Bánh răng hộp số trong xe tải nhẹ doc

Ta thường dùng thép có hàm lượng Cr 0,5% hay 1,00 % chủ yếu để cải thiện tính tôi tôi được trong dầu và nâng cao được một phần độ thấm tôi.. Vai trò của các nguyên tố hợp kim chính tro

Nội dung và yêu cầu : Bánh răng hộp số trong xe tải nhẹ

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

%S ≤ 0,035

%Cr = 0,3 – 0,6

%Mo = 0,15 – 0,2

2.2 Cơ sở để chọn mác thép với thành phần như trên :

 Bề mặt bánh răng chịu ứng suất lớn , chịu mài mòn khi ma sát hay cọ sát , tiếp xúc với môi trường và có thể bị ăn mòn khi làm việc

 Đòi hỏi bề mặt có độ cứng và tính chống mài mòn trong khi lõi vẫn đảm bảo độ bền và dẻo dai chịu va đập tốt Muốn vậy ta phẩi biến đổi tổ chức của lớp bề mặt

Ta thường dùng thép có hàm lượng Cr 0,5% hay 1,00 % chủ yếu để cải thiện tính tôi ( tôi được trong dầu ) và nâng cao được một phần độ thấm tôi Nếu chỉ dùng thép Cr thì chỉ làm được các chi tiết máy nhỏ (đường kính 20 – 40 ) và hình dạng tương đối phức tạp như bánh răng Chúng có thể đạt được yêu cầu cao hơn sau khi hoá tốt

=

b

σ 800 – 950 MPa

Nhưng nhược điểm là bị giòn ram loại II khi ram cao nên sau khi ram thường làm nguội trong dầu ( thay vì không khí ) Tuy nhiên khi thêm khoảng 0,25 % Mo sẽ làm cải thiện độ thấm tôi và chống được giòn ram loại II , có thể dùng làm cho các chi tiết trung bình ( φ > 50 mm ),

và hình dạng tương đối phức tạp

2.3 Lập bảng các ký hiệu và thành phần của thép theo tiêu chuẩn các nước :

Tiêu chuẩn Mác thép C Si Mn Pmax Smax Cr Ni Mo

TCVN-Việt Nam

0.17-0.23

≤ 0.40

0.7-1.00

≤ 0.035 ≤0.035

0.30-0.60

0.05-0.2

ΓOCT –

Nga

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

0.18-0.23

0.15-0.35

0.90-1.20

0.035 0.04

0.40-0.60

0.13-0.20 Trung

Quốc

0.17-0.24

0.17-0.37

0.40-0.70

0.8-1.10

≤0.30

0.15-0.25

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

- Lượng các bon của Nga thấp

- Lượng S của Mỹ cũng khá lớn = 0,04 % , trong đó lượng S của Nhật thấp

0,03 %

3 Vai trò của các nguyên tố hợp kim chính trong thép đối với cơ tính và nhiệt luyện :

Khác với thép các bon , thép hợp kim là loại thép mà người ta đưa vào các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất ( cơ , lý , hoá ) Như vậy đối với các thành phần chính C , Cr , Mo sẽ ảnh hưởng đến cơ tính và công nghệ nhiệt luyện như sau:

3.1 Đối với cơ tính :

Cacbon :

• Lượng các bon sẽ đảm bảo sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính : độ bền , độ dẻo , độ dai va đập ( cơ tính tổng hợp )

• Lượng các bon cho phép được qui định tong thép là khoảng 0,1 – 0,25 % để đảm bảo độ dẻo và độ dai của lõi ở trạng thái tôi + ram thấp để đạt độ bền cao nhất

• Dùng giới hạn dưới khi cần độ dai cao hơn , dùng giới hạn trên khi cần độ bền cao hơn

• Nếu cần độ bền cao hơn nữa thì có thể dùng tới 0,3 % C

• Nếu dùng cao hơn nữa độ dai của lõi sẽ thấp khi tôi và ram thấp , không chịu được các tải trọng va đập

• Do phải nung lâu ở nhiệt độ cao khi thấm C , các thép thấm C phải là loại khử Oxy triệt để , tốt nhất là loại hạt nhỏ để khi thấm xong hạt không bị to làm thép giòn

Các thành phần khác :

Ngược lại , để đảm bảo các yêu cầu trên các nguyên tố hợp kim dùng trong thép thấm cacbon phải đảm bảo cả hai tác dụng : vừa làm tăng tính thấm tôi để nâng cao độ bền , vừa thúc đẩy quá trình thấm cacbon ( hoặc ít ra cũng không cản trở ) Nguyên tố hợp kim cơ bản có mặt trong mọi loại thép hợp kim là Cr , có thể dùng riêng hay kết hợp với Ni , Mn

Cr ( 0,30%-0,6 % )

Như ta đã biết Cr là nguyên tố tương đối rẻ , nó không những nâng cao độ thấm tôi 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 cú thể trỏnh được giũn ram loại II , thường được đưa vào thộp Cr – Ni với độ thấm tụi cao cú lượng cac bon khoảng 0,2 – 0,4 % Ngoài ra nú cũn cú tỏc dụng nõng cao độ thấm tụi

3.2 Đối với nhiệt luyện

Các nguyên tố hợp kim có ảnh hởng lớn đến quá trình nhiệt luyện, đặc biệt là tôi và ram

- Chuyển biến khi nung nóng để tôi:

Các thép hợp kim thông thờng vẫn có tỏ chức peclit, nên khi nung nóng để tôi vẫn có các chuyển biến pha: peclit -> austenit, cácbit hoà tan vào austenit, hạt austenit phạt triển song có các điểm đặc trng sau:

+ sự hoà tan cacbit hợp kim khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn thỏi gian giữ nhiệt lâu hơn so với xêmetit trong thép cácbon

+ Cacbit hợp kim do khó hoà tan vào austenit, nằm ở biên giới hạt, nh hàng rào giữ cho hạt nhỏ Tác dụng này rật mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh với V, tợng đối mạnh với W, Mo Riêng thép có Mn lại có khuynh hớng làm to hạt austenit Các nguyên tố hợp kim còn lại Cr, Ni, Si,

Al đợc coi là trung tính Chính vì vậy thép hợp kim thờng giữ đợc hạt nhỉ hơn thép cácbon khi cả hai cùng bị nung nóng ở cùng nhiệt độ

- Sự phận hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội: Khi toà tan vào austenit, tất vả các nguyên

tố hợp kim( trừ Co) với các mức độ khác nhau đểu là chậm tốc độ phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội tức là làm đờng cong chữ “C” dịch sang phải do đó làm giảm tốc

độ tôi tới hạn Vth

- Độ thẩm tôi: Do làm giảm Vth, các nguyên tố hợp kim( trừ Co) khi hoà tan vào austenit để làm tắm tôi

Nh thấy rõ từ hình vẽ, do đờng cong chữ “C” trong thép hợp kim dịnh sang phải nên có Vth2<

Vth1 của thép cácbon, tơng ứng ta luôn có độ thấm tôi của thép hợp kim luôn cao hơn thép cácbon

Nhờ hiệu quả này trong thép hợp kim có thể xảy ra các trờng hợp sau mà ta không thể gặp ở thép cacbon:

+ Vth bé đến mức nhỏ hơn cả Vnguôi của lõi, do đó sau khi tôi lõi cũng có tổ chức mactenxit, đây là trờng hợp tôi thấu

mactenxit, đó là hiện tợng tự tôi

độ thắm tôi tăng lên sẽ có hai hiệu quá trính sau đây:

1, hiệu quả hoá bền bề mặt, đặc biệt khi tôi thấu sẽ đạt tới cơ tính cao và đồng nhật trên toàn tiết diện, năng coa mạnh sức chịu tải của chi tiêt

2, khi tôi có thể dùng cả môi trờng nguội chậm mà vẫn đạt đợc mactenxit nh toi trong dâu, trong muối nóng chẩy( phân cấp hay đẳng nhiệt)

- Chuyển biến mactenxit: khi hoà tan vào austenit, các nguyên tố hợp kim( trừ Co, Al, Si)

đều hà thấp nhiệt độ chuyển biến austenit thành mactenxit, do đó làm tăng austenit d khi tôi

- Chuyển biến khi ram: Nói chung các nguyên tố hợp kim hoà tan trong mactenxit đều cản tor sự phân hóa của các pha này khi ram hay nói cụ thê là làm tăng các nhiệt độ chuyển biến khi ram Nhờ vậy dẫn đến các hiệu ứng nh sau:

+ Năng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng

+ Do khuyếch tán khó khăn cacbit tạo thành rất phân tán và nhỏ min, làm tăng tính cứng và tính chống mài mòn, đợc gọi là hoá cúng phân tán Sự tăng cứng khi ram thép hợp kim ở nhiệt độ thích hợp làm cho austenit d -> mactenxit và cacbit tiết ra ở dạng phân tán, nhỏ min đợc gọi là độ cúng th hai

+ Cùng ram hay làm việc ở một nhiệt độ, thép hợp kim bao giờ cững có độ cứng, độ bên cao hơn Điều này cũng có nghĩa để cùng đạt độ cng độ bền nh nhau, phải ram thép hợp kim ở nhiệt độ bao hơn nên khử bỏ đợc ứng suất bên trong nhiều hơn vì thế thép có thể đảm bảo độ dai tốt

4 Khảo sỏt Mac thộp :

4.1 Xỏc định nhiệt độ :

Cụng thức xỏc định nhiệt độ tụi , ủ , thường hoỏ cho thộp hợp kim

T K Me b Me

a X

i i i i

i n i

∆

±







=

)

(

α

Trong đú :

T : Nhiệt độ tụi , ủ , thường hoỏ ( º C )

K : hằng số nhiệt độ

α : 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 :

∑

= +

i i i

Me a S

1

8 , 0 ' 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 :

C Me

a X Me

b

i

i i n

i

i

1 1

10 ) (

7 , 233

=

=

Vậy nhiệt độ tôi , ủ , thường hoá đối với thép 20CrMo là :

T = 950 +11,8 +45 _233,7 ( 0,2 + 0,033 + 0,075 )

C T

C T

0

0

) 945 925 (

10 935

−

=

⇒

±

=

Bảng 1 : Hệ số di chuyển nồng độ cacbon tính theo 1% Me

NT

HK

a -0,041

7 -0,075 -0,033 -0,04 -0,057 0,2 -0,075 0,32 0,3 0,18

Bảng 2 : Hệ số thăng giáng nhiệt độ tính theo 1%Me

hợp

kim

3.3 Xác định thép C có cùng thành phần với thép 20CrMo :

Theo giản đồ Fe – C ta xác định được thép có cùng thành phần thép C = 0,2 % như sau:

Giản đồ Fe - C

3.4 Xác định nhiệt độ của thép có cùng thành phần C = 0,2 % :

Đối với thép C = 0,2 % :

• Trên giản đồ Fe-C, nhiệt độ chảy hoàn toàn của thép là tung độ (trên trục nhiệt độ) của giao điểm của đường thẳng %C = 0,2 với đường lỏng, ta xác định được Tcht=14950C

• Xác định nhiệt độ TAc3 được tính gần đúng dựa vào tam giác MNP và MQR

C T

T

AC

AC

0 3

3

865

8 0

2 , 0 727 911 911

=

=

−

−

Nhiệt độ ủ đối với thép có hàm lượng cac bon thấp :

C T

C AC

T

u

u

0

0 3

) 895 885 (

) 30 20 (

÷

=

÷ +

=

Đối với thép cácbon thành phần thấp 0,2% ta nên thường hoá Nhiệt độ thường hoá là :

C T

C AC

T

Th

Th

0

0 3

) 915 895 (

) 50 30 (

÷

=

÷ +

=

Nhiệt độ tôi thép đối với thép trước cùng tích phải lấy cao hơn AC3 tức nung nóng đến trạng thái hoàn toàn là austenit , nhiệt độ tôi là :

C T

C AC

T

t

t

0

0 3

) 915 895 (

) 50 30 (

÷

=

÷ +

=

tổ chức đạt được là mactenxit + austenit dư

Ta thấy nhiệt độ tôi , ủ , thường hoá của của thép hợp kim 20CrMo đã tìm được và nhiệt độ tôi , ủ , thường hóa của thép 0,2 % chênh lệch không đáng kể và nó vẫn đảm bảo được tổ chức và

cơ tính , quá trình nhiệt luyện của thép

3.5 Tổ chức đạt được khi làm nguội thép qua các điểm tới hạn :

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 8650C đến 7270C : 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 A1) được tính theo quy tắc cánh tay đòn (trên giản đồ Fe-C) :

% 58 , 22

%

% 42 , 77

%

7

24 025 0 2 0

2 , 0 8 , 0

=

=

⇒

=

−

−

= γ α γ α

-Thấp hơn 7270C :

-Ở 7270C xảy ra phản ứng cùng tích (đường PSK) : austenit chuyển thành peclit

γs → [α + Fe3CK]

- Tổ chức nhận được là ferit và xêmentit ( F + XeII ) Xêmentit ( ký hiệu Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67% C ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C

Tỷ lệ % của hai pha ferit và xêmentit là:

% 3

%

% 97

%

194 0

47 6 006 , 0 2 , 0

2 , 0 67 , 6

=

=

⇒

=

−

−

=

Xe

Xe

α α

Như vậy tổ chức nhận được gồm có 97% ferit và 3% Xe nên đặc tính chung của hỗn hợp là đặc tính của ferit (chiếm tỷ lệ rất cao) : dẻo, dai, mềm, kém bền

5 Chế tạo chi tiết :

5.1 Phương pháp gia công cơ khí thường dùng để chế tạo chi tiết:

Đối với chi tiết có hình dạng phức tạp như bánh răng hộp số này thì ta thường dùng phương pháp bao hình Chủ yếu trên máy phay , xọc để tạo nên chi tiết

Các bước để chế tạo chi tiết :

Như đã biết , ban đầu ta phải gia công cơ khí dưới hình thức biến dạng nóng Trong cơ khí ta thường dùng phương pháp gia công áp lực : Rèn

Sau đó ta dùng phương pháp biến dạng nguội , qua nhiệt luyện sơ bộ để tiến hành gia công cắt gọt , tạo điều kiện để gia công cắt được dễ dàng

3.5 Biện pháp xử lý nhiệt trước hay sau khi gia công cơ khí :

Như đã trình bày ở trên , do đây là thép hợp kim có hàm lượng cacbin thấp

(<0,25 % ) nên ta phải thường hoá trước và sau khi gia công cơ khí Bởi vì :

Thường hoá nhằm mục đích là :

- Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt gọt cho thép cacbon thấp ( < 0,25 % ) Loại 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 AC ) , giữ nhiệt và làm nguội tiếp theo trong không khí cm

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