Xác định chế độ hóa nhiệt luyện cho thép c20 khi thấm

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
------***-----

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
MÔN: CÔNG NGHỆ XỬ LÍ VẬT LIỆU
SVTH

: Nguyễn Như Thiện

Lớp

: CĐ ĐH CK1 K9

GVHD

: Th s. Trần Văn Hiệu

Đề tài

: Xác định chế độ hóa nhiệt luyện cho thép c20 khi thấm

+ tính toán và xác định các thông số công nghệ cho thép c20
+ tính toán chế độ thôi sau khi thấm, xác định chiều sâu sau khi thấm
+xác định tổ chức và cơ tính của lớp thấm
+nhận xét và đánh giá

1

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU

I: LỰA CHỌN MẪU THÍ NGHIỆM
Ta tiến hành lựa chọn một mẫu hợp kim thấp 20CrV như dưới đây:

Tiến hành phân thích mẫu thép ta có:
Thành phần cấu tạo của vật liệu:
- Hàm lượng các bon : Hàm lượng các bon có trong vật liệu = 0,20%
- Hàm lượng Crôm : Hàm lượng crôm có tác dụng làm tăng mạnh độ thấm tôi.
- Hàm lượng Vanađi: Hàm lượng V có trong vật liệu ~1%. Vanađi là nguyên tố tạo
thành cacbit rất mạnh. V rất ít hòa tan vào austenit khi nung, trong thép nó ở dạng các
phần tử cứng, phân tán, làm tăng tính chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khi tôi. Mọi
thép gió đều có ít nhất 1%V, khi vượt quá 2% tính chống mài mòn tăng lên, song
không nên dùng quá 5% vì làm xấu mạnh tính mài.

2

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU

Ta có biểu đồ thép cacbon như hình dưới

1539 A

D

L
L+δ
H
1499
δ δ+γ J

B

C

γ
G

α+XeIII

αR

Fe

E
Le+γ

γ+α
P+α

Q0,02

S
[P]

910

L+XeI

L+γ

N

γ+XeII

P+XeII+Le

P+XeII

0,8

Le=[P+Xe] Le=[γ+Xe]

1392

1600

2,14

F

1147

Le+XeI

K

727

Le+XeI
Fe3C
6,67

4,3

Hình 1: giản đồ trạng thái thép cac bon
§iÓm
A
H
J
B
N
D
G

%C
0
0,1
0,16
0,51
0
6,67
0

NhiÖt ®é

§iÓm
1539
E
1499
C
1499
F
1499
R
1392
S
1600
K
910
Q
Bảng 1: Bảng tọa độ các điểm

Từ giản đồ Fe-C ta nhận thấy rằng hợp kim thấp 25CrV là:
3

SVTH: Nguyễn Như Thiện

%C
2,14
4,3
6,67
0,02
0,8
6,67
0,006

NhiÖt ®é
1147
1147
1147
727
727
727
0


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU
Thép trước cùng tích với hàm lượng cacbon < 0,8%
Tổ chức của thép trước cùng tích là (P + α)

Thép trước cùng tích, lượng cacbon ít nên lượng Xe cũng ít vì vậy thép có tính dẻo
cao

II TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
4

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU
* Bước 1: Thấm Cacbon
Với thép 20CrV là thép trước cùng tích có hàm lượng Cacbon thấp nên ta phải
tiến hành thấm Cacbon trước khi tôi
Mục đích: Mục đích của thấm cacbon là làm cho bề mặt của thép cứng tới trên
60HRC, có tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi vẫn giữ được tính dẻo, dai

của thép ban đầu đem thấm. Do đó, chi tiết đem thấm cacbon là chi tiết chịu tải trọng
va đập mà bề mặt chịu ma sát. Mục đích trên chỉ đạt được nếu chi tiết được tôi và ram
thấp sau thấm.
Yêu cầu đối với lớp thấm:
Để đạt được các mục đích trên, lớp thấm cácbon và lõi phải đạt được các yêu cầu
sau:
- Lớp thấm có nồng độ cacbon trong khoảng 0,8 - 1% thấm dưới giới hạn này sau khi
tôi lớp thấm không đủ độ cứng và tính chống mài mòn, cao hơn giới hạn này lớp thấm
có thể bị dòn, tróc. Thực nghiệm cho thấy, với nồng độ cacbon của lớp thấm như vậy
chi tiết vừa có độ cứng, tính chống mài mòn tốt lại đạt được độ bền lớn nhất.
- Tổ chức tế vi của bề mặt và lõi sau khi thấm, tôi và ram thấp phải đạt: bề mặt mactenxit và các phần tử cacbit nhỏ mịn phân bố đều, lõi - mactenxit và không có
ferit
+ Chọn nhiệt độ thấm Cacbon
Theo thực nghiệm Dcmax ở (920 ÷ 950)0C nên người ta thường chọn nhiệt độ thấm ở
khoảng đó để có quá trình khuếch tán mạnh nhất
- Sau khi thấm, nồng độ cacbon sẽ tăng từ C0 → C1 đồng thời làm thay đổi tổ
chức bề mặt của chi tiết. Cụ thể là ở trong lõi, chi tiết của tổ chức P + Fe (đảm bảo
tính dẻo của lõi) tiếp đó là P và bề mặt chi tiết có tổ chức là P + XeII (đảm bảo độ
cứng của bề mặt). Hay nói khác đi, tổ chức của thép thay đổi từ trước cùng tích →
cùng tích → sau cùng tích tương ứng từ lõi ra bề mặt của chi tiết.
5

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU
- Nồng độ cacbon lớp bề mặt đạt từ (0,9 ÷ 1,1)% và chiều sâu lớp thấm đảm bảo tính
chống mài mòn phải đạt từ (0,8 ÷ 1,2)mm.

Thời gian thấm:

Thời gian thấm cacbon phụ thuộc chủ yếu vào chiều dày lớp thấm yêu cầu, nhiệt
độ thấm và môi trường thấm.

*Ta lựa chọn phương pháp thấm cacbon thể rắn
Phương pháp thấm: Hỗn hợp than hoa và chất trơ dung (dùng các muối cacbonat).
6

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU
- Than hoa được đập vụn (cỡ hạt từ 0,5 - 1mm) trộn đều với chất trợ dung
(BaCO3) và cùng với chi tiết cần thấm được đóng vào hộp kín, trong đó các chi tiết
cách nhau và cách thành hỗn hợp khoảng 25 – 40mm. Sau đó đưa hộp vào nung đến
nhiệt độ thấm.
- Ở nhiệt độ thấm, thép có tổ chức hoàn toàn là γ và trong điều kiện rất thiếu oxi
nên xảy ra phản ứng hoá học 2C + O2 = 2CO
Khi gặp bề mặt thép và dưới tác dụng xúc tác của nó, khí CO bị phân hoá và tạo
thành cacbon nguyên tử.
2CO = CO2 + Cnguyên tử
Các muối cacbonat ở đây đóng vai trò quan trọng vì nó phân hoá ở nhiệt độ cao
thành khí CO2 và khí này có lợi cho việc tạo thành cacbon nguyên tử theo phản ứng:

+ C nguyên tử
Cacbon nguyên tử được tạo thành ở bề mặt thép có tính hoạt cao, bị hấp thụ và
khuếch tán vào lớp bề mặt đến chiều dày nhất định. Nguyên tử cacbon xen kẽ vào
trong mạng của γ và làm thành phần của pha này tăng lên.
Đặc điểm:
- Đơn giản, dễ thực hiện, rẻ tiền

- Không thể điều chỉnh được nồng độ cacbon thấm vào lớp bề mặt theo yêu cầu,
thường nồng độ cacbon đạt trên 1,2% tức là ứng với giới hạn hoà tan cacbon ở trong
γ.
- Thời gian thấm rất dài do mất nhiều thời gian nung nóng hộp chứa than.
- Khó cơ khí hoá, tự động hoá, điều kiện đóng hộp bụi, bẩn, năng suất thấp.

7

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU
Do những đặc điểm trên, mà thấm cacbon thể rắn không áp dụng cho các chi tiết
quan trọng.
* Bước 2: Tôi
Do thấm cacbon ở nhiệt độ cao (920 - 950)0C nên thép có trạng thái hạt γ lớn do
vậy khi làm nguội thu được tổ chức M thô, suất hiện nhiều vết nứt tế vi và ứng ứng
suất dư lớn chính vì thế buộc phải nhiệt luyện sau thấm cacbon
Chế độ nhiệt luyện:
Tại nhiệt độ thấm, tạo γ hạt lớn nên làm xấu cơ tính. Nhiệt luyện sau khi thấm
không những phải đảm bảo bề mặt cứng mà còn phải khắc phục được khuyết tật đó.
Do vậy phải tiến hành hai lần tôi:
Tôi lần thứ nhất - cho lõi để làm nhỏ hạt
Tôi lần thứ hai - cho bề mặt để đạt độ cứng cao. Như vậy, nhiệt độ của 2 lần tôi phải
khác nhau vì lõi là thép trước cùng tích có nhiệt độ tôi cao hơn bề mặt là thép sau
cùng tích và cùng tích. Nên chế độ nhiệt luyện của loại thép này:
Tôi 2 lần + ram thấp.
Tôi lần 1: Cho phần lõi mà Ttôi = 850 - 8700C với 2 mục đích:
+ Làm nhỏ hạt thép, do nung tới nhiệt độ > Ac3 của lõi có chuyển biến F + P hạt nhỏ
+) Làm mất lưới XeII ở lớp bề mặt do làm nguội nhanh pha này không kịp tiết ra khỏi

γ.
Sau lần tôi này, độ cứng bề mặt không đạt được giá trị cao nhất để đủ chống mài
mòn, do vậy phải tôi tiếp lần nữa.
Tôi lần 2: Cho bề mặt ở nhiệt độ 760 - 7800C để bề mặt là thép sau cùng tích và cùng
tích có độ cứng lớn nhất. Lần tôi này không ảnh hưởng xấu đến kết quả đã đạt được ở
lần tôi trước.
Ram thấp: Nhiệt độ ở 180 - 2800C với mục đích khử bỏ 1 phần ứng suất mà vẫn giữ
được độ cứng cao ở bề mặt.
8

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU
Đặc điểm và phạm vi áp dụng: Thép thu được có cơ tính tốt (hạt nhỏ, độ dẻo của lõi
cao, bề mặt cứng), nhưng do nung nóng làm nguội nhiều lần dễ sinh oxy hoá, thoát
cacbon và biến dạng, chu trình công nghệ dài, tốn kém hơn, do vậy chỉ áp dụng cho
chi tiết quan trọng, có yêu cầu cao về cơ tính và làm bằng thép cacbon.

Chọn nhiệt độ tôi
T0tôi = Ac3 + (30 ÷ 50)0C

9

SVTH: Nguyễn Như Thiện


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN CNXL VẬT LIỆU
Sau khi thấm cacbon, tôi và ram cao, cơ tính của thép đạt:
Độ cứng bề mặt: 59-63 HRC

Độ cứng lõi: 30-42HRC
Độ dai va đập: ak = 700-1200kJ/m2
Độ bền kéo: σb = 600-1200 Mpa
Thép hợp kim sau khi tôi có cơ tính cao hơn thép cacbon.
Nhận xét đánh giá
Sau khi thấm cacbon đạt được yêu cầu thấp: độ cứng bề mặt đạt 60-62 HRC, chống
mài mòn tương đối tốt, lõi HRC 30-40, độ dai cao, độ bền tốt ở trong khoảng 500600MPa
Khi thấm cacbon không thể nâng cao quá 400 độ( trong thép không có các yếu tốt hạt
phát triển) tốc độ thấm kéo dài, nói chung hạt vẫn bị to. Do hạt lớn sau khi thấm
không thể tôi trực tiếp mà phải qua thường hóa rồi mới tôi nên thường bị biến dạng
lớn
-Như vậy thép cacbon với các mác trên chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ hình dạng
đơn giản, tính chống mài mòn yêu cầu bình thường, tóm lại thường là các chi tiết
không quan trọng như một số phụ tùng xe đạp, xe cải tiến( trục côn và bi) chi tiết dù
nhỏ nhưng hình dạng phức tạp cũng không thể làm bằng thép cacbon. Khi dùng thép
này phải chú ý tuân thủ đúng quy trình thấm do tính phức tạp hơn nó.

10

SVTH: Nguyễn Như Thiện