Phương pháp tôi nào ít gây ra biến dạng chi tiết

Các phương pháp tôi thép có quyết định đến tuổi thọ của sản phẩm thép và giúp thép đạt được độ cứng như mong muốn.

Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng nên các kỹ sư, thợ sản xuất lành nghề sẽ quyết định điều gì là tốt nhất dựa trên các tiêu chuẩn về sản xuất, cũng như tiêu chuẩn xây dựng của các công trình.

Mục đích của việc tôi thép

Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của thép, kéo dài được thời gian làm việc của các chi tiết chịu mài mòn. Độ cứng của thép tôi phụ thuộc vào lượng cacbon. Thép có lượng cacbon quá thấp < 0.25% khi tôi có độ cứng không cao, không đủ chịu mài mòn. Vậy muốn đạt được mục đích này thép tôi phải có hàm lượng cacbon trung bình và cao từ 0.3% cacbon trở lên.

Nâng cao độ bền, sức chịu tải của vật liệu thép. Nhờ tính chất này mà người ta tiến hành tôi thép cho các chi tiết quan trọng: chịu tải nặng, chóng mòn, gãy và tuổi thọ sử dụng.

Các phương pháp tôi thép hiệu quả trong xây dựng công nghiệp

Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn (Ac1) để làm xuất hiện tổ chức Austenit, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thích hợp để Austenit chuyển biến thành Mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác có độ cứng cao (như Bainit, Trustit khi tôi đẳng nhiệt) và tính chống mài mòn cao.

Tôi một môi trường

• Là quá trình tôi mà chi tiết chỉ được làm nguội trong một môi trường duy nhất. Môi trường tôi ở đây là nước, dầu, không khí hoặc dung dịch. Nước lạnh: cho thép cacbon; dung dịch NaCl, NaOH cho thép dụng cụ; dầu ăn: thép hợp kim.
• Phương pháp đơn giản, dễ thao tác. Tuy nhiên, không hạn chế được tốc độ nguội khi có chuyển biến Mactenxit do đó chi tiết dễ bị biến dạng và nứt
• Do các đặc điểm trên mà tôi một môi trường chỉ áp dụng cho các chi tiết không quan trọng, kết cấu đơn giản.

Tôi hai môi trường

• Là quá trình tôi mà chi tiết được làm nguội trong 2 môi trường có tốc độ nguội khác nhau. Môi trường 2 có tốc độ nguội chậm hơn môi trường 1.
• Lợi dụng được ưu điểm của 2 môi trường tôi. Lúc đầu khi còn ở nhiệt độ cao, thép được làm nguội ở môi trường có tốc độ nguội mạnh, sau đó khi gần đến nhiệt độ chuyển biến Mactenxit thép được chuyển sang làm nguội trong môi trường có tốc độ nguội chậm hơn. Chuyển biến Mactenxit xảy ra trong môi trường nguội chậm nên giảm bớt ứng suất bên trong, ít nứt. Đây là cách tôi thích hợp cho thép cacbon (đặc biệt cho thép cacbon cao) vừa bảo đảm đạt độ cứng, vừa ít xảy ra biến dạng.
• Khó xác định được thời điểm chuyển chi tiết từ môi trường một sang môi trường hai. Thời điểm chuyển môi trường tốt nhất là khi thép có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Ms khoảng 1000C. Nếu chuyển quá sớm, thép bị nguội trong môi trường hai có tốc độ nguội nhỏ sẽ dễ không đạt được độ cứng yêu cầu, nếu chuyển quá muộn, chuyển biến Mactenxit sẽ xảy ra ở ngay trong môi trường một, ứng suất bên trong lớn, gây biến dạng và nứt.
• Vì các đặc điểm của tôi 2 môi trường mà để thực hiện nó phải đòi hỏi công nhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển môi trường), khó cơ khí hóa, thường áp dụng cho sản xuất từng loại nhỏ hoặc đơn chiếc.

Tôi phân cấp

• Là quá trình tôi sử dụng môi trường làm nguội là một loại muối nóng chảy ở nhiệt độ lớn. Thép được làm nguội và giữ đẳng nhiệt trong một thời gian nhất định để đạt được nhiệt độ của môi trường muối nóng chảy, sau đó chuyển sang môi trường không khí làm nguội chậm để tạo chuyển biến Mactenxit.
• Ứng suất bên trong thấp do quá trình nguội được chia làm 2 cấp nên chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt thấp, chuyển biến Mactenxit xảy ra với tốc độ nguội rất chậm.
• Có thể tiến hành nắn, sửa cong vênh trong các đồ gá đặc biệt khi làm nguội thép ở trong không khí từ nhiệt độ “phân cấp”.
• Không áp dụng được cho các chi tiết có tiết diện lớn vì môi trường làm nguội có nhiệt độ cao 300 – 500 độ C, khả năng làm nguội chậm nên với chi tiết có tiết diện lớn khó đạt.
• Lưu ý môi trường muối nóng chảy dễ bị nổ, gây mất an toàn và rất độc hại.

Tôi đẳng nhiệt

• Là quá trình tôi dùng môi trường muối nóng chảy, giữ chi tiết trong muối một thời gian để Austenit phân hóa hoàn toàn thành Xementit có độ cứng tương đối cao và độ dai tốt (thường giữ đẳng nhiệt ở 2500 – 4000 độ C để được Bainit)
• Tổ chức sau tôi là Bainit, có độ cứng nhỏ hơn Mactenxit sau khi tôi đẳng nhiệt, không cần ram
• Với thép cacbon và hợp kim cao, sau khi tôi phải tiến hành gia công lạnh nhằm mục đích chuyển biến Mactenxit hoàn toàn.
• Chỉ áp dụng cho các thép hợp kim có tính ổn định của Austenit quá nguội lớn với tiết diện nhỏ, có thể áp dụng cho một số chi tiết và dụng cụ có dạng tấm mỏng.

Tôi bộ phận

• Là phương pháp tôi mà chỉ có một phần chi tiết được tôi cứng, tức là có chuyển biến Mactenxit. Có 2 cách tôi bộ phận.
• Nung nóng bộ phận: Chỉ nung nóng phần cần tôi cứng đến nhiệt độ tôi, sau đó làm nguội bình thường trong môi trường tôi thích hợp, phần được nung nóng sẽ được tôi cứng, các phần còn lại vẫn đảm bảo độ dẻo.
• Nung nóng toàn bộ, làm nguội bộ phận (tôi tự ram): Nung nóng toàn bộ chi tiết lên đến nhiệt độ tôi, nhưng chỉ làm nguội bằng môi trường tôi thích hợp những phần cần cứng.

Kỹ thuật tôi thép

Tôi thép thuộc loại nhiệt luyện kết thúc, thực hiện trên chi tiết gần thành phẩm nên bất cứ sai sót  nào khi tôi cũng có thể gây thiệt hại lớn.

Tôi thép chỉ áp dụng cho thép có hàm lượng cacbon cỡ 0,15 – 0,65%, vì khi hàm lượng cacbon quá thấp, Mactenxit sau tôi sẽ có độ cứng thấp và hiệu quả tăng bền không đáng kể; ngược lại, khi hàm lượng cabon quá cao, thép sau tôi sẽ bị giòn.

Nhiệt độ nung thép khi tôi là nhiệt độ trên Ac1. Theo giản đồ sắt – cacbon ở trên Ac1, tổ chức Austenit sẽ xuất hiện. Khi được làm nguội đủ nhanh, Austenit sẽ chuyển biến thành Mactenxit, một pha có độ cứng cao. Chính Mactenxit sẽ hóa bền cho thép sau tôi.

Với thép hợp kim thấp (~1% nguyên tố hợp kim), nhiệt độ tôi thường chỉ cao hơn thép cacbon từ 10 – 200 độ C. Thép hợp kim cao có nhiệt độ tôi khác hẳn thép cacbon. Nhiệt độ tôi của các mác thép cụ thể được tìm bằng thực nghiệm, cũng có thể dùng chương trình Thermocalc để xác định nhiệt độ tôi của các mác thép với thành phần bất kỳ. Tuy nhiên, đây chỉ là giá trị tham khảo vì nó là kết quả của các tính toán nhiệt động lực học (lý thuyết) và mang tính gợi ý. Giá trị lý thuyết này cũng rất gần với giá trị thực tế của nhiệt độ tôi.

Môi trường tôi phải tạo được chuyển biến Mactenxit. Muốn vậy, môi trường tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tôi tới hạn.

Làm nguội chậm thép ở trong khoảng nhiệt độ trên 6000C và dưới 5000C đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ chuyển biến Mactenxit (dưới 3000C), tốc độ nguội càng chậm càng tốt vì chuyển biến này gây ra ứng suất tổ chức lớn. Đạt được yêu cầu này sẽ đảm bảo thép tôi không bị nứt và ít cong vênh.

Trong quá trình làm nguội khi tôi, tốc độ nguội không thể đều nhau trên toàn bộ tiết diện của chi tiết thép: bao giờ bề mặt cũng nguội nhanh hơn ở lõi, tùy thuộc vào tốc độ nguội trên tiết diện thép có thể nhận được các tổ chức khác nhau. Hiện tượng thường gặp là từ bề mặt tới chiều sâu nhất định có tổ chức Mactenxit cứng, phần lõi có tổ chức Trustit, Xoocbit mềm hơn.

Môi trường làm nguội khi tôi được chọn tùy theo loại thép. Với thép C45 (TCVN), có thể tôi trong nước hay dầu (nếu chi tiết nhỏ); thép 40Cr có thể tôi dầu. Một số loại thép khác có thể được tôi trong dung dịch polymer hay không khí (để giảm ứng suất nhiệt).