Nhiệt luyện kim loại

• Theo công nghệ xử lý: - Nhiệt luyện thể tích - Nhiệt luyện bề mặt - Hóa nhiệt luyện - Cơ nhiệt luyện Ủ Thường hóa Tôi Ram Phân lo ại Nhiệt luyện... - Xử lý biến cứng: biến cứng mactenx

NHIỆT LUYỆN VẬT LIỆU

KIM LOẠI

KSC Phan Anh Tú

NỘI DUNG

I Cơ sở về công nghệ nhiệt luyện

II Công nghệ nhiệt luyện bề mặt

Cơ sở về công nghệ nhiệt luyện

• Theo trình tự trong QTCN chế tạo:

- Nhiệt luyện sơ bộ : chuẩn bị phôi với cơ

tính phù hợp cho các nguyên công tiếp

theo trong quy trình.

- Nhiệt luyện kết thúc : hoàn thiện sản

phẩm với cơ tính đáp ứng yêu cầu làm việc

của chi tiết.

• Theo công nghệ xử lý:

- Nhiệt luyện thể tích

- Nhiệt luyện bề mặt

- Hóa nhiệt luyện

- Cơ nhiệt luyện

Ủ Thường hóa

Tôi Ram

Phân lo ại Nhiệt luyện

Nhiệt luyện thép có thể chia làm các loại:

Nhiệt luyện thuần túy

- Ủ: Ủ khuyếch tán, ủ thô hạt, ủ khử ứng suất, ủ tái kết tinh, ủ mềm (cầu hóa), thường hóa.

- Xử lý biến cứng: biến cứng mactenxit (tôi thấu suốt mặt cắt hay tôi

bề mặt)

- Xử lý tiết pha: Ram

- Hóa nhiệt luyện với khuếch tán các nguyên tố phi kim: thấm cacbon, C-N, thấm ni tơ, thấm bo

- Hóa nhiệt luyện với khuếch tán các nguyên tố kim loại: khuếch tán

Công nghiệp cần các loại NL như trên để tối ưu hóa các tính chất cơ học của thép (Hợp kim Al-, Ti) trong làm việc và tăng cường khả năng gia công cơ khí và khả năng xử lý (treatability) của cấu kiện.

Phân lo ại Nhiệt luyện

Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng thép hoặc chi tiết đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt một thời gian và làm nguội chậm (với tốc độ nguội <200 o C/h)

• Làm giảm độ cứng của thép để phù hợp gia công cắt gọt

• Làm tăng độ dẻo phù hợp gia công áp lực

• Làm nhỏ hạt thép

• Làm đồng đều về nồng độ

• Khử ứng suất dư do gia công áp lực

Nhi ệt luyện-ủ

Nhi ệt luyện-ủ

Nhiệt độ ủ Ủ hoàn toàn

Ủ trung gian

General Heat Treatment

HoldingTime

Heating

Temp

HeatingTemp

HoldingTime

Air cooling

Air cooling

Air cooling

Thép có ≥0,7%C Thép trước cùng tích

Ủ không hoàn toàn

Ủ cầu hóa

Ủ đồng đều hóa

General Heat Treatment

Diffusion controlled processes

slow heating holding times Slow cooling

Diffusion annealing Coarse grain annealing Normalizing

recristallisation annealing

Stress relief treatments

soft annealing

Time C-Content

slow heating holding times Slow cooling

Diffusion annealing Coarse grain annealing Normalizing

recristallisation annealing

Stress relief treatments

soft annealing

Time C-Content

Biến dạng và tái kết tinh

Tái k ết tinh

Nhiệt độ tái kết tinh min.≒ 0.4 *Nhiệt độ nóng chảy

Biến dạng

Kh ả năng gia công và nhiệt luyện

Kh ả năng gia công của thép cacbon

Thành phần HH

< 0.3% C : tôt hơn khi hàm lượng C tăng

> 0.3% C tôt hơn khi hàm lượng C thấp

carbon

< 1% Mn : tôt hơn khi hàm lượng Mn cao

> 1% Mn : tôt hơn khi hàm lượng Mn thấp

Tổ chức tế vi

< 0.5% C : Tổ chức Peclit phiến+ Ferit có KNGC tốt.

> 0.5% C : Tổ chức Ferit + Cacbit cầu có KNGC tốt.

• Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng chi tiết hoặc thép tới trạng thái hoàn toàn Auxtenit, giữ nhiệt và làm nguội trong không khí tĩnh

• Thép có <0.35%C : không ủ , chỉ thường hóa

• Thép có ≥0.35%C : chọn thường hóa thay cho ủ

giảm chi phí và thời gian (chất lượng không bằng ủ)

tạo điều kiện để gia công cắt gọt làm ổn định cấu trúc vi mô

các tính chất để chuẩn bị cho quá trình thấm C

Th ường hóa

Tôi thép

Martensite structure for SK5(0.8%C)

Rapidcooling

Austenit d ư và gia công nhiệt độ âm

Ms( ℃) = 550-(350C+40Mn+17Ni+20Cr

+10Mo +5w+35V+10Cu)+15Co+30Al

Sub-Zero Treatment Fe-C phase diadram and Ms, Mf points

General Heat Treatment

Aircooling

Ram

Hạt lớn không đều

Khuyết tật bề mặt và nứt

Thô hạt quá mức do nhiệt độ tái kết tinh

và thời gian giữ nhiệt không đúng.

Cấu trúc sau tái kết tinh ở nhiệt độ cao

(thép S10C cho gia công tạo hình nguội)

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram General

Heat Treatment

Peclit bị hòa tan

General Heat Treatment

Khả năng tạo hình nguội bị giảm do peclit bị hòa tan vì tốc độ nguội khi thường hóa quá chậm: thép cacbon thấp (< 0.3%C )

Nguyên nhân: sự tạo thành ferit (tổ chức cùng tích) và cacbit tiết pha ở biên hạt

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

Biến dạng do NL quá mức

Biến dạng (cong vênh) do NL quá mức xuất hiện sau khi thấm cacbon ở 780 O C đối với chi tiết được thường hóa sau rèn nóng

Nguyên nhân

- Cấu trúc thô bị tạo thành do nhiệt độ cao và

tốc độ nguội chậm khi thường hóa chi tiết (sau rèn nóng)

- Chuyển biến pha thích hợp ko xảy ra ở

vùng bên trong khi thấm C-N (nitrocarburizing) Điều này sinh ra ứng suất (làm nguội nhanh sau khi thấm C-N )

Cấu trúc thô của thép 16MnCr5 (thấm

cacbon, 0.16% C)

General Heat Treatment

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

Tổ chức có băng dài

Độ cứng không đồng đều (Hướng gia công song song với tổ chức băng dài, tốc độ gia công chậm)

Nguyên nhân: TPHH không đồng đều và tốc độ nguội chậm khi thường hóa

=> Ủ khuyếch tán và tốc độ nguội đầy đủ

General Heat Treatment

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

Sinh ra ứng suất/tính chịu mài mòn không đồng đều

Nguyên nhân: sự khác nhau về cấu trúc do tốc độ nguội không đồng nhất, cần có hướng nạp/phương pháp làm nguội đúng

Tổ chức tế vi không đồng đều ở vùng ngoài và trong.

General Heat Treatment

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

Thô hạt

Nguyên nhân: Nhiệt độ thường hóa cao hơn (850℃/20 ph/nguội KK)

Thép S45C bị thô tổ chức

(Peclit, ferit biên hạt, ferit kim)

Tính chịu mài mòn kém, tính giòn và độ bền mỏi giảm ngay ở mẫu không bị khía (non-notched sample)

General Heat Treatment

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

Khả năng cứng hóa kém khi xử lý Tôi-Ram

Không thể chuyển hóa mactenxit hoàn toàn vì khả năng cứng hóa kém

và hiệu ứng khối lượng

=> Độ bền mỏi giảm.

Ferit và Bainit trong thép 24CnMo5(0.24%C) Ferit, Peeclit và Bainit trong thép 24CnMo5

General Heat Treatment

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

Cần chú ý đến độ dư gia công Đối với chiều dài và đường kính độ dư gia công cho phép: 0.15~0.40 %

Thể tích thay đổi do chuyển biến pha

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

Công nghệ nhiệt luyện bề mặt

(thấm cacbon, ni tơ, tôi cao tần)

CO O

CO Na

O

NaCNO O

N CO

CO Na

Thấm cacbon bằng dung môi hữu cơ

 C-H-O

Thấm cacbon thể khí

 Carrier Gas + Enrich Gas

Thấm cacbon chân không (áp suất thấp)

 dưới áp suất khí quyển/ 900~1040℃

 Cacbon hóa bằng phản ứng khí bề mặt

Thấm cacbon plasma

 (-) : chi tiết / (+) : tường lò trong chân không

FeC H

Khuy ết tật trong quá trình thấm cacbon

Lượng austenite dư quá lớn

Lượng A dư lớn trong lớp thấm (bánh

răng) Thép 20MnCr 5 (0.2%C) (x400)

Nứt sinh ra trong lớp thấm (bánh răng) x100

Austenit dư dễ sinh ra trong thép thấm cacbon có chứa MnCr và CrNi, v.v.

Hư hỏng sớm do ứng suất khi vận hành

⇒ Kiểm soát C-Potential, nhiệt độ tôi

⇒ Nhiệt độ ram cao hơn 200℃ là không phù hợp.

Lưới cacbit hình thành trên biên hạt

Bánh răng hỏng sớm

Lưới cacbit tiết pha ở lớp thấm C biến cứng.

Lưới cacbit biên hạt ở lớp biến cứng thép 20 MnCr5 (0.2%C) (x200)

Chiều sâu lớp thấm hiệu quả quá nhiều (tăng đến 1.4~1.5 mm ( y/c: 1.0 ± 0.2 mm ) xuất hiện do thấm quá mức

Độ giòn trong lớp thấm tăng  hư hỏng sớm

Nứt do nhiệt luyện và mài (abrasive) ở lớp biến cứng

Lượng A dư lớn sinh ra do lớp biến cứng mở rộng và thấm quá mức => ứng suất kéo ở bề mặt

Nứt do mài ở bề mặt và vùng liên quan

⇒ Chuyển hóa austenite dư quá mức ở bề mặt

Nứt do mài trên bề mặt thép

16 MnCr5 (0.2%C).

Các nguyên tố hợp kim bị oxy hóa: Cr, Mn and Si, …

Lỗ rỗng trong lớp biến cứng bề mặt sau khi thấm N-C thép 23MoCrB (0.23%C) ( trạng thái

bị mài, x400 )

Th ấm Ni tơ

Giản đồ pha Fe-N

Thấm N thể khí

Carburizing hardening Gas nitriding

Quan hệ giữa độ cứng và chiều sâu

Th ấm Ni tơ

Th ấm Ni tơ

Depth of effective hardened layer

VickersHardness

CarbonContent (%)

Std hardness

Std hardness ofeffective hardened layer

a : gradual hardening distribution

b : gradual hardening distributionc: load distribution

Khuy ết tật trong quá trình tôi cao tần

Vật liệu

Sự hình thành nứt khi NL do tạp

chất phi kim (x40) TCTV không đồng nhất trong VL ban đầu(S45C, x200)

Gia nhiệt cảm ứng bề mặt bằng tần số cao dẫn đến ứng suất không đồng đều khi nung và nguội nhanh

Tạp chất phi kim nhiều gây nên nứt.

⇒ Hiệu ứng khía

Sư không đồng đều ban đầu về cấu trúc dẫn đến không đồng nhất về TCTV do thời gian

Cacbit bền vững tạo ra do ram ở nhiệt độ cao trong quá trình tinh luyện thép (x100).

⇒ Thời gian gia nhiệt ngắn khi nung cao

tần làm cacbit không kịp hòa tan.

Vật liệu

Thiết kế hình dạng lớp biến cứng

Độ bền mỏi theo hình dạng lớp biến cứng

bề mặt của bánh răng Cần có phương pháp gia nhiệt cho từng loại bánh răng

 Hình dạng lớp biến cứng bề mặt của bánh răng

Chi ều sâu lớp biến cứng khi tôi cao tần

Chiều sâu lớp biến cứng Khoảng cách từ bề mặt

Độ cứng Tc.

Độ cứng