Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 90 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
90
Dung lượng
1,22 MB
Nội dung
Chương : GIẢN ĐỒ PHA VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT-CÁC BON 2.1.CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN : 2.1.1.Pha, hệ, cấu tử, hệ cân bằng: - Cấu tử : nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền vững) cấu tạo nên vật liệu Chúng thành phần độc lập - Hệ (đôi gọi hệ thống) tập hợp vật thể riêng biệt vật liệu điều kiện xác định loạt hợp kim khác với cấu tử giống 3- Pha : tổ phần đồng hệ (hợp kim) có cấu trúc tính chất cơ, lý, hóa học xác định, pha có bề mặt phân cách Ví dụ : Ta có hệ gồm nước đá nước Hệ có cấu tử hợp chất H2O có hai pha : rắn (nước đá), lỏng (nước) Một chi tiết la tông (Cu+Zn) pha : Hệ có hai cấu tử Cu Zn có pha (dung dịch rắn hai cấu tử trên) -Hệ cân (ổn định) : Hệ trạng thái cân pha có lượng tự nhỏ điều kiện nhiệt độ, áp suất thành phần xác định Tức đặc tính hệ không biến đổi theo thời gian Thông thường hệ với pha trạng thái cân có độ bền, độ cứng thấp nhất, ứng suất bên trong, xô lệch mạng tinh thể thấp hình thành với tốc độ nguội chậm Hệ cân có tính chất thuận nghịch 5- Hệ không cân (không ổn định) : Khi thay đổi nhiệt độ áp suất làm tăng lượng tự hệ trở nên trạng thái khôg cân Lúc hệ chuyển biến sang trạng thái cân có lượng tự nhỏ Nói chung trạng thái không cân không ổn định, có xu hướng tự biến đổi sang trạng thái cân bằng, ổn định Trong thực tế số trạng thái không cân tồn lâu dài, nhiệt độ thường chuyển biến xảy chậm không nhìn thấy Trạng thái không cân thường có độ bền, độ cứng cao nên sử dụng nhiều thực tế (tổ chức mactenxit sau tôi) Trạng thái không cân hình thành với tốc độ nguội nhanh 6-Hệ giả ổn định : Trạng thái giả ổn định tồn trạng thái cân (ổn định) tuyệt đối tồn lý thuyết, tức phải nung nóng hay làm nguội vô chậm mà thực tế khó xảy Vậy giả ổn định thực chất không ổn định thực tế lại tồn cách ổn định nung nóng hay làm nguội phạm vi 2.1.2.Quy tắc pha công dụng : Trạng thái cân hệ xác định yếu tố bên (thành phần hóa học) yếu tố bên ( nhiệt độ áp suất) Tuy nhiên yếu tố phụ thuộc lẫn Bậc tự số lượng yếu tố độc lập thay đổi phạm vi định mà không làm thay đổi số pha (ký hiệu F –bậc tự freedom) Quy tắc pha xác định mối quan hệ số pha P (phase), bậc tự F số cấu tử C (component) Ta có : F = C - P + 2 số cấu tử bên ngoài: áp suất (P ) nhiệt độ (T) Nhưng việc nghiên cứu vật liệu tiến hành khí quyển, có áp suất không đổi nên số yếu tố bên nhiệt độ Vì công thức : F=C-P+1 Cần lưu ý bậc tự số nguyên không âm, số pha cực đại lớn số cấu tử đơn vị (PMAX = C + 1), giúp cho việc xác định số pha hệ hợp kim dễ dàng Ví dụ : - Khi F = tức có yếu tố thay đổi (nhiệt độ hay thành phần), lúc số pha số cấu tử - Khi F = cấu tử trừ có hai yếu tố thay đổi lúc, số pha số 2.2.DUNG DỊCH RẮN VÀ CÁC PHA TRUNG GIAN: (Dung dịch rắn, pha trung gian hổn hợp học) 2.2.1.Khái niệm phân loại dung dịch rắn : 1-Khái niệm : Cũng giống dung dịch lỏng, dung dịch rắn ta không phân biệt cách học nguyên tử cấu tử, nguyên tử chúng phân bố xen vào mạng tinh thể Cấu tử có số lượng nhiều hơn, giữ kiểu mạng gọi dung môi Các cấu tử lại gọi chất hòa tan Dung dịch rắn pha đông có cấu trúc mạng tinh thể cấu tử dung môi thành phần thay đổi phạm vi định mà không làm đồng Ký hiệu dung dịch rắn A(B) Dung dịch rắn chia làm hai loại : dung dịch rắn thay dung dịch rắn xen kẽ 2-Dung dịch rắn thay : loại dung dịch rắn mà nguyên tử cấu tử hòa tan thay vào vị trí nút mạng cấu tử dung môi (nguyên tố chủ) Như kiểu mạng số nguyên tử khối sở cấu tử dung môi Tuy nhiên thay nhiều gây xô lệch mạng, có hai laọi nguyên tử có kích thước hoàn toàn giống Do thay xảy với cấu tử có kích thước nguyên tử khác (với kim loại sai khác không 15%) Tùy thuộc vào mức độ hòa tan người ta chia dung dịch rắn hòa tan vô hạn có hạn a - Dung dịch rắn thay hòa tan vô hạn : Là dung dịch rắn mà nồng độ chất hòa tan biến đổi liên tục, tức với nồng độ Trong loại dung dịch rắn phân biệt cấu tử dung môi, cấu tử chất hòa tan, cấu tử có lượng chứa nhiều dung môi, cấu tử lại chất hòa tan Ví dụ ta có dung dịch rắn cấu tử A B nồng độ A biến đổi từ 0-100%, nồng