CN104630547A - 一种高机械性能螺旋桨制造材料及其加工工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计船舶制造和新材料技术领域，特别是用于船用螺旋桨制造的一种高机械性能螺旋桨制造材料及其加工工艺方法，所述材料包含的化学成分及含量如下：Al铝8.8-9.5%,Mn 锰0.75-1.3%,Zn锌0.001-0.05%,Fe铁 4.0-4.5%,Ni镍4.5-5.0%,Sn锡0-0.05%,Pb 铅0-0.002%,P磷0.001-0.029%,SI硅 0.001-0.14%,CR 铬0.001-0.01%。本发明提出的材料克服了现有镍铝青铜材料铸造性好，但性能不足的确定，提出了一种新的镍铝青铜制造材料，能够同时兼顾铸造性和机械性能，并大大超过了现有制造材料的性能水平。

Description

一种高机械性能螺旋桨制造材料及其加工工艺方法

技术领域

本发明设计船舶制造和新材料技术领域，特别是用于船用螺旋桨制造的一种高机械性能螺旋桨制造材料及其加工工艺方法。

背景技术

在相同主机功率、螺旋桨转速的情况下，桨强度越高，桨的重量可以设计的越轻，主机的能源消耗越少。在相同主机功率、螺旋桨转速的情况下，桨强度越低，桨的重量设计的就越重，主机的能源消耗的越多，同时主轴的共振越强，振动的越厉害，对主机和船体的冲击越大，损害也越大。

目前的船用螺旋桨材料主要为铝青铜，铝青铜又可分为镍铝青铜CU3、锰铝青铜CU4，众所周知的成分和含量如下：

镍铝青铜CU3：Cu77-82%，Al 7-11%，Mn 0.5-4.0%，Zn ≤1%，Fe 2-6%，Ni 3-6%，余量为杂质元素。利用镍铝青铜制造的螺旋桨性能参数为：屈服点≥245 N/mm²，抗拉强度≥590 N/mm²，延伸率≥16%。

锰铝青铜CU3：Cu70-80%，Al 6.5-9.0%，Mn8-20%，Zn ≤6%，Fe 2-5%，Ni 1.5-3%，余量为杂质元素。

利用锰铝青铜制造的螺旋桨性能参数为：屈服点≥275 N/mm²，抗拉强度≥630 N/mm²，延伸率≥18%。

从上述数据可以看出，锰铝青铜CU4的机械性能高于镍铝青铜CU3，因此，在复杂工况情况运作的船，多采用锰铝青铜CU4。但由于锰铝青铜与镍铝青铜比耐腐蚀疲劳强度低，铸造性能差，易发生断裂事故，因此如果能提高镍铝青铜的机械性能，同时兼顾镍铝青铜耐腐蚀疲劳强度高的特性，对船舶的安全、环保和高效运行意义非常巨大。

螺旋桨材料与船的推进设计相关性如下：

目前螺旋桨材料存在如下的问题：

1. 虽然镍铝青铜CU3铸造性能较锰铝青铜好，铜水较锰铝青铜稳定，形成二次氧化夹渣的倾向小，但现有镍铝青铜材料性能偏低，已不能满足许多复杂工状下，船对螺旋桨高性能的要求。

2.锰铝青铜铸造性能较差，因锰元素较镍元素活跃，铸造过程中极易氧化，形成二次氧化夹渣，从而使锰铝青铜的桨产生许多缺陷，不易作为螺旋桨，特别是大中型船只的螺旋桨制造材料。

发明内容

本发明针对上述现有螺旋桨制造材料存在的问题，充分利用镍铝青铜铸造性能好，耐腐蚀疲劳强度高和可加工性好等特点，研制一种高机械性能的镍铝青铜螺旋桨材料替代锰铝青铜材料制作螺旋桨。以适应船舶大型化和轻量化的要求。

具体的技术方案如下：

一种高机械性能螺旋桨制造材料，其特征在于所述材料包含的化学成分及含量如下：

Al 铝    8.8-9.5%

Mn 锰    0.75-1.3%

Zn 锌    0.001-0.05%

Fe 铁    4.0-4.5%

Ni 镍   4.5-5.0%

Sn 锡   0-0.05%

Pb 铅    0-0.002%

P  磷    0.001-0.029%

SI 硅    0.001-0.14%

CR 铬    0.001-0.01%

余量为Cu 铜。

一种加工上述螺旋桨制造材料的工艺方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）金属熔炼步骤，将权利要求1所述制造材料所需金属材料按照先加入熔点高的合金，后加入熔点低的合金的原则进行金属材料的熔炼；

