Nhiệt Luyện Lò Xo

Chi tiết kỹ thuật mác thép và quy trình tôi ram thép lò xo đàn hồi :

Hàm lượng cacbon trong thép lò xo tương đối cao (0,55-0,65%C), sau khi nhiệt luyện tôi và ram nhận được tổ chức Trustit ram, có giới hạn đàn hồi cao, được dùng chế tạo các chi tiết đàn hồi như: lò xo, nhíp, tấm đàn hồi chịu lực các loại….

* Các liên kết chung nguyên tố trong thép lò xo

Thành phần (C)Cacbon, do thường xuyên làm việc dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và va đập, yêu cầu không được biến dạng dẻo khi làm việc do vậy lượng cacbon không được quá thấp và cũng không được quá cao thường được giới hạn trong phạm vi 0,55-0,65%

Thành phần hợp kim, với thép đàn hồi, nguyên tố hợp kim chủ yếu làMn, Si khoảng 1-2% vì chúng nâng tính đàn hồi cho thép. Các nguyên tố Cr, Ni, V để nâng độ thấm tôi và ổn định đàn hồi. Để đạt được giới hạn đàn hồi cao nhất, thép được nhiệt luyện có tổ chức Trustit ram bằng cách nhiệt luyện, tôi và ram trung bình cho thép lò xo.

* Các nhóm thép lò xo :

Thép C60, C65 và mangan 60Mn, 65Mn là loại thép lò xo thường, chúng được cán kéo thành các bán thành phẩm tiết diện nhỏ như lò xo dây nhỏ dưới 10mm và được cung cấp ở trạng thái đã qua nhiệt luyện, chỉ cẩn ủ và ram sau gia công sản xuất

Thép 55Si2, 60Si2, 60SiMn có giới hạn đàn hồi cao, độ thấm tôi tốt, dùng để chế tạo lò xo nhíp cho ôtô, tàu biển, xe lửa, dây cót đồng hồ… có chiều dày tới 25mm. Khi nung nhiệt luyện phải bảo vệ để tránh thoát cacbon (C)

Thép 60Si2CrA, 60Si2Ni2A có độ thấm tôi lớn đường kính và độ dày trên 50mm, dùng để chế tạo lò xo, nhíp lớn chịu tải trọng nặng và đặc biệt quan trọng.

Đối với loại thép mác 50CrV, 50CrMnV có tính chống ram cao có thể chế tạo lò xo nhỏ chịu nhiệt tới 3000C như lò xo supap xả, lò xo trong các lò tôi cao tần, bàn ra nhiệt hoặc lò hơi…

Thành phần mác thép theo tiêu chuẩn USA :

* Mác thép lò xo 1070 : 0.65-0.75% C, 0.60-0.90% Mn, max .050% S, max .040% P

* Mác thép lò xo 1074/1075: 0.70–0.80% C, 0.50–0.80% Mn, max. 0.030% P, max. 0.035% S

* Mác thép lò xo 1080 (A228): 0.7–1.0% C, 0.2–0.6% Mn, 0.1–0.3% Si * Mác thép lò xo 1095 (A684): 0.90–1.03% C, 0.30–0.50% Mn, max. 0.030% P, max. 0.035% S * Mác thép lò xo 5160 (A689): 0.55–0.65% C, 0.75–1.00% Mn, 0.70–0.90% Cr * Mác thép lò xo 50CrV4 (EN 10277): 0.55–0.65% C, 0.75–1.00% Mn, 0.70–0.90% Cr * Mác thép lò xo 9255: 0.50–0.60% C, 0.70–0.95% Mn, 1.80–2.20% Si * Mác thép lò xo inox 301 thép lò xo không gỉ Ram: 0.08–0.15% C, max. 2.00% Mn, 16.00 - 18.00% Cr, 6.00 - 8.00% Ni[9]

Nhiệt luyện thép lò xo

Vật liệu thép lò xo đàn hồi được ứng dụng trong các chi tiết yêu cầu đồ bền, đàn hồi và khả năng chịu mỏi cao. Những yêu cầu trên được đáp ứng bởi trong các mác thép này có thành phần cacbon cao, kết hợp với các nguyên tố hợp kim hợp lý. Để đạt được cơ tính phù hợp thép phải được nhiệt luyện đúng cách đúng kỹ thuật.

Thép sau khi tôi nhiệt luyện có tổ chức 100% pha mactenxit để đạt tối đa độ bền, nhưng nó rất cứng, do đó thép sau tôi chỉ sử dụng trong một số ít các ứng dụng. Vì vậy thép sau tôi phải qua ram, ủ để tăng tính dẻo, giảm bớt độ cứng của thép, việc tăng dẻo sẽ làm tăng độ dai, va đập cho các chi tiết thép lò xo. Về mặt tổ chức thép có cấu trúc Bainit hoặc cacbit phân bố đều trên nền ferrit sau khi ram ủ.

Để nhiệt độ luyện thép lò xo, đầu tiên là quá trình Austenit hóa thép. Quá trình này có mục đích đồng nhất cacbon và các nguyên tố hợp kim. Tại nhiệt độ austenit hóa cao, giữ nhiệt trong thời gian hợp lý để tránh gây hiện tượng lớn hạt hoặc thô hạt. Lựa chọn nhiệt độ austenit hóa (nhiệt độ tôi) đầu tiên có thể căn cứ vào giản đồ pha sắt-cabon phía dưới đây.

Nhiệt độ chuyển biến của các mác thép hợp kim thấp với thành phần cacbon khoảng 0.6%C, có thể áp dụng các công thức dưới đây:

* Ac1 = 727 - 16.9ni + 29.1Si + 6.38W - 10.7Mn + 16.9Cr + 290As (ct1)

* Ac3= 910 - 203 (C)^1/2 + 44.7Si -15.2Ni + 31.5Mo + 104V - 15.2Ni + 31.5Mo + 104V + 13.1W- 30Mn +11Cr + 20Cu - 700P - 400Al - 120As - 400Ti

* Ms = 539 - 423C - 30.4Mn - 17.7Ni - 12.1Cr - 11Si - 7Mo

* Bs = 820 - 270C - 90Mn - 37Ni - 70Cr - 83Mo

* Log (CB) = 3.725C + 0.046Si + 0.626Mn + 0.706Cr +0.52Mo + 0.026Ni + 0.675Cu -1.818

Lưu ý :

* Ac1 : là nhiệt độ bắt đầu austenit hóa

* Ac3 : là nhiệt độ kết thúc austenit hóa

* Bs : nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Bainit

* CB : Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit

* CB : Tốc độ tối đa để thu được mactexnit xit (tính theo giây)

Đối với thép trước cùng tích:

* Taustenit = Ac3 + (20-40) oC

* Đối với thép sau cùng tích:

* Taustenit = Ac1 + (20-40) oC

Quy trình nhiệt luyện cụ thể cho thép lò xo dưới đây:

Về mặt thời gian giữ nhiệt nên đủ để thu được tổ chức đồng đều trên toàn chi tiết thu được tổ chức austenit. Không nên để thời gian quá dài bởi vì có thể gây ra những hiện tượng như lớn hạt, oxi hóa và thoát cacbon. Vì vậy thép phải được giữ ở nhiệt độ tôi ngắn nhất có thể.

Một quy tắc được áp dụng phổ biến là giữ nhiệt một giờ cho 1 inch chiều dày. Trong quá trình nung thép, nên được bảo vệ trong môi trường tránh thoát cacbon.

Sau khi giữ nhiệt ở nhiệt độ austenit hóa, thép lò xo được tôi với tốc độ đủ lớn (lớn hơn tốc độ nguội tới hạn) để thu được tổ chức hoàn toàn austenit. Môi trường tôi phổ biến nhất là dầu làm mát có nhiệt độ được duy trì khoảng 60ᴼC. Về dầu tôi nên được giữ độ nhớt tốt nhất để tăng tốc độ trao đổi nhiệt và không nên để lẫn nước bị trộn lẫn vào dầu.

Trong quy trình nhiệt luyện thép lò xo, bước cuối cùng là ram ủ thép, là quá trình nâng nhiệt đến nhiệt độ cao nhất nhỏ hơn nhiệt độ A1, sau đó giữ nhiệt và làm nguội, thông thường làm nguội chậm.

Bốn giai đoạn chính trong quá trình ram với yêu cầu độ bền, độ cứng và độ dai cho các ứng dụng khác nhau:

* Giai đoạn thứ nhất quá trình ram: nâng đến nhiệt độ 200ᴼC. Kết tủa ε (epxilon) sẽ giảm trong mactenxit trong mactenxit tôi.

* Giai đoạn thứ hai của quá trình ram: nhiệt độ từ 200 đến 300ᴼ C. Trong khoảng nhiệt độ này thành phần austenit giảm.

* Giai đoạn thứ ba của quá trình ram: nhiệt độ trong khoảng 200 đến 350ᴼC: Hình thành xementit và kết thúc quá trình chuyển biến ε (kết thúc cấu trúc dạng mactenxit tôi).

* Giai đoạn chuyển biến thứ 4: khoảng nhiệt độ từ 350 đến 700ᴼC. Các xementit thô và cầu được hình thành bên cạnh sự hồi phục mạng của pha ferrit.

Kết lại : Quá trình tôi và ram thép lò xo là quá trình vô cùng quan trọng quyết định đến tính ổn định và độ bền của lò xo vì vậy không thể sai xót trong bước này. Chúng ta cần tìm hiểu rõ thành phần, vật liệu đặc tính từng loại thép từng loại sản phẩm trước khi bắt tay vào làm.