Xác định thời gian giữ nhiệt khi luyện thép

Xác định thời gian giữ nhiệt khi nhiệt luyện thép
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 thiết; 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, và ta sẽ xét trong các chuyên
mục riêng. Ở đây ta chỉ quan tâm đến 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 xác định nó. Trong bài 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.
Các cách tính toán
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
[1]:
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 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.

Ở phần 1 chúng ta đã xác định thời gian giữ nhiệt tgn với ước định rằng, chi
tiết đã đạt nhiệt độ nung đều trên toàn tiết diện. Điều này chỉ đúng khi chi
tiết có kích thước rất nhỏ hay mỏng. Những chi tiết như vậy được gọi là
“mỏng” (theo quan hệ nhiệt, tức là hầu như không có sự chênh lệch nhiệt độ
giữa bề mặt và lõi chi tiết trong quá trình nung). Trong các tính toán về
truyền nhiệt, nếu chỉ tiêu Biô cho vật nào đó có giá trị không lớn hơn 0,25
thì vật đó được coi là “mỏng” theo quan hệ nhiệt. Chỉ tiêu Biô (Bi) tính như
sau:
Bi = aS/l
Trong đó a là hệ số truyền nhiệt (toả nhiệt), tính bằng W/m2K hay W/m2.độ;

l là hệ số dẫn nhiệt của chi tiết, W/mK; còn S là kích thước truyền nhiệt của
chi tiết, m. Giá trị S lấy bằng D/2 nếu chi tiết là hình trụ. Nếu chi tiết dạng
tấm thì S là ½ chiều dày khi nung hai phía, và bằng chiều dày nếu nung 1
phía.


Bây giờ, đối với những chi tiết “dày” theo quan hệ nhiệt, tức Bi > 0,25 thì
sao? Ta biết, với những chi tiết “dày” (Bi > 0,25) thì nhiệt độ trên bề mặt
luôn luôn chênh lệch so với trong lõi (hình 1).
Trong khi đó, thời gian nung được tính bắt đầu từ khi nhiệt độ trên bề mặt
của chi tiết đạt giá trị cần thiết. Do đó thời gian giữ nhiệt trong trường hợp
này cần bổ sung thêm giai đoạn để cho nhiệt độ được đồng đều giữa bề mặt
và lõi. Thời gian giữ nhiệt tổng thể tgn phải bao gồm 2 thành phần tgn1 và
tgn2:
tgn = tgn1 + tgn2
Thành phần tgn2 cần thiết để các chuyển biến xảy ra đầy đủ được xác định
như ở phần 1. Thành phần tgn1 là thời gian đủ để nhiệt độ giữa lõi và bề mặt
đồng đều, ta sẽ xác định dưới đây [2].
Bảng 1. Hệ số hình dáng, kích thước KF và hệ số nhiệt độ KT
trong đó a- hệ số truyền nhiệt độ của vật liệu (a = l/cr), tính bằng m2/s; Skích thước truyền nhiệt, m; KF là hệ số hình dáng, kích thước vật nung và
KT là hệ số nhiệt độ, được tính theo bảng 1. DtC/DtD = (tBMC- tLC)/
(tBMD- tLD); tBMD, tBMC, tLD, tLC – tương ứng là nhiệt độ trên bề mặt
và ở lõi ban đầu và cuối giai đoạn giữ nhiệt. Các đại lượng DtD và DtC
tương ứng là chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi ở đầu và cuối giai đoạn
giữ nhiệt.
Biểu thức trên đây được suy ra từ chỉ tiêu Fo trong bài toán truyền nhiệt, do
đó cho kết quả tính toán với độ chính xác cao. Tuy nhiên, dễ thấy rằng trong
điều kiện sản xuất, việc xác định giá trị DtD là khó khăn. Trường hợp nhiệt
luyện bình thường, có thể thỏa mãn với giá trị DtC/DtD đủ nhỏ nào đó, ví dụ
DtC/DtD = 0,1 ¸ 0,2 để tính toán mà không cần biết cụ thể giá trị chênh lệch

nhiệt độ DtD giữa lõi và bề mặt ở đầu giai đoạn giữ nhiệt. Một khó khăn
khác nữa là xác định thời điểm nhiệt độ trên bề mặt chi tiết đạt giá trị cần
nung để bắt đầu tính thời gian giữ nhiệt, là khó. Thông thường ta chỉ có thể
dễ dàng biết được nhiệt độ của môi trường lò đạt giá trị đặt trước mà thôi.
Trong thực tế, ta có thể xác định thời gian giữ nhiệt theo phương pháp kinh
nghiệm như sẽ trình bày ở mục 3 dưới đây. Các cách tính ở mục 3 đều lấy
thời điểm lò đạt nhiệt làm điểm khởi đầu để xác định thời gian giữ nhiệt.
Vì các khó khăn có thể gặp phải khi tính toán như đã nêu ở trên, trong thực
tế người ta có thể xác định thời gian giữ nhiệt như sau:


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
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
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.
Kết luận:
Nếu nhiệt luyện chi tiết nhỏ hoặc “mỏng” (theo quan hệ nhiệt) với số lượng
của mẻ xếp trong lò là nhỏ, có thể áp dụng các công thức như đã nêu ở mục
1 để tính thời gian giữ nhiệt.
Nếu các chi tiết nung là “dày”, song khối lượng của mẻ xếp vào lò là nhỏ
như trong điều kiện thí nghiệm hoặc nghiên cứu, lúc đó có thể coi rằng bề

mặt chi tiết đạt nhiệt độ khi lò đạt nhiệt độ nung và áp dụng cách tính như ở
mục 2.