Phương pháp thường hóa là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn Austenit (A3 +(30 – 500C) hay Acm + (30 - 500C)) giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh để Austenit phân hóa thành peclit phân tán thành xocbit với độ cứng tương đối thấp. Ưu điểm của phương pháp này là giải phóng lò sau khi nung.
Mục đích của thường hóa cũng giống như ủ nhưng thường áp dụng cho các trường hợp sau:
21
Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt đối với thép cacbon thấp(< 0,25%) Làm nhỏ xementit để chuẩn bị cho nhiệt luyện cuối cùng. Làm mất xementit II ở dạng lưới của thép sau cùng
tích. Khử ứng suất trong thép do gia công áp lực. 3.3. Phương pháp tôi
Tôi thép là phương pháp nung nóng thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn để làm xuất hiện tổ chức Austenit giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để austenit chuyển thành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao.Mục đích của tôi thép là: Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép.
Có hai hình thức tôi là: tôi xuyên tâm và tôi mặt ngoài.
Tôi xuyên tâm: Chọn nhiệt độ để tôi thép theo thành phần cacbon trên giản đồ: Thép trước cùng tích:
Thép sau cùng tích: Giữ nhiệt và làm nguội nhanh hợp lý (làm nguội trong nhiều môi trường khác nhau). Chi tiết cứng cả trong lẫn ngoài. Để đánh giá hiệu quả của các phương pháp tôi người ta đưa vào chỉ tiêu độ thấm tôi.
Tôi mặt ngoài: Tôi mặt ngoài thực hiện bằng cách nung nhanh và làm nguội lớp mặt ngoài của chi tiết. Bề mặt chi tiết sau khi tôi có độ cứng cao còn phần lõi vẫn mềm và dẻo. Tôi mặt ngoài thường dùng để tôi bánh răng, các trục truyền động xoắn. Các phương pháp tôi mặt ngoài thường được sử dụng:
Tôi cao tần: Là sử dụng dòng điện xoay chiều có tần số cao để nung nhanh bề mặt ngoài của chi tiết. Tôi bằng ngọn lửa ôxy - axêtylen: Nung nhanh chi tiết bằng ngọn lửa ôxy - axêtylen để bề mặt đạt đến nhiệt độ tới hạn A3 và làm nguội nhanh trong nước hay dung dịch hóa chất.
22
3.4. Phương pháp ram
Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi dưới các nhiệt độ nhiệt độ tới hạn (AC1), giữ nhiệt độ ở một thời gian và làm nguội. Nhằm để mactenxit và austenit dư phân hóa thành các tổ chức thách hợp phù hợp với điều kiện làm việc quy định. Mục đích của ram thép là làm giảm hoặc làm mất các ứng suất dư sau khi tôi đến mức cần thiết để đáp ứng điều kiện làm việc lâu dài của sản phẩm cơ khí mà vẫn duy trì cơ tính sau khi tôi.
Có 3 cách ram:
+ Ram thấp là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150 - 2500C tổ chức đạt được là mactenxit ram.
+ Ram trung bình là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 300 - 4500C tổ chức đạt được là troxit ram.
+ Ram cao là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 500 - 6500C, tổ chức đạt được là xoocbit ram.
3.5. Phương pháp thấm cacbon
Là phương pháp nung nóng thép Cacbon thấp đến nhiệt độ cao (> 9000C) để cho thêm vào bề mặt thép nguyên tố Cacbon làm thay đổi thành phần hóa học Cacbon ở lớp bề mặt đến giá trị bão hòa lên 1 – 1.2%. Thép sử dụng phải có %C <0.25. Mục đích: Áp dụng cho các chi tiết máy làm việc trong điều kiện chịu tải trọng động và cọ xát bề mặt lớn (ví dụ như bánh răng). Muốn vậy bề mặt cần có độ cứng và tính chống mài mòn cao còn trong lõi vẫn có độ dẻo dai tốt để chịu tải trọng động khi truyền động, chịu uốn, xoắn và va đập tốt. Để việc thấm Cacbon đạt được lợi ích tối đa thì sau đó sản phẩm cần tiến hành tôi và ram.
