Bề mặt chi tiết máy là bộ phận cĩ yêu cầu cao nhất và quan trọng nhất vì chúng hịu tác dụng của ứng suất lớn nhất, chịu mài mịn khi tiếp xúc do ma sát, bị ăn mịn ong mơi trường làm việc. Vì vậy việc hĩa bền bề mặt chi tiết là yêu cầu khơng thể iếu được đối với sản phẩm. Cĩ nhiều phương pháp hĩa bền bề mặt như : biến dạng dẻo ề mặt gây ra biến cứng, tơi bề mặt và hĩa nhiệt luyện.
.1.TƠI BỀ MẶT : .1.1.Nguyên lý chung : .1.1.Nguyên lý chung :
Bằng cách nào đĩ nung nĩng thật nhanh lớp bề mặt với chiều dày xác định lên nhiệt
ư
i cứng. Các phương pháp nung nĩng bề mặt gồm cĩ : nung nĩng bằng
.1.2.Tơi bề mặt bằng dịng điện cảm ứng cĩ tần số cao (tơi cao tần, tơi cảm ứng) :
-Nguyên lý :
Nguyên lý của nung nĩng là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ : cho dịng điện oay chiều cĩ tần số f chạy trong dây dẫn (gọi là vịng cảm ứng) sẽ sinh ra trong khơng ian xung quanh một từ trường biến thiên cĩ cùng tần số. Đặt chi tiết thép trong từ
ường này sẽ sinh ra trên bề mặt (với chiều sâu xác định) một dịng điện cảm ứng (dịng cơ) nhanh chĩng nung nĩng bề mặt lên nhiệt độ tơi theo hiệu ứng Jun - Lenxơ. Mật độ ịng điện của dịng xoay chiều chủ yếu phân bố trên bề mặt với chiều sâu tỷ lệ nghịch ới tần số của nĩ. Chiều sâu phân bố dịng điện (chiều dày lớp nung nĩng) được tính
eo cơng thức : c tr th b 5 5
độ tơi, trong khi phần lớn tiết diện sản phẩm khơng được nung, nên khi tơi chỉ cĩ lớp bê mặt này được tơ
dịng điện cảm ứng cĩ tần số cao, nung nĩng bằng ngọn lửa ơ xy - axêtylen, nung nĩng trong chất điện phân, nung nĩng bằng tiếp xúc ...Trong đĩ thường dùng nhất là hai phương pháp đầu. 0 C AC3 AC1 Khoảng cách từ bề mặ I: Tơi hồn tồn.
II: Tơi khơng hồn tồn.
III II I
III: Khơng được tơi.
Hình 5.1- Sự phân bố nhiệt độ từ bề mặt vào lõi
t 5 1 x g tr fu d v th U G = 5030 f P cm
-Plà độ từ thẩm (gaus/ơcstec) -f là tần số dịng điện, Hz
a)Sơ đồ nung nĩng cảm ứng; b)Tơi khi nung nĩng tồn bộ bề mặt tơi
Hình 5.2-Nung nĩng và tơi bề mặt bằng dịng điện tần số cao
c)Tơi khi nung nĩng liên tục - liên tiếp; 1)Chi tiết tơi; 2)Vịng cảm ứng 3)Vịng làm nguội; 4)Đường sức từ.
2-Chọn tần số và thiết bị :
Tần số quyết định chiều dày lớp nung nĩng do vậy quyết định chiều sâu lớp tơi cứng. Thơng thường người ta thường chọn diện tích lớp tơi cứng bằng khoảng 20% tiết diện. Các chi lớn cần lớp tơi dày (4y5mm) ta dùng máy phát điện tần số cao với tần số từ 2500 đến 8000 Hz, cĩ cơng suất lớn, thường là từ 100 kW trở lên. Với các chi tiết nhỏ cần lớp tơi mỏng (1y2mm) ta dùng các thiết bị phát dịng điện cĩ tần số rất cao từ 66000 đến 250000 Hz, cĩ cơng suất dưới 100kW, thường từ 50y60kW. Tuy nhiên thực tế ở Việt Nam thường dùng thiết bị phát dịng cao tần, với các chi tiết lớn cần chiều sâu tơi dày ta tăng thời gian giữ nhiệt lên tương ứng.
