TỔNG QUAN
Tổng quan về hướng nghiên cứu
Hiện nay, công nghệ tôi cảm ứng từ bề mặt đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao cơ tính vật liệu, chủ yếu tập trung vào các chi tiết dạng trục và những bộ phận cần độ mài mòn cao như bánh răng và cơ cấu cam Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ này cho các mặt phẳng, đặc biệt là bề mặt cong phức tạp, vẫn chưa phổ biến Một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực này đã được thực hiện, nhưng cần nhiều nghiên cứu hơn nữa để mở rộng ứng dụng.
Bài báo khoa học "Continual induction hardening of steel bodies" của các tác giả Pavel Karban và Martina Donátová, thuộc Khoa điện tử của Đại học West Bohemia, Cộng hòa Czech, đã được xuất bản vào năm 2009 bởi Elsevier Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp di chuyển liên tục trong quá trình tôi cảm ứng cho các chi tiết vật liệu thép, nhằm nâng cao độ bền và khả năng chịu lực của sản phẩm.
Nghiên cứu này ứng dụng phương trình vi phân để mô phỏng các thông số gia nhiệt cảm ứng, bao gồm tần số và nhiệt độ theo thời gian, nhằm tái hiện quá trình tôi cảm ứng từ Tác giả dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ khi cuộn dây mang dòng điện có tần số thay đổi di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết cần tôi Từ trường thay đổi tạo ra dòng điện Foucault, giúp gia nhiệt cục bộ trên bề mặt chi tiết Khi thời gian gia nhiệt đủ lớn để vượt qua ngưỡng chuyển biến Austenit, tiến trình làm nguội nhanh sẽ tạo ra vật liệu với cấu trúc bề mặt cứng hơn Đề tài phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc và độ đồng đều thành phần thép sau khi tôi, nhằm tối ưu hóa kết quả Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào quá trình tôi cảm ứng cho các chi tiết dạng trục, với cuộn dây bố trí cố định theo biên dạng của các chi tiết cần tôi.
Bài báo khoa học "Ảnh hưởng của phương pháp tôi cảm ứng từ cục bộ từng điểm đến cấu trúc vật liệu kim loại: So sánh giữa thép AISI 1045 và 5140" của các tác giả Kai Gao, Xunpeng Qin, Zhou Wang và Shengxiao Zhu, được xuất bản năm 2015 bởi Elsevier, nghiên cứu tác động của quá trình tôi cảm ứng từ cục bộ lên cấu trúc vi mô của hai loại thép AISI 1045 và 5140 Các tác giả đã thực hiện thí nghiệm tôi cảm ứng trên các mẫu thép này và tiến hành phân tích cấu trúc vi mô, xác định các thành phần kim tương (Mactenxit, Ferit, Peclit) tại các vị trí khác nhau để đánh giá chiều sâu lớp thấm tôi đạt được.
Hình 1.2: Mô hình thí nghiệm và tổ chức tế vi đạt được sau khi tôi cảm ứng
Kết quả cho thấy bề mặt mẫu thí nghiệm có thành phần Mactenxit cao nhất, giảm dần vào bên trong vật liệu chưa được cứng hóa của thép AISI 1045, với thành phần cacbon cao hơn so với AISI 5140.
Bài báo khoa học "Mô phỏng và thực nghiệm tôi cảm ứng từ cục bộ bề mặt cho vật liệu thép AISI 1045" của các tác giả đến từ Đại học Vũ Hán, Trung Quốc, trình bày quá trình gia nhiệt cảm ứng bằng cuộn dây đồng được mô phỏng trên phần mềm ANSYS nhằm xác định thông số nhiệt độ tối ưu Quá trình tôi cảm ứng được thực hiện ở nhiệt độ 850 °C, sau đó làm nguội với tốc độ 200 °C/giây để thu được Mactenxit hoàn toàn Theo giản đồ CCT, nếu tốc độ làm nguội giảm xuống 21 °C/giây, tỷ lệ Peclit sẽ tăng từ 0 đến 100%, dẫn đến việc không đạt yêu cầu trong quá trình tôi thép Độ cứng tối đa đạt được sau khi tôi lên đến 690 HV (60 HRC) Phân tích được thực hiện bằng cách chia lưới và xác định thành phần kim tương tại mặt cắt ngang, cho thấy độ thấm tôi đạt được là 1,6 mm dựa trên hình ảnh phần trăm của Mactenxit và Peclit tại các vị trí lưới.
Hình 1.3: Mô hình và kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trên Ansys
The research article titled "Development of Induction Surface Hardening Process for Small Diameter Carbon Steel Specimens" by authors Daisuke Suzuki, Koji Yatsushiro, Seiji Shimizu, Yoshio Sugita, and Motoki Saito focuses on enhancing the induction surface hardening technique specifically for small diameter carbon steel components The study explores innovative methods to improve hardness and durability, making it significant for applications requiring high-performance materials The findings contribute to advancements in manufacturing processes, particularly in industries that utilize small steel parts.
Katsuhiko Kubota – Trung tâm Công nghiệp Yamanashi – Nhật Bản, xuất bản năm
Năm 2009, viện nghiên cứu JCPDS đã thực hiện một công trình nghiên cứu sử dụng dòng điện tần số rất cao lên đến 2MHz để tôi cảm ứng từ bề mặt các chi tiết hình trụ có đường kính 6 mm, đạt độ thấm tôi bề mặt 0,4 mm và độ cứng 600 HV (56 HRC) Đối với chi tiết có đường kính 3 mm, độ thấm tôi bề mặt đạt 0,09 mm với độ cứng tương tự Việc áp dụng dòng điện tần số cực cao cho phép tôi cảm ứng trên các chi tiết nhỏ, khác với các phương pháp truyền thống chỉ có thể tôi thể tích trong trường hợp kích thước nhỏ Các thí nghiệm được tiến hành với điều kiện tốc độ di chuyển của chi tiết so với cuộn dây cảm ứng, không sử dụng mô phỏng nhiệt Kết quả cho thấy, tốc độ di chuyển phôi càng nhanh thì độ thấm tôi và độ cứng càng giảm Tuy nhiên, nếu tốc độ tôi quá chậm, sẽ tương tự như trường hợp tôi thể tích, do đó, các thí nghiệm đã tập trung xác định tốc độ tôi tối ưu để đạt độ thấm tôi thấp nhất và độ cứng lớn nhất.
Hình 1.4: Mô hình và kết quả tôi cảm ứng chi tiết trụ nhỏ
- “3D modeling of induction hardening of gear wheels” (Mô hình hóa
Bài báo khoa học của các tác giả Jerzy Barglik, Albert Smalcerz, Roman Przylucki, và Ivo Doležel, xuất bản năm 2014, nghiên cứu phương pháp tôi cảm ứng từ cho bánh răng tại Khoa vật liệu - Đại học Katowice và Khoa điện tử - Đại học Praha Nhóm tác giả áp dụng các phương trình năng lượng để khảo sát các thông số từ trường và phân bố nhiệt độ trong quá trình tôi cảm ứng, với mô phỏng số cho 41 chế tạo từ vật liệu 50CrMo4 (có hàm lượng cacbon trung bình 0,46 – 0,54%C) Để đáp ứng yêu cầu về độ cứng bề mặt nhằm tối ưu hóa khả năng chống mài mòn, trong khi vẫn đảm bảo độ dẻo dai của cấu trúc bên trong, quá trình tôi cảm ứng được thực hiện với hai thông số khác nhau: đầu tiên là dòng điện tần số thấp khoảng 10 kHz để nung nóng chậm toàn bộ bánh răng đến nhiệt độ Ac3, sau đó là dòng điện tần số rất cao.
Quá trình tôi cảm ứng với tần số 100 kHz được thực hiện để nung nóng các biên dạng chân răng và đỉnh răng, sau đó làm nguội nhanh sản phẩm bằng cách phun dung dịch polymer, nhằm tạo ra tổ chức Mactenxit và nâng cao độ cứng bề mặt bánh răng Nghiên cứu tập trung phân tích ảnh hưởng của đặc tính vật liệu đến thời gian tôi, cho thấy độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và nhiệt dung của kim loại có ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian nung nóng và nhiệt độ đạt được Kết quả cho thấy độ cứng bề mặt đạt được sau khi tôi lên đến 700 HV.
Hình 1.5: Phân bố nhiệt độ bề mặt biên dạng răng
- “Analysis and simulations of multifrequency induction hardening”
Bài báo khoa học của các tác giả Dietmar Hürnberg, Thomas Petzold và Elisabetta Rocca, xuất bản năm 2014, phân tích quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu tập trung vào các phương trình nhiệt của Maxwell và lý thuyết dòng điện cảm ứng Foucault để khảo sát nhiệt lượng sinh ra trong quá trình tôi Mô phỏng cho thấy nhiệt độ phân bố không đồng đều trên bề mặt bánh răng, với nhiệt độ cao nhất tại đỉnh bánh răng và vùng chân răng chưa đạt nhiệt độ cần thiết Để giải quyết tình trạng này, nhóm tác giả đề xuất sử dụng dòng điện tần số trung bình (MF) cho khu vực chân răng và dòng tần số cao (HF) cho phần đỉnh Kết quả cho thấy việc kết hợp dòng điện đa tần số (MF và HF) mang lại hiệu quả gia nhiệt tối ưu nhất.
Hình 1.6: Quá trình gia nhiệt bánh răng với các tần số khác nhau: Tần số trung bình
(MF) dùng gia nhiệt chân răng, tần số cao để gia nhiệt đỉnh răng và kết hợp đa tần số (MF + HF) đem lại kết quả tối ưu nhất
The study titled "Numerical Simulation and Experimental Investigation on the Induction Hardening of a Ball Screw" by Huiping et al explores the processes involved in the induction hardening of ball screws The research combines numerical simulations with experimental methods to analyze the effectiveness and efficiency of the induction hardening technique The findings contribute valuable insights into optimizing the hardening process, enhancing the performance and longevity of ball screws in various applications.
Nghiên cứu của Li, Lianfang và các cộng sự từ Khoa công nghệ vật liệu và ứng dụng - Đại học Sơn Đông, Trung Quốc, công bố trong Tạp chí Vật liệu và Thiết kế năm 2015, đã chỉ ra rằng quá trình tôi cảm ứng điện từ ở nhiệt độ cao dễ gây ra rạn nứt và quá nhiệt trên đỉnh ren do độ hạt lớn và ứng suất do làm nguội nhanh Việc sử dụng cuộn dây cảm ứng trong quá trình này cũng tạo ra ứng suất và vết nứt tại chân ren do sự phân bố nhiệt độ không đồng đều Để khắc phục, nhóm tác giả đề xuất phương pháp tôi cảm ứng điện từ với nhiều cuộn dây cảm ứng và khe hở từ trường tối ưu, nhằm đạt hiệu quả cao nhất về nhiệt độ và độ cứng Qua thí nghiệm với mẫu từ vít me bi, họ đã xác định được độ cứng đạt 600 HV với lớp thấm tôi dày 1,5 mm ở nhiệt độ 1150 oC Tuy nhiên, nếu giảm tốc độ di chuyển cuộn dây, lớp thấm tôi tăng lên 2,5 mm nhưng kèm theo khuyết tật như độ hạt lớn và vết nứt xuất hiện.
Hình 1.7: Mô phỏng quá trình gia nhiệt cảm ứng từ và làm nguội trục vít me bi
Bài báo khoa học “Mô phỏng quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số bao gồm khảo sát sự chuyển biến pha và thay đổi cơ tính” của các tác giả Dietmar Hürnberg, Qingzhe Liu, Jonathan Montalvo-Urquizo, Dawid Nadolski, Thomas Petzold, Alfred Schmidt, và Alwin Schulz từ Khoa công nghệ vật liệu của các trường Đại học Berlin, Bremen, Greifswald (Đức), Đại học Nuevo Leon (Mexico), và Đại học Trondheim (Na Uy), xuất bản bởi Elsevier năm 2016, trình bày mô phỏng quá trình tôi cảm ứng điện từ cho chi tiết bánh răng vật liệu AISI 4140 Các tác giả đã sử dụng lý thuyết các phương trình vi phân năng lượng và động năng để tính toán thông số nhiệt độ cho quá trình tôi cảm ứng Thí nghiệm được thực hiện với máy tôi có công suất 200 kW cho tần số trung bình và 300 kW cho tần số cao, cho thấy bề mặt đỉnh răng đạt độ cứng và độ thấm tôi cần thiết Qua việc xác định tỷ lệ thành phần cấu trúc pha kim loại và ứng suất khu vực tôi cảm ứng, các tác giả đã phát hiện ra sự khác biệt của ứng suất theo phương tiếp tuyến và vuông góc bề mặt răng phụ thuộc vào chiều dày lớp thấm tôi.
Hình 1.8: Ảnh hưởng của tần số tôi cảm ứng trong hai trường hợp mô phỏng và thực nghiệm
Hình 1.9: Đồ thị ứng suất sau tôi theo phương tiếp tuyến và vuông góc bề mặt biên dạng đỉnh răng
Bài báo khoa học “Mô phỏng quá trình tôi cảm ứng điện từ nhằm khảo sát sự thay đổi cơ tính vật liệu” của các tác giả J Montalvo-Urquizo, Q Liu và A Schmidt từ Viện nghiên cứu toán học - Đại học Bremen, xuất bản bởi Elsevier năm 2013, trình bày mô hình tính toán cho phương pháp tôi cảm ứng điện từ và mô phỏng số cho quá trình gia nhiệt và làm nguội Nghiên cứu khảo sát sự thay đổi cơ tính vật liệu do sự thay đổi lỗ hỗng trong quá trình chuyển pha khi gia nhiệt, bao gồm biến dạng và độ đàn hồi của vật liệu trong quá trình tôi cao tần Thử nghiệm được thực hiện trên chi tiết bánh răng với vật liệu 42CrMo4, cho thấy vùng biên dạng đỉnh răng xuất hiện ứng suất dư lớn nhất trong quá trình tôi cảm ứng điện từ.
Hình 1.10: Phân bố ứng suất sau quá trình gia nhiệt
Tính cấp thiết của đề tài
Theo Cục xúc tiến thương mại, ngành cơ khí Việt Nam phụ thuộc nhiều vào thép nhập khẩu, với chi phí lên tới hơn 10,4 tỷ USD trong năm 2016 Sắt thép đứng thứ 5 trong top 10 mặt hàng nhập khẩu nhiều nhất, do ngành công nghệ vật liệu và luyện thép trong nước chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu Hệ quả là ngoại tệ chảy ra nước ngoài, kéo theo giá thành sản phẩm tăng và năng suất lao động giảm.
Trong thời gian ngắn, vấn đề giảm hàm lượng thép cơ khí nhập khẩu vẫn chưa thể giải quyết do phụ thuộc vào nhiều yếu tố và trình độ phát triển khoa học kỹ thuật Yêu cầu quan trọng là giảm thiểu tối đa việc nhập khẩu thép, đặc biệt là các loại thép cơ tính cao như SKD11, có độ cứng lên đến 60 - 70 HRC, chiếm tỷ trọng lớn về số lượng và giá thành trong ngành cơ khí.
Hiện nay, có nhiều giải pháp nhằm giảm chi phí gia công khuôn, như thay thế vật liệu có cơ tính tương đương hoặc sử dụng thép thông thường và tiến hành tôi để tăng độ cứng Tuy nhiên, thép SKD11 vẫn là lựa chọn duy nhất đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật do mục đích sử dụng đặc thù Mặc dù phương pháp tôi sau gia công có thể cải thiện độ cứng, nhưng nó cũng có thể làm giảm độ chính xác và độ nhám bề mặt khuôn do biến dạng trong quá trình gia nhiệt.
Phương pháp tôi cảm ứng từ điều khiển CNC giúp khắc phục hạn chế do biến dạng lòng khuôn, đồng thời tạo ra độ cứng cần thiết cho khuôn Việc tôi và làm cứng lớp bề mặt còn giúp ngăn ngừa hư hỏng nứt gãy do tính giòn, khi lớp ngoài cứng kết hợp với độ dẻo dai cần thiết bên trong khuôn.
Phương pháp cảm ứng thành công của tôi giúp giảm chi phí mua vật liệu cơ khí, rút ngắn thời gian đáp ứng và tăng năng suất lao động trong quy trình sản xuất.
Mục đích của đề tài
Thiết kế, chế tạo máy tôi cảm ứng CNC trên cơ sở cải tiến máy phay CNC
Thực nghiệm tôi cảm ứng các mẫu thép vật liệu C45 và SS400, xác định kết quả độ cứng đạt được và cấu trúc tế vi
Làm cơ sở để nghiên cứu, chế tạo hoàn chỉnh máy tôi cảm ứng CNC sử dụng cho các bề mặt lòng khuôn phức tạp.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu các thông số nhiệt độ, tần số, thời gian tối ưu cho quá trình tôi cảm ứng bề mặt
Xác định độ cứng, cấu trúc tế vi và chiều sâu thấm tôi vật liệu sau khi tôi
Cải thiện độ cứng bề mặt chi tiết trong khi vẫn giữ được cấu trúc bên trong vật liệu
Thiết kế máy tôi cảm ứng CNC có thể ứng dụng cho các chi tiết lòng khuôn phức tạp hơn.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Tìm hiểu lý thuyết công nghệ vật liệu thép cacbon
Tìm hiểu lý thuyết công nghệ nhiệt luyện
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép C45 và SS400 gồm tôi thể tích thông thường và tôi cảm ứng
Tìm hiểu lý thuyết đo độ cứng và xác định cấu trúc tế vi thép sau khi tôi
Mô phỏng quá trình gia nhiệt bằng phần mềm Comsol Multiphysics
Chúng tôi tiến hành chế tạo các mẫu thí nghiệm cảm ứng từ bằng vật liệu C45 và SS400 Quy trình được thiết lập để thực hiện thí nghiệm cảm ứng từ trên bề mặt phẳng, sử dụng các mẫu thép đã chuẩn bị trước đó thông qua công nghệ CNC.
Tiến hành đo độ cứng, xác định thành phần kim tương, chiều sâu thấm tôi và đánh giá kết quả đạt được sau khi tôi
1.5.2 Giới hạn đề tài Đề tài nằm trong phạm vi làm luận văn thạc sĩ nên điều kiện vật chất và thời gian yêu cầu chỉ dừng lại ở mức độ thực nghiệm tôi cảm ứng các mẫu thép phẳng Việc thực nghiệm trên các bề mặt lòng khuôn phức tạp cũng như thông số nhiệt luyện tối ưu sẽ được nghiên cứu chuyên sâu sau này Do đó đề tài tập trung thực nghiệm tôi cảm ứng bề mặt và xác định độ cứng cũng như cấu trúc tế vi vật liệu sau quá trình tôi.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc phân tích vật liệu thép cacbon, lý thuyết tôi thể tích và tôi cảm ứng từ, cùng với các phương pháp đo độ cứng Nghiên cứu cũng tập trung vào phân tích kim tương và chiều sâu thấm tôi Quá trình gia nhiệt được mô phỏng bằng phần mềm COMSOL MULTIPHYSICS để đảm bảo tính chính xác trong nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhằm cải tiến máy phay CNC 3 trục thành máy tôi cảm ứng từ CNC Thực nghiệm được thực hiện trên các mẫu vật liệu thép C45 và SS400, nhằm xác định độ cứng, cấu trúc tế vi của vật liệu và chiều sâu thấm tôi đạt được.
Phương pháp phân tích và so sánh sử dụng lý thuyết kết hợp với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá kết quả đạt được Qua đó, chúng ta có thể rút ra kết luận về sự phù hợp giữa lý thuyết và thực tế, cũng như khả năng ứng dụng của lý thuyết trong cuộc sống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết công nghệ vật liệu kim loại
Sắt, một nguyên tố kim loại quan trọng, xuất hiện phổ biến trong các loại quặng và đất đá, chiếm một lượng lớn trong lớp vỏ trái đất Vai trò của sắt và các hợp kim của nó là rất lớn, góp phần quan trọng vào sự tiến hóa và phát triển của lịch sử nhân loại.
Sắt có độ bền và độ cứng cao nhưng vẫn không đáp ứng đủ yêu cầu sản xuất, vì vậy trong kỹ thuật thường sử dụng các hợp kim của sắt với cơ tính tốt hơn Hầu như không sử dụng sắt nguyên chất trong các ứng dụng công nghiệp Độ dai va đập của sắt đạt 2500 KJ/m², nhưng các hợp kim mang lại hiệu suất vượt trội hơn trong nhiều lĩnh vực.
Sắt có hai kiểu mạng tinh thể phổ biến: Lập phương tâm mặt A1 và lập phương tâm khối A2 [27]
- Lập phương tâm khối A2, tồn tại ở hai dạng thù hình là: Feα trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ thường đến 911 o C và Fe δ trong khoảng nhiệt độ từ
Nhiệt độ từ 1392 o C đến 1539 o C cho thấy kiểu lập phương tâm khối với nhiều lỗ hổng nhỏ Cụ thể, lỗ bốn mặt có bán kính r = 0,291 kích thước nguyên tử sắt (rFe), trong khi lỗ tám mặt có bán kính r = 0,154 kích thước nguyên tử sắt (rFe) Những lỗ hổng này chứa khối cầu với kích thước tối đa r = 0,0364 nm và có mật độ sắp xếp tổng thể thấp.
Lập phương tâm mặt A1 của sắt tồn tại dưới dạng thù hình Feγ trong khoảng nhiệt độ từ 911 đến 1392 °C Cấu trúc lập phương tâm mặt này có ít lỗ hổng, nhưng các lỗ hổng lại có kích thước lớn hơn, với lỗ bốn mặt có bán kính r = 0,225rFe và lỗ tám mặt có bán kính r = 0,414rFe, cho phép chứa khối cầu có kích thước tối đa r = 0,052 nm, đồng thời có mật độ sắp xếp cao hơn.
2.1.2 Giản đồ pha Fe – C (Fe – Fe 3 C) 2.1.2.1 Tương tác giữa sắt và cacbon
Sắt và cacbon tương tác với nhau theo hai cách:
- Cacbon hòa tan vào sắt tạo thành dung dịch rắn Fe - C
- Cacbon tác dụng với sắt tạo thành hợp chất hóa học
Dung dịch rắn Fe – C là dung dịch rắn xen kẽ vì cacbon có đường kính nguyên tử nhỏ hơn sắt [27]
- Fe α hòa tan: Từ 0,006 đến 0,02%C
- Feγ hòa tan: Thấp hơn 2,14%C
Thép và gang là hai hợp kim phổ biến của Fe – C
Hợp chất hóa học của Fe với C (Xementit Fe 3 C): Sắt tác dụng với cacbon tạo thành 3 hợp chất là Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C) và FeC (17,67%C)
Tuy nhiên các hợp kim của Fe - C thường chứa dưới 5% cacbon (thép và gang) nên trong thực tế chúng ta chỉ gặp Fe3C
Fe3C hình thành khi hàm lượng cacbon trong hợp kim vượt quá giới hạn hòa tan của nó trong sắt Đây là một pha không ổn định, sẽ phân hủy thành Fe và C ở nhiệt độ cao Đặc điểm của Fe3C là rất giòn và cứng, với độ cứng khoảng 800 HB.
Khi cacbon được đưa vào sắt, nếu nồng độ cacbon nằm trong giới hạn hòa tan (tùy thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), cacbon sẽ hòa tan trong sắt tạo thành dung dịch rắn xen kẽ Nguyên tử cacbon có kích thước rC = 0,077 nm sẽ xâm nhập vào cấu trúc của sắt.
Feγ có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt với lỗ rỗng tám mặt lớn kích thước 0,052 nm, cho phép nguyên tử cacbon kích thước 0,077 nm có thể xếp vào bằng cách giãn các nguyên tử sắt Tuy nhiên, do không phải tất cả các lỗ hổng trên tám mặt đều có thể chứa nguyên tử cacbon, nên giới hạn hòa tan của cacbon trong Feγ chỉ đạt khoảng 10% nguyên tử Do đó, chỉ có Feγ mới có khả năng hòa tan cacbon.
Feα, Feδ không có khả năng hoà tan cacbon hay độ hoà tan cacbon trong chúng là không đáng kể (có thể coi bằng không)
Khi lượng cacbon trong sắt vượt quá giới hạn hòa tan, các nguyên tử cacbon dư thừa sẽ kết hợp với sắt để tạo thành pha trung gian Xêmentit Fe3C, với thành phần 6,67% cacbon và 93,33% sắt Mặc dù Grafit là pha ổn định hơn Xêmentit, nhưng trong hợp kim thuần Fe – C, việc hình thành Grafit rất khó khăn, thậm chí có thể nói là không thể, do đó Xêmentit được coi là pha giả ổn định và được xem là ổn định trong điều kiện này.
Hợp kim Fe – C được tạo ra nhờ các tương tác hoá bền, giúp tăng cường độ bền và độ cứng so với sắt nguyên chất, và hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
2.1.2.2 Giản đồ pha Fe–C (Fe – Fe 3 C)
Hình 2.2: Giản đồ pha Fe - C
Trên giản đồ trạng thái Fe – C chỉ trình bày đến 6,67%C, ứng với hợp chất hóa học Xementit Fe 3 C [27]
Các tọa độ của các điểm quan trọng trên đồ thị: A(1539 o C; 0%C), E(1147 o C; 2,14%C), C(1147 o C; 4,3%C), N(1392 o C; 0%C), G(911 o C; 0%C), P(727 o C; 0,02%C), S(727 o C; 0,8%C), Q(0 o C; 0,006%C)
ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh
AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh
ECF (1147 o C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (Eutectic)
PSK (727 o C) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (Eutectoid)
ES là giới hạn hoà tan cacbon trong Feγ
PQ là giới hạn hoà tan cacbon trong Feα
2.1.3 Cấu trúc và tính chất các pha trong hợp kim 2.1.3.1 Các tổ chức một pha
Ferit (ký hiệu là α, F hoặc Feα) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong sắt Fe α với cấu trúc lập phương tâm khối Mặc dù lượng cacbon hòa tan trong ferit rất nhỏ (tối đa chỉ 0,02%C ở 727 °C và giảm xuống 0,006%C ở nhiệt độ thường), nhưng nó vẫn được xem là Feα Theo lý thuyết, cacbon không thể thâm nhập vào lỗ hổng của Feα, và lượng cacbon hòa tan chủ yếu tồn tại ở các khuyết tật mạng, đặc biệt là tại biên giới hạt Ferit có tính chất sắt từ nhưng chỉ đến một mức độ nhất định.
Ferit tồn tại trong vùng GPQ trên giản đồ ở nhiệt độ 768 oC, tiếp giáp với Feα trên trục sắt Do không chứa cacbon, cơ tính của Ferit tương đương với sắt nguyên chất, mang đặc tính dẻo, dai, mềm và kém bền Tuy nhiên, Ferit có thể hòa tan các nguyên tố như Si, Mn, P, và Cr, giúp tăng cường độ cứng và độ bền, nhưng làm giảm tính dẻo dai Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và dưới 727 oC, chiếm khoảng 90% trong hợp kim Fe – C, đóng góp quan trọng vào cơ tính của hợp kim này Tổ chức tế vi của Ferit có dạng các hạt sáng, đa cạnh.
Austenit (ký hiệu γ, A, Feγ(C)) là một dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ, với cấu trúc mạng lập phương tâm mặt và có khả năng hòa tan cacbon đáng kể, lên đến 2,14% ở 1147 o C Tại nhiệt độ này, trung bình cứ ba đến bốn ô cơ sở mới cho phép một nguyên tử cacbon định vị vào lỗ hổng tám mặt Ở 727 o C, hàm lượng cacbon giảm xuống còn 0,80% Khác với Ferit, Austenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, và chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao trên 727 o C Mặc dù không ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sử dụng của hợp kim, Austenit đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến dạng nóng và nhiệt luyện.
Thép có tính dẻo cao và mềm ở nhiệt độ cao, thường được biến dạng nóng ở trạng thái Austenit đồng nhất khoảng 1000 °C Điều này cho phép tiến hành biến dạng nóng với mọi hợp kim Fe – C có chứa carbon dưới 2,14%, mặc dù ở nhiệt độ thường chúng thể hiện độ cứng và tính giòn cao Việc làm nguội Austenit với tốc độ khác nhau sẽ tạo ra hỗn hợp Ferit – Xêmentit với độ mịn khác nhau hoặc Mactenxit với cơ tính cao, đáp ứng đa dạng nhu cầu sử dụng và gia công Tổ chức tế vi của Austenit có các hạt sáng với màu sắc khác nhau và các đường song tinh cắt ngang, thể hiện tính dẻo cao.
Xêmentit (ký hiệu Xe, Fe3C) là một pha xen kẽ với mạng phức tạp, có công thức Fe3C và chứa 6,67% carbon, tương ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ Đặc điểm nổi bật của Xêmentit là tính cứng và giòn, cùng với Ferit, nó tạo thành các tổ chức khác nhau trong hợp kim sắt – carbon Mặc dù Xêmentit có tính sắt từ yếu, nhưng chỉ đến một mức nhất định.
210 o C Người ta phân biệt bốn loại Xêmentit:
Xêmentit thứ nhất (XeI) hình thành khi nồng độ cacbon trong hợp kim lỏng giảm theo đường DC khi nhiệt độ hạ xuống, chỉ xuất hiện ở hợp kim có hàm lượng cacbon lớn hơn 4,3% Được tạo ra ở nhiệt độ cao trên 1147 độ C, Xêmentit thứ nhất có hình dạng thẳng, thô to và đôi khi có thể quan sát bằng mắt thường.
Cơ sở lý thuyết công nghệ nhiệt luyện
Nhiệt luyện là quá trình nung nóng thép đến một nhiệt độ nhất định, duy trì nhiệt độ trong thời gian phù hợp, sau đó làm nguội với tốc độ xác định nhằm đạt được cấu trúc và tính chất cơ học theo yêu cầu Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính năng của thép.
- Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép
- Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và cơ tính
2.2.1.2 Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện
Có 3 yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện gồm [28]:
- Thời gian giữ nhiệt: τgn
- Tốc độ làm nguội sau khi giữ nhiệt: V nguội Các yếu tố đánh giá kết quả:
- Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt và chiều sâu lớp hóa bền
- Cơ tính bao gồm độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai
- Độ cong vênh, biến dạng chi tiết
Hình 2.3: Đồ thị đặc tính quá trình nhiệt luyện 2.2.1.3 Phân loại nhiệt luyện thép
Nhiệt luyện là phương pháp phổ biến và đơn giản nhất, có tác dụng biến đổi tổ chức và tính chất cơ học của vật liệu, bao gồm các kỹ thuật như ủ, thường hóa, tôi và ram.
Hóa nhiệt luyện là một phương pháp nhiệt luyện kết hợp với việc điều chỉnh thành phần hóa học ở bề mặt vật liệu Quá trình này tiếp theo là nhiệt luyện để nâng cao các tính chất của vật liệu, bao gồm cả phương pháp thấm đơn nguyên tố và đa nguyên tố như carbon (C).
Cơ nhiệt luyện là quá trình biến dạng dẻo của thép trong trạng thái Austenit, tiếp theo là quá trình tôi và ram để tạo ra tổ chức hạt nhỏ, mịn và có cơ tính tối ưu Phương pháp này thường được áp dụng tại các nhà máy thép cán nóng hoặc trong ngành luyện kim.
2.2.1.4 Vai trò của nhiệt luyện đối với ngành sản xuất cơ khí
Tăng cường độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ bền của thép là cần thiết để sử dụng vật liệu với độ bền, độ cứng và độ dai tối ưu Điều này không chỉ giúp giảm trọng lượng kết cấu mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Cải thiện cơ tính công nghệ là yếu tố quan trọng trong quá trình gia công, giúp đáp ứng các yêu cầu về độ mềm cắt gọt và độ dẻo biến dạng của chi tiết.
Là khâu sau cùng, thường không thể bỏ qua vì nó quyết định tiến độ chung, chất lượng và giá thành sản phẩm sản xuất
2.2.2 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành Austenit 2.2.2.1 Cơ sở xác định chuyển biến khi nung
Dựa vào giản đồ pha Fe - C: Ở nhiệt độ thường mọi thép đều có cấu tạo bởi hai pha cơ bản: F và Xê (trong đó P = [F + Xê]) [27]
Thép cùng tích: Có tổ chức đơn giản là P
Thép trước và sau cùng tích: Có tổ chức P + F và P + XêII Khi nung nóng:
- Khi T o nhỏ hơn Ac1 thì chưa có chuyển biến gì
- Khi T o bằng Ac 1 thì P chuyển thành γ theo phản ứng:
Thép TCT và SCT: F và XêII không thay đổi
- Khi T o lớn hơn Ac 1 : F và Xê II tan vào γ nhưng không hoàn toàn
- Khi T o lớn hơn Ac3 và Acm: F và XêII tan hoàn toàn vào γ
- Trên đường GSE mọi thép đều có tổ chức γ [27]
Hình 2.4: Cơ sở chuyển biến pha sắt cacbon 2.2.2.2 Đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit
Hình 2.5: Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Peclit thành Austenit
Nhiệt độ và thời gian chuyển biến [27]:
- Vnung càng lớn thì nhiệt độ chuyển biến càng cao
- Tnung càng cao thì khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn
- Tốc độ nung V2 lớn hơn V1 thì nhiệt độ bắt đầu chuyển biến ở V2 cao hơn và thời gian chuyển biến nhanh hơn Độ hạt Austenit [27]:
- Peclit ban đầu càng mịn thì hạt Austenit (γ) càng nhỏ
- V nung càng lớn thì hạt γ càng nhỏ
- Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt càng lâu thì hạt càng lớn
- Theo đặc tính phát triển Austenit có thể chia thép làm hai loại là thép bản chất hạt lớn và hạt nhỏ
- Thép bản chất hạt nhỏ được hình thành bằng cách khử ôxy triệt để bằng cách bổ sung nguyên tử nhôm
- Thép hợp kim với các nguyên tố Ti, Mo, V, Zr, Nb, dễ tạo cacbit ngăn cản quá trình phát triển hạt để cho kết quả thép hạt nhỏ
- Thành phần Mn và P làm hạt phát triển nhanh
Hình 2.6: Sơ đồ phát triển hạt Austenit: I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn Ý nghĩa kích thước hạt Austenit:
- Hạt γ càng nhỏ → Mactenxit có độ dẻo, dai cao hơn
Cơ chế chuyển biến từ P sang γ không chỉ tạo ra mà còn phát triển mầm giống như quá trình kết tinh Tuy nhiên, do bề mặt phân chia giữa F và Xê rất phong phú, số lượng mầm hình thành trở nên rất lớn, dẫn đến việc hạt γ ban đầu có kích thước rất nhỏ và mịn, thường nhỏ hơn cấp 8 đến 10.
- Chuyển biến Peclit → Austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt thép nên được ứng dụng rộng rãi
2.2.3 Mục đích của giữ nhiệt
Làm đều nhiệt độ trên tiết diện chi tiết Để chuyển biến pha xảy ra hoàn
Làm đồng đều thành phần γ
2.2.4 Các chuyển biến của Austenit khi làm nguội chậm 2.2.4.1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích
Giản đồ T – T – T của thép cùng tích: Nhiệt độ (T) - thời gian (T) và chuyển biến (T) Vì biểu đồ có dạng chữ "C" nên còn gọi là đường cong chữ “C”
Khi γ bị nguội tức thời dưới 727 o C nó chưa chuyển biến ngay được nên gọi là γ quá nguội có tính chất không ổn định [27]
- Trên 727 o C là khu vực tồn tại của γ ổn định
- Bên trái chữ "C" đầu tiên là vùng γ quá nguội
- Giữa hai chữ "C" là pha γ đang chuyển biến (tồn tại cả ba pha γ, F và Xê)
- Bên phải chữ "C" thứ hai là các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt γ quá nguội là hỗn hợp của F - Xê với mức độ nhỏ mịn khác nhau
- Dưới đường Mđ (200 o C - 240 o C), Mactenxit + Austenit dư
- Giữ γ quá nguội ở nhiệt độ sát A1: + T o khoảng 700 o C, ΔT o nhỏ, khoảng 25 o C: Peclit (tấm), độ cứng 10 -
+ T o khoảng 650 o C, ΔT o khoảng 75 o C: Xoocbit tôi, độ cứng 25 - 35 HRC
+ T o thấp hơn nữa, ở đỉnh lồi chữ “C” (500 o C ÷ 600 o C): Trôxtit, độ cứng 40 HRC
Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến Peclit, còn Xoocbit và Troxtit được coi là các dạng phân tán của Peclit
Khi giữ Austenit ở nhiệt độ từ 450 oC đến 250 oC, quá trình hình thành Bainit diễn ra với độ cứng đạt từ 50 đến 55 HRC Đây được xem là một giai đoạn chuyển biến trung gian, trong đó hàm lượng cacbon hơi quá bão hòa (0,10%), và cấu trúc bao gồm Fe2,4÷3C cùng một lượng nhỏ γ (dư), nằm giữa các pha 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, ở sát A1 có sự chuyển biến của Peclit, trong phần lồi là Trôxtit, còn ở giữa là Xoocbit và phía dưới là Bainit Phương pháp làm nguội đẳng nhiệt giúp tạo ra tổ chức đồng nhất trên tiết diện.
