Ch4 nhiet luyen thep

47

Chơng 4

nhiệt luyện thép

nhiệ t đ ộ

4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
4.1.1. Sơ lợc về nhiệt luyện thép
a. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian
thí ch hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận đợc tổ chức, do đó
tí nh chất theo yêu cầu.
Đ/điểm:
- Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép
- Kết quả đợc đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tí nh chất.
b. Các yếu tố đặc trng cho nhiệt luyện
Ba thông số quan trọng nhất (hình 4.1):
- Nhiệt độ nung nóng Tno :
gn
- Thời gian giữ nhiệt tgn:
T
- Tốc độ nguội Vnguội sau khi giữ nhiệt.
Các chỉ tiêu đánh giá kết quả:
+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kí ch thớc
Vng
hạt, chiều sâu lớp hóa bền... là chỉ tiêu gốc, cơ bản
nhất
+ Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai
thời gian
+ Độ cong vênh, biến dạng.

Hình 4.1. Sơ đồ của quá trình nhiệt
c. Phân loại nhiệt luyện thép
luyện đơn giản nhất
1. Nhiệt luyện: thờng gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và
tí nh chất gồm nhiều phơng pháp: ủ, thờng hoá, tôi, ram.
2. Hóa - nhiệt luyện: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở bề
mặt rồi nhiệt luyện tiếp theo để cải thiện hơn nữa tí nh chất của vật liệu: Thấm
đơn hoặc đa nguyên tố:C,N,..
3. Cơ - nhiệt luyện: là biến dạng dẻo thép ở trạng thái sau đó tôi và ram để
nhận đợc tổ chức M nhỏ mịn có cơ tí nh tổng hợp cao nhất, thờng ở xởng cán
nóng thép, luyện kim.
4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí
a. Tăng độ cứng, tí nh chống mài mòn và độ bền của thép: phát huy triệt để
các tiềm năng của vật liệu: bền, cứng, dai do đó giảm nhẹ kết cấu, tăng tuổi
thọ,..
b. Cải thiện tí nh công nghệ
Phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ biến
dạng,
c. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí
- Nặng nhọc, độc cơ khí hóa, tự động hóa, chống nóng, độc
- Phải đợc chuyên môn hóa cao bảo đảm chất lợng sản phẩm và năng suất
- Tiêu phí nhiều năng lợng phơng án tiết kiệm đợc năng lợng


48

nhiệ t độ, oC

- Là khâu sau cùng, thờng không thể bỏ qua, do đó quyết định tiến độ chung,
chất lợng và giá thành sản phẩm của cả xí nghiệp.

4.2. Các tổ chức đạt đợc khi nung nóng và làm nguội thép
4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit
a. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung
Dựa vào giản đồ pha Fe - C, hình 4.2: ở nhiệt độ thờng mọi thép đều cấu tạo bởi
hai pha cơ bản: F và Xê (trong ®ã P =[F+Xª]).
- ThÐp cïng tÝ ch: cã tỉ chøc đơn giản là P
- Thép trớc và sau cùng tí ch: P+F và P+XêII
Khi nung nóng: + Khi T< A1 cha có chuyển biến gì
[Fe + Xê]0,80%C 0,80%C
+ Khi T= Ac1, P → γ theo ph¶n øng:ThÐp CT:
ThÐp TCT và SCT: F và XêII không thay đổi
E
+ Khi T> Ac1: F và XêII tan vào nhng không hoàn toàn
1100
+ Khi T> Ac3 và Acm: F và XêII tan hoàn toàn vào
1000
Trên đờng GSE mọi thép đều có tổ chức
G Acm
b. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit
900
+Xê II
Nhiệt độ & thời gian chuyển biến: (hình 4.3)
A3
800
Vnung càng lớn thì T chuyển biến càng cao
+ S
A1
Tnung càng cao, khoảng thời gian chuyển biến càng
700 P
ngắn

600 P+F
P+Xê II
- Tốc độ nung V2 > V1, thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc
0,8
chuyển biến ở càng cao và thời gian chuyển biến càng
500
0
0,5 1,0 1,5 2,0
ngắn.
%C

Hình 4.2. Giản đồ pha Fe-C
(phần thép)
V2
nhiệ t đ ộ , oC

Kí ch thớc hạt austenit:
ýnghĩa:
Hạt càng nhỏ M (hoặc tổ chức khác) có
độ dẻo, dai cao hơn
Cơ chế chuyển biến: P : cũng tạo và phát
triển mầm nh kết tinh (hình 4.4), nhng do
bề mặt phân chia giữa F-Xê rất nhiều nên số
mầm rất lớn hạt ban đầu rất nhỏ mịn (<
cấp 8-10, hình 4.4d)
chuyển biến peclit austenit bao giờ cũng
làm nhỏ hạt thép, phải tận dụng

800

kế t thú c chuyể n biế n
V1

b2
b1

a2

750

A1

a1
bắ t đ ầ u chuyể n biế n

700
0

5

10

15
20
, phú t

Hình 4.3. Giản đồ chuyển biến
đẳng nhiệt P của thép cùng
tí ch
Hì nh 4.4. Quá trình tạo mầm và

phát
t iĨ
Ç
t it tõ
lit (tÊ ) a)

b)

c)

d)

25


II
E

1100
1000
900
800



G

Acm

A3

+ S

A1

930
800
727

peclit

700 P
600
500
0
a)

I

austenit

nhiệ t đ ộ , oC

Độ hạt austenit:
- peclit ban đầu: càng mịn nhỏ
- Vnung càng lớn hạt càng nhỏ
- T& giữ nhiệt lớn thì hạt lớn
- Theo bản chất thép: bản chất
hạt lớn và hạt nhỏ (hình 4.5).
Thép bản chất hạt nhỏ: thép

đợc khử ôxy triệt để bằng Al,
thép hợp kim Ti, Mo, V, Zr, Nb,...
dễ tạo cacbit ngăn cản phát triển
hạt.
Mn và P làm hạt phát triển
nhanh.
4.2.2. Mục đí ch của giữ nhiệt

49

0,8

0,5

2,0

nhiệ t đ ộ, oC

1,0 1,5
b)
độ lớn
- Làm đều nhiệt độ trên tiết diện
%C
- để chuyển biến xảy ra hoàn
Hình 4.5. Sơ đồ phát triển hạt austenit
toàn
I- di truyền hạt nhỏ, II- di truyền hạt lớn
- Làm đồng đều % của
4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội
a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản ®å T-T-T) cđa

thÐp cïng tÝ ch
Gi¶n ®å TT-T-T:
800
austenit
A1
1
NhiƯt ®é (T) - thời gian (T) và chuyển
peclit
biến (T)
xoocbit
austenit
Vì có dạng chữ "C") đờng cong chữ
C.
600
2
4
quá
trô xtit
o
+F+Xe
hỗ n hợ p
Khi bị nguội (tức thời) dới 727 C nó
3
F+Xê
nguộ i
cha chuyển biến ngay đợc gọi là quá
nguội, không ổn định. Giản đồ có 5 vùng:
400
bainit
- trên 727oC là khu vực tồn tại của ổn

định
Mđ ~220oC
- bên trái chữ "C" đầu tiên - vùng quá
200
nguội
5
- giữa hai chữ "C" - đang chuyển biến
mactenxit+d
MK~ -50oC
(tồn tại cả ba pha , F và Xe)
- bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm
phân hóa đẳng nhiệt quá nguội là hỗn
0
102
1
10
103
104
hợp: F - Xê vớ i mức độ nhỏ mịn khá c nhau
thờ i gian, s
Hình 4.6. Giản đồ T- T- T cđa thÐp cïng tÝ ch
o
- Gi÷ γ qu¸ nguéi ë s¸t A1: (T~ 700 C, ∆T0 nhá, ~25oC): Peclit (tÊm), HRC 10 ÷ 15
+ (T~ 650oC, ∆T0 ~ 75oC): Xoocbit tôi, HRC 25 ữ 35
+ T ~ đỉnh lồi chữ C (khoảng 500 ữ 600oC): Trôxtit, HRC 40.


50

nhiệ t đ ộ , oC

nhiệ t đ ộ ,

Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán.
+ Khi giữ austenit quá nguội ë nhiƯt: ~450 ÷ 250oC: Bainit, HRC 50 ÷ 55, Đợc
coi là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá bÃo hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe2,4-3C,
có một lợng nhỏ (d), trung gian (giữa P và M).
Từ peclit (tấm), xoocbit, trôxtit cho tới bainit độ quá nguội tăng lên mầm càng
nhiều tấm càng nhỏ mịn hơn và độ cứng càng cao hơn.
Tóm lại: chuyển biến ở sát A1 đợc peclit, ở phần lồi đợc trôxtit, ở giữa hai mức
trên đợc
xoocbit,
phí a dới đợc bainit.
800
A1
V1
austenit
Làm nguội đẳng nhiệt nhận đợc tổ chức
peclit
đồng nhất trên tiết diện.
V2 xoocbit
600
b. Sự phân hóa khi làm nguội liên tục
trô xtit
Cũng xét giản đồ chữ C (hình 4.7) nh
V3
chuyển biến đẳng nhiệt.
bainit
400
Đ/điểm 1: Tuỳ thuộc vào vnguội ta có:

Mđ
V1: trên hình 4.7, ở sát A1: peclit tấm,
200
V2: (làm nguội trong k/khí tĩnh)
V4
xoocbit.
V5 Vth
V3: (làm nguội trong không khí nén), cắt
102
10
0
1
103
104
ở phần lồi: trôxtit.
thờ i gian, s
V4: (làm nguội trong dầu),trôxtit +
Hì nh 4.7. Giản đồ T-T-T của thép cïng
mactenxit = b¸n mactenxit
tÝ ch víi V1< V2< V3V5: (làm nguội trong nớc lạnh) V5 không cắt đờng cong chữ "C" nào, tức M
Kết luận: khi làm nguội liên tục, tổ chức tạo thành vào vị trí của vectơ tốc độ
nguội trên đờng cong chữ "C
Đ/điểm 2: Tổ chức đạt đợc thờng là không đồng nhất trên toàn tiết diện
Đ/điểm 3: Không đạt đợc tổ chức hoàn toàn bainit (B) (chỉ có thể T+B hoặc
T+B+M) vì nửa dới chữ C lõm vào
Đ/điểm 4: Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon, thép hợp kim đờng cong
chữ "C" dịch sang phải do đó:
A3 hoặc Acm
austenit F hc XeII

+ Vth cã thĨ rÊt nhá. VÝ dơ, thÐp gió tôi
A1
trong gió.
+ Tổ chức đồng nhất trên tiết diện, ngay
cả đối với tiết diện lớn.
V2 1 peclit
xoocbit
c. Giản đồ T - T - T của các thép khác
hỗn hợp
F+Xê
cùng tí ch
trô xtit
+ Thép trớc và sau cùng tí ch, có thêm
bainit
nhánh phụ (hình 4.9) biểu thị sự tiết ra F
V3
(TCT) hoặc XêII (SCT), có thêm đờng
Mđ
ngang A3 (TCT) hoặc Acm(SCT).
mactenxit+d

MK

Hình 4.10. Giản đồ T-T-T của thép
khác cùng tí ch
3 điểm khác biệt so với thép cùng tí ch:
1- Đờng cong (chữ "C" và nhánh phụ)

0

1

10

102

thờ i gian, s

103

104


51

nhiệ t độ,

2- Khi làm nguội chậm liên tục (V2), quá nguội sẽ tiết ra F (TCT) hoặc XêII (SCT)
trớc sau đó mới phân hóa ra hỗn hợp F-Xê
3- Khi làm nguội đủ nhanh V3 (hoặc >V3) để Vng không cắt nhánh phụ, quá nguội
F-Xê dới dạng X, T, B (B chỉ khi làm nguội đẳng nhiệt).
Thép không có thành phần đúng 0,80%C mà vẫn không tiết F hoặc Xê đợc gọi
là cùng tí ch giả.
Đối với thép hợp kim, ngoài ảnh hởng của C, các nguyên tố hợp kim (dịch chữ
"C" sang phải) sẽ xét sau.
4.2.4. Chun biÕn cđa austenit khi lµm ngi nhanh - Chun biến
mactenxit (khi tôi)
austenit
A1
Nếu Vng> Vth thì M gọi đó là tôi thép.

Vth: là tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra
chuyển biến mactenxit.
A Tm
Tm
Vth = 1
m
Hình 4.11. Giản đồ T-T-T
và tốc độ tôi tới hạn Vth (m và
Tm - thời gian và nhiệt độ
ứng với kém ổn định nhất).

Vth

mactenxit+d
m

thờ i gian

a. Bản chất của mactenxit
Đ/n: M là dung dịch rắn quá bÃo hòa của C trong Fe
Đ/điểm: vì quá bÃo hoà C mạng chí nh phơng tâm khối (hình 4.12).
Độ chí nh phơng c/a = 1,001 ữ 1,06 ( %C) xô lệch mạng rÊt lín → M rÊt
cøng.
C
Fe
75

25
%γ

% mactenxit

γd−

50

c
25

a

M®

MK
20
nhiƯ t ® é , oC

Hình 4.12. ô cơ sở của
Hình 4.13. Đờng cong động
mạng tinh thể mactenxit.
học chuyển biến mactenxit
b. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit
1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục với tốc độ > Vth.
2) Chuyển biến không khuếch tán: C ~ giữ nguyên vị trí , Fe: từ (A1) M (gần
nh A2)
3) Xảy ra với tốc độ rất lớn, tới hàng nghìn m/s


52

độ cứng

4) Chỉ xảy ra trong khoảng giữa Mđ và kết thúc MK. Mđ và MK giảm khi tăng %C và
% nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), Mđ và MK không phụ thuộc vào Vnguội.
5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn vì hiệu ứng tăng thể tí ch gây lực nén lên
không thể chuyển biến, không chuyển biến đợc gọi là d. §iĨm MK
th−êng thÊp (<20oC) cã khi rÊt thÊp (vÝ dơ -100oC) lợng d có thể (20 ữ
30%). Tỷ lệ d : phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Điểm MK: MK càng thấp dới 20oC lợng d càng nhiều: MK giảm khi tăng
lợng nguyên tố hợp kim trong
+ %C tăng V d càng nhiều.
60
c. Cơ tí nh của mactenxit
45
Độ cứng: (hình 4.14): %C cứng tăng do đó:
Thép í t cacbon: %C 0,25%, độ cứng sau tôi HRC 40
Thép C trung bình: %C= 0,40ữ0,50%, độ cứng sau tôi 30
tơng ®èi cao, HRC ≥ 50
ThÐp C cao: %C ≥ 0,60%, ®é cøng sau t«i cao, HRC ≥ 60
0,3
0,6 %C
ChØ cã thép 0,40%C tôi mới tăng tí nh chịu mài mòn.
Hì nh 4.14: Độ cứng tô i phụ thuộ c và o %C

Chú ý: phân biệt độ cứng của M và độ cứng của thép tôi: độ cứng của thép tôi là
độ cứng tổng hợp của M tôi+ d+ cacbit (XêII nếu có). Thờng d làm giảm độ
cứng của thép tôi:
> 10% làm giảm 3-5HRC (cá biệt tới 10HRC),vài % không đáng kể.
Tí nh giòn:là nhợc điểm của M làm hạn chế sử dụng, tí nh giòn phụ thuộc vào:
+ Kim M càng nhỏ tí nh giòn càng thấp làm nhỏ hạt khi nung thì tí nh giòn

+ ứng suất bên trong càng nhỏ tí nh giòn càng thấp
Dùng thép bản chất hạt nhỏ, nhiệt độ tôi và phơng pháp tôi thí ch hợp để giảm
ứng suất bên trong nh tôi phân cấp, đẳng nhiƯt vµ ram ngay tiÕp theo.
4.2.5. Chun biÕn khi nung nóng thép đà tôi (khi ram)
Đ/n: ram nung nóng thép sau khi tôi để điều chỉnh độ cứng và tí nh chất phù hợp
với yêu cầu.
a. Tí nh không ổn định của mactenxit và austenit
Tổ chức thép tôi=M+ d : khi nung nãng M → F+Xª theo: Feα(C) →Fe3C + Feα
γ d− → F+Xª theo: Feγ(C) → Fe3C + Feα
M và d không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F-Xê mà phải qua tổ chức
trung gian là M ram theo sơ đồ:
(M + d) M ram F-Xê
b. Các chuyển biến xảy ra khi ram
Thép cùng tí ch (0,80%C): tổ chức M và d, quá trình chuyển biến khi ram:
Giai đoạn I (T < 200oC)
- < 80oC trong thép tôi cha có chuyển biến gì, tức vÉn cã M vµ γ d−.
- Tõ 80-200oC: γ d− ch−a chun biÕn,
M cã tiÕt C d−íi d¹ng cacbit ε FexC (x=2,0ữ2,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C
trong M giảm xuống còn khoảng 0,25 ữ 0,40%, c/a giảm đi. Hỗn hợp M í t cacbon
và cacbit đó đợc gọi là M ram (vẫn liền mạng):
(M tôi) Fe(C)0,8 [Fe(C)0,25 ữ 0,40 + Fe2 ữ 2,4C] (M ram)
Giai đoạn II (T= 200 ÷ 260oC)


53

Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15 ÷ 0,20%:
Feα(C)0,25-0,4→[Feα(C)0,15 ÷ 0,20+Fe2÷2,4C]
γ d− thµnh M ram: (γ d−) Feγ(C)0,8 → [Feα(C)0,15 ÷ 0,20 + Fe2 ÷ 2,4C] (M ram)
M ram là tổ chức có độ cứng thấp hơn M tôi, song lại í t giòn hơn do giảm đợc

ứng suất.
Độ cứng thứ II: Một số thép sau khi tôi có lợng d lớn (hàng chục %), khi ram
d thành M ram mạnh hơn hiệu ứng giảm độ cứng do C tiết ra khỏi dung dung
dịch rắn độ cứng thứ II.
Giai đoạn III (T= 260 ữ 400oC)
Sau giai đoạn II thép tôi có tổ chức M ram gồm hai pha: M nghèo C (0,15 ữ
0,20%) và cacbit (Fe2 ữ 2,4C), đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến:
- M nghèo cacbon trở thành ferit, cacbit (Fe2 ữ 2,4C) Xê (Fe3C) ở dạng hạt
Sơ đồ chuyển biến:
Fe (C)0,15 ữ 0,20 Fe + Fe3Chạt , cac bit Fe2 ữ 2,4C F+Xê
hạt = T ram
- Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tí ch).
- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tí nh đàn hồi.
Giai đoạn IV (T > 400oC)
T > 400OC xảy ra quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của Xê hạt.
- ở 500 ữ 650oC: đợc hỗn hợp F-Xê = X ram, có giới hạn chảy cao và độ dai va
đập tốt nhất.
- ở gần A1 (727oC): đợc hỗn hợp F-Xê hạt thô hơn = peclit hạt.
Kết luận: ram là quá trình phân hủy M, làm giảm độ cứng, giảm ứng suất bên
trong sau khi tôi, tùy thuộc vào nhiệt độ ram có thể đạt đợc cơ tí nh khác nhau
phù hợp với yêu cầu sử dụng.
4.3. ủ và thờng hóa thép
Đ/n: là các phơng pháp thuộc nhóm nhiệt luyện sơ bộ, tạo độ cứng, tổ chức
thí ch hợp cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt luyện) tiếp theo.
4.3.1. ủ thép
a. Định nghĩa và mục đí ch
Đ/n: là phơng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (từ 200 ữ trên
1000oC), giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt đợc tổ chức cân bằng
ổn định (theo giản đồ pha Fe - C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao.
Hai nét đặc trng của ủ: nhiệt độ không có quy luật tổng quát và làm nguội với

tốc độ chậm để đạt tổ chức cân bằng.
Mục đí ch : đợc một số trong 5 mục đí ch sau:
1) làm mềm thép để dễ tiến hành gia công cắt, 2) tăng độ dẻo để dễ biến dạng
(dập, cán, kéo) nguội. 3) giảm hay làm mất ứng suất gây nên bởi gia công cắt,
đúc, hàn, biến dạng dẻo, 4) đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc loại bị
thiên tí ch. 5) Làm nhỏ hạt thép.
Phân loại ủ: 2 nhóm: ủ có chuyển pha và ủ không có chuyển biến pha.
b- Các phơng pháp ủ không có chuyển biến pha
Đ/điểm: T ủ thấp hơn A1 nên không có chuyển biến P . Chia thành 2 phơng
pháp:
ủ thấp: T= 200 ữ 600oC, mục đí ch làm giảm hay khử bỏ ứng suÊt,


54

ủ kết tinh lại: T> Tktl để khôi phục tí nh chất sau biến dạng.
c. Các phơng pháp ủ có chun biÕn pha
Th−êng gỈp, T> A1 , P → γ, nhỏ hạt. Chia thành 3 phơng pháp:
- ủ hoàn toàn: ¸p dơng cho thÐp tr−íc cïng tÝ ch %C= 0,30 ữ 0,65%,
Tu0 =A3+(20ữ30oC)
Mục đí ch: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội
(160ữ 200HB).
- ủ không hoàn toàn và ủ cầu hãa: ¸p dơng cho thÐp dơng cơ %C= ≥ 0,70%,
A1Tu0 = A1 + (20 ÷ 30oC) = 750 ÷ 760oC, T/c: peclit hạt , HB < 220 dễ gia công cắt
hơn, không áp dụng cho thép trớc cùng tí ch có C 0,65% vì ảnh hởng xấu
đến độ dai.
ủ cầu hóa: là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, T= 750 ữ 760oC-5min (phút)
rồi T= 650 ữ 660oC- 5min..., với lặp đi lặp lại cầu hóa xêmentit để tạo thành
peclit hạt.

- ủ đẳng nhiệt: dùng cho thép hợp kim cao do quá nguội có tí nh ổn định quá
lớn nên dù làm nguội chậm cùng lò cũng không đạt đợc tổ chức peclit mà là P-X,
X, X-T... nên không đủ mềm để gia công cắt ủ đẳng nhiệt: T= A1- 50oC (xác
định theo giản đồ T - T - T cđa chÝ nh thÐp ®ã) để nhận đợc tổ chức peclit.
- ủ khuếch tán: T rất cao 1100ữ1150oC - (10 ữ 15h) để khuếch tán làm đều thành
phần.
Lĩnh vực áp dụng: thép hợp kim cao khi đúc bị thiên tí ch hạt to cán nóng
hoặc ủ nhỏ hạt
Chú ý : ủ có chuyển biến pha, chỉ cần làm nguội trong lò đến 600 ữ 650oC, lúc đó
sự tạo thành peclit đà hoàn thành, cho ra nguội ngoài không khí và nạp mẻ khác
vào ủ tiếp.
4.3.2. Thờng hóa thép
a. Đ/n: là nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là austenit (> A3 hay Acm), giữ
nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong không khí tĩnh, độ cứng tơng đối thấp (nhng
cao hơn ủ một chút).
- Nhiệt độ: giống nh ủ hoàn toàn toàn nhng đợc áp dụng cho cả thép sau cùng
tí ch:
TCT: Tth0 = Ac3 + (30 ÷ 50oC), SCT: Tth0 = Accm + (30 ữ 50oC).
- Tốc độ nguội: nhanh hơn đôi chút nên kinh tế hơn ủ.
- Tổ chức và cơ tí nh: tổ chức đạt đợc là gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi
chút.
b. Mục đí ch và lĩnh vực áp dụng:
1) Đạt độ cứng thí ch hợp cho gia công cơ:
+ thép 0,25%C - phả i thờng hó a,
+ thép 0,30 ữ 0,65%C- phả i ủ hoà n toà n,
+ thép 0,70%C- phả i ủ không hoà n toà n (ủ cầ u hóa).


th ờ ng
A3

Acm

55

T, oF

T, oC

2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiƯt
lun kÕt thóc. Th−êng ¸p dơng cho c¸c
thÐp kÕt cấu trớc khi tôi (thể tí ch và bề 900
mặt).
800
3) Làm mất lới xêmentit II của thép sau
cùng tí ch thép đỡ giòn, gia công đợc 700
bóng hơn.

1800

1600

ủ và tô i
1400

A1
ủ cầ u
0,4

0,8

1200

1,2 %C

Hình 4.15. Khoảng nhiệt độ ủ, thờng hóa
và tôi cho thép cacbon
Hình 4.15 là các khoảng nhiệt độ ủ, thờng hóa và tôi trên giản đồ pha Fe-C.
4.4. Tôi thép
là nguyên công quan trọng nhất của nhiệt luyện.
4.4.1. Định nghĩa và mục đí ch
a. Đ/n: là phơng pháp nung thép lên cao quá nhiệt độ tới hạn A1 để đạt pha ,
giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh thí ch hợp để tạo thành M hay các tổ chức không ổn
định khác với độ cứng cao.
Đặc trng của tôi: - Nhiệt độ tôi > A1 để có (có thể giống ủ hoặc thờng hóa).
- Tốc độ làm nguội nhanh dễ gây ứng suất nhiệt, pha dễ gây nứt, biến dạng,
cong vênh.
- Tổ chức tạo thành cứng và không ổn định. 2 điểm sau khác hẳn ủ và thờng
hóa.
b. Mục đí ch:
1) Tăng độ cứng để chống mài mòn tốt nhất (ram thấp): dụng cụ (cắt, biến dạng
nguội), %C:
%C 0,35%C- HRC 50,
%C = 0,40ữ0,65%C- HRC 52 ÷ 58,
%C = 0,70 ÷ 1,00%C- HRC 60 ÷ 64,
%C = 1,00 ÷ 1,50%C- HRC 65 ÷ 66
2) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy, áp dụng cho thép có
%C=0,15-0,65:
tôi + ram trung bình thép đàn hồi (0,55-0,65)%C
Tôi+ram cao thép có cơ tÝ nh tỉng hỵp cao nhÊt (thÐp 0,3-0,5)%C

4.4.2. Chän nhiƯt độ tôi thép
a. Đối với thép TCT (< 0,80%C): Ttôi = A3 + (30 ÷ 50oC) → M+Ý t γd−
b. Đối với thép CT và SCT ( 0,80%C): Ttôi =A1+(30 ÷ 50oC) ≈ 760 ÷ 780oC →
M+Ý t γd−+XªII
c. Lý do để chọn nhiệt độ tôi:
+ Thép TCT, T< A3 còn F là pha mềm gây ra điểm mềm ảnh hởng xấu tới độ
bền, độ bền mỏi và tí nh chống mài mòn.
+ Thép SCT, T> Acm hàm lợng C trong γ cao qu¸ dƠ sinh γ d− nhiỊu, hạt lớn
(vì T >950oC)
A1

56

d. Đối với thép hợp kim: cũng dựa vào GĐP Fe-C để tham khảo nhiệt độ tôi, 2
trờng hợp:
+ thép hợp kim thấp (ví dụ 0,40%C + 1,00%Cr), Ttôi ~ thép 0,40%C, có lấy tăng
lên 1,1-1,2 lần
+ thép hợp kim trung bình và cao: tra trong các sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật.
4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi
Tốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi, tạo ra độ cứng cao (cả sâu
trong lõi) đồng thời với biến dạng nhỏ và không bị nứt.
b. Các yếu tố ảnh hởng đến tốc độ tôi tới hạn:
- Thành phần hợp kim của : quan trọng nhất, càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ
Co) đờng "C" càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ: (2÷3)% nthk Vth ≈ 100oC/s, (5 ÷
7)% nthk Vth ≈ 25oC/s.
- Sự đồng nhất của : càng đồng nhất càng dễ biến thành M ( không đồng
nhất, vùng giàu C dễ biến thành Xê, vùng nghèo C dễ biến thành F) Ttôi
đồng nhất Vth
- Các phần tử rắn cha tan hết vào : thúc đẩy tạo thành hỗn hợp F-Xê, làm tăng

Vth.
- Kí ch thớc hạt : càng lớn, biên giới hạt càng í t, càng khó tạo thành hỗn hợp FXê , Vth
c. Độ thấm tôi
Đ/n: là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức 1/2M + 1/2T
Cách xác định: bằng thí nghiệm tôi đầu mút
Các yếu tố ảnh hởng:
Vth: càng nhỏ độ thấm tôi càng cao, Vth < Vlõi tôi thấu, các yếu tố làm giảm Vth

Tốc độ làm nguội: nhanh nhng dễ gây nứt, biến dạng.
ý nghĩa: biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi + ram, đúng hơn là biểu thị
tỷ lệ tiết diện của chi tiết đợc hóa bền nhờ tôi + ram.
- Thép có độ thấm tôi càng cao đợc coi là chất lợng càng tốt,
- Mỗi mác thép có xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kí ch thớc nhất
định để có thể tôi thấu
d. Đánh giá độ thấm tôi:
Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép với cùng lợng cacbon là 0,40%, ở
đây độ thấm tôi đợc tí nh tới vùng nửa 1/2M+1/2T.
+ Thép cacbon, trung bình chỉ khoảng 7mm, nếu thêm 1,00%Cr là 12mm, còn
thêm 0,18%Mo nữa tăng lên đến 30mm.
+ Để tăng mức độ đồng đều cơ tí nh trên tiết diện, trớc khi đem chế tạo các bánh
răng quan trọng ngời ta phải kiểm tra lại của mác thép mới định dùng.
+ Ngợc lại: còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm cứng bề mặt lõi vẫn
dẻo dai.
e. Tí nh thấm tôi và tí nh tôi cứng:
Tí nh tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao nhất khi tôi, %C càng cao tí nh tôi
cứng càng lớn.


57

Tí nh thấm tôi là khả năng đạt chiều dày lớp tôi cứng lớn nhất, %nthk càng cao thì
tí nh thấm tôi càng lớn.

40
20
7

độ cứng ~1/2M+1/2T

60
HRC

60

độ cứng ~1/2M+1/2T

HRC

HRC

60

40

40

20

20

20

12

khoảng cách ,mm

20

khoảng cách,mm

độ cứng ~1/2M+1/2T

20

30

khoảng cách, mm

a)

b)
c)
Hình 4.17. Khả năng tôi cứng cđa mét sè lo¹i thÐp:
a. 0,40%C, b. 0,40%C + 1,00%Cr, c. 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo,
4.4.4. Các phơng pháp tôi thể tí ch và công dụng. Các môi trờng tôi
Các cách phân loại tôi: Theo T tôi: tôi hoàn toàn và không hoàn toàn, theo phạm
vi: tôi thể tí ch và tôi bề mặt, theo phơng thức và môi trờng làm nguội (hình
4.18) ta có:
a. Tôi trong một môi trờng
hình 4.18 - a

austenit

austenit

M®

A1

nhiƯ t ®é,

nhiƯ t ®é,

A1

a

b

c

M®
d
thê i gian

thê i gian

Hình 4.18. Phơng pháp tôi
Hình 4.19. Đờng nguội lý tởng khi t«i
a. trong 1 m«i tr−êng, b. trong 2 m«i trờng,
c. tôi phân cấp, d. tôi đẳng nhiệt.

Yêu cầu đối với môi trờng tôi:
- làm nguội nhanh thép để đạt đợc tổ chức M, - không làm thép bị nứt hay biến
dạng
- rẻ, sẵn, an toàn và bảo vệ môi trờng.
Để đạt đợc hai yêu cầu đầu tiên, môi trờng tôi lý tởng hình 4.19:
1) Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng kém ổn định nhất 500 ữ 600oC để
không kịp phân hóa thành hỗn hợp F-Xê. Vnguội> Vth.
2) Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên vì ở đó quá nguội có tí nh
ổn định cao, không sợ bị chuyển biến thành hỗn hợp F-Xê có độ cứng thấp. Đặc


58
o

biệt trong khoảng chuyển biến M (300 ữ 200 C), nguội chậm sẽ làm giảm ứng
suất pha do đó í t bị nứt và í t cong vênh.
Các môi trờng tôi thờng dùng: (bảng 4.1)
Bảng 4.1. Đặc tí nh làm nguội của các môi trờng tôi
Tốc độ nguội, [độ/s], ở các khoảng nhiệt độ
Môi trờng tôi
600 ữ 5000C
300 ữ 2000C
600-500
270
Nớc lạnh, 10 ữ 300C
0
Nớc nóng, 50 C
100
270
0

Nớc hòa tan 10%NaCl, NaOH,20 C
1100-1200
300
Dầu khoáng vật
100-150
20-25
Tấm thép, không khí nén
35-30
15-10
Nớc: là môi trờng tôi mạnh, an toàn, rẻ, dễ kiếm nên rất thông dụng nhng
cũng dễ gây ra nứt, biến dạng, không gây cháy hay bốc mùi khó chịu, khi nhiệt độ
nớc bể tôi > 40oC tốc độ nguội giảm, (khi To nớc = 50oC, tốc độ nguội thép
chậm hơn cả trong dầu mà không làm giảm khả năng bị biến dạng và nứt (do
không làm giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) phải lu ý tránh: bằng cách cấp
nớc lạnh mới vào và thải lớp nớc nóng ở bề mặt đi.
Nớc (lạnh) là môi trờng tôi cho thép cacbon (là loại có Vth lớn, 400 ữ 800oC
/s), song không thí ch hợp cho chi tiết có hình dạng phức tạp.
Nớc đợc hoà tan 10% các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay (NaOH): nguội rất
nhanh ở nhiệt độ cao song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu nh không tăng
tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) so với nớc, đợc dùng để tôi thép dụng cụ cacbon
(cần độ cứng cao).
Dầu : làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó í t gây biến dạng, nứt
nhng khả năng tôi cứng lại kém. Dầu nóng, 60 ữ 80oC, có khả năng tôi tốt hơn vì
có độ loÃng (linh động) tốt không bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Nhợc
điểm dễ bốc cháy phải có hệ thống ống xoắn có nớc lu thông làm nguội dầu,
bốc mùi gây ô nhiễm và hại cho sức khỏe.
Dầu là môi trờng tôi cho thép hợp kim (loại có Vth nhỏ, < 150oC / s), các chi
tiết có hình dạng phức tạp, là môi trờng tôi thứ 2 (thép CD)
Quy tắc chọn môi trờng tôi ngoại lệ:
- Thép C tiết diện nhỏ ( < 10), hình dạng đơn giản, dài (nh trục trơn) nên tôi

dầu. Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thể chọn thép C nhng phải làm
bằng thép hợp kim để tôi dầu.
- Chi tiết bằng thép hợp kim, có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản phải tôi nớc.
Các vật mỏng, hình dạng phức tạp dễ bị cong vênh khi làm nguội tự do cần tôi
trong khuôn ép, trong khung giữ chống cong vênh hoặc bó chặt nhiều thanh dài
lại,....
Tôi trong một môi trờng rất phổ biến do dễ áp dụng cơ khí hóa, tự động hóa,
giảm nhẹ điều kiện lao động nặng nhọc.
b. Tôi trong hai môi trờng (nớc qua dầu) Đờng b trên hình 4.18
Tận dụng đợc u điểm của cả nớc lẫn dầu: nớc, nớc pha muối, xút qua dầu
(hay không khí ) cho đến khi nguội hẳn. Nh vậy vừa bảo ®¶m ®é cøng cao cho


59

thép vừa í t gây biến dạng, nứt. Nhợc điểm: khó, đòi hỏi kinh nghiệm, khó cơ khí
hóa, chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc thép C cao
c. Tôi phân cấp: đờng c trên hình 4.18
Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm Mđ khoảng 50 ữ 100oC, 3 ữ 5min để
đồng đều nhiệt độ trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong không khí để chuyển
biến M.
Ưu điểm: khắc phục đợc khó khăn về xác định thời điểm chuyển môi trờng của
cách b.
Đạt độ cứng cao song có ứng suất bên trong rất nhỏ, độ biến dạng thấp nhất,
thậm chí có thể sửa, nắn sau khi giữ đẳng nhiệt khi thép ở trạng thái quá nguội
vẫn còn dẻo.
Nhợc điểm: năng suất thấp, chỉ áp dụng đợc cho các thép có Vth nhỏ (thép hợp
kim cao nh thÐp giã) vµ víi tiÕt diƯn nhá nh− mịi khoan, dao phay...
Cả ba phơng pháp tôi kể trên đều đạt đợc tổ chức mactenxit.
d. Tôi đẳng nhiệt:

đờng d trên hình 4.18
Khác tôi phân cấp ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng giờ) cũng trong môi trờng
lỏng (muối nóng chảy) để austenit quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp
F-Xê nhỏ mịn có độ cứng tơng đối cao, độ dai tốt. Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng
nhiệt sẽ đợc các tổ chức khác nhau: 250 ữ 400oC - bainit, 500 ữ 600oC - trôxtit.
Sau khi tôi dẳng nhiệt không phải ram.
Tôi đẳng nhiệt có mọi u, nhợc điểm của tôi phân cấp, nhng độ cứng thấp hơn
và độ dai cao hơn, năng suất thấp í t đợc áp dụng cách tôi này.
Một phơng pháp tôi đẳng nhiệt đặc biệt là tôi chì (patenting) - tôi đẳng nhiệt
trong bể Pb nóng chảy ở 500 ữ 520oC X mịn, qua khuôn kéo sợi nhiều lần (
tổng= 90%), đạt E và max.
e. Gia công lạnh
áp dụng cho thép dụng cụ hợp kim, %C cao và đợc hợp kim hóa, các điểm Mđ và
MK quá thấp nên khi tôi lợng d quá lớn, làm giảm độ cứng. Đem gia công lạnh
(-50 hay -70oC) để d M, độ cứng có thể tăng thêm 1 ữ 10 đơn vị HRC.
f. Tôi tự ram
Là cách tôi với làm nguội không triệt để, nhằm lợi dụng nhiệt của lõi hay các phần
khác truyền đến, nung nóng tức ram ngay phần vừa đợc tôi: đục, chạm, tôi cảm
ứng băng máy, trục dài...
4.4.5. Cơ - nhiệt luyện thép
a. Bản chất:
đồng thời: biến dạng dẻo (cán nóng) đem tôi ngay rồi ram
o
thấp ở 150 ữ 200 C. Kết quả: M nhỏ mịn với xô lệch cao, nhờ đó kết hợp cao nhất
giữa độ bền, độ dẻo và độ dai mà cha có phơng pháp hóa bền nào sánh kịp.
So với nhiệt luyện tôi + ram thấp thông thờng: bền kéo cao tăng 10 ữ 20%, độ
dẻo, độ dai tăng từ 1,5 đến 2 lần. Gồm 2 loại:
b. Cơ - nhiệt luyện nhiệt độ cao: hình 4.20a, biến dạng dẻo ở trên A3 rồi tôi
ngay, đặc điểm:
- có thể áp dụng cho mọi thép kể cả thép cacbon,

- dễ tiến hành vì ở nhiệt độ cao austenit dẻo, ổn định, lực ép nhỏ, độ biến dạng
= 20 ữ 30%


60
2

- độ bền khá cao: b = 2200 ữ 2400MPa, δ = 6 ÷ 8%, aK = 300kJ/m .
biÕ n dạ ng
c. Cơ - nhiệ t luyệ n nhiệ t ®é thÊp:
thÊp: (h× nh T
T
4.20b): Sau khi γ hãa ë trê n A3, là m nguội
A3
A3
nhanh thép xuống 400 ữ 600oC là vùng quá
biế n dạ ng
nguội có tí nh ổn định t ơng đố i cao và thấ p
Tktl
hơn nhiệ t độ kế t tinh lạ i, rồ i biế n dạ ng dẻ o và
tô i ngay.
Mđ
Đ/điể m: - chỉ á p dụng đ ợc cho thép hợp kim Mđ
M

M
- khó tiế n hà nh vì ở nhiệ t độ thấ p (400ữ
600oC) kém dẻ o hơn, má y cá n lớn, phôi thép
thờ i gian
a)

b) thờ i gian
phả i nhỏ để kịp nguội nhanh xuống 400ữ600oC
Hình 4.20. Sơ đồ cơ - nhiệt luyện:
nhiệt độ cao (a) và nhiệt độ thấp (b).
- đạt đợc độ bền rất cao b = 2600 ữ 2800MPa, song độ dẻo, độ dai thấp hơn
loại trên: = 3%, aK = 200kJ /m2.
4.5. Ram thép
Ram thép là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành M.
4.5.1. Mục đí ch và định nghĩa
a. Trạng thái của thép tôi thành M: cứng, rất giòn, kém dẻo, dai với ứng suất
bên trong lớn
Mục đí ch của ram:
- giảm ứng suất, điều chỉnh cơ tí nh cho phù hợp với điều
kiện làm việc.
b. Định nghĩa: là nung nóng thép đà tôi đến các nhiệt độ thấp hơn Ac1, để M và
d phân hóa thành các tổ chức có cơ tí nh phù hợp với điều kiện làm việc quy
định.
4.5.2. Các phơng pháp ram thép cacbon
a. Ram thấp (150 ữ 250oC): tổ chức đạt đợc là M ram, độ cứng cao, tí nh dẻo,
dai tốt hơn, áp dụng cho dụng cụ, các chi tiết cần độ cứng và tí nh chống mài
mòn cao nh: dao cắt, khuôn dập nguội, bánh răng, chi tiết thấm cacbon, ổ lăn,
trục, chốt...
b. Ram trung bình (300 ữ 450oC): tổ chức đạt đợc là T ram.
Sau khi ram trung bình độ cứng giảm đi rõ rệt, nhng vẫn còn khá cao, giới hạn
đàn hồi max, áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng tơng đối cao và đàn
hồi nh khuôn dập nóng, khuôn rèn, lòxo, nhí p...
c. Ram cao (500 ữ 650oC): tổ chức đạt đợc là X ram.
* Cơ tí nh tổng hợp cao nhất, nhiệt luyện hoá tốt
So sáng cơ tí nh của thép sau ram cao với các dạng nhiệt luyện khác bảng 4.2.
* áp dụng cho các chi tiết máy cần giới hạn bền, đặc biệt là giới hạn chảy và độ

dai va đập cao nh các loại trục, bánh răng làm bằng thép chứa 0,30 ữ 050%C,
đạt độ bóng cao khi gia công.
* Giới hạn nhiệt độ phân chia các loại ram trên chỉ là tơng đối, chỉ phù hợp cho
thép cacbon và với thời gian giữ nhiệt khoảng 1h.
Ngoài ba phơng pháp ram trên còn phải phân biệt ram màu vµ tù ram.


61

Bảng 4.2. Cơ tí nh của thép có 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau
Dạng nhiệt luyện
Cơ tí nh
aK,
b,
0,2,
, %
ψ, %
kJ/m2
MPa
MPa
đ 8400C
530
280
32,5
50
900
0
Th−êng hãa 850 C
650
320

15
40
500
0
0
T«i 850 C + ram 200 C
1100
720
8
12
300
0
0
Tôi 850 C + ram 650 C
720
450
22
55
1400
d. Ram màu và tôi tự ram:
Ram ở 200 ữ 350oC, trên mặt thép xuất hiện lớp ôxyt mỏng với chiều dày khác
(~
nhau có màu sắc đặc trng nh: vàng (~ 0,045àm) ở 220 ữ 240oC, nâu
o
o
xanh (~ 0,070àm)
0,050àm) ở 255 ữ 265 C,tí m (~ 0,065àm) ở 285 ữ 295 C,
o
ở 310 ữ 320 C. Nhờ đó dễ dàng xác định nhiệt độ ram thấp mà không cần dụng
cụ đo nhiệt.

Tôi tự ram có các đặc điểm: nhanh, đơn giản, tiện dùng, ph¶i cã kinh nghiƯm.
e. ¶nh h−ëng cđa thêi gian ram: thờng (1 ữ 2h). Chú ý là sau khi tôi nên ram
ngay để vừa tránh nứt xảy ra sau khi tôi vừa để tránh hiện tợng ổn định hóa d.
4.6. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép
4.6.1. Biến dạng và nứt
a. Nguyên nhân và tác hại: do ứng suất sinh ra khi nguội làm thép bị biến dạng,
cong vênh, nứt. Nói chung khó tránh khỏi nhng phải tìm cách hạn chế.
b. Ngăn ngừa:
- Nung nóng và đặc biệt là làm nguội với tốc độ hợp lý .
- Nung nóng và làm nguội các trục dài: khi nung treo thẳng đứng để tránh cong,
khi làm nguội phải nhúng thẳng đứng, phần dày xuống trớc...
- Nên dùng tôi phân cấp, hạ nhiệt trớc khi tôi, với các vật mỏng phải tôi trong
khuôn ép.
c. Khắc phục: biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết nh trục dài, tấm có
thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội. Còn khi bị nứt thì không sửa đợc.
4.6.2. ôxy hóa và thoát cacbon
a. Nguyên nhân và tác hại: do trong môi trờng nung có chứa chất ôxy hóa Fe
và C: O2, CO2, hơi nớc..., khi ôxy hóa thờng đi kèm với thoát cacbon.
Tác hại của ôxy hóa: làm hụt kí ch thớc, xấu bề mặt sản phẩm, thoát cacbon
làm giảm độ cứng khi tôi.
b. Ngăn ngừa:
- Khí quyển bảo vệ:: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 < Pth gây oxy hoá
- Khí quyển trung tí nh: N, Ar,..
- Nung trong lò chân không: 10-2 ữ 10-4 at có khả năng chống ôxy hóa và thoát
cacbon một cách tuyệt đối cho mọi thép và hợp kim. Có thể:
+ Rải than hoa trên đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than lÃng phí vì kéo dài
thời gian nung.
+ Lò muối đợc khử ôxy triệt để bằng than, ferô silic. Cách này chỉ áp dụng đợc
cho chi tiết nhỏ, năng suất thấp. Đợc áp dụng rộng rÃi khi tôi dao cắt. Rất độc
c. Khắc phục: Phải để đủ đợc lợng d để hớt bỏ đi hoặc đem thÊm cacbon.

62

4.6.3. Độ cứng không đạt:
a. Độ cứng quá cao: sau khi ủ và thờng hóa thép hợp kim, do tốc độ nguội lớn
ủ lại.
b. Độ cứng quá thấp: Nhiệt độ tôi cha đủ cao, thời gian giữ nhiệt ngắn. Làm
nguội không đủ nhanh theo yêu cầu đề ra để tạo nên M. Thoát cacbon bề mặt,..
khắc phục.
4.6.4. Tí nh giòn cao
Sau khi tôi, độ cứng vẫn ở bình thờng mà thép lại quá giòn (rơi vỡ). Nguyên nhân
là nhiệt độ tôi quá cao (gọi là quá nhiệt), hạt thép bị lớn. Khắc phục: thờng hóa
rồi tôi lại, tăng biến dạng.
4.6.5. ảnh hởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt
a. ảnh hởng của nhiệt độ: là yếu tố quyết định nhất chất lợng nhiệt luyện
b. Kiểm tra nhiệt độ nung: bằng các dụng cụ đo nhiệt:
- < 400 ữ 500oC dùng nhiệt kế thủy ngân, < 1600oC dùng cặp nhiệt + đồng hồ
(milivôn kế): + cặp - 1300oC (đến 1600oC), cặp XA- 800oC (1200oC).
ớc lợng bằng mắt: Màu đỏ - 700 ữ 830oC, da cam - 850 ữ 900oC, vàng - 1050
ữ 1250oC, trắng - 1250 ữ 1300oC. Tất nhiên cách này kém chí nh xác và đòi hỏi
có kinh nghiệm.
4.7. Hóa bền bề mặt
4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng)
a. Nguyên lý nung nóng bề mặt: (hình 4.21a). Chiều sâu nung xác định theo
công thức

= 5030

cm, trong đó: - điện trở suất (.cm),
àf

thẩm (gaus/ơcstet).

à - độ từ

a. sơ đồ nung nóng cảm ứng,
b. tôi khi nung nóng toàn bộ
bề mặt tôi,
c. tôi khi nung nóng và là m
nguội liê n tục
1. chi tiế t tô i, 2. vòng cả m
ứng, 3. vòng phun nớc, 4.
đờng sứ c từ trờng.

Hình 4.21. Nung nóng và tôi cảm ứng:
b. Chọn tần số và thiết bị:
Bánh răng chiều dày lớp tôi bằng (0,20 ữ 0,28)M (M là môđun răng).
Khi cần lớp tôi dày (4 ữ 5mm): thiết bị 2500 hay 8000Hz, P= 100kW trở lên.
Lớp tôi mỏng (1 ữ 2 mm), thiết bị tần số cao (66000 hay 250000Hz), p= 50 ữ
100kW.
c. Các phơng pháp tôi:
Vòng cảm ứng đợc uốn sao cho có dạng bao, ôm lấy phần bề mặt cần nung để
tôi song không đợc tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 ữ 5,0mm, càng nhỏ càng
đỡ tổn hao. Có 3 kiểu tôi sau:


63

- Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt nh biểu thị ở hình 4.21b.
- Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt: tôi từng răng cho các
bánh răng lớn (m > 6) hay các cổ trục khuỷu (có máy tôi chuyên dùng điều khiển
theo chơng trình).
- Nung nóng và làm nguội liên tục liên tiếp: trục dài (hình 4.21c), băng máy... co
thể tự ram.
d. Tổ chức và cơ tí nh của thép tôi cảm ứng:
Thép dùng: %C= 0,35 ÷ 0,55% (th−êng chØ 0,40 ÷ 0,50%), cã thể hợp kim thấp
Tổ chức: nung với tốc độ rất nhanh do ®ã:
- NhiƯt ®é chun biÕn pha A1, A3 nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tôi cao hơn từ
100 ữ 200oC.
- Tốc độ chuyển biến pha rất nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, nhận đợc siêu
M rất dẻo dai
Tôi cảm ứng thờng đợc áp dụng cho các chi tiết:
+ chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chịu mài mòn ở bề mặt nh bánh răng, chốt...
+ chi tiết chịu mỏi cao, + chịu uốn, xoắn lớn: trục truyền, trục...
e. u việt:
- Năng suất cao, do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt
đợc tạo ra ngay trong lớp kim loại.
- Chất lợng tốt, tránh đợc các khuyết tật: ôxy hóa, thoát cacbon, chất lợng
đồng đều, kết quả ổn định. Độ cứng cao hơn so với tôi thờng khoảng 1 ữ 3 đơn vị
HRC, gọi là siêu độ cứng.
- Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, thí ch hợp cho sản xuất hàng loạt.
Nhợc điểm: khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay
đổi đột ngột... do khó chế tạo vòng cảm ứng thí ch hợp.
4.7.2. Hóa - nhiệt luyện
Đ/n: Hóa - nhiệt luyện là đa chi tiết và trong môi trờng thấm có thành phần,
nhiệt độ thí ch hợp trong thời gian đủ để nguyên tố cần thấm đi sâu vào trong chi
tiết sau đó đem nhiệt luyện để cải thiện hơn nữa tí nh chất của lớp bề mặt.
a. Nguyên lý chung

Môi trờng thấm: là môi trờng có chứa nguyên tố cần thấm, có khả năng phản
ứng để cố định nguyên tố thấm lên bề mặt chi tiết và khuếch tán vào sâu phí a
bên trong. Thấm C: môi trờng khí phân huỷ từ dầu hoả, thấm N: khí NH3,..
2 mục đí ch chí nh:
- Nâng cao độ cứng, tí nh chống mài mòn và độ bền mỏi của thép hơn cả tôi bề
mặt: thấm C, thấm N, thấm C-N,... đợc ứng dụng rộng rÃi trong sản xuất cơ khí .
- Nâng cao tí nh chống ăn mòn: thấm Cr, thấm Al, Si, B. Các quá trình thấm này
phải tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn, í t thông dụng hơn.
Các giai đoạn:
1) khuếch tán thể khí : là quá trình khuếch tán chất thấm đến bề mặt chi tiết
2) Phản ứng tạo nguyên tử hoạt tí nh và cố định lên bề mặt: hấp phụ tạo nguyên
tử hoạt trên bề mặt và phản ứng với nền để cố định chúng trên bề mặt (có thể hấp
phụ phân ly hoặc phản ứng phân ly ra nguyên tử hoạt tí nh).


64

3) Khuếch tán thể rắn: nguyên tử chất thấm đợc cố định trên bề mặt khuếch tán
sâu vào bên trong để tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định.
Trong ba giai đoạn kể trên thì khuếch tán thể rắn thờng chậm nhất do đó là khâu
quyết định sự hình thành của lớp thấm.
ảnh hởng của nhiệt độ và thời gian:
Nhiệt độ càng cao: phản ứng tạo nguyên tử hoạt và khuếch tán vào càng nhanh,
song cao quá thì có hại: Ví dụ: thấm C không quá 950oC để hạt tinh thể không bị
thô to, thấm N không quá 650oC để còn bảo tồn tổ chức hoá tốt của thép ở lõi.
Thời gian thấm: càng dài thì lớp thấm càng s©u: X = K τ (X-chiỊu s©u líp thÊm,
K-h»ng sè no và công nghệ thấm, - thời gian thấm)
phổ biến nhất, dễ làm do đó hầu hết các xởng Cơ khí
b. Thấm cacbon:
đều áp dụng

Ưu điểm: bề mặt sau khi thấm + tôi và ram thấp HRC 60ữ64, chống mài mòn cao,
chịu mỏi tốt, còn lõi bền, dẻo, dai với độ cứng HRC 30 ữ 40.
Nhiệt độ thấm: Đủ cao để thép ở trạng thái hoàn toàn là , pha có khả năng hòa
tan nhiều cacbon (900 ữ 950oC). T theo lo¹i thÐp sư dơng:
ThÐp C: C10-C25, T thÊm = (900-930)oC,
ThÐp hỵp kim cã Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi, T=(930-950)oC, Mn để %C không quá
cao bong
Sau khi thấm và tôi+ram thấp: bề mặt %C (1-1,2)%, sau tôi +ram thấp độ cứng
cao (thờng là 62 ữ 64), không bong.
Lõi: có tổ chức hạt nhỏ (cấp 5 ữ 8) với tổ chức mactenxit hình kim nhỏ mịn, không
có F tự do, để bảo đảm độ bền, độ dai cao, HRC 30 ữ 40.
Thời gian thấm: (giữ nhiệt ở nhiệt độ thấm) phụ thc vµo hai u tè sau.
1) ChiỊu dµy líp thÊm yêu cầu: chiều dày lớp thấm X = (0,10 ữ 0,15)d, d đờng
kí nh hay chiều dày chi tiết. Riêng đối với bánh răng lấy X=(0,20 ữ 0,30)m (mmôduyn của răng)
2) Tốc độ thấm: Tuỳ theo công nghệ thấm và nhiệt độ thấm:
Công nghệ thấm: 2 công nghệ thờng dùng: nắ p
Thấm C thể rắn:
chi tiế t
Hỗn h p th m:
thấ m
Than (c c, ỏ, g ) c 2-8mm
: 25%
hỗ n hỵ p
Than dùng l i (xàng b b t v n): 60%
thÊ m
BaCO3
: 15%
hé p
Hoà BaCO3 vào n c v a x t đ có th
thÊ m

tr n đ u vào than. X p chi ti t và lèn
H×nh 4.22. Hộp thấm C thể rắn
than
v
a
ch
t
nh
hỡnh
4.22.
2
Thời gian và chiều dày líp thÊm: X =(0,11-0,12)τ, khi thÊm ë (900-930)oC- lÊy

K=0,11, khi thấm ở (930-950)oC- lấy K=0,12
Đặc điểm của thấm cacbon thể rắn là: + Thời gian dài (do phải nung cả hép
than dÉn nhiƯt chËm), bơi, khã c¬ khÝ hãa, kÐm ổn định, không đòi hỏi thiết bị
kí n, rất đơn giản
Thấm ở thể khí : là phơng pháp thấm hiện đại, đợc sử dụng rộng rÃi trong sản
xuất Cơ khí . Chất thấm: Khí đốt và dầu hoả (dầu hoả dƠ dïng h¬n)


Thiết bị thấm: các loại lò chuyên dùng để thấm C (bảng 4.3)
Bảng 4.3. Lò thấm C của Nga
Loại lò
P, kw
dxh
Loại lò
P, kw
dxh lò,mm
lò,mm

ã 25
25
300x450
ã 75
75
500x900
ã 35
35
300x600
ã 90
90
600x900
ã 60
60
450x600
ã105
105
600x1200
Xếp hoặc treo chi tiết vào lò đảm bảo bề mặt
bì nh dầ u
ngọ n lử a
cần thấm phải luôn có khí luân chuyển. Nâng
đ ế m giọ t
nhiệt độ và cấp dầu:
đ ộ ng cơ
ố ng xả
Nhiệt độ Số giọt dầu, [giät/phót] (lß 25 - 60)
chi tiÕ t
< 300
0

thÊ m
300-500
30
500-900
30-50
900-950
90-150 (b·o hoà)
900-950
50-80 (khuếch tán)

