Bài giảng Phương pháp gia công nhiệt luyện - Chương 4: Công nghệ nhiệt luyện - Tôn Thất Nguyên Thy

Nội dung text: Bài giảng Phương pháp gia công nhiệt luyện - Chương 4: Công nghệ nhiệt luyện - Tôn Thất Nguyên Thy

1. Chương 1 KHUẾCH TÁN TRONG VẬT LIỆU Chương 2 CHUYỂN BIẾN PHA TRONG VẬT LIỆU Chương 3 BIẾN DẠNG VÀ CƠ LÝ TÍNH CỦA VẬT LIỆU Chương 4 CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN Chương 5 HOÁ BỀN BỀ MẶT Chương 6 ĂN MÒN KIM LOẠI Chương 7 BẢO VỆ BỀ MẶT KIM LOẠI
2. Chương 4: CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN 4.1. Một số khái niệm cơ bản về nung thép. 4.1.1.Yêu cầu đối với việc nung thép. 4.1.2.Phân loại phương pháp.
3. 4.1.1.Yêu cầu đối với việc nung thép
4. 4.1.2.Phân loại phương pháp Nhiệt luyện thông thường: Chỉ dùng nhiệt làm thay đổi tính chất kim loại như: ủ, thường hoá, tôi, ram. Hoá nhiệt luyện: Dùng nhiệt kết hợp với hoá chất làm thay đổi tính chất kim loại như: thấm các bon, thấm Nitơ Cơ nhiệt luyện: dùng nhiệt kết hợp với tác dụng cơ học làm thay đổi tính chất kim loại như: cán, rèn
5. 4.2. Ủ và thường hoá thép 4.2.1. Định nghĩa và mục đích ủ 1. Định nghĩa 2. Mục đích 4.2.2.Phương pháp ủ 1. Ủ không có chuyển biến pha(T < Ac1). a.Ủ non b.Ủ kết tinh lại
6. 4.2. Ủ và thường hoá thép 4.2.1. Định nghĩa và mục đích ủ 1. Định nghĩa Ủ là phương pháp nung thép đến nhiệt độ xác định(>A1), giữ ở đó một thời gian và làm nguội chậm(thường làm nguội cùng lò hay trong môi trường dẫn nhiệt kém), có vận tốc nguội từ 10 - 50oC/h. 2. Mục đích Mềm, dễ cắt, dễ dập, khử ứng suất dư, đồng đều thành phần hoặc làm nhỏ hạt chuẩn bị cho nhiệt luyện cuối cùng.
7. 4.2.2.Phương pháp ủ 1. Ủ không có chuyển biến pha(T < Ac1). a.Ủ non Nhiệt độ ủ từ 200 - 300 C nhằm khử bỏ ứng suất dư trong vật đúc, sản phẩm cơ khí. Nhiệt độ ủ từ 450 - 600 C giữ khoảng một đến hai giờ, khử ứng suất hoàn toàn hơn. Ap dụng cho những chi tiết đặc biệt ví dụ như thân máy sau khi đúc, xécmăng sau mài, lò xo sau cuốn, vv Nếu yêu cầu không cao chỉ cần giảm ứng suất đến mức nhất định thì để ngoài trời từ 9 đến 12 tháng. Cách này lãng phí thời gian, ứ đọng sản phẩm, chi phí về kho bãi tăng, mất dồng bộ trong sản xuất.
8. b.Ủ kết tinh lại Nhiệt độ ủ từ 600 đến 700 C, nhằm khôi phục độ cứng, độ dẻo sau biến dạng nguội, hạt không bị biến dạng. Phương pháp này dễ làm cho thép có hạt lớn nên ít được áp dụng.
9. 2.Ủ có chuyển biến pha a.Ủ hoàn toàn b.Ủ không hoàn toàn c.Ủ cầu hoá d.Ủ khuếch tán e.Ủ đẳng nhiệt
10. a.Ủ hoàn toàn Nhiệt độ ủ cao hơn AC3 hoặc ACm từ 20  30 C, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian nhất định, sau đó làm nguội cùng lò từ 500  200 C rồi tiếp tục làm nguội ngoài không khí. Nếu ủ chế độ trên mà chưa đạt thì phải ủ 2 lần. Lần 1 nung nóng ở nhiệt độ cao hơn 950 C, Lần 2 nung từ AC3 + (80  50 C). Tổ chức hạt khi nung là austenít đồng nhất, nên khi làm nguội sẽ phân hoá thành tổ chức ferít-péclít, trong đó tổ chức péclít ở dạng tấm. Thường áp dụng cho thép trước cùng tích, có lượng cacbon từ 0,3 đến 0,6%. Nhằm mục đích : Làm hạt nhỏ mịn, khử ứng suất dư, giảm độ cứng, tăng độ dẻo, dễ cắt gọt và dập nguội, 160  200 HB. ▪ Ví dụ : Thép 0,3%C có AC3 = 840 C, tủ =860  870 C Thép 0,65%C có AC3 = 760 C, tủ =780  790 C
11. b.Ủ không hoàn toàn Nhiệt độ ủ cao hơn AC1 từ 20 đến 30 C(760780 C), tạo ra sự chuyển biến không hoàn toàn : xêmentít được giữ nguyên hình dạng và kích thước, chỉ có péclít chuyển thành ostenít nhỏ hạt. Thép sau cùng tích có hàm lượng cacbon cao, dẫn đến chứa một lượng lớn xêmentít, cứng khó cắt gọt. Nếu ủ hoàn toàn dễ tạo péclít tấm có độ cứng cao(>220HB) khó cắt gọt. Nếu ủ không hoàn toàn dễ tạo péclít hạt có độ cứng thấp hơn, dễ cắt gọt, có tổ chức thích hợp cho tôi thép sau cùng tích( 0,8%C). Thép sau ủ không hoàn toàn có độ cứng nhỏ hơn 220HB.
12. c.Ủ cầu hoá Là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn: Nung tuần hoàn trên dưới AC1(7607800C), rồi làm nguội xuống 650 đến 6800C trong nhiều lần sẽ cầu hoá xêmentít tạo peclít hạt.
13. d.Ủ khuếch tán Nhiệt độ ủ từ 1100 đến 1150oC, thơiø gian giữ nhiệt lâu từ 10 đến 15 giờ. Nhằm tăng khả năng khuếch tán, đồng đều thành phần. Aùp dụng cho thỏi đúc hợp kim cao, do nhiệt độ ủ cao nên có hạt lớn, sau ủ thường gia công áp lực và ủ hoàn toàn.
14. e.Ủ đẳng nhiệt Nhiệt độ ủ: 910 + (30  50) C, sau đó làm nguội đến nhiệt độ 727 - (50 100) C giữ ở đó một thời gian từ 2 từ 5 giờ sau đó làm nguội bằng không khí. Aùp dụng cho thép hợp kim cao, đạt được peclit.
15. 4.2.3. Thường hóa 1. Mục đích 2.Phương pháp 3. Mục đích và lĩnh vực áp dụng 1. Mục đích Nhằm đạt tổ chức hạt mịn, ổn định đối với những vật đúc rèn, khử lớp biến cứng mặt ngoài.
16. 2.Phương pháp Nung thép đến nhiệt độ Ostenit hoá hoàn toàn, nhiệt độ trên điểm tới hạn (727-911 C) hay Acm(727-1147 C) từ 30 đến 50 C, giữ nhiệt ở đó một thời gian và sau đó làm nguội ngoài không khí tĩnh. Thường hóa khác với ủ ở tốc độ làm nguội, tốc độ làm nguội thường hóa gấp 2 lần so với ủ. Vì thế thường hóa rẻ tiền hơn ủ do thời gian trong lò ngắn. Tuy nhiên với thép cacbon lớn hơn 0,4% thì sau thường hóa độ cứng sẽ tăng cao
17. 3. Mục đích và lĩnh vực áp dụng Nhằm đạt được tổ chức peclít phân tán hay xoócbít với độ cứng thấp, thép mềm, dễ cắt và dập. Với thép C 0,25% nếu ủ hoàn toàn sẽ quá dẻo ( 0,8%C)có xêII dạng lưới nên khi thường hoá xêII ở dạng đứt cách xa nhau nên ít ảnh hưởng đến tính dẻo.
