Bài giảng Vật liệu học: Chương 4 Nhiệt luyện thép, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Khái niệm về nhiệt luyện thép; Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép; Các công nghệ nhiệt luyện thép; Hóa bền bề mặt vật liệu kim loại. Mời các bạn cùng tham khảo!
Chương Nhiệt luyện thép 20-June-12 Chương Nhiệt luyện thép 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 4.3 Các cơng nghệ nhiệt luyện thép 4.4 Hóa bền bề mặt vật liệu kim loại 20-June-12 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.1.1 Sơ đồ nhiệt luyện thép a) Định nghĩa: Nhiệt luyện thép nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt làm nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức biến đổi tính chất theo yêu cầu Đặc điểm: Khơng làm nóng chảy, biến dạng chi tiết Đánh giá kết biến đổi tổ chức tế vi tính b) Các yếu tố đặc trưng Các thơng số chính: + Nhiệt độ nung, T + Thời gian giữ nhiệt,gn + Tốc độ nguội, Vng Các tiêu đánh giá kết + Tổ chức tế vi (cấu tạo pha, chiều sâu lớp hóa bền…) + Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai + Độ cong vênh biến dạng 20-June-12 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.1.1 Sơ đồ nhiệt luyện thép c) Phân loại nhiệt luyện thép: - Nhiệt luyện: dùng tác động nhiệt làm thay đổi tổ chức, tính chất, bao gồm: ủ, thường hóa, tơi + ram - Hóa nhiệt luyện: kết hợp thấm nguyên tố làm thay đổi thành phần hóa học lớp bề mặt nhiệt luyện, cải thiện tính: thấm C, C-N, Al, Co, B… - Cơ nhiệt luyện: kết hợp biến dạng dẻo trạng thái austenit nhiệt luyện tạo tổ chức nhỏ mịn, tính tổng hợp cao 4.1.2 Vai trị nhiệt luyện sản xuất khí - Tăng độ cứng, tính chóng mài mịn độ bền thép: tăng tuổi thọ, giảm kích thước, khối lượng kết cấu - Cải thiện tính cơng nghệ: nhiệt luyện sơ tạo tính phù hợp với điều kiện gia công 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.1 Chuyển biến nung nóng – tạo thành austenit Dựa vào GĐP Fe-Fe3C: - T < Ac1: khơng có chuyển biến - T = Ac1: chuyển biến P [Fe + Xe]0,8%C Fe(C)0,8%C - Trên đường GSE: tổ chức pha Đặc điểm chuyển biến P - Vnung lớn : Tnung cao - Tnung cao: cb ngắn - V2 > V1: T bắt đầu kết thúc chuyển biến cao hơn, thời gian chuyển biến ngắn 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.1 Chuyển biến nung nóng – tạo thành austenit Kích thước hạt austenit: Hạt austenit tạo thành nhỏ tổ chức nhận sau nguội nhỏ mịn với tính cao Cơ chế chuyển biển P - Tạo mầm (mầm sinh biên giới pha F Xe - Phát triển mầm kết tinh Chế chuyển biển P làm nhỏ hạt thép 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.1 Chuyển biến nung nóng – tạo thành austenit Kích thước hạt austenit phụ thuộc vào: - Kích thước tổ chức P ban đầu - Tăng Vnung: hạt nhỏ - Tăng Tnung: hạt lớn - Tăng gn: hạt lớn - Bản chất thép: chất hạt nhỏ, chất hạt lớn 4.2.2 Mục đích giữ nhiệt: - Làm đồng nhiệt độ toàn tiết diện - Để chuyển biến xảy hồn tồn - Làm đồng thành phần hóa học austenit 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.3 Các