Chương II . HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC

Chng II HP KIM V BIN I T CHC 2.1 S hỡnh thnh t chc kim loi kt tinh 2.1.1 S kt tinh kim loi lng a Cu to ca kim loi lng v iu kin kt tinh * Cu to ca kim loi lng - Phn ln kim loi c ch to t trng thỏi lng ri lm ngui khuụn thnh trng thỏi rn - Khi lm ngui kim loi lng s xy quỏ trỡnh kt tinh: mng tinh th v cỏc ht c to thnh * iu kin nng lng ca quỏ trỡnh kt tinh + c im cu trỳc ca kim loi lng -Cỏc nguyờn t cú xu hng to thnh cỏc nhúm nguyờn t xp xp cú trt t ( cú trt t gn m khụng cú trt t xa nh trng thỏi rn) - Cỏc nhúm nguyờn t sp xp cú trt t c hỡnh thnh sut mt thi gian rt ngn sau ú li tn i ri li xut hin ch khỏc cú ngha l s hỡnh thnh ri li tn i ca chỳng xy liờn tip -Cú in t t v liờn kt kim loi => Giỳp nú kt tinh c d dng hn + S bin i nng lng kt tinh Nng lng d tr c c trng bng i lng khỏc gi l nng lng t F - nhit T > Ts kim loi tn ti trng thỏi lng vỡ nng lng t trng thỏi lng nh hn nh hn nng lng t trng thỏi rn Fl< Fr - nhit d T < Ts kim loi tn ti trng thỏi rn vỡ Fr< Fl - nhit d t T0, Fr= Fl Kim loi lng trng thỏi cõn bng ng T0 c gi l nhit kt tinh lý thuyt nh vy s kt tinh thc t ch xy T rth Thỡ chỳng tr nờn n nh, khụng tan na v chỳng ln lờn thnh ht - Bỏn kớnh ti hn c tớnh theo cụng thc: rth = f V Trong ú: - Sc cng b mt gia rn v lng; fv - chờnh nmg lng t tớnh cho mt n v th tớch + Mm ký sinh - L mm khụng t sinh lũng pha nn m da vo cỏc v trớ cú khuyt tt ú l nhng phn t rn cú sn lũng kim loi lng Cỏc nhõn nguyờn t sp xp cú trt t s gn vo ú m phỏt trin lờn thnh ht Khuyt tt - Khi kớch thc mm r rth thỡ s phỏt trin tip theo ca mm l t phỏt, vỡ ú l s gim nng lng t Khi nhit kt tinh thc t cng thp thỡ rth cng nh, ú s kt tinh cng d dng S ln lờn ca mm khụng u theo cỏc phng Phng no cú mt nguyờn t ln thỡ tc phỏt trin mm theo phng ú cao theo phng tn nhit nhanh, mm phỏt trin cng nhanh hn c S hỡnh thnh ht tinh th v cỏc phng phỏp to ht nh thi ỳc * Tin trỡnh kt tinh Khi cỏc mm to nờn trc ang ln lờn thỡ cỏc mm khỏc kim loi lng tip tc hỡnh thnh S ht tinh c th tip tc phỏt trin nh vy cho n no khụng cũn kim loi lng na Quỏ trỡnh kt tinh cỏc mm nh hng ngu nhiờn nờn phng mng ca cỏc ht khụng ng hng v lch mt gúc no ú Xut hin s xụ lch mng tinh th vựng biờn gii ht * Hỡnh dng ht - Hỡnh dng ht ph thuc vo tc phỏt trin ca mm theo cỏc phng khỏc nhau: + Theo cỏc phng u ht cú dng cnh u hoc cu; + Theo phng (rt mnh) ht cú dng di hỡnh tr; + Theo mt mt (rt mnh) ht cú dng tm, phin * Kớch thc ht - Kớch thc ht l nhng ch tiờu ỏnh giỏ cht lng kim loi quan h cht ch ti c tớnh - Cỏc cỏch xỏc nh ln ca ht: + o din tớch trung bỡnh ca ht (Phc tp-ớt dựng); + o ng kớnh ln nht ca ht; c a b + So sỏnh vi bng mu v cp ht Thng cú cp ht chớnh: 1-4 cp ht to v 5-8 cp ht nh Nguyờn lý to ht nh ỳc Hai yu t quyt nh kớch thc ht kt tinh l: - Tc to mm; - Tc phỏt trin mm + Tc to mm cng ln s mm to cng nhiu ht cng nh + Tc phỏt trin mm cng nhanh ht cng ln v Bng thc nghim cho thy: A = a n Trong ú : A Kớch thc ht; a H s; v Tc phỏt trin mm; n Tc to mm Nguyờn lý to ht nh, ỳc l tng tc to mm n v gim tc phỏt trin mm v Cỏc phng phỏp lm ht nh ỳc - Gm phng phỏp chớnh l: tng quỏ ngui, v bin tớnh + Tng quỏ ngui Khi tng quỏ ngui, tc to mm n, v tc phỏt trin mm v u tng, nhng n tng nhanh hn v, nờn lm ht nh i Trong sn xut ỳc iu ny th hin rt rừ rng: quỏ ngui ph thuc vo tc ngui: Tc ngui cng nhanh, quỏ ngui cng ln + Lm khuụn bng kim loi; + Dựng nc lm ngui liờn tc cho khuụn kin loi + Phng phỏp bin tớnh - Kt hp vi cht kim loi lng to thnh cỏc hp cht khú chy, khụng tan l lng lũng kim loi lng, to mm cú sn To mm ký sinh Tng tc to mm; (VD cho khong 20g n 50g Al cho tm thộp lng) vi lng nhụm ny ch kt hp vi ụxy, v nit ho tan thộp lng to thnh AL2O3 hoc AlN phõn tỏn u) - Ho tan cht vo kim loi lng hn ch tc phỏt trin mm v (VD ỳc hp kim Al - Si, ngi ta cho vo mt lng Natri lm gim s phỏt trin ca cỏc tinh th Silic) õy l phng phỏp hiu qu nht nhn c ht nh, ú lm bin i tớnh cht (c tớnh), nờn gi l phng phỏp bin tớnh - Hỡnh dng v ln ca ht ph thuc vo ngui, tc , phng tn nhit 2.1.2 Cu to tinh th ca thi ỳc Các sản phẩm đúc thờng có hình dạng phức tạp, chọn thỏi đúclà loại có dạng đơn giản để khảo sát, lấy làm sở để xác định cho trờng hợp khác a Ba vùng tinh thể thỏi đúc Các thỏi (thép) đúc thờng có dạng tròn hay vuông, chúng đợc đúc khuôn kim loại, khuôn đợc làm nguội nớc Đối với thỏi thép đúc điển hình (hình 1.27), từ vào có ba vùng tinh thể lần lợt nh sau Vỏ lớp hạt nhỏ đẳng trục Thoạt tiên kim loại lỏng tiếp xúc với thành khuôn nguội nên đợc kết tinh với T lớn, cộng thêm tác dụng tạo mầm bề mặt khuôn nên hạt tạo thành nhỏ mịn Do thành khuôn có độ nhấp nhô (nhờ chất sơn khuôn) nên mầm phát triển theo phơng ngẫu nhiên, trụ c hạt phát triển theo phí a Vùng lớp hạt tơng đối lớn hình trụ kéo dài vuông góc với thành khuôn Sau vỏ đ kết tinh xong thành khuôn bắt đầu nóng lên, nên kim loại lỏng kết tinh với To ngày nhỏ, hạt tạo thành có khuynh hớng ngày lớn Hạt phát triển mạnh theo chiều ngợc với chiều tản nhiệt, có phơng vuông góc với thành khuôn phơng thoát nhiệt Kết nhận đợc vùng hạt tơng đối lớn kéo dài (hình trụ ) theo phơng vuông góc với thành khuôn Hình 1.27 Ba vùng tinh thể thỏi đúc Vùng vùng hạt lớn đẳng trục Cuối kim loại lỏng giữ a kết tinh thành khuôn đ nóng lên nhiều, điều dẫn đến hai hiệu ứng: - kim loại lỏng kết tinh với To nhỏ nên hạt trở nên lớn, - phơng tản nhiệt qua thành khuôn không rõ ràng nên hạt lại phát triển theo phơng (đẳng trục) Trong ba vùng trên, vùng luôn lớp vỏ mỏng, hai vùng sau có mối tơng quan với phụ thuộc vào điều kiện làm nguội khuôn + Khi khuôn đợc làm nguội mnh liệt vùng lấn át vùng 3, chí có làm hẳn vùng 3, thỏi nh có vùng tinh thể hình trụ vuông góc với thành khuôn nh bó đũa (tổ chức đợc gọi xuyên tinh) Tổ chức nh có mật độ cao song khó biến dạng dẻo, không phù hợp với thỏi cán + Khi khuôn đợc làm nguội chậm vùng lại lấn át vùng 2, thỏi trở nên dễ cán b Các khuyết tật vật đúc Các khuyết tật đúc làm xấu nhiều chất lợng vật đúc Có dạng khuyết tật sau Rỗ co lõm co Chúng có nguyên nhân thể tí ch kim loại kết tinh bị co lại nhng hình thức thể khác Các lỗ hổng nhỏ nằm giữ a nhánh hay biên hạt tạo nên co kim loại lỏng kết tinh đợc phân bố rải rác khắp vật đúc đợc gọi rỗ co Rỗ co làm giảm mật độ kim loại, làm xấu tí nh vật đúc, song thỏi đợc qua gia công áp lực (biến dạng dẻo) nhiệt độ cao chúng đợc hàn kí n lại nhờ bị bẹp lại trình khuếch tán (do rỗ nằm sâu thỏi cha bị ôxy hóa) làm liền kí n, trờng hợp ảnh hởng không đáng kể đến tí nh Phần lỗ hổng phần dày thỏi đợc gọi lõm co Đây phần kết tinh sau cùng, thân kim loại lỏng đ bù co cho phần kết tinh trớc phí a dới đến lợt kết tinh không đâu kim loại lỏng để bổ xung cho nữa, tạo lỗ hổng tập trung Phần khuyết lõm co phải đợc cắt bỏ triệt để tỷ lệ thể tí ch sử dụng thỏi khoảng 85 đến 95% Trong thực tế thiết kế vật đúc ngời ta phải để phần lõm co sản phẩm dới dạng đậu ngót Đối với kim loại, hợp kim, lợng (tỷ lệ) co kết tinh giá trị cố định (nh số vật lý) nên thể tí ch lõm co tăng lên tổng thể tí ch rỗ co giảm ngợc lại làm đợc dạng khuyết tật chất kim loại Cách tốt để làm dạng khuyết tật nằm sản phẩm đúc đúc liên tụ c Do phần kim loại kết tinh xong đến đâu đợc kéo khỏi khuôn đến đấy, kết tinh kim loại bị co đến đâu đợc bổ xung kịp thời đến đấy, nên sản phẩm đúc có cấu trúc xí t chặt Phơng pháp đúc đem lại hiệu kinh tế - kỹ thuật cao đúc ống, thỏi thép nhỏ đem cán Rỗ khí Trong điều kiện nấu chảy thông thờng, kim loại lỏng có khả hòa tan lợng khí đáng kể, sau kết tinh độ hòa tan khí kim loại rắn giảm đột ngột, khí thoát không kịp, bị mắc kẹt lại tạo nên túi rỗng nhỏ (thờng thấy đợc mắt thờng) đợc gọi rỗ khí hay bọt khí (rỗ khí khí , nớc từ thành khuôn - cát, tơi - bốc lên, tạo nên bọt thờng nằm hay dới bề mặt vật đúc) So với rỗ co, rỗ khí thờng làm giảm mạnh mật độ tí nh mạnh có kí ch thớc lớn Khi rỗ khí phân bố dới lớp vỏ thỏi thép nguy hiểm dễ bị ôxy hóa nên bị biến dạng nóng hàn kí n đợc (lớp ôxyt ngăn cản khuếch tán làm liền chỗ bẹp), gây tróc vỏ nứt sử dụng Có thể tránh đợc khuyết tật cách khử khí tốt trớc rót khuôn, sấy khô khuôn cát đúc chân không Thiên tí ch (segregation) Là không đồng thành phần tổ chức sản phẩm đúc, xảy không nhữ ng hợp kim (khi thành phần phức tạp) mà kim loại tí ch tụ tạp chất Sự không đồng dẫn đến sai khác tí nh chất phần, sử dụng hiệu Có nhiều dạng thiên tí ch: theo trọng lợng, thân hạt (chơng 3), P, S thép (chơng 5) 2.2 Cu trỳc tinh th ca hp kim 2.1.1 Khỏi nim v hp kim Dung dch rn 2.1.1.1 Khỏi nim hp kim a Định nghĩa Hợp kim vật thể nhiều nguyên tố mang tính kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim) Hợp kim đợc tạo thành sở kim loại: hai kim loại với (nh latông: Cu Zn) mà kim loại với kim (nh thép, gang: Fe C), song nguyên tố kim loại, hợp kim đơn giản hay nguyên tố kim loại với hai hay nhiều nguyên tố khác, hợp kim phức tạp Nguyên tố kim loại chính, chứa nhiều (> 50%) đợc gọi hay nguyên tố chủ Thành phần nguyên tố hợp kim (và ceramic) thờng đợc biểu thị phần trăm khối lợng (khi phần trăm nguyên tử phải định rõ kèm theo), polyme đợc biểu thị phần trăm thể tích b u việt hợp kim Các kim loại nguyên chất thể rõ u việt dẫn nhiệt, dẫn điện chúng có tiêu cao nh dây dẫn điện đợc làm nhôm, đồng nguyên chất Tuy nhiên chế tạo khí, thiết bị, đồ dùng vật liệu đem dùng thờng hợp kim so với kim loại nguyên chất có đặc tính phù hợp sử dụng, gia công kinh tế 1) Trớc hết vật liệu khí phải có độ bền cao để chịu đợc tải cao làm việc nhng đồng thời không đợc giòn để dẫn đến phá hủy Các kim loại nguyên chất nói chung dẻo (rất dễ dát mỏng, kéo sợi trạng thái nguội nhiệt độ thờng) nhng có độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn xa hợp kim (từ vài ba đến hàng chục lần) Nhờ dùng hợp kim tuổi bền máy, kết cấu tăng lên gấp bội Tuy nhiên độ bền, độ cứng tăng lên thờng dẫn đến làm giảm độ dẻo, độ dai gây giòn song phải đủ, tốt sử dụng Quyết định chọn độ bền, độ cứng cao đến mức bị hạn chế độ dẻo độ dai cho phép cho trờng hợp cụ thể để vừa chịu tải tốt vừa không bị phá hủy giòn Nhờ hợp kim loại vật liệu có kết hợp tốt đặc tính học kể với tỷ lệ áp đảo máy móc thiết bị 2) Tính công nghệ đa dạng thích hợp Để tạo thành bán thành phẩm sản phẩm, vật liệu phải có khả chế biến thích hợp đợc gọi tính công nghệ Kim loại nguyên chất dễ biến dạng dẻo nhng khó cắt gọt, đúc không hóa bền đợc nhiệt luyện Trái lại, hợp kim với nhiều chủng loại khác có tính công nghệ đa dạng phù hợp với điều kiện riêng gia công, chế tạo sản phẩm cụ thể - Hầu nh hợp kim tạo hình đợc hai phơng pháp: biến dạng dẻo: cán, kéo, ép chảy (chủ yếu cho bán thành phẩm dài), rèn (tạo phôi cho cắt gọt), dập (thành sản phẩm) đúc (chủ yếu cho sản phẩm có hình dạng phức tạp) - Nói chung hợp kim có tính gia công cắt định để bảo đảm sản phẩm có kích thớc, hình dạng xác, bề mặt nhẵn bóng, điều đặc biệt quan trọng lắp ghép với máy móc, thiết bị - Nhiều hợp kim, đặc biệt thép (chiếm tới 90% tổng sản lợng vật liệu kim loại) nhạy cảm với nhiệt luyện để tạo tính đa dạng phù hợp với điều kiện làm việc gia công 3) Trong nhiều trờng hợp, luyện hợp kim đơn giản rẻ so với luyện kim loại nguyên chất, chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào Có thể thấy điều qua hai trờng hợp thờng gặp sau - So với luyện sắt nguyên chất, luyện hợp kim Fe - C (thép gang) đơn giản nhiệt độ chảy thấp (xem hình 3.18) hay phải khử bỏ cacbon sản phẩm lò cao Xét mặt đòi hỏi độ bền cao, việc luyện sắt đòi hỏi khử bỏ cacbon tạp chất khác cách triệt để không cần thiết mà có hại - Khi pha Zn vào kim loại chủ Cu ta đợc latông vừa bền lại vừa rẻ (do kẽm rẻ đồng nhiều) c Một số khái niệm Khi khảo sát hợp kim nh vật liệu khác, thờng gặp số kháI niệm cần phân định cho rõ Cấu tử nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền vững) cấu tạo nên hợp kim Ví dụ latông (hợp kim CuZn) có hai cấu tử Cu Zn Nhiều phân biệt cấu tử hòa tan với cấu tử dung môi (mục 3.1.2a) Hệ từ dùng để tập hợp vật thể riêng biệt hợp kim điều kiện xác định loạt hợp kim khác với cấu tử giống Pha tổ phần đồng hệ (hợp kim) có cấu trúc tính chất - lý - hóa xác định, pha có bề mặt phân cách Các đơn chất, dung dịch lỏng, dung dịch rắn, chất khí, dạng thù hình pha khác Ví dụ: - Nớc 00C hệ cấu tử (hợp chất hóa học bền vững H2O) có hai pha (pha rắn: nớc đá, pha lỏng: nớc) - Chi tiết hợp kim Cu - Ni (hình 3.10b 3.11) hệ hai cấu tử (Cu Ni) song có pha (dung dịch rắn hai kim loại đó) Trạng thái cân (ổn định) Về mặt nhiệt động học, trạng thái cân hay ổn định gắn liền với kháI niệm lợng tự đại lợng phụ thuộc vào lợng dự trữ (nội năng) hệ nh mức độ xếp trật tự nguyên tử, phân tử Hệ trạng tháI cân (ổn định) pha có lợng tự nhỏ điều kiện nhiệt độ, áp suất thành phần xác định Điều có nghĩa điều kiện đặc tính (cấu trúc, tính chất) hệ hoàn toàn không biến đổi theo thời gian, tồn nh mi mi Thông thờng hệ với pha trạng thái cân cũng có độ bền, độ cứng thấp nhất, ứng suất bên trong, xô lệch mạng tinh thể đợc hình thành làm nguội với tốc độ chậm Hình 3.1 Sơ đồ biểu thị vị trí ổn định (1), không ổn định (2) giả ổn định (3) Trạng thái không cân (không ổn định) Khi thay đổi nhiệt độ áp suất kéo theo tăng lợng tự do, hệ trở nên không cân bằng, lúc hệ có biến đổi đột ngột sang trạng tháI cân với lợng tự nhỏ tức có chuyển pha Nói chung trạng thái (tổ chức) không cân không ổn định, luôn có xu hớng tự biến đổi sang trạng thái (tổ chức) cân bằng, ổn định, bị nung nóng; nhiên nhiều trờng hợp, nhiệt độ thờng trình biến đổi không nhận they đợc hay với tốc độ nhỏ nên thực tế trạng thái không cân tồn lâu dài, mặt lý thuyết tồn vĩnh viễn Trạng thái (tổ chức) không cân có ý nghĩa quan trọng thực tế thờng đáp ứng đợc yêu cầu tính (bền, cứng) cao Trạng thái không cân đợc hình thành với tốc độ nguội nhanh nhiều hợp kim, đặc biệt thép đợc sử dụng (làm việc) trạng thái Trạng thái giả ổn định Cũng tồn khái niệm trạng thái (tổ chức) giả ổn định trạng tháI cân hay ổn định tuyệt đối tồn lý thuyết, đòi hỏi phải làm nguội vô chậm đến mức khó xảy thực tế (xem ví dụ hợp kim Fe - C, mục 3.3) Vậy giả ổn định thực chất không ổn định nhng thực tế lại tồn cách ổn định bị nung nóng phạm vi Để phân biệt ba trạng thái (tổ chức) dùng sơ đồ hình 3.1: tự nhiên viên bi vị trí trạng thái ổn định (năng lợng dự trữ) nhỏ nhất; vị trí rõ ràng không ổn định lớn nhất, dễ dàng chuyển sang vị trí 1, 3; vị trí đợc coi giả ổn định, tơng đối thấp cao vị trí song khó hay chuyển vị trí phải vợt qua hàng rào lợngG lớn d Phân loại tơng tác Phơng pháp chế tạo hợp kim thông dụng hòa trộn (nấu chảy làm nguội) cấu tử trạng thái lỏng nói chung cấu tử tơng tác với tạo nên dung dịch lỏng - pha đồng Ngời ta đặc biệt quan tâm đến tơng tác cấu tử trạng thái rắn điều định cấu trúc tính chất hợp kim có hai trờng hợp lớn xảy ra: không có tơng tác với Khi hai cấu tử A B tơng tác với nhau, tức "trơ" với nhau, nguyên tử, ion cấu tử không đan xen vào nhau, chúng giữ lại hai kiểu mạng cấu tử thành phần, dới dạng hạt riêng rẽ hai pha nằm cạnh với tổ chức tế vi biểu thị hình 3.2a, hỗn hợp A + B Khi hai cấu tử A B có tơng tác với nhau, tức nguyên tử cấu tử đan xen vào tạo nên pha nhất, không lại hạt riêng rẽ cấu tử, lúc có hai trờng hợp xảy ra: hòa tan thành dung dịch rắn, lúc hợp kim giữ lại hai kiểu mạng ban đầu làm nền, có tổ chức pha nh kim loại nguyên chất (hình 3.2b), 3.1.2 Dung dịch rắn a Khái niệm - phân loại Giống nh dung dịch lỏng, cấu tử nhiều đợc gọi dung môi chất tan, dung dịch rắn phân biệt chúng theo cách: cấu tử giữ lại đợc kiểu mạng đợc gọi dung môi, nguyên tử chất hòa tan xếp lại mạng dung môi cách đặn ngẫu nhiên Nh dung dịch rắn pha đồng có cấu trúc mạng nh dung môi (tức nguyên tố chủ) nhng với thành phần (hay gọi nồng độ) thay đổi phạm vi mà không làm đồng Ký hiệu dung dịch rắn A(B) có kiểu mạng A cấu tử dung môi, B cấu tử hòa tan; nh B(A) có kiểu mạng B dung môi, A chất tan Các nguyên tử hòa tan đợc xếp lại mạng tinh thể dung môi theo hai kiểu khác nhau, tơng ứng với hai loại dung dịch rắn: thay xen kẽ nh biểu thị hình 3.3 vòng tròn gạch chéo tô đen biểu thị nguyên tử hòa tan mạng cấu tử dung môi (vòng trắng) Rõ ràng yếu tố hình học có ý nghĩa quan trọng Hình 3.3 Sơ đồ xếp nguyên tử hòa tan thay xen kẽ vào dung môi có mạng lập phơng tâm mặt, mặt (100) d Các đặc tính dung dịch rắn Về mặt cấu trúc dung dịch rắn hợp kim có kiểu mạng tinh thể kiểu mạng kim loại dung môi Đặc tính định đặc trng cơ, lý, hóa tính dung dịch rắn, giữ đợc tính chất kim loại chủ hay Do dung dịch rắn hợp kim có đặc trng học phổ biến nh sau 1) Mạng tinh thể có kiểu đơn giản xít chặt (A1, A2 ) kim loại với liên kết kim loại 2) Do có cấu trúc mạng nh nên dung dịch rắn có tính nh kim loại sở, tính dẻo, nhiên có làm thay đổi theo hớng phù hợp cho vật liệu kết cấu, là: - tính dẻo có giảm song đủ cao, dễ biến dạng dẻo tạo nên cácbán thành phẩm dài tiện lợi cho sử dụng [cũng có trờng hợp làm tăng độ dẻo mà điển hình dung dịch rắn Cu(Zn) với 30%Zn dẻo Cu (xem 6.2.2a)], - tăng độ bền, độ cứng, khả chịu tải hẳn kim loại nguyên chất Sự biến đổi tính chất nh mạnh nồng độ chất tan lớn Tuy nhiên nồng độ lớn, mạng bị xô lệch mạnh, độ bền, độ cứng tăng lên mạnh nhng độ dẻo bị giảm mạnh tơng ứng, gây giòn, dễ bị gy, vỡ Do tìm đợc nồng độ chất tan thích hợp cho yêu cầu khác tiêu tính kể sử dụng hợp kim có lợi tính kim loại nguyên chất 3) Dung dịch rắn có tính dẫn nhiệt, dẫn điện song kim loại nguyên chất Sự hòa tan làm thay đổi đột ngột điện điện cực có ảnh hởng tốt đến tính chống ăn mòn điện hóa (mục 5.5.2d) Trong tất hợp kim kết cấu, dung dịch rắn pha chiếm dới 90% chí có pha (100%) 3.1.3 Pha trung gian Các hợp chất hóa học có hợp kim thờng đợc gọi pha trung gian giản đồ pha có vị trí giữa, trung gian dung dịch rắn có hạn hai đầu mút a Bản chất phân loại Thờng hiểu hợp chất hóa học tạo thành tuân theo quy luật hóa trị Các hợp chất mang đặc điểm sau 1) Có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn với nguyên tố thành phần 2) Luôn có tỷ lệ xác nguyên tố biểu diễn công thức hóa học AmBn với m, n số nguyên 3) Tính chất khác hẳn nguyên tố thành phần với đặc điểm giòn (khác hẳn với kim loại) 4) Có nhiệt độ nóng chảy cố định tạo thành tỏa lợng nhiệt đáng kể Trong hợp kim gặp hợp chất với hóa trị (thờng gặp nhiều vật liệu vô - ceramic) với t cách pha tham gia định tính chất (có thể thấy chúng hợp kim dới dạng vật lẫn, tạp chất nh ôxyt, sunfit với lợng nhỏ) Phần lớn hợp chất hóa học hợp kim có đặc điểm khác với hợp chất hóa học theo hóa trị nh sau - không tuân theo quy luật hóa trị, - thành phần hóa học xác (hay nói dao động khoảng quanh thành phần xác theo công thức), - có liên kết kim loại Các pha trung gian hợp kim thờng gặp gồm có: pha xen kẽ, pha điện tử pha Laves b Pha xen kẽ Là pha tạo nên kim loại chuyển tiếp (có bán kính nguyên tử lớn) với kim có bán kính nguyên tử bé nh cacbon, nitơ, hyđrô (và bo): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit) Cấu trúc mạng pha xen kẽ đợc xác định tơng quan kích thớc nguyên tử kim (X) kim loại (M): - rX / rM < 0,59 nguyên tử kim loại pha xếp theo mộttrong ba kiểu mạng đơn giản thờng gặp A1, A2, A3 (nhng không giữ lại kiểu mạng vốn có), nguyên tử kim xen kẽ vào lỗ hổng mạng, tạo nên hợp chất với công thức đơn giản nh M4X, M2X, MX - rX / rM > 0,59 tạo nên hợp chất với mạng tinh thể phức tạp (đợc gọi pha xen kẽ với mạng phức tạp) với công thức phức tạp nh M3X, M7X3, M23X6 Đặc tính bật pha xen kẽ có nhiệt độ chảy cao (thờng > 20000)nâng cao tính chống mài mòn chịu nhiệt hợp kim Do hyđrô nitơ có kích thớc nguyên tử nhỏ nên tỷ số < 0,59, hyđrit, nitrit pha xen kẽ mạng đơn giản Các nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N đợc tạo thành thấm nitơ nâng cao mạnh độ cứng, tính chống mài mòn thép Do cacbon có kích thớc nguyên tử lớn nên tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng đơn giản nh WC, TiC, Mo2C, VC chúng tạo nên cacbit với kiểu mạng phức tạp nh Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6 Các cacbit thành phần chủ yếu hợp kim cứng có thép có tác dụng làm tăng độ cứng tính chống mài mòn c Pha điện tử (Hum - Rothery) Là hợp chất hóa học có nồng độ điện tử N (số điện tử hóa trị tính cho nguyên tử) xác định là: 3/2 (21/14), 21/13 7/4 (21/12), mà tỷ lệ ứng với cấu trúc mạng phức tạp định Với nồng độ điện tử 3/2 đợc gọi pha với kiểu mạng lập phơng tâm khối hay lập phơng phức tạp sáu phơng, với nồng độ 21/13 đợc gọi pha với mạng phức tạp, với nồng độ 7/4 đợc gọi pha với mạng sáu phơng xếp chặt Pha điện tử đợc tạo thành kim loại hai nhóm: hóa trị (Cu, Ag, Au, Li, Na) chuyển tiếp (Mn, Fe, Co ) với hóa trị từ hai đến năm (Be, Mg, Zn, Cd, Al ) Ví dụ hệ Cu - Zn tạo nên loạt pha điện tử: CuZn (pha, N = 3/2), Cu5Zn8 (pha, N = 21/13), CuZn3 (pha, N = 7/4) d Pha Laves Tạo nên hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử rA / rB = 1,2 (có thể biến đổi khoảng 1,1 1,6) với công thức AB2 có kiểu mạng sáu phơng xếp chặt nh MgZn2, MgNi2 hay lập phơng tâm mặt (MgCu2) Ngoài pha hợp kim gặp pha khác nh, ,, Do đặc tính bật giòn nên không dùng hợp kim với tổ choc có pha pha trung gian Trong hợp kim lợng pha trung gian thờng chiếm tỷ lệ nhỏ < 10% (đôi tới 20 30%), bên cạnh dung dịch rắn, có tác dụng cản trợt tăng độ bền, độ cứng 3.2 Giản đồ pha hệ hai cấu tử Tuy đ biết tơng tác xảy hai nguyên tố, nhng qua xác định cụ thể xác tơng tác không dựa thực nghiệm để xây dựng giản đồ pha cho cặp cụ thể Giản đồ pha giản đồ biểu thị biến đổi tổ chức pha vào nhiệt độ thành phần hệ trạng thái cân Nh nói chung giản đồ pha hoàn toàn phù hợp với hợp kim trạng thái cân (làm nguội chậm hay trạng thái ủ), 2.2 Pha trung gian Các hợp chất hóa học có hợp kim thờng đợc gọi pha trung gian giản đồ pha có vị trí giữa, trung gian dung dịch rắn có hạn hai đầu mút a Bản chất phân loại Thờng hiểu hợp chất hóa học tạo thành tuân theo quy luật hóa trị Các hợp chất mang đặc điểm sau 1) Có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn với nguyên tố thành phần 2) Luôn có tỷ lệ xác nguyên tố biểu diễn công thức hóa học AmBn với m, n số nguyên 3) Tính chất khác hẳn nguyên tố thành phần với đặc điểm giòn (khác hẳn với kim loại) 4) Có nhiệt độ nóng chảy cố định tạo thành tỏa lợng nhiệt đáng kể Trong hợp kim gặp hợp chất với hóa trị (thờng gặp nhiều vật liệu vô - ceramic) với t cách pha tham gia định tính chất (có thể thấy chúng hợp kim dới dạng vật lẫn, tạp chất nh ôxyt, sunfit với lợng nhỏ) Phần lớn hợp chất hóa học hợp kim có đặc điểm khác với hợp chất hóa học theo hóa trị nh sau - không tuân theo quy luật hóa trị, - thành phần hóa học xác (hay nói dao động khoảng quanh thành phần xác theo công thức), - có liên kết kim loại Các pha trung gian hợp kim thờng gặp gồm có: pha xen kẽ, pha điện tử pha Laves b Pha xen kẽ Là pha tạo nên kim loại chuyển tiếp (có bán kính nguyên tử lớn) với kim có bán kính nguyên tử bé nh cacbon, nitơ, hyđrô (và bo): cacbit, nitrit, hyđrit (và borit) Cấu trúc mạng pha xen kẽ đợc xác định tơng quan kích thớc nguyên tử kim (X) kim loại (M): - rX / rM < 0,59 nguyên tử kim loại pha xếp theo ba kiểu mạng đơn giản thờng gặp A1, A2, A3 (nhng không giữ lại kiểu mạng vốn có), nguyên tử kim xen kẽ vào lỗ hổng mạng, tạo nên hợp chất với công thức đơn giản nh M4X, M2X, MX - rX / rM > 0,59 tạo nên hợp chất với mạng tinh thể phức tạp (đợc gọi pha xen kẽ với mạng phức tạp) với công thức phức tạp nh M3X, M7X3, M23X6 Đặc tính bật pha xen kẽ có nhiệt độ chảy cao (thờng > 20000)nâng cao tính chống mài mòn chịu nhiệt hợp kim Do hyđrô nitơ có kích thớc nguyên tử nhỏ nên tỷ số < 0,59, hyđrit, nitrit pha xen kẽ mạng đơn giản Các nitrit Fe4N, Fe2N, Mo2N, Cr2N đợc tạo thành thấm nitơ nâng cao mạnh độ cứng, tính chống mài mòn thép Do cacbon có kích thớc nguyên tử lớn nên tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng đơn giản nh WC, TiC, Mo2C, VC chúng tạo nên cacbit với kiểu mạng phức tạp nh Fe3C, Mn3C, Cr7C3, Cr23C6 Các cacbit thành phần chủ yếu hợp kim cứng có thép có tác dụng làm tăng độ cứng tính chống mài mòn c Pha điện tử (Hum - Rothery) Là hợp chất hóa học có nồng độ điện tử N (số điện tử hóa trị tính cho nguyên tử) xác định là: 3/2 (21/14), 21/13 7/4 (21/12), mà tỷ lệ ứng với cấu trúc mạng phức tạp định Với nồng độ điện tử 3/2 đợc gọi pha với kiểu mạng lập phơng tâm khối hay lập phơng phức tạp sáu phơng, với nồng độ 21/13 đợc gọi pha với mạng phức tạp, với nồng độ 7/4 đợc gọi pha với mạng sáu phơng xếp chặt Pha điện tử đợc tạo thành kim loại hai nhóm: hóa trị (Cu, Ag, Au, Li, Na) chuyển tiếp (Mn, Fe, Co ) với hóa trị từ hai đến năm (Be, Mg, Zn, Cd, Al ) Ví dụ hệ Cu - Zn tạo nên loạt pha điện tử: CuZn (pha, N = 3/2), Cu5Zn8 (pha, N = 21/13), CuZn3 (pha, N = 7/4) d Pha Laves Tạo nên hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử rA / rB = 1,2 (có thể biến đổi khoảng 1,1 1,6) với công thức AB2 có kiểu mạng sáu phơng xếp chặt nh MgZn2, MgNi2 hay lập phơng tâm mặt (MgCu2).Ngoài pha hợp kim gặp pha khác nh, ,, Do đặc tính bật giòn nên không dùng hợp kim với tổ choc có pha pha trung gian Trong hợp kim lợng pha trung gian thờng chiếm tỷ lệ nhỏ < 10% (đôi tới 20 30%), bên cạnh dung dịch rắn, có tác dụng cản trợt tăng độ bền, độ cứng 2.3 Gn pha 2.3.1 Khỏi nim v gin pha Giản đồ pha (còn gọi giản đồ trạng thái hay giản đồ cân bằng) hệ công cụ để biểu thị mối quan hệ nhiệt độ, thành phần số lợng (tỷ lệ) pha (hoặc tổ chức) hệ trạng thái cân Các hệ có giản đồ pha khác chúng đợc xây dựng thực nghiệm Trong thực tế hai giản đồ pha giống hoàn toàn tơng tác cấu tử xảy phức tạp từ kiểu pha, phản ứng nhiệt độ tạo thành Hiện ngời ta đ xây dựng đợc hầu hết hệ hai cấu tử kim loại, kim loại với kim hệ ba cấu tử thờng gặp thuận tiện cho việc tra cứu Hệ cấu tử biến đổi thành phần nên giản đồ pha có trục, đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) nhiệt độ chuyển biến thù hình (nếu có) nh hình 3.6 cho trờng hợp sắt 2.3.2 Gin pha h hai cu t Giản đồ pha hệ hai cấu tử có hai trục: trục tung biểu thị nhiệt độ, trục hoành biểu thị thành phần (thờng theo % khối lợng) với đờng phân chia khu vực pha theo nguyên tắc sau: - Xen hai khu vực pha khu vực hai pha tơng ứng - Mỗi điểm trục hoành biểu thị thành phần xác định hệ Theo chiều từ trái sang phải tỷ lệ cấu tử B tăng lên, từ phải sang trái tỷ lệ cấu tử A tăng lên, hai đầu mút tơng ứng với hai cấu tử nguyên chất: A (trái), B (phải) Ví dụ hình 3.7 điểm C ứng với thành phần có 30%B (tỷ lệ cấu tử thứ hai phần lại, tức 70%A), điểm D: 80%B + 20%A Hình 3.6 Giản đồ pha sắt Hình 3.7 Các trục giản đồ pha hệ hai cấu tử - Đờng thẳng đứng biểu thị thành phần xác định nhng nhiệt độ khác Ví dụ đờng thẳng đứng qua D biểu thị thay đổi nhiệt độ thành phần (80%B +20%A) - Hai trục tung giản đồ pha cấu tử tơng ứng (trái cho A, phải cho B) Do đợc biểu thị mặt phẳng cách xác nên từ giản đồ pha hệ hai cấu tử dễ dàng xác định đợc thông số sau cho thành phần xác định nhiệt độ Các pha tồn Căn vào điểm nhiệt độ - thành phần đ cho (tạm gọi tọa độ) nằm vùng giản đồ pha có tổ chức pha tơng ứng với vùng đó: nằm vùng pha, hợp kim có tổ chức pha; suất bên t r o n g r ấ t n h ỏ, độ biến dạng thấp nhất, chí sửa, nắn sau giữ đẳng nhiệt thép trạng thái austenit nguội dẻo Hạn chế phân cấp có suất thấp, áp dụng đợc cho thép có Vth nhỏ (thép hợp kim cao nh thép gió) với tiết diện nhỏ nh mũi khoan, dao phay Cả ba phơng pháp kể đạt đợc tổ chức mactenxit d Tôi đẳng nhiệt Cách có phơng thức làm nguội nh biểu thị đờng d hình 4.18, khác phân cấp chỗ giữ đẳng nhiệt lâu (hàng h) môi trờng lỏng (muối nóng chảy) để austenit nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp ferit - xêmentit nhỏ mịn có độ cứng tơng đối cao, độ dai tốt Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt đợc tổ chức khác nhau: 250 400oC bainit, 500 600oC - trôxtit Sau dẳng nhiệt ram Tôi đẳng nhiệt có u, nhợc điểm phân cấp, khác có độ cứng thấp độ dai cao Do suất thấp (còn thấp phân cấp) nên thực tế áp dụng cách Một số dụng cụ có yêu cầu cao độ biến dạng cho phép không yêu cầu độ cứng cao nh gang cầu có áp dụng cách nhấn mạnh giống nguyên tắc ủ đẳng nhiệt đẳng nhiệt, phân biệt thành ủ độ cứng, tổ chức tạo thành có tính quy ớc (cũng cách đợc làm nguội lò ủ, cách đợc làm nguội môi trờng lỏng - muối nóng chảy đẳng nhiệt) Một phơng pháp nhiệt luyện nằm trung gian ủ tôi chì (patenting) dây thép sau nung nóng đến nhiệt độ đợc làm nguội đẳng nhiệt bể chì nóng chảy 500 520oC để đạt đợc xoocbit nhỏ mịn gần nh trôxtit, sau dây đợc qua kéo sợi nhiều lần (để bảo đảm đạt độ biến dạng tổng khoảng 90%), cuối đợc dây thép có giới hạn đàn hồi cao tính dẻo tốt e Gia công lạnh Đối với nhiều thép dụng cụ hợp kim, lợng cacbon cao đợc hợp kim hóa, điểm Ms Mf thấp nên làm nguội đến nhiệt độ thờng (trong ba phơng pháp đầu) nhiều austenit d (xem lại hình 4.13), làm cho độ cứng cao đạt đợc bị hạn chế Để đạt đợc độ cứng cao ngời ta dài ) 2.5.2.2 Ram thộp m thép tiếp tục làm nguội (lạnh) đến nhiệt độ âm (-50 hay -70oC) để austenit tiếp tục chuyển biến thành mactenxit Quá trình gia công lạnh Sau gia công lạnh độ cứng tăng thêm 10 đơn vị HRC tùy theo lợng austenit d sau hay nhiều Gia công lạnh đợc áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng cao nh ổ lăn, vòi phun cao áp, dao cắt kim loại f Tôi tự ram Là cách với làm nguội không triệt để, thời gian ngắn từ vài đến vài chục s để sau nhiệt lõi hay phần khác truyền đến, nung nóng tức ram phần vừa đợc Nh chi tiết không cần phải ram nh nguyên công riêng biệt Tôi tự ram đợc ứng dụng rộng ri phận (điển hình nh đục, chạm), cảm ứng chi tiết lớn (băng máy, trục Ram thép Ram thép nguyên công bắt buộc thép thành mactenxit 4.5.1 Mục đích định nghĩa a Trạng thái thép thành mactenxit (xem lại mục đ e 4.2.5a) Sau đạt tổ chức mactenxit có độ cứng cao song đem dùng đợc vì: - thép giòn, dẻo, dai với ứng suất bên lớn, đem dùng chóng gy bị phá hủy giòn, - nhiều trờng hợp không yêu cầu độ cứng tính chống mài mòn cao mà cần độ bền (b, 0,2, đh) cao kết hợp với độ dẻo độ dai khác đa dạng Mục đích Do sau phải nung nóng lại (ram) để: - giảm ứng suất bên đến mức không làm thép giòn, điều cần thiết tối thiểu cho trờng hợp, - khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong, - điều chỉnh tính cho phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể chi tiết máy dụng cụ Có thể coi mục đích tác dụng quan trọng ram Với thép sau ram nhiệt độ khác đạt đợc tiêu tính khác nhau, đợc dùng vào ục đích khác Do xác định nhiệt độ ram (sau tôi) có ảnh hởng định đến tính chi tiết làm việc, nhiều trờng hợp sai lệch vài chục C đ gây thay đổi đáng kể dẫn tới làm hỏng sản phẩm m Vậy ram nguyên công nhiệt luyện sau (kết thúc) để điều chỉnh tổ chức tính thép theo ý muốn sử dụng Nh + ram công nghệ nhiệt luyện kết thúc (cũng để cải thiện tính gia công cắt, lúc lại thuộc nhiệt luyện sơ bộ) b Định nghĩa Ram phơng pháp nhiệt luyện nung nóng thép đ thành mactenxit lên đến nhiệt độ thấp Ac1, để mactenxit austenit d phân hóa thành tổ chức có tính phù hợp với điều kiện làm việc quy định 4.5.2 Các phơng pháp ram Theo nhiệt độ ram, yếu tố định tổ chức tính tạo thành, ngời ta chia ba loại ram: thấp, trung bình cao a Ram thấp (150250oC) Ram thấp phơng pháp nung nóng thép đ khoảng 150 250oC, tổ chức đạt đợc mactenxit ram So với thép tôi, sau ram thấp nói chung độ cứng không giảm giảm (chỉ hay đơn vị HRC), cá biệt có trờng hợp lại tăng lên (khi lợng lớn austenit dmactenxit), ứng suất bên giảm đáng kể có tính dẻo, dai tốt hơn, khó bị phá hủy giòn Ram thấp áp dụng cho dụng cụ chi tiết máy cần độ cứng tính chống mài mòn cao nh: toàn dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm cacbon, ổ lăn, trục, chốt chi tiết qua bề mặt Khi ram thấp độ cứng giữ nh mức tôi: với thép 0,40%C HRC vào khoảng 5255, thép 0,70%C HRC khoảng 62 64 b Ram trung bình (300 450oC) Nhiệt độ ram trung bình 300 - 450oC, tổ chức đạt đợc trôxtit ram So với thép tôi, sau ram trung bình độ cứng giảm rõ rệt, nhng cứng: với thép 0,55 0,65%C HRC khoảng 4045, song đánh đổi lại ứng suất bên đợc khử bỏ hoàn toàn, giới hạn đàn hồi đạt đợc giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên Ram trung bình áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng tơng đối cao đàn hồi nh khuôn dập nóng, khuôn rèn, lòxo, nhíp c Ram cao (500650oC) Nhiệt độ ram cao 500650oC, tổ chức đạt đợc xoocbit ram So với thép tôi, sau ram cao độ cứng giảm mạnh, thép trở nên tơng đối mềm: với thép 0,40%C HB nằm khoảng 200 300 (HRC 15 25), độ bền có giảm song lại đạt đợc kết hợp tốt tiêu tính: độ bền, độ dẻo, độ dai Bảng 4.2 trình bày tiêu tính thép có cacbon trung bình dạng nhiệt luyện ủ, thờng hóa, + ram nhiệt độ khác Qua thấy: - so với + ram thấp, + ram cao làm tăng mạnh độ dẻo, độ dai song làm giảm độ bền, nhiên - so với ủ thờng hóa, + ram cao cho tính tốt hẳn, đặc biệt giới hạn chảy tăng mạnh độ dai có giá trị cao d Ram màu tự ram Khi nung (ram) nhiệt độ thấp, 200350oC, mặt thép xuất lớp ôxyt mỏng với chiều dày khác có màu sắc đặc trng nh: vàng (~ 0,045m) 220240oC, nâu (~ 0,050m) 255 265oC, o Nhờ dễ dàng xác định nhiệt độ ram thấp mà không cần dụng cụ đo nhiệt Quá trình tự ram đ đợc trình bày (mục 4.4.4f) cần ý đến đặc điểm tự ram: - Quá trình xảy sau nên gây nứt, biến dạng, lại dùng lò - Quá trình xảy nhanh, thời gian ngắn, lấy nhiệt độ ram cao nung ram lò vài chục oC - Không thể đo nhiệt độ ram chi tiết dụng cụ đo nhiệt, mà phải cách nhìn màu Khi tự ram, nhiệt độ lớp tăng lên dần biến đổi màu sắc (mà ngời ta gọi chạy màu) từ vàng qua nâu, tím đến xanh Khi đạt đến nhiệt độ ứng với màu yêu cầu, để nhiệt độ không tăng lên đợc (vì làm non chi tiết máy hay dụng cụ) ngời ta làm nguội hẳn thép môi trờng Trong sản xuất hàng loạt tiến hành tự ram cách thủ công đơn lẻ nh vậy, mà phải tính toán cân nhiệt thời gian nguội lúc cho lợng nhiệt thừa phần lại hay lõi vừa đủ để nung nóng (ram) phần đ đến nhiệt độ ram quy định 2.5.3 Phng phỏp húa nhit luyn Hóa - nhiệt luyện phơng pháp hóa bền bề mặt có hiệu (cho độ cứng tính chống mài mòn cao hơn) cảm ứng, song có suất thấp hơn, đợc dùng rộng ri sản xuất khí a Nguyên lý chung Định nghĩa mục đích Khác với nhiệt luyện làm biến đổi tổ chức tính chất thép, không làm thay đổi thành phần hóa học, hóa - nhiệt luyện phơng pháp thấm, bo hòa nguyên tố hóa học (cacbon, nitơ ) vào bề mặt thép cách khuếch tán trạng thái nguyên tử từ môi trờng bên nhiệt độ cao Nh hóa nhiệt luyện thành phần hóa học lớp bề mặt thép thay đổi, tổ chức tính bị biến đổi mạnh Khi hóa - nhiệt luyện thờng nhằm hai mục đích sau: - Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn độ bền mỏi thép với hiệu cao so với bề mặt Thuộc loại thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon - nitơ đợc ứng dụng rộng ri sản xuất khí - Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa hóa học (chống ôxy hóa nhiệt độ cao) nh thấm crôm, thấm nhôm, thấm silic Các trình thấm phải tiến hành nhiệt độ cao thời gian dài hơn, đợc thực Các giai đoạn Khi tiến hành ngời ta đặt chi tiết thép vào môi trờng (rắn, lỏng khí) có khả tạo nguyên tử hoạt nguyên tố cần thấm nung nóng đến nhiệt độ thích hợp Có ba giai đoạn nối tiếp xảy 1) Phân hóa: trình phân tích phân tử, tạo nên nguyên tử hoạt nguyên tố định thấm 2) Hấp thụ: nguyên tử hoạt đợc hấp thụ (xâm nhập, hòa tan vào mạng tinh thể sắt) vào bề mặt thép với nồng độ cao, tạo độ chênh lệch (gradien) nồng độ bề mặt lõi 3) Khuếch tán: nguyên tử hoạt lớp hấp thụ sâu vào bên theo chế khuếch tán, tạo nên lớp thấm với chiều sâu định Trong ba giai đoạn khuếch tán quan trọng cả, định hình thành lớp thấm ảnh hởng nhiệt độ thời gian Nhiệt độ thời gian ảnh hởng lớn đến khuếch tán chiều dày lớp thấm Nhiệt độ cao chuyển động nhiệt nguyên tử mạnh, tốc độ khuếch tán lớn, lớp thấm chóng đạt chiều sâu quy định Đáng ý hệ số khuếch tán D (và chiều dày lớp thấm x) phụ thuộc vào nhiệt độ T0 theo hàm mũ: Thời gian nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian giúp nâng cao chiều sâu lớp thấm song với hiệu không mạnh nh tăng nhiệt độ chiều sâu lớp thấm x phụ thuộc vào thời gian t theo quan hệ xk t (k - hệ số, t - thời gian) nh biểu thị hình 4.22b Vậy khác với nhiệt độ, kéo dài thời gian mức độ tăng chiều sâu lớp thấm giảm Do kéo dài thời gian biện pháp hiệu Sau trình bày phơng pháp hóa - nhiệt luyện thông dụng b Thấm cacbon Thấm cacbon phơng pháp hóa - nhiệt luyện phổ biến nhất, dễ thực nhất, thờng gặp nớc ta nớc công nghiệp Định nghĩa mục đích - Yêu cầu lớp thấm Thấm cacbon phơng pháp hóa - nhiệt luyện bao gồm làm bo hòa (thấm, khuếch tán) cacbon vào bề mặt thép cacbon thấp (0,100,25%) ram thấp làm bề mặt có độ cứng, tính chống mài mòn cao (do lợng cacbon cao), lõi có độ bền tốt dẻo dai (do lợng cacbon thấp nh cũ) Tỉ mỉ thép thấm cacbon đợc trình bày mục 5.3.2 Mục đích chủ yếu thấm cacbon làm cho bề mặt thép cứng tới HRC 6064 với tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, lõi bền, dẻo, dai với độ cứng HRC 3040 Cần nhớ đạt đợc tính nh sau + ram thấp, nói đến thấm cacbon đ có hàm ý bao gồm dạng nhiệt luyện Để đạt đợc mục đích trình thấm cacbon phải đạt đợc yêu cầu sau - Đối với bề mặt: có lợng cacbon khoảng 0,801,00% (nhỏ không đủ cứng chống mài mòn, nhiều gây giòn, tróc nhiều XeII dạng lới) để sau + ram thấp có tổ chức mactenxit ram cacbit nhỏ mịn, phân tán (không cho phép cacbit tích tụ lớn, dạng lới) với độ cứng HRC cao 60 (thờng 6264) - Đối với lõi: có tổ chức hạt nhỏ (cấp 58) với tổ chức mactenxit hình kim nhỏ mịn, ferit tự do, để bảo đảm độ bền, độ dai cao, HRC 3040 Nhiệt độ thời gian Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon phải cho thép trạng thái hoàn toàn austenit, nh đ thấy từ giản đồ pha Fe - C có pha có khả hòa tan nhiều cacbon (tới 2,14%, ferit hầu nh khả này) Vậy nhiệt độ thấm cacbon cao Ac3 thép tức khoảng 900 950oC (A3 thép 0,10%C khoảng 880oC) Nh đ nói trên, thấm nhiệt độ cao chóng đạt chiều sâu lớp thấm quy định, có khuynh hớng chọn nhiệt độ cao 900oC tốt, song cao làm cho hạt austenit lớn, làm thép giòn Vì tiến hành thấm cacbon giới hạn khoảng quy định tùy thuộc vào chất hạt thép - Đối với thép chất hạt nhỏ (thép hợp kim chứa Ti) thấm nhiệt độ cao tới 930 950oC mà giữ đợc hạt nhỏ (song không nên thấm 950oC thời gian dài làm cho hạt lớn) Nâng cao nhiệt độ thấm nh có lợi rút ngắn đợc thời gian đạt đợc hiệu điều mang lại: hạt nhỏ, cong vênh, đơn giản hóa trình - Đối với thép chất hạt lớn (thép cacbon số thép hợp kim thờng) không nên thấm 930oC, tức nên 900920oC Thời gian thấm (giữ nhiệt nhiệt độ thấm) phụ thuộc vào hai yếu tố sau 1) Chiều dày lớp thấm yêu cầu đợc quy định điều kiện kỹ thuật thờng ba mức sau: 0,500,80, 0,901,20 1,50 1,80mm cho lớp thấm có chiều dày 0,10 0,15 đờng kính hay chiều dày tiết diện Riêng bánh chiều dày lớp thấm x tính theo môđun m răng, x/m 0,200,30, nh sau: m = 1,5, x = 0,50mm; m = 3,0, x = 0,80mm Chiều sâu lớp thấm yêu cầu lớn, thời gian phải dài 2) Tốc độ thấm (đúng tốc độ thấm trung bình) Đại lợng lại phụ thuộc vào môi trờng thấm nhiệt độ nhiệt độ, tốc độ thấm cacbon môi trờng lỏng cao nhất, sau đến khí, thấp thể rắn Nói chung thời gian thấm đợc tính cho lớp thấm dới 1mm (là trờng hợp thờng gặp nhất) nh sau: + thấm thể rắn 900oC: 0,10mm chiều sâu cần 1h nung nóng giữ nhiệt hay 0,15mm /1h giữ nhiệt, + thấm thể khí 900oC: 0,15mm chiều sâu cần 1h nung nóng giữ nhiệt hay 0,20mm /1h giữ nhiệt; 930 950oC - 0,250,30mm /1h giữ nhiệt Chất thấm trình xảy Chất thấm thể rắn loại thấm cổ xa nhất, đợc dùng nhiều nớc ta Chất thấm chủ yếu than gỗ (có thể thay mùn ca) - 8095% lợng nhỏ muối cacbonat (Na2CO3, BaCO3 ) muối khác có tác dụng xúc tác, làm nhanh trình thấm Sau trộn đều, hỗn hợp đợc cho vào hộp với chi tiết, lèn chặt, đậy kín đem nung đến nhiệt độ thấm, có trình sau - Than gỗ (mùn ca) cháy điều kiện thiếu ôxy tạo nên ôxyt cacbon 2C + O2 2CO - Khí CO gặp bề mặt thép lại bị phân tích 2CO CO2 + Cng.tử - Cacbon nguyên tử vừa tạo thành có tính hoạt cao, bị hấp thụ khuếch tán vào bề mặt thép dạng dung dịch rắn xen kẽ Fe, tức austenit với nồng độ cacbon tăng dần theo thời gian đạt đến giới hạn bo hòa (đờng SE nhiệt độ tơng ứng) - Các muối đóng vai trò xúc tác: bị phân hóa tạo CO2, CO2 kết hợp với cacbon than thành CO, pha khí lại bị phân hóa thành cacbon nguyên tử nh đ trình bày Đặc điểm thấm cacbon thể rắn là: + Thời gian dài (do phải nung hộp than có tỷ nhiệt lớn), điều kiện lao động xấu (bụi than), khó khí hóa + Chất lợng không cao hay khó bảo đảm tốt, thời gian dài hạt dễ bị lớn nồng độ cacbon bề mặt cao, thờng đạt tới giới hạn bo hòa nhiệt độ thấm, 1,2 1,3%, làm nguội dễ tạo nên lới XeII, gây giòn, dễ tróc + Đơn giản, dễ tiến hành Thấm thể khí phơng pháp thấm đại, đợc sử dụng rộng ri sản xuất khí Nh đ thấy trên, thấm cacbon thể rắn song trình xảy lại thông qua pha khí, nên dùng trực tiếp khí có khả sinh cacbon nguyên tử nh CO, CH4 để thấm Trong thực tế ngời ta chế tạo khí thấm cacbon từ khí đốt thiên nhiên mà thành phần chủ yếu mêtan CH4 có tác dụng thấm mạnh Muốn thấm đợc, tỷ lệ CH4 hỗn hợp cần 35% (trong CO phải 95%) Quá trình xảy theo phản ứng CH4 2H2 + Cng.tử Vì ngời ta phải pha long pha chế khí thiên nhiên cho có nồng độ thích hợp (tạo lợng cacbon nguyên tử vừa đủ) để tạo nên lớp thấm có 0,80 1,00% theo yêu cầu Đó u điểm bật dạng thấm cacbon Trong sản xuất hàng loạt lớn, thấm cacbon thể khí đợc tiến hành lò băng tải có phân vùng nhiệt độ khí thấm theo yêu cầu để sau hết chiều dài lò chi tiết đợc lần lợt nung nóng, thấm cacbon, tôi, ram, làm Nhờ giảm nhẹ điều kiện làm việc trình đợc khí hóa, tự động hóa Khi khí thiên nhiên ngời ta dùng lò chu kì với nhỏ giọt dầu hỏa hay cồn sản xuất hàng loạt thờng nhiệt độ cao chất bị nhiệt phân tạo nên hyđrôcacbon, chúng có tác dụng thấm yếu mêtan Với cách cung cấp chất thấm thích hợp (mạnh thời gian đầu, giảm sau đó) vừa tăng đợc suất thấm vừa bảo đảm bề mặt thấm không bị bo hòa cacbon Thấm thể lỏng dùng suất thấp, áp dụng đợc cho chi tiết bé, điều kiện lao động xấu Nhiệt luyện sau thấm Nh đ thấy khuếch tán cacbon kể tạo nên phân bố cacbon hợp lý tiết diện, tạo điều kiện để đạt đợc yêu cầu: bề mặt cứng (nhờ cacbon cao), lõi bền, dai (nhờ cacbon thấp) Vì sau thấm cacbon, thép bắt buộc phải qua + ram thấp hay nói khác trình thấm cacbon phải bao gồm hai nguyên công Công dụng Thấm cacbon cho tính công dụng nh bề mặt: bề mặt cứng, lõi dẻo, dai, song mức độ cao (HRC 6064 so với 5258 bề mặt, HRC 30 40 so với 15 40 lõi (HRC 3040 lõi đợc hóa tốt, HRC 1530 lõi trạng thái ủ hay thờng hóa) bảo đảm tính chống mài mòn chịu tải tốt Ngoài nh bề mặt tạo nên lớp ứng suất nén d nên làm tăng giới hạn mỏi Chính thấm cacbon thờng đợc áp dụng cho chi tiết làm việc điều kiện nặng Ví dụ bánh hộp số song ôtô phải qua thấm cacbon, máy cắt cần qua bề mặt Ngoài thấm cacbon đợc áp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp, không đặn mà cho lớp thấm đều, điểm u việt so với bề mặt Những chỗ không cho phép thấm phải đợc ngăn cách mạ đồng phết đất sét Tuy có u việt mặt tính song thấm cacbon có giá thành đắt tốn nhiệt, thời gian dài, suất thấp Sự cân nhắc hai mặt cho phép chọn công nghệ hợp lý với chi tiết cụ thể c Thấm nitơ Định nghĩa mục đích Thấm nitơ phơng pháp hóa - nhiệt luyện làm bo hòa (thấm, khuếch tán) nitơ vào bề mặt thép nhằm mục đích chủ yếu nâng cao độ cứng tính chống mài mòn (HRC 65 70 hẳn thấm cacbon) Tổ chức lớp thấm Hình 4.22 Giản đồ pha Fe - N Độ cứng cao lớp thấm nitơ chất tự nhiên nó, qua nhiệt luyện nh thấm cacbon Ngời ta thờng thấm nitơ dòng khí NH3 (amôniac) có nhiệt độ khoảng 480 650oC, lúc bị phân hóa mạnh theo phản ứng NH3 3H2 + 2Nng.tử Giỏo viờn: V TH TRUYN T mụn c s nitơ nguyên tử tạo thành có tính hoạt cao bị hấp thụ khuếch tán vào thép Cơ sở để xác định tổ chức lớp thấm nitơ vào thép giản đồ pha Fe - N (hình 4.22) Lớp thấm giàu nitơ, tính từ vào có pha sau: - dung dịch rắn mà chất (nền) pha xen kẽ Fe2N, - dung dịch rắn mà chất (nền) pha xen kẽ Fe4N, - ferit nitơ (hay dung dịch rắn nitơ Fe) Nh lớp thấm gồm nitrit - pha xen kẽ với độ cứng cao, phân tán, nhờ lớp thấm có độ cứng tính chống mài mòn cao Đặc điểm thấm nitơ - Do phải tiến hành nhiệt độ thấp khuếch tán khó khăn nên thời gian dài mà lớp thấm mỏng Ví dụ: thấm 520oC 24h đạt 0,25 0,30mm, 48h đạt 0,40mm - Sau thấm không tiến hành mài - Thép dùng để thấm thờng thép hợp kim chuyên dùng Nếu dùng thép cacbon lớp thấm có nitrit sắt, pha cứng nhng giòn nên thờng dùng thép hợp kim hóa crôm, môlipđen nhôm nitrit chúng cứng giòn Trớc thấm nitơ thép đợc đem + ram trớc để định hình tính cho lõi, nhiệt độ ram phải cao nhiệt độ thấm nitơ để trình thấm không giảm độ bền lõi Tỉ mỉ thép đợc trình bày mục 5.3.3g - Lớp thấm cứng độ cứng cao giữ đợc làm việc 500oC theo giản đồ pha Fe - N tổ chức lớp thấm không thay đổi nhiệt độ thấp 591oC, độ cứng cao lớp thấm cacbon bị giảm mạnh nhiệt độ vợt 200oC mactenxit bị phân hóa ram Công dụng Thấm nitơ đợc áp dụng chủ yếu cho chi tiết cần độ cứng tính chống mài mòn cao, làm việc nhiệt độ cao 500oC, song chịu tải trọng không lớn (do lớp thấm mỏng) nh số trục, bánh răng, sơmi máy bay, TRNG I HC CễNG NGH GTVT 29 Mụn hc: Vt liu c khớ Giỏo viờn: V TH TRUYN T mụn c s dụng cụ cắt, dụng cụ đo d Thấm cacbon - nitơ Định nghĩa mục đích Thấm cacbon - nitơ phơng pháp hóa - nhiệt luyện làm bo hòa (thấm, khuếch tán) đồng thời cacbon nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng tính chống mài mòn (về mặt nằm trung gian thấm cacbon thấm nitơ) Nh nhằm mục đích nh hai phơng pháp hóa - nhiệt luyện song tốt thấm cacbon Đặc điểm thấm cacbon - nitơ tùy thuộc vào tỷ lệ cacbon nitơ lớp thấm mà trình gần với hai dạng thấm - Nếu trình xảy nhiệt độ cao, dới 850oC, khuếch tán cacbon mạnh, lớp thấm chủ yếu cacbon (ít nitơ), có tính chất gần với thấm cacbon song tốt thấm cacbon - Nếu trình xảy nhiệt độ thấp, dới 560oC, khuếch tán cacbon yếu, lớp thấm chủ yếu nitơ, tính chất gần với thấm nitơ song thấm nitơ đôi chút Thấm cabon - nitơ nhiệt độ cao Dạng thấm u việt có xu hớng thay cho thấm cacbon Khi thấm thể khí, ngời ta dùng công nghệ thấm cacbon thể khí với thay đổi nhỏ là: hỗn hợp thấm có thêm 10%NH3, thấm nhiệt độ 840 860oC, thuận lợi cho đổi công nghệ với u việt (so với thấm cacbon): - Trong lớp thấm có pha cacbon - nitrit Fe3(C,N) cứng (cứng cacbit, xêmentit) phân tán nên làm tăng mạnh tính chống mài mòn Tuy độ cứng không khác thấm cacbon (HRC 6065) nhng thời hạn làm việc (tuổi bền) kéo dài thêm 50 đến 100% - Do chống mài mòn tăng lên mạnh, lớp thấm mỏng lớp thấm cacbon khoảng 2030% Ví dụ bánh thấm cacbon TRNG I HC CễNG NGH GTVT 30 Mụn hc: Vt liu c khớ Giỏo viờn: V TH TRUYN T mụn c s sâu 0,901,20mm, thấm cacbon - nitơ cần 0,50 0,80mm Nhờ thời gian thấm ngắn lại - Do nhiệt độ thời gian thấm giảm nên độ biến dạng chi tiết không đáng kể, tăng đợc tuổi thọ lò Khi thấm thể lỏng, ngời ta dùng chủ yếu muối có gốc CN (gọi muối xyanua) hay CNO dạng nóng chảy, nhiệt độ cao (820 860oC) chúng ôxy hóa, phân hủy để tạo cacbon nitơ nguyên tử bị hấp thụ khuếch tán vào bề mặt thép tạo nên lớp thấm Nhợc điểm quan trọng cách thấm phải dùng muối độc nên bị hạn chế sử dụng Sau thấm cacbon - nitơ nhiệt độ cao, thép phải qua + ram thấp nh thấm cacbon nhng với quy trình đơn giản nhiều Thấm cacbon - nitơ nhiệt độ thấp Thấm cacbon - nitơ nhiệt độ thấp thờng đợc tiến hành thể lỏng Cách thấm cổ điển dùng muối xyanua nóng chảy 540 560oC nhiệt độ bị ôxy hóa, phân hủy tạo nguyên tử hoạt thấm vào bề mặt thép Do nhiệt độ thấp lớp thấm chủ yếu chứa nitơ nên không tiến hành + ram thấp Cũng giống nh trên, dùng muối xyanua với nồng độ cao nên độc hại nên không đợc chấp nhận Trong chục năm qua ngời ta đ tìm đợc phơng pháp thấm cacbon nitơ với dùng muối không độc đ làm cho cách thấm có bớc phát triển quan trọng Đó phơng pháp Tenifer (từ từ tenax - làm bền, nitrur thấm nitơ, ferrum - sắt) Ngời ta áp dụng dạng nhiệt luyện cho chi tiết ôtô (trục khuỷu, bánh răng), khuôn dập, khuôn ép chảy Cuối cần nhấn mạnh phơng pháp hóa bền bề mặt kể hiệu thấy rõ nâng cao tính chống mài mòn thông qua biểu độ cứng, tạo nên đợc lớp ứng suất nén d bề mặt với giá trị khoảng vài TRNG I HC CễNG NGH GTVT 31 Mụn hc: Vt liu c khớ Giỏo viờn: V TH TRUYN T mụn c s trăm MPa, nâng cao độ bền mỏi 2.5.4 Phng phỏp c nhit luyn a Bản chất Cơ - nhiệt luyện trình tiến hành gần nh đồng thời hai trình hóa bền: biến dạng dẻo (cán nóng) austenit nguyên công (quá trình công nghệ) Sau - nhiệt luyện thép đợc đem ram thấp 150 200oC Kết đợc mactenxit nhỏ mịn với xô lệch cao, nhờ đạt đợc kết hợp cao độ bền, độ dẻo độ dai mà cha có phơng pháp hóa bền sánh kịp So với nhiệt luyện + ram thấp, - nhiệt luyện có giới hạn bền kéo cao 200500MPa (tăng thêm 1020%), độ dẻo, độ dai tăng gấp rỡi tới gấp đôi Theo nhiệt độ tiến hành biến dạng dẻo tôi, chia hai loại - nhiệt luyện: nhiệt độ cao nhiệt độ thấp b Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao Sơ đồ - nhiệt luyện nhiệt độ cao đợc trình bày hình 4.20a: biến dạng dẻo thép nhiệt độ cao Ac3 để ngăn cản xảy kết tinh lại, tránh đợc hoàn toàn Nó có đặc điểm sau: - áp dụng cho thép kể thép cacbon, - dễ tiến hành nhiệt độ cao austenit dẻo, ổn định, không cần lực ép lớn cần độ biến dạng= 2030%, - độ bền cao (tuy không tránh khỏi kết tinh lại phận): b = 2200 2400MPa, độ dẻo, độ dai tơng đối tốt:= 68%, aK = 300kJ/m2 TRNG I HC CễNG NGH GTVT 32 Mụn hc: Vt liu c khớ Giỏo viờn: V TH TRUYN T mụn c s Hình 4.20 Sơ đồ - nhiệt luyện nhiệt độ cao (a) nhiệt độ thấp (b) c Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ thấp Sơ đồ loại - nhiệt luyện đợc trình bày hình 4.20b Sau austenit hóa Ac3, làm nguội nhanh thép xuống 400 600oC vùng austenit nguội có tính ổn định tơng đối cao thấp nhiệt độ kết tinh lại, biến dạng dẻo Nó có đặc điểm sau: - áp dụng đợc cho thép hợp kim loại có tính austenit nguội cao, - khó tiến hành đòi hỏi độ biến dạng lớn,= 50 90%, mà nhiệt độ thấp (400600oC) austenit dẻo hơn, cần phải có máy cán lớn, yêu cầu phôi thép phải có tiết diện tơng đối nhỏ để kịp nguội nhanh xuống 400 600oC, - đạt đợc độ bền cao b = 2600 2800MPa, song độ dẻo, độ dai thấp loại trên:= 3%, aK = 200kJ /m2 Đáng ý tính cao - nhiệt luyện lu lại (di truyền) Công nghệ thờng tiến hành nhà máy cán nhằm cung cấp bán thành phẩm thép có độ bền cao TRNG I HC CễNG NGH GTVT 33 Mụn hc: Vt liu c khớ