18. 4.3. Phương pháp Tôi thép 4.3.1. Định nghĩa 4.3.2. Mục đích 4.3.3. Nhiệt độ tôi 4.3.4. Tốc độ nung 4.3.5. Tốc độ nguội và môi trường tôi Yêu cầu về môi trường tôi 4.3.6. Độ thấm tôi() 4.3.7. Tốc độ tôi tới hạn(Vth)
19. 4.3.1. Định nghĩa Nung thép đến nhiệt độ tới hạn, giữ ở đó một thời gian và làm nguội đủ nhanh để tạo được tổ chức không cân bằng(Đối với thép là tổ chức Máctenxít có độ cứng cao). 4.3.2. Mục đích Nâng cao độ bền, tính chống mài mòn và một số tính chất đặc biệt của thép.
20. 4.3.3. Nhiệt độ tôi Từ AC3 + ( 30 50) C đối với thép nhỏ hơn 0,8%C. Vì ở nhiệt độ này tất cả ferít hoà tan hết vào austenít, sau làm nguội sẽ không còn ferit dư nên có độ cứng đạt cao nhất. +Thép 0,2%C : AC3 = 860 C; Ttôi = 890  910 C +Thép 0,4%C : AC3 = 820 C ; Ttôi = 850 870 C +Thép 0,8%C : AC3 = 730 C ; Ttôi = 760 780 C Với nhiệt độ T = AC1 + (30  50) C đối với thép lớn hơn 0,8%C. Nếu tôi hoàn toàn và làm nguội nhanh sẽ đạt tổ chức máctenxít và austenít dư, làm giảm độ cứng của thép tôi Đối với thép hợp kim trung bình và cao thì nhiệt độ tôi khác nhiều thép cacbon, phải tra sổ tay để có được nhiệt độ thích hợp cho từng mác thép.
21. 4.3.4. Tốc độ nung Chú ý đến những chi tiết lớn, có hình dạng phức tạp và có tính dẫn nhiệt kém dễ gây nứt vỡ. 4.3.5. Tốc độ nguội và môi trường tôi Đây là yếu tố quyết định đến kết quả tôi. Cần phải căn cứ vào từng loại thép, hình dáng chi tiết, mục đích yêu cầu đề ra mà chọn môi trường tôi và tốc độ nguội sao cho thích hợp.
22. -Chọn vùng không được cắt đường cong chữ C. Vng càng nhỏ càng tốt -Môi trường tôi thường là nước, dầu, không khí
23. Yêu cầu về môi trường tôi Làm nguội nhanh trong khoảng 500 600 C để ostenite() không phân hoá thành ferít( ) và xêmentít(xê). Muốn vậy phải có Vng lớn hơn Vth để đạt được Mác tenxít. Làm nguội chậm trong khoảng t = 300 200 C nhằm giảm ứng suất khi chuyển biến, ít gây cong vênh.
24. 4.3.6. Độ thấm tôi() Phụ thuộc vào các yếu tố như: Bản chất thép, hàm lượng nguyên tố hợp kim lớn thì độ thấm tôi tăng. Khả năng làm nguội, nếu vận tốc nguội tăng thì độ thấm tôi tăng, không nên áp dụng biện pháp này vì dễ làm nứt vỡ cong vênh do ứng suất nhiệt quá lớn. Kích thước chi tiết mà nhỏ thì nguội nhanh và có độ thấm tôi lớn. Đó chính là chiều dày lớp tôi cứng có tổ chức Máctenxít. Vận tốc tới hạn nhỏ thì độ thấm tôi tăng. Để đạt được vận tốc tới hạn nhỏ thường tăng nhiệt độ tôi, hợp kim hoá, thép có hạt lớn.
25. 4.3.7. Tốc độ tôi tới hạn(Vth) Tốc độ tôi tới hạn là tốc nguội nhỏ nhất cần thiết để ostenite() chuyển biến thành máctenxít. A1 : Nhiệt độ tới hạn dưới của thép ( C) tth và  là nhiệt độ tới hạn và thời gian ứng với ostenít() quá nguội kém ổn định nhất ( C & s). Giá trị của Vth phụ thuộc bởi tính ổn định của ostenít quá nguội: Thành phần hợp kim của ostenít càng cao, tính ổn định của ostenít quá nguội càng lớn, Vth càng nhỏ, ostenít càng đồng nhất, càng làm giảm Vth. Các phần tử rắn chưa tan hết làm tăng Vth, vì thúc đẩy chuyển biến tạo thành ferít-cácbít. Kích thước hạt càng lớn, càng làm giảm Vth, vì ít biên giới hạt làm khó có chuyển biến thành hỗn hợp ferít-xêmentít.
26. 4.3.8. Các phương pháp tôi 1. Tôi một môi trường 2. Tôi trong hai môi trường 3. Tôi phân cấp 4. Tôi đẳng nhiệt 5. Tôi bộ phận 6. Gia công lạnh
27. Làm nguội từ nhiệt độ tôi đến nhiêt độ thường, trong một môi trường làm nguội. Phương pháp này gây ứng suất nhiệt lớn, dễ làm nứt vỡ, cong vênh. Áp dụng cho chi tiết đơn giản ít quan trọng.
28. 2. Tôi trong hai môi trường Làm nguội nhanh qua đỉnh chữ C thì chuyển sang môi trường thứ hai với vận tốc nguội nhỏ hơn. Nhược điểm là khó xác định thời điểm chuyển môi trường làm nguội. Thường áp dụng cho những chi tiết phức tạp hơn so với tôi trong một môi trường.
29. 3. Tôi phân cấp Làm nguội nhanh đến gần thời điểm bắt đầu chuyển biến máctenxít(Mđ), giữ một thời gian (không được cắt chữ C) sau đó làm nguội đến nhiệt độ thường ngoài không khí. Phương pháp này ít cong vênh hơn, ứng suất nhiệt nhỏ. Chỉ áp dụng cho thép hợp kim cao (thép gió), mũi khoan, lưỡi phay.
30. 4. Tôi đẳng nhiệt Giống tôi phân cấp nhưng giữ lâu hơn để austenít() chuyển biến thành ferit( ) và xêmentít(xe)â nhỏ mịn, có độ cứng tương đối cao, có độ dẻo dai tốt. Sau tôi không cần Ram, thường áp dụng cho dụng cụ cần độ biến dạng cao và không yêu cầu độ cứng lớn. 5. Tôi bộ phận Chỉ nung đến nhiệt độ tôi và làm nguội đến nhiệt độ thường tại chỗ cần tôi.
31. 6. Gia công lạnh Sau khi làm nguội đến nhiệt độ thường thì trong kim loại vẫn còn  dư nên chuyển ngay vào môi trường có nhiệt độ t = -50 C đến –70 C để  dư tiếp tục chuyển biến thành máctenxít (M ), đạt độ cứng(HB) cao hơn. Ap dụng cho: vòng bi, vòi phun cao áp, dụng cụ cắt (có Mđ &Mk thấp còn  dư khi ở nhiệt độ thường).
32. 4.4.1.Định nghĩa, mục đích Ram là công nghệ nung thép đã tôi ở nhiệt độ nhỏ hơn (727oC) giữ nhiệt một thời gian và làm nguội ngoài không khí tĩnh. Thép sau tôi thường có ứng suất dư rất giòn, ảnh hưởng không tốt đến cơ tính của thép. Ram để khư ûứng suất dư, tăng dẻo, giảm cứng đến mức yêu cầu, ổn định tổ chức và nâng cao cơ tính của thép đã tôi.
33. 4.4.2.Phương pháp Khi ram phải chú ý đến nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt, nhiệt độ ram từ 150 đến 600oC. Thép sau tôi phải ram ngay nếu để lâu có thể bị nứt. Tốc độ nung khi ram phải chậm, nhiệi độ nung phải đồng đều. Chi tiết đưa vào lò phải ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ 200oC, sau đó tăng nhiệt độ từ 50 đến 100oC/h, nung nhanh quá có thể gây nứt. Lò ram thường là lò điện kiểu giếng, có quạt gió để tạo nên sự đều nhiệt trong lò. Đối với những dụng cụ cắt nhỏ hay những chi tiết bé có thể ram trong lò dầu, lò muối hay trong cát nóng. Tốc độ nguội khi ram không quan trọng lắm, thường làm nguội sau ram ngoài không khí tĩnh.
34. 4.4.3. Các hình thức ram Ram thấp: tiến hành ở 150 đến 250oC thời gian giữ nhiệt từ 30 phút đến 1,5 giờ. Mục đích khử ứng suất trong, giảm rất ít hoặc giữ nguyên độ cứng(1 2HRC), áp dụng cho những dụng cụ cắt, dụng cụ đo, khuôn dập,vòng bi Ram trung bình: ở nhiệt độ 300 đến 450oC, Làm giảm mạnh ứng suất, tăng giới hạn đàn hồi, và độ dẻo dai, độ cứng giảm còn 40 45HRC. Aùp dụng cho những chi tiết sau khi tôi để đạt độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao, áp dụng cho những lò xo, nhíp, xi lanh, xéc măng, khuôn rèn, khuôn dập nóng, Ram cao: tiến hành ở 500 đến 600oC còn gọi là tôi cải thiện có độ bền và độ dai va đập cao, khử bỏ hoàn toàn ứng suất, độ cứng giảm còn 15 24HRC, độ dẻo tăng mạnh. áp dụng cho những chi tiết có cơ tính tổng hợp như: Trục máy, bánh răng, thanh truyền, trục
35. Nguyên nhân là do nung ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, môi trường nung có khí CO2, hơi nước. Khắc phục: Nung trong môi trường khí trơ, phủ phoi gang, than bột hoặc nung sơ bộ sau đó nhúng vào hàn the và nung tiêp đến nhiệt độ tôi hoặc nung trong lò muối có biện pháp khử O2.
36. Do ứng suất trong quá lớn khi làm nguôi nhanh hoặc nguội không đều tạo lực co kéo lớn gây nứt vỡ. Khắc phục: Thực hiện đúng qui trình, nung chậm, cách sắp xếp chi tiết, cách làm nguội, làm nguội đều và chi tiết sau tôi phải ram ngay.
37. Do nhiệt độ nung không đạt hoặc tốc độ nguội không đúng khi tôi. Độ cứng quá cao do ủ, ram, thường hoá. Độ cứng không đạt do quá trình tôi. Khắc phục: Tìm rõ nguyên nhân và làm lại.
38. Do quá nhiệt gây nên, phát hiện bằng cách xem mặt gãy hay quan sát kính hiển vi, tổ chức cấu tạo thép quá nhiệt rất thô, độ cứng giảm, cơ tính kém. Khắc phục bằng cách thường hoá làm nhỏ hạt sau đó đem tôi lại.
39. Là quá trình nhiệt luyện để có tiếp pha biến cứng. Nếu sảy ra ở nhiệt độ thường giọi là hoá già tự nhiện Nếu sảy ra ở nhiệt độ cao gọi là hoá già nhân tạo