Các loại thép chứa cacbon có thể trở nên cứng hơn hoặc mềm hơn khi được gia nhiệt.
「Xử lý nhiệt」là phương pháp có thể thay đổi và cải thiện tính chất của vật liệu mà không làm thay đổi hình dạng, vì vậy thường được áp dụng cho các bộ phận yêu cầu độ bền cao như trục, bánh răng, v.v.
Trong bài viết này, với vai trò là kiến thức cơ bản về「xử lý nhiệt」，chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết các phương pháp xử lý nhiệt tiêu biểu, cũng như các loại tôi nhiệt và đặc tính của chúng.
Mục lục
- Xử lý nhiệt là gì?
- Nguyên lý của xử lý nhiệt
- Các loại xử lý nhiệt
- Các loại tôi chính
- Khuyết tật trong xử lý nhiệt và biện pháp khắc phục
- Kết luận
Xử lý nhiệt là gì?
Xử lý nhiệt là phương pháp nâng cao tính chất và khả năng chống mài mòn của vật liệu bằng cách tận dụng sự biến đổi tổ chức kim loại xảy ra khi gia nhiệt và làm nguội kim loại chứa cacbon (chủ yếu là thép).
Các phương pháp xử lý nhiệt tiêu biểu gồm có:「Tôi」、「ram」、「ủ」và「thường hóa」、cho phép làm cứng hoặc làm mềm thép tùy theo mục đích sử dụng.
Tên gọi của từng phương pháp sẽ khác nhau tùy theo cách gia nhiệt và thời gian làm nguội, sau khi thép được nung đến nhiệt độ biến đổi thành tổ chức kim loại gọi là austenite.
Nguyên lý của xử lý nhiệt
Tại đây, chúng tôi sẽ giải thích một cách đơn giản nguyên lý khiến kim loại (thép cacbon) trở nên cứng hơn thông qua xử lý nhiệt.
Thép cacbon được cấu tạo từ sự pha trộn của các tinh thể gồm sắt nguyên chất mềm (ferrite) và hợp chất cứng của sắt và cacbon (cementite).
Khi trạng thái pha trộn loang lổ này được nung nóng đến 800°C ~ 850°C, tổ chức kim loại sẽ chuyển sang trạng thái gọi là austenite, và sự phân bổ của cacbon sẽ trở nên đồng đều.
Từ trạng thái này, nếu làm nguội chậm, kim loại sẽ kết tinh trở lại, nhưng do tổ chức trở nên đồng nhất nên độ mềm được tăng lên và tính chất cơ học được cải thiện. Quá trình này được gọi là ủ/ thường hóa.
Ngược lại, nếu tổ chức kim loại đã được austenit hóa được làm nguội nhanh, nó sẽ chuyển biến sang tổ chức gọi là martensitic, và kim loại sẽ được làm cứng trong khi vẫn giữa sự phân bố cacbon đồng đều. Quá trình này được gọi là tôi.
Kim loại sau khi tôi sẽ trở nên rất cứng, nhưng nếu giữ nguyên ở trạng thái martensite thì sẽ giòn. Vì vậy, bằng cách nung lại rồi làm nguội, có thể ổn định tổ chức kim loại. Quá trình này được gọi là ram.
Độ cứng do tôi được quyết định bởi khả năng tôi của vật liệu, tốc độ làm nguội và hàm lượng cacbon. Các nguyên tố hợp kim khác ngoài cacbon không ảnh hưởng đến độ cứng khi tôi. Đối với các vật liệu có hàm lượng cacbon cao như thép SK, hàm lượng cacbon càng lớn thì độ cứng sau khi tôi càng cao.
Lựa chọn vật liệu trong xử lý nhiệt và cách đọc ký hiệu: Sự khác nhau giữa S45C và SS400
Khi tiến hành nhiệt luyện, việc lựa chọn vật liệu là vô cùng quan trọng. Nếu không hiểu rõ hàm lượng cacbon và đặc tính của từng loại thép mà vẫn thực hiện nhiệt luyện, có thể gây ra các lỗi như nứt, gãy hoặc khiếm khuyết.
Vì vậy, để hiểu đặc tính của vật liệu, cần phải nắm vững cách đọc và hiểu ký hiệu vật liệu một cách chính xác.
Cả S45C và SS400 đều là vật liệu thép, tuy nhiên thành phần và tiêu chuẩn kỹ thuật của chúng lại khác nhau.
S45C là một loại thép cacbon dùng cho kết cấu máy, được sử dụng rất phổ biến. Trong ký hiệu「S○○C」, S là viết tắt của thép, C là cacbon, con số ở giữa biểu thị hàm lượng cacbon. Đối với S45C, hàm lượng cacbon nằm trong khoảng 0.42% ~ 0.48%, xấp xỉ 0.45%, nên có thể hiểu đây là thép cacbon chứa khoảng 0.45% cacbon. Do có chứa cacbon, vật liệu này có thể điều chỉnh độ cứng thông qua quá trình tôi.
Ngược lại, SS400 cũng là một loại thép cán dùng cho kết cấu chung, được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng và kết cấu. Trong ký hiệu「SS○○」: Chữ S thứ nhất là viết tắt của Steel (thép), chữ S thứ hai là chữ cái đầu của Structure (thép cán cho kết cấu chung). Ngoài ra, loại vật liệu này được quy định theo cường độ, trong đó, con số trong「SS○○」biểu thị giới hạn dưới của độ bền kéo. Đối với SS400, không có quy định về hàm lượng cacbon, nên không thể kỳ vọng tăng cường độ bằng phương pháp tôi. Vì vậy, trong đa số trường hợp, vật liệu này được sử dụng trực tiếp làm thép kết cấu hoặc chi tiết mà không tiến hành tôi.
Danh sách các loại vật liệu tương thích của Agency Assist Vietnam
Các loại nhiệt luyện
Nhiệt luyện có nhiều phương pháp gia công khác nhau, tùy theo mục đích và ứng dụng. Tuy nhiên, nếu phân loại một cách tổng quát, có thể chia thành hai nhóm chính sau: Nhiệt luyện toàn bộ và nhiệt luyện bề mặt.
Lần này, chúng ta sẽ tiến hành giải thích về「nhiệt luyện thông thường」trong nhóm nhiệt luyện toàn bộ.
| Các loại nhiệt luyện thông thường | Đặc tính |
| Tôi（Quenching） | Nâng cao độ cứng |
| Ram（Tempering） | Tăng độ dẻo dai tổng thể, cân bằng giữa độ cứng và độ dai, điều chỉnh độ cứng phù hợp cho chi tiết máy |
| Ủ（Annealing） | Làm mềm vật liệu, nâng cao khả năng gia công |
| Thường hóa（Normalizing | Làm đồng đều tổ chức kim loại, cải thiện tính chất cơ học |
Tôi（Quenching）
・Mục đích: Quá trình tôi được thực hiện nhằm làm cứng thép và tăng khả năng chống mài mòn.
Ký hiệu gia công:「HQ」
・Đặc điểm: Tôi giúp nâng cao độ cứng nhưng đồng thời làm vật liệu trở nên giòn, dễ nứt vỡ. Do đó, về nguyên tắc, sau khi「tôi」luôn kết hợp với quá trình「ram」để giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai.
Quy trình: Gia nhiệt cho đến khi tổ chức kim loại chuyển sang austenite. Sau đó nhúng vào môi trường làm nguội như nước hoặc dầu để làm nguội nhanh (tôi nhanh). Sau một khoảng thời gian nhất định thì lấy ra và để nguội trong không khí.
・Sự khác nhau giữa tôi nước và tôi dầu:
Sau khi gia nhiệt vật liệu, người ta làm nguội nhanh bằng chất làm nguội khi tôi như nước hoặc dầu để tăng độ cứng – phương pháp này gọi là tôi. Trong đó, dùng nước để làm nguội nhanh gọi là「tôi nước」, còn dùng dầu gọi là「tôi dầu」.
・Cách phân biệt và sử dụng tôi nước và tôi dầu:
① Tôi nước: Có thể đạt được độ cứng cao hơn, tuy nhiên chỉ phù hợp với các chi tiết có cấu trúc đơn giản.
② Tôi dầu: Được sử dụng khi không yêu cầu độ cứng quá cao, hoặc khi chi tiết có hình dạng phức tạp hay kích thước lớn.
Ram（Tempering）
・Mục đích: Ram là quá trình được thực hiện đối với thép đã tôi hoặc đã thường hóa, nhằm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai. Đây là công đoạn bắt buộc sau khi tôi.
Ký hiệu gia công:「HT」
・Đặc điểm: Sau khi tôi, vật liệu được gia nhiệt lại ở nhiệt độ không vượt quá nhiệt độ biến thái, sau đó làm nguội để ổn định tổ chức kim loại.
・Ram nhiệt độ thấp và ram nhiệt độ cao:
Ram nhằm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai của thép đã tôi hoặc đã thường hóa, được chia làm hai loại「Ram nhiệt độ thấp」và「Ram nhiệt độ cao」
① Ram nhiệt độ thấp: Tiến hành ở khoảng 150°C~200°C, giúp tăng độ dẻo dai mà không làm giảm quá nhiều độ cứng. Phù hợp với các ứng dụng cần tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn.
② Ram nhiệt độ cao: Tiến hành ở khoảng 500°C ~ 650°C, được sử dụng khi cần độ bền và độ dẻo dai cao. Trong ram nhiệt độ cao, việc ram từ hai lần trở lên là điều phổ biến.
Ủ thép（Annealing）
・Mục đích: Ủ thép được thực hiện chủ yếu nhằm làm mềm thép để dễ gia công cắt gọt hơn. Quá trình này giúp cải thiện khả năng gia công, đồng thời ngăn ngừa sự không đồng đều khi gia công và hiện tượng nứt vỡ. Ủ thép còn được gọi là ủ nhiệt.
Ký hiệu gia công:「HA」
・Đặc điểm: Sau khi gia nhiệt cho đến khi tổ chức kim loại chuyển sang trạng thái austenite, thép sẽ được làm nguội từ từ trong lò hoặc môi trường tương tự, mất nhiều thời gian để nguội (làm nguội chậm/ làm nguội trong lò).
・Các loại ủ thép:
Tùy theo mục đích, ủ thép có thể được chia thành các loại như:「Ủ hoàn toàn」,「Ủ hai gia đoạn」 ,「Ủ khử ứng suất」và「Ủ cầu hóa」
Thường hóa（Normalizing）
・Mục đích: Thường hóa được thực hiện nhằm làm đồng đều tổ chức kim loại không đồng nhất phát sinh trong quá trình sản xuất thép, đồng thời cải thiện các tính chất cơ học như độ bền kéo và khả năng chịu va đập. Quá trình này còn được gọi là thường hóa.
Ký hiệu gia công:「HNR」
・Đặc điểm: Sau khi gia nhiệt đến khi tổ chức kim loại chuyển sang trạng thái austenite, vật liệu được lấy ra khỏi lò và để nguội trong không khí tĩnh (làm nguội bằng không khí). So với làm nguội trong lò, tốc độ làm nguội nhanh hơn một chút, nhờ đó làm mịn các hạt tinh thể của tổ chức đã bị thô hóa. Nếu tôi cứng làm tăng độ cứng của thép và ủ làm mềm thép, thì thường hóa tạo ra độ cứng ở mức trung bình, không quá cứng cũng không quá mềm.
Các loại tôi chính
Dưới đây là phần giới thiệu về các loại tôi cứng chủ yếu.
| Tôi cứng toàn bộ | Còn được gọi là tôi thấu. Đây là phương pháp tôi cứng áp dụng cho toàn bộ vật liệu. Vì nhiệt được truyền tới tận phần lõi của vật liệu nên độ cứng của toàn bộ chi tiết được tăng lên. Tuy nhiên, đối với vật liệu có kích thước lớn, cần lưu ý vì nhiệt khó truyền đều tới phần trung tâm. |
| Tôi cứng bề mặt | Tôi cứng bề mặt là quá trình chỉ tôi phần bề mặt của vật liệu. Do chỉ xử lý bề mặt nên độ cứng của bề mặt tăng lên, trong khi độ cứng bên trong vật liệu không thay đổi. Các phương pháp tôi cứng bề mặt chủ yếu gồm 4 loại:「Tôi bằng ngọn lửa」,「Tôi cao tần」,「Tôi bằng laser」,「Tôi bằng chùm tia điện tử」 |
| Tôi chân không | Đây là phương pháp tôi cứng bằng cách gia nhiệt trong lò ở trạng thái chân không rồi làm nguội nhanh. Do được thực hiện trong môi trường chân không nên có thể ngăn chặn hiện tượng oxy hóa và khử cacbon trên bề mặt sản phẩm, tạo ra bề mặt có độ bóng cao, đồng thời đạt được độ cứng đồng đều, không bị chênh lệch. |
| Thấm cacbon tôi cứng | Đây là quá trình thấm cacbon vào bề mặt của thép cacbon thấp nhằm làm tăng hàm lượng cacbon, sau đó tiến hành tôi và ram. Nhờ đó, bề mặt sản phẩm trở nên rất cứng và có khả năng chống mài mòn cao, trong khi phần bên trong vẫn mềm và có độ dẻo dai tốt. |
| Tôi cao tần | Là phương pháp tôi cứng sử dụng dòng điện cảm ứng cao tần để gia nhiệt bề mặt của vật liệu thép. Do kim loại được làm nóng bằng cách quấn cuộn dây đồng quanh chi tiết nên có thể làm cứng chính xác vị trí mong muốn. So với các phương pháp nhiệt luyện bề mặt khác, tôi cao tần có lượng phát thải CO₂ thấp, tiêu thụ năng lượng ít hơn, vì vậy được xem là phương pháp thân thiện với môi trường. |
| Tôi thấm nito | Tôi thấm nito là phương pháp chỉ tôi cứng phần bề mặt của vật liệu nhằm tăng độ cứng. Phương pháp này được thực hiện bằng cách gia nhiệt vật liệu trong lò có chứa đầy khí nito hoặc khí dùng cho quá trình thấm nito. So với các phương pháp nhiệt luyện khác, tôi thấm nito ít gây biến dạng hơn, nên thường được áp dụng cho các chi tiết yêu cầu không chỉ độ cứng mà còn độ chính xác cao. |
Các khuyết tật trong nhiệt luyện và biện pháp khắc phục
Nhiệt luyện là công nghệ không thể thiếu để cải thiện tính chất của kim loại, tuy nhiên nếu không thực hiện đúng cách có thể phát sinh các khuyết tật. Dưới đây là một số khuyết tật tiêu biểu và biện pháp đối phó.
1. Khử cacbon
Khử cacbon là hiện tượng cacbon bị mất đi khỏi bề mặt kim loại trong quá trình gia nhiệt. Để ngăn chặn hiện tượng này, việc kiểm soát và điều chỉnh khí oxy hóa cũng như môi trường khí trong lò là rất quan trọng.
2. Nứt do tôi
Nứt do tôi là hiện tượng nứt xảy ra khi kim loại bị gia nhiệt và làm nguội quá nhanh trong quá trình tôi. Biện pháp khắc phục bao gồm xem xét lại phương pháp làm nguội và tiến hành ram ngay sau khi tôi.
3. Biến dạng khi tôi
Biến dạng khi tôi là hiện tượng kim loại bị biến dạng do quá trình nhiệt luyện. Trong quá trình này xuất hiện「ứng suất nhiệt」do giãn nở và co lại, cũng như「ứng suất chuyển biến」do thay đổi tổ chức và tinh thể. Những ứng suất này gây ra biến dạng. Để hạn chế hiện tượng này, cần giảm sự chênh lệch nhiệt độ khi gia nhiệt và xem xét lại phương pháp làm nguội.
Kết luận
Trong bài viết lần này, chúng tôi đã giới thiệu chi tiết về nhiệt luyện.
Nhiệt luyện là phương pháp xử lý nhằm cải tiến tính chất vật liệu và khả năng chống mài mòn bằng cách tận dụng sự thay đổi tổ chức kim loại sinh ra khi gia nhiệt và làm nguội kim loiaj có chứa cacbon. Các phương pháp nhiệt luyện tiêu biểu bao gồm: Tôi, ram, ủ và thường hóa.
Trên bản vẽ kỹ thuật, độ cứng thường được ghi dưới dạng con số như「HRC50~」 và quá trình nhiệt luyện sẽ được thực hiện để đạt được độ cứng đã chỉ định.
Tại Agency Assist Vietnam, đội ngũ nhân viên kinh doanh chuyên trách sẽ thay mặt khách hàng thực hiện toàn bộ việc mua sắm linh kiện!
Với hơn 30 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực mua sắm, cùng mạng lưới hơn 100 công ty đối tác, Agency Assist Vietnam có thể đặt hàng trọn gói nhiều loại linh kiện khác nhau một cách hiệu quả từ chuẩn bị vật liệu, đến gia công, xử lý bề mặt.
Chúng tôi đáp ứng đầy đủ các phương pháp nhiệt luyện như: Tôi toàn bộ, tôi cao tần, thấm cacbon tôi cứng, tôi chân không. v.v.
Chấp nhận đơn hàng từ 1 sản phẩm, phù hợp đa chủng loại, số lượng nhỏ.
Ngoài ra, chúng tôi giao đến khách hàng những sản phẩm đã được kiểm tra bởi bộ phận quản lý chất lượng nội bộ.
Chỉ cần gửi bản vẽ tại đây để hoàn tất yêu cầu báo giá!
