Chế tạo bánh răng trong hộp số

Vật liệu học

Bài tập 4: CHỌN THÉP VÀ XÁC ĐỊNH QUY TRÌNH NHIỆT LUYỆN ĐỂ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG DẪN TRONG HỘP SỐ Phần A: CHỌN THÉP ĐỂ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG DẪN TRONG HỘP SỐ Phân tích điều kiện làm việc : • Bánh hộp số làm việc môi trường chịu tải trọng tĩnh va đập mạnh • Bề mặt bị mài mòn làm việc bị ma sát hay cọ sát, chịu ứng suất lớn, lõi chịu ứng suất uốn • Vùng chân dễ bị phá huỷ • Chi tiết máy làm việc tải trọng thay đổi theo chu kỳ Do điều kiện làm việc nên ta đặt yêu cầu vật liệu sau: • Bề mặt phải có độ bền tiếp xúc cao Răng có độ bền mỏi cao, kết hợp với tiêu độ bền, độ • dẻo độ dai va đập ( tính tổng hợp ) Ví dụ: Bánh hộp số ô tô Chọn mác thép để chế tạo bánh hộp số :  Đối với yêu cầu làm việc cầu chi tiết ta chọn thép  thấm cácbon -20CrMo Bánh hộp số xe tải trọng nhẹ làm thép thấm cácbon Ưu điểm cách chế tạo là: • Đảm bảo bánh chịu tải trọng tĩnh va đập tương • đối cao , bề mặt bị mài mòn Sau thấm cacbon lò liên tục ( dùng khí thiên nhiên , khí thu nhiệt amoniac ) nhiệt độ 880 – 980 º C , bánh trực tiếp dầu nóng, bể muối • nhiệt độ 160 – 250 ºC Cách chế tạo rút ngắn thời gian nhiệt độ thấm, nâng cao tính chống mài mòn giảm độ biến dạng =>Ta thấy thép thấm cacbon hoàn toàn phù hợp để chế tạo chi tiết bánh hộp số 2.1 Thành phần hoá học mác thép :  Mác thép bao gồm thành phần sau : %C = 0,17 – 0,23 % Si ≤ 0,40 %Mn = 0,70 – 1,00 %P ≤ 0,035 %S ≤ 0,035 %Cr = 0,3 – 0,6 %Mo = 0,15 – 0,2 2.2 Cơ sở để chọn mác thép với thành phần trên:  Bề mặt bánh chịu ứng suất lớn, chịu mài mòn ma sát hay cọ sát, tiếp xúc với môi trường bị ăn mòn  làm việc Đòi hỏi bề mặt có độ cứng tính chống mài mòn lõi đảm bảo độ bền dẻo dai chịu va đập tốt Muốn  ta phẩi biến đổi tổ chức lớp bề mặt Ta thường dùng thép có hàm lượng Cr 0,5% hay 1,00 % chủ yếu để cải thiện tính ( dầu ) nâng cao phần độ thấm Nếu dùng thép Cr làm chi tiết máy nhỏ (đường kính 20 – 40 ) hình dạng tương đối phức tạp bánh Chúng đạt yêu cầu cao sau hoá tốt 800 – 950 MPa Nhưng nhược điểm bị giòn ram loại II ram cao nên sau ram thường làm nguội dầu ( thay không khí ) Tuy nhiên thêm khoảng 0,25 % Mo làm cải thiện độ thấm chống giòn ram loại II , dùng làm cho chi tiết trung bình ( > 50 mm ), hình dạng tương đối phức tạp 2.3 Lập bảng ký hiệu thành phần thép theo tiêu chuẩn nước : Tiêu Mác thép chuẩn TCVNViệt Nam OCT – Nga 20CrMo 20XM JIS - Nhật SCM420 AISI - Mỹ 4120 C 0.170.23 Si ≤ 0.40 Mn Pmax Smax Cr 0.7- ≤ 1.00 0.035 0.15- 0.17- 0.40- 0.035 0.25 0.37 0.70 0.18- 0.15- 0.60- 0.03 0.23 0.35 0.23 0.35 ≤0.03 0.30- 0.035 0.03 0.85 0.18- 0.15- 0.901.20 Ni 0.05- 0.60 0.2 0.80- 0.15- 1.10 0.901.20 0.035 0.04 Mo ≤0.30 ≤0.25 0.25 0.150.3 0.40- 0.13- 0.60 0.20 Nhận xét : Ta nhận thấy thành phần mác thép nước có • khác không nhiều mà đảm bảo tính vật liệu • Lượng