nhiệt luyện thép

nhiệt luyện thép là nung nóng thép đến một nhiệt độ xác định giữ nhiệt độ ở 1 thời gian nhất định và làm nguội dần để nhận được tổ chức

a Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian

thí ch hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức, do đó

tí nh chất theo yêu cầu

- Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép

- Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tí nh chất

b Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện

Hình 4.1 Sơ đồ của quá trình nhiệt

c Phân loại nhiệt luyện thép luyện đơn giản nhất

1 Nhiệt luyện: thường gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và

tí nh 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 tí nh 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 tí nh 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

a Tăng độ cứng, tí nh 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,

- 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

- Thời gian giữ nhiệt t gn:

- Tốc độ nguội V nguội sau khi giữ nhiệt

Các chỉ tiêu đánh giá kết quả:

+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kí ch thước

hạt, chiều sâu lớp hóa bền là chỉ tiêu gốc, cơ bản

nhất

+ Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai

+ Độ cong vênh, biến dạng

48

- 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

a 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 tí ch: có tổ chức đơn giản là P

- Thép trước và sau cùng tí ch: 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: [Feα + Xê]0,80%C→ γ0,80%C

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 (<

+ 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

b Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit

Nhiệt độ & thời gian chuyển biến: (hình 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

49

Độ hạt austenit:

- peclit ban đầu: càng mịn → γ nhỏ

- Vnung càng lớn → hạt γ càng nhỏ

- T& τ giữ nhiệt lớn thì hạt lớn

- Theo bản chất thép: bản chất

hạt lớn và hạt nhỏ (hình 4.5)

Thép bản chất hạt nhỏ: thép

được khử ôxy triệt để bằng Al,

thép hợp kim Ti, Mo, V, Zr, Nb,

dễ tạo cacbit ngăn cản phát triển

hạt

Mn và P làm hạt phát triển

nhanh

4.2.2 Mục đí ch của giữ nhiệt

- Làm đều nhiệt độ trên tiết diện

- để chuyển biến xảy ra hoàn

toàn

- Làm đồng đều % của γ

Hình 4.5 Sơ đồ phát triển hạt austenit I- di truyền hạt nhỏ, II- di truyền hạt lớn

4.2.3 Các chuyển biến khi làm nguội γ

a Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tí ch

peclit xoocbit trô xtit

bainit

austenit quá

Khi γ bị nguội (tức thời) dưới 727oC nó

chưa chuyển biến ngay được gọi là γ quá

- giữa hai chữ "C" - γ đang chuyển biến

(tồn tại cả ba pha γ, F và Xe)

50 Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán

+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt: ~450 ữ 250oC: Bainit, HRC 50 ữ 55, Được coi là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá bão hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe2,4-3C,

có 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

trên được

V5: (làm nguội trong nước lạnh) V5 không cắt đường cong chữ "C" nào, tức γ → M

Kết luận: khi làm nguội liên tục, tổ chức tạo thành ∈ vào vị trí của vectơ tốc độ nguội trên đường cong chữ "C

Đ/điểm 2: Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện

Đ/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

Đ/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 trên tiết diện, ngay

cả đối với tiết diện lớn

3 điểm khác biệt so với thép cùng tí ch:

1- Đường cong (chữ "C" và nhánh phụ)

xoocbit, phí a dưới được bainit

Làm nguội đẳng nhiệt nhận được tổ chức

đồng nhất trên tiết diện

b Sự phân hóa γγγγ khi làm nguội liên tục

Cũng xét giản đồ chữ “C” (hình 4.7) như

chuyển biến đẳng nhiệt

Đ/điểm 1: Tuỳ thuộc vào v nguội ta có:

A1

V2

V3

hỗ n hợ p F+Xê

F hoặc XeII A3 hoặc Acm

Mđ

MK mactenxit+ γdư

51 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) 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 tí ch 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 biến mactenxit (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

a Bản chất của mactenxit

Đ/n: M là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Feα

Đ/điểm: vì quá bão hoà C → mạng chí nh phương tâm khối (hình 4.12)

