Bộ Công thơng Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 240.07.RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu sự thay đổi kích thớc trong quá trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm Cơ quan chủ quản: Bộ Công thơng Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài: thS. Hoàng vĩnh giang 6794 12/4/2008 Hà Nội, 3-2008 Bộ Công thơng Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 240.07.RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu sự thay đổi kích thớc trong quá trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm Hà Nội, 3 - 2008 Cơ quan chủ trì Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài thS. Hoàng vĩnh giang Những ngời tham gia đề tài: 1. Hoàng Vĩnh Giang Viện Công nghệ 2. Phạm Văn Lành Viện Công nghệ 3. Vũ Xuân Nam Viện Công nghệ 4. Nguyễn Văn Việt Viện Công nghệ 5. Trần Trọng Nghĩa Viện Công nghệ 6. Đỗ Đình Quý Viện Công nghệ 7. Nguyễn Xuân Thắng Viện Công nghệ 8. Cao Văn Quang Viện Công nghệ Cơ quan phối hợp: Viện Cơ khí năng lợng và mỏ MỤC LỤC Trang GIỚI THIỆU 1 PHẦN I Cơ sở lý thuyết về sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện 3 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 PH ẦN II Tổng quan về sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm C 16 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 (bạc, bánh răng) 28 3.1. Công nghệ thấm C-N tại Viện Công ngh ệ 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 1 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 đ oạn 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 tổ ng 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 lượ ng 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 chấ t 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. 2 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 đồ ng 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 đế n 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. 3 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 su ất 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 đổ i 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. 4 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 dạ ng 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] 5 A B C D 1 10 100 1000 500 1000 Thêi gian (s) NhiÖt ®é (C) B Ò m Æ t T©m Hình 1.1b: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm hình trụ đặc trong quá trình nguội [3] 0 §−êng kÝnh nÐn øng suÊt KÐo Hình 1.1c: Sự hình thành ứng suất trong quá trình làm nguội hình trụ đặc[3] 6 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 suấ t. 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. = 0,4 mm ^ ^ = 0,04 mm 920 C/n−íc 0 0 920 C/dÇu 920 C/bÓ muèi 220 C 0 920 C/ kh«ng khÝ 0 Thay ®æi kÝch th−íc: 0 Thay ®æi kÝch th−íc: Chó thÝch: a) b) 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] [...]... 22 170 C 300 C Thay đổi kích thớc: = 0,05mm 200/150 x 75mm 170 C 300 C Thay đổi kích thớc: = 0,05mm 200/100 x 75mm 170 C 300 C Thay đổi kích thớc: = 0,05mm 200/50 x 75mm Hỡnh 2.5: nh hng ca nhit ram n s thay i kớch thc [6] 23 nh hng ca chiu sõu lp thm n s thay i th tớch c th hin trờn hỡnh 2.6 õy bc c thm vi chiu sõu l 1mm v 0,5mm a) Chiu sõu lp thm: 1,0 mm Tng th tớch 0,13 % Thay đổi kích thớc: = 0,05mm... tớch 11 Thay đổi kích thớc T3 T2 T1 + 0 -200 Ms 0 200 400 600 800 1000 Nhiệt độ ( C) 0 Hỡnh 1.7: S thay i kớch thc ca thộp cựng tớch khi lm ngui nhanh [6] S thay i kớch thc ca sn phm tụi vi cỏc nhit tụi khỏc nhau c th hin trờn hỡnh 1.7 Khi kớch thc thay i, th tớch ca sn phm cng thay i v s thay i th tớch ny c tớnh toỏn nh sau [6]: V V 100 Vc Va = (1,68 xC ) + a (4,64 + 2,21xC ) V 100 100 Trong. .. 0,08 % Thay đổi kích thớc: = 0,05mm c) Chiu sõu lp thm: 0 mm Tng th tớch 0 % Thay đổi kích thớc: = 0,05mm Hỡnh 2.6 Thay i th tớch vi chiu sõu lp thm khỏc nhau (bc 96/54 x 46mm) [6] 24 trỏnh hin tng co khi tụi, ngi ta ó th nghim tụi bỏnh rng trờn trc Trc c ch to t thộp dng c 95MnCrW1, tụi, ram 4000C Trc khi tụi, bỏnh rng thm c cho vo trc Kt qu thay i kớch thc c th hin trờn hỡnh 2.7 [6] Trục Bánh nối... s thay i kớch thc ca cỏc hng l nh nhau Tuy nhiờn trờn thc t, cỏc loi vt liu s dng khụng nh th vỡ th cn lu ý l s thay i v kớch thc s khỏc nhau theo tng hng c th 1.3 S thay i kớch thc trong quỏ trỡnh ram Trong quỏ trỡnh ram, s thay i v cu trỳc vt liu s lm thay i th tớch v trng thỏi ng sut ca chỳng Cú s liờn quan gia nhit ram, th tớch v trng thỏi ng sut hiu rừ thờm v s thay i ny chỳng ta s cp n s thay. .. kớnh trong l 75 v 50mm c thm 9400C , tụi 8300C vi chiu sõu lp thm 1mm Thay đổi kích thớc: = 0,05mm 100/75 x 50mm Thay đổi kích thớc: = 0,05mm 100/50 x 50mm Hỡnh 2.3 S thay i kớch thc sau thm v tụi bc S thay i th tớch ca cỏc loi thộp thm khỏc nhau vi cỏc kớch thc khỏc nhau c th hin trờn hỡnh 2.4 T hỡnh 2.3 v 2.4 cú th thy rng, thay i th tớch ln hn vi nhng vt cú chiu dy bộ hn v nh th th tớch ca vt mng... nng n nh kớch thc trong quỏ trỡnh lm ngui cng cao (hỡnh 1.4) [6] Hỡnh ny cho thy, trong 3 loi thộp c nờu thỡ thộp18Cr8Ni l thộp cú tớnh chu nhit cao nht v nh th nú cú s bin dng do nhit ớt nht 7 Thép 0,1% C o 920 C / nớc Thép 17 % Cr o 920 C / nớc Thép 18 / 8 (18Cr, 8Ni) o 920 C / nớc ^ Thay đổi kích thớc: = 0,04 mm Hỡnh 1.4: S thay i kớch thc ca mt s vt liu khỏc nhau [6] 1.2.2 S thay i khớch thc do... cú chiu dy bộ c tụi thu hn l vt cú chiu dy ln hn 21 Thay đổi thể tích % % BS 805M20 En 362 BS 637M17 En 352 BS 655M13 En 36A 0,20 + 0,10 0 tôi đẳng nhiệt 180 C Phơng pháp làm nguội dầu tôi đẳng nhiệt 180 C dầu tôi đẳng nhiệt 180 C dầu = ỉ 100 / 50x50 mm = ỉ 100 / 75x50 mm Hỡnh 2.4: Thay i th tớch ca bc vi cỏc vt liu khỏc nhau nh hng ca nhit ram n s thay i th tớch c th hin trờn hỡnh 2.5 õy bc sau khi... sut chuyn bin pha Trong quỏ trỡnh nung núng v lm ngui thộp c tri qua nhiu quỏ trỡnh chuyn bin pha Cỏc pha khỏc nhau cú cỏc t trng khỏc nhau v nh th cú th tớch cng khỏc nhau Th tớch riờng ca mt s pha c lit kờ trong bng 1 [6] Lng C ho tan trong austenite hoc trong martensite cú nh hng rt ln n th tớch riờng Khi tớnh toỏn s thay i th tớch trong quỏ trỡnh tụi, hm lng C cn c bit quan tõm S thay i th tớch khi... nhng thay i v kớch thc cú thit k hp lý S thay i kớch thc trong quỏ trỡnh thm v tụi c nhiu tỏc gi quan tõm nghiờn cu Mt s vớ d v s thay i kớch thc ca mt s sn phm thng gp c trỡnh by di õy Hỡnh 2.3 phỏc ho s thay i kớch thc ca bc vt liu l thộp thm BS 637M17 (0,18%C, 0,78%Cr, 1,46%Ni, 0,07%Mo) vi chiu cao 50mm, ng kớnh ngoi 100mm, ng kớnh trong l 75 v 50mm c thm 9400C , tụi 8300C vi chiu sõu lp thm 1mm Thay. .. luyn s thay i tớnh cht ca lp b mt ny cng khỏc so vi vt liu nn S thay i kớch thc trong quỏ trỡnh ny c quyt nh bi nhiu yu t, ch yu l nhng yu t sau [6]: 1 thm tụi ca thộp Kh nng tụi cng cao v chiu dy ca vt liu gim, thỡ s tng th tớch s cng ln 2 Mỏc thộp Thộp Cr-Ni, Cr-Ni-Mo v mt mc no y c thộp Cr-Mn cú s thay i tng i ging nhau Tuy nhiờn cng cn lu ý l thộp Cr-Mo cú s thay i tng i khỏc, nht l s thay i . thuyết về sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện 3 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. 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. nghiên cứu sự thay đổ i 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