МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО(судноперевізники)

Плаковані сталі в багатьох випадках заміняють більш дорогі високолеговані сталі і кольорові метали. При цьому надійність та довговічність виробів і конструкцій не погіршується, а витрати дефіцитних металів, а отже, вартість виробів і конструкцій знижується.

Всуднобудуванні найбільш широко застосовують нержавіючі двошарові сталі. З них виготовляють цистерни для питної, прісної та дистильованої води, танки нафтоналивних суден, деякі частини обшивки корпуса, гребні вали, суднові системи морської та прісної води тощо.

Нержавіючу плаковану сталь можна застосовувати замість нержавіючої сталі марок 20X13, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т і ін., якщо конструкції суден, виготовлені з них, будуть задовольняти вимогам, що пред'являються до корозійностійких.

Внержавіючих плакованих сталях як основний шар можуть бути вуглецева або низьколегована сталі (наприклад, марок С, ВСт3, 09Г2), як плакуючий – нержавіюча сталь марок 20X13, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, І2Х18Н10Т і ін., а в деяких випадках – кольорові метали (нікель, титан, мідь, латунь і ін.).

Плаковані конструкційні сталі повинні мати добрі технологічні властивості: добре зварюватися, піддаватися газовому та механічному різанню, гнуттю, правці і ін. Це необхідно враховувати при виборі основного та плакуючого металів.

Основним способом виробництва плакованої сталі є прокатування біметалевого зливка або пакета з листів біметалу. Біметалевий зливок одержують в результаті заливки в форму нержавіючої, а потім вуглецевої або низьколегованої сталі. Наступне прокатування зливка виконують в гарячому стані на прокатному верстаті.

При пакетному прокатуванні (рис. 23) спочатку збирають пакет, який складається з двох листів основної сталі і двох листів плакуючої сталі. Плакуючі листи розташовують всередині пакета, відокремлюючи один від одного вогнетривкою обмазкою, а основні – знизу та зверху. Потім кромки основних листів зварюють за допомогою накладок, вставлених між ними. Зібраний таким чином пакет нагрівають і прокатують. Для розділу пакету після прокатування відрізають його кромки.

Глава 5 КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА ЇХ СПЛАВИ

5.1 Сплави на мідній основі

Кольорові метали складають не більше 10 % всіх, застосовуваних в промисловості. Це пояснюється тим, що вони, за винятком алюмінію, мало зустрічаються в природі, важче видобуваються і коштують дорожче ніж чорні. Тому скрізь, де це можливо, кольорові метали намагаються замінити на чорні метали або пластмаси. Однак в деяких випадках здійснити це неможливо, тому що кольорові метали мають слідуючі цінні властивості: високу електрота

теплопровідність (золото, срібло, мідь та алюміній); високу корозійну стійкість (золото, срібло, платина, олово, свинець, мідь, нікель, титан); високу пластичність (мідь, свинець, олово, алюміній, магній); низьку температуру плавлення (ртуть, цезій, олово, свинець); високу температуру плавлення (вольфрам, тантал, молібден, ніобій); низьку густину (літій, магній, берилій, алюміній, титан).

Крім того, вони здатні утворювати сплави, які мають більш високі властивості, ніж елементи, що до них входять. Саме цим пояснюється їх використання електрота радіотехніці, космічній техніці, літакобудуванні тощо В суднобудуванні знаходять застосування майже всі кольорові метали в

чистому вигляді або у вигляді сплавів. Розглянемо деякі групи металів.

Мідь – пластичний метал, добре обробляється тиском в холодному та гарячому стані. Найбільш цінними властивостями міді є висока електрота теплопровідність.

На властивості міді дуже великий вплив мають домішки вісмуту, свинцю, сірки, кисню, фосфору, миш'яку, сурми та ін. Миш'як, сурма і особливо фосфор знижують електропровідність. Наявність Фосфору в міді не допустима, якщо вона іде на виготовлення електропровідників. Вісмут, свинець та сірка викликають червоноламкість та крихкість. Кисень при нагріванні міді в присутності водню викликає появу тріщин, так звану водневу хворобу.

