Giáo trình Vật liệu cơ khí phần 2 Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của những vật liệu phi kim loại thường dùng trong ngành chế tạo cơ khí như, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit. Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƢƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN Mã chƣơng: CMH10 - 04 Mục tiêu chƣơng - Trình bày đƣợc khái niệm giản đồ pha, điểm đƣờng giới hạn xảy chuyển biến pha Mô tả đƣợc chuyển biến giản đồ pha Fe -C Phân tích đƣợc yếu tố ảnh hƣởng đến trình nhiệt luyện dạng sai hỏng thƣờng gặp nhiệt luyện - Giải thích đƣợc chất q trình nhiệt luyện, hố nhiệt luyện phƣơng pháp: ủ, thƣờng hố, tơi, ram, thấm cac bon, nitơ, xia nua Nêu đƣợc hình thức hóa nhiệt luyện đƣợc số dụng cụ nghề nhƣ dao tiện thép gió, đục, - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động tích cực sáng tạo học tập Khái niệm nhiệt luyện 1.1 Định nghĩa Nhiệt luyện cơng nghệ nung nóng kim loại đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt thời gian thích hợp sau làm nguội với tốc độ quy định để làm thay đổi tổ chức, làm biến đổi tính chất theo phƣơng hƣớng chọn trƣớc Việc xác định nhiệt độ nung nóng, thời gian giữ nhiệt tốc độ làm nguội tuỳ tiện mà phụ thuộc hồn tồn mục đích đặt trƣớc mắt Rõ ràng với mục đích đặt khác áp dụng công nghệ nhiệt luyện giống Cần ý nhiệt luyện không đƣợc phép nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy hay chảy phận Trong trình nhiệt luyện, kim loại ln ln trạng thái rắn, hình dạng kích thƣớc sản phẩm hầu nhƣ khơng thay đổi hay thay đổi Kết nhiệt luyện đƣợc đánh giá tổ chức bên kim loại biểu thị tính chất Do cơng tác kiểm tra nhiệt luyện quan trọng, xác định quan sát bề ngồi 61 1.2 Cơng dụng - Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn chi tiết thép (gang) mà bảo đảm yêu cầu độ dẻo độ dai Do làm cho chi tiết chịu đƣợc tải trọng lớn làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng đƣợc 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 hoá bền chi tiết này, chi tiết máy chịu ma sát nhƣ 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 không qua tơi ram khơng thể làm việc đƣợc Một yếu tố quan trọng định chất lƣợng 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 phƣơng pháp gia công khác nhau: đúc, rèn hàn, cắt, gọt Cải thiện tính cơng nghệ làm q trình gia cơng chế tạo đƣợc thuận lợi tiến hành với suất cao hơn, góp phần nâng cao suất lao động Trong chế tạo khí thƣờng gặp tƣợng sau rèn, thép bị biến cứng phần khó gia cơng (có trƣờng hợp khơng thể cắt gọt), trƣờng hợp phải tiến hành nhiệt luyện phƣơng 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 thƣờng hố tăng thêm độ cứng để đảm bảo cắt gọt dễ Áp dụng phƣơng 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 ) 1.3 Ý nghĩa nhiệt luyện Là khâu quan trọng, thiếu đƣợc chế tạo khí Sở dĩ nhƣ thép vật liệu chủ yếu quan trọng số kim loại, đồng thời áp dụng nhiều phƣơng pháp nhiệt luyện khác để cải biến tính tính cơng nghệ Tác dụng nhiệt luyện điểm sau: 62 - Tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mịn chi tiết thép mà đảm bảo yêu cầu độ dẻo độ dai Do làm cho chi tiết chịu tải trọng lớn làm nhỏ gọn hơn, sử dụng đƣợc bền, lâu hỏng hơn; - Nhiều loại thép sau nhiệt luyện cách ram, độ bền, độ cứng tăng lên ÷ lần (tuy độ dẻo, độ dai có giảm), có lợi cho việc hố bền chi tiết máy Các chi tiết máy chịu ma sát nhƣ : bánh răng, trục … Nếu khơng qua hố bền nhiệt luyện chóng mịn, hỏng, ( thời gian làm việc giảm hàng chục đến hàng trăm lần) Đối với dao cắt, khuôn dập, tác dụng nhiệt luyện lại có ý nghĩa định Do tác dụng quan trọng nhƣ nên hầu hết chi tiết quan trọng máy qua nhhiệt luyện Ví dụ chi tiết qua nhiệt luyện ôtô - máy kéo chiếm (70 ÷ 80) %, máy cơng cụ chiếm (60 ÷ 70)% Tất dụng cụ phải nhiệt luyện Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C 2.1 Khái niệm Trong phần nghiên cứu giản đồ trạng thái sắt – cacbon (Fe – C), khái niệm gang - thép, phƣơng pháp nhiệt luyện, hóa - nhiệt luyện, - nhiệt luyện sơ lƣợc thiết bị nhiệt luyện Do cần hiểu đƣợc chuyển biến nung nóng làm nguội thơng qua giản đồ trạng thái Fe - C giản đồ có liên quan, chất tổ chức tạo thành, mối quan hệ tổ chức Cơ sở để nghiên cứu gang - thép tìm hiểu tính chất giản đồ trạng thái Fe - C Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe - C trƣớc hết phải khảo sát đặc tính nguyên thành phần 2.2 Ý nghĩa giản đồ Giản đồ pha Fe – C cho biết tọa độ nhiệt độ, tọa độ thành phần xác định, tổ chức hợp kim sắt Các hệ hợp kim khác có kiểu giản đồ trạng thái khác xác lập thực nghiệm 63 2.3 Dạng giản đồ trạng thái Fe - C 2.3.1 Giản đồ trạng thái Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải đƣợc xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song không dùng hợp kim Fe - C với lƣợng cacbon nhiều 5% nên ta xây dựng giản đồ đến 6,67% cacbon tức ứng với hợp chất hóa học Fe3C Hình 4.1 Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C 2.4 Các tổ chức hợp kim Fe-C giản đồ Trên giản đồ, đƣờng ABCD đƣờng lỏng; Đƣờng AHJECF đƣờng đặc a Các tổ chức pha - Hợp kim lỏng (L): dung dịch lỏng cacbon sắt, tồn phía đƣờng lỏng ABCD - Ferit (ký hiệu F hay ): dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe(), có mạng lập phƣơng thể tâm nên khả hòa tan cacbon Fe() không đáng kể, lớn 7270C 0,02% nhỏ nhiệt độ thƣờng 0,006% 64 - Austenit (kí hiệu As hay ): dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe(), có mạng lập phƣơng diện tâm nên khả hòa tan cacbon Fe() lớn, lớn nhiệt độ 11470C với 2,14% nhỏ 7270C với 0,8%C Austenit dẻo dai nguyên tố khác hịa tan vào khơng làm độ cứng tăng lên độ dẻo độ dai giảm đáng kể mà cịn làm thay đổi động học chuyển biến ảnh hƣởng lớn tới nhiệt luyện - Xementit (ký hiệu Xe hay Fe3C): hợp chất hóa học sắt với cacbon - Fe3C có 6,67%C, ứng với đƣờng thẳng đứng DFK - Xementit thứ (XeI): loại kết tinh từ hợp kim lỏng, đƣợc tạo thành hợp kim chứa nhiều 4,3% khoảng nhiệt độ (1147 1600)0C Do tạo nên từ pha lỏng nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to - Xementit thứ hai (XeII): loại đƣợc tiết từ dung dịch rắn Austenit khoảng nhiệt độ (727 1147)0C độ hòa tan cacbon pha giảm từ 2,14% xuống cịn 0,8% XeII có hợp kim với thành phần cacbon lớn 0,8% Do tạo từ pha rắn nhiệt độ không cao nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, đƣợc tiết từ Austenit nên thƣờng dạng lƣới bao quanh Austenit - Xemetit thứ ba (XeIII): loại đƣợc tiết từ dung dịch rắn Ferit khoảng nhiệt độ thấp 7270C độ hòa tan giới hạn cacbon Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006% XeIII có hợp kim có thành phần cacbon lớn 0,006% nhƣng với lƣợng Do tạo nên từ pha rắn nhiệt độ thấp, khả khuếch tán nguyên tử nên Xe III thƣờng dạng mạng lƣới hay hạt nhỏ bên cạnh Ferit Các dạng Xementit không khác chất pha, khác kích thƣớc hạt phân bố điều kiện tạo thành khác b Các tổ chức pha - Peclit (ký hiệu P hay [+Xe]): Peclit hỗn hợp học tích Ferit Xementit ( tạo thành 7270C từ dung dịch rắn Austenit chứa 0,8%C Trong Peclit có 88% Ferit 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trình làm nguội, thành phần cacbon Austenit biến đổi đến 7270C có 0,8%C chuyển biến thành hỗn hợp tích Ferit Xementit: C 0,8 727 0,02 Fe3C6,67 65 Tùy theo hình dạng Xementit hỗn hợp, ngƣời ta chia loại peclit peclit peclit hạt (Peclit Xementit dạng phiến Peclit hạt Xementit dạng hạt) Peclit hỗn hợp học nên có tính chất trung gian Kết hợp tính dẻo, dai Ferit cứng, dịn Xementit nên nói chung Peclit có độ cứng, độ bền cao, tính dẻo dai thấp Tuy nhiên tính thay đổi phạm vi rộng phụ thuộc vào độ hạt Xementit - Ledeburit (ký hiệu Le): Ledeburit hỗn hợp học tinh, kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C 11470C Lúc đầu tạo thành gồm Austenit Xementit (trong khoảng 727 0C 11470C) Khi làm nguội xuống dƣới 7270C, chuyển biến thành Peclit Ledeburit hỗn hợp học Peclit Xementit Nhƣ cuối Ledeburit có pha Ferit Xementit Xementit chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Ledeburit cứng dòn c Q trình kết tinh hợp kim Fe-C Phần phía đường đặc AHJECF - Khu vực có thành phần (0,1 0,51) %C: Khi làm nguội đến đƣờng lỏng ABCD, hợp kim lỏng kết tinh dung dịch rắn trƣớc Khi hạ nhiệt độ xuống tới 14990C, hợp kim có pha dung dịch rắn chứa 0,1%C dung dịch lỏng chứa 0,51%C nên xảy phản ứng bao tinh tạo dung dịch rắn Austenit chứa 0,16%C C 0,1%C + L0,51%C 1499 0,16%C - Khu vực có thành phần (0,51 4,3) %C: Khi làm nguội hợp kim tới đƣờng lỏng BC kết tinh Austenit Các hợp kim có thành phần từ (0,51 2,14) %C kết thúc kết tinh tạo thành dung dịch rắn Austenit cịn hợp kim có thành phần từ (2,14 4,3) %C kết thúc kết tinh kết tinh dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C tạo pha có thành phần ứng với điểm E Xementit 11470C C Lc 1147 (E + XeF) d Phần phía đường đặc AHJECF Tại 7270C có thành phần 0,8%C chuyển biến thành Peclit hỗn hợp pha Ferit Xementit gọi hỗn hợp học tích C s 727 [R + XeK] 66 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình nhiệt luyện Nhiệt luyện phƣơng 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 đƣợc sản phẩm có tổ chức tính theo u cầu C Nhiệt độ nung tg dT = Tốc độ nguội d (thời gian) Thời gian giữ nhiệt Hình 4.2 Đồ thị cơng nghệ tổng qt nhiệt luyện Các thơng số q trình nhiệt luyện - Nhiệt độ nung: nhiệt độ lớn mà sản phẩm đƣợc nung tới giữ khoảng thời gian xác định Ý nghĩa: định hình thành tổ chức kim loại ban đầu định chất lƣợng 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 đƣợc đồng tính sản phẩm Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào khối lƣợng, kích thƣớc 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 67 Các hình thức nhiệt luyện 4.1 Phƣơng pháp ủ Định nghĩa Ủ thép phƣơng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt làm nguội chậm với lò, để đạt đƣợc tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp độ dẻo cao Đặc điểm - Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật chung mà tuỳ thuộc vào phƣơng pháp ủ - Quá trình làm nguội tiến hành chậm, thƣờng để nguội với lò (với tốc độ khoảng 10 500C/h) để Austenit phân hoá nhiệt độ A1 cho Peclit 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 - Làm giảm hay làm ứng suất bên sau ngun cơng gia cơng khí (mài, quấn nguội, cắt gọt ) đúc, hàn - Làm đồng thành phần hố học tồn tiết diện vật đúc thép bị thiên tích - Làm nhỏ hạt thép nguyên công trƣớc làm hạt lớn - Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc - Cầu hố Xementit để có tổ chức hạt khác với Xementit dạng Với mục đích đa dạng nhƣ khơng phƣơng pháp ủ đạt đƣợc mục tiêu Thông thƣờng phƣơng pháp ủ đạt đƣợc vài số tiêu kể 4.1.1 Phân loại Có nhiều phƣơng pháp ủ Theo chuyển biến pha P nung nóng, ngƣời ta chia phƣơng pháp ủ thành nhóm: ủ có chuyển biến pha ủ khơng có chuyển biến pha * Các phƣơng pháp ủ khơng có chuyển biến pha 68 Các phƣơng pháp ủ khơng có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp Ac1, khơng xảy chuyển biến P a Ủ thấp (ủ non) - Định nghĩa: Ủ thấp phƣơng pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ Ac1 để khơng có chuyển biến pha xảy - Mục đích đặc điểm: Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên vật đúc hay sản phẩm thép qua gia cơng khí +) Nếu ủ nhiệt độ thấp (200 3000C) có tác dụng làm giảm phần ứng suất bên nhƣng nhiệt độ cao (450 6000C) tác dụng khử bỏ ứng suất bên hồn tồn +) Do làm nguội nhanh, khơng đều, chuyển pha đúc, vật đúc tồn ứng suất bên Đối với số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phép tồn ứng suất dƣ độ Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dƣ, ngƣời ta tiến hành nung nóng đến 450 6000C b Ủ kết tinh lại - Định nghĩa: Ủ kết tinh lại phƣơng pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ Ac1 để khơng có chuyển biến pha xảy - Mục đích đặc điểm: Ủ kết tinh lại đƣợc tiến hành cho thép qua biến dạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trƣớc gia cơng khí Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon từ 600 7000C tức thấp nhiệt độ Ac1 Loại ủ làm thay đổi đƣợc kích thƣớc hạt giảm độ cứng, nhƣng áp dụng cho thép khó tránh tạo nên hạt lớn Các phƣơng pháp ủ có chuyển biến pha: Các phƣơng pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao Ac1, có xảy chuyển biến P c Ủ hoàn toàn Định nghĩa: Ủ hồn tồn phƣơng pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn Austenit, tức phải nung cao nhiệt độ Ac Accm Mục đích đặc điểm - Làm nhỏ hạt Nếu nung nhiệt độ Ac3 khoảng 20 300C ứng với nhiệt độ ủ khoảng 780 8600C, hạt Austenit nhận đƣợc giữ đƣợc kích 69 thƣớc bé, sau làm nguội chậm có tổ chức Ferit + Peclit hạt nhỏ Tổ chức có độ dai tốt - Làm giảm độ cứng tăng độ dẻo, dễ cắt gọt rập nguội Do làm nguội chậm, Austenit phân hố tổ chức Ferit + Peclit (tấm) có độ cứng khoảng 160 200HB, bảo đảm cắt gọt tốt dẻo, dễ rập nguội Nhƣ nhiệt độ ủ hoàn toàn T0ủ hoàn toàn = TAc0 + (20 30)0C Loại ủ áp dụng cho thép trƣớc tích có hàm lƣợng cacbon lớn 0,3%C d Ủ khơng hồn tồn Định nghĩa: Là phƣơng pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chƣa hoàn toàn Austenit, nhiệt độ cao Ac1 nhƣng thấp Ac3 hay Accm Mục đích đặc điểm: - Làm giảm độ cứng đến mức cắt gọt đƣợc, chuyển biến pha khơng hồn tồn có P Ferit XeII (do làm nguội khơng làm thay đổi kích thƣớc hạt pha đó) - Đối với thép trƣớc tích, loại thép có u cầu độ dai cao khơng làm nhỏ đƣợc hạt Ferit nên không áp dụng dạng ủ Do vậy, ủ khơng hồn tồn thƣờng đƣợc áp dụng chủ yếu cho thép tích sau tích với hàm lƣợng cacbon > 0,7% - Đối với thép có hàm lƣợng cacbon > 0,7% mà chủ yếu thép tích sau tích (thép có độ cứng cao, khó cắt gọt) Nếu tiến hành ủ hoàn toàn thép này, tổ chức nhận đƣợc Peclit tấm, độ cứng lớn 220HB gây cho việc cắt gọt gặp khó khăn Nếu tiến hành ủ khơng hồn tồn, nhiệt độ nung đạt đƣợc tổ chức Austenit phần tử XeII chƣa tan hết nên làm nguội, phần tử nhƣ mầm giúp cho tạo nên Peclit hạt Sau ủ khơng hồn tồn, thép có tổ chức Peclit hạt với độ cứng thấp (khoảng 200HB) nên đảm bảo cắt gọt tốt Vậy nhiệt độ ủ khơng hồn tồn cho thép cacbon là: T0ủ.k.h.t = T0Ac1 + (20 300C) 70 La tông với số hiệu LCuZn20 có màu vàng giồng vàng nên đƣợc dùng làm đồ trang sức dùng để trang trí LCuZn30 LCuZn32 có tính tổng hợp tốt latơng, đặc biệt có tính dẻo cao nên đƣợc dùng để rập vỏ đạn, làm ống dẫn chi tiết rập sâu Chúng có tên gọi patrơn LCuZn37 latơng pha có độ bền cao La tơng hai pha có độ bền cao nhƣng lại dẻo la tông pha Thƣờng dùng latông hai pha LCuZn40 dạng tấm, băng, ống, dây để làm chi tiết rập yêu cầu độ bền cao b Latông phức tạp Trong latông phức tạp, ngồi Cu Zn ngƣời ta cịn đƣa vào nguyên tố đặc biệt để cải thiện số tính chất hợp kim Các nguyên tố đặc biệt cho vào latông Pb, Sn, Al, Ni Cho Pb vào latơng để làm tăng tính cắt gọt Latơng hai pha LCuZn40Pb1 (59%Cu, 1%Pb, cịn lại 40%Zn) có tính cắt gọt tốt Pb khơng hồ tan Cu, tạo thành hạt riêng rẽ tổ chức dễ làm gãy phoi Hợp kim đƣợc dùng làm chi tiết gia công cắt sau đúc mà không biến dạng Cho Sn vào latông để làm tăng tính chống ăn mịn mơi trƣờng nƣớc biển LCuZn29Sn1 (có 70%Cu 1%Sn) dùng để làm ống chi tiết máy tàu biển Cho Al Ni vào latơng để làm tăng tính Ví dụ LCuZn36Al3Ni2 (có 59%cu, 3%Al, 2%Ni) có ζb = 500N/mm2 δ = 42% Ngồi tính chất khí cơng nghệ nêu, latơng cịn có tính chơng ăn mịn cao khơng khơng khí nƣớc máy Latơng hai pha có tính chống ăn mịn latơng pha Nhƣợc điểm latơng có khuynh hƣớng tự nứt Sau biến dạng nguội, chi tiết latơng cịn tồn ứng suất dƣ bên trong, dễ bị ăn mịn nứt khơng khí ẩm, amoniăc nƣớc biển La tơng có chứa nhiều 20%Sn dễ có tật hỏng Để tránh sau biến dạng nguội phải ủ 250 – 3000C 1h hay cho vào 1,0 – 1,5%Si 3.2.2 Brông Brông hợp kim đồng với nguyên tố trừ Zn, ngƣời ta phân biệt brông khác theo nguyên tố hợp kim chủ yếu đƣa vào, ví dụ hợp kim Cu – Sn đƣợc gọi brông thiếc, Cu – Al gọi brông nhôm… 102 Theo TCVN brong đƣợc ký hiệu bắt đầu chữ B Cu, Zn ký hiệu nguyên tố hợp kim Hàm lƣợng phần trăm nguyên tố viết sau ký hiệu tƣơng ứng nguyên tố ấy, Cu lƣợng cịn lại a Brơng thiếc Brơng thiếc hợp kim đồng với nguyên tố hợp kim chủ yếu thiếc Giản đồ trạng thái Cu – Sn giản đồ trạng thái phức tạp Trong thực tế dùng brông với lƣợng < 15%Sn Về tính, lƣợng thiếc thấp (