Characteristics Of Various Metals And Alloys In Pump Construction

在下面的篇幅中，您將了解到用于水泵構(gòu)造中的各種金屬和合金的特性。

鐵合金

鐵合金就是鐵為主要成分的合金。由于鐵合金的實(shí)用性、便宜和通用性，使得其成為全部材料中最為常見(jiàn)的材料。

鋼

鋼是一種廣泛使用的材料，主要由混有碳的鐵合金構(gòu)成。鋼中含碳量的變化范圍為0.003%~1.5%(重量)。含碳量對(duì)材料的強(qiáng)度、可焊性、可加工性、延展性和硬度均有重要的影響。作為一種純經(jīng)驗(yàn)方法，含碳量的增加將導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度增加，但是延展性和可焊性降低。最普通的鋼是碳鋼。碳鋼分為四類(lèi)。

鋼可以進(jìn)行鍛造和鑄造。鑄鋼的一般特征與鍛鋼的特征極為接近。鋼最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是其制造、成形和加工均相對(duì)廉價(jià)。另一方面，鋼的缺點(diǎn)是與其他材料(例如不銹鋼)相比，耐腐蝕性較差。

鑄鐵

鑄鐵可被看作是一種鐵、硅和碳的合金。通常，含碳量為3~4%(重量)，其中大部分呈現(xiàn)為不溶形式(例如石墨片或石墨球)。有兩個(gè)主要類(lèi)型鑄鐵3灰鑄鐵和球墨鑄鐵。鑄鐵的耐腐蝕性與鋼相當(dāng)，有時(shí)甚至更好。鑄鐵中可分別摻入13~16%(重量)的硅或者15~35%(重量)的鎳(可得到耐蝕高鎳鑄鐵)，從而提高耐腐蝕性。鑄鐵的各種類(lèi)型被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)中，特別是閥門(mén)、泵、管道和汽車(chē)部件。鑄鐵對(duì)中性和堿性液體(高pH值)具有良好的耐腐蝕性。但是，其耐酸(低pH值)性能較差。

灰鑄鐵

灰鑄鐵的對(duì)比和標(biāo)識(shí)

在灰鑄鐵中，石墨在片狀鐵素體或珠光體中散布。斷裂面呈灰色(這也是名字的由來(lái)!)。在拉伸負(fù)載下，石墨片的功能相當(dāng)于應(yīng)力集中點(diǎn)，這使得它在拉伸狀態(tài)下變得脆弱而易碎，但是在擠壓狀態(tài)下較為堅(jiān)韌。由于灰鑄鐵具有減震的功能，因此它常被用于電機(jī)殼的構(gòu)造?；诣T鐵是一種廉價(jià)材料，相對(duì)容易鑄造，且極少出現(xiàn)收縮。這正是灰鑄鐵經(jīng)常被用于中等強(qiáng)度要求的泵部件的原因。

球墨鑄鐵

球墨鑄鐵的對(duì)比和標(biāo)識(shí)

球墨鑄鐵含有約0.03~0.05%(重量)的鎂。鎂使得片狀變鐵素體或珠光體為球狀，因此石墨是在球狀形式的鐵素體或珠光體中散布。石墨球不具有尖銳的特征。球墨的球狀外形降低了應(yīng)力的集中度，因此球墨鑄鐵的可延伸性比灰鑄鐵好。圖1.6.16清楚地顯示出球墨鑄鐵的拉伸強(qiáng)度比灰鑄鐵的更高。球墨鑄鐵常用于高強(qiáng)度要求的泵部件(高壓或高溫應(yīng)用)。

不銹鋼

不銹鋼是鉻鐵合金。在標(biāo)準(zhǔn)化的不銹鋼中，鉻含量不低于為10.5%。鉻提高了不銹鋼的耐腐蝕性。由于在金屬表面形成了一層氧化鉻膜，從而使不銹鋼的耐腐蝕性更強(qiáng)。在正常條件下，這極薄的一層具有自我修補(bǔ)功能。

其它典型的合金元素還有鉬、鎳和氮。這些元素的混合帶來(lái)了各種晶體結(jié)構(gòu)，從而得到不同的加工、成形、焊接、耐腐蝕性等特性。通常，不銹鋼比鐵和鑄鐵具有更高的抗化學(xué)性(也就是耐酸性)。

