船舶齿轮热处理车间设计稿.doc

船舶齿轮热处理车间设计稿（草案）
本车间以船舶齿轮的热处理加工为生产对象，主要包括船用蒸汽轮机和柴油发动机的减速齿轮的热处理工艺。本车间设计稿以制定设计任务或预算都不浪费的原则上，合理的选择厂址或车间位置；最大限度的减少工厂或车间的面积；尽量将某些生产部门或辅助部门合并等，以便在不影响生产的情况下，缩减基建费用。
一． 产品特点
船舶齿轮一般传递功率很大，在一根轴上有达到5万马力的，齿轮的尺寸、重量当然也很大。例如四万五千马力的蒸汽轮机的低速大齿轮，直径可达5300mm,齿宽1200mm，重量约40t。
蒸汽轮船的转速，高压的达6000～7000r/min，低压的也有3000～4000r/min，因而高压高速齿轮节园直径的圆周限速很高，有的甚至达到90m/s。
尽管齿轮很大，却要求超高精度加工，节距、齿形等误差都在几个微米以内。这是因为要尽量减少高速引起的振动和噪音，在强度上也需要高精度的缘故。
除了超大型油轮外，一般船上安装齿轮装置的机器间没有多于空间，因而要求齿轮装置尽可能小型轻量化。
一般商船的运转率很高，其耐用年限为15～20年，几乎是半永久性的。因此要求齿轮有很高的疲劳强度，这就需要慎重的选择材料和热处理。
（1） 蒸汽轮机用齿轮
蒸汽轮机的齿轮除了小型的或舰艇等特殊的以外，几乎都采用调质齿轮。这是由于随着传递马力增大导致齿轮尺寸也很大，如采用表面硬化齿轮，由于投资过大，不可能随便地设置渗碳炉或齿面磨削机床等加工设备。而且调质齿轮可超高精度切齿或剃齿加工，质量也相当稳定。
这种调质齿轮的材料和热处理要求如下：
①　 为增加耐点蚀强度要有高的硬度。
②　 为防止齿的折断要有足够的韧性。
③　 大齿轮大都是焊接结构，要求有良好的焊接性。
④　 要有良好的机械加工、切齿加工的切削性能。
⑤　 零件厚度大，要求材料的截面尺寸效应小。
⑥　 要具有耐循环载荷、足够的耐磨性、半永久性的疲劳强度。
（2） 柴油发动机用齿轮
柴油机船大多是小型船舶，机舱小，要求减速器尽可能小型轻量化。因此减速装置设计成多扭矩传递式，并使齿轮表面硬化以增大传递容量。这种齿轮的表面硬化有渗碳淬火和氮化等方法。常用的渗碳淬火法用于船舶齿轮需具备下列条件：
①　 渗碳部分的淬火硬度要高，耐点蚀、耐擦伤和耐磨性都要好。
②　 非硬化部分的切削性好，而且要有一定程度的强韧性。
③　 从表面到心部的含碳量的坡度要平缓，要达到平缓的硬度分布，因此心部的硬度也要稍有提高。
④　 渗碳层深度应较深，需要在渗碳温度中有较长加热的时间，因而要求心部晶粒尺寸稳定,不发生粗化现象。
⑤　 齿轮形状较大，容易增大淬火形变，因而要求采取较低的淬火温度。
二、 工艺过程和热处理
无论是汽轮机或柴油机船用齿轮与汽车或一般机械用齿轮相比都非常大，制造这种大齿轮毛胚的钢锭也很大，因此原材料就存在着一般小零件不会发生的问题，如：
①　 成分偏析增大；
②　 长时间加热造成的组织粗化；
③　 由于冷却速度不均匀造成的组织的不均匀和内应力增大；
④　 组织上的空隙、非金属夹杂物增加；
⑤　 残留氢造成的白点，发生龟线裂纹等。
在这些问题中，有的可以在锻制过程中采用脱气等处理方法来减少钢锭中的含氢量，但是已产生的偏析或非金属夹杂物就很难消除，因此如何能得到优质的大型钢锭这一点很重要。本设计稿为热处理车间设计，不涉及钢锭的铸造和齿轮的锻造，以采购到合格的未经热处理原料为基础。
对于调至处理的大齿轮，考虑到截面很厚一般用淬透性好的CrMo钢或NiCrMo钢。下表(表1)为船用大齿轮的轮圈和小齿轮用的材料的举例：

表1
件名
材料
化学成分（%）
C
Si
Mn
Ni
Cr
Mo
V
轮圈
碳钢
1%Ni钢
1%CrMo钢
1%CrMo钢
1%NiCrMo钢
2%NiCrMo钢
0.32
0.30
0.30
0.40
0.18
0.40
0.25
0.30
0.30
0.30
0.30
0.30
0.80
0.90
0.75
0.75
0.80
0.70

1.10

1.25
1.80

1.10
1.15
0.80
0.80

0.35
0.35
0.45
0.25

0.05
0.10
小齿轮
3%CrMo钢
2%NiCrMo钢
2%NiCrMo钢
3%NiCrMo钢
0.32
0.40
0.45
0.40
0.30
0.30
0.30
0.30
0.40
0.60
0.60
0.50

1.80
2.25
3.00
3.00
0.90
0.90
0.80
0.55
0.30
0.45
0.40

0.10
下图（图1）是锻造成形后进行热处理的热处理曲线。根据工件大小，有时候第二步去应力去氢可省略，缓冷到200～300°C后直接再加热进行淬火工序。淬火加热温度为860～900°C，这比小件的淬火温度稍高一些，其目的在于温度高可使炉内温度均匀性、扩散效果及组织均匀化都要好一些。
图1
a. 退火或回火 b.去应力去氢

C.淬火 d.回火

E.堆焊 焊后热处理 f.焊接后去应力退火

冷油淬火对厚的、形状大的工件可能得到不必要的强度，因此只能进行水淬。以前为防止淬火不均匀和发生淬火裂纹等，大多在淬火前车去黑皮。现在，随着铸钢和锻造成形技术的提高，为节约起见，也有在黑皮状态淬火的。为防止淬裂，可在淬火后不待冷却到室温就立即在670°C左右进行回火。
在检查方面除测试机械性能外，还应进行超声波探伤、硫印检查，根据需要还要做磁力探伤等。
渗碳齿轮的制造在冶炼和锻造上和调质齿轮相同。这里再说一下渗碳工艺。
固体渗碳方法虽然费用便宜，但作业条件差，渗碳浓度不易控制，现在只用于渗碳深度要求特别深的个别特殊零件。
气体渗碳是一般用的最普遍的方法。对船用齿轮大件大都用大直径的井式气体渗碳炉。
对于大型齿轮，为了使渗碳、淬火操作发生的形变最小，在粗加工后要进行正火或退火，其温度硬比渗碳温度高20～30°C。
对于调质大齿轮，有赖于毛胚制造厂和齿轮制造厂相互配合来解决：
①　 大型锻钢件容易出现孔隙、夹杂物、偏析等缺陷，要确立得到更高品位的钢锭的技术。
②　 研制淬透性好并且切削性好的钢种和切削工具。
③　 研制尽可能减小淬火变形的工艺方法。
对于渗碳齿轮，需要致力于：
1． 研制降低成本，促进轻量化的焊接结构渗碳齿轮。
2． 为了缩短渗碳时间开发将高温或真空渗碳方法用于大型齿轮的具体技术。
3． 研制淬火变形尽可能小的冷却方法。
4． 研究如何控制残留奥氏体的方法。
本车间设计是对于渗碳大齿轮的热处理。
三、 热处理设备
井式炉：具有垂直炉膛用于轴、齿轮、齿圈工件热处理的工业炉。炉膛截面一般为圆形，直径为0.5～4.5米，炉膛最深可达30余米。长杆形工件，如炮筒、汽轮机主轴、发电机转子、船舶主轴等，在井式炉内是垂直放置加热的，可避免发生弯曲变形。井式炉的炉口设在炉顶上，工件由专用吊具垂直悬挂在炉膛内。专门的起重设备能快速装入和吊出工件，为操作方便和减低厂房高度，炉体一般全部地或部分地安装在地下。即使如此，装有特深井式炉的厂房，仍需要建得很高。如由原上海电炉厂为中国第二重型机器厂的直径 1.8米、深30米的井式炉，深入地下33.5米,所用150吨桥式起重机的轨面高度达36米,厂房下沿标高达42米。与井式炉配套时,还应建有同样深的淬火冷却水槽和油槽，以及吹风或喷雾冷却的装置。
对特长工件进行淬火时，最先被吊出炉外的工件顶部最后才浸入冷却液内，而最后吊出的工件下部却最先浸入,工件受热不均,影响淬火质量。通常的措施是将炉膛上下部分别控制到不同的温度来补偿自20年代起,航空工业使用一种从炉底装卸工件的井式炉，用电热元件加热，炉底全部建在地面以上并可在地面轨道上左右移动。加热后的工件随炉子一起移至油槽或水槽上方，然后开动炉顶上的卷扬机把工件从炉内通过炉底门，快速浸入冷却槽内冷却。工件从出炉到进入冷却槽的整个过程和在空气中停留的时间都很短，因而氧化少，温降小，上下部温降速度基本一致，可保证淬火质量。
井式炉可用气体或液体燃料，也可用电加热。用气体燃料时，通常有多个小能量的烧嘴，沿炉膛内壁切线方向安装，在高度上按分层或呈螺旋形均匀布置，以避免火焰直接冲刷工件，保证炉内温度均匀。当用于低温回火或以油为燃料时，则在炉膛内砌有薄的马弗墙，把燃烧空间与加热空间隔开，但有马弗墙的井式炉，燃料耗量较大。
小型井式炉多采用电加热，多数还带有特制的金属马弗罐，可进行气体渗碳、渗氮、碳氮共渗、光亮退火等热处理。在电源充足的地区，或者要求精确控制炉温的大型井式炉，更适于采用电能。
四、车间设计
1.热处理车间位置及厂方对建筑的要求
热处理车间在生产过程中散发出大量的热、烟、蒸汽以及其他有害气体。因此以下要求已列入设计需要：
①　 防火
根据“关于建筑设计防火的原则规定”，热处理车间属于“J”类生产。建筑物耐火等级一般为二级，要求隔墙、墙、地面、顶棚等必须耐火。
②　 通风条件
厂方要有足够的高度，合理的开设天窗，使厂方有良好的自然通风条件，保证散热、逸出烟气和有害气体，确保厂房内的卫生和温度。
③　 采光和消防
厂方的结构、构造应注意放火，故厂房至少有一侧靠外墙，墙上对外开有大门。还应保证有良好的采光条件。
热处理车间面积大小决定于生产规模（生产任务的大小）、各种设备的型号及其数量、工艺操作需要等因素。根据用途，将热处理车间所占用的面积划分为三类：生产面积（进行各类主要工序，辅助工序及与主要、辅助工序有关的操作所占用的面积。）、辅助面积（安设为生产服务的、不直接参与主要和辅助工序的机构所占的面积。）、生活面积（设置一些与生活有关的处、所所占的面积。如办公室、会议室、更衣室、淋浴室、厕所等。）
2. 热处理车间平面布置
热处理车间平面布置的原则是，保证所设计的热处理车间产品的质量和数量符合生产钢领任务及技术要求；在经济方面力求减少投资，并降低热处理成本；保证工人和其他工作人员操作方便与安全。
三． 热处理车间环境保护与车间安全技术措施
工厂设计要考虑三废处理，化害为利。热处理车间是三废车间，污染环境和危害人民健康的问题必须认真考虑，予以解决。
①　 车间生产的有害物质
热处理车间因为生产关系，常产生有如下的有害气体：二氧化硫、硫化氢、氧化氮、氰化物、一氧化碳、烃类、铅蒸汽、煤烟、粉尘、氨、三氯乙烯、各类淬火介质等。这些气体对人的身体健康均有影响，严重时甚至死亡。
②　 车间环境保护措施
粉尘的防止方法：
机械除尘：重力除尘（利用粉尘本身的重力。）；惯性除尘（利用运动中粉尘的惯性。）；离心除尘（利用气流旋转将粉尘甩出。）
水力洗涤除尘：使用的洗涤器有文丘里洗涤器、喷射式洗涤器和离心式洗涤器。
静电除尘。
过滤除尘。
氰化物的防止：
氰化、软氮化等热处理工艺因采用了氰盐或其他含氰物质，故处理后产生的废气、废盐中常带有氰化物或氰根。为防止氰化物扩散而引起公害，目前大多数工厂基本上实现了无氰化处理，解决了氰化物引起的公害问题。
除了上述三废也属生产安全中的一项外，生产中的安全问题还包括：
1.触电
热处理车间用电量很大，许多炉子使用电加热设备，如水、油泵、鼓风机和抽风机都是用电动机驱动，而且还有不少用电设备，用的是高压电（如高频设备可高达15kV）。在使用中违章操作，即将发生触电和电击伤事故。
2. 易燃易爆
热处理中应用的某些油料（汽油、煤油和柴油）、有机物（甲醇、乙醇、乙炔、丙烷、丁烷、丙酮和香蕉水等），都是易燃易爆物质。使用气体和液体燃料的热处理炉，由于操作不当，也经常发生炉子爆炸事故。
热处理淬火工艺有时要求把加热到800~900℃以上的工件直接淬入油中或采用喷油冷却，容易引起火灾。
3. 烫伤
热处理的加热介质许多是利用熔融的金属盐（氯化钡、氯化钠、氯化钾和碳酸钠）。熔融的金属盐一旦遇到水或水汽就会发和熔盐的崩爆，使熔盐飞溅而烫伤人。作为“冷却”介质的低温硝盐浴，虽然温度在150~200℃，一旦碰到皮肤也会造成严重烫伤。还有，灼热的工件、热油和清洗用的热水浴槽也都容易造成烫伤。
4． 跌伤和碰伤
热处理车间因工艺需要而设置了各种平台和地坑，操作时需登高和下坑。这也容易造成跌伤和碰伤。
5． 热辐射与光辐射
热处理不少工艺的温度高达900~1280℃，操作人员要在炉前操作，特别是工件进出炉时，工人受到高温的辐射，当温度在1000℃以上时，强烈的光辐射刺激操作者眼睛，时间久了也会损伤眼睛。
6． 电磁辐射
热处理的高频加热设备在工作时，向外发射250~300kHz的电磁波，3m以内对人体有妨害。近年来发展的射频溅射镀膜设备，则会向外发射6×10＜sup＞6＜/sup＞~3×10＜sup＞8＜/sup＞Hz的超高频电磁辐射。
热处理生产中的有害物和不安全因素如此众多，我们必须对它要有足够的认识，以便采取有效措施，把污染减少到最小程度，避免事故发生。
l 以上一、二两点的平面设计图稿将在CAD的图纸设计时完成，以上是制作平面设计图时所注意的重点，并已经全部纳入设计思路中。
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