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



Hà Nội, 3 - 2008
Cơ quan chủ trì
Viện Công nghệ
Chủ nhiệm đề tài

thS. Hoàng vĩnh giang 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

41
Tài liệu tham khảo
42
Phần phụ lục
1
GIỚI THIỆU
Chất lượng, tuổi thọ của sản phẩm cơ khí nói chung phụ thuộc nhiều vào quá 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 công đ
oạn hoàn toàn trái ngược, đối kháng nhau chính vì thế chúng sinh ra ứng suất
và gây thay đổi kích thước, biến dạng - một vấn đề hoàn toàn không có gì mới nhưng
hiểu biết về nó thì còn hạn chế.
Để hiểu rõ hơn quá 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 tổ
ng 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 ngoài nước
Biến dạng, thay đổi kích thước các sản phẩm cơ khí trong quá trình nhiệt luyện đã được
biết đến từ lâu, nhưng hiểu biết về nó còn khá nghèo nàn. Những năm gần đây, sức ép
cạnh tranh về chất lượ
ng 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.

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 quá trình nhiệt
luyện (tôi, ram, thấm) bản chất, nguyên nhân của quá trình này.
- Thiết kế quy trình công 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 công nghệ, đồ gá để hạn chế độ cong vênh của bánh răng bella
z38m12 với điều kiện hiện có tại Viện Công nghệ. 3
PHẦN I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC
TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN
1.1. Ứng suất trong quá trình nhiệt luyện
Quá trình nhiệt luyện luôn 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 su
ất vừa nêu đã được đề cập trong công 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

1 10 100 1000
500
1000
Thêi gian (s)
NhiÖt ®é (C)
B
Ò

m
Æ
t
T©m

Hình 1.1b: Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm hình trụ đặc trong quá trình
nguội [3]
0
§−êng kÝnh
nÐn
øng suÊt
KÐo

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

6
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 suấ
t. Sự phân bố suất tổng cuối cùng được
thể hiện trên hình 1.1c.
Thay ®æi kÝch th−íc:
= 0,04 mm
^
0
920 C/dÇu
800 C/dÇu
0Hình 1.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đến sự biến dạng thép 0,1%C [6]

Ngoài ra, tính chất vật liệu cũng có ảnh hưởng đến quá trình này, vật liệu chịu nhiệt càng
tốt thì khả năng ổn định kích thước trong quá 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. 8

Thay ®æi kÝch th−íc:
^
= 0,04 mm
ThÐp 0,1% C
920 C / n−íc
oo
920 C / n−íc
ThÐp 17 % Cr
o

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 +
epsilon carbide
0,25 ÷ 2 0,1277 + 0,0015 x (%C - 0,25)
Ferrite + epsilon carbide 0 ÷ 2 0,1271 + 0,0015 x (%C)
Bảng 2: Thay đổi kích thước trong quá trình chuyển biến pha
Quá 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
0,78 x (%C)
Austenite → bainite trên
4,64 - 2,21 x (%C)
Pearlite cầu → bainite trên
0

10
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]

Ms
T1
T2
T3
Thay ®æi kÝch th−íc
NhiÖt ®é ( C)
0
-200 0 200 400 600 800 1000
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 tôi 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 toán như sau [6]:
)21,264,4(
100
)68,1(
100
100
xC
V
xC
VV
V
V
aac
+−+
⎟

Tuy nhiên, vì lượng austenite dư trong thép hợp kim cao thường lớn, đi
ều này giúp cho
những thép có khả năng tôi cao trung hoà 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 tôi như trên hình 1.7.
Trên hình này ta thấy với nhiệt độ tôi T2 thì sẽ không 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 th
ể tích phải làm nguội xuống dưới 0
0
C.
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
không 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 li
ệu 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.

14
1.3.1. Sự thay đổi thể tích
Trong quá trình ram, martensite sẽ phân huỷ thành ferrite và cementite, và như thế sẽ
làm giảm thể tích.
T¨ng thÓ tÝch
0
NhiÖt ®é ( C)
Ph©n hñy martensite

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
9338 149 204 260 316 371 427 482
NhiÖt ®é ( C)
0
Khö øng suÊt (%)

Hình 1.9. Ứng suất được khử trong quá trình ram [6] 16
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 tôi ram hoàn chỉnh thường phải trải qua nhiều công đoạn. Mỗi công
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 s
ự biến dạng của sản phẩm, quan trọng nhất là phải có quy trình
công nghệ hợp lý kế đến là phải kiểm soát được quy trình công nghệ đó.
Thấm C là quá trình bảo hoà bề mặt chi tiết nguyên tố C, còn thấm C-N, bề mặt chi tiết

2
co + h
3
nh
c + h o
n + h
2
2
c h
n
+ o
2
2n+2
co + h
2
2n+2
c h
n
c + h
2
c h
n 2n+2
c + h
2
n + hnh
32
n + hnh
32

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý thấm C, C-N thể khí

Q7
M«i tr−êng nguéi
Hình 2.2: Quy trình công nghệ thấm C, C-N tổng quát
Quy trình công 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 quá trình nung lò 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 T
1
thời gian giữ nhiệt là t2. Nhiệt
độ này chọn khoảng 800
0
C, 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 lò, 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
T
Thấm
. Trong suốt quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ thấm, luôn duy trì lượng chất thấm là
Q2. Tổng thời gian nung chi tiết lên đến nhiệt độ thấm tuỳ thuộc vào công suất lò, chiều
dầy chi tiết và mức độ phức tạp của chi tiết tùy theo yêu cầu công nghệ.

19
Quá trình thấm được kiểm soát bởi 3 thông số công nghệ chính, đó là:
1. Nhiệt độ thấm
2. Thời gian thấm
3. Thành phần môi trường thấm

chế độ thấm đúng đắn là yếu tố đầu tiên đảm bảo và ổn định chất lượng sản phẩm thấm.

20
2.2. Sự thay đổi kích thước trong quá trình thấm tôi
Quá 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 tôi 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 y
ếu 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, tôi
Quá trình thấm chỉ tạo ra một lớp thấm mỏng, thường không quá 2mm. Sau khi tôi lớp
này rất cứng và khó gia công. Trong quá trình thấm, tôi, ram sản phẩm có những sự thay
đổi kích thướ
c, vì thế sau khi thấm và tôi, sản phẩm được gia công tinh.


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 s
ẽ tăng nhiều hơn so với vật dày. Hiện
tượng này có thể giải thích do vật có chiều dày bé được tôi thấu hơn là vật có chiều dày
lớn hơn.
Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm
Thay ®æi kÝch th−íc: = 0,05mm