Materialöversikt för pumpar

De hundratals olika materialkvaliteter, som idag används i pumpar, kan klassificeras i följande huvudgrupper:

• Material med järn som huvudbeståndsdel
• Material med koppar eller aluminium som huvudbeståndsdel
• Övriga metalliska material
• Icke-metalliska material

Materialens hållfasthet bestäms på vanligt sätt av brottgräns σB och brottförlängning δ5. Ibland är även andra fysikaliska data som slagseghet och hårdhet av intresse. En pumps tryckklass PN-se vidare avsnitt 4.3- bestäms i stort av materialets hållfasthet.

För plaster vid rumstemperatur liksom för metaller vid högre temperaturer måste materialens kryphållfasthet beaktas. Kryphållfastheten beskriver tidens inverkan på brottshållfastheten.

 Gråjärn

Gråjärn tillverkas i olika kvaliteter-SIS 0100 till SIS 0140- där de två sista siffrorna anger dragbrottgränsen σB i 0,1 • N/m m2. Se vidare tabell 4.1. Dragbrottgränsen är beroende framförallt av kolhalten och minskar med ökad kolhalt.

Kolet förekommer som grafitfjäll insprängt i en grundmassa av järn. Fjällformen medför att värden på slagseghet och brottförlängning blir mycket låga. Gråjärn bör därför undvikas i sådana pumpar som utsätts för yttre och/eller inre slag, vattenslag etc. Detta är speciellt viktigt om det pumpade mediet är hetvatten vid mättningstryck. Vid t ex + 120°C avkokar 5 % av mängden i hela hetvattenssystemet till ånga, innan värmebalans uppnås.

Ångvolymen är vid denna mättningstemperatur ca 600 gånger större än motsvarande vattenvolym, varför personer kan få omfattande brännskador om en spricka skulle uppträda i pumpen.

I Sverige är + 120°C angiven som övre gräns för tryckpåkända system utförda av gråjärn. För högre temperaturer måste segjärn eller stålgjutgods användas.

Gråjärnet är det mest använda materialet i normala centrifugalpumpar. Det har från korrosionssynpunkt ett mycket brett verksamhetsfält. I vatten eller vattenlösningar med pH-värden mellan c:a 6 och 10 kan gråjärn användas utan större risk för korrosionsskador. I surare medier är gråjärn också användbart, men det är i hög grad beroende av vad som har åstadkommit det lägre pH-värdet. Temperaturberoendet är också mera accentuerat i detta område.

Genom sin höga kolhalt erhåller gråjärnet snabbt ett skyddande grafitskikt, vilket innebär att ett ur hållfasthetssynpunkt sämre gråjärn med högre kolhalt har ett bättre korrisionsskydd. Av samma orsak är gråjärnet överlägset normalt stål ur korrosionssynpunkt.

Segjärn

Segjärn är ett relativt nytt material. Analysmässigt är segjärn mycket likt ett vanligt gråjärn med avseende på kol- och kiselhalter.

I motsats till gråjärnets grafit är segjärnets ej fjälliknande, utan förekommer som små runda kulor i en perlitisk grundmassa. Detta åstadkommes genom att sätta till små mängder magnesium i smältan före gjutningen.

Genom den sfäriska grafitformen får segjärn avsevärt högre hållfasthet än gråjärn. Dessutom är förlängningen större och slagsegheten bättre. Ytterligare förbättrad förlängning och slagseghet erhålls genom värmebehandling, varvid grundmassan förändras mot ferritisk struktur.

Segjärn är mycket användbart för tryckkärl utsatta för inre övertryck, där man tidigare helt varit hänvisad till stålgjutgods. Segjärn har dessutom god svetsbarhet. Den övre användningsgränsen är ungefär PN 25 eller vätsketemperatur + 300°C.

Segjärnets korrosionsbeständighet är ganska likvärdig gråjärnets. Detta gäller även för kemiska vätskor.

Olegerat stålgjutgods

Olegerat stålgjutgods har i stort sett samma hållfasthet som handelsstål. Analysmässigt skiljer sig stålgjutgodset endast genom vissa tillsatser för att förbättra gjutbarheten. Låglegerat stålgjutgods har små tillsatser av nickel och krom för att förbättra varmhållfastheten. Stålgjutgods används framför allt för högtrycks- och hetvätskepumpar, men trängs alltmer tillbaka av segjärn och

legerade stålkvaliteter. Från korrosionssynpunkt är stålgjutgods sämre än gråjärn och segjärn, företrädesvis beroende på att kolhalten ej överstiger 1,5 %, vilket ej är tillräckligt för att ge något skyddande grafitskikt.

Legerade gråjärn och segjärn

Genom tillsatser av små mängder legeringsämnen kan grå- och segjärns egenskaper i viss utsträckning förändras med avseende på hållfasthet, bearbetbarhet, korrosions- och nötningsbeständighet ej överstiger 1,5%, vilket ej är tillräckligt för att ge något skyddande grafitskikt. Koppar – endast för gråjärn Genom koppartillsats får gråjärnets grundmassa en jämnare struktur av perlit med mindre ferrit samt bättre form på och fördelning av grafiten. Draghållfastheten ökar mellan 10 och 20 % genom tillsats av 1-2% med motsvarande hårdhetsökning. Korrosionsbeständigheten mot t ex svavelsyra av hög koncentration och svavelsura lösningar förbättras avsevärt.

Nickel och krom – Ni respektive Cr

Genom små tillsatser av nickel och/eller krom blir strukturen jämnare och mera finfördelad, vilket ger samma fördelar som vid tillsats av koppar. Härigenom erhålls även ett tätare gjutgods.

Vid tillsats av ca 20 % Ni- Ni-Resist- blir grundmassan austenitisk-omagnetisk. Denna kvalitet har visat sig mycket användbar för havsvatten och andra kloridhaltiga vätskor även vid högre temperaturer. Hållfastheten är lika grå- resp segjärnets. Vid legeringshalter av ca 6 % Ni och 9 % Cr- Ni-Hard-erhålls en martensitisk grundmassa med

kromkarbider, varigenom hårdheten blir mellan 500 och 600 Brinell. Hårdheten kan ökas ytterligare genom värmebehandling eller ökning av kromhalten upp till 30 %. På detta sätt fås ett material med mycket god beständighet mot nötning och erosion. På grund av den avsevärda hårdheten kan materialet endast bearbetas medelst slipning, varför speciella konstruktioner erfordras för pumpar.

Kisel – Si

Kisellegerat gjutjärn – kiseljärn – är mycket syrabeständigt om halten Si överstiger 13 %. Detta material är resistent mot svavelsyra vid alla koncentrationer samt mot ett flertal andra oorganiska och organiska syror dock ej mot fluorvätesyra,varm koncentrerad saltsyra, svavelsyrlighet, sulfi- och organiska syror dock ej mot fluorvätesyra, varm koncentrerad saltsyra, svavelsyrlighet, sulfiter och varm alkali. Genom ytterligare tillsats av 3 % molybden blir materialet beständigt även mot saltsyra och klorhaltiga lösningar.

Kiseljärn är mycket svårgjutet och ger dålig trycktäthet. Det bör av den anledningen ej användas i pumpar med inre övertryck större än 0,4 MPa. Då materialet är hårt och mycket sprött måste som regel speciella konstruktionsprinciper tillämpas för pumpart ex ”klä in” kiseljärnet i ett omgivande stålhölje, vilket får ta upp tryckpåkänningarna. I tabell 4.1 ges en sammanställning över pumpmaterial med järn som huvudbeståndsdel med angivande av SISbeteckning, σB, δ5, tryckklass, max temp och typiska legeringsämnen.

Tabell 4.1 Några pumpmaterial med järn som huvudbeståndsdel. För temperaturer ver c:a 150°C tillåts ibland lägre tryck än PN.

Rostfria och syrefasta stål

Rent allmänt gäller för stål att halten legeringsämnen ej överstiger 50 % av sammansättningen. Rostfria stål kännetecknas av att de har en kromhalt överstigande 12 %. l närvaro av syre bildas då en tunn, osynlig hinna av kromoxid som i hög grad är kemiskt resistent och som förhindrar direkt kontakt mellan omgivande medium och stålet. Syre är dock ett krav för att denna oxidhinna skall kunna underhållas. Stålet säges befinna sig i passivt tillstånd. l reducerande miljö kan däremot något passivt kromoxidskikt ej bildas och stålet sägs då vara i aktivt tillstånd. Beteckningen ”rostfria stål” är delvis oegentligt, då dessa stål mycket väl kan bli utsatta för korrosionsangrepp beroende på yttre omständigheter i relation till legeringshalt, värmebehandlingsgrad, svetslagningar etc.

Benämningen ”rosttröga stål” har därför lanserats, men inte kommit till allmän användning. Motståndskraften hos de rostfria stålen är beroende av upplösningshastigheten av det passiva oxidskiktet. Denna hastighet minskas främst genom legering med metaller, som i sig själva har hög motståndskraft mot de korroderande medierna. Sådana legeringsämnen är främst nickel, molybden och koppar. Kromets verkan är då mindre väsentlig för den kemiska resistensen. I dagligt tal skiljs mellan rostfria och syrafasta stål, varvid skillnaden utgörs av att syrafasta stål har tillsats av molybden.

Genom de olika legeringstillsatserna förändras järnmassans struktur. Strukturtypen används för för att dela in rostfria och syrafasta stål i grupperna – se även figur 4.2:

• Ferritiska,
• Martensitiska, som är härdade eller härdbara,
• Austenitiska, som är helt omagnetiska,
• Ferrit, austenitiska, som är svagt magnetiska.

Figur 4.2 Modifierat diagram enligt schaeffler för bestämning av ett rostfritt materials struktur.

De austenitiska rostfria stålen har lägre brottgräns och högre seghet ände övriga grupperna. Därigenom är de lättare att tillverka i olika leveransformer som plåt och rör. Genom att pumpar i allmänhet framställs genom gjutning, kan analysen väljas betydligt friare. Med samma huvudanalys finns idag en mängd olika materialvarianter standardiserade. Orsaken är främst den korngränsfrätning, som kan uppstå vid sidan av en svets. Korngränsfrätningen elimineras i olika standardkvaliteter på olika sätt:

• Genom låg eller extra låg kolhet.
• Genom tillsats av titan eller niob i halter 5-10 gånger kolhalten.

Näst efter gråjärn utgör rostfritt stål det vanligaste pumpmaterialet. I Sverige utgör den ferrit-austenitiska kvaliteten SIS 2324 det i särklass vanligaste rostfria pumpmaterialet.

Kopparlegeringar

Gjutna kopparlegeringar kommer till användning mestadels för saltvatten och svaga, kalla kloridlösningar. Legeringarna har skiftande gjutbarhet vilket hänger samman med stelningsintervallerna, som i sin tur bestäms av legeringsämnena. För tenn-brons med ca 10 % tenn är intervallet 200-250°C. Den främsta följden av detta är att en viss mikroskopisk porositet inte kan undvikas i den stelnande legeringen. Denna porositet behöver ej betyda att gjutgodset är otätt vid tryckprovning. Det breda stelningsintervallet gör legeringen relativt lättgjuten. Mässing med 30-35 % zink och aluminiumbronser med ca 10 % aluminium har stelningsintervall mellan 2 och 10°C. Strukturen blir tämligen porfri men större sugningshåligheter kan uppträda, vilka kan förhindras genom effektiv matning. Dessa legeringar med smalt stelningsintervall är mera beroende av gjutstyckets konstruktiva utformning och medför högre gjutningskostnader. Ur korrosionssynpunkt ger koppar och dess legeringar mycket skiftande resultat. Här liksom för andra material är det en fast oxidfilm som utgör skydd mot vidare korrosion. Denna skyddsfilm bildas olika snabbt och påverkas olika av strömningshastigheten.

I tabell 4.2 är några vanliga legeringar upptagna. För en mer detaljerad översikt hänvisas till resp SIS- och MNCnormblad

Aluminiumlegeringar

Aluminium- och magnesiumlegeringar – tabell 4.2 – används genom sin låga korrosionsbeständighet i förhållandevis liten utsträckning till pumpar. Undantag utgör områden, där låg vikt remieras t ex byggnadslänspumpar och där låga tillverkningskostnader är betydelsefulla t.ex. vissa massproducerade hushållspumpar.

Användningsområdet kan ökas genom att galvanisk korrosion förhindras eller rent av utnyttjas genom t.ex.:

• Isolering från äldre material som t.ex. stål
• Anslutning till oädlare material s k offeranoder av zink eller magnesium.

Tabell 4.2 Några pumpmaterial med aluminium respektive koppar som huvudbeståndsdel. För tryckklass minskar tillåtna tryck med temperatur – se vidare SMS 1235.

Nickellegeringar

Legeringar på nickelbas liksom ren nickel kommer som ett naturligt tillskott, där de rostfria stålen ej längre stoppar från korrosionssynpunkt. De är som regel ganska svårgjutna och fordrar hög lödgningstemperatur-ca 1 200°C-för att erhålla rätt struktur och kornstorlek och därigenom god korrosionsbeständighet. Nickellegeringar domineras av en grupp vanligen benämnd efter varumärket Hastelloy. Likartade legeringar tillverkas av många under varierande handelsnamn. De vanligaste nickellegeringarna – se även tabell 4.3 – ugör:

Hastelloy B

Denna kvalitet har i första hand tagits fram för att få ett material som är beständigt mot saltsyra vid alla koncentrationer och temperaturer och inom vissa gränser även kokande saltsyra. Den är även lämplig för svavelsyra, ättiksyra, fosforsyra, etc vid lägre temperaturer.

Hastelloy C

Detta är den mest universella av nickellegeringarna eftersom den är resistent i såväl oxiderande som reducerande atmosfär. Den används framförallt vid kloridlösningar, vätskor innehållande fritt aktivt klor, t ex blekvätskor typ hypokloriter och klordioxidlösningar, där klorhalten ej bör överstiga 15 g/l vid rumstemperatur. Den har även god resistens mot syror vid temperaturer under +70°C.

Hastelloy D

Denna legering har god erosionsbeständighet tack vare stor hårdhet- ca 400 Brinell. Svavelsyra är dess största verksamhetsfält, för vilken den är beständig vid alla koncentrationer vid höga temperaturerinom vissa gränser även för kokande syra. Max korrosionsbeständighet uppnås först efter ca 6 veckor i drift, när en skyddande sulfatfilm bildats på ytan.

Monel

Monel är mer beständigt än nickel under reducerande förhållanden och mer beständigt än koppar under oxiderande förhållanden. Sammanfattningsvis kan sägas att monel är mera orrosionsbeständigt än sina huvudbeståndsdelar. Någon återutfällning av löst koppar kan ej ske eftersom nickel, koppar och monel ligger så nära varandra i den elektrolytiska spänningskedjan. Monel är emellertid ganska svårgjuten och ger ofta otätt gjutgods. Den används därför mestadels till pumphjul och axlar. Monel har mycket god korrosionsbeständighet mot saltvatten, speciellt vid högre strömningshastigheter. l stillastående havsvatten kan havsorganismer samlas på metallen och orsaka lokal koncentration av syre, vilket leder till punktangrepp.

Tabell 4.3 Några pumpmaterial med nickel som huvudbeståndsdel.

Övriga metalliska material

För speciella ändamål förekommer en hel mängd av olika metalliska material. Bland dessa kan nämnas:

Bly och blylegeringar

Rent bly har på grund av sina dåliga mekaniska egenskaper ej kommit till användning för pumpgods. Genom tillsats av 10 till 25 % antimon (Sb) förbättras hållfasthetsegenskaperna avsevärt. Legeringen kallas hårdbly. Pumphus i hårdbly fordrar dock inklädning i ett stålhölje vid högre pumptryck. Bly har mycket god beständighet mot syror med undantag av salpetersyra. I svavelsyra bildas på blyets yta mycket svårlösligt blysulfat som verkar som en skyddande hinna. Bly är användbart för svavelsyra vid 30 % koncentration och +100°C, vid högre koncentration dock vid reducerad temperatur. I saltsyra bildas svårlösliga blyklorider, som i viss mån skyddar den underliggande metallen. Är syran i rörelse nöts emellertid ytskiktet lätt av, varför blypumpar för saltsyra ej rekommenderas.

