Phương pháp nhiệt luyện chốt PistonChọn vật liệuDo nhiệt độ làm việc của chốt piston tương đối cao (373oC), mà chốt piston lại khó chuyển động xoay tròn trong bệ chốt nên rất khó bôi trơn, ma sát dưới dạng nữa ướt do vậy rất dễ bị ăn mòn.Do yêu cầu kỹ thuật của piston , vật liệu dùng để chế tạo chốt phải có sức bền cao, chịu được mài mòn tốt và giới hạn mỏi cao.Vật liệu thường dùng là thép hoặc thép hợp kim có thành phần cacbon thấp như thép C15, C20, 20Cr, 15CrMn, 18CrNiMn…. Các loại thép này khi nhiệt luyện đều phải thấm than hoặc Xianuya hóa hoặc Nitow hóa rồi tôi đạt độ cứng bề mặt cao, Nitơ hóa thường dùng là NH3 còn Xianuya hóa dùng NaCN hoặc hỗn hợp (3040)% K4F2(CN)6 + 10% Na2CO3 + than hoa. Với động cơ tốc độ trung bình và tốc độ thấp cũng hay dùng thép Cacbon có thành phần Cacbon.Xác định gang để chế tạo chi tiết bánh răng có đường kính 2m, dày 200 mm, vận tốc quay bé hơn 10 vòngphút.
Trang 1Giảng đồ trạng thái
Nếu các thép được nung nóng đến nhiệt độ thấp hơn Ac1, trong thép chưa có chuyển biến
gì, do đó khi làm nguội tiếp theo cũng không có chuyển biến gì Xét trường hợp làm nguội thép
đã được nung tới trạng thái lớn hơn nhiệt độ Ac1) Làm nguội được phân ra 2 trường hợp: làm nguội đẳng nhiệt và làm nguội liên tục
Thí Nghiệm: Làm thí nghiệm với thép cùng tích 0.8% C)
Nung đến trạng thái hoàn toàn , giữ nhiệt Tiến hành làm nguội xuống dưới nhiệt độ Ac1, giữ đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau
Ảnh hưởng của độ quá nguội đến chuyển biến:
Lý thuyết P cùng tích) ở 7270C, nhưng khi nung quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn 7270C => Chuyển biến xảy ra với độ quá nguội T = TA1 - TAr1 Tốc độ chuyến biến P phụ thuộc vào:
- Sự chênh lệch giữa năng lượng tự do của hỗn hợp F + Xe và
- Tốc độ khuếch tán của cacbon
Trang 2Giảng đồ chuyển biết đẳng nhiệt của quá nguội:
.1) Đường bắt đầu xảy ra quá trình chuyển biến P
.2) Kết thúc quá trình chuyển biến P
Các sản phẩm của sự phân hóa đẳng nhiệt của Auxtenit quá nguội:
- Chuyển biến Peclit (500 727) 0 C:
+ Chuyển biến P xảy ra với sự tạo thành hỗn hợp F + Xe ở dạng tấm Nếu quá nguội phân hoá ở nhiệt độ sát A1 t < 500C) Xe ở dạng tấm có kích thước lớn Hỗn hợp đó gọi là Peclit
+ Với T= 500 đến 1000C Xe ở dạng tấm với kích thước hạt bé Hỗn hợp này gọi là Xoocbit X)
+ Với T= 500 600 quá nguội kém ổn định nhất) khi đó Xe cũng ở dạng tấm xong
bé hơn dạng tấm ở Xoocbit Tổ chức này gọi là Trutxtit T)
=>khi tăng độ quá nguội, số mầm tạo ra càng nhiều do đó hỗn hợp càng trở nên nhỏ mịn và độ cứng, độ bền càng cao
- Chuyển biến trung gian (240C 500 0 C) (sau chuyển biến vẫn còn dư)
Ở dưới 5000C, quá nguội phân hoá thành hỗn hợp cơ học của F và Xe với cơ chế và đặc điểm riêng Bainit B)) Xe có dạng tấm rất nhỏ mịn Có 2 loại Bainit: Bainit trên Bt)- 350
500)0C và Bainit dưới Bd)- 240 350)0C Xe có dạng tấm rất nhỏ mịn
Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt quá nguội của thép trước cùng tích
và sau cùng tích:
Trang 3Chuyển biến P khi làm nguội liên tục:
Khi làm nguội liên tục có các đặc điểm sau:
+ Với các tốc độ nguội khác nhau sẽ đạt được các tổ chức khác nhau
Trên giảng đồ khi làm nguội với tốc độ v1 thì sẽ phân hoá thành F + Xe, Xe có dạng tấm thô Với v2 Xe nhỏ mịn hơn Với v3 thu được tổ chức Truxtit, sau đó biến thành Mactenxit
+ Tính ổn định của quá nguội tăng
+ Tổ chức Bainit chỉ đạt được khi làm nguôi đẳng nhiệt
* Ý nghĩa: Xác định tốc độ nguội hợp lý nhằm thu được sản phẩm theo yêu cầu
* Cơ chế hình thành Peclit:
-P ban đầu có dạng hình cầu nếu giữ ở các nhiệt độ khác nhau có thể tạo thành các dạng tấm lớn P, tấm nhỏ X, hay dạng kim T
Chuyển biến của khi làm nguội nhanh ( chuyển biến Mactenxit):
Khái niệm: Khi tiến hành làm nguội thật nhanh xuống nhiệt độ thấp Cacbon không
kịp khuếch tán nên toàn bộ cacbon trong giữ lại trong mạng của Ferit 0,8% 0,8%) gọi là chuyển biến Mactenxit
Theo giản đồ trạng thái, %C trong lớn nhất là 0,02% nên khi %C trong là 0,8% sẽ tạo ra tổ chức quá bão hoà cacbon gọi là tổ chức Mactenxit M)
Trang 4Tốc độ nguội nhanh để chuyển biến M phải lớn hơn hay bằng một giá trị tới hạn, tức ứng với các đường biểu diễn không cắt đường cong chữ "C"
tth: là thời gian kém ổn định nhất của quá nguội
T0: là nhiệt độ ứng với thời gian tới hạn
T1: là nhiệt độ nung
Với mỗi loại thép xác định thì có một tốc độ nguội tới hạn xác định Với mọi vng > vng.t.h đều cho chuyển biến Mactenxit
Đặc điểm của chuyển biến Mactenxit:
- Chỉ xảy ra khi tốc độ nguội lớn hơn một tốc độ nguội xác định
- Chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục trong một khoảng nhiệt độ xác định
Ms và Mf chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và nguyên tố hợp kim trong Auxtenit càng chứa nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim Si, Al, Co) thì các điểm Ms và Mf càng hạ thấp.)
- Chuyển biến M xảy ra theo dạng bùng nổ: Cùng một lúc tạo ra hàng loạt các kim M
và phát triển với tốc độ rất nhanh 108cm/s) Sự va đập của các kim M tạo ra các vết nứt tế vi trong tổ chức M
- Chuyển biến M xảy ra ở nhiệt độ thấp thường < 2000C), cacbon hầu như không khuếch tán nên giữ nguyên vị trí
* Chuyến biến M là chuyển biến không hoàn toàn còn một lượng dư) do thể tích riêng của M lớn hơn thể tích riêng của :
Trang 5Lượng dư trong thép phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Điểm Mf càng thấp >200C) thì dư càng nhiều
+ Thành phần hoá học của
Cơ tính của M:
* Độ cứng của M:
Mactenxit là dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon, độ cứng của M chỉ phụ thuộc vào lượng cacbon ở trong nó Cacbon càng cao, độ chính phương của M càng lớn, mạng tinh thể càng xô lệch, độ cứng càng cao, khả năng chịu mài mòn tốt
* Độ dòn của M:
Tính dòn cao, đặc điểm này có liên quan đến độ cứng và ứng suất dư trong nó:
+ Độ cứng của M càng cao thì tính dòn càng lớn, do vậy M càng chứa nhiều cacbon thì càng cứng và càng dòn Tuy nhiên, với cùng thành phần cacbon như nhau, độ cứng như nhau nhưng tính dòn có thể khác nhau nếu kích thước hạt M khác nhau
+ Ứng suất dư tạo thành có ảnh hưởng lớn đến tính dòn gồm có ứng suất nhiệt do thay đổi nhiệt độ xuất hiện khi nung và làm nguội) và ứng suất tổ chức do sự chuyển biến tổ chức)
Trang 6Phương pháp nhiệt luyện chốt Piston
1 Khái niệm : chốt piston là chi tiết máy nối
piston với thanh truyền, nó truyền lực tác dụng của khí thể tác dụng lên piston cho thanh truyền để làm quay trục khủy Vì vậy, tuy là một chi tiết máy đơn giản nhưng nó rất quan trọng Trong quá trình làm việc, chốt piston chịu lực khí thể và lực quán tính rất lớn, các lực này đều thay đổi theo chu kỳ đồng thời có tính chất va đập mạnh, nhất là trong động cơ cao tốc.
2 Chọn vật liệu
-Do nhiệt độ làm việc của chốt piston tương đối cao 373oC), mà chốt piston lại khó chuyển động xoay tròn trong bệ chốt nên rất khó bôi trơn, ma sát dưới dạng nữa ướt do vậy rất dễ bị ăn mòn.
-Do yêu cầu kỹ thuật của piston , vật liệu dùng để chế tạo chốt phải
có sức bền cao, chịu được mài mòn tốt và giới hạn mỏi cao.
-Vật liệu thường dùng là thép hoặc thép hợp kim có thành phần
cacbon thấp như thép C15, C20, 20Cr, 15CrMn, 18CrNiMn… Các loại thép này khi nhiệt luyện đều phải thấm than hoặc Xianuya hóa hoặc Nitow hóa rồi tôi đạt độ cứng bề mặt cao, Nitơ hóa thường dùng
là NH3 còn Xianuya hóa dùng NaCN hoặc hỗn hợp 30-40)%
K4F2.CN)6 + 10% Na2CO3 + than hoa Với động cơ tốc độ trung bình
và tốc độ thấp cũng hay dùng thép Cacbon có thành phần Cacbon
Trang 7trung bình như thép C35, C40, C45 để chế tạo chốt Piston Chốt được làm bằng thép Cacbon hoặc thép hợp kim có thành phần Cacbon thấp, trung bình sau khi tôi, độ cứng bề mặt chốt có thể đạt 50-65) HRC,
độ cứng phần ruột đạt 22-30)HRC Chiều sâu lớp tôi đạt 1-1,2)mm Chốt piston làm bằng thép Cacbon hay thép hợp kim thành phần cacbon thấp, lớp thấm than cóc chiều sâu 1-2)mm.
2 Quy trình nhiệt luyện chọn thép C20
Quá trình nhiệt luyện chốt piston trải qua 3 giai đoạn:
+ Thấm cacbon thấm than).
+ Tôi.
+ Ram thấp).
Thấm than : chất thấm chủ yếu là than gỗ hay mùn cưa) chiếm 80-90% và lượng nhỏ muối cacbonat Na2CO3, BaCO3…) để làm chất xúc tác, làm nhanh quá trình thấm Sau khi trộn đều cho vào hộp chung với chi tiết, đem nung đến nhiệt độ 900oC, với lớp thấm 1-2mm thì cần khoảng 10-20h để nung nóng và giữ nhiệt.
Quá trình thấm diễn ra như sau:
-Than gỗ mùn cưa) cháy trong điều kiện thiếu oxy->
oxytcacbon.
2C + O2 -> CO2
-Khi CO gặp bề mặt thép bị phân tích
2CO -> CO2 + Cng.tử
-Cng.tử mới tạo thành bị hấp thụ và khuếch tán vào thép ở dạng dung dịch rắn Auxtenit với nồng độ cacbon cao dần.
Cng.tử + Fe -> Fe.C) :0,2 -> 0,8 -> 1,2%C
Tôi : sau khi thấm ran cacbon) chi tiết được mang đi tôi, người
ta có thể áp dụng phương pháp tôi trực tiếp thấm than xong nhiệt độ chi tiết đang ở mức cao ≥ 900oC, người ta để chi tiết nguội xuống còn 860->880oC rồi tôi để tránh ứng suất nhiệt Cách tôi này tổ chức sau khi tôi là Macstenit, không có Ferit dư
Trang 8đảm bảo độ biến dạng nhỏ, để chiều sâu lớp tôi đạt từ
1->1,5mm cần giữ nhiệt và làm nguội trong khoảng 1->1,5h.
Ram thấp) : sau khi tôi chi tiết đạt độ cứng ở bề mặt và độ dẻo
ở lõi, nhưng để đảm bảo chất lượng, tránh chi tiết bị giòn, người
ta đem đi ram thấp ở nhiệt độ 180->250oC, tổ chức đạt được là Mactenit ram Thời gian ram lúc này khoảng từ 1->1,5h.
Công đoạn ram kết thúc chi tiết piston sẽ đạt độ cứng bề mặt lên tới
50->62 HRC , độ bền lõ tương đối khoảng 20->28 HRC.
Trang 9Bài Tập: Xác định gang để chế tạo chi tiết bánh răng có đường kính 2m, dày
200 mm, vận tốc quay bé hơn 10 vòng/phút.
Gang là hợp kim Fe-C với hàm lượng các bon lớn hơn 2,14% Thực tế trong gang luôn có các nguyên tố khác như: Si, Mn, P và S Các loại Gang thông dụng thường chứa:2,0÷4,0% Các bon; 0,4÷3,5% Si; 0,2÷1,5% Mn; 0,04÷0,65% P; 0,02÷0,15% S.
Gang là loại vật liệu dùng khá phổ biến trong các ngành cơ khí Gang có tính đúc khá tốt nhưng lại rất khó hàn do có độ chảy loảng cao và độ dẻo thấp.
Các loại gang có graphit:là loại gang mà phần lớn hay toàn bộ cac bon của chúng
nằm dưới dạng tự do graphit nên mặtgãy của nó có màu xám màu của graphit) Tuỳ theo dạng graphit trong gang mà gang có graphit được phân thành các loại:
- Gang xám
- Gang xám biến trắng
- Gang cầu
- Gang dẻo
Gang cầu là loại gang có tổ chức graphit thu gọn nhất ở dạng quả cầu, do đó gang
cầu có độ bền cao nhất trong các loại gang có graphit Graphit dạng cầu nhờ biến tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm Gang cầu bề ngoài cũng có màu xám tối như gang xám Nên khi nhìn bề ngoài không thể phân biệt hai loại gang này.
Thành phần hóa học gang cầu dao động như sau: 3-3,6% C, 2-3% Si, 0,2-1% Mn, 0,04- 0,08% Mg, ít hơn 0,015% P, ít hơn 0,03% S Gang cầu có độ dẻo dai cao, đặc biệt sau khi nhiệt luyện thích hợp.
Lượng cacbon và silic phải cao để đảm bảo khả năng than chì hóa %C + %Si) đạt tới 5%-6% Không có hoặc không đáng kể <0,1 – 0,01%) các nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Pb, Zn, Bi và đặc biệt là S Có một lượng nhỏ các chất biến tính Mg 0,04-0,08%) hoặc Ce Có các nguyên tố nâng cao cơ tính như Ni 2%)
Mn <1%).
Trang 10Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống gang xám song chỉ khác là than chì của nó
có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim loại: ferit, ferit – peclit
và peclit Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của gang cầu so với gang xám Khác với gang xám, than chì dạng cầu ở đây được tạo thành nhờ biến tính
xám nên khi nhìn bề ngoài khó có thể phân biệt hai loại gang này Tuy nhiên, ta cũng có thể phân biệt gang cầu và gang xám qua dấu hiệu co ngót ở sản phẩm gang cầu hoặc bằng cách gõ vào sản phẩm, sản phẩm gang cầu sẽ có tiếng kêu trong và thanh, còn sản phẩm gang xám sẽ có tiếng kêu đục, trầm.
Gang cầu theo TCVN được ký hiệu bằng hai chữ GC với hai cặp chữ số chỉ giá trị tối thiểu của giới hạn bền kéo và độ dẻo của gang Gang cầu ferit mác GC40-10 có giới hạn bền kéo > 400 MPA và độ dãn dài tương đối 10% Gang cầu được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu lực lớn và chịu tải trọng va đập, mài mòn như trục khuỷu, cam, bánh răng… Do rẻ gang cầu được dùng nhiều để thay thế thép và gang dẻo.
Việc sử dụng gang cầu vào công nghiệp rất có hiệu quả, ví dụ giá 1 tấn vật đúc loại gang này rẻ hơn vật đúc bằng thép hợp kim từ 30-35% rẻ hơn loại vật đúc bằng hợp kim màu 3 đến 4 lần và rẻ hơn loại phôi thép rèn tử 2 đến 3 lần.
Gang cầu là loại gang có độ bền cao có Graphit ở dạng cầu nhờ biến tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm Sau khi biến tính cầu hóa, gang lỏng còn được biến tính lần hai bằng các nguyên tố graphit hóa như FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang Nhờ các chất biến tính mà gang lỏng trở nên sạch các tạp chất như S và các loại khí, làm tăng tốc độ quá nguội cho gang và tạo cho graphit phát triển chủ yếu theo hướng thẳng góc với bề mặt cơ sở của tinh thể Graphit Do đó, Graphit kết tinh thành hình cầu.
Gang cầu thường chứa Cdl cao từ 4,3 đến 4.6% để chống biến trắng và do Graphit
ở dạng cầu sít chặt, ít chia cắt nền kim loại nên không làm giảm đáng kể tính chất
cơ học của gang Hàm lượng Si không nên quá cao nhỏ hơn 3%) để khỏi ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gang Hàm lượng S sau biến tính cầu hóa bằng Mg phải nhỏ hơn 0.03% thì gang mới nhận được Graphit biến tính và hạn chế tạp chất “vết đen” do MgS tạo ra sẽ làm giảm tính chất cơ học của gang Hàm lượng Mn tùy thuộc vào loại gang cầu,với gang cầu ferit ở trạng thái đúc Mn nhỏ hơn 0.2%.Ở gang cầu peclit chúng có thể lên tới 1% Lượng P càng ít càng tốt vì P làm giảm tính dẻo dai của gang cầu Không có hoặc không đáng kể <0,1 - 0,01%)các
nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti,Al,Sn,Pb,Zn,Bi và đặc biệt là S Có một lượng
Trang 11nhỏ các chất biến tính Mg 0.04-0.08%) hoặc Ce Có các nguyên tố nâng cao cơ tính như Ni 2%) Mn <1%).
Gang cầu với những đặc tính cơ hóa như độ nóng chảy thấp, độ chảy loãng tốt, tính đúc tốt, dễ gia công, có khả năng chịu mài mòn, lại có ưu thế vượt trội so với gang xám là có độ bền kéo tốt, lại vừa có khả năng chịu uốn nén và độ giảm chấn tốt của gang dẻo, giá thành sản xuất lại thấp hơn nhiều so với sản xuất gang dẻo hoặc sản xuất thép carbon nên được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp chế tạo máy, công nghiệp quốc phòng và phục vụ ngành xây dựng, cấp thoát nước… Việc sử dụng gang cầu vào công nghiệp rất có hiệu quả,ví dụ giá 1 tấn vật đúc loại gang này rẻ hơn vật đúc bằng thép cacbon từ 30-35%, rẻ hơn loại vật đúc bằng hợp kim màu 3 đến 4 lần và rẻ hơn loại phôi thép rèn từ 2 đến 3 lần Gang cầu theo Tiêu chuẩn Châu Âu EN 124 được ký hiệu bằng ba chữ GGG.
Vì vậy gang cầu được sử dụng để chế tạo bánh răng