Общие сведения о материалах
В судостроении находит применение большое количество материалов, основными из которых следует считать металлы, дерево и пластмассы. Каждый из применяемых материалов обладает определенными химическими, физико-механическими и технологическими свойствами, которые имеют решающее значение при определении их использования в судостроении.
Эти свойства, в соответствии с техническими условиями, должны быть достигнуты при изготовлении материалов и учтены при создании судовых конструкций.
Каждая поставляемая на судостроительный завод партия материала, несмотря на сопровождающие его документы — сертификаты, удостоверяющие его качество, на заводе вновь проходит химические, механические и технологические испытания.
В металлическом судостроении основным материалом для постройки корпусных конструкций служит сталь. В морском судостроении в основном применяют низколегированные стали, обладающие значительно повышенными прочностными характеристиками по сравнению с углеродистой сталью. Внедрение легированных сталей при равнопрочных конструкциях позволяет уменьшить собственный вес корпуса судна. Переход от клепаных конструкций к сварным, замена трудоемких и сложных крупногабаритных литых деталей (форштевней, ахтерштевней, кронштейнов, рулевых рам и пр.) сварными (из листового и профильного проката) и листосварными оказались возможными благодаря созданию новых марок сталей, которые хорошо свариваются и имеют повышенную прочность, а некоторые из них, кроме того, обладают высокими литейными качествами.
Одним из основных показателей механических качеств материала является предел текучести бT, который входит в расчетные формулы прочности судовых конструкций (и, следовательно, предопределяет их вес).
Для изготовления прочих, менее ответственных корпусных конструкций, применяют углеродистые судостроительные стали, чугун, легкие сплавы, цветные металлы, пластмассы и т. п.
Металлические материалы
В судостроении применяются черные металлы, в первую очередь углеродистые стали, обладающие пластичностью, хорошо свариваемые и противостоящие коррозии от воздействия соленой воды.
Стали. Применяют углеродистые судостроительные стали марок ВМСт. Зсп и С. Индексы означают: В — группа стали, которая характеризуется различными механическими свойствами и химическим составом; М — сталь изготовляется в мартеновских печах; сп — спокойная плавка; С — судостроительная сталь. Предел текучести этих сталей бT = 240 кГ/мм2. Углеродистые стали отличаются малым содержанием углерода (0,14—0,22%), а также вредных примесей серы и фосфора (не более 0,05%). Известно, что сера придает металлу красноломкость, а фосфор — хладоломкость.
Применяются низколегированные судостроительные стали марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1Д и 10ХСНД с более высокими пределами текучести бT = 300—400 кГ/мм2 с низким содержанием углерода (не более 0,12%) и добавками марганца, кремния, хрома, меди и никеля.
Стали поставляются металлургической промышленностью в виде листового проката толщиной от 4 до 32 мм и профильного проката. Длина поставляемых листов до 8000 мм, ширина—до 2500 мм.
В судостроении ковкой преимущественно изготовляют мелкие детали (штыри, леерные стойки, коуши и т. п.). Судовые поковки изготовляют из-углеродистой или легированной стали. К сталям с особыми физическими или физико-механическими свойствами относятся:
1) нержавеющая сталь, обладающая высокой сопротивляемостью коррозии. В ее составе характерно содержание не менее 12% хрома, способствующего образованию на поверхности стойкой окисной пленки, предохраняющей сталь от окисления. Эта сталь хорошо сваривается и позволяет получать прочные, устойчивые к коррозии детали. Нержавеющая сталь в морском судостроении используется как заменитель цветных металлов и сплавов для изготовления облицовки гребных валов, лопаток турбин и т. п.;
2) немагнитная сталь обладает слабой магнитной проницаемостью. Это достигается высоким ее легированием, при котором в состав стали вводятся никель и марганец. При добавлении в эту сталь свыше 13% хрома она приобретает дополнительные свойства стойкости против коррозии и кислотостойкости. Немагнитная сталь в судостроении применяется для изготовления корпусов и элементов навигационных приборов, оборудования и т. п.;
3) плакированная сталь — конструкционная углеродистая или низколегированная сталь, покрытая тонким слоем нержавеющей стали. Такая сталь, обладая высокой прочностью основного материала, является коррозионностойкой и вместе с тем позволяет экономить дорогой и дефицитный никель;
4) жароупорная сталь, легированная хромом, кремнием и алюминием, не окисляется и, благодаря введению молибдена, вольфрама, ванадия и прочих примесей, обладает высоким сопротивлением механическим нагрузкам во время работы при высоких температурах;
5) износоустойчивая сталь содержит 1,0—1,3% углерода и 11,0—14,0% марганца, применяется для изготовления способом фасонного литья деталей, работающих на износ под давлением, таких, например, как детали землечерпательных ковшей, драг и т. п.
Чугуны. В судостроении широко используется серый чугун благодаря его хорошим литейным качествам и относительной легкости механической обработки. Чугунные отливки дешевле стальных и применяются для изготовления гребных винтов, кнехтов, деталей судовых устройств, дельных вещей и т. д.
Широкое применение в судостроении получили и модифицированные чугуны, в состав которых вводятся примеси-модификаторы (силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и т. д.), повышающие механические свойства отливок. Из этого чугуна изготовляют рамки иллюминаторов, гребные винты, цилиндрические втулки и прочее.
Ковкий чугун, являющийся разновидностью серого чугуна, получается путем длительной термической обработки (отжига), отливок из хрупкого белого чугуна. Благодаря такой обработке чугун получает некоторую пластичность — ударостойкость и меньшую хрупкость при механическом воздействии. Детали из ковкого чугуна широко применяют в судовых системах.
В судостроении применяются следующие цветные металлы.
Алюминий и его сплавы получили широкое применение благодаря малому удельному весу (26—28 г/см³), относительной прочности (бв до 470 кг/мм²), а также немагнитности и легкости обработки и т. п.
Введение в алюминиевые сплавы магния, марганца, кремния, меди, железа и других компонентов (от 1,5 до 20%) изменяет их механические и технологические свойства.
Дюралюминий — алюминиево-медный сплав, термически обработанный, превосходит по прочности даже некоторые стали, но из-за низкой коррозионной стойкости он находит ограниченное применение в судостроении.
Присадки кремния, магния, меди и цинка улучшают некоторые качества алюминия, например литейные, прочность, твердость, но одновременно и ухудшают его пластичность, коррозионную стойкость и т. д.
Медь и ее сплавы. Мед ь в судостроении применяется почти исключительно для изготовления трубопроводов в специальных системах, в электротехнике или как декоративный поделочный материал.
Бронза представляет собой сплав меди и олова, марганца, железа и других элементов. Кроме оловянистых бронз, применяют и безоловянистые, представляющие собой сплавы меди с алюминием и другими металлами без добавления олова, которое является дефицитным и дорогим металлом.
Бронзы отличаются высокой антикоррозионной стойкостью и применяются преимущественно для изготовления ответственных отливок, работающих на трение в морской воде. Из бронзы изготовляют арматуру, детали судовых устройств, втулки, муфты и т. г
Латунь — сплав меди с цинком. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Содержание в латуни около 30% цинка делает ее максимально пластичной, а около 45%—максимально прочной.
Латунь хорошо прокатывается и куется. Из нее изготовляют поделочные листы и прутки, трубы, прессованные детали сложной конфигурации и прочие детали, получаемые литьем, прокатом, ковкой, штамповкой и прессованием и предназначенные для работы в воде, влажном воздухе и других агрессивных средах.
Антифрикционные сплавы изготовляют на основе олова, свинца и алюминия. Эти сплавы применяют в судостроении для заливки подшипников скольжения, которые характеризуются малым коэффициентом трения, высокой пластичностью, минимальным износом и нагревом.
Титан и его сплавы являются новейшими прогрессивными конструкционными материалами. Они характеризуются высокой прочностью, пластичностью, малым удельным весом (45 г/см³), высокой температурой плавления и большой антикоррозионной стойкостью.
Легирующие добавки к титану — алюминий, хром, марганец, ванадий, железо, молибден и олово — значительно повышают прочность сплава.
Титановые сплавы хорошо свариваются электросваркой в атмосфере аргона или гелия. Титановые сплавы куются, штампуются и прокатываются, что позволяет изготовлять из них и профильные материалы.
Титан и его сплавы пока относительно дорогие материалы, но по мере совершенствования технологии их производства стоимость их быстро снижается, и эти материалы все шире применяют в судостроении для изготовления особенно ответственных деталей корпуса и его элементов.
Неметаллические материалы
Лесоматериалы находят широкое применение в судостроении из-за небольшого объемного веса, достаточной прочности, легкости обработки и невысокой стоимости. Из дерева изготовляют корпуса некоторых судов, настилы палуб, детали обрешетника под изоляцию другими материалами, обшивку переборок и выгородок, подушки под механизмы, детали оборудования и многое другое. Древесиной дорогих пород, имеющей красивое строение, отделывают парадные помещения. Вес применяемой древесины достигает 15% от веса корпуса.
Все древесные породы делятся на хвойные и лиственные. Из хвойных пород в судостроении применяются сосна, лиственница, кедр, пихта, ель, из лиственных — красное дерево, тик, ясень, береза, дуб и др. Наилучшими породами древесины являются красное дерево, тик, сосна, кедр, лиственница, ясень.
Особый интерес представляет бакаут — твердая тяжелая древесина, которая особенно ценится как материал для изготовления вкладышей дейдвудных подшипников, работающих в воде без смазки.
Красное дерево, тик и бакаут, хорошо зарекомендовавшие себя в судостроении, поступают для отечественного судостроения как импортные товары, поэтому требуют особенно бережного использования.
Для защиты древесины от гниения ее пропитывают специальными растворами, называемыми антисептиками, а для увеличения ее огнестойкости — антипиренами.
Пластические массы, или пластики, изготовляют на основе высокомолекулярных органических веществ, называемых смолами. Смолы являются главными связующими веществами и могут иметь вид жидкости, густой пластической массы и твердого вещества. По происхождению они могут быть естественными (например копалы, шеллак, сандарак, канифоль, природный асфальт и др.) и синтетическими, полученными в результате химических реакций из каменноугольного дегтя или из бензола и метилового спирта, органических кислот, аммиака и пр.
Применяемые в промышленности пластмассы представляют собой сложную механическую смесь, состоящую из многих компонентов, а также различных наполнителей, повышающих прочность пластмасс, ее термостойкость и прочие качества.
Добавление в некоторые смолы вспенивающих веществ делает пластмассы газонаполненными (пено- и поропласты). Такие материалы с очень малым удельным весом находят широкое применение в качестве тепло- и звукоизоляции судовых помещений. К недостаткам пластмасс относят невысокую теплостойкость, низкую теплопроводность и низкий модуль упругости. При температуре около 300° С они начинают разлагаться и обугливаться.
Изоляционные материалы применяют в судостроении для тепловой, противопожарной и противошумной изоляции. К этим материалам относятся: экспанзит (в виде плит, спрессованных из размельченной коры пробкового дуба или бархатного дерева); пробковая крупа (крошка), древесно-волокнистые и торфоизоляционные плиты, вермикулитовая противопожарная изоляция, пеностекло, стекловойлок, фольга алюминиевая, плиты из гофрированного винипласта и многие другие материалы. К ним предъявляются, кроме основных требований теплоизоляции, также требования не поддерживать горение, быть стойкими к воздействию влаги, для чего изоляция покрывается шпаклевкой и окрашивается. Чтобы защитить изоляцию от механических повреждений и придать судовым жилым и служебным помещениям вид, отвечающий требованиям современной эстетики, места изоляции закрывают зашивкой, которая крепится на обрешетнике (деревянных брусках или металлических планках).
Покрасочные материалы применяют для покрытий судовых поверхностей. Покрытия принято разделять на антикоррозионные, декоративные и противообрастающие; для покрытий используют масляные, смоляные и силикатные краски, лаки, синтетические краски. Для покрытия подводной поверхности корпуса применяют специальные химические краски.
Бетоны применяются для постройки корпуса судна, в судоремонте и при борьбе за живучесть судна во время аварийного повреждения корпуса. Для этих целей используют различные цементы (марок не ниже 500).
Бетон приготовляют из цемента, пресной воды и заполнителей (песок, щебень и гравий) с введением различных добавок. Железобетон представляет собой монолит, изготовленный из бетона с арматурой из горячекатаных стальных прутков диаметром 3— 28 мм.
Для покрытия палуб применяются материалы, предохраняющие их от износа и коррозии, увеличивающие стойкость при ударах, создающие нескользящую поверхность и т. п. Для этого применяют: дерево, цемент и бетон, ксилолит, магнезиальную мастику, керамические плитки, разные мастики, асфальт, мрамор, пластмассы, резину, парусину, краски, металлические листы, асбошифер, асбоэбонит, стекло и прочие материалы.