第1个回答 2011-01-06
给你看下列资料，供参考：
船舶螺旋桨用不锈钢的发展
方正春(洛阳船舶材料研究所 洛阳 471039)
摘 要 概述了船舶螺旋桨用不锈钢的发展,给出了几种性能优良的不锈钢螺旋桨材料,阐述了不锈钢作为
螺旋桨材料的优缺点。
关键词 不锈钢 铜合金 螺旋桨
中图分类号: TG142. 71 ,U664. 34 文献标识码:A
Development of the Stainless Steel of Marine Propeller
Fang Zhengchun (Luoyang Ship Material Research Institute , Luoyang 471039 , China)
Abstract The development of the stainless steel for marine propeller is reviewed. Some types of stainless steel used
in propeller have good properties. And in this paper , author also give the comparison between stainless steel and cop2
per alloy for marine propeller and show the advantages and disadvantages of stainless steel.
Keywords Stainless steel Copper alloy Propeller
长期以来船用螺旋桨材料多选用铜合金,其
中镍铝青铜又是首选材料。其原因主要是: (1) 铜
合金的耐腐蚀性好,基本上可满足海水中螺旋桨
的使用要求; (2) 铜合金的熔点低,便于熔炼和铸
造,铸件不需要进行热处理,经加工便可使用。
由于铜合金材料强度的大幅度提高受到限
制,随着船舶的大型化和单轴功率的增大,迫切需
要开发强度更高的螺旋桨材料。此外,近年来港
湾和江河水域的海水污染加剧,铜合金螺旋桨的
耐蚀性能也开始出现问题。因工业废水和城市污
水的排放,使海水中的有机物大量增加,导致厌气
性硫酸盐还原菌大量繁殖。海水中的硫酸盐被还
原后产生了对铜合金具有强烈腐蚀作用的硫离
子。因此,铜合金螺旋桨因这种腐蚀所造成的破
坏常有发生,甚至仅使用数日螺旋桨表面便发黑
且粗糙不堪。
取代铜合金的不锈钢螺旋桨材料便成为螺旋
桨材料开发的新方向。本文就船舶螺旋桨用不锈
钢的发展及其优缺点概要地加以论述。
收稿日期:2002202207
1 螺旋桨用不锈钢的发展
1. 1 13 %Cr 和18 %Cr 钢
13 %Cr 钢是最早用于螺旋桨的马氏体型不
锈钢[1 ] ,名义成分为13Cr21Ni21Mo 。这种钢在海
水中有良好的耐蚀性,在0 ℃的海水中不会产生
间隙腐蚀和点蚀,非常适用于冰区航行的船舶螺
旋桨,北欧各国和前苏联已大量采用此钢。但是,
这种不锈钢在含中性盐类的海水中使用耐蚀性不
佳,有产生间隙腐蚀和点蚀的倾向。此外,这种钢
铸件必须进行固熔热处理,给整体铸造螺旋桨的
生产带来困难。
18 %Cr 钢属于铁素体型不锈钢[2 ] ,在退火状
态下使用。由于其强度不高,尤其是腐蚀疲劳强
度较低,这是使用中的致命缺点。
1. 2 1828 和1724pH 钢
1828 不锈钢为奥氏体型不锈钢。这种钢用
于大型螺旋桨时,不仅强度不足,而且晶间腐蚀和
点蚀非常敏感,在海水中使用存在着各式各样的
问题。
第17 卷第6 期 材 料 开 发 与 应 用 2002 年12 月
1724pH 钢是美国Armco 公司开发的析出硬
化型不锈钢[3 ] 。由于含有δ2铁素体相,对缓冷的
大型铸件易导致脆化,不进行复杂的热处理,不能
作为螺旋桨材料使用。
1. 3 MCF 不锈钢
MCF(Mit subishi Cupro2Ferrous alloy) 不锈钢
是日本三菱重工开发的在污染海水环境下使用的
螺旋桨材料[1 ] 。在确定成分时,为保证对污染海
水的耐蚀性,添加了必要的铬,以形成钝态膜;为
防止局部腐蚀的发生和发展,添加了必要的镍、锰
和钼。MCF 不锈钢的化学成分见表1 ,力学性能
见表2 。
表1 MCF 的化学成分( w) %
Fe Mn Ni Cr Cu Mo Si C
余量15～30 10～20 5～12 < 7. 5 3～6 < 1. 0 < 0. 08
表2 MCF 的力学性能
编号σb
PMPa σ0. 15
PMPa δ5
P% HB 壁厚Pmm
1 515 188 64. 8 111 30
2 502 183 62. 0 116 60
3 488 191 65. 4 111 100
MCF 不锈钢的金相组织为单一的面心立方
的γ相。显然,单相组织对材料的耐蚀性是有利
的。只要含碳量不超过0. 08 % ,便不会出现有损
于MCF 耐蚀性的碳化铬和σ相。
MCF 不锈钢具有以下特点:
(1) MCF 的静态强度与高强度黄铜大体相
当,但作为螺旋桨设计应力标准的动态腐蚀疲劳
强度和抗空泡剥蚀性却与镍铝青铜一样。
(2)MCF 的熔点较一般铸钢都低,固相温度
为1270 ℃,液相温度为1325 ℃,因此便于熔炼和
铸造。采用现有的熔铜中频或工频感应电炉便可
生产,而且铸造状态也可保持其力学性能和腐蚀
疲劳强度。
MCF 不锈钢适用于一般商船螺旋桨,并以
中、小桨为主。到1974 年止,已有100 多只桨装
船使用,未曾出现任何事故。
1. 4 MSS 不锈钢
MSS(Mit subishi Special Steel) 不锈钢是三菱
重工开发的用于大型螺旋桨的高强度特殊钢[4 ] 。
确定化学成分时,为提高强度,使之成为沉淀硬化
型钢,基体组织为马氏提组织,抑制钢析出δ2铁素
体相;为提高耐蚀性,尽量添加较多的铬。最终确
定的化学成分见表3 ,力学性能见表4 。
表3 MCRS 的化学成分( w) %
C Si Mn Cr Ni Mo Co Cu B Fe
< 0. 15 0. 01～0. 9 0. 1～1. 5 8. 0～13. 0 2. 0～8. 0 1. 0～5. 0 2. 0～5. 0 0. 5～5. 0 0. 001～0. 005 余量
表4 MSS 的力学性能
状态σ0. 2
PMPa σb
PMPa δP% HB
急冷623 0. 4 363
12 ℃Ph 缓冷772 1188 15. 2 370
6 ℃Ph 缓冷650 1079 17. 6 341
缓冷和时效1052 1123 10. 4 363
MSS 钢即使在非常缓慢的冷却速度下也可
淬成马氏体组织,强度和韧性都较优异,很适合制
作诸如螺旋桨这样的大型铸件。特别是如果在
500～600 ℃加热,会产生所谓的“时效硬化”,使强
度和韧性进一步提高。如表4 所示,MSS 钢的拉
伸强度是现用镍铝青铜螺旋桨的1. 7 倍,屈服强
度和硬度则是镍铝青铜的2 倍多。
当冷却速度过快时,MSS 钢的强度和塑性都
有下降的趋势,这时应进行缓冷热处理。显然,当
进行单叶片组合焊桨施工或桨的补焊后也需缓冷
热处理。
·44 · 材 料 开 发 与 应 用 2002 年12 月
MSS 钢虽然通过添加Cr 、Ni 、Mo 和Cu 等元
素使耐蚀性提高,但在海水中也会出现点蚀。实
船使用时,应采用外加电流阴极保护。
此外,MSS 钢的硬度很高,如果加工量过大,
叶片的加工将非常困难,所以,常采用单铸叶片,
提高铸件的尺寸精度,减少加工余量,最后将各个
叶片组成一整体。
MSS 不锈钢作为螺旋桨材料有如下优点:
(1) 由于强度高,在设计条件相同的情况下,
MSS 不锈钢螺旋桨的重量较轻,仅为镍铝青铜的
70 %左右,从而使船尾轴承的故障大为减少。
(2) 因强度高,桨叶的叶片厚度减薄,与镍铝
青铜相比,其效率提高1 %～3 %。
(3) 可制造薄叶化和多叶化的螺旋桨,减轻了
桨的振动,降低了噪声。
(4) 采用焊接组合的方法,可制造出大型螺旋
桨。
用MSS 钢制造的直径为1830mm 的4 叶桨,
已安装使用在长崎造船所的“Hiyodori2Maru”船
上。为获得大型桨的制造经验,用焊接组合的方
法,试制了一只直径达5. 7m 的大型螺旋桨,并已
投入使用。
1. 5 MCRS 不锈钢
MCRS(Mit subishi Corrosion Resistance Steel)
是三菱重工开发的耐蚀不锈钢[5 ,6 ] 。开发的基本
思路是,为确保螺旋桨材料最重要的腐蚀疲劳强
度, 所开发材料的拉伸强度应达到883 ～
980MPa ,因此,其金相组织应以马氏体为基。从
防止应力腐蚀开裂的角度考虑,又希望降低其屈
服强度,这就需要有残留奥氏体存在。另外,为保
持良好的耐蚀性,铬含量应大于16 % ,而铬含量
的增加又会使铁素体量增加,从而降低冲击韧性,
因此,也需要有奥氏体存在。可是,残留奥氏体过
多,不仅使拉伸强度下降,而且抗空泡剥蚀性也变
差,因此,残留奥氏体量以控制在5 %～30 %的范
围为佳。
MCRS 钢的金相组织为马氏体、铁素体和奥
氏体三相组织组成。Cr 当量w (Cr) = w (Cr) +
w (Mo) + 1. 5 w ( Si) 为17 %～20 % ,Ni 当量w
(Ni) = w (Ni) + 30 w (C) + 0. 5 w (Mn) 为6 %～
9 %。考虑到耐蚀性, C 含量应在0. 04 %以下。
MCRS 的化学成分见表5 ,力学性能见表6 。
表5 MCRS 的化学成分( w) %
C Si Mn Cr Ni Mo Co P S Fe
< 0. 04 < 1. 5 < 3. 0 17～19 5. 0～6. 5 0. 5～2. 0 < 1. 5 < 0. 04 < 0. 04 余量
表6 MCRS 的力学性能
状态σ0. 2
PMPa σb
PMPa δP% HB
900～950 ℃×10h (空冷) 294～490 883～980 10～30 200～300
MCRS 钢的腐蚀疲劳强度大约为294MPa ,
比铜合金高得多,抗空泡剥蚀性是铜合金的1. 6
倍。到1991 年止,日本先后为迎宾船、捕鲸船、油
船和高速艇等24 艘船舶配置了36 只这种材料的
螺旋桨,业绩辉煌。
但是,用这种钢制造螺旋桨比用铜合金制造
要困难得多。首先,该钢需要在高温下进行固熔
处理,导致螺旋桨铸件变形,给螺旋桨铸造工艺设
计带来困难;其次,不锈钢的熔点高,需要较高的
浇注温度,对造型材料有更高的耐火度要求。下
面就MCRS 钢制造螺旋桨时应注意的问题加以
概述。
(1) 铸造方案
以直径为4800mm 单叶螺旋桨为例,其铸造
方案见图1 。
图1 铸造方案
第17 卷第6 期 方正春:船舶螺旋桨用不锈钢的发展·45 ·
当螺旋桨叶片面积较大且叶片较薄时,Cr 含
量多的熔液极易氧化产生氧化物,所以,直浇口和
内浇口应确保液流平稳、快速浇注,并应设置排出
氧化物的外溢冒口。为适应螺旋桨的凝固过程,
