NHIỆT LUYỆN THÉP và các KHUYẾT tật xảy RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP

Đ ị n h n g h ĩ a: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức, do đó tính chất theo yêu cầ

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG TP.HCM

SV THỰC HIỆN:TĂNG ĐỨC TÀI LỚP:12CĐ-CK1

TP.HỒ CHÍ MINH,THÁNG 12 năm 2014

45222222220202014

NHẬN XÉT

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên,em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới quí thầy, cô trong khoa

Cơ khí đã trang bị cho em những hành trang kiến thức về các môn Chế tạo máy.Sau đó, em cũng xin cảm ơn sự dìu dắt tận tình của quí thầy cô đã giúp em hoàn thành bài này một cách nhanh và hiệu quả nhất.Trong quá trình tìm hiểu

em đã được tích luỹ đầy đủ những kiến thức cơ bản nhất của ngành, đồng thời không ngừng trao dồi và nâng cao vốn kiến thức đó, quan trọng nhất là em đã biết vận dụng những kiến thức đó Tuy nhiên với vốn kiến thức hạn hẹp cùng những kinh nghiệm thực tế ít ỏi của mình, mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng bài làm này vẫn không thể tránh khỏi những sai sót không đáng có Vì vậy em rất mong được góp ý của cô và các bạn để bài làm của em được hoàn thiện

Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã tận tình hướng dẫn

em Đặc biệt em xin cảm ơn đến cô PHƯƠNG HỒNG

Em xin cảm ơn!

MỤC LỤC

I KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP : 1

1.1 Sơ lược về nhiệt luyện thép 1

1.2 Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí 1,2

II CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ 2

LÀM NGUỘI THÉP :

2.1 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự 2

tạo thành austenite

2.2 Mục đích của giữ nhiệt 3

2.3 Các chuyển biến khi làm nguội 3,4,5,6,7 2.4 Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển 7,8,9

biếmactenxit (khi tôi)

2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) 9,10

III Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP 10

3.2 Thường hóa thép 11,12

4.1 Định nghĩa và mục đích 12,13 4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép 13 4.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 13,14,15 4.4 Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Các môi trường tôi 15,16,17 4.4.5.Gia công lạnh 17

4.4.6.Tôi tự ram 17

4.4.7 Cơ - nhiệt luyện thép: 17,18 5.RAM THÉP 18

5.1 Mục đích và định nghĩa 18,19 5.2 Các phương pháp ram thép cacbon 19,20,21

VI CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP 22,23

NHIỆT LUYỆN THÉP VÀ CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA

I KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP :

1.1 Sơ lược về nhiệt luyện thép:

1.1.1 Đ ị n h n g h ĩ a: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời

gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức,

do đó tính chất theo yêu cầu

Đặc đ i ể m:

- Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép

- Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất

1.1.2 Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện:

Ba thông số quan trọng nhất (hình 4.1):

- Nhiệt độ nung nóng: 0

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, kích

thước 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.

1.1.3 Phân loại nhiệt luyện thép:

1 N h i ệt l u y ệ n: thường gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tính chất

gồm nhiều phương pháp: ủ, thường hoá, tôi, ram

2 Hóa - n h i ệt l u y ệ n: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở bề mặt rồi

nhiệt luyện tiếp theo để cải thiện hơn nữa tính chất của vật liệu: Thấm đơn hoặc đa nguyên tố: C,N,

3 C ơ - nh i ệ t l u y ệ n: là biến dạng dẻo thép ở trạng thái γ sau đó tôi và ram để nhận được

tổ chức M nhỏ mịn có cơ tính tổng hợp cao nhất,

thường ở xưởng cán nóng thép, luyện kim

1.2 Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí:

1.2.1 Tăng độ cứng, tính 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,

1.2.2 Cải thiện tính công nghệ:

Phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ biến dạng,…

Hình 1 Sơ đồ của quá trình

nhiệt luyện đơn giản nhất

1.2.3 Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí:

- Nặng nhọc, độc →cơ khí hóa, tự động hóa, chống nóng, độc

- Phải được chuyên môn hóa cao →bảo đảm chất lượng sản phẩm và năng suất

- Tiêu phí nhiều năng lượng →phương án tiết kiệm được năng lượng

- Là khâu sau cùng, thường không thể bỏ qua, do đó quyết định tiến độ chung, chất lượng và giá thành sản phẩm của cả xí nghiệp

II CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP :

2.1 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenite:

2.1.1 Cơ sở xác định chuyển biến khi nung:

Dựa vào giản đồ pha Fe - C, hình 4.2: ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai

pha cơ bản: F và Xê (trong đó P =[F+Xê])

