Quy trình tôi luyện xích con lăn: Một yếu tố cốt lõi quyết định độ tin cậy của hệ thống truyền động

Quy trình tôi luyện xích con lăn: Một yếu tố cốt lõi quyết định độ tin cậy của hệ thống truyền động

Trong lĩnh vực truyền tải công nghiệp,xích con lănXích con lăn là bộ phận then chốt để truyền tải năng lượng và chuyển động, và hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động và an toàn của toàn bộ máy móc. Từ hệ thống truyền động hạng nặng trong máy móc khai thác mỏ đến việc truyền động chính xác của máy công cụ chính xác, từ các hoạt động trên đồng ruộng trong máy móc nông nghiệp đến việc truyền tải năng lượng trong động cơ ô tô, xích con lăn luôn đóng vai trò là “cầu nối năng lượng”. Trong sản xuất xích con lăn, tôi luyện, một bước cốt lõi trong quy trình xử lý nhiệt, giống như bước quan trọng “biến đá thành vàng”, trực tiếp quyết định độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống mài mòn và tuổi thọ của xích.

1. Tại sao tôi luyện lại là một “khóa học bắt buộc” trong sản xuất xích con lăn?

Trước khi thảo luận về quá trình tôi luyện, trước tiên chúng ta cần làm rõ: Tại sao tôi luyện xích con lăn lại cần thiết? Điều này bắt đầu từ quá trình gia công các bộ phận cốt lõi của xích: con lăn, bạc lót, chốt và các tấm nối. Sau khi tạo hình, các bộ phận quan trọng của xích con lăn thường trải qua quá trình tôi: phôi được nung nóng trên nhiệt độ tới hạn (thường là 820-860°C), giữ ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội nhanh (ví dụ, trong nước hoặc dầu) để chuyển đổi cấu trúc bên trong của kim loại thành mactenxit. Mặc dù tôi làm tăng đáng kể độ cứng của phôi (đạt HRC 58-62), nhưng nó cũng có một nhược điểm nghiêm trọng: ứng suất bên trong cực cao và độ giòn, khiến nó dễ bị gãy dưới tác động của va đập hoặc rung động. Hãy tưởng tượng việc sử dụng trực tiếp một xích con lăn đã được tôi để truyền động. Các hư hỏng như gãy chốt và nứt con lăn có thể xảy ra trong quá trình tải ban đầu, với hậu quả thảm khốc.

Quá trình tôi luyện giải quyết vấn đề "cứng nhưng giòn" sau khi tôi nguội. Phôi đã được tôi nguội được nung nóng lại đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn (thường là 150-350°C), giữ ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội từ từ. Quá trình này điều chỉnh cấu trúc bên trong của kim loại để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ cứng và độ dẻo dai. Đối với xích con lăn, tôi luyện đóng vai trò quan trọng trong ba lĩnh vực chính:

Giảm ứng suất bên trong: Giải phóng các ứng suất cấu trúc và nhiệt sinh ra trong quá trình tôi luyện, ngăn ngừa biến dạng và nứt vỡ ở phôi do sự tập trung ứng suất trong quá trình sử dụng;

Tối ưu hóa các đặc tính cơ học: Điều chỉnh tỷ lệ độ cứng, độ bền và độ dẻo dai dựa trên yêu cầu ứng dụng—ví dụ, xích cho máy móc xây dựng cần độ dẻo dai cao hơn, trong khi xích truyền động chính xác cần độ cứng cao hơn;

Ổn định cấu trúc vi mô và kích thước: Ổn định cấu trúc vi mô bên trong của kim loại để ngăn ngừa biến dạng kích thước của xích do thay đổi cấu trúc vi mô trong quá trình sử dụng, điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác truyền động.

II. Các thông số cốt lõi và điểm kiểm soát của quá trình tôi luyện xích con lăn

Hiệu quả của quá trình tôi luyện phụ thuộc vào việc kiểm soát chính xác ba thông số cốt lõi: nhiệt độ, thời gian và tốc độ làm nguội. Các tổ hợp thông số khác nhau có thể tạo ra kết quả hiệu suất khác nhau đáng kể. Quá trình tôi luyện cần được điều chỉnh phù hợp với các thành phần khác nhau của xích con lăn (con lăn, bạc lót, chốt và tấm) do đặc tính tải trọng và yêu cầu hiệu suất khác nhau của chúng.

1. Nhiệt độ tôi luyện: “Yếu tố then chốt” để kiểm soát hiệu năng
Nhiệt độ tôi luyện là yếu tố quan trọng nhất quyết định hiệu suất cuối cùng của chi tiết gia công. Khi nhiệt độ tăng, độ cứng của chi tiết giảm và độ dẻo dai tăng. Tùy thuộc vào ứng dụng của xích con lăn, nhiệt độ tôi luyện thường được phân loại như sau:
Tôi luyện ở nhiệt độ thấp (150-250°C): Chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, chẳng hạn như con lăn và bạc lót. Tôi luyện ở nhiệt độ thấp duy trì độ cứng của phôi ở mức HRC 55-60 đồng thời loại bỏ một số ứng suất bên trong, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng truyền động tần số cao, tác động thấp (chẳng hạn như bộ truyền động trục chính của máy công cụ).
Tôi luyện ở nhiệt độ trung bình (300-450°C): Thích hợp cho các chi tiết yêu cầu độ bền và độ đàn hồi cao, chẳng hạn như chốt và tấm xích. Sau khi tôi luyện ở nhiệt độ trung bình, độ cứng của phôi giảm xuống HRC 35-45, cải thiện đáng kể giới hạn chảy và giới hạn đàn hồi, cho phép nó chịu được tải trọng va đập mạnh (ví dụ: trong máy móc xây dựng và thiết bị khai thác mỏ).
Tôi luyện ở nhiệt độ cao (500-650°C): Phương pháp này hiếm khi được sử dụng cho các bộ phận cốt lõi của xích con lăn, chỉ được dùng trong các ứng dụng chuyên biệt cho các bộ phận phụ trợ yêu cầu độ bền cao. Ở nhiệt độ này, độ cứng giảm hơn nữa (HRC 25-35), nhưng độ bền va đập được cải thiện đáng kể.
Các điểm kiểm soát chính: Độ đồng đều nhiệt độ bên trong lò tôi luyện là rất quan trọng, với sự chênh lệch nhiệt độ được kiểm soát trong phạm vi ±5°C. Nhiệt độ không đồng đều có thể dẫn đến sự biến đổi đáng kể về hiệu suất trong cùng một lô sản phẩm. Ví dụ, nhiệt độ cục bộ quá cao trên các con lăn có thể tạo ra "điểm mềm", làm giảm khả năng chống mài mòn. Nhiệt độ quá thấp có thể không loại bỏ hoàn toàn các ứng suất bên trong, dẫn đến nứt vỡ.

2. Thời gian tôi luyện: Một “điều kiện đủ” cho sự biến đổi cấu trúc vi mô
Thời gian tôi luyện phải đảm bảo sự biến đổi cấu trúc vi mô đầy đủ bên trong phôi đồng thời tránh làm giảm hiệu suất do tôi luyện quá mức. Thời gian quá ngắn sẽ ngăn cản sự giải phóng hoàn toàn ứng suất bên trong, dẫn đến sự biến đổi cấu trúc vi mô không hoàn chỉnh và độ dẻo dai không đủ. Thời gian quá dài sẽ làm tăng chi phí sản xuất và cũng có thể dẫn đến giảm độ cứng quá mức. Thời gian tôi luyện cho các bộ phận xích con lăn thường được xác định bởi độ dày của phôi và tải trọng lò:
Các bộ phận thành mỏng (như tấm xích, dày 3-8mm): Thời gian tôi luyện thường là 1-2 giờ;
Các chi tiết có thành dày (như con lăn và chốt, đường kính 10-30mm): Thời gian tôi luyện nên kéo dài đến 2-4 giờ;
Đối với khối lượng vật liệu lớn hơn trong lò, thời gian tôi luyện cần được tăng thêm 10%-20% để đảm bảo truyền nhiệt đều đến lõi của phôi.
Các điểm kiểm soát chính: Sử dụng phương pháp "tăng nhiệt độ từng bước" có thể tối ưu hóa hiệu quả tôi luyện—trước tiên hãy tăng nhiệt độ lò lên 80% nhiệt độ mục tiêu, giữ trong 30 phút, sau đó tăng lên đến nhiệt độ mục tiêu để tránh tạo ra ứng suất nhiệt mới trong phôi do tăng nhiệt độ nhanh.

