Bai giang vat lieu hoc xu li chuong 6 cac phuong phap nhiet luyen

vật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývật liệu học xử lývvật liệu học xử lývật liệu học xử lý

Vật liệu học & xử lý

TS Nguyễn Thanh HảiE-mail: haint@hcmut.edu.vn

Môn họcTrường ĐHBK TPHCM, Khoa Cơ khí

Bộ môn: Thiết bị và Công nghệ Vật liệu Cơ khí

• Nhiệt luyện sơ bộ (trung gian)→ tiếp tục gia công cơ khí.

• Nhiệt luyện kết thúc → thực hiện sau gia công cơ khí

Phân loại nhiệt luyện

Nhiệt luyện:

 Ủ: đạt tổ chức cân bằng

Phân loại nhiệt luyện

Hóa nhiệt luyện:

• Dùng nhiệt nhằm thay đổi thành phần hóa học lớp bề mặt (thấm)

• Thấm đơn: thấm C, thấm N

• Thấm đa nguyên: thấm C-N…

Cơ nhiệt luyện:

Xử lý thép đồng thời bằng nhiệt luyện và biến dạng dẻo nhằm biến đổi mạnh tổ chức – cơ tính trong phôi

Chuyển biến khi xử lý nhiệt

 Chuyển biến khi nung nóng: P → Aus

 Chuyển biến khi làm nguội chậm: Aus → P (ủ)

 Chuyển biến khi làm nguội liên tục

 Chuyển biến khi làm nguội nhanh: Aus → M (tôi)

 Chuyển biến khi nung thép đã tôi: M → P (ram)

Chuyển biến khi nung nóng

Phản ứng:

Nhiệt độ chuyển biến:

Cơ chế chuyển biến: sinh mầm – phát triển mầm với động học quá trình là khuếch tán, thông số quan trọng của chuyển biến là nhiệt độ và thời gian

Chuyển biến khi giữ nhiệt:

• Đồng đều nhiệt độ trong toàn khối thể tích

• Đồng đều thành phần C trong pha Ôs

Chuyển biến khi nguội chậm

Chuyển biến khi nguội liên tục

 Bắt đầu phân hủy khi đường tốc độ nguội

bắt đầu gặp đường cong chữ C

 Tổ chức thu được không đồng nhất theo

tiết diện mẫu

 Không hoàn toàn phù hợp với thép hợp

kim

Chuyển biến khi nguội nhanh

Tốc độ nguội V > Vth

Chuyển biến:

Aus → M

Vth

Mactenxite

dung dịch rắn xen kẽ quá bảo hòa của cacbon trong Feα, có kiểu mạng chính phương tâm khối và có độ cứng

cao.

 Khi nguội nhanh:

• Trong đó nồng độ cacbon của hai pha là như nhau

• Lượng cacbon trong Feα(C) ở trạng thái quá bão hòa.

 Nguyên tử cacbon hòa tan bằng cách xen kẽ trong lỗ hổng của mạng, thường ở vị trí giữa mặt và giữa

cạnh, dẫn tới ô lập phương bị kéo dài thành ô mạng chính phương tâm khối.

 Mạng bị xô lệch mạnh → tăng độ cứng

(

Fe C γ → Fe C α

Martensite

Đặc điểm chuyển biến Mactenxite

 Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục với tốc độ nguội V ≥ Vth

 Chuyển biến không khuyếch tán: chỉ có sự xê dịch của nguyên tử Fe, nhỏ hơn thông số mạng làm thay đổi

mạnh thể tích.

 Tốc độ chuyển biến rất cao.

 Chỉ xảy ra trong khoảng nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Ms và kết thúc chuyển biến Mf

 Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn luôn tồn tại Aus dư

Trạng thái tổ chức sau khi tôi

 Pha M không ổn định

 Pha Aus chưa kịp chuyển biến

 Tồn tại ứng suất tổ chức và ứng suất nhiệt, có xu hướng trở về trạng thái ổn định.

Mactenxit

Austenit dư

Mactenxit ram [Ferit + Xementit]

Gia nhiệt

Chuyển biến sau khi tôi

 < 80 0C : không có chuyển biến

 80 ÷ 200 0C : Mactenxit tiết pha dạng cacbit ε

 200 ÷ 260 0C

 Tiếp tục tiết pha cacbit

 Ôs dư → Mactenxit ram

Chuyển biến sau khi tôi (tt)

 Tạo Xoocbit ram tại 500 ÷ 650 0C, Xr

 Tạo Peclit ram tại nhiệt độ gần 700 0C, Pr

Công nghệ Ủ

 Nung thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt và làm nguội chậm cùng lò, đạt tổ chức ổn định Peclít, độ cứng thấp và độ dẻo cao

Mục đích:

 Giảm độ cứng → gia công cắt gọt

 Tăng độ dẻo → gia công áp lực

 Khử ứng suất trong

 Đồng đều hóa thành phần

 Làm nhỏ hạt

Ủ không chuyển pha

 Tủ < AC1 → không có chuyển biến P → Aus

 Ủ thấp: Tủ ~ 200 ÷ 6000C để giảm hoặc khử ứng suất trong sản phẩm sau cắt gọt hay dập nguội.

 Ví dụ: Vật đúc gang (thân máy) ủ ở 450 ÷ 6000C, từ 1 ÷ 2 giờ

• Sản phẩm sau khi gia công cắt gọt, ủ khử ứng suất tại 200 ÷ 4500C

 Ủ kết tinh lại: thép sau biến dạng nguội để khôi phục tính dẻo.

 Tủ ~ 600 ÷ 7000C

 Cấu trúc hạt thay đổi → giảm độ cứng

Ủ có chuyển biến pha

 Tủ > AC1 → có chuyển biến P → Aus→ hạt nhỏ

Ủ có chuyển biến pha

Ủ không hoàn toàn:

 Tủ = AC1 + (20 ÷ 300C)

 Thường dùng cho thép cùng tích và sau cùng tích ≥ 0,7%C

 Ủ cầu hóa tạo P hạt

Ủ có chuyển biến pha

Ủ đẳng nhiệt:

 Tủ = Ar1 - 500C

 Dùng cho thép hợp kim cao

Ủ khuyếch tán:

 Tủ = 1100 ÷ 11500C; giữ nhiệt trong 10 – 15h để tăng khả năng khuyếch tán.

 Dùng cho thép hợp kim cao sau đúc.

Ar1

500C

Thường hóa

 Nung nóng thép đến nhiệt độ hoàn toàn Aus (AC3 hoặc ACCM) giữ nhiệt và làm nguội ngoài không khí

tĩnh tạo tổ chức P phân tán hoặc Xoócbit.

• Tủ = AC3 + (30 ÷ 500C) thép trước cùng tích.

• Tủ = ACCM + (30 ÷ 500C) thép cùng tích và sau cùng tích.

Mục đích:

• Tăng độ cứng để dể gia công cắt gọt thép cacbon thấp.

• Làm nhỏ hạt Xêmentit trước khi tôi kết thúc.

• Làm mất lưới XêII

 Nung nóng thép lên trên AC1 tạo Aus, giữ nhiệt và làm nguội nhanh thích hợp tạo Mactenxite hoặc các tổ

chức không ổn định khác có độ cứng cao

Mục đích:

• Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của chi tiết

• Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy

Nhiệt độ:

• Thép trước cùng tích: Ttôi = AC3 + (30÷500C)

• Thép cùng tích và sau cùng tích: Ttôi = AC1 + (30÷500C)

Tốc độ tới hạn:

A1: Nhiệt độ tới hạn dưới của thép

Tm: Nhiệt độ Ôs quá nguội kém ổn định nhất

tm: Thời gian Ôs quá nguội kém ổn định nhất

Môi trường tôi: nước muối, nước, dầu, không khí Các môi trường này được xếp theo thứ tự tốc độ nguội giảm dần

 Tôi trong 1 môi trường

• Nguội nhanh thép để đạt tổ chức M

• Không làm chi tiết bị nứt hay biến dạng

 Tôi trong 2 môi trường

• Nguội nhanh trong môi trường nước đạt 300 ÷

Tôi

 Tôi phân cấp

• Thép được nhúng vào môi trường muối nóng

chảy ở nhiệt độ T= Ms + (50 ÷ 1000C), giữ

nhiệt 3 đến 5 phút

• Lấy ra để nguội ngoài không khí

• Dùng cho thép có Vth nhỏ và chi tiết có kích

 Tôi đẳng nhiệt

• Giống như tôi phân cấp nhưng giữ nhiệt lâu

hơn để chuyển biến xảy ra hoàn toàn thành

Cơ nhiệt luyện

 Tiến hành biến dạng dẻo (cán) Aus, rồi tiến hành tôi ngay trong một nguyên công, tạo M nhỏ mịn với độ lệch cao Kết hợp giữa độ bền, độ dẻo dai cao nhất

Ms

 Trạng thái của thép khi tôi thành mactenxit

Rất giòn, kém dẻo, dai với ứng suất bên trong lớn.

Yêu cầu về độ bền, ứng suất chảy, ứng suất đàn hồi, không yêu cầu độ cứng, chống mài mòn.

 Mục đích

Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất.

Điều chỉnh cơ tính theo yêu cầu.

Tôi + Ram là nguyên công nhiệt luyện kết thúc hoặc sơ bộ.

 Ram là phương pháp nhiệt luyện, nung nóng thép đã tôi thành mactenxit lên nhiệt độ thấp hơn Ac1, để mactenxit và austenit dư chuyển thành tổ chức có cơ tính phù hợp

Ram thấp

 Nung nóng thép đã tôi ở nhiệt độ 150 ÷ 2500C, tổ chức nhận được là mactenxit ram

 Độ cứng hầu như không giảm

 Ứng suất giảm, tính dẻo dai tăng lên

 Ứng dụng:

• cho chi tiết cần độ cứng, chống mài mòn, toàn bộ dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm cacbon, ổ lăn, trục, chốt… cùng các chi tiết qua tôi bề mặt

Ram trung bình

 Nung nóng thép đã tôi ở nhiệt độ 300 ÷ 4500C, tổ chức nhận được là trôxtit ram

 Độ cứng giảm rõ rệt, xong vẫn còn khá cứng

 Ứng suất được khử bỏ hoàn toàn, tính dẻo dai tăng lên

 Giới hạn đàn hồi cao nhất

 Ứng dụng:

• các chi tiết máy dụng cụ cần độ cứng tương đối cao, như khuôn dập nóng, khuôn rèn, lò xo, nhíp…

Ram cao

 Nung nóng thép đã tôi ở nhiệt độ 500 ÷ 6500C, tổ chức nhận được là xoocbit ram

 Độ cứng giảm mạnh, độ dẻo dai đạt cao nhất

 Cơ tính cao hơn hẳn thường hóa, ủ

 Cơ tính tổng hợp cao nhất nên gọi là tôi cải thiện, hay nhiệt luyện hóa tốt

 Ứng dụng:

• các chi tiết trục, bánh răng, sau khi nhiệt luyện xong sẽ tiến hành cắt gọt, để đạt độ chống mài mòn tốt cần qua tôi bề mặt.

 Chú ý: sau khi ram cần cho làm nguội nhanh trong nước để tránh giòn ram loại 2.

Ram màu và tôi tự ram

 Khi ram ở 210 – 3300C, lớp oxyt trên bề mặt chi tiết có màu như hình bên Nhờ

vào màu có thể xác định nhiệt độ mà không cần dụng cụ đo

 Sau khi tôi không làm nguội hoàn toàn chi tiết mà để phần nhiệt trong lõi

truyền ra ram chi tiết.

 Ram ngay sau tôi nên giảm cong vênh biến dạng.

 Không thể đo trực tiếp nhiệt độ ram, nên chỉ quan sát màu.

 Ứng dụng rất phổ biến trong sản xuất do tiết kiệm nguyên công ram Dùng để

ram đục, băng máy sau khi tôi cao tần.

Khuyết tật nhiệt luyện

Biến dạng và nứt

• Do ứng suất bên trong (nhiệt và tổ chức)

• Ứng suất > giới hạn bền sẽ gây nứt

• Ứng suất > giới hạn chảy, < giới hạn bền sẽ gây biến dạng

• Ứng suất < giới hạn chạy không có khuyết tật

Oxy hóa và thoát cacbon bề mặt

• Môi trường có chứa chất oxy hóa

• Làm bong tróc bề mặt chi tiết, hụt kích thước

• Thoát cacbon không nhận thấy bằng mắt, làm giảm độ cứng khi tôi

 Ngăn ngừa:

• Nung trong môi trường bảo vệ

• Rất khó khắc phục, có thể khắc phục bằng thấm cacbon

Độ cứng không đạt

• Nguyên nhân do tốc độ nguội lớn

• Giảm tốc độ nguội, hoặc ủ đẳng nhiệt

 Độ cứng thấp

• Thiếu nhiệt

• Tốc độ làm nguội chưa đủ

• Thoát cacbon

Tính giòn quá cao

• Quá nung làm hạt thép lớn

 Khắc phục

• Thường hóa rồi tôi lại

Hóa bền bề mặt

 Phương pháp hóa bền cơ khí (phun bi, lăn ép…)

 Tôi bề mặt

 Hóa nhiệt luyện

Tôi cao tần

 Dòng điện xoay chiều -> từ trường biến thiên -> dòng fuco (eddy current) đốt nóng chi tiết

 Dòng điện tập trung tại bề mặt do hiệu ứng vỏ (skin effect)

503

rF

ρ δ

µ

=

Tôi cao tần

• Tần số quyết định chiều sâu nung → chiều sâu lớp tôi cứng

• Chọn diện tích tôi cứng bằng 20% tiết diện

• Các chi tiết máy lớn cần chiều sâu 4 ÷ 5mm → tần số 2500 ÷ 8000Hz, công suất > 100kW

• Bánh răng thì chọn δ = 0,20 ÷ 0,28m

• Chi tiết nhỏ cần lớp tôi mỏng 1 ÷ 2mm → tần số 66 ÷ 250 kHz, công suất 50 ÷ 100kW

Tôi cao tần

 Thép dùng: thép cacbon trung bình 0,35 ÷ 0,55%, thép thường hay thép hợp kim thấp.

 Tổ chức: tốc độ nung lớn 100 ÷ 2000C/s.

• Nhiệt độ nung cao hơn tôi thể tích 100 ÷ 2000C

• Hạt Ôs nhỏ mịn, sau khi tôi ra M cho cơ tính cao

• Lõi phải được tôi và ram cao để có tổ chức xoocbit ram

• Bề mặt: độ cứng HRC50÷58

• Lõi: độ cứng HRC30÷40, kết hợp độ dai tốt

• Bề mặt chịu ứng suất nén

• Nung nóng rồi làm nguội toàn bộ bề mặt

• Nung nóng rồi làm nguội từng phần

• Nung nóng rồi làm nguội liên tục

Hóa – nhiệt luyện

 Hóa nhiệt luyện là phương pháp thấm, bão hòa nguyên tố hóa học (C, N,…) vào bề mặt thép bằng cách khuếch tán ở trạng thái nguyên tử ở môi trường bên ngoài và ở nhiệt độ cao

 Mục đích:

• Nâng cao độ cứng, chống mài mòn cao hơn tôi bề mặt (thấm C, N, C-N…)

• Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa và hóa học (thấm Al, Cr, Si …)

 Các giai đoạn của quá trình thấm

• Phân hóa

• Hấp thụ

• Khuyếch tán

Hóa – nhiệt luyện

 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian

Thấm cacbon

 Định nghĩa: thấm C là hóa nhiệt luyện bão hòa C vào bề mặt thép C thấp (0,15÷0,20%), sau đó tôi và ram

thấp cho bề mặt có độ bền độ cứng, lõi dẻo dai

Thấm cacbon

 Nhiệt độ và thời gian

• Thép phải hoàn toàn ở trạng thái Ôs, tth>Ac3

• Thép bản chất hạt nhỏ tth = 930÷9500C

• Thép bản chất hạt lớn tth = 900÷9200C

 Chiều sâu lớp thấm yêu cầu:

• 0,50÷0,80; 0,90÷1,20; 0,50÷0,80; 1,50÷1,80;

• Chiều sâu thấm 0,10÷0,20 đường kính chi tiết

• 0,20÷0,30m, đối với bánh răng

Thấm cacbon

 Tốc độ thấm

 Thấm thể rắn ở 9000C: 0,1mm chiều sâu 1h nung nóng và giữ nhiệt, 0,15mm/h giữ nhiệt

 Thấm thể khí ở 9000C: 0,15mm chiều sâu 1h nung nóng và giữ nhiệt, 0,2mm/h giữ nhiệt; ở 930÷9500C 0,2 ÷ 0,3mm/h

giữ nhiệt.

Thấm cacbon thể khí

 Sử dụng khí CH4 với nồng độ thấp nhất là 3÷5%

 Thay đổi nồng độ CH4 để tạo lớp thấm có 0,8÷1,0%C.

 Có thể sử dụng dầu hỏa nhỏ giọt vào không khí thấm nếu không có khí tự nhiên

 Dễ cơ khí hóa, tự động hóa

4 2 2 ngtu

CH → H + C

Nhiệt luyện sau khí thấm

 Sau khi thấm tiến hành tôi và ram thấp

 Công dụng:

• Tạo cơ tính cao hơn tôi bề mặt, HRC60 – 64 so với 52 – 58.

• Tạo nên ứng suất nén dư nên chịu mỏi tốt.

• Áp dụng cho các chi tiết chịu tải nặng.

• Giá thành cao hơn tôi bề mặt

Thấm N

 Đặc điểm của thấm nitơ

• Tiến hành ở nhiệt độ thấp thời gian thấm dài, lớp thấm mỏng.

• Sau khi thấm không tôi và mài

• Thép thấm là thép chuyên dùng thường chứa Al, Cr, Mo…

• Phải tôi và ram trước khi thấm tram> tthấm

• Lớp thấm có độ cứng cao đến nhiệt độ 5910C

 Công dụng:

• Dùng cho chi tiết cần độ cứng chống mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ > 5000C, chịu tải trọng nhẹ như trục, bánh răng, sơmi máy bay, dụng cụ cắt.