Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHIỆT LUYỆN

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHIỆT LUYỆN

Tải bản đầy đủ - 0trang

Nhiệt độ là một thông số quan trọng khi tôi thép. Chọn đúng nhiệt độ tôi là yêu cầu

đầu tiên đối với người làm công nghệ. Thông thường nhiệt độ tôi với các thép được

chọn như sau:

t0tôi = AC3 + (30 – 50 ) 0C



Thép trước cùng tích



Thép cùng tích và sau cùng tích



t0tơi = AC1 + ( 30 – 50 ) 0C .



1300

1200



E



1147



1100

γ



Nhiệt độ,

o

C



1000

Khoảng nhiệt

độ tôi



900

α+γ



800

700

600



γ+XeII



S



727

F+P



0,4



P



0,8



P+XeII



1,2



1,6



2,0



%C



Hình 3.1 Khoảng nhiệt độ tơi cho thép cacbon

 Tính tốn thời gian nung nóng và giữ nhiệt khi tơi.

Thời gian nung nóng và giữ nhiệt rất quan trọng đối với chất lượng xử lý nhiệt vì

nó ảnh hưởng đến kích thước hạt thực tế của tổ chức auxtenit và do đó đến kích thước

hạt các tổ chức phân hoá sau khi làm nguội.

Trước tiên xác định vật dày hay vật mỏng. xử dụng cơng thức Bio:

- Kiểm tra Bio: Bi =

Trong đó:

X: kích thước tiết diện nung thấu lớn nhất của chi tiết, m.

�: hệ số dẫn nhiệt của kim loại, kcal/m.h.oC

 hệ số truyền nhiệt tổng hợp

Trang 19



 = 0.03.Cth(



Với: Cth =



)3 + 10 kcal/ m.h.độ



= 2.04 kcal/m2.h.k4



�1 độ đen của kim loại

�2 độ đen của tường lò

F1 diện tích hấp thụ nhiệt của mẻ nung m2

F2 diện tích bề mặt trong lò m2

Bi ≤0,25 chi tiết được coi là vật mỏng

Bi > 0,5 chi tiết được coi là vật dày

0,25 < Bi ≤ 0,5 chi tiết được coi là nhóm chuyển tiếp

Thời gian giữ nhiệt đảm bảo sao cho chuyển biến P   hoàn thành, đảm bảo hoà

tan cacbit và đồng đều hoá ostenit cũng như làm đồng đều nhiệt độ giữa bề mặt và tâm

dư tiết.





=(



giữ



1

1

 )

2

4



n



Nếu nung bằng lò buồng ( mơi trường nung là khơng khí ) thì





giữ



=



1



4



n



Nếu nung bằng lò muối ( mơi trường nóng chảy ) thì:





giữ



=



1



2



n



 Chọn mơi trường làm nguội.

Khi tơi thép phải bảo đảm tốc độ làm nguội ở trạng thái đã ostenit hoá lớn hơn

hoặc bằng vận tốc nguội tới hạn. Mặt khác, để bảo đảm thép được tôi cứng và hạn chế

được các khuyết tật như nứt và công vênh, môi trường làm nguội cần đáp ứng các yêu

cầu sau:





Trong khoảng nhiệt độ ostenit hoá đến gần mũi đường cong chữ “ C “ tốc

độ làm nguội phải chậm.

Trang 20







Khoảng nhiệt độ gần mũi đường conh chữ “ C “ cần phải làm nguội nhanh

để tránh chuyển biến   P.







Tới gần nhiệt độ chuyển biến mactenxit Md tốc độ làm nguội cần phải

chậm.



Một trong các môi trường đáp ứng được ba yêu cầu trên gọi là môi trường tôi lý



nhiệtđộ



tưởng.



A3

A1







thờigian



Hình 3.3 Đường cong làm nguội lý tưởng

Trong thực tế khó có mơi trường tơi nào đáp ứng được cả ba yêu cầu trên, tuy

nhiên người ta lấy đó làm mục tiêu tìm kiếm , nghiên cứu các mơi trường tơi mới có

các đặc tính gần giống mơi trường tơi lý tưởng.