Мідь за ДСТУ859:2014 маркірується в залежності від ступеню чистоти шістьма основними марками: М00, М0, М1, М2. М3. М4. Механічні властивості міді змінюються при нагріванні. Так, при нагріванні до температур більше 250 °С вони різко погіршуються. При зниженні температури до – 190 °С змін механічних властивостей не відбувається, тому мідь можна використовувати для виготовлення виробів, що експлуатуються в умовах глибокого холоду.

Всуднобудуванні чисту мідь використовують при виготовленні суднових електрокабелів, шин, контактних та струмопровідних деталей, а також труб суднових систем, які експлуатуються під тиском до 25 МПа та при температурі до 250 °С. Мідні труби призначені для подачі свіжої та відпрацьованої пари, прісної та морської води, масла, палива тощо.

Внаш час для виготовлення труб, що працюють в умовах високих температур, застосовують мідь марки М3р (р – розкислена). Застосування чистої міді в промисловості обмежене внаслідок П низької міцності, поганої оброблюваності різанням, поганих ливарних властивостей, високої вартості тощо. Мідь використовують в основному у вигляді сплавів з іншими елементами, які позбавлені вище перерахованих недоліків.

Латунь – сплав міді з цинком. За хімічнім складом її поділяють на просту та спеціальну, а за призначенням – на ливарну та оброблювану тиском. Латуні, які обробляють тиском, нормуються ДСТУ15527:2009.

Ливарні латуні, поставляються у вигляді чушок за ДСТУ1020-97 і служать сировиною для одержання латуней певних марок, а також фасонних виливків за ДСТУ17711-93, з яких виготовляють різну арматуру, що працює при температурах до 250 °С, та деталі:, що працюють з морській воді.

Проста латунь складається з двох елементів: міді та цинку. Вона містить не більше 37 % цинку, тому що із збільшенням його змісту збільшується твердість та крихкість латуні. Існують сім основних марок простої латуні: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63. Літера Л означає латунь, а цифра – середній вміст міді у відсотках, решта – цинк. Наприклад, Л70 – проста латунь, містить 70 % міді та 30 % цинку. Ливарна латунь має літеру Л на кінці марки. Латунь марок Л96 та Л90, яка містить найбільшу кількість міді, називається томпаком, а марок Л85 та Л80 – напівтомпаком. В суднобудуванні застосовують в основному чотири марки простої латуні: Л63, Л68, Л90 та Л96 (табл. 9.1)

Таблиця 9.1

Спеціальна латунь крім міді та цинку містить легуючі елементи: алюміній, залізо, олово свинець, кремній, нікель, марганець, і ін., які поліпшують її властивості. Всі латуні за наявністю в них основного легуючого елементу, який визначає їх властивості, діляться на свинцеві, олов'яні, марганцеві, кременисті та ін.

Марка спеціальної латуні складається з літер і цифр. Перша літера Л означає латунь, наступні літери – легуючі елементи: О – олово, С – свинець, Ж – залізо, Мц – марганець, Н – нікель, К – кремній, А – алюміній. Перші дві цифри, що стоять після буквеного позначення, показують середній вміст цинку, а послідуючі – вміст легуючих елементів у відсотках. Для визначення кількості міді необхідно від 100 % відняти сумарний вміст цинку та легуючих елементів в марці. Наприклад, Л Ц23А6ЖЗМц2П – спеціальна алюмінієво-залізо-марганцева латунь, містить 23 % цинку, 6 % алюмінію, 3 % заліза, 2 % марганцю і решта до 100 % – мідь, літера П в кінці – заливання в ливарну форму з піску.

Таблиця 9.2

Деякі марки спеціальної латуні та їх застосування в суднобудуванні

Мідно-цинкові сплави використовують також як тверді припої при паянні сталі, міді та її сплавів. Припоєм називається присадний метал або сплав, який застосовується для паяння. Мідно-цинкові припої маркуються літерами ПМЦ, які означають припій мідно-цинковий, та цифрами, які показують вміст міді у відсотках (решта цинк). Наприклад, ПМЦ36 – припій мідно-цинковий, містить 36 % міді і 64 % цинку.

