chương 4 nhiệt luyện thép

Ủ:  nung nóng chi tiết, sau đó làm nguôi chậm ( nguội cùng lò ) để nhận được tổ chức có độ cứng thấp, độ dẻo caoT. Thường hoá:.[r]

(1)

Chương 4: NHIỆT LUYỆN THÉP

4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép

Nhiệt luyện gì?  là cơng nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt làm nguội với tốc độ thích hợp

Mục đích:  làm biến đổi tổ chức  biến đổi tính vật liệu theo hướng mong muốn người

Đặc điểm nhiệt luyện:

- Khơng làm thay đổi hình thay đổi khơng đáng kể dạng kích

thước chi tiết

- Chi tiết trạng thái rắn

(2)

Các yếu tố đặc trưng

Thời gian ()

Nh

iệ

t

độ

(t

o C)

Sơ đồ quy trình nhiệt luyện đơn giản nhất

 nhiệt độ cao mà trình cần đạt đến to

n

Nhiệt độ nung nóng (t0

n)

gn

Thời gian giữ nhiệt (gn)

 thời gian ngưng nhiệt độ nung nóng

Vng

Tốc độ nguội (Vng)

(3)

Các tiêu đánh giá kết nhiệt luyện

1 Tổ chức tế vi

- cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền…

Ảnh tổ chức thép với phân tán xêmentit ferit

Xê F

2 Độ cứng

 biết giá trị độ cứng  ước lượng chỉ tiêu tính khác: độ dẻo, độ dai, độ bền

(4)

Phân loại nhiệt luyện thép

Ủ: nung nóng chi tiết, sau làm ngi chậm (nguội lị) để nhận tổ chức có độ cứng thấp, độ dẻo cao

Thường hoá:

 nung chi tiết đến tổ chức đạt hồn tồn Austenit, sau làm nguội ngồi khơng khí tĩnh để đạt tổ chức cân bằng

Tơi:  nung nóng chi tiết, sau làm nguội nhanh để đạt tổ chức không cần có độ cứng cao

Ram: ngun cơng bắt buộc sau để điều chỉnh lại độ cứng, độ bền

(5)

Phân loại nhiệt luyện thép (tiếp theo)

Hoá - Nhiệt luyện:

 dựa vào nhiệt độ để làm biến đổi thành phần hoá học vùng bề mặt chi tiết  nhiệt luyện để đạt tính mong muốn

- thấm đơn nguyên tố: thấm C, N, Cr…… - thấm đa nguyên tố: thấm C-N,…

Cơ - Nhiệt luyện:

(6)

Tác dụng Nhiệt luyện sản xuất khí

- Tăng độ cứng, tính chống mài mịn và độ bền thép

(7)

Các chuyển biến xảy

nung nong - làm nguội

Chuyển biến xảy nung nóng - tạo thành Austenit

Cơ sở: dựa giản đồ pha Fe-Fe3C

* Thép tích (tổ chức có P): [Fe+Fe3C]0,8%C nhiệt độ A c1 Fe(C)0,8%C * Thép trước tích (P+F): P + F nhiệt độ A c3 Austennit

* Thép trước tích (P+Xe): P + Xe nhiệt độ A cm Austennit

Nhận xét:

- Mọi loại thép sau nung lên đường GSE (xem GDP Fe-Fe3C) cho tổ chức pha Austennit

(8)

Các chuyển biến xảy nung nong - làm nguội (tiếp theo)

Đặc điểm chuyển biến P  Austenit

Vấn đề quan tâm: nhiệt độ và kích thước hạt Austenit * Nhiệt độ: phụ thuộc vào tốc độ nung

 tốc độ nung nhanh nhiệt độ chuyển biến cao thời gian chuyển biến ngắn

Thời gian (phút)

Nhi ệt độ (0 C ) 720

Bắt đầu chuyển biến P 

Kết thúc chuyển biến P  

V2

V1

(9)

Các chuyển biến xảy nung nong - làm nguội (tiếp theo)

* Kích thước hạt Austenit:

Đặc điểm chế chuyển biến P  Austenit

- Tạo mầm (mầm tạo biên giới pha F Xe) - Phát triển mầm q trình kết tinh

Kích thước hạt A phụ thuộc:

(10)

Các chuyển biến xảy giữ nhiệt - Làm đồng nhiệt độ toàn tiết diện

- Đủ thời gian để hoàn thành chuyển biến xảy nung nóng

- Làm đồng thành phần hố học tồn Austenit

Chú ý:

(11)

Các chuyển biến xảy nguội chậm Austenit

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Au nguội (thép tích)

Động học chuyển biến trạng thái rắn

T

ốc

độ

ng

uộ

i

Sự lớn lên hạt

Phát triển nhân hạt Đường cong kết

(12)

Các chuyển biến xảy nguội chậm Austenit (tiếp theo)

T

ốc

độ

nguội

Phát triển hạt

Phát triển nhân hạt Kết hợp

T

Chuyển đổi trục T

Tốc độ nguội

Tốc độ nguội đinh nghĩa việc xác định thời điểm xảy 50% chuyển biến: tốc độ  1/ t 0,5

Giản đồ TTT mối quan hệ với tốc độ nguội

T

50% chuyển biến

(13)

Giản đồ TTT thép tích

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)

Mf (~ -500C)

(14)

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

Mf(~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhi ệt độ (0 C ) Nhiệt độ (0 F ) Thời gian Sự phân hoá  khi làm nguội liên tục

V1

V2

V3 V4 V

th

Các véctơ vận tốc nguội

V1<V2<V3<Vth<V4

V1  Peclit V2  Bainit

V3  Bainit + Mactenxit V4  Mactenxit

(15)

Xác định thành phần tổ chức cuối các trường hợp sau:

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhi ệt độ (0 C ) Nhi ệt độ (0 F )

Tổ chức a là:

Tổ chức b là:

(16)

Đặc điểm phân hoá A làm nguội liên tục

* Tổ chức nhận hoàn toàn phụ thuộc vào véctơ biểu thị tốc độ nguội giản đồ TTT

* Với chi tiết có tiết diện lớn, tổ chức không đồng ảnh hưởng tốc độ nguội khác

* Chỉ nhận tổ chức hoàn toàn Bainit cách làm nguội đẳng nhiệt

Chú ý:

(17)

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Au nguội (thép khác tích)

N

hiệt

độ

(0 C

) Vùng ổn định (A3, Acm)

A1

Vùng chuyển biến  Vùng chuyển biến 

Đặc điểm:

(18)

Các chuyển biến xảy nguội nhanh Austenit

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhi ệt độ (0 C ) Nhi ệt độ (0 F ) Thời gian V1 V

th

Vtb: vận tốc nguội tới hạn

Khi vận tốc nguội:

(19)

Các chuyển biến xảy nguội nhanh Austenit (tiếp theo)

Bản chất Mactenxit

M

Xe

F

Bainit

- Là dung dịch rắn bão hoà C Fe

- Nồng độ C Austenit - Kiểu mạng phương tâm khối c/a~ 1,001-1,06

(20)

Các chuyển biến xảy nguội nhanh Austenit (tiếp theo)

Các đặc điểm chuyển biến Mactenxit

• Chỉ xảy làm nguội nhanh liên tục A với tốc độ V > Vth • Chuyển biến khơng khuyếch tán

• Q trình chuyển biến xảy liên tục, tốc độ phát triển nhanh

• Chỉ xảy khoảng hai nhiệt độ bắt đầu (Ms) kết thúc (Mf) • Chuyển biến xảy khơng hồn tồn

Cơ tính Mactenxit

(21)

Các chuyển biến xảy nung nóng thép sau tơi

Sự không ổn định Mactenxit Austenit

Mactenxit: Fe(C)  Fe3C + Fe Austenit: Fe(C)  Fe3C + Fe

Các chuyển biến ram (thép tích)

Giai đoạn I (<2000C):

- t < 800C: chưa xảy chuyển biến - 800C < t < 2000C: tiết cácbit  (Fe

2,0-2,4C) từ M,  chưa chuyển biến Fe(C)0,8  [Fe(C)0,25-0,4 + Fe2,0-2,4C ]

M M ram

(22)

