Nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm

Bộ Công thơng
Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp
Viện Công nghệ



Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN
M số: 240.07.RD/HĐ-KHCN





Tên đề tài:
nghiên cứu sự thay đổi kích thớc trong quá
trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm


Cơ quan chủ quản: Bộ Công thơng
Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ
Chủ nhiệm đề tài: thS. Hoàng vĩnh giang

6794
12/4/2008


Hà Nội, 3-2008


Bộ Công thơng
Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp
Viện Công nghệ





Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN
M số: 240.07.RD/HĐ-KHCN





Tên đề tài:
nghiên cứu sự thay đổi kích thớc trong quá
trình nhiệt luyện bánh răng, trục răng thấm

Hà Nội, 3 - 2008
Cơ quan chủ trì
Viện Công nghệ
Chủ nhiệm đề tài







thS. Hoàng vĩnh giang

Những ngời tham gia đề tài:

1. Hoàng Vĩnh Giang Viện Công nghệ
2. Phạm Văn Lành Viện Công nghệ
3. Vũ Xuân Nam Viện Công nghệ
4. Nguyễn Văn Việt Viện Công nghệ
5. Trần Trọng Nghĩa Viện Công nghệ
6. Đỗ Đình Quý Viện Công nghệ
7. Nguyễn Xuân Thắng Viện Công nghệ
8. Cao Văn Quang Viện Công nghệ
Cơ quan phối hợp:

Viện Cơ khí năng lợng và mỏ

MỤC LỤC
Trang

GIỚI THIỆU
1
PHẦN I Cơ sở lý thuyết về sự thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt
luyện
3
1.1. Ứng suất trong quá trình nhiệt luyện 3
1.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình tôi 3
1.2.1. Sự thay đổi kích thước do ứng suất nhiệt 4
1.2.2. Sự thay đổi kích thước do ứng suất chuyển biến pha 8
1.3. Sự thay đổi kích thước trong quá trình ram 13
1.3.1. Sự thay đổi thể tích 13
1.3.2. Thay đổi trong ứng suất 14
PH
ẦN II Tổng quan về sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm
thấm C
16
2.1. Công nghệ thấm C, C-N 16
2.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm tôi 20
2.3. Tổng quan sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm, tôi 20
PHẦN III Thực nghiệm thấm và đo kiểm biến dạng một số sản phẩm
(bạc, bánh răng)
28
3.1. Công nghệ thấm C-N tại Viện Công ngh
ệ 28
3.2. Đánh giá sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm 30
3.3. Đo kiểm và đánh giá kết quả 33
3.4. Phương án công nghệ hạn chế cong vênh cho bánh răng bella 34
3.5. Thiết kế chế tạo đồ gá 35
3.6. Thấm, tôi và đo kiểm bánh răng bella theo quy trình mới 37
PHẦN IV Kết luận

41
Tài liệu tham khảo
42
Phần phụ lục



1
GIỚI THIỆU
Chất lượng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí nói chung phụ thuộc nhiều vào quá trình nhiệt
luyện. Đây là công đoạn gần cuối cùng (sau khâu mài, đánh bóng - nếu cần) nên chất
lượng của nó ảnh hưởng rất lớn đến giá thành sản xuất. Nói đến nhiệt luyện người ta
thường nói "nung đỏ bỏ nước". Nung đỏ - bỏ nước (thực chất là nung nóng - làm nguội)
là 2 công đ
oạn hoàn toàn trái ngược, đối kháng nhau chính vì thế chúng sinh ra ứng suất
và gây thay đổi kích thước, biến dạng - một vấn đề hoàn toàn không có gì mới nhưng
hiểu biết về nó thì còn hạn chế.
Để hiểu rõ hơn quá trình biến dạng trong quá trình nhiệt luyện đặc biệt là sự biến dạng,
thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm, nhóm đề tài đưa vấn đề này vào nghiên
cứu. Mục đích là tổ
ng quát lại những nguyên lý cơ bản của quá trình biến dạng để
khuyến cáo các người nhiệt luyện có những biện pháp nhằm hạn chế hiện tượng này.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Biến dạng, thay đổi kích thước các sản phẩm cơ khí trong quá trình nhiệt luyện đã được
biết đến từ lâu, nhưng hiểu biết về nó còn khá nghèo nàn. Những năm gần đây, sức ép
cạnh tranh về chất lượ
ng và giá thành sản phẩm đã thúc dục các nhà khoa học nghiên
cứu kỹ vấn đề này. Hội nghị quốc tế đầu tiên về vấn đề này được tổ chức tại Chicago
(Mỹ) năm 1992 và đến nay, hội nghị lần thứ 5 vừa được tổ chức tại Berlin (CHLB Đức)
năm 2007.

Các công trình nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các vấn đề sau:
- Sử dụng phân tử hữu hạn và các tính chấ
t nhiệt, mođul đàn hồi của vật liệu để tính
toán ứng suất nhiệt trong quá trình nung nóng và làm nguội.
- Xác định mối quan hệ giữa cấu trúc vật liệu và ứng suất nhiệt trên cơ sở chuyển
biến pha dựa vào đường cong làm nguội CCT.
- Xác định sự phụ thuộc các tính chất cơ-nhiệt vật liệu với nhiệt độ và quá trình
chuyển biến pha.

2
Các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã cho ra đời phần mềm tính toán biến
dạng DANTE (Distortion ANalysis for Thermal Engineering). Phần mềm này mô tả sự
thay đổi các tính chất về nhiệt, tính chất cơ học và tổ chức kim loại khi nung nóng và
làm nguội. Áp dụng phần mềm này cho phép chúng ta tính toán và từ đó có thể dự đoán
trước sự thay đổi kích thước và biến dạng của sản phẩm trong quá trình nhiệt luyện .
Tình hình nghiên cứu trong nước
Cong vênh luôn đồ
ng hành với nhiệt luyện, rất nhiều phàn nàn về cong vênh, biến đổi
kích thước sau nhiệt luyện. Nhiều cán bộ nhiệt luyện của chúng ta chưa có được những
hiểu biết cần thiết về biến dạng và thay đổi kích thước. Gần đây (năm 2001, 2002) Viện
Công nghệ đã chủ trì thực hiện 2 đề tài [1, 2] liên quan đến vấn đề này. Các tác giả [1, 2]
đã đề cập một số phương pháp công nghệ nhiệt luyện ít biến dạng để giải quyết vấn đề
này. Phương pháp tôi cao tần được áp dụng cho các chi tiết mỏng và phương pháp tôi ép
được chọn để tôi bánh răng bella và đã thu được kết quả tốt. Tuy nhiên không phải lúc
nào cũng có thể thực hiện được các phương pháp vừa nêu.
Nội dung nghiên cứu
Biến dạng và thay đổi kích thước sản phẩm trong quá trình nhiệt luyện ảnh hưởng trực
tiếp đế
n chất lượng và giá thành sản phẩm. Khắc phục biến dạng là vấn đề nan giải từ
xưa đến nay, những kết quả đạt được của các nghiên cứu trong lĩnh vực này thường

mang tính tổng quát. Xuất phát từ thực tế sản xuất, nhóm đề tài đặt ra các nội dung sau:
- Nghiên cứu lý thuyết về biến dạng và thay đổi kích thước trong quá trình nhiệt
luyện (tôi, ram, thấm) bản chất, nguyên nhân của quá trình này.
- Thiết kế quy trình công nghệ để đảm bảo ổn định chất lượng bánh răng thấm
(bánh răng C14, bánh răng tàu hoả z24m14, bánh răng z28m8)
- Thiết kế quy trình công nghệ, đồ gá để hạn chế độ cong vênh của bánh răng bella
z38m12 với điều kiện hiện có tại Viện Công nghệ.


3
PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC
TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN
1.1. Ứng suất trong quá trình nhiệt luyện
Quá trình nhiệt luyện luôn tạo ra sự thay đổi trạng thái ứng suất, nguyên nhân của sự
thay đổi đó là:
- Ứng suất nhiệt do sự nung nóng và làm nguội không đồng đều gây ra sự chênh
lệch nhiệt độ ở các vị trí khác nhau trong chi tiết.
- Ứng suất chuyển biến pha do sự
thay đổi thể tích khi vật liệu chuyển từ pha này
sang pha khác.
- Ứng suất tổ chức sinh ra do lệch mạng trong quá trình chuyển biến martensite
- Ứng suất do sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của các pha trong vật liệu đa
pha.
Với các sản phẩm cơ khí, các ứng suất này tồn tại đồng thời và có sự cộng hưởng với
nhau. Cơ sở lý thuyết của các loại ứng su
ất vừa nêu đã được đề cập trong công trình
nghiên cứu [1].
Tóm lại, trong quá trình nhiệt luyện, bất kể các ứng suất nào vừa nêu đều gây ra biến
dạng dẫn đến sự thay đổi kích thước sản phẩm. Với mong muốn hiểu rõ hơn về sự thay

đổi kích thước để có giải pháp thích hợp từ khâu thiết kế đến các giải pháp công nghệ cụ
thể, nhóm đề tài tập trung nghiên cứu sự thay đổ
i kích thước trong quá trình thấm, tôi và
ram, các công đoạn cơ bản và quan trọng của quá trình nhiệt luyện.
1.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình tôi
Một trong những nguyên nhân của sự thay đổi kích thước trong quá trình tôi là ứng suất
nhiệt. Ứng suất này được sinh ra trong quá trình làm nguội do sự chênh lệch nhiệt độ bên
trong và bên ngoài sản phẩm.

4
Một nguyên nhân khác nữa là ứng suất chuyển biến pha được hình thành khi vật liệu
được chuyển biến từ pha này sang pha khác, ví dụ từ austenite sang martensite trong quá
trình tôi.
1.2.1. Sự thay đổi khích thước do ứng suất nhiệt
Khi một vật được làm nguội, lớp ngoài cùng sẽ nguội trước và co lại. Trong quá trình
này, phần phía trong cố gắng giữ hình dáng hình cầu, hình dáng chịu lực căng bé nhất
trong quá trình biến dạng. Tuy nhiên, hình dáng của vật thể tương đối đa dạ
ng chứ không
phải hình cầu. Cũng cần phải lưu ý rằng khi nhiệt luyện vật thể có hình dáng khác với
hình cầu thì trong quá trình làm nguội nhanh vật thể này sẽ có xu hướng cố gắng có được
hình dạng hình cầu [6].
Ảnh hưởng của ứng suất nhiệt được nghiên cứu rất kỹ với thép cacbon thấp vì trong
trường hợp này hầu như quá trình chuyển biến pha có thể bỏ qua. Để minh hoạ sự biến
dạng do ứng suất nhiệt người ta nghiên cứu quá trình làm nguội một hình trụ đặc [3].


Hình 1.1a: Biến dạng mặt cắt hình trụ trong quá trình làm nguội [3]

5
A B C D

1 10 100 1000
500
1000
Thêi gian (s)
NhiÖt ®é (C)
B
Ò

m
Æ
t
T©m

Hình 1.1b: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm hình trụ đặc trong quá trình
nguội [3]
0
§−êng kÝnh
nÐn
øng suÊt
KÐo

Hình 1.1c: Sự hình thành ứng suất trong quá trình làm nguội hình trụ đặc[3]

6
Ứng suất và biến dạng mặt cắt hình trụ này tiến triển từ giai đoạn A đến giai đoạn D như
trên hình 1.1a) và 1.1b). Ở giai đoạn B, tốc độ nguội nhanh ở bề mặt gây ra ứng suất kéo
ở bề mặt và ứng suất nén ở tâm. Khi biến dạng dẻo xuất hiện, tâm sẽ bi co lại trong khi
bề mặt thì nở ra và như thế sẽ xuất hiện ứng suấ
t. Sự phân bố suất tổng cuối cùng được
thể hiện trên hình 1.1c.

Một công trình khác [6] tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ làm nguội đến biến
dạng của tấm kim loại có kích thước 200x200x20mm (hình 1.2). Hình a) là một khối đặc
còn hình b) là khối có lỗ vuông 100x100mm.

= 0,4 mm
^
^
= 0,04 mm
920 C/n−íc
0
0
920 C/dÇu
920 C/bÓ muèi 220 C
0
920 C/ kh«ng khÝ
0
Thay ®æi kÝch th−íc:
0
Thay ®æi kÝch th−íc:
Chó thÝch:
a) b)

Hình 1.2: Sự thay đổi kích thước tấm thép C thấp (0,10%C) sau khi làm nguội trong các
môi trường khác nhau [6]

7
Hình 1.2 chỉ ra sự ảnh hưởng của tốc độ làm nguội đến sự thay đổi kích thước. Hình này
cho ta thấy rằng, tốc độ nguội càng nhanh thì biến dạng càng lớn. Ngoài yếu tố về tốc độ
làm nguội, nhiệt độ bắt đầu của quá trình nguội cũng có ảnh hưởng đến sự diến dạng,
nhiệt độ càng cao thì biến dạng càng lớn (hình 1.3) [6].

Thay ®æi kÝch th−íc:
= 0,04 mm
^
0
920 C/dÇu
800 C/dÇu
0


Hình 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đến sự biến dạng thép 0,1%C [6]

Ngoài ra, tính chất vật liệu cũng có ảnh hưởng đến quá trình này, vật liệu chịu nhiệt càng
tốt thì khả năng ổn định kích thước trong quá trình làm nguội càng cao (hình 1.4) [6].
Hình này cho thấy, trong 3 loại thép được nêu thì thép18Cr8Ni là thép có tính chịu nhiệt
cao nhất và như thế nó có sự biến dạng do nhiệt ít nhất.


8

Thay ®æi kÝch th−íc:
^
= 0,04 mm
ThÐp 0,1% C
920 C / n−íc
oo
920 C / n−íc
ThÐp 17 % Cr
o

920 C / n−íc
ThÐp 18 / 8 (18Cr, 8Ni)


Hình 1.4: Sự thay đổi kích thước của một số vật liệu khác nhau [6]

1.2.2. Sự thay đổi khích thước do ứng suất chuyển biến pha
Trong quá trình nung nóng và làm nguội thép được trải qua nhiều quá trình chuyển biến
pha. Các pha khác nhau có các tỷ trọng khác nhau và như thế có thể tích cũng khác nhau.
Thể tích riêng của một số pha được liệt kê trong bảng 1 [6].
Lượng C hoà tan trong austenite hoặc trong martensite có ảnh hưởng rất lớn đến thể tích
riêng. Khi tính toán sự thay đổi thể
tích trong quá trình tôi, hàm lượng C cần đặc biệt
quan tâm. Sự thay đổi thể tích khi chuyển từ pha này sang pha khác được tính toán như
trong bảng 2 [6].




9
Bảng 1:
Pha %C Thể tích riêng ở 20
0
C (cm
3
/g)
Austenite 0 ÷ 2 0,1212 + 0,0033 x (%C)
Martensite 0 ÷ 2 0,1271 + 0,0025 x (%C)
Ferrite 0 ÷ 0,02 0,1271
Cementite 6,7 ± 0,2 0,130 ± 0,001

Epsilon carbide 8,5 ± 0,7 0,140 ± 0,002
Graphite 100 0,451
Ferrite + cementite 0 ÷ 2 0,271 + 0,0005 x (%C)
Martensite carbon thấp +
epsilon carbide
0,25 ÷ 2 0,1277 + 0,0015 x (%C - 0,25)
Ferrite + epsilon carbide 0 ÷ 2 0,1271 + 0,0015 x (%C)
Bảng 2: Thay đổi kích thước trong quá trình chuyển biến pha
Quá trình chuyển biến Thay đổi thể tích (%)
Pearlite cầu → austenite
- 4,64 + 2,21 x (%C)
Ausstenite → martensite
4,64 - 0,53 x (%C)
Pearlite cầu → martensite
1,68 x (%C)
Austenite → bainite dưới
4,64 -1,43 x (%C)
Pearlite cầu → bainite dưới
0,78 x (%C)
Austenite → bainite trên
4,64 - 2,21 x (%C)
Pearlite cầu → bainite trên
0

10
Khi xét đến chuyển biến pha, việc đầu tiên cần quan tâm là đường cong làm nguội liên
tục (CCT) tương ứng với vật liệu được làm nguội. Khi đưa đường làm nguội của tâm và
bề mặt hình trụ như đã đề cập ở trên ta được sơ đồ nguội như trên hình 1.5.

Hình 1.5: Đường nguội của bề mặt và tâm khi xét đến chuyển biến pha [3]

Với vật liệu như trên, ta thấy, khi làm nguội bề mặt của hình trụ chuyển biến thành
martensite tại nhiệt độ Ms tương đương với điểm S1 và kết thúc ở nhiệt độ Mf tương
đương điểm S2. Trong khi đó, tâm của hình trụ này được chuyển biến thành pearlite với
các điểm bắt đầu và kết thúc là C1 và C2 t
ương ứng.

11

Hình 1.6: Thay đổi kích thước của bề mặt và tâm [3]
Pha martensite tạo thành có thể tích riêng lớn hơn thể tích riêng ban đầu của pha
austenite (khoảng 5%), kết quả là thể tích tổng cuối cùng sẽ tăng (hình 1.6). Trên hình
này có thể nhận thấy, tại điểm S1 nơi martensite bắt đầu hình thành, xuất hiện quá trình
tăng thể tích. Cuối cùng tại điểm S2, nơi kết thúc sự hình thành martensite, cũng là nơi
kết thúc sự tăng thể tích do chuyển bi
ến pha. Khi nhiệt độ tiếp tục hạ, kích thước bề mặt
sẽ giảm và đạt kích thước Ls. Tương tự với tâm, quá trình chuyển biến pearlite bắt đầu ở
C1 và kết thúc ở C2. Tương tự như martensite, pearlite có thể tích lớn hơn austenite nên
có hiện tượng tăng thể tích trong khoảng C1 đến C2. Sau điểm C2, pearlite tiếp tục giảm
thể tích do nhiệt và đạt đến kích thước Lc ở nhiệt độ môi trườ
ng.
Tóm lại, khi tôi với tốc độ nguội đủ để có sự chuyển biến martensite, trong quá trình
chuyển biến này, kích thước thường tăng. Sau khi nguội đến nhiệt độ môi trường, phần
lớn còn có một lượng austenite dư, hàm lượng này tăng với lượng các nguyên tố hợp kim
được hoà tan trong quá trình austenite hoá tăng.
Lượng austenite dư càng lớn thì sự tăng thể tích của sản phẩm càng bé. Nếu lượng
austenite dư đủ lớn, thậ
m chí còn xẩy ra tình trạng giảm thể tích.

12

Ms
T1
T2
T3
Thay ®æi kÝch th−íc
NhiÖt ®é ( C)
0
-200 0 200 400 600 800 1000
0
-
+

Hình 1.7: Sự thay đổi kích thước của thép cùng tích khi làm nguội nhanh [6]
Sự thay đổi kích thước của sản phẩm tôi với các nhiệt độ tôi khác nhau được thể hiện
trên hình 1.7. Khi kích thước thay đổi, thể tích của sản phẩm cũng thay đổi và sự thay
đổi thể tích này được tính toán như sau [6]:
)21,264,4(
100
)68,1(
100
100
xC
V
xC
VV
V
V
aac
+−+
⎟

⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−−
=
∆

Trong đó:
∆V/V: thay đổi thể tích (%)
Ve: % thể tích cementit không hoà tan
Va: % thể tích austenit
100 - Vc - Va: % thể tích martensit
C: % trọng lượng C được hoà tan trong austenit hay martensit tương ứng.


13
Trong trường hợp thép chứa 1%C, theo lý thuyết, có thể tránh được sự thay đổi thể tích
khi tôi nếu thép chứa 10% cementit không hoà tan và 13% austenit dư. Trong trường hợp
này, lượng C trong martensit là vào khoảng 0,38%. Tuy nhiên với lượng C thấp như vậy
khó có thể nhận được lượng austenit dư 13%. Nếu lượng cementit được hoà tan hoàn
toàn, lượng austenit dư cần thiết để không có sự thay đổi kích thước là 40%, trường hợp
này cũng không thể xảy ra với loại thép cacbon này. Vì thế, chúng ta luôn chờ đợi s
ự
tăng thể tích khi tôi loại thép chứa 1%C. Tuy nhiên với loại thép C này, tôi hoàn toàn chỉ
xảy ra trong chiều dày cỡ 10mm nên sự thay đổi thể tích với các vật lớn là không đáng
kể, chỉ vài phần trăm [6].
Nếu giả thiết rằng, trong thép cácbon, lượng martensite và austenite dư là như nhau,
chúng ta có thể chờ đợi những thép có khả năng tôi cao hơn sẽ tăng thể tích nhiều hơn.

Tuy nhiên, vì lượng austenite dư trong thép hợp kim cao thường lớn, đi
ều này giúp cho
những thép có khả năng tôi cao trung hoà với sự tăng thể tích do khả năng này gây ra.
Với thép hợp kim trung bình và cao, sự tăng thể tích do lượng austenite dư gây ra có thể
điều chỉnh bằng sự thay nhiệt độ tôi như trên hình 1.7.
Trên hình này ta thấy với nhiệt độ tôi T2 thì sẽ không có một sự tăng thể tích đáng kể
nào khi làm nguội đến nhiệt độ phòng. Trong trường hợp nhiệt độ tôi T3 cao hơn, để
không làm thay đổi th
ể tích phải làm nguội xuống dưới 0
0
C.
Nếu vật liệu là đẳng hướng (tính chất vật liệu ở mọi hướng như nhau) thì sự thay đổi
kích thước của các hướng là như nhau. Tuy nhiên trên thực tế, các loại vật liệu sử dụng
không như thế vì thế cần lưu ý là sự thay đổi về kích thước sẽ khác nhau theo từng
hướng cụ thể.
1.3. Sự thay đổi kích thước trong quá trình ram
Trong quá trình ram, sự thay đổi về cấu trúc vật li
ệu sẽ làm thay đổi thể tích và trạng thái
ứng suất của chúng. Có sự liên quan giữa nhiệt độ ram, thể tích và trạng thái ứng suất.
Để hiểu rõ thêm về sự thay đổi này chúng ta sẽ đề cập đến sự thay đổi thể tích và sự thay
đổi về trạng thái ứng suất.

14
1.3.1. Sự thay đổi thể tích
Trong quá trình ram, martensite sẽ phân huỷ thành ferrite và cementite, và như thế sẽ
làm giảm thể tích.
T¨ng thÓ tÝch
0
NhiÖt ®é ( C)
Ph©n hñy martensite

ChuyÓn biÕn
TiÕt carbide
austenite > bainite
thµnh ferite vµ cementite
Austennite d− > martensite
ChuyÓn biÕn
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Hình 1.8: Thay đổi thể tích trong quá trình ram [6]
Khi ram ở nhiệt độ cao, theo hình 1.8, thì thể tích sẽ trở lại giá trị ban đầu khi chưa tôi (ở
đây loại trừ biến dạng plastic). Sự tăng thể tích diễn ra theo từng giai đoạn khác nhau
(đường ).
Austenite dư trong thép cácbon và thép hợp kim thấp được chuyển sang bainite ở giai
đoạn 2 khoảng 300
0
C và như thế làm tăng thể tích. Với thép hợp kim cao, khi ram ở
nhiệt độ 500 - 600
0
C, các hạt mịn carbide được tiết ra và như thế sẽ dẫn đến tăng ứng
suất và làm tăng độ cứng và tăng thể tích.
1.3.2. Thay đổi trong ứng suất
Trạng thái ứng suất sau khi tôi bao gồm ứng suất nhiệt và ứng suất chuyển biến pha. Sự
phân huỷ martensite trong quá trình ram gây nên sự giảm trạng thái ứng suất và như thế
cũng thúc đẩy quá trình chuyển biên austenite sang martensite [6].

15
Sự thay đổi ứng suất của bạc vật liệu AISI 52100 sau khi tôi và ram được thể hiện trên
hình 1.9. Từ hình này ta có thể thấy 85% ứng suất được giải phóng khi ram ở nhiệt độ
260
0
C/1h.

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
9338 149 204 260 316 371 427 482
NhiÖt ®é ( C)
0
Khö øng suÊt (%)

Hình 1.9. Ứng suất được khử trong quá trình ram [6]


16
PHẦN II
TỔNG QUAN VỀ SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC
CỦA MỘT SỐ SẢN PHẨM THẤM C
2.1. Công nghệ thấm C, C-N
Các sản phẩm thấm tôi ram hoàn chỉnh thường phải trải qua nhiều công đoạn. Mỗi công
đoạn đều có những ảnh hưởng nhất định đến sự biến dạng và thay đổi kích thước của sản
phẩm. Để hạn chế tối đa s
ự biến dạng của sản phẩm, quan trọng nhất là phải có quy trình
công nghệ hợp lý kế đến là phải kiểm soát được quy trình công nghệ đó.
Thấm C là quá trình bảo hoà bề mặt chi tiết nguyên tố C, còn thấm C-N, bề mặt chi tiết

đồng thời có mặt của cả C và N. Mục đích của các quá trình thấm này là để sau khi thấm
và nhiệt luyện thu được bề mặt chi tiết có độ cứng cao, độ chống mài mòn cao,
độ chống
xâm thực cao, độ dai va đập cao. Các tính chất trên đạt được nhờ tính chất lớp thấm bề
mặt sau khi thấm và nhiệt luyện hợp lý trong khi vẫn giữ được lõi mềm, độ dẻo dai cao.
Với đòi hỏi chất lượng ngày càng cao, ít gây ô nhiễm môi trường, các công nghệ thấm
thể rắn và thể lỏng dần dần được thay thế bằng công nghệ thấm thể khí. Ngày nay công
nghệ thấm thể khí
được dùng phổ biến hơn cả và đã chứng tỏ được tính ưu việt của nó.
Khác với thấm thể rắn và thấm trong muối nóng chảy, quá trình thấm thể khí được thực
hiện trong môi trường khí động do đó chất lượng thấm đồng đều, dễ điều chỉnh các thông
số công nghệ, thích hợp cho sản xuất dây chuyền liên hợp từ khâu làm sạch, thấm, tôi,
ram.
Thấm C, C-N được th
ực hiện trong nhiều loại thiết bị khác nhau, tuy nhiên trong mọi
trường hợp, sản phẩm thấm được treo trên giá đỡ vững chắc và xếp vào lò đảm bảo
thông thoáng để bề mặt thấm luôn được tiếp xúc với môi trường thấm (hình 2.1).



17


co + h
2
c + h o
2
3
nh n + h
2

2
co + h
3
nh
c + h o
n + h
2
2
c h
n
+ o
2
2n+2
co + h
2
2n+2
c h
n
c + h
2
c h
n 2n+2
c + h
2
n + hnh
32
n + hnh
32

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý thấm C, C-N thể khí

Dù được thực hiện trên thiết bị nào, chất thấm sử dụng có thể khác nhau, vật liệu thấm
khác nhau và yêu cầu về lớp thấm cũng khác nhau, nhưng quy trình công nghệ thấm của
tất cả các sản phẩm đều dựa trên quy trình công nghệ thấm tổng quát như trên hình 2.2.

18
t4
t
t«i
t7
t5t3
Thêi gian (giê)
Q2
Q3 Q4
Q6
Q8
t
th
T
t2
Q1
thÊm
T
1
T
T
2
3
Q= 0
Q5

Q7
M«i tr−êng nguéi
Hình 2.2: Quy trình công nghệ thấm C, C-N tổng quát
Quy trình công nghệ tổng quát thể hiện 3 quá trình (1) nung nóng đến nhiệt độ thấm, (2)
giữ nhiệt để thấm, (3) hạ nhiệt
Nung nóng là quá trình nung lò và chi tiết đến nhiệt độ thấm, tùy theo đặc điểm của từng
loại chi tiết mà ta có thể nung trực tiếp đến nhiệt độ làm việc hoặc phải qua giai đoạn giữ
nhiệt trước khi đạt nhiệt độ làm việc.
Đối với chi tiết phức tạp hoặc chi tiết có chiều dày
lớn cần phải đồng đều nhiệt, cần phải giữ tại nhiệt độ T
1
thời gian giữ nhiệt là t2. Nhiệt
độ này chọn khoảng 800
0
C, ở nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp chất thấm để bảo vệ
tránh quá trình oxy hoá. Cần cung cấp một lượng chất thấm đủ để bảo vệ bề mặt mà
không tạo ra muội bám dày trên bề mặt chi tiết lượng chất thấm để bảo vệ là Q2. Tuỳ
thuộc vào dung tích lò, vào thể tích chiếm chỗ của chi tiết mà ta chọn lượng chất thấm
Q2 và thời gian thấm t3 cho hợp lý. Tiếp đến chi tiết được nung tự do đến nhiệt độ thấm
T
Thấm
. Trong suốt quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ thấm, luôn duy trì lượng chất thấm là
Q2. Tổng thời gian nung chi tiết lên đến nhiệt độ thấm tuỳ thuộc vào công suất lò, chiều
dầy chi tiết và mức độ phức tạp của chi tiết tùy theo yêu cầu công nghệ.

19
Quá trình thấm được kiểm soát bởi 3 thông số công nghệ chính, đó là:
1. Nhiệt độ thấm
2. Thời gian thấm
3. Thành phần môi trường thấm

Kiểm soát và điều chỉnh 3 thông số này qua 3 giai đoạn thấm là yếu tố quyết định đến
chất lượng và hiệu quả kinh tế của quá trình thấm. Thành phần môi trường thấm đóng vai
trò quyết định, hai thông số còn lại chủ y
ếu quyết định đến chiều sâu lớp thấm.
Nhiệt độ thấm
Tốc độ thấm của C và N bị giới hạn bởi khả năng hoà tan của C và N vào Austenite.
Thấm C, C-N thường có nhiệt độ thấm nằm trong khoảng từ 800 - 940
0
C. Nhiệt độ càng
cao, tốc độ thấm C càng tăng, ví dụ tốc độ khuyếch tán của C vào austenite ở nhiệt độ
925
0
C cao gấp 40 lần so với ở nhiệt độ 825
0
C [8]. Ngược lại hàm lượng N tăng khi nhiệt
độ thấm giảm.
Thời gian thấm
Thời gian và nhiệt độ thấm có ảnh hưởng rất lớn đến chiều sâu lớp thấm, về nguyên tắc,
chiều sâu lớp thấm tỷ lệ thuận với thời gian và nhiệt độ. Khi thấm với nhiệt độ cao,
người ta thường chọn thời gian thấm ngắn. Tuy nhiên trong mọi trường hợp không nên
yêu cầ
u lớp thấm > 2mm, bởi vì sẽ mất rất nhiều thời gian và ảnh hưởng xấu đến tính
chất của vật liệu nền.
Thành phần môi trường thấm
Thành phần môi trường thấm đóng vai trò quyết định đến hiệu quả của quá trình thấm.
Chúng ta cần kiểm soát thành phần môi trường thấm để làm sao bề mặt hoà tan được
nhiều C nhất đồng thời không được sinh muội.
Tóm lạ
i, các yếu tố công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp thấm và như thế
nó cũng trực tiếp ảnh hưởng đến độ biến dạng và thay đổi kích thước sản phẩm. Duy trì

chế độ thấm đúng đắn là yếu tố đầu tiên đảm bảo và ổn định chất lượng sản phẩm thấm.

20
2.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm tôi
Quá trình thấm tạo ra trên bề mặt sản phẩm một lớp thấm có hàm lượng C cao trên bề
mặt sản phẩm và sau khi tôi nhờ có hàm lượng C này mà bề mặt có độ cứng cao tăng khả
năng chịu mài mòn. Hàm lượng này thường khoảng 0,8-1C% trên bề mặt và giảm dần
theo chiều sâu của lớp thấm. Chiều sâu của lớp thấm được định nghĩa là chiều sâu tính từ
bề mặt đến vị trí mà hàm lượng C khoảng 0,4%. Nói tóm lại sau khi thấm bề mặt của sản
phẩm có thành phần khác với thành phần của vật liệu nền và vì thế khi nhiệt luyện sự
thay đổi tính chất của lớp bề mặt này cũng khác so với vật liệu nền.
Sự thay đổi kích thước trong quá trình này được quyết định bởi nhiều yếu tố, chủ yếu là
những y
ếu tố sau [6]:
1. Độ thấm tôi của thép.
Khả năng tôi càng cao và chiều dày của vật liệu giảm, thì sự tăng thể tích sẽ càng lớn.
2. Mác thép.
Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo và một mức độ nào đấy cả thép Cr-Mn có sự thay đổi tương đối
giống nhau. Tuy nhiên cũng cần lưu ý là thép Cr-Mo có sự thay đổi tương đối khác, nhất
là sự thay đổi về hình dáng.
3. Chiều sâu lớp thấm.
4. Phương pháp thấm
5. Kích thước sản phẩm
Sự thay đổi kích thước của các sản phẩm thấm sẽ được trình bày cụ thể hơn ở phần tiếp
theo.
2.3. Tổng quan sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm thấm, tôi
Quá trình thấm chỉ tạo ra một lớp thấm mỏng, thường không quá 2mm. Sau khi tôi lớp
này rất cứng và khó gia công. Trong quá trình thấm, tôi, ram sản phẩm có những sự thay
đổi kích thướ
c, vì thế sau khi thấm và tôi, sản phẩm được gia công tinh.

21
Như đã trình bày ở trên, quá trình thấm là quá trình mất nhiều thời gian và chi phí. Để
tránh những chi phí phát sinh như phải mài quá nhiều hoặc mài hết lớp thấm, chúng ta
cần phải dự báo được những thay đổi về kích thước để có thiết kế hợp lý.
Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm và tôi được nhiều tác giả quan tâm nghiên
cứu. Một số ví dụ về sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm th
ường gặp được trình
bày dưới đây.
Hình 2.3 phác hoạ sự thay đổi kích thước của bạc vật liệu là thép thấm BS 637M17
(0,18%C, 0,78%Cr, 1,46%Ni, 0,07%Mo) với chiều cao 50mm, đường kính ngoài
100mm, đường kính trong là 75 và 50mm được thấm ở 940
0
C , tôi 830
0
C với chiều sâu
lớp thấm 1mm





Φ100/75 x 50mm





Φ100/50 x 50mm
Hình 2.3 Sự thay đổi kích thước sau thấm và tôi bạc

Sự thay đổi thể tích của các loại thép thấm khác nhau với các kích thước khác nhau được
thể hiện trên hình 2.4 .
Từ hình 2.3 và 2.4 có thể thấy rằng, thay đổi thể tích lớn hơn với những vật có chiều dày
bé hơn và như thế thể tích của vật mỏng hơn s
ẽ tăng nhiều hơn so với vật dày. Hiện
tượng này có thể giải thích do vật có chiều dày bé được tôi thấu hơn là vật có chiều dày
lớn hơn.
Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm
Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm