thành phần hóa học và cấu trúc tế vi của nhông trước

Chương 1. Tổng quan về chi tiết nghiên cứu
1.1 Giới thiệu
1.1.1 Giới thiệu nhông trước xe máy

Mặc dù khái niệm về nhông xích (nhông sên) xe máy đã trở nên khá phổ biến, nhưng vai trò của nhông
xích mà mọi người biết đơn giản chỉ dừng lại ở vai trò truyền lực từ động cơ đến bánh xe, giúp xe
chuyển động.
Tuy nhiên, có một vai trò mà mọi người bỏ qua, mà theo kỹ thuật, nó lại là vai trò quan trọng nhất của
hệ thống nhông sên xe máy, đó là hỗ trợ cho việc thay đổi tốc độ trên xe máy.
Có bao giờ bạn tự hỏi, tại sao 2 chiếc xe máy có cũng một động cơ, cùng sức mạnh trong khi tốc độ đạt
được của mỗi xe đạt được lại khác nhau?
Đó chính là vài trò của hệ thống nhông trên xe máy
Cấu tạo nhông xích xe máy

Như nhìn thấy trên đây, cấu tạo của bộ nhông sên xe máy bao gồm 3 bộ phận chính: nhông trước (hay
còn gọi là "dĩa"),nhông sau và sên tải.
Vai trò của nhông trước là bộ phận trực tiếp nhận lực từ động cơ để truyền tới hệ thống xích tải.
1.1.2 Môi trường làm việc

Để hiểu rõ môi trường làm viêc của nhông trước, chúng ta cùng tìm hiểu qua về cơ chế hoạt động của
nhông sên xe máy.(chịu tải,răng chịu mài mòn


Khi động cơ xe máy hoạt động, sẽ tạo ra một lực làm quay trục, và trục này sẽ truyền lực trực tiếp lên
nhông trước.Khi nhông trước quay, sự chuyển động của các răng, kéo theo sự hoạt động của hệ thống
xích tải.Cuối cùng, khi xích tải hoạt động, thì kéo theo hoạt động quay của líp xe máy và làm quay
bánh xe nhờ trục nối líp với trục của xe máy.
Tỉ số truyền lực và ảnh hưởng của nó đến tốc độ xe máy
Tỉ số truyền được tính như sau:
TSC = TC/SC
Trong đó:

TSC: Tỉ số truyển
TC: Số răng trên bánh răng thứ cấp (bánh răng được truyền lực, với xe máy thì TC ở đây là số răng của
líp, tức là nhông sau xe máy)
SC: Số răng trên bánh sơ cấp (bánh răng truyền lực, với xe máy thì SC ở đây là số răng của nhông
trước xe máy)
Tỉ số truyền lực ảnh hưởng thế nào đến xe máy???
Theo nguyên lý của accimet, chúng ta có thể rút ra ảnh hưởng của tỉ số truyền đến xe máy như sau:
- Nếu tỉ số truyền lớn hơn 1 (TSC.>1) thì lợi lực.Cụ thể, khi tỉ số truyền lớn hơn 1 và càng lớn thì lực
sinh ra để di chuyển một vật sẽ càng giảm. Ví dụ, nếu chúng ta có TCS = 2, thì chỉ cần dùng lực 2kg để
kéo theo một vât nặng tới 4kg.
Với xe máy, nếu TSC càng lớn, tức là số răng của líp càng nhiều hơn số răng của dĩa xe máy, thì cùng
với 1 động cơ hoạt động, thì xe máy có thể trở một khối lượng nặng tối đa nhiều hơn, hay nói cách
khác xe máy khỏe hơn
- Nếu tỉ số truyền nhỏ hơn 1 (TSC<1) thì lợi cho đường đi
Cụ thể, nếu TSC<1, tức là số răng của bánh thứ cấp ít hơn số răng của bánh sơ cấp, và do đó, khi bánh
sơ cấp quay 1 vòng thì bánh sơ cấp quay được hơn 1 vòng, và do đó xe máy sẽ đi nhanh hơn
Từ nguyên lý của hệ thống nhông xích, ta có thể thấy được việc phân tích môi trường làm việc của
nhông trước như sau.
-Khi làm việc, các bánh răng liên tục cọ sát với xích để làm cho hệ thống hoạt động, điều này
tạo ra ma sát lớn và mài mòn bánh răng. Phần trong của bánh răng cũng cần chịu mài mòn do
tiếp xúc với trục chuyền động của động cơ xe
-Trong nhiều trường hợp, động cơ cũng phải chịu tải lớn. Và nhông gần như hoàn toàn cũng
phải chịu tải tương tự như cả xe.


1.1.3 Yêu cầu cơ tính

Thứ nhất, độ cứng của bánh răng để chống mài mòn,chịu được va đập. Bánh răng mà cụ thể ở đây là
các răng của nhông chịu tải đột ngột. Vậy bề mặt bánh răng phải có độ cứng >55HRC để chịu mài mòn
tốt, tăng tuổi thọ cho chi tiết.

Thứ hai, độ bền bên trong lõi cần được đảm bảo để trong quá trình sử dụng bánh răng không bị phá hủy
khi chịu tải đột ngột mỗi khi xe tăng tốc.
1.2 Những vật liệu thường dùng
Đối với những yêu cầu cơ tính trên có nhiều loại thép có thể đáp ứng được. Nhưng tùy từng điều kiện
cụ thể mà áp dụng mác thép nào cho phù hợp.
+ thép hóa tốt: thường dùng các mác thép40, 45, 40X đôi khi 40XH. Để bảo đảm độ bền cao, khả năng
chịu va đập của lõi, thép được nhiệt luyện hóa tốt, còn mặt răng cần độ cứng và tính chống mài mòn
cao qua tôi cảm ứng. Đặc điểm của tôi cảm ứng bánh răng là khó đạt được lớp tôi cứng phân bố đều
theo chu vi răng. Các bánh răng có modun bé (<6) hiệu quả của lớp tôi cảm ứng khó đạt được tính
đồng đều. Với bánh răng modun (<2) hầu như toàn bộ răng và một phần dưới chân răng đều được nung
tôi dẫn tới yêu cầu cơ tính giữa trong lõi và bề mặt răng không được đảm bảo. Như vậy nếu dùng loại
thép này chế tạo nhông sau xe máy là chưa tối ưu. Ngoài ra cần tránh giòn ram loại 2 trong quá trình
nhiệt luyện cho thấy quy trình nhiệt luyện khá phức tạp.
+thép dụng cụ: theo tiêu chuẩn AISI có thể dùng loại thép dụng cụ chịu va đập(mác S) với hàm lượng
C trung bình khoảng 0,5% chế tạo chi tiết nhông trước. Đối với thép này đảm bảo được về độ
cứng,chịu mài mòn xong độ dẻo dai trong lõi không được đảm bảo vì quy trình nhiệt luyện thường áp
dụng cho thép này là tôi và ram thấp.
+ thép thấm: Thép thấm cacbon là loại thép có thành phần cacbon thấp: 0,10 - 0,25% (cá biệt có thể tới
0,30%) để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhưng bề mặt bị mài mòn mạnh như
bánh răng, cam, chốt... Để đạt được yêu cầu đó thép phải qua thấm cacbon (bao gồm cả tôi + ram thấp
sau khi thấm), nên được đặt tên như trên. Ngoài ra có thể thấm đồng thời thấm N-C để tăng độ cứng và
mài mòn tốt hơn.Ví dụ mác thép theo TCVN có C10,C20;theo AISI có 1015,1020;theo tiêu chuẩn Nga
có 15X,20X,20XH,12XH3A

Chương 2 Kết quả kiểm tra đánh giá sơ bộ
2.1 Xác định thành phần hóa học
Nguyên tố
C
Si
Mn

Cr
P
S
Thành
1,028 0,359 0,803 1,163 0,005 0,003
phần(%)
Bảng kết quả xác định thành phần hóa học tại bề mặt chi tiết.
2.2 Xác định độ cứng tế vi và ảnh chụp tổ chức tế vi


Ảnh(1) chụp bề mặt vật liệu x50

Ảnh(2) chụp bề mặt vật liệu x100

Ảnh(3) chụp lõi vật liệu x200

x
Độ
cứn
g

50
59,
2

100
56,
8

150

57,
6

200 250
58,4 58,
8

Ảnh(4) chụp lõi vật liệu x500

300
60,
4

350
59,
0

400 450
59,2 59,
3

500
57,
3

550
57,
3

600 800

57,3 48,
8

1000 Lõi
49,6 38,3

Bảng kết
quả đo độ cứng tế vi. Với x là khoảng cách từ bề mặt chi tiết tới điểm đo. Đơn vị (µm)
Đơn vị độ cứng (HRC)
Nhận xét
-độ cứng giảm dần từ bề mặt vào đến lõi của chi tiết nhận định ban đầu là hiệu quả của
lớp thấm C.
-sự thay đổi độ cứng lớn ở các điểm <1mm cho thấy lớp thấm <1mm. Lí giải điều này,bởi
vì chi tiết đem đi thực hành là cho tiết đã qua sử dụng,chiều dày lớp thấm lớp thấm bị
giảm do trong quá trình sử dụng lớp thấm bị mài mòn đi.


2.3 Kết luận mác thép được sử dụng để sản xuất chi tiết
Dựa vào bảng thành phần hóa học có thể thấy mác thép được mác thép sử dụng để làm chi tiết
bánh răng trước là 100Cr hoặc thép thấm Cacbon 20Cr. Nhưng kết quả trên lại được lấy từ bề
mặt của chi tiết,kết hợp bảng xác định độ cứng tế vi và ảnh chụp tổ chức tế vi kết luận mác thép
được sử dụng là 20Cr
Tác dụng của các nguyên tố hóa học trong thép trên???
-Cr là nguyên tố tạo thành cacbit trung bình,làm tăng độ thấm tôi,tăng độ bền lõi và lớp thấm
cacbon. Cacbit Cr bề mặt có tác dụng tăng tính chống mài mòn.
-Mn tạo thành cacbit yếu và Si không tạo thành cacbit ngăn ngừa tác dụng tích tụ cacbon quá
lớn phía bề mặt của Cr (làm tăng hiệu quả,tốc độ thấm và cơ tính của lớp thấm C)
Tại sao nhà sản xuất chọn mác thép trên??
Với mác thép 20Cr sau khi thấm C,tôi và ram thấp nhóm thép này đạt được cơ tính sau :δ b=700800N/mm2,δ0,2=500-600N/mm2 ,ψ=40-50% ,ak=600-800 kJ/m2,độ cứng bề mặt ≥60HRC,độ
cứng trong lõi 36-40HRC phù hợp để làm nhông trước xe máy.

Chương 3 Thiết lập quy trình nhiệt luyện
3.1 Nguyên công thường hóa
Đối với thép có hàm lượng C=0,2% ta thường hóa để đạt được độ cứng thích hợp trước khi thực
hiện nguyên công cơ khí như :cắt,gọt,..
Thường hóa là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn Austenit
A3 +(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 (cao hơn Ủ).
Xác định nhiệt độ A3 của thép 20Cr :dựa vào giản đồ Fe-C ta xác định được A3=865oC do đó nhiệt
độ thường hóa chọn cho thép này là 900oC thời gian giữ nhiệt khoảng 20 phút sau đó làm nguội
trong không khí
3.2 Quy trình thấm Cacbon
-Mục đích của phương pháp thấm C:làm cho bề mặt thép cứng (đạt độ cứng ≥60HRC),có tính
chống mài mòn cao ,còn lõi vẫn giữ được tính dẻo dai(độ cứng 30-40HRC)
-tính modun của bánh răng :D=m(Z+2). Trong đó
D là đường kính của đường tròn đi qua đỉnh răng
m là modun răng
Z là số răng
-yêu cầu của quá trình thấm: từ việc tính modun răng bằng 3 lựa chọn lớp thấm có chiều dày
0,8mm,nồng độ cacbon lớp thấm khoảng 1%.
-lựa chọn quy trình thấm:
+ Nhiệt độ: lựa chọn nhiệt độ thấm là 920oC do thép 20Cr bản chất di truyền hạn lớn nên
không thể thấm ở nhiệt độ cao hơn mặc dù nhiệt độ càng cao thời gian thấm càng nhanh
+ Thời gian: phụ thuộc vào chiều dày lớp thấm yêu cầu


-dựa vào định luật Fick 2 tính toán quy trình thấm cho thép 20Cr
DC(γ-Fe)=0,378.exp (-159.000/RT) [cm2/s]. R=8,314 J/mol.K

=> thời gian thấm C là:8(giờ)

-Môi trường thấm thể khí được lựa chọn bởi có nhiều ưu điểm như :chất lượng thấm tốt,dễ cơ khí
hóa tự động hóa và ít gây ô nhiễm môi trường. Quá trình thấm xảy ra trong môi trường khí động
nên lớp thấm đồng đều,dễ điều chỉnh các thông số công nghệ.
+ lượng khí thấm bao gồm :CO2 và C4H4 khoảng 20-30%;còn lại là CO2,N2,H2,…..
Cụ thể đối với đối với CGA thành phần % các khi như sau: CO=17,6; CH 4 =3,8;
H2=46,9;CO2=11,8; Ar=18,9
Do làm nguội chậm nên từ ngoài vào trong tổ chức lần lượt là :peclit+xementit
II,peclit,peclit+ferit và lõi có ferit+peclit của thép ban đầu
Dưới đây là những hình ảnh của chi tiết được đem đi ủ. Do chi tiết đã hoàn thành khâu thấm từ
trước đó nên hình ảnh chụp mẫu ủ coi như là ảnh chụp sau nguyên công thấm. Sau trạng thái ủ
tổ chức thép :trên bề mặt là peclit+các bít tự do.trong lõi là peclit+ferit


3.3 Nguyên công tôi
Sau khi thấm C thép được làm nguội bình thường rồi đem nung nóng lại để tôi. Đối với chi tiết
này có thể đem tôi hai lần khắc phục tình trạng lớn hạt sau quá trình thấm nhưng để giảm chi phí
mà vẫn đảm bảo yêu cầu đề ra của chi tiết nên áp dụng phương pháp tôi một lần. Vừa để đảm bảo
tôi cho lõi có cơ tính tốt đồng thời bề mặt cũng được đảm bảo ta chọn nhiệt độ tôi là 850 0C. Môi
trường làm nguội trong dầu.
-tổ chức của thép khác nhau giữa bề mặt và trong lõi sau nguyên công tôi. Vì bề mặt thép tổ chức
là sau cùng tích còn trong lõi là thép trước cùng tích. Với nhiệt độ tôi là 8500C xảy ra những
chuyển biến sau:
+ bề mặt-thép trước cùng tích:xementit II hòa tan vào auxtenit làm cho pha này có
lượng C cao ,khi làm nguội nhanh được mactenxit hàm lượng C cao thể tích riêng
lớn do đó còn lại nhiều auxtenit dư. Do đó tuy mactenxit có độ cứng cao nhất xong
độ cứng chung của thép tôi (mactenxit+auxtenit dư) bị thấp đi. Nên nếu có thể tôi
riêng được cho bề mặt là hiệu quả nhất.
+lõi-thép trước cùng tích:có tổ chức là ferit+peclit. Khi tôi hoàn toàn ở nhiệt độ
8500C do đó sau tôi thép không còn ferit do đã hòa tan hết và auxtenit

3.4 Nguyên công ram và kết quả
Để giữ được độ cứng và tính chống mài mòn ta chọn chế độ ram thấp ở 2000C


Sau quá trình tôi tổ chức thép có khác nhau nên sau quá trình ram tổ chức đạt được cũng sẽ khác
nhau. Chỗ nào có mactenxit tôi sẽ chuyển hết thành mactenxit ram. Lượng auxtenit dư nhiều ở
trên sau quá trình tôi sẽ chuyển biến thành mactenxit tạo nên hiệu ứng tăng độ cứng. Tiết ra
cacbon khỏi mactenxit ở dạng cacbit Ɛ

Sau quy trình nhiệt luyện độ cứng đo được như sau
Vị trí
Lõi

Độ
cứng(HRC)
39-40

Bề mặt

52-54

Chương 4 Đánh giá quy trình nhiệt luyện
Phương pháp kiểm nghiệm kết quả ở đây độ cứng được đo thô đại trên thang đo HRC nên kết quả
chưa tin tưởng lắm. Lí giải điều này chiều dày lớp thấm nằm trong khoảng 0,8mm sẽ khi tải trọng
nặng bi đâm sâu vào trong nền nên không thể cho kết quả chính xác độ cứng của lớp thấm. Ở đây
để chính xác nhất ta nên dùng HRB


Tuy nhiên với cùng kết quả đo khi đo mẫu ban đầu ta có thể nhận định sơ bộ rằng quy trình nhiệt
luyện đưa ra ở trên là khá hợp lý. Bên cạnh đó một số quy trình nhiệt luyện cũng được đưa ra tùy

theo yêu cầu cụ thể mà có nên áp dụng hay không.
Tôi hai lần: Do giữ nhiệt lâu ở quá trình thấm nên làm lớn hạt thép. Nhiệt luyện sau thấm đòi
hỏi đảm bảo giữ được độ cứng trên bề mặt,tính dẻo dai trong lõi thép và khắc phục được hiện
tượng lớn hạt. Do đó phải tiến hành tôi 2 lần và ram thấp.
+tôi lần 1: tôi ở nhiệt độ 9000C với mục đích làm cho lõi được hạt nhỏ do có chuyển
biến ferit+peclit auxtenit hạt nhỏ,làm mất lưới xementit thứ 2 ở lớp bề mặt do nguội
nhanh pha chưa kịp tiết ra khỏi auxtenit. Sau lần tôi này độ cứng bề mặt bị giảm đi giảm
khả năng chống mài mòn do đó phải tôi tiếp lần 2
+tôi lần 2: tôi ở nhiệt độ 7800C (nhiệt độ thấp hơn tôi lần 1 vì đây là tôi cho bề mặt théptổ chức thép sau cùng tích) lần tôi này không ảnh hưởng xấu đến kết quả tôi lần trước mà
làm cho bề mặt đạt độ cứng cao nhất.
Gia công lạnh: Gia công lạnh với thép này có Mđ=1700C và Mk=-85 lượng austenit dư sau tôi
khoảng 15-20%,làm nguội tới Mk còn 5-12%, hiệu quả làm tăng độ cứng từ 3-5HRC