在含有氯化物的環(huán)境中，不銹鋼會(huì)出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象，例如點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。不銹鋼對(duì)這些腐蝕的抵抗力主要取決于其化學(xué)組成。作為一種衡量不銹鋼耐坑蝕性的方法，所謂的PRE值(耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值)得到極為廣泛的應(yīng)用。通過(guò)公式可計(jì)算出PRE值，并且在這些公式中，考慮了一些微量合金元素(鉻、鉬和氮)對(duì)耐點(diǎn)蝕性的相關(guān)影響。

PRE值越高，耐局部腐蝕性就越強(qiáng)。應(yīng)當(dāng)清楚地知道，PRE值只是對(duì)一種不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性的大致估計(jì)，它只能被用來(lái)比較/分類(lèi)不同類(lèi)型的不銹鋼。下面，讓我們一起來(lái)看看四種主要類(lèi)型的不銹鋼:鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼。

鐵素體不銹鋼(具有磁性)

鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)是良好的抗腐蝕性能、不俗的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能以及中等剛度。低合金鐵素體不銹鋼常被用于潮濕環(huán)境(茶匙、廚房洗碗池、洗衣機(jī)筒等)，這種環(huán)境要求產(chǎn)品部件免維護(hù)且無(wú)銹。

馬氏體不銹鋼(具有磁性)

馬氏體不銹鋼具有高強(qiáng)度、有限的耐腐蝕性。馬氏體不銹鋼常被用于彈簧、軸、外科手術(shù)器械以及邊緣鋒利的工具，例如刀子和剪刀。

奧氏體不銹鋼(無(wú)磁性)

奧氏體不銹鋼是最為通用的一種不銹鋼，其特點(diǎn)為高耐腐蝕性、不錯(cuò)的可成形性、剛度和可焊性。在工業(yè)上，奧氏體不銹鋼被采用于幾乎全部類(lèi)型的泵元件，特別是EN 1.4301和EN 1.4401。此類(lèi)不銹鋼既可鍛造，又可鑄造。

EN 1.4305是所有快削不銹鋼類(lèi)型中最為流行的不銹鋼型號(hào)之一。由于其含硫量較高(0.15~0.35重量%)，因此其可加工性顯著提高，但不幸的是，耐腐蝕性和可焊性有所降低。然而這些年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出低含硫量的快削級(jí)不銹鋼，從而耐腐蝕性得到了提高。

如果在焊接過(guò)程中不銹鋼經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間加熱至500℃~800℃，鉻可能會(huì)與鋼中的碳反應(yīng)形成碳化鉻。這減小了鉻維持鈍化膜的能力，并可能導(dǎo)致晶間腐蝕這也被稱(chēng)作敏化。

如果采用低碳級(jí)不銹鋼，便可降低敏化的風(fēng)險(xiǎn)。低含碳量的不銹鋼被稱(chēng)作EN 1.4306(AISI304L)或 EN 1.4404(AIS1316L)。與常規(guī)類(lèi)型不銹鋼EN1.4301 (AIS1 304)和EN 1.4401(AISI316)的0.07%含碳量相比，上述兩種不銹鋼的含碳量為0.03%。

穩(wěn)定級(jí)EN 1.4571(AISI 316Ti)含有少量鈦。由于鈦對(duì)碳比鉻有更高的親合力，從而減少了碳化鉻的形成。在現(xiàn)代不銹鋼中，碳的含量普遍比較低，并且隨著L級(jí)不銹鋼越來(lái)越容易得到，穩(wěn)定級(jí)不銹鋼的使用已經(jīng)顯著減少。

鐵素體-奧氏體或兩相不銹鋼(具有磁性)

鐵素體-奧氏體(兩相)不銹鋼的特點(diǎn)是高強(qiáng)度、良好的剛度、高耐腐蝕性以及不俗的耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性、特別是耐腐蝕疲勞性。

鐵素體-奧氏體不銹鋼主要用于要求高強(qiáng)度、高耐腐蝕性以及對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感度低的應(yīng)用或這些因數(shù)的綜合。不銹鋼EN 1.4462被廣泛用于制造泵軸和泵殼。

鎳合金

鎳基合金的定義是在合金中，與其它任何合金元素相比，鎳的含量多。重要的合金成分是鐵、鉻銅和鉬。這些合金成分使得形成廣泛的合金等級(jí)成為可能。鎳和鎳合金具有抗多種惡劣的操作條件的能力，例如腐蝕性環(huán)境、高溫、高應(yīng)力或這些因素的組合環(huán)境。

哈氏(HastelloysTM)合金是一個(gè)含有鎳、鉬、鉻和鐵的商用合金系列。鎳基合金，例如InconelTM 合金 625、哈氏(HastelloysM)C-276以及C-22,具有極強(qiáng)的耐腐蝕性，在低流速海水中不易發(fā)生點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕，并且在高流速下也不易被侵蝕。

鎳基合金的價(jià)格局限了其使用范圍。鎳合金分為鍛造等級(jí)和鑄造等級(jí)。然而，鎳合金比普通的碳鋼和不銹鋼合金更難鑄造。鎳合金特別常用于化學(xué)流程工業(yè)中的泵部件。

銅合金

純銅具有出色的熱性能和電性能，但是它是一種極其柔軟、易延展的材料。

在銅中添加合金添加劑可形成各種不同的鑄造和鍛造銅材料，適用于制造泵、管道、接頭、壓力容器，以及輪機(jī)、電氣以及一般工程的應(yīng)用。

1)可將鉛作為一種合金元素進(jìn)行添加，從而提高材料的可加工性。2) 青銅可與鋁一起制成合金，以提高強(qiáng)度。

由于黃銅的廉價(jià)和易制造加工的優(yōu)點(diǎn)，使得它成為最為廣泛使用的銅合金。然而，它比青銅的強(qiáng)度低，并且一定不能在可引起脫鋅的環(huán)境中使用(參見(jiàn)選擇性腐蝕)。

與鑄鐵相比，在腐蝕性液體(例如海水)中，紅銅青銅和銅鎳合金具有更強(qiáng)的抗氯化物性。在這種環(huán)境下，由于會(huì)發(fā)生脫鋅現(xiàn)象，因此不適于采用黃銅各種銅合金對(duì)堿性液體(pH值高)、氨水和硫化物的抵抗力均較低，易發(fā)生腐蝕。黃鋼、紅銅和青銅被廣泛地用于軸承、葉輪和泵殼。

鋁

純鋁是一種即輕又軟的金屬，其密度大約是鋼的三分之一。純鋁具有較高的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)。其最常見(jiàn)的合金元素是硅、鎂、鐵和銅。硅可增加材料的可鑄造性;銅可增加材料的可加工性;鎂可提高其耐腐蝕性和強(qiáng)度。

鋁最明顯的優(yōu)點(diǎn)在于它可自然地形成一層保護(hù)性氧化膜，因此當(dāng)它被暴露于空氣下時(shí)，鋁具有高耐腐蝕性。采取例如陽(yáng)極氧化這樣的處理可進(jìn)一步提高這種性能。鋁合金廣泛地應(yīng)用于要求強(qiáng)度重量比較高的結(jié)構(gòu)中，例如在運(yùn)輸行業(yè)中。例如，在車(chē)輛和航空器中采用鋁作為材質(zhì)，大大降低了重量和能耗。

另一方面，鋁的缺點(diǎn)是在低pH值或高pH值以及含氯化物的環(huán)境下不穩(wěn)定。這一特征使得鋁不適于暴露于水溶液下，特別是在高流速的條件下。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)，那就是鋁是一種活性金屬。換句話說(shuō)，鋁在電勢(shì)序中排位較低(參見(jiàn)電化學(xué)腐蝕)，并且如果與更重的金屬和合金相連，極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

鈦

CP:commercialpure商業(yè)純鈦(含量大于99.5%)鈦等級(jí)和合金特征

純鈦的密度較低、較易延展且強(qiáng)度相對(duì)較低。然而，當(dāng)加入一定限量的氧時(shí)，可使得鈦的強(qiáng)度增大且制造出所謂的商業(yè)純等級(jí)鈦。加入各種合金元素，例如鋁和釩，可顯著提高其強(qiáng)度，同時(shí)材料的延展性降低。鋁釩合金鈦(Ti-6AI-4V)是鈦工業(yè)中的耐用合金。它應(yīng)用于諸多航空發(fā)動(dòng)機(jī)與航空器機(jī)體中，由于鈦是一種價(jià)格昂貴的金屬，因此它還不是一種泵元件的常用材料。

鈦是一種反應(yīng)性極強(qiáng)的金屬。與不銹鋼相同，鈦的耐腐蝕性依賴(lài)于一層氧化膜的形成。然而，鈦表面的氧化膜比不銹鋼上的氧化膜具有更佳的保護(hù)性。因此，在易引起點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的腐蝕性液體中，例如海水、濕氯或有機(jī)氯化物，鈦的性能比不銹鋼的高出許多。