2.2.4.2 Sự phân hóa Austenit khi làm nguội liên tục
Hình 2.8: Giản đồ T – T - T của thép cùng tích với các giá trị tốc độ làm nguội
Trên giản đồ trên tuỳ thuộc vào tốc độ làm nguội Vnguội ta có:
- V 1 ở sát A 1 thì γ chuyển thành Peclit tấm
- V2 (làm nguội trong không khí tĩnh) thì γ chuyển thành Xoocbit
- V3 (làm nguội trong không khí nén), cắt ở phần lồi thì γ chuyển thành Trôxtit
- V4 (làm nguội trong dầu) thì có phản ứng: Trôxtit + Mactenxit = Bán Mactenxit
- V5 (làm nguội trong nước lạnh) V5 không cắt đường cong chữ "C" nào, tức γ chuyển thành Mactenxit
Kết luận: Khi làm nguội liên tục thì tổ chức tạo thành phụ thuộc vào vị trí của vectơ tốc độ nguội trên đường cong chữ “C”
Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện vật liệu, nhất là trong các trường hợp tiết diện lớn
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
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 như thép hợp kim cao tôi trong không khí
- Tổ chức đồng nhất trên toàn tiết diện, ngay cả đối với tiết diện lớn
2.2.4.3 Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích
Giản đồ dưới đây thể hiện sự khác biệt của thép trước và sau khi tích tụ, đồng thời có nhánh phụ biểu thị sự tiết ra Ferit (TCT) hoặc XêII (SCT), cùng với đường ngang A3.
Hình 2.9: Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích
Những điểm khác biệt so với thép cùng tích:
- Đồ thị đường cong (chữ "C" và nhánh phụ) lệch sang trái hơn
- Khi làm nguội chậm liên tục (V2), γ quá nguội sẽ tiết ra Ferit (TCT) hoặc Xê II (SCT) trước sau đó mới phân hóa thành hỗn hợp F - Xê
Khi làm nguội nhanh với tốc độ V3 hoặc lớn hơn, Vnguội sẽ không cắt nhánh phụ Nếu γ quá nguội, nó sẽ chuyển thành F - Xê dưới dạng X, T, B, trong đó B chỉ xuất hiện khi thực hiện quá trình làm nguội đẳng nhiệt.
Thép không có thành phần đúng ở mức 0,8%C mà vẫn không tiết ra F hoặc Xê được gọi là cùng tích giả
2.2.5 Chuyển biến của Austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến
Hình 2.10: Giản đồ T – T - T và tốc độ tôi tới hạn Vth (τm và Tm - thời gian và nhiệt độ ứng với γ kém ổn định nhất)
Khi Vnguội lớn hơn Vth, quá trình tôi thép diễn ra, dẫn đến sự chuyển biến thành Mactenxit Vth được xác định là tốc độ làm nguội tối thiểu cần thiết để tạo ra Mactenxit.
V th =A 1 - T m τ m , là nhiệt độ và thời gian ứng với Austenit quá nguội kém ổn định nhất
Mactenxit là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Feα
Mactenxit có cấu trúc mạng tinh thể chính phương tâm khối do quá bão hòa cacbon, với tỷ lệ c/a dao động từ 1,001 đến 1,06 tùy thuộc vào thành phần cacbon Đặc điểm này dẫn đến độ xô lệch mạng lớn, khiến Mactenxit trở nên rất cứng.
2.2.5.2 Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit
Hình 2.12: Đồ thị động học mô tả chuyển biến Mactenxit
Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục γ với tốc độ lớn hơn Vth
Chuyển biến không khuếch tán: nguyên tố cacbon gần như giữ nguyên vị trí, nguyên tố Fe từ pha γ (A1) chuyển thành M (gần như A2)
Quá trình xảy ra với tốc độ rất lớn, tới hàng nghìn m/s
Mối quan hệ giữa Mđ và MK cho thấy rằng chúng chỉ xảy ra từ giữa Mđ đến khi kết thúc ở MK Khi tăng cường thành phần C và các nguyên tố hợp kim (ngoại trừ Si, Co và Al), Mđ và MK sẽ giảm Đặc biệt, Mđ và MK không bị ảnh hưởng bởi tốc độ Vnguội.
Chuyển biến không hoàn toàn do hiệu ứng tăng thể tích gây ra lực nén, dẫn đến phần γ không chuyển biến được gọi là γ dư Điểm MK thường thấp, dưới 20 oC, và trong một số trường hợp có thể rất thấp, như -100 oC, khiến lượng γ dư có thể đạt tới 20 - 30% Tỷ lệ γ dư chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau.
- Điểm MK: MK càng thấp và nằm dưới 20 o C thì lượng γ dư càng nhiều
M K giảm khi tăng lượng nguyên tố hợp kim trong γ
- Hàm lượng C càng tăng thì lượng γ dư càng nhiều
Mối quan hệ giữa độ cứng và thành phần phần trăm cacbon được cho như đồ thị dưới đây:
Hình 2.13: Độ cứng Mactenxit phụ thuộc vào thành phần phần trăm cacbon Độ cứng: Khi thành phần C tăng thì độ cứng tăng nên:
- Thép ít cacbon: Thành phần C nhỏ hơn 0,25% thì độ cứng sau tôi nhỏ hơn 40 HRC
- Thép C trung bình: Thành phần C khoảng 0,40 - 0,50% thì độ cứng sau tôi tương đối cao lớn hơn 50 HRC
- Thép C cao: Thành phần C lớn hơn 0,60% thì độ cứng sau tôi cao, lớn hơn 60 HRC
Chỉ có thép hàm lượng cacbon lớn hơn 0,40%C khi tôi mới tăng được tính chịu mài mòn