độ B biến đổi từ 100% - Điều kiện để hai cấu tử hòa tan vô hạn vào : Có kiểu mạng tinh thể Đường kính nguyên tử khác ít, nhỏ 8% ( 15% hòa tan vào Nồng độ điện tử không vượt giá trị xác định với loại dung dịch rắn (số lượng điện tử hóa trị tính cho nguyên tử), tức nguyên tố phải có hóa trị Các tính chất vật lý hóa học gần giống (cấu tạo lớp vỏ điện tử, tính âm điện, nhiệt độ chảy ) Nói chung nguyên tố nhóm bảng hệ thống tuần hoàn thỏa mãn điều kiện Các cặp nguyên tố hình thành dung dịch rắn vô hạn nguyên tố kim loại Cần ý điều kiện cần dung dịch rắn vô hạn b - Dung dịch rắn thay hòa tan có hạn : Là dung dịch rắn mà cấu tử hòa tan vào với giá trị định, tức nồng độ chúng bị gián đoạn Các cặp cấu tử không thỏa mãn bốn điều kiện tạo thành dung dịch rẵn có hạn c - Dung dịch rắn trật tự không trật tự : Nếu phân bố nguyên tử cấu tử hòa tan mạng dung môi cách ngẫu nhiên gọi dung dịch rắn không trật tự Trong số điều kiện (nhiệt độ, nồng độ) số hệ nguyên tử thay có tính quy luật gọi dung dịch rắn trật tự Ví dụ hệ Au-Cu làm nguội chậm nguyên tử đồng xếp tâm mặt bên, nguyên tử vàng nằm đỉnh khối sở 3-Dung dịch rắn xen kẽ : Là loại dung dịch rắn nguyên tử hòa tan nằm xen nguyên tử kim loại dung môi, chúng chui vào lỗ hổng mạng dung môi Như ta thấy só nguyên tử khối sở tăng lên Do kích thước lỗ hổng mạng tinh thể nhỏ nên nguyên tử hòa tan phải có kích thước nhỏ Đó nguyên tử C, N, H, B với dung môi Fe Đương nhiên dung dịch rắn xen kẽ có loại hòa tan có hạn 4-Các đặc tính dung dịch rắn : a - Mạng tinh thể dung dịch rắn kiểu mạng kim loại dung môi, thường có kiểu mạng đơn giản xít chặt Đây yếu tố định tính chất cơ, lý hóa Về giữ tính chất kim loại dung môi Tuy nhiên thông số mạng khác với dung môi : - Trong dung dịch rắn xen kẽ : thông số mạng dung dịch lớn thông số mạng dung môi - Trong dung dịch rắn thay : Nếu đường kính nguyên tử hòa tan lớn đường kính nguyên tử dung môi thông số mạng dung dịch lớn dung môi Nếu đường kính nguyên tử hòa tan nhỏ nguyên tử dung môi thông số mạng dung dịch nhỏ dung môi b - Liên kết liên kết kim loại Do dung dịch rắn giữ tính dẻo giống kim loại nguyên chất, có (trừ hệ hợp kim Cu-Zn, với 30%Zn hợp kim dẻo kẽm) c - Thành phần hóa học thay đổi phạm vi định mà không làm thay đổi kiểu mạng d - Tính chất biến đổi nhiều : độ dẻo, độ dai, hệ số nhiệt độ điện trở giảm, điện trở, độ bền, độ cứng tăng lên Do đặc tính nên dung dịch rắn sở hợp kim kết cấu dùng khí Trong hợp kim pha dung dịch rắn, chiếm xấp xỉ 90%, có trường hợp đến 100% 2.2.2.Các pha trung gian : Trong hợp kim loại hợp chất hóa học hóa trị thường Các hợp chất hóa học tồn hợp kim thường gọi pha trung gian giản đồ pha nằm vị trí trung gian dung dịch rắn 1-Khái niệm phân loại pha trung gian: Các hợp chất hóa học tạo thành theo quy luật hóa trị thường có đặc điểm sau : Có mạng tinh thể phức tạp khác hẳn mạng nguyên tố thành phần Luôn có tỷ lệ xác nguyên tố biểu diễn công thức hóa học định Tính chất khác hẳn nguyên tố thành phần, độ cứng cao, tính dòn lớn Có nhiệt độ nóng chảy xác định, hình thành phản ứng tỏa nhiệt Các pha trung gian hợp kim có đặc điểm khác với hợp chất hóa học theo hóa trị, : Không tuân theo quy luật hóa trị Không có thành phần xác Có liên kết kim loại Các pha trung gian hơp kim thường gặp : pha xen kẽ, pha điện tử, pha La ves, pha 2-Pha xen kẽ : Là pha tạo nên kim loại chuyển tiếp (Fe, Cr, Mo, W ) có đường kính nguyên tử lớn với kim (H, B, N, C ) có đường kính nguyên tử bé Kiểu mạng pha xen kẽ xác định theo quan hệ đường kính nguyên tử kim loại kim : - Nếu dA/dK < 0,59 pha xen kẽ có kiểu mạng đơn giản : tâm khối, tâm mặt, sáu phương xếp chặt Các nguyên tử kim xen kẽ vào lỗ hổng mạng Chúng có công thức đơn giản : K4A (Fe4N), K2A (W2C), KA (NbC, NbH, TiC), KA2 (Ti2H) Với K kim loại, A kim - Nếu dA/dK > 0,59 pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp công thức phức tạp K3A (Mn3C), K7A3 (Cr7C3), K23A6 (Cr23C6) Đặc điểm pha xen kẽ nói chung là: có nhiệt độ chảy cao (thường > 30000C) có độ cứng lớn (2000 5000 HV), có tính dòn lớn Chúng có vai trò lớn việc nâng cao tính chống mài mòn chịu nhiệt hợp kim 3-Pha điện tử (Hum-rozêri) Là pha trung gian có cấu tạo phức tạp, tạo nên hai kim loại Thành phần sau : * Nhóm : gồm kim loại hóa trị Cu, Ag, Au kim loại chuyển tiếp : Fe, Ni, Co, Pt, Pd * Nhóm hai : kim loại hóa trị hai, ba, bốn :Be, Mg, Zn, Cd, Al, Si, Sn Nồng độ điện tử N có giá trị xác định 3/2, 21/13 7/4 (21/14, 21/13, 21/12) Mỗi giá trị nồng độ điện tử ứng với kiểu mạng tinh thể Ví dụ : (Nồng độ điện tử N) -N = 3/2 pha với kiểu mạng lập phương tâm khối, hay lập phương phức tạp, hay sáu phương (Cu5Sn, Cu5Si) - N = 21/13 pha với kiểu mạng lập phương phức tạp (Cu31Sn8) - N = 7/4 pha với kiểu mạng sáu phương xếp chặt (AgCd3) 4-Pha Laves : La pha tạo nên hai nguyên tố (A, B), có tỷ lệ đường kính nguyên tử dA/dB = 1,2 (tỷ lệ biến đổi phạm vi 1,1 1,6), có công thức AB2, kiểu mạng sáu phương xếp chặt (MgZn2) hay lập phương tâm mặt (MgCu2) Trong hợp kim gặp pha : , , , Tuy nhiên loại pha phổ biến Một đặc tính quan trọng pha trung gian cứng dòn Vì không người ta dùng hợp kim có pha pha trung gian Tỷ lệ chúng hợp kim thông thường < 10% (có đến 20 30%), pha cản trượt làm tăng độ bền, độ cứng 2.2.3.Hỗn hợp học : Khá nhiều trường hợp, hợp kim có tổ chức hai hay nhiều pha : hai dung dịch rắn, dung dịch rắn hợp chất hóa học Cấu tạo gọi hỗn hợp học Trên tổ chức tế vi ta phân biệt rõ pha khác hỗn hợp học Hai trường hợp điển hình hỗn hợp học tinh tích 2.3 CÁC DẠNG GIẢN ĐỒ PHA HAI CẤU TỬ KHÔNG CÓ CHUYỂN BIẾN ĐA HÌNH (THÙ HÌNH) 2.3.1.Các giản đồ pha hai cấu tử : 1-Cấu tạo giản đồ pha hai cấu tử : a-Cấu tạo giản đồ pha cấu tử : Do cấu tử nguyên chất nên thành phần hoá học chúng không thay đổi, giản đồ pha cấu tử đơn giản Nó đường thẳng đứng ta ghi nhiệt độ chuyển biến pha cấu tử b-Cấu tạo giản đồ pha hai cấu tử : Giản đồ pha hợp kim hai cấu tư gồm có hai trục : trục tung biểu diễn nhiệt độ, trục hoành biểu diễn thành phần hoá học Trên ta vẽ đường phân chia khu vực pha khác Các điểm nằm đường nằm ngang biểu thị cho hợp kim có thành phần hoá học khác nhiệt độ Các điểm nằm đường thẳng đứng biểu thị cho hợp kim có thành phần xác định nhiệt độ khác Nếu hợp kim có cấu tạo hai pha điểm biểu diễn chúng nằm hai phía đối diện với điểm biểu diễn hợp kim Hình Hình Phương pháp xây dựng giản đồ trạng thái thức nghiệm Giản đồ hệ nguyên hòa tan vô hạn trạng thái lỏng trạng thái rắn 10 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG B Thấm bon thể rắn Chất thấm dùng bon thể rắn than hoa, than gỗ, trộn lẫn với số chất kích thích BaCO3, Na2CO3, K2CO3, Hiện người ta dùng axêtát natri ( CH3COONa.3H2O) hiệu thấm cao chất kích thích giá thành cao Yêu cầu chất thấm bon Có tác dụng thấm cácbon mạnh nhiệt độ định bon thấm vào chi tiết theo tốc độ đều, đảm bảo sau thấm xong chi tiết đạt hàm lượng bon chiều sâu theo yêu cầu Sử dụng nhiều lần, trì hoạt tính bon Tỷ trọng cần nhỏ, giảm trọng lượng; Tính dẫn nhiệt tốt để rút ngắn thời gian tăng nhiệt độ, thấu nhiệt , giữ nhiệt độ hộp đồng nhiệt độ thấm có tính co ít, độ bền cao; Không chứa tạp chất có hại : S, P, Thực chất trình thấm bon tạo lớp bon hoạt tính nằm hộp kín khe hở chất thấm hộp nhiệt độ thấm khoảng 900 - 950 oC ôxy tác dụng với bon tạo thành khí CO, nhiệt độ không ổn định tiếp tục ô xy hoá để trở thành CO2 giải phóng bon hoạt tính theo phản ứng : 2C + O2 -> CO 2CO -> CO2 + C ( Hoạt tính ) Các chất muối , chất kích thích thấm bon sinh phản ứng tạo bon hoạt tính : Na2CO3 -> Na2O + CO2 CO2 + C -> CO BaCO3 -> BaO + CO2 Các phản ứng xảy liên tục , tạo nên CO liên tiếp sinh bon " C " hoạt tính để vào bề mặt chi tiết cần thấm Đặc điểm thấm bon thể rắn * Thao tác dễ dàng, quy trình không yêu cầu chặt chẽ; * Chất thấm dễ tìm; * Không đòi hỏi thiết bị đặc biệt; * Phạm vi sử dụng rộng rãi; Nhược điểm * Khó khống chế chất lượng thấm; * Cường độ lao động cao, điều kiện lao động nặng nhọc : bụi nhiều, nhiệt độ cao, làm ảnh hưởng đến sức khoẻ công nhân * Thời gian thấm dài, chi phí cho sản xuất lớn; * Có khả làm cho thép có tổ chức hạt to gây khó khăn cho trình TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 49 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG c.Thấm bon thể khí Người ta dùng trực tiếp chất khí CO, CH4 để thấm CH4 2H2 + C ( dạng nguyên tử) Khi thấm cần - % CH4 không khí (nồng độ khoảng 0,8 - % Đó ưu điểm bật thấm bon thể khí Khi thấm khí CO yêu cầu độ tinh khiết CO > 90% Ưu điểm thấm bon thể khí : Năng suất cao, thời gian thấm tương đối ngắn; Chất lượng tốt, đảm bảo nồng độ bon quy định cho lớp thấm; Dễ khí hoá tự động hoá nên cải thiện điều kiện làm việc môi trường độc hại d Thấm bon thể lỏng Chỉ áp dụng cho chi tiết bé suất thấp, điều kiện lao động nặng nhọc Các chi tiết máy sau thấm tiến hành lần sau ram Độ cứng bề mặt đạt phoảng 60-63 HRC lõi có độ cứng 30-40 HRC 10.5.CÁC DẠNG HỎNG XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP : Nhiệt luyện (đặc biệt ram) nguyên công gần cuối việc chế tạo sản phẩm ngành khí, sai hỏng dẫn tới lãng phí vật liệu công sức công đoạn gia công trước Vì ta phải tìm hiểu kỹ lưỡng dạng hỏng thường gặp, nguyên nhân biện pháp khắc phục, phòng tránh chúng 10.5.1.Biến dạng nứt : 1-Nguyên nhân : Nguyên nhân gây biến dạng nứt ứng suất bên (ứng suất nhiệt ứng suất tổ chức) chủ yếu làm nguội nhanh Lúc hai loại ứng suất lớn Nếu ứng suất bên lớn hớn giới hạn chảy gây biến dạng, cong vênh Nói chung tránh biến dạng nhiệt luyện, vấn đề khống chế giới hạn cho phép.Nếu ứng suất vượt giới hạn bền gây nứt, dạng hỏng không sửa chữa chi tiết phải bỏ TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 50 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG 2-Khắc phục : Để khắc phục dạng hỏng phải tìm cách giảm ứng suất bên nhiệt luyện Có biện pháp sau : -Nung nóng đặc biệt làm nguội với tốc độ hợp lý, biện pháp -Nhúng chi tiết vào môi trường phải quy luật : xiên +Chi tiết nhỏ dài phải nhung vuông góc mà không nhúng +Chi tiết có phần dày mỏng khác phải nhúng phần dày xuống trước +Chi tiết phẳng mỏng phải nhúng thẳng đứng không nhúng ngang +Chi tiết có phần lõm phải ngửa phần lên -Các trục dài nung nóng phải treo thẳng đứng -Với chi tiết mỏng nhỏ phải khuôn ép -Cố gắng sử dụng phân cấp, hạ nhiệt trước 10.5.2.Ô xy hóa thoát bon : Ô xy hóa tượng nhiệt độ cao ô xy tác dụng với sắt tạo vảy ô xyt, làm thiếu hụt kích thước chi tiết.Thóat bon tượng bon lớp bề mặt bị cháy hao nung làm xấu bề mặt, giảm tính 1-Nguyên nhân : Do môi trường nung có chứa chất gây ô xy hóa ô xy, bo níc nước Thoát bon dễ dàng xảy so với ô xy hóa Khi bị ô xy hóa thường kèm theo thoát bon 2-Khắc phục : Để khắc phục dạng hỏng tốt nung nóng khí thành phần nói Ta sử dụng biện pháp sau : -Dùng khí bảo vệ : loại khí điều chế từ khí đốt thiên nhiên có thành phần khí đối lập (ô xy hóa / hoàn nguyên) : CO2/CO, H2O/H2 H2/CH4 với tỷ lệ xác định dẫn tới trung hòa bảo vệ tốt bề mặt thép -Dùng khí trung tính : ni tơ tinh khiết hay khí trơ argông Tốt dùng khí trơ argông có nhược điểm giá thành cao -Nung môi trường chân không : có áp suất 10-2 - 10-4 mm Hg, sử dụng rộng rãi giá thành không cao TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 51 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG -Nhúng chi tiết vào hàn the (Na2B4O7) trước nung -Rải than hoa (than gỗ) đáy lò hay phủ kín chiết than hoa -Nếu dùng lò muối phải khử ô xy triệt để than, hàn the hay ferô silic 10.5.3.Độ cứng không đạt : Là tượng độ cứng có giá trị không theo yêu cầu nhiệt luyện đặ ra, cao hay thấp quy định 1-Độ cứng cao : Sau nhiệt luyện xong độ cứng có giá trị cao yêu cầu, thường xảy ủ thường hóa thép hợp kim gây khó khăn cho gia công cắt gọt Nguyên nhân : tốc độ nguội lớn Khắc phục : tiến hành nhiệt luyện lại với tốc độ nguội chậm hay mang ủ đẳng nhiệt 2-Độ cứng thấp : Thường xảy độ cứng có giá trị thấp quy định mà phải có với thành phần bon tương ứng Có thể nguyên nhân sau : -Thiếu nhiệt : nhiệt độ nung chưa đủ, hay thời gian giữ nhiệt ngắn Khắc phục cách thường hóa lại với nhiệt độ thời gian -Làm nguội không đủ nhanh Khắc phục : thường hóa lại với tốc độ nguội nhanh -Thóat bon bề mặt, tiến hành thấm bon lại -Nhầm thép, đổi lại cho mác thép quy định Tuy nhiên việc khắc phục làm tăng biến dạng chất lượng sản phẩm giảm 10.5.4.Tính dòn cao : Là tương sau thép có tính dòn mức độ cứng giá trị cao bình thường Nguyên nhân nhiệt độ nung cao thời gian giữ nhiệt dài làm cho hạt thép bị lớn Khắc phục cách thường hóa lại với nhiệt độ thời gian Tuy nhiên làm tăng biến dạng cho sản phẩm TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 