Giáo trình vật liệu cơ khí nghề cắt gọt kim loại cđtc phần 2 trường cao đẳng nghề đồng tháp

Giáo trình vật liệu cơ khí nghề cắt gọt kim loại phần 2 cung cấp kiến thức chuyên sâu cho sinh viên trường cao đẳng nghề Đồng Tháp.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Vật Liệu Cơ Khí
• Đề tài: Nhiệt Luyện Và Hóa Nhiệt Luyện
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 4. CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN
• 4.1. Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện
• 4.1.1. Định nghĩa
• 4.1.2. Công dụng
• 4.1.3. Ý nghĩa của nhiệt luyện
• 4.2. Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C
• 4.2.1. Khái niệm
• 4.2.2. Ý nghĩa của giản đồ
• 4.2.3. Dạng giản đồ trạng thái
• 4.2.4. Các tổ chức của hợp kim Fe-C trên giản đồ
• 4.2.4.1. Các tổ chức một pha
• 4.2.4.2. Các tổ chức hai pha
• 4.2.5. Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C
• 4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện
• 4.4. Các hình thức nhiệt luyện
• 4.4.1. Phương pháp ủ
• 4.4.1.1. Ủ không có chuyển biến pha
• 4.4.1.1.1. Ủ thấp (ủ non)
• 4.4.1.1.2. Ủ kết tinh lại
• 4.4.1.2. Ủ có chuyển biến pha
• 4.4.1.2.1. Ủ hoàn toàn
• 4.4.1.2.2. Ủ không hoàn toàn
• 4.4.1.2.3. Ủ khuếch tán
• 4.4.1.2.4. Ủ đẳng nhiệt
• 4.4.2. Thường hóa

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo trình Vật liệu Cơ khí Nhiệt luyện và Hóa nhiệt luyện

Giáo trình Vật liệu Cơ khí là một phần quan trọng trong việc nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu trong ngành cơ khí. Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện là hai quá trình chính giúp cải thiện tính chất của vật liệu, đặc biệt là thép. Nhiệt luyện giúp thay đổi tổ chức bên trong của kim loại, từ đó nâng cao độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn. Hóa nhiệt luyện, mặt khác, liên quan đến việc cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu thông qua các phương pháp như thấm cacbon và nitơ.

1.1. Khái niệm cơ bản về Nhiệt luyện và Hóa nhiệt luyện

Nhiệt luyện là quá trình nung nóng kim loại đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội để thay đổi tổ chức và tính chất của vật liệu. Hóa nhiệt luyện là quá trình cải thiện tính chất bề mặt của vật liệu thông qua các phương pháp như thấm cacbon và nitơ. Cả hai quá trình này đều có vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm cơ khí.

1.2. Tầm quan trọng của Nhiệt luyện trong ngành cơ khí

Nhiệt luyện không chỉ giúp tăng cường độ bền và độ cứng của vật liệu mà còn cải thiện tính công nghệ, giúp quá trình gia công trở nên dễ dàng hơn. Việc áp dụng nhiệt luyện đúng cách có thể làm tăng tuổi thọ của các chi tiết máy, giảm thiểu hư hỏng và tiết kiệm chi phí sản xuất.

II. Các vấn đề và thách thức trong quá trình Nhiệt luyện

Mặc dù nhiệt luyện mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức trong quá trình thực hiện. Các yếu tố như nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội đều ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Nhiệt luyện

Nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội là ba yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện. Mỗi yếu tố này cần được điều chỉnh phù hợp với loại vật liệu và yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm để đạt được kết quả tốt nhất.

2.2. Các dạng sai hỏng thường gặp khi Nhiệt luyện

Trong quá trình nhiệt luyện, có thể xảy ra một số dạng sai hỏng như nứt, biến dạng hoặc không đạt yêu cầu về độ cứng. Những sai hỏng này thường do việc kiểm soát không tốt các yếu tố nhiệt luyện hoặc do chất lượng vật liệu không đạt yêu cầu.

III. Phương pháp Nhiệt luyện hiệu quả cho Vật liệu Cơ khí

Có nhiều phương pháp nhiệt luyện khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa tính chất của vật liệu và nâng cao hiệu quả sản xuất.

3.1. Phương pháp ủ và ứng dụng của nó

Phương pháp ủ là một trong những phương pháp nhiệt luyện phổ biến, giúp làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo của thép. Ủ có thể được thực hiện ở nhiều nhiệt độ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.

3.2. Phương pháp thường hóa và lợi ích của nó

Thường hóa là phương pháp nhiệt luyện giúp cải thiện tính chất của thép bằng cách nung nóng đến trạng thái Austenit và làm nguội trong không khí. Phương pháp này giúp tăng độ cứng và cải thiện khả năng gia công của vật liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Nhiệt luyện trong sản xuất

Nhiệt luyện được áp dụng rộng rãi trong ngành sản xuất cơ khí, từ các chi tiết máy đến dụng cụ cắt. Việc áp dụng đúng phương pháp nhiệt luyện giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Nhiệt luyện trong sản xuất chi tiết máy

Nhiệt luyện giúp tăng cường độ bền và độ cứng của các chi tiết máy như bánh răng, trục, và các chi tiết chịu ma sát. Việc áp dụng nhiệt luyện đúng cách có thể làm tăng tuổi thọ của các chi tiết này.

4.2. Nhiệt luyện trong sản xuất dụng cụ cắt

Dụng cụ cắt như dao tiện, khuôn dập cần phải trải qua quá trình nhiệt luyện để đảm bảo độ cứng và độ bền. Nhiệt luyện giúp cải thiện khả năng cắt gọt và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.

V. Kết luận và tương lai của Nhiệt luyện trong ngành Cơ khí

Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng vật liệu trong ngành cơ khí. Tương lai của nhiệt luyện sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các công nghệ mới, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ Nhiệt luyện

Công nghệ nhiệt luyện đang ngày càng được cải tiến với sự xuất hiện của các thiết bị hiện đại và quy trình tự động hóa. Điều này giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quá trình nhiệt luyện.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển trong Nhiệt luyện

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực nhiệt luyện là rất cần thiết để tìm ra các phương pháp mới, cải thiện chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

• Môn học và vị trí trong chương trình đào tạo: Giáo trình thuộc khối kiến thức cơ sở ngành và chuyên ngành bắt buộc trong chương trình đào tạo kỹ sư, cử nhân kỹ thuật các ngành Cơ khí chế tạo máy, Công nghệ kỹ thuật ô tô, Kỹ thuật luyện kim và Cơ kỹ thuật. Nội dung tài liệu bao quát các học phần công nghệ vật liệu trọng tâm, cụ thể với hai mô-đun: Chương 4 – Nhiệt luyện và Hóa nhiệt luyện (Mã chương: CMH10 - 04) và Chương 5 – Kim loại màu và Hợp kim màu (Mã chương: CHM10 - 05).
• Mục tiêu học tập (Learning Outcomes):
  • Mô tả và giải thích được các điểm, đường giới hạn và chuyển biến pha trên giản đồ trạng thái Sắt – Cacbon ($Fe-C$);
  • Trình bày bản chất, thông số công nghệ của các phương pháp nhiệt luyện cơ bản (ủ, thường hóa, tôi, ram) và hóa nhiệt luyện (thấm cacbon, thấm nitơ, thấm cacbon - nitơ);
  • Phân tích nguyên nhân và phương pháp xử lý các dạng sai hỏng trong quá trình xử lý nhiệt;
  • Phân loại, đọc ký hiệu tiêu chuẩn (TCVN), phân tích tổ chức tế vi, cơ lý tính và phạm vi ứng dụng của nhôm, đồng, thiếc, chì, kẽm cùng các hợp kim ổ trượt chuyên dụng.
• Cấu trúc và cách tiếp cận: Giáo trình tiếp cận có hệ thống từ cơ sở nhiệt động lực học, giản đồ trạng thái pha đến quy trình công nghệ thực nghiệm; phân tích bản chất tổ chức tế vi làm nền tảng xác lập cơ tính và khả năng gia công của vật liệu kim loại đen và kim loại màu.
• Điểm đặc sắc của giáo trình: Thiết lập mối liên hệ trực tiếp giữa công nghệ chế tạo với thực tế sản xuất cơ khí; lượng hóa cụ thể các chế độ nhiệt độ, môi trường làm nguội, thời gian giữ nhiệt và chuẩn hóa hệ thống mác vật liệu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

