Nhóm M (máctenít ) [12] trang 465) 12X2MφCP (12Cr2MoVSiB) 0,08-0,15 1,6-1,9 0,5-0,7 0,2-0.35 12X2Mφb (12CrMoNb) 0,08-0,12 2,1-2,6 0,5-0,7 0,2-0.35 X5Bφ (Cr5WV) 0,15 4,0-6,0 0,4-0,6 Nhóm M+F [12] trang 465) Mác thép C Cr Mo V Nb 15X11Mφ (15Cr11MoV) 0,12-0,19 10,0-11,5 0,6-0,8 0,25-0,4 1X12BHMφ(1Cr12WniMoV) 0,12-0,18 11,0-13 0,50,7 0,15-0,3 0,7-1,1 1X12B2Mφ(1Cr12W2MoV) 0,10-0,17 11,0-13 0,6-0,9 0,15-0,35 1,7-2,2
• Đây là một dạng thép không rỉ có thêm các nguyên tố hoá bền nh− : W, Mo, V
• Những thép này có độ bền nhiệt và tính ổn định nhiệt (chịu nhiệt) cao do nhiệt độ kết tinh lại đ−ợc nâng cao và pha các-bít M23C6 cầu hoá chậm hơn M3C
(Xêmentít).
• Silic chống ram tốt nên nâng cao đ−ợc tính bền nóng. (40X10C2M, 40X9C2).
• Nhóm này th−ờng dùng cho các chi tiết làm việc ở nhiệt độ 550...600 oC 40X10C2M, 40X9C2 th−ờng làm xupáp xả ôtô.
• Các nguyên tố W, Mo, V, X 12 % làm tăng độ bền nhiệt Độ bền nhiệt của một số thép [12](trang 466 )
σb/ (100.000 h ) KG/mm2
Nhiệt độ Làm việc 400 450 500 550 600 650 700 oC Péclít 1%Cr0,5%Mo) 16 10 5 - - - - Martenxits 12%Cr1%MoVW - - 20 15 6 - - Ôstenít 1%Cr13%Ni0,5%Nb - - - 16 10 8 4 Nhiệt luyện : Tôi T = 1050...1150 oC
Ram T = 650... 750 oC Chú ý :
• Thép F - M xảy ra dòn ở nhiệt độ T = 475 oC là hiện t−ợng dòn khi nung lâu trong vùng 450 - 500 oC làm hạn chế việc sử dụng thép này đối với các chi tiết chịu tải lớn .
• Dòn nhiệt 475-khác với dòn ram ở chổ độ dai va đập giảm đột ngột, khi dòn -475, kèm theo tăng độ bền , giảm khả năng chịu ăn mòn, giảm tính ổn định hoá học ...
• Dòn 475 có tính thuận nghịch , tức là tính dẻo có thể phục hồi bằng cách ram thép ở nhiệt độ 600-650 oC và làm nguội trong dầu .
( Nguyên nhân do phân huỷ dung dịch rắn Fe-Cr với sự tiết ra pha dòn giàu Cr kiểu siêu cấu trúc trật tự )
Nhóm 1 : Thép không hoá bền bằng nhiệt luyện Tổ chức hoàn toàn γ (Ostenit )
X18H9, X18H10T ...
Ram ổn định ở T = 750 oC
Nhóm 2 : Thép hoá bền đ−ợc bằng nhiệt luyện Tôi . . . T = 1050 -1100 oC
Ram . . . T = 600 - 750 oC
Tăng bền & tăng cứng do tiết ra pha hoá bền Các-Bít, Nitrít,
các pha liên kim loại,các pha này có độ phân tán cao quan hệ liền mạng với pha nên gây sai lệch mạng , kết quả làm tăng bền.
Nh−ợc điểm của nhóm thép này là : * Dòn nhiệt khi nung ở nhiệt độ 550-600 oC
* Dòn nhiệt làm giảm độ dai va đập kèm theo thay đổi tính dẻo, độ bền lâu. Nguyên nhân do sự phân huỷ dung dịch rắn quá bão hoà γ theo biên giới hạt & tiết ra pha denta “ σ ” kiểu Fe-Cr
Độ bền tức thời của một số thép nhóm này [12] (trang472) Mác thép σB σ100 σ1000 T = 600 700 800 600 700 600 700 1X18H10T 35 30 25 25 12 20 10 KG/mm2. X18H12b 38 33 28 28 15 22 12 KG/mm2 1X14H18B2bP 45 42 - 35 24 28 17 KG/mm2 1X14H18B2b 45 38 - 35 24 30 18 KG/mm2 Thành phần một số thép bền nhiệt Ôstenít [12] (471) C Cr Ni W Ti Nb 1Cr14Ni16Nb 0,07-0,12 13-15 14-17 0,9-1,3 1Cr14Ni18W2Nb 0,07-0,12 13-15 18-20 2,0-2,7. 0,9-1,3 Cr18Ni10Ti 0,12 17-19 9-11 0,5-0,7 Cr18Ni12Ti 0,12 17-19 11-13 0,5-0,7 0Cr18Ni12Nb 0,12 -/- 11-13 Si = 8% 1,2 C Cr Ni Cr25Ni20Si2 0,12 24-27 18-21 4Cr12Ni8Mn8MoVNb 0,34-0,40 11-13,5 7-9 V=1.2-1.5 1,1-1,4Nb Cr12Ni20Ti3 0,10 10-12,5 18-21 Ti(2,6-3,2)
Thép này dùng để chế tạo các supáp động cơ, cánh tuốc bin khí, các chi tiết chịu nóng của các động cơ phản lực và cho các chi tiết làm việc ở nhiệt độ 600-700 oC . Tất cả các thép này có chứa Cr, Ni và các nguyên tố khác gây hoá bền
Tính chất của thép ostenit bền nhiệt * Bền nhiệt , chịu nhiệt cao, dẻo;
* Có tính hàn tốt , nh−ng mối hàn dòn cần phải nhiệt luyện sau khi hàn. * Hệ số giản nở nhiệt lớn;
* Dòn ở T 550-600 oC
* Tính bền nhịêt cao do cấu trúc mạng tinh thể lập ph−ơng diện tâm, sít chặt hơn, liên kết bền nhiệt độ kết tinh lại cao .
2.5.5 Thép Hợp kim bền nhiệt Ni-Co
C Cr Ni Al Mo W Ti Hợp kim cơ sở sắt :
CrNi35Wti) 0.12 14-16 34-38 - - 2.8-3.5 1.1-1.5 CrNi35WTiAl 0.08 14-16 33-37 0,7-1,4 - 2.8-3.5 2.4-3.2 Hợp kim cơ sở là cô ban Co
0.35-0.45 18-21 18-22 3.5 - 5.8 3.8-5.8 0.20-0.35 25-30 1.5-3.5 4.5 -6.5
Nhiệt độ làm việc của thép bền nhiệt ngày càng tăng : 1946 510 - 650 oC
1954 730 790 oC 1966 780 950 oC 1966 780 950 oC
Hiện nay nhiệt độ làm việc của một số hợp kim trên 2000 oC Phạm vi ứng dụng :
• Chế tạo các tuốc bin và động cơ phản lực
• Nhiệt độ làm việc 700 - 900 oC
• Các loại vật liệu chủ yếu là HK Ni - Co còn các HK trên cơ sở sắt không làm việc ở nhiệt độ cao d−ợc.
• HK Ni - Cr có cơ tính thấp, không hoá bền bằng nhiệt luyện đ−ợc th−ờng dùng làm dây điện trở X20H80, X15H60
2.5.6 ứng dụng các loại vật liệu chịu nhiệt bền nhiệt
Thép chế tạo xu páp
Bảng 2 - 2[2] (trang 349)
Liên xô Việt Nam
45 C45 Xu páp chịu tải nhẹ
40X 40Cr Xupáp nạp
X9C2 45CrSi34 Xupáp van nạp chịu tải trọng nặng và trung bình
50X20 X50CrMnNiN22.9 Xupáp xả trong động cơ
Bảng 2 - 3
Mác thép Nhiệt độ làm việc Cr17Ni13Mo2Ti Tiếp xúc với phốt pho nóng
Cr6Si, 1Cr13, và môi tr−ờng axit
Cr25Ni20Si2 Ch/tiết tuốc bin, ống nồi hơi
2Cr13, 1Cr13 Cánh tuốc bin hơi, supáp ,van, vít, ống 500 oC 1Cr11MoV Cánh tuốc bin hơi 550 oC 1Cr14Ni16NbB ống hơi có áp lực cao 650-700 oC CrNi70WmoTiAl Cánh tuốc bin 800 - 850 oC
Thép bền nhiệt dùng cho bu lông và đai ốc
Mác thép Nhiệt độ oC Độ bền nhiệt C35 350 - 450 221 - 70 C45 350 - 450 221 - 70 19Mn5 400 - 500 170 - 40 15Mo3 450 - 500 220 - 120 20CrMo13 500 - 600 210 - 40
Ch−ơng 3 : Các ph−ơng pháp nhiệt luyện 3.1. Khái niệm chung về nhiệt luyện
Quá trình gia công kim loại th−ờng có ba giai đoạn chính:
1. Quá trình luyện kim là giai đoạn đầu nhằm chế tạo ra các kim loại và hợp kim khác nhau.
2. Quá trình chế tạo phôi, gia công cơ và các dạng gia công khác để chế tạo chi tiết máy.
3. Nhiệt luyện là quá trình làm thay đổi những tính chất cần thiết cho vật liệu theo yêu cầu sử dụng tr−ớc hoặc sau khi gia công.
Phần lớn các dạng gia công nhiệt luyện nằm ở giai đoạn cuối của quá trình sản xuất cơ khí. Sản phẩm cơ khí có thể tiến hành mạ, mài chính xác,... để nhận đ−ợc sản phẩm theo yêu cầu. Nhiệt luyện giữ vai trò rất quan trọng trong quá trình sản xuất cơ khí. Nhờ có nhiệt luyện mà ta có thể tạo cho vật liệu những tính chất đặc biệt, làm cho tuổi thọ đ−ợc nâng cao, kích th−ớc chi tiết đ−ợc thu nhỏ, chất l−ợng sản phẩm đ−ợc tăng lên, nâng cao hiệu quả sử dụng, hạ giá thành sản phẩm, tăng hiệu quả kinh tế. 3.1.1. Định nghĩa : Nhiệt luyện là một quá trình gia công nhiệt bao gồm 3 quá trình : nung nóng chi tiết đến nhiệt độ cao, giữ nhiệt độ đó một thời gian nhất định sau đó làm nguội ở trạng thái rắn với những tốc độ theo yêu cầu .
3.1.2.Các yếu tố quan trọng khi nhiệt luyện :
1. Nhiệt độ nung cao nhất mà ph−ơng pháp nhiệt luyện yêu cầu;
2. Tốc độ nung nóng ứng với các khoảng thời gian và nhiệt độ nhất định; 3. Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ đã xác định;
4. Tốc độ làm nguội ứng với các giai đoạn làm nguội;
Hình 3-1 Sơ đồ quá trình nhiệt luyện
2 3
1 Nhiệt
độ oC
32
1 - Giai đoạn nung nóng 2 - Gia đoạn giữ nhiệt; 3 - Giai đoạn làm nguội
Nhiệt độ nung là nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đ−ợc.
Thời gian giữ nhiệt là thời gian cần thiết để duy trì chi tiết tại nhiệt độ nung đã xác định nhằm đảm bảo cho các quá trình biến đổi kim loại.
Tốc độ làm nguội là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời gian ( oC/s )
3.1.3. Mục đích của nhiệt luyện :
làm thay đổi tổ chức cấu tạo của kim loại để nhận đ−ợc các tính chất theo yêu cầu.
3.1.4. ý nghĩa :
Nhiệt luyện là khâu không thể thiếu đ−ợc trong ngành cơ khí và luyện kim hiện đại. Nhờ có nhiệt luyện ta có thể tạo ra các tính chất đặc biệt của hợp kim tạo điều kiện cho các quá trình gia công tiếp theo đ−ợc dễ dàng và nâng cao khả năng làm việc của các chi tiết máy.
3.2. Điều kiện nhiệt luyện
Để thoả mãn các yêu cầu trên không phải tất cả các kim loại đều nhiệt luyện đ−ợc mà chỉ có những vật liệu mãn các yêu cầu sau :
1. Khi nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội kim loại phải có quá trình chuyển biến thù hình.
2. Khi làm nung nóng hay làm nguội, thì kim loại hoặc hợp kim tuy không thay đổi về tổ chức, nh−ng do ảnh h−ởng của nhiệt độ khi nhiệt luyện làm cho tổ chức kim loại từ trạng thái không ổn định trở lại trạng thái ổn định hơn.
3. Trong điều kiện nhất định làm thay đổi l−ợng hoà tan của một số nguyên tố nào đó hoặc các nguyên tố kim loại khác có thể xâm nhập vào chi tiết máy làm thay đổi thành phần hoá học của kim loại hay hợp kim, do đó làm thay đổi cơ tính, lý tính và hoá tính của kim loại hay hợp kim.
Giản đồ trạng thái Fe - C Pha L + Ô Ô Ô + X P + X F+ P + X +L X +L X +L A + X + L T oC
Hình 3-2 Giản đồ trạng thái sắt - các bon
Hợp kim sắt - cácbon : là gang, thép và các hợp kim khác.
Giản đồ trạng thái Fe - C sẽ cung cấp cho ta những khái niệm về cấu trúc của hợp kim Fe - C và cụ thể là gang, thép . Trong thực tế không dùng loại hợp kim có %C
≥ 6,67 % do đó ta nghiên cứu trong giới hạn C <= 6,67%
Ghi chú :
• Trục tung chỉ nhiệt độ ;
• Trục hoành chỉ hàm l−ợng cácbon ( %C )và hàm l−ợng sắt ( % Fe);
• Nằm sát bên trái là sắt nguyên chất ( Fe), bên phải là xementít Fe3C hàm l−ợng các bon = 6,67%
• Bản thân Fe có hai dạng mạng tinh thể : lập ph−ơng thể tâm Fe(α), và dạng lập ph−ong diện tâm Fe (γ)
• Pha lỏng : Dung dịch lỏng của các bon hoà tan trong sắt pha lỏng tồn tại trên đ−ờng ABCD
• Xementít : trên đ−ờng thẳng DFEL
• Ferit : dung dịch dặc của cácbon trong Fe(α) nằm phía trái đ−ờng GPQ và AHN
• Ôstenít Dung dịch đặc của các bon trong Fe(γ) nằm ở khu vực NJESG. Trên giản đồ 3 đ−ờng // HJB, ECF, PSK đó là 3 đ−ờng phản ứng đẳng nhiệt :
Đ−ờng HJB ở T = 1486 Đ−ờng ECF ở T = 1147 Đ−ờng PSK ở T = 727
S - là điểm cùng tích, C - điểm cùng tinh
Trên giản đồ trạng thái Fe-C ta thấy nung nóng hoặc làm nguội thép đều phát sinh sự biến chuyển về tổ chức tinh thể của thép đ−ợc gọi là nhiệt độ tới hạn hay điểm tới hạn . Trên giản đồ có nhiều nhiệt độ tới hạn. ở đây ta chỉ nghiên cứu một số giá trị quan trọng A1, A2 ...
• A1 = ( PSK ) khi nung gọi là Ac1, khi làm nguội Ar1 Ac1≠ Ar1
• A3 = ( GS ) khi nung gọi là Ac3, khi làm nguội Ar3 Ac3≠ Ar3
• Acm = ( PSK ) khi nung gọi là Acm, khi làm nguội Acr Acm≠ Acr
3.4. Các ph−ơng pháp nhiệt luyện
Trong thực tế có nhiều ph−ơng pháp nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện, nhuộm màu,... ở đây ta chỉ làm quen một số ph−ơng pháp chính: ủ, tôi , ram, th−ờng hoá và hoá nhiệt luyện ...
3.4.1 ủ kim loại
ủ là qúa trình nung thép đến nhiệt độ cao hơn Ac1 hay Acm cũng có thể nhỏ hơn Ac1 sau đó giữ nhiệt và làm nguội chậm cùng lò . Có thể làm nguội cùng lò đến nhiệt độ khoảng 500 - 600 oC ) sau đó làm nguội ngoài không khí. U th−ờng là quá trình nhiệt luyện sơ bộ để chuẩn bị cho khâu nhiệt luyện hay gia công tiếp theo.
a. Mục đích
1. Chuẩn bị cho các b−ớc gia công tiếp theo, cải thiện tính cắt gọt cho kim loại.
2. Khử các khuyết tật do các nguyên công gây ra nh− rèn, đúc, gia công nguội từ đó cải thiện cơ tính của thép, Khử ứng suất bên trong thép.
3. Tăng tính dẻo hay phục hồi tính dẻo của thép sau khi cán nguội. 4. Làm đồng đều thành phần hoá học trong thép ;
5. Chuẩn bị tổ chức kim loại để tôi. b. Các ph−ơng pháp ủ :
ủ hoàn toàn ( kết tinh lại hoàn toàn) :
Là qúa trình nung thép đến nhiệt độ cao hơn điểm A3 giữ nhiệt độ một thời gian sau đó làm nguội chậm đến khoảng 300oC, lấy ra khỏi lò, tiếp tục làm nguội trong không khí.
Mục đích của ủ hoàn toàn là làm cho tổ chức nhỏ hạt và phân bố t−ơng đối đều, nhờ vậy cơ tính tăng. Mặt khác do nguội chậm nên độ cứng thấp và có tổ chức péc - lit ổn định do đó dễ cắt gọt, ứng suất bên trong nhỏ, tạo nên tổ chức tốt cho khâu tôi tiếp theo.
Sơ đồ quả trình ủ hoàn toàn
Hình 3-3 Sơ đồ quá trình công nghệ ủ kim loại
ủ không hoàn toàn :
ủ không hoàn toàn là quá trình nung thép đến nhiệt độ giữa Ac1và AC3 , giữ nhiệt sau đó làm nguội chậm.
+ Mục đích: khử ửng suất bên trong do quá trình gia công nóng sinh ra , làm giảm độ cứng tăng độ dẻo, tăng cơ tính , dễ cắt gọt.
Ngoài ra còn có một số ph−ơng pháp ủ khác : ủ thấp, ủ cầu hoá, ủ đẳng nhiệt, ủ khuyếch tán, ...