Chày cối dập nguội

- Với điều kiện làm việc nh vậy, chi tiết trên phải đạt đợc các yêu cầu sau: + Độ cứng cao: Phải đạt đến giới hạn dới của nó là khoảng HRC 58ữ62 tuỳ vào loại khuôn, chiều dày, độ cứng củ

Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt

Bài tập vận dụng môn học:

Kim loại học và nhiệt luyện (Vật liệu kim loại)

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thành Nam

Lớp: Cơ Điện tử 2 – K49

Ngành: Cơ Điện tử

Khoa: Cơ khí

Câu 1 Chi tiết: Chày cối dập nguội kích thớc nhỏ.

- Điều kiện làm việc:

+ Để dập phôi, chày cối phải chịu áp lực rất lớn, ngoài ra khuôn dập còn chịu ứng suất uốn lớn, lực va đập và lực ma sát

+ Diện tích tiếp xúc lớn nên khuôn dập không bị nóng lên nhiều (< 200 ºC)

- Với điều kiện làm việc nh vậy, chi tiết trên phải đạt đợc các yêu cầu sau: + Độ cứng cao: Phải đạt đến giới hạn dới của nó là khoảng HRC 58ữ62 (tuỳ vào loại khuôn, chiều dày, độ cứng của thép đem biến dạng) Nếu dập các lá thép cứng nh thép kĩ thuật điện (tôn silic) hay có chiều dài lớn phải yêu cầu độ cứng HRC tới trên 60, thậm chí là 62; còn đối với thép lá mỏng, khi dập uốn, với độ cứng thấp, chỉ cần dộ cứng HRC 56 Không để nhiệt luyện HRC quá 62, vì lúc đó khuôn làm việc dễ bị nứt mẻ

+ Tính chống mài mòn cao: Đảm bảo đợc hàng ngàn, vạn lần dập Nếu khuôn có tính chống mài mòn kém sẽ tạo ra khe hở giữa chày và cối, không

đảm bảo cho chi tiết làm việc tốt

+ Độ bền và độ dai bảo đảm: Để chịu đợc tải trọng lớn và chịu va đập Đối với khuôn dập lớn cần phải có thêm yêu cầu về độ thấm tôi và ít thay đổi thể tích khi tôi

Câu 2

- Ta lựa chọn vật liệu theo nguyên tắc: Vật liệu đợc chọn sau khi áp dụng các quy trình công nghệ thích hợp đợc đầy đủ các yêu cầu làm việc của chi tiết Ngoài ra vật liệu đó còn phải phổ biến, không quá đắt tiền, có khả năng gia công cơ khí tốt và không yêu cầu phải áp dụng các quy trình công nghệ quá

đặc biệt

- Công nghệ đợc lựa chọn trên nguyên tắc: Công nghệ phải làm cho vật liệu

đạt đợc các chỉ tiêu kĩ thuật đặt ra, không quá phức tạp, đắt đỏ; có thể thây

đổi, cải tiến trong tơng lai và phải thực hiên đợc trên nhiều loại thiết bị Ngoài ra, trong điều kiện hiện nay, đó phải là công nghệ sạch Khả năng lựa chọn vật liệu và công nghệ do vậy rất phong phú và có thể có nhiều phơng án cho các yêu cầu trên

- Dới đây, ta chọn ra phơng án chính và đề ra các phơng án thay thế (vật liệu) khi cần thiết

- Chọn mác thép: Để làm khuôn dập nguội nhỏ, đơn giản, chịu tải trọng nhỏ

có thề dùng thép dụng cụ cacbon với các mác CD100, CD120 ở đây ta chọn

01 mác thép điển hình để chế tạo chi tiết trên, là CD120

a) Thành phần hoá học của mác thép CD120:

1.15 – 1.24 %C, 0.17 – 0.33 %Si, 0.17 – 0.33 %Mn

%P ≤ 0.035, %S ≤ 0.030,

%Cr ≤ 0.20, %Ni ≤ 0.25, %Cu ≤ 0.25

Cơ sở lí luận để chọn mác thép CD120: Các thành phần trên giúp chi tiết

đảm bảo đợc những điều kiện ban đầu để sau này nhiệt luyện sẽ đảm bảo độ cứng cho làm việc chịu va đập cũng nh các thành phần khác giúp dễ xử lí nhiệt

b) Lập bảng kí hiệu và thành phần của các mác thép t ơng đ ơng với thép CD120 của tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN):

Tiêu chuẩn TCVN 1822-76 ASTM A686-92 Γ OCT

1435-90

JIS G4410 (1983) GB 1298-86

C 1.15 – 1.24 1.15 – 1.25 1.15 – 1.24 1.10 – 1.30 1.15 – 1.24

Si 0.17 – 0.33 0.10 – 0.40 0.17 – 0.33 ≤ 0.35 ≤ 0.35

Mn 0.17 – 0.33 0.10 – 0.40 0.17 – 0.33 ≤ 0.50 ≤ 0.40

Nhận xét:

- Giữa các tiêu chuẩn của các nớc nhìn chung tơng đối giống nhau, chỉ có vài

điểm khac biệt: Tiêu chuẩn ASTM (Mỹ) có thêm thông số thành phần của V,

W, Mo; tiêu chuẩn của Nhật và Trung Quốc không yêu cầu cao về hàm lợng

Si, Mn (khoảng % rộng hơn các nớc còn lại)

- Nguyên nhân của sự khác nhau đó: Do công nghệ nhiệt luyện khác nhau,

do yêu cầu sử dụng, sử dụng vật liệu trong những môi trờng có điều kiện khác nhau º

* Một số tiêu chuẩn tơng đơng khác:

Nớc Quốc tế Đức Pháp Anh Thuỵ Điển Tiệp

chuẩn 4975:1980 A35-390(1992) 4965 (1989)

Mác thép TC120 C125W2 1.1563 XC120 C120 E3U BW1C 1885 19221

C 1.10-1.29 1.20 - 1.35 1.10 - 1.29 1.10 - 1.30 1.10 - 1.25

Si 0.35 0.10 - 0.30 0.10 - 0.30 0.3 0.10 - 0.30

Mn 0.35 0.10 - 0.35 0.10 - 0.40 0.35 0.20 - 0.40

V

W

Câu 3 Vai trò của cacbon và các nguyên tố tạp chất trong thép đối với cơ

tính và công nghệ nhiệt luyện của thép cacbon dụng cụ CD120:

Bảng tính

a) Cacbon:

Trong thép, nguyên tố cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định đến

cơ tính cũng nh đối với công nghệ nhiệt luyện thép do tổ chức và tính chất

của thép chủ yếu do cacbon quyết định Cácbon tồn tại trong thép dới hai

dạng: dung dịch rắn xen kẽ trong mạng tinh thể sắt (α -Fe ở nhiệt độ thấp và

γ -Fe ở nhiệt độ cao) và dạng liên kết trong hợp chất Fe3C (xêmentit) Các

pha dung dịch rắn có độ dẻo cao, độ bền thấp trong khi xêmentit là pha cứng

và giòn Sự kết hợp các pha này sẽ cho các tổ chức khác nhau của thép tơng

ứng với từng thành phần và trạng thái cụ thể Khi lợng cácbon tăng thì lợng

xêmentit cũng tăng và ngợc lại Tổ chức của thép ở trạng thái cân bằng phụ

thuộc hàm lợng cácbon nh sau:

- C < 0,8%: Thép trớc cùng tích, tổ chức là ferit-péclit,

- C = 0,8%: Thép cùng tích, tổ chức là péclit,

- C > 0,8%: Thép sau cùng tích, tổ chức la peclit-xêmentit

Hàm lợng cácbon cũng quyết định đến tính chất của thép, còn ảnh hởng

của hàm lợng cácbon đến cơ tính của thép đợc trình bày trên hình vẽ dới đây:

Nhận xét:

- Theo hình vẽ ta có thể nhận thấy khi hàm lợng cácbon tăng lên, độ bền, độ cứng tăng theo; độ dẻo, độ dai giảm đi; riêng độ bền có tăng cực đại vào khoảng 0,9% C

- Cácbon có ảnh hởng bậc nhất (theo quan hệ đờng thẳng) đến độ cứng HB, một cách định lợng, cứ tăng 0,1% C, độ cứng tăng khoảng 20 – 25 HB, độ bền tăng khoảng 60 – 80 Mpa, độ dãn dài tơng đối và độ thắt tỉ đối giảm lần lợt là 2 - 4% và 1 - 5%, độ dai va đập giảm 200 kJ/m2

- Do có vai trò quyết định đến cơ tính thép nh vậy nên hàm lợng cácbon sẽ quy định phạm vi ứng dụng của các loại thép khác nhau

- Có thể giải thích ảnh hởng của hàm lợng cácbon đến cơ tính thép nh sau: Khi hàm lợng cácbon tăng, hàm lợng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên, làm cho độ bền và độ cứng tăng, độ dẻo và độ dai giảm Độ bền của thép giảm đi khi hàm lợng C vợt quá 1% là do có sự có mặt của xêmentit II ở dạng lới, cản trở sự tạo điều kiện cho vết nứt phát triển, làm giảm độ bền

ở đây là thép có hàm lợng cacbon cao (≥ 0.7%), có u điểm là độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, nên đợc dùng làm công cụ nh dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo

Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lợng cácbon: Thép càng ít cácbon càng dễ hàn chảy và dập

Hàm lợng cácbon cũng ảnh hởng đến tính gia công cắt của thép, thép càng cứng càng khó cắt, nhng quá mềm cũng gây khó khăn cho cắt gọt

Nói chung tính đúc của thép cácbon không cao

Các tính chất lí hoá khác: Khi tăng hàm lợng cácbon, các tính chất lý hoá khác của thép cũng thay đổi theo: khối lợng riêng, độ từ thẩm và khả năng chống ăn mòn của thép giảm đi; điện trở, nhiệt trở và lực khử từ tăng lên

b) Các nguyên tố tạp chất:

Các nguyên tố tạp chất trong thép đợc phân thành: Các tạp chất thờng có, các tạp chất ngẫu nhiên và các tạp chất ẩn

- Các tạp chất thờng có, gồm: Phôtpho, lu huỳnh, silic và mangan.

+ Silic (Si): Cho vào thép dới dạng ferô silic khử oxy triệt để thép trạng thái lỏng:

Si + FeO → Fe + SiO2

(SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

Silic hoà tan vào ferit nâng cao độ bền và độ cứng của pha ferit này, nên làm tăng cơ tính của thép, song không rõ rệt do lợng silic cao nhất trong thép cũng chỉ đạt giới hạn 0,20 – 0,40 %

Silic không tạo cácbt và có xu hớng làm thoát cácbon trong thép Si có tác dụng làm tăng độ thấm tôi ở mức độ trung bình với hệ số tăng độ thấm tôi là 1,7 Si có tác dụng làm tăng tính ổn định ram, chống oxy hoá cho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão cho thép crôm Si còn có tác dụng tăng tính đàn hồi cho thép (cho nên Si thờng có mặt trong các mác thép đàn hồi)

+ Mangan (Mn): Cho vào thép dới dạng ferô mangan để khử oxy thép ở trạng thái lỏng, loại trừ đợc FeO rất có hại:

Mn + FeO → Fe + MnO

(MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

Ngoài ra mangan cũng loại trừ đợc tác hại của lu huỳnh

Mn có ảnh hởng tốt đến cơ tính, khi hoà tan vào ferit nó nâng cao độ bền

và độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lợng mangan cao nhất trong thép cácbon cũng chỉ nằm trong khoảng giới hạn 0.50 – 0.80% nên ảnh hởng này không quan trọng

+ Lu huỳnh (S): Đi vào thép từ quặng hay từ than Đây là tạp chất có hại cho thép vì trong thép, nó tạo thành cùng tinh (Fe + FeS) nằm ở biên giới hạt có nhiệt độ nóng chảy : 990º C Khi gia công áp lực thép ở nhiệt độ cao, cùng tinh này chảy ra làm cho thép bị đứt ở biên giới hạt, gây ra hiện tợng giòn nóng (hay bở nóng) Hàm lợng S trong thép phải khống chế ở mức càng thấp càng tốt.Thông thờng trong thép, S < 0,06% Thép chất lợng càng tốt, hàm l-ợng này càng thấp (trừ thép dễ cắt, hàm ll-ợng S có thể lên đến 0,08 – 0,30%)

+ Phôtpho (P): Tơng tự nh lu huỳnh, phôtpho đi vào thép từ quặng và than Phốtpho tồn tại trong thép ở cả dạng hoà tan và dạng liên kết Fe3P Dù ở dạng nào, nó cũng làm cho thép bị giòn ở trạng thái nguội, còn gọi là hiện tợng giòn nguội (bở nguội), rất có hại cho thép (ví dụ nh phôi dễ bị nứt vỡ dù lực không lớn) Do đó hàm lợng P trong thép phải đợc khống chế chặt chẽ, thông thờng, P < 0.06%, còn với thép dễ cắt, P có thể lên tới 0.08 – 0.15%

- Các tạp chất ngẫu nhiên: Các tạp chất này đi vào thép từ sắt thép vụn tái

sinh Các nguyên tố Cr, Ni, V º là các nguyên tố có thể gặp trong trờng hợp này Vai trò của chúng với một lợng nhỏ (ngẫu nhiên) không rõ nét trong thép Khi đợc cho vào thép với mục đích cụ thể, chúng đóng vai trò các nguyên tố hợp kim, chúng có thể hoà tan trong mạng tinh thể của α -Fe và γ

-Fe để tạo thành ferrit hợp kim và austenit hợp kim Một số nguyên tố nh Ni,

Mn, N, Cu, º khi hoà tan vào trong Fe sẽ có tác dụng mở rộng vùng ổn định

γ và làm cho nhiệt độ chuyển biến γ -α hạ xuống (một số thép với hàm lợng

Mn (> 10%) và Ni (>20%) đủ lớn sẽ có tổ chức austenit ở ngay nhiệt độ th-ờng)

Một số nguyên tố khác nh Cr, V, Ti, Mo, Si, º lại có tác dụng thu hẹp vùng

ổn định của γ và nâng cao nhiệt độ chuyển biến γ -α Chúng đợc gọi là các nguyên tố mở rộng α

+ Crôm: Trong thép, Cr liên kết với C tạo thành cácbit phức tạp dễ hoà tan vào austenit khi nung lên trên 900ºC Giống nh Mn và Si, Cr cũng có tác dụng tăng độ thấm tôi với hệ số 3,2 Do tạo các loại cácbit phân tán nhỏ mịn nên Cr có tác dụng chống ram, nâng cao độ bền nóng (red-hardness: độ cứng nóng) cho thép Cũng với nguyên nhân này, Cr có tác dụng làm tăng mạnh khả năng chống mài mòn (wear resistance) cho thép

+ Môlípđen: Mo là nguyên tố thu hẹp mạnh vùng γ , là nguyên tố tạo cácbit

mạnh, khó tan vào austenit khi nung lên có tác dụng giữ nhỏ hạt thép Mo còn có tác dụng tăng mạnh độ thấm tôi với hệ số 3,8 Mo cải thiện tính chống ram do tạo ra độ cứng thứ hai khi ram (tạo pha Mo2C) và có tác dụng làm giảm sự nhạy cảm đối với giòn ram

Cụ thể (1):

+ Chromium: làm tăng độ thấm tôi trong xử lí nhiệt (Chromium produces deeper hardness penetration in heat treatment and contributes wear resistance and toughness) góp phần chống mài mòn và tính dai, tính bền

+ Manganese: Với một lợng nhỏ đợc dùng giúp cho thép bền hơn và thêm và

đó làm cho thép cứng hơn và nhanh hơn trong xử lí nhiệt Nó cũng giúp hạ thấp nhiệt độ tôi cần thiết để tôi thép cứng hơn(Manganese in small amounts is used to aid in making steel sound and further additions help steel to harden deeper and more quickly in heat treatment It also helps to lower the quenching temperature necessary to harden steels Larger amounts of manganese in the 1.20-1.60% range allow steels to be oil quenched rather than water quenched) Lợng lớn Mn trong khoảng 1.20 – 1.60%C cho phép thép đợc làm nguội tốt hơn là làm nguội bằng nớc + Molybdenum: Tăng độ thấm tôi trong xử lí nhiệt và làm giảm nhiệt độ tôi

Nó cũng giúp tăng độ cứng nóng và tính chống mài mòn (Molybdenum increases the hardness penetration in heat treatment and reduces quenching temperatures.

It also helps increase red hardness and wear resistance)

+ Nickel làm tăng thêm độ cứng và tính chóng mài mòn cho thép và đợc dùng chung với những nguyên tố tăng độ cứng khác.(Nickel adds toughness and wear resistance to steel and is used in conjunction with hardening elements)

+ Vônfram: Đợc thêm vào thép làm tăng tính chống mài mòn và cung cấp những đặc điểm cứng nóng, một lợng khoảng 1.5% làm tăng tính chống mài mòn và khoảng 4% trong sự kết hợp với cacbon cao sẽ làm tăng thêm tính chống mài mòn W với một lơng lớn cùng Cr cần cho khả năng cứng nóng (Tungsten added to the steel increases its wear resistance and provides red hardness characteristics Approximately 1.5% increases wear resistance and about 4% in combination with high carbon will greatly increase wear resistance Tungsten in large quantities with chromium provides for red hardness)

+ Vanadium với một lợng nhỏ làm tăng độ dai, độ bền và làm giảm độ hạt V với một lợng trên 1% tăng khả năng chống mài mòn rất tốt đặc biệt là thép gió Lợng V nhỏ hơn kết hợp với Cr và W giúp tăng đặc tính cứng nóng(Vanadium in small quantities increases the toughening effect and reduces grain

size Vanadium in amounts over 1% provides extreme wear resistance especially to high-speed steels Smaller amounts of vanadium in conjunction with chromium, and tungsten, aid in increasing red hardness properties)

- Các tạp chất ẩn: Đó là các tạp chất khí H2, O2, N2, º Chúng có mặt trong thép với lợng chứa rất nhỏ mà các phơng pháp phân tích thông thờng không thể phát hiện ra Vì vậy, chúng đợc gọi là các tạp chât ẩn, và nói chung là có hại

Câu 4.

a) Các nhiệt độ quan trọng:

- Nhiêt độ chảy hoàn toàn: 1460 ºC

- Nhiệt độ thờng hoá: 904 ữ1104 ºC

- Nhiệt độ ủ: 750 ữ770 ºC

- Nhiệt độ tôi: 760 ữ790 ºC

b)

Dùng giản đồ pha Fe-C, xác định trên đó thép C có cùng thành phần C

với mác thép CD120:

Fig.1 The Iron-Carbon Equilibrium Diagram.

c) Đối với thép C 1,2% (ở trên hình vẽ), ta tính theo công thức để tìm các

nhiệt độ thờng hoá, ủ, tôi:

Tºth = Ac (cm)+ (30ữ50ºC) = 900 ữ1100 ºC

Tºủ = Ac1 + (20ữ30ºC) = 750 ữ760 ºC

Tºtôi = Ac1 + (30ữ50ºC) = 760 ữ780 ºC

Ta nhận thấy so với thép cácbon dụng cụ, thép C này có cả 3 nhiệt độ đều khác từ 4-10ºC (khoảng nhiệt độ ủ và tôi của thép C hẹp hơn CD120 là 10ºC, trong khi đó, nhiệt độ thờng hoá chỉ chênh nhau 4ºC và cùng khoảng biến thiên (200ºC)

d) Tổ chức tế vi đạt đ ợc khi làm nguội chậm qua các điểm tới hạn, % các pha thành phần, đặc điểm cơ tính của tổ chức nhận đ ợc:

Câu 5.

a) Ph ơng pháp gia công cơ khí th ờng dùng để chế tạo chi tiết:

- Đúc bằng khuôn

b) Sau khi gia công cơ khí phải nhiệt luyện:

- ủ không hoàn toàn ở 750 – 760ºC (bởi vì sau khi đúc, việc làm nguội chi tiết thờng không đợc đồng đều ở các lớp dày khác nhau trên chi tiết; bề mặt thờng cứng hơn, tồn tại những ứng lực d bên trong kim loại)

- Tôi 760 – 780ºC, vì chi tiết là chày cối dập nguội, đòi hỏi độ cứng cao nên phải tôi để tăng độ cứng và độ bền

- Sau tôi, ram thấp ở 150 – 300ºC, bởi vì rằng, sau khi tôi, ứng lực d trong thép tăng lên làm cho thép bị giòn, phải tiến hành ram cải thiện tính chất, làm tăng tuổi thọ và làm giảm ứng lực d Vì ram thấp nên không ảnh h-ởng đến độ cứng, đồng thời vừa giảm đợc ứng lực d bên trong, vừa tăng độ dai

c) Những nguyên công và tổ chức tế vi, cơ tính t ơng ứng: