Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công lạnh phục vụ công nghệ xử lý thép sau khi tôi

Giới thiệu công nghệ gia công lạnh Từ lâu người ta đã biết sử dụng nhiệt để cải thiện tính chất của thép, quá trình này được biết đến với danh từ nhiệt luyện sử dụng nhiệt độ cao hơn nh

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIA CÔNG LẠNH PHỤC VỤ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ THÉP SAU KHI TÔI

CNĐT: HOÀNG VĨNH GIANG

9608

HÀ NỘI – 2012

ĐẶT VẤN ĐỀ

Xử lý thép ở nhiệt độ âm là một công nghệ mới được ứng dụng để cải thiện và tạo mới một số tính chất vật liệu Công nghệ này mới được tiến hành vào những năm đầu của thế kỷ 20, tuy nhiên thực tế thì vào những năm cuối của thế kỷ 20 lĩnh vực này mới được chú ý

Trên thế giới, trong lĩnh vực luyện kim và chế tạo máy, có một số công trình nghiên cứu lĩnh vực này được công bố, tuy nhiên số lượng không nhiều Các công trình này chủ yếu tập trung nghiên cứu xử lý lạnh và lạnh sâu một số thép dụng cụ và thép thấm C

Ở Việt nam, trong lĩnh vực luyện kim và chế tạo máy, hầu như chưa có một công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề này Nguyên nhân thì có thể có nhiều, nhưng một trong những nguyên nhân có thể coi là quan trọng, là chúng ta chưa có thiết bị làm lạnh này Thiết bị làm lạnh nhiệt độ âm hiện chủ yếu sử dụng trong Y học và Vật lý Trường ĐHBK Hà nội cũng có 01 thiết bị thí nghiệm nhưng cũng chưa sử dụng nhiều Trong ngành chế tạo máy đâu đó cũng

có sử dụng nitơ lỏng (LN) để gia công lạnh khi cần thiết, tuy nhiên ở góc độ công nghiệp hiện phía bắc có 01 thiết bị gia công lạnh của công ty Provision ở KCN Nội bài sử dụng để gia công lạnh thép

Viện Công Nghệ là đơn vị đầu ngành trong lĩnh vực xử lý vật liệu Viện nhận thấy cần đưa công nghệ gia công lạnh và lạnh sâu vào ứng dụng Cái đầu tiên cần phải có là thiết bị gia công lạnh, vì thế Viện đề xuất đề tài chế tạo 01 thiết bị gia công lạnh Từ thiết bị này tiến tới hoàn chỉnh nâng cấp chế tạo thiết

bị gia công lạnh sâu để từng bước nghiên cứu đưa công nghệ gia công lạnh và lạnh sâu vào ứng dụng tại Việt Nam

PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG LẠNH, MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

1.1 Giới thiệu công nghệ gia công lạnh

Từ lâu người ta đã biết sử dụng nhiệt để cải thiện tính chất của thép, quá trình này được biết đến với danh từ nhiệt luyện (sử dụng nhiệt độ cao hơn nhiệt

độ môi trường) bao gồm các quá trình ủ, tôi, ram

Xử lý thép ở nhiệt độ âm mới được tiến hành vào những năm đầu của thế

kỷ 20, tuy nhiên thực tế thì vào những năm cuối của thế kỷ 20 lĩnh vực này mới được chú ý

Xử lý nhiệt độ âm (xử lý âm) được biết đến với thuật ngữ tiếng Anh là Subzero Treatment, Cryogenic Treatment Lĩnh vực này bao gồm 3 quá trình khác nhau khác nhau (hình 1.1) [1, 2, 3, 4, 5, 6] đó là:

(1) Lắp ghép lạnh (tiếng Anh: Shrink Fitting): thông thường trục được làm lạnh để giảm đường kính

(2) Gia công lạnh (tiếng Anh: Shallow Cryogenic Treatment, Subzero Treatment, Cold Treatment): sản phẩm được lành lạnh đến khoảng -80oC đến -120oC sau đó được làm ấm đến nhiệt độ môi trường

(3) Gia công lạnh sâu (tiếng Anh: Deep Cryogenic Treatment đôi khi chỉ Cryogenic treatment): Sản phẩm được làm lạnh đến khoảng -190oC và giữ

ở đó nhiều giờ sau đó làm ấm từ từ đến nhiệt độ môi trường

Trong các tài liệu khác nhau 2 khái niệm Subzero Treatment và Cryogenic Treatmant được thay thế cho nhau Khi Subzero Treatment được hiểu với nghĩa rộng là xử lý âm, thì Cryogenic là gia công lạnh sâu còn gia công lạnh là Cold treatment

Khi Cryogenic Treatment được hiểu với nghĩa rộng là xử lý âm thì Subzero Treatment được hiểu là gia công lạnh và gia công lạnh sâu là Deep Cryogenic Treatment Trong tiếng Việt có thể gọi chung công nghệ này là công nghệ xử lý nhiệt độ âm bao gồm gia công lạnh và gia công lạnh sâu

Sự khác biệt của 3 quá trình này được thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1 Các quá trình xử lý nhiệt độ âm [6]

Quá trình lắp ghép lạnh được tiến hành với mục đích làm giảm đường kính trục do có sự co giãn nhiệt (phần 1.3) Hai quá trình còn lại được thực hiện đối với thép đã được tôi nhằm cải thiện tổ chức thép với mục đích tăng khả năng chịu mòn của thép

1.2 Lắp ghép lạnh

Kim loại giãn nở khi nung nóng và co lại khi làm nguội

Quá trình thay đổi kích thước này được biểu diễn qua công thức:

∆LT = α (∆T).L Trong đó: ∆LT : sự thay đổi chiều dài

α: Hệ số giãn nở nhiệt

∆T: chênh lệch nhiệt độ L: chiều dài

Lắp ghép lạnh là một phương pháp thuận tiện cho việc lắp ghép các chi

tiết khi dung sai lắp ghép giữa chúng là rất nhỏ Thông thường, người ta sẽ làm

lạnh để giảm đường kính trục để dễ dàng lắp ghép với các chi tiết khác rồi sau đó

nung lại đến nhiệt độ thường Hệ số giãn nở nhiệt của một số loại vật liệu được

1.3 Gia công lạnh

1.3.1 Austenit dư trong thép sau khi tôi

Để cải thiện tính chất của thép người ta tiến hành nhiệt luyện, quá trình này bao gồm nung nóng thép đến nhiệt độ austenit hóa và làm nguội nhanh để nhận được tổ chức mactenxit, là dung dịch rắn quá bão hòa C trong α

Quá trình chuyển biến austenit sang mactenxit được diễn ra ở một nhiệt độ xác định, gọi là nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit Ms Đối với phần lớn thép, quá trình chuyển biến là đẳng nhiệt và diễn ra từ từ cho đến khi kết thúc nhiệt độ chuyển biến mactenxit hay còn gọi là Mf Nhiệt độ Ms và Mf là những thông số đặc trưng của thép và có thể tìm thấy trong các tài liệu về nhiệt luyện

Ảnh hưởng của hàm lượng %C tới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit

Ms và nhiệt độ kết thúc Mf của thép các bon được thể hiện trong hình 1.2

Hình 1.2 Ảnh hưởng của %C tới nhiệt độ chuyển biến M s và M f [6,11]

Có thể thấy Mf hoặc ngay cả Ms có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường (25oC) Quá trình chuyển biến mactenxit xảy ra không hoàn toàn, do

đó, chỉ có một phần austenit được chuyển biến thành mactenxit Sau khi tôi, một lượng austenit vẫn còn tồn tại trong tổ chức của thép tôi được gọi là austenit dư Lượng austenit dư phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hợp kim, nhiệt độ tôi, tốc độ tôi v.v Lượng austenit dư sau khi tôi của thép các bon với %C khác nhau được thể hiện trên hình 1.3

a) Vùng nhiệt độ tôi

b) % austenit dư

Hình 1.3: Lượng austenit dư sau tôi của thép %C khác nhau [11]

Nếu sau khi tôi thép được giữ một thời gian ở nhiệt độ môi trường hoặc nung đến nhiệt độ ram thì austenit dư sẽ ổn định, có nghĩa là sẽ khó để chuyển thành mactenxit hơn Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian giữ sau tôi trước khi gia công lạnh sâu -180oC được thể hiện trên hình 1.4

a) Tôi 840 o C, austenit dư 18%

b) Tôi 840 o C, austenit dư 27%

Hình 1.4 : Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ổn định austenit dư đến

% austenit chuyển biến thành mactenxit [10,11]

Như vậy có thể thấy, thông thường sau khi tôi trong tổ chức của thép luôn tồn tại một lượng austenit ảnh hưởng đến tính chất (tốt hoặc xấu) của thép Để kiểm soát những ảnh hưởng này, một trong những công nghệ mới nhất được sử dụng hiện nay là gia công lạnh, gia công lạnh sâu

1.3.2 Mô tả quá trình gia công lạnh

Austenit dư dưới tác dụng của lực có thể chuyển biến thành mactenxit và

có thể gây nứt vỡ sản phẩm Để tránh hiện tượng này người ta phải chuyển austenit dư thành mactenxit hoặc bằng ram hoặc bằng gia công lạnh hoặc kết hợp

nhiệt độ từ -70oC đến -120oC, để chuyển biến austenit dư sang mactenxit Như vậy quá trình gia công lạnh có tác dụng:

- Làm tăng tính ổn định kích thước của sản phẩm trong quá trình làm việc (do không có chuyển biến pha)

- Tăng độ cứng của thép do tỉ lệ mactenxit được tăng lên đáng kể trong cấu trúc vật liệu Một hàm lượng austenit dư nhất định sẽ được giữ lại cho một vài ứng dụng cho bánh răng, vòng bi yêu cầu độ dẻo dai để hấp thụ tác động hoặc chịu tải xoắn

1.3.3 Gia công lạnh chuyển biến austenit dư thành mactenxit ổn định kích thước

Austenit dư không ổn định ở nhiệt độ thường (25oC) và sẽ chuyển biến từ

từ theo thời gian Với hầu hết các ứng dụng thông thường, đây không phải là vấn

đề Tuy nhiên, với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác rất cao, quá trình chuyển biến này có thể dẫn đến sự thay đổi kích thước từ việc thay đổi kích thước mạng tinh thể của các pha khác nhau Ổn định kích thước có thể được thực hiện bởi việc lặp đi lặp lại các quá trình gia công lạnh Điều này là rất quan trọng với những dung sai lắp ghép yêu cầu độ chính xác rất nhỏ hoặc các mẫu chuẩn đo lường

1.3.4 Gia công lạnh chuyển biến austenit dư thành mactenxit để tăng độ cứng

Austenit dư thường làm giảm độ cứng của thép (hình 1.6 đường a), tuy nhiên với thép sau cùng tích, độ cứng này không phụ thuộc vào %C vì độ cứng của mactenxit chỉ phụ thuộc vào lượng C hoàn tan trong γ (hình 1.6 đường b) Nếu austenit chuyển thành 100% mactenxit (ví dụ bằng gia công lạnh) thì độ cứng sẽ là đường c (hình 1.6)

Hình 1.6: Độ cứng của thép các bon phụ thuộc vào %C [11]

Độ cứng của thép sau tôi phụ thuộc vào % mactenxit và %C trong thép, được thể hiện trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Độ cứng thép hợp kim thấp với những hàm lượng mactenxit khác nhau [6]

% Mactenxit

%C

50% 80% 90% 95% 99,9% 0,18 31 35 37,5 39 43 0,23 34 37,5 40,5 42 46 0,28 36,5 40,5 43 44,5 49 0,33 39 43,5 46,5 48,5 52 0,38 42 46 49 51 54 0,43 44 48 51 53,5 57

1.3.5 Quy trình công nghệ gia công lạnh

Với hầu hết các loại thép, gia công lạnh được thực hiện trong khoảng nhiệt

độ dưới Mf từ -30oC đến -140oC Thời gian của quá trình gia công lạnh vào khoảng 1h/25mm theo tiết diện hoặc có thể tính từ 1-1,5 giờ sau khi đạt nhiệt độ yêu cầu Kéo dài thời gian hoặc hạ thấp nhiệt độ cũng không có ý nghĩa, đây cũng là một đặc điểm của công nghệ này Có thể xử lý nhiệt lạnh đồng thời cho các loại vật liệu khác nhau, với các kích thước khác nhau, trong trường hợp này tính thời gian theo chi tiết lớn nhất và nhiệt độ cho vật liệu có nhiệt độ Mf thấp nhất Sau đó, chi tiết được lấy ra ngoài và để nguội từ từ tới nhiệt độ môi trường

Có thể sử dụng quạt để tăng tốc độ đối lưu và giảm thời gian làm nguội

Sau khi tôi, nếu thép được giữ một thời gian ở nhiệt độ môi trường hoặc nung đến nhiệt độ ram thì austenit dư sẽ ổn định, có nghĩa là sẽ khó để chuyển thành mactenxit hơn Để quá trình chuyển biến austenit thành mactenxit đạt được tối đa, gia công lạnh nên được tiến hành ngay sau khi tôi và trước khi ram

Lượng mactenxit mới hình thành với cacbon quá bão hòa không ổn định, dòn và dễ gây ra nứt Vì thế, nhiều loại thép hợp kim cao cần được ram sơ bộ ở khoảng nhiệt độ 100oC-160 oC để ngăn ngừa nứt vỡ rồi sau đó mới đưa gia công lạnh và ram

Quá trình xử lý nhiệt nên được tiến hành theo sơ đồ dưới đây, có thể bỏ qua bước ram sơ bộ

Khi có sự yêu cầu chính xác về kích thước, nhiều chu kỳ gia công lạnh và ram sẽ cần được thực hiện để độ ổn định kích thước cao nhất Bước xử lý nhiệt cuối cùng luôn luôn phải làm quá trình ram để chuyển biến nốt bất kỳ lượng mactenxit nào mới được hình thành

1.4 Gia công lạnh sâu

Khả năng chịu mài mòn, độ dẻo dai, độ cứng và tính ổn định kích thước là những yêu cầu quan trọng đối với thép dụng cụ Khả năng chịu mài mòn sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của dụng cụ chế tạo từ thép hợp kim cao và tuổi thọ của chúng có thể được cải thiện đáng kể nhờ ứng dụng phương pháp gia công lạnh sâu Khi nhiệt luyện đúng đắn kết hợp với gia công lạnh sâu với nhiệt độ và thời gian hợp lý, các tính chất của thép có thể đạt được vượt lên trên kết quả của quá trình chuyển biến austenit dư thành mactenxit Nhiều kết quả thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả của phương pháp gia công lạnh sâu, tuy nhiên, để giải thích quá trình xảy ra như thế nào thì cần phải có những thiết bị nghiên cứu chuyên sâu hơn và cần có những hiểu biết nhất định về kim loại học

Giáo sư D.N Collins tại trường đại học Dublin đã tiến hành nghiên cứu để tìm hiểu các hiệu ứng xảy ra đối với thép dụng cụ khi xử lý gia công lạnh Theo ông này, ngoài các hiệu ứng chuyển biến austenit dư thành mactenxit để tăng độ cứng, quá trình gia công lạnh sâu còn có ảnh hưởng đến mactenxit Nó gây ra sự thay đổi đối với tinh thể và cấu trúc tế vi, và trong quá trình ram tiếp theo, sẽ làm cho cacbit phân bố được nhỏ mịn hơn trong tổ chức tế vi Sự chuyển biến cacbit trong suốt quá trình ram tiếp sau khi gia công lạnh sâu góp phần cải thiện một số tính chất của vật liệu [1, 2, 6]

1.4.1 Các bước trong quá trình gia công lạnh sâu

Cũng giống như gia công lạnh, gia công lạnh sâu được tiến hành đối với thép đã được tôi Nhiệt độ gia công lạnh sâu xung quanh -180oC với thời gian dài

từ 24-72h, sau đó làm ấm từ từ đến nhiệt độ môi trường Tốc độ làm lạnh nằm trong khoảng 2,5-5oC/phút, quá trình đưa chi tiết về nhiệt độ thường nên được thực hiện trong không khí động với tốc độ 1oC/phút Với những chi tiết có tiết diện dày, có thể cần được làm lạnh xuống nhiệt độ trung gian cho đồng đều nhiệt trên toàn bộ chi tiết trước khi tiếp tục làm nguội xuống Quá trình này giúp việc

ngăn chặn khả năng nứt vỡ của chi tiết Sử dụng khí nitơ như là phương tiện truyền nhiệt sẽ cho phép kiểm soát được quá trình làm lạnh và nung nóng trở lại

Hình 1.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ (a) và thời gian (b) đến số lượng cacbit [6].

Nhiệt độ và thời gian giữ là 2 thông số quan trong trong quá trình này Đối với thép dập nguội D2, lượng cacbit tiết ra càng nhiều khi nhiệt độ gia công lạnh càng giảm được thể hiện trong hình 1.7a Thời gian tại nhiệt độ gia công lạnh ảnh hưởng đến lượng cacbit được tiết ra, sẽ càng nhiều nếu càng kéo dài thời gian (hình 1.7b).

