно применять для защиты
алюминия при контакте его с другими металлами.
В обычной атмосфере и в воде допускается контакт между нержавеющей-
сталью и алюминием. ‘Однако в соленых или пластовых водах при аналогич-
ном контакте алюминий может разрушаться.
При соединении алюминия со сталью или железом последние во избежа-
ние гальванической коррозии должны покрываться специальными защитными*
покрытиями (кадмием, цинком).
Медь и ее сплавы при контакте с алюминием представляют неблагоприят-
ную пару.
За последнее время алюминий и его сплавы стали применяться в качестве-
материала деталей облегченных буровых установок, предназначенных для бу-
рения нефтяных и газовых скважин.
В связи с этим значительный интерес представляет поведение алюминия и-
его сплавов в щелочных средах глинистых растворов, применяемых в процес-
се бурения.
В табл. 168 показана скорость коррозии алюминия и алюминиевых сплавов^
при температуре 25° С в средах двух глинистых растворов.
Таблица 168
Коррозионная стойкость стали, алюминия и его сплавов
в глинистых растворах
Марка материала Скорость коррозии в мм!год
Глинистый раствор, содержащий 30% глины и 0, 1 % NaOH Глинистый раствор, содержащий 37% глины и 10% УШР
Ст. 3 0,010 0,008
АМг1 0,370 0,020
АМгЗ 0,280 0,020
АМгбВ 0,310 0,026
АЛ9 0,570 0,061
Из таблицы видно, что коррозионная стойкость алюминия и его сплавов
зависит от химического состава глинистого раствора. Так, в глинистом раство-
ре, содержащем 37% кудиновской глины и 10% УЩР (углещелочный реагент,.
176 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
содержащий 15 г угля и 2 г iN'aOH на 100 см3 воды), скорость коррозии в не*
сколько раз меньше, чем в среде другого глинистого раствора.
Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов в средах глинистого рас-
твора ниже коррозийной стойкости углеродистой стали.
С повышением температуры испытания в глинистом растворе коррозионная
стойкость алюминиевых сплавов еще более снижается.
В процессе испытания было замечено, что вначале коррозия алюминия и
его сплавов идет с большой скоростью, затем скорость со временем умень-
шается.
Для снижения степени коррозионного разрушения алюминия и его сплавов
в средах глинистого раствора рекомендуется в последний вводить добавки
жидкого стекла.
В табл. 169 представлены результаты коррозионного испытания алюминие-
Таблица 169
Коррозионная стойкость сплава АМг1 в глинистом растворе
Время испытания в ч Скорость коррозии в мм! год
Глинистый раствор, содержащий 30% глины Глинистый раствор, содержащий 37% глины
без жидкого стекла с жидким стеклом без жидкого стекла с жидким стеклом
10 0,300 0,015 0, 089 0,007
100 0,07 0,010 0,020 0,005
вого сплава марки АМг1 при температуре 50° С в глинистых растворах с до-
бавками и без добавок жидкого стекла. (В первом случае на 1000 см3 глинис-
того раствора добавлялось 5 см3 жидкого стекла).
Из таблицы видно, что добавление 0,5% жидкого стекла к глинистому рас-
твору значительно повышает коррозионную стойкость алюминиевых сплавов,
которые в этом случае не уступают по коррозионной стойкости углеродистой
стали.
В связи с применением труб из алюминия и его сплавов при сооружении
трубопроводов, представляет интерес почвенная коррозия этих труб.
Для сплавов АМгб и В-92, а также для алюминия марки А00 наиболее
сильная коррозия наблюдается в глине и сильно обводненном песке (влаж-
ность 18—20%). Наименее агрессивен торф.
Сплав В-92 менее коррозионноустойчив, чем сплав АМг-6.
Исследование сплавов АМг-6 и В-92, заложенных в один и тот же грунт
на разную глубину и в разные грунты (песок, глина), граничащие друг с дру-
гом, показали чрезвычайную чувствительность этих сплавов к неравномерной
аэрации. Установлено, что в глине сплавы являются анодами, а в песке — ка-
тодами. Потери веса в глине примерно в 10 раз больше, чем в песке.
Солончаковый грунт, по данным полуторагодичных полевых испытаний,
вызывает образование коррозионных язв глубиной до 1,3—1,5 мм.
В большинстве грунтов алюминиевые трубопроводы необходимо защищать
от коррозии.
Без защитных покрытий трубопроводы можно укладывать в однородные,
хорошо аэрируемые нейтральные грунты при условии неглубокого заложения.
В табл. 170 на рис. 69 приводятся данные по коррозионной стойкости алю-
миния и алюминиевых сплавов в различных естественных грунтах [28].
Чтобы определить возможность применения алюминия и алюминиевых
сплавов для изготовления аппаратуры нефтеперерабатывающих и нефтехими-
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 177
Таблица 170
Рис. 69. Коррозионная стойкость
алюминия и алюминиевых спла-
вов в естественных грунтах:
1 — глина; 2 — торф; 3 — песок
Коррозионная стойкость алюминиевых
сплавов в естественных грунтах
Грунт Потери веса за 13 месяцев в а/л*2
Сплав АМг-6 Сплав В-92 Алюми- ний А00
Песок 1,6 7,5 9,6 5,53 5,43 3,72 0,80 9,60 17,40
Торф 2,34 2,84 2,68 3,67 3,41 3, 18 2, 15 2,28 0,72
Глина 13,6 14,1 13,9 10,26 12,15 12,72 12,82 12,98 14,79
ческих заводов необходимо знать их коррозийную стойкость в средах, харак-
терных для работы этих аппаратов.
Исследования были проведены на техническом алюминии марки А1 и алю-
миниевых сплавах марок АМгЗ, АМг5В, АЛ9 и АЛ6 в отожженном состоянии.
Для сравнения вместе с алюминием и его сплавами исследовалась корро-
зионная стойкость углеродистой стали марки Ст.З и нержавеющей стали марки
1Х18Н9Т.
Эти материалы испытывались в нижних (жидкая фаза) и верхних (газовая
фаза) частях резервуаров сырой и обессоленной нефти.
Анализ проб, взятых из резервуаров, показал, что в нижней части емкости
сырой нефти находилась влага (до 8%), содержащая 130—180 мг солей на
1 л. В верхней части той же емкости было обнаружено до 0,2% сероводорода.
Температура среды в резервуаре сырой нефти в процессе испытания колеба-
лась в пределах 1—25° С.
В нижней части резервуара обессоленной нефти содержалось 1,22% общей
серы и 0,5% влаги, в которой присутствовало 60—100 мг солей на 1 л. В верх-
ней части этого резервуара содержалось 0,2—0,7% сероводорода, до 0,5%
12 Заказ 664
178 АЛЮМИНИИ И ЕГО СПЛАВЫ
углекислого газа, 5—7% кислорода, 20—25% азота, остальное — углеводороды.
Температура среды в процессе испытания колебалась в пределах 20—50° С.
Интенсивность коррозии оценивалась в условных значениях средних скорос-
тей коррозии по отношению к скорости коррозии углеродистой стали. Средняя
скорость коррозии углеродистой стали была принята за 100. Результаты кор-
розионных испытаний представлены в табл. 171.
Таблица 171
Коррозионная стойкость различных материалов в средах резервуаров
Условия испытаний Марка материала
Ст. 3 1Х18Н9Т А1 АМгЗ АМг5В АЛ6 | АЛ9>
Резервуар сырой нефти: верхняя зона 100 15 2 3 16 10 5
нижняя зона 100 25 5 9 28 23 16
Резервуар обессоленной нефти: верхняя зона 100 63 8 4 43 47 16
нижняя зона 100 30 90 НО 1390 — —
Исследование показало, что по сравнению с углеродистой сталью алюми-
ний и все испытанные марки алюминиевых сплавов, во всех случаях, имеют
более высокую коррозионную стойкость. По сравнению со сталью марки
1Х18Н9Т алюминий и его сплавы показали более высокую стойкость в верх-
ней зоне резервуара обессоленной нефти. В резервуаре сырой нефти в обеих
его зонах преимущества по сравнению со сталью 1Х18Н9Т имеют алюминий
и алюминиевые сплавы марок АМгЗ, АЛ6 и АЛ9.
В табл. 472 приводятся значения средних скоростей коррозии сталей и
алюминиевых сплавов в различных средах конденсационно-холодильной аппа-
ратуры [190].
Таблица 172
Коррозионная стойкость материалов в средах
конденсационно-холодильной аппаратуры
Шифр аппарата Марка материала
Ст. 3 1Х18Н9Т АМгЗ АМг5В
Т-11 100 12 6 6
Т-3 100 26 10 20
Т-6 100 5 15 8
Т-8 100 26 13 5
Испытания производились:
в среде конденсатора-холодильника термического крекинга Т-11, состоящей
из бутанбутиловой фракции, подающейся в аппаратах под давлением
18 кГ!см2, при температуре 60° С. Анализ проб, взятых за время испытаний,
показал, что в паровой фазе содержится 1,6—2% сероводорода и 1% углекис-
лого газа, а в жидкой —до 0,35% общей серы;
в среде холодильника циркуляционного орошения Т-3 термического кре-
кинга, состоящей из бензинового дистиллята, подающегося под давлением1
15 кГ!см2 при температуре 170—200° С. Анализ жидких проб, взятых после
холодильника, показал, что бензин содержит 0,3—0,5% общей серы и до
0,28% сероводорода;
в среде конденсатора-холодильника термического крекинга Т-6, состоящей
из паров нестабильного бензина, поступающих в холодильник под давлением
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 179
12 кГ1см2 при температуре 200° С. Анализ среды показал, что в бензине со-
держится 0,2—0,3% общей серы и до 0,13% сероводорода;
в среде конденсатора каталитического крекинга Т-8, состоящей из паров
бензина, жирного газа и воды, поступающей в аппарат под давлением
0,4 кГ1см2 при температуре 130° С. Анализ жирного газа показал наличие в нем
до 8% сероводорода. Бензин содержал до 0,25% сероводорода и 0,05% угле-
кислого газа. В воде было обнаружено около 2,8% сероводорода.
Исследование показало, что во всех случаях средняя скорость коррозии
алюминиево-магниевых сплавов в средах конденсационно-холодильного обо-
рудования была меньше средней скорости коррозии углеродистой стали. Наи-
большую коррозионную стойкость алюминиевые сплавы показали в средах
конденсаторов-холодильников Т-11 и Т-6 термического крекинга.
Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов проверялась в некоторых
других средах нефтеперерабатывающих заводов:
il) в средах нижней части калориферной шахты сушильного агрегата кага-
лизаторной фабрики, где поддерживалась температура 75—«120° С;
2) в байпасе холодного инертного газа. Анализ газа показал присутствие
в нем 11,7% углекислого газа, а также наличие кислорода, сернистого газа
и воды. Вода имела показатель концентрации водородных ионов pH = 3,7.
Температура среды 40—50° С, давление 6—6,5 кГ1см2\
3) в емкости установки фенольной очистки. В фенольных водах, взятых п
емкости, присутствовал сероводород и содержалось около 80 мг/л серного ан-
гидрида. Испытание проводилось при температуре 50° С;
4) в реакторе установки гидроочистки. Температура в реакторе 350—400° С,
давление 30—36 кГ!см2. Анализ проб газа показал содержание в нем до 0,28%
сероводорода;
5) в приемном патрубке насоса отпарной колонны установки термического
крекинга. Крекинг-остаток, содержащий 2.7% общей серы, перекачивался при
температуре 270—290° С;
6) в емкости для орошения на алкирующей установке в среде алкилата,
имеющего температуру 70° С. Давление в емкости 0,5 кГ!см2.
В табл. 173 приводятся значения средних условных скоростей коррозии
'сталей и алюминиевых сплавов в вышеперечисленной аппаратуре. Средняя
Таблица 173
Порядковый номер сред Марка материала
Ст. 3 1Х18Н9Т А1 АМгЗ | АМг5В
1 100 1 3 4 3
2 100 — 7 14 —
3 100 8 9 2 3
4 100 1 2 4 8
5 100 5 43 169 1 2
6 100 7 30 50 70
скорость коррозии углеродистой стали, как и в предыдущих случаях, принята
за 100.
Из таблицы видно, что алюминий и его сплавы во всех случаях имеют
коррозионную стойкость более высокую, чем у углеродистой стали.
В условиях калориферной шахты сушильного агрегата, а также в среде
инертного газа скорость коррозии алюминиево-магниевых сплавов во много
раз меньше скорости коррозии углеродистой стали. На установке фенольной
очистки все исследованные алюминиевые сплавы характеризуются очень вы-
сокой коррозионной стойкостью. Скорости коррозии алюминиевых сплавов в
этом случае меньше не только по сравнению с углеродистой сталью, но и по
сравнению с нержавеющей сталью марки 1Х18Н9Т.
12*
180 АЛЮМИНИИ И ЕГО СПЛАВЫ
На установках селективной очистки масел фенолом интенсивному коррози-
онному износу подвергаются в основном трубопроводы и оборудование систе-
мы конденсации и перекачки фенольной воды.
Для изучения коррозионной стойкости сплава АМц и углеродистой стали
было проведено специальное исследование [201], которое проводилось в среде
фенола, в парах фенола, в фенольной воде (10% фенола) и в парах феноль-
ной воды. Результаты исследований показаны в табл. 174.
Таблица 174
Сравнительные данные по коррозии материалов в фенольных средах после 1000 ч испытаний
Материал и его марка Коррозионная среда
Фенол (/ = 90° С) Пары фенола (£=220° С)
г/м2 за 1000 ч мм/год балл г/м2 за 1000 ч мм/год балл
Углеродистая сталь Ст. 3 . . 4,86 0,00125 2 4,42 0,0052 3
Алюминиево-марганцевый сплав АМц, анодированный . 0,487 — 1 Не устойчив
Алюминиево-марганцевый сплав АМц, неанодированный 1 ,64 0,00056 1 Не устойчив
Материал и его марка Коррозионная среда
Фенольная вода (t = 70 °C) Пары фенольной воды (1 = 110 °C)
г/л!2 за 1000 ч мм/год балл г/м2 за 1000 ч мм/год балл
Углеродистая сталь Ст. 3 . . 4,86 0,545 7 201,5 0,226 6
Алюминиево-марганцевый сплав АМц, анодированный . 2,86 0,00105 2 0,89 0,00035 1
Алюминиево-марганцевый сплав АМц, неанодированный 5,7 0,0021 3 4,89 0,00151 2
Как видно из таблицы, коррозионные потери углеродистой стали в среде
жидкого фенола при температуре 90° С незначительны. В парах фенола при
температуре 220° С коррозия протекает вначале интенсивно, а затем благода-
ря защитному действию пленки интенсивность коррозии уменьшается и угле-
родистая сталь в этих условиях может работать неограниченное время при
условии сохранения защитной пленки. В паровой фазе фенола сталь также
может быть отнесена к группе весьма стойких материалов.
В парах фенольной воды при температуре 110° С также протекает газовая
химическая коррозия. Однако образующиеся пленки не обладают адгезией
по отношению к металлу. Поэтому затухание коррозионного процесса не про-
исходит и коррозия после НО ч идет с постоянной скоростью.
Углеродистая сталь в парах фенольной воды при температуре 1.10° С дол-
жна быть отнесена к группе материалов с пониженной коррозионной стой-
костью.
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 181
Наибольшая коррозия стальных образцов наблюдалась в фенольной воде
при температуре 70° С. Сталь в этом случае подвергалась электромеханичес-
кому воздействию среды. Зависимость величины коррозии от времени близка
к прямолинейной, но с течением времени наблюдается некоторое увеличение
интенсивности коррозии.
Результаты коррозионных испытаний анодированного алюминиевого сплава
АМц в фенольной воде и парах фенольной воды дают основание рекомендо-
вать этот сплав в качестве конструкционного материала вместо малостойкой
в этих средах углеродистой стали.
В реакторе и приемном патрубке насоса, откачивающего крекинг-остаток
из колонны, алюминиево-магниевые сплавы показали достаточно хорошую
коррозионную стойкость. Однако высокие температуры среды и большое давле-
ние затрудняют применение алюминиевых сплавов в этих условиях. В этом
случае можно рекомендовать применение алитированных изделий.
В емкостях для орошения на алкилирующей установке алюминиево-магни-
евые сплавы не показали значительного преимущества по сравнению с углеро-
дистой сталью.
Таким образом, в большинстве исследованных средств алюминиевые сплавы
имеют достаточно высокую коррозионную стойкость.
Необходимо иметь в виду, что в условиях солянокислых сред, особенно в
средах, содержащих дополнительно сероводород, алюминиевые сплавы подвер-
гаются интенсивной коррозии. Скорость коррозии возрастает с повышением
температуры (табл. 175).
Таблица 175
Скорость коррозии алюминиевого сплава марки АМгЗ в мм/год
Среда Температура испытания в °C Среда Температура испытания в °C
30 50 | 70 | 90 30 50 70 90
HC1(N) HC1(N) + на-
0,0001 0,19 0,20 0,21 0,24 сыщенный
0,0005 0,23 0,29 0,45 0,60 раствором се-
0,001 0,26 0,38 0,68 1 ,10 роводорода 0,23
0,005 0,41 0,77 2,50 4,55 0,0001 0,18 0,21 0,22
0,01 0,48 1,42 5,05 9, 10 0,0005 0,27 0,34 0,71 1,15 1,31
0,05 1,16 4,15 15,2 37,50 0,001 0,27 0,52 0 ,83
0,10 1.60 5,71 20,60 53,6 0,005 0,32 1 ,55 2,84 3,65
0,01 0,34 1,68 4,25 7,50
0,05 0,59 2,61 9,36 30,20
0,10 1.34 12,90 49,4 61,8
Помимо общей коррозии алюминиевых сплавов, последние в процессе экс-
плуатации могут подвергаться коррозионному растрескиванию. Коррозионное
растрескивание алюминиевых сплавов наступает обычно при одновременном
воздействии на металл коррозионной среды и напряжений.
Коррозионное растрескивание наблюдается на алюминиевомагниевых спла-
вах, содержащих более 7% магния. Указанные сплавы особенно резко прояв-
ляют склонность к коррозионному растрескиванию при получении предвари-
тельного наклепа с последующим отпуском при повышенных температурах. „
Эти обстоятельства необходимо учитывать при выборе сплава и режима
его термической обработки применительно к решеткам конденсационно-холо-
дильной и теплообменной аппаратуры.
Решетки для аппаратов этого типа иногда изготовляются из алюминиево-
магниевых сплавов типа АМгбВ и АМгбТ, содержащих до 7% магния. „Раз-
вальцовка трубок, изготовленных также из алюминиевых сплавов в этой ре-
шетке может вызвать местный наклеп металла. Последующий длительный на-
грев металла решетки в процессе эксплуатации может привести к коррозион-
ному растрескиванию материала.
182 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Коррозионному растрескиванию подвержены также сплавы, упрочняемые
термической обработкой. Для предотвращения этого вида коррозионного раз-
рушения сплавы часто подвергаются плакированию.
Коррозионному растрескиванию подвергаются также литейные сплавы. Так,
сплав, содержащий 10% магния, характеризуется высокой склонностью к кор-
розионному растрескиванию, если он после закалки охлаждался с небольшой
скоростью. Выбором соответствующего режима термической обработки корро-
зионное растрескивание алюминиевых сплавов может быть предотвращено.
Для повышения коррозионной стойкости детали, изготовленной из алюми-
ния или его сплавов, могут подвергаться анодированию. Процесс анодирова-
ния позволяет также повысить твердость и жаростойкость алюминия и его
сплавов.
Анодирование или анодное окисление — процесс образования на поверхно-
сти металла пленки, состоящей из окислов того же металла, путем электроли-
за [207].
Установлено, что непременным условием образования защитной пленки яв-
ляется применение электролитов, умеренно растворяющих пленку. Пленка
состоит из почти безводной окиси алюминия, которая постепенно переходит
в слой гидрированной окиси алюминия.
В последние годы разработан метод глубокого анодирования деталей, из-
готовленных из алюминиевых сплавов. Пленки, полученные этим методом, от-
личаются высокой коррозионной устойчивостью и хорошим сцеплением с ос-
новным металлом.
Анодная обработка в этом случае производится в 20—25%-ном растворе
серной кислоты при температуре от 10 до 0° С и анодной плотности тока
2,5 а!дм2. Для получения глубокой пленки при анодировании особое внимание
следует обращать на охлаждение электролита и детали. При анодировании
по этому режиму можно получить пленки толщиной 80—100 мк. Добавление
ионов хлора в сернокислые ванны позволяет повысить плотность тока до
100—200 а/дм2 и ускорить процесс анодного окисления алюминия.
Покрытия толщиной 100—200 мк можно получать в смесях щавелевой и
муравьиной кислот. Такой способ анодирования алюминиевых деталей широко
применяется во Франции [208].
7. СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Одним из рациональных способов сварки алюминиевых сплавов является
аргоно-дуговая сварка, обеспечивающая наиболее концентрированный нагрев
и высокую температуру в месте сварки, а также более высокие, чем при га-
зовой сварке, механические свойства сварного соединения. С увеличением тол-
щины металла последнее преимущество еще более возрастает.
Пределы прочности ов сварных соединений, полученных на сплаве марки
АМгбТ толщиной 9 мм, в зависимости от вида сварки следующие: аргоно-ду-
говая сварка — 32,2 кГ!мм2\ газовая сварка — 15,6 кГ!мм2.
При газовой сварке из-за сильного перегрева образуется крупнозернистая
структура металла с микротрещинами и рыхлостью между зернами, поэтому
прочность сварного соединения понижается. Газовую сварку не рекомендуется
применять при толщинах свыше 3 мм.
Аргоно-дуговая сварка плавящимся электродом может быть автоматичес-
кой и полуавтоматической. Последний способ применяется для получения
коротких швов, имеющих сложную конфигурацию, или в труднодоступных
местах, а аргоно-дуговая сварка — для алюминиевых конструкций с толщиной
4 мм и выше. В труднодоступных местах при сварке алюминиевых сплавов
может быть применен также метод ручной аргоно-дуговой сварки вольфрамо-
вым электродом.
СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 183
Чистота инертного газа при сварке алюминиевых сплавов является основ-
ным условием качественной сварки. Примеси, допустимые в известных преде-
лах при сварке других сплавов, при сварке алюминиевых сплавов совершенно
недопустимы. Так, при использовании в качестве защитного газа—гелия чис-
тотой около 98% не удалось достигнуть качественной сварки алюминия без
применения флюсов. При использовании же гелия повышенной чистоты
(99,8%) качественные сварные швы могут быть получены без применения
флюса.
В качестве примесей в аргоне при сварке алюминиевых сплавов допускается
не более 0,05% кислорода и не более 0,3% азота. Не допускается присутствие
влаги.
Наиболее целесообразно при сварке алюминиевых сплавов для аргоно-ду-
говой сварки применять переменный электрический ток.
Поверхность алюминиевых сплавов обычно покрыта плотной защитной плен-
кой окисла алюминия. Эта пленка затрудняет зажигание и поддержание дуги
при сварке, а также препятствует сплавлению основного и присадочного ме-
талла. Перед аргоно-дуговой сваркой эта пленка должна быть по возможности
удалена с поверхности алюминиевой детали механическим или химическим
путем.
При сварке сплавов типа АМц в качестве присадочного материала часто
применяют проволоку марки АК. Предел прочности сварного соединения из
сплава АМц с присадкой проволоки АК по сравнению с основным металлом
составляет около 95%. Причем предел прочности этого соединения при по-
вышенных температурах может быть не ниже предела прочности основного
металла.
В табл. 176 даны результаты механических испытаний сварных соединений,
Таблица 176
Механические свойства сварных соединений алюминиевых сплавов
Марка сплава сгб в кГ/мм2 CFq t 2 в кГ/ММ2 8 в %
Основной металл Сварной образец Основной металл Сварной образец Основной металл Сварной образец
АМгЗ 23,0 21,7 10,0 9,6 22,0 20
АМг5В 31,0 30,0 15,0 14,0 27,0 18
выполненных из сплавов марок АМгЗ и АМг5В аргоно-дуговой сваркой с при-
садкой сплава АМг5.
Из табл. 176 видно, что прочностные свойства алюминиевых сплавов при
сварке снижаются незначительно.
При сварке алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой,
механические свойства сварного соединения значительно ниже свойств основ-
ного металла, так как нагрев, вызываемый сваркой, снижает или полностью
ликвидирует эффект упрочнения, вызванный термической обработкой. Если
свариваемую конструкцию, изготовленную из термообрабатываемых алюми-
ниевых сплавов, можно после сварки подвергнуть термической обработке, то
прочность сварного соединения после этой обработки будет близка к прочно-
сти основного металла. Однако при термической обработке сварной конструк-
ции необходимо учитывать возможность ее коробления и трещинообразования,
особенно при сложной конфигурации узла.
При сварке изделий, изготовляемых из ряда алюминиевых сплавов, для
избежания образования трещин, процессе сварки необходимо применять
подогрев. Так, при сварке сплавов типа АВ (сплав алюминия с магнием и
184 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
кремнием) оптимальная температура подогрева в процессе сварки составляет
140—160° С [23].
Широкая серия испытаний сварных образцов различных алюминиевых
сплавов в различных средах нефтеперерабатывающих заводов показала, что
металл сварного шва обычно на ilO—25% корродирует сильнее основного ме-
талла. Часто, в месте сварного шва повышенный износ металла происходит в
результате точечной (питтинговой) коррозии.
8. ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
В НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ
И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В ряде случаев вес бурового оборудования является решающим и опреде-
ляющим всю экономику процесса бурения.
В этом смысле характерно Тюменское месторождение, где переброска обо-
рудования возможна только в зимнее время. Отсутствие возможности транс-
портировки оборудования на новую точку бурения в летнее время резко
влияет на себестоимость бурения. По существу бурение в наиболее благопри-
ятное летнее время в необустроенных районах не производится из-за трудно-
стей транспортировки.
Одним из наиболее перспективных способов транспортировки буровых уста-
новок в этих условиях является использование вертолетов. Однако в этом
случае необходимо резкое снижение веса бурового оборудования.
Снижение веса бурового оборудования может быть, в частности, достигну-
то применением алюминиевых сплавов.
Ряд зарубежных фирм с успехом применяют алюминиевые сплавы для из-
готовления деталей и узлов буровых установок. Так, например, фирма
«ФРЭНКС» изготовила из алюминиевых сплавов буровую мачту, рассчитанную*
на динамическую нагрузку на крюке до 90 Т и статическую нагрузку до 250 Т.
Высота рабочего пространства мачты 29,3 м, а вес 4Д4 т. Мачта используется
в течение 6 лет, причем нагрузки на нее в ряде случаев значительно превы-
шают 90 Т.
Применение алюминиевых сплавов для изготовления основания буровой
установки, предназначенной для работы в Южной Америке, позволило сни-
зить все основания, по сравнению с основанием, изготовленным из стали, при-
мерно на 60%.
В этой же установке из алюминия были изготовлены желоба, резервуары
для бурового раствора, рамы различных агрегатов, подкранблочная площадка.,
перила, площадка верхового рабочего, водяные трубопроводы низкого давле-
ния, всасывающие линии насосов, крышки и ограждения буровых насосов, са-
лазки под дизели, рамы и кожуха лебедок.
Фирма «Лоффланд-Бразерс» переоборудовала буровые установки фирмы
«Инд-Континент» для работы в отдаленных труднодоступных районах. Во*
многих узлах этой установки, предназначаемой для транспортировки вертоле-
том, применили алюминиевые сплавы. Так, например, рама двухбарабанной
буровой лебедки, рамы дизелей и генераторов и буровых насосов изготовлены
из алюминиевых сплавов.
Из алюминиевых сплавов изготовляются корпус и рама вибросита, емкости
для бурового раствора размером 8,4 X 2,5 X 1,5 м, два главных основания, на-
которых устанавливают вышку, поперечные балки, соединяющие эти основа-
ния, площадки буровой, поручни лестниц, приемные мостики и др.
Компания «Дарси Експлорейши» в передвижной буровой установке, спо-
собной бурить до глубины 2250 м, также широко применяет алюминиевые
сплавы. Из алюминиевых сплавов изготовляется вышка высотой 28,8 м [214].
В американской практике нашли применение буровые вышки высотой 20 м
и грузоподъемностью 45 Т, а также вышки высотой 30 м и грузоподъемностью*
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 185
90 Т, выполненные из алюминиевого сплава марки 6061 (5А). Химический со-
став сплава: 0,1—0,4% С; 0,4—0,8% Si; 0,8—1,2% Mg. Механические свойства
поковок из сплава 6061 следующее: сгб = 31,6 кГ1мм2у о0,2 = 28,1 кГ!мм2, 6 =
= 10% [214]. Вес вышки из сплава 6061 составляет 4,14 Т.'
В отечественной нефтяной и газовой промышленности для изготовления
различных узлов буровых установок (рам, ограждений, укрытый, отдельных
элементов буровой вышки, емкостей для топлива и т. д.) могут найти примене-
ние деформируемые алюминиевые сплавы марок АМг5, АМгбТ, АВ, Д16 и др.
Так, алюминиевый сплав марки Д16 рекомендуется для изготовления основа-
ния буровой установки БУ-200 и кронблочной рамы этой установки. Детали
в этих конструкциях соединяют клепкой. В конструкции основания использо-
ваны швеллеры высотой 200 и (168 мм и уголок 80 X 80 мм.
Применение алюминиевых сплавов в металлоконструкциях значительно сни-
жает их вес. Использование сплава марки Д16 обеспечивает снижение веса
кронблочной рамы с 3000 до 1010 кГ [33].
Значительный интерес представляет применение алюминиевых сплавов для
изготовления бурильных и насосно-компрессорных труб.
Применением бурильных труб, изготовленных из алюминиевых сплавов
можно достигнуть значительное уменьшение веса транспортируемых грузов и*
требуемой грузоподъемности буровых станков. В ряде случаев применение
труб из алюминиевых сплавов позволит для одной и той же конеч-
ной глубины бурения значительно уменьшить требуемую грузоподъемность,
станка и использовать буровые установки по грузоподъемности на класс ниже
потребной.
Преимущество бурильных труб из алюминиевых сплавов особенно четко
выявляется при бурении с промывкой забоя глинистым раствором, плотность
которого всегда больше единицы. Так, вес бурильной колонны из алюминиевого-
сплава в глинистом растворе с удельным весом 1,2 кГ1см3 в 2,6 раза ниже,,
чем вес такой же колонны из стальных труб.
Алюминиевые трубы позволяют значительно увеличить глубину бурения
без увеличения мощности подъемных' механизмов буровой установки. Так, на-
пример, бурильная колонна из 41/2// стальных труб длиной 1980 м имеет общий
вес около 76 Т, а бурильная колонна из алюминиевых сплавов длиной 3050 м
и аналогичной конструкции весит всего 68,5 Т.
При использовании бурильных труб из алюминиевых сплавов возможно’
увеличить вес тяжелого низа без повышения мощности подъемного оборудо-
вания буровой установки. Применение алюминиевых бурильных труб ведет
к снижению расходов на их транспортировку, а также к увеличению срока
службы талевого каната. Трубы из алюминиевых сплавов, изготовленные ме-
тодом прессования, позволяют создать конструкцию бурильной колонны с по-
ниженными (на 10—40% против существующего сортамента стальных труб)
потерями на гидравлические сопротивления.
Немагнитность алюминиевых сплавов позволяет проводить инклинометрию
скважины без подъема бурильной колонны. Применение бурильных колонн из
алюминиевых сплавов способствует ускорению спуско-подъемных операций,
что значительно повышает рейсовые скорости бурения. Снижение потребной
грузоподъемности на крюке позволяет поднимать колонны с использованием -
максимальной скорости лебедки. Уменьшение веса отдельных свечей более чем
в 2 раза, позволяет увеличить их длину, не осложняя машино-ручные опе-
рации.
Так, при бурении скважин глубиной 3000 м в тресте Первомайбурнефть, в
результате применения бурильной колонны из алюминиевых сплавов, удалось
достичь коммерческих скоростей бурения 1180 и 1208 м/сш — месяц, что превы-
шает средние скорости по району более чем в 2,5 раза.
Использование бурильных колонн из легкосплавных труб позволить бурить
скважины глубиной 7000—10000 м, не дожидаясь производства высокопрочных
бурильных труб из стали с пределом текучести 75—95 кГ!мм2. Появляется
186 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
возможность бурить скважины глубиной 10 000 м с использованием установки
БУ-300 [24, 26, 117].
Бурильные трубы из алюминиевых сплавов имеют, однако, и ряд недостат-
ков. Так, длительное воздействие на эти трубы температур, превышающих
150° С отрицательно влияет на их прочность.
Трубы из алюминиевых сплавов разрушаются в процессе бурения глинис-
тыми растворами, приготовленными на соленой воде или насыщенными солями.
Растворы, содержащие ионы хлора, вызывают в алюминиевых трубах хими-
ческие и электрохимические коррозионные разрушения. Соляная кислота, ко-
торую обычно применяют при кислотной обработке скважин, также оказывает
отрицательное влияние на материал алюминиевых труб.
Отрицательное действие промывочных растворов можно в значительной
степени уменьшить, применяя различные ингибиторы.
Применение легких бурильных труб, облегчая работу буровой установки,
способствует, в свою очередь, применению алюминиевых сплавов в конструк-
циях самой установки, облегчая ее транспортабельность.
Из сплава Д16Т можно изготовлять контейнеры для хранения глубинных
проб нефти, корпуса глубинных манометров и термографов, а также глубин-
ные пробоотборники.
Особенно большой экономический эффект получен при замене стали
[Х18Н9 алюминиевым сплавом Д16Т для изготовления корпусов глубинных
пробоотборников.
Широкое применение нашли алюминий и его сплавы в нефтеперерабатыва-
ющей и нефтехимической промышленности.
Алюминий широко применяется при изготовлении оборудования установок
для получения жирных кислот. Из алюминия высокой чистоты (99,9%) изго-
товляют колонны, предназначенные для окисления парафина, корпусы и труб-
ки (длиной до 7,5 л«), конденсаторы для охлаждения, резервуары емкостью
до 50 л?, предназначенные для отделения шлама. Из алюминия марки АВ2
монтируют резервуары для оксилата, баки емкостью до 270 лг для хранения
высокомолекулярных жирных кислот (от С7 и выше).
Алюминиевые сплавы применяют для изготовления теплообменных аппара-
тов нефтеперерабатывающих заводов. Трубчатые пучки этих аппаратов обыч-
но изготовляют из алюминиево-магниевого сплава марки АМг или АМг2,
Трубки развальцовываются в трубной решетке, изготовленной из алюминиево-
магниевого сплава марки АМгбТ.
Такие теплообменники с поверхностью теплообмена около 50 м2, успешно
работают при давлении в корпусе 2 кГ!см2, в трубках 1,5 кГ1см2, Среда в кор-
пусе аппарата — пары бензина, нагретые до 130° С. В трубки поступает ох-
лаждающая вода с температурой 25—30° С.
Теплообменники такого же типа работают на установках ЭЛОУ при сле-
дующих условиях эксплуатации: в корпус поступает обессоленная нефть, на-
гретая до 90° С, в трубки — сырая нефть с температурой 25—30° С. Давление
в корпусе 6, а в трубках— 12 кГ)см2 [191].
Теплообменник предназначен для подогрева высоковязких нефтепродуктов.
Аппарат изготовляют полностью из алюминиево-магниевых сплавов, что
позволяет: увеличить коррозионную стойкость в серосодержащих средах в
4—6 раз и увеличить теплопередачу в аппарате по сравнению с аналогичным
стальным аппаратом до 40%.
Из алюминиево-магниевых сплавов изготовляются также теплообменники,
предназначенные для нагрева, конденсации и охлаждения нефти, нефтепродук-
тов и других жидких газо-парообразных сред.
Из сплавов АМг изготовляются трубы, работающие в пресной воде оборот-
ной системы водоснабжения нефтеперерабатывающих заводов при темпера-
туре 45° С. В этих условиях трубы из сплава АМг в 3—4 раза долговечнее,
чем из углеродистой стали и в 2 раза долговечнее труб из нестабилизирован-
ной латуни.
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 187
В морской воде трубы из сплава АМг в 6—7 раз долговечнее, чем сталь-
ные, но в 3 раза менее долговечны, чем трубы из латуни ЛА 77-2.
Коррозийная стойкость алюминиево-магниевых сплавов в охлаждающей
^воде может быть повышена методами оксидирования поверхности труб. Ок-
•сидные пленки увеличивают срок службы оборудования из алюминиево-маг-
ниевых сплавов, потому что период до начала коррозионного разрушения из-
меняется, а скорость коррозионного процесса уменьшается.
Полевыми испытаниями подтверждена способность оксидных пленок защи-
щать от коррозии магналии в технических водах и установлен оптимальный ре-
жим серокислотного оксидирования: концентрация H2SO4—100 г/л, выдержка
20—30 мин при плотности тока 1—2 а!дм2, при этом коррозионная стойкость
магналия повышается в 2—4 раза.
Одной из перспективных областей применения алюминиевых сплавов явля-
ются конденсаторы воздушного охлаждения, в которых охлаждающей средой
служит атмосферный воздух, прогоняемый вентилятором по межтрубному про-
странству, в то время, как по трубкам транспортируются конденсируемые пары
или охлаждаемые жидкие продукты. Для придания конденсаторам большой
эффективности в них ставятся трубы с развитой за счет оребрения теплопере-
дающей поверхностью.
Вследствие своей высокой коррозионной стойкости в атмосфере промыш-
ленных предприятий, содержащей обычно примеси углекислого и сернистого
таза, сероводорода, влаги и других агрессивных агентов, алюминиевые сплавы
являются весьма подходящим материалом для изготовления оребренных труб-
ных пучков. В тех случаях, когда продукт не обладает заметной агрессивно-
стью по отношению к алюминиевым сплавам, применяются монометаллические
трубы. В противном случае применяются трубы, во внутреннюю поверхность
которых впрессовывается вкладыш из латуни монель-металла или нержавею-
щих сталей, стойких к данному продукту [187].
Алюминиевые сплавы применяются для изготовления труб нагревательной
•системы нефтеналивных барж. По сравнению со стальными или чугунными,
трубы из алюминиевых сплавов имеют более высокую коррозионную стойкость
и позволяют повысить грузоподъемность судна благодаря снижению веса на-
гревательной системы.
Из алюминиево-магниевых сплавов изготовляются крыши и верхние пояса
резервуаров для хранения сырых агрессивных сернистых нефтей. Так, резер-
вуар с алюминиевой крышей и верхним поясом емкостью 1000 м2 состоит из
шести нижних поясов, выполненных из стали марки Ст.З методом рулониро-
вания, и седьмого — верхнего пояса, выполненного из алюминиевого сплава
марки АМг, в виде десяти отдельных монтажных элементов.
Алюминиевая крыша резервуара монтируется из одного центрального и две-
надцати плоских щитов. Щиты состоят из каркаса, выполненного из сварного
двутавра, прессованных швеллеров и уголков. Листы кровли привариваются
к каркасу щита. Заводские и монтажные сварные соединения конструкции
резервуара из алюминиевых сплавов выполняются аргоно-дуговой сваркой.
Стальной и алюминиевый пояса соединяются на бензостойкой полихлорвини-
ловой прокладке оцинкованными болтами.
Для хранения ряда химических продуктов применяются резервуары, цели-
ком изготовленные из алюминиевых сплавов. Так, для хранения жирных кис-
лот изготовляются резервуары емкостью 700 ж3 из алюминиево-магниевых
•сплавов марки АМг5В.
Нефтепроводы из алюминиевых сплавов, ввиду их коррозионной устой-
чивости в атмосфере можно прокладывать без защитных покрытий и
окраски.
Легкость алюминиевых труб снижает стоимость их укладки, по срав-
нению со стальными трубами. Кроме того, трубы из алюминиевых сплавов
имеют высокую чистоту обработки внутренней поверхности, в результате чего
уменьшаются потери напора на трение жидкости, которые могут быть на 10%
188 АЛЮМИНИИ И ЕГО СПЛАВЫ
ниже, чем в стальных трубах. Вес труб из алюминиевого сплава приблизитель-
но в 3 раза меньше веса соответствующих стальных труб. Поэтому, несмотря
на относительную высокую стоимость, в ряде случаев целесообразнее приме-
нять алюминиево-магниевые трубы [93, 1144].
При сооружении алюминиевых трубопроводов получают применение бес-
шовные плоскосворачиваемые трубы. Исходной заготовкой для изготовления
алюминиевых труб служат полые круглые слитки, изготовляемые методом по-
лунепрерывного литья. Слитки прокатываются в горячем состоянии в полосу
любой длины и толщины и сворачиваются в рулон. Для предотвращения сва-
ривания внутренних стенок в процессе прокатки они покрываются специаль-
ным составом (тальк с веретенным маслом).
Готовые трубы сворачиваются в рулон, что значительно облегчает их транс-
портировку. Укладка труб очень проста и производится разверткой рулона)
на местности.
Форма сечения трубы придается развернутому в ленту рулону непосред-
ственно на трассе раздувкой воздухом или водой под давлением 4—5 кГ/см2.
Алюминиевые плоскосворачиваемые трубы с толщиной стенки 4 мм (при
наружном диаметре трубы 150 мм) разрушаются под давлением 29—32 кГ!см\
а с толщиной стенки 3 мм — под давлением 19—24 кГ1см2. Для таких трубо-
проводов допускается рабочее давление 8—,10 кГ)см2.
Алюминиевые трубы могут собираться при помощи сварки и фланцевых
соединений.
Хорошие результаты дает применение трубопровода из алюминиево-магние-
вых сплавов для транспортировки сернистых нефтей и газов. В ряде случаев-
(при прокладке во влажных щелочных грунтах) трубопроводы из алюминие-
вых сплавов необходимо изолировать. Однако, изоляции такого трубопровода
в 2—3 раза дешевле соответствующего защитного покрытия на стальных тру-
бах. Для строительства газопроводов можно использовать алюминиево-магни-
ево-цинковый сплав марки В-92. Толщина стенки трубы из этого сплава не
больше, чем у стальных, при расчете на давление 50 кГ1см2.
Алюминиевые сплавы применяются для изготовления нефтеналивных эс-
такад.
Для хранения и перевозки нефтепродуктов широко применяются бочки,
также изготовленные из алюминиевых сплавов. Хранение авиационного топли-
ва в алюминиевых бочках не изменяют ни качества бензина, ни состояния
внутренней поверхности бочки. Алюминиевые бочки емкостью 191 л изготов-
ляются из алюминиево-магниевого сплава, содержащего 5% магния. Бочки,
свариваются из листа толщиной 2 мм аргоно-дуговой сваркой.
Наравне с деформируемыми алюминиевыми сплавами в нефтеперерабаты-
вающей и нефтехимической промышленности применяются литейные алюми-
ниевые сплавы: для изготовления литой арматуры нефтяных резервуаров*
фитингов, крышек, вентилей и т. д.
Глава VI. ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА
1. СВОЙСТВА ТИТАНА
Титан Ti является одним из наиболее распространенных элементов земной
коры, занимая четвертое место и уступая только алюминию, железу и магнию.
Титан — элемент IV группы периодической системы элементов Д. И. Мен-
делеева. Его атомный вес А = 47,9. Атомный номер — 22. Удельный вес титана
4,5 г/сж3. Температура плавления технического титана 1660± 10° С. Коэффици-
ент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения се-
рого чугуна и составляет при 20° С—8,09-10-6, при 600° С—11,31 • 10-6.
Титан существует в двух аллотропических формах: а-титан, имеющий гекса-
гональную плотно-упакованную решетку (а = 2,946 А, с = 4,66 А), при темпе-
ратуре ниже 885° С и iP-титан объемно-центрированный кубической решеткой
(а = 3,327 А) устойчивый выше 885° С.
Наиболее распространенным промышленным способом получения первич-
ного (губчатого) титана — является восстановление его из четыреххлористого
титана TiCl4 при помощи металлического магния или натрия:
TiCl4 + 2Mg - Ti + 2MgCl2,
TiCl4 + 4Na — Ti + 4NaCl.
При восстановлении образуются дендриты титана, которые затем спека-
ются в плотную губчатую массу.
Основная масса первичного титана, представляющая собой пористую массу,
служит для дальнейшей переплавки в специальных печах под высоким ваку-
умом или в атмосфере нейтральных газов для получения компактного титана.
Слитки титана могут обрабатываться давлением всеми известными спосо-
бами: коваться, прокатываться в холодном и горячем состоянии, штамповать-
ся и т. д.
Слитки титана перед обработкой давлением рекомендуется нагревать сту-
пенчато: сначала длительный нагрев при температуре 700—750° С, затем крат-
ковременный нагрев при 850—1000°. Время выдержки при высокой температу-
ре в среднем должно быть не более 30 сек на 1 мм сечения. Из-за опасности
загрязнения титана газами нагрев под горячую обработку и сам процесс об-
работки должен производиться в возможно минимальное время.
Титан после холодного деформирования отжигают при температуре 650—
700° С с выдержкой от 15 мин до 1 ч в зависимости от толщины полуфабри-
ката.
В табл. 177 приведен состав и механические свойства некоторых марок
технического титана.
Азот, кислород, водород и углерод являются вредными примесями титана.
Азот и кислород резко снижают пластичность титана, а углерод, в количест-
вах более 0,1—0,15%, ухудшает его технологическую пластичность, обрабаты-
ваемость резанием и свариваемость титана.
Однако примеси азота, кислорода и углерода повышают твердость титана.
На рис. 70 показано влияние азота, кислорода и углерода на твердость
190 ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА
Таблица 177
Химический состав и механические свойства технического титана
Марка титана Примесей (не более) а0,2 5 1 Ф
в кГ) /мм2 в %
ВТ1-1 0,1% С; 0,15% О2; 0,04% N; 0.3% Fe 45—60 38—50 25—30 50
ВТ1-2 0,15% Si; 0,015% Н2; 0,05%W 55—75 46—60 20-25 45
технического титана. Поэтому для повышения поверхностной твердости титана
может быть применено диффузионное насыщение поверхности азотом, или не-
которыми другими элементами. Такое насыщение-
повышает износостойкость и значительно пони-
жает коэффициент трения титана.
Наиболее перспективным методом поверхност-
ного упрочнения титана является азотирование..
Возможны два способа азотирования: при помо-
щи сухого, очищенного от кислорода, азота и при
помощи диссоциированного аммиака. Опыты по-
казывают, что азотирование диссоциированным ам-
миаком можно проводить при более низкой тем-
пературе (около 870° С) и более короткие сроки
(примерно 15 ч), чем азотирование азотом, кото-
рое требует и более высокой температуры (поряд-
ка 9'50° С) и более длительных выдержек (25—
и и,ц и,й i. t warn /о 30 в том и в другом случаях глубина азоти-
Рис. 70. Зависимость твердо- рованного слоя получается равной 0,06—0,10 мм,
сти технического титана от а ТВерДОСТЬ HV 1000—1200.
содержания кислорода, азота Наилучшие результаты азотирования получа-
и г °Аа ются на сплавах титана с ванадием и бором. Це-
ментация титана в твердой или газообразной сре-
де не всегда дает положительные результаты. Так, слои толщиной 0,005 мм и
выше имеют часто высокую хрупкость и отслаиваются. При работе в области
температур 650° С и выше происходит реакция титана с атмосферными газами.
Для защиты титана в этом случае может применяться силицирование на глу-
бину 0,05 мм, что позволяет применять титан и его сплавы при температурах
950—980° С.
Механические свойства технического титана могут быть изменены пласти-
ческой деформацией в холодном состоянии (рис. 71). Рекристаллизация раз-
упрочняет титан. Разупрочнение титана связано с процессами возврата, про-
исходящих при температурах 300—500° С.
На рис. 72 показано влияние температуры отжига на механические свой-
ства нагартованного титана при 2-часовой выдержке.
В табл. 178 приведены механические свойства титана при низких темпе-
ратурах.
Поскольку титан обладает способностью сохранять высокую пластичность
при низких температурах, он находит себе применение в криогенной технике.
Исследованиями [168] установлено, что наиболее перспективными для ра-
бот в области гелиевых температур, являются титановые сплавы типа а-твер-
дых растворов.
Титан хорошо сваривается. Однако, так как титан, соединяясь с кислоро-
дом, азотом, водородом становится хрупким, газовую сварку применять нель-
СВОЙСТВА ТИТАНА 191
зя. Для сварки титана обычно применяется дуговая сварка в среде защитных
газов (гелий, аргон или их смеси).
Таблица 178
Механические свойства технического титана при низких температурах
°в 1 а0,2 5
Температура в °C в %
в кГ/мм2
20 53—70 42—5G 20—30
— 70 80—90 60-70 10—15
— 196 100—120 90—110 8—10
Титан по своим термодинамическим свойствам является химически актив-
ным металлом. Однако на поверхности титана очень быстро образуется тонкая
инертная пассивирующая пленка,
которая отличается большей ус-
тойчивостью, чем пассивирующие
пленки на других металлах. Обыч-
но па поверхности титана образу-
ется защитная пленка из рутила.
На воздухе кислая защитная плен-
ка достигает толщины 20—50 А.
Повысить коррозионную стой-
^%,б,7о,кГ/мм^
Рис. 71. Изменение механических
свойств технического титана при пла-
стической деформации
Температура отжига
Рис. 72. Зависимость механических
свойств нагартованного титана от темпе-
ратуры отжига
кость титана в агрессивных средах можно также легированием его такими
элементами, которые способствуют образованию на его поверхности более-
стойкой защитной пленки, чем на нелегироваином титане.
Технический титан исключительно стоек в атмосферных условиях. Титан,
испытанный в морской воде, промышленной и сельской атмосферах в течение
5 лет не подвергается коррозии.
Электрохимические исследования показывают, что титан подвергается силь-
ному химическому действию только в тех средах, где защитный слой окисной’
192 ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА
пленки разрушается и не восстанавливается. Так, например, в растворах соля-
ной кислоты титан энергично корродирует.
В 20%-ном растворе соляной кислоты титан растворяется уже при комнат-
ной температуре.
При комнатной температуре стойкость титана против коррозии в 5—10Уо-
ном растворе серной кислоты можно считать высокой (скорость коррозии не
превышает 0,025 мм/год).
Однако незначительное повышение температуры усиливает коррозию даже
в 1%-ном растворе серной кислоты. Скорость коррозии при комнатной темпе-
ратуре в фосфорной кислоте невелика, если концентрация ее не превышает
30%. Титан обладает особенно высокой стойкостью в азотной кислоте. При
температуре кипения титан устойчив в кислоте с концентрацией до 65%. Бе-
лая дымящая кислота любой концентрации не действует на титан ни при каких
температурах.
В «царской водке» титан совершенно устойчив при комнатной температуре.
Хромовая и серная кислоты не оказывают коррозионного воздействия на
титан. Титан хорошо противостоит воздействию ряда органических соединений:
в молочной, стеариновой, уксусной, хлоруксусной, лимонной и виннокаменной
кислотах полированная поверхность титана не тускнеет.
Однако в муравьиной и щавелевой кислотах скорость коррозии титана мо-
жет достигать 2,54 мм/год.
Титан не корродирует в трихлорэтилене, формальдегиде, анилине соляно-
кислом, метиловом и этиловом спирте, толуоле, феноле, бензине, уксусном
ангидриде.
Основания при различных температурах и концентрациях практически не
оказывают коррозионного воздействия на титан. Даже 20%-ный раствор каус-
тика при кипячении вызывает только легкое обесцвечивание поверхности
титана.
Титан стоек в растворах всех хлоридов при различных концентрациях за
исключением концентрированных растворов хлористого алюминия, в которых
происходит сильный кислотный гидролиз с образованием соляной кислоты.
Под воздействием гидроокиси аммония, перекиси водорода, сероводорода,
серного газа, углекислого натрия, сернокислой меди, цианистого, двухромово-
кислого, фосфорнокислого и сернокислого натрия, а также бисульфата и суль-
фата натрия титан не корродирует.
Сухие галогены разъедают титан даже при комнатной температуре. Влаж-
ные галогены оказывают на титан менее сильное воздействие. Хлор, насыщен-
ный парами воды, не взаимодействует с титаном при температуре до 77° С.
2. СПЛАВЫ ТИТАНА
В настоящее время разработано довольно большое число сплавов титана.
Все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм титана можно разбить
на три группы. Первая группа — представлена элементами, повышающими
стабильность u-фазы. К числу таких элементов относится алюминий. На рис. 73
показаны диаграммы состояния системы титан — алюминий.
Для этой системы характерна обширная область a-твердого раствора.
Ко второй группе относятся p-стабилизаторы, т. е. элементы, повышающие
стабильность р-фа'зы.
К числу таких элементов относятся хром, марганец, железо, ванадий, мо-
либден. На рис. 74 в качестве примера показана диаграмма состояний спла-
вов титан — хром. Для этой системы характерным является понижение тем-
пературы равновесия а^р до 675° С.
К третьей группе относятся элементы, мало влияющие на устойчивость а
и р фаз. К числу таких элементов относятся: олово, цирконий, германий.
СПЛАВЫ ТИТАНА 193
Содержание алюминия
Рис. 73. Диаграмма состояния сплавов системы
Ti — Al
Рис. 74. Диаграмма состояния сплавов
системы Ti — Сг
В табл. 179 приведен химический состав и
механические свойства в отож-
женном состоянии некоторых сплавов титана.
Химический состав в % и механические свойства сплавов титана
Таблица 179
Марки А1 Мо Другие ae в кГ/мм2 ан в к Г -м/см2 5 в % НВ
ВТЗ-1 5,0 1,5 2,0Сг 110 7 12 264—207
ВТ 5 4—5,5 — 2,3Sn 75—95 4 12 240—300
ВТ 6 4,5-6,5 — 3,5—4,5 V 90—100 4 10 320—360
ВТ10 5,5—6,8 2,8—3,5 100—117 2—3 9—14 310—350
ВТ14 4,0 3,0 1 ,0V 95 2 16
ВТ15 3,5 7,0 11,OCr 95 — 22
ВТ16 2,5 7,5 — 90 — 18 —
ОТ4 3,0 — 1 ,5Mn 74 5,5-6,5 28 280
ОТ4-2 5,5 — 1 ,5Mn 92 — 24 —
Сплавы, легированные а-стабилизаторами, термически не упрочняются.
Сплавы, легированные (3-стабилизаторами, могут подвергаться термической об-
работке: закалке, старению или от-
пуску.
Твердость сплава, подвергающего-
ся термической обработке, может за-
висеть в значительной мере от скоро-
сти охлаждения.
На. рис. 75 показана зависимость
между твердостью титанового сплава,
содержащего 7% Мп, и скоростью
охлаждения.
Следует отметить, что при дли-
тельной работе при повышенных тем-
пературах (300—400° С) сплавы тита-
на могут приобретать повышенную
хрупкость.
Рис. 75. Зависимость твердости титанового
сплава, содержащего 7% Мп от скорости
охлаждения
Для предотвращения хрупкости
сплавы подвергают стабилизации при
700—750° С в течение 2—4 ч.
13 Заказ 664
194 ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА
При нагреве титановых сплавов с а + структурой при температурах выше
а + превращения, т. е. в Р области наблюдается интенсивный рост зер-
на. Отожженные сплавы имеют более низкую прочность. Механические
свойства термически упрочненного (870° С, закалка в воде, старение при
500° С) и отожженного (отжиг 820° С 30 мин охлаждение с печью до 600° С,
затем на воздухе) сплава марки ВТ14 приведены в табл. 180.
Таблица 180
Влияние термической обработки на механические свойства сплава ВТ14
Термическая обработка 1 а0,2 8 1
в кГ '/мм2 в %
Закалка с последующим отпуском 125 116 12 47
Отжиг 94-87 15 52 —
Высокая прочность сплава ВТ 15 обеспечивается закалкой и старением в ре-
зультате распада метастабильной P-фазы с выделением высокодисперсных
частиц a-фазы. Однако после такой термической обработки резко снижается
пластичность сплава (от 10—/12% после закалки, до 3—5% — после закалки
и старения).
Для повышения пластичности при сохранении высокой прочности разрабо-
таны режимы термо-механической обработки (тмо). Эта обработка состоит
в совмещении горячей деформации при 1050° С и закалки в воде с последую-
щим старением при 480° С в течение 25 ч и при 560° С в течение 15 мин.
В табл. 181 приведены механические свойства сплавы ВТ15 после высоко-
температурной термомеханической обработки (ВТМО) и старения [42].
Таблица 181
Влияние высокотемпературной термо-механической обработки (ВТМО)
на механические свойства сплава ВТ15
Режим обработки 1 q0,2 8 I ф
в к! У мм2 в %
ВТМО 83,5 83,5 33 61
Горячее прессование с охлаждением на воздухе 79 79 31 52
ВТМО закалка 800° С в воде 84,0 84,0 32,6 62
Горячее прессование + закалка 800° С в воде 81 ,5 81 ,5 29,6 49,9
ВТМО + старение 480° С 25 ч 4~ 560° С мин 131 ,3 129,0 11,0 18
Горячее прессование + старение 480° С + 560° С 13 мин ВТМО + закалка 800° С в воде -|- старение 480° С 2 5 ч + 118,5 113,5 1 1 ,6 20,5
+ 560° С 15 мин 124,5 117,7 10,0 13,5
ВТМО + старение 480° С 50 ч + 560° С 15 мин Горячее прессование + старение 480° С 50 ч+ 560°С 140,0 135,0 9,4 18
1 5 мин 130,0 128,8 3,2 7,0
3. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
В НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Существует мнение, что титан и его сплавы целесообразно применять для
изготовления оборудования, подверженного действию сернистой коррозии и
соленых вод. Применение титана для изготовления труб при бурении на газ
и нефть позволит значительно реже производить их замену.
Представляет интерес изготовление стальных емкостей для нефти и нефте-
продуктов с обкладками из тонкого листового титана, соединенного с основным
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 105
металлом сваркой. Стоимость таких емкостей такая же, как емкостей, цели-
ком выполненных из нержавеющей стали.
Высокая коррозионная стойкость титана в кислотах позволяет применять
его в нефтяном и химическом машиностроении. Из титана изготовляют труб-
чатые теплообменники с трубками диаметром 25 мм и длиной 3 м, работаю-
щие в среде 15%-ноге раствора гипохлорита натрия.
Титан пригоден для форсунок, работающих на морской воде, сеток фильт-
ров, теплообменников, работающих в азотной кислоте. Так, в 60-ной азотной
кислоте при 250° С теплообменники из титана работают без повреждений в те-
чение двух лет, а теплообменники из нержавеющей стали — всего 6 месяцев.
Крыльчатки из титана для центробежных насосов показали наиболее вы-
сокую коррозионную и эрозионную стойкость.
Паровые реактивные диффузоры, регулирующие высокое давление пара,
изготовленные из титана, работают без заметных признаков разрушения
5 лет [108].
Технический титан марки ВТ1 и сплав ОТ4 применяются при изготовлении
теплообменно-конденсационной аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов.
Однако, поскольку трубы из ВТ1 и ОТ4 выпускаются длиной 3—4 м, а теп-
лообменники и конденсаторы могут быть длиной до 42 м, возникла необходи-
мость сваривать трубы из этих сплавов и приваривать их к трубным решет-
кам так же изготовленным из титана.
Наилучшие результаты сварки технического титана марки ВТ1 обеспечива-
ются автоматической сваркой под слоем флюса. В этом случае предел проч-
ности и угол загиба сварных соединений равны прочности и углу загиба основ-
ного металла, а ударная вязкость несколько понижается (7,4 кГм)см2 против
14 кГм!см2 для основного металла). Высокие показатели получены также при
сварке сплава ОТ4.
Коррозионная стойкость сварных соединений ВТ1 и ОТ4 в средах процесса
прямой перегонки нефти (совместное воздействие хлористого водорода и серо-
водорода), а также и в жирных кислотах не уступает коррозионной стойкости
основного металла. Глубинный показатель скорости коррозии составляет 0,001—
0,064 мм!год.
Полевые испытания коррозионной стойкости технического титана марки
ВТ1 сплава ОТ4 в среде оборотной охлаждающей воды показали, помимо
полного отсутствия коррозии, также и отсутствие накипеобразования.
Все сказанное выше свидетельствует о том, что титан и его сплавы явля-
ются перспективным материалом для изготовления труб конденсационно-холо-
дильного оборудования. За рубежом уже сейчас в химической промышленно-
сти успешно применяют конденсаторы и холодильники с трубными пучками
из титана [101, 120, 165].
13*
Глава VII. СВИНЕЦ
1. СВОЙСТВА СВИНЦА
Свинец (РЬ) — химический элемент IV группы периодической системы
Д. И. Менделеева. Порядковый номер — 82, атомный вес А = 207,21. Кристал-
лическая решетка — кубическая гранецентрированная с периодом 4,4927 А.
Свинец характеризуется большим удельным весом (у = 11,34 г/сж3). Коэффи-
циент линейного расширения свинца при температуре 20—100° С равен
29,5-10“6.
Свинец принадлежит к числу легкоплавких металлов — температура его
плавления 327,3° С.
Свинец, обладая низкой прочностью и высокой пластичностью, редко при-
меняется в качестве конструкционного материала. Чаще свинец, учитывая его
высокую антикоррозионную стойкость, применяется для футеровки некоторых
аппаратов кабельных изделий и т. д.
Высокая антикоррозионная стойкость свинца основана на его химической
реактивности. Свинец, вступая в реакцию с коррозионно активными вещест-
вами, образует на поверхности защитную пленку, состоящую из стойких не-
растворимых солей. Эта пленка предохраняет свинец против действия агрес-
сивных химических веществ.
В табл. (182 приведен химический состав различных марок свинца (ГОСТ
3778—65).
Таблица 182
Химический состав различных марок свинца в %
Марка свинца Примесей не (более)
РЬ (не менее) Mg Fe Cu Zn As
СО С1 С2 СЗ С4 99,992 99,985 99,95 99,9 99,6 0,001 0,005 0,01 0,01 0,0001 0,001 0,003 0,005 0,01 0,005 0,001 0,001 0,002 0,01 0,001 0,001 0,002 0,005 0,01 0,0005 0,001 0,002 0,005
Примесей не более
Марка сгинца Ag Sn Sb Bi Ca + Na Всего примесей
СО С1 С2 СЗ С4 0,0003 0,001 0,0015 0,0015 0,002 0,0005 0,001 0,002 0,005 0,0005 0,001 0,002 0,005 0,004 0,006 0,03 0,06 0,1 0,002 0,01 0,03 0,05 0,008 0,015 0,05 0,1 0,4
СВОЙСТВА СВИНЦА 197
Все примеси повышают прочность и понижают пластические свойства свин-
ца. Особенно сильно понижаются пластические свойства при повышении со-
держания мышьяка. Мышьяк придает свинцу хрупкость.
Для увеличения прочности свинца к нему чаще всего добавляют (до 10%
Sb). Сплав свинца с сурьмой — «твердый свинец» обладает повышенной по
сравнению со свинцом механической прочностью (ав = 15 кГ1мм2). Коррози-
онная стойкость сплава при этом не хуже, чем у технического свинца.
В табл. 183 приводятся механические свойства свинца марок СО и СЗ в за-
висимости от вида его обработки, а в табл. 184 показано влияние температуры
на некоторые свойства свинца.
Таблица 183
Механические свойства некоторых марок свинца
Марка Вид обработки ae | а0,2 1 8 ; 1 ф НВ
в кГ/мм2 в %
СО СЗ Прокатка Прессовка 1 ,3 1 ,8 0,5 0,5 0,4 68 40 92 4,0 5,0
Таблица 184
Влияние температуры на некоторые свойства свинца марки СЗ
Свойства Температура в °C
20 80 150 200
ов в кГ/мм2 1 ,80 0,8 0,5 0,3
5 в % 40 37 30 22
Свинец обладает высокой стойкостью против атмосферной коррозии. Сухая
и влажная атмосфера с примесями сернистого газа, сероводорода, угольного
ангидрида практически не оказывает влияния на свинец.
Весьма стоек свинец и в растворах сернокислых солей. Щелочные соли
вследствие гидролиза, а также соли азотной кислоты значительно ускоряют
коррозию свинца.
В азотной кислоте концентрации ниже 70% свинец быстро корродирует.
Соляная кислота в слабых растворах медленно действует на свинец при тем-
пературе до 70° С. Горячая же концентрированная соляная кислота сильно
разрушает свинец.
Серная кислота способствует образованию на поверхности свинца тонкой
пленки солей, предохраняющих -его от дальнейшей коррозии. Скорость корро-
зии увеличивается с повышением концентрации серной кислоты (особенно
выше 90%), а также с повышением температуры. Это объясняется тем, что
при нагревании пленка сохраняет свои защитные свойства до 85—90° С. При
более высокой температуре благодаря уменьшению сил сцепления между ме-
таллом и пленкой, а также увеличению растворимости сернокислого свинца
при повышении температуры, она разрушается и вновь не образуется.
Скорость коррозии свинца марки СО в серной кислоте концентрации 95%
при различных температурах показана ниже.
Температура в °C...................... 20 100 200
Скорость коррозии в мм/год........... 0,5 12,0 42,0
198 свинец
Введение в свинец 0,03—0,1% Те заметно улучшает химическую стойкость
свинца в серной кислоте как при высоких температурах (до НО—120° С), так
и в кислоте высокой концентрации.
Свинец стоек в соляной кислоте концентрации не выше 10% при комнатной
температуре. С увеличением концентрации кислоты и повышением температу-
ры скорость коррозии свинца увеличивается.
Свинец устойчив в хромистой, сернистой и плавиковой кислотах при ком-
натных температурах. Однако в разбавленных уксусной и муравьиной кисло-
тах в присутствии кислорода свинец быстро разрушается. В жирных кислотах
свинец устойчив при отсутствии кислорода. Растворенные газы и пары хими-
ческих веществ (например, кислород) значительно увеличивает коррозию
свинца.
В растворах сильных щелочей свинец корродирует с небольшой скоростью.
Слабый раствор едкого натра при доступе воздуха и раствор аммиака
медленно растворяют свинец. Газообразный аммиак почти не действует
на свинец.
В сухих и влажных газах: хлоре, сероводороде, сернистом газе, ангидриде
серной кислоты, свинец почти не разрушается, тогда как под действием фто-
ристого водорода происходит быстрая коррозия свинца.
Дистиллированная вода, не содержащая кислорода, не разрушает свинец.
В присутствии кислорода и углекислоты образуется основная углесвинцовая
соль. Морская вода разъедает свинец.
Азотнокислые и хлористые соли вызывают коррозионное разрушение свин-
ца. Сернокислые соли калия, натрия, аммония, железный и медный купорос
не действуют на свинец.
В контакте с железом и медью, в кислых растворах, свинец является като-
дом и поэтому его коррозия в этих условиях не увеличивается. В щелоч-
ных растворах при аналогичных контактах скорость коррозии свинца
возрастает.
На стойкость свинца против коррозии значительное влияние оказывают
примеси. Так, примеси меди повышают коррозионную устойчивость свинца
против действия серной кислоты.
Сурьма повышает коррозионную стойкость свинца в серной кислоте.
Примеси висмута, цинка, натрия, калия и магния снижают кислотостой-
кость свинца. Коррозия свинца в растворах солей и кислот происходит, как
правило, по границам зерен. Таким образом, коррозионная стойкость зависит
от размеров зерна. Чем меньше величина зерна, тем длиннее путь коррозии и
тем медленнее процесс разрушения свинца.
Наиболее коррозионноустойчивыми являются те марки свинца, которые
слабо подвержены рекристаллизации в условиях эксплуатации. Скорость ре-
кристаллизации можно задержать некоторыми примесями, располагающимися
по границам зерен. Такого рода примесью в свинце является медь. Благодаря
размельчению зерна медь действует как замедлитель коррозии, хотя наличие
меди приводит к появлению гальванических пар.
2. ПРИМЕНЕНИЕ СВИНЦА В НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ
И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности свинец
применяется в качестве защитного, а в ряде случаев и как конструкционный
материал. Так, из свинца изготовляются охлаждающие змеевики, предназна-
ченные для охлаждения раствора серной кислоты, при температурах 25—60° С
и трубы коммуникаций для перекачки растворов серной кислоты.
Свинец применяется в холодильниках рабочего раствора сернокислого алю-
миния. Как показала практика, свинцовая обшивка после трехлетней эксплуа-
тации в этих условиях не требовала ремонта или замены.
ПРИМЕНЕНИЕ СВИНЦА В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 199
Листовой свинец толщиной 3—4 мм применяется на нефтеперерабатываю-
щих заводах для обшивки кислотных мешалок, изготовленных из углеродис-
той стали. Агрессивная среда — олеум, содержащий 18% свободного SO3, при
температурах 35—40° С не вызывает разрушения свинцовой облицовки в тече-
ние 5—8 лет эксплуатации мешалок. Через указанный срок свинцовая обли-
цовка начинает приобретать хрупкость.
Мешалки, изготовленные из углеродистой стали в этих же условиях начи-
нают давать пропуски в сварных швах после 2—3-летней эксплуатации.
Опыт работы нефтеперерабатывающих заводов показал, что промывочная
башня, в которую поступает газ из фервашера, диаметром 1800 мм и высотой
5000 мм, изготовленная из литого свинца толщиной 25 мм может работать
в течение нескольких десятков лет. В течение такого же срока работают, из-
готовленные из свинцовых труб диаметром 300 мм с толщиной стенки 6 мм,
трубопроводы, соединяющие промывочную башню с сушильной.
Успешно эксплуатируется изготовленный из свинца трубопровод диаметром
50 мм и толщиной стенки 4 мм, соединяющей бочки регенерации с насосом.
Трубопровод пропускает спиртовую вытяжку при 80—85° С и служит без ре-
монта более 5 лет.
На нефтемаслозаводах установки, предназначенные для хлорирования па-
рафина, идущего затем на приготовление специальных присадок к маслам,
также имеют значительное количество оборудования, изготовленного из свинца.
Так, подводящая в реактор хлор труба, изготовленная из свинца, служит до
6 месяцев, тогда как аналогичная труба, выполненная из углеродистой
стали, заменяется через каждые 15—20 дней, т. е. замена трубы из
углеродистой стали на свинцовую позволяет увеличить ее стойкость более
чем в 8 раз.
Змеевики маслозаводов, служащие для охлаждения серной кислоты кон-
центрации 55—65%, работают в течение 6—8 лет, будучи изготовленными из
свинцовых труб с толщиной стенки 5 мм.
В оборудовании установок по производству спиртов из нефтяных газов
свинец применяется в качестве защитного материала. На установках гидроли-
за, экстракта, отпарки и нейтрализации спирта сырца и др. корпуса защищают
от коррозии освинцеванием или плакированием рольным свинцом. Газоходы,
предназначенные для транспортировки кислых паров спирта сырца, защищен-
ные свинцом (гомогенный способ) показали хорошие результаты при эксплуа-
тации.
Из свинцовых труб изготовляются змеевики в холодильниках, охлаждаю-
щих серную кислоту концентрации 70—90% с 220° С до 40° С. Свинцовые тру-
бопроводы в этих условиях служат более 2 лет, тогда как трубы из углеро-
дистой стали в этих условиях подвергаются интенсивной коррозии за 2—3 ме-
сяца эксплуатации, что вызывает большой объем ремонтных работ.
Все детали электрофильтров, применяемых для охлаждения кислоты, нахо-
дящейся в туманообразном виде, выполняются целиком из свинца или обли-
цовывают свинцом. В частности из свинца изготовляются трубы диаметром
250 мм и длиной 4000 мм. Эти трубы помещаются посередине вертикально-
цилиндрического аппарата, между двумя решетками, облицованными свинцом..
Такие аппараты обычно работают при температуре 80—90° С.
Свинцовые покрытия подразделяются на тонкослойные (до 1 мм), наноси-
мые электролитическим способом, погружением в расплавленный свинец, и
толстослойные (свыше 1 мм) в виде футеровок.
Для защиты химической аппаратуры от коррозии широко применяют ап-
паратуру, футерованную свинцом. Последняя характеризуется большей ско-
ростью, чем аппаратура с тонкослойными свинцовыми покрытиями.
Футеровать аппаратуру свинцом можно несколькими методами: плакирова-
нием, напайкой, а также реактивной наплавкой с последовательной кристалли-
зацией.
200 свинец
Плакирование обычно производится листовым свинцом и применяется
для защиты листовой стали.
При плакировании листы, нагретые до температуры ниже температуры
плавления свинца спрессовываются под давлением.
В качестве промежуточного металла в этом случае часто применяются
свинцовооловянистые или свинцовосурьмянистые сплавы.
При футеровке методом напайки между свинцом и основным металлом
наносят слой оловянистого припоя. Однако в связи с тем, что температура
плавления припоя (183° С) значительно ниже температуры плавления свинца
(327° С), при работе футерованного оборудования в условиях высокой темпе-
ратуры и давлении свинец часто отслаивается.
При реактивной наплавке с последовательной кристаллизацией расплав-
ленный свинец принудительно формируется в покрытие специальным кристал-
Рис. 76. Приспособление для ©свинцевания
вала методом последовательной кристалли-
зации:
1 — металлосборник; 2 — газовая горелка;
3 — кристаллизатор; 4 — вал, подлежащий
освинцеванию
лизатором, позволяющим получать
заданную форму и толщину свин-
цового покрытия. Процесс может
быть полностью механизирован.
Этот способ успешно применяют
для освинцевания валов, внутрен-
них и наружных поверхностей
труб и других деталей сложного
профиля. При этом обеспечивает-
ся высокая прочность сцепления
свинца с основным металлом,
гладкая и беспористая поверхность
с высокой коррозионной стойко-
стью. Способ основан на примене-
нии реактивного флюса, дающего
очень тонкую пленку олова на
свинцуемой поверхности. Состав
флюса: хлористого цинка — 9%,
двухлористого олова — 5%, хлори-
стого аммония — 3%, фтористого
натрия — 2%. Легирование оловом
расплавленного свинца в количе*
стве 0,05% почти не влияет на
коррозионную стойкость покрытия.
Глубинный показатель корро-
зии для покрытия составляет
0,121 мм/год — почти, как у чисто-
го свинца (0,091 мм/год). При ис-
пользовании флюса данного соста-
ва предел прочности соединения
свинцового покрытия со сталью
при испытании на разрыв состав-
ляет в среднем 4,5 кГ/мм2 при
прочности самого свинца, равной
1,8 кГ/мм2.
Приспособление для реактивной наплавки с последовательной кристалли-
зацией вала (рис. 76) состоит из металлосборника, в котором расплавляется
свинец и флюс, жестко связанного с ним кристаллизатора, определяющего
форму и толщину покрытия, и газовой кольцевой горелки. Кристаллизатор
охлаждается проточной водой.
Деталь устанавливают в приспособление на специальной установке. В ме-
таллосборник приспособления заливают расплавленный свинец, засыпают флюс
и нагревают до 335—350° С кольцевой газовой горелкой, работающей на при-
родном газе или пропан-бутановой смеси.
ПРИМЕНЕНИЕ СВИНЦА В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 201
В процессе освинцевания приспособление с определенной скоростью пере-
мещается снизу вверх (или наоборот). При этом происходит процесс восста-
новления олова из флюса, которое покрывает тонкой пленкой поверхность
детали. Расплавленный свинец, непрерывно поступает из металлосборника в
охлаждаемый водой кристаллизатор, кристаллизуется и формируется в соот-
ветствии с заданной формой кристаллизатора. При этом производительность,
труда в 20 и более раз выше, чем при ручном освинцевании [15].
За последние годы за рубежом для защиты нефтехимической аппаратуры
от коррозии стали применять новый материал — дисперсионно-упрочненный
свинец. Этот материал представляет собой чистый свинец, содержащий мель-
чайшие частички окиси свинца, равномерно распределенные в основной массе
металла.
Предел прочности дисперсионно-упрочненного свинца <тб = 5-4-6 кГ/мм2,
6= 104-20% (в зависимости от качества окиси). Химическая стойкость ново-
го материала не отличается от чистого свинца.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
И ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Глава VIII. МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В различных отраслях народного хозяйства, в том числе в нефтяной, нефте-
химической и газовой промышленности начинают широко применяться метал-
локерамические изделия, т. е. изделия, изготовленные последовательным прес-
сованием и спеканием металлических порошков.
Антифрикционные, фрикционные, высокопористые (фильтровые) конструк-
ционные, магнитные, огнеупорные металлокерамические материалы обладают
значительными преимуществами по сравнению с аналогичными компактными
материалами. Изделия из металлокерамики обычно не требуют механической
обработки, материал изделия может состоять из компонентов с резко различ-
ными свойствами (например, температурой плавления), химический состав ме-
таллокерамики по различным компонентам можно регулировать в узких пре-
делах и т. д.
Порошки металлов и области их применения
Таблица 185
Наименование порошка Марка порошка ГОСТ или ТУ Содержание основного компонента в % Область применения
Медный ПМ-1 ПМ-2 ГОСТ 4960—68 99,5 Для производства антифрикционных, фрик- ционных, конструкционных, электротехни- ческих и прокатных металлокерамических изделий
Никелевый Карбониль- ный ПНК-1 ГОСТ 9722—61 99,7 Для производства конструкционных, уплот- нительных, металлокерамических изделий и металлокерамических фильтров
Кобальтовый ПНК-1 ПК-2 ГОСТ 9731—61 99,2 98,2 Для производства конструкционных и твер- досплавных изделий
Серебряный ПС-1 ПС-2 ГОСТ 9724—6 1 99,2 Для производства контактных металлокера- мических изделий и металлокерамических фильтров
Оловянный по ГОСТ 9723—61 99,5 Для производства контактных металлокера- мических изделий
Вольфрамовый Товарный М С ч ТУВМ 10—7—58 ВТУ 5—12—59 Для производства твердых сплавов марок ВКЗ, ВК6, ВК8
Железный ПЖ1М2 ПЖ2М1 ГОСТ 9849—61 . То же 98,5 98,0 Для изготовления конструкционных, анти- фрикционных, уплотнительных и других металлокерамических изделий
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 203
Технологический процесс получения металлокерамических изделий включает
в себя: получение металлических порошков заданного размера и формы, при-
готовление рабочей смеси, формование изделий из рабочей смеси и спекание
отформованных изделий.
Металлические порошки, предназначенные для изготовления металлокера-
мических изделий, получают различными методами: восстановлением окислов
металла, электролизом водного раствора солей, термической диссоциацией сое-
динений типа Men(CO) w, распылением расплавленного металла струей газа
или жидкости, механическим размолом в вихревых мельницах.
В СССР производят порошки железа, меди, никеля, кобальта, вольфрама,
титана, нержавеющих сталей и других металлов и сплавов.
В ряде случаев металлические порошки применяют самостоятельно: в ка-
честве катализаторов, наполнителей порошковых муфт, тормозов и т. д.
В табл. 185 и *186 показан гранулометрический состав и области примене-
ния некоторых порошков с несферической формой частиц.
В табл. 187 дана характеристика порошков, имеющих сферическую форму
частиц [42, 168].
Таблица 186
Порошки нержавеющих сплавов и области их применения
Марка материала порошка ГОСТ или ТУ Химический состав по основным компонентам в % Область применения
Ni Сг TI Другие элементы
Х17Н2 ТУ 1325—65 1 ,5— —2,5 15-19 0,2 — Для изготовления ме- таллокерамических фильтрующих эле- ментов, предназна- ченных для очистки агрессивных сред
Х18Н15 ТУ 1325—65 12—16 16—20 0,2 — То же
Х23Н18 То же 16—20 19—24 0,2 »
Х22Н15 » 16—20 21 — 25 0,2 — »
Х18Н9Т » 7—10 16—20 0,5—0,8 — »
Х23Н28МЗДЗТ (ЭИ 343) ВТУ 26—30 21 — 25 0,4—0,7 2,5—3,5 Мо 1-3 Со Для изготовления ме- таллокерамических фильтрующих эле- ментов, предназна- ченных для очистки горячих газов и аг- рессивных жидко- стей
Х18Н12М2Т ВТУ 10—15 16—20 0,4—0,7 1-3 Мо То же
Х20Н80 УМТУ, цниичм 1 277—65 77—82 18—23 0,2 0,5 Fe »
Примечание. Содержание углерода в стали Х17Н2 0,17%, в стали Х20Н80
0,15%, во всех остальных 0,07%.
Порошок после восстановления окислов на его поверхности рассеивается
по фракциям на специальных ситах. Порошки заданной фракции поступают
на приготовление рабочей смеси, где его могут смешивать с различными на-
полнителями. Из рабочей смеси формуются изделия заданной формы и разме-
ра. Обычно рабочая смесь прессуется в стальных прессформах.
Спрессованный порошок приобретает в результате давления форму
рабочего пространства прессформы. Величина давления прессования может
204 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Таблица 187
Характеристика порошков, имеющих сферическую форму частиц
Материал порошка ГОСТ или ТУ Химический состав Грануло- метриче- состав в мм Насыпной вес в г/см3 Область применения
свободной насыпкой с утряской
Низкоуг- леродистая сталь ТУ-ФМ 17-64 0,6 С 0,7 Мп 0,055S 0,05 Р Размеры частиц 0,04—1 ,2 2,9—4,0 3,0—4,2 Для изготовления ме- таллокерамических фильтрующих эле- ментов , работаю- щих в неагрессив- ных средах
Нержа- веющая сталь ТУ-ФМ 17-64 17—20 Сг 8-11 Ni до 1 Si То же 3,2—4,2 3,5-4,8 Для агрессивных сред
0Х18Н9
Никель ТУ-ФМ 17-64 Без содержа- ния частиц Других металлов и сплавов » 2,7—4,0 3,0-4,3 То же
Монель- металл НМЖМц ТУ-ФМ 17-64 2-3 Fe 27—29 Си 1 , 2— 1 , 8 Мп » 3,4—4,6 3,5—5,0 »
28-2,5-1 ,5
Фосфори- стая медь ТУ-ФМ 9-64 0,7—1 Р Примеси < 1 » 4,1-5,3 4,6-5,7 »
Оловянис- тая бронза ТУ-ФМ 13-64 4,5—5,5 Sn 0,3—0,6 Р 1 ,7—2,3 Zn Примеси <0,5 » 4,4—5,4 4,9—5,7 »
Феррохром ТУ-ФМ 14-64 Размеры частиц 0,2—2,5 мм Для хромирования фильтрующих эле- ментов низкоугле- родистой стали
Вольфрам Молибден Алюминий Без содаржа- ния частиц других металлов и сплавов 0,04—0,1 0,1 — 1 ,0 0,1 — 1 ,0 10—11 5,0—5,5 1 ,4—1 ,5 Для фильтрующих элементов, работа- ющих в области вы- соких температур или агрессивных сред
колебаться в довольно широких пределах (от 1 до 10 т!см2) в зависимости от
пластичности прессуемого порошка, величины частиц и других факторов.
Прессуют порошки обычно на гидравлических или механических прессах с об-
щим усилием 50, 100, 200 Т.
Недостатком статического метода прессования является неоднородность
плотности прессовки по высоте, что затрудняет получение деталей большой
длины (высоты).
Статический метод прессования не обеспечивает также надежное изготов-
ление изделий типа втулки, обладающих малой толщиной стенки при большом
диаметре.
Начинают находить все более широкое применение такие методы прессо-
вания, как гидростатическое и мундштучное, вибропрессование, а также про-
кат металлических порошков.
Метод гидростатического прессования деталей состоит во всестороннем об-
жатии жидкостью металлического порошка, заключенного в эластичную обо-
лочку. При применении этого метода прессования нет перемещения частиц
порошка по отношению к стенкам матрицы и на каждый участок поверхности
действует равное усилие, усадка порошка происходит равномерно и прессовки
имеют одинаковую плотность по высоте.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 205
Гидростатический метод прессования позволяет получать втулки с доныш-
ком, фланцы послойного изготовления и т. д. [101, 108].
Для получения длинных труб из металлических порошков сферической
формы, кроме гидростатического применяется метод мундштучного прессо-
вания.
Для создания благоприятных условий истечения фильтруемой массы через
мундштук применяется в качестве пластификатора крахмальный клейстер.
Трубы прессуют через мундштучную прессформу. Прессформы могут быть
рассчитаны на получение труб различного диаметра.
Прокатка металлических порошков является одним из новых технологиче-
ских приемов в порошковой металлургии и применяется для изготовления
металлических пористых и беспористых лент, листов, проволоки и труб.
Методом прокатки из порошков получают ленты как общего назначения —
железные, медные, никелевые и др., так и специальные — фрикционные, анти-
фрикционные, пористые, многослойные, теплостойкие и другие.
В табл. 188 даны механические свойства лент толщиной 0,2—1,0 мм, про-
катанных из металлического порошка.
Таблица 188
Механические свойства лент, прокатанных из металлического порошка
Исходный материал в кГ/мм2 s6 в % Исходный материал в кГ/мм2 ^5 в %
Медь Латунь Никель 28,0 38,0 33,0 34,0 45,0 40,0 Железо Нержавеющая сталь 32,0 76,0 20,0 38,0
Метод прокатки порошков является наиболее эффективным способом из-
готовления высокопористого тонколистового проката из металлов, который не
может быть получен слитковым способом.
Основные виды и свойства пористых полуфабрикатов, получаемых прокат-
кой порошков, представлены в табл. 189.
Таблица 189
Характеристика полуфабрикатов, получаемых прокаткой порошков
Изделие Пористость в % Область возможного применения
Пористые листы и ленты: из железного порошка из порошка нержавеющей стали из порошка карбонального никеля . . . 15-70 20—60 До 55 Фильтры для дизельного топлива и других нефтепродуктов Фильтры с чистотой фильтрации 3—5 мкм
Основой метода вибропрессования является резкое снижение сил трения
между частицами порошка и трения порошка о стенки прессформы в процес-
се прессования.
Вибрирование порошка под давлением ускоряет и улучшает размещение
частиц относительно друг друга, обеспечивая более однородную структуру и
равномерные свойства прессовки.
Механизм положительного влияния вибрирования на процесс укладки
частиц порошка заключается в разрушении первичных точечных контактов
206 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
частиц, способствуя наиболее плотной их упаковке при относительно малых
удельных давлениях.
Прессование производится на специальном вибропрессе. В качестве источ-
ника вибрации может использоваться механический вибратор с частотой коле-
баний 10 000—14 000 в минуту (кинетический момент 0,35 кГсм и 0,065 кГсм
соответственно) с амплитудой колебания 0,5—0,03 мм соответственно.
Зависимость плотности образцов от удельного давления при вибропрессо-
вании или при статическом прессовании для фракций порошков 0,063 мм;
о—о бибропрессобание • статическое
прессование
Рис. 77. Зависимость плотности образцов от удельного дав-
ления при вибрационном и статическом прессовании
Из кривых, приведенных на рис. 77, видно, что для достижения одинаковой
плотности при вибропрессовании требуется предельное давление прессования
порядка 25 кГ/см2, а при статическом прессовании — более 1500 кГ!см2.
Свойства вибропрессованных пористых изделий из порошков приведены
в табл. 190.
Свойства вибропрессованных пористых изделий
Таблица 190
Фракция порошка Удельное давление вибро- прессования в кГ/см2 Частота колебаний в мин Максимальный размер порошка в мкм Средний размер пор в мкм Проницаемость по воздуху при перепаде 600 мм вод. ст. в м3/мин • м~
0,063 26,3 10 000 33,6 21 ,9 6,25
0,1 26,3 10 000 61 ,5 34,8 18,4
0,3 31 ,6 10 000 81 ,3 64,3 44
В табл. 191 показана прочность образцов, полученных методов статического
и вибрационного прессования. Прочность определялась по усилию продавли-
вания пуансоном сечением 1 см2.
Из таблицы видно, что для вибропрессованных образцов удельное давле-
ние прессования требуется в 100 раз меньшее, чем при получении порошков
методом статического прессования, причем прочность образцов, полученных
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 207
методом вибропрессования ниже соответствующих характеристик образцов,
спрессованных статическим способом лишь в 2—3 раза.
Таблица 191
Прочность образцов, полученных статическим прессованием
и вибропрессованием порошков
Фракция порошка Удельное давление прессования в кГ/см2 при Прочность на продавливание В К.Г/СМ2 при
вибропрессовании статическом прессовании вибропрессовании статическом прессовании
0,063 26,3 3000 259,3 843
0,1 26,3 3000 276,0 662
0,3 31 ,6 3000 234,6 475
Изделия после формования спекают при таких режимах, когда хотя бы
один из компонентов порошковой смеси остается в твердом состоянии. В ре-
зультате диффузии и рекристаллизации происходит уплотнение — материал
спекается и поры затягиваются. Температура спекания составляет примерно
2/з от температуры плавления самой легкоплавкой составляющей спекаемого
материала; продолжительность спекания от 1 до 5 ч.
Обычно спекают в проходных или камерных электрических или газовых
печах в атмосфере защитного газа.
Значительный интерес представляет спекание некоторых металлокерамиче-
ских деталей при помощи нагрева токами высокой частоты (т. в. ч.). Так как
металлокерамическое изделие состоит из отдельных частичек металла, то вы-
деление тепла при нагреве т. в. ч. происходит на поверхности каждой частич-
ки, в том числе в местах контактов соседних частичек, способствуя их спека-
нию друг с другом.
Резкий нагрев при спекании изделий т. в. ч. может вызвать местные пере-
гревы прессовок, в результате чего в них появляются трещины с последующим
сплавлением по их краям. В этом случае наблюдается сильное окисление ме-
талла. Окисленные детали имеют очень низкую прочность. Для предотвраще-
ния окисления в качестве восстановительной атмосферы при спекании т. в. ч.
используют защитный газ, например осушенный водород.
Режим спекания определяется также размерами металлического порошка
и самого изделия.
Так, спекание металлокерамических втулок размером 40 X 34 X 50 мм из
порошка фракции 0,6—0,3 мм производится одновитковым индуктором диа-
метром 90 мм и высотой 70 мм, который обеспечивает плавный и равномер-
ный нагрев изделия со скоростью (100—200° С в мин.
Подача водорода прекращается после достижения температуры спекания
(1250° С), т. е. через 6—7 мин. Расход водорода в этом случае составляет
1,5 л/мин.
Таким образом, при спекании деталей т. в. ч. значительно сокращается как
продолжительность спекания, так и расход дорогостоящего водорода по срав-
нению с процессом спекания в электропечах.
Применение индукционного нагрева с частотой колебаний 150—250 кгц мо-
жет быть эффективным лишь для тонкостенных элементов (толщиной стенки
до 5 мм). Сквозное качественное спекание деталей большей толщины требует
применения установок с более низкой частотой.
Т. в. ч. можно спекать детали, спрессованные как методом статического,
так и гидростатического прессования (15, 165).
208 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
2. АНТИФРИКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Антифрикционные металлокерамические материалы изготовляются методом
порошковой металлургии и предназначаются для использования в качестве
деталей узлов трения, различного рода втулок, подшипников скольжения,
торцевых уплотнений и т. д. Материалы содержат в составе вещества, выпол-
няющие роль смазки (графит, сульфиты и т. д.), а также масло в порах, кото-
рые обеспечивают получение низкого коэффициента трения и малого износа
в случае органической смазки или даже при прекращениях подачи смазки.
Пористость и наличие смазывающих веществ является отличительной особен-
ностью металлокерамических материалов и придает им высокие антифрикци-
онные свойства.
Металлокерамические антифрикционные изделия могут заменять изделия из
дорогостоящих цветных металлов и сплавов, а в ряде случаев шариковые и ро-
ликовые подшипники при повышении срока службы узла в 1,5—10 раз, в зави-
симости от применяемых металлокерамических материалов и конкретных ус-
ловий работы.
Таблица 192
Характеристика металлокерамических антифрикционных материалов
Материал литых заменяемых изделий Материал металлоке- рамических деталей и его марка Характеристика технологии изготовления металлокера- мического материала Области применения
Сталь 2 0 СЧЦ-2 СЧ 18-36 Сталь 40 Бр. ОЦС 5-5-5 Баббиты Л6 2 Ж ЖГрО,3 ЖГр1 ЖГр 2 ЖГрЗ ЖГр7 Прессование смеси и спека- ние в защитной среде при 1050° С 2-3 ч Подшипники скольжения, уплотнения в роликовых тран- смиссиях и т. д.
Железографиты, легированные медью
Сталь 20 ЖГр1
СЧЦ-2 Д 0,5
Сталь 40 ЖГр 1 ,5
Сталь 45 Д 2,5
Бронзы ЖГр1
Баббиты Д 5
Латуни ЖГр1 Д з
Прессование смесей и спе-
кание в защитной среде при
1 100—1 150° С в течение
90—180 мин, а также сов-
местное восстановление по-
рошков железа и меди, прес-
сование и спекание с после-
дующим отжигом на зернис-
тый перлит
Машиностроение, химиче-
ская промышленность, радио-
электроника. Например, в уз-
лах трения, работающих при
повышенных температурах (до
250° С); в механизмах метал-
лургического, кузнечно-прес-
сового оборудования в тяже-
лых и средних узлах трения,
вместо подшипников качения,
распорных колец втулки гран-
букса, клапана, втулки ле-
бедки, шайб упорных, шарни-
ра поворотного кулака и т. д.
Сталь 20
СЧЦ-4
Сталь 40
Сталь 45
Бронзы
Баббиты
Латуни
Железографиты
Сульфидированные пористое железо и железографит
Ж ЖГр1К1 Прессование смесей или вос- становление порошкообразно- То же, а также в качестве направляющей втулки штока
ЖГр2К1 ЖГр2Ц1 ЖГрЩс 4 ЖГрЗЦс 4 ЖГр1Дс 3,5 ЖГР 0,3 ЖГр 0,3 Дс 3,5 го сплава при Р = 5 ч- 8 Т/см3 и спеканием в защитной сре- де при температуре 1100— 1120° С в течение 1 — 2 ч, для ряда сплавов ракоменду- ется отжиг на зернистый пер- лит амортизатора, шайб упорной шестеренки маслонасоса, тор- цевых уплотнений, различных втулок и т. д., в условиях повышенных (до 500° С) тем- ператур при недостаточном поступлении смазки и т. д.
14 Заказ 664
Таблица 193
Характеристика антифрикционных металлокерамических материалов
Марка материала Химический состав в % Физико-механические свойства Специальные свойства
Железо Г рафит Сульфидирующая добавка ° в °ип НВ °сж РЗ к Q Пористость в % Коэффициент трения при графитной смазке Макси! услс Темпера- тура в СС сально допу )вия эксплу< Давление в кГ/см2 гстимые ттации Скорость в м/сек
в кГ/мм2
Ж жгроз ЖГр1 ЖГр2 ЖГрЗ ЖГр2Д2,5 ЖГр1ДЗ ЖГ 1.5Д5 ЖГр2Д10 ЖС11 100 99,7 99 98 97 95,5 96 93,5 88 ,2 100 0,3 1 2 3 2 1 1 ,5 1 ,8 2,5 3 5 10 16 5 16 13 10 27 30 25—30 25 14 18 18 1 1 18 33 30 18 40—80 50—100 50—130 50—120 90—150 90—120 56—75 40—50 50—70 45 40 35 60 90 0,3—0,6 0,2 0,15 0,25 0,3 15—25 15—25 15—25 15—25 15—25 15—20 15—25 26—25 20—27 20 0,07—0,10 0,07—0,09 0,06—0,09 0,05—0,07 0,06—0,08 0,06—0,1 0,013 0,03—0,0 0,4 100—150 180—200 100—180 100—180 100—180 200 130—200 100—120 100 16—20 35—40 26 35—50 40—100 100 100 200 40 1 1 5 5 3—5 3 4,5 1 3
Таблица 194
Состав и основные свойства бронзографитовых и металлопластмассовых материалов, пропитанных фторопластом
Материал Химический состав, % Механические свойства Пористость В % Коэффициент трения при графитной смазке Допускаемые < свойства
Си Sn Другие 1 °сж 1 ° ср НВ °C Р в кГ/см2 V в м/сек
в кГ/мм2
Бр. ОГр 10-2 88 10 С— 2 5 50 1 1 35 18 0,05 200 40 5—10
Бр. 0Гр8-4 88 8 С— 4 3 40 И 33 18 0,05 200 40 5—10
Бр. 010 90 10 — 6 50 14 50 18 0,05 250 40 20
Бр. 010ФТ 90 10 — 3 30 12 35 20 0,005 250 50 50
Бр. ОЦбФт 88 6 Zn— 6 3 30 12 35 32 0,05 250 50 50
АНТИФРИКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 209
210 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлокерамические антифрикционные материалы применяются в самых
различных отраслях техники для различных механизмов, приборов и машин.
В зависимости от назначения и конкретных условий работы могут
применяться различные марки металлокерамических антифрикционных сплавов:
железографитовые, бронзографитовые, металлографитовые, металлопласт-
массовые.
Материалы на основе железа (сульфидированное пористое железо, железо-
графит, легированный и сульфидированный железографит) могут применяться
для работы в масле или при ограниченной подаче масла, в условиях повышен-
ного абразивного износа, при температурах до 100—150° С и т. д.
Для работы в условиях смазки, но при повышенной влажности, когда спла-
вы железа подвергаются коррозии, могут применяться бронзографитовые ме-
таллокерамические материалы. Для работы с ограниченной смазкой, всухую
могут применяться металлографитовые или металлопластмассовые композиции,
характеризующиеся высоким содержанием вещества (до 50%), играющего роль
смазки, например, графита, фторопласта и т. д.
Основой металлографитовых материалов являются сплавы никеля с медью
или железом, свинец, алюминий, латунь, бронза. В качестве металлической
составляющей металлопластмасс рекомендуются порошки со сферической фор-
мой частиц из бронзы или нержавеющие стали.
Общая характеристика антифрикционных металлокерамических материалов
и области их применения даны в табл. 192, 193 и 194 [42].
Особое место занимают металлокерамические материалы для поршневых
колец. Применение этих материалов повышает износостойкость поршневых
колец двигателей внутреннего сгорания, упрощает технологию и снижает стои-
мость их изготовления. Поршневые кольца из металлокерамических материалов
в 1,5 раза прочнее и в 1,2—1,3 раза более упруги, чем литые чугунные кольца
и сохраняют повышенную упругость в процессе работы при температурах до
300—350° С. Эти материалы в 1,5—3 раза более износостойки, чем серый чугун
при равном износе гильз цилиндров и одинаковой прирабатываемости, а также
в 1,2—1,5 раза снижают расход картерного масла.
По данным эксплуатационных испытаний срок работы металлокерамичес-
ких колец достигает 5000 ч вместо 2000 ч работы чугунных поршневых колец.
При изготовлении поршневых колец методом порошковой металлургии на
30—40% снижается их стоимость по сравнению с изготовлением методом ин-
дивидуальной отливки с последующей механической обработкой.
Изготовление поршневых колец методом порошковой металлургии устра-
няет большие потери материала, возникающие при изготовлении чугунных ли-
тых колец, сокращает станочный парк, уменьшает в 3—4 раза трудоемкость
изготовления.
Характеристика материалов, применяемых для изготовления поршневых ко-
лец, дана в табл. 195 [42].
3. ФРИКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ
Фрикционными изделиями называются изделия, обладающие большим ко-
эффициентом трения. Эти изделия применяются в тормозных устройствах или
узлах трения, передающих крутящий момент.
Фрикционные изделия должны обладать следующими основными свойст-
вами: высоким коэффициентом трения (не менее 0,35—0,40 при сухом трении
и не менее 0,10—0,15 при жидкостном трении), высоким сопротивлением из-
носу, плавностью сцепления с другими деталями, высокой прочностью и тем-
пературной стойкостью (способностью работать с малым износом при высокой
температуре).
Металлокерамические фрикционные материалы состоят обычно из трех ти-
пов компонентов: металлы (обычно медь или железо), составляющие основу
* Характеристика металлокерамических материалов марок МПК-6 и МПК-11
Таблица 195
Марка материала Химический состав в % Физико-механические свойства Специальные свойства
°и HRB Е в кГ/мм2 Коэффициент остаточной деформации Пористость В % Коэффициент трения (полусухое) Максимальные допустимые условия эксплуатации
в кГ/мм2 в °C | в кГ/мм2 в м/сек
МПК-6 92,65Fe 2,0Cu 1 ,35С 4,0ZnS 70—80 4 5—51 78—86 1 1800—14200 6—14 7 0,028 300 50 8
МПК-11 82,65Fe 2,0Cu 1 ,35C 4,0SnS Чугун белый 10,0 7 5—85 48—55 85—95 128000—15000 5—10 7 0,005 350 50 8
Характеристика фрикционных металлокерамических материалов
Таблица 196
Свойство Марка материала
МФ-15 ФАБ-1 ФАБ-Д
Удельный вес в Г/см2 .. - 6,2 6,3 6,0—6,2
Твердость в кГ/см2 130—160 80—90 60—70
Предел прочности при срезе в кГ/мм2 9—11 12—15 8—10
Предел прочности при изгибе в кГ/мм2 — 20—25 15—18
Материал сопряженной пары Чугун Сч 1 8-40 Сталь 45,65Г Сталь 45,65Г
Коэффициент трения со смазкой — 0,08—0,09 0,11—0,12
Коэффициент трения без смазки 0,26—0,45 — —
Износостойкость 0,030 мм за 10 000 включений 0,03—0,06 мк/км • см2 0,01—0,02 мк/км • см2
Максимальная допустимая скорость скольжения в м/сек . . . 16 40 40
Максимальное допустимое давление в кГ/см2 5 40 40
ФРИКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ 211
212 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
материала, графит, связывающий материал и предохраняющий его от износа
и наполнители — в виде кремния, асбеста, кремнезема и т. д., добавляемые
для повышения коэффициента трения.
Фрикционные детали могут изготовляться в виде секторов, вкладышей,
дисков, представляющих изделия, состоящие из стального диска-подложки, на
которой с одной или двух сторон припекается фрикционный слой.
В табл. 196 представлены составы и свойства некоторых металлокерами-
ческих фрикционных материалов [42, 92, 165].
4. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Одним из наиболее распространенных видов металлокерамических изделий
являются детали достаточно сложной формы, которые обычно изготовляются
из углеродистых и легированных сталей, чугуна или цветных металлов и спла-
вов.
Типовые металлокерамические конструкционные детали: тройники, храпови-
ки, рычаги, шестерни, кулачки, накладки, шайбы, колпачки, заглушки, накид-
Таблица 197
Конструкционные металлокерамические материалы
Марка материала Химический состав в % Физико-механические свойства (не менее)
НВ в кГ/мм2 5в В % ан в кГ-м/см2 в кГ1мм2 Удельный вес в а/ см?
Ж-7,4 < 0,1 5С 80 28 18 2,5 7,3
Ж-6,3 < 0.15С 50 15 6 1 ,0 — 6,0
ЖГр-7,2 0,7—0,9С 150 40 3 1 ,0 .— 7,0
ЖЧЗО-7,1 0,8—0,9С 200 40 1 ,3 1,5 Повышен- ная изно- соустой- чивость 7,0
ЖЧ20-7,1 0,5—0,6С 180 38 1 ,4 2,0 80 7,0
ЖГр1Д 2,5-6,5 0,7—0,9С 2,2—2 ,5Си 180 40 1 0,6 — 6,4
ЖГр1 Д5-6.5 0,7— 0,9С 4,5—5, ОСи 200 40 1 0,6 — 6,4
ЖГрО; ЗДЗК0,2-6,2 0,15—0,20С 2,9—ЗСи 0,1 — 0,1 5S 50 20* 3 0,7 — 6,2
ЖД20-8.0 (Пр) 20—2 5%Си 110 40* 3 0,25 — 7,9
ЖЛ20-7.9 (Пр) 5,0—7,0Zn 12—15,ОСи 120 40** 5 0,25 — 7,8
ЖГр 1-7,0 (Хр) 0,7—0,8С Среднее содержание хрома в поверхностном слое толщиной 5 мм состав- ляет 5% 120 35*** 4 0,1 6,8
ЖГ1-6.2 0,9—1 ,1Сг 1 20 35 2 — — 6,0
Примечание. Обозначение марок материалов: Ж — железо, Гр — графит, Д — медь,
Л —латунь, О — олово, X — хром, Ч —отбеленный чугун, Хр — хромированный, Пр —про-
питанный, К —сера. Цифра, следующая за наименованием составляющих шихту обозначает
удельный вес материала.
* После закалки и старения OQ = 70 80 кГ/мм2.
** То же сб = 60н-70 кГ/мм2.
*** » » ов = 40 кГ/мм2.
ВЫСОКОПОРИСТЫЕ, ФИЛЬТРОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 213
ные и специальные гайки, крышки, фланцы, корпуса клапанов, детали замоч-
ных механизмов, ограничители, державки резцов, детали мерительных инстру-
ментов тракторов, автомобилей и др.
Эти детали могут выпускаться в виде готовых изделий или заготовок, ко-
торые требуют незначительного объема механической обработки.
Основной особенностью металлокерамических деталей является их высокая
плотность и прочность, приближающаяся к прочности и плотности обычных
деталей, изготовляемых из проката или литья.
Металлокерамические детали машин и приборов изготовляются из порош-
ков железа, углеродистых и легированных сталей, латуни, меди, бронзы, ни-
келя и других металлов и сплавов. Широкое применение получили железо-
медные, железолатунные, железомарганцевомедные, железочугунные материа-
лы. Методами порошковой металлургии получают материалы и изделия со
специальными физическими и технологическими свойствами: высокой износо-
устойчивостью, жаропрочностью, высокой твердостью,большим удельным ве-
сом, нормированным линейным и объемным расширением.
Наиболее распространенными методами изготовления конструкционных ме-
таллокерамических деталей являются: холодное прессование и спекание, горя-
чее прессование, холодное прессование и пропитка жидкими металлами и
сплавами; прокатка порошков и спекание, мундштучное прессование.
Свойства некоторых конструкционных материалов приведены в табл. 197
[42, 104].
Внедрение металлокерамических конструкционных деталей в промышлен-
ность дает значительный экономический эффект.
Экономический эффект от внедрения 1 т конструкционных металлокерами-
ческих деталей составляет в среднем 1,0—1,4 тыс. руб.
5. ВЫСОКОПОРИСТЫЕ, ФИЛЬТРОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Фильтровые материалы занимают важное место во многих отраслях на-
родного хозяйства. В процессах, связанных с переработкой нефти и газа,
очисткой нефти и газа при их добыче, применение фильтров имеет большое
значение, оказывая влияние на сроки службы оборудования и на качество
получаемых продуктов.
До появления металлокерамических фильтров в промышленности широко
применялись неметаллические фильтрующие материалы: бумажные, текстиль-
ные и т. д.
Металлокерамические фильтры по сравнению с неметаллическими фильт-
рующими материалами обладают рядом преимуществ: большей прочностью,
лучшим сопротивлением термическим напряжениям и ударам, сравнительно
простым способом изготовления тонкопористых фильфтров с равномерными
порами заданной величины, простым способом восстановления загрязненных
фильтров.
Металлокерамические фильтры характеризуются прежде всего их порис-
тостью. Сквозная пористость металлокерамических фильтров определяется
количеством жидкости или газа, проходящих через фильтр в единицу времени.’
Пористость металлокерамических фильтров зависит от свойств металлического
порошка, величины и формы частиц, предварительной обработки порошка, дав-
ления при прессовании, температуры и продолжительности спекания.
Обычно пористость металлокерамического фильтра снижается при умень-
шении размеров частиц порошка, усложнении их формы и шероховатости по-
верхности, увеличении пластичности порошка, повышении давления прессова-
ния и температуры спекания.
Поры в металлокерамическом материале различаются по размерам, распо-
ложению, характеру и распределению. Они могут быть сквозными,
214 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
глухими, проходить в теле материала более или менее прямолинейно или по
произвольной кривой.
К металлокерамическим фильтрующим материалам для обеспечения хоро-
шей проницаемости предъявляются определенные требования в отношении ха-
рактера и распределения пор. Эти требования должны отвечать основным ус-
ловиям:
а) возможно большее число пор должно быть сквозным. При этом следует
учитывать, что процент, несквозных пор возрастает с увеличением толщины
фильтра. Толщина фильтра должна выдерживать принятое давление фильт-
рации;
б) извилистость пор повышает сопротивление прохождению среды из-за
увеличения трения. Однако необходимо учитывать, что извилистость пор улуч-
шает фильтрующую способность;
в) поры должны иметь на всем протяжении одинаковые размеры (сечение)
без местных сужений, так как проницаемость определяется наименьшим сече-
нием пор;
г) поры должны иметь одинаковые размеры, чтобы фильтр улавливал час-
тицы определенной величины.
Проницаемость металлокерамического фильтра выражается количеством
жидкости или газа в сж3, проходящим в одну минуту через 1 см2 фильтрую-
щей перегородки толщиной 3 мм при равномерном избыточном давлении
1 кГ!см2 и температуре 20° С.
Проницаемость металлокерамического фильтра повышается с увеличением
пористости, числа сквозных пор, их размеров, с уменьшением толщины фильт-
ра, с возрастанием давления фильтрации и с уменьшением вязкости фильт-
руемой среды.
Следует учитывать, что повышение проницаемости металлокерамического
фильтра приводит, как правило, к снижению степени его очистки. Поэтому
необходимо в зависимости от требований, предъявляемых к фильтру, находить
оптимальное соотношение между этими двумя характеристиками.
В табл. 198 показаны значения пористости и проницаемости стальных ме-
таллокерамических фильтрующих материалов, спеченных при температуре по-
рядка 1300° С. Изделия в этом случае спекались из свободнонасыпанного по-
рошка со сферической формой частиц.
Таблица 198
Пористость и проницаемость стальных металлокерамических фильтрующих материалов
Размеры частиц порошка в мм Удельный вес в Г/см3 Пористость В % Проницаемость для дизель- ного топлива при избыточном давлении в см/мин
0,2—0,3 4,59-4,69 38,3—39,7 7ЪЬ—77Ъ
0,3—0,4 4,48—4,52 40,6—41 ,0 880-825
0,4-0,5 4,61 — 4,49 40,9—41 ,0 905—890
0,5—0,6 4,26—4,35 42,8—48,9 390—1035
0,6—0,7 4,32—4,38 42,3—43, 1 1050—1 100
Из таблицы видно, что изделия, спеченные указанным способом, имеют
очень высокую проницаемость, которая возрастает с увеличением размеров
частиц порошка, тогда как пористость возрастает в меньшей степени [192].
Для изготовления металлокерамических фильтров применяются порошки,
изготовляемые из различных металлов и сплавов: меди, бронзы, никеля, монель-
металла, нержавеющей стали, титана и др.
В зависимости от фильтруемой среды к материалу металлокерамического
фильтра предъявляются различные требования.
Температура, давление фильтрации, агрессивность фильтруемой среды,
время фильтрования определяет природу материала, применяемого для изго-
товления фильтрующих элементов металлокерамического фильтра.
ВЫСОКОПОРИСТЫЕ, ФИЛЬТРОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 215
В настоящее время металлокерамические фильтры работают в диапазоне
температур от —50 до 4-1000° С и выше, при перепадах избыточного давления
до 100 кГ!см2, фильтрование агрессивных кислот и щелочей различных кон-
центраций, газов, содержащих сероводород, хлористый водород, хлор и другие
предъявляет к материалу фильтров высокие антикоррозионные требования.
От применяемого материала фильтра в значительной степени определяется
ресурс его работы.
При изготовлении фильтруемых элементов обычно применяют порошки со
•сферической формой частиц.
Получают порошки распылением расплавленного металла газом, воздухом,
паром или водой. Струя расплавленного металла, проходя через сопло малого
сечения разбивается струей газа, воздуха или воды с последующим охлажде-
нием брызг металла в воде. Этот способ является наиболее производительным
и дешевым и поэтому находит наибольшее распространение.
Железный порошок после изготовления может содержать на поверхности
частиц окислы железа. Для восстановления порошка его нагревают в среде
водорода или другой восстановительной атмосфере.
Для получения необходимой проницаемости и размеров пор у металлоке-
рамического фильтра порошок/идущий на его изготовление разделяется (про-
сеивается) на фракции так, чтобы в каждой фракции сферические частицы
имели приблизительно одинаковые размеры. Для изготовления металлокерами-
ческих фильтров обычно применяют следующие фракции (размеры частиц
в мм) менее 0,06 (пыль); 0,063—0,10(0,063); 0,10—0,15(0,1); 0,15—0,20(0,15);
0,2—0,3(0,2); 0,3—0,4(0,3); 0,4—0,6(0,4); 0,6—0,8(0,6); 0,8—1,0(0,8).
Порошок по фракциям рассеивается на вибрационных ситах (типа Д-500,
имеющих производительность до 50 кГ/ч с числом вибраций 3000 в минуту).
Перед прессованием различных металлокерамических фильтров из порошков
последние часто смешиваются со специальными наполнителями. Наполнители
•применяются для предотвращения закрытия пор в процессе спекания, что обес-
печивает получение металлокерамических материалов, обладающих высокой по-
ристостью и проницаемостью.
В табл. 199 показано влияние давления прессования на проницаемость
материалов, изготовленных из железного порошка.
Таблица 199
Давление прессования в Т/см2 Толщина фильтра в мм Удельный вес в Г/см3 Проницаемость для воды при избыточном давлении 1 кГ/см2 в см/мин
3 3,29 4,07 360
4 3, 18 4,30 208
5 3,14 4,49 162
6 3,12 4,59 130
Из таблицы видно, что с повышением давления прессования порошка про-
ницаемость снижается в гораздо большей степени, чем увеличивается
удельный вес.
Фильтрующие элементы могут изготовляться без прессования методом сво-
бодной засыпки порошка (без наполнителя) в специально изготовленную
форму. В этом случае для более равномерного заполнения формы сферическим
порошком засыпку часто производят на вибрационных столах.
После засыпки для повышения прочности фильтрующих элементов их спе-
кают. Порошок спекают вместе с формой. Для предотвращения спекания
порошка со стенками формы последние изготовляются из графита или из ста-
ли с последующим нанесением графита на стенки формы. Для спекания ме-
таллокерамических фильтров, полученных методом свободной засыпки, тре-
216' МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
буется более высокая температура, чем в случае спекания отпрессованных
фильтров. Так, при спекании фильтров, изготовленных методом свободной
засыпки из стального порошка, требуется температура порядка 1300° С. От-
прессованные фильтры, изготовленные из этого же материала, спекают при
температурах (1200—1250° С.
Окисление металла при спекании металлокерамических материалов недопус-
тимо, так как образование окисных пленок на поверхности металлического
порошка резко затрудняет процесс спекания. Поэтому металлокерамические
элементы спекают в защитной (восстановленной) атмосфере или в вакууме.
С повышением температуры спекания плотность металлокерамического
материала увеличивается, а его пористость снижается (табл. 200).
Таблица 2 00
Свойства металлокерамических материалов при их работе
на дизельном топливе
Температура в °C Удельный вес в Г/см2 Пористость В % Проницаемость при избыточном давлений 1 кГ/см2
1250 4,46 42,2 187
1300 4,78 38,2 186
1350 4,84 37,5 170
Из таблицы видно, что с увеличением температуры спекания пористость
и проницаемость снижается. Однако снижение температуры спекания умень-
шает механическую прочность.
Металлокерамические фильтры спекают в электрических или газовых печах.
При температуре спекания образцы обычно выдерживаются в течение 2—3 ч.
Металлокерамические фильтры из меди и бронзы
Порошок оловянистой бронзы или фосфористой меди со сферической фор-
мой частиц получают распылением расплавленного металла сжатым воздухом.
Следует отметить, что на форму частиц порошка большое влияние оказывает
химический состав металла. Так, для повышения значения поверхностного
натяжения и образования правильной сферической формы частиц медного по-
рошка в его составе должно быть не менее 0,5% фосфора. Оловянистая брон-
за, содержащая 5—8% олова, не должна содержать более 6% цинка, так как
в противном случае происходит заметное понижение поверхностного натяже-
ния и порошок имеет неправильную форму.
В зависимости от требований, предъявленных к металлокерамическим
фильтрам, они изготовляются прессованием под небольшим давлением (1 —
3 Т/см2) с последующим спеканием, или спеканием порошка, уложенного под
действием вибрации в специальные формы, изготовленные из графита, кера-
мики, нержавеющей стали или другого материала, который не должен припе-
каться к телу фильтрующего элемента.
Формы с засыпанным в них бронзовым порошком утрясаются на вибросто-
ле для более плотной укладки частиц порошка, после чего поступают в печь
для спекания. При изготовлении фильтрующих элементов из бронзы темпера-
тура в контейнере поднимается до 860° С, фильтрующие элементы из фосфо-
ристой меди спекаются при 890° С. Выдержка при температуре спекания за-
висит от сечения формы, толщины фильтрующей стенки элемента, толщины
засыпки и лежит обычно в пределах 30—60 мин. Спекать и охлаждать фильт-
рующие элементы нужно в атмосфере водорода.
Металлокерамические фильтры, полученные методом свободной засыпки
имеют в 3—4 раза большую производительность, чем аналогичные фильтры,
ВЫСОКОПОРИСТЫЕ, ФИЛЬТРОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 217
полученные прессованием с последующим их спеканием. Так, например, метал-
локерамический фильтр регулятора давления пневмосистемы, изготовленный
методом прессования из бронзового порошка фракции 0,2—0,4 мм имеет про-
изводительность по воздуху 30—35 л/мин, (при перепаде давления 600 мм
вод. ст.), тогда как такой же фильтр, полученный методом свободной засып-
ки, характеризуется производительностью 120—130 л!мин.
Бронзовые фильтры, полученные методом свободной засыпки, характеризу-
ются прочностью на растяжение 3—4 кГ1мм2 и относительным удлинением
до 3%.
Металлокерамические фильтры из никеля и монель-металла
Порошок из никеля со сферической формой частиц, пригодный для изготов-
ления фильтрующих элементов, может быть получен как распылением прово-
локи диаметром 2,0—2,5 мм с помощью электрометаллизационного аппарата
типа ЭМ-6, так и распылением жидкого никеля воздухом на специальных
установках. Последний путь более дешевый и производительный, так как не
используется дорогостоящая никелевая проволока.
Жидкий никель распыляют при температуре расплава 1600—1650° С, диа-
метр струи расплавленного никеля диаметром 10 мм разрушается воздушной
струей, выходящей из сопла под избыточным давлением 0,5 кГ1см2. В этом слу-
чае порошок имеет следующий гранулометрический состав: фракция 0,4—
1,0 мм (55—58%), фракция 0,1—0,4 мм (39—43) % и фракция с частицами
порошка диаметром менее 0,1 мм (2—3)%. Количество сферических частиц
составляет 90—95%.
Для изготовления металлокерамических фильтрующих элементов наиболь-
шее распространение находят порошки фракции: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 мм.
Фильтрующие элементы из порошков никеля и монель-металла можно прес-
совать при удельном давлении прессования 2—4 TjcM2. В качестве наполните-
ля часто применяется парафин в количестве 3% (весовых).
Спрессованные фильтрующие элементы спекают с предварительным уда-
лением парафина при 400° С, для фильтров из порошка никеля при температу-
ре 1150° С в течение 2 ч, а из порошка монель-металла при температуре 1100° С
также в течение 2 ч.
В табл. 201 приводятся некоторые свойства металлокерамических фильтру-
ющих элементов из никеля и монель-металла, спрессованных с удельным дав-
лением 3 Т1см2.
Таблица 201
Свойства металлокерамических фильтрующих элементов
Размер и форма фильтрующих элементов Фракция порошка в мм Тонкость фильтра- ции в мкм Производительность* по воздуху в м*!мин ДЛЯ Разгружающее избы- точное давление (внутреннее) в кГ)См2 Для
никеля монеля никеля монеля
Втулка 40X34x50 0,1 20 0,07—0,08 0,1-0,5 28 30
То же 0,2 25 0, 14—0, 19 0,20—0,23 26 28
» 0,3 30 0,18—0,23 0,20—0,25 20 25
» 0,4 40 0,23—0,25 0,30—0,32 17 16
» 0,6 45 0,27—0,33 0,28—0,35 15 10
При избыточном давлении 1 кГ’1см2.
218 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Производительность фильтрующих элементов из порошка никеля меньше,
чем у соответствующих элементов, изготовленных из монель-металла. Это
объясняется тем, что более высокая пластичность никеля приводит при прес-
совании к искажению сферических частиц порошка. Деформация сферических
частиц порошка изменяет «правильные» размеры пор фильтрующего элемента,
что повышает его гидравлическое сопротивление.
Металлокерамические фильтры из никеля и монель-металла нашли приме-
нение для фильтрации дизельного топлива, жидкостей гидросистем, для фильт-
рации 50%-кого раствора едкого натра и др.
Металлокерамические фильтры из титана
В ряде случаев большой интерес представляет изготовление металлокера-
мических фильтров из легкого, прочного и коррозионностойкого материала —
титана.
Для изготовления фильтрующих элементов может быть использована ти-
тановая губка, которая получается как отход при производстве титана маг-
ниетермическим методом.
В табл. 202 представлена характеристика порошка, полученного из тита-
новой губки ТГ-ЧМ.
Т а б л и ц а 202
Характеристика порошка из титановой губки, содержащей 96,0% Ti
Свойства Характеристика порошка при фракции в мм
0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1,0
Насыпной вес утряски в Г/см3 Насыпной вес свободной насыпки в Г/см3 . . Содержание порошка в каждой фракции в % 0,49 0,12 3,5 1 ,42 1 ,07 13,5 1 ,32 1 ,07 27,2 1,32 1,37 26,6 1 ,23 1 ,04 15,0 1,22 1 ,08 8,0 1,31 1,10 6,2
Для изготовления фильтрующих элементов из титановой губки наиболее
широко применяются порошки фракций 0,1—0,4 мм.
Фильтрующие элементы из титана могут быть отпрессованы как статичес-
ким, так и гидростатическим способом.
Прессование фильтрующих элементов в виде втулок размером 40 X 34 X
X 50 мм статическим методом без наполнителя затруднительно ввиду того, что
титановый порошок, обладающий большой жесткостью, задирает при запрес-
совке прессформу. Кроме того, фильтрующие элементы, опрессованные без на-
полнителя при удельном давлении прессования до 1 Т1см2, обладают низкими
механическими свойствами, что затрудняет их дальнейшую транспортировку
на спекание.
Фильтрующие элементы размером 40 X 34 X 50 мм, спрессованные с при-
менением 5%-ного наполнителя (в качестве наполнителя применялась спирто-
глицериновая смесь, состоящая из 60% этилового спирта и 40% глицерина)
при различных удельных давлениях прессования в диапазоне 0,5—3 Т1см2
имеют равномерные свойства по высоте, прессуются легко, а сроки службы
прессформ значительно возрастают.
Большие преимущества имеет метод гидростатического прессования титано-
вых фильтрующих элементов. В этом случае фильтрующие элементы даже
большой длины можно легко прессовать без наполнителя.
Получение отпрессованных заготовок без наполнителя, кроме того, значи-
тельно упрощает процесс их дальнейшего спекания. Фильтрующие элементы из
титана, полученные гидростатическим методом, спекают в атмосфере инерт-
ного газа (аргона) при температуре 1000° С в течение 1 ч. Спекание фильтру-
ющих элементов, отпрессованных с применением наполнителя статическим ме-
тодом предусматривает удаление наполнителя при 400° С в течение 1 ч. Пол-
ВЫСОКОПОРИСТЫЕ, ФИЛЬТРОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 219
ное выгорание наполнителя характеризуется отсутствием выделения серых
паров, пузырьки на выходе аргона из контейнера должны быть совершенно
прозрачными.
После удаления наполнителя поднимать температуру до 1000° С нужно со
скоростью 150—200° С в час. После часовой выдержки контейнер с фильтрую-
щими элементами должен охлаждаться на воздухе.
Фильтрующие элементы из титана находят широкое применение. Так, тита-
новые металлокерамические фильтры хорошо зарекомендовали себя при очист-
ке азотной кислоты различной концентрации от механических примесей, при
очистке буровых соленых вод и других агрессивных жидкостей.
В табл. 203 приводятся данные по размерам пор и производительности
фильтрующих элементов, изготовленных из титана [22].
Таблица 203
Размер пор и производительность фильтрующих элементов из титана
Размер и форма фильтрующего элемента в мм Фракция порошка в мм Размер пор в мкм Производи- тельность по азотной кислоте в см^/мин
Максималь- ный Средний
Втулка 40X34x50 0,1 37 25 540
То же 0,2 74 48 1120
» 0,3 106 74 4000
Металлокерамические фильтры из нержавеющий стали
Металлокерамические фильтры из нержавеющей стали находят себе все
более широкое применение благодаря их высокой химической стойкости в от-
ношении кислот, щелочей и агрессивных газов. В зависимости от назначения
и требуемой коррозионной стойкости для изготовления фильтров применяются
различные марки сталей: 1X13, Х18Н9Т, Х18Н11Б, Х18Н12М2Т и др.
Наиболее распространенными из нержавеющих сталей являются стали аус-
тенитного класса с 17—20% хрома и 8—11% никеля.
Основой для производства металлокерамических фильтрующих элементов
является порошок со сферической формой частиц.
Порошок получается распылением расплавленного металла сжатым воз-
духом.
Порошок нержавеющей стали восстанавливают гидридом кальция.
Распыленный порошок из-за сферической формы частиц и их гладкой по-
верхности возможно прессовать только с применением связующих. Для этой
цели используется парафин или 12%-ный водный раствор поливинилового
спирта. В обоих случаях при удельных давлениях 2—4 Г/сж2 получаются
прессовки с пористостью 30—40%, достаточно прочные для дальнейшего тех-
нологического процесса. Целесообразнее использовать раствор поливинило-
вого спирта, так как продолжительность спекания в этом случае значительно
сокращается.
Частицы порошка спекаются только в том случае, если используемый при
спекании водород содержит менее 0,01% О2 и характеризуется влажностью,
соответствующей температуре росы ниже —45° С. В период выдержки влаж-
ность газов, отходящих из зоны спекания должна соответствовать точке росы
—25°С (не выше).
Фильтрующие элементы из нержавеющей стали спекают при температуре
1280—1300° С в течение 3 ч. При применении в качестве связующего поливи-
нилового спирта скорость подъема температуры при спекании не ограничена,
220 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
а в случае использования парафина — необходимо сделать выдержку при тем-
пературе 300—400°С для его удаления.
В табл. 204 приведены данные, характеризующие основные свойства фильт-
рующих элементов, изготовленных из порошка нержавеющей стали марки-
0Х18Н9 трех различных фракций порошка (давление прессования — 3 Т/см2).
Основные свойства фильтрующих элементов Таблица 204
Фракция порошка в мм Состояние порошка Вид и размеры фильтрую- щего элемента в мм Пористость в % Производительность Размер пор в мкм Тонкость фильтрации в мкм Разрушающее избы- точное давление в кГ/смт
по воздуху при давлении 600 мм вод. ст. в м2/мин по дизельному топливу при избыточном давлении кГ, см2 в л'мин максималь- ный средний
0,8 Невосстанов- ленный 050X4 040/34x50 36 44 0,13 0,87 12 86 190 265 127 198 55-65 85—90 2 L 18
0,3 То же 050X3 040/34X50 36 41 0,09 0,60 8 60 116 136 73 107 20—30 30—40 24 42
0,063 » Восстанов- ленный То же 050X3 040X34X50 050X3 04О/34Х5О 34 37 30 34 0,014 0,076 0,008 0,052 СП 1 ОО 1 31 39 26 36 21 29 19 25 10—15 15—20 10—15 15—20 58 60 41 44
Из табл. 204 видно, что с уменьшением размера частиц исходного порошка»
закономерно уменьшается размер пор, производительность и тонкость фильт-
рации, а прочность возрастает.
Сравнивая фильтрующие элементы из невосстановленного и восстановлен-
ного порошка можно заметить, что хотя прессуемость восстановленного по-
рошка лучше и пористость спеченных изделий из него ниже, прочность их
меньше, чем фильтрующих элементов из невосстановленного порошка.
Более высокая прочность фильтрующих элементов из невосстановленного»
порошка объясняется тем, что происходит совмещение процесса спекания
с восстановлением окислов. При восстановлении окислов на поверхности час-
тиц появляются только «активные» атомы, 'которые способствуют образова-
нию более прочного межчастичного контакта.
Из табл. 203 также видно, что пористость и размер пор у фильтрующих'
элементов типа «диск» меньше, чем у фильтрующих элементов типа, «втулка»-
при одинаковом удельном давлении прессования. Поэтому первые имеют более-
высокие показатели по тонкости фильтрации [170].
Тонкость фильтрации может быть улучшена при применении двухслойных
фильтрующих элементов. В этом случае фильтрующая перегородка состоит из
двух слоев порошка различных фракций. Слой более мелкого порошка имеет
небольшую толщину и является фильтрующим; слой более крупного порошка
имеет значительно большую толщину и является опорным.
Основные способы соединения
отдельных фильтрующих элементов
По своей конструкции металлокерамические фильтрующие элементы выпус-
каются в виде пластинок, цилиндров, пустотельных конусов, труб и т. д.
Однако применяемые в настоящее время методы прессования позволяют
получать фильтры с высотой, не превосходящей диаметр более чем в 1,5—
ВЫСОКОПОРИСТЫЕ, ФИЛЬТРОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 221
2 раза. Следовательно, для получения цилиндрических труб с большой высо-
той требуется соединение отдельных элементов.
Кроме того, увеличение поверхности фильтрации на единицу длины фильт-
ра заставило идти по пути создания новых конструкций фильтра, требующих
также соединения отдельных фильтрующих элементов.
Для соединения металлокерамических фильтрующих элементов применя-
ются газовая или дуговая сварка, термодиффузионная сварка, пайка, склеива-
ние, завальцовка.
При сварке фильтрующих элементов из порошков низкоуглеродистой стали,
никеля и монель-металла применяется ацетилено-кислородное пламя.
В качестве присадочного материала при сварке фильтрующих элементов
из порошков низкоуглеродистой стали использовали проволоку по ГОСТу
2246-60 марок СВ-0,8; СВ-0,8 А и С-15 диаметром 1—16,5 мм, а при сварке
фильтрующих элементов из порошков никеля и монель-металла — никелевую
проволоку марки НП диаметром 1—1,5 мм.
Процесс сварки фильтрующих элементов из указанных материалов несло-
жен. Однако в процессе сварки фильтрующие элементы соприкасаются с га-
зами пламени, а вне пламени с воздухом, что приводит к окислению поверх-
ности элемента, и, следовательно, к снижению его прочности.
Для восстановления прочности фильтрующий элемент после сварки
подвергается нагреву до температуры 1000° С в течение 2—8 ч в среде
водорода.
В табл. 205 приведены результаты испытаний фильтрующих элементов,
подвергнутых газовой сварке, и для сравнения приведены результаты испыта-
ний фильтрующих элементов, склеенных клеем ПЭФ-2/10.
Таблица 205
•Результаты испытаний фильтрующих элементов, подвергнутых газовой сварке и склейке
Вид обработки / Производительность по воздуху в м2/мин при Р = 60 0 мм вод. ст. Производительность по маслу АС-9,5 (70° С) в л!мин при давлении в кГ/см2 Тонкость фильтра- ции в мк/м Разруша- шающее давление в кГ/см2
0,5 1 ,о
•Сварка Склеивание 0,5 0,32 о о 1 1 tn 1 1 -q СО 12—16 10—13 40+40% 40+40% 6±8 2+10
Фильтрующие элементы были изготовлены в виде «чечевиц» с наружным
диаметром 95 мм и внутренним 36 мм из порошка низкоуглеродистой стали
фракции 0,3 мм и удельным давлением прессования 2 Т1см2.
Как видно из таблицы, производительность фильтрующих элементов, под-
вергнутых сварке, выше, чем у склеенных. Значительно повысилась и проч-
ность фильтров. Нижний предел разрушающегося давления сварных фильтрую-
щих элементов в 3 раза выше, чем у клееных.
Газовая сварка фильтрующих элементов из порошков нержавеющей стали
1Х18Н9Т в связи с большим содержанием хрома в этой стали приводит к об-
разованию тугоплавких окислов хрома, мешающих процессу сварки и требую-
щих дополнительной операции по их восстановлению. Поэтому для соединения
фильтрующих элементов из порошков нержавеющей стали применяют аргоно-
дуговую сварку с плавящимся электродом.
Сущность этого метода сварки состоит в том, что дуга горит в струе арго-
на, оттесняющего воздух из зоны сварки,, и защищающего расплавленный
222 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
металл от вредного воздействия газов, содержащихся в атмосфере. В качестве
электродной проволоки при сварке используется проволока СВ-1Х18Н9Т, диа-
метром 1—1,5 мм.
Аргонодуговая сварка обеспечивает высокое качество соединений фильт-
рующих элементов.
Диффузионная сварка производится токами высокой частоты (т. в. ч.) в
атмосфере водорода. Температура при диффузионной сварке в месте соеди-
нения аналогична температуре спекания нержавеющей стали, т. е. примерно
1300° С. Выдержка при этой температуре составляет 5—7 мин.
Нормально сваренные фильтрующие элементы имеют незаметный шов и при
испытании на прочность разрушение происходит не по шву. При занижении
температуры фильтрующий элемент разрушается по месту соединения. Фильт-
рующие элементы из крупного порошка (частицы крупнее 0,6 мм) должны
быть изготовлены с подсыпкой у торцов более мелкого порошка. Это увеличи-
вает площадь межчастичных контактов в месте соединения и значительно по-
вышает его качество.
Для соединения отдельных фильтрующих элементов применяется склеива-
ние. В промышленности существует большое количество клеев, применяемых
для соединения металлов.
В табл. 206 приведены результаты испытаний фильтрующих элементов на
тонкость фильтрации, производительность по воздуху и жидкости и разруша-
ющее давление в зависимости от применяемого вида клея.
Таблица 206
Характеристика фильтрующих элементов в зависимости от вида клея
Марка клея Производи- тельность по воздуху в м21мин при р — 6 0 0 мм вод. ст. Производительность по маслу АС-9,5 при 70° С в л/мин при избыточном давлении в кГ/см2 Тонкость фильтрации в мкм Разрушающее давление в кГ/см2
0,5 1 ,0
ПР-24 ПЭФ-2/10 ВИАМ 0,30—0,34 0,32—0,35 0,30—0,34 4-6 5—7 4—6 10—12 10-13 10—12 40 40 40 1—10 8—10
Как видно из табл. 206, производительность фильтрующих элементов, сое-
диненных различными клеями, почти не меняется, а разрушающее давление
может иметь колебания от 1 до 10 кГ1см2. Значительные колебания по прочно-
сти в основном зависят от подготовки поверхности фильтрующего элемента пе-
ред склеиванием.
Основы технологии применения клея сводились к следующему: жидкий клей
наносился на площадки фильтрующих элементов, подлежащих соединению,
предварительно обезжиренные этиловым спиртом. Слой клея подсушивался
при комнатной температуре в течение 30 мин. Затем два металлокерамиче-
ски фильтрующих элемента соединялись в специальном приспособлении и под-
сушивались при температуре 130—150° С в сушильном шкафу.
К недостаткам клеевого соединения следует отнести ограниченную проч-
ность из-за неплотного прилегания поверхностей при склеивании и снижение
производительности фильтрующего элемента из-за затекания клея в его поры.
Фильтрующие элементы паяют с использованием специальных сплавов-
припоев. В качестве припоя используются припои ПОС-ЗО и ПОС-40, содержа-
щие от 30—40% олова (остальное свинец).
Температура плавления этих припоев 230—250° С.
Припои используются для пайки фильтрующих элементов, изготовленных
из низкоуглеродистой стали и меди.
ВЫСОКОПОРИСТЫЕ, ФИЛЬТРОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 223
Для пайки фильтрующих элементов из нержавеющей стали применяется
серебряный припой.
Процесс пайки фильтрующих элементов аналогичен пайке металлов, однако,
необходимо учитывать пористость материала. Припой легко затекает в поры
фильтрующего элемента, не создавая необходимого шва. Поэтому кромки
фильтрующего элемента, подвергающегося пайке, целесообразно обработать
напильником или на наждачном круге, с тем чтобы в месте пайки закрыть,
поры.
Качество пайки фильтрующих элементов зависит от выбора припоя, под-
готовки элементов к пайке, их охлаждения после пайки и т. д.
Завальцовка применяется для фильтрующих элементов, имеющих форму
«чечевицы». Этот метод соединения прост и состоит в следующем: на спе-
циальном штампе для определенного типоразмера фильтрующего элемента,,
вырубается заготовка из соответствующего материала. Для завальцовки мож-
но применять различные материалы в зависимости от эксплуатационных
свойств фильтрующих элементов: латунь, алюминий, белую жесть, нержавею-
щую сталь и т. д. в виде листа толщиной 0,5 мм.
Полученная заготовка вставляется в нижнюю часть прессформ вместе с
двумя фильтрующими дисками и под давлением 50 кГ1см2 подвергаются об-
жатию под углом 45° С.
Затем меняют верхнюю половину прессформы и допрессовывают до пол-
ного обжатия кольца заготовки под давлением 150 кГ1см2.
В табл. 207 приведены результаты испытаний фильтрующих элементов,,
диаметром 95/36 мм из порошка низкоуглеродистой стали, подвергнутых за-
вальцовке. Для сравнения даны свойства фильтрующих элементов, соединен-
ных клеем и сваркой.
Т а б л и ц а 207
Свойства фильтрующих элементов в зависимости от метода соединения
Вид обработки Фракция в мм Удельное дав- ление прессо- вания в TjcM3 Производи- тельность по воздуху м3/мин при р = 600 мм вод. ст. Производител ьность по маслу АС-9,5 70° С в л/мин. при давле- нии в кГ!см2 Тонкость фильтрации в мкм Разрушающее давление в кГ/см2
0,5 1 ,0
Завальцовка . . . 0,3 2 0,5—0,8 10—14 16—23 30±30% 6—8
Сварка 0,3 2 0,5—0,6 7—9 12—16 40+40% 6—12
Склеивание .... 0,3 2 0,32—0,35 5-7 10 — 13 40+40% 2—10'
Как видно из таблицы, завальцованные фильтрующие элементы при той же
прочности имеют большую производительность и тонкость фильтрации, чем
фильтрующие элементы, подвергнутые сварке.
Недостатком метода завальцовки является дополнительный расход мате- *
риала, идущего на завальцовку.
Применение металлокерамических фильтров
в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности
Металлокерамические фильтры находят широкое применение во многих
областях промышленности, в том числе в нефтяной, нефтехимической и газо-
вой промышленности.
Так, в нефтехимической промышленности металлокерамические фильтры
находят применение для отделения газа от твердых частиц в процессах
224 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
синтеза трихлорсилана из хлористого водорода и кремния, а также при окис-
ления парафина во фтористый ангидрид.
В процессе синтеза трихлорсилана измельченный кремний выносится с га-
зообразными продуктами реакции, в результате чего забиваются коммуника-
ции и значительно повышается расход кремния. Металлокерамические фильт-
ры диаметром 84 мм с толщиной стенки 5 мм и высотой 80 мм, изготовленные
из железного порошка фракции 0,3—0,4 мм, оказались вполне пригодны в ка-
честве фильтрующего элемента при синтезе трихлорсилана.
В процессах окислений нафталина во фталевой ангидрид в кипящем слое
катализатора металлокерамические фильтры служат для очистки контактных
газов от катализаторной пыли.
Производительность металлокерамических фильтров почти в 7 раз больше,
чем паралитовых керамических фильтров, применяющихся ранее для этих
целей.
Пензенским филиалом НИИхиммаша разработан модернизированный све-
чевой фильтр для очистки расплава капролактама от олигомеров. Очистку
проводят так: загрязненный расплав через штуцер для поступления суспен-
зии подают в корпус фильтра; для более полного извлечения олигомеров кап-
ролактам подают на фильтр с температурой 83° С, колебания температуры не
должны превышать ±0,5%; снижение температуры капролактама в подводя-
щем трубопроводе недопустимо, так как олигомеры оседают на стенках тру-
бопровода.
При прохождении расплава через металлокерамику частицы олигомеров
задерживаются на поверхности патронов. Фильтрация прекращается после
того, как производительность фильтра достигнет 7 м31ч. Ожидаемый цикл
фильтрации равен 6,7 ч.
Сброс осадка и регенерация фильтрующей поверхности свечей осуществ-
ляется паром. По окончании регенерации корпус фильтра просушивают сжа-
тым азотом. После сушки фильтра цикл фильтрации повторяется.
Замена существующих фильтрующих элементов в свечевых фильтрах на
металлокерамические позволит улучшить очистку промывной жидкости, исклю-
чит расход фильтровальной ткани, обеспечит разгрузку осадка и регенерацию
фильтрующих элементов без раскрытия аппарата, сократит расход капролак-
тама, связанный с чисткой системы циркуляции.
При производстве полипропилена фильтры являются технологическими
элементами установки и предназначены для улавливания твердых частиц по-
липропилена и механических твердых частиц различных загрязнителей.
На промышленной установке производства полипропилена металлокерами-
ческие фильтры применяются в десяти точках (девять для фильтрации газо-
вых фракций и один — жидкой фракции). Для обеспечения непрерывной ра-
боты установки в каждой точке монтируют два фильтра: один работающий,
другой резервный.
К этим фильтрам предъявляются следующие требования:
для жидкого пропан-пропилена. Производительность фильтра 50 м3!ч при
рабочем давлении до 40 кГ1см2 и допускаемом сопротивлением 0,2 кГ1см2.
Фильтр должен задерживать твердые частицы размером до 50 мкм. Среда
пропан-пропилена характеризуется вязкостью 10—10~6 кГ-сек1м2 и темпера-
турой фильтруемой среды 40—65° С;
для газообразной смеси пропина и пропилена предусмотрено два варианта.
В первом варианте на фильтр действует давление, изменяющееся от 40 до
1,35 кГ1см2 в течение 30 мин, расход газа при этом составляет 5000 мм3 за
30 мин, сопротивление — не более 0,2 кГ/см2. Во втором варианте расход газа
составляет. 50 мм3 за 30 мин при изменении рабочего давления от 1,3 до
0,05 кГ/см2, температура среды 10° С.
Газообразная смесь в обоих вариантах может содержать следы хлористого
водорода. При фильтрации газообразной среды фильтр должен задерживать
частицы с размерами более 50 мкм.
МАГНИТОМЯГКИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 225
Применение металлокерамических фильтров в процессе производства поли-
пропилена позволяет значительно повысить чистоту, а следовательно, и каче-
ство конечного продукта.
Металлокерамические фильтры могут дать большой эффект в газовых
фильтрах-смесителях воздушно-аммиачной смеси, применяемых при производ-
стве слабой азотной кислоты и в ряде других нефтехимических и химических
производств.
Так, металлокерамические фильтры могут быть применены для улавлива-
ния катализаторной пыли в каталитических процессах с применением пыле-
видного катализатора, а также для равномерного распределения газа в газо-
распределительных решетках с кипящим слоем катализатора.
В газовой промышленности металлокерамические фильтры могут приме-
няться при эксплуатации подземных газохранилищ. Очистка газа от пыли,
масла и других механических примесей при перекачке газа по магистраль-
ным газопроводам, а также при закачке газа в подземные хранилища и
откачки газа из них возможна при использовании металлокерамических
фильтров.
В нефтяной промышленности металлокерамические фильтры могут найти
применение вслед за гидроразрывом пласта для предотвращения вымывания
закачиваемого в скважину песка. Этим обеспечивается более длительный эф-
фект от произведенного гидроразрыва.
Мелкозернистые металлокерамические фильтры могут найти применение
для фильтрации речной воды от механических примесей при законтурном и
внутриконтурном заводнении.
Создан ряд металлокерамических фильтрующих элементов с различной
тонкостью фильтрации и разработана технология их изготовления из порош-
ков разных металлов со сферической формой частиц.
Разработанный ряд содержит семь групп фильтрующих элементов для гру-
бой очистки и одну группу — для тонкой очистки.
Группа Грубая очистка Тонкость фильтрации в мкм
Тонкость фильтрации в мкм Группа
I . . 20±25% V . . 55+20%
II . . 25±25% VI . . 85+20%
III " . . 30+25% VII . . 100+20%
IV . . 40+25%
Тонкая очистка
О гр5-ппа — тонкость фильтрации 10 мкм -j- 50%.
В ряде предусмотрены фильтрующие элементы в виде втулок 40 X 34 мм,
изготовленных из порошков низкоуглеродистой и нержавеющей стали, монел-
металла и фосфористой меди и фильтрующие элементы из порошка низкоугле-
родистой стали (хромированные) в виде чечевиц диаметром 95 X 37 мм.
6. МАГНИТОМЯГКИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Магнитомягкие материалы типа стали «Э» (армко-железо), проката из
сплавов типа пермаллой и другие широко используются в электротехнике,
приборостроении в качестве магнитопроводов различных приборов, реле элек-
тромагнитных муфт, электрических машин, полюсных наконечников и т. п.,
которые работают в постоянных магнитных полях. Изготовление магнитопро-
водов методом механической обработки проката на металлорежущих станках
15 Заказ 664
Таблица 208
Химический состав и свойства магнитомягких металлокерамических материалов
Материал Химический состав в % Физико-механические свойства
Fe Si Другие Удельный вес в г/см3 НВ Магнитные свойства в статических полях Магнитные свойства в переменных полях по чистоте 50 гц Удельное элект- росопротивление в ом • мм2/м • 10е
Н с в э Umax в гс!э В в кГ при 10 э Номиналь- ный ток в а Индукция в кг Уд. по- тери в вт!кГ
Чистое железо 100 — — 6,25 52—59 2,5—2,6 1200—1420 7—8 И ,7
жэ* 99 — — 7,1 — 1,2—1 ,5 2000—3500 12—16 — — И ,0
ЖФ-1* 98 — 1 Р 6,9 — 0,8—1,25 3000—4500 1 1 — 14 — — 41 ,0
Железо-кремний 98 2 — 6,95 — 1,5 1465 10,2 — — 44,6
То же 96 4 — 6,85 165 1,6 1720 10,4 1 ,42 0,4 3,77 70,5
» 94 6 — 6,75 300 0,95 3450 8,9 2,75 7,7 0,9 0,6 1 ,0 0,4 11,2 49,5 2,54 146,9
Железо-кремний 93,5 6,5 — — — 0,42 11400 13,8 2,05 8,4 0,6 1 ,0 1 ,0 6,9 39,4 7,0
Железо-кремний 92 8 — 6,65 320 1,7 1070 7,9 1 ,4 1,5 0,4 22,1 5 ,23 172
То же 91 9 — 6,60 — 3,4 770 6,8
» 90 10 — 6,50 340 1,75 840 5,7
5 ОН (металлоке- рамические) ПМ-78* 50 22 — 50 Ni 78 Ni 7,7 — 0,02—0,09 0,02—0,08 21 350—52000 50 000—65 000 15—16 8-10 — — — —
* В этих материалах содержание С = 0,0 5 % (не
более); S ~ 0,01 % (не более).
226 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
ОГНЕУПОРНЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 227
связано с большими (до 60—80%) потерями чистого и дефицитного материа-
ла и значительными затратами труда.
Методы порошковой металлургии позволяют получить детали из магнитно-
мягких материалов нужной конфигурации почти без потерь материала (до 5%),
с меньшими затратами труда и по свойствам мало уступающим деталям из
компактного материала.
Экономические расчеты показывают, что себестоимость магнитомягких
металлокерамических деталей на 30—60% ниже себестоимости тех же деталей,
изготовленных обработкой на металлорежущих станках из компактного ма-
териала.
Металлокерамические магнитомягкие материалы могут найти широкое
применение в магнитных цепях постоянного тока, а в отдельных случаях и в
переменных магнитных полях промышленной частоты.
Магнитомягкие металлокерамические кремнистые стали используются для
изготовления цельнопрессованных магнитопроводов, для работы в постоянных
и низкочастотных переменных магнитных полях.
Характеристика магнитных металлокерамических материалов приведена
в табл. 208 [42].
В нефтяной промышленности нашли применение ферроксидированные коль-
ца к электромагнитной муфте МЭП-75 и электромагнитному тормозу ТЭП-75
буровой установки, изготовляемые из магнитомягких металлокерамических ма-
териалов.
Процесс изготовления ферроксидированных колец несложен и состоит из
следующих операций:
подготовки шихты и прессовки элементов оксидно-бариевых магнитов;
запрессовки магнитов и металлическое кольцо;
шлифовки торцов собранного кольца;
термообработки колец.
Исходным материалом служил бой оксидно-бариевых магнитов, раздроб-
ленный на гидравлическом прессе до размера 1—8 мм в поперечнике.
Термообработанные феррооксидированные кольца контролируются на равно-
мерное распределение опилок по всей поверхности кольца. Применение элек-
тромагнитной муфты с феррооксидированными магнитными кольцами в буро-
вых установках дает возможность осуществить оперативное управление,- при-
менять в приводе лебедки синхронные двигатели, упразднить релейно-контакт-
ные станции управления и повысить надежность работы привода.
Использование электромагнитного тормоза с феррооксидированным коль-
цами в лебедках буровых установок дает возможность получить наиболее вы-
годные технологические характеристики для проведения спуско-подъемных
операций, осуществить автоматизацию процесса торможения при спуске ин-
струмента и устранить потери электроэнергии при подъеме незагруженного
крюка без применения оперативных расценивателей или обгонных муфт [11].
7. ОГНЕУПОРНЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
ИЗ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
К тугоплавким бескислородным соединениям относятся карбиды, бориды,
силициды, нитриды, сульфиды, фосфиды, бериллиды, алюминиды переходных
материалов, а также неметаллические соединения бора и кремния с азотом в
углеродом, бора с кремнием, и их взаимные сплавы.
Основными отличительными свойствами тугоплавких бескислородных соеди-
нений являются высокие температуры плавления, достигающие 2200° С, высо-
кая твердость, приближающаяся для отдельных соединений к твердости ал-
маза, износостойкость, жаропрочность, термостойкость, устойчивость ’ по
отношению к резким и частым сменам температуры, широкие пределы
изменения электросопротивления и теплопроводности (от металлической\до
15*
228 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Физико-механические свойства Специальные свойства
'Oi
о
см
<s
свойственной полупроводни-
кам и диэлектрикам), термо-
эмиссионные и оптические
свойства, высокая химичес-
кая стойкость по отношению
к агрессивным химическим
средам, в том числе к рас-
плавленным металлам, шла-
кам, штейнам, солям, парам
металлов, нагретых до вы-
соких температур, газам.
Практически все туго-
плавкие бескислородные со-
единения обладают высоки-
ми огнеупорными свойства-
ми — сочетанием стойкости
против действия расплав-
ленных металлов с удовлет-
ворительной механической
прочностью при статических
и не очень тяжелых динами-
ческих нагружениях, высо-
кой химической стойкостью,
стойкостью против эрозии,
в ряде случаев — высокой
термостойкостью.
Высокотемпературный ог-
неупорный материал на ос-
нове нитрида бора (карбо-
нитрид бора) обладает вы-
сокой стойкостью к термиче-
ским ударам, химической
стойкостью в наиболее аг-
рессивных средах при высо-
ких температурах, хороши-
мй вакуумными и диэлек-
трическими свойствами, не-
токсичен, хорошо обрабаты-
вается.
