Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành chế tạo cơ khí và luyện kim, công nghệ nhiệt luyện đóng vai trò quyết định đến chất lượng, cơ tính và tuổi thọ làm việc của các chi tiết máy sau khi đúc hoặc gia công cơ khí. Quá trình nhiệt luyện làm thay đổi tổ chức tế vi bên trong kim loại nhằm mang lại các đặc tính làm việc cần thiết như độ bền, độ cứng, độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn mà không làm thay đổi hình dáng, kích thước hình học của sản phẩm. Trình độ nhiệt luyện là thước đo quan trọng để đánh giá năng lực phát triển khoa học - kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của ngành cơ khí chế tạo.

Đề tài tốt nghiệp của tác giả (sinh viên ngành Vật liệu học - Nhiệt luyện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) thực hiện nhiệm vụ thiết kế phân xưởng nhiệt luyện phục vụ cho "Trung tâm nghiên cứu và chế tạo vật liệu". Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể gồm:

  1. Thống nhất thiết kế tổng thể phân xưởng nhiệt luyện phù hợp với dây chuyền sản xuất cơ khí.
  2. Xây dựng quy trình công nghệ nhiệt luyện và tính toán các thông số kỹ thuật cho cụm bánh răng ($Z24/m14$) và trục răng ($Z14/m14$) của tàu hỏa.
  3. Xây dựng quy trình công nghệ nhiệt luyện và tính toán các thông số kỹ thuật cho bánh răng ($Z38/m12$) và trục bánh răng ($Z12/m12$) của xe tải hạng nặng Belaz.
  4. Xác lập quy trình công nghệ nhiệt luyện hai giai đoạn (tôi + ram cao và tôi cảm ứng bề mặt bằng dòng điện tần số cao) cho chi tiết trục khuỷu.

Đối tượng nghiên cứu là các chi tiết máy chịu tải trọng nặng, va đập và mài mòn cao (bánh răng, trục răng tàu hỏa, xe Belaz, trục khuỷu) cùng hệ thống thiết bị nhiệt luyện công nghiệp (lò giếng điện trở công suất $60\text{ kW}$, lò ram $RSHOM\ 7.8/6,5$ công suất $25\text{ kW}$). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán truyền nhiệt, xác định thời gian nung, thấm, tôi, ram và kiểm soát môi trường thấm cacbon thể khí trong điều kiện sản xuất tại phân xưởng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý nhiệt động học luyện kim, chuyển biến pha kim loại và kỹ thuật truyền nhiệt công nghiệp:

  • Lý thuyết nhiệt động học thấm cacbon thể khí: Quá trình phân hủy hợp chất chứa cacbon sinh ra cacbon nguyên tử hoạt tính $\langle\text{C}{ht}\rangle$ theo các phản ứng: $$2\text{CO} \rightleftharpoons \text{CO}2 + \langle\text{C}{ht}\rangle$$ $$\text{C}n\text{H}{2n+2} \rightleftharpoons (n+1)\text{H}2 + n\langle\text{C}{ht}\rangle$$ $$\text{CO} + \text{H}2 \rightleftharpoons \text{H}2\text{O} + \langle\text{C}{ht}\rangle$$ Hoạt độ của cacbon trên bề mặt tuân theo cân bằng Boudouard: $\langle a_C \rangle = (a_C) \cdot e^{-\Delta G^\circ / RT}$, với $a_C = P{\text{CO}}^2 / P{\text{CO}_2}$. Cân bằng pha tương ứng với đường $\text{Fe}_3\text{C} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons 3\text{Fe} + 2\text{CO}$ trên giản đồ trạng thái giả ổn định.
  • Lý thuyết chuyển biến pha khi nhiệt luyện:
    • Tôi thép: Nung nóng chi tiết quá nhiệt độ tới hạn $Ac_1$ hoặc $Ac_3$ để tạo tổ chức Austenit, giữ nhiệt và làm nguội nhanh trong dầu để chuyển hóa thành Mactenxit hoặc tổ chức không ổn định có độ cứng cao.
    • Ram thép: Nung nóng thép đã tôi dưới $Ac_1$ để phân hóa Mactenxit và Austenit dư. Tùy nhiệt độ, phân thành: Ram thấp ($150 - 250^\circ\text{C}$ tạo Mactenxit ram), Ram trung bình ($300 - 450^\circ\text{C}$ tạo Trustit ram), Ram cao ($500 - 650^\circ\text{C}$ tạo Xoocbit ram có cơ tính tổng hợp cao).
    • Thường hóa: Nung nóng thép lên trên nhiệt độ tới hạn, giữ nhiệt và làm nguội trong không khí tĩnh nhằm làm mịn hạt, giảm ứng suất và phân bố lại pha lưới $\text{Xe}_{\text{II}}$.
  • Lý thuyết truyền nhiệt và tính toán nung nóng: Sử dụng tiêu chuẩn Biot ($Bi = \frac{S \cdot \alpha}{\lambda}$) để xác định vật mỏng ($Bi < 0,25$), tính toán hệ số tỏa nhiệt phức hợp bức xạ - đối lưu ($\alpha$) và phương trình tính thời gian nung nóng qua 2 giai đoạn nhiệt độ.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích kỹ thuật nhiệt, tra cứu sổ tay nhiệt luyện và phương pháp kiểm tra thực nghiệm bằng mẫu thử kim tương (sử dụng 3 loại mẫu thử: mẫu dây thép nhỏ, mẫu dây $\phi 6\text{ mm}$ và mẫu hình chữ nhật để đo chiều dày lớp thấm và soi tổ chức tế vi). Nguồn dữ liệu gồm sổ tay công nghệ nhiệt luyện, bảng thành phần mác thép ($20\text{XM}, 20\text{XHM}, 30\text{XT}, 12\text{XH3A}, 12\text{X2H4A}$) và thông số thiết bị lò điện trở công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Mở đầu

Chương I trình bày tổng quan về vai trò của công nghệ nhiệt luyện sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc trong chuỗi gia công cơ khí. Tác giả phân tích chi tiết công nghệ thấm cacbon thể khí trong lò giếng điện trở bằng phương pháp nhỏ giọt dầu hỏa. Hỗn hợp khí nhiệt phân từ dầu hỏa gồm: $(10-20)%\ \text{CO} + (50-75)%\ \text{H}_2 + (1-10)%\ \text{C}n\text{H}{2n} + 1%\ \text{CO}_2$.

Quy trình nhỏ giọt dầu hỏa được chia làm 3 giai đoạn theo bảng thông số công nghệ:

Giai đoạn Nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) Tốc độ nhỏ dầu ($\text{giọt/phút}\cdot\text{m}^3\text{ lò}$) Mục đích công nghệ
Bảo vệ $500 - 900$ $300 - 1000$ Tránh oxy hóa bề mặt khi nung, tránh bám muội
Bão hòa $900 - 950$ $3000 - 4000$ Cung cấp lượng cacbon chủ yếu cho lớp thấm ($0,4 - 0,6\text{ mm/h}$)
Khuếch tán $900 - 950$ $1000 - 1500$ Đưa cacbon vào sâu, tránh tập trung quá mức gây giòn

Chương này cũng tổng hợp thành phần một số loại khí công nghiệp dùng trong nhiệt luyện:

Loại khí (Ký hiệu) $\text{CO}$ (%) $\text{C}n\text{H}{2n+2}$ (%) $\text{CO}_2$ (%) $\text{N}_2$ (%) $\text{H}_2$ (%) Thành phần khác (%)
Khí đốt - 100 - - - -
CGA 17,6 3,8 11,8 - 46,9 $18,9\text{ Ar}$
Endogas 23,0 - 0,4 45,7 30,0 $0,2\text{ H}_2\text{O}$
Exogas 20,5 - 4,5 45,0 30,0 -

Ngoài ra, chương I trình bày các biện pháp bảo vệ chống thấm cục bộ (để lượng dư gia công gấp $1,5 - 2$ lần chiều dày lớp thấm, đắp hỗn hợp $20%\text{ đất sét} + 5%\text{ nước thủy tinh} + \text{cát mịn}$, mạ đồng $\text{Cu}$ hoặc phủ nhôm $\text{Al}$) và nguyên lý tôi cảm ứng bề mặt bằng dòng điện cao tần cho chi tiết trục khuỷu.

Chương II: Bánh răng và trục răng tàu hỏa

Nội dung chương II tập trung vào việc phân tích điều kiện làm việc, lựa chọn vật liệu và tính toán công nghệ cho bộ truyền động tàu hỏa:

  • Điều kiện làm việc: Chi tiết chịu ứng suất uốn thay đổi chu kỳ gây mỏi chân răng (chiếm 70% nguyên nhân hư hỏng), mỏi tiếp xúc bề mặt ăn khớp và mài mòn đầu mút răng.
  • Vật liệu và hợp kim hóa: Sử dụng mác thép $20\text{XM}$ ($0,2%\ \text{C}, 1%\ \text{Cr}, 1%\ \text{Mo}$) hoặc thép thay thế $30\text{XT}$ (có bổ sung $\text{Ti}$ để kiềm chế phát triển hạt ở $930 - 950^\circ\text{C}$). Vai trò của các nguyên tố: $\text{Cr}$ tăng độ thấm tôi và chống ram; $\text{Mo}$ tăng mạnh độ thấm tôi (hệ số 3,8), giảm độ giòn ram; $\text{Ni}$ tăng độ dẻo dai cho ferit; $\text{Ti}$ tạo cacbit cản trở lớn hạt khi nung.
  • Quy trình công nghệ thực nghiệm:
    1. Thấm cacbon thể khí ở $920^\circ\text{C}$ trong lò giếng điện trở (thời gian giữ nhiệt $6\text{h}$, chia 3 mức nhỏ dầu: $1,5\text{h}$ đầu nhỏ $100\text{ giọt/phút}$; $3\text{h}$ giữa nhỏ $120\text{ giọt/phút}$; $1,5\text{h}$ cuối nhỏ $100\text{ giọt/phút}$).
    2. Thường hóa trong không khí sau khi thấm để làm mịn hạt lõi và phân tán lưới $\text{Xe}_{\text{II}}$ chống mài mòn.
    3. Nung tôi ở $820^\circ\text{C}$ (nhỏ dầu bảo vệ $80\text{ giọt/phút}$), giữ nhiệt $1,5\text{h}$, làm nguội trong bể dầu có sục khuấy và bơm tuần hoàn nước làm mát.
    4. Ram thấp ở $180^\circ\text{C}$ từ $1 - 2\text{h}$ nhằm khử ứng suất dư và chuyển hóa Austenit dư thành Mactenxit ram.

Phần tính toán công nghệ Chương II đưa ra các kết quả cụ thể:

  • Bánh răng ($42\text{ kg/chi tiết}$, mẻ 6 chiếc + gá $20\text{ kg} = 272\text{ kg}$): Hệ số $\alpha = 135\text{ W/m}^2\text{K}$; công suất hữu ích lò $N_h = 36,92\text{ kW}$; thời gian nung thấm $\tau_n = 2,1\text{h}$, thời gian thấm $5\text{h}$, tổng chu kỳ thấm $7,2\text{h}$. Thời gian nung tôi $\tau_n = 1,8\text{h}$, giữ nhiệt $1,8\text{h}$, tổng chu kỳ tôi $3,7\text{h}$. Thời gian ram (lò $25\text{ kW}$): nung $1,5\text{h}$, giữ nhiệt $1,2\text{h}$, tổng thời gian $2,8\text{h}$.
  • Trục răng ($22\text{ kg/chi tiết}$, mẻ 8 chiếc + gá $20\text{ kg} = 196\text{ kg}$): Tiêu chuẩn $Bi = 0,14 < 0,25$ (vật mỏng); thời gian nung thấm $\tau_n = 1,9\text{h}$, thời gian thấm $5\text{h}$, tổng chu kỳ thấm $6,9\text{h}$. Thời gian nung tôi $\tau_n = 1,7\text{h}$, giữ nhiệt $1,6\text{h}$, tổng chu kỳ tôi $3,4\text{h}$. Thời gian ram: nung $1,1\text{h}$, giữ nhiệt $1,0\text{h}$, tổng thời gian $2,2\text{h}$.

Chương III: Bánh răng và trục răng của xe Belaz

Chương III thiết lập quy trình nhiệt luyện cho cụm bánh răng $Z38/m12$ và trục bánh răng $Z12/m12$ của xe tải hạng nặng Belaz:

  • Yêu cầu kỹ thuật: Bề mặt răng đạt độ cứng $59 - 62\text{ HRC}$, chiều sâu lớp thấm $1,0 - 1,2\text{ mm}$ với nồng độ cacbon bề mặt $0,8 - 1,0%$, lõi giữ độ cứng $30 - 40\text{ HRC}$ để đảm bảo độ dẻo dai va đập.
  • Vật liệu: Lựa chọn thép hợp kim thấp $20\text{XM}, 20\text{XHM}$ (có thể thay $\text{Mo}$ bằng $\text{W}$) hoặc $30\text{XT}$. Thép $30\text{XT}$ cho phép thấm ở $930 - 950^\circ\text{C}$ và tôi trực tiếp mà không cần qua khâu thường hóa trung gian.
  • Tính toán kỹ thuật nhiệt cho bánh răng Belaz:
    • Diện tích truyền nhiệt $F_m = 1,2\text{ m}^2$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 36,5\text{ W/mK}$, hệ số tỏa nhiệt phức hợp $\alpha = 135\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Tiêu chuẩn Biot: $Bi = \frac{S_m \cdot A_m \cdot \alpha}{\lambda} = \frac{0,15 \cdot 0,2 \cdot 135}{36,5} = 0,12 < 0,25$ (chi tiết thuộc nhóm vật mỏng).
    • Đánh giá công suất lò: Do công suất yêu cầu khi nung tức thời ở nhiệt độ không đổi $N_{tk} \ge 231\text{ kW}$ vượt quá công suất thiết kế của lò ($60\text{ kW}$), quá trình nung được tính toán theo điều kiện nhiệt độ lò thay đổi theo thời gian.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã xây dựng bộ thông số công nghệ nhiệt luyện hoàn chỉnh cho các chi tiết cơ khí chịu tải trọng nặng tại phân xưởng:

Chi tiết Mác thép Quy trình nhiệt luyện Chế độ nhiệt độ & thời gian Độ cứng đạt được
Bánh răng tàu hỏa ($Z24/m14$) $20\text{XM}$ / $30\text{XT}$ Thấm C thể khí + Thường hóa + Tôi dầu + Ram thấp Thấm $920^\circ\text{C}$ ($7,2\text{h}$) $\rightarrow$ Thường hóa $\rightarrow$ Tôi $820^\circ\text{C}$ ($3,7\text{h}$) $\rightarrow$ Ram $180^\circ\text{C}$ ($2,8\text{h}$) Bề mặt: $61 - 63\text{ HRC}$
Lõi: $30 - 40\text{ HRC}$
Trục răng tàu hỏa ($Z14/m14$) $20\text{XM}$ / $30\text{XT}$ Thấm C thể khí + Thường hóa + Tôi dầu + Ram thấp Thấm $920^\circ\text{C}$ ($6,9\text{h}$) $\rightarrow$ Thường hóa $\rightarrow$ Tôi $820^\circ\text{C}$ ($3,4\text{h}$) $\rightarrow$ Ram $180^\circ\text{C}$ ($2,2\text{h}$) Bề mặt: $61 - 63\text{ HRC}$
Lõi: $30 - 40\text{ HRC}$
Bánh răng xe Belaz ($Z38/m12$) $20\text{XM}$ / $20\text{XHM}$ / $30\text{XT}$ Thấm C thể khí + Thường hóa + Tôi dầu + Ram thấp Thấm $920^\circ\text{C}$ (lớp thấm $1 - 1,2\text{ mm}$) $\rightarrow$ Tôi $820^\circ\text{C}$ $\rightarrow$ Ram $180^\circ\text{C}$ Bề mặt: $59 - 62\text{ HRC}$
Lõi: $30 - 40\text{ HRC}$
Trục khuỷu Thép cacbon / hợp kim trung bình Tôi + Ram cao kết hợp Tôi cảm ứng cao tần Giai đoạn 1: Tôi + Ram cao ($500 - 650^\circ\text{C}$)
Giai đoạn 2: Tôi cảm ứng bề mặt cổ trục		 Lõi: Xoocbit ram bền dai
Bề mặt cổ trục: Mactenxit cứng

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất bao gồm:

  1. Quy trình nhỏ giọt dầu 3 giai đoạn: Điều chỉnh tốc độ cấp chất thấm ($100 \rightarrow 120 \rightarrow 100\text{ giọt/phút}$) tương ứng với tốc độ khuếch tán cacbon ở từng thời điểm, kiểm soát ngọn lửa khí thải ở mức $100 - 150\text{ mm}$ để đạt nồng độ cacbon bề mặt $0,8 - 1,2%$, tránh tạo muội than.
  2. Khâu thường hóa trung gian sau thấm: Giải quyết triệt để hiện tượng phát triển hạt thô trong lõi do giữ nhiệt lâu ở $920^\circ\text{C}$, đồng thời hòa tan và phân bố lại màng cacbit lưới $\text{Xe}_{\text{II}}$ thành dạng đứt đoạn nhằm nâng cao khả năng chịu mài mòn.
  3. Đề xuất vật liệu thay thế có hiệu quả kinh tế: Kiến nghị sử dụng mác thép $30\text{XT}$ thay cho thép $20\text{XM}$ và $20\text{XHM}$ chứa Niken đắt tiền, tận dụng ưu thế hạt nhỏ di truyền của thép chứa Titan để nâng nhiệt độ thấm lên $930 - 950^\circ\text{C}$, rút ngắn thời gian thấm và thực hiện tôi trực tiếp sau thấm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án chỉ tập trung tính toán nhiệt cho các chi tiết điển hình trong điều kiện lò giếng gián đoạn; các thông số kiểm soát lượng dầu nhỏ giọt vẫn dựa vào phương pháp quan sát ngọn lửa khí xả thủ công; công đoạn ủ mềm phôi trục khuỷu ở $850^\circ\text{C}$ (đạt $180 - 200\text{ HB}$) bị loại bỏ khỏi phạm vi phân xưởng nhiệt luyện để chuyển sang công đoạn gia công cơ thô.
  • Hướng phát triển: Mở rộng tính toán chi tiết các thông số điện từ trường và thiết kế cuộn cảm cho nguyên công tôi tần số cao trục khuỷu; áp dụng hệ thống đo và điều khiển tự động thế cacbon bằng cảm biến oxy trong lò giếng điện trở.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư chuyên ngành Vật liệu học, Kỹ thuật Nhiệt luyện và Cơ khí chế tạo máy. Phần nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

  • Phương pháp tính toán thời gian nung hai giai đoạn ($\tau_1, \tau_2$) theo tiêu chuẩn Biot ứng dụng cho lò điện trở gián đoạn.
  • Chế độ nhỏ giọt dầu hỏa phân cấp và quy trình nhiệt luyện sau thấm cacbon cho các chi tiết bánh răng truyền động tải nặng.
  • Phương pháp luận lựa chọn mác thép thay thế nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao chi tiết sau khi thấm cacbon thể khí không được tôi ngay mà phải trải qua nguyên công thường hóa trung gian?
Do quá trình thấm cacbon kéo dài ở nhiệt độ cao ($920^\circ\text{C}$) làm cho tổ chức hạt tinh thể trong lõi bị thô đại, đồng thời tạo ra mạng lưới xementit II ($\text{Xe}{\text{II}}$) liên tục, giòn ở bề mặt. Nguyên công thường hóa làm mịn lại kích thước hạt của lõi, làm hòa tan và phân bố lại màng $\text{Xe}{\text{II}}$ thành dạng lưới đứt đoạn, giúp bề mặt chống mài mòn tốt và lõi giữ được độ dẻo dai.

2. Làm thế nào để kiểm soát và điều chỉnh lượng dầu hỏa nhỏ vào lò thấm cacbon thể khí trong thực tế?
Người vận hành theo dõi ngọn lửa đốt khí thải tại ống xả lò: ngọn lửa màu xanh có chiều dài từ $100 - 150\text{ mm}$ là chế độ tối ưu; ngọn lửa dài hơn $200\text{ mm}$ biểu thị thừa dầu (dễ sinh muội than cản trở thấm), cần giảm lượng nhỏ giọt; ngọn lửa ngắn hơn $100\text{ mm}$ hoặc bị tắt biểu thị thiếu dầu, cần tăng lượng cấp.

3. Tiêu chuẩn Biot ($Bi$) có ý nghĩa gì trong bài toán tính toán nhiệt nung chi tiết?
Tiêu chuẩn Biot ($Bi = \frac{S \cdot \alpha}{\lambda}$) phản ánh tỷ số giữa nhiệt trở dẫn nhiệt bên trong vật thể và nhiệt trở tỏa nhiệt bề mặt. Với giá trị tính toán $Bi = 0,12 - 0,14 < 0,25$, chi tiết bánh răng và trục răng được xác định thuộc nhóm "vật thể mỏng" về mặt nhiệt học, cho phép bỏ qua sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm khi tính thời gian nung nóng.

4. Mác thép $30\text{XT}$ mang lại ưu thế công nghệ gì so với mác thép $20\text{XM}$ và $20\text{XHM}$?
Thép $30\text{XT}$ không chứa Niken đắt tiền nên có giá thành thấp hơn. Nhờ chứa nguyên tố Titan ($\text{Ti}$) cản trở sự phát triển hạt Austenit ở nhiệt độ cao, thép có đặc tính hạt nhỏ di truyền, cho phép nâng nhiệt độ thấm lên $930 - 950^\circ\text{C}$ để rút ngắn chu kỳ thấm và cho phép tôi trực tiếp sau thấm mà không bắt buộc phải thường hóa.

5. Quy trình nhiệt luyện hai giai đoạn của chi tiết trục khuỷu gồm những bước nào?
Giai đoạn 1 tiến hành tôi và ram cao ($500 - 650^\circ\text{C}$) để tạo tổ chức Xoocbit ram trên toàn bộ thể tích, đảm bảo cơ tính tổng hợp gồm độ bền tĩnh và độ dai va đập cao. Giai đoạn 2 tiến hành nung nóng cảm ứng bằng dòng điện cao tần và làm nguội nhanh cục bộ tại các cổ trục để tạo tổ chức Mactenxit có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao trên lớp bề mặt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế công nghệ nhiệt luyện cho các chi tiết chịu tải nặng thuộc phân xưởng nhiệt luyện của Trung tâm nghiên cứu và chế tạo vật liệu. Tác giả đã kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết chuyển biến pha, nhiệt động học thấm cacbon và các mô hình tính toán truyền nhiệt kỹ thuật để xác lập hệ thống thông số công nghệ chính xác cho bánh răng tàu hỏa, bánh răng xe Belaz và trục khuỷu. Đề tài mang tính thực tiễn cao nhờ các đề xuất cải tiến về chế độ nhỏ dầu 3 giai đoạn, phương án thường hóa phân tán mạng cacbit và giải pháp thay thế vật liệu bằng thép $30\text{XT}$ nhằm tiết kiệm chi phí công nghiệp.