a. Tốc độ tôi tới hạn
Như đ∙ biết tốc độ tôi tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để austenit chuyển biến thành mactenxit. Có thể xác định gần đúng giá trị này theo sơ đồ hình 4.10 và theo công thức sau
m 0 m
th t
T 1
V =A − oC/s
trong đó: A1- nhiệt độ tới hạn dưới của thép, oC,
Tm0,tm- nhiệt độ và thời gian ứng với austenit quá nguội kém ổn
định nhất, oC, s.
Tốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi, tức là không cần làm nguội nhanh cũng có thể đạt được tổ chức mactenxit. Việc làm nguội chậm cũng có thể đạt được tổ chức mactenxit rất có lợi vì nó có khả năng tạo ra độ cứng cao
đồng thời với biến dạng nhỏ và không bị nứt, điều này rất quan trọng với các chi tiết máy với hình dạng phức tạp.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn
A1 (= 727oC) và Tm0 (≈ 550oC) có giá trị tương đối ổn định, song tm thay
đổi rất mạnh, nó phụ thuộc vào vị trí của đường "C". Vậy mọi yếu tố làm tăng hay làm giảm tính ổn định của austenit quá nguội đều làm giảm hay tăng giá trị của
Vth. Các yếu tố đó là:
- Thành phần hợp kim của austenit. Đây là yếu tố quan trọng nhất.
austenit càng giàu các nguyên tố hợp kim (trừ côban) đường "C" càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ. Nói chung thép với 2 ữ 3% nguyên tố hợp kim Vth ≈ 100oC/s, với 5 ữ 7% nguyên tố hợp kim Vth ≈ 25oC/s. Thành phần cacbon không có ảnh hưởng quan trọng đến Vth (mục 4.2.3c). Các thép cacbon có Vth trong khoảng 400
140
÷ 800oC/s.
- Sự đồng nhất của austenit. Austenit càng đồng nhất càng dễ biến thành mactenxit. Khi austenit không đồng nhất, ở những vùng giàu cacbon dễ biến thành xêmentit hay cacbit, những vùng nghèo cacbon dễ biến thành ferit. Nâng cao nhiệt
độ tôi sẽ giúp hòa tan và làm đồng đều hóa cacbon, nâng cao tính đồng nhất của austenit, làm giảm Vth.
- Các phần tử rắn chưa tan hết vào austenit thúc đẩy chuyển biến tạo thành hỗn hợp ferit - cacbit, làm tăng Vth.
- Kích thước hạt austenit càng lớn, biên giới hạt càng ít, càng khó chuyển biến thành hỗn hợp ferit - cacbit, làm giảm Vth.
c. Độ thấm tôi
Định nghĩa
Trong nhiều trường hợp tổ chức mactenxit không thể tạo thành trên toàn tiết diện, mà chỉ có ở bề mặt ăn sâu vào bên trong đến chiều sâu nhất định, tức lớp tôi là có giới hạn và xuất hiện khái niệm về chiều sâu tôi hay độ thấm tôi. Độ thấm tôi là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức mactenxit (thật ra trong cách tính người ta
đo độ thấm tôi tới lớp nửa mactenxit tức mactenxit + trôxtit).
Cách xác định
Để giải thích độ thấm tôi cho một trường hợp cụ thể h∙y chú ý đến các sơ đồ trên hình 4.16. Nếu chi tiết thép có dạng hình trụ tròn với đường kính D, khi làm nguội (lúc tôi) tốc độ nguội ở bề mặt bao giờ cũng cao hơn trong lõi nên phân bố trên đường kính có dạng hình chữ "V", do đó chỉ lớp bề mặt với chiều dày δ có Vnguội ≥ Vth mới có tổ chức mactenxit cứng, còn phần lõi còn lại có Vnguội ≤ Vth có tổ chức ferit - xêmentit mềm hơn. ở đây δ là chiều dày của lớp được tôi cứng đồng
nhất là độ thấm tôi.
Hình 4.16. Sơ đồ giải thích độ thấm tôi
Các yếu tố ảnh hưởng
Qua sơ đồ trên thấy rõ yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ thấm tôi là Vth. Tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ độ thấm tôi càng cao. Nếu Vth của thép nhỏ tới mức Vth < Vlõi thì lõi cũng được tôi tức là toàn tiết diện được tôi và gọi là tôi thấu.
Mọi yếu tố làm giảm Vth như austenit đồng nhất, tăng nhiệt độ tôi, hạt lớn và đặc biệt là hợp kim hóa austenit (thép) đều làm tăng độ thấm tôi.
141
141
Tốc độ làm nguội nhanh cũng giúp làm tăng độ thấm tôi (h∙y tưởng tượng như thế thì đường cong hình chữ V sẽ nâng cao lên, giao điểm của nó với đường ngang Vth sẽ đi sâu vào lõi...). Song không nên áp dụng biện pháp này vì dễ gây
nứt, biến dạng.
ý nghĩa
ý nghĩa của độ thấm tôi là ở chỗ nó biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi + ram, hay nói cho đúng hơn là biểu thị tỷ lệ tiết diện của chi tiết được hóa bền nhờ tôi + ram.
Như đ∙ biết sau khi tôi độ bền, độ cứng của thép tăng lên nhiều lần, song nếu lớp tôi quá mỏng (độ thấm tôi nông) thì hiệu quả này là không đáng kể: lõi do không được tôi, có độ bền thấp do đó nguy cơ phá hủy từ đây là rất lớn. Khi lớp tôi dày (độ thấm tôi sâu) hiệu quả này sẽ trở nên hoàn toàn hơn nhờ đó sức chịu tải của chi tiết tăng lên rõ rệt. Đặc biệt khi tôi thấu hiệu quả hóa bền bằng tôi + ram
đối với thép là hoàn toàn, dễ dàng đạt được cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện, điều này đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết lớn chịu tải nặng.
Tính thấm tôi là chỉ tiêu chất lượng quan trọng đối với thép, thép có độ thấm tôi càng cao nói chung càng được đánh giá là tốt, song điều đó không có nghĩa trường hợp nào cũng phải dùng thép có độ thấm tôi cao nhất một cách không cần thiết vì đó là loại thép hợp kim cao, giá đắt. Yêu cầu của việc chọn thép làm các chi tiết chịu tải trọng nặng là nó phải có độ thấm tôi phù hợp, tốt nhất là phải tôi thấu tiết diện đ∙ chọn. Như vậy mỗi mác thép tùy thuộc vào mức độ thấm tôi sẽ cho cơ tính cao và đồng nhất tới giới hạn kích thước (tiết diện) nào đó, nếu dùng cho tiết diện nhỏ hơn là l∙ng phí mà dùng cho tiết diện lớn hơn là không thích hợp và không bảo đảm điều kiện kỹ thuật. Do vậy khi chọn các mác thép cũng phải tính đến yếu tố kích thước của sản phẩm.
d. Đánh giá độ thấm tôi
Người ta đánh giá độ thấm tôi bằng phương pháp tôi đầu mút bằng nước một khối trụ tròn φ 25 dài 100mm rồi đo độ cứng trên đường sinh từ mút tôi, từ đó xây dựng nên đường cong biểu thị quan hệ độ cứng - khoảng cách đến mút tôi.
Song độ thấm tôi của cùng một mác thép có thể dao động do các biến động cho phép về thành phần hóa học, độ lớn hạt, nhiệt độ tôi..., chính vì vậy các giá trị độ cứng ở mỗi vị trí có thể biến động trong một phạm vi nên mối quan hệ trên không thể chỉ biểu thị bằng một đường mà phải là một dải gọi là dải thấm tôi.
Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép với cùng lượng cacbon là 0,40%, ở đây độ thấm tôi được tính tới vùng nửa mactenxit (có độ cứng ứng với
đường 1). Như vậy thép cacbon thường độ thấm tôi trung bình chỉ là 7mm, nếu thêm 1,00%Cr là 12mm, còn thêm 0,18%Mo nữa tăng lên đến 30mm.
Với mục đích bảo đảm cơ tính đồng nhất trên tiết diện, trước khi đem chế tạo trong một số trường hợp (ví dụ khi chế tạo bánh răng) người ta phải kiểm tra lại độ thấm tôi của mác thép đang dùng. Trong một số ít trường hợp còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm lõi không bị tôi, chi tiết sau khi tôi có độ cứng bề mặt và độ dai đều cao.
e. Tính thấm tôi và tính tôi cứng
Tính tôi hay tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao khi tôi, nó phụ thuộc chủ yếu vào lượng cacbon của austenit (do đó của thép) mà ít phụ thuộc vào lượng nguyên tố hợp kim. Thép có cacbon càng cao tính tôi cứng càng lớn. Ngược
142
lại, tính thấm tôi là khả năng tăng chiều dày của lớp tôi cứng, nó phụ thuộc chủ yếu vào mức độ hợp kim hóa của austenit (do đó của thép) mà ít phụ thuộc vào lượng cacbon. Thép hợp kim càng cao có tính thấm tôi càng lớn. Do vậy tùy thuộc vào lượng cacbon, hợp kim, thép có thể có các kết hợp khác nhau của hai tính chất trên.
Hình 4.17. Dải thấm tôi của thép:
a. 0,40%C, b. 0,40%C + 1,00%Cr, c. 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo, 1- độ cứng của vùng nửa mactenxit của thép.