Nghiên cứu công nghệ tôi kết hợp 2 môi trường (nước và dầu), ứng dụng để tôi trục cán chế tạo từ thép hợp kim Cr, Cr-Mo

1
VIỆN CÔNG NGHỆ





BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÔI KẾT HỢP
2 MÔI TRƯỜNG (NƯỚC VÀ DẦU), ỨNG DỤNG
ĐỂ TÔI TRỤC CÁN CHẾ TẠO TỪ THÉP HỢP KIM
CR, CR-MO

CNĐT: PHẠM VĂN LÀNH

9605


HÀ NỘI – 2012



2
LỜI NÓI ĐẦU
Nhiệt luyện là công nghệ quan trọng không thể thiếu được đối với ngành
chế tạo máy. Trong những năm qua công nghệ nhiệt luyện ở nước ta đã được
chú trọng đến. Nhờ vậy số thiết bị được tăng lên, các quy trình thao tác được
nghiên cứu và theo dõi đầy đủ hơn, do đó chất lượng các chi tiết qua nhiệt
luyện được tốt lên rất nhiều. Như
ng so với yêu cầu thì còn xa mới đáp ứng
được. Chính vì vậy các máy móc, thiết bị phụ tùng sản xuất ra chưa đạt được
tuổi thọ cao, mất chính xác, phụ tùng thay thế không sử dụng được đúng như
thời gian quy định.Tình trạng này do nhiều nguyên nhân, trong đó có nguyên
nhân do người thao tác, chưa nắm vững cơ bản tối thiểu của công nghệ nhiệt
luyện, nên có xảy ra sai sót ảnh hưởng đến chất lượng s
ản phẩm.
Như chúng ta đã biết: trong quá trình nhiệt luyện, do mác vật liệu, kích
thước và hình dạng của chi tiết khác nhau, nên cần có tốc độ nung, nhiệt độ
nung nóng, thời gian giữ nhiệt, tốc độ làm nguội cũng khác nhau. Do đó bốn
yếu tố quan trọng trong quá trình nhiệt luyện là: Tốc độ nung nóng, nhiệt độ
nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội.
Cả bốn yếu tố này đều quan trọ
ng ở mức độ khác nhau, nếu 1 trong 4 yếu
tố không đúng thì sản phẩm sau nhiệt luyện sẽ không đạt yêu cầu kỹ thuật

thậm chí dẫn đến sai hỏng như: cong vênh, nứt vỡ dẫn đến phế phẩm.
Hiện nay do nhu cầu sử dụng trục cán để cán mỏng lá, tấm nhôm,đồng
phục vụ cho các ngành sản xuất công nghiệp như trong kỹ thuật điện, sản
phẩ
m đồ gia dụng…ngày càng nhiều. Tôi trục cán không phải đến nay Viện
Công nghệ mới làm, công việc này đã được thực hiện từ lâu. Nhưng do chưa
được nghiên cứu đầy đủ cả lý thuyết và thực nghiệm, kết quả thực hiện chưa
ổn định vẫn xẩy ra tình trạng tôi chưa đạt. Việc thực hiện chỉ tập trung vào
kinh nghiệm của một số ít người chưa phổ bi
ến rộng. Do vậy thông qua đề tài
này chúng tôi hoàn toàn chủ động và làm chủ được công nghệ tôi trục cán với

3
các đường kính khác nhau được sử dụng trong sản xuất với chất lượng ổn
định, đạt kết quả cao.
Vật liệu để chế tạo các loại trục này thường là 40Cr; 40CrMo có đường
kính từ D200 ÷ D300, yêu cầu độ cứng sau nhiệt luyện là từ 52 ÷ 56 HRC
đảm bảo cán ra sản phẩm có độ bóng cao, nhẵn. Thông thường vật liệu thép
40Cr; 40CrMo khi nhiệt luyện thường tôi trong dầu. Trục cán có đường kính
lớn khi tôi trong dầu
độ cứng thường chỉ đạt từ 35 ÷ 42 HRC tùy theo đường
kính to hay nhỏ. Nếu đem trục cán tôi trong nước độ cứng > 56 HRC, song
trục tôi thường bị nứt vỡ do tốc độ làm nguội lớn gây ra phế phẩm. Do vậy để
nhiệt luyện trục cán nhôm, đồng vừa phải đạt độ cứng cao, vừa không bị nứt
vỡ phải chọn tôi 2 môi trường là nước qua dầu. Nghiên cứu công nghệ tôi kết
h
ợp 2 môi trường ( nước và dầu) ứng dụng để tôi trục cán chế tạo từ thép hợp
kim Cr, CrMo là nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. Nội dung nghiên cứu trong
khuôn khổ của đề tài này chúng tôi đặt ra là:
- Nghiên cứu tổng quan về tôi thép, các phương pháp tôi thép và công dụng

- Tổng quan về môi trường tôi: Tôi một môi trường, tôi hai môi trường (nước
và dầu)
- Nghiên cứu thực nghiệm tôi một số mẫu thép hợp kim crôm, hoặc crôm
môlipđen có kích thước φ 100
÷ φ300 (mm)
- Kết quả độ cứng một số mẫu thép hợp kim crôm, crôm môlipđen có kích
thước khác nhau φ 100 ÷ φ300 (mm)
- Thiết lập quy trình công nghệ tôi trục cán chế tạo từ thép hợp kim crôm,
hoặc crôm môlipđen đạt độ cứng, độ bền đạt yêu cầu đối với trục cán nhôm
đồng.
- Ứng dụng tôi một số trục cán thép hợp kim crôm, crôm môlipđen dùng để
cán nhôm đồng. Trên cơ sở đ
ó thiết lập hoàn chỉnh quy trình công nghệ tôi
trục cán chế tạo từ thép 40Cr, 40CrMo.


4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tôi thép
Như chúng ta đã biết tôi thép là phương pháp nhiệt luyện bao gồm: Nung
nóng lên cao hơn nhiệt độ tới hạn AC
1
để làm xuất hiện austenit, giữ ở nhiệt
độ này một thời gian rồi làm nguội nhanh thích hợp, để biến nó thành
mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác với độ cứng cao. Mục đích chủ
yếu của tôi thép là đạt độ cứng cao nhất sau đó kết hợp với ram ở nhiệt độ
thích hợp là để nhằm đạt các yêu cầu sau đây
*. Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn
- Các thép các bon ≤ 0,35%C tôi
độ cứng không thể vượt quá HRC 50.

+ Các thép 0,4 ÷ 0,65%C đạt độ cứng HRC 52 ÷ 58 có tính chống mài
mòn.
+ Thép 0,7 ÷ 1,0 %C đạt độ cứng HRC 60 ÷ 64 có tính chống mài mòn cao
+ Thép 1,0 ÷ 1,5 %C đạt độ cứng HRC 64÷65 tính chống mài mòn rất cao
*. Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy: Để hiểu rõ quá trình xảy
ra khi tôi, chúng ta tìm hiểu thêm về đặc điểm chuyển biến austenit thành
mactenxit.
1.1.1. Chuyển biến của austenit thành mactenxit
Trong quá trình nhiệt luyện, sự phân rã của austenit xảy ra trong điều kiện
làm nguộ
i liên tục và đôi khi làm nguội đẳng nhiệt
Quá trình phân rã austenit quá nguội có thể phân thành hai dạng
- Chuyển biến khuếch tán – chuyển biến peclít và chuyển biến trung gian
(bainít)
- Chuyển biến không khuếch tán – chuyển biến mactenxit
Trong phần này ta chỉ đi sâu vào đặc điểm của chuyển biến austenit thành
mactenxit. Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liên tục. Cũng có thể
xây dựng giản đồ chuyển biến của austenit khi làm nguội liên tục với các độ
nhanh chậm khác nhau, với mỗi tốc độ nguội xác định các nhiệt độ tại đó

5
austenit quá nguội bắt đầu và kết thúc phân hoá ra hỗn hợp ferit – xêmentit,
rồi nối các điểm tương đồng với nhau lại như hình 1.1. Xây dựng các thí
nghiệm như vậy khá phức tạp và khó đạt được mức độ chính xác cần thiết.
Song để đơn giản có thể lợi dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt để xác định
tổ chức tạo thành khi làm nguội với tốc
độ khác nhau ( Hình 1.2)

Hình 1.1: Các đường bắt đầu và kết thúc chuyển biến austenit thành
ferit – xêmemtit thô và mịn tương ứng với các tốc độ làm

nguội chậm và nhanh đối với thép cùng tích.[4]
Trên sơ đồ của chuyển biến đẳng nhiệt xem Hình 1-2 ta thấy giản đồ này
có tên gọi đơn giản và thường dùng là giản đồ T-T-T vì nó biểu thị độ chuyển
biến (tranformation) của austenit phụ thuộc vào nhiệt độ (temperature) và thời
gian (time) giản đồ
có hai đường cong hình chữ “C”

6

Hình 1.2: Giản đồ T-T-T của thép cùng tích và các véc tơ biểu thị
tốc độ nguội V1 < V2 < V3 < V4 < V5. [4]

Trong đó chữ “C” đầu tiên (bên trái) biểu thị sự bắt đầu.Còn chữ “C” thứ 2
biểu thị sự kết thúc của chuyển biến austenit thành hỗn hợp cùng tích ferit-
xêmentit (trong sách kỹ thuật của Nga người ta gọi nó là giản đồ chữ “C”).
Đây là giản đồ rất quan trọng đối với nhiệt luyện thép và được sử dụng nhiều
để xác định tổ chức sau khi làm nguội austenit, cần nắm vững.
Đặc
điểm của sự phân hoá austenit khi làm nguội liên tục là:
- Với các tốc độ nguội khác nhau, austenit bị quá nguội đến các nhiệt độ
khác nhau ( Tính tới thời điểm gặp các đường cong chữ “C”) và phân hoá
thành các tổ chức tương ứng với các nhiệt độ đó. Làm nguội chậm cùng lò
biểu thị bằng véc tơ V1 ( Hình 1.2), nó cắt đường cong chữ “C” ở sát A1:
Austenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ cao được peclit tấm với độ c
ứng thấp.
Làm nguội trong không khí tĩnh biểu thị bằng véc tơ V2, nó cắt các đường
cong chữ “C” ở phần giữa của nhánh trên: Austenit quá nguội phân hoá thành

7
xoocbit. Làm nguội trong không khí nén biểu thị bặng véc tơ V3 nó cắt đường

cong chữ “C” ở phần lồi: Austenit quá nguội phân hoá thành trôxtit. Làm
nguội trong dầu biểu thị bằng véc tơ V4, nó chỉ cắt phần lồi của đường cong
chữ “C” thứ nhất, austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôstit,
phần còn lại sẽ chuyển biến thành mactenxit, cuối cùng có tổ chức trôxtit +
mactenxit ( hay còn gọi là bán mactenxit). Làm nguội trong nước lạnh biểu thị

bằng véctơ V5, nó không cắt đường cong chữ “C” nào, tức austenit không
chuyển biến chút nào thành hỗn hợp ferit + xêmentit, phần lớn austenit quá
nguội chuyển thành mactenxit. Như vậy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ
chức nào là hoàn toàn phụ thuộc vào vị trí của véc tơ biểu thị tốc độ nguội
trên đường cong chữ “C”.
- Tổ chức đạt được thường không đồng nhất trên toàn tiết diện nhất là
trong trường hợp tiết diệ
n lớn.
- Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra giữa hai nhiệt độ (điểm) bắt đầu Ms và
kết thúc Mf. Ngoài khoảng đó austenit quá nguội không chuyển biến thành
mactenxit.
- Bằng thực nghiệm có thể xây dựng các giản đồ nhiệt động đối với các
loại thép, nhờ nó có thể xác định được tốc độ nguội tới hạn, được gọi là tốc độ
tôi tới hạn – Vth, với tốc
độ đó trở lên austenit chỉ chuyển biến thành
mactenxit ở nhiệt độ Ms và thấp hơn (Hình 1.3)

8








Hình 1.3a: Làm nguội đẳng nhiệt








Hình 1.3b: Làm nguội liên tục
Hình 1.3: Giản đồ T-T-T của thép 40Cr [6]
Các giản đồ nhiệt động có ý nghĩa lớn đối với công nghệ nhiệt luyện, về
nguyên tắc nó khác với các giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit ở chỗ

9
nó được xây dựng trong điều kiện làm nguội liên tục các mẫu thép tương ứng.
Giản đồ nhiệt động là đặc trưng quan trọng, cho phép biết được dạng chuyển
biến pha và tổ chức có thể nhận được của thép phụ thuộc vào tốc độ làm
nguội nó.
- Như vậy khi làm nguội thép với tốc độ lớn hơn Vth sẽ nhận được tổ

chức mactenxit, tổ chứ
c pha không cân bằng là dung dịch rắn quá bão hòa
cacbon trong sắt α - Fe. Các tinh thể mactenxit có cấu tạo dạng tấm, phát triển
với tốc độ rất lớn, bằng tốc độ truyền của âm thanh trong thép (≈ 5000m/
giây). Sự lớn lên của các tấm mactenxit bị ngăn cản bởi biên hạt austenit hoặc
các tấm mactenxit sinh ra trước đó.
Tính chất của mactenxit phụ thuộc vào lượng cac bon hòa tan trong nó
(Hình 1.4)
Hình 1.4: Sự thay đổi độ cứng (a) và thể tích riêng (b) củ
a mactenxit
với hàm lượng các bon trong thép khác nhau [7]
Hình 1.4a cho ta thấy ảnh hưởng của cacbon đến độ cứng của mactenxit.
Giới hạn bền của thép cũng thay đổi theo đường cong tương tự. Mactenxit có
độ cứng rất cao, khi lượng cacbon trong nó là 0,4% độ cứng có thể bằng hoặc
lớn hơn 60 HRC. Độ giòn của mactenxit tăng mạnh khi hàm lượng cacbon
tăng. Chuyển biến mactenxit trong thép kèm theo sự tăng thể tích đáng kể
(Hình 1.4b) các tính chất vật lý khác cũng thay
đổi rất mạnh.

10
- Chuyển biến mactenxit xảy ra không hoàn toàn, sau tôi một lượng nhỏ
austenit dư (1 ÷ 3 %) còn lại trong thép, khi nhiệt độ Mf cao hơn 20 ÷ 25
0
C.
- Ngoài hàm lượng cacbon, các nguyên tố hợp kim hòa tan trong austenit
ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ Ms và Mf. Hầu hết các nguyên tố hợp kim hạ
thấp nhiệt độ Ms và Mf bởi vậy khi tôi thép hợp kim, ngay cả khi với hàm
lượng các bon chưa cao, sau khi nguội đến nhiệt độ 20 ÷ 25
o
C có thể còn lại

một lượng austenit dư đáng kể.
1.1.2 Chọn nhiệt độ tôi thép
a. Đối với thép trước cùng tích và cùng tích (≤ 0,80 %C).
T
o
tôi
= AC
3
+ (30 ÷ 50
o
C). Tổ chức đạt sau khi tôi là mactenxit + austenit
b. Đối với thép sau cùng tích (≥ 0,90%C)
T
o
tôi
= AC
1
+ (30 ÷ 50
o
C) ≈ 760 ÷ 780
0
C
c. Đối với thép hợp kim
- Cách chọn nhiệt độ tôi như trên theo giản đồ pha Fe – C chỉ áp dụng cho
thép cacbon. Đối với thép hợp kim người ta phân ra hai trường hợp để xét.
+ Đối với thép hợp kim thấp (ví dụ: 0,40%C + 1%Cr) nhiệt độ tôi không khác
gì thép cacbon tương đương (tức chỉ có 0,40%C) hay có sai khác (thường tăng
lên không nhiều 10 ÷ 20
0
C). Thép 40Cr có nhiệt độ tôi là: 840

o
C ÷ 860
o
C.
+ Đối với thép hợp kim trung bình và cao, nhiệt độ tôi khác nhiều với thép
cacbon tương đương mà ta phải tra trong các sổ tay kỹ thuật.
1.1.3. Tốc độ tôi tới hạn
Như đã biết tốc độ tôi tới hạn, là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để
austenit chuyển biến thành mactenxit có thể xác định gần đúng giá trị này
theo sơ đồ (Hình 1.2) và theo công thức sau:

1
o
m
th
m
A
T
V
t
−
=

o
C/ giây
Trong đó: A
1
: là nhiệt độ tới hạn của thép
T
0

m
:, tm: nhiệt độ và thời gian ứng với quá nguội kém ổn định nhất (
0
C; s)

11
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn: Giá trị A
1
(=727
o
C) và T
0
m
(≈550
o
C) có giá trị tương đối ổn định, song tm thay đổi rất mạnh, nó phụ
thuộc vào vị trí của đường “C”. Vậy nên yếu tố tăng hay giảm tính ổn định
của austenit quá nguội đều làm giảm hay tăng giá trị của V
th
. Các yếu tố đó là:
+ Thành phần hợp kim của austenit.
Đây là yếu tố quan trọng nhất. Austenit càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ
Coban) đường “C” càng dịch sang phải, V
th
càng nhỏ. Nói chung thép với
2÷3% nguyên tố hợp kim V
th
≈ 100
0
C/ giây, với 5÷7% nguyên tố hợp kim V

th

≈ 25
0
C/ giây. Thành phần cacbon không ảnh hưởng quan trọng tới V
th
, thép
cacbon có V
th
trong khoảng 400÷800
0
C/ s.
+ Sự đồng nhất của austenit.
+ Các phân tử rắn chưa hòa tan hết vào austenit thúc đẩy chuyển biến tạo
thành hỗn hợp ferit-cacbit làm tăng V
th

+ Kích thước hạt austenit càng lớn, biên hạt càng ít, càng khó chuyển biến
thành ferit-cacbit , làm giảm V
th

1.1.4. Độ thấm tôi
Trong nhiều trường hợp tổ chức mactenxit không thể tạo thành trên toàn
tiết diện , mà chỉ có ở bề mặt ăn sâu vào bên trong đến chiều sâu nhất định.
Độ thấm tôi là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức mactenxit (đo độ thấm tôi tới
lớp nửa mactenxit tức mactenxit + trôxtit). Để xác định độ thấm tôi cho một
trường hợp cụ thể hãy chú ý đến các sơ đồ trên (Hình1.5a)
Nếu chi ti
ết thép có dạng hình trụ tròn với đường kính D, khi làm nguội
(lúc tôi) tốc độ nguội bề mặt bao giờ cũng cao hơn trong lõi nên phân bố trên

đường kính có hình dạng chữ “V”, do đó chỉ lớp bề mặt với chiều dày δ có
V
nguội
≥ V
th
mới có tổ chức mactenxit cứng, còn phần lõi còn lại có V
nguội
≤
V
th
có tổ chức ferit-xêmentit mềm hơn. Ở đây δ là chiều dày của lớp được tôi
cứng đồng nhất là độ thấm tôi.

12


a) b)
Hình 1.5: Sơ đồ giải thích độ thấm tôi [4]
Độ thấm tôi là khả năng của thép được tôi đến chiều dày xác định. Dựa
vào đường cong nhiệt động không những có thể phân tích được khả năng này
của thép mà còn xác định được chúng, nếu như biết được các đường nguội
của chi tiết tôi ở các điểm khác nhau. Trong trường hợp này có thể xây dựng
các đường thay đổi
độ cứng theo tiết diện của mẫu hình trụ của thép đã cho.
Những đường như vậy (Hình 1.6) không nhận được bằng thực nghiệm mà lấy
ra từ các sổ tay và đặc trưng cho độ thấm tôi của thép.
Hình 1.6: Sự thay đổi độ cứng theo tiết diện mẫu từ thép 40 (a,b) và thép
40Cr (c,d) sau khi tôi từ 830
0
C nguội trong nước (a,c) và trong dầu (b,d) [7]

13
Theo (Hình 1.6) ta thấy rằng thép C40, φ125 mm tôi nước độ cứng bề mặt
khoảng 30HRC còn tôi dầu độ cứng nhỏ hơn 20HRC
Thép 40Cr, φ125 mm tôi nước độ cứng bề mặt khoảng 60HRC còn tôi dầu
độ cứng nhỏ hơn 30HRC
Rõ ràng tốc độ nguội ảnh hưởng lớn với thép có đường kính lớn khi tôi.
1.1.5. Tính thấm tôi và tính tôi cứng
Tính tôi hay tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao khi tôi, nó phụ
thuộc chủ yếu vào l
ượng cacbon của austenit (do có của thép) mà ít phụ thuộc
vào lượng nguyên tố hợp kim. Thép có cacbon càng cao tính tôi cứng càng
lớn. Ngược lại, tính thấm tôi là khả năng tăng chiều dày của lớp tôi cứng, nó
phụ thuộc chủ yếu vào mức độ hợp kim hoá của austenit (do có của thép) mà
ít phụ thuộc vào lượng cacbon. Thép hợp kim càng cao có tính thấm tôi càng
lớn. Do vậy tùy thuộc vào lượng cacbon, hợp kim, thép có thể có các kết hợp
khác nhau của 2 tính chất trên. Hình 1.7 giới thiệu dải thấ
m tôi của thép 40,
40Cr, 40CrMo.
Khoảng cách đến mút, mm Khoảng cách đến mút, mm Khoảng cách đến mút, m
a) b) c)
Hình 1.7: Dải thấm tôi của thép [4]
a. 0,40%C; b. 0,40%C + 1,00%Cr.
c. 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo
1. Độ cứng của vùng nửa mactenxit của thép.
1.1.6. Austenit hoá (Nung nóng và giữ nhiệt)

14
1.1.6.1. Thiết bị và môi trường nung nóng
Trong quá trình nung nóng để tôi, bề mặt của sản phẩm cần được bảo vệ để

tránh ôxy hoá , thoát cacbon. Quá trình ôxy hoá và thoát cacbon bắt đầu xảy
ra mạnh từ nhiệt độ khoảng 800
0
C sự ôxy hoá, thoát cacbon dẫn đến hiện
tượng bề mặt bị mềm, tạo ra ứng suất và có thể gây nứt. Để tránh hiện tượng
này, chi tiết cần phải được nung nóng trong môi trường trung tính có khí bảo
vệ hoặc môi trường chân không.
Sản phẩm nhiệt luyện thường được nung nóng để tôi trong các thiết bị như
dưới đây:
- Lò giếng điện trở hoặc lò buồng điện trở, có b
ảo vệ bằng khí trơ hoặc các
chất chống ôxy hoá trong lò như than hoa, phoi gang.
- Lò chân không
- Lò muối nóng chảy có khử ôxy
Austenit hoá là quá trình hoà tan đến mức độ cần thiết của cacbon và các
nguyên tố hợp kim để nền có khả năng cứng sau tôi, xong không được làm
thô hạt tinh thể và giòn.
1.1.6.2. Tốc độ nung nóng tới nhiệt độ tôi
Nguyên tắc cơ bản của quá trình này là nung sản phẩm từ nhiệt độ môi
trường đến nhiệt độ tôi với tố
c độ hợp lý, vừa đảm bảo chi tiết nung nóng đều,
sự chênh lệch nhiệt độ ở bề mặt và lõi đảm bảo sự truyền dẫn nhiệt không làm
cho chi tiết bị biến dạng hoặc ứng suất lớn. Nếu nung nóng chậm quá, kéo dài
thời gian nung nóng đều không có lợi tới tổ chức thép sau tôi.
Trong quá trình nung nóng đến nhiệt độ tôi, tuỳ theo hình dáng sản phẩm,
mác vật liệu chế tạo chi tiết mà đề
ra tốc độ nung thích hợp: thí dụ đối với
thép hợp kim cao, cacbon cao khống chế nhiệt độ không nên vượt quá 100
o
C/

giờ và nhiều khi phải nung phân cấp (1 cấp hoặc 2 cấp) ở nhiệt độ 650
o
C ÷
700
o
C và 850
o
C ÷ 860
o
C

15
Đối với thép hợp kim thấp như thép Crôm, thép Crôm – Môlipđen tốc độ
nung không nên vượt quá 220
o
C/ giờ.
1.1.6.3. Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi
Rất khó để đưa ra công thức tổng quát và chính xác về thời gian giữ nhiệt.
Thời gian giữ nhiệt này phụ thuộc vào thiết bị nung nóng, nhiệt độ tôi, kích
thước, số lượng sản phẩm, cách xếp chi tiết trong lò nung…. Thông thường
định hướng thời gian giữ nhiệt trong lò giếng điện trở hoặc lò buồng điện trở
đối v
ới chi tiết thép cacbon và thép hợp kim thấp là 1 ÷ 1,5 phút / 1mm chiều
dày hoặc đường kính chi tiết.
Nếu kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi
tiết, bề mặt chi tiết có thể bị ôxy hoá và thoát cacbon. Nếu giữ lâu ở nhiệt độ
cao hạt tinh thể có thể sẽ lớn gây giòn.
1.1.7. Ram thép đã tôi
Ram thép là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành mactenxit. Sau khi tôi
đạt tổ chức mactenxit có độ cứng cao nhất song không thể

đem dùng ngay
được vì:
- Thép rất giòn, kém dẻo, dai với ứng suất bên trong lớn, nếu đem dùng
ngay sẽ rất chóng gãy do bị phá huỷ giòn
- Trong nhiều trường hợp không yêu cầu độ cứng và tính chống mài mòn
cao nhất mà cần độ bền (σ
b,
σ
0,2
,

σ
đh
) cao kết hợp với độ dẻo và độ dai khác
nhau rất đa dạng.
Do vậy sau khi tôi phải nung nóng lại (ram) là để:
- Giảm ứng suất bên trong đến mức không làm cho thép quá giòn, điều cần
tối thiểu cho mọi trường hợp.
- Điều chỉnh độ cứng, cơ tính cho phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể
của chi tiết.
Theo nhiệt độ ram, yếu tố quyế
t định tổ chức và cơ tính tạo thành, người ta
chi ra ba loại ram: ram thấp, trung bình và cao.

16

1.1.7.1. Ram thấp (150
o
C ÷ 250
o

C)
Ram thấp là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150
o
C ÷
250
o
C, giữ nhiệt độ này một thời gian (ít nhất là 2 tiếng) tổ chức đạt được là
mactenxit ram.
So với thép tôi, sau ram thấp nói chung độ cứng không giảm đi hoặc chỉ
giảm rất ít (chỉ 1 hay cùng lắm 2 đơn vị HRC, cá biệt có trường hợp lại tăng
lên khi một lượng lớn austenit dư → mactenxit, còn ứng suất bên trong giảm
đi đáng kể do đó có tính dẻo, tính dai tốt hơn, khó bị phá huỷ giòn hơn.
1.1.7.2. Ram trung bình (300
o
C ÷ 450
o
C)
Nhiệt độ ram trung bình là 300
o
C ÷ 450
o
C, tổ chức đạt được là trôxtit ram,
so với thép tôi, sau khi ram độ cứng giảm đi rõ rệt nhưng vẫn còn khá cứng,
song ứng suất bên trong được khử bỏ hoàn toàn, giới hạn đàn hồi đạt được giá
trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên.
1.1.7.3. Ram cao (500
o
C ÷ 650
o
C)

