鱼雷用金属材料

万象 百科 2020-07-01 05:39

鱼雷材料包括金属材料和非金属材料两大类,由于鱼雷产品中常用的主要是金属材料,材料的基本性能、标准、技术规范、工艺规程等不管是对设计单位,还是对制造、使用单位都十分重要。

一、钢铁材料

钢铁材料是鱼雷产品常用的基础材料。在早期的鱼雷产品中。钢材的用量是相当大的,占到产品的1/2以上,连鱼雷的壳体都是采用钢板卷焊而成。随着鱼雷产品性能的不断改进和提高,鱼雷材料也有了很大的发展,铝合金、高强度钢、钛合金、功能材料等优质、新型材料不断被引进来,钢材也转向以采用优质钢、不锈钢为主。下面仅就鱼雷产品中常用钢材的加工特性做一介绍。

1.常用碳素钢

碳素钢是指以铁、碳为主要成分、没有添加其他合金元素的铁碳合金,它按其杂质含量不同分为:

(1)普通碳素钢。鱼雷上用到的普通碳素钢大都是低碳钢,常用牌号为Q235,它的强度虽然不高,但材料的工艺性能很好,焊接、锻造、切削加工等都很容易,价格又便宜,材料品种也多,有圆钢、角钢、扁钢、槽钢、钢板、钢丝等,易于采购,故常常用于制作一般的、受力不大的各种构件,如支架、底板、标准件、工装、夹具。

(2)优质碳素钢(包括碳素结构钢、碳素工具钢)。由于它的杂质含量较少,故具有比普通碳素钢要好的综合力学性能。常用的优质碳素结构钢为
2.常用合金钢

为了改善和提高钢的性能,专门添加了各种合金元素的钢材即合金钢。合金钢按其所含合金元素的多少,可分为:低合金钢、合金钢(包括中、高合金钢)。按其性能和使用特性可分为:合金结构钢、合金弹簧钢;合金工具钢;高速工具钢;轴承钢;不锈钢、耐热钢、耐蚀钢;特殊物理性能钢(磁钢、高电阻钢……)。按其质量等级分:优质合金钢、特殊质量合金钢。

由于合金元素的作用,钢的许多性能,例如力学性能、耐热性能、抗腐蚀性能,得到不同程度的改善和提高,但它的加工性能一般都变得要求更高、更严格。只有一些专门用途钢,例如易切削钢、铆螺钢、焊接用钢,由于添加了一些特殊成分,使它们在某一方面具有独特的、良好的工艺性能。

下面简单介绍一些鱼雷常用的合金钢。

1)合金结构钢、合金弹簧钢

合金结构钢包括工程结构用合金钢和机械结构用合金钢,鱼雷产品中主要用的是机械结构用合金钢,它们通常为中、低碳钢,其合金元素的含量不太高(但比低合金钢要高一些)。但为数不多的合金元素使钢材的力学性能有大的提高,同时,还极大地改善了钢的淬透性能,这对尺寸大的零件尤为重要,因为它可以使零件的总体力学性能得到很大提高。因此,鱼雷产品中的重要受力件,例如齿轮、轴、舵等受力构件广泛采用40Cr、35CrMo、38CrMoAlA等合金结构钢制造。

合金结构钢、合金弹簧钢的工艺大都比较成熟。它们的锻造性能一般;焊接性能不是太好;软状态(正火、退火、热轧)下的切削加工性能尚可;热处理强化效果明显。因此,通常在软状态下进行切削加工(粗加工),然后进行强化热处理(调质、或淬硬),最后进行精加工。加工制造中要注意的是,如果加工中不对其进行强化热处理,材料的力学性能优势就不会得到充分发挥。

合金弹簧钢中常用的有65Mn、60Si2Mn、50CrVA等牌号,广泛用做受力较大的螺旋弹簧、弹簧片。为了充分发挥材料的性能潜力,往往需要同时采用热处理强化和冷变形强化来提高材料的力学性能。为此,原材料生产厂通过特殊的生产工艺,提供了综合力学性能很好(弹性极限相当高、塑性也好)、表面光洁的钢丝或钢带,所以应优先考虑采用这种状态的原材料。在加工制造过程中要注意,对此类已经过强化处理的材料,应先进行冷变形成形加工,然后对零件进行低温消除应力处理。如果不进行低温消除应力处理,会使材料的抗疲劳性能不好。对此类材料一般在加工过程中不得再进行重复淬火或退火、正火等热处理,否则会使材料的力学性能明显下降,而且无法完全恢复,零件的表面也会因为高温氧化、脱碳而变得很差。

2)合金工具钢

合金工具钢的含碳量相对来说都比较高,而合金元素的含量,有的材料如CrWMn、9CrSi等工具钢也不高,有的材料如9Crl8、4Crl3等就比较高。它们都具有比碳素工具钢更好的耐磨性、韧性、淬透性。合金工具钢在鱼雷产品上的应用并不多,主要用于一些要求特殊耐磨或耐磨耐腐蚀的阀杆、工具等。合金工具钢的工艺性能和碳素工具钢有很多类似的地方,但工艺要求更严格。合金工具钢的淬透性比较好,这给热处理操作带来了一些方便。

3)不锈钢、耐热钢、耐蚀钢

这一类钢都是高合金钢,具有独特的耐腐蚀或耐热性能。常用的有2Cr13、1Crl7Ni2、1Crl8Ni9Ti、0Crl7Ni4Cu4Nb、0Crl7Ni7Al等,被广泛用于各种重要的受力件,如轴、连接杆、螺栓、弹簧等。合金元素在提高材料综合力学性能的同时,使得材料的工艺性能普遍变得较差。此类钢由于合金元素的含量都比较高,导热性能不好;其热加工(锻造、焊接、热处理等)性能不好,容易产生裂纹、过烧等缺陷,对加工工艺要求严格;其切削加工性能也差,往往需要在加工刀具、切削加工工艺及冷却液方面采取一些措施。因此,不锈钢对加工工艺、加工设备、刀具等的要求都比一般钢材都要高。

其次在加工制造中要注意的是不锈钢并不是在任何条件下都是“不锈”的,通常所说的“不锈钢”只是指在大气和淡水介质中具有良好的抗腐蚀性能,它们对海水的抗腐蚀性能并不好。同时,材料的热处理和表面处理状态对其抗腐蚀性能也有较大的影响,例如常用的2Crl3马氏体不锈钢,在退火、热轧(锻)状态下它的强度低,而且抗腐蚀性能不好;在调质状态下才具有较好的综合性能,这时不仅综合力学性能好,而且抗腐蚀性能也较好。又例如1Cr]8Ni9Ti奥氏体不锈钢,在固溶状态下的抗腐蚀性能最好,这时材料的强度很低,塑性、韧性很好,但切削加工性能很差;而在退火状态下,材料的机械强度和切削加工性能有所改善,但抗腐蚀性能要差一些,抗海水腐蚀性能更差。因此,在制造中要根据零件的具体工况条件来决定和选择工艺路线及材料的状态。

耐热钢是指在高温下具有良好的力学性能和抗高温氧化性能的合金钢,常常把它放入高温合金中讨论。它们的加工特性和不锈钢差不多,有的可能更难加工。耐热钢主要用于鱼雷的动力部分,常用的是1Crl8Ni9Ti(它既可做不锈钢,又可做耐热钢)。

4)轴承钢

轴承钢包括高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等,应用最多的是GCrl5。轴承钢的组织结构对它的使用寿命影响极大,因此,它对锻造、热处理等影响其组织结构的工艺的要求很严格,要求高时往往需要由专业厂协作完成。

3.常用铸铁、铸钢

铸铁、铸钢是适用于用铸造方法成形的钢铁材料。钢材有一个特点,既可以变形加工成各种型材,又可以铸造加工成各种铸件,如45钢、2Crl3不锈钢等。

铸铁的强度不高,塑性差,在鱼雷产品上的应用很少。灰(口)铸铁适宜制造承受压力和抗一定振动的铸件,在鱼雷产品中铸铁被用于制造不重要的零件,或加工过程中的工艺装备。

二、铜及铜合金

铜及铜合金可以说是最古老的鱼雷用材料,在早期的鱼雷产品,例如在第二次世界大战中使用的苏制53—39鱼雷中,大量的、重要的结构件都是用铜合金制造的。这主要是因为铜及铜合金具有良好的综合性能。它具有良好的导电、导热性能;在力学性能方面,它的强度中等,耐磨,塑性、韧性可以;它的工艺性能很好,加工工艺历史悠久、成熟,加工制造容易;此外,它还具有优良的耐腐蚀性能,特别是耐海水腐蚀性能好,使它在早期鱼雷产品上获得广泛的应用。但是,铜及铜合金还是价格有点贵的材料,加上铜的密度也比较大,在后来的鱼雷产品上的应用日益减少,现已大量为其他金属材料、非金属材料所代替。因此,在现代鱼雷产品中只有少量零件还在使用铜及铜合金。

铜及铜合金的种类相当多,不加限制地使用会给生产和管理带来很多问题,据资料报导,在
三、铝及铝合金

随着鱼雷产品性能的不断提高,要求鱼雷的重量越来越轻、速度越来越快,从而使得铝合金在鱼雷上的应用迅速增多。鱼雷上的很多钢、铜结构零件都为铝合金所替代,甚至在某些鱼雷发动机上,铝合金也广泛采用,铝及铝合金现在已经成为鱼雷产品的常用金属材料。

铝合金的最大特点是它的重量轻,铝的耐腐蚀性能较好,导电、导热性能良好,切削加工容易,可以进行铸造、焊接、压力加工等,综合工艺性能尚可,但它对加工工艺要求比较严格,稍有不当,就会产生过热、过烧、裂纹等缺陷。

铝及铝合金的分类,常用的和基本的分类方法是按照铝及铝合金的加工特性和材料的主要性能来分类。按照加工方法特性可分为变形铝合金和铸造铝合金;按照材料的性能特性可分为工业纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝等。

四、镁及镁合金

镁合金是当前在用金属结构材料中最轻的一种。因此,尽管镁合金的强度和弹性模量比铝合金低,但它具有较高的比强度和比模量(比钢高)。由于镁合金的弹性模量较低,在相同的受力条件下,它能够消耗更大的变形力,因此镁合金具有优良的缓冲、减振性能,能够承受较大的冲击振动载荷,这是镁合金的另一个特点。镁又是一种很活泼的金属元素,很容易燃烧、氧化,它在潮湿大气条件下的腐蚀稳定性差,耐热性能更差。

五、钛及钛合金

钛及钛合金是在第二次世界大战以后才发展起来的新型金属材料,从研究到生产、应用仅有几十年的历史,是一个很有发展前途的金属材料。

钛的主要特征是它的密度小(介于钢和铝之间),比强度高;线膨胀系数小,故高温热应力低,热加工变形小;它的磁导率低,是良好的抗磁材料。钛及钛合金的机械强度高,现在,高强度钛合金的强度能达到高强度钢的水平,常用钛合金的强度也能赶上一般的合金结构钢。而且,钛及钛合金的疲劳强度也较高。钛及钛合金具有良好的高、低温性能,它的常温、低温韧性都好;钛合金的耐热性能仅次于耐热钢,远比铝、镁合金要好;钛及钛合金还具有独特的优良抗腐蚀性能,特别是耐海水腐蚀性能很好,是一种很有发展前途的鱼雷产品材料。钛及钛合金产品的制造涉及多种工艺(锻造、施压、等温锻造、板材的超塑成型和扩散连接、铸造、钨板氩气保护焊、电子束焊、机械加工、热处理、酸洗、化学切削等),有其加工制造上的特点。

六、高温合金

高温合金是在600℃~1100℃高温下工作的金属材料,即在高温下具有高的强度(持久强度、蠕变强度和疲劳强度)和好的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能的合金。高温合金按材料的特性不同,可以分为热强合金(热强钢单列)和抗氧化合金(抗氧化钢单列)。前者以高温下具有好的高温强度为主,同时有一定的抗氧化性能和耐腐蚀性能;后者以在高温下具有优良的抗氧化性能和耐腐蚀性能为主,同时具有一定的高温强度。高温合金按基体金属材料的不同,可以分为铁基高温合金(耐热钢单列)、镍基高温合金、钴基高温合金。高温合金按其强化方式的不同可以分为固溶强化合金、时效硬化(沉淀硬化)合金、弥散硬化合金。

七、精密合金

精密合金是指具有特殊物理性能(力学性能、磁性能、电性能、热性能等)的金属材料,按其性能特点分为软磁合金(1Jxx)、变形永磁合金(半硬磁合金)(2Jxx)、弹性合金(3Jxx)、膨胀合金(4jxX)、热双金属(5Jxx)、精密电阻合金(6J)x)、热工合金(7Jxx)。

软磁合金:软磁合金与常用的电工纯铁、硅钢相比,其最大特点是它具有优良的、独特的磁性能,适用于在某些特定的磁场条件下工作。 (

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