CHƯƠNG 4 NHIỆT LUYỆN THÉP

112 Chương nhiệt luyện thép Trong ba chương vừa qua đ trình bày dạng cấu trúc tinh thể đơn giản (kim loại), phức tạp (hợp kim), phụ thuộc tính vào cấu trúc chương nghiên cứu biến đổi tổ chức tính tương ứng thép nung nóng làm nguội tiếp theo, tức nhiệt luyện Thép vật liệu thông dụng hợp kim nhạy cảm với nhiệt luyện công nghệ phổ biến sản xuất khí Những dạng nhiệt luyện áp dụng cho hợp kim vật liệu khác hiểu thông qua nhiệt luyện thép 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.1.1 Sơ lược nhiệt luyện a Định nghĩa Nhiệt luyện công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt thời gian thích hợp sau làm nguội với tốc độ định để làm thay đổi tổ chức, biến đổi tính tính chất khác theo phương hướng đ chọn trước (nói chung điều chỉnh vô cấp tốc độ nguội, thường làm nguội số môi trường thấy sau này) Nhiệt luyện phương pháp gia công (treatment) có đặc điểm riêng Sau điểm phân biệt nguyên công với nguyên công gia công khí khác: - Khác với đúc, hàn không nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn trạng thái rắn (tức nhiệt độ nung nóng phải thấp đường rắn) - Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo (rèn, dập) nhiệt luyện (trừ - nhiệt luyện) hình dạng kích thước sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng kể - Kết nhiệt luyện đánh giá biến đổi tổ chức tế vi tính, kiểm tra vẻ mắt thường b Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện Hình 4.1 Sơ đồ trình nhiệt luyện đơn giản Đối với trình nhiệt luyện, đặc trưng ba thông số quan trọng sau (xem sơ đồ trình nhiệt luyện đơn giản vẽ hình 4.1): 112 113 - Nhiệt độ nung nóng Tn0 : nhiệt độ cao mà trình phải đạt đến - Thời gian giữ nhiệt tgn: thời gian ngưng nhiệt độ nung nóng - Tốc độ nguội Vnguội sau giữ nhiệt Ba thông số đặc trưng tương ứng với ba giai đoạn nối tiếp trình nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt làm nguội Đối với kết quả, nhiệt luyện đánh giá tiêu sau: + Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền Có thể nói tiêu gốc, song để thực thời gian, nên thường kiểm tra mẻ sản xuất đ ổn định + Độ cứng tiêu tính dễ xác định có liên quan đến tiêu khác độ bền, độ dẻo, độ dai Vì chi tiết, dụng cụ qua nhiệt luyện quy định giá trị độ cứng (tùy trường hợp, phải lớn hay nhỏ giá trị quy định) thông thường kiểm tra theo tỷ lệ (trong số trường hợp quan trọng phải kiểm tra 100%) + Độ cong vênh, biến dạng Nói chung độ biến dạng nhiệt luyện nhiều trường hợp nhỏ không đáng kể, song số trường hợp quan trọng yêu cầu khắt khe, vượt phạm vi cho phép sử dụng c Phân loại nhiệt luyện thép Sơ phân loại phương pháp nhiệt luyện thép với đặc điểm chủ yếu sau: Nhiệt luyện, thường gặp nhất: dùng cách thay đổi nhiệt độ (không có biến đổi thành phần biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức toàn tiết diện Nó bao gồm nhiều phương pháp: ủ: nung nóng làm nguội chậm để đạt tổ chức cân với độ cứng, độ bền thấp nhất, độ dẻo cao Thường hóa: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn austenit, làm nguội bình thường không khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân Mục đích ủ thường hóa làm mềm thép để dễ gia công cắt dập nguội Tôi: nung nóng làm xuất austenit làm nguội nhanh để đạt tổ chức không cân với độ cứng cao (nhưng kèm với độ giòn cao) Nếu hiệu ứng xảy bề mặt gọi bề mặt Ram: nguyên công bắt buộc sau tôi, nung nóng lại thép để điều chỉnh độ cứng, độ bền theo yêu cầu làm việc Như ram hai nguyên công nhiệt luyện kèm với (không tiến hành riêng lẻ mà luôn kết hợp với nhau), mục đích + ram tạo tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể - Hóa - nhiệt luyện: dùng cách thay đổi nhiệt độ biến đổi thành phần hóa học bề mặt làm vùng có biến đổi tổ chức tính mạnh Thường tiến hành cách thấm, khuếch tán hay nhiều nguyên tố định Thấm đơn nguyên tố có: thấm cacbon, thấm nitơ 113 114 Thấm đa nguyên tố có: thấm cacbon - nitơ, thấm cacbon - nitơ - lưu huỳnh Cơ - nhiệt luyện: dùng cách thay đổi nhiệt độ biến dạng dẻo để biến đổi tổ chức tính toàn tiết diện mạnh nhiệt luyện đơn Thường tiến hành xưởng cán nóng thép, tức xí nghiệp luyện kim 4.1.2 Tác dụng nhiệt luyện sản xuất khí Nhiệt luyện khâu quan trọng thiếu chế tạo khí có tác dụng chủ yếu sau a Tăng độ cứng, tính chống mài mòn độ bền thép Mục tiêu sản xuất khí sản xuất cấu máy bền hơn, nhẹ hơn, khỏe với tính tốt Để đạt điều không sử dụng thành vật liệu kim loại nhiệt luyện, sử dụng triệt để tiềm vật liệu mặt tính Bằng phương pháp nhiệt luyện thích hợp + ram, bề mặt, thấm cacbon, thấm cacbon - nitơ độ bền độ cứng thép tăng lên từ ba đến sáu lần, nhờ dẫn tới nhiều điều có lợi sau: - Tuổi bền (thời hạn làm việc) máy tăng lên hệ số an toàn cao, không gy vỡ (do nâng cao độ bền) Trong nhiều trường hợp máy hỏng bị mòn mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn có tác dụng - Máy hay kết cấu nhẹ đi, điều dẫn đến tiết kiệm kim loại (hạ giá thành), lượng (nhiên liệu) vận hành - Tăng sức chịu tải máy, động cơ, phương tiện vận tải (ôtô, toa xe, tàu biển ) kết cấu (cầu, nhà, xưởng ), điều dẫn tới hiệu kinh tế - kỹ thuật lớn Phần lớn chi tiết máy quan trọng trục, trục khuỷu, vòi phun cao áp, bánh truyền lực với tốc độ nhanh, chốt , đặc biệt 100% dao cắt, dụng cụ đo dụng cụ biến dạng (khuôn) phải qua nhiệt luyện + ram hóa nhiệt luyện Chúng thường tiến hành gần sau cùng, nhằm tạo cho chi tiết, dụng cụ tính thích hợp với điều kiện làm việc gọi nhiệt luyện kết thúc (thường tiến hành sản phẩm) Như thường thấy, chất lượng máy, thiết bị phụ tùng thay phụ thuộc nhiều vào cách sử dụng vật liệu nhiệt luyện chúng Những máy làm việc tốt không sử dụng vật liệu tốt (một cách hợp lý, chỗ) nhiệt luyện bảo đảm b Cải thiện tính công nghệ Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khâu, nguyên công gia công khí: rèn, dập, cắt Để bảo đảm sản xuất dễ dàng với suất lao động cao, chi phí thấp thép phải có tính cho phù hợp với điều kiện gia công cần mềm để dễ cắt dẻo để dễ biến dạng nguội Muốn phải áp dụng biện pháp nhiệt luyện thích hợp: ủ thường hóa Ví dụ, sau biến dạng (đặc biệt kéo nguội) thép bị biến cứng đến mức cắt gọt hay biến dạng (kéo) tiếp được, phải đưa ủ thường hóa để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo Sau xử lý thép trở nên dễ gia công Các phương pháp nhiệt luyện tiến hành với mục đích gọi nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm nguyên công gia công khí (thường tiến 114 115 hành phôi) Vậy sản xuất khí cần phải biết tận dụng phương pháp nhiệt luyện thích hợp, bảo đảm khả làm việc lâu dài cho chi tiết, dụng cụ thép mà làm dễ dàng cho trình gia công c Nhiệt luyện nhà máy khí nhà máy khí với quy mô nhỏ trung bình, phận nhiệt luyện không lớn thường đặt tập trung Sau nhiệt luyện sơ bộ, từ phôi thép chuyển tới phân xưởng cắt gọt, dập sau nhiệt luyện kết thúc chi tiết máy quan trọng (cần cứng bền cao) đưa qua mài hay thẳng đến lắp ráp Cách xếp có nhiều nhược điểm, song khác sản lượng thấp nhà máy khí có quy mô lớn lớn, chi tiết máy gia công hoàn chỉnh từ khâu đầu đến khâu cuối dây chuyền khí hóa tự động hóa bao gồm nguyên công nhiệt luyện Do nguyên công nhiệt luyện phải khí hóa chí tự động hóa phải chống nóng, độc để ảnh hưởng xấu đến thân người làm nhiệt luyện dây chuyền sản xuất khí Cách xếp chuyên môn hóa cao bảo đảm chất lượng sản phẩm tốt đồng đều, lại không tốn công vận chuyển có suất cao Cũng cần nhấn mạnh, nhiệt luyện công nghệ tiêu phí nhiều lượng để sinh nhiệt cần tổ chức sản xuất lựa chọn phương án tiết kiệm lượng 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép Như đ biết chất nhiệt luyện biến đổi tổ chức, chuyển pha, trước tiên hy xét xem nung nóng thép có thành phần cacbon lên đến nhiệt độ khác có chuyển biến pha nào, làm nguội với tốc độ nguội khác nhau, tổ chức vừa tạo thành biến đổi để thành tổ chức biết tính thay đổi Đó lý giải cho trình nhiệt luyện Ta xét biến đổi tổ chức cho trình Trước hết lấy sở thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C (ngoài Fe, C nguyên tố khác), từ loại thép có tổ chức đơn giản - peclit thép tích với 0,80%C mở rộng cho loại thép lại (trước sau tích) 4.2.1 Các chuyển biến xảy nung nóng thép - Sự tạo thành austenit Thao tác nhiệt luyện nung nóng Phụ thuộc vào thành phần cacbon thép nhiệt độ nung nóng, thép có chuyển biến khác a Cơ sở xác định chuyển biến nung Cơ sở để xác định chuyển biến nung thép giản đồ pha Fe - C, song giới hạn khu vực thép trạng thái rắn (dưới đường rắn) trình bày hình 4.2 Như thấy rõ từ giản đồ pha, nhiệt độ thường thép cấu tạo hai pha bản: ferit xêmentit, có peclit hỗn hợp tích hai pha 115 116 - Thép tích có tổ chức đơn giản cả, có peclit - Các thép trước sau tích có tổ chức phức tạp hơn: peclit có thêm ferit xêmentit thứ hai Bây nung nóng thép lên nhiệt độ cao, hy xem chúng xảy chuyển biến ? + Khi nhiệt độ nung nóng thấp Ac1 thép chưa có chuyển biến (cho nên sau dù làm nguội tổ chức thép không bị biến đổi, giản đồ pha) + Khi nhiệt độ nung nóng đạt đến Ac1, phần tổ chức peclit loại thép chuyển biến thành austenit theo phản ứng: [Fe + Fe3C]0,80%C Fe (C)0,80%C ferit xêmentit thứ hai thép trước sau tích chưa chuyển biến Vậy nung nóng nhiệt độ Ac1 chút ta thấy: Thép tích đ chuyển biến hoàn toàn: có tổ chức hoàn toàn austenit Thép trước sau tích có chuyển biến chưa hoàn toàn: có tổ chức không hoàn toàn austenit, tức có tổ chức tương ứng austenit + ferit austenit + xêmentit thứ hai Tuy nhiên nung nóng tiếp tục từ Ac1 lên đến Ac3 Accm có trình hòa tan ferit xêmentit II dư vào austenit, làm lượng hai pha tổ chức ngày + Khi nhiệt độ nung nóng cao Ac3 Accm hòa tan pha dư ferit xêmentit II vào austenit thép trước sau tích kết thúc pha: hoàn toàn austenit với thành phần thép Hình 4.2 Giản đồ pha Fe - C (phần thép) Vậy nung nóng đường GSE thép (dù có cacbon cao, thấp) có tổ chức giống dung dịch rắn austenit song với nồng độ cacbon khác thành phần cacbon thép Còn tiếp tục nung nóng đường lên đến sát đường rắn, thép giữ nguyên tổ chức nồng độ cacbon, tức không chuyển pha (nhưng làm hạt austenit lớn lên 116 117 nói mục b tiếp theo) Tóm lại sở để xác định tổ chức tạo thành nung nóng thép giản đồ pha Fe - C (căn vào tọa độ: %C - nhiệt độ nằm vùng nào, tổ chức tương ứng với vùng đó) Có thể thấy là, chuyển biến nung nóng vừa kể chuyển biến peclit thành austenit sở mục tiêu thường phải đạt tới phần lớn trình nhiệt luyện (trừ ram) Hy xét kỹ đặc điểm chuyển biến để rút kết luận cần thiết dẫn cho nhiệt luyện b Đặc điểm chuyển biến peclit thành austenit xét kỹ hai vấn đề: nhiệt độ chuyển biến kích thước hạt austenit tạo thành mà trình nhiệt luyện tương ứng phải đạt tới Nhiệt độ chuyển biến Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe - C, chuyển biến xảy A1 = 727oC, song điều nung nóng vô chậm (là điều kiện để xây dựng giản đồ pha), nên nung nóng thực tế (với tốc độ đáng kể) tất nhiên nhiệt độ chuyển biến phải luôn cao hơn, tốc độ nung lớn, nhiệt độ chuyển biến cao Có thể thấy rõ điều hình 4.3 người ta dùng cách nung nóng đẳng nhiệt để xác định thời gian xảy chuyển biến nhiệt độ khác thấy chuyển biến không tức thời: sau thời gian bắt đầu sau thời gian kết thúc (nung nóng đẳng nhiệt phương pháp nung đạt nhiệt độ nhanh giữ, ngưng, cách nhúng mẩu thép nhỏ, mỏng vào môi trường, thường muối lỏng nóng chảy, có nhiệt độ cao cố định Để lập nên giản đồ phải tiến hành nhiều mẫu nhiệt độ khác nhau) Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt peclit