Có một số mơi trường tơi như sau:





Nước : là mơi trường tơi có vận tốc nguội cao từ 400  1200 0C\s thường

sử dụng cho thép cacbon. Nhược điểm của môi trường tôi nước là dễ gây

nứt và cong vênh do tốc độ nguội lớn hơn trong khoảng chuyển biến

mactenxit. Một nhược điểm nữa của nước là khi bị nóng lên ( do chi tiết toả

nhiệt ) thì tốc độ nguội lại giãm mạnh, cho nên khi tôi phải giữ nhiệt độ của

bể nước luôn  400C







Nước + 10% NaCl( NaOH; Na2CO3): đây là môi trường tôi mạnh hơn

nước trong khoảng nhiệt độ gần mũi đường cong chữ “C” , nhưng trong

khoảng chuyển biến mactenxit lại không tăng là bao. Vì thế loại mơi trường

này được sử dụng cho thép cacbon có tiết diện lớn. Sau khi tơi trong môi

trường này, bề mặt thép sáng nhưng nếu không rửa kỹ bề mặt thép rất dễ gỉ

Trang 21







Dầu là mơi trường có vận tốc làm nguội chậm, thường dùng cho thép hợp

kim. Ưu điểm của dầu là không gây nứt , và tốc độ làm nguội ít thay đổi

theo khoảng nhiệt độ làm nguội. Dầu nóng khoảng 60 0C hay được sử dụng

do có tính linh động cao, bề mặt thép sáng nhưng nếu không rửa kỹ bề mặt

thép rất dễ bị gỉ.



3.2.4. Các phương pháp tơi.



Hình 3.4 Các phương pháp tôi

a. tôi một môi trường



b. tôi hai môi trường



c. tôi phân cấp



d. tôi đẳng nhiệt



 Tôi một môi trường.

Thép sau khi ostenit hố được đem tơi trong một mơi trường . Nếu là thép cacbon

thì tơi trong nước , nếu là thép hợp kim tôi trong dầu. Phương pháp này đơn giản, dể

thực hiện nhưng rất dể nứt và cong vênh

 Tôi trong hai môi trường.

Môi trường đầu tiên có vận tốc nhanh hơn V th, khi làm nguội tới gần Mđ thì chuyển

sang mơi trường thứ hai có vận tốc nguội chậm.

Mơi trường thứ nhất là nước, môi trường thứ hai là dầu. Tôi hai môi trường ít bị

nứt và cong vênh. Phương pháp này phức tạp, khó thực hiện do việc xác định nhiệt độ

gần Mđ chỉ bằng kinh nghiệm. Do đó chất lượng sản phẩm khó ổn định và đòi hỏi

cơng nhân có trình độ tay nghề cao.

 Tôi phân cấp.

Trang 22



Thép sau khi ostenit hoá được nhúng vào làm nguội trong một bể muối nóng chảy

với vận tốc nguội Vng > Vth ở nhiệt độ t0 = Mđ + 500, giữ nhiệt một thời gian sao cho

đường đẳng nhiệt chưa chạm vào đường bắt đầu chuyển biến, sau đó lấy ra làm nguội

trong dầu. Lưu ý, thời gian giử nhiệt được xác định nhờ đường cong chữ “C” của thép

tương ứng. Nhiệt độ của bể muối luôn giữ nhiệt ổn định t0 = Mđ + 500C.

Phương pháp này dễ thực hiện và có tính khoa học cao, tuy nhiên đòi hỏi nhiều

thiết bị và chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ chế tạo từ thép hợp kim dụng cụ có tính ổn

định ostenit quá nguội lớn

Bảng 3.2 Các loại hỗn hợp muối dùng để tôi phân cấp và đẳng nhiệt

Thành phần hỗn hợp muối

NaNO2

50% NaNO2 + 50% KNO3

NaNO3

KNO2

KNO3

50% NaNO3 + 50% KNO2

50%NaNO3 + 50% KNO2

50%NaNO2 + 50%KNO3



Nhiệt độ chảy

hoàn toàn 0C

371



Nhiệt độ sử

dụng, 0C

325 – 550



205



260 – 600



271



300 – 550



297



350 – 550



337



350 – 550



143



160 – 550



220



280 – 550



225



280 - 550



 Tôi đẳng nhiệt.

Tôi đẳng nhiệt cũng giống như tôi phân cấp, chỉ khác thời gian giữ đẳng nhiệt kéo

dài cho tới khi cắt đường kết thúc chuyển biến. Tổ chức sau khi nhận được là bainit

hoặc trustit. Sau khi tôi đẳng nhiệt không cần ram lại. Tôi đẳng nhiệt thường áp dụng

cho các chi tiết nhỏ yêu cầu độ cứng khoảng 58 – 59 HRC chế tạo từ thép gió như các

loại mũi khoan, taro, bàn ren…

 Tơi bộ phận.



Trang 23



Có nhiều trường hợp chi tiết chỉ cần độ cứng cao ở những phần nào đó. Trong

trường hợp này người ta áp dụng phương pháp tơi bộ phận. Có hai cách tơi bộ phận:





Nung nóng phần cần tơi đến nhiệt độ tơi, sau đó làm nguội( phun nhúng)

nhanh trong mơi trường tơi. Đây là trường hợp tơi bề mặt bằng dòng điện

cảm ứng có tần số cao và tơi đầu mút xu páp.







Nung nóng tồn bộ chi tiết đến nhiệt độ sơi, sau đó làm nguội phần cần tơi

trong mơi trường tơi thích hợp. Thông thường cách này kết hợp với tự ram

tiếp theo nên gọi là tôi tự ram. Thực chất của tôi tự ram là sử dụng phần

nhiệt dư trong các phần không bị tôi để ram lại phần đã được tôi.



3.3. Ram

3.3.1. Định nghĩa

Ram là nguyên công bắt buộc sau khi tơi thép bao gồm việc nung nóng thép đã tôi

lên đến nhiệt độ thấp hơn AC 1, giữ nhiệt một thời gian sau đó mang ra để nguội ngồi

khơng khí tĩnh.

3.3.2. Mục đích

- Khử ứng suất dư sau khi tôi. Đây là điều khiến ram trở nên bắt buộc sau khi tôi

thép. Nếu thép sau khi tôi không ram, ứng suất dư kết hợp với ứng suất cơ học

của tải trọng khi làm việc có thể dẫn tới chi tiết bị cong vênh hoặc nứt.

- Chuyển biến mactenxit tôi thành các tổ chức khác tương ứng với các khoảng

nhiệt độ ram nhằm đạt được cơ tính phù hợp theo yêu cầu

3.3.3. Tính chất của thép sau khi ram

Các loại thép cacbon, thép hợp kim thấp và trung bình sau khi ram nói chung độ

bền, độ cứng giảm, độ dẻo, độ co thắt tăng lên.

Thép hợp kim cao không tạo cacbit đặc biệt ram tới 400 – 500 0C độ cứng giãm đơi

chút.

Thép hợp kim cao có chứa W, Mo, V…tạo cacbit đặc biệt khi ram 500 – 560 0C độ

cứng lại tăng lên.



Trang 24



Độ dai va đập của thép cacbon sau khi tôi và ram tăng theo nhiệt độ ram. Đối với

thép hợp kim kết cấu crom, mangan, crom-niken, crom-mangan, sự thay đổi độ dai va

đập như hình:



KCU

nguộ

i nhanh



nguộ

i chậ

m



200



400



600



T,oC



Hình 3.5 Quan hệ giữa độ dai va đập và nhiệt độ ram

Sự giảm độ dai va đập trong khoảng nhiệt độ ram 250 – 350 0C gọi là giòn ram loại

I. Bản chất của hiện tượng giòn ram loại I chưa được làm sáng tỏ và khi ram thép hợp

kim kết cấu nên tránh khoảng nhiệt độ này.

Khi ram ở khoảng nhiệt độ 500 – 600 0C, nếu làm nguội chậm sau khi ram, độ dai

va đập của thép sẽ bị giảm đáng kể. Hiện tượng này gọi là giòn ram loại 2. giòn ram

loại 2 hồn tồn có thể khử được khi làm nguội nhanh từ nhiệt độ ram ( nước hoặc

dầu) hoặc hợp kim hoá thép thêm W và Mo với lượng tương ứng là 1% và 0,5%.

3.3.4. Các phương pháp ram.

- Ram thấp ( 150 – 200 0C) : tổ chức thép đã tôi sau khi ram thấp là mactenxit

ram và ostenit dư. Sau khi ram thấp, độ cứng có giảm chút ít từ 1 – 2 HRC.

Ram thấp áp dụng cho các dụng cụ yêu cầu độ cứng cao, các chi tiết sau khi

thấm cacbon cũng như các chi tiết cần độ cứng , tính chống mài mòn cao.

- Ram trung bình( 350 – 470 0C ): tổ chức thép đã tôi và ram trung bình là trustit

ram có độ cứng khoảng 40 – 45 HRC, có modun đàn hồi đạt giá trị cao nhất.

Ram trung bình áp dụng cho các chi tiết đàn hồi như lò xo, nhíp…..

- Ram cao( 500 – 560 0C ) : tổ chức thép đã tôi và ram cao là xoocbit ram có cơ

tính tổng hợp cao vì thế tơi và ram cao còn được gọi là nhiệt luyện hoá tốt.

Nhiệt luyện hoá tốt thường áp dụng cho các chi tiết chế tạo bằng thép kết cấu

Trang 25



hoá tốt như tay biên, trục khuỷu, trục truyền … Chú ý, khi làm nguội từ nhiệt

độ ram cao của các thép hợp kim Cr-Ni, Cr-Mn, cần tiến hành trong dầu.

3.3.5. Các khuyết tật xảy ra khi tôi và ram thép.

 Nứt và cong vênh

Nứt và cong vênh chi tiết do ứng suất khi tôi gây nên. Ứng suất bên trong chi tiết

gồm ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức xảy ra khi nung nóng và làm nguội tiết chi.





Ứng suất nhiệt tồn tại trong chi tiết là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề

mặt và lõi chi tiết khi nung nóng và làm nguội. Vận tốc nguội càng lớn

hoặc làm nguội càng nhanh thì ứng suất nhiệt càng lớn. Ứng suất nhiệt gây

cong vênh chi tiết. Để hạn chế cong vênh thì phải giảm tối đa ứng suất

nhiệt cả khi nung nóng và làm nguội.







Ứng suất tổ chức tồn tại trong thép là do sự sai khác về thể tích riêng của

các pha như giữa tổ chức peclit(  + Xe) và ơstenit  trong chuyển biến

khi nung nóng thép P   hoặc giữa ôstenit và mactenxit trong chuyển

biến khi làm nguội nhanh thép   M. Ứng suất tổ chức gây ra chuyển

biến   M là chủ yếu và là nguyên nhân gây ra nứt các chi tiết khi tôi.



Một số biện pháp ngăn ngừa cong vênh và nứt.





Xác định tốc độ nung hợp lý, thép hợp kim cao do tính dẫn nhiệt kém cần

phải nung chậm( nung phân cấp), các chi tiết dạng thanh trục dài khơng

nên để ngay trên sàn lò mà nên treo thẳng đứng.







Giảm thiểu nứt bằng cách làm nguội chậm trong khoảng chuyển biến

mactenxit như chọn môi trường tôi và phương pháp tơi thích hợp



 Độ cứng thấp sau khi tơi

Sau khi tôi , độ cứng của chi tiết không đủ do các nguyên nhân sau:





Nung chưa đạt nhiệt độ tôi, thời gian giữ nhiệt chưa đủ.







Tốc độ nguội của môi trường tôi không đủ nhanh do nhiệt độ môi trường

tôi tăng hoặc mơi trường tơi bị thối hóa.







Thốt cacbon khi nung trên lớp bề mặt.



 Tính giòn cao.

Trang 26



Chi tiết bị giòn sau khi tơi và ram có thể do:





Nhiệt độ nung khi tôi cao quá quy định làm hạt ostenit trở nên thô to( quá

nhiệt) khi tôi thu được các kim mactenxit thơ to có tính dòn cao. Khắc phục

bằng cách chọn dúng nhiệt độ tôi, cũng như thời gian giữ nhiệt khi nung.







Các loại thép kết cấu hợp kim nhóm crom, mangan, crom-niken, crommangan khi ram trong khoảng nhiệt độ giòn ram loại I và loại II. Khắc

phục bằng cách tránh ram ở khoảng giòn ram loại I ( 250 – 350 0C) còn nếu

ram ở khoảng giòn ram loại II (500 – 600 0C) thì sau khi giữ nhiệt đem chi

tiết làm nguội nhanh trong dầu.



3.4. Thấm Cacbon.

3.4.1. Định nghĩa và mục đích.

Thấm cacbon là phương pháp hố nhiệt luyện nhằm bão hồ bề mặt chi tiết thép

bằng các nguyên tử cacbon hoạt tính

3.4.2. Mục đích

Thấm cacbon và sau đó tiến hành tơi + ram thấp làm tăng độ bền, độ cứng, tính

chống mài mòn cho chi tiết bằng thép ít cacbon nhưng vẫn giữ được độ dẻo dai của

lõi.

3.4.3. Lý thuyết chung về thấm cacbon.

a. Các giai đoạn thấm cacbon

Hóa nhiệt luyện là phương pháp nhiệt làm bảo hòa bề mặt của thép bằng một hay

nhiều nguyên tố để làm thay đổi thành phần hóa học, do đó làm thay đổi tổ chức và

tính chất của lớp bề mặt theo mục đích nhất định. Vì vậy bất kỳ cơng nghệ hóa nhiệt

luyện nào cũng gồm 3 giai đoạn nối tiếp như sau:

 Phân hóa:

Phân hóa là q trình phân tích phân tử tạo nên ngun tử hoạt tính của nguyên tố

khuếch tán.

 Hấp thụ:



Trang 27



Sau giai đoạn phân hóa, các nguyên tử được hấp thụ vào bề mặt thép, sau đó chúng

khuếch tán vào kim loại cơ sở tạo nên dung dịch rắn hoặc các pha phức tạp: pha trung

gian hoặc hợp chất hóa học. Kết quả của sự hấp thụ là tạo nên ở bề mặt thép lớp có

nồng độ nguyên tố cao, tạo nên độ chênh lệch về nồng độ giữa bề mặt và lõi.

 Khuếch tán:

Các nguyên tử hoạt tính hấp thụ vào bề mặt thép với nồng độ cao sẽ đi sâu vào bên

trong bằng cơ chế khuếch tán, tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định. Nhờ khuếch

tán, lớp thấm được hình thành và nó là cơ sở của hóa nhiệt luyện.

b. Sự khuếch tán cacbon vào thép:

Để quá trình khuếch tán diễn ra thuận lợi thì bề mặt chi tiết phải tiếp xúc tốt với

các nguyên tử khuếch tán hoặc với môi trường tác dụng lên bề mặt này. Sự khuếch tán

cacbon vào thép cũng phụ thuộc vào sự khuếch tán này.

Mức độ thấm cacbon cũng phụ thuộc vào trạng thái bề mặt chi tiết thép, bề mặt

này được đánh sạch bằng cơ khí hoặc hóa học tạo khả năng khuếch tán tốt hơn so với

bề mặt thép bị lớp gỉ bao bọc. Bề mặt thép được thụ động hóa có một lớp oxit crom

bao phủ sẽ cản trở quá trình thấm cacbon và cả thấm nitơ.

Tuy nhiên khi bề mặt thép có lớp màng oxit sắt thì tốc độ thấm cacbon sẽ tăng lên.

Vì khi tạo màng oxit sắt, các cation sắt ở gần bề mặt khuếch tán ra ngoài để lại những

nút trống tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán cacbon khi thấm, lớp sắt này có

cấu trúc khác hẳn với lớp nền và có hoạt tính cao hơn, có lợi cho sự khuếch tán

cacbon.

Biến dạng dẻo sơ bộ ở trạng thái nguội làm mạng tinh thể bị xơ lệch, trạng thái này

còn tồn tại ngay cả trong giai đoạn đầu của quá trình thấm làm tăng tốc độ khuếch tán

cacbon, do đó cũng làm tăng tốc độ thấm.

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng lớn đến hệ số khuếch tán D(cm 2/s). Hệ số này nói lên

mức độ khuếch tán tiến hành nhanh hay chậm.

Các nguyên tố hợp kim có mặt trong thép có ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán của

cacbon vào thép.



Trang 28



 Các nguyên tố tạo thành cacbit liên kết với các nguyên tử cacbon làm giảm

hoạt tính nhiệt động học của cacbon trong austenit, do đó làm giảm hệ số khuếch

tán của cacbon.

 Các ngun tố khơng tạo thành cacbit, hòa tan vào austenit, làm tăng sự

xô lệch mạng, làm tăng hoạt tính nhiệt động học của cacbon trong austenit, do đó

tăng nhanh quá trình khuếch tán.

c. Xác dịnh nhiệt độ thấm.

Muốn quá trình khuếch tán cacbon nhanh, tốc độ thấm nhanh thì nhiệt độ thấm

phải cao. Tuy nhiên nhiệt độ thấm cao quá sẽ dẫn đến nhiều yếu tố bất lợi. Do đó cần

phải chọn khoảng nhiệt độ thấm thích hợp vì phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khả năng

bão hòa cacbon của austenit, môi trường thấm, bản chất của thép…..

Nhiệt độ nung càng cao khả năng bão hòa cacbon lên bề mặt thép càng cao, nhưng

kích thước hạt austenit cũng càng lớn.

 Khi thấm cacbon thể rắn giữ thời gian lâu: nhiệt độthấm < 9300C

 Thép có bản chất hạt nhỏ: t0 = 930 – 950 0C

 Thép có bản chất hạt lớn: t0 = 860 – 880 0C.

 Khi thấm ở thể lỏng và thể khí do thời gian nung ngắn, tốc độ thấm

nhanh, thép có bản chất hạt nhỏ thì t0 = 920 – 940 0C

d. Yêu cầu kỹ thuật đối với chi tiết thấm cacbon.

 Nồng độ cacbon của lớp thấm.

Nồng độ cacbon của lớp thấm có ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu cơ tính của thép.

Nồng độ cacbon quá cao ( >1%) sẽ làm giảm rõ rệt độ bền của thép.

Ngoài ra, độ dai va đập cũng giảm khi nồng độ cacbon của lớp thấm tăng. Nồng độ

của lớp thấm khơng vượt q 1,2% vì khi đó sẽ tạo nên lưới Xêmentit và gây ra dòn,

tróc lớp thấm.

 Chiều sâu lớp thấm.

Các thép thấm cacbon thường dùng cho bánh răng cho thấy tỉ lệ giữa chiều sâu lớp

thấm trên ½ chiều dày răng khoảng 0,2 – 0,3 sẽ đạt được giới hạn mỏi cao nhất.

 Độ cứng sau nhiệt luyện.

Trang 29



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHIỆT LUYỆN

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×