29/09/2021
1
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chương 4. Nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chương 4. Nhiệt luyện thép
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện
4.2. Nhiệt luyện sơ bộ. Ủ và thường hóa
4.3. Tôi và ram thép
4.4. Hóa bền bề mặt
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Sơ đồ nhiệt luyện thép
a) Định nghĩa: Nhiệt luyện thép là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và là
m nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức biến đổi tính chất theo yêu cầu
Đặc điểm:
- Không làm nóng chảy, biến dạng chi tiết
- Đánh giá bằng kết quả biến đổi tổ chức tế vi và cơ tính
b) Các yếu tố đặc trưng
-Các thông số chính:
+ Nhiệt độ nung, T
+ Thời gian giữ nhiệt,
gn
+ Tốc độ nguội, V
ng
-Các chỉ tiêu đánh giá kết quả
+ Tổ chức tế vi (cấu tạo pha,
chiều sâu lớp hóa bền…)
+ Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai
+ Độ cong vênh biến dạng
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Sơ đồ nhiệt luyện thép
c) Phân loại nhiệt luyện thép:
-Nhiệt luyện: chỉ dùng tác động nhiệt làm thay đổi tổ chức, tính ch
ất, bao gồm: ủ, thường hóa, tôi + ram
-Hóa nhiệt luyện: kết hợp thấm các nguyên tố làm thay đổi thành
phần hóa học lớp bề mặt và nhiệt luyện, cải thiện cơ tính: thấm C,
C-N, Al, Co, B…
-Cơ nhiệt luyện: kết hợp biến dạng dẻo ở trạng thái austenit và nhi
ệt luyện tạo tổ chức nhỏ mịn, cơ tính tổng hợp cao nhất
Vai trò của nhiệt luyện trong sản xuất cơ khí
- Tăng độ cứng, tính chóng mài mòn và độ bền của thép: tăng tuổi t
họ, giảm kích thước, khối lượng kết cấu
- Cải thiện tính công nghệ: nhiệt luyện sơ bộ tạo cơ tính phù hợp vớ
i điều kiện gia công
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội
Chuyển biến tạo thành austenit
Dựa vào GĐP Fe-Fe
3
C:
- T < Ac
1
: không có chuyển biến gì
- T = Ac
1
: chuyển biến P
[Fe
+ Xe]
0,8%C
Fe
(C)
0,8%C
- Trên đường GSE: tổ chức một pha
Đặc điểm chuyển biến P
- V
nung
lớn : T
nung
cao
- T
nung
cao:
cb
ngắn
- V
2
> V
1
: T bắt đầu và kết thúc chuyển
biến cao hơn, thời gian chuyển biến
ngắn hơn
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến tạo thành austenit
Kích thước hạt austenit: Hạt austenit tạo thành càng nhỏ các tổ chức
nhận được sau khi nguội càng nhỏ mịn với cơ tính cao hơn
Cơ chế chuyển biển P
- Tạo mầm (mầm được sinh ra trên biên giới pha F và Xe
- Phát triển mầm như trong kết tinh
Chế chuyển biển P làm nhỏ hạt thép
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
1 2
3 4
5 6
29/09/2021
2
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến tạo thành austenit
Kích thước hạt austenit phụ thuộc vào:
- Kích thước tổ chức P ban đầu
- Tăng V
nung
: hạt nhỏ
- Tăng T
nung
: hạt lớn
- Tăng
gn
: hạt lớn
- Bản chất của thép: bản chất hạt nhỏ,
bản chất hạt lớn
Mục đích của giữ nhiệt:
- Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn bộ tiết diện
- Để chuyển biến xảy ra hoàn toàn
- Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến khi nguội chậm austenit
a) Chuyển biến đẳng nhiệt A quá nguội
Giản đồ T-T-T của thép cùng tích
[1]: aunstenit ổn định, [2]: austenit quá nguội
[3]: austenit đang chuyển biến
[4]: Hỗn hợp F+Xe, [5]: mactenxit +
dư
-Chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội:
+ T = 700
0
C: Peclit, 10-15HRC
+ T = 650
0
C: Xoocbit, 25-35HRC
+ T = 500-600
0
C: Trôxtit, 40HRC
+ T = 250-450
0
C: Bainit, 50-55HRC
-Đặc điểm:
+ P, X, T, B có bản chất giống nhau là hỗn hợp cơ học cùng
tích của ferit và xemantit tấm: độ quá nguội tăng, số
lượng mầm tăng, tấm càng nhỏ mịn, độ cứng càng cao
+ Nguội đẳng nhiệt nhận được tổ
chức đồng đều trên toàn bộ tiết diện
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến khi nguội chậm austenit
b) Sự phân hóa austenit khi nguội liên tục
- V1 Peclit
- V2 Xoocbit
- V3 Trôxtit
- V4 Bainit + Mactenxit
- Vth Mactenxit
- V
5
Mactenxit
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Đặc điểm:
- Tổ chức nhận được phụ thuộc vào Vnguội
- Với chi tiết lớn tổ chức nhận được
không đồng nhất
- Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn bainit
bằng cách nguội đẳng nhiệt
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến khi nguội chậm austenit
c) Chuyển biến đẳng nhiệt A quá nguội
Giản đồ T-T-T của thép khác cùng tích
Đường cong chữ C có thêm nhánh
phụ, dịch sang trái một chút
- Khi nguội đẳng nhiệt với độ quá
nguội nhỏ (nguội chậm liên tục V
2
) sẽ
tiết ra F(Xê) trước khi gặp nhánh phụ
- Khi nguội đẳng nhiệt với độ quá
nguội lớn (nguội liên tục đủ nhanh,
V
3
) tổ chức cuối vẫn nhận được
xoocbit, trôxtit, bainit
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến mactenxit
V > V
th
: M
a) Bản chất của mactenxit
- Dung dịch rắn quá bão hòa C trong Fe
- Kiểu mạng chính phương tâm khối, c/a = 1,002-
1,06
- Xô lệch mạng lớn nên M có độ cứng cao
b) Đặc điểm chuyển biến M:
- Xảy ra khi nguội nhanh và liên tục austenit, V >
V
th
- Chuyển biến không khuếch tán
- Chỉ xảy ra trong khoảng nhiệt độ bắt đầu M
đ
và
kết thúc M
f
- Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến mactenxit
c) Cơ tính mactenxit
- Độ cứng: %C tăng, độ cứng tăng
+ %C < 0,2%: < 40HRC
+ %C = 0,4-0,5%: > 50HRC
+ %C > 0,6%: > 60HRC
- M có tính giòn cao, phụ thuộc vào:
+ Kim M nhỏ mịn, tính giòn thấp
+ Ứng suất dư nhỏ, tính giòn thấp
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
7 8
9 10
11 12
29/09/2021
3
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
])([)( 4,20,24,025,08,0 CFeCFeCFe
Chuyển biến xảy ra khi ram
a) Tính không ổn định của mactenxit và austenit
- Tổ chức thép tôi: M +
dư
F + Xe (ổn định ở nhiệt độ thường) thông qua tổ
chức trung gian, M
ram
:
(M +
dư
) M
ram
F + Xe
b) Các giai đoạn của chuyển biến xảy ra khi ram (thép 0,8%C đã tôi)
Giai đoạn I (T < 200
0
C):
- T < 80
0
C chưa có chuyển biến
- 80 < T < 200
0
C: M tiết ra cacbit Fe
2,0-2,4
C;
dư
chưa chuyển biến
- Tổ chức nhận được M
ram
+
dư
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến xảy ra khi ram
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
b) Các giai đoạn của chuyển biến xảy ra khi ram (thép 0,8%C đã tôi)
Giai đoạn II (200 - 260
0
C)
- Cacbon tiếp tục tiết ra từ M
- Austenit dư chuyển biến thành mactenxit ram:
- Tổ chức M
ram
có độ cứng thấp hơn M
tôi
Giai đoạn III (260 - 400
0
C):
- M
ram
chuyển biến thành hỗn hợp F + Xe
Fe
(C)
0,15-0,2
Fe
+ Fe
3
C (hạt)
Fe
2,0-2,4
(C) Fe
3
C (hạt)
])([)( 4,20,22,015,08,0 CFeCFeCFe
Hỗn hợp Fe
và Xe nhỏ mịn
phân tán: Trôxtit ram:
Tính đàn hồi lớn nhất
Không còn ứng suất dư
])([)( 4,20,22,015,08,0 CFeCFeCFe
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
Chuyển biến xảy ra khi ram
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
b) Các giai đoạn của chuyển biến xảy ra khi ram (thép 0,8%C đã tôi)
Giai đoạn IV (> 400
0
C)
- Xảy ra quá trình kết tụ của hạt Xe
- Ở nhiệt độ 500-600
0
C tổ chức xoocbit ram:
đh
, a
k
lớn nhất
- Gần A
1
(727
0
C): hỗn hợp F + Xe hạt thô hơn (tổ chức peclit hạt)
Kết luận:
- Khi ram xảy ra quá trình phân hủy M
tôi
giảm độ cứng, giảm ứng suất bên
trong
- Thay đổi nhiệt độ ram có thể đạt được cơ tính khác nhau phù hợp theo yêu
cầu làm việc
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.2. Nhiệt luyện sơ bộ. Ủ và thường hóa
K/n nhiệt luyện sơ bộ: nhiệt luyện sơ bộ là phương pháp nhiệt luyện n
hằm tạo tổ chức và cơ tính phù hợp cho gia công tiếp theo
a) Ủ thép
Đ/n: nung nóng, giữ nhiệt, nguội chậm cùng lò nhận được tổ chức cân
bằng có độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao
Mục đích:
- Giảm độ cứng dễ gia công cắt
- Tăng độ dẻo dễ gia công biến dạng
- Giảm hay mất ứng suất dư
- Làm đồng đều thành phần hóa học
- Làm nhỏ hạt
Phân loại: Hai nhóm: ủ chuyển pha và ủ không có chuyển biến pha
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.2. Nhiệt luyện sơ bộ. Ủ và thường hóa
a) Ủ thép
Phân loại:
-Ủ có chuyển biến pha:
+ T > Ac1: có chuyển biến P làm nhỏ hạt
+ Ủ hoàn toàn: (áp dụng cho thép trước cùng tích)
T = Ac3+ (20-300C)
Tổ chức nhận được F + Ptấm
Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng (160-200HB),
tăng dẻo
+ Ủ không hoàn toàn (áp dụng cho thép %C > 0,7%)
T = Ac1+ (20-300C)
Tổ chức nhận được peclit hạt
Mục đích: giảm độ cứng (< 200HB), không áp dụng
cho thép trước cùng tích (giảm độ dai)
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.2. Nhiệt luyện sơ bộ. Ủ và thường hóa
a) Ủ thép
Phân loại:
-Ủ có chuyển biến pha:
+ Ủ cầu hóa: dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn đẩy nhanh quá trình cầu hóa
Xe tạo P hạt
+ Ủ đẳng nhiệt: cho thép hợp kim cao, dù nguội chậm không nhận được tổ chứ
c P đủ mềm
T = Ac
1
+ 50
0
C
+ Ủ khuếch tán: làm đồng đều thành phần hóa học thép hợp kim cao bị thiên tí
ch sau đúc
T = 1100-1150
0
C, 10-15h
13 14
15 16
17 18
29/09/2021
4
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
a) Ủ thép
Phân loại:
-Ủ không có chuyển biến pha:
+ T < Ac
1
: không có chuyển biến P
+ Ủ thấp (200-600
0
C): làm giảm hoặc khử ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc,
gia công cơ), không làm giảm độ cứng
+ Ủ kết tinh lại (T
ủ
> T
ktl
): khôi phục lại tính chât sau biến dạng dẻo
4.2. Nhiệt luyện sơ bộ. Ủ và thường hóa
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.2. Nhiệt luyện sơ bộ. Ủ và thường hóa
b) Thường hóa thép
Đ/n:
- Nung nóng đến trạng thái hoàn toàn austenit, giữ nhiệt, nguội ngoài không
khí tĩnh
- Tổ chức nhận được gần ổn định, độ cứng tương đối thấp, cao hơn ủ
- Nhiệt độ: Thép TCT: T = Ac
3
+ (30-50
0
C), thép SCT T = Ac
cm
+ (30-50
0
C)
Mục đích:
- Đạt độ cứng cho gia công cơ (%C
<0,25%)
- Làm nhỏ hạt Xe trước khi nhiệt luyện
- Làm mất lưới XeII của thép sau cùng
tích
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
a) Tôi thép
Đ/n: Nung nóng trên đường Ac
1
đạt được tổ chức , giữ nhiệt, làm n
guội nhanh với tốc độ thích hợp nhận được tổ chức M hay các tổ
chức cân bằng khác với độ cứng cao hơn
Mục đích:
- Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn
- Nâng cao độ bền và sức chịu tải
Chọn nhiệt độ tôi:
- Thép trước cùng tích và cùng tích:
T
tôi
= Ac
3
+ (30-50
0
C)
- Thép sau cùng tích:
T
tôi
= Ac
1
+ (30-50
0
C)
- Thép hợp kim: HK thấp theo thép C, HK cao theo sách tra cứu
P[+Fe
3
C]
A
3
A
cm
A
1
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
a) Tôi thép
Tốc độ nguội tới hạn: tốc độ nguội nhỏ nhất V
th
xảy ra chuyến biến M
- Tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ càng dễ tôi thấu, đạt độ cứng cao, biến dạng nhỏ và
không bị nứt
T
m
,
m
nhiệt độ và thời gian ứng với austenit kém ổn định nhất
- Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi
tới hạn:
+ Thành phần nguyên tố hợp kim của
austenit, giảm V
th
+ Sự đồng nhất của , giảm V
th
+ Kích thước hạt lớn, giảm V
th
+ Các phần tử rắn chưa hòa tan hết vào
, tăng V
th
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
a) Tôi thép
Độ thấm tôi: chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức: 50%M + 50%T
- Biểu thị khả năng hóa bền của vật liệu
- Các yếu tố ảnh hưởng:
+ Tốc độ nguội tới hạn
+ Tốc độ làm nguội chi tiết
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
a) Tôi thép
Tính thấm tôi và tính tôi cứng
- Tính thấm tôi: %ntHK càng cao thì tính thấm tôi càng cao
- Tính tôi cứng: %C càng cao tính tôi cứng càng lớn
0,4%C 0,4%C + 1%Cr 0,4%C + 1%Cr
+ 0,18%Mo
19 20
21 22
23 24
29/09/2021
5
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
a) Tôi thép
Các phương pháp tôi thể tích và công dụng
Tôi trong một môi trường:
+ Làm nguội nhanh trong một môi trường thích hợp
+ Tổ chức sau tôi là M
+ Chi tiết không bị cong vênh
+ Kinh tế và an toàn
Tôi trong hai môi trường:
Làm nguội trong hai môi trường khác nhau
+ GĐ I: nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh hơn (nước, dung dịch muối…) đến 300-400
0
C
+ GĐ II: nguội chậm trong môi trường yếu hơn (dầu, không khí…)
+ ƯĐ: ít gây biến dạng, nứt chi tiết
+ NĐ: Khó xác định thời điểm chuyển tiếp
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
a) Tôi thép
Các phương pháp tôi thể tích và công dụng
Tôi phân cấp:
+ Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm
M
S
khoảng 50-100
0
C rồi làm nguội trong
không khí để chuyển biến M
+ ƯĐ: khắc phục được khó khăn về xác định
chuyển môi trường, đạt độ cứng cao, ứng
suất bên trong nhỏ, ít biến dạng;
+ NĐ: năng suất thấp chỉ áp dụng chỉ áp dụng
cho thép có V
th
nhỏ và với chi tiết nhỏ: mũi
khoan, taro, dao phay…
Tôi đẳng nhiệt:
+ Khác tôi phân cấp, giữ nhiệt lâu hơn
+ Tùy thuộc nhiệt: 250-400
0
C: bainit, 500-600
0
C: trôxtit
+ Sau tôi đẳng nhiệt không cần ram
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
a) Tôi thép
Các phương pháp tôi thể tích và công dụng
Gia công lạnh (khử austenit dư)
Áp dụng cho hợp kim, %C cao, có điểm M
s
và M
f
thấp, lượng
austenit dư nhiều
Tôi tự ram
Làm nguội không triệt để
a) Nhiệt độ cao
Cơ nhiệt luyện
- Kết hợp: biến dạng dẻo và tôi ngay
- Nhiệt độ cao: biến dạng T > A
3
- Nhiệt độ thấp: T < T
ktl
b) Nhiệt độ thấp
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
b) Ram thép
K/n:
- Nguyên công bắt buộc cho thép sau tôi
- Nung nóng thép đến nhiệt độ xác định (< Ac
1
), làm nguội ng
oài không khí
Mục đích:
- Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất tránh cho thép bị giòn
sau tôi
- Điều chỉnh cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc
Các phương pháp ram:
- Ram thấp (150-250
0
C):
+ Tổ chức M ram
+ Độ cứng giảm ít so với M tôi
+ Ứng dụng cho các chi tiết cần độ cứng, tính chống mài mòn
cao
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
b) Ram thép
Các phương pháp ram:
- Ram trung bình (300-450
0
C), áp dụng cho thép %C = (0,55-0,65%)
+ Tổ chức sau ram: trôxtit ram
+ Độ cứng giảm rõ rệt so với M tôi nhưng giới hạn đàn hồi đạt giá giá trị lớn nhất
+ Khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong
+ Ứng dụng cho chi tiết cần độ cứng tương đối cao và độ đàn hồi cao
Hanoi University of Science and Technology www.hust.edu.vn
HUST – MSE
4.3. Tôi và ram thép
b) Ram thép
Các phương pháp ram:
- Ram cao (500-650
0
C), áp dụng cho thép %C =
0,3-0,5%
+ Tổ chức sau ram: Xoocbit ram
+ Cơ tính tổng hợp cao nhất (nhiệt luyện hóa tốt)
+ Ứng dụng cho chi tiết cần giới hạn bền, giới hạ
n chảy và độ dai va đập cao
Dạng nhiệt luyện Cơ tính
b
, MPa
0,2
, MPa , %, %a
K
, kJ/m
2
Ủ 840
0
C530 280 32,5 50 900
Thường hóa 850
0
C650 320 15 40 500
Tôi 850
0
C + ram 200
0
C1100 720 8 12 300
Tôi 850
0
C + ram 650
0
C 720 450 22 55 1400
Thép 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau
25 26
27 28
29 30