Giáo trình Vật liệu học

hức về vật liệu cơ khí. Khi biên soạn giáo trình, tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến môn học và nghề đào tạo, cần thiết cho học sinh tiếp thu các môn khác. Nội dung giáo trình gồm 6 chương: Chương 1: Lý thuyết về hợp kim. Chương 2: Gang. Chương 3: Thép. Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu. Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện. Chương 6: Vật liệu phi kim loại. Trong quá trình biên soạn mặc dù đã cố gắng, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót do thời gian biên soạn còn ngắn và trình độ còn hạn chế. Rất mong được sự góp ý của người sử dụng để giáo trình được hoàn thiện hơn. Lào Cai, tháng 3 năm 2017 Tác giả Ths. Hoàng Anh Thái 5 HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TRÌNH 1. Một số điểm chính về phương pháp giảng dạy môn học: Khi giảng dạy giáo viên cần chú ý liên hệ, so sánh, chuyển đổi ký hiệu tiêu chuẩn vật liệu giữa các quốc gia. Khi giảng dạy sử dụng các học cụ trực quan, máy tính, máy chiếu, tranh treo tường để mô tả cấu trúc tinh thể và tổ chức kim loại, giản đồ trạng thái Fe-C và các biểu đồ chỉ dẫn nhiệt luyện. 2. Những trọng tâm cần chú ý: Chỉ dẫn nhiệt luyện chú ý sử dụng ký hiệu đồ họa cơ bản theo TCVN mới ban hành (các tiêu chuẩn này đã được chuyển đổi từ tiêu chuẩn quốc tế ISO 15787:2001). Sử dụng các mô hình, trực quan vật thật để làm rõ vấn đề nêu ra trong lý thuyết. Cần hướng dẫn cho học sinh tìm hiểu trong thực tế sản xuất ở xưởng và tổ chức trao đổi, thảo luận các vấn đề liên quan giữa lý thuyết và thực tế. 6 MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 3 Hướng dẫn thực hiện giáo trình 4 Mục lục 5 Chương 1. Lý thuyết về hợp kim 6 1. Khái niệm về hợp kim. 6 2. Cấu trúc tinh thể của hợp kim 6 Chương 2: Gang 9 1. Giản đồ trạng thái hợp kim fe - C. 9 2. Khái niệm về Gang. 12 3. Các loại Gang. 14 Chương 3: Thép 20 1. Thép C 20 2. Thép hợp kim 25 Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu 35 1. Đồng và hợp kim của đồng 35 2. Nhôm và hợp kim của nhôm 39 3. Hợp kim làm ổ trượt 42 Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện 46 1. Nhiệt luyện 46 2. Hóa nhiệt luyện 56 Chương 6: Vật liệu phi kim loại. 59 1. Polyme, Cao su, Chất dẻo. 59 2. Dầu mỡ bôi trơn 62 Tài liệu tham khảo 66 7 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ HỢP KIM 1. KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM 1.1. Khái niệm. Là sản phẩm của sự nấu chảy 2 hay nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại. Như vậy trong hợp kim có tính chất chủ yếu của kim loại. - Hợp kim được hình thành trên cơ sở của hai kim loại với nhau. Ví dụ như đồng Latông hình thành trên cơ sở hai kim loại (Cu + Zn). - Hợp kim được hình thành trên cơ sở một kim loại và một á kim. Ví dụ như thép, gang hình thành trên cơ sở Fe + C. Dù hợp kim hình thành trên cơ sở hai hoặc nhiều nguyên tố thì nguyên tố kim loại vẫn là chính. Nếu có hai nguyên tố với nhau ta có hợp kim đơn giản. Nếu có nhiều nguyên tố ta có hợp kim phức tạp. 1.2 Đặc tính hợp kim. Các kim loại nguyên chất thể hiện lên ưu việt rõ nhất trong dẫn điện, dẫn nhiệt vì chúng có các chỉ tiêu này cao nhất (vì vậy các dây dẫn điện được làm bằng đồng, nhôm nguyên chất). Tuy vậy trong chế tạo cơ khí, thiết bị đồ dùng các vật liệu đem dùng thường là hợp kim vì nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công và kinh tế. Các đặc tính cơ bản là: - Có độ bền và độ dẻo cao: Đây là đặc tính rất quan trọng của hợp kim để chịu tải trọng cao khi làm việc, đồng thời hợp kim cũng không được giòn dẫn đến bị phá huỷ. - Các kim loại nguyên chất nói chung rất dẻo (dễ rát mỏng, kéo sợi) song độ bền, tính chống mài mòn, độ cứng kém xa hợp kim từ vài ba đến hàng chục lần. - Tính công nghệ đa dạng và thích hợp: Để tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp được gọi là tính công nghệ. Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhưng khó cắt gọt, đúc, không hoá bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim trái lại có tính công nghệ rất đa dạng như: Dễ cắt gọt, đúc, nhiệt luyện Phù hợp với nhiều điều kiện công nghệ khác nhau. - Tính kinh tế cao: Trong nhiều trường hợp luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn so với luyện kim loại nguyên chất do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào. Ví dụ như: Luyện hợp kim Fe – C (thép và gang) đơn giản hơn so với luyện sắt nguyên chất. Pha Zn vào kim loại chủ Cu ta được đồng Latông vừa bền lại vừa rẻ (do Zn rẻ hơn Cu nhiều). 2. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM 2.1. Một số khái niệm cơ bản. Để nghiên cứu cấu tạo của hợp kim ta cần làm quen một số khái niệm sau: 2.1.1. Cấu tử. Là các nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên hợp kim. Ví dụ: Đồng Latông (hợp kim Cu-Zn) có hai cấu tử là Cu và Zn. 8 2.1.2. Pha. Là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở một trạng thái và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn thì phải có sự đồng nhất cùng một kiểu mạng và thông số mạng). Ví dụ Nước ở 00C là một cấu tử (hợp chất hoá học bền vững H2O) và có hai pha (pha rắn là nước đá, pha lỏng là nước). 2.1.3. Hệ hợp kim: Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim 2.2. Các tổ chức của hợp kim. Trong hệ hợp kim có nhiều cấu tử ở trạng thái đặc có thể hình thành ở nhiều dạng tổ chức khác nhau như: Dung dịch đặc, hợp chất hoá học, hỗn hợp cơ học. 2.2.1. Dạng dung dịch đặc. Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố có thành phần kích thước gần giống nhau. Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần. Người ta phân biệt có hai loại dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ. a. Trong dung dịch đặc thay thế. Nguyên tử nguyên tố này đẩy nguyên tử nguyên tố kia thay thế vào đó (hình 1- 1a). Tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như cấu tử của dung môi. Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều đều xảy ra sự xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố nào có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau. Vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích thước nguyên tử gần bằng nhau (sai lệch không quá 15%). Hình 1-1: Các mô hình cấu trúc dung dịch đặc của hợp kim a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mô hình dung dịch đặc xen kẽ; c) Mô hình dung dịch đặc tổng hợp b. Trong dung dịch đặc xen kẽ. Nguyên tử của các nguyên tố hòa tan (ví dụ cácbon, ôxi..) nằm xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút của mạng tinh thể của nguyên tố cơ bản (hình 1-1b). Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể 9 lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên. 2.2.2. Hợp chất hóa học. Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hóa học khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xác định được biểu diễn bằng một công thức hóa học. Ví dụ hợp chất hóa học của sắt và cácbon có công thức hóa học là Fe3C Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao 2.2.3. Hỗn hợp cơ học. Hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học, khi những nguyên tử của các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể. Như vậy những nguyên tố này không hòa tan với nhau, cũng không liên kết với nhau thành hợp chất hóa học mà liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy. Câu hỏi ôn tập chương 1 Câu 1: Thế nào là hợp kim ? Cho biết các đặc tính của hợp kim. Câu 2: Trình bày các dạng cấu trúc tinh thể của hợp kim. 10 CHƯƠNG 2: GANG 1. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM Fe – C. 1.1. Khái niệm. Là biểu đồ chỉ rõ sự phụ thuộc của tổ chức hợp kim Fe - C (cụ thể là gang và thép) vào thành phần hóa học và nhiệt độ. 1.2. Các định nghĩa cơ bản. Trước khi nghiên cứu giản đồ, ta cần thống nhất các định nghĩa cơ bản sau: 1.2.1. Pha. Là các phần đồng nhất của hệ thống nó có cùng một kiểu mạng ở cùng một trạng thái lỏng hoặc rắn và phân cách với các pha còn lại bằng mặt phân cách, khi chuyển sang pha khác thì thành phần hóa học hoặc tổ chức của vật chất sẽ thay đổi đột ngột. Ví dụ: chất lỏng đồng nhất là hệ thống một pha. Hỗn hợp cơ học là hệ thống hai pha. 1.2.2. Nguyên. Là vật chất tham gia tạo thành hệ thống. Ví dụ: kim loại nguyên chất là hệ thống một nguyên, hợp kim là hệ thống của hai hay nhiều nguyên. Riêng các hợp chất hóa học được coi là một nguyên. 1.2.3. Hệ thống. Là tập hợp các pha nằm trong trạng thái cơ bản và cân bằng. Hệ thống thì có tính thuận nghịch. Ví dụ có hệ thống là nước và nước đá, trong hệ thống có hai pha là pha rắn và pha lỏng và có một nguyên là hợp chất hóa học là H2O. Hệ thống chỉ tồn tại trong một điều kiện nào đó (nhiệt độ), có thể hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái lỏng hoặc rắn. 1.3. Ý nghĩa của giản đồ. Giản đồ trạng thái Fe-C có tầm quan trọng và công dụng rất lớn. Nó cho ta biết các nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của kim loại hoặc hợp kim với thành phần xác định, từ đó xác định được các chế độ luyện đúc, cán, rèn kim loại. Qua đó xác định được cơ tính và tính công nghệ khi gia công kim loại hoặc hợp kim. 1.4. Giản đồ trạng thái Fe – C. Giản đồ trạng thái Fe – C (chỉ xét hệ Fe-Fe3C) biểu diễn trên hệ trục tung là nhiệt độ (0C) và trục hoành là thành phần C (%C) thay đổi trong Fe đến tối đa phạm vị thành phần C = 6,67%, tại đây C tác dụng hóa học với Fe để tạo thành hợp chất hóa học Fe3C. Cần hiểu: Tại điểm 0%C có 100%Fe được ký hiệu Fe, tại 6,67%C có 100%Fe3C được ký hiệu Fe3C. 1.4.1. Giải thích giản đồ trạng thái Fe-C. Giản đồ trạng thái Fe-C trình bày hình 2-1 với các ký hiệu A,B(t0C, %C) đã được quốc tế hóa (là sắp xếp các điểm theo thứ tự %C tăng dần) như sau: 11 A(1539-0), N(1392-0), G(911-0), Q(0-0,006), P(727-0,02), H(1499-0,1), J(1499-0,16), B(1499-0,5), S(727-0,8), E(1147-2,14), C(1147-4,3), D(1250-6,67), F(1147-6,67), K(727-6,67), L(0-6,67) Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái hoàn toàn lỏng được xác định trên các đường nối A B C D. Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái rắn được xác định dưới đường nối các điểm A H J E C F, có đủ ba dạng cấu tạo gồm các dung dịch rắn, hợp chất hóa học được tạo thành (bởi hai nguyên tố Fe và C) và hỗn hợp cơ học của nó. Hình 2-1. Giảm đồ trạng thái Fe-C 1.4.2. Các tổ chức pha của hệ hợp kim Fe-C trên giản đồ: a. Tổ chức một pha - Pha δ: Là dung dịch rắn của C hòa tan trong Feδ: Feδ(C), ký hiệu trên giản đồ là δ. - Pha ôstennít: được ký hiệu là chữ γ (As), là dung dịch rắn của C hòa tan trong Feγ, Feγ(C). Lượng C hòa tan tối đa 2,14% ở nhiệt độ 11470C tại điểm E và tối thiểu 0,8% ở nhiệt độ 7270C tại điểm S, nên đường SE là đường giới hạn hòa tan của của C trong Feγ. - Pha Ferít: ký hiệu là α (F) là dung dịch rắn ren kẽ của các bon trong sắt Feα Feα(C) ở nhiệt độ cao thì hòa tan được 0,02% C, có lượng C hòa tan tối đa 0,006% ở nhiệt độ thường là điểm Q, nên đường PQ là đường giới hạn hòa tan của C trong Feα có thể coi α là Feα vì lượng C hòa tan quá nhỏ nên Ferít được coi là nguyên chất, pha nay mềm dẻo. 12 - Pha Xêmentít: Ký hiệu trên giản đồ là Xe hoặc Fe3C, là hợp chất hóa học của Fe tác dụng hóa học với C khi C = 6,67%, có công thức hóa học Fe3C được xác định tại đường thẳng nối các điểm RKF, có độ cứng rất cao ≥ 700HB và rất giòn. Ngoài ra cơ tính của Xe còn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó, kích thước càng nhỏ thì Xe càng đỡ giòn. Xêmentít có ba dạng: + Xêmentít1: ký hiệu là XeI được tiết ra từ pha lỏng có độ hạt lớn. + Xêmentít2: ký hiệu là XeII được tiết ra từ pha rắn ôstennít có độ hạt nhỏ hơn XeI. + Xêmentít3: ký hiệu là XeIII được tiết ra từ pha rắn Ferít có độ hạt nhỏ mịn. - Pha Grafít (G): là các bon tự do phân bố trong kim loại, pha này mềm nhưng giòn chỉ tồn tại trong gang xám. b. Tổ chức hai pha. - Pha Peclít (P): Khi C = 0,8% có hỗn hợp cơ học cùng tích gọi là peclit gồm hai pha (α + Xe). Được hình thành từ dung dịch rắn ôstennít tại 7270C. tùy theo dạng của Xe mà có P tấm hoặc là P hạt. - Pha lêđêburít (Lê): Khi C = 4,3% có hỗn hợp cơ học cùng tinh Lêđeeburit gồm hai pha được hình thành từ dung dịch lỏng L tại nhiệt độ 11470C. 1.4.3. Phân loại hợp kim Fe-C theo giản đồ trạng thái a. Dựa vào % C ta có + Thép: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C < 2,14%. + Gang: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C > 2,14%. b. Căn cứ vào tổ chức của nó trong giản đồ trạng thái ta có hai loại: Thép và Gang trắng. - Thép: + Thép trước cùng tích có tổ chức P+α khi %C < 0,8% + Thép cùng tích có tổ chức P(α+Xe) khi %C = 0,8% + Thép sau cùng tích có tổ chức P+XeII khi %C > 0,8% - Gang trắng: + Gang trắng trước cùng tinh có tổ chức: Lê + P + XeII khi %C < 4,3% + Gang trắng cùng tinh có tổ chức: Lê (P + Xe) khi %C = 4,3% + Gang trắng sau cùng tinh có tổ chức: Lê + XeI khi %C > 4,3% 1.4.4. Điểm và các đường tới hạn nhiệt độ: a. Định nghĩa: Là nhiệt độ tại đó có sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp kim ở trạng thái rắn. b. Các điểm tới hạn: - A1 = 7270C (đường PSK): Là nhiệt độ tới hạn mà tại đó hợp kim Fe-C có cấu tạo bên trong của tổ chức cùng tích thuận nghịch P↔ γ cụ thể: + Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A1: Tại đó có chuyển biến P→ γ 13 + Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A1: Tại đó có sự chuyển biến γ → P Điểm nhiệt độ A1 áp dụng cho tất cả các loại hợp kim Fe-C - A3 = 7270 ÷ 9110C (đường SG): Là nhiệt độ tới hạn tại đó thép trước cùng tích có chuyển biến cấu tạo giữa pha α ↔ γ cụ thể: + Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A3: α hòa tan hết vào γ + Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A3: α tách ra từ γ - Acm = 7270 ÷ 11470C (đường SE): Là nhiệt độ tới hạn tại đó cho phép thép sau cùng tích có chuyển biến cấu tạo giữa hai pha XeII ↔ γ cụ thể: + Khi nung tại nhiệt độ tới hạn Acm: XeII hòa tan hết vào γ + Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn Acm: XeII tách ra từ γ 2. KHÁI NIỆM VỀ GANG. 2.1. Giới thiệu chung về gang. Gang là một kim loại được dùng nhiều trong công nghệ cơ khí chế tạo vì nó có nhiều tính chất đáp ứng được các yêu cầu trong công nghệ chế tạo máy. Trong các loại máy móc tĩnh tại, các chi tiết bằng gang có khối lượng khoảng 70%. 2.2. Khái niệm. Gang là hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), trong đó lượng C = 2,14%, nhưng không lớn hơn 6,67%. Ngoài ra còn có các nguyên tố như Mn, S. P, Si và một số tạp chất khác. 2.3. Tính chất của gang: Gang có một số tính chất quan trọng sau đây: + Tính điền đầy khuôn trong gang, nhất là gang xám, tính chất này của gang rất quan trọng. Vì vậy các chi tiết máy không có yêu cầu đặc biệt thì thường dùng phương pháp đúc để tạo hình. Người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực. Các phương pháp đúc này có thể tạo được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp mà không cần gia công lại. Ví dụ đúc thân máy, nắp máy động cơ ôtô. + Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, như gang cầu, gang hợp kim đều có độ bền cơ, bền nhiệt cao. Vì vậy người ta thường dùng gang chế tạo các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ chịu mài mòn, ma sát, độ giãn nở vì nhiệt thấp. Ví dụ: Làm bánh đà động cơ ôtô, các xilanh lực của hệ thống thủy lực Tuy nhiên gang cũng có nhược điểm như tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện kém, độ bền mỏi nhỏ. Như vậy các chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng gang. 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang. 2.4.1. Cácbon (C): Nếu các bon chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xementít thì gang đó gọi là gang trắng, nếu C ở trạng thái tự do thì gang đó gọi là gang xám (Grafít). Sự tạo thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội 14 của nó. Nếu tốc độ nguội nhanh thì được gang trắng, tốc độ nguội chậm thì được gang xám. 2.4.2. Silic (Si): Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang vì nó thúc đẩy sự tạo thành Grafít trong gang xám, do vậy thành phần Si thường cao (1 đến 4,25%). 2.4.3. Mangan (Mn): Nó thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản quá trình Grafít hóa vì vậy lượng Mn trong gang trắng thường cao (từ 2 đến 2,5%). 2.4.4. Phốt pho (P): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang. Tuy nhiên P lại làm tăng tính chảy loãng của gang khi đúc. 2.4.5. Lưu huỳnh (S): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm tính đúc, giảm độ bền, làm cho gang giòn. Do đó thành phần của S trong gang thường nhỏ hơn 0,15%. 2.5. Tổ chức tế vi, thành phần hóa học 2.5.1. Tổ chức tế vi: Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớn hay toàn bộ các bon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay Graphit (rất ít hoặc không có các bon ở dạng liên kết hay cacbít). Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là Graphit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau: - Pherit: khi toàn bộ C ở trạng thái tự do. - Pherit – Peclit: Khi phần lớn C ở trạng thái tự do và rất ít C ở dạng liên kết. Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của graphit. + Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên khi đúc (gang xám). + Graphit có dạng quả cầu tròn: Phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu). + Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hoá từ Xêmentit ( gang dẻo). Chính sự khác nhau của dạng Graphit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau. 2.5.2. Thành phần hoá học và cách chế tạo. Để có được graphit và graphit với các dạng khác nhau. Mỗi loại gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hoá học và cách chế tạo. - Thành phần hoá học: Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành graphit. Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố silic có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành graphit. Lượng silic càng nhiều thì sự graphit hoá càng mạnh, cacbon liên kết (Xêmentit) càng ít hoặc thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản người ta coi gang là hợp kim của ba cấu tử Fe – C – Si. 15 Trong gang cũng còn có các nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi là gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hoá. Chúng được đưa vào có chủ định hoặc chúng là các tạp chất. Bảng 2-1. Thành phần hoá học của gang Loại Gang C Si Mn S P Trắng 3,3 – 3,6 0,4 – 1,2 0,25 – 0,8 0,06 – 0,20 0,05 – 0,20 Xám 3,0 – 3,7 1,2 – 2,5 0,25 – 1,00 < 0,12 0,05 – 1,00 Cầu 3,0 – 4,0 1,8 – 3,0 0,10 – 0,80 < 0,03 < 0,01 Dẻo 2,0 – 2,6 1,0 – 1,6 0,20 – 1,00 0,04 – 0,20 < 0,20 - Tốc độ nguội khi đúc và cách chế tạo. Yếu tố ảnh hưởng đến graphit hoá là tốc độ nguội khi đúc. Làm nguội chậm sẽ thúc đẩy tạo thành graphit, làm nguội nhanh thúc đẩy tạo thành cacbit (tạo ra gang trắng hoặc gây biến trắng). Như vậy lượng Si và tốc độ nguội ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành graphit, còn các dạng graphit khác nhau được tạo thành bằng các phương pháp khác nhau. Gang xám với graphit tấm được hình thành dễ dàng và đơn giản nhất bằng đúc thông thường. Gang cầu với graphit cầu được hình thành từ biến tính đặc biệt gang lỏng thông dụng (gang xám) 3. CÁC LOẠI GANG. 3.1. Gang trắng. 3.1.1. Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần: C = (3,3 ÷ 3,6) % Si = (0,4 ÷ 1,2 )% Mn= (0,25 ÷ 0,8)% S = (0,06 ÷ 0,2)% P = (0,05 ÷ 0,1) % b.Tổ chức C: Tồn tại ở dạng Fe3C pha này chiếm tỷ lệ rất lớn (50% trong tổ chức của gang) 3.1.2. Tính chất. a. Lý tính: Trên bề mặt gãy của gang có màu sáng trắng do Cacbon ở dạng hợp chất hóa học Fe3C do đó gọi là gang trắng b. Cơ tính: 16 Do Cacbon ở dạng Fe3C nên gang rất cứng (650÷700)HB và giòn. Do đó không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang trắng để làm các chi tiết máy có độ chính xác cao. + Độ dẻo, độ bền thấp. + Có khả năng chịu mài mòn tốt. c. Tính kinh tế. Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ. 3.1.3. Công dụng. - Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lửa - Cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ, nên chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng còn lõi vẫn là gang Graphit. Muốn bề mặt bị biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc. - Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần được dùng để ủ thành gang dẻo. 3.2. Gang xám. 3.2.1.Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần. C = (3 ÷ 3,7)% Si = (1,2 ÷ 2,5 )% Mn = (0,25÷1,0)% S < 0,12% P = (0,05÷ 1,0) % b. Tổ chức tế vi. Gang xám là loại gang mà phần lớn Cacbon ở dạng tự do (gọi là Graphit). Graphit trong gang xám có dạng tấm (hay phiến) cong tự nhiên. Do graphit có màu xám nên mặt gãy của gang có màu xám. c. Phân loại. Tùy theo mức độ tạo thành Graphit mạnh hay yếu, gang xám được chia ra các tổ chức sau : - Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất cả Cacbon đều ở dạng tự do, không có xementit, chỉ có 2 pha: Graphit và nền kim loại là Ferit. - Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon liên kết (Fe3C) chỉ khoảng 0,1 ÷ 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit – Peclit. - Gang xám Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, lượng Fe3C khoảng 0,6 ÷ 0,8 % tạo nên nền kim loại Peclit. 3.2.2. Tính chất 17 a. Lý tính. - Dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn so với thép. - Nhiệt độ nóng chảy thấp. b. Cơ tính. - Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn Xementit nên gang xám có độ cứng, độ bền thấp hơn gang trắng nhiều (150 ÷ 250) HB; (150 ÷ 400) N/mm2 - Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép. - Không chịu nhiệt, biến dạng và va đập. c. Tính công nghệ. - Có tính cắt gọt cao, cho phoi vụn. - Tính đúc tốt hơn thép. - Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ). d. Tính kinh tế. Chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép. 3.2.3. Phạm vi sử dụng. Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, các chi tiết cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn. VD: Thân, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ. 3.2.4. Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang xám được ký hiệu bằng hai chữ CЧ : Với 2 số chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn, đơn vị l kG/mm2 VD : CЧ 24-44 là gang xám có giới hạn bền kéo σk = 24 kG/mm2 (240N/mm2); Giới hạn bền uốn σu = 44 kG/mm2 (440N/mm2) - Thường dùng các loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám được ký hiệu bằng hai chữ GX và 2 số giống tiếp theo giống như ký hiệu của Nga. Bảng 2-2. Cơ tính của gang xám (Theo TCVN 1659 - 75) Số hiệu gang Giới hạn bền kéo (kG/mm2) Độ giãn dài (δ%) Giới hạn bền uốn (kG/ mm2) Giới hạn bền nén (kG/mm2) Độ cứng HB GX 12 - 28 12 0,5 28 50 143 - 259 GX 18 - 36 18 0,5 36 70 170 - 229 GX 28 - 48 28 0,5 48 100 170 - 241 GX 35 - 56 35 0,5 56 110 197 - 269 GX 38 - 60 38 0,5 60 110 270 - 269 18 3.3. Gang dẻo. 3.3.1. Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần: C = (2,0 ÷ 2,6)%; Si = (1,0 ÷ 1,6)%; Mn = (0,2 ÷ 1,0)%; S < 0,03%; P = 0,2 % b. Tổ chức tế vi: ở dạng cụm bông. c. Chế tạo: Ủ gang trắng thành gang dẻo. Gang lỏng Đúc Gang trắng Fe3C Gang trắng Ủ Gang dẻo 3.3.2. Tính chất. Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ dẻo cao và bền hơn gang xám (σk = 300 ÷ 600N/mm2; δ= 5 ÷ 10%) 3.3.3. Phạm vi sử dụng. Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm chi tiết máy, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu sau: - Hình dạng phức tạp. - Tiết diện (thành) mỏng. - Chịu va đập. 3.3.4. Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ KЧ tiếp theo là hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số. Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền kéo giới hạn σk (kG/mm2), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%). Các loại gang dẻo thường dùng: KЧ 30-06, KЧ 33-08, KЧ 37-12, KЧ 45-12, KЧ 56- 04 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và 2 số giống tiêu chuẩn Nga. Ví dụ GZ 33 - 08 gang dẻo có độ bền kéo giới hạn σk = 33 kG/mm2 và độ dãn dài tương đối là δ = 0,8% . Bảng 2-3. Cơ tính của gang dẻo (Theo TCVN 1661 - 75) Số hiệu gang Giới hạn bền kéo (KG/mm2) Độ giãn dài (δ%) Độ cứng HB Nguội nhanh to=(860÷ 900)0 C Hình 2-2. Gang dẻo 19 GZ 30 - 06 30 6 163 GZ 33 - 08 33 8 163 GZ 35 - 10 35 10 163 GZ 37 - 12 37 12 163 GZ 45 - 06 45 6 241 GZ 50 - 04 50 4 264 3.4. Gang cầu. 3.4.1 Thành phần và tổ chức C. a. Thành phần: C = (3,0 ÷ 4,0%); Si = (1,8 ÷ 3,0)% ; Mn = (0,10 ÷ 0,8)%; S < 0,03% ; P < 0,2% ; b. Tổ chức tế vi: Graphit thu nhỏ, hình cầu do có chất biến tính Mg hoặc Ce (Xeri) Hình 2-3. Gang cầu c. Chế tạo gang cầu: Gang lỏng (0,05 -1)% Mg hoặc Ce (Xêri) Gang cầu. 3.4.2.Tính chất. - Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt (Graphit hình cầu dạng thu gọn nhất). - Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép. - Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép. - Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở nhiệt độ 400oC. 3.4.3. Phạm vi sử dụng. Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như trục cán, thân tuốc - bin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác. 20 3.4.4 Ký hiệu. - Theo tiêu chuẩn Nga: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ BЧ tiếp theo là hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số. Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền kéo giới hạn σk (kG/mm2), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%). Ví dụ BЧ 38-17 là gang cầu có σk = 380N/mm2, δ = 17% - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ GC và 2 số tương ứng như tiêu chuẩn Nga - Các loại gang cầu thường dùng BЧ 38-17; BЧ 42-12 Bảng 2-4. Cơ tính của gang cầu (Theo TCVN 1660 - 75) Số hiệu gang Giới hạn bền kéo (KG/mm2) Giới hạn quy ước khi kéo (KG/mm2) Độ giãn dài (δ%) Độ dai va đập (KJ/m2) Độ cứng HB GC 45 - 00 45 36 --- --- 187 - 255 GC 50 - 1,5 50 38 1,5 150 187 - 255 GC 60 - 02 60 42 2 150 197 - 269 GC 45 - 05 45 33 5 200 170 - 207 GC 40 - 10 40 30 10 300 156 - 197 Câu hỏi ôn tập chương 2 Câu 1: Trình bày thành phần hóa học, tính chất, kí hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam và công dụng của gang trắng, gang xám và gang dẻo. Câu 2: Kẻ bảng và liệt kê thành phần hóa học của gang trắng, xám, cầu và gang dẻo. Câu 3: Cho biết các điểm tới hạn trên giản đồ trạng thái Fe-C. Câu 4: Giải thích các ký hiệu sau: GX 12 - 28; GC 40 - 10; GZ 37 – 12; GZ 45 – 6. Câu 5: Cho biết phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái. Câu 6: Giải thích các ký hiệu sau: CЧ 15-32; GX 18 – 36; KЧ 37-12; BЧ 42-12. 21 CHƯƠNG 3: THÉP 1. THÉP CÁC BON. 1.1. Khái niệm và phân loại. 1.1.1. Khái niệm: Thép là hợp chất của sắt và cacbon có hàm lượng C < 2,14%, ngoài ra còn có các nguyên tố khác Si < 0,5%, P < 0,05%, S < 0,05%. 1.1.2. Phân loại: Hiện nay người ta có nhiều cách phân loại thép cácbon. a. Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao. - Thép C chất lượng thường: Lượng P, S chỉ khử được đến 0,05 % cho mỗi nguyên tố. - Thép C chất lượng tốt: Lượng P, S được khử đến 0,04% cho mỗi nguyên tố và thép được luyện bằng lò điện quang. - Thép C chất lượng cao: Lượng P, S được khử đến 0,03% cho mỗi nguyên tố và thép được luyện bằng lò điện quang với các biện pháp kỹ thuật bổ xung. - Thép C chất lượng rất cao: P, S được khử đến 0,02% cho mỗi nguyên tố và thép được luyện bằng lò điện quang tiếp tục được tinh luyện để khử tạp chất. b. Theo phương pháp khử oxi. - Thép sôi. Là loại không khử được ôxi triệt để. Quá trình khử khí CO bay lên, mặt thép lỏng chuyển động như thể bị sôi nên gọi là thép sôi. Loại này vẫn còn các bọt rỗ khí trong thỏi đúc. - Thép lặng. Là loại khử ô xi triệt để. Quá trình khử mặt thép lỏng luôn phẳng nặng nên có tên gọi là thép lặng. Thép lặng trong tổ chức không có rỗ khí nên có cơ tính cao hơn thép sôi. c. Theo công dụng. - Nhóm thép cacbon kết cấu: Trong nhóm này lại chia ra làm hai loại: + Thép xây dựng: Chủ yếu dùng làm kết cấu trong xây dựng nhà cửa, cầu cống. Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp, song không cao và cần có độ dẻo để dễ uốn. + Thép chế tạo máy: Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai. Trong nhóm thép này người ta lại chia ra các loại: - Nhóm thép chế tạo máy: Trong nhóm này lại có các loại: + Nhóm yêu cầu cao về độ dẻo, độ dai: Trong nhóm này thành phần cacbon thấp (C = 0,1 – 0,25%). Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua nhiệt luyện thấm cacbon. 22 + Nhóm yêu cầu cao về giới hạn chảy và độ dai: Thành phần cacbon của nhóm này loại trung bình (C=0,3 – 0,5%). Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt. + Nhóm yêu cầu cao về giới hạn đàn hồi: Nhóm này có thành phần cacbon tương đối cao (C= 0,55 – 0,65%). - Nhóm thép cacbon dụng cụ: Là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên cần có yêu cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn. Trong công nghệ chế tạo máy, khoảng 80% khối lượng là thép cácbon kết cấu. 1.2. Tính chất chung của thép cacbon. 1.2.1. Ưu điểm. a. Tính công nghệ. Các loại thép cacbon hầu hết đều có tính công nghệ tốt (trừ tính đúc là kém) đó là có tính cắt gọt cao, tính rèn, hàn tốt và có khả năng nhiệt luyện cao để thay đổi cơ tính. b. Tính chất cơ học. - Có cơ tính tổng hợp tương đối tốt phù hợp với các điều kiện thông dụng. - Rẻ, dễ kiếm, không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền. 1.2.2. Nhược điểm. - Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện (tôi, ram) không cao, do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền...hất lượng thường Cu 99,0% M4 99,0 Dùng làm các hợp kim phụ 1.2. Hợp kim đồng: 37 Trong kỹ thuật chế tạo máy người ta thường dùng hợp kim của đồng với đồng là kim loại cơ bản, hợp kim đồng có tính bền, chịu mài mòn, gia công cắt gọt tốt đáp ứng được các yêu cầu trong chế tạo máy. Hợp kim của đồng thường có hai loại: 1.2.1. Đồng thau (đồng latông): a. Cấu tạo và tính chất: Là hợp kim của đồng và kẽm. Lượng kẽm chứa trong nó không quá 45%. Trong đồng thau còn có các kim loại khác như nhôm, niken, sắt, mangan, các kim loại này được đưa thêm để tăng thêm cơ tính và khả năng chịu ăn mòn của đồng. Cấu tạo và tính chất của đồng thau phụ thuộc vào lượng kẽm chứa trong nó. Nếu đồng thau chứa ít hơn 39% kẽm thì ta có đồng thau cấu tạo một pha (α). Nếu đồng thau chứa 40 – 45% kẽm thì ta có đồng thau cấu tạo hai pha (β + α) . Đồng thau một pha có tính mềm dẻo, đồng thau hai pha có tính cứng và giòn. Người ta còn phân biệt các loại đồng thau nhị nguyên và đa nguyên. Đồng thau nhị nguyên là loại chỉ có hai nguyên tố cơ bản là Cu và Zn, đồng thau đa nguyên ngoài hai nguyên tố trên người ta còn cho thêm vào các nguyên tố như thiếc, mangan để cải thiện cơ tính của đồng. Ngoài ra tuỳ theo cách sử dụng đồng thau vào việc đúc hay gia công bằng áp lực mà người ta còn phân loại là đồng thau đúc và đồng thau gia công bằng áp lực. Để nâng cao cơ tính của đồng thau, người ta thường áp dụng phương pháp nhiệt luyện bằng cách ủ kết tinh lại để khử các ứng suất do quá trình gia công bằng áp lực, nhiệt độ ủ khoảng 600 – 7000C. b. Kí hiệu và công dụng: - Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1569 – 75: Latông được kí hiệu bằng chữ LCu và kí hiệu hoá học của các nguyên tố có trong Latông kèm theo các chữ số chỉ % hàm lượng của nguyên tố đó, còn lại là Cu. Khi không ghi số có nghĩa hàm lượng của nguyên tố ấy =1%. Ví dụ: LCuZn41 là latông đơn giản (đồng thau nhị nguyên) có 41%Zn, còn lại 59% Cu. LcuZn19Al12Ni2,5Si0,5Mn0,5 là latông phức tạp (đa nguyên) có Zn = 19%, Al = 12%, Ni = 2,5%, Si = 0,5%, Mn = 0,5% còn lại là Cu. - Công dụng: Loại latông có Cu > 61% thì tổ chức chỉ gồm 1 pha (Loại này dẻo, thường dùng để cán cụ thể: + Loại chứa từ Cu = 61 ( < 80% thì cơ tính tổng hợp tốt thường để chế tạo các chi tiết máy). + Loại chứa Cu = 90% thường làm dây dẫn điện. Loại latông có Cu < 61% thì tổ chức gồm hai pha là α và β: α là dung dịch rắn thay thế của Zn trong Cu, còn β là pha điện tử trên cơ sở hợp chất điện tử CuZn. Loại này bền hơn nhưng kém dẻo, dùng nhiều làm chi tiết máy. - Ký hiệu theo ký hiệu của Nga (ΓOCT): Đồng thau được ký hiệu bằng chữ Л sau đó là hai chữ số chỉ % của đồng. Ví dụ ký hiệu là Л68 có 68% là đồng còn lại là 38 kẽm và các tạp chất khác là 32%. Nếu có các nguyên tố khác được pha vào thì người ta ký hiệu như sau: Ví dụ KC80-3-3 nghĩa là đồng thau đa nguyên có 80% là đồng, 3% là Si, 3% là Pb còn lại 14% là Z. Bảng 4-2. Bảng tính cơ lý và công dụng của một số đồng thau theo ΓOCT Ký hiệu Giới hạn bền MN/m2 Độ dãn dài δ% Độ cứng HB kG/mm2 Công dụng Đồng thau gia công bằng áp lực Л90 260 45 53 Dùng chế tạo các tấm đồng mỏng Л68 320 55 52 Dùng chế tạo các thanh đồng, ống đồng, dây đồng Л62 320 49 56 Dùng chế tạo các tấm đồng, ống đồng, dây đồng Đồng thau đúc (trong khuôn kim loại) ЛA65-2,5 400 15 90 Dùng chế tạo các chi tiết chống ăn mòn ЛK80-3 300 15 100 Dùng làm các chi tiết trang bị cho tàu thủy ЛAҖ60-1-1 480 18 90 Dùng làm các ổ đỡ trục ЛOC58-2-2 300 4 80 Dùng làm bánh răng - Kí hiệu của Hoa kì (CDA): Có các mác đồng như sau: 110, 172, 260, 510 với ý nghĩa 1xx chỉ đồng đỏ và các hợp kim Cu – Be, 2xx chỉ đồng latông Cu – Zn, 4xx chỉ đồng latông phức tạp. dùng các chi tiết chống ăn mòn, ổ đỡ trụcvv 1.2.2. Đồng thanh (Brông). Là hợp kim của đồng với các nguyên tố không phải là Zn như như thiếc, nhôm,...vv. Đồng thanh được chia thành các loại: a. Đồng thanh thiếc. Lượng thiếc chứa trong đó là từ 5 - 6%, loại này có tính dẻo và có thể dập nguội được. Loại đồng thanh có chứa nhiều thiếc thường dùng để đúc. Trong chế tạo máy người ta dùng đồng thanh thiếc với lượng thiếc không quá 10%, nếu lượng thiếc lớn thì hợp kim sẽ giòn. Để nâng cao tính cắt gọt của đồng thanh thiếc, người ta pha thêm một lượng kẽm vào đồng thanh. Để giảm giá thành và nâng cao độ bền, người ta thay một lượng thiếc bằng một lượng chì (vì chì rẻ hơn thiếc). + Ký hiệu đồng thanh thiếc theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659 – 75: Được bắt đầu bằng chữ Bcu, tiếp theo đến nguyên tố hợp kim chủ yếu ghi theo ký hiệu bảng hệ thống tuần hoàn Menđêleep rồi đến hàm lượng % hoặc số thập phân 39 của hàm lượng nguyên tố đó. Ví dụ: BcuSn6,5P0,8: brông thiếc có 6,5%Sn, 0,8%P, còn lại là Cu. + Ký hiệu đồng thanh thiếc theo (ΓOCT) của Nga: Thì người ta ký hiệu БpO sau đó là tên ký hiệu các kim loại pha vào đồng thanh, tiếp đó là con số chỉ % lượng kim loại pha vào. Ví dụ: БpOЦC5-5-5 là ký hiệu đồng thanh thiếc có 5% là thiếc, 5% là phốt pho, 5%là chì, còn lại là 85% là đồng. Bảng 4-3. Bảng tính cơ lý và công dụng của đồng thanh thiếc Ký hiệu Giới hạn bền kéo MN/m2 Độ dãn dài δ% Độ cứng HB kG/mm2 Công dụng Không nhỏ hơn БpOЦCH 3-7-5-1 180 8 60 Dùng cho các trang bị trong nước biển và trong hơi nước (áp suất tới 25at) БpOЦC 3-12-5 180 8 60 Dùng cho các trang bị trong nước ngọt và trong hơi nước (áp suất tới 25at) БpOЦC 5-5-5 150 6 60 Dùng chế tạo các chi tiết chịu ma sát, chịu mài mòn và làm hợp kim đỡ sát БpOЦC 6-6-3 150 6 60 БpOЦC 4-4-17 150 5 60 БpOЦC 3,5-6-5 150 6 60 Dùng làm các chi tiết của máy kéo b. Đồng thanh nhôm. Vì giá thành đồng thanh thiếc cao nên người ta chỉ sử dụng nó gia công chi tiết quan trọng, các chi tiết khác người ta dùng đồng thanh nhôm. Loại này ngoài thành phần của nhôm còn có Fe, Mn, Ni các nguyên tố này sẽ là cho nó có độ bền cao hơn. Đồng thanh nhôm nếu chứa nhiều nhôm sẽ làm cho đồng thanh rất giòn, nếu cho vào đồng thanh nhôm các kim loại Mn, Fe, Ni sẽ làm cho đồng thanh nhôm bớt giòn và tăng độ bền. Về cơ tính, đồng thanh nhôm có giá trị cao hơn đồng thanh thiếc cả về độ cứng lẫn sức bền. Khả năng chịu ăn mòn nó cũng tốt hơn, đặc biệt trong môi trường nước biển hoặc môi trường có nhiệt độ cao (độ chịu ăn mòn gấp 5 đến 12 lần so với đồng thanh thiếc và gấp 2 đến 3 lần so với thép chống gỉ). Tuy vậy nó cũng có nhược điểm là độ co, độ ngót rất lớn, rễ gây nứt và rất khó hàn. Ký hiệu: Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT) người ta kí hiệu đồng thanh nhôm như sau: БpA sau đó là tên ký hiệu các kim loại pha vào đồng thanh, tiếp đó là con số chỉ % lượng kim loại pha vào. Ví dụ БpAҖH 11- 6 – 6 cách đọc mác kim loại này giống như đồng thanh thiếc. 40 Bảng 4-4. Bảng ký hiệu và công dụng của đồng thanh nhôm Ký hiệu Công dụng Những đồng thanh nhôm có thể gia công áp lực được БpA-5 Dùng để làm các tấm đồng, các băng đồng, các huy hiệu БpA-7 Dùng để làm các tấm đồng, lò so và các chi tiết khác БpAҖH 10-4-4 Dùng làm các bạc đỡ, các bánh răng, xup pap xả Những đồng thanh nhôm đúc được БpA-10 Dùng để đúc định hình, đúc áp lực БpAҖH 11-6-6 Dùng để đúc định hình БpAҖ 9-4 Dùng làm ổ trượt, vỏ bơm, vòng chắn nước БpAҖMц 10-3-1,5 Dùng làm ổ trượt, bạc, bánh răng 1.2.3. Đồng đặc biệt. - Để thay thế cho đồng thanh thiếc đắt tiền người ta dùng đồng thanh Si rẻ hơn. Một số kí hiệu của nhóm này là: БpKC 3 - 4, БpKц 3 – 9. - Người ta còn dùng đồng thanh Bêrili (БpБ2; БpБ2,5) có cơ tính rất cao và có độ bền cao. Ngoài ra nó còn có độ dẫn điện tốt, độ đàn hồi tốt. - Ngoài các loại trên trong kỹ thuật người ta còn dùng đồng thanh Titan, hợp kim đồng, chì Các loại hợp kim này có tính chịu mài mòn rất cao và thường được sử dụng làm ổ trượt trong chế tạo máy. 2. NHÔM VÀ HỢP KIM CỦA NHÔM. 2.1. Nhôm nguyên chất. 2.1.1. Tính chất nhôm nguyên chất. - Nhôm là một loại kim loại nhẹ có trọng lượng riêng là 2,7g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 6600 C. Nhôm có cấu trúc mạng tinh thể lập phương diện tâm, thù hình này không thay đổi cho đến khi nguội ở nhiệt độ thường. - Nhôm có độ dẻo cao, dễ kéo sợi, dễ dập thành sản phẩm, dễ nấu chảy, dễ đúc. Để tăng thêm tính dẻo của nhôm ta ủ nhôm ở nhiệt độ 350 – 4100C. - Nhôm có tính dẫn điện, nhiệt tương đối tốt (tính dẫn điện = 60% của đồng nguyên chất), nhôm rất bền vững không bị ăn mòn trong không khí, trong nước ngọt và trong axit Nitric vì mặt ngoài của nhôm có lớp nhôm ôxít (Al2O3) rất bền vững. - Nhưng nhôm cũng có những nhược điếm sau: Nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (6600C). Độ bền và độ cứng thấp, nhôm dễ bị phá hủy trong môi trường muối, axitclohyđric, axit sunphuaric và dung dịch kiềm. Nhôm có độ dẻo cao nhưng độ bền thấp, tính cắt gọt và tính đúc kém. 2.1.2. Ký hiệu. 41 - Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Nhôm được ký hiệu bằng hai chữ Al và con số đứng đằng sau chỉ phần lẻ hàm lượng % của nhôm. Ví dụ: AL995 là nhôm có 99,995% nhôm nguyên chất. - Theo kí hiệu của Nga (ΓOCT): Ký hiệu nhôm là chữ A, phía sau là các con số chỉ thành phần của nhôm: Ví dụ A-995 nghĩa là có 99,95% là nhôm còn lại là các nguyên tố khác. - Kí hiệu ở Hoa kì, Nhật, các nước châu âu: Người ta dùng kí hiệu H1x, trong đó x chỉ mức độ tăng độ cứng (x/8) 1 - mức tăng ít nhất (1/8) 2 - Mức tăng thêm 1/4 (2/8) 4 - Mức tăng thêm 1/2 (4/8) 6 - Mức tăng thêm 3/4 (6/8) 8 - Mức tăng thêm 4/4 (100%), ứng với mức độ biến dạng bằng 75%. Kí hiệu trên người ta quan tâm đến mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội). Vì vậy cơ tính của nhôm phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái biến dạng này 2.1.3 Công dụng. Nhôm nguyên chất được sử dụng trong kỹ thuật điện để thay thế cho đồng, như là dây dẫn điện, là bản cực các tụ điện, làm đinh tán Ngoài ra nhôm còn sử dụng nhiều trong ngành hàng không. Nhôm nguyên chất ít sử dụng, mà sử dụng dưới dạng hợp kim nhôm. Bảng 4-5. Thành phần hoá học và công dụng của một số loại nhôm theo ΓOCT Kí hiệu Thành phần nhôm % Công dụng A - 995 99,995% Làm tụ điện A - 99 99,99% A - 95 99,95% A - 8 99,80 Dùng dàm dây dẫn điện A - 7 99,70 A - 5 99,50 Dùng làm các dây nhôm, làm đinh tán, các ống nồi, thùng và dùng để đúc các sản phẩm khác A – 0 99,0 2.2. Hợp kim nhôm. Vì nhôm nguyên chất có một số nhược điểm cơ bản như trên nên trong công nghệ chế tạo người ta pha vào nhôm các nguyên tố kim loại để vẫn giữ được ưu điểm của nhôm, đồng thời tăng được cơ tính đáp ứng được các yêu cầu của chế tạo máy. Hiện nay hợp kim nhôm có các loại sau: 42 2.2.1. Hợp kim nhôm biến dạng. Loại này có tính dẻo cao, dễ gia công bằng áp lực, thường hàm lượng nguyên tố hợp kim thấp. Khi ở nhiệt độ cao nó tồn tại dưới dạng dung dịch rắn. Nếu làm nguội nhanh ta được loại hợp kim hoá bền. - Ký hiệu: Theo TCVN 1659 – 75. Các nguyên tố cơ bản có mặt trong hợp kim được ký hiệu theo bảng hệ thống tuần hoàn Menđêleep, con số đứng sau nguyên tố nào chỉ hàm lượng % trung bình nguyên tố đó. Nếu hàm lượng <1% thì ký hiệu 0 đằng trước rồi đến phần thập phân mà không cần ghi dấu phẩy, sau cùng ký hiệu có chữ Z là biểu thị loại dẻo, dễ dập sâu, kéo sợi. Ví dụ: AlMg1 là hợp kim nhôm biến dạng có hàm lượng Mg trung bình là 1%, còn lại các thành phần khác cho trong bảng phải dùng sổ tay để tra cứu. AlMg06Z là hợp kim nhôm biến dạng có hàm lượng Mg trung bình là 0,6% và là hợp kim nhôm dẻo. 2.2.2. Duyara. + Là một trong những hợp kim nhôm biến dạng điển hình và là loại đặc biệt hoá bền được, có độ bền trung bình đến độ bền cao. Sau khi tôi, đạt được бb = 420 ÷ 470MN/m2 ngang với thép C30. Loại này có đặc tính chung là nhẹ, tính chống ăn mòn kém nhưng xử lý được bằng cách phủ lớp nhôm nguyên chất với chiều dày 4 – 8% đường kính dây hay chiều dầy của tấm, có độ bền rất cao. a. Tính chất: + Là hợp kim của nhôm với Cu, Mg và Mn. Thành phần hóa học cơ bản gồm 2,5 - 6% là Cu, 0,4-2,8% Mg, 0,4-1% là Mn, còn lại là nhôm. Magiê và đồng làm tăng độ bền, còn Mangan làm tăng tính chịu ăn mòn của đuyara. + Đuyara được nhiệt luyện bằng cách: Tôi đuyara ở nhiệt độ 5000C trong nước, sau đó hoá già tự nhiên trong 4 ngày đêm (hoá già là quá trình nhiệt luyện làm thay đổi cấu trúc tinh thể và tính chất của hợp kim đã tôi. Quá trình đó diễn ra ở nhiệt độ thường gọi là hoá già tự nhiên. Nếu hoá già ở nhiệt độ cao gọi là hoá già nhân tạo). b. Ký hiệu: - Theo TCVN 1659- 75: Đuyara được ký hiệu bằng chữ D tiếp theo là con số chỉ số thức tự và số hiệu của 18 Đuyara dùng để tra cứu, cuối cùng là chữ Z (dẻo) - Theo ký hiệu của Nga (ΓOCT): Đuyara có ký hiệu là chữ Д, con số đứng sau chỉ số thứ tự, số hiệu của Đuyara. - Theo tiêu chuẩn của Hoa kì: Người ta kí hiệu bằng chữ AAxxxx trong đó: 1xxx- Nhôm sạch, 2xxx- Al- Cu- Mg, 3xxx- Al- Mn,... c. Công dụng: Do có độ bền cao và nhẹ nên đuyara được dùng nhiều trong chế tạo máy bay, tên lửa. Nó cũng được dùng nhiều trong công nghiệp dân dụng. 2.2.3. Hợp kim nhôm đúc (Silumin). a. Tính chất: 43 + Là hợp kim giữa nhôm với thành phần cơ bản là Silíc, ngoài ra còn có một lượng Cu, Mg, Zn. + Lượng Silic bằng từ 6- 13% được gọi là Silumin à hợp kim của nhôm với Si. Đây là loại hợp kim nhôm đúc điển hình, loại này có tính đúc tốt, độ co ngót nhỏ. b. Ký hiệu: - Theo ký hiệu của Việt Nam: Hợp kim nhôm đúc được ký hiệu là các chữ ALĐ1, ALĐ2, ALĐ3, ..............các số 1, 2, 3 ..... dùng tra cứu theo thứ tự đã tìm được. Ví dụ: ALĐ2 tra bảng Si = 10-13%; ALĐ10 có Si = 4 - 6%; Cu = 5 – 7,5%; Zn = 0,5%; Mg = 0,25-0,55%; Mn = 0,3%. - Theo ký hiệu của Nga (ΓOCT): Người ta dùng chữ AЛ trong đó A là biểu thị là nhôm, Л biểu thị tính đúc, các con số tiếp theo chỉ thứ tự hợp kim nhôm tìm ra. Có các mác hợp kim nhôm từ AЛ1 đến AЛ18. + Theo tiêu chuẩn của Hoa kì: Cũng giống như loại hợp kim nhôm biến dạng. Trong đó 4xxxAl-Si; 6xxxAl-Mg- Si. c. Công dụng. Dùng để đúc các chi tiết máy hoặc những sản phẩm dùng trong các nghành công nghiệp cũng như trong đời sống. 3. HỢP KIM LÀM Ổ TRƯỢT. 3.1. Khái niệm. Babit là tên gọi của các loại hợp kim làm ổ trượt trên cơ sở của các kim loại dễ chảy như: Sn, Pb. Babít là hợp kim được sử dụng nhiều trong chế tạo cơ khí, chủ yếu làm các ổ trượt vì nó có hệ số ma sát nhỏ, khả năng chịu mài mòn cao và giữ dầu tốt. 3.2. Yêu cầu kỹ thuật. - Có hệ số ma sát nhỏ với bề mặt trực tiếp. Đây lầ yêu cầu quan trọng nhất với hợp kim làm ổ trượt. - Chịu được áp lực lớn và lâu mỏi. - Có khả năng tạo màng dầu bôi trơn tốt. - Có khả năng truyền nhiệt tốt. - Có tính công nghệ tốt. Đó là dễ đúc, khả năng bám dính cao vào máng thép. 3.3. Cấu tạo và phân loại hợp kim babit. 44 3.3.1. Cấu tạo của hợp kim.Hợp kim làm ổ trượt thường có cấu trúc không đồng nhất (hình 3-1). Trên một nền cơ bản là kim loại mềm có chứa các hạt cứng. Các hạt cứng làm nhiệm vụ đỡ trục quay và phân bố đều trên bề mặt tiếp xúc với trục quay, còn phần nền mềm thì mòn nhanh tạo nên màng dầu bôi trơn cho bề mặt ma sát. Hiện nay người ta dùng các loại hợp kim dễ nóng chảy có thành phần cơ bản là thiếc và chì ngoài ra còn có các nguyên tố khác như niken, canxi...vv. Khi chế tạo các ổ trượt người ta tráng lớp hợp kim babít đó lên bền mặt của gộp thép để tạo thành các ổ đỡ. 3.3.2. Phân loại babít: Hiện nay người ta thường sử dụng các loại babit sau: a. Babit thiếc. - Đặc điểm: Hợp kim gồm hai cấu tử chính là Sn và Sb, ngoài ra nó còn chứa một lượng Cu (3 - 6%). có ưu điểm lớn là kết hợp tốt nhất giữa cơ và lý tính, ma sát nhỏ, tính chống ăn mòn cao, nhược điểm hàm lượng Sn (80 - 90%) nên khá đắt. Thường dùng cho các ổ trượt quan trọng làm việc với tốc độ lớn và trung bình như trong các tuốcbin hơi, máy nén kiểu tuốcbin, ổ đỡ trục chân vịt. - Ký hiệu: + Theo ký hiệu của Nga (ΓOCT): Babít được ký hiệu chữ Б, phía sau có hai con số chỉ % của thiếc, lượng còn lại là đồng (Cu) và ăngtimon (Sb). Ví dụ Б83 có nghĩa là 83% là thiếc, Sb = 11%, Cu = 6%. + Theo kí hiệu của Hoa kì (UNS): Có các mác hợp kim babit L13820, L13890. Các mác trên tương ứng với loại Б83 và Б88 của Nga. b. Babít chì. Hình 4-1. Sơ đồ cấu trúc của hợp kim babit. 45 - Đặc điểm: Là hợp kim trên cơ sở Pb với các nguyên tố: Sn = 6-16%, Sb = 6-16%, Cu 1%. Babít chì dùng làm ổ trượt các loại có tải trọng tĩnh hoặc tải trọng nhỏ. - Kí hiệu: Theo kí hiệu của Nga (ΓOCT). Babít được ký hiệu chữ Б, phía sau là con số chỉ % của thiếc. ví dụ Mác Б16 có Pb = 66%, Sn = 16%, Sb = 16%, Cu = 2%. Bảng 4-6. Kí hiệu, thành phần và công dụng một số loại babit thiếc và chì Ký hiệu Thành phần % Cộng dụng Б83 Thiếc: 83 Antimon: 11 Đồng: 6 Dùng làm các ổ trượt của các trục khuỷu, thanh truyền, làm việc có tải trọng va đập với P x V > 100kG/cm2 x m/s và nếu làm việc với tải trọng tĩnh thì P x V > 150kG/cm2 x m/s Б16 Chì: 66 Thiếc: 16 Antimon: 16 Đồng: 2 Dùng làm các ổ trượt có tải trọng tĩnh P x V < 60kG/cm2 x m/s БH Chì: 73 Thiếc: 10 Antimon: 14 Đồng: 2 Ni ken: 1 Dùng làm các ổ trượt của động cơ đốt trong, các máy cán thép, các hộp giảm tốcThay thể cho Б83 khi làm việc tải trọng tĩnh hoặc va đập với P x V < 60kG/cm2 x m/s БT Chì: ≈ 74 Thiếc: 10 Antimon: 15 Đồng: 1 Telu: 0,05 – 0,2 Dùng làm các ổ trượt của ô tô máy kéo, chịu tải trọng tĩnh hoặc va đập với P x V < 60kG/cm2 x m/s БK2 Chì: 97 Thiếc: 2 Can xi: 0,5 Natri: 0,5 Dùng làm các ổ trượt cho các toa xe, đầu tàu Diezen c. Babit hợp kim nhôm. - Đặc điểm: Hợp kim nhôm là loại đáp ứng khá toàn diện các yêu cầu đối với ổ trượt và hiện nay được dùng rất rộng rãi trên các loại máy móc, vì nó có ma sát nhỏ, nhẹ, tính dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn cao trong dầu, đặc biệt là cơ tính cao hơn các loại babit thiếc và chì. Tuy vậy tính công nghệ của hợp kim nhôm hơi kém. 46 - Tính chất: Hiện nay dùng phổ biến hơn cả là hệ Al – Sn. Trong đó lượng Sn = 3 - 20%. Ngoài ra còn có các nguyên tố như Cu, Ni, Si. Nhờ vậy chúng tạo nên các pha mềm ngay trong hạt dung dịch rắn của Al. - Kí hiệu: Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT). Hợp kim nhôm Babit được kí hiệu bằng chữ AO, kèm theo các con số chỉ % lượng Sn và Cu. Ví dụ mác AO9 - 2 có nghĩa là có 9% Sn, 2% Cu còn lại 89% Al. - Ứng dụng: Trên động cơ ô tô các hợp kim này được dùng làm ổ đỡ của trục cam cơ cấu phối khí động cơ đốt trong. Câu hỏi ôn tập chương 4 Câu 1: Trình bày tính chất, ký hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam, Nga, Hoa Kỳ và công dụng của nhôm nguyên chất. Câu 2: Thế nào là hợp kim làm ổ trượt ? Cho biết yêu cầu của hợp kim làm ổ trượt, đặc điểm và ký hiệu theo tiêu chuẩn Nga của Babit thiếc. Câu 3: Kẻ bảng và liệt kê ký hiệu, thành phần, công dụng của các mác đồng nguyên chất. 47 CHƯƠNG 5: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN 1. NHIỆT LUYỆN. 1.1. TÁC DỤNG CỦA NHIỆT LUYỆN. 1.2. Định nghĩa. Nhiệt luyện là khâu gia công kim loại và hợp kim bằng nhiệt nhằm mục đích thay đổi tổ chức, cấu tạo của kim loại và do đó làm thay đổi cả tính chất cơ, lý của kim loại. Nhiệt luyện bao gồm quá trình: - Nung nóng kim loại và hợp kim đến nhiệt độ xác định. - Giữ nhiệt trong thời hợp lý. - Làm nguội với tốc độ quy định. 1.3. Tác dụng. - Nhiệt luyện cải thiện được tính công nghệ của kim loại, giảm độ cứng, khử ứng xuất, làm đồng đều thành phần tổ chức của hợp kim, cải thiện tính gia công cắt gọt đảm bảo được các chỉ tiêu kỹ thuật và tăng năng suất lao động. - Nâng cao cơ tính: tăng độ cứng, khả năng chịu mài mòn và tăng độ bền. Do đó nâng cao tuổi thọ của chi tiết máy.Ví dụ: Thép C45 sau khi tôi cải thiện có độ cứng 192÷235 HB và độ bền 65kG/mm2; Thép 30MnCrSiA dùng trong chế tạo ôtô, máy kéo. Trước khi nhiệt luyện: Độ bền bằng 60kG/mm2, độ cứng = 170 HB, độ giãn dài δ = 15%. Sau khi tôi + ram thấp: Độ bền bằng 1800kG/mm2, độ cứng = 500HB, độ giãn dài δ = 5%. Nhiệt luyện có tác dụng nâng cao giá trị sử dụng của máy móc giảm giá thành sản phẩm. Vì vậy nhiệt luyện là khâu quan trọng có ý nghĩa to lớn trong ngành cơ khí. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện. Có thể khẳng định được rằng tính chất của kim loại hoàn toàn phụ thuộc vào cấu tạo và tổ chức bên trong của kim loại. Do đó bằng bất kỳ giá nào tạo ra một tổ chức nhất định cũng thu được những tính chất nhất định tương ứng với tổ chức kim loại đó. Thời gian t n Vnguội t O tgiữ Hình 5.1. Các yếu tố của quy trình nhiệt luyện 48 Để đạt được tổ chức theo yêu cầu, công nghệ nhiệt luyện thực hiện ba thao tác: - Nung nóng kim loại đến nhiệt độ nhất định (tn). - Giữ kim loại đó một thời gian cần thiết (tgiữ). - Làm nguội với một tốc độ nhất định (Vnguội). tn, tgiữ, , Vnguội là ba yếu tó đặc trưng cho một quy trình nhiệt luyện. Trong thực tế để đạt được 3 thông số đặc trưng của nhiệt luyện có thể có những thủ thuật chi tiết hơn, nhằm mục đích đảm bảo cho chi tiết không bị biến dạng và thay đổi kích thước khi nung, bảo đảm về sự đồng đều thành phần và nhiệt độ yêu cầu trước khi làm nguội cũng như bảo đảm chi tiết không bị nguội quá đột ngột gây ra nứt vỡ, cong vênh. 1.5. PHÂN LOẠI NHIỆT LUYỆN. 1.5.1. Phương pháp ủ. a. Định nghĩa. Là phương pháp nhiệt luyện nhằm mục đích làm mềm kim loại để dễ cắt gọt, dễ dập định hình, khử bỏ ứng suất dư trong kim loại, làm đồng đều thành phần và làm nhỏ hạt để chuẩn bị cho khâu nhiệt luyện sau cùng. Tuỳ theo mục đích cụ thể trong từng trường hợp người ta có quy trình linh hoạt thích hợp. Nhìn chung thao tác của ủ là: ủ kim loại đến nhiệt độ thích hợp, giữ một thời gian cần thiết ở nhiệt độ ấy, rồi sau đó làm nguội chậm. Thông thường người ta để kim loại nguội cùng với lò hoặc trong môi trường dẫn nhiệt kém như: vôi bột, cát nóng... b. Mục đích. - Làm mềm kim loại để dễ cắt gọt. - Tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng. - Làm giảm hay mất ứng suất bên trong gây nên bởi gia công cắt gọt, đúc, hàn, biến dạng dẻo... - Làm đồng đều thành phần hoá học trên vật đúc bị thiên tích. - Làm nhỏ hạt thép. c. Các phương pháp ủ. Ủ thấp: Còn gọi là ủ non, nhiệt độ nung tn = 200 ÷ 3000C. Phương pháp này nhằm khử bỏ ứng suất trong, không làm giảm độ cứng của chi tiết. ứng dụng cho chi tiết sau khi gia công nguội như lò xo uốn nguội. Ủ kết tinh lại: Thép sau khi gia công bằng áp lực bị biến cứng, hạt kim loại không đều, người ta cho ủ kết tinh lại A1 > nhiệt độ ủ > nhiệt độ kết tinh lại. Ủ như vậy khử được biến cứng, hạt thép đồng đều hơn như: cán, kéo, cắt, gọt .... 49 Ủ không hoàn toàn: Nhiệt độ ủ tủ = AC1+ (20÷30)0C thường áp dụng cho thép cùng tích. Khi nung nóng đến nhiệt độ ủ, chỉ các hạt peclít chuyển biến thành ôstenít, các mạng XêII bị phá vỡ. Khi làm nguội XêII biến thành dạng hạt. Tác dụng của phương pháp này là khử ứng suất trong thép sau cùng tích tạo điều kiện dễ cắt gọt. Trong quá trình ủ chỉ có peclít chuyển biến pha còn XeII không chuyển biến pha do đó người ta gọi là ủ không hoàn toàn. Ủ hoàn toàn: Nhiệt độ ủ tủ = AC3+ (20÷30)0C, phương này áp dụng cho thép trước cùng tích. Khi đạt nhiệt độ ủ thì các pha trước đó hoàn toàn chuyển thành ostenít. Khi làm nguội chậm khử được ứng suất dư, làm nhỏ hạt, tạo cho thép tính dẻo dai. Ủ khuyếch tán: Nhiệt độ ủ tủ = 11000 ÷11500 phương pháp này áp dụng cho thép hợp kim thường bị thiên tích mạnh trước khi cán thường phải để ủ làm đồng đều thành phần. Vì nhiệt độ ủ khá cao nên hạt phát triển to, sau khi ủ thường gia công bằng áp lực rồi ủ hoàn toàn. Ủ đẳng nhiệt. Hình 5.2. Ủ cầu hóa C o t o 20-30 0 Acm AC1 20-30 V o o t ủ Nguội (theo lò) Thời gian 0 C o AC3 AC1 30-500C tgiữ = 50 -100 0C Vnguội trong không khí t Ủ đẳng nhiệt Hình 5.3. Quy trình ủ đẳng nhiệt 50 Nhiệt độ ủ tủ = AC3 + (30 ÷ 50)0C. Thực chất là tiến hành ủ hoàn toàn, nhưng sau đó không làm nguội liên tục mà giữ nhiệt độ ở nhiệt độ trên AC1 khoảng 50÷ 1000C. Tuỳ theo giá trị t và khoảng thời gian giữ nhiệt mà ta có tổ chức khác nhau. Tác dụng của phương pháp này là rút ngắn được thời gian ủ, dễ khống chế được độ cứng bằng cách chọn (t) làm đồng đều được thành phần. Thường áp dụng để ủ thép hợp kim. 1.5.2. Thường hoá. Là phương pháp nung nóng thép đến trên đường GSE tức là đến nhiệt độ tn > (AC3, Acm) để đạt được tổ chức hoàn toàn γ, giữ nhiệt độ một thời gian cần thiết rồi làm nguội trong không khí tĩnh. Vnguội <Vth (Vth: là vận tốc nguội tới hạn). Thường hoá có thể ứng dụng cho mọi loại thép nhằm khử bù biến cứng gia công, huỷ mạng XeII cho thép sau cùng tích, làm nhỏ hạt trước khi nhiệt luyện sau cùng. Thường hoá có thể xem như trường hợp riêng của phương pháp ủ. 1.5.3. Tôi. a. Định nghĩa: Tôi thép bao gồm quá trình nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt trong thời gian hợp lý, sau đó làm nguội nhanh để đạt tổ chức Mactenit có độ cứng cao. Nguyên công tôi thép đóng vị trí quan trọng đặc biệt trong nhiệt luyện vì các lý do sau : - Nó quyết định cơ tính của thép, phù hợp với điều kiện làm việc. Do vậy, quyết định tuổi thọ của chi tiết máy. - Là một trong nguyên công gia công cuối cùng, chi tiết đã ở dạng thành phẩm, vì thế nếu gây ra hư hỏng ở khâu này sẽ gây lãng phí công sức của các khâu gia công trước đó. b. Mục đích: Tăng độ cứng và tính chịu mài mòn của thép, kéo dài được thời gian làm việc của chi tiết máy. - Nâng cao độ bền, độ chịu tải của chi tiết máy. c. Độ thấm tôi: 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 %C0 35 40 45 50 55 60 H R C Hình 5.4. Độ thấm tôi 51 - Độ thấm tôi là chiều sâu của lớp kim loại được tôi cứng. Nếu độ thấm tôi đạt tới tâm lõi chi tiết thì được gọi là tôi thấu. - Độ thấm tôi phụ thuộc vào: + Tốc độ tới hạn Vth càng nhỏ độ thấm tôi càng lớn. + Tốc độ làm nguội: Tốc độ nguội càng cao thì độ thấm tôi càng lớn, tuy nhiên không thể qua lạm dụng yếu tố này để tăng độ thấm tôi. Bởi vì làm nguội quá nhanh dẫn tới làm tăng mạnh ứng xuất bên trong gây ra nứt cong vênh. - Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim (trừ Cacbon) đều có thể nâng cao tính thấm tôi của thép. Vì vậy thép hợp kim có độ thấm tôi tốt hơn thép Cacbon. d. Tốc độ tôi tới hạn (tốc độ nguội tới hạn) Vth. - Tốc độ nguội tới hạn (Vth): Là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để Ôstenit chuyển biến thành Mactenit. Vth của thép càng nhỏ càng dễ tôi cứng. - Tốc độ nguội tới hạn (Vth) của thép hợp kim nhỏ hơn Vth của thép Cacbon, lượng Cacbon trong thép càng tăng thì Vth giảm. e. Xác định nhiệt độ tôi: Hình 5.5. Khoảng nhiệt đội tôi thích hợp của thép C - Đối với sản phẩm thép có hàm lượng C < 0,8% : Nhiệt độ tôi lấy cao hơn AC3, tức là nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là Ôstenit cách này gọi là tôi hoàn toàn. Nhiệt độ tôi = AC3 + (30 ÷ 50)0C. - Đối với sản phẩm thép có hàm lượng C ≥ 0,8% nhiệt độ tôi lấy cao hơn AC1. Tức là nung tới nhiệt độ không hoàn toàn là Ôstenit ( γ + XêII). Cách này gọi là tôi không hoàn toàn. Nhiệt độ tôi = AC1 + (30 ÷ 50)0C. Chú ý: Nhiệt độ tôi của thép hợp kim thường cao hơn thép Cacbon từ 20÷300C. f. Chọn môi trường làm nguội. - Muốn việc tôi thép đạt kết quả tốt thì phải chọn môi trường làm nguội có tốc độ nguội thỏa mãn điều kiện Vnguội ≥ Vth, thì lúc đó ta có γ + MT. 0,8 1,2 1,6 2,0 Khoảng nhiệt độ tôi T 0 C 600 700 800 900 1000 1100 1200 F 727 0 11470 F+P P P + XeIII F+γ S γ + XeII E γ A c m AC3 AC1 52 - Môi trường làm nguội phải đảm bảo ứng suất dư (бd) sinh ra cho sản phẩm nhỏ hơn tới hạn đàn hồi (бđh) của thép chế tạo sản phẩm đó để nó tránh bị cong vênh, nứt vỡ khi làm nguội. - Thông thường trong thực tế có hai môi trường làm nguội nhanh và chậm là nước và dầu, dựa trên nguyên tắc trên người ta chọn môi trường làm nguội cho các nhóm thép C và thép hợp kim như sau: + Nhóm thép C bản chất có Vth lớn thường được làm nguội trong môi trường làm nguội nhanh là nước, nước pha muối, nước pha xút. + Nhóm thép hợp kim bản chất có Vth nhỏ, thường làm nguội trong môi trường làm nguội chậm hơn là dầu công nghiệp. g. Các phương pháp tôi. Tôi trong một môi trường. Chi tiết được làm nguội từ nhiệt độ tôi đến nhiệt độ thường trong một môi trường. Phương pháp này đơn giản nhưng dễ gây biến dạng chi tiết vì ứng suất nhiệt rất lớn. Do đó chỉ áp dụng cho những chi tiết ít quan trọng, đơn giản, tiết diện không thay đổi đáng kể. Tôi trong hai môi trường. Chi tiết được làm nguội từ nhiệt độ tôi bằng môi trường thứ nhất, thường môi trường này có khả năng làm nguội nhanh hơn môi trường sau. phương pháp này hạn chế được ứng suất nhiệt giảm được cong vênh, nứt chi tiết. Phương pháp này cho phép tôi những chi tiết phức tạp hơn. Tuy nhiên có nhược điểm là rất khó xác định thời điểm chuyển môi trường. Tôi đẳng nhiệt. Chi tiết được làm nguội từ nhiệt độ tôi xuống khoảng có chuyển biến đẳng nhiệt tạo thành tổ chức bainit. Giữ vật tôi ở nhiệt độ ấy cho Ostenit chuyển hoá thành bainit mà không cho vectơ nguội cắt đường Mđ. áp dụng tôi đẳng nhịêt cho những chi tiết cần có độ dai lớn. Thời gian γ γ o C A1 Mđ ? Mk Tôi một môi trường Tôi hai môi trường Tôi phân cấp Tôi đẳng nhiệt γ M Hình 5.6. Các hình thức tôi 53 Tôi phân cấp. Vật tôi được làm nguội nhanh từ nhiệt độ tôi tới gần điểm Mđ. Giữ vật tôi ở nhiệt độ này một thời gian cần thiết để bên trong và bên ngoài có nhiệt độ tương đối đồng đều. Sau đó lại tiếp tục làm nguội xuống nhiệt độ thường. Làm như vậy vật tôi ít bị biến dạng do ứng suất nhiệt lớn sinh ra. Do đó có thể tôi những vật có hình dáng phức tạp đạt kết quả tốt. Môi trường tôi thứ hai thường là hỗn hợp muối được pha chế. Tôi phun. Hình thức này thay thùng nước làm nguội bằng cách phun nước. Dòng nước phun vào chi tiết có thể làm nguội nhanh hơn vì môi trường tôi coi như không nóng lên, dòng nước phun phá vỡ màng hơi bám quanh ch