Mục tiêu
- Trình bày được khái niệm, ý nghĩa của nhiệt luyện thép?
- Trình bày được ảnh hưởng của các nhân tố tới quá tình nhiệt luyện thép. - Rèn luyện khả năng tư duy độc lập và sáng tạo trong học tập.
1.1. Ý nghĩa của nhiệt luyện thép đối với chế tạo cơ khí
Nhiệt luyện thép chiếm vị trí chủ yếu trong nhiệt luyện nói chung và là một khâu quan trọng, khơng thể thiếu được trong chế tạo cơ khí. Sở dĩ như vậy vì thép được sử dụng là vật liệu chủ yếu và quan trọng nhất trong số các kim loại, đồng thời có thể áp dụng nhiều phương pháp nhiệt luyện khác nhau để cải biến cơ tính và tính cơng nghệ của nó.Tác dụng của nhiệt luyện là ở 2 điểm sau: - Tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép mà vẫn đảm bảo yêu cầu về độ dẻo và độ dai. Do vậy có thể làm cho chi tiết chịu tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ gọn hơn, sử dụng được bền, lâu hỏng hơn;
Trong thực tế của sản xuất cơ khí thấy rất rõ tác dụng này. Nhiều loại thép sau khi nhiệt luyện bằng cách tôi và ram, độ bền, độ cứng tăng lên 2 ÷ 3 lần (tuy độ dẻo, độ dai có giảm), rất có lợi cho việc hoá bền chi tiết máy. Các chi tiết máy chịu ma sát như : bánh răng, trục … Nếu khơng qua hố bền bằng nhiệt luyện rất chóng mịn, hỏng, ( thời gian làm việc giảm đi hàng chục đến hàng trăm lần). Đối với dao cắt, khuôn dập, tác dụng của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định. Các sản phẩm này nếu khơng qua tơi và ram thì khơng thể làm việc được. Một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định đến chất lượng của các sản phẩm cơ khí là trình độ của nhiệt luyện;
- Cải thiện tính cơng nghệ: ngồi tác dụng hố bền kể trên, nhiệt luyện cịn có khả năng cải thiện tính cơng nghệ. Khi hình thành sản phẩm khơng thể khơng chú ý đến tính thích ứng của thép đối với các phương pháp gia công khác nhau: Đúc, gia công áp lực, hàn, gia cơng cắt gọt v.v… Cải thiện các tính cơng nghệ đó làm q trình gia cơng được thuận lợi và có thể tiến hành với năng suất cao hơn, góp phần nâng cao năng suất lao động. Trong chế tạo cơ khí thường gặp hiện tượng sau khi rèn, thép bị biến cứng 1 phần, rất khó (có trường hợp khơng thể) cắt gọt, trong trường hợp này phải tiến hành nhiệt luyện bằng phương pháp thích hợp (ủ), độ cứng giảm đi, cắt gọt trở lên dễ dàng. Đối với thép cacbon thấp độ cứng của nó ở trạng thái ủ quá thấp cũng khó cắt gọt phải tiến hành thường hoá tăng thêm độ cứng để đảm bảo dễ cắt gọt. Áp dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp giữa các khâu gia cơng cơ khí là một trong những biện pháp nâng cao năng suất lao động trong ngành cơ khí (nhờ nâng cao tốc độ cắt gọt, khả năng dập sâu…).
Do tác dụng quan trọng như vậy nên hầu hết các chi tiết quan trọng trong các máy đều qua nhhiệt luyện. Ví dụ chi tiết đã qua nhiệt luyện trong ơtơ - máy kéo chiếm (70 ÷ 80) %, trong máy cơng cụ chiếm (60 ÷ 70)%. Tất cả các dụng cụ đều phải nhiệt luyện.
Trong nền sản xuất lớn xã hội chủ nghĩa, cơng nghiệp chế tạo cơ khí được sắp xếp lại theo các dây chuyền sản xuất đối với từng sản phẩm, do đó các cơng nghệ nhiệt luyện đem áp dụng cũng được đưa vào dây chuyền và cũng phải được cơ khí hố, tự động hố, điều khiển theo chương trình như các cơng nghệ gia cơng cơ khí khác. Chi tiết máy sản xuất theo các dây chuyền đó có chất lượng rất đảm bảo và đồng đều.Ví dụ một dây chuyền sản xuất bánh răng hiện đại có thể gồm có: Máy chặt– Cưa thép – Lị nung liên tục – Máy dập nóng – Máy hình thành bánh răng (phay hoặc dập nguội hoặc lăn)- Kiểm tra kích thước – Nhiệt luyện hoặc hoá nhiệt luyện (thấm cacbon – ni tơ trong lị liên tục hoặc tơi bề mặt )- Kiểm tra độ cứng và khuyết tật – nhập kho.
1.2. Sơ lược về nhiệt luyện
1.2.1. Định nghĩa
Nhiệt luyện là cơng nghệ nung nóng kim loại đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ quy định để làm thay đổi tổ chức, do đó làm biến đổi tính chất theo phương hướng đã chọn trước.
Việc xác định nhiệt độ nung nóng, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội không thể tuỳ tiện mà phụ thuộc hồn tồn mục đích đặt ra trước mắt. Rõ ràng với mục đích đặt ra khác nhau khơng thể áp dụng cùng một công nghệ nhiệt luyện giống nhau. Cần chú ý khi nhiệt luyện không không được phép nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy hay chảy bộ phận. Trong một quá trình nhiệt luyện, kim loại ln ln ở trạng thái rắn, hình dạng và kích thước của sản phẩm hầu như khơng thay đổi hay thay đổi rất ít. Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng tổ chức bên trong của kim loại và biểu thị ra ngồi ở các tính chất của nó. Do vậy cơng tác kiểm tra trong nhiệt luyện là rất quan trọng, khơng thể xác định bằng quan sát bề ngồi.
Các yếu tố quan trọng nhất đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện là nhiệt độ nung nóng, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội. (Hình 3.1)
a. Nhiệt độ nung nóng (t0 nung)
Nhiệt độ nung nóng là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng đối với từng loại thép. Nhiệt độ nung ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả nhiệt luyện. Mỗi loại thép, mỗi phương pháp nhiệt luyện có nhiệt độ nung khác nhau.
b. Thời gian giữ nhiệt
Thời gian giữ nhiệt là thời gian cần thiết duy trì kim loại ở nhiệt độ nung. Mục đích để hợp kim chuyển biến tổ chức hoàn toàn. Thời gian giữ nhiệt quá ngắn sẽ chưa chuyển biến hết tổ chức. Thời gian giữ nhiệt quá dài sẽ gây ra oxy hoá và thoát cacbon. Theo kinh nghiệm, thời gian giữ nhiệt bằng 1/ 4 thời gian nung.
c. Tốc độ nguội (v nguội)
Tốc độ nguội là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thời gian giữ nhiệt, tính ra 0C/s. Mỗi phương pháp nhiệt luyện khác nhau, mỗi loại thép khác nhau sẽ có tốc độ nguội khác nhau. Vnguội do môi trường nguội quyết định, thường dùng các mơi trường nguội: Nguội cùng lị, khơng khí, nước, dầu, dung dịch muối. Tốc độ nguội khác nhau ta sẽ nhận được các tổ chức có độ cứng cao thấp khác nhau. Khi nhiệt luyện thép (C = 0,8%), tổ chức nhận được tương ứng với tốc độ nguội như sau:
- Tốc độ nguội = 20/s: Ô P, độ cứng (180 ÷200) HB; - Tốc độ nguội = 100/s: Ô X, độ cứng( 250÷350)HB;
- Tốc độ nguội = 700/s: 1 phần Ô T, độ cứng (400÷450)HB; 1phần Ô M, độ cứng (580÷650)HB; - Tốc độ nguội = 1500 /s: Ô M
Ngồi ra người ta cịn quy định tốc độ nung đối với một số trường hợp không được lớn hơn giá trị cho phép để tránh nứt khi nung. Các kết quả của nhiệt luyện thường được kiểm tra qua các chỉ tiêu:
* Độ cứng là chỉ tiêu kiểm tra thường xuyên sau mỗi quá trình nhiệt luyện, vì qua đó có thể biết được các chỉ tiêu cơ tính khác và dễ thực hiện;
* Tổ chức tế vi: Trong các trường hợp quan trọng, cần thiết phải kiểm tra tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hố bền … bởi vì có trường hợp độ cứng không phản ánh đúng tổ chức bên trong. Trong sản xuất hàng loạt lớn người ta tiến hành kiểm tra tổ chức tế vi theo định kỳ và tỷ lệ;
* Độ cong vênh cho phép: Do các chuyển biến pha khi nung nóng và làm nguội, do giãn nở vì nhiệt, thể tích kim loại khơng hề tránh khỏi thay đổi, dẫn
đến cong vênh, thay đổi kích thước, hình dạng. Trong một số trường hợp, các thay đổi này rất nhỏ khơng gây ảnh hưởng gì đến q trình lắp ráp vì nằm trong phạm vi cho phép. Nhưng trong trường hợp yêu cầu cao về độ chính xác của kích thước và hình dáng thì các thay đổi đó phải được kiểm soát nghiêm ngặt và áp dụng những biện pháp cần thiết.