Ch¬ng 4

112

112

Ch¬ng 4 nhiÖt luyÖn thÐp

Trong ba ch¬ng võa qua ®∙ tr×nh bµy çc d¹ng cÊu tróc tinh thÓ ®¬n gi¶n (kim lo¹i), phøc t¹p (hîp kim), sù phô thuéc cña c¬ tÝnh vµo cÊu tróc. ë ch¬ng nµy sÏ nghiªn cøu nh÷ng biÕn ®æi vÒ tæ chøc vµ c¬ tÝnh t¬ng øng cña thÐp khi nung nãng råi lµm nguéi tiÕp theo, tøc khi nhiÖt luyÖn. ThÐp lµ vËt liÖu rÊt th«ng dông vµ lµ hîp kim nh¹y c¶m nhÊt víi nhiÖt luyÖn vµ c«ng nghÖ nµy rÊt phæ biÕn trong s¶n xuÊt c¬ khÝ. Nh÷ng d¹ng nhiÖt luyÖn ®îc ¸p dông cho çc hîp kim vµ vËt liÖu kh¸c còng cã thÓ hiÓu ®îc th«ng qua nhiÖt luyÖn thÐp.

4.1. Kh¸i niÖm vÒ nhiÖt luyÖn thÐp

4.1.1. S¬ lîc vÒ nhiÖt luyÖn

a. §Þnh nghÜa NhiÖt luyÖn lµ c«ng nghÖ nung nãng kim lo¹i, hîp kim ®Õn nhiÖt ®é x¸c ®Þnh, gi÷ nhiÖt t¹i ®ã mét thêi gian thÝch hîp råi sau ®ã lµm nguéi víi tèc ®é nhÊt ®Þnh ®Ó lµm thay ®æi tæ chøc, do ®ã biÕn ®æi c¬ tÝnh vµ çc tÝnh chÊt kh¸c theo ph¬ng híng ®∙ chän tríc (nãi chung kh«ng thÓ ®iÒu chØnh v« cÊp tèc ®é nguéi, thêng lµ lµm nguéi trong mét sè m«i trêng nh sÏ thÊy vÒ sau nµy). NhiÖt luyÖn lµ ph¬ng ph¸p gia c«ng (treatment) cã nh÷ng ®Æc ®iÓm riªng. Sau ®©y lµ çc ®iÓm ph©n biÖt nguyªn c«ng nµy víi çc nguyªn c«ng gia c«ng c¬ khÝ kh¸c: - Kh¸c víi ®óc, hµn lµ nã kh«ng nung nãng ®Õn tr¹ng th¸i láng, lu«n lu«n chØ ë tr¹ng th¸i r¾n (tøc nhiÖt ®é nung nãng ph¶i thÊp h¬n ®êng r¾n). - Kh¸c víi c¾t gät, biÕn d¹ng dÎo (rÌn, dËp) khi nhiÖt luyÖn (trõ c¬ - nhiÖt luyÖn) h×nh d¹ng vµ kÝch thíc s¶n phÈm kh«ng thay ®æi hay thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ. - KÕt qu¶ cña nhiÖt luyÖn ®îc ®¸nh gi¸ b»ng biÕn ®æi cña tæ chøc tÕ vi vµ c¬ tÝnh, kh«ng thÓ kiÓm tra b»ng vÎ ngoµi b»ng m¾t thêng.

b. Çc yÕu tè ®Æc trng cho nhiÖt luyÖn

H×nh 4.1. S¬ ®å cña qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn ®¬n gi¶n nhÊt.

§èi víi qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn, Ýt nhÊt còng ®îc ®Æc trng b»ng ba th«ng sè quan träng nhÊt sau (xem s¬ ®å qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn ®¬n gi¶n nhÊt vÏ ë h×nh 4.1):

113

113

- NhiÖt ®é nung nãng 0nT : nhiÖt ®é cao nhÊt mµ qu¸ tr×nh ph¶i ®¹t ®Õn.

- Thêi gian gi÷ nhiÖt tgn: thêi gian ngng ë nhiÖt ®é nung nãng. - Tèc ®é nguéi Vnguéi sau khi gi÷ nhiÖt. Ba th«ng sè nµy ®Æc trng t¬ng øng víi ba giai ®o¹n nèi tiÕp nhau cña qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn: nung nãng, gi÷ nhiÖt vµ lµm nguéi. §èi víi kÕt qu¶, nhiÖt luyÖn ®îc ®¸nh gi¸ b»ng çc chØ tiªu sau: + Tæ chøc tÕ vi bao gåm cÊu t¹o pha, kÝch thíc h¹t, chiÒu s©u líp hãa bÒn... Cã thÓ nãi ®©y lµ chØ tiªu gèc, c¬ b¶n nhÊt song ®Ó thùc hiÖn kh¸ mÊt thêi gian, nªn thêng chØ kiÓm tra trong tõng mÎ khi s¶n xuÊt ®∙ æn ®Þnh. + §é cøng lµ chØ tiªu c¬ tÝnh dÔ x¸c ®Þnh vµ còng cã liªn quan ®Õn çc chØ tiªu kh¸c nh ®é bÒn, ®é dÎo, ®é dai. V× vËy bÊt cø chi tiÕt, dông cô nµo qua nhiÖt luyÖn còng ®îc quy ®Þnh gi¸ trÞ ®é cøng (tïy trêng hîp, ph¶i lín h¬n hay nhá h¬n gi¸ trÞ quy ®Þnh) vµ th«ng thêng ®îc kiÓm tra theo tû lÖ (trong mét sè trêng hîp quan träng cã thÓ ph¶i kiÓm tra c¶ 100%). + §é cong vªnh, biÕn d¹ng. Nãi chung ®é biÕn d¹ng khi nhiÖt luyÖn trong nhiÒu trêng hîp lµ nhá hoÆc kh«ng ®¸ng kÓ, song trong mét sè trêng hîp quan träng yªu cÇu nµy rÊt kh¾t khe, nÕu vît qu¸ ph¹m vi cho phÐp còng kh«ng thÓ sö dông ®îc.

c. Ph©n lo¹i nhiÖt luyÖn thÐp S¬ bé cã thÓ ph©n lo¹i çc ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÐp víi nh÷ng ®Æc ®iÓm chñ yÕu nh sau:

NhiÖt luyÖn, thêng gÆp nhÊt: chØ dïng çch thay ®æi nhiÖt ®é (kh«ng cã biÕn ®æi thµnh phÇn vµ biÕn d¹ng dÎo) ®Ó biÕn ®æi tæ chøc trªn toµn tiÕt diÖn. Nã bao gåm nhiÒu ph¬ng ph¸p:

• ñ: nung nãng råi lµm nguéi chËm ®Ó ®¹t tæ chøc c©n b»ng víi ®é cøng, ®é bÒn thÊp nhÊt, ®é dÎo cao nhÊt.

• Thêng hãa: nung nãng ®Õn tæ chøc hoµn toµn austenit, lµm nguéi b×nh thêng trong kh«ng khÝ tÜnh ®Ó ®¹t tæ chøc gÇn c©n b»ng. Môc ®Ých cña ñ vµ thêng hãa lµ lµm mÒm thÐp ®Ó dÔ gia c«ng c¾t vµ dËp nguéi.

• T«i: nung nãng lµm xuÊt hiÖn austenit råi lµm nguéi nhanh ®Ó ®¹t tæ chøc kh«ng c©n b»ng víi ®é cøng cao nhÊt (nhng còng ®i kÌm víi ®é gißn cao). NÕu hiÖu øng nµy chØ x¶y ra ë bÒ mÆt ®îc gäi lµ t«i bÒ mÆt.

• Ram: nguyªn c«ng b¾t buéc sau khi t«i, nung nãng l¹i thÐp t«i ®Ó ®iÒu chØnh ®é cøng, ®é bÒn theo ®óng yªu cÇu lµm viÖc. Nh vËy t«i vµ ram lµ hai nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn ®i kÌm víi nhau (kh«ng tiÕn hµnh riªng lÎ mµ lu«n lu«n kÕt hîp víi nhau), môc ®Ých cña t«i + ram lµ t¹o c¬ tÝnh phï hîp víi yªu cÇu lµm viÖc cô thÓ.

- Hãa - nhiÖt luyÖn: dïng çch thay ®æi nhiÖt ®é vµ biÕn ®æi thµnh phÇn hãa häc ë bÒ mÆt lµm vïng nµy cã biÕn ®æi tæ chøc vµ c¬ tÝnh m¹nh h¬n. Thêng tiÕn hµnh b»ng çch thÊm, khuÕch t¸n mét hay nhiÒu nguyªn tè nhÊt ®Þnh. • ThÊm ®¬n nguyªn tè cã: thÊm cacbon, thÊm nit¬...

114

114

• ThÊm ®a nguyªn tè cã: thÊm cacbon - nit¬, thÊm cacbon - nit¬ - lu huúnh...

C¬ - nhiÖt luyÖn: dïng çch thay ®æi nhiÖt ®é vµ biÕn d¹ng dÎo ®Ó biÕn ®æi tæ chøc vµ c¬ tÝnh trªn toµn tiÕt diÖn m¹nh h¬n khi nhiÖt luyÖn ®¬n thuÇn. Thêng tiÕn hµnh ë xëng çn nãng thÐp, tøc ë çc xÝ nghiÖp luyÖn kim.

4.1.2. T¸c dông cña nhiÖt luyÖn ®èi víi s¶n xuÊt c¬ khÝ NhiÖt luyÖn lµ kh©u quan träng vµ kh«ng thÓ thiÕu ®îc ®èi víi chÕ t¹o c¬ khÝ v× nã cã çc t¸c dông chñ yÕu sau.

a. T¨ng ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn vµ ®é bÒn cña thÐp Môc tiªu cña s¶n xuÊt c¬ khÝ lµ s¶n xuÊt ra çc c¬ cÊu vµ m¸y bÒn h¬n, nhÑ h¬n, kháe h¬n víi çc tÝnh n¨ng tèt h¬n. §Ó ®¹t ®îc ®iÒu ®ã kh«ng thÓ kh«ng sö dông nh÷ng thµnh qu¶ cña vËt liÖu kim lo¹i vµ nhiÖt luyÖn, sö dông triÖt ®Ó çc tiÒm n¨ng cña vËt liÖu vÒ mÆt c¬ tÝnh. B»ng nh÷ng ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÝch hîp nh t«i + ram, t«i bÒ mÆt, thÊm cacbon, thÊm cacbon - nit¬... ®é bÒn vµ ®é cøng cña thÐp cã thÓ t¨ng lªn tõ ba ®Õn s¸u lÇn, nhê ®ã cã thÓ dÉn tíi rÊt nhiÒu ®iÒu cã lîi nh sau: - Tuæi bÒn (thêi h¹n lµm viÖc) cña m¸y t¨ng lªn do hÖ sè an toµn cao, kh«ng g∙y vì (do n©ng cao ®é bÒn). Trong nhiÒu trêng hîp m¸y háng cßn lµ do bÞ mßn qu¸ m¹nh, n©ng cao ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn còng cã t¸c dông nµy. - M¸y hay kÕt cÊu cã thÓ nhÑ ®i, ®iÒu nµy dÉn ®Õn tiÕt kiÖm kim lo¹i (h¹ gi¸ thµnh), n¨ng lîng (nhiªn liÖu) khi vËn hµnh. - T¨ng søc chÞu t¶i cña m¸y, ®éng c¬, ph¬ng tiÖn vËn t¶i («t«, toa xe, tµu biÓn...) vµ kÕt cÊu (cÇu, nhµ, xëng...), ®iÒu nµy dÉn tíi çc hiÖu qu¶ kinh tÕ - kü thuËt lín. PhÇn lín çc chi tiÕt m¸y quan träng nh trôc, trôc khuûu, vßi phun cao ¸p, b¸nh r¨ng truyÒn lùc víi tèc ®é nhanh, chèt..., ®Æc biÖt lµ 100% dao c¾t, dông cô ®o vµ çc dông cô biÕn d¹ng (khu«n) ®Òu ph¶i qua nhiÖt luyÖn t«i + ram hoÆc hãa nhiÖt luyÖn. Chóng thêng ®îc tiÕn hµnh gÇn nh lµ sau cïng, nh»m t¹o cho chi tiÕt, dông cô c¬ tÝnh thÝch hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc vµ ®îc gäi lµ nhiÖt luyÖn kÕt thóc (thêng tiÕn hµnh trªn s¶n phÈm). Nh thêng thÊy, chÊt lîng cña m¸y, thiÕt bÞ còng nh phô tïng thay thÕ phô thuéc rÊt nhiÒu vµo çch sö dông vËt liÖu vµ nhiÖt luyÖn chóng. Nh÷ng m¸y lµm viÖc tèt kh«ng thÓ kh«ng sö dông vËt liÖu tèt (mét çch hîp lý, ®óng chç) vµ nhiÖt luyÖn b¶o ®¶m.

b. C¶i thiÖn tÝnh c«ng nghÖ Muèn t¹o thµnh chi tiÕt m¸y, s¶n phÈm thÐp ph¶i qua nhiÒu kh©u, nguyªn c«ng gia c«ng c¬ khÝ: rÌn, dËp, c¾t... §Ó b¶o ®¶m s¶n xuÊt dÔ dµng víi n¨ng suÊt lao ®éng cao, chi phÝ thÊp thÐp ph¶i cã c¬ tÝnh sao cho phï hîp víi ®iÒu kiÖn gia c«ng tiÕp theo nh cÇn mÒm ®Ó dÔ c¾t hoÆc dÎo ®Ó dÔ biÕn d¹ng nguéi. Muèn vËy còng ph¶i ¸p dông çc biÖn ph¸p nhiÖt luyÖn thÝch hîp: ñ hoÆc thêng hãa. VÝ dô, sau khi biÕn d¹ng (®Æc biÖt lµ kÐo nguéi) thÐp bÞ biÕn cøng ®Õn møc kh«ng thÓ c¾t gät hay biÕn d¹ng (kÐo) tiÕp ®îc, ph¶i ®a ®i ñ hoÆc thêng hãa ®Ó lµm gi¶m ®é cøng, t¨ng ®é dÎo. Sau xö lý nh vËy thÐp trë nªn rÊt dÔ gia c«ng tiÕp theo. Çc ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn tiÕn hµnh víi môc ®Ých nh vËy ®îc gäi lµ nhiÖt luyÖn s¬ bé, chóng n»m gi÷a çc nguyªn c«ng gia c«ng c¬ khÝ (thêng tiÕn

115

115

hµnh trªn ph«i). VËy trong s¶n xuÊt c¬ khÝ cÇn ph¶i biÕt tËn dông çc ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÝch hîp, kh«ng nh÷ng b¶o ®¶m kh¶ n¨ng lµm viÖc l©u dµi cho chi tiÕt, dông cô b»ng thÐp mµ cßn lµm dÔ dµng cho qu¸ tr×nh gia c«ng.

c. NhiÖt luyÖn trong nhµ m¸y c¬ khÝ ë çc nhµ m¸y c¬ khÝ víi quy m« nhá vµ trung b×nh, bé phËn nhiÖt luyÖn kh«ng lín vµ thêng ®Æt tËp trung. Sau khi nhiÖt luyÖn s¬ bé, tõ ®©y ph«i thÐp ®îc chuyÓn tíi çc ph©n xëng c¾t gät, dËp vµ sau khi nhiÖt luyÖn kÕt thóc çc chi tiÕt m¸y quan träng (cÇn cøng vµ bÒn cao) ®îc ®a qua mµi hay th¼ng ®Õn l¾p r¸p. Çch s¾p xÕp nh vËy cã nhiÒu nhîc ®iÓm, song kh«ng thÓ kh¸c v× s¶n lîng thÊp. ë çc nhµ m¸y c¬ khÝ cã quy m« lín vµ rÊt lín, çc chi tiÕt m¸y ®îc gia c«ng hoµn chØnh tõ kh©u ®Çu ®Õn kh©u cuèi trªn d©y chuyÒn c¬ khÝ hãa hoÆc tù ®éng hãa trong ®ã bao gåm c¶ nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn. Do vËy nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn ë ®©y còng ph¶i ®îc c¬ khÝ hãa thËm chÝ tù ®éng hãa vµ ph¶i chèng nãng, ®éc ®Ó kh«ng cã ¶nh hëng xÊu ®Õn b¶n th©n ngêi lµm nhiÖt luyÖn còng nh c¶ d©y chuyÒn s¶n xuÊt c¬ khÝ. Çch s¾p xÕp chuyªn m«n hãa cao nh vËy b¶o ®¶m chÊt lîng s¶n phÈm rÊt tèt vµ ®ång ®Òu, l¹i kh«ng tèn c«ng vËn chuyÓn vµ cã n¨ng suÊt cao. Còng cÇn nhÊn m¹nh, nhiÖt luyÖn lµ c«ng nghÖ tiªu phÝ nhiÒu n¨ng lîng ®Ó sinh nhiÖt do vËy cÇn tæ chøc s¶n xuÊt vµ lùa chän ph¬ng ¸n tiÕt kiÖm ®îc n¨ng lîng.

4.2. Çc tæ chøc ®¹t ®îc khi nung nãng vµ lµm nguéi thÐp Nh ®∙ biÕt b¶n chÊt cña nhiÖt luyÖn lµ biÕn ®æi tæ chøc, chuyÓn pha, vËy tríc tiªn h∙y xÐt xem khi nung nãng thÐp cã thµnh phÇn cacbon nµo ®ã lªn ®Õn çc nhiÖt ®é kh¸c nhau cã nh÷ng chuyÓn biÕn pha nµo, khi lµm nguéi tiÕp theo víi tèc ®é nguéi kh¸c nhau, tæ chøc võa t¹o thµnh sÏ biÕn ®æi ®Ó thµnh tæ chøc g× vµ do ®ã sÏ biÕt ®îc c¬ tÝnh thay ®æi nh thÕ nµo. §ã lµ sù lý gi¶i cho mäi qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn. Ta lÇn lît xÐt biÕn ®æi tæ chøc cho tõng qu¸ tr×nh mét. Tríc hÕt lÊy c¬ së lµ thÐp t¬ng øng víi gi¶n ®å pha Fe - C (ngoµi Fe, C ra kh«ng cã nguyªn tè nµo kh¸c), trong ®ã ®i tõ lo¹i thÐp cã tæ chøc ®¬n gi¶n nhÊt - peclit lµ thÐp cïng tÝch víi 0,80%C råi më réng ra cho çc lo¹i thÐp cßn l¹i (tríc vµ sau cïng tÝch).

4.2.1. Çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi nung nãng thÐp - Sù t¹o thµnh austenit Thao t¸c ®Çu tiªn cña nhiÖt luyÖn lµ nung nãng. Phô thuéc vµo thµnh phÇn cacbon cña thÐp vµ nhiÖt ®é nung nãng, trong thÐp sÏ cã nh÷ng chuyÓn biÕn kh¸c nhau.

a. C¬ së x¸c ®Þnh chuyÓn biÕn khi nung C¬ së ®Ó x¸c ®Þnh chuyÓn biÕn khi nung thÐp lµ gi¶n ®å pha Fe - C, song chØ giíi h¹n ë khu vùc thÐp vµ ë tr¹ng th¸i r¾n (díi ®êng r¾n) nh tr×nh bµy ë h×nh 4.2. Nh thÊy râ tõ gi¶n ®å pha, ë nhiÖt ®é thêng mäi thÐp ®Òu cÊu t¹o bëi hai pha c¬ b¶n: ferit vµ xªmentit, trong ®ã cã peclit lµ hçn hîp cïng tÝch cña hai pha nµy.

116

116

- ThÐp cïng tÝch cã tæ chøc ®¬n gi¶n h¬n c¶, chØ cã peclit. - Çc thÐp tríc vµ sau cïng tÝch cã tæ chøc phøc t¹p h¬n: ngoµi peclit ra cßn cã thªm ferit hoÆc xªmentit thø hai. B©y giê khi nung nãng çc thÐp nµy lªn nhiÖt ®é cao, h∙y xem trong chóng lÇn lît x¶y ra çc chuyÓn biÕn g× ? + Khi nhiÖt ®é nung nãng thÊp h¬n Ac1 trong mäi thÐp vÉn cha cã chuyÓn biÕn g× (cho nªn sau ®ã dï lµm nguéi ra sao tæ chøc cña thÐp vÉn kh«ng bÞ biÕn ®æi, nh gi¶n ®å pha). + Khi nhiÖt ®é nung nãng ®¹t ®Õn Ac1, phÇn tæ chøc peclit cña mäi lo¹i thÐp chuyÓn biÕn thµnh austenit theo ph¶n øng: [Feα + Fe3C]0,80%C → Feγ (C)0,80%C

trong khi ®ã ferit vµ xªmentit thø hai cña çc thÐp tríc vµ sau cïng tÝch cha chuyÓn biÕn. VËy nÕu chØ nung nãng qu¸ nhiÖt ®é Ac1 mét chót ta thÊy: • ThÐp cïng tÝch ®∙ chuyÓn biÕn hoµn toµn: cã tæ chøc hoµn toµn lµ austenit. • ThÐp tríc vµ sau cïng tÝch cã chuyÓn biÕn nhng cha hoµn toµn: cã tæ chøc kh«ng hoµn toµn lµ austenit, tøc cã tæ chøc t¬ng øng austenit + ferit vµ austenit + xªmentit thø hai. Tuy nhiªn khi nung nãng tiÕp tôc tõ Ac1 lªn ®Õn Ac3 vµ Accm sÏ cã qu¸ tr×nh hßa tan ferit vµ xªmentit II cßn d vµo austenit, lµm lîng hai pha nµy trong tæ chøc ngµy mét Ýt ®i. + Khi nhiÖt ®é nung nãng cao h¬n Ac3 vµ Accm sù hßa tan çc pha d ferit vµ xªmentit II vµo austenit cña çc thÐp tríc vµ sau cïng tÝch còng kÕt thóc vµ chØ cßn mét pha: hoµn toµn austenit víi thµnh phÇn ®óng nh cña thÐp.

H×nh 4.2. Gi¶n ®å pha Fe - C (phÇn thÐp).

VËy khi nung nãng qu¸ ®êng GSE mäi thÐp (dï cã cacbon cao, thÊp) ®Òu cã tæ chøc gièng nhau lµ dung dÞch r¾n austenit song víi nång ®é cacbon kh¸c nhau vµ b»ng chÝnh thµnh phÇn cacbon cña thÐp. Cßn khi tiÕp tôc nung nãng qu¸ ®êng nµy lªn ®Õn s¸t ®êng r¾n, çc thÐp vÉn gi÷ nguyªn tæ chøc cïng nång ®é cacbon, tøc kh«ng cßn chuyÓn pha nµo n÷a (nhng lµm h¹t austenit lín lªn nh sÏ

117

117

nãi ë môc b tiÕp theo). Tãm l¹i c¬ së ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc t¹o thµnh khi nung nãng thÐp lµ gi¶n ®å pha Fe - C (c¨n cø vµo täa ®é: %C - nhiÖt ®é n»m ë trong vïng nµo, tæ chøc sÏ t¬ng øng víi vïng ®ã). Cã thÓ thÊy lµ, trong çc chuyÓn biÕn khi nung nãng võa kÓ ë trªn th× chuyÓn biÕn peclit thµnh austenit lµ c¬ së vµ ®ã còng lµ môc tiªu thêng ph¶i ®¹t tíi ®èi víi phÇn lín qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn (trõ ram). H∙y xÐt kü h¬n çc ®Æc ®iÓm cña chuyÓn biÕn nµy ®Ó cã thÓ rót ra çc kÕt luËn cÇn thiÕt chØ dÉn cho nhiÖt luyÖn.

b. §Æc ®iÓm cña chuyÓn biÕn peclit thµnh austenit ë ®©y sÏ xÐt kü hai vÊn ®Ò: nhiÖt ®é chuyÓn biÕn vµ kÝch thíc h¹t austenit t¹o thµnh mµ qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn t¬ng øng ph¶i ®¹t tíi. NhiÖt ®é chuyÓn biÕn Nh thÊy râ tõ gi¶n ®å pha Fe - C, chuyÓn biÕn nµy x¶y ra ë A1 = 727oC, song ®iÒu nµy chØ ®óng khi nung nãng v« cïng chËm (lµ ®iÒu kiÖn ®Ó x©y dùng gi¶n ®å pha), nªn khi nung nãng thùc tÕ (víi tèc ®é ®¸ng kÓ) tÊt nhiªn nhiÖt ®é chuyÓn biÕn ph¶i lu«n lu«n cao h¬n, tèc ®é nung cµng lín, nhiÖt ®é chuyÓn biÕn cµng cao. Cã thÓ thÊy râ ®iÒu nµy ë h×nh 4.3. ë ®©y ngêi ta dïng çch nung nãng ®¼ng nhiÖt ®Ó x¸c ®Þnh thêi gian x¶y ra chuyÓn biÕn ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau vµ thÊy r»ng chuyÓn biÕn kh«ng tøc thêi: sau mét thêi gian míi b¾t ®Çu råi sau ®ã mét thêi gian n÷a míi kÕt thóc (nung nãng ®¼ng nhiÖt lµ ph¬ng ph¸p nung ®¹t nhiÖt ®é rÊt nhanh råi gi÷, ngng, lu«n ë ®ã b»ng çch nhóng nh÷ng mÈu thÐp nhá, máng vµo m«i trêng, thêng lµ muèi láng nãng ch¶y, cã nhiÖt ®é cao cè ®Þnh. §Ó lËp nªn gi¶n ®å nµy ph¶i tiÕn hµnh nhiÒu mÉu ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau). Gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt peclit thµnh austenit cña thÐp cïng tÝch cã d¹ng cña hai ®êng cong biÓu thÞ thêi ®iÓm b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn ®ã trªn hai trôc nhiÖt ®é - thêi gian. Qua ®ã thÊy r»ng nhiÖt ®é nung (®¼ng nhiÖt) cµng cao, thêi gian b¾t ®Çu vµ kÕt thóc (tÝnh b»ng kho¶ng çch tõ trôc hoµnh ®Õn hai ®êng cong nµy) vµ thêi gian ®Ó hoµn thµnh chuyÓn biÕn nµy (kho¶ng çch gi÷a hai ®êng cong) ®Òu ng¾n l¹i.

H×nh 4.3. Gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt cña peclit thµnh austenit cña thÐp cïng tÝch vµ çc vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nung V2 > V1.

Tuy nhiªn trong thùc tÕ thêng dïng çch nung nãng liªn tôc (nung víi tèc ®é), nªn ®Ó lµm râ trêng hîp nµy ngêi ta ®Æt lªn gi¶n ®å trªn hai vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nguéi, chóng sÏ lÇn lît c¾t çc ®êng b¾t ®Çu vµ kÕt thóc ë çc ®iÓm t¬ng øng. Khi nung nãng víi çc tèc ®é kh¸c nhau, V2 > V1, thÊy râ çc nhiÖt ®é b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn ë V2 lu«n lu«n cao h¬n çc nhiÖt ®é cïng lo¹i ë V1, tøc lµ a2 > a1, b2 > b1 vµ thêi gian cÇn ®Ó hoµn thµnh chuyÓn biÕn còng ng¾n l¹i

118

118

t¬ng øng. Nh vËy, tèc ®é nung nãng cµng cao chuyÓn biÕn peclit thµnh austenit x¶y ra ë nhiÖt ®é cµng cao trong thê× gian cµng ng¾n. Trong thùc tÕ, ®Ó ®¹t ®îc chuyÓn biÕn quy ®Þnh ph¶i nung nãng qu¸ nhiÖt ®é tíi h¹n t¬ng øng Ýt nhÊt lµ 20 ÷ 30oC khi nung chËm (ñ) vµ cã thÓ tíi hµng tr¨m oC khi nung nhanh (nung c¶m øng). KÝch thíc h¹t austenit Tuy austenit kh«ng tån t¹i ë nhiÖt ®é thêng song vÉn ph¶i ®Ó ý ®Õn cÊp h¹t cña nã v× çc s¶n phÈm t¹o thµnh tõ çc h¹t nhá ausenit bao giê còng cã ®é dÎo, ®é dai tréi h¬n so víi tõ h¹t lín austenit. V× vËy th«ng thêng trong bÊt kú trêng hîp nµo còng yªu cÇu ph¶i ®¹t ®îc tæ chøc austenit h¹t nhá, muèn vËy ph¶i biÕt quy luËt h×nh thµnh h¹t austenit còng nh sù lín lªn cña nã. ChuyÓn biÕn peclit → austenit còng theo c¬ chÕ: t¹o vµ ph¸t triÓn mÇm nh kÕt tinh. MÇm austenit ®îc t¹o nªn gi÷a hai pha ferit vµ xªmentit cña peclit (h×nh 4.4) do bÒ mÆt ph©n chia gi÷a chóng rÊt nhiÒu nªn sè mÇm t¹o thµnh còng rÊt nhiÒu, v× thÕ h¹t austenit lóc míi t¹o thµnh rÊt nhá mÞn (cã thÓ nhá h¬n cÊp 8, tíi cÊp 9, 10 nh biÓu thÞ ë h×nh 4.4d) (v× austenit cã 0,80%C trung gian gi÷a ferit - 0%C, vµ xªmentit - 6,67%C, nªn mÇm austenit chØ cã thÓ sinh ra ë vïng gi÷a hai pha c¬ b¶n nµy).

H×nh 4.4. Qu¸ tr×nh t¹o mÇm vµ ph¸t triÓn mÇm austenit tõ peclit (tÊm).

CÇn ghi nhí r»ng chuyÓn biÕn peclit → austenit bao giê còng lµm nhá h¹t cña thÐp. HiÖu øng nµy cÇn ®îc chó ý, tËn dông triÖt ®Ó trong nhiÖt luyÖn. H¬n n÷a h¹t austenit t¹o thµnh sÏ cµng nhá mÞn h¬n khi peclit ban ®Çu cã ®é ph©n t¸n cµng cao (tøc phÇn tö xªmentit trong nã cµng bÐ) vµ tèc ®é nung nãng cµng lín. Tuy ë nhiÖt ®é Ac1, lóc míi t¹o thµnh h¹t austenit kh¸ nhá mÞn, song nÕu tiÕp tôc t¨ng nhiÖt ®é hoÆc gi÷ nhiÖt l©u sÏ lµm cho h¹t lín lªn. §©y lµ qu¸ tr×nh tù nhiªn: h¹t to biªn giíi Ýt ®i lµm gi¶m n¨ng lîng dù tr÷. Sù lín lªn cña h¹t ë ®©y theo c¬ chÕ çc h¹t lín h¬n "th«n tÝnh" hay "nuèt" çc h¹t bÐ (hay nãi kh¸c ®i çc h¹t bÐ bao quanh nhËp vµo h¹t lín). Khi lµm nguéi, kÝch thíc h¹t austenit kh«ng gi¶m ®i, vÉn gi÷ nguyªn cÊp h¹t lín nhÊt ®∙ ®¹t tríc ®ã. Nh vËy, lóc míi t¹o thµnh çc h¹t austenit lµ nhá mÞn vµ khi nung nãng tiÕp tôc (hay gi÷ nhiÖt) chóng l¹i lín lªn; nhng vÊn ®Ò cÇn quan t©m ë ®©y lµ chóng lín lªn nh thÕ nµo ? nhanh hay chËm ? Theo ®Æc tÝnh ph¸t triÓn cña h¹t austenit, cã thÓ chia ra hai lo¹i thÐp: thÐp b¶n chÊt (di truyÒn) h¹t lín vµ nhá nh tr×nh bµy ë h×nh 4.5. ThÐp b¶n chÊt h¹t lín lµ lo¹i cã h¹t austenit ph¸t triÓn nhanh vµ ®Òu ®Æn ë mäi nhiÖt ®é (®êng II h×nh 4.5b) do ®ã khi nung nãng dÔ t¹o thµnh austenit lín, sau khi lµm nguéi t¹o ra çc s¶n phÈm gißn. ThÐp b¶n chÊt h¹t nhá lµ lo¹i cã h¹t

119

119

austenit ph¸t triÓn chËm lóc ban dÇu, chØ khi vît qu¸ 930 ÷ 950oC h¹t míi ph¸t triÓn nhanh, thËm chÝ rÊt nhanh (®êng I h×nh 4.5b). Do vËy víi çc d¹ng nhiÖt luyÖn th«ng dông, nhiÖt ®é thêng thÊp h¬n 900oC, cao nhÊt còng chØ tíi 930 ÷ 950oC (thÊm cacbon) thÐp b¶n chÊt h¹t nhá bao giê còng cho ra h¹t austenit bÐ h¬n lo¹i thÐp b¶n chÊt h¹t lín. V× thÕ thÐp b¶n chÊt h¹t nhá cho c¬ tÝnh tæng hîp cao h¬n, dÔ nhiÖt luyÖn h¬n vµ ®îc ®¸nh gi¸ cao, a chuéng h¬n. Tuy nhiªn nÕu nung nãng ë nhiÖt ®é rÊt cao (> 1050 ÷ 1100oC) - trêng hîp qu¸ nhiÖt - t×nh h×nh cã thÓ kh¸c ®i, thÐp b¶n chÊt h¹t nhá cã thÓ cho ra h¹t austenit lín h¬n lo¹i b¶n chÊt h¹t lín.

H×nh 4.5. Gi¶n ®å pha Fe - C (a) vµ s¬ ®å ph¸t triÓn h¹t austenit cña thÐp cïng tÝch (b) trong ®ã 1. thÐp b¶n chÊt h¹t nhá, 2. thÐp b¶n chÊt h¹t lín, 3. h¹t b¶n chÊt, 4. h¹t khi nung nãng ®Ó nhiÖt luyÖn, 5. h¹t peclit ban ®Çu, 6. h¹t austenit ban ®Çu.

Mét c©u hái ®Æt ra lµ: t¹i sao thÐp l¹i cã lo¹i b¶n chÊt h¹t nhá vµ lín, khuynh híng ph¸t triÓn h¹t austenit kh¸c nhau ? §ã lµ do trong thÐp cã tån t¹i nh÷ng yÕu tè c¶n trë sù ph¸t triÓn cña h¹t hay kh«ng trªn c¬ së cña lý thuyÕt hµng rµo. §Æc tÝnh khö «xy vµ thµnh phÇn hãa häc lµ hai yÕu tè quan träng ¶nh hëng ®Õn b¶n chÊt hay tÝnh di truyÒn cña h¹t cña thÐp. NÕu thÐp ®îc khö «xy triÖt ®Ó, khö thªm b»ng nh«m, sau khi kÕt tinh sÏ cã çc phÇn tö Al2O3, AlN n»m ë biªn giíi nh lµ hµng rµo, ng¨n c¶n kh«ng cho çc h¹t austenit "nhËp" l¹i víi nhau, lo¹i thÐp nµy cã b¶n chÊt h¹t nhá. ThÐp ®îc hîp kim hãa b»ng çc nguyªn tè t¹o cacbit m¹nh vµ kh¸ m¹nh lµ Ti. V, Zr, Nb, W vµ Mo sÏ t¹o nªn çc cacbit hîp kim khã tan còng lµ lo¹i thÐp cã b¶n chÊt h¹t nhá. Hai nguyªn tè cr«m vµ mangan lµ

120

120

lo¹i t¹o cacbit yÕu: cr«m lµm c¶n trë h¹t ph¸t triÓn kh«ng m¹nh, cßn mangan vµ ph«tpho lµm h¹t ph¸t triÓn nhanh. Nh vËy çc thÐp cacbon (kh«ng hîp kim hãa) nhÊt lµ lo¹i kh«ng ®îc khö «xy tèt (thÐp s«i) thuéc lo¹i b¶n chÊt h¹t lín ë çc møc ®é kh¸c nhau.

4.2.2. Çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi gi÷ nhiÖt TiÕp theo nung nãng lµ giai ®o¹n gi÷ nhiÖt, tuy kh«ng x¶y ra çc chuyÓn biÕn míi song l¹i lµ cÇn thiÕt ®Ó: - Lµm ®Òu nhiÖt ®é trªn tiÕt diÖn, ®Ó cho lâi còng cã chuyÓn biÕn nh ë bÒ mÆt. - Cã ®ñ thêi gian ®Ó hoµn thµnh çc chuyÓn biÕn khi nung nãng. - Lµm ®ång ®Òu thµnh phÇn hãa häc cña austenit v× lóc ®Çu h¹t austenit cã thµnh phÇn kh«ng ®ång nhÊt: n¬i tríc lµ ferit sÏ nghÌo cacbon, n¬i tríc lµ xªmentit sÏ giµu cacbon. Trong giai ®o¹n nµy cacbon (vµ nguyªn tè hîp kim) sÏ san b»ng nång ®é. Thêi gian gi÷ nhiÖt chØ cÇn võa ®ñ, kh«ng nªn kÐo dµi qu¸ møc cÇn thiÕt sÏ lµm h¹t lín vµ ®îc chän phô thuéc vµo çc c«ng nghÖ nhiÖt luyÖn cô thÓ. Çc c«ng nghÖ liªn quan ®Õn khuÕch t¸n nh hãa - nhiÖt luyÖn, ñ khuÕch t¸n thêi gian nµy dµi, t«i c¶m øng - ng¾n (thêng lµ kh«ng cã).

Giai ®o¹n nung nãng ®Ó t¹o ra austenit trong qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn ®îc gäi lµ giai ®o¹n austenit hãa.

4.2.3. Çc chuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi chËm Môc tiªu cña nung nãng vµ gi÷ nhiÖt lµ ®Ó t¹o nªn austenit h¹t nhá. B©y giê h∙y xÐt xem khi lµm nguéi, austenit sÏ chuyÓn biÕn thµnh tæ chøc nµo víi c¬ tÝnh ra sao, ®iÒu nµy quyÕt ®Þnh c¬ tÝnh cña thÐp khi lµm viÖc hay gia c«ng tiÕp theo: mÒm, cøng, bÒn, dÎo, dai ®Õn møc ®é nµo vµ rÊt kh¸c nhau ®îc quyÕt ®Þnh ë giai ®o¹n nµy. Ph©n thµnh hai trêng hîp lín ®Ó xÐt: nguéi chËm vµ nguéi nhanh. Tríc tiªn xÐt cho trêng hîp nguéi chËm. Tæ chøc t¹o thµnh khi lµm nguéi phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè nh: ®é qu¸ nguéi, thµnh phÇn, tæ chøc cña thÐp vv... vµ c¶ ph¬ng thøc lµm nguéi. Gièng nh khi nung nãng, ë ®©y tríc tiªn còng kh¶o s¸t lµm nguéi ®¼ng nhiÖt cho thÐp cïng tÝch (0,80%C) lµ lo¹i cã tæ chøc ®¬n gi¶n h¬n c¶ (tæ chøc ban ®Çu chØ lµ peclit).

a. Gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi (gi¶n ®å T - T - T) cña thÐp cïng tÝch Nh ®∙ biÕt tõ gi¶n ®å pha Fe - C, khi lµm nguéi, austenit chØ chuyÓn biÕn thµnh peclit ë 727oC (tøc ∆To = 0) khi lµm nguéi rÊt chËm, ®iÒu nµy kh«ng x¶y ra trong thùc tÕ. H∙y lµm quen víi mét d¹ng lµm nguéi Ýt gÆp trong thùc tÕ nhng l¹i rÊt tiÖn cho viÖc x¸c ®Þnh ¶nh hëng cña ®é qu¸ nguéi ®Õn chuyÓn biÕn, ®ã lµ çch lµm nguéi ®¼ng nhiÖt: lµm nguéi nhanh austenit xuèng díi Ar1 (ë díi nhiÖt ®é nµy austenit trë nªn kh«ng æn ®Þnh, chØ tån t¹i t¹m thêi trong mét thêi gian råi sÏ bÞ chuyÓn biÕn), gi÷ nhiÖt ë ®ã råi ®o thêi gian b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn tõ austenit thµnh hçn hîp ferit - xªmentit (ngêi ta lµm nguéi ®¼ng nhiÖt b»ng çch nhóng nh÷ng mÉu nhá, máng ®∙ austenit hãa vµo çc bÓ muèi ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau).

121

121

Gi¶n ®å T - T - T

TiÕn hµnh nh trªn cho thÐp cïng tÝch (sau khi x¸c ®Þnh thêi gian b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn ë çc nhiÖt ®é, ®¸nh dÊu chóng trªn biÓu ®å hÖ trôc nhiÖt ®é - thêi gian, cuèi cïng nèi çc ®iÓm b¾t ®Çu víi nhau, çc ®iÓm kÕt thóc víi nhau) ta ®îc gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi cho thÐp nµy nh biÓu diÔn ë h×nh 4.6. Gi¶n ®å cßn cã tªn ®¬n gi¶n vµ th«ng dông lµ gi¶n ®å T - T - T v× nã biÓu thÞ sù chuyÓn biÕn (transformation) cña austenit phô thuéc vµo nhiÖt ®é (temperature) vµ thêi gian (time). Gi¶n ®å cã hai ®êng cong h×nh ch÷ "C", trong ®ã ch÷ "C" ®Çu tiªn (bªn tr¸i) biÓu thÞ sù b¾t ®Çu, cßn ch÷ "C" thø hai biÓu thÞ sù kÕt thóc cña chuyÓn biÕn austenit thµnh hçn hîp cïng tÝch ferit - xªmentit (v× thÕ trong s¸ch kü thuËt cña Nga ngêi ta gäi nã lµ gi¶n ®å ch÷ "C"). §©y lµ gi¶n ®å rÊt quan träng ®èi víi nhiÖt luyÖn thÐp vµ ®îc sö dông rÊt nhiÒu ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc sau khi lµm nguéi austenit, cÇn n¾m v÷ng.

H×nh 4.6. Gi¶n ®å T- T- T cña thÐp cïng tÝch.

Çc s¶n phÈm cña sù ph©n hãa ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi Tõ gi¶n ®å T - T - T thÊy r»ng khi austenit bÞ nguéi (tøc thêi) xuèng díi 727oC nã cha chuyÓn biÕn ngay, ®iÒu ®ã cã nghÜa austenit cßn tån t¹i mét thêi gian nhÊt ®Þnh tríc khi chuyÓn biÕn, ph©n hãa vµ ®îc gäi lµ austenit qu¸ nguéi, kh«ng æn ®Þnh, kh¸c víi austenit tån t¹i ë trªn 727oC lµ lo¹i æn ®Þnh. Trªn gi¶n ®å cã n¨m khu vùc râ rÖt: - ë trªn 727oC lµ khu vùc tån t¹i cña austenit æn ®Þnh, - bªn tr¸i ch÷ "C" ®Çu tiªn - austenit qu¸ nguéi,

122

122

- gi÷a hai ch÷ "C" - austenit chuyÓn biÕn (tån t¹i c¶ ba pha γ, F vµ Xe), - bªn ph¶i ch÷ "C" thø hai - çc s¶n phÈm ph©n hãa ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi lµ hçn hîp ferit - xªmentit víi møc ®é nhá mÞn kh¸c nhau, - díi ®êng Ms (~ 220 ÷ 240oC) - mactenxit + austenit d (sÏ nãi tíi vïng nµy ë môc 4.2.4). B©y giê h∙y xÐt xem lµm nguéi ®¼ng nhiÖt austenit víi çc møc ®é qu¸ nguéi kh¸c nhau sÏ ph©n hãa thµnh çc hçn hîp ferit - xªmentit víi çc ®Æc ®iÓm nh thÕ nµo.

+ Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë s¸t A1 (trªn díi 700oC, ∆T0 nhá, kho¶ng 25oC), sau thêi gian dµi (~ 100s) nã míi b¾t ®Çu ph©n hãa vµ tiÕp theo (sau ~ 2000s) nã míi kÕt thóc chuyÓn biÕn. Hçn hîp ferit - xªmentit tÊm t¹o thµnh rÊt th« to víi kho¶ng çch d gi÷a çc tÊm vµo kho¶ng 10-3 mm (cì micr«met) ®îc gäi lµ peclit (tÊm) víi ®é cøng thÊp nhÊt, HRC 10 ÷ 15 (HB 180 ÷ 220). + Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë nhiÖt ®é thÊp h¬n (trªn díi 650oC, ∆T0 lín h¬n, kho¶ng 75oC), nã sÏ b¾t ®Çu vµ kÕt thóc ph©n hãa sau thêi gian ng¾n h¬n râ rÖt (sau gÇn 3 vµ 100s). Hçn hîp ferit - xªmentit tÊm t¹o thµnh sÏ mÞn (nhá) h¬n ®Õn møc kh«ng thÓ ph©n biÖt ®îc chóng trªn kÝnh hiÓn vi quang häc (kho¶ng çch d kho¶ng 0,25 ÷ 0,30µm). Tæ chøc nµy ®îc gäi lµ xoocbit (hay xoocbit t«i) víi ®é cøng cao h¬n, cì HRC 25 ÷ 35. + Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë nhiÖt ®é thÊp h¬n n÷a, øng víi ®Ønh låi ch÷ “C“ (tøc lóc austenit qu¸ nguéi kÐm æn ®Þnh nhÊt, kho¶ng 500 ÷ 600oC), nã sÏ chuyÓn biÕn rÊt nhanh (sau kho¶ng 0,5 ÷ 0,8 vµ 8s). Hçn hîp ferit - xªmentit tÊm t¹o thµnh sÏ cßn nhá mÞn h¬n n÷a, cµng kh«ng thÓ ph©n biÖt ®îc díi kÝnh hiÓn vi quang häc (kho¶ng çch d vµo kho¶ng 0,10 ÷ 0,15µm). Tæ chøc nµy ®îc gäi lµ tr«xtit (hay tr«xtit t«i) víi ®é cøng cao h¬n n÷a, cì HRC 40. Ngêi ta gäi ba chuyÓn biÕn trªn ®Òu lµ chuyÓn biÕn peclit, cßn xoocbit, tr«xtit ®îc coi lµ çc d¹ng ph©n t¸n cña peclit. + Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë nhiÖt ®é thÊp h¬n n÷a, øng víi ®o¹n díi cña ch÷ "C", kho¶ng 450 ÷ 250oC, thêi gian chuyÓn biÕn l¹i kÐo dµi ra, c¬ chÕ chuyÓn biÕn cã thay ®æi chót Ýt, t¹o nªn tæ chøc gäi lµ bainit. Mét çch gÇn ®óng cã thÓ coi bainit còng lµ hçn hîp ferit - xªmentit ë d¹ng tÊm nh trªn song cßn mÞn h¬n n÷a (h¬n c¶ tr«xtit) víi ®é cøng cao h¬n, cì HRC 50 ÷ 55, song cã ®iÓm h¬i kh¸c nhau (nhiÒu khi cã thÓ bá qua) nh sau: • ferit h¬i qu¸ b∙o hßa cacbon (0,10% so víi giíi h¹n b∙o hßa lµ 0,006 ÷ 0,02%), • cacbit s¾t ë ®©y cã c«ng thøc cha h¼n lµ Fe3C song kh¸ gÇn lµ FexC víi x = 2,4 ÷ 3,0, • ngoµi hai pha ®ã ra cßn mét lîng nhá austenit (d). Nh thÊy râ vÒ sau, çc ®Æc ®iÓm nµy h¬i gièng víi chuyÓn biÕn mactenxit nªn cßn gäi chuyÓn biÕn bainit lµ chuyÓn biÕn trung gian (víi nghÜa trung gian gi÷a chuyÓn biÕn peclit vµ chuyÓn biÕn mactenxit). VËy vÒ c¬ b¶n cã thÓ coi peclit (tÊm), xoocbit, tr«xtit vµ c¶ bainit cã b¶n chÊt gièng nhau lµ hçn hîp c¬ häc cïng tÝch cña ferit vµ xªmentit tÊm song trong ®ã theo thø tù tÊm cµng nhá mÞn h¬n vµ ®é cøng cµng cao h¬n. Cã thÓ gi¶i thÝch ®iÒu ®ã nh sau. Gièng nh qu¸ tr×nh kÕt tinh, khi t¨ng ®é qu¸ nguéi cña chuyÓn biÕn, sè mÇm kÕt tinh t¨ng lªn do ®ã xªmentit (cacbit) nhá

123

123

mÞn ®i. MÆc dï lîng xªmentit kh«ng thay ®æi (cïng cã 0,80%C víi 12%Xe + 88%F), nhng khi kÝch thíc xªmentit nhá ®i tøc lµ sè çc phÇn tö r¾n nµy t¨ng lªn sÏ lµm t¨ng sù c¶n trît ®èi víi ferit, n©ng cao ®é cøng, ®é bÒn. Nh vËy sau khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt austenit, tæ chøc nµo t¹o thµnh lµ øng víi nhiÖt ®é gi÷ ®¼ng nhiÖt ®ã n»m ë nh¸nh nµo cña ch÷ "C": + khi ë nh¸nh trªn s¸t A1 ®îc peclit, + khi ë ®o¹n øng víi phÇn låi ®îc tr«xtit, + khi ë gi÷a hai møc trªn ®îc xoocbit, + khi ë nh¸nh díi ®îc bainit. Sau khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt tæ chøc nhËn ®îc lµ ®ång nhÊt trªn tiÕt diÖn.

b. Sù ph©n hãa cña austenit khi lµm nguéi liªn tôc Trong thùc tÕ thêng dïng çch lµm nguéi liªn tôc. Còng cã thÓ x©y dùng gi¶n ®å chuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi liªn tôc víi çc tèc ®é nhanh chËm kh¸c nhau, víi mçi tèc ®é nguéi x¸c ®Þnh çc nhiÖt ®é t¹i ®ã austenit qu¸ nguéi b¾t ®Çu vµ kÕt thóc ph©n hãa ra hçn hîp ferit - xªmentit, råi nèi çc ®iÓm t¬ng ®«ng víi nhau l¹i nh biÓu diÔn ë h×nh 4.7. X©y dùng çc thÝ nghiÖm nh vËy kh¸ phøc t¹p vµ khã ®¹t ®îc møc ®é chÝnh x¸c cÇn thiÕt. Song ®Ó ®¬n gi¶n cã thÓ lîi dông gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt (h×nh 4.6) kÓ trªn ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc t¹o thµnh khi lµm nguéi víi tèc ®é kh¸c nhau, nh biÓu diÔn ë h×nh 4.8.

H×nh 4.7. Çc ®êng b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn austenit thµnh ferit - xªmentit th« vµ mÞn t¬ng øng víi çc tèc ®é lµm nguéi chËm (35 oC/s) vµ nhanh (140oC/s) ®èi víi thÐp cïng tÝch.

§Æc ®iÓm cña sù ph©n hãa austenit khi lµm nguéi liªn tôc lµ: 1) Víi çc tèc ®é nguéi kh¸c nhau, austenit bÞ qu¸ nguéi ®Õn çc nhiÖt ®é

124

124

kh¸c nhau (tÝnh tíi ®iÓm gÆp çc ®êng cong ch÷ "C") vµ ph©n hãa thµnh çc tæ chøc t¬ng øng víi çc nhiÖt ®é ®ã. Lµm nguéi chËm cïng lß biÓu thÞ b»ng vect¬ V1 trªn h×nh 4.8, nã c¾t çc ®êng cong ch÷ "C" ë s¸t A1: austenit qu¸ nguéi ph©n hãa ë nhiÖt ®é cao ®îc peclit tÊm víi ®é cøng thÊp nhÊt. Lµm nguéi trong kh«ng khÝ tÜnh biÓu thÞ b»ng vect¬ V2, nã c¾t çc ®êng cong ch÷ "C" ë phÇn gi÷a cña nh¸nh trªn: austenit qu¸ nguéi ph©n hãa thµnh xoocbit. Lµm nguéi trong kh«ng khÝ nÐn biÓu thÞ b»ng vect¬ V3, nã c¾t çc ®êng cong ch÷ "C" ë phÇn låi: austenit qu¸ nguéi ph©n hãa thµnh tr«xtit. Lµm nguéi trong dÇu biÓu thÞ b»ng vect¬ V4, nã chØ c¾t phÇn låi cña ®êng cong ch÷ "C" thø nhÊt, austenit qu¸ nguéi chØ chuyÓn biÕn mét phÇn thµnh tr«xtit vµ phÇn cßn l¹i sÏ chuyÓn biÕn thµnh mactenxit, cuèi cïng cã tæ chøc tr«xtit + mactenxit (hay cßn gäi lµ b¸n mactenxit). Lµm nguéi trong níc l¹nh biÓu thÞ b»ng vect¬ V5, nã kh«ng c¾t ®êng cong ch÷ "C" nµo, tøc austenit kh«ng chuyÓn biÕn chót nµo thµnh hçn hîp ferit - xªmentit, phÇn lín austenit qu¸ nguéi chuyÓn thµnh mactenxit. Nh vËy, khi lµm nguéi liªn tôc t¹o thµnh tæ chøc nµo lµ hoµn toµn tïy thuéc vµo vÞ trÝ cña vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nguéi trªn ®êng cong ch÷ "C".

H×nh 4.8. Gi¶n ®å T - T - T cña thÐp cïng tÝch vµ çc vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nguéi V1 < V2 < V3 < V4 < V5.

2) Tæ chøc ®¹t ®îc thêng lµ kh«ng ®ång nhÊt trªn toµn tiÕt diÖn nhÊt lµ trong trêng hîp tiÕt diÖn lín. Do ë ngoµi bao giê còng bÞ nguéi nhanh h¬n trong lâi nªn thêng cã tæ chøc víi ®é cøng cao h¬n. 3) Kh«ng ®¹t ®îc tæ chøc hoµn toµn bainit (vÒ mÆt h×nh häc cã thÓ dÔ dµng thÊy ®iÒu nµy tõ d¹ng cña ch÷ "C"), trong mét sè trêng hîp cã thÓ ®¹t ®îc tæ chøc nµy cïng víi tr«xtit vµ mactenxit. ChØ ®¹t ®îc hoµn toµn bainit b»ng çch lµm nguéi ®¼ng nhiÖt nh ®∙ tr×nh bµy. 4) Nh÷ng ®iÒu trªn chØ ®óng víi thÐp cacbon. Víi thÐp hîp kim vÞ trÝ cña çc ®êng cong ch÷ "C" dÞch sang ph¶i víi çc møc ®é kh¸c nhau nªn cã thÓ çc ®Æc ®iÓm trªn kh«ng cßn phï hîp hay kh«ng hoµn toµn phï hîp: + Tèc ®é nguéi cÇn thiÕt ®Ó ®¹t ®îc çc tæ chøc trªn sÏ gi¶m ®i mét çch t¬ng øng. VÝ dô khi lµm nguéi cïng lß (V1) còng cã thÓ ®¹t ®îc xoocbit, tr«xtit; víi mét sè lo¹i thÐp hîp kim cao khi lµm nguéi trong kh«ng khÝ (V2, V3) còng cã thÓ ®¹t tæ chøc mactenxit. + Sù kh«ng ®ång nhÊt vÒ tæ chøc trªn tiÕt diÖn gi¶m ®i thËm chÝ cã thÓ ®¹t ®îc ®ång nhÊt ngay víi tiÕt diÖn lín.

125

125

c. Gi¶n ®å T - T - T cña çc thÐp kh¸c cïng tÝch C¨n cø chñ yÕu ®Çu tiªn ®Ó xÐt tæ chøc t¹o thµnh khi lµm nguéi thÐp nµo ®ã lµ gi¶n ®å T - T - T cña chÝnh thÐp ®ã. Ta míi nãi ®Õn thÐp cïng tÝch song phÇn lín çc thÐp dïng lµ tríc cïng tÝch vµ Ýt h¬n lµ sau cïng tÝch th× nh thÕ nµo? Çc thÐp tríc vµ sau cïng tÝch còng cã d¹ng cña gi¶n ®å T - T - T nh thÐp cïng tÝch song cã phÇn phøc t¹p h¬n, tøc còng cã d¹ng cña hai ch÷ “C“ nhng cã thªm nh¸nh phô ë phÝa trªn, bªn tr¸i cña ch÷ "C" thø nhÊt (h×nh 4.9) ®Ó biÓu thÞ sù tiÕt ra ferit hoÆc xªmentit II (tïy thuéc vµo lµ thÐp tríc hay sau cïng tÝch) tríc khi ph©n hãa thµnh hçn hîp ferit - xªmentit vµ mét ®êng ngang A3 hay Acm. Ta chó ý tíi ba ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt sau ®©y. 1) VÞ trÝ cña çc ®êng cong (ch÷ "C" vµ nh¸nh phô) dÞch sang tr¸i mét chót, cµng xa cïng tÝch sù lÖch nµy cµng nhiÒu. Nãi kh¸c ®i çc thÐp cµng kh¸c cïng tÝch cã tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi kÐm h¬n thÐp cïng tÝch ®«i chót. §iÒu ®ã gi¶i thÝch b»ng sù khã ®¹t ®îc austenit ®ång nhÊt khi nung nãng.

H×nh 4.9. H×nh d¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å T -T - T cña thÐp kh¸c cïng tÝch.

2) Khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt víi ®é qu¸ nguéi nhá (®êng 1 h×nh 4.10) hay lµm nguéi chËm liªn tôc (®êng 2), tho¹t tiªn austenit qu¸ nguéi sÏ tiÕt ra ferit (®èi víi thÐp tríc cïng tÝch) vµ xªmentit II (®èi víi thÐp sau cïng tÝch) tríc (khi vect¬ nguéi gÆp nh¸nh phô), sau ®ã míi ph©n hãa ra hçn hîp ferit - xªmentit. Trong trêng hîp nµy tæ chøc ®¹t ®îc sau khi nguéi:

H×nh 4.10. Sù tiÕt ra ferit hay xªmentit II khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt víi ®é qu¸ nguéi nhá (1) vµ chËm liªn tôc (2).

126

126

+ ®èi víi thÐp tríc cïng tÝch lµ F + P (®«i khi F + xoocbit), + ®èi víi thÐp sau cïng tÝch lµ P + XeII (®«i khi xoocbit + XeII).

3) Khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt víi ®é qu¸ nguéi ®ñ lín hay lµm nguéi (liªn tôc) ®ñ nhanh ®Ó vect¬ biÓu diÔn qu¸ tr×nh nguéi cña chóng kh«ng gÆp nh¸nh phô, austenit qu¸ nguéi ph©n hãa ngay ra hçn hîp ferit - xªmentit díi d¹ng xoocbit, tr«xtit, bainit (riªng bainit chØ khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt). §¬ng nhiªn çc tæ chøc kh«ng cã thµnh phÇn ®óng 0,80%C nh trong thÐp cïng tÝch vµ chóng ®îc gäi lµ cïng tÝch gi¶. §èi víi thÐp hîp kim ngoµi ¶nh hëng cña cacbon nh trªn gi¶n ®å cßn chÞu ¶nh hëng m¹nh cña çc nguyªn tè hîp kim, díi t¸c dông nµy çc ®êng cong ch÷ "C" dÞch rÊt m¹nh sang ph¶i, lµm t¨ng tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi (tØ mØ ®îc tr×nh bµy ë ch¬ng sau, môc 5.1.2d).

4.2.4. ChuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi nhanh - ChuyÓn biÕn mactenxit (khi t«i) NÕu lµm nguéi nhanh austenit víi tèc ®é thÝch hîp sao cho vect¬ biÓu diÔn qu¸ tr×nh nguéi cña nã kh«ng c¾t ®êng cong ch÷ "C", th× nã kh«ng kÞp chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit, mµ chØ cã chuyÓn biÕn thï h×nh (chuyÓn kiÓu m¹ng tinh thÓ) cña s¾t tõ Feγ sang Feα (tøc kh«ng cã sù tËp trung cña cacbon ®Ó t¹o nªn xªmentit Fe3C) x¶y ra ë nhiÖt ®é thÊp (tõ 250 ÷ 220oC trë xuèng). §ã lµ thùc chÊt cña chuyÓn biÕn khi lµm nguéi nhanh austenit → mactenxit, x¶y ra khi t«i.

H×nh 4.11. Gi¶n ®å T - T - T vµ tèc ®é t«i tíi h¹n Vth (tm vµ

0mT - thêi gian vµ nhiÖt ®é

øng víi austenit kÐm æn ®Þnh nhÊt).

Tèc ®é lµm nguéi nhá nhÊt ®Ó g©y ra chuyÓn biÕn nµy lµ tèc ®é øng víi vect¬ tiÕp xóc víi ®êng "C" thø nhÊt ë phÇn låi, ®îc gäi lµ tèc ®é t«i tíi h¹n (hay cßn gäi lµ tèc ®é lµm nguéi tíi h¹n) Vth (h×nh 4.11). VËy khi lµm nguéi nhanh liªn tôc austenit (víi tèc ®é b»ng hay vît qu¸ tèc ®é t«i tíi h¹n) sÏ nhËn ®îc mactenxit. §©y lµ tæ chøc ®Æc trng cña qu¸ tr×nh lµm nguéi nhanh liªn tôc (t«i). Tríc tiªn h∙y xÐt b¶n chÊt cña mactenxit.

a. B¶n chÊt cña mactenxit Mactenxit lµ dung dÞch r¾n xen kÏ qu¸ b∙o hßa cña cacbon trong Feα víi

tm

127

127

nång ®é cacbon nh cña austenit, cã kiÓu m¹ng chÝnh ph¬ng t©m khèi vµ cã ®é cøng cao.

Cã thÓ gi¶i thÝch lÇn lît çc ®Æc tÝnh trªn cña mactenxit nh sau. - Do lµm nguéi nhanh, cacbon trong Feγ (austenit) kh«ng kÞp tiÕt ra (®Ó t¹o thµnh xªmentit), khi ®¹t ®Õn nhiÖt ®é t¬ng ®èi thÊp chØ x¶y ra qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ng cña Feγ (t©m mÆt) sang Feα (t©m khèi): (austenit) Feγ (C) → Feα (C) (mactenxit) v× thÕ nång ®é cacbon trong hai pha nµy lu«n lu«n b»ng nhau. - Víi nång ®é cacbon th«ng thêng (vÝ dô 0,80%) trong Feγ sÏ lµ qu¸ b∙o hßa ë trong Feα v× ®é hßa tan cacbon trong d¹ng thï h×nh nµy rÊt thÊp (0,006 ÷ 0,02%). - Nguyªn tö cacbon hßa tan trong Feα b»ng çch xen kÏ vµo çc lç hæng cña m¹ng nµy. Qua nghiªn cøu thÊy r»ng nguyªn tö cacbon sÏ n»m ë trong lç hæng t¸m mÆt tøc lµ ë gi÷a çc mÆt bªn hay ë gi÷a çc c¹nh cña « c¬ së (h×nh 4.12). Nh thÊy râ lç hæng nµy lµ kh«ng ®èi xøng nªn qu¶ cÇu cacbon mét khi lät vµo sÏ lµm gi∙n çc nguyªn tö Fe ra xa kh«ng ®Òu, kÐo dµi mét c¹nh ra m¹nh h¬n so víi hai c¹nh kia, lµm cho m¹ng tõ lËp ph¬ng t©m khèi (cña Feα) chuyÓn sang chÝnh ph¬ng t©m khèi. Tû sè c/a ®îc gäi lµ ®é chÝnh ph¬ng cña mactenxit, cã gi¸ trÞ thay ®æi trong kho¶ng 1,001 ÷ 1,06 (cÇn chó ý r»ng ®©y chØ lµ tû lÖ trung b×nh cho çc « c¬ së, v× cacbon kh«ng thÓ ®i vµo tÊt c¶ mäi lç hæng cña austenit còng nh mactenxit, xem l¹i môc 3.1.2c vµ 1.4.1a).

H×nh 4.12. « c¬ së cña m¹ng tinh thÓ mactenxit.

- Nguyªn tö cacbon chui vµo lç hæng cña Feα lµm cho m¹ng tinh thÓ cña s¾t bÞ x« lÖch, trë nªn khã biÕn d¹ng dÎo vµ do ®ã cã ®é cøng cao nhÊt (cao h¬n c¶ bainit, tr«xtit..., chóng chØ lµ hçn hîp ferit - xªmentit, trong ®ã ferit dÎo, vÉn cã thÓ biÕn d¹ng dÎo ®îc).

128

128

b. Çc ®Æc ®iÓm cña chuyÓn biÕn mactenxit Kh¸c víi chuyÓn biÕn peclit, chuyÓn biÕn mactenxit cã nh÷ng ®Æc ®iÓm sau. 1) ChØ x¶y ra khi lµm nguéi nhanh vµ liªn tôc austenit víi tèc ®é lín h¬n hay b»ng tèc ®é t«i tíi h¹n Vth. ChuyÓn biÕn mactenxit kh«ng x¶y ra khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt. 2) ChuyÓn biÕn lµ kh«ng khuÕch t¸n: cacbon hÇu nh gi÷ nguyªn vÞ trÝ, cßn s¾t chuyÓn dêi vÞ trÝ ®Ó t¹o kiÓu m¹ng míi lµ lËp ph¬ng t©m khèi, nhng sù chuyÓn dêi nµy kh«ng vît qu¸ mét th«ng sè m¹ng. Gi÷a m¹ng cña austenit (A1) vµ mactenxit (gÇn nh A2) cã mèi quan hÖ ®Þnh híng x¸c ®Þnh sao cho çc mÆt vµ ph¬ng dµy ®Æc nhÊt cña chóng song song víi nhau. 3) Lµ qu¸ tr×nh t¹o ra kh«ng ngõng çc tinh thÓ míi víi tèc ®é ph¸t triÓn rÊt lín, tíi hµng ngh×n m/s. Tinh thÓ mactenxit cã d¹ng h×nh kim, ®Çu nhän lµm víi nhau çc gãc 60 hay 120o. 4) ChØ x¶y ra trong kho¶ng gi÷a hai nhiÖt ®é (®iÓm) b¾t ®Çu Ms vµ kÕt thóc Mf (víi çc nghÜa s - start - b¾t ®Çu, f - finish kÕt thóc). Ngoµi kho¶ng ®ã austenit qu¸ nguéi kh«ng chuyÓn biÕn thµnh mactenxit. VÞ trÝ cña hai ®iÓm nµy kh«ng phô thuéc vµo tèc ®é nguéi mµ chØ phô thuéc vµo thµnh phÇn cacbon vµ hîp kim cña austenit (mµ kh«ng ph¶i lóc nµo còng ®ång nghÜa víi thµnh phÇn cacbon cña thÐp) [trong trêng hîp ë tr¹ng th¸i nung nãng thÐp cã tæ chøc nhiÒu pha (vÝ dô austenit vµ cacbit), râ rµng lµ thµnh phÇn austenit kh¸c víi thµnh phÇn thÐp, chØ khi nung nãng tíi tr¹ng th¸i hoµn toµn austenit th× thµnh phÇn pha nµy míi trïng víi thµnh phÇn cña thÐp]. Nãi chung austenit cµng nhiÒu cacbon vµ nguyªn tè hîp kim (trõ Si, Co vµ Al), çc ®iÓm nµy cµng thÊp. Mét sè thÐp chøa cacbon vµ nguyªn tè hîp kim cao cã hai ®iÓm nµy kh¸ thÊp. 5) ChuyÓn biÕn x¶y ra kh«ng hoµn toµn. Thùc nghiÖm cho thÊy khi lµm nguéi cµng gÇn tíi ®iÓm Mf, lîng mactenxit t¹o thµnh cµng nhiÒu song kh«ng bao giê ®¹t ®îc tû lÖ 100% mactenxit, mµ vÉn cßn l¹i mét lîng nhÊt ®Þnh pha ban ®Çu (austenit) kh«ng thÓ chuyÓn biÕn, ®îc gäi lµ austenit d.

H×nh 4.13. §êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn mactenxit.

§êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn mactenxit trªn h×nh 4.13 cho biÕt lîng

còng nh tèc ®é t¹o thµnh mactenxit khi gi¶m nhiÖt ®é. Qua ®ã cã thÓ thÊy r»ng khi ®iÓm Mf < nhiÖt ®é thêng (~20oC) - ®iÒu nµy thêng x¶y ra v× Mf cña çc thÐp ®Òu ë nhiÖt ®é ©m - b»ng çch lµm nguéi th«ng thêng kh«ng thÓ ®¹t ®îc lîng

129

129

mactenxit tèi ®a, ®Æc biÖt khi Mf qu¸ thÊp (vÝ dô -100oC) lîng austenit cã thÓ kh¸ cao (20 ÷ 30%) ¶nh hëng m¹nh ®Õn ®é cøng. Nguyªn nh©n tån t¹i austenit d cïng víi mactenxit lµ do sù kh¸c nhau vÒ thÓ tÝch riªng cña hai pha nµy: VM > Vγ (v× mactenxit lµ Feα(C), Feα cã mËt ®é thÓ tÝch thÊp h¬n Feγ nªn sÏ cã thÓ tÝch riªng lín h¬n), v× thÕ khi chuyÓn biÕn austenit → mactenxit thÓ tÝch sÏ t¨ng lªn, do vËy phÇn austenit cha chuyÓn biÕn bÞ søc Ðp ngµy mét t¨ng ®Õn møc kh«ng thÓ chuyÓn biÕn hÕt ®îc. Lîng austenit d tån t¹i trong thÐp t«i phô thuéc vµo c¸c yÕu tè sau: + VÞ trÝ cña ®iÓm Mf: ®iÓm Mf cµng thÊp díi 20oC lîng austenit d cµng nhiÒu. §©y lµ yÕu tè quan träng nhÊt. C¸c nh©n tè lµm gi¶m ®iÓm Mf nh t¨ng lîng nguyªn tè hîp kim trong austenit, còng ®Òu lµm t¨ng lîng austenit d cña thÐp t«i. + Lîng cacbon trong mactenxit cµng nhiÒu thÓ tÝch riªng cña nã cµng lín (do sù t¨ng cña ®é chÝnh ph¬ng c/a) lµm lîng austenit d cµng nhiÒu.

c. C¬ tÝnh cña mactenxit Mactenxit lµ tæ chøc quan träng nhÊt ®îc t¹o thµnh khi t«i thÐp, quyÕt ®Þnh c¬ tÝnh cña thÐp t«i. C¬ tÝnh næi bËt cña nã lµ cøng vµ gißn. §é cøng §é cøng cao cña mactenxit lµ do cacbon hßa tan xen kÏ lµm x« lÖch m¹ng tinh thÓ cña s¾t, nªn nã chØ phô thuéc nång ®é cacbon qu¸ b∙o hßa trong nã: ®¹i lîng nµy cµng cao, x« lÖch m¹ng cµng m¹nh (tû sè c/a cµng lín), ®é cøng cµng cao (h×nh 4.14). Nh thÕ: - mactenxit chøa Ýt cacbon, ≤ 0,25%, ®é cøng kh«ng cao chØ kho¶ng ≤ HRC 40, - mactenxit chøa cacbon trung b×nh, 0,40 ÷ 0,50%, ®é cøng t¬ng ®èi cao, HRC ≥ 50, - mactenxit chøa cacbon cao, ≥ 0,60%, ®é cøng cao, HRC ≥ 60. ë ®©y cÇn ph©n biÖt ®é cøng cña pha mactenxit vµ ®é cøng cña thÐp t«i v× hai ®¹i lîng nµy kh«ng ph¶i lóc nµo còng ®ång nhÊt víi nhau. Thùc ra ®é cøng cña thÐp t«i bao giê còng lµ ®é cøng tæng hîp cña hçn hîp mactenxit + austenit d, ®«i khi c¶ cacbit (xªmentit II) n÷a vµ tu©n theo quy luËt kÕt hîp hay trung b×nh céng nh ®∙ tr×nh bµy ë môc 3.2.8b. Nh ®∙ biÕt austenit cã ®é cøng thÊp, nÕu nã tån t¹i víi tû lÖ ®¸ng kÓ (> 10%) lµm ®é cøng cña thÐp t«i nhá h¬n ®é cøng cña pha mactenxit tøc cha ®¹t ®Õn gi¸ trÞ cao nhÊt, cßn víi tû lÖ kh«ng ®¸ng kÓ (vµi %) th× ®é cøng cña thÐp t«i chÝnh lµ ®é cøng cña mactenxit tøc ®¹t ®îc gi¸ trÞ cao nhÊt. Víi thÐp cacbon thÊp vµ trung b×nh, do ®iÓm Mf cao, thÓ tÝch riªng cña mactenxit cha lín, austenit d thÊp, kh«ng ¶nh hëng ®Õn ®é cøng cña thÐp t«i. ChØ víi thÐp cacbon cao vµ hîp kim cao lµm t¨ng thÓ tÝch riªng cña mactenxit vµ h¹ thÊp m¹nh Mf míi lµm t¨ng m¹nh lîng austenit d, ¶nh hëng ®Õn ®é cøng cña thÐp t«i (h¹ thÊp tõ vµi, ba ®Õn 10 ®¬n vÞ HRC so víi khi kh«ng cã austenit d).

§é cøng cao dÉn ®Õn n©ng cao tÝnh chèng mµi mßn lµ u ®iÓm cña pha mactenxit, song cÇn nhí lµ u ®iÓm nµy chØ ph¸t huy ®îc ë nh÷ng thÐp cã ≥ 0,40%C.

TÝnh gißn Tr¸i l¹i, tÝnh gißn lµ nhîc ®iÓm cña mactenxit v× khi tÝnh gißn cao hoÆc

130

130

qu¸ cao lµm h¹n chÕ sö dông thËm chÝ kh«ng thÓ dïng ®îc. Mactenxit gißn còng lµ do x« lÖch m¹ng nh nguyªn nh©n g©y ra ®é cøng, ngoµi ra cßn do tån t¹i øng suÊt d (hay øng suÊt bªn trong) trong nã. Thêng lµ ®é cøng cµng cao tÝnh gißn còng cµng cao, song ngoµi ra tÝnh gißn còng cã thÓ biÕn ®éng trong ph¹m vi kh¸ réng phô thuéc vµo çc yÕu tè sau ®©y:

H×nh 4.14. Sù phô thuéc cña ®é chÝnh ph¬ng c/a (a) vµ ®é cøng mactenxit (b) vµo nång ®é cacbon trong nã

+ Kim mactenxit cµng nhá tÝnh gißn cµng thÊp, muèn ®¹t ®îc ®iÒu nµy h¹t austenit khi nung nãng ph¶i nhá. + øng suÊt bªn trong cµng nhá tÝnh gißn cµng thÊp. Do vËy ®Ó võa b¶o ®¶m ®îc hai tÝnh chÊt ®èi lËp nhau lµ ®é cøng cao vµ tÝnh gißn thÊp ë çc thÐp kÕt cÊu vµ dông cô ngêi ta ph¶i sö dông çc thÐp b¶n chÊt h¹t nhá, khèng chÕ ®óng nhiÖt ®é t«i vµ dïng çc ph¬ng ph¸p t«i thÝch hîp ®Ó gi¶m øng suÊt bªn trong nh t«i ph©n cÊp, ®¼ng nhiÖt vµ ram ngay tiÕp theo.

4.2.5. ChuyÓn biÕn khi nung nãng thÐp ®· t«i (khi ram)

Sau khi t«i ®¹t ®îc mactenxit vµ mét lîng nhÊt ®Þnh austenit d, thÐp cã ®é cøng cao song víi tÝnh gißn lín, tån t¹i øng suÊt bªn trong, tæ chøc kh«ng æn ®Þnh cha phï hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc, cÇn ph¶i cã thªm sau ®ã mét nguyªn c«ng chØnh - nung nãng l¹i, ®îc gäi lµ ram.

a. TÝnh kh«ng æn ®Þnh cña mactenxit vµ austenit Theo gi¶n ®å pha Fe - C, tõ nhiÖt ®é thêng ®Õn 727oC tæ chøc æn ®Þnh cña thÐp lµ hçn hîp ferit - xªmentit tøc peclit. Do vËy hai pha mactenxit vµ austenit d ®Òu lµ çc pha kh«ng æn ®Þnh, cã khuynh híng chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp trªn. Nh ®∙ biÕt, mactenxit kh«ng æn ®Þnh lµ do qu¸ b∙o hßa cacbon, lîng cacbon thõa sÏ tiÕt ra ë d¹ng xªmentit vµ phÇn cßn l¹i mÊt hÕt cacbon trë thµnh ferit: Feα(C) → Fe3C + Feα cßn austenit, nã kh«ng tån t¹i æn ®Þnh díi 727oC vµ còng cã khuynh híng chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit: Feγ(C) → Fe3C + Feα

CÇn chó ý: - Mactenxit vµ austenit cã khuynh híng biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit, song ë nhiÖt ®é thêng chuyÓn biÕn nµy x¶y ra rÊt chËm ®Õn møc khã nhËn thÊy, v× thÕ trong thùc tÕ ta ph¶i nung nãng ®Ó thóc ®Èy qu¸ tr×nh chuyÓn

131

131

biÕn nµy. - Hai pha nµy kh«ng chuyÓn biÕn ngay thµnh hçn hîp ferit - xªmentit mµ ph¶i qua tæ chøc trung gian lµ mactenxit ram theo s¬ ®å: mactenxit mactenxit ram → [ferit + xªmentit]. austenit d

b. Çc chuyÓn biÕn x¶y ra khi ram Theo sù t¨ng cña nhiÖt ®é nung nãng, thÐp cïng tÝch (0,80%C) ®∙ t«i víi tæ chøc mactenxit + austenit d lÇn lît qua çc giai ®o¹n víi çc chuyÓn biÕn nh sau. Giai ®o¹n I (< 200oC) - < 80oC trong thÐp t«i cha cã chuyÓn biÕn g×, tøc vÉn cã mactenxit + austenit d. - Tõ 80 ®Õn 200oC: austenit d cha chuyÓn biÕn, chØ cã mactenxit chuyÓn biÕn b»ng çch cacbon trong nã tËp trung l¹i, tiÕt ra ë d¹ng çc phÇn tö cacbit ε víi c«ng thøc FexC (x thay ®æi trong ph¹m vi 2,0 ÷ 2,4) ë d¹ng tÊm máng vµ rÊt ph©n t¸n, lîng cacbon cßn l¹i trong mactenxit gi¶m ®i tõ 0,80% xuèng cßn kho¶ng 0,25 ÷ 0,40% víi tû sè c/a gi¶m ®i. Hçn hîp mactenxit Ýt cacbon vµ cacbit ε ®ã ®îc gäi lµ mactenxit ram [gi÷a hai pha trªn cã cÊu tróc liÒn m¹ng (coherent), m¹ng tinh thÓ biÕn ®æi liªn tôc, ®Òu ®Æn, kh«ng thay ®æi ®ét ngét vµ kh«ng cã ranh giíi pha râ rµng].

Cã thÓ tr×nh bµy chuyÓn biÕn trong giai ®o¹n nµy díi d¹ng s¬ ®å sau: (mactenxit t«i) Feα(C)0,8 → [Feα(C)0,25 ÷ 0,40 + Fe2 ÷ 2,4C] (mactenxit ram) VËy cuèi giai ®o¹n nµy thÐp t«i cã tæ chøc mactenxit ram vµ austenit d. Giai ®o¹n II (200 ÷ 260oC) Trong giai ®o¹n nµy cacbon vÉn tiÕp tôc tiÕt ra khái mactenxit lµm hµm lîng cacbon trong dung dÞch r¾n chØ cßn kho¶ng 0,15 ÷ 0,20%, song nÐt ®Æc biÖt lµ cã chuyÓn biÕn míi - austenit d thµnh mactenxit ram: (austenit d) Feγ(C)0,8 → [Feα(C)0,15 ÷ 0,20 + Fe2 ÷ 2,4C] (mactenxit ram) Cuèi giai ®o¹n nµy thÐp t«i cã tæ chøc mactenxit ram gåm cacbit ε vµ mactenxit nghÌo cacbon (0,15 ÷ 0,20%). Mactenxit ram lµ tæ chøc cøng kh«ng kÐm (nÕu cã th× chØ lµ chót Ýt) mactenxit t«i, song l¹i Ýt gißn h¬n do gi¶m ®îc øng suÊt bªn trong (do cacbon tiÕt bít ra khái dung dÞch r¾n gi¶m chót Ýt x« lÖch m¹ng). §èi víi çc thÐp t«i b×nh thêng, khi ram ®Õn ®©y ®é cøng vÉn gi÷ nguyªn hoÆc chØ gi¶m chót Ýt (kho¶ng mét, cïng l¾m lµ hai ®¬n vÞ HRC). Song ë mét sè thÐp sau khi t«i cã lîng austenit d lín (hµng chôc %), khi ram ®Õn ®©y ®é cøng cã thÓ t¨ng lªn (thªm 2 ÷ 3, ç biÖt cã thÓ tíi 10 ®¬n vÞ HRC) do hiÖu øng t¨ng ®é cøng nhê chuyÓn biÕn austenit d thµnh mactenxit ram m¹nh h¬n hiÖu øng gi¶m ®é cøng do cacbon tiÕt ra khái dung dung dÞch r¾n. HiÖn tîng nµy ®îc gäi lµ ®é cøng thø hai. Giai ®o¹n III (260 ÷ 400oC) KÕt thóc giai ®o¹n II thÐp t«i cã tæ chøc mactenxit ram gåm hai pha: mactenxit nghÌo cacbon (0,15 ÷ 0,20%) vµ cacbit ε (Fe2 ÷ 2,4C), ®Õn giai ®o¹n III nµy c¶ hai pha ®Òu chuyÓn biÕn: - TÊt c¶ cacbon qu¸ b∙o hßa ®îc tiÕt hÕt ra khái mactenxit díi d¹ng

132

132

cacbit, ®é chÝnh ph¬ng kh«ng cßn, c/a = 1, mactenxit nghÌo cacbon trë thµnh ferit. - Cacbit ε (Fe2 ÷ 2,4C) ë d¹ng tÊm máng biÕn thµnh xªmentit Fe3C ë d¹ng h¹t. S¬ ®å chuyÓn biÕn trong giai ®o¹n nµy nh sau:

Feα (C)0,15 ÷ 0,20 → Feα + Fe3Ch¹t hçn hîp Fe2 ÷ 2,4C → Fe3Ch¹t ferit- xªmentit

Cuèi giai ®o¹n nµy thÐp t«i cã tæ chøc lµ hçn hîp ferit - xªmentit ë d¹ng h¹t rÊt nhá mÞn vµ ph©n t¸n, ®îc gäi lµ tr«xtit ram. Do cacbon ®∙ tiÕt hÕt ra khái dung dÞch r¾n (mactenxit) nªn ®Õn giai ®o¹n nµy: - §é cøng gi¶m ®i râ rÖt song vÉn cßn t¬ng ®èi cao (HRC 45 víi thÐp cïng tÝch). - MÊt hoµn toµn øng suÊt bªn trong, t¨ng m¹nh tÝnh ®µn håi. VËy tr«xtit ram còng nh tr«xtit t«i lµ tæ chøc kh¸ cøng vµ cã giíi h¹n ®µn håi cao nhÊt. Giai ®o¹n IV (> 400oC) Khi tiÕp tôc nung nãng ®Õn > 400OC thÐp t«i kh«ng cã chuyÓn biÕn pha g× míi, chØ cã qu¸ tr×nh kÕt tô (s¸t nhËp, lín lªn) cña çc phÇn tö xªmentit ë d¹ng h¹t. - ë 500 ÷ 650oC ®îc hçn hîp ferit - xªmentit h¹t nhá mÞn vµ kh¸ ph©n t¸n ®îc gäi lµ xoocbit ram víi ®Æc tÝnh lµ cã giíi h¹n ch¶y cao vµ ®é dai va ®Ëp tèt nhÊt. - ë gÇn A1 (727oC) ®îc hçn hîp ferit - xªmentit h¹t cã thÓ ph©n biÖt ®îc díi kÝnh hiÓn vi quang häc, ®îc gäi lµ peclit h¹t. Do xªmentit kÕt tô nªn khi nung nãng ®Õn giai ®o¹n nµy ®é cøng cña thÐp t«i gi¶m ®i m¹nh, thÐp cµng trë nªn dÔ gia c«ng c¾t. Cßn khi nung thÐp t«i lªn qu¸ Ac1 sÏ xuÊt hiÖn austenit æn ®Þnh mµ tïy thuéc vµo tèc ®é lµm nguéi tiÕp theo nã sÏ ph©n hãa thµnh çc tæ chøc kh¸c nhau nh ®∙ kh¶o s¸t ë môc trªn (4.2.4), kh«ng cßn trong ph¹m vi cña nguyªn c«ng ram n÷a. Do vËy khi ram kh«ng ®îc nung nãng qu¸ A1.

Tãm l¹i, ram lµ qu¸ tr×nh ph©n hñy mactenxit, lµm gi¶m ®é cøng cao, øng suÊt bªn trong ®¹t ®îc khi t«i, tuy nhiªn tïy thuéc vµo nhiÖt ®é tiÕn hµnh cã thÓ ®¹t ®îc çc yªu cÇu c¬ tÝnh kh¸c nhau phï hîp víi çc ®iÒu kiÖn t¶i träng t¸c dông rÊt ®a d¹ng trong chÕ t¹o c¬ khÝ. Çc giíi h¹n nhiÖt ®é kÓ trªn cho tõng giai ®o¹n lµ øng víi thÐp cacbon. Víi çc thÐp tríc vµ sau cïng tÝch møc ®é gi¶m ®é cøng khi ram so víi tr¹ng th¸i míi t«i cña chóng còng theo quy luËt t¬ng tù nh ®èi víi thÐp cïng tÝch ®∙ tr×nh bµy. §èi víi thÐp hîp kim, çc giíi h¹n nhiÖt ®é ®Òu ®îc n©ng cao lªn, tøc qu¸ tr×nh ram x¶y ra khã h¬n. Sau khi ®∙ kh¶o s¸t hÕt çc kiÓu chuyÓn biÕn pha khi nung nãng vµ lµm nguéi, ta chuyÓn sang xÐt b¶n chÊt, çch tiÕn hµnh vµ c«ng dông cña çc ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn cô thÓ.

4.3. ñ vµ thêng hãa thÐp Cã thÓ nãi v¾n t¾t lµ ñ vµ thêng hãa lµ çc ph¬ng ph¸p thuéc nhãm nhiÖt luyÖn s¬ bé, lµm mÒm thÐp, chuÈn bÞ tæ chøc cho gia c«ng (c¾t, dËp nguéi, nhiÖt

133

133

luyÖn) tiÕp theo, tuy nhiªn chóng cã çc ®Æc ®iÓm vµ ph¹m vi c«ng dông riªng biÖt.

