Chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện và gia công cơ khí chi tiết chốt nhíp ôtô, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn.

a. Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết: - Nhíp ôtô là bộ phận giảm xóc cho ôtô, gồm các tấm thép được ghép lại. Toàn bộ tải trọng phần trên của xe được đặt lên khung nhờ các nhíp này. Bộ phận nhíp ,nhờ có tính đàn hồi tốt nên giảm được chấn động lên phần trên của xe (nhất là khi đi trên đoạn đường gồ ghề). Đồng thời, nhíp cũng phải chịu ứng

I Nội dung và yêu cầu:

- Chọn vật liệu và phương pháp nhiệt luyện và gia công cơ khí chi tiết chốt nhíp ôtô, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn

Câu 1:

a Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết:

- Nhíp ôtô là bộ phận giảm xóc cho ôtô,

gồm các tấm thép được ghép lại Toàn

bộ tải trọng phần trên của xe được đặt

lên khung nhờ các nhíp này Bộ phận

nhíp ,nhờ có tính đàn hồi tốt nên giảm

được chấn động lên phần trên của xe

(nhất là khi đi trên đoạn đường gồ ghề)

Đồng thời, nhíp cũng phải chịu ứng Hình 1 Nhíp ôtô

suất chu kì (ứng suất nén và kéo thay

đổi theo chu kì ) Chốt nhíp có tác dụng

đỡ một đầu nhíp trượt qua lại Hai đầu

chốt được gắn trên giá và xoay được

b Yêu cầu về cơ tính:

- Từ điều kiện làm việc như trên ta

thấy chi tiết chốt nhíp chủ yếu chịu mài

mòn đồng thời cũng chịu uốn ( do phải

đỡ một đầu của nhíp ) cần chọn loại vật

liệu có cơ tính tổng hợp tốt, chịu được

mài mòn đảm bảo kết hợp đượccác chỉ

tiêu về độ cứng, độ dai va đập… Hình 2 Chốt nhíp

ôtô

Câu 2

a Chọn mác thép và cơ sơ cho việc chọn mác thép:

- Ta thấy trong các loại thép thì có thép C45 hóa tốt (không hợp kim) là phù hợp nhất bởi lẽ:

+) Thép C45 hóa tốt thuộc nhóm thép cacbon trung bình ( 0,30÷0,50%C ) như vậy sẽ đảm bảo sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính tổng hợp : độ bền, độ dẻo, độ dai Hơn nữa, bằng các phương pháp nhiệt luyện như tôi + ram cao, độ cứng và tính chống mài mòn tương đối cao và sau khi tôi bề mặt, thỏa mãn được các yêu cầu trên Nếu dùng lượng cacbon khác đi sẽ không đạt được cơ tính tổng hợp tốt như vậy (tuy rằng dùng lượng cacbon cao hơn sẽ đạt được độ cứng bề mặt và tính chống mài mòn cao hơn nhưng lại giảm độ dẻo, độ dai )

+) Thép cacbon là nhóm thép thông dụng, dễ kiếm, giá thành tương đối rẻ so với các loại thép khác (như thép hợp kim), khi sử dụng vẫn đảm bảo được các

chỉ tiêu yêu cầu

Hình 3 Giản đồ Fe-C

b Thành phần hóa học của thép C45:

- Theo TCVN thành phần của thép C45 (ngoài Fe) bao gồm :

+) %C = 0,45%.

+) %Mn = 0,70%.

+) %P ≤ 0,04%.

+) %S ≤ 0,04%.

c Lập bảng các ký hiệu và thành phần của mác thép tương đương với mác thép trên theo các tiêu chuẩn các nước:

thép

tố khác max

Nam)

*Nhận xét:

- Thành phần Mn trong thép C45 theo các tiêu chuẩn có khác nhau đôi chút, theo tiêu chuẩn ANTM ( Mỹ) và JIS (Nhật) thì hàm lượng Mn cao hơn thao tiêu chuẩn ҐOCT (Nga) và TCVN (Việt Nam)

- Tiêu chuẩn JIS quy định khống chế hàm lượng P và S ở mức thấp nhất Còn theo ҐOCT quy định khống chế hàm lượng P có thấp hơn và hàm lượng

S cao hơn các tiêu chuẩn khác một chút (0,005%), đồng thời cũng quy định hàm lượng Si ≤ 0,15%

Câu 3: Ảnh hưởng của các nguyên tố thành phần trong thép C45 đến cơ tính và

công nghệ nhiệt luyện.:

• Tổ chức tế vi và các pha thành phần:

