Nhiệt luyện là gì? Có những phương pháp nhiệt luyện nào và vai trò của chúng
Nhiệt luyện là gì?
Nhiệt luyện trong gia công cơ khí là phương pháp dùng nhiệt độ để tác động lên phôi kim loại, hợp kim nhằm làm thay đổi vi cấu trúc của vật liệu phôi đó, qua đó giúp nhận được cơ tính, đặc tính của vật liệu phôi theo ý muốn.
Phương pháp này dựa trên ba yếu tố chính: Nhiệt độ, Thời gian giữ nhiệt và Làm nguội vật liệu. Quá trình nhiệt luyện bao gồm sự nung nóng hoặc làm nguội với mức độ chênh lệch nhiệt độ đáng kể, hoặc xử lý nhiệt theo một thời gian phù hợp nhằm mục đích làm mềm hay làm cứng vật liệu.
Đặc điểm của nhiệt luyện
- Không làm nóng chảy vật liệu (khác với đúc, hàn)
- Không làm biến dạng thay đổi hình dạng sản phẩm (khác với gia công cắt gọt, rèn, dập)
- Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng thay đổi cấu trúc tế vi và cơ tính của vật liệu.
Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện
Sơ đồ dưới biểu diễn quá trình nhiệt luyện kim loại:
Đối với quá trình nhiệt luyện, được đặc trưng qua ít nhất ba thông số quan trọng nhất như sau:
– Nhiệt độ nung nóng Tn° : nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến.
– Thời gian giữ nhiệt τgn: thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ nung nóng.
– Tốc độ nguội Vnguội sau khi giữ nhiệt.
Ba thông số này đặc trưng tương ứng với ba giai đoạn nối tiếp nhau của quá trình nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội.
Đối với kết quả, phương pháp nhiệt luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:
+ Tổ chức tế vi bao gồm kích thước hạt, cấu tạo pha, chiều sâu lớp hóa bền…
+ Độ cứng là chỉ tiêu cơ tính dễ xác định và nó cũng có liên quan đến các chỉ tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai.
+ Độ cong vênh, biến dạng.
Độ biến dạng khi nhiệt luyện trong nhiều trường hợp thường là không đáng kể và ít ảnh hưởng đến yêu cầu gia công, tuy nhiên trong một số trường hợp quan trọng khi yêu cầu khắt khe thì nếu độ cong vênh, biến dạng vượt quá phạm vi cho phép cũng không thể được chấp nhận.
Các phương pháp nhiệt luyện
Có 4 phương pháp nhiệt luyện cơ bản là ủ, thường hóa, tôi và ram. Đồng thời có 2 phương pháp nhiệt luyện kết hợp là hóa nhiệt luyện và cơ nhiệt luyện.
| Phương pháp | Quá trình thực hiện | Mục đích |
| – Phương pháp ủ
(gồm ủ hoàn toàn, ủ không hoàn toàn, ủ đẳng nhiệt, ủ khử ứng suất, ủ đạt xementit hạt) |
– Nung nóng vật liệu đến nhiệt độ nhất định.
– Duy trì nhiệt độ trong một khoảng thời gian nhất định. – Sau đó làm nguội chậm tốc độ < 200 độ/giờ. |
– Giảm độ cứng để dễ gia công cắt gọt.
– Tăng độ dẻo để dễ gia công rập, cán, kéo. – Giảm hay làm mất ứng suất gây nên bởi gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo. – Giúp nồng độ thép cân bằng. |
| – Phương pháp thường hóa | – Nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn Austenit (A3 +(30 – 50oC) hay Acm + (30 – 50oC)) giữ nhiệt rồi làm nguội trong không khí tĩnh nhằm để Austenit phân hóa thành Peclít và phân tán thành xoocbit với độ cứng tương đối thấp. | – Nhằm đạt độ cứng thích hợp gia công cắt.
– Khử ứng suất trong thép do gia công áp lực. – Làm nhỏ xementit để chuẩn bị cho nhiệt luyện cuối cùng. |
| – Phương pháp tôi thép
(gồm tôi mặt ngoài, tôi xuyên tâm) |
– Nung nóng thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn để làm xuất hiện tổ chức Austenit.
– Giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để austenit chuyển thành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao. |
– Tăng độ cứng.– Tăng khả năng chống mài mòn. |
| – Phương pháp ram thép
(gồm ram thấp, ram trung bình, ram cao) |
– Nung nóng thép đã tôi ở dưới các nhiệt độ tới hạn.
– Duy trì nhiệt độ ở một thời gian nhất định. – Làm nguội. |
– Làm giảm hoặc loại bỏ ứng suất dư trong thép. |
Hai phương pháp nhiệt luyện kết hợp:
- Hóa nhiệt luyện: Bằng cách thay đổi nhiệt độ và kết hợp biến đổi thành phần hóa học của bề mặt vật liệu, dẫn đến thay đổi tính chất làm cho chúng có nhiều ưu điểm hơn vật liệu ban đầu. Thường tiến hành bằng cách thấm, khuếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định.
- Cơ nhiệt luyện: Kết hợp giữa nung nóng bằng nhiệt độ và những tác động làm biến dạng dẻo để thay đổi tổ chức và cơ tính của vật liệu với diện tích lớn và mạnh hơn so với nhiệt luyện cơ bản. Thường thực hiện ở xưởng xưởng cán nóng thép, tức các xí nghiệp luyện kim.
Vai trò của nhiệt luyện
Trong ngành gia công chế tạo cơ khí, nhiệt luyện có một vai trò quan trọng đối với việc gia tăng những ưu điểm và giảm những hạn chế của vật liệu, nhằm giúp tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt hơn, ưu việt hơn, đáp ứng cao hơn mục đích sử dụng. Những vai trò chính của nhiệt luyện đối với ngành cơ khí bao gồm:
Tăng những ưu điểm về cơ tính cho vật liệu
Vai trò quan trọng nhất và cũng là mục đích chính khi nhiệt luyện là giúp làm tăng những ưu điểm về mặt cơ học của vật liệu như tăng độ cứng, độ bền, sự dẻo dai và khả năng chống mài mòn. Đây là những yếu tố tiên quyết khi lựa chọn vật liệu để chế tạo sản phẩm. Yếu tố độ bền cao, chất lượng tốt là một phần tạo nên sự thành công của sản phẩm.
Đối với các phương pháp nhiệt luyện như tôi thép, ram thép thì độ cứng bề mặt và độ bền chung của vật liệu có thể được nâng lên đến 6 lần so với ban đầu.
Ưu điểm cơ tính của vật liệu sau khi được nhiệt luyện thể hiện qua:
- Độ cứng tăng lên giúp tăng khả năng chịu lực và tác động lực, độ bền khi va chạm tốt hơn.
- Tăng khả năng chống mài mòn giúp kéo dài tuổi thọ của sản phẩm.
- Khả năng chịu tải trọng lớn hơn.
Giúp quá trình gia công được thuận lợi hơn
Các quá trình gia công cơ khí như cắt, gọt, rèn, chấn, xọc, hàn, mài, làm nguội, xử lý bề mặt… phụ thuộc nhiều vào tính chất của vật liệu. Quá trình nhiệt luyện có thể giúp cải thiện hiệu quả của các công đoạn gia công trên. Nhiệt luyện giúp cho vật liệu gia công có đủ điều kiện hoặc điều kiện tốt hơn để gia công thuận lợi hơn mà hạn chế được tối đa những sai sót. Việc sử dụng vật liệu không phù hợp có thể làm tốn công sức, mất thời gian để sản xuất hoặc sinh ra nhiều lỗi phải khắc phục.
Thí dụ thép sau khi kéo nguội thường có độ cứng quá cao, gây khó khăn trong quá trình gia công cắt gọt vì dễ làm gãy vỡ vật liệu, dao cụ, đường cắt không đẹp… Giải pháp trong trường hợp này là nhiệt luyện bằng phương pháp ủ hay thường hóa sẽ giúp vật liệu trở nên mềm dẻo và linh hoạt hơn.
Vai trò trong kinh tế – khoa học
Không chỉ mang đến những lợi ích về tính chất tốt hơn cho vật liệu và sản phẩm, nhiệt luyện còn ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế, khoa học. Nhiệt luyện mang lại sản phẩm chất lượng hơn, đóng góp nhiều vào các yếu tố kinh tế xã hội như:
- Tăng giá trị cho sản phẩm.
- Tăng lợi nhuận và uy tín cho doanh nghiệp.
- Thúc đẩy phát triển kinh tế ngành công nghiệp cơ khí.
- Là thước đo đánh giá trình độ, sự phát triển của công nghệ, khoa học trong ngành công nghiệp chế tạo, sản xuất, gia công cơ khí của mỗi quốc gia.
Nhiệt luyện là quá trình quan trọng trong ngành cơ khí. Tuy vậy, cần hiểu rõ để lựa chọn hợp lý phương pháp nhiệt luyện thích hợp. Có như vậy mới mang lại vật liệu sản phẩm tốt nhất, phù hợp nhất với sản xuất.
