Đối với thép hợp kim trung bình và cao (tổng lượng nguyên tố hợp kim > 5%) có tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C. Nhiệt độ tôi của các thép đó phải tra ở các s[r]
(1)CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN THÉP
Nhiệt luyện q trình cơng nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ nhiệt làm nguội vật phẩm kim loại với mục đích thay đổi tổ chức (cấu trúc) tính chất chúng
Nhiệt luyện áp dụng cho thỏi đúc, vật đúc, bán thành phần, mối hàn, chi tiết máy dụng cụ loại
Các dạng nhiệt luyện bao gồm: ủ, tôi, ram hoá già Nếu kết tôi nhiệt độ 20 250C mà giữ trạng thái dung dịch rắn nhiệt độ cao hoá bền đáng kể hợp kim trực tiếp sau tơi khơng xảy ra, hố bền chủ yếu xảy nung trở lại nhiệt độ thấp (ram) thời gian giữ nhiệt độ 20 250C (hoá già tự nhiên)
7.1 Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP
7.1.1 Ủ thép
7.1.1.1 Định nghĩa mục đích ủ thép
* Định nghĩa: Ủ thép phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt làm nguội chậm với lò, để đạt tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp độ dẻo cao
* Đặc điểm:
- Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật chung mà tuỳ thuộc vào phương pháp ủ - Quá trình làm nguội tiến hành chậm, thường để nguội với lò (với tốc độ khoảng 10 500C/h) để Austenit phân hoá nhiệt độ A1 cho Peclit
* Mục đích ủ thép:
- Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt - Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép trạng thái nguội
- Làm giảm hay làm ứng suất bên sau nguyên công gia cơng khí (mài, quấn nguội, cắt gọt ) đúc, hàn
- Làm đồng thành phần hố học tồn tiết diện vật đúc thép bị thiên tích - Làm nhỏ hạt thép nguyên công trước làm hạt lớn
- Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc
- Cầu hố Xementit để có tổ chức hạt khác với Xementit dạng
Với mục đích đa dạng khơng phương pháp ủ đạt mục tiêu Thông thường phương pháp ủ đạt vài số tiêu kể
7.1.1.2 Phân loại
Có nhiều phương pháp ủ Theo chuyển biến pha P nung nóng, người ta chia phương pháp ủ thành nhóm: ủ có chuyển biến pha ủ khơng có chuyển biến pha
(2)Các phương pháp ủ khơng có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp Ac1, không xảy chuyển biến P
+ Ủ thấp (ủ non):
- Định nghĩa:Ủ thấp phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ Ac1 để khơng có chuyển biến pha xảy
- Mục đích đặc điểm: Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên vật đúc hay sản phẩm thép qua gia cơng khí
+) Nếu ủ nhiệt độ thấp (200 3000C) có tác dụng làm giảm phần ứng suất bên nhiệt độ cao (450 6000C) tác dụng khử bỏ ứng suất bên hồn tồn
+) Do làm nguội nhanh, không đều, chuyển pha đúc, vật đúc tồn ứng suất bên Đối với số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phép tồn ứng suất dư độ Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư, người ta tiến hành nung nóng đến 450 6000C
+ Ủ kết tinh lại:
- Định nghĩa: Ủ kết tinh lại phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ Ac1 để khơng có chuyển biến pha xảy
- Mục đích đặc điểm: Ủ kết tinh lại tiến hành cho thép qua biến dạng nguội bị biến cứng cần khơi phục lại tính dẻo, độ cứng trước gia cơng khí
Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon từ 600 7000C tức thấp nhiệt độ Ac1 Loại ủ làm thay đổi kích thước hạt giảm độ cứng, áp dụng cho thép khó tránh tạo nên hạt lớn
Các phương pháp ủ có chuyển biến pha:
Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao Ac1, có xảy chuyển biến P
+ Ủ hoàn toàn:
- Định nghĩa: Ủ hồn tồn phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn Austenit, tức phải nung cao nhiệt độ Ac3 Accm
- Mục đích đặc điểm:
+) Làm nhỏ hạt Nếuchỉ nung nhiệt độ Ac3 khoảng 20 30
C ứng với nhiệt độ ủ khoảng 780 8600C, hạt Austenit nhận giữ kích thước bé, sau làm nguội chậm có tổ chức Ferit + Peclit hạt nhỏ Tổ chức có độ dai tốt
+) Làm giảm độ cứng tăng độ dẻo, dễ cắt gọt rập nguội Do làm nguội chậm, Austenit phân hoá tổ chức Ferit + Peclit (tấm) có độ cứng khoảng 160 200HB, bảo đảm cắt gọt tốt dẻo, dễ rập nguội Như nhiệt độ ủ hoàn toàn T0ủ hoàn toàn = Ac0
3
T + (20 30)0C
