Bài giảng Vật liệu kỹ thuật 2

Nhiệt luyện

Định nghĩa và đặc điểm chung của nhiệt luyện

Nhiệt luyện là quá trình nung nóng kim loại hoặc hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt trong thời gian thích hợp và sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để thay đổi cấu trúc và cải thiện cơ tính cũng như các tính chất mong muốn Đặc điểm nổi bật của nhiệt luyện là không làm nóng chảy hay biến dạng sản phẩm, và kết quả của quá trình này được đánh giá thông qua sự biến đổi của tổ chức tế bào và tính chất của vật liệu Các thông số đặc trưng cho nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được các yêu cầu kỹ thuật.

Hình 1.1 Các thông số đặc trưng của quá trình nhiệt luyện

Nhiệt độ nung nóng (t n) là mức nhiệt độ cao nhất cần đạt được trong quá trình nhiệt luyện, trong khi thời gian giữ nhiệt (τ gn) là khoảng thời gian mà chi tiết được duy trì ở nhiệt độ nung nóng đó.

+ Tốc độnguội (V nguội ) là tốc độgiảm nhiệt độtheo thời sau khi giữnhiệt. c Kết quảcủa một quá trình nhiệt luyện

+ Độcứng là yêu cầu quan trọng nhất và dễ dàng xác định được, nó liên quan đến các chỉ tiêu độbền, độdẻo, độdai

+ Tổchức tếvi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền

Độ biến dạng và cong vênh trong quá trình nhiệt luyện thường nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, trong những trường hợp yêu cầu khắt khe, việc kiểm tra độ biến dạng và cong vênh là cần thiết.

Các chuyển biến khi nung nóng thép- Sự tạo thành austenit

a) Cơ sở xác định chuyển biến khi nung

Dựa vào giản đồ(hình 1.2) nhận thấyởnhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản là ferit (F) và xêmentit (Xê)(trong đó P= [F+Xê]).

- Thép cùng tích có tổ chức là P, thép trước cùng tính và sau cùng tích có tổ chức làP+F và P+Xê II

Hình 1.2 Giản đồpha Fe-C (phần thép)

Trên giản đồnhận thấy trong quá trình khi nung nóng thép có một số đặc điểm sau.

- Khi T < A 1 hợp kim chưacó chuyển biến gì.

- Khi T = Ac 1 tại đây hợp kim xảy ra phảnứng cùng tích peclit (P) chuyển biến thành austenit (γ), [F+Xê] 0,8%C →γ 0,8%C

- Khi T > Ac 1 xảy ra quá trình F và Xê II hoà tan vào trongγ nhưng không hoàn toàn.

- Khi T > Ac 3 và Ac m xảy ra quá trình F và Xê II tan hoàn toàn vào trongγ. b) Đặc điểm của chuyển biến Peclit (P) thành austenit

+ Nhiệt độvà thời gian chuyển biến

Hình 1.3 Giản đồchuyển biến đẳng nhiệt P→γ của thép cùng tích

Từgiản đồnhận thấy một số đặc điểm sau.

+ V nung càng lớn thì T chuyển biến càng cao.

+ T nung càng cao thì khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn.

Tốc độnung V 2 >V 1 thì nhiệt độbắt đầu và kết thúc chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn.

Cơ chế chuyển biến từ P sang γ tương tự như quá trình kết tinh, bao gồm việc tạo mầm và phát triển mầm Ban đầu, do bề mặt phân chia giữa F-Xê rất lớn, số lượng mầm hình thành nhiều, dẫn đến kích thước hạt γ ban đầu rất nhỏ và mịn Kích thước hạt γ càng nhỏ thì khả năng hình thành các tổ chức khác với độ bền, độ dẻo và độ dai cao hơn càng lớn.

Hình 1.4 Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từpeclit tấm

Về kích thước hạt của austenit phụthuộc vào một số đặc điểm sau.

-Peclit ban đầu càng mịn thì austenit càng nhỏ

- V nung càng lớn thì hạt austenit càng nhỏ

- Nhiệt độ nung và thời gian giữnhiệt lớn thì hạt lớn

- Theo bản chất thép có hai loại là thép có bản chất hạt lớn và thép có bản chất hạt nhỏ.

Hình 1.5 Sơ đồphát triển austenit, I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn

Thép bản chất hạt nhỏ là loại thép được khử oxy triệt để bằng nhôm, thép hợp kim Ti, Mo, V, Zr, Nb dễtạo cacbit ngăn cản phát triển hạt.

Với hai nguyên tốmangan và phôtpho làm hạt phát triển nhanh.[7]

Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt

Khi giữ nhiệt, mặc dù không có các chuyển biến mới, nhưng việc này vẫn rất cần thiết để đảm bảo nhiệt độ được phân bổ đồng đều trên toàn bộ tiết diện, giúp lõi vật liệu cũng có sự chuyển biến tương tự như bề mặt bên ngoài.

+Có đủthời gian đểhoàn thành khi nung nóng.

Để đạt được sự đồng đều trong thành phần hóa học của austenit, cần chú ý đến việc giữ nhiệt trong thời gian vừa đủ Việc kéo dài thời gian giữ nhiệt quá mức sẽ dẫn đến sự gia tăng kích thước hạt, điều này phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể.

Các chuyển biến của austennit khi làm nguội

1.1.4.1 Chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội của thép cùng tích

Những chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt được thể hiện qua giản đồ T-T-T hay còn gọi là giản đồchữ “C” của thép cùng tích.

Hình 1.6 Giản đồT-T-T của thép cùng tích

Khi austenit bị nguội tức thời dưới 727 0 C nó chưa chuyển biến ngay được gọi là austenit quá nguội, khôngổn định.

- Trên 727 0 C là khu vực tồn tại của austenit ổn định

- Bên trái chữ “C” đầu tiên là vùng austenit quá nguội

- Giữa hai chữ “C” austenit đang chuyển biếnở đây tồn tại cảba phaγ, F, Xê.

- Bên phải chữ “C” thứ hai các sản phẩm phân hoá đẳng nhiệt austenit quá nguội là hỗn hợp F-Xê với mức độnhỏmịn khác nhau.

- Giữa vùng M s và M f là vùng tổchức mactenxit và austenit dư.

Các sản phẩm khi làm nguội đẳng nhiệt.

Khi austenit được làm nguội gần đến điểm A1 (khoảng 700°C) trong thời gian dài (gần 100 giây), quá trình phân hóa bắt đầu diễn ra và kết thúc sau khoảng 2000 giây Hỗn hợp F – Xe tấm tạo thành có cấu trúc thô lớn, được gọi là peclit (tấm), với độ cứng thấp, dao động trong khoảng HRC 10–15 (HB 180–250).

Khi austenit được giữ ở nhiệt độ thấp hơn 650°C, quá trình phân hóa sẽ xảy ra nhanh chóng, dẫn đến sự hình thành hỗn hợp F – Xe tấm với kết cấu mịn hơn.

Xoócbit, hay còn gọi là xoócbit tôi, là một tổ chức có kích thước nhỏ đến mức không thể phân biệt được qua kính hiển vi quang học, với độ cứng cao hơn HRC 25-35.

Hình 1.7 Tổchức tếvi của xoobit tôi

Khi austenit được giữ ở nhiệt độ thấp hơn 500 – 600 °C, quá trình chuyển biến diễn ra nhanh chóng, dẫn đến sự hình thành hỗn hợp F –Xe (tấm) nhỏ mịn hơn Tổ chức này được gọi là trôxtit (hay trôxtit tôi), với độ cứng cao đạt khoảng 45 HRC.

Hình 1.8 Tổchức tếvi của trôxit tôi

Khi austenit được giữ ở nhiệt độ thấp hơn 250 – 450 °C, quá trình chuyển biến kéo dài hơn và cơ chế chuyển biến có sự thay đổi, hình thành tổ chức bainit Bainit có thể được xem như là một hỗn hợp F – Xe ở dạng tấm, nhưng có cấu trúc mịn hơn và độ cứng cao hơn, đạt khoảng HRC 50–55.

Hình 1.9 Tổchức tếvi của bainit

Peclit, xoocbit, trôxtit và bainit đều có thể được coi là những hỗn hợp cơ học của F và Xe (tấm), với bản chất tương tự nhau Tuy nhiên, kích thước của tấm càng nhỏ và mịn thì độ cứng càng cao.

Quá trình kết tinh có thể được giải thích như sau: khi độ quá nguội của chuyển biến tăng, số mầm kết tinh cũng tăng lên, dẫn đến kích thước của các hạt xe (cácbit) trở nên nhỏ mịn hơn Mặc dù lượng xe không thay đổi, với tỷ lệ 0,8%C bao gồm 12% xe và 88% F, nhưng kích thước của chúng lại bị ảnh hưởng.

Xe nhỏ đi tức là số các phần tử rắn này tăng lên sẽ làm tăng sự cản trượt đối với F, nâng cao độcứng, độbền.

Sau khi làm nguội đẳng nhiệt austenit, tổ chức hình thành tương ứng với nhiệt độ giữ đẳng nhiệt sẽ nằm ở nhánh nào của chữ "C" Kết quả của quá trình làm nguội này là tổ chức đồng nhất trên tiết diện.

1.1.4.2 Sựphân hoá austenit khi làm nguội liên tục

Trong thực tế, phương pháp làm nguội liên tục thường được áp dụng Việc xây dựng giản đồ với các tốc độ nguội khác nhau có thể khá phức tạp Để đơn giản hóa quá trình này, có thể sử dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt nhằm xác định tổ chức hình thành khi làm nguội với các tốc độ khác nhau.

Hình 1.10 Giản đồchuyển biến austenit làm nguội liên tục Đặc điểm của sựchuyển biến của austenit khi làm nguội liên tục:

Làm nguội chậm bằng lò với vector V1 cắt các đường cong chữ "C" gần điểm A1, dẫn đến việc austenit quá nguội phân hóa ở nhiệt độ cao thành peclit tấm với độ cứng thấp nhất.

Làm nguội trong không khí tĩnh với vectơ V2 cắt các đường cong chữ “C” ở phần giữa nhánh trên, dẫn đến austenit quá nguội phân hóa thành xoócbit Ngược lại, làm nguội trong không khí nén với vectơ V3 cắt các đường cong chữ “C” ở phần lồi, khiến C quá nguội phân hóa thành trôxtit.

Quá trình làm nguội trong dầu, được biểu thị bằng vectơ V4, chỉ tác động lên phần lồi của đường cong chữ C bên trái, dẫn đến việc austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôxtit và bainit, trong khi phần còn lại chuyển biến thành Mactenxit.

Làm nguội trong nước lạnh biểu thị bằng vectơ V 5 , nó không cắt đường cong chữ

“C” nào tức austenit không chuyển biến chút nào thành hỗn hợp F – Xe, phần lớn austenit quá nguội chuyển thành Mactenxit.

Nhận thấy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ chức nào là hoàn toàn tuỳ thuộc vào vị trí của vectơ biểu thịtốc độnguội trên đường cong chữ “C”.

Tổ chức vật liệu thường không đồng nhất trên toàn tiết diện, đặc biệt là với các tiết diện lớn Điều này xảy ra do phần bên ngoài nguội nhanh hơn so với lõi, dẫn đến sự hình thành tổ chức với độ cứng cao hơn ở bề mặt.

Tổ chức hoàn toàn bainít không thể đạt được trong mọi trường hợp, đặc biệt là với thép C, nơi hình dạng của chữ “C” thể hiện sự chuyển biến của cấu trúc Để đạt được bainit hoàn toàn, cần thực hiện quá trình làm nguội đẳng nhiệt Tuy nhiên, đối với thép hợp kim, vị trí của các đường cong chữ “C” sẽ dịch chuyển sang phải với các mức độ khác nhau, dẫn đến các đặc điểm này có thể không còn phù hợp hoặc không hoàn toàn chính xác.

Tốc độ nguội cần thiết để đạt được các tổ chức như xoócbit, trôxtit và mactenxit sẽ giảm tương ứng khi sử dụng lò Đặc biệt, với một số loại thép hợp kim cao, việc làm nguội trong không khí cũng có thể dẫn đến sự hình thành tổ chức mactenxit.

Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện giảm đi, thậm chí có thể đạt được đồng nhất ngay với tiết diện lớn.[6]

1.1.4.3 Chuyển biến của austennit khi làm nguội nhanh- Chuyển biến Mactenxit

Ủ và thường hóa thép

Ủ thép

1.2.1.1 Định nghĩa và mục đích a.Định nghĩa Ủ thép là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lòđể đạt được tổ chứcổn định peclit, với độ cứng thấp nhất và độdẻo cao. b Mục đích

+ Giảm độcứng (làm mềm) thép đểdễtiến hành gia công cắt.

+Làm tăng độ dẻođểdễtiến hành biến dạng (dập, cán, kéo) nguội.

+ Làm giảm hay làm mất ứng suất dư bên trong gây lên bởi gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo.

+ Làm đồng đều thành phần hoá học trên vật đúc bịthiên tích.

1.2.1.2 Các phương pháp ủkhông có chuyển biến pha

Các phương pháp ủ này có nhiệt độ ủ thấp hơn AC 1 nên không có chuyển biến P thành austenit khi nung nóng.

Có 2 phương pháp ủ đó là ủthấp vàủkết tinh lại.

Ủ thấp (ủ non) được thực hiện ở nhiệt độ 200–600°C nhằm giảm hoặc loại bỏ ứng suất bên trong vật đúc hoặc sản phẩm sau gia công cơ khí Trong khi đó, ủ kết tinh lại diễn ra ở nhiệt độ khoảng 600–700°C, với mục đích làm giảm độ cứng và thay đổi kích thước hạt, thường không áp dụng cho thép Phương pháp này thích hợp cho kim loại và hợp kim như đồng, nhôm, nhằm giảm tổn thất từ nhờ vào kích thước hạt lớn, đặc biệt trong các ứng dụng liên quan đến thép kỹ thuật điện để cải thiện tính chất cơ học.

1.2.1.3 Cácphương pháp ủcó chuyển biến pha.

Các phương pháp ủ với nhiệt độ cao hơn A C1 dẫn đến sự chuyển biến P thành austenit khi nung nóng, tạo ra hiệu ứng làm nhỏ hạt Khi austenit hạt nhỏ được làm nguội chậm, nó sẽ chuyển đổi trở lại thành P với kích thước hạt nhỏ hơn.

Ủ hoàn toàn là phương pháp xử lý thép với hàm lượng carbon từ 0,30–0,65%, bằng cách nung nóng thép đến nhiệt độ T0n = AC3 + (20–30°C) để đạt trạng thái austenit Mục đích của ủ hoàn toàn là làm nhỏ hạt, vì ở nhiệt độ này, hạt austenit vẫn giữ kích thước nhỏ và mịn Khi làm nguội, cấu trúc F–P sẽ có hạt nhỏ và dạng tấm, giúp giảm độ cứng và tăng độ dẻo, từ đó dễ dàng hơn trong gia công và dập nguội.

Ủkhông là phương pháp chủ yếu áp dụng cho thép có thành phần cacbon cao, như thép cùng tích và thép trước cùng tích với 0,70%C Phương pháp này yêu cầu nung nóng thép đến nhiệt độ T0n = AC1 + (20 - 30)°C.

Sau khi ủkhông hoàn toàn sẽtạo thành tổchức là P hạt chứkhông phải là P tấm và có độcứng HB < 220 dễgia công cắt.

Tuy nhiên cần chú ý phương pháp này không được áp dụng cho thép có hàm lượng C < 0,65% Vì sẽkhông làm nhỏ được ferit dẫn đến giảm độ dai va đập.

Ủ cầu hóa là một phương pháp xử lý nhiệt đặc biệt, trong đó nhiệt độ nung dao động quanh mức A C1 Quy trình bắt đầu bằng việc nung mẫu lên 750–760 độ C và giữ nhiệt độ này trong khoảng 5 phút, sau đó làm nguội xuống 650–660 độ C và tiếp tục giữ trong 5 phút Quá trình này được lặp lại nhiều lần để thúc đẩy nhanh quá trình cầu hóa, từ đó tạo ra các hạt P.

Ủ đẳng nhiệt được áp dụng cho thép hợp kim cao do austenit quá nguội có tính ổn định lớn, dẫn đến việc làm nguội chậm không đạt được tổ chức peclit mà chỉ tạo ra tổ chức cứng hơn như P – X, X, X – T, khiến thép không đủ mềm để gia công cắt Để có được thép sau ủ mềm với tổ chức P, phương pháp tiện lợi nhất là thực hiện làm nguội đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn A c1 khoảng 50 độ C, thường sử dụng lò có kiểm soát nhiệt độ, trong một khoảng thời gian xác định theo giản đồ chữ “C” của loại thép cụ thể, từ đó sẽ thu được tổ chức peclit.

Phương pháp ủ đẳng nhiệt khác biệt với các phương pháp ủ truyền thống ở cách làm nguội, cụ thể là nguội đẳng nhiệt Nhiệt độ ủ có thể là hoàn toàn cho thép trước cùng tích hoặc không hoàn toàn cho thép sau và cùng tích Đối với thép hợp kim cao, phương pháp này giúp rút ngắn thời gian ủ.

Thường hoá thép

Phương pháp nhiệt luyện này bao gồm việc nung nóng thép đến trạng thái austenit hoàn toàn, sau đó giữ nhiệt và làm nguội trong không khí tĩnh Quá trình này giúp austenit phân hóa thành cấu trúc gần ổn định là peclit phân tán hoặc xoócbit, với độ cứng tương đối thấp nhưng cao hơn so với quá trình ủ.

Nhiệt độcủa thường hóa giống như ủ hoàn toàn nhưng được áp dụng cho cảthép sau cùng tích.

T 0 th = A C3 + (30 - 50 0 C) cho thép trước cùng tích.

T 0 th = A cm + (30 - 50 0 C) cho thép sau cùng tích.

Tốc độ nguội nhanh hơn so với ủ (làm nguội trong không khí tĩnh) không phải dùng lò khi làm nguội nên kinh tế hơn.

Sau khiủtổchức đạt được là gần cân bằng với độcứng cao hơn ủ đôi chút.

Quá trình ủ thường hoá có ba mục đích chính, trong đó quan trọng nhất là đạt độ cứng phù hợp cho việc gia công cắt thép có hàm lượng carbon thấp (≤0,25%) Nếu thép này được ủ hoàn toàn, độ cứng sẽ quá thấp (HB < 140 - 160), dẫn đến độ dẻo cao và khó khăn trong việc cắt gọt Ngược lại, nếu thực hiện quá trình thường hoá, độ cứng sẽ cao hơn, giúp dễ dàng cắt hơn Do đó, để đảm bảo yêu cầu cắt gọt, cần tuân thủ nguyên tắc rằng với thép có hàm lượng carbon nhỏ hơn 0,25%, việc thường hoá là cần thiết.

Đối với thép có hàm lượng cacbon từ 0,30%C đến 0,65%C, quá trình ủ cần phải hoàn toàn, trong khi thép có hàm lượng cacbon lớn hơn 0,7%C thì cần phải ủ không hoàn toàn (ủ cầu hóa) Việc làm nhỏ hạt xêmentit trong quá trình thường hóa sẽ tạo ra cấu trúc peclit phân tán hoặc xoócbit, với kích thước xêmentit nhỏ, giúp hình thành hạt austenit mịn khi nung nóng trong quá trình nhiệt luyện Phương pháp này thường được áp dụng cho các loại thép kết cấu trước khi thực hiện quá trình tôi.

Làm mất lưới Xe II của thép sau khi trải qua quá trình làm nguội nhanh hơn ủ, dẫn đến việc Xe II không kịp tiết ra ở dạng liền nhau mà ở dạng rời rạc, cách xa nhau, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực đến tính dẻo của vật liệu.

Tôi thép

Định nghĩa v à m ục đích

Phương pháp nhiệt luyện này bao gồm việc nung thép lên nhiệt độ cao vượt quá giới hạn A C1 để tạo ra austenit Sau đó, thép được giữ nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định và làm nguội nhanh chóng, nhằm chuyển đổi thành mactenxit hoặc các cấu trúc không ổn định khác với độ cứng cao.

+ Nhiệt độtôi lớn hơn A C1 để có austenit (có thểgiốngủhoặc thường hoá)

+ Tốc độlàm nguội nhanh, làm choứng suất nhiệt và ứng suất tổchức đều lớn, dễgẫy nứt, biến dạng, cong vênh.

+ Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định Hai nét đặc trưng sau khác hẳn ủ và thường hoá.

Chủyếu để đạt độcứng cao nhất sau đó kết hợp với ram ở nhiệt độ thích hợp để nhằm các yêu cầu.

Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của chi tiết máy và dụng cụ cắt là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ sản phẩm Tuy nhiên, không phải loại thép nào cũng có thể cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn theo mong muốn Việc nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy cần phải chú ý đến quá trình tôi + ram ở nhiệt độ cao, vì điều này có thể làm giảm độ cứng Tuy nhiên, nếu quá trình này giúp loại bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong và đạt được hỗn hợp F –Xe hạt với độ phân tán khác nhau, sẽ tạo ra sự kết hợp cơ tính cao, cùng với các đặc tính về độ dẻo và độ dai, từ đó đạt được độ bền cao mà không gây giòn Do đó, thép có hàm lượng carbon từ 0,15% đến 0,65% là lựa chọn lý tưởng cho quy trình này.

Chọn nhiệt độ tôi

1.3.2.1 Đối với thép trước cùng tích và thép cùng tích (≤ 0,8%C)

Nhiệt độtôi lớn hơn A C3 , nên còn gọi là tôi hoàn toàn (hoàn toàn làγ)

T t 0 = A C3 + (30 - 50 0 C) Tổchức sau khi tôiđạt được là M +γ dư

1.3.2.2 Đối với thép sau cùng tích (> 0,8%C).

Nhiệt độtôi lớn hơn A C1 , nên còn gọi là tôi không hoàn toàn (γ+ Xe II )

T t 0 = A C1 + (30 - 50 0 C) Mọi thép có nhiệt độ tôi như nhau sau khi tôi tổ chức được (M +γ dư + Xe II ).

1.3.2.3 Lý do chọn nhiệt độtôi

Trong quá trình tôi thép cacbon, khoảng nhiệt độc lập giữa các pha là rất quan trọng Đối với thép cùng tích, quá trình tôi không hoàn toàn loại bỏ pha F, dẫn đến sự tồn tại của pha mềm, ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn của thép Ngược lại, đối với thép sau cùng tích, quá trình tôi có thể đạt được tổ chức hoàn toàn là γ, nhờ vào nồng độ phù hợp.

C cao nên khi làm nguội còn nhiều γ dư , làm giảm độcứng thép tôi.

+Ởnhiệt độquá cao dễgây hạt lớn, thoát C, ôxy hoá và giòn sau khi tôi.

+ Tôi không hoàn toàn tổchức gồm (M + Xe II + γ dư ) mà Xe II có độ cứng gần bằng M lại còn làm tăng tính chống mài mòn.

Thép có độ cứng tương đương (HRC 62 - 65) nhưng khả năng chống mài mòn tăng lên theo hàm lượng carbon (C) trong thép Đối với thép hợp kim, có thể phân loại thành hai trường hợp khác nhau.

Với thép hợp kim thấp (ΣHK ≤ 2,5%) nhiệt độ tôi không khác gì với thép C tương đương có sai khác từ10–20 0 C (thường tăng lên).

Đối với thép hợp kim trung bình và cao (ΣHK = 2,5 - 10%; ΣHK > 10%), nhiệt độ tôi khác biệt đáng kể so với thép carbon tương đương, do đó cần tham khảo trong sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật để xác định nhiệt độ phù hợp.

Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

Tốc độ tôi tới hạn là tốc độ tối thiểu cần thiết để hình thành tổ chức Mactenxit Khi tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ, quá trình tôi trở nên dễ dàng hơn, dẫn đến độ cứng cao, đồng thời giảm thiểu biến dạng và nguy cơ nứt.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độtôi tới hạn

Thành phần hợp kim của austenit đóng vai trò quan trọng, với việc tăng cường nguyên tố hợp kim (ngoại trừ Co) sẽ khiến đường cong chữ “C” dịch chuyển sang phải, dẫn đến tốc độ tôi tới hạn giảm.

Sự đồng nhất của austenit là yếu tố quan trọng trong quá trình biến đổi thành mactenxit; austenit càng đồng nhất thì khả năng chuyển đổi càng cao Các phần tử rắn chưa tan vào austenit sẽ thúc đẩy sự hình thành hỗn hợp F-Xê, từ đó làm tăng thể tích Ngoài ra, kích thước hạt austenit lớn hơn sẽ dẫn đến ít biên giới hạt hơn, gây khó khăn trong việc hình thành hỗn hợp F-Xê và làm giảm vận tốc tới hạn.

1.3.3.2 Độthấm tôi Độ thấm tôi là chiều dày của lớp được tôi cứng có tổ chức mactenxit (thường là lớp có tổchức chứa nửa mactenxit và nửa trôxit).

Hình 1.16 Sơ đồgiải thích độthấm tôi

Hình 1.17 Chiều sâu lớp tôi cứng của một sốloại thép a.Thép có hàm lượng 0,4%C; b.Thép có hàm lượng 0,4%C+1,0%Cr; c.Thép có hàm lượng 0,4%C+1,0%Cr+0,18%Mo

Xác định độthấm tôi bằng phương pháp tôi đầu mút.

Các phương pháp tôi thể tích và công dụng Các môi trường tôi

Phân loại phương pháp tôi được chia ra làm 3 phương pháp chính.

+ Theo nhiệt độtôicó hai phương pháp làtôi hoàn toàn và không hoàn toàn

+ Theo phạm vi có tôi thểtích và tôi bềmặt

+ Theo phương thức và môi trường làm nguội ta có tôi trong một môi trường, tôi trong hai môi trường, tôi phân cấp, tôi đẳng nhiệt.

1.3.4.1 Các phương pháp tôi thểtích và công dụng

Hình 1.19 Phương pháptôi a Tôi trong một môi trường; b.Tôi trong hai môi trường; c Tôi phân cấp; d Tôi đẳng nhiệt

Hình 1.20 Đường nguội lý tưởng khi tôi a Tôi trong một môi trường

Để đạt được tổ chức Mactenxti cho thép, cần thiết phải làm nguội nhanh chóng trong môi trường an toàn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí Quá trình này không chỉ giúp ngăn ngừa hiện tượng nứt và biến dạng của thép mà còn bảo vệ môi trường.

Trong môi trường làm việc hiện đại, việc áp dụng cơ khí hóa và tự động hóa đã giúp giảm bớt điều kiện lao động nặng nhọc, mang lại sự tiện lợi cho người lao động Đặc biệt, trong hai môi trường khác nhau như nước và dầu, sự chuyển giao công nghệ này càng trở nên quan trọng, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ sức khỏe người lao động.

Tận dụng được ưu điểm của cả nước lẫn dầu, như vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho thép vừa ít gây biến dạng, nứt.

Nhược điểm là đòi hỏi kinh nghiệm, khó cơ khí hoá, chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc thép Cacbon cao. c Tôi phân cấp

Phương pháp (b) giúp khắc phục khó khăn trong việc xác định thời điểm chuyển môi trường, đồng thời đạt được độ cứng cao, ứng suất dư bên trong nhỏ và độ biến dạng thấp Ngoài ra, phương pháp này cho phép sửa nắn khi giữ đẳng nhiệt trong quá trình thép ở trạng thái austenit quá nguội.

Nhược điểm là năng suất thấp, chỉ áp dụng được cho các thép có V th nhỏvà với tiết diện nhỏ như mũi khoan, dao phay d Tôi đẳng nhiệt

Khác với phương pháp tôi phân cấp, quá trình giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng giờ) trong môi trường lỏng giúp austenit nguội từ từ và hoàn toàn phân hóa thành hỗn hợp F-Xê nhỏ mịn Kết quả là vật liệu có độ cứng tương đối cao và độ dẻo tốt Sau khi thực hiện quá trình đẳng nhiệt, không cần phải ram.

Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu, nhược điểm của tôi phân cấp, nhưng độcứng thấp hơn và độ dai cao hơn, năng suất thấp.

Môi trường tôi là một lựa chọn phổ biến vì tính mạnh mẽ, an toàn, chi phí thấp và dễ dàng tìm kiếm Tuy nhiên, nó có thể gây ra hiện tượng nứt và biến dạng Mặc dù không gây cháy hay mùi khó chịu, khi nhiệt độ nước vượt quá 40 độ, tốc độ nguội sẽ giảm, thậm chí chậm hơn cả với dầu, nhưng vẫn không giảm thiểu khả năng bị biến dạng và nứt.

