CHƢƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN Mã chƣơng: CMH10 - 04 Mục tiêu chƣơng - Trình bày đƣợc khái niệm của giản đồ pha, các điểm và đƣờng giới hạn xảy ra chuyển biến giữa các pha. Mô tả đƣợc những chuyển biến trên giản đồ pha Fe -C. Phân tích đƣợc các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nhiệt luyện và các dạng sai hỏng thƣờng gặp khi nhiệt luyện. - Giải thích đƣợc bản chất của quá trình nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện và các phƣơng pháp: ủ, thƣờng hoá, tôi, ram, thấm cac bon, nitơ, xia nua.
Nêu đƣợc các hình thức hóa nhiệt luyện đƣợc một số dụng cụ của nghề nhƣ dao tiện thép gió, đục,. - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện 1. Định nghĩa Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ quy định để làm thay đổi tổ chức, do đó làm biến đổi tính chất theo phƣơng hƣớng đã chọn trƣớc.
Việc xác định nhiệt độ nung nóng, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội không thể tuỳ tiện mà phụ thuộc hoàn toàn mục đích đặt ra trƣớc mắt. Rõ ràng với mục đích đặt ra khác nhau không thể áp dụng cùng một công nghệ nhiệt luyện giống nhau. Cần chú ý khi nhiệt luyện không đƣợc phép nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy hay chảy bộ phận. Trong một quá trình nhiệt luyện, kim loại luôn luôn ở trạng thái rắn, hình dạng và kích thƣớc của sản phẩm hầu nhƣ không thay đổi hay thay đổi rất ít.
Kết quả của nhiệt luyện đƣợc đánh giá bằng tổ chức bên trong của kim loại và biểu thị ra ngoài ở các tính chất của nó. Do vậy công tác kiểm tra trong nhiệt luyện là rất quan trọng, không thể xác định bằng quan sát bề ngoài. Công dụng - Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang) mà vẫn bảo đảm yêu cầu về độ dẻo và độ dai. Do vậy có thể làm cho chi tiết chịu đƣợc tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng đƣợc bền, lâu hỏng hơn.
Trong thực tế sản xuất cơ khí thấy rõ tác dụng này. Nhiều loại thép sau khi nhiệt luyện bằng cách tôi + ram độ bền, độ cứng tăng lên 2 - 3 lần (tuy độ dẻo dai có giảm) rất có lợi trong việc hoá bền các chi tiết này, các chi tiết máy chịu ma sát nhƣ bánh răng, trục. nếu không hoá bền bằng nhiệt luyện rất chóng mòn, hỏng (thời hạn làm việc giảm đi từ hàng chục đến hàng trăm lần). Đối với dao cắt, khuôn rập tác dụng này của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định.
Các sản phẩm này nếu không qua tôi và ram thì không thể làm việc đƣợc. Một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lƣợng các sản phẩm cơ khí là trình độ của nhiệt luyện. - Cải thiện tính công nghệ: Ngoài tác dụng hoá bền kể trên, nhiệt luyện còn có khả năng cải thiện tính công nghệ. Khi thành hình sản phẩm không thể không chú ý đến tính thích ứng của thép đối với các phƣơng pháp gia công khác nhau: đúc, rèn hàn, cắt, gọt.
Cải thiện các tính công nghệ đó làm quá trình gia công chế tạo đƣợc thuận lợi và có thể tiến hành với năng suất cao hơn, góp phần nâng cao suất lao động. Trong chế tạo cơ khí thƣờng gặp hiện tƣợng sau khi rèn, thép bị biến cứng một phần rất khó có thể gia công (có trƣờng hợp không thể cắt gọt), trong trƣờng hợp này phải tiến hành nhiệt luyện bằng phƣơng pháp thích hợp (ủ) độ cứng giảm đi, cắt gọt trở nên dễ dàng. Đối với thép cacbon thấp, độ cứng của nó ở trạng thái ủ quá thấp cũng khó cắt gọt phải tiến hành thƣờng hoá tăng thêm độ cứng để đảm bảo cắt gọt dễ. Áp dụng các phƣơng pháp nhiệt luyện thích hợp giữa các khâu gia công cơ khí là một trong những biện pháp nâng cao năng suất lao động trong ngành cơ khí (nhờ nâng cao tốc độ cắt gọt, khả năng rập sâu.
Ý nghĩa của nhiệt luyện Là một khâu quan trọng, không thể thiếu đƣợc trong chế tạo cơ khí. Sở dĩ nhƣ vậy vì thép là vật liệu chủ yếu và quan trọng nhất trong số các kim loại, đồng thời có thể áp dụng nhiều phƣơng pháp nhiệt luyện khác nhau để cải biến cơ tính và tính công nghệ của nó. Tác dụng của nhiệt luyện là ở 2 điểm sau: 62 - Tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép mà vẫn đảm bảo yêu cầu về độ dẻo và độ dai. Do vậy có thể làm cho chi tiết chịu tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ gọn hơn, sử dụng đƣợc bền, lâu hỏng hơn; - Nhiều loại thép sau khi nhiệt luyện bằng cách tôi và ram, độ bền, độ cứng tăng lên 2 ÷ 3 lần (tuy độ dẻo, độ dai có giảm), rất có lợi cho việc hoá bền chi tiết máy.
Các chi tiết máy chịu ma sát nhƣ : bánh răng, trục … Nếu không qua hoá bền bằng nhiệt luyện rất chóng mòn, hỏng, ( thời gian làm việc giảm đi hàng chục đến hàng trăm lần). Đối với dao cắt, khuôn dập, tác dụng của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định. Do tác dụng quan trọng nhƣ vậy nên hầu hết các chi tiết quan trọng trong các máy đều qua nhhiệt luyện. Ví dụ chi tiết đã qua nhiệt luyện trong ôtô - máy kéo chiếm (70 ÷ 80) %, trong máy công cụ chiếm (60 ÷ 70)%.
Tất cả các dụng cụ đều phải nhiệt luyện. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C 2. Khái niệm Trong phần này nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt – cacbon (Fe – C), các khái niệm cơ bản về gang - thép, các phƣơng pháp nhiệt luyện, hóa - nhiệt luyện, cơ - nhiệt luyện và sơ lƣợc về các thiết bị nhiệt luyện. Do vậy cần hiểu đƣợc các chuyển biến khi nung nóng và làm nguội thông qua giản đồ trạng thái Fe - C và các giản đồ có liên quan, bản chất của các tổ chức tạo thành, mối quan hệ giữa các tổ chức.
Cơ sở để nghiên cứu gang - thép và tìm hiểu các tính chất của nó là giản đồ trạng thái Fe - C. Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe - C trƣớc hết phải khảo sát các đặc tính của các nguyên thành phần. Ý nghĩa của giản đồ Giản đồ pha Fe – C cho biết tại mỗi tọa độ nhiệt độ, tọa độ thành phần xác định, tổ chức của hợp kim sắt. Các hệ hợp kim khác nhau có kiểu giản đồ trạng thái khác nhau và được xác lập bằng thực nghiệm.
Dạng giản đồ trạng thái Fe - C 2. Giản đồ trạng thái Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải đƣợc xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lƣợng cacbon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% cacbon tức là ứng với hợp chất hóa học Fe3C. Giản đồ trạng thái Fe-Fe3C 2. Các tổ chức của hợp kim Fe-C trên giản đồ Trên giản đồ, đƣờng ABCD là đƣờng lỏng; Đƣờng AHJECF là đƣờng đặc a.
Các tổ chức một pha - Hợp kim lỏng (L): là dung dịch lỏng của cacbon trong sắt, tồn tại ở phía trên đƣờng lỏng ABCD. - Ferit (ký hiệu là F hay ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe(), có mạng lập phƣơng thể tâm nên khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe() là không đáng kể, lớn nhất ở 7270C là 0,02% và nhỏ nhất ở nhiệt độ thƣờng là 0,006%. 64 - Austenit (kí hiệu là As hay ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe(), có mạng lập phƣơng diện tâm nên khả năng hòa tan cacbon của Fe() khá lớn, lớn nhất ở nhiệt độ 11470C với 2,14% và nhỏ nhất ở 7270C với 0,8%C. Austenit rất dẻo và dai khi các nguyên tố khác hòa tan vào không những làm độ cứng tăng lên và độ dẻo độ dai giảm đi đáng kể mà còn làm thay đổi động học chuyển biến do đó ảnh hƣởng lớn tới nhiệt luyện.
- Xementit (ký hiệu là Xe hay Fe3C): là hợp chất hóa học của sắt với cacbon - Fe3C có 6,67%C, ứng với đƣờng thẳng đứng DFK. - Xementit thứ nhất (XeI): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó đƣợc tạo thành trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3% và trong khoảng nhiệt độ (1147 1600)0C. Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to. - Xementit thứ hai (XeII): là loại đƣợc tiết ra từ dung dịch rắn Austenit ở trong khoảng nhiệt độ (727 1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm từ 2,14% xuống còn 0,8% do vậy XeII có trong hợp kim với thành phần cacbon lớn hơn 0,8%.
Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ không cao lắm nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, do đƣợc tiết ra từ Austenit nên thƣờng ở dạng lƣới bao quanh Austenit. - Xemetit thứ ba (XeIII): là loại đƣợc tiết ra từ dung dịch rắn Ferit ở trong khoảng nhiệt độ thấp hơn 7270C khi độ hòa tan giới hạn của cacbon trong Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006%. XeIII có ở trong mọi hợp kim có thành phần cacbon lớn hơn 0,006% nhƣng với lƣợng rất ít. Do tạo nên từ pha rắn và ở nhiệt độ thấp, khả năng khuếch tán của nguyên tử rất kém nên Xe III thƣờng ở dạng mạng lƣới hay hạt rất nhỏ bên cạnh Ferit.
Các dạng Xementit không khác nhau về bản chất pha, chỉ khác nhau về kích thƣớc hạt và sự phân bố do điều kiện tạo thành khác nhau. Các tổ chức 2 pha - Peclit (ký hiệu là P hay [+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xementit ( tạo thành ở 7270C từ dung dịch rắn Austenit chứa 0,8%C. Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit. Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon của Austenit sẽ biến đổi và khi đến 7270C có 0,8%C sẽ chuyển biến thành hỗn hợp cùng tích của Ferit và Xementit: 0,8 727 0,02 Fe3C6,67 0 C 65 Tùy theo hình dạng Xementit ở trong hỗn hợp, ngƣời ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và peclit hạt (Peclit tấm Xementit ở dạng tấm phiến còn Peclit hạt thì Xementit ở dạng hạt).
Peclit là hỗn hợp cơ học nên có tính chất trung gian.