Vật liệu học - Chương 3: Nhiệt luyện thép

• I. Khái niệm về nhiệt luyện thép: 1. Khái niệm: 2. Đặc điểm: 3. Tác dụng của nhiệt luyện trong chế tạo cơ khí: 4. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện: • II. Các phương pháp nhiệt luyện cơ bản: 1. Ủ 2. Thường hóa 3. Tôi 4. Ram Chương 3: Nhiệt luyện thép 1 1. Khái niệm: Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ quy định để làm thay đổi tổ chức, do đó nhận được cơ tính và tính chất khác theo ý muốn. 2. Đặc điểm:  Không làm nóng chảy( khác với đúc, hàn)  Không làm biến dạng sản phẩm thép (khác với cắt gọt, biến dạng dẻo(rèn, dập))  Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng thay đổi tổ chức tế vi và cơ tính. Chương 3: Nhiệt luyện thép I. Khái niệm về nhiệt luyện 2 3. Tác dụng của nhiệt luyện trong chế tạo cơ khí: a. Làm tăng độ cứng, độ bền và tính chống mài mòn của thép. Phát huy triệt để các tiềm năng của vật liệu về cơ tính: bền hơn, cứng hơn mà vẫn đảm bảo về độ dẻo, độ dai  do đó giảm nhẹ kết cấu, tăng tuổi thọ(độ bền, đô cứng tăng lên 3-6 lần, tăng khả năng làm việc và chống mài mòn của chi tiết máy.). b. Cải thiện tính công nghệ: - Để phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ biến dạng.. - Phương pháp nhiệt luyện thường là ủ và thường hóa( được gọi là nhiệt luyện sơ bộ). I. Khái niệm về nhiệt luyện : 3 4. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện: Quá trình nhiệt luyện được đặc trưng bằng ba thông số quan trọng sau đây: Nhiệt độ nung nóng Tn: nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến. Thời gian giữ nhiệt tgn: thời gian cần thiết duy trì kim loại ở nhiệt nung. Tốc độ nguội Vnguội: là độ giảm nhiệt độ sau thời gian giữ nhiệt. I. Khái niệm về nhiệt luyện : 4  Các chỉ tiêu đánh giá sau nhiệt luyện:  Độ cứng: là chỉ tiêu quan trọng qua đó biết được độ bền, độ dẻo,độ dai (kiểm tra100% sản phẩm). Tổ chức tế vi: bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiếu sâu lớp hóa bền,các vết nứt.là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất.(kiểm tra theo định kỳ và tỉ lệ vì mất thời gian).  Độ cong vênh, biến dạng, nứt: ( phạm vi cho phép) I. Khái niệm về nhiệt luyện : 5 1.1. Định nghĩa • Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt thời gian rồi làm nguội chậm( cùng lò) với tốc độ < 2000/1h để đạt được tổ chức cân bằng, với độ cứng thấp nhất, độ dẻo cao nhất. 1. Ủ thép I. Định nghĩa và mục đích 6 1.2. Mục đích - Làm giảm độ cứng của thép để phù hợp gia công cắt gọt. - Làm tăng độ dẻo để dễ gia công áp lực. - Khử ứng suất bên trong sau các nguyên công gia công cơ khí, đúc, hàn. - Làm đồng đều về nồng độ trong thép. - Làm nhỏ hạt thép. Ví dụ: chế tạo ụ dao máy tiện 1. Ủ thép I. Định nghĩa và mục đích 7 2.1. Ủ không có chuyển biến pha: Ủ non và ủ kết tinh lại 1. Ủ thép II. Các phương pháp ủ 9 2.1. Ủ không có chuyển biến pha: + Nhiệt độ ủ thấp hơn A1, nghĩa là không có sự chuyển biến peclit thành austenit. a. Ủ thấp(ủ non): là phương pháp ủ tiến hành ở t0 (200-600)0C, nhằm làm giảm hay khử ứng suất dư bên trong của vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia công áp lực. b. Ủ kết tinh lại: Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho các loại thép cácbon là 600-700oC( thấp hơn Ac1). Khử biến cứng sau biến dạng dẻo.  Khác với ủ thấp thì ủ kết tinh lại làm giảm độ cứng và thay đổi kích thước hạt. 1. Ủ thép II. Các phương pháp ủ 8 2.2. Phương pháp ủ có chuyển biến pha - Là các phương pháp ủ có nhiệt độ cao hơn A1, có xảy ra chuyển biến peclit thành austenit. a. Ủ hoàn toàn: b. Ủ không hoàn toàn và ủ cầu hoá. c. Ủ khuếch tán d. Ủ đẳng nhiệt v 1. Ủ thép II. Các phương pháp ủ 10 2.2. Phương pháp ủ có chuyển biến pha a. Ủ hoàn toàn: - Là phương pháp ủ phải nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn austenit, chỉ áp dụng cho thép trước cùng tích và cùng tích - Nhiệt độ ủ t0= Ac3 + (20-30) oC Mục đích:  Làm giảm độ cứng của thép có (%C>0.3%) để phù hợp gia công cắt gọt.  Làm tăng độ dẻo của thép có(%C<0.3%)để phù hợp cho gia công áp lực(dập nguội) 11 2.2. Phương pháp ủ có chuyển biến pha b. Ủ không hoàn toàn và ủ cầu hoá - Là phương pháp ủ nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàn toàn là austenit( Ac1< t o< Acm). áp dụng cho thép sau cùng tích để làm giảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt được. - Nhiệt độ ủ t0 = Ac1 + (20-30) oC  750-770oC. Ủ không hoàn toàn 12 2.2. Phương pháp ủ có chuyển biến pha  Ủ cầu hoá: • Là một dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, trong đó nhiệt độ nung dao động tuần hoàn trên dưới Ac1. Biến Xe tấm thành Xe dạng đa diện (cầu, hạt). • T: là 1 chu kỳ , phải thực hiện ≥ (2-3)T. • Thời gian giữ nhiệt khoảng 5 phút. 13 2.2. Phương pháp ủ có chuyển biến pha c. Ủ khuếch tán: Là phương pháp nung nóng thép lên đến nhiệt độ rất cao(1000-1180)0C và giữ nhiệt độ trong nhiều giờ(10-15)h, để làm tăng khả năng khuếch tán, làm đồng đều thành phần hóa học trong toàn bộ thể tích của thép. - Nhược điểm: sau ủ sẽ tạo ra hạt quá lớn, phải qua biến dạng dẻo hoặc ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt. 14 2.2. Phương pháp ủ có chuyển biến pha d. Ủ đẳng nhiệt - Là cách nung thép tới nhiệt độ ủ, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh xuống dưới Ac1 khoảng (50-100) oC tuỳ theo yêu cầu về tổ chức nhận được, giữ lâu nhiệt độ đó trong lò để austenit phân hoá thành hỗn hợp ferit- xêmentit. 15 Ủ không hoàn toàn II. Các phương pháp ủ 16 1.1. Định nghĩa: Thường hóa là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit (cao hơn Ac3 hay Acm), giữ nhiệt rồi làm nguội trong không khí tĩnh để austenit phân hóa thành tổ chức gần ổn định. 2. Thường hóa thép I. Định nghĩa và mục đích 17 * Nhiệt độ thường hóa: - Đối với thép trước cùng tích và cùng tích: T0th = AC3+ (20-30) oC. - Đối với thép sau cùng tích: T0th = Accm+ (20-30) oC. * Mục đích: - Thép có độ cứng cao hơn, độ dẻo thấp hơn so với ủ  để phù hợp cho gia công cắt gọt. - Làm nhỏ hạt thép( do nguội nhanh hơn ủ) - Làm mất lưới XeII của thép sau cùng tích vì cơ tính rất xấu. 2. Thường hóa thép 18 19 1. Định nghĩa và mục đích - Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung thép đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (Ac1) để làm xuất hiện Austenit, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh để biến nó thành Mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác có độ cứng cao. * Định nghĩa: 3. Tôi thép * Mục đích: - Tăng độ bền, tăng khả năng chịu tải của chi tiết. 20 2. Chọn nhiệt độ tôi thép * Đối với thép trước cùng tích và cùng tích (0,8%C) + T0t = Ac3 + (3050 0C) tạo ra trạng thái hoàn toàn ; + Tổ chức đạt được là sau tôi là M +  dư + ƯS dư; + Tôi hoàn toàn?; a, Đối với thép Cacbon * Đối với thép sau cùng tích (0,9%C) + T0t = Ac1 + (3050 0C) để tạo ra trạng thái ( + XeII); + Tổ chức đạt được là sau tôi là M + XeII +  dư+ ƯS dư; + Tôi không hoàn toàn? 21 * Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng hợp kim  2,5%) + T0t = T 0 t của thép cacbon tương đương + (1020 0C) . b, Đối với thép hợp kim * Đối với thép hợp kim trung bình và cao (tổng lượng hợp kim  2,5%) + Tra theo sổ tay nhiệt luyện đối với từng mác thép cụ thể . 22 3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi - Là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để có chuyển biến  → M, mà không tạo ra X,T, BT, BD . a, Tốc độ tôi tới hạn - Tốc độ tôi tới hạn Vth nhỏ thì thép càng dễ tôi. - V1<V2<V3<V4<Vth<Vn 23 - Độ thấm tôi là chiều dày lớp được tôi cứng có tổ chức M; b, Độ thấm tôi - chiều dày thấm tôi * Ý nghĩa của độ thấm tôi - Biểu thị khả năng hoá bền của thép bằng nhiệt luyện (tôi + ram): + Lớp tôi càng dày thì sức chịu tải của chi tiết càng tăng; + Lựa chọn mác thép phù hợp theo tiết diện và chế độ chịu tải. 24 4. Các phương pháp tôi thép * Theo nhiệt độ: (mục 2) + Tôi hoàn toàn; + Tôi không hoàn toàn. * Theo tiết diện nung nóng: + Tôi thể tích; + Tôi bộ phận (tôi bề mặt). * Theo phương thức làm nguội: + Tôi trong một môi trường(a); + Tôi trong hai môi trường(b); + Tôi phân cấp(c); + Tôi đẳng nhiệt(d). 25 + Tôi trong một môi trường (a). - Là phương pháp tôi đơn giản nhất và thường dùng, được nhúng vào một môi trường làm nguội cho đến khi nguội hẳn. Áp dụng cho các chi tiết có hình dáng đơn giản làm bằng thép hợp kim và thép Cacbon có %C thấp và trung bình. Ưu: đơn giản, dễ thực hiện. Khuyết: do nguội nhanh trong vùng chuyển biến mactenxit  ứng suất sinh ra lớn tang nguy cơ phá hủy. 4. Các phương pháp tôi thép 26 + Tôi trong hai môi trường(b) - Qua nước rồi qua dầu; - Đầu tiên cho nguội ở môi trường 1, tới gần nhiệt độ chuyển biến mactenxit thì chuyển sang môi trường 2, nguội tới nhiệt độ thường. 4. Các phương pháp tôi thép - Ít xảy ra cong vênh, hoặc nứt và giảm được ứng suất nhiệt; - Khó xác định thời điểm chuyển chi tiết sang môi trường thứ hai; - Áp dụng cho thép Cacbon cao, năng suất thấp. 27 + Tôi phân cấp(c) - Môi trường tôi là muối nóng chảy, có T0>Mđ của thép (50-100) oC. - Thép được làm nguội và giữ đẳng nhiệt trong thời gian nhất định để đồng đều trên toàn tiết diện, sau đó nhấc ra làm nguội tronh không khí, chuyển biến M xảy ra trong không khí. 4. Các phương pháp tôi thép - Cho độ cứng cao, ứng suất dư nhỏ, ít bị biến dạng, năng suất thấp, áp dụng cho thép có Vth nhỏ; 28 + Tôi đẳng nhiệt(d) - Môi trường tôi là muối nóng chảy, như tôi phân cấp. - Thời gian giữ nhiệt lâu để As F+Xe nhỏ mịn, có độ cứng cao, độ dai tốt. - Sau tôi không phải ram, năng suất thấp. Nên ít sử dụng. 4. Các phương pháp tôi thép 29 + Tôi bộ phận - Một số chi tiết chỉ cần một số bộ phận cần độ cứng cao, còn các phần khác chỉ cần mềm, do đó người ta chỉ cần tôi bộ phận. Gồm hai cách: - Nung nóng bộ phận cần tôi, rồi làm nguội toàn bộ hay làm nguội bộ phận; - Nung nóng toàn bộ rồi làm nguội bộ phận. thường áp dụng cho các dụng cụ cầm tay: đục, búa, 4. Các phương pháp tôi thép 30 1. Định nghĩa và mục đích - Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã qua tôi đến nhiệt độ thấp hơn Ac1 giữ nhiệt để Mactenxit và Austenit dư phân hoá thành các tổ chức có cơ tính phù hợp rồi làm nguội . a, Định nghĩa b, Mục đích - Làm giảm ứng suất bên trong để không gây ra nứt, cong vênh, gẫy và hư hỏng chi tiết khi làm việc; - Biến tổ chức Mactenxit và Austenit dư thành các tổ chức khác có cơ tính thích hợp với điều kiện làm việc của chi tiết. 4. Ram thép 31 2. Các phương pháp ram thép - Là phương pháp Ram ở nhiệt độ 150  2500C tổ chức nhận là Mactenxit ram. Đặc điểm: + Ứng suất bên trong giảm; + Làm tăng tính dẻo, dai của chi tiết; + Độ cứng giảm rất ít; + Áp dụng cho các loại dao cắt, dập nguội, chi tiết sau khi thấm cacbon, a, Ram thấp 32 - Là phương pháp Ram ở nhiệt độ 300 4500C tổ chức nhận là Troxtit ram. Đặc điểm: + Ứng suất bên trong được khử bỏ hoàn toàn; + Làm tăng tính dẻo, dai của chi tiết; + Độ cứng giảm đi nhiều; + Áp dụng cho các chi tiết như lò xo, nhíp, khuôn rèn, khuôn dập nóngcần độ cứng tương đối cao và đàn hồi tốt. b, Ram trung bình 2. Các phương pháp ram thép 33 c, Ram cao - Là phương pháp Ram ở nhiệt độ 500  6500C tổ chức nhận là Xoocbit ram. Đặc điểm: + Tạo cơ tính tổng hợp cao, độ bền, độ dẻo, độ dai đều cao; + Độ cứng giảm mạnh; + Áp dụng cho các chi tiết chịu tải trọng động và tĩnh lớn như thanh truyền, bánh răng trục, 2. Các phương pháp ram thép 34 CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN 1. Biến dạng và nứt - Nguyên nhân: là do ứng suất bên trong gây ra khi làm nguội nhanh trong quá trình tôi. + Nếu bên trong  b  nứt, vỡ; + Nếu bên trong  0,2  cong vênh, biến dạng. a, Nguyên nhân và tác hại b, Các biện pháp ngăn ngừa và khắc phục - Nung nóng và làm nguội với tốc độ hợp lý; - Nên dùng tôi phân cấp, hạ nhiệt trước khi tôi; - Các chi tiết mỏng phải tôi trong khuôn ép; - Các chi tiết bị biến dạng có thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội. 35 2. Ôxy hoá và thoát cacbon - Ôxy hoá là hiện tượng tạo nên vảy ôxyt sắt. - Thoát cacbon là hiện tượng cacbon lớp bề mặt bị giảm đi. a, Nguyên nhân và tác hại - Do trong môi trường nung có chứa các thành phần gây ôxy hoá Fe và C như: O2, CO2, hơi nước, - Ôxy hoá làm hụt kích thước, xấu bề mặt chi tiết; - Thoát cacbon làm giảm độ cứng khi tôi. b, Các biện pháp ngăn ngừa và khắc phục - Nung trong môi trường có khí bảo vệ khí trung tính như N2, Ar2 hoặc nung nóng trong chân không để giảm oxy hóa và thoát cacbon - Khắc phục bằng cách tăng lương dư khi gia công, thấm lại cacbon. 36 3. Độ cứng không đạt - Là hiện tượng độ cứng cao hoặc thấp hơn so với độ cứng mà thép có thể đạt được tương ứng với loại thép và phương pháp nhiệt luyện đó . a, Độ cứng cao - Khi ủ và thường hoá thép hợp kim, do tốc độ nguội quá lớn. Độ cứng cao hơn quy định sẽ khó cắt gọt và khó biến dạng dẻo tiếp theo. b, Độ cứng thấp - Sau tôi, độ cứng đạt được thấp hơn yêu cầu của mác thép. + Thiếu nhiệt; + Làm nguội chưa đủ nhanh; + Thoát cacbon bề mặt. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN 37 THE END HAVE GOOD LUCK