CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT NHIỆT LUYỆN THÉP

Chia sẻ: Nguyễn Hữu Lâmil.com | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

1.975
lượt xem 386
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhiệt luyện thép: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức, do đó tính chất theo yêu cầu. Đặc điểm: Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép, Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 4: LÝ THUYẾT NHIỆT LUYỆN THÉP

CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN THÉP 4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP 4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép 4.1.1.1. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức, do đó tính chất theo yêu cầu. Đặc điểm: - Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép - Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất. 4.1.1.2. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện Ba thông số quan trọng nhất (hình 4.1): 0 - Nhiệt độ nung nóng: Tn - Thời gian giữ nhiệt: Tgn - Tốc độ nguội Vnguội sau khi giữ nhiệt Các chỉ tiêu đánh giá kết quả: + Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền...là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất. Hình 4.1. Sơ đồ của quá trình nhiệt luyện đơn giản nhất + Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai. + Độ cong vênh, biến dạng. 4.1.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép 1. Nhiệt luyện: thường gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tính chất gồm nhiều phương pháp: ủ, thường hoá, tôi, ram. 2. Hóa - nhiệt luyện: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở bề mặt rồi nhiệt luyện tiếp theo để cải thiện hơn nữa tính chất của vật liệu: Thấm đơn hoặc đa nguyên tố: C,N,.. 3. Cơ - nhiệt luyện: là biến dạng dẻo thép ở trạng thái γ sau đó tôi và ram để nhận được tổ chức M nhỏ mịn có cơ tính tổng hợp cao nhất, thường ở xưởng cán nóng thép, luyện kim. 4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí 4.1.2.1. Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép: phát huy triệt để các tiềm năng của vật liệu: bền, cứng, dai… do đó giảm nhẹ kết cấu, tăng tuổi thọ,..
4.1.2.2. Cải thiện tính công nghệ Phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ biến dạng,… 4.1.2.3. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí - Nặng nhọc, độc → cơ khí hóa, tự động hóa, chống nóng, độc - Phải được chuyên môn hóa cao → bảo đảm chất lượng sản phẩm và năng suất - Tiêu phí nhiều năng lượng → phương án tiết kiệm được năng lượng - Là khâu sau cùng, thường không thể bỏ qua, do đó quyết định tiến độ chung, chất lượng và giá thành sản phẩm của cả xí nghiệp. 4.2. CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP 4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 4.2.1.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung Dựa vào giản đồ pha Fe - C, hình 4.2: ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản: F và Xê (trong đó P =[F+Xê]). -Thép cùng tích: có tổ chức đơn giản là P -Thép trước và sau cùng tích: P+F và P+XêII Khi nung nóng: + Khi T< A1 → chưa có chuyển biến gì; + Khi T= Ac1, P → γ theo phản ứng: Thép CT: [Fea + Xê]0,80%C → γ 0,80%C Thép TCT và SCT: F và XêII không thay đổi: + Khi T> Ac1: F và XêII tan vào γ nhưng không hoàn toàn; + Khi T> Ac3 và Acm: F và XêII tan hoàn toàn vào γ Trên đường GSE mọi thép đều có tổ chức γ 4.2.1.2. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit Hình 4.2. Giản đồ pha Fe-C Nhiệt độ & thời gian chuyển biến: (hình (phần thép) 4.3) Vnung càng lớn thì T chuyển biến càng cao. Tnung càng cao, khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn. Tốc độ nung V2 > V1, thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến ở càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn. Hình 4.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P của thép cùng tích
Kích thước hạt austenit: Ý nghĩa: Hạt γ càng nhỏ → M(hoặc tổ chức khác) có độ dẻo, dai cao hơn. Cơ chế chuyển biến: P → γ : cũng tạo và phát triển mầm như kết tinh (hình 4.4), nhưng do bề mặt phân chia giữa F-Xê rất nhiều nên số mầm rất lớn → hạt γ ban đầu rất nhỏ mịn (
đường cong chữ “C”. Khi γ bị nguội (tức thời) dưới 727oC nó chưa chuyển biến ngay được gọi là γ quá nguội, không ổn định. Giản đồ có 5 vùng: - Trên 727 C là khu vực tồn tại của γ ổn định o - Bên trái chữ "C" đầu tiên - vùng γ quá nguội - Giữa hai chữ "C" γ đang chuyển biến (tồn tại cả ba pha γ , F và Xe) - Bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt γ quá nguội là hỗn hợp: F - Xê vớ i mứ c đ ộ nhỏ mịn khác nhau Giữ γ quá nguội ở sát A1: (T~ 700oC, DT0 nhỏ, ~25oC): Peclit (tấm), HRC 10 ÷ 15. + (T~ 650oC, DT0 ~ 75oC): Xoocbit tôi, HRC 25 ÷ 35.
