1.5.2.1. Nguyên nhân và tác hại
Nguyên nhân là do trong môi trường nung có chứa các thành phần có tác dụng ôxy hoá Fe và C; đó là O2, CO2; H2O ...chúng có trong không khí và đi vào khí quyển của lò nung. Thoát C dễxảy ra hơn là ôxy hoá khi ôxy hoá thường đi kèm với thoát C.
Tác hại của ôxy hoá là tạo nên vảy ôxít sắt FeO2, tạo thành vảy bong vỡ, làm hụt kích thước xấu bề mặt sản phẩm. Còn thoát C khó nhận thấy bằng mắt xong sẽ làm giảm độcứng sau khi tôi.
1.5.2.2.Ngăn ngừa
Ngăn ngừa tốt nhất là nung nóng trong khí quyển không có tác dụng ôxy hoá và thoát C. Đểthay thếcác lò thông thường với khí quyển lò là không khí hay sản phẩm cháy (lòđốt than, dầu ...) người ta sửdụng các lò nung bằng điện có các khí quyển đặc biệt như sau: Khí quyển bảo vệ(hay khí quyển kiểm soát), trong đó các thành phần khí đối lập nhau: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 với tỷ lệ hợp lý để đi đến trung hoà tác dụng của nhau, kết quảlà bềmặt được bảo vệ.
Khí quyển trung tính như nitơ tinh khiết, tốt nhất là dùng ácgông(Ar) nhưng đắt tiền thường dùng trong phòng thí nghiệm.
Nung trong lò chân không có khả năng chống ôxy hoá và thoát C một cách tuyệt đối cho mọi thép. Hiện đang được áp dụng rộng rãi trong cácnước tiên tiến.
Chú ý trong hoàn cảnh không có các loại khí và lò trên có thể áp dụng các phương pháp sau.
Dải than hoa trên đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than. Phương pháp này có nhược điểm vừa làm giảm tuổi thọcủa lò vừa kéo dài thời gian nung.
Lò muối được khửôxy triệt để bằng than, ferôsilic cách này chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ, thường dùng để tôi dao cắt.
Khi đã xảy ra rất khó khắc phục. Khi thoát C có thểdùng cách thấm C lại, xong sẽ làm tăng biến dạng.
1.5.3. Độ cứng không đạt
Là loại khuyết tật mà độcứng có giá trịcao hoặc thấp hơn so với giá trị quy định.
1.5.3.1.Độcứng quá cao
Xảy ra khi ủ và thường hoá thép hợp kim. Nguyên nhân có thể do thiếu nhiệt, nhiệt độ chưa đủ, thời gian giữnhiệt ngắn.
1.5.3.2.Độcứng quá thấp
Xảy ra khi tôi, nguyên nhân có thểdo thiếu nhiệt như nhiệt độ chưa đủ, thời gian giữnhiệt ngắn.
+ Làm nguội không dủnhanh theo yêu cầu đểtạo ra mactenxit. + Thoát C bềmặt.
1.5.4. Tính giòn cao
Sau khi tôi thép có thể bị giòn quá mức, trong khi độ cứng vẫn ở mức cao bình thường. Nguyên nhân là do nhiệt độ nung tôi quá cao (gọi là quá nhiệt), hạt thép bị lớn. Khắc phục bằng cách thường hoá để làm hạt nhỏ đi rồi tôi lại, nhưng như vậy sẽ tăng biến dạng.
1.6.Các phương pháp hóa bền bềmặt thép
1.6.1. Phương pháp cơ học
1.6.1.1. Nguyên lý
Kim loại gia công ở thể rắn, sau khi gia công không những thay đổi về hình dáng, kích thước mà còn thayđổi cả cơ, lý, hóa tính của kim loại như kim loại mịn chặt hơn, hạt đồng đều, khử các khuyết tật (rỗ khí, rỗ co …) do đúc gây nên, nâng cao cơ tính và tuổi bền chi tiết…
Nếu bằng phương pháp cơ khí làm biến dạng được bề mặt của thép đến chiều sâu nhất định, thì lớp này do mạng tinh thể bị xô lệch sẽ bị biến cứng (độ cứng và độ bền tăng lên). Như vậy, chi tiết có độ cứng bề mặt cao, còn trong lõi vẫn giữ được độ dẻo dai tốt.
Biến cứng bề mặt có đặc điểm sau.
- Lớp bề mặt có độ cứng cao do đó chống mài mòn tốt hơn.
- Tạo nên lớp ứng suất nén dư ở lớp bề mặt do vậy làm tăng giới hạn mỏi.
- Khi biến dạng như vậy làm mất đi khá nhiều tật hỏng ở bề mặt như vết khía, rỗ, do vậy làm giảm nguồn gốc sinh ra các vết nứt mỏi.
