Giáo trình môn học: Vật liệu cơ khí

tại liệu đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo, không nhằm mục đích cá nhân hay kinh tế, tôi xin cam đoan tài liệu này lấy từ nguồn nào là có trích dẫn cụ thể. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Trong thời kỳ công nghiệp hóa , hiện đại hóa của nước ta nói chung và của Tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu nói riêng , công tác đào tạo nguồn nhân lực cho các khu công nghiệp có vai trò hết sức quan trọng , là yếu tố cơ bản để phát triển xã hội và tăng trưởng nhanh và bền vững . Quán triệt chủ trương nghị quyết , Tỉnh Đảng bộ Bà Rịa – Vũng tàu lần thứ 5, về phát triển nguồn nhân lực đáp ứng kịp thời nguồn nhân lực cho công cuộc công nghiệp hóa , hiện đại hóa Tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu và nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của chương trình giáo trình đối với việc nâng cao chất lượng đào tạo Trên cơ sở chương trình khung của Bộ LĐTBXH ban hành và kinh nghiệm thực tế từ quá trình đào tạo với sự hợp tác và giúp đỡ nhiệt tình của các chuyên gia đến từ Nhật bản và sự chỉ đạo trực tiếp của Ban Giám hiệu Trường cao đẳng nghề Bà Rịa – Vũng Tàu , khoa cơ khí tổ chức biên soan giáo trình bộ môn Vật Liệu Cơ Khí một cách khoa học và có hệ thống , cập nhật kiến thức thực tế , phù hợp với đối tượng học sinh học nghề . Môn học vật liệu cơ khí là một môn học có rất nhiều thông tin về lý thuyết , và mang tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn . Dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót , bất cập. Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy cô và các em học sinh trong nhà trường để từng bước hoàn thiện giáo trình này. Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày 01 tháng 11 năm 2015 Biên soạn Nguyễn Hữu Tuấn MỤC LỤC Chương 1: Cấu tạo và tính chất của kim loại và hợp kim 1 1.1. Khái niệm về vật liệu công nghiệp 1 1.2. Khái niệm về vật liệu kim loại 3 1.3. Cấu tạo về mạng tinh thể và hạt của kim loại 4 1.4. Cách đánh giá cơ tính của kim loại 7 Chương 2: Hợp kim sắt -cacbon 11 2.1. Phân loại hợp kim sắt - cacbon 11 2.2. Giản đồ trạng thái sắt - cacbon 13 2.3. Thép cacbon và thép hợp kim 16 2.4. Gang 34 Chương 3: Hợp kim màu 45 3.1. Đặc điểm và tính chất của hợp kim màu 45 3.2. Đồng và hợp kim đồng 45 3.3. Nhôm và hợp kim nhôm 50 Chương 4: Nhiệt luyện 53 4.1. Một số khái niệm cơ bản về nhiệt luyện 53 4.2. Các hình thức nhiệt luyện 56 Chương 5: Vật liệu phi kim loại 69 7.1. Khái niệm về một số vật liệu phi kim loại 69 7.2. Chất dẻo 69 7.3. Vật liệu composit 74 7.4. Cao su 76 7.5. Amian 78 7.6. Gỗ 78 Tài liệu tham khảo 82 CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ Mã số của môn học: MH 14 Thời gian của môn học: 60giờ. (LT: 47giờ; TH: 13giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔN HỌC - Vị trí: + Môn học có thể được bố trí trước, đồng thời hoặc sau khi học sinh học xong các môn học chung bắt buộc. + Môn học được bố trí trước các môn học, mô-đun đào tạo chuyên môn nghề. - Tính chất: + Là môn học kỹ thuật cơ sở thuộc các môn học, mô đun đào tạo nghề bắt buộc. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: Sau khi học xong người học có khả năng: - Trình bày được đặc điểm, tính chất cơ lý, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu thường dùng trong ngành cơ khí như: gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, ceramic, vật liệu phi kim loại, dung dịch trơn nguội ... - Giải thích được một số khái niệm về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. - Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi gõ, đập búa, xem tia lửa khi mài. - Xác định được tính chất, công dụng các loại vật liệu thường dùng cho nghề. - Có khả năng tự mua các loại vật liệu theo đúng yêu cầu của sản xuất. - Đo được độ cứng HB, HRC - Nhiệt luyện được một số dụng cụ của nghề như dao tiện thép gió, đục... - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. III. NỘI DUNG MÔN HỌC: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Số TT Tên chương, mục Thời gian(giờ) Tổng số Lý thuyết Thực hành Bài tập I 1 2 Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim Cấu tạo kom loại và hợp kim Tính chất chung của kim loại và hợp kim 6 6 0 II 1 2 3 4 5 Hợp kim sắt – Cácbon Khái niêm Giản đồ trạng thái sắt các bon Gang Thép Hợp kim cứng 20 18 2 Kiểm tra chương 1,2 2 2 III 1 2 3 4 Kim loại màu và hợp kim màu Nhôm và hợp kim nhôm Đồng và hợp kim đồng Các loại hợp kim màu khác Hợp kim làm ổ trượt 10 9 1 IV 1 2 3 4 Nhiệt luyện – hóa nhiệt luyện Khái niệm về nhiệt luyện thép Nhiệt luyện Hóa nhiệt luyện Thí nghiện 12 10 2 Kiểm tra chương 4 1 1 V 1 2 3 Vật liệu phi kim loại Chất dẻo Cao su – Ami ăng – Compozit Vật liệu bôi trơn làm mát 7 6 1 Kiểm tra chương 1 đến chưng 4 2 Cộng 60 50 10 CHƯƠNG 1 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM Cung cấp những kiến thức cơ bản về tính chất và cấu tạo vật liệu ( đặt biệt cấu tạo của hợp kim) để từ đó xác định được mối quan hệ giữa chúng. Mục tiêu Phân biệt và hiểu được các tính chất. Hiểu và nắm chắc định nghĩa, ký hiệu, đơn vị, ý nghĩa các loại cơ tính thường dung trong vật liệu kim loại. Hiểu được cấu tạo bên trong của kim loại nguyên chất và hợp kim. Hiểu được các dạng cấu tạo của hợp kim. Nội dung: Khái niệm về vật liệu công nghiệp Tất cả các vật liệu dùng trong công nghiệp được sử dụng có thể ở cả 3 trạng thái là rắn, lỏng và khí. Ở trạng thái rắn như sắt, thép, gỗ, đá, chất dẻo, cao su v.v.Ở trạng thái lỏng như xăng, dầu, rượu, benzen, nước, glyxêrin v.vỞ trạng thái khí và hơi như hơi nước quá nhiệt (có nhiệt độ cao hơn 100oC), khí oxy (O2) và axêtylen dùng trong ngành hàn, khí cacbonic (CO2) đã được hoá lỏng dùng làm lạnh bia, nước ngọt v.v Các vật liệu ở trạng thái rắn dùng để chế tạo các máy móc, công trình, vật dụng dùng trong đời sống hàng ngày của con người có thể chịu được một lực tác dụng nhật định nào đó được gọi là vật liệu kết cấu. Tuỳ thuộc vào cấu tạo bên trong, vật liệu kết cấu lại được chia thành 3 loại: Vật liệu tinh thể, vật liệu vô định hình và vật liệu gốm. Về tính chất vật lý vật liệu kết cấu lại có thể chia làm 2 loại là vật liệu kim loại và vật liệu phi kim loại (có thể gọi vật liệu không kim loại) Vật liệu tinh thể gồm các kim loại nguyên chất, các hợp kim và các loại đá, các muối vô cơ. Vật liệu tinh thể là các vật liệu mà các nguyên tử của chúng ở trạng thái rắn luôn luôn được sắp xếp theo một trật tự nhất định gọi là mạng tinh thể. Trong đó các kim loại và hợp kim như sắt, nhôm, đồng , thép, gang, dura có tính kim loại, còn các loại đá và muối như muối ăn (NaCl), đá vôi (CaCO3), thạch cao (CaSO4) có cấu tạo mạng tinh thể nhưng lại không có tính kim loại nên thuộc vật liệu phi kim loại. Vật liệu vô định hình là các vật liệu mà các nguyên tử, phân tử của chúng không sắp xếp theo mạng tinh thể. Hầu hết các vật liệu phi kim loại (trừ đá và muối) đều ở dạng vô định hình như gỗ, chất dẻo, thuỷ tinh, vải, amian v.v Vật liệu gốm là vật liệu mà cấu tạo bên trong gồm vừa có các tinh thể vừa có một phần vật chất ở dạng vô định hình. Vật liệu gốm trong thiên nhiên cũng có, nhưng tính chất không ổn định nên trong công nghiệp ít được dùng. Vật liệu gốm công nghiệp chủ yếu là nhân tạo. Để chế tạo vật liệu gốm kim loại hoặc phi kim loại người ta chế tạo các hạt tinh thể rất nhỏ gọi là bột, ép lại thành hình ,một sản phẩm nào đó rồi nung nóng (gọi là thiêu kết) để các hạt bột dính lại với nhau tạo thành sản phẩm. Do ép từ bột nên bên trong vật liệu gốm bao giờ cũng có những lỗ hổng (lỗ bộng) chứa không khí nên vật liệu gốm