微课件轮机主要零件选材轮机工程陈培红课件

微课件－轮机主要零件选材轮机工程学院陈培红主讲2●机械零件材料的选用原则●曲轴●气缸套●气缸盖●活塞●活塞销●活塞环●气阀●柴油机轴承●螺旋桨●艉轴管轴承１５轮机主要零件选材一、机械零件材料的选用原则满足使用性能符合工艺性能兼顾经济性材料选用原则一、机械零件材料的选用原则１.使用性能零件工作条件分析满足安全性、可靠性、维修性等合理的性能指标选择合适的材料失效分析试验条件与实际工作条件的差别；热处理工艺改变组织后对性能指标的影响；形状尺寸效应等带来实际情况与实验数据之间的偏差。以性能指标作为判据选择材料时，应充分考虑三个因素：一、机械零件材料的选用原则１.使用性能（1）零件工作条件分析①受力状况——拉伸、压缩、弯曲、扭转；②载荷性质——静载荷、冲击载荷、循环载荷；③工作温度——常温、低温、高温；④环境介质——有无腐蚀介质或润滑剂的存在；⑤特殊性能要求——导电性、导热性、导磁性、密度、膨胀等。一、机械零件材料的选用原则１.使用性能（2）常用机械性能指标的选配①强度能否满足抵抗服役载荷的应力。②硬度对估计材料的磨损抗力和钢的大致强度都很有用.最广泛的应用是作为热处理的质量保证。③较高的塑性可对零件起到过载保护作用，使零件成形更为容易；④冲击韧性对材料组织缺陷和温度更为敏感，是判断材料脆断的一个重要指标7种类使用性能应用金属良好的机械性能，工艺性良好重要的结构零件和工程构件高分子材料强度、弹性模量、疲劳抗力、韧性等较低，但它密度小，减震性良好，耐腐蚀性好，弹性变形能力强，制造轻载传动齿轮、耐腐蚀的设备与零件和密封元件等陶瓷硬而脆，但耐高温和耐腐蚀性良好制造耐高温、耐腐蚀、耐磨的零件复合材料比强度高、比刚度好，抗冲击，耐疲劳，耐高温主要用于绝热发动机中的重要零件一、机械零件材料的选用原则（3）使用性能一、机械零件材料的选用原则２.工艺性能材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率高低、生产成本大小等起着重要作用；同使用性能相比，工艺性能处于次要地位但在特殊情况下，工艺性能也可能成为选材的主要依据。高分子材料、陶瓷材料的工艺路线较简单，而金属材料的工艺路线较复杂，但适应性能很好。机械零件最终使用性能很大程度上取决于热处理工艺，通常碳钢加热时易过热，造成晶粒粗大，淬火时易变形开裂，因此制造高强度、大截面形状复杂的零件，应选用合金钢。一、机械零件材料的选用原则２.工艺性能（1）性能要求不高的一般金属零件

毛坯→正火或退火→切削加工→零件（2）性能要求较高的金属零件

毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→精加工→零件（3）性能要求较高的精密金属零件毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工→稳定化处理→零件（1）金属材料的工艺路线10工艺性能原则常识铸造性成分接近共晶点的合金铸造性能最好。常用的铸造合金中铸造铝合金和铜合金最好，铸铁次之，铸钢最差。锻件或冲压件最好是纯金属或单相固溶体合金铝和铜压力加工性良好，低碳钢比高碳钢好，而碳钢比合金钢好。焊接性碳和合金元素含量越低，焊接性能越好低碳钢焊接性能良好，中、高碳钢和合金钢较差切削加工性加工表面质量、切屑排除难易程度、刀具磨损大小钢铁材料硬度控制在170～230HBS之间便于切削（２）工艺性能一、机械零件材料的选用原则11一、机械零件材料的选用原则３.经济性材料的成本可占产品价格的30％～70％。（1）材料的价格。生产和使用的总成本最低。(２)零件的总成本.来源丰富并顾及我国资源状况。（3）国家的资源等因素讨论发动机曲轴选用选用强韧性良好的钢制锻件，成本较高；高韧性并非必需要求，因为弯曲了的曲轴同样不能再使用；后成功地选用铸造曲轴（球墨铸铁制造），使成本降低很多。一、机械零件材料的选用原则４.选材的基本步骤一、机械零件材料的选用原则①对产品功能要求特性，包括可能互相矛盾的要求，确定相对优先次序；②决定产品每个构件所要求的性能，对各种候选材料在性能上进行比较；③对外形、材料和加工方法进行综合考虑。二、曲轴1.工况分析受交变载荷、弯矩和扭矩的作用；横截面变化处有较大的集中应力。曲轴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。２.失效分析良好的综合机械性能足够的疲劳强度优良的耐磨性磨损裂纹组合式滑移3.性能要求2.材料