4.3.1. ñ thÐp

a. §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých §Þnh nghÜa ñ thÐp lµ ph¬ng ph¸p nung nãng thÐp ®Õn nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh (tïy thuéc tõng ph¬ng ph¸p, nhiÖt ®é cã thÓ biÕn ®æi rÊt réng tõ 200 ÷ 300 cho ®Õn trªn 1000oC), gi÷ nhiÖt l©u råi lµm nguéi chËm cïng lß ®Ó ®¹t ®îc tæ chøc æn ®Þnh peclit (tøc ®óng víi gi¶n ®å pha Fe - C) víi ®é cøng thÊp nhÊt vµ ®é dÎo cao. Hai nÐt ®Æc trng cña ñ lµ nhiÖt ®é kh«ng cã quy luËt tæng qu¸t vµ lµm nguéi víi tèc ®é chËm ®Ó ®¹t tæ chøc c©n b»ng. Môc ®Ých Cã nhiÒu ph¬ng ph¸p ñ mµ mçi ph¬ng ph¸p chØ ®¹t ®îc mét, hai hay ba trong sè n¨m môc ®Ých sau ®©y. 1) Gi¶m ®é cøng (lµm mÒm) thÐp ®Ó dÔ tiÕn hµnh gia c«ng c¾t. 2) Lµm t¨ng ®é dÎo ®Ó dÔ tiÕn hµnh biÕn d¹ng (dËp, çn, kÐo) nguéi. 3) Lµm gi¶m hay lµm mÊt øng suÊt bªn trong g©y nªn bëi gia c«ng c¾t, ®óc, hµn, biÕn d¹ng dÎo. 4) Lµm ®ång ®Òu thµnh phÇn hãa häc trªn vËt ®óc bÞ thiªn tÝch. 5) Lµm nhá h¹t thÐp. Theo chuyÓn biÕn pha peclit → austenit x¶y ra khi nung nãng, ngêi ta chia ra hai nhãm ñ: cã vµ kh«ng cã chuyÓn biÕn pha.

b. Çc ph¬ng ph¸p ñ kh«ng cã chuyÓn biÕn pha Çc ph¬ng ph¸p ñ nµy cã nhiÖt ®é ñ thÊp h¬n Ac1 nªn kh«ng cã chuyÓn biÕn peclit → austenit khi nung nãng, do ®ã kh«ng lµm biÕn ®æi tæ chøc cña thÐp. Cã hai ph¬ng ph¸p ñ kh«ng cã chuyÓn biÕn pha lµ ñ thÊp vµ ñ kÕt tinh l¹i. ñ thÊp ñ thÊp hay ñ non ®îc tiÕn hµnh ë çc nhiÖt ®é 200 ÷ 600oC víi môc ®Ých lµm gi¶m hay khö bá øng suÊt bªn trong ë vËt ®óc hay s¶n phÈm qua gia c«ng c¬ khÝ (c¾t gät hay dËp nguéi). NÕu nhiÖt ®é ñ chØ lµ 200 ÷ 300oC chØ khö bá mét phÇn (tøc chØ lµm gi¶m), cßn ë nhiÖt ®é cao h¬n, 450 ÷ 600oC sÏ khö bá hoµn toµn øng suÊt bªn trong. LÜnh vùc ¸p dông: çc chi tiÕt m¸y quan träng chØ ®ßi hái lµm gi¶m hay khö bá øng suÊt bªn trong. Cã thÓ nªu vµi vÝ dô. - VËt ®óc gang quan träng nh th©n m¸y c¾t, yªu cÇu ph¶i khö bá phÇn lín (70 ÷ 80%) øng suÊt bªn trong ®Ó kh«ng lµm cong, biÕn d¹ng sèng trît, thêng ®îc tiÕn hµnh b»ng hai çch sau: + §Ó l©u trong kho hay ngoµi trêi (ë nhiÖt ®é thêng), øng suÊt bªn trong ®îc gi¶m dÇn nhng ph¶i sau kho¶ng mét n¨m míi ®¹t ®Õn gi¸ trÞ nhá cho phÐp, kh«ng g©y ra biÕn d¹ng vÒ sau. Çch lµm nµy tuy ®¬n gi¶n nhng l¹i qu¸ tèn thêi gian, g©y l∙ng phÝ, ø ®äng s¶n phÈm, dÔ g©y mÊt ®ång bé s¶n xuÊt. + ñ ë 450 ÷ 600oC trong 1 ÷ 2h sÏ khö bá ®îc hÇu nh hoµn toµn øng suÊt bªn trong. §©y lµ çch thêng ®îc ¸p dông v× nã tiÕt kiÖm ®îc kho, b∙i, kh«ng g©y l∙ng phÝ (khi vËt ®óc háng sÏ biÕt ngay sau khi gia c«ng c¬ khÝ, do ®ã t×m çch kh¾c phôc kÞp thêi), kh«ng g©y ra mÊt ®ång bé s¶n xuÊt, tuy cã tèn kÐm

134

134

thªm. - Sau khi gia c«ng c¬ øng suÊt bªn trong sÏ t¨ng lªn ¶nh hëng xÊu ®Õn kh¶ n¨ng lµm viÖc cña s¶n phÈm nh xecm¨ng sau khi mµi, c¾t gät, lßxo sau khi quÊn nguéi..., ph¶i ®îc ñ khö øng suÊt tõ 200 ®Õn 450oC (®«i khi cßn gäi lµ ram v× trïng víi nhiÖt ®é ram). Çch ñ nµy kh«ng lµm thay ®æi ®é cøng cña thÐp [®èi víi gang x¸m bÞ biÕn tr¾ng sau khi ñ thÊp (s¸t A1) ®é cøng cã thÓ gi¶m do grafit hãa]. ñ kÕt tinh l¹i ñ kÕt tinh l¹i ®îc tiÕn hµnh cho çc thÐp qua biÕn d¹ng nguéi, bÞ biÕn cøng cÇn kh«i phôc tÝnh dÎo, ®é cøng ë møc nh tríc bÞ biÕn d¹ng. Nh ®∙ tr×nh bµy ë ch¬ng 2 (môc 2.3.2b), nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i cña s¾t lµ 450oC. §èi víi thÐp cacbon, ñ kÕt tinh l¹i ®îc tiÕn hµnh ë 600 ÷ 700oC. Kh¸c víi ñ thÊp, ñ kÕt tinh l¹i lµm gi¶m ®é cøng vµ lµm thay ®æi kÝch thíc h¹t. Nãi chung ph¬ng ph¸p ñ nµy kh«ng ®îc ¸p dông cho thÐp v× phÇn bÞ biÕn d¹ng tíi h¹n (2 ÷ 8%) sau khi kÕt tinh l¹i sÏ cã h¹t rÊt lín, thÐp bÞ gißn (®èi víi thÐp ñ kÕt tinh l¹i chØ ¸p dông cho thÐp kü thuËt ®iÖn, ®Ó gi¶m tæn thÊt tõ cÇn h¹t lín). §Ó tr¸nh thiÕu sãt nµy ®èi víi thÐp ngêi ta ¸p dông çc ph¬ng ph¸p ñ cã chuyÓn biÕn pha. (Riªng ®èi víi çc kim lo¹i, hîp kim kh«ng cã chuyÓn biÕn thï h×nh nh nh«m, ®ång víi môc ®Ých t¬ng tù chØ cã thÓ ¸p dông ñ kÕt tinh l¹i).

c. Çc ph¬ng ph¸p ñ cã chuyÓn biÕn pha Trong thùc tÕ thêng gÆp lo¹i ñ cã chuyÓn biÕn pha. Çc ph¬ng ph¸p ñ nµy cã nhiÖt ®é ñ cao h¬n Ac1 nªn cã x¶y ra chuyÓn biÕn peclit → austenit khi nung nãng víi hiÖu øng lµm nhá h¹t, nªn khi lµm nguéi chËm austenit h¹t nhá l¹i chuyÓn biÕn thµnh peclit víi kÝch thíc h¹t nhá. Cã çc ph¬ng ph¸p ñ cã chuyÓn biÕn pha sau.

ñ hoµn toµn ñ hoµn toµn lµ ph¬ng ph¸p ñ ¸p dông cho thÐp tríc cïng tÝch víi lîng cacbon trong kho¶ng 0,30 ÷ 0,65% víi ®Æc ®iÓm nung nãng thÐp tíi tr¹ng th¸i hoµn toµn lµ austenit, tøc lµ ph¶i cao h¬n Ac3: 0

uT = Ac3 + (20 ÷ 30oC) Môc ®Ých cña ñ hoµn toµn lµ: - Lµm nhá h¹t: nÕu chØ nung qu¸ Ac3 kho¶ng 20 ÷ 30oC th× h¹t austenit nhËn ®îc vÉn nhá, nªn khi lµm nguéi tiÕp theo tæ chøc ferit - peclit nhËn ®îc còng cã h¹t nhá. - Lµm gi¶m ®é cøng vµ t¨ng ®é dÎo ®Ó dÔ c¾t gät vµ dËp nguéi víi ®é cøng ®¹t ®îc lµ HB 160 ÷ 200. Khi nung nãng ®Ó ñ hoµn toµn ta ®îc austenit ®ång nhÊt nªn khi lµm nguéi sÏ ph©n hãa ra tæ chøc ferit - peclit, trong ®ã peclit ë d¹ng tÊm. ñ kh«ng hoµn toµn vµ ñ cÇu hãa ñ kh«ng hoµn toµn lµ ph¬ng ph¸p ¸p dông cho thÐp dông cô cã thµnh phÇn cacbon cao ≥ 0,70%, tøc tÊt c¶ çc thÐp cïng tÝch, sau cïng tÝch vµ thÐp tríc cïng tÝch víi 0,70%C, víi ®Æc ®iÓm nung nãng thÐp tíi tr¹ng th¸i kh«ng hoµn toµn lµ austenit tøc cao h¬n Ac1 nhng ph¶i thÊp h¬n Accm: 0

uT = Ac1 + (20 ÷ 30oC) = 750 ÷ 760oC tøc mäi thÐp kÓ trªn ®Òu cã nhiÖt ®é ñ hÇu nh gièng nhau.

135

135

Tæ chøc t¹o thµnh khi ñ kh«ng hoµn toµn lµ peclit h¹t chø kh«ng ph¶i lµ peclit tÊm. §Êy lµ lý do t¹i sao víi thÐp cacbon cao nh vËy chØ ®em ñ kh«ng hoµn toµn mµ kh«ng ®îc ñ hoµn toµn. NÕu ñ hoµn toµn tøc nung qu¸ Accm sÏ ®îc austenit ®ång nhÊt, khi lµm nguéi chËm tiÕp theo sÏ chuyÓn biÕn thµnh peclit tÊm cã ®é cøng HB > 200 ÷ 220 vµ xªmentit II ë d¹ng líi lµm thÐp cã tÝnh gißn cao. Khi ñ kh«ng hoµn toµn do chØ ®îc nung thÊp (chØ qu¸ Ac1 mét chót) b¶n th©n austenit t¹o thµnh cha kÞp tiÕn hµnh ®ång ®Òu hãa thµnh phÇn hoÆc vÉn cßn çc phÇn tö xªmentit cña peclit cha chuyÓn biÕn xong hoÆc xªmentit II. Sù kh«ng ®ång nhÊt nh vËy lµm cho sù t¹o thµnh peclit h¹t dÔ dµng vµ ®é cøng HB < 220 dÔ gia c«ng c¾t h¬n. Ngîc l¹i ph¬ng ph¸p nµy kh«ng ¸p dông cho thÐp tríc cïng tÝch cã C ≤ 0,65% v× ®©y lµ nhãm thÐp kÕt cÊu cã yªu cÇu cao vÒ ®é dai va ®Ëp nÕu qua ñ kh«ng hoµn toµn sÏ kh«ng lµm nhá ®îc ferit, lµm ¶nh hëng xÊu ®Õn ®é dai. ñ cÇu hãa lµ d¹ng ®Æc biÖt cña ñ kh«ng hoµn toµn, trong ®ã nhiÖt ®é nung dao ®éng tuÇn hoµn trªn díi Ac1: nung lªn 750 ÷ 760oC gi÷ nhiÖt kho¶ng 5min (phót) råi lµm nguéi xuèng 650 ÷ 660oC gi÷ nhiÖt kho¶ng 5min..., víi lÆp ®i lÆp l¹i nhiÒu lÇn nã sÏ xóc tiÕn nhanh qu¸ tr×nh cÇu hãa xªmentit ®Ó t¹o thµnh peclit h¹t.

ñ ®¼ng nhiÖt §èi víi thÐp hîp kim cao do austenit qu¸ nguéi cã tÝnh æn ®Þnh qu¸ lín (®êng cong ch÷ "C" dÞch sang ph¶i rÊt m¹nh), nªn lµm nguéi chËm cïng lß còng kh«ng ®¹t ®îc tæ chøc peclit mµ ra çc tæ chøc cøng h¬n nh peclit - xoocbit, xoocbit, xoocbit - tr«xtit... nªn thÐp kh«ng ®ñ mÒm ®Ó gia c«ng c¾t (xem l¹i phÇn gi¶n ®å T - T - T, môc 4.2.3a). Muèn ®¹t môc ®Ých nµy, tiÖn lîi h¬n c¶ lµ lµm nguéi ®¼ng nhiÖt ë nhiÖt ®é thÊp h¬n Ar1 kho¶ng 50oC (thêng dïng lo¹i lß cã khèng chÕ nhiÖt ®é quy ®Þnh) trong thêi gian nhÊt ®Þnh (x¸c ®Þnh theo gi¶n ®å T - T - T cña chÝnh thÐp ®ã), sÏ nhËn ®îc tæ chøc peclit. LÜnh vùc ¸p dông: cho thÐp hîp kim cao ®Ó rót ng¾n thêi gian ñ. Nh vËy ñ ®¼ng nhiÖt kh¸c víi hai ph¬ng ph¸p ñ trªn ë ph¬ng thøc lµm nguéi: ë ®©y lµ lµm nguéi ®¼ng nhiÖt, ë trªn lµ lµm nguéi liªn tôc. Cßn nhiÖt ®é ñ cã thÓ lµ nhiÖt ®é cña ñ hoµn toµn nÕu lµ thÐp tríc cïng tÝch (sau khi ñ ®îc peclit tÊm) hoÆc cña ñ kh«ng hoµn toµn nÕu lµ thÐp sau cïng tÝch vµ cïng tÝch (sau khi ñ ®îc peclit h¹t).

ñ khuÕch t¸n ñ khuÕch t¸n lµ ph¬ng ph¸p ñ víi ®Æc ®iÓm nung nãng thÐp lªn ®Õn nhiÖt ®é rÊt cao 1100 ÷ 1150oC trong nhiÒu giê (10 ÷ 15h) ®Ó lµm t¨ng kh¶ n¨ng khuÕch t¸n, lµm ®Òu thµnh phÇn hãa häc gi÷a çc vïng trong b¶n th©n mçi h¹t. LÜnh vùc ¸p dông: thÐp hîp kim cao khi ®óc bÞ thiªn tÝch ph¶i lµm ®Òu thµnh phÇn. Tuy nhiªn sau khi ñ khuÕch t¸n h¹t trë nªn rÊt to nªn sau ®ã ph¶i ®a ®i çn nãng hoÆc ñ l¹i theo mét trong ba ph¬ng ph¸p ñ lµm nhá h¹t kÓ trªn. CÇn chó ý: ®èi víi mäi trêng hîp cña ñ cã chuyÓn biÕn pha, chØ cÇn lµm nguéi trong lß ®Õn 600 ÷ 650oC, lóc ®ã sù t¹o thµnh peclit ®∙ hoµn thµnh nªn cã thÓ kÐo vËt phÈm ra khái lß, ®Ó nguéi ngoµi kh«ng khÝ vµ n¹p mÎ kh¸c vµo ñ tiÕp.

4.3.2. Thêng hãa thÐp

136

136

a. §Þnh nghÜa Thêng hãa lµ ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn bao gåm nung nãng thÐp ®Õn tr¹ng th¸i hoµn toµn lµ austenit (cao h¬n Ac3 hay Accm), gi÷ nhiÖt råi lµm nguéi tiÕp theo trong kh«ng khÝ tÜnh (thêng dïng çch kÐo ra lµm nguéi trªn sµn xëng) ®Ó austenit ph©n hãa thµnh tæ chøc gÇn æn ®Þnh: peclit ph©n t¸n hay xoocbit víi ®é cøng t¬ng ®èi thÊp (nhng cao h¬n ñ mét chót). Çc nÐt ®Æc trng cña thêng hãa so víi ñ lµ: - NhiÖt ®é: gièng nh ñ hoµn toµn toµn nhng ®îc ¸p dông cho c¶ thÐp sau cïng tÝch: 0

thT = Ac3 + (30 ÷ 50oC) cho thÐp tríc cïng tÝch,

0thT = Accm + (30 ÷ 50oC) cho thÐp sau cïng tÝch.

- Tèc ®é nguéi: nhanh h¬n ®«i chót, trong kh«ng khÝ tÜnh (®©y lµ çch lµm nguéi th«ng thêng, ®¬n gi¶n nhÊt nªn cã tªn lµ thêng hãa), kh«ng ph¶i dïng lß khi lµm nguéi nªn kinh tÕ h¬n ñ. - Tæ chøc vµ c¬ tÝnh: tæ chøc ®¹t ®îc lµ gÇn c©n b»ng víi ®é cøng cao h¬n ñ ®«i chót.

b. Môc ®Ých vµ lÜnh vùc ¸p dông Do tæ chøc ®¹t ®îc lµ gÇn c©n b»ng nªn vÒ ®¹i thÓ môc ®Ých cña thêng hãa còng gÇn gièng nh ñ, song thêng lµ nh»m vµo ba môc ®Ých sau. 1) §¹t ®é cøng thÝch hîp ®Ó gia c«ng c¾t cho thÐp cacbon thÊp (≤ 0,25%). Lo¹i thÐp nµy nÕu ñ hoµn toµn sÏ ®¹t ®é cøng qu¸ thÊp (HB < 140 ÷ 160), qu¸ dÎo, phoi khã g∙y nªn khã c¾t gät, nÕu thêng hãa sÏ cã ®é cøng cao h¬n, thÝch hîp víi gia c«ng c¾t h¬n do phoi gißn h¬n, dÔ g∙y h¬n. CÇn nhí ®Ó b¶o ®¶m tÝnh gia c«ng c¾t: + thÐp ≤ 0,25%C - ph¶i thêng hãa, + thÐp 0,30 ÷ 0,65%C - ph¶i ñ hoµn toµn, + thÐp ≥ 0,70%C - ph¶i ñ kh«ng hoµn toµn (ñ cÇu hãa). 2) Lµm nhá xªmentit chuÈn bÞ cho nhiÖt luyÖn kÕt thóc. Khi thêng hãa t¹o ra tæ chøc peclit ph©n t¸n hay xoocbit trong ®ã xªmentit cã kÝch thíc nhá, ®iÒu nµy rÊt thuËn lîi ®Ó t¹o thµnh h¹t austenit nhá mÞn khi nung nãng cho nhiÖt luyÖn kÕt thóc. Thêng ¸p dông cho çc thÐp kÕt cÊu tríc khi t«i (thÓ tÝch vµ bÒ mÆt).

H×nh 4.15. Kho¶ng nhiÖt ®é ñ, thêng hãa vµ t«i cho thÐp cacbon.

137

137

3) Lµm mÊt líi xªmentit II cña thÐp sau cïng tÝch. Nh ®∙ biÕt xªmentit II trong thÐp sau cïng tÝch thêng ë d¹ng líi lµm cho thÐp gißn (pha gißn ë d¹ng liªn tôc kh«ng nh÷ng lµm t¨ng m¹nh ®é gißn chung mµ cßn ¶nh hëng xÊu ®Õn ®é nh½n bãng khi c¾t gät). Thêng hãa víi tèc ®é nguéi nhanh h¬n ñ lµm xªmentit II kh«ng kÞp tiÕt ra ë d¹ng liÒn nhau (liªn tôc), mµ ë d¹ng rêi r¹c, çch xa nhau, do ®ã Ýt lµm h¹i tÝnh dÎo.

H×nh 4.15 tr×nh bµy çc kho¶ng nhiÖt ®é ñ, thêng hãa vµ t«i trªn gi¶n ®å pha Fe - C.

4.4. T«i thÐp Trong çc nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn thÐp, t«i lµ nguyªn c«ng quan träng nhÊt.

4.4.1. §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých a. §Þnh nghÜa T«i thÐp lµ ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn bao gåm: nung thÐp lªn cao qu¸ nhiÖt ®é tíi h¹n Ac1 ®Ó lµm xuÊt hiÖn austenit, gi÷ nhiÖt råi lµm nguéi nhanh thÝch hîp ®Ó biÕn nã thµnh mactenxit hay çc tæ chøc kh«ng æn ®Þnh kh¸c víi ®é cøng cao. VËy çc nÐt ®Æc trng cña t«i nh sau. - NhiÖt ®é t«i > Ac1 ®Ó cã austenit (cã thÓ gièng ñ hoÆc thêng hãa). - Tèc ®é lµm nguéi nhanh lµm cho øng suÊt nhiÖt còng nh øng suÊt tæ chøc ®Òu lín, dÔ g©y nøt, biÕn d¹ng, cong vªnh. - Tæ chøc t¹o thµnh cøng vµ kh«ng æn ®Þnh. Hai nÐt ®Æc trng sau kh¸c h¼n ñ vµ thêng hãa.

b. Môc ®Ých Môc ®Ých chñ yÕu cña t«i thÐp lµ ®¹t ®é cøng cao nhÊt ®Ó sau ®ã kÕt hîp víi ram ë nhiÖt ®é thÝch hîp lµ ®Ó nh»m ®¹t çc yªu cÇu sau ®©y.

1) N©ng cao ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn (kÕt hîp víi ram thÊp), nhê ®ã kÐo dµi tuæi thä cña çc chi tiÕt m¸y chÞu mßn vµ tÊt c¶ dông cô (c¾t, biÕn d¹ng nguéi). Nh ®∙ biÕt, nhê t«i mµ ®é cøng ®¹t ®îc gi¸ trÞ cao nhÊt vµ nÕu chØ ram thÊp (chØ cã t¸c dông gi¶m øng suÊt bªn trong, kh«ng lµm gi¶m ®é cøng sau khi t«i) th× thÐp cã kh¶ n¨ng chèng mµi mßn cao. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i thÐp nµo ®em t«i còng lµm t¨ng ®îc ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao theo ý mong muèn. Çc thÐp cã cacbon ≤ 0,35%C khi t«i ®é cøng kh«ng thÓ vît qu¸ HRC 50, víi ®é cøng nµy cha ®ñ ®Ó cã tÝnh chèng mµi mßn ®¸ng kÓ. ChØ çc thÐp cã ≥ 0,40%C míi ®¹t ®îc môc ®Ých nµy, trong ®ã: + thÐp 0,40 ÷ 0,65%C ®¹t ®é cøng HRC 52 ÷ 58 cã tÝnh chèng mµi mßn ®¸ng kÓ, + thÐp 0,70 ÷ 1,00%C ®¹t ®é cøng HRC 60 ÷ 64 cã tÝnh chèng mµi mßn cao, + thÐp 1,00 ÷ 1,50%C ®¹t ®é cøng HRC 65 ÷ 66 cã tÝnh chèng mµi mßn rÊt cao (®«i trêng hîp thÐp cã cacbon cao ®Õn trªn díi 2% cã tÝnh chèng mµi mßn ®Æc biÖt cao).

2) N©ng cao ®é bÒn vµ søc chÞu t¶i cña chi tiÕt m¸y. Sau khi t«i kÕt hîp víi ram ë nhiÖt ®é cao h¬n tuy ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn gi¶m ®i, song nhê mÊt

138

138

hoµn toµn øng suÊt bªn trong vµ ®¹t hçn hîp ferit - xªmentit h¹t ë çc ®é ph©n t¸n kh¸c nhau sÏ ®¹t ®îc çc kÕt hîp c¬ tÝnh kh¸c nhau tõ giíi h¹n bÒn, giíi h¹n ®µn håi cao ®Õn giíi h¹n ch¶y cao cïng çc ®Æc tÝnh vÒ ®é dÎo, ®é dai thÝch øng ®a d¹ng víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc kh¸c nhau cña chi tiÕt m¸y. §Ó ®¹t môc ®Ých nµy cã thÓ tiÕn hµnh t«i cho mäi lo¹i thÐp cacbon kh¸c nhau. Tuy nhiªn çc thÐp cacbon qu¸ thÊp, ≤ 0,10%, hiÖu qu¶ t¨ng ®é bÒn thÊp, cßn khi cao h¬n 0,65% do cã tÝnh gißn cao nªn còng kh«ng ®îc sö dông réng r∙i cho môc ®Ých nµy. Do vËy ®Ó ®¹t ®é bÒn cao mµ kh«ng bÞ gißn thêng chØ dïng thÐp 0,15 ÷ 0,65%C qua t«i + ram. Nh vËy, hÇu hÕt çc chi tiÕt m¸y quan träng lµm viÖc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nÆng nÒ nh chÞu ma s¸t, bÞ mµi mßn, chÞu t¶i träng cao vµ tÊt c¶ dông cô ®Òu ph¶i qua nhiÖt luyÖn t«i + ram. Ngêi ta chó ý rÊt nhiÒu ®Õn nguyªn c«ng t«i cã tÝnh chÊt quyÕt ®Þnh nµy, h¬n n÷a ®©y lµ nguyªn c«ng gÇn nh lµ cuèi cïng, ®îc thùc hiÖn trªn chi tiÕt gÇn nh lµ thµnh phÈm (cã trêng hîp sau ®ã chØ ph¶i qua mµi) l¹i ph¶i lµm nguéi nhanh dÔ sinh ra biÕn d¹ng (khã tr¸nh khái), thËm chÝ cã khi nøt, vì g©y l∙ng phÝ nghiªm träng vµ ph¸ vì ®ång bé s¶n xuÊt.

4.4.2. Chän nhiÖt ®é t«i thÐp

a. §èi víi thÐp tríc cïng tÝch vµ cïng tÝch (≤≤≤≤ 0,80%C) NhiÖt ®é t«i ph¶i lÊy cao h¬n Ac3 tøc nung nãng tíi tr¹ng th¸i hoµn toµn lµ austenit. Çch t«i nh vËy lµ t«i hoµn toµn: 0

tT = Ac3 + (30 ÷ 50oC) tæ chøc ®¹t ®îc lµ mactenxit + austenit d.

b. §èi víi thÐp sau cïng tÝch (≥≥≥≥ 0,90%C) NhiÖt ®é t«i chØ lÊy cao h¬n Ac1 tøc nung nãng tíi tr¹ng th¸i kh«ng hoµn toµn lµ austenit (γ + XeII). Çch t«i nh vËy lµ t«i kh«ng hoµn toµn: 0

tT = Ac1 + (30 ÷ 50oC) ≈ 760 ÷ 780oC tøc mäi thÐp kÓ trªn ®Òu cã nhiÖt ®é t«i nh nhau víi tæ chøc ®¹t ®îc lµ mactenxit + xªmentit II + austenit d.

c. Lý do chän nhiÖt ®é t«i nh vËy §èi víi thÐp tríc cïng tÝch, khi t«i kh«ng hoµn toµn (tøc nung díi Ac3) ngoµi mactenxit ra vÉn cßn ferit (γ + α → M + α), ®ã lµ pha mÒm ngoµi lµm thÊp ®é cøng cña thÐp t«i nã cßn g©y ra ®iÓm mÒm ¶nh hëng xÊu tíi ®é bÒn, ®é bÒn mái vµ tÝnh chèng mµi mßn. Khi t«i hoµn toµn (tøc nung cao h¬n Ac3) tÊt c¶ ferit hßa tan hÕt vµo austenit, do vËy sau khi t«i thÐp cã tæ chøc chñ yÕu lµ mactenxit, kh«ng cã ferit d nªn ®é cøng ®¹t ®îc gi¸ trÞ cao nhÊt. §èi víi thÐp sau cïng tÝch, khi nung ®Ó t«i hoµn toµn sÏ ®¹t ®îc tæ chøc hoµn toµn lµ austenit víi nång ®é cacbon cao nh thµnh phÇn cña thÐp, nªn sau khi lµm nguéi nhanh ngoµi mactenxit ra cßn cã nhiÒu austenit d (do thÓ rÝch riªng cña mactenxit qu¸ lín, Ðp m¹nh vµo austenit) lµm gi¶m thÊp ®é cøng cña thÐp t«i (xem l¹i h×nh 4.12 vµ môc 4.2.4.b). H¬n n÷a khi t«i hoµn toµn thÐp sau cïng tÝch, nhiÖt ®é t«i sÏ qu¸ cao (do ®êng SE dèc h¬n vµ låi cong lªn) nhÊt lµ víi çc thÐp cã lîng C ≥ 1,2%, dÔ g©y ra h¹t lín, tho¸t cacbon, «xy hãa vµ gißn sau khi t«i. Ngîc l¹i khi nung ®Ó t«i kh«ng hoµn toµn sÏ ®¹t ®îc tæ chøc kh«ng hoµn toµn lµ austenit tøc gåm austenit chøa kho¶ng 0,85%C vµ xªmentit II, do ®ã khi lµm nguéi nhanh austenit nµy biÕn thµnh mactenxit víi thÓ tÝch riªng vµ ®é chÝnh

139

139

ph¬ng c/a kh«ng cao l¾m, kh«ng Ðp m¹nh austenit nªn lîng austenit d kh«ng cao vµ do ®ã kh«ng lµm thÊp ®é cøng cña thÐp t«i. Tæ chøc t¹o thµnh gåm mactenxit + xªmentit II + Ýt austenit d cã ®é cøng cao v× xªmentit II cã ®é cøng cao kh«ng kÐm g× mactenxit, l¹i cßn lµm t¨ng m¹nh tÝnh chèng mµi mßn. Nh vËy çc thÐp cïng tÝch vµ sau cïng tÝch tuy cïng nhiÖt ®é t«i vµ ®é cøng sau khi t«i gÇn nh nhau, HRC 62 ÷ 65 (do lîng cacbon trong austenit gièng nhau, ~ 0,8 ÷ 0,85) song tÝnh chèng mµi mßn kh¸c nhau, cµng nhiÒu cacbon cµng chèng mµi mßn do cã nhiÒu cacbit (xªmentit).

d. §èi víi thÐp hîp kim Çch chän nhiÖt ®é t«i nh trªn theo gi¶n ®å pha Fe - C chØ ¸p dông cho thÐp cacbon tøc thÐp thêng. §èi víi thÐp hîp kim ngêi ta ph©n nã thµnh hai trêng hîp ®Ó xÐt. §èi víi thÐp hîp kim thÊp (vÝ dô 0,40%C + 1,00%Cr), nhiÖt ®é t«i kh«ng kh¸c g× thÐp cacbon t¬ng ®¬ng (tøc chØ cã 0,40%C) hay cã sai kh¸c (thêng t¨ng lªn) kh«ng nhiÒu (10 ÷ 20oC).

§èi víi thÐp hîp kim trung b×nh vµ cao, nhiÖt ®é t«i kh¸c nhiÒu víi thÐp cacbon t¬ng ®¬ng, kh«ng thÓ lÊy nã lµm c¬ së ®Ó tÝnh ra nhiÖt ®é cô thÓ, mµ ph¶i tra trong çc s¸ch tra cøu vµ sæ tay kü thuËt.

4.4.3. Tèc ®é t«i tíi h¹n vµ ®é thÊm t«i a. Tèc ®é t«i tíi h¹n Nh ®∙ biÕt tèc ®é t«i tíi h¹n lµ tèc ®é nguéi nhá nhÊt cÇn thiÕt ®Ó austenit chuyÓn biÕn thµnh mactenxit. Cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn ®óng gi¸ trÞ nµy theo s¬ ®å h×nh 4.10 vµ theo c«ng thøc sau

m

0m

th tT1A

V−

= oC/s

trong ®ã: A1- nhiÖt ®é tíi h¹n díi cña thÐp, oC, m

0m t,T - nhiÖt ®é vµ thêi gian øng víi austenit qu¸ nguéi kÐm æn

®Þnh nhÊt, oC, s. Tèc ®é t«i tíi h¹n cña thÐp cµng nhá cµng dÔ t«i, tøc lµ kh«ng cÇn lµm nguéi nhanh còng cã thÓ ®¹t ®îc tæ chøc mactenxit. ViÖc lµm nguéi chËm còng cã thÓ ®¹t ®îc tæ chøc mactenxit rÊt cã lîi v× nã cã kh¶ n¨ng t¹o ra ®é cøng cao ®ång thêi víi biÕn d¹ng nhá vµ kh«ng bÞ nøt, ®iÒu nµy rÊt quan träng víi çc chi tiÕt m¸y víi h×nh d¹ng phøc t¹p.

b. Çc yÕu tè ¶nh hëng ®Õn tèc ®é t«i tíi h¹n A1 (= 727oC) vµ 0

mT (≈ 550oC) cã gi¸ trÞ t¬ng ®èi æn ®Þnh, song tm thay ®æi rÊt m¹nh, nã phô thuéc vµo vÞ trÝ cña ®êng "C". VËy mäi yÕu tè lµm t¨ng hay lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi ®Òu lµm gi¶m hay t¨ng gi¸ trÞ cña Vth. Çc yÕu tè ®ã lµ: - Thµnh phÇn hîp kim cña austenit. §©y lµ yÕu tè quan träng nhÊt. austenit cµng giµu çc nguyªn tè hîp kim (trõ c«ban) ®êng "C" cµng dÞch sang ph¶i, Vth cµng nhá. Nãi chung thÐp víi 2 ÷ 3% nguyªn tè hîp kim Vth ≈ 100oC/s, víi 5 ÷ 7% nguyªn tè hîp kim Vth ≈ 25oC/s. Thµnh phÇn cacbon kh«ng cã ¶nh hëng quan träng ®Õn Vth (môc 4.2.3c). Çc thÐp cacbon cã Vth trong kho¶ng 400

140

140

÷ 800oC/s. - Sù ®ång nhÊt cña austenit. Austenit cµng ®ång nhÊt cµng dÔ biÕn thµnh mactenxit. Khi austenit kh«ng ®ång nhÊt, ë nh÷ng vïng giµu cacbon dÔ biÕn thµnh xªmentit hay cacbit, nh÷ng vïng nghÌo cacbon dÔ biÕn thµnh ferit. N©ng cao nhiÖt ®é t«i sÏ gióp hßa tan vµ lµm ®ång ®Òu hãa cacbon, n©ng cao tÝnh ®ång nhÊt cña austenit, lµm gi¶m Vth. - Çc phÇn tö r¾n cha tan hÕt vµo austenit thóc ®Èy chuyÓn biÕn t¹o thµnh hçn hîp ferit - cacbit, lµm t¨ng Vth. - KÝch thíc h¹t austenit cµng lín, biªn giíi h¹t cµng Ýt, cµng khã chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp ferit - cacbit, lµm gi¶m Vth.

c. §é thÊm t«i

§Þnh nghÜa Trong nhiÒu trêng hîp tæ chøc mactenxit kh«ng thÓ t¹o thµnh trªn toµn tiÕt diÖn, mµ chØ cã ë bÒ mÆt ¨n s©u vµo bªn trong ®Õn chiÒu s©u nhÊt ®Þnh, tøc líp t«i lµ cã giíi h¹n vµ xuÊt hiÖn kh¸i niÖm vÒ chiÒu s©u t«i hay ®é thÊm t«i. §é thÊm t«i lµ chiÒu s©u líp t«i cøng cã tæ chøc mactenxit (thËt ra trong çch tÝnh ngêi ta ®o ®é thÊm t«i tíi líp nöa mactenxit tøc mactenxit + tr«xtit). Çch x¸c ®Þnh §Ó gi¶i thÝch ®é thÊm t«i cho mét trêng hîp cô thÓ h∙y chó ý ®Õn çc s¬ ®å trªn h×nh 4.16. NÕu chi tiÕt thÐp cã d¹ng h×nh trô trßn víi ®êng kÝnh D, khi lµm nguéi (lóc t«i) tèc ®é nguéi ë bÒ mÆt bao giê còng cao h¬n trong lâi nªn ph©n bè trªn ®êng kÝnh cã d¹ng h×nh ch÷ "V", do ®ã chØ líp bÒ mÆt víi chiÒu dµy δ cã Vnguéi ≥ Vth míi cã tæ chøc mactenxit cøng, cßn phÇn lâi cßn l¹i cã Vnguéi ≤ Vth cã tæ chøc ferit - xªmentit mÒm h¬n. ë ®©y δ lµ chiÒu dµy cña líp ®îc t«i cøng ®ång nhÊt lµ ®é thÊm t«i.

H×nh 4.16. S¬ ®å gi¶i thÝch ®é thÊm t«i

Çc yÕu tè ¶nh hëng Qua s¬ ®å trªn thÊy râ yÕu tè quan träng nhÊt ¶nh hëng ®Õn ®é thÊm t«i lµ Vth. Tèc ®é t«i tíi h¹n cµng nhá ®é thÊm t«i cµng cao. NÕu Vth cña thÐp nhá tíi møc Vth < Vlâi th× lâi còng ®îc t«i tøc lµ toµn tiÕt diÖn ®îc t«i vµ gäi lµ t«i thÊu. Mäi yÕu tè lµm gi¶m Vth nh austenit ®ång nhÊt, t¨ng nhiÖt ®é t«i, h¹t lín vµ ®Æc biÖt lµ hîp kim hãa austenit (thÐp) ®Òu lµm t¨ng ®é thÊm t«i.

141

141

Tèc ®é lµm nguéi nhanh còng gióp lµm t¨ng ®é thÊm t«i (h∙y tëng tîng nh thÕ th× ®êng cong h×nh ch÷ V sÏ n©ng cao lªn, giao ®iÓm cña nã víi ®êng ngang Vth sÏ ®i s©u vµo lâi...). Song kh«ng nªn ¸p dông biÖn ph¸p nµy v× dÔ g©y nøt, biÕn d¹ng. ý nghÜa ý nghÜa cña ®é thÊm t«i lµ ë chç nã biÓu thÞ kh¶ n¨ng hãa bÒn cña thÐp b»ng t«i + ram, hay nãi cho ®óng h¬n lµ biÓu thÞ tû lÖ tiÕt diÖn cña chi tiÕt ®îc hãa bÒn nhê t«i + ram. Nh ®∙ biÕt sau khi t«i ®é bÒn, ®é cøng cña thÐp t¨ng lªn nhiÒu lÇn, song nÕu líp t«i qu¸ máng (®é thÊm t«i n«ng) th× hiÖu qu¶ nµy lµ kh«ng ®¸ng kÓ: lâi do kh«ng ®îc t«i, cã ®é bÒn thÊp do ®ã nguy c¬ ph¸ hñy tõ ®©y lµ rÊt lín. Khi líp t«i dµy (®é thÊm t«i s©u) hiÖu qu¶ nµy sÏ trë nªn hoµn toµn h¬n nhê ®ã søc chÞu t¶i cña chi tiÕt t¨ng lªn râ rÖt. §Æc biÖt khi t«i thÊu hiÖu qu¶ hãa bÒn b»ng t«i + ram ®èi víi thÐp lµ hoµn toµn, dÔ dµng ®¹t ®îc c¬ tÝnh cao vµ ®ång nhÊt trªn toµn tiÕt diÖn, ®iÒu nµy ®Æc biÖt quan träng ®èi víi çc chi tiÕt lín chÞu t¶i nÆng.

TÝnh thÊm t«i lµ chØ tiªu chÊt lîng quan träng ®èi víi thÐp, thÐp cã ®é thÊm t«i cµng cao nãi chung cµng ®îc ®¸nh gi¸ lµ tèt, song ®iÒu ®ã kh«ng cã nghÜa trêng hîp nµo còng ph¶i dïng thÐp cã ®é thÊm t«i cao nhÊt mét çch kh«ng cÇn thiÕt v× ®ã lµ lo¹i thÐp hîp kim cao, gi¸ ®¾t. Yªu cÇu cña viÖc chän thÐp lµm çc chi tiÕt chÞu t¶i träng nÆng lµ nã ph¶i cã ®é thÊm t«i phï hîp, tèt nhÊt lµ ph¶i t«i thÊu tiÕt diÖn ®∙ chän. Nh vËy mçi m¸c thÐp tïy thuéc vµo møc ®é thÊm t«i sÏ cho c¬ tÝnh cao vµ ®ång nhÊt tíi giíi h¹n kÝch thíc (tiÕt diÖn) nµo ®ã, nÕu dïng cho tiÕt diÖn nhá h¬n lµ l∙ng phÝ mµ dïng cho tiÕt diÖn lín h¬n lµ kh«ng thÝch hîp vµ kh«ng b¶o ®¶m ®iÒu kiÖn kü thuËt. Do vËy khi chän çc m¸c thÐp còng ph¶i tÝnh ®Õn yÕu tè kÝch thíc cña s¶n phÈm.

d. §¸nh gi¸ ®é thÊm t«i Ngêi ta ®¸nh gi¸ ®é thÊm t«i b»ng ph¬ng ph¸p t«i ®Çu mót b»ng níc mét khèi trô trßn φ 25 dµi 100mm råi ®o ®é cøng trªn ®êng sinh tõ mót t«i, tõ ®ã x©y dùng nªn ®êng cong biÓu thÞ quan hÖ ®é cøng - kho¶ng çch ®Õn mót t«i. Song ®é thÊm t«i cña cïng mét m¸c thÐp cã thÓ dao ®éng do çc biÕn ®éng cho phÐp vÒ thµnh phÇn hãa häc, ®é lín h¹t, nhiÖt ®é t«i..., chÝnh v× vËy çc gi¸ trÞ ®é cøng ë mçi vÞ trÝ cã thÓ biÕn ®éng trong mét ph¹m vi nªn mèi quan hÖ trªn kh«ng thÓ chØ biÓu thÞ b»ng mét ®êng mµ ph¶i lµ mét d¶i gäi lµ d¶i thÊm t«i. H×nh 4.17 tr×nh bµy d¶i thÊm t«i cña çc thÐp víi cïng lîng cacbon lµ 0,40%, ë ®©y ®é thÊm t«i ®îc tÝnh tíi vïng nöa mactenxit (cã ®é cøng øng víi ®êng 1). Nh vËy thÐp cacbon thêng ®é thÊm t«i trung b×nh chØ lµ 7mm, nÕu thªm 1,00%Cr lµ 12mm, cßn thªm 0,18%Mo n÷a t¨ng lªn ®Õn 30mm. Víi môc ®Ých b¶o ®¶m c¬ tÝnh ®ång nhÊt trªn tiÕt diÖn, tríc khi ®em chÕ t¹o trong mét sè trêng hîp (vÝ dô khi chÕ t¹o b¸nh r¨ng) ngêi ta ph¶i kiÓm tra l¹i ®é thÊm t«i cña m¸c thÐp ®ang dïng. Trong mét sè Ýt trêng hîp cßn cã yªu cÇu h¹n chÕ ®é thÊm t«i ®Ó b¶o ®¶m lâi kh«ng bÞ t«i, chi tiÕt sau khi t«i cã ®é cøng bÒ mÆt vµ ®é dai ®Òu cao.

e. TÝnh thÊm t«i vµ tÝnh t«i cøng TÝnh t«i hay tÝnh t«i cøng lµ kh¶ n¨ng ®¹t ®é cøng cao khi t«i, nã phô thuéc chñ yÕu vµo lîng cacbon cña austenit (do ®ã cña thÐp) mµ Ýt phô thuéc vµo lîng nguyªn tè hîp kim. ThÐp cã cacbon cµng cao tÝnh t«i cøng cµng lín. Ngîc

142

142

l¹i, tÝnh thÊm t«i lµ kh¶ n¨ng t¨ng chiÒu dµy cña líp t«i cøng, nã phô thuéc chñ yÕu vµo møc ®é hîp kim hãa cña austenit (do ®ã cña thÐp) mµ Ýt phô thuéc vµo lîng cacbon. ThÐp hîp kim cµng cao cã tÝnh thÊm t«i cµng lín. Do vËy tïy thuéc vµo lîng cacbon, hîp kim, thÐp cã thÓ cã çc kÕt hîp kh¸c nhau cña hai tÝnh chÊt trªn.

H×nh 4.17. D¶i thÊm t«i cña thÐp: a. 0,40%C, b. 0,40%C + 1,00%Cr, c. 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo, 1- ®é cøng cña vïng nöa mactenxit cña thÐp.

4.4.4. Çc ph¬ng ph¸p t«i thÓ tÝch vµ c«ng dông. Çc m«i trêng t«i Theo nhiÖt ®é ngêi ta ph©n biÖt t«i hoµn toµn vµ kh«ng hoµn toµn. Theo tiÕt diÖn nung nãng ®Ó t«i l¹i chia ra t«i thÓ tÝch vµ t«i bÒ mÆt. ë ®©y chØ tr×nh bµy vÒ t«i thÓ tÝch. Nh ®∙ nãi kh«ng thÓ lµm nguéi thÐp víi tèc ®é tïy ý, mµ chØ cã thÓ ®a nã vµo trong m«i trêng nµo ®ã (thêng lµ chÊt láng) ®Ó nguéi do vËy trªn thùc tÕ sè ph¬ng thøc lµm nguéi khi t«i còng lµ cã h¹n. Theo ph¬ng thøc lµm nguéi còng nh çch sö dông m«i trêng lµm nguéi (hay cßn gäi lµ m«i trêng t«i) cã mét sè ph¬ng ph¸p t«i sau (h×nh 4.18).

H×nh 4.18. Ph¬ng thøc lµm nguéi

trong çc ph¬ng ph¸p t«i: a. trong mét m«i trêng, b. trong hai m«i trêng, c. ph©n cÊp, d. ®¼ng nhiÖt.

a. T«i trong mét m«i trêng vµ çc m«i trêng t«i thêng dïng

§©y lµ ph¬ng ph¸p t«i quan träng nhÊt, chñ yÕu nhÊt, ®îc dïng réng r∙i nhÊt. Trong ph¬ng ph¸p t«i nµy, lµm nguéi khi t«i nh biÓu diÔn bëi ®êng a trªn

143

143

h×nh 4.18, tøc lµ nhóng, ®a vµo trong mét m«i trêng lµm nguéi nhanh thÝch hîp cho ®Õn khi thÐp ®îc nguéi h¼n. VÊn ®Ò chän m«i trêng lµm nguéi - m«i trêng t«i cã ý nghÜa quyÕt ®Þnh.

Yªu cÇu ®èi víi m«i trêng t«i Theo møc ®é quan träng m«i trêng t«i ph¶i ®¹t ®îc çc yªu cÇu sau: - tríc hÕt ph¶i lµm nguéi nhanh thÐp sao cho ®¹t ®îc tæ chøc mactenxit, ®©y lµ yªu cÇu ph¶i tÝnh ®Õn ®Çu tiªn, nhng ®ång thêi - kh«ng lµm thÐp bÞ nøt hay biÕn d¹ng (cã thÓ cho phÐp víi biÕn d¹ng nhá trong ph¹m vi cho phÐp),

- ngoµi ra còng ph¶i tÝnh ®Õn çc yÕu tè kinh tÕ, an toµn vµ b¶o vÖ m«i trêng.

H×nh 4.19. §êng cong lý tëng lµm nguéi khi t«i.

§Ó ®¹t ®îc hai yªu cÇu c¬ b¶n trªn, m«i trêng t«i ®em dïng ph¶i cã kh¶ n¨ng lµm nguéi kh¸c nhau ë çc kho¶ng nhiÖt ®é kh¸c nhau biÓu diÔn b»ng vect¬ nguéi t¬ng quan víi gi¶n ®å T - T - T cña thÐp nh ë h×nh 4.19, nh sau.

1) Lµm nguéi nhanh thÐp ë trong kho¶ng austenit kÐm æn ®Þnh nhÊt 500 ÷ 600oC ®Ó austenit kh«ng kÞp ph©n hãa thµnh hçn hîp ferit - xªmentit. Muèn vËy m«i trêng t«i ph¶i cã kh¶ n¨ng lµm nguéi thÐp víi tèc ®é lín h¬n Vth. §¹t ®îc yªu cÇu nµy sÏ b¶o ®¶m nhËn ®îc tæ chøc mactenxit, b¶o ®¶m ®é cøng cao theo yªu cÇu khi t«i. Râ rµng ®©y lµ yªu cÇu ph¶i tÝnh tíi tríc tiªn khi chän m«i trêng t«i.

2) Lµm nguéi chËm thÐp ë ngoµi kho¶ng nhiÖt ®é trªn v× ë ngoµi kho¶ng 500 ÷ 600oC austenit qu¸ nguéi cã tÝnh æn ®Þnh cao, kh«ng sî bÞ chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit cã ®é cøng thÊp. Song ë ®©y ngêi ta ®Æc biÖt chó ý ®Õn kho¶ng nhiÖt ®é b¾t ®Çu x¶y ra chuyÓn biÕn mactenxit (300 ÷ 200oC). Lµm nguéi chËm trong kho¶ng nµy sÏ cã t¸c dông lµm gi¶m øng suÊt tæ chøc khi x¶y ra chuyÓn biÕn nµy, b¶o ®¶m thÐp t«i kh«ng bÞ nøt vµ Ýt cong vªnh. §©y còng lµ yªu cÇu kh«ng thÓ bá qua, ®Æc biÖt ®èi víi lo¹i thÐp vµ chi tiÕt cã nguy c¬ nøt vµ biÕn d¹ng lín (thÐp cabon cao, chi tiÕt víi h×nh d¹ng phøc t¹p, tiÕt diÖn thay ®æi ®ét ngét...). Trong thùc tÕ cha t×m ®îc m«i trêng t«i nµo tháa m∙n tèt c¶ hai yªu cÇu chÝnh kÓ trªn. Çc m«i trêng t«i thêng dïng

nhiÖ

t ®é

144

144

§Æc tÝnh lµm nguéi kim lo¹i ë çc kho¶ng nhiÖt ®é cña çc m«i trêng t«i kh¸c nhau ®îc tr×nh bµy ë b¶ng 4.1. B¶ng 4.1. §Æc tÝnh lµm nguéi cña çc m«i trêng t«i

Tèc ®é nguéi, 0C/s, ë çc kho¶ng nhiÖt ®é M«i trêng t«i 600 ÷ 5000C 300 ÷ 2000C

Níc l¹nh, 10 ÷ 300C 600, 500 270 Níc nãng, 500C 100 270 Níc hßa tan 10%NaCl, NaOH,200C 1100, 1200 300 DÇu kho¸ng vËt 100 ÷ 150 20 ÷ 25 TÊm thÐp, kh«ng khÝ nÐn 35, 30 15, 10

Níc lµ m«i trêng t«i m¹nh, an toµn, rÎ, dÔ kiÕm vµ thêng dïng. Níc l¹nh (10 ÷ 30oC) lµm nguéi thÐp kh¸ nhanh ë c¶ hai kho¶ng nhiÖt ®é, do vËy b¶o ®¶m ®é cøng cao khi t«i nhng còng dÔ g©y ra nøt, biÕn d¹ng. Dïng níc ®Ó t«i rÊt an toµn v× kh«ng g©y ch¸y hay bèc mïi khã chÞu, song khi níc trong bÓ t«i bÞ nãng lªn (> 40oC) lµm gi¶m m¹nh tèc ®é nguéi ë nhiÖt ®é cao (tõ 500 ÷ 600 xuèng cßn cã 100oC/s khi níc bÞ nãng lªn 50oC, nã cßn lµm nguéi chËm h¬n c¶ dÇu) nªn lµm gi¶m m¹nh kh¶ n¨ng t«i cøng, mµ kh«ng lµm gi¶m kh¶ n¨ng bÞ biÕn d¹ng vµ nøt (do kh«ng lµm gi¶m tèc ®é nguéi ë nhiÖt ®é thÊp). V× vËy khi t«i níc ph¶i chó ý lu«n gi÷ cho níc ë bÓ t«i ®îc l¹nh b»ng çch cÊp níc l¹nh míi vµo vµ th¶i líp níc nãng ë bÒ mÆt ®i. Níc (l¹nh) lµ m«i trêng t«i cho thÐp cacbon (lµ lo¹i cã Vth lín, 400 ÷ 800oC /s), song kh«ng thÝch hîp cho chi tiÕt cã h×nh d¹ng phøc t¹p. Khi hßa tan vµo níc mét lîng (10%) çc muèi (NaCl hoÆc Na2CO3) hay xót (NaOH), kh¶ n¨ng t«i cøng thÐp cña dung dÞch t¨ng lªn (do t¨ng tèc ®é nguéi ë nhiÖt ®é cao) song kh«ng t¨ng kh¶ n¨ng g©y nøt (v× hÇu nh kh«ng t¨ng tèc ®é nguéi ë nhiÖt ®é thÊp) so víi níc. Dung dÞch nµy ®îc dïng ®Ó t«i thÐp cacbon cã Vth lín (> 600oC / s), chñ yÕu cho thÐp dông cô cacbon (lo¹i cÇn b¶o ®¶m ®é cøng cao).

DÇu còng lµ m«i trêng t«i thêng dïng song cã çc ®Æc tÝnh hÇu nh ®èi lËp víi níc. DÇu lµm nguéi chËm thÐp ë c¶ hai kho¶ng nhiÖt ®é do ®ã Ýt g©y biÕn d¹ng, nøt nhng kh¶ n¨ng t«i cøng l¹i kÐm. DÇu nãng vµ dÇu nguéi cã kh¶ n¨ng t«i gièng nhau nªn ngêi ta thêng t«i thÐp trong dÇu nãng, 60 ÷ 80oC, ®Ó cã ®é lo∙ng (linh ®éng) tèt kh«ng b¸m nhiÒu vµo bÒ mÆt thÐp sau khi t«i. Song nhîc ®iÓm cña dÇu lµ khi qu¸ nãng (> 150oC) sÏ bèc ch¸y nªn trong bÓ t«i dÇu ph¶i ®Æt èng xo¾n cho níc ch¶y ®Ó lµm nguéi dÇu. Ngoµi ra dÇu bèc mïi g©y « nhiÔm m«i trêng, h¹i cho søc kháe ngêi. DÇu lµ m«i trêng t«i cho thÐp hîp kim (lo¹i cã Vth nhá, < 150oC / s), çc chi tiÕt cã h×nh d¹ng phøc t¹p. Tuy nhiªn quy t¾c t«i dÇu cho thÐp hîp kim, t«i níc cho thÐp cacbon còng cã thÓ cã ngo¹i lÖ. - Chi tiÕt tuy b»ng thÐp cacbon song víi tiÕt diÖn nhá (φ < 10) vµ h×nh d¹ng ®¬n gi¶n (nh trôc tr¬n) cã thÓ ®em t«i dÇu. Chi tiÕt tiÕt diÖn nhá song h×nh d¹ng phøc t¹p dï vÒ mÆt ®é bÒn chän thÐp cacbon còng ®îc vÉn ph¶i chuyÓn sang lµm

145

145

b»ng thÐp hîp kim ®Ó t«i dÇu. - Chi tiÕt tuy lµm b»ng thÐp hîp kim song cã tiÕt diÖn lín, h×nh d¹ng ®¬n gi¶n nÕu t«i dÇu kh«ng ®¹t ®é cøng cã thÓ chuyÓn sang t«i níc. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y nhiÒu níc ®∙ dïng çc m«i trêng t«i míi, ®ã lµ dung dÞch níc cã pha çc chÊt hãa häc ®Æc biÖt (nh polyme) cã t¸c dông lµm gi¶m tèc ®é nguéi ë nhiÖt ®é thÊp nhê ®ã gi¶m ®îc nøt vµ cong vªnh. Ngêi ta còng cã thÓ dïng m«i trêng t«i kh«ng ph¶i lµ chÊt láng nh: khÝ nÐn, luång giã thæi, kh«ng khÝ tÜnh, tÊm thÐp, tÊm ®ång ë d¹ng khu«n Ðp, chóng cho tèc ®é nguéi chËm, chØ thÝch hîp víi thÐp hîp kim cao (lo¹i cã Vth rÊt nhá, cì vµi chôc oC / s) víi chiÒu dµy máng, tiÕt diÖn bÐ. NÕu thÐp cã Vth nhá ®Õn møc khi lµm nguéi trong kh«ng khÝ tÜnh còng ®¹t ®îc mactenxit cøng th× ®ã lµ lo¹i thÐp tù t«i. T«i trong khu«n Ðp lµ çch t«i duy nhÊt cho çc vËt máng, h×nh d¹ng phøc t¹p dÔ bÞ cong vªnh khi lµm nguéi tù do. T«i trong mét m«i trêng rÊt phæ biÕn do dÔ ¸p dông c¬ khÝ hãa, tù ®éng hãa, gi¶m nhÑ ®iÒu kiÖn lao ®éng nÆng nhäc.

b. T«i trong hai m«i trêng (níc qua dÇu) Çch t«i nµy cã ph¬ng thøc lµm nguéi nh biÓu thÞ b»ng ®êng b trªn h×nh 4.18, nã tËn dông ®îc u ®iÓm cña c¶ níc lÉn dÇu. Tho¹t tiªn thÐp ®îc lµm nguéi nhanh trong m«i trêng t«i m¹nh - níc, níc pha muèi, xót ®Õn khi s¾p x¶y ra chuyÓn biÕn mactenxit (300 ÷ 400oC) th× nhÊc ra chuyÓn sang lµm nguéi chËm trong m«i trêng t«i yÕu: dÇu (hay kh«ng khÝ) cho ®Õn khi nguéi h¼n. Nh vËy võa b¶o ®¶m ®é cøng cao cho thÐp võa Ýt g©y biÕn d¹ng, nøt.

Nhîc ®iÓm vÒ mÆt c«ng nghÖ cña çch t«i nµy lµ khã x¸c ®Þnh thêi ®iÓm chuyÓn m«i trêng (thêng lµ rÊt ng¾n, chØ vµi gi©y vµ ph¶i xö lý kh¸ chÝnh x¸c): nÕu qu¸ sím (khi nhiÖt ®é cña thÐp cßn cao) kh«ng thÓ ®¹t ®é cøng cao do cã chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit khi lµm nguéi chËm tiÕp theo, nÕu qu¸ muén th× chuyÓn biÕn mactenxit sÏ x¶y ra ngay trong m«i trêng t«i m¹nh, dÔ g©y nøt biÕn d¹ng. Thêng x¸c ®Þnh theo kinh nghiÖm, vÝ dô thêi gian gi÷ trong níc ®îc tÝnh theo møc lµ 2 ÷ 3 s cho 10mm ®êng kÝnh hay chiÒu dµy, sau ®ã míi chuyÓn sang dÇu. Çch t«i nµy ®ßi hái ngêi thùc hiÖn ph¶i cã kinh nghiÖm, khã c¬ khÝ hãa, tÝnh lÆp l¹i thÊp chØ ¸p dông cho t«i ®¬n chiÕc cho thÐp cacbon cao, yªu cÇu ®é cøng cao nhng kh«ng ®Òu ë çc lÇn t«i kh¸c nhau.

c. T«i ph©n cÊp Çch t«i nµy cã ph¬ng thøc lµm nguéi nh biÓu thÞ b»ng ®êng c trªn h×nh 4.18, kh¾c phôc ®îc khã kh¨n vÒ x¸c ®Þnh thêi ®iÓm chuyÓn m«i trêng cña çch t«i trªn. Khi t«i ph©n cÊp thÐp nung nãng ®îc nhóng vµo m«i trêng láng (muèi nãng ch¶y) cã nhiÖt ®é cao h¬n ®iÓm Ms kho¶ng 50 ÷ 100oC, thÐp bÞ nguéi ®Õn nhiÖt ®é nµy vµ gi÷ nhiÖt (kho¶ng 3 ÷ 5min) ®Ó ®ång ®Òu nhiÖt ®é trªn tiÕt diÖn råi nhÊc ra lµm nguéi trong kh«ng khÝ ®Ó chuyÓn biÕn mactenxit. u ®iÓm cña ph¬ng ph¸p t«i nµy lµ ®¹t ®é cøng cao song cã øng suÊt bªn trong rÊt nhá, ®é biÕn d¹ng thÊp nhÊt, thËm chÝ cã thÓ söa, n¾n sau khi gi÷ ®¼ng nhiÖt khi thÐp ë tr¹ng th¸i austenit qu¸ nguéi vÉn cßn dÎo. H¹n chÕ cña t«i ph©n cÊp lµ cã n¨ng suÊt thÊp, chØ ¸p dông ®îc cho çc thÐp cã Vth nhá (thÐp hîp kim cao nh thÐp giã) vµ víi tiÕt diÖn nhá nh mòi khoan, dao phay... C¶ ba ph¬ng ph¸p t«i kÓ trªn ®Òu ®¹t ®îc tæ chøc mactenxit.

146

146

d. T«i ®¼ng nhiÖt

Çch t«i nµy cã ph¬ng thøc lµm nguéi nh biÓu thÞ b»ng ®êng d trªn h×nh 4.18, chØ kh¸c t«i ph©n cÊp ë chç gi÷ ®¼ng nhiÖt l©u h¬n (hµng h) còng trong m«i trêng láng (muèi nãng ch¶y) ®Ó austenit qu¸ nguéi ph©n hãa hoµn toµn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit nhá mÞn cã ®é cøng t¬ng ®èi cao, ®é dai tèt. Tïy theo nhiÖt ®é gi÷ ®¼ng nhiÖt sÏ ®îc çc tæ chøc kh¸c nhau: 250 ÷ 400oC - bainit, 500 ÷ 600oC - tr«xtit. Sau khi t«i d¼ng nhiÖt kh«ng ph¶i ram. T«i ®¼ng nhiÖt cã mäi u, nhîc ®iÓm cña t«i ph©n cÊp, chØ kh¸c lµ cã ®é cøng thÊp h¬n vµ ®é dai cao h¬n. Do n¨ng suÊt thÊp (cßn thÊp h¬n c¶ t«i ph©n cÊp) nªn trong thùc tÕ Ýt ¸p dông çch t«i nµy. Mét sè dông cô cã yªu cÇu cao vÒ ®é biÕn d¹ng cho phÐp vµ kh«ng yªu cÇu ®é cøng cao còng nh gang cÇu cã ¸p dông çch t«i nµy. ë ®©y nhÊn m¹nh sù gièng nhau vÒ nguyªn t¾c gi÷a ñ ®¼ng nhiÖt vµ t«i ®¼ng nhiÖt, sù ph©n biÖt thµnh ñ vµ t«i chØ lµ do ®é cøng, tæ chøc t¹o thµnh vµ cã tÝnh quy íc (còng cã thÓ lµ do mét çch ®îc lµm nguéi trong lß lµ ñ, çch kia ®îc lµm nguéi trong m«i trêng láng - muèi nãng ch¶y – lµ t«i ®¼ng nhiÖt).. Mét ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn n»m trung gian gi÷a ñ vµ t«i ®ã lµ t«i ch× (patenting) - d©y thÐp sau khi nung nãng ®Õn nhiÖt ®é t«i ®îc lµm nguéi ®¼ng nhiÖt trong bÓ ch× nãng ch¶y ë 500 ÷ 520oC ®Ó ®¹t ®îc xoocbit nhá mÞn gÇn nh tr«xtit, sau ®ã d©y ®îc qua kÐo sîi nhiÒu lÇn (®Ó b¶o ®¶m ®¹t ®é biÕn d¹ng tæng kho¶ng 90%), cuèi cïng ®îc d©y thÐp cã giíi h¹n ®µn håi rÊt cao vµ tÝnh dÎo tèt.

e. Gia c«ng l¹nh §èi víi nhiÒu thÐp dông cô hîp kim, do lîng cacbon cao vµ ®îc hîp kim hãa, çc ®iÓm Ms vµ Mf qu¸ thÊp nªn khi lµm nguéi ®Õn nhiÖt ®é thêng (trong ba ph¬ng ph¸p ®Çu) vÉn cßn nhiÒu austenit d (xem l¹i h×nh 4.13), lµm cho ®é cøng cao ®¹t ®îc bÞ h¹n chÕ. §Ó ®¹t ®îc ®é cøng cao nhÊt ngêi ta cã thÓ ®em thÐp t«i tiÕp tôc lµm nguéi (l¹nh) ®Õn nhiÖt ®é ©m (-50 hay -70oC) ®Ó austenit tiÕp tôc chuyÓn biÕn thµnh mactenxit. Qu¸ tr×nh ®ã lµ gia c«ng l¹nh. Sau khi gia c«ng l¹nh ®é cøng cã thÓ t¨ng thªm 1 ÷ 10 ®¬n vÞ HRC tïy theo lîng austenit d sau khi t«i Ýt hay nhiÒu. Gia c«ng l¹nh ®îc ¸p dông cho chi tiÕt m¸y, dông cô cÇn ®é cøng cao nh æ l¨n, vßi phun cao ¸p, dao c¾t kim lo¹i.

f. T«i tù ram Lµ çch t«i víi lµm nguéi kh«ng triÖt ®Ó, chØ trong thêi gian ng¾n tõ vµi ®Õn vµi chôc s ®Ó sau ®ã nhiÖt cña lâi hay çc phÇn kh¸c truyÒn ®Õn, nung nãng tøc ram ngay phÇn võa ®îc t«i. Nh thÕ chi tiÕt kh«ng cÇn ph¶i ram tiÕp theo nh mét nguyªn c«ng riªng biÖt. T«i tù ram ®îc øng dông réng r∙i khi t«i bé phËn (®iÓn h×nh nh khi t«i ®ôc, ch¹m), t«i c¶m øng çc chi tiÕt lín (b¨ng m¸y, trôc dµi...).

4.4.5. C¬ - nhiÖt luyÖn thÐp

a. B¶n chÊt C¬ - nhiÖt luyÖn lµ qu¸ tr×nh tiÕn hµnh gÇn nh ®ång thêi hai qu¸ tr×nh hãa bÒn: biÕn d¹ng dÎo (çn nãng) austenit råi t«i ngay tiÕp theo trong mét nguyªn

147

147

c«ng (qu¸ tr×nh c«ng nghÖ) duy nhÊt. Sau c¬ - nhiÖt luyÖn thÐp ®îc ®em ram thÊp ë 150 ÷ 200oC. KÕt qu¶ lµ ®îc mactenxit nhá mÞn víi x« lÖch cao, nhê ®ã ®¹t ®îc sù kÕt hîp rÊt cao gi÷a ®é bÒn, ®é dÎo vµ ®é dai mµ cha cã ph¬ng ph¸p hãa bÒn nµo s¸nh kÞp. So víi nhiÖt luyÖn t«i + ram thÊp, c¬ - nhiÖt luyÖn cã giíi h¹n bÒn kÐo cao h¬n 200 ÷ 500MPa (t¨ng thªm 10 ÷ 20%), cßn ®é dÎo, ®é dai t¨ng gÊp rìi tíi gÊp ®«i. Theo nhiÖt ®é tiÕn hµnh biÕn d¹ng dÎo vµ t«i, chia ra hai lo¹i c¬ - nhiÖt luyÖn: nhiÖt ®é cao vµ nhiÖt ®é thÊp.

b. C¬ - nhiÖt luyÖn nhiÖt ®é cao S¬ ®å c¬ - nhiÖt luyÖn nhiÖt ®é cao ®îc tr×nh bµy ë h×nh 4.20a: biÕn d¹ng dÎo thÐp ë nhiÖt ®é cao h¬n Ac3 råi t«i ngay tiÕp theo ®Ó ng¨n c¶n x¶y ra kÕt tinh l¹i, tuy kh«ng thÓ tr¸nh ®îc hoµn toµn. Nã cã çc ®Æc ®iÓm sau:

- cã thÓ ¸p dông cho mäi thÐp kÓ c¶ thÐp cacbon,

- dÔ tiÕn hµnh v× ë nhiÖt ®é cao austenit dÎo, æn ®Þnh, kh«ng cÇn lùc Ðp lín v× chØ cÇn ®é biÕn d¹ng ε = 20 ÷ 30%,

- ®é bÒn kh¸ cao (tuy kh«ng tr¸nh khái kÕt tinh l¹i bé phËn): σb = 2200 ÷ 2400MPa, ®é dÎo, ®é dai t¬ng ®èi tèt: δ = 6 ÷ 8%, aK = 300kJ/m2.

H×nh 4.20. S¬ ®å c¬ - nhiÖt luyÖn nhiÖt ®é cao (a) vµ nhiÖt ®é thÊp (b).

c. C¬ - nhiÖt luyÖn nhiÖt ®é thÊp S¬ ®å lo¹i c¬ - nhiÖt luyÖn nµy ®îc tr×nh bµy ë h×nh 4.20b. Sau khi austenit hãa ë trªn Ac3, lµm nguéi nhanh thÐp xuèng 400 ÷ 600oC lµ vïng austenit qu¸ nguéi cã tÝnh æn ®Þnh t¬ng ®èi cao vµ thÊp h¬n nhiÖt ®é kÕt tinh l¹i, råi biÕn d¹ng dÎo vµ t«i ngay. Nã cã çc ®Æc ®iÓm sau: - chØ ¸p dông ®îc cho thÐp hîp kim lµ lo¹i cã tÝnh cña austenit qu¸ nguéi rÊt cao, - khã tiÕn hµnh v× ®ßi hái ®é biÕn d¹ng lín, ε = 50 ÷ 90%, mµ ë nhiÖt ®é thÊp (400 ÷ 600oC) austenit kÐm dÎo h¬n, do vËy cÇn ph¶i cã çc m¸y çn lín, yªu cÇu ph«i thÐp ph¶i cã tiÕt diÖn t¬ng ®èi nhá ®Ó kÞp nguéi nhanh xuèng 400 ÷ 600oC, - ®¹t ®îc ®é bÒn rÊt cao σb = 2600 ÷ 2800MPa, song ®é dÎo, ®é dai thÊp h¬n lo¹i trªn: δ = 3%, aK = 200kJ /m2. §¸ng chó ý lµ c¬ tÝnh cao cña c¬ - nhiÖt luyÖn vÉn cßn lu l¹i (di truyÒn) khi t«i tiÕp theo. C«ng nghÖ nµy thêng chØ tiÕn hµnh ë çc nhµ m¸y çn nh»m cung cÊp çc b¸n thµnh phÈm thÐp cã ®é bÒn cao.

148

148

4.5. Ram thÐp Ram thÐp lµ nguyªn c«ng b¾t buéc khi t«i thÐp thµnh mactenxit.

4.5.1. Môc ®Ých vµ ®Þnh nghÜa a. Tr¹ng th¸i cña thÐp t«i thµnh mactenxit (xem l¹i môc 4.2.5a) Sau khi t«i ®¹t tæ chøc mactenxit cã ®é cøng cao nhÊt song kh«ng thÓ ®em dïng ngay ®îc v×: - thÐp rÊt gißn, kÐm dÎo, dai víi øng suÊt bªn trong lín, nÕu ®em dïng ngay sÏ rÊt chãng g∙y do bÞ ph¸ hñy gißn, - trong nhiÒu trêng hîp kh«ng yªu cÇu ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao nhÊt mµ cÇn ®é bÒn (σb, σ0,2, σ®h) cao kÕt hîp víi ®é dÎo vµ ®é dai kh¸c nhau rÊt ®a d¹ng. Môc ®Ých Do vËy sau khi t«i ph¶i nung nãng l¹i (ram) lµ ®Ó: - gi¶m øng suÊt bªn trong ®Õn møc kh«ng lµm thÐp qu¸ gißn, ®iÒu cÇn thiÕt tèi thiÓu cho mäi trêng hîp, - khö bá hoµn toµn øng suÊt bªn trong, - ®iÒu chØnh c¬ tÝnh cho phï hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc cô thÓ cña chi tiÕt m¸y vµ dông cô. Cã thÓ coi ®©y lµ môc ®Ých vµ còng lµ t¸c dông quan träng nhÊt cña ram. Víi cïng mét thÐp sau khi t«i nÕu ram ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau cã thÓ ®¹t ®îc çc chØ tiªu c¬ tÝnh kh¸ kh¸c nhau, do ®ã ®îc dïng vµo çc môc ®Ých kh¸c nhau. Do vËy x¸c ®Þnh nhiÖt ®é ram (sau khi t«i) cã ¶nh hëng quyÕt ®Þnh ®Õn c¬ tÝnh cña chi tiÕt khi lµm viÖc, trong nhiÒu trêng hîp chØ sai lÖch vµi chôc 0C ®∙ g©y ra çc thay ®æi ®¸ng kÓ dÉn tíi lµm háng s¶n phÈm. VËy ram lµ nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn sau cïng (kÕt thóc) ®Ó ®iÒu chØnh tæ chøc vµ c¬ tÝnh thÐp t«i theo ý muèn sö dông. Nh thÕ t«i + ram lµ c«ng nghÖ nhiÖt luyÖn kÕt thóc (còng cã thÓ ®Ó c¶i thiÖn tÝnh gia c«ng c¾t, lóc ®ã nã l¹i thuéc nhiÖt luyÖn s¬ bé).

b. §Þnh nghÜa Ram lµ ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn nung nãng thÐp ®∙ t«i thµnh mactenxit lªn ®Õn çc nhiÖt ®é thÊp h¬n Ac1, ®Ó mactenxit vµ austenit d ph©n hãa thµnh çc tæ chøc cã c¬ tÝnh phï hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc quy ®Þnh.

4.5.2. Çc ph¬ng ph¸p ram Theo nhiÖt ®é ram, yÕu tè quyÕt ®Þnh tæ chøc vµ c¬ tÝnh t¹o thµnh, ngêi ta chia ra ba lo¹i ram: thÊp, trung b×nh vµ cao.

a. Ram thÊp (150 ÷ 250oC) Ram thÊp lµ ph¬ng ph¸p nung nãng thÐp ®∙ t«i trong kho¶ng 150 ÷ 250oC, tæ chøc ®¹t ®îc lµ mactenxit ram. So víi thÐp t«i, sau khi ram thÊp nãi chung ®é cøng kh«ng gi¶m ®i hoÆc chØ gi¶m rÊt Ýt (chØ 1 hay cïng l¾m lµ 2 ®¬n vÞ HRC), ç biÖt cã trêng hîp l¹i t¨ng lªn (khi mét lîng lín austenit d → mactenxit), cßn øng suÊt bªn trong gi¶m ®i ®¸ng kÓ do ®ã cã tÝnh dÎo, dai tèt h¬n, khã bÞ ph¸ hñy gißn h¬n. Ram thÊp ¸p dông cho dông cô vµ chi tiÕt m¸y cÇn ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao nh: toµn bé dao c¾t, khu«n dËp nguéi, b¸nh r¨ng, chi tiÕt thÊm cacbon, æ l¨n, trôc, chèt... cïng çc chi tiÕt qua t«i bÒ mÆt. Khi ram thÊp vÒ c¬ b¶n ®é cøng vÉn gi÷

149

149

nh møc khi t«i: víi thÐp 0,40%C HRC vµo kho¶ng 52 ÷ 55, thÐp ≥ 0,70%C HRC kho¶ng 62 ÷ 64. b. Ram trung b×nh (300 ÷ 450oC) NhiÖt ®é khi ram trung b×nh lµ 300 - 450oC, tæ chøc ®¹t ®îc lµ tr«xtit ram. So víi thÐp t«i, sau khi ram trung b×nh ®é cøng gi¶m ®i râ rÖt, nhng vÉn cßn kh¸ cøng: víi thÐp 0,55 ÷ 0,65%C HRC cßn kho¶ng 40 ÷ 45, song ®¸nh ®æi l¹i lµ øng suÊt bªn trong ®îc khö bá hoµn toµn, giíi h¹n ®µn håi ®¹t ®îc gi¸ trÞ cao nhÊt, ®é dÎo, ®é dai t¨ng lªn. Ram trung b×nh ¸p dông cho chi tiÕt m¸y, dông cô cÇn ®é cøng t¬ng ®èi cao vµ ®µn håi nh khu«n dËp nãng, khu«n rÌn, lßxo, nhÝp... c. Ram cao (500 ÷ 650oC) NhiÖt ®é khi ram cao lµ 500 ÷ 650oC, tæ chøc ®¹t ®îc lµ xoocbit ram. So víi thÐp t«i, sau khi ram cao ®é cøng gi¶m ®i rÊt m¹nh, thÐp trë nªn t¬ng ®èi mÒm: víi thÐp 0,40%C HB n»m trong kho¶ng 200 ÷ 300 (HRC 15 ÷ 25), tuy ®é bÒn cã gi¶m ®i song l¹i ®¹t ®îc sù kÕt hîp tèt nhÊt cña çc chØ tiªu c¬ tÝnh: ®é bÒn, ®é dÎo, ®é dai. B¶ng 4.2 tr×nh bµy çc chØ tiªu c¬ tÝnh cña thÐp cã cacbon trung b×nh ë çc d¹ng nhiÖt luyÖn ñ, thêng hãa, t«i + ram ë çc nhiÖt ®é kh¸c nhau. Qua ®ã cã thÓ thÊy: - so víi t«i + ram thÊp, t«i + ram cao tuy lµm t¨ng rÊt m¹nh ®é dÎo, ®é dai song còng lµm gi¶m ®é bÒn, tuy nhiªn nÕu - so víi ñ vµ thêng hãa, t«i + ram cao cho c¬ tÝnh tèt h¬n h¼n, ®Æc biÖt lµ giíi h¹n ch¶y t¨ng rÊt m¹nh vµ ®é dai cã gi¸ trÞ cao nhÊt.

B¶ng 4.2. C¬ tÝnh cña thÐp cã 0,45%C ë çc d¹ng nhiÖt luyÖn kh¸c nhau

C¬ tÝnh D¹ng nhiÖt luyÖn

σb, MPa σ0,2, MPa δ, % ψ, % aK, kJ/m2

ñ 8400C 530 280 32,5 50 900

Thêng hãa 8500C 650 320 15 40 500

T«i 8500C + ram 2000C 1100 720 8 12 300

T«i 8500C + ram 6500C 720 450 22 55 1400

Nh vËy nhiÖt luyÖn t«i + ram cao t¹o ra c¬ tÝnh tæng hîp tèt nhÊt, do ®ã d¹ng nhiÖt luyÖn nµy ®îc gäi lµ nhiÖt luyÖn hãa tèt hay ®¬n gi¶n chØ lµ hãa tèt (tõ thuËt ng÷ toughening - Anh, улучшение - Nga, mét sè n¬i ë níc ta cßn gäi lµ t«i c¶i tiÕn). T«i + ram cao ¸p dông réng r∙i cho çc chi tiÕt m¸y cÇn giíi h¹n bÒn, ®Æc biÖt lµ giíi h¹n ch¶y vµ ®é dai va ®Ëp cao nh çc lo¹i trôc, b¸nh r¨ng lµm b»ng thÐp chøa 0,30 ÷ 050%C. Sau khi ram cao ®é cøng HB trong kho¶ng 230 ÷ 280 tuy h¬i cøng khi gia c«ng c¾t song l¹i dÔ ®¹t ®é bãng cao. §Ó chèng mµi mßn ph¶i t«i bÒ mÆt tiÕp theo.

Khi ram, sau khi nung nãng vµ gi÷ nhiÖt ®ñ thêi gian thêng lÊy ra khái lß lµm nguéi th«ng thêng (trong kh«ng khÝ tÜnh, ë trªn sµn xëng). Víi mét sè thÐp

150

150

hîp kim nhÊt ®Þnh, sau khi ram cao, ph¶i lµm nguéi nhanh h¬n b»ng çch nhóng vµo trong dÇu hay níc ®Ó tr¸nh gißn ram lo¹i II (xem môc 5.1.2f). CÇn chó ý r»ng giíi h¹n nhiÖt ®é ph©n chia çc lo¹i ram trªn chØ lµ t¬ng ®èi, chØ phï hîp cho thÐp cacbon vµ víi thêi gian gi÷ nhiÖt kho¶ng 1h; ®èi víi thÐp hîp kim giíi h¹n nhiÖt ®é ph©n chia sÏ t¨ng lªn. §iÒu chñ yÕu ®Ó ph©n biÖt çc lo¹i ram trªn lµ tæ chøc chø kh«ng ph¶i lµ nhiÖt ®é. VÝ dô ®èi víi thÐp giã ram 560 ÷ 600oC vÉn coi lµ ram thÊp v× t¹o ra mactenxit ram.

Ngoµi ba ph¬ng ph¸p ram trªn cßn ph¶i ph©n biÖt ram mµu vµ tù ram.

d. Ram mµu vµ tù ram Khi nung (ram) ë nhiÖt ®é thÊp, 200 ÷ 350oC, trªn mÆt thÐp xuÊt hiÖn líp «xyt máng víi chiÒu dµy kh¸c nhau cã mµu s¾c ®Æc trng nh: vµng (~ 0,045µm) ë 220 ÷ 240oC, n©u (~ 0,050µm) ë 255 ÷ 265oC, tÝm (~ 0,065µm) ë 285 ÷ 295oC, xanh (~ 0,070µm) ë 310 ÷ 320oC. Nhê ®ã dÔ dµng x¸c ®Þnh nhiÖt ®é ram thÊp mµ kh«ng cÇn dông cô ®o nhiÖt. Qu¸ tr×nh tù ram ®∙ ®îc tr×nh bµy ë trªn (môc 4.4.4f). ë ®©y cÇn chó ý ®Õn çc ®Æc ®iÓm cña tù ram: - Qu¸ tr×nh x¶y ra ngay sau khi t«i nªn Ýt g©y ra nøt, biÕn d¹ng, l¹i kh«ng ph¶i dïng lß. - Qu¸ tr×nh x¶y ra rÊt nhanh, trong thêi gian ng¾n, do ®ã lÊy nhiÖt ®é ram cao h¬n khi nung ram trong lß vµi chôc oC. - Kh«ng thÓ ®o nhiÖt ®é ram trªn chi tiÕt b»ng dông cô ®o nhiÖt, mµ ph¶i b»ng çch nh×n mµu. Khi tù ram, nhiÖt ®é líp t«i t¨ng lªn dÇn vµ biÕn ®æi mµu s¾c (mµ ngêi ta gäi lµ ch¹y mµu) tõ vµng qua n©u, tÝm ®Õn xanh. Khi ®¹t ®Õn nhiÖt ®é øng víi mµu yªu cÇu, ®Ó nhiÖt ®é kh«ng t¨ng lªn ®îc n÷a (v× sÏ lµm non chi tiÕt m¸y hay dông cô) ngêi ta lµm nguéi h¼n thÐp trong m«i trêng t«i. Trong s¶n xuÊt hµng lo¹t kh«ng thÓ tiÕn hµnh tù ram mét çch thñ c«ng vµ ®¬n lÎ nh vËy, mµ ph¶i tÝnh to¸n c©n b»ng nhiÖt vµ thêi gian nguéi lóc ®Çu tiªn sao cho lîng nhiÖt thõa cña phÇn cßn l¹i hay trong lâi chØ cßn võa ®ñ ®Ó nung nãng (ram) phÇn ®∙ t«i ®Õn nhiÖt ®é ram quy ®Þnh.

¶nh hëng cô thÓ cña nhiÖt ®é ram ®Õn çc chØ tiªu c¬ tÝnh cña çc thÐp kh¸c nhau ®îc tr×nh bµy trong çc s¸ch tra cøu, sæ tay kü thuËt chuyªn dïng.

e. ¶nh hëng cña thêi gian ram Thêi gian còng cã ¶nh hëng ®Õn chuyÓn biÕn khi ram tuy kh«ng m¹nh b»ng nhiÖt ®é. KÐo dµi thêi gian khi ram còng cã t¸c dông nh t¨ng nhiÖt ®é, vÝ dô kÐo dµi thêi gian ram thÊp hµng chôc h còng ®¹t ®îc chuyÓn biÕn nh khi ram trung b×nh víi thêi gian b×nh thêng (1 ÷ 2h). Cuèi cïng cÇn chó ý lµ sau khi t«i nªn ram ngay ®Ó võa tr¸nh nøt x¶y ra sau khi t«i võa ®Ó tr¸nh hiÖn tîng æn ®Þnh hãa austenit.

4.6. Çc khuyÕt tËt x¶y ra khi nhiÖt luyÖn thÐp NhiÖt luyÖn, ®Æc biÖt lµ t«i, nÕu kh«ng khèng chÕ ®óng çc th«ng sè vµ biÖn ph¸p c«ng nghÖ sÏ g©y ra çc h háng kh«ng kh¾c phôc ®îc, g©y l∙ng phÝ lín. CÇn hiÓu râ t¸c h¹i, nguyªn nh©n, çch phßng tr¸nh vµ kh¾c phôc cña mét sè khuyÕt tËt chñ yÕu.

151

151

4.6.1. BiÕn d¹ng vµ nøt a. Nguyªn nh©n vµ t¸c h¹i Nguyªn nh©n g©y ra nøt vµ biÕn d¹ng lµ do øng suÊt bªn trong (øng suÊt nhiÖt vµ øng suÊt tæ chøc) mµ chñ yÕu lµ do lµm nguéi nhanh khi t«i. NÕu øng suÊt bªn trong vît qu¸ giíi h¹n bÒn, thÐp bÞ nøt, ®ã lµ d¹ng háng kh«ng thÓ ch÷a ®îc. NÕu øng suÊt bªn trong chØ vît qu¸ giíi h¹n ch¶y, thÐp bÞ biÕn d¹ng, cong vªnh. Nãi chung khã tr¸nh khái ®îc ®iÒu nµy, song nÕu ®é biÕn d¹ng, cong vªnh nhá h¬n giíi h¹n cho phÐp th× vÉn kh«ng cã h¹i.

b. Ng¨n ngõa Ng¨n ngõa, ®Ò phßng khuyÕt tËt nµy b»ng çch tËn lîng gi¶m øng suÊt bªn trong: - Nung nãng vµ ®Æc biÖt lµ lµm nguéi víi tèc ®é hîp lý ®Ó ®¹t ®é cøng yªu cÇu, kh«ng nªn dïng tèc ®é nguéi qu¸ cao mét çch kh«ng cÇn thiÕt. - Nung nãng çc trôc dµi ë thÓ treo ®Ó tr¸nh cong. - Khi lµm nguéi ph¶i theo ®óng çc quy t¾c nh: nhóng th¼ng ®øng, phÇn dµy xuèng tríc... - Nªn tËn lîng dïng t«i ph©n cÊp, h¹ nhiÖt tríc khi t«i. - Víi çc vËt máng ph¶i t«i trong khu«n Ðp.

c. Kh¾c phôc Khi biÕn d¹ng, cong vªnh víi mét sè d¹ng chi tiÕt nh trôc dµi, tÊm cã thÓ ®em n¾n, Ðp nãng hoÆc nguéi. Cßn khi bÞ nøt th× kh«ng söa ®îc.

4.6.2. «xy hãa vµ tho¸t cacbon «xy hãa lµ hiÖn tîng t¹o nªn v¶y «xyt s¾t (s¾t kÕt hîp víi «xy), cßn tho¸t cacbon - mÊt cacbon ë bÒ mÆt (vÝ dô do cacbon kÕt hîp víi «xy).

a. Nguyªn nh©n vµ t¸c h¹i Nguyªn nh©n lµ do trong m«i trêng nung cã chøa çc thµnh phÇn g©y «xy hãa Fe vµ C; ®ã lµ «xy, CO2, h¬i níc... chóng cã trong kh«ng khÝ vµ ®i vµo khÝ quyÓn cña lß nung. Tho¸t cacbon dÔ x¶y ra h¬n lµ «xy hãa, khi «xy hãa thêng ®i kÌm víi tho¸t cacbon.

T¸c h¹i cña «xy hãa lµ ë chç khi t¹o nªn v¶y «xyt s¾t FeO, líp v¶y ngµy mét dµy lªn, vì råi bong ra, råi l¹i t¹o nªn líp míi... lµm hôt kÝch thíc, xÊu bÒ mÆt s¶n phÈm. Cßn tho¸t cacbon khã nhËn thÊy b»ng m¾t song sÏ lµm gi¶m ®é cøng khi khi t«i. VÊn ®Ò lµ ë chç chiÒu s©u líp khuyÕt tËt nµy lín hay nhá h¬n lîng d gia c«ng: khi nhá h¬n th× kh«ng cÇn ®Ó ý v× nã sÏ bÞ bãc ®i khi gia c«ng c¾t; cßn khi lín h¬n th× kh«ng cho phÐp, vÝ dô, khi t«i, lîng d ®Ó mµi rÊt nhá, mét sè trêng hîp kh«ng ®Ó ®îc lîng d nh mÆt r¨ng.

b. Ng¨n ngõa Ng¨n ngõa tèt nhÊt lµ nung nãng trong khÝ quyÓn kh«ng cã t¸c dông «xy hãa vµ tho¸t cacbon, ®©y còng lµ mét chØ tiªu ®¸nh gi¸ tr×nh ®é nhiÖt luyÖn. §Ó thay thÕ çc lß th«ng thêng víi khÝ quyÓn lß lµ kh«ng khÝ hay s¶n phÈm ch¸y (lß ®èt than, dÇu...) ngêi ta sö dông çc lß nung b»ng ®iÖn cã çc khÝ quyÓn ®Æc biÖt nh sau.

152

152

- KhÝ quyÓn b¶o vÖ hay khÝ quyÓn cã kiÓm so¸t, khèng chÕ lµ lo¹i khÝ chÕ biÕn tõ khÝ (h¬i) ®èt thiªn nhiªn, trong ®ã cã çc thµnh phÇn khÝ («xy hãa / hoµn nguyªn) ®èi lËp nhau: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 víi tû lÖ hîp lý ®Ó ®i ®Õn trung hßa t¸c dông cña nhau, kÕt qu¶ lµ bÒ mÆt ®îc b¶o vÖ. Lo¹i khÝ nµy rÎ, ®îc dïng kh¸ phæ biÕn ë çc níc, nhng hçn hîp khÝ ®a vµo lß lµ kh¸c nhau cho çc lo¹i thÐp kh¸c nhau vµ kh«ng dïng ®îc cho thÐp cr«m cao.

- KhÝ quyÓn trung tÝnh nh nit¬ tinh khiÕt (khi chøa mét lîng nhá «xy còng ®ñ g©y ra «xy hãa). Tèt nhÊt lµ dïng acg«ng (Ar), nhng ®¾t. Lo¹i khÝ quyÓn nµy chØ dïng trong phßng thÝ nghiÖm. - Nung trong lß ch©n kh«ng 10-2 ÷ 10-4 mmHg cã kh¶ n¨ng chèng «xy hãa vµ tho¸t cacbon mét çch tuyÖt ®èi cho mäi thÐp vµ hîp kim. HiÖn ®ang ®îc ¸p dông réng r∙i ë çc níc c«ng nghiÖp. Trong hoµn c¶nh kh«ng cã çc lo¹i khÝ vµ lß trªn (víi kÕt cÊu ®Æc biÖt vµ ®é kÝn víi møc ®é kh¸c nhau) cã thÓ ¸p dông: + R¶i than hoa trªn ®¸y lß hay cho chi tiÕt vµo hép phñ than. Çch nµy võa lµm gi¶m tuæi thä lß võa kÐo dµi thêi gian nung. + Lß muèi ®îc khö «xy triÖt ®Ó b»ng than, fer« silic. Çch nµy chØ ¸p dông ®îc cho chi tiÕt nhá, n¨ng suÊt thÊp. §îc ¸p dông réng r∙i khi t«i dao c¾t.

c. Kh¾c phôc Khi ®∙ x¶y ra rÊt khã kh¾c phôc. Khi tho¸t cacbon cã thÓ dïng çch thÊm cacbon l¹i song sÏ lµm t¨ng biÕn d¹ng.

4.6.3. §é cøng kh«ng ®¹t Lµ lo¹i khuyÕt tËt mµ ®é cøng cã gi¸ trÞ kh«ng phï hîp (cao hoÆc thÊp h¬n) víi gi¸ trÞ quy ®Þnh cho mçi thµnh phÇn cacbon vµ ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn.

a. §é cøng cao Cã thÓ x¶y ra khi ñ vµ thêng hãa thÐp hîp kim, do tèc ®é nguéi lín. §é cøng cao h¬n quy ®Þnh lµm khã kh¨n cho gia c«ng c¾t. Kh¾c phôc b»ng çch nhiÖt luyÖn l¹i víi tèc ®é chËm h¬n hay ®em ñ ®¼ng nhiÖt.

b. §é cøng thÊp Thêng x¶y ra khi t«i, ®é cøng thÊp h¬n quy ®Þnh do ®ã kh«ng b¶o ®¶m kh¶ n¨ng lµm viÖc. Nguyªn nh©n cã thÓ lµ do: - ThiÕu nhiÖt: nhiÖt ®é cha dñ, thêi gian gi÷ nhiÖt ng¾n. - Lµm nguéi kh«ng ®ñ nhanh theo yªu cÇu ®Ò ra ®Ó t¹o nªn mactenxit. - Tho¸t cacbon bÒ mÆt. Sau khi x¸c ®Þnh nguyªn nh©n, kh¾c phôc b»ng çch lµm l¹i, song sÏ t¨ng biÕn d¹ng.

4.6.4. TÝnh gißn cao Sau khi t«i, thÐp cã thÓ bÞ gißn qu¸ møc (vÝ dô r¬i còng g∙y) trong khi ®é cøng vÉn ë møc cao b×nh thêng. Nguyªn nh©n lµ do nhiÖt ®é nung t«i qu¸ cao (gäi lµ qu¸ nhiÖt), h¹t thÐp bÞ lín. Kh¾c phôc b»ng çch thêng hãa ®Ó lµm h¹t nhá ®i råi t«i l¹i, nhng nh vËy sÏ t¨ng biÕn d¹ng.

4.6.5. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é vµ tÇm quan träng cña kiÓm nhiÖt

153

153

a. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é NhiÖt ®é lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh nhÊt chÊt lîng ®¹t ®îc: thiÕu nhiÖt hoÆc qu¸ nhiÖt ®Òu lµm xÊu chÊt lîng. Sai sè khèng chÕ nhiÖt ®é trong nhiÖt luyÖn thÐp chØ ±10oC, nªn viÖc kiÓm tra nhiÖt ®é cã ý nghÜa hµng ®Çu.

b. KiÓm tra nhiÖt ®é nung §o nhiÖt ®é mét çch chÝnh x¸c lµ viÖc quan träng ®Çu tiªn. Thêng dïng çc çch sau ®©y. §o b»ng dông cô ®o nhiÖt: - díi 400 ÷ 500oC dïng nhiÖt kÕ thñy ng©n, - díi 1600oC dïng bé cÆp nhiÖt + ®ång hå (miliv«n kÕ) mµ nguyªn lý ®∙ ®îc häc trong gi¸o tr×nh vËt lý: + cÆp platin - platin - r«®i (90%Pt + 10%Rh), ®o l©u dµi tõ -20 ®Õn 1300oC, ®o thêi gian ng¾n ®Õn 1600oC, + cÆp cr«mel [90%(Ni + Co) + 10%Cr] - alumel [95%(Ni + Co) + 5%(Al +S i+ Mn)], ®o l©u dµi tõ -50 ®Õn 1000oC, thêi gian ng¾n 1600oC. - trªn 1000 ®Õn 2000oC dïng nhiÖt kÕ quang häc vµ nhiÖt kÕ bøc x¹ víi sai sè kh¸ lín ± (20 - 80oC).

Çc dông cô ®o nhiÖt cÇn ®îc thêng xuyªn kiÓm tra ®é chÝnh x¸c ®Ó cã sù c¨n chØnh kÞp thêi.

íc lîng b»ng m¾t Khi nung thÐp cao h¬n 550oC b¾t ®Çu xuÊt hiÖn mµu mµ mçi mµu t¬ng øng víi mét kho¶ng nhiÖt ®é x¸c ®Þnh: ®á - 700 ÷ 830oC, da cam - 850 ÷ 900oC, vµng - 1050 ÷ 1250oC, tr¾ng - 1250 ÷ 1300oC. TÊt nhiªn çch nµy kÐm chÝnh x¸c vµ ®ßi hái cã kinh nghiÖm.

4.7. Hãa bÒn bÒ mÆt Trong nhiÖt luyÖn thÐp, hãa bÒn bÒ mÆt chiÕm vÞ trÝ quan träng, ®Æc biÖt trong chÕ t¹o ®éng c¬ næ, «t«, m¸y kÐo, m¸y c«ng cô, thñy khÝ...BÒ mÆt chi tiÕt m¸y lµ bé phËn cã yªu cÇu cao nhÊt: chÞu øng suÊt t¸c dông lín nhÊt, chÞu mµi mßn khi ma s¸t, tiÕp xóc víi m«i trêng vµ cã thÓ bÞ ¨n mßn khi lµm viÖc. RÊt nhiÒu chi tiÕt yªu cÇu bÒ mÆt cã ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn cao trong khi ®ã lâi vÉn bÒn, dÎo, dai. Muèn vËy ph¶i dïng çc çch biÕn ®æi tæ chøc cña líp bÒ mÆt theo ph¬ng híng hãa bÒn (lµm cøng lªn). Trong chÕ t¹o c¬ khÝ ngêi ta còng dïng çc ph¬ng ph¸p c¬ häc: phun bi, l¨n Ðp. dËp lµm biÕn d¹ng dÎo, biÕn cøng n©ng cao ®é cøng bÒ mÆt thÐp, song cho hiÖu qu¶ kh«ng cao, n¨ng suÊt thÊp. T«i bÒ mÆt vµ hãa - nhiÖt luyÖn cã nhiÒu u ®iÓm h¬n.

4.7.1. T«i bÒ mÆt nhê nung nãng b»ng c¶m øng ®iÖn (t«i c¶m øng) T«i c¶m øng lµ ph¬ng ph¸p t«i bÒ mÆt cã chØ tiªu kinh tÕ - kü thuËt cao nhÊt, ®îc ¸p dông rÊt réng r∙i trong s¶n xuÊt c¬ khÝ, ®Æc biÖt lµ s¶n suÊt hµng lo¹t.

a. Nguyªn lý nung nãng bÒ mÆt S¬ ®å nung nãng c¶m øng ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 4.21a. Nung nãng c¶m

154

154

øng x¶y ra do hiÖu øng nhiÖt cña dßng ®iÖn c¶m øng ë trong chi tiÕt 1 ®îc ®Æt trong tõ trêng biÕn thiªn. §Ó nung nãng, chi tiÕt ®îc ®Æt ë trong vßng c¶m øng 2 lµ çc vßng uèn l¹i tõ çc èng (trßn, vu«ng, ch÷ nhËt) b»ng ®ång ®á cã níc lµm nguéi ch¶y bªn trong. Dßng ®iÖn xoay chiÒu ch¹y qua vßng c¶m øng t¹o nªn tõ trêng biÕn thiªn 4. Nhê hiÖn tîng c¶m øng trªn líp bÒ mÆt chi tiÕt xuÊt hiÖn dßng ®iÖn xo¸y (fuc«) cïng tÇn sè, nung nãng thÐp nhê hiÖu øng Jun - Lenx¬. Nh ®∙ biÕt, mËt ®é dßng ®iÖn xoay chiÒu ph©n bè kh«ng ®Òu trªn tiÕt diÖn, chñ yÕu tËp trung ë trªn bÒ mÆt tíi chiÒu s©u ∆ tû lÖ nghÞch víi tÇn sè f (Hz) cña dßng theo c«ng thøc

f

5030µρ=∆ cm

trong ®ã: ρ - ®iÖn trë suÊt (Ω.cm), µ - ®é tõ thÈm (gaus/¬cstet).

Nhê ®ã dßng ®iÖn c¶m øng (xo¸y, fuc«) chØ nung nãng líp bÒ mÆt ®Õn chiÒu s©u nhÊt ®Þnh.

H×nh 4.21. Nung nãng vµ t«i c¶m øng: a. s¬ ®å nung nãng c¶m øng, b. t«i khi nung nãng toµn bé bÒ mÆt t«i, c. t«i khi nung nãng liªn tôc - liªn tiÕp, 1. chi tiÕt t«i, 2. vßng c¶m øng, 3. vßng phun níc, 4. ®êng søc tõ trêng.

b. Chän tÇn sè vµ thiÕt bÞ TÇn sè dßng ®iÖn quyÕt ®Þnh chiÒu dµy líp nung nãng do ®ã quyÕt ®Þnh chiÒu s©u líp t«i cøng. Thêng ngêi ta hay chän diÖn tÝch líp t«i cøng b»ng kho¶ng 20% tiÕt diÖn. §èi víi b¸nh r¨ng chiÒu dµy líp t«i b»ng 0,20 ÷ 0,28m (m lµ m«®un r¨ng). Çc chi tiÕt lín cÇn líp t«i dµy (4 ÷ 5mm) do vËy ph¶i dïng çc thiÕt bÞ ph¸t dßng cã tÇn sè kh«ng cao l¾m, 2500 hay 8000Hz nhng cã c«ng suÊt lín, thêng lµ 100kW trë lªn. Chi tiÕt nhá cÇn líp t«i máng (1 ÷ 2 mm) do vËy ph¶i dïng çc thiÕt bÞ ph¸t dßng cã tÇn sè cao vµ rÊt cao cì hµng v¹n ®Õn hµng chôc v¹n Hz: 66000 hay 250000Hz, víi c«ng suÊt cã thÓ nhá h¬n, thêng trong kho¶ng 50 ÷ 100kW. ë níc ta phæ biÕn lµ lo¹i sau nµy.

c. Çc ph¬ng ph¸p t«i Vßng c¶m øng ®îc uèn sao cho cã d¹ng bao, «m lÊy phÇn bÒ mÆt cÇn nung ®Ó t«i song kh«ng ®îc tiÕp xóc víi chi tiÕt, cã khe hë 1,5 ÷ 5,0mm, cµng

155

155

nhá cµng ®ì tæn hao. Cã thÓ cã ba kiÓu t«i sau. - Nung nãng råi lµm nguéi toµn bÒ mÆt nh biÓu thÞ ë h×nh 4.21b. Sau khi nung nãng ®Õn nhiÖt ®é t«i, chuyÓn phÇn nung nãng xuèng vßng phun lµm nguéi 3 (nh h×nh vÏ) hay nhÊc ra nhóng vµo bÓ t«i ë c¹nh. Çch nµy ¸p dông cho çc bÒ mÆt t«i nhá. - Nung nãng råi lµm nguéi tuÇn tù tõng phÇn riªng biÖt. §©y lµ çch t«i lÇn lît tõng r¨ng cho çc b¸nh r¨ng lín (m > 6) hay çc cæ trôc khuûu. Riªng trôc khuûu ngêi ta ph¶i thiÕt kÕ, chÕ t¹o çc m¸y t«i chuyªn dïng ®iÒu khiÓn theo ch¬ng tr×nh (xem tiÕp môc 5.3.4). - Nung nãng vµ lµm nguéi liªn tôc liªn tiÕp. ¸p dông cho çc trôc dµi (h×nh 4.21c), b¨ng m¸y... víi bÒ mÆt t«i lín. Trong kiÓu t«i nµy chi tiÕt 1 dÞch chuyÓn t¬ng ®èi víi vßng c¶m øng 2 vµ vßng phun 3: phÇn ®∙ ®îc nung nãng lÇn lît ®i qua vßng phun (nung ®Õn ®©u lµm nguéi ®Õn ®ã mét çch liªn tôc). Víi çc chi tiÕt qu¸ dµi hay qu¸ lín thêng tiÕn hµnh tù ram, lóc nµy chÕ ®é lµm nguéi ®îc quy ®Þnh chÆt chÏ ®Ó nhiÖt tÝch ë díi líp t«i võa ®ñ ®Ó nung nãng l¹i líp bÒ mÆt ®Õn nhiÖt ®é ram yªu cÇu.

d. Tæ chøc vµ c¬ tÝnh cña thÐp t«i c¶m øng ThÐp dïng §Ó b¶o ®¶m ®ång thêi yªu cÇu sau khi t«i cã bÒ mÆt cøng ®ñ chèng mµi mßn song lâi vÉn ph¶i ®ñ bÒn, dÎo vµ ®Æc biÖt cã ®é dai cao ®Ó chÞu va ®Ëp, thÐp ®em t«i c¶m øng ph¶i cã lîng cacbon trung b×nh, 0,35 ÷ 0,55% (thêng chØ 0,40 ÷ 0,50%) vµ lµ lo¹i thÐp thêng hay hîp kim thÊp víi ®é thÊm t«i kh«ng cao. Tæ chøc Nung c¶m øng víi tèc ®é rÊt nhanh trong vïng chuyÓn biÕn pha (Ac1 ÷ Ac3) tõ hµng chôc ®Õn hµng tr¨m oC/s (trong lß cao nhÊt chØ lµ 1,5 ÷ 3,0oC/s), nªn cã çc ®Æc ®iÓm sau. - NhiÖt ®é chuyÓn biÕn pha Ac1, Ac3 n©ng cao lªn, do vËy nhiÖt ®é t«i ph¶i lÊy cao h¬n so víi çch t«i thÓ tÝch th«ng thêng lµ 100 ÷ 200oC. - §é qu¸ nhiÖt cao nªn tèc ®é chuyÓn biÕn pha khi nung rÊt nhanh, thêi gian chuyÓn biÕn ng¾n, h¹t austenit rÊt nhá mÞn nªn khi t«i ®îc kim mactenxit rÊt nhá. §Ó võa b¶o ®¶m h¹t nhá khi t«i c¶m øng võa b¶o ®¶m giíi h¹n ch¶y vµ ®é dai cao cña lâi, tríc ®ã thÐp ph¶i ®îc nhiÖt luyÖn t«i + ram cao thµnh xoocbit ram. VËy cuèi cïng tæ chøc cña thÐp lµ: bÒ mÆt - mactenxit h×nh kim nhá mÞn, lâi - xoocbit ram. C¬ tÝnh Víi thµnh phÇn cacbon vµ tæ chøc nh vËy, sau khi t«i c¶m øng thÐp cã c¬ tÝnh lµ bÒ mÆt cøng HRC 50 ÷ 58, b¶o ®¶m chèng mµi mßn t¬ng ®èi tèt, lâi cã ®é cøng t¬ng ®èi thÊp HRC 30 ÷ 40, b¶o ®¶m giíi h¹n ch¶y vµ ®é dai cao. §¸ng chó ý lµ líp bÒ mÆt sau khi t«i c¶m øng sÏ chÞu øng suÊt nÐn d, cã thÓ ®¹t ®Õn 800MPa, do ®ã n©ng cao m¹nh giíi h¹n mái. Nh vËy t«i c¶m øng thêng ®îc ¸p dông cho çc chi tiÕt: + chÞu t¶i träng tÜnh vµ va ®Ëp cao, chÞu mµi mßn ë bÒ mÆt nh b¸nh r¨ng, chèt... + chÞu mái cao, + chÞu uèn, xo¾n lµ d¹ng cã øng suÊt lín nhÊt ph©n bè trªn bÒ mÆt vµ lµ n¬i tËp trung øng suÊt nh çc trôc truyÒn, trôc...

156

156

e. u viÖt T«i c¶m øng lµ ph¬ng ph¸p t«i bÒ mÆt ®¹t ®îc hiÖu qu¶ kinh tÕ - kü thuËt rÊt cao, ®îc øng dông rÊt réng r∙i trong s¶n xuÊt c¬ khÝ lµ do cã nh÷ng u viÖt sau. - N¨ng suÊt cao do thêi gian nung ng¾n v× chØ nung líp máng ë bÒ mÆt vµ nhiÖt ®îc t¹o ra ngay trong líp kim lo¹i. - ChÊt lîng tèt còng do thêi gian nung ng¾n nªn h¹n chÕ, thËm chÝ tr¸nh ®îc çc khuyÕt tËt nh «xy hãa, tho¸t cacbon, h¬n n÷a do ®iÒu chØnh ®îc chÕ ®é ®iÖn, nhiÖt ®é nung, thêi gian mét çch chÝnh x¸c nªn b¶o ®¶m chÊt lîng ®ång ®Òu, kÕt qu¶ lÆp l¹i mét çch chÝnh x¸c. §é biÕn d¹ng thÊp do lâi kh«ng bÞ nung nãng. §é cøng t¨ng h¬n so víi t«i thêng kho¶ng 1 ÷ 3 ®¬n vÞ HRC. HiÖn tîng nµy cßn gäi lµ siªu ®é cøng. - DÔ tù ®éng hãa, c¬ khÝ hãa, gi¶m nhÑ ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña c«ng nh©n, dÔ ®Æt trong d©y chuyÒn s¶n xuÊt c¬ khÝ. T«i c¶m øng ®Æc biÖt cã hiÖu qu¶ trong s¶n xuÊt hµng lo¹t vµ hµng lo¹t lín (nh ë çc nhµ m¸y chÕ t¹o ®éng c¬, «t«, m¸y kÐo...víi quy m« lín). Trong sè çc chi tiÕt m¸y trôc khuûu lµ chi tiÕt hÇu nh chØ ®îc hãa bÒn b»ng ph¬ng ph¸p nµy do ®Æc ®iÓm vÒ ®iÒu kiÖn lµm viÖc, h×nh d¹ng (rÊt dÔ biÕn d¹ng khi nhiÖt luyÖn)...T«i lÇn lît bÒ mÆt çc cæ trôc khuûu theo thø tù quy ®Þnh ®îc tiÕn hµnh trªn çc m¸y t«i chuyªn dïng ®îc thiÕt kÕ phï hîp cho trôc khuûu ®Þnh tríc (kh«ng ph¶i lµ lo¹i v¹n n¨ng dïng cho mäi lo¹i trôc khuûu). Nhîc ®iÓm cña t«i c¶m øng lµ khã ¸p dông cho çc chi tiÕt cã h×nh d¹ng phøc t¹p, tiÕt diÖn thay ®æi ®ét ngét... do khã chÕ t¹o vßng c¶m øng thÝch hîp. Khi s¶n suÊt ®¬n chiÕc hoÆc víi s¶n lîng thÊp tÝnh kinh tÕ kh«ng cao. Còng cÇn nhÊn m¹nh thªm r»ng nung c¶m øng cßn ®îc dïng rÊt réng r∙i trong kü thuËt nh: + nÊu ch¶y thÐp, gang, kim lo¹i trong ®óc, luyÖn kim, + luyÖn vïng ®Ó luyÖn kim lo¹i, nguyªn tè siªu s¹ch trong chÕ t¹o b¸n dÉn vµ çc kü thuËt kh¸c, + nung nãng ®Ó gia c«ng ¸p lùc trong çc d©y chuyÒn çn, Ðp mét sè s¶n phÈm nh b¸nh r¨ng, cuèc bµn... + hµn trong chÕ t¹o èng, d¸n nylon, chÊt dÎo. Ngoµi t«i bÒ mÆt b»ng nung nãng c¶m øng ngêi ta cßn cã thÓ dïng çc ph¬ng ph¸p t«i bÒ mÆt b»ng ngän löa, nung nãng b»ng tiÕp xóc ®iÖn vµ ®iÖn ph©n... §Æc ®iÓm chung cña chóng lµ tuy thiÕt bÞ kh¸ ®¬n gi¶n song chÊt lîng thÊp, khã khèng chÕ nªn rÊt Ýt ®îc sö dông trong chÕ t¹o c¬ khÝ.

4.7.2. Hãa - nhiÖt luyÖn Hãa - nhiÖt luyÖn lµ ph¬ng ph¸p hãa bÒn bÒ mÆt cã hiÖu qu¶ h¬n (cho ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn cao h¬n) t«i c¶m øng, song cã n¨ng suÊt thÊp h¬n, còng ®îc dïng réng r∙i trong s¶n xuÊt c¬ khÝ.

a. Nguyªn lý chung §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých Kh¸c víi nhiÖt luyÖn chØ lµm biÕn ®æi tæ chøc vµ do ®ã tÝnh chÊt cña thÐp, kh«ng lµm thay ®æi thµnh phÇn hãa häc, hãa - nhiÖt luyÖn lµ ph¬ng ph¸p thÊm, b∙o hßa nguyªn tè hãa häc (cacbon, nit¬...) vµo bÒ mÆt thÐp b»ng çch khuÕch t¸n ë tr¹ng th¸i nguyªn tö tõ m«i trêng bªn ngoµi vµ ë nhiÖt ®é cao. Nh vËy khi hãa

157

157

nhiÖt luyÖn thµnh phÇn hãa häc ë líp bÒ mÆt thÐp thay ®æi, do vËy tæ chøc vµ c¬ tÝnh bÞ biÕn ®æi m¹nh h¬n. Khi hãa - nhiÖt luyÖn thêng nh»m mét trong hai môc ®Ých sau: - N©ng cao ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn vµ ®é bÒn mái cña thÐp víi hiÖu qu¶ cao h¬n so víi t«i bÒ mÆt. Thuéc vÒ lo¹i nµy lµ thÊm cacbon, thÊm nit¬, thÊm cacbon - nit¬... ®îc øng dông réng r∙i trong s¶n xuÊt c¬ khÝ. - N©ng cao tÝnh chèng ¨n mßn ®iÖn hãa vµ hãa häc (chèng «xy hãa ë nhiÖt ®é cao) nh thÊm cr«m, thÊm nh«m, thÊm silic. C¸c qu¸ tr×nh thÊm nµy ph¶i tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é cao h¬n vµ thêi gian dµi h¬n, Ýt ®îc thùc hiÖn. C¸c giai ®o¹n Khi tiÕn hµnh ngêi ta ®Æt chi tiÕt thÐp vµo m«i trêng (r¾n, láng hoÆc khÝ) cã kh¶ n¨ng t¹o ra nguyªn tö ho¹t cña nguyªn tè cÇn thÊm råi nung nãng ®Õn nhiÖt ®é thÝch hîp. Cã ba giai ®o¹n nèi tiÕp nhau x¶y ra. 1) Ph©n hãa: lµ qu¸ tr×nh ph©n tÝch ph©n tö, t¹o nªn nguyªn tö ho¹t cña nguyªn tè ®Þnh thÊm. 2) HÊp thô: tiÕp theo nguyªn tö ho¹t ®îc hÊp thô (x©m nhËp, hßa tan vµo m¹ng tinh thÓ s¾t) vµo bÒ mÆt thÐp víi nång ®é cao, t¹o ra ®é chªnh lÖch (gradien) nång ®é gi÷a bÒ mÆt vµ lâi. 3) KhuÕch t¸n: tiÕp theo nguyªn tö ho¹t ë líp hÊp thô sÏ ®i s©u vµo bªn trong theo c¬ chÕ khuÕch t¸n, t¹o nªn líp thÊm víi chiÒu s©u nhÊt ®Þnh. Trong ba giai ®o¹n ®ã khuÕch t¸n lµ quan träng h¬n c¶, quyÕt ®Þnh sù h×nh thµnh cña líp thÊm. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é vµ thêi gian NhiÖt ®é vµ thêi gian ¶nh hëng lín ®Õn khuÕch t¸n vµ chiÒu dµy líp thÊm. NhiÖt ®é cµng cao chuyÓn ®éng nhiÖt cña nguyªn tö cµng m¹nh, tèc ®é khuÕch t¸n cµng lín, líp thÊm cµng chãng ®¹t chiÒu s©u quy ®Þnh. §¸ng chó ý lµ hÖ sè khuÕch t¸n D (vµ do ®ã chiÒu dµy líp thÊm x) phô thuéc vµo nhiÖt ®é T0 theo hµm mò:

KTQ

e.AD−

= nh biÓu diÔn ë h×nh 4.22a, do vËy t¨ng nhiÖt ®é lµ yÕu tè quan träng nhÊt ®Ó t¨ng chiÒu s©u líp thÊm. VÝ dô hÖ sè khuÕch t¸n D cña cacbon trong Feγ t¨ng lªn h¬n 7 lÇn khi nhiÖt ®é t¨ng tõ 925 lªn 1100oC. Nªn trong hãa - nhiÖt luyÖn thêng cã khuynh híng n©ng cao nhiÖt ®é, song nhiÒu trêng hîp bÞ h¹n chÕ v× lµm cho h¹t to, lµm xÊu c¬ tÝnh.

H×nh 4.22. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é ®Õn hÖ sè khuÕch t¸n (a) vµ ¶nh hëng cña thêi gian ®Õn chiÒu s©u líp thÊm (b).

158

158

Thêi gian. ë nhiÖt ®é cè ®Þnh, kÐo dµi thêi gian còng gióp n©ng cao chiÒu s©u líp thÊm song víi hiÖu qu¶ kh«ng m¹nh nh t¨ng nhiÖt ®é v× chiÒu s©u líp thÊm x phô thuéc vµo thêi gian t theo quan hÖ tkx = (k - hÖ sè, t - thêi gian) nh biÓu thÞ ë h×nh 4.22b. VËy kh¸c víi nhiÖt ®é, cµng kÐo dµi thêi gian møc ®é t¨ng chiÒu s©u líp thÊm cµng gi¶m ®i. Do vËy kÐo dµi thêi gian lµ biÖn ph¸p kÐm hiÖu qu¶. Sau ®©y chØ tr×nh bµy çc ph¬ng ph¸p hãa - nhiÖt luyÖn th«ng dông nhÊt.

b. ThÊm cacbon ThÊm cacbon lµ ph¬ng ph¸p hãa - nhiÖt luyÖn phæ biÕn nhÊt, dÔ thùc hiÖn nhÊt, thêng gÆp nhÊt ë níc ta vµ çc níc c«ng nghiÖp. §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých - Yªu cÇu ®èi víi líp thÊm ThÊm cacbon lµ ph¬ng ph¸p hãa - nhiÖt luyÖn bao gåm lµm b∙o hßa (thÊm, khuÕch t¸n) cacbon vµo bÒ mÆt cña thÐp cacbon thÊp (0,10 ÷ 0,25%) råi tiÕp theo t«i vµ ram thÊp lµm bÒ mÆt cã ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn cao (do lîng cacbon cao), cßn lâi cã ®é bÒn tèt vµ dÎo dai (do lîng cacbon thÊp nh cò). TØ mØ vÒ thÐp thÊm cacbon ®îc tr×nh bµy ë môc 5.3.2. Môc ®Ých chñ yÕu cña thÊm cacbon lµ lµm cho bÒ mÆt cña thÐp cøng tíi HRC 60 ÷ 64 víi tÝnh chèng mµi mßn cao, chÞu mái tèt, cßn lâi bÒn, dÎo, dai víi ®é cøng HRC 30 ÷ 40. CÇn nhí lµ chØ ®¹t ®îc c¬ tÝnh nh vËy sau khi t«i + ram thÊp, do vËy khi nãi ®Õn thÊm cacbon lµ ®∙ cã hµm ý bao gåm c¶ d¹ng nhiÖt luyÖn nµy. §Ó ®¹t ®îc môc ®Ých trªn qu¸ tr×nh thÊm cacbon ph¶i ®¹t ®îc çc yªu cÇu sau. - §èi víi bÒ mÆt: cã lîng cacbon trong kho¶ng 0,80 ÷ 1,00% (nhá h¬n kh«ng ®ñ cøng vµ chèng mµi mßn, nhiÒu h¬n cã thÓ g©y gißn, trãc do qu¸ nhiÒu XeII ë d¹ng líi) ®Ó sau khi t«i + ram thÊp cã tæ chøc mactenxit ram vµ cacbit nhá mÞn, ph©n t¸n (kh«ng cho phÐp cacbit tÝch tô lín, ë d¹ng líi) víi ®é cøng HRC cao h¬n 60 (thêng lµ 62 ÷ 64). - §èi víi lâi: cã tæ chøc h¹t nhá (cÊp 5 ÷ 8) víi tæ chøc mactenxit h×nh kim nhá mÞn, kh«ng cã ferit tù do, ®Ó b¶o ®¶m ®é bÒn, ®é dai cao, HRC 30 ÷ 40.

NhiÖt ®é vµ thêi gian Nguyªn t¾c chän nhiÖt ®é thÊm cacbon lµ ph¶i sao cho thÐp ë tr¹ng th¸i hoµn toµn lµ austenit, v× nh ®∙ thÊy tõ gi¶n ®å pha Fe - C chØ cã pha nµy míi cã kh¶ n¨ng hßa tan nhiÒu cacbon (tíi 2,14%, trong khi ®ã ferit hÇu nh kh«ng cã kh¶ n¨ng nµy). VËy nhiÖt ®é thÊm cacbon lµ cao h¬n Ac3 cña thÐp tøc trong kho¶ng 900 ÷ 950oC (A3 cña thÐp 0,10%C kho¶ng 880oC). Nh ®∙ nãi ë trªn, thÊm ë nhiÖt ®é cµng cao cµng chãng ®¹t chiÒu s©u líp thÊm quy ®Þnh, do ®ã cã khuynh híng chän nhiÖt ®é cµng cao h¬n 900oC cµng tèt, song kh«ng thÓ qu¸ cao v× sÏ lµm cho h¹t austenit lín, lµm thÐp gißn. V× vËy cã thÓ tiÕn hµnh thÊm cacbon ë giíi h¹n nµo trong kho¶ng quy ®Þnh trªn lµ tïy thuéc vµo b¶n chÊt h¹t cña thÐp. - §èi víi thÐp b¶n chÊt h¹t nhá (thÐp hîp kim chøa Ti) cã thÓ thÊm ë nhiÖt ®é cao tíi 930 ÷ 950oC mµ vÉn gi÷ ®îc h¹t nhá (song kh«ng nªn thÊm ë qu¸ 950oC v× trong thêi gian dµi vÉn lµm cho h¹t lín). N©ng cao nhiÖt ®é thÊm nh vËy rÊt cã lîi v× sÏ rót ng¾n ®îc thêi gian vµ ®¹t ®îc çc hiÖu qu¶ do ®iÒu nµy mang l¹i: h¹t nhá, Ýt cong vªnh, ®¬n gi¶n hãa qu¸ tr×nh t«i. - §èi víi thÐp b¶n chÊt h¹t lín (thÐp cacbon vµ mét sè thÐp hîp kim

159

159

thêng) kh«ng nªn thÊm qu¸ 930oC, tøc chØ nªn ë 900 ÷ 920oC. Thêi gian thÊm (gi÷ nhiÖt ë nhiÖt ®é thÊm) phô thuéc vµo hai yÕu tè sau. 1) ChiÒu dµy líp thÊm yªu cÇu ®îc quy ®Þnh bëi ®iÒu kiÖn kü thuËt vµ thêng ë ba møc sau: 0,50 ÷ 0,80, 0,90 ÷ 1,20 vµ 1,50 ÷ 1,80mm lµm sao cho líp thÊm cã chiÒu dµy 0,10 ÷ 0,15 ®êng kÝnh hay chiÒu dµy tiÕt diÖn. Riªng ®èi víi b¸nh r¨ng chiÒu dµy líp thÊm x tÝnh theo m«®un m cña r¨ng, x/m ≈ 0,20 ÷ 0,30, nh sau: m = 1,5, x = 0,50mm; m = 3,0, x = 0,80mm. ChiÒu s©u líp thÊm yªu cÇu cµng lín, thêi gian cµng ph¶i dµi. 2) Tèc ®é thÊm (®óng h¬n lµ tèc ®é thÊm trung b×nh). §¹i lîng nµy l¹i phô thuéc vµo m«i trêng thÊm vµ nhiÖt ®é. ë cïng mét nhiÖt ®é, tèc ®é thÊm cacbon trong m«i trêng láng lµ cao nhÊt, sau ®ã ®Õn khÝ, thÊp nhÊt lµ ë thÓ r¾n. Nãi chung thêi gian thÊm ®îc tÝnh cho líp thÊm trªn díi 1mm (lµ trêng hîp thêng gÆp nhÊt) nh sau: + khi thÊm thÓ r¾n ë 900oC: cø 0,10mm chiÒu s©u cÇn 1h nung nãng vµ gi÷ nhiÖt hay 0,15mm /1h gi÷ nhiÖt, + khi thÊm thÓ khÝ ë 900oC: cø 0,15mm chiÒu s©u cÇn 1h nung nãng vµ gi÷ nhiÖt hay 0,20mm /1h gi÷ nhiÖt; ë 930 ÷ 950oC - 0,25 ÷ 0,30mm /1h gi÷ nhiÖt. ChÊt thÊm vµ qu¸ tr×nh x¶y ra ChÊt thÊm thÓ r¾n lµ lo¹i thÊm cæ xa nhÊt, hiÖn cßn ®îc dïng nhiÒu ë níc ta. ChÊt thÊm chñ yÕu lµ than gç (cã thÓ thay b»ng mïn ca) - 80 ÷ 95% vµ lîng nhá çc muèi cacbonat (Na2CO3, BaCO3...) hoÆc çc muèi kh¸c cã t¸c dông xóc t¸c, lµm nhanh qu¸ tr×nh thÊm. Sau khi trén ®Òu, hçn hîp ®îc cho vµo hép cïng víi chi tiÕt, lÌn chÆt, ®Ëy kÝn råi ®em nung ®Õn nhiÖt ®é thÊm, sÏ cã çc qu¸ tr×nh sau.

- Than gç (mïn ca) ch¸y trong ®iÒu kiÖn thiÕu «xy sÏ t¹o nªn «xyt cacbon 2C + O2 → 2CO - KhÝ CO khi gÆp bÒ mÆt thÐp l¹i bÞ ph©n tÝch 2CO → CO2 + Cng.tö

- Cacbon nguyªn tö võa míi t¹o thµnh cã tÝnh ho¹t cao, bÞ hÊp thô råi khuÕch t¸n vµo bÒ mÆt thÐp ë d¹ng dung dÞch r¾n xen kÏ trong Feγ, tøc austenit víi nång ®é cacbon t¨ng dÇn theo thêi gian vµ ®¹t ®Õn giíi h¹n b∙o hßa (®êng SE ë çc nhiÖt ®é t¬ng øng) Cng.tö + Feγ (C) -→ Feγ (C)0,1→0,8→(1,2 ÷ 1,3) vµ h×nh thµnh nªn líp thÊm cã chiÒu s©u nhÊt ®Þnh: ngoµi cïng cacbon cao nhÊt vµ gi¶m dÇn vµo lâi. - Çc muèi chØ ®ãng vai trß xóc t¸c: bÞ ph©n hãa t¹o ra CO2, CO2 kÕt hîp víi cacbon cña than thµnh CO, råi pha khÝ nµy l¹i bÞ ph©n hãa thµnh cacbon nguyªn tö nh ®∙ tr×nh bµy... §Æc ®iÓm cña thÊm cacbon thÓ r¾n lµ: + Thêi gian dµi (do ph¶i nung c¶ hép than cã tû nhiÖt lín), ®iÒu kiÖn lao ®éng xÊu (bôi than), khã c¬ khÝ hãa. + ChÊt lîng kh«ng cao hay khã b¶o ®¶m tèt, do thêi gian dµi h¹t dÔ bÞ lín vµ do nång ®é cacbon ë bÒ mÆt qu¸ cao, thêng ®¹t tíi giíi h¹n b∙o hßa ë nhiÖt ®é thÊm, 1,2 ÷ 1,3%, khi lµm nguéi dÔ t¹o nªn líi XeII, g©y gißn, dÔ trãc. + §¬n gi¶n, dÔ tiÕn hµnh.

160

160

ThÊm ë thÓ khÝ lµ ph¬ng ph¸p thÊm hiÖn ®¹i, ®îc sö dông réng r∙i trong s¶n xuÊt c¬ khÝ. Nh ®∙ thÊy ë trªn, tuy thÊm cacbon ë thÓ r¾n song qu¸ tr×nh x¶y ra l¹i th«ng qua pha khÝ, nªn cã thÓ dïng trùc tiÕp çc khÝ cã kh¶ n¨ng sinh ra cacbon nguyªn tö nh CO, CH4 ®Ó thÊm. Trong thùc tÕ ngêi ta chÕ t¹o khÝ thÊm cacbon tõ khÝ ®èt thiªn nhiªn mµ thµnh phÇn chñ yÕu cña nã lµ mªtan CH4 cã t¸c dông thÊm rÊt m¹nh. Muèn thÊm ®îc, tû lÖ CH4 trong hçn hîp chØ cÇn 3 ÷ 5% (trong khi ®ã CO ph¶i h¬n 95%). Qu¸ tr×nh x¶y ra theo ph¶n øng CH4 → 2H2 + Cng.tö V× thÕ ngêi ta ph¶i pha lo∙ng vµ pha chÕ khÝ thiªn nhiªn sao cho cã nång ®é thÝch hîp (t¹o ra lîng cacbon nguyªn tö võa ®ñ) ®Ó t¹o nªn líp thÊm cã 0,80 ÷ 1,00% theo yªu cÇu. §ã lµ u ®iÓm næi bËt cña d¹ng thÊm cacbon nµy. Trong s¶n xuÊt hµng lo¹t lín, thÊm cacbon thÓ khÝ ®îc tiÕn hµnh trong çc lß b¨ng t¶i cã ph©n çc vïng nhiÖt ®é vµ khÝ thÊm theo yªu cÇu ®Ó sau khi ®i hÕt chiÒu dµi lß chi tiÕt ®îc lÇn lît nung nãng, thÊm cacbon, t«i, ram, lµm s¹ch. Nhê vËy gi¶m nhÑ ®iÒu kiÖn lµm viÖc do qu¸ tr×nh ®îc c¬ khÝ hãa, tù ®éng hãa. Khi kh«ng cã khÝ thiªn nhiªn ngêi ta cã thÓ dïng lß chu k× víi nhá giät dÇu háa hay cån trong s¶n xuÊt hµng lo¹t thêng. ë nhiÖt ®é cao çc chÊt nµy bÞ nhiÖt ph©n vµ t¹o nªn çc hy®r«cacbon, chóng còng cã t¸c dông thÊm tuy yÕu h¬n mªtan. Víi çch cung cÊp chÊt thÊm thÝch hîp (m¹nh trong thêi gian ®Çu, gi¶m ®i sau ®ã) võa t¨ng ®îc n¨ng suÊt thÊm võa b¶o ®¶m bÒ mÆt thÊm kh«ng bÞ qu¸ b∙o hßa cacbon. ThÊm ë thÓ láng Ýt dïng do n¨ng suÊt thÊp, chØ ¸p dông ®îc cho chi tiÕt bÐ, ®iÒu kiÖn lao ®éng xÊu. NhiÖt luyÖn sau khi thÊm Nh ®∙ thÊy sù khuÕch t¸n cacbon kÓ trªn chØ lµ t¹o nªn sù ph©n bè cacbon hîp lý trªn tiÕt diÖn, t¹o ®iÒu kiÖn ®Ó t«i tiÕp theo ®¹t ®îc yªu cÇu: bÒ mÆt cøng (nhê cacbon cao), lâi bÒn, dai (nhê cacbon thÊp). V× vËy sau khi thÊm cacbon, thÐp b¾t buéc ph¶i qua t«i + ram thÊp hay nãi kh¸c ®i qu¸ tr×nh thÊm cacbon ph¶i bao gåm c¶ hai nguyªn c«ng nµy. C«ng dông ThÊm cacbon còng cho c¬ tÝnh vµ c«ng dông nh t«i bÒ mÆt: bÒ mÆt cøng, lâi dÎo, dai, song ë møc ®é cao h¬n (HRC 60 ÷ 64 so víi 52 ÷ 58 ë bÒ mÆt, HRC 30 ÷ 40 so víi 15 ÷ 40 ë lâi (HRC 30 ÷ 40 khi lâi ®îc hãa tèt, HRC 15 ÷ 30 khi lâi ë tr¹ng th¸i ñ hay thêng hãa) do ®ã nã b¶o ®¶m tÝnh chèng mµi mßn vµ chÞu t¶i tèt h¬n. Ngoµi ra còng nh t«i bÒ mÆt nã còng t¹o nªn líp øng suÊt nÐn d nªn còng lµm t¨ng giíi h¹n mái. ChÝnh v× vËy thÊm cacbon thêng ®îc ¸p dông cho chi tiÕt lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn nÆng h¬n. VÝ dô cïng lµ b¸nh r¨ng hép sè song ë «t« ph¶i qua thÊm cacbon, ë m¸y c¾t chØ cÇn qua t«i bÒ mÆt. Ngoµi ra thÊm cacbon cã thÓ ®îc ¸p dông cho chi tiÕt h×nh d¹ng phøc t¹p, kh«ng ®Òu ®Æn mµ vÉn cho líp thÊm ®Òu, ®©y lµ ®iÓm u viÖt h¬n so víi t«i bÒ mÆt. Nh÷ng chç kh«ng cho phÐp thÊm ph¶i ®îc ng¨n b»ng çch m¹ ®ång hoÆc phÕt ®Êt sÐt. Tuy cã u viÖt h¬n vÒ mÆt c¬ tÝnh song thÊm cacbon cã gi¸ thµnh ®¾t h¬n do tèn nhiÖt, thêi gian dµi, n¨ng suÊt thÊp h¬n. Sù c©n nh¾c gi÷a hai mÆt ®ã sÏ cho phÐp chän c«ng nghÖ nµo hîp lý h¬n víi tõng chi tiÕt cô thÓ.

c. ThÊm nit¬

§Þnh nghÜa vµ môc ®Ých ThÊm nit¬ lµ ph¬ng ph¸p hãa - nhiÖt luyÖn lµm b∙o hßa (thÊm, khuÕch t¸n) nit¬ vµo bÒ mÆt thÐp nh»m môc ®Ých chñ yÕu lµ n©ng cao ®é cøng vµ tÝnh

161

161

chèng mµi mßn (HRC 65 ÷ 70 h¬n h¼n thÊm cacbon). Tæ chøc cña líp thÊm

H×nh 4.22. Gi¶n ®å pha Fe - N

§é cøng cao cña líp thÊm nit¬ lµ b¶n chÊt tù nhiªn cña nã, kh«ng ph¶i qua

nhiÖt luyÖn tiÕp theo nh khi thÊm cacbon. Ngêi ta thêng thÊm nit¬ trong dßng khÝ NH3 (am«niac) cã nhiÖt ®é trong kho¶ng 480 ÷ 650oC, lóc ®ã nã bÞ ph©n hãa m¹nh nhÊt theo ph¶n øng

2 NH3 → 3H2 + 2Nng.tö nit¬ nguyªn tö míi t¹o thµnh cã tÝnh ho¹t cao bÞ hÊp thô råi khuÕch t¸n vµo thÐp. C¬ së ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc líp thÊm nit¬ vµo thÐp lµ gi¶n ®å pha Fe - N (h×nh 4.22). Líp thÊm giµu nit¬, nÕu tÝnh tõ ngoµi vµo sÏ cã çc pha sau: ε - dung dÞch r¾n mµ b¶n chÊt (nÒn) lµ pha xen kÏ Fe2N, γ‘ - dung dÞch r¾n mµ b¶n chÊt (nÒn) lµ pha xen kÏ Fe4N, α - ferit nit¬ (hay dung dÞch r¾n cña nit¬ trong Feα). Nh vËy líp thÊm gåm bëi çc nitrit - pha xen kÏ víi ®é cøng rÊt cao, rÊt ph©n t¸n, nhê vËy líp thÊm cã ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn rÊt cao. §Æc ®iÓm cña thÊm nit¬ - Do ph¶i tiÕn hµnh ë nhiÖt ®é thÊp sù khuÕch t¸n khã kh¨n nªn thêi gian dµi mµ líp thÊm vÉn máng. VÝ dô: thÊm ë 520oC trong 24h ®¹t 0,25 ÷ 0,30mm, trong 48h ®¹t 0,40mm. - Sau khi thÊm kh«ng tiÕn hµnh t«i vµ mµi. - ThÐp dïng ®Ó thÊm thêng lµ thÐp hîp kim chuyªn dïng. NÕu dïng thÐp cacbon líp thÊm cã nitrit s¾t, pha nµy tuy cøng nhng gißn nªn thêng dïng thÐp hîp kim hãa b»ng cr«m, m«lip®en vµ nh«m v× çc nitrit cña chóng cøng h¬n vµ Ýt gißn h¬n. Tríc khi thÊm nit¬ thÐp ®îc ®em t«i + ram tríc ®Ó ®Þnh h×nh c¬ tÝnh cho lâi, trong ®ã nhiÖt ®é ram ph¶i cao h¬n nhiÖt ®é thÊm nit¬ ®Ó qu¸ tr×nh thÊm tiÕp theo kh«ng gi¶m ®é bÒn lâi. TØ mØ vÒ thÐp nµy ®îc tr×nh bµy ë môc 5.3.3g. - Líp thÊm cøng h¬n vµ ®é cøng rÊt cao nµy gi÷ ®îc ë ngay c¶ khi lµm viÖc ë trªn 500oC v× theo gi¶n ®å pha Fe - N tæ chøc líp thÊm kh«ng thay ®æi ë çc nhiÖt ®é thÊp h¬n 591oC, trong khi ®ã ®é cøng cao cña líp thÊm cacbon bÞ gi¶m m¹nh khi nhiÖt ®é vît qu¸ 200oC do mactenxit bÞ ph©n hãa khi ram. C«ng dông ThÊm nit¬ ®îc ¸p dông chñ yÕu cho nh÷ng chi tiÕt cÇn ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn rÊt cao, lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao h¬n 500oC, song chÞu t¶i träng

162

162

kh«ng lín (do líp thÊm máng) nh mét sè trôc, b¸nh r¨ng, s¬mi trong m¸y bay, dông cô c¾t, dông cô ®o.

d. ThÊm cacbon - nit¬ §Þnh nghÜa vµ môc ®Ých ThÊm cacbon - nit¬ lµ ph¬ng ph¸p hãa - nhiÖt luyÖn lµm b∙o hßa (thÊm, khuÕch t¸n) ®ång thêi cacbon vµ nit¬ vµo bÒ mÆt thÐp ®Ó n©ng cao ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn (vÒ mÆt nµy nã n»m trung gian gi÷a thÊm cacbon vµ thÊm nit¬). Nh vËy nã còng nh»m môc ®Ých nh hai ph¬ng ph¸p hãa - nhiÖt luyÖn trªn song tèt h¬n thÊm cacbon. §Æc ®iÓm cña thÊm cacbon - nit¬ lµ tïy thuéc vµo tû lÖ gi÷a cacbon vµ nit¬ trong líp thÊm mµ qu¸ tr×nh cã thÓ gÇn víi mét trong hai d¹ng thÊm trªn h¬n. - NÕu qu¸ tr×nh x¶y ra ë nhiÖt ®é cao, trªn díi 850oC, sù khuÕch t¸n cña cacbon m¹nh, líp thÊm chñ yÕu lµ cacbon (Ýt nit¬), do ®ã cã tÝnh chÊt gÇn víi thÊm cacbon h¬n song tèt h¬n thÊm cacbon. - NÕu qu¸ tr×nh x¶y ra ë nhiÖt ®é thÊp, trªn díi 560oC, sù khuÕch t¸n cña cacbon yÕu, líp thÊm chñ yÕu lµ nit¬, do ®ã tÝnh chÊt gÇn víi thÊm nit¬ h¬n song kÐm h¬n thÊm nit¬ ®«i chót.

ThÊm cabon - nit¬ ë nhiÖt ®é cao D¹ng thÊm nµy u viÖt h¬n vµ cã xu híng thay thÕ cho thÊm cacbon. Khi thÊm ë thÓ khÝ, ngêi ta dïng c«ng nghÖ thÊm cacbon ë thÓ khÝ chØ víi çc thay ®æi nhá lµ: hçn hîp thÊm cã thªm 5 ÷ 10%NH3, thÊm ë nhiÖt ®é 840 ÷ 860oC, do vËy rÊt thuËn lîi cho ®æi míi c«ng nghÖ víi çc u viÖt (so víi thÊm cacbon): - Trong líp thÊm cã pha cacbon - nitrit Fe3(C,N) rÊt cøng (cøng h¬n cacbit, xªmentit) vµ ph©n t¸n nªn lµm t¨ng rÊt m¹nh tÝnh chèng mµi mßn. Tuy ®é cøng kh«ng kh¸c thÊm cacbon (HRC 60 ÷ 65) nhng thêi h¹n lµm viÖc (tuæi bÒn) kÐo dµi thªm 50 ®Õn 100%. - Do chèng mµi mßn t¨ng lªn m¹nh, líp thÊm cã thÓ máng h¬n líp thÊm cacbon kho¶ng 20 ÷ 30%. VÝ dô b¸nh r¨ng khi thÊm cacbon s©u 0,90 ÷ 1,20mm, khi thÊm cacbon - nit¬ chØ cÇn 0,50 ÷ 0,80mm. Nhê vËy thêi gian thÊm sÏ ng¾n l¹i. - Do nhiÖt ®é vµ thêi gian thÊm ®Òu gi¶m nªn ®é biÕn d¹ng chi tiÕt lµ kh«ng ®¸ng kÓ, ngoµi ra cßn t¨ng ®îc tuæi thä cña lß. Khi thÊm ë thÓ láng, ngêi ta dïng chñ yÕu çc muèi trong ®ã cã gèc CN (gäi lµ muèi xyanua) hay CNO ë d¹ng nãng ch¶y, ë nhiÖt ®é cao (820 ÷ 860oC) chóng «xy hãa, ph©n hñy ®Ó t¹o ra cacbon vµ nit¬ nguyªn tö bÞ hÊp thô vµ khuÕch t¸n vµo bÒ mÆt thÐp t¹o nªn líp thÊm. Nhîc ®iÓm quan träng nhÊt cña çch thÊm nµy lµ ph¶i dïng çc muèi ®éc nªn bÞ h¹n chÕ sö dông. Sau khi thÊm cacbon - nit¬ ë nhiÖt ®é cao, thÐp ph¶i qua t«i + ram thÊp nh thÊm cacbon nhng víi quy tr×nh ®¬n gi¶n h¬n nhiÒu.

ThÊm cacbon - nit¬ ë nhiÖt ®é thÊp ThÊm cacbon - nit¬ ë nhiÖt ®é thÊp thêng ®îc tiÕn hµnh ë thÓ láng. Çch thÊm cæ ®iÓn lµ dïng muèi xyanua nãng ch¶y ë 540 ÷ 560oC. ë nhiÖt ®é nµy nã bÞ «xy hãa, ph©n hñy vµ t¹o ra çc nguyªn tö ho¹t thÊm vµo bÒ mÆt thÐp. Do nhiÖt ®é thÊp líp thÊm chñ yÕu chøa nit¬ nªn tiÕp theo kh«ng tiÕn hµnh t«i + ram thÊp. Còng gièng nh trªn, do dïng muèi xyanua víi nång ®é cao h¬n nªn rÊt ®éc h¹i nªn hiÖn nay kh«ng ®îc chÊp nhËn.

163

163

Trong mÊy chôc n¨m qua ngêi ta ®∙ t×m ®îc ph¬ng ph¸p thÊm cacbon - nit¬ víi dïng çc muèi kh«ng ®éc vµ ®∙ lµm cho çch thÊm nµy cã bíc ph¸t triÓn míi quan träng. §ã lµ ph¬ng ph¸p Tenifer (tõ çc tõ tenax - lµm bÒn, nitrur - thÊm nit¬, ferrum - s¾t). Ngêi ta ¸p dông d¹ng nhiÖt luyÖn nµy cho çc chi tiÕt «t« (trôc khuûu, b¸nh r¨ng), khu«n dËp, khu«n Ðp ch¶y. Cuèi cïng cÇn nhÊn m¹nh lµ çc ph¬ng ph¸p hãa bÒn bÒ mÆt kÓ trªn ngoµi hiÖu qu¶ thÊy râ lµ n©ng cao tÝnh chèng mµi mßn th«ng qua biÓu hiÖn vÒ ®é cøng, cßn t¹o nªn ®îc líp øng suÊt nÐn d trªn bÒ mÆt víi gi¸ trÞ b»ng kho¶ng vµi tr¨m MPa, do ®ã n©ng cao ®é bÒn mái.

Ch¬ng 4

Documents

Transcript of Ch¬ng 4