2. Выбор конструкционных материалов и режимов их термообработки при восстановлении и изготовлении деталей в условиях эксплуатации судна

1. Цель работы

Приобретение практических навыков в выборе конструкционных материалов и режимов их термообработки для изготовления или восстановления деталей в условиях эксплуатации судна.

2. Знания и практические навыки, получаемые при выполнении работы

В результате выполнения работы курсант должен:

знать — характер нагрузок, действующих на основные детали судовых машин и механизмов; основные требования к материалу деталей и их рабочим поверхностям; принципы выбора материалов для изготовления или восстановления деталей;

уметь — выполнить анализ условий работы основных деталей СТС, подобрать конкретную марку материала и режим его термообработки для изготовления или восстановления деталей с учетом экономической целесообразности.

3. Общие положения

3.1. Принципы выбора материала

В судостроении применяют различные конструкционные материалы. К ним, в первую очередь, относятся материалы, предназначенные для изготовления головок поршней, коленчатых валов, анкерных болтов и других деталей, воспринимающих значительные внешние силовые нагрузки. При этом под их влиянием они разрушаются или приобретают недопустимо большие остаточные деформации, а дополнительное коррозионное воздействие среды, трение, контактное взаимодействие на сопрягаемых поверхностях и т.п. приводят к износу и выкрашиванию рабочих поверхностей.

Именно поэтому при выборе материала для изготовления новой вместо вышедшей из строя или восстановления изношенной детали (если это возможно) прежде всего нужно проанализировать условия ее работы, выделить наиболее важные эксплуатационные факторы, которые нужно учитывать в первую очередь и с их учетом сформулировать основные требования к материалу детали (рис. 3.1, табл. 3.1).

Как показывает анализ, в условиях эксплуатации судна для восстановления и изготовления деталей возможно использование широкой номенклатуры как металлических, так и неметаллических материалов. Если последние применяются в подавляющем большинстве случаев в состоянии поставки (т.е. подвергаются только механической обработке с целью придания деталям необходимых размеров и формы), то для металлических материалов зачастую существенного повышения комплекса служебных свойств часто добиваются термообработкой. Учитывая, что последние занимают около 95 % массы судна, в настоящей работе уделим внимание выбору именно их (табл. 3.2).

Таблица 3.1 – Условия эксплуатации некоторых судовых деталей

и основные требования к их материалу

Наименование детали, узла	Условия работы детали	Требования к материалу детали и обеспечивающие их свойства	Типовые марки материалов, используемых для изготовления деталей
1	2	3	4
Корпус судна, шлюпки	Значительные механические циклические нагрузки, коррозионно-активная среда	Надежность конструкции, высокие показатели пластичности при заданном уровне прочности, сопротивляемость образованию и развитию трещин, хорошая свариваемость	Сталь ВСт. 3, 09Г2С, 10ХСНД и др. Сплав АМц, АМ Д16, В95 и др.
Гребные винты	Статические и циклические изгибающие нагрузки, удары лопастей о твердые предметы, кавитационная эрозия и коррозия, гидроабразивный износ	Высокая коррозионная стойкость и ударная вязкость. Приемлемая жидкотекучесть, узкий интервал кристаллизации, малая усадка и хорошая обрабатываемость	Латунь ЛМцЖ55-3-1 Бронза БрАЖН 9-4-4 Сталь 25Л, 5Х14НДЛ, ОХ17Н3Г4Д2ТЛ
Судовая арматура (клапаны, кингстоны, краны, заслонки и др.)	Эрозия и коррозия, схватывание при трении металла о металл, большое давление рабочей среды, повышенная температура	Высокая коррозионно-эрозионная стойкость в различных средах, высокие прочность и пластичность, высокое сопротивление схватыванию при трении без смазки или при ее периодическом нанесении	Бронза Бр ОЦ 10-2, ОФ 10-1, АМц 9-2Л, Аж 9-4, КМц 3-1 и др. Латунь ЛК 80-3Л, ЛС 59-1Л, ЛМц 58-2 и др. Сталь 25Л, 20Х13, 12Х18Н9Т и др.
Болты, шпильки, гайки	Значительные растягивающие статические и динамические нагрузки, срезающие усилия	Приемлемые значения пределов прочности и текучести на растяжение и срез	Сталь 25, 35, 40Х, 40ХН, 38ХН2МА и др.

Продолжение табл. 3.1

Зубчатые колеса, шпонки, клинья, шатуны, рычаги, оси, валы	Значительные статические, динамиче-ские и циклические нагрузки, высокое удельное давление	Повышение порочность и износостойкость, высокая ударная вязкость	Сталь 45, 30ХГСА, 40ХН, 12Х2Н4А и др.
Пружины, рессоры, мембраны	Статические или динамические нагрузки, коррозия	Высокие значения предела упругости, высокая релаксационная стойкость, возможность значительной пластической деформации	Сталь 65Г, 60С2А, 50ХФА, 40Х13 и др. Бронза Бр Б2, КМц 3-1
Детали топливной аппаратуры: плунжера, втулки ТНВД, иглы и корпуса распылителей и др.	Значительные динамические циклические нагрузки, высокое удельное давление	Высокая износостойкость, прочность, твердость	Сталь ХВГ, ШХ15, Р18, 12Х2Н4А и др.

Таблица 3.2 – Механические свойства

распространенных в судостроении конструкционных материалов

Марка материала	Вид термообработки, температура нагрева и охлаждающая среда	Механические свойства
		Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость KCU, МДж/м2	Твердость НВ, МПа
1	2	3	4	5	6
Корпусные стали
ВСт. 3	-	370	23	0,6	≤1560
10ХСНД	-	540	19	0,5	≤1560
09Г2С	-	450	21	0,5	≤1560
Цементируемые стали
10	-	340	31	0,6	≤1430
12ХН3А	Отж, 830…870, П	650	13	0,6	≤2290
	Цем., 920…950, Вх Зак., 845…875, М НО, 150…210, Вх	950	11	0,9	Пов. HRC 56…62 Серд. ≤2500
18ХГТ	Цем., 920…950, Вх Зак., 865…895, М НО, 150…210, Вх	1000	9	0,8	То же
Улучшаемые стали
45	Зак., 820…850, М ВО, 550…650, Вх	670	17	0,4	≤2290
40Х	Отж., 830…850, П	600	18	0,9	≤2170
	Зак., 845…875, М НО, 150…160, Вх	1500	7	0,3	HRC 45…50