• Chương 4: Nhiệt luyện và Hóa nhiệt luyện (Mã: CMH10 - 04):

  • Giản đồ trạng thái Fe - C (khảo sát đến 6,67% C): Phân tích đường lỏng $ABCD$, đường đặc $AHJECF$; các tổ chức một pha gồm Hợp kim lỏng ($L$), Ferit ($F/\alpha$ - mạng lập phương thể tâm, hòa tan tối đa 0,02% C ở 727°C), Austenit ($As/\gamma$ - mạng lập phương diện tâm, hòa tan tối đa 2,14% C ở 1147°C), Xementit ($Xe/Fe_3C$ gồm $Xe_I, Xe_{II}, Xe_{III}$); các tổ chức hai pha gồm Peclit ($P$ tấm và $P$ hạt tạo thành ở 727°C với 0,8% C) và Ledeburit ($Le$ cùng tinh tạo thành ở 1147°C với 4,3% C).
  • Thông số công nghệ nhiệt luyện: Nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội ($v_{ng} \ge v_{th}$).
  • Phương pháp ủ thép: Ủ không chuyển biến pha (ủ thấp 200–600°C khử ứng suất dư, ủ kết tinh lại 600–700°C); ủ có chuyển biến pha (ủ hoàn toàn $T_{ủ} = Ac_3 + 20\div30^\circ\text{C}$ cho thép trước cùng tích $%C \ge 0,3%$; ủ không hoàn toàn $T_{ủ} = Ac_1 + 20\div30^\circ\text{C}$ cho thép $%C > 0,7%$; ủ cầu hóa dao động quanh $A_1$; ủ khuếch tán 1100–1150°C trong 10–15 giờ; ủ đẳng nhiệt).
  • Phương pháp thường hóa thép: Nung nóng tới trạng thái hoàn toàn Austenit ($T_{th} = Ac_3 \text{ hoặc } Accm + 20\div30^\circ\text{C}$), làm nguội trong không khí tĩnh; ứng dụng cho thép cacbon thấp ($%C < 0,25%$) đạt độ cứng 140–180 HB để cắt gọt, phá lưới $Xe_{II}$ thép sau cùng tích.
  • Phương pháp tôi thép: Tôi hoàn toàn cho thép trước cùng tích ($T_{tôi} = Ac_3 + 30\div50^\circ\text{C}$), tôi không hoàn toàn cho thép sau cùng tích ($T_{tôi} = Ac_1 + 30\div50^\circ\text{C}$); môi trường tôi (nước, dầu mazut, muối nóng chảy); phương pháp tôi 1 môi trường, tôi 2 môi trường (chuyển môi trường trên $M_s$ 100°C), tôi phân cấp, tôi đẳng nhiệt tạo Bainit, tôi bộ phận, gia công lạnh dưới 0°C khi $M_k < 0^\circ\text{C}$.
  • Phương pháp ram thép: Ram thấp (150–250°C, tổ chức $M_{ram}$ cho dao cắt, khuôn dập nguội, vòng bi); Ram trung bình (300–450°C, tổ chức $T_{ram}$ cho lò xo, nhíp, khuôn rèn); Ram cao (500–650°C, tổ chức $X_{ram}$ cho trục khuỷu, thanh truyền, bánh răng – gọi là nhiệt luyện hóa tốt).
  • Khuyết tật nhiệt luyện: Biến dạng, nứt; oxi hóa và thoát cacbon (xảy ra khi nung $>570^\circ\text{C}$, phòng ngừa bằng khí quyển bảo vệ $N_2$ 50–75% hoặc lò chân không $10^{-2}\div10^{-4}\text{ mmHg}$); độ cứng không đạt; tính giòn cao do hạt Austenit thô.
  • Hóa nhiệt luyện: Ba giai đoạn (Phân hóa $\rightarrow$ Hấp thụ $\rightarrow$ Khuếch tán). Công nghệ thấm cacbon (900–950°C cho thép $%C < 0,25%$, tôi 2 lần hoặc tôi 1 lần + ram thấp, độ cứng bề mặt 60–63 HRC, lõi 30–40 HRC); thấm nitơ (520–550°C trong môi trường $NH_3$ cho thép 38CrMoAlA, 38CrWVAl đạt độ cứng 1000–1100 HV và lớp pha $\varepsilon$ chống ăn mòn); thấm cacbon - nitơ thể rắn, lỏng, khí tạo pha $Fe_3CN$.

