21. Zasady doboru stali na kadłuby jednostek pływających

Dobór stali ze względu na kruche pękanie polega głównie na określeniu i zagwarantowaniu wymaganego minimum odporności na pękanie dla materiału w gotowej konstrukcji przy założonym poziomie obciążeń i temperaturze pracy tej konstrukcji (normalnej lub obniżonej). Odporność stali kadłubowych na pękanie opiera się na gwarantowanym poziomie ciągliwości, określonym za pomocą próby udarności Charpy V. Przepisy towarzystw klasyfikacyjnych jednoznacznie określają ciągliwość dla poszczególnych kategorii stali o zwykłej i podwyższonej wytrzymałości. Przy doborze stali do pracy w konstrukcji kadłuba należy uwzględnić szereg czynników mających wpływ na kruchość stali zwłaszcza temperaturę pracy konstrukcji, grubość materiału oraz stan i poziom naprężeń przewidywanych w tej konstrukcji.

Należy także uwzględnić ważność danego elementu ze względu na bezpieczeństwo całej konstrukcji, przewidywaną jakość wykonawstwa w stoczni produkującej kadłub. Przewiduje się też często, ze względu na bezpieczeństwo pracy całej konstrukcji, tzw. pasy bezpieczeństwa. Są to pasy poszycia wykonane z blachy o najwyższym stopniu odporności na kruche pękanie, których celem jest zatrzymanie ewentualnych pęknięć powstałych w sąsiednich pasach poszycia. Materiałem stosowanym w tych pasach jest zwykle stal kategorii E, a przy małych grubościach nawet stal kategorii D.

22. Stale odporne na korozję

Stale austenityczne odporne na korozję są w zasadzie stalami chromowo−niklowymi o niskiej zawartości węgla (< 0,1%). Stale zawierające 18% Cr i 8% Ni, oznaczane popularnie znakiem 18−8, zyskały ogromne znaczenie we wszystkich krajach. Przykładem jest stal 01H18N9T. Ze względu na to, że rozpuszczalność węgla w austenicie w temperaturze otoczenia nie przekracza 0,04% C, jego nadmiar znajduje się w węgliku Cr₂₃C₆. Dla polepszenia odporności korozyjnej węgliki rozpuszcza się w austenicie, przesycając stal z temperatury ok. 1100°C w wodzie. Po tym zabiegu stal ma korzystne własności mechaniczne (R_m ≈ 590 MPa, R_e ≈ 235 MPa, A₅ ≈ 40%, Z ≈ 55%, HB ≈ 150) oraz dobrą podatność do przeróbki plastycznej na zimno. Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje znaczne umocnienie stali 18.8. Wadą tych stali jest ich skłonność do korozji międzykrystalicznej, występującej po nagrzaniu do temperatury 500700C. Jest ona wywołana powstawaniem na granicach ziarn węglików chromu (Cr₂₃C₆), które zmniejszają zawartość chromu w strefach przygranicznych (do Cr < 13%). Powoduje to mniejszą odporność na korozję tych obszarów. Korozji międzykrystalicznej zapobiega ograniczenie zawartości węgla (C = 0,020,03%) lub wprowadzenie do stali pierwiastków silniej węglikotwórczych niż chrom, np. Nb, Ti.

Tytan i niob tworząc stabilne węgliki (TiC, NbC), przy odpowiedniej proporcji z zawartością węgla (Ti ≤ 45,5C; Nb ≤ 810C) podwyższają odporność na korozję międzykrystaliczną. Wiążą one węgiel i sprzyjają zachowaniu niezbędnego dla podwyższenia odporności korozyjnej chromu w roztworze stałym.

23. Odkuwki stalowe

Odkuwka jest produktem końcowym uzyskanym w procesie plastycznego kształtowania metali. W zależności od rodzaju technologii obróbki plastycznej, odkuwka może być: matrycowa (uzyskana w procesie kucia matrycowego) lub swobodna (uzyskana w procesie kucia swobodnego). Produkt końcowy procesu walcowania również może być nazwany odkuwką. Materiał wsadowy, którego powstaje odkuwka, nazywany jest przedkuwką.

