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) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGUỘI CƯỠNG BỨC<br /> NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG NHIỆT LUYỆN CHI TIẾT LỚN<br /> Đinh Bá Trụ (Học viện Kĩ thuật Quân sự) - Trần Đức Hưng ( Z179, Bộ Quốc phòng)<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Các chi tiết máy làm việc trong điều kiện tải trọng lớn như bánh răng, chi tiết vũ khí, các<br /> loại trục đều phải qua xử lí nhiệt tôi - ram. Yêu cầu cơ bản là bảo đảm tổ chức nhỏ mịn và tính<br /> năng đồng đều trên toàn tiết diện và trong lô sản xuất. Nhưng các chi tiết có hình dáng phức tạp<br /> xảy ra trường hợp chất lượng không tốt do điều kiện nung không đồng đều, điều kiện làm nguội<br /> với các tốc độ khác nhau tại các điểm và đối với các chi tiết trong lô. Một trong nguyên nhân<br /> gây khuyết tật là nhiệt độ môi trường tôi.<br /> Trong điều kiện Việt Nam, hệ thống làm nguội thường chỉ là những bể dầu nguội tự<br /> nhiên, chỉ được thiết kế để tôi các chi tiết nhỏ hoặc lô sản xuất nhỏ. Thực tế, sản xuất cần nhiệt<br /> luyện các chi tiết lớn với lô hàng cỡ vừa, những bể tôi như vậy không đáp ứng yêu cầu. Các chi<br /> tiết như bánh răng lớn dùng trong thiết bị mỏ, sau khi tôi, độ cứng không đều trên bề mặt răng,<br /> nhất là phần chân răng, tạo nên nguyên nhân gây hỏng răng, không đáp ứng yêu cầu khách hàng.<br /> Vấn đề cơ bản là phải bảo đảm tốc độ nguội tại các bề mặt của chi tiết phải như nhau và giữa<br /> các chi tiết trong lô cũng như nhau.<br /> Do yêu cầu sản xuất sản phNm có chất lượng, một thiết bị nguội cưỡng bức đã được thiết<br /> kế và chế tạo.<br /> 2. Cơ sở lí thuyết<br /> Môi trường tôi phải đáp ứng các yêu cầu:<br /> - Có thuộc tính làm nguội thích hợp, đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp, khi<br /> nguội trên 6500C, ôstennit có tính ổn định cao có thể nguội chậm, nhưng khi nhiệt độ dưới<br /> 650~4000C cần có tốc độ nguội nhanh, sau đó dưới điểm Ms có tốc độ nguội chậm lại. Tuy<br /> nhiên, để tạo được môi trường tôi phù hợp với từng mác vật liệu và từng loại hình dáng kích<br /> thước là rất khó. Đối với thép hợp kim thường sử dụng dầu.<br /> - Môi trường tôi có tính ổn định tốt, không bị phân giải trong quá trình sử dụng, không<br /> biến chất. Dầu là một chất có độ phân hủy chậm.<br /> - Làm nguội đồng đều, đối với chi tiết phức tạp, tại các bề mặt khác nhau tốc độ làm<br /> nguội khác nhau. Sự đồng đều đó phụ thuộc loại dầu, chất lượng dầu, điều kiện khuấy đảo dầu.<br /> - Sau khi tôi không gây bNn trên bề mặt.<br /> Khi chi tiết nhúng trong dầu, xảy ra 3 giai đoạn: Lớp dầu bề mặt sôi, hình thành màng bọt<br /> trên bề mặt chi tiết và truyền nhiệt đối lưu kim loại – dầu, nên khi tôi cần sử dụng môi trường tôi<br /> và thao tác để khử tác động xấu của 2 giai đoạn đầu, nhanh chóng truyền nhiệt làm nguội.<br /> Thế giới đã xuất hiện rất nhiều loại môi trường tôi, nhưng tại Việt Nam, thông thường<br /> vẫn chọn dầu làm môi trường tôi. Tốc độ nguội (độ/s) của dầu trong khoảng nhiệt độ thép<br /> 600~500 là 100~150 0/s, ở nhiệt độ 30~2000C là 20~25 0/s. Nhưng khi nhiệt độ dầu tăng lên, tốc<br /> độ nguội giảm đi và giảm khả năng tôi của dầu, ngoài ra dầu dễ bốc cháy, bốc mùi.<br /> 31<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> Hình 1. Giản đồ CCT thép hợp kim kết cấu<br /> <br /> N−íc ra<br /> BÓ dÇu<br /> <br /> N−íc vµo<br /> <br /> Hình 2. Bể làm nguội<br /> <br /> Xét giản đồ CCT nguội liên tục của một mác thép hợp kim thấp độ bền cao. Các đường<br /> đậm là đường phân vùng tổ chức của thép tại các phạm vi nhiệt độ khác nhau khi nguội liên tục.<br /> Các đường cong là đường nguội tương ứng với một tốc độ nhất định. Chi tiết sau khi ôstennit<br /> hóa được làm nguội theo các tốc độ nguội khác nhau sẽ cho các tổ chức khác nhau và độ cứng<br /> khác nhau. Khi tôi, tốc độ nguội phải lớn hơn tốc độ nguội tới hạn, để thu được tổ chức của thép<br /> chỉ có mactenxit.<br /> Các yếu tố quyết định đến sự ổn định của tốc độ nguội là:<br /> - Hình dáng chi tiết;<br /> - Kích thước chi tiết;<br /> - Tốc độ làm nguội của môi trường tôi;<br /> - Nhiệt độ của môi trường tôi;<br /> - Tỉ lệ kích thước của chi tiết và bể tôi;<br /> 3. Thiết kế chế tạo thiết bị tôi<br /> 3.1. Thiết kế nguyên lý làm việc của hệ thống<br /> Sơ đồ nguyên lí làm việc của hệ thống làm nguội cưỡng bức dầu tôi sản phNm trong<br /> nhiệt luyện được chỉ ra theo hình 3.<br /> Nguyên lí làm việc của hệ thống như sau: Dầu nóng trong bể dầu tôi được hút ra nhờ<br /> bơm li tâm đNy đến giàn ống φ 26 bằng đồng, có dạng uốn cong xoắn, ngâm trong nước và được<br /> <br /> 32<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> vòi nước xả trực tiếp lên giàn ống, nước nóng qua miệng bể tràn ra ngoài. Dầu sau khi được làm<br /> nguội đi về bể dầu theo đường ống φ 60.<br /> Côm trao ®æi<br /> nhiÖt<br /> <br /> B¬m li t©m<br /> <br /> BÓ n−íc<br /> <br /> BÓ dÇu<br /> <br /> Máy bơm<br /> dầu<br /> <br /> Hình 3: Sơ đồ nguyên lí làm việc của hệ thống làm nguội cưỡng bức dầu<br /> <br /> Hệ thống làm nguội cưỡng bức được tính toán thiết kế trên cơ sở:<br /> - Nghiên cứu tính năng nguội của dầu, bảo đảm tốc độ dầu làm nguội khi tôi các chi tiết<br /> khác nhau phải như nhau;<br /> - Tính toán bài toán làm nguội, làm cơ sở tính toán lưu lượng và tốc độ dòng dầu bơn<br /> phun;<br /> - Tính toán quá trình trao đổi nhiệt để hệ thống làm việc ổn định;<br /> - Tính toán lại quy trình tôi, kĩ thuật nhúng và lắc, thời gian phun dầu, bảo đảm yêu cầu<br /> khi chi tiết nguội qua nhiệt độ 600-450 0C có tốc độ nhanh, sau đó có thể nguội chạm bằng cách<br /> lấy sớm sản phNm khỏi bể tôi.<br /> 3.2. Các thông số của hệ thống làm nguội cưỡng bức<br /> * Bể dầu tôi sản phJm<br /> + Dung tích bể:<br /> 1200 x 2100 x 1800<br /> + Lượng dầu tôi:<br /> 3,2 ÷ 4,0m3<br /> - Vật liệu chế tạo:<br /> + Khung bể + gầm dùng thép góc L 65 x 65 x 5<br /> + Thành bể làm bằng thép CT3 dày 5mm<br /> 33<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> * Giàn làm nguội- Dàn ống trao đổi nhiệt gồm 12 bộ được lắp theo hình sau<br /> <br /> èng dÉn<br /> dầu vào<br /> dÇu vµo<br /> <br /> èng dÉn<br /> dÇu ra<br /> <br /> Hình 4: Dàn ống trao đổi nhiệt<br /> <br /> Ống trao đổi nhiệt làm bằng ống đồng φ 26m uốn như hình 4 trong một mặt phẳng. Sau<br /> đó liên kết hàn các ống theo mặt vuông góc với 2 ống dẫn nước vào-ra φ 60.<br /> * Bể nước làm nguội giàn trao đổi nhiệt<br /> - Kích thước bể nước vừa đủ đặt giàn trao đổi nhiệt, hình 5.<br /> * Bơm dầu và hệ thống đường ống<br /> - Dùng bơm li tâm được chế tạo bằng đồng và Inox không rỉ có công suất 24m3/h.<br /> - Bơm dầu được lắp đặt ngay cạnh bể nước làm nguội giàn trao đổi nhiệt.<br /> - Đường ống hút và đNy dầu đựợc chế tạo từ ống thép chọn áp lực φ 60 có hệ thống van<br /> đóng mở phục vụ công tác sửa chữa và đưa dầu trực tiếp vào gá ép tôi bánh răng côn xoắn.<br /> <br /> Hình 5. Bể nước làm nguội giàn trao đổi nhiệt<br /> <br /> 3.3. Kết quả khảo sát thử nghiệm<br /> - Khi nhiệt độ dầu trong bể đạt 80oC cho hệ thống làm nguội cưỡng bức hoạt động, độ chênh<br /> lệch nhiệt độ dầu tại đầu vào và đầu ra của đường ống từ 5 ÷ 8oC. Sau 15 phút hoạt động nhiệt độ dầu<br /> giảm xuống còn 40oC.<br /> <br /> 34<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> - Khi tôi liên tục từ 2 lò nung H45 và sản lượng sản phNm khoảng 700kg đồng thời với<br /> sự hoạt động của hệ thống thì dầu trong bể tôi không vượt quá 50oC, hiện tượng bay hơi rất ít<br /> không đáng kể.<br /> - Khi tôi liên tục chi tiết lớn như bánh răng Z14-m24 dầu không bị bốc cháy, nhiệt độ bể<br /> dầu khá ổn định.<br /> - Khảo sát độ cứng sau khi tôi rất đồng đều, độ chênh trong mặt sản phNm và các sản<br /> phNm khác nhau đạt yêu cầu.<br /> 3.4. Hiệu quả<br /> + Hiệu quả kinh tế<br /> - Tiết kiệm dầu tôi: Do được làm nguội cưỡng bức trong giàn ống trao đổi nhiệt, nên hạn<br /> chế được hiện tượng bay hơi và không có khả năng bốc cháy. Do vậy, chỉ tiêu hao lượng dầu/kg<br /> sản phNm tôi hạ thấp rất nhiều. Theo công nghệ cũ, lượng tiêu hao dầu sau một tháng hết 400 lít,<br /> một năm hết 4.800 lít dầu. Với hệ thống làm nguội mới, lượng dầu tiêu hao sau một tháng chỉ<br /> mất 45 lít, sau một năm hết 540 lít dầu (với cùng lượng sản phNm tôi như nhau), giảm 9 lần so<br /> với công nghệ cũ.<br /> - Tiết kiệm điện năng: Do khống chế được nhiệt độ môi trường tôi nên giải phóng lò<br /> nung nhanh không phải chờ dầu nguội như trước, số điện năng duy trì nhiệt sản phNm trong lò<br /> nung được triệt tiêu, năng suất lao động cao. Mặt khác 100% sản phNm đạt yêu cầu kĩ thuật<br /> không phải nhiệt luyện lại. Với công nghệ cũ hàng tháng đơn vị phải trả tiền điện 103 ÷ 107<br /> triệu đồng. Sau khi đưa hệ thống vào làm việc chỉ phải trả tiền điện từ 58 ÷ 62 triệu đồng/tháng.<br /> Như vậy mỗi tháng tiết kiệm được 45 triệu đồng, một năm làm lợi được 540 triệu đồng.<br /> Như vậy chỉ riêng tiết kiệm dầu và điện năng đề tài có giá trị làm lợi khoảng<br /> 600.000.000đ/năm.<br /> + Những hiệu quả khác<br /> - Chất lượng sản phNm tôi ổn định và nâng cao rõ rệt. Năng suất lao động tăng, giải<br /> phóng lò nung nhanh làm tăng tuổi thọ của thiết bị.<br /> - Cải thiện cơ bản điều kiện làm việc của người lao động do hạn chế dầu bay hơi, không<br /> cháy dầu, thao tác thuận tiện.<br /> - Thiết bị chế tạo đơn giản, gọn gàng góp phần thực hiện văn minh trong sản xuất.<br /> 4. Kết luận<br /> - Hệ thống làm nguội dầu cưỡng bức khi tôi sản phNm đã dựa trên cơ sở phân tích tình<br /> hình thực tế, tính toán quá trình nguội và tính toán thiết kế hệ thống bơm phun tuần hoàn dầu.<br /> Đề tài mang tính mới, tính khoa học cao, có khả năng áp dụng cho dây chuyền sản xuất loạt, có<br /> khối lượng sản phNm lớn chất lượng cao và ổn định.<br /> - Hệ thống trao đổi nhiệt làm nguội cưỡng bức dàn tôi sản phNm trong nhiệt luyện được<br /> áp dụng ở Xí nghiệp cơ khí 79 nhà máy Z111, Tổng Cục CNQP đã mang lại hiệu quả kinh tế kĩ<br /> thuật cao làm lợi 600 triệu đồng/ năm so với công nghệ cũ.<br /> <br /> 35<br /> <br />