o + T ~ đỉnh lồi chữ “C“ (khoảng 500 ÷ 600 C): Trôxtit, HRC 40. Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán. + Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt: ~450 ÷ 250oC: Bainit, HRC 50 ÷ 55, Được coi là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá Hình 4.6. giản đồ T-T-T của Fe2,4-3C,có ể tích bão hòa cacbon (0,10%),Xê là thép cùng th một lượng nhỏ γ (dư), trung gian (giữa P và M). Từ peclit (tấm), xoocbit, trôxtit cho tới bainit độ quá nguội tăng lên → mầm càng nhiều → tấm càng nhỏ mịn hơn và độ
cứng càng cao hơn. Tóm lại: chuyển biến ở sát A1 được peclit, ở phần lồi được trôxtit, ở giữa hai mức xoocbit, phí a dưới được bainit. Làm nguội đẳng nhiệt nhận được tổ chức đồng nhất trên tiết diện. 4.2.3.2. Sự phân hóa g khi làm nguội liên tục Cũng xét giản đồ chữ “C” (hình 4.7) như chuyển biến đẳng nhiệt. Đặc đi V1: trên hình 4.7,ở sát A1: gđ peclit tấm, V2: (làm nguội trong k/khí tĩnh) → xoocbit. Hình 4.7. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích với V1 < V2 < V3
Đặc điểm 2: Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện Đặc điểm 3: Không đạt được tổ chức hoàn toàn bainit (B) (chỉ có thể T+B hoặc T+B+M) vì nửa dưới chữ “C” lõm vào Đặc điểm 4: Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon, thép hợp kim đường cong chữ "C" dịch sang phải do đó: + Vth có thể rất nhỏ. Ví dụ, thép gió tôi trong gió. + Tổ chức đồng nhất ngay cả đối với tiết diện lớn. 4.2.3.3. Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích + Thép trước và sau cùng tích, có thêm nhánh phụ (hình 4.9) biểu thị sự tiết ra F (TCT) hoặc XêII (SCT), có thêm đường 3 điểm khác biệt so với thép cùng tích: 1- Đường cong (chữ "C" và nhánh phụ) 2- Khi làm nguội chậm liên tục (V2), γ quá nguội sẽ tiết ra F (TCT) hoặc XêII (SCT) trước sau đó mới phân hóa ra hỗn hợp F-Xê 3- Khi làm nguội đủ nhanh V3 (hoặc >V3) Hình 4.10. Giản đồ T-T-T của thép khác cùng tích để Vng không cắt nhánh phụ, γ quá nguội → F-Xê dưới dạng X, T, B (B chỉ khi làm nguội đẳng nhiệt). Thép không có thành phần đúng 0,80%C mà vẫn không tiết F hoặc Xê được gọi là cùng tích giả. Đối với thép hợp kim, ngoài ảnh hưởng của C, các nguyên tố hợp kim (dịch chữ "C" sang phải) sẽ xét sau. 4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biếmactenxit (khi tôi) Nếu Vng> Vth thì γ → M gọi đó là tôi thép. Vth: là tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến mactenxit. A1 − Tm Vth = τm Hình 4.11. Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới hạn Vth (tm và Tm - thời gian và nhiệt độ ứng với g kém ổn định nhất).