bon Nhật Mỹ lớn so với nước khác • Lượng bon Nga thấp • Lượng S Mỹ lớn = 0,04 % , lượng S Nhật thấp 0,03 % 2.4 Vai trò nguyên tố hợp kim nhiệt luyện: Khác với thép bon , thép hợp kim loại thép mà người ta đưa vào nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức cải thiện tính chất ( , lý , hoá ) Như thành phần C , Cr , Mo ảnh hưởng đến  • tính công nghệ nhiệt luyện sau: Cacbon: Lượng bon đảm bảo kết hợp tốt tiêu tính : độ bền , độ dẻo , độ dai va đập ( tính tổng hợp ) • Lượng bon cho phép qui định tong thép khoảng 0,1 – 0,25 % để đảm bảo độ dẻo độ dai lõi trạng thái + ram thấp để đạt độ bền cao Dùng giới hạn cần độ dai cao , dùng giới hạn • cần độ bền cao • Nếu cần độ bền cao dùng tới 0,3 % C • Nếu dùng cao độ dai lõi thấp ram thấp, không chịu tải trọng va đập Do phải nung lâu nhiệt độ cao thấm C, thép thấm C • phải loại khử Oxy triệt để, tốt loại hạt nhỏ để thấm xong hạt không bị to làm thép giòn  Các thành phần khác: Ngược lại , để đảm bảo yêu cầu nguyên tố hợp kim dùng thép thấm cacbon phải đảm bảo hai tác dụng : vừa làm tăng tính thấm để nâng cao độ bền, vừa thúc đẩy trình thấm cacbon ( không cản trở ) Nguyên tố hợp kim có mặt loại thép hợp kim Cr , dùng riêng hay kết hợp với Ni , Mn • Cr ( 0,30%-0,6 % ) Như ta biết Cr nguyên tố tương đối rẻ, nâng cao độ thấm xúc tiến trình thấm Cacbon Bề mặt bánh phần chịu ứng suất tác dụng lớn , chịu mài mòn ma sát làm việc tiếp xúc với môi trường Yêu cầu bề mặt có độ cứng, tính chống mài mòn cao lõi bền dẻo dai, muốn ta phải hoá bền bề mặt =>Thành phần Cr giúp cải thiện tính • Mo ( 0,05 – 0,2% ) Mo tránh giòn ram loại II , thường đưa vào thép Cr – Ni với độ thấm cao có lượng cac bon khoảng 0,2 – 0,4 % Ngoài có tác dụng nâng cao độ thấm Tổ chức đạt làm nguội thép qua điểm tới hạn:  Mục tiêu cảu nung nóng giữ nhiệt để tạo nên austenit hạt nhỏ, chuyển biến định tính thép làm việc hay gia công Tổ chức tạo thành làm nguội phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ nguội, thành phần tổ chức thép  … phương thức làm nguội Bỏ qua chuyển biến bao tinh xảy nhiệt độ 1499 º C xảy nhiệt độ cao ảnh hưởng đến tổ chức  thép gia công sử dụng Ban đầu tổ chức thép austenit có thành phần  thành phần thép chúng dẻo dai dễ biến dạng Từ 8650C đến 7270C: phần austenit chuyển thành ferit nên hỗn hợp thu gồm hai pha ferit + austenit ( α+γ ) Như nói tổ chức tế vi ferit có dạng hạt sáng đa cạnh Cơ tính ferit sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm bền Như tổ chức nhận gồm hai pha dẻo mền Tỷ lệ % hai pha ferit austenit điểm tới hạn (nằm đường A 1)  o tính theo quy tắc cánh tay đòn (trên giản đồ Fe-C) : Thấp 7270C : Ở 7270C xảy phản ứng tích (đường PSK) : austenit chuyển thành peclit γs → [α + Fe3CK] o Tổ chức nhận ferit xêmentit ( F + XeII ) Xêmentit (ký hiệu Xe, Fe3C) pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C thành phần 6,67% C ứng với đường thẳng đứng DFKL giản đồ Đặc tính xêmentit cứng giòn, với ferit tạo nên tổ chức khác hợp kim Fe-C =>Như tổ chức nhận gồm có 97% ferit 3% Xe nên đặc tính chung hỗn hợp đặc tính ferit (chiếm tỷ lệ cao) : dẻo, dai, mềm, bền Nhiệt luyện kết thúc :  Đối với thép 20CrMn , sau gia công khí nhiệt luyện kết thúc bao gồm nguyên công : thấm cacbon + ram thấp Thấm C Tôi trực tiếp 880-980ºC 880-980ºC Tôi cho lõi 860-900º C Tôi bề mặt 780-820º C Ram 150-200º C Dầu , bể muối 160250ºC Dầu , bể muối 160250ºC Dầu , bể muối 160250ºC Dầu , bể muối 160250ºC Không khí Bước : Thấm cacbon Thấm cacbon phương pháp hoá - nhiệt bao gồm làm bão hoà   cacbon vào bề mặt thép cacbon thấp , ram thấp làm bề mặt có độ cứng , tính chống mài mòn cao (do lượng cacbon cao), lõi có độ bền tốt dẻo dai (do lượng  cacbon thấp cũ) Mục đích thấm cacbon làm cho bề mặt thép cứng tới HRC 60-64 với tính chống mài mòn cao ,chịu mỏi tốt , lõi bền dẻo ,dai với độ cứng HRC 30-40  Các yếu tố thấm: • Nhiệt độ: Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon phải cho thép trạng thái hoàn toàn austenit, thấy giản đồ pha FeC có pha có khả hoà tan nhiều cacbon Vậy nhiệt độ thấm cao AC3 thép tức khoảng 900 – 950 ºC Nhưng thấm nhiệt dộ cao chóng đạt chiều sâu lớp thấm qui định, ta chọn tăng nhiệt độ ( 930-980 )º C •  Thời gian thấm: Thời gian thấm ( giữ nhiệt nhiệt độ thấm ) phù thuộc vào yếu tố sau : Chiều dày lớp thấm yêu cầu qui định điều kiện kỹ thuật thường mức sau : 0,5- 0,8 , 0,9-1,2 , 1,5 – 1,8 mm cho lớp thấm có chiều dày 0,1 – 0,15 đường kính hay chiều dày tiết diện Riêng bánh chiều dày lớp thấm x tính theo môđun m , x/m = 0,2-0,3 sau: m = 1,5 , x = 0,50mm , m = 3,0 , x = 0,80 mm  Chiếu sâu lớp thấm yêu cầu lớn, thời gian phải dài Tốc độ thấm: Đại lượng phụ thuộc vào môi trường thấm nhiệt độ Ở nhiệt độ, tốc độ thấm cacbon môi  trường lỏng cao nhất, sau đến khí thấp thể rắn  Bước : Nhiệt luyên kết thúc Nhiệt luyện kết thúc nhằm tạo cho chi tiết có tính mong  muốn Như ta thấy khuyếch tán cacbon kể tạo nên phân bố cacbon hợp lý tiết diện , tạo điều kiện để tiếp đạt yêu cầu: bề mặt cứng, lõi bền, dai Vì sau thấm cacbon, thép bắt buộc phải qua + ram thấp Trong nguyên công  nhiệt luyện thép, nguyên công quan trọng Tôi thép: Là phương pháp nhiệt luyện bao gồm : nung thép lên cao nhiệt độ tới hạn AC1 để làm xuất austenit, giữ nhiệt làm nguội nhanh thích hợp để biến thành mactenxit hay tổ  chức không ổn định khác với độ cứng cao Mục đích thép đạt độ cứng cao sau kết hợp với 1) ram nhiệt độ thích hợp nhằm yêu cầu sau : Nâng cao độ cứng chống mài mòn (kết hợp với ram thấp) nhờ kéo dài tuổi thọ chi tiết máy chịu mòn, nhờ nên đạt độ cứng cao nhất, có ram thấp có tác dụng làm giảm ứng suất bên trong, không làm giảm độ cứng sau 10 2) Nâng cao độ bền sức chịu tải chi tiết máy =>Như ta biết sau độ bền, độ cứng thép tăng lên nhiều lần song lớp mỏng (độ thấm nông ) hiệu không đáng kể: lõi không tôi, có độ bền thấp nguy phá huỷ từ lớn Khi lớp thấm dày (độ thấm sâu) hiệu trở nên hoàn toàn nhờ sức chịu tải tăng lên rõ rệt Đặc biệt thấu hoá bền + ram thép hoàn toàn dễ dàng đạt tính cao đồng toàn tiết diện quan trọng bánh Độ thấm 1.5 11 13 15 20 25 30 35 40 tôi(mm) H  Max 49 47 Min 41 37 44 31 41 38 35 33 31 28 26 25 24 24 27 24 22 - - - - - - - Đây chi tiết yêu cầu tính tổng hợp cao nhiệt luyện kết thúc thích hợp nhiệt độ T = 880 º C Để tránh thoát C cần nung lò muối Môi trường dầu Sau ram thấp nhiệt độ T = 200 º C, tổ chức đạt mactenxit ram Sau 11 ram độ cứng không giảm giảm ít, ứng suất giảm  đáng kể có tính dẻo, dai tốt hơn, khó bị phá huỷ giòn Thời gian có ảnh hưởng tới chuyển biến ram không mạnh nhiệt độ Kéo dài thời gian ram có tác dụng nhiệt độ Vì sau nên ram để vừa tránh nứt xảy sau vừa để tránh tượng ổn định hoá austenit Lựa chọn vật liệu thay Nếu cần thay ta lực chọn vật liệu thép hoá tốt Cr +Ni cao Với mác thép là: 30XH3A theo tiêu chuẩn Nga Bởi ta biết bánh chi tiết đòi hỏi cần có tính tổng hợp cao , đòi hỏi bề mặt có độ cứng , tính chống mài mòn tốt lõi bền dẻo dai , hai nguyên tố Cr , Ni giúp cho vật liệu nâng cao tính đảm bảo tính Mặt khác chúng nâng cao độ cứng độ bền mà nâng cao chút độ dai Hay ta thay thép 40X Thép chứa Cr ( 0,5% - 1% ) cải thiện tính , không chống giòn ram loạ 12 [...]... và đồng nhất trên toàn tiết diện nó rất quan trọng đối với bánh răng Độ thấm 1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 35 40 tôi(mm) H  Max 49 47 Min 41 37 44 31 41 38 35 33 31 28 26 25 24 24 27 24 22 - - - - - - - Đây là chi tiết yêu cầu cơ tính tổng hợp cao do đó nhiệt luyện kết thúc thích hợp là tôi ở nhiệt độ T = 880 º C Để tránh thoát C cần nung trong lò muối Môi trường tôi là dầu Sau đó ram thấp ở nhiệt... vật liệu thay thế Nếu cần thay thế ta lực chọn vật liệu thép hoá tốt Cr +Ni cao Với mác thép là: 30XH3A theo tiêu chuẩn của Nga Bởi vì ta biết bánh răng là chi tiết đòi hỏi cần có cơ tính tổng hợp cao , đòi hỏi bề mặt có độ cứng , tính chống mài mòn tốt trong đó lõi vẫn bền và dẻo dai , như vậy hai nguyên tố Cr , Ni sẽ giúp cho vật liệu nâng cao tính tôi đảm bảo cơ tính Mặt khác chúng không những ... tiết diện quan trọng bánh Độ thấm 1.5 11 13 15 20 25 30 35 40 tôi(mm) H  Max 49 47 Min 41 37 44 31 41 38 35 33 31 28 26 25 24 24 27 24 22 - - - - - - - Đây chi tiết yêu cầu tính tổng hợp cao... chuẩn TCVNViệt Nam OCT – Nga 20CrMo 20XM JIS - Nhật SCM420 AISI - Mỹ 41 20 C 0.170.23 Si ≤ 0 .40 Mn Pmax Smax Cr 0.7- ≤ 1.00 0.035 0.15- 0.17- 0 .40 - 0.035 0.25 0.37 0.70 0.18- 0.15- 0.60- 0.03 0.23... Lượng bon Nhật Mỹ lớn so với nước khác • Lượng bon Nga thấp • Lượng S Mỹ lớn = 0, 04 % , lượng S Nhật thấp 0,03 % 2 .4 Vai trò nguyên tố hợp kim nhiệt luyện: Khác với thép bon , thép hợp kim loại