bao giờ cũng "xốp" hơn các vật liệu khác. Độ xốp là điểm đặc biệt của vật liệu gốm. Trong giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu các kim loại và phi kim loại thông dụng. 1.2-Khái niệm về kim loại 1.2.1- Kim loại là gì? Kim loại là các vật liệu có tính dẫn nhiệt, dẫn điện tốt; có tính dẻo cao nghĩa là có thể dát mỏng, kéo dài một cách dễ dàng và có một vẻ sáng bên ngoài riêng biệt mà được gọi là "ánh kim" 1.2.2- Phân loại kim loại Khi trong một khối kim loại chỉ gồm một nguyên tố hoá học thì gọi là kim loại nguyên chất. Nếu trong đó gồm nhiều nguyên tố mà nguyên tố kim loại là chủ yếu thì gọi là hợp kim. Hợp kim phải có tính kim loại. Về màu sắc và sử dụng, kim loại và hợp kim được chia làm 2 loại: Kim loại đen và kim loại màu. Kim loại đen là các kim loại và các hợp kim trên cơ sở nguyên tố sắt (Fe) cụ thể là sắt nguyên chất, hợp kim của nó là thép và gang. Kim loại màu là các kim loại và hợp kim trên cơ sở các nguyên tố kim loại còn lại như nhôm (Al), đồng (Cu), chì (Pb), thiếc (Sn), kẽm (Zn), mangan (Mn), silic (Si), môlipđen (Mo), . . . Kim loại màu lại được phân làm các loại sau: - Kim loại nhẹ là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng nhỏ hơn hay bằng 4g/cm3 như nhôm (Al), titan (Ti), magiê (Mg), liti (Li), . . . - Kim loại nặng là các kim loại và hợp kim có khối lượng riêng lớn hơn 4 g/cm3 như sắt (Fe), đồng (Cu), kẽm (Zn), niken (Ni), vônfram (W), môlipđen (Mo), ziếc côn (Zr), . . . - Kim loại dễ chảy là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt (1539oC) như nhôm (660oC), magiê (650oC), chì (327oC), thiếc (232oC), vàng (1063oC), bạc (960oC),. . . - Kim loại khó chảy là các kim loại và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của sắt như titan (1665oC), crôm (1875oC), đặc biệt có các nguyên tố rất khó chảy như vanađi (1900oC), niôbi (2468oC), môlipđen (2610oC), tantan (3000oC), vônfram (3380oC), . . . - Kim loại quý là các kim loại và các hợp kim của chúng có tính rất bền (trơ, không tác dụng hoá học) với các môi trường thông thường kể cả các loại axit mạnh. Nhóm này gồm 8 nguyên tố như bạc (Ag), vàng (Au), paladi (Pd), platin (bạch kim, Pt), osmi (Os), rôđi (Rh), rutêni (Ru), iriđi (Ir). - Kim loại hiếm là các kim loại có trữ lượng rất ít trong vỏ quả đất như Mo, Zr, . . .đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm như lantan (La), xêri (Ce), xamari (Sm),. . . 1.3- Cấu tạo mạng tinh tinh thể và hạt kim loại 1.3.1- Cấu tạo nguyên tử của kim loại Kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau. Một khối kim loại gồm các nguyên tử kim loại cùng loại hoặc khác loại tạo thành. Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp gồm: Hạt nhân mang điện dương ở giữa và các điện tử mang điện âm quay xung quanh hạt nhân đó. Hạt nhân bao gồm proton và nơtron. Khối lương của nguyên tử chủ yếu tập trung vào hạt nhân, vì khối lượng của các điện tử vô cùng bé không đáng kể so với khối lượng của hạt nhân. Số lượng điện tử trong mỗi nguyên tử đúng bằng số lượng proton trong hạt nhân của nguyên tử đó, do đó bình thường mỗi nguyên tử có tính chất trung hoà về điện vì số tích điện dương của hạt nhân đúng bằng số tích điện âm của các điện tử (các nơtron trong hạt nhân không tích điện). Số lượng điện tử của mỗi nguyên tố đúng bằng số thứ tự của nguyên tố đó trong bảng tuần hoàn. Trong số hơn 100 nguyên tố hoá học trong bảng tuần hoàn thì khoảng 80 nguyên tố là các kim loại. Các điện tử luôn luôn chuyển động quanh hạt nhân theo các quỹ đạo hình elip và được xếp thành các vành năng lượng khác nhau. Số điện tử càng nhiều số vành càng nhiều, nhưng với các nguyên tố đã phát hiện được hiện nay nguyên tố có số điện tử lớn nhất có số vành điện tử không quá 7. Các nguyên tố kim loại có đặc điểm là số điện tử ở vành ngoài cùng rất ít (2 hoặc 3), có liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi sức hút của hạt nhân để di chuyển tự do trong toàn khối kim loại và được gọi là điện tử tự do. Điện tử tự do là một đặc điểm nổi bật của cấu tạo kim loại. Nhờ có điện tử tự do mà kim loại có các tính chất độc đáo khác với các vật liệu phi kim loại như tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, tính dẻo cao v.v 1.3.2- Cấu tạo tinh thể của kim loại Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, nghĩa là các nguyên tử kim loại luôn luôn sắp xếp theo những hình hình học không gian nhất định gọi là mạng tinh thể không gian, gọi tắt là mạng tinh thể. Trên hình 2-1 biểu diễn một phần của mạng tinh thể. Mạng tinh thể của kim loại có nhiều kiểu khác nhau. Phần nhỏ nhất biểu diễn đặc trưng cho một kiểu mạng tinh thể gọi là ô cơ bản . thí dụ trên hình 2 -2 biểu diễn các kiểu mạng lập phương tâm khối (còn gọi là lập phương thể tâm), lập phương tâm mặt (lập phương thể tâm) và sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt). Trong các hình dưới, mỗi vòng tròn nhỏ biểu diễn cho một nguyên tử kim loại. Vị trí có nguyên tử kim loại gọi là nút mạng. Một mặt phẳng chứa các nguyên tử gọi là mặt mạng hay mặt tinh thể. Hình 1.1 – Mạng tinh thể không gian của kim loại Hình 1.2 – Các kiểu mạng của kim loại Nhiều mặt tinh thể xếp liên tục với nhau tạo thành mạng không gian. Khi kim loại nóng chảy thì sự sắp xếp theo mạng tinh thể sẽ bị phá vỡ, ngược lại khi đông đặc thì mạng tinh thể sẽ được thành lập. Do đó quá trình đông đặc của kim loại còn gọi là quá trình kết tinh. Đa số các kim loại từ nhiệt độ thường khi nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy kiểu mạng tinh thể không thay đổi. Nhưng có một số kim loại có tính đặc biệt là ở trạng thái rắn khi nung nóng đến một nhiệt độ nhất định (chưa đạt đến nhiệt độ nóng chảy) thì chuyển sang một kiểu mạng tinh thể khác. Tính chất đó gọi là tính thù hình (hay tính dị hình). Mỗi kiểu kiểu mạng tinh thể ở một khoảng nhiệt độ nhất định của các kim loại đó gọi là một dạng thù hình. Thí dụ nguyên tố sắt (Fe) ở nhiệt độ thường có mạng lập phương tâm khối gọi là Fe (đọc là sắt an-pha), nhưng khi nóng đến 911oC nó chuyển sang kiểu mạng lập phương tâm mặt gọi là Fe (đọc là sắt gam-ma). Khi nóng đến 1399oC nó lại chuyển về kiểu mạng lập phương tâm khối nhưng được gọi là Fe (đọc là sắt đen -ta) và giữ nguyên kiểu mạng này cho đến khi nóng chảy. Như vậy sắt có 2 kiểu mạng là lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối hay còn gọi là 2 dạng thù hình của sắt là lập phương tâm mặt và lập phương tâm khối. 1.3.3- Cấu tạo hạt của kim loại Trong kim loại thực tế sự sắp xếp mạng tinh thể bên trong kim loại không phải luôn luôn đồng nhất. Tuỳ huộc đặc điểm của quá trình kết tinh hoặc các phương pháp gia công khác nhau, các mặt tinh thể trong mạng không gian không phải luôn luôn song song với nhau mà thường có dạng như hình 2-3. Do đó một phần tinh thể có sự sắp xếp tương đối đồng nhất với nhau, được giới hạn trong một khối hẹp như trên hình vẽ, gọi là một hạt. Kích thước một hạt có thể to nhỏ rất khác nhau tuỳ thuộc quá trình gia công như quá trình làm nguội khi đúc, quá trình biến dạng khi cán, kỹ thuật biến tính khi nấu luyện, v.v. . .Kích thước hạt của kim loại có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của kim loại và hợp kim. Thí dụ hạt càng nhỏ độ bền và độ dai va đập của kim loại càng cao. Nếu sau một quá trình gia công nhất định khi đúc, rèn, cán, dập kim loại có một kích thước hạt nhất định. Có thể thay đổi kích thước hạt đó mà không muốn thay đổi kích thước hoặc hình dáng bên ngoài của sản phẩm người ta có thể dùng các phương pháp nhiệt luyện để cải thiện độ hạt. Hình 1.3 -: Cấu tạo của kim loại 1.4- Cách đánh giá cơ tính của kim loại Cơ tính