3. Tốc độ làm mát: “Tuyến phòng thủ cuối cùng” để đảm bảo hiệu năng ổn định
Tốc độ làm nguội sau khi tôi có tác động tương đối nhỏ đến hiệu năng của phôi, nhưng vẫn cần được kiểm soát đúng cách. Thông thường, người ta sử dụng phương pháp làm nguội bằng không khí (làm nguội tự nhiên) hoặc làm nguội bằng lò (làm nguội trong lò):

Sau quá trình tôi luyện ở nhiệt độ thấp, phương pháp làm nguội bằng không khí thường được sử dụng để nhanh chóng giảm nhiệt độ xuống nhiệt độ phòng và tránh tiếp xúc lâu với nhiệt độ trung bình, điều này có thể dẫn đến mất độ cứng.

Nếu cần độ dẻo dai cao hơn sau khi tôi ở nhiệt độ trung bình, có thể sử dụng phương pháp làm nguội trong lò. Quá trình làm nguội chậm giúp tinh chỉnh kích thước hạt hơn nữa và cải thiện khả năng chống va đập.

Các điểm kiểm soát chính: Trong quá trình làm nguội, điều quan trọng là phải tránh sự tiếp xúc không đều giữa bề mặt phôi và không khí, điều này có thể dẫn đến quá trình oxy hóa hoặc khử cacbon. Có thể đưa các khí bảo vệ như nitơ vào lò tôi hoặc phủ lớp chống oxy hóa lên bề mặt phôi để đảm bảo chất lượng bề mặt.

III. Các vấn đề thường gặp về tôi luyện xích con lăn và giải pháp

Ngay cả khi đã hiểu rõ các thông số cốt lõi, các vấn đề về chất lượng tôi luyện vẫn có thể xảy ra trong quá trình sản xuất thực tế do các yếu tố như thiết bị, vận hành hoặc vật liệu. Sau đây là bốn vấn đề phổ biến nhất gặp phải trong quá trình tôi luyện xích con lăn và các giải pháp tương ứng:

1. Độ cứng không đủ hoặc không đồng đều

Triệu chứng: Độ cứng của phôi thấp hơn yêu cầu thiết kế (ví dụ: độ cứng của con lăn không đạt HRC 55), hoặc sự chênh lệch độ cứng giữa các phần khác nhau của cùng một phôi vượt quá HRC 3. Nguyên nhân:
Nhiệt độ tôi luyện quá cao hoặc thời gian giữ quá lâu;
Sự phân bố nhiệt độ trong lò tôi luyện không đồng đều;
Tốc độ làm nguội phôi sau khi tôi không đủ, dẫn đến sự hình thành mactenxit không hoàn chỉnh.
Giải pháp:
Hiệu chỉnh cặp nhiệt điện của lò tôi luyện, thường xuyên theo dõi sự phân bố nhiệt độ bên trong lò và thay thế các ống gia nhiệt đã cũ;
Kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và thời gian theo bảng quy trình và sử dụng phương pháp giữ nhiệt theo từng giai đoạn;
Tối ưu hóa quy trình tôi và làm nguội để đảm bảo làm nguội nhanh chóng và đồng đều phôi.

2. Ứng suất bên trong không được loại bỏ, dẫn đến nứt vỡ trong quá trình sử dụng.
Triệu chứng: Trong quá trình lắp đặt và sử dụng xích lần đầu, chốt hoặc tấm xích có thể bị gãy đột ngột, không có dấu hiệu báo trước, do gãy giòn.
Nguyên nhân:
Nhiệt độ tôi quá thấp hoặc thời gian giữ quá ngắn, dẫn đến việc giải phóng ứng suất bên trong không đầy đủ;
Phôi không được tôi luyện kịp thời sau khi làm nguội (quá 24 giờ), dẫn đến tích tụ ứng suất bên trong. Giải pháp:
Tăng nhiệt độ tôi luyện một cách thích hợp dựa trên độ dày của phôi (ví dụ: từ 300°C lên 320°C đối với các chi tiết nhỏ) và kéo dài thời gian giữ nhiệt.
Sau khi tôi, phôi phải được ram trong vòng 4 giờ để tránh tích tụ ứng suất kéo dài.
Sử dụng quy trình "ủ ​​nhiệt lần thứ hai" cho các bộ phận quan trọng (sau khi ủ nhiệt lần đầu, làm nguội đến nhiệt độ phòng rồi ủ lại ở nhiệt độ cao hơn) để loại bỏ thêm ứng suất dư.

3. Quá trình oxy hóa và khử cacbon bề mặt

Triệu chứng: Một lớp oxit màu xám đen xuất hiện trên bề mặt phôi, hoặc máy đo độ cứng cho thấy độ cứng bề mặt thấp hơn độ cứng lõi (lớp khử cacbon dày hơn 0,1mm).
Gây ra:
Lượng không khí quá nhiều trong lò tôi luyện gây ra phản ứng giữa phôi và oxy.
Thời gian tôi luyện quá lâu khiến cacbon khuếch tán và bay hơi khỏi bề mặt. Giải pháp: Sử dụng lò tôi luyện kín với môi trường bảo vệ bằng nitơ hoặc hydro để kiểm soát hàm lượng oxy trong lò xuống dưới 0,5%. Giảm thời gian tôi luyện không cần thiết và tối ưu hóa phương pháp nạp phôi vào lò để tránh tình trạng quá tải. Đối với các phôi bị oxy hóa nhẹ, hãy thực hiện phun bi sau khi tôi luyện để loại bỏ lớp vảy trên bề mặt.

4. Biến dạng kích thước

Triệu chứng: Độ méo hình oval quá mức của con lăn (vượt quá 0,05mm) hoặc các lỗ trên tấm xích bị lệch.

Nguyên nhân: Tốc độ nung nóng hoặc làm nguội quá nhanh trong quá trình tôi luyện tạo ra ứng suất nhiệt dẫn đến biến dạng.

Việc đặt phôi không đúng cách trong quá trình nạp vào lò nung dẫn đến ứng suất không đồng đều.

Giải pháp: Sử dụng phương pháp gia nhiệt chậm (50°C/giờ) và làm nguội chậm để giảm ứng suất nhiệt.

Thiết kế các đồ gá chuyên dụng để đảm bảo phôi được giữ tự do trong quá trình tôi luyện nhằm tránh biến dạng do nén.

Đối với các chi tiết có độ chính xác cao, cần thêm bước nắn thẳng sau khi tôi luyện, sử dụng phương pháp nắn thẳng bằng áp lực hoặc xử lý nhiệt để điều chỉnh kích thước.

IV. Kiểm tra chất lượng và tiêu chí chấp nhận quy trình tôi luyện

Để đảm bảo các bộ phận của xích con lăn đáp ứng yêu cầu về hiệu suất sau khi tôi luyện, cần phải thiết lập một hệ thống kiểm tra chất lượng toàn diện, tiến hành kiểm tra toàn diện trên bốn khía cạnh: hình thức bên ngoài, độ cứng, tính chất cơ học và cấu trúc vi mô.

1. Kiểm tra ngoại quan

Nội dung kiểm tra: Các khuyết tật bề mặt như vảy, vết nứt và vết lõm.

Phương pháp kiểm tra: Kiểm tra bằng mắt thường hoặc kiểm tra bằng kính lúp (độ phóng đại 10x).

Tiêu chí chấp nhận: Bề mặt không có vảy, vết nứt hoặc gờ sắc nhọn, và màu sắc đồng nhất.

2. Kiểm tra độ cứng

Nội dung kiểm tra: Độ cứng bề mặt và độ đồng đều độ cứng.

Phương pháp kiểm tra: Sử dụng máy đo độ cứng Rockwell (HRC) để kiểm tra độ cứng bề mặt của con lăn và chốt. Lấy ngẫu nhiên 5% số sản phẩm từ mỗi lô và kiểm tra tại ba vị trí khác nhau trên mỗi sản phẩm.

Tiêu chí chấp nhận:

Con lăn và bạc lót: Độ cứng HRC 55-60, với sự chênh lệch độ cứng ≤ HRC3 trong cùng một lô sản xuất.

Chốt và tấm xích: HRC 35-45, với sự chênh lệch độ cứng ≤ HRC2 trong cùng một lô. 3. Kiểm tra tính chất cơ học

Nội dung thử nghiệm: Độ bền kéo, độ dai va đập;

Phương pháp thử nghiệm: Các mẫu chuẩn được chuẩn bị từ một lô phôi mỗi quý để thử nghiệm độ bền kéo (GB/T 228.1) và thử nghiệm độ bền va đập (GB/T 229);

Tiêu chí chấp nhận:

Độ bền kéo: Chốt ≥ 800 MPa, Xích ≥ 600 MPa;

Độ bền va đập: Chốt ≥ 30 J/cm², Xích ≥ 25 J/cm².

4. Kiểm tra cấu trúc vi mô

Nội dung kiểm tra: Cấu trúc bên trong là mactenxit tôi luyện đồng nhất và bainit tôi luyện;

Phương pháp thử nghiệm: Các mặt cắt ngang của phôi được cắt, đánh bóng và khắc axit, sau đó được quan sát bằng kính hiển vi luyện kim (độ phóng đại 400x);

Tiêu chí chấp nhận: Cấu trúc đồng nhất, không có cacbua mạng lưới hoặc hạt thô, và độ dày lớp khử cacbon ≤ 0,05 mm.

V. Xu hướng ngành: Hướng phát triển của các quy trình tôi luyện thông minh

Với sự phổ biến rộng rãi của các công nghệ Công nghiệp 4.0, quy trình tôi luyện xích con lăn đang phát triển theo hướng thông minh, chính xác và thân thiện với môi trường. Sau đây là ba xu hướng chính đáng chú ý:

1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ thông minh

Sử dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT), nhiều bộ cảm biến nhiệt độ hồng ngoại và cặp nhiệt điện độ chính xác cao được đặt bên trong lò tôi để thu thập dữ liệu nhiệt độ theo thời gian thực. Sử dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI), công suất gia nhiệt được tự động điều chỉnh để đạt được độ chính xác kiểm soát nhiệt độ trong phạm vi ±2°C. Hơn nữa, hệ thống ghi lại đường cong tôi luyện cho mỗi mẻ sản phẩm, tạo ra hồ sơ chất lượng có thể truy xuất nguồn gốc.

2. Mô phỏng quy trình kỹ thuật số

Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (như ANSYS), trường nhiệt độ và ứng suất của phôi trong quá trình tôi luyện được mô phỏng để dự đoán biến dạng tiềm tàng và hiệu suất không đồng đều, từ đó tối ưu hóa các thông số quy trình. Ví dụ, mô phỏng có thể xác định thời gian tôi luyện tối ưu cho một loại trục lăn cụ thể, tăng hiệu quả lên 30% so với các phương pháp thử và sai truyền thống.
3. Các quy trình thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng

Phát triển công nghệ tôi luyện ở nhiệt độ thấp, thời gian ngắn giúp giảm nhiệt độ tôi luyện và tiêu thụ năng lượng bằng cách thêm chất xúc tác. Triển khai hệ thống thu hồi nhiệt thải để tái sử dụng nhiệt từ khí thải nhiệt độ cao thải ra từ lò tôi luyện để làm nóng sơ bộ phôi, đạt được mức tiết kiệm năng lượng hơn 20%. Hơn nữa, thúc đẩy việc sử dụng lớp phủ chống oxy hóa hòa tan trong nước thay thế cho các lớp phủ gốc dầu truyền thống giúp giảm phát thải VOC.