Лекция № 6 Тема: Основы термической обработки материалов.

Термическая обработка и ее цикл

Термообработкой называется технологическая операция, заключающая­ся в тепловом воздействии на материал с целью изменения его структуры и свойств в заданном направлении. При этом могут достигаться самые различ­ные эффекты: увеличение прочности или повышение пластичности, измене­ние магнитных свойств материала, коррозионной стойкости и пр.

Основной характеристикой термообработки является ее термический цикл - совокупность температур детали от начала ее нагрева до полного ох­лаждения (рис. 2.27). Т°С

К числу основных элементов термического цикла относятся: температура нагрева t_нагр, время нагрева t_нагр и охлаждения t_охл, время выдержки при тем­пературе нагрева t_выд. Помимо основных, термический цикл характеризуют также два дополнительных элемента:

• скорость нагрева

• скорость охлаждения

Указанные элементы, выбираемые в зависимости от задач термообработ­ки, составляют ее режим - совокупность контролируемых параметров, обес­печивающих получение изделия заданного качества.

Как правило, решающую роль при назначении режима термообработки играют температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.

Общая классификация операций термообработки

Все основные операции термообработки (ТО) по воздействию на матери­ал детшш можно разделить на 2 группы: а) повышающие плотность дефектов кристаллического строения, б) понижающие плотность дефектов (рис. 2.28).

В соответствии с отмеченным ранее (см. п. 2.2.4), первая группа операций ТО, сопровождающаяся повышением уровня свободной (избыточной) энер­гии и плотности дефектов кристаллического строения материала, приводит к повышению прочностных свойств и снижению пластичности, увеличению электросопротивления, скорости коррозии и т.п.

Вторая группа операций ТО, приводящих к понижению уровня свободной энергии и плотности дефектов, оказывает на свойства материала противопо­ложное влияние: прочность снижается, пластичность повышается, электро­проводность возрастает и т.д.

Приведем общую характеристику перечисленных операций ТО, а для операций, используемых в условиях эксплуатации судна, дополнительно рас­смотрим и их термические циклы.

Закалка - это термическая операция, заключающаяся в нагреве до тем­пературы выше температуры фазовых превращений, выдержке при этой тем­пературе и охлаждении со скоростью больше критической (рис. 2.29, а). Рез­кое снижение температуры подавляет диффузионные процессы, в результате чего при более низкой температуре фиксируется расположение атомов мате­риала в кристаллической решетке, свойственное ему при температуре нагре­ва. Закалка может быть применена только к тем металлам и сплавам, в кото­рых с повышением температуры в твердом состоянии происходит изменение строения - полиморфные превращения либо растворение избыточных фаз.

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в нагреве детали в химически активной среде, длительной выдержке при этой температуре и по­следующем охлаждении. В результате диффузии на поверхности детали соз­дается слой с измененным химическим составом и, соответственно, свойст­вами. Более конкретное название операция ХТО получает по имени наноси­мого элемента: азотирование - насыщение азотом, хромирование - хромом и т.п. Химико-термическая обработка может быть применена ко всем без ис­ключения металлическим материалам.

Термомеханическая обработка (ТМО) представляет собой пластиче­скую деформацию нагретой детали (заготовки). Примером ТМО является ковка коленчатого вала, шатунов СДВС и др.

Особо следует подчеркнуть, что корпус судна практически полностью из­готовлен из материалов, прошедших ТМО на металлургических заводах - это позволяет значительно повысить его конструкционную прочность и за счет этого снизить массу.

Так же как и ХТО, операция термомеханической обработки универсальна.

Отпуск - операция термообработки, заключающаяся в нагреве предвари­тельно закаленного материала до температуры ниже критической, выдержке и последующем охлаждении (рис. 2.29, б). В зависимости от температуры на­грева предварительно закаленного материала, различают низкий, средний и высокий отпуск.

Отжиг - это ТО, состоящая в нагреве материала, выдержке (зачастую длительной) и последующем, обычно медленном охлаждении (рис. 2.29, в). Этот вид термообработки применим ко всем материалам - как не имеющим фазовых превращений в твердом состоянии (отжиг 1-го рода), так и имею­щим такие превращения (отжиг 2-го рода).

Нагревательные и охлаждающие среды, используемые при термообработке деталей СТС

Выбор способа и среды нагрева и охлаждения деталей при термообработке определяется стоящими перед ней задачами.

В условиях береговых судоремонтных предприятий нагрев обычно про­изводится в электрических или газовых печах, а также токами высокой час­тоты (ТВЧ). Нагревательной средой чаще всего является газовая, которая может быть окислительной (воздух) или нейтральной. Реже используются жидкие нагревательные среды - обычно это расплавы солей в тиглях. Так, для равномерного прогрева деталей сложной конфигурации при температу­рах до 160...550 °С используется смеси азотной и калиевой селитры в раз­личном соотношении. Если необходим высокотемпературный нагрев до 1300... 1350 °С (для закалки быстрорежущих сталей), то применяют ВаС1₂.