Độ chí nh phương c/a = 1,001 ữ 1,06 (∈ %C) → xô lệch mạng rất lớn → M rất cứng

Hình 4.12 ô cơ sở của Hình 4.13 Đường cong động

mạng tinh thể mactenxit học chuyển biến mactenxit

b Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit

1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục γ với tốc độ > Vth

2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên vị trí , Fe: từ γ (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 tí ch gây lực nén lên

γ → không thể chuyển biến, γ không chuyển biến được gọi là γ dư Điểm MK

thường thấp (<20oC) có khi rất thấp (ví dụ -100oC) → lượng γ dư có thể (20 ữ 30%) Tỷ lệ γ dư : phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Điểm MK: MK càng thấp dưới 20oC lượng γ dư càng nhiều: MK giảm khi tăng lượng nguyên tố hợp kim trong γ

+ %C tăng → ∆V ↑ → γ dư càng nhiều

c Cơ tí nh của mactenxit

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

Tí nh giòn:là nhược điểm của M làm hạn chế sử dụng, tí nh giòn phụ thuộc vào:

+ Kim M càng nhỏ tí nh giòn càng thấp → làm nhỏ hạt γ khi nung thì tí nh giòn ↓ + ứng suất bên trong càng nhỏ tí nh giòn càng thấp

Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi và phương pháp tôi thí ch 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 tí nh chất phù hợp với yêu cầu

a Tí nh không ổn định của mactenxit và austenit

Tổ chức thép tôi=M+γ dư : khi nung nóng M → F+Xê theo: Feα(C) →Fe3C + Feα

γ dư → F+Xê theo: Feγ(C) → Fe3C + Feα

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

b Các chuyển biến xảy ra khi ram

Thép cùng tí ch (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 ε FexC (x=2,0ữ2,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C trong M giảm xuống còn khoảng 0,25 ữ 0,40%, c/a giảm đi Hỗn hợp M í t cacbon

và cacbit ε đó được gọi là M ram (vẫn liền mạng):

(M tôi) Feα(C)0,8→ [Feα(C)0,25 ữ 0,40 + Fe2 ữ 2,4C] (M ram)

Giai đoạn II (T= 200 ữ 260oC)

Thép í t cacbon: %C≤ 0,25%, độ cứng sau tôi ≤ HRC 40

Thép C trung bình: %C= 0,40ữ0,50%, 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 tí nh chịu mài mòn

53 Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15 ữ 0,20%:

γ dư thành M ram: (γ dư) Feγ(C)0,8→ [Feα(C)0,15 ữ 0,20 + Fe2 ữ 2,4C] (M ram)

M ram là tổ chức có độ cứng thấp hơn M tôi, song lại í t giòn hơn do giảm được ứng suất

Độ cứng thứ II: Một số thép sau khi tôi có lượng γ dư 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

Giai đoạn III (T= 260 ữ 400oC)

Sau giai đoạn II thép tôi có tổ chức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 ữ 0,20%) và cacbit ε (Fe2 ữ 2,4C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến:

- M nghèo cacbon trở thành ferit, cacbit ε (Fe2 ữ 2,4C) → Xê (Fe3C) ở dạng hạt

Sơ đồ chuyển biến: Feα (C)0,15 ữ 0,20 → Feα + Fe3Chạt , cac bit Fe2 ữ 2,4C → F+Xê hạt = T ram

- Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tí ch)

- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tí nh đàn hồi

Giai đoạn IV (T > 400oC)

T > 400OC xảy ra quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của Xê hạt

- ở 500 ữ 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 tí nh khác nhau phù hợp với yêu cầu sử dụng

4.3 ủ và thường hóa thép

Đ/n: là các phương pháp thuộc nhóm nhiệt luyện sơ bộ, tạo độ cứng, tổ chức

thí ch hợp cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt luyện) tiếp theo

4.3.1 ủ thép

a Định nghĩa và mục đí ch

Đ/n: là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (từ 200 ữ 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 đí ch : được một số trong 5 mục đí ch 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 tí ch 5) Làm nhỏ hạt thép

Phân loại ủ: 2 nhóm: ủ có chuyển pha và ủ không có chuyển biến pha

b- Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha

Đ/điểm: T ủ thấp hơn A1 nên không có chuyển biến P → γ Chia thành 2 phương pháp:

ủ thấp: T= 200 ữ 600oC, mục đí ch làm giảm hay khử bỏ ứng suất,

54

ủ kết tinh lại: T> Tktl để khôi phục tí nh chất sau biến dạng

c Các phương pháp ủ có chuyển biến pha

ủ cầu hóa: là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, T= 750 ữ 760oC-5min (phút)

rồi T= 650 ữ 660oC- 5min , với lặp đi lặp lại → cầu hóa xêmentit để tạo thành peclit hạt

- ủ đẳng nhiệt: dùng cho thép hợp kim cao do γ quá nguội có tí nh ổn định quá lớn nên dù làm nguội chậm cùng lò cũng không đạt được tổ chức peclit mà là P-X,

X, X-T nên không đủ mềm để gia công cắt → ủ đẳng nhiệt: T= A1- 50oC (xác

định theo giản đồ T - T - T của chí nh thép đó) để nhận được tổ chức peclit

- ủ khuếch tán: T rất cao 1100ữ1150oC - (10 ữ 15h) để khuếch tán làm đều thành

- Nhiệt độ: giống như ủ hoàn toàn toàn nhưng được áp dụng cho cả thép sau cùng

- Tốc độ nguội: nhanh hơn đôi chút nên kinh tế hơn ủ

- Tổ chức và cơ tí nh: tổ chức đạt được là gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi chút

55

Hình 4.15 Khoảng nhiệt độ ủ, thường hóa

và tôi cho thép cacbon Hình 4.15 là các khoảng nhiệt độ ủ, thường hóa và tôi trên giản đồ pha Fe-C

Đặc trưng của tôi: - Nhiệt độ tôi > A1 để có γ (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

tôi + ram trung bình thép đàn hồi (0,55-0,65)%C

Tôi+ram cao → thép có cơ tí nh tổng hợp cao nhất (thép 0,3-0,5)%C

4.4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép

a Đối với thép TCT (< 0,80%C): Ttôi = A3 + (30 ữ 50oC) → M+í t γdư

b Đối với thép CT và SCT (≥ 0,80%C): Ttôi =A1+(30 ữ 50oC) ≈ 760 ữ 780oC → M+í t γdư+XêII

2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiệt

luyện kết thúc Thường áp dụng cho các

thép kết cấu trước khi tôi (thể tí ch và bề

mặt)

3) Làm mất lưới xêmentit II của thép sau

cùng tí ch → thép đỡ giòn, gia công được

bóng hơn

+ thép hợp kim trung bình và cao: tra trong các sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật

4.4.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

Tốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi, tạo ra độ cứng cao (cả sâu

trong lõi) đồng thời với biến dạng nhỏ và không bị nứt

b Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn:

- Thành phần hợp kim của γ: quan trọng nhất, γ càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ

Co) đường "C" càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ: (2ữ3)% nthk Vth ≈ 100oC/s, (5 ữ 7)% nthk Vth ≈ 25oC/s

- Sự đồng nhất của γ : γ càng đồng nhất càng dễ biến thành M (γ không đồng nhất, vùng giàu C dễ biến thành Xê, vùng nghèo C dễ biến thành F) → Ttôi ↑ → γ

Đ/n: là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức 1/2M + 1/2T

Cách xác định: bằng thí nghiệm tôi đầu mút

Các yếu tố ảnh hưởng:

V th : 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 δ xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kí ch thước nhất

định để có thể tôi thấu

d 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 tí nh tới vùng nửa 1/2M+1/2T

+ Thép cacbon, δ 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 tí nh trên tiết diện, trước khi đem chế tạo các bánh răng quan trọng người ta phải kiểm tra lại δ 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

e Tí nh thấm tôi và tí nh tôi cứng:

Tí nh tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao nhất khi tôi, %C càng cao tí nh tôi cứng càng lớn