ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM CARBON để NÂNG CAO độ bền mòn của bộ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH CHẾ tạo BẰNG THÉP 18хгт

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM CARBON ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BỀN MÒN
CỦA BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG HÀNH TINH CHẾ TẠO BẰNG THÉP 18ХГТ
APPLIED PLASMA-CARBURIZING TECHNOLOGY TO INCREASE WEARING
ENDURANCE OF PLANETARY GEAR TRANSMISSION WERE MADE BY 18ХГТ STEEL
Phạm Văn Đông
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

TÓM TẮT
Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu tổ chức tế vi, đánh giá độ cứng bề mặt răng của bộ
truyền bánh răng hành tinh sau khi được xử lý bằng phương pháp thấm carbon. Các mẫu bánh
răng thử nghiệm được thấm carbon, tôi và xác định độ cứng từ bề mặt vào trong lõi của bánh
răng, kết hợp nghiên cứu sự thay đổi tổ chức tế vi cho thấy công nghệ thấm carbon có nhiều
ưu điểm để nâng cao độ bền mòn của bộ truyền bánh răng hành tinh. Từ những kết quả nghiên
cứu cho phép lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý nhiệt để thiết kế quy trình chế tạo bộ truyền
bánh răng hành tinh.
Từ khóa: bánh răng hành tinh, thấm carbon.
ABSTRACT
This paper presents the researching results of mirco-structure, estimation of hardness
gear’s surface of planetary gear after plasma carburizing process. The sample gear models are
treated by plasma carburizing process, tempered and determined hardness from gear’s surface
to gear’s core, compined studying the change of micro-structure show that the plasma
carburizing technology has many advantages to incease wearing endurance of planetary gear
transmission. From the researching results, it permits to select heating treatment technology
solution to design manufactured technological process of planetary gear transmission.
Keywords: planetary gears, plasma-carburizing.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây các loại máy móc, thiết bị phục vụ công trình được nhập vào
Việt Nam ngày càng nhiều về số lượng và phong phú về chủng loại, như các thiết bị của Mỹ,
Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc,… Các máy móc thiết bị phục vụ công trình làm việc trong điều

kiện tải trọng động, tải trọng thay đổi trong phạm vi rộng và quá tải ngắn hạn, bởi vậy thường
xảy ra hỏng hóc, đặc biệt là đối với bộ truyền bánh răng.
Bộ truyền bánh răng hành tinh (Hình 1) là bộ truyền cũng xảy ra các hư hỏng như: gãy
mẻ răng, mòn răng, tróc dỗ răng và dính răng. Nhưng do chế độ làm việc nặng, liên tục nên
bộ truyền bánh răng hành tinh thường bị hư hỏng do mòn răng và gãy mẻ răng (Hình 2).

Hình 1. Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh
428

Hình 2. Bánh răng trung tâm của Hộp
giảm tốc hành tinh bị gãy mẻ răng


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Để khắc phục được những hư hỏng đó với điều kiện làm việc khắc nghiệt, đòi hỏi phải
có nhiều biện pháp để nâng cao chất lượng độ bền bánh răng, như việc lựa chọn khảo sát vật
liệu chế tạo bánh răng, sử dụng công nghệ xử lý bề mặt để nâng cao chất lượng bề mặt răng.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Vật liệu và thiết bị thí nghiệm
2.1.1. Vật liệu gia công
Vật liệu thường chọn làm bánh răng trong điều kiện làm việc chịu tải trọng không ổn
định là vật liệu thép hợp kim có độ bền cao, có từ 2-3 thành phần kim loại, tỷ lệ phần trăm
carbon thấp [1,2]. Ở đây tác giả nghiên cứu mẫu bánh răng hành tinh để thí nghiệm bằng vật
liệu thông dụng 18ХГТ (ГOCT 14959-79); số lượng và thông số mẫu thí nghiệm thể hiện
trong Bảng 1, bánh răng thí nghiệm thể hiện ở Hình 3 và 4.
Bảng 1. Số lượng và thông số chế tạo bánh răng
Số lượng mẫu
12

Thông số chế tạo bánh răng mẫu

m

Z

d

da

df

b

β

α

1

51

51

53

48,5

24

0o

20o

Hình 3. Bánh răng thí nghiệm
2.1.2. Trang thiết bị thí nghiệm
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã sử dụng một số máy móc, thiết bị phục vụ quá
trình thí nghiệm và đo kiểm. Các thiết bị chính bao gồm (Hình 5, 6, 7):

Hình 4. Hình ảnh bánh răng thí nghiệm

Hình 5. Máy phân tích tổ chức tế vi và đo chiều
sâu lớp thấm tôi LEICA DFC290 (Đức)

- Máy phân tích tổ chức tế vi và đo chiều sâu lớp thấm tôi LEICA DFC290: Hình 5.
- Máy kiểm tra thành phần hoá học ARL 3460 (Thụy Sỹ): Hình 6.
- Máy đo độ cứng Vicker FRANK (Đức): Hình 7.
429


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 6. Máy kiểm tra thành phần hoá học
ARL 3460

Hình 7. Máy đo độ cứng Vicker
FRANK

2.2. Phương pháp thực nghiệm
Nghiên cứu được thực hiện trên 12 mẫu bánh răng chưa qua sử dụng. Các mẫu bánh
răng hành tinh được xác định mác thép bằng phương pháp quang phổ; sử dụng phương pháp
thấm carbon, tôi; kiểm tra sai số hình học của bánh răng; kiểm tra đánh giá độ cứng của các

bánh răng mẫu; mài nghiền, kiểm tra độ nhám và chạy thực nghiệm. Đo, kiểm tra và đánh giá
độ mòn của bánh răng hành tinh.
2.3. Kết quả thực nghiệm
2.3.1. Kết quả phân tích mác thép
Kết quả phân tích mẫu bánh răng bằng quang phổ phát xạ được thể hiện trong Bảng 2.
Bảng 2. Kết quả phân tích thành phần hoá học mác thép làm bánh răng
Vật liệu
18XГT

Thành phần hóa học trung bình các nguyên tố chính (%)
C

Cr

Ni

Mn

Ti

S

P

Mo

0,2018

1,0073

0,0362

0,9045

0,0859

0,0007

0,00293

0,02816

2.3.2. Thông số công nghệ khi thấm carbon
Sau khi phân tích thành phần hoá học, các mẫu bánh răng được tiến hành thấm carbon.
Thông số công nghệ khi thấm thể hiện trong Bảng 3 [3-8].
Bảng 3. Thông số công nghệ khi thấm carbon
Vật liệu

Nhiệt độ thấm (oC)

Thời gian thấm (h)

Thời gian giữ nhiệt độ (h)

18ХГТ

920

8

10

2.3.3. Kết quả phân tích tổ chức tế vi
2.3.3.1. Kết quả phân tích tổ chức hạt
Các mẫu sau khi nhiệt luyện được làm sạch, đánh bóng và đưa lên máy LEICA DFC290 để
soi tổ chức tế vi, kết quả hình ảnh nhận được với độ phóng đại 200X được thể hiện trong Hình
8. Qua hình ảnh tổ chức tế vi của mẫu được chụp trong lõi bánh răng cho thấy thành phần
Austenite đã chuyển biến phần lớn thành martenxite kim (pha sẫm) và một phần Austenite dư
(pha trắng), như vậy mẫu bánh răng đã được tôi thấu.

430


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 8. Tổ chức tế vi của mẫu sau khi thấm Hình 9. Kích thước hạt của mẫu sau khi thấm
Sau khi soi tổ chức tế vi, tiến hành đo kích thước hạt, xác định số lượng hạt trên diện
tích 0,0432 mm2, với độ phóng đại 500X. Kết quả đo cho thấy kích thước hạt trung bình trên
mẫu là 10,29127µm (Hình 9).
2.3.3.2. Kết quả xác định chiều sâu lớp thấm
Các mẫu được làm sạch, đánh bóng và đưa lên máy soi tổ chức tế vi LEICA DFC290 để
tiến hành đo xác định chiều sâu lớp thấm tại các vị trí đỉnh răng, chân răng và sườn răng. Kết
quả đo được thể hiện ở Hình 10, 11 và 12.

Hình 10. Chiều sâu lớp thấm đỉnh răng

Hình 11. Chiều sâu lớp thấm chân răng

Nhận xét:
Mẫu bánh răng sau khi thấm carbon có chiều sâu lớp thấm trung bình tại vị trí chân răng

là 811,752 µm, tại vị trí đỉnh răng bằng 1471,621 µm và tại vị trí sườn răng là 732,396µm

Hình 12. Chiều sâu lớp thấm sườn răng
của mẫu sau khi thấm carbon

Hình 13. Xác định khoảng cách giữa các vị
trí khi đo độ cứng
431


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.3.4. Kết quả đo độ cứng tế vi
Mẫu bánh răng được đo độ cứng trên máy Vicker FRANK từ mặt răng vào trong lõi
bánh răng đến khi độ cứng ổn định.
- Đối với đỉnh răng được đo ở các vị trí từ đỉnh răng vào trong lõi bánh răng với khoảng
cách giữa 2 vị trí đo liên tiếp là 0,5 mm (Hình 13).
- Đối với chân răng được đo ở các vị trí từ chân răng vào trong lõi bánh răng với
khoảng cách giữa 2 vị trí đo liên tiếp là 1 mm.
Kết quả đo độ cứng từ mặt răng vào trong lõi bánh răng thể hiện trong Bảng 4.
Bảng 4. Kết quả đo độ cứng từ bề mặt vào trong lõi bánh răng (HV)
Vị trí đo

Đỉnh răng

Chân răng

Vị trí đo

Đỉnh răng

Chân răng

1

752

642

7

623

-

2

715

642

8

620

-

3

673

634

9

613

-

4

643

620

10

613

-

5

627

615

11

613

-

6

627

613

12

613

-

644,583

627,667

Giá trị trung bình

Dựa vào kết quả đo, ta có đồ thị thể hiện độ cứng từ bề mặt răng vào trong lõi của bánh
răng đến khi độ cứng ổn định trên Hình 14.
HV
800

600

400

200

0

1

2

3

4

5

6

Khoang
Khoảng cách
cách (mm)
(mm)

Hình 14. Đồ thị thể hiện độ cứng từ mặt ngoài vào lõi bánh răng
Kết quả đo độ cứng bề mặt răng thể hiện trong Bảng 5.
Bảng 5. Kết quả đo độ cứng trung bình bề mặt răng
Ký hiệu mẫu

Độ cứng (HV)

Ký hiệu mẫu

Độ cứng (HV)

01

782

07

781

02

785

08

782

03

790

09

785

04

780

10

780

05

782

11

779

06

776

12

786

Giá trị trung bình

782,33
432


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nhận xét: Độ cứng trung bình bề mặt răng của mẫu bánh răng hành tinh sau khi thấm
carbon là 782,33 HV; độ cứng trung bình từ mặt răng vào trong lõi bánh răng đến khi độ cứng
ổn định của đỉnh răng là 644,583 HV và của chân răng là 627,667 HV.
3. KẾT LUẬN

Nghiên cứu xác định được thành phần Austenite đã chuyển biến phần lớn thành
martenxite và một phần Austenite dư. Sau khi soi tổ chức tế vi, đã xác định được kích thước,
số lượng hạt trên diện tích 0,0432 mm2 với kích thước hạt trung bình là 10,29127 µm.
Vật liệu chế tạo bánh răng là 18ХГТ, với chế độ thấm tôi như đã chọn, bánh răng sau
khi thấm carbon có chiều sâu lớp thấm trung bình tại vị trí chân răng là 811,752 µm, tại vị trí
đỉnh răng bằng 1471,621 µm, tại vị trí sườn răng bằng 732,396µm.
Độ cứng trung bình được đo từ mặt ngoài vào lõi bánh răng đến khi độ cứng ổn định
sau khi thấm carbon của đỉnh răng là 644,583 HV, của chân răng là 627,667 HV.
Như vậy, các mẫu bánh răng chế tạo bởi vật liệu 18ХГТ thấm carbon với thông số công
nghệ khi thấm như đã chọn thì chiều sâu lớp thấm trung bình đạt 1005,256 µm. Độ cứng trung
bình bề mặt răng của các mẫu bánh răng sau khi thấm carbon là 782,33 HV.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Văn Địch, Công nghệ chế tạo bánh răng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2006.
[2] Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2010.
[3] Phạm Văn Đông, Trần Đức Quý, Trần Vệ Quốc, Nâng cao độ bền bề mặt của bộ truyền
bánh răng bằng thấm nitơ plasma, Kỷ yếu Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về
Cơ khí lần thứ III, 2013.
[4] Nguyễn Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất, Công nghệ nhiệt luyện, NXB Giáo dục, Hà Nội,
2000.
[5] Nguyễn Phú Ấp, Công nghệ hoá nhiệt luyện trong chế tạo máy, NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội, 1994.
[6] Nguyễn Văn Tư, Xử lý bề mặt, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1999.
[7] Lục Vân Thương, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm Nitơ xung plasma ở nhiệt độ
thấp trong chế tạo dụng cụ cắt gọt và chi tiết máy, Đề tài nghiên cứu Khoa học Công
nghệ - Bộ Công thương, 2007.
[8] Nguyễn Chung Cảng, Sổ tay nhiệt luyện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2002.
[9] A. Birolini (1999), Reliability Engineering Theory and Practice, Springer – Zurich.
[10] Faydor L. Litvin and Alfonso Fuentes (2004), Gear Geometry and Applied Theory,
Cambridge University Press.
[11] J. P. Holman (2001), Experimental Methods for Engineers, McGraw-Hill.

[12] Geoge E. Totten (2006), Ph. D., Fasm Steel heat treatment Metallurgy and technology,
ASM Handbook Vol 4 Heat treating.
[13] В. М. Зинченко, Инженерия поверхности зубчатых колес методами химко термической обработки, Москва Издательство МГТУ имю Н. Э Баумана 2001.
[14] Э. Н. Гулида (1981), Иcследование влиярия качесва поверхностного слоя зубь-ев
цилиндрических кодес на их надежность, В ки Размерный анализ и ста-тистические
методы регулирования точности технологических процессов Матконф, НТО
Машпром Запарожье.
433


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[15] Э. Н. Гулида (1980), Технологические основы управления надежностью цилиндрических зубчатых колес, Вести Львов политехн ин-та.
[16] В. М. Зинченко (2001), Инженерия поверхности зубчатых колес методами химкотермической обработки – Москва Издательство МГТУ имю Н. Э Баумана.
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
TS. Phạm Văn Đông - Phòng Khoa học Công nghệ
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội
Email: ; ĐT: 0967051166.

434