隨著科學技術和社會經濟的快速發展,機械工業的產業結構、產品結構和生產技術都發生了很大的變化,機械設計制造的內涵也有所拓展。其服務對象從傳統的生產工業機械(零配件)擴大到生產壹般工業品、日用品和其他輕化產品,使產品設計和制造的選材範圍逐步擴大。目前,大多數機械工程師在設計制造工業產品時,材料的選擇大多是基於材料的機械性能、工藝性能以及材料和加工的低成本,但當涉及到需要耐腐蝕的機械產品(包括機器零件、化工裝置、家用電器、裝飾制品、工藝品、玩具等)的材料選擇時,),往往缺乏考慮(而且大部分學化工的防腐工程師對機械設計和工藝並不熟悉)。腐蝕會造成設備運行事故,增加設備或工業產品的維護成本,降低產品的美學價值,從而影響企業的生產和產品的市場競爭力。腐蝕發生在制造、安裝或使用的各個階段,材料的選擇是解決問題的關鍵。
任何材料只有在壹定的介質和工作條件下才有特定的耐腐蝕性。同壹種材料也因為品牌多,成分不同,性質不同而不同。顯然,耐腐蝕材料的選擇是產品設計中壹項細致而復雜的工作。所以首先要了解結構特點,使用性能,使用價值,使用環境(如應力,腐蝕介質的種類和濃度,溫度,材料狀態,是否要求導電,絕緣或散熱,密度和磁性要求等。)和產品的使用壽命,然後結合所掌握的材料特性或查閱相關資料或進行必要的輔助實驗,以提高材料的可用性、加工性、耐久性和經濟性(特別是所制造產品的綜合經濟性)
對於1,首先應選擇對介質和工況具有耐腐蝕性的材料,這是防止產品失效的最積極的措施(特別是對於容易發生重大災害、難以維護的場合)。這時要知道不同材料在這種介質和工況下可能出現的腐蝕形式,如金屬的均勻腐蝕、應力腐蝕、電偶腐蝕、點蝕、陶瓷的化學溶解、塑料的老化膨脹等。,然後考慮相關因素選擇合適的材料。例如,普通碳鋼和低合金結構鋼在室溫下,在硝酸、濃堿溶液、濃硫酸和濃氫氟酸中具有很強的耐腐蝕性;純鋁特別耐濃硝酸腐蝕;鈦在氧化介質中,特別是在海水中(不易發生點蝕和應力腐蝕),比大多數不銹鋼耐腐蝕,因此是制作海水中換熱器的優良材料。氮化矽陶瓷除氫氟酸外,還能抵抗各種酸、堿的腐蝕,還能抵抗熔融有色金屬的腐蝕。
2在溫度不高、受力條件允許的情況下,首選塑料(包括塑料、襯膠、玻璃鋼)。由於塑料對大部分酸、堿、鹽的耐腐蝕性能優於普通金屬,且成型工藝簡單,成本較低,所以貴金屬(如鋁、鉛、不銹鋼等。)可以保存,不會發生應力腐蝕、電偶腐蝕等電化學腐蝕(但有相當壹部分容易老化,受壹些溶劑的影響),制造出來的器件或產品不需要維護或易於維護。比如聚丙烯除了濃酸、濃硫酸等強氧化性介質(只有少數溶劑能使其溶脹)外,幾乎對各種酸、堿、鹽都有抵抗力;耐酸酚醛樹脂(填充耐酸石棉)特別耐各種濃度的鹽酸和中低濃度的硫酸腐蝕;而四乙烯在強酸、強堿、強氧化劑甚至王水中無腐蝕性,耐候性優異,吸水率幾乎為零。它已廣泛應用於各種耐腐蝕零件、結構和塗層。此外,塑料在工業中的廣泛應用導致了機械設計和技術的巨大變化。這就導致了傳統金屬加工業(如電器、玩具、建材、裝飾、工藝品乃至機械生產、化工設備、汽車、飛機)的萎縮,產品的更新換代和市場的激烈競爭,以及傳統機械工業企業的產業結構、產品結構和生產工藝的調整和變化,機械工業內涵的延伸。這是和傳統金屬材料打交道的機械工程技術人員應該註意和彌補的。
對於易腐蝕、維護困難的部位,以及對產品美觀價值影響較大的部位,應選擇耐腐蝕性高的材料,以減少腐蝕、美觀價值或維護成本帶來的損失,如高層護欄用不銹鋼,汽車雨刮器用不銹鋼黑化代替碳鋼塗飾。耐蝕性高的材料不壹定貴,如碳鋼常被用來制作濃硫酸儲罐,而聚氯乙烯、聚丙烯、耐酸酚醛等原材料價格目前在5500 ~ 8000元/噸,用於產品批量生產時生產成本並不高(很多低於金屬件)。
4對於金屬材料,不僅要註意材料的品種和品牌,還要選擇腐蝕傾向低的熱處理狀態(如18-8不銹鋼的固溶處理等。).由於不同的相和結構,有時耐腐蝕性差異很大。另外,要註意不同材料接觸時發生電偶腐蝕的可能性(此時最好考慮使用單壹金屬材料,或者將其絕緣,或者選擇塑料、陶瓷等非導電材料)。
5所選用的材料除滿足要求的耐腐蝕性外,還應滿足機械性能、物理性能(如耐熱性、絕緣性、密度、磁導率等。)和產品或裝置在工作時的可成形性。如高溫介質、不銹鋼或陶瓷;高壓介質可以是鋼(包括鋼襯塑料和橡膠)或玻璃鋼;絕緣可以由塑料或陶瓷制成;重量輕且無磁性,可選塑料、鋁、鈦等。大型工程結構宜選用焊接性好的低碳合金鋼、奧氏體不銹鋼或玻璃鋼進行拼焊。
6為應力較大的結構或產品選擇材料時,還應註意防止應力腐蝕開裂或腐蝕疲勞(主要是金屬材料)。許多材料在不受應力時是耐腐蝕的,但在受到壹定的拉應力或交變應力後,其力學性能明顯降低,在應力和介質的共同作用下,容易引起腐蝕脆性斷裂,從而造成意想不到的災難。不同金屬材料的應力腐蝕開裂有其特定的介質,也與其成分有關(如含鉬的奧氏體不銹鋼、高鉻高鎳不銹鋼和雙相不銹鋼的抗應力腐蝕性能比其他不銹鋼好得多),可查閱相關資料確定。
7所選材料的經濟性-具有最高的綜合效益。它包括以下幾個方面:
(1)是所選用的材料易買便宜,成型加工成本低,用其制作的器件或產品在使用壽命期內維護成本低,在這些物品中做出最低的成本平衡。這種選材思路在工廠內部生產裝置、大型結構、產品內部零件等強調“經濟實用”(功能)、不直接面對視覺的場合最為突出。此時,耐腐蝕材料的選擇應註意與塗層保護、塗層保護、緩蝕劑使用、電化學保護、臨時保護等各種防腐工藝措施的合理配合(特別是對於壹般鋼鐵材料),並考慮設備或裝置維護費用、停產檢修可能造成的生產損失和附帶損失、銀行利息等因素,選擇服役期內綜合成本最低的耐腐蝕機械產品材料。對於弱腐蝕條件和壹些不易造成嚴重腐蝕災害的場合,或者對於壹些使用壽命較短的產品,選擇機械性能、物理性能和成型性好,價格低廉的材料是壹種合理的方案,即使材料的耐蝕性不是很好,如果采取經濟合理的防腐措施(如電化學保護、塗層、電鍍保護等。)可以達到防腐蝕的目的,或者在使用壽命內滿足產品功能。
(2)所選用的材料能使制造出的產品利潤最高、市場回報最大或社會價值高。這個時候,我們不會太在意材料的成本和加工費用,也不會太在意產品的功能和材料的耐腐蝕性能之間的合理匹配。這種選材設計思路突出表現在設計制造壹些面向消費者視覺或心理感受的時尚、高貴的產品,如汽車內外裝飾、家用電器、工藝品、建築裝飾件等。,往往選擇光澤度和保色性特別好的材料(甚至是貴重材料)進行制造。同時也有利於保持產品的長期價值,刺激購買力或者維護企業形象。
特別是在選擇工業設備的材料時,不能只關註某種材料與環境相互作用可能造成的腐蝕。因為我們實際遇到的設備和裝置往往是由各種材料組成,受到各種力和不同的熱效應,是壹個復雜的系統,是否合理的結構設計、安裝、使用和維護都會對設備或產品的耐腐蝕性能產生影響。這時,除了借鑒以往類似的經驗外,還可以進行相應的腐蝕試驗甚至現場試驗,選擇最合適的耐腐蝕材料。