(3)- Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàn toàn Austenit, nhiệt độ cao Ac1 thấp Ac3 hay Accm
- Mục đích đặc điểm:
+)Làm giảm độ cứng đến mức cắt gọt được, chuyển biến pha khơng hồn tồn có P cịn Ferit XeII (do làm nguội khơng làm thay đổi kích thước hạt pha đó)
+) Đối với thép trước tích, loại thép có u cầu độ dai cao khơng làm nhỏ hạt Ferit nên không áp dụng dạng ủ Do vậy, ủ khơng hồn tồn thường áp dụng chủ yếu cho thép tích sau tích với hàm lượng cacbon > 0,7%
+) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,7% mà chủ yếu thép tích sau tích (thép có độ cứng cao, khó cắt gọt) Nếu tiến hành ủ hoàn toàn thép này, tổ chức nhận Peclit tấm, độ cứng lớn 220HB gây cho việc cắt gọt gặp khó khăn Nếu tiến hành ủ khơng hồn tồn, nhiệt độ nung đạt tổ chức Austenit phần tử XeII chưa tan hết nên làm nguội, phần tử mầm giúp cho tạo nên Peclit hạt Sau ủ khơng hồn tồn, thép có tổ chức Peclit hạt với độ cứng thấp (khoảng 200HB) nên đảm bảo cắt gọt tốt
Vậy nhiệt độ ủ khơng hồn tồn cho thép cacbon là: T0ủ.k.h.t = T0Ac1 + (20 300C)
Dạng đặc biệt ủ khơng hồn tồn ủ cầu hố, nhiệt độ nung dao động tuần hồn A1: nung đến 750 7700C lại làm nguội xuống 650 6800C, nhiều lần Với cách làm vậy, khơng cầu hố Xementit Peclit mà XeII thường dạng lưới thép sau tích
H×nh 7.1 Ủ cầu hóa
+ Ủ khuếch tán:
- Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép đến nhiệt độ cao 1100 11500C giữ nhiệt nhiều (khoảng 10 15h)
- Mục đích đặc điểm:
+) Tạo hạt lớn nung lâu nhiệt độ cao, áp dụng cho vật đúc trước gia công áp lực Nếu không qua biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt sau phải ủ lại cách ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt
+) Làm thành phần thép tượng thiện tích gây Cách ủ áp dụng cho thỏi đúc thép hợp kim cao, thường có tượng khơng đồng thành phần hố học
30500C
30
50
0C
t
làm nguội lò
0 C
(4)+ Ủ đẳng nhiệt:
- Định nghĩa: phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ ủ (xác định theo ủ hoàn toàn hay khơng hồn tồn), giữ nhiệt làm nguội nhanh xuống A1 khoảng 50 1000C tuỳ theo yêu cầu tổ chức nhận
- Mục đích đặc điểm:
+) Việc giữ nhiệt lâu lò nhiệt độ A1 để Austenit phân hoá thành phần hỗn hợp Ferit + Xementit
+) Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào tính ổn định Austenit nguội thép ủ nhiệt độ giữ đẳng nhiệt (thường giữ hàng giờ)
+) Giảm độ cứng để thu độ cứng thấp ứng với tổ chức Peclit 7.1.2 Thường hóa thép
7.1.2.1 Định nghĩa
Thường hoá phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hồn tồn Austenit (cao Ac3 Accm); giữ nhiệt làm nguội khơng khí tĩnh (thường kéo để nguội sàn) để Austenit phân hoá thành Peclit phân tán hay Xoocbit với độ cứng tương đối thấp
Nhiệt độ thường hoá :Tth = T0 (Ac3 hay Accm) + (20 30)0C
7.1.2.2 Đặc điểm thường hoá thép
- So với ủ thép, thường hố kinh tế khơng phải làm nguội lò thường áp dụng
- Tốc độ nguội ngồi khơng khí tĩnh lớn tốc độ nguội lò ủ, tốc độ nguội tăng tức độ nguội T lớn hạt thu có kích thước nhỏ so với ủ làm cho tính tăng lên
- Tăng suất q trình cơng nghệ
- Với thép sau tích phá lưới XeII tạo tổ chức phù hợp trước nhiệt luyện kết thúc
- Với thép có hàm lượng cacbon trung bình (%C = 0,35 0,5%) thường hố tạo tổ chức Peclit có độ cứng tương đối cao (24 28HRC) nên dùng làm nhiệt luyện kết thúc thay ram với chi tiết không quan trọng
7.1.2.3 Các trường hợp áp dụng thường hóa
Trên sở phân tích đặc điểm thường hố, ta thấy sử dụng thường hố đạt mục đích yêu cầu sau:
- Đạt độ cứng thích hợp để gia cơng cắt gọt với thép cacbon thấp (%C < 0,25%)
(5)thường hoá cho độ cứng cao (khoảng 140 180HB), thích hợp với chế độ gia cơng cắt gọt
Như vậy, để đảm bảo tính gia cơng cắt gọt, với thép có hàm lượng cacbon < 0,25% phải thường hoá, từ 0,3 0,65% cần ủ hồn tồn thép có hàm lượng > 0,7% cần ủ khơng hồn tồn (hoặc ủ cầu hố)
- Làm nhỏ Xementit để chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc
Khi thường hoá tạo tổ chức Peclit phân tán hay Xementit có kích thước bé Mặt khác, Xementit nhỏ biên giới hạt nhiều, Austenit hoá tạo nhiều mầm Austenit, nhận hạt Austenit nhỏ mịn chuyển biến xảy nhanh Yêu cầu cần thiết trường hợp bề mặt
