Giáo trình Thép thấm cacbon

thép dùng để chế tạo các chi tiết với yêu cầu trong lõi dẻo, dai, còn bề mặt có độ cứng cao, chịu mài mòn ( bánh răng, chốt, xích, trục quay, đĩa ma sát) b) hình 1.1: a) xich được làm từ thép thấm cacbon b)bánh răng được làm từ thép thấm cacbon 2) Đặc điểm về thành phần hóa học: - Thành phần cacbon: để bảo đảm lõi chi tiết có độ dai va đập cao, thép có hàm lượng cacbon nằm trong giới hạn 0.1-0.25% (đôi khi đến 0.30%) - Các nguyên tố hợp kim: đối với thép thấm cacbon, các nguyên tố hợp kim, ngoài khả năng tăng độ thấm tôi, còn có tác dụng thúc đẩy quá trình thấm cacbon vào thép và không làm hạt lớn, thường là các nguyên tố tạo cacbit: Cr, Ni, Mn, Mo, Chú ý: không dùng thép chỉ hợp kim hóa bằng Mn vì nó làm lớn hạt. Đặc biệt, nguyên tố Ni ngoài tác dụng tăng độ thấm tôi còn tác dụng giữ hạt nhỏ, làm tăng độ dai va đập. Các nguyên tố Si, Co thường không được đưa vào thép thấm cacbon vì chúng ngăn cản cacbon thấm vào thép 3) Tổ chức tế vi - Sau khi thấm cacbon, hàm lượng cacbon ở bề mặt khoảng 0.80 – 1.0% là phù hợp nhất. Còn trong lõi nhỏ mịn, không có pherit tự do. - Tổ chức tế vi nhận được sau khi thấm tính từ bề mặt vào khi làm nguội chậm là: P + XeII ; P ; P+F (như hình 3.1) Hình 3.1: sơ đồ biểu diễn sự thay đổi Thành phần cacbon trên bề mặt. Hình 3.2: tổ chức tế vi lớp thấm cacbon 4) Đặc điểm về cơ tính - So với thép cacbon để thấm cacbon, thép hợp kim để thấm cacbon có độ thấm tôi lớn hơn nên độ bền lõi cao hơn, ít biến dạng khi tôi, chế tạo được chi tiết lớn hơn, có thể thấm ở nhiệt độ cao hơn( để giảm thời gian thấm). Sau nhiệt luyện, tính chống mài mòn của thép hợp kim cao hơn do tạo cacbit ổn định với độ phân tán cao. - Cơ tính của thép thấm cacbon sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp như sau: Độ cứng bề mặt : 59-63 HRC Lõi : 30-42 HRC Độ bền kéo : 600-1200 MPa Độ dai va đập : 700-1200kJ/m2 5) Một số phương pháp thấm cacbon 5.1) Định nghĩa - Thấm carbon là một quá trình nhiệt luyện trong đó sắt hoặc thép được gia nhiệt với sự có mặt của vật liệu khác (dưới điểm nóng chảy của sắt) có thể giải phóng ra carbon khi nó phân hủy. Bề mặt bên ngoài sẽ có hàm lượng carbon cao hơn so với ban đầu. - Khi sắt hoặc thép được làm nguội nhanh bằng cách tôi, vùng bề mặt bên ngoài với hàm lượng carbon cao sẽ trở nên cứng, trong khi phần lõi vẫn giữ được tính mềm và dai. - Sự thấm carbon cho thép bao gồm việc nhiệt luyện bề mặt kim loại sử dụng nguồn carbon ở thể rắn, lỏng, khí hay plasma. - Một số phương pháp thấm cacbon sau: 5.2) Thấm cacbon thể rắn a) Chất thấm: - Than gỗ xay nhỏ (3-5mm) chiếm khoảng 85-90%. - Chất xúc tác: BaCO3, Na2CO3, K2CO3.chiếm khoảng 10-15%. - Đặt chi tiết trong hộp kín với hỗn hợp chất thấm trên và năng lên nhiệt độ cần thiết. b) Nhiệt độ và thời gian thấm - Nguyên tắc chon nhiệt độ thấm cacbon là đạt tới tổ chức hoàn toàn ôstenit để có khả năng bão hòa lượng cacbon lớn nhất có thể được. với thép bản chất hạt lớn, nhiệt độ thấm từ 900-920oC, thép bản chất hạt nhỏ nhiệt độ thấm tới 950oC. Nhiệt độ thấm càng cao, chiều sâu lớp thấm càng lớn. - Thời gian thấm cacbon quyết định bởi chiều sâu lớp thấm, giá trị này được quy định khi thiết kế chi tiết. Với nhiệt độ cố định, thời gian thấm càng lâu, chiều sâu lớp thấm càng lớn, có 3 cách chọn nhiêt độ thấm: + Theo công thưc: với k là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ thấm là chiều thời gian thấm (h) là chiều sâu lớp thấm (mm) + Tra băng cho trước trong sổ tay nhiệt luyện. + Theo kinh nghiệm: thấm ở 900oC, cứ 0,20mm thời gian giữ nhiệt là 1h c) Các quá trình xảy ca trong khi thấm: than cháy trong điều kiên thiếu oxy: 2C + O2 à 2CO (1) Dưới tác dụng của xúc tác, CO bị phân hủy: 2CO à CO2 + Cng (2) Vai trò của chất xúc tác là phân hủy ra CO2: BaCO3 à BaO + CO2 (3) Và CO lại tạo C nguyên tử theo phản ứng (2). Kết thúc quá trình thấm lại xảy ra quá trình tái tạo chất xúc tác: BaO + CO2 à BaCO3 Cacbon nguyên tử có hoạt tính cao sẽ khuyếch tán vào bề mặt thép theo cơ chế sau: C nguyên tử + Fe à Fe (C) C nguyên tử + Fe à Fe3C 5.3) Thấm cacbon thể khí. - Thấm cacbon thể khí là phương pháp hiên đại va ưu việt, ngày nay được áp dụng rộng rã trong sản xuất cơ khí. - Dùng 1 lò kín chứa đầy khí thấm (CO, CH4, C2H6) lấy từ thiên nhiên, cho chi tiết vào và năng lên nhiệt độ thấm. Trong thực tế thường dùng khí CH4 vời tỉ lệ từ 3-5% (do mêtan có tác dụng thấm rất mạnh) tại nhiệt đô nung xảy ra quá trình sau: CH4 à 2H2 + C nguyên tử -Cacbon nguyên tử sẽ khuyếch tán vào bề mặt. Nhiệt độ thấm và thời gian thấm tương tự như thấm cacbon thể rắn. - Thấm cacbon thể khí có đặc điểm là: thời gian thấm ngắn ( do không phải nung nóng hộp chứa hỗn hợp thấm), chất lượng lớp thấm đồng đều, dễ cơ khí hóa và tự động hóa ( xử dụng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt lớn), điều kiện lao động tôt. Tuy nhiên, thiết bị và giá thành cao. 5.4) Thấm cacbon bằng phương pháp Plasma - Thấm carbon bằng plasma đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp để cải thiện tính chất bề mặt của một số kim loại, nhất là thép không rỉ, do nó thân thiện với môi trường (so với việc dùng chất khí hay chất lỏng) và có thể tác dụng một cách đồng đều lên bề mặt có hình dạng phức tạp (plasma có thể xuyên vào các lỗ và khe hẹp). 5.5) nhiệt luyện sau khi thấm. a) Tôi 2 lần và ram thấp: phương pháp này khá tốn kém nên chỉ dùng cho những chi tiết quan trọng Tôi lần 1: 860-880oC, làm nhỏ hạt thép và phá lưới xemantit trên bề mặt. Tôi lần 2: 760-780oC, tạo bề mặt có độ cứng cao nhất. Ram thấp với nhiệt độ 150-180oC, khử ứng xuất dư và vẫn giữ được độ cứng bề mặt. - Phương án này cho cơ tính tốt, nhưng do nung nhiều lần nên dễ bị oxy hóa thoát cacbon, nứt và biến dạng, chi phí năng lượng cao. Lưu ý là thép sau khi được thường hóa rồi mới nung lại để tôi. b) Tôi 1 lần và ram thấp: dung cho các chi tiết không quan trọng hoặc chịu nhiều tải nhỏ. Khi thấm cacbon thường xử dụng thép bản chất hạt nhỏ, không lớn lắm nên khi thấm xong hạ nhiệt độ xuống 760-780oC và tôi ngay. Sau đó tiến hành ram thấp 150-180oC. Ưu điểm: Tiết kiệm thời gian và nhiệt lượng Đơn giản dễ thực hiện. 6. Các nhóm thép, mác thép cacbon và công dụng. Các mac thép thấm cacbon phổ biến nhất được trình bày ở theo bảng sau đây: Nhóm thép Mác thép Thành phần các nguyên tố(%) C Cr Ni Mn Nguyên tố khác Thép cacbon C10 0.07-0.14 <0.25 <0.25 0.35-0.65 C20 0.17-0.24 <0.25 <0.25 0.35-0.65 Thép Cr 15Cr 0.12-0.18 0.70-1.00 - 0.40-0.70 20Cr 0.17-0.23 0.70-1.00 - 0.50-0.70 15CrV 0.12-0.18 0.80-1.10 - 0.4-0.70 0.06-0.12V Thép Cr-Ni 20CrNi 0.17-0.23 0.45-0.75 1.00-1.40 0.40-0.70 15CrNi 3A 0.09-0.16 0.60-0.90 2.75-3.15 0.30-0.60 12Cr2Ni0 4A 0.09-0.15 1.25-1.65 3.25-3.65 0.30-0.60 18Cr2Ni4MoA 0.14-0.20 1.35-1.65 4.00-4.40 0.25-0.55 0.30-0.40Mo Thép Cr-Mn-Ti 18CrMnTi 0.17-0.23 1.00-1.30 - 0.80-1.10 0.03-0.09Ti 25CrMnTi 0.22-0.29 1.00-1.30 - 0.80-1.10 0.03-0.09Ti 30CrMnTi 0.24-0.32 1.00-1.30 - 0.80-1.10 0.03-0.09Ti 25CrMnMo 0.23-0.29 0.90-1.20 - 0.90-1.20 0.02-0.30Mo Bảng 6.1: thành phần hóa học của một số mac thép thấm cacbon. 6.1) nhóm thép cacbon: - Bao gồm các mác: C10, C15, C20, C25 và đôi khi có cả CT38. - Chúng dùng để chế tạo các chi tiết mỏng hình dạng đơn giản có yêu cầu chống mài mòn bề mặt cao mà không yêu cầu cao về độ bền. - Nhóm thép này không nên thấm ở nhiệt độ quá 900oC vì dễ bị hạt lớn, sau khi thấm phải tôi 2 lần và môi trường tôi là nước nên độ biết dạng lớn. - Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram của nhóm thép này: = 500-600MPa =300-400MPa =15-20% Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC. 6.2) nhóm thép Crom: - Bao gồm các mác: 15Cr, 20Cr, 15CrV - Chúng được dùng làm chi tiết nhỏ có dướng kính dưới 30mm, yêu cầu chống mài mòn bề mặt cao, chịu tải trung bịnh như: chốt piston, trục cam ô tô trục giữa xe đạp, trục pêdan, bánh răng có modum nhỏ có thể thấm ở nhiệt độ 900-920oC, tôi trong dầu nên ít biết dạng. - Cơ tính khi thấm cacbon, tôi và ram thấp: = 700-800MPa =500-600MPa =10-12% Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC. Nhược điểm: khuynh hướng làm tăng nồng độ cacbon lớp bề mặt ( do Crom là nguyên tố Cacbit) tạo nên lớp lưới Cacbit làm lớp thấm giòn và nhạy cảm với vết khía. Hình 6.1: một số chi tiết được làm từ thép Crom thấm cacbon. 6.3) nhóm thép Crom-Niken : - Bao gồm các mác: 20CrNi, 12CrNi3A, 12CrNi4A, 18CrNi4WA, 18Cr2Ni4MoA trừ mac đầu, các mac sau đều có lượng Ni cao nên các mac sau có độ thấm tôi rất tốt, độ bền và độ dai va đập cao, được dùng đẻ chế tạo các chi tiết thấm cacbon có tiết diện lớn, chịu tải cao. - Các mac 18CrNi4WA, 18Cr2Ni4MoA được dùng làm các chi tiết đặc biệt quan trọng (bánh răng, trục động cơ máy bay, tàu biển..) và có thể dùng ở trạng thái không thấm cacbon ( chỉ tôi và ram) để làm các chi tiết chịu tải trọng cao nhưng không yêu cầu chống mài mòn hoặc có thể dùng ở trạng thái hóa tốt để làm các chi tiết chịu tải và va đập cao. - Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp: = 1000-1200MPa =700-950MPa =10-12% Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC. Hình 6.2: trục động cơ được làm từ thép Crom- Niken thấm cacbon. 6.4) nhóm thép Crom-Mangan-Titan: - Bao gồm các mác: 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi, 18Cr2Ni4MoA trong đó Mn là nguyên tố thay thế cho Ni để làm tăng khả năng thấm tôi giảm tập trung cacbon quá cao ở bề mặt, còn Ti và Mo làm nhỏ hạt (nên có thể thấm cacbon ở 920-950oC và nhờ thế rút ngắn thời gian thấm) - Các mác này được dùng để chế tạo các chi tiết của ô tô, máy kéo ( bánh răng hộp số, bánh răng cầu sau, các trục quan trọng) - Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp: = 1150-1500MPa =900=1300MPa =9-11% Độ cứng bề mặt: ≥ 60HRC. Hình 6.3: một số hi tiết được làm từ thép Crom-Mangan-Titan: