- Việc chọn nhiệt độ tôi nhƣ vậy vì lý do sau: Với thép sau cùng tích khơng thể tiến hành tơi hồn tồn vì thép này có hàm lƣợng cacbon cao (>0,8%). Khi nung quá Acm tất cả XeII hòa tan hết vào γ làm cho pha này có lƣợng cacbon cao (bằng lƣợng cacbon của thép) nên khi làm nguội nhanh đƣợc M với hàm lƣợng cacbon cao, thể tích riêng lớn và do đó cịn lại nhiều γ dƣ. Mặc dù, trong cách tơi này M có độ cứng cao nhất nhƣng độ cứng chung của thép tôi (M + γdƣ) lại thấp do vậy thép không đạt yêu cầu về độ cứng. Mặt khác, nung thép qua Acm tức là ở nhiệt độ cao sẽ làm hạt γ lớn gây dịn cho thép tơi, oxy hóa và thốt cacbon ở bề mặt. Do vậy,
O 0,8 2,14 %C
To (oC)
Ac1
Acm Ac3
đối với thép sau cùng tích cần tơi khơng hồn tồn để tổ chức nhận đƣợc sau khi tôi gồm M + XeII + γdƣ, có độ cứng chung cao nhất khoảng 62 – 65 HRC. Trong tổ chức này, XeII cịn có độ cứng cao hơn M chút ít hơn nữa, XeII do chƣa hòa tan hết vào γ nên tồn tại ở dạng hạt nhỏ phân bố đều làm tăng tính chống mài mịn.
d) Các phƣơng pháp tôi.
Yêu cầu đối với môi trƣờng làm nguội
- Môi trƣờng tôi phải tạo đƣợc chuyển biến M. Muốn vậy, mơi trƣờng tơi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tôi tới hạn.
- Giảm đƣợc tốc độ chuyển biến để tránh biến dạng và ứng suất dƣ. Làm nguội chậm thép ở trong khoảng nhiệt độ trên 6000C và dƣới 5000C đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ chuyển biến M (dƣới 3000C), tốc độ nguội càng chậm càng tốt vì chuyển biến này gây ra ứng suất tổ chức lớn. Đạt đƣợc yêu cầu này sẽ đảm bảo thép tơi khơng bị nứt và ít cong vênh.
Ngoài 2 yêu cầu quan trọng bên trên, cần chú ý các yêu cầu khác đối với môi trƣờng tơi nhƣ: dễ kiếm, sử dụng an tồn, khơng có tƣơng tác hóa học, điện hóa, có độ bám vào bề mặt cao để môi trƣờng tiếp xúc đều với chi tiết.
Tôi một môi trƣờng:
- Định nghĩa: Là q trình tơi mà chi tiết chỉ đƣợc làm nguội trong một môi trƣờng tôi duy nhất
- Đặc điểm:
+ Đơn giản, dễ thao tác
+ Không hạn chế đƣợc tốc độ nguội khi có chuyển biến M do đó chi tiết dễ bị biến dạng và nứt
- Phạm vi áp dụng: Do các đặc điểm trên mà tôi một môi trƣờng chỉ áp dụng cho các chi tiết không quan trọng, kết cấu đơn giản.
Tôi 2 môi trƣờng:
- Định nghĩa: Là q trình tơi mà chi tiết đƣợc làm nguội trong 2 mơi trƣờng tơi có tốc độ nguội khác nhau. Trong đó mơi trƣờng 2 có tốc độ nguội chậm hơn môi trƣờng 1.
- Đặc điểm:
+ Lợi dụng đƣợc ƣu điểm của 2 môi trƣờng tôi. Lúc đầu khi còn ở nhiệt độ cao, thép đƣợc làm nguội ở mơi trƣờng có tốc độ nguội mạnh, sau đó khi gần đến nhiệt
độ chuyển biến M thép đƣợc chuyển sang làm nguội trong mơi trƣờng có tốc độ nguội chậm hơn. Chuyển biến M xảy ra trong môi trƣờng nguội chậm nên giảm bớt ứng suất bên trong, hạn chế cong vênh, nứt. Đây là cách tơi thích hợp cho thép cacbon (đặc biệt cho thép cacbon cao) vừa bảo đảm đạt độ cứng, vừa ít xảy ra biến dạng, nứt.
+ Khó xác định đƣợc thời điểm chuyển chi tiết từ môi trƣờng một sang môi trƣờng hai. Thời điểm chuyển môi trƣờng tốt nhất là khi thép có nhiệt độ cao hơn Ms khoảng 1000C. Nếu chuyển quá sớm, thép bị nguội trong mơi trƣờng hai có vùng nhỏ sẽ dễ khơng đạt đƣợc độ cứng yêu cầu, nếu chuyển quá muộn, chuyển biến M sẽ xảy ra ở ngay trong môi trƣờng một, ứng suất bên trong lớn, gây biến dạng và nứt.
- Phạm vi áp dụng : Do các đặc điểm của tôi 2 môi trƣờng mà để thực hiện nó phải địi hỏi cơng nhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển mơi trƣờng), khó cơ khí hóa, thƣờng áp dụng cho sản xuất từng loại nhỏ hoặc đơn chiếc.
Tôi phân cấp:
- Định nghĩa: Là q trình tơi sử dụng mơi trƣờng làm nguội là một loại muối nóng chảy có nhiệt độ lớn hơn điểm Mđ. Thép đƣợc làm nguội và giữ đẳng nhiệt trong một thời gian nhất định để đạt đƣợc nhiệt độ của mơi trƣờng muối nóng chảy, sau đó chuyển sang môi trƣờng làm nguội chậm để tạo chuyển biến M.
- Đặc điểm:
+ Ứng suất bên trong thấp do quá trình nguội đƣợc chia làm 2 cấp nên chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt thấp, chuyển biến M xảy ra với tốc độ nguội rất chậm. + Có thể tiến hành nắn, sửa cong vênh trong các đồ gá đặc biệt khi làm nguội thép ở trong khơng khí từ nhiệt độ "phân cấp".
+ Khơng áp dụng đƣợc cho các chi tiết có tiết diện lớn vì mơi trƣờng làm nguội có nhiệt độ cao ( 300 – 500 )0C khả năng làm nguội chậm nên với chi tiết có tiết diện lớn khó đạt đến Vth.
+ Mơi trƣờng muối nóng chảy dễ bị nổ, gây mất an toàn và rất độc hại
- Phạm vi áp dụng: Các dụng cụ bằng thép hợp kim với tính ổn định của γ quá nguội lớn có tiết diện bé.
Tơi đẳng nhiệt.
- Định nghĩa: là q trình tơi cũng dùng mơi trƣờng muối nóng chảy, giữ chi tiết trong muối một thời gian để γ phân hóa hồn tồn thành F + Xe có độ cứng tƣơng
đối cao và độ dai tốt (thƣờng giữ đẳng nhiệt ở 250 - 4000C để đƣợc Bainit). Sau đó làm nguội ngồi khơng khí tiếp theo.
- Đặc điểm:
+ Tổ chức sau tơi là B, có độ cứng nhỏ hơn M sau khi tôi đẳng nhiệt, không cần Ram
- Phạm vi áp dụng: Chỉ áp dụng cho các thép hợp kim có tính ổn định của γ q nguội lớn và với tiết diện nhỏ. Do tạo nên tổ chức tấm không tốt nên phạm vi áp dụng của tơi đẳng nhiệt bị hạn chế. Có thể áp dụng cho một số chi tiết và dụng cụ có dạng tấm mỏng.
Tôi bộ phận:
- Định nghĩa:
Là phƣơng pháp tơi đặc biệt, trong đó chỉ có một phần chi tiết đƣợc tơi cứng tức là có chuyển biến M.
- Các cách thực hiện: Có 2 cách tơi bộ phận.
+ Nung nóng bộ phận: Chỉ nung nóng phần cần tơi cứng đến nhiệt độ tơi, sau đó làm nguội bình thƣờng trong mơi trƣờng tơi thích hợp, phần đƣợc nung nóng sẽ đƣợc tơi cứng, các phần cịn lại vẫn đảm bảo độ dẻo.
+ Nung nóng tồn bộ, làm nguội bộ phận: Nung nóng tồn bộ chi tiết lên đến nhiệt độ tôi, nhƣng chỉ làm nguội bằng mơi trƣờng tơi thích hợp những phần cần tơi cứng. - Phạm vi áp dụng : Thƣờng áp dụng để tôi các chi tiết nhƣ lƣỡi cƣa, đục hay đầu mút xupáp của động cơ.
3.3.4.4. Ram thép.
a) Định nghĩa:
Ram là phƣơng pháp nhiệt luyện nung thép đã tôi lên đến các nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn AC1, giữ nhiệt một thời gian cần thiết để M và γdƣ phân hóa thành các tổ chức thích hợp và làm nguội theo yêu cầu.
b) Mục đích:
- Sau khi tơi thép đạt đƣợc độ cứng cao, độ dẻo và độ dai thấp và tồn tại nhiều ứng suất bên trong. Với trạng thái nhƣ vậy, tuy có tính chống mài mịn tốt nhất thép dễ bị phá hủy dịn. Vì vậy, sau khi tôi đạt tổ chức M, phải tiến hành nung lại để giảm bớt độ cứng, tăng độ dẻo, độ dai.
- Giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong, làm cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết hay dụng cụ.
- Ngồi ra trong một số trƣờng hợp ram cao cịn nhằm mục đích cải thiện tính gia cơng cắt gọt.
Chú ý: Nhiệt độ ram không đƣợc >Ac1 vì lúc đó sẽ xuất hiện γ và phụ thuộc vào tốc độ nguội tiếp theo. Yếu tố quyết định tổ chức và do đó quyết định cơ tính của thép ram là nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt khi ram. Do vậy, với mục đích là làm giảm hoặc mất ứng suất dƣ, biến tổ chức M + γ dƣ sau khi tơi thành các tổ chức khác có độ dẻo và độ dai cao hơn nhƣng độ cứng và độ bền phù hợp thì ram có thể coi là nguyên công nhiệt luyện cuối cùng, chỉ áp dụng cho thép đã tôi.
c) Các phƣơng pháp ram.
Đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp, theo nhiệt độ ram và tổ chức tạo thành ngƣời ta chia thành 3 loại ram: ram thấp, ram trung bình và ram cao.
Ram thấp
- Định nghĩa :là phƣơng pháp nung thép đã tôi trong khoảng 180 - 3200C để tổ chức đạt đƣợc là M ram.
- Mục đích: làm giảm ứng suất dƣ trong M, tiết ra một phần cacbon khỏi M làm độ cứng giảm đi rất ít (1 - 3HRC).
- Phạm vi áp dụng: Các sản phẩm chịu ram thấp sau khi tôi là các chi tiết và dụng cụ cần độ cứng và tính chống mài mịn cao: dao cắt kim loại, khn rập nguội, dụng cụ đo, vịng bi.
Ram trung bình
- Định nghĩa: Là phƣơng pháp nung thép đã tôi trong khoảng 300 – 450 0C để tổ chức thu đƣợc là Tram.
- Mục đích: Làm giảm gần nhƣ toàn bộ ứng suất dƣ, tiết cacbon ra khỏi M tuy nhiên độ cứng của thép vẫn còn khá cao 40 – 45 HRC, giới hạn đàn hồi đạt đƣợc giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên.
- Phạm vi áp dụng: Các sản phẩm cần ram trung bình sau khi tơi thƣờng là các chi tiết u cầu có tính đàn hồi cao nhƣ lị xo, nhíp, dụng cụ cần độ dai cao nhƣ khn rập nóng, khn rèn.
Ram cao
- Định nghĩa: Là phƣơng pháp nung thép đã tôi trong khoảng 500 – 650 0C để tổ chức thu đƣợc là X ram.
