4.6. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép
4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng)
Tôi cảm ứng là phương pháp tôi bề mặt có chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao nhất, được áp dụng rất rộng r∙i trong sản xuất cơ khí, đặc biệt là sản suất hàng loạt.
a. Nguyên lý nung nóng bề mặt
Sơ đồ nung nóng cảm ứng được trình bày trên hình 4.21a. Nung nóng cảm
154
ứng xảy ra do hiệu ứng nhiệt của dòng điện cảm ứng ở trong chi tiết 1 được đặt trong từ trường biến thiên. Để nung nóng, chi tiết được đặt ở trong vòng cảm ứng 2 là các vòng uốn lại từ các ống (tròn, vuông, chữ nhật) bằng đồng đỏ có nước làm nguội chảy bên trong. Dòng điện xoay chiều chạy qua vòng cảm ứng tạo nên từ trường biến thiên 4. Nhờ hiện tượng cảm ứng trên lớp bề mặt chi tiết xuất hiện dòng điện xoáy (fucô) cùng tần số, nung nóng thép nhờ hiệu ứng Jun - Lenxơ. Như
đ∙ biết, mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không đều trên tiết diện, chủ yếu tập trung ở trên bề mặt tới chiều sâu ∆ tỷ lệ nghịch với tần số f (Hz) của dòng theo
công thức
5030 f à
= ρ
∆ cm
trong đó: ρ - điện trở suất (Ω.cm),
à - độ từ thẩm (gaus/ơcstet).
Nhờ đó dòng điện cảm ứng (xoáy, fucô) chỉ nung nóng lớp bề mặt đến chiều sâu nhất định.
Hình 4.21. Nung nóng và tôi cảm ứng:
a. sơ đồ nung nóng cảm ứng,
b. tôi khi nung nóng toàn bộ bề mặt tôi,
c. tôi khi nung nóng liên tục - liên tiếp, 1. chi tiết tôi, 2. vòng cảm ứng, 3. vòng phun nước, 4. đường sức từ trường.
b. Chọn tần số và thiết bị
Tần số dòng điện quyết định chiều dày lớp nung nóng do đó quyết định chiều sâu lớp tôi cứng. Thường người ta hay chọn diện tích lớp tôi cứng bằng khoảng 20% tiết diện. Đối với bánh răng chiều dày lớp tôi bằng 0,20 ữ 0,28m (m là môđun răng). Các chi tiết lớn cần lớp tôi dày (4 ữ 5mm) do vậy phải dùng các thiết bị phát dòng có tần số không cao lắm, 2500 hay 8000Hz nhưng có công suất lớn, thường là 100kW trở lên. Chi tiết nhỏ cần lớp tôi mỏng (1 ữ 2 mm) do vậy phải dùng các thiết bị phát dòng có tần số cao và rất cao cỡ hàng vạn đến hàng chục vạn Hz: 66000 hay 250000Hz, với công suất có thể nhỏ hơn, thường trong khoảng 50 ữ 100kW. ở nước ta phổ biến là loại sau này.
c. Các phương pháp tôi
Vòng cảm ứng được uốn sao cho có dạng bao, ôm lấy phần bề mặt cần nung để tôi song không được tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 ữ 5,0mm, càng
155
155 nhỏ càng đỡ tổn hao. Có thể có ba kiểu tôi sau.
- Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt như biểu thị ở hình 4.21b. Sau khi nung nóng đến nhiệt độ tôi, chuyển phần nung nóng xuống vòng phun làm nguội 3 (như hình vẽ) hay nhấc ra nhúng vào bể tôi ở cạnh. Cách này áp dụng cho các bề
mặt tôi nhỏ.
- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt. Đây là cách tôi lần lượt từng răng cho các bánh răng lớn (m > 6) hay các cổ trục khuỷu. Riêng trục khuỷu người ta phải thiết kế, chế tạo các máy tôi chuyên dùng điều khiển theo chương trình (xem tiếp mục 5.3.4).
- Nung nóng và làm nguội liên tục liên tiếp. áp dụng cho các trục dài (hình 4.21c), băng máy... với bề mặt tôi lớn. Trong kiểu tôi này chi tiết 1 dịch chuyển tương đối với vòng cảm ứng 2 và vòng phun 3: phần đ∙ được nung nóng lần lượt đi qua vòng phun (nung đến đâu làm nguội đến đó một cách liên tục). Với các chi tiết quá dài hay quá lớn thường tiến hành tự ram, lúc này chế độ làm nguội được quy định chặt chẽ để nhiệt tích ở dưới lớp tôi vừa đủ để nung nóng lại lớp bề mặt
đến nhiệt độ ram yêu cầu.
d. Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng
Thép dùng
Để bảo đảm đồng thời yêu cầu sau khi tôi có bề mặt cứng đủ chống mài mòn song lõi vẫn phải đủ bền, dẻo và đặc biệt có độ dai cao để chịu va đập, thép
đem tôi cảm ứng phải có lượng cacbon trung bình, 0,35 ữ 0,55% (thường chỉ 0,40
ữ 0,50%) và là loại thép thường hay hợp kim thấp với độ thấm tôi không cao.
Tổ chức
Nung cảm ứng với tốc độ rất nhanh trong vùng chuyển biến pha (Ac1 ữ Ac3) từ hàng chục đến hàng trăm oC/s (trong lò cao nhất chỉ là 1,5 ữ 3,0oC/s), nên
có các đặc điểm sau.
- Nhiệt độ chuyển biến pha Ac1, Ac3 nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tôi phải lấy cao hơn so với cách tôi thể tích thông thường là 100 ữ 200oC.
- Độ quá nhiệt cao nên tốc độ chuyển biến pha khi nung rất nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, hạt austenit rất nhỏ mịn nên khi tôi được kim mactenxit rất
nhá.
Để vừa bảo đảm hạt nhỏ khi tôi cảm ứng vừa bảo đảm giới hạn chảy và độ dai cao của lõi, trước đó thép phải được nhiệt luyện tôi + ram cao thành xoocbit ram. Vậy cuối cùng tổ chức của thép là: bề mặt - mactenxit hình kim nhỏ mịn, lõi - xoocbit ram.
Cơ tính
Với thành phần cacbon và tổ chức như vậy, sau khi tôi cảm ứng thép có cơ
tính là bề mặt cứng HRC 50 ữ 58, bảo đảm chống mài mòn tương đối tốt, lõi có độ cứng tương đối thấp HRC 30 ữ 40, bảo đảm giới hạn chảy và độ dai cao. Đáng chú ý là lớp bề mặt sau khi tôi cảm ứng sẽ chịu ứng suất nén dư, có thể đạt đến 800MPa, do đó nâng cao mạnh giới hạn mỏi.
Như vậy tôi cảm ứng thường được áp dụng cho các chi tiết:
+ chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chịu mài mòn ở bề mặt như bánh răng,
chèt...
+ chịu mỏi cao,
+ chịu uốn, xoắn là dạng có ứng suất lớn nhất phân bố trên bề mặt và là nơi tập trung ứng suất như các trục truyền, trục...
156 e. ưu việt
Tôi cảm ứng là phương pháp tôi bề mặt đạt được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rất cao, được ứng dụng rất rộng r∙i trong sản xuất cơ khí là do có những ưu việt sau.
- Năng suất cao do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt được tạo ra ngay trong lớp kim loại.
- Chất lượng tốt cũng do thời gian nung ngắn nên hạn chế, thậm chí tránh
được các khuyết tật như ôxy hóa, thoát cacbon, hơn nữa do điều chỉnh được chế độ
điện, nhiệt độ nung, thời gian một cách chính xác nên bảo đảm chất lượng đồng
đều, kết quả lặp lại một cách chính xác. Độ biến dạng thấp do lõi không bị nung nóng. Độ cứng tăng hơn so với tôi thường khoảng 1 ữ 3 đơn vị HRC. Hiện tượng này còn gọi là siêu độ cứng.
- Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, giảm nhẹ điều kiện làm việc của công nhân, dễ đặt trong dây chuyền sản xuất cơ khí.
Tôi cảm ứng đặc biệt có hiệu quả trong sản xuất hàng loạt và hàng loạt lớn (như ở các nhà máy chế tạo động cơ, ôtô, máy kéo...với quy mô lớn). Trong số các chi tiết máy trục khuỷu là chi tiết hầu như chỉ được hóa bền bằng phương pháp này do đặc điểm về điều kiện làm việc, hình dạng (rất dễ biến dạng khi nhiệt luyện)...Tôi lần lượt bề mặt các cổ trục khuỷu theo thứ tự quy định được tiến hành trên các máy tôi chuyên dùng được thiết kế phù hợp cho trục khuỷu định trước (không phải là loại vạn năng dùng cho mọi loại trục khuỷu).
Nhược điểm của tôi cảm ứng là khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột... do khó chế tạo vòng cảm ứng thích hợp. Khi sản suất đơn chiếc hoặc với sản lượng thấp tính kinh tế không cao.
Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nung cảm ứng còn được dùng rất rộng r∙i trong kü thuËt nh:
+ nấu chảy thép, gang, kim loại trong đúc, luyện kim,
+ luyện vùng để luyện kim loại, nguyên tố siêu sạch trong chế tạo bán dẫn
và các kỹ thuật khác,
+ nung nóng để gia công áp lực trong các dây chuyền cán, ép một số sản
phẩm như bánh răng, cuốc bàn...
+ hàn trong chế tạo ống, dán nylon, chất dẻo.
Ngoài tôi bề mặt bằng nung nóng cảm ứng người ta còn có thể dùng các phương pháp tôi bề mặt bằng ngọn lửa, nung nóng bằng tiếp xúc điện và điện phân... Đặc điểm chung của chúng là tuy thiết bị khá đơn giản song chất lượng thấp, khó khống chế nên rất ít được sử dụng trong chế tạo cơ khí.