Tìm hiểu chung về công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt hiện nay

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ _ Đề tài NCKH công nghệ cấp sở: “Khảo sát công nghệ Laser khả ứng dụng công nghệ gia cơng tơi cứng chi tiết khí Việt Nam.” Báo cáo Tìm hiểu chung cơng nghệ nhiệt luyện xử lý bề mặt (Chuyên đề 2) Người thực hiện: Đơn vị: - NGUYỄN BÌNH DƯƠNG Trung tâm Quang điện tử HÀ NỘI – 2022 MỤC LỤC MỞ ĐẦU NỘI DUNG .6 Chương Tổng quan nhiệt luyện xử lý bề mặt 1.1 Vai trò nhiệt luyện chế tạo khí 1.2 Nhiệt luyện phương pháp nhiệt luyện 1.3 Phương pháp xử lý bề mặt phổ biến Việt Nam 10 Chương Khảo sát tiềm ứng dụng công nghệ laser 22 2.1 Cơng nghệ tơi laser tiết kiệm chi phí sản xuất phù hợp với sản xuất hàng loạt 23 2.2 Hạn chế nứt vỡ với công nghệ laser 24 2.3 Tơi laser phù hợp cho chi tiết có kích thước đa dạng 26 2.4 Ứng dụng tơi vật liệu thiêu kết [5] .28 Chương Tổng hợp nhiệt luyện mác thép nghiên cứu .32 3.1 Nhiệt luyện thép 1045 32 3.2 Nhiệt luyện thép SKD61 33 3.3 Nhiệt luyện thép gió P18 .34 KẾT LUẬN 37 Tài liệu tham khảo 38 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Vật liệu chế tạo trục tơi laser 28 Bảng 3.1 Thành phần hóa học thép 1045 32 Bảng 3.2 Độ cứng thép 1045 sau ram 32 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Vai trị nhiệt luyện chế tạo khí Hình 1.2 Giản đồ cơng nghệ q trình nhiệt luyện Hình 1.3 Sơ đồ tần số 12 Hình 1.4 Giản đồ nhiệt luyện biến đổi hình thái hạt 15 Hình 1.5 Tỷ lệ công nghiệp nhiệt luyện Việt Nam [4] 17 Hình 1.6 Mơ hình tơi laser 20 Hình 1.7 Chi tiết thiết bị tơi laser 20 Hình 1.8 Quá trình nung ci tiết chế tạo từ vật liệu thiêu kết 21 Hình 2.1 Một số lĩnh vực công nghệ laser 22 Hình 2.2 : Một bánh nặng 21 để làm cứng vỏ 22 Hình 2.3 Phân bố lượng laser diode kiểu Top-hat 23 Hình 2.4 Hình ảnh tơi laser cho trục dài 24 Hình 2.5 Tơi trục lớn 24 Hình 2.6 Cần trục vị trí cứng 25 Hình 2.7 Q trình tơi laser vòng bánh 26 Hình 2.8 Kết phân bố độ cứng bánh laser 26 Hình 2.9:Bánh đặc thù ( chain sprocket) laser 27 Hình 2.10 Trục xoắn vùng lựa chọn tơi laser 27 Hình 2.11 Bánh côn sau laser 27 Hình 2.12 Hình ảnh tơi laser cho khn lớn 28 Hình 2.13 Tỷ lệ hóa bền 29 Hình 2.14 Hình ảnh cấu trúc tế vi phân bố độ cứng laser cho vật liệu Fe-2Cu0,8C 29 Hình 2.15 Hình ảnh cấu trúc tế vi phân bố độ cứng laser cho vật liệu Fe-2Cu0,5C 29 Hình 2.16 Hình ảnh cấu trúc tế vi phân bố độ cứng laser cho vật liệu Fe-4Ni0.5Mo-1.5Cu-0.5C 30 Hình 2.17 Tơi laser điểm chi tiết chế tạo theo công nghệ thiêu kết 30 Hình 2.18 Tơi laser theo đường tròn 31 Hình 2.19 Hình ảnh mơ tả laser cho vành lỗ 31 Hình 3.1 Quy trình nung tơi thép H13 (SKD61) chế tạo chốt khuôn 33 Hình 3.2 Quy tình ram thép chế tạo chốt 34 Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ ram đến độ cứng thép SKD61 sau tơi 34 Hình 3.4 Quy trình nhiệt luyện thép gió 35 MỞ ĐẦU Ngày nay, phát triển tất nghành kỹ thuật chế tạo khí, luyện kim, cơng nghiệp hóa chất, xây dựng, kỹ thuật điện tử, giao thơng vận tải, công nghệ thực phẩm, kỹ thuật hàng không gắn liền với vật liệu cần đến vật liệu có tính đa dạng chất lượng ngày cao Công nghệ nhiệt luyện xử lý bề mặt q trình thay đổi tính chất vật liệu (chủ yếu vật liệu kim loại) cách thay đổi cấu trúc bên mà không thay đổi đáng kể tới kích thước bên ngồi chi tiết Trong chế tạo khí, nhiệt luyện xử lý bề mặt đóng vai trị quan trọng tạo cho chi tiết sau gia công tính chất cần thiết độ cứng, độ bền, độ dẻo dai, khả chống ăn mòn, chống mài mòn mà cịn nâng cao tính cơng nghệ vật liệu Vì nói nhiệt luyện yếu tố quan trọng định đến tính chất sản phẩm khí Cơng nghệ nhiệt luyện xử lý bề mặt tương đối đa dạng Đối với nhiệt luyện chia thành nhiệt luyện thể tích hay nhiệt luyện luyện cục Nhiệt luyện sơ hay nhiệt luyện kết thúc Còn công nghệ xử lý bề mặt chia thành phương pháp hóa bền thấm cacbon, thấm nitơ Nội dung chuyên đề tổng kết chung tổng quát công nghệ nhiệt luyện, xử lý nhiệt luyện để thấy vai trò tầm quan trọng lĩnh vực Từ tìm phân khúc sản phẩm ứng dụng cơng nghệ tơi laser Tiếp theo, chun đề tìm hiểu yêu cầu thông số kỹ thuật cần đạt theo phương pháp truyền thống cho ba mác thép dự định nghiên cứu 1045, SKD61 thép gió P18 Sản phẩm chuyên đề: -Tổng hợp số khái niệm nhiệt luyện xử lý bề mặt -Tổng hợp quy trình nhiệt luyện truyền thống mác thép thường ứng dụng để laser - Gia cơng chốt theo đăng kí đề tài - Bảng u cầu tính (độ cứng), thơng số kỹ thuật cần đạt mác thép cụ thể NỘI DUNG Chương Tổng quan nhiệt luyện xử lý bề mặt 1.1 Vai trò nhiệt luyện chế tạo khí Q trình sản xuất khí q trình tác động người vào vật liệu thông qua công cụ lao động nhằm tạo sản phẩm theo yêu cầu Sơ đồ q trình sản xuất khí hình 1.1 đây: Hình 1.1 Vai trị nhiệt luyện chế tạo khí Như nhiệt luyện đóng vài trò đầu vào (nhiệt luyện sơ bộ) đầu (nhiệt luyện kết thúc) q trình gia cơng khí 1.2 Nhiệt luyện phương pháp nhiệt luyện Nhiệt luyện phương pháp gia công kim loại cách nung kim loại tới nhiệt độ xác định, giữ nhiệt thời gian sau làm nguội với tốc độ nguội xác định để thu sản phẩm có tổ chức tính theo u cầu [1] Hình 1.2 Giản đồ cơng nghệ q trình nhiệt luyện Các thơng số q trình nhiệt luyện: - Nhiệt độ nung: nhiệt độ lớn mà sản phẩm nung tới giữ khoảng thời gian xác định Ý nghĩa: định hình thành tổ chức kim loại ban đầu định chất lượng cấu trúc tổ chức sau nhiệt luyện - Thời gian giữ nhiệt: khoảng thời gian giữ sản phẩm nhiệt độ nung Ý nghĩa: định đồng hoá mặt tổ chức tồn thể tích sản phẩm nhiệt độ cao, qua đạt đồng tính sản phẩm Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào khối lượng, kích thước chất vật liệu sản phẩm - Tốc độ nguội: tốc độ giảm nhiệt độ sản phẩm sau giữ nhiệt Ý nghĩa: định hình thành tổ chức khác sản phẩm sau nhiệt luyện tạo tổ chức hạt phù hợp Tốc độ nguội phụ thuộc vào mục đích nhiệt luyện chất vật liệu sản phẩm *Tác dụng nhiệt luyện : - Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mịn chi tiết thép (gang) mà bảo đảm yêu cầu độ dẻo độ dai Do làm cho chi tiết chịu tải trọng lớn làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng bền, lâu hỏng Trong thực tế sản xuất khí thấy rõ tác dụng Nhiều loại thép sau nhiệt luyện cách + ram độ bền, độ cứng tăng lên - lần (tuy độ dẻo dai có giảm) có lợi việc hố bền chi tiết này, chi tiết máy chịu ma sát bánh răng, trục khơng hố bền nhiệt luyện chóng mịn, hỏng (thời hạn làm việc giảm từ hàng chục đến hàng trăm lần) Đối với dao cắt, khuôn rập tác dụng nhiệt luyện lại có ý nghĩa định Các sản phẩm khơng qua tơi ram khơng thể làm việc Một yếu tố quan trọng định chất lượng sản phẩm khí trình độ nhiệt luyện - Cải thiện tính cơng nghệ Ngồi tác dụng hố bền kể trên, nhiệt luyện cịn có khả cải thiện tính cơng nghệ Khi thành hình sản phẩm khơng thể khơng ý đến tính thích ứng thép phương pháp gia công khác nhau: đúc, rèn hàn, cắt, gọt Cải thiện tính cơng nghệ làm q trình gia cơng chế tạo thuận lợi tiến hành với suất cao hơn, góp phần nâng cao suất lao động Trong chế tạo khí thường gặp tượng sau rèn, thép bị biến cứng phần khó gia cơng (có trường hợp cắt gọt), trường hợp phải tiến hành nhiệt luyện phương pháp thích hợp (ủ) độ cứng giảm đi, cắt gọt trở nên dễ dàng Đối với thép cacbon thấp, độ cứng trạng thái ủ thấp khó cắt gọt phải tiến hành thường hoá tăng thêm độ cứng để đảm bảo cắt gọt dễ Áp dụng phương pháp nhiệt luyện thích hợp khâu gia cơng khí biện pháp nâng cao suất lao động ngành khí (nhờ nâng cao tốc độ cắt gọt, khả rập sâu ) Do có tác dụng quan trọng nên hầu hết chi tiết quan trọng máy qua nhiệt luyện Ví dụ chi tiết qua nhiệt luyện tô - máy kéo chiếm (70 - 80)% máy công cụ (60 - 70)%, tất dụng cụ phải nhiệt luyện *Phân loại nhiệt luyện theo trình gia cơng khí Theo vị trí nhiệt luyện q trình gia cơng khí mà nhiệt luyện chia thành hai nhóm lớn - Nhiệt luyện sơ dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện cịn tiếp tục gia cơng - Nhiệt luyện kết thúc dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện không gia công (trừ mài tinh) * Phân loại nhiệt luyện theo dạng nhiệt luyện Đây cách phân loại nhiệt luyện phổ biến Dưới khái niệm đặc điểm dạng nhiệt luyện - Ủ thép: Ủ thép phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt làm nguội chậm với lò, để đạt tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp độ dẻo cao Mục đích ủ thép Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép trạng thái nguội gia cơng khí (mài, quấn nguội, cắt gọt ) đúc, hàn cuunxg sử dụng ủ để làm giảm ứng xuất bên chi tiết Làm đồng thành phần hố học tồn tiết diện vật đúc thép bị thiên tích Trong nhiệt luyện dùng ủ để làm nhỏ hạt thép nguyên công trước làm hạt lớn tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc Với mục đích đa dạng khơng phương pháp ủ đạt mục tiêu Thông thường phương pháp ủ đạt vài số tiêu kể - Thường hóa : Thường hoá phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hồn tồn Austenit (cao Ac3 Accm); giữ nhiệt làm nguội khơng khí tĩnh (thường kéo để nguội sàn) để Austenit phân hoá thành Peclit phân tán hay Xoocbit với độ cứng tương đối thấp Nhiệt độ thường hoá :Tth = T0 (Ac3 hay Accm) + (20  30)0C Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,3% thường tiến hành ủ thép có hàm lượng cacbon thấp cần tiến hành thường hố Thép có hàm lượng cacbon thấp đem ủ hoàn toàn cho độ cứng thấp (nhỏ 140HB), thép dẻo, phoi khó gẫy, quấn lấy dao, thường hoá cho độ cứng cao (khoảng 140  180HB), thích hợp với chế độ gia cơng cắt gọt Như vậy, để đảm bảo tính gia cơng cắt gọt, với thép có hàm lượng cacbon < 0,25% phải thường hoá, từ 0,3  0,65% cần ủ hồn tồn thép có hàm lượng > 0,7% cần ủ khơng hồn tồn (hoặc ủ cầu hố) Khi thường hoá tạo tổ chức Peclit phân tán hay Xementit có kích thước bé Mặt khác, Xementit nhỏ biên giới hạt nhiều, Austenit hoá tạo nhiều mầm Austenit, nhận hạt Austenit nhỏ mịn chuyển biến xảy nhanh Yêu cầu cần thiết trường hợp bề mặt Nhiều trường hợp sau làm nguội chậm sau ủ thép sau tích hay bề mặt thép thấm cacbon, tổ chức xuất XeII dạng lưới liên tục bao quanh Peclit làm thép dòn ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng gia cơng cắt gọt Thường hố khắc phục trạng thái này, làm nguội nhanh hơn, Xementit không kịp tiết dạng liền mà dạng đứt rời, cách xa làm thép dịn hơn, bề mặt đạt độ nhẵn bóng cao - Tơi thép : Tôi thép phương pháp nhiệt luyện nung thép lên cao nhiệt độ tới hạn (Ac1) để làm xuất tổ chức Austenit, giữ nhiệt làm nguội nhanh thích hợp để Austenit chuyển biến thành Mactenxit hay tổ chức không ổn định khác với độ cứng (như Bainit, Trustit tơi đẳng nhiệt) tính chống mài mịn cao Tơi thép có mục đích nâng cao độ cứng tính chống mài mịn thép kéo dài thời gian làm việc chi tiết chịu mài mòn Độ cứng thép tơi phụ thuộc vào lượng cacbon Thép có lượng cacbon q thấp < 0,25% tơi có độ cứng khơng cao, khơng đủ chịu mài mịn Vậy, muốn đạt mục đích thép tơi phải có hàm lượng cacbon trung bình cao từ 0,3% cacbon trở lên - Ram thép : Ram phương pháp nhiệt luyện nung thép tơi có tổ chức Mactenxit Austenit dư lên đến nhiệt độ thấp Ac1 giữ nhiệt thời gian làm nguội theo yêu cầu để Mactenxit Austenit dư phân hóa thành tổ chức thích hợp phù hợp với điều kiện làm việc Sau thép đạt độ cứng cao, độ dẻo độ dai thấp tồn nhiều ứng suất bên Với trạng thái vậy, có tính chống mài mịn tốt thép dễ bị phá hủy dịn Vì vậy, sau tơi đạt tổ chức Mactenxit, phải tiến hành nung lại để giảm bớt độ cứng, tăng độ dẻo, độ dai, giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong, làm tính thép phù hợp với điều kiện làm việc chi tiết hay dụng cụ Chú ý: Nhiệt độ ram không > Ac1 lúc xuất  phụ thuộc vào tốc độ nguội Yếu tố định tổ chức định tính thép ram nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt ram Do vậy, với mục đích làm giảm ứng suất dư, biến tổ chức M +  dư sau thành tổ chức khác có độ dẻo độ dai cao độ cứng độ bền phù hợp ram coi ngun cơng nhiệt luyện cuối cùng, áp dụng cho thép 1.3 Phương pháp xử lý bề mặt phổ biến Việt Nam 1.3.1 Bề mặt chi tiết phương pháp hóa bền bề mặt Bề mặt chi tiết phần ranh giới chi tiết máy môi trường làm việc với chi tiết máy khác cấu, phận Điều kiện làm việc: - Chịu ảnh hưởng trực tiếp tác động môi trường tác động cơ, lý hóa - Là nơi tiếp nhận tải trọng nên thường xuyên chịu ma sát, mài mòn cấu - Dễ bị biến dạng tróc rỗ bề mặt Các điều kiện làm việc cho thấy, bề mặt chi tiết nơi có điều kiện làm việc khắc nghiệt việc cần thiết phải hóa bền bề mặt để nâng cao độ tin cậy chi tiết Các thông số độ tin cậy chi tiết bao gồm (B; 0,2; -1; độ cứng HRC, độ dẻo dai  ; ak; độ bền nhiệt độ cao dão) Mục đích hóa bền bề mặt tăng độ tin cậy chi tiết trình làm việc Bề mặt chi tiết thép phận có yêu cầu cao bề mặt nơi làm việc chịu ứng suất tác dụng lớn nhất, chịu mài mòn chịu ma sát với chi tiết khác Rất nhiều chi tiết yêu cầu bề mặt có độ cứng, độ bền cao lõi giữ nguyên độ dẻo dai tốt Có phương pháp làm tăng độ cứng bề mặt so với lõi: - Phương pháp học - Phương pháp nhiệt luyện bề mặt - Phương pháp hóa nhiệt luyện 1.3.2 Phương pháp học - Nguyên lý: Nếu phương pháp khí làm biến dạng bề mặt thép đến chiều sâu định, lớp mạng tinh thể bị xô lệch bị biến cứng (độ cứng độ bền tăng lên) Như vậy, chi tiết có độ cứng bề mặt cao, lõi giữ độ dẻo dai tốt Biến cứng bề mặt có đặc điểm sau: - Lớp bề mặt có độ cứng cao chống mài mịn tốt - Tạo nên lớp ứng suất nén dư lớp bề mặt làm tăng giới hạn mỏi - Khi biến dạng làm nhiều tật hỏng bề mặt vết khía, rỗ, làm giảm nguồn gốc sinh vết nứt mỏi 10 Hình 2.4 Hình ảnh tơi laser cho trục dài Cơng ty Perth (LCS) [6] cung cấp dịch vụ laser trục dài tới m đường kính 1,5 m, với khối lượng gần Để trục lớn công ty sử dụng laser Diot (Direct Diode Laser) với bước sóng 976 nm, cho tốt với vật