第七章 化工設(shè)備材料 化工設(shè)備材料種類主要有兩大類： 金屬材料和非金屬材料 從不同設(shè)備的要求來劃分： 有耐高低溫、有耐腐蝕性、有良 好的機(jī)械強(qiáng)度等。 7.1 概 述 合理選用材料規(guī)格、性能、特點(diǎn) 是化工設(shè)備設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié) 不同要求需要不同的材質(zhì)的材料 7.2 碳鋼和鑄鐵 碳鋼合金是以鐵為基礎(chǔ)的合金，也是 鋼和鐵的統(tǒng)稱 含碳 0.02%2% 鋼 含碳大于 2% 鑄鐵 （含碳 0.02%1.5% 鋼 含碳 1.5%2.5% 半鋼 含碳大于 2.5% 鑄鐵） 7.2.1 碳 鋼 A碳及常存雜質(zhì)對鋼材性能的影響 C、S、P、Mn、Si、對鋼材的性能影響 a碳（C） b強(qiáng)度極限 Ak 韌性 HB 硬度 ， 塑性 HB b Ak 0.9 C(%) b硫（S）（有害的） S是以FeS的形式存在于碳鋼中。因熔點(diǎn) 低(985)，熱加工時(shí)易使鋼材開裂（熱 脆）。 高級優(yōu)質(zhì)鋼 S 0.02% 0.03% 優(yōu)質(zhì)鋼 S 0.03% 0.04% 普通鋼 S 0.055% c磷（P）（有害的） 磷在鋼中能增加鋼的強(qiáng)度、硬度，但引起塑性、 韌性的顯著降低，在低溫時(shí)使鋼材顯著變脆（冷 脆）。高級優(yōu)質(zhì)鋼P(yáng) 0.60% ） b優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 因許多特殊的用途：在鋼號末尾分別標(biāo) 上g 或R分別表示鍋爐用鋼和壓力容器用 鋼。如 20g，22R。 由鑄造而得的碳鋼件：有ZG標(biāo)注，如 ZG200400。200表示屈服極限，400 表示強(qiáng)度極限（MPa）。 7.2.2 鑄鐵 含碳量較高（2.5%4.0%）其優(yōu)點(diǎn)是耐磨，切 削加工好以及成本低。灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球 墨鑄鐵。 A 灰鑄鐵 這種鑄鐵中的C以自由狀態(tài)的片狀石墨形式存 在，斷口灰色。適用于支架、閥體、泵體等。 以HT加數(shù)字表示，如HT100，HT150。 HT 灰鐵, 數(shù)字 表示最低抗拉強(qiáng)度（MPa ）,數(shù)字愈大，強(qiáng)度愈高。 B 可煅鑄鐵（展性鑄鐵） 這種鑄鐵中C以團(tuán)絮狀存在，適用于低壓 閥門、管道配件等。 以KT表示。有黑心（H），白心（B）， 珠光體（Z）的不同種類標(biāo)記和數(shù)字。 如 KTH30006 300最低抗拉強(qiáng)度（MPa） 06 最低延伸率 C球墨鑄鐵 加入球化劑（Mg、Ca、稀土等元素） 和石墨化劑（硅鐵或硅鈣合金）、使碳 以球狀石墨結(jié)晶存在. 是目前新型材料之 一，兼有普通鑄鋼及鋼的優(yōu)點(diǎn)。 以QT表示 7.3 鋼的熱處理 熱處理是指將鋼材通過適當(dāng)?shù)募訜崤c 冷卻過程，使鋼材的內(nèi)部組織按照一定 的規(guī)律變化，以獲得預(yù)期的機(jī)械性能的 一種工藝。 目的是改善鋼的加工性能和實(shí)用性能。 7.3.1 金屬結(jié)晶組織 固體金屬內(nèi)部的原子是按一定規(guī)律排列稱 晶體（晶格、晶胞） 金屬的晶格型式最常見的有兩種： (1)體心立方晶胞：立方體頂角上各有一個 原子，立方體中心又有一個原子，如- Fe、Cr、W、Mo (2)面心立方晶胞：立方體八個頂角上也有 一個原子，六個面中心也有一個原子， 如-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni等。 7.3.2 金屬的結(jié)晶過程 結(jié)晶溫度TC 與熔點(diǎn)溫度Tm之差稱為過冷度 T=Tm-TC 溫度 時(shí)間 Tm TC T AB 金屬結(jié)晶過程就是從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倬w 的過程，即原子重新排列過程。包括晶核 形成和晶體成長二個相互聯(lián)系的過程。通 過加快冷卻速度，晶粒細(xì)化，提高金屬質(zhì) 量。 （圖7-4） 液態(tài) 晶核 成長中的晶粒新的晶核生成 晶界 7.3.3 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 在固態(tài)下的金屬由于加熱或冷卻而引 起晶格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 （1）面心立方晶格(Fe ） （2）體心立方晶格(Fe ） 910 C Fe 910C Fe Fe （ 面心立方晶格） （體心立方晶格） Fe 7.3.4 加熱、冷卻過程中鐵碳 合金組織的轉(zhuǎn)變 碳在鐵中存在狀態(tài)有2種 （1）固溶體 碳溶解在鐵中，碳原子 在鐵的晶格空隙處 鐵原子 碳原子 Fe的固溶體稱 鐵 素 體（溶碳量小 ，在723 時(shí)最大 0.025%） Fe的固溶體稱 奧 氏 體（溶碳量大 ，在1146時(shí)最大 2.06%。 ( 2）滲碳體 碳與鐵形成化合物 Fe3C FeFe 溫度 時(shí)間 下臨界溫度 上臨界溫度 序號 含碳量（%） 上臨界溫度（） 下臨界溫度（） 1 2 3 4 5 6 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.06 910 780 - 870 1000 1147 - 723 723 723 723 723 910 C 時(shí)間 溫度 圖7-8 (a) (b)(c) 溫度 時(shí)間 溫度 時(shí)間 Fe0.40.81.21.62.06 723P S K E 400 600 800 1000 1200 溫度 時(shí)間 溫度 時(shí)間 G 鐵素體+ 奧氏體 珠光體=鐵素體+滲碳體 滲碳體+ 奧氏體 奧氏體 7.3.5 冷卻速度對鋼材組織及機(jī) 械性能的影響 慢速冷卻：在平衡組織中生成的往往是 粗片狀的球光體。 快速冷卻：生成球光體也就比較細(xì)密（ 機(jī)械性能好）。 過冷度（大）：碳來不及析出而轉(zhuǎn)變?yōu)?鐵素體，形成過飽和固溶體馬氏體（ 呈針狀組織）。C原子充塞在Fe晶格 間隙中，硬度極大而且脆。 7.3.6 常用的熱處理方法 經(jīng)多次加熱和冷卻過程所組成的一 個復(fù)雜熱處理 A退火 把鋼件放在爐中緩慢加熱，保溫一定時(shí)間 后，隨爐緩慢冷卻過程。包括完全退火 ，再結(jié)晶退火，低溫退火等方面。 （a）完全退火將工件加熱到GS線上 3050C（為什么？）保溫后緩冷，從 而獲得接近平衡組織。 Fe0.40.81.21.62.06 723P S K E 400 600 800 1000 1200 溫度 G （b）再結(jié)晶退火將鋼件加熱至再結(jié)晶溫度 600700C，保溫后空冷。 （c）低溫退火 目的是消除鍛造、焊接等造成鑄件內(nèi)存 在的殘余應(yīng)力 Fe0.41.2 1.6 2.06 0.8 723P S K E 400 600 800 1000 1200 溫度 G B正火 熱處 理工藝強(qiáng)度極限b/MPa延伸率s/% 完全退火35023 正火38028 Fe0.41.2 1.6 2.06 0.8 723P S K E 400 600 800 1000 1200 溫度 G C淬火 Fe0.41.2 1.6 2.06 0.8 723P S K E 400 600 800 1000 1200 溫度 G D回火 回火是淬火之后的一道工序，是零件最 后的熱處理 回火是把已淬火的鋼件重新加熱到PSK 線以下某一溫度，使較長時(shí)間保溫后， 在油中或空氣中冷卻。 低溫回火（150250C） 中溫回火（350500C） 高溫回火（500650C） 下面列出45#鋼的正火處理后與調(diào)質(zhì)處理后 的機(jī)械性能比較 熱處理 工藝 機(jī)械性能 組織 b/MPa /% Ak/JHB 正火70080015204064163220 珠光體+ 鐵素體 調(diào)質(zhì)75085020256496210250 鐵素體+粒 狀滲碳體 E化學(xué)熱處理 目的是改變表層化學(xué)成分和組織 滲碳用滲碳劑，加熱到高溫 900950C. 目的是使零件表面具有高硬度和耐磨性 氮化使氮原子滲入表面 目的是提高硬度、抗腐蝕性等 氰化碳、氮同時(shí)滲入零件表面 滲金屬有滲鉻、鋁、硅等原子 7.4 合金鋼 為了改善鋼的性能，在煉鋼過程中， 特意地向鋼中加入一種或幾種金屬 元素，這種鋼稱合金鋼。合金元素 常有：鉻、錳、鎳、硅、鋁、硼、 鎢、鉬、釩、鈦及稀土元素等。 7.4.1合金元素 固溶強(qiáng)化鐵素體（固溶強(qiáng)化鐵素體） 如：16Mn（由屈服極限235MPa提高到350MPa）, Si 、Mn、Ni 對鐵素體效果明顯。 彌散強(qiáng)化鐵素體（合金元素與碳形成 碳化物，并以極小的質(zhì)點(diǎn)析出呈彌散狀 分布于鐵素體上，提高強(qiáng)度），穩(wěn)定性 次序：鈦、釩、鎢、鉬、鉻、錳。如： 15MnV。在15MnTi中用0.4%0.12%V代 替0.12%0.2%Ti, V與C化合成V4C3,細(xì) 化顆粒。 細(xì)化晶粒 除錳外，幾乎所有的合金元素都不 同程度第阻礙奧氏體晶粒的長大，從而 細(xì)化，提高韌性 改善熱處理性能 Mn、Cr、Al、Si、Ni、B、P等都能 使鋼在較緩慢冷卻速度下，就能得到淬 火組織馬氏體 7.4.2合金鋼的分類與編號 A 分類 按用途： 結(jié)構(gòu)鋼（零件）、 工具鋼（刀具量具）、 特殊鋼（不銹鋼，耐熱鋼）三類 按合金元素含量： 低合金鋼 10% B 編號 原則： （1）合金結(jié)構(gòu)鋼左邊數(shù)字（兩位數(shù)字） 表示鋼的平均含碳量（萬分之一的碳表示 ）。35CrMo，表示含碳0.35%，Cr、Mo 分別1%左右 合金工具鋼以千分之一的碳作為一個 數(shù)字（一位數(shù)字）。9CrSi，表示含碳 0.9%，Cr、Si分別1%。 當(dāng)超過1.0%的含 碳量，在鋼號中不表示其含碳量。 CrWMn，表示含碳超過1.0% （2）表示含碳量數(shù)字后面，某一元素的上 限含量超過1.5%時(shí)，在該元素后面注出 近似百分比。如09Mn2V 碳0.09% Mn2% V 1.6% （3）不銹鋼中當(dāng)含碳量低于或等于0.03% 及0.08%時(shí)，在鋼號前分別冠以“00”及“0” 。如00Cr18Ni10，0Cr18NiTi。 （4）高級優(yōu)質(zhì)鋼（含S,P較低），鋼號末 尾加上“A”字，如35CrMoA。 7.4.3 合金結(jié)構(gòu)鋼 A機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼。 滲碳鋼， 調(diào)質(zhì)鋼， 彈簧鋼、滾動軸鋼因含碳量不同熱處理不同。 牌號 化學(xué)成分%厚 度 mm 機(jī)械性能 用途CSiMn其他B MPa s MPa s/% 16MnR0.12 0.20 0.200.601.201.60-6-1651065534521 15MnV0.180.200.601.201.600.040.12V6-1653067039018 15MnVNR0.12 0.20 0.200.601.301.700.100.20V 0.0100.020N 6-1659073544018 18MnMoNbR0.17 0.23 0.170.371.351.650.450.65Mo 0.0250.050Nb 6-3863578551017 表7-2 B壓力容器用低合金結(jié)構(gòu)鋼。 含碳量在0.1%-0.25%，含少量的合金元素。表7-2 7.4.4 不銹鋼 A金屬腐蝕的基本知識 化學(xué)腐蝕 指金屬表面直接與介質(zhì)發(fā)生純化學(xué) 作用，過程不產(chǎn)生電流，結(jié)果形成膜覆蓋金 屬表面。 電化學(xué)腐蝕 是金屬與介質(zhì)（酸、堿、鹽電解 質(zhì)）發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生腐蝕。具有微電 池作用。如Zn,Cu在稀硫酸中產(chǎn)生腐蝕。Zn 被腐蝕，而Cu被保護(hù)（原因是Zn電位低于Cu ） Zn Zn + +2e 2H +2e H2 Zn+ 2H + Zn + + H2 ZnCu 稀硫酸 Zn + Zn + Zn + H + H + H + H2 B提高抗腐蝕措施 金屬抗腐蝕性能與化學(xué)成分、金相組織、設(shè)備結(jié) 構(gòu)有關(guān)。三相措施： （1）提高電極電位。 （2）金屬呈單一相組織。避免形成腐蝕電池。 因此珠光體組織是不耐，而單一的奧氏體是耐 蝕。 （3）設(shè)計(jì)合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)。機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力 等。如焊縫，死角 C不銹鋼的品種及性能 1.鉻不銹鋼（含碳較低 Cr23C6） 2.鉻鎳不銹鋼 （為了擴(kuò)大耐蝕范圍） 晶間腐蝕 在500-800 C時(shí)，在晶間上析出碳化物使晶界 附近的鉻含量降低到抵于抗蝕需要的最低11.7%的含鉻 量。因此沿著晶界附近產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象稱晶間腐蝕， 導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞。為了防止該現(xiàn)象加入Ti,Nb等 元素。如0Cr18Ni11Ti 3.無鎳不銹鋼(考慮到我國鎳資源短缺）以鉻為主，形成 穩(wěn)定的奧氏體的元素有Mn,N 代替Ni. 7.4.5 耐熱鋼 適應(yīng)高溫設(shè)備的材料應(yīng)具備良好的化學(xué)穩(wěn) 定性和熱強(qiáng)性。表7-3 抗氧化性 抗蠕變 7.4.6 低溫鋼 A 低溫鋼 B抗氫腐蝕 C抗氮腐蝕 晶界 7.5 有色金屬及其合金屬 A鋼及其合金（高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑 性、冷韌性） a純銅 T1,T2,T3,T4 b黃銅（銅鋅合金）H80, H68, H62 c青銅（與其他金屬合金）高強(qiáng)度 高硬度，優(yōu)良的鑄造性和化學(xué)性能。如 錫青銅（ZQSn10） B鋁及其合金 a工業(yè)純鋁 L1,L2,L3,L6.編號大純度 低，用于要耐蝕不要求強(qiáng)度的化工設(shè)備 制造。 b硬鋁(LY,Al-Cu-Mg).低合金硬鋁， LY1 ,標(biāo)準(zhǔn)硬鋁，LY11,高合金硬鋁， LY12 c防銹鋁 (LF) d鑄鋁(鋁硅合金，ZL107) C鉛及其合金 D鎳及其合金 7.6 非金屬材料 一、無機(jī) A化工陶瓷 B玻璃 C水泥 D無機(jī)耐酸 二、有機(jī) A工程塑料 耐酸酚醛，聚氯乙烯/聚乙烯，聚四氟乙烯 ，玻璃鋼、聚酰氨等 B不透性石墨：各種樹脂浸漬石墨消除 空隙而得。 C涂料：包括油漆、環(huán)氧樹脂漆等。 7-5 Q235A-F表示屈服極限為235MPaA類沸騰鋼 20R表示含碳量在0.20%優(yōu)質(zhì)低碳容器用鋼 10 表示含碳量在0.10%優(yōu)質(zhì)低碳(結(jié)構(gòu))鋼 20 表示含碳量在0.20%優(yōu)質(zhì)低碳(結(jié)構(gòu))鋼 20g表示含碳量在0.20%優(yōu)質(zhì)低碳鍋爐用鋼 45表示含碳量在0.45%優(yōu)質(zhì)中碳(結(jié)構(gòu))鋼 ZG200-400表示屈服極限為200MPa、強(qiáng)度 極限為400MPa的鑄鋼 08F表示含碳量為0.08%優(yōu)質(zhì)低碳沸騰鋼 16Mng表示含碳量0.16%、Mn含量在1%左 右的優(yōu)質(zhì)低碳鍋爐用（合金）鋼 16MnR表示含碳量0.16%、Mn含量在1%左 右的優(yōu)質(zhì)低碳容器用（合金）鋼 15MnVR表示含碳量0.15%、Mn含量在1% 左右、V含量在1%左右的低碳優(yōu)質(zhì)容器 用（合金）鋼 0Cr13表示含碳量小于或等于0.08% 、Cr含 量在13%左右的微碳鉻不銹鋼 0Cr19Ni9 0Cr19Ni9表示含碳量小于或等于 0.08%、Cr含量在19%左右、Ni含量在9% 左右的微碳鉻鎳不銹鋼 0Cr18Ni9Ti表示含碳量小于或等于0.08%、 Cr含量在18%左右、Ni含量在9%左右、 Ti含量在1%左右的微碳鉻鎳不銹鋼 1Cr13表示含碳量在0.1%左右、Cr含量在13%左 右的低碳鉻不銹鋼 1Cr17Ti表示含碳量在0.1%左右、Cr含量在17% 左右、Ti含量在1%左右的的低碳鉻不銹鋼 7-6 普通碳鋼Q235A-F 優(yōu)質(zhì)碳鋼20R、10、20、20g、45、08F 容器用鋼20R、 16MnR、 15MnVR 鉻不銹鋼0Cr13、 1Cr13、 1Cr17Ti 鉻鎳不銹鋼0Cr19Ni9、 0Cr18Ni9Ti 鑄鋼ZG200-400 鍋爐用鋼20g、 16Mng 7-10 種類牌號表示顯微組織機(jī)械性能 特點(diǎn) 用途舉例 灰口鑄鐵HT片狀石墨抗壓 不抗拉支架 泵體 機(jī) 座等 可鍛鑄鐵KT團(tuán)狀石墨有一定的強(qiáng) 度和較高的 塑性韌性 低壓閥門 管 道配件 運(yùn)輸 機(jī) 升降機(jī) 球墨鑄鐵QT球狀石磨在強(qiáng)度塑性 和韌性方面 大大超過灰 鑄鐵 研磨機(jī) 等 7-11 HT200-表示最低抗拉強(qiáng)度為200MPa的灰鑄 鐵 KT300-06-表示最低抗拉強(qiáng)度為300MPa， 06表示最低延伸率。 7-13 退火是 把鋼件放在爐中緩慢加熱，保溫一 定時(shí) 間后隨爐緩慢冷卻的過程。 其目的是消除組織缺陷，降低硬度，消除內(nèi)應(yīng) 力。 正火是把鋼件加熱到GS或ES線以上3050 C，經(jīng) 適當(dāng)保溫后從爐中取出在空氣中冷卻。 其目的是均勻組織，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力。 淬火是把鋼件加熱到GS或PSK線以上，保 溫后快速冷卻。 其目的是增加工件的硬度、強(qiáng)度和耐磨度 。 低溫回火是淬火后在150250 C 范圍內(nèi)的