低速柴油机－组合式：主轴颈中碳优质碳素结构钢（30、40、45号钢）曲柄铸钢（ZG270-450、ZG310-570、ZG25MnV等）

中高速柴油机－整体式：中碳优质碳素结构钢或合金调质钢，或球墨铸铁二、曲轴3.热处理碳钢曲轴：正火，粗加工后退火合金钢曲轴：退火，粗加工后调质铸钢曲柄：两次正火和低温退火高温扩散退火＋正火＋回火球墨铸铁曲轴：正火；等温淬火；颈轴表面高频淬火表面强化处理：

轴颈处氮化处理

圆角处：不可硬化，喷丸（可整个表面）、滚压强化二、曲轴三、气缸套1.工况分析热负荷、机械负荷、摩擦磨损；低温腐蚀和穴蚀。组成燃烧室。２.失效分析足够的抗压强度和硬度优良的耐磨性耐热性、导热性和耐蚀性磨损裂纹穴蚀和腐蚀3.性能要求3.热处理

表面强化：表面淬火，激光淬火松孔镀铬

低速、一般中高速：灰口铸铁HT250、HT300，高磷铸铁、钒钛铸铁中高速强载：硼合金铸铁，或球铁2.材料－－铸铁三、气缸套★少数柴油机对气缸套材料进行渗氮处理，所以采用渗氮钢38CrMoAlA镀铬的气缸套和镀铬的活塞环相配时，相溶使摩擦系数加大，甚至发生拉缸。四、气缸盖1.工况分析热负荷、安装预紧力和气体压力、高温腐蚀。组成燃烧室；安装柴油机各种附件；开设水腔和气道。２.失效分析足够的强度；足够的刚性;良好的耐热性；热膨胀系数小。工艺性好。阀座磨损裂纹3.性能要求整体式：400mm以下灰铸铁如HT250,400mm以上球墨铸铁QT400-15；大型低速柴油机采用铸钢如ZG35CrMo或铸铁-铸钢组合式缸盖（上下或内外）。强化机型锻钢——现代二冲程长行程柴油机的汽缸盖采用锻钢如35CrMo。四、气缸盖4.材料五、活塞1.工作条件

要求：

受高温高压燃气和往复惯性力作用摩擦和撞击

足够的强度、硬度，较高的疲劳强度和高温工作性能优良的导热性，较小的膨胀系数良好的耐磨性、耐蚀性高速柴油机需较小的比重以减小往复惯性力组成燃烧室的部件，它将气体压力经连杆传给曲轴，实现热能向机械能的转变。２.失效分析磨损裂纹烧蚀或龟裂2.材料和热处理五、活塞分类构成名称常用材料热处理大型低速柴油机活塞组合式活塞头耐热合金钢38CrMoAlA渗氮钢和40CrSi等合金调质钢正火+退火活塞裙耐磨（合金）铸铁退火中型强载柴油机组合式活塞头铸钢ZG270-500ZG25Mo正火加退火活塞裙球墨铸铁QT500-7退火强化度低及小型柴油机一体活塞本体铸铁HT250退火小型高速柴油机一体活塞本体铝合金ZL109LD8淬火加时效六、活塞销1.工作条件受气体力和往复惯性力周期性强烈冲击和剪切作用→强度高，刚度好，韧性好表面承受较大的摩擦磨损→表面硬度高，耐磨性好２.要求连接活塞与连杆，将活塞承受的力传给连杆。2.材料3.热处理低碳钢15、20号钢；合金渗碳钢15Cr、20Cr、20CrMnTi等渗碳＋淬火＋低温回火六、活塞销活塞销表面获得回火马氏体组织，硬度大于HRC58～62；低碳钢热处理后心部为铁素体＋珠光体的亚共析钢组织，硬度相当于HRC10～15；合金渗碳钢心部组织为低碳回火马氏体＋铁素体，硬度为HRC35～45七、活塞环1.工作条件

２.要求

受高温高压燃气作用外圆表面和端面受到摩擦、磨损

足够的强度、硬度良好的耐磨性与磨合性良好的耐热性与导热性良好的抗腐蚀性2.材料3.热处理

铸铁：灰铸铁HT250、HT300；球墨铸铁、含硼铸铁钢制刮油环——高速大功率

镀铬喷钼七、活塞环实践证明，第一道环镀铬后可使其使用寿命提高3～5倍，使气缸套磨损量减少一半。我国中、小型柴油机第一、二道活塞环普遍采用镀铬环。八、气阀１.工作条件

３.要求

承受较高热负荷排气阀受到高温废气的冲刷与腐蚀受到高压燃气的交变载荷作用，关阀有撞击磨损，阀杆与导套间有磨损耐热性、导热性、组织稳定性和较小的热膨胀系数小高温下保持足够的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性２.失效分析磨损断裂烧蚀2.材料3.热处理

进气阀：40Cr、35CrMo、40CrNi等合金调质钢

强载机型：气阀钢4Cr9Si2排气阀：气阀钢4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo

强载机型：4Cr14Ni4W2Mo——在700℃左右长期使用。4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo排气阀锻造毛坯退火处理

4Cr14Ni4W2Mo奥氏体型耐热钢通过时效处理八、气阀1.厚壁和薄壁轴瓦

瓦壳材料：

锡基巴氏合金和铅青铜轴瓦：低碳钢10、15、20号钢；铸钢ZG230－450

铝基轴承合金轴瓦：低碳钢05、08、10、15、20号钢

轴承合金材料：

主要是锡基巴氏合金九、柴油机轴承滑动轴承结构简单，容易管理，维修方便２.整体衬套式轴承

瓦壳材料：

铜衬套：铸造锡青铜钢衬套：低碳钢

轴承合金材料：铜铅合金或锡基巴氏合金九、柴油机轴承十、螺旋桨１.工作条件承受来自主机的巨大扭矩，受到海水或河水的冲刷和腐蚀２.要求

较高的强度、塑性和冲击韧性良好的抗穴蚀和抗电化学腐蚀的能力良好的铸造性和机械加工性能（3）材料锰黄铜、铝青铜、铸铁、铸钢、非金属材料主柴油机通过轴系把功率传至螺旋桨，螺旋桨回转与水作用产生轴向推力，再通过轴系、推力轴承传给船体，实现船舶前进与后退。十、螺旋桨３.材料种类性能应用锰黄铜加入Mn可提高黄铜的机械性能、工艺性能和对海水和过热蒸汽的耐蚀性；加入Fe可以细化晶粒，使黄铜的强度提高、韧性和塑性适当。强度高，韧性和塑性好，耐海、淡水和过热蒸汽腐蚀，有良好的铸造性和机械加工性。抗穴蚀性能差。非高速大型海船和军舰的螺旋桨铝青铜加入Fe、Mn、Ni等，可提高强度和加工工艺性能，抑制大型铸件的缓冷脆性（缓冷时产生粗大共析体使脆性大增）强度高，工艺性能好，耐海水、淡水、过热蒸汽的腐蚀，抗穴蚀性好，疲劳强度高，高速大型海船和军舰的螺旋桨铸铁HT200、HT250和球铁，具有铸造性好、价格低廉的优点；强度低、脆性大、耐腐蚀性差，寿命低。内河船舶螺旋桨铸钢钢的性能优于铸铁，但铸造性差，耐蚀性低冰区和内河航行的船舶非金属用塑料和复合材料制造螺旋桨具有质轻振动小，鸣音小，冲击韧性高，抗穴蚀和抗海、淡水腐蚀性好，制造工艺简单、价格低等优点。但强度和刚性较低，易老化，在浅水道航行易磨损小船上十一、艉轴管轴承艉轴管轴承按润滑形式可分为水润滑轴承和油润滑轴承两种十一、艉轴管轴承艉轴管轴承按润滑形式可分为水润滑轴承和油润滑轴承两种铁梨木木质坚硬，有韧性且耐海水腐蚀，与铜套的摩擦系数