121 Chương 2 NUNG NÓNG KIM LOẠI ĐỂ GIA CÔNG ÁP LỰC 2.1 Mục đích của nung nóng: Đối với một số kim loại khi gia công nóng cần phải nung nóng lên nhiệt độ cao, mục đích của nung nóng kim loại là làm tăng tính dẻo, giảm khả năng chống biến dạng của chúng để có thể biến dạng với lượng lớn và cũng do đó giảm được lực biến dạng cần thiết. Kim loại khi nung nóng độ bền giảm rất nhanh và độ dẻo (độ dãn dài) tăng lên. Thí dụ một số thép ở bảng 2 Bảng 2 C15 C35 C45 20Cr 60 Si2  b (KG/mm 2 ) % 20 o C 1000 o C 20 o C 1000 o C 44 2,8 33 51 57 4,9 26 50 60 5,1 23 63 58 5,8 26 70 102 3,4 17 86 Giải thích: - Kim loại khi nung lên nhiệt độ càng cao thì dao động nhiệt càng lớn, làm giảm các lực liên kết giữa các nguyên tử, tạo điều kiện cho quá trình trượt và song tinh thực hiện dễ dàng hơn. - Mặt khác khi nung lên nhiệt độ cao, kim loại và hợp kim có khả năng chuyển biến từ pha này sang pha khác có tính dẻo cao hơn, do vậy làm cho khả năng biến dạng dễ hơn. Ví dụ: Khi nung thép lên trên 723 0 C có sự chuyển biến từ tổ chức pherit, peclit… sang tổ chức auxtênit có tính dẻo cao hơn. Chọn chế độ nung nóng hợp lý sẽ nâng cao chất lượng gia công, giảm hao phí kim loại, giảm hao mòn dụng cụ, thiết bò, giảm nhẹ sức lao động, nâng cao năng suất và hạ giá thành sản phẩm. 2.2 Những hiện tượng xảy ra khi nung : Khi nung nóng thép ở nhiệt độ cao, sẽ xảy ra các hiện tượng oxy hóa, thoát cácbon, quá nhiệt v.v… có ảnh hưởng đến khối lượng và chất lượng của kim loại. Chúng ta cần biết được nguyên nhân để có biện pháp khắc phục. 2.2.1 Ôxy hóa: Khi nung kim loại trong lò, ở nhiệt độ cao lớp kim loại bề mặt dễ kết hợp với ôxy trong không khí tạo nên lớp vảy ôxýt bám trên bề mặt vật nung, hiện tượng đó gọi là ôxy hóa. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh 122 Hiện tượng ôxy hóa gây ra sai hụt kích thước vật nung gây hao phí kim loại, giảm chất lượng bề mặt chi tiết, gây khó khăn cho quá trình gia công và gây hao mòn dụng cụ. Hiện tượng hao phí kim loại do ôxy hóa thông thường có thể đạt tới 2  3,5%, vật lớn 4  6%. Ví dụ: Thép dưới 500 o C hiện tượng ôxy hóa xảy ra trên bề mặt thép không đáng kể. Nhưng khi nung trên 500 o C, nhất là trên 1000 o C sự tạo thành các vẩy ôxyt FeO trên thép xảy ra rất mãnh liệt, làm cho khối lượng kim loại được nung nóng hao hụt dần. Tốc độ ôxy hóa phụ thuộc nhiệt độ nung và thành phần khí của môi trường nung nóng xung quanh vật nung. Nhiệt độ càng cao tốc độ ôxy hóa càng mạnh. Trong không khí càng nhiều O 2 , hơi nước, khí CO 2 , SO 2 tốc độ ôxy hóa càng mạnh. Nhưng ngược lại nếu trong không khí tỷ lệ các khí CH 4 , CO càng nhiều, tốc độ ôxy hóa giảm. Do đó, để giảm lượng hao hụt kim loại do ôxy hóa, thời gian nung nóng phải càng ngắn càng tốt. Cho thêm ít than củi xung quanh vật nung để tạo thêm CO cũng làm giảm được hiện tượng ôxy hóa. Khi không thể khắc phục được hiện tượng ôxy hóa thì phải cộng thêm khối lượng kim loại bò cháy hao vào khối lượng của phôi. 2.2.2 Thoát cácbon: Là hiện tượng mất một phần cácbon ở lớp mặt ngoài của thép. Hiện tượng này thường đi kèm theo hiện tượng oxy hóa. Nguyên nhân là do trong môi trường nung nóng xunh quanh vật nung chứa nhiều các khí O 2 , CO 2 , hơi nước, H 2 . Tạo nên các phản ứng mất cácbon của Fe 3 C ở trong thép. 2Fe 3 C + O 2 = 6Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 = 3Fe + 2CO Fe 3 C + H 2 O = 3Fe + CO + H 2 Fe 3 C + 2H 2 = 3Fe + CH 4 Hiện tượng thoát cacbon không làm giảm kích thước của phôi thép nhưng làm cho độ cứng và độ bền bề mặt thép giảm nhất là giới hạn mỏi giảm mạnh. Nhưng nếu sau khi nung, quá trình gia công áp lực tiếp theo làm giảm chiều dày lớp thoát cácbon thì tác hại của nó cũng sẽ trở thành không đáng kể. 2.2.3 Nứt: Khi nung kim loại do sự nung nóng giữa các bộ phận không đều vì kết cấu phôi không hợp lý, hoặc tốc độ nung không hợp lý làm phát sinh bên trong vật nung ứng suất nhiệt. Ứng suất nhiệt nếu lớn hơn có thể làm cho bề mặt hoặc bên trong vật nung bò nứt nẻ. - Đối với thép thường xảy ra khi nhiệt độ nung dưới 800 0 C vì ở khu vực này thép có tính dẻo thấp, truyền nhiệt kém. - Đối với thép cacbon và các kim loại dẻo thì khi nung nóng ít khi bò nứt dù nung với tốc độ bất kỳ. Nhưng với các thép cacbon cao, thép hợp kim cao, do có tốc độ truyền Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh 123 nhiệt kém, tính dẻo kém, nếu nung nóng với tốc độ nhanh hoặc nung nóng không đều, có thể xảy ra nứt. Do đó, với các thép này cần giảm tốc độ nung thời gian đầu. 2.2.4 Quá nhiệt: Quá nhiệt là hiện tượng nung kim loại lên gần nhiệt độ đường đặc, khi ấy các hạt kim loại bò lớn lên một cách đột ngột làm cho tính dẻo giảm, kim loại rất bò bở khi gia công dễ gây nên nứt nẻ khi gia công và giảm độ dẻo dai của kim loại khi làm việc sau này. Đối với thép C nhiệt độ quá nhiệt vào khoảng: t o quá nhiệt > t o đường đặc – 150 o C Để khắc phục hiện tượng này, nếu sau khi nung có gia công áp lực tiếp theo thì phải tác dụng lực nhẹ cho đến khi nhiệt độ thép giảm đến vùng có tính dẻo cao mới tăng tốc độ biến dạng. Nếu sau khi nung không gia công áp lực tiếp theo thì phải đem ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt. 2.2.5 Cháy: Cháy là hiện tượng nung kim loại lên trên nhiệt độ quá nhiệt (gần đường đặc), vật nung bò phá hủy vùng tinh giới giữa các hạt. Thực tế là đã có một bộ phận ở biên giới hạt bò chảy lỏng và phát ra nhiều hoa lửa. Đây là hiện tượng không khắc phục được. Vật cháy phải cắt bỏ,hoặc đưa vào lò nấu lại. 2.3 Chế độ nung kim loại: Mỗi loại vật liệu kim loại có một chế độ nung riêng bao gồm nhiệt độ bắt đầu gia công và nhiệt độ cần kết thúc gia công, tốc độ nung, thời gian nung, thời gian giữ nhiệt… 2.3.1 Chọn khoảng nhiệt độ gia công áp lực: Chọn khoảng nhiệt độ gia công áp lực tức là xác đònh giới hạn nhiệt độ nung cao nhất đảm bảo cho tính dẻo kim loại tốt nhất để có thể gia công được và nhiệt độ thấp nhất cho phép còn gia công được mà dưới nhiệt độ đó cần phải kết thúc gia công. Chọn khoảng nhiệt độ gia công hợp lý có ý nghóa kinh tế kỹ thuật rất lớn. Khoảng nhiệt độ càng lớn thì thời gian gia công càng lâu và mức độ biến dạng càng lớn. Chọn khoảng nhiệt độ gia công cần đảm bảo kim loại dẻo nhất, đảm bảo chất lượng vật nung, kim loại biến dạng tốt nhất và hao phí ít nhất. Ví dụ: Xác đònh nhiệt độ gia công cho từng mác thép khác nhau có nhiều phương pháp: dựa vào giãn đồ trạng thái sắt - cacbon, tính theo công thức kinh nghiệm hoặc tham khảo các sổ tay kỹ thuật rèn dập. Kim loại được gia công trong một giới hạn nhiệt độ nhất đònh: - Giới hạn trên được gọi là nhiệt độ nung hay nhiệt độ bắt đầu gia công, ký hiệu t o bđ . Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh 124 t o bđ = t o đặc – ( 150 200 o C) t o đặc là nhiệt độ bắt đầu chảy (đường đặc). - Giới hạn dưới gọi là nhiệt độ kết thúc gia công, ký hiệu t o kt . + Thép trước cùng tích: t o kt = t o A3 + (20 40 o C) + Thép sau cùng tích: t o kt = t o A1 + (40 50 o C) t o A3 – là nhiệt độ thép trước cùng tích chuyển hoàn toàn thành auxtênit. t o A1 – là nhiệt độ Peclit chuyển hoàn toàn thành auxtênit. Hình 2-12 giới thiệu khoảng nhiệt độ để gia công nóng thép cacbon: theo lý thuyết (hình a), theo kinh nghiệm thực tiễn (hình b). Chú ý: Trong sản xuất người ta xác đònh nhiệt độ nung theo bảng và trông màu sắc vật nung mà đoán nhiệt độ để nung theo kinh nghiệm.Ví dụ: Nhiệt độ bắt đầu gia công thép có màu vàng rơm. Gần đến nhiệt độ cháy thép có màu sáng trắng. Nhiệt độ kết thúc gia công thép có màu tím hoa cà. Trong các sổ tay tra cứu rèn dập cũng đã cho sẵn các khoảng nhiệt độ gia công này. Ví dụ: ở bảng 3 Bảng 3 Thép Nhiệt độ gia công ( o C) Thép Nhiệt độ gia công ( o C) CT34, CT38 CT42, CT51, CT61 C10, C15, C20 C40, C45, C50 1280  750 1200  800 1280  750 1200  800 40Cr, 45Cr, 50Cr CD70, CD80, CD110 Thép gió 50CrNiW, 50CrNiMo 1200  800 1160  750 1200  900 1200  850 %C o C 1,7 0,8 723 0 910 1539 1147 1350 10 0  150 0 C 30  50 0 C A3 A1 Am 2,14 a) Vùng gia công áp lực Vùng cháy và quá nhiệt Vùng biến cứng 800 1350 1100 o C %C 1,1 2,14 0,8 b) Hình 2 - 12 Khoảng nhiệt độ vùng gia công áp lực đối với thép cacbon. a) Nhiệt độ nung lý thuyết. b) Nhiệt độ nung thực tế. Nhiệt độ bắt đầu gia công Nhiệt độ kết thúc gia công Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh 125 2.3.2 Thời gian nung và giữ nhiệt: a. Thời gian nung: Thời gian nung nhỏ nhất cho phép căn cứ vào tính dẫn nhiệt của kim loại, kích thước của phôi, sự sắp xếp phôi nung trong lò và hiệu số nhiệt độ giữa tường lò và kim loại lúc cho vào. Thời gian nung có thể xác đònh theo công thức kinh nghiệm sau : Trong đó: T - Thời gian nung (giờ). D - Đường kính hoặc cạnh ngắn của phôi (m).  - Hệ số xếp phôi, xác đònh theo hình 2-13 Vò trí xếp phôi trong lò Hệ số xếp phôi  Vò trí xếp phôi trong lò Hệ số xếp phôi  Hình 2.13 Hệ số sắp xếp phôi khi nung nóng.  - Hệ số độ dài tương đối, phụ thuộc vào tỷ lệ chiều dài phôi L và đường kính phôi D, xác đònh theo bảng 4 sau: Bảng 4 L / D 3 2 1,5 1  1 0,98 0,92 0,71 DDKT   1 1 2 1,4 1,3 1 1,4 4 2,2 2 1,8 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh 126 K - Hệ số nguyên vật liệu: Đối với thép cacbon có %C < 0,4% K =10 Thép cacbon có %C > 0,4% và thép hợp kim thấp K = 12,5 Thép hợp kim cao K = 20 b. Thời gian giữ nhiệt: Là thời gian giữ phôi trong lò khi đã đạt được nhiệt độ nung. Khi phôi đã đạt được nhiệt độ nung cần có một thời gian giữ nhiệt để nhiệt độ vật nung mặt ngoài và bên trong đồng đều. Thời gian giữ nhiệt trong lò phụ thuộc vào vật liệu nung, kích thước phôi và thời gian nung. Đối với thép C thời gian giữ nhiệt bằng 20 30% thời gian nung; Thép hợp kim thời gian giữ nhiệt bằng 150%. 2.3.3 Tốc độ nung: Tốc độ nung ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng nung. Nói chung khi nung người ta cố gắng nung phôi với tốc độ cao nhất để giảm hao phí kim loại do cháy và ôxyhóa, giảm sự phát triển độ hạt do đó tăng tính dẻo và tăng năng suất nung. Nhưng khi tốc độ nung lớn thì sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt ngoài và bên trong phôi lớn, gây ứng suất nhiệt lớn làm phôi dễ nứt. Tốc độ nung kim loại phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa lò và phôi, phụ thuộc kích thước phôi và cách sắp xếp phôi trong lò, hệ số dẫn nhiệt của vật nung. Có hai giai đoạn để xác đònh tốc độ nung: 1. Giai đoạn nhiệt độ thấp: Khi mới cho phôi vào lò, do sự chênh lệch nhiệt độ giữa phôi và lò lớn, kim loại có tính dẻo thấp. Giai đoạn này lớp bề mặt phôi được nung nóng nhanh, sự chênh lệch nhiệt độ giữa lớp trong và lớp ngoài của phôi lớn, vì vậy lớp bề mặt thường bò giãn nở nhiệt nhiều hơn do đó hay xuất hiện những vết nứt tế vi. Đối vớt thép hợp kim cao, thép cácbon cao nếu nung không đúng kỹ thuật, giai đoạn này có thể gây ra những vết nứt lớn làm cho phôi bò coi là phế phẩm. Tốc độ nung giai đoạn này nên nung chậm, gọi là tốc độ nung cho phép. 2. Giai đoạn nhiệt độ cao ( đối với thép từ 850 o C đến nhiệt độ bắt đầu gia công): Khi nhiệt độ vật nung trên 850 o C thì khả năng ôxy hóa tạo thành vẩy rèn tăng, khả năng thoát C của thép tăng. Ở giai đoạn này tính dẻo của kim loại tăng. Vì vậy giai đoạn này cần nung với tốc độ cao để tăng năng suất, giảm sự ôxy hóa, sự cháy, giảm sự thoát C và sự lớn lên của hạt, giảm hao phí nhiên liệu. Tốc độ nung giai đoạn này nên nung nhanh, gọi là tốc độ nung kỹ thuật. 2.4 Thiết bò nung: Trong ngành gia công áp lực, có thể sử dụng nhiều loại lò nung khác nhau, phân loại theo các phương pháp sau: Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh 127 Phân loại theo kết cấu lò có: Lò chu kỳ và lò liên tục. Lò chu kỳ là lò được nung phôi theo từng đợt. Thường chỉ có một buồng nung, một vùng nhiệt độ, một cửa vừa cho chi tiết vào đồng thời cũng lấy ra theo cửa này. Lò liên tục là lò có buồng nung dài, có thể có nhiều vùng nhiệt độ khác nhau. Chi tiết liên tục cho vào một cửa này, di chuyển dần đến cửa khác và được lấy ra ở cửa thứ hai. Phân loại theo dạng năng lượng có: -Lò nhiên liệu rắn: lò đốt bằng than củi loại than đá. -Lò nhiên liệu lỏng: lò đốt bằng dầu : dầu D.O hoặc dầu F.O. -Lò nhiên liệu khí: Khí lò cao, khí lò cốc, khí thiên nhiên (khí dầu mỏ). -Lò điện: Gồm lò điện trở và lò điện cảm ứng trung tần . 2.4.1 Lò phản xạ (lò buồng): Loại lò này được dùng nhiều để nung phôi ép, rèn, dập. Đặc điểm: có buồng nung kín, nhiệt độ không đều, khống chế được nhiệt độ nung thông qua hệ thống nhiệt kế khống chế tự động hoặc không tự động, phôi không tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu nên cháy hao ít hơn. Có thể dùng các dạng năng lượng khác nhau : than đá, dầu, khí, điện trở. -Lò phản xạ nhiên liệu rắn có mặt cắt như hình 2-14. Lò gồm có buồng đốt nhiên liệu than đá 1 và buồng nung chứa chi tiết nung 2. Khí cháy sẽ theo rãnh 5 qua buồng 6 và thoát qua ống khói 7 ra ngoài. Thành chắn 3 để ngăn cách buồng 2 và buồng đốt nhiên liệu. Sự điều chỉnh nhiệt độ lò bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu và lượng gió. 2.4.2 Lò điện: Dùng năng lượng điện nung nóng phôi để gia công áp lực có nhiều dạng khác nhau: nung bằng điện trở, nung bằng điện cảm ứng hoặc nung bằng điện trực tiếp qua chi tiết nung. Lò điện trở có kết cấu gần Hình 2-14 Lò phản xạ dùng nhiên liệu rắn. 6 Hình 2-15 Lò điện trở. Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh 128 giống lò buồng đốt bằng nhiên liệu khí nhưng gọn nhẹ hơn vì không có ống khói. Lò thường có dạng hình hộp chữ nhật như trên hình 2-15. Tường lò xây bằng gạch samốt. Đáy lò bằng thép chòu nóng đúc. Điện trở được bố trí hai bên tường lò, hoặc cả dưới đáy lò. Nếu lò nung yêu cầu nhiệt độ không quá 1000 o C điện trở thường dùng là dây Crôm-Niken loại Cr20Ni80Ti. Nếu yêu cầu nung ở nhiệt độ trên 1000 o C (nung thép) điện trở thường dùng là các thanh Cacborun (SiC), đặt đứng ở hai thành bên của lò. Lò có ưu điểm là khống chế nhiệt độ dễ dàng chính xác (sai số  5 o C) ,chất lượng vật nung cao, ít bò cháy và ôxy hóa nên giảm lượng hao phí kim loại, thời gian nung nhanh. Trong trường hợp nung các chi tiết nhỏ và sản xuất hàng loạt lớn người ta thường nung kim loại bằng lò điện cảm ứng. Vì yêu cầu nhiệt độ của phôi nung phải đồng đều từ mặt đến tâm của phôi nghóa là phải nung thấu, do đó tần số của lò nung được giới hạn từ 1  5 KHz (tần số trung bình). Trên hình 2-16 trình bày sơ đồ nung chi tiết hình cầu qua lò cảm ứng . Phôi 1 được đặt trên mặt trượt 2, nhờ hệ thống piston thủy lực 3 tự động đẩy phôi theo chu kỳ vào vòng cảm ứng 5. Các vòng cảm ứng bao quanh buồng lò có lớp cách điện. Phôi được giữ bằng tựa 9. Khi di chuyển hết chiều dài của vòng cảm ứng, chi tiết được nung thấu theo cửa 6 và máng 7 ra ngoài, chuyển đến máy gia công áp lực. Để tránh oxy hóa bề mặt vật nung, người ta có thể cho một luồng khí bảo vệ đi qua buồng nung (như nitơ, acgông). 2.5 Làm nguội sau khi gia côâng : Sau khi gia công nếu chế độ làm nguội không hợp lý, sẽ làm cho sản phẩm bò cong vênh, nứt nẻ. Làm nguội bằng cách sau khi rèn, xếp thành đống trong lò có chứa vôi bột hoặc trong lò có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ rèn, hoặc để trong hố có cát khô, hoặc đặt trong không khí phủ các “áo” bảo vệ bằng amiăng mục đích để làm nguội chậm. Hình 2-16 Lò cảm ứng. 4 Truong DH SPKT TP. HCM http://www.hcmute.edu.vn Thu vien DH SPKT TP. HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Copyright © Truong DH Su pham Ky thuat TP. Ho Chi Minh . 121 Chương 2 NUNG NÓNG KIM LOẠI ĐỂ GIA CÔNG ÁP LỰC 2. 1 Mục đích của nung nóng: Đối với một số kim loại khi gia công nóng cần phải nung nóng lên nhiệt độ cao, mục đích của nung nóng kim. nhiệt… 2. 3.1 Chọn khoảng nhiệt độ gia công áp lực: Chọn khoảng nhiệt độ gia công áp lực tức là xác đònh giới hạn nhiệt độ nung cao nhất đảm bảo cho tính dẻo kim loại tốt nhất để có thể gia công. A3 A1 Am 2, 14 a) Vùng gia công áp lực Vùng cháy và quá nhiệt Vùng biến cứng 800 1350 1100 o C %C 1,1 2, 14 0,8 b) Hình 2 - 12 Khoảng nhiệt độ vùng gia công áp lực đối với