Материалы в судовом машиностроении

В судовом машиностроении применяют черные металлы - сплавы на основе железа (стали, чугуны, сплавы, содержащие более 45 % же­леза) и на основе хрома и марганца; цветные металлы - все остальные металлы и их сплавы; композиционные материалы. Их классифицируют по методам получения, качеству, применению и другим показателям.

Чугун - сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2,1 до 6,7 %. Серый чугун - сплав с пластинчатым графитом - маркируют буквами СЧ и цифровым обозначением величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа х 10^-1, например, СЧ15 ГОСТ 1412-85. Допускается превышение минимального значения временного сопротивления при растяжении не более, чем на 100 МПа. Серый чугун находит широкое применение в машиностроении: из СЧ15 изготовляют поршневые кольца, шкивы, корпуса; из СЧ18 - втулки подшипников, зубчатые тихоходные колеса, корпуса пневмоцилиндров; из СЧ24 - тяжелонагруженные зубчатые колеса, отливки сложной конфигурации, работающие на износ.

Высокопрочный чугун, имеющий в структуре графит шаровидной или вермикулярной формы, маркируется буквами ВЧ и цифровым обозначением минимального значения временного сопротивления при растяжении в МПа-10"1, например ВЧ50 ГОСТ 7293-85. Кроме времен­ного сопротивления при растяжении марка чугуна определяется также условным пределом текучести. Относительное удлинение, твердость и ударная вязкость определяются лишь по требованию нормативно-технической документации; их значения должны соответствовать нормам, приведенным в обязательном приложении к ГОСТу. Для определения механических свойств чугуна применяют отдельно отлитые заготовки, форма и размеры которых даны в ГОСТе. При получении неудовлетворительных результатов испытаний образцов в литом состоянии допускается их термообработка с отливками с по­следующей проверкой механических свойств. Допускается применять и приливные заготовки для образцов, если это оговорено в техничес­кой документации. Высокопрочный чугун применяют в ответственных изделиях: из ВЧ50, ВЧ60 изготовляют стаканы подшипников, шатуны, зубчатые колеса.

Ковкий чугун, имеющий в структуре графит компактной формы, маркируется буквами КЧ и цифровыми обозначениями минимального временного сопротивления при растяжении в МПа х 10^-1 и относительного удлинения в процентах, например, КЧ35-10 ГОСТ 1215-79. Марки ковкого чугуна используют при знакопеременных нагрузках на конструкции: КЧЗЗ-18-умеренное нагружение; КЧ35-10-сложные переменные нагрузки (балансиры, тормоза, втулки); КЧ50-4 - высокие динамические нагрузки (коленчатые валы, втулки, муфты, детали роликовых цепей).

Антифрикционные чугуны серые применяются по ГОСТ 1585-85 для отливок, работающих в узлах трения со смазкой: АЧС-1 - для работы в паре с закаленным или нормализованным валом; АЧС-5 - для работы в особо нагруженных узлах трения в паре с закаленным или нормализованным валом; АЧВ-1 - для работы в узлах трения с повы­шенными окружными скоростями.

Для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стой­костью, износостойкостью или жаропрочностью применяют легированные чугуны по ГОСТ 7769-82; хромистые: ЧХ1, ЧХ2 - жаростойкие, ЧХЗТ - износостойкие; кремнистые: ЧС5, ЧС5Ш - жаростойкие; алюминиевые ЧЮ6С5 - жаростойкие и износостойкие; никелевые: ЧН2Х, ЧН4Х2 - износостойкие, ЧН19ХЗШ - жаропрочные и маломагнитные (буква Ш - графит шаровидный).

Сталь - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2 %. Обычная углеродистая сталь содержит 0,05-1,5 % углерода. Сталь классифицируют по способу получения, например мартеновская, бессемеровская, электросталь; по химическому составу: углеродистая, конструкционная, легированная; по качеству: обыкновенная, повы­шенного качества (ПК), качественная (К), высококачественная (ВК); по способу получения формы и размеров: литая, кованая, катаная; по области применения: конструкционная, инструментальная с особыми свойствами, например жаростойкая, коррозионно-стойкая.

Углеродистые стали обычного качества маркируют буквами Ст, после которых следуют цифры. Например, сталь марки 3 - СтЗ. Буква, поставленная впереди, обозначает метод выплавки. Например, МСтЗ -мартеновская сталь марки 3.

Качественные углеродистые стали маркируют числами (10, 15, 20, 25 и т. д.), указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Инструментальные углеродистые стали маркируют буквой У и числом, указывающим среднее содержание углерода. Например, У7 - углеродистая инструментальная сталь с содержанием углерода в среднем 0,7 %.