Titan

Titan har låg densitet-4500 kg/m3-och mycket god hållfasthet – σB = 650 N/mm2. Titan är dock

förhållandevis svår att tillverka. Titan centrifugalgjuts i vakuumkammare i närvaro av skyddsgas med form- och kärnmaterial av grafit. Metallen titan har fått en allt större användning inom den kemiska industrin främst tack vare sin goda korrosionsbeständighet mot lösningar innehållande fritt aktivt klor. I lösningar som klordioxid-vatten, hypokloriter, klorater och metallklorider är korrosion helt utesluten.

Tantal

Exotiska metaller som tantal, hafnium, niob och germanium har under senare tid fått allt större aktualitet för moderna industriprodukter där mycket hög korrosionsbeständighet krävs med hänsyn till driftsäkerheten. Metallen tantal har en korrosionsbeständighet som ligger mycket nära glasets. Den är beständig mot kokande svavel- och saltsyra. Tantals densitet är 16 600 kg/m3.

Gjut- och svetsbarhet för tantal är ytterst begränsade, varför detaljer med komplicerad form ej går att framställa till rimlig kostnad på dessa sätt. Pumpar utföres i allmänhet med inre beklädnad av tantal.

Plaster

Plastmaterial indelas i två huvudgrupper, som i viss mån har olika egenskaper, men framförallt har olika

tillverkningsprocedurer:

• Härdplaster med vinylester, polyester, fenol eller epoxy som bas blandade med en hårdare. Fyllmedel och armering ingår dessutom nästan alltid för att öka hårdhet och mekanisk hållfasthet. Hårdare och fyllmedel varieras för att åstadkomma olika egenskaper. Fyllmedel och armering kan vara kvarts, täljsten, glasfiber, kolfiber etc. Om vätskeberörd yta ej är täckt med ren harts, måste även fyllmedlet vara beständigt mot den pumpade vätskan. Härdplasterna kan användas upp till c:a 150°C med ett något mindre vätskeområde än termoplasterna. Ibland kan kavitation och lufthaltiga vätskor ge allvarliga skador, varför största uppmärksamhet måste ägnas åt pumpars inloppsförhållanden.

• Termoplaster som polyvinylklorid, polypropylen, polyeten och PTFE används dels som formsprutade detaljer och dels i skiv- eller rörform för beklädnad. Vätsketemperaturer över c:a 80°C – PTFE dock c:a 200°C- kan sällan användas med hänsyn till termoplasternas mjukningstemperatur.

I tabell 4.4 ges en grov översikt på beständighet mot olika vätskor. Genom olika tillsatser kan de i tabellen angivna värdena förändras. Det övre användningsområdet förutsätter att svällning, krypning, sprickbildning osv kan tillåtas i viss utsträckning.

Tabell 4.4 Beständighet för plastmaterial. (Källa G Eklund)

R=resistent G=god SA=något angrepp A=angrips AO=angrips av oxiderande syror

För pumpar av plast måste de för plastmaterialen specifika egenskaperna beaktas:

• Tryckklass måste alltid avvägas mot plasternas kryphållfasthet, vilket praktiskt innebär en extra säkerhetsfaktor på 3 till 10 jämfört med metalliska material.
• Termisk utvidgning speciellt i pumpens axiella utsträckning måste beaktas vid rörledningsdragning. Likaså bör rörledningskrafter avlastas pumpen i största möjliga utsträckning.
• Temporära överhettningar t ex på grund av för hårt ansatt packbox eller vid körning mot stängd ventil skall helt undvikas. Alternativa lösningar är då plantätning respektive flödesreglering genom shuntning.

Andra icke-metalliska material

För speciella ändamål förekommer många andra material:

• Gummi i olika vulkaniseringsgrader genom dess kemikalieresistens och mjukt gummi pga nötningsbeständighet – se avsnitt 4.5.
• Kol och grafit genom sin kemiska beständighet och för detaljer till axeltätningar pga sin låga friktionskoefficient.
• Stengods och glas pga kemikalieresistens. Glas är därvid bättre än stengods för mekaniska påkänningar och vid snabba temperaturväxlingar.