Chương 2 Các phương pháp Nhiệt luyện thép

Bàigiảng Công nghệ xửlý nhiệt và bề mặt (Heat and Surface Treatment Technology) Đại học Bách Khoa Hà Nội Chương2. Các phương pháp nhiệt luyện thép Phương pháp ủ thép phương pháp thường hóa thép Phương pháp tôi thép

2.1 Ủ thép

Ủ là gì ? Nung nóng + giữ nhiệt + nguội chậm cùng lò 

nhận tổ chức cân bằng ( giống GĐP) độ cứng thấp + độ

dẻo cao

Vì sao cần ủ?

- Làm giảm độ cứng để dễ dàng gia công cơ khí(cắt, bào,

tiện… )

- Làm tăng thêm độ dẻo  dễ gia công biến dạng (dập, cán,

kéo….)

- Khử bỏ ứng suất bên trong sinh ra trong quỏ trình GC …

- Làm đồng đều thành phần hóa học trong toàn bộ chi tiết (ủ

khuếch tán)

- Làm nhỏ hạt

Chương 2 Các phương pháp nhiệt luyện thép

2 Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha

T<7270C, không có chuyển biến P As

* Ủ thấp (200-6000C):  làm giảm hoặc khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ)

200-4000C Khử một phần ưs 400-6000C Khử hoàn toàn ứs Đặc điểm: độ cứng không giảm

• Ủ kết tinh lại (600-7000C cho thép C):  Phục hồi tính dẻo cho chi tiết qua BD

• Đặc điểm: độ bền cứng giảm, độ dẻo tăng

3 Các phương pháp ủ chuyển biến pha

a Ủ hoàn toàn (thép tct):

nhận được tổ chức [Feα + P (tấm)]

Tủ = Ac3 + (20-300C)

•Mục đích: - làm nhỏ hạt

- giảm độ cứng, tăng độ dẻo

b Ủ không hoàn toàn (thép %C > 0,7):

nhận được tổ chức [XeII + P hạt]

Tủ = Ac1+ (20-300C)

Mục đích: - làm giảm độ cứng để dễ gia cụng cắt

gọt

Biến đổi tổ chức khi ủ hoàn toàn thép 0,5% C

Ac 1

Ac 3

- T ủ của thép 0.3% ????

- Tại sao tổ chức khi ủ hoàn toàn lại là P hạt??

c Ủ cầu hóa: mục đích tạo thành P hạt

5' 5' 5'

750-7600C 650-6600C

T0C

Thời gian

d Ủ đẳng nhiệt: áp dụng cho thép hợp kim cao

•Mục đích: nhận được P  độ cứng thấp (T ~

A1-500C)

e Ủ khuyếch tán: áp dụng cho thép HK cao bị thiên tích khi đúcT0ủ rất cao 11000-11500C, 10-15h

sau ủ hạt lớn  ủ hay cán làm nhỏ hạt

2.2 Thường hóa thép

1 Thường hóa là gì?

Nung nóng (đạt As) + giữ nhiệt + nguội trong

không khí tĩnh  nhận tổ chức gần ổn định ( P hay

X) độ cứng thấp (cao hơn ủ)

2 Cách lựa chọn nhiệt độ

- Thép trước cùng tích: Tth= Ac3+ (30-500C)

- Thép sau cùng tích: Tth= Acm+ (30-500C)

3 Mục đích

- Đạt độ cứng thích hợp cho gia công cắt ( %C ≤

0.25)

- Làm nhỏ hạt Xe trước khi nhiệt luyện kết thúc

- Làm mất lưới XeII trong thép sau cùng tích

2.3 Tôi thép

1 Đ/n:Nung nóng + giữ nhiệt + nguội nhanh  nhận tổ chức M không ổn định với độ cứng cao

2 Mục đích

Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho chi tiết (%C>0.3≥50HRC )

Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết

3 Cách chọn nhiệt độ tôi

Thép tct và ct:

T tôi = Ac 3 + (30-50 0 C)

Thép sct: T tôi = Ac 1 + (30-50 0 C)

- Thép hợp kim: %HK thấp  theo thép C (Ttôi cao hơn 1,1-1,2 lần)

%HK cao  tra sổ tay NL

Thép TCTtôi hoàn toàn? Tổ chức nhận được ?

Thép SCTtôi không hoàn toàn? Tổ chức nhận

được ?

Tại sao ?

1

4 Tốc độ tôi tới hạn

- Là tốc độ nguội nhỏ nhất gây nên chuyển biến

As M

• Thành phần nguyên tố hợp kim trong As

• Sự đồng nhất của As

• Các phần tử rắn chưa hoà tan vào As

• Kích thước hạt As trước khi làm nguội

5 Độ thấm tôi là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức M Các yếu tố ảnh hưởng: - tốc độ nguội tới hạn

- tốc độ nguội chi tiết

Vng < Vthct không được tôi Vlõi > Vthtôi thấu

* Tốc độ nguội nhanh độ thấm tôi tăng đường phân bố tốc độ nguội nông hơn

Tôi đầu mút

Thép 1080 : Thép C thường (0,8%C)

Thép 5120: C thấp (0,2%),

Thép 3160: C trung bình (0,6%C);

Đánh giá độ thấm tôi

Phân biệt :

Tính thấm tôi và tính tôi cứng

Ý nghĩa:

- biểu thị khả năng hoá bền của vật liệu

6 Các phương pháp tôi thể tích và công dụng

Mactenxit (M) + As dư

Ms(~ 220 0 C)

Mf(~ -50 0 C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit

Thời gian

A1

As quá nguội

a Yêu cầu với môi trường tôi:

- Chi tiết sau tôi phải đạt tổ chức M

- Chi tiết không bị cong vênh, nứt

b Đường cong nguội lý tưởng:

- Giai đoạn làm nguội nhanh qua vùng 500-6000C (As kém ổn định nhất)

- Giai đoạn làm nguội chậm trong vùng chuyển biến M 200-3000C:  để tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết

c Các môi trường tôi thông dụng:

☻Nước:

- Rẻ, an toàn, dễ kiếm

- Làm nguội nhanh ở cả 2 khoảng nhiệt độ

-Cứng cao, biến dạng lớn

- Nước nóng (>400C) làm giảm mạnh tốc độ nguộinước

luôn nguội

- Là môi trường tôi của thép C- Không dùng cho chi tiết có

hình dạng phức tạp

Thay đổi thành phần DD để tăng khả năng tôi:

Dung dịch 10% NaCl+Na2CO3+NaOH

Làm nguội nhanh ở vùng nhiệt độ cao, nguội chậm hơn ở

vùng nhiệt độ thấp

☻Dầu:

-Làm nguội chậm ở cả 2 khoảng nhiệt độ trên

- Dầu nóng và nguội khả năng tôi giống nhaudùng dầu nóng (60-800C) để tăng tính linh động

Chỳ ý: Dầu thông thường Tcháy=1500Cphải làm nguội

- Là môi trường tôi của thép HK và chi tiết có hình dạng phức tạp

Hiện nay dầu có thể tôi đến nhiệt độ cao (200-3000C)

☻Các môi trường tôi khác

-Môi trường tôi muối nóng chảy: Áp dụng cho thép HK tôi đẳng nhiệt

-Môi trường tôi Polyme -Môi trường tôi của lò chân không : Nitơ lỏng

Tốc độ nguội tới hạn của một số môi trường tôi

10; 15 35; 30

Tấm thép, không

khí nén

20-25 100-150

Dầu khoáng vật

300 1100-1200

Nước hòa tan

10%NaCl, NaOH,

200C

270 100

Nước nóng (500C)

300-2000C 600-5000C

270 600; 500

Nước lạnh, 10-300C

Tốc độ nguội, 0C/s, các khoảng T Môi trường tôi

Tôi trong môi trường nước

Tôi trong môi trường Polyme

☻ Tôi trong một môi trường

( véc tơ màu đỏ ) Vng>Vth

Mactenxit (M) + As dư

Ms(~ 220 0 C)

Mf(~ -50 0 C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit

Thời gian

A1

As quá nguội

(0C

A1

M)+ As dư

Ms(~ 220 0 C)

Mf(~ -50 0 C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit

Thời gian

As quá nguội

☻Tôi trong 2 môi

trường

- Giai đoạn đầu:

nguội nhanh trong

môi trường tôi

mạnh hơn (nước,

dung dịch muối…)

- Giai đoạn sau:

làm nguội trong môi

trường yếu hơn

(dầu…)

 giảm được mức

độ BD chi tiết

nhược điểm: khó xác định thời điểm chuyển môi

trường ????

Ms(~ 220 0 C)

Mf(~ -50 0 C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit

(0C

(a) (b)

Thời gian

A1

As quá nguội

M+As dư

☻Tôi phân cấp (a)

- Áp dụng chủ yếu cho thép HK cao

- Nhúng vào mt T>Mđ

50-100 0 Cgiữ nhiệt  nguội trong không khí

☻Tôi đẳng nhiệt (b)

 cần độ dai cao hơn, chống biến dạng và không cần ram tôi ra B

☻Tôi tự ram (ram màu)

Áp dụng cho các chi tiết cần tôi bộ phận

☻Gia công lạnh

 khử bỏ As dư sau tôi ở một số thép HK có điểm Mf quá thấp

 làm lạnh : -50- (-70)0Cđộ cứng có thể tăng 1-10HRC

2.4 Ram thép

 Nung nóng thép sau tôi đến nhiệt độ xác định (< Ac1) + giữ

nhiệt làm nguội ngoài không khí

 Là nguyên công bắt buộc sau khi tôi

1 Vì sao cần Ram?

* Đặc điểm của tổ chức nhận được sau tôi:

- tổ chức M tôi có độ cứng cao, rất giòn, kém dẻo dai  dễ bị nứt

gãy

- nhiều chi tiết sau tôi vẫn yêu cầu cần độ đàn hồi, độ dẻo cao…

 Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên

trong chi tiết sinh ra sau tôi, tránh chi tiết bị giòn

 Điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với yêu cầu

riêng của từng chi tiết

2 Các phương pháp ram

a Ram thấp (150-2500C)

- tổ chức sau ram: M ram

- độ cứng giảm bớt (1-2HRC)

so với M tôi (với thép HK cao

 độ cứng có thể tăng do As

dư chuyển biến )

- dẻo dai cao hơn, ưs giảm

 ứng dụng cho các dụng cụ cắt và ct máy chịu mài mòn……

b Ram trung bình (300-4500C):

- Áp dụng với thép có 0,55-0,65%C

- tổ chức sau ram: Truxtit ram

- độ cứng giảm rõ rệt (40-45HRC) so với M tôi, σ đàn hồi đạt

giá trị lớn nhất (σđh= max)

- khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong

- ứng dụng cho các chi tiết làm việc cần độ cứng tương đối

cao và độ đàn hồi cao: lò xo, nhíp, khuôn rèn, dập nóng……

c Ram cao (500-6500C)

- tổ chức sau ram: Xoocbit ram

- độ cứng giảm mạnh (15-25HRC) , độ dẻo độ dai tăng mạnh

- ứng dụng cho các CTM chịu va đập: trục, bánh răng……

Tổ chức khi ram

594 0 C, x 9300 lần

2 μm

700 0 C

Thép 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau

Dạng nhiệt luyện

Chỉ tiêu cơ tính

b , MPa

0,2 , MPa , % , % a K , kJ/m 2

Thường hóa

Tôi 850 0 C + ram

Tôi 850 0 C + ram

2.5 Cơ Nhiệt luyện

1 Bản chất:

-Là quá trình tiến hành gần như đồng thời hai quá trình hóa bền: biến dạng dẻo austenit + tôi ngay tiếp theo trong một nguyên công (quá trình công nghệ) duy nhất

-Kết quả: biến dạng dẻo tạo thành cấu trúc với mật độ lệch cao

-Tôi tiếp theo thành Mactenxit hay cấu trúc khác với kim

M (hay hạt rất nhỏ mịn)

 được Mactenxit nhỏ mịn với xô lệch cao đạt được sự kết hợp rất cao giữa độ bền, độ dẻo và độ dai  chưa có phương pháp hóa bền nào sánh kịp

- Sau cơ - nhiệt luyện thép được đem ram thấp ở 150 

200oC

2 Đặc điểm:

Hiệu ứng đạt được sau CNL: nhận được độ bề

cao, độ dẻo và độ dai cao ( So với nhiệt luyện tôi

& ram thấp:

 Giới hạn bền kéo cao hơn 200  500MPa (tăng

thêm 10  20%)

 Độ dẻo, độ dai tăng gấp 1,5-2 lần

Theo T tiến hành BDD& tôi hai loại cơ

-nhiệt luyện: -nhiệt độ cao và -nhiệt độ thấp.

3 Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao

- Biến dạng dẻo thép ở nhiệt độ > Ac3 tôi ngay tiếp theo để ngăn cản xảy ra kết tinh lại (không thể tránh được hoàn toàn)

Đặc điểm:

 có thể áp dụng cho mọi thép ( C và HK)

 dễ tiến hành vì ở T cao As dẻo, ổn định, không cần lực tác dụng lớn, chỉ cần  = 20  30%

 độ bền khá cao (không tránh khỏi KTL bộ phận):

b= 2200  2400MPa, độ dẻo, độ dai tương đối tốt:  = 6  8%, aK= 300kJ/m2.

c Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp

- Sau khi As hóa ở trên Ac3, làm nguội nhanh thép xuống 400

 600oC (vùng As quá nguội có tính ổn định tương đối cao

và thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại)  biến dạng dẻo và tôi ngay

Đặc điểm :

- chỉ áp dụng được cho thép HK - loại có tính ổn định của

As quá nguội cao -Vì đòi hỏi độ biến dạng lớn  = 50  90%, ở nhiệt độ thấp (400  600oC) As kém dẻo hơn cần phải có các máy cán lớn

-Thép phải có tiết diện tương đối nhỏ để kịp nguội nhanh xuống 400  600oC,

- Đạt được độ bền rất cao b= 2600  2800MPa, song độ dẻo, độ dai thấp hơn loại trên:  = 3%, aK= 200kJ /m2

Chú ý:

• Cơ tính cao của cơ - nhiệt luyện vẫn còn

lưu lại (di truyền) khi tôi tiếp theo

• Công nghệ này thường chỉ tiến hành ở

các nhà máy cán nhằm cung cấp các bán

thành phẩm thép có độ bền cao.

• Trong đùn ép nhôm hình: cơ nhiệt luyện

mang lại DD rắn quá bão hòa với hạt nhỏ

mịn hóa già tiếp theo: độ bền cao.

Các khuyết tật khi nhiệt luyện thép

☻Biến dạng và nứt

Nguyên nhân: sinh ra do ưs ( ưs nhiệt + ưs tổ chức)

ƯS >σbnứt hỏng, không khắc phục được

ƯS >σch cong vênhnắn, sửa Phòng tránh:

- tốc độ nung hợp lý

- làm nguội hợp lý, theo đúng các quy tắc: nhúng thẳng đứng,phần dày của chi tiết xuống trước, mỏng sau

- có thể ép các vật mỏng trong khuôn trước khi tôi

- tận dụng tôi phân cấp Khắc phục: biến dạng vừa phải có thể mang nắn nguội

Oxy hoá và thoát C

- Hiện tượng tạo vảy ôxyt và mất C ở bề mặt chi tiết

Nguyên nhân:

- do có sự xuất hiện của các thành phần dễ gây OXH Fe và C

như: hơi nước, oxy, CO2làm xấu, hỏng bm chi tiết

- Thoát Cgiảm độ cứng

Phòng tránh:Nung trong môi trường không có tác dụng

OXH và thoát C

 nung trong môi trường cókhí bảo vệ: chế từ hơi đốt thiên

nhiênCO/CO2; H2/H2O ( thành phần đối lập OXH và hoàn

nguyên)

khí quyển trung tính: N2, Ar2đắt

 nung trong môi trườngchân không( 10-2-10-4mmHg)

 sử dụngthan hoa…

- Khắc phục: thoát C  thấm lại C cho chi tiết

☻ Độ cứng không đạt

Cao hơn hay thấp hơn mong muốn

Nguyên nhân:

-Cao: ủ và thường hóa thép HK do Vng lớn  khó gia công

Khắc phục: làm lại với Vng nhỏ hơn

- Thấp: xảy ra khi tôi: T0không đúng, Thời gian giữ nhiệt không đủ, Vng không đúng

Khắc phục: làm lại nhưng BD tăng

☻Tính giòn cao

Nguyên nhân: nung quá caohạt lớn Khắc phục  đem thường hóa rồi nhiệt luyện lại với nhiệt độ nung thấp hơn

Tầm quan trọng của kiểm nhiệt trong nhiệt luyện

☻Nhiệt độ có vai trò quan trọng  quyết định chất

lượng đạt được

☻Đo nhiệt độ

Dưới 400-5000C: Dựng nhiệt kế thủy ngân

• Dưới 16000C Dựng cặp nhiệt + đồng hồ chỉ thị

• 1100-13000C Cặp Platin-Platin Rodi

• 800-10000C Cặp Cromel-Alumen

• Trên 10000C hỏa quang kế

• Kinh nghiệm ước lượng bằng mắt