Bài Tập 4 :chọn thép và xác định quy trình nhiệt
luyện để chế tạo bánh răng dẫn trong hộp số
1. Phân tích điều kiện làm việc :
• Bánh răng hộp số làm việc trong môi trường chịu tải trọng tĩnh và va đập mạnh .
• Bề mặt bị mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát , chịu ứng suất lớn , lõi chịu ứng
suất uốn .
• Vùng chân răng dễ bị phá huỷ .
• Chi tiết máy làm việc dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ .
Do điều kiện làm việc như trên nên ta đặt ra các yêu cầu về vật liệu như sau :
• Bề mặt răng phải có độ bền tiếp xúc cao ,
• Răng có độ bền mỏi cao , kết hợp với các chỉ tiêu độ bền , độ dẻo và độ dai va đập ( cơ
tính tổng hợp ) .
2 . Chọn mác thép để chế tạo bánh răng hộp số :
Đối với yêu cầu làm việc cầu chi tiết như trên ta chọn
thép thấm cácbon -20CrMo.
Bánh răng hộp số trong xe tải trọng nhẹ được làm bằng thép thấm cácbon . Ưu điểm của cách
chế tạo này là:
• Đảm bảo bánh răng chịu tải trọng tĩnh và va đập tương đối cao , bề mặt có thể bị mài
mòn .
• Sau khi thấm cacbon trong lò liên tục ( dùng khí thiên nhiên , khí thu nhiệt và amoniac )
ở nhiệt độ 880 – 980 º C , bánh răng được tôi trực tiếp trong dầu nóng , bể muối ở nhiệt độ
160 – 250 ºC .
• Cách chế tạo như vậy có thể rút ngắn được thời gian và nhiệt độ thấm , nâng cao tính
chống mài mòn và giảm độ biến dạng .
Ta thấy thép thấm cacbon hoàn toàn phù hợp để chế tạo chi tiết bánh răng hộp số .
2.1 Thành phần hoá học của mác thép trên là :
Mác thép trên bao gồm những thành phần sau :
%C = 0,17 – 0,23
% Si ≤ 0,40
%Mn = 0,70 – 1,00
%P ≤ 0,035

OCT – Nga 20XM 0.15-0.25 0.17-0.37 0.40-0.70
0.035

0.035
0.80-
1.10
≤0.30
0.15-
0.25
JIS - Nhật SCM420 0.18-0.23 0.15-0.35 0.60-0.85
0.03

0.03

0.90-
1.20
≤0.25
0.15-
0.3
AISI - Mỹ 4120 0.18-0.23 0.15-0.35 0.90-1.20 0.035 0.04
0.40-
0.60

0.13-
0.20
Nhận xét
:
• Ta nhận thấy rằng thành phần các mác thép của các nước có sự khác nhau nhưng không
nhiều mà vẫn đảm bảo được cơ tính của vật liệu .
• Lượng các bon của Nhật và Mỹ khá lớn so với các nước khác

còn xúc tiến quá trình thấm Cacbon . Bề mặt bánh răng là phần chịu ứng suất tác dụng lớn ,
chịu mài mòn ma sát khi làm việc tiếp xúc với môi trường . Yêu cầu bề mặt có độ cứng , tính
chống mài mòn cao trong khi lõi vẫn bền và dẻo dai , muốn vậy ta phải hoá bền bề mặt . Thành
phần Cr sẽ giúp cải thiện tính tôi .

Mo ( 0,05 – 0,2% )
Mo có thể tránh được giòn ram loại II , thường được đưa vào thép Cr – Ni với độ thấm
tôi cao có lượng cac bon khoảng 0,2 – 0,4 % . Ngoài ra nó còn có tác dụng nâng cao độ thấm
tôi .
4.Khảo sát Mac thép : Xác định nhiệt độ
Công thức xác định nhiệt độ tôi , ủ , thường hoá cho thép hợp
Trong đó :
T : Nhiệt độ tôi , ủ , thường hoá ( º C )
K : hằng số nhiệt độ
: hệ số tỉ lệ
X : chỉ số % C có trong thép
a : hệ số di chuyển nồng độ C do ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim thứ i
Me : thành phần % nguyên tố hợp kim thứ i trong thép ( % )
b : Hệ số thăng giảm nhiệt độ tới hạn do ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim thứ i
T : Số gia nhiệt độ ( º C )
Trước hết ta xác định thép họp kim là thép trước cùng tích hay sau cùng tích dựa trên việc so
sánh hàm lượng C với điểm cùng tích S’ của thép hợp như sau :
S’ = 0,8 + ( - 0,033 – 0,075 )
S’ = 0,692
Như vậy thép này là thép trước cùng tích vì có hàm lượng C = 0,2 % < 0,692 .
Vì đây là thép trước cùng tích do đó ta có công thức xác định nhiệt độ tôi , ủ , thường hoá như
sau :
Vậy nhiệt độ tôi , ủ , thường hoá đối với thép 20CrMo là :
T = 950 +11,8 +45 _233,7 ( 0,2 + 0,033
Bảng 1 : Hệ số di chuyển nồng độ cacbon tính theo 1% Me

