Nhiệt luyện thép là một quá trình quan trọng trong ngành cơ khí, giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của thép. Bằng cách kiểm soát nhiệt độ, thời gian và tốc độ làm nguội, chúng ta có thể điều chỉnh cấu trúc tinh thể của thép, từ đó đạt được độ cứng, độ bền, độ dẻo và độ dai mong muốn. Bài viết này sẽ đi sâu vào khái niệm, các phương pháp và ứng dụng của nhiệt luyện thép.
 

1. Khái niệm về nhiệt luyện thép

Nhiệt luyện thép là quá trình nung nóng thép đến một nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó làm nguội theo một chế độ được kiểm soát. Mục đích của quá trình này là thay đổi cấu trúc tinh thể của thép, từ đó thay đổi các tính chất cơ học của nó.

• Tác dụng của nhiệt luyện:
  • Thay đổi cấu trúc tinh thể: Nhiệt luyện làm thay đổi kích thước, hình dạng và sự phân bố của các pha trong thép, từ đó ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của nó.
  • Cải thiện độ cứng và độ bền: Quá trình tôi và ram có thể làm tăng độ cứng và độ bền của thép.
  • Tăng độ dẻo và độ dai: Quá trình ủ và thường hóa có thể làm tăng độ dẻo và độ dai của thép.
  • Giảm ứng suất dư: Nhiệt luyện có thể giúp giảm ứng suất dư trong thép, từ đó cải thiện độ bền và tuổi thọ của nó.

2. Các phương pháp nhiệt luyện thép

• Ủ (Annealing):
  • Quá trình: Nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội rất chậm trong lò.
  • Mục đích:
    • Giảm độ cứng và tăng độ dẻo.
    • Khử ứng suất dư.
    • Cải thiện khả năng gia công cắt gọt.
  • Ứng dụng: Thép sau khi đúc, cán, rèn hoặc gia công nguội.
• Thường hóa (Normalizing):
  • Quá trình: Nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội trong không khí.
  • Mục đích:
    • Cải thiện độ bền và độ dai so với ủ.
    • Đồng nhất cấu trúc tinh thể.
    • Khử ứng suất dư.
  • Ứng dụng: Thép cacbon trung bình và thép hợp kim sau gia công áp lực.
• Tôi (Quenching):
  • Quá trình: Nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội nhanh trong môi trường làm nguội (nước, dầu, dung dịch muối).
  • Mục đích:
    • Tăng độ cứng và độ bền.
    • Tạo cấu trúc martensite.
  • Ứng dụng: Các chi tiết máy quan trọng, dụng cụ cắt gọt.
• Ram (Tempering):
  • Quá trình: Nung nóng thép đã tôi đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tôi, giữ nhiệt trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội.
  • Mục đích:
    • Giảm ứng suất dư sau khi tôi.
    • Tăng độ dai và độ dẻo.
    • Điều chỉnh độ cứng.
  • Các loại ram:
    • Ram thấp (150-300°C): Tăng độ dai, ít giảm độ cứng (dụng cụ cắt gọt).
    • Ram trung bình (300-450°C): Giảm độ cứng, tăng độ dai (lò xo).
    • Ram cao (500-680°C): Cải thiện độ bền và độ dai (chi tiết máy quan trọng).
• Tôi bề mặt (Surface Hardening):
  • Phương pháp này dùng để làm cứng bề mặt của chi tiết, mà vẫn giữ lõi mềm.
  • Các phương pháp :
    • Dùng đèn xì.
    • Dòng điện cao tần.
    • Tôi bằng laser.

3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình nhiệt luyện

• Nhiệt độ nung: Nhiệt độ nung ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và tính chất của thép.
• Thời gian giữ nhiệt: Thời gian giữ nhiệt cần đủ để đảm bảo nhiệt độ phân bố đều trong chi tiết.
• Tốc độ làm nguội: Tốc độ làm nguội ảnh hưởng đến cấu trúc pha và độ cứng của thép.
• Môi trường làm nguội: Môi trường làm nguội (nước, dầu, dung dịch muối) ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội.

4. Ứng dụng của nhiệt luyện thép

• Ngành cơ khí chế tạo máy: Nhiệt luyện được sử dụng để sản xuất các chi tiết máy có độ bền và độ tin cậy cao, như bánh răng, trục khuỷu, ổ trục.
• Ngành công cụ: Nhiệt luyện được sử dụng để sản xuất các dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo và khuôn mẫu có độ cứng và khả năng chống mài mòn cao.
• Ngành ô tô và hàng không: Nhiệt luyện được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu tải trọng cao và làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
• Ngành xây dựng: Nhiệt luyện được sử dụng để sản xuất thép kết cấu có độ bền và độ dẻo dai cao.

Nhiệt luyện thép là một quá trình quan trọng và không thể thiếu trong ngành cơ khí hiện đại. Việc nắm vững các phương pháp và yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện giúp chúng ta tối ưu hóa tính chất của thép, từ đó nâng cao chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm.