nghiên cứu nâng cao độ bền chi tiết toa xe trong điều kiện việt nam PGS. TS. Vũ duy lộc Bộ môn Đầu máy Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT PGS. TS. Đinh quảng năng Bộ môn Vật liệu v công nghệ đúc Trờng Đại học Bách khoa H nội NCS. ThS. Đồng xuân thành Cty t vấn Đầu t v Xây dựng Tóm tắt: Bi viết ny nêu tóm tắt quá trình nghiên cứu nâng cao độ bền cho các chi tiết chịu lực chủ yếu trong toa xe bằng công nghệ vật liệu mới v cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết với điều kiện nguyên vật liệu v thiết bị sẵn có ở Việt Nam. Summary: This paper briefs on the study procedure for increasing the serveablity of the main bearing parts of coaches by using new material technology and improvement of detail manufacturing under the conditions that the materials and equipment are available in Vietnam. CB A i. đặt vấn đề Độ bền là một đặc tính cơ bản của bất kỳ một loại vật liệu kết cấu nào và việc nâng cao độ bền cho kết cấu luôn là nhu cầu khách quan mang tính liên tục, thờng xuyên của những nhà vật liệu học, nhà luyện kim và thiết kế công nghệ. Vật liệu chế tạo các chi tiết toa xe cũng là vật liệu kết cấu, cho nên việc tìm cách nâng cao độ bền các chi tiết toa xe cũng nằm trong xu hớng chung tăng bền cho kết cấu, nhằm nâng cao độ an toàn tin cậy cho chủng loại kết cấu phục vụ cho việc vận chuyển hành khách và hàng hoá. Điều này cũng đã đợc khẳng định trong các chủ trơng đầu t, chính sách khoa học công nghệ của Nhà nớc ta, thể hiện trong phơng hớng, mục tiêu, nhiệm vụ khoa học và công nghệ chủ yếu của các chơng trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nớc giai đoạn 5 năm 2001 - 2005 và trong quyết định số 272/2003/ QĐ-TTg ngày 31 tháng 12 năm 2003 của Thủ tớng Chính phủ phê duyệt Chiến lợc phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010, đồng thời cũng đợc cụ thể hoá trong chơng trình hoạt động khoa học công nghệ của Tổng công ty Đờng sắt Việt Nam. Trớc thực trạng độ bền của các chi tiết toa xe chế tạo trong nớc hiện nay của ta còn rất hạn chế, công nghệ chế tạo còn lạc hậu, phiền phức, kém tính kinh tế. Vật liệu chiếm khối lợng chủ yếu trong việc chế tạo các chi tiết toa xe thế hệ 2 vẫn là loại thép các-bon chất lợng thờng ít bền (xem bảng 1), nên các tiết diện chịu lực của chi tiết cần phải lớn, dẫn đến tự trọng của các toa xe này thờng lớn. Bảng 1. Cơ tính của thép đã dùng chế tạo các chi tiết toa xe trong nớc b c 5 MPa % a k , J/ cm 2 Mác thép Chiều dày sản phẩm cán, mm Không nhỏ hơn CT38(CT3) 20 - 40 373 235 25 35 Thép 45 20 - 40 550 320 12 30 C25Đ 20 - 40 450 240 19 40 Trong khi nhu cầu thực tế của ngành Đờng sắt nớc ta đến thời kỳ cần đổi mới phơng tiện nhằm nâng cao chất lợng vận tải, tăng khả năng cạnh tranh chuẩn bị bớc vào thời kỳ hoà nhập kinh tế quốc tế, cho nên việc nâng cao chất lợng toa xe để đáp ứng các đòi hỏi ngày càng cao của khách hàng là vấn đề cấp thiết đợc đặt ra đối với ngành chế tạo toa xe. Ngoài nhu cầu chế tạo mới khoảng 250 toa xe/năm, ngành Đờng sắt còn phải đáp ứng nhu cầu sửa chữa duy trì hoạt động của khoảng 5000 toa xe có nguồn gốc từ nhiều nớc khác nhau. Các toa xe này đã đến thời kỳ cần có các chi tiết phụ tùng mới thay thế cho các chi tiết mòn hỏng, đã hết hạn sử dụng, trong số đó có những chủng loại phụ tùng mà nớc ngoài không còn sản xuất nữa. Trớc tình hình đó, ngành Đờng sắt nớc ta đã đến lúc cần phải chủ động giải quyết khâu phụ tùng có chất lợng cao phục vụ sửa chữa, thay thế trong ngành. ii. Lựa chọn giải pháp Theo [1], để nâng cao độ bền và tuổi thọ các chi tiết toa xe, có thể đi theo các nhóm giải pháp nh trong sơ đồ hình 1. Các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe 1. Nhóm các giải pháp cải tiến kết cấu, giảm tải trọng tác dụng lên chi tiết toa xe 2. Nhóm giải pháp dùng vật liệu mới chất lợng cao để chế tạo chi tiết toa xe 3. Nhóm các giải pháp cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết toa xe Giảm tự nặng toa xe, dùng thùng xe toàn thân chịu lực, Giảm độ lệch tâm của kết cấu và các nút nối kết chịu lực, Giảm tải trọng dọc trục, tăng độ nhún tĩnh, hạ thấp trọng tâm toa xe Dùng thép hợp kim thấp có cơ tính tổng hợp cao Dùng hợp kim nhẹ, chất dẻo và vật liệu tổ hợp Cải tiến công nghệ chế tạo đúc phôi chi tiết Cải tiến công nghệ gia công áp lực Cải tiến công nghệ gia công nhiệt luyện CB A Hình 1. Sơ đồ các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe Trong 3 nhóm giải pháp trên, nhóm giải pháp tính toán kết cấu giảm lực tác dụng (nhóm 1) đã có nhiều đề tài nghiên cứu, cho nên đề tài chủ yếu đi theo hớng nghiên cứu thực nghiệm dùng vật liệu mới có cơ tính tổng hợp cao và cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết (nhóm giải pháp 2 + 3) để nâng cao độ bền chi tiết toa xe. iii. thực hnh giải pháp dùng vật liệu mới để nâng cao độ bền chi tiết toa xe 1. Nghiên cứu thiết kế vật liệu phù hợp trên cơ sở tham khảo thành phần vật liệu của nớc ngoài và ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim đến cơ tính của thép - Nghiên cứu thành phần vật liệu chế tạo chi tiết toa xe của một số nớc tiên tiến nh ấn Độ, Nga, Mỹ, Trung Quốc. Bảng 2. Thép hợp kim thấp chế tạo các chi tiết toa xe của ấn Độ [4] Thành phần hoá học các nguyên tố , % Nhóm IS C Si Mn P S Ni Cr Mo Nguyên tố khác IS:2708 Nhóm1 0,14-0,2 0,3-0,6 1,2-1,7 0,05 0,05 0,4 0,25 0,25 0,3 Cu IS:3038 Nhóm1 0,18-0,28 0,5 1,1-1,6 0,05 0,05 0,4 0,35 0,15 0,3 Cu 0,10 W IS:2708 Nhóm2 0,2-0,26 0,3-0,6 1,2-1,7 0,05 0,05 0,4 0,25 0,25 0,3 Cu IS:2708 Nhóm 3A 0,26-0,35 0,3-0,6 1,2-1,7 0,05 0,05 0,4 0,25 0,25 0,3 Cu - Nghiên cứu thành phần vật liệu độ bền cao của nớc ngoài, tìm hiểu thành phần hoá học của một số mác thép hợp kim thấp độ bền cao của Nga dùng để chế tạo các chi tiết quan trọng chịu tải trọng động lớn nh 20XCA, 25XCA, 30XC, 25XT, Bảng 3. Thép hợp kim thấp để chế tạo chi tiết toa xe của Mỹ v mác tơng đơng của Trung Quốc hiện nay [3] Thành phần hoá học của các mác thép , % Mác thép C Si Mn Ni Cu Nguyên tố khác AAR - B ZG25MnNi 0,32 0,28 1,50 0,40 0,90 1,00 0,3 0,4 0,3 0,3 Cr 0,04 % P, S AAR - C ZG25MnCrNiMo 0,32 0,28 1,50 0,40 1,85 0,40 0,3 0,3 0,04 % P, S Cr+Ni+Mo 1,45 AAR - E QG - E1 0,32 0,28 1,50 0,40 1,85 0,40 0,3 0,025 % P, S Cr+Ni+Mo 1,45 CB A Các mác thép cấp AAR- B dùng chế tạo các chi tiết không quan trọng, còn cấp AAR- C và cấp AAR- E đợc dùng để chế tạo những chi tiết quan trọng và đặc biệt quan trọng, chịu tải trọng lớn trong toa xe. Nghiên cứu thành phần vật liệu độ bền cao của nớc ngoài, tìm hiểu thành phần hoá học của một số mác thép hợp kim thấp độ bền cao của Nga dùng để chế tạo các chi tiết quan trọng chịu tải trọng động lớn nh 20XCA, 25XCA, 30 XC, 25XT, 2. Nghiên cứu thiết kế vật liệu phù hợp với nguồn tài nguyên và điều kiện thiết bị hiện có của Việt Nam - Nghiên cứu ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim đến cơ tính của thép. - Theo [2], tác dụng của từng nguyên tố hợp kim ở trong thép đợc thể hiện trong bảng 4. Bảng 4. Tác dụng của các nguyên tố hợp kim trong thép [2] Nguyên tố hợp kim Tác dụng Mangan Cờng hoá fe - rit, nâng cao độ bền, độ cứng, độ chịu mài mòn, tác dụng austenit hoá khi hàm lợng hợp kim cao. Silic Cờng hoá fe - rit, tăng tính chịu nóng và tính chịu ăn mòn, giảm tính dẻo dai. Crôm Cờng hóa mạnh nền, nếu hàm lợng cao sẽ làm tăng tính chịu ăn mòn và chống ô xy hoá. Niken Mở rộng khu vực và xúc tiến quá trình austenit hoá, nâng cao độ bền mà không làm giảm độ dẻo, tăng tính chịu ăn mòn. Nhôm Khử ô xy tốt, làm nhỏ hạt tinh thể, tăng tính chịu ô xy hoá và tính chịu ăn mòn. Titan Tác dụng khử ô xy, cờng hoá fe-rit, làm nhỏ mịn hạt tinh thể. Nguyên tố đất hiếm Khử lu huỳnh, khử khí, làm nhỏ hạt tinh thể, làm tốt tổ chức ở trạng thái đúc. - Tổng hợp các kết quả nghiên cứu ở trên, đề tài thiết kế ra 3 mác vật liệu mới trong nớc là thép hợp kim thấp nh trong bảng 5. Bảng 5. Vật liệu mới chủ yếu để chế tạo chi tiết toa xe trong nớc Thành phần hoá học các nguyên tố chủ yếu, % Mác thép C Si Mn Cr P S Nguyên tố khác Công dụng 20CrMnSiRE 0,15 -0,23 0,8-1,1 0,8-1,1 0,8-1,1 0,04 0,03 < 0,3 ( trừ Ni) 0,15- 0,2 RE Chi tiết hàn cán 25CrMnSiRE 0,20-0,28 0,8-1,1 0,8-1,1 0,8-1,1 0,04 0,03 < 0,3 ( trừ Ni) 0,15- 0,2 RE Chi tiết đúc 30CrMnSiRE 0,25- 0,35 0,8-1,1 0,8-1,1 0,8-1,1 0,04 0,03 < 0,3 ( trừ Ni) 0,15- 0,2 RE Chi tiết trục, chốt iv. Thực hnh giải pháp cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết để tăng bền 1. Cải tiến công nghệ đúc phôi, ứng dụng chế thử chi tiết đúc điển hình - Dùng các biện pháp khử khí để chống rỗ khí, tạo tính liên tục cho chiều dày thành vật đúc; - Dùng các biện pháp tạo xỉ kết hợp với biến tính, khử kỹ tạp chất xuống mức thấp nhất để nâng cao độ bền tinh giới, tạo ra mác thép mới chứa nguyên tố đất hiếm Việt Nam, có thành phần hoá học nh trong bảng 5; - Dùng khuôn cát nớc thuỷ tinh đông rắn nhanh bằng khí CO 2 ở nhiệt độ thờng, không phải sấy khuôn phức tạp, mà vẫn hạn chế đợc khuyết tật bề mặt; - Chọn mặt phân khuôn và phơng pháp làm khuôn phù hợp, mỗi chi tiết mới cần có sáng tạo công nghệ mới dựa trên các nguyên tắc cơ bản; CB A - Tính toán lựa chọn hệ thống rót, ngót hợp lý, thể hiện qua sản phẩm chế thử đạt yêu cầu, không có khuyết tật rỗ co. 2. Cải tiến công nghệ chế tạo chi tiết qua gia công áp lực, ứng dụng chế thử chi tiết qua rèn điển hình - Thiết kế phôi rèn phù hợp với tình hình không có phôi cán sẵn nh ở nớc ngoài để tránh khuyết tật nứt hoặc thoát các - bon bề mặt; - Chọn nhiệt độ nung phôi và nhiệt độ kết thúc rèn hợp lý qua tham khảo thông số nhiệt độ nung rèn của mác thép tơng đơng ở nớc ngoài. 3. Cải tiến công nghệ nhiệt luyện, ứng dụng nhiệt luyện các chi tiết đúc + rèn - Dùng phần mềm Thermo - calc của Đức để tự động vẽ giản đồ pha của hợp kim thực tế, qua đó xác định đợc nhiệt độ nung hợp lý của hợp kim mới chế thử là 880 0 C. - Chọn chế độ nhiệt luyện thờng hóa đơn giản, kinh tế, ít gây cong vênh, mà cơ tính đạt đợc cũng khá cao. 4. Cải tiến công nghệ đánh giá chất lợng sản phẩm, bằng cách sử dụng các phơng pháp tiên tiến nhất đ có ở Việt Nam. - Dùng phơng pháp phân tích quang phổ để tự động xác định thành phần của hợp kim thực tế với độ chính xác cao, đồng thời thời phân tích đợc nhiều nguyên tố cùng lúc (bảng 6). Bảng 6. Thnh phần thực tế của thép hợp kim thấp đúc phôi chi tiết toa xe mới Thành phần hoá học của mác thép hợp kim thấp mới chế tạo trong nớc, % C Si S P Mn Ni Cr Mo 0,24591 0,92949 0,02072 0,03824 0,95778 0,85432 1,02158 0,02787 Cu Ti Sn Co Al V Zn Fe 0,10970 0,00688 0,00769 0,01902 0,06519 0,00755 0,00313 Còn lại - Xác định giới hạn bền của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe bằng phơng pháp mới kết hợp với kiểm tra bằng các phơng pháp truyền thống (xem bảng 7). Bảng 7. Độ bền của vật liệu mới đợc chế tạo ra trong nớc Giới hạn bền của vật liệu mới chế tạo chi tiết toa xe, MPa Số phép thử cho mỗi loại vật liệu Vật liệu qua đúc Vật liệu qua thờng hoá Vật liệu mới qua tôi Ghi chú 7 1051 1042 1588 Trị số trung bình Bảng 8. Độ dai va đập của vật liệu mới đợc chế tạo ra trong nớc Mẫu thử số Độ dai va đập, KCU, J/cm 2 Ghi chú 1, 2, 7, 9 71 Trị số trung bình sau đúc 3, 4, 5, 8 104 Trị số trung bình sau thờng hoá - Xác định cấu trúc tế vi của vật liệu chế tạo chi tiết toa xe mới bằng các phơng pháp tiên tiến nhất hiện nay nh phơng pháp hiển vi điện tử (phóng đại 2000 lần, 10000 lần, 300000 lần), phơng pháp nhiễu xạ Rơnghen, v. Kết luận v khuyến nghị CB A Sau nhiều năm nghiên cứu, đề tài đã thiết kế ra đợc 3 thành phần vật liệu mới là thép hợp kim thấp dùng để chế tạo phần lớn các chi tiết chịu lực trong toa xe, đã chế tạo ra đợc vật liệu mới tơng đơng mác thép 25CrMnSiRE có cơ tính tổng hợp cao mà giá thành không cao, đã áp dụng đợc công nghệ mới (công nghệ khuôn, công nghệ nấu luyện, công nghệ nhiệt luyện) để nâng cao chất lợng sản phẩm. Những chi tiết toa xe đợc chế thử bằng vật liệu mới qua kiểm định bằng các phơng pháp hiện đại đã đạt đợc độ bền cao gấp đôi so với chi tiết hiện tại, mà công nghệ lại đơn giản hơn, trên cơ sở đó mà thiết kế giảm tiết diện chịu lực, giúp giảm tự trọng chi tiết toa xe. Khi có điều kiện kinh phí, ngành Đờng sắt cần nghiên cứu tiếp việc cán thép hợp kim mới. Tài liệu tham khảo [1]. Lê Văn Học, Dơng Hồng Thái (1997). Tải trọng động và độ bền kết cấu toa xe. Tài liệu giảng dạy cao học, ĐH Giao thông vận tải. [2]. Phan Tử Phùng (1991). Sổ tay kỹ thuật đúc thép. NXB KHKT Hội Đúc- Luyện kim Việt Nam. [3]. Tie lu ji che che liang ke ji shou ce (2002). Zhong guo tie lu shu ban she, Bei jing, Zhong guo. [4]. MUKAND IRON & STEEL WORKS LTD (1980). MUKAND CASTINGS, INDIA . chế tạo các chi tiết toa xe cũng là vật liệu kết cấu, cho nên việc tìm cách nâng cao độ bền các chi tiết toa xe cũng nằm trong xu hớng chung tăng bền cho kết cấu, nhằm nâng cao độ an toàn tin. nghiên cứu nâng cao độ bền chi tiết toa xe trong điều kiện việt nam PGS. TS. Vũ duy lộc Bộ môn Đầu máy Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT PGS. TS các nhóm giải pháp nh trong sơ đồ hình 1. Các giải pháp nâng cao độ bền chi tiết toa xe 1. Nhóm các giải pháp cải tiến kết cấu, giảm tải trọng tác dụng lên chi tiết toa xe 2. Nhóm giải pháp