2.2. Cơ sở lý thuyết công nghệ nhiệt luyện
2.2.1.2. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện
Có 3 yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện gồm [28]: - Nhiệt độ nung nóng:
- Thời gian giữ nhiệt: τgn
- Tốc độ làm nguội sau khi giữ nhiệt: Vnguội Các yếu tố đánh giá kết quả:
- Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt và chiều sâu lớp hóa bền.
- Cơ tính bao gồm độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai. - Độ cong vênh, biến dạng chi tiết.
Hình 2.3: Đồ thị đặc tính q trình nhiệt luyện 2.2.1.3. Phân loại nhiệt luyện thép
Nhiệt luyện: Là phương pháp thường gặp nhất và đơn giản nhất chỉ có tác động làm biến đổi tổ chức và cơ tính vật liệu, bao gồm các phương pháp như ủ, thường hóa, tơi và ram [27].
Hóa nhiệt luyện: Là phương pháp nhiệt luyện kèm theo việc thay đổi thành phần hóa học ở bề mặt vật liệu rồi nhiệt luyện tiếp để cải thiện hơn nữa tính chất của vật liệu, bao gồm phương pháp thấm đơn nguyên tố hoặc đa nguyên tố (C,
Cơ nhiệt luyện là biến dạng dẻo thép ở trạng thái Austenit sau đó tiến hành tôi và ram thép để nhận được tổ chức hạt nhỏ, mịn và có cơ tính cao nhất, thường gặp ở các nhà máy thép cán nóng hoặc luyện kim.
2.2.1.4. Vai trò của nhiệt luyện đối với ngành sản xuất cơ khí
Tăng độ cứng, tính chống mài mịn và độ bền của thép nhằm mục đích sử dụng vật liệu với độ bền, độ cứng và độ dai lớn nhất nhằm giảm nhẹ kết cấu cũng như tăng tuổi thọ thiết bị.
Cải thiện cơ tính cơng nghệ đáp ứng q trình cơng nghệ của các phương pháp gia công với các yêu cầu về độ mềm cắt gọt cũng như độ dẻo biến dạng chi tiết.
Là khâu sau cùng, thường không thể bỏ qua vì nó quyết định tiến độ chung, chất lượng và giá thành sản phẩm sản xuất.
2.2.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành Austenit 2.2.2.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung 2.2.2.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung
Dựa vào giản đồ pha Fe - C: Ở nhiệt độ thường mọi thép đều có cấu tạo bởi hai pha cơ bản: F và Xê (trong đó P = [F + Xê]) [27].
Thép cùng tích: Có tổ chức đơn giản là P.
Thép trước và sau cùng tích: Có tổ chức P + F và P + XêII. Khi nung nóng:
- Khi To nhỏ hơn Ac1 thì chưa có chuyển biến gì. - Khi To bằng Ac1 thì P chuyển thành γ theo phản ứng:
Thép CT: [Feα + Xê]0,80%C → γ0,80%C
Thép TCT và SCT: F và XêII không thay đổi.
- Khi To lớn hơn Ac1: F và XêII tan vào γ nhưng khơng hồn tồn. - Khi To lớn hơn Ac3 và Acm: F và XêII tan hoàn toàn vào γ. - Trên đường GSE mọi thép đều có tổ chức γ [27]
Hình 2.4: Cơ sở chuyển biến pha sắt cacbon 2.2.2.2. Đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit
Nhiệt độ và thời gian chuyển biến [27]:
- Vnung càng lớn thì nhiệt độ chuyển biến càng cao.
- Tnung càng cao thì khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn.
- Tốc độ nung V2 lớn hơn V1 thì nhiệt độ bắt đầu chuyển biến ở V2 cao hơn và thời gian chuyển biến nhanh hơn.
Độ hạt Austenit [27]:
- Peclit ban đầu càng mịn thì hạt Austenit (γ) càng nhỏ. - Vnung càng lớn thì hạt γ càng nhỏ.
- Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt càng lâu thì hạt càng lớn.
- Theo đặc tính phát triển Austenit có thể chia thép làm hai loại là thép bản chất hạt lớn và hạt nhỏ.
- Thép bản chất hạt nhỏ được hình thành bằng cách khử ôxy triệt để bằng cách bổ sung nguyên tử nhôm.
- Thép hợp kim với các nguyên tố Ti, Mo, V, Zr, Nb, ... dễ tạo cacbit ngăn cản quá trình phát triển hạt để cho kết quả thép hạt nhỏ.
- Thành phần Mn và P làm hạt phát triển nhanh.
Hình 2.6: Sơ đồ phát triển hạt Austenit: I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn
- Hạt γ càng nhỏ → Mactenxit có độ dẻo, dai cao hơn.
- Cơ chế chuyển biến P → γ cũng tạo và phát triển mầm như kết tinh nhưng do bề mặt phân chia giữa F - Xê rất nhiều nên số mầm rất lớn dẫn đến hạt γ ban đầu rất nhỏ mịn (Nhỏ hơn cấp 8 - 10).
- Chuyển biến Peclit → Austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt thép nên được ứng dụng rộng rãi.
2.2.3. Mục đích của giữ nhiệt
Làm đều nhiệt độ trên tiết diện chi tiết Để chuyển biến pha xảy ra hoàn. Làm đồng đều thành phần γ.
2.2.4. Các chuyển biến của Austenit khi làm nguội chậm
2.2.4.1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt Austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích của thép cùng tích
Giản đồ T – T – T của thép cùng tích: Nhiệt độ (T) - thời gian (T) và chuyển biến (T). Vì biểu đồ có dạng chữ "C" nên cịn gọi là đường cong chữ “C”.
Khi γ bị nguội tức thời dưới 727oC nó chưa chuyển biến ngay được nên gọi là γ q nguội có tính chất khơng ổn định [27].
Giản đồ có 5 vùng:
- Trên 727oC là khu vực tồn tại của γ ổn định. - Bên trái chữ "C" đầu tiên là vùng γ quá nguội.
- Giữa hai chữ "C" là pha γ đang chuyển biến (tồn tại cả ba pha γ, F và Xê)
- Bên phải chữ "C" thứ hai là các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt γ quá nguội là hỗn hợp của F - Xê với mức độ nhỏ mịn khác nhau.
- Dưới đường Mđ (200oC - 240oC), Mactenxit + Austenit dư. - Giữ γ quá nguội ở nhiệt độ sát A1:
+ To khoảng 700oC, ΔTo nhỏ, khoảng 25oC: Peclit (tấm), độ cứng 10 - 15 HRC.
+ To khoảng 650oC, ΔTo khoảng 75oC: Xoocbit tôi, độ cứng 25 - 35 HRC.
+ To thấp hơn nữa, ở đỉnh lồi chữ “C” (500oC ÷ 600oC): Trôxtit, độ cứng 40 HRC.
Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến Peclit, còn Xoocbit và Troxtit được coi là các dạng phân tán của Peclit.
Khi giữ Austenit quá nguội ở nhiệt độ khoảng 450oC - 250oC nhận được Bainit, độ cứng 50 – 55 HRC. Đây được coi là chuyển biến trung gian vì F hơi q bão hịa cacbon (0,10%), Xê là Fe2,4÷3C, có một lượng nhỏ γ (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 A1 được Peclit, ở phần lồi được Trôxtit, ở giữa hai mức Xoocbit, phía dưới đựợc Bainit. Làm nguội đẳng nhiệt nhận được tổ chức đồng nhất trên tiết diện.
2.2.4.2. Sự phân hóa Austenit khi làm nguội liên tục
Hình 2.8: Giản đồ T – T - T của thép cùng tích với các giá trị tốc độ làm nguội
V1 < V2 < V3 <V4 < Vth < V5
Trên giản đồ trên tuỳ thuộc vào tốc độ làm nguội Vnguội ta có: - V1 ở sát A1 thì γ chuyển thành Peclit tấm.
- V2 (làm nguội trong khơng khí tĩnh) thì γ chuyển thành Xoocbit. - V3 (làm nguội trong khơng khí nén), cắt ở phần lồi thì γ chuyển thành Trơxtit.
- V4 (làm nguội trong dầu) thì có phản ứng: Trơxtit + Mactenxit = Bán Mactenxit.
- V5 (làm nguội trong nước lạnh) V5 không cắt đường cong chữ "C" nào, tức γ chuyển thành Mactenxit.
Kết luận: Khi làm nguội liên tục thì tổ chức tạo thành phụ thuộc vào vị trí của vectơ tốc độ nguội trên đường cong chữ “C”.
Tổ chức đạt được thường là khơng đồng nhất trên tồn tiết diện vật liệu, nhất là trong các trường hợp tiết diện lớn.
Không đạt được tổ chức hoàn tồn Bainit (B) (chỉ có thể T+B hoặc T+B+M) vì nửa dưới chữ “C” lõm vào.
Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon, thép hợp kim đường cong chữ "C" dịch sang phải do đó:
- Vth có thể rất nhỏ, ví dụ như thép hợp kim cao tơi trong khơng khí. - Tổ chức đồng nhất trên toàn tiết diện, ngay cả đối với tiết diện lớn.
2.2.4.3. Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích
Giản đồ dưới đây đặc trưng thép trước và sau cùng tích, có thêm nhánh phụ biểu thị sự tiết ra Ferit (TCT) hoặc XêII (SCT) và có thêm đường ngang A3 (TCT) hoặc Acm (SCT) [27].
Hình 2.9: Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích
Những điểm khác biệt so với thép cùng tích:
- Đồ thị đường cong (chữ "C" và nhánh phụ) lệch sang trái hơn.
- Khi làm nguội chậm liên tục (V2), γ quá nguội sẽ tiết ra Ferit (TCT) hoặc XêII (SCT) trước sau đó mới phân hóa thành hỗn hợp F - Xê.
- Khi làm nguội đủ nhanh tốc độ V3 (hoặc lớn hơn V3) để Vnguội không cắt nhánh phụ, γ quá nguội sẽ chuyển thành F - Xê dưới dạng X, T, B (B chỉ xuất hiện khi làm nguội đẳng nhiệt).
Thép không có thành phần đúng ở mức 0,8%C mà vẫn không tiết ra F hoặc Xê được gọi là cùng tích giả.
2.2.5. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến Mactenxit khi tôi Mactenxit khi tơi
Hình 2.10: Giản đồ T – T - T và tốc độ tôi tới hạn Vth (τm và Tm - thời gian và nhiệt
độ ứng với γ kém ổn định nhất)
Nếu Vnguội lớn hơn Vth thì γ → Mactenxit thì gọi đó là q trình tơi thép Với Vth là tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến Mactenxit.
Vth=A1 - Tm τm
, là nhiệt độ và thời gian ứng với Austenit quá nguội kém ổn định nhất.
2.2.5.1. Bản chất của Mactenxit
Hình 2.11: Ơ cơ sở của mạng tinh thể Mactenxit
Đặc điểm: Vì q bão hồ cacbon nên Mactenxit có dạng mạng chính phương tâm khối.
Độ chính phương c/a = 1,001 - 1,06 (phụ thuộc vào thành phần C) nên độ xô lệch mạng rất lớn dẫn đến Mactenxit rất cứng.
2.2.5.2. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit
Hình 2.12: Đồ thị động học mơ tả chuyển biến Mactenxit
Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục γ với tốc độ lớn hơn Vth
Chuyển biến không khuếch tán: nguyên tố cacbon gần như giữ nguyên vị trí, nguyên tố Fe từ pha γ (A1) chuyển thành M (gần như A2).
Chỉ xảy ra trong khoảng giữa Mđ và kết thúc ở MK. Mđ và MK giảm khi tăng thành phần C và nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al); Mđ và MK không phụ thuộc vào tốc độ Vnguội [27].
Chuyển biến xảy ra khơng hồn tồn vì hiệu ứng tăng thể tích gây ra lực nén nên γ khơng thể chuyển biến tồn phần, phần γ không chuyển biến được gọi là γ dư. Điểm MK thường thấp (nhỏ hơn 20oC) và một số trường hợp rất thấp (ví dụ như -100oC) nên lượng γ dư có thể lên đến 20 - 30%. Tỷ lệ γ dư phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Điểm MK: MK càng thấp và nằm dưới 20oC thì lượng γ dư càng nhiều. MK giảm khi tăng lượng nguyên tố hợp kim trong γ.
- Hàm lượng C càng tăng thì lượng γ dư càng nhiều.
2.2.6. Cơ tính của Mactenxit
Mối quan hệ giữa độ cứng và thành phần phần trăm cacbon được cho như đồ thị dưới đây:
Hình 2.13: Độ cứng Mactenxit phụ thuộc vào thành phần phần trăm cacbon
Độ cứng: Khi thành phần C tăng thì độ cứng tăng nên:
- Thép ít cacbon: Thành phần C nhỏ hơn 0,25% thì độ cứng sau tơi nhỏ hơn 40 HRC.
- Thép C trung bình: Thành phần C khoảng 0,40 - 0,50% thì độ cứng sau tôi tương đối cao lớn hơn 50 HRC.
- Thép C cao: Thành phần C lớn hơn 0,60% thì độ cứng sau tơi cao, lớn hơn 60 HRC.
Chỉ có thép hàm lượng cacbon lớn hơn 0,40%C khi tơi mới tăng được tính chịu mài mịn.
Có sự phân biệt độ cứng của Mactenxit và độ cứng của thép tôi. Độ cứng của thép tôi là độ cứng tổng hợp của Mactenxit tôi+ Austenit dư + Cacbit (XêII nếu có). Thơng thường Austenit dư làm giảm độ cứng của thép tôi:
Nếu Austenit dư lớn hơn 10% sẽ làm giảm độ cứng 3 - 5 HRC (một số trường hợp tới 10 HRC), hàm lượng vài phần trăm Austenit dư thì khơng đáng kể.
Tính giịn là nhược điểm của Mactenxit làm hạn chế khả năng sử dụng, tính giịn phụ thuộc vào:
- Kích thước Mactenxit càng nhỏ tính giịn càng thấp nên cần làm nhỏ hạt Austenit khi nung thì tính giịn sẽ giảm.
- Ứng suất bên trong càng nhỏ tính giịn càng thấp.
Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tơi và phương pháp tơi thích hợp để giảm ứng suất bên trong vật liệu như tôi phân cấp, đẳng nhiệt và ram ngay tiếp theo.
2.2.7. Tôi thép
2.2.7.1. Định nghĩa và mục đích
Định nghĩa: Tôi là phương pháp nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn Ac1 để đạt pha Austenit, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để tạo thành Mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao. Tôi là nguyên công quan trọng nhất của nhiệt luyện [27].
Đặc trưng của tôi:
- Nhiệt độ tôi lớn hơn Ac1 để có γ (có thể giống ủ hoặc thường hóa). - Tốc độ làm nguội nhanh làm cho ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức lớn dẫn đến dễ gây nứt, biến dạng và cong vênh.
- Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định (Hai đặc điểm sau khác hẳn phương pháp ủ và thường hóa).
Mục đích của tơi:
- Tăng độ cứng để chống mài mòn tốt nhất (khác với ram độ cứng thấp) thích hợp sử dụng cho các dụng cụ cắt gọt. Kết quả độ cứng nhận được phụ thuộc tỷ lệ phần trăm C:
+ Nếu thành phần C nhỏ hơn 0,35% thì độ cứng nhỏ hơn 50 HRC. + Nếu thành phần C khoảng 0,40 - 0,65% thì độ cứng 52 – 58 HRC. + Nếu thành phần C khoảng 0,70 - 1,00% thì độ cứng 60 – 64 HRC. + Nếu thành phần C khoảng 1,00 - 1,50% thì độ cứng 65 – 66 HRC. - Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy, áp dụng cho thép có tỷ lệ phần trăm C khoảng 0,15 - 0,65%.
2.2.7.2. Chọn nhiệt độ tôi thép
Đối với thép TCT (thành phần cacbon nhỏ hơn 0,80%): Ttôi = Ac3 + (30 - 50oC) nhận được M + γ dư [28].
Đối với thép CT và SCT (thành phần cacbon lớn hơn 0,80%C): Ttơi = Ac1 + (30 ÷ 50oC) ~ 760 - 780o
C nhận được M + γ dư + XêII Căn cứ chọn nhiệt độ tôi [27]:
- Thép TCT, nếu nhiệt độ tôi dưới Ac3 sẽ gây ra điểm mềm ảnh hưởng xấu tới độ bền, độ bền mỏi và tính chống mài mịn do Ferit khơng chuyển hóa hồn tồn thành Austenit.
- Thép SCT, nếu T > Acm thì hàm lượng C trong γ quá cao dễ sinh γ dư nhiều và hạt lớn (vì T lớn hơn 950oC).
- Ac1 < Ttôi < Acm sau tôi được M+ lưới XêII + ít γ dư nên tính chống mài mịn tốt.
Đối với thép hợp kim thì cũng dựa vào giản đồ pha Fe - C để tham khảo nhiệt độ tôi trong hai trường hợp:
- Thép hợp kim thấp (ví dụ 0,40%C + 1,00%Cr) thì Ttơi tương đương thép 0,40%C và có thể tăng lên 1,1 - 1,2 lần.
- Thép hợp kim trung bình và cao thì tra trong các sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật.
2.2.7.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi
Tốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ thì càng dễ tơi, tạo ra độ cứng cao (và cả sâu bên trong lõi) đồng thời với biến dạng nhỏ và không bị nứt.
Vth=A1 - Tm τm
, là nhiệt độ và thời gian ứng với austenit quá nguội kém ổn định nhất.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn:
- Thành phần hợp kim của γ là quan trọng nhất, γ càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ Co) thì đường "C" càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ. Nếu γ chứa 2 - 3% nguyên tố hợp kim thì Vth ≈ 100oC/s, nếu γ chứa 5 - 7% nguyên tố hợp kim thì Vth ≈ 25o
C/s.
- Sự đồng nhất của γ: γ càng đồng nhất càng dễ biến thành Mactenxit (γ khơng đồng nhất thì vùng giàu C dễ biến thành Xê và vùng nghèo C dễ biến thành F) → Nâng nhiệt độ tôi Ttôi → γ đồng nhất → Vth giảm.
Các phần tử rắn chưa tan hết vào γ: thúc đẩy tạo thành hỗn hợp F - Xê, làm tăng Vth.