Kim loại học và nhiệt luyện (Vật liệu kim loại)

Câu 1. Chi tiết: Chày cối dập nguội kích thước nhỏ.

- Điều kiện làm việc:

   + Để dập phôi, chày cối phải chịu áp lực rất lớn, ngoài ra khuôn dập còn chịu ứng suất uốn lớn, lực va đập và lực ma sát.

   + Diện tích tiếp xúc lớn nên khuôn dập không bị nóng lên nhiều (< 200 ºC).

- Với điều kiện làm việc như vậy, chi tiết trên phải đạt được các yêu cầu sau:

   + Độ cứng cao: Phải đạt đến giới hạn dưới của nó là khoảng HRC 58--62 (tuỳ vào loại khuôn, chiều dày, độ cứng của thép đem biến dạng). Nếu dập các lá thép cứng như thép kĩ thuật điện (tôn silic) hay có chiều dài lớn phải yêu cầu độ cứng HRC tới trên 60, thậm chí là 62; còn đối với thép lá mỏng, khi dập uốn, với độ cứng thấp, chỉ cần dộ cứng HRC 56. Không để nhiệt luyện HRC quá 62, vì lúc đó khuôn làm việc dễ bị nứt mẻ.

   + Tính chống mài mòn cao: Đảm bảo được hàng ngàn, vạn lần dập. Nếu khuôn có tính chống mài mòn kém sẽ tạo ra khe hở giữa chày và cối, không đảm bảo cho chi tiết làm việc tốt.

   + Độ bền và độ dai bảo đảm: Để chịu được tải trọng lớn và chịu va đập. Đối với khuôn dập lớn cần phải có thêm yêu cầu về độ thấm tôi và ít thay đổi thể tích khi tôi.

Câu 2.

- Ta lựa chọn vật liệu theo nguyên tắc: Vật liệu được chọn sau khi áp dụng các quy trình công nghệ thích hợp được đầy đủ các yêu cầu làm việc của chi tiết. Ngoài ra vật liệu đó còn phải phổ biến, không quá đắt tiền, có khả năng gia công cơ khí tốt và không yêu cầu phải áp dụng các quy trình công nghệ quá đặc biệt.

- Công nghệ được lựa chọn trên nguyên tắc: Công nghệ phải làm cho vật liệu đạt được các chỉ tiêu kĩ thuật đặt ra, không quá phức tạp, đắt đỏ; có thể thây đổi, cải tiến trong tương lai và phải thực hiên được trên nhiều loại thiết bị. Ngoài ra, trong điều kiện hiện nay, đó phải là công nghệ sạch. Khả năng lựa chọn vật liệu và công nghệ do vậy rất phong phú và có thể có nhiều phương án cho các yêu cầu trên.

- Dưới đây, ta chọn ra phương án chính và đề ra các phương án thay thế (vật liệu) khi cần thiết.

- Chọn mác thép: Để làm khuôn dập nguội nhỏ, đơn giản, chịu tải trọng nhỏ có thề dùng thép dụng cụ cacbon với các mác CD100, CD120. Ở đây ta chọn 01 mác thép điển hình để chế tạo chi tiết trên, là CD120.

a) Thành phần hoá học của mác thép CD120:

1.15 – 1.24 %C,  0.17 – 0.33 %Si,  0.17 – 0.33 %Mn

%P ≤ 0.035,  %S ≤ 0.030,

%Cr ≤ 0.20,  %Ni ≤ 0.25,  %Cu ≤ 0.25.

Cơ sở lí luận để chọn mác thép CD120: Các thành phần trên giúp chi tiết đảm bảo được những điều kiện ban đầu để sau này nhiệt luyện sẽ đảm bảo độ cứng cho làm việc chịu va đập cũng như các thành phần khác giúp dễ xử lí nhiệt.

b) Lập bảng kí hiệu và thành phần của các mác thép tương đương với thép CD120 của tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN):

   Nhận xét:

- Giữa các tiêu chuẩn của các nước nhìn chung tương đối giống nhau, chỉ có vài điểm khac biệt: Tiêu chuẩn ASTM (Mỹ) có thêm thông số thành phần của V, W, Mo; tiêu chuẩn của Nhật và Trung Quốc không yêu cầu cao về hàm lượng Si, Mn (khoảng % rộng hơn các nước còn lại).

- Nguyên nhân của sự khác nhau đó: Do công nghệ nhiệt luyện khác nhau, do yêu cầu sử dụng, sử dụng vật liệu trong những môi trường có điều kiện khác nhau …

* Một số tiêu chuẩn tương đương khác:

Câu 3. Vai trò của cacbon và các nguyên tố tạp chất trong thép đối với cơ tính và công nghệ nhiệt luyện của thép cacbon dụng cụ CD120:

Bảng tính

a) Cacbon:

   Trong thép, nguyên tố cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định đến cơ tính cũng như đối với công nghệ nhiệt luyện thép do tổ chức và tính chất của thép chủ yếu do cacbon quyết định. Cácbon tồn tại trong thép dưới hai dạng: dung dịch rắn xen kẽ trong mạng tinh thể sắt ( -Fe ở nhiệt độ thấp và  -Fe ở nhiệt độ cao) và dạng liên kết trong hợp chất Fe₃C (xêmentit). Các pha dung dịch rắn có độ dẻo cao, độ bền thấp trong khi xêmentit là pha cứng và giòn. Sự kết hợp các pha này sẽ cho các tổ chức khác nhau của thép tương ứng với từng thành phần và trạng thái cụ thể. Khi lượng cácbon tăng thì lượng xêmentit cũng tăng và ngược lại. Tổ chức của thép ở trạng thái cân bằng phụ thuộc hàm lượng cácbon như sau:

          -  C < 0,8%: Thép trước cùng tích, tổ chức là ferit-péclit,

          -  C = 0,8%: Thép cùng tích, tổ chức là péclit,

          -  C > 0,8%: Thép sau cùng tích, tổ chức la peclit-xêmentit.

   Hàm lượng cácbon cũng quyết định đến tính chất của thép, còn ảnh hưởng của hàm lượng cácbon đến cơ tính của thép được trình bày trên hình vẽ dưới đây:

   Nhận xét:

- Theo hình vẽ ta có thể nhận thấy khi hàm lượng cácbon tăng lên, độ bền, độ cứng tăng theo; độ dẻo, độ dai giảm đi; riêng độ bền có tăng cực đại vào khoảng 0,9% C.

- Cácbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB, một cách định lượng, cứ tăng 0,1% C, độ cứng tăng khoảng 20 – 25 HB, độ bền tăng khoảng 60 – 80 Mpa, độ dãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối giảm lần lượt là 2 - 4% và 1 - 5%, độ dai va đập giảm 200 kJ/m².

- Do có vai trò quyết định đến cơ tính thép như vậy nên hàm lượng cácbon sẽ quy định phạm vi ứng dụng của các loại thép khác nhau.

- Có thể giải thích ảnh hưởng của hàm lượng cácbon đến cơ tính thép như sau: Khi hàm lượng cácbon tăng, hàm lượng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên, làm cho độ bền và độ cứng tăng, độ dẻo và độ dai giảm. Độ bền của thép giảm đi khi hàm lượng C vượt quá 1% là do có sự có mặt của xêmentit II ở dạng lưới, cản trở sự tạo điều kiện cho vết nứt phát triển, làm giảm độ bền.

Ở đây là thép có hàm lượng cacbon cao (≥ 0.7%), có ưu điểm là độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, nên được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo.

Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cácbon: Thép càng ít cácbon càng dễ hàn chảy và dập.

Hàm lượng cácbon cũng ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép, thép càng cứng càng khó cắt, nhưng quá mềm cũng gây khó khăn cho cắt gọt.

Nói chung tính đúc của thép cácbon không cao.

Các tính chất lí hoá khác: Khi tăng hàm lượng cácbon, các tính chất lý hoá khác của thép cũng thay đổi theo: khối lượng riêng, độ từ thẩm và khả năng chống ăn mòn của thép giảm đi; điện trở, nhiệt trở và lực khử từ tăng lên.

b) Các nguyên tố tạp chất:

    Các nguyên tố tạp chất trong thép được phân thành: Các tạp chất thường có, các tạp chất ngẫu nhiên và các tạp chất ẩn.

- Các tạp chất thường có, gồm: Phôtpho, lưu huỳnh, silic và mangan.

+ Silic (Si): Cho vào thép dưới dạng ferô silic khử oxy triệt để thép trạng thái lỏng:

          Si  +   FeO     =  Fe  +  SiO₂

          (SiO₂ nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

   Silic hoà tan vào ferit nâng cao độ bền và độ cứng của pha ferit này, nên làm tăng cơ tính của thép, song không rõ rệt do lượng silic cao nhất trong thép cũng chỉ đạt giới hạn 0,20 – 0,40 %.

   Silic không tạo cácbt và có xu hướng làm thoát cácbon trong thép. Si có tác dụng làm tăng độ thấm tôi ở mức độ trung bình với hệ số tăng độ thấm tôi là 1,7. Si có tác dụng làm tăng tính ổn định ram, chống oxy hoá cho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão cho thép crôm. Si còn có tác dụng tăng tính đàn hồi cho thép (cho nên Si thường có mặt trong các mác thép đàn hồi).

+ Mangan (Mn): Cho vào thép dưới dạng ferô mangan để khử oxy thép ở trạng thái lỏng, loại trừ được FeO rất có hại:

          Mn   +  FeO      Fe  +  MnO

          (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

   Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh.

   Mn có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hoà tan vào ferit nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng mangan cao nhất trong thép cácbon cũng chỉ nằm trong khoảng giới hạn 0.50 – 0.80%  nên ảnh hưởng này không quan trọng.

+ Lưu huỳnh (S): Đi vào thép từ quặng hay từ than. Đây là tạp chất có hại cho thép vì trong thép, nó tạo thành cùng tinh (Fe + FeS) nằm ở biên giới hạt có nhiệt độ nóng chảy 990º C. Khi gia công áp lực thép ở nhiệt độ cao, cùng tinh này chảy ra làm cho thép bị đứt ở biên giới hạt, gây ra hiện tượng giòn nóng (hay bở nóng). Hàm lượng S trong thép phải khống chế ở mức càng thấp càng tốt.Thông thường trong thép, S < 0,06%. Thép chất lượng càng tốt, hàm lượng này càng thấp (trừ thép dễ cắt, hàm lượng S có thể lên đến 0,08 – 0,30%).

+ Phôtpho (P): Tương tự như lưu huỳnh, phôtpho đi vào thép từ quặng và than. Phốtpho tồn tại trong thép ở cả dạng hoà tan và dạng liên kết Fe₃P. Dù ở dạng nào, nó cũng làm cho thép bị giòn ở trạng thái nguội, còn gọi là hiện tượng giòn nguội (bở nguội), rất có hại cho thép (ví dụ như phôi dễ bị nứt vỡ dù lực không lớn). Do đó hàm lượng P trong thép phải được khống chế chặt chẽ, thông thường, P < 0.06%, còn với thép dễ cắt, P có thể lên tới 0.08 – 0.15%.

- Các tạp chất ngẫu nhiên: Các tạp chất này đi vào thép từ sắt thép vụn tái sinh. Các nguyên tố Cr, Ni, V … là các nguyên tố có thể gặp trong trường hợp này. Vai trò của chúng với một lượng nhỏ (ngẫu nhiên) không rõ nét trong thép. Khi được cho vào thép với mục đích cụ thể, chúng đóng vai trò các nguyên tố hợp kim, chúng có thể hoà tan trong mạng tinh thể của  -Fe và  -Fe để tạo thành ferrit hợp kim và austenit hợp kim. Một số nguyên tố như Ni, Mn, N, Cu, … khi hoà tan vào trong Fe sẽ có tác dụng mở rộng vùng ổn định   và làm cho nhiệt độ chuyển biến  -  hạ xuống (một số thép với hàm lượng Mn (> 10%) và Ni (>20%) đủ lớn sẽ có tổ chức austenit ở ngay nhiệt độ thường).

   Một số nguyên tố khác như Cr, V, Ti, Mo, Si, … lại có tác dụng thu hẹp vùng ổn định của   và nâng cao nhiệt độ chuyển biến  - . Chúng được gọi là các nguyên tố mở rộng  .

+ Crôm: Trong thép, Cr liên kết với C tạo thành cácbit phức tạp dễ hoà tan vào austenit khi nung lên trên 900ºC. Giống như Mn và Si, Cr cũng có tác dụng tăng độ thấm tôi với hệ số 3,2. Do tạo các loại cácbit phân tán nhỏ mịn nên Cr có tác dụng chống ram, nâng cao độ bền nóng (red-hardness: độ cứng nóng) cho thép. Cũng với nguyên nhân này, Cr có tác dụng làm tăng mạnh khả năng chống mài mòn (wear resistance) cho thép.

+ Môlípđen: Mo là nguyên tố thu hẹp mạnh vùng  , là nguyên tố tạo cácbit mạnh, khó tan vào austenit khi nung lên có tác dụng giữ nhỏ hạt thép. Mo còn có tác dụng tăng mạnh độ thấm tôi với hệ số 3,8. Mo cải thiện tính chống ram do tạo ra độ cứng thứ hai khi ram (tạo pha Mo₂C) và có tác dụng làm giảm sự nhạy cảm đối với giòn ram.

Cụ thể ⁽¹⁾:

+ Chromium: làm tăng độ thấm tôi trong xử lí nhiệt (Chromium produces deeper hardness penetration in heat treatment and contributes wear resistance and toughness) góp phần chống mài mòn và tính dai, tính bền.

+ Manganese: Với một lượng nhỏ được dùng giúp cho thép bền hơn và thêm và đó làm cho thép cứng hơn và nhanh hơn trong xử lí nhiệt. Nó cũng giúp hạ thấp nhiệt độ tôi cần thiết để tôi thép cứng hơn(Manganese in small amounts is used to aid in making steel sound and further additions help steel to harden deeper and more quickly in heat treatment. It also helps to lower the quenching temperature necessary to harden steels. Larger amounts of manganese in the 1.20-1.60% range allow steels to be oil quenched rather than water quenched) Lượng lớn Mn trong khoảng 1.20 – 1.60%C cho phép thép được làm nguội tốt hơn là làm nguội bằng nước.

+ Molybdenum: Tăng độ thấm tôi trong xử lí nhiệt và làm giảm nhiệt độ tôi. Nó cũng giúp tăng độ cứng nóng và tính chống mài mòn. (Molybdenum increases the hardness penetration in heat treatment and reduces quenching temperatures. It also helps increase red hardness and wear resistance)

+ Nickel làm tăng thêm độ cứng và tính chóng mài mòn cho thép và được dùng chung với những nguyên tố tăng độ cứng khác.(Nickel adds toughness and wear resistance to steel and is used in conjunction with hardening elements)

+ Vônfram: Được thêm vào thép làm tăng tính chống mài mòn và cung cấp những đặc điểm cứng nóng, một lượng khoảng 1.5% làm tăng tính chống mài mòn và khoảng 4% trong sự kết hợp với cacbon cao sẽ làm tăng thêm tính chống mài mòn. W với một lương lớn cùng Cr cần cho khả năng cứng nóng. (Tungsten added to the steel increases its wear resistance and provides red hardness characteristics. Approximately 1.5% increases wear resistance and about 4% in combination with high carbon will greatly increase wear resistance. Tungsten in large quantities with chromium provides for red hardness)

+ Vanadium với một lượng nhỏ làm tăng độ dai, độ bền và làm giảm độ hạt. V với một lượng trên 1% tăng khả năng chống mài mòn rất tốt đặc biệt là thép gió. Lượng V nhỏ hơn kết hợp với Cr và W giúp tăng đặc tính cứng nóng(Vanadium in small quantities increases the toughening effect and reduces grain size. Vanadium in amounts over 1% provides extreme wear resistance especially to high-speed steels. Smaller amounts of vanadium in conjunction with chromium, and tungsten, aid in increasing red hardness properties)

- Các tạp chất ẩn: Đó là các tạp chất khí H₂, O₂, N₂, … Chúng có mặt trong thép với lượng chứa rất nhỏ mà các phương pháp phân tích thông thường không thể phát hiện ra. Vì vậy, chúng được gọi là các tạp chât ẩn, và nói chung là có hại.

Câu 4.

a) Các nhiệt độ quan trọng:

    - Nhiêt độ chảy hoàn toàn:  1460 ºC

    - Nhiệt độ thường hoá:         904  1104 ºC

    - Nhiệt độ ủ:                        750  770 ºC   

    - Nhiệt độ tôi:                      760  790 ºC

b)  Dùng giản đồ pha Fe-C, xác định trên đó thép C có cùng thành phần C với mác thép CD120:

.......................................................

b) Sau khi gia công cơ khí phải nhiệt luyện:

   - Ủ không hoàn toàn ở 750 – 760ºC (bởi vì sau khi đúc, việc làm nguội chi tiết thường không được đồng đều ở các lớp dày khác nhau trên chi tiết; bề mặt thường cứng hơn, tồn tại những ứng lực dư bên trong kim loại)

   - Tôi 760 – 780ºC, vì chi tiết là chày cối dập nguội, đòi hỏi độ cứng cao nên phải tôi để tăng độ cứng và độ bền.

   - Sau tôi, ram thấp ở 150 – 300ºC, bởi vì rằng, sau khi tôi, ứng lực dư trong thép tăng lên làm cho thép bị giòn, phải tiến hành ram cải thiện tính chất, làm tăng tuổi thọ và làm giảm ứng lực dư. Vì ram thấp nên không ảnh hưởng đến độ cứng, đồng thời vừa giảm được ứng lực dư bên trong, vừa tăng độ dai.

c) Những nguyên công và tổ chức tế vi, cơ tính tương ứng:

 d) Nếu cần thay thế, ta có thể lựa chọn vật liệu khác

Giải thích: