Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 3: Hợp kim Sắt - Các bon (Fe-C). Những nội dung chính trong chương này gồm có: Khái niệm, phân loại, tính chất của hợp kim sắt, các bon, gang, hợp kim cứng,... Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.
Bộ mơn HÀN & CNKL Biên soạn: ThS Vũ Đình Toi C KH I CNG IV Hợp kim Sắt - Các bon (Fe-C): Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C: toC 1500 B A Láng (L) L + Ostenit (L+) L + Xªmentit (L+Xª) 911 Ostenit () A3 +P + Xª S Peclit 727 P 1147oC + Xª + Lª Am G + E Q 0,8%C 0,02%C A1 727oC P + Xê C Lêđêbuarit (Lê) 1147 Xª + Lª K P + Xª + Lª 2,14%C F Xª + Lª 4,43%C 6,67%C Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ ỡnh Toi - Đờng ACB đờng lỏng phân biệt pha lỏng hoàn toàn với pha lỏng đà có tinh thể rắn - Đờng AECF đờng đặc ứng với điểm bắt đầu nóng chảy hoá rắn hoàn toàn - Đờng GS (A3); SE (Am); GP PQ tơng ứng với giới hạn chuyển biến pha trạng thái hoá rắn - Đờng PSK (A1) đờng chuyển biến tích nguội đến bắt đầu chun biÕn cïng Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại - §êng ACB đờng lỏng phân biệt pha lỏng hoàn toàn với pha lỏng đà có tinh thể rắn - Đờng AECF đờng đặc ứng với điểm bắt đầu nóng chảy hoá rắn hoàn toàn - Đờng GS (A3); SE (Am); GP PQ tơng ứng với giới hạn chuyển biến pha trạng thái hoá rắn - Đờng PSK (A1) đờng chuyển biến tích nguội đến bắt đầu chuyển biến tích hỗn hợp học 1.1 Các tổ chức hợp kim Fe-C: 1.1.1 C¸c tỉ chøc pha: 1.1.1.1 Tỉ chức xêmentit (Xê) hợp chất hoá học Fe vµ C (C% = 6,67%) Fe3C >> Tỉ chøc đợc kết tinh qua ba giai đoạn nằm hầu hết khu vực >> Đây tổ chức có độ cứng cao, tính công nghệ kém, độ giòn lớn nhng chịu mài mòn tốt >> Trên khu vực độ giàu xêmentit (Xê) giảm dần từ Xê1 đên Xê3 B mụn HN & CNKL C KH ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại 1.1.1.2 Tỉ chức ôstennit (, Os) dung dịch đặc xen kẽ cacbon Fe (Fe) >> Lợng hoà tan C Fe tối đa 2,14% 11470C Tại 7270C lợng hoà tan C 0,8% >> Khu vực AESG tồn pha ôstenit riêng biệt >> ôstenit pha dẻo dai, dễ biến dạng >> Vì tồn riêng biệt nhiệt độ 7270C nên không định tính chất học kim loại chịu tải mà có ý nghĩa gia công áp lực nóng nhiệt luyện B mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại 1.1.1.3 Ferit (, F) lµ dung dịch đặc xen kẽ C Fe (Fe) >> 7270C hoà tan 0,02%C >> Nhiệt độ giảm lợng hoà tan giảm nên coi ferit sắt nguyên chất >> Ferit dẻo, mềm có ®é bỊn thÊp 1.1.2 C¸c tỉ chøc pha: 1.1.2.1 Peclit (P) hỗn hợp học ferit xêmentit (Xê2) >> Khi hạ to xuống 7270C, ferit xêmentit kết tinh thể rắn tạo nên tích peclit (điểm S) >> Cơ tính Peclit phụ thuộc vào lợng F Xê phụ thuộc vào hình dạng Xê (tấm hay hạt) B mụn HN & CNKL C KH I CNG 1.1.2.2 Lêđêbuarit (Lê) hỗn hợp học tinh Xê (Xê1) >> Tại 1147oC 4,43%C tinh Lê hình thành điểm C >> Xuống dới 727oC, phần chuyển thành P >> Lợng Xê Lê lớn nên Lê có độ cứng cao, dòn 1.1.2.3 Graphit (Gr) cacbon trạng thái tự >> Gr kÐm bỊn, dßn, në thĨ tÝch kÕt tinh Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Bộ mơn HÀN & CNKL Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại CƠ KHÍ ĐẠI CNG 1.2 Phân loại hệ hợp kim Fe-C (Fe-Fe3C): Hệ hỵp kim Fe-C ThÐp cacbon C < 2,14% ThÐp tríc cïng tÝch ThÐp cïng tÝch C < 0,8% C = 0,8% ThÐp sau cïng tÝch C > 0,8% Gang C > 2,14% Gang tríc cïng tinh Gang cïng tinh C < 4,43% C =4,43% Gang sau cïng tinh C > 4,43% Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại ThÐp cacbon: 2.1 Khái niệm Thép cacbon: Thép cacbon hợp kim Fe-C với hàm lợng cacbon nhỏ 2,14% Ngoài thép cacbon chứa lợng tạp chất nh Si, Mn, S, P, Nguyên tố ảnh hởng lớn thép cacbon Chỉ cần thay đổi lợng nhỏ C, đà làm thay đổi nhiều tính chất lý, hoá thép - C tăng độ cứng độ bền thép tăng lên độ dẻo độ dai lại giảm xuống - Thay đổi hàm lợng cacbon làm thay đổi tính công nghệ, tính đúc, tính hàn tính rèn dập * Các tạp chất có lợi thép cacbon: Si Mn - Khi hàm lợng chúng thích hợp (Mn 0,75% Si 0,35%) có khả khử ôxy khỏi ôxyt sắt, làm tăng độ bền, độ cứng thép - Tuy nhiên không nên cho nhiều tạp chất loại phơng hại đến số tính công nghệ nh gia công cắt gọt nhiệt luyện v.v * Các tạp chất có hại cho thép cacbon: P S - Nguyên tố S làm cho thép bị dòn nóng (bở nóng) - Nguyên tố P lại làm thép bị phá huỷ trạng thái nguội dòn nguội Vì cần hạn chế S P dới mức 0,03% B mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS V ỡnh Toi 2.2 Phân loại Thép cacbon: 2.1.1 Phân loại theo tổ chức tế vi hàm lợng C giản đồ trạng thái - Thép trớc tÝch víi tỉ chøc Ferit + Peclit (C < 0,8%) - ThÐp cïng tÝch: thÐp cã tæ chøc Peclit (C = 0,8%) - ThÐp sau cïng tÝch ®ã cã Peclit + Xêmentit (C > 0,8%) 2.1.2 Phân loại theo hàm lợng C thờng dùng - Thép cacbon thấp: C < 0,25% - ThÐp cacbon trung b×nh: C = 0,25% 0,5% - ThÐp cacbon cao: C > 0,5% 2.1.3 Phân loại theo phơng pháp luyện kim - Thép lò chuyển: chất lợng không cao, hàm lợng xác - Thép lò mác (Martin): chất lợng cao lò chuyển - Thép lò điện: chất lợng cao nhiều, khử hết tạp chất tới mức thấp 2.1.4 Phân loại theo phơng pháp khử Ôxy - Thép sôi: chứa nhiều rỗ khí nên dẻo dai - Thép nửa sôi: chất lợng cao thép sôi rỗ khí - Thép lắng: độ bền cao thép sôi thép nửa s«i Bộ mơn HÀN & CNKL Biên soạn: ThS Vũ ỡnh Toi C KH I CNG 2.1.5 Phân loại theo công dụng - Thép cacbon thông dụng (thép thờng): tính không cao, dùng để chế tạo chi tiết máy, kết cấu chịu tải nhỏ Thờng dùng ngành xây dựng, giao thông Thép cacbon thông dụng đợc ký hiệu hai chữ CT chia ba nhóm A, B C Nhóm A: đánh giá tiêu tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng, v.v) Nhóm B: đánh giá thành phần hoá học Nhóm C: đánh giá hai tiêu tính thành phần hoá học Liên Xô (GOST 380 - 71) Liên bang Nga (GOST277288) Việt Nam (TCVN1765-75) CT0 CT31 CT1 CT33 CT2 CT34 CT3 CT245* CT38 CT4 CT275 CT42 CT5 CT285 CT51 CT6 CT345 CT375 * Biểu thị độ bền 02= 245MPa CT61 B mụn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS V ỡnh Toi Chơng IV: Xử lý nhiệt Kim loại I Thực chất: Nhiệt luyện kim loại trình thay đổi tính chất kim loại cách nung nóng tới nhiệt độ định, giữ nhiệt độ thời gian sau làm nguội theo chế độ định, nhờ mà thay đổi đợc tính chất kim loại theo ý muốn II Đặc điểm: Gia công nhiệt làm thay đổi cấu tạo mạng tinh thể bên kim loại khiến cho tính chất nh độ cứng, ®é bỊn, tÝnh dỴo, tÝnh dai cịng thay ®ỉi - Lo¹i thÐp Ýt cacbon (chøa díi 0,3% cabon) Ýt thay đổi nhiệt luyện - Loại thép cacbon trung bình thay đổi tính chất rõ rệt - Loại thép cacbon dụng cụ thay đổi rõ rệt hẳn tính chất nhiệt III Phân loại: Nhiệt luyện Hoá nhiệt luyện Phun phủ bề mặt Các phơng pháp xử lý đặc biệt B mụn HN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toi IV Các phơng pháp nhiệt luyện: 4.1 ủ: trình nung nóng vật phẩm thép lên tới nhiệt độ định phù hợp với loại thép, giữ nhiệt độ thời gian, sau làm nguội chậm vòng vài tiếng đồng hồ, làm nguội thờng tiến hành lò Sau ủ khử đợc ứng lực d bên kim loại việc làm nguồi không trớc gây ra, làm giảm độ cứng kim loại tăng tính dẻo, tính dai kim loại ủ phơng pháp nhiệt luyện quan trọng cần thiết trình đúc, cán rèn, việc làm nguội vật phảm thép thờng không đợc lớp chiều dày kim loại nên bề mặt vật phẩm thờng cứng làm khó khăn cho việc gia công cắt gọt 4.2 Thờng hoá: khác ủ chỗ vật phẩm thép sau đợc nung nóng đợc làm nguội tự nhiên (để nguội trời), thời gian để nguội nhanh so với đ, NhiƯt ®é ®èt nãng vËt phÈm cịng gièng nh nhiệt độ nung nóng ủ Sau thờng hoá, thép có cấu trúc đồng nhỏ hạt nh sau đ Nhng ®é bỊn, ®é dai cã phần cao thép ủ Một số loại thép hợp kim sau gi công áp lực (cán, rèn, dập) đợc thờng hoá để cải thiện cấu trúc (ổn định hạt khử ứng lực có hại kim lo¹i) Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại 4.3 T«i: trình nung nóng vật phẩm thép lên tới nhiệt độ định tơng ứng với loại thép, giữ nhiệt độ thời gian để ổn định cấu trúc kim loại làm nguội đột ngột môi trờng tơng ứng với loại thép Sau thép cứng bền nhng độ dai bị giảm xuống ứng lực d bên thép tăng lên thép trở nên dòn Muốn khử ứng lực d bên giảm tính dòn thép sau phải tiến hành ram Nhiệt độ nung thép phụ thuộc vào thành phẩm hoá học thép B mụn HN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toi - Sự biến đổi tổ chức kim loại tôi: Peclit Xoocbit Trustit Bainit Trích giản đồ Fe-C Mactensit §êng cong ch÷ “C” Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS V ỡnh Toi -Vật cần đợc nung nóng lò điện, lò than hay lò muối -Lò điện có u điểm trình đốt nóng lò ®ỵc ®Ịu, nhiƯt ®é ®èt nãng dƠ ®iỊu chØnh, vËt cần tiếp xúc với luồng khí đợc tạo thành nhiên liệu cháy - Thời gian giữ vật cần nhiệt độ nung nóng tõ vµi víi nưa giê t theo chiỊu dµy vật đợc -Tiếp vật cần đợc nhúng vào môi trờng làm nguội - Môi trờng nớc, dầu dung dịch muối - Tốc độ làm nguội có ý nghĩa định trình - Vật cần có độ cứng cao cần làm nguội nhanh nhiêu - Chất có khả làm nguội nhanh dung dịch muối 10% nớc, khả làm nguội vừa nớc nhiệt độ bình thờng làm nguội chậm dầu B mụn HN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ ỡnh Toi Nếu theo yêu cầu, vật cần có bề mặt cứng, bên mềm (răng bánh răng, ngõng trục khuỷu v.v) dùng phơng pháp bề mặt Phơng pháp gia nhiệt: - Ngọn lửa Oxy + Gas Acetylen - Dòng điện cao tần - Tia Laser dòng Plasma 4.4 Ram: Sau tôi, ứng lực d bên thép tăng lên làm cho thép bị dòn Để cải thiện tính chất thép nâng cao tuổi thọ thép, cần phải khử giảm ứng lực d bên Sau tôi, vật lại đợc nung nóng lần tới nhiệt độ thấp nhiệt độ nung (150 6800C), giữ nhiệt độ thời gian để nguội Các phơng pháp ram: - Ram nhiệt ®é thÊp (150 - 3000C) - Ram ë nhiÖt ®é trung bình (350 - 4500C) - Ram nhiệt độ cao (500 - 6800C) Bộ môn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Ram nhiệt độ thấp giảm bớt đợc ứng lực d vật cần nhiệt luyện, nâng cao độ dai đồng thời hầu nh không làm giảm độ cứng kim loại, thờng đợc dùng cho loại dụng cụ cắt gọt kim loại (khoan, phay, chày, cối,) Ram nhiệt độ trung bình làm giảm độ cứng độ bền kim loại xuống nhng lại nâng cao độ dai, dộ giÃn dài lên giảm ứng lực d bên vật nhiều so với ram nhiệt độ thấp Phơng pháp ram thờng đợc dùng để nhiệt luyện lò xo Ram nhiệt độ cao khử đợc gần hết ứng lực d bên nâng cao độ bền, độ dai kim loại Hầu hết nh tất chi tiết máy quan trọng đợc ram theo phơng pháp B mụn HN & CNKL C KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại V Hoá nhiệt luyện: 5.1 Khái niệm:Hoá nhiệt luyện phơng pháp gia công nhiệt làm thay đổi không cấu tạo kim loại mà thành phần hoá học lớp bề mặt kim loại Muốn thay đổi thành phần hoá học lớp bề mặt, cần phải tăng cờng cho nguyên tố cần thiết cách cho bề mặt tiếp xúc với môi trờng có chứa nhiều lợng nguyên tố cần bỉ sung Sau mét thêi gian tiÕp xóc l©u, díi nhiệt độ cao, nguyên tố khuếch tán vào bề mặt sản phẩm chiều sâu định 5.2 Các PP Hoá nhiệt luyện KL: 5.2.1 Thấm trình tăng cờng thêm cacbon vào lớp bề mặt sản phẩm cacbon: thép -Thép dùng đẻ thấm cacbon loại thép cacbon (chứa 0,12 - 0,25% cacbon) - Sau thÊm cacbon xong líp bỊ mặt trở thành thép nhiều cacbon (hàm lợng cacbon tăng tới 0,9 - 1,0%) có đủ độ cứng cần thiết, bên sản phẩm thÐp Ýt cacbon, mỊm vµ dai - Khi thÊm cacbon, sản phẩm đợc nung nóng tới nhiệt độ 850 - 9500C giữ thời gian lâu môi trờng có chứa nhiều cacbon (ở thể rắn, thể lỏng thể khí) để cacbon khuyếch tán vào mặt kim loại - Chiều sâu cacbon khuyếch tán vào kim loại thờng 0,5 - 2mm Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại 5.2.2 ThÊm Nitơ: trình tăng cờng thêm nitơ vào lớp bề mặt sản phẩm thép để lớp bề mặt có độ cứng cao tính chống ăn mòn chiều sâu không lớn (0,1 - 0,5 mm) -Thấm nitơ đợc dùng cho chi tiết thép hợp kim (chứa nhôm, crôm, môlipđen) hay bị va đập ma sát nhiều trình làm viƯc - Dïng cho c¸c chi tiÕt b»ng thÐp cacbon không cần độ cứng bề mặt cao nhng lại cần tính chống ăn mòn bề mặt cao - Khi thấm nitơ, sản phẩm đợc nung nóng tới nhiệt độ 500 - 6000C lò kín có khí amôniac (NH3) qua >> Dới nhiệt độ đó, NH3 phân huỷ thành nitơ hyđrô >> Nitơ khuyếch tán vào kim loại hyđrô theo với khí NH3 cha phân huỷ 5.2.3 Thấm Cacbon Nitơ: thấm xyanua trình tăng cờng cacbon nitơ vào lớp bề mặt sản phẩm thép để nâng cao độ cứng; tính chống mòn giới hạn mỏi lớp bề mặt - Chiều sâu thấm cacbon nitơ không lớn (0,1 - 0,2mm) - Thấm cacbon nitơ có hiệu chi tiết cỡ nhỏ trung bình - Thấm cacbon nitơ tiến hành môi trờng rắn dới nhiệt ®é 540 - 5600C, m«i trêng láng víi nhiƯt độ khác (thấp: 550 - 6000C, trung bình: 800 8500C, cao: 900 - 9500C) môi trờng khí dới nhiệt độ khoảng 850 - 9300C B mụn HN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ ỡnh Toi 5.2.4 Thấm Kim loại: Hợp kim hoá lớp bề mặt trình tăng cờng nguyên tố KL (nhôm, crôm, silic, bo, beri, v.v) vào lớp bề măt sản phẩm thép để làm cho thép có thêm tính quý nh chịu nhiệt, chống gỉ, chống mài mòn, v.v -> Trong số trờng hợp dùng thép thấm kim loại để thay cho thép hợp kim cao cấp, - Thấm kim loại đợc tiến hành cách nung nóng sản phẩm thép đến nhiệt độ định giữ sản phẩm vị trí tiếp xúc với nguyên tố cần thấm, nguyên tố dạng rắn, lỏng khí Nhờ nguyên tố kim loại khuyếch tán vào bề mặt sản phẩm VI Phun phủ: trình phun kim loại hợp kim cứng lên bề mặt chi tiết máy, sau phun ta nhận đợc chi tiết với lớp bề mặt có đặc tính đặc biƯt C¸c PP phun: - Phun b»ng ngän lưa khÝ cháy - Phun Hồ quang điện - Phun Plasma - Phun Cao tèc Bộ môn HÀN & CNKL Phun Ngän lưa Phun Plasma CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Bộ mơn HÀN & CNKL Phun Hå quang ®iƯn Phun Cao tèc - phun nỉ: HVOF CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại VII C¸c PP xư lý khác: 7.1 Xử lý nhiệt khuếch tán: trờng hợp hoá nhiệt luyện Sự tạo thành lớp phủ tác động nhiệt làm nóng chảy (có thể chảy phần) vật liệu phủ vào bề mặt chi tiết cần phủ, tạo điều kiện cho khuếch tán hình thành lớp phủ - Nhúng kẽm, nhúng thiếc, nhúng chì: bảo vệ khỏi tác động môi trờng 7.2 Công nghệ bốc bay chân không: CVD để tạo lớp phủ KL Ceramic (gốm) lên bề mặt chi tiết >> Tạo lớp phủ chịu mài mòn: TiC, TiN, Al2O3, >> Tạo lớp phủ chống ăn mòn: Cr, Al, Si, 7.3 Công nghệ PVD: đọc sách B mụn HN & CNKL C KH I CNG Chơng V: Luyện kim Tự đọc SGK Biờn soạn: ThS Vũ Đình Toại ... phơng pháp ram: - Ram nhiƯt ®é thÊp (150 - 30 00C) - Ram ë nhiƯt ®é trung b×nh (35 0 - 4500C) - Ram ë nhiƯt ®é cao (500 - 6800C) Bộ môn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Ram nhiệt... VD: T30K4; T15K6; T14K8; T5K10 : Con sè % TiC % Co, lại WC Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Bộ mơn HÀN & CNKL Hỵp kim cøng: CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: ThS Vũ Đình Toại Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI... lợng 3% Cr > Cịng cã thĨ dïng hƯ hợp kim Fe- Al -Ni Al - Si - Fe Ký hiÖu: AlNi1, AlNi2, 50Ni - 50%Ni; 38 NiSi - 38 %Ni 38 %Si Các ký hiệu vật liệu sè níc: tù ®äc SGK Bộ mơn HÀN & CNKL CƠ KHÍ ĐẠI