船体及螺旋桨的材料

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。①水泥优点：耐腐蚀性、抗振性、低温性能优良、造价低等特点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。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66000T液化石油气-预应力混凝土驳船②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③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(2.5~2.88)●强度高(可达490~590MPa)●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。④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：比重小、耐腐蚀性好、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，并积极研究探索解决金属腐蚀的各种防护技术方法和措施。①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。②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。③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、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(ZHAI67-5-2-2)和锰铝青铜(ZQAI12-8-3-2),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。①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。①13%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,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。②MCF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。③MSS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,因钢水会与石英砂起反应造成化学粘砂,则应采用镁砂作为造型材料。涂料也应采用耐火度高的诸如氧化锆系涂料。(2)绝大多数不锈钢都需要固溶热处理,以确保其使用性能。这不仅需增添热处理设备,而且导致螺旋桨铸件变形,这种变形又因材质、形状和尺寸的不同而不同,无一定规律性,从而给制定螺旋桨的铸造方案带来相当大的困难。(3)目前,铜合金螺旋桨的加工,均以劈铲和铣削为主。而对强度和硬度都很高的不锈钢来说,却无法实施,只能以磨削为主,使加工效率下降,劳动强度增大。谢谢观看！