thành austenit thép tích có dạng hai đường cong biểu thị thời điểm bắt đầu kết thúc chuyển biến hai trục nhiệt độ - thời gian Qua thấy nhiệt độ nung (đẳng nhiệt) cao, thời gian bắt đầu kết thúc (tính khoảng cách từ trục hoành đến hai đường cong này) thời gian để hoàn thành chuyển biến (khoảng cách hai đường cong) ngắn lại Hình 4.3 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt peclit thành austenit thép tích vectơ biểu thị tốc độ nung V2 > V1 Tuy nhiên thực tế thường dùng cách nung nóng liên tục (nung với tốc độ), nên để làm rõ trường hợp người ta đặt lên giản đồ hai vectơ biểu thị tốc độ nguội, chúng cắt đường bắt đầu kết thúc điểm tương ứng Khi nung nóng với tốc độ khác nhau, V2 > V1, thấy rõ nhiệt độ bắt đầu kết thúc chuyển biến V2 luôn cao nhiệt độ loại V1, tức a2 > a1, b2 > b1 thời gian cần để hoàn thành chuyển biến ngắn lại 117 118 tương ứng Như vậy, tốc độ nung nóng cao chuyển biến peclit thành austenit xảy nhiệt độ cao thờì gian ngắn Trong thực tế, để đạt chuyển biến quy định phải nung nóng nhiệt độ tới hạn tương ứng 20 ữ 30oC nung chậm (ủ) tới hàng trăm oC nung nhanh (nung cảm ứng) Kích thước hạt austenit Tuy austenit không tồn nhiệt độ thường song phải để ý đến cấp hạt sản phẩm tạo thành từ hạt nhỏ ausenit có độ dẻo, độ dai trội so với từ hạt lớn austenit Vì thông thường trường hợp yêu cầu phải đạt tổ chức austenit hạt nhỏ, muốn phải biết quy luật hình thành hạt austenit lớn lên Chuyển biến peclit austenit theo chế: tạo phát triển mầm kết tinh Mầm austenit tạo nên hai pha ferit xêmentit peclit (hình 4.4) bề mặt phân chia chúng nhiều nên số mầm tạo thành nhiều, hạt austenit lúc tạo thành nhỏ mịn (có thể nhỏ cấp 8, tới cấp 9, 10 biểu thị hình 4.4d) (vì austenit có 0,80%C trung gian ferit 0%C, xêmentit - 6,67%C, nên mầm austenit sinh vùng hai pha này) Hình 4.4 Quá trình tạo mầm phát triển mầm austenit từ peclit (tấm) Cần ghi nhớ chuyển biến peclit austenit làm nhỏ hạt thép Hiệu ứng cần ý, tận dụng triệt để nhiệt luyện Hơn hạt austenit tạo thành nhỏ mịn peclit ban đầu có độ phân tán cao (tức phần tử xêmentit bé) tốc độ nung nóng lớn Tuy nhiệt độ Ac1, lúc tạo thành hạt austenit nhỏ mịn, song tiếp tục tăng nhiệt độ giữ nhiệt lâu làm cho hạt lớn lên Đây trình tự nhiên: hạt to biên giới làm giảm lượng dự trữ Sự lớn lên hạt theo chế hạt lớn "thôn tính" hay "nuốt" hạt bé (hay nói khác hạt bé bao quanh nhập vào hạt lớn) Khi làm nguội, kích thước hạt austenit không giảm đi, giữ nguyên cấp hạt lớn đ đạt trước Như vậy, lúc tạo thành hạt austenit nhỏ mịn nung nóng tiếp tục (hay giữ nhiệt) chúng lại lớn lên; vấn đề cần quan tâm chúng lớn lên ? nhanh hay chậm ? Theo đặc tính phát triển hạt austenit, chia hai loại thép: thép chất (di truyền) hạt lớn nhỏ trình bày hình 4.5 Thép chất hạt lớn loại có hạt austenit phát triển nhanh đặn nhiệt độ (đường II hình 4.5b) nung nóng dễ tạo thành austenit lớn, sau làm nguội tạo sản phẩm giòn Thép chất hạt nhỏ loại có hạt 118 119 austenit phát triển chậm lúc ban dầu, vượt 930 ữ 950oC hạt phát triển nhanh, chí nhanh (đường I hình 4.5b) Do với dạng nhiệt luyện thông dụng, nhiệt độ thường thấp 900oC, cao tới 930 ữ 950oC (thấm cacbon) thép chất hạt nhỏ cho hạt austenit bé loại thép chất hạt lớn Vì thép chất hạt nhỏ cho tính tổng hợp cao hơn, dễ nhiệt luyện đánh giá cao, ưa chuộng Tuy nhiên nung nóng nhiệt độ cao (> 1050 ữ 1100oC) - trường hợp nhiệt - tình hình khác đi, thép chất hạt nhỏ cho hạt austenit lớn loại chất hạt lớn Hình 4.5 Giản đồ pha Fe - C (a) sơ đồ phát triển hạt austenit thép tích (b) thép chất hạt nhỏ, thép chất hạt lớn, hạt chất, hạt nung nóng để nhiệt luyện, hạt peclit ban đầu, hạt austenit ban đầu Một câu hỏi đặt là: thép lại có loại chất hạt nhỏ lớn, khuynh hướng phát triển hạt austenit khác ? Đó thép có tồn yếu tố cản trở phát triển hạt hay không sở lý thuyết hàng rào Đặc tính khử ôxy thành phần hóa học hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất hay tính di truyền hạt thép Nếu thép khử ôxy triệt để, khử thêm nhôm, sau kết tinh có phần tử Al2O3, AlN nằm biên giới hàng rào, ngăn cản không cho hạt austenit "nhập" lại với nhau, loại thép có chất hạt nhỏ Thép hợp kim hóa nguyên tố tạo cacbit mạnh mạnh Ti V, Zr, Nb, W Mo tạo nên cacbit hợp kim khó tan loại thép có chất hạt nhỏ Hai nguyên tố crôm mangan 119 120 loại tạo cacbit yếu: crôm làm cản trở hạt phát triển không mạnh, mangan phôtpho làm hạt phát triển nhanh Như thép cacbon (không hợp kim hóa) loại không khử ôxy tốt (thép sôi) thuộc loại chất hạt lớn mức độ khác 4.2.2 Các chuyển biến xảy giữ nhiệt Tiếp theo nung nóng giai đoạn giữ nhiệt, không xảy chuyển biến song lại cần thiết để: - Làm nhiệt độ tiết diện, lõi có chuyển biến bề mặt - Có đủ thời gian để hoàn thành chuyển biến nung nóng - Làm đồng thành phần hóa học austenit lúc đầu hạt austenit có thành phần không đồng nhất: nơi trước ferit nghèo cacbon, nơi trước xêmentit giàu cacbon Trong giai đoạn cacbon (và nguyên tố hợp kim) san nồng độ Thời gian giữ nhiệt cần vừa đủ, không nên kéo dài mức cần thiết làm hạt lớn chọn phụ thuộc vào công nghệ nhiệt luyện cụ thể Các công nghệ liên quan đến khuếch tán hóa - nhiệt luyện, ủ khuếch tán thời gian dài, cảm ứng - ngắn (thường không có) Giai đoạn nung nóng để tạo austenit trình nhiệt luyện gọi giai đoạn austenit hóa 4.2.3 Các chuyển biến austenit làm nguội chậm Mục tiêu nung nóng giữ nhiệt để tạo nên austenit hạt nhỏ Bây hy xét xem làm nguội, austenit chuyển biến thành tổ chức với tính sao, điều định tính thép làm việc hay gia công tiếp theo: mềm, cứng, bền, dẻo, dai đến mức độ khác định giai đoạn Phân thành hai trường hợp lớn để xét: nguội chậm nguội nhanh Trước tiên xét cho trường hợp nguội chậm Tổ chức tạo thành làm nguội phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ nguội, thành phần, tổ chức thép vv phương thức làm nguội Giống nung nóng, trước tiên khảo sát làm nguội đẳng nhiệt cho thép tích (0,80%C) loại có tổ chức đơn giản (tổ chức ban đầu peclit) a Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit nguội (giản đồ T - T - T) thép tích Như đ biết từ giản đồ pha Fe - C, làm nguội, austenit chuyển biến thành peclit 727oC (tức To = 0) làm nguội chậm, điều không xảy thực tế Hy làm quen với dạng làm nguội gặp thực tế lại tiện cho việc xác định ảnh hưởng độ nguội đến chuyển biến, cách làm nguội đẳng nhiệt: làm nguội nhanh austenit xuống Ar1 (ở nhiệt độ austenit trở nên không ổn định, tồn tạm thời thời gian bị chuyển biến), giữ nhiệt đo thời gian bắt đầu kết thúc chuyển biến từ austenit thành hỗn hợp ferit - xêmentit (người ta làm nguội đẳng nhiệt cách nhúng mẫu nhỏ, mỏng đ austenit hóa vào bể muối nhiệt độ khác nhau) 120 121 Giản đồ T - T - T Tiến hành cho thép tích (sau xác định thời gian bắt đầu kết thúc chuyển biến nhiệt độ, đánh dấu chúng biểu đồ hệ trục nhiệt độ - thời gian, cuối nối điểm bắt đầu với nhau, điểm kết thúc với nhau) ta giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit nguội cho thép biểu diễn hình 4.6 Giản đồ có tên đơn giản thông dụng giản đồ T T - T biểu thị chuyển biến (transformation) austenit phụ thuộc vào nhiệt độ (temperature) thời gian (time) Giản đồ có hai đường cong hình chữ "C", chữ "C" (bên trái) biểu thị bắt đầu, chữ "C" thứ hai biểu thị kết thúc chuyển biến austenit thành hỗn hợp tích ferit xêmentit (vì sách kỹ thuật Nga người ta gọi giản đồ chữ "C") Đây giản đồ quan trọng nhiệt luyện thép sử dụng nhiều để xác định tổ chức sau làm nguội austenit, cần nắm vững Hình 4.6 Giản đồ T- T- T thép tích Các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt austenit nguội Từ giản đồ T - T - T thấy austenit bị nguội (tức thời) xuống 727oC chưa chuyển biến ngay, điều có nghĩa austenit tồn thời gian định trước chuyển biến, phân hóa gọi austenit nguội, không ổn định, khác với austenit tồn 727oC loại ổn định Trên giản đồ có năm khu vực rõ rệt: - 727oC khu vực tồn austenit ổn định, - bên trái chữ "C" - austenit nguội, 121 149 mức tôi: với thép 0,40%C HRC vào khoảng 52 ữ 55, thép 0,70%C HRC khoảng 62 ữ 64 b Ram trung bình (300 ữ 450oC) Nhiệt độ ram trung bình 300 - 450oC, tổ chức đạt trôxtit ram So với thép tôi, sau ram trung bình độ cứng giảm rõ rệt, cứng: với thép 0,55 ữ 0,65%C HRC khoảng 40 ữ 45, song đánh đổi lại ứng suất bên khử bỏ hoàn toàn, giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên Ram trung bình áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng tương đối cao đàn hồi khuôn dập nóng, khuôn rèn, lòxo, nhíp c Ram cao (500 ữ 650oC) Nhiệt độ ram cao 500 ữ 650oC, tổ chức đạt xoocbit ram So với thép tôi, sau ram cao độ cứng giảm mạnh, thép trở nên tương đối mềm: với thép 0,40%C HB nằm khoảng 200 ữ 300 (HRC 15 ữ 25), độ bền có giảm song lại đạt 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, thường 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 thường hóa, + ram cao cho tính tốt hẳn, đặc biệt giới hạn chảy tăng mạnh độ dai có giá trị cao Bảng 4.2 Cơ tính thép có 0,45%C dạng nhiệt luyện khác Dạng nhiệt luyện Cơ tính b, MPa 0,2, MPa , % , % aK, kJ/m2 ủ 8400C 530 280 32,5 50 900 Thường hóa 8500C 650 320 15 40 500 Tôi 8500C + ram 2000C 1100 720 12 300 Tôi 8500C + ram 6500C 720 450 22 55 1400 Như nhiệt luyện + ram cao tạo tính tổng hợp tốt nhất, dạng nhiệt luyện gọi nhiệt luyện hóa tốt hay đơn giản hóa tốt (từ thuật ngữ toughening - Anh, - Nga, số nơi nước ta gọi cải tiến) Tôi + ram cao áp dụng rộng ri cho chi tiết máy cần giới hạn bền, đặc biệt giới hạn chảy độ dai va đập cao loại trục, bánh làm thép chứa 0,30 ữ 050%C Sau ram cao độ cứng HB khoảng 230 ữ 280 cứng gia công cắt song lại dễ đạt độ bóng cao Để chống mài mòn phải bề mặt Khi ram, sau nung nóng giữ nhiệt đủ thời gian thường lấy khỏi lò làm nguội thông thường (trong không khí tĩnh, sàn xưởng) Với số thép 149 150 hợp kim định, sau ram cao, phải làm nguội nhanh cách nhúng vào dầu hay nước để tránh giòn ram loại II (xem mục 5.1.2f) Cần ý giới hạn nhiệt độ phân chia loại ram tương đối, phù hợp cho thép cacbon với thời gian giữ nhiệt khoảng 1h; thép hợp kim giới hạn nhiệt độ phân chia tăng lên Điều chủ yếu để phân biệt loại ram tổ chức nhiệt độ Ví dụ thép gió ram 560 ữ 600oC coi ram thấp tạo mactenxit ram Ngoài ba phương pháp ram phải phân biệt ram màu tự ram d Ram màu tự ram Khi nung (ram) nhiệt độ thấp, 200 ữ 350oC, mặt thép xuất lớp ôxyt mỏng với chiều dày khác có màu sắc đặc trưng như: vàng (~ 0,045àm) 220 ữ 240oC, nâu (~ 0,050àm) 255 ữ 265oC, o tím (~ 0,065àm) 285 ữ 295 C, xanh (~ 0,070àm) 310 ữ 320oC Nhờ dễ dàng xác định nhiệt độ ram thấp mà không cần dụng cụ đo nhiệt Quá trình tự ram đ 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 người 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 (vì làm non chi tiết máy hay dụng cụ) người ta làm nguội hẳn thép môi trường Trong sản xuất hàng loạt tiến hành tự ram cách thủ công đơn lẻ vậy, mà phải tính toán cân nhiệt thời gian nguội lúc cho lượng nhiệt thừa phần lại hay lõi vừa đủ để nung nóng (ram) phần đ đến nhiệt độ ram quy định ảnh hưởng cụ thể nhiệt độ ram đến tiêu tính thép khác trình bày sách tra cứu, sổ tay kỹ thuật chuyên dùng e ảnh hưởng thời gian ram Thời gian có ảnh hưởng đến chuyển biến ram không mạnh nhiệt độ Kéo dài thời gian ram có tác dụng tăng nhiệt độ, ví dụ kéo dài thời gian ram thấp hàng chục h đạt chuyển biến ram trung bình với thời gian bình thường (1 ữ 2h) Cuối cần ý sau nên ram để vừa tránh nứt xảy sau vừa để tránh tượng ổn định hóa austenit 4.6 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép Nhiệt luyện, đặc biệt tôi, không khống chế thông số biện pháp công nghệ gây hư hỏng không khắc phục được, gây lng phí lớn Cần hiểu rõ tác hại, nguyên nhân, cách phòng tránh khắc phục số khuyết tật chủ yếu 150 151 4.6.1 Biến dạng nứt a Nguyên nhân tác hại Nguyên nhân gây nứt biến dạng ứng suất bên (ứng suất nhiệt ứng suất tổ chức) mà chủ yếu làm nguội nhanh Nếu ứng suất bên vượt giới hạn bền, thép bị nứt, dạng hỏng chữa Nếu ứng suất bên vượt giới hạn chảy, thép bị biến dạng, cong vênh Nói chung khó tránh khỏi điều này, song độ biến dạng, cong vênh nhỏ giới hạn cho phép hại b Ngăn ngừa Ngăn ngừa, đề phòng khuyết tật cách tận lượng giảm ứng suất bên trong: - Nung nóng đặc biệt làm nguội với tốc độ hợp lý để đạt độ cứng yêu cầu, không nên dùng tốc độ nguội cao cách không cần thiết - Nung nóng trục dài thể treo để tránh cong - Khi làm nguội phải theo quy tắc như: nhúng thẳng đứng, phần dày xuống trước - Nên tận lượng dùng phân cấp, hạ nhiệt trước - Với vật mỏng phải khuôn ép c Khắc phục Khi biến dạng, cong vênh với số dạng chi tiết trục dài, đem nắn, ép nóng nguội Còn bị nứt không sửa 4.6.2 ôxy hóa thoát cacbon ôxy hóa tượng tạo nên vảy ôxyt sắt (sắt kết hợp với ôxy), thoát cacbon - cacbon bề mặt (ví dụ cacbon kết hợp với ôxy) a Nguyên nhân tác hại Nguyên nhân môi trường nung có chứa thành phần gây ôxy hóa Fe C; ôxy, CO2, nước chúng có không khí vào khí lò nung Thoát cacbon dễ xảy ôxy hóa, ôxy hóa thường kèm với thoát cacbon Tác hại ôxy hóa chỗ tạo nên vảy ôxyt sắt FeO, lớp vảy ngày dày lên, vỡ bong ra, lại tạo nên lớp làm hụt kích thước, xấu bề mặt sản phẩm Còn thoát cacbon khó nhận thấy mắt song làm giảm độ cứng khi Vấn đề chỗ chiều sâu lớp khuyết tật lớn hay nhỏ lượng dư gia công: nhỏ không cần để ý bị bóc gia công cắt; lớn không cho phép, ví dụ, tôi, lượng dư để mài nhỏ, số trường hợp không để lượng dư mặt b Ngăn ngừa Ngăn ngừa tốt nung nóng khí tác dụng ôxy hóa thoát cacbon, tiêu đánh giá trình độ nhiệt luyện Để thay lò thông thường với khí lò không khí hay sản phẩm cháy (lò đốt than, dầu ) người ta sử dụng lò nung điện có khí đặc biệt sau 151 152 - Khí bảo vệ hay khí có kiểm soát, khống chế loại khí chế biến từ khí (hơi) đốt thiên nhiên, có thành phần khí (ôxy hóa / hoàn nguyên) đối lập nhau: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 với tỷ lệ hợp lý để đến trung hòa tác dụng nhau, kết bề mặt bảo vệ Loại khí rẻ, dùng phổ biến nước, hỗn hợp khí đưa vào lò khác cho loại thép khác không dùng cho thép crôm cao - Khí trung tính nitơ tinh khiết (khi chứa lượng nhỏ ôxy đủ gây ôxy hóa) Tốt dùng acgông (Ar), đắt Loại khí dùng phòng thí nghiệm - Nung lò chân không 10-2 ữ 10-4 mmHg có khả chống ôxy hóa thoát cacbon cách tuyệt đối cho thép hợp kim Hiện áp dụng rộng ri nước công nghiệp Trong hoàn cảnh loại khí lò (với kết cấu đặc biệt độ kín với mức độ khác nhau) áp dụng: + Rải than hoa đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than Cách vừa làm giảm tuổi thọ lò vừa kéo dài thời gian nung + Lò muối khử ôxy triệt để than, ferô silic Cách áp dụng cho chi tiết nhỏ, suất thấp Được áp dụng rộng ri dao cắt c Khắc phục Khi đ xảy khó khắc phục Khi thoát cacbon dùng cách thấm cacbon lại song làm tăng biến dạng 4.6.3 Độ cứng không đạt Là loại khuyết tật mà độ cứng có giá trị không phù hợp (cao thấp hơn) với giá trị quy định cho thành phần cacbon phương pháp nhiệt luyện a Độ cứng cao Có thể xảy ủ thường hóa thép hợp kim, tốc độ nguội lớn Độ cứng cao quy định làm khó khăn cho gia công cắt Khắc phục cách nhiệt luyện lại với tốc độ chậm hay đem ủ đẳng nhiệt b Độ cứng thấp Thường xảy tôi, độ cứng thấp quy định không bảo đảm khả làm việc Nguyên nhân do: - Thiếu nhiệt: nhiệt độ chưa dủ, thời gian giữ nhiệt ngắn - Làm nguội không đủ nhanh theo yêu cầu đề để tạo nên mactenxit - Thoát cacbon bề mặt Sau xác định nguyên nhân, khắc phục cách làm lại, song tăng biến dạng 4.6.4 Tính giòn cao Sau tôi, thép bị giòn mức (ví dụ rơi gy) độ cứng mức cao bình thường Nguyên nhân nhiệt độ nung cao (gọi nhiệt), hạt thép bị lớn Khắc phục cách thường hóa để làm hạt nhỏ lại, tăng biến dạng 4.6.5 ảnh hưởng nhiệt độ tầm quan trọng kiểm nhiệt 152 153 a ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ yếu tố định chất lượng đạt được: thiếu nhiệt nhiệt làm xấu chất lượng Sai số khống chế nhiệt độ nhiệt luyện thép 10oC, nên việc kiểm tra nhiệt độ có ý nghĩa hàng đầu b Kiểm tra nhiệt độ nung Đo nhiệt độ cách xác việc quan trọng Thường dùng cách sau Đo dụng cụ đo nhiệt: - 400 ữ 500oC dùng nhiệt kế thủy ngân, - 1600oC dùng cặp nhiệt + đồng hồ (milivôn kế) mà nguyên lý đ học giáo trình vật lý: + cặp platin - platin - rôđi (90%Pt + 10%Rh), đo lâu dài từ -20 đến 1300oC, đo thời gian ngắn đến 1600oC, + cặp crômel [90%(Ni + Co) + 10%Cr] - alumel [95%(Ni + Co) + 5%(Al +S i+ Mn)], đo lâu dài từ -50 đến 1000oC, thời gian ngắn 1600oC - 1000 đến 2000oC dùng nhiệt kế quang học nhiệt kế xạ với sai số lớn (20 - 80oC) Các dụng cụ đo nhiệt cần thường xuyên kiểm tra độ xác để có chỉnh kịp thời ước lượng mắt Khi nung thép cao 550oC bắt đầu xuất màu mà màu tương ứng với khoảng nhiệt độ xác định: đỏ - 700 ữ 830oC, da cam - 850 ữ 900oC, vàng - 1050 ữ 1250oC, trắng 1250 ữ 1300oC Tất nhiên cách xác đòi hỏi có kinh nghiệm 4.7 Hóa bền bề mặt Trong nhiệt luyện thép, hóa bền bề mặt chiếm vị trí quan trọng, đặc biệt chế tạo động nổ, ôtô, máy kéo, máy công cụ, thủy khí Bề mặt chi tiết máy phận có yêu cầu cao nhất: chịu ứng suất tác dụng lớn nhất, chịu mài mòn ma sát, tiếp xúc với môi trường bị ăn mòn làm việc Rất nhiều chi tiết yêu cầu bề mặt có độ cứng, tính chống mài mòn cao lõi bền, dẻo, dai Muốn phải dùng cách biến đổi tổ chức lớp bề mặt theo phương hướng hóa bền (làm cứng lên) Trong chế tạo khí người ta dùng phương pháp học: phun bi, lăn ép dập làm biến dạng dẻo, biến cứng nâng cao độ cứng bề mặt thép, song cho hiệu không cao, suất thấp Tôi bề mặt hóa - nhiệt luyện có nhiều ưu điểm 4.7.1 Tôi bề mặt nhờ nung nóng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) Tôi cảm ứng phương pháp bề mặt có tiêu kinh tế - kỹ thuật cao nhất, áp dụng rộng ri sản xuất khí, đặc biệt sản suất hàng loạt a Nguyên lý nung nóng bề mặt Sơ đồ nung nóng cảm ứng trình bày hình 4.21a Nung nóng cảm 153 154 ứng xảy hiệu ứng nhiệt dòng điện cảm ứng chi tiết đặt từ trường biến thiên Để nung nóng, chi tiết đặt vòng cảm ứng vòng uốn lại từ ống (tròn, vuông, chữ nhật) đồng đỏ có nước làm nguội chảy bên Dòng điện xoay chiều chạy qua vòng cảm ứng tạo nên từ trường biến thiên Nhờ tượng cảm ứng lớp bề mặt chi tiết xuất dòng điện xoáy (fucô) tần số, nung nóng thép nhờ hiệu ứng Jun - Lenxơ Như đ biết, mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không tiết diện, chủ yếu tập trung bề mặt tới chiều sâu tỷ lệ nghịch với tần số f (Hz) dòng theo công thức = 5030 cm àf đó: - điện trở suất (.cm), - độ từ thẩm (gaus/ơcstet) Nhờ dòng điện cảm ứng (xoáy, fucô) nung nóng lớp bề mặt đến chiều sâu định Hình 4.21 Nung nóng cảm ứng: a sơ đồ nung nóng cảm ứng, b nung nóng toàn bề mặt tôi, c nung nóng liên tục - liên tiếp, chi tiết tôi, vòng cảm ứng, vòng phun nước, đường sức từ trường b Chọn tần số thiết bị Tần số dòng điện định chiều dày lớp nung nóng định chiều sâu lớp cứng Thường người ta hay chọn diện tích lớp cứng khoảng 20% tiết diện Đối với bánh chiều dày lớp 0,20 ữ 0,28m (m môđun răng) Các chi tiết lớn cần lớp dày (4 ữ 5mm) phải dùng thiết bị phát dòng có tần số không cao lắm, 2500 hay 8000Hz có công suất lớn, thường 100kW trở lên Chi tiết nhỏ cần lớp mỏng (1 ữ mm) phải dùng thiết bị phát dòng có tần số cao cao cỡ hàng vạn đến hàng chục vạn Hz: 66000 hay 250000Hz, với công suất nhỏ hơn, thường khoảng 50 ữ 100kW nước ta phổ biến loại sau c Các phương pháp Vòng cảm ứng uốn cho có dạng bao, ôm lấy phần bề mặt cần nung để song không tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 ữ 5,0mm, 154 155 nhỏ đỡ tổn hao Có thể có ba kiểu sau - Nung nóng làm nguội toàn bề mặt biểu thị hình 4.21b Sau nung nóng đến nhiệt độ tôi, chuyển phần nung nóng xuống vòng phun làm nguội (như hình vẽ) hay nhấc nhúng vào bể cạnh Cách áp dụng cho bề mặt nhỏ - Nung nóng làm nguội phần riêng biệt Đây cách cho bánh lớn (m > 6) hay cổ trục khuỷu Riêng trục khuỷu người ta phải thiết kế, chế tạo máy chuyên dùng điều khiển theo chương trình (xem tiếp mục 5.3.4) - Nung nóng làm nguội liên tục liên tiếp áp dụng cho trục dài (hình 4.21c), băng máy với bề mặt lớn Trong kiểu chi tiết dịch chuyển tương vòng cảm ứng vòng phun 3: phần đ nung nóng qua vòng phun (nung đến đâu làm nguội đến cách liên tục) Với chi tiết dài hay lớn thường tiến hành tự ram, lúc chế độ làm nguội quy định chặt chẽ để nhiệt tích lớp vừa đủ để nung nóng lại lớp bề mặt đến nhiệt độ ram yêu cầu d Tổ chức tính thép cảm ứng Thép dùng Để bảo đảm đồng thời yêu cầu sau có bề mặt cứng đủ chống mài mòn song lõi phải đủ bền, dẻo đặc biệt có độ dai cao để chịu va đập, thép đem cảm ứng phải có lượng cacbon trung bình, 0,35 ữ 0,55% (thường 0,40 ữ 0,50%) loại thép thường hay hợp kim thấp với độ thấm không cao Tổ chức Nung cảm ứng với tốc độ nhanh vùng chuyển biến pha (Ac1 ữ Ac3) từ hàng chục đến hàng trăm oC/s (trong lò cao 1,5 ữ 3,0oC/s), nên có đặc điểm sau - Nhiệt độ chuyển biến pha Ac1, Ac3 nâng cao lên, nhiệt độ phải lấy cao so với cách thể tích thông thường 100 ữ 200oC - Độ nhiệt cao nên tốc độ chuyển biến pha nung nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, hạt austenit nhỏ mịn nên kim mactenxit nhỏ Để vừa bảo đảm hạt nhỏ cảm ứng vừa bảo đảm giới hạn chảy độ dai cao lõi, trước thép phải nhiệt luyện + ram cao thành xoocbit ram Vậy cuối tổ chức thép là: bề mặt - mactenxit hình kim nhỏ mịn, lõi - xoocbit ram Cơ tính Với thành phần cacbon tổ chức vậy, sau cảm ứng thép có tính bề mặt cứng HRC 50 ữ 58, bảo đảm chống mài mòn tương đối tốt, lõi có độ cứng tương đối thấp HRC 30 ữ 40, bảo đảm giới hạn chảy độ dai cao Đáng ý lớp bề mặt sau cảm ứng chịu ứng suất nén dư, đạt đến 800MPa, nâng cao mạnh giới hạn mỏi Như cảm ứng thường áp dụng cho chi tiết: + chịu tải trọng tĩnh va đập cao, chịu mài mòn bề mặt bánh răng, chốt + chịu mỏi cao, + chịu uốn, xoắn dạng có ứng suất lớn phân bố bề mặt nơi tập trung ứng suất trục truyền, trục 155 156 e ưu việt Tôi cảm ứng phương pháp bề mặt đạt hiệu kinh tế - kỹ thuật cao, ứng dụng rộng ri sản xuất khí có ưu việt sau - Năng suất cao thời gian nung ngắn nung lớp mỏng bề mặt nhiệt tạo lớp kim loại - Chất lượng tốt thời gian nung ngắn nên hạn chế, chí tránh khuyết tật ôxy hóa, thoát cacbon, điều chỉnh chế độ điện, nhiệt độ nung, thời gian cách xác nên bảo đảm chất lượng đồng đều, kết lặp lại cách xác Độ biến dạng thấp lõi không bị nung nóng Độ cứng tăng so với thường khoảng ữ đơn vị HRC Hiện tượng gọi siêu độ cứng - Dễ tự động hóa, khí hóa, giảm nhẹ điều kiện làm việc công nhân, dễ đặt dây chuyền sản xuất khí Tôi cảm ứng đặc biệt có hiệu sản xuất hàng loạt hàng loạt lớn (như nhà máy chế tạo động cơ, ôtô, máy kéo với quy mô lớn) Trong số chi tiết máy trục khuỷu chi tiết hóa bền phương pháp đặc điểm điều kiện làm việc, hình dạng (rất dễ biến dạng nhiệt luyện) Tôi bề mặt cổ trục khuỷu theo thứ tự quy định tiến hành máy chuyên dùng thiết kế phù hợp cho trục khuỷu định trước (không phải loại vạn dùng cho loại trục khuỷu) Nhược điểm cảm ứng khó áp dụng cho chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột khó chế tạo vòng cảm ứng thích hợp Khi sản suất đơn với sản lượng thấp tính kinh tế không cao Cũng cần nhấn mạnh thêm nung cảm ứng dùng rộng ri kỹ thuật như: + nấu chảy thép, gang, kim loại đúc, luyện kim, + luyện vùng để luyện kim loại, nguyên tố siêu chế tạo bán dẫn kỹ thuật khác, + nung nóng để gia công áp lực dây chuyền cán, ép số sản phẩm bánh răng, cuốc bàn + hàn chế tạo ống, dán nylon, chất dẻo Ngoài bề mặt nung nóng cảm ứng người ta dùng phương pháp bề mặt lửa, nung nóng tiếp xúc điện điện phân Đặc điểm chung chúng thiết bị đơn giản song chất lượng thấp, khó khống chế nên sử dụng chế tạo khí 4.7.2 Hóa - nhiệt luyện Hóa - nhiệt luyện phương pháp hóa bền bề mặt có hiệu (cho độ cứng tính chống mài mòn cao hơn) cảm ứng, song có suất thấp hơn, 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 phương pháp thấm, bo hòa nguyên tố hóa học (cacbon, nitơ ) vào bề mặt thép cách khuếch tán trạng thái nguyên tử từ môi trường bên nhiệt độ cao Như hóa 156 157 nhiệt luyện thành phần hóa học lớp bề mặt thép thay đổi, tổ chức tính bị biến đổi mạnh Khi hóa - nhiệt luyện thường 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 ứng dụng rộng ri sản xuất khí - Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa hóa học (chống ôxy hóa nhiệt độ cao) thấm crôm, thấm nhôm, thấm silic Các trình thấm phải tiến hành nhiệt độ cao thời gian dài hơn, thực Các giai đoạn Khi tiến hành người ta đặt chi tiết thép vào môi trường (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 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 hưởng nhiệt độ thời gian Nhiệt độ thời gian ảnh hưởng 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: D = A.e Q KT biểu diễn hình 4.22a, tăng nhiệt độ yếu tố quan trọng để tăng chiều sâu lớp thấm Ví dụ hệ số khuếch tán D cacbon Fe tăng lên lần nhiệt độ tăng từ 925 lên 1100oC Nên hóa - nhiệt luyện thường có khuynh hướng nâng cao nhiệt độ, song nhiều trường hợp bị hạn chế làm cho hạt to, làm xấu tính Hình 4.22 ảnh hưởng nhiệt độ đến hệ số khuếch tán (a) ảnh hưởng thời gian đến chiều sâu lớp thấm (b) 157 158 Thời gian nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian giúp nâng cao chiều sâu lớp thấm song với hiệu không mạnh tăng nhiệt độ chiều sâu lớp thấm x phụ thuộc vào thời gian t theo quan hệ x = k t (k - hệ số, t - thời gian) 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 phương pháp hóa - nhiệt luyện thông dụng b Thấm cacbon Thấm cacbon phương pháp hóa - nhiệt luyện phổ biến nhất, dễ thực nhất, thường gặp nước ta nước công nghiệp Định nghĩa mục đích - Yêu cầu lớp thấm Thấm cacbon phương pháp hóa - nhiệt luyện bao gồm làm bo hòa (thấm, khuếch tán) cacbon vào bề mặt thép cacbon thấp (0,10 ữ 0,25%) ram thấp làm bề mặt có độ cứng, tính chống mài mòn cao (do lượng cacbon cao), lõi có độ bền tốt dẻo dai (do lượng cacbon thấp cũ) Tỉ mỉ thép thấm cacbon trình bày mục 5.3.2 Mục đích chủ yếu thấm cacbon làm cho bề mặt thép cứng tới HRC 60 ữ 64 với tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, lõi bền, dẻo, dai với độ cứng HRC 30 ữ 40 Cần nhớ đạt tính sau + ram thấp, nói đến thấm cacbon đ có hàm ý bao gồm dạng nhiệt luyện Để đạt mục đích trình thấm cacbon phải đạt yêu cầu sau - Đối với bề mặt: có lượng cacbon khoảng 0,80 ữ 1,00% (nhỏ không đủ cứng chống mài mòn, nhiều gây giòn, tróc nhiều XeII dạng lưới) để sau + ram thấp có tổ chức mactenxit ram cacbit nhỏ mịn, phân tán (không cho phép cacbit tích tụ lớn, dạng lưới) với độ cứng HRC cao 60 (thường 62 ữ 64) - Đối với lõi: có tổ chức hạt nhỏ (cấp ữ 8) với tổ chức mactenxit hình kim nhỏ mịn, ferit tự do, để bảo đảm độ bền, độ dai cao, HRC 30 ữ 40 Nhiệt độ thời gian Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon phải cho thép trạng thái hoàn toàn austenit, đ thấy từ giản đồ pha Fe - C có pha có khả hòa tan nhiều cacbon (tới 2,14%, ferit khả này) Vậy nhiệt độ thấm cacbon cao Ac3 thép tức khoảng 900 ữ 950oC (A3 thép 0,10%C khoảng 880oC) Như đ nói trên, thấm nhiệt độ cao chóng đạt chiều sâu lớp thấm quy định, có khuynh hướng 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 ữ 950oC mà giữ hạt nhỏ (song không nên thấm 950oC thời gian dài làm cho hạt lớn) Nâng cao nhiệt độ thấm có lợi rút ngắn thời gian đạt hiệu điều mang lại: hạt nhỏ, cong vênh, đơn giản hóa trình - Đối với thép chất hạt lớn (thép cacbon số thép hợp kim 158 159 thường) không nên thấm 930oC, tức nên 900 ữ 920oC Thời gian thấm (giữ nhiệt nhiệt độ thấm) phụ thuộc vào hai yếu tố sau 1) Chiều dày lớp thấm yêu cầu quy định điều kiện kỹ thuật thường ba mức sau: 0,50 ữ 0,80, 0,90 ữ 1,20 1,50 ữ 1,80mm cho lớp thấm có chiều dày 0,10 ữ 0,15 đường kính hay chiều dày tiết diện Riêng bánh chiều dày lớp thấm x tính theo môđun m răng, x/m 0,20 ữ 0,30, 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 lượng lại phụ thuộc vào môi trường thấm nhiệt độ nhiệt độ, tốc độ thấm cacbon môi trường lỏng cao nhất, sau đến khí, thấp thể rắn Nói chung thời gian thấm tính cho lớp thấm 1mm (là trường hợp thường gặp nhất) 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 ữ 950oC - 0,25 ữ 0,30mm /1h giữ nhiệt Chất thấm trình xảy Chất thấm thể rắn loại thấm cổ xưa nhất, dùng nhiều nước ta Chất thấm chủ yếu than gỗ (có thể thay mùn cưa) - 80 ữ 95% lượng nhỏ muối cacbonat (Na2CO3, BaCO3 ) muối khác có tác dụng xúc tác, làm nhanh trình thấm Sau trộn đều, hỗn hợp cho vào hộp với chi tiết, lèn chặt, đậy kín đem nung đến nhiệt độ thấm, có trình sau - Than gỗ (mùn cưa) 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 (đường SE nhiệt độ tương ứng) Cng.tử + Fe (C) - Fe (C)0,10,8(1,2 ữ 1,3) hình thành nên lớp thấm có chiều sâu định: cacbon cao giảm dần vào lõi - 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 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 lượng không cao hay khó bảo đảm tốt, thời gian dài hạt dễ bị lớn nồng độ cacbon bề mặt cao, thường đạt tới giới hạn bo hòa nhiệt độ thấm, 1,2 ữ 1,3%, làm nguội dễ tạo nên lưới XeII, gây giòn, dễ tróc + Đơn giản, dễ tiến hành 159 160 Thấm thể khí phương pháp thấm đại, sử dụng rộng ri sản xuất khí Như 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 CO, CH4 để thấm Trong thực tế người 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 được, tỷ lệ CH4 hỗn hợp cần ữ 5% (trong CO phải 95%) Quá trình xảy theo phản ứng CH4 2H2 + Cng.tử Vì người ta phải pha long pha chế khí thiên nhiên cho có nồng độ thích hợp (tạo lượng cacbon nguyên tử vừa đủ) để tạo nên lớp thấm có 0,80 ữ 1,00% theo yêu cầu Đó ưu điểm bật dạng thấm cacbon Trong sản xuất hàng loạt lớn, thấm cacbon thể khí tiến hành lò băng tải có phân vùng nhiệt độ khí thấm theo yêu cầu để sau hết chiều dài lò chi tiết nung nóng, thấm cacbon, tôi, ram, làm Nhờ giảm nhẹ điều kiện làm việc trình khí hóa, tự động hóa Khi khí thiên nhiên người ta dùng lò chu kì với nhỏ giọt dầu hỏa hay cồn sản xuất hàng loạt thường 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 suất thấm vừa bảo đảm bề mặt thấm không bị bo hòa cacbon Thấm thể lỏng dùng suất thấp, áp dụng cho chi tiết bé, điều kiện lao động xấu Nhiệt luyện sau thấm Như đ thấy khuếch tán cacbon kể tạo nên phân bố cacbon hợp lý tiết diện, tạo điều kiện để đạt 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 bề mặt: bề mặt cứng, lõi dẻo, dai, song mức độ cao (HRC 60 ữ 64 so với 52 ữ 58 bề mặt, HRC 30 ữ 40 so với 15 ữ 40 lõi (HRC 30 ữ 40 lõi hóa tốt, HRC 15 ữ 30 lõi trạng thái ủ hay thường hóa) bảo đảm tính chống mài mòn chịu tải tốt Ngoài bề mặt tạo nên lớp ứng suất nén dư nên làm tăng giới hạn mỏi Chính thấm cacbon thường 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 áp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp, không đặn mà cho lớp thấm đều, điểm ưu việt so với bề mặt Những chỗ không cho phép thấm phải ngăn cách mạ đồng phết đất sét Tuy có ưu 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 phương 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 160 161 chống mài mòn (HRC 65 ữ 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 thấm cacbon Người ta thường thấm nitơ dòng khí NH3 (amôniac) có nhiệt độ khoảng 480 ữ 650oC, lúc bị phân hóa mạnh theo phản ứng NH3 3H2 + 2Nng.tử 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) Như 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 ữ 0,30mm, 48h đạt 0,40mm - Sau thấm không tiến hành mài - Thép dùng để thấm thường thép hợp kim chuyên dùng Nếu dùng thép cacbon lớp thấm có nitrit sắt, pha cứng giòn nên thường dùng thép hợp kim hóa crôm, môlipđen nhôm nitrit chúng cứng giòn Trước thấm nitơ thép đem + ram trước 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 trình bày mục 5.3.3g - Lớp thấm cứng độ cứng cao giữ 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 vượt 200oC mactenxit bị phân hóa ram Công dụng Thấm nitơ 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 161 162 không lớn (do lớp thấm mỏng) số trục, bánh răng, sơmi máy bay, dụng cụ cắt, dụng cụ đo d Thấm cacbon - nitơ Định nghĩa mục đích Thấm cacbon - nitơ phương 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) Như nhằm mục đích hai phương 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, 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, 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 ưu việt có xu hướng thay cho thấm cacbon Khi thấm thể khí, người ta dùng công nghệ thấm cacbon thể khí với thay đổi nhỏ là: hỗn hợp thấm có thêm ữ 10%NH3, thấm nhiệt độ 840 ữ 860oC, thuận lợi cho đổi công nghệ với ưu 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 60 ữ 65) 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 20 ữ 30% Ví dụ bánh thấm cacbon sâu 0,90 ữ 1,20mm, thấm cacbon - nitơ cần 0,50 ữ 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 tuổi thọ lò Khi thấm thể lỏng, người ta dùng chủ yếu muối có gốc CN (gọi muối xyanua) hay CNO dạng nóng chảy, nhiệt độ cao (820 ữ 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 Nhược 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 thấm cacbon với quy trình đơn giản nhiều Thấm cacbon - nitơ nhiệt độ thấp Thấm cacbon - nitơ nhiệt độ thấp thường tiến hành thể lỏng Cách thấm cổ điển dùng muối xyanua nóng chảy 540 ữ 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 trên, dùng muối xyanua với nồng độ cao nên độc hại nên không chấp nhận 162 163 Trong chục năm qua người ta đ tìm phương pháp thấm cacbon nitơ với dùng muối không độc đ làm cho cách thấm có bước phát triển quan trọng Đó phương pháp Tenifer (từ từ tenax - làm bền, nitrur thấm nitơ, ferrum - sắt) Người ta áp dụng dạng nhiệt luyện cho chi tiết ôtô (trục khuỷu, bánh răng), khuôn dập, khuôn ép chảy Cuối cần nhấn mạnh phương pháp hóa bền bề mặt kể hiệu thấy rõ nâng cao tính chống mài mòn thông qua biểu độ cứng, tạo nên lớp ứng suất nén dư bề mặt với giá trị khoảng vài trăm MPa, nâng cao độ bền mỏi 163 ... 1) Vị trí đường cong (ch "C" nhánh phụ) d ch sang trái ch t, xa t ch l ch nhiều Nói khác thép khác t ch có tính ổn định austenit nguội thép t ch đôi ch t Điều giải th ch khó đạt austenit đồng... ta thấy: Thép t ch đ chuyển biến hoàn toàn: có tổ ch c hoàn toàn austenit Thép trước sau t ch có chuyển biến ch a hoàn toàn: có tổ ch c không hoàn toàn austenit, tức có tổ ch c tương ứng austenit... toàn toàn áp dụng cho thép sau t ch: Tth0 = Ac3 + (30 ữ 50oC) cho thép trước t ch, Tth0 = Accm + (30 ữ 50oC) cho thép sau t ch - Tốc độ nguội: nhanh đôi ch t, không khí tĩnh (đây c ch làm nguội thông