NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ CỨNG VÀ TÔICỦA KIM LOẠI Tóm tắt: Làm cứng và tôi luyện thép kỹ thuật được thực hiện để cung cấp các thành phần có các đặc tính cơ học phù hợp với dịch vụ dự kiến của chú
Trang 1NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ CỨNG VÀ TÔI
CỦA KIM LOẠI Tóm tắt: Làm cứng và tôi luyện thép kỹ thuật được thực hiện
để cung cấp các thành phần có các đặc tính cơ học phù hợp với dịch
vụ dự kiến của chúng Thép được nung nóng đến nhiệt độ cứng thích hợp của chúng {thường từ 800-900 ° C), giữ ở nhiệt độ, sau đó được
"làm nguội" (làm nguội nhanh), thường là trong dầu hoặc nước Tiếp theo là ủ (ngâm ở nhiệt độ thấp hơn) để phát triển các đặc tính cơ học cuối cùng và làm giảm ứng suất Các điều kiện thực tế được sử dụng cho cả ba bước được xác định bởi thành phần thép, kích thước thành phần và các đặc tính cần thiết
Làm cứng và tôi luyện có thể được thực hiện trong lò "hở" (trong không khí hoặc sản phẩm cháy), hoặc trong môi trường bảo vệ (khí quyển, muối nóng chảy hoặc chân không) nếu bề mặt không bị đóng cặn và khử bụi (mất carbon) (" làm cứng trung tính ", còn được gọi là" làm cứng sạch ")
Thực hiện 1 số thí nghiệm để làm rõ về vấn đề trên
Từ khóa : tôi thép và ủ thép
I) ĐỘ CỨNG
-Độ cứng: Là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu
dưới tác dụng của tải trọng thông qua mũi đâm
Vật liệu có độ cứng càng cao thì khả năng chống biến dạng càng tốt
và độ bền nén, phá hủy do nén cũng tốt hơn
Trang 2Có 2 loại mũi đâm phổ biến hiện nay: hình cầu ( có đường kính
2.5 ; 5 và 10 mm) và mũi đâm bằng kim cương( có góc tiêu chuẩn là
120 °
Có 3 phương pháp đo độ cứng phổ biến nhất Brinell( được sử
dụng trong 1 số công ty), Vickers( được sử dụng trong phòng thí nghiệm), Rockwell( thường dùng trong thực tế): về cơ bản nguyên lý giống nhau, mũi đâm khác nhau, tải trọng đặt vào khác nhau, thang
đo khác nhau, đơn vị khác nhau
1) phương pháp Brinell ( HB)
-Sử dụng mũi đâm là bi thép có các đường kính phổ biến là 2.5, 5,
10 mm
-Tải trọng tương ứng là P = 1875; 7500; 30000 (N); P có thể đo bằng kilogram lực (KG)
-Nguyên lý đo: Ấn viên bi bằng thép đã tôi cứng lên bề mặt mẫu, dưới tác dụng của tải trọng tương ứng với đường kính bi đã định trước Trên mặt mẫu sẽ có vết lõm hình chỏm cầu Số đo Brinell được tính bằng công thức sau:
HB = P
S × 0,1 (KG/mm ) [P : N] = 2 P × 0.1
P ×0.1 πD
2 (D−√D2
−d2
)
( Đơn vị: kg/ mm2 hoặc N/ mm2 )
Thép với gang thường có P=3000kg, D= 10mm
Giải thích:
P (N) là tải trọng tác dụng
S (mm2) là diện tích vết lõm
D (mm) là đường kính viên bi( mũi đâm bi thép)
Trang 3d (mm) là đường kính của vết lõm
h(mm) là chiều sâu vết lõm
-Điều kiện đo:
Chỉ đo được những vật liệu mềm, kim loại màu( đồng, nhôm, niken ), hợp kim màu, thép sau khi ủ, các loại gang graphite Không đo được những vật liệu mỏng ( δ < 10h)
Chiều dày mẫu thí nghiệm không nhỏ hơn 10 lần chiều sâu của vết lõm
Bề mặt mẫu thử phải sạch, phẳng, không có khuyết tật
Chiều rộng, dài của mẫu và khoảng cách giữa 2 vết đo phải lớn hơn 2D
Thời gian tác động cũng ảnh hưởng đến kết quả đo Thông thường thời gian này có thể tra theo bảng 4.1
Bảng điều kiện sử dụng thang đo độ cứng Brinell
-Máy đo độ cứng Brinell
Trang 42) Phương pháp Rockwell ( HRA, HRB, HRC)
-Sử dụng mũi đâm bi thép, kim cương (hoặc hợp kim cứng) hình côn, có góc đỉnh là 120 , hoặc bi thép, có đường kính d = 0 1
16' '
= 1,588 mm
-Nguyên lý đo: Mũi đâm đi xuống 0,002mm thì độ cứng giảm 1 đơn vị Khoảng cách giữ 2 vết lõm hoặc giữa vết lõm với cạnh mẫu không nhỏ hơn 1,5mm khi dùng mũi kim cương, 4mm khi dùng mũi
bi thép Mỗi mẫu đo 3 lần rồi lấy trung bình cộng
Trang 5Số đo độ cứng Rockwell được xác định: HR = K −¿ 0.002
Trong đó : K là hằng số ứng với từng mũi đâm
h là chiều sâu vết lõm (mm)
0,002mm là giá trị 1 vạch của đồng hồ so
Bảng giới hạn đo của các thang Rockwell
- Máy đo độ cứng Rockwell
Trang 63) Phương pháp đo độ cứng Vicker.
-Sử dụng mũi kim cương hình tháp, có góc giữa hai mặt bên là
136 ° Tải trọng sử dụng P = (50 ÷ 1500)N, phụ thuộc chiều dày mẫu đo
-Nguyên lý đo: Ấn mũi kim cương lên bề mặt mẫu, dưới tác dụng của tải trọng tương ứng với đường kính đã định trước Trên mặt mẫu sẽ có vết lõm hình chỏm tháp Số đo Vicker được tính bằng công thức :
HV= P
S = 2 P sin
α
2
d2
= 1.854 P
d2 ; α = 136°
Trong đó: P là tải trọng (N hay KG)
S là diện tích bề mặt vết lõm (mm2)
d là chiều rộng lớn nhất của phần lõm (mm)
Trang 7 Ưu điểm các phương pháp đo độ cứng:
-Độ cứng là sự chống lại biến dạng dẻo cục bộ còn độ bền là sự chống lại biến dạng dẻo toàn bộ Nên có thể thông qua tính độ cứng
để suy ra độ bền của kim loại
-Đo độ cứng tương đối đơn giản, tốn ít thời gian (trên dưới 1 phút/1 mũi đo)
-Có thể đo được các chi tiết dày hoặc mỏng
-Biết được khả năng làm việc của chi tiết
Trang 8 Độ cứng thông dụng của các chi tiết như sau:
-Độ cứng phù hợp nhất cho cắt gọt: (160 ÷ 180) HB
-Các chi tiết lò xo, khuôn dập nóng: (40 ÷ 45) HRC
-Các bánh răng chịu tải trọng nhỏ, vận tốc chậm (các loại máy công cụ): (52÷58) HRC
-Mọi bánh răng chịu tải trọng lớn, vận tốc cao; mọi dụng cụ cắt gọt; các khuôn dập nguội; các ổ lăn; các đĩa ma sát, và những chi tiết khác bị mài mòn tương tự… độ cứng lớn hơn (60 ÷ 62) HRC
II) TÔI THÉP
Tôi thép là một phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng chi tiết
hoặc thép đến trạng thái γ, giữ nhiệt thời gian τ và làm nguội nhanh
vnguội ≥ vtới hạn
Hình 4.8 - Sơ đồ công nghệ của một quá trình nhiệt luyện
+ Tốc độ nguội tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất mà chi tiết chuyển
biến hoàn toàn thành Maxtensit (Mt)
+ Thép khác nhau có tốc độ nguội tới hạn khác nhau
+ Vnguội: Tốc độ nguội của môi trường nguội
Trang 9
Thép C45 (đã ủ) Thép
C45 (sau khi tôi)
1) Chọn nhiệt độ tôi
Nhiệt độ tôi ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của thép sau khi tôi
Để tôi thép cacbon, có thể dựa vào giản đồ trạng thái sắt - cacbon
và %C để chọn nhiệt độ tôi
Trang 10Hình 4.10 - Lò nhiệt luyện
Đối với thép trước cùng tích và thép cùng tích (%C ≤ 0,8%)
Chọn nhiệt độ tôi cao hơn A , nghĩa là nung nóng thép đến trạngC3
thái hoàn toàn Austenite Phương pháp này gọi là tôi hoàn toàn
t0
tôi = A + (30 ÷ 50) CC3 0
Trong khoảng 0,1 ÷ 0,8%C điểm A của thép giảm xuống C3
Nung nóng chậm A = A C3 3
Đối với thép sau cùng tích (0,8% < %C ≤ 2,14%)
Nhiệt độ tôi cao hơn A , nhưng thấp hơn A , nghĩa là nung lênC1 ccm
trạng thái không hoàn toàn austenite Tổ chức nung để tôi là γ +
CeII Đây là phương pháp tôi không hoàn toàn
t0
tôi = A + (30 ÷ 50) CC1 0
Thép sau cùng tích nhiệt độ tôi giống nhau Nung nóng chậm AC1
= A , khoảng (760÷780) C, không phụ thuộc vào thành phần1 0
cacbon
Có thể xác định A và A bằng cách dựa vào giản đồ C3 C1
trạng thái Fe-C hoặc tra sổ tay nhiệt luyện.
Trang 112) Thời gian giữ nhiệt τ: Phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
Khoảng nhiệt độ nung
Môi trường nung
Kích thước chi tiết
Hình dạng chi tiết
Cách sắp xếp các chi tiết
Kinh nghiệm: tính theo chiều dày nhỏ nhất ở tiết diện lớn nhất, hoặc tra theo bảng sau:
Bảng 4.4 Bảng thời gian nung của các mẫu
Hình
dạng
chi
tiết
Nhiệt độ
nung
Thời gian nung (phút)
Cho 1 mm đường kính
Cho 1 mm chiều dày
Trang 12800 1,0 1,5 2
3) Chọn môi trường nguội:
Môi trường nguội cần có khả năng làm nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn để thép đạt độ cứng tốt Nếu tốc độ nguội nhỏ hơn tốc độ nguội tới hạn thì độ cứng sẽ bị suy giảm
Một số môi trường nguội thường dùng: nước nóng (40 ÷ 60)0C, nước thường (25 ÷ 30) C, nước lạnh (5 ÷ 15) C, dung dịch NaOH0 0
hoặc NaCl, dầu nhớt, không khí, muối nóng chảy, emusi: dầu + nước
Thông thường đối với thép cacbon chọn môi trường nguội là nước; đối với thép hợp kim môi trường nguội là dầu nhớt
Chọn vận tốc nguội: Vnguội = Vtới hạn + (30 ÷ 50) C0
4) Quy trình tôi thép
III) THÍ NGHIỆM
1 Nhận mẫu sau khi ủ (C45 và 1 mẫu thép hợp kim)
2 Đóng số.
A: Số thứ tự nhóm B: Số thứ tự mẫu
3 Đo độ cứng HB và HRB của các mẫu trên
Đo HB 1 mẫu C45
Báo cáo Mài
mẫẫu Đo HRB Nung Mài mẫẫu Đo HRC
AB
Trang 13 Các mẫu còn lại đo HRB
Lưu ý: Đo 3 lần trên 1 mẫu rồi tính trung bình.
Mẫu
Trung bình (sau ủ)
(sau tôi)
1 100Cr
12
116HRB
60 HRC
4 Tôi mẫu thép
Mẫu
số
Loại
thép
Nhiệt
độ tôi ( C) 0
Thời gian giữ nhiệt
Môi trường làm nguội
Tốc độ làm nguội ( o C/s)
1 100
Cr12 780
1 Phút 1/
mm
Dầu nhớt 150
Đồ thị
Trang 14Nhận xét tốc độ nguội và độ cứng:
Cùng 1 nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt như nhau nhưng ở các môi trường làm nguội khác nhau ta thấy độ cứng của mẫu thép C45 đo được cũng rất khác nhau rất rõ ràng thể hiện qua biểu đồ mối quan hệ giữa độ cứng của và tốc độ nguội của chi tiết
Độ cứng của mẫu làm nguội trong môi trường nước là cao nhất rồi lần lượt đến không khí và cuối cùng là dầu nhớt
Từ biểu đồ trên ta có thể khẳng định được môi trường tôi của thép C45 trong ngành công nghiệp đối với các chi tiết cồng kềnh, đơn giản ta nên chọn môi trường tôi là môi trường nước Vì đây là môi trường rất dễ sử dụng, không đòi hỏi nhân công cần có tay nghề cao, hơn nữa lại không gây ra độc hại đối với sức khỏe của người lao
Trang 15động, giá thành sản phẩm sau gia công rẻ Đây là yếu tố đặc biệt khi chọn môi trường làm nguôi đối với mỗi một chi tiết
Kết luận
Cùng một nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt như nhau nhưng ở các môi trường làm nguội khác nhau ta thấy độ cứng của mẫu thép C45
đo được cũng khác nhau rất rõ ràng thể hiện qua đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ cứng và tốc độ nguội
Từ đồ thị trên có thể khẳng định được môi trường tôi của thép C45 trong ngành công nghiệp đối với các chi tiết cồng kềnh, đơn giản ta
Trang 16nên chọn môi trường tôi là môi trường nước Vì đây là môi trường rất
dễ sử dụng, không đòi hỏi nhân công cần có tay nghề cao, hơn nữa lại không gây ra độc hại đối với sức khỏe của người lao động, giá thành sản phẩm sau gia công rẻ Đây là yếu tố đặc biệt khi chọn môi trường làm nguội đối với mỗi một chi tiết
Tài liệu tham khảo :
https://www.wallworkht.co.uk/content/harden_and_temper/
https://drive.google.com/drive/folders/1yHTAZDyNdRCuJ3ksjg3psEZI pH73dQC?usp=sharing