Mục tiêu cảu nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên austenit hạt nhỏ , sự chuyển biến
này quyết định cơ tính của thép khi làm việc hay gia công tiếp theo . Tổ chức tạo thành khi làm
nguội phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : độ quá nguội , thành phần tổ chức của thép … và cả
phương thức làm nguội
• Bỏ qua chuyển biến bao tinh xảy ra ở nhiệt độ 1499 º C vì nó xảy ra ở nhiệt độ quá cao
và không có ảnh hưởng gì đến tổ chức của thép khi gia công và sử dụng
• Ban đầu tổ chức của thép là austenit có thành phần chính bằng thành phần của thép vì
vậy chúng dẻo dai và dễ biến dạng.
- Từ 865
0
C đến 727
0
C : một phần austenit chuyển thành ferit nên hỗn hợp thu
được gồm hai pha ferit + austenit ( α+γ ). Như đã nói ở trên tổ chức tế vi của ferit có dạng các
hạt sáng đa cạnh. Cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất : dẻo, dai, mềm và kém bền.
Như vậy tổ chức nhận được gồm hai pha đều dẻo và mền. Tỷ lệ % của hai pha ferit và austenit
tại điểm tới hạn (nằm trên đường A
1
) được tính theo quy tắc cánh tay đòn (trên giản đồ Fe-C) :
-Thấp hơn 727
0
C :
-Ở 727
0
C xảy ra phản ứng cùng tích (đường PSK) : austenit chuyển thành peclit
γ
s
→ [α + Fe
3
C

thép này nếu ủ hoàn toàn sẽ đạt độ cứng quá thấp ( HB < 140-160 ) , quá dẻo , phoi khó
gãy nên khó gia công cắt , nếu thường hoá sẽ có độ cứng cao hơn và thích hợp với gia công
cắt hơn vì phoi giòn hơn , dễ gãy hơn .
• Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc . Khi thường hoá tạo ra tổ chức
peclit phân tán hay xoocbit trong đó xêmentit có kích thước nhỏ , điều này rất thuận lợi để
tạo thành hạt austenit nhỏ mịn khi nung nóng cho nhiệt luyện kết thúc.
Thường hoá là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn
là austenit ( cao hơn AC3 hay ) , giữ nhiệt và làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh để
austenit phân hoá thành tổ chức gần ổn định : peclit phân tán hay xoocbit với độ cứng
tương đối thấp ( cao hơn ủ một chút ) .
- Tốc độ nguội : nhanh hơn đôi chút , trong không khí tĩnh (đây là cách làm nguội thông
thường ) , không phải dùng lò khi làm nguội nên kinh tế hơn ủ .
- Tổ chức và cơ tính : tổ chức đạt được là gần bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi chút .
5.3 Nhiệt luyện kết thúc :
Đối với thép 20CrMn này , sau khi gia công cơ khí nhiệt luyện kết thúc bao gồm những
nguyên công là : thấm cacbon và tôi + ram thấp .
Thấm C 880-980ºC Dầu , bể muối 160-250ºC
Tôi trực tiếp 880-980ºC Dầu , bể muối 160-250ºC
Tôi cho lõi 860-900º C Dầu , bể muối 160-250ºC
Tôi bề mặt 780-820º C Dầu , bể muối 160-250ºC
Ram 150-200º C Không khí
Bước 1 : Thấm cacbon
Thấm cacbon là phương pháp hoá - nhiệt bao gồm làm bão hoà cacbon vào bề mặt của
thép cacbon thấp , rồi tiếp theo là tôi và ram thấp làm bề mặt có độ cứng , tính chống mài
mòn cao ( do lượng cacbon cao ) , còn lõi có độ bền tốt và dẻo dai
( do lượng cacbon thấp như cũ ) .
Mục đích của thấm cacbon là làm cho bề mặt của thép cứng tới HRC 60-64 với tính chống
mài mòn cao ,chịu mỏi tốt , còn lõi bền .dẻo ,dai với độ cứng HRC 30-40 .
Nhiệt độ và thời gian
Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon là phải sao cho thép ở trạng thái hoàn toàn là

Như ta đã biết sau khi tôi độ bền , độ cứng của thép tăng lên nhiều lần song nếu lớp tôi quá
mỏng (độ thấm tôi nông ) thì hiệu quả này không đáng kể : lõi do không được tôi , có độ bền
thấp do đó nguy cơ phá huỷ từ đây là rất lớn . Khi lớp thấm tôi dày (độ thấm tôi sâu ) hiệu quả
này sẽ trở nên hoàn toàn hơn nhờ đó sức chịu tải tăng lên rõ rệt . Đặc biệt khi tôi thấu hoá bền
bằng
tôi + ram đối với thép là hoàn toàn dễ dàng đạt được cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết
diện nó rất quan trọng đối với bánh răng .

Độ
thấm
tôi(mm)
1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 35 40
H
Max
Min

49
41

47
37

44
3141
27

38

khó bị phá huỷ giòn hơn .
Thời gian cũng có ảnh hưởng tới chuyển biến khi ram tuy không mạnh bằng nhiệt độ .
Kéo dài thời gian ram cũng có tác dụng như nhiệt độ . Vì vậy sau khi tôi nên ram ngay để vừa
tránh nứt xảy ra sau khi tôi vừa để tránh hiện tượng ổn định hoá austenit.
1.
Lựa chọn vật liệu thay thế
Nếu cần thay thế ta lực chọn vật liệu thép hoá tốt Cr +Ni cao . Với mác thép là :
30XH3A theo tiêu chuẩn của Nga .
Bởi vì ta biết bánh răng là chi tiết đòi hỏi cần có cơ tính tổng hợp cao , đòi hỏi bề mặt có độ
cứng , tính chống mài mòn tốt trong đó lõi vẫn bền và dẻo dai , như vậy hai nguyên tố Cr ,
Ni sẽ giúp cho vật liệu nâng cao tính tôi đảm bảo cơ tính . Mặt khác chúng không những
nâng cao độ cứng và độ bền mà còn nâng cao được chút ít độ dai.
Hay ta có thể thay thế được bằng thép 40X . Thép này chứa Cr ( 0,5% - 1% ) cũng cải
thiện được tính tôi , nhưng không chống được giòn ram loạ