（2）添加剂步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中加入清渣覆盖熔剂和精炼剂；

（3）除气步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中去除因熔炼产生的气体；

（4）炉前扒渣步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中采用扒渣工具进行扒渣操作；

（5）检测步骤，采用光谱检测设备对步骤（1）中熔炼的合金化学元素进行检测；如果检测结果符合权利要求1中对制造材料的元素含量要求，则结束工艺流程；如果检测结果不符合利要求1中对制造材料的元素含量要求，则重复以上步骤，直至获得符合要求的熔炼合金材料。

在上述加工工艺中，步骤（1）中金属材料的熔炼加入采用分批分次加入，且熔点低和具有较高挥发性的金属材料分开添加熔炼。其中，特别需要注意的是，金属材料铝应当分批次加入熔炼，且不能作为最后一道加入工序的添加材料。

在上述加工工艺中，步骤（3）中采用的除气方法包括熔剂精炼除气、真空精炼除气、真空吹氩除气、吹惰性气体除气。

有益效果：

1．克服了现有镍铝青铜材料铸造性好，但性能不足的确定，提出了一种新的镍铝青铜制造材料，能够同时兼顾铸造性和机械性能，并大大超过了现有制造材料的性能水平。

2.现有镍铝青铜的制造成本主要为镍金属材料的采购成本，而本发明提出的螺旋桨制造材料在相同机械性能的对比条件下，镍金属材料需求量较低，能够大大节省制造成本。

3.采用本制造材料制造的螺旋桨等部件能够提高部件的强度，降低部件重量，从而进一步减少主机的能源消耗，同时减轻主轴的共振，减轻对主机和船体的损害，延长主机的使用寿命和可保养时间。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加的清晰明确，下面结合具体的实施案例对本发明做进一步阐述。

实施例一：

一种高机械性能螺旋桨制造材料，包含的金属材料成分和重量比例如下：

Al 铝    9.5%

Mn 锰    1.3%

Zn 锌    0.05%

Fe 铁    4.5%

Ni 镍   5.0%

Sn 锡   0.05%

Pb 铅    0.002%

P  磷    0.029%

SI 硅    0.14%

CR 铬    0.01%

Cu 铜    79.428%。

在确认上述材料比例分量后按照以下步骤进行加工制造：

（1）金属熔炼步骤，将上述制造材料所需金属材料按照先加入熔点高的合金，后加入熔点低的合金的原则进行金属材料的熔炼，并且在加工过程中分批次加入，以避免骤然降低铜水温度，缩短熔化时间。熔化后再分别加入熔点较低或具有较高挥发性的合金，溶解能产生大量热效应的金属铝AL时，不宜一次加入或作最后一批炉料加入，以防铜水过热太高和损伤炉体。熔化时尽可能做到快速熔化，以防止和尽可能的减少合金的氧化和吸气。

（2）添加剂步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中加入清渣覆盖熔剂和精炼剂；铝青铜中铝含量较多，铝与氧的亲和力大，易氧化生成悬浮性的氧化渣，为防止合金液过多的氧化和吸气，清渣覆盖熔剂是熔炼时所需要的。同时为了精炼细化晶粒，铝青铜熔炼时通常要加入精炼剂，从而避免氧化、除气、除渣、细化精粒，提高材料强度及韧性的功能和作用。

（3）除气步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中去除因熔炼产生的气体；在上述的步骤（2）中加入精炼剂可以达到除气目的。

（4）炉前扒渣步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中采用扒渣工具进行扒渣操作；氧化夹渣是铜合金冶炼过程不可避免的，清除干净冶炼过程中铜水的氧化夹渣，从而保持铜水的纯净。

（5）检测步骤，7）  采用德国进口斯派克光谱检测设备对步骤（1）中熔炼的合金化学元素进行检测；如果检测结果符合权利要求1中对制造材料的元素含量要求，则结束工艺流程；如果检测结果不符合利要求1中对制造材料的元素含量要求，则重复以上步骤，直至获得符合要求的熔炼合金材料。

采用本案例生产的制造材料制造的螺旋桨经检测，具备的性能如下：

螺旋桨屈服点310N/mm²、抗拉强度≥700 N/mm²，延伸率24.5%，远高于现有镍铝青铜材质螺旋桨屈服点245N/mm²、抗拉强度≥590 N/mm²，延伸率16%的性能标准。

