NHIỆT LUYỆN – hóa NHIỆT LUYỆN 78 (Cơ học ứng dụng)

CHƯƠNG 4. NHIỆT LUYỆN – HÓA NHIỆT LUYỆN 105 4.1. Nhiệt luyện thép 106 4.2. Nhiệt luyện gang 152 4.3. Hóa bền bề mặt thép 154 CHƯƠNG 4 NHIỆT LUYỆN – HÓA NHIỆT LUYỆN 105 4 1 Nhiệt luyện thép 106 4 2 Nhiệt luyện gang 152 4 3 Hóa bền bề mặt thép 154 CHƯƠNG 4 NHIỆT LUYỆN – HÓA NHIỆT LUYỆN Nhiệt luyện thép chiếm địa vị chủ yếu tr.

CHƯƠNG 4 NHIỆT LUYỆN – HÓA NHIỆT LUYỆN

4.1 Nhiệt luyện thép

4.2 Nhiệt luyện gang

4.3 Hóa bền bề mặt thép

CHƯƠNG 4 NHIỆT LUYỆN – HÓA NHIỆT LUYỆN

Nhiệt luyện thép chiếm địa vị chủ yếu trong nhiệt luyện nói chung và là một khâu quan trọng, không thể thiếu được trong chế tạo cơ khí, sở dĩ như vậy

vì thép là vật liệu thông dụng nhất được sử dụng chủ yếu và quan trọng nhất trong số các kim loại đồng thời có thể áp dụng nhiều phương pháp nhiệt luyện khác nhau để cải biến cơ tính và tính công nghệ của nó khi nung nóng và làm nguội tiếp theo, đó chính là quá trình nhiệt luyện và cũng được nhiệt luyện nhiều nhất.

* Tác dụng của nhiệt luyện là ở 2 điểm sau:

- Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang),

sẽ kéo dài tuổi thọ, tăng sức chịu tải, giảm kích thước cho chi tiết và kết cấu máy mà vẫn bảo đảm yêu cầu về độ dẻo và độ dai Do vậy có thể làm cho chi tiết chịu được tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng được bền, lâu hỏng hơn.

Trong thực tế sản xuất cơ khí thấy rõ tác dụng này Nhiều loại thép sau khi nhiệt luyện bằng cách tôi + ram độ bền, độ cứng tăng lên 2 - 3 lần (tuy độ dẻo dai có giảm) rất có lợi trong việc hoá bền các chi tiết này, các chi tiết máy chịu ma sát như bánh răng, trục Nếu không hoá bền bằng nhiệt luyện rất chóng mòn, hỏng (thời hạn làm việc giảm đi từ hàng chục đến hàng trăm lần) Đối với dao cắt, khuôn rập tác dụng này của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định Các sản phẩm này nếu không qua tôi và ram thì không thể làm việc được Một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng các sản phẩm cơ khí là trình độ của nhiệt luyện.

- Cải thiện tính công nghệ

Ngoài tác dụng hoá bền kể trên, nhiệt luyện còn có khả năng cải thiện tính công nghệ Khi thành hình sản phẩm không thể không chú ý đến tính thích ứng của thép đối với các phương pháp gia công khác nhau: đúc, rèn hàn, cắt, gọt Cải thiện các tính công nghệ đó làm quá trình gia công chế tạo được thuận lợi và có thể tiến hành với năng suất cao hơn, góp phần nâng cao suất lao động Trong chế tạo cơ khí thường gặp hiện tượng sau khi rèn, thép bị biến cứng một phần rất khó (có trường hợp không thể cắt gọt, trong trường hợp này phải tiến hành nhiệt luyện bằng phương pháp thích hợp (ủ) độ cứng giảm đi, cắt gọt trở nên dễ dàng Đối với thép cacbon thấp, độ cứng của nó ở trạng thái ủ quá thấp cũng khó cắt gọt phải tiến hành thường hoá tăng thêm độ cứng để đảm bảo cắt gọt

dễ Áp dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp giữa các khâu gia công cơ khí là một trong những biện pháp nâng cao năng suất lao động trong ngành cơ khí (nhờ nâng cao tốc độ cắt gọt, khả năng rập sâu )

1

Do đó tác dụng quan trọng như vậy nên hầu hết các chi tiết quan trọng các máy đều được qua nhiệt luyện Ví dụ chi tiết qua nhiệt luyện trong ô tô - máy kéo chiếm (70 - 80)% trong máy công cụ (60 - 70)%, tất cả các dụng cụ đều phải nhiệt luyện.

= Tốc độ nguội τ

Hình 4.1 Đồ thị công nghệ tổng quát của nhiệt luyện

Đặc điểm của nhiệt luyện :

- Nhiệt luyện là phương pháp gia công không làm thay đổi hình dáng,kích thước của sản phẩm mà chỉ thay đổi tổ chức của kim loại dẫn đến thayđổi cơ tính của sản phẩm

- Mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ và cơ tính của sản phẩm làmối quan hệ nhân quả

- Không nung nóng đến chảy lỏng hay chảy lỏng bộ phận, trong quátrình nhiệt luyện kim loại vẫn ở trạng thái rắn

- Được sử dụng cả trong giai đoạn tạo phôi và giai đoạn gia công kếtthúc

Phạm vi áp dụng: trong tất cả các nhà máy cơ khí, khoảng 90% các chitiết phải qua nhiệt luyện

4 1.1.2 Phân loại nhiệt luyện:

Người ta phân các phương pháp nhiệt luyện chủ yếu của thép ra làm hainhóm lớn: Nhiệt luyện sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc.

- Nhiệt luyện sơ bộ là Phương pháp nhiệt luyện tiến hành trước khi gia công cơkhí, khi chi tiết là bán thành phẩm Thuộc nhóm này có ủ và thường hóa

- Nhiệt luyện kết thúc : là các phương pháp nhiệt luyện được thực hiện sau khigia công cơ khí, khi chi tiết đã là thành phẩm Sau khi nhiệt luyện xong khôngcòn gia công cơ khí tiếp theo nữa Thuộc nhóm này có Tôi và ram Đối với thépcác bon thấp thì ủ và thường hóa là nhiệt luyện kết thúc

4.1.1.3 Các thông số của quá trình nhiệt luyện

Bất kỳ một quá trình nhiệt luyện nào cũng được đặc trưng bởi bao gồm bathông số cơ bản sau:

- Nhiệt độ nung (tno) : là nhiệt độ lớn nhất mà quá trình nhiệt luyện phải đạttới và giữ tại đó một khoảng thời gian xác định

Vai trò: quyết định sự hình thành tổ chức kim loại ban đầu do đó quyết địnhchất lượng và cấu trúc của tổ chức sau nhiệt luyện

- Thời gian giữ nhiệt ( τgn): là khoảng thời gian giữ sản phẩm ở nhiệt độ nungnóng

Vai trò: quyết định sự đồng đều hoá về mặt tổ chức trong toàn bộ thể tích củasản phẩm ở nhiệt độ cao, qua đó đạt được sự đồng đều về cơ tính của sảnphẩm

Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào khối lượng, kích thước và bản chất của vậtliệu sản phẩm

- Tốc độ nguội (Vnguội): là tốc độ giảm nhiệt độ của sản phẩm sau khi giữnhiệt

Vai trò: quyết định sự hình thành các tổ chức khác nhau của sản phẩm saunhiệt luyện và tạo ra tổ chức hạt phù hợp

Tốc độ nguội phụ thuộc vào mục đích của nhiệt luyện và bản chất của vật liệusản phẩm

Ngoài ba thông số trên tốc độ nung nóng cũng có ảnh hưởng đến kết quả nhiệtluyện nhưng không đáng kể nên ta bỏ qua nó Kết quả của một quá trình nhiệtluyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:

+ Độ cứng: là yêu cầu quan trọng nhất và dễ dàng xác định được, nó liênquan đến các chỉ tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai Chi tiết khi nhiệtluyện đều có yêu cầu đạt giá trị nhất định về độ cứng và phải được kiểm tratheo tỷ lệ quy định

+ Tổ chức tế vi: Cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền Chỉ tiêunày thường được kiểm tra theo từng mẻ nhiệt luyện

+ Độ biến dạng, cong vênh: nói chung độ biến dạng, cong vênh khi nhiệtluyện thường rất nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép Tuy nhiên trong một sốtrường hợp yêu cầu rất khắt khe, cần phải kiểm tra chúng

4.1.1.4 Sơ lược về nhiệt luyện thép:

Trong thực tế có những phương pháp nhiệt luyện chủ yếu sau đây

Ủ: là phương pháp nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguộichậm để nhận được tổ chức gần với trạng thái cân bằng có độ cứng, độ bềnthấp nhất, độ dẻo cao nhất

3

N, v

ÄT v

N

v

N

Biểu diễn khi nung

Thường hóa: là phương pháp nung nóng đến tổ chức hoàn toàn austenit, giữnhiệt và làm nguội ngoài không khí tĩnh để nhận được tổ chức gần với trạngthái cân bằng

Tôi: là phương pháp nung nóng đến cao hơn nhiệt độ tới hạn, làm xuất hiện tổchức austenit giữ nhiệt và làm nguội nhanh để nhận được tổ chức không cầnbằng có độ cứng cao nhất

Ram: là phương pháp nung nóng thép đã tôi đến thấp hơn nhiệt độ tới hạn,giữ nhiệt và làm nguội để diều chỉnh các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ cứng )đạt yêu cầu làm việc

Hóa nhiệt luyện: Là phương pháp bão hòa vào bề mặt chi tiết các nguyên tố

đã cho ở nhiệt độ xác định để làm biến đổi thành phần hóa học, tổ chức và cơtính

Cơ nhiệt luyện: Là phương pháp kết hợp quá trình hóa bền bằng nhiệt luyện

và biến dạng dẻo đồng thời trong một nguyên công Do đó nhận được hóa bềmạnh hơn rất nhiều khi nhiệt luyện đơn thuần

4.1.2 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép

4.1.2.1 Đặc điểm chuyển biến pha thể rắn

Mô hình: có sự xuất hiện một pha mới trong lòng pha ban đầu (pha mẹ)nhưng sự thay đổi thể tích của vật thể coi như không đáng kể nên coi là quá trìnhđẳng tích

Sự thay đổi năng lượng tự do của hệ khi xuất hiện pha mới:

ÄF = - ÄFv + ÄFBM + ÄFđh

Trong đó:

ÄF: Thay đổi năng lượng tự do đẳng tích

ÄFv: Năng lượng tiêu tốn để tạo ra thể tích pha mới

ÄFBM: Năng lượng bề mặt của pha mới được tạo ra

ÄFđh: Năng lượng đàn hồi do sự chèn ép giữa hai pha rắn

Sự thay đổi năng lượng tự do lớn hơn dẫn đến quá trình chuyển biến xảy rachậm hơn so với quá trình kết tinh, vì vậy đòi hỏi độ quá nung ∆T lớn hơn.Như vậy, nghiên cứu tạo mầm và lớn lên của mầm pha mới tương tự quá trìnhkết tinh và thu được hai đại lượng:

- Tốc độ tạo mầm N (T-1)

- Tốc độ phát triển mầm v (LT-1, L2T-1, L3T-1)

Hình 4.2 Ảnh hưởng của AT tới N và v

Trên đồ thị ta thấy tồn tại đoạn giảm của N và v theo ÄT, điều này được giảithích nhờ sự tương tác của hai qúa trình là toả năng lượng và khuếch tán do đóquy luật này chỉ đúng khi làm nguội Khi nung sự phụ thuộc của N và v vào độquá nhiệt ÄT không tồn tại đoạn giảm của N và v Do khi ÄT tăng thì ÄFv tăng

và hệ số khuếch tán Do cũng tăng và dẫn đến N và v chỉ tăng

Công thức xác định lượng pha mới được hình thành (phương trình Jhonson Mehl)

V

(4.1)Trong đó:

V*: Thể tích pha mới được tạo thành

V: Thể tích ban đầu

N: Tốc độ tạo mầm

v: Tốc độ phát triển mầm

τ: Thời gian chuyển biến

4.1.2.2 Sự tạo thành Austenit khi nung

Theo lý thuyết ở 7270C thì xảy ra phản ứng:

Vấn đề cần nghiên cứu:

- Mầm Austenit đầu tiên tạo ra ở đâu ?

- Quá trình phát triển của Austenit sẽ chiếm hết pha nào trước (α hayXe) ?

- Xây dựng đường cong động học chuyển biến ?

a Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: dựa vào phương trình Jhonson – Mehl – Aravibằng cách cho các giá trị N, v tương ứng với các ∆T khác nhau Lập các dải τ từ

τ1 đến τn (n → ∞), từ đó vẽ được đường cong chuyển biến Song trên thực tế, qúa trình nung thép khi nhiệt luyện là rất đa dạng, vì vậy ta sẽ phải thực hiện một khối lượng tính toán rất nhiều nên khi sử dụng phương pháp này sẽ trở nên phức tạp và không thực tế Thông thường để xây dựng các đường cong động học chuyển biến, người ta thường dùng phương pháp thực nghiệm.

- Phương pháp thực nghiệm:

Tiến hành chuẩn bị hàng loạt mẫu có cùng kích thước, tổ chức ban đầuhoàn toàn như nhau và cùng một thành phần các bon là 0,8% Khi đó tổ chứcban đầu của các mẫu là 100% Peclit

5

D 100

3 2 1

Nung mẫu trong lò muối hoặc lò có cảm ứng để đảm bảo nung thật nhanhlên trên nhiệt độ Ac1 Giữ đẳng nhiệt tại nhiệt độ xác định (> Ac1) với cáckhoảng thời gian khác nhau Sau đó làm nguội và đo lượng chuyển biến Với môhình như trên, kết quả thực nghiệm cho chúng ta đường cong chuyển biến Peclitthành Austenit khi nung có dạng như sau:

Hình 4.3 Mô hình nung mẫu (a) và đường cong thực nghiệm (b)

Trên đường cong động học chúng ta thấy có bốn giai đoạn sau:

Đoạn OA: giai đoạn phôi thai, độ dài của giai đoạn này phụ thuộc vàonhiệt độ nung (hay độ quá nung ÄT), nhiệt độ thực hiện chuyển biến càng cao(ÄT lớn) thời gian phôi thai càng nhỏ và ngược lại Đây là giai đoạn khuếch tántạo các vùng có %C tương đương %C trong Austenit (0,8%C) và gọi là giaiđoạn tạo sự ba động thành phần

Đoạn AB: tốc độ chuyển biến tăng dần do tăng quá trình tạo mầm trênranh giới hạt pha

Đoạn BC: giai đoạn tốc độ chuyển biến gần như không đổi do hầu hết cácdạng khuyết tật đã tham gia vào qúa trình tạo mầm pha mới

Đoạn CD: giai đoạn tốc độ chuyển biến giảm dần và tiến tới bằng không,

do lúc này lượng pha mới tăng lên, pha cũ giảm dần dẫn đến giảm tốc độ chuyểnbiến và khi pha cũ hết tốc độ bằng không

Với việc thực hiện qúa trình chuyển biến ở hàng loạt nhiệt độ khác nhau, ta có

một họ đường cong động học chuyển biến Peclit thành Austenit khi nung Trong thực tế, vấn đề cần xác định là thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến Peclit thành Austenit cũng như thời gian cần thiết để thực hiện chuyển biến hoàn toàn tại các nhiệt độ khác nhau Chính vì vậy để thuận tiện cho việc sử dụng ta biến

đổi đường cong thực nghiệm đó thành dạng khác theo hệ toạ độ nhiệt độ - thời

gian Việc biến đổi được thực hiện bằng cách kẻ các đường đẳng mức (% Austenit chuyển biến) sang hệ toạ độ nhiệt độ - thời gian, và để đơn giản ta chỉ cần hai điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến Nối các điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến tại các nhiệt độ tương ứng ta được hai đường bắt đầu và kết thúc chuyển biến Peclit thành Austenit.

T2 > T1 v2 > v1

quá nung P A

Peclit

b,

Hình 4.4 Cách xây dựng đường cong động học chuyển biến P → Au (hình a)

và ảnh hưởng của tốc độ nung (hình b)

(1): Đường bắt đầu chuyển biến P → Au

(2): Đường kết thúc chuyển biến P → Au

Khi tốc độ nung càng lớn thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến P

→ Au càng tăng và ngược lại Vì vậy, khi nhiệt luyện cần phải lưu ý nhiệt độchuyển biến thực tế theo tốc độ nung

b Cơ chế tạo mầm Austenit

Khi tạo mầm Austenit đầu tiên chúng ta thấy rõ rằng, cần có sự phân bố lại củanồng độ (thành phần) các bon Vì vậy mầm ban đầu sẽ được tạo ra nhờ sựkhuếch tán và ba động thành phần Do đó sự ưu tiên tạo mầm ban đầu sẽ là mặtphân giới pha giữa Ferit (α) và Xementit (Fe3C), tại mặt phân giới pha giữa Ferit

và Xementit nồng độ các bon có thể lên tới 0,25 %, thuận lợi cho tạo mầmAustenit (γ) khi có ba động thành phần, đồng thời qúa trình khuếch tán của các

bon tại đây mạnh hơn rất nhiều càng thuận lợi cho việc tạo mầm Austenit Các kết quả thực nghiệm cho thấy diện tích mặt phân giới pha giữa Ferit và

7

Tuy nhiên, với các

nghiên cứu sau này khi

tiến hành nung rất nhanh

Peclit hoặc tương ứng là

nhiệt độ chuyển biến rất

cao, khi đó bằng thực nghiệm cho thấy rằng tinh thể Austenit đầu tiên có dạnghình kim và Austenit ban đầu có quan hệ liên mạng với Ferit, đồng thời nồng độcác bon trong Austenit ban đầu xấp xỉ nồng độ các bon trong Ferit Với kết quảthực nghiệm đó người ta có thể kết luận rằng, khi nung nhanh Peclit thì sự tạothành các mầm Austenit không theo cơ chế khuếch tán và ba động thành phần

mà Ferit trực tiếp chuyển thành Austenit do trượt mạng tương tự như qúa trình

biến dạng dẻo Khi lượng Austenit tăng lên, lúc đó Xementit tiếp tục hoà tan vào Austenit làm tăng hàm lượng các bon Như vậy cơ chế tạo mầm Austenit phụ thuộc vào tốc độ nung khi nhiệt luyện, trong thực tế với các qúa trình nhiệt luyện thông thường thì cơ chế Blanter là chủ yếu, tuy nhiên với các dạng nhiệt luyện đặc biệt (tôi bề mặt ) khi đó cơ chế trượt mạng lại là chủ đạo.

c Cơ chế lớn lên của mầm Austenit

Mầm Austenit ban đầu khi mới tạo ra có sự phân bổ nồng độ các bon không đồng đều, phần tiếp giáp với Xementit có nồng độ các bon cao, ngược lại phần tiếp giáp với Ferit có nồng độ các bon thấp (đường cong phân bố nồng độ các bon theo hình) Khi mầm Austenit phát triển, nó liên tục về cả hai phía Ferit

và Xementit Trong qúa trình đó Xementit liên tục hoà tan vào Austenit để tiến tới nồng độ các bon của Austenit.

Hình 4.5 Phân bố nồng độ các bon trong mầm Austenit ban đầu

T: Nhiệt độ thực hiện chuyển biến

a: Nồng độ các bon trong Ferit tại mặt phân giới pha Ferit và Austenit (Cα/γ)

b: Nồng độ các bon trong mầm Austenit tại mặt phân giới pha (Cγ / α)

6,67

0,8

0,02

c: Nồng độ các bon trong Austenit tại mặt phân giới pha Austenit và Xementit (Cγ / Fe3C ).

Từ hình vẽ chúng ta thấy tốc độ phát triển của Austenit phụ thuộc vào khả năng khuếch tán của các bon trong Ferit và Austenit theo tỉ lệ thuận, đồng thời cũng phụ thuộc vào độ chênh nồng độ giữa hai điểm (a) và (b) trên đồ thị Khi

độ chênh càng nhỏ, tốc độ phát triển của Austenit càng nhanh Ở đây chúng ta cũng thấy rõ rằng khi nhiệt độ chuyển biến T > 910 0 C (điểm G trên giản đồ Fe -

Fe 3 C) khi đó điểm a và b trùng nhau và Austenit sẽ trực tiếp hình thành từ Ferit theo cơ chế trượt mạng Khi Austenit phát triển, tốc độ phát triển của nó về hai

phía Ferit và Xementit sẽ được tính theo các công thức sau:

α γ

γ α

→

γ = 1 =− ∆ c/

C

D K v

v

(4.2)

C Fe /

c 2

C Fe

3

D K v

K: Hệ số phụ thuộc vào điều kiện chuyển biến

Dc γ: Hệ số khuếch tán của các bon trong Austenit

ÄCγ / α: Độ chênh nồng độ giữa γ và α tại thời điểm tính

ÄCγ / Fe3C: Độ chênh nồng độ giữa γ và Fe3C tại thời điểm tính

Rõ ràng ta thấy ÄCγ / Fe3C là rất lớn so với ÄCγ / α do đó v1 lớn hơn v2 rấtnhiều, vì vậy khi Austenit phát triển nó sẽ tiến về phía Ferit mạnh hơn về phíaXementit, do đó Ferit sẽ hết trước Xementit trong qúa trình phát triển củaAustenit Các kết quả nghiên cứu trên thực nghiệm cũng đã chứng minh sự đúngđắn hoàn toàn của kết luận này

Tóm lại, ta có thể khái quát các giai đoạn chuyển biến Peclit thànhAustenit khi nung như sau:

