Vật liệu chế tạo lò xo supap

vật liệu chế tạo lò xo supap I. điều kiện làm việc của lò xo supap,yêu cầu về cơ tính a. điều kiện làm việc Lò xo supap có nhiệm vụ bảo đảm cho supap đóng kín và chuyển động theo đúng quy luật của cơ cấu cam phối khí + khi động cơ hoạt động lò xo chịu tải trọng thay đổi đột ngột và theo chu kì. lực tác dụng lên bề mặt xupap khá lớn có thể lên đến 13 15 Mpa trong động cơ tăng áp .vì vậy lò xo cũng chịu một tải trọng đột ngột khá lớn như trên lò xo supap máy kéo + nhiệt độ làm việc của xupap rất cao cụ thể là: nhiệt độ supap trong động xăng khoảng 800 850c và trong động cơ điezen là khoảng 500 600c do vậy lò xo cũng phải làm viêc ở một nhiệt độ khá cao. số liệu chế tạo lò xo supap xe máy: supap dường kính ngoài đường kính trong Bươc lò xo chiều dài tiết diện dây Góc nâng nạp 20mm 14mm 6mm 32mm 2,5mm 25 thải 20mm 14mm 6mm 32mm 2mm 25 b. yêu cầu về cơ tính + Lò xo supap chịu tải trọng lớn, thay đổi đột ngột nên độ cứng và độ bền dai va đập phải cao + lò xo chịu tải trọng theo chu kì nên yêu cẩu cơ tinh của lò xo là độ bền mỏi phải cao + lò xo làm việc trong môi trường nhiệt độ khá cao đòi hỏi phải chịu nhiệt tốt và chống gỉ tốt II. chọn vật liệu làm lò xo xác định thành phần hoá học ,lập bảng so sánh với các mac thép tương ứng của các nước :nga ,mỹ ,nhật ,trung quốc. Trong các vật liệu tự nhiên: ceramic, polymer, kimloai. Ta thấy ngay được chỉ có kim loại mới làm được lò xo supap.và thép hợp kim là phương an tốt nhất để chế tạo nó. Thép hợp kim sắt các bon la một điển hình. Trong nhom thép các bon hợp kim ta chon mác thép điển hình:60Si2 a. Thành phần hóa học của thép hợp kim 60Si2 mácthép %C %Si %Mn %Pmax %Smax %Cr %Ni 60Si2 0,570,65 1,52,0 0,60,9 0,035 0,035 0,3 0,25 b. cơ sở lý luận chọn mác thép + loại thép này có giưới hạn đàn hồi cao tức khả năng chống lại biến dạng dẻo cao.giưới hạn bền cao có thể lên đến hơn 200 Mpa do hiệu ứng tôi chì và kéo nguội.thông thường thì 800 Mpa do vậy hệ số an toàn khi sử dụng là tương đối cao.tỉ lệ đạt trong tới hạn 0,85 0,95 rât tốt khi chế tạo lò xo xupap + độ cứng của nó khá cao 35 45 HRC hay 350 400 HB . độ dẻo độ dai thấp không đễ xảy ra biến dạng dư trong quá trình làm việc ,song không quá thấp dể dễ phá huỷ giòn + giưới hạn mỏi cao để thích ứng với điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ + độ thấm tôi tốt hơn các loại thép cacbon thông thường + tương đối rẻ so với các loại thép hợp kim khác dung để chế tạo lò xo supap c. bảng thành phần thép tương đương giữa các nước Tên nước mácthép %C %Si %Mn %Pmax %Smax %Cr %Ni %cu Viêt nam 60Si2 0,57 0,65 1,5 2,0 0,6 0,9 0,035 0,035 0,3 0,25 Nga 60C2 0,57 0,65 1,5 2,0 0,6 0,9 0,035 0,035 0,3 0,25 0,2 Trung quốc 60Si2-Mn 0,56 0,64 1,5 2 0,6 0,9 0,035 0,035 0,35 0,35 mỹ 9260H 0,55 0,65 1,7 2,2 0,65 1,1 nhật bản Sup6 0,56 0,64 1,5 1,8 0,7 1,0 0,035 0,035 *nhận xét: + về thành phần C thì việt nam, trung quốc,nga giống nhau.còn nhật bản và mỹ có sự giao động về thành phần C lớn hơn tí chút. + về thành phần Si thì nhật bản có hàm lượng thấp hơn việt nam,nga,trung quốc.con mĩ thì có hàm lượng Si cao hơn chút ít + về thành phần Mn thì nhật bản và mỹ có thành phần lớn hơn một chút so với việt nam,nga và trung quốc + về các thành phần vi lượng P vàS như nhau + về Cr, Ni việt nam ,nga giống nhau.trung quốc có hàm lượng lớn hơn.mĩ và nhật bản thi ko có cac nguyên tố ấy +chỉ có nga là thêm Cu vào hợp kim *kêt luận : nhìn chùng thành phần hoá học của những nguyên tố quan trọng kô thay đôi nhiều giữa các nước.do vậy nó vẫn giữ được những đặc tính cần thiết. III. vai trò của các nguyên tố hợp kim chính trong thép 60Si2 đối với cơ tính và công nghệ nhiệt luyện a. ảnh hưởng của C trong 60Si2 Trong thép c là nguyên tố quan trọng nhất (sau sắt )tổ chức và tính chất của thép chủ yếu là do c quyết định c tồn tại trong thép dưới hai dạng :dung dịch rắn xen kẽ trong mạng tinh thể Fe ở nhiệt độ thấp và ở nhiệt độ cao và dạng liên kết hợp chất xementit .các pha dung dịch rắn có độ dẻo cao , độ bền thấp.trong khi xêmentit là pha cứng và dòn.sự kết hợp của các pha này sẽ cho các tổ chức khác nhau của thép úng với từng thành phần và trạng thái cụ thể .khi lượng c tăng thì lượng xe củng tăng và ngược lại.tổ chức của thép ỏ trạng thái cân bằng phụ thuộc vào hàm lượng c như sau: - C<0,8% thép trước cùng tích tổ chức là pherit-peclit - C= 0,8% thép cùng tích tổ chức là peclit - C>0,8% thép sau cùng tích tổ chức là peclit-xementỉt hàm lượng c cũng quyết dịnh đến tính chất của thép cơtính: ảnh hưởng của hàm lượng c đến cơ tính dã được xác định bằng đồ thị sau: Thép 60Si2 thuộc nhóm thép có hàm lượng cacbon trung bình 0,6% c có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai cao , có hiệu quả tôi + ram tốt. b. ảnh hưởng của các nguyên tố khác - silic: là nguyên tố quan trọng thứ 2 sau cacbon .silic có tác dụng làm tăng độ thấm tôi cho vật liệu ở mức độ trung bình hệ số thấm tôi là 1,7.Si làm tằng tính ổn định ram cho 60Si2 .nó còn có tác dụng chống ôxi hoá cho thép ở nhiệt độ cao.rất phù hợp với điều kiện làm viêưc của lò xo supap.tính chất quan trọng nhất là Si có tác dụng tằng tính dàn hồi cho thép.tuy nhiên Si là nguyên tố không tạo các bít và có xu hướng làm thoát cacbon trong thép .khi nhiệt luyện cần chú ý biện pháp tránh thoát cacbon trong thép - Crôm: trong thép crom liên kết với cacbon tạo các bít phức tạp dễ hoà tan vào autenit khi nung lên trên 900 c .Cr có tác dụng tăng hệ số thấm tôi lên 3,2.do tạo các loại cacbit phân tán nhỏ mịn nên Cr có tác dụng chống ram,nâng cao độ bền nóng cho thép.nó làm tăng khả năng chống mài mòn cho thép. - niken :niken là nguyên tố không tạo cacbit niken được hợp kim hoá cho thép mục đích làm tăng độ bền độ dai cho ferit .Ni ncó tác dụng làm tăng độ thấm tôi cho thép với hệ số 1,4.Ni còn có tác dụng giữ hạt nhỏ cho thép thấm cacbon - Tạp chất có hại: photpho và lưu huỳnh. Photpho (P) là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe-C, còn trong thép giới hạn này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thểpha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng photpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn. Do đó photpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội ( ở nhiệt độ thường ). Chỉ cần có 0,10% P hòa tan, ferit đã trở nên giòn. Song photpho là nguyên tố thiên tích ( phân bố không đều ) rất mạnh nên để tránh giòn lượng photpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng photpho cũng không vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn ). Lưu huỳnh (S), khác với photpho lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe ( cả Feα lẫn Feγ )mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (9880C), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung nóng lên để cán, kéo (thường ở 11000C÷12000C) biên giới hạt bị chảy ra làm thép dễ bị đứt gãy như là thép rất giòn. Hiện tượng này được gọi là giòn nóng hay bở nóng. Tuy vậy photpho và lưu huỳnh cũng có mặt lợi, đó là làm tăng khả năng gia công cắt cho vật liệu vì tổ chức của thép để dễ cắt là phải tạo ra các pha có tính giòn nhất định làm cho phoi dễ gãy và cũng nhờ đó mà bề mặt gia công nhẵn, bóng hơn. Muốn vậy ta cho hàm lượng P trong khoảng 0,08÷0,15%, còn lưu huỳnh trong khoảng 0,15÷0,35%.Song để tránh ảnh hưởng có hại của lưu huỳnh, lượng Mn trong thưp phải ở giới hạn trên, 0.80÷1,00%. Khi đưa Mn vào, do ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn Fe nên thay vì tạo FeS mà tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao (16200C), dứới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy. MnS có lợi cho gia công cắt vì pha này tương đối dẻo khi nung nóng và bị kéo dài ra theo phương biến dạng khi cán, nhờ đó làm giảm tính liên tục và độ bền theo phương vuông goc với thớ, làm phoi dễ bị gãy vụn. Còn P hòa tan vào ferit nâng cao độ giòn của pha này nhờ đó dễ tách và làm vụn phoi. Cả MnS lẫn dung dịch rắn của P trong ferit đều tránh được hiện tượng dính kim loại lên dao cắt, nhờ đó tạo bề mặt nhẵn bóng. Sự tạo phoi nhu vậy sẽ làm giảm ma sát nâng cao tuổi bền của dụng cụ. Thép dễ cắt thường có chứa P,S có tính gia công cắt cao gấp đôi so với thép cacbon cùng loại hay tương đương. Tóm lại, hai nguyên tố P và S vừa cải thiện tính gia công cắt vừa làm xấu chất lượng thép: giảm độ dai, dộ dẻo, độ bền theo phương ngang thớ cũng như tình chống ăn mòncủa thép. Do vậy, cần rất quan tâm đến hàm lượng của hai nguyên tố này nhằm đạt được cơ tính cũng như tính cắt gọt tốt nhất. -Tạp chất ngẫu nhiên: Các tạp chất này đi vào thép qua con đường tái chế sắt thép, gang, hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim). Do vậy ngay trong thép cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau: đồng ≤ 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng không vượt quá 0,50%. Vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố. Đáng chú ý là xu hướng này ngày một mạnh lên nên hàm lượng của các nguyên tố trên cũng tăng lên. Song dù vậy chúng vẫn chỉ đuợc coi là tạp chất vì: Không cố ý đưa vào. Với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của thép. -Tạp chất ẩn: Đó là các tạp chất khí : H2, O2, N2,… Chúng hòa tan vào trong thép lỏng từ khí quyển của lò luyện . Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về tổ chức ( gây tập trung ứng suất ) và giòn song do có mặt trong thép với lượng chứa rất nhỏ ( ví dụ như 0,006÷0,008% đối với ôxy ) nên rất khó phân tích.. IV. đặc điểm nhiệt luyện của thép 60Si2 và thép cacbon có thành phần cacbon tương ứng a. xac định các nhiệt độ quan trọng của thép 60Si2 nhiệt độ chảy hoàn toàn : thép 60Si2 bắt đầu chảy hoàn toàn ở nhịêt độ lớn hơn 870 -900 c nhiệt độ ủ hoàn toàn:khoảng 870c nhiệt độ thường hoá :870c nhiẹt độ tôi: 870c môi trường tôi là dầu nhiệt độ ram :470c b. xác định thép cacbon có cùng thành phần % cacbon với thép 60Si2 dựa vào dản đồ pha sắt cacbon thép cacbon có cùng thành phần % cacbon tương ứng là:C60 có 0,6%C giản đồ pha sắt cácbon c. xác định các nhiệt độ nhiệt luyện của thép C60 theo các quy tắc đã học - nhiệt độ ủ: t=Ac3+(2030) C khoảng 750-770C - nhiệt độ thường hoá : t= Ac3+(30-50)C khoảng 770-800 C - nhiệt độ tôi : t=Ac3+(30-50)C khoảng 770-800 C *so sánh nhiệt độ nhiệt luyên với thép hợp kim nhìn chung thép hợp kim 60Si2 có nhiệt độ nhiệt luyện cao hơn thép cacbon C60. điều này hoàn toàn hợp lý bởi vì 60Si2 có chứa các nguyên tố hợp kim như Si,Ni,Cr…nên nhiệt độ nhiêt luyên của nó cao hơn C60. đặc biệt là Si d. tổ chức tế vi đạt được khi làm nguội chậm qua các điểm tới hạn phần trăm các pha thành phần có trong tổ chức tế vi đó , đặc điểm cơ tính của các tổ chức nhận được +) Nguội từ 15000C (đường lỏng) đến 14300C một phần pha lỏng chuyển biến thành austenit (γ), ta được hai pha L+ γ. +) Từ 14300C đến 8050C : chỉ có một pha duy nhất là austenit. Austenit ( ký hiệu γ, A, Feγ (C) ) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm mặt (a = 0,364nm) với lượng đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14%- tại điểm E trên giản đồ Fe-C). Austenit chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (>7270C) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Feγ trên trục sắt) nên có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện. Tổ chức tế vi của austenit có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút ( do định hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh ( song song) cắt ngang hạt ( thể hiện tính dẻo cao). Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1 ) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng ( dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng thực được hiện ở trạng thái austenit đồng nhất ( thường ở trên dưới 10000C ). Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn hợp ferit+xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hoặc cũng có thể đạt được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công. +) Từ 8050C đến 7270C : một phần austenit chuyển thành ferit nên hỗn hợp thu được gồm hai pha ferit + austenit ( α+γ ). Như đã nói ở trên tổ chức tế vi của ferit có dạng các hạt sáng đa cạnh. Cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất : dẻo, dai, mềm và kém bền. Như vậy tổ chức nhận được gồm hai pha đều dẻo và mền. Tỷ lệ % của hai pha ferit và austenit tại điểm tới hạn (nằm trên đường A1) được tính theo quy tắc cánh tay đòn (trên giản đồ Fe-C) : Suy ra : %(α) = x100% = 45,0 %. %(γ) = 100 – 45 = 55 %. +) Thấp hơn 7270C : -Ở 7270C xảy ra phản ứng cùng tích (đường PSK) : austenit chuyển thành peclit γs → [α + Fe3CK] . peclit hạt của thép cùng tích - Tổ chức nhận được là ferit và xêmentit ( F + XeII ). Xêmentit ( ký hiệu Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67% C ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C. Tỷ lệ % của hai pha ferit và xêmentit là: . Suy ra : %( α) = . %(Xe) = 100 – 93,6 = 6,4 %. Như vậy tổ chức nhận được gồm có 93,6 % ferit và 6,4 % Xe nên đặc tính chung của hỗn hợp là đặc tính của ferit (chiếm tỷ lệ rất cao) : dẻo, dai, mềm, kém bền. V. đối với chi tiết:phương pháp gia công,biện pháp xủ lý nhiệt trước và sau khi gia công.nguyên công nhiệt luyện kết thúc và tổ chức tế vi nhận đươc,chọn vật liệu khác nếu cần thay thế. a. phương phap gia công cơ khí thường được dùng để chế tạo chi tiết phương pháp gia công phần lớn để chế tạo lò xo là cuôn nguội các dây thép sau khi đã tôi.sau khi cuôn xong chỉ ram. Tuy nhiên: đối với lò xo quan trọng yêu cầu cao như lò xo supap thì đươc cuôn nguội xong rồi mới tiến hành tôi và ram b. các biện xử lý nhiệt trước và sau khi gia công cơ khí • Sơ lược về nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện: - Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kím đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo phương hướng đã chọn trước. Nhiệt luyện là phương pháp gia công có những đặc điểm riêng phân biệt với các nguyên công gia công cơ khí khác: +) Khác với đúc, hàn là nó không nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn luôn chỉ ở trạng thái rắn (nhiệt độ nung nong phải thấp hơn đường rắn). +) Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo (rèn, dập) khi nhiệt luyện (trừ cơ nhiệt luyện) hình dạng và kích thước sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng kể. +) Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi tổ chức tế vi và cơ tính, không thể kiểm tra vẻ ngoài bằng mắt thường. - Ba yếu tố quan trọng nhất của nhiệt luyện : nhiệt độ nung nóng ( T0n), thời gian giữ nhiệt ( tgn ), tốc độ nguội ( Vnguội ). - Các phương pháp nhiệt luyện : +) Nhiệt luyện: • Ủ : nung nóng rồi làm nguội chậm để đạt được tổ chức cân bằng với độ cứng, độ bền thấp, độ dẻo cao nhất. • Thường hóa : nung nóng đến tổ chức hoàn toàn austenit, làm nguội bình thường trong không khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân bằng. Mục đích của ủ và thường hóa thép là làm mềm thép để dễ gia công cắt gọt và dập nguội. • Tôi : nung nóng làm xuất hiện austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ chức không cân bằng với độ cứng cao nhất ( nhưng cũng đi kềm với độ giòn cao ). Nếu hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt thì được gọi là tôi bề mặt. • Ram : nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép tôi để điều chỉnh lại độ cứng, độ bền theo đúng yêu cầu làm việc. Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau, mục đích của tôi + ram là tạo cơ tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể. +) Hóa nhiệt luyện : dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần hóa học ở lớp bề mặt làm vùng này có biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn. Thường tiến hành bằng cách thấm, khuyếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định. - Thấm đơn nguyên tố có : thấm cacbon, thấm nitơ… - Thấm đa nguyên tố có : thấm cacbon-nitơ, thấm cacbon-nitơ-lưu huỳnh… như vậy: đối với chi tiết có yêu cầu cao về cơ tính có độ cúng , độ bền cao và giưới hạn dàn hồi,giưới hạn mỏi cao thì phảii thường hoá tạo hạt nhỏ trước khi gia công.sau khi gia công là quá trình nhiệt luyện kết thúc gồm hai nguyên công là tôi và ram trung bình tôi dể chi tiết có độ cứng có độ cứng độ bền độ dai va đập tốt. ram để vật liệu có giưới hạn đàn hồi cao c. nguyên công quá trình nhiệt luyện kết thúc,tổ chức tế vi và cơ tính tương ứng - nhiệt luyện kết thúc gồm hai nguyên công là tôi và ram trung bình + nguyên công tôi: nung nóng lò xo đến nhiệt độ 870C rồi làm nguội trong dầu. tổ chúc nhân được là mactexit tôi độ cứng đạt được là cao nhất độ bền độ bền mỏi tăng lên. + nguyên công ram trung bình: tiến hành ram chi tiết sau khi dã tôi xong. Ram trung binh với nhiệt độ 470C.tổ chức nhận được là trôxtit ram. để dạt được giưới hạn đàn hồi cao.tuy nhiên độ cứng của lò xo cũng giảm đi còn khoảng 40-45 HRC nhưng vẫn đảm bảo độ cứng yêu cầu của chi tíêt. Chú ý:khi gia công cũng như khi nhiệt luyện phải chú ý đến chất lượng bề mặt:chống thoát cacbon bề mặt,tạo ứng suất nén trên bề mặt ,nâng cao độ nhẵn bong bề mặt. d. vật liệu thay thế nếu cần thay thế ta co thể chon các mác thép hợp kim là: 50CrMn, 60Si2CrVA, 60Si2Ni2A các mác thép trên có đăc tính tốt hơn 60Si2 nó có độ thấm tôi cao hơn,chịu được nhiệt độ cao hơn,chịu đươc tải trọng nặng và chịu va đập mạnh hơn.tuy nhiên giá thành dắt hơn 60Si2 tài liệu tham khảo : 1> vật liệu học (chủ biên :lê doãn cương) 2> vật liệu học cơ sở (ngiêm hung) 3> sách tra cứu thép thế giới (trần văn địch, ngô chí phúc) 4> tim hiểu trên các google,yahoo xin chân thành cảm ơn thầy giáo giảng dạy môn hoc giúp em hoàn thành bài viết này