Giáo trình Khoa học vật liệu

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (367.4 KB, 8 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

---  ---

Giáo trình

Khoa h

ọc vật liệu

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Chương 4

nhiệt luyện thép

Trong ba chương vừa qua đ∙ trình bày các dạng cấu trúc tinh thể đơn giản
(kim loại), phức tạp (hợp kim), sự phụ thuộc của cơ tính vào cấu trúc. ở chương
này sẽ nghiên cứu những biến đổi về tổ chức và cơ tính tương ứng của thép khi
nung nóng rồi làm nguội tiếp theo, tức khi nhiệt luyện. Thép là vật liệu rất thông
dụng và là hợp kim nhạy cảm nhất với nhiệt luyện và công nghệ này rất phổ biến
trong sản xuất cơ khí. Những dạng nhiệt luyện được áp dụng cho các hợp kim và
vật liệu khác cũng có thể hiểu được thơng qua nhiệt luyện thép.

4.

1

.

Kh¸i niệm về nhiệt luyện thép

4.

1

.

1

.

Sơ l

ư

ợc về nhiệt luyện

a. Định nghĩa

Nhit luyn l cụng ngh nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác
định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ nhất
định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo
phương hướng đ∙ chọn trước (nói chung khơng thể điều chỉnh vơ cấp tốc độ nguội,

thường là làm nguội trong một số môi trường như sẽ thấy về sau này).

Nhiệt luyện là phương pháp gia cơng (treatment) có những đặc điểm riêng.
Sau đây là các điểm phân biệt nguyên công này với các nguyên công gia công cơ

khÝ kh¸c:

- Khác với đúc, hàn là nó khơng nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn luôn
chỉ ở trạng thái rắn (tức nhiệt độ nung nóng phải thấp hơn đường rắn).

- Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo (rèn, dập) khi nhiệt luyện (trừ cơ - nhiệt
luyện) hình dạng và kích thước sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng
kể.

- Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và
cơ tính, khơng thể kiểm tra bằng vẻ ngồi bằng mắt thường.

b. Các yếu tố đặc tr

ư

ng cho nhiệt luyện

Hình 4.1. Sơ đồ của quá trình nhiệt
luyện đơn giản nhất.

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

- Nhiệt độ nung nóng Tn0: nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến.
- Thời gian giữ nhiệt tgn: thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng.

- Tốc độ nguội Vnguội sau khi giữ nhiệt.

Ba thông số này đặc trưng tương ứng với ba giai đoạn nối tiếp nhau của q
trình nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội.

Đối với kết quả, nhiệt luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:

+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa
bền... Có thể nói đây là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất song để thực hiện khá mất thời
gian, nên thường chỉ kiểm tra trong từng mẻ khi sản xuất đ∙ ổn định.

+ Độ cứng là chỉ tiêu cơ tính dễ xác định và cũng có liên quan đến các chỉ 
tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai. Vì vậy bất cứ chi tiết, dụng cụ nào qua nhiệt
luyện cũng được quy định giá trị độ cứng (tùy trường hợp, phải lớn hơn hay nhỏ
hơn giá trị quy định) và thông thường được kiểm tra theo tỷ lệ (trong một số
trường hợp quan trọng có thể phải kiểm tra cả 100%).

+ Độ cong vênh, biến dạng. Nói chung độ biến dạng khi nhiệt luyện trong 
nhiều trường hợp là nhỏ hoặc không đáng kể, song trong một số trường hợp quan
trọng yêu cầu này rất khắt khe, nếu vượt quá phạm vi cho phép cũng không thể sử
dụng được.

c. Phân loại nhiệt luyện thép

S b cú thể phân loại các phương pháp nhiệt luyện thép với những đặc
điểm chủ yếu như sau:

Nhiệt luyện, thường gặp nhất: chỉ dùng cách thay đổi nhiệt độ (không có
biến đổi thành phần và biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức trên tồn tiết diện. Nó

bao gồm nhiều phương pháp:

• ủ: nung nóng rồi làm nguội chậm để đạt tổ chức cân bằng với độ cứng,
độ bền thấp nhất, độ dẻo cao nhất.

• Thường hóa: nung nóng đến tổ chức hồn tồn austenit, làm nguội bình 
thường trong khơng khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân bằng.

Mục đích của ủ và thường hóa là làm mềm thép để dễ gia cơng cắt và dập

nguéi.

• Tơi: nung nóng làm xuất hiện austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ chức
không cân bằng với độ cứng cao nhất (nhưng cũng đi kèm với độ giòn cao). Nếu
hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt được gọi là tơi bề mặt.

• Ram: ngun cơng bắt buộc sau khi tơi, nung nóng lại thép tôi để điều
chỉnh độ cứng, độ bền theo đúng yêu cầu làm việc.

Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau (không
tiến hành riêng lẻ mà luôn ln kết hợp với nhau), mục đích của tơi + ram là tạo cơ
tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể.

- Hóa - nhiệt luyện: dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần
hóa học ở bề mặt làm vùng này có biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn. Thường
tiến hành bằng cách thấm, khuếch tán một hay nhiều nguyờn t nht nh.

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

ã Thấm đa nguyên tố có: thấm cacbon - nitơ, thấm cacbon - nit¬ - lu 
huúnh...

Cơ - nhiệt luyện: dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến dạng dẻo để biến
đổi tổ chức và cơ tính trên tồn tiết diện mạnh hơn khi nhiệt luyện đơn thuần.
Thường tiến hành ở xưởng cán nóng thép, tức ở các xí nghiệp luyện kim.

4.

1

.2.

Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí

Nhiệt luyện là khâu quan trọng và không thể thiếu được đối với chế tạo cơ
khí vì nó có các tác dụng chủ yếu sau.

a. Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép
Mục tiêu của sản xuất cơ khí là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ
hơn, khỏe hơn với các tính năng tốt hơn. Để đạt được điều đó khơng thể khơng sử
dụng những 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, thấm cacbon - nitơ... độ bền và độ cứng của thép có thể tăng lên từ
ba đến sáu lần, nhờ đó có thể dẫn tới rất nhiều điều có lợi như sau:

- Tuổi bền (thời hạn làm việc) của máy tăng lên do hệ số an toàn cao,
không g∙y vỡ (do nâng cao độ bền). Trong nhiều trường hợp máy hỏng còn là do
bị mòn q mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mịn 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 - kỹ

thuËt lín.

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 tơi + ram hoặc hóa
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
nhit luyn bo m.

b. Cải thiện tính công nghệ

Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khâu, ngun
cơng gia cơng cơ khí: rèn, dập, cắt... Để bảo đảm sản xuất dễ dàng với năng suất
lao động cao, chi phí thấp thép 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 hóa. 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 hóa để làm giảm độ
cứng, tăng độ dẻo. Sau xử lý như vậy thép trở nên rất dễ gia công tiếp theo.

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

hành trên phôi).

Vậy trong sản xuất cơ khí cần phải biết tận dụng các phương pháp nhiệt
luyện thích hợp, không những bảo đảm khả năng làm việc lâu dài cho chi tiết,
dụng cụ bằng thép mà còn làm dễ dàng cho q trình gia cơng.

c. NhiƯt luyện trong nhà máy cơ khí

cỏc nh máy cơ khí với quy mơ 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 khơng thể khác vì sản lượng
thấp. ở các nhà máy cơ khí có quy mơ lớn và rất lớn, các chi tiết máy được gia
cơng hồn chỉnh từ khâu đầu đến khâu cuối trên dây chuyền cơ khí hóa hoặc tự
động hóa trong đó bao gồm cả ngun cơng nhiệt luyện. Do vậy nguyên công
nhiệt luyện ở đây cũng phải được cơ khí hóa thậm chí tự động hóa và phải chống
nóng, độc để khơng có ảnh hưởng xấu đến bản thân người làm nhiệt luyện cũng
như cả dây chuyền sản xuất cơ khí. Cách sắp xếp chun mơn hóa cao như vậy bảo
đảm chất lượng sản phẩm rất tốt và đồng đều, lại không tốn cụng vn chuyn v cú

năng suất cao.

Cũng cần nhấn mạnh, nhiệt luyện là cơng nghệ tiêu phí nhiều năng lượng
để sinh nhiệt do vậy cần tổ chức sản xuất và lựa chọn phương án tiết kiệm được
năng lượng.

4.2.

Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm

nguội thép

Như đ∙ biết bản chất của nhiệt luyện là biến đổi tổ chức, chuyển pha, vậy
trước tiên h∙y xét xem khi nung nóng thép có thành phần cacbon nào đó lên đến
các nhiệt độ khác nhau có những chuyển biến pha nào, khi làm nguội tiếp theo với
tốc độ nguội khác nhau, tổ chức vừa tạo thành sẽ biến đổi để thành tổ chức gì và
do đó sẽ biết được cơ tính thay đổi như thế nào. Đó là sự lý giải cho mọi q trình

nhiƯt lun.

Ta lần lượt xét biến đổi tổ chức cho từng quá trình một. Trước hết lấy cơ sở
là thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C (ngoài Fe, C ra khơng có ngun tố nào
khác), trong đó đi từ loại thép có tổ chức đơn giản nhất - peclit là thép cùng tích
với 0,80%C rồi mở rộng ra cho các loại thép còn lại (trước và sau cùng tích).

4.2.

1

.

Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo

thành austenit

Thao tác đầu tiên của nhiệt luyện là nung nóng. Phụ thuộc vào thành phần
cacbon của thép và nhiệt độ nung nóng, trong thép sẽ có những chuyển biến khác
nhau.

a. Cơ sở xác định chuyn bin khi nung

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

chống mài mòn (HRC 65 ữ 70 hơn hẳn thấm cacbon).
Tỉ chøc cđa líp thÊm

Hình 4.22. Giản đồ pha Fe - N

Độ cứng cao của lớp thấm nitơ là bản chất tự nhiên của nó, khơng phải qua
nhiệt luyện tiếp theo như khi thấm cacbon. Người ta thường thấm nitơ trong dịng
khí NH3 (amơniac) có nhiệt độ trong khoảng 480 ữ 650

C, lúc đó nó bị phân hóa
mạnh nhất theo phản ứng

2 NH3 → 3H2 + 2Nng.tö

nitơ nguyên tử mới tạo thành có tính hoạt cao bị hấp thụ rồi khuếch tán vào thép.
Cơ sở để xác định tổ chức lớp thấm nitơ vào thép là giản đồ pha Fe - N (hình 4.22).
Lớp thấm giàu nitơ, nếu tính từ ngồi vào sẽ có các pha sau:

- dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽ Fe2N,

- dung dịch rắn mà bản chất (nền) là pha xen kẽ Fe4N,

α - ferit nitơ (hay dung dịch rắn của nitơ trong Feα).
Như vậy lớp thấm gồm bởi các nitrit - pha xen kẽ với độ cứng rất cao, rất
phân tán, nhờ vậy lớp thấm có độ cứng và tính chống mài mịn rất cao.

Đặc điểm của thấm nitơ

- Do phi tin hành ở nhiệt độ thấp sự khuếch tán khó khăn nên thời gian
dài mà lớp thấm vẫn mỏng. Ví dụ: thấm ở 520oC trong 24h đạt 0,25 ữ 0,30mm,
trong 48h đạt 0,40mm.

- Sau khi thÊm kh«ng tiÕn hành tôi và mài.

- Thộp dựng thấm thường là thép hợp kim chuyên dùng. Nếu dùng thép
cacbon lớp thấm có nitrit sắt, pha này tuy cứng nhưng giịn nên thường dùng thép
hợp kim hóa bằng crơm, mơlipđen và nhơm vì các nitrit của chúng cứng hơn và ít
giịn hơn. Trước khi thấm nitơ thép được đem tơi + ram trước để định hình cơ tính
cho lõi, trong đó nhiệt độ ram phải cao hơn nhiệt độ thấm nitơ để quá trình thấm
tiếp theo không giảm độ bền lõi. Tỉ mỉ về thép này được trình bày ở mục 5.3.3g.

- Lớp thấm cứng hơn và độ cứng rất cao này giữ được ở ngay cả khi làm
việc ở trên 500oC vì theo giản đồ pha Fe - N tổ chức lớp thấm không thay đổi ở các
nhiệt độ thấp hơn 591oC, trong khi đó độ cứng cao của lớp thấm cacbon bị giảm
mạnh khi nhiệt độ vượt quá 200oC do mactenxit bị phân hóa khi ram.

C«ng dơng

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

kh«ng lín (do líp thÊm mỏng) như một số trục, bánh răng, sơmi trong máy bay,

dụng cụ cắt, dụng cụ đo.

d. Thm cacbon - nitơ

Định nghĩa và mục đích

Thấm cacbon - nitơ là phương pháp hóa - nhiệt luyện làm b∙o hòa (thấm,
khuếch tán) đồng thời cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tính
chống mài mịn (về mặt này nó nằm trung gian giữa thấm cacbon và thấm nitơ).
Như vậy nó cũng nhằm mục đích như hai phương pháp hóa - nhiệt luyện trên song
tốt hơn thấm cacbon. Đặc điểm của thấm cacbon - nitơ là tùy thuộc vào tỷ lệ giữa 
cacbon và nitơ trong lớp thấm mà q trình có thể gần với một trong hai dạng

thấm trên hơn.

- Nếu quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao, trên dưới 850oC, sự khuếch tán của
cacbon mạnh, lớp thấm chủ yếu là cacbon (ít nitơ), do đó có tính chất gần với thấm
cacbon hơn song tốt hơn thấm cacbon.

- Nếu quá trình xảy ra ở nhiệt độ thấp, trên dưới 560oC, sự khuếch tán của
cacbon yếu, lớp thấm chủ yếu là nitơ, do đó tính chất gần với thấm nitơ hơn song
kém hơn thấm nitơ đôi chút.

Thấm cabon - nitơ ở nhiệt độ cao

Dạng thấm này ưu việt hơn và có xu hướng thay thế cho thấm cacbon.
Khi thấm ở thể khí, người ta dùng cơng nghệ thấm cacbon ở thể khí chỉ với
các thay đổi nhỏ là: hỗn hợp thấm có thêm 5 ữ 10%NH3, thấm ở nhiệt độ 840 ữ

860o

C, do vậy rất thuận lợi cho đổi mới công nghệ với các ưu việt (so với thấm
cacbon):

- Trong líp thÊm cã pha cacbon - nitrit Fe3(C,N) rÊt cøng (cøng h¬n cacbit,

xêmentit) và phân tán nên làm tăng rất mạnh tính chống mài mịn. Tuy độ cứng
khơng khác thấm cacbon (HRC 60 ữ 65) nhưng thời hạn làm việc (tuổi bền) kéo

dài thêm 50 đến 100%.

- Do chèng mµi mòn tăng lên mạnh, lớp thấm có thể mỏng hơn lớp thấm
cacbon khoảng 20 ữ 30%. Ví dụ bánh răng khi thấm cacbon sâu 0,90 ữ 1,20mm,
khi thấm cacbon - nitơ chỉ cần 0,50 ữ 0,80mm. Nhờ vậy thời gian thấm sẽ ngắn lại.

- Do nhit v thời gian thấm đều giảm nên độ biến dạng chi tiết là
khơng đáng kể, ngồi ra cịn tăng được tuổi thọ của lò.

Khi thấm ở thể lỏng, người ta dùng chủ yếu các muối trong đó có gốc CN
(gọi là muối xyanua) hay CNO ở dạng nóng chảy, ở nhiệt độ cao (820 ữ 860oC)
chúng ôxy hóa, phân hủy để tạo ra cacbon và nitơ nguyên tử bị hấp thụ và khuếch
tán vào bề mặt thép tạo nên lớp thấm. Nhược điểm quan trọng nhất của cách thấm
này là phải dùng các muối độc nên bị hạn chế sử dụng. Sau khi thấm cacbon - nitơ
ở nhiệt độ cao, thép phải qua tôi + ram thấp như thấm cacbon nhưng với quy trình

đơn giản hơn nhiều.

Thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

Trong mấy chục năm qua người ta đ∙ tìm được phương pháp thấm cacbon -
nitơ với dùng các muối không độc và đ∙ làm cho cách thấm này có bước phát triển

mới quan trọng. Đó là phương pháp Tenifer (từ các từ tenax - làm bền, nitrur -
thấm nitơ, ferrum - sắt).Người ta áp dụng dạng nhiệt luyện này cho các chi tiết
ôtô (trục khuỷu, bánh răng), khuôn dập, khuôn ép chảy.

Cuối cùng cần nhấn mạnh là các phương pháp hóa bền bề mặt kể trên
ngoài hiệu quả thấy rõ là nâng cao tính chống mài mịn thơng qua biểu hiện về độ
cứng, còn tạo nên được lớp ứng suất nén dư trên bề mặt với giá trị bằng khoảng vài
trăm MPa, do đó nâng cao độ bền mỏi.

</div>