Bài giảng về nhiệt luyện thép

47 Chơng 4 nhiệt luyện thép 4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép 4.1.1. Sơ lợc về nhiệt luyện thép a. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thí ch hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận đợc tổ chức, do đó tí nh chất theo yêu cầu. Đ/điểm: - Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép - Kết quả đợc đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tí nh chất. b. Các yếu tố đặc trng cho nhiệt luyện Hình 4.1. Sơ đồ của quá trình nhiệt c. Phân loại nhiệt luyện thép luyện đơn giản nhất 1. Nhiệt luyện: thờng gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tí nh chất gồm nhiều phơng pháp: ủ, thờng 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 tí nh chất của vật liệu: Thấm đơn hoặc đa nguyên tố:C,N, 3. Cơ - nhiệt luyện: là biến dạng dẻo thép ở trạng thái sau đó tôi và ram để nhận đợc tổ chức M nhỏ mịn có cơ tí nh tổng hợp cao nhất, thờng ở xởng cán nóng thép, luyện kim. 4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí a. Tăng độ cứng, tí nh 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, b. Cải thiện tí nh công nghệ Phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ biến dạng, c. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí - Nặng nhọc, độc cơ khí hóa, tự động hóa, chống nóng, độc - Phải đợc chuyên môn hóa cao bảo đảm chất lợng sản phẩm và năng suất - Tiêu phí nhiều năng lợng phơng án tiết kiệm đợc năng lợng thời g ian nhiệ t đ ộ gn V ng T Ba thông số quan trọng nhất (hình 4.1): - Nhiệt độ nung nóng o n T : - Thời gian giữ nhiệt t gn : - 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, kí ch thớc 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. 48 - Là khâu sau cùng, thờng không thể bỏ qua, do đó quyết định tiến độ chung, chất lợng và giá thành sản phẩm của cả xí nghiệp. 4.2. Các tổ chức đạt đợc khi nung nóng và làm nguội thép 4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit a. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung Dựa vào giản đồ pha Fe - C, hình 4.2: ở nhiệt độ thờng mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản: F và Xê (trong đó P =[F+Xê]). - Thép cùng tí ch: có tổ chức đơn giản là P - Thép trớc và sau cùng tí ch: P+F và P+Xê II Khi nung nóng: + Khi T< A 1 cha có chuyển biến gì + Khi T= Ac 1 , P theo phản ứng:Thép CT: [Fe + Xê] 0,80%C 0,80%C Kí ch thớc hạt austenit: Hình 4.2. Giản đồ pha Fe-C ýnghĩa: (phần thép) Hạt càng nhỏ M (hoặc tổ chức khác) có độ dẻo, dai cao hơn Cơ chế chuyển biến: P : cũng tạo và phát triển mầm nh kết tinh (hình 4.4), nhng do bề mặt phân chia giữa F-Xê rất nhiều nên số mầm rất lớn hạt 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 Hình 4.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P của thép cùng tí ch a) b) c) d) Thép TCT và SCT: F và Xê II không thay đổi + Khi T> Ac 1 : F và Xê II tan vào nhng không hoàn toàn + Khi T> Ac 3 và Ac m : F và Xê II tan hoàn toàn vào Trên đờng GSE mọi thép đều có tổ chức b. 