Đồ Án Lựa Chọn Vật Liệu Lựa Chọn Vật Liệu Để Chế Tạo Bánh Cán D220 Dùng Trong Giá Cán Block Đảm Bảo Yêu Cầu Làm Việc.pdf

Trường Đại học Bách khoa Hà NộiViện Khoa Học và Kỹ Thuật Vật Liệu Đồ Án Lựa Chọn Vật Liệu Đề tài: Lựa chọn vật liệu để chế tạo bánh cán D220 dùng trong giá cán block đảm bảo yêu cầu làm

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Khoa Học và Kỹ Thuật Vật Liệu

Đồ Án Lựa Chọn Vật Liệu

Đề tài:

Lựa chọn vật liệu để chế tạo bánh cán D220 dùng trong giá

cán block đảm bảo yêu cầu làm việc.

Sinh viên thực hiện:

4 Yêu cầu nội dung:

- Phương pháp chế tạo bánh cán block, lựa chọn các thông số hình học

- Phân tích chế độ/điều kiện làm việc, xác định chỉ tiêu cơ tính

- Lựa chọn vật liệu và kiểm tra/nghiệm bền chi tiết với vật liệu đã chọn

- Kết luận và đề xuất phương án vật liệu lựa chọn cùng các biện pháp gia công tăngbền đảm bảo yêu cầu làm việc

Mục lục

Mục lục 3

Lời nói đầu 5

I Nguyên tắc lựa chọn vật liệu 6

1 Cơ sở lựa chọn vật liệu 6

2 Nguyên tắc lựa chọn các nhóm vật liệu 6

2.1 Yêu cầu về tính năng của vật liệu 6

2.2 Yêu cầu về tính công nghệ 6

2.3 Yêu cầu về tính kinh tế 7

2.4 Yêu cầu xề xã hội và bảo vệ môi trường 7

3 Các bước thực hiện lựa chọn vật liệu 7

3.1 Nghiên cứu điều kiện làm việc của chi tiết, xác định chỉ tiêu yêu cầu 7

3.2 Lựa chọn vật liệu 7

3.3 Phân tích các thành phần trong vật liệu lựa chọn 7

3.4 Đưa ra các phương án lựa chọn và phương án thay thế cần thiết, đề xuất các phương pháp gia công tăng bền 7

II Lựa chọn vật liệu cho chi tiết bánh cán 8

1 Đặc điểm cấu tạo, vị trí, điều kiện làm việc của chi tiết 8

1.1 Giới thiệu về hệ thống Block 8

1.2 Trục và bánh cán trong giá cán Block 9

1.3 Điều kiện làm việc của bánh cán trong giá cán block: 10

2 Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết 11

2.1 Kích thước cơ bản 11

2.2 Vật liệu 11

2.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố trong thép tới độ bền của thép 12

1.1 Tạo phôi 17

1.2 Quy trình chế tạo bánh cán 19

2 Quy trình công nghệ xử lý nâng cao cơ tính 20

IV Nghiệm bền chi tiết trong điều kiện làm việc 21

V Kết luận 23

Tài liệu tham khảo 24

4

Lời nói đầu

Hiện nay,sự phát triển và hội nhập của nền kinh tế đất nước so với các nước trongkhu vực và trên thế giới ngày càng được đẩy mạnh.Trong những năm qua nước ta đã cónhững chuyển biến rõ rệt trên mọi ngành nghề lĩnh vực như kinh tế , giáo dục, y tế, môitrường , vv Để có sự phát triển này không thể không nhắc đến vai trò then chốt của cơ

sở hạ tầng, đặc biệt ngành thép là hạt nhân chính trong việc phát triển cơ sở hạ tầng

Vì các sản phẩm của ngành thép được ứng dụng hầu hết trong các ngành côngnghiệp và các mặt hàng dân dụng như: Công nghiệp chế tạo máy, ôtô, ngành đường sắt,xây dựng, kiến trúc Mặt khác, sản lượng thép chia cho bình quân đầu người cũng làchỉ tiêu quan trọng để đánh giá mức độ công nghiệp hoá, hiện đại hoá của một đất nước.Chính vì vậy mà Đảng và Chính phủ đã có những chủ trương, chính sách đẩy nhanh quátrình phát triển của ngành thép

Trong các phương pháp tạo hình bằng gia công áp lực như: Cán, Kéo, Rèn, Dập,

Ép chảy và Kéo dây Trong đó Cán là phương pháp thông dụng nhất có truyền thống lâuđời và có nhiều ưu điểm mà hiếm có phương pháp nào có được, với mục đích nhằm thayđổi diện tích mặt cắt ngang của phôi kim loại và thay đổi chiều dài của sản phẩm dướitác động của trục cán quay ngược chiều nhau Sản phẩm cán được sử dụng rất rộng rãitrong tất cả các ngành kinh tế quốc dân như : ngành chế tạo máy, cầu đường, côngnghiệp oto, xây dựng, quốc phòng…

Để thực hiện quá trình cán phải sử dụng các thiết bị cán như là Máy cán (là thiết

bị chính) bên cạnh đó là lò nung, máy cắt, con lăn…Trong đó chi tiết chính làm biếndạng phôi kim loại là trục cán, bánh cán tùy theo mục đích làm việc Là sinh viên củatrường Đại học Bách khoa Hà Nội, được học tập tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu,sau thời gian học tập và rèn luyện tại trường, để đánh giá quá trình học tập, rèn luyệncủa bản thân, chúng em được bộ môn giao nhiệm vụ thực hiện thiết kế đồ án môn học

với đề tài: “Lựa chọn vật liệu để chế tạo bánh cán D220 dùng trong giá cán block

đảm bảo yêu cầu làm việc”.

I Nguyên tắc lựa chọn vật liệu

1 Cơ sở lựa chọn vật liệu

Vật liệu là yếu tố quan trọng đầu tiên để xây dựng hay chế tạo một sản phẩm cụthể nào đó Do đó, việc lựa chọn và sử dụng vật liệu trước hết phải xuất phát từ mụctiêu của phương án sản xuất

Phương án sản xuất được hình thành trên cơ sở nhu cầu thị trường Nhu cầu baogồm các yêu cầu mới và sở thích mới trong mọi lĩnh vực phát triển kinh tế, khoa học

kỹ thuật, văn hóa và xã hội Các yếu tố cần phải tính đến là xu thế phát triển của cáclĩnh vực mà sản phẩm có liên quan, đặc biệt là năng lượng có vai trò quan trọng trongquá trình chế tạo vật liệu

Những tiền đề đã nêu sẽ giúp người thiết kế xác định các đặc tính cần có của sảnphẩm: các tính năng kỹ thuật hoặc tính năng sử dụng, chất lượng, giá cả, hình thức vàquy mô sản xuất Từ yêu cầu chung cho sản phẩm mà xác định yêu cầu cụ thể đối vớitừng bộ phận, cụm chi tiết hoặc chi tiết riêng lẻ và từ đó tiến hành lựa chọn vật liệu

2 Nguyên tắc lựa chọn các nhóm vật liệu

Nguyên tắc lựa chọn vật liệu là các yêu cầu về tính năng, tính công nghệ, tínhkinh tế và tính xã hội

2.1 Yêu cầu về tính năng của vật liệu

Tính năng vật liệu bao gồm các tính chất cơ, lý, hóa xác định trong phòng thínghiệm và các tính chất tổng hợp liên quan đến quá trình sử dụng như tuổi thọ và độtin cậy

Yêu cầu cơ bản phụ thuộc vào đối tượng sử dụng, tức là yêu cầu độ bền cơ họcvới chi tiết chịu lực, yêu cầu về độ dẫn nhiệt, điện tốt với các chi tiết dẫn nhiệt, dẫnđiện,…

Tiêu chuẩn đầu tiên để lựa chọn vật liệu là tính chất cơ bản phải cao hơn giá trịyêu cầu, trong nhiều trường hợp phải tính đến hệ số dự trữ Nếu yêu cầu chi tiết liênquan đến nhiều tính chất khác nhau thì chỉ tiêu lựa chọn vật liệu sẽ là tập hợp của cáctính chất đó

Tuổi thọ của sản phẩm (chi tiết) phản ánh thời gian tối thiểu mà chi tiết có thểthỏa mãn được các tính năng đề ra, nó phụ thuộc vào chất lượng vật liệu Độ tin cậy

là khả năng sử dụng vật liệu mà không xảy ra sự cố trong suốt thời gian dự kiến

2.2 Yêu cầu về tính công nghệ

Yêu cầu về tính công nghệ là khả năng đáp ứng các phương pháp công nghệ, giacông nào đó để đạt được các tính chất (cơ, lý, hóa,…) mong muốn Có thể liệt kê cáctính công nghệ thông dụng sau đây:

6

-Tính đúc;

-Tính hàn;

-Tính cắt gọt;

-Khả năng xử lý nhiệt/nhiệt luyện

-Khả năng biến dạng nguội, nóng và dập sâu

2.3 Yêu cầu về tính kinh tế

Khi có khả năng được lựa chọn nhiều loại vật liệu để thỏa mãn yêu cầu về tínhnăng sử dụng và tính công nghệ thì tính kinh tế sẽ quyết định vật liệu nào được ưutiên lựa chọn làm chi tiết máy Tính kinh tế thể hiện ở giá thành nguyên liệu và chiphí gia công, chế tạo

2.4 Yêu cầu xề xã hội và bảo vệ môi trường

Việc lựa chọn vật liệu phải tuân theo luật bảo vệ môi trường của nhà nước và đảmbảo an toàn xã hội cao Điều này thể hiện qua:

-Quy trình công nghệ không làm ô nhiễm môi trường

-Không gây tiếng ồn quá giới hạn quy định trong quy trình công nghệ và quá trìnhvận hành máy được thiết kế ra

3 Các bước thực hiện lựa chọn vật liệu

3.1 Nghiên cứu điều kiện làm việc của chi tiết, xác định chỉ tiêu yêu cầu

Là bước đầu của quá trình lựa chọn vật liệu, qua điều kiện làm việc của chi tiết sẽxác định được các chỉ tiêu cơ tính cần thiết, từ đó quyết định được lựa chọn vật liệunào

Đây là bước rất quan trọng, xác định được khoảng độ cứng cần thiết, giới hạn bềnchảy, giới hạn bền kéo,… của chi tiết mà tại đó chi tiết có thể hoạt động phù hợp vớichế độ và phạm vi làm việc

Phân tích điều kiện làm việc yêu cầu chính xác, đầy đủ Nếu phân tích sai điềukiện làm việc dẫn đến lựa chọn sai vật liệu, dẫn đến sai hỏng chi tiết khi làm việc,gây nguy hiểm và thiệt hại kinh tế

3.2 Lựa chọn vật liệu

Trên cơ sở kiến thức và yêu cầu, kỹ sư tiến hành khoanh vùng các vật liệu có thểđáp ứng các yêu cầu làm việc trên Từ đó có thể phân tích các ưu , nhược điểm củacác vật liệu, sau đó sẽ chọn được vật liệu phù hợp với yêu cầu thực tế

3.3 Phân tích các thành phần trong vật liệu lựa chọn

Cần xác định thông tin về vật liệu, về thành phần hóa học, làm rõ các vai trò, ảnhhưởng của các nguyên tố tới hiệu quả cơ tính, chế độ xử lý nhiệt

8

3.4 Đưa ra các phương án lựa chọn và phương án thay thế cần thiết, đề xuất các phương pháp gia công tăng bền

II Lựa chọn vật liệu cho chi tiết bánh cán

1 Đặc điểm cấu tạo, vị trí, điều kiện làm việc của chi tiết

1.1 Giới thiệu về hệ thống Block

Nhóm giá cán tinh gồm từ 6-10 giá cán, đường kính từ 190-250mm Các giá cánnày được đặt nghiêng 45 với mặt sàn và đặt vuông góc với nhau Tất cả các giá cáno

được đặt trong hộp kín nên có tên là giá cán Block (hình 1.1) Chúng hoạt động bằng

2 động cơ điện 1 chiều DC, có điện áp từ 400-600V, công suất lên tới 2000W/giá

Hình 1 Giá cán Block.

Hình 2 Hệ thống giá cán Block.

Nhóm Block dùng để cán các loại thép dây, thép thanh và thép vằn với tốc độ cao

Hình 3 Cấu tạo hệ thống Block.

1.2 Trục và bánh cán trong giá cán Block

Bánh cán là bộ phận bao ngoài trục cán, là chi tiết chịu va chạm, ma sát với phôithép khi cán thép Bánh cán có 2 loại là bánh cán trơn, bánh cán có gân hình để cántinh sản phẩm

Cấu tạo bao gồm: Trục, vòng đệm, bánh cán, vòng kẹp thủy lực

10

Hình 1.2 Các chi tiết bánh cán.

Bánh cán tròn trơn và bánh cán có gân hình có độ cứng cao thường dùng cho giá cán block cán ra thép dây, thép xây dựng kích thước nhỏ Bánh cán cũng là một bộ phận rất quan trọng vì nó trực tiếp tiếp xúc với phôi thép, có các rãnh tạo biên dạng của sản phẩm

1.3 Điều kiện làm việc của bánh cán trong giá cán block:

- Thứ nhất, bánh cán là công cụ tạo hình bằng phương pháp biến dạng dẻo

- Tốc độ cán thép dây rất lớn, đạt 80m/s, thậm chí tới 120m/s nên lượng nhiệt sinh

ra rất lớn

- Tiếp xúc trực tiếp với phôi nóng, nên yêu cầu chống mài mòn tốt, bề mặt nhẵn, độbền nhiệt cao để tránh hiện tượng nứt do nhiệt độ cao truyền từ phôi sang bánhcán

- Để đưa phôi vào hai trục cán đang quay ngược chiều cần có ngoại lực tác dụng, từ

đó ma sát tiếp xúc khiến cho phôi được ăn liên tục vào bánh cán làm biến dạngthay đổi kích thước

- Để quá trình ăn phôi xảy ra thì tổng các lực kéo, đẩy phôi theo phương ngang phảilớn hơn lực cản

Với điều kiện làm việc như trên thì hiện tượng cong vênh, mòn bề mặt hay sứt,tróc bề mặt, thậm chí gãy vỡ khi quá tải là điều khó tránh khỏi

VD: Trong cán thép xây dựng CT3 (0,14-0,22%C), CT5 (0,28-0,37%C) có lượng

C thấp Do phôi được nung nóng đến 1200 C nên phôi thép có tính dẻo cao, vì vậyo

độ cứng của trục cán không yêu cầu cao như cán nguội

+ Phải có độ bền cao, độ cứng tốt để chịu tải trọng lớn và va đập, với bề mặt yêucầu độ cứng tới 52-64 HRC

+ Chống mài mòn tốt do chịu tác động của ma sát lớn

+ Yêu cầu độ bền nhiệt

2 Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết

2.1 Kích thước cơ bản

Hình 2.1 Bản vẽ chế tạo bánh cán tròn tiêu chuẩn.

Bánh cán được chế tạo theo 2 kiểu lỗ hình chính là ovan/tròn và lỗ hình cántinh có hình dạng giống với hình dạng sản phẩm, ví dụ với sản phẩm thép vằnCT5 thì yêu cầu bánh cán có gân

Kích thước tiêu chuẩn của bánh cán tròn:

Bảng 2.1 Kích thước tiêu chuẩn của bánh cán tròn.

Vật liệu làm bề mặt bánh ma sát phải có độ bền tiếp xúc và độ bền mòn cao, có

hệ số ma sát lớn để giảm lực ép cần thiết của máy

Thường dùng các loại hợp kim chất lượng cao như thép tôi Liên Xô 40XH,50XH, IIIX15, 18X2H2B, thép hợp kim Cacbit-Wolfram, Cacbit-Titan… Độcứng bề mặt phải đạt trên 60 HRC

2.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố trong thép tới độ bền của thép

C (Carbon): Nguyên tố C là thành phần quan trọng nhất của thép Hay nói một

cách hoa mỹ hơn thì Cacbon là “linh hồn của thép” Nó có thể tăng độ cứng,

độ bền kéo và khả năng chống mài mòn Hàm lượng C đạt tiêu chuẩn để thép

có độ bền tốt nhất là 0,8 đến 1%, nếu như lượng C quá cao sẽ khiến độ bền củathép giảm đi rất nhiều

Si (Silic): Phần tử Si là một chất khử oxy Nó làm tăng độ bền kéo, tính chất cơ

học và tính thấm từ Đây là thành phần quan trọng nhất trong thép đàn hồi

Mn (Mangan): Khi thành phần này hòa tan vào sắt nó sẽ nâng cao độ bền cũng

như độ cứng của thép, và làm gia tăng tính cơ học của thép Để thép có độ bềntốt nhất hàm lượng mangan cũng phải nằm trong quy định giới hạn cho phép là0.5% đến 0.8%

P (Photpho): Phốt pho cũng là thành phần nguyên tố góp phần gia tăng độ bền bỉ

Mo (Molybden): Môlipđen tăng mạnh độ thấm tôi, cải thiện tính chống ram do

nó tạo cacbit nhỏ mịn phân tán khi ram ở nhiệt độ cao, làm giảm sự nhạy cảmđối với giòn ram

V (Vanadi): Vanađi là nguyên tố tạo cacbit mạnh, cacbit VC tạo thành có độ

cứng rất cao, nhỏ mịn, nằm ở biên giới hạt ngăn cản sự lớn lên của austenit khinung Vanađi tăng tính chống ram và tăng khả năng chống mài mòn cho thép.Cacbit VC khó tan (hầu như không hòa tan) vào trong austenit ở nhiệt độaustenit hóa, khi lượng vanađi tăng tính chống mài mòn tăng và tính mỏi giảm

Niken (Ni): Tăng độ cứng mà không phải hy sinh độ dẻo và độ dẻo dai Nó cũng

làm tăng khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao khi được đưa vào với số lượngphù hợp như thép có crôm cao (không gỉ)

Ti (Titan): Được sử dụng như các yếu tố ổn định trong thép không gỉ Mỗi loại có

ái lực cao với carbon và tạo thành các cacbua, được phân tán đồng đều trongtoàn bộ thép Do đó, ngăn chặn sự kết tủa cục bộ của các cacbua ở ranh giớihạt

W (Vonfram): Tăng tính chống mài mòn, độ cứng và độ dẻo dai Thép vonfram

có khả năng gia công nóng vượt trội và hiệu quả cắt lớn hơn ở nhiệt độ cao

3 Xây dựng chỉ tiêu hiệu năng cho chi tiết

Để chọn được vật liệu bánh cán phù hợp thì các giá trị vận hành của chi tiếtmáy phải nhỏ hơn giá trị giới hạn của vật liệu

Ví dụ: Lựa chọn vật liệu để chế tạo bánh cán D220 dùng trong giá cán blockđảm bảo yêu cầu làm việc

Chiều dài bề mặt làm việc H = 100 mm.

Trong đó, thành phần chủ yếu cacbua thường có kích thước hạt từ 0,2-10micron, hơn nữa hạt cacbua này sẽ được liên kết với nhau bằng chất kết dịch kimloại chẳng hạn coban (Co), có khi là Niken (Ni), Sắt (Fe) hoặc hợp kim khác.Thép hợp kim chia làm hai phần chính: một là giai đoạn cứng; phần khác làkim loại ngoại quan Sự có mặt cacbua kim loại chuyển tiếp như titan, vonfram…giúp thép hợp kim cứng hơn khi gia công, thậm chí khả năng lên đến trên 70 HRCngay cả ở nhiệt độ 1000 ℃

Ngoài ưu điểm, đó là độ cứng hoàn hảo, khả năng chịu nhiệt, chịu tác động

Bấm Find now.

Bước 2: Chọn Hot shape rolling để tìm các mác vật liệu cán nóng

Bước 3: Trong mục Links, chọn Materials.

Bước 4: Chọn mác vật liệu, so sánh với chỉ tiêu hiệu năng.

Ta tìm được mác WH9560F có độ bền 495 MPa phù hợp yêu cầu.Thành phần 95% WC, 3% Ni, 2% Fe

Mác WH9560F (ATSM)

Khối lượng riêng 18,2 kg/m3

Giới hạn đàn hồi 560 MPa

III Xây dựng quy trình công nghệ

1 Quy trình chế tạo

Sự đa dạng và quy trình sản xuất vòng cán tiếp tục phát triển với sự tiến bộ củacông nghệ luyện kim và sự phát triển của thiết bị cán Việc sử dụng các cuộn gangxám có độ bền thấp trong quá trình cán kim loại màu mềm vào thời Trung cổ Vàogiữa thế kỷ 18, Vương quốc Anh đã làm chủ công nghệ sản xuất các vòng cángang đúc được tôi cứng để cán thép tấm Vào nửa sau của thế kỷ 19, những tiến

bộ trong công nghệ sản xuất thép của Châu Âu đòi hỏi phải cán những thỏi thép

có trọng tải lớn hơn, cho dù độ bền của gang xám hoặc gang tôi cứng không thểđáp ứng được yêu cầu Thép cacbon bằng 0,4% đến 0,6% so với thép thôngthường Sự xuất hiện của thiết bị rèn hạng nặng đã nâng cao hơn nữa độ dẻo daicủa các chi tiết này Sự ra đời của các nguyên tố hợp kim và áp dụng phương pháp

xử lý nhiệt vào đầu thế kỷ 20 đã cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và độdẻo dai của các vòng cán

Việc sử dụng nhiều các nguyên tố hợp kim trong vòng cán xuất hiện sau Thếchiến thứ hai Đây là yêu cầu cao hơn đối với hiệu suất sau khi thiết bị cán đã pháttriển về kích thước, tính liên tục, tốc độ cao, phát triển tự động, tăng cường độ vậtliệu cán và tăng khả năng chống biến dạng Trong thời kỳ này, thép cuộn và gangdẻo đã xuất hiện Sau những năm 1960, các cuộn WC sản xuất bằng phương phápluyện kim bột đã được phát triển thành công Công nghệ đúc ly tâm và công nghệ

xử lý nhiệt cho vòng cán được quảng bá rộng rãi ở Nhật Bản và Châu Âu vào đầunhững năm 1970 đã cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể của chúng Các cuộngang crom cao composite cũng đã được sử dụng thành công trên các nhà máy cánnóng Vào những năm 1980, Châu Âu đã giới thiệu các loại vòng cán nguội vớivật liệu có hàm lượng crom cao và các lớp siêu cứng, và các cuộn gang hợp kimđặc biệt để cán tinh các loại thép và thanh dây có kích thước nhỏ

Sự phát triển của công nghệ cán thép hiện đại đã kéo theo sự phát triển của cácloại bánh cán có hiệu quả cao hơn Các sản phẩm được sản xuất bằng phươngpháp đúc ly tâm và các phương pháp composite mới như phương pháp đúc hợpkim liên tục (CPC), phương pháp lắng đọng phun (Osprey), phương pháp hàn điện

tử và phương pháp ép đẳng nhiệt nóng, con lăn thép tốc độ cao composite và con