Đang tải... (xem toàn văn)
ThÐp lµ vËt liÖu rÊt th«ng dông vµ lµ hîp kim nh¹y c¶m nhÊt víi nhiÖt luyÖn vµ c«ng nghÖ nµy rÊt phæ biÕn trong s¶n xuÊt c¬ khÝ... Th êng tiÕn hµnh b»ng c¸ch thÊm, khuÕch t¸n mét ha[r]
(1)
- -
Giáo trình
Khoa học vật liệu
(2)
Chương 4 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 thơng qua nhiệt luyện thép
4.1.Kh¸i niệm nhiệt luyện thép 4.1.1 Sơ lược nhiệt luyện
a. Định nghĩa
Nhit luyn l cụng 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 khơng thể điều chỉnh vô cấp tốc độ nguội, thường làm nguội số môi trường thấy sau này)
Nhiệt luyện phương pháp gia cơng (treatment) có đặc điểm riêng Sau điểm phân biệt nguyên công với nguyên công gia công
khÝ kh¸c:
- Khác với đúc, hàn khơng 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 khơng thay đổi hay thay đổi không đáng kể
- Kết nhiệt luyện đánh giá biến đổi tổ chức tế vi tính, khơng thể kiểm tra vẻ mắt thường
b. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện
Hình 4.1 Sơ đồ trình nhiệt luyện đơn giản
(3)- 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 cng khụng th s dng c
c. Phân loại nhiƯt lun thÐp
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 (khơng có biến đổi thành phần biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức tồn 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 hồn tồn austenit, làm nguội bình thường khơng khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân
Mục đích ủ thường hóa làm mềm thép để dễ gia công cắt dập
ngi
• Tơi: 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: ngun cơng bắt buộc sau tơi, nung nóng lại thép tơi 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 tơi + 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
(4)ã Thấm đa nguyên tố có: thÊm cacbon - nit¬, thÊm cacbon - nit¬ - lu huúnh
Cơ - nhiệt luyện: dùng cách thay đổi nhiệt độ biến dạng dẻo để biến đổi tổ chức tính tồn 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 khơng thể khơng 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 tồn cao, khơng g∙y vỡ (do nâng cao độ bền) Trong nhiều trường hợp máy hỏng bị mịn q mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mịn 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
thuËt lín
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 tơi + 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. C¶i thiƯn tÝnh c«ng nghƯ
Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khâu, nguyên công gia cơng 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
(5)hành phôi)
Vy sn xut khí cần phải biết tận dụng phương pháp nhiệt luyện thích hợp, khơng bảo đảm khả làm việc lâu dài cho chi tiết, dụng cụ thép mà cịn làm dễ dàng cho q trình gia cụng
c. Nhiệt luyện nhà máy khí
ở nhà máy khí với quy mơ nhỏ trung bình, phận nhiệt luyện khơng 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 khơng thể khác sản lượng thấp nhà máy khí có quy mơ lớn lớn, chi tiết máy gia cơng hồn 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 khơng có ảnh hưởng xấu đến thân người làm nhiệt luyện dây chuyền sản xuất khí Cách xếp chun mơn hóa cao bảo đảm chất lượng sản phẩm tốt đồng đều, lại khơng tốn cơng vận chuyển có
năng suất cao
Cng cn nhn mnh, nhiệt luyện cơng 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 h∙y 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 q trình
nhiƯt lun
Ta xét biến đổi tổ chức cho trình Trước hết lấy sở thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C (ngồi Fe, C khơng có ngun tố khác), từ loại thép có tổ chức đơn giản - peclit thép tích với 0,80%C mở rộng cho loại thép cịn 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
(6)chống mài mòn (HRC 65 ữ 70 hẳn thÊm cacbon) Tỉ chøc cđa líp thÊm
Hình 4.22 Giản đồ pha Fe - N
Độ cứng cao lớp thấm nitơ chất tự nhiên nó, khơng phải qua nhiệt luyện thấm cacbon Người ta thường thấm nitơ dòng khí NH3 (amơniac) có nhiệt độ khoảng 480 ữ 650
o
C, lúc bị phân hóa mạnh theo phản ứng
2 NH3 → 3H2 + 2Nng.tö
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 ngồi vào có pha sau:
ε - dung dịch rắn mà chất (nền) pha xen kẽ Fe2N,
- dung dịch rắn mà chÊt (nỊn) lµ pha xen kÏ Fe4N,
α - ferit nitơ (hay dung dịch rắn nitơ Feα) Như lớp thấm gồm nitrit - pha xen kẽ với độ cứng cao, phân tán, nhờ lớp thấm có độ cứng tính chng mi mũn rt cao
Đặc điểm thấm nit¬
- 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 mµi
- Thép dùng để thấm thường thép hợp kim chuyên dùng Nếu dùng thép cacbon lớp thấm có nitrit sắt, pha cứng giịn nên thường dùng thép hợp kim hóa crơm, mơlipđen nhơm nitrit chúng cứng giòn Trước thấm nitơ thép đem tơi + ram trước để định hình tính cho lõi, nhiệt độ ram phải cao nhiệt độ thấm nitơ để q trình thấm khơng 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
C«ng dơng
(7)kh«ng lín (do líp thÊm máng) số trục, bánh răng, sơmi máy bay, dụng cụ cắt, dụng cụ đo
d Thm cacbon - nitơ Định nghĩa mục đích
Thấm cacbon - nitơ phương pháp hóa - nhiệt luyện làm b∙o hòa (thấm, khuếch tán) đồng thời cacbon nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng tính chống mài mịn (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 q trình gần với hai dng
thấm
- Nu 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 cơng nghệ thấm cacbon thể khí với thay đổi nhỏ là: hỗn hợp thấm có thêm ữ 10%NH3, thấm nhiệt độ 840 ữ
860o
C, thuận lợi cho đổi công nghệ với ưu việt (so với thấm cacbon):
- Trong líp thÊm cã pha cacbon - nitrit Fe3(C,N) rÊt cøng (cøng h¬n cacbit,
xêmentit) phân tán nên làm tăng mạnh tính chống mài mịn 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 khơng đáng kể, ngồi 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 ơxy 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
(8)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 ngồi hiệu thấy rõ nâng cao tính chống mài mịn thơng qua biểu độ cứng, cịn tạo nên lớp ứng suất nén dư bề mặt với giá trị khoảng vài trăm MPa, nâng cao độ bền mỏi