Продолжение таблицы 3.2

1	2	3	4	5	6
	Зак., 845…875, М ВО, 450…550, Вх	100	10	0,6	≤3020
35ХМ	Зак., 840…870, М ВО, 520…610, В	1000	12	0,8	≤2650
38Х2МЮА	Зак., 930…950, М ВО, 640…680, М	1000	14	0,9	≤3000
40ХН2МА	Зак., 845…860, М ВО, 550…650, Вх	900	13	0,6	≤3210
	НО, 200…220, Вх	1850	9	0,5	HRC 53
30ХГСА	-	680	27	0,6	≤1970
	Зак., 860…880, М ВО, 500…590, В	1100	10	0,5	≤2550
Пружинно-рессорные стали
65Г	Зак., 815…845, М СО, 460…500, Вх	1000	8	-	-
60С2А	Зак., 855…885, М СО, 400…440, Вх	1600	6	-	-
50ХФА	Зак., 835…865, М СО, 420…460, Вх	1500	12	-	-
Инструментальные и шарикоподшипниковые стали
У7	Зак., 810…840, В НО, 200…250, Вх	-	-	-	HRC 50
ХВГ	Зак., 830…850, М НО, 150…170, Вх	-	-	-	HRC 62
Р6М5	Зак., 1210…1230, М НО, 540…560, Вх	-	-	-	HRC 64
ШХ15	Зак., 840…860, М НО, 150…170, Вх	-	-	-	То же
Коррозионно-стойкие стали
12X13	Зак., 1000…1050, М Отп., 700…720, Вх	600	19	0,8	≤2400
40X13	Зак., 1000…1050, М Отп., 200…300, Вх	-	-	-	HRC 50
12X18H9T	-	500	40	1,2	≤1570
Котельные и жаропрочные стали
15XM	-	450	22	0,7	≤1500
12ХМФ	-	480	20	0,6	1310...1700
40X9C2	Зак., 1000…1050, М Отп., 780…800, Вх	870	24	0,9	-
12Х18Н9Т	-	500	40	1,2	≤1570
Чугуны
СЧ 15	-	≥150	<1	-	≤2000
СЧ 24	-	≥240	<1	-	≤2100
ВЧ 42-12	-	≥420	12	0,5	≤1700
ВЧ 50-2	-	≥500	2	-	≤1900
Медь и ее сплавы (латуни, бронзы)
M 3	Отж., 700…750, В	200	40	2,5	≤400
Л 68	-	300	22	2,0	≤550

Продолжение табл. 3.2

1	2	3	4	5	6
ЛА 77-2	-	400	55	1,5	≤600
ЛО 70-1	-	350	60	1,5	≤600
ЛЦ17К3	-	300	15	0,7	≤1100
ЛЦ40С1	-	200	20	0,2	≤850
Бр.АЖ 9-4	-	500	12	0,5	≤1100
Бр.КМц 3-1	-	780	12	3,0	≤850
Бр.Б2	Зак., 740…760, В Отп., 330…350, Вх	1300	9	-	-
Бр.05Ц5С5	-	150	6	0,1	≤600
Бр.А9Мц2	-	500	12	0,4	≤1200
Алюминий и его сплавы
А 0	Отж., 350…400, В	90	45	-	≤250
АМг 3	-	200	15	-	≤500
АК-4	Зак., 525…540, В Отп., 165…175, Вх	420	10	-	≤ 1200
Д16	Зак., 505…510, В Отп., 100, Вх	450	17	-	≤ 1050
АЛ 2	-	150	<1	-	≤ 500
АЛ 13	-	170	<3	-	≤ 650
Условные обозначения: а) операции термообработки: Отж. – отжиг, Зак. – закалка, НО, СО и ВО – низкий, средний и высокий отпуск; б) охлаждающие среды: В – вода, М – минеральное масло, Вх – воздух, П – с печью

Доминирующее место среди металлических конструкционных материалов занимают железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны. Для сталей большую помощь в выборе может оказать их классификация по назначению и знание маркировки.

Корпусные стали содержат не более 0,2…0,25 % С. Как показывают табличные данные, они обладают высокой пластичностью при сравнительно низкой прочности, хорошей свариваемостью. Поэтому, помимо корпуса судна, из них изготавливают прокладки, кожухи заграждения, неответственный крепеж (гайки, болты, шайбы) и др. Как правило, ТО они не подвергаются.

Цементируемые стали (0,1…0,3 %С) используют для деталей с высокой твердостью, износостойкостью поверхности и вязкой сердцевиной: плунжеров и втулок топливной аппаратуры, поршневых пальцев, кулачных шайб и др. Требуемый комплекс свойств достигается путем использования сложной термообработки (см. табл. 8.2).

Улучшаемые стали (0,3…0,5 %С) чаще всего идут на изготовление деталей, работающих в условиях значительных динамических нагрузок. Типичная ТО – закалка и высокий отпуск, обеспечивающая приемлемое сочетание ударной вязкости и прочности.

Пружинно-рессорные стали содержат 0,5…0,7 %С. Их применяют для навивки пружин; из них делают рессоры, мембраны и другие упругие элементы. Эта группа деталей закаливается и затем подвергается среднему отпуску.

Шарикоподшипниковые и инструментальные стали (свыше 0,7 %С) после закалки и низкого отпуска применяют также для изготовления деталей топливной аппаратуры.

Наряду со сталями, на судах в качестве конструкционных материалов достаточно широко используются цветные металлы и сплавы (см. табл. 3.1 и 3.2). Из них делают детали, подвергающиеся также коррозионному воздействию забортной воды, раскаленных выхлопных газов и др. Поэтому для дополнительной оценки выбираемого материала следует использовать данные по его коррозионной стойкости (табл. 3.3).

Как правило, при выборе нельзя остановиться сразу же на каком-либо одном материале. Инженерно грамотный подход предполагает сравнение нескольких возможных вариантов выбора с учетом стоимости (табл.3.4):

Таблица 3.3 – Коррозионная стойкость в морской воде

наиболее распространенных судостроительных материалов

Группа стойкости	Скорость коррозии, мм / год	Материал
Совершенно стойкие	Менее 0,001	Титан и его сплавы
Весьма стойкие	0,001 … 0,01	Нержавеющие стали (20Х13, 12Х18Н9Т и др.)
Стойкие	0,01 … 0,1	Медь, латунь (ЛО 70-1, ЛА 77-2, ЛАН 65-5-5, ЛЦ17К3 и др.), бронза (Бр. А9Мц2, Бр.Б2 и др.)
Пониженно стойкие	0,1 … 1,0	Конструкционные стали (ВСт.3, 10ХСНД, 40ХНМ, 65С и др.), чугуны (типа СЧ, КЧ и ВЧ), алюминий и его сплавы
Малостойкие	1,0 … 10	Магний и его сплавы, цинк и его сплавы

Таблица 3.4 – Относительная стоимость судостроительных материалов

в сравнении с углеродистой сталью обыкновенного качества

Наименование	Относительная стоимость
1	2
Углеродистая сталь обыкновенного качества	1
Качественная углеродистая сталь	1,4
Хромистая сталь типа 15Х, 40Х	1,3
Хромомарганцевая сталь типа 18ХГТ, 30ХГТ	2
Хромомолибденовая и хромованадиевая сталь типа 15ХМ, 30ХМ, 40ХМФА, 60ХФА	2,5
Хромоникелевая сталь типа 20ХН, 12ХН3А	2,4
Хромоникельмолибденовая сталь типа 20ХН2М, 18Х2Н4МА	3,7
Шарикоподшипниковая сталь типа ШП15	2,1
Нержавеющие стали: типа 12Х13, 40Х13	4,2
типа 12Х18Н10Т (пищевая)	7
Чугун литейный	0,7
Сталь быстрорежущая типа Р6М5	22

Продолжение табл. 3.4

1	2
Литейные сплавы алюминия (силумины)	3,4
Деформируемые сплавы алюминия (дюралюмины)	4
Сплавы на основе меди: латуни	5,1
бронзы	6,5
Сплавы на основе магния	9,3
Сплавы на основе никеля	62
Антифрикционные сплавы: баббит Б83	112
баббит Б16	19
Сплавы на основе титана	18
Термопластичные пластмассы: полиэтилен, винипласт	3,6…4,2
фторопласт	68
Термореактивные пластмассы: текстолит	37
асботекстолит	26
волокниты	15

Предпочтение следует отдать тому варианту, у которого это отношение выше.

3.2. Основные операции термической обработки на судах

Как уже упоминалось, для многих материалов в судостроении повышение уровня эксплуатационных свойств чаще всего достигается путем использования закалки, отпуска и отжига.

З а к а л к а – термическая операция, заключается в нагреве детали до температуры на 30…50^оС выше критической, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Критическая температура зависит от химсостава материала детали, соответствует температуре перехода сплава в однофазное состояние – насыщенный твердый раствор легирующих элементов в матрице (основном элементе) и определяется по диаграмме состояния или по таблицам справочников. Выдержка при температуре нагрева должна обеспечить равномерное распределение атомов всех компонентов сплава по всему объему, чтобы при последующем быстром охлаждении достичь одинаковых свойств по сечению детали.

Критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость охлаждения, при которой в материале подавляется диффузионное перемещение атомов и фиксируется их расположение, характерное для высоких температур. Таким образом, в результате закалки в материале при комнатной температуре обеспечивается получение структуры пересыщенного твердого раствора. Эта структура содержит большое количество дефектов кристаллической решетки и отличается высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, наряду с низкими значениями показателей пластичности (относительного удлинения и сужения, ударной вязкости). В железоуглеродистых сплавах она имеет особое название – мартенсит.

О т п у с к – термическая операция, заключающаяся в нагреве предварительно закаленной детали до температуры ниже критической, выдержке при этой температуре и последующим охлаждении с произвольной скоростью – на воздухе, в воде. В результате такого теплового воздействия в закаленном материале вследствие повышения диффузионной подвижности атомов происходит выделение из пересыщенного твердого раствора избыточных фаз и переход его в насыщенный твердый раствор. Это приводит к существенному повышению пластичности и снижению прочностных характеристик.

Необходимое сочетание свойств материала, определяемое условиями работы детали, достигается выбором той или иной температуры, в зависимости от которой отпуск делят на низкий, средний и высокий.

О т ж и г - термическая операция, заключающаяся в нагреве детали (заготовки), длительной выдержке при температуре нагрева и последующем медленном охлаждении. В результате заметного развития диффузионных процессов происходит образование равновесной структуры материала, отличающейся малой плотностью дефектов кристаллического строения и высокими относительными удлинением, сужением, ударной вязкостью и т.п.

3.3. Термическая обработка стали

Для сталей распространенной является комплексная термическая обработка, состоящая из закалки и последующего отпуска (низкого, среднего или высокого).

Углеродистые стали закаливают в воде, нагревая до температур (⁰С), определяемых по формулам:

tзак. = А3 + 30…50 оС (при С ≤ 0,83 %)

tзак. = А1 + 30…50 оС (при С > 0,83 %)

где А₃ = 910 – 220 ^оС – критическая температура, выше которой сталь находится в аустенитном состоянии;

С – содержание углерода в стали, %;

А₁= 727 ^оС – критическая температура, при которой происходит перлитно-аустенитное превращение.

При отпуске сталей охлаждение проводят на открытом воздухе, в воде или вместе с печью, а температуру нагрева выбирают, исходя из назначения деталей:

а) низкий отпуск (150…230 ^оС) – для режущего и измерительного инструмента, деталей с высокой износостойкостью (сверла, ножовочные полотна, шаберы, плунжеры и втулки топливных насосов высокого давления и т.п.);

б) средний отпуск (350…500 ^оС) – для упругих элементов и штампов (пружины, рессоры, мембраны, матрицы и пуансоны штампов и т.п.);

в) высокий отпуск (500…650 ^оС) – для деталей, работающих в условиях высоких динамических нагрузок (коленчатые валы, поршневые пальца, оси, шестерни и т.п.).

Низколегированные стали (общее содержание легирующих элементов – до 2,5…3%) принципиальных отличий по термообработке от углеродистых не имеют. Однако из-за вызванной легированием пониженной диффузионной подвижности атомов температура как закалки, так и отпуска у них в среднем на 20…40 ⁰С выше.

Отжиг сталей используется реже. Для его осуществления деталь нагревают до температур, соответствующим температурам закалки, однако охлаждение производят вместе с печью. Так как это не всегда возможно (нагрев горелками, паяльными лампами, в утилизационных котлах и др.), охладить деталь можно и на спокойном воздухе. Такая термообработка называется нормализацией.