giáo trình Điện tử môn học vật liệu học: phần 1

giáo trình Điện tử môn học vật liệu học: phần 1 trình bày về cấu trúc tinh thể; biến dạng dẻo và cơ tính; hợp kim và giản đồ pha; nhiệt luyện thép. mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm chi tiết nội dung.

3 Bảng kê ký hiệu viết tắt dùng sách (trong ngoặc nước ngoài) Ký hiệu viết tắt Tên gọi Đơn vị đo a, b, c thông số mạng nm aK (KCU, KCV, KCT) độ dai va đập kJ/m2, kG.m/cm2 A1, A3, Acm nhiệt độ tới hạn thép tương ứng với giản đồ pha Fe-C o Ac1, Ac3, Accm A1, A3, Acm nung nãng Ar1, Ar3, Arcm A1, A3, Acm lµm nguội AK công phá hủy, impact value, CVN energie J, ft.lbf B mật độ từ thông (Br - mật ®é tõ th«ng d­) gaus, tesla d, D mm đường kí nh E môđun đàn hồi MPa, GPa F lực, tải trọng N, kG, T h chiều cao àm, mm, m H c­êng ®é tõ tr­êng (HC - lực khử từ) ơstet HB độ cứng Brinen kG/mm2 HRA, HRB, HRC độ cứng Rôcven theo thang A, B, C HV độ cứng Vicke kG/mm2 KIC độ dai phá hủy biến dạng phẳng MPa m l, L chiều dài nm, µm, mm Ox, Oy, Oz, Ou c¸c trơc täa độ S tiết diện, mặt cắt, diện tí ch mm2 to, To nhiệt độ o t thời gian s (giây), (phót), h (giê) C C C nm, C, oK µm, v vËn tèc mm/s, m/min V tèc ®é nguội o , , góc tọa độ , , , , , dung dịch rắn , , , (ở dạng số) biểu thị dạng thù hình, ví dụ Fe khối lượng riêng, mật độ t bán kí nh cong (A, EL) độ gin dài tương đối % (Z, AR) độ thắt (tiết diện) tương đối % ứng suất tiếp MPa, kG/mm2, psi, ksi σ øng suÊt, øng suÊt ph¸p b (Rm, TS) giới hạn bền (kéo) ch (RY, Y) giới hạn chảy vật lý hay lý thuyết 0,2 (R0,2, YS) giới hạn chảy quy ước đh (Re, ES) giới hạn đàn hồi độ nhớt, độ sệt P (poise) C/s, oC/h g/cm3 Lời nói đầu Tuy vật liệu kim loại chiếm địa vị chủ chốt quan trọng, song không giữ độc tôn chế tạo khí người ta sử dụ ng ngày nhiều ceramic, polyme đặc biệt compozit Trong trường đại học kỹ thuật chuyên nghiệp đ có chuyển đổi giảng dạy môn Kim loại học nhiƯt lun” hay “VËt liƯu kim lo¹i” sang “VËt liƯu học hay Vật liệu học sở Cuốn sách đời nhằm đáp ứng yêu cầu nước người ta thường dùng từ Khoa học công nghệ vật liệu (Materials Science and Engineering) để đặt tên cho loại sách Khoa học vật liệu môn học nghiên cứu mối quan hệ tổ chức tí nh chất vật liệu, sở Công nghệ vật liệu có mục tiêu thiết kế hay biến đổi tổ chức vật liệu để đạt tới tí nh chất theo yêu cầu Trong công việc kỹ sư khí , từ việc định phương án thiết kế, tí nh toán kết cấu gia công, chế tạo, lắp ráp vận hành máy, thiết bị, có liên quan mật thiết đến lựa chọn sử dụng vật liệu Điều quan trọng người học phải nắm tí nh tí nh công nghệ vật liệu kể để có thĨ lùa chän vµ sư dơ ng chóng tèt nhÊt hợp lý, đạt yêu cầu tí nh ®Ị víi chi phÝ gia c«ng Ý t nhÊt, giá thành rẻ chấp nhận Song điều định đến tí nh tí nh công nghệ lại nằm cấu trúc bên Do yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc bên thành phần hóa học, công nghệ chế tạo vật liệu gia công vật liệu thành sản phẩm (luyện kim, đúc, biến dạng dẻo, hàn đặc biệt nhiệt luyện) có ảnh hưởng đến tí nh công dụng vật liệu lựa chọn, khảo sát cách kỹ Giáo trình biên soạn sở thực tiễn sản xuất khí nước ta nay, có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy môn số trường đại học Nga, Hoa Kỳ, Pháp, Canađa, Trung Quốc , đ áp dụ ng Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội năm gần Trong thực tế sử dụng vật liệu, đặc biệt vật liệu