3-Cấu tạo vịng cảm ứng và các phương pháp tơi :
bằng ống đồng cĩ cấu tạo phù hợp với bề mặt chi tiết cần tơi,
ặt ngồi : Vịng cảm ứng bao quanh bề mặt chi tiết, sau khi nung nĩng ới bề mặt bên trong (sơ mi ím ï dạng tạo ra một mặt phẳng song song với bề
ă ề mặt đĩ. Đi sau vịng cảm ứng là thiết bị a-Cấu tạo vịng cảm ứng :
Vịng cảm ứng làm
bên trong cĩ nước làm nguội. Khoảng các giữa vịng cảm ứng với bề mặt chi tiết từ 1,5y5 mm, khe hở này càng nhỏ càng đỡ tổn hao cơng suất nung nĩng.
b-Các phương pháp tơi cảm ứng : -Tơi bề m
xong ta chuyển sang bộ phận làm nguội hay nhúng nĩ vào mơi trường tơi. -Tơi bề mặt trong : Vịng cảm ứng cĩ dạng tương ứng v
xy lanh...). Đi kề đĩ là bộ phận phun nước làm nguội. -Tơi mặt phẳng : Vịng ca ứng co
mặt cần tơi và chuyển động song ph õng với b
-Tơi tuần tự từng phần riên biệt : Dùng cho các bánh răng lớn (m > 6) hay cổ trục khuỷu. Sau khi nung nĩng từng phần (từng răng hay từng cổ khuỷu) tiến hành làm nguội chúng và phải thiết kế riêng thiết bị làm việc theo chương trình.
ûc : Với các trục dài cĩ bề mặt tơi lớn ta dùng phương pháp tơi liên tục liên
ếp đ
b
ïp khi tơi cảm ứng :
ûp, thép dùng tơi cảm ứng cĩ lượng các bon üp kim thấp.
nhanh từ hàng chục đến hàng trăm 0C/s (lị -Tơi tru
ti . Vịng cảm ứng cĩ cấu tạo đủ nung nĩng một phần nhỏ diện tích tơi, i kề vịng cảm ứng là vịng phun nước làm nguội. Thiết ị này chuyển động trên suốt chiều dài của chi tiết và tơi tồn bộ bề mặt của nĩ.
4-Tổ chức và cơ tính của the
a-Thép để tơi cảm ứng :
Để đảm bảo yêu cầu khi tơi bề mặt cĩ độ cứng cao đủ chống mài mịn, cịn trong lõi vẫn đủ bền, dẻo và dai cao để chịu va đâ
trung bình từ 0,35 y 0,55%C. Nếu là thép hợp kim thì thuộc loại hơ b-Tổ chức :
Nung nĩng cảm ứng cĩ tốc độ nung rất
nhiệt luyện tốc độ 1,5y 30C/s), do vậy cĩ các đặc điểm sau :
-Nhiệt độ chuyển biến pha Ac1 và Ac3 được nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tơi phải lấy cao hơn tơi thể tích từ 100 y 2000C.
Ttơi cảm ứng = T tơi thể tích + (100y2000C)
uy øn biến enxit ẩn tích).
n chảy, độ dai
RC chống -Do độ qúa nung cao nên tốc độ chuyển biến pha rất nhanh, thời gian ch ê
rất ngắn (thường cỡ hàng chục giây), hạt austenit rất nhỏ mịn nên nhận được mactenxit hình kim rất nhỏ mịn (mact
Vì vậy để bảo đảm hạt nhỏ mịn khi tơi cảm ứng và đảm bảo giới hạ
cao phải nhiệt luyện hĩa tốt trước cĩ tổ chức xoocbit ram. Sau khi tơi cảm ứng bề mặt là mactenxit hình kim nhỏ mịn, trong lõi là xoocbit ram.
c-Cơ tính :
Sau khi tơi cảm ứng tiến hành ram thấp, bề mặt thép cĩ độ cứng 50 y58H
mài mịn khá tốt, trong lõi độ cứng 30 y40HRC cĩ giới hạn chảy và dai cao. Điều suất nén dư đến 800MPa nâng
hương pháp tơi bề mặt cĩ hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao nên được
út : do thời gian nung ngắn nên hạn chế tối đa ơ xy hĩa và thốt các
C, được gọi là siêu độ cứng.
ĩa, giảm nhẹ điều kiện lao động cho cơng nhân
g loạt lớn (trong các nhà máy chế tạo động cơ, ơ tơ, mơ lớn)
độ đặc biệt là sau khi tơi cảm ừng tạo cho bề mặt lớp ứng
cao mạnh giới hạn mỏi.
5-Ưu nhược điểm :
Tơi cảm ứng là p
sử dụng rất rộng rãi trong sản xuất cơ khí.
a-Ưu điểm : Tơi cảm ứng cĩ khá nhiều ưu điểm so với tơi thể tích.
-Năng suất cao : do thời gian nung ngắn vì chỉ nung một lớp mỏng trên bề mặt và nhiệt lượng được tạo ra ngay trong kim loại.
-Chất lượng tơ
bon. Bên cạnh đĩ cịn điều chỉnh được chế độ điện, nhiệt độ nung, thời gian nung một cách chính xác nên đảm bảo chất lượng đồng đều. Độ cứng cao hơn tơi thường khoảng từ 1 - 3HR
-Dễ tự động hĩa, cơ khí h -Thích hợp với sản xuất hàn máy kéo ...cĩ quy
b-Nhược điểm : Tuy nhiên tơi cảm ứng cũng cĩ nhược điểm nhất định.
-Khĩ áp dụng cho các chi tiết cĩ hình dáng bề mặt phức tạp hay sự thay đổi đột ngột về tiết diện do khĩ chế tạo vịng cảm ứng phù hợp.
ïc và luyện kim.
nylon, chất dẻo...
áp này dùng để tơi các chi tiết lớn, yêu cầu lớp tơi bề
khơng
ơng pháp làm bão hịa các nguyên tố đã cho (C,N, B, Cr, hức
âng cao độ cứng, tính chống mài mịn và độ bền mỏi cho thép. Với mục đích mặt.
ít thực hiện do nhiệt độ quá cao, thời gian quá dài, chi phí
ười ta cho chi tiết thép vào mơi trường giàu các guyên tố cần khuếch tán và nung nĩng đến nhiệt độ cần thiết. Khi giữ tại nhiệt độ này
ỵ xảy ra các quá trình sau đây :
-Phân hĩa : là quá trình phân tích các phân tử của chất khuếch tán tạo nên các nguyên í cĩ tính hoạt động mạnh (gọi là nguyên tử hoạt).
-Hấp thụ : sau đĩ các nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép cĩ nồng độ cao tạo sự chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi (gradien nồng độ hướng vào lõi)
-Khuếch tán : nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuếch ïn và tạo ra lớp thấm cĩ chiều sâu nhất định.
trên thì quá trình khuếch tán là quan trọng nhất vì nĩ quyết định -Hiệu quả kinh tế thấp khi sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ.
Nung nĩng cảm ứng cịn được sử dụng khá rộng rãi trong kỹ thuật như : +Nấu chảy vật liệu kim loại trong đu
+Luyện vùng để tạo tạo ra các nguyên tố siêu sạch. +Nung nĩng để gia cơng áp lực : cán, ép...
+Hàn các ống, dán
5.1.3.Tơi ngọn lửa :
Phương pháp này sử dụng ngọn lửa của hỗn hợp ơ xy - axêtylen trong thiết bị hàn khí. Ngọn lửa này cĩ nhiệt độ rất cao, đến 30000C nên nhanh chĩng nung nĩng bề mặt thép lên nhiệt độ tơi. Phương ph
mặt dày (đến 10mm và lớn hơn ) mà khơng tơi cảm ứng được như : các bánh răng lớn, một số loại trục...
Tơi ngọn lửa rất đơn giản, bất cứ xưởng cơ khí nào cũng thực hiện được. Tuy nhiên chất lượng khĩ đảm bảo : thiếu nhiệt, quá nhiệt, dễ tạo ra dải ram phụ cơ tính
đảm bảo.
5.2.HĨA NHIỆT LUYỆN : 5.2.1.Định nghĩa và mục đích : 5.2.1.Định nghĩa và mục đích :
1-Định nghĩa :
Hĩa nhiệt luyện là phư
Al...) vào bề mặt thép để làm thay đổi thành phần hĩa học, do đĩ làm thay đổi tổ c và đạt được tính chất theo quy định.
2-Mục đích : Hĩa nhiệt luyện nhằm đạt được các mục đích sau đây
-N
này đạt được cao hơn so với tơi bề
-Nâng cao tính chống ăn mịn điện hĩa, hĩa học (chống ơ xy hĩa ở nhiệt độ cao). Tuy nhiên mục đích này
lớn nên giá thành cao.
2-Các quá trình xảy ra :
Để tiến hành hĩa nhiệt luyện ng n se a tư b ra c ta Trong ba quá trình kết quả của hĩa nhiệt luyện.
3-Các yếu tố ảnh hưởng :
Nhiệt độ và thời gian ảnh hưởng rất lớn đến khuếch tán và chiều dày lớp thấm. -Nhiệt độ : Nhiệt độ càng cao chuyển động nhiệt của nguyên tử càng lớn, tốc độ
úi
khuếch tán càng mạnh nên lớp thấm càng chĩng đạt chiều sâu quy định. Mơ quan hệ như sau :
D = A.e-(Q/KT)
Từ đĩ ta thấy rằng nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất làm tăng chiều dày lớp thấm khi tiến hành hố nhiệt luyện.
-Thời gian : Ở nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian sẽ nâng cao chiều sâu lớp thấm tuy nhiên hiệu quả khơng mạnh bằng nhiệt độ. Quan hệ này như sau : G k.W1/ 2(k là hệ số phụ thuộc nhiệt độ, W là thời gian)
D G
t
5.2.2.Thấm các bon :
1-Định nghĩa và mục đích :
W
Hình5.3 - Aính hưởng của nhiệt độ và thời gian đến chiều dày lớp thấm.
Thấm các bon là phương pháp làm bão hịa các bon vào bề mặt thép các bon thấp (%C d 0,25%) để sau khi nhiệt luyện bề mặt cĩ độ ứng cao, tính chống ma mịn lớn, cịn trong lõi vẫn dẻo và dai.
Mục đích của th
c ìi
ấm các bon là làm cho bề mặt thép cĩ độ cứng đến 60 64 HRC y tính chống mài mịn cao, chịu mỏi tốt, cịn trong lõi bền, dẻo dai với độ cứng 30y40 HRC chịu uốn, xoắn và va đập tốt.
Sau khi thấm các bon hàm lượng các bon ở lớ bề mặt khoảng 0,80 1,00% là phù
ợp n là phương
üc sử dụng rất lâu đời và rất phổ biến ở Việt Nam. Tùy theo chất on thể rắn, thể khí và thể lỏng (hiện tại khơng sử dụng ì q ï đơ ha
-Ch út th úm
y h nhất, cịn trong lõi cĩ hạt nhỏ mịn, khơng cĩ phe rit tự do. Thấm các bo pháp hĩa nhiệt luyện đươ
thấm người ta chia ra thấm các b v ua üc ûi).
