công nghệ và thiết bị thấm cacbon trong nhiệt luyện

Chương 1: Tổng quan về công nghệ xử lý bề mặt và ý nghĩa trong
công nghiệp sản xuất.
Nhiệt luyện có vai trò như thế nào trong sản xuất cơ khí? Các nhà máy
của chúng ta đã quan tâm đầu tư đúng mức cho nguyên công này. Đâu
là giải pháp tăng tính cạnh tranh trong môi trường hội nhập đòi hỏi
ngày càng khắt khe về chất lượng?
Trước khi tìm hiểu vai trò của nhiệt luyện đối với nhà máy cơ khí như
thế nào chúng ta cùng tìm hiểu sơ qua về nhiệt luyện.
-Sơ lược về nhiệt luyện (Heat treatment):
Nhiệt luyện 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 để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các
tính chất khác theo phương hướng đã chọn trước.
Nhiệt luyện chỉ làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật liệu
kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi
hình dáng và kích thước của chi tiết.
Nhiệt luyện chỉ làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật liệu
kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không làm thay đổi
hình dáng và kích thước của chi tiết.
Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì không
những nó tạo cho chi tiết sau khi gia công cơ những tính chất cần thiết
mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì vậy có thể nói nhiệt
luyện là khâu quan trọng không thể thiếu được đối với chế tạo cơ khí
và là một trong những yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất
lượng của sản phẩm cơ khí.
1
Nhiệt luyện có ảnh hưởng quyết định tới tuổi thọ của các sản phẩm cơ
khí. Máy móc càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao thì số lượng
chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều. Đối với các nước công nghiệp phát
triển, để đánh giá trình độ ngành chế tạo cơ khí phải căn cứ vào trình
độ nhiệt luyện, bởi vì dù gia công cơ khí chính xác nhưng nếu không

qua nhiệt luyện hoặc chất lượng nhiệt luyện không đảm bảo thì tuổi
thọ của chi tiết cũng không cao và mức độ chính xác của máy móc
không còn giữ được theo yêu cầu.
Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không những có ý nghĩa
kinh tế rất lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu của
công trình, máy móc thiết bị…) mà còn là thước đo để đánh giá trình
độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc gia.
-Sơ lược về xử lý bề mặt:
-Xử lý điện hóa bề mặt kim loại là một quá trình công nghệ
hay được sử dụng, vì thực tế hầu như tất cả các vật dụng bằng kim loại
đều phải được hoàn thiện, đồng thời đó cũng là trách nhiệm của nhà
sản xuất.
-Xử lý bề mặt là một khâu quan trọng trong quá trình sản xuất hầu hết
các vật dụng bằng kim loại. Tùy thuộc vào bản chất của việc xử lý, bề
mặt kim loại có thể được hoàn thiện theo các cách khác nhau. Nó có
thể được cải thiện về độ bền ăn mòn hoặc bào mòn; có thể có một bề
măt có tính xúc tác; hoặc có thể được làm tăng vẻ đẹp của bề mặt
-Rất nhiều chi tiết khi làm việc vừa chịu momen xoắn lại vừa chịu mài
mòn ma sát trên bề mặt. Vì thế chi tiết yêu cầu bề mặt phải có độ
cứng, tính chống mài mòn cao, còn lõi phải dẻo dai. Cũng có nhiều chi
tiết sau khi xử lý nhiệt đã đạt độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn
cao, nhưng người ta vẫn tạo 1 lớp phủ chống mài mòn trên bề mặt chi
tiết để nâng cao giá trị. Vì thế người ta sử dụng công nghệ :
2
 Công nghệ tôi bề mặt
 Hóa nhiệt luyện
 Công nghệ phủ
 Biến cứng và cơ nhiệt luyện
Chương 2: Nhiệt luyện thép và hợp kim.
2.1 Chuyển biến pha khi nhiệt luyện.

2.1.1 Chuyển biến khi nung nóng:
Trong hầu hết các thao tác nhiệt luyện, quá trình xảy ra đầu tiên là sự
tạo thành pha austenit. Mặc dầu đối với các loại thép thông thường
dùng austenit chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao nhưng nó lại ảnh hưởng lớn
đến tổ chức tế vi và tính chất kim loại ở nhiệt độ thường sau khi nhiệt
luyện.Do vậy việc tìm hiểu bản chất của chuyển biến Peclit thành
austenit khi nung là điều rất cần thiết.
2.1.2 Giản đồ trạng thái Fe-C.
Trước khi nghiên cứu chuyển biến Peclit thành austenit, ta xem lại
giản đồ trạng thái Fe-C, giản đồ trạng thái Fe-C có hình như bên dưới:
3
Hình 2.1. Giản đồ trạng thái Fe-C hay Fe-Fe3C
-Các pha xuất hiện trong giản đồ này:
 Ferit (F,α); là dung dịch rắn của C trong Fe anpha (Fe, α).
 Austenit (A,γ); là dung dịch rắn của C trong Fe gama (Fe, γ), có
mạng lập phương diện tâm, chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao trên 727
0
C.
 Xementit (Xe,Fe
3
C); là hợp chất hóa học của Fe với Cacbon có
công thức Fe
3
C, lượng C trong Xe là 6,67%. Xe có mạng tinh thể
trực thoa.
 Peclit (P); là hổn hợp cơ học của ferit và xementit.
4
2.1.3 Chuyển biến Austenit thành Peclit
• Chuyển biến xảy ra ở vùng nhiệt độ tương đối cao AC1-550
0

C
• Chuyển biến xảy ra có tính chất khếch tán vì từ một dung dịch
rắn có nồng độ C tương đối đồng nhất (Austenit) thành hỗn hợp
2 pha ferit và xementit có thành phần C rất khác nhau.
• Chuyển biến xảy ra bằng cách sinh mầm và phát triển mầm
2.1.4 Chuyển biến Mactenxit.
Đây là chuyển biến xảy ra khi làm nguội nhanh austenit.
5
• Trong các chuyển biến thì chuyển biến mactenxit được chú ý
nhiều nhất vì tầm quan trọng và tính phổ biến của thao tác tôi
trong nhiệt luyện, mặc khác do động học chuyển biến và sản
phẩm tạo thành có nhiều điểm khác với chuyển biến khuếch tán.
• Chuyển biến không những xảy ra trong hệ thống Fe-C mà trong
các hợp kim Cu-Zn, Cu-Sn,
• Chuyển biến xảy ra ở nhiệt độ thấp không có sự khuếch tán của
các nguyên tử, do vậy thành phần hóa học của sản phẩm tạo
thành giống thành phần pha mẹ
*Đặc điểm của chuyển biến:
• Xảy ra khi làm nguội với tốc độ bằng hoặc lớn hơn tốc độ nguội
tới hạn.
• Chuyển biến cần độ quá nguội lớn.
• Đây không phải là chuyển biến khuếch tán.
• Khi có tác dụng của ngoại lực, chuyển biến Mactenxit xảy ra ở
nhiệt độ cao hơn.
• Chuyển biến Mactenxit không xảy ra đến cùng nên còn austenit
dư.
6
2.1.5 Chuyển biến Bainit.
Trong thép Cacbon hợp kim thấp, chuyển biến bainit còn gọi là chuyển
biến trung gian xảy ra ở khoảng 250

0
C đến 550
o
C . Nó chiếm vị trí
trung gian giữa chuyển biến khuếch tán (Peclit)và chuyển biến không
khuếch tán (Mactenxit) vì thế nó đặc tính cho cả 2 loại chuyển biến
trên.
Chuyển biến bainit trong thép C ở vùng nhiệt độ cao trùng với chuyển
biến Peclit, còn ở vùng nhiệt độ thấp trùng với chuyển biến Mactenxit
cho nên nghiên cứu chuyển biến bainit trong thép C gặp nhiều khó
khăn và hầu nhưu không thực hiện được.
7
Cũng giống như chuyển biến austenit thành mactenxit, chuyển biến
austenit thành bainit bao giờ cũng tồn tại một lượng dư austenit không
chuyển biến hết.
Chuyển biến bainit được ứng dụng trong công nghệ tôi đẳng nhiệt thép
gió nhằm tránh hiện tượng cong vênh.
2.1.6 Chuyển biến khi ram và hóa già.
a/Chuyển biến khi ram.
Ram thép là công nghệ bắt buộc sau khi tôi ( chuyển biến Austenit
thành Mactenxit), bao gồm việc nung nóng thép đã tôi lên nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ AC1, giữ nhiệt độ một thời gian sau đó làm nguội.
Thép sau khi tôi có tổ chức mactenxit tôi và austenit dư. Đây là 2 pha
không ổn định ở nhiệt độ thường nên luôn có xu hướng trở về trạng
thái ổn định hơn. Khi nung thép đã tôi, mactenxit tôi và austenit dư sẽ
bị phân hủy
* Các giai đoạn xảy khi ram thép, gồm có 3 giai đoạn:
1. Giai đoạn thứ 1 (80-200
0
C) chiều dài mẫu bị co lại, trong giai

đoạn này mactenxit tôi bị phân hủy tiết bớt cacbon ra dưới dạng
cacbic ε (Fe
2,4
C) nằm liền mạng với pha mẹ. Mactenxit bị tiết bớt
C và cacbit ε gọi là mactenxit ram. Đồng thời với quá trình phân
8
hủy mactenxit tôi thành mactenxit ram, ứng suất dư tồn tại khi
chuyển biến austenit thành mactenxit cũng được khử bỏ. Độ
cứng của thép sau khi ram ở nhiệt độ này không giảm đi bao
nhiêu nhưng ứng suất được khử bỏ.
2. Giai đoạn thứ 2 (200-260
0
C); ứng với giai đoạn này chiều dài
mẫu tăng lên.Điều này có liên quan đến sự phân hủy austenit dư
thành mactenxit ram hay bainit. Tuy nhiên giai đoạn này vẫn còn
sự phân hủy mactenxit tôi thành mactenxit ram nhưng hiệu suất
tăng chiều dài do chuyển biến mactenxit tôi thành mactenxit ram
lấn lướt nên kết quả là chiều dài tăng lên. Đến nhiệt độ 250
0
C thì
cacbit ε bắt đầu tách ra khỏi pha mẹ chuyển thành xementit
Fe
3
C . Như vậy trong giai đoạn này tổ chức của thép là mactenxit
ram hay bainit.s
3. Giai đoạn thứ 3 (260-380
0
C) giai đoạn này thì chiều dài mẫu lại
bị co lại ứng với sự tiết hết Cacbon khỏi mactenxit và cacbit ε
chuyển hết thành xementit Fe