3.6. Phương pháp thấm Nito
Là phương pháp hóa nhiệt luyện bằng cách nung nóng thép đến nhiệt độ 500 - 6500C để thấm bão hòa vào bề mặt thép nguyên tố N2 nhằm mục đích nâng cao độ
23
cứng bề mặt (đạt từ 65 - 70HRC), tính chống mài mòn, tính chịu mỏi hơn hẳn thấm C và tính chống oxi hóa.
Mục đích: Sản phẩm thấm N2 có cơ tính cao hơn hẳn so với thấm C, nhưng bù lại chi phí cao và sử dụng công nghệ hiện đại hơn. Thấm N2 được áp dụng chủ yếu cho các chi tiết máy cần độ cứng, tính chống mài mòn và làm việc ở nhiệt độ cao hơn 5000C. Ví dụ: Trục khuỷu, bánh răng, dụng cụ cắt.
24
CHƯƠNG IV. LỰA CHỌN THIẾT BỊ NHIỆT LUYỆN VÀ CÁCH TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ NHIỆT LUYỆN
4.1. Các loại thiết bị nhiệt luyện phổ biến
Lò buồng
Lò buồng có thể dùng cho sản xuất đơn chiếc và sản xuất hàng loạt, khi cần nhiệt luyện nhiều chi tiết có hình dáng, kích thước, vật liệu và chế độ nhiệt luyện khác nhau, nhưng có thể thay đổi trong khi nung nóng, làm nguội, chất dở chi tiết vào lò,, lò buồng có thể chạy bằng khí, điện hay madut,cấu trúc lò buồng chạy bằng điện làm việc ở nhiệt độ 600 – 900 oC là những lò kiểu hộp. Dây đốt dùng cho các loại lò này có thể là dây dẹt hoặc tròn được uốn xoắn đúng kỹ thuật chúng được đặt ở hai bên tường lò và đáy lò.
Trong các lò có thế hiệu giữa các pha là 220V. Nếu mạng điện của nhà máy có 380V thì dùng đấu hình sao, trong tất cả các lò dùng dòng điện ba pha, có dây trung tính hay gọi là dây đất hoặc dây nguội của mạng điện đều được đấu trực tiếp với lò để đảm bảo an toàn khi làm việc. Trong các cấu trúc lò hiện nay việc nâng mở nắp lò đều được cơ khí hóa để giảm nhê thao tác cho công nhân, việc ngắt đóng điện cũng được tiến hành tự động nhờ một bộ phận ngắt điện đặc biệt.
25
Hình 4.1 Lò buồng chạy bằng nhiên liệu khí hoặc lỏng.
Lò buồng có đáy đưa ra đưa vào: Lò buồng có đáy đưa ra đưa vào thường dùng để ủ, tôi và ram những chi tiết lớn.
Hình 4.2 Lò buồng có đáy đưa ra, đưa vào.
Lò có đáy nhấc lên thường dùng để ủ thép máy biến thế trong môi trường hidro hay ủ gang dẻo. Bộ phận làm việc của buồng lò là một cái hộp xây bằng gạch chịu lửa,
26
sau khi chất chi tiết vào đáy, được một bộ phận đặc biệt nhấc lên và giữ ở vị trí cố định bằng những ngoằm đặc biệt.
Lò giếng
Lò giếng dùng để tôi ủ và ram các chi tiết có chiều dài lớn. Thí dụ ống,
trục,...Chiều sâu làm việc của các lò này lớn hơn chiều rộng của lò buồng rất nhiều. Các lò giếng kiểu lớn thường có tỷ số giữa chiều sâu và đường kính của buồng lò làm việc là 1:1 dùng để ủ ram các chi tiếc nhỏ. Trong các lò loại này người ta tạo ra những dòng khí hoặc không khí nóng mục đích làm tăng tốc độ nung nóng và làm đồng đều nhiệt trên bề mặt các chi tiết.
Lò giếng chạy bằng nhiên liệu khí dùng để nung nóng các chi tiết lớn dài.
27
Hình 4.3 Lò giếng.
4.2. Lựa chọn thiết bị nhiệt luyện
Tại giai đoạn tôi ta sử dụng lò giếng CШ - 6.6/12 để nung phân cấp - Sử dụng lò giếng để nung sơ bộ lần thứ 1 là 650
- Sử dụng lò giếng để nung sơ bộ lần thứ 2 là 850 - Sử dụng lò giếng để nung cuối là 1250
Thiết bị ram: lò giếng điện trở CIIIO - 6.6/7 có các thông số sau: - Nhiệt độ làm việc của lò: 560°C
Các thông số lò được liệt kê t heo bảng dưới đây:
Bảng 4.1 Bảng thông số lò STT
1 2
Đồ gá:
Vật liệu làm gá C45
Theo kích thước lò theo bảng 4.1
Kích thước gá sẽ là: D=450mm, H=550mm
Diện tích bề mặt của gá: Sxq gá= 2226630.348 (mm2) Khối lượng của mỗi gá: mgá= 63.74 (kg)
Số gá chi tiết trên một gá: là 5x200 chi tiết
29
Hình 4.4 Đồ gá
4.3. Tính toán thông số nhiệt luyện
Tốc độ nung kim loại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: thành phần hóa học của hợp kim nhôm, hình dáng và kích thước của chi tiết, môi trường nung nóng là khí, lỏng hay điện và các hình thức nung khác… Trong ngành nhiệt luyện thường dùng nung nhiệt độ lò không đổi (Tlò = const và tùy theo hình thức nhiệt luyện và vật liệu nung.
Thời gian nung nóng chi tiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
a. Công suất của thiết bị nung
Tùy theo một mẻ chất lớn bé nhiều hay ít thời gian nung sẽ ngắn hoặc dài. Cần xác định mẻ nung tối ưu sao cho năng suất nung cao và thời gian nung ngắn lại. Ví dụ nếu công suất lò N KW ta nung 1 mẻ G kg, thời gian nung sẽ là τ1. Nếu tăng mẻ nung lên gấp 2, thời gian nung sẽ tăng gấp 3 vì công suất N lò là cố định. Chi tiết nung càng nhiều thì thu nhiệt của nó càng lớn dẫn đến thời gian nung càng dài.
b. Các sắp xếp chi tiết trong lò
Sắp xếp phải đúng công nghệ, tăng năng suất và rút ngắn thời gian nung. Người thiết kế phải chọn và tính toán hệ số sắp xếp sao cho phù hợp các điều kiện kĩ thuật đã cho, khi tính toán hệ số sắp xếp cần phải kiểm tra lại. Nếu số lượng chi tiết tăng lên, cách sắp xếp vẫn thế thì thời gian có thay đổi không?
c. Thành phần hóa học của vật liệu
Các nguyên tố hợp kim làm giảm tốc độ truyền nhiệt do đó phải nung chậm và lâu. Thời gian thường kéo dài 20 - 40% so với thép cacbon.
d. Hình dáng và kích thước chi tiết
Tiết diện của chi tiết càng lớn thì thời gian nung càng lâu, hình dáng càng phức tạp , tốc độ nung càng chậm.
e. Môi trường nung khí, lỏng cũng khác nhau
30
Sự truyền nhiệt bức xạ hay đối lưu, trực tiếp hay gián tiếp đều ảnh hưởng đến tốc độ nung nóng.
f. Các hình thức nhiệt luyện
Như nung nóng bề mặt bằng các phương pháp khác nhau (điện trở, tần số thấp hay cao, tiếp xúc, ngọn lửa, điện phân, chân không, khí bảo vệ, v.v… )
4.4. Tính toán thông số nhiệt luyện đối với mũi khoan kim loại
Vật liệu: Thép gió 90W18Cr4V2Mo Kích thước: D=10mm, L=160mm Thể tích: 10138.320 mm3
Khối lượng: 0.0825 kg
Diện tích bề mặt: S=5248 mm2
Xác định chi tiết nung là vật dày hay vật mỏng theo công thức:
Bio = α λ.S
Trong đó:
α - hệ số tỏa nhiệt (kcal/m2.h.độ)
S - chiều dày hay đường kính chi tiết (mm) λ - hệ số dẫn nhiệt của kim loại (kcal/m.h.độ)
Khi Bio < 0,25 - chi tiết là vật mỏng; Bio > 0,50 - chi tiết là vật dày; 0,25 < Bio < 0,50 chuyển tiếp có thể chọn theo 2 cách tùy theo kích thước hình dáng của nó, nếu là chi tiết phức tạp thì chọn là vật mỏng, nếu chi tiết là đơn giản thì chọn là vật dày.
3
Trong đó: α = αbức xạ + αđối lưu = 0,03 x Cth x (100T ) + 10
31
Với Cth =
ε1 = 0,5 là độ đen kim loại
ε2 = 0,7 là độ đen tường lò
Tôi
- Số chi tiết : 1000 chi tiết - Nhiệt độ làm việc:1250°C - Khối lượng mẽ nung:
mmẽ nung= mchi tiết× số chi tiết + mgá =1000×0.0825 + 63,74 = 146.34 (kg)
- Diện tích hấp thụ của chi tiết:
Shấp thụ= Sxq×số chi tiết + Sxq gá = 5248×1000 + 2226630.348 =7474630 (mm2)
- Diện tích hấp thụ của tường lò: Stl =1130973 (mm2)
- Môi trường tôi: Dầu
Cth = 1
ε1
Trong đó:
F1= Shấp thụ=7.47 (m2) là diện tích hấp thụ nhiệt của chi tiết:
F2= Sbml=1.13 (m2) diện tích bề mặt của lò
α =0,03 x Cth x (100T )3+10 =0.03 x 1.01 x ( 1523
100 )3 +10 = 117.03 (Kcal/m2.h.độ)
Kiểm tra chỉ số Bio
Bio=α × S = 117.03× 10 10× −3 =0.05 <0.25
λ 23
Trong đó:
λ=23 (Kcal/m.h) hệ số dẫn nhiệt kim loại (theo phụ lục 6 [7] cho kim loại hợp kim cao)
S = 10 mm: đường kính của chi tiết α là hệ số tỏa nhiệt
Tính thời gian nung nóng vật mỏng khi nhiệt độ lò không đổi
Chi tiết phức tạp, τ nung là:
τ=K .
Trong đó:
K - hệ số sắp xếp
G - trọng lượng mẻ nung, kg
F - diện tích bề mặt tiếp xúc nhiệt, m2 α - hệ số tỏa nhiệt, kcal/m2.h.độ C - nhiệt dung riêng, kcal/kg.độ tlò - nhiệt độ của lò, °C
tđ - nhiệt độ đầu của chi tiết, °C tc - nhiệt độ cuối chi tiết,°C 2,3 - hệ số chuyển đổi
Tính thời gian giữ nhiệt đối với chi tiết làm từ thép hợp kim cao
τgiữ = k1 x k2 x k3 0,4 x a + T
Trong đó:
33
k1 : hệ số loại thép k2 : hệ số hình dạng k3 : hệ số sắp xếp
a: chiều dày, đường kính chi tiết, mm T: thời gian tính thêm
Hình 4.5 Sơ đồ nhiệt luyện Thời gian nâng nhiệt từ 30oC lên 650oC là:
A ¿K . G .C α . F ¿K . G .C C α . F ¿K . G .C .2,3 E α . F
Thời gian giữ nhiệt ở mốc 650 oC, 850 oC và 1250oC là:
B=D=F= k1 x k2 x k3 0,4 x a + T = 1.0 x 0.8 x 4 x 0.4 x 10 + 0 = 13 phút
Thời gian làm nguội:τ nguội=
Ram cao 3 lần:
- Số chi tiết : 1000 chi tiết - Nhiệt độ làm việc: 560°C - Khối lượng mẽ nung:
mmẽ nung= mchi tiết× số chi tiết + mgá =1000×0.0825 + 63,74 = 146.34 (kg)
- Diện tích hấp thụ của chi tiết:
Shấp thụ= Sxq×số chi tiết + Sxq gá = 5248×1000 + 2226630.348 =7474630 (mm2)
- Diện tích hấp thụ của tường lò: Stl =1130973 (mm2)
Cth = 1
ε1
Trong đó:
F1= Shấp thụ=7.47 (m2) là diện tích hấp thụ nhiệt của chi tiết:
F2= Sbml=1.13 (m2) diện tích bề mặt của lò
α =0,03 x Cth x (100T )3+10 =0.03 x 1.01 x ( 883
100 )3 +10 = 30.86 (Kcal/m2.h.độ)
Kiểm tra chỉ số Bio
Bio=α × S = 30.86× 10 × 10 −3 =0.013 <0.25
λ 23
Trong đó:
λ=23 (Kcal/m.h) hệ số dẫn nhiệt kim loại (theo phụ lục 6 [7] cho kim loại hợp kim cao)
S = 10 mm: đường kính của chi tiết α hệ số tỏa nhiệt
Tính thời gian nung nóng vật mỏng khi nhiệt độ lò không đổi
Chi tiết phức tạp, τ nung là:
G=τ=K .
G . C α . F
Thời gian giữ nhiệt:
H = τgn= 0.4×τnn=0.4 × 0.36×60 =8.64
phút Thời gian làm nguội:
τnguội= Td −Tc
=550−60
=20 s= 1
ph
V nguội 30 °C / s3
Thời gian chuẩn bị : tcb= 10 phút
Tổng thời gian cho một mẻ tôi là:
ttổng = tcbi+ ttôi+ tram=2.5 giờ
36
4.4. Đánh giá tổ chức thế vi sau khi nhiệt luyện
Tổ chức tế vi của thép gió 90W18Cr4V2Mo sau khi tôi:
Hình 4.6 a Tổ chức thế vi của 90W18Cr4V2Mo sau khi tôi x5000
Hình 4.6 b Tổ chức thế vi của 90W18Cr4V2Mo sau khi tôi x2500
37
Tổ chức tế vi của thép gió 90W18Cr4V2Mo sau khi ram:
Hình 4.7 a Tổ chức thế vi của 90W18Cr4V2Mo sau khi ram lần 1 x2500
38
Hình 4.7 b Tổ chức thế vi của 90W18Cr4V2Mo sau khi ram lần 1 x100000
39
Hình 4.8 a Tổ chức thế vi của 90W18Cr4V2Mo sau khi ram 3 lần x25000
Hình 4.8 b Tổ chức thế vi của 90W18Cr4V2Mo sau khi ram 3 lần x100000 Ta tiến hành đo độ cứng và thu được bảng kết quả sau
Bảng 4.2 Bảng đo độ cứng của mác thép 90W18Cr4V2Mo sau khi nhiệt luyện
Nhiệt Luyện
Tôi 1250 oC Ram lần 1 560 oC Ram lần 2 560 oC Ram lần 3 560 oC
Dựa vào kết quả phân tích tổ chức tế vi và kết quả đo độ cứng, quy trình nhiệt luyện đạt yêu cầu.
40
CHƯƠNG V. THIẾT KẾ MẶT BẰNG PHÂN XƯỞNG 5.1. Tính toán thiết bị lò Bảng 5.1 Bảng thông số lò STT 1 2