文章编号:100321545(2002)0620043204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:ADevelopment of the Stainless Steel of Marine PropellerFang Zhengchun(Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang471039,China)Abstract　The development of the stainless steel for marine propeller is reviewed.S ome 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.K eyw ords　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:20022022071　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1724p H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1724p H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(Mitsubishi 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15～3010～205～12<7.53～6<1.0<0.08表2　MCF的力学性能编号σbΠMPaσ0.15ΠMPaδ5Π%HB壁厚Πmm 151518864.811130 250218362.011660 348819165.4111100 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(Mitsubishi 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<0.150.01～0.90.1～1.58.0～13.0 2.0～8.0 1.0～5.0 2.0～5.00.5～5.00.001～0.005余量 表4　MSS的力学性能状态σ0.2ΠMPaσbΠMPaδΠ%HB急冷6230.4363 12℃Πh缓冷772118815.2370 6℃Πh缓冷650107917.6341缓冷和时效1052112310.4363MSS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(Mitsubishi 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)+1.5w(Si)为17%～20%,Ni当量w (Ni)=w(Ni)+30w(C)+0.5w(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<3.017～19 5.0～6.50.5～2.0<1.5<0.04<0.04余量表6　MCRS的力学性能状态σ0.2ΠMPaσbΠMPaδΠ%HB900～950℃×10h(空冷)294～490883～98010～30200～300 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・54・第17卷第6期 方正春:船舶螺旋桨用不锈钢的发展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。