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.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 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.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 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 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. Ứng suất trong quá trình nhiệt luyện 3 1.
Sự thay đổi kích thước trong quá trình tôi 3 1. Sự thay đổi kích thước do ứng suất nhiệt 4 1. Sự thay đổi kích thước do ứng suất chuyển biến pha 8 1. Sự thay đổi kích thước trong quá trình ram 13 1.
Sự thay đổi thể tích 13 1. 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. Công nghệ thấm C, C-N 16 2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm tôi 20 2.
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. Công nghệ thấm C-N tại Viện Công nghệ 28 3. Đánh giá sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm 30 3. Đo kiểm và đánh giá kết quả 33 3.
Phương án công nghệ hạn chế cong vênh cho bánh răng bella 34 3. Thiết kế chế tạo đồ gá 35 3. 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 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 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 PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN 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. 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 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. 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].1a: Biến dạng mặt cắt hình trụ trong quá trình làm nguội [3] 4 A B C D 1000 NhiÖt ®é (C) 500 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 øng suÊt 0 nÐn §−êng kÝnh Hình 1.1c: Sự hình thành ứng suất trong quá trình làm nguội hình trụ đặc[3] 5 Ứng suất và biến dạng mặt cắt hình trụ này tiến triển từ giai đoạn A đến giai đoạn D như trên hình 1.
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. 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.
Hình a) là một khối đặc còn hình b) là khối có lỗ vuông 100x100mm.