Chương II: LÍ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÍ THÉP (Phần 2) docx

Các dạng lò nhiệt luyện thường dùng: Hai nét đặc trưng của ủ là : Nhiệt độ ủ không có qui luật tổng quát, mỗi phương pháp có nhiệt độ nhất định.Quá trình làm nguội với tốc độ rất chậm cù

II-CÁC CƠNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG XỬ LÍ NHIỆT THÉP (CƠNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN).

1-Chế độ nhiệt luyện

Chế độ nhiệt luyện được biểu diễn bằng đồ thị (Hình vẽ) bao gồm:

-Thời gian hoặc tốc độ

nung

-Nhiệt độ nung

-Thời gian giữ nhiệt

-Tốc độ hay mơi trường làm

nguội

Thời gian nung nĩng trong

lị cĩ nhiệt độ bằng nhiệt độ nung

được tính theo cơng thức sau:

Trong đĩ: D-Đường kính chi tiết cần nung (mm)

a-Hệ số nung nĩng (ph/mm) (Tra bảng)

k-Hệ số phụ thuộc cách xắp sếp chi tiết trong lị nung (Tra bảng)

Bảng : Sự phụ thuộc của hệ số k và cách xắp sếp chi tiết trong lị nung.

C

Tnung o

1.3 1.4

Phương pháp xếp hệ số k

1.8 2 2.2 4 1.4 1

Phương pháp xếp hệ số k

D

2D D

D D

Bảng …: Giá trị hệ số nung nóng a

6000C

Lò buồng điện trở

750-8500C

Lò muối

9000C

800-Lò buồngđiện trở

13000C

1100-Lò muốiđiện cựcThép cacbon

là nung trong lò buồng có môi trường nung không chuyển động (Lò điện trở) Các loại

lò buồng đốt than hoặc Mazút có tốc độ nung nhanh hơn do sản phẩm cháy chuyển động mang theo nhiệt truyền cho chi tiết

Trong thực tế nhiệt luyện hay dùng các chế độ nung sau:

-Nung khi lò có nhiệt độ không đổi Thường dùng cho thép cacbon và thép hợp kim thấp, hình dáng chi tiết không phức tạp Tốc độ nung khá lớn

-Nung trong lò có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nung Tốc độ nung cao hơn nên chỉ dùng cho thép cacbon thấp khi thấm cacbon, ủ

-Nung cùng lò Năng xuất thấp, tốc độ nung nhỏ

-Nung phân cấp Tốc độ nung phụ thuộc thời gian phân cấp Thường dùng cho thép hợp kim cao, hình dáng chi tiết phức tạp

Tốc độ nung cho phép phụ thuộc vào hình dáng, kích thước chi tiết và thành phần của thép Khi hàm lượng Cacbon và nguyên tố hợp kim cao phải nung chậm lại Các chi tiết lớn, hình dáng phức tạp thường phải nung chậm với tốc độ nhỏ hơn 2-3 lần so với khả năng nung nóng của thiết bị

Các khoảng nhiệt độ nguy hiểm khi nung đối với các chi tiết lớn là 250oC-550oC,

có thể gây nứt bên trong vì trong khoảng nhiệt độ này độ dẻo của thép kém Các nhiệt độ gần điểm tới hạn cũng là các khoảng nhiệt độ nguy hiểm

Thời gian giữ nhiệt tính bằng 1/4 -1/5 thời gian nâng nhiệt, hoặc tính theo chiều dày lớn nhất của thành chi tiết chất trong lò Với chiều dày thành lớn nhất của chi tiết dưới 200mm, cứ 25mm giữ nhiệt 1h

Các dạng lò nhiệt luyện thường dùng:

Hai nét đặc trưng của ủ là :

Nhiệt độ ủ không có qui luật tổng quát, mỗi phương pháp có nhiệt độ nhất định.Quá trình làm nguội với tốc độ rất chậm cùng với lò) để austenit phân hóa ở nhiệt

độ cao sát A1 cho ra peclit

Mục đích:

Có nhiêu phương pháp ủ chỉ đạt được một, hai trong số năm mục đích sau đây :Giảm độ cứng (làm mềm) thép để tiến hành gia công cắt

Làm tăng độ dẻo để tiến hành đập, cán, kéo nguội

Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong do gia công cơ khí, đúc, hàn

Làm đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc bi thiên tích

Làm nhỏ hạt thép.

Theo chuyển biến pha peclit - austenit xảy ra khi nung nóng, người ta chia ra hai nhóm ủ: có và không có chuyển biến pha

b-Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha :

Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn AC1, không

có chuyển biến pha peclit - austenit

Có hai phương pháp ủ không có chuyển biến pha là ủ thấp và ủ kết tinh lại

+ Để lâu trong khô hay ngoài trời (ở nhiệt độ thường), ứng suất bên trong được giảm dần nhưng phải sau gần một năm mới đạt đến giá trị nhỏ không đáng kể Cách này quá tốn thơi gian, gây lãng phí, ứ đong sản phẩm, mất đồng bộ sản xuất

+ Ủ ở 450 – 600oC trong 1 – 2h sẽ khử bỏ được hầu như hoàn toàn ứng suất bên trong Hiện nay trong sản suất cơ khí thường áp dụng cách này vì nó tiết kiệm được kho, bãi, không gây lãng phí (khi đúc hỏng sẽ biết ngay sau khi gia công cơ khí, do đó tìm cách ngăn ngừa ngay), không gây ra mất đồng bộ sản xuất , tuy có tốn kém thêm

Sau gia công cơ (cắt gọt, mài, dập nguội …) ứng suất bên trong tăng lên như xecmăng sau mài, lò xo sau khi quấn nguội … , phải được ủ khử ứng suất từ 200 đến

450oC (đôi khi còn gọi là ram vì trùng với nhiệt độ ram)

Cách ủ này không làm thay đổi độ cứng của thép

Ủ kết tinh lại:

Ủ kết tinh lại được tiến hành cho các thép biến dạng Như đã học ở chương 1 nhiệt độ kết tinh lại của sắt là 4500C Đối với thép cacbon, ủ kết tinh lại ở 600-7000C

Khác với ủ thấp ủ kết tinh lại làm giảm độ cứng và thay đổi kích thước hạt, song không áp dụng cho thép vì ở phần bị biến dạng tới hạn (2-8%) sau khi kết tinh lại sẽ có hạt rất lớn, thép bị giòn Để tránh thiếu sót này người ta dùng các phương pháp ủ có chuyển biến pha.

c Các phương pháp ủ có chuyển biến pha:

Các phương pháp ủ này có nhiệt độ ủ cao hơn AC1 có xảy ra chuyển biến peclit - austenit (hạt nhỏ) và chuyển biến austenit (hạt nhỏ) - peclit (hạt nhỏ) khi làm nguội chậm Có các phương pháp ủ có chuyển biến pha như sau :

Ủ hoàn toàn: ủ hoàn toàn là phương pháp ủ với đặc điểm nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn là auxtenit , tức phải nung cao hơn AC3 hoặc AC cm

Lĩnh vực áp dụng : cho thép trước cùng tích với lượng cacbon trong khoảng 0,30 – 0,65% nhằm hai mục đích sau đây :

sẽ phân hóa ra tổ chức ferit –peclit, trong đó peclit ở dạng tấm

Ủ không hoàn toàn và ủ cầu hóa :

Ủ không hoàn toàn là phương pháp ủ với đặc điểm nung nóng thép tới trạng thái không hoàn toàn là austenit, tức là mới chỉ cao hơn AC1 nhưng thấp hơn AC3 hay ACcm

Sự chuyển biến khi nung nóng ở đây là không hoàn toàn : chỉ có peclit chuyển biến thành austenit hạt nhỏ còn ferit hoặc xêmentit II vẫn còn lại do vậy chúng vẫn giữ nguyên hình dạng và kích thước

Lĩnh vực áp dụng: chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tích, đôi khi cho cả thép trước (nhưng rất gần) cùng tích với lượng cacbon >= 0,70% với mục đích làm

giảm độ cứng đến mức thấp nhất để có thể cắt gọt được Phương pháp này không áp dụng cho thép trước cùng tích vì đây là loại thép kết cấu có yêu cầu cao về độ dai và trong phương pháp này không làm nhỏ được hạt ferit, không làm tăng được độ dai.

Như đã biết thép có > 0,70% C sẽ chứa một lượng lớn xêmentit (>10%), cứng, khó cắt gọt Nếu ủ hoàn toàn ra peclit tấm độ cứng > 220HB sẽ khó cắt gọt Ở nhiệt độ nung nóng để ủ không hoàn toàn austenit không đồng nhất, khi làm nguội sẽ cho ra peclit hạt với độ cứng hơn peclit tấm, nhờ đó độ cứng của thép ủ < 220HB dễ cắt gọt hơn

Vậy nhiệt độ ủ không hoàn toàn là :

tou = AC1 + (20 + 30) = 760 – 7800C

đối với mọi loại thép (cacbon)

Ủ cầu hóa : là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn trong đó nhiệt độ nung dao động tuần hoàn trên dưới AC1 nung lên 760 – 780 0C rồi làm nguội xuống 650 – 6800C trong nhiều lần, nó sẽ xúc tiên quá trình cầu hóa của xêmentit, do đó chóng được peclit hạt

U đẳng nhiệt:

Đối với thép hợp kim cao do austenit quá nguội có tính ổn định quá lớn, làm nguội chận cùng lò cũng không đạt được tổ chức pectit, nên thép không đủ mềm để cắt gọt Muốn đạt được mục đích này, tiện lợi hơn cả là làm nguội đẳng nhiệt độ thấp hơn AC1 khoảng 500C ( dùng loại lò có khống chế nhiệt độ qui định) trong thời gian nhất định (xác định theo giản đồ chữ “C”), sẽ nhận được tổ chức peclit

Lĩnh vực áp dụng: cho thép hợp kim để rút ngán thời gian ủ

Nó khác với hai phương pháp ủ trên ở phương thức làm nguội đẳng nhiệt, còn trong hai phương pháp trên làm nguội liên tục Còn nhiệt độ ủ có thể là nhiệt độ của ủ hoàn toàn nếu là thép trước cùng tích (sau khi ủ được peclit tấm) Của ủ không hoàn toàn nếu là thép sau cùng tích và cùng tích (sau khi ủ được peclit hạt)

Ủ khuyếch tán:

U khuyếch tán là phương pháp ủ với đặc điểm nung nóng thép lên đến nhiệt độ rất cao 1100 – 11500C trong nhiều giờ (10-15h) để làm tăng khả năng khuyếch tán , làm đều thành phần hóa học giữa các vùng

Lĩnh vực áp dụng : thép hợp kim cao khi đúc bị thiên tích phải làm đều thành phần Song sau khi ủ khuyếch tán hạt rất to phải đưa đi cán nóng hoặc ủ lại theo một trong 3 phương pháp ủ để làm nhỏ hạt

Cần chú ý: đối với mọi trường hợp của ủ có chuyển biến pha, chỉ cần làm nguội trong lò đến 600-6500C, sự tạo thành peclit đã hoàn thành, lúc đó có thể kéo vật phẩm ra khỏi lò để nguội ngoài không khí rồi cho mẻ khác vào để ủ tiếp.

THƯỜNG HÓA THÉP

a.Định nghĩa:

Thường hóa là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit (cao hơn AC3 hoặc ACcm) giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh (thường kéo ra để nguội ở trên sàn xưởng) để austenit phân hóa thành tổ chức gần ổn định : peclit phân tán hay xoocbit với độ cứng tương đối thấp

Các nét đặc trưng của thường hóa là :

Nhiệt độ : giống như ủ hoàn toàn nhưng áp dụng cho cả thép sau cùng tích

toth = AC3 + (20 + 30oC) cho thép trước cùng tích

toth = ACcm + (20 + 30oC) cho thép sau cùng tích

Tốc độ nguội : Trong không khí tĩnh, không phải dùng lò nên kinh tế hơn ủ

Tổ chức và cơ tỉnh : so với ủ tổ chức đạt được là gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi chút

b Mục đích lĩnh vực áp dụng:

Về đại thể mục đích của thường hoá cũng giống như ủ, song thường nhằm vào ba mục đích sau:

1 Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt cho thép cacbon thấp ( ( 0,25%)

Thép cacbon, nếu ủ hoàn toàn, sẽ dạt độ cứng quá thấp (<140-160 HB), quá dẻo phôi khó gãy nên khó cắt gọt, nếu thường hóa sẽ có độ cứng cao hơn, thích hợp với gia công cắt hơn

Cần nhớ: để bảo đảm tính gia công cắt

+ thép ≤ 0,25% C – thường hóa

+ thép 0,30 – 0,65%C - ủ hoàn toàn

+ thép ( 0,70%C – ủ không hoàn toàn (ủ cầu hóa.)

2 Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị nhiệt luyện kết thúc

Khi thường hóa tạo ra tổ chức peclit phân tán hay xoocbit, trong đó xêmentit có kích thước nhỏ , điều này rất có lợi để tạo thành hạt auxtenit nhỏ mịn và chuyển biến xảy ra nhanh Thường áp dụng cho các thép kết cấu trước khi tôi bề mặt

3 Làm mất lưới xêmentit II của thép sau cùng tích

Như đã biết xêmentit II trong thép sau cùng tích thường ở dạng lưới làm thép giòn ( pha ggiòn ở dạng liện tục không những làm tăng mạnh độ giòn mà còn ảnh hưởng xấu đến độ nhẳn bóng khi cắt gọt ) Thường hóa với tốc độ nguội nhanh hơn ủ làm xêmentit

II không kịp tiết ra ở dạng liền nhau , mà ở dạng đứt rời , cách xa nhau , do đó sẽ ít làm hại tính dẻo

Vậy các nét đặc trưng của tôi là :

- Nhiệt độ tôi > AC1 để có austenit ( có thể giống ủ hoặc thường hóa )

- Tốc độ nguội nhanh làm cho ứng suất nhiệt cũng như ứng suất tổ chức đều lớn ,

dễ gẩy , nứt, biến dạng, cong , vênh

- Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định

Hai nét đặc trưng sau khác hẳn ủ và thường hóa

Mục đích

Tôi thép kết hợp với ram ở nhiệt độ thích hợp là chằm mục đích sau đây:

1 Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn , nhờ đó kéo dài tuổi thọ của chi tiết máy chịu mòn và dụng cụ Như đã biết, nhờ tôi mà độ cứng của thép tăng lên gấp bội, song để đạt được mục đích này thép phải có lượng cacbon từ trung bình trở lên thường

là≥ 0,3 - 0,4% với độ cứng khi tôi ≥ 50HRC

2 Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy:

Tôi là nguyên công không thể thiếu và nó quyết định khả năng làm việc cuả các chi tiết máy dưới tải trọng nặng Để nhằm mục đích này có thể tiến hành tôi cho hâù hết các thép có từ 0,15% C trở lên

Do vậy hầu hết các chi tiết máy quan trọng làm việc trong những điều kiện nặng nề chịu ma sát , bị mài mòn , chịu tải trọng cao và tất cả dụng cụ đều phải qua nhiệt luyện Người ta rất chú ý đến nguyên công có tính quyết định này hơn nữa đây là nguyên công

cuối cùng , thực hiện trên chi tiết gần như thành phẩm ( có một số trường hợp sau đó phải mài ) , lại phải làm nguội nhanh dễ sinh ra biến dạng ( khó tránh khỏi ), thậm chí có khi nứt , vở , gây lãng phí nghiêm trọng và phá vỡ toàn bộ sản xuất

b Chọn nhiệt độ tôi thép:

*Đối với thép trước cùng tích và cùng tích ( ≤ 0,8%C )

Nhiệt độ tôi phải lấy cao hơn AC3 , tức nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn là austenit Cách tôi như vậy gọi là tôi hoàn toàn

Tổ chức sau khi tôi : mactenxit + austenit dư

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

Nhiệt độ chỉ lấy cao hơn AC1 , tức nung nóng thép tới trạng thái không hoàn toàn là austenit ( γ + XeII ) cách tôi như vậy là không hoàn toàn

t0tôi = A1 + ( 30 + 500c )= 760 - 780 0c

Thép có lượng cacbon thay đổi từ 0,8 đến 1,3 % hay cao hơn nữa đều có nhiệt độ tôi giống nhau

Tổ chức sau khi tôi : mactenxit + xêmentitII + austenit dư

* Lý do chọn nhiệt độ tôi như vậy

- Đối với thép trước cùng tích khi tôi không hoàn toàn , ngoài mactenxit ra vẫn còn ferit ( γ + α > M +γd+ α) , α là pha mềm , ngoài tác dụng làm thấp độ cứng của thép tôi , nó còn gây ra điểm mềm ảnh hưởng xấu đế độ bền , độ bền mỏi và tính chống bào mòn Khi tôi hoàn toàn ( tức nung cao hơn AC3 ) , tất cả ferit hoà tan hết vào austenit , do vậy sau khi tôi thép chỉ có tổ chức mactenxit , không còn ferit , độ cứng đạt được giá trị cao nhất

- Đối với thép sau cùng tích, khi nung để tôi hoàn toàn sẽ đạt được tổ chức hoàn toàn là Austenit với lượng Cacbon cao như của thép, nên khi nguội nhanh ngoài Mactenxit ra còn có nhiều Austenit dư (do thể tích riêng của Mactenxit quá lớn, ép mạnh

o m TH

t A

dư không cao và do đó không làm thấp độ cứng của thép tôi Tổ chức tạo thành gồm Mactenxit + Xêmentit II + ít Austenit dư có độ cứng cao vì Xêmentit II có độ cứng cao không kém gì Mactenxit, lại còn làm tăng mạnh tính chống mài mòn

* Đối với thép hợp kim:

Các nhiệt độ tôi chọn ở trên là cho thép Cacbon Đối với thép hợp kim, người ta phân nó thành hai trường hợp để xét

Đối với thép hợp kim thấp (ví dụ 0,40%C + 1%Cr), nhiệt độ tôi không khác gì thép Cacbon tương đương (tức chỉ 0,40%C)

Đối thép hợp kim trung bình và cao, nhiệt độ tôi khác nhiều với thép Cacbon tương đương và phải tra trong các sổ tay

c- Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi:

* Tốc độ tôi tới hạn:

Như đã biết tốc độ tôi tới hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để Austenit chuyển biến thành Mactenxit Có thể xác định gần đúng giá trị này theo sơ đồ hình 33 và theo công thức sau đây:

tới hạn dưới của thép, oC

To

m ,τm : nhiệt độ

và thời gian ứng với đoạn

Austenit quá nguội kém ổn

định nhất, oC và s

Tốc độ tôi tới hạn của thép

càng nhỏ thì càng dễ tôi,

Hình 33: Tốc độ tôi tới hạn

V Toâi =V BM

δ δ

- Thành phần hợp kim của Austenit càng cao tính ổn định của Austenit quá nguội càng lớn, Vt.h càng nhỏ

- Sự đồng nhất của Austenit: Austenit càng đồng nhất thì dễ biến thành Mactenxit Khi Austenit càng không đồng nhất, ở những vùng giàu Cacbon dễ biến thành Xêmentit, những vùng nghèo Cacbon dễ biến thành Ferit Nâng cao nhiệt độ tôi sẽ giúp hòa tan và đồng đều hóa Cacbon nâng cao tính đồng nhất của Austenit, làm giảm Vt.h

- Các phần tử rắn chưa tan hết vào Austenit thúc đẩy chuyển biến tạo thành hỗn hợp Ferit - Cacbit, làm tăng Vt.h

- Kích thước hạt Austenit càng lớn, biên giới càng ít, càng khó chuyển biến thành hỗn hợp Ferit+Xêmentit, làm giảm Vt.h

* Độ thấm tôi:

Định nghĩa:

Độ thấm tôi là chiều dày của lớp được tôi

lớp bề mặt với chiều dày δ có Vnguội >Vt.h mới có tổ chức Mactenxit cứng, còn phần lõm còn lại có Vnguội < Vt.h có tổ chức Ferit - Xêmentit mềm hơn δ là chiều dày lớp được tôi cứng, gọi là độ thấm tôi.

Qua sơ đồ này thấy rõ yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ thấm tôi là Vt.h Tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ độ thấm tôi càng cao Nếu Vt.h của thép nhỏ đến mức Vlỏi

> Vt.h thì lõi cũng được tôi, tức là toàn tiết diện được tôi và gọi là tôi thấu Mọi yếu tố làm giảm Vt.h như Austenit đồng nhất, tăng nhiệt độ tôi, hạt lớn và đặc biệt là hợp kim hóa thép đều làm tăng độ thấm tôi

Tốc độ làm nguội nhanh cũng giúp làm tăng độ thấm tôi(hãy tưởng tượng đường cong chữ V nâng lên cao, giao điểm của nó với đường ngang Vt.h sẽ đi sâu vào lõi ) Song không nên áp dụng biện pháp này vì nó dễ gây nứt, biến dạng

Ý nghĩa:

Ý nghĩa của độ thấm tôi là ở chỗ nó biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi + ram, hãy nói cho đúng hơn là biểu thị tỷ lệ tiết diện của chi tiết dược hóa bền nhờ tôi và ram

Như đã biết sau khi tôi độ bền, độ cứng của thép tăng lên, nhiều lần, song nếu lớp tôi quá mỏng thì hiệu quả này là không đáng kể, chỉ có tính cục bộ, song khi lớp tôi dày, đặc biệt là khi tôi thấu hiệu quả này sẽ trở nên hoàn toàn hơn, do đó sức chịu tải tăng lên

rõ rệt, điều này đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết lớn chịu tải nặng

Trong thực tế chế tạo máy không yêu cầu thép có độ thấm tôi càng lớn càng tốt,

mà yêu cầu chọn thép có độ thấm tôi phù hợp với kích thước tiết diện của chi tiết: chi tiết có tiết diện càng lớn phải làm bằng thép có độ thấm tôi càng cao, hay nói khác đi mỗi mác thép phù hợp với một tiết diện nào đó: nếu dùng cho tiết diện nhỏ hơn là lãng phí, mà dùng cho tiết diện lớn hơn thì không thích hợp và không bảo đảm điều kiện kỹ thuật

Với mục đích bảo đảm có tính đồng nhất trên tiết diện, trước khi đem chế tạo một

số trường hợp(ví dụ khi chế tạo bánh răng) người ta phải kiểm tra độ thấm tôi của cả mác thép nữa

Trong một số trường hợp có thể còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm cho lõi không bị tôi, chi tiết sau khi tôi có độ cứng bề mặt và độ dai của lõi cao

* Tính thấm tôi và tính tôi cứng:

Tính tôi hay tính tôi cứng là khả năng của thép đạt độ cứng cao khi tôi, nó hoàn toàn chỉ phụ thuộc vào lượng Cacbon của Austenit(do đó của thép), mà không phụ thuộc gì vào lượng nguyên tố hợp kim Thép có Cacbon càng cao tính tôi cứng càng lớn Ngược lại tính thấm tôi là khả năng tăng chiều dày của lớp tôi cứng, nó lại hoàn toàn