在桨叶的根部应附加冷铁,在桨毂内面应附加工
艺补贴的飞边。
(2) 造型
根据螺旋桨的形状和几何尺寸的特点,造型
方法可采用刮板法和实模法,型心采用实模法。
涂料采用氧化锆基涂料,个别地方应涂刷两道。
为防止渗碳,不用呋喃树脂砂型而采用载卡
尔自硬砂型,桨叶叶面的面砂和芯砂为耐火度高
的铬铁矿砂。为防止不锈钢薄壁铸件常见的皱
纹,铸型应充分预热干燥,在叶缘处应适当加厚,
保证液流通畅。
此外,在桨叶的根部使用外冷铁,在桨毂内面
使用内冷铁。
(3) 固熔热处理
固熔热处理是耐蚀性不锈钢铸件必需的一道
工序。MCRS 钢的固熔热处理制度是900 ～
950 ℃×10h ,空冷。由于固熔热处理将导致螺旋
桨的变形,所以,螺旋桨在热处理前后应划线,记
录其变形量和变形倾向,并反映到铸造方案中。
2 不锈钢螺旋桨材料的优缺点
随着船舶的大型化、高速化和海水污染的加
剧,不锈钢作为螺旋桨材料似乎是一种趋势。从
1972 年以来,日本几乎有一半的螺旋桨是用不锈
钢制造的。瑞典的米化公司和塞尔士达公司在所
生产的螺旋桨中,不锈钢螺旋桨占90 %。
不锈钢作为螺旋桨材料的优点如下:
(1) 可以高强度化。在相同的设计条件下,螺
旋桨的重量与铜合金相比可大幅度减少,防止船
尾轴承磨损,减少桨的转动惯量。
(2) 由于强度高,有利于大侧斜桨的设计。叶
片可以减薄,并可制成多叶桨,不仅使螺旋桨的推
进效率提高,而且减少了桨的振动,降低了噪声。
(3) 由于腐蚀疲劳强度和抗空泡剥蚀性能是
铜合金的几倍甚至十几倍,使桨的寿命得以提高,
特别是在污染海水中,不锈钢更有优势。
(4) 采用单叶片分别铸造,再进行焊接组合,
可制造超大型螺旋桨。日本大型油船“日石”号所
用的直径11m 的螺旋桨便是一例。
不锈钢作为螺旋桨材料的缺点如下:
总体来说,不锈钢螺旋桨的制造要比铜合金
的困难得多。
(1) 不锈钢的熔点比铜合金高得多,用于铜合
金的造型材料不能用于不锈钢,必须采用耐火度
更高的诸如铬铁矿砂等耐火材料。对于含Mn 高
的不锈钢,如MCF 钢,因钢水会与石英砂起反应
造成化学粘砂,则应采用镁砂作为造型材料。涂
料也应采用耐火度高的诸如氧化锆系涂料。
(2) 绝大多数不锈钢都需要固溶热处理,以确
保其使用性能。这不仅需增添热处理设备,而且
导致螺旋桨铸件变形,这种变形又因材质、形状和
尺寸的不同而不同,无一定规律性,从而给制定螺
旋桨的铸造方案带来相当大的困难。
(3) 目前,铜合金螺旋桨的加工,均以劈铲和
铣削为主。而对强度和硬度都很高的不锈钢来
说,却无法实施,只能以磨削为主,使加工效率下
降,劳动强度增大。
3 结语
我国不锈钢螺旋桨材料的开发与应用尚未完
全展开。其原因主要是大型专业螺旋桨生产厂
家,一直以生产铜合金螺旋桨为主,生产技术纯
熟,业绩辉煌。不锈钢螺旋桨的生产,既无必要的
生产条件,又缺乏生产经验。虽然国内一些小厂
有过生产不锈钢螺旋桨的记录,但因条件所限和
生产技术的落后,断桨事故常有发生,给不锈钢螺
旋桨的开发与应用带来负面影响。
本文的目的是希望和从事螺旋桨材料开发与
应用的同行共勉,推进我国不锈钢螺旋桨材料的
发展。
参考文献
1 植田昭二,等. 日本造船学会论文集. 1972 (132) :463
2 本书编写组. 船用螺旋桨铸造. 北京:国防工业出版
社,1980
3 王建安,等译. 工程材料的组织与性能. 北京:机械工
业出版社,1983
4 谷口中,等. 日本造船学会论文集. 1968 ,123 :59
5 齐滕正洋,等. 三菱重工技报,1991 ,28 (3) :246
6 武滕数彦,等. 铸物,1991 ,63 (5) :462