Основные охлаждающие среды - вода, минеральное масло и воздух применяются при ТО как на берегу, так и в море. Они понижают температуру со скоростью порядка 600, 150 и 30 °С/с соответственно. При закалке углеро­дистых сталей скорость охлаждения свыше критической обеспечивает только вода, для легированных - вода и масло. При необходимости для увеличения v-o.0, можно использовать морскую воду – V_охл ~ 1200°С/с.

Источники тепла, применяемые для нагрева в условиях эксплуатации судна, имеют заметно меньшую тепловую мощность - пламя газовой горелки или паяльной лампы. Это позволяет проводить термообработку деталей СТС небольших габаритов и массы. Однако в последние годы наметился некото­рый прогресс в росте этих параметров деталей за счет использования т.н. "гибких" индукторов, подключаемых к имеющимся на судах сварочным трансформаторам.

Конструкционные стали

Рассмотрим более подробно группу конструкционных сталей с учетом конкретного назначения, термообработки и получаемых эксплуатационных свойств (табл. 2.17.).

К корпусным относят стали, широко используемые для изготовления сварных корпусов морских и речных судов. Так, на сухогрузах они состав­ляют 80...90 % общей массы судна. Оптимальное сочетание прочности и пластичности, достигаемое уже на металлургических заводах при термоме­ханической обработке (прокатка нагретого материала), позволяет гнуть лис­ты заданной кривизны, сохранять целостность корпуса судна при навале на пирс и других аварийных ситуациях. Выполнение же технологического тре­бования - хорошей свариваемости - дает возможность выполнять сварку на судне практически при любых погодных условиях.

Таблица 2.17 - Сводная информация по конструкционным

сталям в судостроении и судоремонте

Доминирующие требования к материалу изделия		Типовая марка стали		Основные свойства			Примеры применения
				Предел прочности в, МПа	Относительное удлинение , %	Ударная вязкость KCU, МДж/м^2 (твердость HRC)
1		2		3	4	5		6
Корпусные: C 0,22%, без термообработки, в состоянии поставки
Высокая пластичность, приемлемый уровень прочности свойств хорошая свариваемость		ВСт.3	420		25	0,55		Изготовление корпусов судов и конструкций с помощью сварки
		09Г2С	600		21	0,5
		10ХСНД	620		19	0,4
		10Г2СДМ	540		19	0,7
Цементируемые: 0,15 С 0,3%, ТО цементация+закалка+низкий отпуск
Наследственная мелкозернистость – способность длительное время сохранять размер зерна при нагреве до высоких температур		20Х	800		11	(58…62)		Детали СТС с высокой твердостью и износостойкостью поверхности: топливная аппаратура дизелей, шестерни, клачные шайбы и др.
		12Х2Н4МА	1150		12
		18ХГТ	1000		9
		30ХГТ	1500		9
Улучшаемые: 0,3 С 0,5%, ТО закалка+высокий отпуск
Повышенная способность выдерживать знакопеременные и динамические нагрузки	45		670		17	0,4		Наиболее нагруженные ответственные детали: шатуны, анкерные связи, коленчатые валы идр.
	35ХМА		1050		12	0,6
	40Х		1000		10	0,6
	40ХМН		1100		11	0,7
	38ХН3МФА		1200		12	0,8
Пружинно-рессорные: 0,5 0,7 %, ТО закалка+средний отпуск
Высокое значение пределов пропорциональности и выносливости, высокая релаксационная стойкость	65		1100		10	-		Пружины различных механизмов, мембраны и прочие упругие элементы
	50ХФА		1200		6	-
	70С3А		1800		6	-
	60С2ХФА		1900		5	-
Шарикоподшипниковые: около 1%С, ТО закалка+низкий отпуск
Чистота по неметаллическим включениям, стабильность размеров	ШХ6		-		-	(66…61)		Подшипники качения: шарико- и роликоподшипники, игольчатые и др.
	ШХ15		-		-
	ШХ15СГ		-		-

Корпусные стали относятся к тем судостроительным материалам, кото­рые должны удовлетворять жестким требованиям Правил классификации и постройки морских судов (Морского Регистра) в части хладноломкости. По этому критерию она делится на категории А, В, В, Е и F. Выбор категории производится с учетом минимальной температуры окружающей среды и толщины элемента корпуса. Так, при толщине 5 = 20 мм для указанных кате­горий предельно допустимая температура составляет -15, -33, -43, -60 и ниже -60°С (соответственно).

Цементируемые стали подвергаются сложной термообработке, вклю­чающей насыщение поверхности углеродом до 0.9... 1.1 % путем выдержки при температурах 910... 930 ^СС в течение 10... 15 часов в химически активной среде, что практически исключает проведение ее в условиях эксплуатации судна. В заводских же условиях детали из этих сталей приобретают высокую твердость поверхности и вязкую сердцевину - это обеспечивает хорошую износостойкость, способность воспринимать контактные и ударные нагрузки. Улучшаемые стали наиболее многочисленны по числу разработанных марок, предназначенных для изготовления деталей с последующей закалкой и высоким отпуском. Такая термообработка сообщает материалу комплекс свойств, позволяющих эксплуатировать детали при больших и динамических и знакопеременных нагрузках.

Пружинно-рессорные стали приобретают свои высокие эксплуа­тационные качества в результате за­калки и среднего отпуска (рис. 2.35). Такая обработка возможна не только в заводских условиях, но и непосред­ственно на судах для изготовления пружин небольших размеров взамен вышедших из строя или при их реге­нерации - восстановлении исходных габаритов и значений предела пропор­циональности.

Шарикоподшипниковые стали настолько важны для современной тех­ники, что даже их маркировка имеет особенности (см. табл. 2.14). Ни один механизм не может быть создан без подшипников качения. Они обеспечива­ют минимальные потери энергии, так как коэффициент трения качения существенно ниже, чем при трении скольжения. Кроме этого, благодаря малой деформации при ТО, эти стали широко применяются для изготовления прецизионных сопряжений топливной аппаратуры судовых дизелей.

Конструкционные материалы на основе цветных металлов.

При рассмотрении этой группы материалов следует иметь в виду, что они на современном этапе развития по технико-экономической эффективности (см. п.п. 2.1.2 и 2.8.1) значительно уступают железоуглеродистым сплавам. Поэтому их использование для восприятия внешних силовых нагрузок целе­сообразно лишь в том случае, когда дополнительно в качестве доминирую­щего требования выступает какое-либо специальное или технологическое свойство.

Требуемые тактико-технические характеристики судов на подводных крыльях, воздушной подушке, а также подводных лодок могут быть реализо­ваны только при использовании деформируемых корпусных сплавов А1 и Ti (табл. 2.20). Для обеспечения срока службы к ним предъявляется требова­ние высокой коррозионной стойкости в условиях воздействия морской воды и тумана.

Гребные винты при эксплуатации подвергаются циклическому изгибу, ударам лопастей о твердые предметы, особенно при плавании в ледовых ус­ловиях. Помимо механической нагрузки, они постоянно испытывают воздей­ствие морской воды. Учитывая сложную геометрическую форму винтов, их изготавливают путем отливки. Поэтому чаще всего для их изготовления применяют чаще всего соответствующие литейные латуни и бронзы, реже -углеродистые или коррозионностойкие стали.

Пружинные элементы в условиях воздействия морской среды должны сохранять свои рабочие характеристики - жесткость, релаксационную стой­кость. Это налагает, помимо уже отмеченных требований к материалу (см. табл. 2.17), способность длительное время сопротивляться коррозии под на­грузкой. Чаще всего проблему удается решить с помощью специальных бронз и сплавов на основе кобальта или железа.

Безыскровой инструмент является обязательным для использования на танкерах, газовозах и других судах, груз которых представляет повышенную пожароопасность. Конструктивно не отличаясь от обычного инструмента, он

изготавливается из алюминиевых, марганцовистых или бериллиевых бронз, на него наносится соответ­ствующая надпись и заводской но­мер (рис. 2.36).

Неискрящиеся при ударе или падении в условиях качки материа­лы применяют также при изготов­лении деталей газовой аппаратуры, устанавливаемой на баллоны со сжатыми взрывоопасными газами или их смесями(кислорода, ацетилена, пропана и пр.).

Специальные металлические материалы

Учитывая, что широкий спектр свойств специальных материалов пред­ставляет возможности использования одного и того же материала для выпол­нения заметно отличающихся друг от друга функций, вначале целесообразно ознакомиться с основными группами с учетом свойств матрицы (п. 2.9.1), а затем перейти к рассмотрению наиболее распространенных на судах функ­циональных групп (см. п.п. 2.9.2 - 2.9.5).

Общая характеристика и маркировка специальных материалов

В отличие от конструкционных материалов (преимущественно сталей и чугунов), специальные материалы предназначены для выполнения особых функций, например, служить проводником электрического тока. Для этих целей обычно используются цветные металлы (медь, алюминий, титан и др.) и сплавы на их основе. Как правило, они намного дороже железоуглероди­стых, но в то же время обладают рядом неоспоримых преимуществ:

• повышенной коррозионной стойкостью;

• более высокой (низкой) тепло- и электропроводностью;

• более низкой (высокой) температурой плавления и пр.

В то же время следует иметь в виду, что специальные материалы зачас­тую с успехом могут воспринимать и силовую нагрузку - т.е. выполнять функции конструкционных материалов.

В зависимости от конкретных специальных требований деталь изготавли­вают из чистого металла или его сплава. Их маркировка, по аналогии со ста­лями, включает буквенную и числовую компоненту (табл. 2.18). Однако нужно учитывать, что обозначения одного и того же химического элемента в сплавах может отличаться: например, кремнию в сталях соответствует буква "С", а в сплавах цветных металлов - буква "К" (см. табл. 2.13).

