第八节船用材料的选用４轴承特点及材料选用轴系柴油机主要

§４轴承特点及材料选用

§3轴系§2柴油机主要零件材料第八节船用材料的选用§1概述§1概述

本节介绍重要船用机械的主要零件、螺旋桨等的工作条件，常见损伤形式，常用材料和热处理工艺以及其他强化手段。为轮机工作人员对船机维修、监修和监造等工作提供材料学方面的重要知识。选材原则：是在首先保证材料满足零件的使用性能的前提下，兼顾材料的工艺性能和经济性。一.满足零件的使用性能使用性能是指材料能保证零件正常工作所必须具备的性能。有力学性能、物理性能和化学性能，使用性能主要指材料的力学性。要正确分析零件的工作条件和主要失效形式，以准确判断力学性能指标。耐高温、低温性能、耐腐蚀性能，也需要重点考虑。A.分析零件的工作条件：工作条件指受力形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转或弯扭复合等），载荷性质（静载、动载、冲击、载荷分布等），受摩擦磨损情况，工作环境条件，以及导电、导热等特殊要求。曲轴是受弯扭复合的动载荷，主轴颈表面需要耐磨、耐腐蚀，选调质钢为主。主机缸套：主要受压，需要耐磨，选用铸铁为主。1.主机缸套要求1)缸套必须具有足够的强度和刚度；2)良好的耐磨性和抗腐蚀能力；3)良好的润滑和可靠的冷却；4)对气缸工作容积及冷却水空间应有可靠的气封和水封；5)对二冲程机缸套要有合理的气口形状和截面尺寸船舶螺旋桨：既要求具有高的强度、塑性和冲击韧性，又具有良好的抗穴蚀和抗电化学腐蚀的能力，常选锰铁黄铜。B.判断主要失效形式。C.合理选用材料的力学性能指标：对承载均匀，截面无突变，工作时不发生应力集中的零件，可选较高的硬度值；反之，有应力集中的零件，则需要有较高的塑性，硬度值应该适当降低；对高精度零件，为提高耐磨性，保持高精度，硬度值要大些；对相互摩擦的一对零件，两者的硬度值应有一定的差别，易磨损件或重要件应有较高的硬度值。轴颈应比滑动轴承硬度高；一对啮合传动齿轮，一般小齿轮齿面硬度应比大齿轮高；螺母硬度应比螺栓低一些。多数热作模具和某些冷作模具，切削刀具等，选材时还应该考虑其较高热硬性要求。D.综合考虑多种因素：储存酸碱的容器和管路，应以耐腐蚀为依据，选不锈钢的。柴油机连杆，不能产生过量的弹性变形，刚度为关键性能指标。要求弹性、密封、减震抗震，选橡胶材料。重要螺栓，主要的失效形式为过量的塑性变形和断裂，关键指标为屈服强度和疲劳强度。内燃机排气阀工作温度为600~700，选用耐热钢。E.合理利用材料的淬透性:在动载荷下工作的重要零件（缸盖螺栓、贯穿螺栓），应选用能全部淬透的钢，采用合金调质钢。二.兼顾材料的工艺性。材料的工艺性能是指材料适应某种加工的难易程度。良好的工艺性不仅可以保证零件的制造质量,而且有利于提高生产力和降低成本。零件性能要求不高,一般采用铸铁、碳钢等制造，其工艺性能都较好；性能要求高的零件（合金钢，高强度铝合金），工艺路线：毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火）→精加工。预先热处理是为了改善切削加工性，并为最终热处理做好组织准备。柴油机缸套的和活塞环耐磨性要求好，又是受压为主，以铸铁为主，表面淬火。曲轴连杆、贯穿螺栓等重要受力零件选用锻造+调质处理。三、选材的经济性。必须保证他的生产和使用的总成本最低,材料价格占产品价格的30%~70%，能满足使用要求的前提下，应尽可能采用廉价的材料。少数对可靠性要求高，但对价格不敏感的柴油机如军舰用，一般不考虑价格用好材料。一般原则：能用铸铁不用钢，能用非合金钢不用合金钢，能用硅锰钢不用铬镍钢，能用型材不用锻件、加工件，且尽量的用加工性能好的材料。能正火使用的零件就不调质处理，材料来源要广，尽量的采用符合我国资源情况的材料，要从零件的总成本角度和机械全寿命周期来考虑。总的来说，碳钢和铸铁（尤其球墨铸铁）价格比较低廉，并有较好的公益性，应优先选用。低合金钢的强度比碳钢高，总的经济效益也比较显著，有扩大使用的趋势。船体用钢，一般都有较高的含锰量，选合金钢比普通碳钢轻，提高载货量，提高整体经济性，所以材料也并非越便宜越好。§2柴油机主要零件材料一、曲轴曲轴是柴油机最重要的部件之一。它的作用是将各缸的功率汇集起来以回转运动形式输送出去。曲轴有主轴颈、曲柄臂、曲柄销和输出法兰等部分组成。小型曲轴常做成整体式，大中型曲轴多制成半组合和全组合式，全组合式曲轴的曲柄臂和主轴颈以及曲柄销之间都是用红套或液压套配合的。输出法兰主轴颈曲柄臂曲柄销输出法兰曲轴承受冲击，内有弯矩和扭矩，轴颈受摩擦、腐蚀，又经常产生疲劳裂纹。要具有良好的综合机械性能，尤其是足够的疲劳强度。pistonpistonringconnectionrodcrankshaft十字头连杆小型整体式曲轴常用的材料:40、45、40Cr、45Cr等中碳钢或者合金调质钢，也有球墨铸铁。大中型曲轴的轴颈与整体式一致，曲柄臂采用铸钢。轴颈表面渗碳处理，使其硬化。二、气缸套气缸套是组成燃烧室的部件之一。其内壁与燃气直接接触，其外壁有缸套冷却水进行冷却。承受很大的热负荷、机械负荷和严重的腐蚀，润滑条件很差，有剧烈的摩擦。缸套的主要损伤形式是磨损。首先要求他具有足够的强度、硬度和耐磨性，以及耐热性、导热、耐蚀性。材料（耐磨、中空）：常用合金铸铁（高磷铸铁）。部分柴油机气缸套采用球墨铸铁和普通灰口铸铁。气缸实例

三、气缸盖一）、气缸盖的作用1)密封气缸、与活塞和缸套一起组成燃烧室；2)安装阀件，有喷油器、气缸起动阀、安全阀（开启压力不超过1.4倍最高爆发压力)、示功阀、排气阀、进气阀（四冲程机)，以及气阀的传动机构等；3)布置冷却水通道；4)四冲程柴油机缸盖中要布置进、排气通道二）、气缸盖工作条件1)柴油机工作时，气缸盖底面要受到高温、高压燃气的作用；2)冷却水腔受到水的腐蚀作用；3)受到缸盖螺栓予紧力作用；4)缸盖结构复杂使机械应力和热应力分布不均匀三）、气缸盖的要求具有足够的强度和刚度、冷却良好、温度低而均匀、构造简单，并便于拆装、检修和管理四）、气缸盖材料灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁以及铸钢、锻钢等材料，现代二冲程长冲程柴油机的缸盖大多采用锻钢制造，而中、小型高速柴油机的缸盖则常用灰铸铁二冲程B＆WL-GB型直流扫气柴油机气缸盖瓦西兰L20型四冲程高速柴油机的气缸盖6300型四冲程中速柴油机的气缸盖四、活塞1.活塞的作用1)保证密封的情况下完成压缩和膨胀过程。2)并将气体力经连杆传递给曲轴。3)在筒形活塞式柴油机中，活塞承受侧推力，起着滑块的作用。4)在二冲程柴油机中活塞还启闭气口，控制换气。2．活塞的工作条件1)承受燃气压力和往复惯性力所引起的带有冲击性的机械负荷；2)活塞顶部直接接触高温燃气，不仅热负荷很高，各部分间有温差热应力，而且还受到燃气的化学侵蚀（低温腐蚀)；3)活塞作往复运动，活塞与气缸润滑状态差，磨损严重；4)在中、高速柴油机中，活塞的往复惯性力还会使柴油机振动加剧3、活塞的要求1)热强度高、刚度大2)密封可靠3)散热性好、冷却效果好4)摩擦损失小、耐磨损5)中、高速柴油机还要求活塞重量轻4.活塞材料

A.整体式

中、低速：合金铸铁；

高速：铸造铝硅合金ZL108、ZL110

B.组合式头部

大型低速：铸钢

中、高速：合金调质钢

组合式裙部：灰口铸铁、球墨铸铁图2.2-19插管喷射冷却活塞五、排气阀气阀是柴油机配气机构的主要零件，其作用是对柴油机进行正确的配气，以保证柴油机工作过程的连续进行。一般进气阀的工作温度为400~500C，排气阀的工作温度为650~840C。工作条件：摩擦和撞击，高温燃气的冲刷和腐蚀，是柴油机中工作条件最恶劣的零件之一。常见的损伤形式有：阀面磨损和烧蚀；阀杆外圆和端面磨损，并且由于冲击疲劳而断裂；气阀产生热变形。要求：有很好的耐热性、导热性，高温下保持足够的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性。进气阀的材料常用：合金调制钢40Cr、35CrMo，也采用气阀钢4Cr9Si2。排气阀常用:气阀钢4Cr9Si2。热处理都是调质处理。

六、柴油机轴承

1.作用支承轴；减磨；止推定位(小型机)。2.工作条件承受气体力、惯性力的作用；轴颈产生摩擦、磨损；受到变质滑油腐蚀船机设备中的轴承大多采用滑动轴承，结构简单，容易管理，维修方便。3．轴瓦结构结构有：两半式和整体衬套式两种形式。两半式轴瓦又由瓦壳和瓦衬组成。1）厚壁轴瓦结构：钢瓦壳上浇铸轴承合金，上下轴瓦内侧铣有油槽（垃圾糟），轴瓦的卷边用来防止它的轴向移动。厚壁瓦瓦壳材料多为铸钢，也有黄铜和青铜,瓦衬材料都是巴氏合金，允许拂刮。2）薄壁轴瓦：疲劳强度高，并且尺寸小、重量轻、造价低、互换性好薄壁瓦瓦壳材料多采用低碳钢,也有用青铜的,瓦衬材料有巴氏合金、铜铅合金、和高锡铝基合金等，不需要拂刮。薄壁瓦壳加工精细，互换性好，装配前不需要拂刮，拆装与更换方便。§3轴系一、螺旋桨轴：与螺旋桨连接的轴称为螺旋桨轴。当螺旋桨轴较短并安装于船体尾部的尾轴管中时又称为尾轴。船舶主推进动力装置（柴油机）的动力经推力轴、中间轴、尾轴和螺旋桨轴传递转矩给螺旋桨。螺旋桨轴内部产生扭矩，并在螺旋桨正车时承受压力，反车时承受拉力，呈复合受力状态。材料：必须具有良好的综合力学性能和较好的防腐能力。

民用船舶螺旋桨轴：一般采用中碳优质碳素结构钢(35、45）。军用螺旋桨轴：采用合金调制钢（40Cr)制作。图Fe-Cu电池示意图有色金属制作的螺旋桨与轴在海水环境中构成宏观腐蚀电池，会使阳极的螺旋桨轴发生强烈的电化学腐蚀。螺旋桨轴防腐蚀措施常采用阴极保护法和覆盖保护法。二、尾轴管轴承尾轴管轴承工作条件要比中间轴承恶劣的多，管理人员平时很难进行检查和维护，因此，对其可靠性和寿命要求比较高。水润滑轴承：水润滑尾轴，为了防止尾轴被腐蚀破坏，在尾轴工作轴颈部分包以铜套，即轴套或称衬套。

水润滑轴承常采用非金属材料。大型海船一般采用锡青铜ZQSn10-2,内河小船尾轴轴套一般采用锰黄铜ZHMn58-2§４轴承设计特点及材料选用一、滑动轴承滑动轴承的结构特点：用以支撑轴类零件，是各类机械最重要的基础零部件。滑动轴承和轴是间隙配合，即孔径大于轴径，靠其间的润滑油隔开运动副表面，润滑油要具有一定的压力。按运动形式，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滑动轴承经常应用在高速、高精度、重载和结构上要求剖分的。大型电机、汽轮机、内燃机、离心式压缩机、破碎机等机械常采用滑动轴承。滑动轴承润滑方式分为流体静压润滑、流体动压润滑。连杆小端轴承是整体式，而连杆大端是剖分式，柴油机主轴承也是剖分式。对滑动轴承合金材料性能的要求：1.承载能力。2.耐疲劳性。3.耐磨性。4.减摩性。5.抗咬合性。6.嵌藏性。7.顺应性。8.耐腐蚀性。9.耐热性。10.导热性。11.热膨胀性。12.工艺性。总之，较高的耐磨性、抗胶合、磨合性和亲油性良好；易于铸造；具有合适成分和合理结构。种类：软基体上分布硬质点;硬基体上分布软质点。滑动轴承轴承座上、下轴瓦轴承盖螺栓瓦壳：低碳钢或

铸钢瓦衬：轴承合金（耐磨合金层）铜基轴承合金（铅青铜、锡青铜）轴瓦1.两半式厚壁轴瓦2.两半式薄壁轴瓦3.整体衬套式瓦壳瓦壳瓦衬：合金层0.75~2mm,主要用于中低速柴油机轴承瓦衬：0.2~0.7mm主要用于中高速柴油机轴承。瓦衬：瓦壳:瓦壳:钢壳锡基：ZChSnSb11-6巴氏合金，加Sb、Cu铅基：ZChPbSb16-16-2巴氏合金铜基

铅青铜:ZQPb30

锡青铜：ZQSn10-1

低锡铝合金铝基

铝锑镁轴承合金

高锡铝合金：20及40号软基体上分布硬质点硬基体上分布软质点高锡铝基轴承合金含锡量大于10%，常用的20号高锡铝合金中Sn约20%左右，铜含量2%左右，其余为Al。他有取代巴氏合金、铜基合金和铝锑镁合金之势，广泛用于汽车、拖拉机和船用柴油机的轴承。目前船用大型低速柴油机已经较多的使用锡含量高达30%~40%的高锡铝基轴承合金，锡含量越高，轴承的表面性能越好，但是承载能力和疲劳强度略有下降。由于铝材价格低廉，高锡铝基轴承合金较巴氏合金价格低，制成薄壁轴瓦有价格和维护优势。巴氏