Номенклатура конструкційних матеріалів. Рекомендації щодо їх використання

Для виготовлення деталей та вузлів машин і обладнання використовуються в залежності від призначення і умов роботи різноманітні конструкційні матеріали: чавуни, сталі, кольорові метали та їх сплави, гумові, пластмасові та інші матеріали.

Чавуни. В конструкціях використовують такі види чавунів: сірий, ковкий, високоміцний, легований, анти-фрикційний. Чавуни, як конструкційні матеріали, харак-теризуються як позитивними так і негативними сторонами своїх властивостей. До перших слід віднести відносно невисоку вартість, високі ливарні властивості, добру оброблюваність різанням. Недоліки чавунів – невисока в порівнянні з сталями міцність, крихкість, чутливість до ударних навантажень, низька зварюваність.

Вказані вище недоліки чавунів є причиною їх обмеженого використання в конструкціях бурового і нафто-газопромислового обладнання. Чавуни можуть використо-вуватися для виготовлення станин бурових насосів, корпусів запірних пристроїв на невисокий тиск, клинопасових шківів, корпусів насосів невисокого тиску, опорних вузлів, тощо. Широкого використання в нафтогазовому машинобудуванні набули сірі чавуни. Наприклад, шківи клинопасових передач бурових установок виготовляють з чавунів СЧ–12–28, СЧ–15–36, вхідну кришку насоса ЦНС 180–1900 виготовляють з чавуна СЧ–21–40. Механічні характеристики сірих чавунів показані в табл. 3.3.

Таблиця 3.3 – Механічні властивості відливок з сірого чавуна

Марка чавуна	Границя міцності на розтяг, МПа, не менше	Границя міцності на згин, МПа, не менше	Твердість НВ, МПа
СЧ 10			1400-2250
СЧ 12			1430-2290
СЧ 15			1600-2250
СЧ 18			1670-2250
СЧ 20			1670-2360
СЧ 24			1670-2360
СЧ 25			1770-2450
СЧ 30			1780-2500
СЧ 35			1930-2640
СЧ 40			2030-2800
СЧ 45			2250-2840

СЧ 25 - сірий чавун з границею міцності на розтяг 250 МПа;

КЧ 30–6 - ковкий чавун з границею міцності на розтяг 300кМПа і відносним видовженням 6 %;

ВЧ 50–7 - високоміцний чавун з границею міцності на розтяг 500 МПа і відносним видовженням 7 %.

Приклади використання чавунів в машинобудуванні показано в табл. 3.4.

Таблиця 3.4 – Приклади використання чавунів в машинобудуванні

Тип і марка чавуна	Умови використання	Приклади використання
Сірий чавун
СЧ 12-28	Малонавантажені де-талі, невідповідальне литво	Кожухи, кришки, опор-ні плити, зрівноважу-вальні вантажі, махо-вики, втулки
СЧ 15-32	Малонавантажені деталі, тонкостінне лит-во (d=8-15 мм) з вели-кими габаритами, не-високі вимоги до зно-состійкості	Деталі складної кон-фігурації, корпуси, крон-штейни, шківи, махо-вики, поршневі кільця, корпуси запірної арма-тури
СЧ 18-36	Відповідальне литво з товщиною стінки d=10-25 мм, помірно навантажені деталі	Корпуси редукторів, станини верстатів, де-талі корпусів, зірочки, зубчасті колеса, блоки циліндрів, поршні, пор-шневі кільця
СЧ 24-40	Високонавантажені де-талі; відповідальне литво з товщиною стінки d=20 – 40 мм; деталі, що працюють при температурі до 300 ^оС	Зубчасті колеса, махо-вики, гальмівні бара-бани, гідроциліндри, корпуси гідронасосів і гідромоторів середньо-го тиску (до 8іМПа), блоки двигунів, поршні
СЧ 35-54	Відповідальні, висо-конавантажені деталі з товщиною стінки d=20-100 мм; деталі, що працюють при температурі до 300 ^оС; висока зносостійкість	Зубчасті та ланцюгові колеса, станини, блоки і плити верстатів і пресів, муфти зчеп-лення; кулачки, колін-часті вали, гальмівні барабани
Ковкий чавун
КЧ 30-6	Негабаритні деталі, низькі статичні та ди-намічні навантаження	Муфти, важелі, клапа-ни, пальці
КЧ 45-6	Деталі, що працюють при високих статич-них і динамічних на-вантаженнях, а також в умовах інтенсивного спрацювання	Колінчасті вали, муф-ти, вилки, зірочки, храповики
Високоміцний чавун
ВЧ 50-2, ВЧ 70-2	Відповідальні, висо-конавантажені дета-лі, використання вза-мін сталі	Колінчасті вали, корпу-си, шатуни, зубчасті ко-леса, корпуси підшип-ників
Антифрикційний чавун
АЧС–1 АЧС–2	Високі антифрикційні властивості, робота в парі з термооброб-леними сталевими де-талями	Вкладиші підшипників, накладки повзунів крейц-копфних машин
АЧС–6	Робота у вузлах тертя з температурою до 300^оС з термічно не-зміцненими сталеви-ми деталями	Вкладиші підшипників, накладки повзунів крейц-копфних машин

