- nhiệt luyện nhiệt độ cao (a) và nhiệt độ
d. Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng
Thép dùng
Để bảo đảm đồng thời yêu cầu sau khi tôi có bề mặt cứng đủ chống mài mòn song lõi vẫn phải đủ bền, dẻo và đặc biệt có độ dai cao để chịu va đập, thép đem tôi cảm ứng phải có lượng cacbon trung bình, 0,35 ữ 0,55% (thường chỉ 0,40
ữ 0,50%) và là loại thép thường hay hợp kim thấp với độ thấm tôi không cao.
Tổ chức
Nung cảm ứng với tốc độ rất nhanh trong vùng chuyển biến pha (Ac1 ữ
Ac3) từ hàng chục đến hàng trăm o
C/s (trong lò cao nhất chỉ là 1,5 ữ 3,0o
C/s), nên
có các đặc điểm sau.
- Nhiệt độ chuyển biến pha Ac1, Ac3 nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tôi phải lấy cao hơn so với cách tôi thể tích thông thường là 100 ữ 200oC.
- Độ quá nhiệt cao nên tốc độ chuyển biến pha khi nung rất nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, hạt austenit rất nhỏ mịn nên khi tôi được kim mactenxit rất
nhỏ.
Để vừa bảo đảm hạt nhỏ khi tôi cảm ứng vừa bảo đảm giới hạn chảy và độ dai cao của lõi, trước đó thép phải được nhiệt luyện tôi + ram cao thành xoocbit ram. Vậy cuối cùng tổ chức của thép là: bề mặt - mactenxit hình kim nhỏ mịn, lõi - xoocbit ram.
Cơ tính
Với thành phần cacbon và tổ chức như vậy, sau khi tôi cảm ứng thép có cơ tính là bề mặt cứng HRC 50 ữ 58, bảo đảm chống mài mòn tương đối tốt, lõi có độ cứng tương đối thấp HRC 30 ữ 40, bảo đảm giới hạn chảy và độ dai cao. Đáng chú ý là lớp bề mặt sau khi tôi cảm ứng sẽ chịu ứng suất nén dư, có thể đạt đến 800MPa, do đó nâng cao mạnh giới hạn mỏi.
Như vậy tôi cảm ứng thường được áp dụng cho các chi tiết:
+ chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chịu mài mòn ở bề mặt như bánh răng,
chốt...
+ chịu mỏi cao,
+ chịu uốn, xoắn là dạng có ứng suất lớn nhất phân bố trên bề mặt và là nơi tập trung ứng suất như các trục truyền, trục...
e.ưu việt
Tôi cảm ứng là phương pháp tôi bề mặt đạt được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rất cao, được ứng dụng rất rộng r∙i trong sản xuất cơ khí là do có những ưu việt sau.
- Năng suất cao do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và
nhiệt được tạo ra ngay trong lớp kim loại.
- Chất lượng tốt cũng do thời gian nung ngắn nên hạn chế, thậm chí tránh
được các khuyết tật như ôxy hóa, thoát cacbon, hơn nữa do điều chỉnh được chế độ điện, nhiệt độ nung, thời gian một cách chính xác nên bảo đảm chất lượng đồng đều, kết quả lặp lại một cách chính xác. Độ biến dạng thấp do lõi không bị nung nóng. Độ cứng tăng hơn so với tôi thường khoảng 1 ữ 3 đơn vị HRC. Hiện tượng này còn gọi là siêu độ cứng.
- Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, giảm nhẹ điều kiện làm việc của công nhân,
dễ đặt trong dây chuyền sản xuất cơ khí.
Tôi cảm ứng đặc biệt có hiệu quả trong sản xuất hàng loạt và hàng loạt lớn (như ở các nhà máy chế tạo động cơ, ôtô, máy kéo...với quy mô lớn). Trong số các chi tiết máy trục khuỷu là chi tiết hầu như chỉ được hóa bền bằng phương pháp này do đặc điểm về điều kiện làm việc, hình dạng (rất dễ biến dạng khi nhiệt luyện)...Tôi lần lượt bề mặt các cổ trục khuỷu theo thứ tự quy định được tiến hành trên các máy tôi chuyên dùng được thiết kế phù hợp cho trục khuỷu định trước (không phải là loại vạn năng dùng cho mọi loại trục khuỷu).
Nhược điểm của tôi cảm ứng là khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột... do khó chế tạo vòng cảm ứng thích hợp. Khi sản suất đơn chiếc hoặc với sản lượng thấp tính kinh tế không cao.
Cũng cần nhấn mạnh thêm rằng nung cảm ứng còn được dùng rất rộng r∙i trong kỹ thuật như:
+ nấu chảy thép, gang, kim loại trong đúc, luyện kim,
+ luyện vùng để luyện kim loại, nguyên tố siêu sạch trong chế tạo bán dẫn
và các kỹ thuật khác,
+ nung nóng để gia công áp lực trong các dây chuyền cán, ép một số sản
phẩm nhưbánh răng, cuốc bàn...
+ hàn trong chế tạo ống, dán nylon, chất dẻo.
Ngoài tôi bề mặt bằng nung nóng cảm ứng người ta còn có thể dùng các phương pháp tôi bề mặt bằng ngọn lửa, nung nóng bằng tiếp xúc điện và điện phân... Đặc điểm chung của chúng là tuy thiết bị khá đơn giản song chất lượng thấp, khó khống chế nên rất ít được sử dụng trong chế tạo cơ khí.
4.7.2.Hóa - nhiệt luyện
Hóa - nhiệt luyện là phương pháp hóa bền bề mặt có hiệu quả hơn (cho độ cứng và tính chống mài mòn cao hơn) tôi cảm ứng, song có năng suất thấp hơn, cũng được dùng rộng r∙i trong sản xuất cơ khí.
a.Nguyên lý chung
Định nghĩa và mục đích
Khác với nhiệt luyện chỉ làm biến đổi tổ chức và do đó tính chất của thép, không làm thay đổi thành phần hóa học, hóa - nhiệt luyện là phương pháp thấm,
b∙o hòa nguyên tố hóa học (cacbon, nitơ...) vào bề mặt thép bằng cách khuếch tán
nhiệt luyện thành phần hóa học ở lớp bề mặt thép thay đổi, do vậy tổ chức và cơ tính bị biến đổi mạnh hơn.
Khi hóa - nhiệt luyện thường nhằm một trong hai mục đích sau:
- Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi của thép với hiệu quả cao hơn so với tôi bề mặt. Thuộc về loại này là thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon - nitơ... được ứng dụng rộng r∙i trong sản xuất cơ khí.
- Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa và hóa học (chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao) như thấm crôm, thấm nhôm, thấm silic. Các quá trình thấm này phải tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn, ít được thực hiện.
Các giai đoạn
Khi tiến hành người ta đặt chi tiết thép vào môi trường (rắn, lỏng hoặc khí) có khả năng tạo ra nguyên tử hoạt của nguyên tố cần thấm rồi nung nóng đến nhiệt độ thích hợp. Có ba giai đoạn nối tiếp nhau xảy ra.
1) Phân hóa: là quá trình phân tích phân tử, tạo nên nguyên tử hoạt của
nguyên tố định thấm.
2) Hấp thụ: tiếp theo nguyên tử hoạt được hấp thụ (xâm nhập, hòa tan vào
mạng tinh thể sắt) vào bề mặt thép với nồng độ cao, tạo ra độ chênh lệch (gradien) nồng độ giữa bề mặt và lõi.
3) Khuếch tán: tiếp theo nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên
trong theo cơ chế khuếch tán, tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định.
Trong ba giai đoạn đó khuếch tán là quan trọng hơn cả, quyết định sự hình
thành của lớp thấm.
ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian
Nhiệt độ và thời gian ảnh hưởng lớn đến khuếch tán và chiều dày lớp thấm.
Nhiệt độ càng cao chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh, tốc độ
khuếch tán càng lớn, lớp thấm càng chóng đạt chiều sâu quy định. Đáng chú ý là hệ số khuếch tán D (và do đó chiều dày lớp thấm x) phụ thuộc vào nhiệt độ T0
theo hàm mũ: KT Q e . A D= −
như biểu diễn ở hình 4.22a, do vậy tăng nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất để tăng chiều sâu lớp thấm. Ví dụ hệ số khuếch tán D của cacbon trong Feγ tăng lên hơn 7 lần khi nhiệt độ tăng từ 925 lên 1100oC. Nên trong hóa - nhiệt luyện thường có khuynh hướng nâng cao nhiệt độ, song nhiều trường hợp bị hạn chế vì làm cho hạt to, làm xấu cơ tính.
Hình 4.22. ảnh hưởng
của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán (a) và ảnh hưởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm (b).
Thời gian. ở nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian cũng giúp nâng cao chiều sâu lớp thấm song với hiệu quả không mạnh như tăng nhiệt độ vì chiều sâu lớp thấm x phụ thuộc vào thời gian t theo quan hệ x=k t (k - hệ số, t - thời gian) như biểu thị ở hình 4.22b. Vậy khác với nhiệt độ, càng kéo dài thời gian mức độ tăng chiều sâu lớp thấm càng giảm đi. Do vậy kéo dài thời gian là biện pháp kém
hiệu quả.
Sau đây chỉ trình bày các phương pháp hóa - nhiệt luyện thông dụng nhất.