Hóa học - Chương 5: Các chuyển pha khi nung nóng và làm nguội

3/6/2017 1 5.1. Sơ lược về nhiệt động học và động học của chuyển pha rắn trong vật liệu • Cũng tuân theo qui luật chung của chuyển pha (như lỏng-rắn) • Sự thay đổi năng lượng tự do khi tạo mầm: G= -Gv+Gs+Gđh Gđh – năng lượng đàn hồi do thể tích riêng của mầm và nền khác nhau, trong chuyển pha R-R quan trong (Pha mẹ – ban đầu và pha con- mới tạo thành)hình dạng sản phẩm. • Hệ số khuếch tán ở pha rắn nhỏ hơn nhiều so với pha lỏng nên quá trình tạo mầm và phát triển mầm xảy ra khó khăn hơn • Các khuyết tâṭ (nút trống, lệch, tạp chất, đường trượt, biên giới hạt) có vai trò quan trọng trong việc tạo mầm ký sinh •Chương 5. Các chuyển pha khi nung nóng và làm nguội Chuyển biến ở trạng thái rắn gồm các nhóm sau: • Không thay đổi thành phần hóa học, chỉ biến đổi về cấu trúc tinh thể: chuyển biến thù hình, chuyển biến M(nhờ sự dịch chuyển ngtử với khoảng cách nhỏ hơn hằng số mạng hay tập hợp nguyên tử với khoảng cách cỡ hằng số mạng. • Không thay đổi cấu trúc, chỉ thay đổi thành phần hóa học: sự tách lớp dd rắn quá bão hòa =1+2 (HK Al-Zn dd rắn có %Zn thay đổi) • Thay đổi cả cấu trúc lẫn thành phần hóa học: quá trình tiết pha (phân hủy dung dịch rắn quá bh) • Chuyển trạng thái trật tự – không trật tự. 5.2. Chuyển biến khi nung nóng hợp kim Fe-C - sự austenit hóa 1. Cơ sở: dựa trên giản đồ pha Fe-Fe3C Nung trên A3 Thép tct (P+F) Austennit Nung trên Am Thép sct P+XeII Austennit Nhận xét: - Mọi loại thép sau khi nung lên trên đường GSE (GDP Fe-Fe3C)  một pha duy nhất Austennit - Các mác thép khác nhau sẽ nhận được các tổ chức As khác nhau với %C như trong mác thép ban đầu Nung đến T= A1Thép ct (P): [Fe+Fe3C]0,8%C  Fe(C)0,8%C Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo) 2. Đặc điểm của chuyển biến P  Austenit Vấn đề quan tâm: nhiệt độ và kích thước hạt Austenit * Nhiệt độ chuyển biến : phụ thuộc vào tốc độ nung Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt khi nung  Vn nung càng nhanh thì nhiệt độ chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn Thời gian (phút) N h iệ t đ ộ (0 C ) 720 Bắt đầu chuyển biến P   Kết thúc chuyển biến P   V2 V1 thực tế: phải quá nhiệt độ tới hạn từ 20- 300C Cao hơn : đến hàng trăm độ V2>V1 T2>T1 2<1 3/6/2017 2 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo) * Kích thước hạt Austenit: Đặc điểm cơ chế của chuyển biến P  Austenit - Tạo mầm (mầm được tạo trên biên giới pha giữa F và Xe) - Phát triển mầm ( giống quá trình kết tinh) Kích thước hạt A phụ thuộc: - Điều kiện nung nóng T cao hơn (hoặc giữ nhiệt)  hạt lớn lên - Thép bản chất di truyền hạt lớn và nhỏ A Hạt P ban đầu A mới hình thành 6 Thép di truyền hạt lớn: Hạt As phát triến nhanh và đều đặn theo T Sau NLGiòn Thép di truyền hạt nhỏ: Hạt As phát triển chậm theo TKhi T> 930-9500CHạt As phát triến nhanh Thường nung nóng: ≤ 9000C, giữ nhiệt theo qui địnhhạt nhỏ Thép DT hạt nhỏ : trong tổ chức có yếu tố ngăn cản sự phát triển của hạt 5.3. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt - Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn tiết diện - Đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung nóng - Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn bộ Austenit Chú ý: - Thời gian giữ nhiệt không nên quá dài do tạo nên sự phát triển hạt Austenit 5.4. Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit 1. Giản đồ TTT của thép cùng tích –Sự phân hóa As khi nguội đẳng nhiệt Peclit Xoocbit Trôtit Bainit C h iề u t ă n g đ ộ c ứ n g v à m ứ c đ ộ n h ỏ m ịn c ủ a X e Thời gian Austenit quá nguội Nhiệt độ cùng tích Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 220 0C) Mf (~ -50 0C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N h iệ t đ ộ (0 C ) N h iệ t đ ộ (0 F ) 3/6/2017 3 P (7000C): 10-15HRC (180-200HB) Xe tấm thô X (6500C): 25-35HRC; Xe nhỏ mịn hơn T (500-6000C): 40-45HRC; Xe nhỏ mịn hơn nữa B ( 250-4500C): 50-55HRC F 0,1%C Xe có công thức chưa hẳn Fe3C Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo) N h iệ t đ ộ (0 C ) Thời gian 2. Sự phân hoá As khi làm nguội liên tục Austenit quá nguội Nhiệt độ cùng tích Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 2200C) Mf (~ -500C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N h iệ t đ ộ (0 F ) V1 V2 V3V4 Vth Các véctơ vận tốc nguội V1<V2<V3<Vth<V4 V1  Peclit V2  Xoocbit V3  Trustit + Mactenxit V4  Mactenxit Vth  Mactenxit Xác định thành phần tổ chức cuối cùng của các trường hợp sau: Austenit quá nguội Nhiệt độ cùng tích Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 220 0C) Mf (~ -50 0C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N h iệ t đ ộ (0 C ) N h iệ t đ ộ (0 F ) Thời gian Tổ chức của a là: Tổ chức của b là: (a)(b) Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo) Đặc điểm của sự phân hoá As khi làm nguội liên tục * Tổ chức nhận được hoàn toàn phụ thuộc vào véctơ biểu thị tốc độ nguội trên giản đồ TTT * Với chi tiết có tiết diện lớn, tổ chức sẽ không đồng nhất do ảnh hưởng của tốc độ nguội khác nhau * Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn Bainit bằng cách làm nguội đẳng nhiệt Chú ý: Các điều kiện trên chỉ đúng với thép Cacbon 3/6/2017 4 3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Au quá nguội (thép khác cùng tích) N h iệ t đ ộ (0 C ) Vùng  ổn định (A3, Acm) A1 Vùng chuyển biến  Vùng chuyển biến  Thời gian Đặc điểm: - Xuất hiện thêm nhánh phụ, chữ C có xu hướng dịch sang trái  tính ổn định của As quá nguội giảm - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội đủ lớn (hay làm nguội liên tục đủ nhanh) véc tơ nguội không gặp nhánh phụ : As F+Xe ở dạng xoocbit, trôxtit và bainit có %C≠0,8cùng tích giả - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ (hay nguội chậm liên tục)  sẽ tiết ra ra F (Xe) khi gặp nhánh phụ 5.5. Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Chuyển biến As Mactenxit - Tôi Austenit quá nguội Nhiệt độ cùng tích Mactenxit (M) + Austenit () dư Ms (~ 220 0C) Mf (~ -50 0C) Peclit Xoocbit Trôxtit BainitN h iệ t đ ộ (0 C ) N h iệ t đ ộ (0 F ) Thời gian V1 Vth Vth: vận tốc nguội tới hạn Khi vận tốc nguội: V1 > Vth  chuyển biến thù hình As Mactenxit 1. Bản chất của Mactenxit - Là dung dịch rắn quá bão hoà của C trong Fe - Nồng độ C như trong Austenit - Kiểu mạng chính phương tâm khối c/a~ 1,001-1,06 3/6/2017 5 - Cacbon sẽ nằm trong các lỗ hổng 8 mặt - Mactenxit là có độ cứng cao do mức độ gây xô lệch mạng lớn 2. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit • Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục A với tốc độ V > Vth • Chuyển biến không khuyếch tán • Quá trình chuyển biến xảy ra liên tục, tốc độ phát triển nhanh • Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ bắt đầu (Ms) và kết thúc (Mf) • Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn • Ms, Mf phụ thuộc vào: - As càng nhiều C và NTHK ( trừ Si,Co, Al)Ms, Mf càng thấp • Lượng As dư phụ thuộc vào Mf càng âm  As càng nhiềusau tôi không đạt được độ cứng max - Nguyên nhân khác: VM >VAs khi chuyển biến V tăng phần As chưa chuyển biến chịu sức ép ngày càng tăng đến mức không chuyển biến được 19 3. Cơ tính của Mactenxit • Độ cứng: phụ thuộc vào hàm lượng C • Tính giòn: tỷ lệ thuận với độ cứng Lý do giòn: - do xô lệch mạng không có khả năng BD dẻo - Tồn tại ứng suất bên trong lớn ( ưs nhiệt+tổ chức) Phụ thuộc: - Kim M càng nhỏ mịngiòn càng thấp (khi nung As nhỏ mịn)- ưs bên trong càng nhỏ càng ít giòn  thép hạt nhỏ, đúng nhiệt độ tôi, phương pháp tôi thích hợp Độ cứng của thép tôi là độ cứng của Mactenxit ??? 5.6. Chuyển biến của Austenit thành Bainit - Bainit là hỗn hợp của dung dịch rắn  qbh C (0,1%C) và Xe (công thức chưa hẳn là Fe3C) - Tạo thành khi nguội đằng nhiẹt ở vùng dưới lưng đường chữ C - Có 2 loại Bainit: + B trên: Tạo thành khi giữ ở nhiệt độ cao (vùng sát lưng đường cong chữ C- B trên có cấu trúc dạng lông chim: Cacbit phân bố giữa các tấm Ferit và bên trong tấm. + B dưới: tạo thành khi giữ đẳng nhiệt ở T gần nhiệt độ chuyển biến mactenxit - B dưới: có dạng hình kim giống M ram. Cacbit chủ yếu tiết ra bên trong tấm Ferit - Chuyển biến có vị trí trung gian giữa chuyển biến khuếch tán As P và không khuếch tán As M nên mang đặc điểm của cả 2 chuyển biến 3/6/2017 6 5.7. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi - Ram thép 1. Sự không ổn định của Mactenxit và Austenit: Là các pha không ổn định M  dd rắn  quá bh  không tồn tại ở T thường  chuyển biến Mactenxit: Fe(C)  Fe3C + Fe Austenit: Fe(C)  Fe3C + Fe 2.Các chuyển biến khi ram (thép ct- 0,8%C) • Giai đoạn I (<2000C): - T < 800C: chưa xảy ra chuyển biến - 800C < t < 2000C: ☻M tôi bắt đầu chuyển biến M= Fe(C)0,8  Feα(C)0,25-0,4 + cácbit ε (Fe2,0-2,4C) M tôi M ram ☻γ chưa chuyển biến cácbit ε có dạng tấm mịn Cuối GĐ1: Mram+ dư Độ cứng Mram < Mtôi 1-2 HRC • Giai đoạn II (200-2600C): ☻ Cacbon tiếp tục tiết ra từ M Fe(C)0,25-0.4  Feα(C)0,15-0,2 + cácbit ε Fe(C)0,8  [Fe(C)0,15-0,2 + Fe2,0-2,4(C) ] As dư M ram  Tổ chức cuối giai đoạn II : M ram độ cứng nhỏ hơn so với M tôi ☻ As dư chuyển biến  M ram Nếu thép (HK cao) sau tôi có nhiều As dư độ cứng chung tăng lênhiện tượng độ cứng thứ 2 3/6/2017 7 M tôi M ram • Giai đoạn III ( 260-4000C):  hỗn hợp Feα và Xe nhỏ mịn phân tán  Trôxtit Tổ chức hai pha Cacbit  và M ram đồng thời chuyển biến: Fe(C)0,15-0,2  Fe + Fe3C (dạng hạt) Fe2,0-2,4(C)  Fe3C (dạng hạt) Đặc điểm của Trôxtit: - Độ cứng giảm đi so với M ram (~45HRC) - Tăng mạnh tính đàn hồi σđh=max - Không còn ứng suất bên trong vật liệu • Giai đoạn IV (>4000C): - Không có chuyển biến mới, có sự sát nhập hạt Xe lớn lên - 500-6000C nhận được tổ chứ Xoocbit ram có σch và ak cao nhất  tuỳ thuộc vào từng giai đoạn mà có thể nhận được các tổ chức có cơ tính khác nhau  tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc, yêu cầu cơ tính  chọn nhiệt độ ram thích hợp Nhiệt luyện là gì?  là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích hợp Mục đích:  làm biến đổi tổ chức  biến đổi cơ tính của vật liệu theo hướng mong muốn của con người Đặc điểm của nhiệt luyện: - Không làm thay đổi hình hoặc thay đổi không đáng kể dạng kích thước chi tiết - Chi tiết vẫn ở trạng thái rắn - Chi tiết sau nhiệt luyện phải được đánh giá qua tổ chức tế vi và cơ tính 5.8. Các công nghệ xử lý nhiệt cơ bản của vật liệu kim loại 3/6/2017 8 Các yếu tố đặc trưng của quá trình xử lý nhiệt Thời gian () N h iệ t đ ộ ( to C )  nhiệt độ cao nhất mà quá trình cần đạt đến ton Nhiệt độ nung nóng (t0n) gn Thời gian giữ nhiệt (gn)  thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng Vng Tốc độ nguội (Vng)  tốc độ làm nguội chi tiết sau khi giữ nhiệt Các chỉ tiêu đánh giá kết quả nhiệt luyện 1. Tổ chức tế vi - cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền.. Ảnh tổ chức của thép với sự phân tán xêmentit trên nền ferit Xê F 2. Độ cứng  biết giá trị độ cứng  ước lượng các chỉ tiêu cơ tính khác: độ dẻo, độ dai, độ bền 3. Độ cong vênh, biến dạng chi tiết 5.8.1. Ủ thép 1. Ủ là gì ? Nung nóng + giữ nhiệt + nguội chậm cùng lò  nhận tổ chức cân bằng ( giống GĐP) độ cứng thấp + độ dẻo cao Vì sao cần ủ? - Làm giảm độ cứng để dễ dàng gia công cơ khí(cắt, bào, tiện..) - Làm tăng thêm độ dẻo  dễ gia công biến dạng (dập, cán, kéo.) - Khử bỏ ứng suất bên trong sinh ra trong quá trình GC - Làm đồng đều thành phần hóa học trong toàn bộ chi tiết (ủ khuếch tán) - Làm nhỏ hạt 2. Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha T<7270C, không có chuyển biến P As a. Ủ thấp (200-6000C): làm giảm hoặc khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ) 200-4000C Khử một phần ưs 400-6000C Khử hoàn toàn ứs Đặc điểm: độ cứng không giảm b. Ủ kết tinh lại (600-7000C cho thép C):  Phục hồi tính dẻo cho chi tiết qua BD • Đặc điểm: độ bền cứng giảm, độ dẻo tăng 3/6/2017 9 3. Các phương pháp ủ chuyển biến pha a. Ủ hoàn toàn (thép tct): nhận được tổ chức [Feα + P (tấm)] Tủ = Ac3 + (20-300C) •Mục đích: - làm nhỏ hạt - giảm độ cứng, tăng độ dẻo b. Ủ không hoàn toàn (thép %C > 0,7): nhận được tổ chức [XeII + P hạt] Tủ = Ac1 + (20-300C) Mục đích: - làm giảm độ cứng để dễ gia công cắt gọt Biến đổi tổ chức khi ủ hoàn toàn thép 0,5% C Ac1 Ac3 c. Ủ cầu hóa: mục đích tạo thành P hạt 5' 5' 5' 750-7600C 650-6600C T0C Thời gian d. Ủ đẳng nhiệt: áp dụng cho thép hợp kim cao •Mục đích: nhận được P  độ cứng thấp (T ~ A1- 500C) e. Ủ khuyếch tán: áp dụng cho thép HK cao bị thiên tích khi đúcT0 ủ rất cao 11000-11500C, 10-15 h  sau ủ hạt lớn  ủ hay cán làm nhỏ hạt 5.8.2. Thường hóa thép 1. Thường hóa là gì? Nung nóng (đạt As) + giữ nhiệt + nguội trong không khí tĩnh  nhận tổ chức gần ổn định ( P hay X) độ cứng thấp (cao hơn ủ) 2. Cách lựa chọn nhiệt độ - Thép trước cùng tích: Tth = Ac3 + (30-50 0C) - Thép sau cùng tích: Tth = Acm + (30-50 0C) 3. Mục đích - Đạt độ cứng thích hợp cho gia công cắt ( %C ≤ 0.25) - Làm nhỏ hạt Xe trước khi nhiệt luyện kết thúc - Làm mất lưới XeII trong thép sau cùng tích 3/6/2017 10 5.8.3. Tôi thép 1. Đ/n: Nung nóng + giữ nhiệt + nguội nhanh  nhận tổ chức M không ổn định với độ cứng cao 2. Mục đích Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho chi tiết (%C>0.3≥50HRC ) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết 3. Cách chọn nhiệt độ tôi Thép tct và ct: Ttôi = Ac3 + (30-50 0C) Thép sct: Ttôi = Ac1 + (30-50 0C) - Thép hợp kim: %HK thấp  dựa theo thép C %HK cao  tra sổ tay NL Thép TCTtôi hoàn toàn? Tổ chức nhận được ? Thép SCTtôi không hoàn toàn? Tổ chức nhận được ? Tại sao ? 4. Tốc độ tôi tới hạn - Là tốc độ nguội nhỏ nhất gây nên chuyển biến As M - Các yếu tố ảnh hưởng • Thành phần nguyên tố hợp kim trong As • Sự đồng nhất của As • Các phần tử rắn chưa hoà tan vào As • Kích thước hạt As trước khi làm nguội 5. Độ thấm tôi  là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức M Các yếu tố ảnh hưởng: - tốc độ nguội tới hạn - tốc độ nguội chi tiết Vng < Vthct không được tôi Vlõi > Vthtôi thấu * Tốc độ nguội nhanh độ thấm tôi tăng đường phân bố tốc độ nguội nông hơn 3/6/2017 11 6. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Mactenxit (M) + As dư Ms (~ 2200C) Mf (~ -500C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N hi ệt đ ộ Thời gian A1 As quá nguội a. Yêu cầu với môi trường tôi: - Chi tiết sau tôi phải đạt tổ chức M - Chi tiết không bị cong vênh, nứt b. Đường cong nguội lý tưởng: - Giai đoạn làm nguội nhanh qua vùng 500-6000C (As kém ổn định nhất) - Giai đoạn làm nguội chậm trong vùng chuyển biến M 200-3000C:  để tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết c. Các môi trường tôi thông dụng: ☻ Nước: - Rẻ, an toàn, dễ kiếm - Làm nguội nhanh ở cả 2 khoảng nhiệt độ -Cứng cao, biến dạng lớn - Nước nóng (>400C) làm giảm mạnh tốc độ nguộinước luôn nguội - Là môi trường tôi của thép C- Không dùng cho chi tiết có hình dạng phức tạp Thay đổi thành phần DD để tăng khả năng tôi: Dung dịch 10% NaCl+Na2CO3+NaOH Làm nguội nhanh ở vùng nhiệt độ cao, nguội chậm hơn ở vùng nhiệt độ thấp Tôi trong môi trường nước 3/6/2017 12 Tôi trong môi trường Polymer ☻Dầu: -Làm nguội chậm ở cả 2 khoảng nhiệt độ trên - Dầu nóng và nguội khả năng tôi giống nhaudùng dầu nóng (60-800C) để tăng tính linh động Chú ý: Dầu thông thường Tcháy=150 0Cphải làm nguội - Là môi trường tôi của thép HK và chi tiết có hình dạng phức tạp Hiện nay dầu có thể tôi đến nhiệt độ cao (200-3000C) ☻Các môi trường tôi khác -Môi trường tôi muối nóng chảy: Áp dụng cho thép HK tôi đẳng nhiệt -Môi trường tôi Polyme -Môi trường tôi của lò chân không : Nitơ lỏng ☻ Tôi trong một môi trường ( véc tơ màu đỏ ) Vng>Vth Mactenxit (M) + As dư Ms (~ 2200C) Mf (~ -500C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N hi ệt đ ộ Thời gian A1 As quá nguội A1 M)+ As dư Ms (~ 2200C) Mf (~ -500C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N h iệ t đ ộ ( 0 C ) Thời gian As quá nguội ☻Tôi trong 2 môi trường - Giai đoạn đầu: nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh hơn (nước, dung dịch muối) - Giai đoạn sau: làm nguội trong môi trường yếu hơn (dầu)  giảm được mức độ BD chi tiết nhược điểm: khó xác định thời điểm chuyển môi trường ???? 3/6/2017 13 Ms (~ 2200C) Mf (~ -500C) Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit N h iệ t đ ộ ( 0 C ) (a) (b) Thời gian A1 As quá nguội M+As dư ☻Tôi phân cấp (a) - Áp dụng chủ yếu cho thép HK cao - Nhúng vào mt T>Mđ 50-1000Cgiữ nhiệt  nguội trong không khí ☻Tôi đẳng nhiệt (b)  cần độ dai cao hơn, chống biến dạng và không cần ram tôi ra B ☻Tôi tự ram Áp dụng cho các chi tiết cần tôi bộ phận ☻Gia công lạnh  khử bỏ As dư sau tôi ở một số thép HK có điểm Mf quá thấp  làm lạnh : -50÷ (-70)0Cđộ cứng có thể tăng 1-10HRC 5.8.5. Ram thép  Nung nóng thép sau tôi đến nhiệt độ xác định (< Ac1) + giữ nhiệt làm nguội ngoài không khí  Là nguyên công bắt buộc sau khi tôi 1. Vì sao cần Ram? * Đặc điểm của tổ chức nhận được sau tôi: - tổ chức M tôi có độ cứng cao, rất giòn, kém dẻo dai  dễ bị nứt gãy - nhiều chi tiết sau tôi vẫn yêu cầu cần độ đàn hồi, độ dẻo cao..  Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong chi tiết sinh ra sau tôi, tránh chi tiết bị giòn  Điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với yêu cầu riêng của từng chi tiết 2. Các phương pháp ram a. Ram thấp (150-2500C) - tổ chức sau ram: M ram - độ cứng giảm bớt (1-2HRC) so với M tôi (với thép HK cao  độ cứng có thể tăng do As dư chuyển biến ) - dẻo dai cao hơn, ưs giảm  ứng dụng cho các dụng cụ cắt và ct máy chịu mài mòn b. Ram trung bình (300-4500C): - Áp dụng với thép có 0,55-0,65%C - tổ chức sau ram: Truxtit ram - độ cứng giảm rõ rệt (40-45HRC) so với M tôi, σ đàn hồi đạt giá trị lớn nhất (σđh= max) - khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong - ứng dụng cho các chi tiết làm việc cần độ cứng tương đối cao và độ đàn hồi cao: lò xo, nhíp, khuôn rèn, dập nóng 3/6/2017 14 c. Ram cao (500-6500C) - tổ chức sau ram: Xoocbit ram - độ cứng giảm mạnh (15-25HRC) , độ dẻo độ dai tăng mạnh - ứng dụng cho các CTM chịu va đập: trục, bánh răng 5.8.6. Các khuyết tật khi nhiệt luyện thép 1. Biến dạng và nứt Nguyên nhân: sinh ra do ưs ( ưs nhiệt + ưs tổ chức) ƯS >σbnứthỏng, không khắc phục được ƯS >σch cong vênhnắn, sửa Phòng tránh: - tốc độ nung hợp lý - làm nguội hợp lý, theo đúng các quy tắc: nhúng thẳng đứng,phần dày của chi tiết xuống trước, mỏng sau - có thể ép các vật mỏng trong khuôn trước khi tôi - tận dụng tôi phân cấp Khắc phục: biến dạng vừa phải có thể mang nắn nguội 2. Oxy hoá và thoát C - Hiện tượng tạo vảy ôxyt và mất C ở bề mặt chi tiết Nguyên nhân: - do có sự xuất hiện của các thành phần dễ gây OXH Fe và C như: hơi nước, oxy, CO2làm xấu, hỏng bm chi tiết - Thoát Cgiảm độ cứng Phòng tránh: Nung trong môi trường không có tác dụng OXH và thoát C  nung trong môi trường có khí bảo vệ: chế từ hơi đốt thiên nhiênCO/CO2; H2/H2O ( thành phần đối lập OXH và hoàn nguyên)  khí quyển trung tính : N2, Ar2 đắt  nung trong môi trường chân không ( 10-2-10-4 mmHg)  sử dụng than hoa.. - Khắc phục: thoát C  thấm lại C cho chi tiết 3/6/2017 15 3. Độ cứng không đạt Cao hơn hay thấp hơn mong muốn Nguyên nhân: -Cao: ủ và thường hóa thép HK do Vng lớn  khó gia công Khắc phục: làm lại với Vng nhỏ hơn - Thấp: xảy ra khi tôi: T0 không đúng, Thời gian giữ nhiệt không đủ, Vng không đúng Khắc phục: làm lại nhưng BD tăng 4. Tính giòn cao Nguyên nhân: nung quá caohạt lớn Khắc phục  đem thường hóa rồi nhiệt luyện lại với nhiệt độ nung thấp hơn 6. Tầm quan trọng của kiểm nhiệt trong nhiệt luyện ☻Nhiệt độ có vai trò quan trọng  quyết định chất lượng đạt được ☻Đo nhiệt độ Dưới 400-5000C: Dựng nhiệt kế thủy ngân • Dưới 16000C Dựng cặp nhiệt + đồng hồ chỉ thị • 1100-13000C Cặp Platin-Platin Rodi • 800-10000C Cặp Cromel-Alumen • Trên 10000C hỏa quang kế • Kinh nghiệm ước lượng bằng mắt Nguyên lý: 5.8.7. HÓA BỀN BỀ MẶT 1.Tôi bề mặt Nguyên lý chung: Nung nóng BM nhanh đếnT0 tôi  lõi vẫn nguộinguội nhanh tiếp theoBM được tôi, lõi vẫn mềm a. Tôi cảm ứng Vật dẫn có dòng điện đi qua tạo ra từ trường biến thiên chi tiết được đặt trong từ trường đó sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng trên bề mặt, có cùng tần số nung nóng nhanh bề mặt chi tiết đến T0 tôi Trong đó: ρ − đιệν trở sυấτ (Ω.cm); μ− Độ từ thẩm (gaus/ơcstεt) ; f- tần số dòng - Dùng dòng điện có tần số hàng nghìn đến hàng chục vạn Hz chiều sâu nung mỏng Đặc điểm - Mật độ dòng điện phân bố cao từ ngoài bề mặt vào trong bên trong chi tiết với chiều sâu Δ được xác định theo công thức: Δ = 5030 (ρ/μ.f)1/2 cm - Mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không đều trên tiết diện chi tiết 3/6/2017 16 (a) Sơ đồ nung cảm ứng (b) Tôi khi nung toàn bộ bề mặt (c) Tôi - nung liên tục Vòng cảm ứng : - Bộ phận gây ra dòng cảm ứng Hình dạng phù hợp với BM chi tiết, khoảng cách với chi tiết nhỏ ( giảm tổn hao): 1.5-5mm - Vật liệu bằng ống đồng, rỗng • Các phương pháp tôi 1. Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt chi tiết 2. Nung nóng và làm nguội từng phần riêng biệt 3. Nung nóng và làm nguội liên tiếp • Đặc điểm của thép tôi cảm ứng - Thép tôi cảm ứng: %C 0.35-0.55 , thép C hay HK thấp ( độ thấm tôi thấp) - Tốc độ nung nhanh nhiệt độ chuyển biến cao ( hơn 100-200 0C) - Thời gian chuyển biến ngắn , hạt As nhỏ mịntôi M nhỏ mịn - Trước khi tôi BM : NL hóa tốt Tôi cảm ứng (..) Tổ chức và cơ tính của thép: - Lõi: tổ chức X ram (25-30HRC) - Bề mặt: M kim nhỏ mịn (50-58HRC); chịu ưs dư nén (800MPa)  nâng có giới hạn mỏi Tổ chức: - Bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt : - Lõi có độ dai va đập và độ dẻo cao - Bề mặt có khả năng chống mỏi tốt Cơ tính: các chi tiết thường sử dụng tôi cảm ứng: trục, bánh răng.. 3/6/2017 17 Tôi cảm ứng (..) Thuận lợi - Năng suất cao - Chất lượng tôt - Dễ dạng cơ khí hoá, tự động hoá Khó khăn - Khó thực hiện với các chi tiết hình dáng phức tạp 2. Hoá - nhiệt luyện  Là quá trình bão hoà nguyên tố hoá học vào bề mặt thép nhờ khuyếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường bên ngoài nhờ nhiệt độ -Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho chi tiết - Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu Mục đích: Lớp nền Lớp thấmMẫu thấm Nitơ lên thép SKD61 Các giai đoạn trong quá trình  Giai đoạn phân hoá  Giai đoạn hấp phụ  Giai đoạn khuyếch tán Hoá - nhiệt luyện (tiếp theo) Các yếu tố ảnh hưởng Ảnh hưởng của nhiệt độ Ảnh hưởng của thời gian C h iề u d à y lớ p t h ấ m x Thời gian () T=const Nhiệt độ (T) H ệ s ố k h u ế ch t á n =const D= Do.e -(Q/kT) x = k.1/2 Do- hằng số kt (cm 2/s) Q- hoạt năng kt (cal/mol) R- hằng số khí (cal/mol.độ) * Nâng cao T thấm  hiệu quả, nhưng phải tránh lớn hạt 3/6/2017 18 a. Thấm C Mục đích: - làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn, chịu mỏi tốt (HRC ~ 60-64) - lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 30-40)  Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) + tôi và ram thấp  Yêu cầu đối với lớp thấm: - Bề mặt: ~ 0,8-1,0%C, tổ chức sau nhiệt luyện là M ram và cacbit nhỏ mịn phân tán - Lõi: tổ chức hạt nhỏ, thành phần C như thép ban đầu nên vẫn đảm bảo độ dẻo độ dai Bề mặt Lõi Độ cứng HRC Một số thiết bị trong quá trình thấm C Nhiệt độ thấm - Trên AC3 hoàn toàn As ( 900-950 0C - Thép C thường thấm ở T ≈ 9000C - Thép HK ( có yếu tố giữ nhỏ hạt) T ≈920-9500C Thời gian thấm - Phụ thuộc vào chiều sâu lớp thấm: thường (0.1- 0.15)d d- đường kính chi tiết; thường từ 0.5-1.8mm - Phụ thuộc và tốc độ thấm : V lỏng > V khí > V rắn VD: thể rắn : 0,1mm chiều sâu/1h nung giữ thể khí: 0,2mm chiều sâu/1h nung giữ 3/6/2017 19 Chất thấm :  Thể rắn: 80-95% than gỗ + Na2CO3, hoặc Ba CO3 (xúc tác) Phản ứng: 2C + O2  2CO ( khi thiếu ôxy) 2CO  CO2+ Cngtử Cngtử  khuyếch tán vào b/m thép (nồng độ tăng dần) Tác dụng của xúc tác: Ba CO3  BaO + CO2 CO2 + Cthan  2CO 2CO  CO2 + Cnguyên tử  b/m thép Nhược điểm : +Bụi + %C : 1,2-1,3  Thể khí: Thành phần: CO 95-97%; CH4 3-5 % ( khí đốt thiên nhiên) CH4  2H2+ Cnguyên tử Ưu điểm: + %C : 0,8- 1,0 + dễ cơ khí hoá và điều chỉnh (dùng dầu hoả, khí gas)  Thể lỏng ( ít dùng) Nhiệt luyện sau thấm:  nhất thiết phải Tôi + Ram thấp Tôi trực tiếp :  Tôi 2 lần : Lần 1: cho lõi Lần 2: T> A1 Nhược điểm : BD lớn ( do nung nhiều lần)  ít dùng Ram thấp : 180-2000C ; = 1-1,5 h So sánh: tôi bề mặt thấm C b/m 56-60HRC 60-62 HRC lõi 15-20 HRC 30-40 HRC 3/6/2017 20 Công dụng của thấm C: - Thấm cacbon cho cơ tính và công dụng như tôi bề mặt song ở mức độ cao hơn → bảo đảm tính chống mài mòn và chịu tải tốt hơn. - Cũng tạo nên lớp Ư.s nén dư, làm tăng giới hạn mỏi. - Áp dụng cho ct làm việc trong điều kiện nặng hơn. - Áp dụng cho ct hình dạng phức tạp lớp thấm đều. b.Thấm Ni tơ: 1. Đ/n: bão hoà Nitơ vào bề mặt thép nâng cao độ cứng , tính chống mài mòn ( mạnh hơn C), tạo ra ứng suất dư nén, chống rỉ tốt. Chất thấm và các quá trình xảy ra: sử dụng khí NH3 2NH3  3H2 + 2Nng.tử Nng.tử + Fe Fe(N) Nng.tử + Fe  ()Fe2-3N,(’)Fe4N Nhiệt độ thấm: 480-6500C. Tổ chức lớp thấm thấm: từ ngoài vào: (ε + γ’), γ’, (γ’ + α), α + lõi thép (xoocbit ram); 2. Đặc điểm lớp thấm N:  Nitrit với độ cứng rất cao, nhỏ mịn (phân tán): 65-70 HRC sau thấm N không phải nhiệt luyện  Thời gian thấm lâu; T=5200C,  = 24 h  = 0,25-0,3 mm • Chỉ đạt được lớp thấm mỏng (0,05-0,5mm); • Sau thấm không tôi mà nguội chậm đến 2000C; • Lớp thấm giữ được độ cứng cao đến 500 0C; • Thép chuyên dùng thấm N (Cr,Mo, Al)- 38CrMoAlA Công dụng: chi tiết cần độ cứng và tính chịu mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ cao: 500 - 6000C 3/6/2017 21 Lớp thấm Nitơ trên thép SKD11, với lưu lượng khí thấm 60 (l/h) – 1 giai đoạn thấy xuất hiện lớp trắng (5μm). chịu mài mòn cao nhưng giòn  không mong muốn Bỏ lớp trắng bằng cách thay đổi phương pháp thấm c. Thấm C-N: 1. Định nghĩa:  bão hoà đồng thời C-N vào b/m thép  nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn 2. Mục đích : giống thấm C &N , tốt hơn thấm C 3. Đặc điểm: Tthấm  850 0C  chủ yếu thấm C Tthấm  560 0C  chủ yếu thấm N 3/6/2017 22 5 Thấm C-N thể khí: So với thấm C thể khí có ưu điểm hơn hẳn: • dùng chung thiết bị với thấm C thể khí ( thêm vào 5-10% NH3) • tổ chức lớp thấm Các bit-Nitrit ( 60-65HRC ), tính chống mài mòn tăng ( 50-100%) • lớp thấm mỏng hơn thấm C   ngắn hơn • không tạo muội (NH3)  tăng tốc độ thấm ( thấm ở 840-860 0C  9300C thấm ) • Sau thấm : Tôi (trực tiếp )+ ram 86 33 5.8.8. HK nhôm biến dạng hóa bền bằng hóa già (AlCu4) - Là nhóm HK quan trọng nhất, có cơ tính cao, không thua kém thép C Cơ chế hóa bền hóa bền :  Cu hòa tan đáng kể vào Al và thay đổi theo nhiệt độ: - Max 5.65% ở 5480C - Min 0.5% ở T0 thường Vượt quá giới hạn hòa tan, Cu thừa  tiết ra dạng CuAl2II 87 Xét HK 4% Cu -Ở trạng thái cân bằng, tổ chức : DD rắn α - (0,5%Cu)+ CuAl2II (≈7%) Độ cứng và σb thấp (≈200MPa)  Nung nóng T>5200C ( quá đường giới hạn hòa tan)  CuAl2II hòa tan hoàn toàn vào α Tôi  DD rắn quá bão hòa 4%Cu (T thường) Độ cứng và σb tăng lên một chút (≈250-300 MPa) dẻo  sửa, nắn 88 Hiện tượng đặc biệt ( khác thép): Sau tôi 5-7 ngày, độ bền và cứng tăng (max σb = 400MPa) ➔ Hóa già tự nhiên Cơ chế hóa bền khi tôi+hóa già Tác giả : Gunier và Preston đưa ra cơ chế và chứng minh bằng phương pháp nhiễu xạ X • DD rắn sau tôi không ổn định  trở về trạng thái cân bằng  tiết ra Cu  tập trung lại dạng CuAl2 - Ở nhiệt độ thường  xảy ra chậm T0 cao hơn  xảy ra nhanh hơn 3/6/2017 23 89 Các giai đoạn: Giai đoạn I: Xuất hiện vùng GP (lượng Cu tập trung >4%), kích thước rất nhỏ ( hình đĩa , r ≈5nm)  độ cứng cao  độ bền, cứng tăng Giai đoạn II: - Các nguyên tử Cu trong vùng GP tiếp tục tập trung - Vùng GP tiếp tục lớn lên và đạt mức 1Cu-2Al pha θ” ( r ≈10nm, khoảng cách các pha 20nm) pha θ’ - Độ bền đạt giá trị cao nhất ứng với pha θ” -Độ bền giảm khi tạo nên pha θ’ - Ở nhiệt độ thường: quá trình kết thúc sau 5-7 ngày, pha θ” và duy trì mãi mãi Giai đoạn III: - Nung ở nhiệt độ cao hơn ( T= 50-1000C),pha θ’ θ : đúng cấu trúc CuAl2), kích thước lớn hơn  độ bền giảm nhanh ( đến mức nhỏ nhất ) 90 a.Dung dịch rắn  quá bh b. Pha ” c. Pha  91 (a) HK Al-4%Cu: làm nguội chậm sau nung từ T 5500C khoảng cách pha hóa bền lớn (b) HK Al-4%Cu: làm nguội nhanh từ T 5500C(tôi) hóa già khoảng cách pha hóa bền nhỏ và xít chặt 92 Tóm lại :  Pha CuAl2 có vai trò quan trọng trong hóa bền HK nhôm: - Hòa tan vào dd rắn khi nung nóng ➔tạo dd rắn quá bão hòa khi tôi - Chuẩn bị tiết ra ở dạng phân tán khi hóa già pha hóa bền Có 2 phương pháp hóa già : - Hóa già tự nhiên: để ở nhiệt độ phòng 5-7 ngày - Hòa già nhân tạo : nung ở T 100-2000C , vài chục giờ ( tùy thuộc vào T cụ thể) đạt độ bền max ( quá dài  độ bền giảm)