24. Staliwa dla techniki morskiej

Staliwa niestopowe

Staliwo jest to cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami pochodzącymi z przerobu hutniczego, przeznaczony do wykonywania elementów konstrukcji, części maszyn i urządzeń na drodze odlewania do form, gdzie krzepnąc uzyskuje właściwy kształt użytkowy. Teoretycznie zawartość węgla w staliwie może wynosić do 2,1%, praktycznie w staliwach węglowych konstrukcyjnych, zwłaszcza gdy odlew jest przeznaczony do spawania, C<0,25%, zaś w staliwach niestopowych węglowych i węglowo−manganowych dla konstrukcji okrętowych C<0,40% [1, 2].

Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiednio odbiorowi:

• na podstawie własności mechanicznych,

• na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego.

W okrętownictwie staliwa węglowe konstrukcyjne mogą być stosowane na części maszyn i mechanizmów okrętowych oraz na niektóre części kadłuba, na przykład tylnice, kotwice, śruby napędowe, trzony sterowe, łańcuchy, krążki do lin, elementy armatury, korpusy maszyn i urządzeń, wsporniki linii wałów itp.

Staliwa, szczególnie nisko- i średniowęglowe, cechują się dobrą spawalnością. Korzystny zespół własności mechanicznych i technologicznych decyduje o stale rosnącym udziale produkcji staliwa w ogólnej produkcji stopów żelaza z węglem.

Staliwa stopowe

Staliwa stopowe są stosowane w przypadkach, gdy od odlewu wymagane są specjalne własności. Staliwa stopowe mogą być wykonywane w stanie normalizowanym, normalizowanym i odpuszczonym lub ulepszonym cieplnie. Konstrukcja odlewu powinna zapewnić małe gradienty naprężeń cieplnych przy hartowaniu.

25. Żeliwa dla techniki morskiej

Żeliwa niestopowe

Żeliwa to odlewnicze stopy żelaza zawierające od 2,2 do 4,5% węgla. W procesie kształtowania części maszyn (krzepnięcia) mogą zaistnieć warunki do wydzielenia się węgla w formie fazy międzymetalicznej − Fe₃C − żeliwa białe, lub w postaci wolnego węgla − grafitu − żeliwa szare (kolor przełomu).

Właściwości mechaniczne żeliwa zależą od składu chemicznego stopu, warunków procesu metalurgicznego i przebiegu krystalizacji.

Żeliwo należy do najpowszechniej stosowanego materiału na odlewy do budowy maszyn (w tym okrętowych) i na wyroby powszechnego użytku. Tak szerokie zastosowanie żeliwa wynika z jego zalet, tj. niskich kosztów wyrobów, łatwości kształtowania przez odlewanie (mały skurcz), względnie niskiej temperatury topnienia (w stosunku do staliw), dobrych własności mechanicznych i możliwości obróbki skrawaniem. Znane są odlewy z żeliwa od bardzo małych do wielkich (rzędu kilkuset ton). Żeliwa dla przemysłu okrętowego muszą spełniać wymagania PRS lub innych towarzystw klasyfikacyjnych.

Wyroby z żeliwa najlepiej pracują przy obciążeniach ściskających, podczas gdy przy zginających i rozciągających − znacznie gorzej.

Żeliwa szare zwykłe, z uwagi na niskie własności mechaniczne i dużą kruchość (brak wydłużenia), mają ograniczone zastosowanie. Mogą być użyte na części, od których wymagana jest duża zdolność tłumienia drgań mechanicznych, a narażone są na małe obciążenia. Wymagania stawiane żeliwom szarym dla konstrukcji okrętowych podają przepisy tow. klasyfikacyjnych np. Polskiego Rejestru Statków.

Żeliwa modyfikowane, dzięki rozdrobnionym wydzieleniom grafitu, wykazują lepsze własności mechaniczne i większe wydłużenie wobec czego mogą być użyte na średnio obciążone części maszyn i urządzeń. Żeliwa takie znajdują zastosowanie do wykonywania odlewów korpusów silników, skrzynek przekładniowych, tulei silników spalinowych, korpusów łożysk linii wałów, wirników pomp, aparatury sanitarnej.

Żeliwa sferoidalne, dzięki grafitowi w formie kulkowej, wykazują znacznie lepsze własności mechaniczne oraz większe wydłużenie, a ponadto mogą podlegać obróbce cieplnej, która znacznie zwiększa własności mechaniczne. Takie żeliwa znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle maszynowym, transporcie i budownictwie. Dynamiczny rozwój produkcji żeliw sferoidalnych spowodował, iż jego zastosowanie w ostatnich latach przewyższa wszystkie inne stopy odlewnicze.

Żeliwo sferoidalne jest stosowane do wykonywania zaworów i łączników rurociągów do paliw i gazów płynnych, na części pomp i sprężarek, na tłoki silników spalinowych, wały wykorbione silników wysokoprężnych i benzynowych, korpusy łożysk linii wałów na okrętach [4].

Znaczne zastosowanie znajdują też żeliwa sferoidalne stopowe, których można użyć do produkcji części maszyn pracujących w podwyższonych temperaturach (rozrząd silników odrzutowych) i obniżonych (pompy do ciekłych gazów).

26. Mosiądze

Własności mechaniczne mosiądzów zależą od zawartości cynku.

Największą plastyczność ma stop jednofazowy α o zawartości 30÷32% Zn. Po przekroczeniu granicy obszaru jednofazowego (~38% Zn) wydłużenie gwałtownie się zmniejsza. Wytrzymałość natomiast osiąga maksimum przy zawartości około 45% Zn, a więc w stopach o strukturze β′. Mosiądze o strukturze α nadają się do przeróbki plastycznej na zimno i gorąco. Przy obecności w strukturze fazy β′ obniża się znacznie podatność na przeróbkę plastyczną na zimno. Mosiądze takie przerabia się na gorąco po uzyskaniu jednolitej fazy β, tj. powyżej temperatury przemiany α − β. Faza β uzyskuje wtedy dużą plastyczność przy znacznym zmniejszeniu własności wytrzymałościowych.

Mosiądze jednofazowe α podlegają znacznemu umocnieniu przez zgniot. Przy większych odkształceniach, gdy wobec zmian własności mechanicznych zdolność materiału do dalszej obróbki zostaje zahamowana, a warunki technologiczne wymagają dalszego prowadzenia procesu, należy stosować międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące.

Zastosowanie wyżarzania rekrystalizującego po przeróbce plastycznej na zimno zapewnia stan miękki; natomiast bez tego zabiegu − jest stan umocniony o powiększonych własnościach wytrzymałościowych. Zależnie od wartości umocnienia (zgniotu) wyróżnia się stany: wyżarzony, półtwardy, twardy i sprężysty. Ze wzrostem zgniotu zwiększają się własności wytrzymałościowe, lecz maleją własności plastyczne.

Mosiądze o większej zawartości cynku (ok. 36%) są przerabiane plastycznie na zimno i gorąco; jeśli jednak mosiądz jest dwufazowy α + β', stosuje się zwykle przeróbkę na gorąco.

Mosiądze odlewnicze mają przeważnie strukturę α + β', często z wydzieleniami faz zawierających dodatki stopowe. W tym zakresie składów linie likwidusu i solidusu leżą blisko siebie, co powoduje małą skłonność do segregacji i zapewnia dobre własności odlewom. Mosiądze odlewnicze stosowane w Polsce są stopami wieloskładnikowymi.

Wszystkie mosiądze odznaczają się dobrą odpornością na korozję atmosferyczną. Mosiądze dwufazowe są jednak mniej odporne.

Mosiądze są wrażliwe na korozję naprężeniową, objawiającą się tak zwanym pękaniem sezonowym.

Mosiądze jednofazowe , jako przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno, mogą wykazywać duże zróżnicowanie właściwości mechanicznych, spowodowane przez różny stopień umocnienia (zgniotu).

Zgniot powoduje określony stan naprężeń w materiale, co nie pozostaje bez wpływu na zachowanie się mosiądzu podczas eksploatacji.

Mosiądze jedno- i dwufazowe odznaczają się dobrą odpornością na korozję w różnych środowiskach eksploatacji (znacznie lepszą niż stopy żelaza).

Najczęściej wspomina się o korozji mosiądzów określanej jako:

• odcynkowanie,

• korozja naprężeniowa − sezonowe pękanie.

Niektóre dodatki stopowe do mosiądzu powodują wzrost odporności ma korozję: Al, As, Mn, Sn, Ni.

27. Brązy cynowe

Miedź tworzy z cyną złożony układ równowagi. Praktyczne zastosowanie mają stopy o zawartości ok. 20% Sn.

W tym zakresie zawartości cyny występują:

• roztwór stały α o strukturze krystalicznej miedzi (A1), rozpuszczający max. 15,8% Sn w temperaturze eutektoidalnej 520°C. roztwór stały β na bazie fazy elektronowej, ulegający rozpadowi eutektoidalnemu w 586°C na mieszaninę α + γ;

• faza γ, różniąca się od fazy β sposobem rozmieszczenia atomów przy zachowaniu tej samej sieci, ulegająca przemianie w 520°C na eutektoid α + δ;

• roztwór stały δ, na bazie fazy elektronowej, ulegający w 350°C przemianie eutektoidalnej na mieszaninę α+ε.

Struktura cynowych brązów technicznych w temperaturze otoczenia jest więc nierównowagowa: do ok. 8% Sn stopy są jednofazowe α [6, 10], a powyżej 8% Sn zawierają ziarna fazy α i eutektoidu α + δ.

Cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności mechaniczne brązów. Maksymalne wydłużenie mają stopy o zawartości Sn odpowiadającej w przybliżeniu granicznej rozpuszczalności. Wytrzymałość brązów rośnie do zawartości o ok. 25% Sn, a następnie gwałtownie maleje, gdy w brązach przeważy eutektoid α + δ. Brązy cynowe dzieli się w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze (PN−91/H−87026) i do przeróbki plastycznej (PN−92/H−87050).

Na odlewy stosowane są najczęściej stopy o zawartości około 10% Sn, mające strukturę roztworu α z eutektoidem α + δ. Cechują się one wyjątkowo małym skurczem odlewniczym − poniżej 1% (skurcz brązów wynosi ok.1,5%, staliw > 2%). Dlatego też z brązów wykonuje się odlewy o bardzo złożonych kształtach, w tym artystyczne. Stopy te są jednak gęsto−płynne, skłonne do porowatości i segregacji odwrotnej.

Brązy cynowe mają dobrą odporność na korozję atmosferyczną, na działanie atmosfer przemysłowych i wody morskiej. Odporność rośnie wraz ze wzrostem zawartości cyny, z tym jednak, że stopy jednofazowe mają lepszą odporność korozyjną niż dwufazowe.

28. Brązy aluminiowe

Brązami aluminiowymi nazywamy stopy miedzi z aluminium. Zastosowanie techniczne znajdują stopy układu Cu−Al do zawartości 11% Al. W układzie równowagi Cu−Al, do około 9,4% Al występuje roztwór stały α, o strukturze miedzi A1(RSC). Przy większej zawartości aluminium pojawia się faza β − roztwór na osnowie fazy elektronowej Cu₃Al.

Brązy aluminiowe odznaczają się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi. Dodatek aluminium podwyższa twardość i wytrzymałość miedzi; ponad 2-krotnie przy zawartości 10% Al. Jednofazowe brązy zawierające do 8% Al mają dobre własności plastyczne i można je przerabiać plastycznie na zimno i gorąco.

Własności mechaniczne brązy aluminiowe utrzymują do ok. 300°C. Ponadto mają dobre właściwości ślizgowe. Są odporne na korozję atmosferyczną i korozję w wodzie morskiej.

Jako dodatki stopowe stosuje się najczęściej Fe, Ni i Mn. Żelazo działa modyfikująco i zapewnia drobnoziarnistość, co daje wzrost wytrzymałości, twardości i odporności na ścieranie. Zmniejsza jednak odporność na działanie korozji, wydzielając się w postaci odrębnej fazy. Nikiel i mangan poprawiają własności mechaniczne, ponadto Mn powiększa odporność na korozję.

Brązy aluminiowe stosowane są w stanie przerobionym plastycznie i jako odlewy.

Do przeróbki plastycznej stosuje się stopy dwuskładnikowe jednofazowe, przerabiane na zimno i gorąco oraz wieloskładnikowe o zawartości ok. 10% Al, przerabiane na gorąco. Podczas topnienia i odlewania wymagają zabezpieczenia przed utlenianiem, gdyż łatwo powstające tlenki Al₂O₃ obniżają wytrzymałość stopu. Wobec dużej odporności na ścieranie, erozję kawitacyjną (wielokrotnie większą od mosiądzu MM55) i korozję, brązy wieloskładnikowe są z powodzeniem stosowane na śruby napędowe. Jednym z najbardziej odpowiednich do tego celu jest stop francuski Cunial o składzie 9,5% Al, 4% Fe, 4% Ni, 1,5% Mn.

Bardzo dobrymi własnościami charakteryzują się brązy manganowo−aluminiowe zwane powszechnie nowostonami, stosowanymi na silnie obciążone śruby napędowe.

29. Brązy krzemowe

Stopy układu Cu−Si nazywane są brązami krzemowymi. Maksymalna rozpuszczalność Si w Cu (roztwór ) zmniejsza się od 5,3% w temperaturze perytektycznej do ok. 3% w temperaturze otoczenia. Wtórny roztwór χ ulega przemianie eutektoidalnej w 555°C przy 5,2% Si na mieszaninę + . Faza  − wtórny roztwór na bazie Cu₅Si − jest twarda i krucha. Struktura stopów układu Cu−Si jest analogiczna jak stopów Cu−Sn [10].

Zastosowanie praktyczne znalazły brązy krzemowe o zawartości 3,4% Si z dodatkami Mn, Fe, Zn. Dodatek krzemu do miedzi działa jako silny odtleniacz, dzięki czemu polepsza własności odlewnicze uzyskanego stopu, który staje się przez to bardziej rzadkopłynny i lepiej wypełnia formę. Pod tym względem brązy te ustępują tylko brązom fosforowym. Brąz krzemowo−cynkowo−manganowy CuSi3Zn3Mn1 stosowany jest na łożyska pracujące w ośrodkach korozyjnych.

30. Miedzionikle

Miedzioniklami nazywane są stopy miedzi, w których głównym dodatkiem jest nikiel w ilościach 245%. Mają strukturę roztworu , który w układzie Cu−Ni jest roztworem ciągłym. Miedzionikle ujęte są w normie PN−92/H−87052. Występują tylko w stanie przerobionym plastycznie. Mają dobre własności wytrzymałościowe, plastyczne i są odporne na korozję.

Miedzionikle o zawartości 510% Ni oraz 1% Fe i 0,5% Mn (dla wzrostu wytrzymałości) są stosowane na rury skraplaczy w przemyśle okrętowym.