船体及螺旋桨的材料

1、船体及螺旋桨材料的防腐与发展 一、船体材料 1.主要是金属材料、无机非金属材料和人工合成高 分子材料三种 2.用量最多的是钢、铸铁以及有色金属中的钢、铸 铁、铝、钛、铜合金；碳钢及高强度低合金钢占 据主流 3.非金属材料中的木材、塑料、橡胶、涂料以及水 泥、石棉，各种绝热隔音等特种材料。 水泥 l优点：耐腐蚀性、抗振性、低温性能优良、造价 低等特点 l水泥用于造船已经有一百多年的历史，到20世纪 70年代人们已经开发出了钢丝网水泥船、预应力 混凝土船、大吨位混凝土工程船舶。 l主要用于：渔船、小型船舶、海洋平台、大型液 化气船 （1）钢筋混凝土船 （2）钢丝网水泥船 （3）预应力混凝土船 美国

2、66000T液化石油气-预应力混凝土驳船 钢铁 1.19世纪末出现了铁船，但很快被各种性能更佳的 钢船取代。 2.低碳钢和高强度钢：至今一直是大型船舶结构的 常用材料。 3.缺点：抗腐蚀性差，须定期坞修 铝合金 纯铝的强度、硬度低，工业上应用不多 1.铝铜合金：腐蚀严重 2.铝镁合金：优点多 密度小(2.52.88) 强度高(可达490590MPa) 良好的塑性、易加工性、耐腐蚀 ，无需定期 涂漆维护等。 低温性能良好：没有低温脆性，可用于低温工 作的船舶结构。如英国曾用于沼气运输船的沼 气舱。 玻璃纤维增强塑料 即玻璃钢，40年代玻璃钢开始用于造船。 (1) 优点： l比重小、耐腐蚀性好、

3、l表面光滑。可减小阻力、增加航速，具有良好的 抗磁、隔音、电绝缘性能、不反射雷达波等特点， 被广泛地用于小型船舶，尤其是各类军用和民用 快艇。 (2) 缺点：弹性模量较小，刚性不足，船体变形较 大， 不适合造尺度较大的船舶。 二、船体的防腐 目前，大多数船舶都采用金属外壳。而金属在海 洋环境中，受海水温度、海水含盐度、海洋大气 温度、海洋大气湿度的影响，腐蚀程度很严重， 腐蚀不仅降低了船舶钢结构的强度，缩短了船舶 的使用寿命，同时还会使航行阻力增加，航速降 低，影响使用性能。更为严重的是，一旦出现穿 孔或开裂，还会导致海损事故的发生，造成惊人 的损失。这已引起国内外防腐专家的极大关注， 并积极

4、研究探索解决金属腐蚀的各种防护技术方 法和措施。 合理选材 材料的选择是我们首选要考虑的，好的选材能为 我们的防腐带来很大的便利。船舶的选材要考虑 很多，要考虑其力学性能、热性能、密度、防腐 性能等。现在越来越多的新材料被应用到船舶上。 这些新材料有：碳素钢、合金钢、复合材料等。 表面保护 表面保护主要是表面涂上一层保护膜。目前，船舶涂料的品种有： 水线涂料、船壳涂料、甲板涂料、油舱涂料、饮水舱涂料、压载 水舱涂料、防污涂料等。 船舶用防腐蚀涂料的防蚀机理： (1)涂膜对腐蚀介质的屏蔽作用。当涂料在金属表面形成连续的涂 膜以后，可以将金属和腐蚀介质隔离开。根据电化学腐蚀原理， 如果能完全将腐蚀

5、介质、氧气隔离，不和金属接触，就可以避 免金属的腐蚀13。 (2)涂膜的阴极保护作用。有机高分子聚合物一般都是绝缘体，如 果在成膜物质中加入能成为牺牲阳极材料的金属颜料，当金属 颜料和金属表面直接接触，有腐蚀介质渗入后，金属颜料被腐 蚀，可以保护金属。例如富锌底漆中的颜料为金属锌的粉末， 将其涂刷在钢板上时，锌可作为牺牲阳极14。 (3)涂料的阳极钝化和缓蚀作用在涂料中含有水溶性颜料，当水渗 入涂膜后，颜料溶解会起到缓蚀作用，或使金属表面钝化的作 用。 阴极保护法 对于船舶中与海水直接接触的部位，采用比钢铁 的电极电位更低的金属或合金与钢铁船体电性连 接，使其在整体上成为阴极；或给钢铁船体不断

6、 地加上一个与钢铁腐蚀时产生的腐蚀电流方向相 反的直流电，同样可使其在整体上成为阴极，并 且得到极化，便可使钢铁船体免受腐蚀，即得到 保护，对于这样的保护措施，称之为船舶的阴极 保护。对于船舶的阴极保护来说，主要有牺牲阳 极保护和外加电流保护两种。 (1)牺牲阳极保护技术 牺牲阳极阴极保护技术是通过在船体外表 面安装充当阳极的被牺牲掉的金属块，以 保护作为阴极的船体钢板不被腐蚀。牺牲 阳极阴极保护是船舶浸水部分最有效的、 应用广泛的方法之一，所采用的阳极材料 电化学性能的好坏是牺牲阳极阴极保护水 平的技术关键。目前，船体使用的牺牲阳 极有锌铝镉三元合金(称为三元锌牺牲 阳极)、高效铝合金阳极、

7、铁合金阳极等。 (2)外加电流保护技术 外加电流阴极保护技术是将牺牲阳极保护中的牺牲 阳极块更换成只起导电作用而不溶解的辅助阳极，在 阳极和钢板之间加一直流电源，并通过海水构成回路。 电源向钢板输入保护电流，使钢板成为阴极而得到保 护。该外加电流保护系统由恒电位仪也就是外加电源、 参比电极、不溶性辅助阳极构成。整个系统使船体电 位始终保持在保护电位范围内。外加电流保护技术越 来越多地应用于船舶壳体的腐蚀保护，其优点是设计 保护寿命长、电位、电流可调节性强，但目前仍存在 可靠性和经济性较差等缺点，未来的发展趋势是通过 在恒电位仪的可靠性、辅助阳极的排流量、参比电极 的长期稳定性等方面的改进，提高

8、外加电流系统的可 靠性和降低保护费用，并进一步延长保护年限。 三、船用螺旋桨材料 螺旋桨是舰船的一个重要部件。采用什么材料 制造螺旋桨对它的工作性能影响很大。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。目前国内常用锰黄铜(ZHMn55-3-1)、铝 锰黄铜(ZHAI 67-5-2-2)和锰铝青铜(ZQAI 12-8-3-2), 其中锰铝青铜的综合性能比锰黄铜和铝锰黄铜优 异。后续发展的更多型号不锈钢材料，对螺旋 桨整

9、体性能得到很大提高。并且，人们也没有停 止对轮船螺旋桨用更新材料和性能的探索。 镍铝青铜 镍铝青铜具有优异的耐应力腐蚀开裂、耐腐蚀疲劳、耐 空泡腐蚀、耐冲蚀和抗海生物污损等性能。镍铝青铜在耐 海水腐蚀疲劳方面远远超过不锈钢和黄铜,比锰青铜还好; 在耐冲蚀方面也远远高于黄铜,耐空泡腐蚀性能格外好。 镍铝青铜耐海水均匀腐蚀、空泡腐蚀和腐蚀疲劳的性能与 超级双相不锈钢相当,在海水中不发生点蚀,不发生氯化物 应力腐蚀开裂,其强度与奥氏体不锈钢相当,经热处理后可 与双相不锈钢媲美。镍铝青铜还具有优异的导热、导电性 能,良好的耐磨损性能、焊接性能,且价格低廉。铸造镍铝 青铜的价格远远低于铸造超级双相不锈钢

10、或超级奥氏体不 锈钢。因此从价格与腐蚀性能角度考虑,镍铝青铜完全能 够满足海水管系的需要,且应用范围还在逐渐扩大。主要 用在船用螺旋桨、大型泵用叶片、紧固件、海水管件、消 防龙头、阀、海水淡化装置等。 但镍铝青铜有两个主要缺点：一、是在污染海水中耐腐 蚀性能下降。二、是对选相腐蚀比较敏感。 四、螺旋桨用不锈钢的发展 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

11、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。 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 , 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

12、,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 ,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。 MCF不锈钢 MCF不锈钢 MCF(MitsubishiCupro2Ferrousalloy)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 。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

13、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。 MSS不锈钢 MSS(MitsubishiSpecialSteel)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 。 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

14、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。 不锈钢螺旋桨材料的优点： 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。不锈钢作为

15、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。 不锈钢螺旋桨材料的缺点 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,