Chế tạo bánh răng trong hộp số

Bài tập 4: CHỌN THÉP VÀ XÁC ĐỊNH QUY TRÌNH NHIỆT LUYỆN
ĐỂ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG DẪN TRONG HỘP SỐ
Phần A: CHỌN THÉP ĐỂ CHẾ TẠO BÁNH RĂNG DẪN TRONG
HỘP SỐ.
1.

Phân tích điều kiện làm việc :

•

Bánh răng hộp số làm việc trong môi trường chịu tải trọng
tĩnh và va đập mạnh.

•

Bề mặt bị mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát, chịu
ứng suất lớn, lõi chịu ứng suất uốn.

•

Vùng chân răng dễ bị phá huỷ.

•

Chi tiết máy làm việc dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ.

Do điều kiện làm việc như trên nên ta đặt ra các yêu cầu về vật
liệu như sau:
•

Bề mặt răng phải có độ bền tiếp xúc cao.

1


Răng có độ bền mỏi cao, kết hợp với các chỉ tiêu độ bền, độ

•

dẻo và độ dai va đập ( cơ tính tổng hợp ).

Ví

dụ:
Bánh
răng trong hộp số ô tô

2 . Chọn mác thép để chế tạo bánh răng hộp số :


Đối với yêu cầu làm việc cầu chi tiết như trên ta chọn thép



thấm cácbon -20CrMo.
Bánh răng hộp số trong xe tải trọng nhẹ được làm bằng thép
thấm cácbon . Ưu điểm của cách chế tạo này là:
• Đảm bảo bánh răng chịu tải trọng tĩnh và va đập tương
•

đối cao , bề mặt có thể bị mài mòn.

Sau khi thấm cacbon trong lò liên tục ( dùng khí thiên
nhiên , khí thu nhiệt và amoniac ) ở nhiệt độ 880 – 980 º C
, bánh răng được tôi trực tiếp trong dầu nóng, bể muối ở

•

nhiệt độ 160 – 250 ºC .
Cách chế tạo như vậy có thể rút ngắn được thời gian và
nhiệt độ thấm, nâng cao tính chống mài mòn và giảm độ
biến dạng.
2


=>Ta thấy thép thấm cacbon hoàn toàn phù hợp để chế tạo chi tiết
bánh răng hộp số.
2.1 Thành phần hoá học của mác thép trên là :


Mác thép trên bao gồm những thành phần sau :
%C = 0,17 – 0,23
% Si ≤ 0,40
%Mn = 0,70 – 1,00
%P ≤ 0,035
%S ≤ 0,035
%Cr = 0,3 – 0,6
%Mo = 0,15 – 0,2

2.2 Cơ sở để chọn mác thép với thành phần như trên:


Bề mặt bánh răng chịu ứng suất lớn, chịu mài mòn khi ma
sát hay cọ sát, tiếp xúc với môi trường và có thể bị ăn mòn



khi làm việc.
Đòi hỏi bề mặt có độ cứng và tính chống mài mòn trong khi
lõi vẫn đảm bảo độ bền và dẻo dai chịu va đập tốt. Muốn vậy



ta phẩi biến đổi tổ chức của lớp bề mặt.
Ta thường dùng thép có hàm lượng Cr 0,5% hay 1,00 % chủ
yếu để cải thiện tính tôi ( tôi được trong dầu ) và nâng cao
được một phần độ thấm tôi . Nếu chỉ dùng thép Cr thì chỉ
làm được các chi tiết máy nhỏ (đường kính 20 – 40 ) và hình
3


dạng tương đối phức tạp như bánh răng . Chúng có thể đạt
được yêu cầu cao hơn sau khi hoá tốt 800 – 950 MPa. Nhưng
nhược điểm là bị giòn ram loại II khi ram cao nên sau khi
ram thường làm nguội trong dầu ( thay vì không khí ) . Tuy
nhiên khi thêm khoảng 0,25 % Mo sẽ làm cải thiện độ thấm
tôi và chống được giòn ram loại II , có thể dùng làm cho các
chi tiết trung bình ( > 50 mm ), và hình dạng tương đối
phức tạp .
2.3 Lập bảng các ký hiệu và thành phần của thép theo tiêu
chuẩn các nước :
Tiêu

Mác thép

chuẩn
TCVNViệt Nam
OCT –
Nga

20CrMo

20XM

JIS - Nhật SCM420

AISI - Mỹ 4120

C
0.170.23

Si

≤ 0.40

Mn

Pmax Smax Cr

0.7-

≤

1.00

0.035 5

0.15- 0.17- 0.40- 0.035
0.25

0.37

0.70

0.18- 0.15- 0.60- 0.03
0.23

0.35

0.23

0.35

≤0.03 0.30-

0.035
0.03

0.85

0.18- 0.15- 0.901.20

Ni

0.05-

0.60

0.2

0.80-

0.15-

1.10
0.901.20

0.035 0.04

Mo

≤0.30

≤0.25

0.25
0.150.3

0.40-

0.13-

0.60

0.20

Nhận xét :

4


Ta nhận thấy rằng thành phần các mác thép của các nước có

•

sự khác nhau nhưng không nhiều mà vẫn đảm bảo được cơ
tính của vật liệu.
•

Lượng các bon của Nhật và Mỹ khá lớn so với các nước khác.

•

Lượng các bon của Nga thấp.

•

Lượng S của Mỹ cũng khá lớn = 0,04 % , trong đó lượng S
của Nhật thấp 0,03 %.

2.4 Vai trò của các nguyên tố hợp kim chính trong nhiệt
luyện:

Khác với thép các bon , thép hợp kim là loại thép mà người
ta đưa vào các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay
đổi tổ chức và cải thiện tính chất ( cơ , lý , hoá ) . Như vậy đối
với các thành phần chính C , Cr , Mo sẽ ảnh hưởng đến cơ


•

tính và công nghệ nhiệt luyện như sau:
Cacbon:
Lượng các bon sẽ đảm bảo sự kết hợp tốt nhất của các chỉ

tiêu cơ tính : độ bền , độ dẻo , độ dai va đập ( cơ tính tổng hợp ).
•

Lượng các bon cho phép được qui định tong thép là khoảng
0,1 – 0,25 % để đảm bảo độ dẻo và độ dai của lõi ở trạng thái tôi +
ram thấp để đạt độ bền cao nhất.

5


Dùng giới hạn dưới khi cần độ dai cao hơn , dùng giới hạn

•

trên khi cần độ bền cao hơn.
•

Nếu cần độ bền cao hơn nữa thì có thể dùng tới 0,3 % C.

•

Nếu dùng cao hơn nữa độ dai của lõi sẽ thấp khi tôi và ram
thấp, không chịu được các tải trọng va đập.
Do phải nung lâu ở nhiệt độ cao khi thấm C, các thép thấm C

•

phải là loại khử Oxy triệt để, tốt nhất là loại hạt nhỏ để khi thấm
xong hạt không bị to làm thép giòn.


Các thành phần khác:
Ngược lại , để đảm bảo các yêu cầu trên các nguyên tố

hợp kim dùng trong thép thấm cacbon phải đảm bảo cả hai tác
dụng : vừa làm tăng tính thấm tôi để nâng cao độ bền, vừa thúc
đẩy quá trình thấm cacbon ( hoặc ít ra cũng không cản trở ) .
Nguyên tố hợp kim cơ bản có mặt trong mọi loại thép hợp kim là
Cr , có thể dùng riêng hay kết hợp với Ni , Mn .
• Cr ( 0,30%-0,6 % )
Như ta đã biết Cr là nguyên tố tương đối rẻ, nó không
những nâng cao độ thấm tôi còn xúc tiến quá trình thấm Cacbon.
Bề mặt bánh răng là phần chịu ứng suất tác dụng lớn , chịu mài
mòn ma sát khi làm việc tiếp xúc với môi trường. Yêu cầu bề mặt
có độ cứng, tính chống mài mòn cao trong khi lõi vẫn bền và dẻo
dai, muốn vậy ta phải hoá bền bề mặt . =>Thành phần Cr sẽ giúp
cải thiện tính tôi.
6

•

Mo ( 0,05 – 0,2% )
Mo có thể tránh được giòn ram loại II , thường được

đưa vào thép Cr – Ni với độ thấm tôi cao có lượng cac bon khoảng
0,2 – 0,4 % . Ngoài ra nó còn có tác dụng nâng cao độ thấm tôi.
3. Tổ chức đạt được khi làm nguội thép qua các điểm tới
hạn:


Mục tiêu cảu nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên austenit hạt
nhỏ, sự chuyển biến này quyết định cơ tính của thép khi làm việc
hay gia công tiếp theo. Tổ chức tạo thành khi làm nguội phụ thuộc
vào nhiều yếu tố như: độ quá nguội, thành phần tổ chức của thép



… và cả phương thức làm nguội.
Bỏ qua chuyển biến bao tinh xảy ra ở nhiệt độ 1499 º C vì nó xảy
ra ở nhiệt độ quá cao và không có ảnh hưởng gì đến tổ chức của



thép khi gia công và sử dụng.
Ban đầu tổ chức của thép là austenit có thành phần chính bằng



thành phần của thép vì vậy chúng dẻo dai và dễ biến dạng.
Từ 8650C đến 7270C: một phần austenit chuyển thành ferit nên
hỗn hợp thu được gồm hai pha ferit + austenit ( α+γ ). Như đã nói
ở trên tổ chức tế vi của ferit có dạng các hạt sáng đa cạnh. Cơ tính
của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền.
Như vậy tổ chức nhận được gồm hai pha đều dẻo và mền. Tỷ lệ %
của hai pha ferit và austenit tại điểm tới hạn (nằm trên đường A 1)


o

được tính theo quy tắc cánh tay đòn (trên giản đồ Fe-C) :
Thấp hơn 7270C :
Ở 7270C xảy ra phản ứng cùng tích (đường PSK) : austenit chuyển
thành peclit.
7


γs → [α + Fe3CK] .
o

Tổ chức nhận được là ferit và xêmentit ( F + XeII ). Xêmentit (ký
hiệu Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức
Fe3C và thành phần 6,67% C ứng với đường thẳng đứng DFKL
trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit
nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C.
=>Như vậy tổ chức nhận được gồm có 97% ferit và 3% Xe nên
đặc tính chung của hỗn hợp là đặc tính của ferit (chiếm tỷ lệ rất
cao) : dẻo, dai, mềm, kém bền.

4. Nhiệt luyện kết thúc :


Đối với thép 20CrMn này , sau khi gia công cơ khí nhiệt
luyện kết thúc bao gồm những nguyên công là : thấm cacbon
và tôi + ram thấp .
Thấm C

Tôi trực tiếp

880-980ºC
880-980ºC

Tôi cho lõi

860-900º C

Tôi bề mặt

780-820º C

Ram

150-200º C

Dầu , bể muối 160250ºC
Dầu , bể muối 160250ºC
Dầu , bể muối 160250ºC
Dầu , bể muối 160250ºC
Không khí

8


Bước 1 : Thấm cacbon.
Thấm cacbon là phương pháp hoá - nhiệt bao gồm làm bão hoà




cacbon vào bề mặt của thép cacbon thấp , rồi tiếp theo là tôi và
ram thấp làm bề mặt có độ cứng , tính chống mài mòn cao (do
lượng cacbon cao), còn lõi có độ bền tốt và dẻo dai (do lượng


cacbon thấp như cũ).
Mục đích của thấm cacbon là làm cho bề mặt của thép cứng tới
HRC 60-64 với tính chống mài mòn cao ,chịu mỏi tốt , còn lõi
bền .dẻo ,dai với độ cứng HRC 30-40 .
 Các yếu tố thấm:
• Nhiệt độ:
Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon là phải sao cho thép ở
trạng thái hoàn toàn là austenit, vì như đã thấy ở giản đồ pha FeC chỉ có pha này mới có khả năng hoà tan nhiều cacbon . Vậy nhiệt
độ thấm cao hơn AC3 của thép tức là trong khoảng 900 – 950 ºC.
Nhưng nếu thấm ở nhiệt dộ cao hơn thì càng chóng đạt chiều sâu
lớp thấm qui định, do đó ta chọn tăng nhiệt độ ( 930-980 )º C.

•



Thời gian thấm:
Thời gian thấm ( giữ nhiệt ở nhiệt độ thấm ) phù thuộc vào 2 yếu
tố sau :
Chiều dày lớp thấm yêu cầu được qui định ở điều kiện kỹ thuật và
thường ở 3 mức sau : 0,5- 0,8 , 0,9-1,2 , 1,5 – 1,8 mm làm sao cho
lớp thấm có chiều dày 0,1 – 0,15 đường kính hay chiều dày tiết
diện.
9


Riêng đối với bánh răng chiều dày lớp thấm x
tính theo môđun m của răng , x/m = 0,2-0,3 như sau:
m = 1,5 , x = 0,50mm , m = 3,0 , x = 0,80 mm


Chiếu sâu lớp thấm yêu cầu càng lớn, thời gian càng phải càng
dài.
Tốc độ thấm: Đại lượng này phụ thuộc vào môi trường thấm và
nhiệt độ. Ở cùng một nhiệt độ, tốc độ thấm cacbon trong môi



trường lỏng là cao nhất, sau đó đến khí và thấp nhất là thể rắn.
 Bước 2 : Nhiệt luyên kết thúc.
Nhiệt luyện kết thúc nhằm tạo cho chi tiết có cơ tính như mong



muốn.

Như ta đã thấy sự khuyếch tán cacbon kể trên chỉ là tạo nên sự
phân bố cacbon hợp lý trên tiết diện , tạo điều kiện để tôi tiếp đạt
yêu cầu: bề mặt cứng, lõi bền, dai. Vì vậy sau khi thấm cacbon,
thép bắt buộc phải qua tôi + ram thấp. Trong các nguyên công



nhiệt luyện thép, tôi là nguyên công quan trọng nhất .
Tôi thép:
Là phương pháp nhiệt luyện bao gồm : nung thép lên cao quá
nhiệt độ tới hạn AC1 để làm xuất hiện austenit, giữ nhiệt và làm
nguội nhanh thích hợp để biến nó thành mactenxit hay các tổ



chức không ổn định khác với độ cứng cao.
Mục đích của tôi thép là đạt độ cứng cao nhất sau đó kết hợp với

1)

ram ở nhiệt độ thích hợp nhằm các yêu cầu sau :
Nâng cao độ cứng và chống mài mòn (kết hợp với ram thấp) nhờ
đó kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy chịu mòn, nhờ tôi nên đạt
được độ cứng cao nhất, nếu chỉ có ram thấp chỉ có tác dụng làm
giảm ứng suất bên trong, không làm giảm độ cứng sau khi tôi.
10


2)

Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy.
=>Như ta đã biết sau khi tôi độ bền, độ cứng của thép tăng lên
nhiều lần song nếu lớp tôi quá mỏng (độ thấm tôi nông ) thì hiệu
quả này không đáng kể: lõi do không được tôi, có độ bền thấp do
đó nguy cơ phá huỷ từ đây là rất lớn. Khi lớp thấm tôi dày (độ
thấm tôi sâu) hiệu quả này sẽ trở nên hoàn toàn hơn nhờ đó sức
chịu tải tăng lên rõ rệt. Đặc biệt khi tôi thấu hoá bền bằng tôi +
ram đối với thép là hoàn toàn dễ dàng đạt được cơ tính cao và
đồng nhất trên toàn tiết diện nó rất quan trọng đối với bánh răng.

Độ
thấm

1.5 3

5

7

9

11 13 15 20 25 30 35 40

tôi(mm)
H



Max

49

47

Min

41

37

44
31

41 38 35 33 31 28 26 25 24 24
27 24 22 -

-

-

-

-

-

-

Đây là chi tiết yêu cầu cơ tính tổng hợp cao do đó nhiệt luyện kết
thúc thích hợp là tôi ở nhiệt độ T = 880 º C . Để tránh thoát C cần

nung trong lò muối. Môi trường tôi là dầu .Sau đó ram thấp ở
nhiệt độ T = 200 º C, tổ chức đạt được là mactenxit ram. Sau khi

11


ram độ cứng không giảm đi hoặc chỉ giảm rất ít, ứng suất giảm đi


đáng kể do đó có tính dẻo, dai tốt hơn, khó bị phá huỷ giòn hơn.
Thời gian cũng có ảnh hưởng tới chuyển biến khi ram tuy không
mạnh bằng nhiệt độ.
Kéo dài thời gian ram cũng có tác dụng như nhiệt độ. Vì vậy
sau khi tôi nên ram ngay để vừa tránh nứt xảy ra sau khi tôi vừa
để tránh hiện tượng ổn định hoá austenit.
5. Lựa chọn vật liệu thay thế
Nếu cần thay thế ta lực chọn vật liệu thép hoá tốt Cr +Ni
cao . Với mác thép là: 30XH3A theo tiêu chuẩn của Nga .
Bởi vì ta biết bánh răng là chi tiết đòi hỏi cần có cơ tính tổng
hợp cao , đòi hỏi bề mặt có độ cứng , tính chống mài mòn tốt
trong đó lõi vẫn bền và dẻo dai , như vậy hai nguyên tố Cr , Ni sẽ
giúp cho vật liệu nâng cao tính tôi đảm bảo cơ tính . Mặt khác
chúng không những nâng cao độ cứng và độ bền mà còn nâng cao
được chút ít độ dai.
Hay ta có thể thay thế được bằng thép 40X . Thép này chứa
Cr ( 0,5% - 1% ) cũng cải thiện được tính tôi , nhưng không chống
được giòn ram loạ.

12