chuyển biến xảy nguội chậm austenit a) Chuyển biến đẳng nhiệt A nguội Giản đồ T-T-T thép tích [1]: aunstenit ổn định, [2]: austenit nguội [3]: austenit chuyển biến [4]: Hỗn hợp F+Xe, [5]: mactenxit + dư - Chuyển biến đẳng nhiệt austenit nguội: + T = 7000C: Peclit, 10-15HRC + T = 6500C: Xoocbit, 25-35HRC + T = 500-600 0C: Trôxtit, 40HRC + T = 250-450 0C: Bainit, 50-55HRC - Đặc điểm: + P, X, T, B có chất giống hỗn hợp học tích ferit xemantit tấm: độ nguội tăng, số lượng mầm tăng, nhỏ mịn, độ cứng cao + Nguội đẳng nhiệt nhận tổ chức đồng toàn tiết diện 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.3 Các chuyển biến xảy nguội chậm austenit b) Sự phân hóa austenit nguội liên tục - V1 Peclit - V2 Xoocbit - V3 Trôxtit - V4 Bainit + Mactenxit - Vth Mactenxit - V5 Mactenxit Đặc điểm: - Tổ chức nhận phụ thuộc vào Vnguội - Với chi tiết lớn tổ chức nhận không đồng - Chỉ nhận tổ chức hoàn toàn bainit cách nguội đẳng nhiệt 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.3 Các chuyển biến xảy nguội chậm austenit c) Chuyển biến đẳng nhiệt A nguội Giản đồ T-T-T thép khác tích Đường cong chữ C có thêm nhánh phụ, dịch sang trái chút - Khi nguội đẳng nhiệt với độ nguội nhỏ (nguội chậm liên tục V2) tiết F(Xê) trước gặp nhánh phụ - Khi nguội đẳng nhiệt với độ nguội lớn (nguội liên tục đủ nhanh, V3) tổ chức cuối nhận xoocbit, trôxtit, bainit 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.4 Chuyển biến (CB) xảy nhanh austenit-CB M V > Vth: M a) Bản chất mactenxit - Dung dịch rắn bão hòa C Fe - Kiểu mạng phương tâm khối, c/a = 1,002-1,06 - Xơ lệch mạng lớn nên M có độ cứng cao b) Đặc điểm chuyển biến M: - Xảy nguội nhanh liên tục austenit, V > Vth - Chuyển biến không khuếch tán - Chỉ xảy khoảng nhiệt độ bắt đầu Mđ kết thúc Mf - Chuyển biến xảy khơng hồn toàn 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.4 Chuyển biến (CB) xảy nhanh austenit-CB M c) Cơ tính mactenxit - Độ cứng: %C tăng, độ cứng tăng + %C < 0,2%: < 40HRC + %C = 0,4-0,5%: > 50HRC + %C > 0,6%: > 60HRC - M có tính giịn cao, phụ thuộc vào: + Kim M nhỏ mịn, tính giịn thấp + Ứng suất dư nhỏ, tính giịn thấp 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.5 Chuyển biến xảy nung nóng thép tơi (ram) a) Tính khơng ổn định mactenxit austenit - Tổ chức thép tôi: M + dư F + Xe (ổn định nhiệt độ thường) thông qua tổ chức trung gian, Mram: (M + dư ) Mram F + Xe b) Các giai đoạn chuyển biến xảy ram (thép 0,8%C tôi) Giai đoạn I (T < 2000C): - T < 800C chưa có chuyển biến - 80 < T < 2000C: M tiết cacbit Fe2,0-2,4C; dư chưa chuyển biến - Tổ chức nhận Mram + dư Fe (C )0, [ Fe (C ) 0, 25 0 , Fe2, 02, 4C ] 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.5 Chuyển biến xảy nung nóng thép tơi (ram) b) Các giai đoạn chuyển biến xảy ram (thép 0,8%C tôi) Giai đoạn II (200 - 2600C) - Cacbon tiếp tục tiết từ M - Austenit dư chuyển biến thành mactenxit ram: - Tổ chức Mram có độ cứng thấp Mtôi Fe (C )0, [ Fe (C ) 0,15 0, Fe2 ,0 2, 4C ] Fe (C )0 ,8 [ Fe (C ) 0,150, Fe2, 02, 4C ] Giai đoạn III (260 - 4000C): - Mram chuyển biến thành hỗn hợp F + Xe Fe(C)0,15-0,2 Fe + Fe3C (hạt) Fe2,0-2,4(C) Fe3C (hạt) Hỗn hợp Fe Xe nhỏ mịn phân tán: Trơxtit ram: Tính đàn hồi lớn Khơng ứng suất dư 20-June-12 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.5 Chuyển biến xảy nung nóng thép tơi (ram) b) Các giai đoạn chuyển biến xảy ram (thép 0,8%C tôi) Giai đoạn IV (> 4000C) - Xảy trình kết tụ hạt Xe - Ở nhiệt độ 500-6000C tổ chức xoocbit ram: đh, ak lớn - Gần A1 (7270C): hỗn hợp F + Xe hạt thô (tổ chức peclit hạt) Kết luận: - Khi ram xảy q trình phân hủy Mtơi giảm độ cứng, giảm ứng suất bên - Thay đổi nhiệt độ ram đạt tính khác phù hợp theo yêu cầu làm việc 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ K/n: nhiệt luyện sơ phương pháp nhiệt luyện nhằm tạo tổ chức tính phù hợp cho gia công a) Ủ thép Đ/n: nung nóng, giữ nhiệt, nguội chậm lị nhận tổ chức cân có độ cứng thấp độ dẻo cao Mục đích: - Giảm độ cứng dễ gia công cắt - Tăng độ dẻo dễ gia công biến dạng - Giảm hay ứng suất dư - Làm đồng thành phần hóa học - Làm nhỏ hạt Phân loại: Hai nhóm: ủ chuyển pha ủ khơng có chuyển biến pha 20-June-12 4.3 Các cơng nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ a) Ủ thép Phân loại: Ủ có chuyển biến pha: + T > Ac1: có chuyển biến P làm nhỏ hạt + Ủ hoàn toàn: (áp dụng cho thép trước tích) T = Ac3 + (20-300C) Tổ chức nhận F + Ptấm Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng (160-200HB), tăng dẻo + Ủ khơng hồn toàn (áp dụng cho thép %C > 0,7%) T = Ac1 + (20-300C) Tổ chức nhận peclit hạt Mục đích: giảm độ cứng (< 200HB), khơng áp dụng cho thép trước tích (giảm độ dai) 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ a) Ủ thép Phân loại: - Ủ có chuyển biến pha: + Ủ cầu hóa: dạng đặc biệt ủ khơng hồn tồn đẩy nhanh q trình cầu hóa Xe tạo P hạt + Ủ đẳng nhiệt: cho thép hợp kim cao, dù nguội chậm không nhận tổ chức P đủ mềm T = Ac1 + 500C + Ủ khuếch tán: làm đồng thành phần hóa học thép hợp kim cao bị thiên tích sau đúc T = 1100-11500C, 10-15h 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ a) Ủ thép Phân loại: Ủ khơng có chuyển biến pha: + T < Ac1: khơng có chuyển biến P + Ủ thấp (200-6000C): làm giảm khử ứng suất bên chi tiết (sau đúc, gia công cơ), không làm giảm độ cứng + Ủ kết tinh lại (Tủ > Tktl): khơi phục lại tính chât sau biến dạng dẻo 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ b) Thường hóa thép Đ/n: - Nung nóng đến trạng thái hoàn toàn austenit, giữ nhiệt, nguội khơng khí tĩnh - Tổ chức nhận gần ổn định, độ cứng tương đối thấp, cao ủ - Nhiệt độ: Thép TCT: T = Ac3 + (30-500C), thép SCT T = Accm + (30-500C) Mục đích: - Đạt độ cứng cho gia công (%C A3 - Nhiệt độ thấp: T < Tktl a) Nhiệt độ cao b) Nhiệt độ thấp 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.2 Nhiệt luyện kết thúc b) Ram thép K/n: Ngun cơng bắt buộc cho thép sau tơi Nung nóng thép đến nhiệt độ xác định (< Ac1), làm nguội ngồi khơng khí Mục đích: Giảm khử bỏ hồn tồn ứng suất tránh cho thép bị giịn sau tơi Điều chỉnh tính phù hợp với điều kiện làm việc Các phương pháp ram: Ram thấp (150-2500C): + Tổ chức M ram + Độ cứng giảm so với M + Ứng dụng cho chi tiết cần độ cứng, tính chống mài mịn cao 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.2 Nhiệt luyện kết thúc b) Ram thép Các phương pháp ram: Ram trung bình (300-4500C), áp dụng cho thép %C = (0,55-0,65%) + Tổ chức sau ram: trôxtit ram + Độ cứng giảm rõ rệt so với M giới hạn đàn hồi đạt giá giá trị lớn + Khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên + Ứng dụng cho chi tiết cần độ cứng tương đối cao độ đàn hồi cao 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.2 Nhiệt luyện kết thúc b) Ram thép Các phương pháp ram: - Ram cao (500-6500C), áp dụng cho thép %C = 0,3-0,5% + Tổ chức sau ram: Xoocbit ram + Cơ tính tổng hợp cao (nhiệt luyện hóa tốt) + Ứng dụng cho chi tiết cần giới hạn bền, giới hạn chảy độ dai va đập cao Thép 0,45%C dạng nhiệt luyện khác Dạng nhiệt luyện Cơ tính aK, kJ/m2 b, MPa 0,2, MPa , % , % Ủ 8400C 530 280 32,5 50 900 Thường hóa 850 0C 650 320 15 40 500 Tôi 8500C + ram 200 0C 1100 720 12 300 Tôi 8500C + ram 650 0C 720 450 22 55 1400 20-June-12 10 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.3 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện a) Biến dạng nứt: - Nguyên nhân: + Ứng suất nhiệt làm nguội, nung nóng + Ứng suất tổ chức chuyển biến - Ngăn ngừa: + Nung nóng làm nguội với tốc độ hợp lý + Làm nguội theo nguyên tắc: nhúng thẳng đứng, phần dày tơi trước + Đối với vật mỏng cần ép khuôn trước - Khắc phục: biến dạng vừa phải nắn, ép nóng nguội 20-June-12 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.3 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện b) Oxy hóa cacbon Ngun nhân: + Mơi trường nung có chứa chất oxy hịa Fe C: O2, CO2, H2O Ngăn ngừa: + Chi tiết phủ than hoa + Dùng khí bảo vệ, khí trung tính: Ar, N2; CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 + Nung môi trường chân không 10-2-10-4 mmHg Khắc phục: thấm lại C cho chi tiết c) Độ cứng không đạt Độ cứng cao: ủ, thường hóa thép với tốc độ nguội lớn Độ cứng thấp: nhiệt độ không đạt, thời gian giữ nhiệt ngắn, làm nguội khơng đủ nhanh, C d) Tính giịn cao Do nung q nhiệt (hạt lớn) tính giịn cao Đem thường hóa nhiệt luyện lại 20-June-12 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.1 Tơi cảm ứng a) Nguyên lý: Chi tiết đặt từ trường biến thiên xuất dòng cảm ứng nung nóng chi tiết b) Đặc điểm: Mật độ dịng Fuco phân bố không tiết diện chi tiết, chủ yếu tập trung bề mặt, chiều sâu = 5030(/f), cm; : điện trở suất, : từ độ, f: tần số dòng điện c) Tổ chức tính thép tơi cảm ứng: + Thép có %C = 0,35-0,5% + Tổ chức: Lõi có tổ chức xoocbit ram (nhiệt luyện hóa tốt; bề mặt tổ chức M hình kim nhỏ mịn (tơi + ram thấp) d) Ưu điểm, nhược điểm: + Năng suất cao + Chất lượng tốt + Dễ khí hóa, tự động hóa + Khó thực với chi tiết có hình dạng phức tạp 20-June-12 11 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện Đ/n: phương pháp thấm, bão hịa ngun tố hóa học (C, N…) vào bề mặt thép cách khuếch tán nguyên tử hòa học từ mơi trường thấm nhiệt độ thích hợp Mục đích: + Nâng cao độ cứng, tính chống mài mịn, độ bền mỏi thép + Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu: thấm Cr, Al, Si… Các giai đoạn thấm: Giai đoạn phân hóa Giai đoạn bão hóa Giai đoạn khuếch tán 20-June-12 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện - Các yếu tổ ảnh hưởng: + Nhiệt độ + Thời gian Ảnh hưởng nhiệt độ x = A.e-(Q/kT) Lớp thấm Ảnh hưởng thời gian x = k.1/2 20-June-12 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện a) Thấm C Bão hịa C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) sau tơi ram thấp Mục đích: + Làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn, chịu mỏi tốt (6064HRC) + Lõi đảm bảo độ dẻo dai (3040HRC) - Yêu cầu lớp thấm: + Bề mặt: 0,8-1,0%C, tổ chức sau nhiệt luyện M ram cacbit nhỏ mịn phân tán + Lõi: tổ chức hạt nhỏ, thành phần C thép ban đầu nên đảm bảo độ dẻo dai 20-June-12 12 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện a) Thấm C Lựa chọn nhiệt độ thời gian thấm: + Nhiệt độ thấm: Tthấm > Ac3 để đảm bảo hòa tan nhiều C vào thép (900-9500C) Thép chất hạt nhỏ: 930-9500C Thép chất hạt lớn: 900-920 + Thời gian thấm: Phụ thuộc chiều dày lớp thấm x = (0,10-0,15)d, (0,51,8mm) Tốc độ thấm (công nghệ thấm nhiệt độ thấm) Các chất thấm trình xảy ra: Chất thấm thể rắn Chất thấm thể khí 2C + O2 2CO 2CnH2n+2 (n+1)H2 + nCng.tử 2CO CO2 + Cng.tử 2CO CO2 + Cng.tử Cng.tử + Fe(C) Fe(C)0,10,81,3 Cng.tử + Fe(C) Fe(C)0,10,81,3 Nhiệt luyện sau thấm: tơi + ram thấp 20-June-12 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện b) Thấm N Bão hòa N lên bề mặt thép HK qua nhiệt luyện hóa tốt, nâng cao độ cứng (6570HRC) tính chống mài mịn, chịu mỏi chi tiết Nhiệt độ thấm, chất thấm trình xảy ra: + Nhiệt độ thấm: 480-6500C + Sử dụng khí NH3 cho q trình thấm 2NH3 3H2 + 2Nng.tử Nng.tử + Fe Fe(N) Nng.tử + Fe ()Fe2-3N,(’)Fe4N Tổ chức lớp thấm: + Từ vào ( + ’), (’ + ) + lõi thép (xoocbit ram) 20-June-12 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện b) Thấm N Đặc điểm + Thời gian thấm lâu nhiệt độ thấp + Chỉ đạt lớp thấm mỏng (0,05-0,5mm) + Sau thấm không cần nhiệt luyện + Lớp thấm giữ độ cứng cao đến 5000C + Thép chuyên dùng thấm N (Cr, Mo, Al) 20-June-12 13 ... diện 20-June-12 4. 2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4. 2.3 Các chuyển biến xảy nguội chậm austenit b) Sự phân hóa austenit nguội liên tục - V1 Peclit - V2 Xoocbit - V3 Trôxtit - V4 Bainit... 2000C): - T < 800C chưa có chuyển biến - 80 < T < 2000C: M tiết cacbit Fe2, 0-2 ,4C; dư chưa chuyển biến - Tổ chức nhận Mram + dư Fe (C )0, [ Fe (C ) 0, 25 0 , Fe2, 02, 4C ] 20-June-12 4. 2... chống ăn mịn cho vật liệu: thấm Cr, Al, Si… Các giai đoạn thấm: Giai đoạn phân hóa Giai đoạn bão hóa Giai đoạn khuếch tán 20-June-12 4. 4 Hóa bền bề mặt kim loại 4. 4.2 Hóa nhiệt luyện - Các yếu tổ