a)Tớnh khụng ổn định của mỏctenxit và austenit:
Sau khi tụi ta nhận được mỏctenxit và một lượng austenit dư nhất định, thộp cú độ cứng cao nhưng tớnh dũn lớn và tồn tại ứng suất dư bờn trong, năng lượng tự do lớn. Trạng thỏi này khụng ổn định và chi tiết khụng thể làm việc được. Do đú phải cần một nguyờn cụng tiếp theo để điều chỉnh lại cho phự hợp đú là ram. Theo giản đồ pha Fe-C từ nhiệt độ 7270C đến nhiệt độ thường tổ chức ổn định của thộp là hỗn hợp phe rit và xờmentit (peclit). Vỡ vậy mỏctenxit và austenit dư là cỏc pha khụng ổn định, chỳng luụn cú xu hướng phõn hoỏ thành hỗn hợp trờn. Mỏctenxit khụng ổn định do quỏ bóo hoà cỏcbon, do vậy sẽ tiết bớt ra dưới dạng xờmentit và phần cũn lại sẽ mất hết cỏcbon trở thành pherit:
Fe (C) Fe3C + Fe
Austenit khụng tồn tại được dưúi 727oC nờn cú khuynh hướng phõn hoỏ thành hỗn hợp pherit và xờmentit:
Fe ( C)Fe3C + Fe
Ở nhiệt độ thường quỏ trỡnh này diễn ra rất chậm, hầu như khụng nhận thấy được. Vỡ vậy ta phải nung núng để thỳc đẩy nhanh quỏ trỡnh. Tuy nhiờn hai pha này khụng chuyển biển trực tiếp ra pherit và xờmentit mà phải qua một sản phẩm trung gian là mactenxit ram như sau:
Hỡnh 3.11 Tổ chức tế vi của mactenxit và austenit dư
- Từ 80 2000C: austenit dư chưa chuyển biến. Lỳc này trong mỏctenxit cú sự tập trung cỏc bon lại và tiết ra dưới dạng cỏc bớt e cú cụng thức FexC (x từ 2,0 2,4) ở dạng tấm mỏng và rất phõn tỏn. Lượng cỏc bon trong mactenxit giảm từ 0,80% xuống cũn 0,25% 0,40% và tỷ số c/a giảm đi. Cỏc bớt chưa cú kiểu mạng riờng, nú phải tồn tại trong kiểu mạng của mactenxit. Hỗn hợp gồm cỏc bớt e và mỏtenxit nghốo cỏc bon gọi là mactenxit ram.
Fe (C) 0,80 [Fe (C) 0,25-0,40 + Fe2 2,4C]
Cuối giai đoạn này tố chức của thộp là mỏctenxit ram và austenit dư.
b) Giai đoạn II: (200 2600C)
Trong giai đoạn này cỏc bon vẫn tiếp tục tiết ra khỏi mỏctenxit làm cho dung dịch rắn chỉ cũn 0,15 0,20%C. Bờn cạnh đú cú quỏ trỡnh austenit dư chuyển biến thành mỏctenxit ram
Fe (C)0,80 [Fe (C)0,15 0,20 + Fe2 2,4C] Cuối giai đoạn này thộp tụi cú tổ chức là mactenxit ram
Hỡnh 3.12 Tổ chức tế vi của mactenxit ram
c) Giai đoạn III: (2600C 4000C)
Trong giai đoạn này cả hai pha của mỏctenxit ram đều chuyển biến:
- Tất cả cỏc bon quỏ bóo hoà được tiết ra khỏi mactenxit độ chớnh phương c/a= 1
và mỏctenxit nghốo cỏc bon trở thành pherit.
- Cỏc bớt ở dạng tấm mỏng biến thành xờmentit ở dạng hạt. Sơ đồ của hai quỏ trỡnh này như sau:
Fe (C)0,15 20Fe+Fe3C hạt Fe22,4CFe3C hạt
Cuối giai đoạn này tổ chức của thộp tụi là hỗn hợp phe rit và xờmentit ở dạng hạt rất nhỏ mịn, khụng nhỡn thấy được dưới kớnh hiển vi quang học gọi là troxtit ram
Hỡnh 3.13 Tổ chức tế vi của trụxtit ram
d) Giai đoạn IV: (>4000C)
Tiếp tục nung lờn cao hơn 4000C trong thộp tụi khụng cú chuyển biến pha gỡ mới mà chỉ cú quỏ trỡnh lớn lờn của cỏc hạt xờmentit, ở nhiệt độ 5000C 6000C tổ chức là hỗn hợp pherit và xờmentit dạng hạt khỏ phõn tỏn, vẫn chưa nhỡn thấy được dưới kinh hiển vi quang học, gọi là xoocbit r am
Nếu tiếp tục nung lờn gần A1 (7270C), lỳc này hạt xờmentit đó khỏ lớn cú thể nhỡn thấy được bằng kớnh hiển vi quang học, hỗn hợp đú gọi là pộclit hạt.
CHƯƠNG 4. CễNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN THẫP 4.1. Ủ và thường hoỏ
4.1.1. Ủ thộp
a)Định nghĩa:
Ủ thộp là phương phỏp nung núng thộp đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt và làm nguội chậm cựng lũ để nhận được tổ chức ổn định (gần với tổ chức cõn bằng) cú độ bền độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao.
b)Mục đớch:
Ủ nhằm cỏc mục đớch sau đõy:
- Giảm độ cứng của thộp để dễ gia cụng cắt gọt. - Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng nguội.
- Làm giảm hay khử bỏ hoàn toàn ứng suất bờn trong do gia cụng cắt và biến dạng.
- Làm đồng đều thành phần húa học trờn vật đỳc bị thiờn tớch. - Làm nhỏ hạt thộp.
c) Cỏc phương phỏp ủ:
- Ủ thấp (ủ non):
Là phương phỏp ủ tiến hành ở nhiệt độ từ 200 á 6000C với mục đớch là giảm hay khử bỏ ứng suất bờn trong ở vật đỳc hay sản phẩm qua gia cụng cơ khớ (cắt gọt, dập nguội). Nếu nhiệt độ ủ chỉ từ 200 300OC sẽ khử bỏ một phần ứng suất bờn trong (làm giảm bớt), nếu từ 4500C 6000C thỡ sẽ khử bỏ hoàn toàn ứng suất bờn trong.
Cụng dụng: dựng cho cỏc vật đỳc lớn như thõn mỏy cắt gọt, xộc măng sau khi mài, lũ xo sau khi uốn nguội... Phương phỏp này khụng làm thay đổi độ cứng của thộp. Đối với gang độ cứng cú thể giảm một ớt do quỏ trỡnh graphớt húa.
- Ủ kết tinh lại:
Là phương phỏp ủ tiến hành ở nhiệt độ kết tinh lại (với thộp cỏc bon nhiệt độ ủ là 6000C7000C). Phương phỏp này làm giảm độ cứng và làm thay đổi kớch thước hạt.
Cụng dụng: dựng cho cỏc thộp qua biến dạng nguội, bị biến cứng để khụi phục lại cơ tớnh như trưúc khi biến dạng. Ngày nay phương phỏp này hầu như khụng sử dụng nữa vỡ dễ làm hạt lớn do kết tinh lại lần thứ hai. Để đạt được mục đớch này ta dựng cỏc phương phỏp ủ cú chuyển biến pha.
- Ủ hoàn toàn:
Là phương phỏp ủ nung núng thộp đến trạng thỏi hoàn toàn là austenit, ở nhiệt độ cao hơn Ac3. Nhiệt độ ủ tớnh theo cụng thức:
Tủ = Ac3 + (30 500C) Mục đớch của ủ hoàn toàn là:
+ Làm nhỏ hạt thộp: do nung cao hơn Ac3 từ 30 500C nờn hạt austenit vẫn cũn nhỏ, do đú khi làm nguội sẽ nhận được tổ chức pherit - pộclit cú hạt nhỏ.
+ Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dập nguội và cắt gọt.
Cụng dụng: dựng cho thộp trước cựng tớch với lượng cỏc bon từ: 0,30 0,65%. Sau khi ủ hoàn toàn ta nhận được tổ chức pherit - pộc lit, trong đú pộc lớt ở dạng tấm.
- Ủ khụng hoàn toàn:
Là phương phỏp ủ nung núng thộp đến nhiệt độ cao hơn Ac1 và nhỏ hơn Accm tức là trạng khụng hoàn toàn là austenit. Nhiệt độ ủ tớnh theo cụng thức:
Tủ = Ac1 + (30 500C)
Tổ chức tạo thành sau khi ủ khụng hoàn toàn là peclit hạt chứ khụng phải là peclit tấm. Do nhiệt độ ủ thấp hơn Accm nờn austenit chưa đồng đều húa thành phần hay cũn một ớt xờmentit của peclit chưa chuyển biến hết hay cỏc phần tử xờmentit hai nờn dễ dàng tạo ra peclit hạt.
Cụng dụng: dựng cho thộp cú hàm lượng cỏc bon 0,70% mà chủ yếu là thộp sau cựng tớch.
- Ủ cầu húa:
Đõy là một dạng đặc biệt của ủ khụng hoàn toàn, nhiệt độ dao động một cỏch tuần hoàn quanh Ac1, nung núng lờn đến nhiệt độ 750 7600C giữ nhiệt khoảng năm phỳt, sau đú làm nguội xuống 6500C 6600C giữ nhiệt khoảng năm phỳt... Cứ lập đi lập lại như vậy nhiều lần tạo ra quỏ trỡnh cầu húa xờmentit nờn nhận được hoàn toàn là peclit hạt. Số lượng chu trỡnh phụ thuộc vào kớch thước chi tiết và mức độ cầu húa.
- Ủ đẳng nhiệt:
Đối với thộp hợp kim cao do austenit quỏ nguội cú tớnh ổn định quỏ lớn nờn làm nguội chậm cựng lũ khụng nhận được tổ chức peclit đồng nhất m à cú thể là peclit-xoocbit, xoocbit, xoocbit-trụstit... vỡ vậy độ cứng cũn khỏ cao, khụng cắt gọt được. Lỳc này ta dựng phương phỏp ủ đẳng nhiệt. Sau khi giữ nhiệt xong làm nguội xuống thấp hơn Ac1 khoảng 500C và tiến hành làm nguội đẳng nhiệt tại đú trong một thời gian nhất định (xỏc định theo giản đồ T-T-T của thộp). Phương phỏp này nhận được tổ chức peclit đồng nhất.
Cụng dụng: dựng cho thộp hợp kim để rỳt ngắn thời gian ủ. - Ủ khuếch tỏn:
Là phương phỏp ủ nung núng thộp đến nhiệt độ rất cao từ 1100 1500C với thời gian giữ ngiệt rất dài từ 10 15h để tăng khỏ năng khuếch tỏn làm đồng đều thành phần húa học trong cỏc vựng của hạt.
Cụng dụng: dựng cho vật đỳc thộp hợp kim cao bị thiờn tớch. Sau ủ khuếch tỏn hạt rất to nờn phải tiến hành ủ thườ ng hay cỏn núng để làm nhỏ hạt thộp.
Tthường húa = Ac3 hay Accm + (30 500C)
Cụng dụng: Do tổ chức nhận được gần với trạng thỏi cõn bằng nờn thường húa cú cụng dụng tương tự như ủ, tuy nhiờn nú cũng cú một số điểm khỏc:
- Đạt được độ cứng thớch hợp để gia cụng cắt cho thộp cỏc bon thấp 0,25%C. Với thộp này nếu ủ độ cứng quỏ thấp phoi sẽ rất dẻo khú góy, khú cắt gọt.
- Làm nhỏ xờmentit chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thỳc. Khi thường húa sẽ tạo ra tổ chức peclit phõn tỏn hay xoocbit trong đú kớch thước của xờmentit nhỏ mịn nờn khi nung núng nhận được austenit nhỏ mịn. Mục đớch này thường ỏp dụng khi tụi.
- Phỏ lưới xờmentit hai của thộp sau cựng tớch. Trong thộp sau cựng tớch xờmentit hai thường ở dạng lưới rất cứng và giũn. Vỡ vậy khi gia cụng cắt gọt khú nhận được bề mặt nhẵn búng cao. Khi thường húa do làm nguội nhanh hơn ủ nờn xờmentit khụng kịp tiết ra ở dạng lưới nữa.
4.2. Tụi thộp
Trong tất cả cỏc nguyờn cụng nhiệt luyện tụi thộp là phương phỏp quan trọng nhất vỡ nú tạo ra cho chi tiết độ bền, độ cứng và tớnh chống mài mũn cao nhất.
Hỡnh 4.1 . Khoảng nhiệt độ ủ, thường húa và tụi cho thộp cỏcbon 4.2.1. Định nghĩa và mục đớch
a) Định nghĩa:
Tụi thộp là phương phỏp nhiệt luyện gồm cú: nung núng thộp đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (>Ac1) làm xuất hiện tổ chức austenit, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh lớn hơn tốc độ nguội tới hạn để nhận được tổ chức khụng cõ n bằng cú độ cứng cao.
- Nõng cao độ cứng và tớnh chống mài mũn cho chi tiết (sau khi đó tiến hành ram)
-Nõng cao độ bền và khả năng chịu tải cho chi tiết mỏy.
4.2.2. Chọn nhiệt độ tụi
a) Đối với thộp trưúc cựng tớch:
Ttụi = Ac + (30 500C)
Với nhiệt độ tụi như trờn ta nhận được tổ chức ở nhiệt độ nung là austenit đồng nhất, sau khi tụi là mỏctenxit và austenit dư. Do vậy độ cứng của thộp đạt được giỏ trị cao nhất.
Nếu chọn nhiệt độ tụi thấp hơn Ac3 thỡ tại nhiệt độ nung ta nhận được tổ chức là austenit và pherớt vẫn cũn, chưa hũa tan hết. Do vậy sau khi tụi ta nhận được mỏctenxit
+ austenit dư + pherit. Pherit là một pha mềm làm cho độ cứng của thộp bị giảm đi và tạo ra cỏc điểm mềm làm xấu cơ tớnh của nú.
b) Đối với thộp sau cựng tớch:
Ttụi = Ac1 + (30 500C)
Với nhiệt độ như trờn tại nhiệt độ nung tổ chức của thộp là austenit và một lượng xờmentit hai. Sau khi tụi ta được mỏctenxit + austenit dư + xờmentit hai, trong đú xờmentit hai là pha cú độ cứng cao làm tăng mạnh tớnh chống mài mũn cho thộp. Nếu nung cao hơn Accm tại nhiệt độ nung ta cú austenit đồng nhất, vỡ vậy sau khi tụi nhận được mỏctenxit + austenit dư khỏ nhiều. Như vậy làm mất tớnh chống mài mũn cao của xờmentit hai. Mặt khỏc khi nung cao như vậy dễ bị thoỏt cỏc bon trờn lớp bề mặt, lượng cỏc bon hũa tan vào austenit quỏ lớn làm tăng thể tớch riờng của mỏctenxit do vậy sẽ tạo ra austenit dư nhiều hơn làm xấu cơ tớnh.
c) Đối với thộp cựng tớch:
Dựng cụng thức nào cũng được vỡ Ac1, Ac3 và Accm trựng nhau tại S trờn giản đồ pha Fe-C.
d) Đối với thộp hợp kim:
Với thộp hợp kim thấp nhiệt độ tụi khụng sai khỏc nhiều so với thộp cỏc bon, thụng thường cao hơn từ 10 200C (trừ trường hợp thộp chứa mangan, niken).
Với thộp hợp kim trung bỡnh và cao nhiệt độ tụi sai khỏc nhiều hơn so với thộp cỏcbon, do vậy phải tra cứu trong cỏc sổ tay về nhiệt luyện.
4.2.3. Chọn mụi trường tụi
Mụi trường làm nguội thộp khi tụi gọi là mụi trường tụi.
a) Yờu cầu của mụi trường tụi:
biến mactenxit vỡ ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức cựng lớn. Trong thực tế khụng mụi trường tụi nào thỏa món yờu cầu nờu trờn.
- Cú độ linh động cao, dẫn nhiệt tốt, tớnh bỏm dớnh vào bề mặt lớn và rẻ tiền.
b- Cỏc mụi trường tụi thường dựng:
- Nước: là mụi trường tụi mạnh, an toàn, dễ kiếm và rẻ tiền. Nước ở nhiệt độ 20300 làm nguội thộp khỏ nhanh ở cả hai khoảng nhiệt độ núi trờn, tạo ra độ cứng cao nhưng dễ gõy ra nứt và biến dạng. Khi tụi nước núng lờn và tốc độ nguội nhanh chúng bị giảm đi. Do vậy khụng để nước núng quỏ 40 500C bằng cỏch cho nước lạnh vào và thỏo nước núng ra.
Cụng dụng: để tụi thộp cỏc bon cú hỡnh dỏng đơn giản.
- Dung dịch xỳt, muối húa học: nồng độ khoảng 5 10% là mụi trường tụi mạnh nhất, tốc độ nguội cú thể đạt 12000C/s do cú cỏc ion điện ly dẫn nhiệt lớn. Mặt khỏc nú khụng gõy ra nứt ở khoảng nhiệt độ chuyển biến mỏctenxit như nước. Do vậy được dựng để tụi cỏc loại thộp cỏc bon dụng cụ yờu cầu độ cứng cao (cú tốc độ tụi tới hạn lớn)
Hỡnh 4.2 Đường cong nguội lý tưởng
- Dầu luyn: làm nguội chậm thộp ở hai khoảng nhiệt độ trờn nờn ớt gõy ra biến dạng và nứt nhưng tốc độ nguội chậm khụng dựng được cho thộp cú tốc độ tụi tới hạn lớn. Khi núng lờn tốc độ nguội của dầu khụng bị giảm nhiều, do vậy thường tụi trong dầu núng khoảng 60 á 800C vỡ cú tớnh linh động cao. Nhược điểm của dầu là khi tụi dễ bị chỏy và giỏ thành cao. Do vậy phải làm nguội dầu trong qỳa trỡnh tụi. Dầu là mụi trường tụi cho thộp hợp kim và cỏc chi tiết hỡnh dỏng phức tạp.
- Dung dịch chất dẻo (polyme): loại mụi trường này cú thể thay đổi tốc độ làm nguội bằng cỏch thay đổi nồng độ của nú. Nú làm giảm mạnh tốc độ nguội ở vựng nhiệt độ thấp nờn giảm được nứt v à cong vờnh. Ngoài ra cú thể dựng khớ
nộn, tấm thộp, tấm đồng làm mụi trường tụi. Loại này cú Vth nhỏ cỡ vài chục
0C/s để tụi cỏc thộp hợp kim.
4.2.4. Tốc độ tụi tới hạn và độ thấm tụi
a) Tốc độ tụi tới hạn:
* Định nghĩa:
Tốc độ tụi tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để nhận được chuyển biến mỏctenxit khi tụi. Ta cú thể tớnh gần đỳng nhiệt độ này dựa vào giản đồ T- T-T theo cụng thức sau:
Trong đú: - A1 là nhiệt độ tới hạn dưới (Ar1), 0C
- Tm0, m là nhiệt độ và thời gian ứng với austenit quỏ nguội kộm
ổn định nhất.
Tốc độ tụi tới hạn của thộp càng nhỏ càng dễ tụi vỡ làm nguội khụng nhanh lắm cũng nhận được mỏctenxit do đú tạo được độ cứng cao, biến dạng ớt và khụng bị nứt.
* Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tụi tới hạn:
Mọi yếu tố làm tăng hay giảm tớnh ổn định của austenit quỏ nguội đều ảnh hưởng đến tốc độ tụi tới hạn. Gồm cú cỏc yếu tố sau:
-Thành phần hợp kim của austenit: Đõy là yếu tố quan trọng nhất, austenit càng giàu cỏc nguyờn tố hợp kim (trừ cụban) đều làm giảm tốc độ tụi tới hạn.
- Sự đồng nhất của austenit: Austenớt càng đồng nhất thỡ càng dễ biến thành mỏctenxit vỡ cựng là dung dịch rắn, nờn làm giảm tốc độ tụi tới hạn. Nếu austenit càng khụng đồng nhất thỡ tại vựng giàu cỏc bon dễ tạo ra xờment it hay cỏcbit, những vựng nghốo cỏc bon dễ biến thành pherit. Để nõng cao tớnh đồng nhất của austenit ta nõng cao nhiệt độ nung để giỳp cho sự hũa tan và làm đồng