-Thép cùng tích: có tổ chức đơn giản là P

-Thép trước và sau cùng tích: P+F và P+XêII

Khi nung nóng:

+ Khi T< A1 → chưa có chuyển biến gì;

+ Khi T= Ac1, P → γ theo phản ứng:

Thép CT: [Fea + Xê]0,80%C → γ 0,80%C

Thép TCT và SCT: F và XêII không thay

đổi:

+ Khi T> Ac1: F và XêII tan vàoγ nhưng

không hoàn toàn;

+ Khi T> Ac3 và Acm: F và XêII tan hoàn

toàn vào γ

Trên đường GSE mọi thép đều có tổ chức γ

2.1.2 Đặc điểm của chuyển biến peclit

đầu và kết thúc chuyển biến ở càng cao và

thời gian chuyển biến càng ngắn

Hạtγ càng nhỏ→M(hoặc tổ chức khác) có độ dẻo, dai cao hơn.

Cơ chế chuyển biến: P→ γ : cũng tạo và phát triển mầm như kết tinh (hình 4.4), nhưng

do bề mặt phân chia giữa F-Xê rất nhiều nên số mầm rất lớn→hạt γ ban đầu rất nhỏ mịn

được 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

2.2 Mục đích của giữ nhiệt:

- Làm đều nhiệt độ trên tiết diện

- Để chuyển biến xảy ra hoàn toàn

- Làm đồng đều % của γ

2.3 Các chuyển biến khi làm nguội:

2.3.1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích:

Giản đồ T-T-T: Nhiệt độ (T) - thời gian (T) và chuyển biến (T) Vì có dạng chữ "C") →

đường cong chữ “C”

Khi γ bị nguội (tức thời) dưới 727oC nó

Hì nh 4 Quá trình tạo mầm và phát triển mầm

Hình 5 Sơ đồ phát triển hạt austenit I- di truyền hạt nhỏ, II- di truyền hạt lớn

chưa chuyển biến ngay được gọi là γ quá nguội, không ổn định.

Giản đồ có 5 vùng:

- Trên 727oC là khu vực tồn tại của γ ổn định

- Bên trái chữ "C" đầu tiên - vùng γ quá nguội

- Giữa hai chữ "C" γ đang chuyển biến (tồn tại cả ba pha γ , F và Xe)

- Bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm phân hóa đẳng

nhiệt γ quá nguội là hỗn hợp: F - Xê vớ i mứ c đ ộ nhỏ mịn khác nhau

Giữ γ quá nguội ở sát A1: (T~ 700oC, DT0 nhỏ, ~25oC): Peclit (tấm), HRC 10 ÷ 15.

+ (T~ 650oC, DT0 ~ 75oC): Xoocbit tôi, HRC 25÷35.

+ T ~ đỉnh lồi chữ “C“ (khoảng 500÷600oC): Trôxtit, HRC 40.

Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán

+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt: ~450÷250oC: Bainit, HRC 50 ÷ 55, Được coi

là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá bão hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe2,4-3C,có một lượng nhỏ γ (dư), 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 A1 được

peclit, ở phần lồi được trôxtit, ở giữa hai

mức xoocbit, phí a dưới được bainit

Làm nguội đẳng nhiệt nhận được tổ

chức đồng nhất trên tiết diện.

2.3.2 Sự phân hóa g khi làm nguội liên

V2: (làm nguội trong k/khí tĩnh) →xoocbit.

V 3 (Làm nguội trong không khí nén),

cắt ở phần lồi: γ →trôxtit

V4: (làm nguội trong dầu),trôxtit + mactenxit = bán mactenxit

V5: (làm nguội trong nước lạnh) V5 không cắt đường cong chữ "C" nào, tức g đ M

Kết luận: khi làm nguội liên tục, tổ chức tạo thành ∈vào vị trí của vectơ tốc độ

Hình 6 Giản đồ T-T-T của thép cùng tích với V 1 < V 2 < V 3 <V 4 < V 5 < V 6

nguội trên đường cong chữ "C

Đặc điểm 2: Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện

Đặc điểm 3: Không đạt được tổ chức hoàn toàn bainit (B)

(chỉ có thể T+B hoặc T+B+M) vì nửa dưới chữ “C” lõm vào

Đặc điểm 4: Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon,

thép hợp kim đường cong chữ "C" dịch sang phải do đó:

+ Vth có thể rất nhỏ Ví dụ, thép gió tôi trong gió

+ Tổ chức đồng nhất ngay cả đối với tiết diện lớn

2.3.3 Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng

tích:

+ Thép trước và sau cùng tích, có thêm nhánh phụ

(hình 4.9) biểu thị sự tiết ra F (TCT) hoặc XêII

(SCT), có thêm đường

3 điểm khác biệt so với thép cùng tích:

1- Đường cong (chữ "C" và nhánh phụ)

2- Khi làm nguội chậm liên tục (V2), γ quá nguội

sẽ tiết ra F (TCT) hoặc XêII (SCT) trước sau đó

mới phân hóa ra hỗn hợp F-Xê

3- Khi làm nguội đủ nhanh V3 (hoặc >V3)

để Vng không cắt nhánh phụ, γ quá nguội →

F-Xê dưới 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 được gọi là

cùng tích giả.

Đối với thép hợp kim, ngoài ảnh hưởng của C, các nguyên tố hợp kim

(dịch chữ "C" sang phải) sẽ xét sau

2.4 Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biếmactenxit (khi tôi):

Nếu Vng> Vth thì γ → M gọi đó là tôi thép

Vth: là tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến mactenxit

m

m th

T A

Hình8 Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới

hạn Vth (tm và Tm - thời gian và nhiệt

độ ứng với g kém ổn định nhất).

2.4.1.Bản chất của mactenxit :

Định nghĩa: M là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Fea

Đ/điểm: vì quá bão hoà C →mạng chính phương tâm khối (hình 4.12).

Độ chính phương c/a = 1,001÷1,06 (∈ %C) →xô lệch mạng rất lớn→ M rất cứng.

2.4.2 Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit :

1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục g với tốc độ > Vth

2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên vị trí, Fe:

từ g (A1) →M (gần như A2)

3) Xảy ra với tốc độ rất lớn, tới hàng nghìn m/s

4) Chỉ xảy ra trong khoảng giữa Mđ và kết thúc MK Mđ và MK giảm khi tăng %C và %nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), Mđ và MK không phụ thuộc vào Vnguội

5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn vì hiệu ứng tăng thể tích gây lực nén lên γ →

không thể chuyển biến, γ không chuyển biến được gọi là γ dư Điểm MK thường thấp

(<20oC) có khi rất thấp (ví dụ -100oC) → lượng γ dư có thể (20÷30%) Tỷ lệ γ dư : phụ

thuộc vào các yếu tố sau:

+ Điểm MK: MK càng thấp dưới 20oC lượngγ dư càng nhiều: MK giảm khi tăng lượng nguyên tố hợp kim trongγ

+ %C tăng →∆V ↑→γ dư càng nhiều

2.4.3 Cơ tính của mactenxit :

độ cứng sau tôi ≤HRC 40

Thép C trung bình: %C= 0,40÷0,50%, độ cứng sau tôi tương 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 tính chịu mài mòn

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+γ dư + cacbit (XêII nếu có) Thường γ dư làm giảm độ cứng của thép tôi:>10% làm giảm 3-5HRC (cá biệt tới 10HRC),vài % →không đáng kể.

Tính giòn: là nhược điểm của M làm hạn chế sử dụng, tính giòn phụ thuộc vào:

+ Kim M càng nhỏ tính giòn càng thấp →làm nhỏ hạt γ khi nung thì tính giòn

+ ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp

Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi và phương pháp tôi thích hợp để giảm ứng suất bên trong như tôi phân cấp, đẳng nhiệt và ram ngay tiếp theo

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 tính chất phù hợp với yêu cầu

2.5 1 Tí nh không ổn định của mactenxit và austenit :

Tổ chức thép tôi=M+γ dư : khi nung nóng M →F+Xê theo: Fea(C) →Fe3C + Fea

γ dư → F+Xê theo: Feg(C) →Fe3C + Fea

M và γ dư không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F-Xê mà phải qua tổ chức trung gian là

M ram theo sơ đồ: (M + γ dư) →M ram →F-Xê

4.2.5.2 Các chuyển biến xảy ra khi ram

Thép cùng tích (0,80%C): tổ chức M và γ dư, quá trình chuyển biến khi ram:

Giai đoạn I :(T < 200oC)

- < 80oC trong thép tôi chưa có chuyển biến gì, tức vẫn có M và γ dư.

- Từ 80-200oC: γ dư chưa chuyển biến, M có tiết C dưới dạng cacbit e FexC (x=2,0÷2,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C trong M giảm xuống còn khoảng 0,25÷ 0,40%, c/a giảm

đi Hỗn hợp M ít cacbon và cacbit e đó được gọi là M ram (vẫn liền mạng):

(M tôi) Fea(C)0,8 →[Fea(C)0,25÷0,40 + Fe2 ÷2,4C] (M ram)

Giai đoạn II: (T= 200 ÷260oC)

Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15÷ 0,20%:

Fea(C)0,25-0,4→ [Fea(C)0,15 ÷0,20+Fe2÷2,4C]

γ dư thành M ram: (γ dư) Feg(C)0,8 →[Fea(C)0,15 ÷ 0,20 + Fe2 ÷2,4C] (M ram)

Độ cứng thứ II: Một số thép sau khi tôi có lượng γ dư lớn (hàng chục %), khi ram γ dư

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 ÷400oC)

Sau giai đoạn II thép tôi có tổ chức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 ÷0,20%) và cacbit ε (Fe2 ÷2,4C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến:

- M nghèo cacbon trở thành ferit, cacbit e (Fe2 ÷2,4C) →Xê (Fe3C) ở dạng hạt

Sơ đồ chuyển biến: Fea (C)0,15 ÷0,20 →Fea + Fe3Chạt ,

cac bit Fe2 ÷2,4C → F+Xê hạt = T ram

- Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tích)

- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi

Giai đoạn IV : (T > 400oC)

T > 400OC xảy ra quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của Xê hạt

- ở 500 ÷650oC: được hỗn hợp F-Xê = X ram, có giới hạn chảy cao và độ dai va đập tốt

nhất

- ở gần A1 (727oC): được 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 được cơ tính khác nhau phù hợp với yêu cầu

sử dụng

III Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP :

Định nghĩa: là các phương pháp thuộc nhóm nhiệt luyện sơ bộ, tạo độ cứng,

tổ chức thích hợp cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt luyện) tiếp theo

3.1 Ủ thép :

3.1.1 Định nghĩa và mục đích :

Định nghĩa: là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (từ 200 ÷trên 1000oC),

giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt được tổ chức cân bằng ổn định (theo giản đồ

pha Fe - C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao

Hai nét đặc trưng của ủ: nhiệt độ không có quy luật tổng quát và

làm nguội với tốc độ chậm để đạt tổ chức cân bằng.

Mục đích : được một số trong 5 mục đích 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 tích

5) Làm nhỏ hạt thép

Phân loại ủ: 2 nhóm: ủ có chuyển pha và ủ không có chuyển biến pha.

3.1.2 Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha :

Đặc điểm:

T ủ thấp hơn A1 nên không có chuyển biến P → γ Chia thành 2 phương pháp:

Ủ thấp: T= 200÷ 600oC, mục đích làm giảm hay khử bỏ ứng suất,

Ủ kết tinh lại: T> Tktl để khôi phục tính chất sau biến dạng

3.1.3 Các phương pháp ủ có chuyển biến pha :

Thường gặp, T> A1 , P →γ , nhỏ hạt Chia thành 3 phương pháp:

-Ủ hoàn toàn: áp dụng cho thép trước cùng tích %C= 0,30÷ 0,65%, T =A3+(20 u0 ÷300C)

Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội (160÷

+ (20 ÷30 C) = 750 ÷760 C, T/c: peclit hạt , HB < 220 dễ gia công cắt hơn, không áp

dụng cho thép trước cùng tích có C Ê 0,65% vì ảnh hưởng xấu đến độ dai

- Ủ cầu hóa: là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, T= 750÷760oC-5min (phút) rồi

T= 650 ÷660oC- 5min , với lặp đi lặp lại→ cầu hóa xêmentit để tạo thành peclit hạt.

- Ủ đẳng nhiệt: dùng cho thép hợp kim cao do γ quá nguội có tính ổn định quá lớn nên dù

làm nguội chậm cùng lò cũng không đạt được tổ chức peclit mà là P-X, X, X-T nên không

đủ mềm để gia công cắt → ủ đẳng nhiệt: T= A1- 50oC (xác định theo giản đồ T - T - T củachính thép đó) để nhận được tổ chức peclit

- Ủ khuếch tán: T rất cao 1100÷1150oC - (10 ÷15h) để khuếch tán làm đều thành phần.

Lĩnh vực áp dụng: thép hợp kim cao khi đúc bị thiên tích đ hạt to →cán nóng

hoặc ủ nhỏ hạt

Chú ý : ủ có chuyển biến pha, chỉ cần làm nguội trong lò đến 600 ÷650oC, lúc đó sự

tạo thành peclit đã hoàn thành, cho ra nguội ngoài không khí và nạp mẻ khác vào ủ tiếp

3.2 Thường hóa thép:

3.2.1 Định nghĩa: là nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit

(> A3 hay Acm), giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh, độ cứng tương đối thấp (nhưng cao hơn ủ một chút)

- Nhiệt độ: giống như ủ hoàn toàn toàn nhưng được áp dụng cho cả thép sau cùng tích: