第十六章 轮机主要零件材料及热处理

国产柴油机连杆材料及热处理
第三节 活 塞
活塞是柴油机的主要运动部件之一,也是 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。其结构形式 有十字头式活塞和筒形活塞两种 。
十字头活塞组
筒型活塞组
筒形 活塞 式和 十字 头式 柴油 机构 造示 意图
活塞的工作条件
活塞的工作条件是相当恶劣的，它与温度为 1400-1800℃,并且压力高达13ＭPa以上的燃气相 接触，产生很大的热应力和交变的机械应力， 又受到燃气的严重腐蚀,而且在边界润滑条件下 与气缸壁产生强烈的摩擦和撞击。
活塞常见的损伤形式有： (1)在变化的热应力和交变的机械应力作用下所
产生的疲劳裂纹。 (2)活塞外圆过度磨损并产生圆度和圆柱度误差。 (3)活塞环槽严重磨损。 (4)活塞顶烧损或产生龟裂。
活塞的常用材料和热处理 船用大型低速柴油机的活塞通常是十字头组合式的, 活
塞头的材料常用 ZG230－450、ＺＧ270－500等铸钢和 ZG25Mo、ZG35CrMo等合金铸钢,其热处理工艺常采 用正火加退火,得到珠光体加铁素体组织,具有一定的耐 热性。中、高速柴油机的活塞头则常用 38ＣrＭoＡlＡ 渗氮钢和35ＣrＭo、40ＣrＳi等合金调质钢, 具有更好 的耐热性和耐蚀性。裙部常用灰口铸铁ＨＴ250和球墨 铸铁ＱＴ500-7,经退火处理,具有很好的耐磨性。 中、低速柴油机的整体式活塞常用合金铸铁,含有Ｃr、 Ｍo、Ｃu、Ｎi等合金元素。也可以采用普通灰口铸铁 和球墨铸铁。 高速柴油机的整体式活塞常用铸造铝硅合金ＺＬ108、 ＺＬ110等,热处理工艺为淬火加时效处理。也可以用锻 铝ＬＤ8、LD10等， 也采用淬火加时效处理。铝活塞很 轻，可以大大减少其往复惯性力。
松孔镀铬
喷钼
国产船用柴油机活塞环材料及硬度
第五节 活塞销
活塞销的工作条件
活塞销的作用是使筒形活塞和连杆小端相连接。由活 塞传来的气体压力和活塞组件的惯性力对活塞销产生 冲击性的变化的弯矩。在活塞销座和连杆小端的端面 上，活塞销受到剪切作用。活塞销与连杆小端轴承以 及活塞销座之间有严重的摩擦，由于相互摆动，不容 易形成连续的润滑油膜，所以润滑条件比较差。
(6)轴颈受到摩擦和变质滑油的腐蚀。
曲轴常见的损伤
(1)轴颈磨损，轴径变小，并产生圆度和圆柱度误 差。轴颈上出现划痕、擦伤和腐蚀斑点。
(2)应力集中部位出现疲劳裂纹，甚至断裂。 (3)组合式曲轴在红套或液压套合处产生滑移。
曲轴的常用材料
小型整体式曲轴的材料常用 40、45、40Ｃr、 45Ｃr 等中碳钢和低合金钢。也可以用ＱＴ 600-3和ＱＴ700－2等球墨铸铁。大中型组合 式曲轴的轴颈常用35和40等中碳钢,曲柄常用 ＺＧ270－500,ＺＧ25ＭnＶ等铸钢。
效压力较高的中、低速柴油机 ，连杆材料可以选用优 质碳素结构钢40和45等,最终热处理为正火, 得到珠光 体加铁素体组织，综合机械性能较好。 对于中、高速大功率增压柴油机, 连杆材料常选用合金 调质钢, 如40Ｃr、35ＣrＭoＡ 、40ＣrＮi、42ＣrＭo、 18ＣrＮiＷＡ、18ＣrＮiＭn、30ＣrＭnＭo、40ＣrＮi Ｍo等,最终热处理通常为调质处理,得到回火索氏体,具 有很好的综合机械性能。
铸铁具有很好的耐磨性，减震性、铸造性和切削性,所 以绝大部分柴油机均采用铸铁为气缸套材料。少数柴油 机对气缸套材料进行渗氮处理，所以采用渗氮钢38Ｃr ＭoＡ1A。
最常用的铸铁材料为合金铸铁, 如高磷铸铁、磷铬铸铁、 钒钛铸铁和硼铸铁等。
部分柴油机的气缸套则采用球墨铸铁和普通灰口铸铁 （孕育铸铁）, 其耐磨性，耐热性和耐蚀性均低于合金 铸铁，但是可以通过一些强化手段来提高它的性能
连杆常见的损伤形式有： (1)杆身变形。常见的有侧向弯曲、扭曲和
平面弯曲三种形。 (2)杆身裂纹、折断。常见于小型连杆。 (3)连杆大、小端轴承磨损。 (4)连杆大、小端轴承孔失圆，因而和活塞
销、十字头销或曲柄销的配合失常。 (5)连杆ห้องสมุดไป่ตู้栓变形、产生裂纹甚至折断。
连杆的常用材料、热处理 连杆应具有良好的综合力学性能。 平均有效压力不很高的中、小型高速柴油机和平均有
活塞销常见的损伤：
(1)过度磨损，使配合间隙过大，并产生 圆度和圆柱度误差。
(2)活塞销表面的渗碳层、渗氮层或电镀 层往往由于结合强度不够而发生脱落。
活塞销的常用材料和强化手段
对于平均有效压力不太高的柴油机, 活塞销常用15、20、 15Cr、15CrA、20Ｍn、20Ｃr 等低碳优质钢和低碳合 金钢, 在高速强载的柴油机上则采用 12ＣrＮi3Ａ、18 ＣrＭnＴi 、18ＣrＮiＷＡ、20ＣrＭnＴi、20ＳiＭnＶ Ｂ等合金成分较高的合金钢。
国产柴油机曲轴材料及热处理
第二节 连 杆
连杆是柴油机的主要运动部件之一。它将 作用在活塞上的气体压力以及活塞的惯性力传 给曲轴,将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动。 筒形活塞式柴油机用无十字头式连杆, 如图122a)所示。连杆小端与活塞销相连, 连杆大端与 曲柄销相连。十字头式柴油机用十字头式连杆， 如图12-2b)所示。连杆小端与十字头销相连， 连杆大端与曲柄销相连。
柴油机进、排气阀材料及热处理
第十节 精密偶件
精密偶件的的工作条件
气缸套最常用的强化手段：
表面强化：表面淬火（高频淬火、电接触 表面淬火、激光淬火）和表面化学热处理。
松孔镀铬
国产柴油机气缸套材料及热处理
第七节 凸轮及凸轮轴
凸轮和滚轮之间是线接触，承受 着脉冲性负荷,比压很大，非常不 利于润滑油膜的形成，处于边界 摩擦状态。
凸轮常见的损伤是磨损、点蚀、 擦伤和疲劳剥落。
活塞环常见的损伤形式有： (1)活塞环的外圆磨损,径向厚度减小,搭口
间隙增大。上下端面磨损,平面间隙增大。 (2)活塞环发生疲劳裂纹和折断。 (3)活塞环弹性减弱甚至消失。
活塞环常用的材料和强化手段
活塞环的材料通常都采用铸铁,因为铸铁具有 很好的耐磨性。最常用的是合金铸铁,也可以 用HT250和HT300等灰口铸铁以及采用 QT600－3等球墨铸铁。
无十字头式连杆与十字头式连杆
连杆的变形
连杆的工作条件
连杆工作时承受气体压力和活塞及连杆本身的 惯性力所产生的变化的拉、压应力和弯曲应力。 由于气缸和活塞组件摩擦副以及连杆大、小端 摩擦副的不均匀磨损, 造成了组成摩擦副零件的 形状和位置偏差,因而使连杆工作时还要受到扭 转力矩的作用。连杆的工作温度并不高，所以 热应力比较小。
气缸套常见的损伤形式：
(1)内圆表面由于剧烈的摩擦而产生过度磨损, 并产生圆度和圆柱度误差。严重时甚至发生 擦伤和拉缸的现象。
(2)由于交变的热应力和机械应力的作用而产 生疲劳裂纹,甚至裂穿。
(3)冷却水表面受到穴蚀和腐蚀。
气缸套的常用材料和热处理
由于气缸套的主要损伤形式是磨损，所以首先要求它具 有足够的强度、硬度和耐磨性。它又是组成燃烧室的部 件，所以又要有很好的耐热性、导热性和耐蚀性。
常用的强化手段有渗碳、渗氮和镀铬等。渗碳后进行 淬火和低温回火, 表层为回火马氏体组织，并均匀分布
国产船用柴油机活塞销材料及热处理
第六节 气缸套
气缸套的工作条件
气缸套是组成燃烧室的部件之一，其内壁 与燃气直接接触, 其外壁往往有冷却水进行冷 却，因此它承受着很大的热负荷、机械负荷和 严重的腐蚀。同时, 气缸还在润滑条件很差的 情况下与活塞组件进行着剧烈的摩擦。
曲轴的强化手段
合金钢和部分碳钢曲轴的最终热处理通常都是 调质处理, 以回火索氏体组织投入使用。
部分碳钢曲轴的最终热处理采用正火,得到珠光 体加铁素体组织,性能虽然略低于调质处理，但 是比较经济。
球墨铸铁的曲轴常采用正火和调质处理的热处 理工艺，球墨铸铁的曲轴还可以采用等温淬火 的工艺,得到下贝氏体的基体组织。
常见的损伤形式
重要螺栓常见的损伤有疲劳裂纹和断裂， 弯曲变形和腐蚀斑点等
重要螺栓的常用材料和热处理工艺
船用大型低速柴油机的重要螺栓常用40、45、 40Ｃr等中碳钢和中碳合金钢。高速强载柴 油机和重要螺栓则常用35CrMo、35CrMoA、 40CrMo、40MnB、40CrNi、35ＣrＮiＷ等 合金调质钢制造。最终热处理通常是调质处 理, 得到均匀的回火索氏体组织, 硬度为26－ 38HRC,具有很好的综合机械性能。大型低 速柴油机的重要螺栓也可用正火来代替调质 处理。
第九节 气 阀
气 阀 传 动 机 构
气阀、阀座与导套
气阀的工作条件
气阀是柴油机配气机构的主要零件,其作用是对柴 油机进行正确的配气,以保证柴油机工作过程的的 连续进行。四冲程柴油机的气缸盖上设有进、排 气阀, 二冲程直流扫气式柴油机的气缸盖上只设 有排气阀。一般进气阀的工作温度为400-500℃, 排气阀的工作温度为650-800℃ 气阀的阀杆和套 管之间不断摩擦,润滑条件很差,阀面和阀座之间 不断摩擦和撞击。排气阀还不断受到高温燃气的 冲刷和腐蚀,所以它是柴油机中工作条件最恶劣的
第八节 重要螺栓
船用柴油机的连杆螺栓、活塞杆螺栓、气 缸盖螺栓、主轴承螺栓和贯穿螺栓等都是非常重 要的螺栓，因为它们的断裂往往会造成整机毁坏 的严重事故。
重要螺栓的工作条件
重要螺栓工作时受到气体压力和运动部件 惯性力所产生的脉冲拉力，振动所产生的 附加拉力，零件变形产生的附加弯矩等， 此外，某些螺栓还往往受到高温的作用和 腐蚀。
国产柴油机活塞材料及热处理
第四节 活塞环
活塞环分为气环和油环两类。气环的作用 是保持燃烧室的气密性并把活塞的热量向气缸壁 传出，油环的作用是向气缸壁布油并避免多余的 滑油进入燃烧室，从而减少滑油的消耗，也减少 了燃烧室积炭的倾向。
活塞环的工作条件
活塞环与环槽之间产生磨损,活塞环外圆与气缸 壁之间也产生磨损,而且这些磨损都是在边界摩 擦状态下的剧烈磨损。活塞环还与高温、高压、 强腐蚀性的燃气相接触, 所以承受着很高的热负 荷、机械负荷和严重的腐蚀。
轮机工程材料（2018）
第十六章 轮机主要零件材料及热处理
李文戈 教授
商船学院
曲轴 连杆 活塞销 凸轮与凸轮轴 重要螺栓 活塞与活塞环 气缸套 气阀
第一节 曲轴
曲轴是柴油机中最重要的部件之一。它的 作用是将各缸的功率汇集起来以回转运动形式 输送出去。
曲轴由主轴颈、曲柄臂、曲柄销和输出法 蓝等部分所组成。
气阀常见的损伤形式有： (1)阀面磨损和烧蚀, (2) (3) (4)
气阀常用的材料和强化手段
气阀的工作温度很高，首先要求它具有很好的 耐热性、导热性、组织稳定性和较小的热膨胀 系数。同时要求它在高温下保持足够的强度、 硬度、耐磨性和耐蚀性。
进气阀的材料常用合金调质钢，如40Ｃr、40Ｃ rＮi、35ＣrＭo、38ＣrＳi等，也采用 气阀钢4 Ｃr9Ｓi2。排气阀常用4Ｃr9Ｓi2、4Ｃr10Ｓi2 Ｍo、4Ｃr14Ｎi14Ｗ2Ｍo等气阀钢 。进、排气 阀的最终热处理一般都是调质处理。
曲轴构造
曲轴的工作条件
(1)承受气体爆发压力和活塞连杆机构的惯性力 所产生的冲击性的弯矩和扭矩。
(2)带有推力肩的曲轴则要承受中间轴传来的 推力，并将推力传给机座。
(3)由于扭转振动而承受附加的扭矩。 (4)由于安装不正而产生附加的弯矩。 (5)由于柴油机咬缸、飞车,螺旋桨触礁、被渔
网或缆绳绞绊等事故而承受意外的弯矩和扭矩。
凸轮和凸轮轴的常用材料和强化手段
凸轮和凸轮轴的材料应具有足够的强度和硬度，而 且具有很高的接触疲劳强度和耐磨性 。常用材料有 15、20、45等优质碳素结构钢和20Ｃr、40Ｃr等合 金结构钢以及球墨铸铁等。
低碳钢和低碳合金钢常采用渗碳、淬火加低温回火 的热处理工艺，表面为回火马氏体组织，硬度达 58～62HRC,耐磨性很好。中碳钢和中碳合金钢则常 采用正火加表面感应淬火的热处理工艺,球墨铸铁则 常用高频淬火使表面硬化,均可得到很好的综合机械 性能。球墨铸铁的凸轮轴也可用等温淬火的热处理 工艺而获得下贝氏体的基体组织。