Đồng xuân thành Cty tư vấn Đầu tư vμ Xây dựng Tóm tắt: Bμi viết nμy nêu tóm tắt quá trình nghiên cứu nâng cao độ bền cho các chi tiết chịu lực chủ yếu trong toa xe bằng công nghệ vật l
Trang 1nghiên cứu nâng cao độ bền chi tiết
toa xe trong điều kiện việt nam
PGS TS Vũ duy lộc
Bộ môn Đầu máy – Toa xe Khoa Cơ khí - Trường Đại học GTVT
PGS TS Đinh quảng năng
Bộ môn Vật liệu vμ công nghệ đúc Trường Đại học Bách khoa – Hμ nội
NCS ThS Đồng xuân thành
Cty tư vấn Đầu tư vμ Xây dựng
Tóm tắt: Bμi viết nμy nêu tóm tắt quá trình nghiên cứu nâng cao độ bền cho các chi tiết
chịu lực chủ yếu trong toa xe bằng công nghệ vật liệu mới vμ cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết
với điều kiện nguyên vật liệu vμ thiết bị sẵn có ở Việt Nam
Summary: This paper briefs on the study procedure for increasing the serveablity of the
main bearing parts of coaches by using new material technology and improvement of detail
manufacturing under the conditions that the materials and equipment are available in Vietnam
CBA
i đặt vấn đề
Độ bền là một đặc tính cơ bản của bất kỳ một loại vật liệu kết cấu nào và việc nâng cao độ
bền cho kết cấu luôn là nhu cầu khách quan mang tính liên tục, thường xuyên của những nhà
vật liệu học, nhà luyện kim và thiết kế công nghệ Vật liệu chế tạo các chi tiết toa xe cũng là vật
liệu kết cấu, cho nên việc tìm cách nâng cao độ bền các chi tiết toa xe cũng nằm trong xu
hướng chung tăng bền cho kết cấu, nhằm nâng cao độ an toàn tin cậy cho chủng loại kết cấu
phục vụ cho việc vận chuyển hành khách và hàng hoá Điều này cũng đã được khẳng định
trong các chủ trương đầu tư, chính sách khoa học công nghệ của Nhà nước ta, thể hiện 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 và trong 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, đồng thời cũng được cụ thể hoá
trong chương trình hoạt động khoa học công nghệ của Tổng công ty Đường sắt Việt Nam
Trước thực trạng độ bền của các chi tiết toa xe chế tạo trong nước hiện nay của ta còn rất
hạn chế, công nghệ chế tạo còn lạc hậu, phiền phức, kém tính kinh tế Vật liệu chiếm khối lượng
chủ yếu trong việc chế tạo các chi tiết toa xe thế hệ 2 vẫn là loại thép các-bon chất lượng
thường ít bền (xem bảng 1), nên các tiết diện chịu lực của chi tiết cần phải lớn, dẫn đến tự trọng
của các toa xe này thường lớn
Trang 2Bảng 1 Cơ tính của thép đã dùng chế tạo các chi tiết toa xe trong nước
Mác thép Chiều dày sản
phẩm cán, mm
Không nhỏ hơn
Trong khi nhu cầu thực tế của 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, cho nên việc nâng cao chất lượng toa xe để đáp ứng các đòi hỏi ngày càng cao của khách hàng là vấn đề cấp thiết được đặt ra đối với ngành chế tạo toa xe Ngoài nhu cầu chế tạo mới khoảng 250 toa xe/năm, ngành Đường sắt còn phải đáp ứng nhu cầu sửa chữa duy trì hoạt động của khoảng 5000 toa xe có nguồn gốc từ nhiều nước khác nhau Các toa
xe này đã đến thời kỳ cần có các chi tiết phụ tùng mới thay thế cho các chi tiết mòn hỏng, đã hết hạn sử dụng, trong số đó có những chủng loại phụ tùng mà nước ngoài không còn sản xuất
nữa Trước tình hình đó, ngành Đường sắt nước ta đã đến lúc cần phải chủ động giải quyết khâu
phụ tùng có chất lượng cao phục vụ sửa chữa, thay thế trong ngành
ii Lựa chọn giải pháp
Theo [1], 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
Các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe
1 Nhóm các giải pháp cải tiến kết cấu, giảm tải trọng tác dụng lên chi tiết toa xe
2 Nhóm giải pháp dùng vật liệu mới chất lượng cao để chế tạo chi tiết toa xe
3 Nhóm các giải pháp cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết toa xe
Giảm tự
nặng toa
xe, dùng
thùng xe
toàn thân
chịu lực,
Giảm độ lệch tâm của kết cấu và các nút nối kết chịu lực,
Giảm tải trọng dọc trục, tăng độ nhún tĩnh, hạ thấp trọng tâm 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
CBA
Hình 1 Sơ đồ các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe
Trong 3 nhóm giải pháp trên, nhóm giải pháp tính toán kết cấu giảm lực tác dụng (nhóm 1)
đã có nhiều đề tài nghiên cứu, cho nên đề tài chủ yếu đi theo hướng nghiên cứu thực nghiệm dùng vật liệu mới có cơ tính tổng hợp cao và cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết (nhóm giải pháp
2 + 3) để nâng cao độ bền chi tiết toa xe
Trang 3iii thực hμnh giải pháp dùng vật liệu mới để nâng cao độ bền chi tiết toa xe
1 Nghiên cứu thiết kế vật liệu phù hợp trên cơ sở tham khảo thành phần vật liệu của
nước ngoài và ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cơ tính của thép
- Nghiên cứu thành phần vật liệu chế tạo chi tiết toa xe của một số nước tiên tiến như ấn
Độ, Nga, Mỹ, Trung Quốc
Bảng 2 Thép hợp kim thấp chế tạo các chi tiết toa xe của ấn Độ [4]
Thành phần hoá học các nguyên tố , % Nhóm
khác IS:2708
Nhóm1 0,14-0,2 0,3-0,6 1,2-1,7 ≤ 0,05 ≤ 0,05 ≤ 0,4 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,3 Cu
IS:3038
Nhóm1 0,18-0,28 ≤ 0,5 1,1-1,6 ≤ 0,05 ≤ 0,05 ≤ 0,4 ≤ 0,35 ≤ 0,15 ≤ 0,10 W ≤ 0,3 Cu
IS:2708
Nhóm2 0,2-0,26 0,3-0,6 1,2-1,7 ≤ 0,05 ≤ 0,05 ≤ 0,4 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,3 Cu
IS:2708
Nhóm 3A 0,26-0,35 0,3-0,6 1,2-1,7 ≤ 0,05 ≤ 0,05 ≤ 0,4 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,3 Cu
- Nghiên cứu thành phần vật liệu độ bền cao của nước ngoài, tìm hiểu 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 như 20XΓCA, 25XΓCA, 30XΓC, 25XΓT,
Bảng 3 Thép hợp kim thấp để chế tạo chi tiết toa xe của Mỹ
vμ mác tương đương của Trung Quốc hiện nay [3]
Thành phần hoá học của các mác thép , %
AAR - B
ZG25MnNi
≤ 0,32
≤ 0,28
≤ 1,50
≤ 0,40
≤ 0,90
≤ 1,00
≤ 0,3
AAR - C
ZG25MnCrNiMo
≤ 0,32
AAR - E
QG - E1
≤ 0,32
≤ 0,28
≤ 1,50
≤ 0,40
≤ 1,85
CBA
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
Nghiên cứu thành phần vật liệu độ bền cao của nước ngoài, tìm hiểu 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 như 20XΓCA, 25XΓCA, 30 XΓC, 25XΓT,
2 Nghiên cứu thiết kế vật liệu phù hợp với nguồn tài nguyên và điều kiện thiết bị
hiện có của Việt Nam
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cơ tính của thép
- Theo [2], tác dụng của từng nguyên tố hợp kim ở trong thép được thể hiện trong bảng 4
Bảng 4 Tác dụng của các nguyên tố hợp kim trong thép [2]
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, 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
Nhôm Khử ô xy tốt, làm nhỏ hạt tinh thể, tăng tính chịu ô xy hoá và tính chịu ăn mòn
Titan Tác dụng khử ô xy, cường hoá fe-rit, làm nhỏ mịn hạt tinh thể
Nguyên tố đất hiếm Khử lưu huỳnh, khử khí, làm nhỏ hạt tinh thể, làm tốt tổ chức ở trạng thái đúc
Trang 4- Tổng hợp các kết quả nghiên cứu ở trên, đề tài thiết kế ra 3 mác vật liệu mới trong nước là thép hợp kim thấp như trong bảng 5
Bảng 5 Vật liệu mới chủ yếu để chế tạo chi tiết toa xe trong nước
Thành phần hoá học các nguyên tố chủ yếu, % Mác thép
Công dụng
20CrMnSiRE 0,15 -0,23 0,8-1,1 0,8-1,1 0,8-1,1 ≤ 0,04 ≤ 0,03 < 0,3 ( trừ Ni)
0,15- 0,2 RE
Chi tiết hàn cán
25CrMnSiRE 0,20-0,28 0,8-1,1 0,8-1,1 0,8-1,1 ≤ 0,04 ≤ 0,03 < 0,3 ( trừ Ni)
0,15- 0,2 RE
Chi tiết
đúc
30CrMnSiRE 0,25- 0,35 0,8-1,1 0,8-1,1 0,8-1,1 ≤ 0,04 ≤ 0,03 < 0,3 ( trừ Ni)
0,15- 0,2 RE
Chi tiết trục, chốt
iv Thực hμnh giải pháp cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết để tăng bền
1 Cải tiến công nghệ đúc phôi, ứng dụng chế thử chi tiết đúc điển hình
- Dùng các biện pháp khử khí để chống rỗ khí, tạo tính liên tục cho chiều dày thành vật đúc;
- Dùng các biện pháp tạo xỉ kết hợp với biến tính, khử kỹ tạp chất xuống mức thấp nhất để nâng cao độ bền tinh giới, tạo ra mác thép mới chứa nguyên tố đất hiếm Việt Nam, có thành phần hoá học như trong bảng 5;
phải sấy khuôn phức tạp, mà vẫn hạn chế được khuyết tật bề mặt;
- Chọn mặt phân khuôn và phương pháp làm khuôn phù hợp, mỗi chi tiết mới cần có sáng tạo công nghệ mới dựa trên các nguyên tắc cơ bản;
CBA
- Tính toán lựa chọn hệ thống rót, ngót hợp lý, thể hiện qua sản phẩm chế thử đạt yêu cầu, không có khuyết tật rỗ co
2 Cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết qua gia công áp lực, ứng dụng chế thử chi tiết qua rèn điển hình
- Thiết kế phôi rèn phù hợp với tình hình không có phôi cán sẵn như ở nước ngoài để tránh khuyết tật nứt hoặc thoát các - bon bề mặt;
- Chọn nhiệt độ nung phôi và nhiệt độ kết thúc rèn hợp lý qua tham khảo thông số nhiệt độ nung rèn của mác thép tương đương ở nước ngoài
3 Cải tiến công nghệ nhiệt luyện, ứng dụng nhiệt luyện các chi tiết đúc + rèn
- Dùng phần mềm Thermo - calc của Đức để tự động vẽ giản đồ pha của hợp kim thực tế,
- Chọn chế độ nhiệt luyện thường hóa đơn giản, kinh tế, ít gây cong vênh, mà cơ tính đạt
được cũng khá cao
4 Cải tiến công nghệ đánh giá chất lượng sản phẩm, bằng cách sử dụng các phương pháp tiên tiến nhất đ∙ có ở Việt Nam
- Dùng phương pháp phân tích quang phổ để tự động xác định thành phần của hợp kim
Trang 5thực tế với độ chính xác cao, đồng thời thời phân tích được nhiều nguyên tố cùng lúc (bảng 6)
Bảng 6 Thμnh phần thực tế của thép hợp kim thấp đúc phôi chi tiết toa xe mới
Thành phần hoá học của mác thép hợp kim thấp mới chế tạo trong nước, %
C Si S P Mn Ni Cr Mo
0,24591 0,92949 0,02072 0,03824 0,95778 0,85432 1,02158 0,02787
Cu Ti Sn Co Al V Zn Fe
- Xác định giới hạn bền của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe bằng phương pháp mới kết hợp
với kiểm tra bằng các phương pháp truyền thống (xem bảng 7)
Bảng 7 Độ bền của vật liệu mới được chế tạo ra trong nước
Giới hạn bền của vật liệu mới chế tạo chi tiết toa xe, MPa
Số phép
thử cho mỗi
loại vật liệu Vật liệu qua đúc Vật liệu qua thường hoá Vật liệu mới qua tôi
Ghi chú
bình
Bảng 8 Độ dai va đập của vật liệu mới được chế tạo ra trong nước
- Xác định cấu trúc tế vi của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe mới bằng các phương pháp tiên
tiến nhất hiện nay như phương pháp hiển vi điện tử (phóng đại 2000 lần, 10000 lần, 300000
lần), phương pháp nhiễu xạ Rơnghen,
Sau nhiều năm nghiên cứu, đề tài đã thiết kế ra được 3 thành phần vật liệu mới là thép
hợp kim thấp dùng để chế tạo phần lớn các chi tiết chịu lực trong toa xe, đã chế tạo ra được vật
liệu mới tương đương mác thép 25CrMnSiRE có cơ tính tổng hợp cao mà giá thành không cao,
đã áp dụng được công nghệ mới (công nghệ khuôn, công nghệ nấu luyện, công nghệ nhiệt
luyện) để nâng cao chất lượng sản phẩm Những chi tiết toa xe được chế thử bằng vật liệu mới
qua kiểm định bằng các phương pháp hiện đại đã đạt được độ bền cao gấp đôi so với chi tiết
hiện tại, mà công nghệ lại đơn giản hơn, trên cơ sở đó mà thiết kế giảm tiết diện chịu lực, giúp
giảm tự trọng chi tiết toa xe
Khi có điều kiện kinh phí, ngành Đường sắt cần nghiên cứu tiếp việc cán thép hợp kim
mới
Tài liệu tham khảo
[1] Lê Văn Học, Dương Hồng Thái (1997) Tải trọng động và độ bền kết cấu toa xe Tài liệu giảng dạy cao
học, ĐH Giao thông vận tải
[2] Phan Tử Phùng (1991) Sổ tay kỹ thuật đúc thép NXB KHKT Hội Đúc- Luyện kim Việt Nam
[3] Tie lu ji che che liang ke ji shou ce (2002) Zhong guo tie lu shu ban she, Bei jing, Zhong guo
[4] MUKAND IRON & STEEL WORKS LTD (1980) MUKAND CASTINGS, INDIA♦