-Thép C45 có hàm lượng cacbon là 0,45% thuộc nhóm thép trước cùng tích ( %C = 0,10÷0,70 ) có tổ chức Ferit + Peclit ở nhiệt độ thường (≤7270C): +) Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα với mạng lập phương tâm khối ( a = 0,286÷0,291mm ) song do lượng hòa tan quá nhỏ ( lớn nhất là 0,02%C ở 7270C còn ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006%C ) nên có thể coi là Feα ( tr139) Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ ( tiếp giáp vói Feα trên trục sắt ) Do gần như không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất : dẻo, dai, mềm và kém bền Trong thực tế ferit có thể hòa tan Si, Mn, P, Cr… nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường khi sử dụng ( <7270C ), có tỷ lệ cao nhất nên nó đóng góp một tỷ lệ quan trọng trong cơ tính của thép.Tổ chức tế vi của ferit có dạng các hạt sáng, đa cạnh

+) Peclit ( P,[Feα+Fe3C] ) là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit (γ) với 0,80%C và ở 7270C theo phản ứng: γs  [αP + Fe3C] Trong Peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau; nhờ kết hợp giữa lượng lớn pha dẻo vơi lượng nhất định pha cứng, peclit là tổ

chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ

dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu

ủa vật liệu Peclit và các biến thể của

nó (xoocbit, troxtit, bainit) có mặt

trong hầu hết các hợp kim Fe-C

• Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon

đến cơ tính và công nghệ nhiệt luyện:

Từ giản đồ pha Fe-C ta thấy khi hàm

lượng cacbon tăng lên tỷ lệ Xêmentit

là pha giòn trong tổ chức cũng tăng

lên tương ứng ( cứ thêm 0,10%C sẽ

tăng thêm 1,50% xêmentit ) do đó làm

thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng ( ủ) Tức là hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai vàcàng giòn Thép C45 thuộc nhóm thép có hàm lượng cacbon trung bình (0,30÷0,50%C) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao ( tuy chưa phải cao nhất) , có hiệu quả tôi + ram tốt

● Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất :

Trong thép cacbon thông thường ngoài cacbon ra còn có chứa một số nguyên

tố với hàm lượng giới hạn là các nguyên tố tạp chất (vì không phải cố ý đưa vào) Trong số các tạp chất có một số có lợi và một số có hại

+) Tạp chất có lợi: mangan và silic

Mangan và silic đi vào thành phần của thép là từ quặng sắt và do quá trình công nghệ ( khi luyện thép phải dung fero mangan và fero silic để khử ôxy trong ôxit sắt, phần không tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép)

-Mangan ,silic có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó làm tăng cao độ bền và độ cứng của pha này ( hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng trong thép C45 hàm lượng mangan chỉ là khoảng 0,70%

và silic khoảng 0,20÷0,40% nên ảnh hưởng này không lớn Ngoài ra mangan còn có tác dụng làm giảm tác hại của lưu huỳnh

Silic không tạo cacbit và có xu hướng làm thoát cacbon trong thép Silic có tác dụng làm tăng độ thấm tôi ở mức độ trung bình với hệ số tăng độ thấm tôi

là 1,7 Silic có tác dụng làm tăng tính ổn định ram, chống ôxy 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 thường có mặt trong các mác thép đàn hồi )

- Tuy vậy, Mn cũng đặc điểm công nghệ cần chú ý là làm lớn hạt trong quá trình nhiệt luyện làm vật liệu bị giòn, vi vậy khi nung phải chú ý đến tốc

độ và nhiệt độ cho phù hợp

+) Tạp chất có hại: photpho và lưu huỳnh.

Photpho (P) là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe-C, còn trong thép giới hạn này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thểpha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng photpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn Do đó photpho là

nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội ( ở nhiệt độ thường ) Chỉ cần có

0,10% P hòa tan, ferit đã trở nên giòn Song photpho là nguyên tố thiên tích ( phân bố không đều ) rất mạnh nên để tránh giòn lượng photpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng photpho cũng không vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn )

Lưu huỳnh (S), khác với photpho lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong

Fe ( cả Feα lẫn Feγ )màtạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (9880C), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung nóng lên để cán, kéo (thường ở 11000C÷12000C) biên giới hạt bị chảy ra làm

thép dễ bị đứt gãy như là thép rất giòn Hiện tượng này được gọi là giòn nóng hay bở nóng

Tuy vậy photpho và lưu huỳnh cũng có mặt lợi, đó là làm tăng khả năng

gia công cắt cho vật liệu vì tổ chức của thép để dễ cắt là phải tạo ra các pha có tính giòn nhất định làm cho phoi dễ gãy và cũng nhờ đó mà bề mặt gia công nhẵn, bóng hơn Muốn vậy ta cho hàm lượng P trong khoảng 0,08÷0,15%, còn lưu huỳnh trong khoảng 0,15÷0,35%.Song để tránh ảnh hưởng có hại của lưu huỳnh, lượng Mn trong thưp phải ở giới hạn trên, 0.80÷1,00% Khi đưa Mn vào, do ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn Fe nên thay vì tạo FeS mà tạo nên MnS Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao (16200C), dứới dạng các hạt nhỏ rời rạc

và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy MnS

có lợi cho gia công cắt vì pha này tương đối dẻo khi nung nóng và bị kéo dài

ra theo phương biến dạng khi cán, nhờ đó làm giảm tính liên tục và độ bền theo phương vuông goc với thớ, làm phoi dễ bị gãy vụn Còn P hòa tan vào ferit nâng cao độ giòn của pha này nhờ đó dễ tách và làm vụn phoi Cả MnS lẫn dung dịch rắn của P trong ferit đều tránh được hiện tượng dính kim loại lên dao cắt, nhờ đó tạo bề mặt nhẵn bóng Sự tạo phoi nhu vậy sẽ làm giảm

ma sát nâng cao tuổi bền của dụng cụ Thép dễ cắt thường có chứa P,S có tính gia công cắt cao gấp đôi so với thép cacbon cùng loại hay tương đương Tóm lại, hai nguyên tố P và S vừa cải thiện tính gia công cắt vừa làm xấu chất lượng thép: giảm độ dai, dộ dẻo, độ bền theo phương ngang thớ cũng như tình chống ăn mòncủa thép Do vậy, cần rất quan tâm đến hàm lượng của hai nguyên tố này nhằm đạt được cơ tính cũng như tính cắt gọt tốt nhất

+) Tạp chất ngẫu nhiên:

Các tạp chất này đi vào thép qua con đường tái chế sắt thép, gang, hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố

hợp kim) Do vậy ngay trong thép cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau:

- Crôm, niken, đồng ≤ 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng không vượt quá 0,50%

- Vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố

Đáng chú ý là xu hướng này ngày một mạnh lên nên hàm lượng của các nguyên tố trên cũng tăng lên Song dù vậy chúng vẫn chỉ đuợc coi là tạp chất vì:

- Không cố ý đưa vào

- Với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức

và cơ tính của thép

+) Tạp chất ẩn:

Đó là các tạp chất khí : H2, O2, N2,… Chúng hòa tan vào trong thép lỏng từ khí quyển của lò luyện Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về

tổ chức ( gây tập trung ứng suất ) và giòn song do có mặt trong thép với lượng chứa rất nhỏ ( ví dụ như 0,006÷0,008% đối với ôxy ) nên rất khó phân tích

Câu 4:

a.Xác định nhiệt độ chảy hoàn toàn và các nhiệt độ quan trọng đối với thép (nhiệt độ ủ, thường hóa, tôi):

Khảo sát sự chuyển biến của C45 từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ hóa lỏng hoàn toàn:

+) Ở nhiệt độ thường (<7270C), tổ chức của thép là ferit + peclit (Feα + P) +) Ở nhiệt độ 7270C bắt đầu có sự hòa tan ferit (Feα) vào austenit (γ)

+) Ở nhiệt độ ≥ 7270C tiếp tục sự hòa tan cho đến 8050C thì quá trình hòa tan kết thúc

+) Ở nhiệt độ ≥ 8050C : chỉ còn lại một dung dịch rắn duy nhất là austenit (γ) Tiếp tục tăng nhiệt độ đến 14300C dung dịch rắn bắt đầu hòa tan

+)Ở nhiệt độ từ 1430÷15160C tổ chức là pha lỏng + austenit (L+γ)

+) Ở ≥15160C, thép hóa lỏng hoàn toàn

• Trên giản đồ Fe-C, nhiệt độ chảy hoàn toàn của thép C45 là tung độ (trên trục nhiệt độ) của giao điểm của đường thẳng %C = 0,45 với đường lỏng, ta xác định được Tcht=15160C

• Xác định nhiệt độ TAc3 được tính gần đúng dựa vào tam giác MNP và MQR:

912 3 0, 45

0,56

Ac

T

−

=

Suy ra TAc3 ; 8050C

• Thép C45 thuộc nhóm thép trước cùng tích nên nhiệt độ ủ hoàn toàn (nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn là austenit, tức là cao hơn Ac3 :

T0

ủ = Ac3 + (20÷30) 0C = (825 ÷ 835) 0C

Mục đích của ủ hoàn toàn là:

+) Làm nhỏ hạt: nếu chỉ nung nóng quá Ac3 khoảng 20÷300C thì hạt austenit thu được vẫn nhỏ, nên khi làm nguội tiếp theo tổ chức ferit + peclit nhận được cũng có hạt nhỏ

+) Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội với độ cứng đạt được là HB = 160÷200

+) Khi nung nóng để ủ hoàn toàn ta được austenit đồng nhất nên khi làm nguội sẽ phân hóa ra tổ chức ferit + peclit, trong đó peclit ở dạng tấm

Nhiệt độ tôi của thép C45 được xác định như sau:

Tt0 = Ac3 + (30÷50) 0C

= (835 ÷ 855) 0C.

Với quá trình tôi ở nhiệt độ như trên sẽ làm xuất hiện austenit, sau đó làm nguội nhanh để đạt được tổ chức mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác có độ cứng cao Sau đó là nguyên công ram (cao) với nhiệt độ khoảng 500÷6500C để giảm giòn thép và giảm ứng suất dư bên trong nhằm đạt được

tổ chức mactenxit ram ( tuy độ cứng có bị giảm đi song lại đạt được sự kết hợp tốt của các chỉ tiêu cơ tính : độ bền, độ dẻo, độ dai…

• Thường hóa thép C45 ở trên nhiệt độ 8050C (khoảng 835÷8550C) để đảm bảo tổ chức hoàn toàn là austenit, sau đó làm nguội trong không khí Tuy nhiên, quá trình này làm mềm thép

b.Tổ chức tế vi đạt được khi làm nguội chậm qua các điểm tới hạn, tính % các pha trong tổ chức tế vi đó, nêu đặc điểm cơ tính của các tổ chức nhận được:

• Xét quá trình nguội từ 15000C đến nhiệt độ thường:

+) Nguội từ 15000C (đường lỏng) đến 14300C một phần pha lỏng chuyển biến thành austenit (γ), ta được hai pha L+ γ

+) Từ 14300C đến 8050C : chỉ có một pha duy nhất là austenit Austenit ( ký hiệu γ, A, Feγ (C) ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm mặt (a = 0,364nm) với lượng đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14%- tại điểm E trên giản đồ Fe-C) Austenit chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (>7270C) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Feγ trên trục sắt) nên có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện Tổ chức tế vi của austenit có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút ( do định hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh ( song song) cắt ngang hạt ( thể hiện tính dẻo cao) Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1 ) và rất mềm ở nhiệt

độ cao nên biến dạng nóng ( dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm)

thép bao giờ cũng thực được hiện ở trạng thái austenit đồng nhất ( thường ở trên dưới 10000C ) Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn hợp ferit+xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hoặc cũng có thể đạt được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công

+) Từ 8050C đến 7270C : một phần austenit chuyển thành ferit nên hỗn hợp thu được gồm hai pha ferit + austenit ( α+γ ) Như đã nói ở trên tổ chức tế vi của ferit có dạng các hạt sáng đa cạnh Cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất : dẻo, dai, mềm và kém bền Như vậy tổ chức nhận được gồm hai pha đều dẻo và mền Tỷ lệ % của hai pha ferit và austenit tại điểm tới hạn (nằm trên đường A1) được tính theo quy tắc cánh tay đòn (trên giản đồ Fe-C) : 0,80 0, 45 0,35 .

0, 45 0,022 0, 428

α γ

−

−

Suy ra : %(α) = 0,35 0, 4280,35+ x100% = 45,0 %

%(γ) = 100 – 45 = 55 %

+) Thấp hơn 7270C :

-Ở 7270C xảy ra phản ứng cùng tích (đường PSK) : austenit chuyển thành peclit

γs → [α + Fe3CK]

- Tổ chức nhận được là ferit và xêmentit ( F + XeII ) Xêmentit ( ký hiệu Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67% C ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C

Tỷ lệ % của hai pha ferit và xêmentit là:

Xeα = 0, 45 0,0066,67 0, 45− =0, 4286, 22

Suy ra : %( α) = 6, 22 100% 93,6%

6, 22 0, 428x =

%(Xe) = 100 – 93,6 = 6,4 %

Như vậy tổ chức nhận được gồm có 93,6 % ferit và 6,4 % Xe nên đặc tính chung của hỗn hợp là đặc tính của ferit (chiếm tỷ lệ rất cao) : dẻo, dai, mềm, kém bền

Câu 5:

a.Trình bày phương pháp gia công cơ khí thường được dùng để chế tạo chi tiết:

- Với chi tiết có hình dáng tròn và đường kính nhỏ như chốt nhíp, phương pháp gia công cơ khí thích hợp nhất là tiện Tùy vào yêu cầu kỹ thuật mà có thể áp dụng phương pháp tiện cho phù hợp;ta có thể tiến hành tiện tinh một lần hoặc tiện xong đem mài thì sẽ đạt được độ bóng bề mặt cao hơn, sau đó đem xử lý nhiệt để đạt được các chỉ tiêu cơ tính yêu cầu

b.Các biện pháp xử lý nhiệt áp dụng trước và sau khi gia công cơ khí :

• Sơ lược về nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện:

- Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kím đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo phương hướng đã chọn trước Nhiệt luyện là phương pháp gia công có những đặc điểm riêng phân biệt với các nguyên công gia công cơ khí khác: