Đồ Án Lựa Chọn Vật Liệu Trục Khuỷu Của Động Cơ Ô Tô.pdf

+ Gia công chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu , thay đổi, sửa chữa, + Chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và bảo dưỡng thấp, tuổi thọ sử dụng cao thời gian sử dụng dài hơn kim lo

ĐỒ ÁN LỰA CHỌN VẬT LIỆU

(MSE 3113)

Đề tài : Trục khuỷu của động cơ ô tô

Sinh viên thực hiện MSSV

Vũ Việt Bách 20185502 Chu Thị Minh Thu

G.v hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt

Bộ môn: Kỹ thuật Gang thép

Viện: Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

Mục lục

Chương 1: Giới thiệu về nguyên tắc lựa chọn vật liệu và công nghệ 4

1.1, Cơ sở lựa chọn vật liệu 4

1.1.1, Khái niệm 4

1.1.2, Kết cấu bánh răng 4

1.1.3, Phân loại và công dụng của từng trục khuỷu 4

1.1.4, Điều kiện làm việc 5

1.2, Nguyên tắc lựa chọn vật liệu 5

1.2.1, Các nhóm vật liệu chính 5

1.2.2, Các tiêu chuẩn yêu cầu của chi tiết khi lựa chọn vật liệu 8

1.2.3, Các bước lựa chọn vật liệu 8

Chương 2: Lựa chọn vật liệu 10

2.1, Sử dụng phần mềm CES lựa chọn vật liệu 10

2.2, Lựa chọn mác thép 14

2.3, Các yếu tố hợp kim ảnh hưởng đến mác thép 15

Chương 3: Xây dựng quy trình công nghệ nấu luyện và chế tạo 22

3.1, Quy trình công nghệ nấu luyện trục khuỷu 22

3.1.1, Thiết bị 22

3.1.2, Quy trình công nghệ nấu luyện 23

3.2, Quy trình công nghệ tinh luyện trục khuỷu 25

3.2.1, Thiết bị 25

3.2.2, Quy trình tinh luyện 27

3.3, Quy trình công nghệ chế tạo trục khuỷu 28

3.3.1, Thiết bị 28

3.3.2, Quy trình công nghệ chế tạo 28

Chương 4: Xây dựng công nghệ xử lý nâng cao cơ tính và kiểm tra 30

4.1, Quy trình công nghệ xử lí nhiệt 30

4.1.1, Thường hóa phôi trục khuỷu 30

4.1.2, Tôi cảm ứng trục khuỷu 31

4.1.3, Ram trung bình 31

4.1.4, Thấm Nitơ 32

4.2, Các phương pháp kiểm tra vật liệu 34

4.2.1, Phân tích thành phần hóa học 34

4.2.2, Kiểm tra cơ tính 36

4.2.3, Kiểm tra tổ chức tế vi 41

Chương 5: Kết luận 44

Tài liệu tham khảo 45

Chương 1: Giới thiệu về nguyên tắc lựa chọn vật liệu

để thực hiện các quá trình sinh công Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tácdụng của lực khí thể, lực quán tính và lực quán tính ly tâm Có hai loại trục khuỷu

là trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép

1.1.2 Cấu tạo trục khuỷu

- Đầu trục khuỷu : Bộ phận này thường lắp đai ốc khởi động để quay trục khi cần thiết hoặc để khởi động cơ bằng tay quay Trên đầu trục có then để lắp puly dẫn động quạt gió, máy phát điện bơm nước của hệ thống làm mát, đĩa giảm dao động xoắn và lắp bánh răng trục khuỷu để dẫn động trục cam và các cơ cấu khác Ngoài

ra, đầu trục khuỷu còn có cơ cấu hạn chế di chuyển dọc trục và tấm chặn để khôngcho dầu nhờn lọt ra khỏi đầu trục

- Cổ trục chính: Cổ trục chính được đặt vào gối đỡ ở các te và có bạc lót Cổ trục được gia công chính xác bề mặt và được nhiệt luyện để nâng cao độ cứng Số cổ trục có thể nhiều hơn hay ít hơn số xi lanh động cơ Các động cơ có đường kính các cổ trục bằng nhau hoặc đường kính các cổ trục lớn dần từ đầu đến đuôi trục khuỷu

