a- Bản vẽ thiết kế kỹ thuật của các block
VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ
Trong cơng nghệ chế tạovà lắp ráp động cơ nói riêng, và cơ khí chế tạo nói chung thì vật liệu chế tạo là một yếu tố quan trọng nó có ảnh hưởng tới các định hướng đầu tư dây truyền máy móc thiết bị cũng như cơng nghệ chế tạo tương thích. Ngồi việc nắm bắt được các yêu cầu kỹ thuật thì việc hiểu rõ về các đặc tính của vật liệu chế tạo là rất quan trọng nó ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm cũng như tính năng làm việc của thiết bị.
IV.1. Cơng nghệ vật liệu trong nước.
Cơng nghệ vật liệu nói chung, cơng nghệ kim loại nói riêng tuy đã đạt được nhiều thành tựu tuy nhiên trong lĩnh vực công nghệ cao còn rất nhiều hạn chế. Chủ trương của nhà nước về nghiên cứu phát triển công nghệ vật liệu: Nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả một số vật liệu có khả năng chế tạo trong nước. Đó là một số loại thép hợp kim chất lượng cao, Các loại gang thép có chất lượng cao ứng dụng trong các ngành đóng tàu và chế tạo máy, các hợp kim có tính năng tổng hợp và hợp kim nhơm. Hiện nay trên cả nước có nhiều cơ sở sản xuất gang thép. Như khu công nghiệp gang thép Thái Nguyên, các nhà máy chế biến thép liên doanh liên kết với nước ngoài tạo ra một thị trường thép đa dạng về chủng loại và chất lượng phong phú. Tuy nhiên cần phải kiển soát chặt về chất lượng vì đất nước ta đang trên đà hội nhập quốc tế do vậy cần phải khẳng định về các yếu tố tiêu chuẩn-chất lượng.
Hiện nay các nhà máy cán thép và luyên kim trong nước mói chỉ đáp ứng được các nhu cầu trong xây dựng là chủ yếu. Do vậy một thực tế cho thấy hầu hết các nhà máy thép trong nước đa phần là các nhà máy cán thép, các nhà máy này nhập phôi thép về và cán ra các sản phẩm mà thị trường cần. Các nha máy luyện
kim trong nước thì rất ít cả nước chỉ có 1 đến hai nhà máy. Ở miền Bắc điển hình là nhà máy gang thép Thái Nguyên. Đây là con chim đầu đàn của ngành thép cả nước. Nhà máy này khai thác quặng và nhiệt luyện xử lý để cho ra các sản phẩm về sắt thép các loại. Một thực tế tồn tại cho thấy nhà máy này được xây dựng từ rất lâu trong chiến tranh do vậy máy móc cũ lạc hậu so với nền cơng nghiệp hiện đại. Các lị nung, luyện kiểu cũ khơng đáp ứng được về năng suất và chất lượng. Hệ thống máy móc thiết bị kiểm tra phân tích thành phần của thép chưa được tốt do vậy chúng ta không thể kiểm sốt tốt được chất lượng. Ngồi ra hệ thống tiêu chuẩn của chúng ta hiên tại không được cập nhật và phát triển cũng như áp dụng các hệ thống tiêu chuẩn cũ của Liên Xô cũ nên không thể đáp ứng được yêu cầu của cơ khí chế tạo trong thời đại mới. Với ngành luyện kim yếu kém đã góp phần làm cho ngành cơ khí chế tạo của nước ta khơng phát triển và khơng tìm ra lối thốt.
Trên thực tế ngành cơng nghệ vật liệu của các nước trên thế giới rất phát triển và có nhiều thành tựu to lớn và góp phần làm thay đổi và thúc đảy mạnh mẽ các ngành cơ khí chế tạo. Các nước có công nghệ vật liệu phát triển là: Mỹ, Đức, Nhật, Nga … Các nước này có cơng nghệ vật liệu đặc biệt phát triển. Do vậy chúng ta cần học hỏi các kinh nghiệm và nhập các vật liệu để sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao.
Hiện nay chính sách của Đảng và nhà nước khuyến khích các doanh nghiệp trong nước liên doanh với các hãnh thép nổi tiếng trên thế giới và cấp phép cho các hãng thép nổi tiếng thành lập công ty sản xuất trên lãnh thổ Việt Nam nhằm mục đích:
- Cung ứng đủ lượng thép trong nước đặc biệt trong thời kì cơ khí hố và hiên đại hoá hiện nay cần một lượng thép vô cùng lớn cho các nhu cầu trong nước.
- Thu hút, khuyến khích được các hãng Thép lớn trên thế giới mang công nghệ đến Việt Nam sản xuất góp phần thúc đẩy vực dậy ngành luyện kim trong nước cũng như tạo ra một thị trường cạnh tranh lành mạnh tránh tình trạng độc quyền cũng như bị các hãng thép nước ngồi áp đặt khơng có lợi cho thị trường thép trong nước. Mặt khác việc này cong giúp chúng ta cập nhật hoàn thiện về hệ thống tiêu chuẩn và mở rộng các dải vật liệu mà chúng ta còn thiếu hụt.
IV.2. Phân loại vật liệu
Khái niệm về vật liệu kết cấu.
Vật liệu kết cấu là những vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết máy móc, dụng cụ, các kết cấu kỹ thuật chịu tải cơ học. Các chi tiết máy và dụng cụ được đặc trưng bởi sự đa dạng về hình dáng, kích thước và điều kiện làm việc. Chúng hoạt động với các tải tĩnh, tải tuần hoàn và tải va đập; ở nhiệt độ thấp và cao; tiếp xúc với các môi trường khác nhau.Các yếu tố đó sẽ quy định yêu cầu đối với vật liệu kết cấu, mà chủ yếu là những yêu cầu về làm việc, về công nghệ và kinh tế.
Các yêu cầu làm việc quan trọng hàng đầu. Để các máy và dụng cụ nào đó có khả năng làm việc thì vật liệu kết cấu cần có độ bền kết cấu cao.
Độ bền kết cấu là tập hợp các cơ tính bảo đảm cho vật liệu hoạt động tin cậy và lâu dài trong các điều kiện làm việc.
Dưới đây sẽ xem xét các cơ tính xác định độ bền kết cấu và sự lựa chọn vật liệu kết cấu. Các đặc trưng cơ tính cần thiết của vật liệu cho một chi tiết cụ thể không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố lực tải, mà cịn vào tác động của mơi trường và nhiệt độ làm việc tác động đến nó.
Mơi trường dạng lỏng, khí, iơn hố, bức xạ mà vật liệu phải làm việc, ảnh hưởng đáng kể và chủ yếu là xấu đến cơ tính của nó, làm giảm khả năng làm việc
của chi tiết. Chẳng hạn, môi trường làm việc có thể làm hư bề mặt do nứt ăn mịn, do ơxy hố và tạo gỉ, làm thay đổi thành phần hố học lớp bề mặt do bão hồ các ngun tố khơng mong muốn (ví dụ hyđrơ gây giịn). Ngồi ra, vật liệu có thể bị rộp và phá huỷ cục bộ do bức xạ iơn hóa hoặc phóng xạ. Để chống lại môi trường làm việc, vật liệu cần có khơng những cơ tính mà cả cá tính chất lý-hố xác định: tính bền bức xạ, tính chịu ẩm, khả năng làm việc trong chân không...
Vùng nhiệt độ làm việc của các vật liệu hiện đại rất rộng, từ -269 đến 1000 độ C, trong một số trường hợp đến 2500 độ C. Để có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao vật liệu cần có độ bền nóng, cịn ở nhiệt độ thấp-tính chịu lạnh.
Trong một số trường hợp cịn địi hỏi các tính chất nhiệt, điện và từ nhất định; tính ổn định cao của kích thước chi tiết (đặc biệt là các chi tiết chính xác cao của dụng cụ).
Các yêu cầu về cơng nghệ (tính cơng nghệ của vật liệu) nhằm tạo ra một phí tổn lao động thấp nhất trong việc chế tạo các chi tiêt và kết cấu. Tính cơng nghệ của vật liệu được đặc trưng bởi các phương pháp có thể gia cơng nó. Tính cơng nghệ được đánh giá bằng tính gia cơng cắt gọt, gia cơng áp lực, tính hàn, khả năng đúc, cũng như độ thấm tôi, xu hướng biến dạng và nứt khi nhiệt luyện. Tính cơng nghệ của vật liệu quan trọng vì năng suất lao động và chất lượng chế tạo chi tiết phụ thuộc vào nó.
Những yêu cầu về kinh tế được đặt ra sao cho vật liệu có giá thành khơng cao và có thể chấp nhận được. Các loại thép và hợp kim, nếu có thể, cần chứa một lượng ít nhất các nguyên tố hợp kim.Việc sử dụng vật liệu có chứa các nguyên tố hợp kim cần phải dựa trên cơ sở nâng cao các tính năng làm việc của chi tiết.
Các u cầu về cơng nghệ và kinh tế có ý nghĩa quan trọng trong sản xuất hàng loạt. Như vậy, vật liệu kết cấu có chất lượng là phải thoả mãn một tập hợp các yêu cầu.
Bảng kê các vật liệu kết cấu sử dụng trong chế tạo máy và dụng cụ rất dài và có thể phân loại chúng theo các cách khác nhau. Đa số chúng là phổ biến, chẳng hạn như thép, gang, các hợp kim trên cơ sở đồng và các kim loại nhẹ. Chúng có nhiều ưu điểm và được sử dụng trong các chi tiết và kết cấu khác nhau.
Bên cạnh các vật liệu phổ biến còn sử dụng các vật liệu kết cấu có chức năng xác định: vật liệu bền nóng, vật liệu có tính đàn hồi cao, vật liệu chống mài mòn, vật liệu chống ăn mòn và chịu nhiệt.
Cách phân loại dưới đây chia vật liệu kết cấu theo tính chất quy định cách chọn vật liệu cho các chi tiết cụ thể của kết cấu. Mỗi nhóm vật liệu được đánh giá bằng các chỉ tiêu tương ứng, bảo đảm khả năng làm việc khi phục vụ. Các vật liệu phổ biến được xem xét trong một số nhóm, nếu như khả năng sử dụng chúng được quy định bằng các chỉ tiêu khác nhau.
Theo nguyên tắc phân loại đã chọn, tất cả các vật liệu kết cấu được chia thành các nhóm sau đây:
1- Các vật liệu bảo đảm độ cứng vững, độ bền tĩnh và bền mỏi (thép) 2- Các vật liệu có tính cơng nghệ đặc biệt
3- Các vật liệu chống mài mòn 4- Các vật liệu có tính đàn hồi cao 5- Các vật liệu có mật độ nhỏ 6- Các vật liệu có độ bền riêng cao
7- Các vật liệu bền với nhiệt độ và môi trường làm việc Thép bảo đảm tính cứng vững, độ bền tĩnh và độ bền mỏi.
Các chi tiết máy truyền động cần phải có độ cững vững, độ bền đạt yêu cầu đối với biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, độ tin cậy và độ bền lâu đảm bảo. Trong số các loại vật liệu khác nhau, thoả mãn tốt nhất các yêu cầu nêu trên là hợp
kim trên cơ sở sắt, đó là gang và đặc biệt là thép. Thép thừa hưởng từ sắt có mơđun đàn hồi cao (E=2.106N/mm2 ) và độ cứng vững cao, chỉ thua kém B, W, Mo,Be, những nguyên tố này do giá thành cao nên chỉ được sử dụng trong trường hợp đặc biệt. Độ cứng vững cao và giá thành rẻ làm cho thép được sử dụng rộng rãi để chế tạo các kết cấu kim loại trong ngành xây dựng, vỏ, thân máy, ốc vít, các loại trục truyền lực và nhiều chi tiết máy khác.
Độ cứng vững cao của thép được kết hợp với độ bền tĩnh và độ bền mỏi đạt yêu cầu, các giá trị này lại có thể điều chỉnh được trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi nồng độ các nguyên tố hợp kim, cơng nghệ nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện.
Các hợp kim sử dụng trong kỹ thuật trên cơ sở đồng, nhôm, mangan, titan, cũng như là chất dẻo đều thua kém thép về độ cứng vững, độ bền hoặc độ tin cậy. Ngồi cơ tính tổng hợp quan trọng nói trên đối với khả năng làm việc của chi tiết, thép cịn có thể có nhiều tính chất q báu khác, làm cho chúng trở thành vật liệu vạn năng. Khi hợp kim hoá và nhiệt luyện phù hợp, thép trở nên bền chống mài mòn, hoặc chịu ăn mịn, hoặc là bền nóng, ổn định nóng, cũng như có tính chất từ, nhiệt và đàn hồi đặc biệt. Thép lại có tính cơng nghệ tốt. Cuối cùng phải kể đến thép là vật liệu tương đối rẻ tiền.
Do những ưu điểm nêu trên, thép là vật liệu kim loại cơ bản của công nghiệp. Trong thời gian qua, hàng năm Liên Xô trước đây sản xuất ra khoảng 2000 mác thép và hợp kim trên cơ sở sắt. Sự đa dạng về thành phần hóa học cho phép thép có được các tính chất khác nhau và thoả mãn nhu cầu của nhiều lĩnh vực kỹ thuật.
IV.2.1. Thép kết cấu
Thép được phân loại theo thành phần hố học, chất lượng, mức độ khử ơxy, tổ chức và độ bền.