kim loại, lựa chọn loại vật liệu cách chung chung (ví dụ: thép) mà phải cụ thể (ví dụ : thép loại gì, với mác, ký hiệu nào) theo quy định nghiêm ngặt điều kiện kỹ thuật tiêu chuẩn tương ứng quy định Trong điều kiện nước ta nay, sản xuất khí sử dụng sản phẩm kim loại nhiều nước giới, đề cập hết Khi giới thiệu cụ thể thép, gang, giáo trình ưu tiên trình bày mác theo tiêu chuẩn Việt Nam (nếu có) có kèm với mác tương đương hay loại tiêu chuẩn Nga tiêu chuẩn đ quen dùng chí đ phỉ biÕn réng r∙i ë n­íc ta mÊy chơc năm qua Trong trường hợp ngược lại tiêu chuẩn Việt Nam chưa quy định, giáo trình lại giới thiệu mác theo tiêu chuẩn Nga có kèm theo cách ký hiệu TCVN 1659-75 quy định Ngoài kết hợp giới thiệu mác thép gang Hoa Kỳ, Nhật Bản nhữ ng quốc gia có kinh tế, khoa học - công nghệ mạnh hàng đầu giới Trong phần hợp kim màu, chủ yếu giới thiệu mác tiêu chuẩn AA (cho nhôm) CDA (cho đồng) tiêu chuẩn thông dụ ng giao dịch thương mại giới, đồng thời có kèm với mác tương đương hay loại tiêu chuẩn Nga Rõ ràng với cách trình bày thỏa mn hết yêu cầu thực tế sử dụ ng lúc phải tham khảo sách tra cứu tương ứng Cũng cần nói thêm thuật ngữ khoa học dùng sách theo quy định tiêu chuẩn TCVN 1658 - 87 TCVN 1660 - 87 Cuối tên gọi nó, nên coi điều trình bày sách phần kiến thức sở vật liệu thường dùng sản xuất khí Điều có nghĩa để làm tốt công việc kỹ thuật, cần tham khảo thêm sách, tài liệu chuyên sâu từ ng lĩnh vực đ đề cập Rõ ràng đạt hoàn thiện tuyệt đối, phát triển không ngừng khoa học - công nghệ thÕ giíi vµ ë n­íc ta, cïng víi kinh nghiƯm cã h¹n cđa ng­êi viÕt cịng nh­ sù chËm trƠ cập nhật thông tin nước ta, sách tồn hạn chế, mong bạn ®äc trao ®ỉi Th­ tõ xin gưi vỊ Nhµ xt Khoa học Kỹ thuật, 70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội Tác giả chân thành cảm ơn đồng nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đóng góp quý báu cho sách Tác giả tháng năm 2000 mở đầu Vật liệu học khoa học nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc tí nh chất vật liệu, sở đề biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tí nh chất sử dụ ng thí ch hợp ngày tốt 0.1 Khái niệm vật liệu Vật liệu dùng để nhữ ng vật rắn mà người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình để thay phận thể thể ý đồ nghệ thuật Như tất chất lỏng, khí cho dù quan trọng song đối tượng nghiên cứu môn học Dựa theo cấu trúc - tí nh chất đặc trưng, người ta phân biệt nhãm vËt liƯu chÝ nh (h×nh 0.1) nh­ sau: Hình 0.1 Sơ đồ minh họa nhóm vật liệu quan hệ chúng: bán dẫn, siêu dÉn, silicon, polyme dÉn ®iƯn VËt liƯu kim loại Vật liệu kim loại thường tổ hợp chủ yếu nguyên tố kim loại, nhiều điện tử chung không thuộc nguyên tử Các tí nh chất điển hình vật liệu kim loại là: - đắt đắt, - dẫn nhiệt, dẫn điện cao, - có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường qua, dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép), - có ®é bỊn c¬ häc, nh­ng kÐm bỊn hãa häc - trừ nhôm kim loại thông dụ ng sắt, đồng nặng, - nhiệt độ chảy biến đổi phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng yêu cầu đa dạng kỹ thuật Ceramic (vật liệu vô cơ) Vật liệu có nguồn gốc vô cơ, hợp chất giữ a kim loại, silic với kim (ôxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng vật đất sét, ximăng, thủy tinh Các tí nh chất điển hình vật liệu vô - ceramic là: - rẻ rẻ, - nặng, - dẫn nhiệt dẫn điện (cách nhiệt cách điện), - cứng, giòn, bền nhiệt độ cao, bền hóa học vật liệu kim loại vật liệu hữu Polyme (vật liệu hữu cơ) Vật liệu phần lớn có nguồn gốc hữu mà thành phần hóa học chủ yếu cacbon, hyđrô kim, có cấu trúc đại phân tử Các tí nh chất điển hình vật liệu hữu - polyme là: - rẻ rẻ, - dẫn nhiệt, dẫn điện kém, - khối lượng riêng nhỏ, - nói chung dễ uốn dẻo, đặc biệt nhiệt độ cao, - bền vững hóa học nhiệt độ thường khí quyển; nóng chảy, phân hủy nhiệt độ tương đối thấp Compozit Vật liệu tạo thành kết hợp hai hay ba loại vật liệu kể trên, mang đặc tí nh tốt vật liệu thành phần Ví dụ bêtông cốt thép (vô - kim loại) vừa chịu kéo tốt (như thép) lại chịu nén cao (như bêtông) Hiện dùng phổ biến compozit hệ kép: kim lo¹i - polyme, kim lo¹i - ceramic, polyme - ceramic với tí nh chất lạ, hấp dẫn Ngoài có nhóm phụ khó ghép vào bốn loại trên: - bán dẫn, siêu dẫn nhiệt ®é thÊp, siªu dÉn nhiƯt ®é cao, chóng n»m trung gian kim loại ceramic (trong hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau gần với ceramic hơn) - silicon nằm trung gian vật liệu vô với hữu cơ, song gần với vật liệu hữ u 0.2 Vai trò vật liệu Muốn thực giá trị vật chất phải thông qua sử dụ ng vật liệu cụ thể, muốn tạo nên máy móc, ôtô, lượng phải có kim loại hợp kim, thiết bị, đồ dùng điện tử phải có chất bán dẫn, xây dựng nhà cửa, công trình phải có ximăng thép, đồ dùng hàng ngày thường chất dẻo, máy bay xe đua cần compozit, tượng đài thường làm hợp kim đồng - thiếc (bronze) Sự phát triển x hội loài người gắn liền với phát triển công cụ sản xuất kỹ thuật mà hai điều định phần lớn nhờ vật liệu X hội loài người phát triển qua thời kỳ khác gắn liền với vật liệu để chế tạo công cụ thời tiền sử người biết dùng công cụ làm vật liệu có sẵn thiên nhiên: gỗ, đá nên suất lao động thấp, không tạo giá trị thặng dư Sau người ta biết dùng công cụ vật liệu qua chế biến: đồng (đúng hợp kim đồng) đặc biệt sắt (đúng thép) với đặc tí nh học tốt hẳn: cứng hơn, bền mà dẻo dai nên tạo suất lao động cao lại có tuổi thọ dài hơn, đ tạo nên đột biến phát triển khoảng 2000 năm đặc biệt 100 ữ 200 năm gần (cần nhớ phân định rạch ròi song x hội loài người thời kỳ đồ sắt) Năng lượng đóng vai trò định phát triển loài người, kỹ thuật siêu dẫn thành thực tạo nên bước ngoặt mới, song kỹ thuật có tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ đủ cao để áp dụng thùc tÕ Cã thĨ t×m thÊy rÊt nhiỊu vÝ dụ khác vai trò vật liệu đời sèng cịng nh­ kü tht Cho ®Õn vËt liệu kim loại thực đ có vai trò định tiến hóa loài người Kim loại hợp kim chiếm vị trí chủ đạo chế tạo công cụ máy móc thường dùng: công cụ cầm tay, dụng cụ, máy công cụ, máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, vận tải đường sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn điện, nhiệt sản xuất vũ khí , đạn dược Như vật liệu kim loại có tầm quan trọng hàng đầu sản xuất khí , giao thông vận tải, lượng, xây dựng quốc phòng Chất dẻo - polyme từ giữ a kỷ ®∙ trë thµnh nhãm vËt liƯu míi, hiƯn ®ang ®ãng vai trò ngày quan trọng chiếm tỷ lệ ngày cao đời sống hàng ngày thiết bị, máy móc Vật liệu vô - ceramic có lịch sử lâu đời (từ thời kỳ đồ đá) Trong trình phát triển, vật liệu phổ biến cách rộng ri xây dựng đời sống hàng ngày từ đồ gốm, sứ (chum, vại, bát, đĩa ) đến ximăng bêtông, thủy tinh, vật liệu chịu lửa ceramic kết cấu đại thủy tinh siêu làm cáp quang Vật liệu kết hợp (compozit) phát triển mạnh nhữ ng năm gần đây, đáp ứng yêu cầu cao chế tạo máy mà ba loại vật liệu nhẹ lại bền Chắc chắn phát triển mạnh mẽ loại vật liệu tạo nhữ ng thay đổi quan trọng cho ngành khí 0.3 Đối tượng vật liệu học cho ngành khí Máy móc cấu tạo từ nhiều chi tiết đòi hỏi tí nh chất có khác điều quan trọng kỹ sư khí phải biết chọn vật liệu phương pháp gia công để thỏa mn cao điều kiện làm việc với giá thành thấp Môn học giúp í ch cho nhữ ng kỹ sư khí tương lai làm việc Vật liệu học trình bày sách có định hướng phục vụ riêng cho ngành khí nói chung, đặc biệt cho hai ngành đào tạo then chốt chế tạo máy ôtô, song bao quát nhữ ng nội dung quan trọng vật liệu học; lại kiến thức không nhữ ng có í ch công việc kỹ thuật mà xử lý vật liệu đời sống hàng ngày Quan hƯ tỉ chøc - tÝ nh chÊt hay sù phơ thc cđa tÝ nh chÊt cđa vËt liƯu vµo cấu trúc nội dung toàn môn học Tổ chức hay cấu trúc xếp thành phần bên Khái niệm tỉ chøc vËt liƯu bao gåm c¶ tỉ chøc vÜ mô vi mô Tổ chức vĩ mô gọi tổ chức thô đại (macrostructure) hình thái xếp phần tử lớn với kí ch thước quan sát mắt thường (tới giới hạn khoảng 0,3mm) hc b»ng kÝ nh lóp (0,01mm) Tỉ chøc vi mô hình thái xếp phần tử nhỏ, không quan sát mắt hay lúp Nó bao gồm: - Tổ chức tế vi (microstructure) hình thái xếp nhóm nguyên tử hay phân tư víi kÝ ch th­íc cì micromet hay ë cì hạt tinh thể với giúp 10 đỡ kÝ nh hiÓn vi quang häc hay kÝ nh hiÓn vi điện tử Thường gặp tổ chức tế vi quang học cho phép phân ly tới giới hạn cỡ 0,15àm Trong nghiên cứu thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ chục nanômet (10nm) C¬ tÝ nh cđa vËt liƯu phơ thc rÊt nhiỊu vào tổ chức, tức vào thành phần hóa học mà vào nhóm nguyên tử, phân tử kể mà ta gọi pha theo số lượng, hình dạng, kí ch thước phân bố chóng Trong thùc tÕ ng­êi ta th­êng xuyªn sư dơ ng phương pháp phân tí ch tổ chức tế vi quang học mà tài liệu kỹ thuật gọi đơn giản tổ chức tế vi - Cấu tạo tinh thể hình thái xếp tương tác giữ a nguyên tử không gian, dạng khuyết tật mạng tinh thể Để làm việc phải sử dụ ng tới phương pháp nhiễu xạ tia rơngen số kỹ thuật khác, điều thực cần thiết nghiên cøu c¸c vËt liƯu míi TÝ nh chÊt bao gåm tí nh chất: học (cơ tí nh), vật lý (lý tÝ nh), hãa häc (hãa tÝ nh), c«ng nghệ sử dụ ng Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt vật liệu khí , tí nh có ý nghĩa quan trọng hàng đầu Vì giáo trình mối quan hệ tổ chức - tí nh khảo sát kỹ tiền đề cho việc xác định thành phần hóa học vật liệu chế độ gia công thí ch hợp Ngoài tí nh vật liệu khí quan tâm khí a cạnh ổn định hóa học khí hay số môi trường ăn mòn (axit, badơ, muèi ) Tháa m∙n c¬ - lý - hãa tÝ nh ®Ị nh­ng ch­a ®đ ®Ĩ cã thĨ chun hóa vật liệu thành sản phẩm phụ c vụ mục đí ch đề ra, mà phải tí nh đến khả gia công - chế biến thành hình dạng định gọi tổng quát tí nh công nghệ Nếu tí nh công nghệ dù vật liệu có ưu việt đến đâu khó ®­a vµo sư dơ ng VÝ dơ : ng­êi ta đ tìm số chất siêu dẫn bị hạn chế tí nh giòn cao kéo thành dây dẫn Cuối cùng, tí nh sử dụng tổng hợp tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả không gây cố) giá thành định khả áp dơng cđa vËt liƯu cho mơc ®Ý ch ®∙ chän Giáo trình Vật Liệu Học Cơ Sở (cơ khí ) gồm bốn phần chí nh: - Cấu trúc tí nh: trình bày nguyên lý chung mối quan hệ cấu trúc tí nh cho vật liệu nói chung có nhấn mạnh cho kim lo¹i gåm cÊu tróc tinh thĨ, t¹o pha, tỉ chức, biến dạng, phá hủy - Hợp kim biến đổi tổ chức: trình bày tổ chức hợp kim biến đổi pha tổ chức mà dạng điển hình quan trọng nhất, thiết thực nhiệt luyện thép - Vật liệu kim loại: trình bày tổ chức, thành phần hóa học, tí nh, chế độ nhiệt luyện công dụng mác thép, gang, hợp kim màu bột - Vật liệu phi kim loại: trình bày cấu trúc, thành phần hóa học, tí nh, phương pháp tạo hình công dụ ng ceramic, polyme compozit Sau cùng, cần nhấn mạnh sử dụ ng hợp lý vật liệu mụ c tiêu quan trọng hàng đầu môn học, tách rời tiêu chuẩn hóa phương pháp kiểm tra, đánh giá Một yêu cầu đề người học phải đạt khả xác định mác hay ký hiệu vật liệu theo tiêu chuẩn Việt Nam nước công nghiệp phát triển 11 0.4 Các tiêu chuẩn vật liệu Các nước đề quy phạm việc sản xuất, gia công, chế biến, sử dụ ng, bảo quản vật lệu nói chung, đặc biệt cho vật liệu kim loại, sở pháp lý kỹ thuật khâu từ sản xuất, lưu thông cho ®Õn sư dơ ng Trong ®iỊu kiƯn cđa n­íc ta cần có hiểu biết tiêu chuẩn sau - Tiêu chuẩn Việt Nam - TCVN Về giáo trình biên soạn theo tiêu chuẩn Việt Nam: ký hiệu có tiêu chuẩn cụ thể gọi mác (mark) Tuy nhiên trình độ phát triển thấp đời chưa lâu nên nhiều lĩnh vực TCVN chưa đề cập đến, trường hợp giáo trình dùng từ ký hiệu để m hóa hợp kim theo cách ký hiệu đ quy định tổng quát TCVN 1759-75 (Kim loại Hợp kim nguyên tắc ký hiệu) Ngoài cần nói thêm TCVN đ dựa theo nguyên tắc OCT, nên giữ a hai tiêu chuẩn có nhiều nét tương đồng - Tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) hay tiêu chuẩn Nga (hiện nay) viết tắt OCT, đ thịnh hành nước ta thời gian trước quen dùng - Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ phổ biến giới, đặc biệt sách giáo khoa, tạp chí kỹ thuật, tài liệu giao dịch hng sản xuất Việc hiểu biết tiêu chuẩn Hoa Kỳ có tác dụng to lớn việc hòa nhập kinh tế víi thÕ giíi Kh¸c víi nhiỊu n­íc chØ cã mét quan tiêu chuẩn nhà nước ban hành tiªu chn thĨ, ë Hoa Kú cã rÊt nhiỊu tổ chức tiêu chuẩn hệ thống: ASTM (American Society for Testing and Materials), AISI (American Iron and Steel Institute), SAE (Society of Automotive Engineers), AA (Aluminum Association), CDA (Copper Development Association), Trong nhiỊu tr­êng hỵp víi cïng mét vËt liƯu cã thĨ dïng c¸c hƯ thèng kh¸c ë Hoa Kú ng­êi ta hay sư dơng hƯ thèng sè (ba xxx hay xxxx ch÷ sè) - nên gọi đánh số - để ký hiệu vật liệu kim loại, đ có trường hợp lẫn lộn, gây hiểu nhầm Để tránh điều gần lại xuất hệ thống UNS (Unified Numbering System) với năm chữ số (xxxxx) - Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS thông dụng nước Châu biết đến giới - Tiêu chuẩn Châu Âu EN nước Châu Âu: Đức DIN, Pháp NF, Anh BS tiêu chuẩn quan trọng cần biết Trong giáo trình trình bày mác, ký hiệu theo TCVN có kết hợp trình bày mác Nga, Mỹ Nhật (tỉ mỉ mác vật liệu kim loại nước kể nước Châu âu tham khảo Sách tra cứu thép, gang thông dụ ng tác giả Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội in năm 1997) Giáo trình trình bày từ giản đơn đến phức tạp, từ vật liệu cổ điển, truyền thống đến loại phát triển Tuy môn học coi kỹ thuật sở với nhữ ng lý thuyết song có tí nh thực tiễn sâu sắc, gắn liền với đời sống thực tế công việc kỹ thuật hàng ngày phải giải 12 kỹ sư khí Do phần nghe giảng lớp sinh viên phải: - Thực thực nghiệm cấu trúc, tí nh chất biến đổi cấu trúc - tí nh phòng thí nghiệm Những thí nghiệm giúp nắm vững, hiểu sâu đ học mà giúp nhiều cho công việc kỹ thuật có liên quan sau - Làm tập, trả lời câu hỏi, giải thí ch tượng, so sánh vật liệu phương pháp khác - Do có tÝ nh thùc tiƠn rÊt cao ng­êi häc cÇn chó ý liên hệ đến tượng thường gặp, tham khảo thêm sách có liên quan để giải tốt vấn đề vật liệu đặt học môn học khác nhiƯm vơ kü tht sau nµy 149 nh­ møc 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 cã thĨ thÊy: - so víi t«i + ram thÊp, + 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 δ, % ψ, % aK, kJ/m2 ñ 8400C 530 280 32,5 50 900 Th­êng hãa 8500C 650 320 15 40 500 T«i 8500C + ram 2000C 1100 720 12 300 T«i 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, улучшение - Nga, mét sè n¬i ë nước ta gọi cải tiến) Tôi + ram cao ¸p dơng réng r∙i cho c¸c chi tiÕt 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 mµu vµ tù 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: nâu (~ 0,050àm) 255 ữ 265oC, vàng (~ 0,045àm) 220 ữ 240oC, 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, ®ã lÊy nhiƯt ®é ram cao h¬n nung ram lò vài chục oC - Không thể đo nhiệt ®é ram trªn chi tiÕt b»ng dơng ®o nhiƯt, 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 ¶nh h­ëng cđa thêi gian ram Thêi gian cịng cã 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 kh¾c phơc cđa mét sè khut tËt chđ u 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 øng st tỉ chøc) mµ chđ u lµ lµm 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 - KhÝ qun b¶o vƯ hay khÝ qun cã kiĨm 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 - KhÝ qun trung tÝnh nh­ nit¬ tinh khiÕt (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 víi sai sè kh¸ lín ± (20 - 80oC) C¸c 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 ÷ 830oC, da cam - 850 ÷ 900oC, vµng - 1050 ữ 1250oC, trắng 1250 ữ 1300oC Tất nhiên cách xác đòi hỏi có kinh nghiệm 4.7 Hãa bỊn bỊ mỈt Trong nhiƯt lun thÐp, hãa 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 nãng liªn tơc - liªn tiÕp, 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 t«i cøng Th­êng ng­êi ta hay chän diƯn tÝch líp 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 xóc víi chi tiÕt, cã khe hë 1,5 ÷ 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 ®Ĩ nhiƯt tÝch ë d­íi líp t«i võa ®đ ®Ĩ 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 víi tèc ®é rÊt nhanh vïng chun biÕn 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 thµnh xoocbit ram VËy ci cïng tỉ 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 ®èi tèt, lâi cã ®é cøng t­¬ng ®èi thÊp 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 øng st nh­ c¸c trơc trun, trơc 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 ®óc, lun kim, + lun vïng ®Ĩ lun kim lo¹i, nguyên tố siêu chế tạo bán dẫn kỹ thuật khác, + nung nóng để gia công ¸p lùc c¸c d©y chun c¸n, Ðp mét sè 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 c¬ khÝ 4.7.2 Hãa - nhiƯt lun Hãa - nhiƯt 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 lun th­êng nh»m mét hai mơc ®Ých 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 ®ã chiỊu dµy líp thÊm x) phơ thc vµo nhiƯt ®é T0 theo hµm mị: 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 hãa - nhiƯt lun th­êng cã khuynh h­íng n©ng 