銅合金船用螺旋槳的成分設(shè)計(jì)及性能分析

銅合金螺旋槳成分設(shè)計(jì)與機(jī)械性能

中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》把銅合金螺旋槳分為4個(gè)級(jí)別。

分體澆鑄的吉爾試件的機(jī)械性能僅僅作為一個(gè)統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)來代表每爐銅合金的性能，它并不是鑄件本體的性能。通常，鑄件本體的機(jī)械性能要比分體吉爾試件的機(jī)械性能低30%。

工廠如果在爐前進(jìn)行桶樣分析，應(yīng)注意個(gè)別易燒損元素（如Al、Zn）尤其是黃銅合金（包括中國(guó)船級(jí)社規(guī)范中的一、二級(jí)銅合金）中的Zn元素，因?yàn)樵趶某鰻t到澆鑄的過程中可能存在較大燒損，所以應(yīng)采取措施以確定其最終成分。

銅合金金相組織對(duì)性能的影響

Cu1和Cu2型合金的螺旋槳產(chǎn)品應(yīng)逐個(gè)澆包取樣并進(jìn)行金相檢驗(yàn)，測(cè)定α相的比例。試樣可由拉伸試樣的一端截取，其顯微組織是兩相結(jié)構(gòu)，即較硬的β相（以電子化合物CuZn為基的固溶體，具有體心立方晶格）基體中分布著較軟的、韌性好的α相粒子（Zn在銅中的固溶體，具有面心立方晶格），這兩相組織的相互比例影響著材料的機(jī)械性能。β相的含量增高，會(huì)導(dǎo)致材料的抗拉強(qiáng)度增高，硬度增高，韌性降低。在海水中，β相對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂十分敏感。因此，β相應(yīng)保持低含量，以保證足夠的冷加工塑性和耐腐蝕疲勞性能。

經(jīng)驗(yàn)表明，錳青銅螺旋槳中的α相含量約為40%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、韌性、腐蝕疲勞強(qiáng)度特性為最佳。α相含量小于25%的銅合金，在焊補(bǔ)修復(fù)的周圍區(qū)域，具有應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。為保證足夠的韌性，由5個(gè)不同視野測(cè)出的α相組織的平均值應(yīng)不低于25%。

為滿足高強(qiáng)度黃銅螺旋槳金相組織中β相應(yīng)保持低含量的要求，在銅合金成分設(shè)計(jì)時(shí)可以利用鋅當(dāng)量計(jì)算來近似評(píng)價(jià)組織中的β相所占比例。鋅含量是指含1%的合金元素相當(dāng)于鋅的百分比的作用。鋅含量不應(yīng)超過45%，當(dāng)α相的比例達(dá)到或超過25%時(shí)，可不考慮鋅含量的要求。

錳青銅（Cu1）和鎳錳青銅（Cu2）二者對(duì)應(yīng)力腐蝕具有敏感性，當(dāng)槳葉邊緣局部加熱至300℃以上時(shí)，受熱區(qū)的兩邊冷卻至常溫過程，會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力，從加熱溫度快速冷卻會(huì)導(dǎo)致α和β相的不理想分布。這種情況下的螺旋槳在海水中易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。因此，常會(huì)看到局部加熱修復(fù)的區(qū)域自邊緣向區(qū)域內(nèi)延伸的裂紋，這種形式的裂紋可在浸入海水后3個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生，但若應(yīng)力較低，則需1年或更長(zhǎng)的時(shí)間才能表現(xiàn)出來，由于緩慢冷卻會(huì)給α相的形成以充足的時(shí)間，所以控制冷卻速度可以有效地解決此問題。因此，對(duì)這兩種材質(zhì)，無論是預(yù)熱還是應(yīng)力消除操作，都必須慎重選擇合適的加熱程序，這意味著加熱應(yīng)是緩慢的，以便熱量能完全擴(kuò)散。如果要使應(yīng)力擴(kuò)散到槳葉的大部分區(qū)域（包括修復(fù)部分），則應(yīng)將槳葉緩慢均勻地加熱至350℃以上，然后，槳葉用絕熱毯覆蓋.鎳鋁青銅合金（Cu3）的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性小，腐蝕疲勞強(qiáng)度高，但Cu3合金在200~400℃之間易于出現(xiàn)脆裂，如果要求進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，則加熱溫度至少應(yīng)在450℃以上。
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