Giai đoạn 1: Peclit → Austenit bao gồm tạo mầm, mầm lớn lên và kếtthúc là hết Ferit

Giai đoạn 2: Xementit lại tiếp tục hoà tan vào Austenit, kết thúc làXementit hết và tạo ra một pha Austenit nhưng chưa đồng đều về nồng độ cácbon

Giai đoạn 3: Đồng đều hoá thành phần các bon nhờ qúa trình khuếch tán

9

Peclit + Xementit II

b,

Hình 4.6 Sơ đồ các giai đoạn hình thành Austenit

Chuyển biến xảy ra khi nung với thép trước và sau cùng tích:

Các loại thép sử dụng trong kỹ thuật không chỉ có thép cùng tích (0,8% C) màcòn có các loại thép trước và sau cùng tích, khi đó đường cong động học cầnthêm các quá trình hoà tan của Ferit (thép trước cùng tích) và Xementit (với thépsau cùng tích) vào trong Austenit Do đó đường cong động học sẽ có thêm cácđường bắt đầu và kết thúc các quá trình hoà tan của pha thứ hai

Hình 4.7 Đường cong động học chuyển biến khi nung của thép trước cùng tích (hình a)và sau cùng tích (hình b); A TM : nhiệt độ xảy ra trượt mạng

(3): Đường bắt đầu hoà tan của Ferit hoặc Xementit vào Austenit

(4): Đường kết thúc hoà tan của Ferit hoặc Xementit vào Austenit

Hạt ban đầu: Là những hạt đầu tiên tạo thành khi nung Hạt ban đầu phụ thuộc

chủ yếu tổ chức ban đầu trước khi nung và độ quá nung ÄT Tổ chức ban đầucàng nhỏ mịn, hạt ban đầu càng nhỏ, độ quá nung ÄT càng lớn, hạt ban đầu càngnhỏ Ý nghĩa của hạt ban đầu là ở chỗ nó là cơ sở để thu được tổ chức hạt nhỏkhi tiến hành nhiệt luyện

Hạt thực tế: Là kích thước hạt Austenit thu được trong điều kiện nung

thực tế của quá trình nhiệt luyện và như vậy thông thường hạt thực tế lớn hơnhạt ban đầu Hạt thực tế có ý nghĩa vô cùng quan trọng vì nó trực tiếp ảnh hưởngđến cơ tính, chất lượng sản phẩm sau nhiệt luyện Hạt thực tế phụ thuộc vào hạtban đầu, nếu hạt ban đầu càng nhỏ mịn và đồng đều thì hạt thực tế càng nhỏ; vàonhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt, nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt cànglớn, hạt thực tế càng có kích thước lớn và hạt thực tế còn phụ thuộc rất mạnh

Độ hạt

Peclit Hạt ban đầu

(Austenit)

1 2

phóng đại 200 lần, hạt Austenit được phân cấp theo bảng phân cấp quốc tế gồm

11 cấp theo thứ tự từ (1 ÷ 11) là từ cỡ hạt lớn đến nhỏ dần, cỡ hạt từ (1 ÷ 4) là cỡhạt của hạt di truyền hạt lớn, cỡ hạt từ (5 ÷ 11) là cỡ hạt của hạt di truyền hạtnhỏ

Việc nung trong môi trường chất thấm các bon nhằm mục đích tạo ra tổ chức tương đương nhau giữa thép trước và sau cùng tích, do đó việc xác định

độ hạt Austenit có tính đặc trưng đầy đủ Hạt di truyền biểu thị xu hướng lớn lên

của hạt Austenit trong các loại thép ở điều kiện nhiệt luyện thông thường Cầnchú ý là ở đây mới chỉ là xu hướng, chưa phải là thực tế và do đó căn cứ vào loạithép với hạt di truyền khác nhau, ta có thể áp dụng các biện pháp công nghệ phù

hợp để thu được hạt Austenit nhỏ, mịn Ví dụ với thép các bon, nhiệt độ nung khi nhiệt luyện nên khống chế nhỏ hơn 920 0 C để tránh Austenit hạt lớn hoặc tiến hành nung nhanh Tuy nhiên, với thép hợp kim (hạt di truyền hạt nhỏ) ta có thể tăng nhiệt độ nung tới 950 0 C mà không sợ hạt Austenit lớn.

Hình 4.8 Xu hướng phát triển hạt Austenit theo nhiệt độ

(1): Thép có hạt di truyền hạt lớn (2): Thép có hạt di truyền hạt nhỏ Một điều cần quan tâm là khi nung thép có tổ chức Vidmansted hoặc Mactenxit với độ quá nung (tốc độ nung) lớn, khi đó Austenit tạo ra có quan hệ liên mạng với pha cũ, tạo trường ứng suất lớn, mật độ lệch rất cao Khi đó ở khoảng nhiệt độ cỡ Ac 1 + (100 ÷ 150) 0 C có hiện tượng kết tinh lại lần I xảy ra, làm nhỏ hạt Austenit.

4.1.3 Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội AUSTENIT

4.1.3.1 Khái niệm chung

11

0C Austenit Peclit Xoocbit Trustit

Họ Bainit

Mactenxit

A1 700 600 550

300 MS

0C

Ac1 T1 T2 T3 T4

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

T1 T2

T3 T4

- Mô hình thí nghiệm: làm hàng loạt mẫu thép 0,8%C, nung lên nhiệt độ lớn hơn

Ac1 để hoàn toàn tạo thành một pha Austenit, sau đó làm nguội nhanh xuốngdưới nhiệt độ Ar1 và giữ đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau Ở mỗi một nhiệt

độ đẳng nhiệt phải kèm nhiều mẫu, mỗi mẫu giữ một thời gian khác nhau Sau

trong nước, đo chuyển biến và

dựng đường cong theo từng

nhiệt độ

Hình 4.10 Đồ thị khi làm

nguội chậm austenit ở các

nhiệt độ và thời gian

- Với việc thực hiện ở

nhiều nhiệt độ khác nhau ta sẽ xây dựng được họ đường cong chuyển biến: Nếu giảm nhiệt độ chuyển biến (tăng độ quá nguội ÄT) lúc đầu thời gian phôithai sẽ giảm, nhưng đến một giá trị xác định khi ta tăng ÄT thì thời gian phôithai lại tăng lên do số lượng mầm tạo ra quá nhiều gây ứng suất lớn dẫn đến khóthực hiện chuyển biến

12

Ac1

quá nguội

Ac3 0C

Hình 4.12 Đường cong động học chuyển biến γ thành P khi làm nguội đẳng

nhiệt γ': Austenit quá nguội tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn Ac 1

(1): Đường bắt đầu chuyển biến Austenit thành Peclit

(2): Đường kết thúc chuyển biến Austenit thành Peclit

b Với thép trước và sau cùng tích

- Với thép trước cùng tích

Theo lý thuyết: khi nguội xuống dưới Ar3, γ bắtđầu tiết ra α Tiếp tục giảm nhiệt độ, α tiết racàng nhiều %C trong γ tăng lên, khi tới nhiệt

độ Ac1 thì %C trong γ bằng 0,8% và xảy ra phảnứng cùng tích:

nguội thép trước cùng tích phải có thêm

đường tiết pha Ferit

Hình 4.12 Giản đồ chữ C thép trước cùng tích

- Với thép sau cùng tích:

13

A1 Acm

Ac1

MS 0C

Tương tự như thép trước cùng tích, với thép sau cùng tích khi nguội xuống dướinhiệt độ Acm, bắt đầu có quá trình tiết ra Xementit II Tuy vậy trong thép saucùng tích, hàm lượng Xementit II rất nhỏ, do đó

hạt Peclit Tổ chức này thường gây dòn cho thép,chính vì vậy khi nhiệt luyện thép sau cùng tích,

Xementit II

4.1.3.3 Chuyển biến Austenit thành Peclit khilàm nguội liên tục

- Khi làm nguội liên tục Austenit thì đường cong động học không có nửa dưới

biến Austenit thành Peclit

khi nguội đẳng nhiệt ( nét đứt) và liên tục (nét liền) của thép cùng tích

- Tổ chức Bainit chỉ thu được khi làmnguội đẳng nhiệt

động học dịch sang phải và xuống dưới

gọi là đường cong chữ “C”

4.1.3.4 Chuyển biến Mactenxit

- Khái niệm: chuyển biến

Mactenxit là chuyển biến xảy ra khi làm nguội Austenit với một tốc độ nguội đủlớn Quá trình chuyển biến xảy ra ở nhiệt độ rất thấp (so với Ar1), cacbon trongAustenit không kịp khuếch tán để tạo Xe mà toàn bộ lượng cacbon của Austenitgiữ nguyên trong mạng của Fe(α) (có dịch chuyển thì chỉ trên khoảng cách nhỏhơn một thông số mạng) do đó tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà của cacbontrong Fe(α), gọi là tổ chức Mactenxit

- Đặc điểm chuyển biến Mactenxit:

Với đặc trưng làm nguội của mình, chuyển biến Mactenxit có một số đặc điểm khác biệt như sau:

+ Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến không khuếch tán, Mactenxit thuđược khi nguội nhanh Austenit từ nhiệt độ A1 Do đó thành phần hoá học củaMactenxit trùng với của Austenit

+ Chuyển biến Mactenxit chỉ bắt đầu xảy ra ở một nhiệt độ nhất định (MS

là nhiệt độ bắt đầu chuyển biến) Nhiệt độ MS khôngphụ thuộc vào tốc độ làmnguội, đồng thời chuyển biến cũng kết thúc khi nguội xuống thấp hơn một nhiệt

200 400 600 0C

MS Mf

+ Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến xảy ra tức thời (thời gian phôithai bằng không), cứ với nhiệt độ nhỏ hơn MS chuyển biến lập tức xảy ra

+ Các kim Mactenxit hình thành với tốc độ rất lớn (xấp xỉ 1 km/s), tốc độhình thành và phát triển kim Mactenxit hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độchuyển biến

+ Giữa mạng tinh thể Mactenxit tạo ra và mạng Austenit ban đầu có mối

quan hệ chặt chẽ Theo nghiên cứu của Kurdiumov- Zaks ở các thép có %C = (0,5 ÷ 1,4)% thì mặt (1, 1, 1) của Austenit song song với mặt (1, 1, 0) của Mactenxit và phương [1,1,2] của Austenit song song với phương [1,0,1] của Mactenxit, ngoài ra các nghiên cứu của Nishiyama cũng chỉ ra mối quan hệ phương mạng giữa hai tổ chức Mặt phân pha khi chuyển biến (gọi là mặt Habit) luôn cố định theo từng họ hợp kim, với thép cacbon cao là họ mặt {2,2,5}

và {2,5,9} của Austenit, với thép cacbon thấp là họ mặt {1,1,1} của Austenit, trong hợp kim sắt - niken là họ mặt {3, 10,15} của Austenit.

+ Với những mẫu ban đầu là phẳng, nhẵn, sau chuyển biến Mactenxit,xuất hiện các gờ nổi trên bề mặt

Ngày nay chuyển biến Mactenxit còn được phát hiện ở nhiều hệ hợp kimkhác ngoài sắt như hợp kim đồng - nhôm, đồng - kẽm, đồng - thiếc, niken - titan

…

Kết luận: chuyển biến Mactenxit là loại chuyển biến đặc biệt khi làmnguội Austenit, nó kết hợp sự trượt mạng (A1→ A2) với sự tồn tại của cacbon tạicác lỗ hổng

15

Hình 4.16 Sự phụ thuộc của nhiệt độ M S , M f vào hàm lượng cacbon trong thép

- Cơ chế của chuyển biến Mactenxit:

+ Sự hình thành ra mạng Ferit và Austenit là do cơ chế trượt mạng, do đógiữa mạng Austenit và mạng Mactenxit có mối quan hệ xác định

{1,0,0}γ // {1,1,0}M

[1,1,0]γ // [1,1,1]M

+ Cacbon trong chuyển biến Mactenxit gần như không dịch chuyển (nếu

có dịch chuyển thì độ dời ∆x ≤ a) vì vậy không tạo được vùng giàu cacbon

a

2

2 a

Cơ chế Bein:

Cạnh bên: a

Cạnh đáy: 2

2 a

2 2

Hình 4.17 - - - - Mạng Austenit ; _ Ô cơ bản Mactenxit

Nguyên tử Fe; Nguyên tử cacbon

Ưu điểm: giải thích được quan hệ phương, mạng của Mactenxit vàAustenit phù hợp với thực nghiệm

Nhược điểm: độ chính phương c/a quá lớn

- Tổ chức siêu tế vi của Mactenxit:

+ Tổ chức bên trong của kim Mactenxit:

Bó kim Mactenxit Vệt song tinh

Hình 4.18 Tổ chức bên trong của Mactenxit

+ Sự xắp xếp: các kim Mactenxit tạo thành các bó định hướng bất kì, khoảngcách từ (3 ÷ 5) µm

4.1.3.5 Chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép đã tôi ( chuyển biến xảy ra khi ram)

Sau khi tôi, thu được tổ chức Mactenxit và một lượng Auxtenit dư là haipha không ổn định, mức năng lượng tự do cao, tồn tại nhiều khuyết tật và ứngsuất dư vì vậy M luôn có xu hướng chuyển về trạng thái ổn định hơn là P Muốnvậy phải cấp năng lượng bằng cách nung trở lại M

Các chuyển biến xảy ra khi nung trở lại M (chuyển biến xảy ra khi ram):

* Giai đoạn 1: nhỏ hơn 2000C

- Khi nung ở nhiệt độ nhỏ hơn 800C, do nhiệt độ thấp, năng lượng cấp còn

ít, chưa đủ để vượt rào cản năng lượng vì vậy trong thép chưa có chuyển biến gì

- Khi nung ở khoảng (80 ÷ 200)0C, năng lượng đã đủ để cho cacbon thựchiện các hành trình xa hơn do đó khử được ứng suất dư nhờ sự phân bố lạicacbon Đồng thời nó tạo ra một số vùng giàu cacbon, thuận lợi tạo ra Xe Dohàm lượng cacbon chưa đủ lớn nên tạo ra Xe chưa hoàn chỉnh

Kết quả: M hầu như không giảm độ cứng, độ bền nhưng khử được ứngsuất dư nên ổn định hơn và được gọi là tổ chức M ram

Ứng dụng khi ram dao cắt gọt kim loại, khuôn …

* Giai đoạn 2: từ (200 ÷ 260)0C

Giai đoạn này cacbon tiết ra khỏi M tương đối nhiều, ứng suất dư giảmmạnh Đồng thời Auxtenit dư trong M tiếp tục chuyển biến thành M ram do đómẫu, sản phẩm có sự tăng kích thước

* Giai đoạn 3: từ (260 ÷ 450)0C

Giai đoạn này nhiệt lượng lớn vì vậy cacbon tiết ra gần hết khỏi M, độchính phương c/a → 1, tạo thành M nghèo cacbon và tạo thành Xe hoàn chỉnh.Ứng suất dư cả tế vi và thô đại đều giảm gần đến không Tạo tổ chức ổn định vàhạt tương đối nhỏ do sự lớn lên của kim M chưa cao, tổ chức này được gọi là tổchức Trustit ram có σch/σB max, kích thước mẫu, sản phẩm trở về gần với banđầu Ứng dụng khi ram các chi tiết đàn hồi

17

[(HB, σB) giảm; (δ, ψ, aK) tăng và f(HB, σB, σch, σ-1, δ, ψ, aK) tối ưu]

Đồ thị thay đổi kích thước mẫu khi ram:

Hình 4.19 Đồ thị thay đổi kích thước của mẫu

4.1.4 Các phương pháp nhiệt luyện thép

Nhiệt luyện là những quá trình công nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội vật phẩm kim loại với mục đích thay đổi tổ chức (cấu trúc)

Phần lớn các hợp kim sau khi tôi nhận được dung dịch rắn quá bão hoà (hoặc

là hỗn hợp các dung dịch rắn) trong trường hợp này quá trình cơ bản xảy ra khi ram hoặc hoá già là sự phân rã dung dịch rắn quá bão hoà đó.

Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt được chọn như thế nào để sau khi gia công đạt được tổ chức và tính chất như mong muốn mà không phải là tổ chức cân bằng như sau khi ủ Tốc độ nguội khi ram hay hoá già, trừ một số trường hợp đặc biệt, không ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của hợp kim.

Về nguyên tắc, việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện nào đều có thể dựa trên

cơ sở giản đồ cân bằng pha của hợp kim Do đó có thể chia thành các nhóm hợp kim cơ bản sau:

- Các hợp kim không có chuyển pha ở trạng thái rắn

- Các hợp kim có độ hoà tan thay đổi ở trạng thái rắn

- Các hợp kim có chuyển biến cùng tích

Bất kỳ một quá trình công nghệ nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba giai đoạn cơ bản sau: nung nóng, giữ đẳng nhiệt và làm nguội

4.1.4.1 Ủ và thường hóa thép

4.1.4.1.1 Ủ thép

a Định nghĩa và mục đích của ủ thép

* Định nghĩa: Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định,

giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng với lò, để đạt được tổ chức ổn định theo giản

đồ trạng thái với độ bền, độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao Tổ chức đạt được saukhi ủ thép là Peclit (có thể có thêm Ferrit hay XeII tuỳ loại thép trước hay saucùng tích)

- Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt

- Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép ở trạng thái nguội

- Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong sau các nguyên công gia công cơkhí (mài, quấn nguội, cắt gọt )và đúc, hàn

- Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn tiết diện của vật đúc thép bị thiêntích

- Làm nhỏ hạt thép nếu nguyên công trước làm hạt lớn

- Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc

- Cầu hoá Xe để có tổ chức hạt khác với Xe ở dạng tấm

Với mục đích đa dạng như vậy thì không phương pháp ủ nào đạt được cả cácmục tiêu trên Thông thường mỗi phương pháp ủ chỉ đạt được một hoặc vàitrong số các chỉ tiêu kể trên

b Phân loại

Có nhiều phương pháp ủ Theo chuyển biến pha P →γ khi nung nóng, người tachia các phương pháp ủ thành 2 nhóm: ủ có chuyển biến pha và ủ không cóchuyển biến pha

b1 Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha:

19

Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn Ac1, khi

đó không xảy ra chuyển biến P →γ

* Ủ thấp (ủ non):

- Đị nh nghĩa: Ủ thấp là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn

Ac1thường nung ở nhiệt độ từ 200 ÷ 6000C để không có chuyển biến pha xảy ra

- Mục đích và đặc điểm : Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bêntrong ở các vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia công cơ khí (cắt gọt, dậpnguội)

+) Nếu ủ ở nhiệt độ thấp (200 ÷ 3000C) chỉ có tác dụng làm giảm một phần ứngsuất bên trong nhưng ở những nhiệt độ cao hơn (450 ÷ 6000C) tác dụng khử bỏứng suất bên trong có thể hoàn toàn hơn

+) Do làm nguội nhanh, không đều, do chuyển pha khi đúc, trong vật đúc tồn tạiứng suất bên trong Đối với một số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phéptồn tại ứng suất dư độ Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư, người ta tiến hànhnung nóng đến 450 ÷ 6000C, sau đó làm nguội chậm tiếp theo để tránh tạo lạiứng suất dư Đối với trường hợp yêu cầu không cao, chỉ cần giảm ứng suất dưđến mức nhất định, có thể tiến hành bảo quản ở t0 thường trong khoảng 9 ÷ 12tháng, quá trình này còn gọi là hoá già tự nhiên Do nhiệt độ ủ thấp nên phươngpháp ủ này không làm thay đổi độ cứng và kích thước hạt

- Công dụng của ủ thấp : dùng cho các vật đúc lớn như thân máy cắt gọt, xécmăng sau khi mài, lò xo sau khi uốn nguội…Phương pháp này không làm thayđổi độ cứng của thép Đối với gang độ cứng có thể giảm một ít do quá trìnhgraphit hóa

* Ủ kết tinh lại:

- Định nghĩa: Ủ kết tinh lại là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ

hơn Ac1(thường ủ ở nhiệt độ 600 ÷ 7000C) để không có chuyển biến pha xảy ra

- Mục đích và đặc điểm: Ủ kết tinh lại được tiến hành cho các thép qua biếndạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trước khi gia công

cơ khí

+) Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là từ 600 ÷ 7000C tức là thấp hơnnhiệt độ Ac1 Loại ủ này làm thay đổi được kích thước hạt và giảm độ cứng,nhưng rất ít áp dụng cho thép vì khó tránh tạo nên hạt lớn

+) Đối với kim loại đa tinh thể, do không đồng nhất về phương mạng giữa cáchạt nên ứng suất tác dụng và độ biến dạng phân bố không đều, phần thép bị biếndạng với mức độ tới hạn sau khi ủ có kích thước lớn, làm dòn thép Để tránhhiện tượng này, thường dùng các phương pháp ủ có chuyển biến pha

b2 Các phương pháp ủ có chuyển biến pha:

Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao hơn Ac1, khi đó có xảy

+) Làm nhỏ hạt Nếu chỉ nung quá nhiệt độ Ac3 khoảng 30 ÷ 500C ứng với nhiệt

độ ủ trong khoảng 780 ÷ 8600C, hạt γ nhận được vẫn giữ được kích thước bé,sau đó làm nguội chậm có tổ chức F + P hạt nhỏ Tổ chức này có độ dai tốt.+) Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo, dễ cắt gọt và rập nguội Do làm nguộichậm, γ phân hoá ra tổ chức F + P (tấm) có độ cứng trong khoảng 160 ÷ 200HB,bảo đảm cắt gọt tốt và dẻo, dễ rập nguội Như vậy nhiệt độ ủ hoàn toàn là T0

ủ hoàn toàn = T Ac03+ (30 ÷ 50)0C

- Công dụng : Loại ủ này chỉ áp dụng cho thép trước cùng tích có hàm lượng cacbonlớn hơn hoặc bằng 0,3 ÷ 0.65%

* Ủ không hoàn toàn:

- Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàntoàn là γ, nhiệt độ cao hơn Ac1 nhưng thấp hơn Ac3 hay Accm

- Mục đích và đặc điểm:

+) Làm giảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt được, sự chuyển biến pha ở đây là

không hoàn toàn chỉ có P → γ còn F hoặc XeII vẫn còn (do vậy khi làm nguộikhông làm thay đổi kích thước hạt của 2 pha đó)

+) Đối với thép trước cùng tích, loại thép có yêu cầu độ dai cao vì không làmnhỏ được hạt F nên không áp dụng dạng ủ này Do vậy, ủ không hoàn toànthường được áp dụng chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tích với hàmlượng cacbon > 0,7%

+) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,7% mà chủ yếu là thép cùng tích vàsau cùng tích (thép có độ cứng khá cao, khó cắt gọt) Nếu tiến hành ủ hoàn toànthép này, tổ chức nhận được là P tấm, độ cứng có thể lớn hơn 220HB gây choviệc cắt gọt gặp khó khăn Nếu tiến hành ủ không hoàn toàn, thì ở nhiệt độ nung

do đạt được tổ chức γ và các phần tử XeII chưa tan hết nên khi làm nguội, `acácphần tử này như là những mầm giúp cho tạo nên P hạt Sau khi ủ không hoàntoàn, thép có tổ chức P hạt với độ cứng thấp hơn (khoảng 200HB) nên đảm bảocắt gọt tốt hơn

Vậy nhiệt độ ủ không hoàn toàn cho thép cacbon có hàm lượng C > 0,7%

T0

ủ.k.h.t = T0

Ac1 + (30 ÷ 500C)

* Ủ cầu hóa :Dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, trong đó nhiệt độ nung dao

động tuần hoàn trên dưới A1: nung đến 750 ÷ 7700C giữ nhiệt khoảng năm phút,rồi lại làm nguội xuống 650 ÷ 6800C giữ nhiệt trong khoảng năm phút, cứ thếtrong nhiều lần Với cách làm như vậy, nhiều lần tạo ra quá trình cầu hóaXementit nên nhận được hoàn toàn là Peclit

21

Hình 4.20 Ủ cầu hóa

* Ủ khuếch tán:

- Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép đến nhiệt độ rất cao 1100

÷ 11500C và giữ nhiệt trong nhiều giờ (khoảng 10 ÷ 15h) tăng khả năng khuếchtán làm đồng đều thành phần hóa `học trong vùng của hạt

- Mục đích và đặc điểm:

+) Tạo ra hạt quá lớn do nung lâu ở nhiệt độ cao, vì vậy chỉ áp dụng cho vật đúctrước khi gia công áp lực Nếu không qua biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt thì sau

đó phải ủ lại bằng cách ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt

+) Làm đều thành phần của thép do hiện tượng thiện tích gây ra Cách ủ này áp

dụng cho các thỏi đúc bằng thép hợp kim cao, thường có hiện tượng không đồngnhất về thành phần hoá học

- Công dụng : dùng cho vật đúc thép hợp kim cao do hiện tượng thiên tích Saukhi ủ khuếch tán hạt rất to nên phải tiến hành ủ thường hay cán nóng để làm nhỏhạt thép

* Ủ đẳng nhiệt:

- Định nghĩa: là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ ủ (xác địnhtheo là ủ hoàn toàn hay không hoàn toàn), giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh xuốngdưới Ac1 khoảng 50 ÷ 1000C tuỳ theo yêu cầu về tổ chức nhận được

- Mục đích và đặc điểm:

+) Việc giữ nhiệt lâu trong lò ở nhiệt độ dưới A1 để γ phân hoá thành phần hỗnhợp F + Xe

+) Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào tính ổn định γ quá nguội của thép ủ ở nhiệt

độ giữ đẳng nhiệt (thường giữ hàng giờ)

+) Giảm độ cứng để thu được độ cứng thấp nhất ứng với tổ chức của P Khá

nhiều thép hợp kim cao, do tính ổn định củaγ quá nguội quá lớn nên làm nguộichậm cùng lò khi ủ cũng không đạt được độ cứng thấp do vậy phải làm cho tốc

độ nguội chậm hơn nữa nhưng rất khó khăn nên khống chế tính ổn định của γ

quá nguội bằng độ quá nguội

-Công dụng : dùng cho thép hợp kim để rút ngắn thời gian ủ

4.1.4.1.2 Thường hóa thép

a Định nghĩa

Thường hoá là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng tháihoàn toàn γ (cao hơn Ac3 hoặc Accm); giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trongkhông khí tĩnh ( thông thường sau khi giữ nhiệt xong chi tiết kéo ra để nguội ởtrên sàn xưởng) để γ phân hoá thành P phân tán hay X oocbit với độ cứng tươngđối thấp

Nhiệt độ thường hoá là :T = T0 (Ac3 hay Accm) + (30 ÷ 50)0C

b Đặc điểm của thường hoá thép

- So với ủ thép, thường hoá kinh tế hơn do không phải làm nguội trong lò do vậythường được áp dụng.

- Đạt được độ cứng thích hợp để gia công cắt cho thép các bon thấp ≤ 0,25%C,đối với thép này nếu ủ độ cứng quá thấp phoi sẽ rất dẻo khó gãy, khó cắt gọt

- Tốc độ nguội ngoài không khí tĩnh lớn hơn tốc độ nguội trong lò khi ủ, tốc độnguội tăng tức là độ quá nguội ∆T càng lớn do vậy hạt thu được có kích thướcnhỏ hơn so với khi ủ làm cho cơ tính được tăng lên

- Tăng năng suất của quá trình công nghệ

- Làm nhỏ XeII chuẩn bị cho quá trình nhiệt luyện kết thúc Khi thường hóa sẽtạo ra tổ chức peclit phân tán hay xoocbit trong đó kích thước của Xementit nhỏmịn nên khi nung nóng nhận được austenit nhỏ mịn

- Với thép sau cùng tích thì phá được lưới XeII và tạo ra tổ chức phù hợp trướckhi nhiệt luyện kết thúc Trong thép sau cùng tích XeII thường ở dạng lưới rấtcứng và giòn Vì vậy khi gia công cắt gọt khó nhận được bề mặt nhẵn bóng cao.Khi thường hóa do làm nguội nhanh hơn ủ nên XeII không kịp tiết ra ở dạng lướinữa

- Với thép có hàm lượng cacbon trung bình (%C = 0,35 ÷ 0,5%) thì thường hoátạo ra tổ chức P có độ cứng tương đối cao (24 ÷ 28HRC) nên có thể dùng làmnhiệt luyện kết thúc thay tôi và ram với chi tiết không quan trọng

c Các trường hợp áp dụng của thường hóa

Trên cơ sở phân tích các đặc điểm của thường hoá, ta có thể thấy sử dụngthường hoá có thể đạt được các mục đích yêu cầu sau:

- Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt gọt với thép cacbon thấp (%C < 0,25%)Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,3% thường tiến hành ủ còn đối với thép

có hàm lượng cacbon thấp cần tiến hành thường hoá Thép có hàm lượng cacbonthấp như vậy nếu đem ủ hoàn toàn sẽ cho độ cứng rất thấp (nhỏ hơn 140HV),thép dẻo, phôi khó gẫy, quấn lấy dao, khi thường hoá sẽ cho độ cứng cao hơn(khoảng 140 ÷ 180HB), thích hợp với các chế độ gia công cắt gọt

Như vậy, để đảm bảo tính gia công cắt gọt, với thép có hàm lượng cacbon <0,25% phải thường hoá, từ 0,3 ÷ 0,65% cần ủ hoàn toàn và thép có hàm lượng >0,7% cần ủ không hoàn toàn (ủ cầu hoá)

- Làm nhỏ Xe để chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc

Khi thường hoá tạo ra tổ chức P phân tán hay X với Xe có kích thước bé Mặtkhác, Xe àng nhỏ biên giới hạt càng nhiều, do vậy khi γ hoá sẽ tạo ra nhiều mầm

γ, nhận được hạt γ nhỏ mịn và chuyển biến xảy ra nhanh Yêu cầu này rất cầnthiết đối với trường hợp tôi bề mặt

- Làm mất XeII ở dạng lưới của thép sau cùng tích

Nhiều trường hợp sau khi làm nguội chậm sau khi ủ thép sau cùng tích hay bềmặt thép thấm cacbon, trong tổ chức xuất hiện XeII ở dạng lưới liên tục baoquanh P làm thép rất dòn và ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng khi gia công cắt gọt.Thường hoá có thể khắc phục được trạng thái này, do làm nguội nhanh hơn, Xekhông kịp tiết ra ở dạng liền nhau mà ở dạng đứt rời Các xa nhau làm thép ítdòn hơn, bề mặt đạt được độ nhẵn bóng cao hơn

d Nhiệt độ ủ và thường hoá thép theo giản đồ trạng thái

23

Hình 4.21.Nhiệt độ ủ và thường hóa của thép 4.1.4.2 Tôi thép

Trong tất cả các nguyên công nhiệt luyện tôi thép là phương pháp quantrọng vì nó tạo ra cho chi tiết độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn cao nhất

a Định nghĩa

Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép lên cao quá nhiệt độ tớihạn (Ac1) hoặc AC3 tùy thuộc vào loại thép để làm xuất hiện tổ chức γ, sau đógiữ nhiệt chi tiết rồi làm nguội nhanh thích hợp để γ chuyển biến thành M haycác tổ chức không ổn định khác với độ cứng (như B, T khi tôi đẳng nhiệt) tínhchống mài mòn cao, và độ bền cao

b Đặc điểm

- Nhiệt độ tôi thấp nhất của các loại thép cũng phải cao hơn AC1 tức làphải nung tới trạng thái austenit

- Phải làm nguội trong các môi trường có tốc độ nguội phù hợp (vng > vng.tới hạn)

- Tổ chức thu được sau khi tôi là tổ chức không ổn định nên phải kết hợp vớiram để tạo tổ chức ổn định hơn

- Tốc độ làm nguội nhanh, do đó không những ứng suất tổ chức mà ứng suấtnhiệt cũng rất lớn, điều này dễ dẫn tới nứt, cong, vênh sản phẩm nên phải thậntrọng khi làm nguội

- Độ cứng của sản phẩm sau khi tôi phụ thuộc vào hàm lượng cacbon trong thép

và tốc độ nguội (môi trường hay phương pháp làm nguội)

- Các tổ chức tạo thành sau khi tôi đều có độ cứng cao

c Mục đích của tôi

- Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép do đó kéo dài được thờigian làm việc của các chi tiết chịu mài mòn Độ cứng của thép tôi phụ thuộc vàolượng cacbon Thép có lượng cacbon quá thấp < 0,25% khi tôi có độ cứng

không cao, không đủ chịu mài mòn Vậy, muốn đạt được mục đích này thép tôiphải có hàm lượng cacbon trung bình và cao từ 0,3% cacbon trở lên.

- Nâng cao độ bền do đó nâng cao được sức chịu tải của chi tiết máy Nhờ tínhchất này mà người ta tiến hành tôi thép cho các chi tiết máy quan trọng (chịu tảinặng, chóng mòn và gẫy), các chi tiết quyết định khả năng làm việc lâu dài củamáy Nguyên công tôi thép đóng vị trí quan trọng đặc biệt trong nhiệt luyện vìcác lý do sau:

+)Cùng với ram, nó quyết định cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc

do vậy quyết định tuổi thọ của chi tiết máy

+) Là một trong những nguyên công gia công cuối cùng, chi tiết đã ở dạng thànhphẩm vì thế hư hỏng ở khâu này sẽ gây ra lãng phí công sức của các khâu giacông trước

+ Rất dễ gây nứt, cong, vênh trong quá trình gia công

Phương pháp tôi không những dùng cho các hợp kim trên cơ sở sắt thép, gang

mà còn dùng cho hợp kim màu Đối với hợp kim màu, phương pháp tôi nhằmđạt được dung dịch rắn quá bão hòa để chuẩn bị cho hóa già hoặc gia công áplực, vì dung dịch rắn quá bão hòa dẻo hơn tổ chức hai pha ( dung dịch rắn + phadư)

Chất lượng của tôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Nhiệt độ nung, thời gian giữnhiệt, tốc độ làm nguội, thời gian giữ nhiệt…

d Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

t

T A

h o

−

A1: nhiệt độ tới hạn dưới của thép

T0: nhiệt độ cứng với γ quá nguội kém ổn định nhất

Tgh: thời gian kém ổn định nhất của γ

25

Hình 4.22 Tốc độ tôi tới hạn của thép

- Đặc điểm:

+) Tốc độ tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi cứng vì lúc đó chỉ cần dùng cácmôi trường nguội chậm cũng đủ để đạt độ cứng

+) Tốc độ tôi tới hạn của các thép khác nhau cũng khác nhau

Nó phụ thuộc vào vị trí của đường cong chữ "c" hay là tính ổn định của γ quánguội Tính ổn định của γ quá nguội càng lớn, đường cong chữ "c" hay là tính ổnđịnh của γ quá nguội Tính ổn định của γ quá nguội càng lớn, đường cong chữ

"c" dịch sang phải càng nhiều, tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ

Mọi yếu tố làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội (τm) đều làm giảm vth.Mặt khác các yếu tố giúp cho sự tạo nên hỗn hợp F – Xe đều làm giảm tính ổnđịnh của austenit và làm tăng vth Các yếu tố đó là:

1 Sự đồng nhất của austenit Austenit có thành phần C càng đồng nhất thì càng

dễ biến thành M, vì M cũng là dung dich rắn nên làm giảm tốc độ tôi tới hạn.Khi austenit có thành phần cacbon phân bố không đều thì nó dễ tạo thành hỗnhợp F – Xe hơn, trong đó vùng có cacbon cao dễ biến thành Xe, vùng có cacbonthấp dễ biến thành F Nâng cao nhiệt độ tôi tạo cho austenit đồng đều về thànhphần C sẽ nâng cao tính ổn định của austenit quá nguội

2 Các phần tử rắn chưa tan hết vào austenit khi nung nóng như các phần tửcacbit - Xe, làm khó khăn cho chuyển biến austenit - M do đó làm tăng vth

3 Kích thước hạt austenit – Như đã biết khi chuyển biến P, mầm đầu tiên sinh ra

ở biên giới hạt austenit, do vậy hạt austenit nhỏ với tổng biên giới hạt lớn sẽthúc đẩy chuyển biến thành P và khó chuyển biến M vì thế mặc dầu hạt austenit

to tạo nên các sản phẩm có tính dòn cao, nhưng nó cho tốc độ tôi tới hạn nhỏhơn

4 Thành phần hợp kim của austenit Như đã trình bày sơ bộ ở trên, austenit càngchứa nhiều nguyên tố hợp kim tính ổn định của nó càng tăng, vth càng nhỏ Dovậy thép hợp kim có vth nhỏ hơn so với thép cacbon Lượng cacbon trongaustenit cũng ảnh hưởng tới vth Khi tăng lượng C vth giảm đi, tới 0.8 – 1.0%Cvẫn đạt đến gái trị nhỏ nhất, sau đó vth lại tăng lên

d2 Độ thấm tôi và ý nghĩa của nó

* Độ thấm tôi

Trong quá trình làm nguội khi tôi, tốc độ nguội không thể đều nhau trên toàn bộtiết diện của chi tiết thép: bao giờ bề mặt cũng nguội nhanh hơn ở lõi, tùy thuộcvào tốc độ nguội trên tiết diện thép có thể nhận được các tổ chức khác nhau.Hiện tượng thường gặp là từ bề mặt tới chiều sâu nhất định có tổ chức M cứng,phần lõi có tổ chức T, X mềm hơn

Độ thấm tôi là chiều dày của lớp tôi cứng có tổ chức M và M + T

Về mặt định lượng hãy xem độ thấm tôi phụ thuộc những gì?

Hình 4.23 Độ thấm tôi và tổ chức thép phụ thuộc tốc độ nguội

Giả sử chi tiết thép hình trụ tròn có đường kính D, khi làm nguội tốc độnguội phân bố trên đường kính tiết diện có dạng hình chữ V (hình vẽ) chỉ có lớp

bề mặt với chiều dày nhất định (lớp gạch chéo) có tốc độ nguội lớn hơn tốc độnguội tới hạn mới được tôi cứng

Vậy yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ thấm tôi là tốc độ tôi tới hạn rõràng bằng cách nào đó tính ổn định của austenit quá nguội tăng lên, đường congchữ “C” dịch sang phải dẫn đến làm hạ thấp vth, do đó làm tăng độ thấm tôi.Trong trường hợp tốc độ tôi tới hạn của thép quá nhỏ bé hơn cả tố độ nguội củalõi, thì cả lõi cũng được tôi cứng thành M, lúc đó toàn tiết diện có tổ chức M.hiện tượng đó gọi là tôi thấu Ngược lại có trường hợp tốc độ tôi tới hạn quá lớnngay cả tốc độ nguội nhan ở bề mặt cũng không đạt tới do đó toàn bộ chi tiêtkhông được tôi

Như vậy mọi yếu tố làm giảm tốc độ tôi tới hạn (hợp kim hóa, làm đồng dềuaustenit ….) đều làm tăng độ thấm tôi

Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến độ thấm tôi là tốc độ làm nguội, tức là tùy thuộcvào khả năng làm nguội nhanh hay chậm của môi trường tôi đã chọn Rõ ràngkhi làm nguội nhanh hơn tốc độ nguội ở bề mặt và ở lõi đều tăng lên đườngphân bố theo tốc độ nguội sẽ nâng lên, như vậy độ thấm tôi cũng được tăng lêntương ứng (tốc độ nguội nhanh hay chậm không ảnh hưởng gì đến tốc độ tôi tớihạn) Tuy nhiên không thể quá lạm dụng yếu tố này để tăng độ thấm tôi bởi vìlàm nguội quá nhanh dẫn tới làm tăng mạnh ứng suất bên trong gây ra nứt congvênh

Cách xác định độ thấm tôi

Trong thực tế rất khó xác định chiều dày lớp thấm tôi bằng chiều dày của lớp chỉ

có M, mà thường được tính bằng chiều dày từ bề mặt đến lớp có tổ chức nửa m(50%M + 50%T) vì tổ chức này dễ phát hiện bằng phương pháp kim tươnghoặc bằng cách đo độ cứng của tổ chức nửa M ở các thép có thành phần cacbonkhác nhau

27

Hình 4.24 Độ cứng phụ thuộc vào %C (a) phương pháp tôi đầu mút (b)

Để xác định độ thấm tôi người ta dùng cách đo độ cứng các mẫu tôi đầu mút Sơ

đồ cảu phương pháp được trình bày trong hình vẽ, trong đó mẫu tôi có dạng hìnhtrụ tròn với kích thước quy định được nung nóng đến nhiệt độ tôi, treo đứng rồidùng tia nước làm nguội ở đầu mút dưới sau khi tạo mẫu xong, đo độ cứng mẫutheo đường sinh bắt đầu từ mút tôi, kết quả đo được trình bày trên hệ trục tọa độ:

độ cứng – khoảng cách từ đầu mút Hình vẽ trình bày kết quả đo độ cứng củamẫu tôi đầu mút của hai số hiệu thép

Giả sử mẫu thép có thành phần cacbon là 0.65% thì đọ cnwgs của vùng nửa Mcủa nó là 50HRC và như vậy thép “a” (hình vẽ) có độ thấm tôi 3mm, còn thép

“b” tới 18mm, hay là độ xứng 50HRC nhận được ở thép “a” khi làm nguội vớitốc độ 1050C/s, thép “b” – 100C/s

Thông thường với cùng một số hiệu thép do ảnh hưởng của nhiều yếu tố nhưkích thước hạt, sự dao động của thành phần hóa học trong phạm vi cho phép…các số liệu độ cứng đo được sẽ thay đổi trong một giới hạn nào đó, không biểudiễn thành một đường mà thành một dải gọi là dải thấm tôi Hình vẽ trình bàydải thấm tôi của hai thép: thép hợp kim và thép cacbon, cả hai đều cùng lượng Cnhư nhau (0.4%C) Qua đó thấy thép hợp kim có độ thấm tôi cao hơn

Hình 4.25: a Thép cacbon; b,c Thép hợp kim

Ý nghĩa của độ thấm tôi

Độ thấm tôi có ý nghĩa rất quan trọng đối với thép bởi vì nó quyết định khả nănghóa bền thép bằng nhiệt luyện tôi + ram

Như đã biết, độ bền của thép đạt được giá trị cao nhất chỉ ở trạng thái sau khi tôi

và ram Nếu sau tôi, lớp được tôi cứng quá mỏng, chỉ chiếm một phần nhỏ củatiết diện thì hiệu quả hóa bền kể trên không đáng là bao nhiêu, độ bền của chitiết tăng lên rất ít so với trước khi tôi Nhưng nếu sau khi tôi toàn bộ hay phầnlớn tiết diện được tôi thì hiệu quả hóa bền tăng lên rõ rệt

Độ thấm tôi có ý nghĩa đặc biệt đối với thép kết cấu là loại thép để chế tạo cácchi tiết máy, yêu cầu chủ yếu của nó là cần độ bền cao Đối với một chi tiết quantrọng, chịu tải trọng lớn cần chế tạo bằng thép có độ thấm tôi lớn để tôi thấu,nằm đạt độ bền cao đồng đều trên toàn tiết diện

Đối với một số trường hợp lại không yêu cầu tôi thấu Ví dụ: đối với dụng cụ cắtgọt như taro, khoan, dũa…cần lõi có độ dẻo nhất định để tránh gãy khi va đập

do vậy dùng thép có độ thấm tôi thấp lại có lợi Hiện nay có khuynh hướng dùngthép có độ thấm tôi thấp để chế tạo chi tiết cần lõi dẻo dai và làm giảm sự thayđổi thể tich khi tôi

Cần phân biệt tính thấm tôi và tính tôi cứng

Tính thấm tôi hay tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng lớn nhất sau khi tôi.Như vậy tính tôi cứng chỉ phụ thuộc vào lượng C trong mactenxit (do đó phụthuộc vào lượng C của thép); tính tôi cứng hầu như không phụ thuộc vào lượngnguyên tố hợp kim có trong thép Như vậy có thể gặp trường hợp thép có độthấm tôi lớn nhưng tính tôi cứng kém (ví dụ thép hợp kim C thấp) và ngược lạithep C nhưng có tính tôi cứng cao (thép C cao)

1 Đối với thép trước cùng tích và cùng tích ( ≤ 0.8%C)

Nhiệt độ tôi lấy cao hơn Ac3, tức nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn làaustenit Cách tôi này gọi là tôi hoàn toàn

tôi = 850 – 8700CThép có 0,8%C, Ac3 = 7300C, t0

tôi = 760 – 7800C

Nếu chọn nhiệt độ tôi thấp hơn Ac3 thì tại nhiệt độ nung ta nhận được tổ chức làaustenit và pherit vẫn còn, chưa hòa tan hết Do vậy sau khi tôi ta nhận đượcmactenxit + Austenit dư + Pherit Pherit là một pha mềm làm cho độ cứng củathép bị giảm đi và tạo ra các điểm mềm làm xấu cơ tính của nó

2 Đối với thép sau cùng tích ( > 0,8%C)

29

0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4.4 %C 600

700 800 900 1000

1100

1200

1300

1147 E

γ

γ+ XeII Khoảng nhiệt độ tôi

γ+ α P+ α

P+ XeII

S P

Hình 4 26 Khoảng nhiệt độ tôi của thép các bon

Nhiệt độ tôi lấy cao hơn Ac1 nhưng thấp hơn Accm, tức nung tới trạng thái khônghoàn toàn austenit: austenit + xementit II Cách tôi này gọi là tôi không hoàntoàn

t0

tôi = Ac1 + (30 - 50)0C

Do vậy chúng đều có nhiệt độ tôi giống nhau, 760 – 7800C không phụthuộc vào thành phần cacbon

Lý do chọn nhiệt độ tôi như vậy được giải thích như sau:

Với thép trước cùng tích không thể tiến hành tôi không hoàn toàn bởi vỉ ở trạngthái nung nóng thép có tổ chức F + austenit và khi làm nguội nhanh ngoài M ravẫn còn F F là pha mềm do đó độ cứng của thép tôi không đạt được giá trị caonhất, tạo ra điểm mềm không có lợi cho độ bền và tính chống mài mòn Khi tôihoàn toàn (t0

tôi > Ac3) tất cả F hòa tan hết vào austenit, do đó sau khi tôi thép chỉ

có M và không có F, độ cứng sẽ đạt được là giá trị cao nhất

Với thép sau cùng tích không thể tiến hành tôi hoàn toàn (tức nung cao quá Acm)bởi vì thép này có thành phần cacbon cao (> 0,8%C), khi nung quá Accm tất cả

XeII hòa tan hết vào austenit làm cho pha này có lượng cacbon cao (bằng lượngcacbon của thép), khi làm nguội nhanh được M với hàm lượng cacbon cao, thểtích riêng lớn và do đó còn lại nhiều austenit dư Như vậy mặc dầu M trong cáchtôi này có độ cứng cao nhất, nhưng độ cứng chung của thép tôi (gồm M vàaustenit dư) lại thấp hơn quá nhiều Cách tôi như vậy không đạt yêu cầu về độcứng Mặt khác nung thép quá Accm tức phải nung tới nhiệt độ cao (đường SEdốc hơn GS) sẽ làm hạt austenit lớn (gây cho thép tôi dòn), ngoài ra khi nungcao như vậy có sự oxy hóa và thoát cacbon ở bề mặt Khi tôi không hoàn toàn

thép này, ở trạng thái nung thép có tổ chức austenit với lượng C khoảng 0,85%C

và Xe II, khi làm nguội được M chứa 0,85%C có thể tích riêng không quá lớn dovậy lương austenit dư không quá nhiều Tổ chức nhận được sau khi tôi gồm M +

Xe II + ít austenit dư, có độ cứng chung cao nhất khoảng 62-65HRC Ở đây, Xe

II còn có độ cứng cao hơn M chút ít, hơn nữa Xe II do chưa hòa tan hết vàoaustenit nên tồn tại ở dạng hạt nhỏ phân bố đều lại làm tăng tính chống màimòn

Nhiệt độ tôi ảnh hưởng rất nhạy đến chất lượng của thép tôi Ví dụ, nhiệt độ tôithấp sẽ làm thép không đạt độ cứng (như thép trước cùng tích tôi ở nhiệt độ dưới

Ac3), nhiệt độ tôi cao quá làm hạt lớn, dòn, thoát cacbon ở bề mặt Vì vậy phảikiểm tả chạt chẽ nhiệt độ nung nóng khi tôi

Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng nguyên tố hợp kim khoảng 1 –2%) có tổ chức tế vi cơ bản vẫn giống giản đồ trạng thái Fe – C nên nhiệt độ tôigiống như thép cacbon có hàm lượng cacbon tương đương

Đối với thép hợp kim thấp nhiệt độ tôi không sai khác nhiều so với thép các bon,thông thường cao hơn từ 10 ÷ 200C (trừ trường hợp thép chứa mangan, niken)

Đối với thép hợp kim trung bình và cao (tổng lượng nguyên tố hợp kim >5%) có tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C , các điểm tớihạn, các đường trên giản đồ thay đổi quá nhiều nên nhiệt độ tôi không thể xácđịnh theo như thép C tương đương Nhiệt độ tôi của các thép đó phải tra ở các sổtay nhiệt luyện

Các phương pháp tôi thể tích thép và công dụng

g1 Yêu cầu đối với môi trường làm nguội thép khi tôi gọi là môi trường tôi.

- Môi trường tôi phải tạo được chuyển biến M Muốn vậy, môi trường tôi phải

có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tôi tới hạn Vth

của thép cần tôi không làm nứt hay biến dạng chi tiết.Do đó tốc độ làm nguộicủa nó như sau

+ Giảm được tốc độ chuyển biến để tránh biến dạng và ứng suất dư Làmnguội chậm thép ở trong khoảng nhiệt độ trên 6000C và dưới 5000C đặc biệt làtrong khoảng nhiệt độ chuyển biến M (dưới 3000C), tốc độ nguội càng chậmcàng tốt vì chuyển biến này gây ra ứng suất tổ chức lớn Đạt được yêu cầu này

sẽ đảm bảo thép tôi không bị nứt và ít cong vênh

+ Làm nguội nhanh thép trong khoảng austenit kém ổn định nhất (khoảng

500 ÷ 6000C) để không kịp phân hóa thành hỗn hợp pherit – Xementit

Điều kiện làm nguội lý tưởng nhất được mô tả trên hình vẽ sau:

X T

P

M

Hình 4.27 Điều kiện làm nguội lý tưởng

Để thu được tổ chức M và tránh tạo ứng suất dư ta cần chú ý là trong khoảng

550 ÷ 6500C nên làm nguội nhanh và khoảng 200 ÷ 3000C cần làm nguội chậm

- Ngoài 2 yêu cầu quan trọng bên trên, cần chú ý các yêu cầu khác đối với môitrường tôi như: dễ kiếm, sử dụng an toàn, không có tương tác hóa học, điện hóa,

có độ bám vào bề mặt cao để môi trường tiếp xúc đều với chi tiết

g2 Các phương pháp tôi thông thường

* Tôi trong một môi trường:

- Định nghĩa: Sau khi nung nóng thép đến nhiệt độ tôi, giữ nhiệt rồi làm nguộitrong môi trường nào đó ( nước, dầu…) với tốc độ đủ nhanh đến nhiệt độ nhấtđịnh để austenit chuyển biến thành mactenxit Là quá trình tôi mà chi tiết chỉđược làm nguội trong một môi trường duy nhất (đường (1))

Thông thường đối với thép cacbon làm nguội trong môi trường nước hoặc dungdịch NaOH hay NaCl, thép hợp kim làm nguội trong môi trường dầu

- Đặc điểm:

+) Phương pháp này đơn giản, dễ thao tác

+) Không hạn chế được tốc độ nguội khi có chuyển biến M do đó chi tiết dễ bịbiến dạng và nứt

- Nhược điểm của phương pháp tôi này là tạo thành ứng suất lớn nhất khi làmnguội trong môi trường nước

- Phạm vi áp dụng: Do các đặc điểm trên mà tôi một môi trường chỉ áp dụng chocác chi tiết không quan trọng, kết cấu đơn giản

Hình 4.28 Sơ đồ tôi trong một môi trường của thép cùng tích

* Tôi 2 môi trường:

- Định nghĩa: Sau khi nung nóng thép đến nhiệt độ tôi, giữ nhiêt rồi làm nguội.Đầu tiên chi tiết được làm nguội trong môi trường có tốc độ nguội nhanh,thường dùng là nước ( hoặc dung dịch NaCl ) đến khoảng 250 ÷ 3000C thìchuyển sang môi trường có tốc độ làm nguội chậm, thường là dầu, không khícho đến khi nguội hẳn Tôi trong hai môi trường giảm được ứng suất ( dochuyển biến Mactenxit xảy ra trong môi trường nguội chậm ) nên hạn chế đượccong vênh, nứt Vì thế thường dùng phương pháp tôi này để tôi các dụng cụ làmbằng thép cacbon

Là quá trình tôi mà chi tiết được làm nguội trong 2 môi trường có tốc độ nguộikhác nhau Môi trường 2 có tốc độ nguội chậm hơn môi trường 1 (đường (2))

33

Hình 4.29 Các phương pháp tôi thường gặp

Hình 4.30 Các phương pháp tôi thường gặp

1 Tôi trong một môi trường 2 Tôi trong 2 môi trường

3 Tôi phân cấp 4 Tôi đẳng nhiệt

- Đặc điểm:

+) Lợi dụng được ưu điểm của 2 môi trường tôi Sau khi nung nóng và giữnhiệt xong chi tiết được nhúng vào môi trường tôi thứ nhất có tốc độ nguội lớn(nước, dung dịch xút hay muối) đến khoảng nhiệt độ gần xảy ra chuyển biến Mkhoảng 250 ÷ 3000C thép được chuyển sang làm nguội trong môi trường có tốc

độ nguội chậm hơn (dầu, không khí)cho đến khi nguội hẳn Chuyển biến M xảy

ra trong môi trường nguội chậm nên giảm bớt ứng suất bên trong, ít nứt Đây làcách tôi thích hợp cho thép cacbon (đặc biệt cho thép cacbon cao) vừa bảo đảmđạt độ cứng, vừa ít xảy ra biến dạng, nứt

+) Nhược điểm: Khó xác định được thời điểm chuyển chi tiết từ môi trườngmột sang môi trường hai Thời điểm chuyển môi trường tốt nhất là khi thép cónhiệt độ cao hơn Ms khoảng 1000C Nếu chuyển quá sớm, thép bị nguội trongmôi trường hai có vng nhỏ sẽ dễ không đạt được độ cứng yêu cầu, nếu chuyểnquá muộn, chuyển biến M sẽ xảy ra ở ngay trong môi trường một, ứng suất bêntrong lớn, gây biến dạng và nứt

- Phạm vi áp dụng:

Do các đặc điểm của tôi 2 môi trường mà để thực hiện nó phải đòi hỏi côngnhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển môi trường), khó cơ khí hóa,thường áp dụng cho sản xuất từng loại nhỏ hoặc đơn chiếc, thường dùng chothép cacbon cao, yêu cầu độ cứng lớn nhưng không đều ở các lần tôi khác nhau

Mactenxit + austenit Mactenxit + austenit

trên toàn bộ tiết diện của chi tiết, sau đó chuyển sang môi trường không khí làmnguội chậm để tạo chuyển biến M (đường (3))

Hình 4.31 Sơ đồ tôi phân cấp của thép cùng tích

- Đặc điểm:

+) Chi tiết có độ cứng cao nhưng ứng suất bên trong thấp, đọ biến dạng thấpnhất do quá trình nguội được chia làm 2 cấp nên chyênh lệch nhiệt độ giữa lõi

và bề mặt thấp, chuyển biến M xảy ra với tốc độ nguội rất chậm

+) Có thể tiến hành nắn, sửa cong vênh trong các đồ gá đặc biệt khi làm nguộithép ở trong không khí từ nhiệt độ "phân cấp"

+) Không áp dụng được cho các chi tiết có tiết diện lớn vì môi trường làm nguội

có nhiệt độ cao (300 ÷ 500)0C khả năng làm nguội chậm nên với chi tiết có tiếtdiện lớn khó đạt đến vng.th

+) Môi trường muối nóng chảy dễ bị nổ, gây mất an toàn và rất độc hại

- Phạm vi áp dụng: Các dụng cụ bằng thép hợp kim với tính ổn định của γ quánguội lớn (vt.h nhỏ) có tiết diện bé Như mũi khoan, dao phay

* Tôi đẳng nhiệt:

35

Gia công lạnh

Tôi 0C

ở nhiệt độ cố định phải đủ

Hình 4.32 Sơ đồ tôi đẳng nhiệt của thép cùng tích

dài để hoàn thành chuyển biến, sau đó làm nguội ngoài không khí Sau khi tôiđẳng nhiệt không cần ram nữa

Gia công lạnh phải tiến hành ngay sau khi tôi vì để lâu ở nhiệt độ thường sẽ làm

ổn định hóa γ, hiệu quả sẽ kém

Hình 4.33 Tôi đẳng nhiệt

- Phạm vi áp dụng: Chỉ áp dụng cho các thép hợp kim có tính ổn định của γ quánguội lớn và với tiết diện nhỏ Do tạo nên tổ chức tấm không tốt nên phạm vi ápdụng của tôi đẳng nhiệt bị hạn chế Có thể áp dụng cho một số chi tiết và dụng

cụ có dạng tấm mỏng

* Tôi tự ram:

- Với một số loại chi tiết chỉ cần độ cứng cao ở phần làm việc ta dùng phươngpháp tôi tự ram Nung nóng chi tiết đến nhiệt độ tôi, nhúng phần cần tôi cứngvào môi trường tôi để có chuyển biến mactenxit Sau đó lấy ra ngoài không khí

để nhiệt sẽ truyền từ phần không tôi sang ram Như vậy không cần phải tiếnhành ram tiếp theo nữa

- Phạm vi ứng dụng : dùng cho các loại đục thép, mũi ve, tôi cảm ứng các chitiết lớn(các trục dài,…)

g3 Các phương pháp tôi đặc biệt

* Tôi bộ phận:

- Định nghĩa: Là phương pháp tôi mà chỉ có một phần chi tiết được tôi cứng tức

là có chuyển biến M

- Các cách thực hiện: Có 2 cách tôi bộ phận

+) Nung nóng bộ phận: Chỉ nung nóng phần cần tôi cứng đến nhiệt độ tôi, sau

đó làm nguội bình thường trong môi trường tôi thích hợp, phần được nung nóng

sẽ được tôi cứng, các phần còn lại vẫn đảm bảo độ dẻo

+) Nung nóng toàn bộ, làm nguội bộ phận: Nung nóng toàn bộ chi tiết lên đếnnhiệt độ tôi, nhưng chỉ làm nguội bằng môi trường tôi thích hợp những phần cầncứng

- Phạm vi áp dụng: Thường áp dụng để tôi các chi tiết như lưỡi cưa, đục hay đầumút xupáp của động cơ

* Cơ nhiệt luyện:

- Định nghĩa: Là quá trình hóa bền cho phép nhờ sự kết hợp giữa quá trình cơhọc (biến dạng dẻo austenit) với quá trình nhiệt luyện (tôi) thép trong mộtnguyên công duy nhất

- Bản chất:

+) Cơ nhiệt luyện là quá trình cùng tiến hành 2 cơ chế hóa bền là biến dạng dẻo

γ và tôi trong một quá trình công nghệ duy nhất Sau cơ nhiệt luyện, thép đượcram thấp ở 150 ÷ 2000C Tổ chức nhận được là Mram

+) Do biến dạng dẻo, các hạt γ trở nên nhỏ hơn, tạo nên nhiều block, mật độlệch cao vì thế khi tôi tiếp theo sẽ được tổ chức M rất nhỏ, mịn nên có sự kếthợp cao giữa độ bền, độ dẻo và độ dai mà chưa có phương pháp hóa bền nào cóđược So với tôi và ram thấp sau khi tiến hành cơ nhiệt luyện độ bền kéo tănglên 10 ÷ 20%, độ dẻo, độ dai tăng từ 1,5 đến 2 lần

- Phân loại:

37

Ac3

Ac1 Ms

M

t

Tùy thuộc vào nhiệt độ biến dạng γ cao hay thấp hơn nhiệt độ kết tinh, người tachia cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp

+) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao

Trong cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao, người ta biến dạng thép ở nhiệt độ cao hơn

Ac3 rồi tôi ngay tiếp theo để cho sự kết tinh lại γ không kịp tiến hành Cơ nhiệtluyện nhiệt độ cao có các đặc điểm: phạm vi áp dụng rộng rãi cho loại thép kể cảthép cacbon, dễ tiến hành (vì ở nhiệt độ cao hơn Ac3 thì γ dẻo và ổn định khôngcần lực ép lớn, độ biến dạng ε = 20 ÷ 30%); có độ dẻo, độ dai cao song độ bềnthấp do vậy cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao thường được thực hiện trong các xưởngcán nóng thép thành các bán thành phẩm Đạt được độ bền khá cao σb = 2200 ÷2400MPa, độ dẻo độ dai tương đối tốt δ = 6 ÷ 8%, ak = 300KJ/ m2

Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp

Hình 4.34 Cơ nhiệt luyện

+) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp

Trong cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp, người ta biến dạng thép ở nhiệt độ của γ quánguội có tính ổn định tương đối cao (400 ÷ 6000C) nhiệt độ này phải cao hơn

Ms nhưng thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại nhưng cần phải tránh γ chuyển biếnthành T hoặc B Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp có các đặc điểm chỉ áp dụng cho

thép hợp kim là thép có tính ổn định của γ quá nguội cao, khó tiến hành vì côngnghệ phức tạp, độ bền đạt được cao nhưng độ dẻo, dai không cao.

Nếu sau cơ - nhiệt luyện lại tiến hành biến dạng nguội Mram sẽ làm tăng độ bền

- Phạm vi áp dụng: Hiện nay, cơ nhiệt luyện được áp dụng ở các xưởng cán thépcủa các nhà máy luyện kim để sản xuất các bán thành phẩm (thép tấm, théphình)

g4 Một số môi trường nguội hay dùng

* Nước:

- Đặc điểm:

+) Là môi trường tôi dễ kiếm, rẻ tiền và an toàn

+) Có tốc độ nguội nhanh khi ở nhiệt độ 20 ÷ 300C tạo ra độ cứng cao

+) Dễ gây nứt, cong vênh do tốc độ nguội ở vùng chuyển biến M lớn

+) Khi tôi trong môi trường nước nóng lên và tốc độ nguội nhanh chóng bị giảm

đi Do vậy không để nước nóng quá 40 ÷ 50oC bằng cách cho nước lạnh vào vàtháo nước nóng ra

- Phạm vi áp dụng: Dùng tôi cho thép cacbon (%C trung bình) và những chi tiếtđơn giản

* Dầu:

- Đặc điểm:

+) Làm nguội chậm thép ở hai khoảng nhiệt độ trên nên ít gây ra biến dạng vànứt nhưng tốc độ nguội chậm Khi nóng lên tốc độ nguội của dầu không bị giảmnhiều, do vậy thường tôi trong dầu nóng khoảng 60 ÷ 800C

+) Lớp màng hơi của dầu ổn định do đó tốc độ nguội chậm hơn so với nước.+) Môi trường tôi ít an toàn, dễ cháy, giá thành cao

Dầu thường dùng là dầu mazut, dầu máy

- Phạm vi áp dụng: Dùng tôi theo có hàm lượng cacbon cao, thép hợp kim trungbình và chi tiết có hình dạng phức tạp

* Muối nóng chảy, dung dịch xút:

* Dung dịch chất dẻo (Polyme): Loại môi trường này có thể thay đổi tốc độ làm

nguội bằng cách thay đổi nồng độ của nó Nó làm giảm mạnh tốc độ nguội ởvùng nhiệt độ thấp nên giảm được nứt và cong vênh

g5 Gia công lạnh:

Với nhiều thép dụng cụ hợp kim do lượng cac bon cao và được hợp kimhóa nêu các điểm Md và Mk quá thấp (Mk thường ở nhiệt độ âm) Vì vậy khi làmnguội đến nhiệt độ thường chưa kết thúc chuyển biến mactenxit nên lượngaustenit dư còn nhiều làm cho độ cứng không cao Do đó sau khi tôi xong ngaylập tức cho thép vào môi trường có nhiệt độ âm để austenit tiếp tục chuyển biến

39