Карбонитрид бора мо-
жет служить во многих
случаях хорошей заменой
керамических материалов
окисного типа. Он является
в настоящее время единст-
венным материалом, облада-
ющим высокой химической
стойкостью против действия
расплавленной буры и обес-
печивающим длительную ра-
боту ванн электролитиче-
ского борирования, которое
находит широкое примене-
ние в нефтяном машино-
строении.
Обладая высокой стой-
костью против действия
ОГНЕУПОРНЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 229
расплавов фторобората калия, а также его
смесей с хлоридами щелочных металлов, мар-
ганца и марганцевистых шлаков, безуглероди-
стого ферросилиция (75%), сплавов на никеле-
вой и кобальтовой основе, карбонитрид бора
может успешно использоваться в качестве тиг-
лей, футеровок и защитных чехлов термопар
при плавке перечисленных материалов.
Карбонитрид бора применяется в качестве
высокотемпературного изолятора в атмосферах
паров щелочных металлов.
Огнеупорный материал на основе нитрида
бора (алюмонитрид бора) обладает высокой
стойкостью к тепловым ударам, химической
и эррозионной стойкостью против действия
агрессивных расплавов, а также хорошими ди-
электрически ми св о й ств а м 11.
Алюмонитрид бора может успешно заме-
нять окисную керамику в качестве футеровки,
тиглей, сливных конусов (в производстве фер-
росилиция), а также в качестве высокотемпера-
турного электроизолятора для работы в бес-
кислородосодержащих атмосферах.
Так, вставки сливных стаканов для распы-
ления расплавленного ферросилиция, изготов-
ленные из алюмонитрида бора, после 60 распы-
лений ферросилиция при температуре 1600°С
не имели заметного эррознонного износа кана-
ла, тогда как вставки из кварца и других ма-
териалов могли использоваться в течение 1—3
распылений.
Характеристика огнеупорных материалов из
тугоплавких соединений и область их приме-
нения приведены в табл. 209 [42, 104]
Монолитный поликристаллический карбид
кремния (МПК) предназначен для применения
в качестве футеровочного и конструкционного
материалов, в химическом аппаратостроении.
Химический состав и основные свойства МПК
приведены в табл. 210.
Обладая высокой огнеупорностью, химиче-
ской стойкостью, теплопроводностью и стойко-
стью против истирания, материал МПК может
быть предложен для замены углеродистых
и карборундовых огнеупоров, а также некото-
рых кислотоупорных гидростойких и износо-
стойких металлических сплавов. Известные
материалы на основе карбида кремния отлича-
ются от материала МПК тем, что они являют-
ся многофазными композициями, в которых от-
дельные зерна карбида кремния соединены
керамическими связками, обладающими более
низким физико-химическими характеристиками,
чем карбид кремния. Кроме того, эти материа-
лы имеют значительную пористость (до 20—
25%), что существенно снижает их механиче-
ские и теплофизические свойства.
а 210 рабочая в °C средах EBJ уннхбэни 2300
Sf к S у св -S
S ч imAXmeq о о
ю СМ
св М Е СО
S се И <и Си
х 2и KJ н и хЛйсод о
£ —*
LO
А.
о
Си <Ц н s Эо0001
- I «2 О) S д
со
о а
CD Е £ о • о '
3 ? (
О ° Э оОЗ 7 ; Ю |
>>
00
О oOOSI—02 i
ибн эо/1 ВИН t
-ЭбИГПЭЯб 0J0HH9H i
-ин* тэиПиффсод 'ф
о
О О- Э оООО! 1
§ К ? GO (
cu я Т i
о и Д О 1
с; о ю ;
С К Q О У Н к: Э о02 1 со
pvds • jylvmrM я 1 ।
4J,90MBI90IfLI9£
о °
X
Е
«им* | о
к ъКЭ/г я Ю —1
X X Э9Я И14 НЯ If ЭЙД -СО
3 СО
о
X
л сг cq о>
X о
ю СО
о.
X о
о СО
У U
X Д 0 7
м 'S о о
ф S ° СМ
X Д- 0,0
q с —
1 L.O
m <\л « о СО
со I
X 3
C~J
X 00
с;
о
с
-*
л X ескш ‘ В % Q 5 50
X 5* га я g ЮЮ О S
S" S о CD - СМ
X ~ 8 1 Ю 1 см
л 4 1 о •>
О' Ю о
л X 1 1 1
230 МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Благодаря высокой стойкости карбида кремния в растворах кислот, за ис-
ключением ортофосфорной кислоты, материал МПК может быть применен в
химическом аппаратостроении для изготовления скрубберных насадок, труб,
футеровочных плиток и пр. На воздухе материал МПК может устойчиво ра-
ботать до 1650—1700° С. Стойкость против окисления в сочетании с хорошей
теплопроводностью делает этот материал перспективным для изготовления
высокотемпературных теплообменников, работающих в контакте с окислитель-
ными газовыми средами.
Высокая твердость материала МПК позволяет применить его в узлах ма-
шин, подвергающихся интенсивному абразивному износу.
При формовании материала МПК применяются обычные методы металло-
керамической технологии (прессование в матрицах, мундштучное и гидроста-
тическое прессование), позволяющие изготовлять фасонные изделия, плиты,
стержни, трубы и пр.
Материал МПК не рекомендуется применять для изготовления деталей, ис-
пытывающих термические напряжения и ударные механические нагрузки.
Глава IX. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
Твердыми сплавами называют сплавы на основе карбидов тугоплавких
металлов: вольфрама WC, W2C, титана TiC, ванадия VC, тантала ТаС, ниобия
NbC и хрома Сг2С2, Сг7С3, Сг4С.
Благодаря высокой твердости и износостойкости твердые сплавы широко
применяются для повышения срока службы различного инструмента и дета-
лей машин в металлообрабатывающей, нефтяной, нефтехимической, газовой,
угольной; металлургической промышленностях, а также в других отраслях
народного хозяйства.
При армировании твердыми сплавами поверхности деталей их стойкость
повышается в несколько раз. Кроме того, армирование позволяет в ряде
случаев заменить легированные стали простой углеродистой сталью или
чугуном.
Современные твердые сплавы могут быть разделены на четыре основных
типа: металлокерамические, литые, зернообразные и электродные [134].
Металлокерамические твердые сплавы делятся на две группы: вольфрамо-
вые и титано-вольфрамовые. Литые твердые сплавы также можно разделить
на две группы: карбидные и сплавы типа стеллитов. К зернообразным твер-
дым сплавам относятся сталинит и вокар. Электродные твердые сплавы вы-
пускаются нескольких типов, но важнейшие из них — сталинитовые, карбид-
ные п ферросплавные.
2. МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Марки металло-керамических твердых сплавов, их химический состав и фи-
зико-механические свойства приведены в табл. 211.
Металлокерамические твердые сплавы характеризуются, как видно из таб-
лицы, чрезвычайно высокой твердостью, которая сохраняется до температуры
1000°С.
Важное свойство металлокерамических твердых сплавов — их высокая
износостойкость.
Износостойкость вольфрамовых сплавов тем выше, чем выше содержание'
в них карбида вольфрама и больше дисперсность сплава. Для титано-вольфра-
мовых сплавов износостойкость повышается также с увеличением содержания
карбида титана.
Пластинки из металлокерамических твердых сплавов широко применяются
для оснащения режущего инструмента, рабочих поверхностей пуансонов и
матриц, для армирования буровых коронок лопастных долот и горнобурового
инструмента.
Значительный интерес представляет использование металлокерамического
сплава ВК8 для изготовления вставных зубьев шарошек штыревых долот,
предназначенных для бурения крепких пород [57, 79].
232 ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Таблица 211
Химический состав и свойства металлокерамических твердых сплавов
Группа твердых сплавов Марка твердого сплава Ориентировочный состав сплава (без учета примесей) в % Физико-механические свойства
Карбид вольфрама Ко- бальт Карбид титана о в кГ/мм2 (не менее) у в ГjCM3 HR А (не менее)
ВК2 98 2 100 15,0—15,4 90,0
вкз 97 3 100 14,9 — 15,3 89,0
Вольфра- ВЦ6 94 6 — 120 14,6—15,0 88,0
мовые ВК8 92 8 — 130 14,4—14,8 87,5
вкю 90 10 — 135 14,2—14,6 87,0
ВК11 89 1 1 —- 150 14,0—14,4 86,0
ВК15 85 15 —• 160 13,9-14,1 86,0
Т5КЮ 85 9 6 115 12,3—13,2 88,5
Т14К8 78 8 14 115 11 ,2—12,0 89,5
Титано- Т15К6 79 6 15 110 1 1 ,0—11 ,7 90,0
вольфра- Т15К6Т 79 6 15 110 1 1 ,0—1 1 ,7 91 ,0
мовые Т30К4 66 4 30 90 9,5—9,8 92,0
Т60К6 34 6 60 75 6,5—7,0 90,0
3. ЛИТЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Карбидные литые твердые сплавы выпускаются в виде крупки карбидов
вольфрама, которая наваривается на поверхность детали или инструмента при
помощи т. в. ч. или ацетилено-кислородного пламени.
Литые карбиды вольфрама выпускаются следующих типов: рэлпт Ф —
сплавы в виде литых кусочков карбида вольфрама, рэлит К — крупка литого
карбида вольфрама различной грануляции и рэлит ТЗ— трубки из стали мар-
ки Ст.1 — Ст.2 длиной 400 мм и диаметром 3,5—6,5 мм, набитые рэлит К.
В трубчатозернистом сплаве ТЗ вес крупки твердого сплава составляет
60—70%, а вес стальной трубки 30—40%.
Сплавы рэлит К и рэлит ТЗ выпускаются различной зернистости. Величина
зерна определяется номером сита, применяемого для просева крупки (количе-
ством отверстий в сите на линейный дюйм). Просев ведется на ситах № 10,
20, 30, 40 и 60, в соответствии с чем различаются:
Рэлит Т31 с литым карбидом вольфрама зернистостью 10—20 меш
То же Т32 То же 20—30 »
» ТЗЗ » 30—40 »
» Т34 » 40—60 »
Литой карбид вольфрама должен иметь следующий химический состав:
вольфрама 95,5—96%; связанного углерода 3,8—4,2%; остатков от гпдрохло-
рирования не более 0,2%. Он широко применяется для армирования шарошеч-
ных буровых долот.
Литые твердые сплавы типа стеллитов делятся на стеллиты и стеллитопо-
добные. Химический состав и свойства стеллитов и стеллитоподобных сплавов
приведены в'табл. 212.
Стеллиты применяются в основном для наплавки различных быстроизна-
шивающихся деталей. Эти сплавы выпускаются в виде прутков диаметром
5—7 мм и длиной до 250—300 мм. Детали армируют стеллитами при помощи
ацетилено-кислородного пламени или электродуговым методом. В последнем
случае прутки литого твердого сплава служат электродами.
Наиболее широко для армирования применяются сплавы сормайт № I и
сормайт № 2.
ЛИТЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ 233'
Сормайт № 1 целесообразно при-
менять при армировании деталей про-
стой конфигурации, работающих без
резких толчков и ударов (детали
центробежных насосов, клиновых за-
движек, штампы для горячей штам-
повки, калибровочные кольца для
труб, детали приспособлений для
гибки труб и т. д.).
Сормайт № 2, обладающий, по
сравнению с сормайт № 1, большей
вязкостью, целесообразно применять
для армирования деталей, работаю^
щих с ударными нагрузками (клапа-
ны и седла буровых насосов, выруб-
ные штампы, матрицы и пуансоны
для холодной штамповки и т. д.).
Детали, наплавленные сормайтом
№ 2, после отжига обладают хорошей
обрабатываемостью, что позволяет
применять сормайт № 2 для армиро-
вания деталей сложной конфигура-
ции.
Толщина армированного слоя зна-
чительно влияет на износостойкость
детали и определяется характером и
условиями работы детали. Как пока-
зала практика [112], в зависимости от
этих условий толщина слоя сплава
сормайт № 1 колеблется от 0,5 до
3,0 мм и в отдельных случаях она
может быть 4—5 мм. Толщина слоя
сплава сормайт № 2 благодаря его
более высокой вязкости может быть
принята 1,5—3,5 мм, а в отдельных
случ'аях даже до 7—10 мм.
Сормайт толщиной более 1,5 мм
можно наплавлять несколькими слоя-
ми. Однако многослойной наплавки
следует по возможности избегать;
слой необходимой толщины рекомен-
дуется получать за один — два про-
хода.
В результате армирования поверх-
ности деталей литыми твердыми
сплавами типа стеллитов, как прави-
ло, наблюдается перегрев основного
металла детали на глубину 7—12 мм
под армированным слоем, что приво-
дит к понижению механических свой-
ств основного металла. Для улучше-
ния структуры рекомендуется после
армирования производить нормализа-
цию деталей. Кроме того, в ряде слу-
чаев необходимо увеличивать твер-
дость основного металла детали
под армированным слоем. Благодаря
* Коэффициент износа по отношению к высокомарганцевой стали равен
* То же 0,6.
234 ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
этому возрастает общая прочность армированной детали, предупреждая по-
явление трещин и выкрашивание наплавленного слоя. Повышение твердости
основного металла детали достигается соответствующей термической обра-
боткой.
Если армирование выполнено сплавом сормайт № 1, то деталь подвергается
термической обработке только лишь для повышения твердости и механических
‘Свойств основного металла, так как сормайт № 1 не принимает термическую
-обработку. В этом случае термическая обработка ведется по оптимальным
для каждой марки стали или чугуна режимам. При закалке деталей, армиро-
ванных сормайтом № 1, в качестве охлаждающей среды необходимо приме-
нять масло. Закалка в воде не рекомендуется, так как это может вызвать по-
явление трещин в армированном слое.
Сормайт № 2 может подвергаться всем видам термической обработки. Это
свойство очень важно, потому что после отжига детали, армированные этим
сплавом, можно обрабатывать на металлорежущих станках.
Снижение твердости наплавленного слоя после отжига до HRC 30—35 по-
зволяет армировать сормайтом № 2 детали, необходимую конфигурацию
которых после наплавки можно получить режущим инструментом.
После закалки деталей, армированных сормайтом № 2, твердость наплав-
ленного слоя повышается до HRC 60—62.
При работе с толчками и ударами возможно применение деталей, наплав-
ленных сормайтом № 2 без термической обработки. В этом случае исполь-
зуется другое свойство сормайта № 2—его высокая вязкость.
4. ЗЕРНООБРАЗНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Широкое применение в промышленности нашли зернообразные твердые
сплавы сталинит и вокар.
Сталинит представляет собой зернообразную массу (с величиной зерна до
1 мм) следующего состава: 16—20% Сг; 13—17% Мп; 8—10% С; до 3% Si;
-остальное — Fe. Удельный вес сталинита 6 г!см3, температура 1300—1325° С.
Исходными материалами для изготовления зернообразного сплава сталинит
служат феррохром, ферромарганец, нефтяной кокс и чугунная стружка.
Феррохром и ферромарганец измельчаются сначала в щековых дробилках,
а затем в шаровых мельницах и просеиваются через сито 40 меш. После по-
мола и просева продукты смешиваются в определенной пропорции в смеси-
тельном барабане. Хром и марганец образуют в наплавленном слое карбиды,
которые придают ему твердость и износоустойчивость.
Нефтяной кокс является дополнительным источником углерода при образо-
вании карбидов, играя роль компенсирующего элемента; он предохраняет
сталинит от выгорания углерода в процессе армирования.
Чугун необходим для получения в армированном слое нужного количест-
ва железа. Рядом экспериментальных работ установлено, что присутствие чу-
гуна в шихте способствует лучшему образованию карбидов хрома и марганца
в наплавленном слое <[87]. Чем больше карбидов в наплавленном слое и чем
мельче его структура, тем, как правило, выше твердость и износостойкость.
Однако наличие карбидов должно быть ограничено, так как при избытке
карбидов армированный слой получается хрупким.
Твердость армированного слоя колеблется в пределах HRC 55—62.
Твердый сплав вокар так же, как и сталинит, представляет собой зернооб-
разную массу с величиной отдельных зерен 1—3 мм. Эта масса, состоящая
из зерен вольфрама и углерода, электрической дугой наплавляется на поверх-
ность детали в один, два или три слоя.
Наличие в армированном вокаром слое карбидов вольфрама и двойных
железовольфрамовых карбидов создает твердую и износостойкую поверхность
детали.
ЭЛЕКТРОДНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ 235
Химический состав вокара следующий: 9—10% С; 85—87% W; до 3% Si;
до 2% Fe. Вокар применяется для армирования лопастных буровых долот,
шнеков, пневмонасосов, крыльчаток насосов, брони решеток шаровых мельниц,
щек дробилок и т. д.
5. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Электродные твердые сплавы представляют собой прутки из малоуглеро-
дистой стали (сварочной электродной проволоки) длиной 400 мм и диаметром
3, 4 и 5 мм. На длине 370 мм прутки имеют сплошной слой специальной об-
мазки толщиной 1,2—1,5 мм. Вес обмазки колеблется в пределах 15—25% по
•отношению к весу электрода. Химический состав некоторых обмазок приведен
в табл. 213.
Таблица 213
Примечание. В таблице не указано содержание в обмазке жидкого стекла. Оно да-
ется в виде водного раствора с концентрацией 30—40% в количестве 5—8% от веса шихты
•обмазки.
* Содержание мела 15%.
Электроды карбидного типа дают при наплавке слой высокой твердости
и износоустойчивости, но сравнительно малой вязкости. Высокая твердость
и износоустойчивость объясняются наличием в наплавленном слое карбидов
бора, хрома, марганца, титана, ванадия и др.
Электроды с ферросплавной обмазкой образуют более вязкий, но менее
твердый слой.
Электроды со сталинитовой обмазкой занимают по своим свойствам про-
межуточное положение.
236 ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
6. ТЕХНОЛОГИЯ АРМИРОВАНИЯ ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ
Твердые сплавы широко применяются для армирования быстроизнашиваю-
щихся рабочих поверхностей буровых долот.
При армировании лопастных долот применяется зернообразный твердый!
сплав вокар. Армирование выполняется электрической дугой постоянного или
переменного тока, возникающей между угольным или графитовым электродом
и вокаром, насыпанным на армированную поверхность долота.
Армировать можно последовательно в один, два или три слоя. В большин-
стве случаев ограничиваются наплавкой в два слоя общей толщиной 4—6 ж
Первый слой наплавки твердого сплава имеет наименьшие твердость и из-
носостойкость, так как происходит сплавление вокара с основным металлом.
При наплавке второго слоя получается высокая твердость и износостойкость-
при достаточной вязкости. При наплавке третьего слоя твердость и износо-
стойкость еще больше повышаются, но появляется вместе с тем хрупкость
наплавленного слоя.
Армирование лопастных долот можно выполнять также напайкой на перья,,
а в некоторых вариантах и на ребро долота пластинок металлокерамических
твердых сплавов марки ВК8. Припоем для напайки пластин служат стержни’
из серого чугуна диаметром 6—12 мм и длиной 400—700 мм.
Наибольший интерес представляет процесс армирования твердыми сплава-
ми боковых поверхностей зубьев шарошек и калибрующей части конуса ша-
рошек буровых долот [89].
Армирование производится зернистым твердым сплавом рэлитом (литыми
карбидами вольфрама) по принципу твердой пайки. Крупка твердого сплава>
в смеси с флюсом (борной кислотой) насыпается на оснащаемую поверхность.
Затем поверхностный слой металла шарошки нагревается каким-либо источ-
ником тепла (газосварочным пламенем, токами высокой частоты и т. д.) до»
температуры плавления. Зерна твердого сплава, имеющие боль-
шой удельный вес (15,7—17,15), под действием силы тяжести погружаются к.
расплавленный металл шарошки. При остывании зерна твердого сплава ока-
зываются впаянными в основной металл шарошки.
Необходимая прочность связи твердого сплава и металла зуба шарошки-
осуществляется растворением и диффузией периферийных слоев частиц твер-
дого сплава. Между зернами твердого сплава вследствие процессов диффузии
и растворения последнего образуется сплав, называемый связкой.
Следовательно, при армировании получается слой, свойства которого оп-
ределяются частицами твердого сплава и структурой связки.
Источник и продолжительность нагрева при армировании определяют не-
обходимые физико-механические свойства армированного слоя и, кроме того,,
интенсивность процессов растворения и диффузии частиц твердого сплава.
Этим определяются грануляция частиц твердого сплава в армированном слое
и количество их в единице объема армированного слоя.
Износостойкость оснащенного слоя зависит от грануляции твердого, сплава
и приведена ниже.
Средний удельный из-
Грануляция зерен в меш. нос образцов ъмГ/кГм
12—20
20—30
30—40
40—50
140—200
1,159
0,993
0,250
0,378
0,538
При газосварочном нагреве армирование каждой шарошки выполняется-
раздельно в двух позициях: в одной — оснащению подвергаются все торцовые
поверхности зубьев наружного венца, в другой — грани зубьев всех прочих;
венцов.
Армируют ацетилено-кислородным пламенем универсальной сварочной гог-
релки типа СУ со сменными наконечниками.
ТЕХНОЛОГИЯ АРМИРОВАНИЯ ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ 237
Приступая к армированию газосварочным пламенем, необходимо подогреть
•основной металл шарошки до появления на нагреваемой поверхности пленки
жидкой стали.
Стержень твердого сплава рэлит ТЗ подогревают в восстановительной зоне
«пламени до начала оплавления стали трубки и наносят на оплавляемую по-
верхность шарошки зерна литых карбидов вольфрама. Иногда применяют
предварительный подогрев шарошек в печи.
По окончании операции армирования шарошки следует подвергать медлен-
ному охлаждению. Рекомендуется избегать перегрева оснащаемой поверхности,
потому что с увеличением времени нагрева наблюдается чрезмерное растворе-
ние твердых карбидов в оснащенном слое.
Преимущество армирования с нагревом газосварочным пламенем — нали-
чие в пламени зоны восстановительных газов (окислов углерода, водорода),
благодаря чему при оснащении жидкая сталь в сварочной ванне и твердый
сплав при нагреве защищены от окислительного действия окружающей атмо-
сферы. Недостаток газосварочного нагрева — подача газов под давлением
поэтому порошковые сплавы следует применять в специальной оболочке во
избежание их выдувания. При оснащении литыми карбидами вольфрама их
зерен заключают в металлическую трубку (рэлит ТЗ).
Наибольший интерес представляет армирование шарошек буровых долот
с использованием индукционного нагрева т. в. ч. [89].
Схема применения индукционного нагрева при армировании шарошек до-
-лот заключается в следующем: непосредственно под индуктором, получающим
.питание от высокочастотного генератора, помещают оснащаемую грань шарош-
ки зуба. Токами высокой частоты (т. в. ч.) металл нагревается с поверхности
на некоторую ограниченную глубину до температуры оплавления этой поверх-
ности.
Твердый сплав в виде зерен определенной грануляции в смеси с флюсом на-
носится до или во время нагрева на оснащаемую грань. Из-за значительного
удельного веса твердый сплав погружается в сталь, расплавленную на арми-
руемой поверхности. После выключения тока образуется твердый слой.
Длительность нагрева можно фиксировать и контролировать автоматичес-
кими приборами типа реле времени.
Регулируя время нагрева, можно получить при данной частоте тока раз-
личную глубину армированного слоя, а также различную величину частиц
твердого сплава в слое.
'Армирование с индукционным нагревом т. в. ч. позволяет строго регулиро-
вать количество основного металла, при образовании армированного слоя. При
индукционном нагреве в единице объема армированного слоя находится обыч-
но больше частиц твердого сплава, чем при газовом нагреве. Естественно, что
абразивная стойкость слоя, армированного при нагреве т. в. ч., выше износо-
стойкости слоя, армированного при газовом нагреве.
Армирование шарошек долот при индукционном нагреве т. в. ч. позволяет
щироко автоматизировать процесс и значительно улучшить условия труда.
Значительный интерес представляет армирование шарошек припаиванием
зерен твердого сплава специальными тугоплавкими припоями. Состав одного
из припоев следующий: 70% FeMn; 20% Ni; 5% Си.
Припой вводится в количестве до 25% объема армируемого слоя. Темпе-
ратура плавления припоя составляет 1000—11100° С, т. е. не превышает темпе-
ратуру плавления стальной оснащаемой детали. Нагрев производится т. в. ч.
пли каким-либо другим способом.
Заслуживает внимания опыт по армированию зубьев шарошек металлоке
рамическим твердым сплавом ВК8 [175]. Для армирования использовалась
крупка сплава ВК8 зернистостью 30—40 меш. Подлежащие армированию боко-
вые поверхности зубьев шарошек покрывались смесью буры с борной кисло-
той (предварительно сплавленных и размолотых) и лака, посыпались крупкой
твердого сплава, после чего просушивались при 120—150° С. Затем поверхности
238 ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
зубьев нагревались т. в. ч. до оплавления. Зерна твердого сплава после плав-
ления боратной смеси и выгорания лака из-за высокого удельного веса тонут
в расплавленной ванне и армируют боковые поверхности зубьев.
Интересен объемный способ армирования шарошек буровых долот [90]. Этот
способ заключается в том, что при получении шарошек литьем в литейную
форму до заливки металла, помещают брикеты твердого сплава любой задан-
ной формы. После остывания металла твердый сплав оказывается включенным
в общий объем шарошки в местах, подвергающихся наибольшему износу.
Для оснащения шарошек долот типа ТК, К и ОК, предназначенных для*
бурения твердых, крепких и очень крепких пород, применяются сферические-
вставки из металлокерамических твердых сплавов, ВК-8. Размеры твердосплав-
ных сферических вставок (штырей) показаны в табл. 214.
Твердосплавные штыри жестко закрепляются в корпусе шарошек. Наиболь-
шее распространение получил метод крепления холодной запрессовкой шты-
рей с определенным гарантированным натягом в соответствующие гнезда в.
корпусах шарошек. Этот метод требует изготовления отверстий с высокой,
точностью, что достигается введением операции калибровки. Кроме того,
штыри должны иметь строго определенный размер, для чего все они подвер-
гаются предварительно шлифовке, а после этого — сортировке на определен-
ные группы по величине диаметра и селективной подборке в соответствующие
отверстия корпусов шарошек. Прочность крепления твердосплавного воору-
жения во многом зависит от точности изготовления.
Вторым методом закрепления является пайка [202] долот: пайка — менее-
трудоемкий процесс, так как позволяет применять более широкие допуски на
соединение и тем самым исключить колибровку отверстий, шлифовку и селек-
тивную подборку твердого сплава. Этот процесс более производителен.
Процесс пайки заключается в следующем: собранная с твердым сплавом
шарошка предварительно нагревается т. в. ч. до температуры пайки, затем
вертикально опорной полостью вниз погружается в тигель с расплавленным
флюсом и потом в припой, находящийся под слоем флюса. После извлечения’
шарошки из тигля она подстуживается до температуры закалки и изотерми-
чески закаливается в горячую среду.
Стендовые и эксплуатационные испытания долот показали, что пайка обес-
печивает надежное крепление твердосплавных вставок в корпусе шарошек.
[202].
Важным преимуществом пайки является то, что она позволяет применять
для оснащения шарошек твердосплавные вставки практически любой формы
и с любым шагом, что открывает широкие возможности для изыскания новых
видов более долговечного, эффективного и экономного вида твердосплав-
ного вооружения.
Помимо шарошек армирование твердыми сплавами применяется для повы-
шения износостойкости корпусов (корпусных) и лап (бескорпусных) шаро-
шечных буровых долот.
Наибольшая сработка спинок лап долота наблюдается между замковым
пальцем (включая его торец) и центровым отверстием. Сильно срабатываются
также козырьки лап, что иногда приводит к выпадению роликов крайней опо-
ры. При армировании торца замкового пальца металлокерамическим твердым
сплавом и сплавом вокар заподлицо с поверхностью спинок лап степень их
износа значительно уменьшается. Армирование углубления па лапе, предназна-
ченного для центрового отверстия, и перешейка между этим углублением и-
отверстием замкового пальца намного уменьшает сработку спинок лап и ис-
ключает выпадение замковых пальцев. При этом значительно уменьшается
износ козырьков. Хорошие результаты получаются при армировании твердым
сплавом левого ребра, лапы. Обнажение торцов роликов периферийного ряда
обычно начинается именно на участке, прилегающем к левому ребру. Для
предупреждения большого износа козырьков лап следует также армировать
твёрдыми сплавами отдельные участки самих козырьков лап.
ТЕХНОЛОГИЯ АРМИРОВАНИЯ ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ 239*
Размеры твердосплавных зубьев (штырей)
Таблица 214
Диаметр зуба с допуском D в мм Длина зуба с допус- ком 1 в мм Радиус сферы зуба с допуском R в мм Высота фаски h в мм т в мм
Зубья 1 СЦ-шлифованные
'240 ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Продолжение табл. 2 1 4
Диаметр зуба с допуском D в мм Длина зуба с допус- ком 1 в мм Радиус сферы зубе с допуском R в мм 1 Высота фаски h в мм т в мм
12,14—0,03 94 ~0’4 24 —0,5 6,5+0,30 0,8-1 ,0 D— 0,1
14,14—0,03 оя -°’4 24 —0,5 7,5+0,35
Зубь 3,14—0,03 4,14-0,03 я типа 2СЦ —шлифова о -0,15 3 —25 нные • —/77— 0,4-0,5 ДЕ —/ — Г
Л —0,15 4 -0,25
5,14-0,03 и -0,15 4 -0,25 — — и , 1
с —0,20 5 —0,30
6,14—0,03 , -0,20 5 —0,30 — 0,5—0,6 £>—0,2
г -0,20 6 -0,30
8,14—0,03 р -0,20 6 -0,30 — 0,8— 1 , 0 D — 0,2
7 -0,20 7 —0,30
R -°’20 8 —0,3 0
10,14—0,03 я -°’25 8 -0,35 —
12,14-0,03 о -°’25 8 -0,35 —
ю "°’25 10 -0,35
Помимо буровых долот, армирование применяется для повышения долго-
вечности ряда деталей газонефтепромыслового и нефтехимического оборудо-
вания.
Например, для повышения износостойкости наружной поверхности замков
для бурильных труб к бурильным замкам приваривают кольца, армированные
твердым сплавом. Срок службы бурильных замков с такими кольцами увели-
чивается в 2—3 раза [211].
Для повышения долговечности деталей горячих центробежных насосов и
деталей клиновых задвижек их поверхности армируются твердым сплавом
сормайт № 1 [101].
Армирование сплавом сормайт № 1 высокохромистой стали вызывает ряд
трудностей, так как при резком перепаде температур в процессе армирования
ТЕХНОЛОГИЯ АРМИРОВАНИЯ ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ 241
возникает самозакаливание и образование трещин. Поэтому независимо от
способа армирования (газосварочным пламенем или электрической дугой)
детали перед наплавкой нагреваются до 650—700° С. При армировании необ-
ходимо следить за тем, чтобы температура детали не падала ниже 300—350° С.
Немедленно после армирования детали центробежных насосов и клиновых
задвижек подвергаются термической обработке. Режим термической обработки
устанавливается в зависимости от марки стали, из которой изготовлена де-
таль. Например, гильзы центробежных насосов из стали марок 1X13 или 2X13
подвергаются следующей термической обработке: нагрев до температуры 850—
870° С со скоростью 50°С/ч, выдержка в течение 1 ч, охлаждение вместе с
печью со скоростью 25° С/ц до 600—500° С и последующее охлаждение —
в песке.
Термическая обработка деталей из стали Х5М: нагрев- до 840—850° С, вы-
держка не менее 1 ч, охлаждение до 500° С вместе с печью и последующее
охлаждение — в песке.
16 Заказ 664
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава X. ПОЛИМЕРЫ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРАХ
Полимеры определяют специфику и придают характерный комплекс свойств
пластическим массам и резинам.
Под полимерами понимают вещества, состоящие из больших ассиметрич-
ных молекул, называемых макромолекулами. Величина, строение и вытекаю-
щая отсюда гибкость макромолекул являются основными признаками поли-
мера.
Полимеры получают из низкомолекулярных веществ (маномеров) в резуль-
тате реакций химического синтеза: полимеризации и поликонденсации.
Рис. 78. Схематическое изображе-
ние строения полимера:
а — линейное; б — разветвлен-
ное; в — сетчатое
Рис. 79. Схематическое изображение сополимеров:
а — обычный сополимер; б — блок-сополимер; в —
графт-сополимер
При существующих методах не удается синтезировать полимеры с моле-
кулами строго одинаковой структуры и величины. Поэтому под молекуляр-
ным весом полимеров понимают средний молекулярный вес. Неоднородность
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ 243
полимера по строению и величине макромолекул называется полидисперс-
ностью.
В зависимости от химической природы исходных мономеров и ведения про-
цесса синтеза получаются полимеры с различным строением молекулярных
цепочек. Различают три вида макромолекул по их строению: линей-
ные, разветвленные и сетчатые. Схематически эти структуры изображены
на рис. 78.
Периодически повторяющиеся участки полимерной цепочки, имеющие оди-
наковый химический состав и строение, называются химическими звеньями.
Полимеры, химические звенья которых состоят из остатков одного мономера,
носят название гомополимеров или просто полимеров. Если же звено состоит
из остатков двух или более мономеров, то высокомолекулярное соединение
называют сополимером. Известны три основные типа сополимеров: обычные
сополимеры, у которых остатки разных мономеров расположены поочередно,
блоксополимеры, в которых остатки разных мономеров чередуются большими
блоками и графт—или привитые сополимеры, в которых основная цепь мак-
ромолекулы состоит из химически одинаковых звеньев, а боковые цепи обра-
зуют звенья другого состава; боковые цепи значительно меньше по длине ос-
новной цепи молекулы.
Схемы сополимеров приведены на рис. 79.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ
В основу химической классификации высокомолекулярных соединений по-
ложено химическое строение основной цепи макромолекулы. По этому приз-
наку различают основные классы полимеров.
Органические полимеры: карбоцепные, гетероцепные.
Элементоорганические полимеры: неметаллические, металлические, внутри-
комплексные.
Неорганические полимеры: гомоцепные, гетероцепные.
Органические полимеры — самый большой класс, объединяющий все при-
родные полимеры животного и растительного происхождения, а также огром-
ное количество синтетических. Если основную цепь составляют только атомы
углерода, то полимеры называются карбоцепными; если же, кроме углерода,
в состав основной цепи входят атомы кислорода, азота, серы или фосфора, то
полимеры называются гетероцепными.
Элементоорганические полимеры — новый класс соединений, не встречаю-
щийся в природе. В состав основной цепи элементоорганических соединений
входят атомы неметаллов, полуметаллов и металлов. Такое строение, естест-
венно, сказывается на свойствах элементоорганических полимеров, которые
сочетают термостойкость, твердость, присущие неорганическим материалам, с
характерными для органических полимеров эластичностью, растворимостью
и т. д.
В зависимости от элемента, входящего в основную цепь макромолеку-
лы, полимеры относятся к неметаллическим или металлоорганическим. Во
внутрикомплексных полимерах металлы также входят в основную цепь, однако
отличие связи между металлом и органической частью молекулы в этих высо-
комолекулярных соединениях (координационная связь) от связи в металло-
органических полимерах (ковалентная связь), определило выделение их в от-
дельную группу.
Из неметаллических элементоорганических полимеров наибольшее распро-
странение получили кремнийорганические полимеры, т. е. соединения, в состав
основной цепи которых входят атомы кремния.
Металлоорганические полимеры получены на основе почти всех металлов
и полуметаллов периодической системы. Изучены соединения титана, алюми-
ния, олова, мышьяка и другие.
16*
244 полимеры
Схема строения их цепей в зависимости от валентности металла выглядит
так:
I II II
— Me — С— — Me — С — С— — Me — С —
I III II
Часто связь металл — углерод слабее связи металл — кислород и тогда бо-
лее стабильны соединения типа:
I III
— Me — О — С— —Me —О —С— — Me—О—С —
I I I II
Внутрнкомплексные элементоорганические полимеры открыты недавно, но
весьма перспективны, из-за своей высокой термической стойкости. Свое наз-
вание они получили от хелатных (клешневидных) комплексов, которые могут
входить в состав основной цепи или в боковые цепи.
Доказана возможность получения чисто неорганических полимеров из эле-
ментов II, III, IV, V, VI, VII и VIII групп периодической системы. Если ос-
новная часть макромолекулы состоит из атомов одного элемента, полимеры
называют гомоцепными, если же она образована атомами различных элемен-
тов, полимеры называют гетероцепными.
Неорганические полимеры еще очень мало изучены, однако их перспектив-
ность не вызывает никаких сомнений.
Известно, что в зависимости от температуры и давления низкомолекуляр-
ные вещества могут находиться в газообразном, жидком или твердом агрегат-
ном состоянии.
Для полимерных веществ газообразное состояние не реализуется, так как
температура их разложения лежит ниже температуры кипения. По строению
они могут быть аморфными или кристаллическими. С термодинамической
точки зрения аморфная структура считается неравновесной, так как свобод-
ная энергия системы больше, чем у кристаллической (не выделяется скрытая
теплота кристаллизации). Однако кинетически она часто бывает более вероят-
на, а иногда и единственно возможна.
Действительно, чтобы молекулы вещества могли расположиться в строго
определенном порядке, они должны обладать достаточной подвижностью при
температуре перехода из жидкого в твердое состояние. При данной темпера-
туре подвижность молекул будет определяться величиной сил межмолекуляр-
пого взаимодействия, т .е. величиной потенциального барьера, который должна
преодолеть молекула для совершения перескока в новое положение. Понятно,
что чем сложнее и менее правильно строение молекулы, тем труднее должна
проходить кристаллизация и тем вероятнее переход вещества при охлаждении
в стеклообразное аморфное состояние.
У полимеров процесс кристаллизации осложняется еще гибкостью молеку-
лярных цепей, которые непрерывно изменяют свою форму в сторону повыше-
ния энтропии системы.
Известно, что всякий самопроизвольный процесс (в том числе и кристал-
лизация) протекает с уменьшением свободной энергии системы. Известно
также, что свободная энергия F = U — TS, где U — внутренняя энергия си-
стемы, Т — абсолютная температура и S — энтропия.
Следовательно, кристаллизация полимеров возможна только в том случае,
если уменьшение внутренней энергии в результате более плотной упаковки
молекул будет по абсолютной величине больше уменьшения связанной энергии
системы в результате выпрямления макромолекул. Иными словами, если
|Д£/| > |Д X (Г5)|, полимер при охлаждении переходит в кристаллическое
состояние, если же |Д(/| < | Д (TS) | полимер остается в аморфном состоянии.
Можно сказать, что стеклообразное аморфное состояние полимера обус-
ловлено протеканием процессов межмолекулярного взаимодействия, компенси-
ОТЛИЧИЕ ПОЛИМЕРОВ ОТ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ 245
рующих избыток внутренней энергии системы. Следовательно, оба твердых
состояния — кристаллическое и аморфное — устойчивые состояния полимер-
ного вещества.
3. ОТЛИЧИЕ ПОЛИМЕРОВ ОТ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЕЩЕСТВ
Полимеры отличаются от низкомолекулярных соединений двумя характС’
ристиками, определяющими всю совокупность их свойств: высоким молекуляр-
ным весом (отсюда их другое название — высокомолекулярные соединения)
и асимметричным строением молекул.
Для большинства полимеров молекулярный вес лежит в пределах 10 000—
1 000 000. Некоторые полимеры имеют и значительно больший молекулярный
вес: у целлюлозы он достигает 2 000 000, а у льна — 6 000 000.
Ранее указывалось, что полимеры обладают полидисперсностыо, т. е. неод-
нородностью по величине и структуре макромолекул. Объясняется это вероят-
ностным характером образования и роста цепи как при полимеризации, так и
при поликонденсации.
Усредненный молекулярный вес носит название среднего молекулярного
веса. В зависимости от метода определения различают среднечисловой Мч и
средневесовой Мв молекулярные веса. Первый получают определением числа
молекул в определенной навеске полимера и, далее, при помощи числа Авагадро
определяют молекулярный вес. Второй узнают непосредственным определением
веса одной молекулы (например, на основе светорассеивапия). Средневесовой
молекулярный вес всегда больше среднечислового.
Отношение Мв)Мч является мерой полидисперсности полимера. В идеаль-
ном случае, когда все молекулы имеют одинаковую длину и структуру, Мв и
Мч будут иметь одинаковое значение.
Все сказанное справедливо для полимеров, молекулы которых имеют линей-
ное или разветвленное строение. Для сетчатых полимеров понятие молекуляр-
ного веса, вообще говоря, теряет свой смысл, так как в них все химические
звенья связаны между собой химическими связями и, следовательно, каждый
кусок полимера представляет собой как бы одну огромную молекулу.
Второй характерной особенностью, отличающей высокомолекулярное соеди-
нение от низкомолекулярного, является строение их молекул. Полимерные
молекулы обладают высокой степенью асимметрии. Их длина в 1000 и более
раз’ больше ширины. Так, например, длина выпрямленной молекулы каучука
равна 4000 А, а ее поперечный размер составляет всего 3 А. Такая резкая
асимметрия приводит к появлению гибкости формы. Аналогично гибкость про-
является в упругих асимметричных образованиях, например, у стальной про-
волоки. Так, если взять кусок проволоки длиной, соизмеряемой с ее диаметром,
то этот кусок проволоки будет жестким (например, диаметр 5 мм и длина
10 мм). Но если длина ее в 1000 раз больше диаметра (диаметр 5 мм и длина
5 ж), то проволока становится гибкой. Однако гибкость молекулярных цепей
полимера определяется не только ее формой, но и химической природой
звеньев основной и боковой цепей. Если силы молекулярного взаимодействия
достаточно велики, то гибкость проявляться не сможет.
Для полимеров характерно также резкое различие природы связей вдоль
цепи и между цепями. Атомы основной цепи связаны химическими ковалент-
ными связями (за исключением внутрикомплексных элементоорганических по-
лимеров, в которых имеются и координационные связи). Энергия ковалентной
связи велика и молекулярная цепь получается достаточно прочной. Так, энер-
гия С — С (алифатическая) составляет 59—70 ккал!молъ, связи С — О—70—
75 ккал/молъ и т. д. Отдельные макромолекулы связаны между собой межмо-
лекулярными, ван-дер-ваальсовыми силами, величина которых в зависимости
от их природы лежит в пределах 2—40 ккал/молъ и резко зависит от расстоя-
ния (в шестой степени).
246 ПОЛИМЕРЫ
Именно такое большое различие энергий внутри и межмолекулярных свя-
зей обусловливает гибкость молекулярных цепей.
Межмолекулярные силы не играют существенной роли в образовании самих
макромолекулярных цепей, но именно эти силы обуславливают агрегацию от-
дельных молекул с образованием твердой или жидкой фазы. В результате
многие физико-механические свойства, в том числе и прочность, определяются
именно этими силами.
Перечисленные выше характерные особенности высокомолекулярных соеди-
нений определяют и их специфические свойства, основные из которых сводятся
к следующему:
1. Особые механические свойства. Общеизвестно, что низкомолекулярные
твердые тела отличаются высокой прочностью и незначительной величиной об-
ратимой деформации. Им присущи два вида деформаций: упругая (обрати-
мая) и пластическая (необратимая). Жидкие низкомолекулярные вещества
способны к неограниченным пластическим деформациям (течению) при воз-
действии незначительных нагрузок (прочность практически отсутствует).
Полимеры в определенном температурном интервале сочетают в себе свой-
ства как твердых тел, так и жидкостей. Специфическое строение молекул, их
гибкость, обуславливают появление нового вида деформации — высокоэласти-
ческой, составляющей десятки и сотни процентов. Она возникает под действи-
ем небольших нагрузок и полностью обратима.
Следовательно, высокоэластическое состояние является промежуточным
между твердым и жидким.
2. Ярко выраженная способность образовывать волокна и пленки, т. е. спо-
собность проявлять высокую анизотропию свойств. Эта способность обуслов-
лена также длиной и гибкостью макромолекул и связана с изменением их
формы и ориентацией в направлении действия внешнего силового поля.
3. Особенность растворов полимеров, которые не подчиняются законам
Рауля и Вант-Гоффа: понижение упругости паров растворителя и осмотичес-
кое давление значительно больше, чем это следовало бы соответственно по за-
конам Рауля и Вант-Гоффа.
Отличительной особенностью полимеров является также их способность к
набуханию, которое обязательно предшествует полному растворению. Иногда
процесс останавливается на первой стадии (набухании), что широко исполь-
зуется промышленностью и носит название процесса пластификации.
Растворы полимеров обладают очень высокой вязкостью, причем прямая
пропорциональность между вязкостью и концентрацией отсутствует, как это
наблюдается у растворов низкомолекулярных соединений.
4. Способность полимеров к структурированию при воздействии на них
небольших количеств химически активных элементов или соединений. Сущ-
ность структурирования заключается в образовании пространственной сетчатой
структуры образованием поперечных химических связей (сшивка) между от-
дельными макромолекулами полимера. При этом резко изменяются его свой-
ства: пропадают текучесть (температура текучести обычно становится выше
температуры разложения), повышается температура стеклования, исчезает
растворимость, резко падает способность к набуханию и др.
4. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ
Выше было отмечено, что один из основных признаков полимерного состоя-
ния вещества — гибкость макромолекул. Это свойство лежит в основе пони-
мания особенностей полимеров и, в частности, особенностей их механических
свойств.
Гибкость молекул полимера, обусловленная их формой, реализуется под
воздействием теплового поля в виде внутримолекулярного теплового движения.
В результате этого движения меняется только конфигурация молекул, а не
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ 247
их взаиморасположение в пространстве. Такое изменение формы молекул носит
название конформационного изменения. Однако изменение конформаций огра-
ничено потенциальным барьером, величина которого зависит от химического
состава основной цепи макромолекул и боковых групп. Следовательно, тепло-
вое движение звеньев — это крутильные колебания вокруг одинарной связи
С — С. Вращение звеньев вокруг двойных и тройных связей невозможно, хотя
эти связи снижают потенциальный барьер вращения соседних звеньев.
Иными словами, число возможных конформаций, т. е. гибкость молекуляр-
ных цепей полимера, определяется величиной внутри- и межмолекулярных сил.
Гибкость молекулы может характеризоваться расстоянием между ее конца-
ми, так как, чем оно меньше, тем, естественно, большее число конформаций
может быть реализовано.
Длина молекулярной цепочки, состоящей из п звеньев длиной /, вычисляет-
ся по формуле:
„ ,2 2и^0 (1 + COS fl)
г2 = Z2-------------,
^Т(1 —cosp)
где г2 — среднеквадратичное расстояние между концами цепи;
Uo — потенциальный барьер вращения;
k — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура;
[3 — угол между двумя связями С — С.
Из формулы видно, что чем больше потенциальный барьер Uo, тем боль-
ше расстояние между концами цепи и тем, следовательно, меньше возможное
число конформаций. При повышении температуры число конформаций растет.
Таким образом, гибкость полимерных цепей зависит от потенциального барье-
ра и температуры.
Если потенциальный барьер мал по своей величине и, следовательно, изме-
нение конформаций определяется главным образом энтропийным фактором, в
-определенном интервале температур молекулы полимера будут обладать вы-
сокой гибкостью.
Внешне это выразится в появлении нового вида деформации — высокоэлас-
тической. И действительно, высокоэластическая деформация проявится у раз-
личных полимеров в различном интервале температур. По этой характеристике
полимеры разделяют на две большие группы: каучуки-полимеры, у которых
высбкоэластическая деформация проявляется при обычной, комнатной темпе-
ратуре и стеклообразные полимеры — смолы, у которых высокоэластическое
состояние проявляется только при повышенных температурах и то в значи-
тельно меньшей степени. При обычной температуре их молекулы жестки. Из-
вестны и такие полимеры, у которых жесткость полимолекулярных цепей со-
храняется вплоть до температуры разложения, т. е. в конденсированной фазе
гибкость их цепей не реализуется.
Резюмируя, можно сказать, что гибкость цепей макромолекул полимера,
•обусловленная внутримолекулярным тепловым движением, ограничивается по-
тенциальным барьером, величина которого определяется силами внутри- и
межмолекулярного взаимодействия. Соотношение этих двух факторов — тепло-
вого движения и потенциального барьера — создает устойчивые конформации
молекул. Еще большую устойчивость полимеру придает способность их моле-
кул образовывать первичные надмолекулярные структуры — пачки цепей, ко-
торые служат основой построения любых кристаллических образований.
Для оценки гибкости макромолекул было введено понятие сегмента. Под
величиной сегмента понимают такое значение молекулярного веса, при
котором к полимеру могут быть применены законы, справедливые для низко-
молекулярных тел. Следовательно, сегмент представляет лишь эквивалентную
величину, позволяющую применить к изучению свойств полимеров широко из-
вестные закономерности для низкомолекулярных веществ.
248 полимеры
Таким образом, реальную сложную макромолекулу заменяют идеальной
системой более простых малых молекул-сегментов. Величина сегмента будет
характеризовать степень гибкости полимерной молекулы. Чем меньше эта ве-
личина, тем более гибкой будет макромолекула.
Величина сегмента зависит от метода его определения. Наиболее часто ис-
пользуются методы, основанные на изучении термодинамических и механиче-
ских свойств полимеров. Соответствующие сегменты носят название термоди-
намического и механического сегмента.
Следует оговорить, что величина механического сегмента в значительной
степени зависит от режима нагружения. Полимеры, как уже отмечалось выше,
находятся всегда в конденсированной фазе и их цепные молекулы не могут
мгновенно изменять свою форму, так как при этом они должны преодолеть
силы внутри и межмолекулярного взаимодействия. Изменение формы, т. е. пе-
ремещение сегментов, требует определенного времени.
Следовательно, при быстром воздействии, когда формы цепей не успевают
измениться полностью за время действия силового поля, ряд конформаций не
может быть реализован, т. е. потенциальная гибкость цепей не может про-
явиться полностью. Молекулы будут как бы более жесткими. Отсюда следует,
что чем быстрее происходит деформация, тем жестче будут казаться молекулы.
Иными словами, величина механического сегмента будет возрастать при по-
вышении скорости деформации или уменьшения времени воздействия силового
поля.
Большим временем, необходимым для изменения конформаций молекул под
действием внешнего силового поля, и объясняется весь комплекс релаксацион-
ных явлений, характерный для полимеров.
Релаксацией называется протекающий во времени процесс перехода систе-
мы из неравновесного в равновесное состояние.
Воздействие на тело какого-либо внешнего силового поля вызывает реак-
цию этого тела, которая представляет переход в новое равновесное состояние.
При этом возможны два случая: переход в новое равновесное состояние про-
ходит мгновенно, т. е. изменения, происходящие в теле, мгновенно следуют за
изменениями поля; время перехода в новое равновесное состояние больше вре-
мени действия поля, т. е. изменения, происходящие в теле, не успевают следо-
вать за изменением поля.
В первом случае тело всегда будет находиться в равновесном состоянии.
Практически это наблюдается в тех случаях, когда время перехода ничтожно
мало по сравнению с действием силового поля. При действии механического
силового поля этот случай описывается для идеального упругого тела законом
Гука:
d& 1 do
( J У
dt------G dt
где 8 — деформация; o' — напряжение; t — время; G — модуль и для идеаль-
ного вязкого тела законом вязкости Ньютона
dz 1
dt т]
где ц — вязкость.
Во втором случае тело будет проходит через ряд неравновесных состояний.
При этом отклонения от равновесных значений уменьшаются в зависимости
от времени по экспоненциальному закону:
Дх = (Дх)ое т, (3)
где Дхо — отклонение для начального момента времени;
Дх — отклонение для момента времени /;
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ 249
т — постоянная для данного тела величина, называемая временем релак-
сации.
Время релаксации и является основной характеристикой релаксационных
процессов.
В низкомолекулярных телах, состоящих из небольших молекул, релаксаци-
онные процессы протокают чрезвычайно быстро — доли секунды. В полимерах,
состоящих из больших гибких молекул, релаксационные процессы протекают
сложно и связаны с изменением конформаций макромолекул. Гибкость моле-
кул, обусловленная внутримолекулярным тепловым движением, связана с са-
мостоятельным перемещением отдельных участков, величина которых может
значительно меняется в зависимости от характера действующего силового поля.
Следовательно, общий процесс релаксации в макрообразцах полимера будет
складываться из многих отдельных процессов, характеризующихся различными
временами релаксации. Иными словами, релаксационный процесс в полимерах
характеризуется не одним каким-либо временем релаксации, как это наблю-
дается в низкомолекулярных телах, а целым набором таких времен от самых
малых, присущих небольшим частям молекул, до очень больших, присущих
большим частям или молекуле в целом. Этим, собственно, объясняется боль-
шая зависимость механических свойств полимеров и полимерных материалов
от времени действия и скорости приложения нагрузки. Этим же объясняется
и изменение свойств во время отдыха или, как говорят, «залечивание» об-
разцов.
Наличие двух структурных единиц — звеньев и цепей обуславливает пове-
дение полимеров как типичных упруговязких тел. Общая деформация, скла-
дывающаяся из упругой и вязкой деформаций или, точнее, изменение ее во>
времени, может быть выражена следующим уравнением (на основании законов
Гука и Ньютона):
~dt~ = ~G ’
do 1
dt л
(4}
О.
Смысл этого дифференциального уравнения может быть лучше всего рас-
крыт при разборе конкретных видов релаксации.
Всего известно четыре вида релаксационных процессов:
1. Релаксация напряжения. Если образец полимера подвергнуть
определенной деформации и поддерживать ее постоянной, то окажется, что
напряжение в образце с течением времени уменьшится.
При постоянной деформации (е = const) производная ее по времени будет
равна нулю и уравнение (4) примет вид:
После преобразования и интегрирования получим
-2./
<т = <тое 11 . (6>
G 1
Принимая, что —= — уравнение (6) примет вид:
Т] т
_2_
а = стое т , (7>
т. е. уменьшение напряжения во времени при постоянной деформации, назы-
ваемое релаксацией напряжения, носит экспоненциальный характер. Из урав-
нения (7) вытекает, что время релаксации есть время, за которое напряжение
уменьшится в е раз, т. е. в 2,72 раза.
Характер зависимости напряжения от времени при е = const показан на
рис. 80.
250 полимеры
2. Релаксация деформации (ползучесть). Если к полимеру
приложить определенное напряжение и поддерживать его постоянным, то де-
формация во времени будет увеличиваться.
При постоянном напряжении (or = const) уравнение (4) примет вид
После интегрирования получим
т. е. увеличение деформации во времени, называемое релаксацией деформа-
ции, будет тем больше, чем выше приложенное напряжение и чем меньше вяз-
кость. При очень высокой вязкости ползучесть будет практически отсутство-
вать. Для полимеров это на-
блюдается при температурах
значительно более низких, чем
их температура стеклования.
Рис. 80. Зависимость напряжения
о — времени при 8 = const
Рис. 81. Зависимость деформации от
времени при О’ = const
Характер зависимости деформации от времени при постоянном напряжении
показан на рис. 81. Отклонение от прямой объясняется изменением вязкости
в процессе течения.
3. Упругое последствие. Если нагруженный полимер внезапно осво-
бодить от действия силы, то в нем также будут происходить релаксационные
процессы, направленные на уменьшение деформации. При этом высокоэласти-
Рис. 82. График упругого последствия
в полимерах
ческая деформация, связанная с
изменением конформации макро-
молекул, постепенно будет умень-
шаться в соответствии с временем
релаксации данного полимера.
Деформация, вызванная смеще-
нием центров тяжести молекул,
т. е. течением материала, остается
неизменной. Графически это ха-
рактеризуется кривой, показан-
ной на рис. 82.
Отрезок кривой АБ соответст-
вует мгновенной упругой деформа-
ции полимера, возникающей при
приложении нагрузки. При даль-
нейшем действии постоянной на-
грузки развиваются релаксацион-
АМОРФНЫЕ ПОЛИМЕРЫ 251
ные процессы, что отражено отрезком кривой БВ (он аналогичен рис. 81).
В точке В кривой нагрузка внезапно снимается. Отрезок ВГ характеризует
мгновенное исчезновение упругой деформации, отрезок ГД — развитие релак-
сационных процессов, обуславливающих упругое последействие (исчезновение
высокоэластической деформации). Отрезок ДЕ — это остаточная, необратимая
деформация, вызванная течением материала. Процесс релаксации деформации,
происходящий в разгруженном полимере, называется упругим последейст-
вием.
Рис. 83. Механический ги-
стерезис у полимеров
Все три описанных релаксационных процесса обусловлены замедленным
переходом молекул полимера в новое равновесное состояние и представляют
•собой изменение их конфигураций в направлении
.изменения силового поля. Если бы время действия
нагрузки было меньше времени релаксации, то поли-
мер вел бы себя как упругое тело. Но как было пока-
зано раньше, релаксационные процессы в полимерах
представляют сложный процесс, слагающийся из
большого числа отдельных релаксационных процессов
с различными временами релаксации, т. е. характери-
зуется широким набором времен релаксации. Поэто-
му практически при любом времени действия внеш-
него силового поля полимер ведет себя как упруго-
вязкое тело.
4. Если на полимер действует переменное напря-
жение, т. е. сначала оно возрастает, а затем падает,
то изменения деформации будут отставать от измене-
ния напряжения как при его возрастании, так и при
уменьшении. Это приводит к хорошо известному яв-
лению механического гистерезиса в полимерах, гра-
-фически изображенному на рис. 83. Чем больше раз-
ница в скоростях релаксационных процессов при воз-
растании и уменьшении напряжения, тем больше
площадь петли гистерезиса. Площадь петли характе-
ризует энергию, рассеиваемую в полимере при циклическом нагружении и при-
водящую к его нагреву.
Как и все процессы, связанные с релаксацией, величина гистерезиса зависит
<от температуры и скорости изменения напряжения.
5. АМОРФНЫЕ ПОЛИМЕРЫ
Раньше было указано, что из трех агрегатных состояний, присущих низко-
молекулярным веществам, для полимеров реализуется только два: твердое и
жидкое. Однако переход из одного агрегатного состояния в другое связан с
•фазовыми переходами, которые у полимеров либо отсутствуют вовсе, либо
выражены значительно слабее, чем у низкомолекулярных веществ. Поэтому
правильнее будет говорить не об агрегатных, а о физических состояниях по-
лимера.
Полимеры, в зависимости от температуры, могут находиться в четырех
физических состояниях: трех аморфных и одном кристаллическом. В каждом
.из этих состояний полимеры обладают определенным комплексом физических
•свойств. Наиболее важными являются механические свойства, которые в пер-
вую очередь определяют области практического применения полимеров. Поэто-
му мы будем характеризовать физические состояния именно по изменению
механических свойств. В качестве критерия обычно принимают изменение де-
формации при постоянном напряжении. График зависимости деформации от
температуры при постоянном напряжении получил название термомеханической
.кривой.
252 полимеры
Для низкомолекулярных аморфных тел такой график показан на рис. 84:.
Участки кривой 1—2 и 3—4 представляют практически прямые линии, т. е. на»
этих участках изменение свойств прямо пропорционально изменению темпера-
туры. Разница в угле наклона указывает на разность в коэффициентах про-
порциональности, т. е. скорости изменения свойств.
Средний участок 2—3, соединяющий две прямые, изогнут. Это значит, что*
здесь свойства изменяются с переменной скоростью. В интервале температурь»
между точками 2 и 3 имеет место нарастание скорости изменения свойств.
Температурные точки 2 и 3 очень важны для характеристики материалаь
Точка 2 называется температурой стеклования Тс, а точка 3 — температурой?
текучести Тт.
До температуры
Тт — жидкостью. В
Рис. 84. Термомеханическая кривая для
низкомолекулярных аморфных тел
Практически он;
Тс аморфное тело является твердым, после температуры
интервале температуры Тс — Тт происходит постепенное1
размягчение аморфного вещества и пере-
ход его выше температуры текучести из'
твердого тела в жидкость, если рассмат-
ривать процесс в направлении повыше-
ния температуры и в обратном направ-
лении, — постепенное повышение вязко-
сти вещества вплоть до перехода его
ниже температуры стеклования Т<- в:
твердое аморфное тело. Интервал темпе-
ратур Тс — Тт обычно называют интер-
валом превращения,
занимает 20—50° С.
Термомеханическая кривая для поли-
меров выглядит несколько сложнее. Она
изображена на рис. 85. Полимерам свой-
ственно, как было указано ранее, новое
состояние вещества — высокоэластиче-
ское, обусловленное гибкостью макромо-
лекулярных цепей. Оно характеризуется1
изменением деформируемости материала, т. е. изменением его модуля упруго-
сти. Находясь в высокоэластическом состоянии, полимер способен к большим
по величине и обратимым деформациям. Это состояние вклинивается между
стеклообразным и вязко-текучим состоянием и разделяет температуры стекло-
вания и текучести. Таким образом, полимеры в отличие от низкомолекулярных
тел переходят из стеклообразного не в вязко-текучее, а сначала в высокоэла-
стическое состояние. Температурный интервал, в котором полимеру свойствен-
на высокая эластичность, зависит от гибкости цепей, т. е. от его химической
природы.
При повышении температуры выше Тс деформация полимера начинает-
быстро расти, достигая определенной максимальной величины, однако далее
на всем интервале высокоэластического состояния изменяется незначительно
вплоть до температуры текучести Тт. Объясняется это тем, что сегментальная
подвижность макромолекул, обуславливающая высокоэластическую деформа-
цию, имеет какую-то определенную предельную величину. При повышении,
температуры выше Тт, энергия теплового движения начинает превосходить,
энергию межмолекулярного взаимодействия макромолекулы целиком получают
возможность свободного перемещения. В макрообразце материала это про-
является в виде вязкого течения. Полимер переходит в вязко-текучее со-
стояние.
В каждом состоянии полимеру свойственен определенный комплекс физико-
механических свойств, поэтому знание температур Тс и Тг является с практи-
ческой точки зрения чрезвычайно важным. Для производства пластмасс, во-
локон, лаков требуются полимеры, находящиеся при комнатной температуре
в стеклообразном состоянии; для производства резин — полимеры, находящие-
АМОРФНЫЕ ПОЛИМЕРЫ 253
ся при комнатной температуре в высокоэластическом состоянии. Процессы
переработки полимерных материалов в изделия требуют перевода их в вязко-
текучее состояние, т. е. знания температуры’ текучести.
Однако показанная на рис. 85 зависимость деформаций полимера от тем-
пературы не всегда реализуется полностью у реальных полимеров. Есть полиме-
ры, межмолекулярные силы которых настолько велики, что у них не реали-
зуется вязко-текучее состояние, так как температура их разложения выше
температуры текучести. К таким полимерам, например, относятся все белковые
полимеры, из которых построены животные и растительные ткани. Есть и такие
полимеры, у которых реализуется только стеклообразное состояние. Представи-
телем таких полимеров является целлюлоза.
На рис. 86 показаны схемы возможного поведения реальных полимеров в
зависимости от температуры.
Кривая 1 аналогична кривой на рис
го полимера, для которого реализуются
’Рис. 85. Термомеханическая кривая для
аморфных полимеров
85 и отражает поведение гибкоцепно-
все три физические состояния. Кривая
г
Рис. 86. Схемы поведения реальных полиме-
ров в широком интервале температур:
1 — гибкоцепные полимеры; 2 — сетчатые
полимеры с редкой сеткой поперечных свя-
зей; 3 — сетчатые полимеры с густой сет-
кой поперечных связей; 4 — жесткоцепные
полимеры
2 характерна для полимеров, у кото-
рых температура текучести Тт выше
температуры разложения Тр. Эта
кривая будет характеризовать также
поведение полимера, в котором в про-
цессе нагрева образуются поперечные химические связи между макромоле-
кулами, т. е. образуется сетчатая, пространственная структура. Однако ко-
личество таких связей невелико и расстояние между узлами сетки больше
величины механического сегмента.
При этом температура начала этих химических превращений Тп лежит
выше температуры стеклования Тс.
Кривая 3 отражает поведение полимера, у которого образование сетчатой
структуры приводит к потере сегментальной подвижности молекул, т. е. рас-'
стояние между узлами сетки меньше величины механического сегмента. Высо-
коэластическая деформация исчезает, что приводит, естественно, к резкому
падению общей деформации. В дальнейшем полимер не претерпевает никаких
изменений вплоть до температуры разложения.
Кривая 4 характеризует поведение жесткоцепного полимера, у которого
температура стеклования Тс и, естественно, температура текучести Тт лежат
выше температуры разложения.
Важная характеристика материалов также и температура хрупкости Тхр,
ниже которой полимеры ведут себя аналогично низкомолекулярным хрупким
стеклам. У последних температура Тхр совпадает или почти совпадает с
254 полимеры
температурой стеклования. У полимеров же между ними лежит определенный
температурный интервал, обусловленный некоторой подвижностью отдельных
участков макромолекулы.
Теперь кратко остановимся на характеристике каждого из трех физических
состояний аморфных полимеров.
Стеклообразное состояние. Стеклообразное состояние аморфного вещества
связано с потерей подвижности молекул. При понижении температуры умень-
шается тепловая энергия молекул и они, в конце концов, оказываются зафик-
сированными силами межмолекулярного взаимодействия. Уменьшение подвиж-
ности молекул низкомолекулярного вещества приводит и к изменению харак-
тера деформации — низкомолекулярным стеклам свойственна только упругая
деформация. Следовательно, они являются хрупкими телами.
Иначе ведут себя полимеры, состоящие из больших гибких молекул. Если
для застеклования низкомолекулярных жидкостей требуется фиксация всех
молекул, то для полимеров достаточна фиксация только части звеньев, если-
они будут расположены на расстояниях меньших величины механического-
сегмента. Однако при этом другие звенья сохраняют некоторую свободу пе-
ремещений, хотя и меньшую, чем требуется для проявления высокой эластич-
ности (следует оговориться, что связи, фиксирующие отдельные звенья, носят-
флуктуационный характер). Такая рыхлая структура приводит к способности
полимеров в стеклообразном состоянии, под действием больших внешних сил,
к сравнительно большим деформациям, называемым вынужденно-эластичес-
кими, так как проявляются не в результате самопроизвольного теплового дви-
жения участков молекулярных цепей, а под действием внешних сил. Они до-
стигают 200—300%.
Подтверждением подвижности отдельных звеньев цепи является способ-
ность полимерных стекол поляризоваться при внесении их в электрическое
поле, т. е. подтверждается наличие движения дипольных групп.
Гибкоцепные полимеры, цепи которых обладают повышенной гибкостью, в-
процессе застеклования упаковываются более плотно и, следовательно, у них
остается меньше подвижных звеньев. Поэтому они менее склонны к проявле-
нию вынужденной эластичности и ближе стоят по своим свойствам к низко-
молекулярным стеклам и температурный интервал между Тхр и Тс у них будет-
небольшим. Жесткоцепные полимеры при застекловании образуют более рых-
лую молекулярную структуру, у них остается больше незафиксированных
звеньев и они в большей степени способны проявлять вынужденную эластич-
ность (конечно, до определенного предела: полимеры с очень жесткими моле-
кулами вообще не способны к проявлению эластичности). Следовательно, у
жесткоцепных полимеров интервал между Тхр и Тс будет большим.
Кроме того, жесткоцепные полимеры более склонны к образованию надмо-
лекулярных структур, в том числе и первичных, так называемых пачек, длина
которых значительно превышает длину отдельной молекулы. Происходит как.
бы самоармирование полимера, что приводит к возможности появления значи-
тельных по величине упругих деформаций. Процесс этот, конечно, ничего об-
щего не имеет с процессом возникновения вынужденной эластичности, однако
наблюдаемая в макрообразце вынужденноэластическая деформация возникает,
вероятно, в результате обоих этих процессов.
Понятно, что чем ниже температура, тем большую силу надо приложить,
чтобы вызвать вынужденноэластическую деформацию. Наконец наступает та-
кая температура, при которой необходимое напряжение (предел вынужденной
эластичности) превышает предел прочности материала и полимер теряет спо-
собность к большим деформациям, он деформируется только упруго и, следо-
вательно, становится хрупок. Эта температура и будет его температурой
хрупкости.
Таким образом, Тхр разделяет область стеклообразного состояния полиме-
ра на два — хрупкое и не хрупкое. Температура хрупкости также, как и дру-
гие характеристики полимеров, зависит от режима испытания.
АМОРФНЫЕ ПОЛИМЕРЫ 255>
Поскольку вынужденная эластичность проявляется только под действием
больших внешних сил, то после их снятия тепловое движение молекул не в.
состоянии вернуть телу прежнюю форму (все новые конформации молекул
фиксируются межмолекулярными силами). Однако такую деформацию непра-
вильно называть ползучестью, так как она вызвана не течением материала.
Проверить это можно, нагревая полимер выше Тс: деформация самопроиз-
вольно исчезает. Следовательно, полимер, деформированный в стеклообразном
состоянии, является неравновесной системой.
Высокоэластическое состояние полимеров обусловлено гибкостью их
молекулярных цепей, т. е. сегментальной подвижностью молекул. Основным
определяющим свойством полимера, находящегося в высокоэластическом со-
стоянии, является способность к большим, практически полностью обратимым-
деформациям под действием небольших нагрузок. Отсюда, как следствие, низ-
кие значения модуля упругости (0,02—0,08 кГ1мм2), т. е. того же порядка, как
у газов (0,01 кГ/жж2).
Аналогичны и тепловые эффекты при деформации: при одноосном растяже-
нии высокоэластичный полимер нагревается, а при восстановлении z первона-
чальных размеров после снятия нагрузки — охлаждается (как известно, газы
при деформации (сжатии) нагреваются, а при расширении — охлаждаются).
Обратная картина наблюдается при упругой деформации кристаллических
твердых тел: они охлаждаются при деформировании и нагреваются при исчез-
новении деформации. Объясняется такое различие в поведении высокоэласти-
ческих и кристаллических тел разницей в физической’ сущности происходящих
в них процессов.
Упругость кристаллических тел связана с изменением межмолекулярных и
межатомных расстояний, т. е. с изменением внутренней энергии тела. Высоко-
эластическая деформация связана с изменением конформаций молекул, опре-
деляется тепловым движением кинетических сегментов (так же как у газов
тепловым движением молекул), т. е. связана с изменением энтропии тела.
Внутренняя энергия при этом остается постоянной.
Отсюда вытекает еще одна специфическая особенность высокоэластических
тел. Их модуль упругости при повышении температуры возрастает, так как
растет энергия теплового движения сегментов молекул. Как известно, модуль
упругости кристаллических тел с повышением температуры падает, так как
уменьшаются силы межмолекулярного взаимодействия.
. Описанные явления хорошо объясняются с точки зрения термодинамики.
Действительно, работа внешней силы f при удлинении образца на dl равна:
дифференциалу свободной энергии (при постоянном объеме):
fdl = dF
Подставляя это значение в известное уравнение термодинамики получим
fdl = dU — TdS,
откуда
, / dU \ / dS \
f = ----- —Т[ ----------
\ dl Jt,v \ dl Jt,v
Поскольку при высокоэластической деформации внутренняя энергия тела'
не изменяется, то
=0
\ dl
и уравнение примет вид:
р \
f =
\ dl Jt,v
256 ПОЛИМЕРЫ
!Рис. 87. Изменение деформации поли-
мера после снятия нагрузки:
•Si — деформация сразу после сня-
тия нагрузки; е2 — высокоэластиче-
•ская составляющая деформация,
£з — истинная остаточная дефор-
мация
Таким образом, действие внешней силы в этом предельном случае приводит
только к изменению (уменьшению) энтропии тела, а работа ее полностью пре-
вращается в тепло, т. е. при растяжении высокоэластическое тело должно на-
греваться, а при сокращении охлаждаться, что и подтверждается эксперимен-
тально. Легко объясняется и понижение энтропии тела.
Для молекул полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии,
наиболее вероятной конформацией является изогнутая форма, так как изогну-
тых форм много, а выпрямленная одна. Изменение конформации в сторону
распрямления молекулы, что происходит при растяжении, связано с переходом
в менее вероятное состояние, следовательно, сопровождается уменьшением
энтропии.
Обратимость высокоэластической деформации понятна, если учесть, что
всякая система стремится к состоянию, отвечающему наибольшей энтропии.
Следует, однако, оговорить что приве-
денные выше соображения справедливы
только для равновесных состояний дефор-
мированного полимера. Реальные же поли-
меры всегда находятся в неравновесном
состоянии из-за протекания в них при де-
формации релаксационных процессов. Но
изложенные представления позволяют по-
нять природу высокоэластической деформа-
ции.
Вязко-текучее состояние полимеров ха-
рактеризуется развитием в них под дейст-
вием внешней деформирующей силы необ-
ратимых деформаций, т. е. истинного тече-
ния. Значение этого состояния очень велико,
так как все технологические процессы полу-
чения изделий из полимеров и материалов
на их основе связаны с переводом их в
вязко-текучее состояние.
После всего изложенного выше понятно,
что наличие гибких больших молекул, на-
кладывает свой отпечаток и на поведение
полимеров в вязко-текучем состоянии. Дей-
ствительно, полимеры не только имеют очень высокую вязкость в этом состоя-
нии (на много порядков выше вязкости низкомолекулярных жидкостей), но
и механизм их течения существенно отличается от механизма течения вязких
низкомолекулярных жидкостей.
Течение низкомолекулярных жидкостей идет за счет мгновенного перескока
молекулы из одного равновесного состояния в другое. Большая сложная поли-
мерная молекула не в состоянии совершить такой мгновенный перескок. Тече-
ние полимеров проходит за счет последовательных перемещений отдельных
кинетических сегментов, приводящих в конце концов к перемещению центра
тяжести всей молекулы. Это положение подтверждается значениями энергии
активации вязкого течения.
Поскольку течение полимера связано с перемещением сегментов преиму-
щественно в одном направлении (в направлении действия силы), то непре-
менно произойдет распрямление молекулы, т. е. будет проявляться высоко-
эластическая деформация. А так как вязкость полимера в вязко-текучем со-
стоянии значительно меньше, чем в высокоэластическом и тем более, стекло-
образном состоянии, то высокоэластическая деформация в этом случае будет
проявляться наиболее полно. Однако высокоэластическая деформация обра-
тима и не может представлять собой истинного течения материала. Этим в
значительной степени затрудняется определение величины действительно необ-
ратимой деформации. Изложенное хорошо иллюстрируется графиком (рис. 87).
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ 257
Вопрос этот чрезвычайно важен и с практической точки зрения. Если изде-
лие оформлено не только за счет истинной остаточной деформации, но в зна-
чительной степени и за счет развития высокоэластической деформации, то че-
рез некоторое время (особенно, если оно будет работать при повышенной
температуре) изделие потеряет свою форму и придет в полную негодность.
Понятно, что качественное изделие можно получить только при реализации
истинного течения материала. Наиболее надежным способом определения на-
личия истинного течения является определение структуры полимера до и после
формования, например, при помощи двойного лучепреломления.
Из сказанного ясно, что течение полимера всегда неизбежно сопровож-
дается развитием высокоэластической деформации. В макрообразце или изде-
лии это приводит к изменению размеров после окончания процесса изготовле-
ния, к так называемой усадке, которая обязательно учитывается при конструи-
ровании формы.
Практически размеры изделия замеряются не ранее, чем через 24 ч после
его изготовления. Пренебрежение этим правилом может привести к серьезным
ошибкам.
Гибкость макромолекулярных цепей приводит к еще одному очень интерес-
ному явлению, возникающему при течении полимера.
Как указывалось ранее, при течении полимера происходит выпрямление
его молекулярных цепей, переход в максимально вытянутое состояние. Это, в
свою очередь, приводит к повышению жесткости цепи к увеличению ее кинети-
ческого сегмента, что влечет за собой потерю текучести и способности к высо-
коэластической деформации, т. е. к застеклованию полимера. Такое явление
называется механическим застеклованием и широко используется промышлен-
ностью при получении волокон и пленок.
Явление механического застеклования наиболее ярко проявляется у жест-
коцепных полимеров. Получить такой эффект у гибкоцепных полимеров — ка-
учуков — чрезвычайно трудно.
Полимерам свойственен еще один механизм вязкого течения — так назы-
ваемая химическая текучесть. Сущность его заключается в следующем.
При воздействии больших деформирующих усилий химические связи раз-
рываются в цепи макромолекулы и образуются свободные радикалы и бира-
дикалы. При этом снижается вязкость и повышается текучесть полимера, так
как такие куски молекул имеют меньший молекулярный вес. В дальнейшем,
благодаря высокой химической активности свободных радикалов и бирадика-
лов, они образуют новые макромолекулы, т. е. полимер уже будет иметь дру-
гое строение. Это безусловно скажется и на его физико-механических свойст-
вах, которые могут, следовательно, изменяться в процессе переработки и экс-
плуатации полимерных материалов.
Оба механизма течения полимеров — перемещение кинематических сегмен-
тов и химическая текучесть — имеют место при течении реальных полимеров,
однако их соотношение зависит от вязкости полимера и величины и скорости
приложения деформирующих усилий.
6. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ
Также как и низкомолекулярные твердые вещества, твердые полимеры мо-
гут быть аморфные и кристаллические.
Кристаллические твердые тела отличаются от аморфного высокой упорядо-
ченностью молекулярной структуры; им присущ так называемый «дальний по-
рядок». При этом достигается большая плотность упаковки молекул по срав-
нению с аморфными веществами и нарушить этот порядок можно только воз-
действием очень больших энергий.
Кристаллизация возможна, если уменьшение внутренней энергии (происхо-
дившее в результате более плотной упаковки молекул) больше по абсолютной
17 Заказ 664
258 полимеры
величине уменьшения произведения энтропии на абсолютную температуру
|Д£/| > |А(5Г)| (происходящее в результате выпрямления макромолекуляр-
ных цепей).
Большие гибкие молекулы, из которых состоит полимер, значительно ослож-
няют и удлиняют во времени процесс кристаллизации, так как они не могут
быстро изменять свои изогнутые конформации. Свой отпечаток на процесс
кристаллизации накладывает также и наличие в полимере двух структурных
единиц — цепей и сегментов. Внешне это проявляется в более слабом измене-
нии термодинамических свойств, сопровождающих фазовые превращения, по
сравнению с низкомолекулярными веществами.
Отсюда ясно, что не все полимеры способны кристаллизоваться и необхо-
димы по крайней мере два условия, чтобы кристаллизация могла осущест-
виться:
регулярность строения цепи (структурное условие);
достаточная сегментальная подвижность (кинетическое условие).
Регулярными называются такие полимерные молекулы, в которых соблю-
дается строгая последовательность чередования химических звеньев и их про-
странственного расположения. Чем более регулярно строение макромолекулы,
тем больше способность полимера к кристаллизации. Любые нарушения регу-
лярности строения цепи снижают эту способность. При очень хаостичном
строении цепи полимер не способен кристаллизоваться.
Необходимо также, чтобы при температуре кристаллизации макромолекулы
сохраняли определенную подвижность, необходимую для их перестройки. Из-
вестно, что кристаллизация происходит при температуре ниже температуры
текучести ТТу но выше температуры стеклования ТСу т. е. для полимеров в ин-
тервале высокоэластического состояния. Следовательно, жесткоцепные поли-
меры, температура разложения которых лежит ниже Тс, вообще не способны
кристаллизоваться и всегда находятся в аморфном состоянии. Примером таких
полимеров может служить целлюлоза. В то же время слишком большая гиб-
кость макромолекул также мешает кристаллизации, так как в этом случае об-
разующиеся упорядоченные области сразу же нарушаются в результате
флуктуаций. Следовательно, наибольшей способностью к кристаллизации обла-
дают полимеры с цепями средней гибкости.
Как указывалось ранее, полимеры обычно обладают полидисперсностью,
т. е. неоднородностью по величине и структуре макромолекул. И даже при
высокой регулярности строения большей части цепей, отдельные цепи не имеют
необходимой для кристаллизаций структуры. Такие цепи нарушают кристалли-
ческую структуру полимера. Поэтому очень трудно получить полностью кри-
сталлический полимер: обычно он содержит большее или меньшее количество
неупорядоченных областей, т. е. аморфной фазы. Следует, однако, оговориться,
что, с точки зрения термодинамики, такие полимеры представляют собой одно-
фазную систему (здесь опять проявляется двойственность структуры полиме-
ров, наличие двух структурных элементов).
Соотношение аморфной и кристаллической фаз в значительной степени оп-
ределяют свойства полимера, особенно его механические характеристики.
Поскольку высокоэластическое состояние обусловлено изменением конфор-
маций макромолекулы, а образование кристаллов означает их правильную и
плотную упаковку и, следовательно, значительно затрудняет переход из одной
конформации в другую, то кристаллизация приводит к потере полимерами
высокоэластических свойств, т. е. кристаллический полимер всегда будет более
жестким, чем аморфный.
В настоящее время известны две кристаллические структуры полимеров:
глобулярная и фибрилярная.
Макромолекулы полимера представляют более или менее изогнутые цепи.
Их изогнутость определяется гибкостью цепи и интенсивностью флуктуаций.
Возможны два предельных случая: очень гибкая молекула свертывается в
плотный клубок — глобулу (рис. 88); очень жесткая молекула имеет вытяну-
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ 259
тую палочкообразную форму. Между этими крайними формами располагаются
все остальные формы макромолекул с их широким набором конформаций.
Для глобулярных структур возможно дальнейшее упорядочение укладкой
глобул в кристаллические решетки с образованием хорошо ограненных макро-
кристаллов. Однако такие кристаллические структуры сравнительно редки
Наиболее распространенной является фибрилярная структура, которая обра-
зуется из выпрямленных
молекул и имеет сравни-
тельно сложное строение.
Как установлено, под
воздействием сил межмо-
лекулярного взаимодей-
ствия, выпрямленные мо-
лекулы агрегируются в
пачки еще в аморфном
состоянии полимера. Ес-
ли молекулы и сама пач-
ка имеет достаточно ре-
гулярное строение, то
при определенных усло-
виях пачка кристаллизу-
ется. Закристаллизовав-
шаяся пачка, как и все
кристаллы, обладает гра-
ницей раздела и поверх-
ностным натяжением.
Появление избыточной
поверхностной энергии
приводит к агрегации па-
чек в «ленты» или «плас-
тины».
В дальнейшем процесс
кристаллизации может
привести к образованию
термодинамических рав-
новесных единичных кри-
сталлов или термодина-
мически неравновесных,
но кинетически обуслов-
ленных сферолитов. По-
следние наиболее типич-
Рис. 88. Глобулярное строение полимера
ны для полимеров.
Морфологических типов сфаралитов известно много, важнейшие из них
кольцевой и радиальный (рис. 89). В первом случае структурной единицей
является лента, во-втором — пластинка. Возникновение того или иного типа
сферолитов зависит главным образом от условий кристаллизации так, что в
одном и том же полимере возможно образование обоих типов сферолитов. ‘
Исследование процессов кристаллизации полимеров и морфологии кристал-
лических структур начато сравнительно недавно и много вопросов остаются
еще не выясненными. Однако уже теперь ясно, что с ростом сферолитов меха-
нические свойства ухудшаются, возрастает хрупкость, особенно при сфероли-
тах кольцевого типа.
При кристаллизации полимер утрачивает способность к высокоэластической
деформации, которая может появиться вновь только выше температуры плав-
ления кристаллов. Следовательно, высокоэластическое состояние заключено у
кристаллических полимеров между температурой плавления Тпл и температу-
рой текучести Тт. Если температура правления ниже температуры текучести,
17*
260 ПОЛИМЕРЫ
Рис. 89. Сферолитные структуры в полимерах:
а — кольцевой, б — радиальной
СТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ 261
то полимер в интервале температур
ТПл — Тт будет проявлять высокоэлас-
тические свойства (рис. 90) (кривая /).
Если же температура плавления выше
температуры текучести, то полимер пере-
ходит из твердого поямо в вязко-текучее
состояние (кривая 2).
7. СТРУКТУРИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ
Структурированием называется про-
цесс образования поперечных связей ме-
жду макромолекулами полимера, т. е.
создание пространственной, сетчатой
структуры. В большинстве случаев такая
сетка создается за счет образования по-
перечных химических связей, «сшивки»
молекул. Но иногда она создается за
счет образования сильных полярных гр;
связей.
Рис. 90. Термомеханическая кривая кри-
сталлических полимеров:
1 — Т < Т • 2 — Т > Т
[ и усиления межмолекулярных
Процесс структурирования широко используется в промышленности для по-
вышения устойчивости полимеров к физическим, механическим и химическим
воздействиям.
При структурировании изменяются свойства полимера:
резко снижается пластичность, температура текучести Тт возрастает и ста-
новится выше температуры разложения. В некоторых случаях, однако, сохра-
няется способность к химическому течению;
повышается температура стеклования Тс, но меньше чем температура теку-
чести, т. е. температурный интервал высокоэластического состояния расши-
ряется, хотя весь он сдвигается вправо. Следует, однако, указать, что слиш-
ком сильное структурирование, когда расстояние между углами сетки стано-
вится меньше величины механического сегмента, приводит к полному исчезно-
вению способности к высокоэластической деформации. Полимер становится
хрупким;
растет прочность полимера до определенного предела. При очень густой и,
следовательно, жесткой сетке поперечных связей теряется способность к пере-
распределению напряжений и полимер начинает терять прочность;
снижается и даже совсем пропадает растворимость полимера. Иногда ос-
тается способность к набуханию;
повышается химическая стойкость из-за снижения концентрации активных
групп;
повышается твердость полимера, так как уменьшается гибкость макромоле-
кулярных цепей.
Структурирование — необратимый процесс. Структурированный полимер
нельзя перевести обратно к линейному строению молекул.
В промышленности используется главным образом четыре процесса струк-
турирования: вулканизация каучука, отверждение конденсационных смол, дуб-
ление белковых веществ и окислительное отверждение «высыхающих» масел
и масляных лаков.
Так как последние два процесса выходят за рамки настоящей книги, мы
разберем только процессы вулканизации каучука и отверждения смол.
Вулканизация представляет сложный комплекс физико-химических процес-
сов, в результате которых макромолекулы каучука связываются между собой
силами главных валентностей с образованием единой пространственной сетча-
той структуры. Некоторое значение в процессе вулканизации имеет и усиление
межмолекулярных сил. Вулканизация используется для превращения каучука
262 ПОЛИМЕРЫ
в резину и осуществляется главным образом при помощи элементарной .серы,
которая образует поперечные связи за счет разрыва двойных связей каучука.
Процесс вулканизации обычно ведется при повышенной температуре, хотя
в принципе его можно вести и нахолоду (при комнатной температуре). Однако
свойства получаемого вулканизата в этом случае будут ниже.
Отверждение конденсационных смол также представляет по существу про-
цесс структурирования и широко используется в промышленности пластичес-
ких масс для получения изделий из реактопластов. Отверждение происходит
непосредственно в прессформе при формовании изделия и является окончанием
процесса поликонденсации. Поперечные связи образуются за счет отщепления
водорода и гидроксильной группы и сопровождается в этом случае выделением
воды или за счет введения специальных отвердителей.
Отверждение может проходить как при повышенной, так и при комнатной,
температуре в зависимости от типа смолы.
8. ПЛАСТИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ
Пластификацией называется процесс введения в полимер низкомолекуляр-
ной жидкости. Как и все методы, связанные с введением в полимер тех или
иных веществ, пластификация имеет целью изменение свойств полимера в оп-
ределенном направлении. Пластификация применяется для расширения обла-
сти выс'окоэластического состояния (или создания его у жесткоцепных поли-
меров) снижением температуры стеклования полимера Тс и для улучшения
технологических свойств полимера снижением его температуры текучести Тт.
Пластификация — это частный случай взаимной растворимости полимера и
низкомолекулярного вещества. Процесс растворения есть взаимная диффузия
молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого. Так как
диффузия молекул полимера чрезвычайно замедлена из-за их огромных раз-
меров, то практически пластифицированный полимер представляет собой рас-
твор пластификатора в полимере.
Процесс растворения низкомолекулярного вещества в полимере называется
набуханием. Так как скорости диффузии молекул полимера и молекул низко-
молекулярного вещества значительно различаются между собой, то всякий
процесс растворения полимеров проходит обязательно через стадию набуха-
ния.
Первым обязательным требованием к пластификатору является его раство-
римость в полимере. Второе требование—низкая упругость паров, обеспечи-
вающая стабильность полученной композиции в условиях хранения и эксплуа-
тации изделий из пластифицированного полимера.
Кроме этих основных требований, к пластификатору предъявляются часто и
дополнительные: химическая стойкость, электроизоляционные свойства, огне-
безопасность, отсутствие запаха, цвета и другие.
По характеру действия все пластификаторы можно разделить на три
группы:
1) пластификаторы, уменьшающие силы внутримолекулярного взаимодей-
ствия и тем самым увеличивающие гибкость макромолекулярных цепей (так
как снижается потенциальный барьер вращения звеньев);
2) пластификаторы, уменьшающие силы межмолекулярного взаимодейст-
вия и тем самым снижающие вязкость полимера. Это, конечно, снижает и по-
тенциальный барьер вращения звеньев, т. е. повышает гибкость макромолекул;
3) пластификаторы, заполняющие межмолекулярное пространство полимера
без существенного влияния на силы внутри — и межмолекулярного взаимо-
действия.
Пластификаторы, относящиеся к первой группе и часто называемые эласти-
фикаторами, повышают эластичность полимера, не меняя существенно пласти-
ческих свойств. Иными словами, температура стеклования полимера снижается,
ПЛАСТИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ 263
а температура текучести изменяется незначительно. Следовательно, расширяет-
ся температурный интервал высокоэластического состояния. Прочность поли-
мера не изменяется, так как не изменяются силы межмолекулярного взаимо-
действия.
Действие пластификатора этого типа на эластичные полимеры показана на
рис. 91. При введении такого пластификатора в жесткоцепные полимеры у них
появляется область высокоэластичного состояния.
Пластификаторы, относящиеся ко второй группе, значительно снижают тем-
пературу текучести в результате уменьшения сил межмолекулярного взаимо-
действия. Одновременно несколько снижается и температура стеклования. Сле-
довательно, у гибкоцепных полимеров происходит так же, как и в первом
Рис. 92. Зависимость свойств гибкоцепного
полимера от введения пластификатора второй
группы:
1 — полимер без пластификатора; 2 —
полимер пластифицированный
Рис. 91. Зависимость свойств гибкоцепного
«полимера от введения пластификатора пер-
вой группы:
1 — полимер без пластификатора; 2 —
пластифицированный полимер
случае, сдвиг термомеханической кривой влево, но одновременно сужается
область высокоэластического состояния. Действие пластификатора второй
группы на гибкоцепные полимеры показана на рис. 92.
При введении такого пластификатора в жесткоцепные полимеры снижается
только температура текучести. Высокоэластическое состояние не возникает.
Пластификаторы, относящиеся к третьей группе, вводятся только в жестко-
цепные полимеры для снижения их хрупкости, т. е. эти пластификаторы рас-
ширяют температурный интервал Тс—Тхр за счет снижения Тхр.
Среди реальных пластификаторов нет таких, которые действовали бы толь-
ко по одному механизму. Обычно пластификаторы обладают смешанным ме-
ханизмом действия и подразделяются по преимущественному эффекту. Однако
такое подразделение дает возможность разобраться в механизме действия
различных пластификаторов на различные полимеры.
Различен также механизм действия пластификаторов на полярные и непо-
лярные полимеры.
В сильнополярных полимерах величина внутри- и межмолекулярных сил
взаимодействия определяется, в основном, полярными группами, входящими
в макромолекулу.
Чтобы ослабить это взаимодействие молекулы пластификатора должны
'также содержать полярные группы, способные вступить во взаимодействие с
молярными группами молекул полимера и тем самым нарушать сильные связи
между ними. В этом случае эффект пластификации будет пропорционален не
.264 ПОЛИМЕРЫ
общему общему введенного пластификатора, а числу введенных молекул, т. е.
молярной доле пластификатора.
Обычно за показатель эффективности пластификации принимается пониже-
ние температуры стеклования Тс. Следовательно, в этом случае
= kn,
где k— константа пластификатора;
п — число диполей.
В неполярных или слабополярных полимерах пластификация будет осу-
ществляться всеми молекулами пластификатора, т. е. эффект пластификации
будет пропорционален его общему объему, поэтому он не зависит от типа
вводимого пластификатора. В этом случае понижение температуры стеклова-
ния будет пропорционально объемной доле пластификатора, т. е.
\ТС = /гср,
где ср — объемная доля пластификатора.
Практически оба эти эффекта часто сопутствуют друг другу в различных
соотношениях.
Следует указать, что иногда пластификация осуществляется введением
другого полимера, хорошо совмещающегося с первым. Так, например, поливи-
нилхлорид и полистирол хорошо пластифицируются нитрильным каучуком
СКН, а полиэтилен — полиизобутиленом. Применение высокомолекулярных
пластификаторов позволяет получить стабильный эффект пластификации без
заметного снижения прочности полимера.
В промышленности пластмасс пластфпкация используется главным образом
для повышения морозостойкости полимера, а в резиновой промышленности
почти исключительно для придания каучуку повышенной пластичности, необ-
ходимой для его переработки в изделия.
Глава XI. ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
1. СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Пластическими массами называются неметаллические материалы на основе
природных или синтетических полимеров, являющиеся при обычных условиях
(температуре, давлении) твердыми, упругими телами.
Пластическим массам присущи очень ценные физико-механические свойст-
ва, основными из которых являются:
малый удельный вес;
высокая абсолютная и удельная механическая прочность, а также возмож-
ность получения на их основе анизотропных материалов;
высокие термо-, звуко- и электроизоляционные показатели;
хорошие фрикционные и антифрикционные свойства;
высокая химическая стойкость, устойчивость по отношению к морской воде^
растворителям, стойкость к биохимическому воздействию и в условиях тро-
пического климата; отдельные виды пластмасс устойчивы по отношению к ра-
диационным излучениям;
высокая абразивостойкость;
хорошие оптические свойства;
высокие клеящие свойства некоторых полимеров;
хорошие уплотнительные и герметизирующие свойства ряда полимеров;
способность поглощать и гасить вибрации;
способность образовывать тонкие и прочные пленки и волокна.
Пластмассы могут представлять собой как чистый полимер, так и компо-
зицию на его основе. Пластмассы отличает высокая экономичность производ-
ства и применения.
Для изготовления пластмасс используются кристаллические и аморфные
полимеры; последние должны иметь температуру стеклования выше комнат-
ной, как правило, выше 60° С. Кроме смолы в композицию могут входить сле-
дующие основные компоненты: наполнитель, отвердитель, пластификатор, ста-
билизатор, смазка. В отдельных случаях вводят специальные компоненты
(фунгициды, порообразователи и др.).
Наполнитель вводится для модификации свойств полимера в определен-
ном направлении. Его влияние иногда, например, на механические свойства,
бывает решающим.
Вводится наполнитель в количестве от 2 до 85% (весовых). Существенное
значение имеет не только концентрация его в материале, но также химическая
природа и физическая структура наполнителя (дисперсность, ориентация
и т. д.).
Так на основе одного и того же полимера введением различных наполни-
телей можно получить большую гамму материалов. Например, при сочетании
фенолоформальдегидной смолы с древесной Мукой получают так называемый
пресспорошок, с тканью — текстолит, с древесным шпоном — древесно-слоистые
пластики (ДСП) с бумагой — гетинаксы, с очесами хлопка — волокнит и т. д.
и т. п.
Отвердитель вводится для структуирования полимера в количестве от 2
до 10% (весовых).
266 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Пластификатор вводится для повышения эластичности материала (снижения
Тс) и понижения температуры его переработки (снижение Тт) в количестве от
5 до 50% (весовых).
Стабилизатор вводится в количестве 0,5—2% (весовых) для предохранения
полимера от деструкции под действием тепла, света и кислорода воздуха.
Смазывающее вещество вводится для снижения внутреннего трения в ма-
териале в процессе его переработки в изделия и для предотвращения прилипа-
ния изделия к поверхности формы.
Известно несколько классификаций пластмасс. Наибольшее практическое
значение имеют две: в зависимости от поведения полимера, на основе кото-
рого изготовлена пластмасса, при нагревании и в зависимости от применяе-
мого наполнителя.
В зависимости от поведения полимера при нагреве пластмассы разделяются
ла термопласты и реактопласты.
К термопластам относятся пластмассы, которые при нагревании переходят
в вязкотекучее состояние и сохраняют его в течение всего времени действия
тепла; затвердевают они при охлаждении. Процесс этот может быть повторен
неоднократно (следует отметить, что повторный нагрев приводит к понижению
физико-механических свойств материала за счет деструкции и загрязнения).
К реактопластам относятся пластмассы, которые при первичном нагреве
также переходят в вязко-текучее состояние, но затем, при этой же высокой
температуре, переходят в твердое, наплавленное и нерастворимое состояние.
Процесс этот необратим, так как при нагреве происходит структурирование
полимера.
В зависимости от наполнителя пластмассы делятся на четыре класса (чис-
тые смолы, композиционные, слоистые и газонаполненные) и семь групп. Схе-
матически эта классификация дана на рис. 93.
Рис. 93. Классификация пластмасс по наполнителю
Для изготовления порошковых пластмасс применяют древесную муку, гра-
фит коллоидный, кварцевую муку и др. порошки. Древесная мука вводится
в количестве 48—50% (весовых) для удешевления материала; свойств поли-
мера она практически не изменяет. Графит придает пластмассе хорошие ан-
тифрикционные свойства, повышенную теплопроводность и теплостойкость.
Графит вводится от 5 до 75 % (весовых) в зависимости от назначения.
Кварцевая мука вводится для улучшения диэлектрических характеристик
пластмассы. Как правило она вводится совместно с древесной мукой.
Волокнистые пластмассы изготовляются главным образом на основе трех
видов волокон: хлопчатобумажного, асбестового и стеклянного.
В качестве хлопчатобумажного волокна используются очесы хлопка, так
называемый линтер. Он придает пластмассе несколько повышенную ударную
прочность и износостойкость.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПЛАСТМАСС 267
Асбестовое волокно применяется для получения фрикционных материалов.
Юно также повышает диэлектрические свойства, химическую стойкость и теп-
лостойкость материалов.
Стеклянное волокно придает пластмассам высокую механическую прочность.
Одновременно оно повышает химическую стойкость и теплостойкость.
В качестве наполнителя для крошковых пластмасс применяют тканевую и
.древесную крошки, которые придают материалам хорошие антифрикционные
свойства и несколько повышают механическую прочность.
Слоистые пластмассы — это анизотропные материалы. Характер анизотро-
пии обуславливается структурой наполнителя. Таким образом, возможно соз-
дание материалов с заданной анизотропией свойств.
В производстве слоистых пластмасс используются хлопчатобумажные тка-
ни различного переплетения, асбестовые и стеклянные ткани, а также нетканые
материалы: бумага, древесный и стеклянный шпон.
Для изготовления пластмасс на основе непрерывного волокна применяют
чаще всего стеклянное волокно. Получаемые материалы обладают высокой
механической прочностью (до 160 кГ/мм2). При этом возможно создание
практически любой заданной анизотропии свойств.
Поропласты—это материалы с открытыми сообщающимися порами (типа
губки). Пенопласты — материалы с замкнутыми порами (типа пробки). Объ-
емный вес пенопластов можно регулировать в широких пределах.
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПЛАСТМАСС
Состав и области применения наиболее распространенных пластмасс приве-
дены в табл. 215.
Реактопласты изготовляются на основе термореактивных смол, т. е. смол
•способных к структурированию. Таких смол известно много, однако промыш-
ленное применение получило ограниченное количество. Основные из них следу-
ющие: фенолоформальдегидные (резольные и наволачные), карбамидные (мо-
чевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные), кремнийорганические,
эпоксидные и полиэфирные. Последние два вида являются наиболее распро-
страненными контактными смолами, т. е. такими, которые могут отверждаться
без применения высоких давлений и температур. Реактопласты, как правило,
содержат наполнитель в количестве от 48 до 80% (весовых).
ГОСТ 5689—66 на массы прессовочные фенольное объединяет почти все
прессовочные композиции на основе фенольноформальдегидных смол, разбивая
их на семь больших групп.
Массы прессовочные общего назначения объединяют боль-
шую группу пресспорошков, применяемых для ненагруженных деталей машин
и приборов. К ним относятся пресспорошки марок К-15-2; К-17-2; К-18-2 и
т. д. Цветные порошки К-Н5-2ЦО и ЦС; К-П7-2ЦО и ЦС; К-ЮЗ-2ЦО и ЦС
.и др. Монолиты марок 1; 7; ФФ.
В качестве связующего для пресспорошков общего назначения применяют,
как правило, наволачные фенолоформальдегидные, ксилинолоформальдегид-
ные или крезолоформальдегидные смолы.
Массы прессовочные специальные безаммиачные изго-
товляются на основе фенолоанилиноформальдегидной смолы двух марок:
К-214-2 и К-214-42. В качестве наполнителя в К-214-2 применяется древесная
мука и мумия, а в К-214-42— плавиковый шпат.
Массы прессовочные электроизоляционные объединяют
группу пресспорошков, имеющих повышенные электроизоляционные свойства.
К ним относятся пресспорошки марок К-21-22; К-211-2; К-211-32; К-220-23
и др. В качестве связующего для этих порошков применяют обычно смеси фе-
полоформальдегидной смолы с крезолоформальдегидной или фенолоанилино-
формальдегидной смолой.
Основные сиды пластмасс
Наименование пластмасс
ГОСТ или ТУ
Основной состав
Реактопласты
Таблица 215
Основные области применения
Массы прессовочные, фе-
нольные (фенопласты):
общего назначения
ГОСТ 5689—66
специальный
безаммиачный
электроизоляционный
высокочастотный
влагохимстойкий
ударопрочный,
н истый
крупноволок- ГОСТ 5689—66
жаростойкий
Аминопласт А и Б
Прессматериалы:
К-77-51 и К-78-51
ВЭИ-11 холодного прессо-
вания
ВЭИ-12
КМК-9
МК-218
К-41-5
Сгекловолокнит КМС-9
ГОСТ 9859—61
ТУ МХП 3883—58
ВТУМ 559—54
ТУ М 692—56
ТУМХП 3701—53
ВТУ МХП П39—55
ГУ—35—ХП371—6
В ТУМХП 4386—55
ТУ МХП П 98-57
Фенольная смола и древесная
мука
Фенольная смола и древесная
мука или минеральный наполни-
тель
Фенольная смола и минеральный
наполнитель
Фенольная смола и минеральный
наполнитель
Фенольная смола и органический
или минеральный наполнитель или
их сочетание
Фенольная смола и длинноволокни-
стый органический наполнитель
(целлюлозный) или асбестовое во-
локно
Фенольная смола и минеральный
наполнитель
Мочевиноформальдегидная смола и
сульфитная целлюлоза
Меламиноформальдегидная смола,
хлопковая целлюлоза и антифили-
товый асбест
Меламиноформальдегидная смола,
тальк, асбест М-5-60
Меламиноформальдегидная смола,
асбестовое волокно
Полисилоксановая смола КМ-9,
микроасбест,
Смола МК-218, кварцевая мука, ас-
бест,
Смола МФХ-41 и асбестовое волок-
но
Смола КМ-9, стекловолокно
Ненагруженные детали (ручки, кнопки
управления, корпуса приборов), электро-
установочная арматура
Детали, которые не должны выделять
аммиак в процессе эксплуатации
Детали, требующие повышенных диэлек-
трических свойств, радиодетали
Детали высокочастотной техники
Детали, работающие в условиях повы-
шенной влажности, слабых кислот и ще-
лочей, а также в условиях тропического
климата
Детали, работающие в условиях повышен-
ных ударных нагрузок и изнашивания.
Электроизоляционные детали, несущие по-
вышенные механические и тепловые на-
грузки. Фрикционные детали тормозных
устройств
Детали, требующие повышенной водо- и
теплостойкости
Электроарматура
Электротехнические детали с повышенной
дугостойкостыо
То же
Электротехнические детали с повышенной
тепло-водо-дугостойкостью и механической
прочностью, работающие при температуре
до 200—300°
То же-
»
268 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
ФАА ФАГ Стекловолокнит: ФАС АГ-4В и С Текстолитовая крошка Древкрошка Фаолит А, Т и П Текстолит: поделочный ПТ, ПТ-1, птк электротехнический «А», «Б», «ВЧ», «Т» электротехнический «СТ» металлургический марки Б Асботекстолит А, В Стеклотекстолит: КАСТ КАСТ-1 КАСТ-Р КАСТ-В СКМ-1 СВФЭ-2 СТК-41 «А» и «Б» СТК-41/ЭП ЭФ-32-301 Древесно-слоистые пластики ДСП-A, ДСП-Б, ДСП-В, ДСП-Г Гетинакс электротехнический листовой марок А, Б, В, Г, Д ТУГХП 36—44 ГОСТ 10087—62 ТУМХПМ 670—55 ВТУ МЭ СОП ОНИ 503.034—53 ТУ ГХП 36—44 ГОСТ 5—52 ГОСТ 2910—67 ГОСТ 2910—67 ТУМ 827—60 МРТУ 6—05—898—63 ГОСТ 10292—62 То же » ТУ оэпп 50300 1—57 ТУ-35-ЭП-21163 ВТУ ОНИ 503.053—54 ВТУ оэ П-503.059—58 ВТУ оэпп 503.044—58 ГОСТ 8697—68 ГОСТ 2718—66
Фурфуролытоацетоновая смола ФА,
асбестовое волокно
Смола ФА, графит
Смола ФА, стекловолокно
Модифицированная фенолоформаль-
дегидная смола и стекловолокно
Фенолформальдегидная смола и ку-
сочки х/б ткани
Фенолформальдегидная смола и ку-
сочки древесного шпона
Фенолформальдегидная смола и ас-
бестовое волокно
Фенолоформальдегидная смола и
х/б ткань
То же
Фенолоформальдегидная смола, х/б
и стеклянная ткань
Фенолоформальдегидная смола, х/б
ткань (ременная)
Фенолоформальдегидная смола и
асбестовая ткань
Модифицированная фенолоформаль-
дегидная смола и стеклоткань
То же
»
»
Кремнийорганическая смола и стек-
лоткань
То же
»
»
Эпоксидная и фенолоформальдегид-
ная смолы и стеклоткань
Фенолоформальдегидная смола
древесный шпон
Фенолоформальдегидная смола и
бумага
Тормозные колодки, работающие при по-
вышенной температуре
Теплообменная аппаратура
Конструкционный материал для деталей,
работающих при температуре до 300°
Конструкционный материал для деталей,
работающих при повышенных нагрузках
и температуре
Антифрикционные детали и шестерни
Антифрикционные детали, шестерни, лаби-
ринтные кольца
Химическая аппаратура и другие детали,
работающие в агрессивных средах
Конструкционный, электроизоляционный
материал для общемашиностроительных
деталей
То же для деталей, работающих в транс-
форматорном масле и на воздухе при тем-
пературе от —60 до +70° С
То же для работы при температуре от
—60 до +125° С
Подшипники прокатных станов
Тормозные детали и детали, работающие
при повышенной температуре
Конструкционный электроизоляционный ма-
териал с высокой механической прочностью,
влаго- и теплостойкостью
То же
»
»
Конструкционный высокопрочный матери-
ал для работы при температуре до 200° С
То же для работы при температуре до
250° С
То же
»
»
Конструкционный материал, главным обра-
зом для антифрикционных деталей
Электроизоляционный конструкционный по-
делочный материал и материал для печат-
ных схем
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПЛАСТМАСС 269
Продолжение табл. 21 5
Наименование пластмасс ГОСТ или ТУ Основной состав Основные области применения
Материал облицовочный сло- истый СВАМ (стекловолокнистый анизотропный материал раз- личных марок) Стеклопластик на полиэфир- ной смоле, армированной стеклянной тканью Стеклопластик НСП-1 Пенопласт плиточный ФК-20 и ФК-40 Мипора ТУ Лен. СНХ 33075—60 СТУ 9-463—62 ТУ МХП 3258—52 Меламиноформальдегидная смола, специальная бумага Смолы карбамидные,' фенолофор- мальдегидные, эпоксидные и стек- ловолокно Полиэфирная смола и стеклоткань Полиэфирная смола и непрерывное стекловолокно Фенолоформальдегидная смола Мочевиноформальдегидная смола Отделка помещений, запрессовка схем и чертежей Высокопрочный конструкционный мате- риал Конструкционный материал для крупно- габаритных деталей То же Легковесный заполнитель различных кон- струкций и теплоизоляционный материал Легковесный заполнитель для звукотепло- изоляционных конструкций
Полиамиды: Анид Капрон Капрон вторичный Смола: 68 АК-7 54 548 Полиуретан ПУ-1 Лавсан Моск. обл. СНХ ТУ 262—56 Мособл. СНХ ТУУХП 69—58 Мособл. СНХ ВТУ-35 XII—382—61 ТУ 35 XII 300—61 В ТУ М 90—57 ТУ МХП М73957 ТУ МХП М318—56 МТУ 6 М889—62 Термопласты Полигекса дипа мид Пол и кап рол актам Полигекса сибацинамид Сополимер соли АГ и капролактама Сополимер соли АГ и капролак- тама Сополимер солей АГ, СГ и капро- лактам На основе диизоциалата Полиэтилентерефталат Конструкционный антифрикционный мате- риал, детали гидромашин (насосы, турби- ны и пр.) То же и уплотнения То же » » Материал для манжетных уплотнений и прокладок То же Радио- и электротехнические детали, стой- кие к кислотам, щелочам, маслам и воде и работающие при температуре до 110° С Транспортерные ленты, канаты, рукава, электроизоляция, диафрагмы насосов, кла-
Винипласт листовой ПВХ пластикат шланговый светотермостойкий ПВХ — пластикат изоляци- онный светотермостойкий кА» и «Б» ГОСТ 9639—61 ГОСТ 5960—51 В ТУ М571—54 Поливинилхлорид Пластифицированный поливинилхлорид То же Конструкционный и прокладочный химиче- ски стойкий, материал Изоляции проводов и кабелей, уплотнения То же
270 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Пластикат ПВХ — кабель-
ный
Пластикат ПВХ прокладоч-
ный
Формопласт СМ
Гидропласт СМ
Сополимер 40
Винипроз-С
Винипроз прозрачный
Поливинилбутираль
Полиэтилен:
высокой плотности
ТУ МХП М 649—55 ТУ МХП 2024—49
ТУ МХП 2742—53
ТУ МХП 2742—53
3540—53 ВТУ МХП
ТУ МХП 3399—52
ВТУ МХП 30 19—55
ГОСТ 9439—60
МРТУ-6-05-889—65
кабельный ТУ МХП 2524—53
марки К-503 низкой плотности Полипропилен Полистирол: блочный «Д» и «Т» ВТУ 4440—55 МРТУ 405 87065 СТУ-36-13-925—63 ГОСТ 9440—60
эмульсионный «А», «Б» и (2-1-63) ГОСТ 9440—60
«В» СН марки 10 Полимонохлорстирол напол- (2—1—63) СТУ 30-12493—62 ВТУ М 636—55 ТУМ 529—59
ненный Полимонохлорстирол эмуль- ТУМ 595—59
сионный Полидихлорстирол эмуль- сионный Полистирол С марки ПКНД ТУМ 254—59
ТУГХПКМ 395-53
То же
Поливинилхлорид, дибутилфталат
Поливинилхлоридная смола, дибу-
тилфталат, парафин, вакуумное
масло
То же
Сополимер винилхлорида с винили-
денхлоридом
Сополимер винилхлорида с винила-
цетатом
Сополимер винилхлорида с винил-
ацетатом
Полиэтилен, полиизобутилен
То же
Сополимер стирола с акрилонитри-
ном
Полистирол, нитрильный каучук,
маршалит
Химически стойкий герметизирующий и
прокладочный материал для работы при
температуре от —15 до +40°
Применяется в станочных приспособле-
ниях
То же
Конструкционный химически стойкий ма-
териал
Для печатания и защиты чертежей и схем
Для печатания и защиты чертежей и схем
Электроизоляционные и антикоррозионные
покрытия и небольшие детали
Электроизоляционные детали и кабели вы-
сокочастотной техники; химически стойкие
материалы для работы в агрессивных сре-
дах: детали, футеровки, покрытия, уплот-
нения
Электроизоляционные детали и кабели вы-
сокочастотной техники, уплотнения для аг-
рессивных сред
То же
Конструкционный электроизоляционный и
химически стойкий материал
То же
Электроизоляционные детали высокочас-
тотной техники, радиодетали, медицинская
и химическая посуда
То же
Конструкционный электроизоляционный ма-
териал с повышенной прочностью на удар
Детали высокочастотной изоляции с повы-
шенной теплостойкостью
Электроизоляционные детали высокочас-
тотной техники, радиодетали, медицинская
и химическая посуда и тропикоустойчивые
То же
»
Электроизоляционный материал с повы-
шенной ударной прочностью
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПЛАСТМАСС
Продолжение табл. 21В
Наименование пластмасс ГОСТ или ТУ Основной состав Основные области применения
Фторопласт 4 А, Б, В ГОСТ 10007—62 Политетрафторэтилен Электроизоляционный материал высокочас- тотной техники; абсолютно химически стой- кий Уплотнения, кабели, подшипники скольже- ния на небольшие нагрузки. Рабочий ин- тервал температур от —180 до +250° С
Фторопласт-3 МРТУ 6-05-946-65 Политрифтормонохлорэтилен Конструкционный материал с высокими электроизоляционными свойствами и хи- ческой стойкостью
Оргстекло поделочное ГОСТ 10667—65 Пластифицированный полиметилме- такрилат Прозрачные детали самолетов, судов, при- боров, линцы, дугогосящие детали масло- бензо-, щелочестойкие детали
Оргстекло авиационное ТУ МХП Б 995—55 То же То же
Акрилат Л-I и Л-2 ТУ МОСНХ 35-XI1-299—61 Полиметилметакрилат Прозрачные детали, не несущие нагрузок и не подвергаемые сильному нагреву с повышенной стойкостью к маслу, бензину,
Литьевой акрилат МСП «А» и «Б» ТУМ 435-57 Сополимер металметакрилата с ак- рилонитрилом и стиролом спирту, щелочи Светотехнические детали автомобилей и т. п. детали
Этрол этилцеллюлозный Этрол: ТУМ 701—56 Этил целлюлоза, пластификатор Штурвалы и другие детали автомобиля и самолета /
ацетилцеллюлозный ГДТ-43, ГДТ-55, Д-30 ТУМ 57—62 Ацетилцеллюлоза, пластификатор Детали самолета, автомобиля, детали вы- сококачественной техники
нитроцеллюлозный ТУ 35хП315—61 Нитроцеллюлоза, пластификатор, наполнитель Штурвалы и другие детали автомобиля
ацетобутиратцеллюлоз- ВТУ П-71—59 Ацетобутиратцеллюлозы, пластифи- Детали автомобиля с повышенной тепло-
ный Полиформальдегид (стаби- лизированный) СТУ 36-13-8—64 катор стойкостью, трубы Конструкционный, антифрикционный мате- риал
Поликарбонат ТУП-7—66 — Конструкционный и электроизоляционный материал с высокой прочностью на удар
Асфальто-пековая масса Пенопласт: ТУ ГХП 26—50 Каменноугольный битум, наполни- тель Аккумуляторные баки
ПС-1 СТУ 91—61 Полистирол эмульсионный Тепло-, звукоизоляционный материал, труд- нозатопляемый материал
ПС-4 СТУ 9—92—61 - Полистирол эмульсионный То же
ПВХ-1 СТУ 9—90—61 Поливинилхлоридная смола Тепло-, звукоизоляционный материал
ПВХЭ-2003 ВТУ 3859—53 То же Амортизационный материал
ПВХО ТУ МХП 2963—51 Поливинилхлоридная смола То же
Порополиуретан ПУ-101 (поролон) ВТУ УХП 267—60 Полиуретан »
272 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПЛАСТМАСС 273
Наполнителем служит смесь древесной муки с каолином.
Массы прессовочные высокочастотные изготовляются на
основе фенолоанилиноформальдегидной смолы трех марок: К-211-3; К-211-4 и
К-211-34. Наполнителем служат кварцевая и древесная мука.
Детали из этих пресспорошков имеют повышенную теплостойкость.
Массы прессовочные влагохимстойкие изготовляются на ос-
нове модифицированной фенолоформальдегидной или фенолоксиленолофор-
мальдегидной смолы, модифицированной поливинилхлоридом, следующих ма-
рок: К-17-23; К-18-23; К-17-36; К-18-36; К-17-81; К-18-81; К-18-36Т и ФКПМ-
15Т. В пресспорошке ФКПМ-15Т смола модифицирована нитрильным каучу-
ком СКН-26.
В качестве наполнителя применяется каолин или смесь каолина с древесной
мукой. Марки, имеющие букву «Т», пригодны для изготовления деталей, рабо-
тающих в тропическом климате.
Массы прессовочные ударопрочные крупноволокнис-
тые объединяют прессматериалы с волокнистым наполнителем следующих
марок: волокнит, К-6; К-6Б; КФ-3; КФ-ЗМ. Волокнит изготовляется на ре-
зольной фенолоформальдегидной смоле и хлопковых очесах (линтере). Осталь-
ные материалы на той же смоле, но наполненной асбестовым волокном
(К-6Б) или смесью асбестового волокна и каолина (КФ-3), кизельгура (КФ-ЗМ)
или талька (К-6).
Волокнит применяется для изготовления деталей машин, несущих неболь-
шие ударные нагрузки и работающие на износ (челноки ткацких станков,
ступени эскалатора метрополитена и т. п.).
Прессматериалы К-6 и К-6Б применяются для изготовления электроизоля-
ционных деталей с повышенной механической прочностью и теплостойкостью
(коллекторы электродвигателей, ролики и т. п.).
Прессматериалы КФ-3 и КФ-ЗМ служат для изготовления фрикционных
деталей тормозных устройств (тормозные колодки вагонов метрополитена,
подъемных кранов, экскаваторов и т. п.).
Массы прессовочные жаростойкие выпускаются следующих
марок: К-18-22; К-18-42; К-17-53; К-18-56; К-8-56; К-15-56; К-119-56 на основе
резольной фенолоформальдегидной смолы и минеральных наполнителей (ас-
бест, каолин и др.).
Остальные реактопласты достаточно подробно освещены в табл. 215.
Термопласты выпускаются, как правило, без наполнителя или с небольшим
его содержанием. Высоконаполненных термопластов применяется очень мало.
Основные группы термопластов следующие: полиамиды, материалы на основе
поливинилхлорида, полиэтилены, фторопласты, полистиролы, материалы на ос-
нове эфиров целлюлозы, органическое стекло и др.
Полиамиды — кристаллические роговидные вещества от белого до желто-
коричневого цвета с температурой плавления от 180 до 250° С. Свойства их
в значительной степени определяются соотношением кристаллической и аморф-
ной фаз, а также строением надмолекулярных структур. Полиамиды обладают
высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения скольжения, что
и определило их основную область применения. Для улучшения антифрикци-
онных свойств в полиамиды вводят в небольших количествах графит, или ди-
сульфид молибдена. Полиамиды гидрофильны, причем вода оказывает на них
пластифицирующее действие.
Полиамиды применяются в виде литых изделий, волокон, пленок, профилей
и покрытий.
Поливинилхлорид (ПВХ) — аморфный полимер с молекулярным ве-
сом 30—120 тыс. и температурой текучести 160—170° С. Близка к ней и темпе-
ратура разложения, так что во все композиции ПВХ обязательно вводится
стабилизатор.
На основе ПВХ изготовляется три вида пластмасс: винипласт (жесткий
18 Заказ 664
274 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
ПВХ), пластикаты и текстовинит. При введении 70—90% пластификатора
получают формопласт (применяется для изготовления форм для гипсовых
и восковых отливок) и гидропласт (для заполнения гидравлических приспособ-
лений к металлорежущим станкам).
Полиэтилен — кристаллический полимер снежнобелого цвета с темпера-
турой плавления от НО до 135° С в зависимости от марки. Свойства полиэти-
лена в значительной степени зависят, как и у всех кристаллических полимеров,
от содержания аморфного вещества. Полиэтилен легко загорается и горит
коптящим пламенем. При комнатной температуре ни в чем не растворяется.
Обладает низкой поверхностной энергией и, как следствие, низкой адгезионной
способностью. Для повышения адгезионной способности рекомендуется обра-
ботка поверхности хромовой смесью при 75° С в течение 5 мин. При-
меняется в виде литых изделий, волокон, пленок, труб, листов, канистр и
флаконов. По свойствам и методам получения к полиэтилену очень близок
весьма перспективный полимер — полипропилен.
Фторопласт ьг— кристаллические полимеры фторпроизводных этилена.
Отличаются высокой химической стойкостью и превосходными диэлектричес-
кими свойствами. Наиболее интересен фторопласт-4, обладающий весьма цен-
ным комплексом свойств, в том числе рабочим диапазоном температур от —180
до +260° С. Температура плавления фторопласта-4 равна 327° С, а его темпе-
ратура текучести выше температуры разложения (415°С), так что он не пере-
ходит в вязко-текучее состояние и перерабатывается в изделия методами,
применяемыми в порошковой металлургии. Фторопласт-4 применяется в виде
труб,.пленок, покрытий и различных деталей.
3. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС
Свойства пластмасс определяются особенностями высокомолекулярного
соединения, свойства наполненных пластмасс,— помимо этого, химической при-
родой, физической структурой и концентрацией наполнителя.
Физические свойства
Основные физические свойства пластических масс, применяемых в машино-
строении, приведены в табл. 216 [5, 172, 180, 181, 196, 131, 156, 152]. Из табли-
цы видно, что удельный вес подавляющего большинства пластических масс
лежит в пределах 0,9—1,8, т. е. в 4—8 раз меньше, чем у стали. Самая легкая
пластмасса — мипора, удельный вес которой—0,014 (более, чем в 10 раз легче
пробки). Самая тяжелая пластмасса, не считая специальных (например, с бари-
товым наполнителем), фторопласт-4 с удельным весом—2,2.
Коэффициент линейного термического расширения пластических масс
колеблется в очень широких пределах: от 0,3 • 10“5 до 36* 10"5 на 1°С, т. е.
примерно на порядок выше, чем у металлов. Наиболее высокий коэффициент
линейного расширения у чистых смол.
Наполнители, как правило, снижают коэффициент термического линейного
расширения.
Коэффициент теплопроводности основных видов пластмасс, применяемых
в машиностроении, находится в пределах 0,14—0,29 ккал1ч-м°С, что в сотни
раз меньше, чем у металлов.
Самую низкую теплопроводность имеют пенопласты, коэффициент тепло-
проводности которых равен 0,02 ккал!ч • м° С. Наиболее теплопроводная пласт-
масса имеет коэффициент теплопроводности 34,9 ккал!ч*м°С.
Удельная теплоемкость несколько больше, чем у металлов 0,2—
0,6 кал!Г • °C.
Теплостойкость пластмасс определяется по ГОСТ 9551—60 двумя мето-
дами: по Мартенсу и по Вика.
По методу Мартенса образец в виде бруска с размерами 10 X 15 X 120 мм
устанавливается консольно и к нему при помощи рычага прикладывается из-
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 275
гибающий момент, вызывающий в материале напряжение 50 кГ!см2. Тепло-
стойкостью считается температура, при которой конец рычага опустится на 6 мм.
По методу Вика в образец толщиной не менее 3 мм вдавливается игла,
острие которой имеет площадь 1 мм2, силой 1 или 5 кГ в зависимости от вида
материала.
Под теплостойкостью понимают температуру, при которой игла
вдавливается в образец на глубину 1 мм. Метод применим только для одно-
родных пластмасс.
Теплостойкость по Вика всегда выше теплостойкости по Мартенсу.
Большинство термопластов имеет теплостойкость 60—80° С. Наиболее теп-
лостойкими являются стеклопластики на кремнийорганической и фурфурольно-
ацетоновой смолах и фторопласт-4. Их теплостойкость достигает 250—300° С.
Следует указать, что из-за низкой теплопроводности, пластические массы до-
пускают кратковременно значительный перегрев и могут некоторое время рабо-
тать при температурах значительно более высоких, чем их теплостойкость по
Мартенсу или Вика.
Морозостойкость является условным показателем и в значительной сте-
пени зависит от метода определения (скорость нагружения, вид напряженного
состояния и др.). Под морозостойкостью пластмасс понимают предельно низ-
кую температуру, при которой еще не наступает хрупкое разрушение, т. е.
возможна вынужденно-эластическая деформация. Морозостойкость обычно
определяют по началу растрескивания при условиях нагружения, близких к
эксплуатационным, однако наиболее объективной оценкой является определе-
ние температуры хрупкости.
Согласно ГОСТу 10995—64 температура хрупкости определяется двумя
методами: при изгибе консольно закрепленного образца и при сдавливании об-
разца, сложенного петлей. Температурой хрупкости называется температура,
при которой более чем на 50% образцов невооруженным глазом не обнаружи-
ваются трещины.
Самой высокой морозостойкостью обладает фторопласт-4, который не стано-
вится хрупким даже при температуре жидкого кислорода. Наименьшей моро-
зостойкостью обладают ПВХ, капрон.
Коэффициент трения скольжения зависит от состава и колеблется в очень
широких пределах — от антифрикционных до фрикционных материалов. Оп-
ределяется по ГОСТу 11629—65.
Самым низким коэффициентом трения скольжения обладает фторо-
пласт-4 (0,01—0,04), который может работать без смазки. Большинство
антифрикционных пластмасс не требует смазки и хорошо работают при смаз-
ке водой.
Коэффициент трения скольжения в большой степени зависит от скорости
скольжения и удельного давления.
С возрастанием скорости скольжения и давления коэффициент трения, как
правило, понижается (рис. 94, 95).
В водной среде пластические массы ведут себя различно. Часть из них
(полистиролы, полиэтилены, фторопласты и др.) совершенно инертны и не на-
бухают в воде. Остальные набухают в большей или меньшей степени.
Набухание в воде одновременно приводит также к изменению размеров и
свойств материала. При этом не всегда количество поглощенной воды опреде-
ляет изменение свойств. Так, например, древеснослоистые пластики (ДСП) на
основе фенольных смол поглощают до 20% воды, стеклопластики на поли-
эфирной смоле до 3,5% воды, а теряют механическую прочность почти оди-
наково.
На рис. 96, 97, 98 приведены кривые изменения веса и размеров ДСП, кап-
рона и смолы 68 в зависимости от времени пребывания в воде.
На рис. 99, 100, 101 приведены кривые изменения механических свойств
капрона, ДСП и стеклопластика в зависимости от времени пребывания в воде
[156, 125, 109, 126, 201].
18*
Основные физические свойства пластмасс
Наименование пластмасс Удельный вес в Г/см3 Коэффициент тер- мического линей- ного расширения X Ю6 Коэффициент теп- лопроводности в (кал/сек-см С °) X Ю4
Массы прессовочные феноль- ные (фенопласты):
общего назначения .... 1 ,4—1 ,5 4,3—7,0 5,0—5,8
специальный безаммиачный 1 ,4—1 ,95 — —
электроизоляционный . . . 1 ,4—1 ,8 4,3—5,3 5,0
высокочастотный 1 ,9—1 ,95 2,5—4,5 5,0—8,0
влагохимстойкий ударопрочный крупново- 1 ,5—1 ,7 1 ,9—2,6 8,0—16,0
локнистый 1 ,45—1 ,95 0,8—3,5 5,0—10,0
жаростойкий 1 ,75 1 ,5—4 ,0 8,0—16,0
Аминопласт А и В Прессм атери алы: 1 ,3—1 ,46 2,5—5,3 3—7,5
К-77-51 и К-78-51 . . . 1 ,6—1 ,8 3 7
ВЭИ-11 1 ,8 — —
ВЭИ-12 1 ,8 — —
КМК-218 1 , 8—2,0 — —
К-41-5 1 ,8—1 ,9 1 , 0— 1 , 4 0,15 + *
ФАА 1 ,6 — —
ФАГ 1 ,55 — —
ФАС 1 ,6—1 ,7 1 ,з 4,5
Пресспорошок КМК-9 .... Стекловолокнит: 1 ,8—2,0 — 0,15**
АГ-4В и С 1 ,8—2,0 0,8-1 ,5 —
Таблица 216
Удельная тепло- емкость в кал)? °C Теплостойкость по Мартенсу в °C Морозостойкость в °C Коэффициент тре- ния скольжения Водопоглоще- ние за 24 ч в % Стойкость по отношению
к бензину к мдслу
0,35 125 0, 1—0,2* Стоек Стоек
— 125—150 — — 0,03—0,1* » »
0,35 120—125 — — 0,05—0,08* »
0,28—0,40 125—150 — — 0,03* » »
0,28—0,32 125 — — 0,03—0,05* » »
0,28—0,35 140—200 — — 0,4—0,5* » »
0,28—0,32 140—150 — — 0,03—0,05* » »
0,3—0,4 100 — — 0,4—0,7 » »
0,4 140 — — 0,1 »
— 150 — — 0,5—0,7 » »
— 150 — — 0,5—0,7 » »
— 350 —60 — 0,3 »
— 350 — 60 — 0,2—0,5 » »
— 280—290 — — 0,1 » »
— 280—290 — — 0,1 » »
— 290—31 — — 0,6 за 72 ч » »
— 200—220 60 — 0,3—0,6 » »
0,28—0,32 260—330 -60 — 0,05* »
276 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
KMC-9 1 ,8—2,0 — —
Текстолитовая крошка .... 1,35—1,40 3,0—3,4 3,0—5,0
Материал облицовочный сло- истый 1 ,4 — 3,0—5,0
СВАМ 1,7—1 ,9 — —
Стеклопластик на полиэфир- ной смоле, армированный стеклянной тканью 1,5—1,6 1,0 4,1
Стеклопластик НСП-1 .... 1,6—1 ,7 — —
Пенопласт плиточный
ФК-20 и ФК-40 0,15—0,23 — 0,6
Милора 0,01—0,02 — 0,69—0,88
Анид 1 , 14—1 ,16 7, 13 6,0—7,0
Капрон Смола: 1,13—1,14 6—15 6,0
68 1,11 10—12 7,5
АК-7 1 , 14 10—11 6,1—8,0
54 1,12 13—13,5 7,5
548 . . . . • 1,12 13—13,5 7,5
Полиуретан ПУ -1 1,21 10,6—13,5 7,5
Лавсан 1,33—1,46 1,6—37 3,36
Винипласт листовый Пластикат: 1,38—1,43 6,0—7,0 2,3
ПВХ шланговый светотер- мостойкий 1 ,20-1,60 7,0—25,0 2,3
ПВХ изоляционный свето- термостойкий «А» и < Б > 1 , 20—1,60 7,0—25,0 2,3
ПВХ кабельный — — —
ПВХ прокладочный .... — — —
Формопласт СМ — — —
Гидропласт СМ — 16,0 —
Сополимер 40 1,60—1 ,75 8,0 2,2
Винипроз-С 1 ,35—1 ,40 — —
0,35 350 125 -60 — 0,3 Стоек » Стоек
— 125 — — 4,0
— — — — 0,2—0,3 » »
— 230 — — 0,2—0,5 » »
— — — — 0,3—0,6 » »
— — — — — » »
— — — — — » »
0,5—0,55 65 — — 0,5—0,7 » »
0,55 50—55 0,09 Без 0,019 1 ,5—5 »
0,3—0,5 60 — __ 0,5 » »
— — — — 1 ,5 » »
— — — — — » »
— — 45 — — » »
— — — — —0,1 » »
0,25—0,32 — 60 — 0,5 за 7 суток » »
0,24 6 5 * * * 15 — 1,01 за 2 месяца » »
0,3—0,5 60*** 40 — 0,3 » »
0,3-0,5 7 0—80 * * * 20-е- (-40) — 0,3 » »
— — —20 — 0,3 »
— — — 15 — 0,3 » »
— — — — — » »
— — — — — » »
0,32 70—Об*4* — — 0,01 » />
— — —30 — 1 ,0 » »
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 277
Наименование пластмассы Удельный вес в Г/см* Коэффициент тер- мического линей- ного расширения X Ю5 Коэффициент теп- лопроводности в (кал/сек • см С°) X Ю4
Древкрошка 1 ,35—1 ,40 2,0—3,0 2 ,2—2,8
Фаолит А, Т и П 1 ,50—1,65 2 ,0—4,0 4,1—6,9
и 25 для
марки «Т»
Текстолит;
поделочный ПТ, ПТ-1,
птк 1 ,3—1 ,4 2,0—4,0 3,0—5,0
электротехнический «А»,,
«Б», «ВЧ» и «Г» 1 ,з 2,0—4,0 3,0—5,0
электротехнический «СТ» . 1 ,6 2,0—4,0 3,0—5,0
металлургической марки
«Б» 1 ,3—1 ,4 2,0—4,0 —
Асботекстолит А, Б 1 ,6 2,5—2,8 7,1—8,2
Ст екл отекстол ит:
КАСТ 1 ,65—1 ,80 1,6 5,0—8,0
КАСТ-1 1 ,35—1 ,55 1 ,6 5,0—8,0
КАСТ-Р 1 ,68—1 ,75 — —
КАСТ-В 1,85 0,8—1 ,1 3,7—4,1
СКМ-1 1 ,77 0,5—1 ,0 2,4—2,5
СВФЭ-2 1 ,60 — —
СТК-41 «А» и «Б» 1 ,67—1 ,70 2,4—2,5
СТК-41/ЭП 1,70—1 ,80 —
ЭФ-32-301 1 ,66—1 ,70 0,6—2 5
Древесно-слоистые пластики
ДСП-A, ДСП-Б, ДСП-В и
ДСП-Г 1 ,3 0,4—3,0 3,8—4,1
Гетинакс электротехнический
листовой А, Б, В, Г, Д . . 1 ,3—1,4 2,0 3,0—5,0
Поливинилбутираль 1 ,05—1 ,2 8,0 —
Продолжение табл. 216
Удельная тепло- емкость в кал]г °C Теплостойкость по Мартенсу в °C Морозостойкость в °C Коэффициент тре- ния скольжения Водопоглоще- ние за 24 ч в % Стойкость по отношению
к бензину к маслу
— 140—170 — 0,3— —0,33 0,5— 1 , 5 Стоек Стоек
— 100 — — 0,3—0,5 » »
0,3—о ,4 120—125 — Без смазки 0,2 с маслом 0,02 0,3—0,8 » »
0,3—0,4 125—135 — — 0,3—0,6* »
0,3—0,4 185 — — 0,3—0,6* » »
0,3—0,4 120 — 0,7* »
0,4 250 Без смазки 0,3—0,38 с мас- лом 0,05—0,07 2,0
0,28—0,32 210 0,15—0,35* » »
0,28—0,32 185 — — 0,9* »
—- —— —— — 2,0 »
— 250 — — 1 ,5—3,0 3> »
0,25—0,27 215 —60 — 1 ,0 » »
— —- — 0,30—0,55* » »
— 350 —60 — 0,4—1 ,0 » »
— 350 —60 —— 0,4—1,0 » »
0,22 240 — — 0,28 » »
0,37—0,57 140—150 — — 5,0 »
0,2—0,41 150 0,5—0,7* > »
0,4 48—54 —40 — 1 ,0—3,0 » »
278 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Полиэтилен: низкой плотности 0,92—0,93 21,0— —55,0 7,0 0,5—0,68 —• —70 и ниже — 0,04 за 30 суток Не стоек Не стоек
кабельный 0,92 20,0 — — — —60 — 0,093 за 30 суток » »
К-503 0,92 — — — — —60 — 0,05—0,15 за 30 суток » »
высокой плотности .... 0,94—0,96 10,0 10,0 0,55 — —70 и ниже — 0,03—0,15 за 30 суток »
Полипропилен 0,90—0,91 11,0 3,3 0,45—0,46 — — — — Стоек »
Полистирол:
блочный «Д» и «Т» .... 1,05—1,07 6—8 1,9 0,32 80 .— — 0,005 Стоек
эмульсионный «Аъ «Б> и
«В» 1 ,05—1,08 6—8 1 ,9 0,32 80 —- 0,07 » »
С марки ПКНД 6,0—10,0 1 ,9 0,32 65—75 — .— 0,02—0,06 — —
марки СНП — —— —— — — — —
марки 10 1 ,09—1 ,10 100 0,06—0,07 — —
Полимонохлорстирол напол-
ненный 1,28 — по — 0,01—0,02 —
Полимонохлорстирол эмуль-
сионный — по
Полидихлорстирол эмульси-
онный Фторопласт-4 1,38—1,40 — —- — 115—120 — 0,02—0,04 —
2,1—2,3 8—21 5,9—6 0,25 260*** —269**** Без смазки 0,07— —0,1 Не поглощает — —
Фторопласт-3 2,09—2,16 6—12 1,4 0,22 125*** 195**** — Не поглощает — —
Оргстекло поделочное .... 1,18 1,18—1 ,20 1 .06—1 ,20 8,0—12,0 3,5—6,0 0,36—0,40 68—72 — — 0,1—0,3 — —
Оргстекло авиационное . . . 8,0—12,0 3,5—6,0 0,36—0,37 52—58 — 0,1—0,3 — —
Акрилат Л-1 и Л-2 8,0—12,0 3,5—6,0 0,35 50—74 — 0,3—0,5 — —
Акрилат МСН «А» и <Б> 1 ,10 — — — 67—72 - — 0,08—0,10 — —
Этрол:
этил целлюлозный 1 ,07—1 ,08 10,0—14,0 3,8—6,3 0,32—0,46 35 —40 —• 0,6—0,8 —
ацетилцеллюлозный .... 1,39—1 ,40 10,0—12,0 4,5—8,0 0,3—0,4 45 — 0,8—1,0 — —
нитроцеллюлозный .... 1,35—1,40 6,7—16,0 3,1—5,1 0,34—0,38 35—50 —20 — 2,0 — —
ацетобутиратцеллюлозный 1,15—1 ,23 1 1,0—16,0 4,5—7,8 0,44 45—60 — — — —
Полиформальдегид 1 ,40 4,5—8,1 3—7** 0,35 — —40 — 0,1—0,2 — .—
Поликарбонат 1 ,20 7,0 — — — 135 — 0,3 — —
Асфальто-пековая масса . . . 1 ,3—2,2 8,0—9,0 — — 42 — — 0,07—0,1 — —
Пенопласт:
ПС-1 0,07—0 ,2 — 0,033— —0,44 — 60—70*** — — — — —
ПВХ-1 0,09—0,13 0,03** — 60*** — — — — —
ПВХЭ-2003 0,1—0,21 — 0,047— —0,067** — 80*** — ’— — — —
ПВХЭ 0,1—0,21 — 0,047— —0,067** — 80*** — — — — —
Пенополиуретан ПУ-101 (по-
ролон) . . 0,06—0,18 2,7—7,9 0,037—0,01 — 150*** — —' — — —
* г!дм2. ** ккал/М‘4 °C. *** Максимальная рабочая температура. **** Минимальная рабочая температура.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 279
280 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Рис. 94. Зависимость коэффициента
трения капрона от скорости сколь-
жения:
1 — смазка автолом АК-10; 2 —
смазка дизельным маслом
Рис. 95. Зависимость коэффициента трения
капрона от удельного давления (смазка —
дизельное масло; скорость скольжения —
0,5 м сек):
1 — капроновый образец; 2 — стальные
образцы с капроновым покрытием
Рис. 96. Зависимость влажности и линей-
ных размеров плиточной ДСП от времени
пребывания в воде:
1 — изменение влажности; 2 — изме-
нение размеров перпендикулярно сло-
ям; 3 — изменение размеров парал-
лельно слоям (по ширине листа)
100 200 300 ЧОО ч
Время
Рис. 97. Зависимость веса и геометрических раз-
меров подшипника из полиамида П-68 от вре-
мени пребывания в воде:
I — изменение веса; II — уменьшение внут-
реннего диаметра; 1 и 2 — номера образцов
Изменения механических свойств других пластмасс после пребывания в
дистиллированной’ воде в течение года (в % к исходным образцам) приведе-
ны в табл. 217.
В таблице приведены стандартные данные по водопоглощению за 24 ч.
Следует отметить, что этот показатель не дает полного представления о водо-
поглощении, так как набухание до постоянного веса происходит обычно за
200—300 ч и более.
Вода отрицательно действует не только на механические, но и на диэлек-
трические свойства пластических масс. Исключение составляют фторопласты*
полиэтилены и полистиролы.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 281
а)
5)
Рис. 98. Зависимость веса и геометрических размеров капронового ротора турбобура от вре-
мени воздействия воды:
а — изменение веса; б — изменение наружного диаметра
a) S)
Рис. 100. Зависимость модуля упругости и пределов прочности при сжатии и растяжении пли>-
точной ДСП от влажности: а — пределы прочности при сжатии и растяжении; б — модули
упругости при сжатии и растяжении
282 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
«Изменение механических свойств некоторых пластмасс после пребывания
в дистиллированной воде в течение 1 года в % и исходному
Таблица 217
Наимено- вание материала Вес Предел проч- ности при растяжении Предел проч- ности при из- гибе Удлинение при разрыве Модуль упру- гости при при растяже- нии Ударная вяз- кость Твердость по Бринелю Состояние поверхности
К-18-2 109,2 110—58 114—59 100—54 120-86 100—53 Трещины
К-21-22 Г04,3 —— 100—53 100—64 100—70 100—59 100-70 То же
Монолит 106,5 — 100—51 113-84 100—56 100—54 112-65 Матовая поверх- ность
Волокнит 103,3 100—52 104—69 106—80 100—62 100—66 100—68 То же
КФ-3 102,3 131—70 100—70 200—100 100—44 1 14—71 103-84 »
Текстолит 104,4 100—63 100—86 122—71 100—60 149—100 100—67 »
Г етинакс 114,2 100—48 100-21 280—100 100—30 170—100 100—37 Трещины
.ДСП-Б 109,8 — 100—50 — — 100—48 100—65 Матовая поверх- ность
Асфальто- пековая масса 103,2 — 106-50 — — 184—100 100—62 То же
Время
Рис. 101. Зависимость веса и предела прочности при изгибе стекло-
пластика НСП-1 от времени пребывания в воде
На рис. 102 показаны изменения диэлектрических свойств пресспорошка
К-21-22, широко применяемого в технике, в зависимости от времени пребыва-
ния в воде.
Рис. 102. Зависимость диэлектрических
свойств пресспорошка К-21-22 от вре-
мени пребывания в воде при 20° С
(tg б—тангенс угла диэлектрических
потерь:
— удельное объемное электриче-
ское сопротивление; Е пр — элек-
трическая прочность)
Пластические массы стойки к минеральным маслам и бензину (за исклю-
чением полиэтиленов и поливинилхлорида) и могут надежно работать в этих
средах.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 283
Механические свойства
Основные механические свойства пластических масс, применяемых в маши-
ностроении, приведены в табл. 218 [5, 166, 181, 196, 131, 156, 152, 204].
Механические свойства наполненных пластических масс в значительной
степени зависят от наполнителя, его структуры и ориентации. Так, например,
предел прочности при растяжении стеклотекстолита равен по основе 2700—
2800 кГ/см2, а по утку всего 1500—1700 кГ[см2, Изготовленные из непрерыв-
ных стеклянных нитей материалы СВАМ и НСП-1 имеют предел прочности
при растяжении в направлении нитей 8000—9000 кГ1см2.
В ненаполненных пластмассах (чистых смолах) ориентация молекулярной
структуры так же увеличивает во много раз прочность материала. Если пре-
дел прочности при растяжении у капрона не превышает 840 кГ/см2, то у
капронового волокна он равен 6000 кГ1см2.
Предел прочности при растяжении пластических масс зависит от их со-
става. Наиболее прочными из чистых смол являются лавсан, полиформальде-
гид и поликарбонат. Введение порошкообразного наполнителя не сказывается
на прочности смолы при растяжении. Значительное усиление получается при
введении наполнителя в виде полотнищ или непрерывного стекловолокна, т. е.
слоистых пластмасс. Наиболее прочными из них на разрыв являются ДСП и
стеклотекстолиты (2500—3000 кГ{см2), а также материалы на основе непре-
рывного стеклянного волокна (8000—9000 кГ!см2 вдоль волокна). Предел
прочности при растяжении определяют в соответствии с ГОСТом 11262—68 и
ГОСТом 8698—58 (для ДСП).
Предел прочности при сжатии многих чистых смол, порошковых и волок-
нистых пластмасс, а также текстолитов в 2—4 раза выше, чем при растяже-
нии. У стеклотекстолитов они примерно равны, а ДСП работают на сжатие
хуже, чем на растяжение.
Предел прочности при сжатии определяется в соответствии с ГОСТом
4651—68 и ГОСТом 8698—58 (для ДСП).
Предел прочности при изгибе. Большинство чистых смол и порошковых
пластических масс работают на изгиб лучше, чем на растяжение. Слоистые
пластики, как правило, лучше работают на растяжение, хотя их предел проч-
ности при изгибе по абсолютной величине является самым высоким.
Наиболее прочными на изгиб из чистых смол являются полиамиды и поли-
уретаны.
Определяется предел прочности при статическом изгибе по ГОСТу 4648—63
и ГОСТу 8698—58 (для ДСП).
Удлинение при разрыве реактопластов, как правило, не превышает 1%.
У термопластов удлинение обусловлено вынужденной эластичностью и рекри-
сталлизацией и составляет десятки и сотни процентов. Наибольшее удлинение
имеет полиэтилен высокой плотности (до 800%).
Удлинение при разрыве определяют по ГОСТу 11262—68.
Ударная вязкость колеблется в очень широких пределах: от
4—5 кГ • см1см2 для порошковых пластиков до 200—300 кГ • см]см2 у стекло- *
пластиков и поликарбоната.
Для таких пластмасс как полиэтилен и некоторые полиамиды (смола-54)
и др.), понятие ударной вязкости строго говоря теряет свой смысл, так как
разрушения образца не происходит.
Удельная ударная вязкость определяется по ГОСТу 4647—62 и по ГОСТу
8698—58 (для ДСП).
Модуль упругости значительно ниже, чем у металлов (наиболее жесткие
пластмассы — стеклопластики имеют модуль в 5—10 раз меньше).
Модуль упругости при растяжении и изгибе определяется по ГОСТу
9550—60. Методика определения других модулей стандартами не регламенти-
руется.
Основные механические свойства пластмасс
Наименование пластмасс Предел прочности в кГ/см2 при:
сжатии растяжении статическом изгибе
Массы прессовочные феноль- ные (фенопласты): общего назначения .... 1500—1800 240—600 500—800
специальный безаммиач- ный 1400 500—600
электроизоляционный . . 1500 * 300—530 500—600
высокочастотный 1500—2000 280—600 500—700
влагохимстойкий 1130—1710 280—630 550—900
ударопрочный, крупново- локнистый 800—1600 270—690 500—800
жаростойкий 1000—2500 280—630 500—1000
Аминопласт А и Б 1000—2900 370—500 600—800
Прессматериал ы : К-77-51 и К-78-51 . . . 1400 500
ВЭИ-11 200
ВЭН-12 — 450
КМК-218 1200—1470 — 370—490
К-41-5 1320—1420 1750—3000 500—800
ФАА 800—1200 — 300—400
ФАГ 200 290—330
ФАС 1300—1800 2300—2700 1500—1700
Стекловолокнит АГ-4В и С. . 1300 800—2000 1000—2000
КМС-9 — 300—600
Пресспорошок КМК-9 .... 700—900 1750—3100 300—320
Текстолитовая крошка .... 1400—2000 400—500 500—600
Древкрошка 900—1300 550—650 750—1000
Фдолит А, Т и П 580—900 120—380 260-600
Текстолит: поделочный ПТ, ПТ-1 , ПТК 2000—2500 650—1000 1200—1600
электротехнический «А», «Б», «ВЧ» и «Г» .... II 1200—1500 I 2 200—2700 о 500—650 II 1400—1600
электротехнический . . . I 2 200—2700 о 900— II 1400—1700
металлургический марки «Б» I 1900 — II 1100
Асботекстолит А, Б I 850—1000 800 1000—1700
Таблица 218
Удлинение при разрыве в % Ударная вязкость в кГсм'см2 Модуль упругости Твердость по Бринелю
при изгибе в кГ;см2 при растяжении в кГ/см2
0,3—0,8 4—15 — 56 000—90 000 20—40
— 4,5 .—
0,7—0,8 3,5—4,2 — 56 000—90 000 30—40
0,6 3—4 —. 30—50
0,2—0,5 4,8—9,2 — 70 000—175 000 30—40
0,2—0,4 9—21 85 000—250 000 25—30
0,2—0,5 2,5 70 000—175 000 30—50
0,2—0,5 5,6 — 75 000—100 000 35—55
— 4,0 — — 20—50
—- 1 ,7 -— — —
— 10,0 — — —
— 4,5—6,0 — — 20
— 18,0—20,0 — — 19
— 9,0—10,0 — — 27—32
— 1 ,6—2,0 — — 12—19
— 80,0—140—0 — — 36
— 25,0—100,0 — — 30—40
— 40—1 10 — —
— 2,8—3,0 — — 21—28
0,5 9,0—12,0 40 000—50 000 38
0,5 10,0—19,0 . • 20—30
0,2 2,0—5,5 — — 20
1 ,0 25,0—35,0 W— 95 000—100 000 25—35
1 ,0 20,0—27,0 — 30
1 ,о 50,0 — 30
35,0 — 28
— 20,0—25,0 — 100 000—140 000 30-45
284 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Стек лотексто л ит КАСТ I 3000—3200 11 800—1200 о 2800 у 1500—1700 2200—2800
КАСТ-1 I 3100 о 1100 1 100—2300
II 1000 у 800
КАСТ-Р I 3000—3200 о 2800 ©2200—2800
11 800—1200 у 1600—1700
КАСТ-В I 3500 о 2200—2700 О 1500
11 1000 у 1400—1550 у 1 240
СКМ-1 .— о 1600—3300 1400
у 1400—2750
СВФЭ-2 — 1300
СТК-41 <А» и еБ» .... I 2450—3150 1000—1500 1 100—2000
СТК-41/ЭП I 3500—4200 о 1700—2650 2000—2400
у 1200—2000
ЭФ-32-301 2600 4080 4140
Древесно-слоистые пластики 1000—1850 1 100—2600 1400—2800
ДСП-A, ДСП-Б, ДСП-В,
ДСП-Г Вдоль Вдоль
волокон волокон
Гетинакс электротехнический
листовой А. Б, В, Г, Д . . 1 2400—3400
II 1500—1800 700—1000 I 800—1400
Материал облицовочный сло-
истый I 1470 970 I 1000
СВАМ 4200 4300—9000 2900—3900
Стеклопластик на полиэфир-
ной смоле, армированный
стеклянной тканью 2100—2500 2800—3500 2100—4200
Стеклопластик НСП-1 .... — 4500—9000 2500—4300
Пенопласт плиточный ФК-20
и ФК-40 10—20 8—18 10—15
Минора 4,2—4,8 0,5 1 ,5
Анид 700—1000 500—750 800—900
Капрон 700—800 500—840 700—1000
Смола: -
68 700—900 500 700
АК-7 750—950 500—650 1000—1200
54 — 500—600 —
548 — 300—450 .—
Полиуретан ПУ-1 800—850 500—850 700—800
Лавсан — 1750 —
Винипласт листовой 800—1200 400—600 1000—1200
2,5—300 у 45 о 60 у 123 000 о 200 000 33
1,5—2,8 у 55 у 160 000 24-35
о 125 -— о 200 000
0,5—1 ,0 у 55 у 160 000 24—35
о 70 — о 200 000
2,5—3,0 у 45—85 — у 120 000 35—40
о 60—115 — о 220 000
— у 55 — —
о 60
— — —
— 50 —- —
— 80 — — —
— 148 220 000 27—30
— 17,0—80,0 — 180 000—300 000 25—30
1 ,0 I 15,0—20,0 120 000—210 000 25
8,0—21—0 185 000 25
— 100—270 — 350 000—580 000 —
200—250 210 000—350 000 —
— 350—480 — — —
— 0,2—0,8 125—150 —
— 0,02—0,08 - ——
50—100 150 14 700—28 000 —
50—200 150—170 — 10 000—12 500 5—12
100 100—120 12 000—20 000 14—15
60—100 130—160 15 000 15—18
200—350 — 3 000 4—5
400—425 — 3 000 3,5-4,5
50—150 40—50 12500— — 8—12
13000
50—70 90 — 35 200 —
10—25 120 — 4 000 15—16
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 285
Наименование пластмасс Предел прочности в кГ/см2 при:
сжатии растяжении статическом изгибе
Пластикат:
ПВХ шланговый светотер- мостойкий — 140 —
ПВХ изоляционный свето- термостойкий «А» и <Б> — 180 —
ПВХ кабельный — 150 —
ПВХ прокладочный . . . — 100 —
Формопласт СМ — — —
Гидропласт СМ — — —
Сополимер 40 500—600 300—500 1000—1 100
Винипроз С — 500 —
Винипроз прозрачный .... — 400 —
Поливинилбутираль Полиэтилен: — 280—600 700—900
высокого давления .... 125 120—160 120—170
кабельный — 65 75
марки К-503 — 40—90 75
низкого давления .... — 220—450 200—380
Полипропилен 600—760 300—380 560—700
Полистирол блочный «Д» и «Т» 1000 300—500 800—850
Полистирол эмульсионный марок «А», «Б», «В» . . . 1000 350—400 900
Продолжение табл. 218
Удлинение при разрыве в % Ударная вязкость в кГсм!см2 Модуль упругости Твердость по Бринелю
при изгибе в кГ]см2 при растяжении в кГ!см2
280 — — — —
180—200 — — — —
200 — — — —
150 — — — —
— — — — —
— — — — —
25 — — 5 000—14 000 —
12 — — — —
12 — — — —
5—25 4,3—7,5 — 24 600—28 000 И
150—500 — 1500— 2500 — 43—51 по Джонсу
300 — — — 35 по Джонсу
230—350 — — — —
150—800 — 5500— 8000 — 70—120 по Джонсу
400—700 80 — — 85—95 по Джонсу
0,4—0,7 12—15 — 12 000—32 000 18—20
1,5—3,5 3,5—15 — 11 900—32 000 20
286 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Полимонохлорстирол напол- ненный 500
Полимонохлорстирол эмуль-
сионный — — 400
По ли дихлор стирол 350 320—520 980—1330
Полистирол:
С марки ПКНД — 330 700—900
СНП — 300—500 650—1 100
марки 10 — — 500—800
Фторопласт 4, А, Б, В ... — 140—315 110 — 140
Фторопласт-3 500—570 300—400 500—800
Оргстекло поделочное .... 1200—1600 500—790 800—1400
Оргстекло авиационное . . . 700—850 500—990 600—650
Акрилат Л-1 и Л-2 840—1330 420-750 910—1330
Акрилат МСН «А» и «Б-» . . . — — 900—1000
Этрол:
этилцеллюлозный .... 300—1000 140—700 250—400
ацетилцеллюлозный . . . 250—400 500—580 450—500
' нитроцеллюлозный .... 1400—2100 250—500 350—400
ацетобутилатцеллюлозный 300—1000 175—470 140—910
Полиформальдегид 1300 600—700 750-900
Поликарбонат 900-950 670—780 1000—1200
Асфальто-пековая масса . . . — 85 170
Пенопласт:
ПС-1 8—4 5 20—42 43—51
ПС-4 5—7 10—14
ПВХ-1 4—36 18—46 —
ПВХЭ-2003 15—19 4—50 36—105
ПВХЭ 15—19 4-50 36—105
Пенополиуретан ПУ-101 (по-
ролон) 9,5—28 10—18 5—28
Примечание: у — уток; о — основа.
— 4,5 —
— 3,5 — — —
— 2,5 65 000 35 000—49 000 28
1,2—1 ,5 18—20 — 34 700 10—12
8—50 25—90 — — 9—18
— 11 — 15 — — 16—18
250—500 100 4 700— 8 500 — 3-4
20—160 20—160 1 1 600— 14 500 — 10—13
2,5—4,0 8,5 32 000 12
3,6 12—12,9 — 27 000—29 000 18—26
1-15 6—15,5 — 21 000—35 000 12—25
— 13 — — 16—18
5-100 20 — 4 200—35 000 4,5-6
7 — 15 15—35 — 20 000—25 000 4,5—8
10—50 4 — 18 — 18 000—28 000 4
40—80 — — 4 000—14 000 —
15 90—120 — 28 000—29 000 25—30
50—110 135—220 — 22 400 15—16
0,1 — 0,2 2 — — 6—22
1—5 1 ,6—1,8 200—1000 1600
(сжатое)
6—10 0,8—1 ,1 — 370—550 —
5—1 1 — 600—2100 650—2000 —
(сжатие) 620—360
— — —
— — — 620—860 —
3-4 0,4—0,56 — 96—760 —
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС
288 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Твердость большинства пластических масс определяется по методу Бри-
неля и лежит у реактопластов в пределах НВ 25—55 и у термопластов —
в пределах НВ 3—18. Определяется твердость по ГОСТу 4670—62 на специ-
альном приборе и по ГОСТу 8698—58 (для ДСП). ГОСТ 4670—62 предусмат-
ривает также определение чисел упругости и эластичности.
Следует указать, что обычные приборы Бринеля без переделки не могут
быть использованы для определения твердости пластмасс, так как по ГОСТу
требуется замерить глубину погружения индентора без снятия нагрузки.
Длительная и усталостная прочность. Прочностные и деформационные
свойства пластмасс имеют ярко выраженный релаксационный характер, обус-
ловленный свойствами полимеров, и снижение прочности во времени сказы-
вается уже при комнатной температуре. Поэтому релаксационный характер
свойств пластмасс следует учитывать и для обычных условий эксплуатации.
Пластические массы в основном подчиняются закону Журкова и их дли-
тельная прочность может быть определена по формуле, выражающей темпе-
ратурновременную зависимость прочности:
С70— усг
т = тое kT ,
где т — время действия нагрузки;
То — константа, почти не зависящая от природы материала и равная перио-
ду колебаний атомов в молекуле;
Z70, Y — константы, зависящие от материала, его химической природы и струк-
туры;
а — напряжение, действующее время т;
k — газовая постоянная;
Т — абсолютная температура.
Анализ экспериментальных данных ряда исследований [137, 127] показывает,
что для слоистых пластмасс длительная прочность составляет примерно 2/з от
кратковременной, а для остальных (композиционных и чистых смол) — меньше
половины. В табл. 219 и 220 приведены данные по’' длительной прочности неко-
торых пластмасс.
Под усталостной прочностью обычно понимают сопротивляемость материа-
ла действию многократных циклических нагрузок. В этом смысле усталость
пластмасс есть механо-химический процесс, при котором механические воз-
действия вызывают деструкционные процессы в полимере.
Усталость пластмасс и вообще полимеров усугубляется высокими гистере-
зисными потерями в материале, вызывающими внутренний разогрев и повы-
шение температуры материала, а следовательно, и падение прочности. Низкая
теплопроводность способствует быстрому накоплению тепла. В табл. 221—225
приведены данные об усталостной прочности пластмасс [138, 67, 76].
Механические свойства пластмасс в значительной степени зависят от тем-
пературы и скорости приложения нагрузки, причем эта зависимость у термо-
пластов более резкая. В табл. 226 и на рис. 103—107 приведены данные о вли-
янии температуры на механические свойства некоторых пластмасс, а на
рис. 108 о влиянии скорости нагружения на предел прочности при растяжении
для АГ-4.
Диэлектрические свойства
Основные диэлектрические свойства пластмасс, применяемых в машино-
строении, приведены в табл. 227 [5, 166, 181, 196, 131, 152, 204].
Пластические массы являются изоляторами электрического тока и многие
из них обладают высокими диэлектрическими свойствами.
Наилучшими диэлектриками надо считать фторопласт-4, полиэтилен, поли-
пропилен, полистирол и полидихлорстирол. Удельное поверхностное и объемное
сопротивление этих материалов лежит в пределах 19—60 кв/мм.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 289
Таблица 219
Длительная прочность пластмасс (после 1000 ч)
Материал Вид нагрузки ав 1 адл 100, в %
в кГ '/см2
Стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы . . Растяжение 3790 2730 72
То же Изгиб 4990 3360 67
Текстолит на основе фенольной смолы Растяжение 1210 805 67
Фенольный бумажный пластик (гетинакс) .... » 1210 805 67
Аминопласт с целлюлозным волокном » 535 360 67
Стеклотекстолит на основе полиэфирной смолы . Изгиб 4300 2800 65
Стеклотекстолит на основе фенольной смолы . . То же 5400 3300 61
Полиметилметакрилат (оргстекло) Растяжение 635 285 43
Фенопласт с асбестовым наполнителем » 415 155 37
Фенопласт с древесной мукой » 455 160 36
Фенолформальдегидная смола » 650 150 23
Целлулоид » — 450 —
Полистирол » — 250 —
Пластикат ПВХ » — 35 —
Таблица 220
Результаты длительных испытаний на растяжение и изгиб стеклопластика
на основе стеклоткани и эпоксидной смолы
Вид напряженного состояния Время пребывания под нагрузкой до разрушения в ч Напряжение при разрушении в кГ/см2 Отношение к кратковременной прочности в %
Растяжение Кратковременное испытание 3790 100
1 ЗОЮ 79
10 2940 77
100 2860 75
1 000 2730 72
10 000 2630 69
20 000 2600 68
Изгиб Кратковременное испытание 4990 100
1 3990 80
10 3780 76
100 3570 72
1 000 3360 67
10 000 3110 62
20 000 3080 62
(9 Заказ 664
290 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Усталостная прочность некоторых пластмасс при изгибе
Таблица 221
Материал Метод испыта- ния* Число циклов в минуту в мин Прочность при изгибе в кГ/см2 Коэффициент усталости 1 -• юо °и в %
усталост- ная статиче- ская
Полиэтилен: низкой плотности низкой плотности высокой плотности Полистирол Капрон . . ' Ацетилцеллюлоза Винипласт Оргстекло То же . . Текстолитовая крошка (обрезки грубой ткани) ...... То же ... : Текстолит ' То же . Текстолит на основе смолы: Р-21 ПЭМ-2 Гетинакс .; Гетинакс Стекловолокнит: АГ-4В АГ-4С I. К. ч ч ч к ч ч к ч ч к ч п ч к ч п к к 2840 6000 6000 6000 2840 3450 6000 2840 3450 1720 1720 3000 1500 6000 2840 10000 1500. 2840 2840 10 10 10 10 10 100 10 10 10 100 100 10 20 10 10 250 0,6 10 10 25 32 47 50 65 73 79 105 145 192 229 , 280 316 330 700 475 585 350 600 225** 225 480 700 900 358** 1100 1290 830** 585 1360 1325 1350 1350 3700 2170 2000 1000 2000 11 14 10 7 7 20 7 8 17 33 39 21 24 24 19 22 28 35 30
♦ К—консольный изгиб вращающегося образца (оа = const);
Ga — амплитуда изменения напряжения; П — плоский изгиб (8а = const);
Ч — чистый изгиб (на двух опорах вращающегося образца (ofl = const).
** Определить разрушающее напряжение не удалось, так как образец изгибался без
появления трещин.
Усталостная прочность ДСП *_________________________________________________Таблица 222
Материал в кГ]см2 ’ Предел усталости при изгибе *-1 в кГ/см2 Коэффициент усталости
• 100 в %
по испытанию по стандарту по испытанию по стандарту
ДСП-Б 3100 2700 700 22,5 26
ДСП-В 2000 1650 380 19,0 23
ДСП-Г 1700 1000 400 23,5 40
* По методу плоского изгиба.
Ударная вязкость пластмасс при однократном и многократном ударах______Таблица 223
Материалы Работа разрушения при ударе в кГсм/см2 aN • 100 ан В %
однократном ан многократном aN
Пресс-материал: АФЦ 4,6 1 ,о 21 ,6
К-77-51 4,0 0,64 16,0
МФК-20 7,0 0,64 9, 1
ФКП-20 7,3 1,4 19,3
ФКПМ-15 . 7,8 0,57 7,3
АЦ-70 8,3 1,1 13,3
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 291
Продолжение табл. 223
Материалы Работа разрушения при ударе в кГсм/см2 aN 100 ан В %
однократном ан многократном аМ
Оргстекло 15,4 3,7 23,8
Стекловолокнит АГ-4 С 100 3,7 3,7
Полиэтилен 117 2,2 1 ,9
Полиамид АК-7 145 3,3 2,3
Стеклотекстолит СПМС 231 3,5 1 ,5
То же СПС 288 1,4 0,5
П-50-С 400 7,5 1 ,9
Т а б л и ц а 224
Сопоставление длительной и усталостной прочности полиэфирных
стеклопластиков при изгибе
Вид смолы Наполнитель Кр атк овр ем енн а я прочность в кГ!см2 Доля сохранившейся прочности в %
длительной после 1000 ч усталостной после 107 циклов
А МАТ 2320 67 28
В » 2480 52 25
С » 2760 49 18
А Ткань 3520 74 23
В » 4260 72 28
С » 4260 59 24
Таблица 225
Усталостная прочность стеклотекстолитов на различных смолах
при растяжении-сжатии
Среда Кратковременная прочность в кГ!см2 Усталостная прочность при 107 циклов в кГ/см2
npi 1 темпер атуре в °C
20 150 260 20 I 150 260
Полиэфирная 2240 1960 910 720 630 300
Эпоксидная 2530 2760 1740 770 630 530
Фенолоформальдегидная 2780 2820 710 880 890 230
Кремнийорганическая 2240 2070 1500 560 510 390
Таблица 226
Влияние температуры и времени ее воздействия
на механические свойства стеклотекстолита ЭФ-32-301
Свойства Температура испытания в °C
20 175 | 200
Время испытания в ч
200 1000 | 200 1000
об в кГ1см2 О и в кГ1см2 ан кГ• см/см2 Е в кГ/см2 4080 4140 148 220 • 10® 2280 848 158 137 • 103 2340 1260 127 172 • 103 2190 720 159 117 • 103 2000 1000 145 158 • 10э
19*
292 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
(о^с — предел прочности при сжатии перпендикулярно слоям; Осж~ предел прочности
при сжатии параллельно слоям; о цз —предел прочности при динамическом изгибе)
Рис. 104. Зависимость механических свойств
прессматериалов КМК-218 и К-41-5 от тем-
пературы:
1 — КМК-218; 2 — К-41-5
прессматериалов КМС-9 и АГ-4 от темпера-
туры
Рис. 106. Зависимость механических свойств органического стекла от
температуры
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 293
Следует отметить, что диэлектрические свойства перечисленных материалов,
практически не зависят от частоты тока (а у фторопласта-4 и от температуры),
что позволило их широко использовать в высокочастотной технике.
а) 6)
Рис. 107. Зависимость механических свойств полиэтилена низкой и высокой плотности от
температуры:
а — зависимость предела прочности при растяжении; б — зависимость относительного
удлинения при разрыве; 1 — полиэтилен НП; 2 — полиэтилен ВП с мол. в. 30 000;
3 — полиэтилен ВП с мол. в. 350 000
Удельное поверхностное сопротивление (ps) характеризует сопротивление
поверхности детали прохождению электрического тока и зависит не только от
свойств самого материала, но и от состояния поверхности (загрязнения, плен-
ка влаги и т. п.). Измеряется в омах. Определяется по ГОСТу 6433—65.
Удельное объемное электрическое сопротивление (pv) измеряется
в ом - см и характеризует сопротивление самого материала прохождению
электрического тока. Наиболее высокое у фторопластов (JL). (более 1018).
Определяется также по ГОСТу
6433—65.
Тангенс угла диэлектрических
потерь (tg б) характеризует дис-
сипативные свойства диэлектрика,
находящегося в электрическом по-
ле и, следовательно, возможность
использования диэлектрика в вы-
сокочастотных полях. Определяет-
ся по ГОСТу 6433—>65 при часто-
те 50 гц и по ОСТ НКТП 3075 при
частоте 106 гц.
Диэлектрическая проницаемость
(е) характеризует поляризуемость
диэлектриков и является одним из
важнейших показателей их каче-
ства. Определяется при 50 гц по
ГОСТу 6433—65 и при 106 по ОСТ
НКТП 3075.
Рис. 108. Зависимость предела прочности при
растяжении АГ-4С (однонаправленного) от ско-
рости нагружения
Основные Диэлектрические свойства пластмасс
Наименование пластмасс Удельное поверхностное сопротивление в ом Удельное объемное сопротивление в ом • см
Массы прессовочные фе- нольные (фенопласты): общего назначения Ы0п-1 -1012 1.10»
специальный безам- миачный 1.1 о13—5.1013 5.1012—1.1013
электр оизо ляционный 5.1 О13—1 -1 О14 5.1012—1.Ю13
высококачественный 1 • 1 О14 1.1013—Ы014
влагохимстойкий . . Ь 1012 ыои—ЫО*2
ударопрочный круп- новолокнистый . . 1 «1010 1.109—1.Ю10
жаростойкий .... 1 • 1 О10—1 • 1 О13 1-Ю9-1-1012
Аминпласт А, Б .... 1.1 о10—1.1 О13 1•1011
Прессматериалы: К-77-51 и К-78-51 МО» 1 -1012
ВЭИ-1 1 ыо» 1.10“
ВЭИ-12 1 -108 1 101°
КМК-218 18.1010—1-1013 5.10Ю—1-Ю13
К-41-5 ы о10— 5-1 О12 8. Юн—8-1012
ФАА 9,6-10“
ФАГ —- —
ФАС 8,3-1 О12 2-1012—2-1013
Стекловолокнит АГ-4В-С 1-Ю12 1.1012
Стекловолокнит КМС-9 1, 2-1 0х4 6,7—1013
Пресспорошок КМК-9 . . 1.1012—1 «юн 1 , 2-10“—5-1 0“
Текстолитовая крошка 1 • 107—4-1010 1-10’
Древкрошка 2. 10»—1,4-1012 2,4-1011
Фаолит А, Т иП . . . . — —
Текстолит: поделочный ПТ, ПТ-1, птк .... Ы011—1 .1 О*2 1.1010—1.1012
электротехнический «А», «Б», «ВЧ» и «Г» 1 -10«— 1 .10“ 1-10»—1.1012
электротехнический «СТ» 1 .109—1.юн 1-101°
металлургический марки «Б» ЬЮ9—Ь 1012 1101°
Асботекстолит марок А и Б 1-Ю9 1-10»
Таблица 227
Тангенс угла диэлектриче- ских потерь при Диэлектрическая проницаемость при Дугостой- кость в сек Электри- ческая прочность кет!мм2
50 гц 10е гц 50 гц 10е гц
0,09 0,2—0,3 — 4—8 10—12
— — .— — 13,5—15
0,08 0,014—0,042 5—5,4 13—15
— 0,01 — 5—6 — 15—16
— 0,01—0,05 — 4,2—6 — 13
0,88 1 ,0 8—15 .— — 1 ,5—4
0,1—0,5 — 5—7 — 15
0,02—0,03 0,02 5—9 7—9 — 14—16
. 60 12
— — 120—180 12
— — — 40—120 12
0,3—0,4 0,075—0,15 47—80 5,6—5,8 180 4,4
0,53 0,256 — 7,15 5—60 3—5
— 0,03 —- .— — .—
— 0,016—0,031 — 5,5—7,4 . 917
0,37 0,05 21 8—8,2 — 1 1 — 13
0,033 0,013 5,7 4,5 180 3,8
0,108 0,005—0,042 5,9 4,5—5,3 180 16—25
0,22 0,03—0,1 — 4,5—7 — 12—16
0,16 _- — 14
0,3 — 15—20 —’ — —
— 0,02—0,08 — 4,7—7 — 5
— 0,02—0,08 — 4,5—7 — 2—8
— — •— •— — 10—12
— 0,02—0,08 — 4,5—7 — 4
— 0,1—0,5 — 5—7 — 0,6-2,0
294 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Стеклотекстолит: КАСТ 1 -1010—1 -1043 ЫО13—1 -1 О44
КАСТ-1 1-Ю10—1-Ю13 ЬЮ43—1-1 О44
КАСТ-Р 1-Ю10—1-Ю13 1 -1013—1 -Ю44
КАСТ-В 2 -1 О42 3-1042
скм-1 1- 1 043-1 ,2 • 1014 1-Ю42—5-Ю44
СВФЭ-2 1-Ю12 1-Ю42
СТК-4 1 «А» и «Б» . . НО43 1.Ю12— 1 -1044
СТК-41/ЭП 1-1 О13 ЫО43—6-Ю44
ЭФ-32-301 — —
Древесно-слоистые плас- тики ДСП-А, ДСП-Б, ДСП-В, ДСП-Г .... 2,9-1 О11—2,7- 1 О12 2,7.1011—
Гетинакс электротехниче- ский листовой марок А, Б, В, Г, Д .... 1-1 О8—1 -1 О11 5,6-10120,1 1-Ю9—1-Ю42
Материал облицовочный слоистый 1 , 4-1012 7,1-1011
СВАМ — —
Стеклопластик на поли- эфирной смоле, армиро- ванный стеклянной тка- нью
Стекл оп ластик Н СП-1 Y
Пенопласт плиточный ФК-20 и ФК-40 .... — —
Мипора — —
Анид — ЬЮ43—ЬЮ44
Капрон Ы013—2-Ю14 1 ИО43— 2-1044
Смола: 68 11,7.1013— 2,1 -1 О14 1.1013-4,5—1044
АК-7 7-1012 2-1014
54 11,7-1043—2,1-Ю44 1.1013—4,5-1014
548 11,7.1013—2,1-1014 1 -Ю43—4,5- 1044
Полиуретан ПУ-1 .... 1.Ю13— Мон (1 : 2)-1044
Лавсан 4,8-1011 при 1-1049
Винипласт листовой . . 100% относ, влаж. 1,9-1044 1,8-1044
Пластикат: ПВХ шланговый све- тотермостойкий . . 1-10’
ПВХ изоляционный светотермостойкий «А», «Б» 1.1013—ЬЮ44
ПВХ прокладочный — —
Фторопласт СМ — —
Гидропласт СМ —
0,02—0,03 0,2—0,03 0,016—0,03 0,016—0,03 4,5—5,5 4,5—5,5 4,0—5,5 4,0—5,5 150 150 11—24 11—24
0,02—0,03 0,016—0,03 4,5—5,5 4,0—5,5 150 11—24
0,18 0,018 — 5,3 — 23
0,001—0,01 0,003—0,006 4,1 — 4,9 4,16—4,83 60 1 1 — 1 1 ,5
0,06 — —— — 12
0,005—0,01 — — 150—250 8—12
6,02—0,04 мм мм —- — 18—22
— 0,017—0,014 при 1010 гц — 4,5—4,7 при 1010 гц — —
. — 0,038—0,068 8 7,3—7,9 — 2,2—8,3
0,07—0,1 0,038—0,08 4,5—8 7 130 25—33
0,167 0,037 9,7 9,6 — 33
— — — — —
. —.
— — — — — —
— 0,01—0,06 при 1010 гц — 1,3-1 ,34 при 1010 гц — —
мм — мм ——
0,02—0,05 мм 3,4—3,6 мм 15
0,018 0,06—0,08 4-5 4—5 130—140 15—18
0,035 3,8—4,6 130—140 15
мм 0,033—0,08 4,6 130—140 21 ,3
— 0,025—0,03 ММ 3,8—4,6 130—140 15
-- 0,025—0,03 — 3,8—4,6 — 15
0,0114 0,014—0,020 4—5 4,5—4,8 120—150 20—25
0,002—0,003 0,013—0,015 3—3,2 3—3,2 115—135 180
0,01 0,018—0,019 4,1 3-3,1 — 15—60
0,085 0,1 8—8,5 4,2-4,5 — 6—12
0,085 0,1 8—8,5 4,2—4,5 — 6—12
— — —— <— — —
М—. * — - МММ — — —
— — —* — — —
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС 295
Наименование пластмасс Удельное поверхностное сопротивление в ом Удельное объемное сопротивление в ом • см
Сополимер 40 — 1 1013—1-1014
Винипроз-С — —
Винипроз прозрачный . . — —
Поливинилбутираль . . . Полиэтилен: — МО43—1. ю*4
низкой плотности 1-IO44 1-101’
кабельный — —
К-503 — —•
высокой плотности 1-10“ 1-101’
Полипропилен — 8-101®
Полистирол блочный «Д»
и «Т» 1-1015 1 -101®—1 -1018
Полистирол эмульсион-
ный «А», «Б», «В» . . 1-1014—НО18 1-1014—I-IO46
Полимонохлорстирол на-
полненный —• 1 -Ю!®—2-101®
Полимонохлорстирол 1-101®
эмульсионный —
Полидихлорстирол 1 -101в—О.Ю4’ 1-101®—1-101’
эмульсионный
Полистирол С.-
марки пкнд .... 8-Ю13 3.7-1014
марки СНП — —
Продолжение табл. 22 7
Тангенс угла диэлектриче- ских потерь при Диэлектрическая проницаемость при Дугостой- кость в сек Электри- ческая прочность кет/мм2
50 гц 10 е гц 50 гц 10е гц
0,03—0,05 — 3—5 — 14
— — — — —. —
— — - — .— — —'
— 0,0065— 0,06 — 3,3—4,1 — 7—16
— 0,0002 — 0,0004 — 2,2—2,3 45—60
— 0,003— 0,0005 — 2 ,2—2,3 — 45—55
— 0,0003— 0,0005 — 2,2—2,5 — 40
— 0,0002— 0,001 — 2,1—2,4 — 45—60
— 0,0002— 0,0003 — 2,0—2,1 — 30—32
0,0001 0,00045 2,5—2,6 2,6 — 20—40
0,001 0,002 2,6 2,6—2,7 — 20
— 0,0006 — 2,8 — 19
— 0,0006 — 2,8 — —
0,0005 0,0004 2,5—2,6 2,8 — 19
0,023 0,01—0,04 3,3 3,0 — —
— — — — — —
296 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
марки 10 1 -1 014 1-1015
Фторопласт-4 >1 -1 О17 >1-1O1’
Фторопласт-3 1 -1017 1 ,2—1018
Оргстекло поделочное — —
Оргстекло авиационное 1 -1014 1-1015
Акрилат Л-1 и Л-2 . . . 1-Ю12—1 ,1013 1-1012—1 -1013
Акрилат МСН «А» и «Б» — 4-101®
Этрол:
этилцеллюлозный . . 1.1012—1.Ю13 7-1015
ацетилцеллюлозный l-Юн—1 -1013 1.1012—8-1013
нитроцеллюлозный . 1-101°—1-1012 ЫОЮ—l-10i2
ацетобутиратцеллю- лозный — 1-1011—1-1013
Полиформальдегид . . . 2Ю15 9,5-10i4
Поликарбонат — 1-101°
Асфальто-пековая масса 1-1011—1-1012 1-1011—1-1012
Пенопласт:
ПС-1 — ЬЮ*3
ПС-4 — ЬЮ*3
ПВХ-1 — —
ПВХЭ-2003 — —
пвхэ — —
Пенополиуретан ПУ -10 1 (поролон) — —
— 0,0006 — 2,0 — 25—30
0,0002— 0,00025 0,0002— 0,00025 1 ,9—2,2 1 ,9—2,2 250 25—27
0,015 0,01 3,0 2,5—2,7 360 13—15
0,08 0,02 — — — 25
0,06 0,02 3,6 2,9 — 13—15
— 0,02—0,06 — 2,8—3,3 — 12—24
— 0,018 — 2,9 — 24
0,02—0,05 0,026 2,5—4,0 3,6 — 21 ,5
0,01—0,06 0,01—0,1 3,5—7,5 3 ,2—7,0 — 10—13,5
0,06—0,15 0,07—0,1 6,7—7,3 6,2 — 7—10
— 0,01—0,05 — 3,2—6,2 — 10—16
— 0,03 — 3,35 130 23
— 0,096 — 2,96 120 10—30
— — — — — 6,9
— 0,0012— 0,002 — 1 ,05— 1 ,28 — 2,5—6
— 0,0012— 0,002 — 1 ,05— 1 ,28 — 2,5—6
— 0,016 — 1 ,8 — —
— 0,0036 —► 2,4 — —
— 0,0036 — 2,4 — —
— 0,003—0,005 при 1010 гц — 1 ,1 — 1 ,25 при 1010 гц — —
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛАСТМАСС
298 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Я
6)
Рис. 109. Зависимость удель-
ного объемного электросопро-
тивления (а), тангенса угла
диэлектрических потерь и ди-
электрической проницаемости
(б) поливинилхлорида от тем-
пературы
а — тангенса угла диэлектрических потерь и б — диэлектрической проницаемости по-
лиэтилена высокой плотности от температуры: 1 — образец, хранившийся в комнатных
условиях; 2 — образец после дополнительной сушки
Рис. 111. Зависимость:
zz — тангенса угла диэлектрических потерь и б — диэлектрической про-
ницаемости фоторопласта-3 от температуры
ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПЛАСТМАСС 299
Электрическая прочность Е представляет напряженность электрического
«поля, при котором происходит пробой диэлектрика; измеряется в кв!мм. С по-
вышением толщины диэлектрика электрическая прочность, как правило, па-
Рис. 112. Зависимость:
а — удельного объемного электросопротивления и б — тангенса угла диэлек-
трических потерь и диэлектрической проницаемости прессматериалов АГ-4
и КМК-9 от температуры
дает из-за повышения вероятности попадения дефектов в поле действия элек-
тродов. Определяется по ГОСТу 6433—65.
Диэлектрические свойства пластмасс, как и механические, зависят от усло-
вий испытания, а следовательно, и эксплуатации (за исключением фтороплас-
та-4).
На рис. 109—112 показана зависимость диэлектрических свойств некото-
рых пластмасс от температуры.
4. ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПЛАСТМАСС
Пластмассы характеризуются высокой химической стойкостью, а на фторо-
пласт-4 не действуют даже самые сильные окислители и растворители.
Пластмассы не подвержены коррозии, и большинство из них прекрасно
работает в условиях переменной влажности. Однако пластмассы подвержены
старению, вызванному химическими или физическими изменениями (деструк-
цией полимера, испарением пластификатора и т. п.) под действием окружаю-
щей среды.
Воздействие химически агрессивных сред на пластмассы обычно объемное,
т. е. среда, диффундируя, воздействует сразу на весь объем материала.
Химическую стойкость определяют по ГОСТу 12020—66, предусматриваю-
щему оценку по трем показателям: изменение веса, геометрических размеров
и механических свойств.
В табл. 228 приведена характеристика химической стойкости основных
групп пластмасс.
В табл. 229—235 приведены данные о материалах, наиболее интересных
своей химической стойкостью [129, 102, 115, 181, 196].
300 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Таблица 228
Материал Химическая стойкость
Массы прессовочные фе-
нольные:
влагохимстойкий Стойки к минеральным кислотам (к серной до концентра- ции 75%, к соляной до концентрации 40%, к азотной до- концентрации 20%, к слабым растворам щелочей, к арома- тическим углеводородам: устойчивы против органических растворителей (бензин, этиловый спирт, скипидар и др.) и минеральных масел
ударостойкий, крупново- локнистый Стойки к слабым растворам кислот и щелочей, к арома- тическим углеводородам; устойчивы против органических растворителей (бензин, этиловый спирт, скипидар и др.) и минеральных масел
Прессматериалы КМК-9, КМК-218, К-41-5 и КМС-8 Фаолит Стойки к серной и соляной кислотам, бензину и мине- ральным маслам Стоек к действию кислот и крепких щелочей, плавиковой кислоты, хлористых солей и неполярных растворителей
Текстолит Стоек к слабым растворам кислот и щелочей, к аромати- ческим углеводородам, бензину, этиловому спирту и др. растворителям и к минеральным маслам
Гетинакс Древесно-слоистые пласти- ки (ДСП) Аминопласты Анид То же » > » Стоек к спиртам, гликолям, ароматическим и хлориро- ванным углеводородам, эфирам, минеральным маслам, со- лям и слабым щелочам. Разлагается кислотами и другим» окислителями. Растворяется в фенолах и некоторых орга- нических кислотах
Капрон Стоек к спиртам, гликолям, ароматическим и хлориро- ванным углеводородам, эфирам, минеральным маслам, со- лям и слабым щелокам. Разлагается кислотами и другими) окислителями. Растворяется в фенолах и некоторых орга- нических кислотах
Смола: АК-7 68 54 548 Полиуретан Винипласт и др. То же » То же, но набухает в спиртах и гликолях » » Стоек к действию минеральных и 'органических кислот (соляной кислоты любой концентрации, серной кислоты до- концентрации 90%, азотной кислоты до концентрации 90%, уксусной кислоты до концентрации 80%, слабых и крепких щелочей, бензина, керосина, минеральных масел, спиртов и т. д.). Набухает в ароматических углеводородах
Поливинилбутираль Стоек к действию алифатических углеводородов, мине- ральных масел и слабых щелочей. В ароматических угле- водородах, эфирах, кетонах набухает. Растворяется в Спир- тах
Полиэтилен Стоек к действию всех химических агрессивных сред (кислот, щелочей и солей любых концентраций, углеводо- родов, органических растворителей и т. д.). Не стоек про- тив минеральных масел и бензина. При температуре выше 80° С растворяется в феноле, толуоле, ксилоле
Полипропилен Полистирол То же Стоек к действию щелочей, солей, низших спиртов, гли- колей, минеральных масел. Набухает в бензине. Раство- ряется в ароматических и хлорированных углеводородах^ эфирах и кетонах
ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПЛАСТМАСС 301
Продолжение табл. 2 28
Материал Химическая стойкость
Полидихлорстирол То же и стоек к минеральным кислотам
Фторопласт-4 Стоек к любым средам при комнатной температуре и по- вышенной. Ни в чем не набухает. При повышенной темпе- ратуре на него оказывают действие только расплавы ще- лочных металлов, трехфтористый хлор и элементарный фтор
Фторопласт-3 Химическая стойкость несколько ниже, чем у фторо- пласта-4; при повышенной температуре (140° С) на него оказывает действие, кроме перечисленного для фтороплас- та-4, также концентрированные олеум и хлорсульфоновая кислота; при температуре выше 100° С и давлении он растворяется в бензоле и его гомологах, четыреххлористом углероде и метилхлороформе
Органическое стекло Устойчиво к действию любых растворов минеральных кислот и щелочей, алифатических углеводородов, бензина и минеральных масел. Растворяется в мономере, дихлорэтане и др. растворителях
Этролы Стойки к слабой уксусной и серной кислотам, толуолу, бензину, перекиси водорода. Растворяются в ацетоне, ди- хлорэтане и др. органических растворителях
Полиформальдегид Стоек к большинству органических растворителей и мас- лам
Асфальто-пековая масса Стойка к действию слабых растворов минеральных кис- лот и щелочей. Растворяется в органических растворителях
Таблица 229
Рабочие условия для влагостойких пресс-порошков в некоторых средах
Среда Концентрация в % Температура в °C
Кислоты:
серная 75 70
соляная 40 70
фосфорная 30 70—80
азотная 20 ——
уксусная 50 100
жирные 5 г/л 50
Хлористая известь 5 35
Раствор железного купороса 5 3 5
» кремнефтористого натрия 1 3 5
» ДДТ 3 3 5
» зеленого мыла 5 3 5
Суперфосфат 24%-ной влажности — — 25
Аммонийная селитра 14%-ной влажности Хлористый калий 2 0%-ной влажности — 2 5
— 25
Раствор соды 5—10 г/л 55—60
Мыльный раствор 2 Кипения
Сульфат натрия 2 4 5
Сернистый аммоний 5—6 г/л 50
Растворители: этиловый спирт, бензин, уайт-спирит, ски- Различной концентрации 50
пидар
302 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Рабочие условия для фаолита в некоторых средах
Таблица 230
Среда Концентрация Температура в °C Давление в кГ/см2 Устойчивый срок службы в годах
Соляная кислота До уд. в. 1,19 80-100 2,5 4
Хлороводород Различная 80 0»4 7
Соляная кислота и газообраз- ный хлор То же 100 0,2 3
Хлорная вода » 50 Без давления 2
Серная кислота 78% 50 — 3
Химическая стойкость винипласта в различных средах
Таблица 231
Среда Концентрация в % Устойчивость винипласта Максимальная! температура испытания в °C
Кислоты: серная До 90 Стоек 40—60
соляная Всех кон- То же 40—60
азотная центраций До 50 » 40—50
азотная 60—98 Не стоек —
уксусная 100 Стоек 20—40
фосфорная Всех кон- Изменяет 20—40
муравьиная центраций Концентри- цвет Стоек 20—40
серная рованная То же То же
Аммиак 100 » 60
Нитроза — » 20
Едкие щелочи До 50 » 60
Хлорная известь 12,5 » 20
Перекись водорода 20 » 60
Перманганат кальция 18 » 40
Растворы солей Всех кон- » 40—60
Сероводород сухой центраций 100 » 60
Стиролы: этиловый Всех кон- » 40—60
метиловый центраций То же » 60
Смазочные и растительные масла — » 60
Ароматические углеводороды (бензин, толу- ол и др.) Не стоек
набухает
Изменение веса винипласта после пребывания в различных кислотах
Таблица 232
Кислоты Концен- трация в % Изменение веса в % за часы
288 432 576
Серная 30 0,13 0,35 0,35
» 50 0,16 0,19 0,20
Соляная 33,5 0,85 1,10 1 ,10
Азотная 65,3 0,22 0,22 0,22
Фосфорная . .! 70,2 0,17 0,14 0,14
Уксусная 92,2 0,04 0,05 0,05
ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПЛАСТМАСС 303
Табл и ц а 233
Действие на фторопласт-3 неорганических веществ
Вещество Концентрация в % Температура испытания в °C Продолжи- тельность ис- пытания в сутках Увеличение веса образца после испы- тания в % Изменение внешнего вида образца
Азотная кислота 60 120 7 — Без изменения
Азотная кислота 98 50 30 1 ,1 0,1 То же
Бром 100 25 60 Коричневый цвет
» 100 58 3 0,8 То же
Бромистоводородная кислота . . 48 48 25 120 60 7 0,2 Без изменения Светло-коричне-
вый цвет
Воздух, содержащий озон .... — 25 30 — Без изменения
Едкий натр 50 25 60 — То же
50 140 7 —0,2
Едкое кали 50 25 60 — »
50 140 7 —0,2 »
Олеум 10 25 30 0,1 »
50 25 30 0,2 »
100 25 2 20 Помутнение
Перекись водорода 30 25 60 —- Без изменения
Перманганит калия Насыщен- 25 60 •—- То- же
ный
Персульфат калия То же 25 60 •—• »
Плавиковая кислота 100 50 60 — »
Серная кислота 50 140 7 —— »
Серная кислота 92 140 7 —• »
Фосфорная кислота 84 140 7 — »
Соляная кислота 20 110 7 — »
Фтор 100 90 14 — »
Хлор газообразный » жидкий 100 100 25 50 60 ’ 6 9—12 » Желтый цвет
Хлорная кислота 70 25 60 Без изменения
Хлорсульфоновая кислота .... 100 100 25 140 60 7 —. То же Темный цвет (раз-
рушается)
Хромовая кислота 50 110 7 —- Светло-желтый
» смесь Насыщен- Без изменения
ная 140 7 —
Царская водка 3 : 1 ПО 7 0,3 То же
Таблица 234
Действие на фторопласт-3 органических веществ
S л * о К 4J
g?
Вещество Темпер ату ] пытания в Продолжи ность в су Набухание Вещество >. я Я (К р. S р ж С СЗ s й (У 3 Н С Продолжи ность в сд Набухание
Амилацетат 25 7 0,06 Бензиловый спирт . . 25 7 Нет
70 7 0,87 Бензин (точка кипения Легкое
Анилин 25 7 Нет 60—95° С) 65 1
25 30 » Бензол 25 7 0,29
70 7 0,01 25 60 0,5
Ацетилхлорид .... Ацетон 25 25 7 7 0,13 Нет 81 200 1 Набухает Растворяется
25 60 0,5 Бензонитрил 25 7 Нет
56 1 3 Бромбензол 25 7 0,02
Ацетофенон 25 7 Нет 70 7 1 ,90
Бензальдегид 25 30 0,5
304 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Продолжение табл. 234
о л х о д л X
«О Ч д <у Я «О Ч я <у Я
а ° о. °
Я >» и я >>
Вещество д к * ° Набухание Вещество ой К S ° Набухание
Рм Д ч и Р. Я ч и
<У д С д а> д С Д § £
2 Н 2 Ь о Я
(У 3 о 2 £* о
Н С С я Н с С я
Бутилацетат 25 7 0,37 Метилацетат 25 7 1 ,0
25 30 Легкое Метилбутират .... 25 7 0,88
125 1 Набухает Метиленхлорид . . . 25 7 0,23
Бутиловый спирт . . . 25 7 Нет 25 60 Легкое
70 7 0,01 Метиловый спирт . . 25 7 Нет
117 1 0,5 Метиловый эфир . . . 25 7 6,4
Бутиловый эфир . . . 25 7 0,04 Метилпропинат .... 25 7 1 ,44
Галовакс 25 7 Нет Метилформиат .... 25 7 0,13
Н-Гектан 25 7 » Муравьиная кислота . 25 12 Нет
Дибутилсебацинат . . 25 7 » МетилэТилкетон . . . 25 7 0,22
Дибутилфталат . . . 25 7 » Муравьиная кислота . 101 1 2 Помутнение,
хрупкость
Диоксан 25 7 »
Минеральное масло . 25 7 То же
Дифтордихлорметан . 25 7 Легкое
148 7 Нет
Дициклопентадиен . . 25 7 Нет
Нитробензол 25 7 »
1 , 2-Дихлорбутан . . 25 7 »
140 7 0,55
2,4-Дихлортолуол . . 25 7 »
Пентахлорэтан .... 25 7 Нет
3,5-Дихлортолуол . . 25 7 »
Перфтортриэтиламин . 25 7 »
Диэтиламин 25 7 1 ,95
Пиперидин 25 7 0,04
Диэтилцеллозольв . . 25 7 0,83
Пиридин 25 7 0,02
Изоборнилацетат . . . 25 30 Нет
Пропилацетат .... 25 7 0,64
140 1 Сильное
Пропиленхлорид . . . 25 7 0,02
Изопропиловый эфир 25 7 0,25
Пропиловый эфир . . 25 7 0,34
Крезол 25 7 Нет
Пропилформиат . . . 25 7 0,16
140 7 Коричневый
цвет, появля- Сероуглерод 25 60 0,5
ется хруп-
кость Совол 25 7 Нет
Ксилол (смесь изоме- Сольвент 25 7
ров) 25 30 Легкое
Тетрагидрофуран . . . 25 60 Сильное
138 0,5 Сильное (раз- (распад)
рушается)
64 1 Сильное (ча-
М-Ксилол 25 7 0,44 стичное раз-
рушение)
Н-Ксилол 140 — Растворяется
Тетрахлорэтилен . . . 25 7 0,88
ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ПЛАСТМАСС 305
Продолжение табл. 23 4
о S я
Ч СЗ О) Д «у IB
Вещество >» ® к д >> £ О К СП Набухание Вещество н w Д С5 S * и Набухание
£ д С л S £ н с Продо. НОСТЬ ] Темпер пытани S £ eg
Толуол 25 7 0,44 Хлористый бензил . . 25 30 0,5
70 7 6,76 Хлористый бензол . . 25 7 Нет
142 — Растворяется 2-хлорпропан 25 7 0,05
Трифтордихлорэтан . 25 7 1 »2 0-хлортолуол .... 25 7 0,06
Трифторхлорэтилен 25 7 9,16 Хлоруксусная кисло- 140
та 7 3
1,2,З-Трихлорпропан 25 7 Нет Целлозольв 25 7 Нет
Трихлоруксусная кис- 0,03
лота 70 1 Целлзольвацетат . . . 25 7 0,02
1 ,1,1-Трихлорэтан . 25 7 0,15 Циклогексанон .... 25 7 Нет
120 — Растворяется Нет Четыреххлористый уг- лерод 25 7 0,44
1,1,2-Трихлорэтан . 25 7 70 7 9,73
2,3
Трихлорэтилен .... 25 7 Четыреххлористый уг-
Набухает
25 30 лерод 76 1 Сильное
70 7 13,54 Сильное 114 — Сильно раст- воряется
87 1
0,24 Этилацетат 25 7 1 ,22
Триэтил а мин 25 7 25 60 Набухает
Уксусная кислота . . 25 60 Нет 70 7 6,40
70 60 0,23
77 1 Набухает
118 2 30 3 Нет Этилбутират 25 7 0,5
Уксусный ангидрид . 25 Этилхлорид 25 7 0,02
0,1
70 7 70 7 1 ,21
139 1 Набухает
(трещины) Этиловый спирт 50% 25 7 Нет
Фенол 70 7 Нет » » 9 5 % 25 7 »
Фуран 25 7 2,4 Этиловый спирт абсо-
лютный 78 1 »
Фурфурол 140 4 Черный цвет (ломкость) Этиловый эфир .... 25 7 3,8
Хлорбензол 25 30 3 25 30 Сильное
132 1 Сильное (трещины) 35 1 »
0,26 Этилпропионат .... 25 7 1 ,04
Хлористый аллил . . 25 7 Этилформиат 25 7 0,24
Примечание. В тех случаях, когда неизвестна точная величина набухания, приведены
его приблизительные пределы: «нет» — набухание меньше 0,02% (что лежит уже в пределах
ошибки взвешивания); «легкое» — набухание в пределах до нескольких процентов; «набуха-
ет» — более сильное набухание; «сильно» — набухание измеряется десятками процентов.
20 Заказ G64
Та блица 235
Изменение свойств полиэтилена при воздействии агрессивных сред (время воздействия — 30 сутокг температура комнатная)
Среда Концентрация в % Полиэтилен высокой плотности Стойкость в среде Полиэтилен низкой плотности (У& в кГ/см2 8 В %
Увеличение (+) и уменьшение (—) в % (весовых) при золь- ности полимера в % Увеличение (+) и уменьшение (—) в весе в % Стойкость к среде Полиэти- лен ВП при золь- ности по- лимера в % Полиэтилен НП Полиэти- лен ВП при золь- ности в % Полиэтилен НП
0,040 0,180 1 ,9 0,940 1 ,9 0,040 1 ,9
Исходный продукт — — — — 438 325 150— 721 507 572—
Кислоты: — 173 —620
серная 30 —0,027 —0,08 —0,051 С —0,11 С 318 315 645 516
соляная 10 —0,009 —0,027 —0,061 С —0,08 С 371 282 161 676 517 583
соляная 36 +0,061 +0,137 +0,46 С +0,10 С 254 227 154 640 542 580
уксусная —- +0,59 +0,64 +0,07 о +0,59 о 400 304 158 696 496 617
Едкий натр 1 0 —0,008 —0,118 С —0,04 с 433 289 734
То же 10 —0,019 —0,02 —0,08 С —0,02 с 509
» 40 —0,017 —0,009 —0,057 с —0,02 с 394 254 644 507
Хлористый натрий 26 +0,01 +0,01 +0,106 с —0,02 с 402 271 167 684 503 567
Трансформаторное масло +2,14 + 1 ,98 +2,04 с +2,94 о 428 277 162 644 517 589
Формалин технический 40 +0,02 +0,046 +0,171 с +0,21 с 402 258 158 684 542 627
Ацетон —— +0,84 +0,91 + 1 ,04 с +0,88 с 380 307 129 605 456 511
Бензин марки «Калоша» — +3,08 +2,86 +2,9 о 418 306 630 494
Бензол — +2,2 +2,44 +2,03 н + 12,3 н 387 300 107 600 498 527
Глицерин технический — —0,002 —0,007 —0,005 с 361 304 619 493
Ксилол —— +2,8 +2,06 +2,34 о 380 327 605 468
Хлороформ технический +4,09 +4,16 +3,36 о + 16,9 н 375 270 107 697 498 564
Четыреххлористый углерод — +7,3 +7,14 +7,4 н +30,1 н 396 230 102 614 501 500
Этиловый спирт 96 +0,267 +0,562 +0,74 с —0,03 с 458 362 168 542 476 571
Примечание. С — стоек; О — относительно стоек; Н — не стоек.
306 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
ПЕРЕРАБОТКА ПЛАСТМАСС В ИЗДЕЛИЯ 307
5. ПЕРЕРАБОТКА ПЛАСТМАСС В ИЗДЕЛИЯ
Одно из положительных свойств пластмасс — их технологичность, что
очень важно при крупносерийном и массовом производстве. Время изготов-
ления детали обычно не превышает нескольких минут, а часто составляет все-
го десятки секунд, и практически не зависит от сложности детали.
Разработано много методов производства изделий из пластмасс. Выбор
способа изготовления зависит от вида пластмассы, величины и формы изделия
[133, 122].
Изделия из реактопластов изготовляются прямым и литьевым прессовани-
ем. Для получения крупно-габаритных изделий применяют напыление и раз-
личные методы контактного формирования.
Основной метод изготовления — прямое прессование в специальных пресс-
формах на гидравлических или механических прессах. Прессовочный материал
загружается в оформляющую полость пресс-формы, в которой под влиянием
температуры и давления он переходит в пластическое состояние, заполняет
форму и затвердевает. Процесс затвердевания — это химическая реакция
(структурирование), в результате которой смола переходит в твердое, неплав-
кое и нерастворимое состояние.
Основные параметры процесса прессования (удельное давление, температу-
ра и выдержка) зависят от вида материала и формы изделия и находятся
примерно в следующих пределах: удельное давление 250—700 темпе-
ратура 140—180° С; выдержка 0,5—1 мин!мм толщины стенки (без предвари-
тельного подогрева).
Обычно пресс-формы имеют несколько гнезд, и за один цикл получается
не одна, а несколько деталей.
Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессовочный мате-
риал загружается в специальную литьевую камеру, откуда по литниковым
каналам под давлением поступает в оформляющую полость.
Этот метод позволяет изготовлять изделия с толщиной стенки менее 1 мм
и сложной тонкой арматурой.
Слоистые пластмассы на основе полотнищ (текстолит, гетинакс и др.) из-
готовляют прессованием на плиточных этажных прессах при давлении поряд-
ка 100 кГ)см2.
Из контактных методов формования большое распространение получил ме-
тод намотки, применяемый для получения крупногабаритных изделий, пред-
ставляющих собой тела вращения. Этот метод позволяет изготовлять изделия
с заданной анизотропией прочностных и деформационных свойств.
Намотка осуществляется на оправку непрерывным волокном в виде нити,
жгута или ленты, пропитанных смолой.
Изделия из термопластов изготовляют литьем под давлением, экструзией,
вакуумным формированием, выдуванием и сваркой. Основной метод — литье
под давлением производится на специальных литьевых машинах (рис. 113).
Литьевой материал 2 загружается в бункер машины /, из которого через дози-
рующее устройство определенными порциями поступает в материальный ци-
линдр 3 и далее литьевым плунжером 4 проталкивается в нагревательный ци-
линдр 5, где нагревается до температуры литья (несколько выше температуры
текучести Тт материала). Из нагревательного цилиндра материал в вязко-те-
кучем состоянии под большим давлением (для некоторых материалов до
2000 кГ[см2) через сопло 6 нагнетается в холодную литьевую форму 7 и за-
твердевает.
Весь цикл литья занимает даже для крупных изделий не более 1,5—2 мин.
При прессовании или литье деталей из пластмасс в них можно запрессовы-
вать (заливать) металлические детали (арматуру), которые не требуют ника-
кого дополнительного крепления.
Экструзия (непрерывное выдавливание) применяется для получения про-
фильного материала (труб, стержней, листов и т. п.) и пленок из термоплас-
20*
308 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
тов. Процесс этот осуществляется на специальных машинах — экструдерах
(рис. 114). Материал из бункера, поступает на шнек экструдера и непрерыв-
но передвигается к головке машины, на которой установлена форма. При
движении материал нагревается от стенок цилиндра и трения в шнеке и к фор-
ме поступает в вязко-текучем состоянии.
Выходящее из головки экструдера изделие постепенно охлаждается, как
правило, в водяной ванне.
Рис. 113. Принципиальная схема работы литьевой машины
Изделия из листовых термопластов изготовляются вакуумным формованием
и выдуванием.
Почти все термопласты хорошо свариваются. Наиболее распространен ме-
тод сварки горячим воздухом. Сварка выполняется при помощи присадочного
(сварочного) прутка. Правильно выполненный шов имеет прочность лишь не-
сколько ниже прочности целого материала.
Большинство пластмасс хорошо поддается механической обработке на
обычных станках. Различны только режимы резания и углы заточки инстру-
мента. Изготовление изделий из пластмасс механической обработкой менее
Рис. 114. Принципиальная схема работы экструдера:
1 — загрузочный бункер; 2 — форма; 3 — шнек; 4 — корпус; 5 — кали-
бровочное устройство; 6 — рольганг; 7 — готовое изделие; 8 — обогрев
производительно, чем описанными выше методами. Поэтому пользоваться ме-
ханической обработкой следует только в крайних случаях, например, при из-
готовлении опытных образцов.
Следует также остановиться на переработке фторопласта-4, который даже
при нагревании до температуры плавлений кристаллической фазы не перехо-
дит в вязко-текучее состояние, а все методы переработки пластмасс основаны
именно на переводе их в вязко-текучее состояние.
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАСС 3G9
Изделия из фоторопласта-4 изготовляют методами порошковой металлур-
гии, т. е. спеканием отпрессованной из порошка заготовки.
Недавно был разработан метод получения изделий из фторопласта-4 горя-
чей штамповкой из термообработанных таблеток.
6. ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАСС
Пластические массы отличает высокая эффективность производства и при-
менения. Замена металла на пластмассу, снижает трудоемкость изготовления
изделий в 8—10 раз, а их стоимость в 5—6 раз. Объем капиталовложений для
производства пластмасс и изделий из них в 3—6 раз ниже капиталовложений
для производства эквивалентного количества изделий из металла.
Во многих случаях применение пластмасс повышает долговечность деталей
и оборудования, снижает их вес, придает им новые эксплуатационные качест-
ва так применение пластмассовых труб повышает производительность трубо-
провода при прочих равных условиях на 10—15% и значительно снижает или
исключает осаждение парафина и солей. Использование полимеров в качест-
ве тампонажного материала позволяет ввести в эксплуатацию ранее закон-
сервированные скважины. Применение пластмассовых шестерен снижает шум
от работы зубчатой передачи на 50—75%.
Уже определились следующие основные направления применения пластмасс
в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленностях: как конструкци-
онных материалов для деталей машин и аппаратов; в качестве материала для
труб; как материала для емкостей для хранения и перевозки нефти; для за-
щиты машин и трубопроводов от воздействия химически агрессивных сред;
в качестве тампонажных материалов для особо тяжелых условий проводки
скважины; для крепления продуктивной зоны; для улучшения технологичес-
ких свойств глинистых растворов.
Применение пластмасс, как конструкционного материала для деталей
оборудования многообразно. К наиболее ответственным деталям буровой ус-
тановки относятся тормозные колодки, от качества которых во многом зави-
сит быстрота спуско-подъемных операций и надежность работы. Азербайджан-
ский научно-исследовательский институт (АзНИИ) по добыче совместно с
Институтом машиноведения и ЦНИИЛасбеста [185] разработал новый фрикци-
онный материал — ретинакс, представляющий собой композицию на основе
фенолоформальдегидной смолы, асбеста и барита. Износостойкость ретинаксо-
вых колодок в 6—10 раз, а их фрикционные свойства в 2 раза выше, колодок
из материала 6КХ-1. Однако при широком применении ретинаксовых колодок
стали выходить из строя тормозные шкивы. Анализ причин разрушения пока-
зал, что в процессе торможения обод тормозного шкива подвергается цикли-
ческому нагружению, поэтому в поверхностном слое появляются усталостные
микротрещины. Колодки из 6КХ-1 срабатывали этот поверхностный слой ме-
талла и трещины не успевали разрастаться. Ретинакс практически не изнаши-
вает шкив, разрушения накапливаются, что приводит к поломке шкива.
Рекомендуется сочетать колодки из ретинакса и 6КХ-1.
Больший интерес представляют пластмассовые ротор и статор турбобура.
Стальные цельнолитые ротор и статор имеют ряд существенных недостат-
ков, основные из которых: значительная шероховатость поверхности лопаток
и неточность из конструктивных размеров. Это приводит к снижению к.п.д.
турбины на 10—15% по сравнению с эталонными образцами.
Важно также учитывать износ торцевых поверхностей ротора и статора
при сработке опорной пяты, а также радиальный износ при сработке средних
опор, вызывающий большие объемные потери в турбине. Изготовление цельно-
литых стальных турбин очень трудоемко, сопровождается, как правило, боль-
шим процентом брака и очень дорого. Все это усугубляется при переходе к
турбобурам меньших диаметров. В ВНИИ буровой техники была разработана
310 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
конструкция турбобура с пластмассовой проточной частью у ротора и статора
[53, 55]. Изготовлены и испытаны турбобуры в габаритах 5", 65/szz и 9".
К.п.д. пластмассовых турбин, например турбобура 65/sz/ составляет в сред-
нем 60—62%, а у стальных он лежит в пределах 47—51%. Объясняется это
тем, что лопатки турбины имеют гладкую полированную поверхность и кон-
фигурация их точно соответствует чертежу.
В трестах «Туймазабурнефть» и «Альметьевскбурнефть» за 1959 и 1960 гг.
турбобурами 65/szz с пластмассовой турбиной пробурено в общей сложности
120,5 тыс. м в различных геологических условиях при работе как на воде, так
и на глинистом растворе. Средняя продолжительность работы турбобура была
250—300 ч при 180 ч у стальных турбин. Максимальная продолжительность
работы была 632 ч.
Опыт работы показывает, что радиальный износ у таких турбин значитель-
но меньше, чем у стальных, что объясняется способностью материала к срав-
нительно большим обратимым деформациям. Так как проточная часть и упор-
ное кольцо ротора и статора в этом случае изготовляются отдельно, возможно
значительно упрочить кольца и снизить их торцевой износ.
Капрон, из которого изготовляется проточная часть, обладает повышенным
водопоглощением. При замене его, например, смолой П-68, полиформальдеги-
дом или поликарбонатом и стеклонаполненными термопластами показатели ра-
боты турбины безусловно возрастут. Изготовляются капроновые детали литьем
под давлением в специальной литьевой форме. Длительность процесса изготов-
ления капроновой детали 1,5 мин.
Все сказанное выше полностью справедливо и для рабочих колес погру-
женных центробежных насосов. ОКБ по бесштанговым насосам провело рабо-
ты по изготовлению рабочих колес (центробежных погружных насосов) из по-
лиамидов (анид, смола П-68) вместо стали.
Такие насосы зарекомендовали себя в эксплуатации; они нормально рабо-
тают и в скважинах с сернистой нефтью.
АЗИНмаш разработал пластмассовые шкивы для станков-качалок. Такие
шкивы успешно работают на скважинах. Известно, что при работе на обычных
чугунных шкивах при перекосах (нарушении соосности) приводной ремень
обрывается. Пластмассовые шкивы не требуют такой строгости соосности,
привод нормально работает и при ее нарушении [54].
Вес такого шкива диаметром 235 мм более, чем в четыре раза легче чу-
гунного (6,5 кг вместо 28 кг).
Этим же институтом применены капроновые прокладки для герметизации
фланцевого соединения фонтанной арматуры.
Прокладки из капрона нормально работают при давлении до 950 кГ!см2.
Азинмашем же разработаны предохранительные пробки и кольца из поли-
этилена и пресспорошка К-17-2 для защиты резьбовых соединений геолого-
разведочных труб. Такие пробки могут быть применены и для нормальных
бурильных труб.
В НПУ «Туймазанефть» разработали и внедрили большое количество дета-
лей из пластмасс, наиболее интересные из которых следующие: втулка бара-
бана и звездочка укладчика проволоки лебедки АДУ-3, крыльчатка двигателя
внутреннего сгорания типа М-28, рабочее колесо насоса ЭЦН. Хорошо заре-
комендовали себя капроновые и полиэтиленовые уплотнения клапана насосов
9ГР и 5Т, манжеты плунжера насоса РПН-2-30, манжеты сальника штока на-
сосов 9МГР и ЗИФ и т. д.
В НПУ «Ишимбайнефть» успешно эксплуатируются полиэтиленовые про-
кладки на приемных и выкидных линиях в системе охлаждения компрессоров
и вспомогательного оборудования диаметром от 3 до 6". Допустимое давление
для этих прокладок 70 кГ1см2 при 80°С (по ГОСТу 1255—67—25 кГ/см2). При-
менение полиэтиленовых уплотнений в запорной арматуре (манжеты штоков
и др.) позволило снизить потери газа и загазованность территории. Хорошо
работают полиэтиленовые манжеты поршня и уплотнения клапанов насоса
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАСС 311
9ГР, работающего на линии сброса конденсата и нефти из приемных аппара-
тов газокомпрессорных станций в нефтесборные промысловые парки (150—180
суток в то время как резиновые работают 10—12 суток).
Бронзовые трехходовые краны в промысловых условиях Ишимбаевского
месторождения из-за коррозии выходили из строя через 1—2 месяца. Капро-
новые краны с пробками из нержавеющей стали работают больше года без
изменений.
В 1963 г. были испытаны [130] текстолитовые и капроновые поршневые
кольца компрессора 10ГК1-4 при работе на природном газе с добавкой газо-
лина (3—4 г/ж3 газа) при температуре 70—80° С, давлении 40—45 кГ!см2 и
смазке маслом МС-20. Износ капроновых колец составлял 0,2—0,35 мм, тексто-
литовых в 2—3 раза больше. Износа гильзы в обоих случаях не было. На ком-
прессоре ВА-5 после 5000 моточасов износ капроновых колец был 0,25 мм. На
10ГК капроновые кольца работали при давлении 120 кГ!см2 и температуре
100° С.
Капроновые поршневые кольца могут работать и без смазки (после 500 мо-
точасов износ был 0,06 мм, а после 1000 со смазкой — 0,05 мм), что особенно
важно, когда в газ добавляется газолин, смывающий смазку. Испытания на
Торнопольской компрессорной станции показали, что в присутствии газолина
чугунные кольца за 1000 моточасов изнашиваются на 2 мм и изнашивают
гильзу, а капроновые на 0,05 мм и не изнашивают гильзу. Хорошо работают
капроновые кольца в паре со стальными: улучшается теплоотвод, а на метал-
лическом кольце образуется пленка капрона 20—40 мкм.
Капроновые поршневые кольца находят широкое применение, хорошо за-
рекомендовали себя и капроновые манжеты.
Применение пластмасс как материала для труб наиболее важное и пер-
спективное направление применения их в нефтяной и газовой промышленности.
Нефтяная и газовая промышленность являются крупнейшими потребите-
лями труб. С развитием этих отраслей растет и потребность в трубах. При
этом повышаются требования к материалу труб. Разработка нефтяных и газо-
вых месторождений с большим содержанием сернистых соединений повышает
требования к химической стойкости материала. Увеличение глубин бурения до
5—6 км и в перспективе бурение еще более глубоких скважин требует повы-
шения механической прочности материала. При этом увеличение веса буриль-
ных, обсадных и насосно-компрессорных колонн крайне нежелательно, так как
влечет за собой увеличение мощности и веса бурового и эксплуатационного
оборудования, снижая его транспортабельность, монтажеспособность и повы-
шая энергоемкость.
Все это приводит к необходимости изыскания новых прочных, легких и хи-
мически стойких материалов для изготовления труб нефтяного сортамента.
Пластмассовые трубы используются для газо- и нефтепроводов, насосно-
компрессорных труб, фильтров и др. В США пластмассовые трубопроводы на-
чали применять на промыслах с 1949 г. Применяют их в Англии, Франции, Ка-
наде и других странах.
В процентном отношении распределение труб по областям применения вы-
глядит так (по промысловым трубопроводам):
для сбора сырой нефти — 38%;
» » газа низкого давления — 24%;
» отбора минерализованных вод — 32%,
остальные 6%—для различных нужд: трубопроводы для питьевой воды, для
подачи химических реагентов и т. п. Трубы изготовляются из полиэтилена,
поливинилхлорида, ацетобутиратцеллюлозы и др. термопластов.
У нас в стране пластмассовые трубы начали применять в 1953 г. в Ленин-
нефть для выкидных линий насосных скважин и в фильтрах водоочистных
установок. В 1959 г. в Москве был построен первый участок газопровода из
винипласта, который нормально работает до сих пор. В 1964 г. разводные га-
зопроводы из пластмасс начали строить и в Ленинграде.
312 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Успешно применяют пластмассовые трубопроводы в НПУ Ишимбайнефть.1
В 1965 г. было смонтировано два участка полиэтиленового трубопровода для
сбора газа диаметром 45 и 135 мм общей длиной около 1 км. Пластовые воды
на этих участках содержат ионы SO4“2, H2S и др. в количестве 500—700 мГ/л.
Стальные трубы выходят из строя через 3—12 месяцев. Полиэтиленовый тру-
бопровод работает нормально. Там же с успехом применяют полиэтиленовые
трубы для нагнетательных и вакуумсборных трубопроводов на газокомпрес-
сорных станциях, а также для систем охлаждения компрессоров.
Опыт применения пластмассовых трубопроводов у нас и за рубежом пока-
зал их большое технико-экономическое преимущество по сравнению со сталь-
ными. К основным преимуществам пластмассовых труб следует отнести:
отсутствие коррозии как на внутренней поверхности от воздействия пере-
Рис. 115. Влияние длительного воздействия газа, содержащего
3,7% H2S на полиэфирный стеклопластик
отсутствие отложений парафина при транспортировке высокосернистых
нефтей;
высокие гидравлические характеристики. Снижение потерь на трение приво-
дит к значительному повышению пропускной способности трубопровода при
прочих равных условиях;
снижение затрат на транспортировку, монтаж и эксплуатацию. По амери-
канским данным эти затраты снижаются в 1,35—1,5 раза.
Большой интерес представляют работы, проводимые Московским институ-
том нефтехимической и газовой промышленности им. И. М. Губкина, а также
ТатНИЙ и УфНИИ по созданию неметаллических насосно-компрессорных и
обсадных труб, работающих в специфических тяжелых условиях высоких ме-
ханических нагрузок, химического воздействия окружающей среды, повышен-
ной температуры.
Исследования показали, что наиболее перспективным материалом для та-
ких труб являются стеклопластики. Однако использование стандартных данных
о свойствах не дает возможности с достаточной достоверностью оценить при-
годность их для работы в этих условиях [128].
Анализ условий работы и методов расчета насосно-компрессорных и обсад-
ных труб показал, что основными прочностными характеристиками, опреде-
ляющими возможность использования данного материала для их изготовления
являются предел прочности и предел текучести при растяжении. Ориентиро-
ванные стеклопластики не имеют площадки текучести и работают только в уп-
ругой зоне, поэтому в расчетах используется только предел прочности.
Стеклопластиковые трубы получают намоткой непрерывного волокна в виде
нити, жгута или ленты. При этом возможно создание любой анизотропии ме-
ханических свойств в осевом и радиальном направлениях в зависимости от
действующего силового поля..
Эксперименты показали, что при равной прочности в осевом и радиальном
направлении предел прочности при растяжении полиэфирного стеклопластика)
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАСС 313
равен примерно 50 кГ1см2. Однако вода, нефть и газ, с которыми трубы кон-
тактируют в процессе работы, снижают прочностные свойства материала
(рис. 115, 116 и 117). Коэффициент влияния газа оказался равным 0,90, неф-
ти — 0,88 и воды — 0,52 (коэффициент влияния среды представляет собой от-
ношение предела прочности после выдержки в среде к исходному). Повыше-
ние минерализованности воды снижает ее отрицательное воздействие.
Расчет стеклопластиковых труб с учетом коэффициента влияния среды по-
нефтепроводов, для насоснокомпрессорных и обсадных колонн. Так как удель-
ный вес стеклопластика (1,8 г!см3) незначительно отличается от удельного веса
глинистого раствора, применяемого для бурения глубоких и сверхглубоких
fy, к(/см2
Рис. 117. Влияние длительного воздействия дистиллированной
воды на полиэфирный стеклопластик
скважин (1,4—1,7 г[см3), то осевые нагрузки при спуске обсадных и буриль-'
ных колонн будут мало зависеть от глубины скважины. В некоторых случаях
потребуется, возможно, утяжелитель для затопления колонн труб. Расчеты
показывают, что наиболее опасным для стеклопластиковых труб является на-
ружное давление: их модуль в 5—6 раз меньше, чем у стали.
Серьезным вопросом при разработке пластмассовых трубопроводных си-
стем является конструкция стыка, так как обычные резьбовые соединения не
всегда приемлемы. Трубы из термопластов (полиэтилена, винипласта и др.)
надежно соединяются сваркой. Для соединения труб из стеклопласти-
ков разработаны специальные конструкции разъемных и неразъемных сое-
динений.
314 ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ
Пластмассовые емкости для хранения и перевозки нефти и нефтепродук-
тов получили большое распространение. Их изготовляют двух видов — мяг-
кие и жесткие.
Мягкие емкости под названием «гибкие танкеры» используются для мор-
ских перевозок. Впервые их применила Англия. Грузоподъемность серийно
выпускаемых гибких танкеров от 15 дЪ 500 Т. Они имеют меньшее лобовое
сопротивление и, следовательно, требуется меньшая мощность буксира. При
обратной транспортировке баллон наматывается на барабан или буксируется
на плаву (накачивается воздухом или углекислым газом). Во Франции раз-
работан плавучий контейнер емкостью 8 тыс. Т для транспортировки и под-
водного хранения нефти и нефтепродуктов. У нас гибкие танкеры применяются
для перевозки на Каспийском море.
Материалом для изготовления баллонов служат нейлоновые, поливинил-
хлоридные армированные пленки или ткани, пропитанные каучуком.
Жесткие емкости в виде автомобильных и железнодорожных цистерн и раз-
личного размера контейнеров изготовляют из полиэтилена и стеклопластиков.
Защита оборудования и трубопроводов от коррозии — еще одна большая
•область применения пластмасс в нефтяной, нефтехимической и газовой про-
мышленности.
Переработка нефти сопровождается выделением различных коррозионно-
•активных составляющих, разрушающе действующих на металлическую аппа-
ратуру и трубопроводы.
Степень коррозионной активности нефти зависит от содержания в ней раз-
личных сернистых соединений и водных растворов минеральных солей, спо-
собных вступать в химическое взаимодействие с металлом, вызывая его раз-
рушение.
Активность различных агрессивных реагентов связана с температурой сре-
ды. Такие вещества, как сероводород, элементарная сера и меркаптаны, спо-
собны разрушающе воздействовать на оборудование даже при невысоких
температурах. Сульфиды, полисульфиды и серосодержащие гетероциклические
углеводороды обладают коррозионной активностью при высоких температурах.
Принято различать низкотемпературную коррозию при температуре до
250° С (в отстойниках, газосепараторах, холодильниках и трубопроводах) и
высокотемпературную — при температуре более 250° С (в испарителях, ректи-
фикационных колоннах и печных трубах).
Самым коррозионноактивным соединением, содержащимся в сернистых
нефтях, является сероводород, наиболее интенсивно выделяющийся при распа-
де различных сернистых соединений (меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и
теофенов), который происходит при температурах крекинга.
Сероводород обладает способностью взаимодействовать с металлом, по-
этому образуется легко разрушающийся сульфид железа.
Сернистые соединения вызывают интенсивную коррозию не только углеро-
дистой стали, из которой в основном изготовлена аппаратура; при некоторых
процессах они разрушают свинец и специальную нержавеющую сталь.
Для устранения преждевременного разрушения оборудования и трубопро-
водов их рабочие поверхности изолируют химически стойкими неметалличес-
кими покрытиями. В качестве покрытий применяют специальные бетоны и
пластмассы (бетонные покрытия описаны в главе XIII).
Покрытия из пластмасс выполняют или в виде футеровки, т. е. обкладки
рабочей поверхности (обычно внутренней) листовым или штучным материа-
лом, или в виде лакового покрытия, имеющего небольшую толщину (доли
миллиметра).
Для футеровки используют винипласт, полиэтилен, полиизобутилен, поли-
метилметакрилат и материалы на основе фенолоформальдегидных смол
(АТМ-1, влагохимстойкие пресс-порошки).
Футеровочные листы и штучные материалы крепятся клеем или специаль-
ными замазками. Широко применяется замазка арзамит на основе фенолофор-
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАСТМАСС 315
мальдегидной смолы; она отличается щелоче-, кислото-, водо- и паростойко-
•стью, значительной плотностью, обеспечивающей непроницаемость различных
агрессивных соединений.
Иногда футеровка укладывается без крепления по всей поверхности к кор-
пусу аппарата или емкости.
Для футеровки труб Институтом санитарной техники Академии строитель-
ства и архитектуры СССР разработан применяемый промышленностью ориги-
нальный метод, основанный на том, что в процессе изготовления в пластмас-
совой трубе возникают внутренние напряжения. При нагревании происходит
релаксация остаточных напряжений, что приводит к некоторому расширению
трубы.
Если пластмассовую трубу вставить в стальную с небольшим зазором, то
при нагреве она плотно охватит внутреннюю поверхность стальной трубы.
Прочность соединения при этом получается вполне достаточной. Другой метод
футеровки — обжатие стальной трубы.
Для лаковых покрытий применяют перхлорвиниловые, бакелитовые и эпок-
сидные лаки и эмали различных марок; их наносят чаще всего распылением
или центробежным методом.
Область применения пластмасс как антикоррозионного материала ограни-
чена сравнительно низкой теплостойкостью.
Пластмассы применяются также для борьбы с поглощением промывочной
жидкости при бурении трещиноватых и пористых пород.
Куйбышевский индустриальный институт разработал и успешно применил
метод изоляции зон поглощения мочевиноформальдегидной смолой МФ-17.
Она помогает даже в том случае, когда тампонажные цементы не дают поло-
жительного результата [92]. Этот метод основан на том, что смола МФ-17, яв-
ляясь реактопластом, переходит под действием тепла и давления в скважине
в неплавкое-и нерастворимое состояние.
ВНИИБТ разработан метод борьбы с поглощением промывочной жидкости.
В глинистый раствор вводятся кусочки целлофана в качестве наполнителя.
Целлофан набухает в воде и препятствует уходу глинистого раствора в щели
и поры породы.
Для этой цели применяется также латекс. Он содержит 95% субмикроско-
пических частиц, размером 0,25 мкм. Микропоры в породе не бывают меньше
500 мкм и латекс свободно проходит в них. В присутствии минерализованных
пластовых вод латекс коагулирует и закупоривает поры. Для повышения
прочности тампона в латекс вводят лигнин.
Пластмассы используются также для крепления призабойной зоны. Укреп-
ление слабо связанных песков продуктивной зоны чрезвычайно важно. Выноси-
мый песок образует в стволе скважины пробки, перекрывающие доступ на по-
верхность нефти и газа, и сильно изнашивает подземное и наземное эксплуа-
тационное оборудование.
Сложность крепления продуктивной зоны связана с необходимостью сох-
ранения проницаемости продуктивного пласта.
В результате проведенных лабораторных и промышленных исследований
рекомендованы два типа смол — фенольные и карбамидные — в смеси с круп-
нозернистым песком. Наиболее эффективной признана карбамидная смола.
При обработке скважин в Краснодарнефти примерно в 82% случаев был
получен положительный результат.
Глава XII. РЕЗИНЫ
1. ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ РЕЗИНЫ
Резиной называется вулканизат смеси каучука с различными компонентами
(ингредиентами) ,[85]. Основой резины является каучук и его природа и свой-
ства определяют специфические свойства резины.
Выше было показано [гл. X], что основное отличие каучуков от смол состоит
в разнице их температур стеклования. У каучуков Тс лежит в области мину-
совых температур и, следовательно, при комнатной температуре они находятся*
в высокоэластическом состоянии. Ниже приведены температуры стеклования!
некоторых полимеров.
Наименование полимера Тс
Натуральный каучук (НК) .............................................—73-’
Бутадиенстирольный каучук (СКС)......................................—61
Нитрильный каучук (СКН-40)...........................................—23»
Полиизобутилен.......................................................—7 4-
Полистирол .....................-....................................4-81
Поливинилхлорид......................................................+75’
Полиметилметакрилат..................................................+6 8
Нитроцеллюлоза.......................................................+52
Поливинил бутираль...................................................+50
Кроме этого основного отличия, каучук должен быть способен к вулкани-
зации. Поэтому большинство каучуков, применяемых промышленностью, явля-
ются непредельными соединениями. Например, полиизобутилен, температура!'
стеклования которого ниже температуры стеклования натурального каучука,
в чистом виде не может быть применен для изготовления резин, так как не
имеет двойных связей и не способен к вулканизации.
Вулканизация — это сложный комплекс физико-химических процессов,
результате которых макромолекулы связываются между собой силами глав-
ных валентностей с образованием единой пространственной структуры. Харак-
тер этой структуры и обуславливает физико-механические свойства вулканиза-
та. В большинстве случаев вулканизуют специальным вулканизующим веще-
ством.
На рис. 118 показано изменение свойств натурального каучука в процессе
вулканизации.
Аналогичные кривые для натрийбутадиенового и бутадиенстирольного кау-
чуков даны на рис. 119 {85].
Из рисунков видно, что механическая прочность и эластичность в процессе
вулканизации возрастает, причем у натурального каучука они проходят через
максимум. Относительное и остаточное удлинения падают.
Для производства технических резин применяется натуральный каучук
(НК) марки смокет-шитс и большое количество синтетических (СК), число ко-
торых непрерывно увеличивается. В отечественной промышленности исполь-
зуются следующие виды СК: СКБ-натрийбутадиеновый (полимер бутадиена):
СКС-бутадиенстирольный (сополимер бутадиена со стиролом); найритовый
(полимер хлоропрена); СКН — нитрильный (сополимер бутадиена с нитрилом
ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ РЕЗИНЫ 317
-акриловой кислоты); СКТ — силиконовый (полимеры силандиолов); СКФ —
фторкаучук (полимеры или сополимеры фтороолефинов); бутилкаучук (сопо-
лимер изобутилена с изопреном); изопреновый (полимер изопрена); тиокаучук
(органический полисульфид); полиуретановый (полидиизоцианаты). Большин-
ство из перечисленных каучуков имеет несколько промышленных марок в за-
висимости от химического состава или соотношения исходных компонентов в
процессе полимеризации.
Натуральный каучук добывается из млечного сока некоторых деревьев —
каучуконосов; самое распространенное из них гевея, растущая в тропических
di субтропических зонах. Млечный сок каучуконосов представляет собой вод-
ную эмульсию каучука, получившую название латекса. Следует отметить, что
•большинство синтетических каучуков получаются в промышленности тоже в
жиде латекса, откуда он коагулируется коагуляторами (солями, кислотами
и т. д.)..
Кроме каучука в резину входят следующие ингредиенты: вулканизующие
Время вулканизации
Рис. 118. Зависимость физи-
ко-механических свойств на-
турального каучука в процес-
се вулканизации (при 135° С):
1 — предел прочности при
растяжении; 2 — относи-
тельное удлинение; 3 — на-
бухание; 4 — эластичность;
5 — твердость
вещества, ускорители вулканизации, актива-
торы, наполнители, противостарители и плас-
тификаторы (мягчители).
В специальные резины вводятся специ-
Время вулканизации
а) 5)
Рис. 119. Зависимость физико-механических
свойств каучуков:
а — СКС-ЗОА; и б — СКВ от времени вулка-
низации: 1 — предел прочности при растяже-
нии; 2 — модуль эластичности; 3 — относи-
тельное удлинение; 4 — остаточное удлинение
пористых резин, красители, абразивные вещества для шлифовальных материа-
лов, антипирены для снижения горючести резин и др.).
Вулканизирующим веществом для подавляющего большинства техниче-
ских резин является сера. Свойства вулканизата при прочих равных условиях
(состав смеси и др.) в значительной степени зависят от количества введенной
серы: при увеличении содержания серы до 15% прочность вулканизата возра-
стает; при дальнейшем увеличении количества связанной серы до 25% проч-
ность падает, а затем опять возрастает.
Жесткость и твердость резины с увеличением количества связанной серы
непрерывно возрастает вплоть до образования эбонита.
Для силиконового, бутил-каучука и ряда других в качестве' вулканизую-
щего вещества применяют органические перекиси (перекись бензоила, амины
и др.).
В присутствии только одной серы реакция вулканизации протекает чрезвы-
чайно медленно, а получаемые вулканизаты обладают низкими физико-меха-
ническими свойствами. Для ускорения процесса вулканизации и улучшения
свойств вулканизата в резиновую смесь вводят ускорители и активаторы вул-
канизации, которые вместе с серой образуют вулканизующую группу.
318 РЕЗИНЫ
В качестве ускорителей применяют каптакс (меркаптобензотиазол), ДФГ
(дифинилгуамидин), альтакс (дибензотиазолилдисульфид), тиурамы (тетраме-
тилтиурамдисульфид, тетраэтилтиурамдисульфид) и др.
В качестве активаторов наиболее широкое применение получила окись-
цинка. Могут быть использованы окислы других двухвалентных металлов,
(свинца, магния, кальция и т. д.).
Выбор вулканизующей группы определяется типом каучука и изделия, ко-
торое будет изготовляться из данной резиновой смеси (имеет значение толщи-
на изделия, условия его работы и т. д.).
Смесь каучука с вулканизующей группой называется чистой смесью. Чис-
тые (ненаполненные) вулканизаты каучука имеют ограниченное применение в
технике из-за низких физико-механических свойств (это особенно относится
к синтетическим некристаллизующимся каучукам). Введением наполнителей
можно значительно повысить прочность резины (для кристаллизующихся кау-
чуков в 1,1—1,6 раза, а для некристаллизующихся в 10—42 раз) и в широких
пределах изменять ее другие свойства.
Наполнители разделяются на усилители (активные наполнители), увели-
чивающие прочность вулканизатов, и инертные, не увеличивающие прочности.
Последние вводятся в резиновую смесь для придания вулканизату каких-либо
специфических свойств (химической стойкости, теплостойкости и др.).
Основным наполнителем технических резин является сажа. Сажи разделя-
ются на канальные, печные, термические, антраценовые, форсуночные, ацети-
леновые и ламповые.
В табл. 236 и 237 приведены механические свойства резин на основе натрий-
бутадиенового и бутадиенстирольного каучуков в зависимости от применяемых
саж [128].
Таблица 236
Механические свойства резин на основе натрийбутадиенового каучука,
наполняемых различными сажами
Наименование сажи ав в кГ/см2 8 В % в кГ/см2 V в см,2Кквт-ч) Упругий отскок в %
Газовая канальная 160 600 65 415 28—30
Антраценовая 155 500 60 400 30-33
Печная До 120 600 45 До 650 34—38
Форсуночная 95—105 500 30-35 600 34—38
Термическая 90 700 20 1100 38—40
Ламповая 80 500 35 700 34—40
Таблица 237
Механические свойства резин на основе бутадиенстирольного каучука,
наполненных различными сажами
Наименование сажи ° в в кГ/см2 8 в % °z в кГ,см2 V в см3/(кет,-ч) Упругий отскок в %
Газовая канальная 280 650 85 280 35
Антраценовая 280 600 80 250 38
Печная 160 615 62 360 45
Форсуночная 150 560 63 300 45
Термическая 140 890 35 760 50
Ламповая 100 640 50 425 47
Кроме типа сажи большое влияние на свойства вулканизата оказывает ее
дисперсность. Оптимальные свойства получаются при размере частиц сажи в
пределах 10—100 ммк.
ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ РЕЗИНЫ 319
В качестве усилителей начали применять различные смолы: феноло- и ани-
линоформальдегидные, поливинилхлорид и др.
Противостарители (антиоксиданты) применяются для повышения долго-
вечности резиновых изделий.
В процессе эксплуатации и даже просто хранения резина подвержена ста-
рению, обусловленному окисляющим действием кислорода воздуха (озона) по
месту сохранившихся двойных связей. Тепло, свет и механические воздействия
ускоряют процесс старения.
Любой вид старения в конечном счете сводится к деструкции каучуков,
т. е. к разрыву главных молекулярных цепочек, причем процесс этот является
автокаталитическим.
По характеру действия противостарители разделяют на физические и хи-
мические.
Физические противостарители, к которым относятся парафин, воск, церезин
и азокерит (горный воск), легко мигрируют на поверхность изделия и обра-
зуют тонкую защитную пленку.
Физические противостарители защищают резину главным образом от воз-
действия света и озона.
Действие химических противостарителей основано на ингибировании про-
цесса окисления каучука. Они разрушают перекиси каучука в первый период
их образования и производят обрыв цепи окисления каучука. К химическим
противостарителям относятся органические соединения самых различных клас-
сов (фенолы, первичные ароматические амины, аминофенолы и др.). Наиболее
распространены неозон Д (фенил-0-нафтиламин) и альдоль (а-нафтиламин).
Пластификаторы вводятся в резиновую смесь для уменьшения внутрен-
него трения в процессе ее переработки (смешения, формования) и для повы-
шения морозостойкости резины. В первом случае они выполняют роль мягчи-
телей. В качестве таковых используют нефтяные смолы и масла, каменно-
угольные смолы, канифоль, сосновую смолу и т. п. вещества. Для повышения
морозостойкости вводят сложные эфиры органических кислот (дибутилфталат,
дибутилсебацинат и др.). В определенной степени они одновременно служат и
мягчителями.
Каждый из ингредиентов вводится в определенном количестве. Примерное
соотношение ингредиентов в резиновой смеси приведено ниже.
Наименование ингредиента Количество
Каучук........................................................ 100
Вулканизующее вещество................................... 3—5
Ускоритель вулканизации.............................."... 1—2,5-
Активаторы .............................................. 0,5—1,5-
Наполнитель ............................................. 50—2 50'
Противостаритель ............................................... 0,5—1 ,5
Пластификатор...................................................... До 2 0
Единой общепринятой классификации резин так же, как и пластмасс
нет. В технике разделяют резины на мягкие (с твердостью по ТМ2 35—90 еди-
ниц и модулем упругости ниже 1,5 • 102 кГ!см2), жесткие или эбонитовые (мо-
дуль упругости эбонита в 1000 раз больше модуля упругости мягкой резины)
и пористые или губчатые.
В зависимости от вида каучука резины разделяются на следующие виды:
энковые — на основе натурального каучука (НК); бутадиеновые — на основе
натрийбутадиенового каучука (СКВ); стирольные — на основе бутадиенсти-
рольного каучука (СКС); нитрильные — на основе бутадиеннитрильного кау-
чука (СКН),—хлоропреновые — на основе найрита; силиконовые — на основе
кремнийорганического каучука (СКТ); бутилкаучуковые — на основе бутилкау-
чука; изопреновые — на основе изопренового каучука (СКН); тиоколовые—
на основе тиокаучука; фторкаучуковые—на основе фторкаучука (СКФ); по-
лиуретановые — на основе полиуретанового каучука.
320 РЕЗИНЫ
Существует еще ряд подразделений резин, носящих чисто условный харак-
тер: в зависимости от применяемого наполнителя резины делятся на сажена-
полненные и бессажевые; в зависимости от применяемого вулканизующего
агента резины разделяют на серосодержащие и бессерные; в зависимости от
назначения резины разделяют на шинные, камерные, рукавные, голошные и
другие и т. д.
Наиболее широкое применение в технике получили мягкие резины. Эбониты
и губчатые резины используются редко. Поэтому в настоящей книге приво-
дятся данные только о мягких резинах.
2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
РЕЗИН
В табл. 238 приведены типичные физико-механические и диэлектрические
характеристики резин на основе различных каучуков [85, 152, 204, 206].
Свойства резин, как и пластических масс, обусловлены свойствами высоко-
молекулярного соединения — каучука, входящего в их состав. Однако сущест-
венное влияние на свойства оказывают также тип и количество на-
полнителя, введенного в резиновую смесь, правильный подбор вулкани-
зующей группы.
Резине, также как и пластмассе, присущи и гистерезисная петля и ползу-
честь и релаксационный характер возникающих напряжений и влияние на свой-
ства времени действия нагрузки и температуры, но, как конструкци-
онный материал, она коренным образом отличается от всех других
материалов (в том числе и пластмасс) своими, в основном, деформационными
свойствами.
Первой отличительной особенностью резины является ее способность к боль-
шим практически полностью обратимым деформациям под действием не-
значительных нагрузок, т. е. способность к высокоэластической деформации
при обычных условиях (температура, давление). Величина высокоэластичес-
кой деформации зависит от каучука и глубины вулканизации [100]. Это озна-
чает, что жесткость резин по сравнению с другими материалами очень мала.
Ее модуль при растяжении не превышает 1,5 • 102.
Второй отличительной особенностью резины является величина коэффици-
ента Пуассона, равная 0,4—0,5 (у металлов, как известно, эта величина лежит
в пределах 0,25—0,30), т. е. при деформировании резина ведет себя как жид-
кость. Ее модуль объемного сжатия составляет 2,8-104 кГ/см2. Следовательно,
при всестороннем сжатии резина может выдерживать огромные нагрузки. В то
же врёмя, если зазоры в конструкции выполнены неправильно (велики), то
резиновая деталь вытечет в них при длительном действии нагрузки.
Резина больше, чем другие материалы, подвержена процессу ста-
рения, т. е. снижению свойств под действием атмосферных и эксплуатаци-
онных условий.
Влияние размеров и особенностей формы изделий из резины сказывается
на их работоспособности значительно больше, чем на изделиях из других кон-
струкционных материалов. Действительно, резина, как правило, работает в
условиях многократного изменения механических напряжений (амортизаторы,
шины и т. д.). В этих условиях часть механической энергии, воспринимаемой
изделием, расходуется на внутреннее трение в самом материале (внутри — н
межмолекулярное трение в каучуке и трение между молекулами каучука и
частицами ингредиентов) и преобразуется в тепло.
Теплопроводность у резины низкая и в толстостенных изделиях это приво-
дит к значительному нарастанию температуры и, следовательно, снижению
работоспособности.
Заказ 664
Таблица 238
Физико-механические и диэлектрические свойства резин на различных каучуках
Тип каучука % 8 0 °z Твердость по ТМ-2 Е при 300% растяжения Эластичность по отскоку V в см3/{кет, • ч) Эо я dX) Набухание в сме- си бензина с бен- золом (3: 1) за 24 ч в % Диэлектрические свойства
в кГ1см~ В 0 в кГ/см2 Pv В ОМ' см Диэлектри- ческая проницае- мость
Натуральный . . . 240—360 600—700 25—40 100 50—55 60—100 55-60 240—300 —62 200—250 1.1015—1 • 101в 2,6—2,7
Бутадиеновый СКВ различных марок 130—160 500—600 50—70 50—60 60—65 65 26—28 450 —42 — 1 • 1014ч-1 • 1016 2,5—2,8
СКБМ Бутадиенстироль- ные 140—160 500 50 55—60 60—65 65 35—40 4 50 До—68 — — —
скс-зо 240—280 550—650 15—25 85—95 65—68 90—110 40—42 200—240 —54 — 7 • 1 О14 2,7—2,8
СКС-ЗО-А ..... 250—300 600—700 15—25 80—90 65—68 70 35-40 260 —49 — — —
СКС-ЗОАРМ (мас- лонаполненный) 250—275 500 28 66—82 67—70 92 28—36 248—326 —48 — — —
СКС-10 190—220 550—650 15—25 66—7 7 65—72 — 46—50 — До-77 — — —
Бутадиеннитрил _ ные СКН-18 220—250 450—550 15—20 55—65 70—75 90—110 30—35 — -4 5-48 70 — —
СКН-26 240—300 550—650 20—30 60—70 70-75 100—120 2 5—30 200—230 — 30-35 38 1-10*° 10—11
СКН-40 260—330 600—700 20—30 V—75 75—80 110—120 10—15 — —20—25 20 — 16
X лоропреновый (найрит) .... 200—265 600—750 12 60—90 50—60 150 30—40 290—350 —34 80 — —
Силиконовый . . . 35—80 360 4 15—20 42 30—40 50 — До -74 180 3 -1 О13 5,5
Бутилкаучук . . . 160—240 650—800 30—45 65—95 50—60 30—60 8—12 170—250 —45 — 1-1016 2,6
Изопреновый . . . 320 970 25 65 58 48 49 400 — 58 — — —
Тиокаучук (тиокол-Д) . . . 38—42 250—430 40—80 4—5 64—84 — 20 1000—1800 —40 2,4 1 ,6-1016 4,0—4,5
Фторкаучук . . . 260 350 — — 75 — — — —43 — — —
Полиуретановый. . 320—450 550—670 — — — — — 40—70 —62 — — —
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЗИН 321
322 резины
Резина, как конструкционный материал, начала применяться значительно-
раньше пластических масс и свойства ее изучены лучше. Большинство из них
стандартизованы. Если по определению свойств пластмасс имеется 16 стандар-
тов, то для резины стандартизовано определение 48 показателей. Характерно-
тика некоторых из них приведена ниже [85, 152, 100, 171].
Предел прочности при растяжении резины лежит в пределах 35—
450 кГ!см2 и зависит от многих факторов, но главным образом от каучука.
Наиболее прочные на разрыв резины получаются на полиуретановом каучуке.
Наиболее слабые — на силиконовом.
Определяется предел прочности при растяжении по ГОСТу 270—64.
Как отмечалось выше, механические свойства резины резко зависят от тем-
пературы. На рис. 120 показано изменение предела прочности при растяжении
резин ,на различных каучуках от температуры.
Рис. 120. Зависимость предела проч-
ности при растяжении резин от тем-
пературы.:
1 — резина иа хлоропренового кау-
чука; 2 — резина из бутадиенсти-
рольного каучука холодной вулка-
низации; 3 — резина из бутадиен-
нитрильного каучука; 4 — резина
из натурального каучука; 5 — рези-
на из бутадиенстирольного каучука
горячей вулканизации; 6 — резина
из бутилкаучука
; Относительное удлинение при разрыве у резины очень велико (300—
500%). Наибольшее удлинение имеют резины, изготовленные на натуральном
каучуке.,
Относительное удлинение при разрыве включает в себя все три деформации:
упругую, высокоэластическую и пластическую. При этом определяющей являет-
Рис. 121. Зависимость относительного уд-
линения при разрыве резин от температу-
ры (обозначения те же, что и на рис. 120)
ся высокоэластическая деформация.
Определяется относительное удли-
нение при разрыве по ГОСТу 270—64.
Зависимость относительного удли-
нения от температуры показана на
рис. 121.
Относительное остаточное удлине-
ние после разрыва представляет собой
пластическую деформацию и невосста-
новленную часть высокоэластической,
которые сопровождают процесс разры-
ва резины. Величина ее сразу после
снятия нагрузки и через некоторое
время будет различна, так как высо-
коэластическая часть деформации по-
' ' ' степенно восстанавливается. Процесс
этот носит название-упругого последействия и протекает в наполненных рези-
нах: очень медленно.’ Поэтому стандартом предусмотрено определенное время
(1 мин), по истечений которого следует измерять остаточную деформацию.
Величина относительной остаточной деформации большинства резин лежит
в пределах 15—35%. Определяется остаточное удлинение по ГОСТу 270—64.
Сопротивление раздиру является специфической характеристикой резины
и определяется растяжением надрезанного образца специальной формы. Наи-
большим сопротивлением раздиру обладают резины на основе полиуретано-
вого каучука, наименьшим — резины на основе тиокаучука. Большинство ре-
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЗИН 323;
зин имеют сопротивление раздиру 60—90 кГ1см2. Определяется сопротивление
раздиру по ГОСТу 262—53.
Твердость резин, как и других материалов, определяется по сопротивле-
нию вдавливанию более твердого тела. Общеприняты два метода: вдавлива-
нием шарика на приборе ТШМ-2 (ГОСТ 253—53) и вдавливанием иглы на
твердомере ТМ-2 (ГОСТ 263—53)-.
Наиболее широкое применение в промышленности получил второй способ.
Поэтому в таблицах свойств резин приводится твердость, определенная па
твердомере ТМ-2.
Модуль при растяжении резин чрезвычайно мал и лежит в пределах
30—150 кГ!см2. Определяется модуль по ГОСТу 270—64 при каком-либо оп-
ределенном удлинении, так как с изменением удлинения в процессе рас-
тяжения меняется и модуль. Понятие модуля для резины имеет условный ха-
рактер.
Эластичность по отскоку, как и сопротивление раздиру, является специ-
фическим свойством резины и определяется > по ГОСТу 6950—54 посредством
удара бойком маятника, падающего с установленной высоты, по испытуемому
образцу.
Под эластичностью понимается высота, на которую поднимается об-
ратно маятник после удара по образцу.
Сопротивление истиранию резины определяется по методу Грассели
(ГОСТ 426—66) по потере объема образца, прижатого с заданным усилием
к истирающей поверхности вращающегося диска, представляющего собой шли-
фовальную шкурку.
Другая методика испытания резины на износ (ГОСТ 256—41) заключается
в обкатке образца резины, имеющего форму шарика, по кольцевому желобку
под заданной сжимающей нагрузкой и при определенной скорости.
В табл. 238 и 239 приведены данные, полученные по методу Грассели, на-
шедшему более широкое распространение. Наиболее износостойкими являются
полиуретановые резины.
Химическая стойкость резин в средах определяется по различным пока-
зателям в зависимости от условий работы детали: по изменениям веса (ГОСТ
421—59) и предела прочности и относительного удлинения при разрыве (ГОСТ
424—63), по времени появления трещин и разрыва образцов при постоянной
деформации (ГОСТ 6949—63), по изменениям стойкости к многократным де-
формациям (ГОСТ 11805—66), по времени до разрыва образца при постоянном
напряжении и скорости ползучести (ГОСТ 11596—65) и др.
Резины на основе натурального и натрийбутадиенового каучуков не обла-
дают химической стойкостью. Хлоропреновые и нитрильные резины бензине- и
маслостойки и применяются для изготовления изделий, работающих в этих
средах.
Разработанные в последние годы резины на основе бутилкаучука и фтор-
каучука обладают стойкостью по отношению к ряду химически агрессивных
сред, как кислотных, так и щелочных.
В табл. 239 приведены некоторые физико-механические характеристики
типовых марок резины на основе различных каучуков.
В промышленности имеется очень большое количество различных марок
резин, обусловленных разнообразием требований, предъявляемым к резино-
техническим изделиям, и технологическими особенностями процессов на раз-
ных заводах.
В табл. 239 приведены данные по резинам, объединяемым техническими
условиями: ТУ МХП 1166—58, ТУ 2204—54р и ТУ УТ—741—5. -
Температурный интервал работы резины зависит в определенной степени и
от среды, в которой она работает. Это особенно относится к верхнему
пределу температуры. В. таблице приведен максимально возможный интервал
работы.
21*
Физико-мехёниЧеская характеристика типовых марок резин на Основе различных каучуков
Таблица 239
Марка резины Тип каучука Удельный вес 3 са <50 О % я 9 о4- Д N Ф Твердость по ТМ-2 Коэффициент старе- ния за 144 ч при 70° С по изменению упру- гости в % О о ° Температур- ные условия эксплуатации в °C Изменение веса при воздействии среды в течение 24 ч в % Область применения
Смесь бензи- на и бензола (3:1) В масле МС при В тракторном керосине при 1 5—20° С В трансформа- торном масле при 70° С
70° С 130° С
3827 3853 1 ж 4ж 6ж 3949 56 3703 3701 331 1 НК НК НК НК НК нк нк нк нк нк 1 , 53 1 ,57 1,40 1 ,44 1 ,44 1,17 1 ,41 1 ,20 1 ,03 0,98 60 90 100 120 120 150 100 160 200 150 300 400 400 500 500 500 450 350 500 700 30 25 65 35 35 30 32 35 15 25 55—65 55—65 50—65 35—50 35—50 45-60 45—60 65—80 35-50 30—45 0,75 0,75 0,80 0,60 0,60 0,80 0,75 0,70 0,80 0,80 —48 — 48 —50 —50— —50 — 50 —50 —50 — 55 — 55 —45—(+80) —45—(+80) — 50—(+80) — 50—(+80) -50—(+80) — 50—(+80) — 50—(+80) — 50—(+80) — 50—(+80) —50—(+80) Не стойкая То же » » » » » » » » В среде воздуха, воды и спиртоглицерино- вой смеси
ВИАМ-2 1847 2959 нк нк нк 1 ,06 1 ,05 1 ,17 170 160 160 600 600 500 32 32 32 35—50 35—50 35-60 0,80 0,80 0,80 — 50 -55 -55 — 50—(+80) —50—(+80) —50—(+80) » » То же и касторового масла. Работают в соединении с метал- лом в качестве амор- тизаторов
2462 нк 1 ,40 100 300 30 65—80 0,70 —50 —50—(+80) » То же и в паровой среде
3687 200а 16р8 нк нк нк 1 ,28 130 200 200 500 500 500 30 40 40 40—55 50—60 50—65 0,75 0,80 0,80 —55 — 50—(+130) —45—(+80) —45—(+80) » » В среде воды и возду- ха для деталей, ра- ботающих на сжатие и скручивание
1626 71 нк нк — 100 100 400 400 30 30 4 5—60 45—60 0,70 0,70 — —45—(+60) —45—(+60) » » То же, амортизаторов и уплотнителей, ра- ботающих при зна- чительном сжатии
324 РЕЗИНЫ
7864 НК 160 600 25 35—45 0,80
120с-1 нк 100 300 30 65—75 0,60
7840 НК . 80 350 30 50—65 0,80
1740 нк 35 300 35 35—50 0,70
106 нк —' 160 250 45 70 — —
К-4355 НК — 220 600 36 50—60 0,70 —
93 нк — 170 300 35 70—80 — —
922 СКВ 1 ,14 45 300 35 50—65 0,80 —40
1432 СКВ 1 ,09 40 350 30 35—50 0,75 —43
2005 СКВ 1,11 35 400 30 40—50 0,70 —43
1448 СКВ 1 ,121 40 350 35 50—65 0,70 —40
2651 СКВ 1 ,13 50 250 30 45—60 0,60 —45
2671 СКВ 1 ,23 50 200 15 50—65 0,70 —50
2667 СКВ 1,15 35 200 20 40—55 0,70 — 55
3909 СКВ 1 ,20 35 200 25 45—60 0,70 —45
2696 СКВ 1 ,37 1 10 200 1 50 75-95 0,55 —
5168 СКВ 1 ,26 35 200 35 50—65 0,70 —40
—45—(4-80) — 4 5—(+80) » » В среде воздуха, во- ды, спирта, глице- риновой и касторо- вой смесей для ра- боты с металлом в качестве амортизато- ров
—30—(+60) —30—(+60) » » В среде воздуха и во- ды в качестве уплот- нения рам, окон, дверей и т. п.
—45—(+70) » Стойкая к истиранию и с большим сопро- тивлением статиче- ской деформации
— 45—(+80) Не стойкая В среде воды и возду- ха для работы на сжатие и скручива- ние
— То же В среде воды и возду- ха для работы на ис- тирание и сжатие
О ООО 00 00 00 00 1 ++++ тттт О Оо о 'Ф СО СО 1111 » » » » В среде воды, воздуха и спиртоглицерино- вой смеси в качестве прокладок, буферов, амортизаторов
_4 5-(+80) — 50—(+80) » » То же, в условиях значительного сжа- тия
_50-(+80) —40—(+80) » » То же, в условиях не- большого сжатия
—30—(+80) » В среде воздуха
—35—(+80) » В среде воды, возду- ха, пара и спирто- глицериновой смеси
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЗИН 325
Марка резины Тип каучука Удельный вес 3 Д О 8 в % ' и N О Твердость по ТМ-2 Коэффициент старе- ния за 144 ч при 70° С по изменению упру- гости в % д
1432 СКВ 40 350 25 40-50 0,75 —45
6298 СКБ 40 40 350 30 40—50 0,75
2652 СКБ — 40 350 30 40—50 0,75 .
259 СКБ — 40 350 30 40—50 0,75 —
6294 СКБ 35 250 30 50—60 0,80
4999 СКБ — 35 250 30 50—65 0,80
277 СКБ — 35 300 35 50—65 0,80
244 СКБ —-. 35 300 35 50—65 0,80
281 СКБ — 35 300 35 50—65 0,80
7008 СКБ — 35 300 35 55—65 0,80
7005 СКБ — 35 350 35 55—65 0,80
902 СКБ — 40 300 35 55—70 0,80 —
4049 СКБ 50 200 20 60—70 0,70
РП-1 СКБ — 45 200 30 60—75 0,70 - .
7471—15 СКБ — 50 200 25 50—60 0,70
7471 — 16 СКБ —’ 50 200 25 50—60 0,70 —
3909/4740 СКБ 35 200 25 45—60 0,70
3880 СКБ 35 200 25 75—85 0,70 —35
5487 СКБ 35 200 20 45—65 0,70
2961 сксв 1 ,36 80 450 25 50—65 0,78 —30
3109 сксв 1,35 80 350 25 55—70 0,60 —30
Продолжение табл. 239
Температур- ные условия эксплуатации в °C Изменение веса при воздействии среды в течение 2 4 ч в % Область применения
А Л 'о з О в <2 В ма МС 70° С еле при 130° С S s 2 О So * к° сЗ О О) СХ О I н а । (D lO СО СЗ 0) S ч о" сз О •S4 s 0 « со о1 _ о сх СО Н Е
—40—(+80) —30—(+80) —30—(+60) —30—(+60) Не стойкая То же » В среде воды, воздуха и спиртоглицерино- вой смеси в качестве прокладок, аморти- заторов при незначи- тельном сжатии
—30—(+60) —30—(+60) —30—(+60) —30—(+60) —30—(+60) —30—(+60) —30—(+60) —30—(+80) » » » » » /> » » В среде воды, воздуха и спиртоглицерино- вой смеси в качестве прокладок, буферов, амортизаторов, рабо- тающих в условиях повышенного сжатия
—35—(+80) —30—(+80) —45—(+60) » ?> » » В среде воды и возду- ха в качестве амор- тизаторов и уплотне- ний в условиях зна- чительного сжатия
—40—(+80) > —30—(+80) —30—(+60) » » » В среде воды и воздуха в качестве профиль- ных прокладок (рам, дверей, окон и т. п.) в условиях неболь- шого сжатия
। —40—(+130) 1 —40—(+130) +40 । — ±5 —5 +8 ±6 —6 4-9 4-2 4-2 ±15 В среде воды, возду- ха. бензина, кероси- на в качестве уплот- нений сальников, прокладок
326 РЕЗИНЫ
|
4061 сксв 1 ,40 100 300 20 65—80 0,70 —
2542 сксв 1 ,36 100 180 10 75—85 0,60 —40
3465 сксв 1 ,41 80 180 10 70—85 0,75 —40
551 сксв 1 ,45 100 300 25 65—80 0,80 —
3063 сксв 1 ,33 90 400 15 50—6 5 0,70 —38
ВИАМ-103 сксв 1 ,33 90 500 20 45—60 0,70 —45
ВИАМ-106 сксв 1 ,40 110 300 30 60—75 0,60 — 40
3508 сксв 1 ,38 70 450 20 50—65 0,70 —40
4094 сксв 1 ,78 70 30 10 85—100 0,60 — 20
3491 сксв 1 ,57 60 40 12 85—100 0,70 —ГО
4069 сксв 1 ,25 35 400 35 50—65 0,70 —85
590 сксв — 50 600 40 30—45 0,60 —
569 сксв 50 600 40 30—45 0,60
584 сксв — 50 600 40 30—45 0,60 —
С 53-19 сксв —- 80 350 25 50—65 — —
Р-1 сксв — 80 350 25 50—65 0,60 —
С-53-8 сксв 50 350 25 50—65 0,60 —
Р-4 сксв — 45 300 25 60—75 0,70 —
Р-6 сксв — 80 180 15 60—75 0,60 —
14к-22 скс-ю ПО 100 10 80—95 —70
4611 СКС-10 1,17 45 200 16 50—65 0,70 —65
14к-10 скс-10 1 ,14 55 275 10 50—60 0,70 —70
4591 скс 130 300 14 60—75 0,75 —35
292 СКС — 45 200 30 60—75 0,70 —
291 СКС 45 200 30 60—75 0,78
—зо—(4-130) —35—(+130) +30 -5 —2 +6 4-2 4-1 — Резины 2961, 3109, 3465 и 3508 также в среде масел (МС, МВП, МК-Ю, тран- сформаторного)
—50—(4-130) —30—(4-130) —30—(+130) —40—(+130) —40—(+130) —35—(+130) +35 +60 —5 +11 —8 —7 Не стой- кая —6 4-2 + 15 — 15 — 10 4-1 + 1 +2 + 15 + 15 — Резина 3063 хорошо работает с металлом в качестве амортиза- торов
—30—(+80) —30—(+80) —30—(+100) Не стой- кая То же +ю В среде воды, возду- ха, бензина, кероси- на и масла
—30—(+60) —30—(+60) —30—(+60) —30—(+80) —30—(+80) -30—(+80) —30—(+80) —30—(+80) Не стой- кая То же » » » » » » +20 —5 То же, в качестве уп- лотнительных про- кладок в условиях небольшого сжатия
—60—(+80) —60—(+80) В среде воздуха и спиртоглицериновой смеси
—6 5—(+100) В среде воздуха
—35—(+80) —45—(+80) — 45—(+80) Не стойкая То же В среде воздуха и во- ды в качестве амор- тизаторов и уплотни- телей в условиях значительного сжа- тия
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЗИН 327
Марка резины Тип каучука Удельный вес 1 и <50 О 5 в % И N Ф Твердость по ТМ-2 Коэффициент старе- ния за 144 ч при 70° С по изменению упру- гости в % О и
122 скс 100 300 30 65—75 0,60
4535 скс (. 60 500 40 50—65 0,60 —40
199 СКС — 35 200 25 55—70 0,70 —
560 СКС + + СКСБ — 80 200 10 50—65 —
98-1 скн 1,16 50 160 8 50—65 — —60
В-14 СКН 1 ,28 100 160 8 70—77 0,70 —50
В-14-1 скн 1 ,28 120 140 8 77—85 — —50
4410 СКН 1 ,30 70 170 12 70—85 0,70 — 50
4326 скн 1 ,25 80 170 12 65—80 0,70 —50
4327 скн 1,27 80 170 12 65—80 0,70 —50
Продолжение табл. 2 39
Изменение веса при среды в течение воздействии 24 ч в %
Температур- ные условия эксплуатации в °C бензи- ;нзола В масле МС при горном те при 0 С :форма- масле 0 С Область применения
Смесь । на и бе (3:1) 70° С 130° с В трак- кероси! 15—20 В транс торном при 70
—45—(+80) —45—(+80) Не стойкая То же В среде воздуха, во- ды, спирто-глицери- новой и касторовой смеси для работы в соединении с метал- лом в качестве амор- тизаторов
—30—(+60) » В среде воды и возду- ха для профильных уплотнений (дверей, рам, окон), работаю- щих в условиях не- большого сжатия
—30—(+70) Не стойкая В среде воды, воздуха и масла. Стойкая к естественному старе- нию
—60—(+100) —60-(+Ю0) —60—(+100) —50—(+100) —55—(+100) —55—(+100) +35 +35 +35 +50 +35 +20 — —17 — 12 — 12 — 1 1 —20 + 18 + 18 +20 + 12 +6 j В среде воды, возду- ха и спиртоглицери- новой смеси, бензи- на, керосина и масла (МВП, МК, МС. трансформаторного и др.) в условиях сжа- тия и трения в ка- честве прокладок, манжет, колец и т. п. деталей
328 РЕЗИНЫ
1
3819 скн 1 ,25 90 300 25 50—65 0,80 —45
9722 скн 1 ,30 60 500 25 45—55 0,70 —
4214 скн 1 ,29 95 250 25 60—75 — —30
9813 скн 1 ,18 100 300 15 55—70 — —30
3825 скн 1 ,31 100 120 10 80—95 0,80 —30
3823-С скн 1 ,35 80 200 25 60-75 0,80 — 20
3824 скн 1,19 65 320 20 40—55 0,75 — 45
3826-С скн 1 ,35 80 300 24 60—75 0,75 —27
3834 скн 1 ,28 70 250 30 50—65 0,80 —33
4004 скн 1 ,25 100 200 28 70-85 0,70 —15
4008 скн 1 ,25 100 100 20 75—85 0,70 — 22
3838 скн 0,75 15 150 15 55—70 0,70 — 15
3883 скн 0,78 20 150 25 55—70 0,70 — 15
3706/10 скн — 90 400 30 55-65 0,65 —
3706/1 1 скн — 70 350 35 65—80 0,70 —
1
—30—(+100) —5 — 25 В среде воды, возду-
ха, бензина, кероси-
—30—(+100) +8 — — на и масла в качестве
+20 уплотнительных де- талей (манжет, саль-
—30—(+100) + 15 — — 12 — — ников, прокладок), вращающихся и не-
—30—(+130) +35 — —4 5 — — подвижных валов и при возвратно-посту-
пательном движении,
—30—(+100) + 15 — — 10 ±7 ±7 а также других де- талей
—30—(+100) +2 0 В среде воды, возду-
ха, бензина, кероси-
—30—(+100) —8 — —30 — — на и масла в каче- стве уплотнительных
—40-(+Ю0) + 15 — —10 ±5 + 5 —3,5 деталей (манжет, сальников, прокла- док) вращающихся и
—30—(+100) + 16 — —16 +7 +5 — неподвижных валов при возвратно-пос- тупательном движе-
—30-(+Ю0) +20 — —6 +5 нии, а также других деталей
+3 +3,5
—30—(+100) +30 — —3 — —
—30—(+100) +28 — — 12 — —
—30—(+100) +30 — — 12 — —
—30—(+60) Не ; стойкая Резины цветные (ко-
ричневые). Применя-
—30—(+60) То же ются для декоратив- ных прокладок в сре- де воды и воздуха
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕЗИН 329
Марка резины Тип каучука Удельный вес 3 со t> 5 в % и N Ф Твердость по ТМ-2 Коэффициент старе- ния за 144 ч при 70° С по изменению упру- гости в % и о и
4161 скн — 50 250 30 40—55 0,75 —
Н-26-1 скн — 70 400 25 45—60 0,60 j
Н-26-12 скн — 70 400 25 45—60 0,60 -
787 скн — 100 180 10 70—85 0,60 —
4214 СКН — 80 200 20 60—75 0,80 —
98/26—3 СКН — 100 160 10 70—80 0,60 —
НО—68—1 Найрит 1 ,24 90 250 12 55—70 — —55
14р-2 скт — 22 170 — 4,5—9* — —62
14р-6 СКТ — 25 200 — 8* — —65
14р-1 5 СКТ — 25 200 — 8* — —65
5Р-129 СКТ — 25 170 — 45—10,5- — —60
Твердость по ТШМ-2.
Продолжение табл. 239
Температур- ные условия эксплуатации в °C Изменение веса при воздействии среды в течение 24 ч в % Область применения
Смесь бензи- на и бензола (3:1) В масле МС при В тракторном керосине при 15—20° С В трансформа- торном масле при 70° С
70° С 130° С
—30—(+80) —30—(+60) —30—(4-60) Не ся +20 +20 гой кая — +20 — 10 — В среде воды, возду- ха, бензина, кероси- на, масла в качестве уплотнительных про- кладок в условиях небольшого сжатия
—30—(+60) —30—(+100) —45—(+80) — — — ±10 5 То же В условиях значитель- ного трения
—55—(+100) +45 — —5 — — В среде воздуха
—60—(+250) —60—(+200) —60—(+200) — — +40- — — В среде воздуха, озо- на, савола и элек- трического поля для прокладок, шайб, трубок и др. деталей, работающих при де- формации около 1 0%. То же, в масле типа МК-8
:330 РЕЗИНЫ
переработка резин в изделия 331
3. ПЕРЕРАБОТКА РЕЗИН В ИЗДЕЛИЯ
Методы переработки резин в изделия очень разнообразны и обуславливают-
ся конструкцией изделия. По методу получения изделия разделяют на фор-
мовые (получаемые в прессформах) и неформовые. Однако любой метод полу-
чения резинового изделия обязательно включает следующие операции: приго-
товление сырой резиновой смеси, изготовление заготовок, формование изделия,
вулканизацию и обработку [81, 85].
Приготовление сырой резиновой смеси состоит в смешении ингредиентов
с каучуком и идет в резиносмесителях или на смесительных вальцах.
Изготовление заготовок преследует цель — придание сырой резиновой сме-
си формы, близкой к форме будущего изделия, или формы, удобной для кон-
фекцни неформовых изделий. Листовые заготовки изготовляют на коландрах
с последующим дублированием тонких листов и раскроем. Профильные заго-
товки получают на червячных прессах (шприцмашинах).
Формовые изделия формуют в прессформе под давлением гидравлического
пресса. Существуют два метода формования: прямое прессование и литье под
давлением. В первом случае заготовка из сырой резиновой смеси заклады-
вается непосредственно в оформляющую полость прессформы, при смыкании
которой под давлением пресса резина заполняет форму, а излишки вытекают
наружу.
При литье под давлением сырая резиновая смесь, нагретая до 80—100° С,
загружается в специальную литьевую камеру откуда под большим давлением
(порядка 800—1000 кГ1см2) продавливается через литниковую систему в
оформляющую полость сомкнутой уже прессформы. В этом случае не требует-
ся специальных заготовок и почти все заготовительные операции могут быть
сокращены. Кроме того, этот процесс сводит до минимума последующую об-
работку изделий и уменьшает потери резины при формовании.
Значительно сложнее формование неформовых изделий. Процессы эти до
сих пор мало механизированы.
Процесс вулканизации является пожалуй наиболее важным, определяющим
качество будущего изделия.
Формовые изделия, получаемые прессованием, вулканизуются на тех же
прессах, где и формуются, т. е. процесс формования непосредственно перехо-
дит в процесс вулканизации.
При литье под давлением вулканизуют отдельно в специальных прессах —
автоклавах, куда переносятся прессформы после заполнения их резиной.
Неформовые изделия вулканизуют в специальных автоклавах — вулканиза-
торах.
Процесс вулканизации протекает при повышенных температуре и давлении.
Давление при вулканизации на прессах и в прессах — автоклавах определяется
усилием, необходимым для предотвращения раскрытия прессформ, а при вул-
канизации в автоклавах —давлением подаваемого пара.
Пресса и автоклавы обогреваются, как правило, паром давлением 3 кГ/см2
температура 142,9°.
Время вулканизации зависит от многих факторов и колеблется от 20 мин
до нескольких часов.
Последняя операция — обработка готовых деталей — состоит в обрезке или
шлифовке облоя, остающегося по месту разъема прессформы.
По конструкции резиновые изделия разделяют на чисто резиновые, резино-
тканевые и резино-металлические. Армирование тканью применяется при необ-
ходимости повысить прочность изделия (буровые рукава, транспортерные лен-
ты, шинный корд и т. п.). Для получения резино-тканевых изделий на ткань
предварительно наносится сырая резина на специальных шпрединг-машинах.
Затем производится конфекция или прессование.
Армирование металлом применяется в случае необходимости повышения
жесткости изделия и улучшения условий крепления его в узле. В этом случае
332 резины
прочность крепления резины к металлу имеет очень большое значение, так
как во многих случаях определяет эксплуатационные качества детали.
Применяются три способа крепления резины к металлу: при помощи эбо-
нита, латунированием и клеем. Наибольшее распространение получили два
последних способа. Крепление проходит в процессе вулканизации.
Латунные покрытия, нанесенные заблаговременно, обязательно покрываются
слоем сырой резины для предохранения латунного покрытия от окисления.
Прочность крепления резины к металлу на отрыв при помощи латунирова-
ния составляет 40—60 кГ/см2.
Более высокую прочность крепления дает клей (до 80—100 кГ1см2}. Самым
распространенным является клей лейканат. Наносится он на металлическую
поверхность непосредственно перед закладкой в прессформу. Все сказанное
справедливо для нелегированных и малолегированных сталей.
4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗИНЫ
Резины применяются в нефтяной и газовой промышленности для изготов-
ления уплотнений, амортизаторов, подшипников. Особенно широкое примене-
ние получили резины, как стойкие к абразивному износу материалы, в буро-
вом оборудовании, работающем в тяжелых условиях абразивного изнашивания
и ударных, вибрационных нагрузок.
Требования к резинам различного назначения, естественно, различны.
Резино-металлические детали для турбобуров изготовляются по ГОСТу
4671—63 и представляют собой опорный подшипник (подпятник) и радиаль-
ные подшипники (ниппель и средняя опора), применяемые в бурении нефтя-
ных скважин при температуре до +110° С.
Резина для этих деталей должна, согласно стандарту, удовлетворять сле-
дующим техническим требованиям:
Предел прочности при растяжении (не менее) в кГ/см2............. 150
Относительное удлинение при разрыве (не менее) в % ............ 2 60
Остаточное удлинение после разрыва (не более) в %................ 25
Сопротивление раздиру (не менее) в кГ^см2........................ 50
Твердость по ТМ-2.............................................. 70—80
Истирание по ГОСТу 426—6 6 (не более) в см3/(кет • ч) .......... 300
Прочность крепления резины к металлу на отрыв, (не менее) в кГ/см2 55
Изменение веса при испытании на набухание в жидкостях в течение
2 ч в объемной смеси 95% бензина (ГОСТ 443—56) и 5% бензола
(ГОСТ 8448—61) при температуре 20+5° С (не более) в % ... . 5
До последнего времени для изготовления резино-металлических деталей
турбобура применялась резина на основе натурального каучука марки 93.
Однако практика эксплуатации турбобуров показала, что она не вполне
пригодна для этой цели и особенно для подпятников, работающих в наиболее
тяжелых условиях. Межремонтный срок службы турбобуров лимитируется
именно работоспособностью пяты.
Положение усугублялось при повышении глубин бурения и, как следствие,
повышения забойной температуры.
В результате многолетней совместной работы ВНИИБТ и НИИРП разрабо-
тали на основе нитрильных каучуков новые масло-бензино- и теплостойкие
резины [37, 44, 45]. Резина ИРП-1124 введена в ГОСТ 4671—63. Резина ИРП-
1294 находится в стадии внедрения.
В табл. 240 приведены механические свойства резин ИРП-1124 и ИРПД294.-
Стендовые испытания, проведенные в ВНИИБТ, показали, что изйЬсостой-
рость резины ИРП-1294 почти в 2 раза выше, чем у резины ИРП-1124 и бо-
лее, чем в 6 раз выше, чем у резины 93 (табл. 241).
Результаты лабораторных исследований полностью подтвердились при ис-
пытании подшипников на буровых. В табл. 242 приведены результаты сравни-
ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗИНЫ 333
.Механические свойства
Таблица 240
Резина Сопротивле- ние разрыву в кГ!см2 Относительное удлинение при разрыве в % Остаточное удлинение при разрыве в % Раздир по Гудричу в кГ/см2 Твердость по ТМ-2
ИРП-1294 ИРП-1124 194 203 430 412 И 10 80 70 76 76
Резина Модуль сжатия в кГ1см2 Истирание по Грассели в см2! (кет ч) Остаточная относительная деформация сжатия за 98 ч при 130° Св % Температур при 1 Сопротивление разрыву в кГ)см2 юстойкость 30° С Относительное удлинение в %
ИРП-1294 ИРП-1124 69 88 150—200 150-200 76 87 85 75 236 160
Таблица 241
Сравнительная износостойкость резин
Резина Удельная нагрузка в кГсм2 Рабочая жидкость Темпера- тура воды в °C Продолжи- тельность испытаний в ч Средний износ
в Г от веса образца в %
98 75 Вода 80—90 2 0,082 7,5
ИРП-1124 75 » 80—90 2 0,025 2,07
ИРП-12 94 75 » 80—90 2 0,014 1 ,22
Таблица 242
Результаты сравнительных промысловых испытаний подшипников турбобура при бурении
Резина Интервал бурения в м Средняя стойкость подшипников (в часах ме- ханического бурения) Характеристи раст: у в Г/см2 ка глинистого вора в % песка Температура по термо- грамме в °C
93 ИРП-1124 ИРП-1294 3100—3130 2800—3300 3100—3325 2800—3620 10 21 ,5 15 49 1 ,24—1 ,29 1 ,24—1 ,26 1 ,24—1 ,30 1 ,22—1,28 8—10 7—8 3—4 3-4 127—130 125—134 • 125—130 125—150
тельных испытаний подшипников турбобура ТС4А-6 5/8" из трех резин при
бурении шарошечными долотами, а в табл. 243 при бурении алмазными.
В табл. 244 приведены результаты испытаний средних опор турбобура.
Из приведенных данных следует, что подшипники из новых резин в 3—4
раза более долговечны по сравнению с подшипниками из резины 93.
334 резины
Таблица 243
Результаты сравнительных промысловых испытаний подшипников турбобура при бурении
алмазными долотами
Резина Коли- чество комплек- тов Интервал бурения в м Пройдено метров Средняя стойкость опор (в часах механиче- ского бурения) Характеристика глинистого раствора Темпера- тура по тер- мограмме- в °C
V в Г /см2 в % песка
ИРП-1294 2 3076—3735 564 212,5 1 ,37 1 ,5—2,0 145-165
93 2 3764—3967 102 49,0 1 ,36 1 ,5 165-170
Результаты испытаний средних опор турбобура
Таблица 244
Резина Конструк- ция средней опоры Коли- чество турбо- буров Интервал бурения в м Среднее время работы в ч Характеристика глинистого раствора Темпера- тура по тер- мограмме ’ в °C
V в Г/см2 в % песка
93 Серийная 3 3100-3325 24 1 ,24-1 ,30 3-4 125—130
ИРП-1294 Опытная 3 2800—3620 80 1 ,22 — 1 ,28 3-4 125—150
Поршни резиновые самоуплотняющиеся. Уплотнения штоков и резиновые
уплотнения цилиндровых втулок поршневых буровых насосов работают на ис-
тирание и сжатие при давлении до 320 кГ/см2 в среде щелочных глинистых
растворов с примесью нефти. Резина, применяемая для их изготовления
(ГОСТ 11267—65) должна удовлетворять следующим техническим требова-
ниям:
Предел прочности при растяжении в кГ/см2, не менее................ 160
Относительное удлинение при разрыве в %, не менее..................300
Относительное остаточное удлинение после разрыва, в %, не более ... 20
Сопротивление раздиру в кГ/см2, не менее............................. 6 5
Твердость по ТМ-2 (ГОСТ 263—-53) ............................,. . . 85
Истирание по ГОСТу 4 26—66 в см2/(квт • ч)........................2 50
Прочность крепления к металлу на отрыв кГ/см2, не менее........... 50
Изменение веса при испытании на набухание в течение 2 4 ч в объемной
смеси 95% бензина (ГОСТ 443—56) и 5% бензола (ГОСТ 8448—61)
при температуре 20+5° С, %, не более.............................. 2,5
Для буровых насосов из резины изготовляются также уплотнения клапа-
нов, станины и прокладки. Технические требования к резине, применяемой
для изготовления этих деталей, почти не отличаются от приведенных выше.
В процессе вращательного бурения стенки бурильных труб сильно изнаши-
ваются. Для предохранения их применяют специальные кольца (табл. 245), ко-
торые выпускаются по ГОСТу 6365—52.
Для подачи промывочной жидкости от монифольда к бурильным трубам в-
качестве гибких трубопроводов применяются буровые резино-тканевые рукава,
армированные штуцерами (ГОСТ 5232—50).
Буровые рукава рассчитаны на работу под давлением до 100- кГ/см2. Дав-
ление разрыва не менее 230 кГ/см2. По требованию буровиков резиновая про-
ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗИНЫ 33S’
Свойства резины для колец
Таблица 245
Свойства Исходные данные После набухания в нефти 24 ч при 1 5—20° С
Предел прочности при растяжении в кГ/см2, не менее . . . 80 80
Относительное удлинение при разрыве в %, не менее . . . 400 400
Относительное остаточное удлинение после разрыва в %, не более 10 10
Набухание в ишимбаевской нефти в % — ' 124-2 1
Твердость по ТМ-2 55-75 — 1
Истираемость по ГОСТу 42 6—тб 6 в см3/(кет • ч), не более 800 —
мышленность выпускает буровые рукава на более высокое давление, но они
еще не стандартизованы.
Резина для внутренней камеры рукава должна удовлетворять следующим
требованиям:
Набухание в нефти в течение 12 ч при 15—20° С, в % весовых, не более 8
Набухание в 20%-ом растворе NaOH в течение 24 ч при 15—10° в %
весовых....................................................... | , 5
Коэффициент морозостойкости при температуре — 45° С (ГОСТ 408—66), (
не менее .......................................................0,4
.Сопротивление при расслаивании внутреннего слоя резины и ткани после
. набухания в нефти в течение 12 ч при 15—20° С, в кГ/см ширины, не
менее...........................................................2
Из резины изготовляются также вращающиеся и неподвижные превенто-
ры, кольца Беттиса, и много других изделий.
Большое распространение получили в нефтяной промышленности О-образ-
ные уплотнительные кольца. Они применяются в турбобурах, электробурах и
ряде других машин. Их преимущество перед обычными манжетами — в прос-
тоте изготовления и монтажа. Они вполне надежны в работе и держат дав-
ление до 300 кГ1см2.
Применяются резины и для изготовления емкостей для хранения нефти и
нефтепродуктов и переносной тары.
Таблица 246
Физико-механические свойства основных амортизационных резин
Амортизаторы КГ/СМ2 8 В % Твердость по ТМ-2 Темпера- тура хрупкости в °C Маслостойкость
Сборные 150 600 35—50 —55 Не маслостойкий
Сварные: пластинчатые 160 500—600 35—60 —55 То же
АКСС (до нагрузки 1 5 кГ) 50 500 30—40 — 45 »
АКСС (до нагрузки 160 кГ) 100 450 40—55 —40 Маслостойкий
АКСС (до нагрузки 400 кГ) 110 400 50—60 —40 »
AM 160 600 35—50 — 55 Не маслостойкий
АП 100 450 40—55 —40 Маслостойкий
АР (до нагрузки 2 50— 500, 1000) 150 550 35-45 -50 Не маслостойкий
АР (до нагрузки 600— 1200, 2000 кГ) .... 160 400 45—60 — 45 То же
Цилиндрические 160 500—600 35—60 — 55 »
Резино-пневматические АПС 150 550 35—4 5 —50 »
Резино-пружинные 50 200 50-65 —70
336 РЕЗИНЫ
Газопроницаемость резки на различных каучуках
Таблица 247
Каучук Наполнитель Содержа- ние наполни- теля в % (объемных) Коэффициент проницаемости р • 10“3 в мл-см2/атмХ Хсек-см Коэффициент диффузии D • 10—6 в см2/сек Коэффициент сорбции а • 10""2 в мл/(см2 атм)
НК Ламповая сажа 5 20 4,40 2,70 0,46 0,35 9,5 7,9
Каолин 5 20 5,20 2,60 0,44 0,30 И ,8 8,6
Молотая слюда 5 20 3,00 1,40 0,32 0,21 9,3 6,9
СКВ Ламповая сажа 5 20 4,40 3,90 0,40 0,38 10,0 11 ,0
Каолин 5 20 4,40 3,00 0,52 0,40 8,5 7,2
Молотая слюда 5 20 3,00 1 ,50 0,25 0,15 12,0 10,0
скс-30 Ламповая сажа 5 20 3,20 2,90 0,24 0,25 13,3 10,6
Каолин 5 20 2,80 1 ,40 0,26 0,20 10,7 7,0
Молотая слюда 5 20 2,10 0,90 0,17 0,13 12,3 8,6
скс-10 Ламповая сажа 5 20 4,80 4,50 0,43 0,41 11,1 10,8
Каолин 5 20 4,50 3,00 0,38 0,30 11,8 10,0
Молотая слюда 5 20 2,60 1 ,50 0,20 0,15 13,0 10,0
СКН-26 Ламповая сажа 5 20 0,90 0,77 0,12 0,08 7,5 9,5
Каолин 5 20 0,45 0,25 0,14 0,06 3,2 4,1
Молотая слюда 5 20 0,37 0,12 0,072 0,026 5,1 4,6
Хлоро- прен Ламповая сажа 5 20 0,70 0,53 0,06 0,05 11,6 10,6
Каолин 5 20 0,76 0,43 0,053 0,043 14,3 10,0
Молотая слюда 5 20 0,45 0,20 0,040 0,025 10,5 8,2
Полиизо- бутилен Алюминиевая пудра 5 20 0,11 0,11 0,010 0,023 10,0 5,0
Каолин 5 20 0,20 0,10 0,050 0,055 4,0 1 ,9
ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗИНЫ 337
• В США, например, разработана конструкция складного резинового резер-
вуара емкостью 18,5 м3 и более для подводного хранения воды, топлива и неф-
ти на морских разработках.
Проводятся работы по использованию латекса для снижения приемистости
поглощающих горизонтов и последующего увеличения эффективности цемент-
ных заливок [118].
Широко применяется резина как амортизационный материал в различных
машинах и приборах.
Физико-механические свойства резин, применяемых для изготовления амор-
тизаторов разной конструкции, приведены в табл. 246.
Не менее широко используется резина в качестве газонепроницаемого мате-
риала (кислородные шланги, уплотнения, баллоны и т. д.). Газонепроницае-
мость резин зависит от свойств каучука, глубины вулканизации, вида, струк-
туры и количества наполнителя. Газонепроницаемой считается резина, прони-
цаемость которой лежит в пределах 0,06—5 • 10—8.
Газопроницаемость резин на различных каучуках приведена в табл. 247.
Некоторые марки резин применяются в качестве химически стойкого мате-
риала для защиты металла от коррозии в условиях воздействия жидких и га-
зообразных коррозионно-активных сред. Химическая стойкость резин зави-
сит главным образом от свойств применяемого каучука и в некоторой степени
от ингредиентов. Так, например, белая сажа повышает стойкость к соляной
кислоте, но снижает стойкость к щелочам. Введение в резиновую смесь пара-
фина, азакерита и других химически стойких мягчителей, мигрирующих на по-
верхность и образующих пленку, повышает химическую стойкость. Однако
решающую роль играет каучук. В табл. 248—251 приведены данные по хими-
ческой стойкости резин на основе каучуков, наиболее широко используемых
промышленностью.
Таблица 248
Химическая стойкость резины на основе некоторых каучуков
Резина Кислота с концентрацией в % (весовых) Едкий натр до концент- рации в % (весовые)
Азотная Серная Фосфор- ’ ная Соляная Фтористо- водород- ная
Резина на основе: СКБ скс-зо скн Найрита ПИ* До 5 и 25° С До 10 и 70° С До 10 и 70° С До 25 и 100° С До 50 и 50° С До 50 и 65° С До 50 и 65° С До 50 и 65° С До 75 и 100° С До 40 и 60° С Любая до 70° С До 80 и 60° С До 80 и 60° С До 80 и 100° С Любая до 20° С Любая и 20° С Любая и 20° С До 36 и 100° С Не стойки к горячей кислоте До 44 и 20° С До 44 и 20° С Любая Любая до 70° С Любая до 70° С До 50 и 70° С До 40 и 100° С
* ПИ — полиизобутилен, используемый в виде композиции с сажей и графитом (марки'
ПСГ).
Гуммирование производится различными методами: обкладкой сырыми ре-
зиновыми листами и обмазка пастой (раствором) с последующей вулканиза-
цией (с нагревом или без); вставкой (свободной или приклеиванием) готовых
резиновых вкладышей и другими методами в зависимости от конкретных усло-
вий, а также формы и размеров защищаемого оборудования.
22 Заказ 664
338 резины
Химическая стойкость хлорсульфированного полиэтилена
Таблица 249
Среда Концентрация в % (весовая) Темпе- ратура в ° С Стойкость
Аммиак Жидкий, 20 Не действует или слабо действует
безводный
Хромовая кислота 50 65 То же
То же Концентри- 20 —
рованная
Соляная кислота 36 50 —
То же 36 70 Умеренно действует
Плавиковая кислота 48 70 Не действует или слабо действует
Азотная кислота До 20 70 То же
То же До 70 70 Умеренно действует
Фосфорная кислота 85 93 Не действует или слабо действует
Серная кислота До 50 93 То же
То же 95,5 50 Умеренно' действует
Уксусная кислота Ледяная 20 То же
Едкое кали Концентри- 20 Не действует или слабо действует
рованный
Едкий натр 50 70 То же
Таблица 250
Набухание резин на фторкаучуке
Среда Набухание в % (объемных) при 20° на время в сутках
1 2 27
Белая дымящая азотная кислота 12 22 24
Красная дымящая азотная кислота 9 15' 24
Таблица 251
Влияние азотной кислоты и перекиси водорода при различных температурах
на механические свойства резки на основе фторкаучука
Свойства Красная дымящая азотная кислота Перекись водорода (90%)
исход- ная через час при исход- ная через час при
20° С 70° С 20° С 70° С
Предел прочности при растяжении в кГ1смг 130 115 92 130 125 125
Твердость по ТМ-2 53 52 48 56 55 57
Относительное удлинение в % 630 610 575 700 665 700
Резины на основе СКН и найрита стойки также к нефтепродуктам, содер-
жащим до 25—30% ароматических углеводородов, СКН стойки к пропану
и бутану.
Наиболее химически стойки резины на основе хлорсульфированного поли-
этилена, этиленпропиленового каучука и фторкаучука (табл. 248—251). Фтор-
каучук используется для получения и маслобензостойких резин.
Глава XIII. ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
1. ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ ЦЕМЕНТОВ И БЕТОНОВ
Цементом называется минеральное вяжущее, полученное в результате тон-
кого измельчения клинкера, состоящего преимущественно из гидравлического
силиката кальция, образующего с водой тестообразную массу, способную пре-
вращаться в высокопрочный камень.
Цементное тесто твердеет от гидратации, представляющей сложный хими-
ческий и физико-химический процесс взаимодействия цемента с водой.
Водный раствор цемента с~заполнителями (песком, щебнем и др.) называет-
ся бетонной смесью. Отвержденная бетонная смесь называется бетоном.
В нефтяной и газовой промышленности цементы и бетоны используются
главным образом для цементирования (тампонажа) скважин, строительства
хранилищ для нефти и нефтепродуктов и в нефтехимической промышленности
для защиты трубопроводов и тепловой изоляции аппаратов.
Основной цемент, используемый промышленностью, это портландцемент и
его модификации. В значительно меньшем объеме применяются глиноземис-
тый и другие цементы.
Портландцемент представляет собой тонкоизмельченный клинкер, получен-
ный спеканием при высокой температуре глинистых известняков или искусст-
венных смесей, содержащих углекислый кальций и глину. В состав цемента
вводится также небольшое количество гипса CaSO4 • 2Н2О. Обжиг смеси для
получения клинкера ведется при температуре 1300—1500° С.
Портландцементный клинкер имеет следующий минералогический состав:
трехкальциевый силикат (3Ca-SiO2), условно обозначаемый C3S=40-4-60%;
двухкальциевый силикат (2СаО • SiO2) условно обозначаемый C2S=20-4-30%;
трехкальциевый алюминат (ЗСаО-А12О3) условно обозначаемый С3А=5-Н13%;
четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО • Al2O3Fe2O3), условно обозначаемый
C4AF = 8-4-14%.
Трехкальциевый силикат, составляющий значительную часть цемента, обла-
дает самой высокой прочностью по сравнению с другими минералами. Проч-
ность быстро нарастает по мере затвердевания цемента. Двухкальциевый си-
ликат не обладает высокой прочностью и затвердевает медленно. Трехкальцие-
вый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит обладают быстротвердею-
щей способностью, однако прочность их ниже прочности трехкальциевого
силиката [61, 123].
Изменение минералогического состава позволяет получать цементы с раз-
личными свойствами. Высокопрочный цемент изготовляется со значительным
содержанием трехкальциевого силиката.
Согласно ГОСТу 10178—62 портландцемент делится на семь марок (200,
250, 300, 400, 500, 600, 700), которые обозначают предел прочности (в кГ/см2)
при сжатии образцов, изготовленных из смеси цемента с нормальным Вольским
песком (в весоом соотношении 1 : 3) и испытанных через 28 дней после затво-
рения водой. Наиболее распространенными являются марки от 300 до 600.
На прочностные свойства цемента большое влияние оказывает каче-
ство его помола. Тонина помола цемента установлена стандартом, который
22*
340 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
предусматривает прохождение минимум 85% веса принятого количества це-
мента через сито № 085.
Портландцемент характеризуется следующими основными свойствами: спо-
собностью вступать в химическое взаимодействие с водой; определенными
сроками схватывания; способностью приобретать достаточную прочность в
сравнительно короткие сроки (3, 7 и 28 дней), которая при определенных усло-
виях способна нарастать долгие годы; равномерностью изменения объема при
затвердевании; стойкостью ко многим агрессивным средам; надежной сцеп-
ляемостью с металлом и другими материалами [18, 75, 123, 141].
Прочность портландцемента в зависимости от времени, прошедшего с на-
чала затворения водой, показана в табл. 252 [142].
Таблица 252
Прочность портландского цемента в зависимости от времени
Марка цемента Предел прочности в кГ/см* при выдержках в сутках
3 1 7 28
300 200/15 300/20
400 190/16 280/19 400/23
500 260/20 380/24 500/27
Примечание. В числителе — пределы прочности при сжатии; в знаме-
нателе — то же при растяжении.
2. ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ
Портландцемент, применяемый для цементирования нефтяных и газовых
скважин, называется тампонажным. В отличие от обычного (строительного
портландцемента) тампонажный цемент, в связи со спецификой назначения,
должен обладать: значительной прочностью на изгиб; повышенными плотно-
стью и стойкостью к минерализованным пластовым и морским водам; высокой
растекаемостью и строго определенными сроками охватывания, позволяющими
прокачать раствор в скважину; быстрым нарастанием прочности, препятствую-
щим отрицательному воздействию окружающей среды (воды, нефти, газа) на
формирование цементного камня,— хорошей сцепляемостью со стенками сква-
жины и обсадной колонной.
При строительстве скважин Применяются различные тампонажные цементы:
обычный тампонажный цемент, состоящий в основном из портландцементного
клинкера; песчанистый — продукт совместного помола сульфатостойкого клин-
кера с 15—20% кварцевого песка; волокнистый — смесь обычного тампонажного
цемента с 1,5—2,5% волокнистого наполнителя; утяжеленный — обычный там-
понажный цемент с 40—60% тяжелого инертного наполнителя; глиноземистый,
основную часть которого составляют алюминаты кальция и др. [3, 25, 38]. Вы-
бор цемента определяется конкретными условиями скважины.
Нефтяные скважины в зависимости от температуры забоя подразделяются
на «холодные» (22—35°С), «горячие» (75—80°С) и глубокие.
Так как температура и давление существенно влияют на формирование
цементного камня, цементы для тампонирования скважин принято подразде-
лить на три класса:
цемент для «холодных» скважин (ХЦ) с температурой испытания 22±2°С;
цемент для «горячих» скважин (ГЦ) с температурой испытания 75±3°С;
цемент для глубоких скважин (ВЦ), который в свою очередь подразде-
ляется на четыре группы:
ВЦА, испытываемый при температуре 100±2,3°С и давлении 300—
500 кГ/см2\
ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ 341
ВЦБ, испытываемый при температуре 125±3°С и давлении 300—
500 кГ/см^
ВЦВ, испытываемый при температуре 150±3°С и давлении 400—
600 кГ/см\
ВЦГ, испытываемый при температуре выше 200±3°С и давлении 500—
1000 кПсм*.
Тампонажный портландцемент. Одним из важнейших свойств цемента
является его способность, вступая в химическое взаимодействие с водой, пре-
вращаться из пластичной, тестообразной массы в твердое вещество высокой
прочности. Под действием воды составляющие цемента растворяются до пол-
ного насыщения среды с образованием коллоидного раствора, который посте-
пенно теряет свою подвижность — наступает схватывание. Скорость схватыва-
ния зависит от скорости гидратации (насыщения водой цементных зерен),
водоцементного фактора (отношение воды к весу цемента), температуры сре-
ды, минералогического состава цемента, .тонины помола и других факторов.
Снижение водоцементного фактора сокращает сроки схватывания
(табл. 253).
Таблица 253
Влияние водо-цементного фактора на сроки
схватывания цементного раствора
Водоцемент- ный фактор Тампонажный цемент завода «Комсомолец» Стерлитамакский тампонажный цемент
Время схвать твания в ч-мин
Начало | Конец | Начало Конец
0,50 7-30 2-05 7—23 2-20
0,45 7—16 2—00 7-12 2—15
0,40 6—40 2—00 6—42 2—05
0,36 6—20 1—45 6—15 1—47
0,32 5—15 1 — 10 5—00 1—20
Таблица 254
Влияние температуры на время схватывания
цементного раствора
Температура. i Тампонажный портланд-це- мент для «холодных» скважин Томпонажный портланд-це- мент для «го- рячих» скважин
Время начал: через а схватывания ч—мин
15 3-00 7—30
30 1 — 45 4—40
50 1—10 3—00
70 0—45 1-55
100 0—0 0—50’
Повышение температуры интенсифицирует про-
цессы гидролиза и гидратации и также приводит
к сокращению времени схватывания цементного
раствора, что видно из табл. 254 и рис. 122.
Наиболее интенсивно сроки схватывания сокра-
щаются при нагреве до 50—60° С. В дальнейшем
эффект резко снижается.
Ускоряются процессы гидратации и при повы-
шении давления. В табл. 255 приведены данные
при 27° С, а в табл. 256 при 75° С.
Температура и давление оказывают существен-
ное влияние и на прочность цементного камня; оп-
ределяющим фактором является температура. Наи-
большая прочность соответствует температурному
интервалу 80—100° С. При температуре выше
100° С прочность цементного камня оставалась
двухсуточной даже при длительном сроке выдерж-
ки. Зависимость прочности от температуры пока-
зана на рис. 123.
Минералы, входящие в состав цемента, реаги-
руют с водой по-разному и имеют различные сроки
Рис. 122. Зависимость начала/
схватывания цементного рас-
твора от температуры при дав.
лении 50 кГ/см2
342 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
Таблица 255
Влияние гидростатического давления на время схватывания цементного раствора при 27° С
Показатель Давление в кГ/см2
1 200 400 600
Начало схватывания в ч—мин 10-40 6—40 6-10 4-30
Конец схватывания в ч—мин 12—40 8—00 7—50 6—40
Таблица 256
Влияние гидростатического давления на время схватывания цементного раствора при 75° С
Показатель Давление в кГ]см2
1 | 50 100 200 300 400 500
Начало схватывания, ч—мин . . . Конец схватывания, ч—мин: .... 2—06 2—40 2-00 2—38 1 — 54 2—30 1 — 41 2—31 1—39 2—10 1-30 2—08 1-10 1-36
схватывания. Трехкальциевый силикат, составляющий основную массу цемента,
под действием воды распадается на двухкальциевый гидросиликат 2CaO-SiO2.
•Н2О и гидрат окиси кальция Са(ОН)2. Трехкальциевый алюминат активно
подвергается гидратации, переходя в коллоидное состояние. В противополож-
ность ему двухкальциевый силикат взаимодействует с водой очень медленно
с образованием двухкальциевого гидросиликата.
кГ/см2
Рис. 123. Зависимость механической проч-
ности цементных образцов при давлении
400 кГ/см2 при различных температурах;
образцы твердели: /’ — 12 Ч\ 2 — 24 ч;
3 — 48 ч\ 4 — 98 Ч’ 5 — 168 ч
Коллоиды двухкальциевого гидроси-
ликата, гидрата окиси кальция и трех-
кальциевого алюмината, обладающие
высокой связующей способностью, «скле-
иваются» в единую массу, которая посте-
пенно начинает схватываться, затем за-
твердевает с образованием мелкокристал-
лической структуры. Быстрому схватыва-
нию подвергаются гидратирующие веще-
ства (алюминаты кальция). Медленным
схватыванием характеризуются медленно
реагирующие с водой минералы (двух-
кальциевый силикат, ферриты кальция).
Изменение минералогического состава
влечет за собой и изменение времени
схватывания. Это позволяет получать це-
менты с заранее заданными сроками за-
твердевания, что очень важно при тампо-
нажных работах [123].
ГОСТ 1581—63 предусматривает опре-
деленные сроки начала и конца схваты-
вания тампонажных цементов. Цементы,
применяемые для «холодных» скважин,
при затворении пресной водой с водоце-
ментным отношением 0,5 должны иметь
начало схватывания не ранее 3 ч и не-
позднее 7 ч 30 мин, конец не позднее 3 ч
после начала схватывания. При затворе-
нии морской водой (с таким же водоце-
ментным отношением) начало схватыва-
ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ 343
ния должно происходить не ранее 3 и не позднее 6 ч после затворения, конец
схватывания — не позднее 3 ч после начала схватывания.
Цементы, применяемые для «горячих» скважин, при затворении пресной
и морской водой с водоцементным отношением 0,5 должны схватываться не
ранее 1 ч 45 мин, и не позднее 2 ч 45 мин, конец — не позднее 1 ч 30 мин
после начала схватывания (при температуре скважины) [14, 25]. Примерно
такие же требования предъявляются и к цементам для глубоких скважин.
Однако для борьбы с зонами поглощения промывочной жидкости иногда не-
обходимы растворы со сроками схватывания 20—40 мин.
Время схватывания можно регулировать введением в цементный раствор
ускорителей или замедлителей. Для ускорения схватывания вводят соли со-
ляной кислоты (СаС12; NaCl и др.) не более 3%. Введение большого количе-
ства солей отрицательно сказывается на прочности цементного камня. Для за-
медления процесса схватывания чаще всего применяют сульфитно-спиртовую
барду (ССБ), натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). Последняя
применима только для 150°С и 500 кГ/сж2.при более высоких температурах и
давлениях она становится ускорителем. Замедление может быть достигнуто
также повышением содержания медленно гидратирующихся минералов (C2S
и др.), но в этом случае понижается прочность цементного камня.
ГОСТ 1581—63 предусматривает также испытание тампонажных цементов
на временное сопротивление изгибу. Испытанию подвергаются балочки разме-
ром 40 X 40 X 160 мм, изготовленные из цемента (без добавок) с водоцемент-
ным отношением 0,5, после твердения в течение двух суток в воде. Цементы,
предназначенные для тампонирования «холодных» скважин, должны иметь
предел прочности при изгибе не менее 27 кГ1см2 в случае затворения пресной
водой и 32 кГ!см2 при затворении морской водой. Для «горячих» скважин
временное сопротивление изгибу должно быть не менее 62 кГ!см2 при затворе-
нии как пресной, так и морской водой; температура затворения 75±3°С.
Согласно техническим требованиям цемент, помещенный в затрубное про-
странство (между обсадной трубой и стенкой скважины), должен приобретать
достаточную прочность в течение первых двух суток. Нарастанию прочности
способствует постоянная влажность и повышенная температура, всегда имею-
щаяся в нефтяных скважинах.
В «горячих» скважинах нарастание прочности при твердении протекает
значительно быстрее, чем в «холодных». Однако основным фактором, влияю-
щим на прочность и скорость ее нарастания, является минералогический со-
став цемента. Цемент, в состав которого входит 45—60% трехкальциевого си-
ликата, 20—30% двухкальциевого силиката, 10—16% четырехкальциевого
•алюмоферрита, 0,5—8% трехкальциевого алюмината, обладает высокой на-
чальный прочностью и способностью к ее нарастанию со временем. Че-
тырехкальциевый алюмоферрит способствует длительному нарастанию проч-
ности.
Влияние минералогического состава цемента на его прочность и скорость
ее нарастания приведено в табл. 257.
Существенно сказывается на прочности цементного камня количество вве-
денной для затворения воды. Повышенное содержание в цементном растворе
воды отрицательно сказывается на прочности образующегося цементного Kaiyi-
ня. При затвердевании избыточная вода выделяется из раствора, что сопро-
вождается значительными усадочными деформациями с образованием трещин.
Кроме того, излишняя вода придает пористость затвердевшему цементу. Одна-
ко количество воды для затворения должно быть достаточным для придания
раствору необходимой подвижности при закачивании его в затрубное
пространство скважины. Обычно водоцементное отношение принимается
около 0,5.
Песчаный тампонажный цемент. В 1960 г. В. А. Потеряхиным и Е. И. Ма-
линским были предложены цементно-песчаные смеси, обладающие высокой
прочностью и плотностью при высоких температурах и давлениях [13, 14].
344 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
Таблица 257
Влияние минералогического' состава цемента на его прочность
и скорость нарастания прочности
Образцы цементов Минералогический состав в % Скорость нарастания прочности в % от 28-дневной прочности через
C3S C2S С3А C4AF c2f 3 Дня 7 дней 28 дней 3 месяца 6 ме- сяцев
Портландцементы с одинаковым составом минералов — - плавней,
но с различным соотношением трехкальциевого и двухкальциевого силиката
1 70 5 12,5 12,5 — 40 69 100 111 115
2 55 20 12,5 12,5 38 60 100 112 114
3 -40 35 12,5 12,5 —— 31 57 100 130 145
4 25 50 12,5 12,5 — 25 66 100 152 201
Портландцементы с одинаковым соотношением минералов — силикатов,
но с различным составом минералов — плавней
5 55 20 20,0 5,0 — 46 83 100 120 124
6 55 20 12,5 12,5 38 60 100 112 114
7 55 20 5,0 20,0 34 63 100 114 122
8 55, 20 — 12,5 12,5 25 60 100 137 159
Клинкер, идущий на изготовление тампонажно-песчанистого цемента, со-
стоит в основном из 55—60% трехкальциевого силиката, 4% трехкаль-
циевого алюмината, 15—17% четырехкальциевого алюмоферрита. Кроме того,
в цементно-песчаной смеси содержится до 5% гипса.
При введении оптимального количества песка прочность образцов из C3S
при температуре 190—200° С примерно' в 2 раза, a C2S в 3,5 раза выше проч-
ности образцов, твердевших 28 суток. Повышение прочности при гидротермаль-
ной обработке объясняется протеканием физико-химических процессов, приво-
дящих к образованию новых более прочных соединений. В частности происхо-
дит более полная гидратация, а также взаимодействие гидрата окиси кальция
с кварцем. Улучшается так же структура цементного камня. Этим же объяс-
няется и повышение плотности камня.
В табл. 258 и 259 приведены данные об изменении механической прочности
и проницаемости цементного камня в зависимости от содержания песка и ус-
ловий твердения.
Тампонажно-песчанистый цемент при условии изготовления его из высоко-
качественного клинкера (марок 400 и 500) и песка отвечает всем требованиям
ГОСТа 1581—63. Кроме того, он обладает рядом преимуществ перед обычным
тампонажным цементом: повышенные прочность и плотность, безусадочность
при твердении, повышенная стойкость к агрессивным сульфато-сульфидным и
сульфато-натриевым, хлормагниевым средам, способность вступать в плотный
контакт с глинистыми породами стенки скважины. Это создает надежный
барьер, препятствующий проникновению пластовых вод в нефтеносные слои.
Стойкость тампонажно-песчанистого цемента к агрессивным водам объяс-
няется прочной сцепляемостью частиц песка с гидратированными зернами це-
мента. В результате образуется цементный камень высокой плотности. При
этом скорость гидратации значительно выше, чем у обычных растворов (без
примеси песка). Быстрое и прочное сцепление песка с- цементом противодей-
ствует развитию вредных внутренних напряжений, возникающих при образо-
вании сульфатных соединений или гипса [13].
Обычный тампонажный цемент разрушается примерно через 1—1,5 года
при эксплуатации его в сульфатно-сульфидной среде, в то время как песчаный
тампонажный цемент в тех же условиях после 3 лет сохраняет 40—50% перво-
начальной прочности.
ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ 345
Таблица 258
Влияние количества песка на механическую прочность цементного камня
Состав смеси Ц: П* Предел прочности через 24 ч в кГ/см2
t =*= 1Ю° С р = 300 кГ/см2 = 140° С р — 400 кГ/см2 t = 200° С р = 500 кГ/см2
° из ° с ж аиз ссж «из ° с ж
1 :0 19,6 50,0
2:1 42,0 — 88,5 279,0 101,3 363,0
1 :1 м-- ом МО МО ом ОМ
1 :2 22,7 66,1 80,0 290,0 66,0 220,0
1 :3 МО ом мо МО -М. МО
1 :5 — — 49,6 — — —
S Предел прочности через 48 ч в кГ/см2
О) 3 t = = 110° с /= 1 40° С / = 200° С
tn Р = 300 кГ/см2 р = 400 кГ/см2 р = 500 кГ/см2
СЗ *
Sex °из ° с ж ° из $сж °из °сж
1:0 43,8 167,3 19,7 50,0 19,1 47,0
2:1 45,5 187,0 88,5 292,0 111,1 367,0
1 : 1 44,8 —• 99,0 306,0 ом МО
1 :2 42,8 117,0 86,0 282,0 64,3 244,0
1 :3 25,0 78,0 65,6 207,0 48,2 170,0
1:5 — — 56,9 133,2 40,4 127,0
* Цемент : песок.
Влияние количества песка на проницаемость цементного камня
Таблица 259
Условия твердения Проницаемость образцов Ц: П в миллибареях
1:0 | | 2:1 1:1 | 1:2 1:3 1:5
t = 110° С, р = 300 кГ/см2 t= 140° С, р = 400 кГ/см2 t = 200° С, р== 500 кГ/см2 0,268 29,60 30,40 0,58 0,00 0,00 1 ,35 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 26,00’ 0,00 0,00
Как уже отмечалось, повышение температуры способствует сокращению
сроков схватывания цементного раствора. Наличие в цементе песка и большие
давления в скважине также сокращают время схватывания. По данным!
А. Н. Стафикопуло и А. Н. Булатова давление порядка 400 кГ/см2 сокращает
время схватывания цементного раствора на 38—42%.
Были проведены исследования по выявлению степени пригодности различ-
ных клинкеров для песчанистого цемента. Минералогический состав принятых:
к исследованию клинкеров представлен в табл. 260.
Физико-механические свойства полученных из этих клинкеров цементов при-
ведены в табл. 261.
Анализ табл. 261 показывает, что цементы с водоцементным отношением
0,5 имеют предел прочности на изгиб ниже установленного для «горячих»
скважин. При снижении процента воды затворения прочность цементов повы-
шается.
346 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
.Минералогический состав клинкеров для песчанистого цемента
Таблица 260
Наименование клинкера Вольского цементного завода «Комсомолец» Расчетный минералогический состав в %
C3S | C2S С3А C4AF
№ 1 алито-белитовый 40,78 40,78 5,96 10,67
№ 2 алитовый • 63,99 15,24 2,41 16,38
№ 3 алитовый 59,58 19,26 4,95 13,95
№ 4 белитовый 27,77 53,87 5,30 11,31
'Физико-химические свойства цементов
Таблица 261
Содержание песка в % Количест- во воды затворения в % Растекае- мость в см По методике ГОСТа для «горячих» скважин o»w через 2 суток в кГ^см2 (р = 1 кГ;см2) Сопротивление из- гибу через 2 суток в кГ1см2 (после испытания в авто- клаве при 75° С р = 400 кГ1см2)
Сроки схватывания в ч—мин
Начало Конец
Клинкер алитовый № 2
— 50 25,5 2—0,5 0—40 71 ,9
20 50 25,0 2—17 0—46 58,4 —
30 50 24,0 2—20 0—45 52,8
20 40 16,8 2—02 0-33 80,0
30 40 16,3 1-55 0-35 72,2 —
Клинкер алитовый № 3
— 50 21 ,5 2—51 0-50 66,3 69,7
20 50 26,0 1-25 0-35 51,8 58,1
30 50 27,0 1 — 40 0-30 45,8 47,6
— 45 19,7 1 — 58 0—42 69,1 —-
20 45 22,5 1—37 0-25 54,7 59,9
30 45 21,0 1 — 27 0-18 50,3 53,7
Клинкер алито -белитовый № 1
— 50 25,7 2—16 0-4 6 68,1
20 50 24,5 2—20 0—41 53,4 —
30 50 24,6 2—30 0-00 40,2 —
20 40 16,5 2—06 0-35 66,7
30 40 16,5 2—19 0-35 56,4 —
Клинкер белитовый № 2
— 50 25,0 3—15 0—50 56,7 55,6
20 50 26,5 2—41 0—40 53,7 52,45
30 50 27,0 3—25 2—00 — —
— 40 20,0 2—17 0—43 66,4 84,3
20 40 18,2 2—22 0—28 60,8 74,6
30 40 18,5 3-00 0-40 49,1 66,0
Алитовые и белитовые цементы, содержащие 20% песка, затвердевающие
пои высоких давлениях и значительных температурах, вполне приемлемы для
тампонирования «горячих» скважин.
Прочность алито-белитовых и белитовых цементов несколько выше, чем у
алитовых; к тому же первые обжигают при более низких температурах.
Для предотвращения преждевременного схватывания раствора при закачи-
вании его в глубокие и сверхглубокие «горячие» скважины с большим давле-
лием, применяются различные замедлители ССБ [14].
ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ 347
В табл. 262 приведены сроки схватывания и прочность цементов с добав-
кой ССБ. При применении сульфитно-спиртовой барды ее количество не долж-
но превышать 0,1—0,15% от всей цементной массы.
Таблица 262
'Сроки схватывания и прочность цементов с добавкой ССБ
Содержа- ние песка в % Процент воды затворения Процент содержа- ния ССБ Растекае- мость в см Сроки схватывания ч—мин Предел прочности при изгибе через 2 суток (р= 400 кПсм2) в кГ/см2
Начало Конец
Клинкер М2 — алитовый
20 30 40 40 40 0,15 0,15 0,15 17,5 20,0 20,0 2—40 3—05 4—10 ►—“О — 1 1 1 СПО О 60,3 70,8
К линкер № 3 f — алитовьи й
— 40 0,15 23,5 3-35 1 — 20 68,9
20 40 0,15 22,5 1—53 0—32 68,3
30 40 0,15 21 ,5 1—54 0—48 72,6
Клинкер № 1 —- алито-белитовый
.— 40 0,15 21 ,0 3—25 0—40 79,1
20 40 0,15 21,5 4—40 0—35 78,6
30 40 0,15 18,0 4—45 0-55 60,5
Клинкер As 2 — белитовый
— 40 0,15 ' 18,0 3—50 0-50 87,2
20 40 0,10 18,0 3—26 0—55 72,7
30 40 0,10 18,5 3-45 0—50 57,4
Тампонажно-песчанистый цемент может быть использован и для тампониро-
вания «холодных» скважин.
Утяжеленный тампонажный цемент. Представляет собой смесь обычного
'тампонажного цемента с инертными минеральными добавками, имеющими
удельный вес порядка 4,0—4,5 а/сти3 и выше. В качестве утяжелителей исполь-
зуются гематит, магнетит, феррофосфор, пиритовые огарки, зеркальный чугун
и ферросилиций. Количество утяжелителя в растворе колеблется в пределах
40—60% в зависимости от конкретных условий применения цемента.
Утяжеленный цемент применяется при тампонировании скважин с высоки-
ми пластовыми давлениями. Согласно техническим требованиям, предъявляе-
мым к этому виду цемента, временное сопротивдение его изгибу должно быть
порядка 17 кГ/см2 (температура испытаний 22±2°С), удельный вес раствора—
минимум 2,25 г/см3, водоцементное отношение подбирается экспериментально и
зависит от количества наполнителя и технологии изготовления утяжеленного
цементного порошка. К количеству воды для затвердения следует подходить
с известной осторожностью, так как неправильное водоцементное отношение
может привести к осаждению утяжелителя и, следовательно, нарушению ста-
бильности цементного раствора.
Глиноземистый тампонажный цемент. В состав глиноземистого (алюми-
натного) цемента входят, в основном алюминаты кальция, которые и придают
-ему ценные свойства. Изготовляется цемент из доменного шлака, образующе-
гося при плавке бокситовой железной руды в присутствии маломагнезиально-
го известняка и металлического лома.
Глиноземистый цемент содержит около 40% глинозема, примерно столько
же окиси кальция и небольшое количество кремнезема (около 9%), окись и
348' ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
закись железа (примерно 8—10%) и незначительное количество различных
примесей. Из минералов, входящих в состав цемента, основным, определяю-
щим его специфические свойства, является однокальциевый алюминат (СаО -
• А120з). Кроме того, в цемент входит двухкальциевый силикат и гелинит
(2СаО • SiO2 • А120з), не влияющий на свойства цемента [86].
При затворении глиноземистого цемента образуется гидрат окиси алюминия
А1(ОН)3 — продукт соединения однокальциевого алюмината с водой, который
при затвердевании постепенно уплотняется с образованием кристаллов, опре-
деляющих прочность цемента.
Отличительной особенностью глиноземистого цемента является способность
его быстро схватываться. Поэтому он применяется в тех случаях, когда необ-
ходимо быстрое затвердевание цементного раствора (при тампонировании зон
ухода, цементировании колонн и др.). -
Глиноземистый цемент часто применяют в смеси с кварцевым или кварцево-
магнетитовым песком, который, повышая прочность и плотность цементного
камня, одновременно является хорошим замедлителем схватывания. 1
Шлако-песчанистые цементы могут использоваться для тампонажа глубоких
скважин с высокой температурой (до 200° С) и высоким гидростатическим дав-
лением (до 600—700 кГ!см2). '
ГОСТ 969—66 предусматривает начало' схватывания не ранее 0,5 ч и не
позднее 3 ч после затворения; конец наступает от 1 ч до 8 ч после начала
схватывания. Имеются глиноземистые цементы с началом схватывания в пре^-
делах 10—15 мин и концом 15—30 мин. Области их применения из-за коротких
сроков схватывания ограничены.
Прочностные характеристики глиноземистого цемента различных марок,
полученные после 1 и 3 суток твердения, представлены в табл. 263.
Таблица 263
Прочностные характеристики глиноземистого цементита
Марка цемента асж в кГ/см2 через Gиз в кГ/см2 через
24 ч 3 суток 24 ч 3 суток
300 250 300 16 18
400 350 400 20 22
500 450 500 24 26
На основе глиноземистого цемента создан расширяющийся гипсоглиноземис-
тый цемент, обладающий так же, как и первый, повышенной водонепроницае-
мостью и не дающий усадки при твердении.
Расширяющийся цемент включает в себя до 85% глиноземистого цемента,
строительный гипс и высокоосновной гидроалюминат кальция. Применяется он
для тампонирования нефтяных и газовых скважин.
При затворении цемент расширяется вследствие образования гидросуль-
фоалюмината кальция, увеличивающегося в объеме в процессе кристаллизации.
Создается плотный контакт со стенкой скважины и обсадной колонной
и образуется плотное кольцо высокой водонепроницаемости. Прочность гип-
соглиноземистого цемента примерно на 10—15% ниже прочности глино-
земистого.
Для тампонирования зон ухода значительный интерес представляют быст-
росхватывающиеся смеси, состоящие из 75—80% обычного тампонажного це-
мента и 20—25% глиноземистого и ускорителей срока схватывания. Такие
смеси схватываются через 40—50 мин после затворения; конец схватывания
наступает через 15—20 мин после начала. Применяются смеси и с иным отно-
шением тампонажного цемента к глиноземистому или гипсу в зависимости от
конкретных условий их применения.
ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ 349
В качестве ускорителей применяется кальцинированная (Na2CO3) и каусти-
ческая (NaOH) соды, хлористый кальций (СаС12), хлористый натрий (NaCl)
-и др.
Быстросхватывающиеся смеси не рассчитаны на длительный срок службы,
поэтому при их приготовлении не учитываются прочностные свойства и корро-
зионная стойкость. Основное их назначение заключается в закупорке трещин
ц крупных пор для предотвращения ухода промывочной жидкости.
Волокнистый тампонажный цемент. При тампонажных работах нередко
встречаются участки скважин, пробуренные через пористые или трещиноватые
породы. При цементировании таких участков часть раствора уходит в трещины
и поры, что влечет значительный перерасход цемента и увеличивает сроки
тампонажных работ.
Для устранения потерь цемента и времени при тампонировании трещинова-
тых и пористых участков применяют тампонажный цемент с волокнистым на-
полнителем.
Волокнистый цемент представляет собой тампонажный портландцемент с
различными заполнителями. В качестве заполнителя используются различные
волокна (асбестовые, кожаные), целлофан, ореховая скорлупа и т. п. Цемент-
но-волокнистая масса забивает мелкие трещины и поры трещиноватых и порис-
тых пород стенки скважины, устраняя тем самым значительные потери це-
мента.
Тампонажноволокнистый цемент при правильном изготовлении (чистота и
количество волокна, его длина, качество цемента и др.) вполне удовлетворяет
всем требованиям ГОСТа 1581—63. К тому же он обладает рядом специфиче-
ских свойств, отличающих его от других цементов. Прочность тампонажно-
волокнистого цемента на изгиб и растяжение выше (до 20%) норм, предусмот-
ренных ГОСТом 1581—63. Водостойкость и водонепроницаемость волокнистых
цементов также выше, чем у обычных.
Тампонажноволокнистый цемент пригоден для цементирования «холод-
ных» и «горячих», глубоких и неглубоких нефтяных скважин.
Тампонажный гель-цемент. Другим цементом, широко применяющимся
при тампонировании зон ухода, является гель-цемент — смесь обычного тампо-
нажного или гипсоглиноземного цемента с бентонитом (могут быть исполь-
Таблица 264
Свойства гель-цементов, изготовленных на гипсоглиноземистых цементах
Глина для раст- вора Содержание су- хой глины в растворе в % Вязкость глинис- того раствора по СПБ-5 в сек Количество гли- нистого раствора к весу цемента в % Конец загустева- ния гель-цемента в мин Сроки схваты- вания в ч-мин Растекаемость в см Угол естест- венного откоса
Начало Конец при изго- товлении через 15 мин при изго- товлении через 15 мин
Зольнен- 15,30 16 60,0 0-33 0—40 1-13 7,0 6,0 72°30' 90°15'
ская 19,12 16 75 ,0 0—35 0—47 1—03 9,0 7,0 60°00' 60°15'
19,63 16 77,0 0—38 0-48 0—54 10,0 7,5 62°30' 66°40'
20,40 16 80,0 0—44 0-52 0-55 11—0 — 26°30' 69°50'
16,75 16 60,0 0—22 0—27 0—55 8,5 6,0 55°30' 90°00'
18,15 16 65,0 0—30 0—38 0-57 11—8 6,5 50°00z 75°00'
19,55 16 70,0 0—25 0—39 1—08 12,8 6,8 48°00' 74°00'
29,95 16 75,0 0—20 0—38 1-07 15,5 7,0 29°00' 76°00'
Криволучь- 0 17 60,0 0—18 0—31 0-32 7,0 6,5 74°00' 90°00'
ев-Ива- —- 17 65,0 0—22 0—35 0—35 8,0 7,0 66°10' 90°00'
новская —- 17 70,0 0—2 0 0—32 0—38 9,0 8,0 67°00' 84°00'
— 17 75,0 0-25 0—30 0-35 10,5 8,5 33°30' 82°00'
350 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
зованы и другие добавки: перлит, гильсонит, пуццолановые материалы^,
табл. 264). Процент бентонита зависит от степени его коллоидности и состав-
ляет 5—20%. Бентонит или другие добавки вводят для снижения удельного
веса цементного раствора. Одновременно во всех случаях снижают механичес-
кие свойства цементного камня. Однако многочисленные промысловые испыта-
ния показывают, что, несмотря на несоответствие свойств гели-цементов.
требованиям ГОСТа 1581—63, их применение во многих случаях дает положи-
тельные результаты.
Отличительной особенностью гель-цемента является его способность незна-
чительно проникать в трещины и поры и быстро схватываться, что объясняется
большим углом естественного откоса и высоким статическим напряжением
сдвига.
3. КОРРОЗИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В СКВАЖИНАХ
Постоянное присутствие в скважине различных вод и газов в основном
оказывает вредное воздействие на цементное кольцо [74, 82, 91, 99]. Различают
сульфатную и магнезиальную коррозию, а также коррозионное разрушение
цементного камня в результате выщелачивания и катионного обмена. В ре-
альных условиях скважин эти отдельные виды коррозионных процессов встре-
чаются в различных сочетаниях.
Сульфатная коррозия происходит при воздействии на цементный камень-
сред, содержащих ион SO42~. В результате взаимодействия иона SO42" с гид-
роокисью кальция образуется гипс (CaSO4 • 2Н2О), объем которого после за-
твердевания более, чем в 2 раза превышает объем исходных компонентов.
Гипс, в свою очередь, в присутствии воды вступает в реакцию с трехкальцие-
вым алюминатом с образованием гидросульфоалюмината (ЗСаО • Д12О3 • ЗСаО4 •
'ЗН2О), также увеличивающегося в объеме при затвердевании. В отличие от
гипса гидросульфоалюминат непрочен: под действием воды он превращается
в студнеобразную массу, легко вымываемую из цементного камня.
Не менее агрессивен и ион Mg2+, содержащийся в морской и грунтовой
воде в виде сернокислого или хлористого магния. В результате взаимодейст-
вия этих солей с гидратом окиси кальция образуется гидрат окиси магния,,
мало растворимый в воде, в результате pH раствора снижается до 10,5. При.
этом гидросиликаты кальция распадаются на кремнекислоту и гидроокись каль-
ция. Таким образом, процесс продолжается до полного разрушения минералов,
образующих цементный камень.
Находящийся в тампонажном цементе трехкальциевый силикат (ЗСаО -
• SiO2), гидролизуясь, выделяет в свободном состоянии гидроокись кальция
Са(ОН)2, частично растворящуюся и легко вымывающуюся водой. Процесс
выщелачивания придает цементному камню пористость и тем самым ослабляет1
его прочность.
Присутствие углекислого газа в десятки раз уменьшает вымывание-
Са(ОН)2. Объясняется это тем, что из-за взаимодействия гидроокиси кальция
с углекислым газом образуется карбонат кальция, почти не растворимый в во-
де. Наличие СаСО3 на поверхности цементного камня защищает его от раз-
мывания водой
Если в воде содержатся ионы, имеющие меньший ионный радиус, чем ион
кальция, то происходит цеолитный обмен, т. е. обмен проходит без разруше-
ния кристаллической решетки. Такие процессы могут протекать, например, в
присутствии ионов магния и натрия. В первом случае образуются гидросили-
каты магния, не обладающие вяжущими свойствами. Во-втором, образуются
легкорастворимые силикаты и алюминаты натрия, вымываемые водой.
На рис. 124 показано изменение прочности образцов цементного камня,
хранившегося в скважинах Ишимбайского месторождения. Наибольшему воз-
действию минерализованных вод подвержены в цементе гидрат окиси кальция
и трехкальциевый алюминат. Взаимодействуя с различными веществами, со-
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ЦЕМЕНТЫ 351
держащимися в воде, они способствуют разрушению цементного камня. В свя-
зи с этим наиболее стойкими являются цементы, не содержащие трехкальцие-
вого алюмината и гидрата окиси кальция (глиноземистый цемент).
Введение в цементный раствор, содержащий гидрат окиси кальция, актив-
ного кремнезема SiO2 (пуццоланов и др.) позволяет получить цементный ка-
мень, стойкий к агрессивным реагентам. Активный кремнезем и гидрат окиси
кальция, вступая в реакцию, образуют гидросиликат кальция СаО • SiO2 • 2Н2О,
который почти не растворяется в воде и не реагирует с сульфатами.
Понятно, что вода, содержащая более 5000 мг)л солей, или же не более-
2700 мг!л сульфатов (натрия, магния, сернокислого кальция), а также при
Рис. 124. Изменение механической проч-
ности цементных образцов, хранившихся
в скважинах Ишимбайского месторожде-
ния:
1 — образцы Стерлитамакского там-
понажного цемента (СТЦ); 2 — образ-
цы СТЦ с добавкой 15% гранулиро-
ванного доменного шлака; 3 — образ-
цы СТЦ с добавкой 35% шлака; 4 —
образцы СТЦ; 5 — образцы глинозе-
мистого цемента; 6 — образцы расши-
ряющегося цемента; 7 — образцы гли-
ноземистого цемента
pH — 7 (кислый характер воды), не может быть приемлема для затворения
цемента. Непригодна для затворения цемента вода, содержащая органические
примеси. Соленая вода не пригодна для затворения глиноземистого цемента.
Высококачественный, правильно приготовленный цемент, обладающий вы-
сокой плотностью, в меньшей мере подвержен разрушающему действию мине-
рализованных вод.
4. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ЦЕМЕНТЫ
Для защиты металлической аппаратуры нефтеперерабатывающих и нефте-
химических заводов от коррозии широко применяются цементные покрытия,
обладающие стойкостью к различным агрессивным средам и высоким темпе-
ратурам [12, 62, 63, 99, 141].
Правильно выполненные цементные футеровки отличаются высокой плот-
ностью, препятствующей проникновению агрессивных реагентов к поверхности
металла, надежной адгезией к металлу, значительной термической стойкостью,
нормальной совместной работой с металлом при сравнительно высоких темпе-
ратурах (до 500°С), высокой механической прочностью и, кроме того,’ надеж-
ной химической стойкостью к агрессивным продуктам переработки нефти при
различных температурах процесса.
Широко применяются коррозионнозащитные футеровки на основе глинозе-
мистого цемента марки 400 или 500 и пуццоланового портландцемента марки
400, разработанные Гипронефтемашем. Характеристика глиноземистого цемента
была дана в разделе тампонажных цементов. Пуццолановый цемент представ-
ляет собой минеральное вяжущее, получаемое совместным помолом высоко-
352 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
качественного портландцементного клинкера с активной минеральной (в ос-
новном кремнеземистой) добавкой.
Применяемые добавки могут быть вулканического происхождения (трассы,
туф, пемза, пеплы), осадочного (диатомит и трепел), а также глинистые ма-
териалы, кислые доменные шлаки, кремнеземистые отходы и др.
В зависимости от химического состава и свойств добавки содержание ее в
цементе находится в пределах 20—50% от общего веса смеси.
При затворении пуццолановой смеси водой выделяющаяся из цемента сво-
бодная гидроокись кальция вступает в химическое взаимодействие с активным
кремнеземом добавки, при этом образуется практически нерастворимый в воде
гидросиликат кальция СаО • SiO2nH2O, благодаря которому пуццолановый це-
ментный камень в отличие от обычного портландцементного не выщелачивает-
ся водой.
Прочностные свойства выпускаемых марок пуццоланового цемента приве-
дены в табл. 265.
Таблица 265
Прочностные свойства пуццеланового цемента
<3СЖ в кГ/см2 | ив в кГ/см2
Марка цемента через
7 дней 28 дней 7 дней 28 дней
200 100 200 И 16
250 130 250 И 16
300 160 300 14 20
400 220 400 18 23
500 300 500 22 27
Пуццолановый цемент, в котором содержание трехкальциевого алюмината
не превышает 8%, отличается надежной стойкостью к воздействию различных
сульфатных и сульфидных сред.
Цементы, предназначенные для защитных покрытий, смешиваются с тонко-
молотыми добавками (базальтовым порошком, диабазовой мукой или же квар-
цевым песком с крупностью частичек порядка 0,25 мм) и речным песком с
влажностью не более 10 и не менее 4%.
Для глиноземистого цемента, указанные составляющие принимаются в ве-
совом соотношении 1:1:2 соответственно.
Смесь на основе пуццоланового портландцемента составляется в весовом
соотношении 1 : 0,5 : 2.
Цементное покрытие наносится методом торкретирования или вручную в
три слоя. Предварительно поверхность, подлежащая футеровке, подвергается
пескоструйной очистке, обезжириванию, после чего к ней крепится металличес-
кая сетка, которая является арматурой покрытия. /
Затем на металлическую поверхность наносится сплошной грунтовочный
слой толщиной 15—20 мм. После его затвердевания (примерно через 3—12 ч)
накладываются последовательно еще два слоя. После чего покрытие выдержи-
вается под водой в течение 72 ч, если оно изготовлено на основе глиноземис-
того цемента и в течение 24 ч с последующей 72-часовой обработкой мятым
паром, если основу покрытия составляет пуццолановый портландцемент.
Общая толщина цементного покрытия аппарата принимается порядка 50 мм,
дымовых труб 65—90 мм.
Опыт эксплуатации защитных покрытий, изготовленных на основе глино-
земистого и пуццоланового цементов, показали их высокую стойкость к различ-
ным коррозионно-активным реагентам (при переработке сернистых нефтей),
интенсивно разрушающим металлы.
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ЦЕМЕНТЫ 353
В процессе эксплуатации при высокой температуре наблюдается некоторое
упрочнение и увеличение плотности цементного покрытия в результате отло-
жения в его порах различных высокомолекулярных соединений, препятствую-
щих проникновению агрессивных соединений к поверхности металла. Срок
службы покрытий, работающих при обычных температурах, равняется в сред-
нем 10 годам, при высоких температурах межремонтный срок сокращается
в 2—2,5 раза.
Следует отметить, что глиноземистый и пуццолановый цементы разруша-
ются от действия свободных кислот, поэтому покрытия на их основе нельзя
применить при переработке кислых нефтей или нефтепродуктов. Для этих це-
лей применяются специальные однослойные и многослойные футеровки, изго-
товленные из кислотостойких силикатных штучных материалов и пластических
масс.
Большой интерес представляет появившиеся в последние годы полимер- и
пластобетон.
Полимербетон состоит из минерального вяжущего — цемента, органического
вяжущего — полимера и инертного заполнителя. В качестве полимерного вя-
жущего (связующего), применяются различные естественные и синтетические
смолы (фенилформальдегидные, полиэфирные, поливинилацетатные, фурфу-
рольные, битумы, пеки и др.) и каучуки (натуральный, бутадиенстирольный
И др.).
Наиболее широкое применение получил поливинилацетат, который вводится
в цемент в виде водной эмульсии, служащей одновременно и водой затворе-
ния. Инертным заполнителем может быть обычный песок средней крупности,
Таблица 266
Прочностные свойства поливинилацетатцементного и мелкозернистого бетонов
Соотно- шение цемент — песка Водоце- ментное отноше- ние Время до испы- тания в сутках оиз в кГ/см2 поливинилацетатцементного бетона при полимерцементном отношении
0,12 0,15 0,18 0,21 0,24 0,27
1 : 2 1 :3 1 :4 1 :5 1 :6 0,334 0,370 0,435 0,514 0,577 7 28 7 28 7 28 7 28 7 28 118 163 86 111 117 192 100 124 100 135 69 115 43 84 124 194 89 138 97,5 137 77 137,5 65 123 125 214 110 159 117 144 78 134 75 124 126 192 106 195 107 163 85 79,3 144 124 184 115 152 81 150 81 ,2 145
Соотно- шение цемент — песка Водоце- ментное отноше- ние Время до испы- тания в сутках в кГ/см2 поливинилацетатцементного бетона при полимерцементном отношении Мелкозер- нистый бетон
аиз в кГ/см2 ®сж в кГ/см2
0,12 0,15 0,18 0,21 0,24 0,27
1 :2 1 :3 1 :4 1 :5 1 :6 0,334 0,370 0,435 0,514 0,577 7 28 7 28 7 28 7 28 7 28 321 527 288 453 291 545 288 453 251 419 184 347 88 200 299 505 304 470 219 403 194 368 138 334 320 480 304 491 272 419 195 384 128 323 323 476 310 456 248 379 181 318 166' 363 322 455 272 392 202 323 167 320 52 63,2 39,8 51 33,1 44,7 25,6 28,8 21,9 26,5 406 480 235 310 152 183 11 1 131 88 123
23 Заказ 664
354 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
Свойства полимербетонов на различных смолах
Таблица 267
Свойства Цемент
силикатный с латексом (натуральный каучук) с фенолофор- мальдегидной смолой с фурановой смолой
Предел прочности при растя - жении в кГ[см2 Прочность сцепления с кера- микой в кГ[см2 Теплостойкость в °C ... . Стойкость в: серной кислоте соляной кислоте плавиковой кислоте . . . азотной кислоте щелочах растворителях Пористость 17,6—49,2 7,03—35,2 1000 Стоек при концентра- циях То же Не пригоден Стоек при всех концент- рациях Не пригоден Стоек при всех раство- рителях Пористый 31 ',6—46,4 28,1—42,2 70 (для влаж- ных условий) Стоек в раз- бавленной кис- лоте (2—3%) Стоек в раз- бавленной кис- лоте (До 3%) Стоек в очень разбавленной кислоте Не пригоден Стоек в слабых и разбавленных едких щелочах Стоек почти во всех рас- творителях 42,2—84,4 7,03-21 ,1 175 Стоек при концентрациях от 70 до 80% Стоек при вс щ Специальные при кони До Стоек при концентрациях До 5% Стойки в сла- бых щелочах; специальные типы стойки в едких щелочах 49,2—98,4 14,06-35,2 175 Стоек при концентрациях от 50 до 60% ех концентра- 1ЯХ i типы стойки .ентрациях 40% Не пригоден Стоек во всех щелочах, исключая гипохлориты
Стоек в большей части растворителей Беспористый
Свойства Цемент ,
с полиэфирной смолой с эпоксидной смолой со связующим на/основе ^итумов со связующим на основе серы
Предел прочности при растя- жении в кГ!см2 Прочность сцепления с кера- микой в кГ/см2 Теплостойкость в °C ... Стойкость в: серной кислоте соляной кислоте плавиковой кислоте . . . азотной кислоте щелочах растворителях Пористость 56,2 — 105,45 28,1—49,2 120 Стоек при концентра- циях до 50% Стоек при вс( ци. Стоек при концентрациях До 5% Стоек только в слабых щелочах Стоек во мно: Tej 56,2-104,45 49,2—98,4/ 90—95 "До 50% зх концентра- ях Специальные типы стойки при концент- рациях до 40% Стоек при концентрациях До 5% Стоек в бо; щелочей, ranoxj гих раствори- 1 1ЯХ | Беспо{ От 40 до 70 Стоек при концентра- циях до 30% Стоек при концентра- циях до 2 0% Стоек при концентра- циях до 10% Стоек при концентра- циях до 5% тыией части исключая юриты Не пригоден зистый 35,2—63,3 7,03—14,06 92 Стоек при концентра- циях до 50%, Стоек при всех кон- центрациях Специальные типы стойки при концент- рациях до 10% Стоек при концентрациях от 40 до 45% Стоек только в слабых щелочах
КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ЦЕМЕНТЫ 355
кварцевый песок, древесина, резина и другие материалы в зависимости от наз-
начения полимерцементного бетона.
Физико-механические свойства полимербетона определяются свойствами це-
мента и полимера, их соотношением, качеством и свойствами заполнителя,
степенью сцепления его с минеральным вяжущим и полимерным связующим,
условиями затвердевания и пр.
По сравнению с обычным бетоном полимербетон обладает более высокой
прочностью при растяжении, сжатии, изгибе и ударе, повышенной адгезии к
металлу, более высокой водостойкостью, водонепроницаемостью и стойкостью
к агрессивным воздействиям.
Плотный полимерцементный бетон на поливинилацетатной эмульсии имеет
объемный вес в среднем 2050 кг]м\ водопоглощение за 72 ч 2,4%, что в 2 раза
меньше, чем у обычных бетонов. Водопроницаемость полимербетонов ниже чем
у обычных бетонов; если при испытании по методу ЦНИИПС (по изменению
электросопротивления) вода проникает через обычный бетон толщиной 7 мм
через 10—15 мин, то в полимербетон она за 6 дней проникает всего на глуби-
ну 1,5—2 мм.
Морозостойкость полимербетона также выше, чем обычного бетона на порт-
ландцементе.
Полимерцементный бетон также лучше работает на износ. При испытании
на машине Дюпон его износостойкость оказалась выше, чем у обычного бе-
тона в 8 раз.
Некоторые механические свойства поливинилацетатного бетона при различ-
ном соотношении полимер-цемент и наличии песка приведены в табл. 266. Для
сравнения в таблице даны свойства мелкозернистого бетона. В табл. 267 при-
ведены свойства футеровочных коррозионностойких полимербетонов на раз-
личных смолах по данным Эванса [212].
Еще более интересным материалом для нефтяной и нефтехимической про-
мышленности является пластобетон [119].
Пластобетон представляет собой безцементный бетон и изготовляется на ос-
нове одного органического вяжущего (связующего). В качестве заполнителя
применяется песок, щебень, шлак, керамзит и другие материалы.
Вяжущим служит в большинстве случаев фурфуролацетоновая смола, хотя
в принципе могут применяться и другие связующие. Обычно в бетон вводится
мономер ФА и отвердитель (как правило бензосульфокислота — БСК).
Наиболее распространенные составы пластобетона приведены в табл. 268.
Таблица 268
Общепринятые составы пластобетона
Наименование компонентов Содержание в %
Состав 1 Состав 2
Песок 67,1 29,5-
Вибропесок 16,7 7,9
Фурфурол s . . . . 1 >7 1 , 8
Мономер ФА 11,7 5,4
БСК Щебень гранитный: 2,8 1 ,8
1 0—1 5 мм . . ’ .—. 13,40
5—10 мм — 40,2
Пластобетон устойчив против действий неорганических и органических кис-
лот, щелочей, солей и их растворов. Он водостоек и обладает высокой водо-
непроницаемостью и сопротивляемостью истиранию.
23* \
.356 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
Основные физико-механические свойства пластобетона
новой смоле приведены ниже:
на фурфуролацето-
Объемный вес в Г! см2........................................ 2,1
Предел прочности в кГ<смг при:
сжатии................................................ 700—800
растяжении......................................... 64—70
статическом изгибе................................. 160—200
скалывании............................................ 180—220
Водопоглощение за 1 год в %............................. 0,05—1
Водостойкость (коэффициент размягчения) .................... 0,95
Водопроницаемость.............................. . . . Не проницаем
Твердость по Бринелю....................................... 40—42
Ударная вязкость в кГ • см!см2............................... 2—3
Усадка объемная в %................................... 0,08
Химическая стойкость...................................Стоек к действию
слабых растворов
кислот, щелочей
и солей
Пластобетон испытывали на водопроницаемость без давления 1 год и при
давлении 25 кГ1см2 в течение 3 месяцев (в последнем случае вода проникла
на глубину 5 мм}. При испытании обычного бетона под давлением уже через
некоторое время появляются признаки фильтрации.
5. ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ ЦЕМЕНТНЫМИ
ПОКРЫТИЯМИ
В нефтехимической промышленности транспортные стальные трубопро-
воды для сернистых нефтей и нефтепродуктов интенсивно разрушаются от
коррозии. ।
В процессах, связанных с транспортированием катализаторов в виде мелких
твердых частичек, наблюдается не только химическое, но и механическое, эрози-
онное разрушение труб. /
Использование бетона в качестве футеровки, предохраняющей трубопрово-
ды от химического и эрозионного разрушения, позволяет увеличить их долго-
вечность, особенно, если трубы работают в условиях высоких температур.
Защитные баллоны могут быть изготовлены на обычном портландцементе,
глиноземистом цементе, пуццолановом портландцементе и цементе на жидком
стекле, которые выбираются в каждом конкретном случае в зависимости от
вида перемещаемых агрессивных компонентов и рабочей температуры среды.
Цемент смешивается с песком средней крупности и диабазовой мукой в весо-
вом соотношении 1 : 1,5 : 0,5; полученная смесь затворяется водой. Раствор
помещается в трубу и наносится на ее внутреннюю поверхность центробежным
способом.
Величина центробежной силы, возникающей при вращении трубы, прини-
мается из расчета создания давления на стенках трубы 0,7—1 кГ1см2. Ис-
ходя из величины центробежной силы, устанавливают число оборотов покры-
ваемой трубы.
Вращение трубы после равномерного распределения покрытия должно быть
весьма кратковременным (примерно 1 мин}. При более значительных величи-
нах центробежной силы и времени наступает интенсивное расслоение раствора,
в результате чего покрытие получается низкого качества.
Оптимальная толщина цементного покрытия: примерно 5 мм для труб диа-
метром до 100 мм и 15 мм для труб больших диаметров.
Покрытия, нанесенные центробежным способом, отличаются более высокой
плотностью по сравнению с покрытиями, полученными каким-либо иным ме-
БЕТОН ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ АППАРАТОВ 357
тодом. В связи с этим цементные футеровки сравнительно небольшой толщи-
ны надежно обеспечивают защиту стенок трубы от коррозионных реагентов.
Защитные футеровки в трубопроводах, подвергающихся активному эрози-
онному воздействию, выполняются с металлической экранирующей сеткой,
которая крепится к внутренней поверхности трубы и является арматурой по-
крытия. Ячейки сетки заполняются цементным раствором, содержащим проч-
ный заполнитель.
6. БЕТОН ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ АППАРАТОВ
Для тепловой изоляции аппаратов и трубопроводов в нефтяной, нефтехи-
мической и газовой промышленности широко применяются специальные стой-
кие к высоким температурам бетоны. Жаростойкие бетоны изготовляются на
основе пуццоланового портландцемента, глиноземистого и обычного портланд-
цемента, в которые вводятся плотные и легкие теплоизолирующие заполните-
ли [62, 63, 114].
Для теплоизоляционных футеровок в качестве заполнителя применяется в
основном песок.
Заполнителями для жаростойких бетонов являются измельченные легковес-
ные огнеупоры, объемный вес которых не превышает 1400 кг!мг. Обычно
применяемые огнеупоры включают примерно 20% огнеупорной глины и 80%
шамота (огнеупорной глины, обожженной при температуре 1300—1400° С,
с крупностью частиц примерно 0,5 мм).
Легковесные огнеупоры имеют пористую структуру. В зависимости от тем-
пературостойкости они разделяются на три класса (А, Б, В), каждый из ко-
торых характеризуется определенной огнеупорностью.
В табл. 269 приведены огнеупорность, объемный вес и прочность различных
марок легковесных огнеупоров.
Таблица 269
Свойства легковесных огнеупоров
Показатели Класс А Класс Б Класс В
АЛ-1,3 БЛ-1 ,3 БЛ-1 БЛ-0,8 БЛ-0,в| БЛ-0,8
Огнеупорность в °C (не менее) Объемный вес в кг/м3 (ylq более) о кГ/см2 (не менее) 1750 1300 45 1300 30 1670 1000 30 800 20 800 20 1610 600 15
' Кроме того, для теплоизоляционных и жаростойких бетонов могут приме-
няться другие минеральные заполнители (асбест, минеральная вата, шлаковая
пемза или термозит, перлит, керамзит, вермикулит, диатомит и др.).
Асбест хороший теплоизолирующий материал. Введение его в цемент
позволяет получить пористую бетонную массу, характеризующуюся значитель-
ной механической прочностью и пониженным коэффициентом теплопровод-
ности.
Волокна асбеста армируют адсорбированные на их поверхности мйкрообъ-
емы цемента, что придает бетону дополнительную прочность. Значительная
общая поверхность волокон создает условия для образования множества пор,
заполненных воздухом, что способствует снижению коэффициента теплопро-
водности.
Термостойкость хризотилового асбеста составляет 600° С, амфиболового
—400° С; при более высоких температурах волокна асбеста теряют прочность
и легко превращаются в порошок.
358 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
Другим заполнителем, обладающим высокими теплоизолирующими свойст-
вами, является минеральная вата, состоящая в основном из массы тонких и
коротких нитей [60]. Нити получают из расплава шлаков или горных пород,
содержащих кремнезем, глинозем, окись кальция и окись магния. Установле-
но, что алюмомагнезиальный модуль (отношение суммы окислов алюминия
и магния к кремнезему) минеральной ваты высокого качества должен быть
выше 0,5.
Температуростойкость ваты различного минералогического состава приве-
дена ниже.
Вата
Температуро-
стойкость в °C
Высокоглиноземистое волокно............................. 740—800
Волокно из доломитоглинистого мергеля................... 470
То же из кислого доменного шлака........................ 580—600
То же из основного доменного шлака...................... 600
Стеклянное волокно ..................................... 200
В результате резкого охлаждения расплава доменных шлаков образуется
масса высокой пористости, получившая название шлаковой пемзы. Шлаковая
пемза вводится в цемент в измельченном состоянии (с размером частиц до
10—15 мм); она придает ему хорошие теплоизоляционные свойства.
Перлит — порода вулканического происхождения, обладающая способно-
стью увеличиваться в объеме примерно в 20 раз при температуре 980° С с об-
разованием мелких (0,3—2,0 мм) зерен, имеющих замкнутые воздушные поры.
Температуростойкость перлита 1000° С.
Применяемый в качестве заполнителя керамзит получают спеканием гли-
нистых сланцев и легкоплавких глин. Предварительно глины смешиваются в
сухом состоянии, смесь затворяется водой. Из глинистой массы в конечном
итоге получают гранулы, объем которых при температуре обжига порядка
1200° С увеличивается примерно в 3 раза.
Керамзит также может быть изготовлен смешиванием глины с измельчен-
ным углем или коксом с последующим обжигом. Керамзит измельчают, после
чего его можно использовать как заполнитель.
Вермикулит—’ кристаллический Минерал, состоящий из кремнезема, глино-
зема, окиси и закиси железа, окиси магния и других окислов. При обжиге
(температура 1100° С) происходят резкие структурные изменения вермикули-
та — его кристаллы расщепляются по плоскостям спайки, объем увели-
чивается (до 20 раз) с образованием нового, с высокой степенью пористости,
минерала.
Вермикулит изготовляется с объемным весом 125 и 150 кг!м3 и применяется
как заполнитель для жаростойких бетонов.
Таблица 270
Физико-механические свойства теплоизоляционных заполнителей
Заполнители °сж в кГ/см2 X в ккалЦм • ч • град) Объемный вес в кГ/м*
Асбест . 0,08—0,23 (при 50° С) 220—750
Шлаковая пемза 30—130 0,126—0,190 300—950
Перлит (обожженный) 0,045—0,075 80—250
Керамзитобетоны 40—350 0,186—0,558 640—1840
Вермикулит марок: 125 0,085 (при 100° С) 125
150 «— 0,090 150
Бетоны на шлаковой пемзе 55—120 0,22—0,42 800—1840
Диатомит (крошка) 40—250 0,1—0,12 (при 50° С) 450—700
МОНОЛИТНЫЕ БЕТОННЫЕ ФУТЕРОВКИ 359
В качестве теплоизоляционного заполнителя применяется также обожжен-
ный диатомит, обладающий пористой структурой. Его предельная температура
применения 1000° С.
В табл. 270 приводятся некоторые физико-механические свойства тепло-
изоляционных заполнителей,1 а в табл. 271—заполнителей для жаростойких
бетонов.
Таблица 271
Характеристика заполнителей для жаростойких бетонов
Заполнители Объемный вес в Г /см3 V в Г /см3 Порис- тость кажу- щаяся в % °C в кГ/см3 X в ккал/(м X Хч °)
Шамот класса Б Легковес марки БЛ-1,3 (на выго- 1 ,89 2,85 21 ,63 125 0,8
рающих добавках) 1,175 0,806 2,60 54,52 40—80 0,6
Пенолегковес марки БЛ-0,8 . . . 2,59 66,77 20-30 0,25— 0,30
Диатомит обожженный 0,49 2,12 69,20 — 0,16
В порах легких заполнителей (при введении их в цементный раствор) ак-
кумулируется вода, которая постепенно отсасывается цементным камнем по
мере затвердевания. Благодаря этому бетон уплотняется равномерно, упроч-
няется связь между цементом и заполнителем и это способствует образованию
покрытия сравнительно высокой прочности, водонепроницаемости и термичес-
кой стойкости.
7. МОНОЛИТНЫЕ БЕТОННЫЕ ФУТЕРОВКИ
Аппараты, работающие при высоких температурах и давлениях, а также
подвергающиеся изнашиванию потоком абразивной среды (частицами ката-
лизатора и др.), защищают жаростойкими монолитными бетонными покры-
тиями.
В зависимости от конкретных условий эксплуатации аппаратов применя-
ются бетоны различной жаростойкости и прочности: жаростойкие бетоны
(1600—2080 кГ1м2), высокопрочные жаростойкие бетоны (1120—1600 кГ1м2)у
бетоны невысокой прочности (480—800 кГ1м3) и специальные бетоны, облада-
ющие повышенной стойкостью к абразивно-эрозионному воздействию.
Монолитное жаростойкое покрытие, разработанное Гипронефтемашем, со-
стоит из основного слоя, прилегающего непосредственно к стенкам аппарата,
и экранирующего, соприкасающегося с рабочей средой. Толщина основного
слоя принимается 100—175 мм, экранирующего — 25 мм. Толщина основного
слоя определяется температурой, составом бетона и другими факторами.
Для жаростойких монолитных футеровок применяется ячеистый бетон, со-
стоящий из минерального вяжущего (цемента), ячеистого наполнителя (моло-
того шамота) и инертной добавки (молотого кварцевого песка или диабазовой
муки). Инертная добавка придает бетону жаростойкость, повышает его адге-
зию к металлу, улучшает совместную работу футеровки с металлом в условиях
колебания температуры.
Нанесению бетонного слоя предшествует приварка к внутренней поверх-
ности аппарата шпилек с гайками, кольцевых перегородок, препятствующих
распространению газов по поверхности аппарата при образовании отдельных
трещин, крепление армирующей сетки, удлинение (в зависимости от толщины
футеровки) штуцеров и люков.
360 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
Вся металлическая поверхность, подлежащая покрытию бетоном, тщательно
очищается пескоструйным методом до металлического блеска.
Основная часть футеровки наносится несколькими (4—5) слоями толщиной
до 40 мм (не менее 10 мм). Последующий слой наносится после окончания
схватывания предыдущего (через 8—10 ч).
Грунтовочный слой, прилегающий к стенкам аппарата, наносится с особой
тщательностью для максимального сцепления футеровки с металлом. Для
грунтовочного слоя применяются заполнители, отличающиеся высокой проч-
ностью (кварцевый песок средней крупности, молотый шамот класса Б, шамот-
ный легковес марки БЛ-1,3). '
Бетон основного слоя футеровки приготовляется на основе пуццоланового
портландцемента марки не ниже 400. В цемент добавляют диабазовую муку
и молотый шамот класса Б или же шамотные легковесы с размером частиц
0,15—2,5 мм. Содержание частиц менее 0,15 мм не должно превышать 10%,
так как наличие пыли отрицательно сказывается на работоспособности фу-
теровки.
Частицы размером более 2,5 мм в большинстве своем отскакивают от по-,
крываемой поверхности при торкретировании.
Весовое соотношение составляющих бетона — цемента, диабазовой муки и
молотрго шамота — принимается соответственно 1:1: 3,5.
Монолитные бетонные футеровки наносятся методом торкретирования. На-
несенная футеровка выдерживается некоторое время на воздухе для предва-
рительного затвердевания. Затем для придания футеровке высоких термомеха-
нических свойств ее подвергают гидротермальной обработке (обработке мятым
паром с примесью острого пара) при температуре не более 160° С и давлении
5,4 кГ/см\ Гидротермальная обработка может производиться при более низ-
ких давлениях. Температуру и давление повышают постепенно (примерно за
24 ч). В этих условиях футеровка выдерживается в течение суток (в
случае более низких температур и давлений длительность выдержки уве-
личивается). ।
Экранирующий слой наносится на панцырную сетку, которая крепится к
основному слою. Сетку предварительно тщательно очищают.
Экранирующий слой /наносят методом торкретирования или вручную. Бе-
тон, предназначеный для торкретных работ, изготовляется из пуццоланового
портландцемента, диабазовой муки и молотого шамота из класса Б в весовом
соотношении 1:1:1. Для ручных работ применяется бетон, включающий жид-
кое стекло (модуль.йе ниже 2,5), диабазовую муку и молотый шамот класса
Б в весовом соотношении соответственно 1 : 0,8 : 2 и 10—15% от веса жидкого
стекла (кремнефтористого натрия).
РежимьгТвдротермальной обработки экранирующего слоя такие же, как и
для обработки основного слоя.
Для аппаратов, работающих при атмосферном давлении, футеровку обра-
батывают следующим образом.
Сначала футеровку обильно поливают водой в течение суток (если возмож-
но, то аппарат заполняется водой), затем подвергают тепловой обработке
влажным паром.
Футеровки на портландцементе обрабатываются паром с температурой
80° С, на пуццолановом —90°. Температуру повышают со скоростью 10—15° С
в час. Выдерживаются футеровки при максимальной температуре в течение
72 ч.
В основном футеровки, работающие при атмосферном давлении, изготов-
ляются на портландцементе с тонкомолотым кварцевым песком и молотыми
шамотными легковесами.
После пропаривания футеровку постепенно нагревают инертными га-
зами до максимальной рабочей температуры, затем аппарат сдают в
эксплуатацию.
Правильно выполненная и отвержденная футеровка способна сохранять
БЕТОННЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ 361
свои физико-механические свойства при длительном воздействии температур,
надежно работать совместно с металлом в условиях значительного перепада
температур, противодействовать образованию трещин при многократном нагре-
ве до рабочей температуры и охлаждения; она обладает хорошей адгезией к
металлу, надежной работоспособностью в условиях резкого изменения давле-
ний и высокими теплоизоляционными свойствами.
8. БЕТОННЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТИ
И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Не менее важной проблемой в нефтехимической промышленности является
хранение нефти и нефтепродуктов.
При создании резервуаров следует учитывать специфику физических свойств
жидкостей, подлежащих хранению (огнеопасность, взрывоопасность, электриза-
ция, испаряемость, вязкость и токсичность). Поэтому резервуары являются
ответственными сооружениями и должны быть стойкими к воздействию нефти
и нефтепродуктов и обеспечивать хранение жидкостей без потерь, надежными
в противопожарном отношении, взрывобезопасными и удобными в эксплуата-
ции, долговечными и экономичными.
Резервуары сооружаются из стали, бетона, железобетона, камня, кирпича
и других материалов.
В последние годы неметаллические резервуары получили значительное рас-
пространение, так как в отличие от металлических они более долговечны и
экономичны.
Неметаллические резервуары устраивают наземными и заглубленными. За-
глубленные резервуары, в свою очередь, подразделяются на полуподземные,
менее половины высоты которых находится над поверхностью земли, и под-
земные, у которых зеркало жидкости примерно на 20 см ниже уровня приле-
гающей территории.
В основном сооружаются полуподземные и подземные резервуары, так как
они более надежны в противопожарном отношении. Емкость таких резервуа-
ров может быть весьма значительной. Нередко встречаются резервуары с ем-
костью более 100 000 м3, в то время как емкость наземных резервуаров в ос-
новном не превышает 5000 м3.
Неметаллические резервуары значительной емкости сооружаются из бетона
и железобетона, отличающихся высокой прочностью.
Бетоны, предназначенные для строительства резервуаров, могут быть изго-
товлены на основе различных цементов, стойких к воздействию нефти, нефте-
продуктов и агрессивных вод. К таким цементам следует отнести сульфато-
стойкий портландцемент, сульфатостойкий пуццолановый портландцемент,
ангидридоглиноземистый цемент, гипсоглиноземистый цемент, глиноземистый
апгидридошлаковый цемент.
Бетоны, из которых сооружаются резервуары, должны быть не только проч-
ными, но и обладать высокой степенью плотности, во избежание проницаемости
легких фракций хранимых жидкостей. Кроме того, высокая плотность обеспе-
чивает бетонам морозостойкость и стойкость к воздействию агрессивных вод.
Получение высокоплотного бетона является ответственной задачей и зави-
сит от минералогического состава, качества и марки цемента, заполнителя,
водо-цементного отношения, условий его укладки и затвердевания.
Плотность бетона повышают применением расширяющихся и безусадочных
цементов или введением в цементную смесь гидравлических добавок (пуццо-
ланов, пемзы, извести-пушонки, полуводного гипса, гидроокиси железа, натрие-
вой бентонитовой глины и др.), способных образовывать гелеобразные вещест-
ва, заполняющие поры в формирующемся цементном камне.
Оптимальное количество вводимых в бетон добавок устанавливается экс-
периментально.
362 ЦЕМЕНТЫ И БЕТОНЫ
Введение в цементную смесь хлористых солей кальция и натрия способст-
вует образованию высоконепроницаемого для нефтепродуктов бетона.
Для защиты резервуаров от воздействия на них грунтовых и поверхност-
ных вод чаще всего применяют изоляцию на битумной основе (битумная, ко-
торая может быть обмазочной, обклеенной и пластичной, и битумоцементная,
представляющая собой многослойное чередование битумных пленок и цемент-
ных прослоек).
Значительный интерес для строительства резервуаров представляет крупно-
пористый бетон, разработанный институтом «Гипровостокнефть».
Непроницаемость нефтепродуктов в резервуарах, изготовленных из такого
бетона, достигается созданием наружного гидроподпора с высотой, равной
уровню хранимой жидкости. Равномерно распределенные по объему бетона
поры заполняются водой, которая выполняя роль изоляции, создает надежную
непроницаемость для более легких (по сравнению с водой) нефтепродуктов.
Следует отметить, что применение стойких к нефти и нефтепродуктам по-
лимерных материалов в качестве покрытий для внутренней поверхности бетон-
ных резервуаров создаст условия полной их непроницаемости.
Широкое внедрение полимеров в резервуаростроение, а также использова-
ние полимер-цементных бетонов может в полной мере решить проблему на-
дежного хранения нефти и нефтепродуктов.
Глава XIV. СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Стеклом называются все аморфные тела, получаемые переохлаждением
расплава, независимо от их химического состава и температурной области за-
твердевания, и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости
механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого
состояния в стеклообразное должен быть обратимым.
Способность образовывать стекла — периодическое свойство элементов.
Наиболее полно оно проявляется у элементов главной подгруппы VI группы
таблицы Менделеева.
Известны два основных класса стекол: кислородсодержащие и бескислород-
ные, так называемые халькогенидные стекла, в основе которых лежат сульфо-
селениды.
Широкое промышленное применение получили пока главным образом кис-
лородсодержащие стекла, представляющие собой истинный затвердевший рас-
твор химических соединений кислотных и щелочных окислов. Стеклообразую-
щими являются кислотные окислы.
В соответствии с ГОСТом 10135—62 стекло и изделия из него классифици-
руются по трем признакам: назначению, характеру (фактуре) поверхности и
роду обработки.
По назначению стекло подразделяется на три класса: 1 — техническое, 2—
строительное и 3 — бытовое. Первый класс включает 23 группы в том числе
стеклопластики, трубы, электротехническое и электроизоляционное стекло и
т. д.; второй— 16 групп и третий — 6.
По характеру поверхности стекло и изделия из него разделяются на семь
классов, шесть из которых объединяют стекла с глянцевой поверхностью и
различными покрытиями (металлизированная, травленая и др.).
По роду обработки стекла делятся на пять классов: стекла, прошедшие
тепловую обработку, механическую (2 класса), химическую и имеющие поверх-
ностные покрытия.
Чаще классифицируют стекла по стеклообразующим окислам. Такая клас-
сификация основных видов стекол, выпускаемых нашей промышленностью,
приведена ниже.
Название стекла
Силикатное
Алюмосиликатное
Боросиликатное
Алюмоборосиликатное
Борофтороалюмосиликат-
ное
Алюмофосфатное
Алюмосиликофосфатное
Силикотитанатное
Силикоцирконатное
Главные стеклообразующие компоненты
Двуокись кремния
Окись алюминия и двуокись кремния
Борный ангидрид и двуокись кремния
Борный ангидрид, окись алюминия и двуокись’
кремния
Борный ангидрид, фтор, окись алюминия и дву-
окись кремния
Окись алюминия и фосфорный ангидрид
Окись алюминия, фосфорный ангидрид и дву-
окись кремния
Двуокиси кремния и титана
Двуокиси кремния и циркония
Наиболее широкое применение получили первые четыре вида стекла.
Таблица 272
Химический состав в % некоторых видов неорганических стекол, выпускаемых промышленностью
Тип, марка стекла SiO2 А12О3 В2Оз СаО MgO РЬО ВаО ZrO2 ZnO Na2O К2О F2O3 SO3 As2O3
Листовое стекло: ВВС Прокатное Электротехническое стекло: № 2 БД-1 . №46 (молибденовое) .... №40 (мзда) ЗС-5к Химико-лабораторное стекло: № 23 № 29 Йенское «20» КС-34 Медицинское стекло: НС-1 АБ-1 . . . . Оптическое стекло: К7 КФЗ Ф1 ТК5 Специальное стекло: малощелочное 13-в . . . . цирконовое свинцовое кварцевое малощелочное (для во- локна) «Викор» (прозрачно для ульт- рафиоллучей) 71 ,4 72,4 71 ,9 69,5 68,5 57,6 66,9 68,4 68,6 75,7 67,43 73,00 73,00 69,7 67,5 47,6 32,7 63,5 62,5 38,1 100,0 54,0 94,0 1 ,2 0,5 2,5 25,0 3,5 3,9 3,7 5,2 2,15 4,50 3,00 4,8 15,5 3,4 14 17,2 20,3 2,7 6,9 3,9 4,00 10,7 13,2 1 ,8 10,0 6,0 7,9 12,4 5,5 5,5 7,4 8,5 7,5 1 ,8 6,3 7,00 7,00 13,0 0,4 16,0 3,0 0,1 3,5 3,5 8,0 3,5 2,7 1 ,00 2,50 4,0 0,4 4,0 12,3 45,7 52,0 2,0 5,0 3,5 3,6 45,9 0,87 21 ,0 5,0 2,27 2,1 3,5 16,2 14-, 1 1 6% 1 12ч 5 6-, 8 3 ,.9 9,4 10,2 6,2 12,16 8,50 14,50 10,3 15,4 2,0 14,0 2,0 1 ,0 4,0 2,0 5,4 7,1 1 ,2 2,65 2,00 6,7 6,4 2,5 0,1 0,08 0,1 0,2 0,43 0,3 2,2 0,3 1 ,6 • (сверх 100) 0,2
Линдемана (прозрачно рентгеновских лучей) . для — — 64—83 — ВеО 5—15 — - — — Li2O 12—21 — — — —
364 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 365
Неорганическое стекло — типичный термопластичный аморфный материал,
термомеханическая кривая для которого показана на рис. 84 (гл. X). Как и
всякое аморфное тело, стекла являются метастабильными системами, так как
запас внутренней энергии у них больше, чем у кристаллических тел. Их вяз-
.кость при температуре стеклования выше 1013 пз, при температуре текучести
порядка 108 пз.
Температуры стеклования и текучести стекла обусловлены его химической
природой и различаются для разных видов стекла на сотни градусов.
Для большинства промышленных стекол Тс лежит в пределах 400—600° С, а
Тт — 700—850° С.
Молекулярное строение стекла очень сложно и полностью не раскрыто.
В одной из гипотез, предложенной академиком А. А. Лебедевым, структу-
ра стекла представляется в виде непрерывной пространственной сетки, в узлах
которой расположены атомы стеклообразующих элементов. Эта сетка не имеет
-определенного порядка, однако допускается наличие микрокристаллических
областей размером 15—25 А.
Гипотеза о микрокристаллической структуре стекла, предложенная А. Заха-
риасеном, рассматривает его как совокупность мельчайших неправильной фор-
мы кристаллов (кристаллитов), имеющих размеры от 10 до 300 А.
Обе гипотезы подтверждены рентгеноструктурным анализом, однако мик-
рокристаллитная гипотеза считается более точной.
Некоторые ученые считают, что стекло следует отнести к полимерам, так
как атомы стеклообразующих элементов связаны между собой ковалентными
связями, образующими пространственную трехмерную сетку, характерную для
полимеров. Эта гипотеза подтверждается также способностью стекол образо-
вывать волокна и пленки, что свойственно только полимерам.
В табл. 272 приведены некоторые виды стекол, выпускаемые промышлен-
ностью.
2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Свойства стекла, как и других материалов, представляющих собой много-
компактные системы (пластмассы, резины, стали и др.) зависят от его хими-
ческого состава, соотношения компонентов, структуры, технологии изготовле-
ния изделий, состояния поверхности и др.
Свойства стекла можно приблизительно рассчитать по правилу аддитив-
ности, основываясь на свойствах входящих в него компонентов [9, 116, 140,
147, 164].
Физические свойства
Удельный вес большинства промышленных стекол равен 2,5—2,8 г/сж3, т. е.
примерно такой же, как у сплавов алюминия. Самый низкий удельный вес име-
ет кварцевое стекло (2,21), самый высокий — стекло, содержащее 80% окиси
свинца (8,0).
Удельный вес стекла понижается с повышением температуры. Типичная
кривая этой зависимости приведена на рис. 125.
Коэффициент линейного термического расширения колеблется в зависимости
от химического состава стекла от 5,8 «IO-7 до 150 - 10—7 Х/град. Он остается
практически постоянным вплоть до температуры размягчения. Закалка и отжиг
также не меняют коэффициента линейного термического расширения. SiO2,
А120з, В2О3, ТЮ2, ZrO2, ZnO понижают, а окислы щелочных и щелочно-земель-
ных металлов повышают его значение.
Самым низким термическим расширением обладает кварцевое стекло. Коэф-
фициент линейного термического расширения особенно важно учитывать при
366 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
подборе стекла для спая с металлом; иногда спай осуществляется через не-
сколько переходных стекол (например, с кварцем).
Коэффициент теплопроводности стекла находится в пределах 0,0014—
0,0032 кал! (см • сек • град) и полностью зависит 'от его химического состава.
Наибольшей теплопроводностью облада-
ют кварцевое и боросиликатное стекла,
наименьшей — стекла, содержащие боль-
шое количество РЬО и ВаО. С повышени-
ем температуры теплопроводность стекла
увеличивается; при температуре размяг-
чения она в 2 раза превышает теплопро-
водность при комнатной температуре.
Рис. 125. Зависимость плотности
стекла от температуры (состав
стекла в %: SiO2 — 67; СаО — 10;
Na2O — 15; В20з —• 5; А12Оз — 3;
пунктиром показана интерполяция
теплопроводности плав-
от температуры
Рис. 126. Зависимость
ленного кварца
На рис. 126 показана зависимость коэффициента теплопроводности плавлен-
ного кварца от температуры.
Удельная теплоемкость стекла составляет 0,094—0,205 кал/г • град\
SiO2, В2О3, А120з, Na2O, MgO и LiO2 повышают, а РЬО, ВаО понижают тепло-
емкость. При повышении температуры удель-
пая теплоемкость стекла увеличивается.
Термостойкость. Под термостойкостью
стекла понимают способность выдерживать
без разрушения резкие смены температуры.
Она измеряется максимальной разностью
температур, которая не вызывает разруше-
ния образца. Стекло значительно лучше ра-
аС ботает на сжатие, чем на растяжение и рез-
At °C
200
100
О
Коэффициент линейного
расширения стекла
Рис. 127. Зависимость термостойкости
стекла от коэффициента линейного
термического расширения
и
кое охлаждение скорей вызывает разруше-
ни (растрескивание), чем резкий нагрев, по
тому что в первом случае, в поверхностном
слое возникают растягивающие, а во вто-
ром — сжимающие напряжения. Термостой-
кость стекла прямо пропорциональна преде-
лу прочности при растяжении и обратно
пропорциональна коэффициенту линейного термического расширения и модулю
упругости при растяжении. На рис. 127 показана зависимость термостойкости
стекла от коэффициента линейного термического расширения.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 367
Термостойкость определяется по ГОСТу 1103—64. Сущность метода состоит
в быстром охлаждении нагретого образца размером 30 X 30 X 4 мм и опреде-
лении выдерживаемой им разности температур.
Теплофизические свойства основных видов промышленных стекол приведе-
ны в табл. 273.
Таблица 273
Теплофизические свойства стекол
Название » я •о ’ й — ЙУ О I -1 X в калЦсм • секград) С в кал! г • град Темпера- туропро- водность в см.2/сек Термо- стойкость в °C
Листовое железо: ВВС 89 0,0021 0,205 0,0041
Прокатное 88 0,0022 0,200 0,0044
Электротехническое стекло: № 2 89 0,0020 0,202 0,0039 105.
БД-1 90 0,0019 0,196 0,0038 110
№46 (молибденовое) 47 0,0025 0,200 0,0054 200'
№40 (мзда) 37,5 0,0022 0,200 0,0019 185
ЭС-5К 49 0,0024 0,202 0,0052 180
Химико-лабораторное стекло:
№ 23 89 * — — 140
№ 29 78 .— — — 160'
Йенское «20» 61
КС-34 82 _-
Медицинское стекло:
НС-1 70,7 — — — 160
АБ-1 83,0 — —— — 140'
Оптическое стекло:
К7 — 0,0022 0,178 0,0016 —
КФЗ 106 0,0020 0,167 0,0016 —
Ф1 77 0,0017 0,113 0,0015 —
ТК5 83 0,0017 0,123 0,0015 —
Специальное стекло:
13-в (малощелочное) 50 0,0021 0,200 0,0049 —
цирконовое 33 0,0027 0,198 0,0058 —
свинцовое 80 0,0017- 0,094 0,0046
кварцевое 5,8 0,0032 0,213 0,0068 1000
малощелочное (для волокна) . . . 60 — — — 90
Механические свойства
Теоретическая механическая прочность стекла, рассчитанная из энергии
молекулярных связей, равна 1000—1200 кГ/мм2. Практически в массивных
стеклах реализуется не более 1 % этой прочности. И пока значительно повы-
сить этот процент не удается. Также как у полимеров, прочность стекла резко
возрастает в волокнах, достигая 300 кГ/мм2 и выше.
Такое огромное различие между теоретической и технической прочностью
массивных стекол объясняется главным образом тремя факторами: состоянием
поверхности (микротрещины, царапины и др. дефекты), микрогетерогенностью
(наличие участков различного химического состава и структуры) и хрупко-
стью. Ниже приведена зависимость прочности стекла толщиной 0,5 мм от со-
стояния поверхности, в кГ/мм2
Естественная (огненная полировка)..............................21,8
Поцарапанная наждачной бумагой № 00 -......................... 13,1
Поцарапанная наждачной бумагой № 150......................... 4,1
Шлифованная и полированная ...................................... 7,1
Полированная без шлифовки....................................... 21,5
Шлифованная и полированная с последующей закалкой до 1,5 порядка 18,0
368 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Поверхностный слой промышленных стекол в 1,5—4,0 раза слабее внутрен-
них слоев и разрушение, как правило, начинается с него, так как в местах
микродефектов (вершина микротрещины и др.) возникают ^локальные напря-
жения, превосходящие предел прочности. Высокая хрупкость стекла способ-
ствует возникновению таких локальных напряжений.
Существует ряд способов повышения прочности поверхностного слоя: тер-
мические, химические и термохимические. Закалка стекла повышает его пре/
дел прочности при растяжении и изгибе в 4—5 раз, травление и покрытие
пленками в 5—10 раз, микрокристаллизация в 10—15 раз.
Химический состав стекла тоже влияет на его механические свойства, но в
значительно меньшей степени. Наивысшей прочностью обладают кварцевое и
безщелочное стекла. Повышение содержания щелочных окислов ИагО, К2О и
окиси свинца понижают прочность стекла; AI2O3, В20з, ВаО, ZnO, СаО повы-
шают ее.
Предел прочности при сжатии стекла составляет 50—200 кГ^чм2 и зна-
чительно превышает прочность при других видах нагружения. Объясняется
это видимо тем, что дефекты поверхностного слоя при сжатии не могут стать
очагами разрушения.
Предел прочности при растяжении промышленных стекол лежит в пре-
делах 5—10 кГ1мм2 и в первую очередь зависит от состояния ' поверхности.
Приведенные выше цифры о влиянии обработки относятся именно к прочно-
сти при растяжении.
Предел прочности при статическом изгибе практически не отличается от
предела прочности при растяжении.
При вырезке образцов для испытания на изгиб края его, конечно, повреж-
даются и это следует учитывать. Испытания следует проводить так, чтобы со-
стояние краев образца не влияло на результат.
Удлинение при разрыве. Стекло упруго вплоть до разрыва и его удлине-
ние представляет собой упругую деформацию, величина которой не превыша-
ет 1%. Однако из-за высокой хрупкости разрыв часто происходит при мень-
ших деформациях.
Модуль упругости при растяжении зависит от химического состава стекла
и находится в пределах 4800—8300 кГ1мм2. Модуль упругости при сдвиге зна-
чительно ниже (2200—2800 кГ/мм2).
Окислы В2О3 и СаО и некоторые другие окислы (ВаО, Д12О3, РЬО, MgO,
ZnO) повышают модуль упругости, но меньше чем окислы бария и кальция.
Щелочные окислы понижают модуль упругости.
Закалка несколько снижает модуль (на 8—10%); химическая обработка
на него не влияет.
Твердость стекла определяют различными методами: царапанием (скле-
рометрическая твердость), вдавливанием (микротвердость) шлифованием (аб-
разивная твердость) и др. Наиболее распространен метод микротвердости,
определяемой на приборе ПМТ-3 вдавливанием алмазной пирамиды. Микро-
твердость стекла колеблется от 290 до 780 кГ/мм2.
Наибольшую твердость имеет кварцевое стекло. Щелочные окислы и окись
•свинца понижают микротвердость.
Удельная ударная вязкость очень низкая и практически не зависит от
химического состава стекла (она изменяется не более, чем на 50%). Закалка
и травление плавиковой кислотой приводит к увеличению ударной вязкости
в 3—6 раз.
Удельная ударная вязкость определяется по ГОСТу 4647—62.
Однако ударная прочность стекла в соответствии с ГОСТом 258—41 может
характеризоваться и показателем хрупкости oz, определяемым по формуле:
а2 = — кГ/см?,
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 369
где А — работа, затраченная на разрушение образца, в кГсм;
S — площадь поперечного сечения образца в сж2;
L — расстояние между опорами в см.
Механические свойства стекла зависят от температуры, окружающей сре-
ды (химической стойкости), скорости приложения нагрузки и других факто-
Рис.
129. Зависимость механической прочно-
сти кварцевого стекла от температуры:
1 — предел прочности при изгибе про-
зрачного кварцевого стекла; 2 — то же,
непрозрачного стекла; 3 — предел проч-
ности при ударном изгибе прозрачного
кварцевого стекла; 4 — то же, непрозрач-
ного стекла; 5 — предел прочности при
растяжении прозрачного кварцевого стекла;
6 — то же непрозрачного стекла
Рис. 128. Зависимость прочности
стекла от температуры (по Стан-
ворту)
ров. Для стекла характерно также
сравнительно резкое влияние мас-
штабного фактора.
Зависимость прочности стекла
от температуры показана на рис.
128 и 129. Минимальную прочность
стекло имеет, как видно из рисун-
ков, при 200° С. При —200° С и
+ 500° С прочность увеличивается
в 2—3 раза. Объясняется такая
зависимость прочности уменьшени-
ем действия влаги при минусовых
температурах и уменьшением хруп-
кости при повышенных.
На рис. 130 показана зависи-
мость микротвердости от темпера-
туры.
Длительная и усталостная прочность. Длительное воздействие нагрузки
приводит к понижению предела прочности стекла. На рис. 131 показана зави-
симость времени до
Влияние времени
но ниже
разрушения от нагрузки для силикатного стекла,
действия нагрузки на прочность
листового стекла показа-
Нагрузка в % от .................
Среднее время до разрушения в мин
100 90 80 70 60 50 30
0,5 1,5 6 90 974 2384 со
При действии нагрузки, равной 30% от средней величины предела прочно-
сти, из 100 образцов ни один не разрушился за 1000 ч.
В табл. 274 приведены данные по длительной прочности листового ’ стекла.
По данным [147] длительная прочность стекла составляет 33% от его крат-
ковременной прочности. Установлено также, что месячная выдержка изделия
из стекла при данной нагрузке гарантирует егр работу в этих условиях дли-
тельное время (года).
Циклические нагрузки снижают пределы прочности стекла так же, как и
статические.
В табл. 275 приведены механические свойства некоторых промышленных
стекол.
24 Заказ 664
370 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Рис. 130. Зависимость микротвердости стекла от темпе-
ратуры:
а — плавленный кварц; б — известково-натриевое
стекло
разрушения от нагрузки для си-
ликатного стекла в атмосферных
условиях при нормальной темпе-
ратуре:
1 — данные Престона; 2 —
прочность при изгибе (по Гол-
ланду и Тернеру); 3 — то же
(по Бартеневу)
Та блица 274
Влияние времени действия нагрузки на прочность листового стекла
Вид стекла Время действия нагрузки Предел прочности при статическом изгибе Вид стекла Время действия нагрузки Предел прочности при статическом изгибе
в кГ/см2 в % в кГ/см2 в %
Оконное вертикального 5 сек 9,2 100 Полированное 1 сек 40 мин 7,2 4,7 100 65
вытягивания 1 мин 30 мин 6,8 5,5 74 60 1 20 мин 2400 мин 4,2 3,3 58 46
Механические свойства некоторых промышленных стекол
Таблица 275
Марка стекла Предел прочности в кГ/мм2 Модуль упру- гости в кГ!мм2 а в н кГсм!см2
асж ав аиз Е G
Листовое ВВС 60—70 7—8 6800
Прокатное 60-70 — — 6800 — —
13-В — — 5—11 7500 — —
Кварцевое 65 6 1 1 7450 3200 1,1
Электрические свойства
Стекла являются изоляторами электрического тока. Их диэлектрические
характеристики зависят от химического состава и технологии изготовления из-
делий.
Удельное объемное электрическое сопротивление стекла лежит в пределах
от 108 до 1017 омсм и зависит от химического состава (щелочные окислы
Na2O и КгО и сильно снижают электросопротивление, особенно первый; по-
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 371
вышают SiO2 и В2О3) и от термической 'обработки (отожженные стекла имеют
в 2—3 раза более высокое электросопротивление, чем закаленные).
На рис. 132 показана зависимость удельного объемного электросопротив-
ления от состава. Самое высокое объемное электросопротивление имеет кварце-
вое стекло, самое низкое—высокощелочные стекла.
Удельное поверхностное электрическое сопро-
тивление стекла всегда (до 1006 С) меньше объем-
ного, так как находящаяся влага в воздухе, кон-
денсируется на поверхности стекла в виде тонкой
пленки и приводит к гидролитическому разруше-
нию поверхностного слоя. Водный раствор про-
дуктов гидролиза хорошо проводит электрический
ток. Понятно, что поверхностное электросопротив-
ление в значительной степени зависит от химичес-
кого состава и главным образом от содержания
щелочных окислов. При содержании этих окислов
до 14—16% удельное поверхностное электросопро-
тивление понижается на 2—4 порядка.
Повысить поверхностное электросопротивление
можно нанесением на поверхность стекла гидро-
фобизирующей пленки.
Выше 100° С поверхностное электросопротивле-
ние не отличается от объемного.
Диэлектрическая проницаемость, как и другие
Рис. 132. Зависимость удель-
ного объемного электросопро-
тивления стекол SiO2—Na2O
и SiO2 — К2О от состава (по
оси абсцисс отложено весо-
вое содержание Na2O и К2О в
процентах; остальное — SiO2)
электрические характеристики стекла, зависит от его химического состава,
главным образом от количества щелочных окислов и тяжелых металлов. Самая
, низкая проницаемость у кварцевого стекла (3,7); у большинства стекол она
составляет 5—9.
Тангенс угла диэлектрических потерь стекла зависит от состава также,
как и удельное электросопротивление. Закалка повышает потери в 2 раза.
В кварцевом стекле (прозрачном) по-
тери практически отсутствуют; у нат-
риево-калиевых стекол tg д достига-
ет 0,0175.
Рис. 133. Температурно-частотная зависи-
мость диэлектрической . проницаемости
стекла (частоты в гц:
1 — 1Q2; 2 — 4- 102; 3 — 103; 4 — 106)
Рис. 134. Температурная зависимость tg б
для некоторых промышленных стекол при
частоте 106 ГЦ:
/ — стекло № 46; ,2 — пирекс;’3 —
минос
Электрическая прочность стекла при электрическом пробое не зависит от
состава стекла, при тепловом пробое сильно зависит, так как обусловлена ди-
электрическими потерями. В переменном электрическом поле электрическая
прочность лежит в пределах 17—80 кв/мм.
Электрические характеристики стекла в значительной степени зависят от
температуры и частоты поля. На рис. 133 и 134 приведены такие зависимости.
24* Заказ 664
Химическая устойчивость химико-лабораторных стекол (по ГОСТу 9111—59)
Марка стекла Химический состав в % (весовых)
SiO2 В2Оз AI2O3 ZrO2 ZnO MgO СаО ВаО
23 68,38 2,66 3,89 — 8,51 «
846 74,00 3,00 3,00 — — 4,00 6,00 —
29 68,60 — 3,70 — — 3,50 7,50 3,50
УС 71 ,00 1 ,40 3,40 — 1 ,00 2,50 7,20 —
ЦЛ 68,10 0,50 4,00 2,80 —— 2,40 7,30 —
Ц-32 68,00 — 4,00 3,50 — 3,00 7,00 —
152/34 67,43 3,90 2,15 0,87 2,27 2,27 6,30 —
152/30 67,98 4,43 1 ,80 1 ,31 — 2,85 7,14 —
131/4 67,00 3,40 2,13 — 3,40 2,24 6,25 2,17
59 66,00 10,20 5,60 — 4,48 — —> 8,42
Пирекс 80,01 12,12 1 ,78 — —- 0,18 0,49 1 ,90
Йенское 75,60 6,90 5,20 —— — — 1 ,30 3,60
Дюран 74,50 14,00 3,50 — — 0,50 — 3,00
Химическая устойчивость медицинских стекол
Марка стекла Химический состав в % (весовых)
LiO2 ZrO2 А12О3 В2Од СаО СгО MgO ZnC
НС-1 73 4,5 4,0 7,0 1,0
НС-2 73 — 3,5 2,5 7,0 1,0 —
АБ-1 73 — 3,0 — 7,0 —— 2,5 —
ОС Оранжевое стекло 73 •— 1 ,5 — 9,0 — 0,5 —
29 Завод «Дружная 68,6 — 3,7 — 7,5 — 3,5 —
горка > 74ВНИИ МИ и О 70 — 6,0 — 4,5 2,5 2,5 —
16 термометрическое 67,3 •— 2,5 2,0 7,0 .— — 7
Цирконовое 68,2 2 3,3 — 7,8 — 2,2 —
192ВНИИ МИ и О 70 — 6,0 5,0 3,5 3,0 —
г 69 7,0 - 6,0 3,5 3,5
208ВНИИ МИ и О I 72,5 — 2,0 — 8,0 2,0 —
Т а б л и ц а 276
Химическая устойчивость
в мг на 100 см2 поверхности
Ag2O к2о н2о 1Н раствора K2SO4 2Н раствора NaOH
9,42 7,14 0,30—0,84 0,14—0,4 40—59
10,00 — 0,37 0,40 40
10,20 3,00 0,20—0,70 0,26 38—59
И ,00 2,50 0,70 0,32 44—50
13,50 1 ,40 0,93 —— 9,8
14,50 0,90 0,38 12,0
12,16 2,65 0,44 0,38 18,0
11,82 2,67 0,42 0,32 15,0
10,79 2,62 0,15 — 20,0
3,40 0,50 0,57 23,0
3,78 1 ,64 0,36 1 ,53 80,0
6,20 1 ,20 0,45—0,50 0,60 —
4,50 — 0,55—0,60 0,6—0,7 —
372 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Таблица 277
Водоустой- чивость pH 5,8— —6,2 в мл 0,01Н НС1 Кислотоус- тойчивость 2Н H2SO4 потеря в весе в % Щелочеустой- чивость 2Н NaOH потеря в весе в мг на 100 см3
) ВаО Na2O к2о
8,5 2 0,16 0,042 25,29
— 11 ,0 2 0,30 0,044 24,39
14,5 0 ,74 0,068 20,38
15,5 1 ,27 0,096 19,84
3,5 10,0 3 0,39 0,070 18,48
3,0 10,5 1 0,25 0,033 22,00
— 14,0 —— 0,51 0,040 24,30
12,0 5 0,88 0,073 17,05
— 10,5 2 0,30 0,066 28,06
— 9,0 2 0,22 0,088 25,80
— 15,5 — 1 ,98 0,093 20,19
Таблица 278
Химическая устойчивость стекол, применяемых при изготовлении электровакуумных приборов
Марки стекол Номера ТУ Химический состав в % (весовых) Химическая устойчи- вость (гидролитический класс) Вес сухого остатка в мг на 100 см3 раствора
о й W о м О £ о с N О < О св СП О св и S О св Z О О Си о 3 Сверх 100%
СО о £ О о О О Z
С87-1 ВН НИИ 027.620 55,0 30,0 — 2,0 — — — 3,8 9,2 — — — — — — г 3 —
(ЗС-4) С89-1 НИО 027.615 71 ,9 — — — — 2,0 5,5 3,5 16,1 1 ,0 — — — — — — 5 50,1
(№ 2) С90-1 НИО 027.613 69,5 — — — — 5,0 5,5 3,5 12,5 4,0 — — — — — — 4 37,1
(ГД-1) С39-1 СБО. 027.000ТУ 73,0 16,5 6,0 — — — — — 3,0 1 ,5 — — — — — — 5 52,1
(17) С89-2 ВН МПСС 931-52 69,6 2,8 — — 4,0 — 6,9 — 9,0 7,7 — — — — — — 2 13,9
(23) С37-1 ВН МПСС 924-52 57,6 — — — 25,0 —• 7,4 8,0 — 2,0 — — — — — — 1 3,6
(40) С49-2 НИО.027.614 68,2 19,0 — — 3,5 — — — 4,8 4,5 — — — — — — 4 41 ,3
(ЗС-5к) С49-1 ВН МПСС 925-52 67,5 20,7 — — 3,5 — — — 8,7 — — — — — — — 5 52,5
(ЗС-5к) С89-6 ВН НИО. 027.622 69,5 2,0 — — — 2,0 5,5 — И ,0 6,5 — — — — 0,008 0,008 4 34,6
(С-68-13) С88-1 РО.045.037 67,5 — — —• 5,0 12,0 — 3,5 7,0 7,0 0,6 0,9 — 0,4 0,0008 0,008 2 11,0
(713) С85-15 АБО.735.200 63,0 2,0 — 3,0 4,0 5,0 — — 15,0 — — — — — — — 3 Q 16,7
С47-1 НИС.027.612 68,5 17,2 — 5,0 2,5 — 8,0 — 6,8 — — О
(46) С40-1 ВН НИО.027.612 74,8 18,0 — — 1 ,4 — — — 4,2 1 ,6 — — — — — — 4 —
(ЗС-11) С48-1 ВН ПЭСЭП НИО 66,5 23,0 — — 3,0 — — — 3,7 3,8 — — — — — — 5 —
(ЗС-8) 721 027.602 67,6 21 ,0 — — 4,8 — — — 3,7 1,5 1 ,5 — — — — — 4 —
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 373
374 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Химическая стойкость
Неорганическое стекло, как известно, обладает высокой химической стой-
костью к большинству химически агрессивных сред.
На химическую стойкость влияет хи-мический состав стекла (главным обра-
зом количество щелочных окислов), метод термической обработки (закаленные
стекла обладают в 1,2—2 раза меньшей химической стойкостью, чем отожжен-
ные; исключение составляют боросиликатные стекла) и состояние поверхности.
Скорость разрушения стекла зависит от скорости гидролиза силикатов по-
верхностного слоя и скорости диффузии воды и продуктов гидролиза через
защитную кремнеземную пленку (гель кремневой кислоты), образующейся на
поверхности. В кислых средах более стойки стекла, содержащие SiO2 и А12О3г
в щелочных SiO2, СаО и ZrO2.
Химическая стойкость стекла определяется различными методами (весовой,
колориметрический, фотометрический и др.) ГОСТ 10132—62 предусматривает
метод, основанный на нагревании до 100° навески превращенного в зерна ис-
пытуемого материала в агрессивной среде в течение 3—5 ч и определении
потери, происшедшей в весе зерен испытуемого материала.
В табл. 276—279 приведены данные по химической стойкости некоторых
стекол.
Таблица 279
Химическая устойчивость оптических стекол
Стекла Марка Химический состав в % (весовых) Химичес- кая устой- чивость
О й « О еч СЗ CQ AI2O3 РЬО ВаО ZnO О м X Na,O оэ О CZ) AS2O3 к влажной атмосфере к кисло- там
Крон К8 68,9 11,5 2,9 6,0 10,4 0,4 А 1-3
Баритовый 1 БК5 59,9 4,3 — — 19,4 3,5 9,7 3,2 0,7 0,2 А 1-3
крон /БК10 49,5 5,2 — . 2,8 21 ,5 12,5 7,0 1,3 — 0,2 А 4—5
Тяжелый 1 ТК2 49,8 3,3 —— — 30,3 9,4 6,6 — 0,6 0,1 А 1—а
крон Баритовый 1 ТК6 34,0 9,3 5,9 — 50,3 — — — — — А 5
флинт БФ7 46,3 4,6 — 3,7 22,1 14,9 6,9 1 ,0 — 0,6 А 5
Легкий флинт ЛФ5 53,6 — — 36,3 — — 10,0 — — 0,1 А 1-3-
Флинт Ф2 47,0 —— — 46,5 __ 6,3 — — 0,2 А 1—а
Тяжелый флинт Особый сорт ТФ1 41 ,4 — — 53,1 — — 5,4 — — 0,1 А 1-а
С2 47,2 20,9 2,9 — 1,5 — 5,6 2,4 19,1 — А 5
Примечание. Химическая устойчивость оптических стекол (ГОСТ 3514—57) харак-
теризуется двумя показателями: а) по устойчивости к влажной атмосфере А —тела, на поли-
рованной поверхности которых в условиях 85% влажности при температуре 50° С капельно-
гидроскопический налет образуется более чем через 20 ч; б) по устойчивости к действик»
кислых сред: 1—3 стекла, полированная поверхность которых под действием 0,1 Н раствора
уксусной кислоты при 50° С разрушается на глубину 135 ммк', 4 — стекла, которые при тех
же условиях испытания разрушаются за период времени от 5 до 1 ч\ 5 — стекла, которые
при тех же условиях испытания разрушаются менее, чем за 1 ч.
3. СИТАЛЛЫ
Ситаллом называется кристаллический материал, полученный тонкой объ-
емной кристаллизацией расплава стекла определенного состава в уже отфор-
мованном изделии. Свойства ситаллов зависят от химического состава исход-
ных стекол, размеров, формы и ориентации кристаллов, минералогического
СИТАЛЛЫ 375'
состава и концентрации кристаллической и стекловидной фаз, однородности и
состояния поверхности [16, 116].
Получают ситаллы из 5000 .составов и разработаны методы регулирования
роста кристаллов и их химикогминералогического состава. Следовательно, мо-
жно получать ситаллы с заданными свойствами.
Ситаллы имеют плотную микрокристаллическую структуру, характеризую-
щуюся малым размером кристаллов и отсутствием пористости. Наиболее пол-
ная кристаллизация достигается при размерах кристаллов 200—300 А. В каче-
стве инициаторов кристаллизации применяют TiO2 (наиболее широко) Au, Ag,
Си, Pt.
На рис. 135 показана зависимость механической прочности ситалла в зави-
симости от размера кристаллов.
Рис. 13$. Зависимость механической
прочности ситалла от размера мик-
рокристаллов:
(стекло состава в %: 81 SiO2;
12,5 Zi2O; 2,5 К2О; 4 А12О3; 0,03 СеО?;
0,027 Au; время облучения ультра-
фиолетовыми лучами в мин\ 0,2, 30,
180, 600, 1000; диаметр кристаллов
в мкм:
первичных (620° С) —1,0; 0,10; 0,07;
0,51; вторичных (900° С) — 2,3; 1,4;
1,1; 0,85; 1,3; 1,4)
значительно превышает теплостой-
при изгибе ситалла от температуры
Удельный вес ситаллов колеблется в зависимости от состава в пределах
2,4—2,7 г!см\ Его теплостойкость
кость стекла и составляет 850—
1000° С; теплопроводность —0,047—
0,010 ккал! (см- сек -град) (выше стек-
ла); теплоемкость такая же как у
стекла. Коэффициент линейного тер-
мического расширения зависит от
минералогического состава и колеб-
лется от почти 0 до 300 • 1017 (т. е.
может спаиваться с металлом).
Механическая прочность ситаллов
значительно выше, чем у стекла. Пре-
дел прочности при изгибе равен 25—
30 кГ!мм2 и не изменяется до 700° С
(рис. 136), однако ситаллы имеют
хрупкое разрушение.
Модуль упругости ситаллов 8700—
14 000 кГ!мм\ т. е. значительно выше,
чем у стекла.
Ситаллы имеют высокое сопротив-
ление царапанью и высокую износо-
стойкость.
Электрические свойства ситаллов примерно такие же. как у стекла.
По химической стойкости ситаллы аналогичны стеклу, но у них выше ще-
лочестойкость.
В табл. 280 приведены основные свойства ситаллов в сравнении со свойст-
вами стекла, керамики и металлов.
376 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Свойства ситаллов, стекла, керамики и металлов
Свойства Пирокерам марки Ситаллы, катализированные фосфата- ми, формы
Я CU О о со Р. 3 сл с д 9606 про- зрачный i ± t^'p. о о СО Р. 3 о с к = 5 со схЗ ФСК А В С D Е
Удельный вес в г!см3 при 25° С 2,62 2,604— 2,52 2,50— 2,47 2,47 2,80 2,55 2,62
Водопоглощение в % 0,00 —2,61 0,00 0,00 —2,60 0,00 — — — — —
Г азопроницаемость Газе непроница ем > — — . —
Температура размяг- чения в °C 1350 1250— 1250 850— 900 900 850 900
Удельная теплоем- кость при 2 5° С в 0,185 — 1350 0,185- 1,190 -900 к
ккал/ (г- гр ад) Средняя теплоем- кость при 2 5—400° С в ккал!&• град) 0,23 —0,190 0,230- « 0,235— 0,24 0,28 0,27 0,25
Теплопроводность при 2 5° О в кал/(М’Сек- • град) 0,0100 —0,232 0,0073— —0,240 0,0037—
при 100° С . . . . -0,0087 —0,0047 0,0067 0,013 0,0052 0,0079
Коэффициент тер- мического линей- ного расширения, 14 57 —7 2—20 12 5— 175
а 10—7 (25—300°С) Термостойкость (пе- репад температур, вызывающий разру- шение при погру- жении в холодную воду образцов 0 5 мм и длиной 55) —134 160 130 285
Модуль упругости в кГ/мм2 1386 12100— 8750 8900 10600 7500 7900 9700
Коэффициент Пуассо- на — —12460 0,245 — 0,25 — — — — —
Предел прочности при растяжении (для металлов предел текучести) в кГ/см2 1400 1120 —
Прo^i ость при изги- бе в кГ/см2 .... 2590 1400— — 1610 1138 2800 2500 1800 1960 1950
Отношение прочности при изгибе* к плот- ности 14,1 —2240 12,3 —
Ударная прочность в кГ-см!см2: при комнатной тем- пературе .... — — — — 7,5 3,9 — — —
при 300° С .... — — — — 6,6 4,0 — — —
СИТАЛЛЫ 377
Таблица 280
Стекло Керамика Металл
Плавлен- ный кварц 7900 Стекло викор 7900 Известко- вое 0080 Боросили- катное стекло 7740 А12О3 Стеатит MgO-SiO2 | Форсте- рит MgO-SiO2 Алюми- ний** отожжен- ный Чугун серый О д 2 о д Титан
2,20 2,18 2,27 2,23 3,61 — —3,67 2,65— —2,92 2,8 2,71 2,80 7,0— —7,7 7,93 4,50
0,00 Га; 0,00 онепро! 0,00 ицаем 0,00 0,00 0,00— —0,003 0,00— —0,01 —
1584 1500 ч 696 ’820 1700— — 1745 Г349 — — — — —
0,176 0,178 0,200 0,186 0,181 — — 0,23 (100°) 0,131 (1 006) 0,118 (100°) 0,053 (100°)
0,223 0,224 0,235 0,233 0,241 — — — — — —
0,0028 — — 0,260— —0,305 0,052— —0,058 0,0062— —0,0065 0,010 0,010 0,53 0,29 0,110 0,052
—- — •— — — — — — — —
5,5 4,45— —8 92 17,8— —32 73 (2 0— —500°) 81,5—99 (2 0— —500°) 99 (2 0— — 500°) 2 56 232 100 (25°) 95 (от 18 до 316) 82
— — — — — —
735 6710— —6720 714 6650 2800 1050 — 700 728 812 2030 1 113
0,17 0,17— —0,18 0,24 0,20 0,32 — — 0,33 910 0,17 — —
700 350— —630 700 700 420— —700 4500— —7000 1750— —3500 2800— —3500 910 1400 700 1330 2800 1400— —4200 5600 2520
4,55 4,59 4,05 — 19,1 — — 13,3 6,85 6,75 4,8 14,3 2,67— —8,0 10,1, 8,0
— — — — — — — — — — •—
— — — — 1 — — 23 30 163— —269 13 5— — 185 76
378 -СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Свойства Пирокерам марки Ситаллы, катализированные фосфа*’ тами формы
£ £ о «э о<3 с д 9606 про- зрачный : К о. О О ’Д СцЗ сп д д <Ь 4. » £ °? о о’Я to 0,3. ОДД А В С D Е
Твердость по Брине- лю 500 г — — — — — — — — —
Твердость по Роквел- лу HRC . 64 . 96 58
Сопротивление исти- ранию при песко- струйной обработ- ке по сравнению с листовым стеклом (1,0) 27 20 L
.Коэффициент трения (полированная по- верхность): ' ' покоя ....... J. 0,185 0,086 0,157
движения ‘ — — — — 0,1 57 .—. 0,071 <0,143 • < — :
Диэлектрическая про- ницаемость при час- тоте 10е гц\ ' 25° 6,1 ' 58—, 6.78 .5,4 6,3 5,3 6,9 5,4
300° 6,3' ' —5,62 5,60—
500° ; —5,80 8,80 . ___
При частоте 108 гц 25° . ! 5,3 6,6 5,4 5,4
При частоте ,1010 гц\ 25° ; 6,1 5,45— 6,54 5,5 6,2 .
300° 6,1 —5,53 5,51- 6,65— . . .
500° б,,1 —5,53 5,54— —6 ;б8 6,78 . . .
Фактор рассеяния при • частоте 1 0е гц\ 25° ! , . . . 0,0017 —5,58 0,0015—
300° . . 0,014 —0,0024 0,013— .
500° -0,0154
при частоте 1010 гц: 25°; 0,002 0,0003 0,0068 .
300° 0,0008 0,0006— —. 0,0115 —— ,— —
' 500° 0,0025 -0.00075 0,0015- 0,040 .
Коэффициент потерь при частоте 1 О10 гц\ 25°: ' . . . 0,010 -0,0018 0,008— 0,2
300° 0,078. — 0,014 0,075— . .
500° —0,086
при частоте 1010 гц\ 25° . . . 0,001 0,002 0,615— .
300° 0,003 0,003 — — 0,045 0,077 . ’ .
500° 0,015 —0,004 0,008— 0,27 .
—0,010
СИТАЛЛЫ 379
Продолжение табл. 280
Стекло Керамика Металл
Плавлен- ный кварц 7900 Стекло викор 7900 Известко- вое 0080 Я S (U о 2 О oggiS И X оь- А12О8 Стеатит MgO-SiO2 Форсте- рит MgO-SiO2 я । CD я а 2* 5 2 г - Ч ° 3 < я о я Чугун серый Сталь нержаве- ющая отожжен- ная Титан
3,60 3,78 3,78 3,78 3,78 0,002— -0,003 0,00017 0,00008 0,00009 0,0008 0,0007 0,0003 0,0003 3,53 3,8 3,9 3,8 0,0005 0,0042 0,0009 0,0019 0,0164 0,0036 1 ,23 7,2 6,71 0,009 0,017 0,065 0,114 4,6 5,9 4,5 0,0046 0,0130 0,0015 0,0212 0,0566 0,282 8,81 9,03 8,79 9,03 0,00035 0,012 0,0014 0,0021 0,0031 0,108 0,0082 0,019 5,9 5,8 0,0013 0,0010 0,0077 0,0058 6,3 5,8 0,0003 0,0019 II 1 II 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 II 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 II 1 1 1 1'11111 1'111 1 1 1 1 1 1 1 II 1 1 1
380 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Свойства Пирокерам марки Ситаллы, катализированные фосфа- тами, формы
9605 не- пр озрач- йый 9606 про- зрачный £ О’ я СО О о ’Я СП с к 9608 не- прозрач- ный А В С D Е
Удельное объемное
электрическое соп-
ротивление в ом-см:
при комнатной тем-
пературе ....
250°.............
300°.............
350°.............
700°.............
0,1
8,7
10 — 8,1
8,6 — 6,8
16 15,5 13,6
10 9,3 6,4
5 4,2 3,9
7,5
4,4
прочность при ком-
натной температуре
в кв!мм образец DJN
* Прочность при изгибе измерялась в фунт/кв. дюйм.
** Числитель — алюминий 99%, знаменатель тоже 75%,
4. ПЕРЕРАБОТКА СТЕКЛА В ИЗДЕЛИЯ [147, 164].
Процессу изготовления изделий предшествует процесс стекловарения, каче-
ство которого в значительной степени предопределяет качество будущего
изделия. Характеристика основных стадий стекловарения приведена в табл. 281.
Стекла формуют в интервале температур стеклования и текучести (и выше).
Процесс формования представляет собой сложный комплекс явлений, главными
из которых являются механические (течение) и термические. Методы перера-
ботки стекла в изделия разнообразны и обусловлены конструкцией изделия и
его назначением. В табл. 282 приведены характеристики основных способов
формования стеклоизделий.
В табл. 282 приведены основные способы формования, принципиально отли-
чающиеся друг от друга. Например, ценробежное литье, по существу, нахо-
дится между прокаткой и прессованием, правда поверхность после него полу-
чается огненно-полированная и с оптически правильным профилем.
Так как свойства стекла, особенно его механическая прочность, определяет-
ся качеством поверхностного слоя, были разработаны методы его упрочнения:
термический, химический и термохимический.
Термическая обработка, приводящая к упрочнению поверхностного слоя,—
закалка с охлаждением в потоке воздуха или в жидкости. Наилучшая закалка
получается у стекол, имеющих высокий коэффициент линейного термического
расширения и низкую теплопроводность. Кварцевые и боросиликатные стекла
плохи поддаются закалке.
В табл. 283 приведены сравнительные пределы прочности при изгибе зака-
ленного и отожженного стекла.
Химическая обработка стекла преследует цель устранения дефек-
тов, имеющихся на поверхностном слое. Это осуществляется травлением по-
верхности чаще всего плавиковой кислотой на глубину от 50 до 150 мк обра-
боткой ее кремнийор! аническими жидкостями, которые как бы «залечивают»
дефекты. Наибольший эффект дает сочетание этих методов: травление с после-
дующей обработкой гидрофобизирующим составом (кремнийорганикой). Проч-
ность стекла повышается при этом настолько, что шар весом 1,5 кг
ПЕРЕРАБОТКА СТЕКЛА В ИЗДЕЛИЯ 381
Продолжение табл. 280
Стекло Керамика Металл
Плавлен- ный кварц 7900 Стекло Виктор 7900 К «о S ч 5 <v ° а-p 5^ о fl (-<S Ю W иг- О Стеатит MgO-SiO2 Форсте- рит MgO-SiO2 Алюми- ний** отожжен- ный Чугун серый Ч J СО Я 2 £ 3" ° в О я2оя( Титан
12,0 9,7 6,4 8,1 14,00 — 1420 14(2 0°) — — —
(100) 14(2 0°)
9,7 8,1 5,1 8,6 12,95 — — — — — —
— — — — — — — — — — —
Характеристика основных стадий процесса стекловарения
Таблица 281
Стадия процесса стекловарения Характеристика и особенности стадий процесса
Селикато- образование Отдельные составляющие компоненты шихты претерпевают ряд физиче- ских и химических изменений. В шихте заканчиваются основные реакции в твердом состоянии и из нее улетучивается большинство газов. Шихта превращается в спекшуюся массу, состоящую из силикатов и кремнезе- ма. Для обычных стекол (оконного, тарного и др.) силикатообразование завершается при 800—900° С
Стекло- образование Спекшаяся масса начинает плавится в первую очередь за счет плавления легкоплавких эвтектик. Одновременно с плавлением идет взаимное раст- ворение силикатов и кремнезема. Расплав становится прозрачным. В нем нет непрореагировавших частиц шихты—непровара. Однако стекломасса про- низана еще большим количеством пузырей и неоднородна по химическому составу и свойствам (богата свилями). Для обычных стекол стеклообразо- вание завершается при 1200° С
Осветление Вязкость стекломассы снижается из нее выделяются газообразные вклю- чения, стекломасса освобождается от видимых пузырей — осветление. Для обычных стекол осветление заканчивается при 1400—1 500° С и вязкости 100 пз.
Гомогенизация Выдержка стекломассы при высокой температуре выравнивает ее хими- ческий состав. В результате диффузионных процессов стекло освобождает- ся от свили и становится однородным. Показатели преломления стекло- массы в различных ее участках становятся одинаковыми. Обычно гомоге- низация завершается при температурах более низких, чем осветление
Охлаждение (стружка) Температуру стекломассы снимают до 200—300° С, повышая ее вяз- кость до величины,। необходимой для переработки в изделия
25 Заказ 664
382 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Характеристика основных способов формирования стеклоизделий
Таблица 282
Способы формования Рабочий интервал вязкости стекломассы Дт) в кг Температур- ный интервал формирования М в °C Температур- ный градиент между стекломассой и формой Состояние поверхности отформованных изделий
Вытягивание 104—10е 1050—700 Незначитель- ный Очень хорошее — поверх- ность гладкая, огненно-поли- рованная
Прокатка 103—107 1 150-800 — 800 Очень плохое* —поверхность неровная, сильно кованая, бугристая с мельчайшей по- сечкой
Прессование 104—4-108 1050-650 ~ 600 Плохое, но лучше, чем пос- ле прокатки — поверхность со следами кованости и мельчай- шей посечки, швы от форм, тупые углы и грани
Выдувание 5-103—5-107 1 100—750 — 500 Хорошее — поверхность гладкая, полированная, осо- бенно при выдувании набора на трубке
Моллирование 4,5-Ю7 4-108 750—650 Незначитель- ный Хорошее— поверхность гладкая огненно-полированная
Вспенивание 10’—108 800-700 То же Поверхность неровная, бу- гристая, пористая
* За исключением случаев, когда прокатку ведут с дополнительным заглаживанием по-
верхности ленты (листа) стекла специальным валком или с последующей огневой полиров-
кой.
Предел прочности закаленного и отожженного листового стекла
Таблица 283
Толщина стекла в мм в кГ<см2 для листового стекла Толщина стекла в мм °из ® кГ/см2 для листового стекла
отожженного закаленного отожженного закаленного
12,2 426 2160 19,0 384 2520
15,5 — 2280 19,5 — 2490
17,5 489 2260 20,2 392 2670
не повреждает стекло при падении с высоты 3 м. Для разрушения обычного
листового стекла достаточна высота 0,15 м.
На рис. 137 приведены кривые, характеризующие упрочнение стекла при
химической обработке его поверхности.
Термохимический метод, заключается по существу в закалке стекла в
кремнийорганической жидкости. Такая обработка дает возможность повысить
предел прочности при изгибе до 40—60 кГ!мм2 и термостойкость до 360° С.
5. ПРИМЕНЕНИЕ СТЕКЛА В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
До недавнего времени стекло в нефтяной промышленности использовалось
только для обычных строительных нужд в качестве оптически прозрачного ма-
ПРИМЕНЕНИЕ СТЕКЛА В НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 383
териала. С 1962 г. стекло начали применять для покрытия внутренней поверх-
ности насосно-компрессорных труб. Работа проводилась в ТАТНИИ [103].
Разработка и ввод в эксплуатацию новых крупных месторождений нефти,
в том числе и нефти с высоким содержанием парафина, привела к необходи-
мости изыскания эффективных способов борьбы с отложением парафина в под-
земном и наземном промысловом оборудовании. Применявшиеся механические
и термические методы очистки оборудования от парафина требуют большой
затраты времени и не являются радикальными.
Особенно острым становился вопрос обеспечения нормальной работы на-
сосно-компрессорных колонн.
Исследователи пошли по пути изменения свойств внутренней поверхности
насосно-компрессорных труб нанесением на нее различных покрытий. Наибо-
лее широко применяются покрытия на основе эпоксидных смол и из неоргани-
ческого стекла. Остеклованными трубами оборудовано более 2500 скважин.
Остеклованные насосно-ком-
прессорные трубы обладают
следующими основными пре-
имуществами:
могут работать в услови
ях повышенного коррозион-
ного воздействия добывае-
мой нефти;
на стекле парафин не от-
кладывается;
имеют высокую термо-
стойкость: допускают рез-
кую смену температуры в
пределах 200—300° С;
высокая гладкость по-
верхности приводит к сни-
жению гидравлических по-
терь.
Проведенные исследова-
Рис. 137. Зависимость:
а — прочности и б — термостойкости промышленных
дротовых (стержневых) стекол диаметром 3—4 мм
при травлении их смесями кислот (плавиковой с
серной или соляной): 1 — стекло КС-34; 2 — стекло
БД-1; 3 — стекло ЗС-5К
ния показали, что оптималь-
ная толщина покрытия +1 мм. В табл. 284—286 приведены результаты испы-
тания остеклованных труб при различных видах напряженного состояния:
при испытании на изгиб (чистый изгиб) кольцевые трещины появляются в
покрытии при 25—30 кГ1мм?\
при испытании на усталость стекло разрушилось одновременно с металлом,
т. е. сначала разрушается металл, а затем стекло.
Таблица 284
Сравнение результатов испытания остеклованных труб на растяжение
с эмалированными и без покрытия
Метод и толщина покрытия в мм Ов в кГ/мм2 I Метод и толщина покрытия в мм в кГ/мм2
Появление трещины Разрушение Появление трещины Разрушение
НТ-00 .... 37,2 ОТ-1 ,5 . . . 33,8 40,4
ТР-00 .... 36,5 32,4
ОТ-1 ,0 . . . . 42,1 42,7 ЭМ-1-0,15 . 28,1
ОТ-1 ,2 . . . . 36,1 42,0 ЭМ-Н-0,15 . 29,3 36,8
П р имечание. ОТ — остеклованные; НТ — неостек л ованные, но термообработанные по
режиму остеклования; ТР — в состоянии поставки, ЭМ — эмалированные по различной тех-
нологии.
25*
384 СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ
Таблица 285
'Результаты испытания остеклованных труб внутренним гидростатическим давлением
Тип образца Толщина стекла в мм Толщина металла в мм Давление разрушающее стекло в кГ/см2 о разрушающее стекло в кГ1см2
Стеклобаллон 1 ,0 — 20 4
Трубы 1 1 ,0 1 ,5 320 30,8
1 ,0 2,0 330 25,0
Трубы 2" 1 ,0 1 ,5 2,5 1 >5 350 200 22,4 26,0
1 ,5 2,5 300 24,8
1 ,5 5,0 400 Стекло
не разрушено
Таблица 286
Результаты испытания остеклованных труб ударом
Динами- ческая сила в кГ Число ударов до разрушения покрытия при толщине покрытия в мм Динами- ческая сила в кГ Число ударов до разрушения покрытия при толщине покрытия в мм
1 ,0 1 ,5 2,0 1 ,0 1,5 2,0
6,6 50 50 50 13,9 5 5 5
9,6 27 26 15
11,6 19 10 7 16,4 2 2 1
Появление новых видов стекла безусловно приведет к его более широкому
применению в нефтяной промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автомобильные конструкционные стали. Машгиз, 1951. 324 стр.
2. Альтман М. Б., Постников И. С. иЛактионов И. Л. Литейный
герметичный сплав А1—Si—Mg, Металловедение и термическая обработка
металлов, № 6, 1964, стр. 15—18.
3. Алекперов А. М. Тампонажные цементы для нефтяных и газовых сква-
жин. Азнефтеиздат, 1955, Баку, 324 стр.
4. А н д р и е в с к и й Р. А. Пористые металлокерамические материалы. Ме-
таллургия, 1964, М., стр. 187.
5. Андрианов К. А. Кремнийорганические соединения. Госхимиздат, М.,
1955, стр. 520.
6. Б а р г Э. И. Технология синтетических пластмасс. Л., Госхимиздат, 1954,
стр. 656.
7. Бардин А. Н. Технология оптического стекла. Промстройиздат, 1955,
стр. 496.
8. Бартенев Г. М. Пластические массы, № 9, 1960, стр. 48—54.
9. Бартенев Г. М. Механические свойства и тепловая обработка стекла.
М., Госстройиздат, 1960, стр. 166.
10. Бардин А. Н. Технология оптического стекла. Промстройиздат, 1955,
стр. 496.
11. Бальшин М. Ю. Порошковая металлургия. М., Машгиз, 1948, стр. 236.
12. Б е д р и ц к и й Н. А., В е ж е н к о в а М. С., 3 а в е л о в Г. И., Б е л -
кинд Ф. И. Неметаллические антикоррозионные материалы и покрытия,
М., ЦНИИТЭнефть, 1957, стр. 64.
13. Беллер Н. Н. Тампонажно-песчанистый цемент для цементирования
нефтяных скважин. Труды Гипровостокнефти, М., 1958, стр. 277—284.
14. Беллер Н. Н., Жевл аков В. А. Тампонажно-песчанистый цемент для
«горячих» скважин, К. ЦБТИ, 1959, стр. 8.
15. Б е н д е р и к В. Г., Б у л а е в В. В. Свинцовые футеровки для химических
аппаратов. Технология химического машиностроения, М., № 4, 1965,
стр. 20—22.
16. Бережной А. И. Ситаллы и фотоситаллы, Машиностроение, М., 1966-,
стр. 348.
17. Бильмейер Ф. Введение в химию и технологию полимеров. М., Изд
иностранной литературы, 1958, стр. 570.
18. БленксР. и Кеннеди Г. «Технология цемента и бетона». Т. 1, 1957.
Москва, стр. 327.
19. Б о б р о Ю. Г. Жаростойкие и жароустойчивые чугуны. М., Машгиз, I960,
стр. 170.
20. Богачев И. Н. Металлография чугуна. Москва — Свердловск, Машгиз,
1952, стр. 368.
21. Б о г о м о л о в Л. П., К р я к и н И. Р., Г о р о ж а н к и н А. Н. и К а лам-
кар о в И. М. Оборудование и технология для термической обработки на-
сосных штанг. Машгиз, М., 1951, стр. 27.
22. Борок Б. А. Технология и оборудование для гидростатического прессо-
вания. ВНИИТИ, М., 1959, стр. 25.
386 ЛИТЕРАТУРА
23. Б р о д с к и й А. я. Аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом, М.,
Машгиз, 1956, стр. 396.
24. Бурильные трубы из легких сплавов. Куйбышев, Недра, 1964, стр. 52.
25. Булатов А. И. Цементы для цементирования глубоких скважин, М.,
Гостоптехиздат, 1962, стр. 202.
26. Бурильные трубы из алюминиевых сплавов. ЦНИИТЭнефтегаз, Москва,
1965, стр. 27.
27. Ващенко К. И. Химически стойкие отливки. М., Машгиз, 1946, стр. 131.
28. Викторова Т. В. Подземная коррозия алюминиевых сплавов АМГ-6
и В-92. ВНИИСТ Главгаза СССР. Редакционно-издательский отдел, Моск-
ва, 1961, стр. 36.
29. В и н о г р а д о в В. Н., М а р х а с и н Э. Л. и Ш р е й б е р Г. К. Оптималь-
ное содержание углерода в стали для шарошек и буровых долот. Труды
МНИ им. Губкина, вып. 20, Гостопиздат, 1957, стр. 165—172.
30. Виноградов В. Н., Шрейбер Г. К. и Сорокин Г. М. Износ и
разрушение зубьев шарошек буровых долот. «Нефть и газ», 1964, № 7,
Баку, стр. 95—100.
31. Виноградов В. Н., Шрейбер Г. К. и Сорокин Г. М. Сталь для
изготовления шарошек буровых долот малых размеров, «Нефть и газ»,
1964, № 6, Баку, стр. 73—79.
32. В и х м а н Ю. Л., Бабицкий И. Ф., Вольфсон С. И. Расчет и кон-
струрирование нефтезаводской аппаратуры. М.— Л., Гостоптехиздат, 1953,
стр. 652.
33. Вольфсон С. И., Мягков М. П. «Вестник металлопромышленности»,
1937, № 18, Москва, стр. 98—113.
34. Вольфсон С. И. и Мягков М. П. Научно-технический бюллетень
ЦИАТИМ, 1940, № 6, сентябрь, стр. 17—24.
35. Воронов С. М. Избранные труды по легким сплавам. Оборонгиз, М.,
1957, стр. 546.
36. Г а м б у р г А. М. Материалы, применяемые для изготовления долот. Сб.
буровые долота, Гостоптехиздат, 1952, Л., стр. 188—199.
37. Ганелина и др. Труды ВНИИБТ вып. XVI. М., 1966, стр. 82—92.
38. Г е л ь ф и а н Г. Н. Цементы, применяемые на нефтяных промыслах вос-
точрайонов СССР. М., ГОСИНТИ, 1959, стр. 57.
39. ГельфианГ. Н., ДанюшевскийБ. Ю., Коррозия цементного камня
в нефтяных скважинах, Башкортостан, Уфа, 1964, стр. 61.
40. Гиршович Н. Г. Чугунное литье. Металлургиздат, Л.— М., 1949,
стр. 708.
41. Гиршович Н. Г. Современное состояние теории графитизации. Ленин-
град, ДНТП, 1959, стр. 92.
42. Глазунове. Г., X о р е в А. Н и П о л е н Э. В. Термохимическая обра-
ботка сплава ВТ-15, «Металловедение и термическая обработка металлов»,
1965, № 5, М., стр. 45—48.
43. Гликман С. А. Введение в физическую химию высокополимеров. Изд.
Саратовского университета, Саратов, 1959, стр. 379.
44. Горелик Б. М., Ганелина С. Ф. «Нефтяное хозяйство», № 5,
стр. 16—20, 1961.
45. Г о р е л и к Б. М. и др. «Нефтяное хозяйство», 1964, № 12, стр. 11—14.
46. Грасс И. П. Влияние температуры и давления на свойства тампонаж-
ных вяжущих для цементирования газовых и нефтяных скважин, М., Гос-
топтехиздат, 1962, стр. 8.
47. Гудцов Н. Т. Специальная сталь, Металлургиздат, 1935, стр. 160.
48. Г у л я е в А. П. и Емелина В. П. «Сталь», 1947, № 2, стр. 139—143.
49. Г у л я е в А. П. Низколегированные вольфрамом и молибденом быстроре-
жущие стали. Машгиз, 1941, стр. 85.
50. Г ул я е в А. П. Труды МАИ, вып. III, 1945, стр. 127.
51. Гуляев А. П. Новое в металловедении. М., Машгиз, 1948, стр. 81.
ЛИТЕРАТУРА 387
52. Г у л я е в А. П., Л ахтин Ю. М. и Тару сина А. И. Термическая об-
работка стали. Машгиз, М., 1946, стр. 283.
53. Гусман М. Т., Перлин С. М .«Нефтяное хозяйство», 1958, № 12,
стр. 14—20.
54. Г у с е й н о в М. А. Новости нефтяной техники (Нефтепромысловое дело),
М., № 10, 1958, стр. 14—16.
55. Гусман М. Т., Турок М. М. Новости нефтяной техники (Нефтепро-
мысловое дело), № 3, 1961, стр. 5—7.
56. Делле В. А. Легированная конструкционная сталь. Металлургиздат,
1953, М, стр. 424.
57. Джонс В. Д. Основы порошковой металлургии. Мир, М., 1965, стр. 224.
58. Довгалевский Я. М. Чугуны с особыми свойствами. Металлургиздат,
М., 1957, стр. 198.
59. Дуда Р. И. Некоторые вопросы прочности стальных нефтерезервуаров.
Автореферат диссертации, 1947, стр. 15.
60. Жилин А. И. Минеральная вата. Промстройиздат, М., 1963, стр. 236.
61. Журавлев В. Ф. Химия вяжущих веществ. Госхимиздат, 1951, стр. 208.
62. 3 а в е л о в Г. И. Неметаллические футеровки для аппаратуры нефтяной
и нефтехимической промышленности, М., Гостоптехиздат, 1960, стр. 150.
63. Завел о в Г. И., Бедрицкий Н. А. Цементные торкрет-покрытия для
нефтеаппаратуры. Институт научно-технической информации АН СССР,
М.» 4957, стр. 14.
64. Зарембо К. С., Шевелев Б. П. Защита внутренней поверхности
стальных газопроводных труб пластмассовыми покрытиями. Труды
ВНИИГаз, Л., № 8(16), 1960, стр. 107—114.
65. Зарембо К. С., Рассадина Е. Н., Горбунов В. Н., Шеве-
лев Б. П. Высоконапорные газопроводные трубы из стекловолокнистых
пластических материалов. Труды ВНИИГаз, Л., № 8(16), 1960, стр. 124—142.
66. 3 ю з и н В. И. и Б а р а н ч у к С. И. Труды Уральского филиала АН СССР,
вып, 10, 1941, стр. 125—139.
67. Изнаирский Н. А. Пластические массы, № 4, 1960, стр. 45—48.
68. Ильский А. Л. Расчет и конструирование бурового оборудования. Гос-
топтехиздат, 1957, стр. 551.
69. Иоанесян Р. А. Итоги работ по долоту и пути повышения проходки
за долбление. Сб. Буровые долота, Гостоптехиздат, М., 1955, стр. 13—20.
70. И о а н н е с я н 3. Ф. Новости нефтяной техники (нефтепромысловое дело),
№ 2, 1960, стр. 17—19.
71. Калмыков Н. К. Итоги работ по созданию высокопроизводительных
долот. Сб. Буровые долота, Гостоптехиздат, М., 1955, стр. 4—13.
72. Каргин В. А., Слонимский Г. Л. Краткие очерки по физико-хпмии
полимеров. Изд. Московского университета, М., 1967, стр. 231.
73. К а с у м з а д е Н. Г., Т е р - С а а к о в Б. У., Мамедов М. А., А р а х е-
л о в А. С. и Спектор Ш. Ш. Защита аппаратуры и оборудования неф-
теперерабатывающих заводов от коррозии, Баку, Азернешр, 1962, стр. 283.
74. Кинд В. В. Коррозия цементов и бетона в гидротехнических сооруже-
ниях. М.— Л., Госэнергоиздат, 1955, стр. 320.
75. Кинд В. А., Окороков С. Д. Строительные материалы, М.— Л., Гос-
стройиздат, 1934, стр. 684.
76. Киселев Б. А. Стеклопластики. Госхимиздат, М., 1961, стр. 240. °
77. Китайгородский И. И. и др. Технология стекла. Госстроииздат,
1961, М, стр. 623. д „ „ лл л тл
78. К о н с т а н т и н о в А. Н., Самсонов Н. А., Be и ц м а н М. А. и И в а-
нец К. Я. Аппараты и оборудование нефтеперерабатывающих заводов,
М., Гостоптехиздат, 1960, стр. 574.
79. Корнеев К. Е. и Палий П. А. Буровые долота. Справочник, М.,
Недра, 1965, стр. 496. л
80. Корнилов И. И. Никель и его сплавы, АН СССР, М., 1958, стр. 339.
388 ЛИТЕРАТУРА
81. Коропальцев Н. В., Карпович Ю. В. Производство резиновых
изделий методом литья под давлением. Л., Госхимиздат, 1959, стр. 165.
82. Коррозия, методы защиты и повышения долговечности бетона и железо-
бетона, НИИЖБ, Стройиздат, М., 1965, стр. 176.
83. Коршунов Е. С. и Шибряев Б. Ф. Применение алюминиевых спла-
вов для изготовления деталей буровых установок. М., «Нефтяное хозяй-
ство», 1959, № 12, стр. 1—6.
84. Костенец В. И. и Иванченко А. М. ЖТФ. Т. XVI, вып. 5, 1946,
Ленинград, стр. 12.
85. Кошелев Ф. Ф., Климов Н. С. Общая технология резины, М., Гос-
химиздат, <1958, стр. 480.
86. Кравченко И. В., Арапова А. С., Технология и строительные свой-
ства гипсо-глиноземистого расширяющегося цемента, М., 1953, стр. 20.
87. К р ю к о в И. И. Наплавка быстро изнашивающихся изделий порошко-
образным твердым сплавом сталинит. Металлургиздат. М., 1964, стр. 23.
М., стр. 468.
88. Куз мак Е. М. Основы технологии аппаратостроения. «Недра», 1967,
М., стр. 486.
89. К у з м а к Е. М., КудринА. И., Ч е с к и с X. И. Технология оснащения
твердыми сплавами долот для бурения. М., Гостоптехиздат, 1954, стр. 172.
90. Кузмак Е. М., Кудрин А. И. и Тучкевич Н. М. Объемное арми-
рование твердыми сплавами шарошек долот. «Нефтяное хозяйство», 1957,
№ 1, стр. 31—36.
91. Кузнецов А. И. О сульфидно-сульфатной коррозии цементов. «Журнал
прикладной химии». Т. XIX, вып. 5—6, М.—Л., 1946, стр. 489—492.
92. Куликов Н. В. Нефтяное хозяйство, М., № 11, 1958,. стр. 28—30.
93. К у п е р м а н Я. М. Алюминиевые трубы для нефтепроводов. «Строитель-
ство трубопроводов», № 2, 1959, М., стр. 9.
94. Кураев В. В. Металловедение для строителей, М., 1952, Стройиздат,
стр. 196.
95. К у н я в с к и й М. Н., Ланда А. Ф. и др. Технология литейного произ-
водства. Т. II, Машгиз, М., 1947, стр. 132.
96. Ланда А. Ф. Основы получения чугуна повышенного качества. Машгиз,
1960, М., стр. 238.
97. Лев М. Б., Павловская Е. И., Шибряев Б. Ф., Баркан В. Л.
Получение сферического порошка железа методом распыления расплавлен-
ного металла. «Порошковая металлургия», 1964, № 2, стр. 89—98.
98. Легированные чугуны (АФА). Американская ассоциация литейщиков, М.—
Л., Машгиз, 1941, стр. 84.
99. Л е й р и х В. Э. Временная инструкция по выбору бетонов, стойких в аг-
рессивных средах. М., Гостоптехиздат, 1956, стр. 51.
100. Лепетов В. А. Резиновые технические изделия. Госхимиздат, Л., 1959;
стр. 446.
101. Лившиц Ф. Наплавка сормайтом № 1 гильз центробежных насосов и
деталей клиновых задвижек. Сб. статей по обмену опытом машинострои-
телей-нефтяников, вып. 2, Гостоптехиздат, М., 1956, стр. 20—23.
102. Лосев И. П., Тростянская Е. Б. Химия синтетических полимеров.
Госхимиздат, М., 1960, стр. 574.
103. Максутов Р. А., Губарев Я. Ф., К а н А. Г., Зотов А. Г., Б о ч е-
н о в Е. Е. Коррозия и защита в нефтедобывающей промышленности, № 3,
стр. 12—17.
104. Марки и свойства металлокерамических изделий и порошков. Информа-
ционный справочник. Наукова Думка, Киев, 1965, стр. 125.
105. МархасинЭ. Л. и Шрейбер Г. К. Поверхностное упрочнение нефтя-
ного оборудования и инструмента. Гостоптехиздат, М„ 1959, стр. 181.
106. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. Справочник,
Металлургиздат, 1956, стр. 1204.
ЛИТЕРАТУРА 389
107. Металловедение и термическая обработка. Справочник, Металлургиздат,
1959, Горький, стр. 185.
108. Михайлов-Михеев П. Б. Новый промышленный металл — титан»
М.— Л., Машгиз, 1958, стр. 35.
109. Михайлов П. А., Дупленко Ю. В., Малышев Б. Н. «Пластичес-
кие массы», 1960, № 4, стр. 38—42.
ПО. Моисеев Д. Т. Конструкционные материалы для нефтяной промышлен-
ности. Недра, М., 1964, стр. 92.
111. Мчедалов-Петросян О. П. Физико-химические основы технологии
бетона, Киев, 1961, стр. 8.
112. Наплавка твердого сплава сормайт. Металлургиздат, 1951, стр. 57.
113. Натапов Б. С. Конструкционные стали, Общественный университет
НТОМашпром, М., 1958, стр. 49.
114. Некрасов К. Д. Жароупорный бетон. Промстройиздат, М., 1957,
стр. 283.
115. Николаев А. Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их
основе, «Химия», М.— Л., 1966, стр. 768.
116. Новые материалы в технике. Гостоптехиздат, М., 1962, стр. 656.
117. Новое в конструкции буровых установок. ЦНИИТЭнефтегаз, М., 1964,
стр. 92.
118. Новости нефтяной техники (нефтепромысловое дело), № 9, 1959, стр.
15—19.
119. Новый строительный материал пластбетон (перевод с немецкого) ЦИТИ
угля, Углетехиздат, М., 1958, 8 стр.
Г20. Новые материалы в технике, Высшая школа, 1968, стр. 368.
121. Немм В. А. Пластические массы, № 11, 1960, М., стр. 23—31.
122. Ноткин Б., Перепелкин В. Пластмассы в технике, изд. Московский
рабочий, 1961, стр. 176.
123. Окороков С. Д. Взаимодействие минералов портландцементного клин-
кера в процессе твердения цемента. М.— Л., Стройиздат, 1945, стр. 36.
124. Охрименко К. М., М а л ы ш е в А. И., К р а в ч е н к о И. С., М., «Неф-
тяное хозяйство», 1958, № 10, стр. 23—26.
125. Панферов К. В., Романенков И. Г. «Пластические массы», 1960,
№ 4, стр. 35—38.
126. П а н ф е р о в К. Ф., Романенков И. Г. М., Пластические массы, № 11,
I960, стр. 31—35.
127. Панферов К. В., Чайский К. А. «Пластические массы», 1960, № 7,
стр. 72—75.
128. Перлин С. М. «Нефтяное оборудование и машины», 1965, № 11,
стр. 3—7.
129. Петров Г. С., Левин А. Н. Термореактивные смолы и пластические
массы, М., Госхимиздат, 1959, стр. 310.
130. Петровский Б. С. «Газовая промышленность», 1964, № 4, стр. 27—30.
131. Петухов Б. В. Полиэфирное волокно. М., Госхимиздат, 1960, стр. 87.
132. Полимеры для машиностроения, М., ЦБТИ, '1961, стр. 200.
133. Пик И. LLL, Левин А. Н. Основы производства изделий из пластмасс,
М., КОИЗ, 1954, стр. 320.
134. Раковский В. С. Фрикционные металлокерамические материалы, Маш-
гиз, 1960, М., стр. 19.
135. Раскин Р. М. и Ваграмов Р. А. Поверхностная закалка насосных
штанг. «Нефтяное хозяйство», 1961, № 9, М., стр. 46—49. -Q А7
136. Ратнер С. Б. «Пластические массы», 1960, № 7, 8, 9, М., стр. ,
£1_77
137. Ратнер С. Б., С т и н с к а с А. В., Шпаковская Е. И. «Пластические
массы», 1961, № 7 стр. 59-65. н 0 р ф Ю. Г. «Пласта-
138. РатнерС. Б., СтинскасА. В., Гильгенд иру
ческие массы», 1960, № 9, М., 54—61.
390 ЛИТЕРАТУРА
139. Саакиян Л. С. Высоколегированные стали для нефтезаводской аппара-
туры. Сб. Нефтяное материаловедение, МВО СССР, 1959, М., стр. 117—145.
140. Сборник. Стеклообразные системы и материалы. «Знание», Рига, 1967,
стр. 308.
141. СкрамтаевБ. Г., Попов Н. А., ГерливановН. А., Муд-
рев Г. Г. Строительные материалы, Промстройиздат, 1950, М., стр. 608.
142. СкрамтаевБ. Г. О методах испытания и стандартах на цемент. Пром-
стройиздат, М., 1949, стр. 24.
143. Скузоватова А. П. Применение для деталей станков высокоуглеро-
дистой стали взамен цементируемой, М., «Станки и инструмент», 'I960,
№ 7, стр. 27—29.
144. Скугорова Л. П. и Таран В. Д. Трубопроводностроительные мате-
риалы. Высшая школа, М., 1967, стр. 352.
145. Славин Д. О. Коррозионностойкие сплавы, М., НТО Машпром, 1958,
стр. 73.
146. Смирнов В. К., Кацнельсон С. X. Химически стойкие замазки «ар-
мазит» и лаки холодного отверждения. Госхимиздат, М., 1957, стр. 52.
147. Справочник по производству стекла. Т. 1—2, М., Госстройиздат, 1963,
СТР. 1026, 815.
148. Справочник по машиностроительным материалам. Т. 1, Сталь, Машгиз,
1959, стр. 907.
149. Справочник по свойствам сталей, применяемых в котлотурбостроении,
Машгиз, 1958, Ленинград, стр. 408.
150. Справочник по свойствам черных металлов, применяемых в оборудовании
нефтеперерабатывающих заводов. РТМ 54-60, Гипронефтемаш, М., 1960,
стр. 117.
151. Справочник по машиностроительным материалам. Т. III, Машгиз, М.,
1959, стр. 359.
152. Справочник по машиностроительным материалам. Т. 4, Машгиз, 1960,
стр. 723.
153. Средин В. В. и Тарасенков П. М. Оборудование и трубопроводы
установок каталитического реформинга и гидроочистки, Гостоптехиздат,
1963, Ленинград, стр. 239.
154. Стали с пониженным содержанием никеля. Справочник ЦНИИУМ, Ме-
таллургиздат, М., 196'1, стр. 200.
155. Стел ин П. И. Сб. Высокопрочные чугуны, Машгиз, М., 1954, стр. 17.
156. Стеклотекстолиты и др. конструкционные пластики. М., сб. статей, Обо-
ронгиз, 1960, стр. 169.
157. ТаранВ. Д. иСкугороваЛ. П. Стали для буровых долот. Сб. Неф-
тяное материаловедение. МВО СССР, М., 1959, стр. 64—102.
158. Таран В. Д. и Липилин И. П. Исследование и выбор новых сталей
для буровых долот. Сб. Нефтяное машиностроение, М., Гостоптехиздат,
М., 1958, стр. 97—111.
159. ТаранВ. Д. иСкугороваЛ. П. К вопросу о выборе инструменталь-
ных сталей для шарошек, Сб. Нефтяное машиностроение, Гостоптехиздат,
М., 1961, стр. 20—31.
160. Таран В. Д. и Скугорова Л. П. Стали для труб и насосных штанг.
Сб. Нефтяное материаловедение, МВО СССР, М., 1959, стр. 46—64.
161. Таран В. Д. Технология сварки и монтажа магистральных трубопрово-
дов. Гостоптехиздат, М., 1960, стр. 362.
162. ТаранВ. Д. иЗаксон Р. И. Стали для магистральных трубопроводов
и нефтерезервуаров. Сб. Нефтяное материаловедение, МВО СССР, М.,
1959, стр. 145—162.
163. Твердые сплавы в машиностроении. Справочное пособие, Машгиз. М..
1955, стр. 384.
164. Технология стекла под редакцией Китайгородского И. И., Изд. по строит.,
М., 1967, стр. 564.
ЛИТЕРАТУРА 391
165. Титановые сплавы и их применение в машиностроении, М.— Л., 1962,
стр. 168.
166. Т о п ч и е в А. В., К р е н ц е л ь Б. А., Полиолефины — новые синтетические
материалы, Изд. АН СССР, М., 1958, стр. 102.
167. Ульянин Е. А. Стали и сплавы для криогенной техники. «Металлове-
дение и термическая обработка», 1966, № 10, М., стр. 54—58.
168. Ульянов Р. А., Москаленко В. А. Особенности пластической де-
формации титана при низких температурах. «Металловедение и термичес-
кая обработка», 1966, № 10, М., стр. 48—51.
169. Фарзалибекова 3. Г. Коррозионностойкие безникелевые стали для
нефтехимической промышленности. Автореферат диссертации, МИНХ и ГП
им. Губкина, М., 1965, стр. 46.
170. ФедЪроченко И. М. и Андриевских Р. А. Основы порошковой
металлургии, АН УССР, Киев, 1961, стр. 420.
171. Физико-механические испытания каучука и резины. Труды НИИШП, сб. 7,
Госхимиздат, М., 1960, стр. 167.
172. Флойд Д. Е. Полиамиды. Госхимиздат, М., 1960, стр. 180.
173. Фридляндер Н. Н. Деформируемые алюминиевые сплавы, М., Бюл-
летень обмена производственно-техническим опытом, № 2, М., 1959,
стр. 18—25.
174. Фринляндер И. И. и Яценко К. П. Сплавы на алюминиево-берил-
лиевой основе. Металловедение и термическая обработка металлов, № 3,
1965, стр. 2—5.
175. ФурминИ. И., ПоходняИ. К. и К и р д о И. В. Биметаллические ша-
рошки буровых долот. «Автоматическая сварка», Киев, 1954, № 4,
стр. 29—46.
176. ХабахпашевА. А. и Шейнин Б. Е. «Качественная сталь», 1938,
№ 4, стр. 7—10.
177. Хачатуров С. С. Стали для зубчатых шарошек и лап буровых долот
сплошного бурения, Гостоптехиздат, 1962, стр. 98—121.
178. Химушин Ф. Ф. Коррозионностойкие, нержавеющие и окалиностойкие
стали. Справочник по машиностроительным материалам, М., Машгиз,
1959, стр. 51.
179. Химушин Ф. Ф. Нержавеющие стали. Металлургиздат, М., 1963,
стр. 600.
180. Хопфф Г., Мюллер А., Венгер Ф. Полиамиды, М., Госхимиздат,
1958, стр. 452.
181. Чегодаев Д. Д., Наумова 3. К. и Дунаевская Ц. С. Фторо-
пласты, М., Л., Госхимиздат, 1960, стр. 192.
182. Черкинский Ю. С. Полимерцементный бетон, М., Госстройиздат, 1960,
стр. 147.
183. Черкинский Ю. С., Калашникова В. М. «Строительные мате-
риалы», 1960, № 5, стр. 8—10.
184. Шапиро М. Б. и Шва рц Т. Л. Сталь, М., 1954, № 5, стр. 449—452.
185. Шахмалиев Г. М. Новости нефтяной техники (Нефтепромысловое де-
ло), 1959, № 2, стр. 3—5.
186. ШевченкоА. А. иСтрижакВ. И. Современное состояние производ-
ства бурильных труб для нефтяной промышленности, ЦНИИЧермет, J962,
стр. 143.
1187. Шибряев Б. Ф. и Дьяков В. Г. Коррозия конденсаторных труб из
медных и медноникелевых сплавов ЦНИИТЭнефтегаз, М., 1963, Науч,
анал. тем. обзор, стр. 34—52.
188. Шибряев Б. Ф. и Дьяков В. Г. «Химия и технология топлив и ма-
сел», 1961, № 1, М.» стр. 71—72.
189. Шибряев Б. Ф. Зарубежная практика борьбы с коррозией и износом
нефтяного оборудования путем применения специальных сплавов.
ЦНИИТЭНефтегаз, М., 1963, стр. 49—61.
392 ЛИТЕРАТУРА
190. Шибряев Б. Ф. и Абрамова 3. В. «Химическое машиностроение»,.
1959, № 2, стр. 12—16.
191. Шибряев Б. Ф., Дьяков В. Г. Применение алюминия и его сплавов;
для изготовления элементов и деталей конденсационно-холодильного обо-
рудования. Науч. анал. тем. обзор, ЦНИИТЭнефтегаз, М., 1963, стр. 73—84.
192. Шибряев Б. Ф. О зависимости неравномерного распределения свойств,
по высоте металлокерамических фильтрующих элементов от технологии их
изготовления. «Порошковая металлургия», 1966, № 5, стр. 74—79.
193. Шибряев Б. Ф., Чернопятова А. П., Каминский Я. А., Пав-
ловская Е. И. Основные свойства металлокерамических фильтрующих
материалов. Сб. Металлокерамические фильтры, применяемые в нефтяной
и газовой промышленности. ЦНИИТЭнефтегаз, М., 1964, стр. 71.
194. Шибряев Б. Ф. Металлокерамические фильтрующие элементы для
очистки агрессивных жидкостей и горячих газов. Химическое и нефтяное
машиностроение, М., 1966, № 8, стр. 13—15.
195. Шибряев Б. Ф. Об оценке коррозионной стойкости металлокерамичес-
ких пористых материалов, М., «Заводская лаборатория», 1964, № 3,
стр. 313—314.
196. Шифрина В. С., Самосатский Н. Н. Полиэтилен, Л., Госхимиздат,
1961, стр. 262.
197. Шрейбер Г. К., Шибряев Б. Ф., ПолферовА. П., Пер-
лин С. М. Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и
газовой промышленности, М., Гостоптехиздат, 1962, стр. 382.
198. Шрейбер Г. К. Сталь для нефтепромыслового и нефтезаводского обо-
рудования. Сб. Нефтяное материаловедение, М., МВО СССР, 1959,
стр. 5—46.
199. Шрейбер Г. К., Гапченко М. Н. и Пятигорский М. Г. Труды
Киевского политехнического института, вып. XII, 1948, стр. 75—93.
200. Шрейбер Г. К., Ж е т в и н Н. П., СаакиянЛ. С. и П а и со в а И. Я.
Влияние деформации на коррозию нержавеющей стали типа 18-8. Черная
металлургия, № 7, Металлургиздат, 1966, М., стр. 114—119.
201. Шрейбер Г. К., Саакиян Л. С., Шмуйлович Ю. С. Защита от
коррозии установки селективной очистки масел фенола. «Химическое,
нефтеперерабатывающее и целлюлозно-бумажное машиностроение», М.,
1965, № 3, стр. 25—27.
202. Шрейбер Г. К., Яновский И. И. и П е т р и к е е в а Э. М. К вопросу
повышения стойкости штыревых шарошечных долот. «Взрывное дело»,
58/15, 1966, стр. 180—183.
203. Ш р е й н е р Л .А. и Павлова Н. Н. «Нефтяное хозяйство», 1954, № 4,.
204. Энциклопедический справочник «Машиностроение». Т. 3, Машгиз, 1947,
М., стр. 712.
205. Энциклопедический справочник, «Машиностроение». Т. 4, Машгиз, 1960,
стр. 723.
206. ЭСТ Конструкционные материалы. Т. I, II, III, Сов. энциклопедия, М.,
1963—65, стр. 416, 408, 527.
207. Aluminium v. 32, № 5, 1956.
208. Corrosion v. 42, 1950.
209. Corrosion technology, n. 6, № 3, № 4, 1959.
210. Creep Data ASTM, № 5, 1938.
211. Gignoux FC World Oil v. 135, № 7, 1952.
212. Evaus v. Corrosion — resistens and Dueirapplication. Corros Technol, № 10^
1960.
213. Hankins G., Hanson D., Ford G. Jron and Steel Institute 14, № 2, 1926.
214. Oil and gas v. 55, № 35, 1957.
215. Pev. aluminium, v. 34, № 243, 1957.
Оглавление
Предисловие........................................................3
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ
Глава I. Сталь.....................................................5
1. Общая классификация стали..................................5
2. Влияние углерода на структуру и свойства стали..........5
3. Влияние примесей на структуру и свойства стали..........12
4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали 13
5. Конструкционная сталь...................................23
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного каче-
ства ..................................................23
Углеродистая конструкционная качественная сталь . . 33
Низколегированная конструкционная сталь.............42
Легированная конструкционная сталь ................... 45
6. Высоколегированная сталь, применяемая для изготовления нефте-
заводской п нефтехимической аппаратуры.......................57
Нержавеющая и кислотостойкая сталь...................58
Окалиностойкая и жаропрочная сталь .................. 76
7. Стальное фасонное литье....................................84
8. Сталь для буровых долот....................................94
9. Сталь для труб и насосных штанг...........................106
Бурильные трубы.......................................106
Обсадные и насосно-компрессорные трубы................109
Насосные штанги........................................НО
10. Сталь для магистральных трубопроводов, резервуаров и газголь-
деров ........................................................112
Трубы.................................................112
Резервуары и газгольдеры..............................115
Глава II. Чугун..................................................117
1. Общая классификация чугуна...............................117
2. Влияние химического состава и скорости охлаждения на струк-
туру и свойства чугуна......................................120
3. Серый чугун ..........................................127
4. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом . • • .132
5. Ковкий чугун............................................. 133
6. Легированный чугун.......................................135
394 ОГЛАВЛЕНИЕ
7. Высоколегированный чугун с особыми физико-химическими свой-
ствами ....................................................136
Глав a III. Медь и ее сплавы...................................144
1. Свойства меди...........................................144
2. Сплавы меди с цинком (латунь)...........................146
3. Сплавы меди с оловом (бронза)...........................147
4. Сплавы меди с никелем...................................149
5. Коррозионная стойкость меди и медных сплавов............149
6. Применение меди и ее сплавов в нефтяной, нефтехимической и га-
зовой промышленности.......................................154
Глава IV. Никель и его сплавы..................................157
1. Свойства никеля.........................................157
2. Сплавы никеля...........................................159
3. Применение никеля и его сплавов в нефтяной и нефтехимической
промышленности.............................................161
Глава V. Алюминий и его сплавы............................164
1. Свойства алюминия.......................................164
2. Классификация сплавов алюминия..........................165
3. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термичес-
кой обработкой.............................................166
4. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической
обработкой.................................................168
5. Литейные алюминиевые сплавы.............................172
6. Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов..............173
7. Сварка алюминиевых сплавов..............................182
8. Применение алюминия и его сплавов в нефтяной, нефтехимичес-
кой и газовой промышленности...............................184
Глава VI. Титан и его свойства...............................189
1. Свойства титана.........................................189
2. Сплавы тигана ..........................................192
3. Перспективы применения титана и его сплавов в нефтяной, неф-
техимической и газовой промышленности......................194
Глава VII. Свинец..............................................196
1. Свойства свинца.........................................196
2. Применение свинца в нефтяной, нефтехимической и газовой про-
мышленности ...............................................198
ЧАСТЬ ВТОРАЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
И ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Глава VIII. Металлокерамические материалы......................202
1. Общие сведения..........................................202
2. Антифрикционные металлокерамические материалы .... 208
3. Фрикционные металлокерамические изделия.................210
ОГЛАВЛЕНИЕ 395
4. Конструкционные металлокерамические материалы .... 212
5. Высокопористые, фильтровые материалы.....................213.
Металлокерамические фильтры из меди и бронзы . . .216
Металлокерамические фильтры из никеля и монель-металла 217
Металлокерамические фильтры из титана..............218'.
Металлокерамические фильтры из нержавеющей стали . 219
Основные способы соединения отдельных фильтрующих
элементов.......................................... 220*
Применение металлокерамических фильтров в нефтяной,
нефтехимической и газовой промышленности .... 223
6. Магнитомягкие металлокерамические материалы.............225
7. Огнеупорные металлокерамические материалы из тугоплавких
соединений...................................................227
Глава IX. Твердые сплавы....................................231
1. Классификация твердых сплавов.............................231
2. Металлокерамические твердые сплавы........................231
3. Литые твердые сплавы.................................... 232’
4. Зернообразные твердые сплавы..............................234
5. Электродные твердые сплавы................................235
6. Технология армирования твердыми сплавами................ 236.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава X. Полимеры.............................................242
1. Общие сведения о полимерах...............................242
2. Классификация полимеров ... 243;
3. Отличие полимеров от низкомолекулярных веществ .... 245.
4. Особенности механических свойств полимеров.............. 246.
5. Аморфные полимеры.........................................251
6. Кристаллические полимеры................................ 257’
7. Структурирование полимеров................................261
8. Пластификация полимеров ..................................262
Глава XI. Пластические массы..................................265
1. Состав и классификация ...................................265
2. Основные виды пластмасс...................................267
3. Физико-механические свойства пластмасс....................274
Физические свойства..................................274
Механические свойства.............................. 283.
Диэлектрические свойства ........................... 288
4. Химическая стойкость пластмасс............................299
5. Переработка пластмасс в изделия ......... 307
6. Применение пластмасс......................................309
Глава XII. Резины.............................................316
1. Основы классификации резины...............................316
2. Физико-механические свойства резин........................320
396 ОГЛАВЛЕНИЕ
3. Переработка резин в изделия...............................331
4. Применение резины.........................................332
Глава XIII. Цементы и бетоны.....................................339
1. Основы классификации цементов и бетонов...................339
2. Тампонажные цементы.......................................340
3. Коррозия цементного камня в скважинах.....................350
4. Коррозионностойкие цементы................................351
5. Защита трубопроводов цементными покрытиями................356
6. Бетон для тепловой изоляции аппаратов.....................357
7. Монолитные бетонные футеровки.............................359
8. Бетонные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов . 361
Глава XIV. Стекло неорганическое.................................363
1. Общие сведения............................................363
2. Физико-механические свойства..............................365
Физические свойства...................................365
Механические свойства.................................367
Электрические свойства .............................. 370
Химическая стойкость..................................374
3. Ситаллы...................................................374
4. Переработка стекла в изделия..............................380
5. Применение стекла в нефтяной промышленности...............382
Литература..................................................... 385
Шрейбер Геннадий Константинович,
Перлин Самуил Менделевич, Ш и б р я е в Борис Филиппович
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ
И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Справочное руководство.
Редактор издательства А. Л. Таирова
Технический редактор Т. Ф. Соколова Корректор Л. Ф. Никифорова
Переплет художника Е. В. Бекетова
Сдано в производство 24/1 1969 г. Т-09977 Тираж 8000 экз. Формат 60 X 9О’/1б Подписано к печати 22/VII 1969 г. Печ. л. 24,75 Бум. л. 12,38 Уч.-изд. л. 35 ’ Цена 2 р. 05 к. Заказ 664
Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», Москва, Б-66, 1-й Басманный пер., 3
Экспериментальная типография ВНИИ полиграфии
Комитета по печати при Совете Министров СССР
Москва, К-51, Цветной бульвар, 30