›

Báo cáo Nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm

pdf 58 trang thiennha21 09/04/2022 5640
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbao_cao_nghien_cuu_su_thay_doi_kich_thuoc_trong_qua_trinh_nh.pdf

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm

  1. Bé C«ng th−¬ng Tæng C«ng ty M¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nghiÖp ViÖn C«ng nghÖ B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi KH-CN M∙ sè: 240.07.RD/H§-KHCN Tªn ®Ò tµi: nghiªn cøu sù thay ®æi kÝch th−íc trong qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn b¸nh r¨ng, trôc r¨ng thÊm C¬ quan chñ qu¶n: Bé C«ng th−¬ng C¬ quan chñ tr×: ViÖn C«ng nghÖ Chñ nhiÖm ®Ò tµi: thS. Hoµng vÜnh giang 6794 12/4/2008 Hµ Néi, 3-2008
  2. Bé C«ng th−¬ng Tæng C«ng ty M¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nghiÖp ViÖn C«ng nghÖ B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi KH-CN M∙ sè: 240.07.RD/H§-KHCN Tªn ®Ò tµi: nghiªn cøu sù thay ®æi kÝch th−íc trong qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn b¸nh r¨ng, trôc r¨ng thÊm C¬ quan chñ tr× Chñ nhiÖm ®Ò tµi ViÖn C«ng nghÖ thS. Hoµng vÜnh giang Hµ Néi, 3 - 2008
  3. Nh÷ng ng−êi tham gia ®Ò tµi: 1. Hoµng VÜnh Giang ViÖn C«ng nghÖ 2. Ph¹m V¨n Lµnh ViÖn C«ng nghÖ 3. Vò Xu©n Nam ViÖn C«ng nghÖ 4. NguyÔn V¨n ViÖt ViÖn C«ng nghÖ 5. TrÇn Träng NghÜa ViÖn C«ng nghÖ 6. §ç §×nh Quý ViÖn C«ng nghÖ 7. NguyÔn Xu©n Th¾ng ViÖn C«ng nghÖ 8. Cao V¨n Quang ViÖn C«ng nghÖ C¬ quan phèi hîp: ViÖn C¬ khÝ n¨ng l−îng vµ má
  4. MỤC LỤC Trang GIỚI THIỆU 1 PHẦN I Cơ sở lý thuyết về sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt 3 luyện 1.1. Ứng suất trong quá trình nhiệt luyện 3 1.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình tôi 3 1.2.1. Sự thay đổi kích thước do ứng suất nhiệt 4 1.2.2. Sự thay đổi kích thước do ứng suất chuyển biến pha 8 1.3. Sự thay đổi kích thước trong quá trình ram 13 1.3.1. Sự thay đổi thể tích 13 1.3.2. Thay đổi trong ứng suất 14 PHẦN II Tổng quan về sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm 16 thấm C 2.1. Công nghệ thấm C, C-N 16 2.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm tôi 20 2.3. Tổng quan sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm, tôi 20 PHẦN III Thực nghiệm thấm và đo kiểm biến dạng một số sản phẩm 28 (bạc, bánh răng) 3.1. Công nghệ thấm C-N tại Viện Công nghệ 28 3.2. Đánh giá sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm 30 3.3. Đo kiểm và đánh giá kết quả 33 3.4. Phương án công nghệ hạn chế cong vênh cho bánh răng bella 34 3.5. Thiết kế chế tạo đồ gá 35 3.6. Thấm, tôi và đo kiểm bánh răng bella theo quy trình mới 37 PHẦN IV Kết luận 41 Tài liệu tham khảo 42 Phần phụ lục
  5. GIỚI THIỆU Chất lượng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí nói chung phụ thuộc nhiều vào quá trình nhiệt luyện. Đây là công đoạn gần cuối cùng (sau khâu mài, đánh bóng - nếu cần) nên chất lượng của nó ảnh hưởng rất lớn đến giá thành sản xuất. Nói đến nhiệt luyện người ta thường nói "nung đỏ bỏ nước". Nung đỏ - bỏ nước (thực chất là nung nóng - làm nguội) là 2 công đoạn hoàn toàn trái ngược, đối kháng nhau chính vì thế chúng sinh ra ứng suất và gây thay đổi kích thước, biến dạng - một vấn đề hoàn toàn không có gì mới nhưng hiểu biết về nó thì còn hạn chế. Để hiểu rõ hơn quá trình biến dạng trong quá trình nhiệt luyện đặc biệt là sự biến dạng, thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm, nhóm đề tài đưa vấn đề này vào nghiên cứu. Mục đích là tổng quát lại những nguyên lý cơ bản của quá trình biến dạng để khuyến cáo các người nhiệt luyện có những biện pháp nhằm hạn chế hiện tượng này. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Biến dạng, thay đổi kích thước các sản phẩm cơ khí trong quá trình nhiệt luyện đã được biết đến từ lâu, nhưng hiểu biết về nó còn khá nghèo nàn. Những năm gần đây, sức ép cạnh tranh về chất lượng và giá thành sản phẩm đã thúc dục các nhà khoa học nghiên cứu kỹ vấn đề này. Hội nghị quốc tế đầu tiên về vấn đề này được tổ chức tại Chicago (Mỹ) năm 1992 và đến nay, hội nghị lần thứ 5 vừa được tổ chức tại Berlin (CHLB Đức) năm 2007. Các công trình nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các vấn đề sau: - Sử dụng phân tử hữu hạn và các tính chất nhiệt, mođul đàn hồi của vật liệu để tính toán ứng suất nhiệt trong quá trình nung nóng và làm nguội. - Xác định mối quan hệ giữa cấu trúc vật liệu và ứng suất nhiệt trên cơ sở chuyển biến pha dựa vào đường cong làm nguội CCT. - Xác định sự phụ thuộc các tính chất cơ-nhiệt vật liệu với nhiệt độ và quá trình chuyển biến pha. 1
  6. Các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã cho ra đời phần mềm tính toán biến dạng DANTE (Distortion ANalysis for Thermal Engineering). Phần mềm này mô tả sự thay đổi các tính chất về nhiệt, tính chất cơ học và tổ chức kim loại khi nung nóng và làm nguội. Áp dụng phần mềm này cho phép chúng ta tính toán và từ đó có thể dự đoán trước sự thay đổi kích thước và biến dạng của sản phẩm trong quá trình nhiệt luyện . Tình hình nghiên cứu trong nước Cong vênh luôn đồng hành với nhiệt luyện, rất nhiều phàn nàn về cong vênh, biến đổi kích thước sau nhiệt luyện. Nhiều cán bộ nhiệt luyện của chúng ta chưa có được những hiểu biết cần thiết về biến dạng và thay đổi kích thước. Gần đây (năm 2001, 2002) Viện Công nghệ đã chủ trì thực hiện 2 đề tài [1, 2] liên quan đến vấn đề này. Các tác giả [1, 2] đã đề cập một số phương pháp công nghệ nhiệt luyện ít biến dạng để giải quyết vấn đề này. Phương pháp tôi cao tần được áp dụng cho các chi tiết mỏng và phương pháp tôi ép được chọn để tôi bánh răng bella và đã thu được kết quả tốt. Tuy nhiên không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được các phương pháp vừa nêu. Nội dung nghiên cứu Biến dạng và thay đổi kích thước sản phẩm trong quá trình nhiệt luyện ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và giá thành sản phẩm. Khắc phục biến dạng là vấn đề nan giải từ xưa đến nay, những kết quả đạt được của các nghiên cứu trong lĩnh vực này thường mang tính tổng quát. Xuất phát từ thực tế sản xuất, nhóm đề tài đặt ra các nội dung sau: - Nghiên cứu lý thuyết về biến dạng và thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện (tôi, ram, thấm) bản chất, nguyên nhân của quá trình này. - Thiết kế quy trình công nghệ để đảm bảo ổn định chất lượng bánh răng thấm (bánh răng C14, bánh răng tàu hoả z24m14, bánh răng z28m8) - Thiết kế quy trình công nghệ, đồ gá để hạn chế độ cong vênh của bánh răng bella z38m12 với điều kiện hiện có tại Viện Công nghệ. 2