của kim loại được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau: 1.4.1- Độ bền. Độ bền là khả năng chống biến dạng của kim loại khi nó chịu tác dụng một lực nhất định. Để đo độ bền kim loại người ta phải chế tạo mẫu thử theo kích thước quy định và thử trên các máy thử chuyên dùng như máy kéo nén, máy thử mỏi, máy thử xoắn Trên hình 1-4 là máy thử độ bền. Tuỳ thuộc phương pháp thử, độ bền được chia thành các loại sau: Hình 1 – 4: Máy thử độ bền Độ bền kéo ký hiệu K , đơn vị đo lường là N/mm2 (đọc là Niu-tơn trên milimet vuông) hay MPa (đọc là mêga pascal). Đơn vị đo lường cũ là KG/mm2 (1 KG/mm2=9,81N/mm2) Độ bền nén ký hiệu n Độ bền uốn ký hiệu u Độ bền xoắn ký hiệu x Độ bền mỏi ký hiệu -1 1.4.2- Độ cứng Về bản chất, độ cứng và độ bền là giống nhau, chỉ khác ở phương pháp đo. Khi đo độ bền dùng mẫu riêng và phá huỷ toàn bộ mẫu, còn khi đo độ cứng chỉ đo tại một vài điểm trên mẫu và không phá huỷ mẫu. Tuỳ theo phương pháp đo, độ cứng có các loại thông dụng sau: Hình 1 – 5: Máy thử độ cứng -Độ cứng Brinen (Brinelle) ký hiệu HB. Máy đo độ cứng Brinen như trên hình 2-5 chỉ dùng để đo các kim loại mềm (chưa tôi cứng) có chiều dày mẫu lớn hơn 30mm. -Độ cứng Rốc-oeo (Rockwell)ký hiệu HR. Máy đo độ cứng Rốc-oeo như trên hình 2-6 có 3 thang đo: thang thứ nhất ký hiệu HRB dùng để đo vật liệu mềm giống như vật đo trên máy Bri-nen, nhưng trên máy Rốc-oeo có thể đo được mẫu chiều dày lớn hơn 5mm. Thang thứ 2 ký hiệu HRC dùng để đo vật liệu cứng (thép đã tôi) các mẫu có chiều dày lớn hơn 3mm. Thang thứ 3 ký hiệu HRA dùng để đo vật liệu rất cứng có chiều dày lớn hơn 2mm. -Độ cứng Vích-ke (Vickers) ký hiệu HV. Máy đo độ cứng Vích-ke như trên hình 2-7 dùng để đo các vật liệu cứng hoặc mềm nhưng có chiều dày nhỏ hơn 3mm nhưng phải lớn hơn 0,5mm. Với những tấm kim loại rất mỏng dùng phương pháp đo độ cứng tế vi trên các kính hiển vi ký hiệu H . (thường chỉ dùng trong các phòng thí nghiệm). 1.4.3-Độ dẻo Độ dẻo là khả năng biến dạng của kim loại khi tác dụng lên nó một lực nhất định. Độ dẻo được đánh giá bằng hai chỉ tiêu: -Độ dãn dài (tương đối) ký hiệu % (đọc là đen-ta) tính theo phần trăm. -Độ thắt (tỷ đối) ký hiệu % (đọc là pxi) tính theo phần trăm. 1.4.4- Độ dai va đập Độ dai va đập là khả năng chống biến dạng của kim loại khi chịu tác dụng của lực động (lực va đập). Độ dai va đập ký hiệu aK, đơn vị đo lường là J/cm2(đọc là jun trên xăngtimet vuông). Đơn vị đo lường cũ là KGm/cm2. 1KGm/cm2= 98,1 J/cm2. Đo độ dai trên máy thử độ dai va đập . Khi đánh giá tính chất của kim loại, ngoài việc đánh giá theo cơ tính, người ta còn đánh giá kim loại theo các tính chất vật lý, tính chất hoá học và trong ngành cơ khí còn đánh giá bằng tính công nghệ. Tính công nghệ của kim loại là khả năng có thể gia công bằng phương pháp nào là tốt. Tính công nghệ của kim loại gồm: tính đúc, tính hàn, tính chịu gia công áp lực, tính chịu cắt gọt, tính chịu nhiệt luyện. Các tính chất này thường được nghiên cứu trong các giáo trình công nghệ gia công của từng phương pháp. Câu hỏi ôn tập 1 -Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại là gì? Vẽ các ô cơ bản của các kiểu mạng tinh thể đó. 2 -Tính thù hình là gì? Trình bày tính thù hình của sắt. 3 -Viết ký hiệu và đơn vị đo lường của độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai va đập. CHƯƠNG 2 HỢP KIM SẮT- CACBON Cho biết cấu tạo và cơ tính của hợp kim Fe –C thong qua giản đồ trạng thái và cách sử dụng nó. Nắm rõ được qúa trình sản xuất thép và gang. Mục tiêu: - Hiểu được khái niệm về giản đồ trạng thái nói chung. - Nắm được các tổ chức một pha, hai pha, điểm, đường tới hạn trên giản đồ trạng thái. - Biết cách sử dụng giản đồ. - Biết được quá tình sản xuất thép và gang. 2.1- Phân loại hợp kim sắt - cacbon Hợp kim sắt-cacbon (có thể viết là hợp kim Fe-C) là hợp kim của 2 nguyên tố chủ yếu là sắt (Fe) và cacbon (C), trong đó hàm lượng cacbon thay đổi không quá 6,67%, nhưng trong thực tế chỉ sử dụng không quá 4%C. Tùy thuộc hàm lượng cacbon trong hợp kim người ta chia ra: Thép là hợp kim Fe-C trong đó lượng C không quá 2%, còn gang là hợp kim Fe-C chứa lớn hơn 2%C. Trong thực tế, thành phần của thép và gang không phải chỉ có 2 nguyên tố Fe và C, mà thường còn chứa nhiều nguyên tố khác nữa. Trong bất kỳ loại thép hay gang nào cũng đều có chứa 4 nguyên tố tạp chất là: S (lưu huỳnh), P (phốt pho), Mn (mangan ), Si (silic). Tạp chất lưu huỳnh trong thép làm cho thép có tính dòn nóng, do đó khi luyện thép người ta phải khử lưu huỳnh bằng ferô mangan (FeMn) để giảm lượng S trong thép còn không quá 0,05%. Trong các thép chất lượng cao của các nước có nền công nghiệp luyện kim tiên tiến người ta quy định lượng lưu huỳnh cho phép không quá 0,02%. Trong các thép chất lượng không cao, khi dùng để chế tạo các chi tiết không quan trọng, để tăng tốc độ cắt gọt trên máy tiện tự động, người ta cho lượng S có thể tăng lên đến 0,10-0,12% và các thép đó được gọi là thép tự động. Lưu huỳnh trong gang cũng làm tăng tính dòn nóng nhưng cho phép hàm lượng S có thể đến 0,10-0,15%. Tạp chất phốt pho trong thép làm cho thép có tính dòn lạnh. Hàm lượng P cho phép trong các thép thông thường không quá 0,05%. Khi luyện thép, để giảm lượng P trong thép người ta có thể dùng nhiều biện pháp khác nhau nhưng đều phải luyện trong lò có tính kiềm vì phải sử dụng nhiều đá vôi. Khi lượng P trong thép cao, cơ tính của thép giảm, nhưng tính chịu cắt gọt lại dễ hơn nên có thể thay thép có S cao bằng thép có P cao (0,12-0,15%P) để làm thép tự động. Phốt pho ở trong gang cho phép đến 0,2%, đôi lúc có thể đến 0,5%. Sở dĩ P trong gang có lúc cho phép cao là vì ngoài tác dụng xấu làm giảm cơ tính của gang, P lại có tác dụng khác theo chiều hướng tốt là tạo một tổ chức bên trong gọi là cùng tinh 2 nguyên làm tăng tính chống mài mòn của gang và làm tăng tính chảy loãng cho gang. Tạp chất mangan và silic trong thép làm cho thép bền hơn nhưng cũng dòn hơn. Hàm lượng của chúng thường được giới hạn trong khoảng 0,35-0,4% Si và 0,5-0,8% Mn. Các tạp chất Si và Mn có trong thép là do khi luyện người ta cho ferô silic vào lò hoặc cho vào thùng rót để khử oxy, cho ferô mangan vào lò để khử lưu huỳnh. Sau các phản ứng hóa học tạo thành xỉ nổi lên mặt kim loại lỏng, một lượng Si và Mn rất nhỏ còn lại hòa tan trong thép đóng vai trò tạp chất. Trong trường hợp lượng Si trong thép cao hơn 1% và Mn cao hơn 1,1% thì lúc đó Mn và Si được gọi là nguyên tố hợp kim. Nếu trong thép ngoài Fe và C, chỉ có các nguyên tố tạp chất S, P, Mn, Si thì thép đó gọi là thép các bon. Nếu ngoài 6 nguyên tố trên còn có thêm các nguyên tố khác dưới dạng các nguyên tố hợp kim thì gọi là thép hợp kim. 2.2- Giản đồ trạng thái sắt - cacbon Thép và gang là hợp kim của sắt và cacbon. Muốn nghiên cứu sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp kim sắt-cacbon khi nhiệt luyện cần phải nghiên cứu một loại đồ thị gọi là giản đồ trạng thái của hợp kim sắt-cacbon. Qua giản đồ này chúng ta có thể biết được các quy luật về sự kết tinh, những thay đổi bên trong của hợp kim khi nung nóng và làm nguội gọi là các chuyển biến khi nhiệt luyện. Thông qua giản đồ này ta có thể xác định các chế độ nung nóng khi đúc, rèn, dập nóng, khi nhiệt luyện. Giản đồ trạng thái Fe-C được biểu diễn trên một mặt phẳng bằng một toạ độ kép mà trục tung chỉ sự thay đổi của nhiệt độ, còn trục hoành chỉ sự thay đổi thành phần cacbon của hợp kim như trên hình 3-1. Hình 2.1- Giản đồ trạng thái sắt - cacbon Trên trục tung bên trái, nhiệt độ 1539oC (điểm A) chỉ nhiệt độ nóng chảy của sắt nguyên chất. Trên trục tung bên phải điểm D chỉ nhiệt độ nóng chảy