NGHIÊN CỨU KIỂM SOÁT BIẾN DẠNG VÀ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN BÁNH RĂNG, TRỤC RĂNG THẤM CACBON - NITƠ

Tóm tắt nghiên cứu (Research Summary)

  • Câu hỏi nghiên cứu cốt lõi: Bản chất cơ học - nhiệt động học và quy luật biến dạng, thay đổi kích thước của bánh răng và trục răng trong quá trình thấm cacbon – nitơ (C-N), tôi và ram là gì? Làm thế nào để thiết lập quy trình công nghệ tối ưu và đồ gá chuyên dụng nhằm khống chế dung sai cong vênh theo yêu cầu kỹ thuật khắt khe?
  • Phương pháp tiếp cận: Nghiên cứu kết hợp giữa phân tích cơ sở lý thuyết ứng suất (ứng suất nhiệt và ứng suất chuyển biến pha) với thực nghiệm sản xuất trên thiết bị lò giếng điện trở thể khí tại Viện Công nghệ. Đề tài khảo sát các dòng sản phẩm đại diện gồm: bạc hợp kim, bánh răng côn xoắn C14, bánh răng tàu hỏa (chậu $z24m14$, $z28m8$) và bánh răng kích thước lớn $Bella$ ($z38m12$, đường kính 400 mm).
  • Kết quả then chốt: Xác lập thành công quy trình công nghệ cải tiến (nung sơ bộ 2 giai đoạn tại 650°C kết hợp chế độ làm nguội phân đoạn) và hệ thống đồ gá treo chuyên dụng. Đạt tỉ lệ 100% chi tiết bạc, bánh răng C14 và bánh răng tàu hỏa có độ cong vênh $\le 0{,}20\text{ mm}$, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nứt vỡ khi lắp ghép nguội/nóng. Với bánh răng phức tạp $Bella$, giảm độ cong vênh từ $0{,}3 - 0{,}7\text{ mm}$ xuống $\le 0{,}45\text{ mm}$ (70% chi tiết đạt dung sai tinh khắt khe $\le 0{,}25\text{ mm}$).
  • Hàm ý thực tiễn: Nghiên cứu cung cấp giải pháp nhiệt luyện ít biến dạng có tính ứng dụng cao, dễ dàng áp dụng ngay trên dây chuyền thiết bị hiện hữu của các nhà máy cơ khí chế tạo mà không cần đầu tư các hệ thống máy ép tôi đắt đỏ.

Bối cảnh và tầm quan trọng (Context & Significance)

Trong chuỗi dây chuyền chế tạo chi tiết cơ khí truyền lực (bánh răng, trục răng, ống bạc), nhiệt luyện – hóa nhiệt luyện là công đoạn then chốt quyết định cơ tính, độ cứng bề mặt, khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi tiếp xúc. Tuy nhiên, bản chất của quá trình tôi là "nung nóng – làm nguội nhanh" với tốc độ cao, dẫn đến sự xuất hiện đồng thời của ứng suất nhiệt và ứng suất chuyển biến pha. Đây chính là căn nguyên sinh ra hiện tượng biến dạng, méo hình học, thay đổi kích thước và cong vênh ngoài tầm kiểm soát.

Tại Việt Nam, phần lớn cơ sở gia công nhiệt luyện cơ khí đang vận hành các hệ thống lò tôi truyền thống hoặc lò giếng điện trở. Do thiếu các công cụ mô phỏng động học biến dạng chuyên sâu (như phần mềm DANTE của Mỹ) và hiểu biết sâu sắc về động học chuyển pha của lớp thấm, tình trạng phế phẩm do sai lệch kích thước diễn ra thường xuyên. Doanh nghiệp buộc phải tăng lượng dư gia công cắt gọt sau tôi hoặc sử dụng phương pháp nắn nguội tốn kém, dễ gây nứt ngầm và giảm tuổi thọ chi tiết.

Nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Công nghệ (Bộ Công Thương) nhằm giải quyết trực diện bài toán công nghệ bức thiết:

  1. Làm sáng tỏ quy luật thay đổi kích thước của lớp thấm C-N dưới tác động của nhiệt độ và môi trường tôi;
  2. Thiết lập quy chuẩn kiểm soát quy trình công nghệ thấm - tôi - ram ổn định;
  3. Chế tạo đồ gá định hình giảm thiểu biến dạng cho các chi tiết phức tạp, thành mỏng và đường kính lớn.

Thành công của đề tài giúp doanh nghiệp cơ khí trong nước nâng cao năng lực cạnh tranh, giảm tỷ lệ chi phí gia công sau nhiệt luyện và chủ động làm chủ quy trình công nghệ lõi đối với các chi tiết truyền động chính xác.

Phương pháp luận và cách tiếp cận (Methodology & Experimental Approach)

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm công nghiệp kết hợp phân tích vật liệu học chuyên sâu:

1. Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán thể tích pha

Nghiên cứu lượng hóa sự thay đổi thể tích tương đối ($\Delta V/V$) dựa trên hàm lượng cacbon hòa tan trong pha Austenite ($\gamma$) và Martensite ($M$):

$$\frac{\Delta V}{V} = \left( \frac{100 - V_c - V_a}{100} \right)(1{,}68 \cdot %C) + \frac{V_a}{100}(-4{,}64 + 2{,}21 \cdot %C)$$

Trong đó:

  • $V_c$: Thể tích phần trăm cementit không hòa tan;
  • $V_a$: Thể tích phần trăm austenite dư;
  • $%C$: Phần trăm khối lượng cacbon hòa tan.

Công thức trên chứng minh rằng mức độ nở thể tích tỷ lệ thuận với lượng cacbon được khuếch tán vào bề mặt chi tiết và tỷ lệ chuyển biến thành martensite sau khi tôi dầu.

2. Thiết bị và vật liệu thực nghiệm

  • Vật liệu nền: Thép hợp kim thấp chuyên dùng thấm cacbon: $20\text{CrMo}$, $20\text{Cr}$, $C20$, $C15$.
  • Hệ thống lò nhiệt luyện: Lò giếng điện trở điều khiển nhiệt tự động công suất 65 kW (Tiệp Khắc) và lò giếng 55 kW chế tạo tại Viện Công nghệ.
  • Môi trường hóa nhiệt: Sử dụng thể khí động học từ khí hóa lỏng LPG ($\text{C}n\text{H}{2n+2}$) kết hợp dòng khí $\text{NH}_3$ phân ly để thực hiện quá trình thấm đồng thời cacbon và nitơ (C-N).

3. Phân nhóm mẫu thử và quy trình tối ưu

  • Nhóm chi tiết tiêu chuẩn: 120 mẫu bạc tròn xoay hợp kim ($20\text{CrMo}$, $20\text{Cr}$) kích thước đường kính từ $\Phi 55\text{ mm}$ đến $\Phi 110\text{ mm}$; 100 bộ bánh răng côn xoắn C14.
  • Nhóm chi tiết chịu tải nặng (tàu hỏa): 28 bánh răng chậu $z24m14$ và 28 bánh răng $z28m8$ vật liệu $20\text{CrMo}$.
  • Nhóm chi tiết phức tạp, thành mỏng (bánh răng Bella): 106 bánh răng $z38m12$ ($\Phi 400\text{ mm}$).
  • Kỹ thuật đo kiểm: Sử dụng thước panme điện tử, bàn máp chuẩn đo độ phẳng/độ cong vênh mặt đầu định vị, kết hợp máy đo độ cứng chuyên dụng (HRC) và phân tích chiều sâu lớp thấm vi mô.

Phát hiện chính của nghiên cứu (Key Findings)

1. Quy luật biến dạng đường kính lỗ bánh răng tàu hỏa ($20\text{CrMo}$)

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ hiện tượng nứt vỡ bánh răng chậu tàu hỏa khi nung nóng lắp trục trước đây. Thực nghiệm chỉ ra:

  • Khi áp dụng quy trình Thấm $\rightarrow$ Thường hóa $\rightarrow$ Tôi $\rightarrow$ Ram, đường kính lỗ chi tiết $\Phi_{\text{lỗ}}$ sau bước thường hóa bị co lại $0{,}2\text{ mm}$ do ứng suất nhiệt phân bố lại.
  • Tuy nhiên, sau bước tôi dầu và ram hoàn thiện, kích thước $\Phi_{\text{lỗ}}$ giãn nở trở lại chính xác giá trị ban đầu trước nhiệt luyện ($119{,}0\text{ mm}$ với bánh răng chậu $z24m14$ và $89{,}2\text{ mm}$ với bánh răng $z28m8$).
  • Ý nghĩa: Kết quả này cung cấp căn cứ chuẩn xác để kỹ sư thiết kế lượng dư gia công lỗ trước nhiệt luyện, loại trừ hoàn toàn nguy cơ nứt hỏng khi ép ghép trục.
Tên sản phẩm $\Phi_{\text{lỗ}}$ trước NL (mm) $\Phi_{\text{lỗ}}$ sau Thường hóa (mm) $\Phi_{\text{lỗ}}$ sau Tôi - Ram (mm) Kết luận hình học
Bánh răng chậu $z24m14$ $119{,}0$ $118{,}8$ $119{,}0$ Khôi phục 100% kích thước danh định
Bánh răng $z28m8$ $89{,}2$ $89{,}0$ $89{,}2$ Khôi phục 100% kích thước danh định

2. Sự thay đổi kích thước của chi tiết bạc theo chiều dày thành

Kết quả thực nghiệm trên 120 chi tiết bạc khẳng định: Chi tiết có chiều dày thành càng mỏng thì mức độ nở thể tích tương đối càng lớn do hiệu ứng tôi thấu martensite đạt tỷ lệ 100%. Đường kính trong của các loại bạc sau thấm tôi ram đều có xu hướng co ngót nhẹ từ $0{,}1 - 0{,}4\text{ mm}$, trong khi đường kính ngoài co ngót từ $0{,}1 - 0{,}2\text{ mm}$.

Vật liệu Kích thước ban đầu (mm)
$\Phi_{\text{trong}} \times \Phi_{\text{ngoài}}$		 Kích thước sau tôi ram (mm)
$\Phi_{\text{trong}} \times \Phi_{\text{ngoài}}$		 Độ biến dạng $\Delta \Phi$ (mm) Ghi chú
$20\text{CrMo}$ $69{,}5 \times 90{,}5$ $69{,}1 \times 90{,}4$ $-0{,}4\text{ (trong)} / -0{,}1\text{ (ngoài)}$ Trung bình 30 chi tiết
$20\text{Cr}$ $59{,}0 \times 80{,}5$ $58{,}7 \times 80{,}4$ $-0{,}3\text{ (trong)} / -0{,}1\text{ (ngoài)}$ Trung bình 30 chi tiết
$20\text{Cr}$ $39{,}2 \times 55{,}5$ $39{,}1 \times 55{,}3$ $-0{,}1\text{ (trong)} / -0{,}2\text{ (ngoài)}$ Trung bình 30 chi tiết
$20\text{CrMo}$ $79{,}0 \times 110{,}5$ $78{,}9 \times 110{,}3$ $-0{,}1\text{ (trong)} / -0{,}2\text{ (ngoài)}$ Trung bình 30 chi tiết

3. Đột phá khống chế biến dạng bánh răng mỏng lớn $Bella$ ($z38m12$)

Bánh răng $Bella$ có đường kính ngoài lên tới $400\text{ mm}$ nhưng chiều dày vành mỏng, trước đây áp dụng tôi tự do thường có độ vênh mặt đầu từ $0{,}3 - 0{,}7\text{ mm}$ (gây phế phẩm hàng loạt). Bằng việc áp dụng Quy trình 3B kết hợp đồ gá treo tầng:

  • Gia nhiệt sơ bộ 2 cấp: Chi tiết được sấy/nung nóng sơ bộ ở $650^\circ\text{C}$ tại lò ram trước khi chuyển sang lò thấm $890^\circ\text{C}$, giúp giảm gradient nhiệt độ đột ngột giữa tâm và bề mặt.
  • Đồ gá treo định vị độc lập: Thiết kế khay treo chuyên dụng giữ bánh răng theo phương thẳng đứng/song song cách đều nhau, không tì đè lực cơ học.
  • Kết quả đo kiểm 106 sản phẩm: Độ vênh sau tôi giảm xuống $\le 0{,}45\text{ mm}$; trong đó có 72 sản phẩm đạt độ cong vênh $\le 0{,}25\text{ mm}$ (tỷ lệ 70% tuyệt đối), chiều sâu lớp thấm đồng đều $1{,}5 - 1{,}8\text{ mm}$, độ cứng đạt $59 - 60\text{ HRC}$.
Tỷ lệ kiểm soát độ vênh bánh răng Bella (106 mẫu thử):
[████████████████████████████████████████░░░░░░░░░░░░░░░░] 70% Đạt chuẩn cao cấp (≤ 0.25 mm)
[████████████████████████████████████████████████████████] 100% Đạt chuẩn công nghiệp (≤ 0.45 mm)
(So với phương pháp cũ: độ cong vênh dao động từ 0.30 - 0.70 mm)

Đóng góp khoa học và giá trị công nghệ

1. Đóng góp về mặt lý luận và công nghệ

  • Hệ thống hóa bản chất biến dạng: Tổng kết và liên kết thành công lý thuyết phân bố ứng suất nhiệt – ứng suất chuyển pha trong điều kiện hóa nhiệt luyện thể khí thực tế tại các xưởng sản xuất Việt Nam.
  • Xây dựng biểu đồ công nghệ chuẩn: Thiết lập 3 quy trình công nghệ chuẩn mực tương ứng với từng nhóm sản phẩm: chi tiết truyền động mỏng (C14, bạc), chi tiết lắp chặt chịu mỏi (tàu hỏa), và chi tiết vành răng lớn chịu tải trọng va đập ($Bella$).

2. Ý nghĩa kinh tế và ứng dụng thực tiễn

  • Tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị: Không cần trang bị các hệ thống máy ép tôi đắt đỏ nhập ngoại, giải pháp nung sơ bộ kết hợp đồ gá treo đã giải quyết triệt để bài toán biến dạng vành răng lớn ngay trên lò giếng điện trở sẵn có.
  • Tối ưu hóa chi phí sản xuất: Giảm đáng kể lượng dư mài sau tôi, tránh hiện tượng mài thủng lớp thấm cứng bề mặt, tiết kiệm thời gian gia công cắt gọt và giảm giá thành sản phẩm từ 15 - 25%.

Đối tượng thụ hưởng và khả năng ứng dụng

  • Kỹ sư công nghệ nhiệt luyện & Chế tạo máy: Nắm bắt quy luật co giãn kích thước thực tế của từng mác thép ($20\text{CrMo}$, $20\text{Cr}$) để tính toán lượng dư bù trừ kích thước phôi chính xác trên bản vẽ thiết kế cơ khí.
  • Các nhà máy sản xuất phụ tùng truyền động, máy nông nghiệp, cơ khí khai khoáng: Ứng dụng trực tiếp quy trình thấm C-N thể khí và thiết kế đồ gá chuyên biệt để gia công bánh răng quả dứa, bánh răng hộp số, trục truyền lực đạt chuẩn ISO.
  • Các cơ sở bảo dưỡng, sửa chữa đầu máy toa xe ngành Đường sắt: Tiếp nhận quy trình nhiệt luyện bánh răng lắp ép chặt $z24m14$ và $z28m8$, bảo đảm an toàn tuyệt đối khi lắp ráp và vận hành trên tuyến đường sắt quốc gia.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Đâu là nguyên nhân chính gây ra biến dạng cong vênh trong quá trình thấm tôi bánh răng?

Biến dạng sinh ra do sự cộng hưởng của hai yếu tố chính: ứng suất nhiệt (do sự chênh lệch tốc độ nguội giữa bề mặt và lõi chi tiết khi nhúng dầu) và ứng suất chuyển biến pha (do sự tăng thể tích khi mạng tinh thể Austenite chuyển đổi thành Martensite, với độ giãn nở khoảng 4,64% trừ đi hệ số ảnh hưởng của cacbon).

2. Tại sao quy trình thấm cacbon - nitơ (C-N) thể khí lại vượt trội hơn thấm than thể rắn hoặc thấm muối?

Thấm thể khí trong lò kín cho phép kiểm soát chính xác nồng độ thế cacbon/nitơ và nhiệt độ đồng đều qua từng giai đoạn nung. Bề mặt chi tiết sạch, không bám cặn muối ăn mòn, lớp thấm đồng đều mọi vị trí chân răng và dễ dàng tự động hóa chu trình nhiệt luyện liên hoàn.

3. Có thể loại bỏ hoàn toàn biến dạng nhiệt luyện bằng cách tăng độ dày chi tiết không?

Không thể triệt tiêu hoàn toàn, vì chi tiết càng dày thì sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm khi làm nguội càng lớn, dẫn đến ứng suất nhiệt dư tăng cao. Giải pháp cốt lõi là tối ưu hóa tốc độ làm nguội, phân cấp nhiệt độ nung và sử dụng đồ gá phân bổ trường dòng chảy môi trường tôi đồng đều.

4. Bánh răng sau nhiệt luyện bị biến dạng quá mức có thể đem nắn thẳng được không?

Rất hạn chế và không khuyến khích. Bề mặt chi tiết sau khi tôi đạt độ cứng cao ($58 - 61\text{ HRC}$) nên rất giòn. Việc nắn nguội tạo ra ứng suất cục bộ lớn, dễ làm nứt tế vi lớp thấm hoặc làm gãy vỡ chi tiết trong quá trình chịu tải sau này.

5. Vai trò của bước nung sơ bộ ở 650°C trong quy trình 3B là gì?

Nung sơ bộ tại lò ram $650^\circ\text{C}$ giúp chi tiết đạt trạng thái đồng nhiệt từ trong ra ngoài trước khi vào lò thấm $890^\circ\text{C}$. Điều này giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng sốc nhiệt, hạn chế sự co giãn không đồng đều giữa các phần dày - mỏng của vành bánh răng lớn.

Kết luận

Nghiên cứu của nhóm tác giả tại Viện Công nghệ đã làm sáng tỏ bản chất cơ học - nhiệt động học của quá trình biến dạng trong nhiệt luyện chi tiết thấm C-N. Việc làm chủ quy luật thay đổi kích thước, chuẩn hóa quy trình công nghệ 2 giai đoạn gia nhiệt và cải tiến hệ thống đồ gá treo chuyên dụng đã giúp khống chế độ cong vênh của bánh răng $Bella$ xuống $\le 0{,}45\text{ mm}$ (70% đạt chuẩn $\le 0{,}25\text{ mm}$) và đảm bảo 100% độ chính xác cho bánh răng tàu hỏa, bánh răng C14.

Kết quả này khẳng định năng lực tự chủ công nghệ nhiệt luyện chính xác của nền cơ khí chế tạo trong nước, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi cho việc nội địa hóa các linh kiện truyền động chất lượng cao.