Khi nhúng thép nung nóng vào nước, cơ chế làm nguội diễn ra như sau: thép bị làm nguội đột ngột xuống 700-600°C, tạo ra lớp màng hơi quá nung xung quanh chi tiết, khiến quá trình thoát nhiệt diễn ra chậm Tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm xuống khoảng 380-400°C, lớp màng hơi bị phá hủy, dẫn đến tốc độ làm nguội tăng nhanh Nhiệt hóa hơi của nước lớn, giúp hấp thụ lượng nhiệt lớn từ thép, làm cho thép được làm nguội với tốc độ cao Ưu điểm của nước là khả năng làm nguội nhanh trong vùng austenit kém ổn định, giúp tránh được phân hủy trung gian.

Trong khoảng nhiệt độ 200-300 độ C, quá trình làm nguội nhanh có thể gây ra nhược điểm, bởi vì sự chuyển đổi từ austenit sang mactenxit tạo ra ứng suất lớn, dễ dẫn đến cong vênh hoặc nứt chi tiết Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 100 độ C, tốc độ làm nguội chậm lại do quá trình nguội chủ yếu xảy ra bằng đối lưu với tốc độ giảm.

Nước lạnh thường được sử dụng để làm nguội thép cacbon, nhưng không phù hợp cho các chi tiết có hình dạng phức tạp Nước nóng có thể làm giảm đáng kể khả năng làm nguội ở nhiệt độ cao, đặc biệt là trong vùng nhiệt độ giới hạn trên Trong khi đó, tốc độ làm nguội trong khoảng nhiệt độ chuyển biến mactenxit vẫn giữ được mức cao Do đó, việc sử dụng nước nóng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình làm nguội thép.

Một nhược điểm lớn của nước là khi nhiệt độ tăng, khả năng làm nguội nhanh thép ở nhiệt độ 650-550 °C sẽ giảm đáng kể.

Tốc độ nguội của thép ở nhiệt độ 30°C là 500°C, trong khi ở 50°C chỉ còn 100°C Tuy nhiên, khả năng làm nguội thép trong khoảng 300-200°C vẫn giữ nguyên mà không giảm.

Bảng 1.1 Tốc độlàm nguội trong các môitrường khác nhau

Môi trường tôi Tốc độlàm nguội độ/s trong khoảng nhiệt độ 0 C

Nước hòa tan 10% các muối như NaCl, Na2CO3 hoặc NaOH có khả năng làm nguội nhanh ở nhiệt độ cao nhưng không làm tăng khả năng gây nứt so với nước, vì không làm tăng tốc độ làm nguội ở nhiệt độ thấp Loại nước này thường được sử dụng trong quá trình tôi thép có chứa carbon.

Làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ (500 0 -600 0 , điểm chuyển biến mactenxit) do đó ít gây biến dạng, nứt nhưng khả năng tôi cứng kém Dầu nóng (60 0 -

Dầu 80 0) có độ loãng linh động tốt, giúp bám ít vào bề mặt thép sau khi sử dụng, nhưng dễ bốc cháy Do đó, cần thiết phải có hệ thống ống xoắn với nước lưu thông để làm nguội dầu Ngoài ra, dầu này còn phát ra mùi khó chịu, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe.

Dầu là môi trường tôi cho thép hợp kim cho các chi tiết hình dạng phức tạp. c Quy tắc chọn môi trường tôi ngoại lệ

Thép C có tiết diện nhỏ dưới 10mm và hình dạng đơn giản như trục trơn, thường được tôi dầu Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp nhưng yêu cầu độ bền cao, có thể chọn thép cacbon, tuy nhiên, nên sử dụng thép hợp kim để đảm bảo hiệu quả tôi dầu tốt hơn.

Chi tiết bằng thép hợp kim có tiết diện lớn và hình dạng đơn giản cần được tôi nước để đảm bảo độ bền Đối với các vật mỏng và có hình dạng phức tạp, việc làm nguội tự do có thể dẫn đến cong vênh, do đó cần phải tôi trong khuôn ép hoặc sử dụng khung giữ để chống cong vênh, hoặc bó chặt nhiều thanh dài lại với nhau.

Cơ – nhiệt luyện

Biến dạng dẻo làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể như lệch, nút trống và khuyết tật xếp, đồng thời thay đổi đặc tính phân bốc của chúng Các khuyết tật này ảnh hưởng mạnh đến việc hình thành tổ chức hợp kim trong quá trình chuyển biến pha Do đó, việc áp dụng biến dạng dẻo trước hoặc trong khi chuyển biến pha có thể giúp tạo ra tổ chức tối ưu cho hợp kim sau khi nhiệt luyện.

Cơ nhiệt luyện là quá trình gia công kết hợp giữa nhiệt luyện và biến dạng dẻo, nhưng không phải là sự phối hợp tùy tiện giữa các công đoạn Nếu biến dạng dẻo diễn ra sau nhiệt luyện, thì đó chỉ là nhiệt luyện thông thường kết hợp với gia công áp lực Ngược lại, nếu biến dạng dẻo xảy ra trước nhiệt luyện, nó cũng không ảnh hưởng đến cấu trúc cuối cùng, do đó không được coi là cơ nhiệt luyện.

Sử dụng đồng thời biến dạng dẻo qua cán nóng và ram thấp ở nhiệt độ 150-200 độ C giúp tạo ra tổ chức mactenxit nhỏ mịn với xô lệch cao Phương pháp này mang lại sự kết hợp tối ưu giữa độ bền, độ dẻo và độ dai, vượt trội hơn so với các phương pháp hóa bền khác.

So với nhiệt luyện tôi +ram thấp thông thường thì bên kéo tăng 10-20%, độdẻo, độdai tăng từ 1,5 đến 2 lần.

Cơ nhiệt luyện được chia làm hai loại: là cơ nhiệt luyện ở nhiệt độ cao, và cơ nhiệt luyệnởnhiệt độthấp a.Cơ nhiệt luyện nhiệt độcao

Phương pháp này cho phép biến dạng dẻo ở nhiệt độ A3, tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa với tổ chức chưa kết tinh, nghĩa là mạng tinh thể chưa bị sai lệch nhiều Đặc điểm nổi bật của phương pháp là có thể áp dụng cho tất cả các loại thép, bao gồm cả thép cacbon, nhờ vào tính dẻo và ổn định của austenit ở nhiệt độ cao, giúp giảm lực ép cần thiết cho quá trình biến dạng.

Biến dạng dẻo khi cơ nhiệt luyện nhiệt độcao phải đảm bảo các yêu cầu.

+Ởcuối giai đoạn biến dạng dẻo, austenit chưa kết tinh lại.

+ Ngăn ngừa kết tinh lại xảy ra sau khi biến dạng dẻo

+ Đạt được mức độquá bão hòa các nguyên tốhợp kim cần thiết.

Nếu hai điều kiện đầu không được thỏa mãn, quá trình này không được coi là cơ nhiệt luyện mà chỉ là tôi ở nhiệt độ nung nóng khi biến dạng Trong trường hợp này, mặc dù có lợi về kinh tế, nhưng không cải thiện được cơ tính so với nhiệt luyện thông thường Cơ nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp cũng là một phương pháp đáng chú ý.

Khi thép được làm nguội nhanh từ nhiệt độ trên A3 xuống 400-600 °C, nó sẽ rơi vào vùng austenit quá nguội với tính ổn định thấp Ở nhiệt độ này, thép sẽ trải qua quá trình biến dạng dẻo và tôi ngay sau khi kết tinh lại.

Trong quá trình biến dạng, mật độ lệch trong austenit tăng mạnh, hình thành các đám lệch dày đặc Khi austenit chuyển thành mactenxit, những sai lệch này vẫn được giữ lại, dẫn đến mật độ lệch trong mactenxit rất cao Các nguyên tử cacbon và phần tử cacbit giữ lại những sai lệch này, giúp thép đạt được độ bền cao khi cơ nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp Việc làm nhỏ các tinh thể mactenxit trong quá trình cơ nhiệt luyện đảm bảo cho thép không chỉ giữ được độ bền cao mà còn có độ dẻo dai tốt.

Việc tăng độbền khi cơ nhiệt luyện phụthuộc vào nhiều yếu tố.

+ Hàm lượng cacbon và nguyên tốhợp kim trong thép Ưu nhược điểm của cơ nhiệt luyện nhiệt độthấp Ưu điểm

Cơ nhiệt luyện nhiệt độthấp có ưu điểm là gây ra hóa bền rất mạnh trong khi vẫn giữ được độdẻo dai tương đối cao.

+ Do biến dạng dẻo tiến hành ở nhiệt độ thấp nên phải dùng những thiết bị có công suất lớn.

+ Thép có khả năng chống phá hủy giòn thấp

Do hai nhược điểm trên mà việc áp dụng cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp vào sản xuất gặp rất nhiều khó khăn.

Ram thép

Định nghĩa và m ục đích

Ram là phương pháp nhiệt luyện thép đã tôi, nhằm nung nóng đến nhiệt độ thấp hơn A1 để chuyển hóa mactenxit và Austenit dư thành các tổ chức có cơ tính phù hợp với điều kiện làm việc.

Theo nhiệt độ tăng lên, ram thép có tác dụng và mục đích như sau.

+ Làm giảm hoặc huỷbỏ ứng suất bên trong.

+ Biến đổi tổ chức khi tôi cứng, giòn, thành các tổ chức có độ cứng thích hợp nhưng dẻo, dai hơn phù hợp với điều kiện làm việc.

Vậy, ram là nguyên công nhiệt luyện sau cùng để điều chỉnh tổ chức và cơ tính thép tôi theo ý muốn.

Các phương pháp ram

Theo nhiệt độ ram người ta chia ra 3 loại ram là ram thấp, ram trung bình và ram cao.

Ram thấp làphương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng (150–250 0 C), sau khi ram xong tổchức đạt được là mactenxit ram.

Hình 1.21 Tổchức tếvi của maxtenxit và austenit dư

So với thép tôi sau khi ram thấp, độ cứng thường không giảm nhiều, chỉ giảm khoảng 1–2 HRC, và trong một số trường hợp, thậm chí có thể tăng lên do sự chuyển hóa của austenit dư Đồng thời, ứng suất bên trong giảm, giúp cải thiện tính dẻo và độ dai của thép, làm cho nó khó bị phá hủy và giảm tính giòn.

Ram thấp được áp dụng cho các dụng cụ và chi tiết máy yêu cầu độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, bao gồm dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm C, vòng bi, trục và chốt, với độ cứng yêu cầu từ 56 đến 64 HRC.

Sau ram trung bình tổchức đạt được là Trôxtit ram.

So với thép tôi, sau khi trải qua quá trình ram, độ cứng của thép giảm rõ rệt, nhưng vẫn duy trì ở mức khá cao (40-45HRC) Quá trình này giúp giảm đáng kể ứng suất bên trong, đồng thời đạt được giới hạn đàn hồi tối ưu, cải thiện đáng kể độ dẻo và độ dai của vật liệu.

Ram trung bình áp dụng cho các chi tiết máy, dụng cụcần độcứng tương đối cao và đàn hồi như lò xo, nhíp, khuôn dập nóng, khuôn rèn…

Hình 1.22 Tổchức tếvi của trôxit ram 1.4.2.3 Ram cao (500–650 0 C).

Sau khi quá trình ram tổ chức đạt được, xoócbit ram hình thành So với thép tôi, độ cứng của thép sau khi ram giảm mạnh, nằm trong khoảng 15–25 HRC, và ứng suất bên trong được khử bỏ hoàn toàn Mặc dù độ bền có giảm, nhưng độ dẻo và độ dai của thép lại tăng lên đáng kể.

Hình 1.23 Tổchức tếvi của xoocbit ram

Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện

Biến dạng và nứt

1.5.1.1 Nguyên nhân và tác hại

Nguyên nhân là doứng suất bên trong mà chủyếu là do làm nguội nhanh khi tôi.

Khi ứng suất bên trong vượt quá giới hạn bền, thép sẽ bị nứt, dẫn đến hỏng hóc không thể khắc phục Nếu ứng suất chỉ vượt quá giới hạn chảy, thép sẽ bị biến dạng cong vênh Điều này thường khó có thể tránh khỏi.

Nung nóng và làm nguội với tốc độ hợp lý là điều cần thiết để đạt được yêu cầu độc ứng Đối với các trục dài, nên nung treo để tránh cong vênh Khi làm nguội, cần tuân thủ quy tắc nhúng thẳng đứng, với phần dày xuống trước Phương pháp tôi phân cấp và hạn chế nhiệt độ trước khi tôi cũng rất hữu ích Đối với các vật mỏng, nên thực hiện quá trình tôi trong khuôn ép để đảm bảo chất lượng.

Khi biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết như trục dài, tấm có thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội còn khi bịnứt thì không sửdụng.[7]

Ôxy hoá và thoát Cacbon

1.5.2.1 Nguyên nhân và tác hại

Trong môi trường nung, các thành phần như O2, CO2 và H2O có khả năng ôxy hoá Fe và C, dẫn đến việc thoát C dễ dàng hơn so với ôxy hoá Hệ quả của ôxy hoá là sự hình thành vảy ôxít sắt FeO2, gây ra hiện tượng bong vỡ và làm giảm chất lượng bề mặt sản phẩm Mặc dù thoát C khó nhận thấy bằng mắt thường, nhưng nó lại làm giảm độ cứng của sản phẩm sau khi tôi.

Ngăn ngừa hiệu quả nhất là nung nóng trong môi trường không có oxy và giảm thiểu sự thoát C Để thay thế các lò nung thông thường sử dụng không khí hoặc sản phẩm cháy như than và dầu, người ta đã phát triển các lò nung điện với các khí quyển đặc biệt Khí quyển bảo vệ, hay khí quyển kiểm soát, bao gồm các thành phần khí đối lập như CO2/CO, H2O/H2, và H2/CH4 với tỷ lệ hợp lý, nhằm trung hòa tác động của nhau, từ đó bảo vệ bề mặt vật liệu.

Khí quyển trung tính như nitơ tinh khiết, tốt nhất là dùng ácgông(Ar) nhưng đắt tiền thường dùng trong phòng thí nghiệm.

Nung trong lò chân không giúp chống ôxy hoá và loại bỏ hoàn toàn carbon cho mọi loại thép Phương pháp này hiện đang được áp dụng phổ biến tại các nước phát triển.

Chú ý trong hoàn cảnh không có các loại khí và lò trên có thể áp dụng các phương pháp sau.

Dải than hoa trên đáy lò hoặc chi tiết vào hộp phủ than có thể làm giảm tuổi thọ của lò và kéo dài thời gian nung Phương pháp này cần được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.

Lò muối được khửôxy triệt để bằng than, ferôsilic cách này chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ, thường dùng để tôi dao cắt.

Khi đã xảy ra rất khó khắc phục Khi thoát C có thểdùng cách thấm C lại, xong sẽ làm tăng biến dạng.

Độ cứng không đạt

Là loại khuyết tật mà độcứng có giá trịcao hoặc thấp hơn so với giá trị quy định.

Xảy ra khi ủ và thường hoá thép hợp kim Nguyên nhân có thể do thiếu nhiệt, nhiệt độ chưa đủ, thời gian giữnhiệt ngắn.

Xảy ra khi tôi, nguyên nhân có thểdo thiếu nhiệt như nhiệt độ chưa đủ, thời gian giữnhiệt ngắn.

+ Làm nguội không dủnhanh theo yêu cầu đểtạo ra mactenxit.

Tính giòn cao

Sau quá trình tôi thép, có thể xảy ra hiện tượng thép bị giòn quá mức dù độ cứng vẫn cao Nguyên nhân chính là do nhiệt độ nung tôi quá cao, dẫn đến kích thước hạt thép lớn Để khắc phục tình trạng này, cần thực hiện quá trình thường hóa nhằm làm nhỏ hạt thép, tuy nhiên điều này có thể làm tăng biến dạng của vật liệu.

Các phương pháp hóa bền bề mặt thép

Phương pháp cơ học

Gia công kim loại ở thể rắn không chỉ làm thay đổi hình dáng và kích thước mà còn cải thiện các tính chất cơ, lý và hóa của kim loại Quá trình này giúp kim loại trở nên mịn màng, chặt chẽ hơn, với cấu trúc hạt đồng đều, đồng thời khắc phục các khuyết tật như rỗ khí và rỗ co do quá trình đúc gây ra Nhờ đó, cơ tính và tuổi bền của chi tiết được nâng cao đáng kể.

Bằng phương pháp cơ khí, bề mặt thép có thể được biến dạng đến một chiều sâu nhất định, dẫn đến việc lớp bề mặt này bị biến cứng do mạng tinh thể bị xô lệch, từ đó tăng cường độ cứng và độ bền Kết quả là, chi tiết thép có độ cứng bề mặt cao trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai tốt ở lõi.

Biến cứng bề mặt có đặc điểm sau.

- Lớp bề mặt có độ cứng cao do đó chống mài mòn tốt hơn.

- Tạo nên lớp ứng suất nén dư ở lớp bề mặt do vậy làm tăng giới hạn mỏi.

Biến dạng bề mặt giúp loại bỏ nhiều khuyết tật như vết khía và rỗ, từ đó giảm thiểu nguy cơ hình thành các vết nứt mỏi.

- Dưới tác dụng của ứng suất khi biến dạng, trong thép tôi có chuyển biến γ dư thành

M, do vậy làm tăng tính chống mài mòn của bề mặt thép tôi Biến cứng bề mặt được áp dụng không nhữngcho thépủ mà cả cho thép tôi.

1.6.1.2 Các phương pháp cơ học a Phun bi

Phun bi là quá trình bắn những viên bi cứng làm bằng thép lò xo hoặc gang trắng với kích thước từ 0,5 đến 1,5 mm lên bề mặt chi tiết Tốc độ của bi có thể đạt từ 50 đến 100 m/s nhờ vào máy ly tâm, tạo ra va đập giúp hình thành các vết lõm nhỏ trên bề mặt Lớp biến cứng bề mặt có thể đạt độ sâu lên đến 0,7 mm Phun bi nổi bật với độ biến dạng dẻo đồng đều và chất lượng cao, đồng thời thiết bị sử dụng đơn giản và dễ điều chỉnh, mặc dù không tạo ra lớp hóa bền có chiều dài lớn.

Lăn bằng con lăn hoặc bi với áp lực lớn từ lò xo hay máy nén thủy lực có thể tạo ra lớp biến cứng sâu tới 15mm, thường được áp dụng cho các chi tiết lớn như cổ trục toa xe lửa và cổ trục khuỷu Hình thức đập, sử dụng va đập từ các dụng cụ và gá lắp va đập bằng lò xo trên máy công cụ, có thể tạo ra lớp biến cứng sâu tới 35mm, vì vậy thường được sử dụng trong chế tạo để tăng cường độ bền cho các chi tiết trong thiết bị rèn ép và máy nén thủy lực.

Phương pháp nhiệt luyện bề mặt

Phương pháp tôi bềmặt là kỹ thuật nung nhanh bề mặt vật liệu đến nhiệt độ cao, sau đó làm nguội nhanh chóng Kỹ thuật này giúp tạo ra bề mặt có cấu trúc mactenxit, trong khi phần lõi vẫn duy trì được các tính chất cơ học tổng hợp cao.

Có nhiều phương pháp tôi bề mặt, nhưng tất cả đều dựa trên nguyên lý nung nóng nhanh bề mặt đến nhiệt độ tôi trong khi giữ cho phần lõi không bị nung nóng Khi làm nguội nhanh, chỉ bề mặt được tôi cứng, trong khi lõi vẫn giữ được độ mềm và dẻo Các phương pháp nung nóng nhanh bề mặt để tôi bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau.

- Nung nóng bằng dòngđiện cảmứng có tần sốcao

- Nung nóng bằng ngọn lửa của hỗn hợp khí C 2 H 2 + O 2

- Nung nóng bằng tiếp xúc giữa 2 phần tiếp giáp nhau khi có dòngđiện chạy qua

- Nung nóng trong chất điện phân

1.6.2.1 Tôi cao tần a Nguyên lý nung nóng bềmặt

Khi một chi tiết kim loại nằm trong từ trường biến thiên, nó sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng với tần số tương ứng Sử dụng dòng điện tần số cao từ hàng nghìn đến hàng chục vạn Hz, dòng cảm ứng cũng đạt tần số cao tương tự Đặc điểm nổi bật của dòng điện cảm ứng tần số cao là mật độ dòng điện lớn nhất tập trung ở bề mặt và giảm dần về phía lõi vật dẫn, cho phép nó nung nóng nhanh bề mặt, đạt đến nhiệt độ đột biến.

Chiều sõu nung được xỏc định theo cụng thức sau:∆= 5030(ρ/àf) 1/2

Trong đú ρ là điện trởsuất (Ω.cm); à là độ từthẩm; f là tần số

Hình 1.24 Nung nóng và tôi cảmứng a)Sơ đồnung nóng cảmứng b) Tôi khi nung nóng toàn bộbềmặt tôi c) Tôi khi nung nóng và làm nguội liên tục

1 Chi tiết tôi, 2 Vòng cảmứng, 3 Vòng phun nước, 4 Đường sức từ trường

Hình 1.25 Nguyên lý làm việc của vòng cảmứng

Hình 1.26 Một sốloại vòng cảmứng a Nung mặt ngoài chi tiết hình trụ

Trong đú ρ là điện trởsuất (Ω.cm); à là độtừthẩm; f là tần số

Hình 1.24 Nung nóng và tôi cảmứng a)Sơ đồnung nóng cảmứng b) Tôi khi nung nóng toàn bộbềmặt tôi c) Tôi khi nung nóng và làm nguội liên tục

1 Chi tiết tôi, 2 Vòng cảmứng, 3 Vòng phun nước, 4 Đường sức từ trường

Hình 1.25 Nguyên lý làm việc của vòng cảmứng

Hình 1.26 Một sốloại vòng cảmứng a Nung mặt ngoài chi tiết hình trụ

Trong đú ρ là điện trởsuất (Ω.cm); à là độtừthẩm; f là tần số

Hình 1.24 Nung nóng và tôi cảmứng a)Sơ đồnung nóng cảmứng b) Tôi khi nung nóng toàn bộbềmặt tôi c) Tôi khi nung nóng và làm nguội liên tục

1 Chi tiết tôi, 2 Vòng cảmứng, 3 Vòng phun nước, 4 Đường sức từ trường

Hình 1.25 Nguyên lý làm việc của vòng cảmứng

Hình 1.26 trình bày một số loại vòng cảm ứng, bao gồm nung mặt ngoài chi tiết hình trụ, nung mặt trong, nung mặt ngoài chi tiết hình chóp, nung mặt phẳng, nung mặt và cuối chi tiết hình trụ, cũng như vòng cảm ứng tháo được để nung cổ trục khuỷu Ngoài ra, còn có nung tấm và hình dạng phức tạp, cùng với nung từng răng bánh răng mô đun lớn Cuối cùng, việc chọn tần số thiết bị cũng rất quan trọng trong quá trình này.

Tần số dòng điện ảnh hưởng đến độ dày lớp nung nóng, từ đó quyết định chiều sâu lớp tôi cứng Chiều sâu lớp tôi cứng thay đổi tùy theo từng loại chi tiết; các chi tiết có tiết diện lớn yêu cầu chiều sâu lớp tôi cứng dày hơn so với các chi tiết có tiết diện nhỏ Thông thường, chiều sâu lớp tôi cứng được lựa chọn theo hai mức khác nhau.

6) mm đối với các chi tiết lớn và (1-2)mm đối với chi tiết bé.

Bánh răng có chiều dày lớp tôi từ 0,2 đến 0,28M (M là mô đun răng) Đối với lớp tôi dày từ 4-5mm, cần sử dụng thiết bị có tần số 2500 hoặc 8000Hz với công suất P0kW trở lên Trong khi đó, với lớp tôi mỏng từ 1-2mm, cần thiết bị có tần số cao từ 60000 đến 250000Hz và công suất từ 50-100kW Các phương pháp tôi cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Vòng cảm ứng được thiết kế uốn cong thành hình bao, ôm sát bề mặt cần nung mà không tiếp xúc trực tiếp với chi tiết, tạo ra khe hở từ 1,5-5,0mm, càng nhỏ càng giúp giảm thiểu tổn hao năng lượng Có ba kiểu tôi khác nhau được áp dụng trong quy trình này.

- Nung nóng rồi làm nguội toàn bềmặt.

- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt tôi từng răng cho các bánh răng lớn (m>6) hay các cổtrục khuỷu.

- Nung nóng và làm nguội liên tục trục dài, băng máy. d Ưu, nhược điểm Ưu điểm

Năng suất cao do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt được tạo ra ngay trong lớp kim loại.

Chất lượng tốt, tránh được các khuyết tật oxy hóa, thoát cacbon, chất lượng đồng đều, kết quả ổn định Độ cứng cao hơn so với tôi thường.

Dễtự động hóa, cơ khí hóa, thích hợp cho sản xuất hàng loạt.

Khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột khó chếtạo vòng cảmứng thích hợp.[4]

1.6.2.2 Tôi bềmặt bằng nung nóng bởi ngọn lửa C 2 H 2 + O 2

Tôi bề mặt theo phương pháp này được thực hiện bằng cách dùng mỏ đót hỗn hợp khí C 2 H 2 + O 2 của thiết bị hàn hơi.

Ngọn lửa trong mỏ đốt hỗn hợp khí có nhiệt độ cao, lên tới 3000°C, cho phép nung nóng bề mặt nhanh chóng trong khi lõi vẫn giữ được độ nguội Quá trình làm nguội nhanh sẽ tạo ra lớp bề mặt được tôi cứng, mang lại độ bền cao cho vật liệu.

Hình 1.27 Cấu tạo của ngọn lửa

Ngọn lửa được cấu tạo từ ba vùng chính: vùng nhân, vùng làm việc với nhiệt độ cao nhất, và vùng nung sơ bộ Vùng làm việc, nơi có nhiệt độ cao nhất, được sử dụng để nung chi tiết đến nhiệt độ độtôi Phương pháp này mang nhiều đặc điểm nổi bật.

Thiết bị này có thiết kế đơn giản, dễ sử dụng và tính cơ động cao, cho phép lắp đặt và di chuyển dễ dàng Nó có thể được đặt ngay trong xưởng cơ khí và có khả năng tôi các chi tiết lớn cũng như nhỏ một cách hiệu quả.

Chất lượng sản phẩm có thể bị ảnh hưởng khi ngọn lửa đạt nhiệt độ quá cao, dẫn đến bề mặt thép dễ bị quá nhiệt và hình thành hạt lớn, gây oxy hóa và làm mềm bề mặt Độ dày của lớp tôi thường khoảng 5-10mm, và việc điều chỉnh lớp nung nóng gặp nhiều khó khăn.

-Năng suất thấp, chỉthích hợp với sản xuất đơn chiếc.[18]

THÉP VÀ GANG

Thép Cacbon

Thép cacbon không chỉ là hợp kim đơn giản giữa sắt (Fe) và carbon (C) với hàm lượng carbon dưới 2,14%, mà còn chứa nhiều nguyên tố khác do điều kiện nấu luyện Các tạp chất thường gặp bao gồm mangan (Mn), silic (Si), photpho (P), lưu huỳnh (S), cùng với các tạp chất ẩn như hydro (H), nitơ (N), oxy (O) và các tạp chất ngẫu nhiên như crom (Cr), niken (Ni), đồng (Cu), wolfram (W), titan (Ti), molypden (Mo), và vanadi (V).

Tạp chất trong thép thường xuất hiện từ quặng sắt, nhiên liệu luyện gang và quá trình khử oxy bằng fero Trong số đó, mangan (Mn) và silic (Si) là những tạp chất có lợi, giúp nâng cao cơ tính của thép với hàm lượng tối đa lần lượt là 0,8% và 0,6% Ngược lại, phốt pho (P) và lưu huỳnh (S) là các tạp chất có hại, làm cho thép trở nên giòn và khó hàn, do đó cần hạn chế sự hiện diện của chúng Đối với thép chất lượng cao, việc loại bỏ P và S phải được thực hiện triệt để, với yêu cầu hàm lượng mỗi tạp chất này không vượt quá 0,06%.

Công nghiệp luyện kim ngày càng gia tăng việc sử dụng sắt thép vụn từ các ngành kinh tế và quốc phòng, bao gồm máy móc, xe cộ và vũ khí Nhiều bộ phận trong số này được làm từ thép hợp kim, dẫn đến việc trong các loại thép cacbon thông thường có thể chứa một lượng nhỏ các nguyên tố như Cr, Ni, Cu (≤ 0,2%) và W, Ti, Mo, V (< 0,1%) Những tạp chất ngẫu nhiên này thường có lợi vì chúng cải thiện cơ tính của thép.

Trong thép cacbon thông thường, có sự hiện diện của các khí như nitơ, hyđro và oxy với lượng rất nhỏ, được gọi là tạp chất ẩn Việc xác định các tạp chất này gặp nhiều khó khăn do các phương pháp phân tích thông thường không phát hiện được, và thường bị bỏ qua Những tạp chất này thường được coi là có hại cho chất lượng thép.