3
C.
b/Hóa già.
• Hóa già là dạng nhiệt luyện để hóa bền hợp kim dựa vào sự thay
đổi độ hòa tan theo nhiệt độ.Hóa già dùng cho những hợp kim có
giản đồ trạng thái như hình trình bày bên dưới.(Hình 3.b)
9
(Hình 3.b; Giản đồ trạng thái 2 nguyên tử A và B )
• Trong các dung dịch rắn xen kẽ hoặc thay thế, khi giới hạn hòa
tan nhỏ (dưới 1%) thì sự phụ thuộc giữa độ hòa tan của nguyên
tố vào nhiệt độ có thể biểu thị qua công thức:
C = Be
-Q/RT
trong đó: - C nồng độ hòa tan của nguyên tố đã cho
B hằng số;
Q năng lượng tương tác giữa các nguyên tử
R hằng số khí
T nhiệt độ tuyệt đối ,
o
K
• Công thức trên vẫn có thể dùng cho trường hợp Fe-c và Fe-N.
2.2 Công nghệ nhiệt luyện.
Nhiệt luyện có vai trò như thế nào trong sản xuất cơ khí? Các nhà máy
của chúng ta đã quan tâm đầu tư đúng mức cho nguyên công này. Đâu
là giải pháp tăng tính cạnh tranh trong môi trường hội nhập đòi hỏi
ngày càng khắt khe về chất lượng?
10
Trước khi tìm hiểu vai trò của nhiệt luyện đối với nhà máy cơ khí như
thế nào chúng ta cùng tìm hiểu sơ qua về nhiệt luyện
2.2.1 Khái niệm và ý nghĩa nhiệt luyện.

a/ Khái niệm.
Nhiệt luyện 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 để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các
tính chất khác theo phương hướng đã chọn trước.
• Nhiệt luyện chỉ làm thay đổi tính chất của vật liệu (chủ yếu là vật
liệu kim loại) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong mà không
làm thay đổi hình dáng và kích thước của chi tiết.
• Trong chế tạo cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng vì
không những nó tạo cho chi tiết sau khi gia công cơ những tính
chất cần thiết mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì
vậy có thể nói nhiệt luyện là khâu quan trọng không thể thiếu
được đối với chế tạo cơ khí và là một trong những yếu tố công
nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí.
• Nhiệt luyện có ảnh hưởng quyết định tới tuổi thọ của các sản
phẩm cơ khí. Máy móc càng chính xác, yêu cầu cơ tính càng cao
thì số lượng chi tiết cần nhiệt luyện càng nhiều. Đối với các nước
công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ ngành chế tạo cơ khí
phải căn cứ vào trình độ nhiệt luyện, bởi vì dù gia công cơ khí
chính xác nhưng nếu không qua nhiệt luyện hoặc chất lượng
nhiệt luyện không đảm bảo thì tuổi thọ của chi tiết cũng không
cao và mức độ chính xác của máy móc không còn giữ được theo
yêu cầu.
• Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm không những có ý
nghĩa kinh tế rất lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ
bền lâu của công trình, máy móc thiết bị…) mà còn là thước đo
để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật của mỗi quốc
11
gia.
b/ Ý nghĩa.

▪ Tăng độ cứng, tính chịu ăn mòn, độ dẻo dai và độ bền
của vật liệu
-Mục tiêu của SX cơ khí là SX ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn,
khoẻ hơn với các tính năng tốt hơn. Để đạt được điều đó không thể
không sử dụng thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng
triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính.
Bằng những phương pháp nhiệt luyện thích hợp như tôi + ram, tôi bề
mặt, thấm cacbon - nitơ,…độ bền và độ cứng của vật có thể tăng lên từ
ba đến sáu lần (thép chẳng hạn), nhờ đó có thể dẫn tới rất nhiều điều
có lợi như sau:
-Tuổi bền (thời gian làm việc) của máy tăng lên do hệ số an toàn cao
không gãy vỡ (do nâng cao độ bền). Trong nhiều trường hợp máy
hỏng còn là do bị ăn mòn quá mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài
mòn cũng có tác dụng này.
-Máy hay kết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại
(hạ giá thành), năng lượng (nhiên liệu) khi vận hành.
- Tăng sức chịu tải của máy, động cơ, phương tiện vận tải (ôtô, toa xe,
tàu biển…) và kết cấu (cầu, nhà, xưởng…), điều này dẫn tới các hiệu
quả kinh tế - kĩ thuật lớn.
Phần lớn các chi tiết máy quan trọng như trục, trục khuỷu, vòi phun
cao áp, bánh răng truyền lực với tốc độ nhanh, chốt…đặc biệt là 100%
dao cắt, dụng cụ đo và các dụng cụ biến dạng (khuôn) đều phải qua
nhiệt luyện tôi + ram hoặc hoá nhiệt luyện. Chúng thường được tiến
hành gần như là sau cùng, nhằm tạo cho chi tiết, dụng cụ cơ tính thích
hợp với điều kiện làm việc và được gọi là nhiệt luyện kết thúc (thường
12
tiến hành trên sản phẩm).
Như thường thấy, chất lượng của máy, thiết bị cũng như phụ tùng thay
thế phụ thuộc rất nhiều vào cách sử dụng vật liệu và nhiệt luyện
chúng. Những máy làm việc tốt không thể không sử dụng vật liệu tốt

(một cách hợp lý, đúng chỗ) và nhiệt luyện bảo đảm.
▪ Cải thiện tính công nghệ (rèn, dập, gia công cắt, tính
chịu mài, tính hàn…), từ tính, điện tính
-Muốn tạo thành chi tiết máy, vật liệu ban đầu phải qua nhiều khâu,
nguyên công gia công cơ khí: rèn, dập, cắt…Để đảm bảo sản xuất dễ
dàng với năng suất lao động cao, chi phí thấp vật liệu phải có cơ tính
sao cho phù hợp với điều kiện gia công tiếp theo như cần mềm để dễ
cắt hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội. Muốn vậy cũng phải áp dụng các
biện pháp nhiệt luyện thích hợp (ủ hoặc thường hoá như với thép). Ví
dụ, sau khi biến dạng (đặc biệt là kéo nguội) thép bị biến cứng đến
mức không thể cắt gọt hay biến dạng (kéo) tiếp được, phải đưa đi ủ
hoặc thường hoá để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo. Sau khi xử lý như
vậy thép trở nên dễ gia công tiếp theo.
Các phương pháp nhiệt luyện tiến hành với mục đích như vậy được
gọi là nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm giữa các nguyên công gia công cơ
khí (thường tiến hành trên phôi).
Vậy trong sản xuất cơ khí cần phải biết tận dụng các phương pháp
nhiệt luyện thích hợp, không những đảm bảo khả năng làm việc lâu dài
cho chi tiết, dụng cụ bằng thép mà còn đễ dàng cho quá trình gia công.
▪ Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí
-Ở các nhà máy cơ khí với quy mô nhỏ và trung bình, bộ phận nhiệt
luyện không lớn và thường đặt tập trung. Sau khi nhiệt luyện sơ bộ, từ
đây phôi thép được chuyển tới các phân xưởng cắt gọt, dập và sau khi
nhiệt luyện kết thúc các chi tiết máy quan trọng (cần cứng và bền cao)
13
được đưa qua mài hay thẳng đến lắp ráp. Cách sắp xếp như vậy có
nhiều nhược điểm, song không thể khác vì sản lượng thấp. Ở các nhà
máy cơ khí có quy mô lớn và rất lớn, các chi tiết máy được gia công
hoàn chỉnh từ khâu đầu đến khâu cuối trên dây chuyền cơ khí hoá hoặc
tự động hoá trog đó bao gồm cả nguyên công nhiệt luyện. Do vậy

nguyên công nhiệt luyện ở đây cũng phải được cơ khí hoá thậm chí tự
động hoá và phải chống nóng, độc để không có ảnh hưởng xấu đến bản
thân người làm nhiệt luyện cũng như cả dây chuyền sản xuất cơ khí.
Cách sắp xếp chuyên môn hoá cao như vậy đảm bảo chất lượng sản
phẩm và lựa chọn phương án tiết kiệm được năng lượng.
Các nhà máy cơ khí có thể xem xét tuỳ thuộc vào mức độ sản xuất của
đơn vị mình ra sao mà lựa chọn quy mô của phân xưởng nhiệt luyện
sao cho phù hợp và tiết kiệm nhất nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng
của sản phẩm.
2.2.2 Công nghệ nung nóng.
Bất kỳ một quy trình nhiệt luyện nào, dù đơn giản nhất, cũng bao gồm
ít nhất 3 giai đoạn: nung, giữ nhiệt, làm nguội
• Nung nhằm đưa chi tiết nhiệt luyện đạt tới nhiệt độ cần thiết để
các chuyển biến tổ chức có thể xảy ra
• Giữ nhiệt nhằm để hoàn thành triệt để các chuyển biến tổ chức
cần thiế
• Làm nguội để đưa chi tiết về nhiệt độ thường với các tổ chức
mong muốn
Nung cần thực hiện với tốc độ nhất định để tránh làm cong vênh, nứt
sản phẩm. Làm nguội cũng cần thực hiện với một tốc độ được khống
chế để ngoài mục đích tránh làm cong vênh, nứt sản phẩm, còn phải
tạo được các tổ chức cần thiết, tuỳ theo mục đích nhiệt luyện cụ thể.
Đây là những giai đoạn cực kỳ quan trọng, cần được xét kỹ khi nhiệt
luyện.
14
a/ Yêu cầu khi nung nóng;
• Phải đảm bảo quy trình nung nóng đúng kỹ thuật gồm; nhiệt độ,
thời gian, giữ nung và giữ nhiệt và phương pháp nung.
• Đảm bảo sự nung nóng đồng đều giữa bề mặt và trong lõi, cũng
như các phần khác nhau của chi tiết.

• Tránh được các khuyết tật khi nung như; cong vênh, oxy hóa và
thoát Cacbon càng nhiều càng tốt.
b/Các phương pháp nung nóng.
• Đối với ủ và thường hóa thép người ta cho chi tiết vào thiết bị
nung ở nhiệt độ từ 500-600
0
C, sau đó nung lên đến nhiệt độ xác
định.
• Đối với công nghệ tôi thép cacbon và hợp kim thấp người ta cho
chi tiết vào thiết bị nung sau khi đạt nhiệt độ quy định
• Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp, thép hợp kim cao thì
người ta chọn cách nung phân cấp
c/Thời gian nung nóng và giữ nhiệt.
Thời gian nung và giữ nhiệt rất quan trọng đối với chất lượng xử lý
nhiệt vì nó ảnh hưởng đến kích thước hạt thực tế của tổ chức austenit
và do đó đến kích thước hạt của tổ chức phân hóa sau khi làm nguội.
ở đây ta chỉ trình bày cách tính thời gian nung nóng chi tiết đưa vào
lò khi nhiệt độ đã đạt quy định theo công thức sau:
Tn = a.K.D (phút)
trong đó:
• a hệ số nung nóng (ph/mm)
• K hệ số sắp xếp
• D kích thước đặc trưng của chi tiết (mm)
( Các hệ số a, K và D tham khảo trang 32 sách “Công nghệ nhiệt
luyện và xử lý bề mặt” của Tiến sỹ Nguyễn Văn Dán )
15
-Thời gian giữ nhiệt đảm bảo sao cho chuyển biến P > γ hoàn
thành đảm bảo hòa tan cacbit và đồng đều hóa austenit cũng như
đồng đều nhiệt độ giữa bề mặt và tâm chi tiết.
Τ

giữ
=(1/2 -1/4)Τ
n
Nếu nung bằng lò buồng và môi trường nung là không khí thì;
Τ
giữ
=1/4Τ
n
Nếu nung bằng lò muối( môi trường nóng chảy) thì;
Τ
giữ
=1/2Τ
n
d/Oxy hóa và thoát Cacbon khi nung nóng thép.
-Khi nung nóng thép xảy ra sự oxy hóa do các tác nhân có sẳn trong
môi trường nung như O
2
, CO
2
, hơi nước, thành phần thép chủ yếu là
Fe bị oxy hóa thành các dạng oxyt như FeO, Fe
3
O
4
, (Fe0.Fe
2
O
3
) và
Fe

2
O
3
-Các tác nhân oxy hóa tác dụng trực tiếp với Cacbon trong thép gây
ra sự cháy Cacbon (thoát Cacbon) khi nung ===> bề mặt thép giảm
cacbon ===> giảm các chỉ tiêu cơ tính.Người ta dùng các phương
pháp sau để hạn chế:
1. Sử dụng khí bảo vệ làm môi trường
2. Nung nóng trong khí trơ (Ar,N
2
)
3. Nung trong môi trường khí khử oxy H
2
4. Nung trong môi trường chân không có độ chân không cao.
e/Một số thiết bị dùng để nung nóng.
• Các loại lò buồng điện trở.
• Các loại lò giếng điện trở
• Các loại lò muối.
16
2.2.3 Ủ và thường hóa thép.
a/ Ủ thép.
Ủ là một công nghệ bao gồm nung nóng thép lên nhiệt độ tới hạn, giữ
nhiệt độ một thời gian sau đó làm nguội chậm cùng lò, ủ nhằm mục
đích sau:
• Giảm độ cứng thép để dễ gia công và cắt gọt, tăng độ dẻo để dể
cán, kéo, dập nguội.
• Khử biến trắng trên bề mặt gang xám đúc, khử lớp chai cứng
trên bề mặt thép do biến dạng dẻo.
• Làm đồng đều thành phần hóa học phôi đúc do bị thiên tích.
• Chuẩn bị phôi đúc cho nguyên công xử lý nhiêt kết thúc (tôi

+ram)
b/Thường hóa.
Thương hóa là một công nghệ gồm nung thép lên tới nhiệt độ austenit
hóa hoàn toàn, giữ nhiệt một thời gian và sau đó làm nguội ngoài
không khí tĩnh, nhằm mục đích:
• Đạt độ cứng thích hợp cho cắt gọt
• Chuẩn bị tổ chức cho xử lý nhiệt luyện kết thúc.
• Khử lưới xementit thứ hai trong thép sau cùng tích hoặc lớp bề
mặt sau khi thấm Cacbon.
2.2.4 Tôi thép
Tôi thép là nguyên công nhiệt luyện quan trọng nhất, quyết định chủ
yếu đến cơ tính của vật phẩm. Nguyên công này thuộc loại nhiệt luyện
kết thúc, thực hiện trên chi tiết gần thành phẩm nên bất cứ sai hỏng
nào khi tôi cũng có thể gây thiệt hại lớn. Vì vậy, hiểu biết về kỹ thuật
tôi rất có ích cho công tác sản xuất.
a/ Định ngĩa.
17
-Nguyên công tôi bao gồm việc nung nóng thép đến một nhiệt độ nhất
định, giữ tại nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian nhất định (để làm
đồng đều nhiệt độ và chuyển biến trên toàn khối vật liệu) rồi làm nguội
nhanh với vận tốc nguội lớn hơn vận tốc nguội tới hạn trong một môi
trường thích hợp.
-Mục đích của tôi thép là:
• Làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn cho chi tiết thép
• Làm tăng độ bền do đó làm tăng tuổi thọ cho chi tiết.
Chú ý: Độ bền chi tiết chỉ tăng khi tiến hành ram để khử hết ứng suất
dư trong thép đã tôi.
-Một số lưu ý khi tôi thép:
1. 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.
-Thép trước cùng tích t
0
tôi
= AC
3
+ (30-50)
0
C
-Thép cùng tích và sau cùng tích :t
0
tôi
= AC
1
+ (30-50)
0
C
2. 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).
b/ Tính toán thời gian giữ nhiệt.
Thời gian giữ nhiệt, một thông số cần được đảm bảo tương đối chính
xác, song các nhà công nghệ nhiều khi còn chưa thống nhất trong cách
18
xác định nó. Trong phần này nêu cách xác định thời gian giữ nhiệt khi
tôi thép. Đối với các quy trình ủ hoàn toàn, thường hoá thép cũng có
thể áp dụng cách tính này.

− Giả sử chi tiết nhiệt luyện đã được nung đến đạt nhiệt độ tôi cần
thiết. Khi đó thời gian giữ nhiệt (t) đối với các loại thép khác
nhau được tính như sau:
 Thép cacbon, thép kết cấu hợp kim thấp: tgn = 5 -15 phút
 Thép kết cấu hợp kim trung bình: tgn = 15 -25 phút
 Thép dụng cụ gia công nóng (thép hợp kim cao có hàm lượng
các bon » 0,3 – 0,5%): tgn = 20 - 30 phút.Loại thép này chứa chủ
yếu các loại cacbit hợp kim chỉ hoà tan trong austenit ở khoảng
10000C trở lên.
 Thép dụng cụ hợp kim thấp, chứa hàm lượng cacbon cao
(khoảng 1,0%C trở lên): 5 phút < tgn = 0,5D < 60 phút.Trong đó
D là kích thước chiều dày đặc trưng của chi tiết nhiệt luyện, tính
bằng mm. Nếu chi tiết có dạng hình trụ thì D chính là đường
kính. Nếu chi tiết có dạng phức tạp thì có thể coi D là chiều dày
lớn nhất trong số các chiều dày của các hình khối tạo thành.
 Thép dụng cụ hợp kim cao, cacbon cao (thông thường có chứa
Cr): 10 phút < tgn = (0,5 - 0,8)D < 60 phút.Trong đó D là kích
thước chiều dày đặc trưng, được tính như trên. Giá trị 0,5 được
dùng cho nhiệt độ tôi chọn ở giới hạn trên, còn giá trị 0,8 dùng
khi nhiệt độ tôi nằm ở giới hạn dưới.
 Thép gió, nhiệt độ tôi ở khoảng 1200 – 13000C : tgn = 5 - 15
phút
Sở dĩ trong một số công thức trên có xuất hiện đại lượng D- kích thước
đặc trưng của chi tiết là vì trong thép C cao khi gia công nóng sau đúc
dễ tồn tại dải cacbit; các dải cacbit này càng lớn khi kích thước gia
công càng lớn. Do đó, để khử được chúng thời gian giữ nhiệt càng
phải dài, tức là thời gian giữ nhiệt cũng phụ thuộc kích thước chi
tiết.Nếu thời gian giữ nhiệt ngắn thì lượng cacbit hoà tan vào austenit
19
không đủ để tạo cho thép có được các tính chất cần thiết sau khi làm

nguội (độ cứng, độ thấm tôi, tính cứng nóng,….). Nếu thời gian giữ
nhiệt quá kéo dài thì hạt austenit trở lên thô to, thép bị giòn; ngoài ra,
nếu lấy độ cứng thứ nhất để sử dụng thì giá trị độ cứng có thể không
đạt (bị thấp) do austenit dư còn nhiều.
-Thực tế người ta có thể xác định thời gian giữ nhiệt như sau:
1. Cách thứ 1: Thời gian giữ nhiệt được tính theo thời gian nung.
Nếu thời gian nung là tn thì thời gian giữ nhiệt là: tgn = (0,20 -
0,25) tn
2. Cách thứ 2: Thời gian giữ nhiệt lấy theo kích thước chi tiết. Nếu
kích thước đặc trưng của chi tiết là D (mm) thì: tgn = D phút
3. Cách thứ 3: Tính theo công thức: tgn = A + b.D (bảng 2)
Chú ý là các cách tính trên đây đều chọn thời điểm bắt đầu là khi lò
nung đạt nhiệt độ và lò làm việc ở chế độ nhiệt độ không đổi. Ta biết
rằng, nếu mẻ xếp có khối lượng lớn thì nhiệt độ bề mặt chi tiết sẽ lâu
đạt hơn là với mẻ có khối lượng nhỏ. Do đó các cách tính này đều chịu
sai số nhất định. Tuy nhiên, mẻ xếp trong sản xuất thường chọn ở gần
giới hạn khối lượng cao nhất cho phép, sao cho năng suất đạt tối đa.
Trên đây là các cách tính áp dụng cho mẻ xếp với khối lượng như vậy
và các cách tính này chỉ nên áp dụng trong điều kiện sản xuất.
20
2.3 Hóa bền bề mặt bằng thấm Carbon thể khí.
-Rất nhiều chi tiết khi làm việc vừa chịu momen xoắn lại vừa chịu mài
mòn ma sát trên bề mặt. Vì thế chi tiết yêu cầu bề mặt phải có độ
cứng, tính chống mài mòn cao, còn lõi phải dẻo dai. Cũng có nhiều chi
tiết sau khi xử lý nhiệt đã đạt độ cứng, độ bền, tính chống mài mòn
cao, nhưng người ta vẫn tạo 1 lớp phủ chống mài mòn trên bề mặt chi
tiết để nâng cao giá trị. Vì thế người ta sử dụng công nghệ :
 Công nghệ tôi bề mặt
 Hóa nhiệt luyện
 Công nghệ phủ

 Biến cứng và cơ nhiệt luyện
-Tôi bề mặt: Đây là công nghệ bao gồm nung nóng nhanh bề mặt chi
tiết lên tới nhiệt độ cần thiết bằng phương pháp khác nhau, sau đó làm
nguội nhanh trong môi trường có vận tốc nguội lớn hơn vận tốc nguội
tới hạn. Do bề mặt được nung nhanh tới nhiệt độ tôi, còn phần lớn lõi
vẫn chưa đạt nhiệt độ tôi nên khi tôi chỉ có bề mặt chi tiết được tôi
cứng, trong khi đó lõi, chi tiết vẫn mềm, đảm bảo tính dẻo dai.
-Hóa-nhiệt luyện: Hóa - nhiệt luyện là phương pháp hóa bền bề mặt,
nhằm bão hòa bề mặt chi tiết bằng một hoặc nhiều nguyên tố, làm thay
đổi thành phần hóa học trên lớp bề mặt so với lõi chi tiết, do đó làm
thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt để đạt được mục đích :
• Tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn cho bề mặt chi tiết,
trong khi vãn giữ được độ dẻo dai trong lõi. Người ta sử dụng
phương pháp thấm Cacbon, thấm Nitơ, thấm Cacbon – Nito,
• Nâng cao tính bền hóa học, bền nhiệt cho chi tiết
Gồm có 3 giai đoạn xảy ra trong hóa nhiệt luyện;
• Giai đoạn phân tích ra nguyên tử hoạt tính.
21
• Giai đoạn hấp thụ nguyên tử hoạt tính cần thấm
• Giai đoạn khuếch tán các nguyên tử vào sâu bên trong bề mặt.
2.3.1 Cơ sở lý thuyết của hóa nhiệt luyện.
a/Những quá trình xảy ra khi hóa nhiệt luyện.
Trong bất kỳ quy trình hóa nhiệt luyện nào cũng có các giai đoạn:
phân hủy, hấp thụ và khuếch tán.
• Gia đoạn phân tích ra nguyê tử hoạt tính của chất thấm.
Trạng thái hoạt tính của nguyên tử giống như thường thấy ở
trạng thái Ion hóa. Thường thì sự phân tích ra nguyên tử
hoạt tính xảy ra từ phản ứng nhiệt phân.
Ví dụ; 2NH
3

↔ 2N
nguyen tử
+ 3H
2↑
• Giai đoạn hấp thụ nguyên tử hoạt tính lên bề mặt chi tiết:
Các nguyên tử hoạt tính ở trạng thái giống như trạng thái
Ion hóa có xu hướng bị hấp thụ lên bề mặt chi tiết thép.
• Nhiều nghiên cứu về quá trình thấp Cacbon, nitơ, cacbon-
nitơ cho rằng: Các nguyên tử khí thấm ở trạng thái sinh
nhận thêm điện tử bức ra từ chi tiết thép bị nung trở thành
ion âm và chi tiết mất điện tử trở thành ion dương. Quy
trình hấp thụ lúc đó giống như tương tác giữa ion âm và ion
dương.
• Khuếch tán: các nguyên tử đã được hấp thụ vào lớp bề mặt
sẽ khuếch tán vào trong tạo thành lớp khuếch tán. Chiều
dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và
nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt như trình bày ở hình
XI- 1.
22
Ngoài những yếu tố nêu trên khuếch tán còn phụ thuộc vào pha tạo
thành, thí dụ khi thấm carbon, nitơ do tạo thành dung dịch rắn xen kẽ
nên khuếch tán xảy ra nhanh hơn khi thấm kim loại (do taọ thành dung
dịch rắn thay thế).
Ba giai đoạn phân hủy (PH), hấp thụ (HT) và khuếch tán (KT) có liên
quan rất mật thiết với nhau và có ảnh hưởng đến quá trình hóa nhiệt
luyện. Nếu quá trình phân hủy xảy ra nhanh hơn hấp thụ thì những
nguyên tử hoạt tạo thành không hấp thụ kịp sẽ trở nên không hoạt tính
nữa, lúc này nó cản trở sự hấp thụ tiếp theo vì thế ảnh hưởng đến tốc
độ của quá trình. Ngược lại khi các nguyên tử hoạt tạo thành không đủ
để hấp thụ thì thời gian hóa nhiệt luyện phải kéo dài. Trường hợp tốt

nhất là tốc độ phân hủy bằng tốc độ hấp thụ. Trong thực tế thường gặp
hiện tượng trên bề mặt chi tiết sau khi thấm carbon có muội mồ hóng,
điều này chứng tỏ những nguyên tử carbon hoạt tạo thành trong giai
đoạn phân hủy không hấp thụ kịp.
Tương quan giữa hấp thụ và khuếch tán có ảnh hưởng lớn đến việc
tạo thành lớp khuếch tán. Khi hấp thụ xảy ra nhanh hơn khuếch tán,
các nguyên tử hấp thụ vào bề mặt không kịp khuếch tán vào trong nên
nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt rất cao nhưng chiều sâu lớp
khuếch tán lại nhỏ ( đường 1 trên hình XI – 2). Ngược lại trường hợp
khuếch tán nhanh hơn hấp thụ thì nồng độ chất khuếch tán ở lớp bề
mặt thấp nhưng chiều sâu lớp khuếch tán lại lớn (đường 2 trên hình XI
– 2).
b/. Cấu trúc lớp khuếch tán:
1. Trường hợp 1: Ở trạng thái rắn hai nguyên A và B hòa tan có
23
giới hạn tạo thành dung dịch rắn α và hợp chất hóa học AnBm
(xem hình XI – 3). Giả sử quá trình bão hòa xảy ra ở nhiệt độ t
1
,
ở đây có thể xảy ra những trường hợp sau:
- Quá trình hấp thụ xảy ra đủ mạnh thì ở lớp bề mặt tạo thành dung
dịch rắn có nồng độ tới hạn là Cm đi sâu vào trong nồng độ nguyên B
giảm đều đều như đường 1 ở hình XI – 3.
- Trường hợp hấp thụ xảy ra yếu thì nồng độ nguyên B ở lớp bề mặt
không đạt được giá trị Cm mà nhỏ hơn, thí dụ C
1
, nhưng chiều dày lớp
khuếch tán lại lớn hơn (đường 2).
- Trường hợp hấp thụ rất mạnh nhưng khuếch tán các nguyên tử vào
trong lại yếu thì nồng độ nguyên B ở lớp bề mặt sẽ rất lớn và tạo thành

hợp chất hóa học AnBm (đường 3).
Ở nhiệt độ làm bão hòa lớp khuếch tán gồm hợp chất hóa học AnBm ở
bề mặt và dung dịch rắn α.
Khi làm nguội chậm, từ các vùng một pha có thể tiết ra những tinh thể
α dư ký hiệu là α
II
, hoặc hợp chất hóa học dư ký hiệu AnBm
II
.
b) Trường hợp 2: Ở nhiệt độ làm bão hòa tạo thành hợp chất
hóa học hoặc pha trung gian có nồng độ thay đổi như ở hình XI – 4.
Trường hợp hấp thụ xảy ra mạnh ở lớp bề mặt có thể đặt nồng độ
nguyên B tương ứng với dung dịch rắn β, lớp tiếp theo là hợp chất hóa
học AnBm có nồng độ thay đổi trong khoảng b-c, cuối cùng là lớp
dung dịch rắn α. Như vậy lớp khuếch tán gồm nhiều vùng β + AnBm
+α có nồng độ rất khác nhau; chiều dày lớp khuếch tán là x
1
+ x
2
+ x
3

( xem hình XI – 4b).
24
Nếu trong hệ “ kim loại - nguyên tố bão hòa “ không có chuyển biến
pha ở trạng thái rắn, thì khi làm nguội thành phần pha và tổ chức của
lớp khuếch tán không thay đổi. Trường hợp hệ thống có chuyển biến
pha ở trạng thái rắn, thì sau khi làm nguội trong mỗi vùng của lớp
khuếch tán đều có những biến đổi phụ thuộc vào thành phần và tương
tác giữa các nguyên.

Những trường hợp nêu trên ứng với khi làm bão hòa kim loại nguyên
chất bằng một nguyên tố, thực tế thường gặp những trường hợp phức
tạp hơn, thí dụ làm bão hòa thép bằng một nguyên tố hoặc làm bão hòa
kim loại nguyên chất đồng thời bằng hai nguyên tố. Trong những
trường hợp nêu trên, muốn xác định thành phần pha của lớp khuếch
tán phải dùng giản đồ trạng thái ba nguyên.
Dựa vào đặc tính thay đổi thành phần hóa học, các dạng hóa nhiệt
luyện có thể chia thành ba nhóm:
− Làm bão hòa bằng các á kim
− Làm bão hòa bằng các kim loại
− Tách các nguyên tố ra khỏi kim loại bằng khuếch tán
Những nhóm này bao gồm tất cả các quá trình hóa nhiệt luyện sử dụng
trong công nghiệp (xem bảng XI – 1)
Các dạng hóa nhiệt luyện
Làm bão hòa bằng các á
kim
Làm bão hòa bằng các
kim loại
Tách các nguyên tố ra
khỏi mẫu
Thấm carbon Thấm nhôm Khử hyđrô
Thấm nitơ Thấm Crôm Khử oxi
Thấm carbon - nitơ Thấm Cr- Al Thoát carbon
25