4.2.4.1.Bản chất của mactenxit Định nghĩa: M là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Fea Đ/điểm: vì quá bão hoà C → mạng chính phương tâm khối (hình 4.12). Độ chính phương c/a = 1,001 ÷ 1,06 ( ∈ %C) → xô lệch mạng rất lớn → M rất cứng. Hình4.12.ô cơ sở của động mạng tinh thểHình 4.13. Đường cong học chuyển biến mactenxit mactenxit 4.2.4.2. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit 1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục g với tốc độ > Vth. 2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên vị trí, Fe: từ g (A1) → M (gần như A2) 3) Xảy ra với tốc độ rất lớn, tới hàng nghìn m/s 4) Chỉ xảy ra trong khoảng giữa Mđ và kết thúc MK. Mđ và MK giảm khi tăng %C và % nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), Mđ và MK không phụ thuộc vào Vnguội. 5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn vì hiệu ứng tăng thể tích gây lực nén lên γ → không thể chuyển biến, γ không chuyển biến được gọi là γ dư Điểm MK thường thấp (
Độ cứng: (hình 4.14): %C ↑→ cứng tăng do đó: Thép ít cacbon: %C ≤ 0,25%, độ cứng sau tôi ≤ HRC 40 Thép C trung bình: %C= 0,40 ÷ 0,50%, độ cứng sau tôi tương đối cao, HRC ≥ 50. Thép C cao: %C ≥ 0,60%, độ cứng sau tôi cao, HRC ≥ 60. Chỉ có thép ≥ 0,40%C tôi mới tăng tính chịu mài mòn. Chú ý : phân biệt độ cứng của M và độ cứng của thép tôi: độ cứng của thép tôi là độ cứng tổng hợp của M tôi+ γ dư + cacbit (XêII nếu có). Thường γ dư làm giảm độ cứng của thép tôi:>10% làm giảm 3-5HRC (cá biệt tới 10HRC),vài % → không đáng kể. Tính giòn: là nhược điểm của M làm hạn chế sử dụng, tính giòn phụ thuộc vào: + Kim M càng nhỏ tính giòn càng thấp → làm nhỏ hạt γ khi nung thì tính giòn + ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi và phương pháp tôi thích hợp để giảm ứng suất bên trong như tôi phân cấp, đẳng nhiệt và ram ngay tiếp theo. 4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) Đ/n: ram nung nóng thép sau khi tôi để điều chỉnh độ cứng và tính chất phù hợp với yêu cầu. 4.2.5. 1. Tí nh không ổn định của mactenxit và austenit Tổ chức thép tôi=M+ γ dư : khi nung nóng M → F+Xê theo: Fea(C) → Fe3C + Fea γ dư → F+Xê theo: Feg(C) → Fe3C + Fea M và γ dư không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F-Xê mà phải qua tổ chức trung gian là M ram theo sơ đồ: (M + γ dư) → M ram → F-Xê 4.2.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram Thép cùng tích (0,80%C): tổ chức M và γ dư, quá trình chuyển biến khi ram: Giai đoạn I (T < 200oC) - < 80oC trong thép tôi chưa có chuyển biến gì, tức vẫn có M và γ dư. - Từ 80-200oC: γ dư chưa chuyển biến, M có tiết C dưới dạng cacbit e FexC (x=2,0 ÷ 2,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C trong M giảm xuống còn khoảng 0,25 ÷ 0,40%, c/a giảm đi. Hỗn hợp M ít cacbon và cacbit e đó được gọi là M ram (vẫn liền mạng): (M tôi) Fea(C)0,8 → [Fea(C)0,25 ÷ 0,40 + Fe2 ÷ 2,4C] (M ram) Giai đoạn II (T= 200 ÷ 260oC) Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15 ÷ 0,20%: Fea(C)0,25-0,4 → [Fea(C)0,15 ÷ 0,20+Fe2 ÷ 2,4C]
γ d ư thành M ram: ( γ dư) Feg(C) 0,8 → [Fea(C)0,15 ÷ 0,20 + Fe2 ÷ 2,4C] (M ram) M ram là tổ chức có độ cứng thấp hơn M tôi, song lại ít giòn hơn do giảm được ứng suất. Độ cứng thứ II: Một số thép sau khi tôi có l ượ ng γ d ư lớn (hàng chục %), khi ram γ dư thành M ram mạnh hơn hiệu ứng giảm độ cứng do C tiết ra khỏi dung dung dịch rắn → độ cứng thứ II. o Giai đoạn III (T= 260 ÷ 400 C) Sau giai đoạn II thép tôi có tổ chức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 ÷ 0,20%) và cacbit ε (Fe2 ÷ 2,4C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến: - M nghèo cacbon trở thành ferit, cacbit e (Fe2 ÷ 2,4C) → Xê (Fe3C) ở dạng hạt Sơ đồ chuyển biến: Fea (C)0,15 ÷ 0,20 → Fea + Fe3Chạt , cac bit Fe2 ÷ 2,4C → F+Xê hạt = T ram - Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tích). - Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi. Giai đoạn IV (T > 400oC) T > 400OC xảy ra quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của Xê hạt. - ở 500 ÷ 650oC: được hỗn hợp F-Xê = X ram, có giới hạn chảy cao và độ dai va đập tốt nhất. - ở gần A1 (727oC): được hỗn hợp F-Xê hạt thô hơn = peclit hạt. Kết luận: ram là quá trình phân hủy M, làm giảm độ cứng, giảm ứng suất bên trong sau khi tôi, tùy thuộc vào nhiệt độ ram có thể đạt được cơ tính khác nhau phù hợp với yêu cầu sử dụng. 4.3. Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP Định nghĩa: là các phương pháp thuộc nhóm nhiệt luyện sơ bộ, tạo độ cứng, tổ chức thích hợp cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt luyện) tiếp theo. 4.3.1. Ủ thép 4.3.1.1. Định nghĩa và mục đích Định nghĩa: là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (từ 200 ÷ trên 1000oC), giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt được tổ chức cân bằng ổn định (theo giản đồ pha Fe - C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Hai nét đặc trưng của ủ: nhiệt độ không có quy luật tổng quát và làm nguội với tốc độ chậm để đạt tổ chức cân bằng. Mục đích : được một số trong 5 mục đích sau: 1) làm mềm thép để dễ tiến hành gia công cắt,
2) tăng độ dẻo để dễ biến dạng (dập, cán, kéo) nguội. 3) giảm hay làm mất ứng suất gây nên bởi gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo, 4) đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc loại bị thiên tích. 5) Làm nhỏ hạt thép. Phân loại ủ: 2 nhóm: ủ có chuyển pha và ủ không có chuyển biến pha. 4.3.1.2. Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha Đặc điểm: T ủ thấp hơn A1 nên không có chuyển biến P → γ . Chia thành 2 ph ươ ng pháp: Ủ thấp: T= 200 ÷ 600oC, mục đích làm giảm hay khử bỏ ứng suất, Ủ kết tinh lại: T> Tktl để khôi phục tính chất sau biến dạng. 4.3.1.3. Các phương pháp ủ có chuyển biến pha Thường gặp, T> A1 , P → γ , nhỏ hạt. Chia thành 3 phương pháp: -Ủ hoàn toàn: áp dụng cho thép trước cùng tích %C= 0,30 ÷ 0,65%, Tu =A3+(20 ÷ 300C) 0 Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội (160 ÷ 200HB). -Ủ không hoàn toàn và ủ cầu hóa: - áp dụng cho thép dụng cụ %C= 0,70%, A1
(> A3 hay Acm), giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh, độ cứng tương đối thấp (nhưng cao hơn ủ một chút). - Nhiệt độ: giống như ủ hoàn toàn toàn nhưng được áp dụng cho cả thép sau cùng tích: TCT : Tth = Ac3 + (30 ÷ 50 0 C ) 0 SCT : Tth = Ac m + (30 ÷ 50) 0 - Tốc độ nguội: nhanh hơn đôi chút nên kinh tế hơn ủ. - Tổ chức và cơ tính: tổ chức đạt được là gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi chút. 4.3.2.2. Mục đích và lĩnh vực áp dụng: 1) Đạ t đ ộ cứng thí ch hợ p cho gia cô ng cơ + thép A1 để có g (có thể giống ủ hoặc thường hóa). - Tốc độ làm nguội nhanh dễ gây ứng suất nhiệt, pha → dễ gây nứt, biến dạng, cong vênh. - Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định. 2 điểm sau khác hẳn ủ và thường hóa. 4.4.1.2. Mục đích: 1) Tăng độ cứng để chống mài mòn tốt nhất (ram thấp): dụng cụ (cắt, biến dạng nguội), ∈ %C: %C < 0,35%C-≤ HRC 50, %C = 0,40 ÷ 0,65%C- HRC 52 ÷ 58, %C = 0,70 ÷ 1,00%C- HRC 60 ÷ 64,%C = 1,00 ÷ 1,50%C- HRC 65 ÷ 66 2) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy, áp dụng cho thép có %C=0,15-0,65: tôi + ram trung bình thép đàn hồi (0,55-0,65)%C