của xêmentit (1227oC). Trên trục hoành số 6,67% chỉ tỷ lệ cacbon trong hợp chất xêmentit. Tuỳ thuộc tỷ lệ cacbon trong hợp kim và ở các nhiệt độ khác nhau, sắt và cacbon kết hợp với nhau tạo thành các loại pha khác nhau. Sắt và cacbon là các nguyên tố mà ở trạng thái rắn chúng luôn luôn ở trạng thái tinh thể, nghĩa là các nguyên tử của chúng luôn được sắp xếp theo những hình hình học nhất định gọi là mạng tinh thể. Khi chúng kết hợp với nhau để tạo thành hợp kim, các cấu tạo của hợp kim cũng phải ở dạng các mạng tinh thể. Sắt nguyên chất ở nhiệt độ thường có kiểu mạng lập phương tâm khối như hình 1-2a, gọi là sắt an-pha (Fe ). Nhưng khi nhiệt độ tăng đến 911oC sắt lại chuyển thành kiểu mạng lập phương tâm mặt như trên hình 1-2b gọi là sắt gam-ma (Fe ). Cacbon trong hợp kim Fe-C có thể ở 2 dạng: -Graphit là cacbon ở dạng nguyên chất có mạng lục giác như hình 3-2 Hình 2.2- Mạng tinh thể Graphit -Xêmentit là hợp chất hoá học của sắt và cacbon có công thức Fe3C, trong đó lượng cacbon chiếm tỷ lệ 6,67%, trên giản đồ ký hiệu là Xê. Nếu trong Fe có hoà tan một ít cacbon (thực tế không đáng kể) gọi là dung dịch rắn ferit (trên giản đồ ký hiệu là F). Ở nhiệt độ trên 727oC, Fe hòa tan cacbon với một lượng từ 0 đến 2,14% được gọi là dung dịch rắn auxtênit (trên giản đồ ký hiệu là A). Trong hợp kim Fe-C ở nhiệt độ thấp hơn 727oC khi thành phần cacbon bằng 0,8% sẽ tạo thành một tổ chức hỗn hợp gọi là peclit (trên giản đồ ký hiệu là P). Đây là tổ chức gồm các tấm ferit và các tấm xêmentit nằm xen kẽ nhau gọi là peclit tấm như ở hình 3-3. Khi trong hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 2% thường tạo thành một tổ chức hỗn hợp gọi là lêđêburit như trên hình 3-4. Trong tổ chức lêđêburit hàm lượng cacbon chiếm 4,3%. Hình 2.3- a. Tổ chức peclit tấm, b. Tổ chức Ledepuit Lêđêburit là tổ chức gồm các hạt peclit phân bố trên nền xêmentit. Trên giản đồ trạng thái Fe-C đường ACD gọi là đường lỏng nghĩa là tất cả mọi thành phần hợp kim khi ở nhiệt độ cao hơn đường lỏng đều nóng chảy hoàn toàn. Đường AECF gọi là đường đặc nghĩa là mọi thành phần của hợp kim khi ở nhiệt độ thấp hơn đường đặc đều đã được kết tinh và ở trạng thái rắn. Như vậy với một thành phần hợp kim bất kỳ khi nung nóng đến nhiệt độ tương ứng với đường đặc sẽ bắt đầu nóng chảy, nhưng khi đạt đến nhiệt độ tương ứng với đường lỏng thì hợp kim mới chảy lỏng hoàn toàn. Thí dụ: nếu các đường cong trên giản đồ là chính xác (thực tế là chưa chính xác lắm) thì với hợp kim có thành phần 1%C, khi nung nóng đến 1400oC nó sẽ bắt đầu nóng chảy, nhưng đến khoảng 1470oC (thực tế khoảng 1490oC) mới nóng chảy hoàn toàn. Giản đồ trạng thái Fe-C được chia thành 2 khu vực: Các hợp kim có thành phần nhỏ hơn 2,14%C (bên trái điểm E) gọi là thép, các hợp kim có thành phần lớn hơn 2,14%C (bên phải điểm E) gọi là gang. Hợp kim có thành phần đúng bằng 0,8%C gọi là thép cùng tích, cấu tạo bên trong được thể hiện trên kính hiển vi gọi là tổ chức tế vi gồm có các hạt peclit như trên hình 2-3. Các thành phần hợp kim nhỏ hơn 0,8%C gọi là thép trước cùng tích có tổ chức gồm các hạt peclit và các hạt ferit như trên hình 3-5. Các thành phần hợp kim lớn hơn 0,8%C gọi là thép sau cùng tích có tổ chức gồm các hạt peclit và lưới xêmentit bao quanh như trên hình 3-6. Các hợp kim có thành phần từ 2,14 đến 4,3%C gọi là gang trước cùng tinh có tổ chức gồm lêđêburit+peclit+xêmentit II như trên hình 7-7, hợp kim có thành phần lớn hơn 4,3%C gọi là gang sau cùng tinh, có tổ chức gồm lêđêburit+xêmentit I như trên hình 8-8 , thành phần đúng bằng 4,3%C gọi là gang cùng tinh gồm toàn tổ chức lêđêburit như trên hình 3-4 Hình 2.4- a. Tổ chức thép trước cùng tích b. Tổ chức thép sau cùng tích, c. Tổ chức gang trước cùng tinh, d. Tổ chức gang sau cùng tinh. 2.3- Thép cacbon và thép hợp kim 2.3.1- Thành phần thép hợp kim - Trong thép cacbon ngoài nguyên tố chính là Fe thì nguyên tố cacbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng nhất. Khi thành phần cacbon thay đổi tính chất của thép sẽ thay đổi. Hàm lượng cacbon trong thép cacbon thay đổi từ 0,05 đến 1,3%. Các nguyên tố tạp chất: S- giới hạn không quá 0,05% P- giới hạn không quá 0,05% Si- Trong các thép cacbon thông thường lượng Si thường chiếm khoảng 0,5%, nhưng trong thép sôi lượng Si chỉ được phép không quá 0,07%. Mn- thường chiếm khoảng 0,5 - 0,8% 2.3.2- Phân loại và ký hiệu thép cacbon Có nhiều cách phân loại thép cacbon khác nhau: 2.3.2.1- Phân loại theo phương pháp luyện gồm có: -Thép lò chuyển là thép được luyện trong các lò chuyển như lò Betxme, lò Tô mát, lò LD. Các thép này có chất lượng không cao do thời gian luyện ngắn, khó điều chỉnh chính xác thành phần và khó khử triệt để các tạp chất. -Thép lò bằng hay lò Máctanh. Thép này có chất lượng cao. -Thép lò điện là thép được luyện trong lò điện hồ quang hay lò điện cảm ứng. Đây là các loại thép chất lượng cao. Phương pháp lò điện thường dùng để luyện các thép hợp kim và thép đặc biệt. 2.3.2.2- Phân loại theo phương pháp khử oxi có: -Thép sôi là thép không được khử oxy do đó trong cấu tạo của thỏi thép đúc có nhiều bọt khí (rỗ khí ), nhưng các rỗ này sau khi cán nóng sẽ được hàn lại. Ưu điểm của thép này là độ dẻo rất cao do lượng silic rất thấp. Thép này thường dùng để cán thành thép tấm, nhất là cán thành thép tấm mỏng sử dụng trong công nghệ dập nguội sâu. -Thép lắng là thép được khử oxi triệt để do đó có chất lượng cao, nhưng do có nhiều silic nên có độ dẻo thấp. 2.3.2.3- Phân loại theo các dạng sản phẩm cán (xem mục 3.5.3.3) 2.3.2.4- Phân lọai theo công dụng có : - Thép công trình hay thép xây dựng - lọai này thường có chất lượng thường. - Thép kết cấu - là thép có chất lượng cao. - Thép dụng cụ - là thép có chất lượng cao. 2.3.2.5- Các lọai thép cacbon chuyên dùng - Thép lá để dập nguội. - Thép đường ray. 2.3.2.6- Ký hiệu thép cacbon. Theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN-1659-75 thép cacbon được ký hiệu theo 3 nhóm bằng các chữ cái đứng đầu là : CT : Thép caccbon thông thường (có chất lượng thường) C : Thép cacbon chất lượng (có chất lượng cao). CD: Thép cacbon dụng cụ (có chất lượng cao). Theo TCVN 1765- 75 thép các bon thông thường được ký hiệu theo các mác sau: CT31 CT33n CT33n CT33 CT34s CT34n CT34 CT38s CT38n CT38Mn CT42s CT42n Theo tiêu chuẩn này của TCVN, 2 chữ số đứng sau chữ CT chỉ giới hạn bền kéo của thép đó tính theo đơn vị KG/mm2. Chú thích: Theo TCVN: s = sôi; n = nửa lắng; không có s,n = lắng. Theo tiêu chuẩn của Nhật (JIS) nhóm thép này gần với các mác của JIS G3101-87 như sau: JIS G3101-87 TCVN 1765-75 SS330 CT34 SS400 CT38 và CT42 SS490 CT42 và CT51 SS540 CT51 và CT61 .Theo TCVN 1766-75 thép kết cấu chất lượng (cao) được ký hiệu bắt đầu bằng chữ C, tiếp theo là 2 chữ số biểu diễn phần vạn cacbon (x0,01%C); nếu là thép sôi đằng sau thêm chữ s, nếu có lượng Mn cao (0,70~1,00% so với thép thường lượng Mn chỉ 0,50~0,80%) thì thêm chữ Mn. Thí dụ: C5s có ≤0,06%C ≤0,04%Mn ≤0,03%Si C15s 012-0,19 0,25-0,50 ≤0,07 C15Mn 012-0,19 0,70-1,00 0,17-0,37 .Theo TCVN 1822-76 thép cacbon dụng cụ được ký hiệu bắt đầu bằng chữ CD tiếp đến bằng 2 hoặc 3 chữ số chỉ lượng cacbon tính theo phần vạn (x 0,01%) TCVN 1822-76 OCT 1435-74 CD70 Y7 CD70A Y7A CD80 Y8 CD80 Y8 CD80Mn CD80MnA Ngoài ra trong nhóm thép cacbon, một số nước còn phân thêm vài loại thép khác mà hiện nay ở Việt nam có sử dụng như thép dễ cắt, thép đường ray, thép lá dập nguội. Thép dễ cắt là loại thép cacbon có hàm lượng lưu hỳnh và phốt pho cao hơn bình thường. Các thép này do có lượng S và P cao n... Nắm được ký hiệu tính chất , công dụng của các loại hợp kim màu trong ngành cơ khí . 