Chương 4: Nhiệt luyện thép.

Khái niệm về nhiệt luyện thép Nhiệt luyện : công nghệ nung nóng KL, HK đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức → biển đổi tính chất theo

Trang 1

Chương 4 Nhiệt luyện thép

1

cuu duong than cong com

Trang 2

Chương 4: Nhiệt luyện thép

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép

4.2 Các chuyển biến khi nung nóng & làm nguội thép

4.2.1 Chuyển biến khi nung nóng – Sự tạo thành Austenit

4.2.2 Chuyển biến khi giữ nhiệt

4.2.3 Chuyển biến khi làm nguội chậm

4.2.4 Chuyển biến khi làm nguội nhanh (tôi) – Chuyển biến Mactenxit

4.2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép sau tôi (ram)

4.3 Các công nghệ nhiệt luyện

Trang 3

Nội dung

4.2 Các chuyển biến khi nung nóng & làm nguội thép 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện

Trang 4

Nhiệt luyện : công nghệ nung nóng KL, HK đến nhiệt độ xác định,

giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức →

biển đổi tính chất theo yêu cầu

- Tổ chức tế vi (cấu tạo pha, kích

thước hạt, chiều sâu lớp hoá

bền…);

- Độ cứng → độ bền, dẻo, dai;

- Độ cong, vênh, biến dạng

Các chỉ tiêu đánh giá kết quả:

- Chi tiết vẫn ở trạng thái rắn;

- Hình dạng, kích thước chi tiết

thay đổi không đáng kể (trừ cơ

nhiệt luyện);

4

Trang 5

Phân loại nhiệt luyện thép:

Nhiệt luyện: chỉ dùng tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và tính chất, gồm các phương pháp (ủ, thường hóa, tôi (tôi thể tích, tôi

bề mặt), ram);

Hoá - Nhiệt luyện: Kết hợp thấm các nguyên tố làm thay đổi thành phần hóa học ở bề mặt & nhiệt luyện → biến đổi tính chất mạnh hơn (Thấm C, N, C-N, Al, B,…);

Cơ - Nhiệt luyện: Kết hợp biến dạng dẻo ở trạng thái γ và nhiệt luyện tạo tổ chức nhỏ mịn, cơ tính tổng hợp cao nhất.

Trang 6

Ý nghĩa của Nhiệt luyện trong sản xuất cơ khí

- Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép:

phát huy triệt để tiềm năng cơ tính của vật liệu → Tăng tuổi thọ, giảm kích thước, khối lượng kết cấu, tăng sức chịu tải của máy

- Cải thiện tính công nghệ: nhiệt luyện sơ bộ tạo cơ tính phù hợp với điều kiện gia công

Trang 7

Nội dung

4.2.1 Chuyển biến khi nung nóng – Sự tạo thành Austenit

4.2.2 Chuyển biến khi giữ nhiệt

4.2.3 Chuyển biến khi làm nguội chậm

4.2.4 Chuyển biến khi làm nguội nhanh (tôi) – Chuyển biến Mactenxit 4.2.5 Chuyển biến khi nung nóng thép sau tôi (ram)

Trang 8

4.2.1 Chuyển biến khi nung nóng - sự tạo thành Austenit

• T < Ac1 : không có chuyển biến;

Thép SCT:

( + XeII)  hoàn toàn

Nung qua Ac 1

qua Ac 3

P   :Là chuyển biến quan trọng trong nhiệt luyện thép

8

Trang 9

Cơ chế của chuyển biến P  Austenit:

As

Xe P

α P

Chuyển biến P  Austenit làm nhỏ hạt thép

Tạo mầm và Phát triển mầm như trong quá trình kết tinh

Trang 10

↑Vnung → ↑T chuyển biến;

↑Tnung → ↓ τ chuyển biến;

Tnung > Ac1 (20-300C)

Nhiệt độ chuyển biến: phụ thuộc vào tốc độ nung

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P   khi nung

10

Đặc điểm chuyển biến P   :

Nhiệt độ chuyển biến Kích thước hạt Austenit

Trang 12

- Làm đồng đều nhiệt độ

trên toàn tiết diện;

- Để chuyển biến xảy ra

hoàn toàn;

- Làm đồng đều thành

phần hoá học của

Austenit

4.2.2 Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt

Thời gian giữ nhiệt

không nên quá dài, vì

Trang 13

Xoocbit d ~ 0,4μm

25-35HRC Trôxtit

d ~ 0,1μm 40-45HRC Bainit

d < 0,1μm 50-55HRC

Austenit quá nguội

Trang 14

- Sử dụng giản đồ nguội đẳng nhiệt Ξ Giản đồ chữ “C”

- Chuyển biến không xảy ra tức thời, vì cần sự khuếch tán của

C trong quá trình chuyển biến

- Nhiệt độ nguội đẳng nhiệt càng thấp Ξ Độ quá nguội càng lớn

→ số lượng mầm tăng → kích thước hạt (kích thước của Xe) càng nhỏ mịn, độ cứng càng cao;

- Về bản chất, Peclit (tấm), xoocbit, trôxtit và bainit giống nhau

Ξ hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xê; khác về kích thước

- Nguội đẳng nhiệt nhận được tổ chức đồng đều trên toàn tiết diện

14

Đặc điểm của Nguội đẳng nhiệt:

Trang 15

- Đối với thép hợp kim, đường

cong chữ C dịch sang phải →

và các vectơ biểu thị tốc độ nguội

4.2.3 Các chuyển biến xảy ra khi nguội Austenit

Trang 16

- Xuất hiện thêm nhánh phụ, đường

chữ C có xu hướng dịch sang trái Ξ

độ ổn định của γ giảm

- Nguội đẳng nhiệt với ∆T nhỏ (1)

hoặc nguội chậm liên tục (2): sẽ tiết

ra α/XeII trước (khi gặp nhánh phụ)

 sau đó tiết ra P(αP+ Xe)

- Nguội đẳng nhiệt với ∆T đủ lớn

hoặc nguội liên tục đủ nhanh (3):

vectơ nguội không gặp nhánh phụ,

γ [α+ Xe] ở dạng xoocbit, trôxtit

và bainit với %C ≠ 0,8 (giả cùng

Trang 18

Đặc điểm của chuyển biến Mactenxit

- Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục γ với tốc độ > Vth Ξ Tôi

- Chuyển biến không khuyếch tán (C: nguyên vị trí, CB thù hình: A1→A2)

- Xảy ra liên tục với tốc độ lớn ~1000m/s; M dạng hình kim

- Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ bắt đầu (Ms) và kết thúc (Mf) (Ms và Mf không phụ thuộc Vng, mà phụ thuộc %C và % NTHK)

- Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn, luôn tồn tại γdư (γ chưa CB):

- Hiệu ứng tăng thể tích: VM > Vγ → Lượng γdư ↑ khi %C ↑

- Nhiệt độ Mf (Mf < 200C) → Lượng γdư ↑ khi Mf càng thấp

- Sau chuyển biến, tồn tại ứng suất dư : ƯS nhiệt + ƯS tổ chức

Trang 19

cứng và giòn Tại sao lại cứng và giòn?

↓ tính giòn của M???

19

Trang 20

4.2.5.Chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép đã tôi (khi ram)

Tính không ổn định của Mactenxit và Austenit dư:

M, γ dư (F – Xe) Xe dạng hạt ổn định ở nhiệt độ thường

M ram

 t < 800C: chưa xảy ra chuyển biến

 800C < t < 2000C: tiết ra cacbit  (Fe2,0-2,4C)

từ Maxtenxit tôi, dư chưa chuyển biến;

20

Trang 21

 Tổ chức M ram: độ cứng < độ cứng M tôi, ít giòn hơn

4.2.5.Chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép đã tôi (khi ram)

Giai đoạn III (260-4000C):

- Mram chuyển biến thành hỗn hợp F+Xe:

Trang 22

Giai đoạn IV (>4000C):

- Nung ở 500-6000C → tổ chức

xoocbit ram có σch và ak max

Kết luận :

- Ram Ξ Mactenxit tôi bị phân hủy →

giảm độ cứng, giảm ứng suất dư

Trang 23

Nung nóng Nung nóng

Nung nóng

Trang 24

Nội dung

Trang 25

4.3.1 Ủ thép

Định nghĩa: Nung nóng, giữ nhiệt để đồng đều hóa và các chuyển

biến xảy ra hoàn toàn và nguôi chậm cùng lò

 nhận tổ chức cân bằng ổn định có độ cứng thấp & độ dẻo cao

Mục đích:

- Giảm độ cứng để dễ gia công cắt;

- Tăng độ dẻo để dễ gia công biến dạng;

- Giảm hay làm mất ứng suất dư

- Làm đồng đều thành phần hoá học;

- Làm nhỏ hạt

Phân loại: Theo Tủ

T< Ac1: Ủ không có chuyển biến pha

T> Ac1: Ủ có chuyển biến pha

25

Trang 26

Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha:

- Ủ thấp (200-6000C):  làm giảm hoặc khử bỏ ứng suất bên

trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ), độ cứng không giảm;

- Ủ kết tinh lại (Tủ > Tktl)  khôi phục tính chất cho vật liệu sau biến dạng dẻo

Trang 27

Các phương pháp ủ có chuyển biến pha:

Áp dụng cho thép trước cùng tích Áp dụng cho thép cùng tích, sau cùng tích

Tủ = Ac1 + (20-300C)

Tủ = Ac3 + (20-300C)Mục đích:

- Làm nhỏ hạt: vì P → γ xảy ra hoàn toàn

Trang 28

Biến đổi tổ chức khi ủ hoàn toàn thép 0,5%C

Trang 29

- Ủ cầu hoá: dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn → xúc tiến

nhanh quá trình cầu hóa Xe, tạo P hạt.

- Ủ đẳng nhiệt: thép HK cao dù nguội chậm vẫn không nhận được

Tnguội đn = Ar1 - 500C;

Trang 30

4.3.2 Thường hoá thép:

Định nghĩa: Nung đến trạng thái γ hoàn toàn, giữ nhiệt, nguội ngoài

không khí tĩnh  tổ chức gần ổn định, độ cứng tương đối thấp nhưng

cao hơn ủ

- Thép TCT: Tth = Ac3 + (30-500C)

- Thép SCT: Tth = Acm + (30-500C)

Mục đích của thường hoá:

- Tạo độ cứng cho gia công cắt (%C<0,25%);

- Làm nhỏ hạt trước khi nhiệt luyện kết thúc;

Thường hóa

- Phá vỡ lưới XeII ở thép sau cùng tích

Tổ chức: Thép TCT: α + Xoocbit Thép SCT: Xe + Xoocbit

Thép 0,5%C (sau rèn)

30

Trang 31

4.3.3 Tôi thép

Định nghĩa: Nung nóng trên Ac1 đạt tổ chức γ, giữ nhiệt, làm nguội

nhanh với Vng > Vth→ nhận tổ chức M, hay tổ chức không cân bằng khác với độ cứng cao

- Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn (%C≥0,4);

- Nâng cao độ bền và sức chịu tải

-Thép hợp kim:

- %HK thấp : theo thép C (Ttôi cao hơn 1,1-1,2 lần)

- %HK cao : sách tra cứu

Trang 32

32

Cơ tính thép sau tôi: cứng + giòn

HRC = f(%C) Ứng suất dư: Ưs nhiệt + ưs tổ chức

Tổ chức: Tùy thuộc vào Vng

Trang 33

A V

Trang 35

↑ độ thấm tôi, δ [mm]?

Tăng V ng

Giảm V th

Dễ làm chi tiết bị cong vênh, thậm chí nứt vỡ khi tôi

do ứng suất nhiệt + ứng suất tổ chức

 Là giải pháp công nghệ an toàn hơn

 Làm dịch đường cong chữ C sang phải = làm tăng sự ổn định của Austenit

NTHK: Cr, Ni, Mn…: khi hòa tan vào As → ổn định As

Môi trường tôi là nước

Trang 36

Đánh giá độ thấm tôi:

HRC

δ

36

Phương pháp tôi đầu mút

Trang 37

Yêu cầu với môi trường tôi:

chức M

- Chi tiết không bị cong vênh

- Kinh tế và an toàn

Đường cong nguội lý tưởng:

- Nguội nhanh qua vùng

Trang 38

Đặc điểm một số môi trường tôi thông dụng

Môi trường tôi Tốc độ nguội 0 C/s trong khoảng nhiệt độ

Trang 39

Dễ cơ khí hóa, tự động hóa

Trang 40

- Giai đoạn I: nguội nhanh

trong môi trường tôi mạnh

hơn (nước, dung dịch

muối…) đến 300-400 0C;

Làm nguội nhanh trong hai

môi trường khác nhau

- Giai đoạn II: nguội chậm

trong môi trường yếu hơn

(dầu, không khí…)

Nhược điểm: khó xác định

thời điểm chuyển tiếp

40

Tôi trong hai môi trường

Trang 41

41

Tôi phân cấp

Áp dụng cho thép có thành phần

nguyên tố HK cao

Nhúng vào môi trường lỏng có nhiệt

độ > Ms (50-100oC) , giữ nhiệt trong

thời gian ngắn, sau đó nguội ngoài

Bainit

Trang 42

(xem lại mục: nung nóng thép sau tôi)

Trang 43

- Tổ chức: Mtôi + γdư → Mram;

- Độ cứng giảm (1-2 HRC) so với M tôi (thép HK cao: γdư

nhiều → M ram → ↑ độ cứng );

- Ứng suất được khử gần như hoàn toàn

- Ứng dụng cho các chi tiết cần độ cứng, tính chống mài mòn cao: dụng cụ cắt: Dao phay, tiện, bào; khuôn dập nguội; trục

Trang 44

Tổ chức: Mram → Trôxtit ram

- Độ cứng giảm (↓ 5-10HRC), σđh Max

- Khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong;

- Ứng dụng cho các chi tiết làm việc cần độ cứng tương đối cao và tính độ đàn hồi cao: Nhíp; Lò xo; khuôn rèn nóng…

Trang 45

- Áp dụng cho thép 0,3-0,5%

Dạng nhiệt luyện

Chỉ tiêu cơ tính

b , MPa

0,2 , Mpa , % , % a K , kJ/m 2

Thép 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau

- Tổ chức sau ram: xoocbit ram

- Cơ tính tổng hợp cao nhất = đạt ak max

- Tôi + ram cao = nhiệt luyện hóa tốt

- Ứng dụng cho các chi tiết máy cần giới

hạn bền, giới hạn chảy và độ dai va đập

cao

Trang 46

Nội dung

Trang 47

4.4 Hoá bền bề mặt

Ví dụ: ĐK làm việc của bánh răng

Lõi: Cần Cơ tính tổng hợp cao = ak

cần max, HRC ~25-35

- Chịu xoắn, chịu va đập mạnh

- Các BR ăn khớp: chịu mài mòn

bề mặt

→ Yêu cầu cơ tính:

Bề mặt: Cần độ cứng cao để tăng

khả năng chịu mài mòn

→ Những chi tiết yêu cầu cơ tính

tương tự sẽ cần được xử lý hóa bền

bề mặt

Hóa bền bề mặt: Biến đổi tổ chức của lớp

bề mặt theo hướng hóa bền (cứng) bằng

cách tôi bề mặt hoặc hóa nhiệt luyện

47

Trang 48

4.4.1 Tôi bề mặt – Tôi cảm ứng

Nguyên lý: chi tiết đặt trong từ trường biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng trên bm chi tiết → nung nóng nhanh bm chi tiết đến nhiệt độ tôi

Đặc điểm: Mật độ dòng điện

xoáy (Fuco) chủ yếu tập trung ở

bề mặt với chiếu sâu 

cm

f ,

.

5030









Tôi bề mặt: dùng nguồn nhiệt nung

nóng rất nhanh bề mặt chi tiết → tôi

f=66-250kHz ( = 1-2mm) 48

Trang 50

50

T tôi (cảm ứng) = T tôi (thể tích) + 100-150 o C

HRC (tôi cảm ứng) = HRC (tôi thể tích) + 3-5 HRC

Đặc điểm của thép tôi cảm ứng

Thép tôi cảm ứng: %C = 0,35 – 0,55

Thép C hoặc thép có thành phần NTHK thấp (độ thấm tôi thấp)

Trước khi tôi bề mặt: Nhiệt luyện hóa tốt

Vật liệu bằng đồng, rỗng

Hình dạng phù hợp với biên dạng ngoài của chi tiết

Khoảng cách với chi tiết: 1,5 – 5 mm (giảm tổn hao)

Trang 51

Tổ chức và cơ tính của thép sau tôi bề mặt

- Lõi: tổ chức xoocbit ram (nhiệt luyện hóa tốt);

- Bề mặt: Mactenxit hình kim nhỏ mịn (tôi+ram thấp);

Trang 52

4.4.2 Hóa nhiệt luyện

Đ/n: Làm bão hoà nguyên tố hoá học

(C,N,…) vào bề mặt thép nhờ khuyếch

tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường

bên ngoài ở nhiệt độ cao

- Nâng cao độ cứng, tính chống mài

mòn và độ bền mỏi cho chi tiết;

- Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật

Trang 53

Trang 54

Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) sau đó tôi và ram thấp

Mục đích:

Độ cứng HRC

- Bề mặt có độ cứng cao (HRC ~ 60-64) chống mài mòn, chịu mỏi tốt;

- Lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 30-40);

54

a Thấm Cacbon

Phân loại: - Thấm thể khí

- Thấm thể rắn -Thấm thể lỏng

Trang 55

độ dai

Trang 56

Tthấm > Ac3 để đảm bảo hoà tan được

nhiều C vào trong thép (900-9500C):

- Thép bản chất hạt nhỏ: 930-9500C

- Thép bản chất hạt lớn: 900-9200C

Chiều dày lớp thấm x = (0,10-0,15)d

= (0,5 -1,8mm) Tốc độ thấm (công nghệ & nhiệt độ)

Trang 57

Dễ cơ khí hóa-tự động hóa

Áp dụng cho sản xuất hàng loạt

Thể lỏng: (muối nóng chảy) ít dùng

Thể rắn: 80-95% than gỗ + Na2CO3/BaCO3 (xúc tác) Phản ứng:

2C + O2 → 2CO ( khi thiếu Oxy) 2CO → CO2 + Cngtử

Tác dụng của xúc tác:

BaCO3 → BaO + CO2 CO2 + Cthan → 2CO 2CO → CO2+Cngtu

Ưu điểm:

Thiết bị đơn giản; Chất thấm dễ tìm

Thao tác dễ dàng, thích hợp cho mọi cơ

sở sản xuất

Áp dụng cho sản xuất đơn lẻ

Nhược điểm:

Thời gian dài, bụi, khó cơ khí-tự động hóa

Chất lượng không cao (hạt lớn, lớp thấm không đồng đều; Khó điều chỉnh nồng độ C, thường đạt tới giới hạn bão hòa 1,2-1,3% →

XeII → giòn)

Trang 58

Nhiệt luyện sau thấm:

Tôi + ram thấp: bắt buộc

Tôi trực tiếp: Nhiệt độ tôi chọn theo ưu tiên

cho bề mặt hay lõi

Lần 2

Ram

Trang 59

Ưu điểm của thấm C so với tôi cảm ứng

- Thấm cacbon cho cơ tính và công dụng như tôi bề mặt song ở mức độ cao hơn → bảo đảm tính chống mài mòn & chịu tải tốt hơn

- Cũng tạo nên lớp ứng suất nén dư, làm tăng giới hạn mỏi

- Áp dụng cho chi tiết làm việc trong điều kiện nặng hơn

- Áp dụng cho chi tiết hình dạng phức tạp, vẫn cho lớp thấm đều

59

Trang 60

Bão hoà N lên bề mặt thép → nâng cao độ cứng (65-70HRC)

và tính chống mài mòn, chịu mỏi cho chi tiết

Chất thấm và các quá trình xảy ra: thường sử dụng khí NH3

Trang 61

Đặc điểm:

Công dụng: chi tiết cần độ cứng và tính

chịu mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ cao

- Thời gian thấm lâu;

- Chỉ đạt được lớp thấm mỏng (0,05-0,5mm);

- Sau thấm không tôi mà nguội chậm đến 2000C;

- Lớp thấm giữ được độ cứng cao đến 500 0C;

- Thép chuyên dùng thấm N (Cr,Mo, Al)

61

b Thấm N

Trang 62

Nội dung

Định dạng
Số trang	64
Dung lượng	3,57 MB