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
1 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<727 0 C, không có chuyển biến P As * Ủ thấp (200-600 0 C): làm giảm hoặc khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ) 200-400 0 C Khử một phần ưs 400-600 0 C Khử hoàn toàn ứs Đặc điểm: độ cứng không giảm • Ủ kết tinh lại (600-700 0 C 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 = A c3 + (20-30 0 C) •Mục đích: - làm nhỏ hạt - giảm độ cứng, tăng độ dẻo b. Ủ không hoàn toàn (thép %C > 0,7): nhận được tổ chức [Xe II + P hạt ] Tủ = A c1 + (20-30 0 C) 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 2 - 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 ' 750-760 0 C 650-660 0 C T 0 C Thời gian d. Ủ đẳng nhiệt: áp dụng cho thép hợp kim cao •Mục đích: nhận được P độ cứng thấp (T ~ A1- 50 0 C) e. Ủ khuyếch tán: áp dụng cho thép HK cao bị thiên tích khi đúcT 0 ủ rất cao 1100 0 -1150 0 C, 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: T th = Ac 3 + (30-50 0 C) - Thép sau cùng tích: T th = A cm + (30-50 0 C) 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 3 Thép TCTtôi hoàn toàn? Tổ chức nhận được ? Thép SCTtôi không hoàn toàn? Tổ chức nhận được ? Tại sao ? Ac 3 + (30-50 0 C) Ac 1 + (30-50 0 C) 4. Tốc độ tôi tới hạn - Là tốc độ nguội nhỏ nhất gây nên chuyển biến As M - Các yếu tố ảnh hưởng • 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 < Vthct không được tôi Vlõi > Vthtôi thấu * Tốc độ nguội nhanh độ thấm tôi tăng đường phân bố tốc độ nguội nông hơn 4 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 M s (~ 220 0 C) M f (~ -50 0 C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhiệt độ 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 500-600 0 C (As kém ổn định nhất) - Giai đoạn làm nguội chậm trong vùng chuyển biến M 200-300 0 C: để tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết 5 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 (>40 0 C) làm giảm mạnh tốc độ nguộinước 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+Na 2 CO 3 +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 nhaudùng dầu nóng (60-80 0 C) để tăng tính linh động Chỳ ý: Dầu thông thường T cháy =150 0 Cphải 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 (200-300 0 C) ☻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; 1535; 30Tấm thép, không khí nén 20-25100-150Dầu khoáng vật 3001100-1200Nước hòa tan 10%NaCl, NaOH, 20 0 C 270100 Nước nóng (50 0 C) 300-200 0 C600-500 0 C 270600; 500 Nước lạnh, 10-30 0 C Tốc độ nguội, 0 C/s, các khoảng T Môi trường tôi Tôi trong môi trường nước 6 Tôi trong môi trường Polyme ☻ Tôi trong một môi trường ( véc tơ màu đỏ ) Vng>Vth Mactenxit (M) + As dư M s (~ 220 0 C) M f (~ -50 0 C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhiệt độ Thời gian A1 As quá nguội Nhiệt độ (0 C ) A1 M)+ As dư M s (~ 220 0 C) M f (~ -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 ???? M s (~ 220 0 C) M f (~ -50 0 C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhiệt độ (0 C ) (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 Cgiữ 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) 0 Cđộ cứng có thể tăng 1-10HRC 7 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 (300-450 0 C): - 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 (σ đh = 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…… 8 c. Ram cao (500-650 0 C) - 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 Ủ, 840 0 C 530 280 32,5 50 900 Thường hóa 850 0 C 650 320 15 40 500 Tôi 850 0 C + ram 200 0 C 1100 720 8 12 300 Tôi 850 0 C + ram 650 0 C 720 450 22 55 1400 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 150 200 o C 9 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 > A c3 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%, a K = 300kJ/m 2 . 35 36 c. Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp - Sau khi As hóa ở trên A c3 , làm nguội nhanh thép xuống 400 600 o C (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 (400 600 o C) As kém dẻo hơn cần phải có các máy cán lớn -Thép phải có tiết diện tương đối nhỏ để kịp nguội nhanh xuống 400 600 o C, - Đạt được độ bền rất cao b = 2600 2800MPa, song độ dẻo, độ dai thấp hơn loại trên: = 3%, a K = 200kJ /m 2 . 10 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 >σ b nứt hỏng, không khắc phục được ƯS >σ ch cong vênhnắn, 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, CO 2 làm xấu, hỏng bm chi tiết - Thoát Cgiảm độ cứng Phòng tránh: Nung trong môi trường không có tác dụng OXH và thoát C nung trong môi trường có khí bảo vệ: chế từ hơi đốt thiên nhiênCO/CO 2 ; H 2 /H 2 O ( thành phần đối lập OXH và hoàn nguyên) khí quyển trung tính : N 2 , Ar 2 đắt nung trong môi trường chân không ( 10 -2 -10 -4 mmHg) sử dụng than 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: T 0 không đúng, Thời gian giữ nhiệt không đủ, Vng không đúng Khắc phục: làm lại nhưng BD tăng ☻Tính giòn cao Nguyên nhân: nung quá caohạt 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 0C • Trên 1000 hỏa quang kế . MPa 0 ,2 , MPa , % , % a K , kJ/m 2 Ủ, 840 0 C 530 28 0 32, 5 50 900 Thường hóa 850 0 C 650 320 15 40 500 Tôi 850 0 C + ram 20 0 0 C 1100 720 8 12 300 Tôi 850 0 C + ram 650 0 C 720 450 22 55. 1535; 30Tấm thép, không khí nén 20 -25 100-150Dầu khoáng vật 3001100- 120 0Nước hòa tan 10%NaCl, NaOH, 20 0 C 27 0100 Nước nóng (50 0 C) 300 -20 0 0 C600-500 0 C 27 0600; 500 Nước lạnh, 10-30 0 C Tốc. b = 26 00 28 00MPa, song độ dẻo, độ dai thấp hơn loại trên: = 3%, a K = 20 0kJ /m 2 . 10 Chú ý: • Cơ tính cao của cơ - nhiệt luyện vẫn còn lưu lại (di truyền) khi tôi tiếp theo. • Công nghệ