Giáo trình vật liệu 2 part 5 doc

Đ/n: là phương pháp nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn A1 để đạt pha γ, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thí ch hợp để tạo thành M hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao.. T

55

Hình 4.15 Khoảng nhiệt độ ủ, thường hóa

và tôi cho thép cacbon Hình 4.15 là các khoảng nhiệt độ ủ, thường hóa và tôi trên giản đồ pha Fe-C

4.4 Tôi thép

là nguyên công quan trọng nhất của nhiệt luyện

4.4.1 Định nghĩa và mục đí ch

a Đ/n: là phương pháp nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn A1 để đạt pha γ, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thí ch hợp để tạo thành M hay các tổ chức không ổn

định khác với độ cứng cao

Đặc trưng của tôi: - Nhiệt độ tôi > A1 để có γ (có thể giống ủ hoặc thường hóa)

- Tốc độ làm nguội nhanh dễ gây ứng suất nhiệt, pha → dễ gây nứt, biến dạng, cong vênh

- Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định 2 điểm sau khác hẳn ủ và thường hóa

b Mục đí ch:

1) Tăng độ cứng để chống mài mòn tốt nhất (ram thấp): dụng cụ (cắt, biến dạng nguội), ∈ %C:

%C ≤ 0,35%C-≤ HRC 50, %C = 0,40ữ0,65%C- HRC 52 ữ 58,

%C = 0,70 ữ 1,00%C- HRC 60 ữ 64, %C = 1,00 ữ 1,50%C- HRC 65 ữ 66

2) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy, áp dụng cho thép có

%C=0,15-0,65:

tôi + ram trung bình thép đàn hồi (0,55-0,65)%C

Tôi+ram cao → thép có cơ tí nh tổng hợp cao nhất (thép 0,3-0,5)%C

4.4.2 Chọn nhiệt độ tôi thép

a Đối với thép TCT (< 0,80%C): Ttôi = A3 + (30 ữ 50oC) → M+í t γdư

b Đối với thép CT và SCT (≥ 0,80%C): Ttôi =A1+(30 ữ 50oC) ≈ 760 ữ 780oC → M+í t γdư+XêII

c Lý do để chọn nhiệt độ tôi:

+ Thép TCT, T< A3 còn F là pha mềm gây ra điểm mềm ảnh hưởng xấu tới độ bền, độ bền mỏi và tí nh chống mài mòn

+ Thép SCT, T> Acm → hàm lượng C trong γ cao quá dễ sinh γ dư nhiều, hạt lớn (vì T >950oC)

A1<Ttôi<Acm sau tôi được M+ lưới XêII+ í t γ dư → chống mài mòn tốt

1400

1600

1800

1200

ủ cầ u

700

800

900

A1

Acm

A 3

thư ờ ng

ủ và tô i

%C 0,8

2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiệt

luyện kết thúc Thường áp dụng cho các

thép kết cấu trước khi tôi (thể tí ch và bề

mặt)

3) Làm mất lưới xêmentit II của thép sau

cùng tí ch → thép đỡ giòn, gia công được

bóng hơn

56

d Đối với thép hợp kim: cũng dựa vào GĐP Fe-C để tham khảo nhiệt độ tôi, 2

trường hợp:

+ thép hợp kim thấp (ví dụ 0,40%C + 1,00%Cr), Ttôi ~ thép 0,40%C, có lấy tăng lên 1,1-1,2 lần

+ thép hợp kim trung bình và cao: tra trong các sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật

4.4.3 Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

Tốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi, tạo ra độ cứng cao (cả sâu

trong lõi) đồng thời với biến dạng nhỏ và không bị nứt

b Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn:

- Thành phần hợp kim của γ: quan trọng nhất, γ càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ

Co) đường "C" càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ: (2ữ3)% nthk Vth ≈ 100oC/s, (5 ữ 7)% nthk Vth ≈ 25oC/s

- Sự đồng nhất của γ : γ càng đồng nhất càng dễ biến thành M (γ không đồng nhất, vùng giàu C dễ biến thành Xê, vùng nghèo C dễ biến thành F) → Ttôi ↑ → γ

đồng nhất → Vth ↓

- Các phần tử rắn chưa tan hết vào γ: thúc đẩy tạo thành hỗn hợp F-Xê, làm tăng

Vth

- Kí ch thước hạt γ: càng lớn, biên giới hạt càng í t, càng khó tạo thành hỗn hợp

F-Xê , Vth ↓

c Độ thấm tôi

Đ/n: là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức 1/2M + 1/2T

Cách xác định: bằng thí nghiệm tôi đầu mút

Các yếu tố ảnh hưởng:

V th : càng nhỏ độ thấm tôi càng cao, Vth < Vlõi tôi thấu, các yếu tố làm giảm Vth →

↑δ

Tốc độ làm nguội: nhanh → ↑δ nhưng dễ gây nứt, biến dạng

ý nghĩa: biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi + ram, đúng hơn là biểu thị

tỷ lệ tiết diện của chi tiết được hóa bền nhờ tôi + ram

- Thép có độ thấm tôi càng cao được coi là chất lượng càng tốt,

- Mỗi mác thép có δ xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kí ch thước nhất

định để có thể tôi thấu

d Đánh giá độ thấm tôi:

Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép với cùng lượng cacbon là 0,40%, ở

đây độ thấm tôi được tí nh tới vùng nửa 1/2M+1/2T

+ Thép cacbon, δ trung bình chỉ khoảng 7mm, nếu thêm 1,00%Cr là 12mm, còn

+ Để tăng mức độ đồng đều cơ tí nh trên tiết diện, trước khi đem chế tạo các bánh răng quan trọng người ta phải kiểm tra lại δ của mác thép mới định dùng

+ Ngược lại: còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm cứng bề mặt lõi vẫn dẻo dai

e Tí nh thấm tôi và tí nh tôi cứng:

Tí nh tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao nhất khi tôi, %C càng cao tí nh tôi cứng càng lớn

57

Tí nh thấm tôi là khả năng đạt chiều dày lớp tôi cứng lớn nhất, %nthk càng cao thì

tí nh thấm tôi càng lớn

a) b) c)

Hình 4.17 Khả năng tôi cứng của một số loại thép:

a 0,40%C, b 0,40%C + 1,00%Cr, c 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo,

4.4.4 Các phương pháp tôi thể tí ch và công dụng Các môi trường tôi

Các cách phân loại tôi: Theo T tôi: tôi hoàn toàn và không hoàn toàn, theo phạm vi: tôi thể tí ch và tôi bề mặt, theo phương thức và môi trường làm nguội (hình 4.18) ta có:

a Tôi trong một môi trường hình 4.18 - a

Hình 4.18 Phương pháp tôi Hình 4.19 Đường nguội lý tưởng khi tôi

a trong 1 môi trường, b trong 2 môi trường,

c tôi phân cấp, d tôi đẳng nhiệt

Yêu cầu đối với môi trường tôi:

- làm nguội nhanh thép để đạt được tổ chức M, - không làm thép bị nứt hay biến dạng

- rẻ, sẵn, an toàn và bảo vệ môi trường

Để đạt được hai yêu cầu đầu tiên, môi trường tôi lý tưởng hình 4.19:

1) Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng γ kém ổn định nhất 500 ữ 600 o C để γ

không kịp phân hóa thành hỗn hợp F-Xê Vnguội> Vth

2) Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên vì ở đó γ quá nguội có tí nh

ổn định cao, không sợ bị chuyển biến thành hỗn hợp F-Xê có độ cứng thấp Đặc

20

40

60

12 20

khoảng cách,mm

20

40

60

7 20

khoảng cách ,mm

khoảng cách, mm

20

40

60

30

20

đ ộ cứ ng ~1/2M+1/2T đ ộ cứ ng ~1/2M+1/2T đ ộ cứ ng ~1/2M+1/2T

A1

austenit

a

thờ i gian

Mđ

A1

austenit

thờ i gian

Mđ

58 biệt trong khoảng chuyển biến M (300 ữ 200oC), nguội chậm sẽ làm giảm ứng

suất pha do đó í t bị nứt và í t cong vênh

Các môi trường tôi thường dùng: (bảng 4.1)

Bảng 4.1 Đặc tí nh làm nguội của các môi trường tôi

Tốc độ nguội, [độ/s], ở các khoảng nhiệt độ

Môi trường tôi

600 ữ 5000 C 300 ữ 2000 C

Nước lạnh, 10 ữ 300

Nước: là môi trường tôi mạnh, an toàn, rẻ, dễ kiếm nên rất thông dụng nhưng

cũng dễ gây ra nứt, biến dạng, không gây cháy hay bốc mùi khó chịu, khi nhiệt độ

nước bể tôi > 40oC tốc độ nguội giảm, (khi To nước = 50oC, tốc độ nguội thép

chậm hơn cả trong dầu mà không làm giảm khả năng bị biến dạng và nứt (do

không làm giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) phải lưu ý tránh: bằng cách cấp

nước lạnh mới vào và thải lớp nước nóng ở bề mặt đi

/s), song không thí ch hợp cho chi tiết có hình dạng phức tạp

Nước được hoà tan 10% các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay (NaOH): nguội rất

nhanh ở nhiệt độ cao song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu như không tăng

tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) so với nước, được dùng để tôi thép dụng cụ cacbon

(cần độ cứng cao)

Dầu : làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó í t gây biến dạng, nứt

nhưng khả năng tôi cứng lại kém Dầu nóng, 60 ữ 80o

C, có khả năng tôi tốt hơn vì

có độ loãng (linh động) tốt không bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi Nhược

điểm dễ bốc cháy phải có hệ thống ống xoắn có nước lưu thông làm nguội dầu,

bốc mùi gây ô nhiễm và hại cho sức khỏe

tiết có hình dạng phức tạp, là môi trường tôi thứ 2 (thép CD)

Quy tắc chọn môi trường tôi ngoại lệ:

- Thép C tiết diện nhỏ (φ < 10), hình dạng đơn giản, dài (như trục trơn) nên tôi

dầu Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thể chọn thép C nhưng phải làm

bằng thép hợp kim để tôi dầu

- Chi tiết bằng thép hợp kim, có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản phải tôi nước

Các vật mỏng, hình dạng phức tạp dễ bị cong vênh khi làm nguội tự do cần tôi

trong khuôn ép, trong khung giữ chống cong vênh hoặc bó chặt nhiều thanh dài

lại,

Tôi trong một môi trường rất phổ biến do dễ áp dụng cơ khí hóa, tự động hóa,

giảm nhẹ điều kiện lao động nặng nhọc

b Tôi trong hai môi trường (nước qua dầu) Đường b trên hình 4.18

Tận dụng được ưu điểm của cả nước lẫn dầu: nước, nước pha muối, xút qua dầu

(hay không khí ) cho đến khi nguội hẳn Như vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho

59 thép vừa í t gây biến dạng, nứt Nhược điểm: khó, đòi hỏi kinh nghiệm, khó cơ khí hóa, chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc thép C cao

c Tôi phân cấp: đường c trên hình 4.18

Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm Mđ khoảng 50 ữ 100oC, 3 ữ 5min để

đồng đều nhiệt độ trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong không khí để chuyển

Ưu điểm: khắc phục được khó khăn về xác định thời điểm chuyển môi trường của cách b

Đạt độ cứng cao song có ứng suất bên trong rất nhỏ, độ biến dạng thấp nhất, thậm chí có thể sửa, nắn sau khi giữ đẳng nhiệt khi thép ở trạng thái γ quá nguội vẫn còn dẻo

Nhược điểm: năng suất thấp, chỉ áp dụng được cho các thép có Vth nhỏ (thép hợp kim cao như thép gió) và với tiết diện nhỏ như mũi khoan, dao phay

Cả ba phương pháp tôi kể trên đều đạt được tổ chức mactenxit

d Tôi đẳng nhiệt: đường d trên hình 4.18

Khác tôi phân cấp ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng giờ) cũng trong môi trường lỏng (muối nóng chảy) để austenit quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp F-Xê nhỏ mịn có độ cứng tương đối cao, độ dai tốt Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt sẽ được các tổ chức khác nhau: 250 ữ 400oC - bainit, 500 ữ 600oC - trôxtit Sau khi tôi dẳng nhiệt không phải ram

Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu, nhược điểm của tôi phân cấp, nhưng độ cứng thấp hơn

và độ dai cao hơn, năng suất thấp í t được áp dụng cách tôi này

Một phương pháp tôi đẳng nhiệt đặc biệt là tôi chì (patenting) - tôi đẳng nhiệt

trong bể Pb nóng chảy ở 500 ữ 520oC → X mịn, qua khuôn kéo sợi nhiều lần (ε tổng= 90%), đạt σE và δ max

e Gia công lạnh

áp dụng cho thép dụng cụ hợp kim, %C cao và được hợp kim hóa, các điểm Mđ và

MK quá thấp nên khi tôi lượng γ dư quá lớn, làm giảm độ cứng Đem gia công lạnh (-50 hay -70oC) để γ dư → M, độ cứng có thể tăng thêm 1 ữ 10 đơn vị HRC

f Tôi tự ram

Là cách tôi với làm nguội không triệt để, nhằm lợi dụng nhiệt của lõi hay các phần khác truyền đến, nung nóng tức ram ngay phần vừa được tôi: đục, chạm, tôi cảm ứng băng máy, trục dài

4.4.5 Cơ - nhiệt luyện thép

a Bản chất: đồng thời: biến dạng dẻo (cán nóng) γ đem tôi ngay rồi ram

thấp ở 150 ữ 200oC Kết quả: M nhỏ mịn với xô lệch cao, nhờ đó kết hợp cao nhất giữa độ bền, độ dẻo và độ dai mà chưa có phương pháp hóa bền nào sánh kịp

So với nhiệt luyện tôi + ram thấp thông thường: bền kéo cao tăng 10 ữ 20%, độ dẻo, độ dai tăng từ 1,5 đến 2 lần Gồm 2 loại:

b Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao: hình 4.20a, biến dạng dẻo ở trên A3 rồi tôi ngay, đặc điểm:

- có thể áp dụng cho mọi thép kể cả thép cacbon,

- dễ tiến hành vì ở nhiệt độ cao austenit dẻo, ổn định, lực ép nhỏ, độ biến dạng ε

= 20 ữ 30%

60

- độ bền khá cao: σb = 2200 ữ 2400MPa, δ = 6 ữ 8%, aK = 300kJ/m2

a) b)

Hình 4.20 Sơ đồ cơ - nhiệt luyện:

nhiệt độ cao (a) và nhiệt độ thấp (b)

- đạt được độ bền rất cao σb = 2600 ữ 2800MPa, song độ dẻo, độ dai thấp hơn loại trên: δ = 3%, aK = 200kJ /m2

4.5 Ram thép

Ram thép là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành M

4.5.1 Mục đí ch và định nghĩa

a Trạng thái của thép tôi thành M: cứng, rất giòn, kém dẻo, dai với ứng suất

bên trong lớn

Mục đí ch của ram: - giảm ứng suất, điều chỉnh cơ tí nh cho phù hợp với điều kiện làm việc

b Định nghĩa: là nung nóng thép đã tôi đến các nhiệt độ thấp hơn Ac1, để M và γ dư phân hóa thành các tổ chức có cơ tí nh phù hợp với điều kiện làm việc quy

định

4.5.2 Các phương pháp ram thép cacbon

a Ram thấp (150 ữữữữ 250 o C): tổ chức đạt được là M ram, độ cứng cao, tí nh dẻo,

dai tốt hơn, áp dụng cho dụng cụ, các chi tiết cần độ cứng và tí nh chống mài mòn cao như: dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm cacbon, ổ lăn, trục, chốt

b Ram trung bình (300 ữữữữ 450 o C): tổ chức đạt được là T ram

Sau khi ram trung bình độ cứng giảm đi rõ rệt, nhưng vẫn còn khá cao, giới hạn

đàn hồi max, áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng tương đối cao và đàn hồi như khuôn dập nóng, khuôn rèn, lòxo, nhí p

c Ram cao (500 ữữữữ 650 o C): tổ chức đạt được là X ram

* Cơ tí nh tổng hợp cao nhất, nhiệt luyện hoá tốt

So sáng cơ tí nh của thép sau ram cao với các dạng nhiệt luyện khác bảng 4.2

* áp dụng cho các chi tiết máy cần giới hạn bền, đặc biệt là giới hạn chảy và độ dai va đập cao như các loại trục, bánh răng làm bằng thép chứa 0,30 ữ 050%C,

đạt độ bóng cao khi gia công

* Giới hạn nhiệt độ phân chia các loại ram trên chỉ là tương đối, chỉ phù hợp cho

thép cacbon và với thời gian giữ nhiệt khoảng 1h

Ngoài ba phương pháp ram trên còn phải phân biệt ram màu và tự ram

Mđ

A3

thờ i gian

T

biế n dạ ng

Mđ

A3

thờ i gian

T

biế n dạ ng

Tktl

γ M γ M

c Cơ

c Cơ nhiệ t luyệ n nhiệ t độ thấ p nhiệ t luyệ n nhiệ t độ thấ p nhiệ t luyệ n nhiệ t độ thấ p:::: ((((hì nh

4.20b): Sau khi γ hóa ở trê n A3, là m nguộ i

nhanh thép xuố ng 400 ữ 600o

C là vù ng γ quá

nguộ i có tí nh ổ n đ ịnh tư ơ ng đ ố i cao và thấ p

hơ n nhiệ t đ ộ kế t tinh lạ i, rồ i biế n dạ ng dẻ o và

tô i ngay

Đ/đ iể m: -chỉ á p dụ ng đ ư ợ c cho thép hợ p kim

- khó tiế n hà nh vì ở nhiệ t đ ộ thấ p (400ữ

600oC) γ kém dẻ o hơn, má y cá n lớn, phôi thép

phả i nhỏ đ ể kịp nguộ i nhanh xuố ng 400ữ600o

C

61

Bảng 4.2 Cơ tí nh của thép có 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau

Cơ tí nh Dạng nhiệt luyện

σb,

MPa

σ0,2,

MPa

δ, % ψ, % aK,

kJ/m 2

d Ram màu và tôi tự ram:

Ram ở 200 ữ 350oC, trên mặt thép xuất hiện lớp ôxyt mỏng với chiều dày khác

nhau có màu sắc đặc trưng như: vàng (~ 0,045àm) ở 220 ữ 240oC, nâu (~

0,050àm) ở 255 ữ 265oC,tí m (~ 0,065àm) ở 285 ữ 295oC, xanh (~ 0,070àm)

ở 310 ữ 320oC Nhờ đó dễ dàng xác định nhiệt độ ram thấp mà không cần dụng

cụ đo nhiệt

Tôi tự ram có các đặc điểm: nhanh, đơn giản, tiện dùng, phải có kinh nghiệm

e ảnh hưởng của thời gian ram: thường (1 ữ 2h) Chú ý là sau khi tôi nên ram

ngay để vừa tránh nứt xảy ra sau khi tôi vừa để tránh hiện tượng ổn định hóa γ dư

4.6 Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép

4.6.1 Biến dạng và nứt

a Nguyên nhân và tác hại: do ứng suất sinh ra khi nguội làm thép bị biến dạng,

cong vênh, nứt Nói chung khó tránh khỏi nhưng phải tìm cách hạn chế

- Nung nóng và đặc biệt là làm nguội với tốc độ hợp lý

- Nung nóng và làm nguội các trục dài: khi nung treo thẳng đứng để tránh cong,

khi làm nguội phải nhúng thẳng đứng, phần dày xuống trước

- Nên dùng tôi phân cấp, hạ nhiệt trước khi tôi, với các vật mỏng phải tôi trong

khuôn ép

c Khắc phục: biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết như trục dài, tấm có

thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội Còn khi bị nứt thì không sửa được

4.6.2 ôxy hóa và thoát cacbon

a Nguyên nhân và tác hại: do trong môi trường nung có chứa chất ôxy hóa Fe

và C: O2, CO2, hơi nước , khi ôxy hóa thường đi kèm với thoát cacbon

Tác hại của ôxy hóa: làm hụt kí ch thước, xấu bề mặt sản phẩm, thoát cacbon

làm giảm độ cứng khi tôi

- Khí quyển bảo vệ:: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 < Pth gây oxy hoá

- Khí quyển trung tí nh: N, Ar,

- Nung trong lò chân không: 10-2 ữ 10-4 at có khả năng chống ôxy hóa và thoát

cacbon một cách tuyệt đối cho mọi thép và hợp kim Có thể:

+ Rải than hoa trên đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than lãng phí vì kéo dài

thời gian nung

+ Lò muối được khử ôxy triệt để bằng than, ferô silic Cách này chỉ áp dụng được

cho chi tiết nhỏ, năng suất thấp Được áp dụng rộng rãi khi tôi dao cắt Rất độc

c Khắc phục: Phải để đủ được lượng dư để hớt bỏ đi hoặc đem thấm cacbon

62

4.6.3 Độ cứng không đạt:

a Độ cứng quá cao: sau khi ủ và thường hóa thép hợp kim, do tốc độ nguội lớn

→ ủ lại

b Độ cứng quá thấp: Nhiệt độ tôi chưa đủ cao, thời gian giữ nhiệt ngắn Làm

nguội không đủ nhanh theo yêu cầu đề ra để tạo nên M Thoát cacbon bề mặt, khắc phục

4.6.4 Tí nh giòn cao

Sau khi tôi, độ cứng vẫn ở bình thường mà thép lại quá giòn (rơi vỡ) Nguyên nhân

là nhiệt độ tôi quá cao (gọi là quá nhiệt), hạt thép bị lớn Khắc phục: thường hóa rồi tôi lại, tăng biến dạng

4.6.5 ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt

a ảnh hưởng của nhiệt độ: là yếu tố quyết định nhất chất lượng nhiệt luyện

b Kiểm tra nhiệt độ nung: bằng các dụng cụ đo nhiệt:

- < 400 ữ 500o

C dùng nhiệt kế thủy ngân, < 1600oC dùng cặp nhiệt + đồng hồ (milivôn kế): + cặp Π Π- 1300oC (đến 1600oC), cặp XA- 800oC (1200oC)

ước lượng bằng mắt: Màu đỏ - 700 ữ 830oC, da cam - 850 ữ 900oC, vàng - 1050

ữ 1250oC, trắng - 1250 ữ 1300oC Tất nhiên cách này kém chí nh xác và đòi hỏi

có kinh nghiệm

4.7 Hóa bền bề mặt

4.7.1 Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng)

a Nguyên lý nung nóng bề mặt: (hình 4.21a) Chiều sâu nung ∆ xác định theo công thức

f

5030 à

ρ

=

∆ cm, trong đó: ρ - điện trở suất (Ω.cm), à - độ từ thẩm (gaus/ơcstet)

Hình 4.21 Nung nóng và tôi cảm ứng:

b Chọn tần số và thiết bị:

Bánh răng chiều dày lớp tôi bằng (0,20 ữ 0,28)M (M là môđun răng)

Khi cần lớp tôi dày (4 ữ 5mm): thiết bị 2500 hay 8000Hz, P= 100kW trở lên

Lớp tôi mỏng (1 ữ 2 mm), thiết bị tần số cao (66000 hay 250000Hz), p= 50 ữ

100kW

c Các phương pháp tôi:

Vòng cảm ứng được uốn sao cho có dạng bao, ôm lấy phần bề mặt cần nung để tôi song không được tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 ữ 5,0mm, càng nhỏ càng

đỡ tổn hao Có 3 kiểu tôi sau:

a sơ đồ nung nóng cảm ứng,

b tôi khi nung nóng toàn bộ

bề mặt tôi,

c tô i khi nung nó ng và là m nguộ i liê n tụ c

1 chi tiế t tô i, 2 vòng cả m

ứ ng, 3 vòng phun nư ớ c, 4

đ ư ờ ng sứ c từ trư ờ ng

63

- Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt như biểu thị ở hình 4.21b

- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt: tôi từng răng cho các bánh răng lớn (m > 6) hay các cổ trục khuỷu (có máy tôi chuyên dùng điều khiển theo chương trình)

- Nung nóng và làm nguội liên tục liên tiếp: trục dài (hình 4.21c), băng máy co thể tự ram

d Tổ chức và cơ tí nh của thép tôi cảm ứng:

Thép dùng: %C= 0,35 ữ 0,55% (thường chỉ 0,40 ữ 0,50%), có thể hợp kim thấp

Tổ chức: nung với tốc độ rất nhanh do đó:

- Nhiệt độ chuyển biến pha A1, A3 nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tôi cao hơn từ

100 ữ 200oC

- Tốc độ chuyển biến pha rất nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, nhận được siêu

M rất dẻo dai

Tôi cảm ứng thường được áp dụng cho các chi tiết:

+ chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chịu mài mòn ở bề mặt như bánh răng, chốt + chi tiết chịu mỏi cao, + chịu uốn, xoắn lớn: trục truyền, trục

e ưu việt:

- Năng suất cao, do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt

được tạo ra ngay trong lớp kim loại

- Chất lượng tốt, tránh được các khuyết tật: ôxy hóa, thoát cacbon, chất lượng

đồng đều, kết quả ổn định Độ cứng cao hơn so với tôi thường khoảng 1 ữ 3 đơn vị HRC, gọi là siêu độ cứng

- Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, thí ch hợp cho sản xuất hàng loạt

Nhược điểm: khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay

đổi đột ngột do khó chế tạo vòng cảm ứng thí ch hợp

Đ/n: Hóa - nhiệt luyện là đưa chi tiết và trong môi trường thấm có thành phần,

nhiệt độ thí ch hợp trong thời gian đủ để nguyên tố cần thấm đi sâu vào trong chi tiết sau đó đem nhiệt luyện để cải thiện hơn nữa tí nh chất của lớp bề mặt

Môi trường thấm: là môi trường có chứa nguyên tố cần thấm, có khả năng phản

ứng để cố định nguyên tố thấm lên bề mặt chi tiết và khuếch tán vào sâu phí a bên trong Thấm C: môi trường khí phân huỷ từ dầu hoả, thấm N: khí NH3,

2 mục đí ch chí nh:

- Nâng cao độ cứng, tí nh chống mài mòn và độ bền mỏi của thép hơn cả tôi bề mặt: thấm C, thấm N, thấm C-N, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí

- Nâng cao tí nh chống ăn mòn: thấm Cr, thấm Al, Si, B Các quá trình thấm này phải tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn, í t thông dụng hơn

1) khuếch tán thể khí : là quá trình khuếch tán chất thấm đến bề mặt chi tiết

2) Phản ứng tạo nguyên tử hoạt tí nh và cố định lên bề mặt: hấp phụ tạo nguyên

tử hoạt trên bề mặt và phản ứng với nền để cố định chúng trên bề mặt (có thể hấp phụ phân ly hoặc phản ứng phân ly ra nguyên tử hoạt tí nh)

64

3) Khuếch tán thể rắn: nguyên tử chất thấm được cố định trên bề mặt khuếch tán

sâu vào bên trong để tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định

Trong ba giai đoạn kể trên thì khuếch tán thể rắn thường chậm nhất do đó là khâu quyết định sự hình thành của lớp thấm

ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian:

Nhiệt độ càng cao: phản ứng tạo nguyên tử hoạt và khuếch tán vào càng nhanh,

song cao quá thì có hại: Ví dụ: thấm C không quá 950oC để hạt tinh thể không bị thô to, thấm N không quá 650oC để còn bảo tồn tổ chức hoá tốt của thép ở lõi Thời gian thấm: càng dài thì lớp thấm càng sâu: X = K τ (X-chiều sâu lớp thấm, K-hằng số ∈ novàcông nghệ thấm, τ- thời gian thấm)

b Thấm cacbon: phổ biến nhất, dễ làm do đó hầu hết các xưởng Cơ khí

đều áp dụng

Ưu điểm: bề mặt sau khi thấm + tôi và ram thấp HRC 60ữ64, chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi bền, dẻo, dai với độ cứng HRC 30 ữ 40

Nhiệt độ thấm: Đủ cao để thép ở trạng thái hoàn toàn là γ, pha có khả năng hòa tan nhiều cacbon (900 ữ 950oC) Tuỳ theo loại thép sử dụng:

Thép C: C10-C25, T thấm = (900-930)oC,

Thép hợp kim có Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi, T=(930-950)oC, Mn để %C không quá cao → bong

Sau khi thấm và tôi+ram thấp: bề mặt %C (1-1,2)%, sau tôi +ram thấp độ cứng cao (thường là 62 ữ 64), không bong

Lõi: có tổ chức hạt nhỏ (cấp 5 ữ 8) với tổ chức mactenxit hình kim nhỏ mịn, không

có F tự do, để bảo đảm độ bền, độ dai cao, HRC 30 ữ 40

Thời gian thấm: (giữ nhiệt ở nhiệt độ thấm) phụ thuộc vào hai yếu tố sau

1) Chiều dày lớp thấm yêu cầu: chiều dày lớp thấm X = (0,10 ữ 0,15)d, d đường

kí nh hay chiều dày chi tiết Riêng đối với bánh răng lấy X=(0,20 ữ 0,30)m (m-môduyn của răng)

2) Tốc độ thấm: Tuỳ theo công nghệ thấm và nhiệt độ thấm:

Công nghệ thấm: 2 công nghệ thường dùng:

Thấm C thể rắn:

Hình 4.22 Hộp thấm C thể rắn Thời gian và chiều dày lớp thấm: X2=(0,11-0,12)τ, khi thấm ở (900-930)oC- lấy K=0,11, khi thấm ở (930-950)oC- lấy K=0,12

Đặc điểm của thấm cacbon thể rắn là: + Thời gian dài (do phải nung cả hộp than dẫn nhiệt chậm), bụi, khó cơ khí hóa, kém ổn định, không đòi hỏi thiết bị

kí n, rất đơn giản

Thấm ở thể khí : là phương pháp thấm hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất Cơ khí Chất thấm: Khí đốt và dầu hoả (dầu hoả dễ dùng hơn)

nắ p

chi tiế t thấ m

hỗ n hợ p thấ m

hộ p thấ m

Hỗn hợp thấm:

Than (cốc, đỏ, gỗ) cở 2-8mm : 25%

Than dựng lại (xàng bỏ bột vụn): 60%

BaCO3 : 15%

Hoà BaCO3 vào nước vừa xệt để cú thể

trộn đều vào than Xếp chi tiết và lốn

than vừa chặt như hỡnh 4.22