Nhiệt độ khi ram cao là 500
o
C ÷ 650
o
C, tổ chức đạt được là xoocbit ram
So với thép tôi, sau khi ram độ cứng giảm rất mạnh, thép trở nên tương đối
mềm, tuy độ bền có giảm đi song lại đạt được sự kết hợp tốt nhất của các chỉ
tiêu cơ tính: độ bền, độ dẻo, độ dai.
1.1.8. Ủ thép
Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (tuỳ thuộc
vào phương pháp, nhiệt độ có thể
biến đổi rất rộng từ 200
o
C đến trên 1000
o
C,
giữ lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt được tổ chức peclit, tức đúng với
giản đồ pha Fe-C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Hai nét đặc trưng của
ủ là nhiệt độ không có quy luật tổng quát và làm nguội chậm để đạt được tổ
chức cân bằng.

17
Mục đích của ủ: Có nhiều phương pháp ủ mà mỗi phương pháp chỉ đạt
được một, hai hoặc ba trong số các mục đích sau đây:
1. Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt.
2. Làm tăng độ dẻo để tiến hành biến dạng (dập, cán, kéo) nguội.
3. Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong gây ra bởi gia công cắt, đúc,
hàn, biến dạng dẻo.
4. Làm đồ
ng đều thành phần hoá học trên vật đúc bị thiên tích.

5. Làm nhỏ hạt thép.
Ở nội dung nghiên cứu của đề tài tôi trục cán hoặc mẫu thép từ thép 40Cr,
hoặc 40CrMo chỉ cần đạt mục đích làm giảm hay mất ứng suất bên trong gây
nên bởi gia công trước khi nhiệt luyện. Do đó ta chỉ chọn phương pháp ủ thấp
để đạt được mục đích trên.
Ủ thấp (ủ non) được tiến hành ở nhiệ
t độ < 700
o
C với mục đích làm giảm
hay khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết sau gia công trước khi nhiệt luyện.
Thông thường ủ ở nhiệt độ 650
o
C ÷ 680
o
C thời gian giữ nhiệt khoảng 3 ÷ 4
giờ. Phương pháp này là nhiệt luyện thép sơ bộ để tôi tiếp theo đạt được yêu
cầu kỹ thuật đề ra.

18
1.2. Môi trường tôi, tôi một môi trường, tôi hai môi trường
Môi trường tôi là một trong những nguyên liệu quan trọng trong sản xuất
cơ khí. Môi trường tôi dùng làm nguội sản phẩm (chủ yếu là thép) khi nhiệt
luyện nhằm đạt độ cứng và các chỉ tiêu cơ tính khác theo yêu cầu kỹ thuật.
1.2.1. Yêu cầu chung với môi trường tôi
Đối với môi trường tôi đều yêu cầu bốn chỉ tiêu, được biểu diễn theo sơ đồ
sau:

Theo mức độ quan trọng môi trường tôi phải đạt các yêu cầu sau:
- Trước tiên phải làm nguội nhanh thép sao cho đạt được tổ chức mactenxit ,
đây là yêu cầu phải tính đến đầu tiên nhưng đồng thời:
+ Không làm thép bị nứt hay biến dạng
+ Đảm bảo yếu tố kinh tế, an toàn và bảo vệ môi trường. Để đạt được hai yếu
tố cơ bản trên, môi trường tôi được dùng phải có khả nă
ng làm nguội khác
Môi trường tôi

Môi trường
Tính công nghệ
Giá thành
Khả năng làm nguội
Nguội
nhanh
trong
khoảng
austenit
kém ổn
định nhất
Nguội
chậm trong
khoảng
chuyển
biến
mactenxit

Giá
thấp
đến
mức có
thể
Ổn định,
không làm
bẩn bề mặt
sản phẩm
Dễ
kiểm
tra và
chế tạo
Vạn
năng
Không
độc hại
Không
cháy nổ

19
nhau ở các khoảng nhiệt độ khác nhau biểu diễn bằng véc tơ nguội tương
quan với giản đồ T-T-T của thép (Hình 1.8) như sau:

Hình 1.8: Đường cong lý tưởng làm nguội khi tôi [4]
1. Làm nguội nhanh thép ở khoảng austenit kém ổn định nhất 500÷600
0
C
để austenit không kịp phân hóa thành ferit – xêmentit . Muốn vậy môi trường
tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn (V

th
).
2. Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên vì ở ngoài khoảng
500÷600
0
C austenit quá nguội có tính ổn định cao, không sợ bị chuyển biến
thành hỗn hợp ferit – xêmentit có độ cứng thấp. Song ở đây người ta đặc biệt
chú ý đến khoảng nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit (300÷200
0
C). Làm
nguội chậm trong khoảng này có tác dụng làm giảm ứng suất tổ chức khi xảy
ra chuyển biến, đảm bảo thép tôi không bị nứt và ít cong vênh.Trong thực tế
chưa tìm được môi trường tôi nào thỏa mãn tất cả 2 yêu cầu chính kể trên.
1.2.2. Phân loại môi trường làm nguội
Theo bản chất các chất làm nguội, có thể chia chúng thành 2 nhóm chính
- Nhóm 1: Gồm những môi trường tôi trong quá trình làm nguội không có
sự thay đổi trạng thái. Thuộc nhóm này là các loại muối nóng chảy, kim loại
nóng ch
ảy, những tấm kim loại, các loại chất khí. Khả năng làm nguội của

20
môi trường tôi này phụ thuộc chủ yếu vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa môi
trường làm nguội và nhiệt độ bề mặt chi tiết
- Nhóm 2: gồm những môi trường tôi khi làm nguội có sự thay đổi cục bộ
trạng thái. Các môi trường đó là: nước, các dung dịch muối, kiềm trong nước,
dầu. khả năng làm nguội của môi trường tôi này phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt
độ bề mặt chi tiết và tr
ạng thái của môi trường tôi nằm sát bề mặt kim loại.
1.2.3. Đặc điểm quá trình làm nguội bằng dung dịch nước hoặc dầu.
Môi trường tôi nhóm 2 được dùng phổ biến trong nhiệt luyện hiện nay.

Đặc biệt là ở Việt Nam. Do vậy chúng ta xem xét kỹ hơn đặc điểm làm nguội
của môi trường tôi này
Quá trình truyền nhiệt làm nguội của các dung dịch có thể phân thành ba
giai đoạn khá rõ rệt như sau (Hình 1.9)


0
C








Thời gian
Hình 1.9: Sơ đồ làm nguội chi tiết trong dung dịch nước [6]





21

Hình 1.10: Đường nguội của bề mặt chi tiết trong môi trường tôi loại II [6]
1. Giai đoạn thứ nhất ở nhiệt độ cao hình thành một lớp hơi mỏng bao
quanh kim loại. Nhiệt cần để hóa hơi và tạo màng hơi sẽ nhanh chóng làm
nguội bề mặt chi tiết, tiếp đó quá trình làm nguội xảy ra bằng cách truyền
nhiệt qua màng hơi. Lớp màng hơi khác dày và xít chặt xung quanh chi tiết,
đồng thời hơi không thu nhiều nhiệt nên tốc độ làm nguội giảm. Cơ chế
truyền nhiệt chủ yếu là bức xạ và dẫn nhiệt của lớp hơi.
2. Giai đoạn thứ 2 là khi nhiệt độ bề mặt chi tiết nguội đến giá trị nào đó
màng hơi trở lên không bền vững nó bị phá hủy, dung dịch ở dạng những bọt
nhỏ và sôi ngay trên bề mặt kim loạ
i. Trong giai đoạn này chất lỏng làm
nguội trực tiếp bề mặt kim loại bằng cách hóa hơi. Do hầu như các chất lỏng
có nhiệt hóa hơi lớn, nên tốc độ làm nguội ở giai đoạn này là rất lớn.
3. Giai đoạn thứ ba, ở giai đoạn này nhiệt độ chi tiết thấp hơn nhiệt độ sôi,
tốc độ làm nguội giảm hẳn, do sự truyền nhiệt ch
ủ yếu theo cơ chế đối lưu.
Đường làm nguội của trạng thái làm nguội loại hai có dạng (hình 1.9). Giai

22
đoạn 1 có thể tách thành hai (Hình 1.10) và do vậy quá trình nguội gồm các
giai đoạn:
+ Tạo thành màng hơi trên bề mặt chi tiết.
+ Làm nguội qua màng hơi.
+ Giai đoạn sôi trực tiếp trên bề mặt chi tiết.

+ Làm nguội bằng đối lưu.
Giai đoạn làm nguội qua màng hơi và sôi trực tiếp là quan trọng nhất, về
nguyên lý hoàn toàn có thể xác định được thời gian bằng cách tính toán.
1.2.4. Những môi trường tôi thông dụng
a. Nước
Nướ
c là môi trường tôi dễ kiếm nhất, rẻ an toàn và thường dùng. Nước
thuộc loại môi trường làm nguội mạnh (khả năng làm nguội lớn). Cơ chế tác
dụng khi dùng nước làm môi trường tôi như sau. Khi nhúng thép nung nóng
đỏ vào nước, sản phẩm bị nguội đột ngột xuống 700÷600
0
C và xung quanh
chi tiết tạo nên lớp màng hơi quá nung, lúc này sự thoát nhiệt xảy ra qua lớp
màng hơi nên tốc độ nguội chậm. Sau đó lớp màng hơi bị phá hủy và nước bắt
đầu sôi trên bề mặt thép, nhiệt độ hóa hơi của nước rất lớn, hấp thụ lượng
nhiệt lớn của thép, làm thép nguội đi với tốc độ rất nhanh. Giai đoạn này kéo
dài từ 600
o
C xuống 100
0
C. Khi thép bị nguội xuống dưới 100
0
C nước không
sôi nữa, quá trình nguội xảy ra bằng đối lưu với tốc độ chậm.
Từ bảng 1.1 thấy rõ nước làm nguội khá nhanh ở cả hai khoảng nhiệt độ.
Như vậy nước là môi trường tôi mạnh nhưng dễ gây ra nứt và cong vênh, do
tốc độ nguội ở vùng chuyển biến mactenxit lớn. Nhược điểm lớn của nước là
khi nước nóng lên (điều dễ xảy ra khi tôi) làm giả
m mạnh khả năng tôi cứng
mà không làm giảm khả năng biến dạng và nứt. Tốc độ làm nguội của nước ở

30
0
C là 500
0
C/s, ở 50
0
C là 100
0
C/s), trong khi đó khả năng làm nguội của
thép trong khoảng 300÷200
0
C hầu như không giảm đi. Nước là môi trường tôi

23
phổ biến cho thép cacbon, loại thép này có tốc độ tôi tới hạn lớn, trong
khoảng 400÷800
0
C/s.
Bảng 1.1. Khả năng làm nguội của các môi trường tôi
Các môi trường tôi Tốc độ nguội (
0
C/s) trong các khoảng nhiệt độ
650÷550
0
C 300÷200
0
C
Nước 18
0
C 600 270

Nước 30
0
C 500 270
Nước 50
0
C 100 270
Nước hòa tan 10% NaCl, 20
0
C 1100 300
Nước hòa tan 10% NaOH, 20
0
C 1200 300
Nước hòa tan 10% Na
2
CO
3
, 20
0
C 800 270
Nước hòa tan CO
2
100÷200 200
Dầu khoáng vật 100÷150 20÷25
Tấm thép 35 15
Không khí nén 30 10
b. Dầu
Dầu là môi trường tôi phổ biến và quan trọng thường dùng tôi cho thép
hợp kim (loại có V
th
nhỏ, <150

0
C/s)
So với nước, lớp màng hơi của dầu rất ổn định, do đó tốc độ làm nguội
thép ở nhiệt độ cao của dầu thấp hơn so với nước nhiều. Dầu là môi trường tôi
yếu, nhiệt độ sôi của dầu cao hơn nước, khoảng 150÷300
0
C. Do vậy giai đoạn
truyền nhiệt bằng đối lưu với tốc độ nguội chậm ở khoảng chuyển biến
mactenxit (dưới 200
0
C) tốc độ làm nguội của dầu thấp hơn của nước rất
nhiều. Dầu là môi trường tôi ít gây nứt và cong vênh. Tóm lại khả năng làm
nguội thép của dầu trái ngược với của nước. Các đặc tính khác của dầu cũng

24
khác nước. Khi nhiệt độ dầu tăng lên khả năng làm nguội hầu như không thay
đổi, do vậy người ta hay tôi thép trong dầu nóng 60÷80
0
C vì lúc này dầu có
tính linh động tốt (độ sệt thấp), sau một thời gian làm việc dầu bị sệt lại và
dầu mất khả năng tôi, lúc đó phải thay dầu mới.

Chi tiết tôi dầu có lớp bề mặt đen do dầu cháy. Các loại dầu dùng làm
môi trường tôi là các loại dầu máy, dầu khoáng vật, dầu công nghiệp đôi khi
cả dầu mazut. Ở Nga cũng như Việt Nam thường dùng hơn cả là dầu công
nghiệp 20 có điểm tự bốc cháy là 170
0
C, dầu VIT32 hoặc VIT 22 của hãng
VB thay cho CN20, để tôi các thép hợp kim là loại thép có tốc độ nguội tới
hạn V

th
nhỏ hoặc thép cacbon có tiết diện mỏng. Trong phần lớn các trường
hợp, để đảm bảo các chỉ tiêu cơ tính, tránh biến dạng, nứt khi tôi người ta
thường dùng dầu làm môi trường tôi.
Ưu điểm của dầu như đã trình bày. Nhưng kèm theo đó dùng dầu để làm
môi trường tôi cũng có hàng loạt nhược điểm:
- Do nhiệt độ bắt đầu cháy thấp (150÷320
0
C) dầu dễ bị bốc cháy khi tôi
gây ra hỏa hoạn. chỉ áp dụng tôi thể tích.
- Tôi dầu trong mọi trường hợp đều gây ô nhiễm môi trường.
- Trong quá trình sử dụng độ nhớt của dầu giảm đến mức độ nhất định phải
đổ dầu mới bổ sung. Giá thành dầu cao nên không kinh tế
1.2.5. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng
Theo nhiệt độ người ta phân biệt ra tôi hoàn toàn và tôi không hoàn toàn.
Theo tiết diện nung nóng để tôi lại chia ra làm tôi thể
tích và tôi bề mặt. Ở
đây chỉ trình bày về tôi thể tích. Như đã nói không thể làm nguội với tốc độ
tùy ý, mà chỉ có thể đưa nó vào trong môi trường nào đó (thường là chất lỏng)
để làm nguội. Do vậy trên thực tế phương thức làm nguội khi tôi cũng có hạn.
Theo phương thức làm nguội cũng như cách sử dụng môi trường làm nguội
(hay còn gọi là môi trường tôi) có một số phương pháp tôi sau (Hình 1.11)


25


Hình 1.11: Phương thức làm nguội [4]
a. Tôi trong một môi trường. b. Tôi trong hai môi trường
c. Tôi phân cấp. d. Tôi đẳng nhiệt

Trong phần tiếp theo chúng ta chỉ nghiên cứu tôi một môi trường và tôi 2
môi trường
1.2.6. Tôi một môi trường
Biểu thị bằng đường a trên hình 1.11
Đem nung nóng chi tiết tới nhiệt độ tôi, giữ nhiệt một thời gian nhất định,
rồi nhúng vào môi trường làm nguội cho tới khi nguội hẳn, đó là phương pháp
tôi một môi trườ
ng.
Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, không cần phải có kỹ năng
thành thạo lắm, dễ cơ khí hóa. Nhược điểm của nó là có thể tôi không đủ cứng
hoặc sinh ra ứng suất nhiệt, ứng suất tổ chức lớn, làm chi tiết dễ biến dạng
hoặc nứt. Cho nên chỉ áp dụng tôi các loại thép cacbon hoặc chi tiết bằng thép
hợp kim có hình dạng đơn giản, không đòi h
ỏi chặt chẽ lắm về mức độ biến
dạng. Tùy theo thành phần hóa học vật liệu mà chọn môi trường tôi có thể là
nước hoặc dầu. Nói chung, chi tiết bằng thép cacbon có hình dạng phức tạp