Môi trường tôi Tốc độlàm nguội độ/s trong khoảng nhiệt độ 0 C 500- 600 200- 300 Nước +10% NaOH, 200C 1200 300 Nước +10% NaCl, 200C 1100 300 Nước +10% Na2CO3, 200C 800 270 Nướcởnhiệt độ180C 600 270 Nướcởnhiệt độ300C 500 270 Nướcởnhiệt độ500C 100 270 Nướcởnhiệt độ740C 30 200 Ê mun xi 70 200 Nước xà phòng 30 200 Dầu thực vật 200 35 Dầu hỏa 170 50 Dầu khoáng 120 25
Nước được hoà tan 10% các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay NaOH tốc độ làm nguội rất nhanh ở nhiệt độ cao song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu như không tăng tốc độnguộiởnhiệt độthấp) so với nước, được dùng đểtôi thép dụng cụcacbon.
b. Dầu
Làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ (5000-6000, điểm chuyển biến mactenxit) do đó ít gây biến dạng, nứt nhưng khả năng tôi cứng kém. Dầu nóng (600- 800) có khả năng tôi tốt hơn vì cóđộ loãng linhđộng tốt không bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Tuy nhiên dễ bốc cháy nên phải có hệ thống ống xoắn có nước lưu thông làm nguội dầu, bốc mùi gây ô nhiễm môi trường và hại cho sức khoẻ.
Dầu là môi trường tôi cho thép hợp kim cho các chi tiết hình dạng phức tạp.
c. Quy tắc chọn môi trường tôi ngoại lệ
Thép C có tiết diện nhỏ (<10mm) hình dạng đơn giản, dài (như trục trơn) nên tôi dầu. Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thểchọnthép cacbon nhưng phải làm bằng thép hợp kim đểtôi dầu.
Chi tiết bằng thép hợp kim, có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản phải tôi nước. Các vật mỏng, hình dạng phức tạp dễ bị cong vênh khi làm nguội tựdo cần tôi trong khuôn ép, trong khung giữchống cong vênh hoặc bó chặt nhiều thanh dài lại...[7]
1.3.5. Cơ –nhiệt luyện
Như đã biết biến dạng dẻo làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể như lệch, nút trống, khuyết tật xếp..vv…cũng như làm thay đổi đặc tính phân bốcủa chúng. Các khuyết tật mạng tinh thểcó ảnh hưởng mạnh đến việc hình thành tổ chức hợp kim khi chuyển biến pha, vì thế có thể dùng biến dạng dẻo trước hoặc trong khi chuyển biến pha đểtạo thành tổchức tối ưu cho hợp kim sua khi nhiệt luyện.
Cơ nhiệt luyện là dạng gia công kết hợp giữa nhiệt luyện với biến dạng dẻo, nhưng không thể phối hợp một cách tùy tiện giữa các nguyên công biến dạng, nung nóng và làm nguội. Nếu biến dạng dẻo tiến hành sau khi nhiệt luyện thìđó không phải là cơ nhiệt luyện mà là nhiệt luyện thông thường kết hợp với gia công áp lực. Nếu biến dạng dẻo tiến hành trước khi nhiệt luyện cũng không có ảnh hưởng đến việc hình thành tổchức cuối cùng, do vậy việc kết hợp này cũng không phải là cơ nhiệt luyện.
1.3.5.1. Bản chất
Sửdụng đồng thời cảbiến dạng dẻo (cán nóng) đemtôi ngay rồi ram thấpởnhiệt độ1500-2000. Khi đó tạo ra tổchức mactenxit nhỏmịn với xô lệch cao, nhờ đó kết hợp cao nhất giữa độbền, độdẻo và độ dai mà chưa có phương pháp hóa bền nào sánh kịp. So với nhiệt luyện tôi +ram thấp thông thường thì bên kéo tăng 10-20%, độdẻo, độdai tăng từ 1,5 đến 2 lần.
1.3.5.2. Phân loại
nhiệt luyệnởnhiệt độthấp
a.Cơ nhiệt luyện nhiệt độcao
Với phương pháp này thì biến dạng dẻo ở trên A3 rồi tôi ngay. Sau khi cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao nhận được dung dịch rắn quá bão hòa có tổ chức chưa kết tinh lại, nghĩa là tổ chức chưa nhiều sai lệch mạng tinh thể. Với phương pháp này có một số đặc điểm là có thể áp dụng cho mọi thép kể cả thép cacbon vì khi ở nhiệt độ cao austenit dẻo,ổn định, lực ép đểbiến dạng nhỏ.
Biến dạng dẻo khi cơ nhiệt luyện nhiệt độcao phải đảm bảo các yêu cầu. +Ởcuối giai đoạn biến dạng dẻo, austenit chưa kết tinh lại.
+ Ngăn ngừa kết tinh lại xảy ra sau khi biến dạng dẻo
+ Đạt được mức độquá bão hòa các nguyên tốhợp kim cần thiết.
Nếu hai điều kiện đầu không thỏa mãn (nghĩa là trước khi chuyển biến austenit đã kết tinh lại) thì không gọi là cơ nhiệt luyện mà là tôi ở nhiệt độnung nóng khi biến dạng, trường hợp này chỉ có lợi vềkinh tế nhưng không cải thiện được cơ tính so với nhiệt luyện thông thường.
b.Cơ nhiệt luyện nhiệt độthấp
Khi thép ở nhiệt độ trên A3 làm nguội nhanh thép xuống 400-6000C là vùng austenit quá nguội có tínhổn định thấp và thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại rồi biến dạng dẻo và tôi ngay.
Trong quá trình biến dạng, mật độlệch trong austenit tăng mạnh tạo thành những đám lệch dầy đặc. Khi chuyển biến austenit thành mactenxit, những sai lệch nêu trên không mất đi mà vẫn giữ được lại trong mactenxit. Do vậy mà mật độ lệch trong mactenxit rất cao, mà chúng lại bị các nguyên tử cacbon và những phần tử cacbit giữ lại, nhờ vậy khi cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp đạt được những giá trị rất cao về độ bền. Việc làm nhỏcác tinh thể mactenxit khi cơ nhiệt luyện đảm bảo cho thép giữ được độ bền cao khi độ dẻo dai cũng cao.
Việc tăng độbền khi cơ nhiệt luyện phụthuộc vào nhiều yếu tố. + Mức độbiến dạng
+ Nhiệt độbiến dạng + Nhiệt độram
+ Hàm lượng cacbon và nguyên tốhợp kim trong thép
Ưu nhược điểm của cơ nhiệt luyện nhiệt độthấp Ưu điểm
Cơ nhiệt luyện nhiệt độthấp có ưu điểm là gây ra hóa bền rất mạnh trong khi vẫn giữ được độdẻo dai tương đối cao.
Nhược điểm
công suất lớn.
+ Thép có khả năng chống phá hủy giòn thấp
Do hai nhược điểm trên mà việc áp dụng cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp vào sản xuất gặp rất nhiều khó khăn.
1.4. Ram thép
Ram là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành mactenxit.
1.4.1. Định nghĩa và mụcđích
1.4.1.1.Định nghĩa
Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi thành tổchức mactenxit lên đến các nhiệt độ thấp hơn A1 để mactenxit và Austenit dư phân hoá thành các tổ chức có cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc quy định.
1.4.1.2. Mục đích
Theo nhiệt độ tăng lên, ram thép có tác dụng và mục đích như sau. + Làm giảm hoặc huỷbỏ ứng suất bên trong.
+ Biến đổi tổ chức khi tôi cứng, giòn, thành các tổ chức có độ cứng thích hợp nhưng dẻo, dai hơn phù hợp với điều kiện làm việc.
Vậy, ram là nguyên công nhiệt luyện sau cùng để điều chỉnh tổ chức và cơ tính thép tôi theo ý muốn.
1.4.2. Các phương pháp ram
Theo nhiệt độ ram người ta chia ra 3 loại ram là ram thấp, ram trung bình và ram cao.
1.4.2.1. Ram thấp (150–2500C).
Ram thấp làphương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng (150–2500C), sau khi ram xong tổchức đạt được là mactenxit ram.
Hình 1.21. Tổchức tếvi của maxtenxit và austenit dư
So với thép tôi sau khi ram thấp nói chung độ cứng không giảm đi hoặc chỉ giảm rất ít (1– 2HRC) cá biệt có trường hợp lại tăng lên (do autenit dư chuyển thành), còn ứng suất bên trong giảm đi, do đó có tính dẻo, dai tốt hơn, khó bịphá huỷ, dòn hơn.
Ram thấp áp dụng cho dụng cụvà chi tiết máy cần độ cứng, tính chống mài mòn cao như đối với tất cảcác dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm C, vòng bi, trục, chốt ... chúng có yêu cầu độcứng cao tới 56–64HRC.
1.4.2.2. Ram trung bình (300–4500C).
Sau ram trung bình tổchức đạt được là Trôxtit ram.
So với thép tôi, sau khi ram trung bình độ cứng giảm đi rõ rệt, nhưng vẫn còn khá cứng (40-45HRC), nhưng ứng suất bên trong giảm mạnh, giới hạn đàn hồi đạt được giá trịcao nhất, độdẻo, độ dai tăng lên.
Ram trung bình áp dụng cho các chi tiết máy, dụng cụcần độcứng tương đối cao và đàn hồi như lò xo, nhíp, khuôn dập nóng, khuôn rèn…
Hình 1.22. Tổchức tếvi của trôxit ram1.4.2.3. Ram cao (500–6500C). 1.4.2.3. Ram cao (500–6500C).
Sau khi ram tổchức đạt được là xoócbit ram. So với thép tôi, sau khi ram cao độ cứng giảm đi rất mạnh, thép trởnêntương đối mềm (15–25HRC), khửbỏhoàn toànứng suất bên trong, độbền tuy có giảm đi một phần nhưng độdẻo, độ dai tăng lên rất mạnh.
Hình 1.23. Tổchức tếvi của xoocbit ram
1.5. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện
1.5.1. Biến dạng và nứt
1.5.1.1. Nguyên nhân và tác hại
Nếuứng suất bên trong vượt quá giới hạn bền, thép bịnứt, đó là dạng hỏng không thể chữa được. Nếuứng suất bên trong chỉ vượt quá giới hạn chảy thép bị biến dạng cong vênh. Nói chung khó tránh khỏi được điều này.
1.5.1.2.Ngăn ngừa
Nung nóng và đặc biệt là làm nguội với tốc độhợp lý để đạt độcứng yêu cầu. Các trục dài nên nung treo đểtránh cong. Khi làm nguội phải theo đúng các quy tắc nhúng thẳng đứng, phần dầy xuống trước. Nên tận dụng phương pháp tôi phân cấp, hạnhiệt độ trước khi tôi. Với các vật mỏng phải tôi trong khuôn ép.
1.5.1.3. Khắc phục.
Khi biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết như trục dài, tấm có thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội còn khi bịnứt thì không sửdụng.[7]
1.5.2. Ôxy hoá và thoát Cacbon
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