Dlaczego wybór materiału zaworu ma znaczenie
Materiał korpusu zaworu określa ciśnienie znamionowe, zakres temperatur, odporność na korozję i żywotność zaworu. Zawór wykonany z niewłaściwego materiału może przeciekać, pękać lub mieć katastrofalne skutki. W tym artykule porównano żeliwo, stal węglową i staliwo pod względem właściwości materiałowych, parametrów mechanicznych, odporności na korozję, zachowania w wysokich-temperaturach, przetwarzalności i typowych zastosowań, dzięki czemu można określić właściwy materiał dla każdego warunku pracy.
Porównanie właściwości materiału
| Nieruchomość | Lane żelazo | Stal węglowa | Odlana stal |
|---|---|---|---|
| Zawartość węgla | 2% do 4% | 0,02% do 2,11% | 0,15% do 0,6% |
| Trasa produkcyjna | Odlewany bezpośrednio po stopieniu | Walcowane lub kute z wlewków | Odlew ze stopionej stali, poddany obróbce cieplnej |
| Profil siły | Wysoka kompresja, niska wytrzymałość na rozciąganie | Zrównoważona wytrzymałość i plastyczność | Wysoka wytrzymałość i wytrzymałość |
| Wytrzymałość | Słaby, kruchy pod wpływem uderzenia | Dobry | Doskonały, odporny na uderzenia |
| Spawalność | Słabe, podatne na pękanie | Dobry | Dobry po obróbce cieplnej |
Wydajność mechaniczna i serwisowa
Siła i wytrzymałość
Żeliwo szare ma wytrzymałość na ściskanie od około 200 do 400 MPa, ale wytrzymałość na rozciąganie tylko od 100 do 250 MPa, więc jest kruche pod wpływem uderzenia i zginania. Wytrzymałość stali węglowej wzrasta wraz z zawartością węgla: stal gatunku Q235 osiąga wytrzymałość na rozciąganie w przybliżeniu od 370 do 500 MPa, podczas gdy stal gatunku 45 może przekraczać 600 MPa. Wytrzymałość staliwa na rozciąganie wynosi zazwyczaj od 450 do 800 MPa, a jego wytrzymałość jest wyraźnie lepsza od żeliwa, np. staliwo ZG230-450 charakteryzuje się wydłużeniem do 22%, co czyni go odpowiednim do obciążeń dynamicznych.
Odporność na zużycie
Żeliwo, zwłaszcza żeliwo-odporne na zużycie, zawiera grafit o niskim współczynniku tarcia, co zapewnia mu lepszą odporność na zużycie w porównaniu ze zwykłą stalą węglową i staliwem. Z tego powodu żeliwo stosuje się do uszczelniania powierzchni i części prowadzących, w których spodziewane jest tarcie ślizgowe.
Odporność na korozję
Żeliwo ma średnią odporność na korozję, ponieważ grafit w osnowie tworzy mikro-ogniwa galwaniczne; zwykle wymaga pomalowania, cynkowania lub użycia żeliwa o wysokiej-krzemowości. Stal węglowa szybko rdzewieje w wilgotnym, kwaśnym lub zasadowym środowisku i wymaga galwanizacji lub powłoki epoksydowej. Zwykłe staliwo zachowuje się jak stal węglowa, ale stopowe staliwa nierdzewne, takie jak CF8 i CF3M, osiągają znacznie lepszą odporność na korozję.
Wysoka-odporność na temperaturę
Żeliwo szare nadaje się do długotrwałej-pracy w temperaturze około 300 stopni C lub niższej, a żeliwa sferoidalnego do około 400 stopni C. Zwykłą stal węglową można stosować w temperaturze do około 450 stopni C, powyżej której wytrzymałość szybko spada i wymagana jest-stal żaroodporna, taka jak 15CrMo. Staliwo stopowe może pracować w temperaturach powyżej 800 stopni C, na przykład staliwo nierdzewne ZG1Cr18Ni9Ti, które nadaje się do pracy z parą i gorącym olejem.
Przetwarzalność
Żeliwo ma doskonałą lejność i płynność, co pozwala na uzyskanie skomplikowanych kształtów korpusów zaworów, ale ma słabą skrawalność i spawalność. Stal węglowa oferuje doskonałe właściwości kucia, spawania i obróbki oraz jest łatwa do formowania w kołnierze i połączenia gwintowe. Staliwo wymaga dokładniejszej kontroli odlewu, ale można je ulepszyć poprzez normalizację i odpuszczanie, a ponadto spawa się lepiej niż żeliwo.
Porównanie aplikacji
| Materiał zaworu | Typowa usługa | Typowe typy zaworów | Główna zaleta | Główne ograniczenie |
|---|---|---|---|---|
| Lane żelazo | Linie niskociśnieniowe, statyczne lub o małych średnicach (DN do ok. 300 mm), wody, pary, oleju | Zasuwy, kule, zawory zwrotne w instalacjach wodociągowych, kanalizacyjnych i grzewczych | Niski koszt, dobra lejność, odporność na zużycie | Nie nadaje się do pracy pod wysokim ciśnieniem, uderzeniami lub korozją |
| Stal węglowa | Linie średniego i wysokiego ciśnienia (PN do około 16 MPa), powietrza, pary, oleju i gazu | Zawory kulowe, motylkowe, bezpieczeństwa w instalacjach przemysłowych i cieplnych | Wysoka wytrzymałość, zrównoważona wydajność, umiarkowany koszt | Ograniczona odporność na korozję, wymaga zabezpieczenia |
| Staliwo (łącznie ze stopami) | Wysokie ciśnienie (PN 25 MPa i więcej), wysoka temperatura (450 stopni C i więcej), praca udarowa i korozyjna | Zawory elektrowni, chemiczne zawory kulowe ze stali nierdzewnej, zawory offshore | Wysoka wytrzymałość i wytrzymałość, dodatek stopowy do ekstremalnych zastosowań | Wyższy koszt i złożony proces odlewania |
Zalecenia dotyczące wyboru
Wybierz żeliwo, gdy usługa wymaga niskiego ciśnienia, niski koszt ma kluczowe znaczenie, a media to niekorozyjna lub lekko żrąca woda, para lub olej.
Wybierz stal węglową do linii średniego i wysokiego ciśnienia z mediami konwencjonalnymi, gdzie wymagana jest równowaga wytrzymałości, wytrzymałości i kosztów.
Wybierz staliwo lub staliwo stopowe do pracy pod wysokim ciśnieniem, w wysokiej temperaturze, obciążeniu udarowym lub w mediach korozyjnych. Pierwiastki stopowe, takie jak chrom i nikiel, mogą dodatkowo zwiększyć odporność na korozję i temperaturę.
Powszechne nieporozumienia
Żeliwo nie zawsze jest tańsze w eksploatacji. Jego słaba odporność na uderzenia i korozję może powodować wyższe koszty konserwacji w przypadku wymagających usług.
Zawory ze stali węglowej nadal korodują. Stal węglowa nie jest stalą nierdzewną; media wilgotne, kwaśne lub zasadowe wymagają powłok lub materiału stopowego.
Staliwo to nie tylko mocniejsze żeliwo. Jest produkowany i poddawany obróbce cieplnej w różny sposób, co nadaje mu zasadniczo inny profil wytrzymałości.
CF8 i CF3M nie są nazwami handlowymi. Są to gatunki odlewanej stali nierdzewnej odpowiadające w przybliżeniu gatunkom 304 i 316L, stosowanym na korpusy zaworów narażonych na korozję.
Często zadawane pytania
Jaka jest różnica między zaworami żeliwnymi i staliwnymi?
Żeliwo zawiera od 2% do 4% węgla, jest odlewane bezpośrednio i jest kruche, ma wysoką wytrzymałość na ściskanie, ale niską wytrzymałość na rozciąganie. Staliwo zawiera od 0,15% do 0,6% węgla, jest odlewane ze stopionej stali i poddawane obróbce cieplnej, zapewniając znacznie wyższą wytrzymałość i odporność na uderzenia.
Dlaczego zaworów żeliwnych nie można stosować przy wysokim ciśnieniu?
Żeliwo szare ma niską wytrzymałość na rozciąganie, zwykle od 100 do 250 MPa, i nie wykazuje odkształceń plastycznych przed pęknięciem, więc skoki ciśnienia lub obciążenia udarowe mogą spowodować pęknięcie korpusu. Do pracy przy średnim i wysokim ciśnieniu wymagana jest stal węglowa lub staliwo.
Co oznaczają CF8 i CF3M w odlewaniu zaworów?
Są to gatunki odlewanej stali nierdzewnej określone w normie ASTM A351. CF8 odpowiada w przybliżeniu stali nierdzewnej 304, a CF3M - 316L, oba stosowane do korpusów zaworów-odpornych na korozję.
Kiedy warto wybrać zawory ze stali węglowej?
Zawory ze stali węglowej nadają się do przewodów średniego i wysokiego ciśnienia przesyłających powietrze, parę, olej i gaz w temperaturach do około 450 stopni C, gdzie wymagana jest wytrzymałość, wytrzymałość i-opłacalność.
Jakie limity temperatur dotyczą każdego materiału?
Temperatura żeliwa szarego jest na ogół ograniczona do około 300 stopni C, żeliwa sferoidalnego do około 400 stopni C, zwykłej stali węglowej do około 450 stopni C, a staliwo stopowe może przekraczać 800 stopni C w zależności od stopu.
Który materiał jest najlepszy do zastosowań związanych z korozyjnymi środkami chemicznymi?
Preferowane jest staliwo nierdzewne, takie jak CF8 lub CF3M, lub żeliwo z powłokami ochronnymi dla mediów lekko korozyjnych. Zwykła stal węglowa nie nadaje się bez dodatkowej ochrony przed korozją.