- Dưới tác dụng của ứng suất khi biến dạng, trong thép tôi có chuyển biến γ dư thành M, do vậy làm tăng tính chống mài mòn của bề mặt thép tôi. Biến cứng bề mặt được áp dụng không nhữngcho thépủ mà cả cho thép tôi.
a. Phun bi
Phun bắn những viên bi cứng làm bằng thép lò xo hay gang trắng với kích thước (0,5–1,5 mm) lên bề mặtchi tiết. Tốc độ của bi đạt đến 50 –100m/s bằng máy ly tâm quay nhanh sự va đập do phun bắn các viên bi lên bề mặt có tác dụng tạo ra trên bề mặt chi tiết vô cố các vết lõm nhỏ. Chiều sâu lớp biến cứng bề mặt đạt đến 0,7mm.
Đặc điểm của phun bi là đạt độ biến dạng dẻo đồng đều, chất lượng cao, thiết bị đơn giản dễ điều chỉnh, không tạo được lớp hóa bền chiều dài lớn.
b.Lăn ép
Lăn bằng con lăn hay bằng bi với áp lực lớn nhờ lò xo hay máy nén thủy lực. Chiều sâu lớp biến cứng có thể đạt tới 15mm. Thường áp dụng cho các chi tiết lớn như cổ trục toa xe lửa, cổ trục khuỷu.
c.Đập
Đập là hình thức biến dạng bề mặt bằng va đập tạo nên bởi các dụng cụ va đập, gá lắp va đập bằng lò xo và được thực hiện trên máy công cụ. Lớp biến cứng có thể sâu tới 35mm, vì vậy thường dùng dập trong chế tạo để hóa bền các chi tiết lớp của thiết bị rèn ép và máy nén thủy lực.[18]
1.6.2. Phương pháp nhiệt luyện bềmặt
Tôi bềmặt là phương pháp nung nhanh bề mặt tới nhiệt độ sau đó làm nguội để thu được bền mặt có tổchức mactenxit, phần lõi giữ nguyên cơ tính tổng hợp cao.
Có nhiều phương pháp tôi bề mặt song chúng đều dựa trên nguyên lý chung là nung nóng thật nhanh bềmặt với chiều sâu nhất định lên đến nhiệt độ tôi, trong khi đó phần lớn tiết diện không được nung nóng, khi làm nguội nhanh tiếp theo chỉ có bềmặt được tôi cứng còn lõi khôngđược tôi vẫn đảm bảo mềm, dẻo. Có thểnung nóng nhanh bềmặt đểtôi bằng các phương pháp sau:
- Nung nóng bằng dòngđiện cảmứng có tần sốcao - Nung nóng bằng ngọn lửa của hỗn hợp khí C2H2 + O2
- Nung nóng bằng tiếp xúc giữa 2 phần tiếp giáp nhau khi có dòngđiện chạy qua - Nung nóng trong chất điện phân
1.6.2.1. Tôi cao tần
a. Nguyên lý nung nóng bềmặt
Khi một chi tiết kim loại đặt trong từ trường biến thiên sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng nên trong chi tiết sẽ có dòng điện cảm ứng cùng tần số. Nhờ tính chất này người ta dùng dòng điện có tần số cao hàng nghìn đến hàng chục vạn Hz nên dòng cảmứng cũng có tần số cao như vậy. Đặc tính nổi bật của dòngđiện cảmứng có tần số cao là nó có mật độ lớn nhất ở bề mặt và giảm nhanh về phía lõi vật dẫn, nhờ đó có khả năng nung nóng nhanh bềmặt lên đến nhiệt độtôi.
Trong đó ρ là điện trở
Hình a)Sơ đồnung nóng cảmứ b) Tôi khi nung nóng toàn b c) Tôi khi nung nóng và làm ngu 1. Chi tiết tôi, 2. Vòng cảm
Hình 1.2
Hình a. Nung mặt ngoài chi tiết hình tr
là điện trởsuất (Ω.cm); µ là độtừthẩm; f là tần số
Hình 1.24. Nung nóng và tôi cảmứng mứng
àn bộbềmặt tôi à làm nguội liên tục
cảmứng, 3. Vòng phun nước, 4. Đường sức t
Hình 1.25. Nguyên lý làm việc của vòng cảmứng Hình 1.26. Một sốloại vòng cảmứng i chi tiết hình trụ ần số ức từ trường ứng
b, g. Nung mặt trong
c. Nung mặt ngoài chi tiết hình chóp d. Nung mặt phẳng
e. Nung mặt và cuối chi tiết hình trụ
h. Vòng cảmứng tháo được để nung cổtrục khuỷu i. Nung tấm và hình dạng phức tạp
k. Nung từng răng bánh răng môđun lớn b. Chọn tần sốthiết bị
Tần số của dòng điện quyết định chiều dày lớp nung nóng do đó quyết định chiều sâu lớp tôi cứng. Chiều sâu lớp tôi cứng đối với các chi tiết khác nhau cũng khác nhau, các chi tiết với tiết diện lớn cần chiều sâu lớp tôi cứng dày hơn so với các chi tiết với tiết diện bé hơn. Thông thường chiều sâu lớp tôi cứng được chọn theo 2 mức (4– 6) mm đối với các chi tiết lớn và (1-2)mm đối với chi tiết bé.
Bánh răng chiều dày lớp tôi bằng (0,2-0,28)M (M là mô đun răng). Khi cần lớp tôi dày (4-5mm) thiết bị 2500 hay 8000Hz, P=100kW trở lên. Với lớp tôi mỏng (1- 2mm) thiết bịcần tần sốcao (60000 hay 250000Hz), P= 50-100kW.
c. Các phương pháp tôi
Vòng cảm ứng được uốn sao cho có dạng bao, ôm lấy phần bềmặt cần nung để tôi song không được tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5-5,0mm càng nhỏ càng đỡ tổn hao. Có ba kiểu tôi sau.
- Nung nóng rồi làm nguội toàn bềmặt.
- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt tôi từng răng cho các bánh răng lớn (m>6) hay các cổtrục khuỷu.
- Nung nóng và làm nguội liên tục trục dài, băng máy.
d. Ưu, nhược điểm Ưu điểm
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, tránh được các khuyết tật oxy hóa, thoát cacbon, chất lượng đồng đều, kết quả ổn định. Độ cứng cao hơn so với tôi thường.
Dễtự động hóa, cơ khí hóa, thích hợp cho sản xuất hàng loạt.
Nhược điểm
Khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột...khó chếtạo vòng cảmứng thích hợp.[4]
1.6.2.2. Tôi bềmặt bằng nung nóng bởi ngọn lửa C2H2+ O2
Tôi bề mặt theo phương pháp này được thực hiện bằng cách dùng mỏ đót hỗn hợp khí C2H2+ O2của thiết bị hàn hơi.
Ngọn lửa của mỏ đốt hỗn hợp khí trên rất nóng, có chỗtới 30000C do vậy có khả năng nung nóng nhanh bề mặt đến nhiệt độ cao, trong khi đó lõi vẫn nguội. Sau khi làm nguội nhanh chỉcó lớp bềmặtđược tôi cứng.
Hình 1.27. Cấu tạo của ngọn lửa
Cấu tạo của ngọn lửa gồm ba vùng đó là vùng nhân, vùng làm việc (nhiệt độcao nhất) và vùng nung sơ bộ. Vùng có nhiệt độcao nhất chính là vùng được sử dụng để nung chi tiết đến nhiệt độtôi.
Đặc điểm củaphương pháp:
- Thiết bị đơn giản, dễthực hiện, tính cơ động cao (dễlắp đặt, di chuyển và có thể đặt ngayở trong xưởng cơ khí, có thể tôi được những chi tiết lớn hoặc bé.
- Chất lượng khó bảo đảm tốt ngọn lửa có nhiệt độ quá cao do vậy bề mặt thép dễ bị quá nhiệt, hạt lớn do vậy có thểgây ra oxy hóa và dễbịchảy bềmặt. Chiều dày lớp tôi khoảng 5-10mm và khó điều chỉnh lớp nung nóng.
-Năng suất thấp, chỉthích hợp với sản xuất đơn chiếc.[18]
1.6.3. Phương pháp hóa nhiệt luyện
1.6.3.1. Định nghĩa và mục đích a. Định nghĩa
Hóa nhiệt luyện là phương pháp làm bão hòa các nguyên tố đã cho (C, N, B, Cr, Al...) vào bềmặt thép để làm thay đổi thành phần hóa học, do đó làm thay đổi tổchức và đạt được tính chất theo quy định.
b. Mục đích
Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho thép. Với mục đích này đạt được cao hơn so với tôi bềmặt.
Nâng cao tính chống ăn mòn điện hóa, hóa học (chống oxy hóa ở nhiệt độ cao). Tuy nhiên mục đích này ít thực hiện do nhiệt độquá cao, thời gian quá dài, chi phí lớn giá thành cao.
c. Các quá trình xảy ra
Phân hóa là quá trình phân tích các phân tử của chất khuếch tán tạo nên các nguyên tửcó tính hoạt động mạnh (gọi là nguyên tửhoạt).
Hấp thụ các nguyên tửhoạt được hấp thụ vào về mặt thép có nồng độcao tạo ra sựchênh lệch vềnồng độgiữa bềmặt và lõi.
Khuếch tán nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuếch tán và tạo ra lớp thấm có chiều sâu nhất định.
1.6.3.2. Thấm cacbon a. Định nghĩa và mục đích
Định nghĩa là phương pháp hóa nhiệt luyện có tác dụng làm tăng hàm lượng cácbon trên bề mặt của chi tiết thép có hàm lượng cacbon thấp (0,1 – 0,25%) lên 0,8- 1,2% với chiều dày vài milimet.
Sau khi thấm cacbon, chi tiết cần được tôi và ram đểbề mặt có độ cứng cao còn lõi (với hàm lượng cacbon thấp) sau khi tôi có tăng độ bền, độ cứng nhưng vẫn giữ được độdẻo dai. Nhiệt độthấm C thường sửdụng là từ900-9500C.
Thời gian thấm, tùy thuộc vào mục đích và cách thấm cũng như chiều dày của lớp thấm.
Mục đíchlàm cho bềmặt thép có độcứng cao 60-64HRC tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, trong lõi bền, dẻo dai với độcứng 30-40HRC chịu uốn xoắn và va đập tốt.
Sau khi thấm hàm lượng cacbon ở lớp bề mặt khoảng 0,8-1,0% là phù hợp nhất, còn trong lõi có hạt nhỏ mịn không có pherit tự do. Tùy theo chất thấm chia ra thấm cacbon thểrắn, thểkhí và thểlỏng.
Các mác thép dùng đểthấm Cacbon theo TCVN
Thép cacbon như C10, C15, C20, C25 đôi khi cả CT38. Chúng được dùng đểchế tạo các chi tiết nhỏ, không quan trọng, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn nhưng tại trọng không cao.
Thép hợp kim Cr như 15Cr, 20Cr, 15CrV sửdụng cho các chi tiết chịu mài mòn trong điều kiện tải trọng trung bình như chốt pittong, trục cam ôtô, trục giữa xe đạp, bánh răng mođun nhỏ...
Thép hợp kim Cr-Ni điển hình là các mác sau 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4W, 18Cr2Ni4Mo có độ bền cao, chịu va đập tốt, sử dụng cho các chi tiết quan trọng như bánh răng, trục của động cơ máy bay, của tàu biển...
Thép hơp kim Cr-Mn-Ti điển hình là các mác sau 18CrMnTi, 25CrMnTi, 25CrMnMo, rẻ tiền hơn thép Cr-Ni. Các mác thép hợp kim hóa bằng Ti hoặc Mo giữ được hạt nhỏ nên có thể thấm ở nhiệt độ cao (9300- 9500). Các mác thép cacbon chỉ nên thấmở nhiệt độ<9000.
Các chi tiết được thấm cacbon làm việc tốt trong điều kiện chịu tải trọng va đập và chịu ma sát. Nhiệt độthấm cacbon chọn cao hơn đường A3( thường từ900- 9500), tức là thấm trong vùng đơn phaaustenit là pha có khả năng hòa tan cacbon lớn nhất.
Phương pháp thấm cacbon thểrắn
Chất thấm trong phương pháp thấm C thể rắn thường là than củi, than cốc chưa cháy hết (chất mang C) được trộn lẫn với các chất xúc tác là muối cacbonat của kim loại kiềm và kiềm thổ như Na2CO3, BaCO3.
Nhiệt độ thấm sao cho tổ chức hoàn toàn austenit để có khả năng bão hòa lượng cacbon cao nhật có thể đạt được. Với thép bản chất hạt lớn nhiệt độthấm từ900-9200C thép bản chất hạt nhỏnhiệt độthấm lên đến 9500C. Nhiệt độ thấm càng cao, chiều sâu thấm càng lớn.
Tại nhiệt độthấm (870oC đến 930oC) xảy ra các phảnứng : 2C + 2O2= 2CO2
CO2+ C = 2CO
2CO = [C] + CO2 (Phảnứng Boudouard)
Hình 1.28. Hộp thấm C thểrắn
Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị thấm đơn giản, chất thấm dễ tìm và rẻ tiền, tuy nhiên thời gian thấm tương đối dài (8-12h), chất lượng lớp thấm không đồng đều, thao tác nặng nhọc, khó cơ khí hoá và tự động hoá.
Phương pháp thấm cácbon thểlỏng
Trong phương pháp thấm C thể lỏng, chất thấm thường dùng là hỗn hợp muối nóng chảy của NaCN, KCN (chất mang C) và chất hoạt hóa là BaCl, SrCl2. Tại nhiệt độthấm (900-930oC) xảy ra các phảnứng:
4NaCN + 3O2= 2NaCNO + Na2CO3 + CO + 2N 2CO = [C] + CO2 (Phảnứng Boudouard )
Ưu điểm của phương pháp này là có tốc độ thấm nhanh 0,1mm/h, chiều dày lớp thấm đạt được 0,1 – 1,5mm, chất lượng lớp thấm đồng đều, không cần làm sạch chi