1.5 Ứng dụng của công nghệ xử lý nhiệt độ âm

Như đã trình bày, công nghệ xử lý âm nhằm mục đích nâng cao khả năng chịu mài mòn và khả năng ổn định kích thước của sản phẩm Công nghệ này có nhiều ứng dụng, dưới đây chúng tôi giới thiệu 2 ứng dụng được sử sử dụng nhiều trong ngành chế tạo máy

Với thép thấm cacbon: như tên gọi của nhóm thép này, có một sự chênh

lệch nồng độ cacbon từ bề mặt vào trong lõi Phương pháp làm tăng hàm lượng cacbon này sẽ làm tăng lượng austenit dư và hạ thấp nhiệt độ chuyển biến Ms và

Mf Với thép hợp kim thấm cacbon, phương pháp này có thể gây ảnh hưởng không tốt đến chi tiết và do đó cần phải được điều khiển bởi quá trình gia công lạnh Với bánh răng cần giữ lại một lượng austenit dư để đảm bảo khả năng chịu dẻo dai và chịu mỏi

Để có được độ cứng bề mặt cao, với thép hợp kim SS 1370, phương pháp gia công lạnh là một giải pháp hình 1.8 [10]

Hình 1.8 Phân bố độ cứng sau khi thấm, tôi, ram, gia công lạnh,

thép SS 1370 [10]

a) Độ cứng sau khi thấm C ở 900 o C/2, 6, 6h và tôi

b) Sau khi thấm, tôi và gia công lạnh -79 o C Hình 1.9 : Độ cứng thép thấm trước và sau gia công lạnh,

thépNi-Cr B5659H15 [10,11]

Hình 1.10 Ảnh hưởng của gia công lạnh tới chuyển biến austenit dư [1, 2]

Thép làm dụng cụ dập nguội: công nghệ gia công lạnh đã được chứng

minh là đáp ứng tốt với nhóm thép này Nhiệt độ làm việc của loại thép này thường dưới 200oC trong các ứng dụng như dập nguội, cắt… Nhóm W và nhóm

D trong họ thép này đã được nghiên cứu bởi Collins và Dormer [1, 2] Họ nhận

ra rằng gia công lạnh làm giảm độ dẻo dai của D2 xuống 40% chủ yếu là do quá trình chuyển biến austenit dư Tuy nhiên, xử lý nhiệt âm dưới -100oC sẽ giúp độ bền được cải thiện trông thấy mặc dù nguyên nhân của sự cải thiện này không thực sự rõ ràng

Hình 1.11 Ảnh hưởng gia công lạnh tới độ cứng thép D2 [10]

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ GIA CÔNG LẠNH

2.1 Giới thiệu về thiết bị gia công lạnh

Theo [1], từ những năm sáu mươi của thế kỷ 20, để làm lạnh sản phẩm người ta thường nhúng sản phẩm vào thùng chứa nitơ lỏng, như vậy thiết bị đơn giản chỉ là thùng chứa nitơ lỏng Hiện nay có nhiều phương pháp để làm lạnh sản phẩm đến nhiệt độ mong muốn Mặc dù vậy, tất cả các phương pháp đều dựa vào nguyên lý trao đổi nhiệt, có thể làm lạnh trực tiếp hoặc gián tiếp và có thể sử dụng nhiều môi trường khác nhau để làm lạnh Có thể chia thiết bị thành 3 nhóm chính, đó là (1) thiết bị làm lạnh bằng CO2, (2) thiết bị làm lạnh cơ học, và (3) thiết bị làm lạnh bằng ni tơ lỏng (LN) Trong 3 dòng thiết bị vừa nêu, dòng thiết

bị làm lạnh bằng LN được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ xử lý vật liệu sắt thép, vì thế dòng thiết bị này sẽ được đề cập kỹ hơn

Thiết bị làm lạnh bằng CO2

CO2 được sử dụng để làm lạnh bình chứa hổn hợp chất lỏng như trichloroethylene hoặc rượu Với phương pháp này có thể làm lạnh đến -80oC, tuy nhiên kiểm soát tốc độ làm nguội là rất khó

Thiết bị làm lạnh cơ học

Thiết bị làm lạnh cơ học cho phép làm lạnh đến khoảng -100oC Chất lỏng được sử dụng thông thường là methylchloric (-97), feron (-111), methylalcohol hoặc methanol (-97) và pentane (-129) Các chất lỏng này cho phép kiểm soát điều khiển nhiệt độ rất tốt, vì thế có thể dể dàng điều khiển tốc độ làm nguội mong muốn Chi phí vận hành cho loại thiết bị này thấp nhưng giá thành ban đầu

và phí bảo hành cao

bộ Để tạo được nhiệt độ đồng đều trong buồng lạnh, người ta sử dụng quạt để lưu thông khí lạnh Nhiệt độ và tốc độ làm lạnh được điều khiển bằng van tay hoặc van điện từ điều khiển lưu lượng LN Phương pháp này có thể làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ -180oC thậm chí là nhiệt độ của LN -196oC

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm lạnh trực tiếp [11]

Với thiết bị làm lạnh gián tiếp (hình2.2), LN làm lạnh bể chất lỏng alcohol hoặc trichloroethylene có sản phẩm trong đó Như vậy LN hoặc khí lạnh không trực tiếp tiếp xúc với sản phẩm, nhiệt độ trong trường hợp này có thể đạt tới -150oC

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị làm lạnh gián tiếp [11]

2.2.2 Một số thiết bị thông dụng

Thiết bị gia công lạnh cửa trước – dạnh cánh bản lề 

Thiết bị gia công lạnh cửa trên

Nguyên lý hoạt động: sử dụng Nitơ lỏng trực tiếp để làm lạnh Bên trong khoang làm việc có lắp hệ thống quạt với vai trò khuếch tán hơi lạnh, giúp nhiệt độ bên trong được đồng đều Lượng Nitơ lỏng đưa vào nhiều hay

ít tùy thuộc khối lượng chi tiết cần xử lý Nhiệt độ buồng lạnh sẽ được khống chế thông qua hệ thống van từ điều khiển lưu lượng Nitơ

- Chiều cao: 1559mm

- Khối lượng rỗng (kg): 134kg

- Khối lượng LN tối đa: 124kg

- Hao hụt trung bình (%/ ngày): 1,9

Bộ tạo áp

- Áp ra:5 Bar/ 20 Bar

- Áp cài đặt: 4 Bar/22 Bar

- Van an toàn: 10 Bar

Van cầu DN15

Được làm bằng thép không rỉ SUS304, nhiệt độ làm việc từ -196oC đến

600oC, tay vặn tròn, cần van dài, an toàn, dễ dàng điều chỉnh

- Hàn hồ quang 2 lớp giữa thành vỏ và đáy

- Các mối hàn đảm bảo chắc, đẹp không cong vênh

Phần chi tiết của vỏ được thể hiện trên hình 3.4

Hình 3.4: Vỏ

Hộp làm lạnh

- Đây là phần trực tiếp tiếp xúc với Nitơ lỏng ( Nhiệt độ của Nitơ lỏng là

-196oC ) nên ta chọn vật liệu chế tạo là thép không rỉ SUS304

+ Thành hộp, vách ngăn làm bằng thép tấm SUS304, dầy 3mm

+ Do tấm đáy phải chịu tải trọng lớn, lên tới 300kg, nên chọn vật liệu chế tạo là thép SUS 304, dầy 6mm

+ Giá đỡ hộp lạnh được làm bằng thép V50, dầy 4mm

- Hàn hồ quang 2 lớp giữa thành hộp và đáy, chiều cao mối hàn H=0,7d ( d là chiều dầy vật liệu), mối hàn đảm bảo kín,ngấu và đẹp

- Các mối hàn đảm bảo ngấu, đẹp không cong vênh

Phần chi tiết của vỏ được thể hiện trên hình 3.5

Hình 3.5: Hộp làm lạnh

Nắp

- Nắp buồng được chế tạo bằng thép SUS 304

- Bên trong lèn chặt bông gốm cách nhiệt

- Bản lề hàn ngấu vào nắp buồng

- Tay cầm làm bằng thép Ø10

- Các mối hàn đảm bảo kín, đẹp, không cong vênh

Phần chi tiết của vỏ được thể hiện trên hình 3.6

Hình 3.6: Nắp

Vật liệu cách nhiệt

- Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại vật liệu cách nhiệt được bày bán Qua quá trình xem xét, đánh giá và tìm hiểu kỹ lưỡng nhóm đề tài chọn bông gốm, vì đây là loại vật liệu có giá cả hợp lý nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật đặt ra

- Bông gốm được lèn chặt ở khoang giữa hộp lạnh và vỏ, với chiều dầy 170mm

CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT CHẠY THỬ, THỬ NGHIỆM GIA CÔNG LẠNH

4.1 Lắp đặt và chạy thử thiết bị

Thiết bị được lắp đặt tại phòng nhiệt luyện khuôn kim loại Sau khi lắp đặt thiết bị được cho chạy thử không tải để hiệu chỉnh, sau đó cho chạy thử có tải

Chạy thử lần 1: Chạy thử không tải (Ngày thực hiện: 2/11/2012)

Các thông số ban đầu:

- Nhiệt độ ban đầu của buồng lạnh: 27oC

- Khối lượng của bình LN ban đầu: 261kg (khối lượng vỏ bình: 134kg)

- Áp suất trong bình: 5bar

Quy trình cấp LN sang buồng lạnh:

- Bật công tắc động cơ quạt khuấy, mở hoàn toàn van giữa buồng và đường ống

- Van xả áp dư: khống chế mức 6bar

- Vặn từ từ van dẫn LN trên bình chứa cho LN cấp vào buồng lạnh

- Van xả áp trong buồng lạnh mở vừa phải: góc mở van 15-20o

Yêu cầu đạt được:

+ Nhiệt độ buồng lạnh < - 80oC

+ Buồng lạnh phải giữ được nhiệt độ < -80oC

Hình 4.1 Hệ thống thiết bị gia công lạnh (mới lắp)

Số liệu được tổng hợp trong bảng 4.1 và hình 4.2

Nhận xét:

- Kết thúc chạy thử: Khối lượng bình LN còn lại: 226kg

- Lượng LN tiêu hao: 35kg trong thời gian 1h, nhiệt độ buồng lạnh đạt được -186oC

- Buồng lạnh duy trì được nhiệt độ < -80oC trong thời gian 1h40phút sau khi ngừng cấp LN

- Nắp hộp vẫn chưa kín hoàn toàn, đề nghị hàn thêm móc kẹp vào nắp và thân

Ngày thực hiện: 3/11/2012

Chạy thử lần 2: Chạy thử có tải với khối lượng chi tiết 40kg

Các thông số ban đầu:

- Nhiệt độ ban đầu của buồng lạnh: 27oC

- Khối lượng của bình LN ban đầu: 225kg (khối lượng vỏ bình: 134kg)

- Áp suất trong bình: 5bar

Mục đích

Theo dõi tốc độ quá trình giảm nhiệt độ của buồng lạnh khi có sản phẩm

Quy trình cấp LN sang buồng lạnh:

- Bật công tắc động cơ quạt khuấy, mở hoàn toàn van giữa buồng lạnh và đường ống

- Van xả áp dư: khống chế mức 6bar

- Vặn từ từ van dẫn LN trên bình chứa cho LN cấp vào buồng lạnh

- Van xả áp trong buồng lạnh đóng khi áp suất < 1,5bar Mở van xả áp khi áp suất trong buồng lạnh, góc mở 15-20o

Số liệu được tổng hợp trong bảng 4.2

Đường làm nguội hình 4.3

Trong thời gian 20 phút, nhiệt độ của buồng lạnh đã đạt được -112oC,

lượng LN tiêu hao 21kg

Chạy thử lần 3, ngày 4/11/2012:

Chạy có tải, khối lượng chi tiết 45kg Sử dụng 02 can nhiệt, 01 can cắm

trực tiếp vào tâm mẫu Ø100x100mm (hình 4.4)

Mục đích

Theo dõi tốc độ quá trình giảm nhiệt độ của buồng lạnh, thời gian thấu nhiệt của mẫu thép

Các thông số ban đầu:

- Nhiệt độ ban đầu của buồng lạnh: 27oC

- Khối lượng của bình LN (2 bình): 176 và 170kg

- Áp suất trong bình: 5bar

Quy trình cấp LN sang buồng lạnh:

- Bật công tắc động cơ quạt khuấy, mở van giữa buồng lạnh và đường ống

- Van xả áp dư: khống chế mức 6bar

- Vặn từ từ van dẫn LN trên bình chứa cho LN cấp vào buồng lạnh

- Mở van xả áp khi áp suất trong buồng lạnh, góc mở 15-20o

Hình 4.4 Đo nhiệt độ lò và tâm chi tiết Ø100x100mm

Số liệu được tổng hợp trong bảng 4.3

Nhận xét:

- Với tải 40 kg, tốc độ giảm nhiệt buồng lạnh khoảng 3oC (thời gian buồng lạnh đạt nhiệt -80oC: 35phút), thời gian thấu nhiệt của mẫu ở -80oC (sau khi buồng lạnh đạt -80oC) khoảng 205 phút/100mm

- Để duy trì nhiệt độ mẫu <-80oC, cần khống chế nhiệt độ buồng lạnh <-90oC

Ngày 05/11/2012:

Chạy thử lần 4: chạy có tải, khối lượng chi tiết 300kg Sử dụng thêm 01 can nhiệt cắm trực tiếp vào tâm mẫu Ø100x100mm

Các thông số ban đầu:

- Nhiệt độ ban đầu của buồng lạnh: TF = 27oC, tâm mẫu Ti = 27oC

- Khối lượng của bình LN ban đầu: 255,5 kg (khối lượng vỏ bình: 134kg)

- Áp suất trong bình: 5bar

Mục đích

- Xác định tốc độ giảm nhiệt độ của chi tiết Ø100x100mm khi có tải trọng 300kg

- Khống chế giử nhiệt buồng lạnh bằng điều chỉnh van đóng mở trên bình chứa

LN, van buồng lạnh và van xả áp của buồng lạnh

- Theo dõi thời gian thấu nhiệt của mẫu Ø100x100mm

Quy trình cấp LN sang buồng lạnh:

- Bật công tắc động cơ quạt khuấy, mở van giữa buồng lạnh và đường ống

- Van xả áp dư: khống chế mức 6bar

- Duy trì áp suất trong bình chứa N2 = 5bar trong suốt quá trình cấp LN

- Mở 0,5 vòng van dẫn LN lỏng trên bình chứa cho LN cấp vào buồng lạnh

- Giai đoạn hạ nhiệt: mở van xả, góc mở 15-20o

- Giai đoạn giữ nhiệt: theo dõi nhiệt độ của buồng lạnh và mẫu, đóng mở van xả

áp để duy trì nhiệt độ yêu cầu

Các số liệu quá trình thực hiện được thống kê trong bảng 4.4

- Để duy trì nhiệt độ của mẫu khoảng -80oC, cần khống chế nhiệt độ buồng lạnh <-95oC

4.2 Thử nghiệm gia công lạnh trên mẫu thép

Như đã trình bày ở trên, một trong những ứng dụng của gia công lạnh là

xử lý thép dụng cụ bền nguội sau khi tôi với mục đích tăng độ cứng và ổn định kích thước Hiện nay thép dụng cụ bền nguội chế tạo từ thép SKD11 và tương đương đang được sử dụng rộng rãi nhất Tùy theo yêu cầu mà thép này được sử

lý theo các quy trình sau:

• Tôi và ram thấp

• Tôi và ram cao

• Tôi gia công lạnh -70oC – -120oC và ram thấp 180oC – 200oC

• Tôi, gia công lạnh -70oC – -120oC và ram cao 480oC – 530oC

• Tôi, gia công lạnh sâu -180oC – -190oC và ram thấp 180oC – 200oC

• Tôi, gia công lạnh sâu -180oC – -190oC và ram cao 480oC – 530oC Trong khuôn khổ đề tài, chúng tôi thực hiện gia công lạnh mẫu thép SKD11 và so sánh kết quả độ cứng với độ cứng khi thực hiện nhiệt luyện truyền thống (tôi và ram thấp hoặc ram cao)

4.2.1 Thiết bị sử dụng

Thiết bị nhiệt luyện : Lò nhiệt luyện chân không đơn buồng Turbo2 –

Treater M Đây là thiết bị đang sử dụng tại Viện Công Nghệ (hình 4.7)

- Kích thước: 610 x 610 x 910 mm

- Công suất nung tối đa: 150kw

- Nhiệt độ làm việc tối đa: 1320oC

- Khối lượng 1 mẻ tối đa: 800kg

- Khí làm nguội Nitơ áp suất max 12bar

- Quạt cưỡng bức 2 tốc độ 1 và 2

Hình 4.7: Thiết bị nhiệt luyện chân không Treater M