THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG NHIỆT LUYỆN CHỐT PISTON TRONG ÔTÔ

- Trong quá trình làm việc, chốt piston sẽ quay trong đầu nhỏ thanh truyền, ưuđiểm của phương pháp này là giảm được độ mòn và ít bị võng, nhưngnhược điểm là mòn không đều, hay phát sinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU -o0o -

MỤC LỤC Chương 1: Phân tích điều kiện làm việc và lựa chọn vật liệu nhiệt luyện của chốt

piston……… 2

1) Khái niệm về chốt piston………… …… ……… ….2

2) Vai trò của chốt piston……… ……… 2

3) Vị trí vá cách lắp ráp……….……… 2

4) Điều kiện làm việc……… ……….…4

5) Lựa chọn vật liệu……….…4

6) Cơ sở lý thuyết về vật liệu đã chọn……… 4

Chương 2: Lý thuyết các quá trình nhiệt luyện và lý luận công nghệ cho chốt piston……… 6

1) Cơ sở lý thuyết các quá trình nhiệt luyện………6

2) Lý luận công nghệ……… 30

Chương 3: Quy trình nhiệt luyện và lựa chọn thiết bị cho chốt piston…….…….31

1) Quy trình công nghệ của chi tiết………31

2) Quy trình nhiệt luyện ……….31

3) Chế độ nhiệt luyện và việc lựa chọn thiết bị nhiệt luyện cho chốt piston………

……….32

Chương 4: Lập phân xưởng sản xuất chốt piston……… 41

Chương 5: Tài liệu tham khảo……… 44

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA CHỐT

PISTON

1) Khái niệm về chốt piston.

- Chốt piston (ắc piston) là chi tiết nối piston với thanh truyền

Hình 1 Vị trí của chốt piston (Nguồn: Google)

2) Vai trò:

- Nó có công dụng như một bản lề nối piston và thanh truyền, đồng thờitruyền lực tác dụng của khí lên piston cho thanh truyền làm quay trụckhuỷu

- Là một chi tiết nhỏ nhưng rất quan trọng trong xe ôtô

- Chốt piston đóng vai trò rất quan trọng vì nếu chốt piston bị hỏng trong quátrình làm việc thì sẽ dẫn đến động cơ sẽ hư hỏng rất nghiêm trọng

3) Vị trí và cách lắp ghép:

- Có ba phương pháp ghép chốt piston với piston và đầu nhỏ thanh truyềntheo ba phương pháp:

a) Lắp cố định với piston bằng một vít hãm.

- Với phương pháp này, chốt phải được lắp tự do trong đầu nhỏ thanh truyền

- Trong quá trình làm việc, chốt piston sẽ quay trong đầu nhỏ thanh truyền, ưuđiểm của phương pháp này là giảm được độ mòn và ít bị võng, nhưngnhược điểm là mòn không đều, hay phát sinh va đập gây nên tiếng gõ, chỉdùng đối với piston làm bằng gang có lót bạc bằng đồng

b) Lắp cố định với đầu nhỏ thanh truyền bằng bu lông:

- Khi đó chốt piston phải được lắp tự do trong bệ chốt Cũng như phương ántrên, do không phải bôi trơn cho dầu nhỏ thanh truyền nên có thể thu hẹp

bề rộng đầu nhỏ thanh truyền và như vậy tăng được chiều dài của bệ chốt,gảm được áp suất tại đây Tuy nhiên mặt phẳng chịu lực của chốt ít thayđổi nên tính chịu mòn kém, chốt piston cũng bị mòn không đều, độ võnglớn, chế tạo và lắp ghép phức tạp, nên hiện nay ít dùng

c) Lắp tự do:

- Lắp tự do còn gọi là lắp bơi, nghĩa là chốt piston không cố định trong đầunhỏ thanh truyền và trong bệ chốt Trong quá trình làm việc, chốt piston

có thể xoay quanh đường tâm của nó

- Khi lắp ghép, mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghéplỏng, còn mối ghép với bệ chốt là mối ghép trung gian, có độ dôi (0,01 –0,02mm đối với động cơ ôtô, máy kéo)

- Trong quá trình làm việc, do nhiệt độ cao nên piston bằng hợp kim nhômgiãn nở nhiều hơn so với piston bằng thép tạo ra khe hở ở mối ghép nàynên chốt piston có thể xoay tự do Khi đó mặt phẳng chịu lực thay đổi nênchốt nếu mòn sẽ đều hơn và chịu mỏi tốt hơn Vì vậy, phương pháp nàyđược dùng phổ biến hiện nay

- Tuy nhiên, giải quyết vấn đề bôi trơn ở cả hai mối ghép và phải có kết cấuhạn chế dịch chuyển dọc trục của chốt để tránh cào xướt xi lanh, thôngthường dùng vòng hãm tiết diện tròn ở hai đầu chốt hoặc dùng nút kimloại mềm

Hình 2 Các phương pháp lắp chốt piston: a) Chốt piston cố định với piston;

b) Chốt piston cố định với đầu nhỏ thanh truyền; c) Chốt piston lắp tự do

(Nguồn: Google)

4) Điều kiện làm việc:

- Trong quá trình làm việc, chốt piston chịu lực khí 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

- Ngoài ra, do làm việc trong một môi trường nhiệt độ tương đối cao (>

3730C) mà chốt piston lại khó chuyển động xoay tròn trong bệ chốt nênrất khó bôi trơn, ma sát dưới dạng nửa ướt do vậy nên dễ bị ăn mòn

- Yêu cầu: Do vậy, chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu phù hợp với

yêu cầu làm việc và phải được nhiệt luyện theo công nghệ đặc biệt, đảmbảo bề mặt làm việc của chốt piston có độ cứng cao, chống mòn tốt,nhưng ruột chốt lại phải dẻo để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng đểtránh ứng suất tập trung

- Chốt piston thường làm bằng thép carbon và thép hợp kim có thành phầncarbon thấp sau khi thấm carbon (độ sâu 0,5 – 2 mm, tùy thuộc độ sâu yêucầu đối với từng loại chốt piston), sau khi tôi bề mặt chốt có thể đạt tới 58– 62 HRC, độ cứng phần ruột thường từ 26 – 30 HRC để đáp ứng sức

 Mác thép được chọn là 20Cr.

6) Một vài đặc điểm của vật liệu làm chốt piston đã chọn.

- Vật liệu đã chọn là thép kết cấu 20Cr – đây là nhóm thép hợp kim thành

phần carbon tương đối thấp, lượng P, S thấp hơn, cụ thể: S 0,035 %, P0,035% và được quy định cả về thành phần hóa học và cơ tính

0,23

0,7–1

0,5–

0,8

0,17–

0,37

<

0,3

<

0,3

<

0,035

<0,035

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN VÀ LÝ LUẬN CÔNG NGHIỆ CHO CHỐT

PISTON.

1) Cơ sở lý thuyết các quá trình nhiệt luyện

** Các phương pháp nhiệt luyện:

- Nhiệt luyện là những quá trình công nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ nhiệt

và làm nguội vật phẩm kim loại với mục đích thay đổi tổ chức (cấu trúc) vàtính chất của chúng

- Nhiệt luyện áp dụng cho các thỏi đúc, vật đúc, bán thành phần, mối hàn, chitiết máy và dụng cụ các loại

- Các dạng cơ bản của nhiệt luyện bao gồm: ủ, tôi, ram và hoá già Nếu như dokết quả của tôi ở nhiệt độ 20 - 250C mà giữ được trạng thái dung dịch rắn ởnhiệt độ cao thì sự hoá bền đáng kể của hợp kim trực tiếp sau khi tôi sẽ khôngxảy ra, sự hoá bền chủ yếu xảy ra khi nung trở lại ở nhiệt độ thấp (ram) hoặc làtrong thời gian giữ ở nhiệt độ 20 - 250C (hoá già tự nhiên)

- Với hợp kim có tính chất đặc biệt, tôi có thể làm thay đổi những tính chất (hoálý) nhạy cảm với sự thay đổi cấu trúc như làm tăng điện trở suất hoặc là lựckhử từ, làm giảm độ bền chống ăn mòn

- Ram và hoá già là các phương pháp nhiệt luyện sau khi tôi mà kết quả của nó

là xảy ra sự chuyển pha, đưa tổ chức về gần trạng thái cân bằng

- Thực tế sự kết hợp tôi và ram hay hoá già luôn luơn nhận được các tính chất tốthơn (độ cứng, các đặc trưng độ bền, lực khử từ, điện trở suất ) so với trạngthái ủ

- Phần lớn các hợp kim sau khi tôi nhận được dung dịch rắn quá bảo hoà (hoặc làhỗn hợp các dung dịch rắn) trong trường hợp này quá trình cơ bản xảy ra khiram hoặc hoá già là sự phân rã dung dịch rắn quá bảo hoà đó

- Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt được chọn như thế nào để sau khi gia công đạtđược tổ chức và tính chất như mong muốn mà không phải là tổ chức cân bằngnhư sau khi ủ Tốc độ nguội khi ram hay hoá già, trừ một số trường hợp đặcbiệt, không ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của hợp kim

- Về nguyên tắc, việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện nào đều có thể dựa trên

cơ sở giản đồ cân bằng pha của hợp kim Do đó có thể chia thành các nhómhợp kim cơ bản sau:

- Các hợp kim không có chuyển pha ở trạng thái rắn

- Các hợp kim có độ hoà tan thay đổi ở trạng thái rắn

- Các hợp kim có chuyển biến cùng tích

- Bất kỳ một quá trình công nghệ nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba giai đoạn cơbản sau: nung nóng, giữ đẳng nhiệt và làm nguội

a) Ủ:

- Định nghĩa: Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định,

giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng với lò, để đạt được tổ chức ổn địnhtheo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao Tổ chức đạtđược sau khi ủ thép là P (có thể có thêm F hay XeII tuỳ loại thép trước haysau cùng tích)

- Khi nung và giữ nhiệt, thép có chuyển biến Peclit thành Austenit, còn khilàm nguội chậm cùng lò sẽ có chuyển biến Austenit thành Peclit Tuynhiên, vấn đề tốc độ làm nguội cùng lò chỉ đúng đối với thép carbon vàthép hợp kim thấp; đối với thép hợp kim trung bình và cao, vận tốc làmnguội còn chậm hơn nữa

+ Làm đồng đều thành phần hóa học phôi đúc do bị thiên tích

+ Chuẩn bị tổ chức cho nguyên công xử lý nhiệt luyện kết thúc (tôi + ram)

 Với mục đích đa dạng như vậy thì không phương pháp ủ nào đạt được cảcác mục tiêu trên Thông thường mỗi phương pháp ủ chỉ đạt được mộthoặc vài trong số các chỉ tiêu kể trên

có chuyển biến pha

** Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha: Các phương pháp ủ không

có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn AC1, khi đó không xảy rachuyển biến P  γ

+ Ủ thấp (ủ non):

 Định nghĩa: Ủ thấp là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn AC1

để không có chuyển biến pha xảy ra

 Mục đích và đặc điểm: Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bêntrong ở các vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia công cơ khí.

* Nếu ủ ở nhiệt độ thấp (200 - 3000C) chỉ có tác dụng làm giảm một phần ứng suất bêntrong nhưng ở những nhiệt độ cao hơn (450 - 6000C) tác dụng khử bỏ ứng suất bêntrong có thể hoàn toàn hơn

* Do làm nguội nhanh, không đều, do chuyển pha khi đúc, trong vật đúc tồn tại ứngsuất bên trong Đối với một số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phép tồn tạiứng suất dư độ Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư, người ta tiến hành nung nóngđến 450 - 6000C, sau đó làm nguội chậm tiếp theo để tránh tạo lại ứng suất dư Đốivới trường hợp yêu cầu không cao, chỉ cần giảm ứng suất dư đến mức nhất định,

có thể tiến hành bảo quản ở t0 thường trong khoảng 9 - 12 tháng, quá trình này còngọi là hoá già tự nhiên Do nhiệt độ ủ thấp nên phương pháp ủ này không làm thayđổi độ cứng và kích thước hạt

* Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là từ 600 - 7000C tức là thấp hơn nhiệt độ

AC1 Loại ủ này làm thay đổi được kích thước hạt và giảm độ cứng, nhưng rất ít ápdụng cho thép vì khó tránh tạo nên hạt lớn

* Đối với kim loại đa tinh thể, do không đồng nhất về phương mạng giữa các hạt nênứng suất tác dụng và độ biến dạng phân bố không đều, phần thép bị biến dạng vớimức độ tới hạn sau khi ủ có kích thước lớn, làm dòn thép Để tránh hiện tượngnày, thường dùng các phương pháp ủ có chuyển biến pha

** Các phương pháp ủ có chuyển biến pha: Các phương pháp ủ có chuyển biến pha cónhiệt độ ủ cao hơn AC1, khi đó có xảy ra chuyển biến P  γ

* Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo, dễ cắt gọt và rập nguội Do làm nguội chậm, γphân hoá ra tổ chức F + P (tấm) có độ cứng trong khoảng 160 – 200 HB, bảo đảmcắt gọt tốt và dẻo, dễ rập nguội Như vậy nhiệt độ ủ hoàn toàn là T0

ủ hoàn toàn = T0

AO

+ (20 - 30)0C

Loại ủ này chỉ áp dụng cho thép có hàm lượng cacbon lớn hơn hoặc bằng 0,30C

+ Ủ không hoàn toàn:

 Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàntoàn là γ, nhiệt độ cao hơn AC1 nhưng thấp hơn AC3 hay ACcm

 Mục đích và đặc điểm:

* Làm giảm độ cứng đến mức cóthể cắt gọt được, sự chuyển biến pha ở đây là khônghoàn toàn chỉ có P  γ còn F hoặc XeII vẫn còn (do vậy khi làm nguội không làmthay đổi kích thước hạt của 2 pha đó)

* Đối với thep trước cùng tích, loại thép có yêu cầu độ dai cao vì không làm nhỏ đượchạt F nên không áp dụng dạng ủ này Do vậy, ủ không hoàn toàn thường được ápdụng chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tích với hàm lượng cacbon 0,7%

* Đối với thép có hàm lượng cacbon 0,7% mà chủ yếu là thép cùng tích và sau cùngtích (thép có độ cứng khá cao, khó cắt gọt) Nếu tiến hành ủ hoàn toàn thép này, tổchức nhận được là P tấm, độ cứng có thể lớn hơn 220 HB gây cho việc cắt gọt gặpkhó khăn Nếu tiến hành ủ không hoàn toàn, thì ở nhiệt độ nung do đạt được tổchức γ và các phần tử XeII chưa tan hết nên khi làm nguội, các phần tử này như lànhững mầm giúp cho tạo nên P hạt Sau khi ủ không hoàn toàn, thép cú tổ chức Phạt với độ cứng thấp hơn (khoảng 200 HB) nên đảm bảo cắt gọt tốt hơn

 Vậy nhiệt độ ủ không hoàn toàn cho mọi thép cacbon: T0

6800C, cứ thế trong nhiều lần Với cách làm như vậy, không những cầu hoá được

Xe của P mà cả XeII thường ở dạng lưới trong thép sau cùng tích

+ Ủ khuếch tán:

 Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép đến nhiệt độ rất cao 1100

-11500C và giữ nhiệt trong nhiều giờ (khoảng 10 - 15h)

 Mục đích và đặc điểm:

* Tạo ra hạt quá lớn do nung lâu ở nhiệt độ cao, vì vậy chỉ áp dụng cho vật đúc trướckhi gia công áp lực Nếu không qua biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt thì sau đó phải ủlại bằng cách ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt

* Làm đều thành phần của thép do hiện tượng thiên tích gây ra Cách ủ này áp dụngcho các thỏi đúc bằng thép hợp kim cao, thường có hiện tượng không đồng nhất vềthành phần hoá học.

+ Ủ đẳng nhiệt:

 Định nghĩa: là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ ủ (xác địnhtheo là ủ hoàn toàn hay không hoàn toàn), giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh xuốngdưới A1 khoảng 50 - 1000C tuỳ theo yêu cầu về tổ chức nhận được

b) Thường hóa:

- Khái niệm: Thường hoá là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thépđến trạng thái hoàn toàn γ (cao hơn AC3 hoặc ACcm); giữ nhiệt rồi làmnguội tiếp theo trong không khí tĩnh (thường kéo ra để nguội ở trên sân)

để γ phân hoá thành P phân tán hay Xe với độ cứng tương đối thấp

- Mục đích:

+ Đạt độ cứng thích hợp cho cắt gọt Đối với một số thép có hàm lượngcarbon 0,25%, nếu ủ sẽ mềm quá, khi cắt gọt tạo phoi dây quấn lấy daolàm giảm năng suất cắt Trong trường hợp này, thép cần được thường hóa,

độ cứng đạt được cao hơn khi ủ, thích hợp cho cắt gọt hơn Nhiệt độ nungđối với thép trước cùng tích là AC3 + 50ºC

+ Chuẩn bị tổ chức cho nguyên công xử lý nhiệt luyện kết thúc: thường hóalàm cho tổ hợp Pherit + Xementit nhỏ mịn và do đó làm tăng vị trí tạomầm Austenit khi nung để tôi thép

+ Khử lưới Xementit thứ hai trong thép sau cùng tích hoặc lớp bề mặt sau khithấm carbon: lưới XeII làm thép giòn, gia công cơ khó đạt độ bóng, khắcphục bằng thường hóa Tiến hành nung thép sau cùng tích lên trên ACmkhoảng 10 – 20 ºC, giữ nhiệt rồi làm nguội ngoài không khí

- Đặc điểm:

+ So với ủ thép, thường hoá kinh tế hơn do không phải làm nguội trong lò dovậy thường được áp dụng.

+ Tốc độ nguội ngoài không khí tĩnh lớn hơn tốc độ nguội trong lò khi ủ, tốc

độ nguội tăng tức là độ quá nguội ΔT càng lớn do vậy hạt thu được cókích thước nhỏ hơn so với khi ủ làm cho cơ tính được tăng lên

+ Tăng năng suất của quá trình công nghệ

+ Với thép sau cùng tích thì phá được lưới XeII và tạo ra tổ chức phù hợptrước khi nhiệt luyện kết thúc

+ Với thép có hàm lượng cacbon trung bình (%C = 0,35 - 0,5%) thì thườnghoá tạo ra tổ chức P có độ cứng tương đối cao (24 – 28 HRC) nên có thểdùng làm nhiệt luyện kết thúc thay tôi và ram với chi tiết không quantrọng

- Các trường hợp áp dụng thường hóa: Trên cơ sở phân tích các đặc điểm của

thường hoà, ta có thể thấy sử dụng thường hoá có thể đạt được các mụcđích yêu cầu sau:

** Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt gọt với thép cacbon thấp (%C0,25%)

+ Đối với thép có hàm lượng cacbon 0,3% thường tiến hành ủ còn đối vớithép có hàm lượng cacbon thấp cần tiến hành thường hoá Thép có hàmlượng cacbon thấp như vậy nếu đem ủ hoàn toàn sẽ cho độ cứng rất thấp(nhỏ hơn 140 HV), thép dẻo, phôi khó gẫy, quấn lấy dao, khi thường hoá

sẽ cho độ cứng cao hơn (khoảng 140 – 180 HB), thích hợp với các chế độgia công cắt gọt

+ Như vậy, để đảm bảo tính gia công cắt gọt, với thép có hàm lượng cacbon0,25% phải thường hoá, từ 0,3 - 0,65% cần ủ hoàn toàn và thép có hàmlượng 0,7% cần ủ không hoàn toàn (ủ cầu hoá)

** Làm nhỏ Xe để chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc

+ Khi thường hoá tạo ra tổ chức P phân tán hay X với Xe có kích thước bé.Mặt khác, Xe càng nhỏ biên giới hạt càng nhiều, do vậy khi γ hoá sẽ tạo

ra nhiều mầm γ, nhận được hạt γ nhỏ mịn và chuyển biến xảy ra nhanh.Yêu cầu này rất cần thiết đối với trường hợp tôi bề mặt

** Làm mất XeII ở dạng lưới của thép sau cùng tích

+ Nhiều trường hợp sau khi làm nguội chậm sau khi ủ thép sau cùng tích hay

bề mặt thép thấm cacbon, trong tổ chức xuất hiện XeII ở dạng lưới liên tụcbao quanh P làm thép rất dòn và ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng khi giacụng cắt gọt Thường hoá cóthể khắc phục được trạng thái này, do làmnguội nhanh hơn, Xe không kịp tiết ra ở dạng liền nhau mà ở dạng đứtrời Cách xa nhau làm thép ít dòn hơn, bề mặt đạt được độ nhẵn bóng caohơn

c) Tôi:

- Định nghĩa: Là một công nghệ nhiệt luyện bao gồm việc nung nóng chi tiết

lên tới nhiệt độ tôi, giữ nhiệt một thời gian sau đó làm nguội nhanh trongnước (hoặc dầu)

** Lưu ý: Ta sẽ làm nguội trong nước đối với thép Carbon và trong dầu đối

+ Do tôi độ nguội nhanh đặc điểm của chuyển biến M nên chi tiết sau khi tôi

dễ tồn tại biến dạng và ứng suất dư

+ Độ cứng của sản phẩm sau khi tôi phụ thuộc vào hàm lượng cacbon trongthép và tốc độ nguội (môi trường hay phương pháp làm nguội)

- Quá trình chuyển biến pha gồm:

+ Từ peclit thành austenite khi ta nung

+ Sau đó trong quá trình giữ nhiệt, austenite sẽ được ổn định lại

+ Cuối cùng là giai đoạn chuyển biến từ austenite thành mactenxit khi làmnguội nhanh trong nước (hoặc dầu)

P  γ (nung)  đồng đều γ (giữ nhiệt)  γ chuyển thành M (làm nguội nhanhtrong nước)

- Mục đích:

+ Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép do đó kéo dài được thời gian làmviệc của các chi tiết chịu mài mòn Độ cứng của thép tôi phụ thuộc vào lượng cacbon.Thép có lượng cacbon quá thấp 0,25 % khi tôi cú độ cứng không cao, không đủ chịu

mài mòn Vậy, muốn đạt được mục đích này thép tôi phải có hàm lượng cacbon trungbình và cao từ 0,3 % cacbon trở lên.

+ Nâng cao độ bền do đó nâng cao được sức chịu tải của chi tiết máy Nhờ tính chấtnày mà người ta tiến hành tôi thép cho các chi tiết máy quan trọng (chịu tải nặng,chóng mòn và gẫy), các chi tiết quyết định khả năng làm việc lâu dài của máy Nguyêncông tôi thép đóng vị trí quan trọng đặc biệt trong nhiệt luyện vì các lý do sau:

 Nó quyết định cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc do vậy quyếtđịnh tuổi thọ của chi tiết máy

 Là một trong những nguyên công gia công cuối cùng, chi tiết đó ở dạng thànhphẩm

Các mục đích nêu trên chỉ đạt được bằng sự kết hợp với ram tiếp theo

- Tốc độ tới hạn:

+ Định nghĩa: Là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để γ chuyển biến thành M với từngloại thép khác nhau

V ng.tới hạn = (0C/s)

A1: nhiệt độ tới hạn dưới của thép

T0: nhiệt độ cứng với γ quá nguội kém ổn định nhất

Tgh: thời gian kém ổn định nhất của γ

+ Đặc điểm:

 Tốc độ tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi cứng vì lúc đó chỉ cần dùng cácmôi trường nguội chậm cũng đủ để đạt độ cứng

 Tốc độ tôi tới hạn của các thép khác nhau cũng khác nhau

* Nó phụ thuộc vào vị trí của đường cong chữ "C" hay là tính ổn định của γ quánguội Tính ổn định của γ quá nguội càng lớn, đường cong chữ "C" hay là tính ổn

định của γ quá nguội Tính ổn định của γ quá nguội càng lớn, đường cong chữ "C"dịch sang phải càng nhiều, tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ.

* Mọi yếu tố làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội (ụm) đều làm giảm vth.Mặt khác các yếu tố giúp cho sự tạo nên hỗn hợp F – Xe đều làm giảm tính ổn địnhcủa austenit và làm tăng vth Các yếu tố đó là:

1 Sự đồng nhất của austenit Austenit có thành phần C càng đồng nhất thì càng dễbiến thành M, vì M cũng là dung dich rắn Khi austenit cóthành phần cacbon phân

bố không đều thì nó dễ tạo thành hỗn hợp F – Xe hơn, trong đó vùng có cacbon cao

dễ biến thành Xe, vùng có cacbon thấp dễ biến thành F Nâng cao nhiệt độ tôi tạocho austenit đồng đều về thành phần C sẽ nâng cao tính ổn định của austenit quánguội

2 Các phần tử rắn chưa tan hết vào austenit khi nung nóng như các phần tử cacbit

-Xe, làm khó khăn cho chuyển biến austenit - M do đó làm tăng vth

3 Kích thước hạt austenit – Như đó biết khi chuyển biến P, mầm đầu tiên sinh ra ởbiên giới hạt austenit, do vậy hạt austenit nhỏ với tổng biên giới hạt lớn sẽ thúc đẩychuyển biến thành P và khó chuyển biến M vì thế mặc dầu hạt austenit to tạo nêncác sản phẩm có tính dòn cao, nhưng nó cho tốc độ tôi tới hạn nhỏ hơn

4 Thành phần hợp kim của austenit Như đã trình bày sơ bộ ở trên, austenit càngchứa nhiều nguyên tố hợp kim tính ổn định của nó càng tăng, vth càng nhỏ Do vậythép hợp kim có vth nhỏ hơn so với thép cacbon Lượng cacbon trong austenit cũngảnh hưởng tới vth Khi tăng lượng C vth giảm đi, tới 0.8 – 1.0 %C vẫn đạt đến giá trịnhỏ nhất, sau đó vth lại tăng lên

- Độ thấm tôi:

+ Trong quá trình làm nguội khi tôi, tốc độ nguội không thể đều nhau trên toàn bộ tiếtdiện của chi tiết thép: bao giờ bề mặt cũng nguội nhanh hơn ở lõi, tùy thuộc vào tốc độnguội trên tiết diện thép có thể nhận được các tổ chức khác nhau Hiện tượng thường

gặp là từ bề mặt tới chiều sâu nhất định có tổ chức M cứng, phần lỏi có tổ chức T, Xmềm hơn.

+ Độ thấm tôi là chiều dày của lớp tôi cứng có tổ chức M và M + T

+ Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ thấm tôi là tốc độ tôi tới hạn, rõ ràng bằngcách nào đó tính ổn định của austenit quá nguội tăng lên, đường cong chữ “C” dịchsang phải dẫn đến làm hạ thấp vth, do đó làm tăng độ thấm tôi Trong trường hợp tốc

độ tôi tới hạn của thép quá nhỏ bé hơn cả tố độ nguội của lỏi, thì cả lỏi cũng được tôicứng thành M, lúc đó toàn tiết diện có tổ chức M hiện tượng đó gọi là tôi thấu Ngượclại có trường hợp tốc độ tôi tới hạn quá lớn ngay cả tốc độ nguội nhanh ở bề mặt cũngkhông đạt tới do đó toàn bộ chi tiêt không được tôi

 Như vậy mọi yếu tố làm giảm tốc độ tôi tới hạn (hợp kim hóa, làm đồng đềuaustenit ….) đều làm tăng độ thấm tôi

+ Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến độ thấm tôi là tốc độ làm nguội, tức là tùy thuộc vàokhả năng làm nguội nhanh hay chậm của môi trường tôi đó chọn Rõ ràng khi làmnguội nhanh hơn tốc độ nguội ở bề mặt và ở lỏi đều tăng lên đường phân bố theo tốc

độ nguội sẽ nâng lên, như vậy độ thấm tôi cũng được tăng lên tương ứng (tốc độ nguộinhanh hay chậm không ảnh hưởng gỡ đến tốc độ tôi tới hạn) Tuy nhiên không thể quálạm dụng yếu tố này để tăng độ thấm tôi bởi vì làm nguội quá nhanh dẫn tới làm tăngmạnh ứng suất bên trong gây ra nứt cong vênh

+ Cách xác định độ thấm tôi

 Trong thực tế rất khó xác định chiều dày lớp thấm tôi bằng chiều dày của lớpchỉ có M, mà thường được tính bằng chiều dày từ bề mặt đến lớp có tổ chứcnửa M (50% M + 50% T) vì tổ chức này dễ phát hiện bằng phương pháp kimtương hoặc bằng cách đo độ cứng của tổ chức nửa M ở các thép có thành phầncacbon khác nhau

 Để xác định độ thấm tôi người ta dung cách đo độ cứng các mẫu tôi đầu mút

Sơ đồ của phương pháp được trình bày trong hình vẽ, trong đó mẫu tôi có dạnghình trụ tròn với kích thước quy định được nung nóng đến nhiệt độ tôi, treo

đứng rồi dùng tia nước làm nguội ở đầu mút dưới Sau khi tạo mẫu xong, đo độcứng mẫu theo đường sinh bắt đầu từ mút tôi, kết quả đo được trình bày trên hệtrục tọa độ: độ cứng – khoảng cách từ đầu mút Hình vẽ trình bày kết quả đo độ cứng của mẫu tôi đầu mút của hai số hiệu thép.

 Giả sử mẫu thép có thành phần cacbon là 0.65% thì độ cứng của vùng nửa Mcủa nó là 50 HRC và như vậy thép a có độ thấm tôi 3 mm, còn thép b tới 18mm,hay là độ cứng 50HRC nhận được ở thép “a” khi làm nguội với tốc độ 1050C/s, thép “b” – 100 C/s

 Thông thường với cùng một số hiệu thép do ảnh hưởng của nhiều yếu tố nhưkích thước hạt, sự dao động của thành phần hóa học trong phạm vi cho phép…các số liệu độ cứng đo được sẽ thay đổi trong một giới hạn nào đó, không biểudiễn thành một đường mà thành một dải gọi là dải thấm tôi Hình vẽ trình bàydải thấm tôi của hai thép: thép hợp kim và thép cacbon, cả hai đều cùng lượng

C như nhau (0.4 %C) Qua đó thấy thép hợp kim có độ thấm tôi cao hơn + Ý nghĩa của độ thấm tôi

 Độ thấm tôi có ý nghĩa rất quan trọng đối với thép bởi vỡ nú quyết định khảnăng hóa bền thép bằng nhiệt luyện tôi + ram

 Như đó biết, độ bền của thép đạt được giá trị cao nhất chỉ ở trạng thái sau khitôi và ram Nếu sau tôi, lớp được tôi cứng quá mỏng, chỉ chiếm một phần nhỏcủa tiết diện thỡ hiệu quả hóa bền kể trên không đáng là bao nhiêu, độ bền củachi tiết tăng lên rất ít so với trước khi tôi Nhưng nếu sau khi tôi toàn bộ hayphần lớn tiết diện được tôi cứng thì hiệu quả hóa bền tăng lên rỏ rệt

 Độ thấm tôi có ý nghĩa đặc biệt đối với thép kết cấu là loại thép để chế tạo cácchi tiết máy, yêu cầu chủ yếu của nó là cần độ bền cao Đối với một chi tiếtquan trọng, chịu tải trọng lớn cần chế tạo bằng thép có độ thấm tôi lớn để tôithấu, nhằm đạt độ bền cao đồng đều trên toàn tiết diện

 Đối với một số trường hợp lại không yêu cầu tôi thấu Ví dụ: đối với dụng cụcắt gọt như taro, khoan, dũa…cần lỏi có độ dẻo nhất định để tránh gây khi vađập do vậy dùng thép có độ thấm tôi thấp lại có lợi Hiện nay có khuynh hướng

dùng thép có độ thấm tôi thấp để chế tạo chi tiết cần lỏi dẻo dai và làm giảm sựthay đổi thể tích khi tôi.

+ Cần phân biệt tính thấm tôi và tính tôi cứng

 Tính thấm tôi hay tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng lớn nhất sau khi tôi.Như vậy tính tôi cứng chỉ phụ thuộc vào lượng C trong mactenxit (do đó phụthuộc vào lượng C của thép); tính tôi cứng hầu như không phụ thuộc vào lượngnguyên tố hợp kim có trong thép Như vậy có thể gặp trường hợp thép có độthấm tôi lớn nhưng tính tôi cứng kém (ví dụ thép hợp kim C thấp) và ngược lạithép C nhưng có tính tôi cứng cao (thép C cao)

** Đối với thép trước cùng tích và cùng tích ( 0.8%C)

+ Nhiệt độ tôi lấy cao hơn AC3, tức nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn làaustenit Cách tôi này gọi là tôi hoàn toàn

+ Nhiệt độ tôi lấy cao hơn AC1 nhưng thấp hơn ACcm, tức nung tới trạng thái khônghoàn toàn austenit: austenit + xementit II Cách tôi này gọi là tôi không hoàn toàn.

t0

tôi = AC3 + (30 - 50)0C

 Do vậy cũng đều có nhiệt độ tôi giống nhau, 760 – 7800C không phụ thuộc vàothành phần cacbon

+ Lý do chọn nhiệt độ tôi như vậy được giải thích như sau:

 Với thép trước cùng tích không thể tiến hành tôi không hoàn toàn (AC1 nhưngthấp chỉ nung cao hơn AC3), bởi vỉ ở trạng thái nung nóng thép có tổ chức F +austenit và khi làm nguội nhanh ngoài M ra vẫn còn F F là pha mềm do đó độcứng của thép tôi không đạt được giá trị cao nhất, tạo ra điểm mềm không cólợi cho độ bền và tính chống mài mòn Khi tôi hoàn toàn (t0

tôi > AC3) tất cả Fhòa tan hết vào austenit, do đó sau khi tôi thép chỉ có M và không có F, độ cứng

sẽ đạt được là giá trị cao nhất

 Với thép sau cùng tích không thể tiến hành tôi hoàn toàn (tức nung cao quá

ACcm) bởi vì thép này có thành phần cacbon cao (> 0,8 %C), khi nung quá ACcm

tất cả XeII hòa tan hết vào austenit làm cho pha này có lượng cacbon cao (bằnglượng cacbon của thép), khi làm nguội nhận được M với hàm lượng cacboncao, thể tích riêng lớn và do đó còn lại nhiều austenit dư Như vậy mặc dầu Mtrong cách tôi này có độ cứng cao nhất, nhưng độ cứng chung của thép tôi (gồm

M và austenit dư) lại thấp hơn quá nhiều Cách tôi như vậy không đạt yêu cầu

về độ cứng Mặt khác nung thép quá ACcm tức phải nung tới nhiệt độ cao(đường SE dốc hơn GS) sẽ làm hạt austenit lớn (gây cho thép tôi dòn), oxy hóa

và thoát cacbon ở bề mặt Khi tôi không hoàn toàn thép này, ở trạng thái nungthép có tổ chức austenit với lượng C khoảng 0,85%C và XeII, khi làm nguộiđược M chứa 0,85%C có thể tích riêng không quá lớn do vậy lượng austenit dưkhông quá nhiều Tổ chức nhận được sau khi tôi gồm M + XeII + ít austenit dư,

có độ cứng chung cao nhất khoảng 62-65 HRC Ở đây, XeII còn có độ cứng caohơn M chút ít, hơn nữa XeII do chưa hòa tan hết vào austenit nên tồn tại ở dạng

+ Nhiệt độ tôi ảnh hưởng rất nhạy đến chất lượng của thép tôi

Ví dụ, nhiệt độ tôi thấp sẽ làm thép không đạt độ cứng (như thép trước cùng tích tôi ởnhiệt độ dưới AC3), nhiệt độ tôi cao quá làm hạt lớn, dòn, thoát cacbon ở bề mặt Vìvậy phải kiểm trá chặt chẽ nhiệt độ nung nóng khi tôi

+ Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng nguyên tố hợp kim khoảng 1 – 2%) có tổchức tế vi cơ bản vẫn giống giản đồ trạng thái Fe – C nên nhiệt độ tôi giống như thépcacbon có hàm lượng cacbon tương đương

+ Đối với thộp hợp kim trung bình và cao (tổng lượng nguyên tố hợp kim > 5%) có tổchức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C, các điểm tới hạn, các đườngtrên giản đồ thay đổi quá nhiều nên nhiệt độ tôi không thể xác định theo như thép Ctương đương Nhiệt độ tôi của các thép đó phải tra ở các sổ tay nhiệt luyện

- Các phương pháp tôi:

** Yêu cầu đối với môi trường làm nguội:

+ Môi trường tôi phải tạo được chuyển biến M Muốn vậy, môi trường tôi phải có khảnăng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tôi tới hạn

+ Giảm được tốc độ chuyển biến để tránh biến dạng và ứng suất dư Làm nguội chậmthép ở trong khoảng nhiệt độ trên 6000C và dưới 5000C đặc biệt là trong khoảng nhiệt

độ chuyển biến M (dưới 3000C), tốc độ nguội càng chậm càng tốt vì chuyển biến nàygây ra ứng suất tổ chức lớn Đạt được yêu cầu này sẽ đảm bảo thép tôi không bị nứt và

ít cong vênh

+ Để thu được tổ chức M và tránh tạo ứng suất dư ta cần chú ý là trong khoảng 550

-6500C nên làm nguội nhanh và khoảng 200 - 3000C cần làm nguội chậm

+ Ngoài 2 yêu cầu quan trọng bên trên, cần chú ý các yêu cầu khác đối với môi trườngtôi như: dễ kiếm, sử dụng an toàn, không có tương tác hóa học, điện hóa, có độ bámvào bề mặt cao để môi trường tiếp xúc đều với chi tiết

** Các phương pháp tôi thông thường:

1) Tôi một môi trường:

 Định nghĩa: Là quá trình tôi mà chi tiết chỉ được làm nguội trong một môitrường duy nhất

 Đặc điểm:

* Đơn giản, dễ thao tác

* Không hạn chế được tốc độ nguội khi có chuyển biến M do đó chi tiết dễ bị biếndạng và nứt

 Phạm vi áp dụng:

* Do các đặc điểm trên mà tôi một môi trường chỉ áp dụng cho các chi tiết khôngquan trọng, kết cấu đơn giản

2) Tôi hai môi trường:

 Định nghĩa: Là quá trình tôi mà chi tiết được làm nguội trong 2 môi trường cótốc độ nguội khác nhau Môi trường 2 có tốc độ nguội chậm hơn môi trường 1

 Phạm vi áp dụng: Do các đặc điểm của tôi 2 môi trường mà để thực hiện nóphải đòi hỏi công nhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển môitrường), khó cơ khí hóa, thường áp dụng cho sản xuất từng loại nhỏ hoặc đơnchiếc

* Khi xác định được thời điểm chuyển chi tiết từ môi trường một sang môi trườnghai Thời điểm chuyển môi trường tốt nhất là khi thép có nhiệt độ cao hơn Ms