Các chuyển biến xảy nung nóng thép sau tơi (tiếp theo)

Giai đoạn II (<200-2600C):

- Cacbon tiếp tục tiết từ M -  dư chuyển biến M ram

Fe(C)0,8  [Fe(C)0,15-0,2 + Fe2,0-2,4(C) ]

 dư M ram

(23)

Các chuyển biến xảy nung nóng thép sau (tiếp theo)

Giai đoạn III (<260-4000C):

 hỗn hợp Feα Xe nhỏ mịn phân tán  tổ chức trôxtit Tổ chức hai pha cacbit  M ram đồng thời chuyển biến:

Fe(C)0,15-0,2  Fe + Fe3C (dạng hạt) Fe2,0-2,4(C)  Fe3C (dạng hạt)

(24)

Các chuyển biến xảy nung nóng thép sau tơi (tiếp theo)

Giai đoạn IV (>4000C):

- Khơng có chuyển biến mới, có sát nhập hạt Xe lớn lên - 500-6000C nhận tổ xoocbit ram có σ

ch ak cao  tuỳ thuộc vào giai đoạn mà nhận tổ chức có tính khác

(25)

Ủ thép

 Nung nóng + giữ nhiệt + ngi chậm lò  nhận tổ chức ổn định (độ cứng thấp + độ dẻo cao)

Vì cần ủ? Ủ gì?

- Làm giảm độ cứng để dễ dàng gia cơng khí (cắt, bào, tiện… vật liệu) - Làm tăng thêm độ dẻo để dễ gia công biến dạng (dập, cán, kéo….)

- Khử bỏ ứng suất bên sinh trình biến dạng…

(26)

Ủ thép (tiếp theo)

Các phương pháp ủ khơng có chuyển biến pha

* Ủ thấp (200-6000C):  làm giảm khử bỏ ứng suất bên chi tiết (sau đúc, gia cơng khí)

* Đặc điểm: độ cứng khơng giảm

* Ủ kết tinh lại (600-7000C cho thép C):  làm giảm khử bỏ ứng suất bên chi tiết (sau đúc, gia cơng khí)

(27)

Các phương pháp ủ chuyển biến pha

Ủ hoàn toàn (áp dụng cho thép trước tích): nhận tổ chức

[Fe + P (tấm)]

Tủ = Ac3 + (20-300C) Mục đích: - làm nhỏ hạt

- giảm độ cứng, tăng độ dẻo

Ủ khơng hồn toàn (cho thép dụng cụ %C > 0,7): nhận tổ chức

[XeII + P hạt]

Tủ = Ac1 + (20-300C)

(28)

Các phương pháp ủ chuyển biến pha (……)

Ủ cầu hố: mục đích tạo thành P hạt tổ chức

5' 5' 5' 750-7600C

650-6600C

Thời gian t0C

Ủ đẳng nhiệt: áp dụng cho thép hợp kim cao

* Mục đích: nhận tổ chức P có độ cứng thấp (nhiệt độ ~ A1-500C)

(29)

Thường hoá thép

 Nung nóng (đạt ) + giữ nhiệt + ngi ngồi khơng khí tĩnh  nhận tổ chức độ cứng thấp thuận tiên cho việc gia cơng khí

Thường hố gì?

Cách lựa chọn nhiệt độ

- Thép trước tích: Tth = Ac3 + (30-500C)

- Thép sau tích: Tth = Acm + (30-500C)

Mục đích thường hố

- Đạt độ cứng thích hợp cho gia cơng cắt

(30)

Tơi thép

 Nung nóng + giữ nhiệt + nguôi nhanh  nhận tổ chức M không ổn định với độ cứng cao

Mục đích

- Nâng cao độ cứng tính chống mài mòn cho chi tiết - Nâng cao độ bền sức chịu tải chi tiết máy

Cách chọn nhiệt độ tôi

- Thép trước tích tích:

Ttơi = Ac3 + (30-500C) - Thép sau tích:

Ttơi = Ac1 + (30-500C)

(31)

Tôi thép (tiếp theo)

Tốc độ tới hạn

 Là tốc độ nguội nhỏ gây nên chuyển biến A M

Các yếu tố ảnh hưởng

- Thành phần nguyên tố hợp kim A - Sự đồng A

- Các phần tử rắn chưa hoà tan vào A - Kích thước hạt A trước làm nguội

Độ thấm tôi  chiều sâu lớp tơi cứng có tổ chức M Các yếu tố ảnh hưởng: - tốc độ nguội tới hạn

(32)

Đánh giá độ thấm tôi

25

(33)

Các phương pháp tơi thể tích cơng dụng

Tôi môi trường

Đường cong nguội lý tưởng:

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

Mf(~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhi ệt độ (0 C ) Điều kiện:

- Chi tiết sau phải đạt tổ chức M

- Chi tiết không bị cong vênh

- Giai đoạn làm nguôi nhanh qua vùng 500-6000C:  cần vận tốc nguội V > Vth

(34)

Tôi hai môi trường

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhi ệt độ (0 C ) Thời gian

 nhược điểm: khó xác định thời điểm chuyển biến M

- Giai đoạn đầu: nguội nhanh môi trường mạnh (nước, dung dịch muối…)

- Giai đoạn sau làm nguội môi trường yếu (dầu…)

(35)

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhi ệt độ (0 C )

Tôi phân cấp (a)

Áp dụng chủ yếu cho thép HK cao

(a) (b)

Tôi đẳng nhiệt (b)

 độ dai cao hơn, không cần ram sau

Gia công lạnh

 khử bỏ A dư có điểm Mf thấp với số thép HK

Tôi tự ram

(36)

Cơ - nhiệt luyện thép

 thực gần đồng thời trình: biến dạng dẻo (biến dạng dẻo A) + tơi nhận tổ chức có độ bền (10-20%), độ dẻo dai cao (1,5-2 lần)

Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao

- Biến dạng dẻo Ac3  + ram thấp

- Đặc điểm: - áp dụng cho loại thép C

- dễ tiến hành A dẻo, tốn lượng

- b ~ 2200-2400Mpa,  ~ 6-8%, ak ~ 300KJ/m2

Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao

- Nung thép lên Ac3 nhận tổ chức A  nguội nhanh xuống 400-6000C  biến dạng dẻo  + ram thấp

- Đặc điểm: - áp dụng cho thép HK có độ nguội A cao - khó tiến hành A dẻo, tốn nhiều lượng

(37)

Ram thép

- Nung nóng thép sau tơi đến nhiệt độ xác định (< Ac1) + giữ nhiệt làm ngi ngồi khơng khí

- Là ngun cơng bắt buộc sau tơi

Vì cần Ram?

 Giảm khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên chi tiết sinh sau tôi, tránh chi tiết bị giịn

 Điều chỉnh tính cho phù hợp với yêu cầu riêng chi tiết * Đặc điểm tổ chức nhận sau tôi:

- tổ chức M tơi có độ cứng cao, dòn, dẻo dai  dễ bị nứt

(38)

Ram thép (tiếp theo)

Các phương pháp ram Ram thấp (150-2500C)

- tổ chức sau ram: M ram

(39)

Các phương pháp ram

Ram trung bình (300-4500C): áp dụng với thép có 0,55-0,65%C - tổ chức sau ram: trôxtit ram

- độ cứng giảm rõ rệt với M giới hạn đàn hồi đạt giá trị lớn - khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên

(40)

(41)

Các phương pháp ram Ram cao (500-6500C)

- tổ chức sau ram: xoocbit ram

- độ cứng giảm mạnh, độ dẻo độ dai tăng mạnh

(42)

Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép

Biến dạng nứt

Nguyên nhân: sinh ứng suất nhiệt bên Phòng tránh: - tốc độ nung hợp lý

- làm nguội theo quy tắc: nhúng thẳng đứng,

……… phần dày chi tiết fải tơi trước…

- ép vật mỏng khuôn trước Khắc phục: biến dạng vừa phải mang nắn lại

Oxy hoá thoát C

Nguyên nhân: có xuất thành phần dễ gây oxy hoá Fe C như: nước, oxy………

Phịng tránh: - nung mơi trường có khí bảo vệ: N2, Ar2……… - nung môi trường chân không

(43)

Các khuyết tật xảy nhiệt luyện thép (tiếp theo)

Độ cứng không đạt

Nguyên nhân: sau độ cứng cao thấp Khắc phục:

* độ cứng cao: đem ủ nhiệt luyện lại với tốc độ nguội thấp * độ cứng thấp:

Tính giịn cao

(44)

Hố bền bề mặt

Tôi cảm ứng

Nguyên lý:  chi tiết đặt từ trường biến thiên xuất

dịng điện cảm ứng nung nóng chi tiết

Đặc điểm:

- Mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không tiết diện chi tiết - Mật độ dòng điện phân bố cao từ bề mặt vào bên chi tiết với chiều sâu  xác định theo công thức:

(45)

Hoá bền bề mặt (tiếp theo)

Tôi cảm ứng (… ) Các phương pháp tôi

1 Nung nóng làm ngi tồn bề mặt chi tiết

2 Nung nóng làm nguội phần riêng biệt

(46)

Hoá bền bề mặt (tiếp theo)

Tôi cảm ứng (… )

Tổ chức tính thép

- Lõi: tổ chức xoocbit ram

- Bề mặt: Mactenxit hình kim nhỏ mịn

Tổ chức:

- Bề mặt có độ cứng cao chịu mài mịn tốt - Lõi có độ dai va đập độ dẻo cao

- Bề mặt có khả chống mỏi tốt

Cơ tính:

(47)

Hố bền bề mặt (tiếp theo)

Tôi cảm ứng (… )

Thuận lợi

- Năng suất cao - Chất lượng tôt

- Dễ dạng khí hố, tự động hố

Khó khăn

(48)

Hố - nhiệt luyện

 Là q trình bão hồ ngun tố hố học vào bề mặt thép nhờ khuyếch tán trạng thái ngun tử từ mơi trường bên ngồi nhờ nhiệt độ

-Nâng cao độ cứng, tính chống mài mịn độ bền mỏi cho chi tiết

- Nâng cao tính chống ăn mịn cho vật liệu

Mục đích:

Các giai đoạn q trình

(49)

Hoá - nhiệt luyện (tiếp theo)

Các yếu tố ảnh hưởng

Ảnh hưởng nhiệt độ Ảnh hưởng thời gian

Ch iề u d ày lớ p thấ m x

Thời gian () T=const

Nhiệt độ (T)

Ch iề u d ày lớ p thấ m x =const

x = A.e-(Q/kT)

(50)

Thấm C

Mục đích: - làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mịn, chịu

……… mỏi tốt (HRC ~ 60-64)

- lõi đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 30-40)

 Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) + ram thấp 

Yêu cầu lớp thấm:

- Bề mặt: ~ 0,8-1,0%C, tổ chức sau nhiệt luyện M ram cacbit nhỏ mịn phân tán

(51)

(52)

Thấm C (… )

Cách lựa chọn nhiệt độ thời gian thấm

Nhiệt độ thấm: Tthấm > Ac3 để đảm bảo hoà tan nhiều C vào

……… thép (900-9500C)

- Thép chất hạt nhỏ: 930-9500C - Thép chất hạt lớn: 900-9200C

Thời gian thấm: phụ thuộc vào chiều dày lớp thấm (0,5-1,8mm) tốc độ

……….……… ……thấm

Chất thấm trình xảy ra

Chất thấm thể rắn Chất thấm thể khí

2C + O2  2CO 2CO  CO2 + Cng.tử

Cng.tử + Fe(C)  Fe(C)0,10,81,3

2CnH2n+2  (n+1)H2 + nCng.tử 2CO  CO2 + Cng.tử

(53)

Thấm N

 Bão hoà N lên bề mặt thép  nâng cao độ cứng (~65-70HRC) tính chống mài mịn cho chi tiết

Chất thấm trình xảy ra

- Thường sử dụng khí NH3 cho q trình thấm

2NH3  3H2 + 2Nng.tử Nng.tử + Fe  Fe(N)

(54)

Thấm N

Nhiệt độ thấm: 480-6500C Đặc điểm:

- thời gian thấm lâu

Định dạng
Số trang	54
Dung lượng	0,95 MB