Quy trình nhiệt luyện

Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện Lời nói đầu Ngày với phát triển nghành kỹ thuật nh chế tạo khí luyện kim, xây dựng, kỹ thuật điện tử v v Và đời sống hàng ngày cần đến viật liệu kim loại, hợp kim có tính đa dạng với chất lợng ngày cao Trong chế tạo khí nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng tạo cho chi tiết sau đúc gia công có đợc tính chất cần thiết nh độ cứng, độ bền,độ dẻo dai, khả chống mài mòn chống ăn mòn cao mà làm tăng tính công nghệ vật liệu Nên nói nhiệt luyện yếu tố công nghệ quan trọng định chất lợng sản phẩm Vị trí nhiệt luyện dây truyền sản xuất khí nhiệt luyện nguyên công sơ cho nguyên công đó, nguyên công cuối dây truyền sản xuất khí để nâng cao chất lợng sản phẩm, có ý nghĩa kinh tế lớn mà thớc đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học kỹ thuật quốc gia Nhng muốn nhiệt luyện tốt chi tiết để từ nâng cao chất lợng hạ giá thành sản phẩm công việc thiết kế xởng nhiệt luyện phù hợp với quy trình nhiệt luyện cho chi tiết đóng vai trò quan trọng Phần i lý thuyết Chơng I : Mở đầu Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện Ngày phát triển tất ngành kỹ thuật nh chế tạo khí, luyện kim, công nghiệp hoá học, xây dựng, kỹ thuật điện tử, giao thông vận tải, công nghiệp thực phẩm, kỹ thuật hàng không đời sống thờng ngày gắn với vật liệu cần đến vật liệu có tính đa dạng với chất lợng ngày cao Công nghệ nhiệt luyện trình làm thay đổi tính chất vật liệu (chủ yếu vật liệu kim loại) cách thay đổi cấu trúc bên mà không làm thay đổi hình dáng kích thớc chi tiết Trong chế tạo khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng tạo cho chi tiết sau gia công có tính chất cần thiết nh độ cứng, độ bền độ dẻo dai, khả chống mài mòn, chống ăn mòn ,mà làm tăng tính công nghệ vật liệu Vì nói nhiệt luyện yếu tố công nghệ quan trọng định chất lợng sản phẩm khí Nguyên công nhiệt luyện nằm vị trí khác dây truyền sản xuất khí tuỳ thuộc vào vị trí phân thành hai loại : Nhiệt luyện sơ : Là dạng nhiên liệu thờng tiến hành trớc gia công cơ, nhằm tạo độ cứng tổ chức tế vi thích hợp cho nguyên công khí nhiệt luyện Nhiệt luyện kết thúc : Là dạng nhiệt luyện đợc tiến hành sau gia công nhằm tạo cho chi tiết tính chất cần thiết theo yêu cầu kỹ thuật Nhiệt luyện có ảnh hởng định tới tuổi thọ sản phẩm khí Máy móc xác, yêu cầu tính cao số lợng chi tiết cần nhiệt luyện nhiều Đối với nớc công nghiệp phát triển để đánh giá trình độ ngành chế tạo khí phải vào trình độ nhiệt luyện rằng, dù gia công khí có xác đến đâu nhng không qua nhiệt luyện chất lợng nhiệt luyện không đảm bảo tuổi thọ chi tiết giảm mức độ xác máy móc không giữ đợc theo yêu cầu Nhiệt luyện nâng cao chất lợng sản phẩm có ý nghĩa kinh tế lớn (để kéo dài thời hạn làm việc, nâng cao độ bền lâu công trình, máy móc thiết bị ) mà thớc đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kỹ thuật quốc gia nớc ta từ lâu nhiệt luyện đà đợc áp dụng đời sống thờng ngày ông cha ta đà biết dao, kéo, dũa, đục làm cho thép cứng trở thành mềm dẻo, dễ dàng cho trình chế tạo chi tiết Ngày công nghiệp phát triển không ngừng việc nghiên cứu nâng cao chất lợng cho chi tiết Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện phơng pháp nhiệt luyện ngày trở nên cấp thiết Mà việc đào tạo đội ngũ cán khoa học kỹ thuật lĩnh vực Bản thân - sinh viên năm thứ năm ngành: Vật liệu học Nhiệt luyện luôn ý thức đợc tầm quan trọng môn học công nghệ nhiệt luyện Trong có phận hay nói xác môn học phận tách rời với công nghệ nhiệt luyện, môn: Thiết bị nhiệt lun NhËn nhiƯm vơ thiÕt kÕ ph©n xëng nhiƯt lun cho: "Trung tâm nghiên cứu chế tạo vật liệu" Chúng đà cố gắng nghiên cứu, tìm tòi, học tập để có đợc thiết kế hoàn chỉnh khả Xuất phát từ nhiệm vụ đợc giao cụ thể cho cá nhân nh đặc tính kỹ thuật loại chi tiết cần nhiệt luyện, đà thống đợc thiết kế tổng thể phân xởng nh quy trình công nghệ cho loại chi tiết Với bánh tàu hoả (Z24/m14) trục (Z14/M14) tiến hành thấm cacbon thể khí lò giếng điện trở Sau tiến hành + ram Với bánh (Z38/m12) trục bánh (Z12/m12) cđa xe benlaz cïng tiÕn hµnh thÊm cacbon thĨ khÝ lò giếng điện trở sau tiến hành + ram Mặc dù loại chi tiết có đặc tính kỹ thuật riêng vËy, øng víi nã c«ng nghƯ nhiƯt lun cịng có yêu cầu mặt kỹ thuật nh công nghệ riêng biệt Các số liệu tính toán cụ thể quy trình công nghệ loại chi tiết đợc trình bày chơng sau Với chi tiết trục khuỷu đặc tính kỹ thuật, yêu cầu cụ thể trình làm việc đặc thù chi tiết, tác giả đà chọn quy trình nhiệt luyện gồm hai giai đoạn: Giai đoạn : Tôi + ram cao để tạo tổ chức xoocbit ram với tính tổng hợp cao bảo đảm độ bền tính độ dai va đập Trên thực tế trớc đó, gia công khí ngời ta cần phải ủ hoàn toàn 8500C để đạt đợc độ cứng thấp 180 - 200HB để dễ tiến hành gia công thô Tuy nhiên phạm vi khuôn khổ phân xởng nhiệt luyện bỏ qua khâu để dành gia công khí Giai đoạn : Tôi cảm ứng bề mặt cổ trục Sau xin đợc giới thiệu chung công nghệ thấm cacbon thể khí mà tác giả đà sử dụng để nhiệt luyện chi tiết bánh trục BenlazTàu hoả: Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện Thấm cacbon thể khí đợc dùng phổ biến có nhiều u điểm : Chất lợng thấm tốt, dễ khí hoá tự động hoá, gây ô nhiễm môi trờng, khác với thấm thể rắn thấm muối nóng chảy, trình thấm thể khí đợc thực môi trờng khí ®éng Do ®ã chÊt lỵng thÊm ®ång ®Ịu, dƠ ®iỊu chỉnh thông số công nghệ, thích hợp cho sản xuất dây chuyền liên tục từ khâu làm sạch, thấm, ram Hỗn hợp thấm gồm : -Chất thấm C0 CuH2H +2 : 20 - 30% -Chất độn : C02, N2; H2 lại Quá trình thấm phân huỷ CO CuH2n+1 Theo phản ứng : 2C0 = C02 + < Cht> (1) CuHZu+2 = (n+1) H2 + n < (Cht) (2) Khi có mặt hyđro ta có ph¶n øng CO + H2 = H20 = H20 + (3) Trờng hợp < Cht.> tạo thành từ phản ứng (1) coi có hoạt độ với hoạt độ bon lớp bề mặt ta cã : = (ac) e-G/RT Trong ®ã : ; (ac) : Lần lợt hoạt độ cacbon lớp thấm môi trờng thấm G0 lợng tự phản ứng nhiệt độ T dới áp suất tiêu chuẩn với : P2C a c= PC 02 Trong PCo, PC02 lần lợt áp suất riêng phần C0 C02 môi trờng thấm phụ thuộc vào PC0, PC02 nên hoạt độ bon môi trờng thấm (ac) tuân theo cân BOUDOUARD (hình I.1) Đờng cân b»ng : Fe3C + C02  3Fe + 2C0 øng với Austenit bÃo hoà bắt đầu tiết xem ausenít (Fe3C) theo hệ cân giả ổn định Ta thấy, hoạt độ thấp hơn, lớp thấm nằm vùng đơn pha austenit, xementit (XeII) tiết ra làm nguội chậm Phía đờng cong vùng thấm cácbon, HìnhI.1:Biểu đồ boudouard Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện phía dới vùng thoát bon Chi tiết thấm đợc xếp vào lò treo, gá giá đỡ vững để đợc tiếp xúc với môi trờng thấm Nhiều loại khí khác đợc sử dụng cho trình thấm Hỗn hợp khí tạo thành từ dầu hoả có thành phần xấp xỉ : (10-20)% C0 + (50 75)% H2 + (1-10)% CnH2n + 1% C02 Còn lại khí khác Để phân huỷ nhiệt dầu hoả, tạo môi trờng thấm, ngời ta dùng hệ thống van đo nhỏ giọt dầu hoả vào lò Tốc độ nhỏ dầu vào lò tuỳ thuộc vào dung tích lò, vào thể tích chiếm chỗ chi tiết Thông thờng trình thấm đợc chia thành giai đoạn ngời ta áp dụng chế độ sau : Bảng:I.1 Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện Giai đoạn Nhiệt độ , 0C Bảo vệ BÃo hoà Khuyếch tán 500-900 900-950 900-950 Tốc độ nhỏ dầu, giọt/ph.m3 lò 300-1000 3000 4000 1000-1500 Giai đoạn bảo vệ nhằm tránh oxy hoá bề mặt chi tiếy nung lên nhiệt độ thấm Tốc độ dầu phải nhỏ để không tạo muội bám dày bề mặt chi tiết cản trình thấm sau Thời gian nung chi tiết lên nhiệt độ thấm tùy thuộc vào công suất lò, chiều dày chi tiết mức độ phức tạp chi tiết Các chi tiết phức tạp, dễ bị ứng suất nứt nung cần nung chậm, đặc biệt giai đoạn biến dạng đàn hồi (200 - 4000C) Giai đoạn bÃo hoà giai đoạn cung cấp chủ yếu lợng bon lớp thấm Thời gian định chiều dày có hiệu lớp thấm Nếu coi thời gian thấm thời gian để khuyếch tán nh thời gian xác định theo chiều dày yêu cầu lớp thấm (0,4 đến 0,6mm/h, tốc độ gấp đôi kể thời gian khuyếch tán) Giai đoạn khuyếch tán nhằm khuyếch tán cácbon bề mặt vào sâu phí chiều dày lớp thấm cần thiết, giảm tập trung bon bề mặt gây giòn bong lớp thấm Trong thời gian này, để giữ cân hàm lợng cácbon, ngời ta đa dầu vào lò nhng với tốc độ nhỏ Thời gian khuyếch tán không đợc dài (so với thời gian thấm để không làm nghèo cácbon bề mặt Thông thờng với chế độ tôi, giai đoạn định hàm lợng cácbon độ cứng bề mặt lớp thấm Tốc độ nhỏ dầu vào lò để tham khảo, giọt dầu to nhỏ khác tuỳ theo ống nhỏ Tỷ lệ chiếm chỗ chi tiết lò khác tuỳ theo mẻ thấm, thấm nhiều chi tiết nhỏ mẻ cần lợng dầu nhiều hơn, theo kinh nghiệm tốc độ dầu vào lò phải đợc điều chỉnh qua việc quan sát lửa, đốt khí thải ống xả Ngọn lửa màu xanh, chiều dài từ 100 đến 150mm vừa Chiều dài lửa lớn 200mm thừa dầu, cần giảm bớt số giọt dầu đa vào lò Trái lại, lửa ngắn 100mm tắt thiếu dầu, cần tăng số lợng dầu đa vào lò Lợng dầu thừa mà chậm đợc giảm bớt nh đà nêu trên, tạo muội bám mặt chi tiết làm ngăn cản trình thấm Chế độ thấm hợp lý nhận đợc lớp thấm có hàm lợng cácbon bề mặt khoảng 0,8 đến 1,2 % tốc độ thấm từ 0,2 đến 0,3mm/h Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện Hỗn hợp khí thấm tạo thành nhờ pha trộn khí công nghiệp có thành phần : 18-23% CO + 4,8% CnH2n+2 + 32 - 45% H2 + 30-40% N2 + 0,1%C Bảng 1.3 cho thành phần chừng vài loại khí hay dùng, thành phần thay đổi theo ngn cung cÊp khÝ Tªn khÝ (Ký hiƯu) KhÝ ®èt CGA Endogas Exogas CO 17,6 23 20,5 B¶ng I.2 Thành phần(% thể khí ĐKTC) CnH2n+2 CO2 N2 H2 100 3,8 11,8 46,9 0,4 45,7 30 4,5 45 30 KhÝ kh¸c 18,9Ar 0,2H20 - Kh¸c víi c¸c chi tiÕt b»ng thÐp th«ng thêng, chi tiÕt thÐp sau thÊm cacbon có lớp bề mặt thép sau tích (trên 0,8%C) lõi thép trớc tích (khoảng 0,2%C) Nhiệt độ cho chi tiết thép sau thấm cacbon có đặc điểm riêng : Lớp bề mặt, để bảo tồn lới Xe có độ cứng tính chịu mài mòn cao, phải nh thép sau tích 760 đến780 0C Lõi thép trớc tích (0,2%C) phải 880 đến 9000C Chế độ nhiệt luyện sau thấm cacbon đợc chọn tùy theo yêu cầu làm việc chi tiết chất thÐp, bao gåm : T«i trùc tiÕp - sau hạ nhiệt độ đến 850- 860 0C tiến hành tôi, công nghệ áp dụng cho thép di truyền hạt nhỏ, thích hợp cho công nghệ thấm cacbon thể lỏng mặt nhiệt độ đồng thời kết hợp để rửa bề mặt chi tiết Nhiệt độ trung gian nhiệt độ lớp bề mặt lõi Tôi lần- thực sau thấm cacbon thờng hoá thép : Tôi 820-8500C cần độ cứng bề mặt cao, nhiệt độ nhiệt độ trung gian lõi bề mặt nhng u tiên lớp bề mặt Tôi 860 - 8800C cần độ bền lõi cao, nhiệt độ u tiên cho lõi Tôi hai lần - thực sau thấm cacbon thờng hoá : Tôi lõi 880 - 9000C Tôi bề mặt 760 - 7800C lĩ bề mặt đả bảo tính nhng phiền phức nên ngày đợcdùng Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện Sau tôi, chi tiết thấm cacbon đợc ram thấp 150 đến 2000C để giữ đợc độ cứng tính chịu mài mòn cao Đối với phần chi tiết không cần thấm cacbon (chống thấm) ngời ta cã thĨ ¸p dơng mét sè biƯn ph¸p sau : để lợng d gấp 1,5 đến hai lần chiều dày lớp thấm để sau cắt đi, đắp lớp dày khoảng - 10 mm hỗn hợp chøa : 20% ®Êt sÐt + 5% níc thđy tinh + lại cát mịn Pha nớc đủ dẻo (khoảng 10 - 15%) đắp lên phần chống thấm, dùng vải băng kín, buộc chặt để không bị bong lớp chống thấm xếp chi tiết vào lò Ngoài ra, chi tiết quan trọng phần chống thấm mạ Cu phủ Al nớc công nghiệp phát triển, thấm cacbon đợc tiến hành lß n»m ngang, sau thÊm, xe chë chi tiết đợc kéo sang buồng tận dụng đợc công suất lò thấm Cùng mục đích hoá bền bề mặt, so với bề mặt, công nghệ thấm cacbon có nhiều u việt : lớp bề mặt có hàm lợng cacbon cao nên sau có độ cứng tính chịu mài mòn cao hơn, mà công nghệ thấm cacbon đợc u tiên áp dụng cho chi tiết làm việc điều kiện chịu mài mòn có tích số (pv) lớn (p áp lực, v vận tốc) Hoá bền bề mặt thấm cacbon ram áp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp mà giữ đợc đồng đều, nhiên chi phí cho sản xuất lớn suất thấp h¬n Víi chi tiÕt trơc khủu, ta thùc hiƯn hai giai đoạn : Giai đoạn : Tôi + ram cao Giai đoạn : Tôi cảm ứng bề mặt chi tiết Và cần phải hiểu khái niệm công nghệ nh ? Tôi ? Tôi thép phơng pháp nhiệt luyện gồm nung nóng chi tiết đến nhiệt độ cao nhiệt độ tới hạn A C1 AC3 tuỳ thuộc vào loại thép để làm xuất tổ chức Austenit, sau giữ nhiệt chi tiết đợc làm nguội nhanh thích hợp để Austenit chuyển thành mactenxit hay tổ chức không ổn định khác có độ cứng độ bền cao (nh bainit, truxtit đẳng nhiệt) Ram phơng pháp nhiệt luyện gồm nung nóng chi tiết đà đến nhiệt độ thấp nhiệt độ tới hạn AC1, sau giữ nhiệt thời gian cần thiết để mactenxit d phân hoá thành tổ chức thích hợp làm nguội Ram cao phơng pháp nung nóng thép đà nóng lên khoảng 500-6500C, tổ chức đạt đợc Xoocsit ram Khi ram cao độ cứng thép giảm mạnh, đạt kho¶ng 15 - 20 HRC (kho¶ng 200  300 HB), ứng suất bên bị khử bỏ, độ bền Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện giảm đi, độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh Ram cao dùng cho chi tiết yêu cầu có tính tổng hợp cao Dạng nhiệt luyện gồm có + ram cao gọi nhiệt luyện hoá tốt, dạng nhiệt luyện thờng dùng cho chi tiết làm thép cacbon thép hợp kim có hàm lợng cacbon trung bình, sau nhiệt luyện đạt tính tổng hợp cao Tôi bề mặt phơng pháp phận, có lớp bề mặt chi tiết đợc lõi không đợc Nh sau tôi, lớp bề mặt có tổ chức mactenxit, lớp bên có tổ chức xoocbit - peclit Có nhiều phơng pháp bề mặt, song chúng dự nguyên lý chung nung nóng thật nhanh bề mặt với chiều sâu định lên đến nhiệt độ tôi, phần lớn tiết diện (lõi) không đợc nung nóng, làm nguội nhanh có lớp bề mặt đợc cứng, lõi không đợc mềm Tôi tần số phơng pháp bề mặt đợc ứng dụng rộng rÃi, có suất cao, dễ khí hoá, tự động hoá nên bố trí nguyêncông nhiệt luyện dây truyền sản xuất khí Nhiệt luyện dòng điện tần số cao cho phép nâng cao chất lợng sản phẩm, nhờ mà ngày đợc sử dụng rộng rÃi nớc ta nh nớc khác Căn vào hình dáng nh, đặc tính kỹ thuật u mà việc tần số mang lại, tác giả đà chọn bề mặt cổ trục khuỷu phơng pháp dòng điện cảm ứng có tần số cao (tôi tần số).Các số liệu tính toán cụ thể cho công nghệ ứng với loại chi tiết đợc trình bày chơng sau Trờng Đại học Bách Khoa Hà nội Bộ môn VLH & Nhiệt Luyện Chơng II Bánh trục tầu hoả A.Lý thuyết : 1-Phân tích điều kiện làm việc: Bánh tàu hoả (24/m14 ) trục (Z14/m14 ) đợc lắp cho tàu hoả ,chịu tải trọng lớn phải có chất lợng tốt chi tiết phải đợc chế tạo từ vật liệu tốt thép có hàm lợng %C = 0,1- 0,3 đợc hợp kim hoá sồ hợp kim :Cr ,Ni ,Ti , W , Mo Trong qu¸ trình làm việc bánh trục tàu hoả chịu trạng thái lực sau : Uốn truyền mômen cực đại gây phá huỷ chân theo góc lợn Uốn dới tác dụng tải trọng thay đổi theo chu kỳ , gây ứng suất mỏi phá huỷ tiết diện nguy hiểm chân ,do 70% bị hỏng mỏi ứng suất tiếp xúc bế mặt làm làm việc vùng ăn khớp ,do gây ứng suất phá huỷ tiết diện rỗ bề mặt ,thậm chí phá huỷ bề mặt nên bề mật phải có độ cứng cao ,chịu mài mòn tốt Quá trình mài mòn thờng xẩy bề mặt đầu mút Quá tải tải trọng tăng đột ngột dẫn đến gẫy vỡ số bánh răng, ta thấy tợng bánh bị mòn xớc song điều thấy xảy bánh sau hoá nhiệt luỵên bánh đạt độ cứng cao lõi đạt độ dẻo dai Để đảm bảo ăn khớp tốt, truyền động êm, gây tiếng ồn cặp bánh phải có độ xác cao, công khí đặc biệt nhiệt luyện phải có độ biến dạng thấp Đây yêu cầu cao khắt khe nhiệt luyện ứng suất tổ chức tạo thành lớn thuờng dẫn đến biến dạng mức cho phép 2,ảnh hởng nguyên tố hợp kim : Cácbon :Ta thâý hàm lợng C tăng nên độ bền độ cứng tăng lên ,còn độ dẻo độ dai giảm Riêng độ bền tăng đạt cực đại thành fần C vào cỡ 0,81% vợt giới hạn chế độ bền giảm (và có lẽ lý thực tế gặp thép C>1,3%) Khi tăng pha Xê(cứng ,giòn) lợng peclít tăng lên tơng ứng lợng pha pherít (mềm dẻo )giảm Tổ chức peclit gồm phaXê (cứng)và phe rÝt mÒm xen kÏ