Легированные стали маркируют по буквенно-цифровой системе: первые две цифры показывают содержание углерода; цифры, постав­ленные после буквы, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах. Содержание легирующего элемента менее 1 % цифрами не указывается. Например, сталь 12ХНЗ имеет химический состав- 0,12% С; 0,17-0,37% Si; 0,30-0,60% Мп; 0,60-0,90% Сг; 2,75-3,25 % Ni. Химические обозначения элементов не совпадают с обозна­чением легирующих элементов в марках стали:

У - углерод; С- кремний; П - фосфор; X - хром; Н - никель; В - вольфрам;

Ю - алюминий; Т - титан; Д - медь; М - молибден; Б - ниобий; Р - бор; К- кобальт

Е – селен; Л - бериллий

Некоторые стали специальных методов получения имеют свое обозначение: ЭП - электропробная сталь; ЭЙ - электроисследователь­ская сталь; П - электропереплав; Ш - шлаковый переплав; ВИ -вакуумно-индукционный переплав; ВД - вакуумно-дуговой переплав. Также специфическое обозначение имеют некоторые высоколегированные стали специального назначения. Они выделены в определенные группы, каждой из которых присвоена отдельная буква, ставящаяся в обозначении первой: Ж - хромистые нержавеющие стали; Я - хромоникелевые нержавеющие стали; Е - магнитные стали; Р - быстрорежущие стали; Ш - шарикоподшипниковые стали.

Легирующие элементы в сплавах цветных металлов маркируются: А – алюминий;

А - алюминий; Б - бериллий; Ж - железо; К - кремний; Мг - магний; Мц - марганец;

М - медь; Ц - цинк; Н – никель; О – олово; С — свинец.

Наиболее распространены в судовом машиностроении: сплавы алюминиевые литейные АЛ2, АЛ4, АЛ9; сплавы алюминиевые деформи­руемые - АМг2, АМгЗ, В95, АК6, АК8; сплавы магниевые литейные -МЛ4, МЛ5; сплавы магниевые деформируемые - МА2, МА5, МА14; цинковые литейные сплавы- ЦАМ4-1, ЦА4; латуни (медно-цинковые сплавы) литейные - ЛЦ16К4, ЛЦЗОАЗ, ЛЦ23А6ЖЗМц2; латуни деформи­руемые - ЛЖМц59-1-1, Л70, ЛС59-1; сплавы титановые деформируемые- ВТ5, ВТЗ-1, ОТ4.

В особую группу входят антифрикционные материалы: бронзы оловянные литейные - Бр05Ц5С5, Бр04Ц4С17, бронзы безоловянные деформируемые - БрАЖ9-4, БрАЖМцЮ-3-1,5; баббиты оловянные и свинцовые - Б83, Б88, Б16, БН; сплавы цинковые антифрикционные- ДАМ 10-5; антифрикционные чугуны-АЧ1, АЧ2, АЧС5, АЧВ-1, АЧК-1; порошковые материалы - бронзографиты, железографиты.

Все большее распространение получают конструкционные пластмассы: полиэтилен высокого и низкого давления, поливинилхлорид, фторопласт-4, полиамид литьевой, капролон, пресс-материал П-50С, П-75С и др.

Конструкционные материалы делят на три вида: первичные, полуфабрикаты и вторичные.

Первичными называют материалы, используемые для получения литых, кованых и прессованных заготовок.

Полуфабрикаты - заготовки, изготовленные литьем, ковкой, прокат­кой, волочением и другими методами. Полуфабрикаты в дальнейшем подвергают механической или другой технологической обработке.

Вторичные материалы - все виды отходов, образующихся при раскрое и обработке полуфабрикатов.

В судовом машиностроении используют различные виды первич­ных материалов: слитки и чушки для литья массой от 5 до 1000кг; слитки для поковок от 0,2 до 250 т; гранулы, губку - бесформенные куски размерами 5- 50 мм; прессованные прутки массой от 1 до 50 кг; металлические порошки с частицами размерами от 20 до 100 мкм. К металлическому полуфабрикату относятся все виды прокатных материалов: листовой, трубный, профильный, сортовой.

Государственные стандарты представляют огромное количество материалов для различных условий применения. С целью уменьшения расходов на поставку материалов при полном удовлетворении интересов конструкторов и технологов выпускают отраслевые стандарты, стандарты предприятий, ограничители применяемости материалов в отрасли, регионе, на заводе.

Судовое механическое оборудование транспортных, рыбопромысловых судов и других плавучих технических сооружений изготовляют согласно Правилам Регистра РФ. Применительно к материалам, используемым в судовом машиностроении, Регистр обладает следующей компетентностью: рассмотрение и утверждение нормативных документов; технический надзор за применением материалов; участие в экспертизах и обсуждениях по применению новых материалов; запрещение или разрешение применения новых материалов.

При поставке материал сопровождается сертификатом - документом, удостоверяющим его качество и соответствие требованиям ГОСТов, ОСТов, ТУ. Приемка материала на заводе-изготовителе оборудования является важнейшим этапом ПП. Приемка должна быть особенно тщательной при запуске в производство новой модели изделия или применении нового материала. Приемка конструкционного материала включает в себя сертификатный контроль, взвешивание, внешний осмотр, проверку размеров. При освоении нового материала, при выявлении дефектов в ПП, а также в регламентированных технической документацией случаях завод-изготовитель выполняет контрольные испытания (определение химического состава, механических характеристик).

Кроме различных показателей механических качеств материалы обладают определенными технологическими свойствами. Под технологическими свойствами металлических материалов понимают способ­ность материала воспринимать воздействия, которым он будет подвергнут при различных видах обработки. К основным технологическим свойствам относятся:

- деформируемость - способность материала воспринимать плас­тическую деформацию без макроскопического нарушения сплошности е; деформируемость характеризуется степенью пластической деформации, показывающей предельную деформацию, воспринимаемую материалом без повреждения, коэффициентом упругой отдачи С, вы­ражающим упругие свойства материала при холодном деформиро­вании (гибке, отбортовке и т. п.) и коэффициентом ковкости К _ф - от­ношением относительного сужения ф к пределу прочности б_в при температуре ковки (металл не куется при /К < 0,1 и обладает отличной ковкостью при /К > 20);

- свариваемость - способность образовывать сварное соединение, определяемое коэффициентом свариваемости р - отношением предела прочности материала шва б^ш к пределу прочности основного материала 0° ;

- спекание металлического порошка, характеризуемое плотностью и пределом прочности после спекания; параметры удовлетворитель­ного спекания для большинства металлических порошков: размеры частиц порошка 50 - 250 мкм; давление прессования должно быть выше предела текучести; температура спекания Тсп = (0,85-1-0,9) Т плавления, К;

- литейные свойства материала определяют возможность получе­ния из него отливок высокого качества; литейные свойства характе­ризуются: жидкотекучестью - способностью расплавленного металла заполнять литейную форму и литейной усадкой осл - уменьшением размеров материала при переходе из жидкого состояния в твердое, выражаемым отношением разности длины модели LM и длины изде­лия 1И к длине изделия 1И в холодном состоянии, в процентах; литейная усадка зависит от природы материала, размеров и конфигурации литья и условий охлаждения (для сталей а_л « S 2,3; для чугунов а_л < 1,2);

- обрабатываемость - способность металла воспринимать обработку резанием; обрабатываемость можно оценить коэффициентом резания Ка =и60/145, где < J60 - скорость резания данного материала при 60-минутной стойкости резца из сплава Т5К10 при глубине резания 1,5мм и подаче 0,2 мм/об без применения охлаждения, м/мин; 145 м/мин - скорость резания эталонной стали марки 45 с пределом прочности ов = 650 МПа; с увеличением параметров механических свойств обычно падают значения коэффициента и скорости резания, например, для сталей 10 и ЗХГС соответственно: ов=340МПа; НВ = = 1370 МПа; Ки=2,1; и =305 м/мин и ов=900МПа; НВ = 2000 МПа; Кц = 0,4; и = 58 м/мин (такая зависимость не наблюдается для высоколегированных сплавов - для стали 08Х18Н10Т: ов = 600МПа; НВ == 2000 МПа; К» = 0,2; и = 30 м/мин);

- совместимость - технологическое свойство, показывающее способность контактного взаимодействия одного металла с другим; это свойство имеет электрохимический характер и проявляется в виде электрохимической или контактной коррозии, растворимости одного металла в другом, склонности к налипанию; совместимость учи­тывают при сварке разнородных материалов (Fe-Al, Fe-Ti), при горячей и холодной обработке (налипание на инструмент), при нанесении антифрикционных и защитных электролитических покрытий.

Технологические свойства материалов определяют посредством технологических испытаний в производственных условиях. Получают качественные и количественные результаты, которые используют при назначении предельно допустимых деформаций, рациональных режи­мов и условий обработки заготовок. Испытания выполняют на пробных образцах. Пробой называют кусок материала, вырезанный из полу­фабриката в определенном (по ГОСТу, ТУ) месте. Пробы от стального литья проектируют в приливах отливки или отливают специальные пробные отливки. Пробы чугунного литья отливают отдельно при одинаковых условиях. Методы отбора проб для технологических ис­пытаний регламентированы ГОСТ 7564- 75. Основными видами испы­таний являются: испытания на загиб, на скручивание, на срез, на сплю­щивание, на раздачу кольца, на бортование труб, гидравлические испытания, на осадку, на качество сплавления, на окалиностойкость, определение жидкотекучести и др. Большинство из испытаний стандартизованы.