liệu chế tạo trục so với laser CO2 ND:YAG laser Hình 2.5 Tơi trục lớn 2.2 Hạn chế nứt vỡ với công nghệ laser Tôi laser sử dụng với máy tiện để chi tiết lớn, với kích thước tối đa 12 x x m³ (40 x 13 x ft³) với yêu cầu độ cứng 660 HV (58 HRC) chiều sâu > mm (0.04″) Với phương pháp truyền thống lựa đạt chiều dày khoảng 0.08-0.12″ chiều sâu độ cứng 0.12-0.20″ Công nghê laser giảm cong vênh xuống 0.11″ chiều dài 11.9 yards (thước Anh) 24 Độ cứng laser điển hình lên tới 700 HV (60.1 HRC) chiều sâu 0.04″ 660 HV Một ví dụ khác tơi vịng xoay bánh hạng nặng cần trục Hình 2.6 mơ tả cần trục vị trí bánh tăng đề cập Bánh có đường kính 14 feet khối lượng 5,3 Vật liệu sử dụng 42CrMo4, laser hiệu có hàm lượng cacbon 4,2% Một lưu ý, vật liệu tơi laser hiệu có thành phần cacbon 0,2% Hình 2.6 Cần trục vị trí tơi cứng Hình 2.7 thể q trình tơi laser cho vịng bánh đề cập trên.Với thời gian giờ, vòng bánh đến độ cứng 520 HV với chiều sâu 0.08″, đạt độ cứng 600 HV bề mặt 25 Hình 2.7 Q trình tơi laser vịng bánh Kết tơi thể hình 2.8 với mặt cắt mang Độ cứng vật liệu quan sát với chiều sâu khoảng mm (0.12″) Kích thước điểm laser diot áp dụng thiết bị quang đồng nhất, sản phẩm khác laser đường Hệ thống quang học cho phép thay đổi kích thước từ nhỏ x mm² đến lớn 50 x 50 mm² — giữ phân bố mũ đồng Hình 2.8 Kết phân bố độ cứng bánh tơi laser Cơng nghệ tơi laser diode áp dụng cho chi tiết siêu trọng, siêu trường thực tế ưu điểm cơng nghệ tơi laser 2.3 Tơi laser phù hợp cho chi tiết có kích thước đa dạng Thêm vào cơng nghệ tơi laser áp dụng cho chi tiết có kích thước phức tạp giá đỡ, trục khủy, trục bánh răng, vòng bánh răng, bánh cơn, nhơng xích bánh ly hợp Ví dụ bánh đặc thù (chain sprocket) hình 2.9, trục xoắn hình 2.10 trục bánh (hình 2.11) Cho tất chi tiết, cong vênh thấp, vùng lựa chọn với chiều sâu từ 0.02 tới 0.08″, kết độ cứng khoảng 80 HRC cho tất mẫu 26 Hình 2.9:Bánh đặc thù ( chain sprocket) tơi laser Hình 2.10 Trục xoắn vùng lựa chọn tơi laser Hình 2.11 Bánh sau laser Kết bánh đạt chiều sâu hóa bền 0.075″, 55 giây cho bên sườn cần công suất kW Cong vênh khơng có khả đo, bánh gia công đến phép đo cuối trước Thiết bị sử dụng để máy tơi trục có khả quay quanh trục thẳng đứng, nằm ngang, hình dáng phức tạp chi tiết Máy có khả tơi m theo trục X, 0,9 m theo trục Y 1,2 m theo trục Z Laser có cơng suất 4kW với chùm tia chữ nhật có kích thước 11.5mm x 2.5mm 27 Bảng 2.1 Vật liệu chế tạo trục tơi laser Loại thép Mác thép cụ thể Thép chế tạo trục thông thường 1020, 1045, 4130, 4140, 4340 Thép không gỉ 304, 309, 316, 321, 410, 431, 440 Hợp kim chịu ăn mòn cao Inconel 625, Hastelloy C-276 Ứng dụng tơi bề mặc khn Ngồi laser ứng dụng cho khuôn mẫu mà vùng nhỏ bề mặt yêu cầu độ cứng cao (cần tơi) Hình 2.12 mơ tả máy tơi laser tơi cho khn mẫu Hình 2.12 Hình ảnh laser cho khuôn lớn 2.4 Ứng dụng vật liệu thiêu kết [5] - Kết cho vật liệu thiêu kết Fe-2Cu-0,8C Kết laser cho vật liệu tiêu chuẩn có thành phần Fe-2Cu-0.8C vật liệu tiêu chuẩn đánh giá Nhìn từ xuống kích thước mặt cắt ngang x mm phần chi tiết hóa bền laser thể hình 2.13 Cấu trúc phân bố độ cứng Vicker thể hình 2.14 Bề mặt có tổ chức đồng mactenxit, q trình tự tơi với tốc độ phù hợp Có thể thấy độ cứng hóa bền cơng nghệ tơi laser có độ cứng lên tới 800 HV, độ cứng lớp thấm C 28 Hình 2.13 Tỷ lệ hóa bền Hình 2.14 Hình ảnh cấu trúc tế vi phân bố độ cứng laser cho vật liệu Fe-2Cu-0,8C - Kết cho vật liệu thiêu kết Fe-2Cu-0,8C Vật liệu thiêu kết thường trở nên đồng vật liệu thép thông thường Các hạt lớn Ferrit có xu hướng hướng tạo thành đốm với vật liệu có thành phần cacbon nhỏ 0,7% Bởi thời gian nung nóng laser tương đối ngắn, có mối lo ngại pha ferrit cịn dư sau tơi Do đó, tơi laser với vật liệu thiêu kết đánh giá Cấu trúc tế vi phân bố độ cứng thể hình 2.15 Cấu trúc vật liệu sau tơi laser đồng mactexit với khơng có pha ferrit Hình 2.15 Hình ảnh cấu trúc tế vi phân bố độ cứng laser cho vật liệu Fe-2Cu-0,5C 29 - Kết cho vật liệu thiêu kết Fe-4Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.5C Tôi laser đồng thời ứng dụng cho vật liệu thiêu kết với thành phần phức tạp Fe-4Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.5C Vật liệu khơng đồng có pha liên kim tồn Cấu trúc phân bố độ cứng mẫu sau tơi laser thể hình 2.10 Phân bố độ cứng mong muốn tìm thấy, độ cứng phân bố chứng tỏ cấu trúc gồm có mactenxit Hình 2.16 Hình ảnh cấu trúc tế vi phân bố độ cứng laser cho vật liệu Fe-4Ni-0.5Mo-1.5Cu-0.5C Từ kết nghiên cứu thấy công nghệ laser phù hợp cho vật liệu thiêu kết Tương tự vật liệu (thép) thơng thường, cơng nghệ tơi laser sử dụng để tơi điểm (hình 2.17) Hình 2.17 Tơi laser điểm chi tiết chế tạo theo công nghệ thiêu kết Tơi theo đường trịn hình 2.18 30 Hình 2.18 Tơi laser theo đường trịn - Ưu điểm cơng nghệ laser với vật liệu thiêu kết: Đầu tiên, công nghệ laser giảm cong vênh nứt vỡ diện tích nung nóng nhỏ, diện tích nhỏ nhiều so với nhiệt luyện thể tích cảm ứng Thứ hai, công nghệ cho phép tơi cục chi tiết với hình dáng phức tạp mà công nghệ khác không thực Ví dụ hình 2.19, cơng nghệ tơi laser vùng nhỏ xung quanh lỗ Hình 2.19 Hình ảnh mơ tả tơi laser cho vành lỗ Cùng mác thép sau laser cho giới hạn chảy cao 10-20% với công nghệ nhiệt luyện truyền thống Công nghệ laser phù hơp cho mác thép có thành phần cacbon từ 0,2% trở nên 31 Chương Tổng hợp nhiệt luyện mác thép nghiên cứu 3.1 Nhiệt luyện thép 1045 Thành phần hóa học thép 1045 theo bảng 3.1 đây: Bảng 3.1 Thành phần hóa học thép 1045 Nguyên tố Thành phần Cacbon, C 0.420 - 0.50 % Sắt, Fe 98.51 - 98.98 % Mangan, Mn 0.60 - 0.90 % Photpho, P ≤ 0.040 % Lưu huỳn, S ≤ 0.050 % Thép AISI 1045 sử dụng để rèn, thường hóa, khử ứng suất, chủ yếu sử dụng qua ram Nhiệt độ rèn khoảng 850°C - 1250°C (1562°F - 2282°F) Giữ nhiệt để đồng hóa sau làm nguội lò Ủ - Nâng nhiệt tới 800°C - 850°C (1472°F - 1562°F) Giữ nhiệt để đồng hóa sau làm nguội lị Thường hóa – Nâng nhiệt đến 870°C - 920°C (1598°F-1688°F) Giữ nhiệt khoảng 10 - 15 phút Nguội ngồi khơng khí Khử ứng suất dư – Nung đến 550°C - 660°C (1022°F - 1220°F) Giữ nhiệt cho đồng Nung 25mm chiều dày Làm nguội tiếp tục khơng khí Tôi – Nung đến 820°C - 850°C (1508°F - 1562°F) Giữ nhiệt để đồng Giữ 10 - 15 phút cho 25mm chiều dày Tôi nước nước muối Ram – Nung nóng trở lại đến 400°C - 650°C (752°F - 1202°F) Giữ nhiệt đồng chi tiết Thời gian tính 25mm chiều dày chi tiết Làm nguội khơng khí Độ cứng thép 1045 sau Ram nhiệt độ khác trình bày bảng 3.2 Bảng 3.2 Độ cứng thép 1045 sau ram Độ cứng (HRC) Sau tôi/Sau ram (oC) Sau dầu nhiệt độ 830℃-860℃ 55 150 55 200 53 32 300 51 400 43 500 34 550 34 600 28 650 24 700 20 3.2 Nhiệt luyện thép SKD61 Thép SKD61 nhiệt luyện, ram đạt độ cứng 46-52 HRC Để đạt độ cứng từ 46-53 HRC thép SKD61 tơi nhiệt độ khác từ 950 oC đến 1100 oC Khi nung nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn Nền thép giàu nguyên tố hợp kim ổn định giữ độ cứng nhiệt độ cao hơn, thời gian dài Tuy nhiên nhiệt độ thích hợp tính cứng nóng độ bền Tôi nhiệt độ cao (trên 1080 oC) hạt tinh thể thép bị thô, độ dai thép nhỏ khn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm Trái lại, nung nhiệt độ thấp (dưới 1000 oC) thép hoà tan nguyên tố hợp kim ổn định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng khuôn Kết nghiên cứu cho thấy nung SKD61 tốt 1020  1070 oC Giới hạn dùng cho khuôn lớn, thời gian giữ nhiệt nung dài Giới hạn dùng cho khuôn nhỏ, thành mỏng 20 mm Môi trường làm nguội tơi khn SKD61 tốt dầu nóng Dùng quạt thổi gió lạnh để tơi áp dụng cho khuôn nhỏ Song khuôn lớn, thổi gió lạnh khơng đủ để làm nguội nhanh lõi độ cứng lõi thấp, chất lượng Chế độ ram ảnh hưởng tới tính cứng nóng theo chiều hướng ngược lại: Nhiệt độ ram lớn 600 oC tính cứng nóng giảm mạnh tượng tiết cacbit làm thép nghèo nguyên tố hợp kim đi, tính cứng nóng giảm nóng cải thiện Hình 3.1 Quy trình nung thép H13 (SKD61) chế tạo chốt khuôn 33 Ram nhiệt độ thấp (500, 550 oC) độ cứng giảm chậm theo thời gian, khả chống mài mòn khơng tận dụng độ cứng thứ hai nhờ chuyển biến austenit dư thành mactenxit ram Kết tốt ram lần nhiệt độ từ 570  590 oC Hình 3.2 Quy tình ram thép chế tạo chốt Ảnh hưởng nhiệt độ ram đến độ cứng thép SKD61 thể hình 3.3 Từ độ cứng yêu cầu mà chọn nhiệt độ ram phù hợp Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ ram đến độ cứng thép SKD61 sau 3.3 Nhiệt luyện thép gió P18 Thép gió mác thép hợp kim hóa cao tới 10-20% nguyên tố hợp kim cacbon cao nên trạng thái Ủ thép có tổ chức Ledeburit, trạng thái cung cấp thường hóa trạng thái Mactenxit Thép trước nhiệt luyện phải rèn Ủ hoàn toàn 840-860 oC đạt độ cứng HB 241-269 với tổ chức peclit cacbit mịn phân bố đều, khó gia cơng cắt Nhiệt luyện thép cách nung phân cấp Tôi ngun cơng định tới tính cứng nóng thép gió đặc điểm nhiệt độ tơi cao (gần 1300 oC) khoảng dao 34 động lại hẹp (chỉ 10 oC), không cho phép nhiệt độ thấp hơn, cao giới hạn quy định Thứ nhất: Khi nung nhiệt độ thấp hơn, austenit chưa bão hịa đủ W để nâng cao tính cứng nóng: +Khi nung nóng Ac1 (khoảng 850 oC) thép gió có chuyển biến peclit thành austenit, tơi 850-900 oC đạt 45-50 HRC chưa đủ để cắt + Tiếp tục nâng cao nhiệt độ, cacbit bắt đầu hòa tan hòa tan nhiều vào austenit làm pha giàu nguyên tố hợp kim ( cacbon) Tới 1000 oC bão hòa crom Cr23C6 dễ hòa tan VC khơng hịa tan vào austenit Cịn Fe3W3C (loại cacbit chu yếu) bắt đầu hòa tan 1150 oC tới gần 1300 oC hòa tan 8% W Do nguyên lý để chọn nhiệt độ tơi cho thép gió sử dụng nhiệt độ tơi cao để austenit hóa chứa nhiều W để tạo mactenixt có tính cứng nóng cao Tại nhiệt độ tơi cịn nhiều cacbit Fe2W3C tồn VC chưa hịa tan cản trở phát triển hạt, giữ hạt nhỏ làm tăng tính chống mài mòn Tuy nhiên vượt nhiệt độ quy định, cacbit hòa tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép bị giịn, chí có trường hợp biên hạt bị chảy Vì tơi thép gió đạt tính cứng nóng cao địi hỏi phải đạt nhiệt độ cao cách xác Nếu cần đạt độ cứng cao (HRC >60) nhiệt độ tơi cần đạt 1000 oC đủ Tổ chức tế vi thép gió sau tơi gồm mactexnit giàu Vonfram, austenit dư (30%) cacbit dư (15-20%) với độ cứng khoảng 62 HRCm song chưa phải cao Cacbit dư có ảnh hưởng tốt đến tính chống mài mịn song lượng austenit dư lớn làm giảm độ cứng sau vài đơn vị HRC Sở dĩ austenit dư nhiều nhiệt độ tơi cao , austenit hợp kim hóa cao mặt tạo nên mactenxit cứng nóng cao mặt khác hạ thấp điểm Mf Do austenit nguội có tính ổn định cao nên áp dụng nhiều cách tơi cho thép gió Hình 3.4 Quy trình nhiệt luyện thép gió 35 -Tơi dầu nóng (>60 oC) áp dụng cho dao có hình dạng đơn giản – Tơi phân cấp muối nóng chảy 400-600 oC với thời gian giữ nhiệt 3-5 phút, áp dụng cho dao nhỏ, hình dạng phức tạp, yêu cầu độ cong vênh nhỏ mũi khoan -Gia công lạnh để khử austenit dư sau tôi, áp dụng cần ổn định kích thước – Tơi khơng khí (tự tôi) đạt độ cứng cao dao mỏng, song cho độ cứng khn đều, (độ cứng thấp chỗ dày), dễ bị oxy hóa, cacbon bề mặt, tiết cacbit khỏi austenit làm giảm tính cứng nóng, nên dùng Ram thép gió nhằm làm ứng suất bên trong, khử bỏ austenit dư, tăng độ cứng (độ cứng tăng thêm 2-3 HRC), tượng gọi độ cứng thứ hai Thép gió thường ram từ 2-4 lần khoảng nhiệt độ 550-570 oC, lần khoảng Khi nung tới 550 oC, cacbit Vonfram Fe3W3C nhỏ mịn bắt đầu tiết khỏi dung dịch làm austenit nghèo đi, nâng cao điểm Ms làm giảm ứng suất nén lên austenit dư làm pha chuyển biến thành mactenxit, độ cứng tăng lên Sau lần ram tỷ lệ định (khoảng 50-75%) austenit dư chuyển biến lại gây ứng suất bên mới, nên sau phải ram thêm 1-3 lần để q trình xảy hồn tồn Để nâng cao khả cắt thép gió, sau mài hóa nhiệt luyện, thấm cacbon-nito nhiệt độ thấp (550-570 oC) thể lỏng 2-3 h tạo lớp thấm mỏng có độ cứng cao cỡ 70 HRC tuổi bền tăng 50% song giịn, thích hợp loại dao va đập 36 KẾT LUẬN - Chuyên đề tổng kết kiến thức liên quan nghành nhiệt luyện xử lý bề mặt -Tổng hợp ứng dụng laser - Tổng hợp nghiên cứu nhiệt luyện mác thép 1045, SKD61 P18 37 Tài liệu tham khảo [1] Nghiêm Hùng, Vật liệu học sở, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2002 [2] Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất, Công nghệ nhiệt luyện, Nhà xuất giáo dục, 2000 [3] Nguyễn Văn Thành, Đề tài cấp Bộ công thương ‘‘Nghiên cứu thiết kế chế tạo dưỡng kiểm sử dụng lắp ráp khí’’, 2019 [4] Lê Trường Giang, Báo cáo dự án “Hỗ trợ đào tạo nâng cao chất lượng kỹ sư thiết kế, chế tạo sản xuất loại khuôn mẫu lĩnh vực CNHT công nghiệp chế biến chế tạo” thuộc Chương trình phát triển cơng nghiệp năm 2020 [5] Makoto SATO, Yuuki ADACHI and Hiroaki MOTOYAMA, “Application of Laser Hardening Technology to Sintered Parts”, Sei technical review, Vol 82, 2016 [6] http://www.lasercladdingservices.com.au/capabilities.html [7] https://thermalprocessing.com/case-study-laser-hardening/ [9] https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/metals-what-are- metals/steels-properties-of-steels/high-speed-steel-hss/ [10] Shi shaojun, Heat-treatment and properties of high speed steel cutting tool, ICAMMT 2018 [12] Eckhard Pippel , Microstructure and Nanochemistry of Carbide Precipitates in High-Speed Steel S 6-5-2-5 Elsevier, 38 ... .6 Chương Tổng quan nhiệt luyện xử lý bề mặt 1.1 Vai trò nhiệt luyện chế tạo khí 1.2 Nhiệt luyện phương pháp nhiệt luyện 1.3 Phương pháp xử lý bề mặt phổ biến Việt Nam 10... Vai trị nhiệt luyện chế tạo khí Như nhiệt luyện đóng vài trị đầu vào (nhiệt luyện sơ bộ) đầu (nhiệt luyện kết thúc) q trình gia cơng khí 1.2 Nhiệt luyện phương pháp nhiệt luyện Nhiệt luyện phương... hay nhiệt luyện luyện cục Nhiệt luyện sơ hay nhiệt luyện kết thúc Cịn cơng nghệ xử lý bề mặt chia thành phương pháp hóa bền thấm cacbon, thấm nitơ Nội dung chuyên đề tổng kết chung tổng quát công