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 tôi 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): Ttôi = 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.
Kích thước hạt γ càng lớn thì biên giới hạt càng ít, càng khó tạo thành hỗn hợp F - Xê → Vth giảm.
Độ thấm tôi là chiều sâu lớp tơi cứng có tổ chức ½ Mactenxit + ½ Trơxtit. Các yếu tố ảnh hưởng:
- Vth càng nhỏ độ thì thấm tơi càng cao, Vth < Vlõi ta được tôi thấu, các yếu tố làm giảm Vth thì phát triển pha γ làm tăng độ thấm tôi.
- Tốc độ làm nguội càng nhanh thì phát triển pha γ nhưng dễ gây nứt, biến dạng.
Độ thấm tôi biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng công đoạn tôi và ram, đúng hơn là biểu thị tỷ lệ tiết diện của chi tiết được hóa bền nhờ tơi và ram.
Thép có độ thấm tơi càng cao thì được coi là thép chất lượng càng tốt. Mỗi mác thép có thành phần γ xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kích thước nhất định để có thể tơi thấu cần thiết.
Đánh giá độ thấm tơi: Hình 2.14 trình bày dãy thấm tôi của các thép với cùng hàm lượng cacbon là 0,40%, ở đây độ thấm tơi được tính tới vùng ½ Mactenxit + ½ Trơxtit.
- Thép cacbon, γ trung bình chỉ khoảng 7 mm, nếu thêm 1,00%Cr thì được 12mm, cịn thêm 0,18%Mo nữa sẽ tăng lên đến 30mm.
- Để tăng mức độ đồng đều cơ tính trên tiết diện, trước khi đem chế tạo các bánh răng quan trọng người ta phải kiểm tra lại γ của mác thép mới sẽ được dùng.
Ngược lại cịn có u cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm độ cứng bề mặt trong khi lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai chi tiết.
Tính tơi hay tính tơi cứng là khả năng đạt được độ cứng cao nhất khi tôi, phần trăm cacbon càng cao tính tơi cứng càng lớn.
Tính thấm tôi là khả năng đạt chiều dày lớp tôi cứng lớn nhất, phần trăm nguyên tố hợp kim càng lớn thì tính thấm tơi càng cao.
Hình 2.14: Dãy thấm tôi của một số loại thép a) 0,40%C; b) 0,40%C + 1,00%Cr; c)
2.2.7.4. Các phương pháp tơi thể tích
Phân loại phương pháp tơi theo nhiệt độ tôi gồm có tơi hồn tồn và khơng hồn tồn. Theo phạm vi có tơi thể tích và tơi bề mặt, theo phương thức và môi trường làm nguội có tơi trong một mơi trường và tơi trong hai mơi trường.
Hình 2.15: Phương pháp tơi: a) Tôi trong
1 môi trường, b) Tôi trong hai môi trường, c) Tôi phân cấp và d) Tôi đẳng
nhiệt
Hình 2.16: Đường nguội lý tưởng
khi tơi
u cầu đối với môi tường tôi:
- Làm nguội nhanh thép để đạt được tổ chức Mactenxit. - Không làm thép bị nứt hay biến dạng.
- Rẻ, có sẵn, an tồn và bảo vệ mơi trường.
Để đạt được hai u cầu đầu tiên thì mơi trường tơi lý tưởng hình 2.16. Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng γ kém ổn định nhất 500 - 600oC để γ khơng kịp phân hóa thành hỗn hợp F - Xê hay Vnguội > Vth.
Làm nguội chậm thép ở ngồi khoảng nhiệt độ trên vì ở đó γ q nguội có tính ổn định cao, khơng sợ bị chuyển biến thành hỗn hợp F - Xê có độ cứng thấp. Đặc biệt trong khoảng chuyển biến Mactenxit (300 - 200oC) thì việc nguội chậm sẽ làm giảm ứng suất pha do đó ít bị nứt và ít cong vênh.
Bảng 2.1: Đặc tính làm nguội của các mơi trường tơi
Môi trường tôi
Tốc độ nguội, [o/s], ở các khoảng nhiệt độ 600 - 500oC 300 - 200oC
Nước lạnh, 10 - 30oC 600 - 500 270
Nước nóng, 50oC 100 270
Nước hòa tan 10% NaCl 1100 - 1200 300
Dầu khoáng vật 100 - 150 20 - 25
Tấm thép, khơng khí nén 35 - 30 15 - 10
Nước: là môi trường tơi mạnh, an tồn, rẻ, dễ kiếm nên rất thông dụng nhưng cũng dễ gây ra nứt, biến dạng, không gây cháy hay bốc mùi khó chịu, khi nhiệt độ nước bể tôi lớn hơn 40oC tốc độ nguội giảm, (khi To nước = 50oC, tốc độ nguội thép chậm hơn cả trong dầu mà không làm giảm khả năng bị biến dạng và nứt (do không làm giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) nên phải lưu ý tránh bằng cách cấp nước lạnh mới vào và thải lớp nước nóng ở bề mặt đi.
Nước (lạnh) là môi trường tôi cho thép cacbon (là loại có Vth lớn, 400 - 800oC/s), song khơng thích hợp cho chi tiết có hình dạng phức tạp.
Nước được hoà tan 10% các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay (NaOH) sẽ nguội rất nhanh ở nhiệt độ cao song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu như khơng tăng tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) so với nước, được dùng để tôi thép dụng cụ cacbon (cần độ cứng cao).
Dầu làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó ít gây biến dạng, nứt nhưng khả năng tơi cứng lại kém. Dầu nóng, 60 - 80oC, có khả năng tơi tốt hơn vì có độ lỗng (linh động) tốt khơng bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Nhược điểm dễ bốc cháy nên phải có hệ thống ống xoắn có nước lưu thông làm nguội dầu, nhược điểm bốc mùi gây ô nhiễm và hại cho sức khỏe.
Dầu là môi trường tôi cho thép hợp kim (loại có Vth nhỏ, nhỏ hơn 150oC/s), các chi tiết có hình dạng phức tạp, là mơi trường tơi thứ 2 (thép CD)
- Thép C tiết diện nhỏ (Ø < 10 mm), hình dạng đơn giản, dài (như trục trơn) nên tôi dầu. Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thể chọn thép C nhưng phải làm bằng thép hợp kim để tôi dầu.
- Chi tiết bằng thép hợp kim, có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản phải tơi nước. Các vật mỏng, hình dạng phức tạp dễ bị cong vênh khi làm nguội tự do cần tôi trong khuôn ép, trong khung giữ chống cong vênh hoặc bó chặt nhiều thanh dài lại, …
Tôi trong một môi trường rất phổ biến do dễ áp dụng cơ khí hóa, tự động hóa, giảm nhẹ điều kiện lao động nặng nhọc.
Tơi trong hai mơi trường như đường b trên hình 2.16: Tận dụng được ưu điểm của cả nước lẫn dầu: nước, nước pha muối, xút qua dầu (hay khơng khí) cho đến khi nguội hẳn. Như vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho thép vừa ít gây biến dạng, nứt. Nhược điểm: khó, địi hỏi kinh nghiệm, khó cơ khí hóa, chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc thép cacbon cao.
Tơi phân cấp như đường c trên hình 2.16. Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm Mđ khoảng 50 - 100oC, thời gian giữ nhiệt từ 3 - 5 phút để đồng đều nhiệt độ trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong khơng khí để chuyển biến Mactenxit. Ưu điểm: khắc phục được khó khăn về xác định thời điểm chuyển môi trường của phương pháp b. Đạt độ cứng cao song có ứng suất bên trong rất nhỏ, độ biến dạng thấp nhất, thậm chí có thể sửa, nắn sau khi giữ đẳng nhiệt khi thép ở trạng thái γ quá nguội vẫn còn dẻo. Nhược điểm: năng suất thấp, chỉ áp dụng được cho các thép có tốc độ làm nguội Vth nhỏ (thép hợp kim cao như thép gió) và với tiết diện nhỏ như mũi khoan, dao phay, ....
Cả ba phương pháp tôi kể trên đều đạt được tổ chức Mactenxit.
Tơi đẳng nhiệt: đồ thị đường d trên hình 2.16. Khác tôi phân cấp ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng giờ) cũng trong môi trường lỏng (muối nóng chảy) để Austenit quá nguội phân hóa hồn tồn thành hỗn hợp F - Xê nhỏ mịn có độ cứng tương đối cao, độ dai tốt. Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt sẽ được các tổ chức khác nhau: 250 - 400oC được Bainit, 500 - 600oC được Trôxtit. Sau khi tôi đẳng nhiệt
không phải ram. Tơi đẳng nhiệt có mọi ưu và nhược điểm của tơi phân cấp, nhưng độ cứng thấp hơn và độ dai cao hơn, năng suất thấp ít được áp dụng cách tơi này.
Một phương pháp tôi đẳng nhiệt đặc biệt là tơi chì (patenting) - tơi đẳng nhiệt trong bể Pb nóng chảy ở 500 - 520oC để được Xe mịn, qua khuôn kéo sợi nhiều lần (ε tổng là 90%), đạt δE và δmax.
Gia công lạnh áp dụng cho thép dụng cụ hợp kim có thành phần C cao và được hợp kim hóa, các điểm Mđ và MK quá thấp nên khi tôi lượng γ dư quá lớn, làm giảm độ cứng. Đem gia công lạnh (-50 oC hay -70oC) để γ dư chuyển thành M, độ cứng có thể tăng thêm 1 - 10 đơn vị HRC.
Tôi tự ram là cách tôi với làm nguội không triệt để, nhằm lợi dụng nhiệt của lõi hay các phần khác truyền đến, nung nóng tức ram ngay phần vừa được tơi: tôi cảm ứng các chi tiết lớn như băng máy, trục dài, ...
Chương 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHIỆT LUYỆN THÉP C45 VÀ SS400 BẰNG MÁY TƠI CNC CAO TẦN
3.1. Thơng số nhiệt luyện thép C45
3.1.1. Đặc tính thép C45
Thành phần hóa học thép C45 theo DIN EN 10083-2:2006 [29]:
Bảng 3.1: Thành phần hóa học thép C45 Thành phần hóa Thành phần hóa học (Theo tỷ lệ %) C Si Mn P S Cr Mo Ni Cr + Mo + Ni 0,42 - 0,50 <0,40 0,50 - 0,80 <0,045 <0,045 <0,40 <0,10 0,40 <0,63 Ứng dụng: Thép C45 được sử dụng rộng rãi cho các chi tiết cơ khí và ngành kỹ thuật ô tô.
Thông số kỹ thuật tôi và ram thép C45 theo tiêu chuẩn DIN EN 10083- 2:2006 [30].
Chế độ gia công và xử lý nhiệt: - Q trình cán nóng: 110 - 850°C.
- Thường hóa: 840 - 880°C, làm nguội trong mơi trường khơng khí. - Ủ mềm: 680 - 710°C, làm nguội trong mơi trường trong lị nung. - Tôi cứng: 820 - 860°C, làm nguội trong môi trường nước, dầu. - Ram: 550 - 660°C, làm nguội trong mơi trường khơng khí. Cơ tính thép C45 [30]:
- Độ cứng sau ủ mềm (+A): Max. 207 HB
- Cơ tính thép C45 sau q trình tơi và ram (+QT) như bảng sau [30]:
Bảng 3.2: Cơ tính thép C45 sau q trình tơi và ram
Đường kính d [mm] < 16 16 - 40 40 - 100 100 - 160 160 - 250
Chiều dày t [mm] < 8 8<t<20 20<t<60 60<t<100 100<t<160
Giới hạn chảy Rp [N/mm²] min. 490 min. 430 min. 370 - -
Giới hạn bền Rm [N/mm²] 700 - 850 650 - 800 630 - 780 - -
Độ giãn dài A5 [%] min. 14 min. 16 min. 17 - -
Sụt giảm tiết diện Z [%] min. 35 min. 40 min. 45 - - Cơ tính thép C45 sau q trình thường hóa (+N) [30]
Bảng 3.3: Cơ tính thép C45 sau q trình thường hóa
Đường kính d [mm] < 16 16 - 100 100 - 250
Chiều dày t [mm] < 16 16<t<100 100<t<250
Giới hạn chảy Rp [N/mm²] min. 340 min. 305 min. 275
Giới hạn bền Rm [N/mm²] min. 620 min. 580 min. 560
Độ giãn dài A5 [%] min. 14 min. 16 min. 16
3.1.2. Quy trình nhiệt luyện thép C45
Hình 3.1: Các q trình tơi và ram thép C45
Đồ thị tốc độ các q trình gia nhiệt khi tơi thép C45 [31]