Найбільш поширені припої марок ПМЦ36, ПМЦ48, ПМЦ54, Вони мають температуру плавлення відповідно 800, 860 та 870 °С і забезпечують задовільну міцність з'єднань.

Бронзою називається сплав міді з оловом та іншими елементами,за винятком цинку. Бронзу ділять в залежності від наявності в сплаві олова на олов'яну (ГОСТ 613-79) та безолов'яну (спеціальну) (ГОСТ 493-79), а за призначенням – на ливарну (ГОСТ 614-97) та деформовану (ДСТУ5017:2006 та ГОСТ 18175-78).

Олов'яні бронзи мають високі ливарні, антифрикційні властивості, добре оброблюються різанням. Введення легуючих елементів (фосфору, цинку, свинцю, нікелю) сприяє поліпшенню цих властивостей. Фосфор, наприклад,

підвищує антифрікційні та ливарні властивості, цинк – зносостійкість. Свинець підвищує густину та поліпшує оброблюваність різанням, полегшуючи стружколомання. Нікель сприяє покращенню пластичності. Основними недоліками олов'яних бронз є їх недостатня міцність та висока вартість, тому їх застосовують лише в тих випадках, коли інші сплави за своїми властивостями непридатні.

Безолов'яні (спеціальні) бронзи – сплави міді з алюмінієм, кремнієм, марганцем, свинцем, берилієм та іншими елементами. Вони не містять дефіцитного олова і, отже, більш дешеві, ніж олов'яні. В залежності від вмісту основного легуючого елементу безолов'яні бронзи діляться на алюмінієві, берилієві, кременисті, свинцевисті, марганцевисті та ін.

Алюмінієві бронзи містять до 11 % алюмінію і мають більш високі механічні та антикорозійні властивості, ніж олов'яні. Вони мають також високу кавітаційну стійкість, теплопровідність та морозостійкість. Для підвищення механічних та антикорозійних властивостей до алюмінієвих бронз вводять легуючі елементи: залізо, марганець, нікель і ін. За ливарними властивостями ці бронзи гірші олов'яних. При виготовленні деталей з алюмінієвих бронз необхідно враховувати, що при температурі вище 250 °С межа міцності знижується і відбувається відшаровування металу. Алюмінієві бронзи застосовують у вигляді деформованих та ливарних сплавів.

Берилієві бронзи мають високу механічну міцність, зносостійкість, електропровідність, корозійну стійкість в агресивних середовищах, пружність та немагнітність. Вони призначені для виготовлення деталей приладів, елементів точних та відповідальних механізмів.

Кременисті бронзи містять легуючі елементи: нікель, марганець, цинк, свинець. За механічними властивостями вони наближаються до сталей, мають добрі ливарні та антикорозійні властивості, пружні та немагнітні.

Марганцевисті бронзи високопластичні та корозійностійкі, але мають невисоку міцність. Ці бронзи зберігають механічні властивості при температурі нагріву до 400 °С.

Свинцевисті бронзи мають високі антифрикційні властивості і застосовуються для виготовлення вкладишів високонавантажених підшипників ковзання. Бронза марки БрС30 забезпечує добру припрацьовуваність підшипника і витримує великий тиск. Легування свинцевистої бронзи нікелем зменшує ліквацію і покращає антифрікційні якості.

Хромисті бронзи містять до 1 % хрому. Вони у 2 – 3 рази твердіші електролітичної міді, але менш електропровідні, ніж мідь (80 % від електропровідності міді). Крім хрому, в ці бронзи можуть входити невеликі кількості (до 0.1 %) кремнію, срібла та інших елементів.

Цирконієві бронзи містять до 0,15 % цирконію. Вони мають добру електропровідність (до 96 % електропровідності електролітичної міді), а також високі механічні та антикорозійні властивості. Цирконієві бронзи зберігають міцність при нагріванні до 500 °С і легко піддаються механічній обробці, штампуванню та куванню.