65

Nhiệt độ thấm: theo loại thép nh thấm C thể rắn
Thời gian thấm: (kể từ khi đạt nhiệt độ thấm)
=

X2
, K=0,12 khi thấm (900-930)oC, K=0,14 khi
Hình 4.23. Sơ đồ lò thấm C
K

thấm ở (930-950)oC,=bÃohoà+k/tán=2bÃo hoà=2 k/tán bằng dầu hoả
Nhiệt luyện sau khi thấm: 3 công nghệ:
1- Tôi trực tiÕp+ram thÊp ë 200oC-1h: sau thÊm lÊy ra cho nhiÖt độ hạ xuống còn
850-860oC thì tôi trong dầu. Chỉ áp dụng cho thép hợp kim, quy trình đơn giản,
kinh tế.
2- Tôi 1 lần+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm đem thờng hoá rồi tôi ở (820850)oC khi cần u tiên cho lớp bề mặt, tôi ở (860-880)oC khi cần u tiên cho lõi,
áp dụng đợc cho cả thép C.
3- Tôi 2 lần+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm đem thờng hoá rồi tôi ở (880-900)oC
cho lõi xong, nung lại và tôi cho bề mặt ở (760-780)oC (tốt nhất là tôi cao tần), áp

dụng cho mọi loại thép, đảm bảo cơ tí nh cả lõi và bề mặt, song phiền phức và
ngày càng í t dùng.
c. Thấm nitơ
Định nghĩa và mục đí ch: làm bÃo hòa và khuếch tán N vào bề mặt thép hợp
kim sau khi nhiệt luyện hoá tốt nhằm mục đí ch chủ yếu là nâng cao độ cứng,
tí nh chống mài mòn (HRC 65 ữ 70 hơn hẳn thấm cacbon) và giới hạn mỏi của chi
tiết.
Tổ chức của lớp thấm: từ ngoài vào lần lợt là: (+)- -(+)-thép ở lõi, trong
đó - là pha xen kẽ ứng với Fe2-3N, γ’ - lµ pha xen kÏ øng víi Fe4N, - dung dịch
rắn của N trong Fe.
Độ cứng cao nhÊt cđa líp thÊm lµ vïng (γ’+α), do cã nhiỊu nitrit: CrN, AlN, tiết ra
nhỏ mịn nằm phân bố đều, không phải qua nhiệt luyện tiếp theo nh khi thấm C.


66

Thép dùng để thấm N: là thép hợp kim chuyên để thấm N điển hình là
38CrMoAlA sau khi nhiệt luyện hoá tốt
Chất thấm N: khí NH3 công nghiệp (amôniac), ở nhiệt độ thấm (480 ữ 650)oC,
NH3 bị phân huỷ nhiệt theo ph¶n øng:
2 NH3 → 3H2 + 2Nng.tư
ChØ cã NH3 hấp phụ trên bề mặt phân huỷ tạo thành Nng/tử mới có tí nh hoạt cao
khuếch tán vào tạo thành lớp thấm. Phần lớn còn lại không có tác dụng thấm, do
đó để thấm N ngời ta phải liên tục bơm NH3 vào lò và lấy sản phẩm thừa ra
ngoài. Để thấm ổn định với tốc độ đủ nhanh thì tû lƯ ph©n hủ nhiƯt P cđa NH3:
P=

sè mol NH3 phan huỷ
phải thoả mÃn:
tổng số mold avào

Nhiệt độ
P, %

450-500
20-35

500-600
30-45

600-700
40-60

Đặc điểm của công nghệ thấm nitơ:
- Do phải tiến hành ở nhiệt độ thấp để không làm hỏng tổ chức của thép sau hoá
tốt. Chọn nhiệt độ thấm phải căn cứ vµo tÝ nh chèng ram cđa thÐp (thÐp
38CrMoAlA thÊm ë (500-550)oC, thÐp giã 80W18Cr4V cã thÓ thÊm ë (600-700)oC)
- Sau khi thấm không phải tôi mà phải làm nguội chậm đến nhiệt độ 200oC để tiết
nitrit làm tăng độ cứng, rồi đuổi hết khí ra mới đợc mở lò để chống nổ.
- Nếu trong khí thấm có pha thêm lợng nhỏ khí đốt (1-2%), hoặc thỉnh thoảng
mở van cho 1 chút không khí vào, các nguyên tố C (trong khí đốt), oxy (trong
không khí ) có tác đụng ổn định pha do đó tốc độ thấm tăng.
- Thời gian thấm: khi có mặt C và O trong khí thấm thì =

X2
, K = 0,2 đến 0,27,
K

chú ý lớp ε xèp cã ®é cøng thÊp (250-300HB), mÉu thÊm to lên do đó thờng phải
hớt bỏ đi.

Độ cứng của lớp thấm N: 900-1000 HV, giữ đợc ở nhiệt độ trên 500oC.
Công dụng: cho chi tiết cần độ cứng và tí nh chống mài mòn rất cao, làm việc ở
nhiệt độ cao hơn 500oC, nh một số trục, bánh răng, sơmi trong máy bay, dụng
cụ cắt, dụng cụ đo.
d. Thấm cacbon - nitơ
Định nghĩa và mục đí ch:
làm bÃo hòa (thấm, khuếch tán) đồng thời cacbon và
nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tí nh chống mài mòn (về mặt này
nó nằm trung gian giữa thấm cacbon và thấm nitơ). Nh vậy nó cũng nhằm mục
đí ch nh hai phơng pháp hóa - nhiệt luyện trên song tốt hơn thấm cacbon.
Đặc điểm của công nghệ thấm C-N: tùy thuộc vào tỷ lệ giữa C và N trong lớp
thấm mà quá trình có thể gần với một trong hai dạng thấm C hoặc N trên:
- Thấm ở nhiệt độ cao, trên dới 800oC: chủ yếu là thấm C (í t N), do đó có
tí nh chất gần với thÊm C h¬n song tèt h¬n chØ thÊm C.
- ThÊm ở nhiệt độ thấp, trên dới 600oC: lớp thấm chủ yếu là N, do đó tí nh
chất gần với thấm N hơn song kém hơn thấm nitơ đôi chút
Thấm C-N ë nhiƯt ®é cao:


67

Chất thấm: chủ yếu là khí đốt hoặc dầu hoả nh khi thấm C nhng có thêm 5 ữ
10%NH3,
Nhiệt độ thấm: 780 ữ 860oC, thấp hơn so với thấm C
Tổ chøc líp thÊm: gièng líp thÊm C nh−ng cã thªm pha cacbo-nitrit Fe3(C,N) rất
cứng (cứng hơn Fe3C) nằm phân tán nên làm tăng rất mạnh tí nh chống mài mòn
do đó kéo dài tuổi thọ thêm 50 đến 100%.
Chiều dày lớp thấm: mỏng hơn lớp thấm C khoảng 20 ữ 30%. Ví dụ bánh răng
khi thấm cacbon sâu 0,90 ữ 1,20mm, khi thấm C-N chỉ cần 0,50 ữ 0,80mm. Nhờ
vậy thời gian thấm sẽ ngắn lại.

Do nhiệt độ và thời gian thấm đều giảm nên kinh tế hơn
Nhiệt luyện sau khi thấm: sau khi thấm phải qua tôi + ram thấp nh thấm C
nhng đơn giản hơn vì tôi trực tiếp với mọi loại thép.
Thấm cacbon - nitơ ở nhiệt ®é thÊp:
Gièng nh− khi thÊm N, khÝ thÊm cã pha thêm 2-5% khí đốt, sau khi thấm không
phải qua tôi+ram thấp nh khi thấm N.
Nhiệt độ thấm và thời gian thÊm gièng nh− khi thÊm N, −u viƯt lµ thÊm nhanh,
hiƯn nay chØ cã c«ng nghƯ thÊm C-N kh«ng cã công nghệ thấm N riêng biệt.
Thép dùng để thấm C-N: thờng là thép hợp kim: 25CrMnMo, sau khi thấm C-N
nhiệt độ cao tôi trực tiếp phân cấp trong dầu nóng 180oC.