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 khơng 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 tơi tốt hơn vì cóđộ lỗng linhđộng tốt khơng bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Tuy nhiên dễ bốc cháy nên phải có hệ thống ống xoắn có nước lưu thơng 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 mơi trường tơi ngoại lệ
Thép C có tiết diện nhỏ (<10mm) hình dạng đơn giản, dài (như trục trơn) nên tơi dầu. Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thểchọnthép cacbon nhưng phải làm bằng thép hợp kim đểtơi 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 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 ngun cơng biến dạng, nung nóng và làm nguội. Nếu biến dạng dẻo tiến hành sau khi nhiệt luyện thìđó khơng 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 khơng 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) đemtơi ngay rồi ram thấpởnhiệt độ1500-2000. Khi đó tạo ra tổchức mactenxit nhỏmịn với xơ 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 tơi +ram thấp thơng 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 q bão hịa 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 khơng gọi là cơ nhiệt luyện mà là tơi ở nhiệt độnung nóng khi biến dạng, trường hợp này chỉ có lợi vềkinh tế nhưng khơng cải thiện được cơ tính so với nhiệt luyện thơng 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
cơng 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 tơi thành tổchức mactenxit lên đến các nhiệt độ thấp hơn A1 để mactenxit và Austenit dư phân hố 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, giịn, 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 tơi 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 tơi 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 khơng 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, dịn hơn.
Ram thấp áp dụng cho dụng cụvà chi tiết máy cần độ cứng, tính chống mài mịn cao như đối với tất cảcác dao cắt, khn 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 lị xo, nhíp, khn dập nóng, khn rèn…
Hình 1.22. Tổchức tếvi của trơxit ram1.4.2.3. Ram cao (500–6500C). 1.4.2.3. Ram cao (500–6500C).
Sau khi ram tổchức đạt được là xcbit ram. So với thép tơi, sau khi ram cao độ cứng giảm đi rất mạnh, thép trởnêntương đối mềm (15–25HRC), khửbỏhồn tồnứng 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 khơng 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 thẳngđứng, 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 cịn khi bịnứt thì khơng sửdụng.[7]
1.5.2. Ơxy hố và thốt Cacbon
1.5.2.1. Nguyên nhân và tác hại
Nguyên nhân là do trong mơi trường nung có chứa các thành phần có tác dụng ơxy hố Fe và C; đó là O2, CO2; H2O ...chúng có trong khơng khí và đi vào khí quyển của lị nung. Thốt C dễxảy ra hơn là ơxy hố khi ơxy hố thường đi kèm với thoát C.
Tác hại của ơxy hố là tạo nên vảy ơxít sắt FeO2, tạo thành vảy bong vỡ, làm hụt kích thước xấu bề mặt sản phẩm. Cịn thốt 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 khơng có tác dụng ơxy hố và thốt C. Đểthay thếcác lị thơng thường với khí quyển lị là khơng khí hay sản phẩm cháy (lòđốt than, dầu ...) người ta sửdụng các lị nung bằng điện có các khí quyển đặc biệt như sau: Khí quyển bảo vệ(hay khí quyển kiểm sốt), 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 ácgơng(Ar) nhưng đắt tiền thường dùng trong phịng thí nghiệm.
Nung trong lị chân khơng có khả năng chống ơxy hố 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 khơng có các loại khí và lị 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 lị vừa kéo dài thời gian nung.
Lị muối được khửơxy 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 thốt C có thểdùng cách thấm C lại, xong sẽ làm tăng biến dạng.
1.5.3. Độ cứng khơng đạt
Là loại khuyết tật mà độcứng có giá trị cao 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. + Thốt C bềmặt.
1.5.4. Tính giịn cao
Sau khi tơi thép có thể bị giịn q 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 hố để làm hạt nhỏ đi rồi tơi 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 cịn 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 mịn 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 mịn của bề mặt thép tơi. 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 lị 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 cơng 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 ngun cơ tính tổng hợp cao.
Có nhiều phương pháp tơi 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 tơi, trong khi đó phần lớn tiết diện khơng được nung nóng, khi làm nguội nhanh tiếp theo chỉ có bềmặt được tơi cứng cịn lõi khơngđược tơi vẫn đảm bảo mềm, dẻo. Có thểnung nóng nhanh bềmặt đểtơi bằng các phương pháp sau:
- Nung nóng bằng dịngđiện 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 dịngđiện chạy qua - Nung nóng trong chất điện phân