1、第三节 穴蚀穴蚀是水力机械或机件与液体相对高速运动时在机件表面上产生的一种破坏。穴蚀又称空泡腐蚀，或气蚀。 穴蚀也是一种局部腐蚀。穴蚀的特征是机件金属表面上聚集着小孔群，呈蜂窝状或呈分散状的孔穴。孔穴表面清洁无腐蚀产物附着，孔穴直径一般在 1mm 以上。例如，柴油机气缸套外表面上穴蚀小孔直径为 l5mm，最大可达 30mm，孔深可达 23mm，严重时穿透缸壁。船机零件发生穴蚀破坏的除柴油机气缸套外，还有轴瓦、喷油泵注塞、螺旋桨桨叶及离心泵叶轮等。机件穴蚀破坏日益引起人们的关注，尤其是缸套穴蚀已是船用发电柴油机的重要问题，引起国内外的重视与研究。一、柴油机气缸套的穴蚀气缸套穴蚀是船用中、高速柴油
2、机普遍存在的严重问题。随着柴油机的功率增加、强载度提高和高速、轻型化，气缸套穴蚀破坏就成为妨碍柴油机正常运转的首要问题，严重地影响柴油机的工作可靠性和气缸套的使用寿命。一般说来，船用中速和高速筒状活塞式柴油机，特别是高速、轻型大功率柴油机，不论是开式冷却还是闭式冷却，气缸套都有不同程度的穴蚀。例如，12V180 型、6150 型等高速柴油机，6300 型、6250 型、8NVD48A-2U 型等中速柴油机。有的柴油机投入运转不久(仅几十小时)就会在气缸套外圆表面上出现穴蚀小孔，甚至柴油机运转不足千小时缸套就因穴蚀穿孔而报废，此时缸套内表面尚未磨损。二冲程十字头式低速柴油机气缸套基本不发生穴蚀破
3、坏。1穴蚀部位缸套穴蚀发生在湿式气缸套外圆表面上，一般集中在柴油机的左右侧方向，特别是承受侧推力最大一侧的偏上方；冷却水进口、水流转向处和水腔狭窄处对应的缸壁上；缸套下部密封圈附近缸壁。穴蚀小孔呈蜂窝状或呈分散状，如 图 3-3 所示。缸套冷却水腔除缸套穴蚀外，不应忽视气缸套和气缸体材料的差异和材料内部的各种电化学不均匀性导致的宏观和微观电化学腐蚀。这两种腐蚀同时存在或交替进行均会加重缸套的腐蚀。此外，冷却水( 海水或淡水) 的水质、含气量、流速等均对穴蚀有影响。2.气缸套穴蚀机理 1）一般穴蚀机理迄今为止，关于穴蚀机理的论述很多，其中较为普遍接受的一种理论认为：机件发生穴蚀的先决条件是机件浸
4、于液体中，并与液体有相对运动，或机件在液体中受到某种能量的传递作用，形成液体中的局部瞬时高压或瞬时高真空。在瞬时高真空区，液体汽化形成气泡，或溶于水中的空气以空泡形式从液体中分离出来；在另一瞬间形成高压时，空泡、气泡被压缩，泡内气体迅速液化而使气泡溃灭，这时周围液体急速冲向溃灭处，产生极强的冲击波作用在金属表面。频繁地冲击，使机件表面金属逐渐剥落。与此同时，金属表面还产生微观电化学腐蚀，两种腐蚀交替进行共同作用致使机件穴蚀破坏。2) 气缸套穴蚀机理柴油机气缸套外圆表面与气缸体(或机体) 构成冷却水空间，在狭小的环形通道中流动着淡水或海水。柴油机运转时，由于缸套和活塞之间的间隙，活塞在侧推力作用