Tôi+ram cao → thép có cơ tính tổng hợp cao nhất (thép 0,3-0,5)%C 4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép o 4.4.2.1. Đối với thép TCT (< 0,80%C): Ttôi = A3 + (30 ÷ 50 C) → M+ít γ dư 4 . 4 . 2 . 2 . Đối với thép CT và SCT (³ 0,80%C): Ttôi =A1+(30 ÷ 50oC) ≈ 760 ÷ 780oC → M+ít γ dư + XêII 4.4.2.3. Lý do để chọn nhiệt độ tôi: + Thép TCT, T< A3 còn F là pha mềm gây ra điểm mềm ảnh hưởng xấu tới độ bền, độ bền mỏi và tính chống mài mòn. + Thép SCT, T> Acm → hàm lượng C trong γ cao quá dễ sinh γ dư nhiều, hạt lớn (vì T >950oC) A1
Các yếu tố ảnh hưởng: Vth: càng nhỏ độ thấm tôi càng cao, Vth < Vlõi tôi thấu, các yếu tố làm giảm Vth → ↑ δ Tốc độ làm nguội: nhanh → ↑ δ nhưng dễ gây nứt, biến dạng. Ý nghĩa: biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi + ram, đúng hơn là biểu thị tỷ lệ tiết diện của chi tiết được hóa bền nhờ tôi + ram. - Thép có độ thấm tôi càng cao được coi là chất lượng càng tốt, - Mỗi mác thép có d xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kích thước nhất định để có thể tôi thấu 4.4.3.4.Đánh giá độ thấm tôi: Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép với cùng lượng cacbon là 0,40%, ở đây độ thấm tôi được tính tới vùng nửa 1/2M+1/2T. + Thép cacbon, d trung bình chỉ khoảng 7mm, nếu thêm 1,00%Cr là 12mm, còn thêm 0,18%Mo nữa tăng lên đến 30mm. + Để tăng mức độ đồng đều cơ tính trên tiết diện, trước khi đem chế tạo các bánh răng quan trọng người ta phải kiểm tra lại d của mác thép mới định dùng. + Ngược lại: còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm cứng bề mặt lõi vẫn dẻo dai. 4.4.3.5. Tính thấm tôi và tính tôi cứng: Tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao nhất khi tôi, %C càng cao tính tôi cứng càng lớn. Tính thấm tôi là khả năng đạt chiều dày lớp tôi cứng lớn nhất, %nthk càng cao thì tính thấm tôi càng lớn. Hình 4.17. Khả năng tôi cứng của một số loại thép: (a): 0,40%C; (b): 0,40%C + 1,00%Cr, (c): 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo, 4.4.4. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trường tôi Các cách phân loại tôi: Theo T tôi: tôi hoàn toàn và không hoàn toàn, theo phạm vi: tôi thể tích và tôi bề mặt, theo phương thức và môi trường làm nguội (hình 4.18) ta có: 4.4.4.1 Tôi trong một môi trường
Hình 4.18. Phương pháp tôi Hình 4.19. Đường nguội lý tưởng khi tôi Trong đó: a. trong 1 môi trường, b. trong 2 môi trường, c. tôi phân cấp, d. tôi đẳng nhiệt. Yêu cầu đối với môi trường tôi: - Làm nguội nhanh thép để đạt được tổ chức M, - không làm thép bị nứt hay biến dạng - Rẻ, sẵn, an toàn và bảo vệ môi trường. Để đạt được hai yêu cầu đầu tiên, môi trường tôi lý tưởng hình 4.19: o 1) Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng γ kém ổn định nhất 500 ÷ 600 C để γ không kịp phân hóa thành hỗn hợp F-Xê. Vnguội> Vth. 2) Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên vì Ơ đó γ quá nguội có tính ổn định cao, không sợ bị chuyển biến thành hỗn hợp F- Xê có độ cứng thấp. Đặc biệt trong khoảng chuyển biến M (300 ÷ 200oC), nguội chậm sẽ làm giảm ứng suất pha do đó ít bị nứt và ít cong vênh. Các môi trường tôi thường dùng: (bảng 4.1) Bảng 4.1. Đặc tính làm nguội của các môi trường tôi Tốc độ nguội, [độ/s], ở các khoảng Môi trường tôi nhiệt độ 5000C 600 ÷ 0 300 ÷ 200 C 0 Nước lạnh, 10 ÷ 30 C 600-500 27 0 0 100 27 Nước nóng, 50 C Nước hòa tan 10%NaCl, 1100-1200 0 30 0 0 Dầu khoáng vật NaOH,20 C 100-150 20- Tấm thép, không khí nén 35-30 25 15- Nước: là môi trường tôi mạnh, an toàn, rẻ, dễ kiếm nên rất thông dụng nhưng cũng dễ 10 gây ra nứt, biến dạng, không gây cháy hay bốc mùi khó chịu, khi nhiệt độ nước bể tôi > 40oC tốc độ nguội giảm, (khi To nước = 50oC, tốc độ nguội thép chậm hơn cả trong dầu mà không làm giảm khả năng bị biến dạng và nứt (do không làm giảm tốc
độ nguội ở nhiệt độ thấp) phải lưu ý tránh: bằng cách cấp nước lạnh mới vào và thải lớp nước nóng ở bề mặt đi. Nước (lạnh) là môi trường tôi cho thép cacbon (là loại có Vth lớn, 400 ÷ 800oC/s), song không thích hợp cho chi tiết có hình dạng phức tạp. Nước được hoà tan 10% các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay (NaOH): nguội rất nhanh ở nhiệt độ cao song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu như không tăng tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) so với nước, được dùng để tôi thép dụng cụ cacbon (cần độ cứng cao). Dầu : làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó ít gây biến dạng, nứt nhưng khả năng tôi cứng lại kém. Dầu nóng, 60 ÷ 80oC, có khả năng tôi tốt hơn vì có độ loãng (linh động) tốt không bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Nhược điểm dễ bốc cháy phải có hệ thống ống xoắn có nước lưu thông làm nguội dầu, bốc mùi gây ô nhiễm và hại cho sức khỏe. Dầu là môi trường tôi cho thép hợp kim (loại có Vth nhỏ, < 1500 C / s), o các chi tiết có hình dạng phức tạp, là môi trường tôi thứ 2 (thép CD) Quy tắc chọn môi trường tôi ngoại lệ: - Thép C tiết diện nhỏ (f < 10), hình dạng đơn giản, dài (như trục trơn) nên tôi dầu Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thể chọn thép C nhưng phải làm bằng thép hợp kim để tôi dầu. - Chi tiết bằng thép hợp kim, có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản phải tôi nước. Các vật mỏng, hình dạng phức tạp dễ bị cong vênh khi làm nguội tự do cần tôi trong khuôn ép, trong khung giữ chống cong vênh hoặc bó chặt nhiều thanh dài lại,.... Tôi trong một môi trường rất phổ biến do dễ áp dụng cơ khí hóa, tự động hóa, giảm nhẹ điều kiện lao động nặng nhọc. 4.4.4.2.Tôi trong hai môi trường (nước qua dầu) Đường b trên hình 4.18 Tận dụng được ưu điểm của cả nước lẫn dầu: nước, nước pha muối, xút qua dầu (hay không khí) cho đến khi nguội hẳn. Như vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho thép vừa ít gây biến dạng, nứt. Nhược điểm: khó, đòi hỏi kinh nghiệm, khó cơ khí hóa, chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc thép C cao. 4.4.4.3.Tôi phân cấp: đường c trên hình 4.18 Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm Mđ khoảng 50 ÷ 1000 C, 3 ÷o5min để đồng đều nhiệt độ trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong không khí để chuyển biến M. Ưu điểm: khắc phục được khó khăn về xác định thời điểm chuyển môi trường của cách b. Đạt độ cứng cao song có ứng suất bên trong rất nhỏ, độ biến dạng thấp nhất, thậm chí có thể sửa, nắn sau khi giữ đẳng nhiệt khi thép ở trạng thái γ quá nguội vẫn còn
dẻo. Nhược điểm: năng suất thấp, chỉ áp dụng được cho các thép có Vth nhỏ (thép hợp kim cao như thép gió) và với tiết diện nhỏ như mũi khoan, dao phay... Cả ba phương pháp tôi kể trên đều đạt được tổ chức mactenxit. 4.4.4.4. Tôi đẳng nhiệt: đường d trên hình 4.18 Khác tôi phân cấp ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng giờ) cũng trong môi trường lỏng (muối nóng chảy) để austenit quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp F-Xê nhỏ mịn có độ cứng tương đối cao, độ dai tốt. Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt sẽ được các tổ chức khác nhau: 250 ÷ 400oC - bainit, 500 ÷ 600oC - trôxtit. Sau khi tôi dẳng nhiệt không phải ram. Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu, nhược điểm của tôi phân cấp, nhưng độ cứng thấp hơn và độ dai cao hơn, năng suất thấp í t được áp dụng cách tôi này. Một phương pháp tôi đẳng nhiệt đặc biệt là tôi chì (patenting) - tôi đẳng nhiệt trong bể Pb nóng chảy ở 500 ÷ 520oC đ X mịn, qua khuôn kéo sợi nhiều lần ( ε tổng= 90%), đạt δ E và δ max. 4.4.4.5.Gia công lạnh áp dụng cho thép dụng cụ hợp kim, %C cao và được hợp kim hóa, các điểm Mđ và MK quá thấp nên khi tôi lượng g dư quá lớn, làm giảm độ cứng. Đem gia công lạnh (-50 hay -70oC) để γ dư → M, độ cứng có thể tăng thêm 1 ÷ 10 đơn vị HRC. 4.4.4.5.Tôi tự ram Là cách tôi với làm nguội không triệt để, nhằm lợi dụng nhiệt của lõi hay các phần khác truyền đến, nung nóng tức ram ngay phần vừa được tôi: đục, chạm, tôi cảm ứng băng máy, trục dài... 4.4.5. Cơ - nhiệt luyện thép 4.4.5.1.Bản chất: đồng thời: biến dạng dẻo (cán nóng) γ đem tôi ngay rồi ram thấp ở 150 ÷ 200oC. Kết quả: M nhỏ mịn với xô lệch cao, nhờ đó kết hợp cao nhất giữa độ bền, độ dẻo và độ dai mà chưa có phương pháp hóa bền nào sánh kịp. So với nhiệt luyện tôi + ram thấp thông thường: bền kéo cao tăng 10 ÷ 20%, độ dẻo, độ dai tăng từ 1,5 đến 2 lần. Gồm 2 loại: 4.4.5.2. Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao: hình 4.20a, biến dạng dẻo ở trên A3 rồi tôi ngay, đặc điểm: - có thể áp dụng cho mọi thép kể cả thép cacbon, - dễ tiến hành vì ở nhiệt độ cao austenit dẻo, ổn định, lực ép nhỏ, độ biến dạng ε = 20 ÷ 30%.
- độ bền khá cao: σ b = 2200 ÷ 2400MPa, δ = 6 ÷ 8%, ak= 300kJ/m2 4.4.5.3.C ơ – nhiệ t luy ệ n nhiệ t đ ộ th ấ p: (hình 4.20b): Sau khi γ hóa ở trên A3 làm nguội nhanh thép xuống 400 ÷ 600oC là vùng γ quá nguội có tính ổn định tương đối cao và thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại, rồi biến dạng dẻo và tôi ngay. Đ/điểm: - chỉ áp dụng được cho thép hợp kim - khó tiến hành vì ở nhiệt độ thấp (400 ÷ 600oC) γ kém dẻo hơn, máy cán lớn, o phôi thép phải nhỏ để kịp nguội nhanh xuống 400 ÷ 600 C - đạt được độ bền rất cao sb = 2600 ÷ 2800MPa, song độ dẻo, độ dai thấp hơn loại trên: d = 3%, aK = 200kJ /m2. Hình 4.20. Sơ đồ cơ - nhiệt luyện: nhiệt độ cao (a) và nhiệt độ thấp (b). 4.5.RAM THÉP Ram thép là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành M. 4.5.1. Mục đích và định nghĩa 4 . 5 . 1 . 1 Trạng thái của thép tôi thành M: cứng, rất giòn, kém dẻo, dai với ứng suất bên trong lớn Mục đích của ram: - giảm ứng suất, điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với điều kiện làm việc. 4.5.1.2.Định nghĩa: là nung nóng thép đã tôi đến các nhiệt độ thấp hơn Ac1, để M và γ dư phân hóa thành các tổ chức có cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc quy định. 4.5.2. Các phương pháp ram thép cacbon 4.5.2.1.Ram thấp (150 ÷ 250oC): tổ chức đạt được là M ram, độ cứng cao, tính dẻo, dai tốt hơn, áp dụng cho dụng cụ, các chi tiết cần độ cứng và tính chống mài mòn cao
như: dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm cacbon, ổ lăn, trục, chốt... 4.5.2.2. Ram trung bình (300 ÷ 450oC): tổ chức đạt được là T ram. Sau khi ram trung bình độ cứng giảm đi rõ rệt, nhưng vẫn còn khá cao, giới hạn đàn hồi max, áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng tương đối cao và đàn hồi như khuôn dập nóng, khuôn rèn, lòxo, nhíp... 4.5.2.3. Ram cao (500 ÷ 650oC): tổ chức đạt được là X ram. * Cơ tính tổng hợp cao nhất, nhiệt luyện hoá tốt So sáng cơ tính của thép sau ram cao với các dạng nhiệt luyện khác bảng 4.2. * áp dụng cho các chi tiết máy cần giới hạn bền, đặc biệt là giới hạn chảy và độ dai va đập cao như các loại trục, bánh răng làm bằng thép chứa 0,30 ÷ 050%C, đạt độ bóng cao khi gia công. * Giới hạn nhiệt độ phân chia các loại ram trên chỉ là tương đối, chỉ phù hợp cho thép cacbon và với thời gian giữ nhiệt khoảng 1h. Ngoài ba phương pháp ram trên còn phải phân biệt ram màu và tự ram. Bảng 4.2. Cơ tính của thép có 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau Dạng nhiệt luyện Cơ tí nh sb, s0,2, d, % y, % aK, MPa MPa kJ/m2 0 530 280 32,5 50 900 ủ 840 C 0 650 320 15 40 500 Thường hóa 850 C 0 0 1100 720 8 12 300 Tôi 850 C + ram 200 C Tôi 8500C + ram 6500C 720 450 22 55 1400 4.5.2.4. Ram màu và tôi tự ram: Ram ở 200 ÷ 350oC, trên mặt thép xuất hiện lớp ôxit mỏng với chiều dày khác nhau có màu sắc đặc trưng như: vàng (~ 0,045mm) ở 220 ÷ 240oC, nâu (~ 0,050mm) ở 255 ÷ 265oC,tím (~ 0,065mm) ở 285 ÷ 295oC, xanh (~ 0,070mm) ở 310 ÷ 320oC. Nhờ đó dễ dàng xác định nhiệt độ ram thấp mà không cần dụng cụ đo nhiệt. Tôi tự ram có các đặc điểm: nhanh, đơn giản, tiện dùng, phải có kinh nghiệm. 4.5.2.5. Ảnh hưởng của thời gian ram: thường (1 ÷ 2h). Chú ý là sau khi tôi nên ram ngay để vừa tránh nứt xảy ra sau khi tôi vừa để tránh hiện tượng ổn định hóa γ dư. 4.6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP 4.6.1. Biến dạng và nứt
4.6.1.1. Nguyên nhân và tác hại: do ứng suất sinh ra khi nguội làm thép bị biến dạng, cong vênh, nứt. Nói chung khó tránh khỏi nhưng phải tìm cách hạn chế. 4.6.1.2. Ngăn ngừa: - Nung nóng và đặc biệt là làm nguội với tốc độ hợp lý . - Nung nóng và làm nguội các trục dài: khi nung treo thẳng đứng để tránh cong, khi làm nguội phải nhúng thẳng đứng, phần dày xuống trước... - Nên dùng tôi phân cấp, hạ nhiệt trước khi tôi, với các vật mỏng phải tôi trong khuôn ép. 4.6.1.3. Khắc phục: biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết như trục dài, tấm có thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội. Còn khi bị nứt thì không sửa được. 4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon 4.6.2.1. Nguyên nhân và tác hại: do trong môi trường nung có chứa chất ôxy hóa Fe và C: O2, CO2, hơi nước..., khi ôxy hóa thường đi kèm với thoát cacbon. Tác hại của ôxy hóa: làm hụt kích thước, xấu bề mặt sản phẩm, thoát cacbon làm giảm độ cứng khi tôi. 4.6.2.2. Ngăn ngừa: - Khí quyển bảo vệ:: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 < Pth gây oxy hoá - Khí quyển trung tính: N, Ar,.. - Nung trong lò chân không: 10-2 at 10-4 at có khả năng chống ôxy hóa và thoát cacbon một cách tuyệt đối cho mọi thép và hợp kim. Có thể: + Rải than hoa trên đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than lãng phí vì kéo dài thời gian nung. + Lò muối được khử ôxy triệt để bằng than, ferô silic. Cách này chỉ áp dụng được cho chi iết nhỏ, năng suất thấp. Được áp dụng rộng rãi khi tôi dao cắt. Rất độc 4.6.2.3. Khắc phục: Phải để đủ được lượng dư để hớt bỏ đi hoặc đem thấm cacbon. 4.6.3. Độ cứng không đạt: 4.6.3.1. Độ cứng quá cao: sau khi ủ và thường hóa thép hợp kim, do tốc độ nguội lớn → ủ lại. 4.6.3.2. Độ cứng quá thấp: Nhiệt độ tôi chưa đủ cao, thời gian giữ nhiệt ngắn. Làm nguội không đủ nhanh theo yêu cầu đề ra để tạo nên M. Thoát cacbon bề mặt,.. khắc phục. 4.6.4. Tính giòn cao Sau khi tôi, độ cứng vẫn ở bình thường mà thép lại quá giòn (rơi vỡ). Nguyên nhân là nhiệt độ tôi quá cao (gọi là quá nhiệt), hạt thép bị lớn. Khắc phục: thường hóa rồi tôi lại, tăng biến dạng. 4.6.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt