CÔNG NGHỆ SỬ LÝ VẬT LIỆUNHIỆT LUYỆN THÉP

Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chứchạt to.- Xementit thứ hai XeII: là loại đợc tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ởtrong khoảng nhiệt độ 727 ữ 11470C khi độ hòa ta

Phần II Nhiệt luyện thép

Chơng 5 Giản đồ trạng thái sắt - cácbon

Trong phần này nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt - cácbon, các khái niệm cơ bản về gang - thép, các phơng pháp nhiệt luyện, hóa - nhiệt luyện, cơ - nhiệt luyện và sơ lợc về các thiết bị nhiệt luyện Do vậy cần hiểu đợc các chuyển biến khi nung nóng và làm nguội thông qua giản đồ trạng thái Fe

- C và các giản đồ có liên quan, bản chất của các tổ chức tạo thành, mối quan hệ giữa các tổ chức.

Cơ sở để nghiên cứu gang - thép và tìm hiểu các tính chất của nó là giản đồ trạng thái Fe - C Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe - C trớc hết phải khảo sát các đặc tính của các nguyên thành phần.

5.1 Các bon và sắt

5.1.1 Các bon

Các bon là nguyên tố á kim thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuầnhoàn và có thể ở hai dạng thù hình: Graphít và kim cơng Trong điều kiệnbình thờng Graphít là dạng thù hình ổn định còn kim cơng không ổn định.Trong hợp kim Fe - C, các bon nguyên chất chỉ có thể tồn tại ở dạng Graphít

- nó có mạng lục giác và rất mềm

5.1.2 Sắt

Sắt là nguyên tố hợp kim thuộc nhóm VII trong bảng hệ thống tuầnhoàn, nó thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp Cũng giống nh các nguyên tốkhác nó không thể tồn tại ở dạng tuyệt đối tinh khiết mà thờng tồn tại dớidạng hợp chất Sắt có các tính chất sau:

Nh vậy so với nhiều kim loại thờng dùng nh nhôm, đồng, sắt có độ bền,

độ cứng cao hơn hẳn, nhng vẫn còn thấp so với yêu cầu của chế tạo cơ khí

Đó là nguyên nhân ngời ta hầu nh không dùng sắt nguyên chất trong chế tạocơ khí, mà dùng hợp kim của nó vì có cơ tính cao hơn rõ rệt

Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải đợc xây dựng từ 100% Fe

đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lợng các bon nhiềuhơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% các bon tức là ứng với hợpchất hóa học Fe3C Trong thực tế, Fe với C tồn tại ở 3 dạng hợp chất là FeC,

Fe2C, Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định về thành phần hóa học ở mọi nhiệt

độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử

911

Lập ph ơng diện tâm Lập ph ơng thể tâm

1600 D

L+Xe

I

F Le+XeIK Le+XeI

γ + α S

E G

γ N

Trên giản đồ, đờng ABCD là đờng lỏng

Đờng AHJECF là đờng đặc

(1147 ữ 1600)0C Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chứchạt to.

- Xementit thứ hai (XeII): là loại đợc tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ởtrong khoảng nhiệt độ (727 ữ 1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong phanày giảm từ 2,14% xuống còn 0,8% do vậy XeII có trong hợp kim với thànhphần các bon lớn hơn 0,8% Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ không cao lắmnên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, do đợc tiết ra từ Auxtenit nên thờng ở dạnglới bao quanh Auxtenit

- Xemetit thứ ba (XeIII): là loại đợc tiết ra từ dung dịch rắn Ferit ở trongkhoảng nhiệt độ thấp hơn 7270C khi độ hòa tan giới hạn của cácbon trongFerit giảm từ 0,02% xuống 0,006% XeIII có ở trong mọi hợp kim có thànhphần C lớn hơn 0,006% nhng với lợng rất ít Do tạo nên từ pha rắn và ở nhiệt

độ thấp, khả năng khuếch tán của nguyên tử rất kém nên XeIII thờng ở dạngmạng lới hay hạt rất nhỏ bên cạnh Ferit

Các dạng Xementit không khác nhau về bản chất pha, chỉ khác nhau

về kích thớc hạt và sự phân bố do điều kiện tạo thành khác nhau

- Ferit (ký hiệu là F hay α): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trongFe(α), có mạng lập phơng thể tâm nên khả năng hòa tan của cacbon ở trongFe(α) là không đáng kể, lớn nhất ở 7270C là 0,02% và nhỏ nhất ở nhiệt độthờng là 0,006%

- Auxtenit (kí hiệu là As hay γ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbontrong Fe(γ), có mạng lập phơng diện tâm nên khả năng hòa tan cacbon củaFe(γ) khá lớn, lớn nhất ở nhiệt độ 11470C với 2,14% và nhỏ nhất ở 7270C với0,8%C

Auxtenit rất dẻo và dai khi các nguyên tố khác hòa tan vào khôngnhững làm độ cứng tăng lên và độ dẻo độ dai giảm đi đáng kể mà còn làmthay đổi động học chuyển biến do đó ảnh hởng lớn tới nhiệt luyện

5.2.2.2 Các tổ chức 2 pha

- Peclit (ký hiệu là P hay [α+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tíchcủa Ferit và Xementit (α + Xe) tạo thành ở 7270C từ dung dịch rắn Auxtenitchứa 0,8%C Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit Từ giản đồ trạngthái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon củaAuxtenit sẽ biến đổi và khi đến 7270C có 0,8%C (các hợp kim có lợngcacbon nhỏ hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hớng tiết ra Ferit

để làm tăng cacbon còn các hợp kim có lợng cacbon lớn hơn 0,8% thì thành

phần Auxtenit biến đổi theo hớng tiết ra Xementit làm giảm cacbon, cả 2 ờng hợp trên đều đa đến lợng cacbon trong Auxtenit là 0,8% ở 7270C) Lúc

tr-đó, Auxtenit có 0,8% C sẽ chuyển biến thành hỗn hợp cùng tích của Ferit vàXementit:

[ R Fe 3 C]

C 727

s

0

+ α

- Ledeburit (ký hiệu là Le hoặc [γ+Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit là hỗnhợp cơ học cùng tinh, kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C ở 11470C

Lúc đầu mới tạo thành nó gồm γ và Xe (trong khoảng 7270C ữ 11470C).Khi làm nguội xuống dới 7270C, γ chuyển biến thành P do vậy Lêdeburit làhỗn hợp cơ học của Peclit và Xementit Nh vậy cuối cùng Lêdeburit có 2 pha

là α và Xe trong đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Leđeburit rất cứng và dòn

5.2.3 Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C

5.2.3.1 Phần phía trên đờng đặc AHJECF

- Khu vực có thành phần (0,1 ữ 0,51) %C:

Khi làm nguội đến đờng lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịchrắn δ trớc Khi hạ nhiệt độ xuống tới 14990C, hợp kim có 2 pha là dung dịchrắn δ chứa 0,1%C và dung dịch lỏng chứa 0,51%C nên xảy ra phản ứng baotinh tạo ra dung dịch rắn Austenit chứa 0,16%C

Lc 1147 →0C [γE + XeF]

Hỗn hợp cơ học trên gọi là hỗn hợp cơ học cùng tinh Ledeburit

Khi T > 7270C tổ chức Le gồm [γ + Xe]

Khi T < 7270C tổ chức Le gồm [P + Xe]

5.2.3.2 Phần phía dới đờng đặc AHJECF

Tại 7270C γ có thành phần 0,8%C sẽ chuyển biến thành P là hỗn hợpcủa 2 pha α và Xe gọi là hỗn hợp cơ học cùng tích

γs  727  →  0 C

[αR + XeK]

5.3 Phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái

Để phân loại hợp kim Fe - C ngời ta dựa vào hàm lợng của cacbon tronghợp kim đó

Hình 5.4 Tổ chức tế vi của thép cùng tích

a Peclit tấm; b Peclít hạt

- Thép sau cùng tích: Là thép có hàm lợng cacbon nằm trong khoảng(0,8 ữ 2,14) % Tổ chức của thép sau cùng tích là P + XeII Lợng XeII ít đợctiết ra dới dạng mạng lới bao quanh hạt P nên có tính dòn cao chính vì vậy,trên thực tế ngời ta chỉ dùng thép có hàm lợng cacbon nhỏ hơn 1,3%

ra làm 3 loại gang sau:

- Gang trớc cùng tinh là loại gang có hàm lợng cacbon < 4,3%

Tổ chức của gang trớc cùng tinh là P + XeII + Le Đây là loại gang ờng đợc sử dụng trong thực tế

th-Hình 5.6 Tổ chức tế vi gang trớc cùng tinh

- Gang cùng tinh là loại gang có hàm lợng cacbon là 4,3%

Tổ chức của gang cùng tinh là Le

Hình 5.7 Tổ chức tế vi của gang cùng tinh

- Gang sau cùng tinh: là loại gang có hàm lợng cacbon lớn hơn 4,3%

Tổ chức của gang sau cùng tinh là Le + XeI

Hình 5.8 Tổ chức tế vi gang sau cùng tinh

Các loại gang trên đợc gọi chung là gang trắng, cacbon trong gang trắng

đều tồn tại dới dạng Xe

5.3.3 Đặc điểm cơ tính của thép và gang theo giản đồ trạng thái

5.3.3.1 Thép

- Thép trớc cùng tích, lợng cacbon ít nên lợng Xe cũng ít vì vậy thép cótính dẻo cao

- Thép sau cùng tích và cùng tích, hàm lợng cacbon tăng nên tỉ lệ pha

Xe tăng do vậy làm tăng độ cứng, tính dòn đồng thời làm độ thắt tỉ đối ψ, độgiãn dài tơng đối δ giảm xuống Vì những lý do trên mà trên thực tế, ngời takhông dùng thép có hàm lợng cacbon quá cao (%C > 1,3%)

γ→ [F + Xe] (khi làm nguội) và [F + Xe] →γ (khi nung)

Hàm lợng cacbon lớn hơn 0,02% và đợc áp dụng nhiều trong nhiệtluyện là đờng A1

Trong thực tế, nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng và làm nguội baogiờ cũng khác với giản đồ Để biểu thị quá trình nung nóng khi có sự chuyểnbiến pha trên thực tế ngời ta gọi đó là đờng AC1 và khi làm nguội là đờng Ar1

T0Ar1 < T0A1 < T0Ac1

Hình 5.9 Đồ thị nhiệt độ thực tế khi nung nóng và làm nguội

5.4.3 Nhiệt độ đờng giới hạn hòa tan của Ferit (α) trong Auxtenit (γ) là

đờng A 3

Nhiệt độ giới hạn hòa tan đợc thay đổi theo hàm lợng cacbon gọi là ờng A3 Khu nung vợt qua nhiệt độ AC3 thì kết thúc quá trình hòa tan củaFerit (α) vào Auxtenit (γ) Đồng thời, khi làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ hơn

đ-Ar3 thì bắt đầu tiết ra Ferit (α) từ Auxtenit(γ)

Nh vậy: T0Ar3 < T0A3 < T0Ac3

ý nghĩa: Dùng chọn chế độ nhiệt luyện thép trớc cùng tích

5.4.4 Nhiệt độ đờng giới hạn hòa tan của Xementit (Xe) vào Auxtenit (γ)

là đờng A cm

Nhiệt độ giới hạn hòa tan đợc thay đổi theo hàm lợng cacbon gọi là ờng Acm Khi nung vợt qua nhiệt độ Accm thì kết thúc quá trình hòa tan củaXementit (Xe) vào Auxtenit (γ) Đồng thời, khi làm nguội xuống nhiệt độnhỏ hơn Arcm thì bắt đầu có sự tiết ra Xementit (Xe) từ Auxtenit (γ)

727

Fe3C

%cacbon

Ch¬ng 6 C¸c chuyÓn biÕn x¶y ra khi Nung

vµ lµm nguéi thÐp

Nhiệt luyện thép chiếm địa vị chủ yếu trong nhiệt luyện nói chung và là một khâu quan trọng, không thể thiếu được trong chế tạo cơ khí, sở dĩ như vậy vì thép được sử dụng như là vật liệu chủ yếu và quan trọng nhất trong

số các kim loại đồng thời có thể áp dụng nhiều phương pháp nhiệt luyện khác nhau để cải biến cơ tính và tính công nghệ của nó.

Tác dụng của nhiệt luyện là ở 2 điểm sau:

- Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang) mà vẫn bảo đảm yêu cầu về độ dẻo và độ dai Do vậy có thể làm cho chi tiết chịu được tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng được bền, lâu hỏng hơn.

Trong thực tế sản xuất cơ khí thấy rõ tác dụng này Nhiều loại thép sau khi nhiệt luyện bằng cách tôi + ram độ bền, độ cứng tăng lên 2 - 3 lần (tuy độ dẻo dai có giảm) rất có lợi trong việc hoá bền các chi tiết này, các chi tiết máy chịu ma sát như bánh răng, trục Nếu không hoá bền bằng nhiệt luyện rất chóng mòn, hỏng (thời hạn làm việc giảm đi từ hàng chục đến hàng trăm lần) Đối với dao cắt, khuôn rập tác dụng này của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định Các sản phẩm này nếu không qua tôi

và ram thỡ khụng thể làm việc được Một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng cỏc sản phẩm cơ khớ là trỡnh độ của nhiệt luyện.

- Cải thiện tớnh cụng nghệ

Ngoài tỏc dụng hoỏ bền kể trờn, nhiệt luyện cũn cú khả năng cải thiện tớnh cụng nghệ Khi thành hỡnh sản phẩm khụng thể khụng chỳ ý đến tớnh thớch ứng của thộp đối với cỏc phương phỏp gia cụng khỏc nhau: đỳc, rốn hàn, cắt, gọt Cải thiện cỏc tớnh cụng nghệ đú làm quỏ trỡnh gia cụng chế tạo được thuận lợi và cú thể tiến hành với năng suất cao hơn, gúp phần nõng cao suất lao động Trong chế tạo cơ khớ thường gặp hiện tượng sau khi rốn, thộp bị biến cứng một phần rất khú (cú trường hợp khụng thể cắt gọt, trong trường hợp này phải tiến hành nhiệt luyện bằng phương phỏp thớch hợp (ủ) độ cứng giảm đi, cắt gọt trở nờn dễ dàng Đối với thộp cacbon thấp,

độ cứng của nú ở trạng thỏi ủ quỏ thấp cũng khú cắt gọt phải tiến hành thường hoỏ tăng thờm độ cứng để đảm bảo cắt gọt dễ Áp dụng cỏc phương phỏp nhiệt luyện thớch hợp giữa cỏc khõu gia cụng cơ khớ là một trong những biện phỏp nõng cao năng suất lao động trong ngành cơ khớ (nhờ nõng cao tốc độ cắt gọt, khả năng rập sõu )

Do đú tỏc dụng quan trọng như vậy nờn hầu hết cỏc chi tiết quan trọng cỏc mỏy đều được qua nhiệt luyện Vớ dụ chi tiết qua nhiệt luyện trong ụ tụ - mỏy kộo chiếm (70 - 80)% trong mỏy cụng cụ (60 - 70)%, tất cả cỏc dụng cụ đều phải nhiệt luyện.

6.1 Khái niệm về nhiệt luyện

Nhiệt độ nung

α

Hình 6.1 Đồ thị công nghệ tổng quát của nhiệt luyện

6.1.3 Phân loại nhiệt luyện

- Nhiệt luyện sơ bộ là những dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệtluyện còn tiếp tục gia công

- Nhiệt luyện kết thúc là những dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệtluyện không gia công nữa (trừ mài tinh)

6.1.4 Các thông số của quá trình nhiệt luyện

Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào khối lợng, kích thớc và bản chấtcủa vật liệu sản phẩm

- Tốc độ nguội: là tốc độ giảm nhiệt độ của sản phẩm sau khi giữnhiệt

Vai trò: quyết định sự hình thành các tổ chức khác nhau của sảnphẩm sau nhiệt luyện và tạo ra tổ chức hạt phù hợp

Tốc độ nguội phụ thuộc vào mục đích của nhiệt luyện và bản chất củavật liệu sản phẩm.

6.2 Các chuyển biến xảy ra khi nung thép

6.2.1 Đặc điểm chuyển biến pha thể rắn

Mô hình: có sự xuất hiện một pha mới trong lòng pha ban đầu (phamẹ) nhng sự thay đổi thể tích của vật thể coi nh không đáng kể nên coi làquá trình đẳng tích

Sự thay đổi năng lợng tự do của hệ khi xuất hiện pha mới:

ΔF = - ΔFv + ΔFBM + ΔFđh

Trong đó:

ΔF: Thay đổi năng lợng tự do đẳng tích

ΔFv: Năng lợng tiêu tốn để tạo ra thể tích pha mới

ΔFBM: Năng lợng bề mặt của pha mới đợc tạo ra

ΔFđh: Năng lợng đàn hồi do sự chèn ép giữa hai pha rắn

Sự thay đổi năng lợng tự do lớn hơn dẫn đến quá trình chuyển biến xảy

ra chậm hơn so với quá trình kết tinh, vì vậy đòi hỏi độ quá nung ∆T lớn hơn

Nh vậy, nghiên cứu tạo mầm và lớn lên của mầm pha mới tơng tự quátrình kết tinh và thu đợc hai đại lợng:

vào độ quá nhiệt ΔT không tồn tại đoạn giảm của N và v Do khi ΔT tăng thì

τ: Thời gian chuyển biến

6.2.2 Sự tạo thành Austenit khi nung

Theo lý thuyết ở 7270C thì xảy ra phản ứng:

Peclit (P) Austenit (γ)

Hay: [ Ferit (α) + Xementit (Xe) ] Austenit (γ)

0,8% C 0,02% C 6,67% C Vấn đề cần nghiên cứu:

- Mầm Austenit đầu tiên tạo ra ở đâu ?

- Quá trình phát triển của Austenit sẽ chiếm hết pha nào trớc (α hayXe) ?

- Xây dựng đờng cong động học chuyển biến ?

6.2.2.1 Phơng pháp nghiên cứu

- Phơng pháp lý thuyết: dựa vào phơng trình Jhonson – Mehl –Aravi bằng cách cho các giá trị N, v tơng ứng với các ∆T khác nhau Lập cácdải τ từ τ1 đến τn (n → ∞), từ đó vẽ đợc đờng cong chuyển biến Song trên

thực tế, qúa trình nung thép khi nhiệt luyện là rất đa dạng, vì vậy ta sẽ phải thực hiện một khối lợng tính toán rất nhiều nên khi sử dụng phơng pháp này

sẽ trở nên phức tạp và không thực tế Thông thờng để xây dựng các đờng cong động học chuyển biến, ngời ta thờng dùng phơng pháp thực nghiệm.

Nung 727 0 C Nung 727 0 C

- Phơng pháp thực nghiệm:

Tiến hành chuẩn bị hàng loạt mẫu có cùng kích thớc, tổ chức ban đầuhoàn toàn nh nhau và cùng một thành phần các bon là 0,8% Khi đó tổ chứcban đầu của các mẫu là 100% Peclit

Nung mẫu trong lò muối hoặc lò có cảm ứng để đảm bảo nung thậtnhanh lên trên nhiệt độ Ac1 Giữ đẳng nhiệt tại nhiệt độ xác định (> Ac1) vớicác khoảng thời gian khác nhau Sau đó làm nguội và đo lợng chuyển biến.Với mô hình nh trên, kết quả thực nghiệm cho chúng ta đờng cong chuyểnbiến Peclit thành Austenit khi nung có dạng nh sau:

Hình 6.3 Mô hình nung mẫu (a) và đờng cong thực nghiệm (b)

Trên đờng cong động học chúng ta thấy có bốn giai đoạn sau:

Đoạn OA: giai đoạn phôi thai, độ dài của giai đoạn này phụ thuộc vàonhiệt độ nung (hay độ quá nung ΔT), nhiệt độ thực hiện chuyển biến càngcao (ΔT lớn) thời gian phôi thai càng nhỏ và ngợc lại Đây là giai đoạnkhuếch tán tạo các vùng có %C tơng đơng %C trong Austenit (0,8%C) và gọi

là giai đoạn tạo sự ba động thành phần

Đoạn AB: tốc độ chuyển biến tăng dần do tăng quá trình tạo mầm trênranh giới hạt pha

Đoạn BC: giai đoạn tốc độ chuyển biến gần nh không đổi do hầu hếtcác dạng khuyết tật đã tham gia vào qúa trình tạo mầm pha mới

Đoạn CD: giai đoạn tốc độ chuyển biến giảm dần và tiến tới bằngkhông, do lúc này lợng pha mới tăng lên, pha cũ giảm dần dẫn đến giảm tốc

độ chuyển biến và khi pha cũ hết tốc độ bằng không

D 100

Với việc thực hiện qúa trình chuyển biến ở hàng loạt nhiệt độ khácnhau, ta có một họ đờng cong động học chuyển biến Peclit thành Austenitkhi nung Trong thực tế, vấn đề cần xác định là thời điểm bắt đầu và kết thúc

chuyển biến Peclit thành Austenit cũng nh thời gian cần thiết để thực hiện chuyển biến hoàn toàn tại các nhiệt độ khác nhau Chính vì vậy để thuận

tiện cho việc sử dụng ta biến đổi đờng cong thực nghiệm đó thành dạng kháctheo hệ toạ độ nhiệt độ - thời gian Việc biến đổi đợc thực hiện bằng cách kẻ các đờng đẳng mức (% Austenit chuyển biến) sang hệ toạ độ nhiệt độ - thời gian, và để đơn giản ta chỉ cần hai điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến Nối các điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến tại các nhiệt độ tơng ứng ta đ-

ợc hai đờng bắt đầu và kết thúc chuyển biến Peclit thành Austenit.

Hình 6.4 Cách xây dựng đờng cong động học chuyển biến P → Au (hình

a)

và ảnh hởng của tốc độ nung (hình b) (1): Đờng bắt đầu chuyển biến P → Au (2): Đờng kết thúc chuyển biến P → Au

Khi tốc độ nung càng lớn thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến P

→ Au càng tăng và ngợc lại Vì vậy, khi nhiệt luyện cần phải lu ý nhiệt độchuyển biến thực tế theo tốc độ nung

Khi tạo mầm Austenit đầu tiên chúng ta thấy rõ rằng, cần có sự phân bốlại của nồng độ (thành phần) các bon Vì vậy mầm ban đầu sẽ đợc tạo ra nhờ

sự khuếch tán và ba động thành phần Do đó sự u tiên tạo mầm ban đầu sẽ làmặt phân giới pha giữa Ferit (α) và Xementit (Fe3C), tại mặt phân giới phagiữa Ferit và Xementit nồng độ các bon có thể lên tới 0,25 %, thuận lợi chotạo mầm Austenit (γ) khi có ba động thành phần, đồng thời qúa trình khuếchtán của các bon tại đây mạnh hơn rất nhiều càng thuận lợi cho việc tạo mầmAustenit Các kết quả thực nghiệm cho thấy diện tích mặt phân giới pha giữa

Ferit và Xementit lên tới cỡ (2000 ữ 10000) mm 2 /1 mm 3 thể tích Peclit Cơ chế tạo mầm ban đầu trên mặt phân giới pha đợc gọi là cơ chế Blanter.

Hình 6.5 Sơ đồ hình thành Austenit trên mặt phân giới pha Ferit và

Xementit

Tuy nhiên, với các nghiên cứu sau này khi tiến hành nung rất nhanhPeclit hoặc tơng ứng là nhiệt độ chuyển biến rất cao, khi đó bằng thựcnghiệm cho thấy rằng tinh thể Austenit đầu tiên có dạng hình kim vàAustenit ban đầu có quan hệ liên mạng với Ferit, đồng thời nồng độ các bontrong Austenit ban đầu xấp xỉ nồng độ các bon trong Ferit Với kết quả thựcnghiệm đó ngời ta có thể kết luận rằng, khi nung nhanh Peclit thì sự tạothành các mầm Austenit không theo cơ chế khuếch tán và ba động thànhphần mà Ferit trực tiếp chuyển thành Austenit do trợt mạng tơng tự nh qúatrình biến dạng dẻo Khi lợng Austenit tăng lên, lúc đó Xementit tiếp tục hoà

tan vào Austenit làm tăng hàm lợng các bon Nh vậy cơ chế tạo mầm Austenit phụ thuộc vào tốc độ nung khi nhiệt luyện, trong thực tế với các qúa trình nhiệt luyện thông thờng thì cơ chế Blanter là chủ yếu, tuy nhiên với các dạng nhiệt luyện đặc biệt (tôi bề mặt ) khi đó cơ chế trợt mạng lại là chủ

đạo.

6.2.2.3 Cơ chế lớn lên của mầm Austenit

Mầm Austenit ban đầu khi mới tạo ra có sự phân bổ nồng độ các bon không đồng đều, phần tiếp giáp với Xementit có nồng độ các bon cao, ngợc lại phần tiếp giáp với Ferit có nồng độ các bon thấp (đờng cong phân bố nồng độ các bon theo hình) Khi mầm Austenit phát triển, nó liên tục về cả hai phía Ferit và Xementit Trong qúa trình đó Xementit liên tục hoà tan vào Austenit để tiến tới nồng độ các bon của Austenit.

Hình 6.6 Phân bố nồng độ các bon trong mầm Austenit ban đầu

T: Nhiệt độ thực hiện chuyển biến

a: Nồng độ các bon trong Ferit tại mặt phân giới pha Ferit và Austenit (Cα/γ)

b: Nồng độ các bon trong mầm Austenit tại mặt phân giới pha (Cγ / α) c: Nồng độ các bon trong Austenit tại mặt phân giới pha Austenit và Xementit (Cγ / Fe3C ).

Từ hình vẽ chúng ta thấy tốc độ phát triển của Austenit phụ thuộc vào khả năng khuếch tán của các bon trong Ferit và Austenit theo tỉ lệ thuận,

đồng thời cũng phụ thuộc vào độ chênh nồng độ giữa hai điểm (a) và (b) trên đồ thị Khi độ chênh càng nhỏ, tốc độ phát triển của Austenit càng nhanh ở đây chúng ta cũng thấy rõ rằng khi nhiệt độ chuyển biến T >

910 0 C (điểm G trên giản đồ Fe - Fe 3 C) khi đó điểm a và b trùng nhau và Austenit sẽ trực tiếp hình thành từ Ferit theo cơ chế trợt mạng Khi Austenit

phát triển, tốc độ phát triển của nó về hai phía Ferit và Xementit sẽ đợc tínhtheo các công thức sau:

α γ

γ α

→

c 1

C

D K v

v

C Fe /

c 2

C Fe

3

D K v

K: Hệ số phụ thuộc vào điều kiện chuyển biến

Dc γ: Hệ số khuếch tán của các bon trong Austenit

ΔCγ / α: Độ chênh nồng độ giữa γ và α tại thời điểm tính

ΔCγ / Fe3C: Độ chênh nồng độ giữa γ và Fe3C tại thời điểm tính

E

S P

Cα / γQ

Cγ / α 0,8 Cγ / Fe3C

Rõ ràng ta thấy ΔCγ / Fe3C là rất lớn so với ΔCγ / α do đó v1 lớn hơn v2 rấtnhiều, vì vậy khi Austenit phát triển nó sẽ tiến về phía Ferit mạnh hơn vềphía Xementit, do đó Ferit sẽ hết trớc Xementit trong qúa trình phát triển củaAustenit Các kết quả nghiên cứu trên thực nghiệm cũng đã chứng minh sự

đúng đắn hoàn toàn của kết luận này

Tóm lại, ta có thể khái quát các giai đoạn chuyển biến Peclit thànhAustenit khi nung nh sau:

Giai đoạn 1: Peclit → Austenit bao gồm tạo mầm, mầm lớn lên và kếtthúc là hết Ferit

Giai đoạn 2: Xementit lại tiếp tục hoà tan vào Austenit, kết thúc làXementit hết và tạo ra một pha Austenit nhng cha đồng đều về nồng độ cácbon

Giai đoạn 3: Đồng đều hoá thành phần các bon nhờ qúa trình khuếchtán

Hình 6.7 Sơ đồ các giai đoạn hình thành Austenit Chuyển biến xảy ra khi nung với thép trớc và sau cùng tích:

Các loại thép sử dụng trong kỹ thuật không chỉ có thép cùng tích (0,8%C) mà còn có các loại thép trớc và sau cùng tích, khi đó đờng cong động họccần thêm các quá trình hoà tan của Ferit (thép trớc cùng tích) và Xementit(với thép sau cùng tích) vào trong Austenit Do đó đờng cong động học sẽ cóthêm các đờng bắt đầu và kết thúc các quá trình hoà tan của pha thứ hai

b,

Hình 6.8 Đờng cong động học chuyển biến khi nung của thép trớc cùng

tích (hình a)

và sau cùng tích (hình b); A TM : nhiệt độ xảy ra trợt mạng

(3): Đờng bắt đầu hoà tan của Ferit hoặc Xementit vào Austenit (4): Đờng kết thúc hoà tan của Ferit hoặc Xementit vào Austenit 6.2.2.4 Độ hạt Austenit

- ý nghĩa: hạt γ là độ hạt trung gian trong nhiệt luyện vì vậy nó giántiếp quyết định độ hạt của tổ chức kim loại sau nhiệt luyện

- Yêu cầu: thép khi nung không đợc tạo ra Austenit hạt lớn

- Phân loại độ hạt:

Hạt ban đầu: Là những hạt đầu tiên tạo thành khi nung Hạt ban đầu

phụ thuộc chủ yếu tổ chức ban đầu trớc khi nung và độ quá nung ΔT Tổchức ban đầu càng nhỏ mịn, hạt ban đầu càng nhỏ, độ quá nung ΔT càng lớn,hạt ban đầu càng nhỏ ý nghĩa của hạt ban đầu là ở chỗ nó là cơ sở để thu đ-

ợc tổ chức hạt nhỏ khi tiến hành nhiệt luyện

Hạt thực tế: Là kích thớc hạt Austenit thu đợc trong điều kiện nung

thực tế của quá trình nhiệt luyện và nh vậy thông thờng hạt thực tế lớn hơnhạt ban đầu Hạt thực tế có ý nghĩa vô cùng quan trọng vì nó trực tiếp ảnh h-ởng đến cơ tính, chất lợng sản phẩm sau nhiệt luyện Hạt thực tế phụ thuộcvào hạt ban đầu, nếu hạt ban đầu càng nhỏ mịn và đồng đều thì hạt thực tếcàng nhỏ; vào nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt, nhiệt độ nung và thờigian giữ nhiệt càng lớn, hạt thực tế càng có kích thớc lớn và hạt thực tế cònphụ thuộc rất mạnh vào thành phần hoá học của thép, do các nguyên tố hợpkim tác động rất mạnh đến quá trình lớn lên của hạt Austenit

Hạt di truyền (hạt bản chất): Là kích thớc hạt của tất cả các loại thép

đợc nung trong cùng một điều kiện tiêu chuẩn nh nhau Ví dụ, khi xác định

hạt di truyền cho thép kết cấu nhiệt độ nung là (930 ữ 950) 0 C, thời gian giữ nhiệt là 8 giờ và đợc nung trong môi trờng chất thấm các bon bao gồm 60% bột than gỗ và 40% muối BaCO 3 Việc đo độ hạt sử dụng kính hiển vi với độ

phóng đại 200 lần, hạt Austenit đợc phân cấp theo bảng phân cấp quốc tếgồm 11 cấp theo thứ tự từ (1 ữ 11) là từ cỡ hạt lớn đến nhỏ dần, cỡ hạt từ (1 ữ

4) là cỡ hạt của hạt di truyền hạt lớn, cỡ hạt từ (5 ữ 11) là cỡ hạt của hạt ditruyền hạt nhỏ

Việc nung trong môi trờng chất thấm các bon nhằm mục đích tạo ra tổ chức tơng đơng nhau giữa thép trớc và sau cùng tích, do đó việc xác định độ hạt Austenit có tính đặc trng đầy đủ Hạt di truyền biểu thị xu hớng lớn lên

của hạt Austenit trong các loại thép ở điều kiện nhiệt luyện thông thờng Cầnchú ý là ở đây mới chỉ là xu hớng, cha phải là thực tế và do đó căn cứ vàoloại thép với hạt di truyền khác nhau, ta có thể áp dụng các biện pháp côngnghệ phù hợp để thu đợc hạt Austenit nhỏ, mịn Ví dụ với thép các bon, nhiệt

độ nung khi nhiệt luyện nên khống chế nhỏ hơn 920 0 C để tránh Austenit hạt lớn hoặc tiến hành nung nhanh Tuy nhiên, với thép hợp kim (hạt di truyền hạt nhỏ) ta có thể tăng nhiệt độ nung tới 950 0 C mà không sợ hạt Austenit lớn.

Hình 6.9 Xu hớng phát triển hạt Austenit theo nhiệt độ

(1): Thép có hạt di truyền hạt lớn (2): Thép có hạt di truyền hạt nhỏ

Một điều cần quan tâm là khi nung thép có tổ chức Vidmansted hoặc Mactenxit với độ quá nung (tốc độ nung) lớn, khi đó Austenit tạo ra có quan

hệ liên mạng với pha cũ, tạo trờng ứng suất lớn, mật độ lệch rất cao Khi đó

ở khoảng nhiệt độ cỡ Ac 1 + (100 ữ 150) 0 C có hiện tợng kết tinh lại lần I xảy

ra, làm nhỏ hạt Austenit.

6.3 các chuyển biến xảy ra khi làm nguội Austenit

6.3.1 Khái niệm chung

Theo lý thuyết: tại nhiệt độ Ar1

Độ hạt

Peclit Hạt ban đầu

(Austenit)

1 2

Ac1 930 ữ 950

0 C

phẩm khác nhau gọi là các sản phẩm của sự phân hoá Austenit khi làmnguội:

Hình 6.9 Sản phẩm khi làm nguội austenit

6.3.2 Chuyển biến Austenit thành Peclit khi làm nguội chậm

6.3.2.1 Với thép cùng tích

- Mô hình thí nghiệm: làm hàng loạt mẫu thép 0,8%C, nung lên nhiệt

độ lớn hơn Ac1 để hoàn toàn tạo thành một pha Austenit, sau đó làm nguộinhanh xuống dới nhiệt độ Ar1 và giữ đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau ởmỗi một nhiệt độ đẳng nhiệt phải kèm nhiều mẫu, mỗi mẫu giữ một thời giankhác nhau Sau thời gian giữ nhiệt đem tôi các mẫu trong nớc, đo chuyểnbiến và dựng đờng cong theo từng nhiệt độ

Hình 6.10 Đồ thị khi làm nguội chậm austenit ở các nhiệt độ và thời

gian

- Với việc thực hiện ở nhiều nhiệt độ khác nhau ta sẽ xây dựng đợc họ

đờng cong chuyển biến:

α

0 C

Austenit Peclit Xoocbit Trustit

b, Họ Bainit Bainit trên Bainit d ới

Xe

0 C Ac

Hình 6.11 Đờng cong động học chuyển biến γ thành P khi làm nguội

đẳng nhiệt

γ': Austenit quá nguội tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn Ac 1

(1): Đờng bắt đầu chuyển biến Austenit thành Peclit

(2): Đờng kết thúc chuyển biến Austenit thành Peclit

Nếu giảm nhiệt độ chuyển biến (tăng độ quá nguội ΔT) lúc đầu thờigian phôi thai sẽ giảm, nhng đến một giá trị xác định khi ta tăng ΔT thì thờigian phôi thai lại tăng lên do số lợng mầm tạo ra quá nhiều gây ứng suất lớndẫn đến khó thực hiện chuyển biến

Mactenxit

Bainit d ới

100%

Theo lý thuyết: khi nguội xuống dới Ar3, γ bắt đầu tiết ra α Tiếp tụcgiảm nhiệt độ, α tiết ra càng nhiều %C trong γ tăng lên, khi tới nhiệt độ Ac1thì %C trong γ bằng 0,8% và xảy ra phản ứng cùng tích:

6.3.3 Chuyển biến Austenit thành Peclit khi làm nguội liên tục

- Khi làm nguội liên tục Austenit thì đờng cong động học không có nửadới

Hình 6.14 Đờng cong động học chuyển biến Austenit thành Peclit khi nguội đẳng nhiệt ( nét đứt) và liên tục (nét liền) của thép cùng tích

- Tổ chức Bainit chỉ thu đợc khi làm nguội đẳng nhiệt

- Khi làm nguội liên tục, đờng cong động học dịch sang phải và xuốngdới

Đờng cong động học chuyển biến γ thành P gọi là đờng cong chữ “C”

6.3.4 Chuyển biến Mactenxit

- Khái niệm: chuyển biến Mactenxit là chuyển biến xảy ra khi làmnguội Austenit với một tốc độ nguội đủ lớn Quá trình chuyển biến xảy ra ởnhiệt độ rất thấp (so với Ar1), cacbon trong Austenit không kịp khuếch tán đểtạo Xe mà toàn bộ lợng cacbon của Austenit giữ nguyên trong mạng củaFe(α) (có dịch chuyển thì chỉ trên khoảng cách nhỏ hơn một thông số mạng)

do đó tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon trong Fe(α), gọi là tổchức Mactenxit

- Đặc điểm chuyển biến Mactenxit:

Với đặc trng làm nguội của mình, chuyển biến Mactenxit có một số đặc

điểm khác biệt nh sau:

+ Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến không khuếch tán, Mactenxitthu đợc khi nguội nhanh Austenit từ nhiệt độ A1 Do đó thành phần hoá họccủa Mactenxit trùng với của Austenit

Ac1

MS

0 C

τ

+ Chuyển biến Mactenxit chỉ bắt đầu xảy ra ở một nhiệt độ nhất định(MS là nhiệt độ bắt đầu chuyển biến) Nhiệt độ MS khôngphụ thuộc vào tốc

độ làm nguội, đồng thời chuyển biến cũng kết thúc khi nguội xuống thấp hơnmột nhiệt độ xác định (Mf là nhiệt độ kết thúc chuyển biến), cả Mf cũngkhông phụ thuộc tốc độ nguội Đoạn (MS – Mf) là khoảng nhiệt độ chuyểnbiến Mactenxit

+ Chuyển biến Mactenxit chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục Austenit,khi nguội đến MS kim Mactenxit bắt đầu hình thành, muốn lợng Mactenxittăng lên phải tiếp tục làm nguội Nếu trong đoạn [MS - Mf], ta dừng lại ở bất

kỳ nhiệt độ nào, chuyển biến lập tức dừng lại Chuyển biến Mactenxit khôngbao giờ xảy ra hoàn toàn, luôn luôn có tồn tại một lợng Austenit d

+ Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến xảy ra tức thời (thời gianphôi thai bằng không), cứ với nhiệt độ nhỏ hơn MS chuyển biến lập tức xảyra

+ Các kim Mactenxit hình thành với tốc độ rất lớn (xấp xỉ 1 km/s), tốc

độ hình thành và phát triển kim Mactenxit hầu nh không phụ thuộc vào nhiệt

+ Với những mẫu ban đầu là phẳng, nhẵn, sau chuyển biến Mactenxit,xuất hiện các gờ nổi trên bề mặt

Ngày nay chuyển biến Mactenxit còn đợc phát hiện ở nhiều hệ hợpkim khác ngoài sắt nh hợp kim đồng - nhôm, đồng - kẽm, đồng - thiếc, niken

- titan …

Kết luận: chuyển biến Mactenxit là loại chuyển biến đặc biệt khi làmnguội Austenit, nó kết hợp sự trợt mạng (A1 → A2) với sự tồn tại của cacbontại các lỗ hổng

- Chú ý:

+ Nhiệt độ MS và Mf phụ thuộc vào thành phần hoá học của Austenit(của thép), phần trăm của nguyên tố hợp kim càng cao thì MS, Mf càng giảm.

Hình 6.15 Sự phụ thuộc của nhiệt độ M S , M f vào hàm lợng cacbon trong

thép

+ Lợng Austenit d trong Mactenxit phụ thuộc vào thành phần hoá họccủa Austenit (thép), phần trăm nguyên tố hợp kim tăng thì Austenit d tăng,khi đó phải xử lý để chuyển biến Mactenxit tiếp tục xảy ra

- Cơ chế của chuyển biến Mactenxit:

200 400 600

2 2

Nguyên tử Fe; Nguyên tử cacbon

Ưu điểm: giải thích đợc quan hệ phơng, mạng của Mactenxit vàAustenit phù hợp với thực nghiệm

Nhợc điểm: độ chính phơng c/a quá lớn

- Tổ chức siêu tế vi của Mactenxit:

+ Tổ chức bên trong của kim Mactenxit:

Hình 6.17 Tổ chức bên trong của Mactenxit

+ Sự xắp xếp: các kim Mactenxit tạo thành các bó định hớng bất kì,khoảng cách từ (3 ữ 5) àm

6.4 chuyển biến khi nung thép đã tôi (chuyển biến xảy ra khi ram)

Sau khi tôi, thu đợc tổ chức Mactenxit và một lợng Auxtenit d là haipha không ổn định, mức năng lợng tự do cao, tồn tại nhiều khuyết tật và ứngsuất d vì vậy M luôn có xu hớng chuyển về trạng thái ổn định hơn là P Muốnvậy phải cấp năng lợng bằng cách nung trở lại M

Các chuyển biến xảy ra khi nung trở lại M (chuyển biến xảy ra khiram):

* Giai đoạn 1: nhỏ hơn 2000C

- Khi nung ở nhiệt độ nhỏ hơn 800C, do nhiệt độ thấp, năng lợng cấpcòn ít, cha đủ để vợt rào cản năng lợng vì vậy trong thép cha có chuyển biếngì

- Khi nung ở khoảng (80 ữ 200)0C, năng lợng đã đủ để cho cacbonthực hiện các hành trình xa hơn do đó khử đợc ứng suất d nhờ sự phân bố lại

δ

Bó kim Mactenxit Vệt song tinh

cacbon Đồng thời nó tạo ra một số vùng giàu cacbon, thuận lợi tạo ra Xe.

Do hàm lợng cacbon cha đủ lớn nên tạo ra Xe cha hoàn chỉnh

Kết quả: M hầu nh không giảm độ cứng, độ bền nhng khử đợc ứngsuất d nên ổn định hơn và đợc gọi là tổ chức M ram

ứng dụng khi ram dao cắt gọt kim loại, khuôn …

định và hạt tơng đối nhỏ do sự lớn lên của kim M cha cao, tổ chức này đợcgọi là tổ chức Trustit ram có σch/σB max, kích thớc mẫu, sản phẩm trở về gầnvới ban đầu ứng dụng khi ram các chi tiết đàn hồi

* Giai đoạn 4: từ (450 ữ 650)0C

Giai đoạn này có năng lợng lớn, cacbon tiết ra hoàn toàn khỏi M, độchính phơng c/a = 1 Tổ chức M là Peclit và Xe hoàn chỉnh, toàn bộ ứng suất

d đợc khử bỏ, mẫu trở về kích thớc ban đầu, các hạt bắt đầu lớn lên tạo dạng

đều cạnh và đợc gọi là tổ chức Xoocbit ram Đây là tổ chức có cơ tính tổnghợp cao nhất do đó đợc áp dụng để ram tất cả các chi tiết máy

Ch¬ng 7 c¸c ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÐp

Nhiệt luyện là những quá trình công nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội vật phẩm kim loại với mục đích thay đổi tổ chức (cấu trúc) và tính chất của chúng.

Nhiệt luyện áp dụng cho các thỏi đúc, vật đúc, bán thành phần, mối hàn, chi tiết máy và dụng cụ các loại.

Các dạng cơ bản của nhiệt luyện bao gồm: ủ, tôi, ram và hoá già Nếu như do kết quả của tôi ở nhiệt độ 20 ÷ 25 0 C mà giữ được trạng thái dung dịch rắn ở nhiệt độ cao thì sự hoá bền đáng kể của hợp kim trực tiếp sau khi tôi sẽ không xảy ra, sự hoá bền chủ yếu xảy ra khi nung trở lại ở nhiệt độ thấp (ram) hoặc là trong thời gian giữ ở nhiệt độ 20 ÷ 25 0 C (hoá già tự nhiên).

Với hợp kim có tính chất đặc biệt, tôi có thể làm thay đổi những tính chất (hoá lý) nhạy cảm với sự thay đổi cấu trúc như làm tăng điện trở suất hoặc là lực khử từ, làm giảm độ bền chống ăn mòn

Ram và hoá già là các phương pháp nhiệt luyện sau khi tôi mà kết quả của nó là xảy ra sự chuyển pha, đưa tổ chức về gần trạng thái cân bằng.

Thực tế sự kết hợp tôi và ram hay hoá già luôn luôn nhận được các tính chất tốt hơn (độ cứng, các đặc trưng độ bền, lực khử từ, điện trở suất )

so với trạng thái ủ.

Phần lớn các hợp kim sau khi tôi nhận được dung dịch rắn quá bão hoà (hoặc là hỗn hợp các dung dịch rắn) trong trường hợp này quá trình cơ

bản xảy ra khi ram hoặc hoá già là sự phân rã dung dịch rắn quá bão hoà đó.

Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt được chọn như thế nào để sau khi gia công đạt được tổ chức và tính chất như mong muốn mà không phải là tổ chức cân bằng như sau khi ủ Tốc độ nguội khi ram hay hoá già, trừ một số trường hợp đặc biệt, không ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của hợp kim.

Về nguyên tắc, việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện nào đều có thể dựa trên cơ sở giản đồ cân bằng pha của hợp kim Do đó có thể chia thành các nhóm hợp kim cơ bản sau:

- Các hợp kim không có chuyển pha ở trạng thái rắn

- Các hợp kim có độ hoà tan thay đổi ở trạng thái rắn

- Các hợp kim có chuyển biến cùng tích

Bất kỳ một quá trình công nghệ nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba giai đoạn cơ bản sau: nung nóng, giữ đẳng nhiệt và làm nguội

* Đặc điểm:

- Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật chung mà tuỳ thuộc vàotừng phương pháp ủ

- Quá trình làm nguội tiến hành rất chậm, thường là để nguội cùng với

lò (với tốc độ khoảng 10 ÷ 50(0C/h)) để γ phân hoá ở nhiệt độ A1 cho ra P

* Mục đích của ủ thép:

- Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt

- Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép ở trạng tháinguội

- Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong sau các nguyên công giacông cơ khí (mài, quấn nguội, cắt gọt )và đúc, hàn

- Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn tiết diện của vật đúcthép bị thiên tích

- Làm nhỏ hạt thép nếu nguyên công trước làm hạt lớn

- Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc

- Cầu hoá Xe để có tổ chức hạt khác với Xe ở dạng tấm

Với mục đích đa dạng như vậy thì không phương pháp ủ nào đạt được

cả các mục tiêu trên Thông thường mỗi phương pháp ủ chỉ đạt được mộthoặc vài trong số các chỉ tiêu kể trên

7.1.1.2 Phân loại

Có nhiều phương pháp ủ Theo chuyển biến pha P →γ khi nung nóng,người ta chia các phương pháp ủ thành 2 nhóm: ủ có chuyển biến pha và ủkhông có chuyển biến pha

* Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha:

Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn

Ac1, khi đó không xảy ra chuyển biến P →γ

+ Ủ thấp (ủ non):

- Đị nh nghĩa: Ủ thấp là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ

nhỏ hơn Ac1 để không có chuyển biến pha xảy ra

- Mục đích và đặc: Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suấtbên trong ở các vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia công cơ khí

+) Nếu ủ ở nhiệt độ thấp (200 ÷ 3000C) chỉ có tác dụng làm giảm mộtphần ứng suất bên trong nhưng ở những nhiệt độ cao hơn (450 ÷ 6000C) tácdụng khử bỏ ứng suất bên trong có thể hoàn toàn hơn

+) Do làm nguội nhanh, không đều, do chuyển pha khi đúc, trong vậtđúc tồn tại ứng suất bên trong Đối với một số vật đúc có yêu cầu đặc biệtkhông cho phép tồn tại ứng suất dư độ Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư,người ta tiến hành nung nóng đến 450 ÷ 6000C, sau đó làm nguội chậm tiếptheo để tránh tạo lại ứng suất dư Đối với trường hợp yêu cầu không cao, chỉcần giảm ứng suất dư đến mức nhất định, có thể tiến hành bảo quản ở t0thường trong khoảng 9 ÷ 12 tháng, quá trình này còn gọi là hoá già tự nhiên.

Do nhiệt độ ủ thấp nên phương pháp ủ này không làm thay đổi độ cứng vàkích thước hạt

+ Ủ kết tinh lại:

- Định nghĩa: Ủ kết tinh lại là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt

độ nhỏ hơn Ac1 để không có chuyển biến pha xảy ra

- Mục đích và đặc điểm: Ủ kết tinh lại được tiến hành cho các thépqua biến dạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trướckhi gia công cơ khí

+) Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là từ 600 ÷ 7000C tức làthấp hơn nhiệt độ Ac1 Loại ủ này làm thay đổi được kích thước hạt và giảm

độ cứng, nhưng rất ít áp dụng cho thép vì khó tránh tạo nên hạt lớn

+) Đối với kim loại đa tinh thể, do không đồng nhất về phương manggiữa các hạt nên ứng suất tác dụng và độ biến dạng phân bố không đều, phầnthép bị biến dạng với mức độ tới hạn sau khi ủ có kích thước lớn, làm dònthép Để tránh hiện tượng này, thường dùng các phương pháp ủ có chuyểnbiến pha

Các phương pháp ủ có chuyển biến pha:

Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao hơn Ac1, khi

đó có xảy ra chuyển biến P →γ

+ Ủ hoàn toàn:

- Định nghĩa: Ủ hoàn toàn là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tớitrạng thái hoàn toàn γ, tức là phải nung cao hơn nhiệt độ Ac3 hoặc Accm

- Mục đích và đặc điểm:

+) Làm nhỏ hạt Nếu chỉ nung quá nhiệt độ Ac3 khoảng 20 ÷ 300C ứngvới nhiệt độ ủ trong khoảng 780 ÷ 8600C, hạt γ nhận được vẫn giữ được kíchthước bé, sau đó làm nguội chậm có tổ chức F + P hạt nhỏ Tổ chức này có

+ Ủ không hoàn toàn:

- Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng tháichưa hoàn toàn là γ, nhiệt độ cao hơn Ac1 nhưng thấp hơn Ac3 hay Accm

- Mục đích và đặc điểm:

+) Làm giảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt được, sự chuyển biến

pha ở đây là không hoàn toàn chỉ có P →γ còn F hoặc XeII vẫn còn (do vậykhi làm nguội không làm thay đổi kích thước hạt của 2 pha đó)

+) Đối với thép trước cùng tích, loại thép có yêu cầu độ dai cao vìkhông làm nhỏ được hạt F nên không áp dụng dạng ủ này Do vậy, ủ khônghoàn toàn thường được áp dụng chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tíchvới hàm lượng cacbon > 0,7%

+) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,7% mà chủ yếu là thép cùngtích và sau cùng tích (thép có độ cứng khá cao, khó cắt gọt) Nếu tiến hành ủhoàn toàn thép này, tổ chức nhận được là P tấm, độ cứng có thể lớn hơn220HB gây cho việc cắt gọt gặp khó khăn Nếu tiến hành ủ không hoàn toàn,thì ở nhiệt độ nung do đạt được tổ chức γ và các phần tử XeII chưa tan hếtnên khi làm nguội, các phần tử này như là những mầm giúp cho tạo nên P

hạt Sau khi ủ không hoàn toàn, thép có tổ chức P hạt với độ cứng thấp hơn(khoảng 200HB) nên đảm bảo cắt gọt tốt hơn.

Vậy nhiệt độ ủ không hoàn toàn cho mọi thép cacbon lngười

T0

ủ.k.h.t = T0

Ac1 + (20 ÷ 300C)Dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn là ủ cầu hoá, trong đó nhiệt độnung dao động tuần hoàn trên dưới A1: nung đến 750 ÷ 7700C rồi lại làm

nguội xuống 650 ÷ 6800C, cứ thế trong nhiều lần Với cách làm nhưvậy, không những cầu hoá được Xe của P mà cả XeII thường ở dạng lướitrong thép sau cùng tích

+) Làm đều thành phần của thép do hiện tượng thiện tích gây ra Cách

ủ này áp dụng cho các thỏi đúc bằng thép hợp kim cao, thường có hiệntượng không đồng nhất về thành phần hoá học

+ Ủ đẳng nhiệt:

- Định nghĩa: là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ ủ(xác định theo là ủ hoàn toàn hay không hoàn toàn), giữ nhiệt rồi làm nguộinhanh xuống dưới A1 khoảng 50 ÷ 1000C tuỳ theo yêu cầu về tổ chức nhậnđược

- Mục đích và đặc điểm:

+) Việc giữ nhiệt lâu trong lò ở nhiệt độ dưới A1 để γ phân hoá thànhphần hỗn hợp F + Xe

+) Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào tính ổn định γ quá nguội của thép

ủ ở nhiệt độ giữ đẳng nhiệt (thường giữ hàng giờ)

+) Giảm độ cứng để thu được độ cứng thấp nhất ứng với tổ chức của

P Khá nhiều thép hợp kim cao, do tính ổn định củaγ quá nguội quá lớn nênlàm nguội chậm cùng lò khi ủ cũng không đạt được độ cứng thấp do vậyphải làm cho tốc độ nguội chậm hơn nữa nhưng rất khó khăn nên khống chếtính ổn định của γ quá nguội bằng độ quá nguội

7.1.2 Thường hóa thép

7.1.2.1 Định nghĩa

Thường hoá là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đếntrạng thái hoàn toàn γ (cao hơn Ac3 hoặc Accm); giữ nhiệt rồi làm nguội tiếptheo trong không khí tĩnh (thường kéo ra để nguội ở trên sân) để γ phân hoáthành P phân tán hay X với độ cứng tương đối thấp

Nhiệt độ thường hoá là :T = T0 (Ac3 hay Accm) + (20 ÷ 30)0C

7.1.2.2 Đặc điểm của thường hoá thép

- So với ủ thép, thường hoá kinh tế hơn do không phải làm nguộitrong lò do vậy thường được áp dụng

- Tốc độ nguội ngoài không khí tĩnh lớn hơn tốc độ nguội trong lò khi

ủ, tốc độ nguội tăng tức là độ quá nguội ∆T càng lớn do vậy hạt thu được cókích thước nhỏ hơn so với khi ủ làm cho cơ tính được tăng lên

- Tăng năng suất của quá trình công nghệ

- Với thép sau cùng tích thì phá được lưới XeII và tạo ra tổ chức phùhợp trước khi nhiệt luyện kết thúc

- Với thép có hàm lượng cacbon trung bình (%C = 0,35 ÷ 0,5%) thìthường hoá tạo ra tổ chức P có độ cứng tương đối cao (24 ÷ 28HRC) nên có

thể dùng làm nhiệt luyện kết thúc thay tôi và ram với chi tiết không quantrọng.

7.1.2.3 Các trường hợp áp dụng của thường hóa

Trên cơ sở phân tích các đặc điểm của thường hoá, ta có thể thấy sửdụng thường hoá có thể đạt được các mục đích yêu cầu sau:

- Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt gọt với thép cacbon thấp (%C

< 0,25%)

Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,3% thường tiến hành ủ còn đốivới thép có hàm lượng cacbon thấp cần tiến hành thường hoá Thép có hàmlượng cacbon thấp như vậy nếu đem ủ hoàn toàn sẽ cho độ cứng rất thấp(nhỏ hơn 140HV), thép dẻo, phôi khó gẫy, quấn lấy dao, khi thường hoá sẽcho độ cứng cao hơn (khoảng 140 ÷ 180HB), thích hợp với các chế độ giacông cắt gọt

Như vậy, để đảm bảo tính gia công cắt gọt, với thép có hàm lượngcacbon < 0,25% phải thường hoá, từ 0,3 ÷ 0,65% cần ủ hoàn toàn và thép cóhàm lượng > 0,7% cần ủ không hoàn toàn (ủ cầu hoá)

- Làm nhỏ Xe để chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc

Khi thường hoá tạo ra tổ chức P phân tán hay X với Xe có kích thước

bé Mặt khác, Xe àng nhỏ biên giới hạt càng nhiều, do vậy khi γ hoá sẽ tạo ranhiều mầm γ, nhận được hạt γ nhỏ mịn và chuyển biến xảy ra nhanh Yêucầu này rất cần thiết đối với trường hợp tôi bề mặt

- Làm mất XeII ở dạng lưới của thép sau cùng tích

Nhiều trường hợp sau khi làm nguội chậm sau khi ủ thép sau cùngtích hay bề mặt thép thấm cacbon, trong tổ chức xuất hiện XeII ở dạng lướiliên tục bao quanh P làm thép rất dòn và ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng khigia công cắt gọt Thường hoá có thể khắc phục được trạng thái này, do làmnguội nhanh hơn, Xe không kịp tiết ra ở dạng liền nhau mà ở dạng đứt rời.Các xa nhau làm thép ít dòn hơn, bề mặt đạt được độ nhẵn bóng cao hơn

7.1.2.4 Nhiệt độ ủ và thường hoá thép theo giản đồ trạng thái

Hình 7.2 Nhiệt độ ủ và thờng hóa của thép

7.2 TễI THẫP

7.2.1 Định nghĩa

Tụi thộp là phương phỏp nhiệt luyện nung thộp lờn cao quỏ nhiệt độtới hạn (Ac1) để làm xuất hiện tổ chức γ, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thớchhợp để γ chuyển biến thành M hay cỏc tổ chức khụng ổn định khỏc với độcứng (như B, T khi tụi đẳng nhiệt) và tớnh chống mài mũn cao

- Do tôi độ nguội nhanh đặc điểm của chuyển biến M nên chi tiết saukhi tôi dễ tồn tại biến dạng và ứng suất dư.

- Độ cứng của sản phẩm sau khi tôi phụ thuộc vào hàm lượng cacbontrong thép và tốc độ nguội (môi trường hay phương pháp làm nguội)

7.2.3 Mục đích của tôi

- Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép do đó kéo dàiđược thời gian làm việc của các chi tiết chịu mài mòn Độ cứng của thép tôiphụ thuộc vào lượng cacbon Thép có lượng cacbon quá thấp < 0,25% khitôi có độ cứng không cao, không đủ chịu mài mòn Vậy, muốn đạt được mụcđích này thép tôi phải có hàm lượng cacbon trung bình và cao từ 0,3%cacbon trở lên

- Nâng cao độ bền do đó nâng cao được sức chịu tải của chi tiết máy

Nờ tính chất này mà người ta tiến hành tôi thép cho các chi tiết máy quantrọng (chịu tải nặng, chóng mòn và gẫy), các chi tiết quyết định khả nănglàm việc lâu dài của máy Nguyên công tôi thép đóng vị trí quan trọng đặcbiệt trong nhiệt luyện vì các lý do sau:

+) Nó quyết định cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc dovậy quyết định tuổi thọ của chi tiết máy

+) Là một trong những nguyên công gia công cuối cùng, chi tiết đã ởdạng thành phẩm

Các mục đích nêu trên chỉ đạt được bằng sự kết hợp với ram tiếp theo

7.2.4 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

h o

−

A1: nhiệt độ tới hạn dưới của thép

T0: nhiệt độ cứng với γ quá nguội kém ổn định nhất

Tgh: thời gian kộm ổn định nhất của γ

Hình 7.3 Tốc độ tôi tới hạn của thép

- Đặc điểm:

+) Tốc độ tới hạn của thộp càng nhỏ càng dễ tụi cứng vỡ lỳc đú chỉ cầndựng cỏc mụi trường nguội chậm cũng đủ để đạt độ cứng

+) Tốc độ tụi tới hạn của cỏc thộp khỏc nhau cũng khỏc nhau

Nú phụ thuộc vào vị trớ của đường cong chữ "c" hay là tớnh ổn địnhcủa γ quỏ nguội Tớnh ổn định của γ quỏ nguội càng lớn, đường cong chữ "c"hay là tớnh ổn định của γ quỏ nguội Tớnh ổn định của γ quỏ nguội càng lớn,đường cong chữ "c" dịch sang phải càng nhiều, tốc độ tụi tới hạn càng nhỏ

Mọi yếu tố làm tăng tớnh ổn định của austenit quỏ nguội (τm) đều làmgiảm vth Mặt khỏc cỏc yếu tố giỳp cho sự tạo nờn hỗn hợp F – Xe đều làmgiảm tớnh ổn định cảu austenit và làm tăng vth Cỏc yếu tố đú là:

1 Sự đồng nhất của austenit Austenit cú thành phần C càng đồngnhất thỡ càng dễ biến thành M, vỡ M cũng là dung dich rắn Khi austenit cúthành phần cacbon phõn bố khụng đều thỡ nú dễ tạo thành hỗn hợp F – Xehơn, trong đú vựng cú cacbon cao dễ biến thành Xe, vựng cú cacbon thấp dễbiến thành F Nõng cao nhiệt độ tụi tạo cho austenit đồng đều về thành phần

C sẽ nõng cao tớnh ổn định của austenit quỏ nguội