52 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG CHƯƠNG 11 : CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT Bề mặt chi tiết máy phận có yêu cầu cao quan trọng chúng chịu tác dụng ứng suất lớn nhất, chịu mài mòn tiếp xúc ma sát, bị ăn mòn môi trường làm việc Vì việc hóa bền bề mặt chi tiết yêu cầu thiếu sản phẩm Có nhiều phương pháp hóa bền bề mặt : biến dạng dẻo bề mặt gây biến cứng, bề mặt hóa nhiệt luyện 11.1.TÔI BỀ MẶT : 11.1.1.Nguyên lý chung : Bằng cách nung nóng thật nhanh lớp bề mặt với chiều dày xác định lên nhiệt độ tôi, phần lớn tiết diện sản phẩm không nung, nên có lớp bề mặt cứng Các phương pháp nung nóng bề mặt gồm có : nung nóng dòng điện cảm ứng có tần số cao, nung nóng lửa ô xy - axêtylen, nung nóng chất điện phân, nung nóng tiếp xúc Trong thường dùng hai phương pháp đầu 11.1.2.Tôi bề mặt dòng điện cảm ứng có tần số cao (tôi cao tần, cảm ứng) : 1-Nguyên lý : Nguyên lý nung nóng dựa vào tượng cảm ứng điện từ : cho dòng điện xoay chiều có tần số f chạy dây dẫn (gọi vòng cảm ứng) sinh không gian xung quanh từ trường biến thiên có tần số Đặt chi tiết thép từ trường sinh bề mặt (với chiều sâu xác định) dòng điện cảm ứng (dòng fucô) nhanh chóng nung nong bề mặt lên nhiệt độ theo hiệu ứng Jun - Lenxơ Mật độ dòng điện dòng xoay chiều chủ yếu phân bố bề mặt với chiều sâu tỷ lệ nghịch với tần số Chiều sâu phân bố dòng điện (chiều dày lớp nung nóng) tính theo công thức : = 5030 cm f Trong : - điện trở suất ( .cm ) - độ từ thẩm (gaus/ơcstec) TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 53 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG -f tần số dòng điện, Hz 2-Chọn tần số thiết bị : Tần số định chiều dày lớp nung nóng định chiều sâu lớp cứng Thông thường người ta thường chọn diện tích lớp cứng khoảng 20% tiết diện Các chi lớn cần lớp dày (4 - 5mm) ta dùng máy phát điện tần số cao với tần số từ 2500 đến 8000 Hz, có công suất lớn, thường từ 100 kW trở lên Với chi tiết nhỏ cần lớp mỏng (1 2mm) ta dùng thiết bị phát dòng điện có tần số cao từ 66000 đến 250000 Hz, có công suất 100kW, thường từ 50 - 60kW Tuy nhiên thực tế Việt Nam thường dùng thiết bị phát dòng cao tần, với chi tiết lớn cần chiều sâu dày ta tăng thời gian giữ nhiệt lên tương ứng 3-Cấu tạo vòng cảm ứng phương pháp : a-Cấu tạo vòng cảm ứng : Vòng cảm ứng làm ống đồng có cấu tạo phù hợp với bề mặt chi tiết cần tôi, bên có nước làm nguội Khoảng vòng cảm ứng với bề mặt chi tiết từ 1,5 - mm, khe hở nhỏ đỡ tổn hao công suất nung nóng b-Các phương pháp cảm ứng : -Tôi bề mặt : Vòng cảm ứng bao quanh bề mặt chi tiết, sau nung nóng xong ta chuyển sang phận làm nguội hay nhúng vào môi trường -Tôi bề mặt : Vòng cảm ứng có dạng tương ứng với bề mặt bên (sơ mi xy lanh ) Đi kề phận phun nước làm nguội -Tôi mặt phẳng : Vòng cảm ứng có dạng tạo mặt phẳng song song với bề mặt cần chuyển động song phắng với bề mặt Đi sau vòng cảm ứng thiết bị làm nguội Dùng bề mặt đầu ray băng máy nhỏ -Tôi phần riên biệt : Dùng cho bánh lớn (m > 6) hay cổ trục khuỷu Sau nung nóng phần (từng hay cổ khuỷu) tiến hành làm nguội chúng phải thiết kế riêng thiết bị làm việc theo chương trình -Tôi trục : Với trục dài có bề mặt lớn ta dùng phương pháp liên tục liên tiếp Vòng cảm ứng có cấu tạo đủ nung nóng phần nhỏ diện tích tôi, kề vòng cảm ứng vòng phun làm nguội Thiết bị chuyển động suốt chiều dài chi tiết toàn bề mặt 4-Tổ chức tính thép cảm ứng : a-Thép để cảm ứng : TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 54 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG Để đảm bảo yêu cầu bề mặt có độ cứng cao đủ chống mài mòn, lõi đủ bền, dẻo dai cao để chịu va đập, thép dùng cảm ứng có lượng bon trung bình từ 0,35 - 0,55%C Nếu thép hợp kim thuộc loại hợp kim thấp b-Tổ chức : Nung nóng cảm ứng có tốc độ nung nhanh từ hàng chục đến hàng trăm 0C/s (lò nhiệt luyện tốc độ 1,5 - 30C/s), có đặc điểm sau : -Nhiệt độ chuyển biến pha Ac1 Ac3 nâng cao lên, nhiệt độ phải lấy cao thể tích từ 100 - 2000C Ttôi cảm ứng = T thể tích + (100 - 2000C) -Do độ qúa nung cao nên tốc độ chuyển biến pha nhanh, thời gian chuyển biến ngắn (thường cỡ hàng chục giây), hạt austenit nhỏ mịn nên nhận mactenxit hình kim nhỏ mịn (mactenxit ẩn tích) Vì để bảo đảm hạt nhỏ mịn cảm ứng đảm bảo giới hạn chảy, độ dai cao phải nhiệt luyện hóa tốt trước có tổ chức xoocbit ram Sau cảm ứng bề mặt mactenxit hình kim nhỏ mịn, lõi xoocbit ram c-Cơ tính : Sau cảm ứng tiến hành ram thấp, bề mặt thép có độ cứng 50 58HRC chống mài mòn tốt, lõi độ cứng 30 - 40HRC có giới hạn chảy độ dai cao Điều đặc biệt sau cảm ừng tạo cho bề mặt lớp ứng suất nén dư đến 800MPa nâng cao mạnh giới hạn mỏi 5-Ưu nhược điểm : Tôi cảm ứng phương pháp bề mặt có hiệu kinh tế kỹ thuật cao nên sử dụng rộng rãi sản xuất khí a-Ưu điểm : Tôi cảm ứng có nhiều ưu điểm so với thể tích -Năng suất cao : thời gian nung ngắn nung lớp mỏng bề mặt nhiệt lượng tạo kim loại -Chất lượng tốt : thời gian nung ngắn nên hạn chế tối đa ô xy hóa thóat bon Bên cạnh điều chỉnh chế độ điện, nhiệt độ nung, thời gian nung cách xác nên đảm bảo chất lượng đồng Độ cứng cao thường khoảng từ - 3HRC, gọi siêu độ cứng -Dễ tự động hóa, khí hóa, giảm nhẹ điều kiện lao động cho công nhân -Thích hợp với sản xuất hàng loạt lớn (trong nhà máy chế tạo động cơ, ô tô, máy kéo có quy mô lớn) TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 55 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG b-Nhược điểm : Tuy nhiên cảm ứng có nhược điểm định -Khó áp dụng cho chi tiết có hình dáng bề mặt phức tạp hay thay đổi đột ngột tiết diện khó chế tạo vòng cảm ứng phù hợp -Hiệu kinh tế thấp sản xuất đơn hàng loạt nhỏ Nung nóng cảm ứng sử dụng rộng rãi kỹ thuật : +Nấu chảy vật liệu kim loại đúc luyện kim +Luyện vùng để tạo tạo nguyên tố siêu +Nung nóng để gia công áp lực : cán, ép +Hàn ống, dán nylon, chất dẻo 11.1.3.Tôi lửa : Phương pháp sử dụng lửa hỗn hợp ô xy - axêtylen thiết bị hàn khí Ngọn lửa có nhiệt độ cao, đến 30000C nên nhanh chóng nung nóng bề mặt thép lên nhiệt độ Phương pháp dùng để chi tiết lớn, yêu cầu lớp bề mặt dày (đến 10mm lớn ) mà không cảm ứng : bánh lớn, số loại trục Tôi lửa đơn giản, xưởng khí thực Tuy nhiên chất lượng khó đảm bảo : thiếu nhiệt, nhiệt, dễ tạo dải ram phụ tính không đảm bảo TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 56 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG THAM KHẢO THÊM 11.2.HÓA NHIỆT LUYỆN : 11.2.1.Định nghĩa mục đích : 1-Định nghĩa : Hóa nhiệt luyện phương pháp làm bão hòa nguyên tố cho (C,N, H, B, Cr, Al ) vào bề mặt thép để làm thay đổi thành phần hóa học, làm thay đổi tổ chức đạt tính chất theo quy định 2-Mục đích : Hóa nhiệt luyện nhằm đạt mục đích sau -Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn độ bền mỏi cho thép Với mục đích đạt cao so với bề mặt -Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa, hóa học (chống ô xy hóa nhiệt độ cao) Tuy nhiên mục đích thực nhiệt độ cao, thời gian dài, chi phí lớn nên giá thành cao 2-Các trình xảy : Để tiến hành hóa nhiệt luyện người ta cho chi tiết thép vào môi trường giàu nguyên tố cần khuếch tán nung nóng đến nhiệt độ cần thiết Khi giữ nhiệt độ xảy trình sau : a-Phân hóa : trình phân tích phân tử chất khuếch tán tạo nên nguyên tử có tính hoạt động mạnh b-Hấp thụ : sau nguyên tử hoạt hấp thụ vào bề mặt thép có nồng độ cao tạo chênh lệch nồng độ bề mặt lõi (gradien nồng độ hướng vào lõi) c-Khuếch tán : nguyên tử hoạt lớp hấp thụ sâu vào bên theo chế khuếch tán tạo lớp thấm có chiều sâu định Trong ba trình trình khuếch tán quan trọng định kết hóa nhiệt luyện 3-Các yếu tố ảnh hưởng : Nhiệt độ thời gian ảnh hưởng lớn đến khuếch tán chiều dày lớp thấm Nhiệt độ : cao chuyển động nhiệt nguyên tử lớn, tốc độ khuếch tán mạnh nên lớp thấm chóng đạt chiều sâu quy định Mối quan hệ sau : D = A.e-(Q/KT) TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 57 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG Từ ta thấy nhiệt độ yếu tố quan trọng làm tăng chiều dày lớp thấm tiến hành háa nhiệt luyện Thời gian : Ở nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian nâng cao chiều sâu lớp thấm nhiên hiệu không mạnh nhiệt độ Quan hệ sau : k 1/ (k hệ số, thời gian) 11.2.2.Thấm bon : 1-Định nghĩa mục đích : Thấm bon phương pháp làm bão hòa bon vào bề mặt thép bon thấp (%C 0,25%) để sau nhiệt luyện bề mặt có độ cứng cao, tính chống mài mòn lớn, trog lõi dẻo dai Mục đích thấm bon làm cho bề mặt thép có độ cứng đến 60 64 HRC tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, lõi bền, dẻo dai với độ cứng 30 - 40 HRC chịu uốn, xoắn va đập tốt Sau thấm bon hàm lượng bon lớ bề mặt khoảng 0,80 1,00% phù hợp nhất, lõi có hạt nhỏ mịn, phe rit tự Thấm bon phương pháp hóa nhiệt luyện sử dụng lâu đời phổ biến Việt Nam Tùy theo chất thấm người ta chia thấm bon thể rắn, thể khí thể lỏng (hiện không sử dụng độc hại) 2-Thấm bon thể rắn : a-Chất thấm : Gồm có than gỗ xay nhỏ đến cỡ - mm chiếm 85 - 90%, chất xúc tác (BaCO3, Na2CO3, K2CO3 ) với tỷ lệ 10 - 15% Đặt chi tiết vào hộp kín có chứa đầy chất thấm cho vào lò nâng lên đến nhiệt độ cần thiết b-Nhiệt độ thấm thời gian thấm : Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm bon đến trạng thái hoàn toàn austenit để có khả bõa hòa lượng bon cao được.Với thép chất hạt lớn nhiệt độ thấm từ 900 - 9200C thép chất hạt nhỏ nhiệt độ thấm đến 9500C Nhiệt độ thấm cao chiều sâu lớp thấm lớn Thời gian thấm bon định chiều sâu lớp thấm, giá trị quy định thiết kế chi tiết Với nhiệt độ cố định thời gian thấm tăng chiều sâu thấm lớn có ba cách tính thời gian thấm : - Theo công thức : k với k hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ thấm, thời gian thấm (giữ nhiệt, h), chiều sâu thấm (mm) - Tra bảng cho trước sổ tay nhiệt luyện - Theo kinh nghiệm : thấm 9000C 0,20 mm/1h thời gian giữ nhiệt TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 58 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG c-Các trình xảy : -Than cháy thiếu ô xy : 2C + O2 = 2CO -Khí CO chuyển động gặp bề mặt thép tác dụng xúc tác bị phân hủy : 2CO CO2 + Cnguyên tử -Ở nhiệt độ cao chất xúc tác bị phân hủy : BaCO3 BaO + CO2 CO2 + Cthan = 2CO tiếp diễn trình -Làm nguội sau thấm tạo lại xúc tác : BaO + CO2 = BaCO3 Các bon nguyên tử có tính hoạt động cao khuếch tán vào bề mặt thép theo chế sau : Cnguyên tử + Fe = Fe (C) Cnguyên tử + Fe = Fe3C d-Nhiệt luyện sau thấm : Sau thấm hàm lượng bon lớp bề mặt đạt 0,80 - 1,00%C độ cứng có tăng lên chưa sử dụng mà phải tiến hành nhiệt luyện Có hai phương pháp nhiệt luyện : hai lần ram thấp, lần ram thấp Tôi hai lần ram thấp : lần thứ nhiệt độ 860 - 8800C, với mục đích làm nhỏ hạt thép phá lưới xêmentit hai bề mặt Tôi lần thứ hai nhiệt độ 760 - 7800C tạo cho bề mặt có độ cứng cao Ram thấp với nhiệt độ 150 - 1800C Cách nhiệt luyện tốn nên dùng cho chi tiết quan trọng Tôi lần ram thấp : thấm bon thường sử dụng thép chất hạt nhỏ nên hạt không lớn Vì sau thấm xong hạ nhiệt xôúng 760 - 7800C sau tiến hành ram thấp 150 - 1800C Thấm bon thể rắn có đặc điểm thời gian dài (phải nung hộp chất thấm), điều kiện làm việc xấu (nhiều bụi than), chất lượng không cao (nồng độ bon lớn, thường tạo xêmentit hai bề mặt gây dòn) Tuy nhiên đơn giản dễ tiến hành 3-Thấm bon thể khí : Thấm bon thể khí phương pháp đại có nhiều ưu việt nhất, ngày áp dụng rộng rãi sản xuất khí TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 59 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG Dùng lò kín chứa đầy khí thấm (CO, CH4, C2H6 ) lấy từ khí thiên nhiên, cho chi tiết vào nâng lên nhiệt độ thấm Trong thực tế thường dùng CH4 với tỷ lệ 3-5% (do mêtan tác dụng thấm mạnh) lại CO (đến 95%) Tại nhiệt độ nung xảy trình sau : CH4 2H2 + Cnguyên tử Các bon nguyên tử khuếch tán vào bề mặt thép Nhiệt độ, thời gian thấm nhiệt luyện sau thấm tương tự thể rắn Thấm bon thể khí có đặc điểm : thòi gian thấm ngắn (do không nung hộp chứa đầy hỗn hợp thấm), chất lượng lớp thấm đồng đều, dễ khí hóa tự động hóa (sử dụng rộng rãi sản xuất hàng loạt lớn), điều kiện lao động tốt Tuy nhiên thiết bị giá thành cao 4-Công dụng : Thấm bon tạo tính tương tự bề mặt, độ cứng lớp bề mặt cao (60 - 64HRC), độ cứng lõi từ 15 - 40HRC, có ứng suất nén dư bề mặt Do đảm bảo chịu mài mòn cao chịu tải tốt nâng cao giới hạn mỏi Công dụng : dùng cho chi tiết làm việc nặng nề hơn, hình dáng phức tạp bánh hộp số, máy cắt kim loại, số loại trục, chốt 11.2.3.Thấm ni tơ : 1-Định nghĩa mục đích : Thấm ni tơ phương pháp hóa nhiệt luyện làm bão hòa ni tơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn tính chống ăn mòn (độ cứng cao hẳn thấm bon đến 65-70HRC) 2-Tổ chức lớp thấm ni tơ : Đạt giá trị độ cứng cao chất lớp thấm ni tơ, nhiệt luyện sau thấm Thấm ni tơ tiến hành thể khí với chất thấm amôniắc, nhiệt độ thấm khoảng 480 - 6500C Phản ứng sau : 2NH3 3H2 + 2Nnguyên tử Ni tơ nguyên tử có tính hoạt động cao khuếch tán vào bề mặt thép Cơ sở tiến hành thấm ni tơ giản đồ pha Fe - N Đi từ bề mặt vào tổ chức lớp thấm gồm có : -Pha dung dịch rắn sở pha xen kẽ Fe2N TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 60 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG -Pha ' dung dịch răn sở pha xen lẽ Fe4N -Pha fe rit ni tơ (dung dịch rắn nitơ Fe Tổ chức lớp thấm gồm nitrit - pha xen kẽ với độ cứng cao, phân tán nên có độ cứng tính chống mài mòn cao 3-Đặc điểm thấm ni tơ : -Do tiến hành nhiệt độ thấp khuếch tán khó khăn chậm nên lớp thấm mòng, thời gian thấm dài Thấm 5200C để đạt chiều sâu 0,40 mm phải giữ nhiệt 48h -Sau thấm không mài -Phải dùng thép đặc biệt 38CrMoAlA, trước thấm phải nhiệt luyện hóa tốt thành xoocbit ram -Lớp thấm cứng giữ nhiệt độ đến 5000C cao 4-Công dụng : Thấm ni tơ dùng cho chi tiết cần độ cứng tính chống mài mòn cao, làm việc nhiệt độ cao 5000C, chịu tải không cao (do lớp thấm mỏng) : số trục, sơ mi xy lanh máy bay, dụng cắt, dụng cụ đo, nòng súng Thấm ni tơ làm tăng đáng kể giới hạn mỏi 11.2.4.Thấm bon - nitơ (thấm xyanua) : 1-Định nghĩa mục đích : Thấm bon ni tơ phương pháp hóa nhiệt luyện làm bão hòa đồng thời bon ni tơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn chống mài mòn (nó trung gian thấm bon ni tơ) Nếu tiến hành thấm 5600C bon khuếch tán yếu nên lớp thấm chủ yuế ni tơ gần với thấm ni tơ Nếu thấm nhiệt độ 8500C hay coa khuếch tán bon mạnh nên lưóp thấm gần với thấm bon 2-Thấm bon ni tơ nhiệt độ cao : a-Thấm thể rắn : Tiến hành giống thấm bon khác chất thấm có thêm từ 20 - 30% muối K4Fe(CN)6, K3Fe(CN)6 Sau thấm phải ram thấp b-Thấm thể khí : TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 61 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG Tiến hành thấm bon thể khí chất thấm có thêm 510% NH3 nhiệt độ thấm 840-8600C Tổ chức lớp thấm cao có pha cácbon - nitrit Fe3(C,N) cứng phân tán nên nâng cao mạnh tính chống mài mòn, làm tăng tuổi thọ từ 50 - 100% Sau thấm phải từ nhiệt độ thấm ram thấp Phương pháp sử dụng rộng rãi không gây độc hại tạo chất lượng tốt c-Thấm thể lỏng : Tiến hành bể gồm hỗn hợp muối nóng chảy (trong chủ yếu muối có gốc CN hay CNO để cung cấp C N nguyên tử) Có hai cách : thấm nhiệt độ thấp nhiệt độ cao Thấm nhiệt độ thấp : Tiến hành nhiệt độ 540-5600C hỗn hợp gồm có 50%NaCN 50% Na2CO3 hay 50%NaCN 50%KCN Sau thấm không tiến hành ram Công dụng : chủ yếu dùng cho dụng cụ cắt gọt thép gió sau nhiệt luyện Phương pháp có nhược điểm độc hại dùng muối có gốc CN từ axit HCN (chỉ cần nhiểm độc khảong 1mg đủ gây tử vong) Thấm nhiệt độ cao : Tiến hành nhiệt độ 820-8600C muối có thành phần tương tự Sau thấm phải ram thấp Công dụng : dùng cho loại trục, bánh răng, chốt Để khắc phục nhược điểm thấm bon ni tơ ngày người ta dùng cac sloại muối không độc hại tạo phương pháp gọi tenifer (tenex - hóa bền, nitrur - thấm N, ferum - Fe) để tăng độ cứng tính chống mài mòn cho trục khủy, bánh răng, khuôn dập, khuôn kéo 11.2.5.Các phương pháp hóa nhiệt luyện khác : Ngoài phương pháp sử dụng phương pháp thấm bo, thấm crôm, nhôm, thấm silic để nâng cao độ cứng, tính chống ô xy hóa cho vật liệu Công dụng : khuôn rèn, tua bin phản lực, ghi lò, gầu rót thép gang -o0o -TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 62 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page 63 ... 0% *Lượng bon có peclit : 75% x 0,80% = 0,60%C Vậy lượng bon có thép gần dúng 0,60%C 27 ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG Chương GANG, THÉP VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG Sản phẩm chủ... nguyên tố hợp kim : Cr, Mo, Ni TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG Vì gang trắng khó gia công cắt gọt nên sử dụng để chế tạo... 170 - 229 170 - 241 170 - 241 TÓM TẮT BÀI GIẢNG PHẦN GANG THÉP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NL Page ĐINH MINH DIỆM - KHOA CƠ KHÍ – ĐHBK ĐÀ NẴNG GX 28 - 48 GX 32 - 52 GX 35 - 56 GX 38 - 60 28 32 35 38 48