§４軸承特點及材料選用

§3軸系§2柴油機主要零件材料第八節船用材料的選用§1概述§1概述

本節介紹重要船用機械的主要零件、螺旋槳等的工作條件，常見損傷形式，常用材料和熱處理工藝以及其他強化手段。為輪機工作人員對船機維修、監修和監造等工作提供材料學方面的重要知識。選材原則：是在首先保證材料滿足零件的使用性能的前提下，兼顧材料的工藝性能和經濟性。一.滿足零件的使用性能使用性能是指材料能保證零件正常工作所必須具備的性能。有力學性能、物理性能和化學性能，使用性能主要指材料的力學性。要正確分析零件的工作條件和主要失效形式，以準確判斷力學性能指標。耐高溫、低溫性能、耐腐蝕性能，也需要重點考慮。A.分析零件的工作條件：工作條件指受力形式（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉或彎扭復合等），載荷性質（靜載、動載、沖擊、載荷分布等），受摩擦磨損情況，工作環境條件，以及導電、導熱等特殊要求。曲軸是受彎扭復合的動載荷，主軸頸表面需要耐磨、耐腐蝕，選調質鋼為主。主機缸套：主要受壓，需要耐磨，選用鑄鐵為主。1.主機缸套要求1)缸套必須具有足夠的強度和剛度；2)良好的耐磨性和抗腐蝕能力；3)良好的潤滑和可靠的冷卻；4)對氣缸工作容積及冷卻水空間應有可靠的氣封和水封；5)對二沖程機缸套要有合理的氣口形狀和截面尺寸船舶螺旋槳：既要求具有高的強度、塑性和沖擊韌性，又具有良好的抗穴蝕和抗電化學腐蝕的能力，常選錳鐵黃銅。B.判斷主要失效形式。C.合理選用材料的力學性能指標：對承載均勻，截面無突變，工作時不發生應力集中的零件，可選較高的硬度值；反之，有應力集中的零件，則需要有較高的塑性，硬度值應該適當降低；對高精度零件，為提高耐磨性，保持高精度，硬度值要大些；對相互摩擦的一對零件，兩者的硬度值應有一定的差別，易磨損件或重要件應有較高的硬度值。軸頸應比滑動軸承硬度高；一對嚙合傳動齒輪，一般小齒輪齒面硬度應比大齒輪高；螺母硬度應比螺栓低一些。多數熱作模具和某些冷作模具，切削刀具等，選材時還應該考慮其較高熱硬性要求。D.綜合考慮多種因素：儲存酸堿的容器和管路，應以耐腐蝕為依據，選不銹鋼的。柴油機連桿，不能產生過量的彈性變形，剛度為關鍵性能指標。要求彈性、密封、減震抗震，選橡膠材料。重要螺栓，主要的失效形式為過量的塑性變形和斷裂，關鍵指標為屈服強度和疲勞強度。內燃機排氣閥工作溫度為600~700，選用耐熱鋼。E.合理利用材料的淬透性:在動載荷下工作的重要零件（缸蓋螺栓、貫穿螺栓），應選用能全部淬透的鋼，采用合金調質鋼。二.兼顧材料的工藝性。材料的工藝性能是指材料適應某種加工的難易程度。良好的工藝性不僅可以保證零件的制造質量,而且有利于提高生產力和降低成本。零件性能要求不高,一般采用鑄鐵、碳鋼等制造，其工藝性能都較好；性能要求高的零件（合金鋼，高強度鋁合金），工藝路線：毛坯→預先熱處理（正火、退火）→粗加工→最終熱處理（淬火、回火）→精加工。預先熱處理是為了改善切削加工性，并為最終熱處理做好組織準備。柴油機缸套的和活塞環耐磨性要求好，又是受壓為主，以鑄鐵為主，表面淬火。曲軸連桿、貫穿螺栓等重要受力零件選用鍛造+調質處理。三、選材的經濟性。必須保證他的生產和使用的總成本最低,材料價格占產品價格的30%~70%，能滿足使用要求的前提下，應盡可能采用廉價的材料。少數對可靠性要求高，但對價格不敏感的柴油機如軍艦用，一般不考慮價格用好材料。一般原則：能用鑄鐵不用鋼，能用非合金鋼不用合金鋼，能用硅錳鋼不用鉻鎳鋼，能用型材不用鍛件、加工件，且盡量的用加工性能好的材料。能正火使用的零件就不調質處理，材料來源要廣，盡量的采用符合我國資源情況的材料，要從零件的總成本角度和機械全壽命周期來考慮。總的來說，碳鋼和鑄鐵（尤其球墨鑄鐵）價格比較低廉，并有較好的公益性，應優先選用。低合金鋼的強度比碳鋼高，總的經濟效益也比較顯著，有擴大使用的趨勢。船體用鋼，一般都有較高的含錳量，選合金鋼比普通碳鋼輕，提高載貨量，提高整體經濟性，所以材料也并非越便宜越好。§2柴油機主要零件材料一、曲軸曲軸是柴油機最重要的部件之一。它的作用是將各缸的功率匯集起來以回轉運動形式輸送出去。曲軸有主軸頸、曲柄臂、曲柄銷和輸出法蘭等部分組成。小型曲軸常做成整體式，大中型曲軸多制成半組合和全組合式，全組合式曲軸的曲柄臂和主軸頸以及曲柄銷之間都是用紅套或液壓套配合的。輸出法蘭主軸頸曲柄臂曲柄銷輸出法蘭曲軸承受沖擊，內有彎矩和扭矩，軸頸受摩擦、腐蝕，又經常產生疲勞裂紋。要具有良好的綜合機械性能，尤其是足夠的疲勞強度。pistonpistonringconnectionrodcrankshaft十字頭連桿小型整體式曲軸常用的材料:40、45、40Cr、45Cr等中碳鋼或者合金調質鋼，也有球墨鑄鐵。大中型曲軸的軸頸與整體式一致，曲柄臂采用鑄鋼。軸頸表面滲碳處理，使其硬化。二、氣缸套氣缸套是組成燃燒室的部件之一。其內壁與燃氣直接接觸，其外壁有缸套冷卻水進行冷卻。承受很大的熱負荷、機械負荷和嚴重的腐蝕，潤滑條件很差，有劇烈的摩擦。缸套的主要損傷形式是磨損。首先要求他具有足夠的強度、硬度和耐磨性，以及耐熱性、導熱、耐蝕性。材料（耐磨、中空）：常用合金鑄鐵（高磷鑄鐵）。部分柴油機氣缸套采用球墨鑄鐵和普通灰口鑄鐵。氣缸實例

三、氣缸蓋一）、氣缸蓋的作用1)密封氣缸、與活塞和缸套一起組成燃燒室；2)安裝閥件，有噴油器、氣缸起動閥、安全閥（開啟壓力不超過1.4倍最高爆發壓力)、示功閥、排氣閥、進氣閥（四沖程機)，以及氣閥的傳動機構等；3)布置冷卻水通道；4)四沖程柴油機缸蓋中要布置進、排氣通道二）、氣缸蓋工作條件1)柴油機工作時，氣缸蓋底面要受到高溫、高壓燃氣的作用；2)冷卻水腔受到水的腐蝕作用；3)受到缸蓋螺栓予緊力作用；4)缸蓋結構復雜使機械應力和熱應力分布不均勻三）、氣缸蓋的要求具有足夠的強度和剛度、冷卻良好、溫度低而均勻、構造簡單，并便于拆裝、檢修和管理四）、氣缸蓋材料灰鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵以及鑄鋼、鍛鋼等材料，現代二沖程長沖程柴油機的缸蓋大多采用鍛鋼制造，而中、小型高速柴油機的缸蓋則常用灰鑄鐵二沖程B＆WL-GB型直流掃氣柴油機氣缸蓋瓦西蘭L20型四沖程高速柴油機的氣缸蓋6300型四沖程中速柴油機的氣缸蓋四、活塞1.活塞的作用1)保證密封的情況下完成壓縮和膨脹過程。2)并將氣體力經連桿傳遞給曲軸。3)在筒形活塞式柴油機中，活塞承受側推力，起著滑塊的作用。4)在二沖程柴油機中活塞還啟閉氣口，控制換氣。2．活塞的工作條件1)承受燃氣壓力和往復慣性力所引起的帶有沖擊性的機械負荷；2)活塞頂部直接接觸高溫燃氣，不僅熱負荷很高，各部分間有溫差熱應力，而且還受到燃氣的化學侵蝕（低溫腐蝕)；3)活塞作往復運動，活塞與氣缸潤滑狀態差，磨損嚴重；4)在中、高速柴油機中，活塞的往復慣性力還會使柴油機振動加劇3、活塞的要求1)熱強度高、剛度大2)密封可靠3)散熱性好、冷卻效果好4)摩擦損失小、耐磨損5)中、高速柴油機還要求活塞重量輕4.活塞材料

A.整體式

中、低速：合金鑄鐵；

高速：鑄造鋁硅合金ZL108、ZL110

B.組合式頭部

大型低速：鑄鋼

中、高速：合金調質鋼

組合式裙部：灰口鑄鐵、球墨鑄鐵圖2.2-19插管噴射冷卻活塞五、排氣閥氣閥是柴油機配氣機構的主要零件，其作用是對柴油機進行正確的配氣，以保證柴油機工作過程的連續進行。一般進氣閥的工作溫度為400~500C，排氣閥的工作溫度為650~840C。工作條件：摩擦和撞擊，高溫燃氣的沖刷和腐蝕，是柴油機中工作條件最惡劣的零件之一。常見的損傷形式有：閥面磨損和燒蝕；閥桿外圓和端面磨損，并且由于沖擊疲勞而斷裂；氣閥產生熱變形。要求：有很好的耐熱性、導熱性，高溫下保持足夠的強度、硬度、耐磨性和耐蝕性。進氣閥的材料常用：合金調制鋼40Cr、35CrMo，也采用氣閥鋼4Cr9Si2。排氣閥常用:氣閥鋼4Cr9Si2。熱處理都是調質處理。

六、柴油機軸承

1.作用支承軸；減磨；止推定位(小型機)。2.工作條件承受氣體力、慣性力的作用；軸頸產生摩擦、磨損；受到變質滑油腐蝕船機設備中的軸承大多采用滑動軸承，結構簡單，容易管理，維修方便。3．軸瓦結構結構有：兩半式和整體襯套式兩種形式。兩半式軸瓦又由瓦殼和瓦襯組成。1）厚壁軸瓦結構：鋼瓦殼上澆鑄軸承合金，上下軸瓦內側銑有油槽（垃圾糟），軸瓦的卷邊用來防止它的軸向移動。厚壁瓦瓦殼材料多為鑄鋼，也有黃銅和青銅,瓦襯材料都是巴氏合金，允許拂刮。2）薄壁軸瓦：疲勞強度高，并且尺寸小、重量輕、造價低、互換性好薄壁瓦瓦殼材料多采用低碳鋼,也有用青銅的,瓦襯材料有巴氏合金、銅鉛合金、和高錫鋁基合金等，不需要拂刮。薄壁瓦殼加工精細，互換性好，裝配前不需要拂刮，拆裝與更換方便。§3軸系一、螺旋槳軸：與螺旋槳連接的軸稱為螺旋槳軸。當螺旋槳軸較短并安裝于船體尾部的尾軸管中時又稱為尾軸。船舶主推進動力裝置（柴油機）的動力經推力軸、中間軸、尾軸和螺旋槳軸傳遞轉矩給螺旋槳。螺旋槳軸內部產生扭矩，并在螺旋槳正車時承受壓力，反車時承受拉力，呈復合受力狀態。材料：必須具有良好的綜合力學性能和較好的防腐能力。

民用船舶螺旋槳軸：一般采用中碳優質碳素結構鋼(35、45）。軍用螺旋槳軸：采用合金調制鋼（40Cr)制作。圖Fe-Cu電池示意圖有色金屬制作的螺旋槳與軸在海水環境中構成宏觀腐蝕電池，會使陽極的螺旋槳軸發生強烈的電化學腐蝕。螺旋槳軸防腐蝕措施常采用陰極保護法和覆蓋保護法。二、尾軸管軸承尾軸管軸承工作條件要比中間軸承惡劣的多，管理人員平時很難進行檢查和維護，因此，對其可靠性和壽命要求比較高。水潤滑軸承：水潤滑尾軸，為了防止尾軸被腐蝕破壞，在尾軸工作軸頸部分包以銅套，即軸套或稱襯套。

水潤滑軸承常采用非金屬材料。大型海船一般采用錫青銅ZQSn10-2,內河小船尾軸軸套一般采用錳黃銅ZHMn58-2§４軸承設計特點及材料選用一、滑動軸承滑動軸承的結構特點：用以支撐軸類零件，是各類機械最重要的基礎零部件。滑動軸承和軸是間隙配合，即孔徑大于軸徑，靠其間的潤滑油隔開運動副表面，潤滑油要具有一定的壓力。按運動形式，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滑動軸承經常應用在高速、高精度、重載和結構上要求剖分的。大型電機、汽輪機、內燃機、離心式壓縮機、破碎機等機械常采用滑動軸承。滑動軸承潤滑方式分為流體靜壓潤滑、流體動壓潤滑。連桿小端軸承是整體式，而連桿大端是剖分式，柴油機主軸承也是剖分式。對滑動軸承合金材料性能的要求：1.承載能力。2.耐疲勞性。3.耐磨性。4.減摩性。5.抗咬合性。6.嵌藏性。7.順應性。8.耐腐蝕性。9.耐熱性。10.導熱性。11.熱膨脹性。12.工藝性。總之，較高的耐磨性、抗膠合、磨合性和親油性良好；易于鑄造；具有合適成分和合理結構。種類：軟基體上分布硬質點;硬基體上分布軟質點。滑動軸承軸承座上、下軸瓦軸承蓋螺栓瓦殼：低碳鋼或

鑄鋼瓦襯：軸承合金（耐磨合金層）銅基軸承合金（鉛青銅、錫青銅）軸瓦1.兩半式厚壁軸瓦2.兩半式薄壁軸瓦3.整體襯套式瓦殼瓦殼瓦襯：合金層0.75~2mm,主要用于中低速柴油機軸承瓦襯：0.2~0.7mm主要用于中高速柴油機軸承。瓦襯：瓦殼:瓦殼:鋼殼錫基：ZChSnSb11-6巴氏合金，加Sb、Cu鉛基：ZChPbSb16-16-2巴氏合金銅基

鉛青銅:ZQPb30

錫青銅：ZQSn10-1

低錫鋁合金鋁基

鋁銻鎂軸承合金

高錫鋁合金：20及40號軟基體上分布硬質點硬基體上分布軟質點高錫鋁基軸承合金含錫量大于10%，常用的20號高錫鋁合金中Sn約20%左右，銅含量2%左右，其余為Al。他有取代巴氏合金、銅基合金和鋁銻鎂合金之勢，廣泛用于汽車、拖拉機和船用柴油機的軸承。目前船用大型低速柴油機已經較多的使用錫含量高達30%~40%的高錫鋁基軸承合金，錫含量越高，軸承的表面性能越好，但是承載能力和疲勞強度略有下降。由于鋁材價格低廉，高錫鋁基軸承合金較巴氏合金價格低，制成薄壁軸瓦有價格和維護優勢。巴氏