3.1 –Đặc điểm và tính chất của hợp kim màu. Trong công nghiệp hiện đại , kim loại màu ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng, vì nó có những tính chất đặc biệt mà kim loại đen khó có thể so sánh được: -Kim loại màu có nhiều nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy không cao, do đó dễ dàng đúc thành các chi tiết phức tạp. -Đa số kim loại màu có tính dẻo cao, nên dễ kéo dài, dát mỏng, rèn, dập, -Cơ tính của kim loại màu tuy không cao bằng thép, nhưng cũng không thấp lắm, nên có khả năng chống mài mòn tốt. -Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt hơn sắt, một số có tính sắt từ (như Co, Ni), một số có tính phóng xạ (như rađi, uran) được dùng trong công nghiệp năng lượng nguyên tử. -Một số có tính chống ăn mòn hoá học tốt, không bị sét rỉ, được dùng nhiều trong công nghiệp hoá học. Sau đây chúng ta nghiên cứu một số kim loại màu thông dụng. 3.2- Đồng và hợp kim đồng 3.2.1- Đồng nguyên chất Còn gọi là đồng đỏ vì nó có màu đỏ. Khối lượng riêng 8,93 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1083oC. Đồng nguyên chất có tính dẫn điện cao (chỉ thua bạc), tính dẫn nhiệt cũng rất cao. Độ bền và độ cứng không cao, nhưng tính dẻo rất cao nên gia công đồng đỏ bằng các phương pháp gia công áp lực là rất thuận lợi. Tính đúc của đồng đỏ không cao vì ở trạng thái lỏng đồng hoà tan khí rất mạnh, đúc dễ bị rỗ (bọt). Độ chảy loãng không cao. Do đó đồng đỏ ít dùng ở trạng thái đúc. Tính cắt gọt của đồng đỏ không cao vì rất dẻo, khi dũa dễ bị phoi dính răng dũa, khó dũa. Đồng đỏ bền trong các môi trường kiềm, nhưng dễ bị ăn mòn trong các môi trường axit.. Đồng đỏ thường dùng làm dây dẫn điện, một số linh kiện điện cố định, không tháo mở thường xuyên vì đồng đỏ có tính chống mài mòn do ma sát kém. Trong công nghiệp cơ khí thường dùng hợp kim đồng là latông và brông. Hình 3.1- Đồng nguyên chất 3.2.2- Latông hay còn gọi là đồng thau. Là hợp kim của đồng và kẽm (Zn). Thành phần kẽm chứa trong latông thường không quá 45%. (hợp kim latông để làm que hàn có thành phần kẽm trên 45%). Nếu hợp kim latông có thành phần Zn dưới 39% thì gọi là latông 1 pha. Latông 1 pha rất dẻo, dễ kéo, dập nguội, dập nóng nhưng có tính chống mài mòn kém. Do đó latông 1 pha không nên dùng làm các chi iết dễ mòn như bu lông, đai ốc, cầu dao điện. Các loại chi tiết này nên dùng loại latông 2 pha, là loại có thành phần kẽm từ 40-43%. Latông 1 pha thường dùng để chế tạo các chi tiết dạng vỏ và gia công chủ yếu bằng phương pháp rèn hoặc dập nguội. Latông 2 pha có thể gia công bằng cắt gọt, đúc và hiếm hơn bằng gia công áp lực. Trong latông, ngoài 2 nguyên tố chính là Cu và Zn, người ta có thể cho thêm một số nguyên tố khác như nhôm (Al), niken (Ni), mangan (Mn), thiếc (Sn), để cải thiện một số tính chất cho hợp kim latông. Ký hiệu latông theo TCVN có chữ L đứng đầu, sau đó là ký hiệu của các nguyên tố. Thành phần của mỗi nguyên tố là chữ số đứng sau ký hiệu của nguyên tố đó. Thí dụ: LCuZn30 có 30% Zn còn lại là Cu. LCuZn29Sn1 có 29% Zn; 1% Sn còn lại là Cu. LCuZn27Ni18 có 27% Zn; 18% Ni còn lại là Cu. Theo đó ký hiệu các hợp kim latông như sau: Theo TCVN Theo ???? LCuZn30 ?70 LCuZn29Sn1 ?O70-1 LCuZn27Ni18 ?H55-18 LCuZn38Sn2Pb2 ?OC58-2-2 Hình 3.2 – Đồng thau 3.2.3- Brông Hay còn gọi là đồng thanh (lưu ý rằng loại đồng thanh thiếc có người gọi theo cách gọi của các nhà khảo cổ học là "đồng thau", trùng tên với hợp kim của đồng với kẽm ). Là hợp kim của đồng với các nguyên tố không phải là kẽm. Thí dụ :hợp kim Cu-Sn, Cu-Pb, Cu-Al, Cu-Ni, Cu-Be Ký hiệu hợp kim brông theo TCVN đứng đầu có chữ B, tiếp theo tương tự như kí hiệu cho latông. Thí dụ: TCVN thành phần các nguyên tố BCuSn5Zn5Pb5 5%Sn; 5%Zn; 5%Pb còn lại là Cu BCuAl9Fe4 9%Al; 4%Fe còn lại là Cu BCuSn3Zn7Pb5Ni1 3%Sn; 7%Zn; 5%Pb; 1%Ni còn lại là Cu 3.2.3.1- Brông thiếc Hợp kim brông thiếc là hợp kim của đồng và thiếc. Khi có thành phần của thiếc nhỏ hơn 8% gọi là brông 1 pha. Brông thiếc 1 pha rất dẻo. Khi hàm lượng thiếc trong brông lớn hơn 8% gọi là brông 2 pha. Brông thiếc 2 pha tương đối dòn. Brông này dùng ở trạng thái đúc là tốt nhất. Mặt khác brông thiếc có trên 8%Sn có tính chống mài mòn tốt nên dùng làm ổ trượt. Ơ nhà máy chế tạo động cơ của Việt Nam, người ta thường dùng brông thiếc để chế tạo bạc lót chốt pit-tông ô tô và máy kéo. Brông thiếc có thành phần <8%Sn có tính truyền âm xa nên thường dùng đúc thành các nhạc cụ như chuông, chiêng, cồng, trống đồng. Các loại kèn đồng cũng phải dùng brông thiếc có <8%Sn nhưng chế tạo bằng phương pháp gò, hàn, dập nguội. Bảng 3-1 : Công dụng một số mác brông thiếc: 3.2.3.2- Brông nhôm Là hợp kim của đồng và nhôm. Nhưng để cải thiện một số tính chất, người ta có thể cho thêm một số nguyên tố khác như mangan, sắt,niken làm cho brông đỡ dòn hơn. Đặc biệt niken làm cho brông có tính bền nhiệt. Brông nhôms có thể nhiệt luyện bằng cách tôi ở 900OC trong nước và ram ở 650OC trong 1,5 giờ, cơ tính sẽ tăng lên rõ rệt. Brông nhôm có tính chống mài mòn và chịu ăn mòn trong nước biển tốt hơn brông thiếc nhiều, giá thành lại rẻ hơn. Tuy nhiên nhược điểm của brông nhôm là có độ co ngót khi đúc lớn, dễ gãy, nứt và khó hàn Bảng 3-2 Công dụng của một số mác brông nhôm: 3.2.3.3- Brông chì Là hợp kim của đồng và chì với lượng chì thường được sử dụng từ 25-30%. Hợp kim đồng chì có tính chống ăn mòn cao, nhưng khó đúc và có tính thiên tích về trọng lượng lớn (khối lượng riêng của Cu là 8,93 trong lúc đó của Pb là 11,34). Thường được sử dụng làm ổ trượt trong động cơ đốt trong. Ký hiệu brông chì là BCuPb30 , BCuPb25 Ngoài ra trong công nghiệp còn dùng một số loại brông khác như brông silic, brông bêrili, brông niken 3.3- Nhôm và hợp kim nhôm 3.3.1- Nhôm nguyên chất Nhôm nguyên chất có màu trắng sáng. Khối lượng riêng 2,7 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy 660oC. Nhôm có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, chỉ kém sau bạc và đồng. Để trong không khí lâu nhôm không bị rỉ, nhưng khi tiếp xúc với môi trường ẩm có tính axit hay kiềm nhôm dễ bị ăn mòn. Nhôm nguyên chất có tính dẻo cao, nhưng độ bền thấp, do đó nhôm nguyên chất chỉ dùng chế tạo các chi tiết vỏ, bao bì, dụng cụ gia đình, hoặc làm vật liệu kĩ thuật điện như dây dẫn, các linh kiện điện. Để chế tạo các chi tiết máy thường dùng hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm chia làm hai loại: hợp kim nhôm đúc và hợp kim nhôm biến dạng Hình 3.3 – Nhôm và hợp kim nhôm 3.3.2- Hợp kim nhôm đúc. Hợp kim nhôm đúc là các loại hợp kim chế tạo thành sản phẩm bằng phương pháp đúc, sau khi gia công cơ khí cho làm việc cũng ở trạng thái đúc. Hợp kim nhôm đúc thông dụng nhất là các hợp kim hệ Al-Si có tên gọi là hợp kim silumin (tên gọi tắt của hai chữ silic và alumin). Thường dùng các hợp kim có thành phần Si từ 5 đến 20%, trong đó các hợp kim có lượng Si trong khoảng 12-13% có tính đúc tốt nhất vì có độ chảy loảng cao tuy độ bền có thấp hơn một ít so với các thành phần khác. Nếu cho thêm một ít Mg (0,3-1%) độ bền và tính chống ăn mòn được cải thiện. Cho thêm 3-5% Cu trong lúc có Mn cơ tính sẽ cao hơn nhiều mà tính đúc vẫn tốt. Hợp kim loại này như mác hợp kim AlSi12CuMg1Mn0,6Ni1Đ (chữ Đ nghĩa là đúc) thường dùng để đúc pit- tông ô tô máy kéo. Mác nhôm này có hệ số dãn nở nhỏ, chịu nóng tương đối tốt. Để chế tạo các chi tiết đúc khác như thanh truyền, vỏ máy, bánh răng, người ta dùng hợp kim có lượng Si thấp hơn (từ 5-8% Si). 