銅合金船用螺旋槳的成分設計及性能分析

銅合金螺旋槳成分設計與機械性能

中國船級社《材料與焊接規范》把銅合金螺旋槳分為4個級別。

分體澆鑄的吉爾試件的機械性能僅僅作為一個統一的判定標準來代表每爐銅合金的性能，它并不是鑄件本體的性能。通常，鑄件本體的機械性能要比分體吉爾試件的機械性能低30%。

工廠如果在爐前進行桶樣分析，應注意個別易燒損元素（如Al、Zn）尤其是黃銅合金（包括中國船級社規范中的一、二級銅合金）中的Zn元素，因為在從出爐到澆鑄的過程中可能存在較大燒損，所以應采取措施以確定其最終成分。

銅合金金相組織對性能的影響

Cu1和Cu2型合金的螺旋槳產品應逐個澆包取樣并進行金相檢驗，測定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構，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械性能。β相的含量增高，會導致材料的抗拉強度增高，硬度增高，韌性降低。在海水中，β相對應力腐蝕開裂十分敏感。因此，β相應保持低含量，以保證足夠的冷加工塑性和耐腐蝕疲勞性能。

經驗表明，錳青銅螺旋槳中的α相含量約為40%時，其抗拉強度、韌性、腐蝕疲勞強度特性為最佳。α相含量小于25%的銅合金，在焊補修復的周圍區域，具有應力腐蝕開裂敏感性。為保證足夠的韌性，由5個不同視野測出的α相組織的平均值應不低于25%。

為滿足高強度黃銅螺旋槳金相組織中β相應保持低含量的要求，在銅合金成分設計時可以利用鋅當量計算來近似評價組織中的β相所占比例。鋅含量是指含1%的合金元素相當于鋅的百分比的作用。鋅含量不應超過45%，當α相的比例達到或超過25%時，可不考慮鋅含量的要求。

錳青銅（Cu1）和鎳錳青銅（Cu2）二者對應力腐蝕具有敏感性，當槳葉邊緣局部加熱至300℃以上時，受熱區的兩邊冷卻至常溫過程，會產生較高的應力，從加熱溫度快速冷卻會導致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生應力腐蝕裂紋。因此，常會看到局部加熱修復的區域自邊緣向區域內延伸的裂紋，這種形式的裂紋可在浸入海水后3個月內產生，但若應力較低，則需1年或更長的時間才能表現出來，由于緩慢冷卻會給α相的形成以充足的時間，所以控制冷卻速度可以有效地解決此問題。因此，對這兩種材質，無論是預熱還是應力消除操作，都必須慎重選擇合適的加熱程序，這意味著加熱應是緩慢的，以便熱量能完全擴散。如果要使應力擴散到槳葉的大部分區域（包括修復部分），則應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）的應力腐蝕斷裂敏感性小，腐蝕疲勞強度高，但Cu3合金在200~400℃之間易于出現脆裂，如果要求進行去應力熱處理，則加熱溫度至少應在450℃以上。
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