Phân loại nhiệt luyện thép
Ủ: nung nóng chi tiết, sau đó làm nguôi chậm (nguội cùng lò) để nhận được tổ chức có độ cứng thấp, độ dẻo cao
Thường hoá:
nung chi tiết đến tổ chức đạt hoàn toàn Austenit, sau đó làm nguội ngoài không khí tĩnh để đạt tổ chức cân bằng
Tôi: nung nóng chi tiết, sau đó làm nguội nhanh để đạt tổ chức không cần bằng có độ cứng cao
Ram: nguyên công bắt buộc sau khi tôi để điều chỉnh lại độ cứng, độ bền
Nhiệt luyện
Phân loại nhiệt luyện thép (tiếp theo)
Hoá - Nhiệt luyện:
dựa vào nhiệt độ để làm biến đổi thành phần hoá học vùng bề mặt chi tiết nhiệt luyện để đạt được cơ tính như mong muốn
- thấm đơn nguyên tố: thấm C, N, Cr……
- thấm đa nguyên tố: thấm C-N,…
Cơ - Nhiệt luyện:
dựa vào sự biến đổi nhiệt độ + kết hợp biến dạng dẻo biến đổi tổ chức
Tác dụng của Nhiệt luyện trong sản xuất cơ khí
- Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép
- Cải thiện tính công nghệ
Các chuyển biến xảy ra khi nung nong - làm nguội
Chuyển biến xảy ra khi nung nóng - sự tạo thành Austenit
Cơ sở: dựa trên giản đồ pha Fe-Fe3C
* Thép cùng tích (tổ chức chỉ có P): [Fe+Fe3C]0,8%C nhiệt độ A c1 Fe(C)0,8%C
* Thép trước cùng tích (P+F): P + F nhiệt độ Ac3 Austennit
* Thép trước cùng tích (P+Xe): P + Xe nhiệt độ Acm Austennit Nhận xét:
- Mọi loại thép sau khi nung lên trên đường GSE (xem trên GDP Fe-Fe3C) đều cho tổ chức một pha duy nhất Austennit
- Các mác thép khác nhau sẽ nhận được các tổ chức A khác nhau với
%C như trong mác thép ban đầu
Các chuyển biến xảy ra khi nung nong - làm nguội (tiếp theo)
Đặc điểm của chuyển biến P Austenit
Vấn đề quan tâm: nhiệt độ và kích thước hạt Austenit
* Nhiệt độ: phụ thuộc vào tốc độ nung
tốc độ nung càng nhanh thì nhiệt độ chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn
Thời gian (phút) Nhiệt độ (0 C)
720
Bắt đầu chuyển biến P
Kết thúc chuyển biến P
V2
V1
thực tế: để đạt được chuyển biến thì nhiệt độ nung phải quá nhiệt độ tới hạn từ 20-300C
Các chuyển biến xảy ra khi nung nong - làm nguội (tiếp theo)
* Kích thước hạt Austenit:
Đặc điểm cơ chế của chuyển biến P Austenit
- Tạo mầm (mầm được tạo trên biên giới pha giữa F và Xe) - Phát triển mầm như trong quá trình kết tinh
Kích thước hạt A phụ thuộc:
- Điều kiện nung nóng tiếp tục (hoặc giữ nhiệt) hạt lớn lên - Thép bản chất di truyền hạt lớn và nhỏ
Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt
- Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn tiết diện
- Đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung nóng - Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn bộ Austenit
Chú ý:
- Thời gian giữ nhiệt không nên quá dài do tạo nên sự phát triển hạt Austenit
Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit
Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Au quá nguội (thép cùng tích) Động học chuyển biến trạng thái rắn
T
Tốc độ nguội
Sự lớn lên của hạt
Phát triển nhân hạt Đường cong kết
hợp
Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)
Tốc độ nguội
Phát triển hạt
Phát triển nhân hạt Kết hợp
T
Chuyển đổi trục T
Tốc độ nguội
Tốc độ nguội được đinh nghĩa bằng việc xác định tại thời điểm đã xảy ra 50% chuyển biến: tốc độ 1/ t 0,5
Giản đồ TTT và mối quan hệ với tốc độ nguội
T
50% chuyển biến
Thời gian
Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)
Giản đồ TTT của thép cùng tích
Austenit quá nguội
Nhiệt độ cùng tích
Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)
Mf (~ -500C)
Peclit Xoocbit Trôxtit
Bainit
Nhiệt độ (0 C) Nhiệt độ (0 F)
Peclit Xoocbit Trôtit Bainit
Chiều tăng độ cứng và mức độ nhỏ mịn của Xe
Thời gian
Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)
Austenit quá nguội
Nhiệt độ cùng tích
Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)
Mf(~ -500C)
Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit
Nhiệt độ (0 C) Nhiệt độ (0 F)
Thời gian
Sự phân hoá khi làm nguội liên tục
V1
V2
V3 V4 Vth
Các véctơ vận tốc nguội V1<V2<V3<Vth<V4
V1 Peclit V2 Bainit
V3 Bainit + Mactenxit V4 Mactenxit
Vth Mactenxit
Xác định thành phần tổ chức cuối cùng của các trường hợp sau:
Austenit quá nguội
Nhiệt độ cùng tích
Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)
Mf (~ -500C)
Peclit Xoocbit Trôxtit
Bainit
Nhiệt độ (0 C) Nhiệt độ (0 F)
Thời gian
Tổ chức của a là:
Tổ chức của b là:
(b) (a)
Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)
Đặc điểm của sự phân hoá A khi làm nguội liên tục
* Tổ chức nhận được hoàn toàn phụ thuộc vào véctơ biểu thị tốc độ nguội trên giản đồ TTT
* Với chi tiết có tiết diện lớn, tổ chức sẽ không đồng nhất do ảnh hưởng của tốc độ nguội khác nhau
* Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn Bainit bằng cách làm nguội đẳng nhiệt Chú ý:
Các điều kiện trên chỉ đúng với thép Cacbon
Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)
Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Au quá nguội (thép khác cùng tích)
Nhiệt độ (0 C) Vùng ổn định (A3, Acm) A1 Vùng chuyển biến
Vùng chuyển biến
Thời gian
Đặc điểm:
- Xuất hiện thêm nhánh phụ, chữ C dịch có xu hướng dịch sang t r á i… … … . . - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ sẽ tiết ra ra F (Xe) trước khi gặơ nhánh phụ - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội đủ lớn, tổ chức cuối vẫn nhận được dạng xoocbit, trôxtit và bainit….………
Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit
Austenit quá nguội
Nhiệt độ cùng tích
Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)
Mf (~ -500C)
Peclit Xoocbit Trôxtit
Bainit
Nhiệt độ (0 C) Nhiệt độ (0 F)
Thời gian
V1 Vth
Vtb: vận tốc nguội tới hạn
Khi vận tốc nguội:
V1 > Vth chuyển biến thù hình (chuyển biến Austenit Mactenxit)
Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit (tiếp theo)
Bản chất của Mactenxit
M
Xe
F
Bainit - Là dung dịch rắn quá bão hoà
của C trong Fe
- Nồng độ C như trong Austenit - Kiểu mạng chính phương tâm khối c/a~ 1,001-1,06
- C a c b o n s ẽ nằm trong các lỗ hổng 8 mặt
- Mactenxit là có độ cứng cao do mức độ gây xô lệch mạng lớn
Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit (tiếp theo)
Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit
• Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục A với tốc độ V > Vth
• Chuyển biến không khuyếch tán
• Quá trình chuyển biến xảy ra liên tục, tốc độ phát triển nhanh
• Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ bắt đầu (Ms) và kết thúc (Mf)
• Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn Cơ tính của Mactenxit
• Độ cứng: phụ thuộc vào hàm lượng C
• Tính giòn: tỷ lệ thuận với độ cứng
Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi
Sự không ổn định của Mactenxit và Austenit Mactenxit: Fe(C) Fe3C + Fe
Austenit: Fe(C) Fe3C + Fe Các chuyển biến khi ram (thép cùng tích)
Giai đoạn I (<2000C):
- t < 800C: chưa xảy ra chuyển biến
- 800C < t < 2000C: tiết ra cácbit (Fe2,0-2,4C) từ M, chưa chuyển biến Fe(C)0,8 [Fe(C)0,25-0,4 + Fe2,0-2,4C ]
M tôi M ram
tổ chức cuối giai đoạn: M ram + dư
Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi (tiếp theo)
Giai đoạn II (<200-2600C):
- Cacbon tiếp tục tiết ra từ M - dư chuyển biến về M ram
Fe(C)0,8 [Fe(C)0,15-0,2 + Fe2,0-2,4(C) ]
dư M ram
Tổ chức cuối giai đoạn gồm cacbit và M ram: độ cứng nhỏ hơn so với M tôi
Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi (tiếp theo)
Giai đoạn III (<260-4000C):
hỗn hợp Feα và Xe nhỏ mịn phân tán tổ chức trôxtit Tổ chức hai pha cacbit và M ram đồng thời chuyển biến:
Fe(C)0,15-0,2 Fe + Fe3C (dạng hạt) Fe2,0-2,4(C) Fe3C (dạng hạt)
- Đặc điểm của Trôxtit: - độ cứng giảm đi so với M ram (~45HRC) - Tăng mạnh tính đàn hồi, không còn ứng suất bên trong vật liệu
Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi (tiếp theo)
Giai đoạn IV (>4000C):
- Không có chuyển biến mới, có sự sát nhập hạt Xe lớn lên
- 500-6000C nhận được tổ chứ xoocbit ram có σch và ak cao nhất
tuỳ thuộc vào từng giai đoạn mà có thể nhận được các tổ chức có cơ tính khác nhau
tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc, yêu cầu cơ tính chọn chế độ nung thích hợp
Ủ thép
Nung nóng + giữ nhiệt + nguôi chậm cùng lò nhận tổ chức ổn định (độ cứng thấp + độ dẻo cao)
Vì sao cần ủ?
Ủ là gì?
- Làm giảm độ cứng để dễ dàng gia công cơ khí (cắt, bào, tiện…..vật liệu) - Làm tăng thêm độ dẻo để dễ gia công biến dạng (dập, cán, kéo….)
- Khử bỏ ứng suất bên trong sinh ra trong quá trình biến dạng…..
- Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn bộ chi tiết (ủ khyếch tán) - Làm nhỏ hạt
Ủ thép (tiếp theo)
Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha
* Ủ thấp (200-6000C): làm giảm hoặc khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ khí)
* Đặc điểm: độ cứng không giảm
* Ủ kết tinh lại (600-7000C cho thép C): làm giảm hoặc khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ khí)
* Đặc điểm: độ cứng giảm, độ dẻo tăng
Ủ thép (tiếp theo)
Các phương pháp ủ chuyển biến pha
Ủ hoàn toàn (áp dụng cho thép trước cùng tích): nhận được tổ chức [Fe + P (tấm)]
Tủ = Ac3 + (20-300C) Mục đích: - làm nhỏ hạt
- giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Ủ không hoàn toàn (cho thép dụng cụ %C > 0,7): nhận được tổ chức [XeII + P hạt]
Tủ = Ac1 + (20-300C)
Mục đích: - làm giảm độ cứng để dễ gia công cắt gọt
Ủ thép (tiếp theo)
Các phương pháp ủ chuyển biến pha (……)
Ủ cầu hoá: mục đích tạo thành P hạt trong tổ chức
5' 5' 5' 750-7600C
650-6600C
Thời gian t0C
Ủ đẳng nhiệt: áp dụng cho thép hợp kim cao
* Mục đích: nhận tổ chức P có độ cứng thấp (nhiệt độ ~ A1-500C) Ủ khuyếch tán: áp dụng cho thép HK cao bị thiên tích khi đúc
Thường hoá thép
Nung nóng (đạt ) + giữ nhiệt + nguôi ngoài không khí tĩnh nhận tổ chức độ cứng thấp thuận tiên cho việc gia công cơ khí
Thường hoá là gì?
Cách lựa chọn nhiệt độ
- Thép trước cùng tích: Tth = Ac3 + (30-500C) -Thép sau cùng tích: Tth = Acm + (30-500C)
Mục đích của thường hoá
- Đạt độ cứng thích hợp cho gia công cắt
- Làm nhỏ hạt Xe trước khi nhiệt luyện kết thúc - Làm mất lưới XeII với thép sau cùng tích
Tôi thép
Nung nóng + giữ nhiệt + nguôi nhanh nhận tổ chức M không ổn định với độ cứng cao
Mục đích
- Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho chi tiết - Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy
Cách chọn nhiệt độ tôi
- Thép trước cùng tích và cùng tích:
Ttôi = Ac3 + (30-500C) - Thép sau cùng tích:
Ttôi = Ac1 + (30-500C)
- Thép hợp kim: %HK thấp dựa theo thép C
%HK cao tra bảng
Tôi thép (tiếp theo)
Tốc độ tôi tới hạn
Là tốc độ nguội nhỏ nhất gây nên chuyển biến A M
Các yếu tố ảnh hưởng
- Thành phần nguyên tố hợp kim trong A - Sự đồng nhất của A
- Các phần tử rắn chưa hoà tan vào A - Kích thước hạt A trước khi làm nguội
Độ thấm tôi là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức M Các yếu tố ảnh hưởng: - tốc độ nguội tới hạn
- tốc độ nguội chi tiết
Ý nghĩa: - biểu thị khả năng hoá bền của vật liệu
Tôi thép (tiếp theo)
Đánh giá độ thấm tôi
25
Tính thấm tôi và tính tôi cứng
Tôi thép (tiếp theo)
Các phương pháp tôi thể tích và công dụng
Tôi trong một môi trường
Đường cong nguội lý tưởng:
Austenit quá nguội
Nhiệt độ cùng tích
Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)
Mf(~ -500C)
Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit
Nhiệt độ (0 C)
Thời gian
Điều kiện:
- Chi tiết sau tôi phải đạt tổ chức M
- Chi tiết không bị cong vênh
- Giai đoạn làm nguôi nhanh qua vùng 500-6000C: cần vận tốc nguội V > Vth
- Giai đoạn làm nguôi chậm qua vùng 200-3000C: để tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết
Tôi thép (tiếp theo)
Tôi trong hai môi trường
Austenit quá nguội
Nhiệt độ cùng tích
Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)
Mf (~ -500C)
Peclit Xoocbit Trôxtit
Bainit
Nhiệt độ (0 C)
Thời gian
nhược điểm: khó xác định thời điểm chuyển biến M
- Giai đoạn đầu: nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh hơn (nước, dung dịch muối…)
- Giai đoạn sau làm nguội trong môi trường yếu hơn (dầu…)
giảm được mức độ biến dạng chi tiết
Tôi thép (tiếp theo)
Austenit quá nguội
Nhiệt độ cùng tích
Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C)
Mf (~ -500C)
Peclit Xoocbit Trôxtit
Bainit
Nhiệt độ (0 C)
Thời gian
Tôi phân cấp (a)
Áp dụng chủ yếu cho thép HK cao
(a) (b)
Tôi đẳng nhiệt (b)
độ dai cao hơn, không cần ram sau tôi
Gia công lạnh
khử bỏ A dư do có điểm Mf quá thấp với một số thép HK Tôi tự ram
Áp dụng nhiều cho các chi tiết cần tôi bộ phận
Tôi thép (tiếp theo)
Cơ - nhiệt luyện thép
thực hiện gần như đồng thời 2 quá trình: biến dạng dẻo (biến dạng dẻo A) + tôi nhận được tổ chức có độ bền (10-20%), độ dẻo dai cao (1,5-2 lần)
Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao
- Biến dạng dẻo ở trên Ac3 tôi + ram thấp
- Đặc điểm: - áp dụng được cho mọi loại thép C
- dễ tiến hành do A dẻo, tốn ít năng lượng
- b ~ 2200-2400Mpa, ~ 6-8%, ak ~ 300KJ/m2
Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao
- Nung thép lên trên Ac3 nhận tổ chức A nguội nhanh xuống 400-6000C biến dạng dẻo tôi + ram thấp
- Đặc điểm: - chỉ áp dụng được cho thép HK có độ quá nguội của A cao - khó tiến hành do A kém dẻo, tốn nhiều năng lượng
- b ~ 2600-2800Mpa, ~ 3%, ak ~ 200KJ/m2
Ram thép
- Nung nóng thép sau tôi đến nhiệt độ xác định (< Ac1) + giữ nhiệt làm nguôi ngoài không khí
- Là nguyên công bắt buộc sau khi tôi Vì sao cần Ram?
Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong chi tiết sinh ra sau tôi, tránh chi tiết bị giòn
Điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với yêu cầu riêng của từng chi tiết
* Đặc điểm của tổ chức nhận được sau tôi:
- tổ chức M tôi có độ cứng cao, rất dòn, kém dẻo dai dễ bị nứt hãy
- nhiều chi tiết sau tôi vẫn yêu cầu cần độ đàn hồi, độ dẻo cao…..
Ram thép (tiếp theo)
Các phương pháp ram
Ram thấp (150-2500C) - tổ chức sau ram: M ram
- độ cứng giảm ít so với M tôi (với thép HK cao thì độ cứng có thể tăng) - ứng dụng cho các dụng cu và chi tiết máy: dụng cụ cắt, bánh răng……
Ram thép (tiếp theo)
Các phương pháp ram
Ram trung bình (300-4500C): áp dụng với thép có 0,55-0,65%C - tổ chức sau ram: trôxtit ram
- độ cứng giảm rõ rệt với M tôi nhưng giới hạn đàn hồi đạt giá trị lớn nhất - khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong
- ứng dụng cho các chi tiết làm việc cần độ cứng tương đối cao và độ đàn hồi cao: lò xo, nhíp……
Ram thép (tiếp theo)
Các phương pháp ram
Ram cao (500-6500C)
- tổ chức sau ram: xoocbit ram
- độ cứng giảm mạnh, độ dẻo độ dai tăng mạnh
- ứng dụng cho các chi tiết máy chịu va đập: trục, bánh răng……
Các khuyết tật có thể xảy ra khi nhiệt luyện thép
Biến dạng và nứt
Nguyên nhân: sinh ra do ứng suất nhiệt bên trong Phòng tránh: - tốc độ nung hợp lý
- làm nguội theo đúng các quy tắc: nhúng thẳng đứng,
………..phần dày chi tiết sẽ fải tôi trước….
- có thể ép các vật mỏng trong khuôn trước khi tôi Khắc phục: biến dạng vừa phải có thể mang nắn lại
Oxy hoá và thoát C
Nguyên nhân: do có sự xuất hiện của các thành phần dễ gây oxy hoá Fe và C như:
hơi nước, oxy………
Phòng tránh: - nung trong môi trường có khí bảo vệ: N2, Ar2………..
- nung trong môi trường chân không
- sử dụng các chất bảo vệ xung quanh như than hoa…..
Khắc phục: thoát C thì có thể thấm lại C cho chi tiết
Các khuyết tật có thể xảy ra khi nhiệt luyện thép (tiếp theo)
Độ cứng không đạt
Nguyên nhân: do sau tôi độ cứng quá cao hoặc quá thấp Khắc phục:
* độ cứng quá cao: đem ủ rồi nhiệt luyện lại với tốc độ nguội thấp hơn
* độ cứng thấp:
Tính giòn cao
Chi tiết sau tôi quá giòn, không thể làm việc đem thường hóa rồi nhiệt luyện lại với độ nung tôi thấp hơn
Hoá bền bề mặt
Tôi cảm ứng
Nguyên lý: chi tiết được đặt trong từ trường biến thiên sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng nung nóng chi tiết
Đặc điểm:
- Mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không đều trên tiết diện chi tiết - Mật độ dòng điện phân bố cao từ ngoài bề mặt vào trong bên trong chi tiết với chiều sâu được xác định theo công thức:
= 5030 (/.f)1/2 cm
Hoá bền bề mặt (tiếp theo)
Tôi cảm ứng (…..)
Các phương pháp tôi
1. Nung nóng rồi làm nguôi toàn bề mặt chi tiết
2. Nung nóng và làm nguội từng phần riêng biệt
3. Nung nóng và làm nguội liên tiếp
Hoá bền bề mặt (tiếp theo)
Tôi cảm ứng (…..)
Tổ chức và cơ tính của thép
- Lõi: tổ chức xoocbit ram
- Bề mặt: Mactenxit hình kim nhỏ mịn Tổ chức:
- Bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt - Lõi có độ dai va đập và độ dẻo cao
- Bề mặt có khả năng chống mỏi tốt Cơ tính:
các chi tiết thường sử dụng tôi cảm ứng: trục, bánh răng…..
Hoá bền bề mặt (tiếp theo)
Tôi cảm ứng (…..)
Thuận lợi
- Năng suất cao - Chất lượng tôt
- Dễ dạng cơ khí hoá, tự động hoá
Khó khăn
- Khó thực hiện với các chi tiết hình dáng phức tạp
Hoá - nhiệt luyện
Là quá trình bão hoà nguyên tố hoá học vào bề mặt thép nhờ khuyếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường bên ngoài nhờ nhiệt độ
-Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho chi tiết
- Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu
Mục đích:
Các giai đoạn trong quá trình 1. Giai đoạn phân hoá
2. Giai đoạn hấp phụ 3. Giai đoạn khuyếch tán