a) 0.10 %C b) 0.40 %C c) 0.60 %C - Thép cùng tích.
Thép cùng tích là thép có thành phần 0,8% C (có thể xê dịch chút ít) ứng với điểm S trên giản đồ Fe-C, có tổ chức chỉ gồm có peclít.
- Thép sau cùng tích.
Thép sau cùng tích có thành phần trên 0,80% C (nhƣng thƣờng chỉ tới 1,5% C, cá biệt có thể tới ( 2,0 ÷ 2,2%) ứng với bên phải của điểm S. Thép sau cùng tích có tổ chức peclít và xêmentít thứ hai ở dạng lƣới màu sáng.
3.2.3. Thép hợp kim
a) Khái niệm.
Thép hợp kim là loại thép chứa trong nó một lƣợng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp. Ngƣời ta cố ý đƣa vào các nguyên tố đặc biệt với một lƣợng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép. Các nguyên tố đặc biệt đƣợc gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu. Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ƣu điểm vƣợt trội so với thép cacbon nhƣ:
- Về cơ tính: thép hợp kim nói chung có độ bền có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi và ram.
- Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ đƣợc cơ tính cao của trạng thái tơi ở nhiệt độ cao hơn 2000C. Muốn đạt đƣợc điều này thì thép phải đƣợc hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lƣợng tƣơng đối cao.
- Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như : từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính
chống ăn mịn…
b) Phân loại thép hợp kim.
Phân loại theo nồng độ hợp kim trong thép.
Gồm ba loại:
- Thép hợp kim thấp: có tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim đƣa vào < 2,5%.
- Thép hợp kim trung bình: có tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim đƣa vào từ 2,5 - 8%.
- Thép hợp kim cao : có tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim đƣa vào > 8%.
Phân loại theo công dụng.
Đây là cách phân loại chủ yếu. Theo công dụng cụ thể có thể chia hợp kim thành các nhóm sau:
- Thép hợp kim kết cấu: là loại thép trên cơ sở thép kết cấu cho thêm vào các nguyên tố hợp kim. Loại này có hàm lƣợng cacbon khoảng 0,1 - 0,85% và lƣợng phần trăm của nguyên tố hợp kim thấp.
Loại thép này đƣợc dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mịn, hoặc cần tính đàn hồi cao…
Ví dụ: Các mác thép hợp kim kết cấu thƣờng gặp là: 15Cr, 20Cr, 20CrNi hàm lƣợng Cr, Ni thƣờng nhỏ hơn 1%, hoặc các loại 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A, 12Cr2Ni4A, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lƣợng nguyên tố đó cịn chữ A để chỉ loại tốt. Những loại có hàm lƣợng cacbon trung bình có ký hiệu nhƣ: 40Cr, 40CrMn, 35CrMnSi.
Thép hợp kim dụng cụ: là thép có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt
và độ chịu mài mòn cao. Hàm lƣợng cacbon trong hợp kim dụng cụ từ 0,7 - 1,4%, các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si, Mn.Thép hợp kim dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt. Sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt 60 - 62 HRC. Những mác thép thƣờng gặp là 90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12 và OL100Cr1,5 (thép ổ lăn).Thép hợp kim dụng cụ dùng làm các dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập nguội hoặc nóng. Yêu cầu của thép này là độ cứng và độ chống mài mòn cao.
Thép hợp kim đặc biệt: là nhóm thép có tính chất vật lý, hóa học đặc biệt. ví dụ
có tính chống ăn mịn cao, làm việc ở nhiệt độ cao, có tính dãn nở vì nhiệt đặc biệt. Đặc điểm của nhóm thép này là có tổng lƣợng các nguyên tố hợp kim rất cao với lƣợng cacbon hoặc là rất thấp hoặc là rất cao.
3.3. Lý thuyết về nhiệt luyện và phƣơng pháp nhiệt luyện tôi và ram thép. 3.3.1. Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện. 3.3.1. Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện.
a) Định nghĩa: Là phƣơng pháp gia công kim loại bằng cách nung kim loại tới một nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian và làm nguội với tốc độ qui định để làm thay đổi tổ chức tế vi từ đó thay đổi cơ tính và tính chất của vật liệu kim loại theo yêu cầu.
+ Nhờ nhiệt luyện tính chống mài mịn của chi tiết máy tăng lên nhiều lần.
+ Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang) mà vẫn đảm bảo yêu cầu về độ dẻo và độ dai
+ Cải thiện tính cơng nghệ: cải thiện tính cơng nghệ nâng cao năng suất.
Nhờ có nhiệt luyện mà kim loại dễ gia công hơn, làm tăng năng suất lao động, năng suất gia công của máy. Nhờ nhiệt luyện mà tính chất của kim loại thay đổi tốt hơn làm cho các chi tiết máy có thể làm việc lâu dài, ít bị mịn ít bị gãy. Nhiệt luyện có thể ứng dụng cho nhiều hợp kim khác nhau nhƣ gang, thép, hợp kim nhôm, hợp kim titan.
b) Các đặc điểm của nhiệt luyện.
- Trong quá trình nhiệt luyện thì sản phẩm khơng thay đổi về hình dáng và kích thƣớc mà chỉ thay đổi về tổ chức và cơ tính của vật liệu.
- Các thông số công nghệ đƣợc xác định nhờ giản đồ trạng thái của các loại hợp kim. - Sản phẩm sau khi nhiệt luyện phải thu đƣợc đầy đủ các thông số của hợp kim. c) Phân loại nhiệt luyện.
Tuỳ theo vị trí của nhiệt luyện trong q trình gia cơng cơ khí, ngƣời ta phân nó thành 2 nhóm:
- Nhiệt luyện sơ bộ: là những dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện cịn tiếp tục gia cơng cơ khí ( ủ, thƣờng hóa )
- Nhiệt luyện kết thúc: là dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện không tiếp tục gia công ( tôi..)
3.3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng nhiệt luyện.
Bất kỳ một hình thức nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba yếu tố quan trọng đó là: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội từ nhiệt độ quy định đến nhiệt độ bình thƣờng.
Nhƣ vậy, trong nhiệt luyện có hai vấn đề quan trọng là nhiệt độ và thời gian. Trong quá trình nhiệt luyện nếu thay đổi nhiệt độ và thời gian thì cơ lý tính của chi tiết sẽ thay đổi rất nhiều. Ngồi ra cịn phải kể đến tốc độ nung nóng, tốc độ làm nguội. Vì vậy chế độ nhiệt luyện nào cũng bao gồm các thông số sau:
- Nhiệt độ nung t0nung: là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng.
- Tốc độ nguội vnguội : là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau thời gian giữ nhiệt, tính ra 0C/s.
- Tốc độ nung nóng.
Hình 3.7: Mối quan hệ các thơng số nhiệt luyện
Khi nhiệt luyện khơng đƣợc phép nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy hay chảy bộ phận. Trong mọi q trình nhiệt luyện kim loại ln ln ở trạng thái rắn, hình dạng và kích thƣớc của sản phẩm hầu nhƣ khơng thay đổi hoặc thay đổi rất ít.
3.3.3. Giản đồ trạng thái Fe-C.
Giản đồ pha hệ Fe-C có vị trí quan trọng trong kim loại học, nó đƣợc xây dựng vào những năm cuối thế kỷ XIX, nhƣng là cơ sở cho sự ra đời của môn kim loại, là cơ sở phân tích các chuyển biến pha, các tổ chức của các hợp kim phổ biến nhất trong công nghiệp là thép và gang. Các quy luật thay đổi tổ chức và tính chất của nó cũng là quy luật chung cho nhiều hợp kim khác.
Đặc trƣng cơ bản của giản đồ Fe-C là do tính thù hình của Fe. Fe có hai kiểu mạng tinh thể với ba dạng thù hình: mạng lập phƣơng diện tâm tồn tại trong khoảng 911 ~ 1392 oC ký hiệu là γ-Fe cịn ngồi khoảng nhiệt độ đó tức là từ dƣới 911 oC và 1392 sắt có mạng lập phƣơng thể tâm. Khi ở dƣới 911 oC sắt đƣợc ký hiệu là α- Fe và từ 1392~1539 oC đƣợc ký hiệu là -Fe.
3.3.3.1. Khái niệm cơ bản.
Pha: là những tổ phần đồng nhất của hợp kim (hệ). Chúng có thành phần đồng nhất ở điều kiện cân bằng, ở cùng một trạng thái (lỏng, rắn hay khí), nếu ở trạng thái rắn phải cùng kiểu và thông số mạng và ngăn cách với các phần còn lại bằng bề mặt phân phân chia.
Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng. Hệ đƣợc coi là cân bằng nếu q trình chuyển biến xảy ra trong nó có tính chất thuận nghịch. Rất khó đạt đƣợc cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt đƣợc cân bằng tuyệt đối khi nung nóng, làm nguội và chỉ đạt đƣợc khi nung nóng và làm nguội vơ cùng chậm.
Cấu tử: là những chất độc lập, có thành phần khơng đổi, chúng tạo nên các pha của hệ.
Ví dụ: Nƣớc (H2O) ở 00C gồm có nƣớc (lỏng) và nƣớc đá (rắn) là hệ một cấu tử, có hai pha khác nhau về trạng thái tồn tại (lỏng và rắn).
3.3.3.2. Dạng của giản đồ.
Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải đƣợc xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lƣợng các bon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% các bon tức là ứng với hợp chất hóa học Fe3C. Thực ra có hai giản đồ pha hệ Fe-C tùy theo trạng thái tồn tại của cacbon trong hợp kim. Loại thứ nhất giản đồ pha hệ Fe – C grafit là loại ổn định nhƣng ít đƣợc dùng, chỉ đƣợc dùng trong khảo sát gang xám. Loại thứ hai là giản đồ pha hệ Fe –Fe3C chỉ là loại gần ổn định nhƣng đƣợc sử dụng rộng rãi vì trong thực tế cacbon trong hợp kim ở dạng Fe3C, chỉ trong những điều kiện khá đặc biệt Fe3C mới trở nên khơng ổn định và phân hóa thành sắt, cacbon grafit.
Bảng 3.1: Tọa độ các điểm trên giảng đồ pha Fe-C.
Điểm %C Nhiệt độ Điểm %C Nhiệt độ
A 0 1539 F 6,67 1147 B 0,51 1499 D 6,67 1227 H 0,1 1499 G 0 911 J 0,19 1499 P 0,02 727 N 0 1399 Q 0.006 0 E 2,14 1147 K 6,67 727 C 4,3 1147 S 0,8 727
Một số đƣờng có ý nghĩa thực tế rất quan trọng nhƣ sau:
- ABCD là đƣờng lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh.
- AHJECF là đƣờng rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh. - ECF (1147 oC) là đƣờng cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh.
- PSK (727 0C) là đƣờng cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích. - ES giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ.
- PQ giới hạn hòa tan cacbon trong Feα.
3.3.3.3. Các tổ chức của hợp kim Fe-C.
a) Các tổ chức một pha.
Hợp kim lỏng (L):
Hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của cacbon trong sắt tồn tại phía trên đƣờng lỏng ABCD
Ferit ( α, F, α-Fe):
Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong α-Fe với mạng lập phƣơng tâm khối a = 2,86 Å. Ferit có tính sắt từ nhƣng chỉ đến 768 0C. Trên giản đồ Fe-C nó tồn tại trong vùng GPQ. Do khơng chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền. Trong thực tế ferit có thể hịa tan Si, Mn, P, Cr... nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thƣờng và khi sử dụng (< 727 0C), nên nó đóng vai trị quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe - C. Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở Hình 3.9a có dạng các hạt sáng, đa cạnh.
Hình 3.9. Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500).
Austenite
Austenite [có thể ký hiệu bằng γ, A, γ-Fe(C)] là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong γ-Fe với mạng lập phƣơng tâm mặt với lƣợng hòa tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% ở 1147 0C. Khác với ferit, austenite khơng có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao ( > 727 0C ) trong vùng NJESG ( tiếp giáp với Feγ trên trục ) nên khơng có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhƣng lại có vai trị quyết định trong biến dạng nóng và
nhiệt luyện.
Với tính dẻo cao ( là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng đƣợc thực hiện ở trạng thái austenite đồng nhất . Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14% dù cho ở nhiệt độ thƣờng thể hiện độ cứng và tính giịn khá cao. Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận đƣợc hỗn hợp ferit - xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hay đƣợc mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công. Tổ chức tế vi của austenite trình bày ở Hình 3.9b có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút (do định hƣớng khi tẩm thực) và các đƣờng song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao).
Xêmetit
Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là hợp chất hóa học của sắt với cacbon có cơng thức Fe3C và thành phần 6,67%C, ứng với đƣờng thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Xêmentit có mạng tinh thể hệ trực thoi với các thong số mạng a = 4,518 Å, đặc điểm của Xe là cứng và giịn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Trong giản đồ Fe-C này ta phân biệt 2 dạng Xe:
- Xêmentit thứ nhất ( XeI ): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó đƣợc tạo thành trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3%C và trong khoảng nhiệt độ (1147~ 1227)0C. Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có dạng thẳng, tổ chức hạt thô và to.
- Xementit thứ hai ( XeII ): là loại đƣợc tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ở trong khoảng nhiệt độ (727 ~ 1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm từ 2,14% xuống còn 0,8% do vậy XeII có trong hợp kim với thành phần cacbon lớn hơn 0,8%. Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ khơng cao lắm nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, do đƣợc tiết ra từ austenite nên thƣờng ở dạng lƣới bao quanh Auxtenit.
b) Các tổ chức hai pha:
Peclit:
Peclit (ký hiệu là P hay [F+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xementit [F+ Xe] tạo thành ở 7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C. Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit. Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon của Auxtenit sẽ biến đổi và khi đến 7270C có 0,8%C (các hợp kim có lƣợng cacbon nhỏ hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hƣớng tiết ra Ferit để làm tăng cacbon cịn các hợp kim có lƣợng cacbon lớn hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hƣớng tiết ra Xementit làm giảm cacbon, cả 2 trƣờng hợp trên đều đƣa đến lƣợng cacbon trong Auxtenit là 0,8% ở 7270C ). Lúc đó, Auxtenit có 0,8% C sẽ chuyển biến thành hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xementit.
Tùy theo hình dạng Xêmentit ở trong hỗn hợp, ngƣời ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và peclit hạt ( Peclit tấm Xe ở dạng tấm Hình 3.10a cịn Peclit hạt thì Xe ở dạng hạt thể hiện qua Hình 3.10b ). Peclit là hỗn hợp cơ học nên có tính chất trung gian, kết hợp giữa tính dẻo, dai của F và cứng, dịn của Xe nên nói chung P có độ cứng, độ bền tƣơng đối cao, tính dẻo dai hơi thấp.
Lêđêburit (ký hiệu là Le hoặc [γ+Xe] hay [P+Xe]):
Hình 3.11. Tổ chức tế vi của lêđêburit - (P+Xe) (x500)
Lêđêburit là hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tinh từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C ở 11470C. Lúc đầu mới tạo thành nó gồm γ và Xe (trong khoảng 7270C ~ 11470C). Khi làm nguội xuống dƣới 7270C, γ chuyển biến thành P do vậy Lêđêburit là hỗn hợp cơ học của Peclit và Xementit [P+Xe]. Trên tổ chức tế vi (Hình 3.11) ta thấy rằng những hạt P nhỏ màu tối nổi trên nền sáng là Xe do đó Lêđêburit có hai pha là