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 n g ắn. %C 0 0,5 500 nhiệ t độ, o C 1,0 1,5 2,0 600 700 800 900 1000 1100 + +Xê II G E S P 0,8 A 3 A cm P+Xê II P+F A 1 a 1 , phút 25 0 5 10 20 15 700 750 800 nhiệ t độ , o C A 1 V 1 V 2 b 1 b 2 a 2 bắ t đầ u chuyể n biến kết thúc chuyển biến Hì nh 4.4. Quá trình tạo mầm và phát tiể ầ t ittừ lit(tấ ) 49 Độ hạt austenit: - peclit ban đầu: càng mịn nhỏ - V nung càng lớn hạt càng nhỏ - 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 đợc 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 đí ch của giữ nhiệt - Làm đều nhiệt độ trên tiết diện - để chuyển biến xảy ra hoàn toàn - Làm đồng đều % của Hình 4.5. Sơ đồ phát triển hạt austenit I- di truyền hạt nhỏ, II- di truyền hạt lớn 4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tí ch Hình 4.6. Giản đồ T- T- T của thép cùng tí ch - Giữ quá nguội ở sát A 1 : (T~ 700 o C, T 0 nhỏ, ~25 o C): Peclit (tấm), HRC 10 ữ 15 + (T~ 650 o C, T 0 ~ 75 o C): Xoocbit tôi, HRC 25 ữ 35 + T ~ đỉnh lồi chữ C (khoảng 500 ữ 600 o C): Trôxtit, HRC 40. %C 0 0,5 500 nhiệ t độ , o C 1,0 1,5 2,0 600 700 800 900 1000 1100 + G E S P 0,8 A 3 A cm A 1 727 đ ộ lớn 930 800 I II p eclit austenit b) a) +F+Xe A 1 M đ ~220 o C M K ~ -50 o C mactenxit+ d austenit hỗ n hợp F+Xê p eclit xoocbit trôxtit bainit austenit q uá nguộ i nhiệ t độ, o C 400 200 600 800 0 1 10 10 2 10 3 10 4 thờ i gian, s Giản đồ T Giản đồ TGiản đồ T Giản đồ T- -T TT T- -T: T: T: T: Nhiệt độ (T) - thời gian (T) và chuyển biến (T) Vì có dạng chữ "C") đờng cong chữ C. Khi bị nguội (tức thời) dới 727 o C nó cha chuyển biến ngay đợc gọi là quá nguội, không ổn định. Giản đồ có 5 vùng: - trên 727 o C là khu vực tồn tại của ổn định - bên trái chữ "C" đầu tiên - vùng quá nguội - giữa hai chữ "C" - đang chuyển biến (tồn tại cả ba pha , F và Xe) - bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt quá nguội là hỗn hợp: F - Xê với mức độ nhỏ mịn khá c nhau 1 2 3 4 5 50 Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán. + Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt: ~450 ữ 250 o C: Bainit, HRC 50 ữ 55, Đợc coi là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá bão hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe 2,4-3 C, có một lợng nhỏ (d), 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 cứng càng cao hơn. Tóm lại: chuyển biến ở sát A 1 đợc peclit, ở phần lồi đợc trôxtit, ở giữa hai mức trên đợc V5: (làm nguội trong nớc lạnh) V 5 không cắt đờng cong chữ "C" nào, tức M Kết luận: khi làm nguội liên tục, tổ chức tạo thành vào vị trí của vectơ tốc độ nguội trên đờng cong chữ "C Đ/điểm 2: Tổ chức đạt đợc thờng là không đồng nhất trên toàn tiết diện Đ/điểm 3: Không đạt đợc tổ chức hoàn toàn bainit (B) (chỉ có thể T+B hoặc T+B+M) vì nửa dới chữ C lõm vào Đ/điểm 4: Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon, thép hợp kim đờng 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 trên tiết diện, ngay cả đối với tiết diện lớn. c. Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tí ch + Thép trớc và sau cùng tí ch, có thêm nhánh phụ (hình 4.9) biểu thị sự tiết ra F (TCT) hoặc Xê II (SCT), có thêm đờng ngang A 3 (TCT) hoặc A cm (SCT). Hình 4.10. Giản đồ T-T-T của thép khác cùng tí ch 3 điểm khác biệt so với thép cùng tí ch: 1- Đờng cong (chữ "C" và nhánh phụ) xoocbit, phí a dới đợc bainit. Làm nguội đẳng nhiệt nhận đợc tổ chức đồng nhất trên tiết diện. b. Sự phân hóa khi làm nguội liên tục Cũng xét giản đồ chữ C (hình 4.7) nh chuyển biến đẳng nhiệt. Đ/điểm 1: Tuỳ thuộc vào v nguội ta có: V 1 : trên hình 4.7, ở sát A 1 : peclit tấm , V 2 : (làm nguội trong k/khí tĩnh) xoocbit . V 3 : (làm nguội trong không khí nén), cắt ở phần lồi: trôxtit . V 4 : (làm nguội trong dầu),trôxtit + mactenxit = bán mactenxit A 1 M đ p eclit xoocbit trôxtit nhi ệ t đ ộ, 400 200 600 800 0 1 10 10 2 10 3 10 4 thờ i gian, s V 2 V 1 V 3 V 4 V th V 5 austenit bainit Hì nh 4.7. Giản đồ T-T-T của thép cùng tí ch với V 1 < V 2 < V 3 <V 4 < V th < V 5 aus t e nit 1 peclit xoocbit trôxtit bainit nhiệ t độ , o C 0 1 10 10 2 10 3 10 4 thờ i g ian , s A 1 V 2 V 3 hỗn hợp F+Xê F hoặc Xe II A 3 hoặc A cm M đ M K mactenxit+ d 51 2- Khi làm nguội chậm liên tục (V 2 ), quá nguội sẽ tiết ra F (TCT) hoặc Xê II (SCT) trớc 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, quá nguội F-Xê dới 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 đợc gọi là cùng tí ch giả. Đối với thép hợp kim, ngoài ảnh hởng 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 biến mactenxit (khi tôi) Nếu V ng > V th thì 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 = 1 Hình 4.11. Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới hạn V th ( m và T m - thời gian và nhiệt độ ứng với kém ổn định nhất). a. Bản chất của mactenxit Đ/n: M là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Fe Đ/điểm: vì quá bão hoà C mạng chí nh phơng tâm khối (hình 4.12). Độ chí nh phơng c/a = 1,001 ữ 1,06 ( %C) xô lệch mạng rất lớn M rất cứng. Hình 4.12. ô cơ sở của Hình 4.13. Đờng cong động mạng tinh thể mactenxit. học chuyển biến mactenxit b. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit 1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục với tốc độ > V th . 2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên vị trí , Fe: từ (A1) M (gần nh A2) 3) Xảy ra với tốc độ rất lớn, tới hàng nghìn m/s T m A 1 mactenxit+ d auste ni t nhiệ t độ, V th thời g ian m Fe C a c % mactenxit nhiệ t độ , o C 20 25 50 75 M K M đ 25 % d 52 Hì nh 4.14: Độ cứng tô i phụ thuộ c vào %C %C 30 45 60 độ cứng 0,3 0,6 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 tí ch gây lực nén lên không thể chuyển biến, không chuyển biến đợc gọi là d. Điểm M K thờng thấp (<20 o C) có khi rất thấp (ví dụ -100 o C) lợng d có thể (20 ữ 30%). Tỷ lệ d : phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Điểm M K : M K càng thấp dới 20 o C lợng d càng nhiều: M K giảm khi tăng lợng nguyên tố hợp kim trong + %C tăng V d càng nhiều. c. Cơ tí nh của mactenxit 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+ d+ cacbit (Xê II nếu có). Thờng d làm giảm độ cứng của thép tôi: > 10% làm giảm 3-5HRC (cá biệt tới 10HRC),vài % không đáng kể. Tí nh giòn:là nhợc điểm của M làm hạn chế sử dụng, tí nh giòn phụ thuộc vào: + Kim M càng nhỏ tí nh giòn càng thấp làm nhỏ hạt khi nung thì tí nh giòn + ứng suất bên trong càng nhỏ tí nh giòn càng thấp Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi và phơng pháp tôi thí ch hợp để giảm ứng suất bên trong nh 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 tí nh chất phù hợp với yêu cầu. a. Tí nh không ổn định của mactenxit và austenit Tổ chức thép tôi=M+ d : khi nung nóng M F+Xê theo: Fe (C) Fe 3 C + Fe d F+Xê theo: Fe (C) Fe 3 C + Fe M và d không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F-Xê mà phải qua tổ chức trung gian là M ram theo sơ đồ: (M + d) M ram F-Xê b. Các chuyển biến xảy ra khi ram Thép cùng tí ch (0,80%C): tổ chức M và d, quá trình chuyển biến khi ram: Giai đoạn I (T < 200 o C) - < 80 o C trong thép tôi cha có chuyển biến gì, tức vẫn có M và d. - Từ 80-200 o C: d cha chuyển biến, M có tiết C dới dạng cacbit Fe x C (x=2,0ữ2,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C trong M giảm xuống còn khoảng 0,25 ữ 0,40%, c/a giảm đi. Hỗn hợp M í t cacbon và cacbit đó đợc gọi là M ram (vẫn liền mạng): (M tôi) Fe (C) 0,8 [Fe (C) 0,25 ữ 0,40 + Fe 2 ữ 2,4 C] (M ram) Giai đoạn II (T= 200 ữ 260 o C) Độ cứng: (hình 4.14): %C cứng tăng do đó: Thép í t cacbon: %C 0,25%, độ cứng sau tôi HRC 40 Thép C trung bình: %C= 0,40ữ0,50%, độ cứng sau tôi tơng 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 tí nh chịu mài mòn . 53 Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15 ữ 0,20%: Fe (C) 0,25-0,4 [Fe (C) 0,15 ữ 0,20 +Fe 2 ữ 2,4 C] d thành M ram: ( d) Fe (C) 0,8 [Fe (C) 0,15 ữ 0,20 + Fe 2 ữ 2,4 C] (M ram) M ram là tổ chức có độ cứng thấp hơn M tôi, song lại í t giòn hơn do giảm đợc ứng suất. Độ cứng thứ II: Một số thép sau khi tôi có lợng d lớn (hàng chục %), khi ram d 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 ữ 400 o C) Sau giai đoạn II thép tôi có tổ chức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 ữ 0,20%) và cacbit (Fe 2 ữ 2,4 C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến: - M nghèo cacbon trở thành ferit, cacbit (Fe 2 ữ 2,4 C) Xê (Fe 3 C) ở dạng hạt Sơ đồ chuyển biến: Fe (C) 0,15 ữ 0,20 Fe + Fe 3 C hạt , cac bit Fe 2 ữ 2,4 C F+Xê hạt = T ram - Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tí ch). - Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tí nh 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 ữ 650 o C: đợc 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): đợc 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 đợc cơ tí nh khác nhau phù hợp với yêu cầu sử dụng. 4.3. ủ và thờng hóa thép Đ/n: là các phơng pháp thuộc nhóm nhiệt luyện sơ bộ, tạo độ cứng, tổ chức thí ch hợp cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt luyện) tiếp theo. 4.3.1. ủ thép a. Định nghĩa và mục đí ch Đ/n: là phơng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (từ 200 ữ trên 1000 o C), giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt đợc tổ chức cân bằng ổn định (theo giản đồ pha Fe - C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Hai nét đặc trng của ủ: nhiệt độ không có quy luật tổng quát và làm nguội với tốc độ chậm để đạt tổ chức cân bằng. Mục đí ch : đợc một số trong 5 mục đí ch 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, 4) đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc loại bị thiên tí ch. 5) Làm nhỏ hạt thép. Phân loại ủ: 2 nhóm: ủ có chuyển pha và ủ không có chuyển biến pha. b- Các phơng pháp ủ không có chuyển biến pha Đ/điểm: T ủ thấp hơn A 1 nên không có chuyển biến P . Chia thành 2 phơng pháp: ủ thấp: T= 200 ữ 600 o C, mục đí ch làm giảm hay khử bỏ ứng suất, 54 ủ kết tinh lại: T> T ktl để khôi phục tí nh chất sau biến dạng. c. Các phơng pháp ủ có chuyển biến pha Thờng gặp, T> A 1 , P , nhỏ hạt. Chia thành 3 phơng pháp: - ủ hoàn toàn: áp dụng cho thép trớc cùng tí ch %C= 0,30 ữ 0,65%, 0 u T =A 3 +(20ữ30 o C) Mục đí ch: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội (160ữ 200HB). - ủ không hoàn toàn và ủ cầu hóa: áp dụng cho thép dụng cụ %C= 0,70%, A 1 <T<A cm : 0 u T = A 1 + (20 ữ 30 o C) = 750 ữ 760 o C, T/c: peclit hạt , HB < 220 dễ gia công cắt hơn, không áp dụng cho thép trớc cùng tí ch có C 0,65% vì ảnh hởng xấu đến độ dai. ủ cầu hóa: là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, T= 750 ữ 760 o C-5min (phút) rồi T= 650 ữ 660 o C- 5 min , với lặp đi lặp lại cầu hóa xêmentit để tạo thành peclit hạt. - ủ đẳng nhiệt: dùng cho thép hợp kim cao do quá nguội có tí nh ổn định quá lớn nên dù làm nguội chậm cùng lò cũng không đạt đợc tổ chức peclit mà là P-X, X, X-T nên không đủ mềm để gia công cắt ủ đẳng nhiệt: T= A 1 - 50 o C (xác định theo giản đồ T - T - T của chí nh thép đó) để nhận đợc tổ chức peclit. - ủ khuếch tán: T rất cao 1100ữ1150 o C - (10 ữ 15h) để khuếch tán làm đều thành phần. Lĩnh vực áp dụng: thép hợp kim cao khi đúc bị thiên tí ch hạt to cán nóng hoặc ủ nhỏ hạt Chú ý: ủ có chuyển biến pha, chỉ cần làm nguội trong lò đến 600 ữ 650 o C, lúc đó sự tạo thành peclit đã hoàn thành, cho ra nguội ngoài không khí và nạp mẻ khác vào ủ tiếp. 4.3.2. Thờng hóa thép a. Đ/n: là nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit (> A 3 hay A cm ), giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh, độ cứng tơng đối thấp (nhng cao hơn ủ một chút). - Nhiệt độ: giống nh ủ hoàn toàn toàn nhng đợc áp dụng cho cả thép sau cùng tí ch: TCT: 0 th T = Ac 3 + (30 ữ 50 o C), SCT: 0 th T = Ac cm + (30 ữ 50 o C). - Tốc độ nguội: nhanh hơn đôi chút nên kinh tế hơn ủ. - Tổ chức và cơ tí nh: tổ chức đạt đợc là gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi chút. b. Mục đí ch và lĩnh vực áp dụng: 1) Đạt độ cứng thí ch hợp cho gia cô ng cơ: + thép 0,25%C - phả i th ờng hóa, + thép 0,30 ữ 0,65%C- phải ủ hoàn toàn, + thép 0,70%C- phả i ủ không hoà n toà n (ủ cầ u hóa). 55 Hình 4.15. Khoảng nhiệt độ ủ, thờng hóa và tôi cho thép cacbon Hình 4.15 là các khoảng nhiệt độ ủ, thờng hóa và tôi trên giản đồ pha Fe-C. 4.4. Tôi thép là nguyên công quan trọng nhất của nhiệt luyện. 4.4.1 . Định nghĩa và mục đí ch a. Đ/n: là phơng pháp nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn A 1 để đạt pha , giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thí ch hợp để tạo thành M hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao. Đặc trng của tôi: - Nhiệt độ tôi > A 1 để có (có thể giống ủ hoặc thờng hóa). - Tốc độ làm nguội nhanh dễ gây ứng suất nhiệt, pha dễ gây nứt, biến dạng, cong vênh. - Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định. 2 điểm sau khác hẳn ủ và thờng hóa. b. Mục đí ch: 1) Tăng độ cứng để chống mài mòn tốt nhất (ram thấp): dụng cụ (cắt, biến dạng nguội), %C: %C 0,35%C- HRC 50, %C = 0,40 ữ 0,65%C- HRC 52 ữ 58, %C = 0,70 ữ 1,00%C- HRC 60 ữ 64, %C = 1,00 ữ 1,50%C- HRC 65 ữ 66 2) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết 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 tí nh tổng hợp cao nhất (thép 0,3-0,5)%C 4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép a. Đối với thép TCT (< 0,80%C): T tôi = A 3 + (30 ữ 50 o C) M+í t d b. Đối với thép CT và SCT ( 0,80%C): T tôi =A 1 +(30 ữ 50 o C) 760 ữ 780 o C M+í t d +Xê II c. Lý do để chọn nhiệt độ tôi: + Thép TCT, T< A 3 còn F là pha mềm gây ra điểm mềm ảnh hởng xấu tới độ bền, độ bền mỏi và tí nh chống mài mòn. + Thép SCT, T> A cm hàm lợng C trong cao quá dễ sinh d nhiều, hạt lớn (vì T >950 o C) A 1 <T tôi <A cm sau tôi đợc M+ lới Xê II + í t d chống mài mòn tốt 1400 1600 1800 1200 ủ cầu 700 800 900 T, o C T, o F A 1 A cm A 3 th ờng ủ và tôi %C 0,8 0,4 1,2 2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc. Thờng áp dụng cho các thép kết cấu trớc khi tôi (thể tí ch và bề mặt). 