- Chốt khuỷu (cổ biên): Đây là bộ phận để lắp với đầu to thanh truyền để nhận lực

từ piston Chốt khuỷu được gia công chính xác có độ bóng cao và được nhiệt luyện để nâng cao độ cứng Với động cơ xi lanh một hàng thì số chốt khuỷu phải bằng số xi lanh

- Má khuỷu: Má khuỷu là phần nối liền chốt khuỷu với cổ trục làm thành tay quay trục khuỷu Má khuỷu đơn giản, dễ chế tạo có thể là chữ nhật, hình tròn, hình bầu dục

- Đuôi trục khuỷu: Bộ phận này có mặt bích để lắp bánh đà và được làm rỗng để lắp

+ Khả năng chịu đựng thời tiết, chống tia UV, cách điện , cách nhiệt tốt

+ Gia công chế tạo đơn giản, dễ tạo hình, tạo màu , thay đổi, sửa chữa,

+ Chi phí đầu tư trang thiết bị sản xuất và bảo dưỡng thấp, tuổi thọ sử dụng cao ( thời gian sử dụng dài hơn kim loại khoảng 2-3 lần )

- Nhược điểm :

+ Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất+ Gias thành nguyên liệu thô tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời gian.+ Thành phần hóa học của nền và cốt không giống nhau nên cơ tính khác nhau, dẫn đến không đồng đều về cơ tính và dễ dàng bị các khuyết tật

+ Khó khăn trong gia công , tạo hình.

+ Độ bền của chi tiết không cao nếu chịu tải trọng lớn

3) Polymer

Polymer là một loại hợp chất có khối lượng phân tử lớn, được cấu tạo từ nhiều mắt xích lặp lại Chất dẻo, protein và tinh bột là những ví dụ điển hình của polymer

- Ưu điểm :

+ Polymer có tính dẻo cao, khả năng tái chế cao

+ Kháng hóa chất, không bị ăn mòn và an toàn khi sử dụng

+ Trọng lượng nhẹ , màu sắc đa dạng

+ Cách điện, cách nhiệt tốt

+ Một số polymer có tính đàn hồi, tính dai tốt có thể kéo thành sợi

- Nhược điểm :

+ Polymer kém bền với nhiệt

+ Polymer có khả năng đàn hồi cao, dễ bị biến dạng , không phù hợp với việc chế tạo bánh răng

4) Vật liệu kim loại

Dựa vào cơ tính của các loại vật liệu trên ta có thể thấy rằng vật liệu kim loại là thích hợp nhất và có thể đáp ứng được các yêu cầu của một chiếc bánh răng hoàn chỉnh Cụthể hơn ta chọ vật liệu thép để chế tạo bánh răng thay vì các vật liệu kim loại khác bởi vì :

- Thép có cơ tính tổng hợp cao, có rất nhiều loại với công dụng khác nhau

- Giá thành của thép rẻ hơn so với hầu hết các vật liệu kim loại khác

- Thành phần của thép ngoài Fe và C và các tạp chất, chúng ta có thể đưa thêm các nguyên tố đặc biệt với hàm lượng nhất định như : Cr, Ni, Mn, Mo, Ti,… để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép phù hợp với yêu cầu xử dụng.

- Thép có thể dễ dàng gia công , tạo hình , chi phí gia công không hề cao

- Thành phần chính của thép là sắt- kim loại rất phổ biến nên không khó trong việc tìm kiếm nhiên vật liệu , có thể sản xuất số lượng lớn mà không cần lo lắng nguồn cung

1.2.2 Các tiêu chuẩn yêu cầu của chi tiết khi lựa chọn vật liệu:

1 Độ cứng

- Chi tiết phải đảm bảo về mặt độ cứng thì tải trọng mới ổn định nếu không chúng

sẽ biến đổi không như mong muốn Khi chúng ta thiết kế phải tính đủ độ bền an toàn để độ cứng được đảm bảo

- Phôi trục khuỷu rèn phải được gia công nhiệt thường hóa (còn trục khuỷu bằng thép hợp kim thì tôi và ram), đạt độ cứng 163 – 269 HB, chênh lệch độ cứng của trục khuỷu rèn không được lớn hơn 50 HB

2 Độ bền

- Độ bền của vật liệu là chỉ tiêu cơ tính quan trọng nhất đảm bảo cho kết cấu chịu được tải trọng Nói đến độ bền người ta thường quan tâm đến giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn bền của vật liệu Khi chọn vật liệu theo giới hạn đàn hồi thì không những đảm bảo vật liệu có đủ độ bền mà còn không bị biến dạng , cong vênh…

- Các loại độ bền: độ bền đàn hồi, độ bền dẻo, độ bền kéo, độ bền trượt, độ bền uốn,

đồ bền xoắn

3 Độ bền mỏi

Độ bền mỏi là tính chất của kim loại khi nó có khả năng chịu được ứng suất biến thiên Độ bền mỏi có tầm quan trọng trong việc thiết kế và sản xuất các chi tiết máy đối trọng hoặc các linh kiện chịu rung động

4 Độ dẻo

Độ dẻo là tính chất của kim loại cho phép kéo dãn hoặc kéo dài được trước khi bị phá hủy Nó phụ thuộc vào cỡ hạt của các tinh thể kim loại

Khi độ biến dạng lớn đến một giá trị nào đó thì lực đàn hồi không xuất hiện nữa và

ta gọi giá trị này là giới hạn đàn hồi, nếu vượt quá mức giới hạn đàn hồi đó, lúc

đó vật bị biến dạng sẽ không thể trở về được hình dạng ban đầu, sau khi không chịu được tác động làm biến dạng

1.2.3 Các bước lựa chọn vật liệu

- B1: Chuyển đổi các yêu cầu thiết kế:

Bất kì thành phần kỹ thuật nào cũng có một hoặc nhiều chức năng: chịu tải trọng, cảnlại áp lực, truyền nhiệt, … Điều này phải đạt được theo các ràng buộc: các kích thước nào

đó được cố định, thành phần đó phải chịu tải trọng thiết kế hoặc những áp lực mà không

bị hỏng, nó cách điện hoặc dẫn điện, nó có thể hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ nhấtđịnh và trong một môi trường nhất định, và nhiều hơn nữa

Trong việc thiết kế thành phần, nhà thiết kế có một mục tiêu: làm cho nó rẻ nhất cóthể, nhẹ, an toàn hoặc kết hợp của những điều này Một số thông số có thể được điềuchỉnh để tối ưu hóa mục tiêu Nhà thiết kế có thể tự do thay đổi kích thước mà không bịràng buộc bởi các yêu cầu thiết kế và quan trọng nhất là tự do chọn vật liệu cho thànhphần

- B2: Sàng lọc bằng các ràng buộc:

Lựa chọn không thiên vị cho tất cả các vật liệu được coi là ứng cử viên

Sàng lọc, loại bỏ các ứng cử viên không thể giải quyết được công việc một cách hoàntoàn vì một hoặc nhiều thuộc tính của chúng nằm ngoài giới hạn được đặt bởi những ràngbuộc.

- B4: Tìm kiếm thông tin hỗ trợ:

Kết quả của các bước cho đến lúc này là một danh sách ngắn xếp hạng các vật liệulựa chọn đáp ứng được những ràng buộc Ta cần tìm hiểu thêm về hồ sơ chi tiết của từngthứ, thông tin hỗ trợ của chúng

Thông tin hỗ trợ khác rất nhiều so với dữ liệu thuộc tính cấu trúc được dùng để sànglọc Thông thường, nó là mô tả, đồ họa hoặc hình ảnh: nghiên cứu điển hình về việc sửdụng vật liệu trước đây, chi tiết về hành vi ăn mòn của nó trong môi trường cụ thể, thôngtin về tính sẵn có và giá cả, ảnh hưởng đến môi trường

Chương 2: Lựa chọn vật liệu

Khối lượng riêng 7800 (kg/)

Modun Young ≥1.1 (GPa)

Hình 2.1a Khối lượng riêng và độ giãn nở nhiệt

Hình 2.1b Khối lượng riêng và Modun Young

Hình 2.1c Khối lượng riêng và hệ số Poisson

Hình 2.1e Khối lượng riêng và giới hạn bền kéo

Hình 2.1f Khối lượng riêng và độ dẫn nhiệt

Hình 2.1g Thông số của vật liệu thỏa mãn

Hình 2.1h Tiêu chuẩn cơ lý tính của thép

Dựa vào những hình trên ta có được họ thép là thép hợp kim thấp

Thành phần là Fe, Cr, Ni, Mo,…

2.2 Lựa chọn mác thép

Dựa vào điều kiện làm việc khắc nghiệt của bánh răng và sự đáp ứng của các loại vậtliệu chế tạo, dựa vào kết quả sơ bộ của phần mềm CES, mác thép hợp kim 42CrMo làhoàn toàn thỏa mãn để chế tạo chi tiết này

Hình 2.1 Thép 42CrMo

Bảng 2.2 Các ký hiệu và thành phần của thép theo TCVN

S(%)(max)

Cr(%

)

Mo(%)42CrMo 0.38-

0.45

0.37

0.17-0.5-0.8 0.03 0.03

0.9-1.2

0.252.3 Các yếu tố hợp kim ảnh hưởng đến mác thép

Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta đưa vào các nguyên tố

có lợi với lượng vừa đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa).Như vậy, đối với các thành phần chính C, Cr, Mo sẽ ảnh hưởng đến cơ tính và công nghệnhiệt luyện như sau:

- Nếu cần độ bền cao hơn nữa thì có thể dùng tới 0.3%C

- Nếu dùng cao hơn nữa độ dai của lõi sẽ thấp khi tôi và ram thấp, không chịu đượccác tải trọng va đập

- Do phải nung lâu ở nhiệt độ cao khi thấm C, các thép thấm C phải loại Oxy triệt

để, tốt nhất là loại hạt nhỏ để khi thấm xong hạt không bị to làm thép giòn

Hình 2.2 Giản đồ pha Fe-C

b, Các thành phần khác:

Ngược lại, để đảm bảo các yêu cầu trên các nguyên tố hợp kim dùng trong thép thấmcacbon phải đảm bảo cả hai tác dụng: vừa là tăng tính thấm tôi để nâng cao độ bền, vừathúc đẩy quá trình thấm cacbon (hoặc ít ra cũng không cản trở) Nguyên tố hợp kim cơbản có mặt trong mọi loại thép hợp kim là Cr, có thể dùng riêng hay kết hợp với Ni, Mn.Silic:

- Nâng cao độ bền và độ cứng của thép, cải thiện tính chống mài mòn

- Tăng khả năng chống oxy hóa cảu thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão

- Ngăn cản việc thấm cacbon ở nhiệt độ cao

- Tăng tính ổn định ram, nhưng không làm tăng tính giòn ram của thép

Hình 2.3 Giản đồ pha Fe-SiMangan:

- Dùng để khử Oxy trong thép

- Mn kết hợp với C tạo thành cacbit dạng C có độ cứng cao, giúp tăng tính chảyloãng và khả năng điền đầy khuôn

- Giảm bớt hàm lượng Fe hòa tan trong ferit, do vậy nâng cao tính dẻo

- Mn thường hòa tan vào ferit,các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó tăng

độ cứng, độ bền, thường làm giảm độ dai va đập

- Làm tăng độ thấm tôi

Hình 2.4 Giản đồ pha Fe-MnCrom:

Như ta đã biết Cr là nguyên tố tương đối rẻ, nó không những nâng cao độ thấm tôi màcòn xúc tiến quá trình thấm cacbon Bề mặt bánh răng là phần chịu ứng suất tác động lớn,chịu mài mòn ma sát khi làm việc tiếp xúc với môi trường Yêu cầu bề mặ có độ cứng,tính chống mài mòn cao trong khi lõi vẫn bền và dẻo dai, muốn vậy ta phải hóa bền bềmặt Thành phần Cr sẽ giúp cải thiện tính tôi

- Mức Crom càng cao thì mức chống gỉ càng cao

- Hệ số tăng độ thấm tôi của Crom khá cao: 3,2

- Xúc tiến quá trình thấm cacbon

- Crom có tác dụng cải thiện tính chống ram

- Giữ độ bền ở nhiệt độ cao do nó rạo ra cacbit nhỏ mịn, bù lại sự giảm độ cứng củamactensit do giảm độ chính phương crom đóng vai trò hàng đầu đối với độ bềnchống mài mòn

Hình 2.5 Giản đồ pha Fe-CrMolypden:

Mo có thể tránh được giòn ram loại II, thường được đưa vào thép Cr-Ni với độ thấmtôi cao có lượng cacbon khoảng 0.2-0.4% Ngoài ra nó còn có tác dụng nâng cao độ thấmtôi

- Mo là nguyên tố tạo cacbit mạnh, khó hòa tan vào austenit khi nung, cho nên trongthép kết cấu lượng Mo không vượt quá 1%, trong thép dụng cụ và thép không gỉ,lượng Mo có thể cao hơn nhiều

- Hệ số tăng độ thấm tôi của Mo cao: 3,8

- Mo cải thiện tính chống ram do tạo ra độ cứng thứ hai khi ram và làm giảm sựnhạy cảm đối với giòn ram

Hình 2.6 Giản đồ pha Fe-MoNiken:

- Khi lượng Ni dẫn đến độ thấm tôi cao

- Mở rộng vòng trong khi nung

Hình 2.7 Giản đồ pha Fe-Ni

c, Các nguyên tố có hại:

Photpho:

- Làm cho thép bị giòn, đặc biệt ở trạng thái nguội (đây là hiện tượng giòn nguội).

- Đối với thép dễ cắt, dễ nâng cao khả năng gẫy phoi, lượng P có thể cao tới 0,15%

- Đối với thép cacbon thông thường, hàm lượng P nhỏ hơn 0,06%

- Hiệu tượng bở nguội (giòn nguội) do P gây ra có nguyên nhân là do P là nguyên tố

có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe - C, còn trong thépgiới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể phanày làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽtạo nên Fe3P cứng và giòn

Hình 2.8 Giản đồ pha Fe-PLưu huỳnh:

- Khi nung nóng, S làm thép bị phá hủy ở biên hạt, đó là hiện tượng giòn nóng

- Đối với thép cacbon thông thường, lượng S nhỏ hơn 0,06%

- S không hòa tan trong Fe, khiến khi gia công dễ bị đứt, gãy, hiện tượng này gọi làgiòn nóng hay bở nóng.

- Hiện tượng bở nóng (giòn nóng): Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn khônghòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS)tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khinung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 - 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép

dễ bị đứt, gãy như là thép rất giòn

Hình 2.9 Giản đồ pha Fe-SCác yếu tố khí (, , ,…):

- Oxy () trong thép thường ở dạng oxit làm giảm cơ tính và làm xấu tính hàn củathép

- Nitơ () trong thép tạo hợp chất hóa học (nitrit sắt) rất cứng, dòn, làm giảm tính dẻo

và gây khó khăn cho quá trinh hàn

- Hydro () là tạp chất có hại, sinh khí trong vũng hàn, gây nứt tế vi trong mối hàn vàgây khó khăn cho quá trình hàn.

Chương 3: Xây dựng quy trình công nghệ nấu luyện

và chế tạo

3.1, Quy trình công nghệ nấu luyện

3.1.1, Thiết bị:

Cấu tạo lò luyện trung tần:

Lò trung tần AJA-X300 à một loại lò hiện đại, trang thiết bị tinh vi và hoàn chỉnhl ,làm việc chắc chắn và êm Đặc biệt ngoài các thiết bị đo và bảo vệ lò còn có thiết bị đo

và kiểm tra độ cảm ứng điện trong liệu trong quá trình nấu luyện Tổng thể lò cảm ứngtrung tần AJA-X300 gồm có: hai nồi lò, cơ cấu nghiêng lò, hệ thống nước làm nguội,thiết bị phát điện, hệ thống tụ bù cosφ, tủ điện, cuộn cảm ứng lò…Tất cả thiết bị và lòđược đặt trên sàn thao tác Tủ điện được bố trí ở trong cùng gần với nguồn điện vào Tủđiện gồm một trạm điều khiển, một bảng đặt các đồng hồ đo điện, bên trong có đặt máyphát tần số cao và các phụ tùng linh kiện khác Còn hệ thống nước làm nguội và thiết bịthủy lực nghiêng lò được bố trí hai bên tủ điện với khoảng cách an toàn nhất Hai nồi lòđược đặt phía ngoài cùng cách xa các thiết bị như tủ điện, hệ thống thủy lực, hệ thốngnước làm nguội để đề phòng bắn té kim loại và xỉ lỏng trên các thiết bị và dây dẫn Xungquanh hai nồi lò có một khoảng cách rộng để cho công nhân thao tác Còn sàn đúc bố tríthấp hơn sàn thao tác với khoảng cách vừa đủ để thuận tiên cho công việc rót và đúc thép