• Chương 5: Kim loại màu và Hợp kim màu (Mã: CHM10 - 05):

  • Phân nhóm kim loại màu: Nhóm nhẹ, nặng, quý, hiếm, phóng xạ.
  • Nhôm và hợp kim nhôm: Nhôm nguyên chất ($\gamma = 2,7\text{ g/cm}^3$, $T_{chảy} = 660^\circ\text{C}$, màng oxit bảo vệ $Al_2O_3$, $\sigma_b = 60\text{ N/mm}^2$, độ cứng 25 HB, $\delta = 85%$); Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền (hệ Al-Mn, Al-Mg chứa 3–7% Mg); Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền (hệ Al-Cu 4% Cu qua tôi và hóa già tự nhiên/nhân tạo); Hợp kim nhôm đúc Silumin đơn giản (AlSi10Đ, AlSi13Đ với 10–13% Si) và Silumin phức tạp (AlSi9MgĐ, AlSi8MgĐ, $\sigma_b = 200\div250\text{ N/mm}^2$); Bột nhôm thiêu kết (SAP - $Al + Al_2O_3$).
  • Đồng và hợp kim đồng: Đồng đỏ ($\gamma = 8,94\text{ g/cm}^3$, mạng LPDT $a = 3,608\text{ \AA}$, $T_{chảy} = 1083^\circ\text{C}$, $\sigma_b = 160\text{ N/mm}^2$ khi đúc, tăng lên $450\text{ N/mm}^2$ khi biến dạng nguội); Latông đơn giản (Cu-Zn gồm LCuZn10, LCuZn20, LCuZn30, LCuZn40); Latông phức tạp (LCuZn40Pb1 dễ cắt gọt, LCuZn29Sn1 chống ăn mòn nước biển, LCuZn36Al3Ni2 cơ tính cao); Brông thiếc biến dạng và đúc (chứa $<15%\text{ Sn}$); Brông nhôm (BCuAl5, BCuAl7, BCuAl10, BCuAl10Fe4Ni4 đạt độ cứng 400 HB sau tôi và hóa già); Brông berili (BCu98Be2 chịu đàn hồi, không phát tia lửa khi va đập); Brông chì (BPb30 làm ổ trượt); Brông silic ($<3%\text{ Si}$).
  • Thiếc, Chì, Kẽm: Thiếc tráng (mác 01: 99,9% Sn), thiếc hàn (mác 02: 99,56% Sn); Chì C0 (bình điện), Chì C2 (lót bể axit), Chì C3 (chữ in, y học cản xạ); Kẽm mạ chống ăn mòn.
  • Hợp kim làm ổ trượt: Nguyên lý tổ chức "nền mềm - hạt cứng" hoặc "nền cứng - hạt mềm"; Babit nhiệt độ chảy thấp gồm babit thiếc (SnSb8Cu3, SnSb11Cu6 có khung tinh thể $Cu_3Sn$ chống thiên tích), babit chì thiếc (PbSn6Sb15Cu3Cd2, PbSn10Sb14Cu2Ni, PbSn6Sb6), babit kẽm (ZnAl10Cu5), babit nhôm (hệ Al-Sb, Al-Sn ghép bimetal với máng thép C08s); Hợp kim ổ trượt nhiệt độ chảy cao gồm gang xám Peclit - graphit tấm, brông thiếc (BSn10V1, BSn8Pb12, BSn5Zn5Pb5), brông chì (BPb30).

• Progression Logic (Logic phát triển nội dung): Nội dung phát triển tuần tự từ cơ sở giản đồ cân bằng pha ($Fe-C$) $\rightarrow$ Chuyển biến tổ chức khi xử lý nhiệt (nung nóng, làm nguội) $\rightarrow$ Công nghệ nhiệt luyện thể tích và biến tính bề mặt (hóa nhiệt luyện) $\rightarrow$ Phân tích các dạng sai hỏng kỹ thuật $\rightarrow$ Mở rộng sang vật liệu kim loại màu và các hợp kim chống ma sát chuyên dụng.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Fundamental Theories:
  • Lý thuyết cân bằng pha trên giản đồ $Fe-Fe_3C$: Phản ứng bao tinh ở 1499°C ($\delta_{0,1%C} + L_{0,51%C} \rightarrow \gamma_{0,16%C}$), phản ứng cùng tinh ở 1147°C tạo Ledeburit, phản ứng cùng tích ở 727°C tạo Peclit ($\gamma_{0,8%C} \rightarrow \alpha_{0,02%C} + Fe_3C_{6,67%C}$).
  • Động học chuyển biến pha vô khuếch tán từ Austenit sang Mactenxit trong quá trình làm nguội nhanh.
  • Động học khuếch tán nguyên tử hoạt tính vào mạng tinh thể nền kim loại trong quá trình hóa nhiệt luyện.
• Core Principles:
  • Nguyên lý tôi hoàn toàn và tôi không hoàn toàn dựa theo các đường giới hạn $Ac_1, Ac_3, Accm$;
  • Nguyên lý kết hợp Tôi và Ram cao (nhiệt luyện hóa tốt) để đạt cơ tính tổng hợp;
  • Nguyên lý tổ chức dị thể của vật liệu làm ổ trượt (tạo rãnh chứa dầu và nâng cao khả năng chịu tải ma sát).
• Essential Frameworks:
  • Hệ thống ký hiệu tiêu chuẩn TCVN cho hợp kim nhôm đúc, latông, brông và babit;
  • Đồ thị công nghệ nhiệt độ – thời gian ($T - t$) xác định ba thông số: tốc độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội.

Kỹ năng phát triển

• Technical Skills:
  • Tra cứu và đọc tọa độ nhiệt độ - thành phần trên giản đồ trạng thái $Fe-C$ và giản đồ nhôm/đồng;
  • Tính toán và thiết lập dải nhiệt độ nung công nghệ cho các nguyên công ủ, thường hóa, tôi, ram và thấm cacbon/nitơ.
• Analytical Skills:
  • Phân tích tổ chức tế vi kim loại (Ferit, Austenit, Peclit, Mactenxit, Xoocbit, Bainit, Ledeburit);
  • Chẩn đoán nguyên nhân gây sai hỏng cơ tính (nứt, biến dạng, thoát cacbon, độ cứng không đạt, tính giòn cao) và xác định biện pháp công nghệ khắc phục.
• Practical Competencies:
  • Lựa chọn mác thép và quy trình xử lý nhiệt cho các chi tiết cơ khí cụ thể (trục khuỷu, thanh truyền, bánh răng, dao tiện thép gió, đục, khuôn dập);
  • Lựa chọn hợp kim màu thích ứng với điều kiện làm việc chịu ăn mòn (LCuZn29Sn1, BCuAl5), chi tiết đàn hồi (BCu98Be2), chi tiết dập sâu (LCuZn30) và ổ trượt chịu tải (SnSb11Cu6, BPb30).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

• Pedagogical Approach: Giảng dạy dựa trên mô hình diễn dịch kết hợp trực quan hóa cấu trúc pha. Giảng viên dẫn dắt từ bản chất tinh thể học, cơ chế vi mô của mạng tinh thể (lập phương thể tâm, lập phương diện tâm) và động học khuếch tán đến việc xác lập các đường cong công nghệ thực nghiệm ($T - t$).
• Bài tập và Case Studies:
  • Phân tích các trường hợp kỹ thuật thực tế: Xử lý phôi thép bị biến cứng sau rèn bằng phương pháp ủ; khử mạng lưới $Xe_{II}$ gây giòn ở thép sau cùng tích bằng phương pháp thường hóa; quy trình tôi 2 lần + ram thấp cho thép thấm cacbon hạt thô.
  • Xử lý các tình huống chế tạo chi tiết máy: Lựa chọn vật liệu làm ổ trượt chịu tải trọng va đập trong động cơ đốt trong (sử dụng PbSn10Sb14Cu2Ni hoặc PbSn6Sb6); lựa chọn hợp kim đồng làm việc trong môi trường nước biển (LCuZn29Sn1, BCuAl7).
• Practical Exercises:
  • Bài tập xác định nhiệt độ tôi cho thép cacbon có hàm lượng $%C$ xác định dựa vào các điểm tới hạn $Ac_1, Ac_3, Accm$;
  • Bài tập tra cứu thành phần hóa học, giới hạn bền ($\sigma_b$), giới hạn chảy ($\sigma_{0.2}$), độ giãn dài tương đối ($\delta$), độ cứng (HB, HRC, HV) của latông và brông theo tiêu chuẩn TCVN.
• Assessment Methods: Đánh giá kết quả học tập qua bài thi lý thuyết chuyển biến pha, bài tập thiết lập quy trình công nghệ nhiệt luyện chi tiết máy thành phẩm và kiểm tra khả năng tra cứu, nhận diện mác vật liệu hợp kim màu.
• Self-study Guidelines: Sinh viên tự học bằng cách vẽ lại giản đồ pha $Fe-C$, đánh dấu các vùng tổ chức một pha/hai pha, trả lời hệ thống 6 câu hỏi ôn tập tổng hợp cuối chương và lập bảng so sánh thông số các phương pháp xử lý nhiệt.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Dữ liệu định lượng trong thực tế sản xuất: Giáo trình cung cấp số liệu thực tế về tỷ lệ áp dụng nhiệt luyện trong công nghiệp chế tạo: chi tiết qua nhiệt luyện trong ô tô – máy kéo chiếm từ 70% đến 80%, trong máy công cụ chiếm từ 60% đến 70%, và 100% các dụng cụ cắt gọt, khuôn dập bắt buộc phải qua nhiệt luyện (tôi + ram) để tăng độ bền và độ cứng gấp 2 đến 3 lần.
• Tích hợp các phương pháp xử lý nhiệt tiên tiến:
  • Công nghệ tôi đẳng nhiệt tạo tổ chức Bainit không cần ram;
  • Công nghệ gia công lạnh dưới 0°C cho thép hợp kim có điểm kết thúc chuyển biến $M_k < 0^\circ\text{C}$;
  • Công nghệ bảo vệ bề mặt chống oxy hóa và thoát cacbon ở nhiệt độ nung $>570^\circ\text{C}$ bằng khí quyển bảo vệ ($N_2$ chiếm 50–75%), khí quyển trung tính và môi trường chân không ($10^{-2}\div10^{-4}\text{ mmHg}$).
• Cập nhật công nghệ biến tính bề mặt và vật liệu màu:
  • Công nghệ thấm nitơ cho các mác thép hợp kim đặc biệt 38CrMoAlA và 38CrWVAl sau nhiệt luyện hóa tốt, đạt độ cứng 1000–1100 HV và hình thành pha $\varepsilon$ chống ăn mòn khí quyển;
  • Công nghệ thấm cacbon - nitơ thể khí tạo pha cacbonitrit $Fe_3CN$ phân tán;
  • Vật liệu bột nhôm thiêu kết (SAP) chịu nhiệt độ cao; công nghệ cán ép kim loại ghép (bimetal) giữa hợp kim babit nhôm/brông chì (BPb30) với máng thép C08s để chế tạo ổ trượt hiện đại.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên trình độ Đại học, Cao đẳng từ năm thứ hai đến năm cuối thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ kỹ thuật, Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Luyện kim và Khoa học Vật liệu.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học: Vật lý đại cương (phần cấu trúc chất rắn và mạng tinh thể), Hóa học đại cương (phản ứng pha, dung dịch rắn, nhiệt động học hóa học) và Sức bền vật liệu (các chỉ tiêu cơ tính $\sigma_b, \sigma_{0.2}, \delta, \psi, a_k$).
• Giảng viên và phương thức khai thác: Giảng viên sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa, biên soạn bài giảng điện tử và xây dựng đề tài đồ án môn học liên quan đến quy trình nhiệt luyện và lựa chọn vật liệu trong thiết kế cơ khí.
• Kỹ sư và Cán bộ kỹ thuật tham khảo: Tài liệu phục vụ cán bộ kỹ thuật, kỹ sư công nghệ tại các phân xưởng nhiệt luyện, xưởng đúc, nhà máy sản xuất phụ tùng cơ khí để tra cứu chế độ nung/làm nguội và lựa chọn vật liệu hợp kim màu thay thế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn phục vụ sinh viên khối ngành kỹ thuật cơ khí, luyện kim, chế tạo máy, công nghệ ô tô và các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật trực tiếp làm việc tại các xưởng đúc, xử lý nhiệt và thiết kế cơ khí.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần nắm vững kiến thức về cấu tạo mạng tinh thể trong Vật lý đại cương, khái niệm dung dịch rắn và phản ứng hóa học trong Hóa học đại cương, cùng các định nghĩa về cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ dai va đập) trong môn Sức bền vật liệu.

3. Điểm khác biệt cốt lõi của giáo trình so với các tài liệu khác là gì?

Tài liệu liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết giản đồ pha cân bằng với các thông số công nghệ nhiệt luyện định lượng thực tế, đồng thời hệ thống hóa chi tiết các mác kim loại màu, hợp kim ổ trượt theo hệ thống tiêu chuẩn TCVN.

4. Phương pháp tự học nội dung giáo trình đạt hiệu quả cao?

Người học cần kết hợp việc phân tích giản đồ trạng thái $Fe-C$, ghi nhớ bản chất các pha ($\alpha, \gamma, Fe_3C, P, Le, M$), giải quyết hệ thống 6 câu hỏi ôn tập cuối chương và đối chiếu các dạng sai hỏng với giải pháp công nghệ phòng ngừa.

5. Có những tài liệu và sơ đồ bổ trợ nào đi kèm trong giáo trình?

Giáo trình tích hợp đồ thị công nghệ nhiệt luyện tổng quát ($T - t$), sơ đồ phân loại hợp kim nhôm, sơ đồ tổ chức vật liệu ổ trượt, bảng thông số cơ tính latông (LCuZn10 đến LCuZn40) và hệ thống câu hỏi ôn tập tổng hợp.

---

Kết luận

• Giá trị cốt lõi của giáo trình: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu công nghệ chuẩn xác về quá trình biến đổi tổ chức tế vi, công nghệ nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện thép và đặc tính ứng dụng của các hợp kim màu, hợp kim ổ trượt trong cơ khí chế tạo.
• Lộ trình học tập khuyến nghị (Learning Pathway): $$\text{Nghiên cứu Giản đồ Fe-C} \longrightarrow \text{Công nghệ Ủ, Thường hóa} \longrightarrow \text{Công nghệ Tôi, Ram} \longrightarrow \text{Hóa nhiệt luyện} \longrightarrow \text{Kim loại màu & Hợp kim ổ trượt}$$
• Tài nguyên bổ sung: Các sổ tay công nghệ nhiệt luyện, hệ thống Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) về mác kim loại và hợp kim, cùng tài liệu hướng dẫn thực hành phân tích tổ chức kim loại học dưới kính hiển vi quang học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.