- Mục đích: Độ cứng của thép tơi giảm mạnh cịn 15- 25 HRC, ứng suất bên trong bị triệt tiêu, độ bền giảm đi, còn độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh.
- Phạm vi áp dụng: Tơi và ram cao cịn đƣợc gọi là nhiệt luyện hóa tốt nên thƣờng đƣợc áp dụng để chế tạo các chi tiết có u cầu về cơ tính tổng hợp cao, chính vì thế nhiệt luyện hóa tốt thƣờng đƣợc áp dụng cho các chi tiết chịu va đập nhƣ trục khuỷu, trục truyền lực, thanh truyền, xupáp nạp, bánh răng...Thép dùng để nhiệt luyện hóa tốt thƣờng có hàm lƣợng cacbon trong khoảng ( 0,3 - 0,5 )%.
3.4. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện.
Nhiệt luyện cải thiện rất nhiều cơ tính của thép, song nếu thực khơng đúng sẽ gây ra các hƣ hỏng. Các hƣ hỏng xảy ra khi nhiệt luyện, đặc biệt khi nhiệt luyện kết thúc (tôi + ram) sẽ gây ra lãng phí lớn. Cần hiểu rõ các nguyên nhân gây ra các hƣ hỏng đó, cũng nhƣ các biện pháp ngăn ngừa và khắc phục chúng.
3.4.1. Biến dạng, nứt
- Hiện tƣợng : Sự khơng đảm bảo về hình dáng ban đầu hoặc xuất hiện các vết nứt tế vi trên sản phẩm sau khi nhiệt luyện (đặc biệt nguy hiểm khi tôi).
- Nguyên nhân: Do ứng suất dƣ phát sinh bên trong gây ra biến dạng và nứt. Khuyết tật này có thể xảy ra cả khi nung nóng lẫn khi làm nguội. Nung nóng nhanh và đặc biệt là đối với các thép dẫn nhiệt kém (thép hợp kim cao) sẽ gây ra ứng suất nhiệt lớn, hiện tƣợng này thƣờng xảy ra khi làm nguội. Làm nguội nhanh trong q trình tơi, ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức đều lớn.
Nếu ứng suất bên trong vƣợt quá giới hạn bền, thép sẽ nứt đó là dạng khuyết tật không thể chừa đƣợc. Nếu ứng suất bên trong vƣợt quá giới hạn chảy, chi tiết sẽ bị biến dạng (cong vênh).
- Tác hại: Cả hai loại biến dạng và nứt đều gây phế phẩm.
- Cách khắc phục: Ngăn ngừa xảy ra biến dạng và nứt bằng cách giảm ứng suất bên trong.
Ngăn ngừa biến dạng, nứt trong quá trình nung bằng các biện pháp:
+ Xác định tốc độ nung nhanh hợp lý để tránh nứt. Đối với thép hợp kim cao có tính dẫn nhiệt kém, khi nung nóng khơng đƣa đột ngột vào lị có nhiệt độ tơi cao ngay, mà trƣớc đó cần nung trƣớc ở các lị có nhiệt độ thấp hơn.
+ Cần xác định đúng cách thức nung chi tiết cho hợp lý.
Đối với các trục dài, khi nung trong lị khơng nên đặt nằm ngang trên sàn lị mà nên treo thẳng đứng.
Ngăn ngừa biến dạng, nứt trong q trình nguội khi tơi bằng các biện pháp:
+ Chọn mơi trƣờng và phƣơng pháp tơi thích hợp để có chuyển biến M
+ Chọn phƣơng pháp nhúng chi tiết, dụng cụ vào môi trƣờng tôi. Khi nhúng phải tuân theo các nguyên tắc: Chi tiết gồm nhiều bộ phận dây, mỏng khác nhau thì phải nhúng phần dây trƣớc, chi tiết dài, nhỏ và lị xo phẳng, móng phải nhúng thẳng đứng. Các chi tiết hình ống phải đảm bảo trục vng góc với mặt chất lỏng.
+ Để giảm ứng suất nhiệt do làm nguội khi tôi thƣờng áp dụng biện pháp tôi hạ nhiệt tức là để chi tiết ở ngồi khơng khí tự nguội khoảng 50 - 700C sau đó mới nhúng vào mơi trƣờng tôi. Cách làm này thƣờng áp dụng cho thép tôi ở nhiệt độ cao nhƣ thép thấm cacbon, thép dụng cụ hợp kim.
+ Đối với các chi tiết dễ cong vênh nhƣ tấm mỏng, bánh răng thì biện pháp chống biến dạng là làm nguội khi tôi trong khuôn ép.
Ngăn ngừa biến dạng, nứt bằng biện pháp thiết kế:
Cố gắng tạo cho chi tiết có thành dày đều, cân đối khơng có góc nhọn, những phần thay đổi tiết diện đột ngột và bề mặt khơng có vết xƣớc, vết oxy hóa.
3.4.2. Oxy hóa và thốt cacbon.
- Hiện tƣợng: Oxy hóa là hiện tƣợng tạo nên các vảy oxýt ở trên bề mặt thép, lớp oxýt sắt không bền, dễ bị bong ra, làm sai kích thƣớc và xấu bề mặt sản phẩm. - Thoát cacbon là hiện tƣợng hàm lƣợng cacbon ở bề mặt thép bị giảm đi do nó bị cháy vì vậy làm giảm cơ tính lớp bề mặt
- Nguyên nhân:
+ Ơxy hóa: Do khi nung đến nhiệt độ cao (lớn hơn 5700C) trên bề mặt của thép xuất hiện màng oxýt sắt, có độ xốp cao nên khơng ngăn cản đƣợc oxy do vậy gây ra hiện tƣợng ơxi hóa bề mặt thép.
+ Thốt cacbon: Cùng với hiện tƣợng ơxy hóa bề mặt thép, thì cacbon cũng kết hợp với ơxy tạo ra các ôxýt cacbon ( CO, CO2 ) làm giảm chất lƣợng bề mặt của chi tiết.
Thoát cacbon thƣờng xảy ra với thép có hàm lƣợng cacbon > 0,6%. Do tồn tại chênh lệch nồng độ cacbon giữa sản phẩm và môi trƣờng nên tạo thuận lợi cho quá trình khuếch tán cacbon ở bề mặt thép. Ở nhiệt độ càng cao thì hệ số khuếch tán
tăng mạnh.Khuyết tật này hay xảy ra ở các nguyên công nhiệt luyện ủ và thƣờng hóa thép.
- Tác hại
+ Làm hao hụt kim loại gây sai hỏng về kích thƣớc cho chi tiết + Làm giảm cơ tính của sản phẩm mà điển hình là giảm độ cứng - Cách khắc phục
Đối với các nguyên công nhiệt luyện sơ bộ, vì sau đó cịn tiến hành gia cơng cơ nên nếu chiều sâu lớp khuếch tán này nhỏ hơn lƣợng dƣ gia cơng thì khơng cần lƣu ý vì lớp sẽ bị bóc đi, khơng cịn lại trên sản phẩm.
Hiện nay trong công nghiệp sử dụng một số biện pháp để ngăn ngừa oxy hóa và thoát cacbon khi nung:
Nung trong kim loại hoặc muối nóng chảy: oxy hịa tan trong muối nóng chảy có thể khử một cách dễ dàng. Vì thế nung trong muối nóng chảy đã khử oxy có thể coi là khơng xảy ra oxy hóa và thốt cacbon.
Phủ lên chi tiết một lớp chất bảo vệ, thí dụ nhƣ hỗn hợp các chất hữu cơ. Những hỗn hợp này phải thõa mãn các yêu cầu không tác dụng với sắt, dễ dàng lau chùi sau khi tôi và khơng độc.
Nung nóng trong mơi trƣờng khí bảo vệ đây là biện pháp chống oxy hóa và thốt