Các nguyên tố có mặt với lượng nhỏ hơn giới hạn quy định ảnh hưởng không đáng kể đến tổ chức và tính chất của thép, được gọi là tạp chất Những tạp chất này không phải là nguyên tố hợp kim vì sự hiện diện của chúng chủ yếu do yêu cầu của quá trình công nghệ cơ bản mà không có dụng ý cụ thể nào.

Tóm lại thành phần hóa học của thép cacbon thông thường, ngoài Fe ra, được giới hạn như sau: C < 2%; Mn≤ 0,5-0,8%; Si≤ 0,3-0,6%; P ≤ 0,05-0,06%; S≤ 0,05- 0,06%.

2.1.2 Ảnh hưở ng c ủa Cacbon đế n t ổ ch ứ c và tính ch ấ t c ủ a thép Cacbon

Cacbon là nguyên tố quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép cacbon và thép hợp kim Theo giản đồ pha Fe-C, khi lượng cacbon trong thép tăng, lượng xêmentit cũng tăng theo, dẫn đến sự thay đổi trong tổ chức tế vi của thép Ở trạng thái cân bằng (trạng thái ủ), tổ chức tế vi của thép cacbon phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có trong nó.

C < 0,8% -thép trước cùng tích, tổchức là ferit–peclit.

C = 0,8% - thép cùng tích, tổchức là peclit.

C > 0,8% - thép sau cùng tích, tổchức là peclit–xementit II.

Cơ tính của thép cacbon, phụ thuộc vào lượng chứa của C trong nó, được trình bày trên hình 2.1.

Hình 2.1.Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép cacbonở trạng tháiủ

Khi thành phần cacbon trong thép tăng lên, độ bền và độ cứng của vật liệu cũng tăng, trong khi độ dẻo và độ dai giảm Độ bền đạt cực đại khi thành phần cacbon nằm trong khoảng 0,8% - 1,0% Nếu vượt quá giới hạn này, độ bền sẽ giảm, giải thích lý do ít gặp thép có thành phần cacbon trên 1,3% trong thực tế.

Quy luật này cho thấy rằng khi tăng lượng cacbon trong thép, số lượng pha xêmentit (cứng, giòn) và peclit tăng lên, trong khi lượng pha ferit (mềm, dẻo) giảm Tổ chức peclit bao gồm hai pha xêmentit và ferit xen kẽ, tạo ra độ bền cao Do đó, khi hàm lượng cacbon tăng, độ bền và độ cứng cũng tăng, nhưng độ dẻo và độ dai lại giảm Khi hàm lượng cacbon vượt quá 0,8-1,0%, pha xêmentit II xuất hiện dưới dạng lưới, gây cản trở sự trượt và làm tăng khả năng hình thành vết nứt, dẫn đến giảm độ bền của thép.

Tăng 0,1% carbon trong hợp kim sẽ làm tăng độ cứng khoảng 20-25 HB, giới hạn bền (σ b) tăng thêm 60-80 MPa, trong khi độ giãn dài (δ) giảm từ 2-4%, độ thắt tỷ đối (ψ) giảm 1-5%, và độ dai va đập (a k) giảm khoảng 200 Kj/m².

Cacbon có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của thép, dẫn đến việc thép với các thành phần cacbon khác nhau sẽ có cơ tính khác nhau Do đó, thép được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng cacbon.

Thép có thành phần cacbon thấp (≤ 0,25%) thường có tính chất mềm, dẻo và độ bền, độ cứng thấp Do đó, chúng thường được sử dụng trong các kết cấu xây dựng và chi tiết qua dập nguội, nơi yêu cầu độ dẻo cao mà không cần qua nhiệt luyện Để nâng cao hiệu quả của quá trình nhiệt luyện cho các loại thép này, cần thực hiện thấm cacbon vào lớp bề mặt.

Thép có thành phần cacbon trung bình từ 0,3 đến 0,5% C sở hữu cơ tính tổng hợp cao nhờ sự kết hợp hài hòa giữa độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai Chính vì vậy, loại thép này rất phù hợp cho các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chẳng hạn như trục truyền lực và bánh răng.

Thép có thành phần cacbon cao (0,55 – 0,70%C) mang lại độ cứng và giới hạn đàn hồi tối ưu, thường được ứng dụng trong sản xuất các chi tiết đàn hồi như lò xo và nhíp.

- Các thép với thành phần cacbon cao (≥ 0,70%C) có độcứng và tính chống mài mòn cao, được dùng làm dụng cụcắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập nguội,…

Cacbon không chỉ ảnh hưởng đến cơ tính mà còn tác động đến các tính chất hóa lý của thép Khi lượng cacbon trong thép tăng, mật độ, độ từ thẩm và khả năng chống ăn mòn sẽ giảm, trong khi điện trở và lực khử từ sẽ tăng lên.

2.1.3 Ảnh hưở ng c ủ a các nguyên t ố khác a Mangan(Mn) được cho vào thép khi tinh luyện, dưới dạng fero-Mn, để khử oxy và lưuhuỳnh, theo các phảnứng.

MnO và MnS nổi lên, đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò Khi hòa tan vào ferit lượng

Mangan (Mn) dư thừa có khả năng nâng cao độ bền và độ cứng của thép, từ đó cải thiện cơ tính của vật liệu Tuy nhiên, với lượng Mn trong thép cacbon chỉ khoảng 0,8% trở xuống, tác dụng này không rõ rệt Chức năng chính của Mn trong thép cacbon là khử oxy và hạn chế sự hiện diện của lưu huỳnh Bên cạnh đó, silic (Si) cũng được sử dụng trong nhiều loại thép nhằm khử oxy hiệu quả hơn, thường kết hợp với nhôm (Al) theo các phản ứng hóa học.

Thép hợp kim

Trong kỹthuật dung ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan trọng. a Thành phần hóa học

Thép hợp kim là loại thép được cải tiến bằng cách thêm vào các nguyên tố hợp kim đặc biệt ngoài sắt, cacbon và tạp chất, nhằm thay đổi tổ chức và tính chất của thép để đáp ứng yêu cầu sử dụng Những nguyên tố này được bổ sung một cách có chủ đích, với các nguyên tố hợp kim thường gặp như Cr.

Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Nb, Zr, Cu, B, N… và ranh giới về lượng để phân biệt tạp chất và nguyên tốhợp kim là như sau:

Mn: 0,8-1,0%; Si: 0,5-0,8%; Cr: 0,2-0,8%; Ni: 0,2-0,6%; W: 0,1-0,6%; Mo: 0,05- 0,2%; Ti, V, Nb, Zr, Cu>0,1%; B>0,002%.

Thép hợp kim được phân loại dựa trên hàm lượng các nguyên tố hợp kim, trong đó thép chỉ được coi là thép hợp kim khi chứa ≥1,0% Mn, trong khi đó chỉ cần ≥0,1% Ti (hoặc V, Cu, Zr…) hoặc 0,002% B cũng đủ để xác định là thép hợp kim So với thép cacbon, thép hợp kim có hàm lượng tạp chất độc hại như P, S và các khí oxy, hyđrô, nitơ rất thấp Mặc dù giá thành của thép hợp kim thường cao hơn do quá trình khử tạp chất và bổ sung nguyên tố hợp kim, nhưng nó lại sở hữu nhiều đặc điểm vượt trội hơn so với thép cacbon.

Thép hợp kim có độ bền cao hơn thép cacbon, đặc biệt rõ rệt sau khi trải qua quá trình nhiệt luyện như tôi và ram Độ thấm tôi của thép hợp kim được cải thiện đáng kể, và mức độ cải thiện này tỉ lệ thuận với hàm lượng hợp kim Tuy nhiên, trong trạng thái không nhiệt luyện, chẳng hạn như trạng thái ủ, độ bền của thép hợp kim không chênh lệch nhiều so với thép cacbon.

Sau quá trình nhiệt luyện, thép hợp kim có thể đạt độ bền cao, nhưng độ dẻo và độ dai sẽ giảm Do đó, cần chú ý đến mối quan hệ giữa các tính chất này để xác định cơ tính phù hợp.

Cùng với sự tăng mức độhợp kim hóa, tính công nghệcủa thép sẽxấu đi.

Thép cacbon có độ cứng cao sau khi tôi, nhưng không duy trì được tính chất này khi làm việc ở nhiệt độ trên 200 °C do sự phân hủy của mactenxit và kết tụ xementit Ở nhiệt độ cao, thép dễ bị biến dạng và oxy hóa Các nguyên tố hợp kim giúp cản trở sự khuếch tán của cacbon, giữ cho mactenxit ổn định và cacbit không kết tụ, cho phép thép duy trì độ cứng cao và khả năng chống dão lên đến 600 °C, cùng với khả năng chống oxy hóa từ 800-1000 °C Để đạt được những tính chất này, thép cần được hợp kim hóa với một số nguyên tố ở mức độ tương đối cao, điều này mang lại ưu điểm cho thép hợp kim trong ứng dụng chế tạo thép dụng cụ và thép bền nóng.

Thép cacbon có những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, dễ bị gỉ trong không khí và bị ăn mòn mạnh trong môi trường axit, bazơ và muối Tuy nhiên, thông qua quá trình hợp kim hóa, chúng ta có thể sản xuất ra các loại thép không gỉ, thép có tính giãn nở và đàn hồi đặc biệt, cũng như thép có từ tính cao và thép không có từ tính Để đạt được những đặc tính này, cần sử dụng các loại thép hợp kim đặc biệt với thành phần được kiểm soát chặt chẽ.

Nguyên tố hợp kim đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tính chất của thép hợp kim, khiến nó trở thành vật liệu thiết yếu trong chế tạo máy móc, thiết bị nhiệt điện và ngành công nghiệp hóa học Thép hợp kim thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết quan trọng, đặc biệt trong những điều kiện làm việc khắc nghiệt Để hiểu rõ hơn về những đặc tính vượt trội của thép hợp kim, cần xem xét tác động của các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là sắt và cacbon, hai thành phần cơ bản cấu tạo nên thép.

Sự có mặt của nguyên tố hợp kim trong thép ở trạng thái cân bằng chủ yếu tồn tại dưới hai hình thức: hòa tan vào sắt (α-Fe, γ-Fe) dưới dạng dung dịch rắn và kết hợp với cacbon để tạo thành cacbit hợp kim.

2.2.1.1 Sựhòa tan của nguyên tốhợp kim vào sắt

Hình 2.3 Giản đồpha sắt–nguyên tốhợp kim a Khi hòa tan vô hạn vàoγ-Fe; b Khi hòa tan có hạn vàoγ-Fe

Khi các nguyên tố hợp kim như Ni, Mn, C, N, Cu hòa tan vào sắt, chúng có khả năng thay thế nguyên tử Fe trong mạng α-Fe (ferit hợp kim) hoặc γ-Fe (austenit hợp kim) Sự hòa tan này mở rộng vùng ổn định γ và hạ thấp nhiệt độ chuyển biến giữa α và γ Đặc biệt, với Mn và Ni, khi nồng độ đủ lớn (Mn trên 10% và Ni trên 20%), thép sẽ có tổ chức austenit ngay cả ở nhiệt độ thường Riêng Ni có khả năng hòa tan vô hạn vào γ-Fe.

Một số nguyên tố như Cr, V, Ti, Mo, W, Nb và Si có tác dụng thu hẹp vùng ổn định của γ và làm tăng nhiệt độ chuyển pha γ↔α Đặc biệt, Cr (mạng A2) có khả năng hòa tan vô hạn vào α-Fe.

Hình 2.4 Giản đồpha sắt–nguyên tốhợp kim a khi hòa tan vô hạn vàoα-Fe; b khi hòa tan có hạn vàoα-Fe

Trong thực tế thường gặp các thép được hợp kim hóa bằng một lượng không nhiều Mn, Ni và các nguyên tốmởrộng vùngα như Cr, Si, V, W, Ti…

Hình 2.5.Ảnh hưởng của nguyên tốhợp kim đến cơ tính của ferit

Độ cứng HB và độ dai va đập a k của thép ở trạng thái cân bằng bao gồm hai pha là ferit và cacbit Các loại thép kết cấu và dụng cụ phổ biến thường có tổ chức như vậy, tuy nhiên, cơ tính của ferit trong các loại thép này khác biệt so với ferit trong thép cacbon.

Các nguyên tố hợp kim hòa tan vào sắt theo dạng thay thế, dẫn đến sự xô lệch của mạng tinh thể Mức độ xô lệch tăng lên khi nồng độ nguyên tố hợp kim tăng, điều này làm tăng độ bền và độ cứng của thép, nhưng đồng thời cũng giảm độ dẻo dai Hình 2.5 minh họa ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim chính như Cr, Ni, Mn, Si đến cơ tính của ferit.

Mangan (Mn) và Silicon (Si) là hai nguyên tố có khả năng tăng cường độ cứng và độ bền của ferit, nhưng đồng thời cũng làm giảm đáng kể độ dẻo và độ dai Do đó, trong thực tế, lượng Mn và Si trong thép hợp kim thường chỉ được sử dụng trong giới hạn từ 1% đến 2% Ngược lại, Crom (Cr) và Niken (Ni) có tác dụng hóa bền vừa phải mà không làm giảm mạnh độ dẻo dai; trong đó, Niken không chỉ không làm giảm độ dai mà còn cải thiện tính chất này, khiến nó trở thành nguyên tố hợp kim rất tốt cho thép hợp kim, đặc biệt là trong thép kết cấu, mặc dù cần hạn chế sử dụng do giá thành cao.

2.2.1.2 Sựtạo thành pha cacbit trong thép hợp kim

Các nguyên tố tạo cacbit chủ yếu là kim loại nhóm chuyển tiếp, với số điện tử phân lớp d hoặc f chưa đầy và có điện tử ở phân lớp s hoặc d lớp ngoài Cụ thể, trong thép cacbon, pha cacbit chính là Fe3C (xêmentit) Khi có mặt nguyên tố hợp kim, ngoài khả năng hòa tan vào sắt, nhiều nguyên tố này còn có khả năng tranh giành cacbon với sắt để tạo thành pha cacbit hợp kim Khả năng này phụ thuộc vào ái lực hóa học của nguyên tố hợp kim đối với cacbon so với sắt, điều này được quyết định bởi cấu trúc lớp vỏ điện tử.

Trong thép hợp kim, các nguyên tố có số điện tử ở phân lớp d lớn hơn 6, như Ni, Co, Si, Al, Cu, Zn, không có khả năng tạo cacbit và chỉ có thể hình thành dung dịch rắn với sắt hoặc các pha liên kim loại khi có đủ lượng Đặc biệt, một số nguyên tố như Si và Co không chỉ không tạo cacbit mà còn ngăn cản sự kết hợp của cacbon với sắt và các nguyên tố khác, dẫn đến sự hình thành cacbon ở dạng tự do (graphit) hoặc làm giảm hàm lượng cacbon khi nung thép.

Thép cán nóng thông dụng

2.3.1 Thành ph ầ n và tính ch ấ t a Thành phần hóa học Đại đa sốthép cán nóng thông dụng có lượng cacbon không vượt quá 0,2%C Để cải thiện một số tính chất như: độ bền cơ học và độ bền chống ăn mòn trong khí quyển… người ta có thểcho thêm một sốnguyên tốhợp kim ở mức độ vi lượng hoặc thấp với tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn hoặc bằng 2% Nếu tăng lượng cacbon và lượng nguyên tố hợp kim hơn nữa thì có thể cải thiện rõ rệt các tính chất này, nhưng sẽ làm xấu tính dẻo dai và nhất là tính hàn của thép, mà các tính chất này là những yêu cầu hàng đầu đối với thép xây dựng, lĩnh vực sửdụng chủ yếu củ nhóm thép này Ngoài ra còn do lý do giá thành, với thép thông dụng, thường sản xuất với khối lượng lớn, không thểhợp kim hóa một cách tùy tiện. b Tính chất Độbềnđặc biệt là giới hạn chảy của thép càng cao, các kết cấu càng bền và càng gọn nhẹ Người ta thấy rằng nếu tăng giới hạn chảy từ240MPa-260MPa (thép CT38) lên 340MPa-360MPa, khối lượng kết cấu kim loại có thểgiảm bớt 20-25% Điều này đem lại hiệu quảkinh tếlớn tiết kiệm thép dùng, giảm nhẹkhối lượng xây dựng, tăng được khả năng chịu tải của kết cấu như cầu, toa xe, ô tô… Bằng cách hợp kim hóa vi lượng hoặc bằng cách gia công thích hợp sau khi cán, có thể tăng giới hạn chảy lên trên 300MPa, thậm chí có thểlên trên 500MPa.

Tính dẻo của các kết cấu kim loại là yếu tố quan trọng, bởi vì chúng thường phải trải qua quá trình uốn dập Để đảm bảo tính dẻo, mức độ dẻo bình thường cần đạt khoảng δ-20% Đối với các loại thép tấm mỏng, như trong uốn dập mui ô tô, mức độ dẻo cần đạt từ δ ≥ 25-30%.

Tính hàn tốt là yếu tố quan trọng hàng đầu trong việc sử dụng thép, bởi hầu hết các trường hợp đều yêu cầu hàn Quá trình hàn bao gồm việc làm chảy phần chi tiết cần hàn và sau đó làm nguội nó Vùng kim loại bị chảy lỏng và vùng chuyển tiếp trên kim loại nền phải trải qua chu trình nhiệt, từ nung nóng đến làm nguội Nguy cơ xuất hiện vết nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt tăng cao khi kim loại nguội nhanh, đặc biệt khi có sự xuất hiện của các pha cứng và giòn như cacbit hợp kim Do đó, cần hạn chế lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim trong thép chuyên dùng để hàn Khả năng hàn của thép được xác định thông qua giá trị cacbon quy đổi, với công thức tính phần trăm C tương đương do viện quốc tế (IIS/IIW) đưa ra.

%C tđ = %C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15

Trong đó thành phần của các nguyên tố hợp kim được tính theo % khối lượng.

Rõ ràng, tỷ lệ carbon càng cao thì thép càng khó hàn và dễ bị tôi Do đó, cần áp dụng các biện pháp hạn chế khuyết tật hàn như nung nóng trước khu vực hàn, kiểm soát chặt chẽ năng lượng hàn phù hợp với kích thước, độ dày và hình dáng của chi tiết, và làm nguội chậm nhất có thể sau khi hàn.

Thép cacbon dễ bị ăn mòn trong khí quyển, đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt và khu vực công nghiệp có nhiều khí độc như CO2, CO, H2S, cũng như ở vùng biển có ion Cl- Để hạn chế tình trạng gỉ sét, việc sơn phủ bề mặt thép là một giải pháp hiệu quả Ngoài ra, việc bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tố như Cr, Ni, Cu và P vào thép cũng có thể tăng cường khả năng chống ăn mòn trong khí quyển.

2.3.2 Nhóm thép Cacbon Ở nước ta, đó là nhóm thép CT Trong thực tế thường gặp các loại CT33, CT34, CT38 và CT51, trong đó CT51 thường được cán thành các thanh thép vằn dùng làm cốt cho bê tông. Đặc tính của nhóm thép này có giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy thấp (