  7. PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN 1.1. Ứng suất trong quá trình nhiệt luyện Quá trình nhiệt luyện luôn tạo ra sự thay đổi trạng thái ứng suất, nguyên nhân của sự thay đổi đó là: - Ứng suất nhiệt do sự nung nóng và làm nguội không đồng đều gây ra sự chênh lệch nhiệt độ ở các vị trí khác nhau trong chi tiết. - Ứng suất chuyển biến pha do sự thay đổi thể tích khi vật liệu chuyển từ pha này sang pha khác. - Ứng suất tổ chức sinh ra do lệch mạng trong quá trình chuyển biến martensite - Ứng suất do sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của các pha trong vật liệu đa pha. Với các sản phẩm cơ khí, các ứng suất này tồn tại đồng thời và có sự cộng hưởng với nhau. Cơ sở lý thuyết của các loại ứng suất vừa nêu đã được đề cập trong công trình nghiên cứu [1]. Tóm lại, trong quá trình nhiệt luyện, bất kể các ứng suất nào vừa nêu đều gây ra biến dạng dẫn đến sự thay đổi kích thước sản phẩm. Với mong muốn hiểu rõ hơn về sự thay đổi kích thước để có giải pháp thích hợp từ khâu thiết kế đến các giải pháp công nghệ cụ thể, nhóm đề tài tập trung nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm, tôi và ram, các công đoạn cơ bản và quan trọng của quá trình nhiệt luyện. 1.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình tôi Một trong những nguyên nhân của sự thay đổi kích thước trong quá trình tôi là ứng suất nhiệt. Ứng suất này được sinh ra trong quá trình làm nguội do sự chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngoài sản phẩm. 3
  8. Một nguyên nhân khác nữa là ứng suất chuyển biến pha được hình thành khi vật liệu được chuyển biến từ pha này sang pha khác, ví dụ từ austenite sang martensite trong quá trình tôi. 1.2.1. Sự thay đổi khích thước do ứng suất nhiệt Khi một vật được làm nguội, lớp ngoài cùng sẽ nguội trước và co lại. Trong quá trình này, phần phía trong cố gắng giữ hình dáng hình cầu, hình dáng chịu lực căng bé nhất trong quá trình biến dạng. Tuy nhiên, hình dáng của vật thể tương đối đa dạng chứ không phải hình cầu. Cũng cần phải lưu ý rằng khi nhiệt luyện vật thể có hình dáng khác với hình cầu thì trong quá trình làm nguội nhanh vật thể này sẽ có xu hướng cố gắng có được hình dạng hình cầu [6]. Ảnh hưởng của ứng suất nhiệt được nghiên cứu rất kỹ với thép cacbon thấp vì trong trường hợp này hầu như quá trình chuyển biến pha có thể bỏ qua. Để minh hoạ sự biến dạng do ứng suất nhiệt người ta nghiên cứu quá trình làm nguội một hình trụ đặc [3]. Hình 1.1a: Biến dạng mặt cắt hình trụ trong quá trình làm nguội [3] 4
  9. A B C D 1000 T©m 500 B Ò m Æt NhiÖt ®é (C) 1 10 100 1000 Thêi gian (s) Hình 1.1b: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm hình trụ đặc trong quá trình nguội [3] KÐo 0 øng suÊt nÐn §−êng kÝnh Hình 1.1c: Sự hình thành ứng suất trong quá trình làm nguội hình trụ đặc[3] 5
  10. Ứng suất và biến dạng mặt cắt hình trụ này tiến triển từ giai đoạn A đến giai đoạn D như trên hình 1.1a) và 1.1b). Ở giai đoạn B, tốc độ nguội nhanh ở bề mặt gây ra ứng suất kéo ở bề mặt và ứng suất nén ở tâm. Khi biến dạng dẻo xuất hiện, tâm sẽ bi co lại trong khi bề mặt thì nở ra và như thế sẽ xuất hiện ứng suất. Sự phân bố suất tổng cuối cùng được thể hiện trên hình 1.1c. Một công trình khác [6] tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ làm nguội đến biến dạng của tấm kim loại có kích thước 200x200x20mm (hình 1.2). Hình a) là một khối đặc còn hình b) là khối có lỗ vuông 100x100mm. a) b) Thay ®æi kÝch th−íc: =^ 0,4 mm Thay ®æi kÝch th−íc: =^ 0,04 mm Chó thÝch: 0 920 C/n−íc 0 920 C/dÇu 0 0 920 C/bÓ muèi 220 C 0 920 C/ kh«ng khÝ Hình 1.2: Sự thay đổi kích thước tấm thép C thấp (0,10%C) sau khi làm nguội trong các môi trường khác nhau [6] 6
  11. Hình 1.2 chỉ ra sự ảnh hưởng của tốc độ làm nguội đến sự thay đổi kích thước. Hình này cho ta thấy rằng, tốc độ nguội càng nhanh thì biến dạng càng lớn. Ngoài yếu tố về tốc độ làm nguội, nhiệt độ bắt đầu của quá trình nguội cũng có ảnh hưởng đến sự diến dạng, nhiệt độ càng cao thì biến dạng càng lớn (hình 1.3) [6]. 0 920 C/dÇu 0 800 C/dÇu Thay ®æi kÝch th−íc: =^ 0,04 mm Hình 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đến sự biến dạng thép 0,1%C [6] Ngoài ra, tính chất vật liệu cũng có ảnh hưởng đến quá trình này, vật liệu chịu nhiệt càng tốt thì khả năng ổn định kích thước trong quá trình làm nguội càng cao (hình 1.4) [6]. Hình này cho thấy, trong 3 loại thép được nêu thì thép18Cr8Ni là thép có tính chịu nhiệt cao nhất và như thế nó có sự biến dạng do nhiệt ít nhất. 7
  12. ThÐp 0,1% C ThÐp 17 % Cr ThÐp 18 / 8 (18Cr, 8Ni) oo o 920 C / n−íc 920 C / n−íc 920 C / n−íc Thay ®æi kÝch th−íc:=^ 0,04 mm Hình 1.4: Sự thay đổi kích thước của một số vật liệu khác nhau [6] 1.2.2. Sự thay đổi khích thước do ứng suất chuyển biến pha Trong quá trình nung nóng và làm nguội thép được trải qua nhiều quá trình chuyển biến pha. Các pha khác nhau có các tỷ trọng khác nhau và như thế có thể tích cũng khác nhau. Thể tích riêng của một số pha được liệt kê trong bảng 1 [6]. Lượng C hoà tan trong austenite hoặc trong martensite có ảnh hưởng rất lớn đến thể tích riêng. Khi tính toán sự thay đổi thể tích trong quá trình tôi, hàm lượng C cần đặc biệt quan tâm. Sự thay đổi thể tích khi chuyển từ pha này sang pha khác được tính toán như trong bảng 2 [6]. 8
  13. Bảng 1: Pha %C Thể tích riêng ở 200C (cm3/g) Austenite 0 ÷ 2 0,1212 + 0,0033 x (%C) Martensite 0 ÷ 2 0,1271 + 0,0025 x (%C) Ferrite 0 ÷ 0,02 0,1271 Cementite 6,7 ± 0,2 0,130 ± 0,001 Epsilon carbide 8,5 ± 0,7 0,140 ± 0,002 Graphite 100 0,451 Ferrite + cementite 0 ÷ 2 0,271 + 0,0005 x (%C) Martensite carbon thấp + 0,25 ÷ 2 0,1277 + 0,0015 x (%C - 0,25) epsilon carbide Ferrite + epsilon carbide 0 ÷ 2 0,1271 + 0,0015 x (%C) Bảng 2: Thay đổi kích thước trong quá trình chuyển biến pha Quá trình chuyển biến Thay đổi thể tích (%) Pearlite cầu → austenite - 4,64 + 2,21 x (%C) Ausstenite → martensite 4,64 - 0,53 x (%C) Pearlite cầu → martensite 1,68 x (%C) Austenite → bainite dưới 4,64 -1,43 x (%C) Pearlite cầu → bainite dưới 0,78 x (%C) Austenite → bainite trên 4,64 - 2,21 x (%C) Pearlite cầu → bainite trên 0 9
  14. Khi xét đến chuyển biến pha, việc đầu tiên cần quan tâm là đường cong làm nguội liên tục (CCT) tương ứng với vật liệu được làm nguội. Khi đưa đường làm nguội của tâm và bề mặt hình trụ như đã đề cập ở trên ta được sơ đồ nguội như trên hình 1.5. Hình 1.5: Đường nguội của bề mặt và tâm khi xét đến chuyển biến pha [3] Với vật liệu như trên, ta thấy, khi làm nguội bề mặt của hình trụ chuyển biến thành martensite tại nhiệt độ Ms tương đương với điểm S1 và kết thúc ở nhiệt độ Mf tương đương điểm S2. Trong khi đó, tâm của hình trụ này được chuyển biến thành pearlite với các điểm bắt đầu và kết thúc là C1 và C2 tương ứng. 10
  15. Hình 1.6: Thay đổi kích thước của bề mặt và tâm [3] Pha martensite tạo thành có thể tích riêng lớn hơn thể tích riêng ban đầu của pha austenite (khoảng 5%), kết quả là thể tích tổng cuối cùng sẽ tăng (hình 1.6). Trên hình này có thể nhận thấy, tại điểm S1 nơi martensite bắt đầu hình thành, xuất hiện quá trình tăng thể tích. Cuối cùng tại điểm S2, nơi kết thúc sự hình thành martensite, cũng là nơi kết thúc sự tăng thể tích do chuyển biến pha. Khi nhiệt độ tiếp tục hạ, kích thước bề mặt sẽ giảm và đạt kích thước Ls. Tương tự với tâm, quá trình chuyển biến pearlite bắt đầu ở C1 và kết thúc ở C2. Tương tự như martensite, pearlite có thể tích lớn hơn austenite nên có hiện tượng tăng thể tích trong khoảng C1 đến C2. Sau điểm C2, pearlite tiếp tục giảm thể tích do nhiệt và đạt đến kích thước Lc ở nhiệt độ môi trường. Tóm lại, khi tôi với tốc độ nguội đủ để có sự chuyển biến martensite, trong quá trình chuyển biến này, kích thước thường tăng. Sau khi nguội đến nhiệt độ môi trường, phần lớn còn có một lượng austenite dư, hàm lượng này tăng với lượng các nguyên tố hợp kim được hoà tan trong quá trình austenite hoá tăng. Lượng austenite dư càng lớn thì sự tăng thể tích của sản phẩm càng bé. Nếu lượng austenite dư đủ lớn, thậm chí còn xẩy ra tình trạng giảm thể tích. 11
  16. íc − T3 T2 T1 Thay ®æi kÝch th kÝch Thay ®æi + 0 - Ms -200 0 200 400 600 800 1000 0 NhiÖt ®é ( C) Hình 1.7: Sự thay đổi kích thước của thép cùng tích khi làm nguội nhanh [6] Sự thay đổi kích thước của sản phẩm tôi với các nhiệt độ tôi khác nhau được thể hiện trên hình 1.7. Khi kích thước thay đổi, thể tích của sản phẩm cũng thay đổi và sự thay đổi thể tích này được tính toán như sau [6]: ∆V ⎛100 −V −V ⎞ V = ⎜ c a ⎟(1,68xC) + a (−4,64 + 2,21xC) V ⎝ 100 ⎠ 100 Trong đó: ∆V/V: thay đổi thể tích (%) Ve: % thể tích cementit không hoà tan Va: % thể tích austenit 100 - Vc - Va: % thể tích martensit C: % trọng lượng C được hoà tan trong austenit hay martensit tương ứng. 12
  17. Trong trường hợp thép chứa 1%C, theo lý thuyết, có thể tránh được sự thay đổi thể tích khi tôi nếu thép chứa 10% cementit không hoà tan và 13% austenit dư. Trong trường hợp này, lượng C trong martensit là vào khoảng 0,38%. Tuy nhiên với lượng C thấp như vậy khó có thể nhận được lượng austenit dư 13%. Nếu lượng cementit được hoà tan hoàn toàn, lượng austenit dư cần thiết để không có sự thay đổi kích thước là 40%, trường hợp này cũng không thể xảy ra với loại thép cacbon này. Vì thế, chúng ta luôn chờ đợi sự tăng thể tích khi tôi loại thép chứa 1%C. Tuy nhiên với loại thép C này, tôi hoàn toàn chỉ xảy ra trong chiều dày cỡ 10mm nên sự thay đổi thể tích với các vật lớn là không đáng kể, chỉ vài phần trăm [6]. Nếu giả thiết rằng, trong thép cácbon, lượng martensite và austenite dư là như nhau, chúng ta có thể chờ đợi những thép có khả năng tôi cao hơn sẽ tăng thể tích nhiều hơn. Tuy nhiên, vì lượng austenite dư trong thép hợp kim cao thường lớn, điều này giúp cho những thép có khả năng tôi cao trung hoà với sự tăng thể tích do khả năng này gây ra. Với thép hợp kim trung bình và cao, sự tăng thể tích do lượng austenite dư gây ra có thể điều chỉnh bằng sự thay nhiệt độ tôi như trên hình 1.7. Trên hình này ta thấy với nhiệt độ tôi T2 thì sẽ không có một sự tăng thể tích đáng kể nào khi làm nguội đến nhiệt độ phòng. Trong trường hợp nhiệt độ tôi T3 cao hơn, để không làm thay đổi thể tích phải làm nguội xuống dưới 00C. Nếu vật liệu là đẳng hướng (tính chất vật liệu ở mọi hướng như nhau) thì sự thay đổi kích thước của các hướng là như nhau. Tuy nhiên trên thực tế, các loại vật liệu sử dụng không như thế vì thế cần lưu ý là sự thay đổi về kích thước sẽ khác nhau theo từng hướng cụ thể. 1.3. Sự thay đổi kích thước trong quá trình ram Trong quá trình ram, sự thay đổi về cấu trúc vật liệu sẽ làm thay đổi thể tích và trạng thái ứng suất của chúng. Có sự liên quan giữa nhiệt độ ram, thể tích và trạng thái ứng suất. Để hiểu rõ thêm về sự thay đổi này chúng ta sẽ đề cập đến sự thay đổi thể tích và sự thay đổi về trạng thái ứng suất. 13
  18. 1.3.1. Sự thay đổi thể tích Trong quá trình ram, martensite sẽ phân huỷ thành ferrite và cementite, và như thế sẽ làm giảm thể tích. T¨ng thÓ tÝch Ph©n hñy martensite thµnh ferite vµ cementite ChuyÓn biÕn Austennite d− > martensite ChuyÓn biÕn TiÕt carbide austenite > bainite 0 100 200 300 400 500 600 700 800 NhiÖt ®é ( 0C) Hình 1.8: Thay đổi thể tích trong quá trình ram [6] Khi ram ở nhiệt độ cao, theo hình 1.8, thì thể tích sẽ trở lại giá trị ban đầu khi chưa tôi (ở đây loại trừ biến dạng plastic). Sự tăng thể tích diễn ra theo từng giai đoạn khác nhau (đường ). Austenite dư trong thép cácbon và thép hợp kim thấp được chuyển sang bainite ở giai đoạn 2 khoảng 3000C và như thế làm tăng thể tích. Với thép hợp kim cao, khi ram ở nhiệt độ 500 - 6000C, các hạt mịn carbide được tiết ra và như thế sẽ dẫn đến tăng ứng suất và làm tăng độ cứng và tăng thể tích. 1.3.2. Thay đổi trong ứng suất Trạng thái ứng suất sau khi tôi bao gồm ứng suất nhiệt và ứng suất chuyển biến pha. Sự phân huỷ martensite trong quá trình ram gây nên sự giảm trạng thái ứng suất và như thế cũng thúc đẩy quá trình chuyển biên austenite sang martensite [6]. 14
  19. Sự thay đổi ứng suất của bạc vật liệu AISI 52100 sau khi tôi và ram được thể hiện trên hình 1.9. Từ hình này ta có thể thấy 85% ứng suất được giải phóng khi ram ở nhiệt độ 2600C/1h. 100 90 80 70 Khö øng suÊt (%) øng Khö 60 50 40 30 20 10 0 3893 149 204 260 316 371 427 482 NhiÖt ®é ( 0 C) Hình 1.9. Ứng suất được khử trong quá trình ram [6] 15
  20. PHẦN II TỔNG QUAN VỀ SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC CỦA MỘT SỐ SẢN PHẨM THẤM C 2.1. Công nghệ thấm C, C-N Các sản phẩm thấm tôi ram hoàn chỉnh thường phải trải qua nhiều công đoạn. Mỗi công đoạn đều có những ảnh hưởng nhất định đến sự biến dạng và thay đổi kích thước của sản phẩm. Để hạn chế tối đa sự biến dạng của sản phẩm, quan trọng nhất là phải có quy trình công nghệ hợp lý kế đến là phải kiểm soát được quy trình công nghệ đó. Thấm C là quá trình bảo hoà bề mặt chi tiết nguyên tố C, còn thấm C-N, bề mặt chi tiết đồng thời có mặt của cả C và N. Mục đích của các quá trình thấm này là để sau khi thấm và nhiệt luyện thu được bề mặt chi tiết có độ cứng cao, độ chống mài mòn cao, độ chống xâm thực cao, độ dai va đập cao. Các tính chất trên đạt được nhờ tính chất lớp thấm bề mặt sau khi thấm và nhiệt luyện hợp lý trong khi vẫn giữ được lõi mềm, độ dẻo dai cao. Với đòi hỏi chất lượng ngày càng cao, ít gây ô nhiễm môi trường, các công nghệ thấm thể rắn và thể lỏng dần dần được thay thế bằng công nghệ thấm thể khí. Ngày nay công nghệ thấm thể khí được dùng phổ biến hơn cả và đã chứng tỏ được tính ưu việt của nó. Khác với thấm thể rắn và thấm trong muối nóng chảy, quá trình thấm thể khí được thực hiện trong môi trường khí động do đó chất lượng thấm đồng đều, dễ điều chỉnh các thông số công nghệ, thích hợp cho sản xuất dây chuyền liên hợp từ khâu làm sạch, thấm, tôi, ram. Thấm C, C-N được thực hiện trong nhiều loại thiết bị khác nhau, tuy nhiên trong mọi trường hợp, sản phẩm thấm được treo trên giá đỡ vững chắc và xếp vào lò đảm bảo thông thoáng để bề mặt thấm luôn được tiếp xúc với môi trường thấm (hình 2.1). 16
  21. nh32n + h c h + o co + h c h c + h n 2n+2 2 2 n 2n+2 2 co + h2 c + h2 o nh3 n + h2 nh3 n + h2 co + h2 c + h2 o c h c + h n 2n+2 2 nh32n + h Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý thấm C, C-N thể khí Dù được thực hiện trên thiết bị nào, chất thấm sử dụng có thể khác nhau, vật liệu thấm khác nhau và yêu cầu về lớp thấm cũng khác nhau, nhưng quy trình công nghệ thấm của tất cả các sản phẩm đều dựa trên quy trình công nghệ thấm tổng quát như trên hình 2.2. 17
  22. Q2 Q3 Q4 Q5 T thÊm Q6 Q7 T2 Q1 T1 Q8 Q= 0 T3 t2 t3 t4 t5 t7 t t«i t th M«i tr−êng nguéi Thêi gian (giê) Hình 2.2: Quy trình công nghệ thấm C, C-N tổng quát Quy trình công nghệ tổng quát thể hiện 3 quá trình (1) nung nóng đến nhiệt độ thấm, (2) giữ nhiệt để thấm, (3) hạ nhiệt Nung nóng là quá trình nung lò và chi tiết đến nhiệt độ thấm, tùy theo đặc điểm của từng loại chi tiết mà ta có thể nung trực tiếp đến nhiệt độ làm việc hoặc phải qua giai đoạn giữ nhiệt trước khi đạt nhiệt độ làm việc. Đối với chi tiết phức tạp hoặc chi tiết có chiều dày lớn cần phải đồng đều nhiệt, cần phải giữ tại nhiệt độ T1 thời gian giữ nhiệt là t2. Nhiệt độ này chọn khoảng 8000C, ở nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp chất thấm để bảo vệ tránh quá trình oxy hoá. Cần cung cấp một lượng chất thấm đủ để bảo vệ bề mặt mà không tạo ra muội bám dày trên bề mặt chi tiết lượng chất thấm để bảo vệ là Q2. Tuỳ thuộc vào dung tích lò, vào thể tích chiếm chỗ của chi tiết mà ta chọn lượng chất thấm Q2 và thời gian thấm t3 cho hợp lý. Tiếp đến chi tiết được nung tự do đến nhiệt độ thấm TThấm. Trong suốt quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ thấm, luôn duy trì lượng chất thấm là Q2. Tổng thời gian nung chi tiết lên đến nhiệt độ thấm tuỳ thuộc vào công suất lò, chiều dầy chi tiết và mức độ phức tạp của chi tiết tùy theo yêu cầu công nghệ. 18
  23. Quá trình thấm được kiểm soát bởi 3 thông số công nghệ chính, đó là: 1. Nhiệt độ thấm 2. Thời gian thấm 3. Thành phần môi trường thấm Kiểm soát và điều chỉnh 3 thông số này qua 3 giai đoạn thấm là yếu tố quyết định đến chất lượng và hiệu quả kinh tế của quá trình thấm. Thành phần môi trường thấm đóng vai trò quyết định, hai thông số còn lại chủ yếu quyết định đến chiều sâu lớp thấm. Nhiệt độ thấm Tốc độ thấm của C và N bị giới hạn bởi khả năng hoà tan của C và N vào Austenite. Thấm C, C-N thường có nhiệt độ thấm nằm trong khoảng từ 800 - 9400C. Nhiệt độ càng cao, tốc độ thấm C càng tăng, ví dụ tốc độ khuyếch tán của C vào austenite ở nhiệt độ 9250C cao gấp 40 lần so với ở nhiệt độ 8250C [8]. Ngược lại hàm lượng N tăng khi nhiệt độ thấm giảm. Thời gian thấm Thời gian và nhiệt độ thấm có ảnh hưởng rất lớn đến chiều sâu lớp thấm, về nguyên tắc, chiều sâu lớp thấm tỷ lệ thuận với thời gian và nhiệt độ. Khi thấm với nhiệt độ cao, người ta thường chọn thời gian thấm ngắn. Tuy nhiên trong mọi trường hợp không nên yêu cầu lớp thấm > 2mm, bởi vì sẽ mất rất nhiều thời gian và ảnh hưởng xấu đến tính chất của vật liệu nền. Thành phần môi trường thấm Thành phần môi trường thấm đóng vai trò quyết định đến hiệu quả của quá trình thấm. Chúng ta cần kiểm soát thành phần môi trường thấm để làm sao bề mặt hoà tan được nhiều C nhất đồng thời không được sinh muội. Tóm lại, các yếu tố công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp thấm và như thế nó cũng trực tiếp ảnh hưởng đến độ biến dạng và thay đổi kích thước sản phẩm. Duy trì chế độ thấm đúng đắn là yếu tố đầu tiên đảm bảo và ổn định chất lượng sản phẩm thấm. 19
  24. 2.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm tôi Quá trình thấm tạo ra trên bề mặt sản phẩm một lớp thấm có hàm lượng C cao trên bề mặt sản phẩm và sau khi tôi nhờ có hàm lượng C này mà bề mặt có độ cứng cao tăng khả năng chịu mài mòn. Hàm lượng này thường khoảng 0,8-1C% trên bề mặt và giảm dần theo chiều sâu của lớp thấm. Chiều sâu của lớp thấm được định nghĩa là chiều sâu tính từ bề mặt đến vị trí mà hàm lượng C khoảng 0,4%. Nói tóm lại sau khi thấm bề mặt của sản phẩm có thành phần khác với thành phần của vật liệu nền và vì thế khi nhiệt luyện sự thay đổi tính chất của lớp bề mặt này cũng khác so với vật liệu nền. Sự thay đổi kích thước trong quá trình này được quyết định bởi nhiều yếu tố, chủ yếu là những yếu tố sau [6]: 1. Độ thấm tôi của thép. Khả năng tôi càng cao và chiều dày của vật liệu giảm, thì sự tăng thể tích sẽ càng lớn. 2. Mác thép. Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo và một mức độ nào đấy cả thép Cr-Mn có sự thay đổi tương đối giống nhau. Tuy nhiên cũng cần lưu ý là thép Cr-Mo có sự thay đổi tương đối khác, nhất là sự thay đổi về hình dáng. 3. Chiều sâu lớp thấm. 4. Phương pháp thấm 5. Kích thước sản phẩm Sự thay đổi kích thước của các sản phẩm thấm sẽ được trình bày cụ thể hơn ở phần tiếp theo. 2.3. Tổng quan sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm, tôi Quá trình thấm chỉ tạo ra một lớp thấm mỏng, thường không quá 2mm. Sau khi tôi lớp này rất cứng và khó gia công. Trong quá trình thấm, tôi, ram sản phẩm có những sự thay đổi kích thước, vì thế sau khi thấm và tôi, sản phẩm được gia công tinh. 20
  25. Như đã trình bày ở trên, quá trình thấm là quá trình mất nhiều thời gian và chi phí. Để tránh những chi phí phát sinh như phải mài quá nhiều hoặc mài hết lớp thấm, chúng ta cần phải dự báo được những thay đổi về kích thước để có thiết kế hợp lý. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm và tôi được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu. Một số ví dụ về sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm thường gặp được trình bày dưới đây. Hình 2.3 phác hoạ sự thay đổi kích thước của bạc vật liệu là thép thấm BS 637M17 (0,18%C, 0,78%Cr, 1,46%Ni, 0,07%Mo) với chiều cao 50mm, đường kính ngoài 100mm, đường kính trong là 75 và 50mm được thấm ở 9400C , tôi 8300C với chiều sâu lớp thấm 1mm Thay ®æi kÝch th− íc: = 0,05mm Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm Φ100/75 x 50mm Φ100/50 x 50mm Hình 2.3 Sự thay đổi kích thước sau thấm và tôi bạc Sự thay đổi thể tích của các loại thép thấm khác nhau với các kích thước khác nhau được thể hiện trên hình 2.4 . Từ hình 2.3 và 2.4 có thể thấy rằng, thay đổi thể tích lớn hơn với những vật có chiều dày bé hơn và như thế thể tích của vật mỏng hơn sẽ tăng nhiều hơn so với vật dày. Hiện tượng này có thể giải thích do vật có chiều dày bé được tôi thấu hơn là vật có chiều dày lớn hơn. 21
  26. BS 805M20 BS 637M17 BS 655M13 % En 362 En 352 En 36A 0,20 + 0,10 0 Thay ®æi thÓ tÝch % t«i ®¼ng nhiÖt dÇut«i ®¼ng nhiÖt dÇu t«i ®¼ng nhiÖt dÇu 180 C 180 C 180 C Ph−¬ng ph¸p lµm nguéi = Ø 100 / 50x50 mm = Ø 100 / 75x50 mm Hình 2.4: Thay đổi thể tích của bạc với các vật liệu khác nhau Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến sự thay đổi thể tích được thể hiện trên hình 2.5. Ở đây bạc sau khi thấm và tôi được ram ở 2 nhiệt độ khác nhau là 1700C và 3000C. Từ hình này có thể thấy, sự giảm đường kính sẽ giảm khi chiều dày của bạc tăng và lưu ý rằng với một chiều dày nào đó sẽ có hiện tượng tăng đường kính. 22
  27. 170 C 300 C Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm Φ200/150 x 75mm 170 C 300 C Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm Φ200/100 x 75mm 170 C 300 C Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm Φ200/50 x 75mm Hình 2.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến sự thay đổi kích thước [6] 23
  28. Ảnh hưởng của chiều sâu lớp thấm đến sự thay đổi thể tích được thể hiện trên hình 2.6. Ở đây bạc được thấm với chiều sâu là 1mm và 0,5mm a) Chiều sâu lớp thấm: 1,0 mm Tăng thể tích 0,13 % Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm b) Chiều sâu lớp thấm: 0,5 mm Tăng thể tích 0,08 % Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm c) Chiều sâu lớp thấm: 0 mm Tăng thể tích 0 % Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm Hình 2.6 Thay đổi thể tích với chiều sâu lớp thấm khác nhau (bạc Φ96/54 x 46mm) [6] 24
  29. Để tránh hiện tượng co khi tôi, người ta đã thử nghiệm tôi bánh răng trên trục. Trục được chế tạo từ thép dụng cụ 95MnCrW1, tôi, ram ở 4000C. Trước khi tôi, bánh răng thấm được cho vào trục. Kết quả thay đổi kích thước được thể hiện trên hình 2.7 [6] B¸nh nèi Trôc Ø 98,995 + 0,073 99,16 Trôc 106,55 Trôc 106,67 14 12 10 08 06 04 02 99,00 MiÒn dung sai 98 96 94 92 90 98,88 tr−íc t«i sau t«i Hình 2.7: Thay đổi kích thước sau tôi bánh răng thấm 25
  30. Trên hình 2.7, bánh răng có kích thước như trên hình vẽ được thấm đạt chiều sâu 0,7mm, nhiệt độ tôi 8200C. Bánh răng được tôi trên trục có đường kính 106,55 - 106,67mm. Trên hình ta thấy có 3 bánh răng sau khi thấm tôi có kích thước nằm trong miền dung sai (hình 2.7). Từ kết quả này ta có thể đưa ra kết luận là kích thước trục hợp lý nhất để tôi loại bánh răng này là 106,60mm. Hình dáng, kích thước của bánh răng cũng ảnh hưởng đến sự biến dạng của nó trong quá trình thấm, tôi. Hình 2.8 là sự thay đổi kích thước của bánh răng có kích thước như trên hình được thấm 9300C tôi trực tiếp ở 8300C và ram 1800C. Đường kính lỗ sau thấm tôi mm mm mm 112,30 78,30 112,30 112,20 78,20 112,20 112,10 78,10 112,10 112,00 78,00 112,00 111,90 77,90 111,90 111,80 77,80 111,80 Đường kính lỗ trước nhiệt luyện Hình 2.8 Thay đổi kích thước đường kính lỗ bánh răng [3] 26
  31. Khi thay đổi thiết kế loại bánh răng vừa nêu thành một dạng bánh răng có hình dáng kích thước khác thì sự thay đổi kích thước cũng thay đổi theo (hình 2.9) Đường kính lỗ sau thấm tôi (Thiết kế chưa thay đổi) Đường kính lỗ sau thấm tôi (Thiết kế đã thay đổi) mm mm mm 112,30 78,30 112,30 112,20 78,20 112,20 112,10 78,10 112,10 112,00 78,00 112,00 111,90 77,90 111,90 111,80 77,80 111,80 Đường kính lỗ trước nhiệt luyện Hình 2.9. Thay đổi kích thước với các hình dáng khác nhau [3] 27
  32. PHẦN III THỰC NGHIỆM THẤM VÀ ĐO KIỂM BIẾN DẠNG MỘT SỐ SẢN PHẨM (BẠC, BÁNH RĂNG) 3.1. Công nghệ thấm C-N tại Viện Công nghệ Hiện nay, Trung tâm Vật liệu đang thực hiện công nghệ thấm C, C-N thể khí trên thiết bị là lò giếng điện trở do Tiệp Khắc (cũ) chế tạo công suất 65 KW và lò giếng điện trở 55 KW do Viện chế tạo. Các sản phẩm thông dụng được thấm tại Viện bao gồm các loại bánh răng côn xoắn, bánh răng thẳng dùng cho các loại máy động lực, máy nông nghiệp, máy khai thác mỏ, các loại bánh răng, trục răng tàu hoả. cùng các loại sản phẩm khác như ắc, xích vòng, bạc, trục, khuôn. Các sản phẩm được thấm thường có các tính chất sau: Vật liệu: chủ yếu là thép 20CrMo, 20Cr, C20, C15 và một số thép khác như C45, 20Mn. Yêu cầu chiều sâu lớp thấm: 0,8 - 1,8 mm. Độ cứng yêu cầu: 55 - 61 HRC Trung tâm Vật liệu hiện chủ yếu sử dụng 3 quy trình công nghệ thấm sau: Quy trình 1: Thấm 8900C/7h, hạ nhiệt tôi trực tiếp 8100C/1h. Quy trình này sử dụng cho các sản phẩm không yêu cầu công đoạn gia công khác sau khi thấm (hình 3.1) Quy trình 2: Thấm 8900C/5h, hạ nhiệt 8400C/2h, hạ nhiệt 8100C/1h, tôi dầu. Quy trình thấm C-N cho các sản phẩm yêu cầu lớp thấm <1,2mm có độ mài mòn cao (chủ yếu cho các loại bánh răng m<5 như bánh răng côn xoắn C14, một số loại bạc (hình 3.2) Quy trình 3: Thấm 7h, thường hoá, nâng nhiệt 8100C/2h, tôi dầu. Các sản phẩm phải gia công (lắp chặt), yêu cầu độ bền lõi cao như bánh răng răng tàu hoả, bánh răng bella, một số loại bạc (hình 3.3). 28
  33. 3 3 3 NH =100l/h NH Gas=180l/h =100l/h NH Gas=100l/h NH =100l/h NH Gas=100l/h 890 3 NH =100l/h Gas=60l/h Gas=30l/h T¾t Gas, NH 830 3 3 NH =30l/h Gas=30l/h 810 1 4 1 1 t thÊm DÇu Thêi gian (giê) Hình 3.1 : Quy trình 1 3 3 3 NH =100l/h Gas=100l/h NH =100l/h Gas=180l/h NH =100l/h Gas=100l/h 890 3 NH =100l/hNH Gas=60l/h Gas=30l/h 840 3 NH =30l/h NH Gas=30l/h 830 T¾t Gas, NH3 810 0,5 3,5 1 2 1 t thÊm DÇu Thêi gian (giê) Hình 3.2 : Quy trình 2 29
  34. T¾t Gas, NH3 3 3 3 NH =100l/h NH Gas=180l/h =100l/h NH Gas=100l/h 890 =100l/h NH Gas=100l/h Gas=30l/h T¾t Gas, NH3 830 3 810 NH =30l/h Gas=30l/h 1 4 2 2 Kh«ng khÝ t thÊm DÇu Thêi gian (giê) Hình 3.3: Quy trình 3 3.2. Đánh giá sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm Viện Công nghệ có nhiều năm ứng dụng công nghệ thấm C-N thể khí để thấm các loại bánh răng, trục răng, các loại bạc, xích và một số sản phẩm khác. Nhìn chung, các loại bạc, bánh răng C14, bánh răng châu z24m14, bánh răng z28m8 đạt yêu cầu đề ra về độ cứng, chiều sâu lớp thấm và độ cong vênh, tuy nhiên chất lượng chưa đạt yêu cầu 100%. Bánh răng Bella z38m12 tuy đạt yêu cầu về độ cứng và chiều sâu lớp thấm nhưng độ cong vênh còn cao. Sau khi tìm hiểu yêu cầu của khách hàng, nhóm đề tài tập trung nghiên cứu vào 3 loại sản phẩm chính đó là (1) bánh răng côn xoắn C14 và các loại bạc, (2) bánh răng tàu hoả (bánh răng chậu z24m14 và bánh răng z28m8) và (3) bánh răng bella. Sau một thời gian theo dõi, kiểm tra và đánh giá chất lượng thấm các loại sản phẩm vừa nêu tại Viện Công nghệ, khách hàng cùng nhóm đề tài có những đánh giá như sau: 30
  35. (1) - Bánh răng C14 và bạc: Kích thước của bánh răng (đường kính lỏ, đường kính ngoài) trước và sau nhiệt luyện (thấm, tôi, ram) hầu như không thay đổi, độ cong vênh nằm trong giới hạn yêu cầu (≤0,2mm). Một số bánh răng có độ cong vênh lớn hơn chủ yếu do quá trình xếp sản phẩm. Nguyên nhân được cho là do trong quá trình xếp sản phẩm không được thoáng đều. Để hạn chế hiện tượng này chúng tôi tập trung vào việc xếp sản phẩm trong quá trình thấm và tôi. Vì thế đối với loại bámh răng này khi nhiệt luyện cần lưu ý sắp xếp các sản phẩm làm sao thông thoáng không có vật nặng đè lên. Tương tự như bánh răng C14 vừa nêu, sự thay đổi kích thước của các loại bạc được thấm và tôi nằm trong giới hạn yêu cầu của người thiết kế. (2) - Bánh răng tàu hoả: Bánh răng chậu z24m14, bánh răng z28: các loại bánh răng này sau khi thấm nếu thường hoá hoặc tôi trực tiếp kích thước lỗ sẽ giảm. Sau khi tôi tiếp theo, kích thước lỗ lại trở về giá trị ban đầu, kết quả này đã giúp chúng tôi giải thích hiện tượng nứt bánh răng trước đây khi bánh răng được tôi trực tiếp: mặc dù phải gia công lỗ nhiều hơn nhưng khi lắp vẫn bị nứt và một số sản phẩm nếu cần gia công trước khi tôi (để tránh phải gia công nhiều sau khi tôi rất cứng) thì cần lưu ý để lượng dư đủ để bù đắp do hiện tượng nở ra của lỗ. Nếu sử dụng công nghệ tôi trực tiếp, tuy lượng dư gia công có thể giảm nhưng chất lượng bánh răng không cao và khi nung để lắp chặt thường xảy ra hiện tượng nứt. (3) - Bánh răng Bella: Bánh răng này thường được thấm, thường hoá, tôi và ram. Độ cứng và độ cong vênh của loại bánh răng này là 2 thông số quan trọng nhất. Độ cứng phụ thuộc chủ yếu vào lớp thấm và quá trình tôi, thông số này chúng tôi hoàn toàn kiểm soát được. Độ cong vênh của bánh răng bella sau khi tôi khoảng 0,3-0,7mm. Một số giải pháp đã được lựa chọn để hạn chế độ cong vênh. Các tác giả của [1] đề cập một số phương pháp công nghệ nhiệt luyện ít biến dạng để giải quyết vấn đề này. 31
  36. Phương pháp tôi ép được các tác giả lựa chọn để tôi bánh răng bella và đã thu được kết quả tốt. Tuy nhiên cần phải nói thêm rằng quá trình tôi ép cũng có một số nhược điểm đặc biệt là thiết bị tôi ép và quá trình thao tác. Vì thế hiện nay Viện Công nghệ vẫn sử dụng công nghệ tôi truyền thống Công nghệ tôi hiện nay được sử dụng tại Viện là tôi tự do, vì thế nếu trước khi tôi bánh răng đã cong vênh rồi thì thường sau khi tôi nó lại cong vênh hơn. Để hạn chế cong vênh, bánh răng có độ cong vênh lớn cần phải nắn trước khi tôi, đây là công đoạn hết sức tốn kém mà kết quả không mang lại nhiều hiệu quả. Vì thế cần giải quyết vấn đề cong vênh ngay từ quá trình thấm (sẽ đề cập kỹ hơn ở phần sau). Dựa vào đánh giá của khách hàng kết hợp phân tích kết quả thấm tôi các sản phẩm nêu trên, chúng tôi rút ra được một số kết luận và đề ra các biện pháp để hạn chế độ cong vênh như sau: (1) Bánh răng C14 và các loại bạc: Giữ nguyên quy trình công nghệ, cần lưu ý sắp xếp các sản phẩm trên gá thấm đảm bảo thông thoáng, càng đều càng tốt, phải duy trì chế độ nhiệt luyện như đã đề ra. (2) Bánh răng tàu hoả (bánh răng chậu z24m14, bánh răng z28m8) và nói chung là các loại bánh răng cần nung nóng khi lắp chặt: Không được tôi trực tiếp sau khi thấm (mặc dù thấp ở nhiệt độ thấp hơn 9000C), nhất thiết phải nhiệt luyện qua 2 giai đoạn: • Giai đoạn 1: thường hoá đến nhiệt độ môi trường, trong quá trình thường hoá, tốc độ nguội càng đều càng tốt (thường hoá trong lò có quạt) • Giai đoạn 2: nung nóng đến nhiệt độ tôi và tôi (3) Bánh răng bella z38m12: Thay đổi quy trình công nghệ nung nóng và thường hoá, chế tạo đồ gá mới để hạn chế cong vênh (phương án nhiệt luyện loại bánh răng này sẽ đề cập kỹ hơn ở phần sau) 32
  37. 3.3. Đo kiểm và đánh giá kết quả Trong năm 2007 chúng tôi đã tiến hành đo kiểm sự thay đổi kích thước và độ cong vênh của một số sản phẩm đặc trưng. Việc đo kiểm kích thước trong quá trình nung nóng cũng như làm nguội là cực kỳ khó khăn, đòi hỏi các thiết bị hiện đại, hiện tại chúng ta chưa có khả năng làm được. Đây là đề tài ứng dụng, quan tâm lớn nhất của các nhà sản xuất và sử dụng sản phẩm là kích thước ban đầu và kích thước sau nhiệt luyện. Đề tài tiến hành đo kiểm kích thước của sản phẩm trước khi thấm, sau khi thấm tôi và ram hoàn chỉnh, một số sản phẩm được kiểm tra sau khi thấm và thường hóa để xử lý nếu cần. (1) Bánh răng C14 và bạc (bản vẽ ở phần phụ lục) Bánh răng côn xoắn C14 được thấm tôi ram theo quy trình 2 (thấm và tôi trực tiếp). Đây là loại bánh răng có số lượng tương đối lớn. Với quy trình công nghệ thấm nói trên, trong năm 2007, chúng tôi đã nhiệt luyện khoảng 100 bộ bánh răng C14 đạt độ cứng 58- 60 HRC và độ cong vênh ≤ 0,2mm, như vậy 100% sản phẩm đạt yêu cầu đề ra. Bạc được thấm tôi và ram theo quy trình 1 (thấm - hạ nhiệt - tôi trực tiếp). 100% số bạc thấm đạt yêu cầu độ cứng (56-60HRC) và độ cong vênh (≤ 0,2mm). Sự thay đổi kích thước được kiểm tra với kết quả theo bảng 3.1dưới đây: Bảng 3.1. Kết quả thay đổi kích thước của bạc sau khi thấm tôi ram Vật liệu Trước thấm Sau thấm tôi ram Ghi chú φtrong φngoài φtrong φngoài 20CrMo 69,5 90,5 69,1 90,4 Giá trị trung bình 30 chi tiết 20Cr 59,0 80,5 58,7 80,4 Giá trị trung bình 30 chi tiết 20Cr 39,2 55,5 39,1 55,3 Giá trị trung bình 30 chi tiết 20CrMo 110,5 79,0 110,3 78,9 Giá trị trung bình 30 chi tiết 33
  38. (2) Bánh răng tàu hoả (bản vẽ ở pần phụ lục) Bánh răng chậu z24m14 và bánh răng z 28m8 được chế tạo từ thép 20CrMo. Sau khi nhiệt luyện, hai loại bánh răng này được mài lổ và lắp chặt với trục. Do đòi hỏi chế độ lắp chặt (nung nóng để lắp) nên kích thước lổ rất quan trọng. Trước đây đã có thời gian hai loại bánh răng này bị vỡ sau khi lắp chặt. Hiện nay chúng tôi sử dụng quy trình công nghệ thấm - thường hoá - tôi và đã không có hiện tượng bị nứt. Kết quả đo kiểm 2 loại bánh răng này được ghi ở bảng 3.2 Bảng 3.2: Kết quả thay đổi kích thước của bánh răng sau thấm thường hóa và sau tôi ram Tên sản phẩm φlỗ trước φlỗ sau φlỗ sau tôi, Ghi chú NL thường hoá ram BR chậu z24m14 119,0 118,8 119,0 28 bánh răng (4 mẻ) BR z28m8 89,2 89,0 89,2 28 bánh răng (3 mẻ) Bánh răng Bella (bản vẽ ở phần phụ lục) Bánh răng bella làm việc trong điều kiện chịu tải trong lớn, đây là loại bánh răng có số răng z=38 và modul m=12. Bánh răng này được chế tạo từ thép 20CrMo và được thấm, tôi. Sau khi nhiệt luyện và mài bánh răng cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau: Chiều dày lớp thấm: 1,5-1,8mm Độ cứng bề mặt răng: 59-61HRC Độ đảo mặt đầu định vị (mặt đáy) ≤ 0,25mm Đây là yêu cầu tương đối cao, các phương pháp thấm tôi truyền thống thường có độ cong vênh 0,3-0,7mm. Viện Công nghệ đã cùng Công ty cơ khí Hồng Lĩnh tìm biện pháp để hạn chế sự cong vênh của bánh răng. Một trong những biện pháp đó là thay đổi quy trình công nghệ và thiết kế mới đồ gá. 34
  39. 3.4. Phương án công nghệ hạn chế cong vênh cho bánh răng bella Như đã trình bày ở phần lý thuyết, cong vênh do nhiệt gây ra là vô cùng lớn, để hạn chế ảnh hưởng này quá trình nâng nhiệt để thấm được chia làm 2 giai đoạn nung sơ bộ và nung để thấm. Nung sơ bộ được tiến hành ở lò ram với nhiệt độ 6500C sau đó chuyển sang lò thấm. Quy trình mới được thiết kế trên cơ sở quy trình công nghệ số 3 (hình 3.4). 0 NH 3=100l/h NH 3=100l/h NH 3=100l/h T¾t Gas, NH3 NhiÖt( ®é C) Gas =100l/h Gas =180l/h Gas =100l/h h 890 l/ 0 3 = s a 830 G g an s nung s¬ bé Ón y 0 u Êm 600 - 650 C h h C t lß 1 4 2 1 t thÊm Kh«ng khÝ Thêi gian (giê) Hình 3.4: Quy trình công nghệ thấm tôi bánh răng bella (QT 3B) 3.5. Thiết kế chế tạo đồ gá Đồ gá được sử dụng nhằm mục đích hạn chế sự biến dạng của sản phẩm trong quá trình thấm và tôi. Hình dáng, kết cấu của đồ gá vì thế cũng liên quan đến sự biến dạng của sản phẩm. Với bánh răng Bella có đường kính lớn (400mm) nhưng chiều dày mỏng nên rất dể biến dạng trong quá trình nhiệt luyện (nung nóng, làm nguội, quá trình thao tác. Qua quá trình thấm và tôi loại bánh răng này, thế nhóm đề tài nhận thấy, đồ gá là một dụng cụ rất quan trọng vì thế cần thiết kế lại đồ gá để làm sao hạn chế sự biến dạng nhiều nhất. Đồ gá được thiết kế đảm bảo thông thoáng, các bánh răng không chồng lên nhau, thao tác dể dàng trong quá trình di chuyển mà không gây ra xê dịch. Bản vẽ tổng thể sơ đồ bố trí bánh răng trên đồ gá thấm được thể hiện trên hình 3.5, đồ gá tôi trên hình 3.6. Bản vẽ chế tạo đồ gá chi tiết được thể hiện ở phần phụ lục. 35
  40. Hình 3.5: Sơ đồ bố trí bánh răng Bella trên gá thấm 1 234 G¸ t«i Hình 3.6: Sơ đồ bố trí bánh răng Bella trên gá tôi 36
  41. 3.6. Thấm, tôi và đo kiểm bánh răng bella theo quy trình mới Bánh răng bella được thấm theo quy trình công nghệ 3B (hình 3.4). Bánh răng được xếp vào gá thấm theo số thứ tự từ 1 đến 7 như trên hình 5.3. Mỗi một mẻ thấm 6-7 bánh răng. Bánh răng sau khi thấm được thường hoá đến nhiệt độ môi trường, sau đó được xếp vào gá tôi (hình3.6), mỗi mẻ tôi 4 bánh răng. Bánh răng sau khi thường hoá và sau khi tôi được kiểm tra độ cong vênh mặt đầu định vị bằng bàn máp và thước lá. Độ cứng được đo trên máy đo độ cứng cầm tay. Kết quả về độ cong vênh mặt đầu địn vị và độ cứng được ghi trong bảng 3.3. Bảng 3.3: Kết quả kiểm tra bánh răng thấm tôi ram tại Viện Công Nghệ TT Ký hiệu Quy Vị trí Vênh sau Vênh sau Chiều sâu Độ cứng Bánh răng trình CN khi thấm tôi lớp thấm trung bình thấm [mm] [mm] [mm] [HRC] 1 HL 1173 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 2 HL 1174 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 3 HL 1176 3B 5 0,20 0,35 1,5-1,8 59-60 4 HL 1168 3B 4 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 5 HL 1167 3B 3 0,20 0,25 1,5-1,8 59-60 6 HL 1171 3B 2 0,20 0,25 1,5-1,8 59-60 7 HL 1182 3B 7 0,20 0,25 1,5-1,8 59-60 8 HL 1180 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 9 HL 1175 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 10 HL 1187 3B 4 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 11 HL 1186 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 12 HL 1185 3B 2 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 14 HL 1179 3B 7 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 15 HL 1178 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 37
  42. 16 HL 1177 3B 5 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 17 HL 1183 3B 4 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 18 HL 1181 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 19 HL 1184 3B 2 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 20 HL 4116 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 21 HL 4120 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 22 HL 4119 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 23 HL 4117 3B 4 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 24 HL 4118 3B 3 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 25 HL 4114 3B 2 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 26 HL 4115 3B 1 0,25 0,30 1,5-1,8 59-60 27 HL 1192 3B 7 0,10 0,15 1,5-1,8 59-60 28 HL 1194 3B 6 0,10 0,15 1,5-1,8 59-60 29 HL 1189 3B 5 0,10 0,15 1,5-1,8 59-60 30 HL 1195 3B 4 0,10 0,15 1,5-1,8 59-60 31 HL 1200 3B 3 0,10 0,15 1,5-1,8 59-60 32 HL 1188 3B 2 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 33 HL 1198 3B 1 0,15 0,15 1,5-1,8 59-60 34 HL 1191 3B 7 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 35 HL 1193 3B 6 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 36 HL 1199 3B 5 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 37 HL 1190 3B 4 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 38 HL 1197 3B 3 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 39 HL 1196 3B 2 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 40 HL 1121 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 41 HL 4125 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 42 HL 4122 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 43 HL 4123 3B 4 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 38
  43. 44 HL 4124 3B 3 0,20 0,25 1,5-1,8 59-60 45 HL 4126 3B 2 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 46 HL 1201 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 47 HL 1206 3B 6 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 48 HL 1213 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 49 HL 1214 3B 4 0,10 0.20 1,5-1,8 59-60 50 HL 1205 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 51 HL 1203 3B 2 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 52 HL 1202 3B 1 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 53 HL 1212 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 54 HL 1207 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 55 HL 1211 3B 5 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 56 HL 1204 3B 4 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 57 HL 1209 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 58 HL 1208 3B 2 0,20 0,35 1,5-1,8 59-60 59 HL 1210 3B 1 0,25 0,40 1,5-1,8 59-60 60 HL1222 3B 7 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 61 HL 1230 3B 6 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 61 HL 1231 3B 5 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 63 HL1232 3B 4 0,20 0,35 1,5-1,8 59-60 64 HL 1227 3B 3 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 65 HL 1229 3B 2 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 66 HL 1237 3B 7 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 67 HL1238 3B 6 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 68 HL 1236 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 69 HL1235 3B 4 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 70 HL1234 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 71 HL1233 3B 2 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 39
  44. 72 HL 4138 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 73 HL 4137 3B 6 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 74 HL 4135 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 75 HL 4133 3B 4 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 76 HL 4136 3B 3 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 77 HL 4134 3B 2 0,20 0,40 1,5-1,8 59-60 78 HL 1256 3B 7 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 79 HL 1254 3B 6 0,10 0,20 1,5-1,8 59-60 80 HL 1243 3B 5 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 81 HL 4139 3B 4 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 82 HL 4141 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 83 HL 4140 3B 2 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 84 HL 4142 3B 1 0,25 0,35 1,5-1,8 59-60 85 HL 1249 3B 7 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 86 HL 1252 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 87 HL 1248 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 88 HL 1253 3B 4 0,10 0,25 1,5-1,8 59-60 89 HL 1241 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 90 HL 1239 3B 2 0,25 0,40 1,5-1,8 59-60 91 HL 1250 3B 1 0,25 0,40 1,5-1,8 59-60 92 HL 1246 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 93 HL 1245 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 94 HL 1255 3B 5 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 95 HL 1247 3B 4 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 96 HL1244 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 97 HL 1242 3B 2 0,20 0,35 1,5-1,8 59-60 98 HL 1257 3B 1 0,25 0,35 1,5-1,8 59-60 99 HL 1251 3B 7 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 40
  45. 100 HL 1263 3B 7 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 101 HL 1262 3B 6 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 102 HL 1265 3B 5 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 103 HL 1266 3B 4 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 104 HL 1264 3B 3 0,15 0,25 1,5-1,8 59-60 105 HL 1267 3B 2 0,15 0,30 1,5-1,8 59-60 106 HL 1258 3B 1 0,20 0,30 1,5-1,8 59-60 41
  46. PHẦN IV KẾT LUẬN Đề tài đã thực hiện được đầy đủ nội dung đề ra, cụ thể: - Tổng quan lý thuyết về sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện - Báo cáo tổng quan về sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm tôi ram - Xây dựng quy trình công nghệ thấm tôi ram để hạn chế sự biến dạng cho một số sản phẩm, cụ thể đạt được: 100% sản phẩm bạc, bánh răng côn xoắn C14 và bánh răng tàu hoả (bánh răng chậu z24m14, bánh răng z28m8) được thấm tôi ram đạt yêu cầu đề ra (độ cong vênh ≤ 0,20mm) . - Xây dựng quy trình công nghệ, thiết kế đồ gá để hạn chế độ cong vênh của bánh răng bella, cụ thể: giảm độ cong vênh ban đầu từ 0,3-0,7mm xuống còn ≤0,45mm (Trong số 106 sản phẩm có 72 sản phẩm có độ cong vênh ≤ 0,25mm đạt 70%). - Bảng kết quả về sự biến dạng và thay đổi kích thước của một số sản phẩm được thấm tôi ram tại Viện Công nghệ (một số loại bạc, bánh răng C14, Bánh răng tàu hoả, bánh răng Bella). 42
  47. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt 1. Nguyễn Văn Chương, Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện ít biến dạng các loại chi tiết mỏng, Viện Công Nghệ - Bộ Công Nghiệp, Hà nội 2001 2. Lê Đức Lập, Công nghệ thấm các chi tiết mỏng bằng thiết bị tần số cao, Viện Công Nghệ - Bộ Công Nghiệp, Hà nội 2002. Tài liệu tiếng nước ngoài 3. B.L. Ferguson (2002), Predicting the Heat-treated Response of a Carburized Helical Gear. 4. Z. Guo, Modeling material properties leading to the prediction of distortion during heat treatment of steels for automotive application. 5. R.A. Hardin, Simulation of Heat Treatment Distortion. 6. K.E. Thelning (1984). Steel and its heat treatment, Secon edition, Butterworth 1984. 7. Computer Aided Heat Treatment Planning System for Quenching. www.me.wpi.edu/Research/CAMLab/newDevelopment/CHTWebsite/Papers/TMS20 07_FEB.pdf 8. New tool extra.ivf.se/smartquench/dokument 43
  48. PHẦN PHỤ LỤC 44