Giải pháp công nghệ nâng cao độ bền và giảm nhẹ kết cấu chi tiết toa xe trong điều kiện việt nam,luận án tiến sĩ khoa học kỹ thuật chuyên ngành toa xe

Trong phương hướng, mục tiêu, nhiệm vụ khoa học và công nghệ chủ yếu của các chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 5 năm 2001- 2005 được ghi trong Quyết đị

Lêi cam ®oan

 T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ trong LuËn ¸n lµ trung thùc vµ ch­a tõng ®­îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ LuËn ¸n:

NCS ThS §ång Xu©n Thµnh

mục lục

Trang

mở đầu 4

Chương 1- tổng quan về công nghệ nâng cao độ bền chi tiết toa xe 9

1.1 Các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe 9

1.1.1 Điều kiện làm việc của các chi tiết toa xe 9

1.1.2 Luận cứ nâng cao độ bền chi tiết máy bằng công nghệ vật liệu 10

1.1.3 Một số giải pháp được lựa chọn để nâng cao độ bền chi tiết toa xe 12

1.2 Vật liệu chế tạo chi tiết toa xe hiện tại trong nước và trên thế giới 13 1.2.1.Vật liệu chế tạo chi tiết toa xe ở Việt Nam 16

1.2.2.Vật liệu chế tạo chi tiết toa xe của một số nước tiên tiến trên thế giới 18 1.2.3.Vật liệu chế tạo móc nối đầu đấm và trục chốt toa xe 25

1.3 Công nghệ chế tạo một số chi tiết toa xe tiêu biểu cần cải tiến 29

1.4 Nghiên cứu thiết kế vật liệu mới chế tạo chi tiết toa xe trong nước 33 Chương 2 - Nghiên cứu chế thử vật liệu mới cho chế tạo chi tiết toa xe 43

2.1 Nghiên cứu chế tạo thép hợp kim thấp độ bền cao 43

2.2 Nghiên cứu công nghệ tinh luyện thép bằng fe-rô đất hiếm 52

2.3 Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện thép hợp kim thấp độ bền cao 56

2.4 Kết quả thực tế của quá trình nấu luyện 59

Chương 3- nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới chế tạo chi tiết toa xe 64

3.1 Công nghệ chế tạo phôi chi tiết toa xe 64

3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu chế tạo khuôn đúc phôi chi tiết toa xe 68

3.1.2 Thiết kế bản vẽ các chi tiết toa xe cần chế tạo thử 76 3.1.3.Thiết kế công nghệ đúc phôi chi tiết móc nối đầu đấm toa xe kiểu A 77 3.1.4 Nghiên cứu đúc má giá chuyển hướng toa xe bằng vật liệu mới 81 3.1.5 Nghiên cứu công nghệ đúc phôi chế tạo trục chốt toa xe mới 84 3.1.6. Nghiên cứu công nghệ rèn phôi chế tạo trục chốt toa xe mới 86

3.2 Gia công cắt gọt phôi chi tiết toa xe chế thử 89 3.3 Công nghệ nhiệt luyện chi tiết toa xe chế thử 90 3.4 Khả năng chuyển giao công nghệ chế tạo chi tiết toa xe mới 92

3.4.1 Gía thành chế tạo chi tiết móc nối đầu đấm và trục chốt toa xe 92

3.4.2.Yêu cầu về trang thiết bị và trình độ công nghệ của cơ sở chế tạo 94

Chương 4 - Kiểm định đánh giá chất lượng sản phẩm

4.1 Phân tích thành phần hoá học và kiểm tra kích thước hình học 97 4.2 Đánh giá độ bền của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe 97 4.3 Đo độ cứng của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe 99 4.4 Xác định độ dai va đập của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe 101 4.5 Phân tích tổ chức kim tương của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe 102 4.6 Đánh giá độ chịu ăn mòn của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe 110 4.7 Đánh giá độ chịu mài mòn của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe 111 4.8 Kiểm toán độ bền và tuổi thọ của chi tiết trục chốt toa xe 112 4.9 Kiểm toán độ bền chi tiết má giá khi được đúc bằng vật liệu mới 119

Danh mục công trình đã được công bố của tác giả 135

Mở đầu

 Xuất phát từ nhu cầu thực tế, ngành Đường sắt nước ta đến thời kỳ cần đổi mới phương tiện nhằm nâng cao chất lượng vận tải, tăng khả năng cạnh tranh chuẩn bị bước vào thời kỳ hoà nhập kinh tế quốc tế Muốn vậy, việc nâng cao chất lượng toa xe để đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao của khách hàng là vấn đề cấp thiết được đặt ra đối với những người làm công tác nghiên cứu thiết kế chế tạo toa xe Trong chương trình hành động của Bộ Giao thông vận tải Việt Nam cũng như chủ trương của ngành Đường sắt trong thời gian tới sẽ chế tạo mới khoảng 250 toa xe /năm, trong đó có 100 toa xe khách và khoảng 150 toa xe hàng; riêng trong 2 năm 2004- 2005 ngành Đường sắt nước ta có dự án chế tạo mới 56 toa xe khách và 600 toa xe hàng với số lượng chi tiết cần chế tạo mới khá lớn Ngoài ra, ngành Đường sắt cũng còn phải đáp ứng nhu cầu sửa chữa duy trì hoạt động của khoảng 5000 toa xe, phần lớn được mua của nước ngoài như Trung Quốc, Rumani, ấn Độ,…, đã đến thời kỳ cần có các chi tiết mới thay thế cho các chi tiết mòn hỏng, đã hết hạn độ sử dụng Trước tình hình đó, ngành Đường sắt nước ta cần phải chủ động giải quyết khâu phụ tùng phục vụ sửa chữa, thay thế trong ngành Theo [7],[10],[17], các toa xe hiện nay thường

có tự trọng lớn, vì tổng trọng lượng của các chi tiết cấu thành lớn, do được thiết kế chế tạo từ các vật liệu có độ bền không cao

Các chi tiết toa xe có rất nhiều loại, nhưng ở đây trong khuôn khổ một luận

án tiến sĩ chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu mới và ứng dụng vật liệu đó

để chế tạo một số dạng chi tiết đặc trưng và hay phải thay thế của toa xe, đó là chi tiết móc nối đầu đấm, má giá chuyển hướng và trục chốt toa xe Riêng đối với các chi tiết móc nối đầu đấm toa xe, ngành Đường sắt cần phải duy trì khả năng làm việc của hơn 10000 bộ đầu đấm móc nối dùng cho trên 5000 toa xe của ngành với số lượng theo tỷ lệ phải sửa chữa hàng năm vào khoảng 500 bộ

Trong giai đoạn hiện nay, theo [31], [41], [42], việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu cao cấp từ nguồn tài nguyên sẵn có của Việt Nam, nghiên cứu thiết kế chế tạo các máy móc, thiết bị, phụ tùng thay thế trong nước đang là hướng

được quan tâm của Nhà nước ta Trong phương hướng, mục tiêu, nhiệm vụ khoa học và công nghệ chủ yếu của các chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước giai đoạn 5 năm 2001- 2005 được ghi trong Quyết

định số 82/2001/ QĐ- TTg ngày 24/5/2001 và Quyết định số 272/2003/ QĐ- TTg ngày 31 tháng 12 năm 2003 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010, có đoạn ghi

cụ thể cần “ Tập trung nghiên cứu, phát triển và ứng dụng có hiệu quả các hướng công nghệ : Công nghệ vật liệu kim loại trên cơ sở tài nguyên trong nước, nghiên cứu lựa chọn công nghệ luyện kim phù hợp,…, sản xuất thép hợp kim chất lượng cao, các hợp kim có tính năng tổng hợp sử dụng cho các ngành cơ khí chế tạo, xây dựng, giao thông vận tải,…” Như vậy, việc nghiên cứu công nghệ vật liệu mới nhằm nâng cao độ bền cho các chi tiết toa xe là một hướng phát triển của thế giới và là đòi hỏi cấp thiết của thực tiễn nước ta, phù hợp với chủ trương của Nhà nước ta trong giai đoạn hiện nay Chính vì vậy, đề tài “ Giải pháp công nghệ nâng cao độ bền và giảm nhẹ kết cấu chi tiết toa

xe trong điều kiện Việt Nam“ đã được chọn làm luận án tiến sĩ

Mục tiêu của luận án là nâng cao độ bền cho các chi tiết toa xe chế tạo

trong nước bằng cách dùng vật liệu mới là thép hợp kim thấp độ bền cao, được chế tạo từ nguồn nguyên vật liệu và trình độ công nghệ sẵn có trong nước để chế tạo chi tiết toa xe mới, tạo cơ sở cho việc thiết kế giảm trọng lượng chi tiết, đồng thời cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết toa xe

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật liệu và công nghệ mới chế tạo chi

tiết toa xe trong nước đang có nhu cầu, gồm:

• Nghiên cứu thiết kế thành phần vật liệu chế tạo chi tiết toa xe mới;

• Công nghệ nấu luyện thép hợp kim thấp độ bền cao phù hợp với 2 mác thép có thành phần tương đương mác 35Mn và 25CrMnSi;

• Công nghệ chế tạo một số loại chi tiết toa xe từ phôi đúc của vật liệu mới

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

- Đánh giá hiện trạng vật liệu chế tạo chi tiết toa xe ở Việt Nam thông qua việc thu thập tài liệu, khảo sát vật liệu chế tạo từng chi tiết toa xe ;

- Nghiên cứu vật liệu chế tạo chi tiết toa xe ở nước ngoài, để thiết kế thành phần vật liệu phù hợp cho chi tiết toa xe ở Việt Nam;

- Xác định công nghệ pha chế, nấu luyện thép hợp kim thấp độ bền cao ở trong nước, chế tạo mác thép đặc trưng 25CrMnSi;

- Xác định công nghệ chế tạo một số chi tiết toa xe có điều kiện làm việc khá đặc biệt ( chịu tải trọng động lớn, chịu mài mòn), như móc nối đầu

đấm toa xe, một số loại trục chốt toa xe, má giá chuyển hướng;

- ứng dụng một số phương pháp đánh giá chất lượng chi tiết toa xe, như phương pháp phân tích quang phổ xác định thành phần hoá học, phương pháp xác định độ bền, độ cứng và soi chụp tổ chức kim tương mới

Phương pháp nghiên cứu đề tài

Theo [19], kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, tận dụng tối đa kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học nước ngoài để suy xét, phán đoán, lựa chọn thành phần hợp kim cũng như công nghệ chế tạo sao cho phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh củaViệt Nam, nhằm đạt được mục tiêu tăng bền cho chi tiết toa xe Do điều kiện thiết bị và kinh nghiệm công nghệ một số lĩnh vực ở các cơ sở thí nghiệm trong trường còn hạn chế, việc nghiên cứu chế thử phải sử dụng khả năng đánh giá năng lực công nghệ, lựa chọn đối tượng liên kết, kết hợp chặt chẽ với một số cơ sở bên ngoài có những khả năng công nghệ và thiết bị phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài để tiến hành công việc chế thử, sao cho đạt được kết quả tạo ra sản phẩm có chất lượng như mong muốn và đánh giá được các chỉ tiêu chất lượng này Thử nghiệm

được tiến hành chủ yếu trong các phòng thí nghiệm của trường, của nhà máy

và một số Viện nghiên cứu, với các mẫu thử tiêu chuẩn thống nhất trên thế giới để tiện so sánh, đánh giá, thông qua các thiết bị thí nghiệm chuyên dùng Toàn bộ nội dung luận án được thể hiện trong 125 trang, gồm 4 chương:

- Chương 1 - Trình bày tổng quan về cơ sở lý thuyết của việc nâng cao độ bền, vật liệu và công nghệ chế tạo chi tiết toa xe trong và ngoài nước, đồng thời nghiên cứu thiết kế vật liệu mới cho chế tạo chi tiết toa xe trong nước;

- Chương 2 - Trình bày công nghệ nấu luyện thép hợp kim thấp độ bền cao;

- Chương 3 - Trình bày công nghệ mới để chế tạo một số chi tiết toa xe tiêu biểu đang có nhu cầu sử dụng trong nước như móc nối đầu đấm toa xe, trục

chốt toa xe mới, thiết kế công nghệ chế tạo đúc phôi má giá chuyển hướng toa xe ấn Độ

- Chương 4 - Trình bày phương pháp đánh giá chất lượng vật liệu chế tạo chi

tiết toa xe, kiểm toán độ bền để dựa trên cơ sở đó mà thiết kế giảm trọng lượng của chi tiết trục chốt và má giá chuyển hướng toa xe khi được chế tạo bằng vật liệu mới

ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu thể hiện ở các giải pháp công

nghệ tác động vào cấu trúc tế vi vật liệu chế tạo các chi tiết chịu lực của toa

xe, để nâng cao độ bền cho các chi tiết này, góp phần bổ sung vào lý thuyết hợp kim hoá và biến tính, cũng như lý thuyết cơ học phá huỷ vi mô Những vấn đề công nghệ mới đã được áp dụng trong chế tạo các chi tiết toa xe của đề tài như : hợp kim hóa đồng thời bằng nhiều nguyên tố hợp kim, biến tính làm nhỏ hạt và khử kỹ tạp chất có hại bằng fe- rô đất hiếm titan Việt Nam, dùng công nghệ khuôn cát- nước thuỷ tinh đóng rắn nhanh nhờ khí

CO2, , sẽ là những đóng góp mang tính học thuật trong công nghệ chế tạo chi tiết máy nói chung, cũng như các chi tiết toa xe nói riêng

ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu là mở ra khả năng cho việc thiết

kế thay thế vật liệu chế tạo nhiều chủng loại chi tiết toa xe vốn từ vật liệu ít bền chuyển sang dùng vật liệu mới có độ bền cao được tạo ra bằng chính nguồn nguyên vật liệu sẵn có trong nước

Những điểm mới chủ yếu đã đạt được trong đề tài luận án gồm:

• Đã chế tạo được loại vật liệu mới là thép hợp kim thấp mác 25CrMnSi có cơ tính tổng hợp cao, dùng để chế tạo các chi tiết chịu lực lớn trong toa xe, trên cơ sở nguồn nguyên vật liệu rất sẵn có trong nước; đồng thời cũng bổ sung vào lý thuyết hợp kim hoá;

• Đã sử dụng fe- rô đất hiếm Titan Việt Nam để biến tính làm nhỏ hạt, khử

kỹ tạp chất, làm tăng bền trong điều kiện thực tế Việt Nam hiện nay, góp phần làm sáng tỏ hơn cơ chế làm nhỏ hạt và tạo pha phân tán của đất hiếm

• Đã chế tạo thành công lưỡi móc nối đầu đấm toa xe kiểu ấn Độ và một số trục chốt toa xe mới có cơ tính tổng hợp cao, đồng thời nghiên cứu lý thuyết công nghệ chế tạo má giá đúc kiểu ấn Độ trong nước, xây dựng

được các thông số công nghệ chế tạo khuôn

Luận án được thực hiện tại: Bộ môn Đầu máy- Toa xe thuộc Khoa Cơ khí của Trường đại học Giao thông vận tải Hà Nội, với sự giúp đỡ của các cơ quan: Công ty Tư vấn Đầu tư & Xây dựng, Khoa Khoa học & Công nghệ vật liệu của Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Công ty Máy kéo & máy nông nghiệp Hà Tây, Công ty Cơ khí Đông Anh, Viện Công nghệ, Viện Công nghệ Xạ- Hiếm, Viện cơ khí Năng lượng & Mỏ, Viện Dầu khí Đặc biệt, luận án nhận được sự giúp đỡ tận tình của PGS TS Đinh Quảng Năng và PGS TS Vũ Duy Lộc cùng các cán bộ khoa học khác trong Bộ môn Đầu máy- Toa xe và của cán bộ Khoa Khoa học & Công nghệ vật liệu

Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và xin chân thành cảm ơn tất cả các

tổ chức, cá nhân đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Chương 1: tổng quan về công nghệ nâng cao độ bền

chi tiết toa xe -

1.1 Các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe

1.1.1 Điều kiện làm việc của các chi tiết toa xe

Các toa xe được quan niệm là là một hệ thống động học bao gồm nhiều bộ phận chi tiết hợp thành, có liên hệ chặt chẽ với nhau thông qua các liên kết hàn tán, bu- lông, trục chốt, Các liên kết giữa những bộ phận và chi tiết được xác định thông qua số bậc tự do của kết cấu Theo [7], [15], [26], [43], [71], trong quá trình vận hành trên đường sắt, các toa xe phải chịu nhiều lực tác

động khác nhau gọi chung là tải trọng tĩnh và động Tải trọng tĩnh tác dụng lên toa xe lúc toa xe ở trạng thái dừng đỗ trong ga, xưởng Tải trọng động tác dụng lên toa xe khi nó chạy trên đường sắt hoặc khi tác nghiệp kỹ thuật xếp

dỡ trong ga Theo quy phạm tính toán thiết kế toa xe, cần phải xét đến các tải trọng sau:

• Tải trọng thẳng đứng tĩnh và động Tải trọng thẳng đứng bao gồm trọng lượng của tất cả các phần tử đặt ở phía trên chi tiết được xét cộng với trọng lượng bản thân chi tiết, còn tải trọng động được nhân với hệ số động;

• Tải trọng ngang sườn gồm lực ly tâm, lực gió, lực động trong mặt phẳng nằm ngang phát sinh từ đường ray;

• Tải trọng dọc là lực kéo, nén đặt lên bộ đầu đấm móc nối, được tính theo 3 chế độ chịu tải, với trị tuyệt đối lớn nhất lên đến 2,5 MN;

• Tải trọng sinh ra khi hãm giảm tốc độ lúc vào ga, vào điểm hạn chế tốc độ hoặc lúc gặp sự cố bất ngờ, làm phát sinh lực quán tính và lực tác dụng lên các chi tiết toa xe;

• Tải trọng thẳng đứng đối xứng chéo sinh ra khi một trong 4 bầu dầu dịch chuyển theo phương thẳng đứng 0,016 m so với các bầu dầu còn lại;

• Sức ép hàng hạt rời đặt lên thùng xe, được xét đến khi tính toán thùng xe

Các lực trên tác động đến các tiết diện chịu lực gây ra ứng suất trong chi tiết

và theo lý thuyết Sức bền vật liệu, khi ứng suất cực đại vượt mức qui định thì

uy hiếp đến độ bền của kết cấu(chưa kể đến tác động ăn mòn của môi trường)

1.1.2 Luận cứ nâng cao độ bền chi tiết máy bằng công nghệ vật liệu

Theo [67], [73], nâng cao độ bền các chi tiết kết cấu luôn luôn là mối quan

tâm của các nhà nghiên cứu và thiết kế cơ cấu máy Độ bền của chi tiết máy

liên quan chủ yếu đến trạng thái năng lượng, ứng suất, biến dạng và công nghệ

chế tạo nó Chi tiết toa xe cũng là loại chi tiết máy, nên việc chế tạo nó cũng

phải tuân theo các quy trình công nghệ chung trong chế tạo máy, đầy đủ từ

công đoạn chế tạo phôi cho đến khâu nhiệt luyện và kiểm tra chất lượng sản

phẩm cuối cùng

Theo [29], khi tiến hành thiết kế một kết cấu chịu lực nào đó, người thiết kế

thường phải căn cứ trên 3 vấn đề : chức năng, vật liệu và tải trọng tác dụng lên

kết cấu để định ra kết cấu Theo [2], [79], [85], [86], quan hệ giữa các yếu tố

trên được thể hiện qua những công thức về điều kiện bền cơ bản, trong đó có

công thức về điều kiện bền kéo- nén ( công thức 1.1), còn các công thức về

điều kiện bền uốn, xoắn cũng tương tự với tử số là tải trọng và mẫu số là yếu

tố hình học của kết cấu

σ = N/ F ≤ [ σ ] (1.1) Trong đó : N là lực kéo , nén đúng tâm ;

F là diện tích tiết diện chịu lực ;

[ σ ] = σc / n , với n là hệ số an toàn và σc là giới hạn chảy của vật liệu

Từ quan hệ giữa các yếu tố trong công thức trên, muốn thoả mãn được điều

kiện bền, cần phải tìm cách giảm nhỏ σ bằng các cách sau :

- Giảm lực tác dụng N ở tử số ;

- Tăng đại lượng F ở mẫu số ;

- Tăng chính ngay đại lượng [ σ ] lên

Trong hầu hết các công thức tính toán độ bền có trong các tài liệu [2], [5], [26], [45], [71], [81], đều có xuất hiện thành phần mô- đun đàn hồi E, thành phần này có liên quan mật thiết với bản chất kim tương của vật liệu thép chế tạo các phần tử kết cấu Trong khi đó, bản chất kim tương của vật liệu lại phụ thuộc vào thành phần hoá học, điều kiện kết tinh và tái kết tinh của vật liệu chế tạo chi tiết máy

Theo lý thuyết cơ học phá huỷ trong [37], [40], vật liệu và kết cấu thực tế khó tránh khỏi các khuyết tật hoặc vết nứt trong quá trình luyện kim và gia công, nhưng chỉ khi trường ứng suất ở đầu vết nứt và kích thước vết nứt đạt tới một mức độ nào đó thì cấu kiện mới bị phá huỷ Mức độ mạnh yếu của trường ứng suất tại đầu vết nứt được biểu thị bằng một tham số gọi là cường độ ứng suất K, mà nếu K ≤ KC / n thì cấu kiện vẫn đủ bền và sẽ không bị phá huỷ ( trong đó KC là độ dai phá huỷ, còn n là hệ số an toàn ) Kích thước ban đầu của vết nứt và sự phát triển của nó có ảnh hưởng quyết định đến độ bền phá hủy của kết cấu Dưới tác dụng của tải trọng biến đổi, vết nứt phát triển và tuổi thọ sử dụng của cấu kiện bị hạn chế trong thời hạn N< NP ( tuổi thọ phát triển vết nứt) Như vậy, muốn nâng cao độ bền chi tiết còn cần phải hạn chế kích thước tối đa của các khuyết tật rỗ, nứt trong chi tiết, nâng cao độ dẻo dai của vật liệu chế tạo, thông qua các biện pháp công nghệ

Bởi vậy, theo [55], [57], [60], [61], [82], [83], bằng giải pháp pha chế nấu luyện hợp kim và điều chỉnh tốc độ kết tinh cùng với các phương pháp gia công áp lực và nhiệt luyện, có thể tạo ra được các vật liệu có độ bền tăng cao

để chế tạo các chi tiết máy Khi đã có vật liệu chế tạo có độ bền cao hơn vật liệu chế tạo kết cấu cũ, nhà thiết kế có thể tính toán thiết kế giảm bớt tiết diện chịu lực của kết cấu mà vẫn đảm bảo khả năng chịu tải như cũ Còn nếu giữ nguyên tiết diện chịu lực như thiết kế cũ thì đương nhiên chi tiết đã được nâng cao độ bền so với khi được chế tạo bằng vật liệu cũ

Theo [7], [43], vật liệu dùng làm các phần tử chịu lực trong kết cấu toa xe cần phải có đủ độ bền tĩnh, độ bền động và độ dai va đập Độ bền của vật liệu phải ổn định trong các điều kiện môi trường vận dụng phổ biến của toa xe, không bị suy giảm độ bền khi gia công nhiệt hàn, không quá nhạy cảm đối với

sự tập trung ứng suất, có tính năng công nghệ tốt Ngoài ra, vật liệu còn cần có thêm tính chống chịu ăn mòn, chịu mài mòn Yêu cầu thép dùng để chế tạo toa xe có tính chất cơ học cơ bản như :

- Giới hạn bền từ 500- 550 MPa;

- Giới hạn chảy cỡ 400 MPa;

- Giới hạn mỏi từ 210- 230 MPa

Trong khi phần lớn vật liệu chế tạo chi tiết toa xe lâu nay theo [7], [17], [32], [35] không đáp ứng được yêu cầu này( xem bảng 1.3 trang 18) Vì vậy, trước hết cần tìm hiểu khái quát về các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa

xe và lựa chọn một số giải pháp phù hợp trong khả năng cho phép để tiến hành thử nghiệm chế tạo chi tiết toa xe mới

1.1.3 Một số giải pháp được lựa chọn để nâng cao độ bền chi tiết toa xe

Theo [17], [26], [43], để nâng cao độ bền và tuổi thọ các chi tiết toa xe, có thể đi theo các nhóm giải pháp như trong sơ đồ hình 1.1

Trong ba nhóm giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe, theo [7], [25], [59]

đã có nhiều đề tài quan tâm giải quyết các giải pháp thuộc nhóm 1, đó là các giải pháp tính toán nhằm nâng cao độ bền thùng, bệ xe, khung giá chuyển hướng hàn, tính toán dao động của các phần tử và cụm phần tử thuộc phần kết cấu hàn Theo [17], [26], các vấn đề còn trống ít có đề tài nghiên cứu giải quyết thường thuộc về công nghệ vật liệu chế tạo phôi các chi tiết toa xe cần qua rèn, đúc Bởi vậy, để đảm bảo tính không trùng lặp, đề tài tập trung chủ yếu vào hai nhóm giải pháp (2+3) sử dụng vật liệu mới và cải tiến công nghệ chế tạo các chi tiết toa xe để giải quyết sao cho phù hợp với hoàn cảnh Việt Nam Vật liệu mới có nhiều loại, nhưng đề tài chỉ tập trung nghiên cứu vào

loại vật liệu thép, trong đó hướng vào thép hợp kim thấp độ bền cao để chế tạo các chi tiết toa xe cho đảm bảo tính kinh tế và tính thực tiễn

Hình 1.1- Sơ đồ các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe

1.2 Vật liệu chế tạo chi tiết toa xe hiện tại trong nước và trên thế giới

Theo [7], [32], [37], [39], [71], [72], vật liệu chế tạo chi tiết toa xe ở nước ngoài gồm rất nhiều loại : thép, gang, hợp kim đồng, hợp kim nhôm, nhựa, kính, gỗ, cao su, compozit,…, nhưng đề tài chỉ quan tâm đến một số vật liệu thép chế tạo chi tiết chịu lực của toa xe, còn những vật liệu kết cấu mang tính

Các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe

3 Nhóm các giải pháp cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết toa xe

Dùng thép hợp kim thấp

có cơ

tính tổng hợp cao

Dùng hợp kim nhẹ, chất dẻo

và vật liệu

tổ hợp

Cải tiến công nghệ chế tạo

đúc phôi chi tiết

Cải tiến công nghệ gia công

áp lực

Cải tiến công nghệ gia công nhiệt luyện

chất thiên về trang trí thì không xét đến Thép chiếm tỷ trọng cỡ 80% tự nặng toa xe, trong đó chủ yếu là thép kết cấu các- bon và thép hợp kim thấp

Thép các- bon thường dùng để chế tạo các chi tiết toa xe là thép các- bon trung bình cán, rèn, đúc Thép cán được dùng phổ biến nhất là thép các- bon chất lượng và thép hợp kim thấp, thường được dùng ở dạng thanh và dạng tấm Thép đúc được dùng phổ biến nhất là loại thép mác C25 và 20Mn, dùng để

đúc các tấm trên, tấm dưới của cối chuyển hướng, má giá chuyển hướng và phần lớn các chi tiết của bộ đầu đấm móc nối Gang chỉ được dùng ở những chi tiết đúc không chịu va đập như vỏ van hãm, guốc hãm, hàm nối ống mềm,…Theo [7], [49], gang được dùng trong chế tạo các chi tiết toa xe chủ yếu là gang xám mác 21- 40 Hợp kim đồng được dùng chủ yếu trong chế tạo

toa xe, theo [71] là đồng thanh và hợp kim ba- bít, trong đó đồng thanh được dùng để chế tạo các loại bạc lót, piston van hãm,…, chiếm tỉ trọng nhỏ trong vật liệu kết cấu chế tạo toa xe

Hợp kim nhôm thường được dùng trong các chi tiết trang trí, kết cấu nhẹ, chịu lực không đáng kể, như móc treo, nẹp cửa,…Theo [5], [73], các hợp kim nhôm có độ bền riêng cao, có khả năng chống tải trọng quán tính và tải trọng

động, đồng thời có tính công nghệ tốt Độ bền của hợp kim nhôm có thể đạt tới 500 – 700 MPa với mật độ không lớn hơn 2850 kg/ m3 Phần lớn các hợp kim nhôm có tính chống ăn mòn tốt, có độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao và có tính công nghệ tốt Các hợp kim nhôm có độ bền cao được ký hiệu bằng chữ cái B

có giới hạn bền đến 600 – 700 MPa và giới hạn chảy cũng rất gần với giới hạn bền Theo [4], [73], [96], [97], ngày nay ở một vài nước tiến tiến trên thế giới, hợp kim nhôm rất được ưa chuộng để làm vỏ thùng xe khách Những thùng xe bằng nhôm có khả năng chống đỡ lực dọc cao tương đương thùng xe bằng thép trước khi bị uốn oằn Thùng xe bằng nhôm có độ biến dạng lớn do mô- đun Young thấp, có thể hấp thụ nhiều năng lượng va chạm, giảm nhẹ

được tai nạn Vật liệu điển hình làm thùng xe là các hợp kim nhôm có độ bền

trung bình thuộc nhóm AlMgSi( xê-ri 6000) có giới hạn chảy 150-260 MPa và giới hạn bền 190-310 MPa Các toa xe nhẹ thường sử dụng hợp kim nhôm mác AA6005A cho khung gầm và thành bên, mác AA6106 cho trần mái, còn mác AA6082 cho các mặt cắt chịu lực nặng như khung và ụ giá chuyển hướng Trong tương lai, khi các hợp kim nhôm được sử dụng càng nhiều để chế tạo các chi tiết nội thất toa xe, như các thanh chống, giường nằm, tay vịn, giá đỡ, khung cửa ra vào và cửa sổ, các thanh gia cường,…, thì khi đó tự nặng của các phần này của toa xe sẽ giảm đáng kể, vì khối lượng riêng của chúng chỉ bằng cỡ 1/3 so với thép

Vật liệu nhựa và compozit được dùng để thay thế dần phần vật liệu gỗ làm kín thùng xe trước đây, chế tạo ra những tấm trải sàn, chế tạo cửa đi và vách ngăn giữa các phòng buồng trong thùng xe Theo [37], [52], [73], [98], vật liệu compozit là loại vật liệu tổ hợp từ 2 vật liệu thành phần có bản chất khác nhau trở lên, để tạo thành một loại vật liệu có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần Đối với các chi tiết toa xe không đòi hỏi phải làm việc ở nhiệt độ cao, mà chủ yếu làm việc trong môi trường không khí chịu nắng, mưa, nên chủ yếu người ta dùng vật liệu compozit nền hữu cơ Khi sử dụng compozit, người ta thường quan tâm đến các tính chất cơ lý của nó

Khi thiết kế toa xe, người ta phân theo nhóm chức năng phục vụ vận dụng và

đối với các chủng loại toa xe khác nhau thì có số nhóm khác nhau, còn khi xem xét về công nghệ chế tạo, các vật liệu chế tạo các kết cấu chịu lực chính của toa xe có thể được phân thành 3 nhóm chủ yếu sau :

• Nhóm vật liệu chế tạo các chi tiết dạng thanh trong các kết cấu hàn tạo nên kết cấu thùng, bệ xe

• Nhóm vật liệu chế tạo các chi tiết đúc trong các kết cấu đầu đấm móc nối, giá chuyển hướng, cối chuyển hướng, nắp bầu dầu,

• Nhóm vật liệu chế tạo các chi tiết dạng thanh trong các kết cấu trục xoay, chịu mài mòn

Khoảng trước năm 1950, theo [5], [7], [32], phần lớn vật liệu chế tạo các chi tiết toa xe là thép các- bon Theo xu hướng phát triển của thế giới, để nâng cao

độ bền và tuổi thọ các chi tiết toa xe, người ta đã sử dụng thép hợp kim thấp

độ bền cao

1.2.1 Vật liệu chế tạo các chi tiết toa xe ở Việt Nam

Theo [6], [10], [12], vật liệu chế tạo các chi tiết toa xe ở Việt Nam hiện nay vẫn chủ yếu là thép các- bon Trong toa xe, các chi tiết thanh dầm đơn giản

được chế tạo từ thép cán, còn các chi tiết phức tạp thường chế tạo từ thép đúc Theo [32], [39], [60], dựa theo thành phần các- bon, thép các- bon đúc được chia làm 3 loại:

- Thép đúc các- bon thấp có chứa nhỏ hơn 0,25%C ;

- Thép đúc các- bon trung bình có chứa 0,25 ữ 0,6% C ;

- Thép đúc các- bon cao có chứa lớn hơn 0,6% C

Các thành phần cơ bản khác cần khống chế trong thép như :

% Mn = 0,5 ữ 1,0; % Si = 0,25 ữ 0,8% ; % P ≤ 0,05 ; % S ≤ 0,06

Ngoài ra, có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố khác trong thép như : Cu,

Cr, Ni, Sn ,V, W, Mo, , lượng này thường nhỏ hơn 0,3% đối với mỗi nguyên

tố thành phần

Theo [39], vật liệu thép các- bon đúc dùng chế tạo các chi tiết đầu máy, toa

xe được ghi trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thép các- bon đúc sử dụng trong ngành đầu máy - toa xe[39]

C20Đ

0,12-0,20

0,17-0,25

0,35-0,65 0,35-0,65

0,17-0,37 0,17-0,37

< 0,05 < 0,3

mỗi thứ

Các chi tiết

đơn giản C25Đ 0,22-0,30 0,50-0,80 0,50-0,80 < 0,05 - nt- Chi tiết đầu

đấm C30Đ 0,27-0,35 0,50-0,80 0,17-0,37 < 0,05 - nt- -

0,17-0,37 0,17-0,37

< 0,05 - nt- Các chi tiết

chịu ma sát mài mòn

Vật liệu hiện tại để chế tạo các kết cấu chịu lực chủ yếu của toa xe trong nước theo [10], [12], [48], [50] có thể quy về 3 nhóm chính:

• Nhóm vật liệu để chế tạo các kết cấu hàn, dù là thép hình hay tôn tấm các loại thì cũng là loại thép cac-bon chất lượng thường, kí hiệu CT38 tương đương với mác thép ký hiệu CT3 của Nga

• Nhóm vật liệu để chế tạo các chi tiết dạng trục xoay thường dùng thép

45 có yêu cầu thấm các- bon với chiều sâu thấm từ 1- 1,5 mm

• Nhóm vật liệu để chế tạo các chi tiết đúc trong nước như cối chuyển,

đầu đấm, nắp bầu dầu, , thường dùng thép C25Đ

Thành phần của các loại thép trên như trong bảng 1.2 và cơ tính của chúng chỉ đạt ở mức như trong bảng 1.3

Bảng 1.2 : Thép các- bon đã dùng để chế tạo chi tiết toa xe trong nước

Thành phần hoá học của các mác thép , % ( TCVN)

tố khác CT38(CT3) 0,14-0,22 0,12-0,30 0,4-0,65 ≤ 0,04 ≤ 0,05 ≤ 0,3 Cr Thép 45 0,42-0,50 0,17-0,37 0,50-0,80 ≤ 0,04 ≤ 0,05 ≤ 0,3 Cr C25Đ 0,22-0,30 0,17-0,37 0,50-0,80 ≤ 0,04 ≤ 0,05 ≤ 0,3 Cr

Bảng 1.3 : Cơ tính của thép đã dùng chế tạo các chi tiết toa xe trong nước

Mác thép Chiều dày

sản phẩm cán, mm

MPa % Không nhỏ hơn

tự nặng của toa xe

1.2.2 Vật liệu chế tạo chi tiết toa xe của một số nước tiên tiến trên thế giới

Hiện nay, thế giới đã sử dụng thép hợp kim thấp thay thế thép các-bon, để chế tạo các chi tiết toa xe Thép hợp kim là loại thép có chứa một hoặc một số nguyên tố hợp kim ( crôm, ni- ken, ti- tan, vanađi, von- fram, môlipđen,…) với các tổ hợp khác nhau để làm thay đổi một số tính chất của thép hoặc chứa một hàm lượng man- gan và si- lic cao hơn mức thông thường Công dụng quan trọng của các nguyên tố hợp kim là nâng cao độ bền, điều chỉnh một số tính chất cơ lý của thép Theo [61], [76], [87], các ưu điểm cơ bản của thép hợp

kim sẽ được thể hiện sau khi gia công nhiệt luyện nó Thép hợp kim có thể cải thiện quan hệ giữa độ bền và độ cứng, đồng thời làm giảm nhiệt độ chuyển biến của thép trong trạng thái dòn Thép hợp kim đảm bảo được tính thấm tôi lớn so với thép các- bon đơn giản và cũng tạo khả năng hình thành tổ chức mactenxít khi tôi thép trong dầu, giúp làm giảm ứng suất bên trong là yếu tố

có thể làm xuất hiện vết nứt và cong vênh của vật phẩm chế tạo Trước kia, theo [27], [73] người ta quan niệm : khi tổng lượng hợp kim nhỏ hơn 3% thì thép hợp kim đó được gọi là thép hợp kim thấp, còn khi tổng hàm lượng hợp kim từ 3 – 10 % thì gọi là thép hợp kim trung bình, trên 10% thì được gọi là thép hợp kim cao Còn ngày nay các mức này đã được xê dịch tăng lên, theo tài liệu [60] : tổng lượng hợp kim dưới 5% là thép hợp kim thấp, từ 5 – 10 % thì gọi là thép hợp kim trung bình, trên 10% thì được gọi là thép hợp kim cao Nhìn chung, ngày nay người ta thường dùng chủ yếu là các mác thép hợp kim thấp để chế tạo các chi tiết toa xe, vì phần lớn các mác thép hợp kim cao thì

độ bền lại không cao, trong khi giá thành sản xuất lại rất cao Thép hợp kim cao thường được dùng trong lĩnh vực chịu ăn mòn và chịu nhiệt

Thành phần hoá học của một số mác thép hợp kim thấp để chế tạo các chi tiết toa xe được dùng phổ biến ở Nga, được nêu trong bảng 1.4 và cơ tính của chúng được nêu trong bảng 1.5

Bảng 1 4 : Thép hợp kim thấp để chế tạo toa xe của Nga [77]

Thành phần hoá học của các mác thép , % ( ΓOCT 19282 – 73)

khác 09Γ2 ≤ 0,12 0,17-

≤ 0,05 Ti 15XCHД 0,12-

0,18

0,4- 0,7

0,4- 0,7 0,3-

0,6

0,4

đến - 400C MPa %

Không nhỏ hơn 09Γ2 5- 9

Thép 09Γ2 được dùng chủ yếu ở dạng tấm, làm kết cấu bao che trong thùng

xe, thép mác 20ΓΦ làm vật liệu đúc và thép mác 15XCHД thường được dùng

ở dạng thanh cán trong kết cấu hệ thống khung chịu lực của thùng, bệ xe Thành phần hoá học của một số mác thép hợp kim thấp độ bền cao của Nga

dùng để chế tạo các chi tiết quan trọng chịu tải trọng động lớn, được nêu trong

bảng 1.6 và cơ tính của chúng được nêu trong bảng 1.7

Bảng 1 6 : Một số thép hợp kim thấp độ bền cao của Nga [77]

Thành phần hoá học của các mác thép , % ( ΓOCT 4543-71)

tố khác 20XΓCA 0,17- 0,23 0,9- 1,2 0,8- 1,1 0,8- 1,1 ≤ 0,035 P

≤ 0,025 S

≤ 0,3 Ni

≤ 0,3 Cu 25XΓCA 0,22- 0,28 0,9- 1,2 0,8- 1,1 0,8- 1,1 ≤ 0,035 P

a) b)

Hình 1.2- Tổ chức tế vi của thép hợp kim thấp mác 40X của Nga :

a) Sau thường hoá (ì 100) ; b) Sau tôi và ram (ì 500)

Thành phần hoá học của một số loại thép hợp kim thấp dùng để chế tạo các chi tiết toa xe của ấn Độ thể hiện trong bảng 1.8 và cơ tính của chúng được nêu trong bảng 1.9

Bảng 1.8 : Thép hợp kim thấp chế tạo các chi tiết toa xe của ấn Độ [91]

Nhóm IS Thành phần hoá học các nguyên tố , %

tố khác IS:2708

Nhóm1

0,14- 0,2 0,3-

0,6

1,7

1,2-≤ 0,05

≤ 0,05

≤ 0,4

≤ 0,25

≤ 0,25

1,1-≤ 0,05

≤ 0,05

≤ 0,4

≤ 0,35

≤ 0,15

≤ 0,3 Cu

≤ 0,10 W IS:2708

Nhóm2

0,2- 0,26

0,3-0,6

1,7

1,2-≤ 0,05

≤ 0,05

≤ 0,4

≤ 0,25

≤ 0,25

1,2-≤ 0,05

≤ 0,05

≤ 0,4

≤ 0,25

≤ 0,25

≤ 0,3 Cu

Bảng 1.9: Cơ tính của thép hợp kim thấp của ấn Độ [91]

Độ giãn dài tương

đối, %

Độ dai

va đập, N/m

chi tiết trục

Tổ chức kim tương của thép đúc chi tiết toa xe trong bộ phận móc nối đầu

đấm, cối chuyển hướng, , của ấn Độ đều dùng thép mác AAR M201 GRB tương đương tổ chức kim tương thép cấp B của Mỹ ( xem hình1.3 )

Hình1.3 Tổ chức tế vi của thép đúc chi tiết toa xe ấn Độ (ì100)

Thành phần hoá học của một số loại thép hợp kim thấp dùng để chế tạo các chi tiết toa xe của Mỹ, mà Trung Quốc và một số nước phát triển hiện nay cũng có xu hướng dùng theo các tiêu chuẩn này ( xem bảng 1.10 ) và cơ tính của chúng được nêu trong bảng 1.11

Bảng 1.10 : Thép hợp kim thấp để chế tạo chi tiết toa xe của Mỹ và mác tương đương của Trung Quốc hiện nay [98]

Bảng 1.11: Cơ tính của thép hợp kim thấp của Mỹ và Trung Quốc [98]

HB

σb σs δ4 akv , J ,

đến – 7 0C MPa %

Không nhỏ hơn AAR- B

ZG25MnNi

137- 208 150- 207

485 500- 642

260 290- 417

24 25- 34

20

25 - 99 AAR- C

ZG25MnCrNiMo

179- 241 194- 220

620 640- 710

415 440- 515

22 23- 28

20 (đến -18 0C) 35-70 (- 18 0C) AAR- E

QG- E1

241- 311 260- 305

830 850- 950

690 750- 830

14 15- 19

27 (đến- 40 0C) 40- 80 (- 40 0C)

Các mác thép cấp AAR- B dùng chế tạo các chi tiết không quan trọng, còn cấp AAR- C và cấp AAR- E được dùng để chế tạo những chi tiết quan trọng

và đặc biệt quan trọng, chịu tải trọng lớn trong toa xe

Tổ chức kim tương của các loại thép này được thể hiện trên hình 1.4, 1.5

Hình1.4- Tổ chức tế vi của thép hợp kim thấp mác AAR- C của Mỹ

Hình1.5- Tổ chức tế vi của thép hợp kim thấp mác AAR- E của Mỹ

1.2.3 Vật liệu chế tạo móc nối đầu đấm và trục chốt toa xe

Vật liệu chế tạo các chi tiết chịu lực chủ yếu của toa xe như móc nối đầu

đấm toa xe và trục chốt toa xe phổ biến trên thế giới là thép các- bon và thép

hợp kim thấp Khoảng trước năm 1980, Trung Quốc dùng chủ yếu là thép các- bon đúc mác ZG25, ấn Độ dùng thép hợp kim thấp tương đương mác 20Γ của Liên Xô cũ, Liên Xô cũ dùng thép hợp kim thấp 20ΓΦ Chi tiết trục chốt toa

xe các nước đều chế tạo từ thép các- bon C42, C45 kết hợp với công nghệ thấm bề mặt và tôi + ram, vì nguồn nguyên vật liệu cho hợp kim hoá còn hiếm

và đắt tiền Việc dùng thép các- bon để chế tạo chi tiết trục chốt có nhiều điểm bất lợi trong quá trình chế tạo: Theo [14], [27], [60], thành phần các- bon càng cao thì thép càng có khuynh hướng dòn và khả năng tôi thấu các chi tiết thép các- bon có chiều dày tiết diện từ 15 mm trở lên là rất khó khăn, trong khi phần lớn các tiết diện chịu lực của các chi tiết toa xe thường lớn hơn 15 mm

và như vậy rất khó đạt được tổ chức đồng đều Công nghệ thấm các- bon rất phiền phức, tốn kém năng lượng, nâng cao giá thành sản phẩm và không phù hợp với thực tế sản xuất, khi chi tiết bị mòn hết lớp thấm mỏng thì sẽ mòn rất nhanh, trong khi xu hướng của thế giới đã chuyển sang sử dụng các loại thép hợp kim thấp độ bền cao Theo [28], khi tổng kết quá trình nghiên cứu chế tạo các chi tiết trục láp, trục chốt ( tương tự trục chốt toa xe) tại Nhà máy chế tạo ΓA3 ( Liên Xô cũ), người ta nhận thấy khi lượng các- bon cao hơn 0,43% thì một số lượng lớn trục bị phá huỷ ở đầu then do xuất hiện các vết nứt tế vi ở các vùng tập trung ứng suất ( vùng có thay đổi tiết diện đột ngột)

Các chi tiết móc nối đầu đấm toa xe của ấn Độ tuy đã được chế tạo bằng thép hợp kim thấp, nhưng chỉ được hợp kim hoá chủ yếu bằng một nguyên tố hợp kim, cho nên độ bền và độ cứng không cao, trong thực tế sử dụng còn mòn khá nhanh và khi không có chi tiết mới thay thế thì các cơ sở sửa chữa toa xe vẫn phải tiến hành hàn đắp những chỗ mòn quá hạn độ để sử dụng lại Ngày nay, theo [15], trên thế giới đã bắt đầu dùng thép hợp kim thấp độ bền cao để chế tạo các chi tiết đầu đấm móc nối toa xe nhằm nâng cao khả năng chịu tải của các chi tiết này ( bảng 1.15)

Bảng 1.15: Tham số kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của móc nối toa xe một số nước[15]

Cường độ phá hoại kéo tĩnhcủa móc nối,kN

ứng dụng cho đoàn tàu kéo tổng trọng, tấn Liên Xô

để kéo những đoàn tàu nặng có tổng trọng đạt đến 5000- 6000 tấn, thậm chí với móc nối cấp E của Mỹ đã cho phép kéo được đoàn tàu tổng trọng trên

10000 tấn

Các chi tiết toa xe phần lớn phải đáp ứng yêu cầu có tính hàn tốt, trong đó

kể cả các chi tiết đúc của bộ đầu đấm móc nối cũng như nhiều chi tiết đúc

trong bộ giá chuyển hướng, trong khi đó tính hàn của thép lại chủ yếu phụ thuộc vào thành phần các- bon Theo [16], thép các- bon được chia thành 4

Điều kiện hàn

1 < 0,25 Tốt Có tính hàn tốt với mọi phương pháp hàn, dễ

tạo được mối hàn có chất lượng cao mà không cần biện pháp gì đặc biệt

2 0,25 – 0,30 Trung

bình

Muốn có mối hàn chất lượng cao phải tuân thủ đúng chế độ hàn, có trường hợp phải đốt nóng sơ bộ

3 0,30 – 0,45 Hạn

chế

Có khuynh hướng tạo thành vết nứt khi hàn, cho nên trước khi hàn cần đốt nóng đến nhiệt độ 250- 4000C và cần xử lý nhiệt sau khi hàn

4 > 0,45 Kém Thường có khuynh hướng tạo thành vết nứt

khi hàn, nên nhất thiết phải đốt nóng sơ bộ trước khi hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn

Ngoài ra, tính hàn của thép còn phụ thuộc vào thành phần các-bon đương lượng : khi thành phần các-bon đương lượng nhỏ hơn khoảng 4,3- 4,5 % thì thép có tính hàn tốt, trên mức này thì thép có tính hàn hạn chế hoặc kém Thành phần các-bon cùng với sự có mặt của các nguyên tố crôm, niken, môlipđen, vonfram, mangan, silic,…, trong thép càng cao thì càng làm giảm tính hàn của thép Việc nung nóng trước khi hàn phụ thuộc vào hàm lượng

các-bon đương lượng của thép Theo J.Pilatrich, thành phần các- bon đương lượng được tính theo công thức sau :

Ce = C + Mn/6 + Cr/5 + V/5 + Mo/4 + Ni/15 + Cu/13 + P/2 ,% (1.2) Trong đó, thành phần đồng (Cu) chỉ được tính khi hàm lượng của nó vượt quá 0,5% và thành phần phốt- pho (P) chỉ được tính khi hàm lượng của nó vượt quá 0,05%

Việc dùng thép hợp kim thấp để chế tạo chi tiết toa xe với tổng lượng thành phần các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 4,5% sẽ vẫn đảm bảo tính hàn tốt khi cần cải tiến chút ít kết cấu, hàn đắp khe dẫn hướng, tấm ma sát

1.3 Công nghệ chế tạo một số chi tiết toa xe tiêu biểu cần cải tiến

Công nghệ chế tạo chi tiết móc nối đầu đấm toa xe

Việc chế tạo các chi tiết móc nối đầu đấm toa xe ở các nước trên thế giới

đều dùng công nghệ đúc Theo [30], ở nước ta công nghệ đúc thép phổ biến là công nghệ khuôn khô và gần đây là công nghệ CO2, tuy nhiên chưa có những nghiên cứu khoa học và đánh giá đầy đủ về công nghệ này Theo [48], [50], [53], trước năm 1990, nước ta chưa tiến hành chế tạo các chi tiết của bộ đầu

đấm móc nối toa xe, sau năm 1990 người ta mới thực sự quan tâm và bắt tay vào việc chế thử một số chi tiết của bộ đầu đấm móc nối Qua thực tế sử dụng các bộ đầu đấm móc nối, chúng ta đã nhận thấy chi tiết hay bị mòn hỏng và có nhu cầu sửa chữa nhiều hơn cả chính là lưỡi móc nối và trục chốt xoay lưỡi

móc, còn các phần khác ít bị mài mòn Bởi vậy, vấn đề cấp thiết mà thực tế đặt

ra là cần chế tạo lưỡi móc nối và trục xoay lưỡi móc đầu đấm toa xe Theo [48], Viện nghiên cứu thiết kế đường sắt ( cũ ) mà nay là Công ty Tư vấn Đầu tư và xây dựng đã thực hiện đề tài KC10-17 nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới trong chế tạo và sửa chữa đầu máy toa xe có nhiều nhánh đề tài do Phó Viện trưởng Trần Hồng Mạnh làm chủ nhiệm cùng một số thành viên nghiên cứu, trong đó tác giả luận án tham gia nghiên cứu nhánh đề tài KC10-17- 05, trực tiếp thiết kế và chỉ đạo công nghệ chế tạo thành công một số chi tiết trong

bộ đầu đấm móc nối toa xe kiểu Rumani và guốc hãm độ bền cao Đề tài đã tổ chức thử nghiệm thành công và đã được nghiệm thu từ đầu năm 1996 Trong bối cảnh trình độ phát triển công nghệ lúc đó, tác giả mới chỉ nghiên cứu thiết

kế công nghệ chế tạo phôi trên cơ sở dùng khuôn cát- đất sét thông dụng có cải tiến chất lượng khuôn kết hợp sấy khô khuôn để hạn chế các khuyết tật bề mặt, còn về hợp kim đúc, chỉ mới luyện được thép các- bon mác C25 Đ Kết quả phân tích hoá lý mẫu thép như trong bảng 1.17

Bảng 1.17 : Thành phần hoá học của thép các-bon đúc đầu đấm toa xe[48]

Thành phần hoá học thực tế của thép các- bon đúc đầu đấm toa xe, %

Kế tiếp việc triển khai ứng dụng đề tài trên, sau năm 2000, Công ty xuất nhập khẩu & cung ứng vật tư thiết bị đường sắt ( VIRAXIMEX) đã chế tạo chi tiết đầu đấm toa xe Trung Quốc Hiện còn 2 loại móc nối đầu đấm toa xe chưa được nghiên cứu chế tạo trong nước, đó là loại móc nối đầu đấm toa xe kiểu ấn Độ và móc nối đầu đấm toa xe kiểu Nhật Bản

Công nghệ vật liệu chế tạo trục chốt toa xe

Các nước tiên tiến trên thế giới thường sử dụng thép hợp kim thấp cán sẵn để chế tạo các chi tiết trục chốt Thép hợp kim thấp thường được sử dụng là 40X, 40XH, 20X, 35XC, 25 CrMnTi, 18CrMnTi, 38XC, 30CrMnSi, Còn ở nước

ta cho đến năm 2001, theo [6] vẫn chưa có phôi thép hợp kim thấp cán sẵn, mà chỉ có thép các- bon cán sẵn

Nhóm chi tiết dạng trục chốt là nhóm chi tiết phải làm việc trong những điều kiện vừa chịu mài mòn, vừa chịu va đập, chịu ăn mòn Nhóm chi tiết này gồm các chi tiết trục xoay trong bộ phận giằng hãm, quang treo, trục xoay lưỡi móc

đầu đấm, trục chốt cối chuyển hướng Ngành đường sắt sử dụng nhiều chủng loại toa xe có số lượng trục chốt trong mỗi toa xe khác nhau Theo số liệu thống kê thực tế của ngành, số lượng các chi tiết trục chốt cần phải dùng trong

1 năm lên tới hàng vạn chiếc

Hiện tại, theo [10], [12], các chi tiết trục chốt toa xe khách mới được thiết kế trong những năm gần đây đã sử dụng thép cán C45 có thành phần hoá học như trong bảng 1.18 và cơ tính của loại thép này đạt mức như trong bảng 1.19

Bảng1.18: Thành phần hoá học của thép C45 chế tạo trục chốt toa xe [12]

Thành phần hoá học các nguyên tố, %

tố khác 0,42 - 0,50 0,5 –

0,8

0,17- 0,37 ≤ 0,25 ≤ 0,04 ≤ 0,04 Ni ≤ 0,3

Fe còn lại

Bảng 1.19: Cơ tính của thép C45 dùng chế tạo chi tiết trục chốt toa xe[12]

Loại trục chốt chế tạo bằng loại thép này chỉ chiếm một tỉ lệ nhỏ được dùng trong toa xe khách, còn tuyệt đại đa số các chi tiết trục chốt toa xe hàng trong thực tế thường được chế tạo bằng thép tròn cán nóng CT5 có thành phần hoá học như trong bảng 1.20, rồi qua thường hoá hoặc không được nhiệt luyện gì, nên chóng mòn hỏng, chóng phải thay thế Cơ tính của loại thép này chỉ có thể

1.4 Nghiên cứu thiết kế vật liệu mới chế tạo chi tiết toa xe trong nước ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cơ tính của vật liệu

Dự kiến, vật liệu chủ yếu chế tạo chi tiết toa xe trong nước trong 5- 10 năm tiếp theo sẽ là thép hợp kim thấp có độ bền cao Muốn chế tạo ra thép hợp kim thấp, người ta phải tiến hành hợp kim hoá thép các- bon

Hợp kim hoá là một phương pháp tăng bền quan trọng nhất Trước đây, để tăng bền, người ta thường dùng thép các- bon chất lượng cao, nhưng thép các-bon có những hạn chế nhất định, cho nên gần đây người ta đã chuyển sang dùng thép hợp kim thấp

Khi nguyên tố hợp kim hoà tan trong dung dịch rắn, chúng gây tác dụng hoá bền fe-rít mạnh, song giá trị độ cứng và giới hạn bền tuyệt đối của fe-rít hợp kim cũng chưa được cao Nhưng nếu nguyên tố hợp kim có thể kết hợp với các-bon hoặc các nguyên tố khác để hình thành các hợp chất có kích thước nhỏ phân tán thì có thể làm cho độ bền của fe-rít đạt được giá trị cao hơn nhiều Nguyên nhân của vấn đề này là do các hạt pha rắn phân tán ngăn trở sự chuyển động của lệch mạng trên mặt trượt, nhờ đó mà làm tăng mạnh độ bền

và độ cứng của fe-rít Qua đây chúng ta nhận thấy có 2 phương pháp để tăng bền cho fe-rít :

- Lợi dụng sự tiết pha hợp chất giữa sắt và nguyên tố hợp kim trong quá trình nung nóng và làm nguội ;

- Lợi dụng tác dụng hoá bền của pha các-bít phân tán, nghĩa là ta tiến hành hợp kim hoá thép bằng nguyên tố hợp kim tạo các-bít

Các nguyên tố tạo các-bít mạnh phải kể đến đầu tiên là Titan, rồi mới đến Crôm, Vonfram, Molipđen, Điều này đã được một số nước tiên tiến về khoa học công nghệ nghiên cứu cơ bản kỹ càng, còn việc sử dụng nguyên tố nào lại tuỳ thuộc vào tình hình tài nguyên và trình độ phát triển công nghệ của mỗi nước mà nghiên cứu ứng dụng cho phù hợp

Theo [39], tác dụng của từng nguyên tố hợp kim ở trong thép được thể hiện trong bảng 1.22

Bảng 1.22 - Tác dụng của các nguyên tố hợp kim trong thép [39]

Nguyên tố

hợp kim

Tác dụng

Mangan Cường hoá fe- rit, nâng cao độ bền, độ cứng, độ chịu mài mòn,

tác dụng austenit hoá khi hàm lượng hợp kim cao Silic Cường hoá fe- rit , nâng cao tỉ lệ σc /σb , tăng tính chịu nóng và

tính chịu ăn mòn , giảm tính dẻo dai Crôm Cường hóa mạnh nền, nếu hàm lượng cao sẽ làm tăng tính chịu

ăn mòn và chống ô xy hoá Niken Mở rộng khu vực và xúc tiến quá trình austenit hoá, nâng cao độ

bền mà không làm giảm độ dẻo, tăng tính chịu ăn mòn

Đồng Cường hoá fe-rit, nâng cao tính chịu ăn mòn, hàm lượng trong

thép không quá 2% Nhôm Khử ô xy tốt, làm nhỏ mịn hạt tinh thể, tăng tính chịu ô xy hoá

và tính chịu ăn mòn Vanađi Làm nhỏ mịn hạt tinh thể và tăng độ dai khi hàm lượng thấp Titan Tác dụng khử ô xy, cường hoá fe-rit, làm nhỏ mịn hạt tinh thể Môlípđen Cường hoá fe- rit, nâng cao độ bền nhiệt, giảm tính dòn ram

Độ bền của vật liệu kim loại là tổng hợp của cả độ bền hạt và độ bền tinh giới (ranh giới giữa các hạt), bởi vậy để nâng cao độ bền kim loại, cần phải nghiên cứu nâng cao độ bền của cả hai phương diện :

- Nâng cao độ bền hạt, cần phải tạo được cấu trúc hạt nhỏ, tăng tỉ lệ các pha các- bít trên nền fe- rít, cũng có nghĩa là tăng tỉ lệ pec-lít

- Nâng cao độ bền tinh giới, cần phải tìm cách khử bớt lượng tạp chất có nhiệt

độ chảy thấp thường được kết tinh sớm và nằm ở vùng ranh giới hạt

Khi pha thêm các nguyên tố hợp kim vào thép các- bon, ngoài việc làm tăng độ bền cơ học của thép, chúng còn làm tăng độ bền mòn hay tính chịu

ăn mòn của thép Sự ăn mòn kim loại có nhiều biểu hiện khác nhau, nhưng người ta thường quan sát thấy sự ăn mòn trên bề mặt kim loại, thường được

đánh giá bằng bề dày phá huỷ kim loại trong một năm Theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ ( ΓOCT 5272- 50 ), tất cả các kim loại theo khả năng chống ăn mòn có thể được chia ra thành 6 nhóm ( xem bảng 1.23):

Bảng 1.23 : Phân loại các nhóm bền mòn kim loại [5]

Bảng 1.24: So sánh độ bền chống ăn mòn của một số hợp kim [5]

Nhóm bền mòn Hợp kim sắt Hợp kim đồng Hợp kim nhôm Hợp kim rất bền Thép crôm-niken

chống ăn mòn bền loại austenit

Đồng thanh nhôm và berili

-

Hợp kim bền vững Thép crôm

chống ăn mòn, chống gỉ

Đồng, đồng thau, đồng thanh thiếc

Hợp kim AMЦ

và AMΓ đu-ra phủ

Hợp kim bền ít Thép hợp kim

thấp

silumin Hợp kim bền kém Thép các- bon - Hợp kim đu-ra

Như vậy, việc hợp kim hoá thép các- bon không những giúp làm tăng độ bền cơ học của thép, mà còn làm tăng cả độ bền về mặt hoá học của vật liệu

Khi pha các nguyên tố hợp kim vào thép các- bon các khu vực trong giản đồ trạng thái sẽ bị biến đổi đi Ngày nay, người ta đã có phần mềm chương trình Ther-mo-can nghiên cứu sự biến đổi các pha trong thép

Theo các tài liệu [27], [60], [87], tất cả các nguyên tố hợp kim có quan hệ

ảnh hưởng đến tính bền vững của pha α (α-Fe) hoặc pha γ (γ-Fe ) có thể được phân chia thành 2 nhóm :

- Nhóm thứ nhất gồm các nguyên tố Niken, Mangan, Cácbon, Nitơ, Đồng, trong giản đồ 2 nguyên với sắt Khi pha các nguyên tố hợp kim này vào thép các- bon, các khu vực trong giản đồ trạng thái sẽ bị biến đổi đi và đặc biệt là khu vực γ được mở rộng ra ( hình 1.10), đặc trưng bằng việc làm tăng tính ổn định của γ-Fe

- Nhóm thứ 2 gồm các nguyên tố: Silíc, Crôm, Nhôm, Molipđen, Vonfram, Vanađi, Titan, Phốtpho, Bo, làm thu hẹp khu vực γ trong giản đồ 2 nguyên với sắt, đặc trưng bằng việc làm tăng tính bền vững của sắt α ( hình 1.11 )

Một trong những nguyên tố hợp kim được dùng phổ biến nhất để hợp kim hoá trong thép hợp kim thấp là nguyên tố crôm, có giản đồ trạng thái kết hợp với sắt như trên hình 1.12

Hình 1.12 - Giản đồ trạng thái hợp kim sắt – crôm

Crôm có tác động mở rộng vùng α ( tức thu hẹp vùng γ) Crôm với các- bon

có thể hình thành 3 dạng các-bít khác nhau có cấu trúc mạng phức tạp là

Cr23C6 , Cr7C3 , Cr3C2 Do tốc độ khuyếch tán của các nguyên tố như crôm trong austenít nhỏ hơn nhiều lần so với tốc độ khuyếch tán của cácbon, cho nên nguyên tố hợp kim này làm giảm rõ rệt tốc độ chuyển biến austenít thành peclít Crôm làm chậm lại tốc độ tạo thành cácbít đặc biệt, vừa làm chậm lại quá trình chuyển biến γ → α Thép chứa crôm có thể có các loại cácbít có mạng tinh thể lục giác phức tạp, mà ô cơ bản có 56 nguyên tử kim loại, 24 nguyên tử các-bon và các-bít này có thể hoà tan một lượng khá lớn trong sắt Khi hàm lượng crôm nhỏ hơn 1,5 % sẽ làm cho độ dai va đập của fe-rít tăng Một nguyên tố hợp kim phổ biến khác là mangan, khi kết hợp với sắt có dạng giản đồ trạng thái như trong hình 1.13

L( Hợp kim lỏng)

α + L

γ

γ +α α+σ α +σ

σ

Hình 1.13 - Giản đồ trạng thái hợp kim sắt – mangan

Nguyên tố hợp kim Mangan có tác động mở rộng khu vực γ Mangan trong thép thường không hình thành cácbít riêng, mà ở dạng hoà tan trong Fe3C Mangan với hàm lượng nhỏ hơn 1% có tác dụng làm giảm khuynh hướng biến giòn của thép, còn khi hàm lượng của nó lớn hơn 1% sẽ có nguy cơ làm giảm

rõ rệt độ dai va đập của thép Mangan và Silic làm giảm độ dẻo của fe-rit nhiều hơn so với các nguyên tố khác, nhất là khi hàm lượng của chúng trong thép lớn hơn 2%

Silíc là một nguyên tố hoá học khá phổ biến trên trái đất, nếu sử dụng nó làm nguyên liệu pha chế sẽ rất kinh tế Trong sản xuất thép, nó thường được dùng dưới dạng fe-rô silíc, để khử ô-xy, đồng thời để làm nguyên tố hợp kim hoá khi hàm lượng của nó trong thép lớn hơn mức bình thường Khi hàm lượng của silíc trong thép không vượt quá 1,5%, nó hoà tan hoàn toàn vào dung dịch rắn với fe-rít, làm tăng mạnh độ bền, độ cứng mà không làm giảm

độ dai va đập, còn nếu hàm lượng của nó vượt quá mức này sẽ làm cho thép dòn Giản đồ trạng thái hợp kim sắt – silíc được biểu thị trên hình 1.14

δ δ+L Hợp kim lỏng ( L ) δ+γ γ+L

γ γ +ζ

ζ α+γ(khi nung) η+ζ α+γ(khi làm nguội)

α γ+η η