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 líp thÊm (b) 157 158 Thêi gian ë nhiƯt ®é 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 phơ thc vµo thêi gian t theo quan hƯ x = k t (k - hÖ sè, t - thêi 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 ë mơc 5.3.2 Mơc ®Ých chđ u cđa thÊm 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 ®å pha Fe - C chØ cã pha nµy míi 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) cã thĨ thÊm ë nhiƯt ®é cao tíi 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 ÷ 1,80mm lµm cho líp thÊm cã chiỊu dµy 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, nh­ sau: m = 1,5, x = 0,50mm; m = 3,0, x = 0,80mm Chiều sâu lớp thấm yêu cầu lớn, thời gian phải dài 2) Tốc độ thấm (đúng tốc độ thấm trung bình) Đại 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: + thÊm thĨ r¾n ë 900oC: cø 0,10mm chiỊu sâu cần 1h nung nóng giữ nhiệt hay 0,15mm /1h gi÷ nhiƯt, + thÊm thĨ khÝ ë 900oC: 0,15mm chiều sâu cần 1h nung nóng giữ nhiƯt hay 0,20mm /1h gi÷ nhiƯt; ë 930 ÷ 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 - KhÝ CO gỈp bỊ 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 tư nh­ CO, CH4 ®Ĩ thÊm Trong thùc tÕ ng­êi 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 x¶y theo ph¶n øng CH4 → 2H2 + Cng.tư 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 ®­ỵc cho chi tiÕt bÐ, ®iỊu kiƯn lao ®éng xÊu NhiƯt lun sau thÊm Nh­ ®∙ thÊy sù khch tán cacbon kể tạo nên phân bố cacbon hợp lý tiết diện, tạo điều kiện để đạt yêu cầu: bề mặt cøng (nhê cacbon cao), lâi bÒn, dai (nhê cacbon thÊp) 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 ÷ 64 so víi 52 ÷ 58 ë bỊ mỈt, HRC 30 ÷ 40 so víi 15 ÷ 40 ë 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 luyÖn tiÕp theo nh­ thÊm cacbon Ng­êi ta th­êng 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 dµi mµ líp thÊm vÉn máng VÝ dơ: thÊm 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 tỉ chøc líp thÊm kh«ng 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 kh«ng lín (do líp thÊm máng) nh­ mét sè 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 víi thÊm cacbon h¬n song tèt h¬n thÊm cacbon - Nếu trình xảy nhiệt độ thấp, d­íi 560oC, sù khch t¸n cđa cacbon u, líp thÊm 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 thÊm cacbon Khi thÊm ë thÓ khÝ, ng­êi ta dïng c«ng nghƯ thÊm cacbon ë thĨ khÝ chØ víi thay đổi nhỏ là: hỗn hợp thấm có thêm ữ 10%NH3, thấm nhiệt độ 840 ữ 860oC, thuận lợi cho đổi công nghệ víi c¸c ­u viƯt (so víi thÊm cacbon): - Trong líp thÊm cã pha cacbon - nitrit Fe3(C,N) rÊt cøng (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 thÊm ë thĨ láng, ng­êi ta dïng chđ u c¸c 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 ... trình bày hình 1. 8 sau: mặt trục nghịch đảo số 1, 1, 1/ 2 1, 1, (11 2) 1, 1, 1, 1, (11 1) 1, 1, ∞ 1, 1, (11 0) 1, ∞, ∞ 1, 0, (10 0) 1, 1, 1, 1, 1/ 2 (2 21) Chó ý lµ không cho phép xác định mặt qua gốc... nhau, tạo nên họ phương Ví dụ họ gồm phương sau đây: - [11 0], [ 011 ], [10 1], - [11 0], [ 011 ], [10 1], - [11 0], [ 011 ], [10 1], - [11 0], [ 011 ], [10 1] d ChØ sè Miller cđa mỈt tinh thể Mặt... 0, 016 1 12 8 0,00807 16 256 0,00403 32 512 0,00202 64 10 24 0,0 010 08 12 8 2048 0,000504 256 4096 0,000252 10 512 8200 0,00 012 6 11 10 24 16 400 0,000063 12 2048 32800 0,0000 315 13 4096 65600 0,000 015 8