KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP

4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép

4.1.1.1. Định nghĩa:

Là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận được tổ chức, do đó tính chất theo yêu cầu.

Đặc điểm:

- Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép

- Kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất.

4.1.1.2. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện

Ba thông số quan trọng nhất (hình 4.1):

- Nhiệt độ nung nóng: Ton - Thời gian giữ nhiệt: Tgn

- Tốc độ nguội Vnguộisau khi giữ nhiệt

Các chỉ tiêu đánh giá kết quả:

+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt,

chiều sâu lớp hóa bền... là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất.

+Độ cứng,độ bền, độ dẻo, độ dai.

+Độ cong vênh, biến dạng.

4.1.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép

1. Nhiệt luyện:thường gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tính chất gồm

nhiều phương pháp: ủ, thường hoá, tôi, ram.

2. Hóa - nhiệt luyện: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở bề mặt rồi nhiệt

luyện tiếp theo để cải thiện hơn nữa tính chất của vật liệu: Thấm đ ơn hoặc đa nguyên tố: C,N,..

3. Cơ - nhiệt luyện: là biến dạng dẻo thép ở trạng thái  sau đó tôi và ram để nhận được tổ

chức M nhỏ mịn có cơ tính tổng hợp cao nhất, thường ở xưởng cán nóng thép, luyện kim.

4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất c ơ khí

4.1.2.1Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép: phát huy triệt để các tiềm năng của vật liệu: bền, cứng, d ai…do đó giảm nhẹ kết cấu, tăng tuổi thọ,..

4.1.2.2. Cải thiện tính công nghệ

Phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ biến dạng,…

4.1.2.3. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí

- Nặng nhọc, độc cơ khí hóa, tự động hóa, chống nóng, độc

- Phải được chuyên môn hóa cao bảo đảm chất lượng sản phẩm và năng suất

- Tiêu phí nhiều năng lượng phương án tiết kiệm được năng lượng

- Là khâu sau cùng, thư ờng không thể bỏ qua, d o đó quyết định tiến độ chung, chất l ượng

và giá thành sản phẩm của cả xí nghiệp.

Hình 4.1.Sơ đồcủaquá trình nhiệt luyện đơngiảnnhất

4.2. CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit 4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit

4.2.1.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung

Dựa vào giản đồ pha Fe - C, hình 4.2:ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản: F và Xê (trong đó P =[F+Xê]).

-Thép cùng tích: có tổ chức đơn giản là P -Thép trước và sau cùng tích: P+F và P+Xê II Khi nung nóng:

+ Khi T< A1  chưa có chuyển biến gì; + Khi T= Ac1, P  theo phản ứng:

Thép CT: [Fea + Xê]0,80%C   0,80%C Thép TCT và SCT: F và XêIIkhông thay đổi:

+ Khi T> Ac1: F và XêII tan vàonhưng không

hoàn toàn;

+ Khi T> Ac3 và Acm: F và XêIItan hoàn toàn vào Trên đường GSE mọi thép đều có tổ chức 

4.2.1.2. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit

Nhiệt độ & thời gian chuyển biến:(hình 4.3) Vnung càng lớn thì T chuyển biến

càng cao.

Tnung càng cao, khoảng thời gian

chuyển biến càng ngắn.

Tốc độ nung V2> V1, thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến ở càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn.

Ý nghĩa:

Kích thước hạt austenit:

HạtcàngnhỏM (hoặc tổ chức khác) có độ dẻo, dai cao hơn.

Cơ chế chuyển biến: P : cũng tạo

và phát triển mầm như kết tinh (hình

4.4), nhưng do bề mặt phân chia giữa F-Xê rất nhiều nên số mầm rất lớnhạt  ban đầu rất

nhỏ mịn (<cấp 8-10, hình 4.4d)

Hình 4.2. Giản đồpha Fe-C (phầnthép)

Hình 4.3. Giản đồchuyểnbiến đẳng nhiệt P  của thép cùng tích

Chuyển biến peclit austenit bao giờ cũnglàm nhỏ hạt thép, phải tận dụng

Hình 4.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm

Độ hạt austenit:

- Peclit ban đầu: càng mịn  nhỏ

- Vnung càng lớn hạt

càng nhỏ

- T& thời gian giữ nhiệt lâu thì hạt càng lớn;

- Theo bản chất thép: bản

chất hạt lớn và hạt nhỏ

(hình 4.5).

Thép bản chất hạt nhỏ: thép được khử ôxy triệt để

bằng Al, thép hợp kim Ti,

Mo, V, Zr, Nb,... dễ tạo cacbit ngăn cản phát triển

hạt. Mn và P làm hạt phát

triển nhanh.

4.2.2. Mục đích của giữ nhiệt

- Làm đều nhiệt độ trên tiết diện;

- Để chuyển biến xảy ra hoàn toàn; - Làm đồng đều % của .

4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội

4.2.3.1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích

Giản đồT-T-T: Nhiệt độ (T)- thời

gian (T) và chuyển biến (T) Vì có dạng

chữ "C")  đường cong chữ “C”.

Khibị nguội (tức thời) d ưới

727oC nó chữa chuyển biến ngay được

gọi là quá nguội, không ổn định.

Giản đồ có 5 vùng:

- Trên 727oC là khu vực tồn tại của

 ổn định.

- Bên trái chữ "C" đầu tiên - vùng

 quá nguội

- Giữa hai chữ "C" đang chuyển

biến (tồn tại cả ba pha , F và Xe) - Bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt quá

Hình 4.5.Sơ đồphát triển hạt austenit I- di truyềnhạtnhỏ, II- di truyềnhạtlớn

nguội là hỗn hợp: F- Xê với mức độnhỏ mịn khác nhau.

Giữ  quá nguội ở sát A1: (T~ 700oC,T0nhỏ, ~25oC): Peclit (tấm), HRC 10  15. + (T~ 6500C,T0~ 750C): Xoocbit tôi, HRC 2535.

+ T ~ đỉnh lồi chữ “C“(khoảng 5006000C): Trôxtit, HRC 40. Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán.

+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt: ~450250oC: Bainit, HRC 50  55, Được coi là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá bão hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe 2,4-3C,có một lượng

nhỏ  (dư), trung gian (giữa P và M).

Từ peclit (tấm), xoocbit, trôxtit cho tới bainit độ quá nguội tăng lên mầm càng nhiều

 tấm càng nhỏ mịn hơn và độ cứng càng cao hơn.

Tóm lại: chuyển biến ở sát A1được peclit, ở phần lồi được trôxtit, ở giữa hai mức xoocbit, phía dưới được bainit.

Làm nguội đẳng nhiệt nhận được tổ chức đồng nhất trên tiết diện.

4.2.3.2. Sự phân hóakhi làm nguội liên tục.

Cũng xét giản đồ chữ “C” (hình 4.7) như

chuyển biến đẳng nhiệt.

Đặc điểm 1: Tùy thuộc vào Vnguộita có:

V1: trên hình 4.7,ở sát A1: peclit tấm,

V2: (làm nguội trong không khí tĩnh) 

xoocbit.

V3 (Làm nguội trong không khí nén), cắt ở phần lồi:  trôxtit

V4: (làm nguội trong dầu), trôxtit + mactenxit = bán mactenxit

V5: (làm nguội trong nước lạnh) V5không cắt đường cong chữ "C" nào, tức  M

Kết luận: khi làm nguội liên tục, tổ chức

tạo thànhvào vị trí của vectơ tốc độnguội trên đường cong chữ "C

Đặc điểm 2:Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện

Đặc điểm 3:Không đạt được tổ chức hoàn toàn bainit (B) (chỉ có thể T+B hoặc T+B+M)

vìnửa dưới chữ “C” lõm vào

Đặc điểm 4: Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon, thép hợp kim đ ường cong chữ

"C" dịch sang phải do đó:

+ Vthcó thể rất nhỏ. Ví dụ, thép gió tôi trong gió.

+ Tổ chức đồng nhất ngay cả đối với tiết diện lớn.

4.2.3.3. Giản đồ T-T-T của các thép khác cùng tích

+ Thép trước và sau cùng tích, có thêm nhánh phụ (hình 4.8) biểu thị sự tiết ra F (TCT)

hoặc XêII(SCT), có thêm đường ngang A3(SCT) hoặc Acm(SCT).

Hình 4.7. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích với V1 < V2 < V3 <V4 < V5 < V6

Hình 4.8 Giản đồ T-T-T của thép khác cùng tích.

Ba điểm khác biệt so với thép cùng tích: 1- Đường cong (chữ "C" và nhánh phụ)

2- Khi làm nguội chậm liên tục (V2),  quá nguội sẽ tiết ra F (TCT) hoặc XêII (SCT) trước sau đó mới phân hóa ra hỗn hợp F-Xê

3- Khi làm nguội đủ nhanh V3 (hoặc >V3) để Vng không cắt nhánh phụ, quá nguội  F-

Xê dưới dạng X, T, B (B chỉ khi làm nguội đẳng

nhiệt).

Thép không có thành phần đúng 0,80%C mà vẫn không tiết F hoặc Xê được gọi là cùng tích giả.

Đối với thép hợp kim, ngoàiảnh hưởng của C, các nguyên tố hợp kim (dịch chữ "C" sang

phải) sẽ xét sau.

4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh- Chuyển biến mactenxit (khi tôi)Nếu Vng> Vththì   M gọi đó là tôi thép. Nếu Vng> Vththì   M gọi đó là tôi thép.

Vth: là tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến mactenxit.

m m th T A V    1 4.2.4.1. Bản chất của mactenxit

Định nghĩa:M là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Fe

Đặc điểm: vì quá bão hoà C mạng chính phương tâm khối (hình 4.10).

Độ chính phương c/a = 1,0011,06 ( %C) xô lệch mạng rất lớn M rất cứng.

Hình 4.8. Giản đồT-T-T của

thép khác cùng tích

Hình 4.9. Giản đồT-T-T và tốc độ

tôi tớihạnVth (tm và Tm - thời

gian và nhiệt độ ứng vớikémổn định nhất).

Hình 4.10.ôcơsởcủa động mạngtinh thể

mactenxit

4.2.4.2. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit

1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục với tốc độ > Vth.

2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên vị trí, Fe: từ (A1) M (gần như A2) 3) Xảy ra với tốc độ rất lớn, tới hàng nghìn m/s

4) Chỉ xảy ra trong khoảng giữa Mđvà kết thúc MK. Mđ và MK giảm khi tăng %C và % nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), Mđvà MKkhông phụ thuộc vào Vnguội.

5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn vì hiệu ứng tăng thể tích gây lực nén lên



 không thể chuyển biến,  không chuyển biến được gọi là  dư. Điểm Mk thường thấp

(<20oC) có khi rất thấp (ví dụ -100oC)  lượng  dư có thể (2030%). Tỷ lệ  dư: phụ

thuộc vào các yếu tố sau:

+ Điểm MK: MK càng thấp dưới 20oC

lượng dư càng nhiều: MK giảm khi tăng lượng

nguyên tố hợp kim trong 

+ %C tăng  V   dư càng nhiều

4.2.4.3. Cơ tính của mactenxit

Độ cứng: (hình 4.12): %C cứng tăng do đó: Thép ít cacbon: %C 0,25%, độ cứng sau tôi

HRC 40

Thép C trung bình: %C= 0,400,50%, độ

cứng sau tôi tương đối cao, HRC50.

Thép C cao: %C 0,60%, độ cứng sau tôi cao,

HRC 60.

Chỉ có thép0,40%C tôi mới tăng tính chịu mài mòn.

Chú ý : phân biệt độ cứng của M và độ cứng của thép tôi: độ cứng của thép tôi l à độ cứng

tổng hợp của M tôi+ dư + cacbit (XêII nếu có). Thường dư làm giảm độ cứng của thép

tôi:>10% làm giảm 3-5HRC (cá biệt tới 10HRC),vài % không đáng kể.

Tính giòn:là nhược điểm của M làm hạn chế sử dụng, tính giòn phụ thuộc vào: + Kim M càng nhỏ tính giòn càng thấp làm nhỏ hạt  khi nung thì tính giòn. +Ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp.

Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi v à phương pháp tôi thích h ợp để giảm ứng suất bên trong như tôi phân c ấp, đẳng nhiệt và ram ngay tiếp theo.

4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) Định nghĩa:

Ram nung nóng thép sau khi tôi đ ể điều chỉnh độ cứng và tính chất phù hợp với yêu cầu.

4.2.5.1. Tính khôngổn định của mactenxit và austenit

Tổ chức thép tôi=M+ dư: khi nung nóng M F+Xê theo: Fea(C) Fe3C + Fea

 dư  F+Xê theo: Feg(C) Fe3C + Fea

M và dư không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F-Xê mà phải qua tổ chức trung gian là M ram theo sơ đồ: (M + dư) M ram F-Xê

4.2.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram

Thép cùng tích (0,80%C): tổ chức M và dư, quá trình chuyển biến khi ram:

Giai đoạn I(T < 200oC)

- < 80oC trong thép tôi chữa có chuyển biến gì, tức vẫn có M và dư.

- Từ 80-200oC: dư chữa chuyển biến, M có tiết C d ưới dạng cacbit e FexC (x=2,02,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C trong M giảm xuống còn khoảng 0,25 0,40%, c/a giảm đi.

Hỗn hợp M ít cacbon và cacbit e đó được gọi là M ram (vẫn liền mạng):

(M tôi) Fea(C)0,8[Fea(C)0,250,4+ Fe22,4C] (M ram)

Giai đoạn II(T= 200 260oC)

Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,150,20%: Fea(C)0,25-0,4 [Fea(C)0,15

0,20+Fe

22,4C]

dư thành M ram: (dư) Feg(C)

0,8 [Fea(C)0,150,20+ Fe22,4C] (M ram)

M ram là tổ chức có độ cứng thấp h ơn M tôi, song lại ít giòn hơn do giảm được ứng suất.

Độ cứng thứ II:Một số thép sau khi tôi có lượng dư lớn (hàng chục %), khi ram  dư thành

M ram mạnh hơn hiệu ứng giảm độ cứng do C tiết ra khỏi dung dung dịch rắn độ cứng thứ II.

Giai đoạn III(T= 260 400oC)

Sau giai đoạn II thép tôi có tổ chức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 0,20%) và cacbit  (Fe2 2,4C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến:

- M nghèo cacbon trở thành ferit, cacbit e (Fe2 2,4C) Xê (Fe3C)ở dạng hạt

Sơ đồ chuyển biến: Fea (C)0,150,20Fea + Fe3Chạt, cac bit Fe22,4C  F+Xêhạt = T ram - Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tích).

- Mất hoàn toànứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi.

Giai đoạn IV(T > 400oC)

T > 400oC xảy ra quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của Xê hạt.

-ở 500 650oC: được hỗn hợp F-Xê = X ram, có giới hạn chảy cao và độ dai và đập tốt nhất.

-ở gần A1 (727oC): được hỗn hợp F-Xê hạt thô hơn = peclit hạt.

Kết luận:ram là quá trình phân hủy M, làm giảm độ cứng, giảm ứng suất bên trong sau khi tôi, tùy thuộc vào nhiệt độ ram có thể đạt được cơ tính khác nhau phù hợp với yêu cầu sử dụng.

4.3.Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP

Định nghĩa:là các phương pháp thu ộc nhóm nhiệt luyện s ơ bộ, tạo độ cứng, tổ chức thích

hợp cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt luyện) tiếp theo.

4.3.1.Ủ thép

4.3.1.1. Định nghĩa và mục đích

Định nghĩa: là phương pháp nung nóng thép đ ến nhiệt độ nhất định (từ 200trên 1000oC), giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt được tổ chức cân bằng ổn định

(theo giản đồ pha Fe - C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao.

Hai nét đặc trưng của ủ:nhiệt độ không có quy luật tổng quát và làm nguội với tốc độ chậm để đạt tổ chức cân bằng.

Mục đích:được một số trong 5 mục đích sau:

1) Làm mềm thép để dễ tiến hành gia công cắt, 2) Tăng độ dẻo để dễ biến dạng (dập, cán, kéo) nguội.

3) Giảm hay làm mất ứng suất gây nên bởi gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo, 4) Đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc loại bị thiên tích.

5) Làm nhỏ hạt thép.

Phân loại ủ:2 nhóm:ủ có chuyển pha vàủ không có chuyển biến pha.

4.3.1.2. Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha Đặc điểm:

Nhiệt độ ủ thấp hơn A1 nên không có chuyển biến P  . Chia thành 2 phương pháp: Ủ thấp: T= 200 600oC, mục đích làm giảm hay khử bỏ ứng suất,

Ủ kết tinh lại: T> Tktl để khôi phục tính chất sau biến dạng.

4.3.1.3. Các phương pháp ủ có chuyển biến pha

Thường gặp, T> A1 , P  , nhỏ hạt. Chia thành 3 phương pháp:

-Ủ hoàn toàn: áp dụng cho thép trước cùng tích %C= 0,30 0,65%, Tu0 =A3+(2030oC) Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng và tăng độ dẻođể dễ cắt gọt và dập nguội (160 200HB)

-Ủ không hoàn toàn vàủ cầu hóa:

Áp dụng cho thép dụng cụ %C= 0,70%, A1<T<Acm:

0

u

T = A1 + (2030 C) = 750760 C,

Tính chất: peclit hạt, HB < 220 dễ gia công cắt hơn, không áp dụng cho thép trước cùng tích có C 0,65% vìảnh hưởng xấu đến độ dai.

-Ủ cầu hóa:

Là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, T= 750760oC-5min (phút) rồi T= 650 660oC-

5min..., với lặp đi lặp lại cầu hóa xêmentit để tạo thành peclit hạt.

-Ủ đẳng nhiệt:

Dùng cho thép hợp kim cao do quá nguội có tính ổn định quá lớn nên dùng làm nguội