5、下不断地冲撞着缸壁的左、右侧，使气缸套产生高频振动。缸套高频振动和缸壁的弹性变形使冷却水空间的容积交替地增大和减小，冷却水相应交替地膨胀与被压缩。膨胀时受拉伸作用形成瞬时低压，被压缩时形成瞬时高压。此外，冷却水进口和流动时产生涡漩使冷却水通道内压力变化，也会形成瞬时高压或低压。在瞬时低压时产生气泡，瞬时高压时气泡溃灭，缸套外圆表面频繁受到冲击和微观电化学腐蚀作用而破坏。灰口铸铁气缸套，在高达 1GPa 冲击力作用下，缸套表面微小局部金属发生塑性变形，不断地作用使金属疲劳而剥落。此外，缸套振动能量的转化、液体间摩擦和气泡破裂时产生大量的热，缸套表面局部产生高温使金属达到熔化状态，高压作用下更易造
6、成金属破坏，剥落后形成针孔，冲击波的继续作用和电化学腐蚀使孔穴增多、增大。3影响缸套穴蚀的因素生产中并非所有的筒状活塞式柴油机气缸套都发生穴蚀破坏，即使是发生穴蚀破坏其程度也各不相同。缸套穴蚀与柴油机的机型、结构、爆发压力、冷却水腔和冷却介质、柴油机的工艺参数等有关。1)缸套振动柴油机运转中气缸套高频振动是产生穴蚀的根本原因，缸套振动强度与以下各点有关：（1）活塞与气缸套之间的配合间隙 活塞在气缸中运动时，活塞对气缸壁的冲击能量的大小取决于活塞质量和活塞在气缸中横摆时的速度。活塞质量固定不变，但速度随着活塞与缸套之间的配合间隙的增加而增大。所以，活塞对缸壁的冲击能量取决于活塞与缸套配合间隙的大
7、小。配合间隙大，活塞横摆加速度大，冲击前壁能量大，则缸套振动增强。（2）缸套刚度 缸套刚度直接影响缸套的振动。刚度大，受活塞冲击时缸套变形小，振动小，可有效地防止穴蚀。缸套刚度除与其材料有关外，还与缸套壁厚和纵向支承跨距的大小有关，缸壁厚度增加，支承跨距缩短，缸套刚度增大。气缸套与气缸体(机体) 之间的配合间隙对缸套的刚度亦有影响。如果柴油机缸套与缸体铸成一体，缸套刚度增大，可有效地防止穴蚀。（3）冷却水腔结构 冷却水腔通道太窄，水流速度增高，容易产生空泡。柴油机设计时要求冷却水腔内水流速度应小于 2m/s，水腔宽度 t 为 14%D (D 为气缸套内径) 或不小于10mm，各处均匀一致，水流
8、畅通不形成死水区和涡流区，有利于降低缸套穴蚀。 4115 型柴油机把冷却水腔最窄处由 1.5mm 增至 7mm，大大降低缸套穴蚀。2）冷却水温度与压力冷却水温度过高将加速腐蚀的进程，但也不宜长期水温过低。实验表明，钢铁和铝等金属材料在淡水温度为 5060C 时穴蚀严重，随着水温的升高，穴蚀破坏减轻。从发挥柴油机的效能和降低腐蚀、穴蚀出发，冷却水腔淡水温度在 8090C 为好。冷却水压力高可以抑制空泡的形成，减少穴蚀的发生。但冷却水压力提高将使其温度升高而加速穴蚀。4防止缸套穴蚀的措施除从材料和结构上的改进来防止和降低缸套穴蚀外，对船用中、高速柴油机气缸套穴蚀，还可采用以下措施：（1）缸套外圆表
9、面覆盖保护层或强化层 采用镀铬、渗氮、喷陶瓷、涂环氧树脂或涂尼龙等工艺使金属表面与冷却水隔开，或使缸套外圆表面强化，可有效地防止电化学腐蚀与穴蚀。例如 l2V180 型柴油机缸套外表面镀镉，8300 型柴油机机体冷却水腔表面涂环氧树脂，防腐蚀和防穴蚀效果较好。（2）在冷却水腔内安装锌块实施阴极保护防止电化学腐蚀 例如 6300 型、8300 型柴油机气缸套外表面安装锌带并坚持定期更换取得防止穴蚀的良好效果。（3）在冷却水中加入缓蚀剂 例如乳化油缓蚀剂或被膜缓蚀剂，使在缸套外表面上形成一层较薄的连续保护膜，不仅可以防止电化学腐蚀，而且可以减弱空泡破裂时的冲击波对缸套外表面的冲击作用，从而减轻穴蚀
10、。在实践中防止或减轻穴蚀的方法很多，选用时依具体机型、结构和产生穴蚀的原因而定，以取得良好预防效果。二、燃油系统零件的穴蚀柴油机燃油系统中的高压油泵柱塞、出油阀、喷油器针阀和高压油管均有穴蚀发生。燃油系统中因喷油需要产生瞬时高压和瞬时低压。喷油时系统中处于高压供油，喷油终了会使系统内油压骤然降低。此外，随着柴油机强载程度不断提高，燃油喷射压力和喷油率也相应提高。高的喷射压力容易引起二次喷射使柴油机性能下降，并造成系统的穴蚀。燃油系统中的穴蚀有以下两种：1波动穴蚀波动穴蚀主要发生在高压油管上。燃油系统中的高压燃油流动时产生和传播压力波，特别是喷射终了时会使某些部位压力变化很大，甚至产生负压力波，
11、导致气泡产生，高压时又使气泡溃灭产生穴蚀，称为波动穴蚀。柴油机低负荷运转时波动穴蚀较为严重。2流动穴蚀 流动穴蚀主要发生在高压油泵柱塞螺旋槽附近和喷油器针阀截面变化处。燃油系统中，高压燃油流经通道截面变化处产生强烈节流，压力下降并形成气泡，随后的压力升高又使气泡溃灭而发生穴蚀，称为流动穴蚀。柴油机高负荷运转时节流作用增大使穴蚀更加严重。燃油系统中不适当的压力波动引起穴蚀，而压力波动主要由于卸载不当引起。所以目前对此进行大量的研究。例如采用缓冲型出油阀、等压出油阀、控制节流和阶梯型螺旋槽柱塞、双锥型针阀等。此外，对容易穴蚀部位采用保护性措施等。三、轴瓦和螺旋桨的穴蚀 高速大功率柴油机的铜铅合金薄
12、壁瓦上穴蚀破坏频繁出现。主要发生在主轴瓦和曲柄销轴瓦上油槽和油孔周围，呈小孔群状。轴瓦穴蚀也是由于特定条件下流动的润滑油产生气泡和气泡溃灭所致。防止轴瓦穴蚀的措施，目前主要从轴瓦材料的选择、轴瓦上油槽和油孔的位置及保证润滑油品质等方面着手。螺旋桨桨叶的穴蚀破坏是桨的一种较为严重的破坏形式。主要发生在桨叶叶背边缘处，呈蜂窝状孔穴，成片分布，严重时使桨叶边缘烂穿。桨叶穴蚀亦是空泡作用的结果。当螺旋桨在水中旋转时水流从叶背流过，水流速度增大而压力下降，叶面的水流速度减小压力增大。螺旋桨转速越高，叶背处水流速度越快，压力下降越大，当达到该处水温下汽化压力时水汽化生成气泡，随后气泡移至高压区就会破灭，从而使叶背边缘遭到破坏。一般采用在桨叶上涂环氧树脂、改进桨叶叶形和降低桨的转速等方法来防止或减轻穴蚀破坏。复习思考题1、什么叫极化？它可以分为几类？请图示说明。2、高温燃气对零件的腐蚀是不是一个电化学过程？它和电偶腐蚀有什么区别？3、哪些船机零件会发生空泡腐蚀？4、什么叫“穴蚀”？影响缸套穴蚀的因素主要有哪些？如何防止和减少缸套产生穴蚀？
