3.2.1 Khái niệm về hoá nhiệt luyện kim loại
Hoá nhiệt luyện là phương pháp gia công nhiệt có thể làm thay đổi không những chỉ cấu tạo của kim loại mà còn cả thành phần hoá học của lớp bề mặt kim loại nữa. Điều khác nhau cơ bản của phương pháp hoá nhiệt luyện với các phương pháp nhiệt luyện thông thường là: với phương pháp nhiệt luyện thông thường sự thay đổi về tính chất của kim loại chỉ dựa vào sự thay đổi về cấu tạo, còn thành phần hoá học vẫn không thay đổi.
Nhờ vào phương pháp hoá nhiệt luyện mà ở các lớp kim loại khác nhau có thành phần hoá học khác nhau, do đó tính chất của chúng khác nhau.
Trong thực tế có rất nhiều sản phẩm yêu cầu tính năng bề mặt khác với tính năng của các phần bên trong như răng của bánh răng, bên ngoài phải có độ cứng vì chịu ma sát lớn nhưng bên trong không yêu cầu độ cứng cao mà phải có độ dai để tránh bị vỡ mẻ khi va chạm.
Muốn thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt bên ngoài cần phải tăng cường cho nó những nguyên tố cần thiết bằng cách cho bề mặt đó tiếp xúc với môi trường có chứa nhiều nguyên tố cần bổ xung. Sau một thời gian tiếp xúc lâu, dưới
nhiệt độ cao, các nguyên tố sẽ khuếch tán vào bề mặt của sản phẩm ở một chiều sâu nhất định.
3.2.2 Các phương pháp hoá nhiệt luyện kim loại
Hiện nay các phương pháp hoá nhiệt luyện thép thường dùng trong ngành cơ khí là thấm cacbon, thấm nitơ, thấm nitơ và cacbon, thấm kim loại thể rắn hoặc lỏng. Mục đích cử các phương pháp thấm là tạo ra những bề mặt của chi tiết cứng hơn, có tính chống mài mòn cao hoặc tính chống ăn mòn cao.
+ Thấm cacbon: là quá trình tăng cường thêm C vào bề mặt của sản phẩm thép. Thấm than được dùng cho các chi tiết hay bị va đập và ma sát nhiều trong quá trình làm việc. Những sản phẩm bằng thép dùng để thấm cacbon có thành phần C không cao (0,12÷0,25%), do đó mà sau khi thấm lớp bề mặt có hàm lượng C tăng tới 0,9÷1,0% có đủ độ cứng cần thiết, trong khi đó bên trong sản phẩm vẫn là thép ít cácbon đảm bảo độ mềm và dai.
Khi thấm sản phẩm được nung tới nhiệt độ 850÷9500C và giữ một thời gian lâu trong môi trường có nhiều cacbon ở thể rắn, lỏng hoặc khí để cácbon khuếch tán vào mặt kim loại. Chiều sâu cacbon khuếch tán vào kim loại thường 0,5÷2mm.
+ Thấm nitơ: là quá trình tăng cường thêm N vào bề mặt của sản phẩm thép để lớp bề mặt của sản phẩm có độ cứng cao hơn và tính chống ăn mòn ở một chiều sâu không lớn lắm (0,1÷0,5mm). Thấm N được dùng cho các chi tiết bằng thép hợp kim có chứa Al, Cr, Mo hay bị va đập và ma sát nhiều trong quá trình làm việc và các chi tiết bằng thép cacbon không cần độ cứng bề mặt cao nhưng lại cần tính chống ăn mòn bề mặt cao.
Khi thấm sản phẩm được nung tới nhiệt độ 500÷6000C trong lò kín có khí NH3
đi qua. Dưới nhiệt độ đó NH3 phân huỷ thành N và H. N khuếch tán vào mặt kim loại. còn H theo khí NH3 đi ra ngoài.
+ Thấm cacbon và nitơ (xyanua hoá): là quá trình tăng cường thêm C và N vào bề mặt của sản phẩm thép để lớp bề mặt của sản phẩm có độ cứng cao hơn và tính chống mòn và giới hạn mỏi của lớp bề mặt ở một chiều sâu không lớn lắm (0,1÷0,2mm). Thấm C và N có hiệu quả nhất đối với các chi tiết cỡ nhỏ và cỡ trung.
Khi thấm có thể tiến hành trong môi trường rắn dưới nhiệt độ 540÷5600C, trong môi trường lỏng dưới nhiệt độ khác nhau (thấp: 550÷6000C, trung bình: 800÷8500C, cao: 900÷9500C) và trong môi trường khí dưới nhiệt độ khoảng 850÷9300C.
+ Thấm kim loại: là quá trình tăng cường thêm các nguyên tố nhôm, crôm, silic, bo, berili …vào bề mặt của sản phẩm thép để lớp bề mặt của sản phẩm có thêm những tính chất quý như chịu nhiệt, chống rỉ, chống mài mòn…Trong một số trường hợp có thể dùng thép thấm kim loại để thay thế cho những thép hợp kim cao cấp, hiếm.
Khi thấm sản phẩm được nung tới nhiệt độ nhất định và giữ sản phẩm ở vị trí tiếp xúc với một trong các nguyên tố nêu trên, các nguyên tố này có thể ở trạng thái rắn hoặc khí. Nhờ vậy các nguyên tố kim loại sẽ khuếch tán vào mặt sản phẩm.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 Câu 1
Trình bày khái niệm và công dụng của nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện? Từ đó có nhận xét gì để phân biệt nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện?
Câu 2
Trình bày các phương pháp nhiệt luyện: tôi, ram, ủ, thường hóa và mục đích của từng phương pháp
Câu 3
Trình bày các phương pháp hóa nhiệt luyện? Một sản phẩm làm bằng thép các bon thấp sau khi thấm cacbon có thể đạt được cơ tính như thế nào?
PHẦN 3. LUYỆN KIM
Chương 4. LUYỆN GANG VÀ THÉP
Mục tiêu: Sau khi học, sinh viên có khả năng:
+ Kiến thức: Trình bày được phương pháp luyện gang và thép
+ Kỹ năng: phân biệt được nguyên vật liệu, loại lò luyện gang và thép. + Thái độ: Học tập nghiêm túc, cần cù chịu khó học hỏi.
Tài liệu học tập: Vũ Cao Điền – Lê Trạch Trưởng (2013), Vật liệu công nghệ cơ khí. Nội dung chương:
4.1 Luyện gang
4.1.1 Nguyên vật liệu
Gang là hợp kim của sắt và cacbon trong đó cacbon chiếm trên 2%, trong thực tế sản xuất thường dùng gang có 3-4% cacbon. Gang rẻ tiền hơn thép và có tính đúc rất tốt, có thể đúc thành những chi tiết hình dạng phức tạp nên được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cơ khí. Hiện nay các nước trên thế giới sản xuất gang chiếm 70% so với thép.
Gang được luyện từ quặng sắt trong các lò cao. Vật liệu dùng để luyện gang là
quặng sắt nhiên liệu và chất trợ dung.
+ Quặng sắt nhiên liệu là những loại đất đá chứa sắt có thể dùng để luyện ra sắt
một cách có lợi về kinh tế. Có rất nhiều khoáng vật chứa sắt, nhưng phần nhiều hàm lượng sắt của chúng thấp hoặc chính bản thân khoáng vật đó có ít trong thiên nhiên. Những khoáng vật chứa sắt quan trọng nhất là ôxit sắt, sắt cacbonat, sắt silicat và hợp chất sắt với lưu huỳnh. Để luyện gang, người ta dùng những quặng giàu sắt có chứa khoảng 30-70% sắt, như quặng sắt từ (manhetit), quặng sắt đỏ, quặng sắt nâu…
Quặng sắt trước khi đưa vào nấu trong lò cao thường phải qua một quá trình tuyển như nghiền và phân loại theo độ hạt, nung, làm giàu, luyện cục và trộn đều thành phần hoá học.
Phân loại quặng theo độ hạt trước khi chất vào lò cao là công việc cần thiết để tránh hiện tượng tập trung các cục quặng nhỏ tại một số vị trí và tập trung các cục quặng lớn tại các vị trí khác nhau trong lò. Ngoài ra việc phân loại quặng theo độ hạt còn cần thiết cho việc trộn đều thành phần hoá học của quặng. Quặng còn được làm giàu để loại bớt một mức độ nào đó các đá bẩn và các tạp chất có hại nâng cao một cách thích đáng hàm lượng sắt trong quặng sắt nghèo. Những phương pháp cơ bản để làm giàu quặng là rửa quặng, phương pháp trọng lực, phương pháp dùng nam châm điện, phương pháp nổi tạp chất. Các quặng vụn trước khi đưa vào lò còn được luyện cục bằng cách đóng bánh hoặc thêu kết.
Nhiên liệu đầu tiên được dùng trong lò cao là than gỗ, nhưng từ thế kỷ 18 tới nay người ta bắt đầu dùng than cốc thay cho than gỗ vì nó là loại chất đốt có độ bền cơ học cao và giá thành hạ. Ngoài ra người ta còn dùng than đá nguyên với mức độ nào đó để chạy lò. Nhưng xu hướng chung là dùng than cám phun vào lò để tiết kiệm.
+ Chất trợ dung là chất cho 35hem vào phối liệu lò cao nhằm mục đích tạo xỉ có thành phần cần thiết. Tuỳ theo thành phần đá bẩn trong quặng, trong tro và chất đốt, mà người ta có thể dùng các loại đất đá khác nhau để làm chất trợ dung như loại kiềm, loại alumin, loại silic. Thường dùng nhất là chất trợ dung loại kiềm như đá vôi.
4.1.2 Lò cao
Lò cao là lò luyện gang thẳng đứng với chiều cao tới 30-35m. Quặng, than cốc và chất trợ dung được trút vào lò từ thiết bị chất liệu phía trên, gang tạo thành ở bụng lò phía dưới chảy ra ngoài, xỉ tạo thành có khối lượng riêng nhỏ hơn nổi lên trên gang thoát ra ngoài. Hiện nay ở các nước phát triển người ta sử dụng các lò có dung tích rất lớn > 2000m3 và sản lượng có thể tới 100 triệu tấn/năm.
Hình 4.1 Sơ đồ lò luyện gang
1- Cửa tháo gang; 2- Ống dẫn khí thoát ra khỏi lò; 3- Vật liệu vào lò; 5- Lỗ thổi không khí nóng vào lò; 5- Cửa thoát xỉ
Gang luyện ra được phân thành 3 loại:
+ Gang phổ thông gồm có gang xám và gang trắng (phân loại theo màu của mặt gãy).
+ Gang cầu là loại gang có graphít dạng cầu nên có cơ tính cao hơn gang phổ thông.
+ Gang hợp kim là loại gang có chứa rất nhiều một nguyên tố nào đó như Mn, Si…