Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ 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

Cơ quan chủ trì

Chủ nhiệm đề tài

Viện Công nghệ

thS. Hoàng vĩnh giang

Hà Néi, 3 - 2008


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
1

GIỚI THIỆU
PHẦN I

Cơ sở lý thuyết về sự thay đổi kích thước trong q trình nhiệt
luyện

3

1.1.

Ứng suất trong q trình nhiệt luyện

3

1.2.

Sự thay đổi kích thước trong q trình tơi

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 q trình ram

13

1.3.1.

Sự thay đổi thể tích

13

1.3.2.

Thay đổi trong ứng suất

14

PHẦN II

Tổng quan về sự thay đổi kích thước của một số sản phẩm
thấm C

16

2.1.

Cơng nghệ thấm C, C-N

16

2.2.

Sự thay đổi kích thước trong q trình thấm tơi

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 nghệ

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


GIỚI THIỆU
Chất lượng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí nói chung phụ thuộc nhiều vào q 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 cơng đoạn hồn tồn trái ngược, đối kháng nhau chính vì thế chúng sinh ra ứng suất
và gây thay đổi kích thước, biến dạng - một vấn đề hồn tồn khơng có gì mới nhưng
hiểu biết về nó thì cịn hạn chế.
Để hiểu rõ hơn q 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 tổng 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 ngồi nước
Biến dạng, thay đổi kích thước các sản phẩm cơ khí trong q trình nhiệt luyện đã được
biết đến từ lâu, nhưng hiểu biết về nó cịn khá nghèo nàn. Những năm gần đây, sức ép
cạnh tranh về chất lượng 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 cơng trình nghiên cứu tập trung chủ yếu vào các vấn đề sau:
-

Sử dụng phân tử hữu hạn và các tính chất nhiệt, mođul đàn hồi của vật liệu để tính
tốn ứng suất nhiệt trong q 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.

1


Các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã cho ra đời phần mềm tính tốn 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 tốn và từ đó có thể dự đốn
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 đồng 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
Cơng 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 khơng 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 đến 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 q trình nhiệt
luyện (tơi, ram, thấm) bản chất, ngun nhân của q trình này.

-

Thiết kế quy trình cơng 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 cơng nghệ, đồ gá để hạn chế độ cong vênh của bánh răng bella
z38m12 với điều kiện hiện có tại Viện Cơng nghệ.

2


PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC
TRONG Q TRÌNH NHIỆT LUYỆN

1.1. Ứng suất trong q trình nhiệt luyện
Q trình nhiệt luyện ln 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 suất vừa nêu đã được đề cập trong cơng 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 cơng nghệ cụ
thể, nhóm đề tài tập trung nghiên cứu sự thay đổi kích thước trong q trình thấm, tôi và
ram, các công đoạn cơ bản và quan trọng của q trình nhiệt luyện.

1.2. Sự thay đổi kích thước trong q trình tơi
Một trong những ngun nhân của sự thay đổi kích thước trong q trình tơi 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.

3


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 q
trình tơi.
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 dạng chứ khơng
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]

4


A

B

C

D

1000

Nhiệt độ (C)

Tâm

500

1

Bề
mặ
t

10

100

1000

Thời gian (s)

Hỡnh 1.1b: S chờnh lch nhit độ giữa bề mặt và tâm hình trụ đặc trong q trình

0

nÐn

øng st

KÐo

nguội [3]

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

5


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 suất. Sự phân bố suất tổng cuối cùng được
thể hiện trên hình 1.1c.
Một cơng 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
cịn hình b) là khối có lỗ vng 100x100mm.
a)

b)

^ 0,4 mm
=

Thay ®ỉi kÝch th−íc:

^ 0,04 mm
Thay ®ỉi kÝch th−íc: =

Chó thÝch:
0

920 C/n−íc
0

920 C/dầu
0

0

920 C/bể muối 220 C
0

920 C/ không khí

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

6


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 q trình nguội cũng có ảnh hưởng đến sự diến dạng,
nhiệt độ càng cao thì biến dạng càng lớn (hình 1.3) [6].

0

920 C/dÇu

0

800 C/dÇu

^ 0,04 mm
Thay ®ỉi kÝch th−íc: =

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

Ngồi ra, tính chất vật liệu cũng có ảnh hưởng đến q trình này, vật liệu chịu nhiệt càng
tốt thì khả năng ổn định kích thước trong q 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.

7


ThÐp 0,1% C
o
920 C / n−íc

ThÐp 17 % Cr
o
920 C / n−íc

ThÐp 18 / 8 (18Cr, 8Ni)
o
920 C / n−íc

^ 0,04 mm
Thay ®ỉi kÝch th−íc: =

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 q 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 hồ tan trong austenite hoặc trong martensite có ảnh hưởng rất lớn đến thể tích
riêng. Khi tính tốn sự thay đổi thể tích trong q trình tơi, hàm lượng C cần đặc biệt
quan tâm. Sự thay đổi thể tích khi chuyển từ pha này sang pha khác được tính tốn như
trong bảng 2 [6].

8


Bảng 1:
Pha

%C

Thể tích riêng ở 200C (cm3/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 + 0,25 ÷ 2

0,1277 + 0,0015 x (%C - 0,25)

epsilon carbide
Ferrite + epsilon carbide

0÷2

0,1271 + 0,0015 x (%C)

Bảng 2: Thay đổi kích thước trong q trình chuyển biến pha
Q 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
Austenite → bainite trên
Pearlite cầu → bainite trên

0,78 x (%C)
4,64 - 2,21 x (%C)
0

9


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 tương ứng.

10


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 biến pha. Khi nhiệt độ tiếp tục hạ, kích thước bề mặt
sẽ giảm và đạt kích thước Ls. Tương tự với tâm, q 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 mơi trường.
Tóm lại, khi tơi với tốc độ nguội đủ để có sự chuyển biến martensite, trong q trình
chuyển biến này, kích thước thường tăng. Sau khi nguội đến nhiệt độ mơi trường, phần
lớn cịn có một lượng austenite dư, hàm lượng này tăng với lượng các nguyên tố hợp kim
được hồ tan trong q trình austenite hố tăng.
Lượng austenite dư càng lớn thì sự tăng thể tích của sản phẩm càng bé. Nếu lượng
austenite dư đủ lớn, thậm chí cịn xẩy ra tình trạng giảm thể tích.

11


Thay ®ỉi kÝch th−íc

T3
T2

T1

+
0
-200

Ms
0

200

400

600

800
1000
NhiƯt ®é ( C)
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 tơi 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 tốn như sau [6]:
V
∆V ⎛ 100 − Vc − Va ⎞
=⎜
⎟(1,68 xC ) + a (−4,64 + 2,21xC )
V
100

100
⎝
⎠

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

12


Trong trường hợp thép chứa 1%C, theo lý thuyết, có thể tránh được sự thay đổi thể tích
khi tơi nếu thép chứa 10% cementit khơng hồ 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 khơng 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 ln chờ đợi sự
tăng thể tích khi tơi loại thép chứa 1%C. Tuy nhiên với loại thép C này, tơi hồn tồn chỉ
xảy ra trong chiều dày cỡ 10mm nên sự thay đổi thể tích với các vật lớn là khơng 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 tơi cao hơn sẽ tăng thể tích nhiều hơn.
Tuy nhiên, vì lượng austenite dư trong thép hợp kim cao thường lớn, điều này giúp cho
những thép có khả năng tơi cao trung hồ 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 tơi như trên hình 1.7.
Trên hình này ta thấy với nhiệt độ tơi T2 thì sẽ khơng 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 thể tích phải làm nguội xuống dưới 00C.
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
khơng 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 liệu 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.

13


1.3.1. Sự thay đổi thể tích
Trong q trình ram, martensite sẽ phân huỷ thành ferrite và cementite, và như thế s

Tăng thể tích

lm gim th tớch.

Phân hủy martensite
thành ferite và cementite

Chun biÕn
Austennite d− > martensite
Chun biÕn
austenite > bainite

0

100

200

300

400

TiÕt carbide

500

600

700
800
NhiƯt ®é ( C)
0

Hình 1.8: Thay đổi thể tích trong q 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 3000C và như thế làm tăng thể tích. Với thép hợp kim cao, khi ram ở
nhiệt độ 500 - 6000C, 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].

14


Sự thay đổi ứng suất của bạc vật liệu AISI 52100 sau khi tơi 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

Khư øng st (%)

2600C/1h.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
38

93 149 204 260 316 371 427 482
NhiƯt ®é ( 0 C)

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

15


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 tơi ram hồn chỉnh thường phải trải qua nhiều cơng đoạn. Mỗi cơng
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 sự biến dạng của sản phẩm, quan trọng nhất là phải có quy trình
cơng nghệ hợp lý kế đến là phải kiểm sốt được quy trình cơng nghệ đó.
Thấm C là q trình bảo hồ bề mặt chi tiết ngun tố C, cịn 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 ơ nhiễm mơi trường, các công nghệ thấm
thể rắn và thể lỏng dần dần được thay thế bằng cơng nghệ thấm thể khí. Ngày nay cơng
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, q trình thấm thể khí được thực
hiện trong mơi trường khí động do đó chất lượng thấm đồng đều, dễ điều chỉnh các thơng
số cơng nghệ, thích hợp cho sản xuất dây chuyền liên hợp từ khâu làm sạch, thấm, tôi,
ram.
Thấm C, C-N được thực 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 lị đảm bảo
thơng thống để bề mặt thấm ln được tiếp xúc với mơi trường thấm (hình 2.1).

16

nh3
cnh2n+2 + o2

co + h 2

co + h 2
nh3

nh3
co + h 2

n + h2
cnh2n+2

c + h2

c + h2o
n + h2

n + h2
c + h2o

cnh2n+2

c + h2

nh3

n + h2

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 cơng nghệ thấm của
tất cả các sản phẩm đều dựa trên quy trình cơng nghệ thấm tổng qt như trên hình 2.2.

17


Q3

Q2

Q4

Q5

TthÊm
T2
T1

Q6

Q7

Q1
Q8

Q= 0

T3
t2

t3

t4

t5

t7

t t«i

t th

M«i tr−êng ngi

Thêi gian (giê)

Hình 2.2: Quy trình cơng nghệ thấm C, C-N tổng qt
Quy trình cơng 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 q trình nung lị 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 T1 thời gian giữ nhiệt là t2. Nhiệt
độ này chọn khoảng 8000C, 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 lị, 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
TThấm. Trong suốt quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ thấm, ln duy trì lượng chất thấm là
Q2. Tổng thời gian nung chi tiết lên đến nhiệt độ thấm tuỳ thuộc vào cơng suất lị, chiều
dầy chi tiết và mức độ phức tạp của chi tiết tùy theo yêu cầu công nghệ.

18


Q trình thấm được kiểm sốt bởi 3 thơng số cơng nghệ chính, đó là:
1.

Nhiệt độ thấm

2.

Thời gian thấm

3.

Thành phần mơi trường thấm

Kiểm sốt và điều chỉnh 3 thơng 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 mơi trường thấm đóng vai
trị quyết định, hai thơng số cịn lại chủ yếu 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 - 9400C. Nhiệt độ càng
cao, tốc độ thấm C càng tăng, ví dụ tốc độ khuyếch tán của C vào austenite ở nhiệt độ
9250C cao gấp 40 lần so với ở nhiệt độ 8250C [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 cầu lớp thấm > 2mm, bởi vì sẽ mất rất nhiều thời gian và ảnh hưởng xấu đến tính
chất của vật liệu nền.
Thành phần mơi trường thấm
Thành phần mơi trường thấm đóng vai trị quyết định đến hiệu quả của q trình thấm.
Chúng ta cần kiểm sốt thành phần mơi trường thấm để làm sao bề mặt hoà tan được
nhiều C nhất đồng thời khơng được sinh muội.
Tóm lại, các yếu tố cơng 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.
19


2.2. Sự thay đổi kích thước trong q trình thấm tơi
Q 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 tơi 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 yếu 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, tơi
Q trình thấm chỉ tạo ra một lớp thấm mỏng, thường không quá 2mm. Sau khi tôi lớp
này rất cứng và khó gia cơng. Trong q trình thấm, tơi, ram sản phẩm có những sự thay
đổi kích thước, vì thế sau khi thấm và tôi, sản phẩm được gia công tinh.

20


Như đã trình bày ở trên, quá trình thấm là q 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 q 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 thường 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 ngồi
100mm, đường kính trong là 75 và 50mm được thấm ở 9400C , tơi 8300C với chiều sâu
lớp thấm 1mm

Thay ®ỉi kÝch th−íc:

= 0,05mm

Φ100/75 x 50mm

Thay ®ỉi kÝch th−íc:

= 0,05mm

Φ100/50 x 50mm

Hình 2.3 Sự thay đổi kích thước sau thấm và tơi 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 sẽ tăng nhiều hơn so với vật dày. Hiện
tượng này có thể giải thích do vật có chiều dày bé được tơi thấu hơn là vật có chiều dày
lớn hơn.

21