Các phuơng pháp hóa bền bề mặt

Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
1
CHƯƠNG 7: CÁC PHƯƠNG PHÁP HOÁ BỀN BỀ MẶT
7.1. BIẾN CỨNG BỀ MẶT
7.1.1. Nguyên lý
- Là phương pháp biến dạng lớp bề mặt của thép đến một chiều sâu nhất định làm cho mạng tinh thể của lớp này bị xô lệch  bị biến cứng, độ bền độ cứng tăng lên. Chi tiết có độ cứng bề mặt cao còn trong lõi vẫn giữ được độ dẻo.
a, Định nghĩa
b, Đặc điểm
- Dưới tác dụng của ứng suất khi biến dạng  dư → M  làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn cuả bề mặt;
- Lớp bề mặt có ứng suất nén dư do vậy tăng giới gạn bền mỏi;
- Làm mất đi khá nhiều các tật hỏng ở bề mặt như vết khía, rỗ làm giảm nguồn gốc sinh ra các vết nứt mỏi.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
2
7.1. BIẾN CỨNG BỀ MẶT
a, Phun bi
- Phun những hạt làm bằng thép lò xo đã qua tôi hay gang trắng với kích thước 0,5 1,5mm lên bề mặt chi tiết với tốc độ đạt đến 50 100m/s, chiều sâu của lớp hoá bền đạt đến 0,7mm.
- Áp dụng phun bi cho các chi tiết làm bằng thép cứng bằng hợp kim nhôm: lò xo treo, nhíp ô tô, bánh răng hộp tốc độ và cầu sau của ô tô, các loại trục thanh truyền. .v.v..
7.1.2. Các phương pháp biến cứng bề mặt
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
3
7.1.2. Các phương pháp biến cứng bề mặt
c, Dập
- Là hình thức biến dạng bề mặt kim loại bằng va đập được gá lắp trên máy hoặc thực hiện bằng tay.
- Lớp biến cứng có thể sâu tới 35mm, được áp dụng trong chế tạo máy để hoá bền các chi tiết lớn của thiết bị rèn ép, máy nén thuỷ lực.
b, Lăn ép
- Lăn ép được thực hiện ở trên máy cán có gá lắp một hay nhiều bi hoặc con lăn ép lực lên chúng là nhờ lò xo hay hệ thống thuỷ lực.
- Chiều sâu của lớp biến cứng bề mặt tới 15mm, thường áp dụng cho các chi tiết lớn.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
4
CHƯƠNG 7: CÁC PHƯƠNG PHÁP HOÁ BỀN BỀ MẶT
7.2. TÔI BỀ MẶT THÉP
7.2.1. Nguyên lý chung
- Là phương pháp nung nóng thật nhanh bề mặt với chiều sâu nhất định lên nhiệt độ tôi, khi đó phần lớn tiết diện (lõi) không được nung nóng. Khi làm nguội nhanh chỉ có bề mặt được tôi cứng còn lõi vẫn mềm.
- Áp dụng đối với thép Cacbon trung bình 0,35  0,55%C
Gồm các phương pháp sau:
- Nung nóng bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao;
- Nung nóng bằng bằng ngọn lửa hỗn hợp khí Axetylen – Oxy;
- Nung nóng trong chất điện phân;
- Nung nóng trong muối hoặc kim loại nóng chảy.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
5
7.2. TÔI BỀ MẶT THÉP
7.2.2. Tôi bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao
- Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ
a, Nguyên lý nung nóng bề mặt
Hình 4.21
- Chiều sâu của lớp bề mặt có dòng điện chạy qua  tỉ lệ nghịch với tần số f của nó theo công thức:
: chiều sâu lớp bề mặt có mật độ dòng điện cảm ứng cao, cm;
: điện trở suất của kim loại nung, .cm;
: độ từ thẩm của kim loại nung m/A;
f: tần số của dòng điện Hz.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
6
7.2.2. Tôi bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao
b, Chọn tần số và thiết bị
- Tần số dòng điện quyết định chiều dày lớp nung nóng do đó quyết định chiều sâu lớp tôi cứng;
- Thường chọn diện tích lớp tôi cứng bằng 20% tiết diện;
- Chiều dày lớp tôi tương ứng với thiết bị có tần số và công suất như sau:
 = 4  5mm cần f = 2500  8000Hz, P  100kW;
 = 1  2mm cần f = 66000  250000Hz, P = 50 100kW.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
7
7.2.2. Tôi bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao
c, Các phương pháp tôi
- Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt, áp dụng cho các bề mặt tôi nhỏ;
- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt, áp dụng khi tôi bánh răng, trục khửu;
- Nung nóng rồi làm nguội liên tục liên tiếp, áp dụng đối với các chi tiết dài.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
8
7.2.2. Tôi bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao
d, Tổ chức và tính chất của thép sau khi tôi cảm ứng
* Tổ chức
- Nhiệt độ chuyển biến pha Ac1, Ac3 nâng cao lên do vậy độ tôi phải lấy cao hơn so với tôi thể tích thông thường là 100  2000C;
- Độ quá nhiệt cao nên tốc độ chuyển biến pha khi nung rất nhanh, thời gian chuyển ngắn hạt  nhỏ mịn nên sau khi tôi được M rất nhỏ mịn;
- Để đảm bảo hạt nhỏ sau khi tôi cảm ứng trước đó thép phải được nhiệt luyện tôi + ram cao thành X ram tổ chức sau khi tôi cảm ứng là bề mặt M hình kim nhỏ mịn lõi X ram.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
9
7.2.2. Tôi bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao
* Cơ tính
- Sau khi tôi cảm ứng thép có cơ tính là:
+ Bề mặt độ cứng đạt 55  62HRC;
+ Lõi dẻo dai khoảng 20  30HRC;
+ Lớp bề mặt chịu ứng suất nén dư có thể tới 800N/mm2.
 Do đó chi tiết sau tôi có những đặc điểm dau:
+ Vừa chịu được ma sát, mài mòn vừa chịu tải trọng tĩnh và va dập cao, rất thích hợp với bánh răng trục truyền, chốt trục khuỷu,…
+ Chịu mỏi cao;
+ Chịu uốn, xoắn tốt.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
10
7.2.2. Tôi bằng dòng điện cảm ứng có tần số cao
e, Ưu, nhược điểm
* Ưu điểm
- Năng suất cao do thời gian nóng ngắn;
- Chất lượng tốt: tránh được các khuyết tật như Ôxy hoá, thoát cacbon, độ biến dạng thấp;
- Dễ cơ khí hoá, tự động hoá.
 Tôi cảm ứng được đáp ứng rộng rãi trong sản xuất hàng loạt lớn cho các chi tiết mà bề mặt không quá phức tạp.
* Nhược điểm
- Khó áp dụng cho các chi tiết có hình dáng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột;
- Khi sản xuất đơn chiếc hàng loạt nhỏ, tính kinh tế thấp.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
11
CHƯƠNG 7: CÁC PHƯƠNG PHÁP HOÁ BỀN BỀ MẶT
7.3. HOÁ NHIỆT LUỆN
7.3.1. Nguyên lý chung
- Hoá nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện như thấm, bão hoà nguyên tố hoá học vào bề mặt của thép bằng cách khuếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường bên ngoài vào và ở nhiệt độ cao, để làm thay đổi thành phần hoá học do đó làm biến đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt theo mục đích đã định.
a, Định nghĩa và mục đích
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
12
7.3.1. Nguyên lý chung
Mục đích:
+ Nâng cao độ cứng, tính trống mài mòn và độ bền mỏi của chi tiết với hiệu quả cao so với tôi bề mặt như thấm Cacbon, Ni-tơ, Cacbon – Nitơ;
+ Nâng cao tính chống ăn mòn điện hoá và hoá học như thấm Crôm, Al, Si.
b, Các giai đoạn hoá nhiệt luyện
Khi tiến hành hoá nhiệt luyện người ta đặt chi tiết thép vào môi trường (rắn, lỏng, hoặc khí) có khả năng phân hoá ra nguyên tử hoặc nguyên tố cần thấm (khuyếch tán) rồi nung nóng đến nhiệt độ thích hợp. Các giai đoạn nối tiếp nhau xảy ra như sau:
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
13
7.3.1. Nguyên lý chung
+ Phân hoá:
- Là quá trình phân tích phân tử, tạo nên nguyên tử hoạt của nguyên tố cần định thấm.
+ Hấp thụ:
- Là giai đoạn nguyên tử hoạt được hấp thụ vào bề mặt thép với nồng độ cao, tạo ra độ chênh lệch nồng độ giữa bề mặt và lõi.
+ Khuyếch tán:
- Là giai đoạn nguyên tử hoạt ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuyếch tán, tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
14
7.3.1. Nguyên lý chung
c, Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian
+ Nhiệt độ
- Nhiệt độ càng cao, chuyển động nhiệt của nguyên tử càng mạnh, tốc độ khuyếch tán càng lớn, lớp thấm càng chóng đạt chiều sâu quy định.
+ Thời gian
- Ở nhiệt độ cố định, kéo dài thời gian cũng giúp nâng cao chiều sâu lớp thấm;
- Chiều sâu lớp thấm phụ thuộc vào thời gian theo quan hệ:
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
15
7.3. HOÁ NHIỆT LUỆN
7.3.2. Thấm Cacbon
+ Định nghĩa
- Là phương pháp hoá nhiệt luyện làm bão hoà (thấm, khuyếch tán) Cacbon vào bề mặt của thép Cacbon thấp (0,1  0,25%C) làm bề mặt có thành phần Cacbon cao tới 1,2%C.
a, Định nghĩa và mục đích – Yêu cầu đối với lớp thấm
+ Mục đích
- Làm cho bề mặt đạt độ cứng tới HRC 60  64 với tính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi vẫn dẻo và dai với độ cứng HRC 30  40.
+ Yêu cầu đối với lớp thấm
- Đối với bề mặt: Lượng Cacbon đạt được từ 0,8  1,0%;
- Đối với lõi có tổ chức hạt nhỏ, không có F tự do, HRC 30  40.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
16
7.3.2. Thấm Cacbon
b, Nhiệt độ và thời gian thấm Cacbon
* Nhiệt độ thấm
Thông thường lấy nhiệt độ thấm Cacbon là 900  9500C:
+ Đối với thép bản chất hạt nhỏ T0t = 930  9500C;
+ Đối với thép bản chất hạt to T0t = 900  9200C.
* Thời gian thấm
Thời gian thấm phụ thuộc vào hai yếu tố sau:
+ Chiều sâu thấm;
- Các mức thấm: 0,5  0,8; 0,9  1,4; 1,5  1,8;
- Đối với bánh răng chiều sâu lớp thấm được tính như sau:
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
17
7.3.2. Thấm Cacbon
+ Tốc độ thấm;
- Phụ thuộc vào môi trường thấm và nhiệt độ thấm
- Theo kinh nghiệm, nếu thấm ở 9000C thì thời gian thấm (gồm cả thời gian nâng và giữ nhiệt) được tính theo mức 1 giờ cho 0,1 mm chiều sâu lớp thấm.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
18
7.3.2. Thấm Cacbon
c, Chất thấm và quá trình xảy ra
* Chất thấm ở thể rắn
- Chất thấm chủ yếu là than gỗ.
2C +O2 → 2CO
2CO → CO2 + Cng.tử
C nguyên tử được hấp thụ và khuyếch tán vào bề mặt thép để tạo thành lớp thấm.
Cng.tử + Fe(C) → Fe(C)0,1→0,8→(1,21,3)
Đặc điểm:
+ Thời gian dài, khó cơ khí hoá;
+ Chất lượng thấp, hạt lớn, giòn, dễ tróc.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
19
7.3.2. Thấm Cacbon
* Chất thấm ở thể khí
- Chất thấm chủ yếu là CO và CH4, C2H6 hoặc dầu hoả,...
CH4 → 2H4+ Cng.tử
C nguyên tử được hấp thụ và khuyếch tán vào bề mặt thép để tạo thành lớp thấm.
Đặc điểm:
+ Cơ khí hoá và tự động hoá cao;
+ Chất lượng tốt, năng suất cao.
* Chất thấm ở thể lỏng
- Chất thấm chủ yếu là các muối Na2CO3, NaCl, SiC.
Hiện nay phương pháp này ít dùng vì SiC độc, khó thao tác, năng suất thấp.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
20
7.3.2. Thấm Cacbon
d, Nhiệt luyện sau thấm
- Chi tiết sau khi thấm Cacbon có thành phần Cacbon ở bề mặt cao nhưng độ cứng và tính chống mài mòn chưa cao hạt lớn, thép giòn.
- Sau khi thấm Cacbon cần phải qua các dạng nhiệt luyện sau:
+ Tôi hai lần và ram một thấp;
+ Tôi một lần và ram thấp;
+ Thường hoá rồi tôi một.
Trần Thế Quang – BỘ MÔN KỸ THUẬT VẬT LIỆU
21
7.3.2. Thấm Cacbon
e, Công dụng
- Chi tiết thấm qua Cacbon có sự khác nhau lớn về cơ tính giữa bề mặt và lõi nên chỉ áp dụng cho các chi tiết quan trọng;
- Thấm Cacbon làm thay đổi về thành phần ở lớp bề mặt;
- Áp dụng cho các chi tiết có hinh dáng bất kỳ và lớp thấm nói chung đều;
- Tạo ra ứng suất nén dư ở bề mặt nên nâng cao giới hạn mỏi.
7.3.3. Các phương pháp thấm khác
- Thấm Nitơ
- Thấm Nitơ - Cacbon
- Thấm khác: Thấm Bo, Cr, Al, Si.