Kim loại học - Phần 1 ppt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.74 MB, 56 trang )
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
Phần I Đại cương về kim loại
1.1 Kim loại là gì
Hiện nay người ta đã biết hơn 100 nguyên tố hóa học gồm hai loại ;kim loại và ánh kim, trong đó kim loại chiếm
tới ¾ . để phân biệt được hai loại này ta phải dựa vào hệ số nhiệt độ của điện trở : đối với kim loại hệ số này là
dương (+), tức là khi tăng nhiệt độ ,điện trở xẽ tăng lên, đối với ánh kim hệ số này là âm (-)
1.1.1 Liên kết kim loại
Là liên kết kim loại hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa ion dương kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể và các
electron tự do di chuyển trong toàn bộ mạng lưới tinh thể kim loại
Ion dương kim loại
Hút
nhau
Kim loại có những tính chất vật lí chung là: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và ánh kim
a) Tính dẻo: các lớp mạng tinh thể kim loại khi trượt lên nhau vẫn liên kết được với nhau nhờ lực hút tĩnh điện
của các electron tự do với các cation kim loại. Những kim loại có tính dẻo cao là Au, Ag, Al, Cu, Zn…
1
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
b) Tính dẫn điện: nhờ các electron tự do có thể chuyển dời thành dòng có hướng dưới tác dụng của điện trường.
Nói chung nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm. Kim loại dẫn điện tốt nhất là
Ag, tiếp sau là Cu, Au, Al, Fe…
c) Tính dẫn nhiệt: nhờ sự chuyển động của các electron tự do mang năng lượng (động năng) từ vùng có nhiệt độ
cao đến vùng có nhiệt độ thấp của kim loại. Nói chung kim loại nào dẫn điện tốt thì dẫn nhiệt tốt
d) Ánh kim: nhờ các electron tự do có khả năng phản xạ tốt ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy)
1.1.2 những tính chất vật lí chung của kim loại như trên chủ yếu do các electron tự do trong kim loại gây
ra
3. Cấu tạo tinh thể của các kim loại
Hầu hết các kim loại ở điều kiện thường đều tồn tại dưới dạng tinh thể (trừ Hg).
Trong tinh thể kim loại, nguyên tử và ion kim loại nằm ở những nút của mạng tinh thể. Các electron hoá trị liên kết
yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử và chuyển động tự do trong mạng tinh thể.
Đa số các kim loại tồn tại dưới ba kiểu mạng tinh thể phổ biến sau :
a) Mạng tinh thể lục phương
Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chiếm 74%, còn lại 26% là các
khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Be, Mg, Zn,
b) Mạng tinh thể lập phương tâm diện
Các nguyên tử, ion kim loại nằm trên các đỉnh và tâm các mặt của hình lập phương.
Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chiếm 74%, còn lại 26%
là các khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Cu, Ag, Au, Al,
c) Mạng tinh thể lập phương tâm khối
Các nguyên tử, ion dương kim loại nằm trên các đỉnh và tâm của hình lập phương.
Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chỉ chiếm 68%, còn lại 32%
là các khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Li, Na, K, V, Mo,
1.1.3 Tính chất vật lí chung của kim loại
1. Tính dẻo
Khác với phi kim, kim loại có tính dẻo : dễ rèn, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Vàng là kim loại có tính dẻo cao, có
thể dát thành lá mỏng đến mức ánh sáng có thể xuyên qua.
Kim loại có tính dẻo là vì các ion dương trong mạng tinh thể kim loại có thể trượt lên nhau dễ dàng mà không
tách ra khỏi nhau nhờ những electron tự do chuyển động dính kết chúng với nhau.
2. Tính dẫn điện
Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu dây kim loại, những electron tự do trong kim loại sẽ chuyển động thành
dòng có hướng từ cực âm đến cực dương, tạo thành dòng điện.
Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, sau đó đến Cu, Au, Al, Fe,
2
Tiu luõn mụn Kim Loi Hc- thc hin Nguyn Vn Khi
Nhit ca kim loi cng cao thỡ tớnh dn in ca kim loi cng gim do nhit cao, cỏc ion dng dao
ng mnh cn tr dũng electron chuyn ng.
3. Tớnh dn nhit
Tớnh dn nhit ca cỏc kim loi cng c gii thớch bng s cú mt cỏc electron t do trong mng tinh th.
Cỏc electron trong vựng nhit cao cú ng nng ln, chuyn ng hn lon v nhanh chúng sang vựng cú
nhit thp hn, truyn nng lng cho cỏc ion dng vựng ny nờn nhit lan truyn c t vựng ny n
vựng khỏc trong khi kim loi.
Thng cỏc kim loi dn in tt cng dn nhit tt.
4. ỏnh kim
Cỏc electron t do trong tinh th kim loi phn x hu ht nhng tia sỏng nhỡn thy c, do ú kim loi cú v
sỏng lp lỏnh gi l ỏnh kim
1.2 .1 St cỏc bon
1. Cac bon (C): Cacbon là nguyên tố á kim, có hai dạng thù hình: Graphít (gang) và Kim cơng.
ở điều kiện thờng Cacbon ổn định ở thể Graphít, còn Kim cơng ổn định ở nhiệt độ và áp suất cao.
Trong hợp kim Sắt Cacbon, Cacbon ở thể Graphít (G). Graphít có kiểu mạng lục giác; mềm.
Trong thiên nhiên phần lớn Cacbon ở dạng vô định hình (các loại than).
2. Sắt (Fe):Sắt là kim loại, trong thiên nhiên Sắt có trong các loại quặng, đất đá, có khá nhiều
ở lớp vỏ trái đất. Sắt và hợp kim của Sắt đóng vai trò to lớn trong sự tiến hóa và phát triển của
lịch sử loài ngời.
Sắt tuy có độ bền, độ cứng khá cao song cha đáp ứng đợc các yêu cầu của kỹ thuật. Trong kỹ thuật thờng
sử dụng các hợp kim của sắt, có cơ tính cao hơn, hầu nh không dùng sắt nguyên chất.
* Cơ tính của sắt:
- b kéo = 250 N/mm2
- ch = 120 N/mm2
- = 50 %
- = 85 %
- HB = 80 KG/mm2
- k = 3000 KJ/m2
* Tính thù hình của sắt:
Sắt tồn tại ở hai dạng: Fe và Fe
- Fe có kiểu mạng lập phơng thể tâm; tồn tại ở các khoảng nhiệt độ :
+ Dới 9110 C
+ Từ 13920 C đến 15390 C
- Fe có kiểu mạng lập phơng diện tâm; tồn tại ở các khoảng nhiệt độ: Từ 9110 C đến 13920C.
1.2.2 Các tơng tác của Fe - C
Sắt và Cacbon tơng tác với nhau theo hai cách:
3
Tiu luõn mụn Kim Loi Hc- thc hin Nguyn Vn Khi
- Cacbon hòa tan vào sắt tạo thành dung dịch rắn Fe C.
- Cacbon tác dụng với sắt tạo thành hợp chất hóa học.
+ Dung dịch rắn Fe C: Cacbon có đờng kính nguyên tử nhỏ hơn Sắt nên dung dịch rắn Fe C là dung
dịch rắn xen kẽ.
Fe hòa tan: có dới 0,02 đến 0,1 %C.
Fe hòa tan: có dới 2,14 %C
Thép và gang là hai hợp kim phổ biến của Fe C
+ Hợp chất hóa học của Fe với C (Xementit:Fe3C) Sắt tác dụng với Cacbon tạo thành 3 hợp chất: Fe3C
(6,67%C), Fe2C (9,67%C) và FeC (17,67%C) Tuy nhiên, các hợp kim của Fe C thờng chứa dới
5%Cacbon (thép và gang), nên trong chúng chỉ gặp Fe3C
+ Hợp chất hóa học của Fe với Cacbon(Xementit: Fe3C) Fe3C tạo thành khi lợng Cacbon trong hợp kim
lớn hơn giới hạn hòa tan của nó trong Sắt. Fe3C là pha không ổn định, ở nhiệt độ cao sẽ bị phân hủy thành
Fe và C. Fe3C rất dòn và cứng (khoảng 800 hb).
1.3. Ging trng thỏi
1.3.1. Khái niệm
- Định nghĩa: Giản đồ trạng thái là biểu đồ chỉ rõ sự phụ thuộc của trạng thái pha với thành phần hóa học
của hợp kim, giữa nhiệt độ và áp suất. Các hệ hợp kim khác nhau có kiểu giản đồ trạng thái khác nhau và
đợc xác lập chủ yếu bằng thực nghiệm.
- Công dụng: Từ giản đồ có thể xác định đợc nhiệt độ chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của hợp kim với
thành phần đã cho khi nung chảy và khi làm nguội; từ đó có thể xác định đợc chế độ nhiệt khi đúc, gia
công áp lực và nhiệt luyện. Chú ý: nhiệt độ chuyển biến và cấu tạo pha trên giản đồ chỉ ứng với trạng thái
cân bằng.
- Cách xây dựng: Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim đợc xây dựng bằng thực nghiệm. Nguyên tắc chung để
xây dựng giản đồ của hệ hợp kim là: dùng một lợng lớn các mẫu với các thành phần khác nhau, bằng các
phơng pháp hóa nhiệt luyện để xác định các tổ chức hình thành ở từng khoảng nhiệt độ.
1.3.2 noi dung ging
4
Tiu luõn mụn Kim Loi Hc- thc hin Nguyn Vn Khi
Trên giản đồ trạng thái Fe C chỉ trình bày đến 6,67% C, ứng với hợp chất hóa học Xementit Fe3C.
* Các tổ chức một pha:
+Xementit (Xe hoặc Fe3C): Nằm ở biên bên phải (đờng DFKL)
5
100%Fe
3
C
6,67%c
A
b
c
d
f
k
l
e
g
s
p
q
n
j
h
Lỏng ( L)
Austenit ()
L +
L + Xe I
L +
600
0
c
10 60
20
30 40
50
70
80
90
0,8
1
2
3 4
5
6
4,3
2,14
+
+
+ Xe III
+ P
P
Xe II + P
Xe I + Le (P + Xe)
Xe I + Le ( + Xe) + Xe II + Le( + Xe)
+ Xe II
P + Xe II + Le (P + Xe)
1147
0
C
727
0
C
911
0
c
1600
0
c
1539
0
c
1392
0
c
Tiu luõn mụn Kim Loi Hc- thc hin Nguyn Vn Khi
+Xementit I (Xe I): Là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, tạo thành trong hợp kim chứa nhiều hơn 4,3%C (đờng
CD). Kết tinh trong khoảng từ 16000C xuống 11470C. Có tổ chức hạt to.
+Xementit II (Xe II): Là loại đợc kết tinh từ dung dịch rắn Auxtenit, có trong hợp kim chứa khoảng 0,8 đến
4,3% C. Trong khoảng từ 11470C xuống 7270C. Có tổ chức hạt nhỏ hơn Xe I, thờng ỏ dạng lới bao quanh hạt
Auxtenit ( đờng ES).
+Xementit III (Xe III):Đợc tạo thành từ dung dịch rắn Pherit (F) khi lợng Cacbon giảm từ 0,02%C xuống
0,006%C, ở nhiệt độ dới 7270C. XeIII có kích thớc hạt nhỏcạnh Pherit
1.3,3
* Các tổ chức một pha:
- Pherit ( F hoặc ): Là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Fe ( mạng K8 ) khả năng hòa tan của Cacbon
trong Fe rất nhỏ nên có thể coi Pherit là sắt nguyên chất trong hợp kim tinh khiết ( đờng GSK ). Pherit rất
dẻo, dai nhng khi hòa tan với các nguyên tố khác ( đặc biệt là Mn, Si) thì độ cứng tăng, độ dẻo dai giảm.
6
Tiu luõn mụn Kim Loi Hc- thc hin Nguyn Vn Khi
+ Auxtenit ( As hoặc ): Là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Fe ( mạng K12), khả năng hòa tan của
Cacbon trong Fe khá lớn. Trong hợp kim Fe C, thông thờng As có thể hòa tan các nguyên tố kim loại
khác nh Cr, Ni, Mn, W bằng cách thay thế. As rất dẻo, dai; khi các nguyên tố khác hòa tan, không những
làm chuyển biến cơ tính mà còn làm thay đổi động học chuyển biến khi làm nguội, do vậy có sự ảnh hởng
tới nhiệt luyện.
+ Peclit ( P hoặc F + Xe ): Là hỗn hợp cơ học cùng tích của F và Xe tạo thành ở 7270C từ dung dịch
rắn Auxtenit chứa 0,8%C; P có dạng tấm hoặc hạt, có độ cứng và độ bền cao, tính dẻo dai hơi thấp.
+ Ledeburit ( Le hoặc P + Xe hoặc + Xe):
Là hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tinh từ pha lỏng có 4,3%C ở nhiệt độ
11470C, ban đầu gồm + Xe khi làm nguội qua 7270C tạo thành Peclit. Vậy Le là hợp kim cơ học của P và
Xe. Xementit chiếm tỷ lệ gần 2/3 nên Ledeburit rất dòn và cứng (khoảng 600 HB).
7
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
Phần II Các đặc trưng cơ tính thông thường
Cơ tính của KL được biểu thị bằng các đặc trưng cơ học , chúng cho biết khả năng chịu tải
trọng của kim loại trong các điều kiện khác nhau . phần lớn các đặc trưng cơ học được xác
định trên các mẫu nhỏ đã được tiêu chuẩn hóa , tuy nó không phản ánh được hoàn toàn khả
năng chịu lực của chi tiết song vẫn là cơ sở tin cậy của những suy doán tính toán khi thiết kế .
cần nắm vững bản chất và ý nghĩa của đặc trưng cơ học thường gặp là độ bền, độ cứng , độ
dài.
2.1 Độ bền tĩnh
Độ bền là tập hợp các đăch trưng cơ học phản ánh sức chịu đựng tải trọng cơ học tĩnh của vật
liệu. chúng được xác định bằng úng suất của tải trọng gây ra cách đột biến về cơ học. tùy theo
dạng của tải trọng người ta phân biệt độ bền kéo ,nén ,uốn và xoắn.
2.2 độ dẻo
Độ dẻo là tập hợp các chỉ tiêu cơ tính phản ánh độ biến dạng dư của vaath liêu khi bị phá hủy
bằng tải trọng tĩnh , nó quyết định khả năng biến dạng dẻo , gia công áp lực.
Người ta cũng xác định độ dẻo bằng hai chỉ tiêu trên mẫu khi thử độ biến tính
Độ dài tương đối khi kéo đứt
δ%=((L
1
-L
0
)/L
0
)100
trong đó L
1
là chiều dài (quy ước ) của mẫu sau khi đứt
L
0
là chiều dài (quy ước ) ban đầu của mẫu .
Độ thắt tương đối về tiết diện khi kéo đứt
Ψ%=((F
1
-F
0
)/F
0
)100
F
0
là tiết điện ban đầ của mẫu
F
1
là tiết diện ở phần cổ thắt của mẫu sau khi phá hủy
2.3 độ dai va đập
Rất nhiều chi tiết làm việc bằng tỉa trọng đặt vào với tốc độ lớn , đột ngột hay nói cách khác
là chịu va đập . như oto gặp phải trướng ngại vật , bị xóc hay bị thắng đột ngột . đành giá khả
năng làm việc của chịu tải trọng động , như vậy với các thử va đập bằng cách uốn , tức độ dai
va đập.
Độ dai va đập là công tiêu phí để phá hủy một đơn vi diện tích tiết điện ngang được đo theo
đơn vị kg.m/cm2 hay kj/m2.
2.4 độ bền mỏi
Giới hạn của bền mỏi là chi tiêu cơ tính quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của chi tiết
dưới tải trọng thay đổi như trục, bánh răng, lò xo …
Biện pháp nâng cao khả nâng cao giới hạn mỏi
- tạo lên trên bề mặt lướp ứng suất nén dư . vết nứt mỏi thường suất hiện trên bề mặt do
ứng suất kéo tại đó là lớn nhất . nếu ỏ đó có ứng suất nén dư (có sẵn ) thì ứng suất kéo
tác duungj thực tế xẽ giảm đi , nhờ đó xẽ hạn trế được vêt nứt
- nâng cao độ bền tức là tăng khả năng cản trượt do dó khó sinh ra vết nứt mỏi đầu tiên ,
nhờ đó cũng nâng cao được giới hạn mỏi.
8
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
- tạo cho bề mặt độ bóng cao , không có rãnh ,lỗ ,tránh tiết điện thay đổi độ ngột.
2.4 độ cứng
Các chỉ tiêu cơ tính kể trên tuy là cơ sở để tính toán , thiết kế chi tiết máy và công cụ
,nhưng co nhược điểm phải chế tạo mẫu mã phức tạp , tốn nhiều thời gian , không thể thử
ngay trên sản phẩm. cách thử độ cứng xẽ tránh được các nhược điểm này.
a , khái niệm về độ cứng
nguyên lý trung của phương pháp thử độ cứng là ép , ấn một tải trọng nhất đị lên bề mặt
kim loại thông qua mũi đâm, nhườ đó xẽ để lại một vết lõm càng lớn , càng sâu, độ cứng
càng thấp .
“ vậy độ cừng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ bên ngoiaf thông qua moi đâm”
Trong thực tế thử cơ tính kim loại , độ cứng là phương pháp có ý nghĩa thực tế và đươc áp
dụng rộng rãi nhất và các lý do sau đây:
- nhanh chóng, chỉ cần vài giây đến môt phút
- không pha hủy mẫu va có thể tieena hành ngay trên sản phẩm
đặc trưng được rất nhiều tính chát làm việc và công nghe của vật liệu như
+ tính chống mài mòn : độ cứng càng cao các tính chống mài mòn càng cao. Co thẻ nói
tính chống mài mòn phu thuộc và độ cứng . dao cắt vòng bi và các chi tiết khác chịu mài
mòn cần độ cứng (>60HRC)
+khả năn gia công cắt của phôi : thông thường phôi có độ cứng thấp thig dễ cắt gọt ,
nhưng khi quá thấp thương khó vì quá dẻo ,phoi khó gẫy .
+Khả năng chiu áp lực lượng cục bộ
+ khả năng mài bóng , độ cứng càng cao càng dễ mài bóng
+trong phạm vi nhất định giới hạn bền tỉ lệ bậc nhất đối với độ cứng .
2.4.1 dộ cứng brinen HB
- Xác định độ cứng Brinen bằng cách ấn một tải trọng F xác định lên bề mặt phẳng vật liệu
qua viên bi cứng có đường kính D, sau khi thôi tác dụng, tải trọng để lại trên bề mặt vết lõm
với đường kính d . Số đo độ cứng Brinen được xác định bằng tỷ số của tải trọng F với diện
tích mặt lõm có dạng chỏm cầu S, có thứ nguyên như của ứng suất, kG/mm2.
Đối với thép, gang dùng bi có D = 10mm, F = 3000kG, thời gian giữ tải trọng 15s (với các vật
liệu khác có quy định khác) được coi là điều kiện tiêu chuẩn, ký hiệu bằng HB (ví dụ HB
229).
Khi đo ở các điều kiện khác bắt buộc phải ghi rõ các số chỉ lần lượt các điều kiện trên, ví dụ
HB5/750/20 229 là giá trị độ cứng 229kG/mm2 đo bằng bi 5mm, tải 750kG, giữ lâu 20s. Hiện
vẫn chưa có quy định dùng đơn vị MPa cho HB, nếu muốn dùng đơn vị này phải ghi rõ, ví dụ
HB 2290 MPa.
- Ưu điểm lớn nhất của giá trị HB là giữa nó với có quan hệ bậc nhất với nhau nên có thể
không cần thử kéo vẫn có thể đoán được giới hạn bền, mối quan hệ đó ở một số kim loại như
sau:
+ Thép cán (trừ không gỉ, bền nóng) ≈ 0,34 HB,
+ Thép đúc ≈ (0,3 - 0,4) HB,
+ Gang xám ≈ (HB-60)/6 ,
+ Đồng, latong, brong ở trạng thái biến cứng ≈ 0,40 HB,
- Nhược điểm:
9
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
+ Không thể đo các vật liệu có độ cứng > HB 450 (vì bi chỉ làm bằng thép
được tôi cứng, lúc đó chính bi cũng bị méo, làm sai kết quả đo, chỉ dùng
để đo độ cứng các vật liệu có độ cứng thấp và trung bình,
+ Mẫu đo phải có mặt bằng phẳng và đủ dày, do vết lõm khá to nên thường không đo trên
thành phẩm,
+ Không cho phép đo trên các loại trục (vì có mặt cong),
+ Tương đối chậm vì quy trình hơi dài : phải giữ tải trọng vài chục giây, đo đường kính vết
lõm bằng lúp sau đó tra bảng tính mới ra kết quả.
2.4.2 Độ cứng Rôcoen:
được xác định bằng cách dùng tải trọng P ấn viên bi bằng
ép đã nhiệt luyện, có đường kính D = 1,587 mm tức là 1/16” (thang B) hoặc mủi côn bằng
kim
ương có góc ở đỉnh 1200
(thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử. Trong khi thử, số độ cứng
ược chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. Độ cứng Rôcoen được ký hiệu HRB khi dùng bi
thép
để thử vật liệu ít cứng; HRC và HRA khi dùng mủi côn kim cương thử vật liệu có độ cứng
cao
(>4500 N/mm2)
2.4.3 Độ cứng Vicke (HV) :
dùng mũi đo 1 (hình chóp góc vát α = 1360) bằng kim cương
dùng đo cho vật liệu mềm, vật liệu cứng và vật liệu có độ cứng nhờ lớp mỏng của bề mặt
đã được thấm than, thấm nitơ.v.v
HV=1,8544p/d^2
, . Trong đó d - đường chéo của vết lõm (mm); P- tải trọng (kg).
2.4.4 Phương pháp đo độ cứng Rockwell:
là phương pháp đo độ cứng bằng cách tác động làm lõm vật thử với một đầu thử kim cương
hình nón hoặc bi thép cứng. Quy trình đo cơ bản như sau : tác động đầu thử vào vật mẫu với
một lực tối thiểu, thường là 10kgf. Khi đạt độ cân bằng, thiết bị đo (theo dõi dịch chuyển đầu
đo và các phản hồi về thay đổi chiều sâu tác động của đầu đo) ghi lại giá trị xác định. Tiếp
đến, trong khi vẫn duy trì lực tác động tối thiểu, người ta tác động thêm một lực tối đa. Khi
đạt được độ cân bằng, thôi tác động lực tối đa nhưng vẫn duy trì lực tác động tối thiểu ban
đầu. Khi lực tối đa được thu về, độ sâu vết lõm trên bề mặt vật thử sẽ được phục hồi một
phần. Độ sâu vết lõm còn lại (kết quả của phát và thu lực tối đa) được sử dụng để tính toán độ
cứng Rockwell.
Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, ký hiệu là RA, RB, RC, tuỳ thuộc vào loại và kích
thước đầu đo cũng như giá trị lực tác dụng được sử dụng.
* HRA . . . . carbides, thép tôi cứng bề mặt
* HRB . . . . Phôi đồng đỏ, thép mềm, phôi nhôm, gang mềm
* HRC . . . . Thép, gang cứng , thép tôi hoặc các vật liệu cứng hơn 100 HRB
* HRD . . . . Thép mỏng, gang mềm
* HRE . . . . Gang, nhôm , kim loại ổ bi
* HRF . . . . Kim loại tấm có chiều dầy mỏng
* HRG . . . . Đồng phốtpho, beryllium copper,Thiếc, chì
* HRK . . . . }
* HRL . . . . }
* HRM . . . .} . . . . Kim loại ổ bi mềm, nhựa, các vật liệu cực mỏng
* HRP . . . . }
* HRR . . . . }
* HRS . . . . }
10
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
* HRV . . . . }
Ví dụ như thép tôi được thử ở thang đo C với đầu thử kim cương và lực tác động tối đa 150kg
sẽ nẵm trong khoảng RC 20 tới RC 70. Với các vật liệu mềm hơn được thử ở thang đo B bi
thử đk 1/16 inch và lực thử tối đa 100 kg, kết quả đo trong phạm vi RB 0 tới RB100. Thang
đo A (với đầu thử kim cương và lực thử tối đa 60kg) thường dùng dải phạm vi vật liệu đồng
nhiệt luyện tới carbide.
Kiểm tra độ cứng theo phương pháp Rockwell cho kết quả nhanh và chính xác. Vết lõm bằng
phương pháp thử này thương nhỏ, do đó chi tiết sau nhiệt luyện có thể thử độ cứng bằng
phương pháp này mà không bị hư hại.
Các thiết bị đo độ cứng Rockwell có công suất phát lực thử tới 103N (100kg) có khả năng tạo
một điểm lõm trên các vật liệu thử. Các thiết bị đo hiện đại có thể sử dụng các công nghệ điện
tự và tự động để tối ưu tính năng. Người sử dụng cũng có thể sử dụng kính hiển vi để định vị
đầu đo kim cương cực nhỏ để xung lực chỉ vài N để đo độ cứng của một hạt kim loại. Đây
còn được biết đến như các phép thử độ cứng tế vi (micro harness).
HR= N- h/s
N: hằng số phụ thuộc vào các pp đo rockwell khác nhau
h: độ sâu vết lõm tính theo mm
s: giá trị độ chia tính theo mm ( Rockwell thông thường là 0,002. rockell bề mặt là 0,001)
11
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
Phần III NHIỆT LUYỆN THÉP
3.1.1. Định
nghĩa:
là
nung
nóng
thép
đến
nhiệt
độ
xác
định,
giữ
nhiệt
một
thời
gian thích
hợp
rồi
sau
đó
làm
nguội
với
tốc
độ
xác
định
để
nhận
được
tổ
chức,
do
đó
tính
chất
theo
yêu
cầu.
Đặc điểm:
-
Không
làm
nóng
chảy
và
biến
dạng
sản
phẩm
thép
-
Kết
quả
được
đánh
giá
bằng
biến
đổi
của
tổ
chức
tế
vi
và
tính
chất.
3.
1.
2
. Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện
Ba
thông
số
quan
trọng
nhất
-
Nhiệt
độ
nung
nóng:
0
n
T
-
Thời
gian
giữ
nhiệt:
gn
T
- Tốc độ nguội V
nguội
sau khi giữ nhiệt
Các
chỉ
tiêu
đánh
giá
kết
quả:
+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích
thước hạt,
chiều sâu lớp hóa bền là chỉ tiêu gốc, cơ bản
nhất.
+
Độ
cứng,
độ
bền,
độ
dẻo,
độ
dai.
+
Độ
cong
vênh,
biến
dạng.
3.1.3.
Phân
loại
nhiệt
luyện
thép
1.
Nhiệt
luyện:
thường
gặp
nhất,
chỉ
có
tác
động
nhiệt
làm
biến
đổi
tổ
chức
và
tính
chất
gồm
nhiều
phương
pháp:
ủ,
thường
hoá,
tôi,
ram.
2.
Hóa
-
nhiệt
luyện:
Nhiệt
luyện
có
kèm
theo
thay
đổi
thành
phần
hóa
học
ở
bề
mặt
rồi
nhiệt
luyện
tiếp
theo
để
cải
thiện
hơn
nữa
tính
chất
của
vật
liệu:
Thấm
đơn
hoặc
đa
nguyên
tố: C,N,
3.
Cơ
-
nhiệt
luyện:
là
biến dạng dẻo thép ở trạng thái
γ
sau đó tôi và ram để nhận được
tổ chức M nhỏ mịn có cơ tính tổng hợp cao nhất,
thường ở xưởng cán nóng thép, luyện kim
12
.
Sơ đồ của quá trình
nhiệt
luyện đơn giản nhất
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
3.2 nhiêt luyện trong nhà máy cơ khí
Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi tiết
sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì
vậy có thể nói nhiệt luyện là khâu quan trọng không thể thiếu được đối với chế tạo cơ khí và
là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí.
Nhiệt luyện có ảnh hưởng quyết định tới tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí. Máy móc càng
chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số lượng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều. Đối với
các nước công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ ngành chế tạo cơ khí phải căn cứ vào
trình độ nhiệt luyện, bởi vì dù gia công cơ khí chính xác nhưng nếu không qua nhiệt luyện
hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo thì tuổi thọ của chi tiết cũng không cao và mức
độ chính xác của máy móc không còn giữ được theo yêu cầu.
Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không những có ý nghĩa kinh tế rất lớn (để kéo dài
thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu của công trình, máy móc thiết bị…) mà còn là thước
đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc gia.
Các tác dụng chủ yếu của Nhiệt luyện:
1/ Tăng độ cứng, tính chịu ăn mòn, độ dẻo dai và độ bền của vật liệu
Mục tiêu của SX cơ khí là SX ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn, khoẻ hơn với các tính
năng tốt hơn. Để đạt được điều đó không thể không sử dụng thành quả của vật liệu kim loại
và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính.
Bằng những phương pháp nhiệt luyện thích hợp như tôi + ram, tôi bề mặt, thấm cacbon - nitơ,
…độ bền và độ cứng của vật có thể tăng lên từ ba đến sáu lần (thép chẳng hạn), nhờ đó có thể
dẫn tới rất nhiều điều có lợi như sau:
-Tuổi bền (thời gian làm việc) của máy tăng lên do hệ số an toàn cao không gãy vỡ (do nâng
13
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
cao độ bền). Trong nhiều trường hợp máy hỏng còn là do bị ăn mòn quá mạnh, nâng cao độ
cứng, tính chống mài mòn cũng có tác dụng này.
-Máy hay kết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại (hạ giá thành), năng
lượng (nhiên liệu) khi vận hành.
- Tăng sức chịu tải của máy, động cơ, phương tiện vận tải (ôtô, toa xe, tàu biển…) và kết cấu
(cầu, nhà, xưởng…), điều này dẫn tới các hiệu quả kinh tế - kĩ thuật lớn.
Phần lớn các chi tiết máy quan trọng như trục, trục khuỷu, vòi phun cao áp, bánh răng truyền
lực với tốc độ nhanh, chốt…đặc biệt là 100% dao cắt, dụng cụ đo và các dụng cụ biến dạng
(khuôn) đều phải qua nhiệt luyện tôi + ram hoặc hoá nhiệt luyện. Chúng thường được tiến
hành gần như là sau cùng, nhằm tạo cho chi tiết, dụng cụ cơ tính thích hợp với điều kiện làm
việc và được gọi là nhiệt luyện kết thúc (thường tiến hành trên sản phẩm).
Như thường thấy, chất lượng của máy, thiết bị cũng như phụ tùng thay thế phụ thuộc rất nhiều
vào cách sử dụng vật liệu và nhiệt luyện chúng. Những máy làm việc tốt không thể không sử
dụng vật liệu tốt (một cách hợp lý, đúng chỗ) và nhiệt luyện bảo đảm.
2/ Cải thiện tính công nghệ (rèn, dập, gia công cắt, tính chịu mài, tính hàn…), từ tính, điện
tính…
Muốn tạo thành chi tiết máy, vật liệu ban đầu phải qua nhiều khâu, nguyên công gia công cơ
khí: rèn, dập, cắt…Để đảm bảo sản xuất dễ dàng với năng suất lao động cao, chi phí thấp vật
liệu phải có cơ tính sao cho phù hợp với điều kiện gia công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt
hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội. Muốn vậy cũng phải áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích
hợp (ủ hoặc thường hoá như với thép). Ví dụ, sau khi biến dạng (đặc biệt là kéo nguội) thép bị
biến cứng đến mức không thể cắt gọt hay biến dạng (kéo) tiếp được, phải đưa đi ủ hoặc
thường hoá để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo. Sau khi xử lý như vậy thép trở nên dễ gia công
tiếp theo.
Các phương pháp nhiệt luyện tiến hành với mục đích như vậy được gọi là nhiệt luyện sơ bộ,
chúng nằm giữa các nguyên công gia công cơ khí (thường tiến hành trên phôi).
Vậy trong sản xuất cơ khí cần phải biết tận dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp,
không những đảm bảo khả năng làm việc lâu dài cho chi tiết, dụng cụ bằng thép mà còn đễ
dàng cho quá trình gia công.
3/ Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí
Ở các nhà máy cơ khí với quy mô nhỏ và trung bình, bộ phận nhiệt luyện không lớn và
thường đặt tập trung. Sau khi nhiệt luyện sơ bộ, từ đây phôi thép được chuyển tới các phân
xưởng cắt gọt, dập và sau khi nhiệt luyện kết thúc các chi tiết máy quan trọng (cần cứng và
bền cao) được đưa qua mài hay thẳng đến lắp ráp. Cách sắp xếp như vậy có nhiều nhược
điểm, song không thể khác vì sản lượng thấp. Ở các nhà máy cơ khí có quy mô lớn và rất lớn,
các chi tiết máy được gia công hoàn chỉnh từ khâu đầu đến khâu cuối trên dây chuyền cơ khí
hoá hoặc tự động hoá trog đó bao gồm cả nguyên công nhiệt luyện. Do vậy nguyên công nhiệt
luyện ở đây cũng phải được cơ khí hoá thậm chí tự động hoá và phải chống nóng, độc để
không có ảnh hưởng xấu đến bản thân người làm nhiệt luyện cũng như cả dây chuyền sản
xuất cơ khí. Cách sắp xếp chuyên môn hoá cao như vậy đảm bảo chất lượng sản phẩm và lựa
chọn phương án tiết kiệm được năng lượng.
14
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
Các nhà máy cơ khí có thể xem xét tuỳ thuộc vào mức độ sản xuất của đơn vị mình ra sao mà
lựa chọn quy mô của phân xưởng nhiệt luyện sao cho phù hợp và tiết kiệm nhất nhưng vẫn
đảm bảo được chất lượng của sản phẩm.
3.3 các phương pháp nhiệt luyện
3.3.1 Phương pháp ủ
1. loại 1 hay ủ không chuyển biến pha
là quá trình nhiệt luyện tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn, sau đó làm nguội cùng
lò. Dạng nhiệt luyện này không làm thayđổi mạng tinh thể mà chỉ khắc phục một phần hoặc
hoàn toàn các sai lệch về mạng tinh thể.
2. Ủ có chuyển biến pha: Nung kim loại cao hơn nhiệt độ chuyển biến pha, giữ nhiệt rồi sau
đó làm nguội chậm, làm kết tinh lại dẫn tới sự tạo thành pha mới làm nhỏ hạt tinh thể, đưa
hợp kim về trạng thái cân bằng.
-Ủ
hoàn
toàn:
áp
dụng cho
thép tr
ư
ớc
cùng
tích
%C=
0,30
÷
0,65%,
0
u
T
=A
3
+(20
÷
30
0
C)
Mục
đích:
làm
nhỏ
hạt,
giảm
độ
cứng
và
tăng
độ
dẻo
để
dễ
cắt
gọt
và
dập
nguội
(160
÷
200HB).
-Ủ không
hoàn
toàn
và
ủ
cầu
hóa:
- áp
dụng
cho
thép
dụng
cụ
%C=
0,70%, A
1
<T<A
cm
:
0
u
T
=
A
1
+
(20
÷
30
C)
=
750
÷
760
C,
T/c:
peclit
hạt
,
HB
<
220
dễ
gia
công
cắt
hơn, không
áp
dụng
cho
thép
tr
ư
ớc
cùng
tích
có
C
Ê
0,65%
vì
ảnh hưởng
xấu
đến
độ
dai.
- Ủ
cầu
hóa:
là
dạng
đặc
biệt
của
ủ
không
hoàn
toàn,
T=
750
÷
760
o
C-5min
(phút)
rồi
T=
650
÷
660
o
C-
5min ,
với
lặp
đi
lặp
lại
→
cầu
hóa
xêmentit
để
tạo
thành peclit
hạt.
-
Ủ
đẳng
nhiệt:
dùng
cho
thép
hợp
kim
cao
do
γ
quá
nguội
có
tính
ổn
định
quá
lớn
nên
dù
làm
nguội
chậm
cùng
lò
cũng
không
đạt
đ
ư
ợc
tổ
chức
peclit
mà
là
P-X,
X,
X-T
nên
không
đủ
mềm
để
gia
công
cắt
→
ủ
đẳng
nhiệt:
T=
A
1
-
50
o
C
(xác
định
theo
giản
đồ
T
-
T
-
T
của
chính
thép
đó)
để
nhận
được
tổ
chức
peclit.
-
Ủ
khuếch
tán:
T
rất
cao
1100
÷
1150
o
C
-
(10
÷
15h)
để
khuếch
tán
làm
đều
thành phần.
Lĩnh
vực
áp
dụng:
thép
hợp
kim
cao
khi
đúc
bị
thiên
tích
đ
hạt
to
→
cán
nóng hoặc
ủ
nhỏ
hạt
Chú
ý
:
ủ
có
chuyển
biến
pha,
chỉ
cần
làm
nguội
trong
lò
đến
600
÷
650
o
C,
lúc
đó
sự
tạo
thành
peclit
đã
hoàn
thành,
cho
ra
nguội ngoài
không
khí
và
nạp
mẻ
khác vào
ủ
tiếp.
3.3.2 Tôi :
-tôi có chuyển biến pha
Là quá trình nhiệt luyện hợp kim gồm nung hợp kim lên tới nhiệt độ có trạng thái pha nhất
định, giữ nhiệt rồi làm nguội đủ nhanh để quá trình khuếch tán không kịp xảy ra, kết quả nhận
được tổ chức không cân bằng.
- Tôi bề mặt:
Thực hiện tôi trên bề mặt chi tiết hợp kim, thường sử dụng các lò tần số để chỉ nung phần
mặt ngoài của chi tiết.
Các bánh răng, các trục thường được tôi bề mặt để đảm bảo độ cứng bề mặt cao (để chống
mài mòn), nhưng phần bên trong nó lại dẻo.
Tôi
trong
hai
môi
tr
ư
ờng
(nước qua dầu)
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.
15
o
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
Như vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho thép vừa ít 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.
Tôi
phân
cấp:
Muối
nóng
chảy
có
nhiệt
độ
cao
hơn
điểm
M
đ
khoảng
50
÷
100
0
C,
3
÷
5min
để
đồng
đều nhiệt độ trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong không khí để chuyển
biến M.
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
ph
ư
ơng
pháp
tôi
kể
trên
đều
đạt
đ
ư
ợc
tổ
chức
mactenxit.
Tôi
đẳng
nhiệt:
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
÷
400oC - bainit, 500
÷
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
÷
520
o
C
đ
X
mịn,
qua
khuôn
kéo
sợi
nhiều
lần
(
ε
tổng=
90%),
đạt
δ
E
và
δ
max.
Gia
công
lạnh
áp
dụng
cho
thép
dụng
cụ
hợp
kim,
%C
cao
và
được
hợp
kim
hóa,
các
điểm
M
đ
và
M
K
quá
thấp
nên
khi
tôi
lượng
g
dư
quá
lớn,
làm
giảm
độ
cứng.
Đem
gia
công
lạnh
(-50
hay
-70
o
C)
để
γ
d
ư
→
M,
độ
cứng
có
thể
tăng
thêm
1
÷
10
đơn
vị
HRC.
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
đ
ư
ợc
tôi:
đục,
chạm,
tôi
cảm ứng
băng
máy,
trục
dài
3.3.4 Ram:
16
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
Ram là quá trình nhiệt luyện gồm nung kim loại đã được tôi đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ
chuyển biến pha, đưa hợp kim về trạng thái cân bằng, do đó mà tổ chức không ổn định khi tôi
sẽ được phân huỷ thành tổ chức ổn định hơn.
Ram là phương pháp nhiệt luyện kim loại gồm nung nóng chi tiết đã tôi đến nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ tới hạn (Ac1), sau đó giữ nhiệt một thời gian cần thiết để mactenxit và austenit dư
phân hoá thành các tổ chức thích hợp rồi làm nguội.
Phần nhiều sau khi ram chi tiết được làm nguội trong không khí, tuy nhiên cũng có trường
hợp sau khi ram phải làm nguội trong nước hoặc dầu để tránh hiện tượng dòn ram.
Với thép thì quá trình ram sẽ làm cho thép dẻo dai hơn bởi sự biến đổi martenite "dòn" thành
ferite . Việc tôi nhanh thép thì cần phải được ram lại sau đó nhằm giảm nội ứng lực bên trong
chi tiết.
Trong luyện kim , người ta luôn chú ý cân bằng giữa hai yếu tố dòn (dễ vỡ) và dẻo . Sự cân
bằng và ổn định cấu trúc tinh thể là nhiệm vụ chính của quá trình ram. Việc tính toán để
khống chế thời gian giữ nhiệt cũng như nhiệt độ ram sẽ quyết định chất lượng chi tiết sau đó.
Một vài nước có nền công nghiệp tiên tiến, luôn luôn bảo vệ bí quyết và đầu tư nghiên cứu
lĩnh vực này.
Ram được phân thành 3 loại: Ram thấp, Ram trung bình và Ram cao.
- Ram thấp : Ram thấp là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đã tôi trong khoảng
150 đến 250 độ C tổ chức đạt được là mactenxit ram. Khi Ram thấp hầu như độ cứng không
thay đổi (có thay đổi thì rất ít: từ 1-3 HRC).
- Ram trung bình : Ram trung bình là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 300-
450 độ C, tổ chức đạt được là trustit ram. Khi ram trung bình độ cứng của thép tôi tuy có giảm
nhưng vẫn còn khá cao, khoảng 40-45 HRC, ứng suất bên trong giảm mạnh, giới hạn đàn hồi
đạt được giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên.
- ram cao : Ram cao là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 500-650 độ C, tổ
chức đạt được là xoocbit ram. Khi ram cao độ cứng của thép tôi giảm mạnh, đạt khoảng 15-25
HRC, ứng suất trong bị khử bỏ, độ bền giảm đi còn độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh.
3.3.5 hóa già : Cũng như ram, nhưng nếu quá trình phân huỷ dung dịch rắn quá bão hoà ở
nhiệt độ phòng hay nhiệt độ không cao của các hợp kim trên cơ sở các kim loại không có
chuyển biến thù hình thì được gọi là hoá già.
3.4 tôi thép (tôi thể tích )
3.4.1 giản đồ T-T-T:
Nhiệt độ (T) - thời gian (T) và chuyển biến (T) Vì có dạng chữ "C")
→
đường cong chữ
“C”.Khi
γ
bị
nguội
(tức
thời)
d
ư
ới
727
o
C
nó chưa chuyển
biến
ngay
được
gọi
là
γ
quá nguội,
17
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
không
ổn
Đặc trưng của tôi: - Nhiệt độ tôi > A1 để có g (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
th
ư
ờng hóa.
Mục
đích:
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
=
0,40
÷
0,65%C-
HRC
52
÷
58,
%C
=
0,70
÷
1,00%C-
HRC
60
÷
64, %C
=
1,00
÷
1,50%C-
HRC
65
÷
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
tính
tổng
hợp
cao
nhất
(thép
0,3-0,5)%C
3.4.2
Chọn
nhiệt
độ
tôi
thép
1.
Đối
với
thép
TCT
(<
0,80%C):
T
tôi
=
A
3
+
(30
÷
50
o
C)
→
M+ít
γ
d
ư
2. Đối
với
thép
CT
và
SCT
(³
0,80%C):
T
tôi
=A
1
+(30
÷
50
o
C)
≈
760
÷
780
o
C
→
M+ít
γ
d
ư
+ Xê
II
3. lý do để
chọn
nhiệt
độ
tôi:
+
Thép
TCT,
T<
A
3
còn
F
là
pha
mềm
gây
ra
điểm
mềm
ảnh
hưởng
xấu
tới
độ bền,
độ
bền
mỏi
và
tính
chống
mài
mòn.
+
Thép
SCT,
T>
A
cm
→
hàm lượng C trong
γ
cao
quá
dễ
sinh
γ
dư
nhiều,
18
o
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
hạt
lớn
(vì
T
>950
o
C)
A
1
<T
tôi
<A
cm
sau
tôi
được
M+ lưới
Xê
II
+
ít
γ
dư
→
chống
mài
mòn
tốt
Đối
với
thép
hợp
kim:
Cũng
dựa
vào
GĐP
Fe-C
để
tham
khảo
nhiệt
độ
tôi,
2
tr
ư
ờng
hợp:
+
T
hép
hợp
kim
thấp
(ví
dụ
0,40%C
+
1,00%Cr),
T
tôi
~
thép
0,40%C,
có
lấy
tăng
lên
1,1-1,2
lần
+
T
hép
hợp
kim
trung
bình
và
cao:
tra
trong
các
sách
tra
cứu
và
sổ
tay
kỹ
thuật.
3.4.3
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.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn:
-
Thành
phần
hợp
ki
m
của
γ
:
quan
trọng
nhất,
γ
càng
giàu
nguyên
tố
hợp
kim
(trừ
Co)
đ
ư
ờng
"C"
càng
dịch
sang
phải,
V
th
càng
nhỏ:
(2
÷
3)%
nthk
V
th
≈
100
o
C/s,
(5
÷
7)%
nthk
V
th
≈
25
C/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)
→
T
tôi
↑
→
γ
đồng
nhất
→
V
th
↓
-
Các
phần
tử
rắn
chưa
tan
hết
vào
g:
thúc
đẩy
tạo
thành
hỗn
hợp
F-Xê,
làm
tăng V
th
.
-
Kích
th
ư
ớc
hạt
γ
:
càng
lớn,
biên
giới
hạt
càng
ít,
càng
khó
tạo
thành
hỗn
hợp
F-
Xê
,
V
th
↓
2.4.4
Độ
thấm
tôi
Định nghĩa:
là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức 1/2M + 1/2T Cách xác định:
bằng thí nghiệm tôi đầu mút
1. Các yếu tố ảnh h
ư
ởng:
V
th
:
càng
nhỏ
độ thấm
tôi
càng
cao,
V
th
<
V
lõi
tôi
thấu,
các
yếu
tố
làm
giảm
V
th
→
δ
↑
Tốc
độ
làm
nguội:
nhanh
→
δ
↑
nh
ư
ng
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
đ
ư
ợc
hóa
bền
nhờ
tôi
+
ram.
-
Thép
có
độ
thấm
tôi
càng
cao
được
coi
là
chất
lượng càng
tốt,
-
Mỗi
mác
thép
có
d
xác
định
do
đó
nên
dùng
cho
các
chi
tiết
có
kích
th
ư
ớc
nhất
định
để
có thể
tôi
thấu
Đánh giá độ thấm tôi:
19
Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải
dải
thấm
tôi
của
các
thép
với
cùng
lượng
cacbon
là
0,40%,
ở
đây
độ
thấm
tôi
được
tính
tới
vùng
nửa
1/2M+1/2T.
+
Thép
cacbon,
d
trung
bình
chỉ
khoảng
7mm,
nếu
thêm
1,00%Cr
là
12mm,
còn thêm
0,18%Mo
nữa
tăng
lên
đến
30mm.
+
Để
tăng
mức
độ
đồng
đều
cơ
tính
trên
tiết
diện,
trước
khi
đem
chế
tạo
các
bánh răng
quan
trọng
người
ta
phải
kiểm
tra
lại
d
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.
2.Tính
thấm
tôi
và
tính
tôi
cứng:
Tính
tôi
cứng
là
khả
năng
đạt
độ
cứng
cao
nhất
khi
tôi,
%C
càng
cao
tính
tôi cứng
càng
lớn.
Tính
thấm
tôi
là
khả
năng
đạt
chiều
dày
lớp
tôi
cứng
lớn
nhất,
%nthk
càng
cao
thì
tính
thấm
tôi
càng
lớn.
.
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,
Các
phương
pháp tôi thể tích 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 tích và tôi bề mặt, theo phương thức
và
môi
tr
ư
ờng
làm
nguội
ta
có:
Tôi
trong
một
môi
tr
ư
ờng
Phương
pháp
tôi
Đường
nguội
lý
t
ư
ởng
khi
tôi
Trong đó: a.
trong
1
môi
trường,
b.
trong
2
môi
trường, c.
tôi
phân
cấp,
d.
tôi
đẳng
nhiệt.
20
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
2.4.5 Yêu
cầu
đối
với
môi
tr
ư
ờng
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
÷
600
o
C
để
γ
không
kịp
phân
hóa
thành
hỗn
hợp
F-Xê.
V
nguội
>
V
th
.
2)
Làm
nguội
chậm
thép
ở
ngoài
khoảng
nhiệt
độ
trên
vì
Ơ
đó
γ
quá
nguội
có
tính
ổn
định
cao,
không
sợ
bị
chuyển
biến
thành
hỗn
hợp
F-
Xê
có
độ
cứng
thấp.
Đặc biệt
trong
khoảng
chuyển
biến
M
(300
÷
200
o
C),
nguội
chậm
sẽ
làm
giảm
ứng suất
pha
do
đó
ít
bị
nứt
và
ít
cong
vênh.
Các
môi
tr
ư
ờng
tôi
thường
dùng
.
Đặc
tính
làm
nguội
của
các
môi
trường
tôi
Môi
tr
ư
ờng
tôi
Tốc
độ
nguội,
[độ/s],
ở
các
k
hoảng
nhiệt
độ
600
÷
500
0
C 300
÷
200
0
C
N
ư
ớc
lạnh,
10
÷
30
0
C
600-500
27
0
N
ư
ớc
nóng,
50
0
C
100
27
0
N
ư
ớc
hòa
tan
10%NaCl,
NaOH,20
0
C
1100-1200
30
0
Dầu
khoáng
vật 100-150 20
-
25
Tấm
thép,
không
khí
nén 35-30 15
-
10
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.
N
ư
ớc
(lạnh)
là
môi
tr
ư
ờng
tôi
cho
thép
cacbon
(là
loại
có
V
th
lớn,
400
÷
800
o
C/s),
song
không
thích
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
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
21
o
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
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
ít
gây
biến
dạng,
nứt
nhưng
khả năng tôi cứng lại kém. Dầu nóng, 60
÷
80oC, 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.
Dầu
là
môi
tr
ư
ờng
tôi
cho
thép
hợp
kim
(loại
có
V
th
nhỏ,
<
150
0
C
/
s),
các
chi
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 (f < 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
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
22
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
Phần IV ĐỘ THẤM TÔI
4.1
Hóa
-
nhiệt
luyện
1.Định nghĩa:
Hóa - nhiệt luyện là đưa chi tiết và trong môi trường thấm có thành phần,
nhiệt độ thích 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.
2. Nguyên
lý
chung
Môi
tr
ư
ờng
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 phía bên trong.
Thấm C: môi trường khí phân huỷ từ dầu hoả, thấm N: khí NH3,
2
mục
đích
chính:
-
Nâng
cao
độ
cứng,
tính
chống
mài
mòn
và
độ
bền
mỏi
của
thép
hơn
cả
tôi
bề
mặt:
thấm
C,
thấm
N,
thấm
C-N,
đ
ư
ợc
ứng
dụng
rộng
rãi
trong
sản
xuất
cơ
khí
.
-
Nâng
cao
tính
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,
ít
thông
dụng
hơn.
Các
giai
đoạn:
1)
khuếch
tán
thể
khí
:
là
quá
trình
khuếch
tán
chất
thấm
đến
bề
mặt
chi
tiết
2)
Phản
ứng
tạo
nguyên
tử
hoạt
tính
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
tính).
3)
Khuếch
tán
thể
rắn:
nguyên
tử
chất
thấm
đ
ư
ợc
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
th
ư
ờng
chậm
nhất
do
đó
là
khâu
quyết
định
sự
hình
thành
của
lớp
thấm.
Ảnh
h
ư
ởng
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
950
o
C
để
hạt
tinh
thể
không
bị thô
to,
thấm
N
không
quá
650
o
C
để
còn
bảo
tồn
tổ
chức
hoá
tốt
của
thép
ở
lõi.
Thời gian thấm: Càng dài thì lớp thấm càng sâu:
τ
KX =
Trong đó: X-chiều sâu lớp thấm, K- hằng số thuộc nhiệt độ va công nghệ thấm, τ
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
23
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
-thơi gian thấm.
4.2
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
60
÷
64,
chống
mài
mòn
cao,
chịu
mỏi
tốt,
còn
lõi
bền,
dẻo,
dai
với
độ
cứng
HRC
30
÷
40.
Nhiệt độ thấm:
Đủ
cao
để
thép
ở
trạng
thái
hoàn
toàn
là
γ
,
pha
có
khả
năng
hòa tan
nhiều
cacbon
(900
÷
950
o
C).
Tuỳ
theo
loại
thép
sử
dụng:
Thép
C:
C10-C25,
T
thấm
=
(900-930)
o
C,
Thép
hợp
kim
có
Ti:
18CrMnTi,
25CrMnTi,
T=(930-950)
o
C,
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
÷
64),
không
bong.
Lõi:
có
tổ
chức
hạt
nhỏ
(cấp
5
÷
8)
với
tổ
chức
mactenxit
hình
kim
nhỏ
mịn,
không
có
F
tự
do,
để
bảo
đảm
độ
bền,
độ
dai
cao,
HRC
30
÷
40.
4.2.1 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
÷
0,15)d,
d
đường
kính
hay
chiều
dày
chi
tiết.
Riêng
đối
với
bánh
răng
lấy
X=(0,20
÷
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:
Hỗn
hợp
thấm:
Than
(cốc,
đá,
gỗ)
cở
2-8mm
:
25%
Than
dựng
lại
(xàng
bỏ
bột
vụn):
60%
BaCO3 : 15% Hoà BaCO3 vào nước
vừa xệt để có thể trộn đều vào than.
Xếp chi tiết và lốn than vừa chặt
Hộp
thấm
C
thể
rắn
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
24
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
Thời
gian
và
chiều
dày
lớp
thấm:
X
=(0,11-0,12)t,
khi
thấm
ở
(900-930)
o
C-
lấy
K=0,11,
khi
thấm
ở
(930-950)
o
C-
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
kín,
rất
đơn
giản
Thấm
ở
thể
khí
:
là
phương
pháp
thấm
hiện
đại,
đ
ư
ợc
sử
dụng
rộng
rãi
trong
sản
xuất
Cơ
khí
.
Chất
thấm:
Khí
đốt
và
dầu
hoả
(dầu
hoả
dễ
dùng
hơn)
Thiết
bị
thấm:
các
loại
l ò
chuyên
dùng
để
thấm
C
Lò
thấm
C
của
Nga
Loại lò P, kw dxh lò,mm Loại lò P, kw dxh
lò,mm
• 25
25 300x450
• 75
75 500x900
• 35
35 300x600
• 90
90 600x900
• 60
60 450x600
• 105
105 600x1200
Xếp hoặc treo chi tiết vào lò đảm bảo bề mặt cần thấm phải luôn có khí luân chuyển.
Nâng nhiệt độ và
cấp
dầu:
Nhiệt
độ
Số
giọt
dầu,
[giọt/phút]
(lò Ц
25
-Ц
60)
<
300 0
300-500 30
500-900 30-50
900-950 90-150
(bão
hoà)
900-950
50-80 (khuếch
tán)
Nhiệt
độ
thấm:
theo
loại
thép
như
thấm
C
thể
rắn
Thời gian thấm: (kể từ khi đạt nhiệt độ thấm)
K
X
2
=
τ
K=0,12 khi thấm (900-930)oC, K=0,14 khi
thấm ở (930-950)
o
C,
τ
=
τ
bãohoà
+
τ
k/tán
=2
τ
bão hoà
=2
τ
k/tán
4.2.2 Nhiệt
luyện
sau
khi
thấm:
3
công
nghệ:
1- Tôi trực tiếp+ram thấp ở 200
o
C-1h: sau thấm lấy ra cho nhiệt độ hạ xuống còn
850-860oC thì tôi trong dầu. Chỉ áp dụng cho thép hợp kim, quy trình đơn giản, kinh tế.
2- Tôi 1 lần+ram thấp ở 200
o
C-1h: sau thấm đem thường hoá rồi tôi ở (820- 850)
o
C
khi cần ưu tiên cho lớp bề mặt, tôi ở (860-880)
o
C khi cần ưu tiên cho lõi, áp dụng
được
cho cả thép C.
Tiểu luân môn Kim Loại Học –thực hiện Nguyễn Văn Khải
25
Sơ đồ lò thấm C bằng dầu hoả