2-Thấm các bon thể rắn :
a â â :
Gồm cĩ than gỗ được xay nhỏ đến cỡ 3y5mm chiếm 85 90%, chất xúc tác aC 3, Na2
y
(B O CO3, K2CO3...) với tỷ lệ 10y15%. Đặt chi tiết vào hộp kín cĩ chứa đầy chất ấm và o
c bon là đạt đến tổ chức hồn tồn austenit để cĩ
từ 900 iệt độ thấm đến 9500C. Nhiệt độ thấm càng
ao iều sâu lớp thấm ca
th ch vào lị nâng lên đến nhiệt độ cần thiết. b-Nhiệt độ thấm và thời gian thấm :
Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cá
khả năng bõa hịa lượng các bon cao nhất cĩ thể được.Với thép bản chất hạt lớn nhiệt độ thấm y9200C thép bản chất hạt nhỏ nh
Thời gian thấm các bon được quyết định bởi chiều sâu lớp thấm, giá trị này được quy định khi thiết kế chi tiết (với chi tiết lớn cỡ 1,8y2,2 mm; chi tiết bé 0,8y1,2 mm). Với nhiệt độ cố định thời gian thấm càng tăng chiều sâu thấm sẽ càng lớn, cĩ ba cách tính thời gian thấm :
- Theo cơng thức : G k W với k là hệ số phụ thuộc va nhiệt độ thấm,ìo W là thời gian thấm (giữ nhiệt, h), G là chiều sâu thấm (mm).
- Tra bảng cho trước trong sổ tay nhiệt luyện.
- Theo kinh nghiệm : thấm ở 9000C cứ 0,20 mm thời gian giữ nhiệt 1h.
BaCO o BaO + CO2
= 2CO và tiếp diễn quá trình trên. c-Các quá trình xảy ra :
-Than gỗ cháy thiếu ơ xy : 2C + O2 = 2CO
-Khí CO chuyển động gặp bề mặt thép và do tác dụng của xúc tác bị phân hủy : 2CO o CO2 + Cnguyên tử
-Ở nhiệt độ cao chất xúc tác bị phân hủy :
3
CO2 + Cthan
-Làm nguội sau khi thấm sẽ tạo lại xúc tác : BaO + CO2 = BaCO3
Các bon nguyên tử cĩ tính hoạt động cao sẽ khuếch tán vào bề mặt thép theo cơ chế sau : Cnguyên tử + FeJ = FeJ (C)
Cnguyên tử + Fe = Fe3C d-Nhiệt luyện sau khi thấm :
n lớp bề mặt đạt 0,80
Sau khi thấm hàm lượng các bon trê y1,00%C độ cứng cĩ tăng ột lần và ram thấp.
lên một ít nhưng chưa sử dụng được mà phải tiến hành nhiệt luyện. Cĩ hai phương pháp nhiệt luyện : tơi hai lần và ram thấp, tơi m
-Tơi hai lần và ram thấp : tơi lần thứ nhất ở nhiệt độ 860y8800C, với mục đích làm nhỏ hạt thép và phá lưới xêmentit hai trên bề mặt. Tơi lần thứ hai ở nhiệt độ 760y7800C tạo cho bề mặt cĩ độ cứng cao nhất. Ram thấp với nhiệt độ 150y1800C. Cách nhiệt luyện này khá tốn kém nên chỉ dùng cho các chi tiết quan trọng.
-Tơi một lần và ram thấp : khi thấm các bon thường sử dụng thép bản chất hạt nhỏ ên hạt khơng lớn lắm. Vì vậy sau khi thấm xong hạ nhiệt xuống 760 7800C và tơi gay, sau đĩ tiến hành ram thấp 150
n y
n y1800C.
Thấm các bon thể rắn cĩ đặc điểm là thời gian dài (phải nung cả hộp chất thấm), iều kiện làm việc xấu (nhiều bụi than, khĩi...), chất lượng khơng cao (nồng độ các bon uá lớn, thường tạo ra xêmentit hai ở bề mặt gây ra dịn). Tuy nhiên đơn giản dễ tiến ành.
-Thấm các bon thể khí :
Thấm các bon thể khí là phương pháp hiện đại và cĩ nhiều ưu việt nhất, ngày nay ược áp dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí.
Dùng một lị kín chứa đầy khí thấm (CO, CH4, C2H6...) lấy từ khí thiên nhiên, cho hi tiết vào và nâng lên nhiệt độ thấm. Trong thực tế thường dùng CH4 với tỷ lệ 3