09/2010 Chương Nhiệt luyện thép Chương Hợp kim giản đồ pha 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội thép 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.4 Hóa bền vật liệu kim loại 09/2010 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.1.1 Sơ đồ nhiệt luyện thép a) Định nghĩa: Nhiệt luyện thép nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt làm nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức → biến đổi tính chất theo yêu cầu Đặc điểm: - Khơng làm nóng chảy, biến dạng chi tiết - Đánh giá kết biến đổi tổ chức tế vi tính b) Các yếu tố đặc trưng - Các thơng số chính: + Nhiệt độ nung, T + Thời gian giữ nhiệt, τgn + Tốc độ nguội, Vng - Các tiêu đánh giá kết + Tổ chức tế vi (cấu tạo pha, chiều sâu lớp hóa bền…) + Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai + Độ cong vênh biến dạng 4.1 Khái niệm nhiệt luyện thép 4.1.1 Sơ đồ nhiệt luyện thép c) Phân loại nhiệt luyện thép: - Nhiệt luyện: dùng tác động nhiệt làm thay đổi tổ chức, tính chất, bao gồm: ủ, thường hóa, tơi + ram - Hóa nhiệt luyện: kết hợp thấm nguyên tố làm thay đổi thành phần hóa học lớp bề mặt nhiệt luyện, cải thiện tính: thấm C, C-N, Al, Co, B… - Cơ nhiệt luyện: kết hợp biến dạng dẻo trạng thái austenit nhiệt luyện tạo tổ chức nhỏ mịn, tính tổng hợp cao 4.1.2 Vai trò nhiệt luyện sản xuất khí - Tăng độ cứng, tính chóng mài mòn độ bền thép: tăng tuổi thọ, giảm kích thước, khối lượng kết cấu - Cải thiện tính cơng nghệ: nhiệt luyện sơ tạo tính phù hợp với điều kiện gia công 09/2010 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.1 Chuyển biến nung nóng – tạo thành austenit Dựa vào GĐP Fe-Fe3C: - T < Ac1: chuyển biến - T = Ac2: chuyển biến P → γ [Feα + Xe]0,8%C → Feγ(C)0,8%C - Trên đường GSE: tổ chức pha γ Đặc điểm chuyển biến P → γ - Vnung lớn : Tnung cao - Tnung cao: τcb ngắn - V2 > V1: T bắt đầu kết thúc chuyển biến cao hơn, thời gian chuyển biến ngắn 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.1 Chuyển biến nung nóng – tạo thành austenit Kích thước hạt austenit: Hạt austenit tạo thành nhỏ → tổ chức nhận sau nguội nhỏ mịn với tính cao Cơ chế chuyển biển P → γ - Tạo mầm (mầm sinh biên giới pha F Xe - Phát triển mầm kết tinh Chế chuyển biển P → γ làm nhỏ hạt thép 09/2010 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.1 Chuyển biến nung nóng – tạo thành austenit Kích thước hạt austenit phụ thuộc vào: - Kích thước tổ chức P ban đầu - Tăng Vnung: hạt nhỏ - Tăng Tnung: hạt lớn - Tăng τgn: hạt lớn - Bản chất thép: chất hạt nhỏ, chất hạt lớn 4.2.2 Mục đích giữ nhiệt: - Làm đồng nhiệt độ toàn tiết diện - Để chuyển biến xảy hoàn toàn - Làm đồng thành phần hóa học austenit 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.3 Các chuyển biến xảy nguội chậm austenit a) Chuyển biến đẳng nhiệt A nguội Giản đồ T-T-T thép tích [1]: aunstenit ổn định, [2]: austenit nguội [3]: austenit chuyển biến [4]: Hỗn hợp F+Xe, [5]: mactenxit + γdư - Chuyển biến đẳng nhiệt austenit nguội: + T = 7000C: Peclit, 10-15HRC + T = 6500C: Xoocbit, 25-35HRC + T = 500-6000C: Trôxtit, 40HRC + T = 250-4500C: Bainit, 50-55HRC - Đặc điểm: + P, X, T, B có chất giống hỗn hợp học tích ferit xemantit tấm: độ nguội tăng, số lượng mầm tăng, nhỏ mịn, độ cứng cao + Nguội đẳng nhiệt nhận tổ chức đồng toàn tiết diện 09/2010 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.3 Các chuyển biến xảy nguội chậm austenit b) Sự phân hóa austenit nguội liên tục - V1 Peclit - V2 Xoocbit - V3 Trôxtit - V4 Bainit + Mactenxit - Vth Mactenxit Mactenxit - V5 Đặc điểm: - Tổ chức nhận phụ thuộc vào Vnguội - Với chi tiết lớn tổ chức nhận không đồng - Chỉ nhận tổ chức hoàn toàn bainit cách nguội đẳng nhiệt 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.3 Các chuyển biến xảy nguội chậm austenit c) Chuyển biến đẳng nhiệt A nguội Giản đồ T-T-T thép khác tích Đường cong chữ C có thêm nhánh phụ, dịch sang trái chút - Khi nguội đẳng nhiệt với độ nguội nhỏ (nguội chậm liên tục V2) tiết F(Xê) trước gặp nhánh phụ - Khi nguội đẳng nhiệt với độ nguội lớn (nguội liên tục đủ nhanh, V3) tổ chức cuối nhận xoocbit, trôxtit, bainit 09/2010 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.4 Chuyển biến (CB) xảy nhanh austenit-CB M V > Vth: γ → M a) Bản chất mactenxit - Dung dịch rắn bão hòa C Feα - Kiểu mạng phương tâm khối, c/a = 1,002-1,06 - Xơ lệch mạng lớn nên M có độ cứng cao b) Đặc điểm chuyển biến M: - Xảy nguội nhanh liên tục austenit, V > Vth - Chuyển biến không khuếch tán - Chỉ xảy khoảng nhiệt độ bắt đầu Mđ kết thúc Mf - Chuyển biến xảy khơng hồn tồn 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.4 Chuyển biến (CB) xảy nhanh austenit-CB M c) Cơ tính mactenxit - Độ cứng: %C tăng, độ cứng tăng + %C < 0,2%: < 40HRC + %C = 0,4-0,5%: > 50HRC + %C > 0,6%: > 60HRC - M có tính giịn cao, phụ thuộc vào: + Kim M nhỏ mịn, tính giịn thấp + Ứng suất dư nhỏ, tính giịn thấp 09/2010 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.5 Chuyển biến xảy nung nóng thép tơi (ram) a) Tính khơng ổn định mactenxit austenit - Tổ chức thép tôi: M + γdư → F + Xe (ổn định nhiệt độ thường) thông qua tổ chức trung gian, Mram: (M + γdư ) → Mram → F + Xe b) Các giai đoạn chuyển biến xảy ram (thép 0,8%C tôi) Giai đoạn I (T < 2000C): - T < 800C chưa có chuyển biến - 80 < T < 2000C: M tiết cacbit ε Fe2,0-2,4C; γdư chưa chuyển biến Feα (C ) 0,8 → [ Feα (C ) 0, 25− 0, + Fe2, 0− 2, 4C ] - Tổ chức nhận Mram + γdư 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.5 Chuyển biến xảy nung nóng thép tơi (ram) b) Các giai đoạn chuyển biến xảy ram (thép 0,8%C tôi) Giai đoạn II (200 - 2600C) - Cacbon tiếp tục tiết từ M Feα (C ) 0,8 → [ Feα (C ) 0,15−0, + Fe2, 0− 2, 4C ] - Austenit dư chuyển biến thành mactenxit ram: Feγ (C ) 0,8 → [ Feα (C ) 0,15−0, + Fe2, 0− 2, 4C ] - Tổ chức Mram có độ cứng thấp Mtôi Giai đoạn III (260 - 4000C): - Mram chuyển biến thành hỗn hợp F + Xe Feα(C)0,15-0,2 → Feα + Fe3C (hạt) Fe2,0-2,4(C) → Fe3C (hạt) Hỗn hợp Feα Xe nhỏ mịn phân tán: Trơxtit ram: Tính đàn hồi lớn Khơng cịn ứng suất dư 09/2010 4.2 Các tổ chức đạt nung nóng làm nguội 4.2.5 Chuyển biến xảy nung nóng thép (ram) b) Các giai đoạn chuyển biến xảy ram (thép 0,8%C tôi) Giai đoạn IV (> 4000C) - Xảy trình kết tụ hạt Xe - Ở nhiệt độ 500-6000C tổ chức xoocbit ram: σđh, ak lớn - Gần A1 (7270C): hỗn hợp F + Xe hạt thô (tổ chức peclit hạt) Kết luận: - Khi ram xảy q trình phân hủy Mtơi giảm độ cứng, giảm ứng suất bên - Thay đổi nhiệt độ ram đạt tính khác phù hợp theo yêu cầu làm việc 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ K/n: nhiệt luyện sơ phương pháp nhiệt luyện nhằm tạo tổ chức tính phù hợp cho gia cơng a) Ủ thép Đ/n: nung nóng, giữ nhiệt, nguội chậm lị nhận tổ chức cân có độ cứng thấp độ dẻo cao Mục đích: - Giảm độ cứng dễ gia công cắt - Tăng độ dẻo dễ gia công biến dạng - Giảm hay ứng suất dư - Làm đồng thành phần hóa học - Làm nhỏ hạt Phân loại: Hai nhóm: ủ chuyển pha ủ khơng có chuyển biến pha 09/2010 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ a) Ủ thép Phân loại: - Ủ có chuyển biến pha: + T > Ac1: có chuyển biến γ → P làm nhỏ hạt + Ủ hoàn tồn: (áp dụng cho thép trước tích) T = Ac3 + (20-300C) Tổ chức nhận F + Ptấm Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng (160-200HB), tăng dẻo + Ủ khơng hồn tồn (áp dụng cho thép %C > 0,7%) T = Ac1 + (20-300C) Tổ chức nhận peclit hạt Mục đích: giảm độ cứng (< 200HB), khơng áp dụng cho thép trước tích (giảm độ dai) 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ a) Ủ thép Phân loại: - Ủ có chuyển biến pha: + Ủ cầu hóa: dạng đặc biệt ủ khơng hồn tồn đẩy nhanh q trình cầu hóa Xe tạo P hạt + Ủ đẳng nhiệt: cho thép hợp kim cao, dù nguội chậm không nhận tổ chức P đủ mềm T = Ac1 + 500C + Ủ khuếch tán: làm đồng thành phần hóa học thép hợp kim cao bị thiên tích sau đúc T = 1100-11500C, 10-15h 09/2010 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ a) Ủ thép Phân loại: - Ủ khơng có chuyển biến pha: + T < Ac1: khơng có chuyển biến γ → P + Ủ thấp (200-6000C): làm giảm khử ứng suất bên chi tiết (sau đúc, gia công cơ), không làm giảm độ cứng + Ủ kết tinh lại (Tủ > Tktl): khơi phục lại tính chât sau biến dạng dẻo 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.1 Nhiệt luyện sơ b) Thường hóa thép Đ/n: - Nung nóng đến trạng thái hồn tồn austenit, giữ nhiệt, nguội ngồi khơng khí tĩnh - Tổ chức nhận gần ổn định, độ cứng tương đối thấp, cao ủ - Nhiệt độ: Thép TCT: T = Ac3 + (30-500C), thép SCT T = Accm + (30-500C) Mục đích: - Đạt độ cứng cho gia cơng (%C A3 - Nhiệt độ thấp: T < Tktl a) Nhiệt độ cao b) Nhiệt độ thấp 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.2 Nhiệt luyện kết thúc b) Ram thép K/n: - Nguyên công bắt buộc cho thép sau tơi - Nung nóng thép đến nhiệt độ xác định (< Ac1), làm nguội ngồi khơng khí Mục đích: - Giảm khử bỏ hồn tồn ứng suất tránh cho thép bị giịn sau tơi - Điều chỉnh tính phù hợp với điều kiện làm việc Các phương pháp ram: - Ram thấp (150-2500C): + Tổ chức M ram + Độ cứng giảm so với M + Ứng dụng cho chi tiết cần độ cứng, tính chống mài mịn cao 14 09/2010 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.2 Nhiệt luyện kết thúc b) Ram thép Các phương pháp ram: - Ram trung bình (300-4500C), áp dụng cho thép %C = (0,55-0,65%) + Tổ chức sau ram: trôxtit ram + Độ cứng giảm rõ rệt so với M giới hạn đàn hồi đạt giá giá trị lớn + Khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên + Ứng dụng cho chi tiết cần độ cứng tương đối cao độ đàn hồi cao 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.2 Nhiệt luyện kết thúc b) Ram thép Các phương pháp ram: - Ram cao (500-6500C), áp dụng cho thép %C = 0,3-0,5% + Tổ chức sau ram: Xoocbit ram + Cơ tính tổng hợp cao (nhiệt luyện hóa tốt) + Ứng dụng cho chi tiết cần giới hạn bền, giới hạn chảy độ dai va đập cao Thép 0,45%C dạng nhiệt luyện khác Dạng nhiệt luyện Cơ tính σb, MPa σ0,2, MPa δ, % ψ, % aK, kJ/m2 Ủ 8400C 530 280 32,5 50 900 Thường hóa 8500C 650 320 15 40 500 2000C 1100 720 12 300 Tôi 8500C + ram 6500C 720 450 22 55 1400 Tôi 8500C + ram 15 09/2010 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.3 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện a) Biến dạng nứt: - Nguyên nhân: + Ứng suất nhiệt làm nguội, nung nóng + Ứng suất tổ chức chuyển biến - Ngăn ngừa: + Nung nóng làm nguội với tốc độ hợp lý + Làm nguội theo nguyên tắc: nhúng thẳng đứng, phần dày tơi trước + Đối với vật mỏng cần ép khuôn trước - Khắc phục: biến dạng vừa phải nắn, ép nóng nguội 4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép 4.3.3 Các khuyết tật xảy nhiệt luyện b) Oxy hóa cacbon - Ngun nhân: + Mơi trường nung có chứa chất oxy hòa Fe C: O2, CO2, H2O - Ngăn ngừa: + Chi tiết phủ than hoa + Dùng khí bảo vệ, khí trung tính: Ar, N2; CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 + Nung môi trường chân không 10-2-10-4 mmHg - Khắc phục: thấm lại C cho chi tiết c) Độ cứng không đạt - Độ cứng cao: ủ, thường hóa thép với tốc độ nguội lớn - Độ cứng thấp: nhiệt độ không đạt, thời gian giữ nhiệt ngắn, làm nguội không đủ nhanh, C d) Tính giịn cao - Do nung q nhiệt (hạt lớn) tính giịn cao → Đem thường hóa nhiệt luyện lại 16 09/2010 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.1 Tôi cảm ứng a) Nguyên lý: Chi tiết đặt từ trường biến thiên xuất dịng cảm ứng nung nóng chi tiết b) Đặc điểm: Mật độ dịng Fuco phân bố khơng tiết diện chi tiết, chủ yếu tập trung bề mặt, chiều sâu Δ = 5030√(ρ/μf), cm; ρ: điện trở suất, μ: từ độ, f: tần số dòng điện c) Tổ chức tính thép tơi cảm ứng: + Thép có %C = 0,35-0,5% + Tổ chức: Lõi có tổ chức xoocbit ram (nhiệt luyện hóa tốt; bề mặt tổ chức M hình kim nhỏ mịn (tôi + ram thấp) d) Ưu điểm, nhược điểm: + Năng suất cao + Chất lượng tốt + Dễ khí hóa, tự động hóa + Khó thực với chi tiết có hình dạng phức tạp 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện - Đ/n: phương pháp thấm, bão hịa ngun tố hóa học (C, N…) vào bề mặt thép cách khuếch tán ngun tử hịa học từ mơi trường thấm nhiệt độ thích hợp - Mục đích: + Nâng cao độ cứng, tính chống mài mịn, độ bền mỏi thép + Nâng cao tính chống ăn mịn cho vật liệu: thấm Cr, Al, Si… - Các giai đoạn thấm: Giai đoạn phân hóa Giai đoạn bão hóa Giai đoạn khuếch tán 17 09/2010 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện - Các yếu tổ ảnh hưởng: + Nhiệt độ + Thời gian Ảnh hưởng nhiệt độ x = A.e-(Q/kT) Lớp thấm Ảnh hưởng thời gian x = k.τ1/2 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện a) Thấm C - Bão hòa C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) sau tơi ram thấp - Mục đích: + Làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn, chịu mỏi tốt (6064HRC) + Lõi đảm bảo độ dẻo dai (3040HRC) - Yêu cầu lớp thấm: + Bề mặt: 0,8-1,0%C, tổ chức sau nhiệt luyện M ram cacbit nhỏ mịn phân tán + Lõi: tổ chức hạt nhỏ, thành phần C thép ban đầu nên đảm bảo độ dẻo dai 18 09/2010 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện a) Thấm C Lựa chọn nhiệt độ thời gian thấm: + Nhiệt độ thấm: Tthấm > Ac3 để đảm bảo hòa tan nhiều C vào thép (900-9500C) Thép chất hạt nhỏ: 930-9500C Thép chất hạt lớn: 900-920 + Thời gian thấm: Phụ thuộc chiều dày lớp thấm x = (0,10-0,15)d, (0,5-1,8mm) Tốc độ thấm (công nghệ thấm nhiệt độ thấm) Các chất thấm trình xảy ra: Chất thấm thể rắn 2C + O2 2CO Chất thấm thể khí 2CO 2CnH2n+2 CO2 + Cng.tử Cng.tử + Feγ(C) Feγ(C)0,1 2CO 0,8 1,3 (n+1)H2 + nCng.tử CO2 + Cng.tử Cng.tử + Feγ(C) Feγ(C)0,1 0,8 1,3 → Nhiệt luyện sau thấm: + ram thấp 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện b) Thấm N - Bão hịa N lên bề mặt thép HK qua nhiệt luyện hóa tốt, nâng cao độ cứng (6570HRC) tính chống mài mòn, chịu mỏi chi tiết - Nhiệt độ thấm, chất thấm trình xảy ra: + Nhiệt độ thấm: 480-6500C + Sử dụng khí NH3 cho trình thấm 2NH3 3H2 + 2Nng.tử Nng.tử + Feα Feα(N) (ε)Fe2-3N,(γ’)Fe4N Nng.tử + Fe - Tổ chức lớp thấm: + Từ vào (ε + γ’), (γ’ + α) + lõi thép (xoocbit ram) 19 09/2010 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4.2 Hóa nhiệt luyện b) Thấm N - Đặc điểm + Thời gian thấm lâu nhiệt độ thấp + Chỉ đạt lớp thấm mỏng (0,05-0,5mm) + Sau thấm không cần nhiệt luyện + Lớp thấm giữ độ cứng cao đến 5000C + Thép chuyên dùng thấm N (Cr, Mo, Al) 20 ... Feα Feα(N) (? ?)Fe 2-3 N ,(? ?’)Fe4N Nng.tử + Fe - Tổ chức lớp thấm: + Từ vào (? ? + γ? ?), (? ?’ + ? ?) + lõi thép (xoocbit ram) 19 09/2010 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4 .2 Hóa nhiệt luyện b) Thấm N - Đặc... Feγ(C)0,1 2CO 0,8 1,3 (n+1)H2 + nCng.tử CO2 + Cng.tử Cng.tử + Feγ(C) Feγ(C)0,1 0,8 1,3 → Nhiệt luyện sau thấm: tơi + ram thấp 4.4 Hóa bền bề mặt kim loại 4.4 .2 Hóa nhiệt luyện b) Thấm N - Bão... Accm + (3 0-5 00C) Mục đích: - Đạt độ cứng cho gia cơng (% C