- Làm XeII dạng lưới thép sau tích
Nhiều trường hợp sau làm nguội chậm sau ủ thép sau tích hay bề mặt thép thấm cacbon, tổ chức xuất XeII dạng lưới liên tục bao quanh Peclit làm thép dòn ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng gia cơng cắt gọt Thường hố khắc phục trạng thái này, làm nguội nhanh hơn, Xementit không kịp tiết dạng liền mà dạng đứt rời, cách xa làm thép dịn hơn, bề mặt đạt độ nhẵn bóng cao
7.1.2.4 Nhiệt độ ủ thường hoá thép theo giản đồ trạng thái
Hình 7.2 Nhiệt độ ủ th-ờng hóa thép
7.2 TÔI THÉP
7.2.1 Định nghĩa
Tôi thép phương pháp nhiệt luyện nung thép lên cao nhiệt độ tới hạn (Ac1) để làm xuất tổ chức Austenit, giữ nhiệt làm nguội nhanh thích hợp để Austenit chuyển biến thành Mactenxit hay tổ chức không ổn định khác với độ cứng (như Bainit, Trustit tơi đẳng nhiệt) tính chống mài mòn cao
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
200 400 600 800 1100
1000
U hoan toan
U khong hoan toan U khuech
tan
U ket tinh lai
t0
% C U thap
F + P P + Xe
II
+ Xe
(6)7.2.2 Đặc điểm
- Phải làm nguội môi trường có tốc độ nguội phù hợp (vng ≥ vng.tới hạn)
- Tổ chức thu sau tổ chức không ổn định nên phải kết hợp với ram để tạo tổ chức ổn định
- Do tốc độ nguội nhanh, đồng thời xảy chuyển biến Mactenxit tiết sau dễ tồn biến dạng ứng suất dư
- Độ cứng sản phẩm sau phụ thuộc vào hàm lượng cacbon thép tốc độ nguội (môi trường hay phương pháp làm nguội)
7.2.3 Mục đích thép
- Nâng cao độ cứng tính chống mài mịn thép kéo dài thời gian làm việc chi tiết chịu mài mịn Độ cứng thép tơi phụ thuộc vào lượng cacbon Thép có lượng cacbon thấp < 0,25% tơi có độ cứng khơng cao, khơng đủ chịu mài mịn Vậy, muốn đạt mục đích thép tơi phải có hàm lượng cacbon trung bình cao từ 0,3% cacbon trở lên
- Nâng cao độ bền nâng cao sức chịu tải chi tiết máy Nhờ tính chất mà người ta tiến hành thép cho chi tiết máy quan trọng (chịu tải nặng, chóng mịn gẫy), chi tiết định khả làm việc lâu dài máy Ngun cơng tơi thép đóng vị trí quan trọng đặc biệt nhiệt luyện lý sau:
+) Quyết định tính thép phù hợp với điều kiện làm việc định tuổi thọ chi tiết máy
+) Là nguyên công cuối cùng, chi tiết dạng thành phẩm Các mục đích nêu đạt kết hợp với ram
7.2.4 Tốc độ tới hạn độ thấm
7.2.4.1 Tốc độ tới hạn
- Định nghĩa: Là tốc độ nguội nhỏ cần thiết để Austenit chuyển biến thành Mactenxit với loại thép khác
vng.tới hạn = (0 / )
1 C s
t T Ar
h g
o
Ar1: nhiệt độ tới hạn thép
T0: nhiệt độ ứng với Austenit nguội ổn định Tgh: thời gian ổn định Austenit
Hình 7.3 Tốc độ tới hạn thép To
(7)Ý nghĩa tốc độ tới hạn:
+) Tốc độ tới hạn thép nhỏ thép dễ tơi cứng lúc cần dùng môi trường nguội chậm đủ để đạt độ cứng
+) Tốc độ tới hạn thép khác khác
Tốc độ tới hạn phụ thuộc vào vị trí đường cong chữ "C" tính ổn định Austenit nguội Tính ổn định Austenit nguội lớn, đường cong chữ "C" dịch sang phải nhiều, tốc độ tới hạn nhỏ
Các yếu tố ảnh hường đến tốc độ tới hạn: Mọi yếu tố làm tăng tính ổn định austenit nguội (τgh) làm giảm vth Mặt khác yếu tố giúp cho tạo nên hỗn hợp Ferit – Xementit làm giảm tính ổn định cảu austenit làm tăng vth Các yếu tố là:
1 Sự đồng austenit Austenit có thành phần cacbon đồng dễ biến thành Mactenxit Khi austenit có thành phần cacbon phân bố khơng dễ tạo thành hỗn hợp Ferit – Xementit hơn, vùng có cacbon cao dễ biến thành Xementit, vùng có cacbon thấp dễ biến thành Fẻit Nâng cao nhiệt độ tạo cho austenit đồng thành phần cacbon nâng cao tính ổn định austenit nguội
2 Các phần tử rắn chưa tan hết vào austenit nung nóng phần tử cacbit - Xementit, làm khó khăn cho chuyển biến austenit - Mactenxit, làm tăng vth
3 Kích thước hạt austenit – biết chuyển biến Peclit, mầm sinh biên giới hạt austenit, hạt austenit nhỏ với tổng biên giới hạt lớn thúc đẩy chuyển biến thành Peclit khó chuyển biến Mactenxit Vì hạt austenit to tạo nên sản phẩm có tính dịn cao, tốc độ tơi tới hạn nhỏ
4 Thành phần hợp kim austenit Như trình bày sơ trên, austenit chứa nhiều ngun tố hợp kim tính ổn định tăng, vth nhỏ Do thép hợp kim có vth nhỏ so với thép cacbon Lượng cacbon austenit ảnh hưởng tới vth Khi tăng hàm lượng cacbon vth giảm đi, tới 0.8 – 1.0%C đạt đến giá trị nhỏ nhất, sau vth lại tăng lên
7.2.4.2 Độ thấm thép Độ thấm tơi
Trong q trình làm nguội tơi, tốc độ nguội khơng thể tồn tiết diện chi tiết thép: bề mặt nguội nhanh lõi, tùy thuộc vào tốc độ nguội tiết diện thép nhận tổ chức khác Hiện tượng thường gặp từ bề mặt tới chiều sâu định có tổ chức Mactenxit cứng, phần lõi có tổ chức Trustit, Xoocbit mềm
(8)
Hình 7.4Độ thấm tơi tổ chức thép phụ thuộc tốc độ nguội
Giả sử chi tiết thép hình trụ trịn có đường kính D, làm nguội tốc độ nguội phân bố đường kính tiết diện có dạng hình chữ V Chỉ có lớp bề mặt với chiều dày định có tốc độ nguội lớn tốc độ nguội tới hạn cứng
Vậy yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ thấm tốc độ tới hạn, rõ ràng cách tính ổn định austenit nguội tăng lên, đường cong chữ “C” dịch sang phải dẫn đến làm hạ thấp vth, làm tăng độ thấm Trong trường hợp tốc độ tới hạn thép nhỏ bé tốc độ nguội lõi, lõi tơi cứng thành Mactenxit, lúc tồn tiết diện có tổ chức Mactenxit, tượng gọi tơi thấu Ngược lại có trường hợp tốc độ tơi tới hạn q lớn tốc độ nguội nhanh bề mặt khơng đạt tổ chức Mactenxit tồn chi tiết không
Như yếu tố làm giảm tốc độ tới hạn (hợp kim hóa, làm đồng dều austenit ….) làm tăng độ thấm
(9)Cách xác định độ thấm tơi
Trong thực tế khó xác định chiều dày lớp thấm chiều dày lớp có Mactenxit, mà thường tính chiều dày từ bề mặt đến lớp có tổ chức nửa Mactenxit (50%M + 50%T), tổ chức dễ phát phương pháp kim tương cách đo độ cứng tổ chức nửa Mactenxit thép có thành phần cacbon khác
Ý nghĩa độ thấm tơi
Độ thấm tơi có ý nghĩa quan trọng thép định khả hóa bền thép nhiệt luyện + ram
Như biết, độ bền thép đạt giá trị cao trạng thái sau ram Nếu sau tôi, lớp cứng mỏng, chiếm phần nhỏ tiết diện hiệu hóa bền kể không đáng bao nhiêu, độ bền chi tiết tăng lên so với trước tơi Nhưng sau tơi tồn hay phần lớn tiết diện tơi cứng hiệu hóa bền tăng lên rõ rệt
Độ thấm tơi có ý nghĩa đặc biệt thép kết cấu loại thép để chế tạo chi tiết máy, yêu cầu chủ yếu cần độ bền cao Đối với chi tiết quan trọng, chịu tải trọng lớn cần chế tạo thép có độ thấm tơi lớn để thấu, nhằm đạt độ bền cao đồng toàn tiết diện
Đối với số trường hợp lại khơng u cầu tơi thấu Ví dụ: dụng cụ cắt gọt taro, khoan, dũa…cần lõi có độ dẻo định để tránh gãy va đập dùng thép có độ thấm tơi thấp lại có lợi Hiện có khuynh hướng dùng thép có độ thấm thấp để chế tạo chi tiết cần lõi dẻo dai làm giảm thay đổi thể tích tơi
7.2.5 Cách xác định nhiệt độ
Khi thép ta phải nung lên nhiệt độ Ac1, nhiên thép có hàm lượng cacbon khác nhau, cách xác định nhiệt độ tơi khác
Đối với thép cacbon có tổ chức tế vi phù hợp với giản đồ trạng thái Fe – C, xác định nhiệt độ theo điểm tới hạn
1 Đối với thép trước tích tích ( ≤ 0.8%C)
Với thép trước tích khơng thể nung cao Ac1 thấp Ac3, thép có tổ chức Ferit + austenit, làm nguội nhanh ngồi Mactenxit cịn Ferit Ferit pha mềm độ cứng thép tơi khơng đạt giá trị cao nhất, tạo điểm mềm khơng có lợi cho độ bền tính chống mài mịn Khi tơi hồn tồn (t0tơi > Ac3) tất Ferit hịa tan hết vào austenit, sau tơi thép có Mactenxit khơng có Ferit, độ cứng đạt giá trị cao
Vì nhiệt độ tơi lấy cao Ac3, tức nung nóng thép đến trạng thái hồn tồn austenit Cách tơi gọi tơi hồn tồn
t0tơi = Ac3 + (30 ÷50)0C
Như nhiệt độ tơi thép hồn tồn phụ thuộc vào điểm Ac3 Lượng cacbon tăng lên từ 0,1 đến 0,8% nhiệt độ giảm
2 Đối với thép sau tích ( > 0,8%C)
(10)cao (bằng lượng cacbon thép), làm nguội nhanh Mactenxit với hàm lượng cacbon cao, thể tích riêng lớn cịn lại nhiều austenit dư Như Mactenxit cách tơi có độ cứng cao nhất, độ cứng chung thép (gồm Mactenxit austenit dư) lại thấp nhiều Cách không đạt yêu cầu độ cứng Mặt khác nung thép Accm tức phải nung tới nhiệt độ cao (đường SE dốc GS) làm hạt austenit lớn (gây cho thép tơi dịn), oxy hóa thoát cacbon bề mặt Khi nung cao Ac1 thấp Accm thép này, trạng thái nung thép có tổ chức austenit với lượng cacbon khoảng 0,85%C XeII, làm nguội Mactenxit chứa 0,85%C tích riêng khơng q lớn lượng austenit dư không nhiều Tổ chức nhận sau tơi gồm M + XeII + austenit dư, có độ cứng chung cao khoảng 62-65HRC Ở đây, XeII cịn có độ cứng cao M chút ít, XeII chưa hòa tan hết vào austenit nên tồn dạng hạt nhỏ phân bố lại làm tăng tính chống mài mịn
Như nhiệt độ lấy cao Ac1 thấp Accm, tức nung tới trạng thái khơng hồn tồn austenit: austenit + xementit II Cách gọi không hồn tồn
t0tơi = Ac1 + (30 ÷50)0C
Do thép sau tích có nhiệt độ giống nhau, không phụ thuộc vào thành phần cacbon
Hình 7.5:Khoảng nhiệt độ tơi cho thép
Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng nguyên tố hợp kim khoảng – 2%) nhiệt độ giống thép cacbon có hàm lượng cacbon tương đương
Đối với thép hợp kim trung bình cao (tổng lượng nguyên tố hợp kim > 5%) có tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C Nhiệt độ tơi thép phải tra sổ tay nhiệt luyện
7.2.6 Môi trường
(11)- Môi trường phải tạo chuyển biến Mactenxit Muốn vậy, mơi trường tơi phải có khả làm nguội thép với tốc độ lớn hay tốc độ tới hạn
- Giảm tốc độ chuyển biến để tránh biến dạng ứng suất dư Làm nguội chậm thép khoảng nhiệt độ 6000C 5000C đặc biệt khoảng nhiệt độ chuyển biến Mactenxit (dưới 3000C), tốc độ nguội chậm tốt chuyển biến gây ứng suất tổ chức lớn Đạt yêu cầu đảm bảo thép tơi khơng bị nứt cong vênh
Điều kiện làm nguội lý tưởng mô tả hình vẽ sau:
0 C
quá nguoäi Ac1
Ms
%C
P
X
T P
Bt Bd M
H×nh 7.7 Điều kiện làm nguội lý tưởng
Để thu tổ chức Mactenxit tránh tạo ứng suất dư ta cần ý khoảng 550 6500C nên làm nguội nhanh khoảng 200 3000C cần làm nguội chậm
- Ngoài yêu cầu quan trọng bên trên, cần ý yêu cầu khác môi trường như: dễ kiếm, sử dụng an tồn, khơng có tương tác hóa học, điện hóa, có độ bám vào bề mặt cao để mơi trường tiếp xúc với chi tiết
7.2.6.2 Một số môi trường nguội hay dùng
* Nước: - Đặc điểm:
+) Là môi trường dễ kiếm, rẻ tiền an tồn +) Có tốc độ nguội nhanh
+) Dễ phá áo độ linh động cao
+) Dễ gây nứt, cong vênh tốc độ nguội vùng chuyển biến Mactenxit lớn
- Phạm vi áp dụng: Dùng cho thép cacbon (%C trung bình) chi tiết đơn giản * Dầu:
- Đặc điểm:
+) Lớp màng dầu ổn định tốc độ nguội chậm so với nước +) Độ linh động áo khó phá hỏa
+) Mơi trường tơi an tồn, dễ cháy Dầu thường dùng dầu mazut, dầu máy
(12)* Muối nóng chảy: - Đặc điểm:
+) Tránh tượng oxi hóa thép
+) Tạo tốc độ nguội ổn định tốc độ nguội chậm +) Độc hại dễ nổ
- Phạm vi áp dụng: Dùng thép hợp kim cao 7.2.7 Các phương pháp thông thường
* Tôi môi trường:
- Định nghĩa: Là q trình tơi mà chi tiết làm nguội môi trường (đường (1))
- Đặc điểm:
+) Đơn giản, dễ thao tác
+) Không hạn chế tốc độ nguội có chuyển biến M chi tiết dễ bị biến dạng nứt
- Phạm vi áp dụng: Do đặc điểm mà môi trường áp dụng cho chi tiết không quan trọng, kết cấu đơn giản
* Tôi mơi trường:
- Định nghĩa: Là q trình mà chi tiết làm nguội môi trường có tốc độ nguội khác Mơi trường có tốc độ nguội chậm mơi trường (đường (2))
0C
Ac1
Ms
M
(1) (2) (3) (4)
T
X P
Bt
Bd
t P
H×nh 7.8 Các phương pháp thường gặp
- Đặc điểm:
+) Lợi dụng ưu điểm môi trường tơi Lúc đầu cịn nhiệt độ cao, thép làm nguội mơi trường có tốc độ nguội mạnh, sau gần đến nhiệt độ chuyển biến M thép chuyển sang làm nguội môi trường có tốc độ nguội bé Chuyển biến M xảy môi trường nguội chậm nên giảm bớt ứng suất bên trong, nứt Đây cách tơi thích hợp cho thép cacbon (đặc biệt cho thép cacbon cao) vừa bảo đảm đạt độ cứng, vừa xảy biến dạng, nứt
(13)cầu, chuyển muộn, chuyển biến M xảy môi trường một, ứng suất bên lớn, gây biến dạng nứt
- Phạm vi áp dụng:
Do đặc điểm môi trường mà để thực phải địi hỏi cơng nhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển mơi trường), khó khí hóa, thường áp dụng cho sản xuất loại nhỏ đơn
* Tơi phân cấp:
- Định nghĩa: Là q trình sử dụng môi trường làm nguội loại muối nóng chảy nhiệt độ lớn Mđ; T0 = Mđ + (30 50)0C Thép làm nguội giữ đẳng nhiệt thời gian định để đạt nhiệt độ mơi trường muối nóng chảy, sau chuyển sang mơi trường khơng khí làm nguội chậm để tạo chuyển biến Mactenxit (đường (3))
- Đặc điểm:
+) Ứng suất bên thấp trình nguội chia làm cấp nên chênh lệch nhiệt độ lõi bề mặt thấp, chuyển biến Mactenxit xảy với tốc độ nguội chậm
+) Có thể tiến hành nắn, sửa cong vênh đồ gá đặc biệt làm nguội thép khơng khí từ nhiệt độ "phân cấp"
+) Khơng áp dụng cho chi tiết có tiết diện lớn mơi trường làm nguội có nhiệt độ cao (300 500)0C khả làm nguội chậm nên với chi tiết có tiết diện lớn khó đạt đến vth
+) Mơi trường muối nóng chảy dễ bị nổ, gây an toàn độc hại
- Phạm vi áp dụng: Các dụng cụ thép hợp kim với tính ổn định nguội lớn (vt.h nhỏ) có tiết diện bé
* Tơi đẳng nhiệt:
- Định nghĩa: q trình tơi dùng mơi trường muối nóng chảy, giữ chi tiết muối thời gian để phân hóa hồn tồn thành F + Xe có độ cứng tương đối cao độ dai tốt (thường giữ đẳng nhiệt 2500 4000C để Bainit) (đường (4))
- Đặc điểm:
+) Tổ chức sau Bainit, có độ cứng nhỏ M sau tơi đẳng nhiệt, không cần ram +) Với thép cacbon hợp kim cao, sau phải tiến hành gia công lạnh nhằm mục đích chuyển biến Mactenxit hồn tồn
H×nh 7.9 Tơi đẳng nhiệt
Gia cơng lạnh
Tôi
0
Ram
(14)- Phạm vi áp dụng: Chỉ áp dụng cho thép hợp kim có tính ổn định q nguội lớn với tiết diện nhỏ Do tạo nên tổ chức không tốt nên phạm vi áp dụng tơi đẳng nhiệt bị hạn chế Có thể áp dụng cho số chi tiết dụng cụ có dạng mỏng
* Tôi phận:
- Định nghĩa: Là phương pháp tơi mà có phần chi tiết tơi cứng tức có chuyển biến M
- Các cách thực hiện: Có cách tơi phận
+) Nung nóng phận: Chỉ nung nóng phần cần tơi cứng đến nhiệt độ tơi, sau làm nguội bình thường mơi trường tơi thích hợp, phần nung nóng tơi cứng, phần lại đảm bảo độ dẻo
+) Nung nóng tồn bộ, làm nguội phận(tơi tự ram): Nung nóng tồn chi tiết lên đến nhiệt độ tôi, làm nguội môi trường tơi thích hợp phần cần cứng
- Phạm vi áp dụng: Thường áp dụng để chi tiết lưỡi cưa, đục hay đầu mút xupáp động
*Gia công lạnh:
Với nhiều thép dụng cụ hợp kim, lượng cacbon lượng NTHK cao, điểm Mk hạ thấp 00C, mơi trường tơi thơng thường hiệu hóa bền không cao nên phải đem thép làm lạnh đến nhiệt độ âm thiết bị lạnh, gia công lạnh phải tiến hành sau tơi để lâu nhiệt độ thường làm ổn định hóa , hiệu
7.3 RAM THÉP
7.3.1 Khái niệm
7.3.1.1 Định nghĩa: Ram phương pháp nhiệt luyện nung thép tơi có tổ chức Mactenxit Austenit dư lên đến nhiệt độ thấp Ac1 giữ nhiệt thời gian làm nguội theo yêu cầu để Mactenxit Austenit dư phân hóa thành tổ chức thích hợp phù hợp với điều kiện làm việc
7.3.1.2 Mục đích: Sau tơi thép đạt độ cứng cao, độ dẻo độ dai thấp tồn nhiều ứng suất bên Với trạng thái vậy, có tính chống mài mịn tốt thép dễ bị phá hủy dịn Vì vậy, sau tơi đạt tổ chức Mactenxit, phải tiến hành nung lại để giảm bớt độ cứng, tăng độ dẻo, độ dai, giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong, làm tính thép phù hợp với điều kiện làm việc chi tiết hay dụng cụ
Chú ý: Nhiệt độ ram khơng > Ac1 lúc xuất phụ thuộc vào tốc độ nguội Yếu tố định tổ chức định tính thép ram nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt ram Do vậy, với mục đích làm giảm ứng suất dư, biến tổ chức M + dư sau thành tổ chức khác có độ dẻo độ dai cao độ cứng độ bền phù hợp ram coi ngun cơng nhiệt luyện cuối cùng, áp dụng cho thép
7.3.2 Các phương pháp ram
(15)7.3.2.1 Ram thấp
- Định nghĩa: phương pháp nung thép khoảng 150 2500C để tổ chức đạt Mram
- Mục đích: làm giảm ứng suất dư M, tiết phần cacbon khỏi M Độ cứng giảm (1 3HRC)
- Phạm vi áp dụng: Các sản phẩm chịu ram thấp sau chi tiết dụng cụ cần độ cứng tính chống mài mịn cao: dao cắt kim loại, khn rập nguội, dụng cụ đo, vòng bi
7.3.2.2 Ram trung bình
- Định nghĩa: Là phương pháp nung thép khoảng 300 4500C để tổ chức thu Tram
- Mục đích: Làm giảm gần toàn ứng suất dư, tiết cacbon khỏi M nhiên độ cứng thép cao, giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên
- Phạm vi áp dụng: Các sản phẩm cần ram trung bình sau tơi thường chi tiết u cầu có tính đàn hồi cao lị xo, nhíp, dụng cụ cần độ dai cao khn rập nóng, khn rèn
7.3.2.3 Ram cao
- Định nghĩa: Là phương pháp nung thép khoảng 500 6500C để tổ chức thu Xram
- Mục đích: Độ cứng thép giảm mạnh, ứng suất bên bị triệt tiêu, độ bền giảm đi, độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh
- Phạm vi áp dụng: Tôi ram cao cịn gọi nhiệt luyện hóa tốt nên thường áp dụng để chế tạo chi tiết có u cầu tính tổng hợp cao, nhiệt luyện hóa tốt thường áp dụng cho chi tiết chịu va đập trục khuỷu, trục truyền lực, truyền, xupáp nạp, bánh Thép dùng để nhiệt luyện hóa tốt thường có hàm lượng cacbon khoảng 0,3 0,5%
7.4 CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN
Nhiệt luyện cải thiện nhiều tính thép, song thực không gây hư hỏng Các hư hỏng xảy nhiệt luyện, đặc biệt nhiệt luyện kết thúc (tôi + ram) gây lãng phí lớn Cần hiểu rõ nguyên nhân gây hư hỏng đó, biện pháp ngăn ngừa khắc phục chúng
7.4.1 Biến dạng, nứt
- Hiện tượng: Sự không đảm bảo hình dáng ban đầu xuất vết nứt tế vi sản phẩm sau nhiệt luyện
- Nguyên nhân: Do ứng suất dư phát sinh bên gây biến dạng nứt Khuyết tật xảy nung nóng lẫn làm nguội Nung nóng nhanh đặc biệt thép dẫn nhiệt (thép hợp kim cao) gây ứng suất nhiệt lớn, dạng thường xảy làm nguội Làm nguội nhanh q trình tơi, ứng suất nhiệt ứng suất tổ chức lớn
(16)- Cách khắc phục: Ngăn ngừa xảy biến dạng nứt cách giảm ứng suất bên Ngăn ngừa biến dạng, nứt trình nung biện pháp:
+) Xác định tốc độ nung nhanh hợp lý để tránh nứt Đối với thép hợp kim cao có tính dẫn nhiệt kém, nung nóng khơng đưa đột ngột vào lị có nhiệt độ tơi cao ngay, mà trước cần nung trước lị có nhiệt độ thấp
+) Cần xác định cách thức nung chi tiết cho hợp lý
Đối với trục dài, nung lị khơng nên đặt nằm ngang sàn lò mà nên treo thẳng đứng
Ngăn ngừa biến dạng, nứt trình nguội tơi biện pháp: +) Chọn mơi trường phương pháp tơi thích hợp để có chuyển biến M
+) Chọn phương pháp nhúng chi tiết, dụng cụ vào môi trường Khi nhúng phải tuân theo nguyên tắc: Chi tiết gồm nhiều phận dầy, mỏng khác phải nhúng phần dầy trước, chi tiết dài, nhỏ lò xo phẳng, mỏng phải nhúng thẳng đứng Các chi tiết hình ống phải đảm bảo trục vng góc với mặt chất lỏng
+) Để giảm ứng suất nhiệt làm nguội thường áp dụng biện pháp hạ nhiệt tức để chi tiết ngồi khơng khí tự nguội khoảng 50 700C sau nhúng vào mơi trường Cách làm thường áp dụng cho thép nhiệt độ cao thép thấm cacbon, thép dụng cụ hợp kim
+) Đối với chi tiết dễ cong vênh mỏng, bánh biện pháp chống biến dạng làm nguội khuôn ép
Ngăn ngừa biến dạng, nứt biện pháp thiết kế:
Cố gắng tạo cho chi tiết có thành dày đều, cân đối khơng có góc nhọn phần thay đổi tiết diện đột ngột
7.4.2 Oxi hóa cacbon
- Hiện tượng: Oxi hóa tượng tạo nên vẩy oxit bề mặt thép, lớp oxit sắt khơng bền, dễ bị bong ra, làm sai kích thước xấu bề mặt sản phẩm
Thoát cacbon tượng hàm lượng cacbon bề mặt thép bị giảm bị cháy làm tính lớp bề mặt - phần quan trọng chi tiết bị giảm thấp
- Nguyên nhân:
+) Oxi hóa: Do nung đến nhiệt độ cao (lớn 5700C) bề mặt thép xuất màng oxit sắt, có độ xốp cao nên khơng ngăn cản oxi đến tiếp xúc gây tượng oxi hóa bề mặt thép
+) Thốt cacbon: Cùng với tượng oxi hóa bề mặt thép, cacbon kết hợp với oxi tạo oxit cacbon (CO, CO2) làm giảm lượng cacbon bề mặt ,giảm chất lượng bề mặt chi tiết
(17)Dc = D0.e-Q/KT
Khuyết tật hay xảy nguyên công nhiệt luyện ủ thường hóa thép - Cách khắc phục
Đối với ngun cơng nhiệt luyện sơ bộ, sau cịn tiến hành gia cơng nên chiều sâu lớp khuếch tán nhỏ lượng dư gia cơng khơng cần lưu ý lớp bị bóc đi, khơng cịn lại sản phẩm
Biện pháp ngăn ngừa tốt tạo môi trường nung khơng gây tác dụng oxi hóa cacbon Trong kỹ thuật thường dùng mơi trường sau
+) Khí bảo vệ: Đó mơi trường khí với tỷ lệ oxi thấp gồm có khí CO2, CO, H2O, H2, CH4 N2 N2 chiếm tỷ lệ chủ yếu từ 50 75% với tỉ lệ định thành phần khí oxi hóa hồn ngun khí làm cacbon thấm cacbon
2 2
H CH ; H
O H ; CO CO
Với tỷ lệ thích hợp khí có tác dụng ngược làm cho thép khơng bị oxi hóa cacbon
+) Khí trung tính: Khí bảo vệ áp dụng cho thép cacbon thép hợp kim thấp Với thép crom cao có lực mạnh với oxi không dùng bảo vệ nên phải dùng khí H2, N2, NH3
+) Nung chân không: phương pháp nung lị có độ chân khơng cao khoảng 10-2 10-4 mmHg nên có khả chống oxi hóa cacbon tốt song phương pháp đắt nên sử dụng
Trong điều kiện khơng có biện pháp bảo vệ kể trên, phải dùng biện pháp khác như: rải than sàn lị, cho chi tiết vào hộp có phủ than, khử oxi triệt để lò muối
7.4.3 Độ cứng không đạt
- Hiện tượng: Độ cứng không đạt dạng khuyết tật độ cứng cao thấp so với độ cứng mà thép đạt tương ứng với loại thép phương pháp nhiệt luyện cho
- Nguyên nhân:
+) Độ cứng cao: Khi ủ thường hóa xảy tượng làm khó khăn cho cắt gọt biến dạng dẻo Nguyên nhân tốc độ nguội lớn
+) Độ cứng thấp: Khi xảy tượng làm cho thép khơng đủ tính để làm việc Nguyên nhân là: thiếu nhiệt (nung chưa đến nhiệt độ yêu cầu, thời gian giữ nhiệt chưa đủ), làm nguội không đủ nhanh để xảy chuyển biến M hay thoát cacbon bề mặt
- Cách khắc phục: Tìm ngun nhân sau thường hóa tơi lại nhiệt độ , bị cacbon trước phải thấm cacbon
7.4.4 Tính dịn cao
- Hiện tượng: Sau tơi, thép bị dịn q mức làm giảm đột ngột độ dai va đập
(18)- Cách khắc phục:
+) Thường hóa thép lại nhiệt độ quy định +) Kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ nung
CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1: Trình bày phương pháp ủ thường hóa
(19)CHƯƠNG HỐ BỀN BỀ MẶT THÉP
8.1 BỀ MẶT CHI TIẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT
8.1.1 Bề mặt chi tiết yêu cầu làm việc bề mặt
Bề mặt chi tiết phần ranh giới chi tiết máy môi trường làm việc với chi tiết máy khác cấu, phận
Điều kiện làm việc:
- Chịu ảnh hưởng trực tiếp tác động môi trường tác động cơ, lý hóa
- Là nơi tiếp nhận tải trọng nên thường xuyên chịu ma sát, mài mòn cấu
- Dễ bị biến dạng tróc rỗ bề mặt
Các điều kiện làm việc cho thấy, bề mặt chi tiết nơi có điều kiện làm việc khắc nghiệt việc cần thiết phải hóa bền bề mặt để nâng cao độ tin cậy chi tiết Các thông số độ tin cậy chi tiết bao gồm (B; 0,2; -1; độ cứng HRC, độ dẻo dai ; ak; độ bền nhiệt độ cao dão) Mục đích hóa bền bề mặt tăng độ tin cậy chi tiết q trình làm việc 8.1.2 Các phương pháp hóa bền bề mặt thép
Bề mặt chi tiết thép phận có yêu cầu cao bề mặt nơi làm việc chịu ứng suất tác dụng lớn nhất, chịu mài mòn chịu ma sát với chi tiết khác Rất nhiều chi tiết yêu cầu bề mặt có độ cứng, độ bền cao lõi giữ nguyên độ dẻo dai tốt
Có phương pháp làm tăng độ cứng bề mặt so với lõi: - Phương pháp học
- Phương pháp nhiệt luyện bề mặt - Phương pháp hóa nhiệt luyện
8.2 PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC
8.2.1 Nguyên lý
Nếu phương pháp khí làm biến dạng bề mặt thép đến chiều sâu định, lớp mạng tinh thể bị xô lệch bị biến cứng (độ cứng độ bền tăng lên) Như vậy, chi tiết có độ cứng bề mặt cao, cịn lõi giữ độ dẻo dai tốt
Biến cứng bề mặt có đặc điểm sau:
- Lớp bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn tốt
- Tạo nên lớp ứng suất nén dư lớp bề mặt làm tăng giới hạn mỏi
- Khi biến dạng làm nhiều tật hỏng bề mặt vết khía, rỗ, làm giảm nguồn gốc sinh vết nứt mỏi
(20)8.2.2 Các phương pháp học
8.2.2.1 Phun bi
Phun bắn viên bi cứng làm thép lò xo hay gang trắng với kích thước (0,5 1,5) mm lên bề mặt chi tiết Tốc độ bi đạt đến (50 100) m/s máy ly tâm quay nhanh va đập phun bắn viên bi lên bề mặt có tác dụng tạo bề mặt chi tiết vô số vết lõm nhỏ Chiều sâu lớp biến cứng bề mặt đạt đến 0,7mm
Đặc điểm phun bi đạt độ biến dạng dẻo đồng đều, chất lượng cao, thiết bị đơn giản dễ điều chỉnh, khơng tạo lớp hóa bền có chiều dày lớn
8.2.2.2 Lăn ép
Lăn lăn hay bi với áp lực lớn nhờ lò xo hay máy nén thủy lực Chiều sâu lớp biến cứng đạt tới 15mm Thường áp dụng cho chi tiết lớn cổ trục toa xe lửa, cổ trục khuỷu
8.2.2.3 Đập
Đập hình thức biến dạng bề mặt va đập tạo nên dụng cụ va đập, gá lắp va đập lị xo thực máy cơng cụ Lớp biến cứng sau tới 35 mm, thường dùng đập chế tạo để hóa bền chi tiết lớn thiết bị rèn ép máy nén thủy lực
8.3 PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN BỀ MẶT
8.3.1 Định nghĩa
Tôi bề mặt phương pháp bề mặt thép, phần lõi giữ nguyên tính tổng hợp cao
8.3.2 Nguyên lý
Có nhiều phương pháp bề mặt song song chúng dựa nguyên lý chung nung nóng thật nhanh bề mặt với chiều sâu định lên đến nhiệt độ tôi, phần lớn tiết diện khơng nung nóng, làm nguội nhanh có bề mặt tơi cứng cịn lõi khơng tơi đảm bảo mềm, dẻo Có thể nung nóng nhanh bề mặt phương pháp sau:
- Nung nóng dịng điện cảm ứng có tần số cao - Nung nóng lửa hỗn hợp khí C2H2 + O2
- Nung nóng tiếp xúc phần giáp có dịng điện chạy qua - Nung nóng chất điện phân
8.3.3 Các phương pháp bề mặt
8.3.3.1 Phương pháp tơi bề mặt dịng điện có tần số cao
- Nguyên lý: