thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ thấm tôi của thép xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi

PHẦN ILÝ THUYẾT I – Định nghĩa tôi và ram thép : 1 – Tôi thép : Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép lên trên nhiệt độ tới hạn Ac1 để có austenite đồng nhất, giữ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐỘ THẤM TÔI CỦA THÉP XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ thấm tôi của thép Xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi

Mã số: T 2009 – 37

Chủ nhiệm đề tài: ThS GVC TRẦN THẾ SAN

Tp HCM, 12/2010

MỤC LỤC

Trang

ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU 1

I – LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II – MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1

1 – Mục tiêu 1

2 – Nhiệm vụ 1

III – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI 1

1 – Lý thuyết 1

2 – Thiết kế và chế tạo thiết bị làm nguội nhanh 2

3 – Thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép 2

IV – KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 2

PHẦN I - LÝ THUYẾT 3

I – Định nghĩa tôi và ram thép 3

1 – Tôi thép 3

2 – Ram thép 3

II – Tính chất của Martensite 3

Định nghĩa 3

Tính chất 3

3 – Các đặc điểm của chuyển biến Ms 3

III - Các phương pháp tôi và ram thép 4

1 - Các phương pháp tôi 4

2 - Các phương pháp ram 6

IV- Độ thấm tôi và các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép 7

1 – Định nghĩa 7

2 – Các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép 8

V – Các phương pháp đo độ thấm tôi của thép 12

1 - Quan sát tổ chức tế vi 12

2 - Đo từ tính 12

3 - Đo độ cứng 12

PHẦN II - THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 14

I – Chế tạo mẫu thí nghiệm 14

II – Chất làm nguội 14

III – Thiết kế mô hình thí nghiệm 14

1 – Cấu tạo phôi 14

2 – Thanh giữ phôi 14

3 – Vòng đệm dẫn hướng phôi 15

4 – Khối hợp định vị thanh giữ phôi 15

5 – Thanh định vị vòi phun 15

6 – Thùng chứa nước sau khi tưới nguội 16

7 – Thùng cấp nước tưới nguội 16

8 – Máy bơm nước 17

9 - Lắp ghép 17

PHẦN III CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 19

I - Chọn mẫu thép làm thí nghiệm 19

1 - Thép CT3 ( Theo tiêu chuẩn ГOCT) 19

2 - Thép C45 ( Tiêu chuẩn Việt Nam) 20

3 - Thép CD 100( Theo tiêu chuẩn Việt Nam) 22

II - Chế độ tạo mẫu theo quy cách 23

III - Tôi mẫu 23

IV - Tôi đầu mút 25

V- Làm sạch bề mặt sau khi tôi 28

VI - Đo độ cứng, vẽ đồ thị quan hệ giữa độ cứng và chiều sâu 28

 Đo độ cứng 28

 Vẽ đồ thị quan hệ giữa độ cứng và chiều sâu 31

VII - Mài mẫu trước và sau khi tôi,soi và chụp tổ chức tế vi 33

 Mài mẫu trước và sau khi tôi 33

 Quan sát tổ chức tế vi 39

 Chụp hình tổ chức tế vi 41

VIII - Kiểm tra , thảo luận 46

 Kiểm tra kết quả thí nghiệm 46

 Thảo luận 50

PHẦN IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 51

 Kết luận 51

 Đề nghị 51

Tài Liệu Tham Khảo 52

ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU

I – LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI :

- Đất nước ngày càng phát triển mạnh mẽ trên tất cả các lĩnh vực khoa học , công

nghệ và dịch vụ ., trong đó cơ khí được xem là ngành then chốt , là một trong những ngành mũi nhọn giúp phát triển nhanh nền kinh tế đất nước Để ngành cơ khí phát triển trên một bước chuyển dài cả về chất lẫn lượng , cả về công nghệ lẫn đào tạo thì cần có sự đầu tư lớn, có trọng điểm về lĩnh vực giáo dục chuyên ngành , từng bước đuổi kịp đà phát triển của thế giới

- Từ yêu cầu của thực tế mà cụ thể là lĩnh vực cơ khí , đòi hỏi chất lượng đào tạo

các môn chuyên ngành phải có sự đổi mới, mang tính thực tiễn cao , học phải đi đôi với hành , đáp ứng được nhu cầu của thực tế sản xuất

- Trong chương trình đào tạo bậc đại học và cao đẳng các ngành cơ khí thuộc

trường ĐHSP KT, các môn vật liệu học bao gồm : vật liệu học 1, vật liệu học 2, thí nghiệm vật liệu học, trong đó thí nghiệm vật liệu học cơ khí đang là môn học cần được đầu tư thêm về trang thiết bị dạy học , thiết bị thí nghiệm, bổ sung thêm các bài thí nghiệm, để sinh viên có cái nhìn trực quan hơn về nội dung lý thuyết của các bài học vật liệu trên lớp , qua đó nắm vững bài học , và ứng dụng kiến thức vào thực tế dễ dàng hơn

II – MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU :

1 – Mục tiêu :

- Mục tiêu trước mắt : Ứng dụng kiến thức lý thuyết trong chương trình môn vật

liệu học để xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép

- Mục tiêu cụ thể : Thiết kế và chế tạo thiết bị làm nguội nhanh trong bài thí

nghiệm tôi đầu mút Thực hiện phần thí nghiệm đo độ thấm tôi , đồng thời xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thépm, xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép dựa trên thiết bị tôi đầu mút và trang thiết bị hiện có (kính hiển vi kim loại học, máy đo độ cứng, ) tại phòng TN Vật liệu của bộ môn CNKL

- Mục tiêu lâu dài : Hướng tới công nghệ dạy học theo khoa học hiện đại , học đi

đôi với hành Cung cấp thiết bị thí nghiệm để việc dạy và học đạt hiệu quả hơn, nâng cao chất lượng dạy và học cho các môn vật liệu học

2 – Nhiệm vụ :

- Tham khảo các tài liệu liên quan đến môn vật liệu học, cụ thể là các phần về tôi

và ram thép , và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này

- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài

- Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị làm nguội nhanh trong tôi đầu mút , thực hiện thí nghiệm về đo độ thấm tôi

- Xây dựng bài thí nghiệm đo độ thấm tôi

III – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TRONG ĐỀ TÀI :

1 – Lý thuyết :

- Định nghĩa tôi và ram thép

- Tính chất của martensite

- Các phương pháp tôi và ram thép

- Độ thấm tôi và các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép

- Các phương pháp đo độ thấm tôi của thép

2 – Thiết kế và chế tạo thiết bị làm nguội nhanh :

* Các bước thí nghiệm chính :

- Chế tạo mẫu thí nghiệm

- Chọn chế độ nhiệt luyện cho mẫu

- Nung nóng trong lò tương ứng

- Làm nguội bằng thiết bị thí nghiệm

- Quan sát tổ chức tế vi của thép trên kính hiển vi

* Chế tạo theo thiết kế :

3 – Thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép :

a – Đo độ thấm tôi của thép

b – Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép

1 Hoàn chỉnh đề cương , nghiên cứu lý thuyết

7 Thí nghiệm, kiểm tra thiết bị

8 Xây dựng bài thí nghiệm

9 Thực hiện bài thí nghiệm

10 Kiểm tra, đánh giá kết quả

PHẦN I

LÝ THUYẾT

I – Định nghĩa tôi và ram thép :

1 – Tôi thép :

Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép lên trên nhiệt

độ tới hạn Ac1 để có austenite đồng nhất, giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích hợp để thực hiện chuyển biến As thành Ms hoặc các tổ chức không ổn định khác có độ cứng cao

3 – Các đặc điểm của chuyển biến Ms :

- Chuyển biến Ms xảy ra theo cơ chế không khuếch tán nên thành phần hóa học của nó tương ứng với pha ban đầu As

- Chuyển biến xảy ra gần như tức thời với vận tốc phát triển tinh thể rất lớn, khoảng 1.000 ÷ 7.000 m/s Tinh thể có dạng hình kim hoặc tấm

- Chuyển biến chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục trong khoảng nhiệt độ Mđ(điểm bắt đầu ) đến Mk ( điểm kết thúc) và vận tốc làm nguội v ≥ vth Vị trí của Mđ và Mk chỉ phụ thuộc vào thành phần , không phụ thuộc vào tốc độ

nguội Khi hàm lượng nguyên tố hợp kim ( trừ Si , Al , Co ) hoặc thành phần C trong thép tăng lên thì điểm Mđ và Mk đều bị hạ xuống thấp

Hình 2 : Ảnh hưởng của C đến vị trí điểm M đ và M k

- Chuyển biến không xảy ra đến cùng và bao giờ cũng có một lượng Askhông chuyển biến được gọi là As dư Hàm lượng As dư phụ thuộc vào vị trí điểm

Mđ và Mk , có nghĩa là phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép

- Về cơ tính, Ms do mạng tinh thể bị xô lệch lớn , gây biến cứng mạng nên nó

có độ bền và độ cứng cao , độ dẻo và độ dai rất thấp Độ cứng của Ms chỉ phụ thuộc vào hàm lượng C quá bão hòa Sự tồn tại của ứng suất nhiệt ( do làm nguội nhanh và không đều ) và ứng suất tổ chức ( chuyển biến Mslàm tăng thể tích ) nên sau chuyển biến, trong thép tồn tại ứng suất dư cao và ảnh hưởng lớn đến độ giòn của Ms

III - Các phương pháp tôi và ram thép :

1 - Các phương pháp tôi :

Hình 3 : Sơ đồ các phương pháp tôi a)Làm nguội trong một môi trường, b) Trong hai môi trường

c) Tôi phân cấp, d) Tôi đẳng nhiệt

1.1 Làm nguội trong một môi trường ( đường a ) :

- Đây là phương pháp tôi đơn giản nhất và thường được dùng , bằng cách nhúng thép tôi vào một môi trường làm nguội nhanh thích hợp

- Vấn đề chọn môi trường làm nguội – môi trường tôi – có ý nghĩa quan trọng đặc biệt

- Yêu cầu đối với môi trường tôi : Về khả năng làm nguội thép , tức khả năng

nhận được Ms mà không bị nứt và với độ biến dạng nhỏ nhất, môi trường tôi phải đạt được hai yêu cầu chủ yếu sau :

+ Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng As kém ổn định nhất : 500 – 600 o

C để As không kịp phân hóa thành hỗn hợp Ferrite + Cementite

Muốn vậy môi trường tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn Vth Đạt được yêu cầu này sẽ bảo đảm nhận được tổ chức Ms, thép trở nên cứng Đây là yêu cầu cơ bản đối với mọi môi trường tôi

+ Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên , đặc biệt là ở

trong khoảng nhiệt độ chuyển biến Ms ( 300 – 200oC ), điều này sẽ có tác dụng làm giảm ứng suất tổ chức kèm theo chuyển biến này , bảo đảm thép tôi không bị nứt và ít cong vênh

Trong thực tế không môi trường tôi nào đạt được đồng thời cả hai yêu cầu nêu trên

1.2 - Tôi trong hai môi trường ( nước và dầu , đường b ) :

- Cách tôi này lợi dụng được cả hai ưu điểm của nước và dầu Thoạt tiên thép tôi được làm nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh : nước, dung dịch nước pha muối, pha kiềm ,… đến khi sắp xảy ra chuyển biến Ms ( 300 – 400o

C ) nhấc ra chuyển sang làm nguội chậm trong môi trường tôi yếu : dầu hoặc không khí cho đến khi nguội hẳn Như vậy vừa bảo đảm cho thép cứng , vừa

ít gây biến dạng , nứt

- Nhược điểm về mặt công nghệ của cách tôi này là khó xác định thời điểm và nhiệt độ chuyển môi trường, nếu quá sớm ( khi nhiệt độ của thép còn cao) không thể đạt độ cứng cao do có chuyển biến thành hỗn hợp Ferrite + Cementitevì làm nguội chậm tiếp theo , nếu quá muộn chuyển biến thành Ms xảy ra gây trong môi trường tôi mạnh dễ gây nứt , biến dạng.Thường xác định theo kinh nghiệm , ví dụ , thời gian giữ trong nước được tính theo mức là 2 – 3s cho 10 mm đường kính hay chiều dày, sau đó chuyển sang dầu Cách tôi này đòi hỏi tay nghề cao ( có kinh nghiệm ), khó cơ khí hóa , chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc , cho thép C cao yêu cầu độ cứng cao

1.3 - Tôi phân cấp ( đường c ) :

- Cách tôi này khắc phục được khó khăn về mặt xác định thời gian chuyển môi trường ở cách tôi trên Trong cách này thép tôi được nhúng vào một trường lỏng đang sôi hoặc đang nóng chảy có nhiệt độ cao hơn Mđ khoảng 50-100oC , thép bị nguội đến nhiệt độ này và giữ nhiệt để đồng đều nhiệt độ trên tiết diện (trong khoảng 3 – 5 phút) , sao đó nhấc ra làm nguội ngoài không khí để chuyển biến Ms

- Ưu điểm của cách tôi này là vẫn đạt độ cứng cao song gây ra ứng suất bên trong rất nhỏ , độ biến dạng thấp nhất , thậm chí có thể sửa nắn sau khi làm nguội phân cấp khi thép còn dẻo

- Hạn chế của tôi phân cấp là chỉ áp dụng được cho các thép có Vth nhỏ (thép hợp kim cao như thép gió) và với tiết diện mỏng như mũi khoan , lưỡi phay

* Ba cách tôi vừa nêu đều đạt được tổ chức Ms

1.4 - Tôi đẳng nhiệt ( đường d ) :

- Phương pháp này chỉ khác tôi phân cấp ở chỗ giữ nhiệt đủ lâu trong muối nóng chảy để As quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp Ferrite +Cementite nhỏ mịn có độ cứng tương đối cao và độ dai tốt Tùy theo nhiệt

độ giữ đẳng nhiệt sẽ được các tổ chức khác nhau : 250 - 400o

C sẽ nhận được Bainite , 500 - 600oC được Trustite Sau khi tôi đẳng nhiệt không phải ram

- Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu điểm của tôi phân cấp chỉ khác là có độ cứng thấp hơn và độ dai cao hơn

- Do năng suất thấp trong thực tế ít áp dụng cách tôi này Một số dụng cụ có yêu cầu cao về độ biến dạng , không yêu cầu độ cứng cao và gang cầu có áp dụng cách tôi này

1.5 - Gia công lạnh :

- Đối với nhiều loại thép dụng cụ hợp kim , do lượng C và nguyên tố hợp kim cao, điểm Mđ và Mk quá thấp nên khi làm nguội đến nhiệt độ thường vẫn còn nhiều As dư , làm cho độ cứng đạt được bị hạn chế Để đạt được độ cứng cao nhất , người ta có thể đem thép tôi tiếp tục làm nguội ( lạnh ) đến nhiệt độ âm ( -50 hay -70oC ) để As dư tiếp tục chuyển biến thành Ms Quá trình đó được gọi là gia công lạnh

1.6 - Tôi tự ram:

- Là cách tôi với làm nguội không triệt để , chỉ trong thời gian ngắn từ vài đến vài chục giây để sau đó nhiệt của lõi hay của các phần khác truyền đến, tiến hành ram ngay phần vừa được tôi Sau đó không phải đưa ra ram tiếp

- Tôi tự ram được dùng rộng rãi khi tôi cảm ứng các chi tiết lớn ( băng máy, trục dài…) tôi đục

- Ram thấp áp dụng cho dụng cụ và chi tiết máy cần độ cứng , tính chống mài mòn cao, chẳng hạn dao cắt , khuôn dập nguội , bánh răng, chi tiết thấm C , vòng bi , trục , chốt ,… chúng có yêu cầu độ cứng cao tới 56 – 64 HRC

2.2 - Ram trung bình ( 300 – 450 0 C) :

- Ram trung bình là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 300 –

4500C , tổ chức đạt được là Trôxtit ram

- So với thép tôi , sau khi ram trung bình độ cứng của thép giảm đi rõ rệt , nhưng vẫn còn khá cứng , khoảng 40 – 45 HRC , song ứng suất bên trong giảm mạnh , giới hạn đàn hồi đạt được giá trị cao nhất , độ dẻo , độ dai tăng lên

- Ram trung bình áp dụng cho các chi tiết máy , dụng cụ cần có độ cứng tương đối cao và đàn hồi như lò xo , nhíp , khuôn dập nóng , khuôn rèn

- Ram cao áp dụng rộng rãi cho các chí tiết máy cần giới hạn bền , giới hạn chảy cao , chịu va đập như các loại trục , bánh răng làm bằng thép chứa 0.3

- 0.5 %C

Ngoài ba phương pháp ram trên còn phải phân biệt ram màu và tự ram

IV- Độ thấm tôi và các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép :

1 – Định nghĩa :

Độ thấm tôi là chiều dày của lớp tôi cứng tính từ bề mặt đến lớp có tổ chức 50% Ms và 50% Trôxtit

Thời gian

Hình 4 : Giản đồ phân hủy As khi làm nguội đẳng nhiệt: Nhiệt độ (T) ,

thời gian (T) , chuyển biến (T)

T dưới (Mđ ~ 220oC ) : Mactenxit và Auxtenit dư , HRC ≥ 55

* Từ giản đồ này, có thể đưa ra các nghĩa về độ thấm tôi của thép :

- Lý thuyết : Độ thấm tôi là chiều dày lớp thép có chuyển biến Auxtenit thành Mactenxit khi tốc độ làm nguội lớn hơn hoặc bằng tốc độ làm nguội tới hạn, Vng ≥ Vth

Hình 5 : Sự phân bố độ cứng theo tiết diện mẫu tôi

D : Đường kính chi tiết

D1 : Lớp không được tôi

- Thực nghiệm : Theo thực nghiệm, người ta định nghĩa độ thấm tôi là lớp

thép sau khi tôi tính từ bề mặt vào có độ cứng HRC ≥ 50 ‚ 55 Giữa 2

định nghĩa thực tế và thực nghiệm có phần tương đồng nhau

* Ý nghĩa của độ thấm tôi :

- Biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng nhiệt luyện ( tôi + ram ), hay nói đúng hơn là biểu thị tỉ lệ của chi tiết được hóa bền nhờ tôi + ram

- Sau khi tôi , độ bền , độ cứng của thép tăng lên nhiều lần, song nếu lớp tôi quá mỏng thì hiệu quả này không đáng kể , chỉ có tính cục bộ, song khi lớp tôi dày , đặc biệt là khi tôi thấu, hiệu quả này sẽ trở nên rõ rệt hơn , do đó sức chịu tải của chi tiết tăng lên rõ rệt, điều này đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết lớn , chịu tải trọng nặng

- Trong thực tế chế tạo máy không yêu cầu thép có độ thấm tôi lớn càng tốt, mà yêu cầu chọn thép có độ thấm tôi phù hợp với kích thước tiết diện của chi tiết : chi tiết càng lớn phải làm bằng thép có độ thấm tôi càng cao, hay nói khác đi mỗi mác thép phù hợp với một tiết diện nào đó

- Trong một số trường hợp có thể còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm cho lõi không bị tôi , chi tiết sau khi tôi có độ cứng bề mặt và

độ dai cao

2 - Các yếu tố ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép :

2.1 Nhiệt độ tôi :

1600

911 727

Tổ chức đạt được sau khi tôi là Mactenxit + XeII + Auxtenit dư

2.2 Các môi trường tôi và tốc độ làm nguội :

- Môi trường làm nguội phải bảo đảm tốc độ làm nguội cao ở những nhiệt

độ ổn định nhất Auxtenit quá nguội ( 650 - 550oC) , để ngăn ngừa sự phân rã có thành phần hỗn hợp Ferit + Xêmentit tức là làm sao để tốc độ làm nguội lớn hơn hoặc bằng tốc độ làm nguội tới hạn Vln ≥ Vth Các môi trường tôi thường dùng :

a) Nước :

+ Nước là môi trường tôi mạnh , dể kiếm , an toàn nên thường dùng nhiều Nước lạnh ( 10 – 30oC ) có tốc độ nguội khá lớn (600o

C/s) , nên dễ gây cong vênh , nứt và biến dạng Nước nóng (> 40o

C ) làm giảm mạnh tốc độ nguội ở nhiệt độ cao ( từ 600 giảm xuống còn

100oC/s ) nên làm giảm khả năng tôi cứng, khả năng bị biến dạng

và nứt vẫn không giảm do không giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp

Vì vậy phải luôn cung cấp nước lạnh vào bể tôi trong lúc tôi

+ Nước là môi trường tôi cho thép C ( có Vth lớn ) , song không thích hợp cho các chi tiết có hình dạng phức tạp (dễ gây biến dạng và nứt)

+ Khi hòa tan vào nước một lượng 10% các muối NaCl , Na2CO3, NaOH, khả năng tôi cứng của thép tăng lên ( do tăng tốc độ nguội ở nhiệt độ cao ) song không tăng khả năng nứt ( vì không tăng tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp ) so với nước Dung dịch này được dùng để tôi thép C có Vth lớn

C ) sẽ bị bốc cháy , nên trong bể tôi dầu thường có ống xoắn nước làm nguội

+ Dầu là môi trường tôi cho thép hợp kim ( có Vth nhỏ ) , các chi tiết

có hình dạng phức tạp , thép C mỏng

c) Một số môi trường tôi khác :

+ Môi trường không phải chất lỏng như : khí nén , không khí tĩnh, tấm thép , tấm đồng , muối nóng chảy , thích ứng với thép hợp kim cao ( Vth nhỏ )

2.3 – Các phương pháp tôi :

- Như đã nói ở trên thì các phương pháp tôi khác nhau cũng ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép

2.4 – Tốc độ làm nguội tới hạn và độ ổn định Auxtenit quá nguội :

- Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ thấm tôi của thép chính là tốc

độ làm nguội tới hạn Tốc độ này càng nhỏ thì độ thấm tôi càng cao Nếu tốc độ này nhỏ tới mức Vth < Vnguội của lõi thì lõi cũng được tôi , tức là toàn tiết diện cũng được tôi và gọi là tôi thấu Nếu Vth < Vnguội của không khí thì thường hóa cũng đạt được tổ chức Mactenxit , đó là hiện tượng tự tôi

- Độ ổn định Auxtenit quá nguội và tốc độ tới hạn có tính tương tác Độ ổn định Auxtenit quá nguội càng lớn thì tốc độ tới hạn càng nhỏ , và do đó

độ thấm tôi sẽ càng lớn

2.5 – Thành phần hóa học của thép :

Hình 7

- Hàm lượng C trong Auxtenit có ảnh hưởng rất lớn đến độ thấm tôi Auxtenit có C càng cao , càng đồng nhất tính tôi cứng càng lớn, độ thấm tôi càng cao

- Tất cả các nguyên tố hợp kim hóa hòa tan trong Auxtenit (trừ Co ) đều làm tăng độ ổn định Auxtenit quá nguội , tức là làm đường cong chữ ‘C’ dịch sang phải ( hình 7 ), làm giảm Vth , và tất nhiên làm tăng độ thấm tôi Cho nên tất cả các loại thép hợp kim đều có độ thấm tôi cao hơn thép

C Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim thường dùng :

+ Man gan : Mangan hoà tan vào Ferrit và hoá bền pha này

Mangan có tác dụng hạ thấp nhiệt độ chuyển biến dẻo - giòn khi hàm 1ượng nhỏ (<0,2 %) và làm tăng nhiệt độ này khi hàm lượng tương đối cao (>0,5 %) Mn có tác dụng tăng độ thấm tôi mạnh vói

hệ số tăng độ thấm tôi là 4 (nghĩa là đường kính tôi tới hạn 1ý thuyết khi cho thêm 1% Mn tăng gấp 4 lần so với thép không có Mn) Mn là nguyên tố tạo Cacbit yếu, không tạo Cacbit riêng biệt

mà thay thế Fe tạo thành Xêmentit hợp kim Mn không có tác dụng đáng kể vào chuyển biến khi ram Trong thực tế, Mn thường được

sử dụng để tăng cơ tính cho thép không thông qua nhiệt luyện, để tăng độ thấm tôi cho thép cần nhiệt luyện và đặc biệt để nâng cao giới hạn đàn hồi cho các loại thép dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi Mn thường được sử dụng như một nguyên tố hợp kim độc lập

vì thép có Mn dễ tạo hạt tinh thể thô khi nung, có xu hướng giòn ram và giảm độ dẻo, độ bền

+ Silic: Silic không tạo Cacbit và có xu hướng làm thoát Cacbon có

trong thép Khi nung thép có chứa Si, cần chú ý các biện pháp bảo

vệ tránh thoát Cacbon Si có tác dụng làm tăng độ thấm tôi là 1,7

Si còn có tác dụng chống ôxi hóa cho thép ở nhiệt độ cao Si có tác dụng tăng tính đàn hồi cho thép Vì vậy, Si thường có mặt trong các mác thép đàn hồi

+ Crôm: Trong thép, Crôm liên kết với Cacbon tạo Cacbit phức tạp

dễ hòa tan vào Auxtenit khi nung lên trên 900o

C Giống như Mn và

Si, Cr cũng có tác dụng tăng độ thấm tôi với hệ số 3,2 Do tạo các loại Cacbit phân tán nhỏ mịn nên Cr có tác dụng chống ram, nâng cao độ bền nóng cho thép Cũng với nguyên nhân này, Cr có tác dụng làm tăng mạnh khả năng chống mài mòn cho thép

+ Niken: Ni là nguyên tố không tạo Cacbit Ni được hợp kim hóa

cho thép với mục đích chủ yếu là nâng cao độ thấm tôi cho thép ở mức trung bình (hệ số 1,4) Ni giữ hạt nhỏ cho thép thấm Cacbon

- Kích thước hạt cơ bản cũng có ảnh hưởng đến độ thấm tôi Độ thấm tôi của thép hạt lớn cao hơn thép hạt mịn Tuy nhiên , mặc dù thép hạt lớn

có độ thấm tôi cao hơn , trên thực tế người ta vẩn sử dụng thép hạt mịn

để chế tạo các chi tiết quan trọng vì thép hạt mịn có độ dai va đập cao hơn

- Các tạp chất không hòa tan trong Auxtenit gồm các Ôxit , Cacbit , các tạp chất phi kim loại , các hợp chất giữa các kim loại , chúng thúc đẩy chuyển biến thành hỗn hợp Ferit - Cacbit , làm tăng Vth, nếu với số lượng đáng kể chúng có khả năng làm giảm độ ổn định Auxtenit quá nguội , nghĩa là làm giảm độ thấm tôi của thép

V – Các phương pháp đo độ thấm tôi của thép :

- Để đo độ thấm tôi chủ yếu người ta dựa vào cách phân biệt giữa vùng tôi và vùng không tôi Có rất nhiều cách để phân biệt được sự khác nhau này , từ đó đo được độ thấm tôi , dưới đây là một số phương pháp phổ biến :

2 - Đo từ tính :

- Ở phương pháp này, người ta phân biệt giữa hai vùng bằng cách đo từ tính , vùng nào có Mactenxit nhiều thì vùng đó sẽ có từ tính mạnh hơn Cách đo này ít được dùng tới , vì sự khác nhau giữa hai vùng rất khó phân biệt

3 - Đo độ cứng :

- Như đã biết, Mactenxit là tổ chức có độ cứng rất cao, cao hơn các tổ chức khác như ( Xoocbit, Trustit, Bainit … ) sau khi tôi Người ta dựa vào đặc điểm này của thép để xác định độ thấm tôi của thép

a) Độ cứng trong tiết diện mẫu tôi:

- Xác định bằng thực nghiệm độ thấm tôi bằng cách đo độ

cứng trong tiết diện của mẫu tôi

102030405060HRC

Hình 9 : Sơ đồ nguyên lý tôi đầu mút

- Phần này sẽ được nghiên cứu trong phần thí nghiệm đo độ thấm tôi của thép

PHẦN II

THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

I – Chế tạo mẫu thí nghiệm :

* Các loại mẫu thí nghiệm:

- Phôi trụ tròn :

+ 25,L100+ 15,L80+ 20,L90

- Phôi trụ vuông :

+ Vuông 25 , L = 100 + Vuông 20 , L = 90 + Vuông 15 , L = 80

III – Thiết kế mô hình thí nghiệm :

1 – Cấu tạo phôi :

Phôi vuông Phôi tròn

2 – Thanh giữ phôi :

- Do phải tiếp xúc

trực tiếp với phôi

nóng ( >700oC ) nên thanh

giữ phôi được làm bằng thép để chịu nhiệt Để tiện cho việc chế tạo , vật liệu làm thanh này theo thiết kế là C45 vừa dể kiếm , vừa chịu được nhiệt theo yêu cầu

3 – Vòng đệm dẫn hướng phôi :

- Cũng như thanh giữ phôi chi tiết này cũng tiếp xúc trực tiếp với phôi nóng , nên vật liệu làm chi tiết này cũng được thiết kế là C45 Đường kính ngoài của lỗ

sẽ được lắp lỏng với thanh giữ phôi , đường kính trong sẽ thay đổi phụ thuộc vào kích thước của phôi

4 – Khối hợp định vị thanh giữ phôi :

Phôi được làm nguội diễn ra bên trong chi tiết này , vì đây là mô hình dùng cho việc thí nghiệm nên vật liệu làm nó được thiết kế là mica để trắng, trong suốt tiện cho việc quan sát thí nghiệm của sinh viên

5 – Thanh định vị vòi phun :

- Bộ phận định vị vòi phun sẽ có cấu

tạo như hình bên

- Toàn bộ phần này sẽ được gá lên hai thanh ngang đã được cố định ở

thùng nước bên dưới như hình vẽ

6 – Thùng chứa nước sau khi tưới nguội :

- Cũng với mục đích là cho sinh viên dễ quan sát quá trình diễn ra thí nghiệm , nên vật liệu làm thùng chứa nước này cũng được làm bằng mica trắng, trong suốt

7 – Thùng cấp nước tưới nguội :

- Để chiều cao cột nước phun ra khỏi vòi phun ( có đường kính

12mm ) là 70 mm thì sau nhiều lần thí nghiệm nhóm làm đề tài đã chọn được thể tích của bình cấp nước là 50l , với chiều cao mực nước của thùng so với vòi phun là 400mm

- Để điều chỉnh chiều cao cột nước phun lên theo yêu cầu , nhóm làm

đề tài đã sử dụng 2 van nước , một van điều chỉnh cột nước đặt ở gần vòi phun và một van cung cấp nước đặt ở thùng cấp

- Để ổn định áp lực nước lên phôi khi tưới nguội thì

trong khi tưới nguội máy bơm nước từ thùng dưới (thùng

chứa nước sau khi tưới nguội) sẽ bơm liên tục lên thùng cấp , đồng thời trên thùng cấp có khoét một lỗ30gần miệng thùng , khi đó nước sẽ được giữ gần như ổn định trong suốt quá trinh tưới nguội

8 – Máy bơm nước :

- Để bơm được nước từ thùng dưới lên thùng cấp , bù lại lượng nước

đã dùng cho việc tưới nguội thì máy bơm nước phải có khả năng bơm lên cao hơn 2m Từ đó nhóm làm đề tài đã sử dụng máy bơm có công suất 60W, có khả năng bơm nước lên cao tới 4m , đáp ứng được yêu cầu của bài thí nghiệm

9 - Lắp ghép :

- Mô hình sản phẩm :

- Mô hình lắp ghép:

- Sản phẩm đang làm việc :

o Thép C45 ( Theo tiêu chuẩn TCVN)

o Thép CD100 ( Theo tiêu chuẩn TCVN)

* Lý do để chọn các loại thép trên để làm thí nghiệm như sau :

 Dễ tìm vì có sẵn ở phòng thí nghiệm

 Do hàm lượng Cacbon trong thép ảnh hưởng đến độ thấm tôi , nên

ta chọn các loại thép có thành phần Cacbon tăng dần để phân tích ,đánh giá ảnh hưởng nói trên

* Bảng vật liệu được chọn làm mẫu :

1 - Thép CT3 ( Theo tiêu chuẩn ГOCT – tiêu chuẩn nhà nước của Liên

Xô cũ) a) Thành phần hóa học (%):

S, max

Khác, max

c) Tổ chức tế vi ở trạng thái ban đầu :

 Theo giản đồ Fe-C thì thép trước cùng tích có tổ chức là ferit và peclit

và thép cùng tích chứa 100% là peclit Có nghĩa là 0.8%C thì có 100% peclit , vậy thép chứa 0.2%C thì sẽ có 25% là peclit 75% còn lại

 Chế độ nhiệt luyện tổng quát

Vì CT3 có thành phần Cacbon khoảng 0.21%, tương đối thấp ,để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhưng bề mặt bị mài mòn mạnh như bánh răng, cam Để đạt đươc yêu cầu đó thép phải qua thấm Cacbon, tôi + ram thấp

2- Thép C45 ( Tiêu chuẩn Việt Nam):

S, max

Khac, max

b) Cơ tính ở trạng thái ban đầu :

бbk

MPa

бbch MPa

c) Tổ chức tế vi ở trạng thái ban đầu :

 0.8%C thì có 100% peclit , vậy thép chứa 0.45%C thì sẽ có 56% là peclit 44% còn lại sẽ là ferit

 Như vậy trong thép C45 sẽ có 56% là peclit có màu tối và 44% ferit có màu sáng

d ) Công dụng và chế độ nhiệt luyện tổng quát :

 Công dụng

- Thép C45 là loại thép với lượng Cacbon trung bình ,có độ bền độ dai đều khá cao Được dùng làm các chi tiết máy chịu tải và va đập như trục , bánh răng

 Chế độ nhiệt luyện tổng quát

 Nhiệt luyện sơ bộ :

- Vì C45 là loại thép hóa tốt được dùng làm các chi tiết quan trọng đòi hỏi qua gia công cắt gọt vì thế thường qua nhiệt luyện sơ bộ

- Sau khi rèn ,dập nóng để hình thành phôi thép được mang đi ủ hoàn toàn , ở các thép dẻo phải thường hóa hoặc ram cao để đạt độ cứng 180- 220 HB để dễ gia công cắt gọt

- Cuối cùng là tôi bề mặt để đạt độ cứng 52- 58 HRC để đảm bảo chống mài mòn

3 - Thép CD 100( Theo tiêu chuẩn Việt Nam):

S, max

Khac, max

kim loại : Dao cắt khuôn dập nóng và nguội ,dụng cụ đo , làm các dao nhỏ có năng suất thấp hoặc bằng tay với hình dạng đơn giản như cưa ,taro, bàn ren ,dao tiện

 Chế độ nhiệt luyện tổng quát -Để đạt đươc công dụng như trên thép phải qua chế độ nhiệt luyện

là: Tôi + ram thấp

- Sau khi Tôi + ram thấp độ cứng có thể đạt được 60HRC đủ để cắt

gọt được

II - Chế độ tạo mẫu theo quy cách :

- Mẫu thí nghiệm được chọn gồm 2 loại : mẫu trụ vuông và trụ tròn

 Mẫu trụ vuông : 100 x 20 x 20 ; 100 x 25 x 25 ; 80 x 15 x 15 …

Hình 10 : Mẫu trụ vuông làm thí nghiệm 100 x 25 x 25

 Mẫu trụ tròn : 25 x100 ; 20 x 100, 10 x 100 …

Hình 11: Mẫu trụ tròn làm thí nghiệm 100 x 25 x 25

III - Tôi mẫu :

- Việc xác định chế độ tôi cho mẫu trụ tròn 25 x100 được trình bày

như sau:

a) Đối với thép trước cùng tích và cùng tích ( ≤0.8C):

- Như đã đề cập ở phần đầu , đối với thép trước cùng tích và cùng tích thì nhiệt độ tôi phải lấy cao hơn Ac3 tức nung nóng tới trạng thái hoàn toàn là auxtenit Cách tôi như vậy gọi là tôi hoàn toàn

 to tôi = Ac3 + (30-50oC)

- Lượng Cacbon tăng lên từ 0,1 đến 0,8℅ thì nhiệt độ tôi giảm đi Điều này được giải thích dựa trên giản đồ Fe-C

Hình 12 : Giản đồ Fe_C

- Nhìn trên giản đồ Fe-C ta thấy đối với thép trước cùng tích và cùng tích ( ≤0.8C) tức là thành phần Cacbon biến thiên từ 0%- 0.8% thì đường Ac3 biến thiên từ 9100C đến 7270C Từ đó ta suy ra được cứ thành phần Cacbon tăng lên 0.1% thì nhiệt độ tôi sẽ giảm đi 430

Tổ chức sau khi tôi là Mactenxit và Auxtenit dƣ

b) Đối với thép sau cùng tích (> 0,8%C):

- Nhiệt độ tôi lấy cao hơn Ac1 , tức nung nóng thép tới trạng thái không hoàn toàn là Auxtenit Cách tôi như vậy là tôi không hoàn toàn

 to

tôi = Ac1 + (30-50oC)= 760-780oC

- Thép có lượng cácbon thay đổi từ 0,8 đến 1,3% hay cao hơn nữa đều có nhiệt độ tôi giống nhau Vì dù cho lượng Cacbon có thay đổi nhưng nhiệt độ tôi không thay đổi vì Ac1 là đường đẳng nhiệt