3.3.3- Hợp kim nhôm biên dạng. Hợp kim nhôm biến dạng là các hợp kim nhôm chế tạo thành sản phẩm bằng phương pháp gia công áp lực như rèn, dâp, cán. Sau đó nhiệt luyện để nâng cao độ bền. Hệ hợp kim điển hình thường dùng nhất của nhóm này là hệ Al- Cu-Mg có tên là hợp kim dura, trong đó có 2,5- 6%Cu; 0,4-2,8%Mg, 0,4-1%Mn. Bảng 5-3 nêu thành phần của một số hợp kim đura Hợp kim đura có cơ tính cao, từ 200-500 MPa (20-50 KG/mm2 ),thường dùng để chế tạo các chi tiết chịu lực trong công nghiệp hàng không, ô tô, tàu thuỷ Câu hỏi ôn tập Câu 1 -Phân biệt về thành phần hoá học giữa đồng đỏ, đồng thanh (Brông) và đồng thau (Latông) Câu 2 -Cách ký hiệu các loại hợp kim đồng theo TCVN Câu 3 -Nêu 3 ứng dụng cụ thể cho từng loại latông và brông thiếc, brông chì. Câu 4 -Nêu ký hiệu và công dụng các loại hợp kim cứng dùng làm dụng cụ cắt gọt Câu 5 -Nêu ký hiệu và công dụng các loại hợp kim chống ma sát (làm ổ trượt) CHƯƠNG 4 NHIỆT LUYỆN Cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về nhiệt luyện để từ đó biết cách lập quy trình nhiệt luyện của các phương pháp nhiệt luyện thích hợp với các yêu cầu kỹ thuật cho từng sản phẩm cơ khí. Mục tiêu Hiểu và nắm chắc khái niệm về nhiệt luyện Hiểu và biết cách chọn các phương pháp nhiệt luyện 4.1- Một số khái niệm về nhiệt luyện 4.1.1- Định nghĩa và tác dụng của nhiệt luyện Nhiệt luyện là một dạng gia công cơ khí bằng cách nung nóng kim loại đến một nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt một thời gian rồi làm nguội với một tốc độ nhất định nhằm mục đích làm thay đổi tổ chức cấu tạo bên trong do đó thay đổi tính chất cơ lý của kim loại. Nhờ có nhiệt luyện mà kim loại trở nên dễ gia công hơn, làm tăng năng suất lao động của người thợ và năng suất gia công của máy. Nhờ nhiệt luyện mà tính chất của kim loại trở nên bền hơn, cứng hơn, hoặc có thể đạt được độ cứng cần thiết vừa phải làm cho các chi tiết máy có thể làm việc lâu dài, ít bị mòn, ít bị gãy ...Do đó máy móc càng hiện đại, cần làm việc với thời gian càng dài thì tỷ lệ số chi tiết máy trong mỗi máy cần nhiệt luyện phải càng cao. Nhiệt luyện có thể ứng dụng cho nhiều hợp kim khác nhau như thép, gang, hợp kim nhôm, hợp kim titan ...Ở đây chúng ta nghiên cứu chủ yếu là nhiệt luyện thép. 4.1.2- Giản đồ trạng thái sắt-cacbon Thép và gang là hợp kim của sắt và cacbon. Muốn nghiên cứu sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp kim sắt-cacbon khi nhiệt luyện cần phải nghiên cứu giản đồ trạng thái của hợp kim sắt-cacbon như trên hình 3-1. Trong chương nhiệt luyện này chúng ta chỉ nghiên cứu phần nhiệt luyện thép nghĩa là chỉ nghiên cứu các hợp kim sắt-cacbon có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2%. Do đó ở đây chúng ta chỉ xét đến phần giản đồ của thép như trên hình 7-1. Tuy nhiên, mặc dù không nghiên cứu kỹ thuật nhiệt luyện gang nhưng chúng ta vẫn có thể hiểu được kỹ thuật nhiệt luyện gang không khó vì về lý thuyết, nhiệt luyện gang và thép giống nhau, chỉ khác về công nghệ. Hình 4.1- giản đồ trạng thái Fe -C Để hiểu rõ những thay đổi bên trong hợp kim khi nung nóng và làm nguội khi nhiệt luyện thép, chúng ta chú ý quan hệ giữa các tổ chức peclit và auxtênit trên giản đồ. Ở điều kiện bình thường tổ chức auxtênit chỉ tồn tại trên 727oC (đường PSK), còn tổ chức peclit chỉ tồn tại dưới 727oC. Như vậy nếu thép ở nhiệt độ thường có tổ chức ban đầu là peclit thì khi nung nóng đến 727oC sẽ có sự thay đổi về tổ chức: peclit sẽ chuyển thành tổ chức auxtênit. Ngược lại khi ở trên 727oC, nếu thép có tổ chức ban đầu là auxtênit thì khi làm nguội đến 727oC sẽ có chuyển biến từ auxtênit thành peclit. Một điểm cần chú ý là: khả năng hoà tan của cacbon trong tổ chức auxtênit . Như trên đã nói: auxtênit là dung dịch rắn của cacbon trong Fe nghĩa là mạng tinh thể của Fe có khả năng chứa một lượng cacbon nhất định gọi là hoà tan cacbon. Khả năng hoà tan này thay đổi theo nhiệt độ. Ở 1147oC auxtênit có khả năng hoà tan 2,14%C ứng với điểm E, nhưng khi giảm nhiệt độ khả năng hoà tan cacbon trong auxtênit giảm dần cho đến nhiệt độ 727oC auxtênit chỉ còn hoà tan được 0,8%C, ứng với điểm S. Do đó đường ES gọi là đường giới hạn hoà tan của cacbon trong auxtênit. Như vậy nếu trong hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 0,8% và ở trạng thái auxtênit (cao hơn đường ES) mà giảm nhiệt độ thì đến nhiệt độ ứng với đường ES từ auxtênit sẽ tách ra một phần cacbon (do lớn hơn khả năng hoà tan) và tạo thành pha mới gọi là xêmentit II. Đường PSK trên giản đồ còn gọi là đường tới hạn A1, đường GS gọi là đường tới hạn A3, đường ES gọi là đường tới hạn Acm. Đây là các đường chỉ nhiệt độ thay đổi tổ chức bên trong giữa aux tênit, peclit, ferit và xêmentit khi nung nóng và làm nguội. Nhiệt độ này có thể thay đổi khi thay đổi tốc độ nung nóng và tốc độ làm nguội. Do đó nhiệt độ thay đổi thực tế khi nung nóng ứng với các đường này gọi là các đường Ac1, Ac3, Accm, còn khi làm nguội gọi là Ar1, Ar3, Arcm. 4.1.3- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện. Bất kỳ một hình thức nhiệt luyện nào cũng gồm 3 quá trình: nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội. Quá trình nung nóng được đánh giá bằng nhiệt độ nung nóng ký hiệu là tnung, quá trình giữ nhiệt được đánh giá bằng thời gian giữ nhiệt ký hiệu là Tgiữ, quá trình làm nguội được đánh giá bằng tốc độ làm nguội ký hiệu là VNguội .các yếu tố đó được biểu diển trên đồ thị hình 4-2. Hình 4.2- Qúa trình nung chi tiết khi nhiệt luyện 4.2- Các hình thức nhiệt luyện Căn cứ vào đặc điểm nung nóng, làm nguội và tính chất thay đổi khi nhiệt luyện, các hình thức nhiệt luyện được chia như sau : 4.2.1- Ủ 4.2.1.1- Mục đích. Ủ là hình thức nhiệt luyện gồm có nung nóng kim loại đến một nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian (gọi là giữ nhiệt) sau đó làm nguội chậm cùng với lò. Sau khi ủ, tổ chức tinh thể kim loại sẽ ổn định, nội lực (còn gọi là ứng suất bên trong) sẽ triệt tiêu, do đó độ cứng sẽ giảm. Ủ cũng là một phương pháp nhiệt luyện để cải thiện khả năng cắt gọt kim loại . 4.2.1.2- Các phương pháp ủ. Tùy theo mục đích và yêu cầu kỹ thuật, ủ được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau sau: -Ủ hoàn toàn là nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn đường Ac3 (đường GS) từ 20-30o, sau khi giữ nhiệt, làm nguội cùng lò cho tới khoảng 200-400oC mới kéo ra khỏi lò để nguội ngoài không khí. Trong quá trình nung nóng như vậy trong thép sẽ có quá trinh thay đổi như sau : Lúc đầu ở nhiệt độ thường trong thép có tổ chức gồm các hạt ferit (F) và peclit (P) có thể không đồng đều, hoặc bị biến dạng, biến cứng làm cho tính chất thép không ổn định. Khi nung nóng đến trên đường Ac3 hỗn hợp gồm hạt F+P sẽ chuyển thành auxtenit (A) và khi làm nguội auxtenit lại chuyển ngược thành (F+P) nhưng tổ chức sẽ ổn định hơn, hạt đều hơn và nhỏ hơn làm cho độ cứng giảm nhưng độ bền lại có thể tăng, dễ cắt gọt hơn. Độ cứng đạt được sau khi ủ không được cao hơn 200 HB. Tính nhiệt độ nung nóng để ủ áp dụng công thức t0nung = Ac3+(20-40)o. Thời gian giữ nhiệt tính theo công thức :Tgiữ =1 phút x S (S là đường kính hay chiều dày tính toán chi tiết máy, tính theo milimet). Tốc độ nguội không nhanh hơn 80-12Oo/giờ (bằng cách để nguội cùng với lò hay còn gọi là nguội theo lò). Phương pháp này thường dùng cho thép trước cùng tích (thép có %C, 0,8%) -Ủ đẳng nhiệt Để rút ngắn thời gian ủ và được tổ chức hạt mịn người ta dùng phương pháp ủ đẳng nhiệt. Cách tiến hành như sau: Nung nóng thép đến nhiệt độ Ac3 +(30~50)oC , giữ nhiệt tương tự như ủ hoàn toàn, sau đó đưa sang môi trường muối nóng chảy có nhiệt độ không đổi khoảng 630~650oC (gồm hỗn hợp muối diêm tiêu nóng chảy NaNO3, NaNO2, KNO2, KNO3), giữ trong muối này một thời gian phụ thuộc giản đồ chữ C cuả thép đó (giản đồ này biểu diễn trên hình 7-8) thường là không ít hơn 1 giờ (nếu nguội theo lò thì mất không dưới 8 giờ) sau đó lấy ra làm nguội ngoài không khí. Sau khi ủ ta sẽ được hạt ferit và peclit nhỏ mịn, đồng đều. -Ủ cầu hóa hay ủ để được xêmentit hạt. Tổ chức hạt peclit trong thép có thể ở 2 dạng: dạng peclit tấm như trên hình 3-3 trong đó gồm các hạt ferit và hạt xêmentit dạng tấm nằm xen kẽ nhau. Ở dạng này thép có độ bền cao nhưng độ dai va đập không cao. Để cải thiện tính chất cắt gọt và tăng tính chịu va đập cho thép, nhất là các dụng cụ chế tạo bằng thép dụng cụ cacbon, người ta có thể chuyển thép từ dạng peclit tấm thành peclit hạt nghĩa là hạt peclit trong thép gồm các hạt xêmentit hình cầu phân bố trên nền ferit như hình 7-3. Ủ để được peclit hạt gọi là ủ cầu hóa. Cách thực hiện như sau: Nung nóng thép đến nhiệt độ Ac1+20~40oC (750~770oC), giữ nhiệt theo chế độ thời gian 1 phút/1mm chiều dày chi tiết, sau đó làm nguội với chế độ như hình 6-4, nghĩa là từ 750oC nguội đến 690~700oC, giữ nhiệt độ 10~15 phút, lại nung lên 750oC, giữ nhiệt 10~15 phút, lại làm nguội và lặp đi lặp lại vài lần sau đó làm nguội đến dưới 500oC rồi lấy ra làm nguội ngoài không khí. -Ủ thấp hay còn gọi là ủ khử nội lực. Nung nóng thép đến nhiệt độ 650~680oC, giữ nhiệt khoảng 6~8 giờ, làm nguội theo lò. Phương pháp này dùng cho các chi tiết thép lớn sau khi rèn hoặc tiện với lượng ăn dao lớn mà bề mặt bị biến cứng (chai). Phương pháp này cũng có thể dùng cho các chi tiết đúc bằng gang xám mà khi đúc để nguội trong khuôn không đồng đều. Trong quá trình ủ tuy hạt không có gì thay đổi, nhưng ứng suất bên trong được giảm triệt để do đó tổ chức ổn định hơn, khả năng làm việc lâu dài hơn. -Thường hóa là nung nóng thép lên đến nhiệt độ trên Ac3 hay Accm +30~50oC, sau khi giữ nhiệt, kéo chi tiết ra khỏi lò làm nguội ngoài không khí. Khi thường hóa tốc độ làm nguội nhanh hơn khi ủ khoảng 2 lần nên độ cứng sẽ cao hơn và hạt thép sẽ mịn hơn. Do đó thường hóa chỉ dùng đối với thép cacbon có hàm lượng cacbon thấp hơn 0,30% để rút ngắn thời gian so với ủ, đồng thời đạt độ cứng thích hợp cho gia công cắt gọt. Nếu thép này đem ủ thì quá mềm, khi tiện khó gãy phoi và bề mặt không bóng. Thường hóa có thể dùng cho thép cacbon cao với mục đích chuẩn bị tổ chức để tôi. Thí dụ khi tôi hỏng, trước khi tôi lại, phải đem thường hóa mới tôi, nếu không tôi lại dễ bị nứt. Trong trường hợp thép có thành phần cacbon cao hơn 0,35%, hoặc một số thép hợp kim thấp sau khi thường hóa độ cứng tương đối cao (khoảng 250~300HB) khó cắt gọt thì phải đem ram cao ở 650~700oC để giảm độ cứng. 4.2.2- Tôi Tôi (hay còn gọi là trui) là nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Ac1 hay Ac3, sau khi giữ nhiệt, làm nguội thật nhanh để được một tổ chức gọi là mactenxit có độ cứng cao. 4.2.2.1- Mục đích của tôi là làm cho thép có độ cứng cao để tăng tính chống mài mòn, tăng độ bền cho chi tiết máy và dụng cụ. 4.2.2.2- Bản chất của quá trình tôi. Sau khi tôi, bề mặt của thép trở nên rất cứng, có thể đạt đến độ cứng 62~64HRC. Sở dĩ như vậy vì khi tôi sự thay đổi tổ chức bên trong khác với sự thay đổi tổ chức khi ủ. Sự thay đổi đó có thể tóm tắt như sau: Khi nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn đường Ac3, trong thép có chuyển biến từ tổ chức peclit thành tổ chức auxtênit. Khi làm nguội nhanh auxtênit không chuyển biến ngược lại thành peclit như khi ủ mà chuyển thành một tổ chức khác gọi là mactenxit. Đây là một tổ chức có hình kim như trên hình 7-5. Tổ chức mactenxit có độ cứng rất cao nhưng dòn. Tuỳ thuộc bản chất của thép, tốc độ làm nguội và kích thước của vật tôi, lớp vỏ thép chuyển thành mactenxit có thể dày mỏng khác nhau. Khả năng chuyển biến thành lớp mactenxit của thép khi tôi gọi là độ thấm tôi. Độ thấm tôi phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của từng loại thép tức thành phần hoá học của thép. Để tăng độ thấm tôi người ta thường cho vào thép một lượng không nhiều các nguyên tố hợp kim như 0,5~4%Cr, hoặc 0,5~2%Mn, hoặc 0,7~2%Si. Nếu khi tôi tòan bộ thể tích của chi tiết thép được chuyển biến hoàn toàn thành mactenxit (từ ngoài mặt vào đến tâm của lõi) thì gọi là tôi thấu. Một số dụng cụ như dũa, dao tiện, phay, bào, khuôn dập nóng và nguội ...khi chế tạo cần tôi thấu. Độ thấm tôi được đánh giá bằng chều dày mm(milimet) của lớp đã được chuyển thành mactenxit tính từ ngoài mặt vào. 4.2.2.3- Nung nóng khi tôi. Khi tôi nếu nung nóng và làm nguội toàn bộ thể tích của chi tiết máy hoặc dụng cụ để tính chất thay đổi trên toàn bộ thể tích gọi là tôi thể tích. Khi tôi thể tích sản phẩm có thể là tôi thấu hoặc tôi không thấu. Để nung nóng người ta có thể nung thép trong các lò khác nhau, ở các nhiệt độ khác nhau. Chi tiết trong lò nằm trong môi trường nung khác nhau nên hình thức truyền nhiệt đến chi tiết khác nhau, do đó khi tính thời gian giữ nhiệt trong lò cũng khác nhau. Lò nung để tôi có các loại sau: -Lò buồng hay lò hộp là lò có buồng nung nóng hình hộp chữ nhật như trên hình 6-6. Khí quyển trong lò nung là không khí. Nguồn nhiệt cung cấp để nung nóng lò có thể là năng lượng điện thông qua các dây điện trở bằng hợp kim crômniken nếu nhiệt độ lò yêu cầu 1000oC. lò có thể nung nóng bằng khí thiên nhiên hoặc bằng dầu DO (diesel oil) hoặc FO (fuel oil) thông qua các mỏ phun dầu. Ở Việt nam khi ủ thép hoặc thấm cacbon, ở một số nhà máy còn dùng lò đốt bằng than đá và được gọi là lò phản xạ. -Lò muối nóng chảy là lò chứa muối nóng chảy. Chi tiết cần nung nóng được nhúng vào trong muối nóng chảy ở dạng treo. Lò có hình dáng bên ngoài như trên hình 6-7. Muối nóng chảy chứa trong lò có thành phần khác nhau tùy thuộc nhiệt độ cần nung nóng. Nếu nhiệt độ tôi thấp hơn 1000oC dùng muối có thành phần 45%NaCl +55%Na2CO3, nếu nhiệt độ tôi lớn hơn 1000oC dùng muối 100%BaCl2. Tùy thuộc môi trường nung nóng và nhiệt độ tôi, thời gian giữ nhiệt tính như ở bảng 7-1. 4.2.4- Ram Ram là nung nóng thép đã tôi đến nhiệt độ không quá nhiệt độ Ac1 (thường thấp hơn 700oC) mục đích để giảm một phần ứng suất sinh ra khi tôi, do đó độ cứng cũng giảm một phần. Nhờ vậy các nguy cơ hư hỏng trong quá trình làm việc của chi tiết máy, dụng cụ do tập trung ứng suất, quá tải cũng được giảm bớt. Căn cứ vào yêu cầu độ cứng làm việc của chi tiết máy và dụng cụ và từ đó xác định nhiệt độ nung nóng để ram, người ta chia thành 3 phương pháp ram sau: 4.2.4.1- Ram thấp Là ram ở nhiệt độ không quá 300oC. Để ram thấp người ta cho chi tiết thép vào lò nung có nhiệt độ cần thiết đã được tính toán trước, giữ nhiệt một thời gian phụ thuộc kích thước của chi tiết (thường khoảng 15 đến 60 phút hoặc có thể hơn), sau đó kéo ra để nguội ngoài không khí. Trong quá trình nung nóng để ram, một phần cacbon trong tổ chức mactenxit sẽ thoát ra ngoài tổ chức này dưới dạng các hạt cacbit nhỏ mịn, làm cho lượng cacbon còn lại trong mactenxit ít hơn. Đó là nguyên nhân làm cho độ cứng của thép giảm. Nhiệt độ ram càng cao, cacbon trong mactenxit thoát ra càng nhiều, độ cứng giảm càng mạnh. Do đó tuỳ thuộc yêu cầu độ cứng làm việc của chi tiết máy hoặc dụng cụ mà xác định nhiệt độ ram chính xác để có độ cứng ram chính xác. Thường nhiệt độ ram thấp xác định không được sai khác 10oC. Để xác định chính xác nhiệt độ ram thấp, theo kinh nghiệm của các nhà máy xác định như sau: Trước tiên đo độ cứng của thép sau khi tôi, thí dụ đạt được 60 HRC. Căn cứ yêu cầu độ cứng sau khi ram, thí dụ 56 HRC, như vậy hiệu số độ cứng phải giảm 60-56 = 4 HRC. Theo kinh nghiệm đối với thép cacbon phải ram ở nhiệt độ 240~260oC. Bảng số liệu kinh nghiệm để xác định nhiệt độ ram thấp như sau: Bảng 4.1 - : Nhiệt độ ram Hiệu số giảm độ cứng (HRC) Nhiệt độ ram (oC) 0-1 80 1-2 200-230 3-4 240-260 5-6 270-300 Đối với thép hợp kim thấp và trung bình cần phải tăng lên 10-20o. Đối với thép hợp kim cao tính nhiệt độ ram để có độ cứng sau khi ram lớn hơn 56 HRC theo chế độ riêng. Khi ram thấp nếu không có lò có thiết bị kiểm nhiệt chính xác, có thể dùng phương pháp ram màu để theo dõi nhiệt độ ram. Trước khi ram cần đánh sạch một mặt của chi tiết cần ram để dễ dàng quan sát màu sắc thay đổi trên chi tiết ram. Cho lò nóng lên khoảng hơn 300oC (áng chừng bằng kinh nghiệm) cho chi tiết vào lò để ram. Cứ sau 5 hoặc 10 phút ( cần phải có kinh nghiệm) kéo chi tiết ra theo dõi màu sắc. Nếu chưa đạt màu cần thiết thì cho vào lại nung nóng tiếp, nếu đạt rồi lập tức kéo ra để nguội ngoài không khí, không được để màu chạy quá màu cần thiết. Bảng đối chiếu nhiệt độ ram thấp và màu xuất hiện trên mặt chi tiết Bảng 4.1 - : Nhiệt độ ram và màu sắc Nhiệt độ ram (oC) Màu ram 200-220 Vàng nhạt 220-230 Vàng đậm (vàng rơm) 230-250 Da cam 250-270 Nâu đỏ 270-280 Tím 280-300 Xanh đậm (xanh biển) 300-320 Xanh nhạt >320 Bạc trắng (sau khi lấy ra khỏi lò sẽ có màu đen sẫm) Ram thấp thường dùng để ram dụng cụ và chi tiết máy yêu cầu có độ cứng làm việc cao (>50 HRC) như các dụng cụ cắt gọt (dũa, khoan, tiện, cưa, tarô, bàn ren ) khuôn dập nguội, khuôn kéo, bánh răng, ngỗng trục, cam, đầu xupap, Các chi tiết sau khi tôi cao tần và thấm cacbon đều phải ram thấp. 4.2.4.2- Ram trung bình Là ram ở nhiệt độ trong khoảng 350-450oC. phương pháp này dùng cho các chi tiết máy và dụng cụ yêu cầu độ cứng làm việc trong khoảng 34-45 HRC. Chi tiết như lò xo, nhíp ô tô, dây cót các loại khuôn rèn, khuôn dập nóng sau khi tôi thường ram ở nhiệt độ này. 4.2.4.3-Ram cao Là ram ở nhiệt độ trong khoảng 550-680oC, sau khi ram độ cứng đạt được khoảng 20-25 HRC tương đương 100-105 HRB. Phương pháp này thường dùng cho các chi tiết máy làm việc ở trạng thái chịu lực tổng hợp phức tạp như vừa chịu kéo vừa chịu xoắn, vừa chịu kéo vừa chịu uốn, chế tạo bằng thép cacbon trung bình như các loại trục khuỷu, trục cam, bán trục, bánh răng trục khuỷu, bánh răng hộp số máy công cụ Các thép cacbon trung bình sau khi tôi và ram cao sẽ có độ bền kéo, độ bền uốn, độ dai va đập, độ dẻo đều cao hơn ở trạng thái ủ. Phương pháp tôi và ram cao này còn có tên là tôi cải thiện hay nhiệt luyện hoá tốt. Đối với các trục và bánh răng quan trọng sau khi nhiệt luyện hoá tốt, đem gia công cơ khí, sau đó tôi cao tần và ram thấp. 4.2.5- Các khuyết tật xẩy ra khi nhiệt luyện. Khi nhiệt luyện nhất là khi tôi và ram thường gặp phải các thiếu sót gọi là khuyết tật. Các khuyết tật này có loại có thể khắc phục được, nhưng cũng có loại không thể khắc phục được, nên phải biết để đề phòng tránh không để xảy ra sai hỏng 4.2.5.1- Oxy hóa và thoát cacbon Khi nung nóng thép lên nhiệt độ cao, nhất là từ trên 500oC, thép sẽ bị oxy hóa nhanh làm hao hụt khối lượng va kích thước chi tiết, có thể gây nên phế phẩm. Đối với các thép có thành phần cacbon cao (trên 0,50%C) ngoài việc bị oxy hoá còn có thể xảy ra hiện tượng thoát cacbon nghĩa là thành phần cacbon ở lớp bề mặt giảm. Thoát cacbon không làm hao hụt kích thước chi tiết nhưng lại làm giảm độ cứng bề mặt của chi tiết. Sở dĩ có hiện tựơng này là do xung quanh các chi tiết được nung nóng trong lò thường xuyên có các khí như O2, H2, hơi nước, các khí CO2, SO2,gây nên hiện tượng oxy hóa và thoát cacbon. Để khắc phục hiện tượng này, với các chi tiết quan trọng và nhỏ người ta nung nóng trong chân không, hoặc trong môi trường có khí bảo vệ như Ar (acgông), He(hêli), N2(nitơ), hoặc có thể nung nóng để tôi trong môi trường muối nóng chảy. Nếu chi tiết không quan trọng lăm nung nóng trong lò buồng có môi trường là không khí thì có thể cho thêm than hoa (than củi) vào trong lò để giảm một phần tốc độ oxy hóa và thoát cacbon. 4.2.5.2- Biến dạng và nứt Đây là dạng sai hỏng thừơng gặp nhất và cũng rất tai hại. Nguyên nhân là do ứng suất bên trong sinh ra quá lớn khi nung nóng và làm nguội nhưng chủ yếu là do làm nguội. Thừơng gặp những nguyên nhân sau: - Do làm nguội: đối với thép hợp kim bất kỳ nếu khi tôi làm nguội trong nước thì chắc chắn sẽ bị nứt. Đối với thép cacbon nếu vật có hình dáng phức tạp như có lỗ nhỏ, lỗ có góc vuông hay có góc nhọn, mặt chuyển tiếp từ thành mỏng sang thành dày khác nhau nhiều mà không có góc lượn, thì khi làm nguội trong nước dễ bị nứt. Trong những trường hợp đó đối với thép cacbon phải tôi trong hai môi trừơng và biết cách chống nứt ở các góc Trường hợp nhẹ hơn là bị cong, vênh. Các chi tiết dài, mỏng khi tôi dễ bị cong hoặc vênh kiểu xoắn vỏ đỗ rất khó tránh. Khắc phục bằng cách sau khi tôi vừa ram vừa ép trong đồ gá. - Do nung nóng: Thép có thành phần cacbon không cao (0,80%C nếu nung nóng nhanh có thể bị nứt ngay khi đang nung nóng. Trong những trường hợp đó phải nung chậm, 4.2.5.3- Độ cứng không đạt Có nhiều nguyên nhân: - Không đạt độ cứng do tôi. + Do nung nóng chưa đủ nhiệt độ cần thiết. + Do làm nguội chậm hơn so với yêu cầu. Thí dụ đáng lẽ phải tôi trong nước thì lại tôi trong nhớt. + Có thể khi nung nóng đúng nhiệt độ, nhưng khi lấy ra khỏi lò sau một thời gian mới nhúng vào môi trừơng làm nguội. - Không đạt độ cứng do ram: Ram ở nhiệt độ cao hơn yêu cầu. Khi gặp các sai hỏng đó chỉ khắc phục bằng cách tôi lại, nhưng trước khi tôi lại phải đem ủ hoặc thường hóa, nếu không dễ bị nứt. 4.2.5.4- Chi tiết bị dòn hoặc độ cứng quá cao Sau khi tôi bị dòn do nung nóng quá nhiệt nghĩa là nung cao hơn nhiệt độ cần thiết làm cho hạt auxtenit quá lớn, khi làm nguội để tôi hạt mactenxit nhận được sẽ thô nên thép bị dòn, khi làm việc chi tiết dễ bị gãy đột ngột. Trường hợp này phải ủ hoàn toàn rồi tôi lại. Sau khi tôi và ram độ cứng còn cao hơn yêu cầu cũng dẫn đến thép bị dòn. Nguyên nhân do ram ở nhiệt độ thấp hơn yêu cầu. Trường hợp này chỉ cần ram lại với nhiệt độ cao hơn. 4.2.6- Hoá nhiệt luyện 4.2.6.1- Khái niệm Một số chi tiết máy khi làm việc bề mặt chịu mài mòn cao, nhưng đồng thời chịu va đập mạnh. Nếu dùng thép cacbon trung bình hoặc cao để có độ cứng cao thì không chịu được va đập. Nếu dùng thép có thành phần cacbon thấp để chịu được va đập tốt thì dễ bị mài mòn. Do đó để giải quyết mâu thuẫn này người ta dùng thép cacbon thấp, sau khi chế tạo thành chi tiết máy, đem nhiệt luyện bằng cách nung nóng chi tiết trong môi trường có hoá chất sao cho lớp bề mặt chi tiết có thành phần cacbon tăng lên đến 0,8-1,0%C, trong lúc đó thành phần trong lõi vẫn giữ nguyên khoảng 0,2-0,25%C. sau khi tôi sẽ đạt được yêu cầu vừa chịu va đập vừa chịu mài mòn đều tốt. Phương pháp nhiệt luyện như vậy gọi là hoá nhiệt luyện. Phụ thuộc nguyên tố cần tăng thêm ở lớp bề mặt gọi là nguyên tố thấm, hoá nhiệt luyện được chia thành nhiều phương pháp khác nhau như: Nếu nguyên tố thấm là C thì gọi là thấm cacbon. Nếu nguyên tố thấm là N C thì gọi là thấm nitơ. Nếu nguyên tố thấm là C và N thì gọi là thấm cacbon nitơ. Nếu nguyên tố thấm là Al thì gọi là thấm nhôm. Trong tất cả các phương pháp hoá nhiệt luyện hiện nay thấm cacbon là phương pháp thông dụng nhất. 4.2.6.2- Thấm cacbon Thấm cacbon là làm tăng thành phần cacbon trên bề mặt chi tiết thép để làm tăng độ cứng bề mặt, do đó tăng tính chống mài mòn cho thép, trong lúc đó, do thành phần cacbon trong lõi thấp nên chi tiết vẫn giữ được tính dẻo dai cao. Phương pháp này thường dùng cho thép có thành phần cacbon thấp trong khoảng 0,20-0,30%C như các thép có ký hiệu C20, C25, 20Cr, 20CrNi, 18CrMnTi, 20CrNi3A do đó nhóm thép này còn gọi là thép thấm cacbon (xem