Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép

Nhiệt luyện thép là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp rồi làm  nguội với tốc độ nhất định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và tính chất khác theo hướng đã chọn trước (nói chung là không điều chỉnh vô cấp tốc độ nguội, thường là làm nguội trong một số môi trường nhất định). Nhiệt luyện được chia làm nhiều dạng như ủ, thường hóa, tôi, ram…tùy vào mục đích của người sử dụng. Như vậy thép ở trạng thái cung cấp được nung nóng và làm nguội trong điều kiện nhiệt độ cao và đột ngột giảm nhiệt độ. Bên cạnh đó việc biến đổi từ tổ chức này sang tổ chức khác cũng là những nguyên nhân gây ra các dạng sai hỏng. Trong bài viết này chúng tôi chỉ trình bày những sai hỏng trong nhiệt luyện cơ bản. Ngoài ra THT đã có những nghiên cứu chuyên sâu về nhiệt luyện như Ram thép và yêu cầu đồng đều nhiệt, hiện tượng giòn ram…cũng là các hiện tượng sai hỏng khi nhiệt luyện. Bạn có thể tham khảo. Nhưng mục đích chính là chúng tôi muốn cung cấp những kiến thức cơ bản cho các nhà nhiệt luyện để hiểu rõ tác hại, nguyên nhân, cách phòng tránh và khắc phục các nguyên nhân sai hỏng này.

1.Sai hỏng nhiệt luyện- Biến dạng và nứt

a. Nguyên nhân gây biến dạng và nứt trong nhiệt luyện

Nguyên nhân gây ra nứt và biến dạng là do ứng suất bên trong (ứng suất nhiệt và ứng suất tổ chức) mà chủ yếu là do làm nguội nhanh khi tôi. Nếu ứng suất bên trong vượt quá giới hạn bền, thép bị nứt, đó là dạng hỏng không chữa được. Nếu ứng suất bên trong chỉ vượt quá giới hạn chảy, thép bị biến dạng, cong vênh. Nói chung khó tránh khỏi được điều này, song nếu độ biến dạng, cong vênh nhỏ hơn giới hạn cho phép thì vẫn không có hại.

b. Ngăn ngừa hiện tượng biến dạng trong nhiệt luyện

Để ngăn chặn hiện tượng biến dạng và nứt trong nhiệt luyện về cơ bản phải giảm ứng suất bên trong bằng cách:

-Nung nóng và đặc biệt làm nguội với tốc độ hợp lý để đạt độ cứng yêu cầu, không nên dùng tốc độ nguội quá cao một cách không cần thiết.
– Nung nóng các trục dài bằng cách treo để tránh cong
– Khi làm nguội phải theo đúng quy tắc như: nhúng thẳng đứng, phần dày xuống trước…
– Nên dung tôi phân cấp, hạ nhiệt trước khi tôi
– Với các vật mỏng phải được tôi trong khuôn ép.

c. Khắc phục hiện tượng biến dạng và cong vênh trong nhiệt luyện

Khi biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết như trục dài, tấm có thể đen nắn, ép nóng hoặc nguội. Còn khi nứt thì không sửa chữa được

2. Oxy hóa và thoát cacbon

Oxy hóa là hiện tượng tạo nên vảy oxit sắt (sắt kết hợp với oxy), còn thoát cacbon – mất cacbon ở bề mặt (ví dụ do cacbon kết hợp với oxy)

a. Nguyên nhân và tác hại hiện tượng thoát cacbon

Nguyên nhân của hiện tượng thoát C là do trong môi trường nung có chứa các thành phần gây oxy hóa Fe và C, đó là oxy, CO2, hơi nước…chúng có thể trong không khí và đi vào trong lò nung. Thoát cacbon dễ xảy ra hơn oxy hóa, khi oxy hóa thường đi kèm với thoát cacbon.

Tác hại của oxy hóa là ở chỗ khi tạo nên vảy sắt FeO, lớp vảy ngày một dày lên, vỡ rồi bong ra, rồi tạo nên lớp mới…Làm hụt kích thước, xấu bề mặt sản phẩm. Còn thoát cacbon khó nhận thấy bằng mắt song sẽ làm giảm độ cứng khi tôi. Vấn đề là ở chỗ chiều sâu lớp khuyết tật này lớn hơn hay nhỏ hơn lượng gia công: khi nhỏ hơn thì không cần để ý vì nó sẽ bị bóc đi khi gia công cắt; còn khi lớn hơn thì không cho phép, ví dụ, khi tôi, lượng dư để mài mòn nhỏ, một số trường hợp không để được lượng dư như mặt răng.

b. Ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa và thoát cacbon

Ngăn ngừa tốt nhất là nung nóng trong khí quyển không tác dụng oxy hóa và thoát cacbon, đây cũng là một chỉ tiêu đánh giá trình độ nhiệt luyện. Để thay thế các lò thông thường với khí quyển là không khí hay sản phẩm cháy (lò đốt than, dầu…) người ta sử dụng các lò nung bằng điện có các khí đặc biệt như sau:

• Khí quyển bảo vệ: Hay khí quyển có kiểm soát, khống chế là loại khí quyển chế biến từ khí (hơi) đốt thiên nhiên, trong đó có các thành phần khí (oxy hóa/hoàn nguyên) đối lập nhau: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 với tỷ lệ hợp lý để đi đến trung hòa tác dụng của nhau, kết quả là bề mặt được bảo vệ. Loại khí này rẻ, được khá phổ biến ở các nước, nhưng hỗn hợp khí đưa vào lò là khác nhau cho các loại thép khác nhau và không được dùng cho thép crom.
• Khí quyển trung tính như nito tinh khiết (khi chứa một lượng nhỏ oxy cũng đủ gây oxy hóa). Tốt nhất là dùng Acgông (Ar), nhưng đăt.
• Nung trong lò chân không 10^-2 đến 10^-4 mmHg có khả năng chống oxy hóa và thoát cacbon một các tuyệt đối cho mọi mác thép. Hiện nay lò tôi chân không đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Trong hoàn cảnh không có các loại khí và lò trên (với kết cấu đặc biệt và độ kín với mức độ khác nhau) có thể áp dụng:

+ Rải than hoa trên dáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than. Cách này vừa giảm tuổi thọ, vừa kéo dài thời gian nung.
+ Lò muối được khử oxy hóa triệt để bằng than, ferro silic. Cách này chỉ áp dụng được cho các chi tiết nhỏ, năng suất thấp. Được áp dụng khi tôi dao cắt.

c. Khắc phục hiện tượng oxy hóa và thoát cacbon khi nhiệt luyện

Khi đã xảy ra rất khó khắc phục. Khi thoát cacbon có thể dùng cách thấm cacbon lại, nhưng lại tăng biến dạng.

3. Độ cứng không đạt khi nhiệt luyện

Là loại sai hỏng mà độ cứng có giá trị khác với giá trị yêu cầu của khách hàng khi nhiệt luyện. Độ cứng không đạt có thể cao hơn hoặc thấm hơn khoảng giá trị độ cứng cho phép.

a. Nhiệt luyện ra độ cứng cao hơn giá trị cho phép

Có thể xảy ra khi ủ và thường hóa thép hợp kim, do tốc độ nguội lớn. Độ cứng cao hơn quy định khó khăn cho gia công cắt. Để khắc phục hiện tượng độ cứng cao có thể đen nhiệt luyện lại hay đem ủ đẳng nhiệt. Ngoài ra khi ram ở nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt không hợp lý (thường thấp hơn giá trị quy định), làm cho chi tiết có độ cứng cao hơn giá trị cho phép. Trong trường hợp này có thể kéo dài hoặc nâng nhiệt độ ram hợp lý.

b. Độ cứng thấp

Thường xảy ra khi tôi thép, độ cứng thấp hơn quy định do đó không đảm bảo yêu cầu làm việc. Nguyên nhân có thể do:

• Thiếu nhiệt: Nhiệt độ chưa đủ, thời gian giữ nhiệt ngắn
• Làm nguội không đủ nhanh theo yêu cầu để ra tạo nên mactenxit
• Thoát cacbon bề mặt

Sau khi xác định nguyên nhân, khắc phục bằng cách nhiệt luyện lại, song có thể tăng biến dạng.

4. Khi nhiệt luyện gây giòn cao cho thép

Sau khi tôi, thép có thể giòn quá mức (ví dụ rơi cũng gãy) trong khi độ cứng vẫn cao bình thường. Nguyên nhân là do nhiệt độ nung tôi quá cao (quá nhiệt), hạt thép bị lớn. Khắc phục bằng cách thường hóa rồi tôi lại, nhưng làm vậy sẽ tăng biến dạng.

5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm soát nhiệt

a. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố quyết định nhất đến chất lượng đạt được: thiếu nhiệt hoặc quá nhiệt đều làm xấu chất lượng. Sai số khống chế nhiệt độ độ trong nhiệt luyện thép chỉ trong khoảng 10 oC, nên việc kiểm tra nhiệt độ có ý nghĩa hàng đầu.

b. Kiểm tra nhiệt độ nung

Đo nhiệt độ một cách chính xác là việc quan trọng đầu tiên. Thường dùng các cách sau đây:

• Đo bằng dụng cụ đo nhiệt: tùy dải nhiệt độ mà dùng các can nhiệt kết hợp với đồng hồ thích hợp
• Ước lượng bằng mắt: khi thép nung cao hơn 550 oC bắt đầu xuất hiện mài mà mỗi màu ứng với một nhiệt độ xác định. Màu đỏ: 700 đến 830 oC. Màu da cam: 850-900 oC. Màu vàng 1050-1250 oC. Màu trắng 1250 oC đến 1300 oC.