Вуглецеві сталі звичайної якості. В машинобудуванні використовують, як правило, сталі звичайної якості групи А, які постачаються з гарантованими механічними властивостями. Випускаються таких марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Зазначені сталі використовують, в основному, для виготовлення деталей з невисокими вимогами до міцності і які не потрібно зміцнювати термічними методами. Вони характеризуються високими пластичними властивостями (відносне видовження 20 – 30 %), добре обробляються різан-ням, зварюються. Це найдешевші сталі.

Властивості та приклади використання вуглецевих сталей звичайної якості наведено в табл. 3.5 і 3.6.

Таблиця 3.5 – Механічні і зварювальні властивості вуглецевих сталей звичайної якості

Марка сталі	Границя міцності, МПа	Границя текучості, МПа	Відносне видовження, %	Зварюваність
Ст0	Не менше 310	200-205	20-23	ДВ
Ст1	300 – 410	205-210	31-35	ДВ
Ст2	320 – 430	215 – 225	29-33	ДВ
Ст3	360 – 480	235 – 245	23-27	ДВ
Ст4	400 – 530	255 – 265	21-25	В
Ст5	490 – 630		17-20	З
Ст6	Не менше 590		12-15	З

Таблиця 3.6 – Приклади використання вуглецевих сталей звичайної якості

Марка сталі	Умови використання	Приклади використання
Ст0	Ненавантажені дета-лі, невідповідальні конструкції	Деталі металоконструкцій, прокладки, шайби, арма-тура, огорожа, кожухи, стопорні кільця
Ст1 ССт2	Малонавантажені де-талі, ковані та зварні конструкції	Корпуси підшипників і редукторів, рами, болти, осі, кожухи, деталі мета-локонструкцій
Ст3 ССт4	Маловідповідальні, малонавантажені де-талі; деталі, що по-требують зміцнення цементацією	Кожухи, кришки, вали, осі, тяги, пальці, гаки, шатуни, металоконструк-ції, кріпильні деталі
Ст5 ССт6	Деталі з підвище-ними вимогами до міцності без вико-ристання зварюван-ня; деталі, зміцнені термообробкою	Кріпильні деталі, шпонки, вали, осі, зубчасті колеса, шатуни, шпинделі, кулач-кові муфти, гальмівні стрічки, пальці, черв’яки, будівельні конструкції

Сталі вуглецеві якісні конструкційні. Вуглецеві якісні конструкційні сталі використовують, як правило, для виготовлення середньонавантажених деталей, які зміцнюють термічними або хіміко-термічними методами. Сталі випускають таких марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Вартість зазначених сталей вища вартості вуглецевих сталей звичайної якості на 20-25 %.

В машинобудуванні знаходять використання низько- і середньовуглецеві якісні конструкційні сталі. Перші (сталі 08, 10, 15, 20) використовують для виготовлення зносостійких деталей з невисокими вимогами до міцності серцевини. Для підвищення поверхневої міцності таких деталей їх зміцнюють шляхом цементації. Крім того, ці сталі характеризуються високою пластичністю, тому з них виготовляють деталі і вузли посудин, що працюють під тиском.

Середньовуглецеві якісні конструкційні сталі викорис-товують для виготовлення деталей порівняно невеликих перерізів, середньої міцності і нескладної конфігурації. Деталі зміцнюють шляхом термічної обробки. Деталі великих перерізів об’ємним гартуванням не зміцнюють.

Властивості та приклади використання вуглецевих якісних конструкційних сталей наведено в табл. 3.7, 3.8.

Таблиця 3.7 – Механічні і технологічні властивості якісних вуглецевих конструкційних сталей

Марка сталі	Границя міцності s _в, МПа	Границя текучості s _т, МПа	Відносне видовження d, %	Твердість НВ, МПа	Оброблюваність різанням	Зварюваність	Пластичність при холодній обробці	Ударна в’язкість, кДж/м²
					В	ДВ	ДВ	–
					В	ДВ	ДВ	–
					В	ДВ	ДВ	–
					В	ДВ	В	–
					В	ДВ	В
					В	В	В
					В	В	В
					В	З	З
					В	З	З
					З	З	З
					З	Н	Н	–
					З	Н	Н	–

Примітка: Значення показників s _в, s _т, d, НВ наведені для нормалізованих заготовок.

Таблиця 3.8 – Приклади використання вуглецевих якісних конструкційних сталей

Марка сталі	Умови використання	Приклади використання
	Штамповані деталі; помірно статично навантажені деталі, що не вимагають термообробки; деталі, які зміцнюються цементацією	Прокладки; шайби; кріпильні деталі; посудини, що працюють під тиском; змійовики; тяги; вилки; трубки; втулки, фрикційні диски, зубчасті колеса
	Малонавантажені ковані, штамповані та зварні деталі; зносостійкі деталі, зміцнені хіміко–термічною обробкою; ковані термічно зміцнені деталі	Деталі посудин, що працюють під тиском; болти; шпильки; пальці; вилки; втулки; зубчасті колеса; осі; вали; з’єднувальні муфти
	Помірно навантажені деталі, зміцнені хіміко-термічною і термічною обробкою	Шпинделі, осі, серги, траверси, ланцюгові зірочки, тяги, циліндри, маховики, втулки, балансири
	Деталі високої міцності і твердості; деталі, що потребують підвищеної зносостійкості	Штоки, вали, осі, ланцюгові зірочки, зубчасті колеса, муфти, шпильки, болти, гайки, шпонки, шатуни, плунжери, валики
	Деталі високої міцності. Використовують після гартування з високим відпуском і в нормалізованому стані	Вали, зубчасті колеса, осі, ексцентрики, мало-навантажені пружини, плунжери, шпонки, ходові гвинти, муфти
	Деталі високої міцності, пружності, зносостійкості. Використовують після гартування або нормалізації	Ексцентрики, пружинні кільця, регулювальні прокладки, пружини, шпинделі, осі, бандажі

Леговані конструкційні сталі. Як відмічалося раніше бурове та нафтогазопромислове обладнання працює у важких експлуатаційних, а деколи екстремальних умовах. Крім того, слід відмітити велику групу деталей та вузлів обладнання, які є надзвичайно важливими і відповідальними в конструкції і відмова яких може привести до непередбачуваних негативних наслідків: важкого травматизму, економічних втрат, екологічного забруднення, втрати свердловини, відкритого фонтанування та ін.

Для прикладу у 80-х роках минулого століття при освоєнні Астраханського газоконденсатного родовища виникла проблема корозійної стійкості свердловинного і устьового обладнання. Газ даного родовища, що містив 18–25 % сірководню (H₂S), безпосередньо контактував з устьовим обладнання і приводив його до корозійного руйнування (сульфід-ного розтріскування або загальної корозії в залежності від характеру напруженого стану деталей обладнання).

Для даних умов експлуатації були розроблені і рекомендовані спеціальні марки конструкційних легованих сталей.

Леговані конструкційні сталі використовуються для виготовлення деталей, до яких пред’являють вимоги високої міцності, а також спеціальні вимоги: зносостійкості, термо-стійкості, корозійної стійкості, в’язкості та інші. Деталі, виготовлені з легованих сталей, як правило, зміцнюють термообробкою або хіміко-термічною обробкою.

Як легуючі елементи в сталях використовують: хром – Х, нікель – Н, вольфрам – В, кремній – С, марганець – Г, молібден – М, ванадій – Ф, азот – А, титан – Т, бор – Р, алюміній – Ю. Легуючі елементи можуть бути присутні в сталях як поодинці, так і в комбінації з іншими.

В табл. 3.9 і 3.10 показано вплив основних легуючих елементів на механічні і технологічні властивості сталей.

Практикою нафтогазового машинобудування набутий великий досвід використання легованих сталей. В табл. 3.11 наведена номенклатура найбільш використовуваних легова-них сталей, їх механічні характеристики та основні техноло-гічні властивості. Детальніша інформація про номенклатуру легованих сталей, їх використання в залежності від умов експлуатації викладена в спеціальній літературі.

Таблиця 3.9 – Вплив деяких легуючих елементів на властивості сталі

Легуючий елемент	Властивості сталі	Приклади марок сталі	Приклади деталей
Хром (Х)	В малих дозах (до 1%) підвищує міцність та зносостійкість деталей, покращує загарто-вуваність, погіршує зварюва-ність сталі	20Х, 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х	Вали, осі, шестірні, зубчасті колеса, шпинделі запірних та регулювальних прис-троїв, клапани і сідла насосів (40Х), стволи верт-люгів (40Х), шпильки
При значному вмісті (більше 12%) підвищує корозійну стійкість сталі	1Х13, 3Х13, 30Х13, 95Х18, 20Х13Л	Робоче колесо насоса типу ЦНС (20Х13Л), сідла кла-панів штангового насоса (30Х13, 95Х18)
Нікель (Н)	Підвищує ударну в’язкість; під-вищує опір конструкції крихко-му руйнуванню, особливо при низьких температурах; підви-щує міцність та загартовуваність	20Н2М, 40ХНЛ, 40ХН, 38ХГН, 15ХН3Л, 20ХН, 45ХН, 12ХН2	Штропи вертлюгів (40ХН, 38ХГН), корпуси трубних елеваторів (40ХНЛ, 15ХН3Л, 40ХН), вали бурових лебідок (40ХН, 30ХМА)

Закінчення табл. 3.9
Легуючий елемент	Властивості сталі	Приклади марок сталі	Приклади деталей
Марганець (Г)	Підвищує зносостійкість, міц-ність та загартовуваність сталі	30Г, 40Г, 45Г, 30Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г, 50Г2, 18ХГ, 18ХГТ, 38ХГН	Шківи талевих систем (40Г2Л, 40ГЛ, 50ГЛ), пальці ланок гусениць до трактора (50Г, 50Г2)
Молібден (М)	Підвищує хімічну стійкість сталі в хлорному середовищі; підвищує міцність, в тому числі і при високих температурах (до 500 ^ОС); підвищує ударну в’яз-кість сталі при низьких температурах	15ХМ, 20ХМ, 30ХМ, 38ХМ, 20Н2М, 38Х2МЮА, 40ХН2МА	Деталі, що працюють при високих температурах (вали та ротори турбін); затвори засувок фонтанних арматур (40ХН2МА, 38Х2МЮА); пла-шки клинових підвісок ко-лонних головок (38Х2МЮА)
Алюміній (Ю)	Підвищує в’язкість (в тому числі і при низьких темпе-ратурах) та міцність сталі; зменшує чутливість до крих-кого руйнування; понижує чут-ливість до утворення тріщин в зварних конструкціях; покра-щує якість азотування поверхні.	38Х2МЮА, 38Х2Ю	Високоміцні деталі, що працюють в агресивних середовищах; зварні кон-струкції; циліндрові втулки і плунжери штангового насо-са (38Х2МЮА)

Таблиця 3.10 – Вплив основних легуючих елементів на технологічні і механічні властивості сталі

Елемент	Схильність до нагрівання	Загартовуваність	Температура нагріву при термообробці	Пластичність	Твердість	Міцність
при нормальній температурі	при підвищеній температурі
Хром	ПН	ПС	П	З¹⁾	П	П	П
Нікель	ВМ	П	З	П	П	П	П
Марганець	ПН	ПС	П	З	ПС	ПС	ВМ
Молібден	ВМ	ПС	П	П²⁾	ВМ	П	П
Алюміній	ЗС	ВМ	ПС	П³⁾	П	ВМ	П
Кремній	ВМ	ПС	П		ПС	ПС	ПН

Таблиця 3.11 – Механічні та технологічні властивості легованих, термічно зміцнених (гартування і відпуск) конструкційних сталей

Марка сталі	Границя міцності s _в, МПа	Границя текучості s _т, МПа	Відносне видовження d, %	Ударна в’язкість, кДж/м²	Оброблюваність різанням	Зварюваність	Пластичність при холодній обробці
15Х					В	В	В
20Х					В	В	З
30Х					В	З	З
35Х					В	З	З
40Х					В	З	З
45Х					В	Н	Н
50Х					В	Н	Н
20Г				–	–	–	–
30Г					З	З	З
40Г					З	Н	Н
45Г					З	Н	Н
50Г					З	Н	Н
60Г					–	–	–
30Г2				–	З	З	З
40Г2				–	З	Н	Н
45Г2				–	З	Н	Н
50Г2				–	З	Н	Н
20ХН					В	З	З

40ХН					З	Н	З
45ХН					В	Н	Н
50ХН					В	Н	Н
12ХН2					В	З	З
30ХН3А					В	Н	Н
12ХН3А					В	З	З
20ХН3А					В	З	З
12Х2Н4А					–	З	З
20Х2Н4А					В	З	З
15ХМ					–	В	В
20ХМ					В	З	З
30ХМ					В	Н	З
38ХМ					В	Н	З
30ХМА					В	Н	З
15Н2М					–	–	–
20Н2М					–	–	–
33ХС					З	Н	Н
38ХС					З	Н	Н
40ХС					З	Н	Н
38ХГН					–	–	–

20ХГСА					В	В	В
25ХГСА					В	В	В
30ХГС					З	В	З
35ХГСА					Н	В	З
40ХН2МА					В	Н	Н
18Х2Н4МА					З	З	Н
20ХГР					В	Н	З
27ХГР					В	Н	З
25ХГТ					В	Н	З
40ХГТР					В	Н	Н
38Х2МЮА					–	–	–
38Х2Ю					–	–	–
60С2А					–	–	–
60С2ХА					–	–	–
12Х13					З	Н	В
20Х13					З	Н	З
08Х13					З	Н	Н
17Х18Н9				–	Н	В	В
12Х18Н9Т				–	Н	В	В
ШХ15					З	Н	З
ШХ15СГ					З	Н	З

Сплави кольорових металів. Як конструкційні мате-ріали для бурового і нафтогазопромислового обладнання використовуються в основному бронзи, бабіти, латуні.

Бронзи – це сплав міді з оловом, свинцем, цинком, алюмінієм та іншими компонентами. Деталі з бронзи харак-теризуються високими антифрикційними властивостями, ви-соким корозійним опором, універсальними технологічними властивостями (виливаються, обробляються тиском і різан-ням). Бронзи використовуються для виготовлення радіальних і осьових підшипників ковзання, направляючих, ходових гайок, водяної, парової та масляної арматури. Наприклад, в біль-шості конструкцій засувок для фонтанних арматур ходова гайка та опори шпинделя виготовляються з бронзи.

В табл. 3.12 приведені механічні властивості трьох марок бронз. Їх хімічний склад такий:

Бр 04Ц4С17 (олово – 4 %; цинк – 4%; свинець – 17 %; решта – мідь);

Бр А9ЖЗЛ (алюміній – 9 %; залізо – 3 %; решта – мідь);

Бр А10Мц2Л (алюміній – 10 %; марганець – 2 %; решта – мідь)

Таблиця 3.12 – Механічні властивості бронз (ГОСТ 613-79)

Марка бронзи	Границя міцності, МПа	Відносне видовження, %	Твердість НВ, МПа
Бр 04Ц4С17
Бр А9ЖЗЛ
Бр А10Мц2Л

Бабіти – сплави на основі м’яких металів – олова, свинцю, алюмінію та інших. Бабіти – це високоякісний анти-фрикційний підшипниковий матеріал. Вони добре оброб-ляються, мають високу теплопровідність, здатні утримувати мастило. Бабітові підшипники ковзання можуть працювати в режимі високих швидкостей і великих контактних навантажень.

Типовим прикладом використання бабітів є конструкція підшипникових вузлів насоса типу ЦНС, що використовується в системі підтримання пластового тиску. Сталевий вкладиш

підшипника залитий бабітом Б83 або Б89 (сплав олова, сурми і міді) з вмістом олова відповідно 83 % і 89 %.

Механічні властивості бабіту Б83 наведені нижче.

Бабіти в порівнянні з іншими підшипниковими матеріалами мають нижчі значення коефіцієнта тертя f. Приблизні значення коефіцієнтів тертя деяких підшипникових матеріалів в умовах рідкого змащування наступні:

Допустимі контактні навантаження на бабітові підшип-ники складають 10–15 МПа. Для підвищення довговічності підшипників доцільно вали зміцнювати термообробкою до твердості HRC 50.

Латуні представляють собою сплави міді із цинком. В деяких випадках додають свинець, кремній, алюміній, залізо та інші метали. Латуні характеризуються високими анти-корозійними і технологічними властивостями, мають достатню, як для кольорових сплавів, міцність. Викорис-товуються для виготовлення трубок і арматури спеціального призначення, ущільнювальних прокладок, в приладобуду-ванні, в електромашинобудуванні.

Тверді сплави. Тверді сплави – це сплави на основі карбідів вольфраму, титану, хрому. До них відносяться такі сплави (ГОСТ 3882-74): ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25, Т30К4, Т15К6 та інші.

Тверді сплави характеризуються високою зносо-стійкістю, твердістю (HRA 80-90), міцністю (границя міцності при статичному згині складає 1170-2150 МПа). Викорис-товуються для виготовлення породоруйнівних і ловильних інструментів, запірних вузлів регулювальних дроселів та інших конструкцій з відповідними вимогами.

Інші конструкційні матеріали. Крім розглянутих вище в нафтогазовому машинобудуванні використовують неметалеві конструкційні матеріали і в першу чергу пластмаси і гуму.

Пластмаси – це матеріали на основі високомолеку-лярних органічних з’єднань. В залежності від типу напов-нювача, який входить до складу пластмас останні можуть мати різноманітні фізико-механічні і технологічні властивості. До основних пластмас, які використовуються в машино-будуванні відносяться: текстоліт, гетинакс, вініпласт, фторопласт, поліамід, поліпропилен, поліуритан та ін. При проектуванні бурового і нафтогазопромислового обладнання пластмаси слід використовувати в конструкціях, які працюють в умовах агресивного середовища (наприклад, робочі апарати відцентрових насосів для видобутку нафти, турбобурів), а також у вузлах ущільнення високого тиску (30 – 100 МПа).

Більш детальна інформація про номенклатуру і умови використання пластмас наводиться в спеціальній літературі.

Гума – матеріал на основі натурального або синтетич-ного каучука. Як конструкційний матеріал, гума має особливі властивості, а саме: допускає великі пружні деформації, гасить коливання, стійка в агресивному середовищі, володіє високими діелектричними властивостями. В буровому і нафтогазопромисловому обладнанні гумові конструкції мають надзвичайно широке використання. З гуми виготовляють різноманітні ущільнення, приводні паси, діафрагми, амортизатори, підшипники ковзання. Конкретніша інформація про фізико-механічні властивості гуми, умови її викорис-тання, рекомендації щодо проектування та виготовлення гумовотехнічних виробів виходить за межі даного посібника і приводиться в [ 7, 11 ].