Giáo trình vật liệu cơ khí

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHIỆP NAM ĐỊNH GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ NGÀNH/NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-… ngày…….tháng….năm ………… của……………………………… Nam Định, năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu Vật liệu khí Được thực tham gia giảng viên khoa khí, trường Cao đẳng cơng nghiệp Nam Định Chúng tơi xin chân thành cám ơn Trường Cao nghề Bách nghệ Hải Phịng, trường Cao đẳng nghề giao thơng vận tải Trung ương II, trường Đại học Hàng Hải góp nhiều cơng sức để nội dung giáo trình hồn thành Giáo trình thiết kế theo mơ đun thuộc hệ thống mơ đun/ mơn học chương trình đào tạo nghề Cắt gọt kim loại cấp trình độ Cao đẳng nghề dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo, sau học tập xong mơ đun này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp môn học, mô đun đun khác nghề Mô đun thiết kế gồm chương : Chương 1: Những khái niệm tính chất chung kim loại hợp kim Chương 2: Hợp kim sắt - bon Chương 3: Hợp kim cứng Chương Kim loại màu hợp kim màu Chương 5: Vật liệu phi kim loại Chương 6: Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện Mặc dù cố gắng, song sai sót khó tránh Tác giả mong nhận ý kiến phê bình, nhận xét bạn đọc để giáo trình hồn thiện Nam Định, ngày… tháng… năm…… Tham gia biên soạn Chủ biên 2……… 3……… MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu Chương 1: Những khái niệm tính chất chung kim loại hợp kim 1.1.Cấu tạo kim loại hợp kim 1.2 Tính chất chung kim loại hợp kim 1.3 Phương pháp thử kim loại hợp kim Chương 2: Hợp kim sắt - bon 2.1 Giản đồ trạng thái 2.2 Gang 2.3 Thép Chương 3: Hợp kim cứng 3.1 Khái niệm nguyên lý chế tạo hợp kim cứng 3.2 Các loại hợp kim cứng thường dùng Chương Kim loại màu hợp kim màu 4.1 Đồng hợp kim đồng 4.2 Nhôm hợp kim nhôm 4.3 Hợp kim thiếc, chì, kẽm, babít Chương 5: Vật liệu phi kim loại 5.1 Định nghĩa, tính chất, phân loại chất dẻo 5.2 Tính chất , cơng dụng cao su – amiăng – compozit 5.3 Vật liệu compozit 10 14 14 16 20 26 26 26 28 28 29 29 31 31 32 33 5.4 Vật liệu bôi trơn làm mát Chương 6: Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện 6.1 Khái niệm nhiệt luyện 34 36 36 6.2 Các phương pháp nhiệt luyện 37 6.3 Hóa nhiệt luyện 40 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN Tên mơn học: Vật liệu khí Mã số môn học: C612010410 Thời gian thực môn học: 30 (Lý thuyết 24 giờ; thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập giờ, kiểm tra giờ) I Vị trí, tính chất mơn học - Vị trí: Mơn học bố trí sau học sinh học xong môn học chung, trước môn học/ mơ đun đào tạo chun mơn nghề - Tính chất: Là môn học lý thuyết sở nghề bắt buộc II Mục tiêu môn học: + Về kiến thức: - Trình bày ký hiệu, thành phần, tính chất, phạm vi sử dụng loại vật liệu thường dùng khí chế tạo - Xác định chế độ nhiệt luyện cho chi tiết cụ thể + Về kỹ năng: - Phân tích ký hiệu loại vật liệu dùng cho khí chế tạo - Nhận biết sử dụng loại vật liệu khí + Về lực tự chủ trách nhiệm: - Nâng cao tính tư giác,tính tích cực học tập - Chủ động, sáng tạo việc tiếp cận với kiến thức chuyên ngành Chương 1: Những khái niệm tính chất chung kim loại hợp kim Thời gian (giờ) : Giới thiệu: Mục tiêu: - Trình bày đầy đủ đặc điểm, cấu tạo kim loại hợp kim - Phân biệt kim loại hợp kim thường dùng ngành khí chế tạo - Trình bày tính chất lý hố, tính cơng nghệ kim loại hợp kim Nội dung chính: 1.1.Cấu tạo kim loại hợp kim 1.1.1 Cấu tạo kim loại 1.1.1.1: Khái niệm kim loại Kim loại vật liệu sáng dẻo có thẻ rèn , có tính dẫn điện , nhiệt cao Phương diện hóa học kim loại nguyên tố dễ nhường điện tử phản ứng hóa học 1.1.1.2: Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại Trạng thái (e) nguyên tử xác định số lượng tử : n - Số lượng tử l - Số lượng tử quỹ đạo m - Số lượng tử tử ms - Số lượng tử Spin Các (e) chuyển động nguyên tử giới hạn , lớp xác định tương ứng với số lượng tử n = , , , K , L , M , Trong lớp chia làm nhiều lớp , tương ứng với số lượng tử quỹ đạo l = , , , , , (n-1) ký hiệu lớp : s , p , d , f , Mỗi trạng thái (e) nguyên tử tương ứng với lượng xác định Theo học lượng tử cấu hình (e) nguyên tử cấu tạo sau : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 Phân lớp : s - Tối đa 2(e) p - Tối đa 6(e) d - Tối đa 10(e) f - Tối đa 14(e) VD : Al13 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Fe 26 : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 C6 : 1s2 2s2 2p2 Từ cấu hình ta rút lớp ngồi có liên kết yếu nên dể gây phản ứng hóa học 1.1.1.3 Liên kết kim loại Kim loại có cấu tao mạng tinh thể liên kết kim loại gọi liên kết kim loại Liên kết kim loại mô tả sau : Ở nút lưới cá ion (+) , kim loại khoảng không nút lưới (e) tự tao thành khí điện tử Liên kết kim loại tạo thành lực hút màng ion (+) với khí (e) Do mà kim loại có tính dẻo 1.1.1.4 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại a - Mạng tinh thể ô - Trong kim loại kim loại xếp cách trật tự tuần hồn khơng gian - Các nguyên tử kim loại xếp cách có trật tự nguyên tử nằm mặt phẳng song song cách gọi mặt tinh thể , tập hợp vô số mặt tinh thể lập thành mạng tinh thể - Tồn mạng khơng gian xem tạo thành hình khối nhỏ đơn giản giống mà cách xếp phân tử đại diện chung cho tồn mạng gọi ô b - Các kiều mạng tinh thể thường gặp * Lập phương thể tâm a Cấu tạo : Trong ô kiểu mạng có nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lập phương hình lập phương có ngun tử - Khoảng cách a tâm nguyên tử kề ô mạng tinh thể , gọi thông số mạng Độ lớn đo Ao ( Ángtrong ) 1Ao = 10-8 cm - Các kim loại có kiểu mạng : Fe , Cr , Mo , W , * Lục phương dày đặc Cấu tạo : Trong ô kiểu mạng có nguyên tử nằm nút (đỉnh) hình lục lăng hai nguyên tử nằm trung tâm hai mặt đáy ba nguyên tử nằm trung tâm ba khối lăng trụ tam giác - Các kim loại có kiểu mạng : Zn , Cu , Mg , 1.1.2 CẤU TẠO CỦA HỢP KIM Trong thực tế kim loại nguyên chất dùng , độ bền thấp khả ứng dụng không cao Nên phải dùng tới thép hợp kim 1.1.2.1.Khái niệm chung a - Định nghĩa Hợp kim dạng vật chất có tính kim loại nhận biết cách nấu chảy hay liên kết kim loại với hay nhiều nguyên tố khác Thành phần hợp kim biểu diễn o/o trọng lượng b - Pha, hệ thống (hệ), nguyên * Pha : Là tổ phần đồng hợp kim hệ thống chúng có thành phần đồng trạng thái : lỏng lỏng,rắn rắn, phải kiểu mảng Chúng ngăn cách bề mặt phân chia * Hệ thống (hệ): Tập hợp pha trạng thái cân * Nguyên : Là thành phần độc lập tạo nên pha (Hệ) 1.1.2.2 Cấu tạo hợp kim a - Dung dịch đặc Hợp kim có cấu tạo dung dịch đặc nguyên tử nguyên tố thành phần có kích thước gần giống Khi kết tinh , hợp kim tạo thành mạng tinh thể có nguyên tử nguyên tố thành phần a b a - Mạng tinh thể sắt thay b - Mạng tinh thể dung dịch đặc thay c - Mạng tinh thể dung dịch đặc xen kẽ c Có hai loại dung dịch đặc : * Dung dịch đặc thay : ( Hb ) Ví dụ : Cu Ni : Nguyên tử Ni đẩy số nguyên tử Cu khỏi nút mạng tinh thể thay vào vị trí * Dung dịch đặc xen kẽ : ( Hc ) Nguyên tử nguyên tố hồ tan Ví dụ : C , O2 , Bo , Nằm xen kẽ vào lỗ hổng nút mạng tinh thể nguyên tố kim loại (dung môi) b - Hợp chất hóa học Hợp chất có cấu tạo hợp chất hóa học , nguyên tử nguyên tố khác , tác dụng hóa học với theo tỉ lệ xác nguyên tử có kiểu mạng định có thành phần hóa học xác định biểu diễn cơng thức hóa học Ví dụ : Hợp chất Fe C: Fe3 C ( Cacbit sắt ) c - Hỗn hợp học Hợp kim có cấu tạo hỗn hợp học nguyên tử nguyên tố thành phần khác kích thước mạng tinh thể 1.2 Tính chất chung kim loại hợp kim 1.2.1.Tính chất vật lý a Vẻ sáng mặt : Chia làm loại : Kim loại màu kim loại đen - Kim loại màu hợp kim đen : Là Fe hợp kim Fe với C ( thép , gang ) - Kim loại màu hợp kim màu : Là tất kim loại hợp kim lại b Khối lượng riêng : Là số đo khối lượng vật chất chứa đơn vị thể tích vật thể γ m (Kg/m ) V Trong : m - Khối lượng vật thể ( Kg ) V - Thể tích vật thể ( m3 ) c Trọng lượng riêng : Là trọng lượng đơn vị thể tích vật thể d P ( KG/mm3 N/mm3 ) V Trong : P - Trọng lượng vật ( KG, 1KG ~ 10N ) d Tính nóng chảy : Là tính chất kim loại chảy lỗng nung nóng làm nguội e Tính dẫn điện : Là khả dẫn điện kim loại hợp kim f Tính truyền nhiệt : Là khả truyền nhiệt kim loại hợp kim đốt nóng nguội g Tính nhiệt nung : Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ kim loại lên 10C 1.2.2: Tính chất hóa học a Khái niệm : Tính chất hoá học khả kim loại hợp kim chống lại tác dụng hóa học mơi trường xung quanh b Các đặc trưng : Tính chất hóa học kim loại hợp kim biểu hai dạng chủ yếu sau : - Tính chống ăn mòn : Là khả chống lại ăn mịn H2O O2 khơng khí nhiệt độ thường nhiệt độ cao - Tính chịu axít : Là khả chống lại tác dụng mơi trường axít 1.2.3 Tính học a Khái niệm : Tính học kim loại hay cịn gọi tính khả chống lại tác dung lực bên lên kim loại b Các đặc trưng tính : - Độ dẻo : Là khả thay đổi hình dáng kim loại hợp kim mà không bị phá huỷ tác dụng ngoại lực - Đô bền : Là khả kim loại hợp kim chống lại phá huỷ có ngoại lực tác dụng - Độ cứng : Là khả kim loại hợp kim chống lại biến dạng dẻo cục kim loại hợp kim tác dụng tải trọng bên chổ ta ấn vào vật cứng - Độ đàn hồi : Là khả kim loại hợp kim trở lại hình dáng trạng thái ban đầu sau bỏ lực tác dụng 1.2.4 Tính cơng nghệ a Khái niệm : Tính cơng nghệ kim loại hợp kim khả mà chúng thực phương pháp cơng nghệ để sản xuất sản phẩm khác b Các đặc trưng : Tính đúc, tính hàn, tính gia cơng cắt gọt, gia cơng áp lực, tính nhiệt luyện Một kim loại hay hợp kim có tính chất quan trọng tính cơng nghệ khó sử dụng rộng rãi khó chế tạo thành phẩm Cơ tính kim loại hợp kim xác định cách thí nghiệm mẫu vật thiết bị chuyên dùng : Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng 1.3 Phương pháp thử kim loại hợp kim 1.3.1 Thử kéo Thử kéo qúa trình thử quan trọng để xác định tính kim loại Khi thử kéo ta xác định độ bền , độ đàn hồi , độ dẻo kim loại hợp kim a - Độ bền Là khả kim loại chống lại lực tác dung lực bên ngồi mà khơng bị phá hỏng Dạng phá hỏng kim loại kéo đứt - Mẩu thử : Có tiết diện trịn , chiều dài L = 10 x  - L 10 5.1.4 Phân loại chất dẻo : a Chất dẻo mềm nhiệt ( Pôlyme chất dẻo ) Chất dẻo mềm nhiệt loại chất dẻo làm nóng chảy tạo hình lại được, bao gồm : - Pơly êtylen ( PE ) : Được sản xuất từ khí êtylen, loại chất dẻo khơng dẫn nhiệt điện, không thấm nước Được dùng để tạo dây điện, chai, lọ, màng bao gói, áo mưa, - Pôly vinil clorua ( PVC ) : Được sản xuất từ clorua vinil, chất dẻo bền với axit kiềm Thường dùng sản xuất vải giả da, dép nhựa, ống nhựa, hoa nhựa, - Pôly prôpilen ( PP ) : Được sản xuất từ prơpilen nhờ có chất xúc tác đặc biệt Có tính chịu ăn mịn hố học tương tự pơly êtylen độ bền học tính chịu nhiệt cao Dùng để chế tạo loại ống, cánh quạt bơm nước ly tâm, dụng cụ y tế, điện tử, vô tuyến điện b Chất dẻo cứng nhiệt ( Pôlyme nhiệt rắn ) - Chất dẻo Phenol ( Bakêlit ) : Được sản xuất từ Phenol - Pomanđêhit Có độ bền học cao, chịu nhiệt, chịu axit kiềm tốt Được dùng nhiều công nghiệp điện điện tử - Chất dẻo có thớ Tectơlit Hêtinác : Được sản xuất cách tẩm nhựa Phenol - Pomanđêhit vào sợi sợi vải tổng hợp, để tăng tính dẫn nhiệt chống mịn cho thêm chất độn Graphit vào Tectôlit Tectôlit dùng để chế tạo bánh răng, bạc lót Hêtinác dùng sản xuất cách tẩm nhựa Phenol - Pomanđêhit vào giấy Hêtinác hẳn Tectơlit chỗ có tính cách điện cao chịu ẩm tốt Được dùng làm vật liệu cách điện, kể với điện áp cao áp 5.2 Tính chất , công dụng cao su – amiăng – compozit 5.2.1 Cao su a Phân loại : Có loại cao su cao snu thiên nhiên cao su nhân tạo - Cao su thiên nhiên : Được lấy từ nhựa cao su Khi lấy có mầu trắng đục, để lâu ngồi ánh sáng biến thành mầu nâu - Cao su nhân tạo : Là vật liệu pôlyme tương tự cao su thiên nhiên, có người điều chế từ chất hữu đơn giản hơn, thường phản ứng trùng hợp Ví dụ : Cao su Butadien ( Cao su Buna ), cao su Isopren, - Cao su thường dùng công nghiệp đời sống cao su lưu hoá tức pha thêm  2% lưu huỳnh b Tính chất Tính chất bật cao su tính đàn hồi Cao su lưu hóa giữ tính đàn hồi khoảng nhiệt độ 200C  1000C Cao su cịn có số tính chất quý khác : Độ bền cao, chịu mài mịn tốt, khơng thấm nước khí, có khả dập tắt nhanh rung động ; cách nhiệt, cách điện tốt, chịu tác dụng hoá học axit, kiềm; khối lượng riêng nhỏ 32 Nhược điểm cao su : Bị giảm dần tính chịu tác dụng ánh sáng nhiệt độ, bị hồ tan số dung mơi hữu : Xăng, dầu, c Công dụng Cao su sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống Trong ngành khí, cao su dùng rộng rãi để chế tạo loại sản phẩm sau : - Đai truyền chuyển động, đai truyền vận chuyển ( băng tải vận chuyển cát, than, đá, ) - Vịng đệm làm kín mặt tiếp xúc chi tiết máy nhằm tránh chảy dầu, nước, tránh rị khí, tránh bụi, - Ống dẫn chất lỏng, chất khí chịu áp suất thấp - Chế tạo vật phẩm cách điện 5.2.2 Amiăng a Tính chất - Amiăng lấy từ quặng mỏ gồm chất canxi, silicat magiê màu trắng mịn có thớ nhỏ Amiăng cung cấp dạng sợi, - Đặc tính quan trọng amiăng khơng bị cháy, chịu axit, cách nhiệt, cách điện b Công dụng Trong công nghiệp, amiăng sử dụng rộng rãi để làm chất cách nhiệt, làm đệm chịu nhiệt, găng tay cản nhiệt, quần áo cứu hoả, lợp, lát, tường phịng hoả, Ngồi ra, amiăng cịn dùng để chế tạo má phanh ô tô 5.3.VẬT LIỆU COMPOZIT 5.3.1 Định nghĩa Compozit vật liệu tổ hợp từ hai loại vật liệu có chất khác Vật liệu tạo thành có đặc tính trội đặc tính phần xét riêng rẽ 5.3.2 Đặc tính chung - Một vật liệu Compozit gồm hay nhiều pha gián đoạn đựoc phân bố pha liên tục - Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn goi Compozit hỗn tạp Pha gián đoạn thường có tính trội pha liên tục - Pha liên tục goi - Pha gián đoạn gọi cốt hay vật liệu tăng cường - Cơ tính vật liệu Compozit phụ thuộc vào : + Cơ tính vật liệu thành phần + Luật phân bố hình học vật liệu cốt + Tác dụng tương hỗ vật liệu thành phần 33 Nền Cốt Vật liệu compozit 5.3.3 Phân loại vật liệu compozit a Phân loại theo hình dang Theo hình dạng vật liệu thành phần, compozit phân chia thành loại lớn : - Vật liệu compozit cốt sợi : Khi vật liệu cốt dạng sợi, sợi sử dụng dạng liên tục, gián đoạn, ngắn, vun, - Người ta điều khiển việc phân bố phương sợi để có vật liệu dị ứng theo ý muốn - Vật liệu compozit cốt hạt: Khi vật liệu dạng hạt, hạt khác sợi chỗ khơng có kích thước ưu tiên b Phân loại theo chất vật liệu thành phần Dựa vào chất vật liệu có : - Compozit hữa : Có thể chịu nhiệt độ từ 200  3000C - Compozit kim loại : ( Hợp kim titan, hợp kim nhôm, ) Chịu nhiệt độ 600 C - Compozit khoáng ( gốm ) : Có thể chịu nhiệt độ 10000C 5.4 Vật liệu bôi trơn làm mát 5.4.1 Dầu a Tác dụng dầu Dầu mỡ có tác dụng sau : - Làm giảm ma sát bề mặt tiếp xúc chi tiết máy, nhờ làm giảm mài mịn chi tiết hạn chế tiêu hao lượng ma sát - Làm mát chi tiết trình máy làm việc, dầu có tác dụng truyền dẫn nhiệt nhờ hệ thống dẫn dầu chuyển động liên tục - Làm bề mặt chi tiết máy, nhờ làm hạn chế mài mịn chi tiết 34 Ví dụ : Trong động đốt trong, màng dầu mỏng vách xi - lanh ngồi tác dụng bơi trơn cịn có tác dụng làm kín khe hở xecmăng piston đảm bảo cho hỗn hợp khí cháy khơng bị rị ngồi - Tạo lớp bảo vệ chống ăn mịn kim loại b Phân loại Dầu nhờn chế biến từ dầu mỏ, có màu đen, màu lục màu nâu Có nhiều loại dầu nhờn phân chia thành nhóm chủ yếu sau : - Dầu nhờn cho động ( Bôi trơn cho động máy bay, cầu ôtô, máy kéo ) - Dầu truyền động ( dùng để bôi trơn loại hộp số, cầu ôtô, hộp truyền lực, hộp giảm tốc, ) - Dầu công nghiệp - Dầu đặc biệt ( dầu tuabin, dầu biến thế, ) 5.4.2 Mỡ Mỡ chất bôi trơn thể đặc, có mầu vàng nhạt, nâu sẫm đen Mỡ thường dùng để bảo quản dụng cụ, chi tiết máy lúc vận chuyển chờ sử dụng Mỡ sử dụng để bơi trơn phận khó giữ dầu, khó tra dầu lâu phải thay chất bơi trơn Có nhiều loại mỡ, sử dụng cần ý chọn Ví dụ : - Mỡ để bảo quản kim loại, chi tiết máy, dụng cụ thường dùng loại SiZi-11, SiZi-2 ZnSiTi-1 - Mỡ bôi trơn bánh cầu trục, bánh tốc độ chậm Thường dùng mỡ Graphit ( ZnSiAl ) - Bôi trơn trục động điện, máy phát điện, trục máy cán Dùng mỡ Cơngstalin ITiW-1-13 35 Chương 6: Nhiệt luyện hóa nhiệt luyện Thời gian (giờ) Mục tiêu: - Giải thích chất q trình nhiệt luyện, hố nhiệt luyện phương pháp: ủ, thường hố, tơi, ram, thấm cac bon, nitơ, xianua - Thực hành nhiệt luyện số dụng cụ nghề dao tiện, đục Nội dung chương t âäü0C Nhiãû 6.1.Khái niệm nhiệt luyện a Định nghĩa nhiệt luyện Nhiệt luyện công nghệ để gia công kim loại Nọi dung qúa trình biến đổi tổ chức bên kim loại đến trạng thái yêu cầu có tính chất kim loại tương ứng theo ý muốn Qua nghiên cứu người ta khẳng định , tính chất kim loại hồn tồn phụ thuộc vào cấu tạo tổ chức bên Do bát kỳ cách , tạo tổ chức định thu tính chất định tương ứng với tổ chức kim loại Để đạt tổ chức kim loại theo yêu cầu , công nghệ nhiệt luyện thực thao tác o - Nung nóng kim loại đén nhiệt độ định 0C , ký hiệu : tn tn - Giữ kim loại nhiệt độ thời gian cần thiết , ký hiệu : τgiữ - Làm nguội kim loại với tốc độ quy định , ký hiệu : vnguội  V ngüi giỉỵ tn , τgiư , vnguội gọi yếu tố đặc trưng cho qúa trình nhiệt luyện Thåìi gian  n t luyãû Vận tốc nguội thời điểm biểu Så âäöquy trỗnh nhióỷ th bng giỏ tr tg Trong thc tế để đạt thông số đặc trưng nhiệt luyện có thủ thuật chi tiết , nhằm mục đích đảm bảo cho chi tiết khơng bị biến dạng thay đổi kích thước nung nóng , đảm bảo cho đồng thành phần nhiệt độ yêu cầu trước làm nguội đảm bảo chi tiết không bị qúa nguội đột ngột gây nứt nẻ , cong vênh b Hiệu nhiệt luyện - Nhiệt luyện làm tăng độ bền cứng cho kim loại , đảm bảo độ dẻo dai cần thiết tăng tuổi thọ máy làm nhỏ nhẹ máy móc hay cơng trình mà đảm bảo u cầu công suất 36 VD : Thử so sánh trước sau nhiệt luyện tính thép 30 XCA dùng chế tạo ôtô máy kéo , máy bay , Sau nhiệt luyện Các tiêu tính Trước nhiệt luyện ( Tơi + Ram thấp ) 600 1800 Độ bền b ( MN / m ) 170 500 Độ cứng ( HB ) 15 Độ giãn tương đối  ( % ) - Nhiệt luyện cải thiện tính cơng nghệ kim loại để dễ gia công bảo đảm tiêu kỹ thuật tăng suất lao động Cả hai tác dụng có mục đích chung nâng cao giá trị sử dụng máy móc đồng thời giảm giá thành sản phẩm Chính nhiệt luyện khâu quan trọng có ý nghĩa to lớn ngành sản xuất khí 6.2 Các phương pháp nhiệt luyện 6.2.1.Ủ - Khái niệm : Ủ phương pháp nhiệt luyện làm mềm kim loại để dễ cắt gọt , dễ dập định hình , khử bỏ ứng suất dư kim loại làm đồng thành phần làm nhỏ hạt để chuẩn bị cho khâu nhiệt luyện sau Tuỳ theo mục đích cụ thể trường hợp người ta quy định thích hợp Nhưng nhìn chung taho tác ủ : Nung kim loại đến nhiệt độ định , giữ thời gian cần thiết nhiệt độ sau làm nguội chậm Thong thường người ta để kim loại nguội với lị làm nguội mơi trường dẫn nhiệt : Vơi bột , cát nóng - Các phương pháp ủ : Có phương pháp ủ + Ủ thấp ( Ủ non ) : Nhiệt độ nung tủ = 200  300o C phương pháp nhằm khử bỏ ứng suất , không làm giảm độ cứng chi tiết Ủ non thường ứng dụng cho chi tiết sau gia công nguội : Lò xo uốn nguội + Ủ kết tinh lại : Thép sau gia công áp lực bị biến cứng , hạt kim loại không người ta cho ủ kết tinh lại Nhiệt độ ủ cao nhiệt độ kết tinh lại , ủ khử biến cứng , hạt thép đồng , dẻo dai , phôi dễ gia công bước : Cán , kéo , cắt gọt , + Ủ khơng hồn tồn : Nhiãût âäü âỉåüc o C Acm nung cao hån nhiãût âäü tåïi hản AC1 tỉì 20  30o C t Thỉåìng ạp dủng cho thẹp Ac1 20-300C sau cuìng têch Khi nung âãún Vnguäü i 20-30 C nhióỷt õọỹ uớ thỗ chố coù haỷt P ( Theo l) OS cạc mảng XeII bë phạ T ( Thåìi gian ) 37 våỵ , lm ngüi XeII biãún thnh dảng hảt Tạc dủng ca phỉång phạp ny l khỉí ỉïng xút , phạ mảng XeII ca thẹp sau cng têch , tảo âiãưu kiãûn dãù càõt gt + hon ton : Nhiệt độ ủ 30-500C o nung cao nhiệt độ tới C hạn AC3 từ 20  30o C Ac3 Thường áp dụng cho thép t = 50-100 C trước tích tổ chức ( P + F ) Khi đạt nhiệt Ac1 độ ủ pha trước âàó ng nhiãû t hồn tồn chuyển thành Vnguäü i OS Khi làm nguội chậm ( Khäng khê) khử ứng suất dư , làm nhỏ hạt , tạo cho thép T ( Thåìi gian ) tính dẻo dai + Ủ khuếch tán : Nhiệt độ ủ từ 1100  1150o C Thép hợp kim thường bị thiên tích mạng , trước cán thường phải ủ để làm đồng thành phần Vì nhiệt độ ủ cao nên hạt phát triển to , sau ủ thường gia công áp lực ủ hoàn toàn + Ủ đẳng nhiệt : Nung chi tiết đến nhiệt độ cần thiết (AC3 + 20  30o C ) sau thời gian giữ nhiệt , chi tiết chuyển sang lò khác làm nguội lò tới nhiệt độ 680  700o C Ở nhiệt độ To = 680  700o C chi tiết giữ nhiệt lò thời gian cần thiết để thành phần hồn tồn chuyển sang Péclít 6.2.2 Thường hóa - Mục đích : Thường hóa nhằm tổ chức hạt mịn vật đúc rèn Thường hóa để tổ chức tinh thể thép cho việc sau - Phương pháp : Tiến hành nung thép đến nhiệt độ tới hạn , tới hạn Ac hay Acm 30 50o C Sau giữ nhiệt độ thời gian làm nguội ngồi khơng khí tĩnh * Ủ khác với thường hóa tốc độ làm nguội thường hóa gáp hai lần ủ 6.2.3 Tơi thép Có hai hình thức tơi : Tơi xun tâm tơi bề mặt - Tôi xuyên tâm : + Khái niệm : Tôi xuyên tâm làm tăng độ cứng độ bền độ bền vật thép mặt lõi chi tiết + Phương pháp : Nung thép đến nhiệt cao nhiệt độ tới hạn Ac hay Ac1 , thép chuyển biến thành OS , giữ nhiệt độ thời gian sau làm nguội thật nhanh môi trường làm guội : Nước , dầu , dung dịch muối , Sau tổ 38 chức thép đạt đến Máctanxít tổ chức có độ cứng cao , phải làm nguội nhanh nên dễ gây nứt vỡ chi tiết - Tôi bề mặt : Nguyên lý chung Nung bề mặt chi tiết thật nhanh đến nhiệt độ cho phần lớn tiết diện phía bên lõi chi tiết chưa kịp nóng làm nguội nhanh Như mặt ngồi tơi bên lõi chi tiết dẻo dai Có nhiều phương pháp nung nóng nhanh : + Dùng dịng cảm ứng với tần số cao , giao động từ 1000 Hz đến hàng triệu Hz + Dùng lửa khí cháy O2 C2H2 nhiệt độ lửa lên tới o 3200 C + Dùng điện trở tiếp xúc + Nung chi tiết chất điện phân Nhưng có hai phương pháp tơi bề mặt phổ biến : Dùng dòng cảm ứng với tần số cao Dùng lửa khí cháy O2 C2H2 * Tơi dịng cảm ứng với tần số cao : - Nguyên lý nung nóng : Dựa vào đặc tính dịng cảm ứng xoay chiều phân bố mật độ dịng mặt ngồi lớn lõi vật dẫn, tần số dòng cảm ứng lớn dịng tập trung lớp mặt ngồi Người ta sữ dụng dòng điện tần số cao nung nóng thật nhanh bề mặt chi tiết Thiết bị để phát dịng điện tần số cao máy phát điện, thiết bị dùng đèn điện tử Khi chi tiết lớn, chiều sâu thấm tơi dày (  > mm ) dùng máy phát có tần số từ 500  15000 Hz, với chi tiết nhỏ cần độ thấm (  < mm ) dùng hệ thống đèn điện tử có tần số f = 100.000  10.000.000 Hz - Đặc điểm chuyển biến cao tần : Tốc độ nung lớn tốc độ chuyển biến pha nhanh, thời gian chuyển biến ngắn Nhưng nhiệt độ bắt đầu chuyển biến lại cao so với trường hợp nung bình thường từ 100  200oC Khoảng nhiệt độ cho phép xê dịch rộng bình thường - Ưu khuyết điểm phương pháp : * Ưu điểm : + Thời gian nung ngắn, thường từ  15 giây nên suất cao Hạt kim loại nhỏ, bền, giịn + Chất lượng tơi cao + Q trình tơi dễ khí hóa tự động hóa + Giảm nhẹ lao động * Khuyết điểm : + Giá thành cao + Chỉ thích hợp với sản xuất hàng loạt * Tơi lửa khí cháy O2 C2H2 : 39 Dùng mỏ hàn với lửa khí cháy O2 C2H2 để nung nóng nhanh bề mặt chi tiết đến nhiệt độ dùng vòi phun nước lạnh vào chỗ vừa nung cho đạt Vng  Vth Vth - vận tốc nguội tới hạn Vng - vận tốc làm nguội Ưu khuyết điểm phương pháp : * Ưu điểm : Thiết bị đơn giản, giá thành rẻ * Khuyết điểm : Khó đảm bảo chất lượng nhiệt độ tơi q cao (  3200oC ) dễ làm cháy bề mặt, bon hạt kim loại thơ to, gây giịn Khó khống chế bề dày lớp tơi, suất thấp, thường áp dụng để đơn 6.2.3 Ram - Định nghĩa : Ram thép phương pháp nhiệt luyện nung thép đến nhiệt độ định A1 giữ nhiệt độ thời gian când thiết làm nguội - Mục đích : Khử ứng suất trong, tạo khả thuận lợi cho trình Mtôi MRam OSdư MRam thép ổn định - Phương pháp ram cơng dụng : Có phương pháp ram thông dụng dựa vào nhiệt độ nung + Ram thấp : Nhiệt độ nung từ 150  250 oC tổ chức đạt sau ram MRam + OSdư Phương pháp áp dụng để ram chi tiết cần giữ độ cứng tính chống mài mịn dao cắt, vịng bi, khn dập, dụng cụ đo, + Ram vừa : Nhiệt độ nung từ 300  400 oC tổ chức đạt sau ram vừa trustít Phương pháp áp dụng để ram chi tiết cần độ cứng tương đối cao dẻo dai, chịu va đập, chịu mỏi, đàn hồi tốt : Nhíp lị xo, khn dập nóng, + Ram cao : Nhiệt độ nung từ 550  600 oC tổ chức đạt sau ram cao Xcbít ram Áp dụng phương pháp để ram chi tiết cần có độ bền tổng hợp cao : Bánh răng, truyền, trục, 6.3 Hóa nhiệt luyện 6.3.1 Khái niệm chung a Định nghĩa Hóa nhiệt luyện qúa trình khuếch tán bề mặt thép nguyên tố Á kim : Nitơ, bon nguyên tố kim loại : Nhôm ( Al ), Mn, Cr, Ni, Để làm thay đổi hàm lượng nguyên tố có bề mặt thép từ thay đổi đặc điểm tính Để làm thay đổi thành phần hóa học lớp bề mặt kim loại, ta phải làm bảo hoà bề mặt nguyên tố thích hợp Tạo điều kiện tiếp xúc bề mặt kim loại với mơi trường có chứa ngun tố cần thiết Sự tiếp xúc lâu dài chi tiết với môi trường với nhiệt độ cao diễn trình sau : Bề mặt chi tiết hấp thụ nguyên tử môi trường tiếp xúc sau nguyên tử 40 khuếch tán vào sâu kim loại Thông thường bề mặt chi tiết thép bảo hòa bon, ni tơ b Mục đích - Tăng độ cứng, tính chống mài mòn độ bền mỏi chi tiết Mục đích giống tơi bề mặt đạt hiệu cao Đó phương pháp thấm C,N2, B - Nâng cao tính chống ăn mịn điện hố hố học, chịu axít lớp bề mặt chi tiết thép Đó phương pháp thấm Cr, Al, Si c Nguyên lý hoá nhiệt luyện Đặt chi tiết vào mơi trường ( rắn, lỏng, khí ) có khả phân hố ngun tử hoạt tính ngun tố định khuếch tán, nung nóng đến nhiệt độ thích hợp Các q trình xảy theo giai đoạn nối tiếp sau : - Phân hoá : Là q trình phân tích phân tử tạo nên nguyên tử hoạt tính nguyên tố khếch tán VD : Thấm Nitơ : 2NH2 2N + 3H2 - Hấp thụ : Các nguyên tử hoạt tính hấp thụ vào bề mặt thép tạo nên chênh lệch nồng độ nguyên tử bề mặt lõi VD : N + Fe FeN - Khuếch tán : Các nguyên tử hoạt tính sâu vào bên tạo nên chiều dày lớp thấm với đặc điểm nồng độ giảm dần từ bề mặt vào lõi 6.3.2 Các hình thức hóa nhiệt luyện 6.3.2.1 Thấm Cacbon * Định nghĩa : Thấm cacbon phương pháp làm bão hòa bề mặt chi tiết nguyên tử cacbon thấp ( C < 0,25 % ) Cacbon khuếch tán vào bề mặt thép làm tăng thành phần bon mặt ngồi, cịn bên giữ ngun thành phần C cũ * Mục đích : Sau tơi ram thấp làm bề mặt có độ cứng cao ( > 60 HRC ), có tính chống mài mịn, cịn lõi giữ tính dẻo dai ban đầu * Phương pháp : Có phương pháp Thấm bon thể rắn - Chất thấm : Ở thể răn gồm 805 (g) than hoa, 15%Na2CO3 ( BaCO3, K2CO3 ) 5% dầu nặng để tăng khả bám dính vào bề mặt chi tiết - Tiến hành : Hỗn hợp trộn chất vào hộp thấm với chi tiết đóng bịt kín hộp (Các chi tiết cách cách hộp khoảng cách từ 25 - 40 mm) đưa hộp vào lò nung - Nhiệt độ thấm : 920 - 950oC - Tốc độ thấm : 0,1 - 0,15 mm/h - Q trình thấm : + Phân tích : 2C + O2 2CO 2CO CO2 + C + Hấp thụ : Fe ( C < 0,25% >1 [C]) Fe ( C  1% ) 41 + Khuếch tán : [C] sâu vào tạo nên chiều dày lớp thấm - Ưu điểm : Đơn giản, dễ thực - Nhược điểm : + Thời gian thấm lâu ảnh hưởng tới suất chất lượng + Hộp thấmm chóng hỏng + Điều kiện làm việc độc hại - Aïp dụng : Dùng sản suất đơn chiếc, loại nhỏ Thấm bon thể lỏng - Chất thấm : Ở dạng lỏng dung dịch muối nóng chảy gồm : ( 75 ÷ 80 )% Na2CO3 + ( 10 ÷ 15 )% NaCl + ( ÷ 10 )% SiC - Nhiệt độ thấm : 840 ÷ 860 oC - Tiến hành : Nhúng chi tiết vào dung dịch muối nóng chảy - Tốc độ : 0,3 ÷ 0,4 mm/h - Ưu điểm : Thời gian thấm ngắn, lớp thấm đồng - Nhược điểm : + Không điều chỉnh nồng C lớp bề mặt + Khó thao tác lị ( SiC sệt, khó chảy lỗng ) + Khó khí hố, tự động hóa, suất thấp + Khơng thấm chi tiết lớn Thấm bon thể khí - Chất thấm : Ở dạng khí CO CH4 ngồi cịn có lượng định CO2, N2, O2 để điều chỉnh ( Pha loãng ) nồng độ thấm nhằm khống chế lượng C bề mặt - Tiến hành : Cho chi tiết vào lị kín cho luồng khí chất thấm có nhiệt độ cao với chất lỏng ( dầu mỏ, benzen ) dạng sương mù - Nhiệt độ thấm : 900 ÷ 930oC - Tốc độ thấm : Gấp ÷ lần thấm C thể rắn - Ưu điểm : + Thao tác đơn giản, thời gian thấm rút ngắn + Khống chế nồng độ thấm xác + Có thể tơi ngay, có thao tác phụ + Điều kiện lao động tốt - Nhược điểm : + Dễ tạo muội than lên chi tiết, ngăn cản trình thấm cần khống chế chặn chẽ thành phần khí lị + Thiết bị thấm đắt tiền 6.3.2.2 Thấm nitơ a Định nghĩa mục đích Thấm nitơ phương pháp làm bão hoà nitơ vào bề mặt thép, nhằm nâng cao độ cứng tính chống mài mịn Ngồi để chống ăn mịn khí tăng tính thẩm mỹ chi tiết máy b Phương pháp thấm: - Chất thấm : NH3 42 - Nhiệt độ thấm : 500 ÷ 650 oC - Thép để thấm : Thường dùng thép hợp kim, nitơ sau phân nhánh tác dụng với kim loại thép tạo thành lớp nitơ kim loại có độ bền cao : AlN, CrN, MoN - Quá trình thấm : + Phân tích : 2NH2 2[N] + 3H2 + Hấp thụ : [N] + Cr (Fe,Al,Mo ) CrN ( FeN, MoN ) + Khuếch tán : [N] sâu vào bên 6.2.3.3 Thấm Xianua a Định nghĩa mục đích : Thấm Xianua phương pháp làm bão hoà đồng thời C N2 vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng tính chống mài mòn Chất thấm muối Xianua (NaCN, KCN ) b Phương pháp thấm Xianua * Dựa nhiệt độ thấm : - Thấm Xianua nhiệt độ cao : t0 = 820 ÷ 870 oC - Thấm Xianua nhiệt độ thấp t0 = 500 ÷ 650 oC Dùng phổ biến cho tất loại thép hợp kim dụng cụ ( thép gió, thép crơm ) Trước thấm dụng cụ phải tơi ram, mài xác Sau thấm cần đánh bóng bề mặt * Dựa vào chất thấm : Tương tự thấm bon - Thấm Xianua thể rắn : Chất thấm gồm ( 20 ÷ 40 )% K4Fe(CN)6 K3Fe(CN)6, 10% Na2CO3 lại than gỗ - Thấm Xianua thể lỏng : Tiến hành bể muối mà thành phần gồm muối NaCN, KCN, K4Fe(CN)6, Na2CO3, NaCl, BaCO3, KCl Chú ý : Muối Xianua độc, cần ý đến an toàn lao động - Thấm Xianua thể khí : Chất thấm gồm khí CH4, CO, NH3 Đây cơng nghệ hố nhiệt luyện tiên tiến suất cao, chất lượng tốt độc hại 43 Chương 7: Ăn mòn biện pháp chống ăn mòn kim loại hợp kim Thời gian 3(giờ) Mục tiêu: - Trình bày khái niệm ăn mịn, tác hại ăn mòn kim loại hợp kim - Thực biện pháp phòng chống ăn mòn kim loại Nội dung chương 7.1 Khái niệm ăn mòn, tác hại ăn mòn kim loại hợp kim 7.1.1 Khái niệm ăn mòn kim loại Sự ăn mịn kim loại q trình phá huỷ kim loại hợp kim tác dung hố học mơi trường xung quanh Kết kim loại bị ơxy hố thành ion dương hết tính chất kim loại VD : Sắt, thép để lâu ngày bảo quản không tốt bị gỉ 7.1.2 Ngun nhân a Ăn mịn hố học Là phá huỷ kim loại kim loại phản ứng hố học với chất khí nước nhiệt độ cao - Đặc điểm : Không phát sinh dịng điện nhiệt độ cao tốc độ ăn mịn nhanh - Sự ăn mịn hố học thường xảy thiết bị lò đốt, chi tiết động đốt thiết bị tiếp xúc với nước nhiệt độ cao b Ăn mịn điện hóa Là phá huỷ kim loại kim loại tiếp xúc trực tiếp với chất điện ly tạo nên dòng điện - Bản chất ăn mịn điện hố : Là q trình ơxy hố - khử xảy bề mặt điện cực, cực âm xảy trình ôxy hoá kim loại, cực dương xảy trình khử ion H+ ( dung dịch điện ly axít ) - Ăn mịn điện hố dạng ăn mòn phổ biến nghiêm trọng nhất, thường xảy vỏ tàu biển, ống dẫn đặt lịng đất, kim loại tiếp xúc với khơng khí ẩm, c Tác hại Gây thiệt hại lớn nhiều mặt cho kinh tế quốc dân : Phá huỷ máy móc thiết bị, lượng lớn kim loại bị đi, ảnh hưởng đến an toàn người thiết bị 7.2 Các biện pháp phòng chống ăn mòn kim loại 7.2.1 Phương pháp phủ kim loại Phương pháp phủ kim loại phương pháp phủ lớp kim loại bị ăn mịn khơng bị ăn mòn lên bề mặt chi tiết cần bảo vệ Gồm phương pháp sau : a Phương pháp nóng chảy 44 Nung nóng chảy kim loại bảo vệ ( thường Sn, Pb Zn ) nhúng chi tiết vào dung dịch nóng chảy để tạo lớp phủ bảo vệ - Phủ kẽm : Nung nóng chảy Zn t0 = ( 450  480)0C Sau nhúng chi tiết vào, lớp Zn nóng chảy bám vào bề mặt chi tiết - Phủ thiếc : Nung nóng chảy Sn t0 = ( 270  300)0C, áp dụng cho chi tiết ngành lương thực, thực phẩm - Phủ chì : Nung nóng chảy Pb t0 = 3500C, áp dụng để bảo vệ cho bề mặt loại ống, chi tiết cơng nghiệp hố học b Mạ kim loại - Cách tiến hành : Chi tiết treo vào cực Catốt ( cực âm ), cực anốt kim loại nguyên chất dùng để phủ - Ưu điểm : + Ngồi mục đích bảo vệ kim loại khỏi bị gỉ, cịn có tác dụng làm đẹp, trang trí cho chi tiết máy + Khống chế chiều dày lớp kim loại phủ, tiết kiệm kim loại, khơng phải nung nóng chi tiết c Cán dính lớp kim loại bảo vệ Thường dùng cho kim loại cách cán dính bề mặt kim loại lớp kim loại bảo vệ mỏng ( Pb, Al, Ni, ) d Phun lớp kim loại bảo vệ Được thực cách phun đắp lên chi tiết lớp kim loại nóng chảy - Cách tiến hành : Dây kim loạ bảo vệ ( Al, Cu, Ni, ) lắp vào súng phun Dây kim loại đốt nóng khí nóng điện, hạt kim loại nóng chảy phun vào bề mặt chi tiết luồng khơng khí nén có áp suất cao Các hạt kim loại nóng chảy bay khỏi súng phun bám chặt vào bề mặt chi tiết 7.2.2 Phủ lớp vật liệu phi kim loại a Sơn Sơn phương pháp công nghệ bảo vệ kim loại sử dụng rộng rãi Ngoài mục đích bảo vệ kim loại cịn có tác dụng trang trí làm đẹp sản phẩm Có loại sơn : Sơn dầu, sơn vecni, sơn êmay b Êmay - Về tính chất hố học lý học coi dạng Silicát khơng hồ tan ( thuỷ tinh ) Êmay có tính chịu ăn mịn cao mơi trường ăn mịn : Nước, muối, axít - Cách tiến hành : Nhúng chi tiết vào dung dịch êmay nóng chảy t = ( 1200  1300)0C làm nguội c Bôi dầu mỡ Chủ yếu vật liệu dụng cụ, thiết bị xếp kho để lâu ngày d Phủ chất dẻo 45 Thường dùng cao su, Êbơnít phủ bề mặt kim loại chi tiết ngàng hoá học để bảo vệ cho mặt thùng chứa khí, vật chuyển axít 7.2.3 Các phương pháp khác a Tạo lớp axit bảo vệ : - Tạo nên bề mặt kim loại lớp bảo vệ dạng ôxit kim loại, làm cho bề mặt kim loại trở nên thụ động ( trơ ) axit - Cách tiến hành : Nhúng chi tiết vào dung dịch nóng chảy gồm : NaOH ( 700  800 g/l ), NaNO3 ( 200  250 g/l ) t0 = ( 130  140)0C thời gian - Sau phủ bề mặt thép có màu đen ( cịn gọi nhuộm đen ) b Chế tạo thép không gỉ : Khi luyện thép, cho thêm lượng đủ lớn nguyên tố Cr, Ni tạo loại thép không gỉ, chịu xút, bazơ Một số loại thép không gỉ thường dùng : 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13,40Cr13, Cr17, Cr25 46 ... phụ thuộc vào : + Cơ tính vật liệu thành phần + Luật phân bố hình học vật liệu cốt + Tác dụng tương hỗ vật liệu thành phần 33 Nền Cốt Vật liệu compozit 5.3.3 Phân loại vật liệu compozit a Phân... 5.3.VẬT LIỆU COMPOZIT 5.3.1 Định nghĩa Compozit vật liệu tổ hợp từ hai loại vật liệu có chất khác Vật liệu tạo thành có đặc tính trội đặc tính phần xét riêng rẽ 5.3.2 Đặc tính chung - Một vật liệu. .. có vật liệu dị ứng theo ý muốn - Vật liệu compozit cốt hạt: Khi vật liệu dạng hạt, hạt khác sợi chỗ khơng có kích thước ưu tiên b Phân loại theo chất vật liệu thành phần Dựa vào chất vật liệu