实施例二：

一种高机械性能螺旋桨制造材料，包含的金属材料成分和重量比例如下：

Al 铝    8.8%

Mn 锰    0.75%

Fe 铁    4.0%

Ni 镍   4.5%

Sn 锡   0.01%

Zn 锌    0.01%

Pb 铅    0.001%

P  磷    0.001%

SI 硅    0.001%

CR 铬    0.001%

Cu 铜    81.929%

在确认上述材料比例分量后按照以下步骤进行加工制造：

（1）金属熔炼步骤，将上述制造材料所需金属材料按照先加入熔点高的合金，后加入熔点低的合金的原则进行金属材料的熔炼，并且在加工过程中分批次加入，以避免骤然降低铜水温度，缩短熔化时间。熔化后再分别加入熔点较低或具有较高挥发性的合金，溶解能产生大量热效应的金属铝AL时，不宜一次加入或作最后一批炉料加入，以防铜水过热太高和损伤炉体。熔化时尽可能做到快速熔化，以防止和尽可能的减少合金的氧化和吸气。

（2）添加剂步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中加入清渣覆盖熔剂和精炼剂；铝青铜中铝含量较多，铝与氧的亲和力大，易氧化生成悬浮性的氧化渣，为防止合金液过多的氧化和吸气，清渣覆盖熔剂是熔炼时所需要的。同时为了精炼细化晶粒，铝青铜熔炼时通常要加入精炼剂，从而避免氧化、除气、除渣、细化精粒，提高材料强度及韧性的功能和作用。

（3）除气步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中去除因熔炼产生的气体；本实施例中采用以氮气为成分的吹惰性气体方法进行除气，达到铜合金除气、除渣、细化晶粒，提高产品机械性能的目的。

（4）炉前扒渣步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中采用扒渣工具进行扒渣操作；氧化夹渣是铜合金冶炼过程不可避免的，清除干净冶炼过程中铜水的氧化夹渣，从而保持铜水的纯净。

（5）检测步骤，7）  采用德国进口斯派克光谱检测设备对步骤（1）中熔炼的合金化学元素进行检测；如果检测结果符合权利要求1中对制造材料的元素含量要求，则结束工艺流程；如果检测结果不符合利要求1中对制造材料的元素含量要求，则重复以上步骤，直至获得符合要求的熔炼合金材料。

采用本案例生产的制造材料制造的螺旋桨经检测，具备的性能如下：

螺旋桨屈服点300N/mm²、抗拉强度≥680 N/mm²，延伸率20.5%，虽然相比要低于实施例一中的螺旋桨机械性能，但仍然远高于现有镍铝青铜材质螺旋桨的机械性能。现有镍铝青铜材质的螺旋桨性能指标：屈服点245N/mm²、抗拉强度≥590 N/mm²，延伸率16%的性能标准。

Claims (5)

1.一种高机械性能螺旋桨制造材料，其特征在于所述材料包含的化学成分及含量如下：

Al 铝    8.8-9.5%

Mn 锰    0.75-1.3%

Zn 锌    0.001-0.05%

Fe 铁    4.0-4.5%

Ni 镍  4.5-5.0%

Sn 锡  0-0.05%

Pb 铅    0-0.002%

P  磷    0.001-0.029%

SI 硅    0.001-0.14%

CR 铬    0.001-0.01%

余量为Cu 铜。

2.一种加工上述螺旋桨制造材料的工艺方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（1）金属熔炼步骤，将权利要求1所述制造材料所需金属材料按照先加入熔点高的合金，后加入熔点低的合金的原则进行金属材料的熔炼；

（2）添加剂步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中加入清渣覆盖熔剂和精炼剂；

（3）除气步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中去除因熔炼产生的气体；

（4）炉前扒渣步骤，在金属熔炼步骤（1）执行过程中采用扒渣工具进行扒渣操作；

（5）检测步骤，采用光谱检测设备对步骤（1）中熔炼的合金化学元素进行检测；如果检测结果符合权利要求1中对制造材料的元素含量要求，则结束工艺流程；如果检测结果不符合利要求1中对制造材料的元素含量要求，则重复以上步骤，直至获得符合要求的熔炼合金材料。

3.如权利要求2所述的螺旋桨制造材料工艺方法，在上述加工工艺中，步骤（1）中金属材料的熔炼加入采用分批分次加入，且熔点低和具有较高挥发性的金属材料分开添加熔炼。

4.如权利要求3所述的螺旋桨制造材料工艺方法，所述金属材料铝为分批次加入熔炼，且不能作为最后一道加入工序的添加材料。

5.如权利要求2所述的螺旋桨制造材料工艺方法，步骤（3）中采用的除气方法包括熔剂精炼除气、真空精炼除气、真空吹氩除气、吹惰性气体除气。