nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt bánh răng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT BÁNH RĂNG ĐẶNG QUANG MINH THÁI NGUYÊN 2010 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn đại học tháI nguyên Tr-ờng đại học kỹ thuật công nghiệp LUN VN THC S K THUT Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ nâng cao chất l-ợng bề mặt bánh răng Ngành : công nghệ chế tạo máy Mã số: 60.52.04 Học viên: NG QUANG MINH Ng-ời h-ớng dẫn khoa học : pgs.TS. trần vệ quốc Ng-ời h-ớng dẫn khoa học học viên thực hiện Pgs. TS. trần vệ quốc đặng quang minh Ban giám hiệu khoa sau đại học S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn - 0 - Lời cam đoan - Tôi xin cam đoan rằng tất cả các số liệu và kết quả thí nghiệm nghiên cứu trong luận văn này đều đ-ợc thực nghiệm và kiểm tra đánh giá trung thực, không có trong bất cứ tài liệu nào và ch-a hề đ-ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. - Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đ-ợc cảm ơn, mọi thông tin đ-ợc sử dụng trong luận văn nếu sử dụng trong tài liệu nào thì đề đ-ợc trích dẫn đầy đủ và chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Đặng Quang Minh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 1 - LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Vệ Quốc, Trường Cao đẳng thiết bị y tế đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong khoa Cơ khí trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn công ty Việt Hoàng đã giúp tôi thực nghiệm đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện Đặng Quang Minh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG VÀ ẢNH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 2 - Hình 1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuyếch tán Hình 3.1 Hệ toạ độ cầu của chất điểm Hình 3.2 Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử Hình 3.3 Ô mạng lập phương thể tâm Hình 3.4 Ô mạng lập phương tâm mặt Bảng 3.1 Hệ số mật độ và và hệ số phối trí của ô mạng tinh thể Hình 3.6 Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuyếch tán vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ. Hình 3.7 Ảnh hưởng của khuyếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm Hình 3.8 Sự phân bố nguyên tố khuyếch tán trong lớp thấm khi hai nguyên tố hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn Hình 3.9 a) Giản đồ trạng thái hai nguyên A – B b) Sự thay đổi nồng độ B trong lớp khuyếch tán Hình 3.10 a) Giản đồ trạng thái b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm. Hình 3.11 Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuyếch tán Hình 3.12 Sự phụ thuộc của hệ số khuyếch tán D vào nhiệt độ Hình 3.13 Sự phụ thuộc của chiều dày lớp thấm vào thời gian của quá trình Hình 4.1 Giản đồ pha Fe – N Hình 4.2 Tổ chức tế vi lớp thấm Nitơ Hình 4.3 Sơ đồ thiết bị thấm Nitơ thể khí Hình 4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều sâu lớp thấm Hình 4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến độ cứng lớp thấm Nitơ Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý tạo thành Plasma Hình 4.7 Quá trình thấm Nitơ plasma Hình 4.8 Tổ chức lớp thấm và dự báo chiều sâu lớp thấm. Hình 4.9 Cơ chế thấm Cacbon plasma Hình 5.1 Bánh răng gia công. Hình 5.2 Nguyên công tiện lỗ. Hình 5.3 Nguyên công tiện mặt ngoài. Hình 5.4 Nguyên công xọc rãnh then. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 3 - Hình 5.5 Gia công bánh răng bằng phương pháp định hình. Hình 5.5 Gia công bánh răng bằng phương pháp bao hình. Hình 5.6 Nguyên công vê đầu răng. Hình 6.1. Hình ảnh của lò thấm Nitơ thể khí. Hình 6.2 Hình ảnh lò thấm Nitơ thể lỏng. Hình 6.3 Hình ảnh lò thấm Nitơ plasma. Hình 6.4 Hình ảnh lò thấm Nitơ plasma của Đức và Mỹ. Hình 6.5 Hình ảnh lò thấm Nitơ plasma tại viện nghiên cứu cơ khí Việt Nam. Hình 6.6 Hình ảnh quá trình thấm nitơ plasma điều khiển bằng máy tính. Hình 6.7 Hình ảnh máy đo độ cứng AFFRI (Italy). Hình 6.8 Mẫu bánh răng làm từ thép 20X, 20XM, 18XT. Hình 6.9. Hình ảnh của mẫu bánh răng làm từ thép 20X sau khi thấm. Hình 6.10. Hình ảnh của mẫu bánh răng làm từ thép 20XM sau khi thấm. Hình 6.11 Hình ảnh của mẫu bánh răng làm từ thép 18XT sau khi thấm. Hình 6.12 Hình ảnh bánh răng trong lò thấm plasma. Hình 6.13 Quan hệ độ cứng, chiều sâu thấm và thời gian thấm Hình 6.14 Tổ chức tế vi của mẫu thép 45X sau khi thấm (500x) Hình 6.15 Ảnh SEM mẫu 45X sau khi thấm (5000x). Hình 6.16 Sản phẩm bánh răng sau khi thấm nitơ plasma. Bảng 6.1 Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm Cacbon thể rắn Bảng 6.2 Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm Cácbon thể rắn Bảng 6.3 Độ cứng của thép bánh răng thép 18XT sau khi thấm Cácbon thể rắn Bảng 6.4 Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm Cacbon thể khí Bảng 6.5 Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm Cácbon thể khí Bảng 6.6 Độ cứng của bánh răng thép 18XT sau khi thấm Cácbon thể khí. Bảng 6.7 Độ cứng của bánh răng thép 20X sau khi thấm Nitơ thể khí Bảng 6.8 Độ cứng của bánh răng thép 20XM sau khi thấm Nitơ thể khí Bảng 6.9 Độ cứng của bánh răng thép 18XT sau khi thấm Nitơ thể khí Bảng 6.10 Bảng chương trình điều khiển quá trình thấm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 4 - MỤC LỤC Trang Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan đề tài 11 1.1 Tình hình và xu hướng phát triển của công nghệ xử lý bề mặt kim loại … 12 1.2 Những nét chung về hóa nhiệt luyện 14 1.2.1 Sự hình thành tổ chức lớp thấm 17 1.2.2 Động học của quá trình thấm 17 1.2.3 Môi trường thấm 17 1.3 Khái quát chung về phương pháp hóa nhiệt luyện 17 1.3.1 Thấm Cacbon ( C ) 18 1.3.2 Thấm Xyanua 19 1.3.3 Thấm Lưu huỳnh (S) 20 1.3.4 Thấm Bo (B) 20 1.3.5 Thâm Crom (Cr) 20 1.3.6 Thấm Nhôm (Al) 20 1.3.7 Thấm Silic (Si) 21 1.3.8 Thấm Kẽm (Zn) 21 1.3.9 Thấm Titan (Ti) 21 1.3.10 Thấm Nitơ (N) 21 1.4. Mục đích và yêu cầu của đề tài 22 Chƣơng 2 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 23 2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 23 2.3 Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm 23 2.4 Phương pháp kiểm tra 24 2.4.1 Kiểm tra độ cứng 24 2.4.3 Kiểm tra tổ chức tế vi lớp thấm 26 Chƣơng 3: Nghiên cứu lý thuyết 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 5 - 3.1 Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại 27 3.1.1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể 28 3.1.2 Cấu tạo kim loại 31 3.1.3 Bản chất mối liên kết trong kim loại 35 3.2 Lý thuyết về ăn mòn và mài mòn kim loại 36 3.2.1 Tìm hiểu chung về mài mòn kim loại 37 3.2.2 Các quá trình ăn mòn và mài mòn kim loại 37 3.3 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ mòn của kim loại 38 3.3.1 Các chỉ tiêu định tính 38 3.3.2 Các chỉ tiêu định lượng 39 3.4 Hoá nhiệt luyện 40 3.4.1 Khái niệm chung 40 3.4.2 Các quá trình hoá nhiệt luyện 41 3.4.3 Cơ sở của hoá nhiệt luyện 43 Chƣơng 4: Thấm Nitơ 4.1 Định nghĩa và mục đích 53 4.2 Lý thuyết về Nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm Nitơ 53 4.3 Thép để thấm Nitơ 55 4.4 Công nghệ thấm Nitơ 56 4.5 Các phương pháp thấm Nitơ 58 4.5.1 Thấm Nitơ thể khí 58 4.5.1 Thấm Nitơ thể lỏng 60 4.5.3 Công dụng của thấm Nitơ 61 4.6 Thấm Nitơ - Cácbon plasma 67 Chƣơng 5: Quy trình gia công bánh răng 74 5.1 Chọn vật liệu bánh răng 74 5.2 Quy trình gia công bánh răng 77 Chƣơng 6: Nghiên cứu thực nghiệm 82 6.1 Thiết bị thấm Nitơ 82 6.2 Mẫu bánh răng thí nghiệm 85 6.2.1 Vật liệu chế tạo mẫu 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 6 - 6.2.2. Số lượng mẫu thí nghiệm 87 6.3 Kết quả thí nghiệm 89 6.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm khi thấm Nitơ thể khí 90 6.3.2. Quy trình công nghệ thấm nitơ plasma 94 6.3.3 Kết quả thấm Nitơ plasma trên mẫu 94 6.4 Kết luận 96 6.5 Kiến nghị 96 Tài liệu tham khảo 97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 7 - LỜI NÓI ĐẦU Chất lượng bề mặt của chi tiết máy với các đặc tính như khả năng chịu mài mòn, độ cứng chịu nhiệt, chống gỉ, tính trơ hóa học, có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và độ tin cậy của chúng vì qua nghiên cứu người ta thấy rằng hầu hết các chi tiết máy bị hư hỏng bắt đầu từ việc phá hủy bề mặt ngoài (Bị cào xước, bị mòn, biến dạng bề mặt và thay đổi kích thước, bị ăn mòn hóa học bề mặt). Hiện nay việc không ngừng nâng cao năng suất lao động và khai thác tối đa khả năng làm việc của máy móc thiết bị đã tạo ra điều kiện làm việc khắc nghiệt cho các máy, đặc biệt là lớp mặt ngoài của nó phải được làm bền bằng những công nghệ mới thích hợp như làm bền bằng laze, làm bền bằng siêu âm. Mặt khác, nhu cầu sử dụng thiết bị ngày càng nhiều trong khi giá thành chế tạo cao. Do đó, việc tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt chi tiết là cần thiết. Công nghệ xử lý bề mặt kim loại là một trong những công nghệ cơ bản được áp dụng rộng rãi trong việc chế tạo sản phẩm từ phôi kim loại. Nó làm tăng độ bền, bảo vệ chống mòn, trang trí để làm tăng vẻ đẹp và giá trị thương phẩm cho mỗi sản phẩm được hoàn thiện trước khi xuất xưởng. Tùy thuộc vào điều kiện của chi tiết bề mặt kim loại phải có các tính chất cơ - lý – hóa phù hợp như: Độ bền chống mài mòn, chống ma sát, độ bền nhiệt, độ bền chống ăn mòn trong khí quyển và trong các môi trường hóa chất. Ở các nước phát triển, tuy đầu tư cho việc chống ăn mòn ngày càng tăng, các công việc chống ăn mòn ngày càng hiện đại nhưng thiệt hại do ăn mòn không vì thế mà giảm đi. Ngược lại, nó vẫn không ngừng tăng lên do vật liệu ngày càng được sử dụng nhiều, giá trị của vật liệu trong nền kinh tế quốc dân ngày càng lớn vì môi trường ngày càng ô nhiễm. Vì vậy các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn kim loại đóng vai trò rất quan trọng. Nhất là đối với nước ta, điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm làm cho quá trình ăn mòn kim loaị nói chung mãnh liệt hơn. Những năm 90 trong sự tăng trưởng kinh tế, nhiều ngành công nghiệp ra đời và phát triển: Dầu khí, đóng tàu, sửa chữa. Nhiều công trình và thiết bị phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt: Môi trường biển, môi trường các khí hóa chất ăn mòn mạnh(Cl, HCl, SO 2 , SO 3 , NH 3 , NO, CO,). Trong điều kiện như vậy hàng vạn tấn [...]... ph bin i vi cỏc chi tit bng thộp nhm to bn, cng v tớnh chng mi mũn hay nõng cao tớnh chu n mũn 1.3 Khỏi quỏt chung v cỏc phng phỏp hoỏ nhit luyn 1.3.1 Thm cacbon (C) Thm cacbon l quỏ trỡnh bóo hũa b mt chi tit nguyờn t cacbon sau khi thm v nhit luyn thu c b mt chi tit cú cng cao, chng mi mũn cao, chng xõm thc, bn mũn cao Cỏc tớnh cht trờn t trong khi vn gi nguyờn c phn lừi Thm cacbon c tin hnh... trng, nht l vic ch to cỏc thit b cụng ngh nh lũ nung cho tụi, ram hoc cú hiu sut nhit cao, iu khin nhit t ng chớnh xỏc Ban u l cỏc lũ rốn th cụng ri tin ti lũ bung Hin nay cỏc c s sn xut hng lot ó cú cỏc dõy truyn nhit luyn kiu Tunel, sn phm tt, n nh v nng sut cao Ngoi ra cỏc lũ tụi bng nng lng dũng in cm ng cao tn cng c s dng khỏ ph bin Cựng vi s phỏt trin ci tin tớnh nng ca lp b mt, vt liu k thut... thit b m, nõng cao sn lng va cht lng lp m n nh, bn, búng, p bờn cnh m in cũn xut hin m phun (Al-Zn hp kim Al-Zn, trỏng Sn, trỏng Pb,), m xoa Do ú ó m c nhng chi tit hỡnh thự phc tp, cỏc cu kin ln nh cu, ct in cao th, ng ng cỏc loi, tụn tm phc v cho vic ch to tm lp v phc v sinh hot, ỏp ng kp thi nhng nhu cu sn xut v i sng Hin nay trờn th gii cú rt nhiu hóng sn xut thit b m t trỡnh cụng ngh cao: Hóng Canning... thụng vn ti, cụng nghip thc phm, k thut hng khụng v i sng hng ngy u gn vi vt liu v cn n cỏc võt liu cú tớnh nng a dng vi cht lng cng cao 1.1 Tỡnh hỡnh v xu hng phỏt trin cụng ngh x lý b mt kim loi T cui th k 18 ó bt u xut hin nhng cụng ngh x lý b mt nh: M, trỏng men, bc lút cao su chng n mũn v nhng phng phỏp ci thin b mt kim loa nh nhit luyn (Tụi, ram, , thng húa, thm C, thm N ) Ngoi ra ngi ta nhum en... ngh x lý b mt cho tng chi tit ó gúp phn m rng kh nng thit k v ch to nhiu chng loi thit b, chi tit mỏy vi tớnh nng cụng ngh cao phc v c lc cho nhiu ngnh cụng nghip mi nhn ca t nc nh cụng nghip du khớ khai thỏc m, cụng ngh húa cht Nhng cụng ngh x lý b mt kim loi nhm chng n mũn v nõng cao c - lý tớnh l nhng cụng ngh úng vai trũ quan trng v khụng th thiu c trong sn xut cụng nghip hin nay Tuy nhiờn, trong... Nhit luyn v húa nhit luyn cú tỏc dng rt mnh trong vic nõng cao cht lng sn phm Húa nhit luyn l phng phỏp nhit luyn cú kốm theo s ci thin thnh phn húa hc lp b mt do ú lm thay i t chc v tớnh cht lp b mt m vn bo tn c cỏc tớnh cht trong lừi ca vt liu Thm nit l phng phỏp nhit luyn lm bóo ho (thm, khuch tỏn) nit vo b mt thộp, nhm mc ớch ch yu l nõng cao cng vng v tớnh chng mi mũn (v mt ny thm nit tt hn l... ti bo v b mt chng n mũn v iu khin c 25 - 30 tng khi lng n mũn Trong tng lai cụng ngh b mt cũn phỏt trin theo hng gim mũn, nõng cao hiu sut s dng vt liu Ngoi ra, vic s dng b mt trong sa cha thit b theo hng sa cha nhng b mt quan trng mau mũn, chng g cú th tit kim c rt nhiu nõng cao c tớnh b mt, cựng vi nhit luyn cú cỏc phng phỏp húa nhit luyn nh sulfit húa b mt, thm cacbon, thm nit, thm crụm, thm sillic,... chớnh xỏc, yờu cu c tớnh cng cao thỡ s lng chi tit cn nhit luyn cng nhiu i vi cỏc nc cụng nghip phỏt trin ỏnh giỏ trỡnh ca ngnh ch to c khớ phi cn c vo trỡnh nhit luyn, vỡ rng dự gia cụng c khớ cú chớnh xỏc n õu nhng nu khụng qua nhit luyn hoc cht lng nhit luyn khụng m bo thỡ tui th ca chi tit cng gim v mc chớnh xỏc ca mỏy múc khụng cũn gi c theo yờu cu Nhit luyn nõng cao cht lng sn phm khụng ch... t rt ln ( kộo di thi gian lm vic, nõng cao bn lõu ca cụng trỡnh, mỏy múc thit b) m cũn l thc o ỏnh giỏ trỡnh phỏt trin khoa hc- k thut ca mi quc gia nc ta t lõu nhit luyn ó c ỏp dng trong i sng hng ngy, ụng cha ta ó bit tụi dao, kộo, c, da, thộp mm tr thnh thộp cng ct gt hay ngc li Ngy nay nn cụng nghip ca nc ta ang phỏt trin khụng ngng v vic nghiờn cu nõng cao cht lng cho cỏc chi tit bng phng phỏp... Ngoi ra thm nit cú b mt búng m, chng n mũn tt trong khớ quyn v cú th dựng trang sc T nhng yờu cu thc t trờn, c s hng dn ca thy giỏo PGS.TS Trn V Quc Trng Cao ng ngh thit b y t, tụi ó i vo nghiờn cu thc hin ti: Nghiờn cu ng dng cụng ngh thm Nit nõng cao cht lng b mt bỏnh rng Yờu cu thc hin ca ti: S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- a im thc hin ti: + Khoa c khớ . Trần Vệ Quốc Trường Cao đẳng nghề thiết bị y tế, tôi đã đi vào nghiên cứu thực hiện đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm Nitơ nâng cao chất lượng bề mặt bánh răng . Yêu cầu thực. về Nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm Nitơ 53 4.3 Thép để thấm Nitơ 55 4.4 Công nghệ thấm Nitơ 56 4.5 Các phương pháp thấm Nitơ 58 4.5.1 Thấm Nitơ thể khí 58 4.5.1 Thấm Nitơ. THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT BÁNH RĂNG ĐẶNG QUANG MINH THÁI NGUYÊN 2010