- Thời gian: Thông thường thời gian giữ nhiệt sau khi thấu nhiệt là khoảng 1h Thời gian thấu nhiệt phụ thuộc vào kích thước mẫu, do kích thước mẫu nhỏ
5. Ứng dụng của công nghệ xử lý nhiệt độ âm
Nhưđã trình bày, công nghệ xử lý âm nhằm mục đích nâng cao khả năng chịu mài mòn và khả năng ổn định kích thước của sản phẩm. Công nghệ này có nhiều ứng dụng, dưới đây chúng tôi giới thiệu 2 ứng dụng được sử sử dụng nhiều trong ngành chế tạo máy
Với thép thấm cacbon: như tên gọi của nhóm thép này, có một sự chênh lệch nồng độ cacbon từ bề mặt vào trong lõi. Phương pháp làm tăng hàm lượng cacbon này sẽ làm tăng lượng austenit dư và hạ thấp nhiệt độ chuyển biến Ms và Mf. Với thép hợp kim thấm cacbon, phương pháp này có thể gây ảnh hưởng không tốt đến chi tiết và do đó cần phải được điều khiển bởi quá trình gia công lạnh. Với bánh răng cần giữ lại một lượng austenit dưđểđảm bảo khả năng chịu dẻo dai và chịu mỏi.
Để có được độ cứng bề mặt cao, với thép hợp kim SS 1370, phương pháp gia công lạnh là một giải pháp hình 8 [10]
Hình 8:Phân bốđộ cứng sau khi thấm, tôi, ram, gia công lạnh, thép SS 1370[10].
b) Sau khi thấm, tôi và gia công lạnh -79oC
Hình 9 : Độ cứng thép thấm trước và sau gia công lạnh, thépNi-Cr B5659H15 [10,11]
Hình 10 Ảnh hưởng của gia công lạnh tới chuyển biến austenit dư [1, 2]
Thép làm dụng cụ dập nguội: công nghệ gia công lạnh đã được chứng minh là đáp ứng tốt với nhóm thép này. Nhiệt độ làm việc của loại thép này thường dưới 200oC (400oF) trong các ứng dụng như dập nguội, cắt… Nhóm W và nhóm D trong họ thép này đã được nghiên cứu bởi Collins và Dormer. Họ
nhận ra rằng gia công lạnh làm giảm độ dẻo dai của D2 xuống 40% chủ yếu là do quá trình chuyển biến austenit dư. Tuy nhiên, xử lý nhiệt âm dưới -100oC (-
150oF) sẽ giúp độ bền được cải thiện trông thấy mặc dù nguyên nhân của sự cải thiện này không thực sự rõ ràng.
a)
b)
c)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Collins, D.N.; Dormer, J. Deep cryogenic treatment of a D2 cold-worked tool steel. Heat Treat. Met. 1997.
2. D.N.Collins, “Deep Cryogenic Treatment of Tool Steels: a Review”, Heat Treatment of Metals, 1996.
3. Das, D.; Dutta, A.K.; Ray, K.K. Influence of varied cryotreatment on the wear behavior of AISI D2 steel. Wear 2009.
4. Kamran Amini, To study the effect of cryogenic heat treatment on hardness and the amount of residual austenite in 1/2304 steel, Metal 2008
5. Molinari A, Pellizzari M, Gialanella S, Straffelini G, Stiasny KH. Effect of deep cryogenic treatment on the mechanical properties of tool steels. J Mater Process Technol 2001
6. Sub-zero treatment.Technology, processes and equipment, Date 01/09/2010:
Published in Germany by Linde Gas
http://heattreatment.linde.com/international
7. Jana SOBOTOVÁ, Structure and properties of sub-zero processed vanadis 6P/M ledeburitic tool steel, Metal 2011
8. C. H, Surberg, The influence of cold treatment on case-hardened steel, heat treating process, March/April 2008
9. C.H. Surberg, Effect of deep cold treatment on two case hardening steels, Acta Metall. Sin. Vol.21 No. Feb. 2008
10.K.E. Thelning, Steel and its heat treatment, 2nd., Butterworths, London 1984.
11.G. Totten, Steel Heat Treatment Handbook, Taylor & Francis, 2nd Edition, LLC, 2006
TỔNG QUAN THIẾT BỊ
1. Đặt vấn đề
Xử lý nhiệt độ âm (xử lý âm) được biết đến với thuật ngữ tiếng Anh là Subzero Treatment, Cryogenic Treatment. Lĩnh vực này bao gồm 3 quá trình khác nhau khác nhau (hình 1) [1, 2, 3, 4, 5, 6], đó là:
(4)Lắp ghép lạnh (tiếng Anh: Shrink Fitting): thông thường trục được làm lạnh để giảm đường kính
(5)Gia công lạnh (tiếng Anh: Shallow Cryogenic Treatment, Subzero Treatment, Cold Treatment): sản phẩm được lành lạnh đến khoảng 80oC
đến -120oC sau đó được làm ấm đến nhiệt độ môi trường.
(6)Gia công lạnh sâu (tiếng Anh: Deep Cryogenic Treatment đôi khi chỉ
Cryogenic treatment): Sản phẩm được làm lạnh đến khoảng -190oC và giữở đó nhiều giờ sau đó làm ấm từ từđến nhiệt độ môi trường.
Trong các tài liệu khác nhau 2 khái niệm Subzero Treatment và Cryogenic Treatmant được thay thế cho nhau. Khi Subzero Treatment được hiểu với nghĩa rộng là xử lý âm, thì Cryogenic là gia công lạnh sâu còn gia công lạnh là Cold treatment. Khi Cryogenic Treatment được hiểu với nghĩa rộng là xử lý âm thì Subzero Treatment được hiểu là gia công lạnh và gia công lạnh sâu là Deep Cryogenic Treatment. Trong tiếng Việt có thể gọi chung công nghệ này là công nghệ xử lý nhiệt độ âm bao gồm gia công lạnh và gia công lạnh sâu.
Hình 1. Các quá trình xử lý nhiệt độ âm
Quy trình công nghệ gia công lạnh
Với hầu hết các loại thép, gia công lạnh được thực hiện trong khoảng nhiệt độ dưới Mf từ -30oC đến -140oC. Thời gian của quá trình gia công lạnh vào khoảng 1h/25mm theo tiết diện hoặc có thể tính từ 1-1,5 giờ sau khi đạt nhiệt độ yêu cầu. Kéo dài thời gian không có ý nghĩa, đây cũng là một đặc điểm của công nghệ này. Có thể xử lý nhiệt lạnh đồng thời cho các loại vật liệu khác nhau, với các kích thước khác nhau, trong trường hợp này tính thời gian theo chi tiết lớn nhất và nhiệt độ cho vật liệu có nhiệt độ Mf thấp nhất. Sau đó, chi tiết được lấy ra ngoài và để nguội từ từ tới nhiệt độ môi trường. Có thể sử dụng quạt để tăng tốc độđối lưu và giảm thời gian làm nguội.
Sau khi tôi, nếu thép được giữ một thời gian ở nhiệt độ môi trường hoặc nung đến nhiệt độ ram thì austenite dư sẽ ổn định, có nghĩa là sẽ khó để chuyển
thành mactenxit hơn. Để quá trình chuyển biến austenit thành mactenxit đạt
được tối đa, gia công lạnh nên được tiến hành ngay sau khi tôi và trước khi ram. Lượng mactenxit mới hình thành với cacbon quá bão hòa không ổn định, dòn và dễ gây ra nứt. Vì thế, nhiều loại thép hợp kim cao cần được ram sơ bộở khoảng nhiệt độ 100oC - 160oC để ngăn ngừa nứt vỡ rồi sau đó mới đưa gia công lạnh và ram.
Quá trình xử lý nhiệt nên được tiến hành theo sơ đồ dưới đây, có thể bỏ
qua bước ram sơ bộ.
Khi có sự yêu cầu chính xác về kích thước, nhiều chu kỳ gia công lạnh và ram sẽ cần được thực hiện đểđộ ổn định kích thước cao nhất. Bước xử lý nhiệt cuối cùng luôn luôn phải làm quá trình ram để chuyển biến nốt bất kỳ lượng mactenxit nào mới được hình thành.
2. Thiết bị
Theo [1], từ những năm sáu mươi của thế kỷ 20, để làm lạnh sản phẩm người ta thường nhúng sản phẩm vào thùng chứa nito lỏng, như vậy thiết bịđơn giản chỉ là thùng chứa nitơ lỏng. Hiện nay có nhiều phương pháp để làm lạnh sản phẩm đến nhiệt độ mong muốn. Mặc dù vậy, tất cả các phương pháp đều dựa vào nguyên lý trao đổi nhiệt, có thể làm lạnh trực tiếp hoặc gián tiếp và có thể sử dụng nhiều môi trường khác nhau để làm lạnh. Có thể chia thiết bị thành 3 nhóm chính, đó là (1) thiết bị làm lạnh bằng CO2, (2) thiết bị làm lạnh cơ học, và (3) thiết bị làm lạnh bằng ni tơ lỏng (LN). Trong 3 dòng thiết bị vừa nêu, dòng thiết bị làm lạnh bằng LN được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ xử lý vật liệu sắt thép, vì thế dòng thiết bị này sẽđược đề cập kỹ hơn.
CO2 được sử dụng để làm lạnh bình chứa hổn hợp chất lỏng như
trichloroethylene hoặc rượu. Với phương pháp này có thể làm lạnh đến -80oC, tuy nhiên kiểm soát tốc độ làm nguội là rất khó.
Thiết bị làm lạnh cơ học
Thiết bị làm lạnh cơ học cho phép làm lạnh đến khoảng -100oC. Trong các máy này, người ta dùng các chất lỏng, ở nhiệt độ âm nó ở trạng thái hơi. Dưới tác dụng cơ học nó biến sang trạng thái lỏng, thông thường là methylchloric (-97), feron (-111), methylalcohol hoặc methanol (-97) và pentane (-129). Làm hóa hơi các chất lỏng sẽ tạo ra một lượng nhiệt lớn ra môi trường xung quanh, nhiệt lượng đó gọi là nhiệt hóa hơi. Các chất lỏng này cho phép kiểm soát điều khiển nhiệt độ rất tốt, vì thế có thể dể dàng điều khiển tốc
độ làm nguội mong muốn. Chi phí vận hành cho loại thiết bị này thấp nhưng giá thành ban đầu và phí bảo hành cao.
Thiết bị làm lạnh bằng ni tơ lỏng
Ni tơ lỏng (LN) được sử dụng để làm lạnh sản phẩm đến -196oC. So với các phương pháp vừa nêu thì phương pháp làm nguội bằng LN có nhiều lợi thế
do có thể đạt được một khoảng rộng nhiệt độ làm việc. Ngoài ra với LN có thể điều khiển tốc độ làm nguội một cách dễ dàng. Hiện nay thiết bị làm lạnh bằng
LN được sử dụng rộng rãi hơn cả vì thế nó sẽ được đề cập chi tiết hơn ở phần tiếp theo.
2.1. Thiết bị làm lạnh bằng ni tơ lỏng
Làm lạnh bằng LN được tiến hành theo 2 nguyên lý, đó là làm lạnh trực tiếp và làm lạnh gián tiếp.
2.1.1 Nguyên lý làm lạnh trực tiếp bằng niơ lỏng
Trong thiết bị làm lạnh trực tiếp, LN được hóa khí và khí này tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm và làm lạnh nó ( hình 2.1 ). Như vậy, mặc dù làm lạnh trực tiếp nhưng LN không tiếp xúc với sản phẩm do đó không gây ra hiện tượng lạnh cục bộ. Để tạo được nhiệt độ đồng đều trong buồng lạnh nười ta sử dụng quạt để lưu thông khí lạnh. Nhiệt độ và tốc độ làm lạnh được điều khiển bằng van điện từ điều khiển lưu lượng LN. Phương pháp này có thể làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ -180oC thậm chí là nhiệt độ của LN -196oC.
2.1.2 Nguyên lý làm lạnh gián tiếp bằng niơ lỏng
Với thiết bị làm lạnh gián tiếp (hình2.2), LN làm lạnh bể chất lỏng alcohol hoặc trichloroethylene có sản phẩm trong đó. Như vậy LN hoặc khí lạnh không trực tiếp tiếp xúc với sản phẩm, nhiệt độ trong trường hợp này có thểđạt tới -150oC.
Hình 3. Sơđồ nguyên lý thiết bị làm lạnh gián tiếp
Sơ đồ nguyên lý hệ thống gia công lạnh
Thiết bị gia công lạnh cửa trước – dạnh cánh bản lề
Chiều cao của lò có thểđược xếp thẳng với thiết bị vận chuyển chi tiết tự động như là một phần của dây chuyền xử lý nhiệt. Khoảng không bên trong
được trang bị một bộ gá tiêu chuẩn. Người công nhân có thể sử dụng xe nâng để
ra/vào sản phẩm trong lò. Thiết bị gia công lạnh cửa trên:
Nguyên lý hoạt động: sử dụng Nitơ lỏng trực tiếp để làm lạnh. Bên trong khoang làm việc có lắp hệ thống quạt với vai trò khuếch tán hơi lạnh, giúp nhiệt
độ bên trong được đồng đều. Lượng Nitơ lỏng đưa vào nhiều hay ít tùy thuộc khối lượng chi tiết cần xử lý. Nhiệt độ buồng lạnh sẽđược khống chế thông qua hệ thống van từđiều khiển lưu lượng Nitơ.
12.Collins, D.N.; Dormer, J. Deep cryogenic treatment of a D2 cold-worked tool steel. Heat Treat. Met. 1997.
13.D.N.Collins, “Deep Cryogenic Treatment of Tool Steels: a Review”, Heat Treatment of Metals, 1996.
14.Das, D.; Dutta, A.K.; Ray, K.K. Influence of varied cryotreatment on the wear behavior of AISI D2 steel. Wear 2009.
15.Kamran Amini, To study the effect of cryogenic heat treatment on hardness and the amount of residual austenite in 1/2304 steel, Metal 2008
16.Molinari A, Pellizzari M, Gialanella S, Straffelini G, Stiasny KH. Effect of deep cryogenic treatment on the mechanical properties of tool steels. J Mater Process Technol 2001
17. Sub-zero treatment.Technology, processes and equipment, Date 01/09/2010:
Published in Germany by Linde Gas
BÁO CÁO LẮP ĐẶT CHẠY THỬ HỆ THỐNG GIA CÔNG LẠNH
Thiết bị được lắp đặt tại phòng nhiệt luyện khuôn kim loại. Sau khi lắp
đặt thiết bị được cho chạy thử không tải để hiệu chỉnh, sau đó cho chạy thử có tải.
Ngày thực hiện: 2/11/2012
Chạy thử lần 1: Chạy thử không tải
Các thông số ban đầu:
- Nhiệt độ ban đầu của buồng lạnh: 27oC
- Khối lượng của bình LN ban đầu: 261kg (khối lượng vỏ bình: 134kg). - Áp suất trong bình: 5bar
Quy trình cấp LN sang buồng lạnh:
- Bật công tắc động cơ quạt khuấy, mở hoàn toàn van giữa buồng và đường ống - Van xả áp dư: khống chế mức 6bar
- Vặn từ từ van dẫn LN trên bình chứa cho LN cấp vào buồng lạnh - Van xả áp trong buồng lạnh mở vừa phải: góc mở van 15-20o
Yêu cầu đạt được:
+ Nhiệt độ buồng lạnh < - 80oC
+ Buồng lạnh phải giữđược nhiệt độ < -80oC
Số liệu được tổng hợp trong bảng 1 và hình 2 Bảng 1. Số liệu chạy thử lần 1 Thời gian Thực Phút T buồng lạnh [ oC] Ghi chú 13h35 0 27oC Bắt đầu cấp LN 14h35 60 -186oC Ngừng cấp LN 14h45 70 -175oC 14h55 80 -157oC 15h05 90 -143oC 15h15 100 -135oC 15h30 115 -118oC 15h45 130 -97oC 16h00 145 -83oC 16h15 160 -80oC -200 -170 -140 -110 -80 -50 -20 10 40 0 30 60 90 120 150 180 Thời gian [phút] Nh i ệ t độ [o C ]
Hình 2. Đồ thịđường nhiệt độ buồng lạnh không tải
Nhận xét:
- Kết thúc chạy thử: Khối lượng bình LN còn lại: 226kg
- Lượng LN tiêu hao: 35kg trong thời gian 1h, nhiệt độ buồng lạnh đạt được -186oC
- Buồng lạnh duy trì được nhiệt độ < -80oC trong thời gian 1h40phút sau khi ngừng cấp LN
Ngày thực hiện: 3/11/2012
Chạy thử lần 2: Chạy thử có tải với khối lượng chi tiết 40kg
Các thông số ban đầu:
- Nhiệt độ ban đầu của buồng lạnh: 27oC
- Khối lượng của bình LN ban đầu: 225kg (khối lượng vỏ bình: 134kg). - Áp suất trong bình: 5bar
Mục đích
Theo dõi tốc độ quá trình giảm nhiệt độ của buồng lạnh khi có sản phẩm
Quy trình cấp LN sang buồng lạnh:
- Bật công tắc động cơ quạt khuấy, mở hoàn toàn van giữa buồng lạnh và đường
ống
- Van xả áp dư: khống chế mức 6bar
- Vặn từ từ van dẫn LN trên bình chứa cho LN cấp vào buồng lạnh
- Van xả áp trong buồng lạnh đóng khi áp suất < 1,5bar. Mở van xả áp khi áp suất trong buồng lạnh, góc mở 15-20oC Số liệu được tổng hợp trong bảng 2 Đường làm nguội hình 3 Bảng 2. Số liệu chạy thử lần 2 Thời gian Thực Phút Nhiệt độ buồng lạnh Ghi chú 10h15 0 27oC Bắt đầu cấp LN 10h20 5 -49oC 10h25 10 -77oC 10h30 15 -112oC Ngừng cấp LN 10h35 20 -106oC
-120-90 -90 -60 -30 0 30 0 5 10 15 20 25 Thời gian [Phút] Nh i ệ t độ [o C ]
Hình 3. Đường nhiệt độ buồng lạnh với khối lượng sản phẩm 40kg
Nhận xét:
Trong thời gian 20 phút, nhiệt độ của buồng lạnh đã đạt được -112oC, lượng LN tiêu hao 21kg
Chạy thử lần 3, ngày 4/11/2012:
Chạy có tải, khối lượng chi tiết 45kg. Sử dụng 02 can nhiệt, 01 can cắm trực tiếp vào tâm mẫu Ø100x100mm (hình 4)
Mục đích
Theo dõi tốc độ quá trình giảm nhiệt độ của buồng lạnh, thời gian thấu nhiệt của mẫu thép Các thông số ban đầu: - Nhiệt độ ban đầu của buồng lạnh: 27oC - Khối lượng của bình LN (2 bình): 176 và 170kg. - Áp suất trong bình: 5bar Quy trình cấp LN sang buồng lạnh:
- Bật công tắc động cơ quạt khuấy, mở van giữa buồng lạnh và đường ống - Van xả áp dư: khống chế mức 6bar
- Vặn từ từ van dẫn LN trên bình chứa cho LN cấp vào buồng lạnh - Mở van xả áp khi áp suất trong buồng lạnh, góc mở 15-20oC