CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN THÉP pdf

CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN THÉP 4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP 4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép 4.1.1.1. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức, do đó tính chất theo yêu cầu. Đặc điểm: - Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép - Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất. 4.1.1. 2 . Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện Ba thông số quan trọng nhất (hình 4.1): - Nhiệt độ nung nóng: 0 n T - Thời gian giữ nhiệt: gn T - 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, kích 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. 4.1.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép 1. Nhiệt luyện: thường gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tính 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 tính 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 tính 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 4.1.2.1. Tăng độ cứng, tính 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, 4.1.2.2. Cải thiện tính công nghệ Hình 4.1. Sơ đồ của quá trình nhiệt luyện đơn giản nhất Phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ biến dạng, … 4.1.2.3. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí - Nặng nhọc, độc → cơ khí hóa, tự động hóa, chống nóng, độc - 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 - 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 4.2.1.1. 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 tích: có tổ chức đơn giản là P -Thép trước và sau cùng tích: P+F và P+Xê II Khi nung nóng: + Khi T< A 1 → chưa có chuyển biến gì; + Khi T= Ac 1 , P → γ theo phản ứng: Thép CT: [Fe a + Xê] 0,80%C → γ 0,80%C Thép TCT và SCT: F và Xê II không thay đổi: + Khi T> Ac 1 : F và Xê II tan vào γ nhưng không hoàn toàn; + Khi T> Ac 3 và Ac m : F và Xê II tan hoàn toàn vào γ Trên đường GSE mọi thép đều có tổ chức γ 4.2.1.2. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit Nhiệt độ & thời gian chuyển biến: (hình 4.3) V nung càng lớn thì T chuyển biến càng cao. T nung càng cao, khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn. Tốc độ nung V 2 > V 1 , thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến ở càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn. Kích th ư ớc hạt austenit: Hình 4.2. Giản đồ pha Fe-C (phần thép) Hình 4.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P của thép cùng tích Ý nghĩa: Hạt γ càng nhỏ → M(hoặc tổ chức khác) có 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 (< cấp 8-10, hình 4.4d) chuyển biến peclit → austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt thép, phải tận dụng Độ hạt austenit: - peclit ban đầu: càng mịn → γ nhỏ - V nung càng lớn → hạt γ càng nhỏ - T& t 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 đích của giữ nhiệt: - Làm đều nhiệt độ trên tiết diện - Để chuyển biến xảy ra hoàn toàn - Làm đồng đều % của γ 4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội 4.2.3.1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích Giản đồ T-T-T: Nhiệt độ (T) - thời gian (T) và chuyển biến (T) Vì có dạng chữ "C") → đường cong chữ “C”. Khi γ bị nguội (tức thời) d ư ới 727 o C nó Hì nh 4.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm Hình 4.5. Sơ đồ phát triển hạt austenit I- di truyền hạt nhỏ, II- di truyền hạt lớn chưa chuyển biến ngay được gọi là γ quá nguội, không ổn định. Giản đồ có 5 vùng: - Trên 727 o C là khu vực tồn tại của γ ổn định - Bên trái chữ "C" đầu tiên - vùng γ quá nguội - Giữa hai chữ "C" γ đang chuyển biến (tồn tại cả ba pha γ , F và Xe) - Bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt γ quá nguội là hỗn hợp: F - Xê vớ i mứ c đ ộ nhỏ mịn khác nhau Giữ γ quá nguội ở sát A 1 : (T~ 700 o C, DT 0 nhỏ, ~25 o C): Peclit (tấm), HRC 10 ÷ 15. + (T~ 650 o C, DT 0 ~ 75 o C): Xoocbit tôi, HRC 25 ÷ 35. + T ~ đỉnh lồi chữ “C“ (khoảng 500 ÷ 600 o C): Trôxtit, HRC 40. Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán. + Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt: ~450 ÷ 250 o C: Bainit, HRC 50 ÷ 55, Đ ư ợc coi là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá bão hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe 2,4-3 C,có một l ư ợng nhỏ γ (d ư ), 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 Hình 4.6. giản đồ T-T-T của thép cùng thể tích cứng càng cao hơn. Tóm lại: chuyển biến ở sát A 1 đ ư ợc peclit, ở phần lồi đ ư ợc trôxtit, ở giữa hai mức xoocbit, phí a d ư ới đ ư ợc bainit. Làm nguội đẳng nhiệt nhận đ ư ợc tổ chức đồng nhất trên tiết diện. 4.2.3.2 . Sự phân hóa g khi làm nguội liên tục Cũng xét giản đồ chữ “C” (hình 4.7) như chuyển biến đẳng nhiệt. Đặc đi V 1 : trên hình 4.7,ở sát A 1 : gđ peclit tấm, V 2 : (làm nguội trong k/khí tĩnh) → xoocbit . V 3 (Làm nguội trong không khí nén), cắt ở phần lồi: → γ trôxtit V 4 : (làm nguội trong dầu),trôxtit + mactenxit = bán mactenxit V5: (làm nguội trong n ư ớc lạnh) V 5 không cắt đ ư ờng cong chữ "C" nào, tức g đ M Kết luận: khi làm nguội liên tục, tổ chức tạo thành ∈ vào vị trí của vectơ tốc độ nguội trên đ ư ờng cong chữ "C Hình 4.7. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích với V 1 < V 2 < V 3 <V 4 < V 5 < V 6 Đặc điểm 2: Tổ chức đạt đ ư ợc th ư ờng là không đồng nhất trên toàn tiết diện Đặc điểm 3: Không đạt đ ư ợc tổ chức hoàn toàn bainit (B) (chỉ có thể T+B hoặc T+B+M) vì nửa d ư ới chữ “ C ” lõm vào Đặc điểm 4: Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon, thép hợp kim đ ư ờng cong chữ "C" dịch sang phải do đó: + V th có thể rất nhỏ. Ví dụ, thép gió tôi trong gió. + Tổ chức đồng nhất ngay cả đối với tiết diện lớn. 4.2.3.3 . Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích + Thép tr ư ớc và sau cùng tích, có thêm nhánh phụ (hình 4.9) biểu thị sự tiết ra F (TCT) hoặc Xê II (SCT), có thêm đường 3 điểm khác biệt so với thép cùng tích: 1- Đường cong (chữ "C" và nhánh phụ) 2- Khi làm nguội chậm liên tục (V 2 ), γ quá nguội sẽ tiết ra F (TCT) hoặc Xê II (SCT) tr ư ớc sau đó mới phân hóa ra hỗn hợp F-Xê 3- Khi làm nguội đủ nhanh V 3 (hoặc >V 3 ) để V ng không cắt nhánh phụ, γ quá nguội → F- Xê d ư ới 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 đ ư ợc gọi là cùng tích 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 biếmactenxit (khi tôi) Nếu V ng > V th thì γ → M gọi đó là tôi thép. V th : là tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến mactenxit. m m th TA V τ − = 1 Hình 4.10. Giản đồ T-T-T của thép khác cùng tích Hình 4.11 . Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới hạn V th (t m và T m - thời gian và nhiệt độ ứng với g kém ổn định nhất). 4.2.4.1.Bản chất của mactenxit Định nghĩa: M là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Fe a Đ/điểm: vì quá bão hoà C → mạng chính phương tâm khối (hình 4.12). Độ chính phương c/a = 1,001 ÷ 1,06 ( ∈ %C) → xô lệch mạng rất lớn → M rất cứng. 4.2.4.2. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit 1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục g với tốc độ > V th . 2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên vị trí, Fe: từ g (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 M đ và kết thúc M K . M đ và M K giảm khi tăng %C và % nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), M đ và M K không phụ thuộc vào V nguội . 5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn vì hiệu ứng tăng thể tích gây lực nén lên → γ không thể chuyển biến, γ không chuyển biến được gọi là γ dư Điểm M K th ư ờng thấp (<20 o C) có khi rất thấp (ví dụ -100 o C) → lượng γ d ư có thể (20 ÷ 30%). Tỷ lệ γ d ư : phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Điểm M K : M K càng thấp dưới 20 o C lượng γ dư càng nhiều: M K giảm khi tăng lượng nguyên tố hợp kim trong γ + %C tăng → ↑∆V γ → d ư càng nhiều 4.2.4.3. Cơ tính của mactenxit Độ cứng: (hình 4.14): %C ↑→ cứng tăng do đó: Thép ít cacbon: %C ≤ 0,25%, Hình4.12. ô cơ sở của động mạng tinh thể mactenx mactenxit Hình 4.13. Đ ư ờng cong học chuyển biến Hình 4.14 : Độ cứng tôi phụ thuộc vào%C độ cứng sau tôi ≤ HRC 40 Thép C trung bình: %C= 0,40 ÷ 0,50%, 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 tính chịu mài mòn . 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 (Xê II 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. Tính giòn: là nhược điểm của M làm hạn chế sử dụng, tính giòn phụ thuộc vào: + Kim M càng nhỏ tính giòn càng thấp → làm nhỏ hạt γ khi nung thì tính giòn + ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi và phương pháp tôi thích 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 tính chất phù hợp với yêu cầu. 4.2.5. 1 . Tí nh không ổn định của mactenxit và austenit Tổ chức thép tôi=M+ γ d ư : khi nung nóng M → F+Xê theo: Fe a (C) → Fe 3 C + Fe a γ d ư → F+Xê theo: Fe g (C) → Fe 3 C + Fe a M và γ d ư không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F-Xê mà phải qua tổ chức trung gian là M ram theo sơ đồ: (M + γ d ư ) → M ram → F-Xê 4.2.5. 2 . Các chuyển biến xảy ra khi ram Thép cùng tích (0,80%C): tổ chức M và γ dư, quá trình chuyển biến khi ram: Giai đoạn I (T < 200 o C) - < 80 o C trong thép tôi chưa có chuyển biến gì, tức vẫn có M và γ dư. - Từ 80-200 o C: γ dư chưa chuyển biến, M có tiết C dưới dạng cacbit e Fe x C (x=2,0 ÷ 2,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C trong M giảm xuống còn khoảng 0,25 ÷ 0,40%, c/a giảm đi. Hỗn hợp M ít cacbon và cacbit e đó đ ư ợc gọi là M ram (vẫn liền mạng): (M tôi) Fe a (C) 0,8 → [Fe a (C) 0,25 ÷ 0,40 + Fe 2 ÷ 2,4 C] (M ram) Giai đoạn II (T= 200 ÷ 260 o C) Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15 ÷ 0,20%: Fe a (C) 0,25-0,4 → [Fe a (C) 0,15 ÷ 0,20 +Fe 2 ÷ 2,4 C] γ dư thành M ram: ( γ dư) Fe g (C) 0,8 → [Fe a (C) 0,15 ÷ 0,20 + Fe 2 ÷ 2,4 C] (M ram) M ram là tổ chức có độ cứng thấp hơn M tôi, song lại ít 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 d ư 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 ÷ 400 o C) Sau giai đoạn II thép tôi có tổ chức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 ÷ 0,20%) và cacbit ε (Fe 2 ÷ 2,4 C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến: - M nghèo cacbon trở thành ferit, cacbit e (Fe 2 ÷ 2,4 C) → Xê (Fe 3 C) ở dạng hạt Sơ đồ chuyển biến: Fe a (C) 0,15 ÷ 0,20 → Fe a + Fe 3 C hạt , cac bit Fe 2 ÷ 2,4 C → F+Xê hạt = T ram - Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tích). - Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi. Giai đoạn IV (T > 400 o C) T > 400 O C xảy ra quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của Xê hạt. - ở 500 ÷ 650 o C: được hỗn hợp F-Xê = X ram, có giới hạn chảy cao và độ dai va đập tốt nhất. - ở gần A 1 (727 o C): 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 tính khác nhau phù hợp với yêu cầu sử dụng. 4.3. Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP Định nghĩa: là các phương pháp thuộc nhóm nhiệt luyện sơ bộ, tạo độ cứng, tổ chức thích hợp cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt luyện) tiếp theo. 4.3.1. Ủ thép 4.3.1.1. Định nghĩa và mục đích Định nghĩa: là ph ư ơng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (từ 200 ÷ trên 1000 o C), giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt đ ư ợc 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 đích : được một số trong 5 mục đích 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, [...]... ng hó a, + thép 0,30 ÷ 0,65%Cphả i ủ hoà n toà n, + thép ≥ 0,70%C- phải ủ khô ng hoàn toà n (ủ cầ u hó a) 2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc Thường áp dụng cho các thép kết cấu trước khi tôi (thể tích và bề mặt) 3) Làm mất lưới xêmentit II của thép sau cùng tích → thép đỡ giòn, gia công được bóng hơn Hình 4.15 Khoảng nhiệt độ ủ, thường hóa và tôi cho thép cacbon 4.4 TÔI THÉP Là nguyên... máy, áp dụng cho thép có %C=0,15-0,65: tôi + ram trung bình thép đàn hồi (0,55-0,65)%C Tôi+ram cao → thép có cơ tính tổng hợp cao nhất (thép 0,3-0,5)%C 4.4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép o 4.4.2.1 Đối với thép TCT (< 0,80%C): Ttôi = A3 + (30 ÷ 50 C) → M+ít γ dư 4 4 2 2 Đối với thép CT và SCT (³ 0,80%C): Ttôi =A1+(30 ÷ 50oC) ≈ 760 ÷ 780oC → M+ít γ dư + XêII 4.4.2.3 Lý do để chọn nhiệt độ tôi: + Thép TCT, T A1 để có g (có thể giống ủ hoặc thường hóa) - Tốc độ làm nguội nhanh dễ gây ứng suất nhiệt, pha → dễ gây . CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN THÉP 4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP 4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép 4.1.1.1. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ . 4.20. Sơ đồ cơ - nhiệt luyện: nhiệt độ cao (a) và nhiệt độ thấp (b). 4.5.RAM THÉP Ram thép là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành M. 4.5.1. . 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