Đồ án thiết kế sản xuất khuôn gạch và bu lông

Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

1


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay nền công nghiệp Việt Nam đang đi theo xu hướng tự chủ trong
công nghệ và thiết bị, vì thế một kỹ sư không chỉ cần hiểu biết cách sử dụng,
ứng các công nghệ hiên đại, máy móc vào sản xuất mà còn phải có khả năng
thiết kế dây truyền sản xuất, bố trí xưởng sản xuất sao cho hợp lí với nhu cầu
sản xuất của công ty. Vì thế mà thiết kế xưởng nhiệt luyện là nội dung vô cùng
quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư nhằm giúp các sinh viên có kiến
thức gần với thực tiễn sản xuất trong công nghiệp, là môn học để sinh viên vận
dung các kiến thức đã học vào trong một tổng thể.
Công nghệ nhiệt luyện nhằm làm thay đổi tính chất vật liệu bằng cách thay
đổi cấu trúc của vật liệu thông qua việc xử lý nhiệt. Đăc biệt trong cơ khí chế tạo
máy, nhiệt luyện đóng vai trò vô cùng quan trọng vì không những nó giúp cho
các chi tiết sau khi gia công có độ bền, độ cứng, độ dẻo, dộ dai….phù hợp với
mong muốn của người sử dụng mà nó còn tạo ra những chi tiết có tính công
nghệ rất cao. Do đó có thể nói, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng quyết định
đến chất lượng sản phẩm cơ khí sau cùng. Lựa chọn được công nghệ nhiệt luyện
phù hợp và tính toán sao cho quá trình xử lý hiệu quả và tiết kiệm nhất sẽ đảm
bảo được chất lượng sản phẩm luôn ổn đinh, giúp cho nhà đầu tư tiết kiệm và
thu được lợi nhuận kinh tế cao.
Đồ án môn học: “thiết kế xưởng nhiệt luyện” gồm các bước phân tích lựa
chọn vật liệu, lập quy trình nhiệt luyện, tính toán lựa chọn thiết bị và thiết kế
xưởng nhiệt luyện. Để làm được tất cả những điều trên sinh viên phải vận dụng
toàn bộ các kiến thức đã được học và tìm tòi từ nhiều nguồn thông tin thực tế từ
các công ty đã sản xuất các sản phẩm tương tự.

Nhờ có sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn và các bạn chúng em đã có thể hoàn
thành được đồ án môn học. Vì đây là lần đầu tham gia thiết kế một xưởng nhiệt
luyện nên trong quá trình làm không thể tránh khỏi sai sót, chúng em mong được
thầy cô xem xét là chỉ bảo thêm để đồ án thiết kế xưởng này có thể hoàn thiện
hơn.
Em xin gửi lời chân thành cảm ơn tới TS. Nguyễn Anh Sơn là người trực
tiếp hướng dẫn chúng em trong quá trình thực hiện đồ án này, các thầy cô bộ
môn vật liệu học và xử lí nhiệt luyện đã truyền đạt kiến thức chuyên môn cho
chúng em.
Hà Nội, ngày 29 tháng 08 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thế Hiếu
Nguyễn Hải Thịnh Miện Nho

2


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

MỤC LỤC
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG......................................................................7
1.1. Khuôn gạch không nung...............................................................................7
1.1.1. Giới thiệu chung về khuôn gạch không nung.............................................7
1.1.2. Điều kiện làm việc và yêu cầu đồi với khuôn gạch không nung.................8
1.2. Bulông cường độ cao..................................................................................11
1.2.1. Giới thiệu chung.......................................................................................11
1.2.2. Điều kiện làm việc, yêu cầu cơ tính và lựa chọn vật liệu chế tạo.............12
CHƯƠNG II. QUY TRÌNH CHẾ TẠO, NHIỆT LUYỆN..................................16
2.1. Khuôn ép gạch không nung.........................................................................16
2.1.1. Quy trình chế tạo......................................................................................16

2.1.2. Lí do lựa chọn thấm C-N..........................................................................18
2.2. Bu-lông.......................................................................................................19
2.2.1. Quy trình chế tạo......................................................................................19
2.2.2. Quy trình nhiệt luyện tổng quát................................................................20
CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN QUY TRÌNH NHIỆT LUYỆN.............................21
3.1. Khuôn ép gạch............................................................................................21
3.1.1. Lựa chọn thiết bị......................................................................................21
3.1.2. Tính toán quá trình thấm C-N và nhiệt luyện kết thúc..............................22
3.2. Bu-lông.......................................................................................................29
3.2.1. Lựa chọn thiết bị......................................................................................29
3.2.2. Tính toán quá trình nhiệt luyện................................................................29
CHƯƠNG IV. TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ.........................................36
4.1. Thiết bị dùng cho khuôn ép gạch không nung.............................................36
4.1.1. Lò thấm C-N............................................................................................36
4.1.2. Lò thường hóa..........................................................................................36
4.1.3. Lò ram......................................................................................................37
4.1.4. Bể làm nguội............................................................................................37
4.2. Thiết bị nhiệt luyện cho bu-lông.................................................................39

3


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện
4.2.1. Lò tôi........................................................................................................39
4.2.2. Lò ram......................................................................................................40
4.2.3. Bể làm nguội............................................................................................41
4.3. Thiết bị phụ.................................................................................................42
4.3.1. Đồ gá cho khuôn ép gạch.........................................................................42
4.3.2. Xe nâng....................................................................................................42
4.3.3. Máy đo độ cứng.......................................................................................43

