Nhiệt luyện kim loại

NHIỆT LUYỆN VẬT LIỆU
KIM LOẠI
KSC. Phan Anh Tú

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


NỘI DUNG
I. Cơ sở về công nghệ nhiệt luyện
II. Công nghệ nhiệt luyện bề mặt

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Cơ sở về công nghệ nhiệt luyện

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


1. Nhiệt luyện
• Làm tăng độ cứng, độ bền
và tính chống mài mòn
• Cải thiện tính công nghệ

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Định nghĩa
Là quá trình bao gồm
• nung nóng
• giữ nhiệt
• làm nguội

chi tiết nhiệt luyện (bằng vật liệu kl) một cách thích hợp

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Phân loại Nhiệt luyện
• Theo trình tự trong QTCN chế tạo:
- Nhiệt luyện sơ bộ: chuẩn bị phôi với cơ
tính phù hợp cho các nguyên công tiếp
theo trong quy trình.
- Nhiệt luyện kết thúc: hoàn thiện sản
phẩm với cơ tính đáp ứng yêu cầu làm việc
của chi tiết.

• Theo công nghệ xử lý:
- Nhiệt luyện thể tích
- Nhiệt luyện bề mặt
- Hóa nhiệt luyện
- Cơ nhiệt luyện
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Ủ

Thường hóa
Tôi
Ram


Phân loại Nhiệt luyện
Nhiệt luyện thép có thể chia làm các loại:
Nhiệt luyện thuần túy
- Ủ: Ủ khuyếch tán, ủ thô hạt, ủ khử ứng suất, ủ tái kết tinh, ủ mềm
(cầu hóa), thường hóa.
- Xử lý biến cứng: biến cứng mactenxit (tôi thấu suốt mặt cắt hay tôi
bề mặt)
- Xử lý tiết pha: Ram
Hóa nhiệt luyện
- Hóa nhiệt luyện với khuếch tán các nguyên tố phi kim: thấm cacbon,
C-N, thấm ni tơ, thấm bo
- Hóa nhiệt luyện với khuếch tán các nguyên tố kim loại: khuếch tán
nhôm, khuếch tán crôm
Công nghiệp cần các loại NL như trên để tối ưu hóa các tính chất cơ
học của thép (Hợp kim Al-, Ti) trong làm việc và tăng cường khả năng
gia công cơ khí và khả năng xử lý (treatability) của cấu kiện.
Vật liệu

Nhiệt luyện

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Tổ chức tế vi

Tính chất


Nhiệt luyện-ủ

Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng thép
hoặc chi tiết đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt một thời
gian và làm nguội chậm (với tốc độ nguội <200oC/h)
• Làm giảm độ cứng của thép để phù hợp gia công cắt
gọt
• Làm tăng độ dẻo phù hợp gia công áp lực
• Làm nhỏ hạt thép
• Làm đồng đều về nồng độ
• Khử ứng suất dư do gia công áp lực
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


General
Heat Treatment

Nhiệt luyện-ủ

Nhiệt độ ủ

Ủ không hoàn toàn

Ủ hoàn toàn

Thép có ≥0,7%C

Thép trước cùng tích
Temperature (OC)

Temperature (OC)

Heating
Temp.

Holding
Time

Heating
Temp.

Holding
Time
Air cooling

Air cooling

Time

Time

Ủ trung gian
Temperature (OC)

Heating
Temp.

Holding
Time

Time

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Air cooling


General
Heat Treatment

Nhiệt luyện-ủ

Ủ đồng đều hóa

Ủ cầu hóa

Time

Furnace
cooling

Holding time

Temperature (OC)

Temperature (OC)

Temperature (OC)

Furnace cooling
(air cooling)

(1hr/inch)

Time

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Furnace
cooling


Nhiệt luyện-ủ

slow heating
holding times
Slow cooling

Diffusion annealing
Coarse grain annealing
Normalizing
soft annealing
recristallisation annealing

Temperature

Temperature

Diffusion controlled
processes

Stress relief treatments

C-Content
Giản đồ pha Fe-C và các khả năng nhiệt luyện-ủ

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Time


Tái kết tinh

Biến dạng

Biến dạng và tái kết tinh
Nhiệt độ tái kết tinh min.≒ 0.4 *Nhiệt độ nóng chảy

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Ủ đẳng nhiệt

①

Ủ nguội liên tuc (Continuous Cooling Annealing) và ủ đẳng nhiệt
(Isothermal Annealing) đối với thép SCM435
① : Continuous Cooling Annealing
② : Isothermal Annealing
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Khả năng gia công và nhiệt luyện

Thời gian khoan/chiều sâu lỗ(s)

Tool : SKH51(JIS) Drill
Condition : input 2848N, RPM 2250/min

Khả năng gia công của thép cacbon
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Khả năng gia công (KHGC)
Thành phần HH
carbon
< 0.3% C : tôt hơn khi hàm lượng C tăng
> 0.3% C tôt hơn khi hàm lượng C thấp

Mn

< 1% Mn : tôt hơn khi hàm lượng Mn cao
> 1% Mn : tôt hơn khi hàm lượng Mn thấp

P, S, Pb

Si
Giảm KHGC

Tốt

MnS, FeS, MnO, FeO
Tốt

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Al2O3, SiO2
Kém

KNGC
KNGC = 265 – 600  %C – 1300  %Si
– 100  %Mn + 100  %S + 100  %Pb


Khả năng gia công (KHGC)
Tổ chức tế vi

< 0.5% C : Tổ chức Peclit phiến+ Ferit có KNGC tốt.
> 0.5% C : Tổ chức Ferit + Cacbit cầu có KNGC tốt.

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thường hóa

• Là phương pháp nhiệt luyện gồm có nung nóng chi
tiết hoặc thép tới trạng thái hoàn toàn Auxtenit, giữ
nhiệt và làm nguội trong không khí tĩnh
• Thép có <0.35%C: không ủ, chỉ thường hóa
• Thép có ≥0.35%C: chọn thường hóa thay cho ủ
giảm chi phí và thời gian (chất lượng không bằng ủ)
tạo điều kiện để gia công cắt gọt
làm ổn định cấu trúc vi mô
các tính chất để chuẩn bị cho quá trình thấm C
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Thường hóa

Thường hóa thép trước cùng tích

Temperature (OC)

Holding time
Air
cooling

Time

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


General
Heat Treatment

Tôi
Martensite structure

Tôi thép

Martensite
structure for
SK5(0.8%C)
Holding time
(0.5H/inch)
Time

Temperature (OC)

Temperature (OC)

Rapid
cooling

Holding time
(0.5H/inch)

Rapid
cooling

Cooling rate and microstructure
Fast
martensite

Time

Cooling rate

troostite

pearlite
Slow
Microstructure

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


General
Heat Treatment

Austenit dư và gia công nhiệt độ âm

Sub-Zero Treatment

Fe-C phase diadram and Ms, Mf points

Temperature (OC)

Temperature (OC)

Holding time
(1H/inch)

Time

Ms(℃) = 550-(350C+40Mn+17Ni+20Cr
+10Mo +5w+35V+10Cu)+15Co+30Al

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Air
cooling


Ram

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

21


Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

General

Heat Treatment

Hạt lớn không đều

Thô hạt quá mức do nhiệt độ tái kết tinh
và thời gian giữ nhiệt không đúng.

Khuyết tật bề mặt và nứt
Cấu trúc sau tái kết tinh ở nhiệt độ cao
(thép S10C cho gia công tạo hình nguội)

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

General
Heat Treatment

Peclit bị hòa tan

Khả năng tạo hình nguội bị giảm do peclit bị hòa tan vì tốc độ nguội khi thường hóa quá

chậm: thép cacbon thấp (< 0.3%C )
Nguyên nhân: sự tạo thành ferit (tổ chức cùng tích) và cacbit tiết pha ở biên hạt.

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

General
Heat Treatment

Biến dạng do NL quá mức
Biến dạng (cong vênh) do NL quá mức xuất
hiện sau khi thấm cacbon ở 780OC đối với chi

tiết được thường hóa sau rèn nóng
Nguyên nhân
- Cấu trúc thô bị tạo thành do nhiệt độ cao và
tốc độ nguội chậm khi thường hóa chi tiết
(sau rèn nóng).

Cấu trúc thô của thép 16MnCr5 (thấm
cacbon, 0.16% C)

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

- Chuyển biến pha thích hợp ko xảy ra ở
vùng bên trong khi thấm C-N
(nitrocarburizing). Điều này sinh ra ứng suất
(làm nguội nhanh sau khi thấm C-N )


Các quá trình Ủ/Thường/Tôi-Ram

General
Heat Treatment

Tổ chức có băng dài
Độ cứng không đồng đều (Hướng gia công
song song với tổ chức băng dài, tốc độ gia
công chậm)

Nguyên nhân: TPHH không đồng đều và
tốc độ nguội chậm khi thường hóa
=> Ủ khuyếch tán và tốc độ nguội đầy đủ

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)