Олов'яно-нікелеві бронзи – в них до 50 % олова замінено нікелем. Вони мають високу антикорозійну стійкість в різних середовищах, зносостійкість та добре обробляються.

Галузі застосування деяких марок бронз в суднобудуванні наведені в табл. 9.3.

5.2 Нікель, мідно-нікелеві та нікелеві сплави

Нікель (ДСТУ492:2006) технічно чистий містить не менше 99 % нікелю і застосовується в основному для виготовлення деталей точних електротехнічних приладів, а також для покриття металів (нікелювання). Він має дуже високі антикорозійні властивості і високий електричний опір. Електропровідність нікелю складає всього 15 % електропровідності міді.

Найбільше значення нікелю – його використання як легуючого елемента. Сплави нікелю з металами мають цінні механічні та фізичні властивості:

жаростійкість, кислотостійкість, електроопір тощо. Сплави міді з нікелем називаються мідно-нікелевими. Найбільш широке застосування одержали

сплави марок: МНМц43-0,5 (копель), МНМц40-1,5 (константан), МН19 та МНЖМц30-0,8-1 (мельхіор), МНМц3-12 (манганін), МНА13-3 (куніаль А), МНА6-1,55 (куніаль Б) і ін.

Марка сплаву складається з літер та цифр. Перші літери МН вказують на приналежність сплаву до мідно-нікелевих. Слідуючі літери та цифри показують середній вміст елементів у сплаву. Щоб визначити кількість міді, необхідно від 100 % відняти сумарний процентний вміст цих елементів. Наприклад, МНМц53-05 – мідно-нікелевий сплав, що містить 53 % нікелю, 0,5 % марганцю, 46,5 % міді.

Всуднобудуванні мідно-нікелеві сплави застосовують в основному для виготовлення труб теплообмінних апаратів та різних суднових систем, тому що вони мають найбільшу стійкість проти корозії в морській воді та в середовищі пари із усіх сплавів, які використовуються для цього.

Нікелеві сплави, основною складовою частиною яких є нікель, мають високий електричний опір і корозійну стійкість, а деякі марки – високі жаростійкість та механічні властивості.

Найбільш поширені нікелеві сплави марок НМЖМц28-2,5-1,5 (монель), НМцАК2-2-1 (алюмель), НХ9.5 та НХ9 (хромель) і ін. Літера Н на початку марки вказує на приналежність сплаву до нікелевих. Слідуючі літери та цифри показують середній вміст елементів в сплаві. Для того, щоб визначити кількість нікелю, необхідно від 100 % відняти сумарний процентний вміст елементів в марці. Наприклад, НМЖМц28-2,5-1,5 – нікелевий сплав, що містить 28 % міді, 2,5 % заліза, 1,5 % марганцю та 68 % нікелю.

Всуднобудуванні широко застосовують монель-метал (НМЖМц28-2,5-1,5) з високою міцністю та антикорозійною стійкістю. З нього виготовляють деталі теплообмінних апаратів, які працюють в середовищі повітря та пари при температурі до 500 °С. Висока антикорозійна стійкість монель-металу зберігається в тому випадку, коли немає контакту з іншими

металами. Якщо такий контакт є, наприклад, при кріпленні деталей з монель-металу сталевими виробами, то корозійне руйнування цих деталей відбудеться швидше, ніж руйнування з'єднань, виготовлених повністю із звичайної вуглецевої сталі.

Алюмель та хромель з високими електроопором та жароміцністю застосовуються в основному для виготовлення термопар.

5.3 Алюміній та його сплави

Алюміній має малу густину, високу електрота теплопровідність, немагнітний. Він має високу корозійну стійкість в різних середовищах (пара, паливо, масло, азотна та сірчана кислоти, прісна вода) внаслідок дуже міцної плівки оксиду алюмінію, яка покриває метал, захищаючи його від проникнення кисню. Алюміній добре обробляється тиском, але має низькі ливарні властивості.

Відповідно до ДСТУ11069:2001 промисловість випускає тринадцять марок технічного алюмінію, які діляться на три групи: алюміній особливої

чистоти (А999); алюміній високої чистоти (А995, А99, А97, А95); алюміній технічної чистоти А85, А8. А7, А6, А5, А0, А, АЕ).

Вмарках літера А означає алюміній, а цифри – ступінь чистоти металу. Алюміній марки А999 містить не менше 99,999 % алюмінію, марок А995, А99.

А97 та А95 – відповідно 99,995; 99,99; 99,97; 99,95 %; марок А85, А8, А7, А6, А5, А0, А та АЕ – відповідно 99,85; 99,8; 99,7; 99,6; 99,5; 99; 99 і 99,5 %.

Основні домішки алюмінію – залізо та кремній – підвищують міцність, але знижують пластичність.

Алюміній особливої та високої чистоти застосовують в електропромисловості для виготовлення шин, кабелів та проводів, а також електричних конденсаторів, хімічної апаратури, фольги тощо. В наш час багато мідних струмопровідних деталей заміняють більш дешевими алюмінієвими.

З технічно чистого алюмінію роблять посуд та інші вироби широкого вжитку. В авіаційній промисловості його використовують для виготовлення труб, в металургійній – як розкислювача при виробництві сталі, для насичення поверхневих шарів сталевих деталей (алитування) з метою підвищення їх жаростійкості, в суднобудуванні – у вигляді фольги, що служіть для теплоізоляції, та ін.

Основна кількість алюмінію технічної чистоти витрачається на виробництво алюмінієвих сплавів, які завдяки таким властивостям, як невелика густина, висока міцність та корозійна стійкість, збереження механічних властивостей при низьких температурах, немагнітність, мала схильність до крихких руйнувань, високі технологічні властивості тощо, знаходять все більше поширення в промисловості.

Всуднобудуванні з алюмінієвих сплавів виготовляють корпуси суден на підводних крилах, надбудови, рубки, щогли, вантажні стріли, шлюпбалки, ілюмінатори, роблені речі, металеві меблі, труби та арматуру систем вентиляції, корпуси катерів та шлюпок, зашивку приміщень, легкі двері. Алюмінієві сплави застосовують часто замість сталі, що дозволяє знизити масу конструкцій до 50 %, підвищити їх довговічність, зменшити осадку судна, знизити потрібну потужність головних двигунів і одночасно підвищити швидкість руху судна, зробити корпуси суден немагнітними, збільшити стійкість, підвищити вантажопідйомність тощо.

Взалежності від хімічного складу та способу виготовлення алюмінієві сплави ділять на деформуємі та ливарні.

Деформуємі алюмінієві сплави. Вони містять, крім алюмінію, марганець, магній, мідь та інші елементи. Ці сплави, що складають основну масу всіх алюмінієвих сплавів, які застосовуються в промисловості, добре піддаються обробці тиском (куванню, штампуванню, прокатуванню і ін.) і випускаються за ДСТУ4784-1997.

Взалежності від вмісту основного (крім алюмінію) елементу деформуємі алюмінієві сплави ділять на такі групи: алюмінієво-марганцеві (АМц);

алюмінієво-магнієві (АМг); алюмінієво-мідисті або дюралюмін (Д). Цифри в марці означають умовний порядковий номер сплаву.

В залежності від межі міцності всі деформуємі алюмінієві сплави поділяють на сплави низької міцності (σВ ≤ 300 МПа), середньої (σВ = 300 –

450 МПа) та високої(σВ > 450 МПа). Сплави високої міцності маркірують додатково літерою В, а сплави, призначені для кування та штампування – літерами АК.

До марки сплавів, крім основних позначень, зводять пітери та цифри, які вказують на стан поставки чи вид термічної обробки. Н – нагартований стан (гаряче прокатування, відпал холодне прокатування, відпал та холодне прокатування); П – напівнагартований стан (гаряче прокатування, відпал, холодне прокатування, відпал частковий): ГК – гарячекатані напівфабрикати, М – відпалені сплави: Т – сплави, що пройшли гартування та природне старіння; Ті – сплави, що пройшла гартування та штучне старіння.

Більшість деформуємих алюмінієвих сплавів плакують чистим алюмінієм. Плакування буває технологічне, нормальне та потовщене.

Технологічне плакування виконують для запобігання появи поверхневих тріщин в листах при прокатуванні. Після технологічного плакування лист позначається літерою В. Товщина плакуючого шару з кожної сторони листа складує 1,5 % його товщини.

Нормальне та потовщене плакування проводять, щоб запобігти корозії сплавів або покращити зовнішній вигляд виробів Лист після нормального плакування позначають літерою Н. Товщина плакуючого шару дорівнює 2 – 4 % товщини листа і 4 – 8 % при потовщеному плакуванні (його позначають літерою У).

Деформуємі алюмінієві сплави в залежності від можливості їх технічного зміцнення ділять на незміцнювані та зміцнювані термічною обробкою.

До сплавів, незміцнюваних термічною обробкою, відносяться алюнінієво-марганцеві (АМц) та алюмінієво-магнієві (АМг). Вони мають високу пластичність та підвищений опір корозії, добре зварюються і штампуються, але мають низьку міцність. З них складають корозійностійкі деталі, зварні вироби, труби, заклепки, штамповані деталі тощо.

До сплавів, зміцнюваних термічною обробкою, відноситься дюралюмін

(Д). Максимальної міцності він набуває після гартування і старіння. Дюралюмін широко застосовують в промисловості, особливо в літакобудуванні; з нього виготовляють листові конструкції, труби, лопаті повітряних гвинтів тощо. Однак дюралюмінієві сплави мають низьку корозійну стійкість і не піддаються зварюванню.

Сплави для кування та штампування (АК) містять невелику кількість нікелю, який збільшує їх в’язкість та міцність. Вони характеризуються високою пластичністю при нагріванні, що дозволяє одержувати ковані та штамповані вироби необхідної форми та габаритів.

Спеціальними сплавами на основі алюмінію, які мають високу міцність, жаростійкість (до 520 °С), корозійну стійкість та термічну стабільність властивостей, є порошкові алюмінієві сплави: САП (алюмінієвий порошок) та САС (алюмінієвий сплав). Ці сплави застосовуються для виготовлення

поршневих штоків, лопаток турбін, компресорів та вентиляторів, конденсаторів, обмоток трансформаторів тощо.

Алюмінієві сплави, що застосовуються для виготовлення корпусних конструкцій, можна піддавати правці та гнуттю в холодному та гарячому станах, механічному та газоелектричному різанню, а також і зварюванню. Вони допускають нагрівання звичайно лише до 100 °С, тому що при більш високих температурах їх механічні властивості погіршуються. При зниженні температури механічні властивості алюмінієвих сплавів не знижуються, тому що вони не мають холодноламкості і не схильні до крихких руйнувань. Ці сплави менше ніж сталь чутливі до надрізів та напружень, які виникають при від'ємних температурах.

На даний час найкращими матеріалами для будування морських суден, які перевозять рідкі гази, вважають алюмінієво-магнієві сплави. При низьких

пожежонебезпечні. тому що при ударі та терті не виникають іскри.

Недоліком алюмінієвих сплавів є підвищена у порівнянні зі сталлю здатність деформуватися при зварюванні, що викликається більш високим, ніж у сталі, коефіцієнтом лінійного розширення.

Недоліком слід вважати також те. що при нагріванні ці сплави не міняють колір, тому під час зварювання та правки конструкцій нагріванням газовим пальником можуть статися пропали. При з'єднанні алюмінієвих сплавів зі сталлю виникає контактна корозія. Щоб запобігти цьому явищу, між з'єднуваними поверхнями ставлять ізолюючі прокладки з гуми, тиоколової стрічки та інших матеріалів. При клепанні цих з'єднань заклепки беруться з того матеріалу, який контактує з агресивним середовищем.

Призначення деяких марок деформуємих алюмінієвих сплавів, які застосовуються в суднобудуванні, подано в табл. 9.4.