4.3.4. Máy đo độ cứng cầm tay..........................................................................44
4.3.5. Cần trục....................................................................................................45
4.3.6. Các thiết bị phụ khác................................................................................46
CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ MẶT BẰNG XƯỞNG................................................49
5.1. Thiết kế mặt bằng cho xưởng nhiệt luyện khuôn ép gạch...........................49
5.1.1. Chọn địa điểm, vị trí, hướng và kiểu nhà xưởng......................................49
5.1.2. Yêu cầu trong việc sắp xếp, bố trí và các khu vực trong nhà xưởng.........49
5.3. Thiết kế mặt bằng xưởng.............................................................................51
5.4. Thiết kế lưới điện-nước...............................................................................52
CHƯƠNG VI. TÍNH TOÁN CHI PHÍ SẢN XUẤT............................................53
6.1. Điện tiêu thụ cho nhiệt luyện......................................................................53
6.2. Tiền khấu hao thiết bị..................................................................................55
6.3.Tiền lương của người lao động.....................................................................56
6.5. Chi phí tiền điện sinh hoạt và tiền dầu........................................................56
6.4.Chi phí lên cho mỗi khối lượng sản phẩm....................................................57
CHƯƠNG VII. AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ VỆ SINH MÔI TRƯỜNG..........58
7.1. An toàn lao động chung...............................................................................58
7.1.1. Thông gió.................................................................................................58
7.1.2 Chiếu sáng.................................................................................................58
7.1.3. Phòng cháy chữa cháy..............................................................................58
7.2. Biện pháp đề phòng và chống tai nạn xảy ra khi nhiệt luyện......................59
7.2.1. Chống độc hại..........................................................................................59
7.2.2. Phòng chống bỏng....................................................................................59
7.2.3. Phòng tai nạn về mắt................................................................................59
4


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện
7.2.4. Phòng chống điện giật..............................................................................59
7.2.5. Quy tắc an toàn tập thể.............................................................................60

7.3. An toàn lao động khi làm việc ở các thiết bị...............................................60
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU................................................................................61
Sơ đồ bố trí mặt bằng xưởng...................................................................................63
Mặt chiếu đứng của nhà xưởng...............................................................................64
Sơ đồ điện của nhà xưởng.......................................................................................65
Sơ đồ nước của nhà xưởng......................................................................................66
Tài liệu tham khảo...................................................................................................67

5


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Khuôn gạch không nung.
1.1.1. Giới thiệu chung về khuôn gạch không nung.
Khuôn gạch không nung là một bộ phận trong máy ép gạch khôn nung, nó
được coi như trái tim của máy ép gạch. Khuôn ép gạch không nung có đa dạng
chủng loại và chia làm hai loại chính là khuôn nguyên khối và khuôn ghép. Hiện
nay trên thị trường chủ yếu sử dụng loại khuôn ghép sơ mi, tức là được ghép từ
nhiều chi tiết lại với nhau. Một bộ khuôn làm gạch hoàn chỉnh gồm có hai phần
là bàn ép và đế khuôn hay còn gọi là chày và cối.
Khuôn làm gạch không nung phải làm việc trong điều kiện chịu mài mòn
cao và rung lắc. Do trong quá trình sản xuất gạch nguyên liệu thường là mạt đá,
cát và xi măng liên tục được dồn đầy vào khuôn là tiến hành ép, giữa khuôn và
nguyên liệu có sự ma sát liên tục theo chu kì (khoảng vài trăm nghìn lần) trong
thời gian dài làm mòn khuôn. Ngoài ra khuôn còn phải chịu rung từ bàn rung
dưới đế khuôn nhằm tăng mật độ bê tông.

Hình 1.1: Khuôn ép gạch không nung.

1.1.2. Điều kiện làm việc và yêu cầu đồi với khuôn gạch không nung.
6


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

1.1.2.1. Điều kiện làm việc.
a. Độ cứng của vật liệu thép phải phù hợp: Độ cứng làm khuôn là một trong
những yếu tố quyết định sự chịu mài mòn của khuôn. Thông thường độ cứng của
vật liệu thép càng cao thì khả năng chịu mài mòn càng lớn. Thông thường yêu
cầu cho khuôn làm gạch cần đạt độ cứng 55HRC trở lên.
b. Khuôn phải có tính dẻo: Trong quá trình sản xuất khuôn gạch không nung
thường phải chịu lực ép, lực rung lớn và liên tục nên rất dễ gây ra hiện tượng
nứt, gãy thành, vách khuôn. Do đó vật liệu làm khuôn gạch phải có đặc tính chịu
dẻo chịu lực uốn tốt.
c. Khuôn phải có khả năng chịu nhiệt. Khi nhiệt độ làm việc của khuôn gạch
tăng cao sẽ khiến cường độ chịu lực và độ cứng của khuôn gạch bị hạ thấp, dẫn
đến khuôn gạch không nung dễ bị biến dạng hoặc mòn. Do đó vật liệu làm
khuôn gạch phải có khả năng kháng nhiệt tốt, ổn định để đảm bảo khuôn gạch
không bị biến dạng, nhanh mài mòn.
=> Khuôn làm gạch yêu cầu có độ cứng bề mặt cao nhưng trong lõi vẫn
dẻo dai.
Kích thước khuôn gạch:

Hình 1.2. Kích thước khuôn ép gạch không nung.

- Rộng: 757mm.

7

Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

-

Dài: 798mm.
Cao: 130mm.
Độ dày max: 25mm.
Độ dày min: 12mm.
Kích thước lỗ gạch: Rộng 64 ± 0.2mm, dài 219 ± 0.2mm, cao 130mm.

1.1.2.2. Yêu cầu cơ tính.
Để đáp ứng điều kiện làm việc như nêu trên thì khuôn làm gạch phải thỏa
mãn các yêu cầu cơ tính sau.
Độ cứng bề mặt đạt > 55HRC
- Độ cứng lõi: 40HRC.
- Chiều dày lớp thấm C-N: (800-1000)μm.
- Hàm lượng C bề mặt: (0,75-0,95)%.
- Hàm lượng N bề mặt: (0,2-0,4)%.
1.1.2.3. Lựa chọn vật liệu.
Khuôn ép gạch không nung chỉ yêu cầu độ cứng bề mặt cao để chống mài
mòn, điều này chúng ta có thể sử dụng biện pháp thấm C-N để đảm bảo bề mặt
khuôn đạt độ cứng đáp ứng nhu cầu. Còn lõi của khuôn lại phải dẻo dai để tránh
nứt vỡ khuôn, ngoài ra thép còn phải dễ gia công cắt gọt vì thế nên vật liệu được
lựa cho phải nằm trong nhóm thép C thấp. Vì khuôn phải thực hiện thấm C-N
nên hàm lượng Si phải thấp để không ngăn cản quá trình thấm C. Từ những yêu
cầu trên ta có thể thấy thép C20, 20CrMo là những thép có thể đáp ứng như cầu
làm khuôn ép gạch không nung. Ta lựa chọn thép C20 để chế tạo khuôn vì nó
vừa đảm bảo yêu cầu mà rẻ và thông dụng hơn.

Bảng 1.1: Thành phần nguyên tố của C20.
Thàn

C

Si

Mn

P

S

0.17 – 0.24

0.17 – 0.37

0.35 – 0.65

0.034

0.037

h
phầ
n
%

8

Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

Bảng 1.2: Các mác thép tương đương với C20.
Tiêu

Mác

Thành phần (%)

chuẩn

thép

C

Si

TCV

C20

0.17

0.17

0.35

–

–

–

0.24

0.37

0.65

G405

0.18

0.15

0.3 –

<

<

0

–

–

0.6

0.2

0.2

S20C

0.23

0.35

AISI

0.18

0.3

1020

–

-0.6

N
JIS

Mỹ

Mn

Cr

Ni

-

-

S235J

Đức

2G3

0.17

<
0.55

S

0.03

0.03

4

7

<

<0.0
0.

35

03
-

-

0.23
DIN

P

1.4

<

<

0.3

0.3

<

<
0.

0.

05

04

<0.0

<0.0

35

35

Vai trò các nguyên tố trong mác thép
- Cacbon: Trong thép cacbon là nguyên tố quan trọng nhất (không kể sắt). Tổ
chức và tính chất của thép chủ yếu do cacbon quyết định. Cacbon tồn tại trong
thép dưới hai dạng: dung dịch rắn xen kẽ trong mạng tinh thể sắt và dạng liên
kết trong hợp chất Fe3C (xementit). Các pha dung dịch rắn có độ dẻo cao, độ
bền thấp, pha xêmentit là pha cứng và giòn. Sự kết hợp pha này sẽ cho các tổ
chức khác nhau của thép ứng với từng thành phần và trạng thái thép cụ thể.
Hàm lượng các bon từ 0.18-0.23% sau quy trình nhiệt luyện thấm C-N + tôi
ram thấp đáp ứng chỉ tiêu cơ tính bề mặt có độ bền cứng cao và lõi dẻo dai
chịu va đập. Sau khi thấm cacbon thì hàm lượng cacbon ở bề mặt: 0,8-1%.
- Mangan: Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào nó làm tăng độ
thấm tôi cho thép, do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng mangan cao nhất
trong thép cacbon C20 cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,30 – 0,60% nên ảnh hưởng
này không đáng kể. Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh.

9

Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

- Silic: Giống như mangan, silic cũng nâng cao độ bền và độ cứng này nên làm
tăng cơ tính của thép, song lượng silic cao nhất trong thép cacbon C20 cũng chỉ
trong giới hạn 0,17 – 0,35% nên tác dụng này cũng không rõ rệt.

Các nguyên tố hợp kim có hàm lượng rất thấp dưới mức tiêu chuẩn nên chỉ
được coi là tạp chất, không ảnh hưởng gì hiều đến tính chất của mác thép.
- Nguyên tố tạp chất có hại: P, S gây bở nóng và bở nguội cần hạn chế phần
trăm của chúng trong mác thép.
1.2. Bulông cường độ cao
1.2.1. Giới thiệu chung
Bulông là một sản phẩm cơ khí được sử dụng để lắp ráp, ghép nối các chi
tiết lại thành một khối, là chi tiết kẹp chặt, thường có dạng thanh trụ, một đầu có
mũ 6 cạnh ngoài hoặc trong (chìm), một đầu có ren (gọi là vít) để vặn với đai ốc.
Mối lắp ghép bằng bulông có thể chịu được tải trọng kéo cũng như uốn rất tốt,
nó lại có độ bền, độ ổn định lâu dài. Việc tháo lắp cũng như hiệu chỉnh mối ghép
bulông rất thuận tiện, nhanh chóng và không đòi hỏi những công nghệ phức tạp
như các mối lắp ghép khác. Do có nhiều ưu điểm nên bulông được sử dụng rộng
rãi trong các máy móc, thiết bị công nghiệp, các công trình xây dựng, công trình
giao thông, cầu cống... ở khắp mọi nơi trên thế giới.
 Đặc điểm cấu tạo của bulông cường độ cao
- Được chế tạo từ hỗn hợp thép và carbon, độ bền của bulông cường độ cao phụ
thuộc vào lượng carbon có trong thép - nếu lượng carbon càng cao bao nhiêu
thì độ bền của bulông càng lớn bấy nhiêu.
- Trên thị trường hiện nay có các loại bulông cường độ cao phổ biến là: 8.8,
10.9, 12.9…
 Phân loại bulông cường độ cao

Bu lông cường độ cao trong thép được chia làm 3 loại:
- Liên kết chịu cắt: lực vuông góc với thân bulông, khả năng chịu lực tốt nhưng
có một nhược điểm là dể bị trượt do lỗ to hơn thân bu lông. Loại bulông này
thường được sử dụng trên những kế cấu công trình không chịu ảnh hưởng bởi
sự trượt và không cần xiết quá chặt chỉ cần triển khai thực hiện sao cho đảm
bảo giữa các bản thép không có khe hở.
- Liên kết không trượt: chịu lực vuông góc thân bulông, nhưng loại bulông này
phải được xiết chặt ở mức tối đa để không trượt. Liên kết này thường được áp
dụng cho các công trình xây dựng: cầu, dầm cầu trục, kết cấu chịu lực động.
- Liên kết chịu kéo: lực dọc theo chiều thân bulông, liên kết này được ứng dụng
cho liên kết mặt bích, liên kết nối dầm của khung nhà. Theo TCVN thì không
yêu cầu lực xiết bulông nhưng ở các nước tiên tiến như Mỹ, châu Âu, Úc…thì
đều có một tiêu chuẩn riêng yêu cầu bulông phải được xiết đến lực lớn hơn

1
0


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

khả năng chịu lực khi phải làm việc dưới tải, để cho các mặt bích không bị
tách rời.
Bulông cường độ cao thường được ứng dụng trên các công trình đòi hỏi về
độ bền cao nhằm đảm bảo chất lượng an toàn tốt nhất cho công trình xây dựng.
Chính vì vậy, khi triển khai thực hiện công tác xiết bulông thì công trình đều
phải được triển khai thực hiện thí nghiệm đánh giá chất lượng bulông có đảm
bảo đạt tiêu chuẩn hay không.
Thông số cấp bền của bulông cường độ cao 8.8: Bulông cường độ cao 8.8
là bulông cường độ cao có giới hạn bền nhỏ nhất là 8×100 = 800Mpa, giới hạn
chảy là 800 x (8 / 10) = 640 Mpa.

1.2.2. Điều kiện làm việc, yêu cầu cơ tính và lựa chọn vật liệu chế tạo
1.2.2.1. Điều kiện làm việc

Hình 1.3: Bu-lông chịu lực

Các giai đoạn chịu lực:

 Do vặn ốc/êcu → thân bulông chịu kéo, các bản thép bị xiết chặt lại, tạo thành
lực ma sát giữa mặt tiếp xúc của các bản thép Nms.

1
1


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

 Dưới tác dụng của lực kéo dọc trục N, các bản thép có xu hướng trượt tương
đối với nhau (Hình a).
+ Giai đoạn 1 - khi N còn nhỏ (N < Nms) : các bản thép chưa trượt tương đối
với nhau. Lực truyền giữa các bản thép thông qua ma sát. Bulông chưa chịu
lực ngoại trừ lực kéo ban đầu do vặn êcu.
+ Giai đoạn 2 - khi N tương đối lớn (N �Nms): các bản thép trượt tương đối
với nhau, thân bulông tỳ sát về một phía của thành lỗ. Ngoại lực tác dụng N
do thân bulông và masat chịu (Hình b).
+ Giai đoạn 3 - khi N khá lớn (N >> Nms): lực ma sát giảm dần và bằng
không. Lực tác dụng N là hoàn toàn do thân bulông chịu. Đồng thời bản thép
chịu ép mặt do thân bulông tỳ lên thành lỗ.
+ Giai đoạn 4 - khi liên kết bị phá hoại: Có 2 khả năng phá hoại có thể xảy ra:
- Thân bulông bị cắt đứt.
- Thép cơ bản bị phá hoại do đứt các đầu bản thép hay đứt các bản thép ở

giữa 2 lỗ bulông (thân bulông không bị phá hoại).
Do đó ta thấy bulông hoạt động trong một môi trường đòi hỏi tính bắt siết
với các vật liệu, đòi hỏi bulông phải có khả năng hạn chế tối đa sự thiếu chắc
chắn khi kết hợp cùng các vật liệu khác do đó cần chịu được :
 Chịu lực kéo lớn.
 Khả năng chịu trượt lớn.
 Độ dai va đập trung bình.
 Ứng suất cắt lớn.
 Chịu ăn mòn.
1.2.2.2. Yêu cầu cơ tính
 Bulông cường độ cao dùng cho cầu thép phải được chế tạo phải được chế tạo
theo Tiêu chuẩn : 22 TCN 204 – 91 của bộ giao thông vận tải.
 Tính chất cơ học của bulông:
 Giới hạn bền:
- Nhỏ nhất 110 kG/mm2.
- Lớn nhất 130 kG/mm2.
 Độ cứng đạt 325-388 HB (35-41 HRC).

1
2


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

 Độ thắt tương đối φ ≥ 35%.
 Độ dãn dài tương đối ≥ 8%.
 Độ đai va đập: ak ≥ 5 kG/cm2.
 Cấp chính xác mối ghép ren của bulông và đai ốc cho phép là cấp 6, 7 H/8g
theo TCVN 1917-76.
 Sai lệch về kích thước hình học của bulông phải tuân theo TCVN 1889-76.

 Cho phép tăng cường đường kính của thân bulông (phần không có ren) lên
0,25mm của đoạn thân không có ren so với kích thước danh nghĩa, trên chiều dài
20mm tính từ mặt tựa của bulông.
 Độ không vuông góc giữa mặt tựa mũ bulông đối với đường tâm của thân
bulông không vượt quá 1o.
 Độ nhám bề mặt của ren trên bulông không lớn hơn 20 theo TCVN 2511-78.
Khi chế tạo bulông:
- Không cho phép có nứt ren và tróc ren ở bề mặt nếu chiều sâu khuyết tật này
vượt ra ngoài giới hạn đường kính trung bình của ren hoặc chiều dài của chúng
lớn hơn 1/4 chiều dài của một vòng ren.
- Không cho phép có rìa thừa ở mặt tựa mũ bulông.
- Bulông, đai ốc, vòng đệm khi lắp trọn bộ (1 bulông, 1 đai ốc, và 2 vòng đệm)
phải đảm bảo có hệ số mômen xiết trong phạm vi không lớn hơn 0,20 và không
nhỏ hơn 0,14 với giá trị hệ số mômen xiết trung bình K =0,17 với độ phân tán
5%.
1.2.2.3. Lựa chọn vật liệu chế tạo
 Giới hạn bền:
- Nhỏ nhất 110 kG/mm2.
- Lớn nhất 130 kG/mm2.
 Độ cứng đạt 325-388HB (35-41 HRC).
 Độ thắt tương đối φ ≥ 35%.
 Độ dãn dài : 8 %.

1
3


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

 Độ đai va đập ak ≥ 5 kG/cm2.

 Vậy chọn mác thép 40Cr để sử dụng làm bulông cường độ cao.

Vật liệu để chế tạo bulông cường độ cao là thép 40Cr

0,37 ÷ 0,44 % C
0,3 % Ni

0,8 ÷ 1,1 % Cr

0,17 ÷ 0,37 % Si

0,5 ÷ 0,8 %

Mn
Tiêu
chuẩn giới hạn bền thấp nhất của thép 40Cr là 980Mpa

Bảng 1.3: các ký hiệu và thành phần của mác thép tương đương theo TCVN, Mỹ
(ASTM), Nhật (JIS), Nga (GOCT), Trung Quốc.

Thành
p
hần

C

Si

Mn

Cr

Ni

0,370,44%

0,170,37%

0.50.8%

0,81,1%

�0,3%

Tiêu
Chuẩn
Việt Nam

1
4


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

(TCVN)
40Cr
Mỹ
(ASTM)

0,370,44

0,350,43%

0,60,9%

0,91,2%

�0,3%

0,380,43%

0,150,35%

0,60,85%

0,91,2%

�0,3%

0,360,44%

0,170,37%

0,50,8%

0,81,1%

�0,3%

0,30,44%

0,170,37%

0,50,8%

0,81,1%

�0,3%

5140
Nhật Bản
(JIS)
SCr440
Nga
(GOCT)
40X
TrungQuốc
(GB)
40Cr

CHƯƠNG II. QUY TRÌNH CHẾ TẠO, NHIỆT LUYỆN
VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN
2.1. Khuôn ép gạch không nung.
2.1.1. Quy trình chế tạo.

Gia
cong
cắt gọt

Hàn

Thường
hóa

Kiểm
tra

xử lí
mối
hàn

Ram
thấp

Thấm
C-N

Tôi
trực
tiếp

 Gia công cắt gọt: Từ khối thép ban đầu cắt thành các tấm thép có kích thước
theo yêu cầu của bản vẽ.

1
5


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

 Hàn: Các mảnh của khuôn được ráp và hàn lại với nhau.
Công suất ngọn lửa là: - Hàn trái: W = (120 ÷ 150) S (lít/giờ)
- Hàn phải: W = (100 ÷ 130) S (lít/giờ)
Đường kính que hàn: - Hàn trái: d = S/2 + 1(mm)
- Hàn phải: d = S/2 (mm)
Trong đó S là chiều dày vật hàn, (mm).
Khi hàn bằng ngọn lửa oxy hóa thì mác que cần sử dụng là: CB-12TC,
CB-08T2C, CB-15CHO.
Chọn hàn phải vì thợ hàn bắt đầu hàn từ trái sang phải (tức là mỏ hàn đi
chuyển trước, que hàn di chuyển sau). Phương pháp này cho năng suất cao và
giúp tiết kiệm được khí Axetilen. Mặt khác, mối hàn sau khi hàn còn được ngọn
lửa đốt nóng thêm một thời gian nữa nên độ dẻo mối hàn tăng lên và ít bị nứt.
Ta tính được công ngọn lửa là W1 = 120.25 = 3000 (l/h)
W2 = 120.12 = 1440 (l/h)
Đường kính que hàn: Chi tiết dày hơn 10mm nên chọn que hàn 4 ÷ 6 mm.
 Xử lí mối hàn: Sau khi hàn xong thì tại mỗi hàn sẽ không được vuông vức
nên phải mài đi để cho vuông vức để đúng hình dáng của viên gạch.
 Thường hóa: Thường hóa là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép
đến trạng thái hoàn toàn Austenit (A3 +(30 - 50oC) hay Acm + (30 - 50oC))
giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh để Austenit phân hóa
thành peclit phân tán thành xocbit với độ cứng tương đối thấp. Ưu điểm của
phương pháp này là giải phóng lò ngay sau khi nung.
Thường hóa có mục đích cũng như ủ vậy, ở đây thép được thường hóa để đạt
độ cứng thích hợp để dễ gia công cắt gọt.
Quan trọng nhất là khi thấm C-N thì C và N sẽ khuếch tán vào sắt thông qua
các biên giới hạt, chính vì thế mà cần phải thường hóa thép để làm nhỏ hạt,
tăng số lượng biên giới hạt nên tạo điều kiện thuận lợi để để thấm C-N.
 Thấm C-N: Thép C20 có độ dẻo cao, độ cứng thấp, khoảng 30-40HRC nên để
có thể có bề mặt với độ cứng > 55HRC đảm bảo tính chống mài mòn thì phải
được thấm C-N. Thấm C-N là phương pháp thấm rất phổ biến. Sau thấm C-N

+ tôi + ram thấp thép C20 có thể nhận được cơ tính rất tốt.
- Độ cứng bề mặt: 59 – 63HRC.
- Độ cứng lõi: 30 – 40HRC.
- Giới hạn bền: 500 – 600Mpa.
- Độ giãn dài: 15 – 20%.
- Chiều dày lớp thấm C-N: (800-1000)μm.
- Hàm lượng C bề mặt: (0,75-0,95)%.
- Hàm lượng N bề mặt: (0,2-0,4)%.

1
6


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

 Tôi trực tiếp: Sau khi thấm C-N có thể tiến hành tôi trực tiếp bởi bì nhiệt độ
thấm và nhiệt độ tôi giống nhau. Tôi trực tiếp sau thấm rất tiện vì không phải
mất thời gian làm nguội rồi lại nung nóng lên mà chỉ cần ngắt không cung cấp
khí thấm nữa là được. Vì đây là thép C nên sẽ được tôi trong nước.
 Tôi + ram thấp: Sau khi thấm C-N thì phải thực hiện tôi và ram thấp để đạt độ
cứng mong muốn cho lõi. Quy trình tôi ram sẽ được trình bày cụ thể ở phần
sau.
- Tôi thép là phương pháp nung nóng thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn để làm
xuất hiện tổ chức Austenit giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để austenit
chuyển thành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao.
- Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi dưới các nhiệt độ
nhiệt độ tới hạn (AC1), giữ nhiệt độ ở một thời gian và làm nguội. Nhằm để
mactenxit và austenit dư phân hóa thành các tổ chức thách hợp phù hợp với
điều kiện làm việc quy định.
Đối với chi tiết sau khi được thấm C-N thì sẽ được ram thấp ở 200 oCđể không

ảnh hưởng tới độ cứng của bề mặt thép sau khi thấm và không làm giảm độ
cứng lõi (30 – 40HRC). Tổ chức nhận được là Mactenxit ram.
 Kiểm tra:
- Kiểm tra độ cứng bề mặt (nứt, rỗ,…)
- Hàm lượng C, N trên bề mặt khuôn.
- Kiểm tra kích thước, độ cong vênh biến dạng.
2.1.2. Lí do lựa chọn thấm C-N
a. Khái niệm
Thấm C-N là phương pháp tăng đồng thời cả hai nguyên tố cacbon và nito
trên bề mặt chi tiết làm bằng thép cacbon thấp. Bề mặt sẽ có độ cứng cao, nền
vẫn giữu được độ dẻo dai cần thiết. thấm C-N được thực hiện trong môi trường
có hàm lượng cacbon và nito cao hơn nhiều so với hàm lượng cacbon và nito có
trong nền thép. Cacbon và nito từ môi trường thấm khuếch tán vào bề mặt chi
tiết cùng với sắt tạo nên cacbit và nitorit có độ cứng cao trên bề mặt, tăng tính
chống mài mòn. Bề mặt chi tiết có chất lượng cao nhất khi tổng hàm lượng
cacbon và nito trong khoảng 0,9 – 1,3%. Thấm C-N thường áp dụng cho các chi
tiết cần có bề mặt làm việc chống mài mòn, trong lõi vẫn cần dẻo dai.
b. Ưu nhược điểm của thấm C-N.
 Ưu điểm:
- Có thể áp dụng cho thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp nhằm tăng độ
cứng và tính chống mài mòn mà không gây giòn cho bền mặt, lõi vẫn giữ
được độ dai.

1
7


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

- Thấm C-N có thể thực hiện ở khoảng nhiệt độ rộng (780 – 900oC).

- Nhiệt độ thấm C-N thấp hơn so với thấm cacbon (nếu thấm ở nhiệt độ cao sẽ
không tạo được N nguyên tử đi vào lớp thấm), vì thế tránh được biến dạng chi
tiết, tránh được tổ chức hạt lớn có thể gây giòn và thấm ở nhiệt độ thấp hơn
cũng giảm khả năng thoát cacbon.
- Nito và cacbon khi có mặt động thời cũng có khả năng tăng hoạt tính lẫn
nhau. Ngoài ra, nito có tác dụng thu hẹp vùng ferit làm cho quá trình bão hòa
cacbon xảy ra mạnh mẽ hơn ở khoảng nhiệt độ thấp hơn so với thấm cacbon,
tạo được lớp thấm đồng đều hơn vì thế mà ta có thể thấm ở khoảng nhiệt độ
840 ÷ 860oC mà vẫn có được tốc độ thấm như khi thấm C ở 930oC
- Sự có mặt của nito trong lớp thấm cacbon tạo thành pha Fe 3(C,N) phân tán rất
cứng làm tăng mạnh tính chống mài mòn tốt hơn cả lớp thấm cacbon (thường
chỉ có cacbit). Độ cứng lớp thấm C-N từ 59 – 63HRC.
- Có thể tôi trực tiếp từ nhiệt độ thấm (vì nhiệt độ thấm xấp xỉ nhiệt độ tôi),
không cần hạ nhiệt độ trước khi tôi do đó hạn chế thoát cacbon, oxi hóa và có
thể tôi phân cấp vì nito tăng tính ổn định của austenit quá nguội, điều đó cũng
giảm mạnh độ biến dạng.
- Lớp thấm C-N không cần dày như lớp thấm cacbon mà vẫn đảm bảo độ cứng,
tính chống mài mòn và độ bền.
- Thấm C-N có khả năng chống tạo vết nứt tốt hơn lớp thấm cacbon vì thấm CN không có lưới xementit còn lớp thấm cacbon có tổ chức hạt thô và lưới
xementit do đó trong quá trình tôi lưới xementit tạo ra vết nứt tế vi và phát
triển thành vết nứt của chi tiết.
- Do tác dụng của nito và cac nguyên tố hợp kim trong lớp thấm C-N luôn tồn
tại một lượng austenit dư nhất định, khoảng 25 – 40%, tải trong sẽ được phân
bố đồng đều hơn, tránh được tập trung ứng suất và làm tăng độ dai.
 Nhược điểm:
- Thành phần khí thấm phức tạp, điều khiển thế thấm khó khăn vì môi trường
thấm gồm nhiều loại khí.
- Có thể xuất hiện nhiều dạng khuyết tạt dạng lỗ rỗ khi tế vi, austenit dư hoặc
tôt chức phi mactenxit có độ cứng thấp ơt trên lớp thấm.
- Thấm C-N thường không dày vì chiều dày lớp thấm phụ thuộc vào thời gian

và nhiệt độ khuếch tán. Thấm C-N thực hiện ở nhiệt độ không cao như thấm
cacbon, còn nếu giữ thời gian thấm quá dài, lớp thấm C-N sẽ xuất hiện khuyết
tật.
2.2. Bu-lông
2.2.1. Quy trình chế tạo

1
8


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

 Xử lý bề mặt cho phôi thép: Những cuộn thép vào lò trong 30 giờ để thép
mềm và dễ uốn, nhúng trong H2SO4 (có tác dụng làm sạch bề mặt), để tránh
bị mài mòn những cuộn thép sẽ được xả qua nước sạch và được phủ qua một
lớp photphat, thép được gia công ở nhiệt độ trong điều kiện bình thường trong
những chiếc khuôn với lực nén lớn.
 Tạo hình: Uốn thẳng sợi dây thép 40Cr và cắt thành những đoạn thẳng dài
hơn bulông một chút, uốn tròn thân bulông tạo dáng cho cạnh và đầu của
bulông bẻ đầu bulông thành đầu tròn tạo cho đầu bulông thành hình lục giác,
sau đó máy tiếp tục rèn đầu mũ bulông.
 Cán ren: Một chiếc máy đặc biệt rèn bulông để dễ dàng bắt bulông vào đai
ốc tạo rãnh dọc cho bulông, những trục cán lớn ép những rãnh dọc theo thân
bulông mỗi bulông người ta thường lấy một mẫu để đo đường kính, người ta
dùng tới những máy đo khác nhau, thước đo tiểu li đo chiều dải của bulông,
máy khác đo độ dày và độ rộng của đầu bulông.
2.2.2. Quy trình nhiệt luyện tổng quát

Hình 2.1: Quy trình nhiệt luyện tổng quát cho bu-lông cường độ cao.

1
9


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

 Thép 40Cr sẽ được thường hóa ở:
T = Ac3 + (20 ÷ 30) oC → Tthường hóa = 840 oC
Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng, tăng độ bền, tăng độ dẻo.
 Thép 40Cr là thép trước cùng tích, do đó thép được tôi hoàn toàn:
T = Ac3 + (30 ÷ 50) oC → Ttôi = 850 oC
Mục đích: Chuyển biến Martensite, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn,
nâng cao độ bền và khả năng chịu tải của chi tiết.
 Ram: Với giới hạn bền yêu cầu là 980 MPa, thì nhiệt độ ram của bulong
cường độ cao là 500 oC
Mục đích: Biến đổi tổ chức Martensite và Austenite dư, khử ứng suất, đảm
bảo độ cứng yêu cầu.

CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN QUY TRÌNH NHIỆT LUYỆN
VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN.
3.1. Khuôn ép gạch
3.1.1. Lựa chọn thiết bị.
Dựa và kích thước chi tiết để lựa chọn các lò nhiệt luyện sau.

Nhiệt độ
nung cao
nhất của
lò
o
( C)

Công suất
thiết kế
(kW)

Kích thước
buồng lò
R×D×C
(cm)

Công dụng

Tên lò

Thường hóa

KOE 8-16-60

1200

60

80×160×60

Thấm C-N

LT 120

1200

120

Ø1000×1000
2
0


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

-

Tôi

KOE 8-16-60

1200

60

80×160×60

Ram

LR36

600

36

80×120×80

Bể nước

-

-

-

Bể dầu

-

-

-

1000×1330×15
00
1000×1000×15
00

Mác vật liệu: C20.
Sản lượng: 96 tấn/năm.
Kích thước gá: 757×798×150mm, dày 10mm, có 144 lỗ Ø = 30mm,
Kích thước khuôn: 757×798×130mm, thành dày: 25mm, thành mỏng: 12mm.
Khối lượng một bộ khuôn: 187.4kg.
Khối lượng gá: 49kg.
Diện tích mặt nung chi tiết Fc = 2.98m2.
Diện tích mặt nung tính cả gá F = 3,48m2

Khối lượng một mẻ khi tôi ram M = 227,4kg.
Thể tích gá: Vgá = 6,253.10-3(m3).
Thể tích khuôn: Vkh = 0,024m3.

3.1.2. Tính toán quá trình thấm C-N và nhiệt luyện kết thúc.
Dựa vào GĐP tính toán nhiệt
độ chuyển biến austenite của C20 có
0.2%C.
= => T = 865oC

3.1.2.1. Tính toán quá trình thường hóa.
- Nhiệt độ thường hóa: 880oC
2
1


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

- nhiệt độ lò: 890oC.
- Tại 890oC có α = 130W/m2K.
- trong dải nhiệt độ từ 25 ÷ 880 có c = 0,596kJ/kgK; = 164,77kJ/mhK
= 45,8W/mK.
Nhiệt độ trung bình của vật nung là:
= =
=> T2tb = 971K = 698oC.
Tính hệ số Bio:
Bi = S = 0.0125 = 0.035 < 0.25 => Vật mỏng.
Kiểm tra điều kiện biên:
(1,2 ÷ 1,5) = 1,2 = 587kW > Ntk
Quá trình nung hai giai đoạn, nhiệt độ lò thay đổi dòng nhiệt không đổi.

Công suất làm việc hữu ích của lò Nh = = = 40kW.
Số chi tiết trong một mẻ:
n = = = 1,05 => 1 chi tiết/mẻ.
Thời gian nung giai đoạn 1:
1

= - =

-

= 2631,3 (s) = 43,85 phút = 0,73h.
Nhiệt độ chi tiết cuối giai đoạn 1 là:
t2’ = t1 - = 890 - = 801,6oC
Thời gian nung giai đoạn 2:
ln =
= 653s = 11 phút = 0,18h.
Tổng thời gian nung chi tiết từ 25 880oC là:
phút.
Thời gian giữ nhiệt khi thường hóa là:
= = 13,75 phút => giữ nhiệt 14 phút.
Thời gian thường hóa là: = 0,91 + 0,25/60 = 1,15h.
Tốc độ nung giai đoạn 1 là:
v1 = = = 1064 (oC/h).
Tốc độ nung giai đoạn 2 là:
v2 = = = 536 (oC/h).
2
2


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

Tốc độ nguội khi thường hóa để nguội ngoài không khí là: vng = 3oC/s.
Thời gian nguội là: = 880/3 = 293s = 5 phút.
3.1.2.2. Tính toán quá trình thấm C-N.
- Nhiệt độ thấm: 860oC.
- Hỗn hợp khí thấm: 78%CH3OH, 10% NH3, 12% LPG (50% C3H8 + 50%
C4H10).
- Tiến hành nung phân cấp ở hai nhiệt độ: 650oC và 860oC.
- Thời gian lưu của Cnt và Nnt là = 10 phút.
Giai đoạn 1: 20OC ÷ 650oC.
Nhiệt độ trung bình của vật nung là:
= =
=> T2tb = 778K = 505oC.
Tại 650oC có W/m2K.
Trong dải nhiệt độ 25 ÷ 900oC: c 532J/kgK, λ 51.2W/mK.
Tính hệ số Bio:
Bi = S = 0.0125 = 0.018 < 0.25 => Vật mỏng.
Kiểm tra điều kiện biên:
(1,2 ÷ 1,5) = 1,2 = 340,6kW > Ntk
 Quá trình nung hai giai đoạn, nhiệt độ lò thay đổi dòng nhiệt không đổi.
Công suất làm việc hữu ích của lò Nh = = = 80kW.
Số chi tiết trong một mẻ:
n = = = 2.09 => 2 chi tiết/mẻ.
Tuy nhiên dựa vào kích thước và hình dáng chi tiết thì chỉ chọn thấm 1 chi
tiết/mẻ.
Thời gian nung giai đoạn 1:
1 = = = 345,3 (s) = 6 phút = 0,1h.
Nhiệt độ chi tiết cuối giai đoạn 1 là:

2

3


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

t2’ = t1 - = 660 - = 302oC
Thời gian nung giai đoạn 2:
ln =
= 1596s = 26,6 phút = 0,44h.
Tổng thời gian nung chi tiết từ 25 650oC là:
phút.
Tốc độ nung giai đoạn 1 là:
v1 = = = 2770 (oC/h).
Tốc độ nung giai đoạn 2 là:
v2 = = = 791 (oC/h).
Giai đoạn 2: 650OC ÷ 860oC.
Nhiệt độ trung bình của vật nung là:
= =
=> T2tb = 1043K = 771oC.
Tại 860oC có W/m2K.
Trong dải nhiệt độ 650 ÷ 860oC: c 827J/kgK, λ 29,5W/mK.
Tính hệ số Bio:
Bi = S = 0.0125 = 0.0495 < 0.25 => Vật mỏng.
Thời gian nung:
ln =
= 1374s = 23 phút = 0,4h.
Tốc độ nung là:
v = = = 525 (oC/h).
Thời gian nung không tải của lò từ 25 870oC là: 2h.
Thời gian nung thực tế là: = 0,4 + 2 = 2,4h.

Dựa vào bản đồ nguội Blanter tính được tối độ nguội trong nước 20oC là:
Vng = 100oC/s.
Thời gian nguội là: ng = 860/100 = 8,6s

2
4


Đồ án môn học: Thiết kế xưởng nhiệt luyện

Tính thời gian thấm C-N.
Chiều dày thấm hiệu quả: X = 600 0,06cm.
Nồng độ C tại chiều sâu X tính từ bề mặt vào: 0,4%C.
Nồng độ C ở bề mặt chi tiết: Cs = Cp = 1,0.
Hệ số khuếch tán của C vào -Fe là:
Dc(-Fe) = 0,25.exp() (cm2/s)
= 0,25.exp( = 5,530.10-8cm2/s.
Định luật Fick 2:
= erf = 0,75
= 0,8
= = = 25430s = 424 phút = 7,1h.
Thời gian giữ nhiệt khi tôi trực tiếp: = 15 phút = 0,25h.
Tổng thời gian thấm + tôi trực tiếp là:
= 2,4 + 7,1 + 0,25 = 9,75h.
Tính lưu lượng khí thấm
V lò = h..R2 = 10..52 = 785,4dm3 = 785,4lít.
Vkh = 24 lít.
1 lít CH3OH lỏng phân hủy ra 1730 lít khí (CO2 + H2)
Lưu lượng khí Q = = = 76,4 (l/phút) = 4568,4 (l/h)
= Q – QLPG – QNH3

= 4568,4 – 4568,4.12% - 4568,4.10% = 4477, 032 (l/h)
 = = 2,59 (l/h)

2
5