Theo các thành phần hóa học thép được chia thành thép cacbon và thép hợp kim. Theo hàm lượng cacbon, được chia thành thép cacbon thấp (<0,3% C), thép
cacbon trung bình (0,3 – 0,7 %C) và thép cacbon cao (>0,7%C). Thép hợp kim thì tuỳ thuộc vào nguyên tố hợp kim mà phân thành thép crôm, thép mangan, thép crôm-niken, thép crôm-silic-mangan… Theo hàm lượng nguyên tố hợp kim, phân thành thép hợp kim thấp, thép hợp kim trung bình và thép hợp kim cao. Trong thép hợp kim thấp hàm lượng các nguyên tố hợp kim không vượt quá 5%, trong thép hợp kim trung bình hàm lượng các mguyên tố hợp kim 5 -10%, trong thép hợp kim cao hàm lượng các nguyên tố hợp kim lớn hơn 10%.
Theo chất lượng thép được phân thành: thép chất lượng thường, thép chất lượng, thép chất lượng cao và thép chất lượng đặc biệt cao.
Chất lượng của thép được hiểu là tổng thể các tính chất được xác định bởi q trình luyện kim để sản xuất ra chúng. Độ đồng nhất về thành phần hố học, cấu tạo và tính chất của thép, cũng như tính cơng nghệ của chúng phụ thuộc nhiều vào hàm lượng khí (ơxy, hiđrơ, nitơ) và tạp chất có hại là lưu huỳnh và phốtpho. Các loại khí là tạp chất ẩn, khó xác định, bởi vậy các tiêu chuẩn về hàm lượng tạp chất có hại được dùng làm các chỉ tiêu cơ bản để phân loại thép theo chất lượng. Thép chất lượng bình thường chứa dưới 0,055%S và 0,045%P; thép chất lượng chứa không quá 0,04%S và 0,035%P; thép chất lượng cao chứa không quá 0,025% S và 0,025%P; thép chất lượng đặc biệt cao chứa không quá 0,015% S và 0,025%P.
Theo mức độ khử ôxy và các đặc điểm khi kết tinh, thép được chia thành thép lặng, thép nửa lặng và thép sơi.
Khử ơxy là q trình tách ơxy khỏi kim loại lỏng, vì nó là ngun nhân gây phá huỷ giịn thép khi biến dạng nóng.
Thép lặng được khử ơxy bằng mangan, silic và nhơm. Nó cịn chứa rất ít ơxy và kết tinh lặng lẽ, khơng có khí thốt ra. Thép sơi được khử ơxy chỉ bằng mangan. Trước khi rót nó cịn chứa một lượng ôxy khá cao, cho nên khi kết tinh, một phần ơxy tác dụng với cacbon, thốt ra dưới dạng CO. Sự tách thốt các bọt khí CO tạo
cảm tưởng thép bị sơi và bởi vậy thép có tên là thép sơi. Thép sơi rẻ, hàm lượng cacbon thấp và thực tế hầu như khơng có silic (Si ≤ 0,07%), nhưng chứa nhiều tạp chất khí.
Thép nửa lặng, theo mức độ khử ơxy chiếm vị trí trung gian giữa thép lặng và thép sôi.
Theo tổ chức người ta nghiên cứu các đặc điểm cấu tạo của nó ở trạng thái ủ và thường hoá. Theo tổ chức ở trạng thái ủ (cân bằng) thép kết cấu được chia thành bốn loại:
1) Thép trước cùng tích, trong tổ chức có ferit dư 2) Thép cùng tích, tổ chức gồm toàn peclit 3) Thép austenit
4) Thép ferit.
Thép cacbon có thể là hai loại đầu, thép hợp kim có cả bốn loại. Thép austenit được tạo thành khi trong nó chứa một lượng lớn các nguyên tố Ni, Mn, là những nguyên tố mở rộng vùng γ; thép ferit được tạo thành khi trong nó chứa một lượng lớn các nguyên tố Cr, Si, V, W…, là những nguyên tố mở rộng vùng α.
Với sự hợp kim hố nhất định có khả năng xảy ra kết tinh lại từng phần (α↔γ) và tạo thành thép loại trung gian – thép nửa ferit và thép nửa austenit.
Theo tổ chức sau thường hoá thép được chia thành các loại cơ bản sau: thép peclit, thép mactenxit, thép austenit, thép ferit.
Thép loại peclit có dộ bền vững của austenit quá nguội khơng. Khi làm nguội trong khơng khí nó có tổ chức peclit, xoocbit hoặc là trooxtit, trong nó có thể có mặt cả ferit hay cacbit dư. Thuộc loại thép peclit có thép cacbon và thép hợp kim thấp. Đó là nhóm thép lớn, rẻ tiền, được ứng dụng rộng rãi.