Ứng dụng kỹ thuật nguội cưỡng bức nâng cao chất lượng nhiệt luyện chi tiết lớn

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 ỨNG D ỤNG K Ỹ THU ẬT NGU ỘI C ƯỠNG B ỨC NÂNG CAO CH ẤT L ƯỢNG NHI ỆT LUY ỆN CHI TI ẾT L ỚN Đinh Bá Tr ụ (Học vi ện K ĩ thu ật Quân s ự) - Tr ần Đức H ưng ( Z179, B ộ Qu ốc phòng ) 1. Đặt v ấn đề Các chi ti ết máy làm vi ệc trong điều ki ện t ải tr ọng lớn nh ư bánh r ăng, chi ti ết v ũ khí, các lo ại tr ục đề u ph ải qua x ử lí nhi ệt tôi - ram. Yêu c ầu c ơ b ản là b ảo đả m t ổ ch ức nh ỏ m ịn và tính năng đồng đề u trên toàn ti ết di ện và trong lô s ản xu ất. Nh ưng các chi ti ết có hình dáng ph ức t ạp xảy ra tr ường h ợp ch ất l ượng không t ốt do điều ki ện nung không đồ ng đề u, điều ki ện làm ngu ội với các t ốc độ khác nhau t ại các điểm và đối v ới các chi ti ết trong lô. M ột trong nguyên nhân gây khuy ết t ật là nhi ệt độ môi tr ường tôi. Trong điều ki ện Vi ệt Nam, h ệ th ống làm ngu ội th ường ch ỉ là nh ững b ể d ầu ngu ội t ự nhiên, ch ỉ được thi ết k ế để tôi các chi ti ết nh ỏ ho ặc lô s ản xu ất nh ỏ. Th ực t ế, s ản xu ất c ần nhi ệt luy ện các chi ti ết l ớn v ới lô hàng c ỡ v ừa, nh ững b ể tôi nh ư v ậy không đáp ứng yêu c ầu. Các chi ti ết nh ư bánh r ăng l ớn dùng trong thi ết b ị m ỏ, sau khi tôi, độ c ứng không đề u trên b ề m ặt r ăng, nh ất là ph ần chân r ăng, t ạo nên nguyên nhân gây h ỏng r ăng, không đáp ứng yêu c ầu khách hàng. Vấn đề c ơ b ản là ph ải b ảo đả m t ốc độ ngu ội t ại các b ề m ặt c ủa chi ti ết ph ải nh ư nhau và gi ữa các chi ti ết trong lô c ũng nh ư nhau. Do yêu c ầu s ản xu ất s ản ph Nm có ch ất l ượng, m ột thi ết b ị ngu ội c ưỡng b ức đã được thi ết kế và ch ế t ạo. 2. Cơ s ở lí thuy ết Môi tr ường tôi ph ải đáp ứng các yêu c ầu: - Có thu ộc tính làm ngu ội thích h ợp, đối v ới thép cacbon và thép h ợp kim th ấp, khi ngu ội trên 650 0C, ôstennit có tính ổn định cao có th ể ngu ội ch ậm, nh ưng khi nhi ệt độ dưới 650~400 0C c ần có t ốc độ ngu ội nhanh, sau đó d ưới điểm Ms có t ốc độ ngu ội ch ậm l ại. Tuy nhiên, để tạo được môi tr ường tôi phù h ợp v ới t ừng mác v ật li ệu và t ừng lo ại hình dáng kích th ước là r ất khó. Đối v ới thép h ợp kim th ường s ử dụng d ầu. - Môi tr ường tôi có tính ổn định t ốt, không b ị phân gi ải trong quá trình s ử dụng, không bi ến ch ất. D ầu là m ột ch ất có độ phân h ủy ch ậm. - Làm ngu ội đồng đều, đối v ới chi ti ết ph ức t ạp, t ại các b ề mặt khác nhau t ốc độ làm ngu ội khác nhau. S ự đồng đều đó ph ụ thu ộc lo ại d ầu, ch ất l ượng d ầu, điều ki ện khu ấy đảo d ầu. - Sau khi tôi không gây b Nn trên b ề mặt. Khi chi ti ết nhúng trong d ầu, x ảy ra 3 giai đoạn: L ớp d ầu bề m ặt sôi, hình thành màng b ọt trên b ề m ặt chi ti ết và truy ền nhi ệt đố i l ưu kim lo ại – dầu, nên khi tôi c ần s ử d ụng môi tr ường tôi và thao tác để kh ử tác độ ng x ấu c ủa 2 giai đoạn đầ u, nhanh chóng truy ền nhi ệt làm ngu ội. Th ế gi ới đã xu ất hi ện r ất nhi ều lo ại môi tr ường tôi, nh ưng t ại Vi ệt Nam, thông th ường vẫn ch ọn d ầu làm môi tr ường tôi. T ốc độ ngu ội ( độ /s) c ủa d ầu trong kho ảng nhi ệt độ thép 600~500 là 100~150 0/s, ở nhi ệt độ 30~200 0C là 20~25 0/s. Nh ưng khi nhi ệt độ d ầu t ăng lên, t ốc độ ngu ội gi ảm đi và gi ảm kh ả n ăng tôi c ủa d ầu, ngoài ra d ầu d ễ b ốc cháy, b ốc mùi. 31 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 Hình 1. Gi ản đồ CCT thép h ợp kim k ết c ấu N−íc ra BÓ dÇu N−íc vo Hình 2. B ể làm ngu ội Xét gi ản đồ CCT ngu ội liên t ục c ủa m ột mác thép h ợp kim th ấp độ b ền cao. Các đường đậm là đường phân vùng t ổ ch ức c ủa thép t ại các ph ạm vi nhi ệt độ khác nhau khi ngu ội liên t ục. Các đường cong là đường ngu ội t ươ ng ứng v ới m ột t ốc độ nh ất đị nh. Chi ti ết sau khi ôstennit hóa được làm ngu ội theo các t ốc độ ngu ội khác nhau s ẽ cho các t ổ ch ức khác nhau và độ c ứng khác nhau. Khi tôi, t ốc độ ngu ội ph ải l ớn h ơn t ốc độ ngu ội t ới h ạn, để thu được t ổ ch ức c ủa thép ch ỉ có mactenxit. Các y ếu t ố quy ết đị nh đế n s ự ổn đị nh c ủa t ốc độ ngu ội là: - Hình dáng chi ti ết; - Kích th ước chi ti ết; - Tốc độ làm ngu ội c ủa môi tr ường tôi; - Nhi ệt độ của môi tr ường tôi; - Tỉ lệ kích th ước c ủa chi ti ết và b ể tôi; 3. Thi ết k ế ch ế t ạo thi ết b ị tôi 3.1. Thi ết k ế nguyên l ý làm vi ệc c ủa h ệ th ống Sơ đồ nguyên lí làm vi ệc c ủa h ệ th ống làm ngu ội c ưỡng b ức d ầu tôi s ản phNm trong nhi ệt luy ện được ch ỉ ra theo hình 3. Nguyên lí làm vi ệc c ủa h ệ th ống nh ư sau: Dầu nóng trong b ể d ầu tôi được hút ra nh ờ bơm li tâm đNy đến giàn ống φ 26 b ằng đồng, có d ạng uốn cong xo ắn, ngâm trong n ước và được 32 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 vòi n ước xả tr ực ti ếp lên giàn ống, nước nóng qua mi ệng bể tràn ra ngoài. Dầu sau khi được làm ngu ội đi v ề b ể d ầu theo đường ống φ 60. Côm trao ®æi B¬m li t©m nhiÖt Máy b ơm BÓ dÇu BÓ n−íc dầu Hình 3: Sơ đồ nguyên lí làm vi ệc c ủa h ệ th ống làm ngu ội c ưỡng b ức d ầu Hệ th ống làm ngu ội c ưỡng b ức được tính toán thi ết k ế trên c ơ s ở: - Nghiên c ứu tính n ăng ngu ội c ủa d ầu, b ảo đả m t ốc độ d ầu làm ngu ội khi tôi các chi ti ết khác nhau ph ải nh ư nhau; - Tính toán bài toán làm ngu ội, làm c ơ s ở tính toán l ưu l ượng và t ốc độ dòng d ầu b ơn phun; - Tính toán quá trình trao đổi nhi ệt để h ệ th ống làm vi ệc ổn đị nh; - Tính toán l ại quy trình tôi, k ĩ thu ật nhúng và l ắc, th ời gian phun d ầu, b ảo đả m yêu c ầu khi chi ti ết ngu ội qua nhi ệt độ 600-450 0C có tốc độ nhanh, sau đó có th ể ngu ội ch ạm b ằng cách lấy s ớm s ản ph Nm kh ỏi b ể tôi. 3.2. Các thông s ố c ủa h ệ th ống làm ngu ội c ưỡng b ức * B ể d ầu tôi s ản ph m + Dung tích b ể: 1200 x 2100 x 1800 + L ượng d ầu tôi: 3,2 ÷ 4,0m 3 - Vật li ệu ch ế t ạo: + Khung b ể + g ầm dùng thép góc L 65 x 65 x 5 + Thành b ể làm b ằng thép CT3 dày 5mm 33 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 * Giàn làm ngu ội- Dàn ống trao đổi nhi ệt g ồm 12 bộ được l ắp theo hình sau èng dÉn èng dÉn dầu vào dÇu ra dÇu vo Hình 4: Dàn ống trao đổ i nhi ệt Ống trao đổi nhi ệt làm bằng ống đồng φ 26m uốn nh ư hình 4 trong m ột m ặt ph ẳng. Sau đó liên k ết hàn các ống theo m ặt vuông góc v ới 2 ống d ẫn n ước vào-ra φ 60. * B ể n ước làm ngu ội giàn trao đổi nhi ệt - Kích th ước b ể n ước v ừa đủ đặt giàn trao đổi nhi ệt, hình 5. * B ơm d ầu và h ệ th ống đường ống - Dùng b ơm li tâm được ch ế t ạo b ằng đồng và Inox không r ỉ có công su ất 24m 3/h. - Bơm d ầu được l ắp đặt ngay c ạnh b ể n ước làm ngu ội giàn trao đổi nhi ệt. - Đường ống hút và đNy d ầu đựợc ch ế t ạo t ừ ống thép ch ọn áp l ực φ 60 có h ệ th ống van đóng m ở ph ục v ụ công tác s ửa ch ữa và đưa d ầu tr ực ti ếp vào gá ép tôi bánh r ăng côn xo ắn. Hình 5. Bể n ước làm ngu ội giàn trao đổi nhi ệt 3.3. K ết quả kh ảo sát th ử nghi ệm - Khi nhi ệt độ dầu trong b ể đạt 80 oC cho h ệ th ống làm ngu ội c ưỡng b ức ho ạt động, độ chênh lệch nhi ệt độ dầu t ại đầu vào và đầu ra c ủa đường ống t ừ 5 ÷ 8oC. Sau 15 phút ho ạt động nhi ệt độ dầu gi ảm xu ống còn 40 oC. 34 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (48 ) T ập 2 /N¨m 2008 - Khi tôi liên t ục t ừ 2 lò nung H45 và sản lượng s ản ph Nm kho ảng 700kg đồng th ời v ới sự ho ạt động c ủa h ệ th ống thì d ầu trong b ể tôi không vượt quá 50 oC, hi ện t ượng bay h ơi r ất ít không đáng k ể. - Khi tôi liên t ục chi ti ết lớn nh ư bánh r ăng Z14-m24 d ầu không b ị b ốc cháy, nhi ệt độ b ể dầu khá ổn đị nh. - Kh ảo sát độ c ứng sau khi tôi r ất đồ ng đề u, độ chênh trong m ặt s ản ph Nm và các s ản ph Nm khác nhau đạt yêu c ầu. 3.4. Hi ệu qu ả + Hi ệu qu ả kinh t ế - Ti ết ki ệm d ầu tôi: Do được làm ngu ội c ưỡng b ức trong giàn ống trao đổi nhi ệt, nên h ạn ch ế được hi ện t ượng bay h ơi và không có kh ả n ăng b ốc cháy. Do v ậy, ch ỉ tiêu hao l ượng d ầu/kg sản ph Nm tôi h ạ th ấp r ất nhi ều. Theo công ngh ệ c ũ, l ượng tiêu hao d ầu sau m ột tháng h ết 400 lít, một n ăm h ết 4.800 lít d ầu. V ới h ệ th ống làm ngu ội m ới, l ượng d ầu tiêu hao sau m ột tháng ch ỉ mất 45 lít, sau m ột n ăm h ết 540 lít d ầu (v ới cùng l ượng s ản ph Nm tôi nh ư nhau), gi ảm 9 l ần so với công ngh ệ c ũ. - Ti ết ki ệm điện n ăng: Do kh ống ch ế được nhi ệt độ môi tr ường tôi nên gi ải phóng lò nung nhanh không ph ải ch ờ d ầu ngu ội nh ư tr ước, số điện n ăng duy trì nhi ệt s ản ph Nm trong lò nung được tri ệt tiêu, n ăng su ất lao độ ng cao. M ặt khác 100% sản ph Nm đạ t yêu c ầu k ĩ thu ật không ph ải nhi ệt luy ện l ại. Với công ngh ệ c ũ hàng tháng đơ n v ị ph ải tr ả ti ền điện 103 ÷ 107 tri ệu đồ ng. Sau khi đưa h ệ th ống vào làm vi ệc ch ỉ ph ải tr ả ti ền điện t ừ 58 ÷ 62 tri ệu đồ ng/tháng. Nh ư v ậy m ỗi tháng ti ết ki ệm được 45 tri ệu đồ ng, m ột n ăm làm l ợi được 540 tri ệu đồ ng. Nh ư vậy ch ỉ riêng ti ết ki ệm d ầu và điện n ăng đề tài có giá tr ị làm l ợi kho ảng 600.000.000 đ/n ăm. + Nh ững hi ệu qu ả khác - Ch ất l ượng s ản ph Nm tôi ổn định và nâng cao rõ r ệt. N ăng su ất lao động t ăng, gi ải phóng lò nung nhanh làm t ăng tu ổi th ọ c ủa thi ết b ị. - Cải thi ện c ơ b ản điều ki ện làm vi ệc c ủa ng ười lao động do h ạn ch ế d ầu bay h ơi, không cháy d ầu, thao tác thu ận ti ện. - Thi ết b ị ch ế t ạo đơn gi ản, g ọn gàng góp ph ần th ực hi ện v ăn minh trong s ản xu ất. 4. K ết luận - Hệ th ống làm ngu ội d ầu cưỡng b ức khi tôi s ản ph Nm đã d ựa trên c ơ s ở phân tích tình hình th ực t ế, tính toán quá trình ngu ội và tính toán thi ết k ế h ệ th ống b ơm phun tu ần hoàn d ầu. Đề tài mang tính m ới, tính khoa h ọc cao, có kh ả n ăng áp d ụng cho dây chuyền s ản xu ất lo ạt, có kh ối l ượng s ản ph Nm l ớn ch ất l ượng cao và ổn định. - Hệ th ống trao đổi nhi ệt làm ngu ội c ưỡng b ức dàn tôi s ản ph Nm trong nhi ệt luy ện được áp d ụng ở Xí nghi ệp c ơ khí 79 nhà máy Z111, T ổng C ục CNQP đã mang l ại hi ệu qu ả kinh t ế k ĩ thu ật cao làm l ợi 600 tri ệu đồng/ n ăm so v ới công ngh ệ c ũ. 35 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 - Hệ th ống công ngh ệ m ới có kh ả n ăng đáp ứng nh ững yêu c ầu kh ắt khe v ề ch ất l ượng sản ph Nm, ki ểm soát quá trình đặc bi ệt là các chi ti ết ph ụ tùng trong s ản xu ất súng pháo và các sản ph Nm quốc phòng khác Thi ết b ị ch ế t ạo đơn gi ản, g ọn gàng góp ph ần th ực hi ện v ăn minh trong s ản xu ất, c ải thi ện c ơ b ản điều ki ện làm vi ệc c ủa ng ười lao động. Tóm t ắt Do độ c ứng sau khi tôi không đồ ng đề u trên b ề m ặt chi ti ết và trong lô s ản xu ất, nên chúng thành ph ế ph Nm. Báo cáo trình bày k ết qu ả nghiên c ứu mô ph ỏng bài toán nhi ệt trong quá trình làm ngu ội khi tôi và xác định t ốc độ ngu ội c ủa môi tr ường tôi. T ừ đó, đã nghiên c ứu thi ết kế và ch ế t ạo b ộ thi ết b ị ngu ội c ưỡng b ức nh ờ m ột thi ết b ị b ơm phun ch ất l ỏng tr ực ti ếp đế n b ề mặt chi ti ết, ch ất l ỏng được tu ần hoàn trong h ệ th ống. K ết qu ả áp d ụng h ệ th ống làm ngu ội cưỡng b ức, độ c ứng đồ ng đề u trên các điểm c ủa chi ti ết và các chi ti ết trong m ột lô s ản ph Nm, độ sai khác không quá < 2HRC và nhi ệt độ môi tr ường tôi t ại c ửa vào và ra chênh nhau d ưới 5 0C. Ch ất l ượng s ản ph Nm ổn đị nh, đáp ứng yêu c ầu c ủa khách hàng. Summary Application technology intensive cooling improving quality of part largre dimention Because of the hardness of metal after hardening isn't homogeneity on the surface of parts and each other, they become waste product. Paper presents the study results on the simulation of the thermal analisis, on the determine of rate cooling of the hardening enveronment. A new intensive cooling apparatus has been made. The clooling fluid directli has injected on to part surfaces and circulates in the fluid system. After application this system, the hardness of the surface of the parts is homogeneity, the difference between them is less then 2 HRC and the difference of fluid temperature between inlet and outlet is less then 5 degrees C. The quality products has assumed for the costomer demand. Tài li ệu tham kh ảo [1]. Lê Công D ưỡng (2000), Vật li ệu h ọc, Nxb KH&KT. [2]. Mai Đình Th ắng (2005), Nhi ệt luy ện, Nxb HVKTQS. [3]. М. Л. Бертнштейн и А. Г. Рахштадт (1995), Металловедение и Термическая обработка , Справочник , М, Металлургия . 36