Chương 1 Các chuyển biến khi nhiệt luyện thép

BàigiảngCông nghệ xử lý nhiệt và bề mặt(Heat and Surface Treatment Technology)Chương 1: CÁC CHUYỂN BIẾN KHI NHIỆT LUYỆN THÉPNhiệt luyện làgì? làcông nghệnung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độxác định, giữnhiệt vàlàm nguội với tốc độthích hợpMụcđích:làm biến đổi tổchức biến đổi cơ tính của vật liệu theo hướng mong muốn của con người

1 1 Bài giảng Công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt (Heat and Surface Treatment Technology) MSE4115 Chương 1: CÁC CHUYỂN BIẾN KHI NHIỆT LUYỆN THÉP 1.2. Khái niệm về nhiệt luyện thép Nhiệt luyện là gì?  là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích hợp Mục đích :  làm biến đổi tổ chức  biến đổi cơ tính của vật liệu theo hướng mong muốn của con người Đặc điểm của nhiệt luyện : - Không làm thay đổi hình hoặc thay đổi không đáng kể dạng kích thước chi tiết - Chi tiết vẫn ở trạng thái rắn - Chi tiết sau nhiệt luyện phải được đánh giá qua tổ chức tế vi và cơ tính 1.1. Nhắc lại giản đồ pha Fe-C Các yếu tố đặc trưng Thời gian () Nhiệt độ (t o C) Sơ đồ quy trình nhiệt luyện đơn giản nhất  nhiệt độ cao nhất mà quá trình cần đạt đến T o n Nhiệt độ nung nóng (T 0 n )  gn Thời gian giữ nhiệt (  gn )  thời gian giữ ở nhiệt độ nung nóng V ng Tốc độ nguội (V ng )  tốc độ làm nguội chi tiết sau khi giữ nhiệt Các chỉ tiêu đánh giá kết quả nhiệt luyện 1.Tổ chức tế vi - cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền… Ảnh tổ chức của thép với sự phân tán xêmentit trên nền ferit 2. Độ cứng  biết giá trị độ cứng  ước lượng các chỉ tiêu cơ tính khác: độ dẻo, độ dai, độ bền 3 . Độ cong vênh, biến dạng chi tiết Xê F 2 Phân loại nhiệt luyện thép Ủ:  nung nóng chi tiết, sau đó làm nguôi chậm (cùng lò) để nhận được tổ chức có độ cứng thấp, độ dẻo cao Thường hoá:  nung chi tiết đến tổ chức đạt hoàn toàn Austenit, sau đó làm nguội ngoài không khí tĩnh để đạt tổ chức cân bằng Tôi:  nung nóng chi tiết, sau đó làm nguội nhanh để đạt tổ chức không cần bằng có độ cứng cao Ram:  nguyên công bắt buộc sau khi tôi để điều chỉnh lại độ cứng, độ bền Nhiệt luyện sơ bộ Nhiệt luyện kết thúc Phân loại nhiệt luyện thép (tiếp theo) Hoá - Nhiệt luyện: dựa vào nhiệt độ để làm thay đổi thành phần hoá học vùng bề mặt chi tiết  nhiệt luyện để đạt được cơ tính như mong muốn -thấm đơn nguyên tố: thấm C, N, Cr…… - thấm đa nguyên tố: thấm C-N,… Cơ - Nhiệt luyện:  Kết hợp giữa nhiệt độ + biến dạng dẻo  biến đổi tổ chứcbiến đổi cơ tính theo hướng đã chọn Tác dụng của Nhiệt luyện trong sản xuất cơ khí - Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép - Cải thiện tính công nghệ 1.3.Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng Chuyển biến xảy ra khi nung nóng - sự tạo thành As 1.3.1. Cơ sở: dựa trên giản đồ pha Fe-Fe 3 C Nung trên A3 Thép tct (P+F) Austennit Nung trên Am Thép sct P+XeII Austennit T= A cm Nhận xét: - Mọi loại thép sau khi nung lên trên đường GSE (GDP Fe-Fe 3 C)  một pha duy nhất Austennit - Các mác thép khác nhau sẽ nhận được các tổ chức As khác nhau với %C như trong mác thép ban đầu Nung đến T= A1Thép ct (P): [Fe+Fe3C]0,8%C  Fe(C)0,8%C 3 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo) Đặc điểm của chuyển biến P  Austenit Vấn đề quan tâm: nhiệt độ và kích thước hạt Austenit 1.3.2. Nhiệt độ chuyển biến : phụ thuộc vào tốc độ nung Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt khi nung  V n nung càng nhanh thì nhiệt độ chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn Thời gian (phút) Nhiệt độ (0 C ) 720 Bắt đầu chuyển biến P   Kết thúc chuyển biến P   V 2 V 1  thực tế: phải quá nhiệt độ tới hạn từ 20- 30 0 C Cao hơn : đến hàng trăm độ V2>V1 T2>T1  2<  1 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo) 1.3.3. Kích thước hạt Austenit: Đặc điểm cơ chế của chuyển biến P  Austenit - Tạo mầm (mầm được tạo trên biên giới pha giữa F và Xe) - Phát triển mầm ( giống quá trình kết tinh) A Hạt P ban đầu A mới hình thành 11 Chuyển biến P  Austenit 12 Kích thước hạt A phụ thuộc: • Peclit ban đầu; • ↑V nung → hạt nhỏ; • ↑ T 0 nung → hạt lớn; • ↑ gn dài→ hạt lớn; • Bản chất thép: bản chất hạt lớn & hạt nhỏ. Thép di truyền hạt lớn: Hạt As phát triến nhanh và đều đặn theo T  Sau NLGiòn Thép di truyền hạt nhỏ: Hạt As phát triển chậm theo TKhi T> 930-950 0 CHạt As phát triến nhanh Thường nung nóng: ≤ 900 0 C, giữ nhiệt theo qui định hạt nhỏ 4 13 •Thép DT hạt nhỏ : trong tổ chức có yếu tố ngăn cản sự phát triển của hạt •Thép bản chất hạt nhỏ được khử ôxy triệt để bằng Al, thép hợp kim Ti, V, Mo, … (I); Mn, P làm hạt phát triển nhanh (II). 1.3.4. Ảnh hưởng của các NTHK đến chuyển biến nung nóng khi tôi Hầu hết các thép có tổ chức F+cacbit (trạng thái cân bằng), các NTHK có trong F, cacbit hoặc 1 trong 2 pha.  khi nung  As, sau đó các loại cácbit hoà tan vào As. Hạt As sau đó lớn lên. Đặc điểm chuyển biến khi có mặt NTHK:  Trừ Mn, các cacbit của các NTHK đều khó hòa tan vào As hơn Xe (do ổn định hơn) Chuyển biến ở T cao hơn VD: Thép CD100 tôi ở 780 0 C (1%C) Thép OL100Cr2 (1%C+1,5-2%Cr) tôi ở 850 0 C Thép 100Cr12V (1%C+12%Cr+1%V) tôi ở 1020-1050 0 C 15  Các cacbít mạnh càng khó hòa tan (hay không tan như TiC, VC)  rào cản hạt lớn khi nung VD: thép có 0,1%Ti nung ở 950 0 C trong 3-5h không sợ hạt lớn  Nguyên tố tạo Nitrit hay ôxyt (AlN, Al 2 O 3 ) cũng giữ cho hạt nhỏ.  Đồng đều hóa thành phần As khó hơn ( do NTHK khuếch tán chậm hơn)  thời gian giữ nhiệt dài hơn  Ni và Si có tác dụng cản trở sự lớn lên của hạt As của, nhưng không rõ ràng  Mn là nguyên tố gây lớn hạt (chưa biết cơ chế). 1.3.4. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt - Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn tiết diện - Đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung nóng - Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn bộ Austenit Chú ý: Thời gian giữ nhiệt quá dài → hạt Austenit phát triển 5 1.4. Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit 1.4.1. Giản đồ TTT ( đường cong chữ “C”) - Xây dựng trong điều kiện nguội đẳng nhiệt - Quan hệ : Nhiệt độ - Thời gian Ở mỗi nhiệt độ khác nhau → xác định thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển biến → đường bắt đầu và đường kết thúc chuyển biến 18 Quan hệ giữa tỷ phần pha chuyển biến đẳng nhiệt với log thời gian trong chuyển biến As P 19 Phương pháp xây dựng đường T-T-T 20 Tổ chức tế vi khi làm nguội đẳng nhiệt theo đường ABCD: Trước, trong và sau khi hoàn thành chuyển biến 6 21 5 vùng của GĐ TTT • Vùng As ổn định (A 1 ) • Vùng As quá nguội • Vùng các sản phẩm của chuyển biến • Vùng đang chuyển biến • Vùng M+As dư 1. Giản đồ TTT của thép cùng tích Peclit Xoocbit Trôtit Bainit Chiều tăng độ cứng và mức độ nhỏ mịn của Xe Nhiệt độ (0 F ) Thời gian Austenit quá nguội A 1 M+ As dư M s (~ 220 0 C) M f (~ -50 0 C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhiệt độ (0 C ) P (700 0 C): 10-15HRC (180-200HB) Xe tấm thô X (650 0 C): 25-35HRC T (500-600 0 C): 40-45HRC B ( 250-450 0 C): 50-55HRC F 0,1%C Xe có công thức chưa hẳn Fe 3 C 23 Peclit Xoocbit Trôxtit A Làm nguội 24 Ý nghĩa của giản đồ TTT: - Xác định chế độ nhiệt luyện đẳng nhiệt ( Thời gian giữ khi tôi phân cấp, đẳng nhiệt) - Biết V n tới hạn (→ xác định độ thấm tôi, chọn môi trường tôi thích hợp cho từng loại thép) - Tổ chức và cơ tính ứng với các chế độ NL khác nhau Đặc điểm : P(tấm), X, T và B  bản chất giống nhau là hỗn hợp cơ học cùng tích của F và Xe tấm → Độ quá nguội tăng dần → số lượng mầm tăng → tấm càng nhỏ mịn, độ cứng càng cao; - Nguội đẳng nhiệt nhận được tổ chức đồng đều trên toàn tiết diện . 7 25 %C tăng  đường chữ “C” chuyển sang phải → As tăng tính ổn định; Khi %C>1% → đường chữ “C” dịch sang trái • NTHK: ảnh hưởng cả vị trí và hình dáng chữ “C” -Tất cả các NTHK ( trừ Co) → chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt của As ( làm chậm sự ktán) càng nhiều tính ổn định càng cao chữ “C” dịch sang phải. -Mạnh nhất Mo, Cr-Ni đồng thời. - Các nguyên tố không tạo cácbit ( Ni, Si, Cu, Al và nguyên tố tạo cacbit yếu Mn) →dịch “C” sang phải (không đổi hình dáng) - Nguyên tố tạo cacbit mạnh (Cr, W, Mo, V) →dịch chữ”C” sang phải và thay đổi hình dáng ( 2 vùng: P,X,B và B - khoảng 400-500 0 C As ổn định cao) • 26 Nhiệt độ Thời gian Thép C Thép HK  Khi ”C” dịch sang phải V th giảm  %NTHK càng cao tính ổn định của As càng cao. •Nhiệt độ và thời gian Austenit hóa:→ảnh hưởng đến sự đồng nhất của As→tính ổn định của As→vị trí “C” Chú ý: giữ nhiệt hợp lý ở T cao để phần lớn cacbit hòa tan được vào As 27 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo) Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của As quá nguội (thép khác cùng tích) Đặc điểm: - Xuất hiện thêm nhánh phụ, chữ C dịch có xu hướng dịch sang trái - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ  sẽ tiết ra ra F (Xe) trước khi gặp nhánh phụ - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội đủ lớn, véc tơ nguội không gặp nhánh phụtổ chức cuối vẫn nhận được dạng X, T và B%C không đúng 0.8cùng tích giả Nhiệt độ (0 C ) Vùng  ổn định (A 3 , A cm ) A 1 Thời gian, s Austenit quá nguội Hỗn hợp α + Xe γ +(α hoặc Xe II ) 1 2 3 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo) Austenit quá nguội Nhiệt độ cùng tích Mactenxit (M) + Austenit () dư M s (~ 220 0 C) M f (~ -50 0 C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhiệt độ (0 C ) Nhiệt độ (0 F ) Thời gian 1.4.2. Sự phân hoá As khi làm nguội liên tục V 1 V 2 V 3 V 4 V th Các véctơ vận tốc nguội V 1 <V 2 <V 3 <V th <V 4 V 1  Peclit V 2  Xoocbit V 3  Trustit + Mactenxit V 4  Mactenxit V th  Mactenxit 8 29 Đặc điểm: - Tổ chức không đồng nhất trên toàn tiết diện -Tăng tốc độ nguội → nhiệt độ chuyển biến giảm - Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn Bainit bằng cách làm nguội đẳng nhiệt Các sản phẩm chuyển biến khi nguội liên tục Xác định thành phần tổ chức cuối cùng của các trường hợp sau: Austenit quá nguội Nhiệt độ cùng tích Mactenxit (M) + Austenit () dư M s (~ 220 0 C) M f (~ -50 0 C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhiệt độ (0 C ) Nhiệt độ (0 F ) Thời gian Tổ chức của a là: Tổ chức của b là: (a) (b) 31 Thực tế dùng Giản đồ phân hủy As khi nguội liên tục - CCT - Xây dựng bằng cách kết hợp các phương pháp: Phân tích nhiệt, kim tương, dãn nở hay từ tính - Giản đồ được dùng phổ biến trong thực tế →vớí đường nguội thực, có thể xác định nhiệt độ chuyển biến và đặc tính của chuyển biến 32 Giản đồ CCT (đường liền) và TTT ( đường đứt đoạn) của thép 1080 ( thép KC Cacbon 0,8%C) Giản đồ CCT của thép HK thấp với 0.2%C . hơn) Chuyển biến ở T cao hơn VD: Thép CD100 tôi ở 780 0 C (1% C) Thép OL100Cr2 (1% C +1, 5-2%Cr) tôi ở 850 0 C Thép 10 0Cr12V (1% C +12 %Cr +1% V) tôi ở 10 20 -10 50 0 C 15  Các cacbít mạnh càng khó hòa tan. 1 1 Bài giảng Công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt (Heat and Surface Treatment Technology) MSE 411 5 Chương 1: CÁC CHUYỂN BIẾN KHI NHIỆT LUYỆN THÉP 1. 2. Khái niệm về nhiệt luyện thép Nhiệt. của thép - Cải thiện tính công nghệ 1. 3 .Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng Chuyển biến xảy ra khi nung nóng - sự tạo thành As 1. 3 .1. Cơ sở: dựa trên giản đồ pha Fe-Fe 3 C Nung trên A3 Thép