Таблица 2.18 - Условные обозначения специальных металлических материалов, применяемых в судостроении и судоремонте

Материал	Принципы и примеры маркировки
Алюминий, титан и сплавы на их основе
Алюминий	Буквой А, число характеризует чистоту металла. Чем оно больше, тем чище материал. Пример: А99 99,99% Al. Остальное примеси
Литейные алюминиевые сплавы	Буквами АЛ, затем указывается номер разработки. Пример: АЛ9 — литейный сплав AI, разработка № 9.
Деформируемые алюминиевые сплавы	1. Буквой Д или другими (В, АК), после которых указы­вается номер разработки сплава. Пример: Сплав Д16 деформируемый алюминиевый сплав № 16. 2. Буквой А. Последующие сочетания букв и чисел ука­зывают на присутствие легирующих элементов и их со­держание в процентах. Пример: Сплав АМгЗ деформируемый сплав на основе алюминия, 3 % магния, остальное - алюминий и примеси.
Титан	Буквами ВТ (получен в вакууме) и цифрами, качественно указывающими на содержание примесей. Пример: Титан ВТ1-0 или ВТ 1-00 вторая марка со­держит меньше примесей
Литейные титановые сплавы	Буквами ВТ, после которых указывается номер сплава; буква "Л" в конце марки отражает принадлежность к группе литейных сплавов. Пример: Сплав ВТ14Л литейный сплав титана, № 14.
Деформируемые титановые сплавы	Буквами ВТ, затем указывается номер сплава Пример: Сплав ВТ 20 титановый деформируемый сплав № 20
Медь и сплавы на ее основе
Медь	Буквой М, после которых указывается число (00, 0, 1 ... 4), характеризующее чистоту металла - чем оно боль­ше, тем выше содержание примесей. Пример: Медь Ml относительно чистая медь.
Латуни литейные	Буквой Л. Последующие сочетания букв и чисел указы­вают на присутствие легирующих элементов и их содер­жание в процентах. Пример: Латунь ЛЦ17КЗ литейный сплав на основе меди, 17 % цинка, 3 % кремния, остальное - медь и при­меси
Латуни деформируемые	Буквой Л. Последующие буквы указывают на присутст­вие легирующих элементов. Первое число - содержание! меди в процентах, остальные — соответствующее после­довательности букв содержание легирующих элементов в процентах. Пример: Латунь ЛЖМц59-1-1 деформируемый сплав на основе меди; Си - 59%, Fe - 1 %, Мп - 1 %, остальное -Zn и примеси.
Бронзы литейные	Буквами Бр Последующие сочетания букв и чисел указы­вают на присутствие легирующих элементов и их содер­жание в процентах. Пример: Бронза Бр05Ц5С5 литейный сплав на основе меди, Sn - 5%, Zn - 5%, Pb - 5 %, остальное - Си и примеси
Бронзы деформируемые	присутст­вующие легирующие элементы, а цифры — их содержа­ние в процентах (соответственно) Пример: Бронза БрОЦС4-4-2,5 —» деформируемый сплав) на основе меди, Sn - 4 %, Zn - 4 %, Pb — 2,5 %, остальное - Си и примеси.
Прочие материалы
Баббиты	Буквой Б и числом, показывающим содержание олова в процентах. Пример: Б83 антифрикционный сплав, 83 % олова, ос­тальное - другие элементы и примеси.
Оловянно-свинцовые припои	Буквами ПОС. Последующие буквы К или Су указывают на присутствие кадмия или сурьмы. Первое число обозна­чает содержание олова в процентах, второе — содержа­ние кадмия или сурьмы. Пример: Припой ПОССу 61-1,5 оловянно-свинцовистый припой, олова - 61%, сурьмы — 1,5 %, ос­тальное - свинец и примеси.
Серебряные припои	Буквами ПСр и цифрой, указывающей содержание сереб­ра в процентах. Пример: ПСр 40 серебряный припой Ag - 40 %, ос­тальное медь, другие элементы и примеси.
Примечание: информация по сплавам на основе магния не приведена, т.к. из-за низкой кор­розионной стойкости в морской среде на судах они практически не встречают­ся

Медь и сплавы на ее основе

Эта группа материалов на судах занимает второе место по распростра­ненности во многом благодаря свойствам меди. Основные ее преимущест­ва: высокая коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность

Чистая медь - металл розового цвета с плотностью 8,94 т/м³, температу­рой плавления 1089 °С. Температура рекристаллизации, ограничивающая об­ласть применения меди и сплавов на ее основе, составляет около 200...250 °С.

Прочностные свойства Си низки: a_s < 240 МПа. В то же время ее пла­стичность высока - относительное удлинение достигает 45 %.

С учетом указанных свойств медь применяется как в качестве проводни­кового, так и коррозионностойкого материала. Конкретные примеры рас­смотрены ниже (см. табл. 2.20).

Около 30 % выпускаемой меди расходуется на производство сплавов на ее основе, в достаточной степени сохраняющих перечисленные выше пре­имущества матрицы (рис. 2.37).

Латунями называются медные сплавы, в которых основным легирую­щим элементом является цинк. Простые латуни содержат только Си и Zn, специальные - дополнительные легирующие элементы. Предел прочности латуней не превышает, как правило, 450 МПа. В то же время относительное удлинение может достигать 65 %.

Бронзами называются сплавы на основе меди, в которых цинк не являет­ся основным легирующим элементом. Если таковым, например, является Sn, то бронза называется оловянной; в алюминиевых бронзах это Л/ и т.п. Учи­тывая большее число основных легирующих элементов, свойства бронз го­раздо разнообразнее, чем латуней. Дополнительно следует отметить, что бериллиевые бронзы могут быть упрочнены термообработкой - путем закалки и отпуска. Так, для них 1000 МПа, 20%.

Важной характеристикой являются технологические свойства медных сплавов. Литейные сплавы имеют хорошую жидкотекучесть - способность заполнять форму, что позволяет изготавливать из них отливки самой слож­ной формы³⁴. Деформируемые материалы отличаются высокой пластично­стью - из них обработкой давлением получают листы, трубы, прутки и пр.

Среди специальных сплавов на основе меди следует выделить сплавы с повышенной коррозионной стойкостью (нейзильберы, мельхиоры) и повышенным омическим сопротивлением - так называемые реостатные материа­лы (манганин, константен).

Алюминий и сплавы на его основе

Указанные материалы достаточно широко используются в судостроении благодаря таким преимуществам алюминия, как малая плотность (-2.7 т/м³), высокая электро- и теплопроводность - при меньшей стоимости А1 она всего лишь в ~ 1,5 раза ниже, чему меди. Температура плавления - около 661°С, Т_рекр 150 °С. Прочность алюминия довольно всего =60...100 МПа, пластичность - высокая ( = 35%).

Значительная часть производимого алюминия расходуется на производ­ство сплавов (рис. 2.38).

Следует особо отметить, что многие Al-сплавы могут быть заметно уп­рочнены термообработкой, состоящей из закалки (t_зак = 495...510°С, охлаж­дение в воде) и старения (разновидность отпуска, заключающаяся в нагреве закаленного сплава в кипящей воде в течение нескольких минут).

Литейные сплавы алюминия отличаются хорошими технологическими свойствами: малой усадкой, высокой жидкотекучестью и др. Причина - низ­кая температура плавления алюминия, являющегося их основой. Поэтому, с учетом парамагнитности (отсутствия магнитных свойств), наиболее часто эти сплавы применяются для изготовления сложных корпусов навигационных приборов, работающих без контакта с морской водой - например, устанавли­ваемых на мостике судна. Их прочность достаточно высока при низкой пла­стичности. Так, для неупрочняемых термообработкой сплавов АЛ2 и АЛ4 эти показатели соответственно составляют: 180МПа, 4%.

Упрочняемые ТО алюминиевые сплавы АЛ9, АЛ21, АЛ27 и др. приобре­тают высокий комплекс механических - до 350 МПа, до 18 %. Они при­меняются для изготовления деталей, работающих во влажной среде при тем­пературах до 200... 250 "С.

В сравнении с литейными группа деформируемых сплавов отличается, в целом, более высокой прочностью и пластичностью - после типовой термо­обработки 0_в < 600 МПа, 5 < 24%. Детали их них изготавливаются прокат­кой, ковкой, штамповкой, сваркой. Типовая номенклатура: листы, трубы, фа­сонный профиль.

Спеченные алюминиевые материалы изготавливают по технологии порошковой металлургии: вначале порошки прессуют, а затем обжигают. В результате получается готовая деталь, практически не требующая механиче­ской обработки, имеющая повышенную прочность (я, <460 МПа), которая сохраняется до температуры 300... 350 °С.

Титан и сплавы на его основе

Эта группа материалов обладает исключительно полезными для морского транспорта свойствами. Однако высокая стоимость 77 в настоящее время за­ставляет говорить о ней пока только как о перспективной для торгового мо­реплавания.

Основными преимуществами Ti и его сплавов, помимо уже отмечав­шейся ранее высокой удельной прочности (см. п. 2.8.1), относится и исклю­чительная коррозионная стойкость в морской среде (табл. 2.19).

Важнейшие характеристики этих материалов: р ~ 4,54 т/м , Т_плав, ~ 1665 °С, Т_рекр 450...500 °С.

Для технически чистого титана =300...550 МПа, относительное удли­нение = 20...30%. Такой большой разброс показателей объясняется тем, что 77 является хорошим геттером - веществом, поглощающим при повы­шенных температурах ухудшающие его свойства компоненты атмосферы (азот, кислород и водород). Поэтому производство титана и его сплавов тре­бует применения высокого вакуума или защитной атмосферы из инертных газов - например, аргона.

Сплавы титана, в зависимости от химического состава, используются для изготовления деталей литьем или обработкой давлением. Их термообработка позволяет повысить прочность, по сравнению с основой, в 2... 3 раза.

Коррозионностойкие материалы

Основным требованием к этой группе специальных материалов является способность сохранять свое строение и, как следствие — свойства под воздействием агрессивной внешней среды. При электрохимической и химической коррозии оно выполняется разными путями.

Учитывая, что электрохимическая коррозия сопровождается переносом электрических зарядов между фазами материала различной природы (например, в углеродистых сталях между ферритом и цементитом), то для ее предотвращения (снижения) используют следующие принципы:

• устраняют саму причину возникновения разности потенциалов, используя вместо многофазных сплавов чистые металлы или однофазные сплавы (например, вместо двухфазного силумина АЛ2, состоящего го А1 и Si - чистый алюминий);

• повышают значение электродного потенциала материала детали до положительного значения путем легирования (например, заменяя уг­леродистую сталь высоколегированной хромистой или хромоникелевой сталью с содержанием Сr 12,5%, используя специальные однофазные латуни вместо простых);

• создают на поверхности корпуса судна или детали изолятор - пленку, не проводящую электрический ток:

- легируя материал элементами, создающими плотные оксидные пленки (например, насыщая сталь при химико-термической обработке хромом, никелем, кремнием, титаном - именно эти элементы и образуют такую пленку);

- нанося лакокрасочное покрытие (см. ниже);

• формируют искусственную гальваническую пару из защищаемого от коррозии материала с другим, имеющим более низкое значение элек­тродного потенциала (т.н. протекторная защита);

• подают от судового источника питания на корпус судна постоянное отрицательное напряжение, создающее плотность тока ~ 10 мА/м (т.н. катодная защита)

Результатом реализации 2-х первых и частично 3-го принципов является получение материалов различной коррозионной стойкости как против элек­трохимической, так и химической коррозии (табл. 2.19 и 2.20). Помимо ста­лей, в судостроении и судоремонте широко применяются и другие материа­лы, работающие в условиях коррозионного воздействия окружающей среды.

Таблица 2.19- Коррозионная стойкость наиболее распространенных судостроительных материалов в морской среде

Группа стойкости	Скорость коррозии, мм/год	Материал
Совершенно стойкие	менее 0,001	Титан и его сплавы
Весьма стойкие	0,001... 0,01	Коррозионностойкие стали (20X13, 12Х18Н9Т идр.)
Стойкие	0,01...0,1	Медь, латуни (ЛО 70-1, ЛА 77-2, ЛЦ17КЗ и др.), бронзы (Бр А9Мц2, Бр Б2 и др.)
Пониженно стойкие	0,1...1,0	Конструкционные стали (ВСт.З, 10ХСНД, 40ХНМ, 65С и др.), чугуны (марок СЧ, КЧ и ВЧ), алюминий и сплавы на его основе
Малостойкие	1,0... 10	Магний, цинк и сплавы на их основе

Принципиально важным является то обстоятельство, коррозионная стой­кость материала при изменении окружающей среды может сильно изменять­ся. Так, титан и его сплавы, обладая исключительно высокой стойкостью в морской среде, интенсивно корродируют в 5 %-ном водном растворе соляной кислоты даже при комнатной температуре.

Таблица 2.20 - Наиболее распространенные марки специальных металлических и неметаллических материалов на судах

Марка	Область применения
Коррозионностойкие материалы
Сталь 20X13	Валы, втулки насосов, работающих в слабокоррозионных средах (пресная вода, водные растворы солей невысокой концентрации)
Сталь 12Х18Н9Т	Детали, работающие в движущейся морской воде: гребные вин­ты, несущие элементы судов на подводных крыльях
Латунь ЛО70-1 (адми­ралтейская латунь) Латунь ЛА77-2	Детали, находящиеся в морской воде: трубные доски, сальнико­вые втулки, штоки арматуры и насосов
Латунь Л17КЗ	Литые детали, работающие в морской воде: корпуса и крышки судовой арматуры, втулки сальников
Бронза Бр О10С2	Ответственные литые детали, работающие в морской воде: крыльчатки насосов, корпуса, облицовки валов
Бронза Бр Б2 Бронза Бр КМцЗ-1	Упругие немагнитные элементы приборов, работающих в мор­ской среде: пружины, мембраны, сильфоны
Сплав ВТ5	Ответственные детали, работающие в морской воде: обшивка судов, детали насосов, гребные винты
Мельхиор МНЖ 5-1	Трубы тегшообменных аппаратов, работающих на морской воде; непрерывно действующие трубопроводы морской воды
Сплав АМг5	Корпусные сварные конструкции морских и речных судов, спа­сательные боты и шлюпки, забортные трапы
Сплав АМгЗ	Радиаторы парового отопления, трубопроводы масла и топлива, кожухи дымовых труб и вентиляции
Алюминий АД1	Емкости для хранения пищевых продуктов, воды; переговорные трубы
Стекла	Судовые иллюминаторы, изделия судовой светотехники, камбузная посуда
Полихлорвинил Полиэтилен Фторопласт	Цистерны питьевой воды, топливные и масляные цистерны, ак­кумуляторные баки
Антифрикционные материалы.
Баббит Б 83 Бронза Бр СЗО	Антифрикционные материалы, работающие в условиях при тре­нии скольжения при динамической нагрузке: заливка вклады­шей рамовых и мотылевых подшипников СДВС, направляющих крейцкопфов
Баббит Б 16	Заливка вкладышей подшипников скольжения, работающих при спокойной нагрузке: шпилей, брашпилей, лебедок
Бронза 05Ц5С5	Облицовка гребных валов диаметром до 350 мм
Бронза БрАЖНЮ-4-4	Ответственные детали, работающие в тяжелых условиях изна­шивания: седла клапанов, направляющие втулки, шестерни
Латунь ЛЦ40МцЗЖ	Облицовка гребных валов катеров и малых судов

Продолжение табл. 2.20

Латунь ЛЦ26К4	Малонагруженные детали трения механизмов с ручным приво­дом при обильной смазке
Чугун СЧ21 Чугун СЧ24 Чугун СЧ28	Поршневые кольца СДВС и паровых машин, золотников и ком­прессоров
Текстолит ПТК-С Капролон В Резина	Втулки дейдвудных подшипников морских судов при смазке забортной водой
Фторопласт Ф-4	Втулки подшипников скольжения, работающих в агрессивных средах, включая морскую воду
Материалы СТС для работы при повышенных температурах
Медь МЗ	Прокладки для систем трубопроводов высокого давления (до SO МПа, температура до 250 °С)
Латунь Л68	Детали, не соприкасающиеся с морской водой, работающие при температуре до 250 "С: детали маслоохладителей конденсаторов, диафрагмы турбин
Бронза Бр АЖ9-4	Детали арматуры и систем, работающих в слабокоррозионных средах при температуре до 250 °С: пробки кранов, крышки сальников, втулки и пр.
Сплав АК4	Деформируемый сплав алюминия для работы при температурах не более 300 °С: поршни высокооборотных дизелей, головки ци­линдров, крылатки центробежных компрессоров и др.
Сталь 12ХМФ	Детали паровых котлов и паропроводов, паровых и газовых тур­бин, работающих при температурах до 580 "С
Сталь 20X13	Детали, работающие в слабокоррозионных средах при темпера­турах до 450 °С: седла клапанов, лопатки паровых турбин, уп­лотнения и др.
Сталь 12Х18Н10Т	Детали, работающие в средах средней агрессивности (включая морскую воду) в диапазоне температур -196... 600 "С: направ­ляющие лопаток турбин, теплообменные аппараты, трубные доски и т.п.
Сталь 40X10С2М	Детали, работающие при температурах до 800 "С: выпускные клапаны СДВС, форкамеры, распылители сопел и др. Устойчива в серосодержащих средах (продукты сгорания топлива)
	Материалы с высокими электропроводностью и сопротивле­нием
Медь МО Медь Ml	Проводники электрического тока: провода, кабели, обмотки трансформаторов
Манганин МНМц 3-12	Резисторы, тепловые датчики, шунты электрических приборов, обмотки реостатов
Сталь Х13Ю4	Нагревательные элементы для работы при температурах менее 900 ^0С
Нихром Х20Н80	Нагревательные элементы для работы при температурах менее 1100°С
	Материалы с малой плотностью
Сплав АЛ2	Малонагруженные детали, работающие в сухих помещениях без контакта с морской водой, кожухи, маховики, рукоятки
Сплав Д1	Клепаные конструкции, работающие без контакта с морской во­дой: настил пола, переборки, легкие двери, мебель
Сплав ВТ6С	Штампосварные конструкции, емкости высокого давления

Два последних случая реализуют непосредственно в условиях эксплуата­ции судна - для конкретной марки материала и известной среды уменьшают скорость коррозии.

Типичная протекторная система защиты корпуса судна из углеродистой стали включает отливки из цинка массой до 100... 150 кг, закрепленные на подводной части корпуса судна вдоль линий тока воды для снижения гидро­динамического сопротивления. Их плотность на корме должна быть выше, т.к. здесь имеет место максимальная волновая активность и скорость обте­кающей судно воды. Помимо Zn, при стальном корпусе и плавании в пресно­водных акваториях протектор может изготавливаться из магния (см. табл. 2.10). При докованиях судна протекторы системы заменяются.

Катодная защита отличается от протекторной тем, что на уже имеющую­ся протекторную систему накладывается упомянутое выше напряжение от судового источника электропитания. Она обычно работает автоматически и позволяет обеспечить более равномерную скорость коррозии и таким обра­зом избежать коррозионных язв различной формы и свищей (сквозных язв).

Как свидетельствует конкретные примеры (см. табл. 2.20), в зависимости от условий эксплуатации в качестве коррозионностойких могут выступать как металлические, так и неметаллические материалы.

Материалы судовых трибосопряжений

Для того, чтобы дать судоводителю возможность управления судном и обеспечить его перемещение в заданном направлении, в СТС начинаются от­носительные перемещения многочисленных деталей по вполне определен­ным траекториям: поршень осуществляет возвратно-поступательное движе­ние в рабочем цилиндре СДВС, гребной вал вращается в дейдвудной втулке и т.п. Их обеспечивают трибосопряжения - подвижные разъемные соедине­ния деталей, рабочие поверхности которых при трении друг о друга изнаши­ваются (см. рис. 1.2, г). Это приводит к увеличению зазора по сравнению с исходным (нормативным), искажению заданных конструктором траекторий движения и, в конечном счете, к потере работоспособности СТС (например, рулевой машины судна).

В трибосопряжениях судовых технических средствах используются раз­личные антифрикционные материалы, предназначенные для работы в ус­ловиях трения скольжения. Основные требования к ним - высокая износо­стойкость и низкий коэффициент трения в паре с материалом сопрягаемой детали. Кроме этого, выбор зависит от скорости скольжения, вида смазки и др. (рис. 2.39).

Анализ приведенных данных показывает, что работу современного морс­кого судна обеспечивают не менее 2,2 тыс. ответственных трибосопряжений, в которых материалом трущейся детали являются железоуглеродистые спла­вы: в ~ 88 % случаев сталь, ~ 11 % - чугун. Эта деталь является основной в трибосопряжении (сложна конструктивно, имеет большие габариты и массу) и при ремонте СТС, как правило, замене не подлежит.

Перечень сочетаемых с ней антифрикционных материалов более разноо­бразен: баббиты, бронзы, чугуны, резины и пр. Часто, в целях экономии, они наносится тонким слоем на стальную подложку, образуя с ней одно целое (рис. 2.40). Такая композитная деталь проста конструктивно, изнашивается быстрее и во время ремонта заменяется. Например, наработка на отказ голо­вки поршня малооборотных судовых дизелей в 5...7 раз больше наработки поршневых колец.

Наибольшее распространение получили трибосопряжения типа "поршне­вое кольцо - канавка поршня", "поршневое кольцо - втулка рабочего цилиндра СДВС", "шейка вала - подшипниковая втулка" (заменяемый во время ре­монта элемент трибосопряжения подчеркнут). В последнем случае втулку часто заменяют вкладышами, представляющими собою ее половинки - это позволяет значительно упростить ремонт потерявшего работоспособность подшипникового узла.

В качестве антифрикционных используются также и неметаллические ма­териалы: текстолит, капролон, резина и др.

Материалы СТС для работы при повышенных температурах

Значение этих материалов для современного мореплавания трудно пере­оценить с учетом того обстоятельства, что преобразование химической энер­гии топлива в механическую энергию вращения гребного винта, необходи­мую для движения судна, происходит в тепловых двигателях - дизелях или турбинах (см. рис. 1.4). При этом температура на поверхности многих дета­лей, образующих тепловой реактор, может достигать 700... 800 °С (рис. 2.41).

В свете отмеченного, к основным требованиям, предъявляемым к этой группе материалов, следует отнести способность при рабочих температурах:

• сохранять требуемый уровень прочности, т.е. быть жаропрочными;

• сопротивляться химической газовой коррозии под действием агрессивных составляющих продуктов сгорания топлива (например, серного ангидрида), т.е. быть жаростойкими;

• сопротивляться ползучести — медленному нарастанию во времени пластических деформаций и изменению вследствие этого размеров деталей, под действием постоянно действующих нагрузок, не превы­шающих нагрузку, отвечающую пределу пропорциональности при обычных кратковременных испытаниях: Р_полз < Р_пц (в турбинах это приводит вначале к уменьшению, затем полному исчезновению рабочего зазора между вращающимися лопатками и неподвижным корпусом и как печальный результат, поломке турбины).

Радикальным средством, позволяющим удовлетворить все перечисленные требования, является изготовление таких деталей из материалов, у которых температура рекристаллизации превышает рабочую: (см.р.2.5.5)

На практике это означает (см. табл. 2.20), что используемые на судах сплавы алюминия работоспособны, в основном, до температуры 150...200 °С, меди -до 200... 250 ⁰С, низко- и среднелегированные стали -до 500... 600 ⁰С, высоколегированные стали - до 600... 800 ⁰С

Материалы с высокими электропроводностью и сопротивлением

С учетом механизма прохождения электрического в металлах основным требованием к хорошим проводникам следует считать отсутствие или низ­кое содержание примесей. Чем оно выше, тем больше число дефектов кри­сталлического строения, затрудняющих перемещение электронов проводи­мости. Так, всего лишь 0,5 % инородных атомов понижают электропровод­ность Си на 15 %.

На судах практически единственным проводниковым материалом являет­ся медь марок М00, МО и Ml с пониженным содержанием примесей (см. табл. 2.20).

Использование на судах алюминия ограничено (фольга бумажных и пле­ночных конденсаторов и корпусов электролитических конденсаторов). Изго­товление из него проводников электрического тока (проводов, шин) запре­щено - вследствие образования оксидной пленки с большим электрическим сопротивлением в местах контактов значительный нагрев может привести к пожару.

От материалов с высоким омическим сопротивлением (резисторы, нагре­вательные элементы) требуются: а) повышенная плотность дефектов кри­сталлического строения, затрудняющих дрейф электронов; б) высокая сопро­тивляемость химической газовой коррозии (окалиностойкость). В полной ме­ре этим требованиям отвечают высоколегированные материалы со структу­рой твердого раствора замещения, содержащие образующие плотные оксид­ные пленки элементы: алюминий, хром и др. (см. табл. 2.20)