chương 4 nhiệt luyện thép

Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)  Đặc điểm của sự phân hoá As khi làm nguội liên.. tục?[r]

Chương 4: NHIỆT LUYỆN THÉP

4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép

 Nhiệt luyện gì

 Mục đích:

 Các yếu tố đặc trưng

Thời gian ()

N hi ệt đ ộ (t o C )

Sơ đồ quy trình nhiệt luyện đơn giản nhất

to n

 Nhiệt đ nung nóng

(t0 n)

gn

 Thời gian giữ nhiệt (gn)

Vng

 Các tiêu đánh giá kết nhiệt luyện

1 Tổ chức tế vi

Xê F

2 Độ cứng

4.2 Phân loại nhiệt luyện thép 1 Nhiệt luyện sơ bộ

Phân loại nhiệt luyện thép (tiếp theo)

3 Hoá - Nhiệt luyện:

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

4.3 Các chuyển biến xảy nung nóng

4.3.1 Chuyển biến xảy nung nóng - tạo thành As 1 Cơ sở: dựa giản đồ pha Fe-Fe3C

Nung chậm Chuyển biến bản: P  Austenit Austenit

Thép tct: TA3 P+F  Austennit

Thép sct: TAm P+XeII Austennit

Nhận xét:

Các chuyển biến xảy nung nóng (tiếp theo)

2 Đặc điểm chuyển biến P  Austenit

Vấn đề quan tâm: nhiệt độ và kích thước hạt Austenit

* Nhiệt độ chuyển biến: Thực tế nung nhanh (so với GĐP)

T0 chuyển biến  phụ thuộc vào tốc độ nung

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt nung

Thời gian (phút)

N hi ệt đ ộ (0 C ) 720

Bắt đầu chuyển biến P  

Kết thúc chuyển biến P  

V2

V1

V2>V1 T2>T1

Các chuyển biến xảy nung nóng (tiếp theo)

* Kích thước hạt Austenit:

Đặc điểm chế chuyển biến P  Austenit: Chuyển pha trạng thái rắn theo chế:

Kích thước hạt Austenit:

4.4 Các chuyển biến xảy giữ nhiệt

Như cần: Giải thích:

T cao; thời gian giữ nhiệt dài  hạt ?

4.5 Các chuyển biến xảy nguội chậm Austenit 4.5.1 Giản đồ TTT thép tích (0,8%C)

Peclit Xoocbit Trôtit Bainit C hi ều tă ng đ ộ cứ ng v à m ứ c độ n hỏ m ịn c ủa Xe Thời gian Austenit nguội

Nhiệt độ tích

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

Mf (~ -500C)

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

 P (7000C): Xe thô

 X (6500C): Xe nhỏ mịn

 T (500-6000C): Xe nhỏ mịn

 B ( 250-4500C): F 0,1%C; Xe có cơng thức

Các chuyển biến xảy nguội chậm Austenit (tiếp theo) N hi ệt đ ộ (0 C ) Thời gian

4.5.2 Sự phân hoá As làm nguội chậm liên tục

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

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

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N hi ệt đ ộ (0 F ) V1 V2 V3

V4 Vth

 Thực tế thường

nguội liên tục

 Các véctơ nguội

(liên tục):

V1<V2<V3<Vth<V4

V1  P

V2  V

V3  T + M V4  M

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

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

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

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nhi ệt độ (0 C ) Nhi ệt độ (0 F ) Thời gian Tổ chức của

a là:

Tổ chức của b là:

(a)

Các chuyển biến xảy nguội chậm Austenit (tiếp theo)  Đặc điểm phân hoá As làm nguội liên

tục

* Tổ chức nhận hoàn toàn phụ thuộc vào véctơ nguội giản đồ TTT

* Chi tiết có tiết diện lớn: tổ chức khơng đồng tiết diện bên ngồi nguội nhanh, bên nguội chậm

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

Chú ý:

4.5.3 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Austenit quá nguội (thép khác tích)

N

hiệt

độ

(0 C

) Vùng  ổn định (A3, Acm)

A1

Vùng chuyển biến  Vùng chuyển biến 

Thời gian

Đặc điểm:

- Xuất thêm nhánh phụ, chữ “C” có xu hướng dịch sang trái  tính ổn định As nguội giảm

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

 Nguội chậm (đẳng nhiệt hay liên tục)  hệ cân

(hoặc gần cân bằng)  lượng tự hệ nhỏ

 cơ tính tương ứng: độ cứng thấp, độ dẻo cao.

 Các công nghệ tương ứng: Ủ Thường hóa

1. Ủ thép

a Ủ ?

b Mục đích

- Làm giảm độ cứng để - Làm tăng thêm độ dẻo

- Khử bỏ ứng suất bên

b Các phương pháp ủ khơng có chuyển biến pha

T<7270C, khơng có chuyển biến P As

b.1 Ủ khử ứng suất (200-6000C):  200-4000C

400-6000C

b.2 Ủ kết tinh lại (600-7000C cho thép C):



 Nhiệt độ: TKTL= (0,7-0,75) Ts

c. Các phương pháp ủ chuyển biến pha c.1 Ủ hoàn toàn (thép tct):

Tủ = Ac3 + (20-300C) Tổ chức sau ủ:

Mục đích:

c.2 Ủ khơng hồn toàn (thép sct):

Biến đổi tổ chức ủ hoàn toàn thép 0,5% C

c.3 Ủ cầu hóa:

5' 5' 5'

750-7600C

650-6600C

T0C

Thời gian

d Ủ đẳng nhiệt: áp dụng cho thép hợp kim cao

Mục đích: nhận P  độ cứng thấp T ~ A1- 500C

 Mục đích tạo thành P hạt

2 Thường hóa thép

a. Thường hóa gì?

b Cách lựa chọn nhiệt độ

- Thép trước tích: - Thép sau tích:

4.6 Các chuyển biến xảy nguội nhanh Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

Austenit nguội

Nhiệt độ tích

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

Mf (~ -500C)

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

 Vth: vận tốc nguội tới hạn

 Khi vận tốc nguội: V1 > Vth

4.6.1 Bản chất Mactenxit

-Kiểu mạng

4.6.2 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)

• Ms, Mf phụ thuộc vào:

- As nhiều C NTHK ( trừ Si,Co, Al)Ms, Mf

càng thấp

• Lượng As dư phụ thuộc vào:

- Mf  âm  As nhiềusau không đạt

được độ cứng max

27 4.6.3 Cơ tính Mactenxit

• Độ cứng: phụ thuộc vào %C

• Tính giịn: tỷ lệ thuận với độ cứng

Lý giòn: Phụ thuộc:

 thép hạt nhỏ, nhiệt độ tơi, phương pháp tơi thích hợp

4.6.4 Các công nghệ thép

 Nguội nhanh, liên tục  hệ không cân 

lượng tự hệ lớn

 cơ tính tương ứng: độ cứng thấp, độ dẻo cao.

 Các công nghệ tương ứng: Tôi

 Tạo dung dịch rắn bão hòa C Mactenxit

1 Tôi thép

 Đ/n:

 Mục đích

 Cách chọn nhiệt độ tôi

 Thép tct ct:  Thép sct:

 Thép hợp kim: %HK thấp  dựa theo thép C

 Thép TCTtơi hồn tồn? Tổ chức nhận

được ?

 Thép SCTtơi khơng hồn tồn? Tổ chức

nhận ?

2 Cách chọn môi trường tôi

a Tốc độ tới hạn

b Độ thấm tôi:

 là chiều sâu lớp tơi cứng có tổ chức M

Các yếu tố ảnh hưởng:

Vng < Vth Vlõi > Vth

c Yêu cầu với môi trường tôi:  Chi tiết sau phải đạt tổ chức M  Chi tiết không bị cong vênh, nứt

 Đường cong nguội lý tưởng:

 Giai đoạn làm nguội nhanh qua vùng 500-6000C

(As ổn định – lưng đường chữ “C”)

 Giai đoạn làm nguội chậm vùng chuyển biến

Mactenxit 200-3000C  tránh ứng suất nhiệt cho

 Các môi trường thông dụng:

 Nước:

- Rẻ, an toàn, dễ kiếm

- Làm nguội nhanh khoảng nhiệt độ - Cứng cao, biến dạng lớn

- Nước nóng (>400C) làm giảm mạnh tốc độ

nguộinước ln nguội

- Là môi trường thép C- Khơng dùng cho chi tiết có hình dạng phức tạp

Thay đổi thành phần DD để tăng khả tôi:

Dung dịch 10% NaCl+Na2CO3+NaOH

 Dầu:

- Làm nguội chậm khoảng nhiệt độ

- Dầu nóng nguội khả tơi giống nhaudùng dầu nóng (60-800C) để tăng tính linh động

Chú ý: Dầu thơng thường Tcháy=1500Cphải làm nguội

- Là môi trường thép HK chi tiết có hình dạng phức tạp

Hiện dầu tơi đến nhiệt độ cao (200-3000C)

 Các môi trường khác

- Mơi trường tơi muối nóng chảy: Áp dụng cho thép HK đẳng nhiệt

- Môi trường Polyme

a Tôi môi trường (véc tơ màu đỏ) Vng>Vth

Mactenxit (M) + As dư Ms (~ 2200C)

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nh iệ t đ ộ Thời gian A1

As nguội

A1

M)+ As dư Ms (~

2200C)

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nh iệ t đ ộ (0 C ) Thời gian As nguội

b Tôi môi trường

- Giai đoạn đầu:

- Giai đoạn sau:

Ưu điểm: ?

Ms (~ 2200C)

Mf (~ -500C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit Nh iệ t đ ộ (0 C ) (a) (b) Thời gian A1

As nguội

M+As dư

c Tôi phân cấp (a)

- Áp dụng chủ yếu cho thép HK cao

-Nhúng vào mt: T0 > M

s+ (50-1000C) giữ nhiệt  nguội khơng khí

d Tôi đẳng nhiệt (b)

- Cần độ dai cao hơn, chống biến dạng

- Không cần ram  B

e Gia công lạnh

4.7 Các chuyển biến xảy nung nóng thép sau tơi - Ram thép

4.7.1 Sự không ổn định Mactenxit Austenit:

Là pha khơng ổn định (khơng có GĐ pha) M  dd rắn  bh

 không tồn T thường

 chuyển biến

Mactenxit: Fe(C)  Fe3C + Fe

4.7.2.Các chuyển biến ram (thép ct- 0,8%C)

 Giai đoạn I (<2000C):

- T < 800C:

- 800C < t < 2000C:

M= Fe(C)0,8  Feα(C)0,25-0,4 + cácbit ε (Fe2,0-2,4C)

 γ chưa chuyển biến

Cuối GĐ1: Mram+ dư

 Giai đoạn II (200-2600C):

 Cacbon tiếp tục tiết từ M

 Tổ chức cuối giai đoạn II : M ram

độ cứng nhỏ so với M tôi

 As dư chuyển biến  M ram

M tôi M ram

 Giai đoạn III ( 260- 4000C):

 hỗn hợp Feα và Xe nhỏ mịn phân tán  Trôxtit Tổ chức hai pha Cacbit  M ram đồng thời chuyển biến:

Đặc điểm Trôxtit:

- Giai đoạn IV (>4000C):

- 500-6000C nhận tổ chứ Xoocbit ram có σch và

ak cao nhất

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

4.7.3 Công nghệ Ram thép

1 Mục đích ram

 Giảm khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên chi

tiết sinh sau tơi, tránh chi tiết bị giịn

 Điều chỉnh tính cho phù hợp với yêu cầu riêng

2 Các phương pháp ram

a Ram thấp (150-2500C) - Tổ chức sau ram:

- Độ cứng giảm: - Dẻo dai

b Ram trung bình (300-4500C):

- Thép:

- Tổ chức sau ram: - Cơ tính;

c Ram cao (500-6500C)

- Tổ chức sau ram: - Cơ tính

4.8 Các khuyết tật nhiệt luyện thép

4.8.1 Biến dạng nứt

Nguyên nhân:

Phòng tránh:

4.8.2 Oxy hoá thoát C

- Hiện tượng tạo vảy ôxyt C bề mặt chi tiết

Nguyên nhân:

- có xuất thành phần dễ gây OXH Fe C như: nước, oxy, CO2

- Thốt C

Phịng tránh: Nung mơi trường khơng có tác dụng OXH C

 nung mơi trường có khí bảo vệ: chế từ đốt thiên nhiênCO/CO2; H2/H2O ( thành phần đối lập OXH hoàn nguyên)

 khí trung tính : N2, Ar2 đắt

 nung môi trường chân không ( 10-2-10-4 mmHg)  sử dụng than hoa…

4.8.3 Độ cứng không đạt

Cao hay thấp mong muốn

Nguyên nhân:

Khắc phục:

☻Tính giòn cao

Nguyên nhân: nung caohạt lớn

 Nguyên lý:

4.9 HÓA BỀN BỀ MẶT

4.9.1.Tôi bề mặt

Nguyên lý chung:

Trong đó:

ρ − đιệν trở sυấτ (Ω.cm); μ− Độ từ thẩm (gaus/ơcstεt) ; f- tần số dịng

- Dùng dịng điện có tần số hàng nghìn đến hàng chục vạn Hz chiều sâu nung mỏng

 Đặc điểm

- Mật độ dịng điện phân bố cao từ ngồi bề mặt vào bên chi tiết với chiều sâu Δ xác định theo công thức:

(a) Sơ đồ nung cảm ứng

 Vòng cảm ứng:

- Bộ phận gây dòng cảm ứng

- Hình dạng phù hợp với BM chi tiết, khoảng cách với chi tiết nhỏ ( giảm tổn hao): 1.5-5mm

- Vật liệu ống đồng, rỗng

 Các phương pháp tôi

1 Nung nóng làm nguội tồn bề mặt ngồi (hoặc BM trong) chi tiết  (dầu nước)

 Đặc điểm thép cảm ứng

- Thép cảm ứng: %C 0.35-0.55 , thép C hay HK thấp ( độ thấm thấp)

- Tốc độ nung nhanh nhiệt độ chuyển biến cao ( hơn 100-200 0C)

- Thời gian chuyển biến ngắn , hạt As nhỏ mịntôi M nhỏ mịn

Tôi cảm ứng (… )

 Tổ chức tính thép:

Tổ chức:

Cơ tính:

Tơi cảm ứng (… )

Thuận lợi

- Năng suất cao - Chất lượng tơt

- Dễ dạng khí hố, tự động hố

Khó khăn

4.9.2 Hố - nhiệt luyện

 Mục đích:

Lớp nền Lớp thấm

Hoá - nhiệt luyện (tiếp theo)

Các yếu tố ảnh hưởng

Ảnh hưởng nhiệt độ Ảnh hưởng thời gian

C hi ều d ày lớ p th ấm x

Thời gian () T=const

Nhiệt độ (T)

H ệ số kh uế ch tá n =const

D= Do.e-(Q/kT) x = k.1/2

Do- số kt (cm2/s)

Q- hoạt kt (cal/mol) R- số khí (cal/mol.độ)

* Nâng cao T thấm  hiệu quả,

1 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 Lõi

 Nhiệt độ thấm

- Trên A3

- Thép C thường thấm ở:

- Thép HK ( có yếu tố giữ nhỏ hạt):

 Thời gian thấm

 Chất thấm :

 Thể rắn: 80-95% than gỗ + Na2CO3, Ba CO3 (xúc

tác)

Phản ứng: 2C + O2  2CO ( thiếu ôxy) 2CO  CO2+ Cngtử

Cngtử  khuyếch tán vào b/m thép (nồng độ tăng dần) Tác dụng xúc tác:

Ba CO3  BaO + CO2 CO2 + Cthan  2CO

2CO  CO2 + Cnguyên tử  b/m thép Nhược điểm : +Bụi

 Thể khí:

Thành phần: Nhiều loại:

CO 95-97%; CH4 3-5 % (khí đốt thiên nhiên)

trong đó: CH4  2H2+ Cnguyên tử

Dầu hỏa Khí gas

Khí thấm cơng nghiêp

Ưu điểm:

+ %C : 0,8- 1,0

+ dễ khí hố điều chỉnh

 Nhiệt luyện sau thấm:

 nhất thiết phải Tôi + Ram thấp

 Tôi trực tiếp :  Tôi lần :

Lần 1: cho lõi Lần 2: T> A1

Nhược điểm : BD lớn ( nung nhiều lần)  ít dùng

 Công dụng thấm C:

- Thấm cacbon cho tính cơng dụng bề mặt song mức độ cao → bảo đảm tính chống mài mịn chịu tải tốt

2.Thấm Ni tơ:

a Đ/n:

b Chất thấm trình xảy ra:

Sử dụng khí NH3

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

Nng.tử + Fe 

()Fe2-3N,(’)Fe4N

Nhiệt độ thấm:

2 Đặc điểm lớp thấm N:  Nitrit có độ cứng

 Thời gian thấm dài:

T=5200C,  = 24 h = 0,25-0,3 mm

 Chiều dày:  NL sau thấm:

 Lớp thấm giữ độ cứng cao đến 500 0C;  Thép chuyên dùng thấm N: 38CrMoAlA

Khuôn đùn ép nhôm

Lớp thấm Nitơ thép SKD11– Thấm giai đoạn thấy

xuất lớp trắng (5μm)  chịu mài mịn cao giịn  khơng mong muốn

So sánh: tôi bề mặt thấm C

b/m 56-60HRC 60-62 HRC

lõi 15-20 HRC 30-40 HRC

3 Thấm C-N:

a Định nghĩa:  bão hoà đồng thời C-N vào

b/m thép  nâng cao độ cứng tính chống mài mịn

b Mục đích:

giống thấm C &N , tốt thấm C

c Đặc điểm:

Tthấm  8500C  chủ yếu thấm C

d Thấm C-N thể khí:

So với thấm C thể khí có ưu điểm hẳn:

• dùng chung thiết bị với thấm C thể khí ( thêm vào 5-10% NH3)

• tổ chức lớp thấm Các bit-Nitrit ( 60-65HRC ), tính chống mài mịn tăng ( 50-100%)

• lớp thấm mỏng thấm C   ngắn • khơng tạo muội (NH3)  tăng tốc độ thấm ( thấm 840-860 0C  9300C thấm )

• Sau thấm : Tôi (trực tiếp )+ ram

e Thấm C-N thể lỏng:

dùng muối NaCN, KCN  độc, dùng.