3) Làm mất lới xêmentit II của thép sau cùng tí ch thép đỡ giòn, gia công đợc bóng hơn. 56 d. Đối với thép hợp kim: cũng dựa vào GĐP Fe-C để tham khảo nhiệt độ tôi, 2 trờng hợp: + thép hợp kim thấp (ví dụ 0,40%C + 1,00%Cr), T tôi ~ thép 0,40%C, có lấy tăng lên 1,1-1,2 lần + thép hợp kim trung bình và cao: tra trong các sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật. 4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi Tốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi, tạo ra độ cứng cao (cả sâu trong lõi) đồng thời với biến dạng nhỏ và không bị nứt. b. Các yếu tố ảnh hởng đến tốc độ tôi tới hạn: - Thành phần hợp kim của : quan trọng nhất, càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ Co) đờng "C" càng dịch sang phải, V th càng nhỏ: (2 ữ 3)% nthk V th 100 o C/s, (5 ữ 7)% nthk V th 25 o C/s. - Sự đồng nhất của : càng đồng nhất càng dễ biến thành M ( không đồng nhất, vùng giàu C dễ biến thành Xê, vùng nghèo C dễ biến thành F) T tôi đồng nhất V th - Các phần tử rắn cha tan hết vào : thúc đẩy tạo thành hỗn hợp F-Xê, làm tăng V th . - Kí ch thớc hạt : càng lớn, biên giới hạt càng í t, càng khó tạo thành hỗn hợp F- Xê , V th c. Độ thấm tôi Đ/n: là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức 1/2M + 1/2T Cách xác định: bằng thí nghiệm tôi đầu mút Các yếu tố ảnh hởng: V th : càng nhỏ độ thấm tôi càng cao, V th < V lõi tôi thấu, các yếu tố làm giảm V th Tốc độ làm nguội: nhanh nhng dễ gây nứt, biến dạng. ý nghĩa: biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi + ram, đúng hơn là biểu thị tỷ lệ tiết diện của chi tiết đợc hóa bền nhờ tôi + ram. - Thép có độ thấm tôi càng cao đợc coi là chất lợng càng tốt, - Mỗi mác thép có xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kí ch thớc nhất định để có thể tôi thấu d. Đánh giá độ thấm tôi: Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép với cùng lợng cacbon là 0,40%, ở đây độ thấm tôi đợc tí nh tới vùng nửa 1/2M+1/2T. + Thép cacbon, trung bình chỉ khoảng 7 mm , nếu thêm 1,00%Cr là 12 mm , còn thêm 0,18%Mo nữa tăng lên đến 30mm. + Để tăng mức độ đồng đều cơ tí nh trên tiết diện, trớc khi đem chế tạo các bánh răng quan trọng ngời ta phải kiểm tra lại của mác thép mới định dùng. + Ngợc lại: còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm cứng bề mặt lõi vẫn dẻo dai. e. Tí nh thấm tôi và tí nh tôi cứng: Tí nh tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao nhất khi tôi, %C càng cao tí nh tôi cứng càng lớn. [...]... nhất, nhiệt luyện hoá tốt So sáng cơ tí nh của thép sau ram cao với các dạng nhiệt luyện khác bảng 4.2 * áp dụng cho các chi tiết máy cần giới hạn bền, đặc biệt là giới hạn chảy và độ dai va đập cao nh các loại trục, bánh răng làm bằng thép chứa 0,30 ữ 050%C, đạt độ bóng cao khi gia công * Giới hạn nhiệt độ phân chia các loại ram trên chỉ là tơng đối, chỉ phù hợp cho thép cacbon và với thời gian giữ nhiệt. .. nhiệt) , hạt thép bị lớn Khắc phục: thờng hóa rồi tôi lại, tăng biến dạng 4.6.5 ảnh hởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt a ảnh hởng của nhiệt độ: là yếu tố quyết định nhất chất lợng nhiệt luyện b Kiểm tra nhiệt độ nung: bằng các dụng cụ đo nhiệt: - < 400 ữ 500oC dùng nhiệt kế thủy ngân, < 1600oC dùng cặp nhiệt + đồng hồ (milivôn kế): + cặp - 1300oC (đến 1600oC), cặp XA- 800oC (1200oC) ớc lợng... 4.4.5 Cơ - nhiệt luyện thép a Bản chất: đồng thời: biến dạng dẻo (cán nóng) đem tôi ngay rồi ram o thấp ở 150 ữ 200 C Kết quả: M nhỏ mịn với xô lệch cao, nhờ đó kết hợp cao nhất giữa độ bền, độ dẻo và độ dai mà cha có phơng pháp hóa bền nào sánh kịp So với nhiệt luyện tôi + ram thấp thông thờng: bền kéo cao tăng 10 ữ 20%, độ dẻo, độ dai tăng từ 1,5 đến 2 lần Gồm 2 loại: b Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao:... đ ợc cho thép hợp kim Mđ M M - khó tiế n hà nh vì ở nhiệ t độ thấ p (400ữ 600oC) kém dẻ o hơ n, má y cá n lớn, phôi thép thờ i gian a) b) thờ i gian phả i nhỏ để kịp nguội nhanh xuống 400ữ600oC Hình 4.20 Sơ đồ cơ - nhiệt luyện: nhiệt độ cao (a) và nhiệt độ thấp (b) - đạt đợc độ bền rất cao b = 2600 ữ 2800MPa, song độ dẻo, độ dai thấp hơn loại trên: = 3%, aK = 200kJ /m2 4.5 Ram thép Ram thép là nguyên... (+), do có nhiều nitrit: CrN, AlN, tiết ra nhỏ mịn nằm phân bố đều, không phải qua nhiệt luyện tiếp theo nh khi thấm C 66 Thép dùng để thấm N: là thép hợp kim chuyên để thấm N điển hình là 38CrMoAlA sau khi nhiệt luyện hoá tốt Chất thấm N: khí NH3 công nghiệp (amôniac), ở nhiệt độ thấm (480 ữ 650)oC, NH3 bị phân huỷ nhiệt theo phản ứng: 2 NH3 3H2 + 2Nng.tử Chỉ có NH3 hấp phụ trên bề mặt phân huỷ tạo... độ đủ nhanh thì tỷ lệ phân huỷ nhiệt P của NH3: P= số mol NH3 phan huỷ phải thoả mãn: tổng số mold avào Nhiệt độ P, % 450-500 20-35 500-600 30-45 600-700 40-60 Đặc điểm của công nghệ thấm nitơ: - Do phải tiến hành ở nhiệt độ thấp để không làm hỏng tổ chức của thép sau hoá tốt Chọn nhiệt độ thấm phải căn cứ vào tí nh chống ram của thép (thép 38CrMoAlA thấm ở (500-550)oC, thép gió 80W18Cr4V có thể thấm... chí có thể sửa, nắn sau khi giữ đẳng nhiệt khi thép ở trạng thái quá nguội vẫn còn dẻo Nhợc điểm: năng suất thấp, chỉ áp dụng đợc cho các thép có Vth nhỏ (thép hợp kim cao nh thép gió) và với tiết diện nhỏ nh mũi khoan, dao phay Cả ba phơng pháp tôi kể trên đều đạt đợc tổ chức mactenxit d Tôi đẳng nhiệt: đờng d trên hình 4.18 Khác tôi phân cấp ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng giờ) cũng trong môi... tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột do khó chế tạo vòng cảm ứng thí ch hợp 4.7.2 Hóa - nhiệt luyện Đ/n: Hóa - nhiệt luyện là đa chi tiết và trong môi trờng thấm có thành phần, nhiệt độ thí ch hợp trong thời gian đủ để nguyên tố cần thấm đi sâu vào trong chi tiết sau đó đem nhiệt luyện để cải thiện hơn nữa tí nh chất của lớp bề mặt a Nguyên lý chung Môi trờng thấm: là môi trờng có chứa... Dầu là môi trờng tôi cho thép hợp kim (loại có Vth nhỏ, < 150oC / s), các chi tiết có hình dạng phức tạp, là môi trờng tôi thứ 2 (thép CD) Quy tắc chọn môi trờng tôi ngoại lệ: - Thép C tiết diện nhỏ ( < 10), hình dạng đơn giản, dài (nh trục trơn) nên tôi dầu Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thể chọn thép C nhng phải làm bằng thép hợp kim để tôi dầu - Chi tiết bằng thép hợp kim, có tiết diện... cao: sau khi ủ và thờng hóa thép hợp kim, do tốc độ nguội lớn ủ lại b Độ cứng quá thấp: Nhiệt độ tôi cha đủ cao, thời gian giữ nhiệt ngắn Làm nguội không đủ nhanh theo yêu cầu đề ra để tạo nên M Thoát cacbon bề mặt, khắc phục 4.6.4 Tí nh giòn cao Sau khi tôi, độ cứng vẫn ở bình thờng mà thép lại quá giòn (rơi vỡ) Nguyên nhân là nhiệt độ tôi quá cao (gọi là quá nhiệt) , hạt thép bị lớn Khắc phục: thờng . 47 Chơng 4 nhiệt luyện thép 4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép 4.1.1. Sơ lợc về nhiệt luyện thép a. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian. nhiệt luyện thép luyện đơn giản nhất 1. Nhiệt luyện: thờng gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tí nh chất gồm nhiều phơng pháp: ủ, thờng hoá, tôi, ram. 2. Hóa - nhiệt luyện: . 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 tí nh tổng hợp cao nhất (thép 0,3-0,5)%C 4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép a. Đối với thép