Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được hình thành và
phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS.Nguyễn Anh
Sơn và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là hoàn toàn chính xác và trung thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này.

Tác giả luận văn

TRẦN THỊ MAI

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

1


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Anh Sơn, Bộ môn Vật liệu học, xử lý Nhiệt
và Bề mặt – Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã
trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật liệu
học, xử lý Nhiệt và Bề mặt, các thầy cô giáo ở Phòng thí nghiệm kim loại học, các bạn
sinh viên lớp Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt K54 và K55, các kỹ thuật viên của Viện
Công nghệ-Bộ Công Thương và Công ty TNHH Công nghệ FC Hòa Lạc đã tạo điều kiện
giúp tôi hoàn thành đề tài này.

Tác giả luận văn

TRẦN THỊ MAI

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

2


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 2
MỤC LỤC ..................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 8
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ......................................................................................... 9
1.1. Công nghệ xử lý lạnh thép ........................................................................................9
1.1.1. Quy trình xử lý lạnh thông dụng.........................................................................10
1.1.2. Đối tượng áp dụng ................................................................................................ 13
1.1.3. Các môi trường xử lý lạnh ...................................................................................13
1.1.4. Thiết bị xử lý lạnh .................................................................................................14
1.2. Công nghệ xử lý lạnh thép SKD11 .........................................................................14
1.2.1. Tổ chức và tính chất thép SKD11 sau nhiệt luyện thông thường ....................15
1.2.2.Tổ chức và tính chất thép SKD11 sau xử lý lạnh ..............................................17
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý lạnh ................................................20
1.3. Các phương pháp đánh giá tổ chức sau xử lý lạnh ..............................................26

1.3.1.Phương pháp kim tương định lượng ...................................................................26
1.3.2. Phương pháp nhiễu xạ rơnghen ..........................................................................27
1.4. Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu .................................................28
1.4.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 28
1.4.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 28
1.4.3. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................29
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............ 30
2.1. Sơ đồ các bước chuẩn bị, nghiên cứu ....................................................................30
2.2. Các bước thực nghiệm nghiên cứu .........................................................................31
2.2.1. Lựa chọn vật liệu, chuẩn bị mẫu trước khi tôi...................................................31
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

3


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
2.2.2. Lựa chọn quy trình nhiệt luyện và xử lý lạnh ....................................................31
2.2.3. Các bước nghiên cứu sau các quy trình tôi và xử lý lạnh .................................37
2.2.4. Các bước thực nghiệm ..........................................................................................39
2.3. Thiết bị thí nghiệm...................................................................................................40
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 46
3.1. Tổ chức và tính chất của thép SKD11 sau nhiệt luyện.........................................46
3.1.1. Tổ chức của thép SKD11 sau ủ ............................................................................46
3.1.2. Tổ chức của thép SKD11 sau tôi .........................................................................47
3.2. Tổ chức và tính chất của thép sau xử lý lạnh ........................................................50
3.2.1. Xử lý lạnh thông thường ......................................................................................50
3.2.2. Tổ chức của thép sau xử lý lạnh âm sâu ............................................................. 52
3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh tới tổ chức và tính chất của thép ................56
3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh đến hàm lượng cacbit .................................56
3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh đến austenit dư ...........................................60

3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh đến độ cứng của thép .................................61
3.4. Ảnh hưởng của thời gian xử lý lạnh tới tổ chức và tính chất của thép ..............61
3.5. Ảnh hưởng của chế độ xử lý sau gia công lạnh tới tổ chức cacbit ......................65
3.5.1. Ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt ........................................................................65
3.5.2. Tổ chức tế vi và độ cứng của mẫu được xử lí nhiệt sau xử lí lạnh .....................66
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 70

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

4


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thép SKD11.............................................................. 15
Bảng 1.2: Vùng nhiệt độ gia công lạnh và ứng dụng .......................................................21
Bảng 2.1: Thành phần hóa học mẫu nghiên cứu ở trạng thái cung cấp ........................... 31
Bảng 2.2: Quy trình tôi, xử lý lạnh 1 ................................................................................32
Bảng 2.3: Quy trình tôi, xử lý lạnh 2 ................................................................................33
Bảng 2.4: Quy trình tôi, xử lý lạnh 3 ................................................................................34
Bảng 2.5: Quy trình tôi, xử lý lạnh 4 ................................................................................36
Bảng 2.6: Các bước nghiên cứu sau quy trình 1............................................................... 37
Bảng 2.7: Các bước nghiên cứu sau quy trình 2............................................................... 37
Bảng 2.8: Các bước nghiên cứu sau quy trình 3............................................................... 38
Bảng 2.9: Các bước nghiên cứu sau quy trình 4............................................................... 39
Bảng 3.1: Kết quả đo độ cứng của các mẫu sau ủ ............................................................ 46
Bảng 3.2: Thành phần các nguyên tố trong các pha sử dụng phương pháp EDX ............49

Bảng 3.3: Độ cứng của thép sau nhiệt luyện ở các nhiệt độ khác nhau ........................... 50
Bảng 3.4: Thành phần các nguyên tố trong các pha sau xử lý lạnh .................................52
Bảng 3.5: Thành phần nguyên tố trong các loại cacbit khi xử lý lạnh ở -120oC .............54
Bảng 3.6: Thành phần nguyên tố trong các loại cacbit khi xử lý lạnh ở -196oC .............56
Bảng 3.7: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -200C .........................................................57
Bảng 3.8: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -800C ........................................................58
Bảng 3.9: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -1200C ......................................................59
Bảng 3.10: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -1960C .....................................................59
Bảng 3.11: Hàm lượng austenit dư sau xử lý lạnh âm sâu ...............................................60
Bảng 3.12: Độ cứng các mẫu sau xử lý lạnh ở các nhiệt độ khác nhau ........................... 61
Bảng 3.13: Hàm lượng cacbit và độ cứng mẫu ................................................................ 62
Bảng 3.14: Hàm lượng austenit dư của mẫu sau xử lý lạnh ở -1200C ............................. 64
với thời gian giữ nhiệt khác nhau .....................................................................................64
Bảng 3.15: Độ cứng các mẫu sau xử lý lạnh ở -1200C.....................................................65
Bảng 3.16: Hàm lượng cacbit và độ cứng mẫu ................................................................ 66
Bảng 3.17: Hàm lượng cacbit và độ cứng mẫu ................................................................ 68
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

5


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Chu kỳ nhiệt luyện thép gió M2 ......................................................................11
Hình 1.2: Quy trình nhiệt luyện thép D2 theo Stratton ....................................................12
Hình 1.3: Giản đồ Fe-Cr-C ở 700o C ................................................................................16
Hình 1.4: Mặt cắt giản đồ Fe-Cr-C ở 10000C.................................................................16
Hình.1.5: Tổ chức tế vi của thép.......................................................................................17

Hình.1.6: Ảnh hiển vi quang học của thép sau tôi (a), sau xử lý lạnh (b) ........................18
Hình 1.7: Giản đồ nhiễu xạ rơnghen mẫu khối ................................................................ 19
Hình 1.8: Độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép D2 .........................................20
Hình 1.9: Mức độ cải thiện về tính chống mài mòn ........................................................22
Hình 1.10: Ảnh SEM của mẫu .........................................................................................23
Hình. 1.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ mài mòn trên thép . .........................23
Hình.1.12: Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt ở -196 ° C ...............................................25
Hình. 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ auxtenit hóa và thời giữ ở nhiệt độ lạnh ................25
Hình 2.1: Sơ đồ các bước nghiên cứu ..............................................................................30
Hình 2.2: Kích thước mẫu nghiên cứu .............................................................................31
Hình 2.3: Quy trình tôi, xử lý lạnh 1 ................................................................................32
Hình 2.4: Quy trình tôi, xử lý lạnh 2 ................................................................................33
Hình 2.5: Quy trình tôi, xử lý lạnh 3 ................................................................................35
Hình 2.6: Quy trình tôi, xử lý lạnh 4 ................................................................................36
Hình 2.7: Kính hiển vi quang họcAxioplan2....................................................................41
Hình 2.8: Thiết bị phân tích thành phần kim loại và hợp kim75/80J MVU.....................42
Hình 2.9: Lò nung có khí bảo vệ HTC 08/16, và Nabertherm 16N .................................42
Hình 2.10: Máy đo độ cứng thô đại 751N-Wilson Wolpert .............................................43
Hình 2.11: Thiết bị Rơnghen Miniflex 600 ......................................................................44
Hình 2.12: Kính hiển vi điện tử quétJEOL JSM-7600F ...................................................45
Hình 3.1: Ảnh tổ chức sau ủ X500 ...................................................................................46
Hình 3.2: Ảnh tổ chức sau ủ X500 ...................................................................................46
Hình 3.3: Tổ chức thép SKD11 sau tôi ở các nhiệt độ .....................................................47
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

6


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
Hình 3.4: Ảnh SEM của thép sau tôi ở 1050oC ................................................................ 48

Hình 3.6: Kết quả phân tích EDX của thép sau tôi ..........................................................49
Hình 3.7: Ảnh SEM của thép sau khi gia công lạnh ........................................................50
Hình 3.8: Các điểm phân tích EDX sử dụng SEM ........................................................... 51
Hình 3.9: Kết quả phân tích EDX của thép sau gia công lạnh .........................................51
Hình 3.10: Tổ chức tế vi của thép sau tôi 10800C, xử lý lạnh ở -1200C ..........................52
Hình 3.11: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -120oC, phóng đại 5000 lần.......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.12: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -120oC, phóng đại 25000 lần........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.13: Phổ EDS của các loại cacbit thứ cấ,p xử lý lạnh ở -120oC ............................ 54
Hình 3.14: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -120oC, phóng đại 5000 lần.......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.15: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -196oC, phóng đại 25000 lần................55
Hình 3.16 : Phổ EDS của các loại cacbit thứ cấp, xử lý lạnh ở -196oC ........................... 56
Hình 3.17: Tổ chức tế vi mẫu xử lý lạnh -200C x1000 ....................................................57
Hình 3.18: Tổ chức tế vi mẫu xử lý lạnh -800C x1000 ....................................................58
Hình 3.11: Tổ chức tế vi mẫu xử lý lạnh -1960C x500 ....................................................59
Hình 3.21: Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh tới tổng hàm lượng cacbit trong thép ....60
Hình 3.22 : Ảnh tổ chức tế vi các mẫu tẩm thực màu hiển thị cacbit .............................. 62
Hình 3.23: Tổ chức tế vi của thép sau xử lý lạnh ở -1200C, giữ nhiệt 1h x500 ...............63
Hình 3.24: Tổ chức tế vi của thép sau xử lý lạnh ở -1200C, giữ nhiệt 2h x500 ...............63
Hình 3.25: Tổ chức tế vi của thép sau xử lý lạnh ở -1200C, giữ nhiệt 20h x500 .............64
Hình 3.26: Ảnh tổ chức tế vi các mẫu tẩm thực màu hiển thị cacbit .............................. 66
Hình 3.27: Ảnh tổ chức tế vi các mẫu tẩm thực màu hiển thị cacbit ............................... 67
Hình 3.28: Biểu đồ điểm thể hiện sự thay đổi hàm lượng cacbit. ....................................68

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

7

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

LỜI NÓI ĐẦU
Các vấn đề liên quan đến austenit dư trong thép sau khi xử lý nhiệt luôn hiện hữu
trong quá trình phát triển của ngành nhiệt luyện thép dụng cụ. Austenit trong thép mềm
nên làm giảm độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép dẫn đến việc giảm tuổi thọ
của chi tiết, không ổn định ở nhiệt độ thấp và có xu hướng biến thành mactenxit trong các
điều kiện dẫn nhất định. Vì vậy, các nghiên cứu về công nghệ xử lý lạnh hiện nay trên
thế giới chủ yếu trên thép dụng cụ và mục tiêu là biến đổi austenit trong thép thành
mactenxit, đồng thời thúc đẩy quá trình làm tiết cacbit trên nền mactenxit, làm tăng độ
cứng, tăng khả năng chống mài mòn và nâng cao tuổi thọ của chi tiết.
Thép SKD11 (theo tiêu chuẩn JIS - Nhật Bản) thuộc họ thép dụng cụ có hàm lượng
hợp kim cao, thường được sử dụng làm khuôn dập nguội có chất lượng cao. Tuy nhiên,
trong thép SKD11 sau khi nhiệt luyện luôn tồn tại một lượng austenit dư khá lớn, khả năng
chịu mài mòn kém. Điều này gây ảnh hưởng xấu tới cơ tính khi làm việc và tuổi thọ của
khuôn. Trước những đặc điểm, tính chất quan trọng mà xử lý lạnh âm sâu mang lại và hứa
hẹn khả năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu tổ chức
và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu”. Việc tiến hành các nghiên cứu cơ
bản bước đầu về xử lý lạnh âm sâu là vô cùng quan trọng và cấp thiết, mở ra một hướng
nghiên cứu và ứng dụng hoàn toàn mới, góp phần đẩy mạnh nền khoa học kỹ thuật nước
nhà, tránh tụt hậu, giảm dần khoảng cách với các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển.
Sau thời gian tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm đề tài đã hoàn thành nội dung đặt
ra cho một luận văn Thạc sĩ.

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

8

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1.

Công nghệ xử lý lạnh thép

Tôi và ram là công nghệ thường được áp dụng để nâng cao độ cứng, khả năng chống
mài mòn cho thép, đặc biệt là các loại thép dụng cụ.
Quá trình nhiệt luyện thép dụng cụ nói chung bao gồm nung nóng thép đến nhiệt độ
austenit hóa và làm nguội nhanh để nhận được tổ chức mactenxit - dung dịch rắn quá bão
hòa của C trong Feα. Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit gọi là Ms, nhiệt độ kết thúc
chuyển biến mactenxit gọi là Mf. Quá trình chuyển biến mactenxit xảy ra không hoàn toàn,
chỉ có một phần austenit được chuyển biến thành mactenxit nên sau tôi, thường còn lại
một lượng austenite dư nhất định. Đối với thép SKD11, thời gian austenit hóa ở nhiệt độ
tôi càng dài, lượng cacbit hòa tan càng nhiều nên lượng cacbon và nguyên tố hợp kim
trong austenit càng cao dẫn đến việc các nhiệt độ Ms và Mf càng thấp. Do vậy, sau khi tôi,
với loại thép này, lượng austenit dư nhiều, thường đến 30% hoặc nhiều hơn. Austenit là
pha không ổn định ở nhiệt độ thường và có độ cứng thấp, vì vậy cần phải làm giảm lượng
austenite dư trong thép SKD11.
Xử lý lạnh là phương pháp làm lạnh thép xuống dưới nhiệt độ phòng (thấp hơn
nhiệt độ chuyển biến của mactenxit) và được bổ sung trong quy trình nhiệt luyện thép.
Quá trình này có tác dụng hoàn thành chuyển biến austenit thành mactenxit, cải thiện một
số tính chất và đạt được cấu trúc mong muốn của vật liệu. Tùy thuộc vào mục đích mà
xử lý lạnh có nhiều vùng nhiệt độ khác nhau như: xử lý lạnh thông thường ở (-20÷ -80oC),
xử lý lạnh nông (-80÷ -120oC) hoặc xử lý lạnh âm sâu ở (-120÷ -196oC).
Hiệu quả gia công lạnh phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép và những yếu
tố ảnh hưởng như mức độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim trong austenit.
Gia công lạnh còn được dùng như biện pháp làm ổn định kích thước của chi tiết
chính xác như dụng cụ đo, chi tiết máy lạnh, vòng bi chất lượng cao.

Tuy nhiên, có một số hợp kim sau tôi phải ram ngay vì mactenxit khi vừa hình
thành (mactenxit tôi) được quá bão hòa cacbon làm cho thép dễ bị nứt. Tùy thuộc vào hàm
lượng austenit yêu cầu mà có nhiều quy trình gia công lạnh và ram sau tôi được áp dụng.
Đối với các loại thép hợp kim dụng cụ nói chung và SKD11 nói riêng, là những
loại thép có hàm lượng C và nguyên tố hợp kim cao, để đạt được yêu cầu cơ tính cho chi
tiết, khi nguyên tố hợp kim và C hòa tan vào austenit ở nhiệt độ nung tôi càng lớn, nhiệt
độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến mactenxit sẽ hạ thấp. Do vậy, sau tôi, lượng austenit
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

9


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
dư còn lại trong thép là tương đối lớn có khi lên đến 30% làm giảm độ cứng và tính chống
mài mòn của thép. Do vậy cần xử lý để giảm tối đa austenit dư trong tổ chức thép sau tôi,
giúp tăng độ cứng cũng như khả năng chống mài mòn cho thép.
Theo cách truyền thống, để giảm lượng austenit dư trong thép, chi tiết được ram
nhiều lần ở nhiệt độ tương đối cao với thời gian khoảng 1h cho mỗi lần ram. Tuy nhiên,
biện pháp này làm giảm độ cứng của nền và làm thô hóa cacbit. Xử lý lạnh là phương
pháp khác để giảm lượng austenit dư trong thép. Nhiệt độ xử lý lạnh cho chi tiết càng gần
với nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactenxit của thép thì lượng austenit dư được chuyển
biến càng nhiều. Tùy thuộc vào mục đích cải thiện tính chất của chi tiết mà chọn nhiệt độ
xử lý lạnh khác nhau.
Khác với phương pháp ram nhiều lần, phương pháp xử lý lạnh ngoài mục đích giảm
lượng austenit dư còn có nhiều ưu điểm khác như: cải thiện độ bền, tăng tính chống mài
mòn, ổn định kích thước, ổn định tổ chức .
1.1.1. Quy trình xử lý lạnh thông dụng
Với hầu hết các loại thép, xử lý lạnh được thực hiện trong khoảng nhiệt độ dưới Mf
từ -790C đến -1200C. Thời gian giữ nhiệt khoảng 1h/25mm theo tiết diện hoặc có thể tính
từ 1-1,5 giờ sau khi đạt nhiệt độ yêu cầu. Sau đó, chi tiết được lấy ra ngoài và để nguội từ

từ tới nhiệt độ môi trường. Một quy trình công nghệ xử lý lạnh hoàn chỉnh bao gồm các
quá trình: austenit hóa, tôi, xử lý lạnh và ram.
Một số nghiên cứu cho rằng, để tối đa hóa tốc độ chuyển biến austenit, xử lý lạnh
cần được tiến hành sau khi tôi và trước khi ram như:
- Năm 1993, Dymchenko và Safronova đề ghị nên ram thép ở nhiệt độ thấp sau khi
xử lý lạnh thép đã tôi để tránh sự ổn định của austenit, tối ưu hóa chuyển biến mactenxit
từ austenit dư;
- Năm 1998, với những nghiên cứu của mình Yun và cộng sự xác nhận các dụng
cụ được xử lý lạnh ở nhiệt độ -1960C ngay sau khi tôi có cơ tính tốt hơn so với các dụng
cụ được xử lý lạnh sau khi tôi và ram;
- Năm 2001, Mohan Lal đưa ra kết luận xử lý lạnh sẽ đạt hiệu quả cao nhất khi
được tiến hành ngay sau quá trình ram.
- Năm 2006, Da Silva và cộng sự đã xác nhận hiệu quả xử lý lạnh trên các dụng
cụ thép gió M2 bằng cách làm theo các chu kỳ nhiệt luyện thể hiện trong hình 1.1

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

10


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Hình 1.1: Chu kỳ nhiệt luyện thép gió M2 do Da Silva và cộng sự đề xuất năm 2006
Tuy nhiên, các nghiên cứu tiếp sau được tiến hành để đưa ra một quy trình công
nghệ xử lý lạnh tối ưu nhất bằng cách thay đổi, tích hợp thứ tự các nguyên công và các
thông số công nghệ của các quá trình austenit hóa, tôi, xử lý lạnh và ram.
Nhiều công trình nghiên cứu đã tiến hành để lựa chọn được thứ tự các nguyên công
trong quy trình xử lý lạnh cho thép SKD11. Những nghiên cứu này cho thấy, để austenit
dư chuyển biến thành mactenxit nhiều nhất thì nguyên công xử lý lạnh cần tiến hành ngay
sau tôi và trước khi ram,vì theo họ ram là nguyên công ổn định austenit dư, làm cho nó

chuyển biến khó khăn hơn. Với các thông số công nghệ tùy chọn với từng mục đích sử
dụng, quy trình công nghệ xử lý lạnh cho SKD11 nên tiến hành như sau:

Austenit hóa

Tôi

Gia công lạnh

Ram

Quá trình austenit hóa và tôi cho thép SKD11 trong quy trình xử lý lạnh vẫn giống
như phương pháp nhiệt luyện truyền thống. Sự khác nhau ở đây là nguyên công gia công
lạnh và ram. Năm 2007, Stratton cũng đã thử nghiệm quy trình và đạt được cơ tính phù
hợp với điều kiện làm việc của thép dụng cụ (hình 1.2).

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

11


Nhiệt độ

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Hình 1.2: Quy trình nhiệt luyện thép D2 theo Stratton
Trong đó:
1. Nung tôi
2. Giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi
3. Nguội nhanh

4. Giữ nhiệt ở 40oC
5. Làm lạnh xuống -196oC với tốc độ chậm để tránh nứt vỡ
6. Giữ nhiệt tại nhiệt độ xử lý lạnh
7. Nung chậm tới nhiệt độ phòng
8. Ram tại nhiệt độ ram thường áp dụng cho loại thép.
Các thông số chính liên quan đến việc xử lý lạnh: tốc độ làm nguội, nhiệt độ giữ
nhiệt, thời gian giữ nhiệt, tốc độ nung, nhiệt độ ram và thời gian ram. Vai trò của các thông
số này đến việc cải thiện cơ tính của thép là khác nhau: nhiệt độ xử lý lạnh chiếm 72%,
thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ xử lý lạnh chiếm 24%, tốc độ làm nguội chiếm 10% trong
khi nhiệt độ ram chỉ chiếm 2%, còn tham số thời gian ram là không đáng kể. Như vậy, ba
thông số đầu tiên đóng góp đến 98% vào sự cải thiện tích chất cho thép. Vì vậy, các nghiên
cứu gần đây chủ yếu tập trung vào ba thông số này.
Ram là nguyên công xử lý cuối cùng để tạo ra cơ tính làm việc cho chi tiết. Tùy
thuộc vào loại thép mà thông số công nghệ của nguyên công này sẽ khác nhau: nhiệt độ,
thời gian, số lần ram. Nhiệt độ ram luôn luôn phải nhỏ hơn nhiệt độ Ac1 của thép và quá
trình ram cần được tiến hành ngay sau gia công lạnh. Nhiệt độ ram được sử dụng cho thép
SKD 11 trong khoảng (150-600) oC. Nhiệt độ ram cao làm giảm độ cứng, giảm tính chịu
mài mòn của thép và làm tăng độ dai trong khi nhiệt độ ram thấp làm thép cứng, có tính
chịu mài mòn cao nhưng độ dai kém. Thời gian ram và chu kỳ ram tùy thuộc vào từng
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

12


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
loại thép mà có hiệu quả tốt hay không. Hiệu quả của quá trình ram đến sự điều chỉnh cơ
tính cho thép cũng phụ thuộc vào các thông số công nghệ của nguyên công gia công lạnh
thực hiện trước đó. Đây là một trong những phần cần nghiên cứu sâu cho thép SKD11.
Việc chọn quy trình xử lý lạnh cho thép, ngoài hiệu quả công nghệ phải đảm bảo
hiệu quả kinh tế. Có nhiều chế độ gia công lạnh chỉ dùng cho một mác thép vì nó liên quan

đến quá trình công nghệ, chỉ tiêu chất lượng và hiệu quả kinh tế.
1.1.2. Đối tượng áp dụng
Xử lý lạnh có thể được chia thành các nhóm tương ứng với các mục đích khác
nhau:
- Tạm thời thay đổi kích thước, làm giảm kích thước chi tiết khi lắp ghép với các
mối lắp ghép có độ chính xác rất cao, dung sai rất thấp, dung sai âm (lắp chặt);
- Xử lý lạnh để austenit dư sau tôi ở thép hợp kim cao chuyển biến thành martenxit
nhằm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn cho thép;
- Xử lý lạnh ở nhiệt độ thấp hơn -800C, nhận thấy có sự tiết cacbit ra khỏi mactexit
làm tăng khả năng chống mài mòn cũng như độ dai của thép.
- Xử lý lạnh âm sâu ở nhiệt độ dưới -1350C, tạo điều kiện cho tiết ra cacbit rất mịn
trong thép hợp kim cao.
Tóm lại, hầu hết các kết quả nghiên cứu đều cho thấy khi xử lý lạnh âm sâu cho thép
có thể nâng cao cơ tính của các loại thép dụng cụ so với các công nghệ nhiệt luyện truyền
thống khác như:
+ Độ cứng và độ bền: với dự đoán rằng việc tiết cacbit nhỏ mịn và phân tán từ
mactenxit một mặt làm giảm độ cứng của mactenxit nhưng lại tạo cacbit có độ cứng cao
nên độ cứng chung của thép tăng không nhiều (1-2 HRC) nhưng độ bền lại tăng mạnh.
+ Khả năng chống mài mòn tăng mạnh, do tiết ra các cacbit cứng nhỏ mịn và phân
tán. Nhiệt độ xử lý lạnh càng thấp, hàm lượng cacbit tạo thành càng nhiều, kích thước hạt
cacbit càng nhỏ, mật độ cao nên khả năng chống mài mòn tăng càng mạnh.
+ Ổn định kích thước: Tăng độ ổn định của kích thước theo thời gian, có tiềm năng
ứng dụng lớn trong chế tạo chi tiết cần độ chính xác cao, các dụng cụ và chuẩn đo lường.
1.1.3. Các môi trường xử lý lạnh
Có thể xử lý lạnh bằng nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp đơn giản nhất
là dùng tuyết CO2 hoặc CO3 rắn, phương pháp này có thể đạt nhiệt độ từ (-650C ÷ -750C).
Dùng tuyết CO2 và dung môi (cồn, benzene, axeton) bằng cách cho tuyết CO2 vào dung
môi cho đến khi nó không nổi lên bề mặt dung dịch nữa, lúc này đạt nhiệt độ khoảng
(-780C). Có thể dùng nitơ lỏng để đạt nhiệt độ từ -1800C tới -1900C. Sử dụng các máy
lạnh chuyên dụng, các chất làm lạnh trong các máy này có đặc tính là ở nhiệt độ thấp nó

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

13


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
chuyển thành dạng hơi và ngược lại khi nén và làm nguội lại chuyển thành thể lỏng. Tùy
theo nhiệt độ lạnh yêu cầu, thiết bị sử dụng chu trình nén một cấp hay hai cấp và thể đạt
khoảng từ (-300C ÷ -800C). Nhiệt độ âm sâu nhất đạt được khi sử dụng nitơ lỏng (-1960C).
Trường hợp không cần làm lạnh sâu có thể dùng phương pháp hóa học như hỗn
hợp của nước đá với các loại muối NaCl, NaNO3, Na2CO3 (3 phần muối 1 phần nước có
thể đạt nhiệt độ -190C).
1.1.4. Thiết bị xử lý lạnh
Hiện nay có nhiều phương pháp để làm lạnh sản phẩm đến nhiệt độ mong muốn.
Mặc dù vậy, tất cả các phương pháp đều dựa vào nguyên lý trao đổi nhiệt, có thể làm lạnh
trực tiếp hoặc gián tiếp và có thể sử dụng nhiều môi trường khác nhau để làm lạnh. Có thể
chia thiết bị xử lý lạnh thành 3 nhóm chính, đó là:
(1) Thiết bị làm lạnh bằng CO2;
(2) Thiết bị làm lạnh cơ học;
(3) Thiết bị làm lạnh bằng nitơ lỏng (liquid nitrogen - LN).
Trong 3 dòng thiết bị trên, dòng thiết bị làm lạnh bằng LN được sử dụng nhiều nhất
trong công nghệ xử lý vật liệu sắt thép.
+ Thiết bị làm lạnh bằng CO2 sử dụng đá CO2 để làm lạnh bình chứa hỗn hợp chất
lỏng như trichloroethylene hoặc rượu. Với phương pháp này có thể làm lạnh đến -800C,
tuy nhiên kiểm soát tốc độ làm nguội là rất khó.
+ Thiết bị làm lạnh cơ học cho phép làm lạnh đến khoảng -1000C. Chất lỏng được
sử dụng thôngthường là methylchloric (-970C), feron (-1110C), methylalcohol hoặc
methanol (-970C) và pentane (-1290C). Các chất lỏng này cho phép kiểm soát điều khiển
nhiệt độ rất tốt, vì thế có thể dể dàng điều khiển tốc độ làm nguội mong muốn. Chi phí
vận hành cho loại thiết bị này thấp nhưng giá thành ban đầu và phí bảo hành cao.

+ Thiết bị làm lạnh bằng nitơ lỏng (LN) được sử dụng để làm lạnh sản phẩm đến 1960C. So với các phương pháp vừa nêu thì phương pháp làm nguội bằng LN có nhiều lợi
thế do có thể điều khiển dễ dàng nhiệt độ làm lạnh. Ngoài ra với LN có thể điều khiển tốc
độ làm nguội một cách dễ dàng. Hiện nay thiết bị làm lạnh bằng LN được sử dụng rộng
rãi hơn cả.
1.2.

Công nghệ xử lý lạnh thép SKD11
Thép SKD11 là loại thép hợp kim cao họ lêđêburit dùng làm khuôn dập có kích
thước lớn để dập các loại thép tấm, thép không gỉ …với sản lượng lớn. Ở Việt Nam, các
loại khuôn dập nguội được chế tạo chủ yếu từ thép SKD11. Tuổi thọ của khuôn làm bằng
thép SKD11 khi được xử lý nhiệt đúng kế hợp thêm nguyên công xử lý bề mặt có thể đạt
đến hàng triệu sản phẩm hoặc hơn nữa trên một đầu khuôn.

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

14


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
1.2.1. Tổ chức và tính chất thép SKD11 sau nhiệt luyện thông thường
Thành phần hóa học của SKD11 (tiêu chuẩn JIS G4404 – Nhật bản) được đưa ra
trong bảng 1.1
Thành phần %
Tiêu
chuẩn

Mác
thép

C

Cr

Mo

Mn

Si

V

JIS

SKD11

1,4÷1,6

11÷13

0,8÷1,2

0,6

0,35

0,2÷0,5

AISI

D2

1,4÷1,6

11÷13

0,7÷1,2

0,6

0,6

0,7÷1,2

Ni<0,3
Co<1,0

ΓOCT

X12M

1,45÷1,
65

11÷12,
5

0,4÷0,6

0,15÷0,
0,15÷0,

0,1÷0,4
45
3

P<0,03
S<0,03

Các nt
khác
P<0,03
S<0,03

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của thép SKD11
Thép SKD11 là thép hợp kim với hàm lượng Cr lên đến 12%, hàm lượng C khoảng
1,5%, hàm lượng Mo và V khoảng 1%, do vậy thép có tổ chức lêđêburit, sau khi đúc cacbit
có dạng xương cá. Thông thường sau khi đúc thép này được gia công nóng (cán, rèn) kỹ
để phá huỷ cấu trúc dạng xương cá của cacbit sơ cấp, khi đó cacbit sơ cấp sẽ trở nên đa
cạnh, phân bố đều. Giản đồ Fe-Cr-C có thể giúp đánh giá về tổ chức tế vi cũng như tính
chất của loại thép này. Mặt cắt của giản đồ trạng thái Fe-Cr-C ở nhiệt độ 700o C (dưới
nhiệt độ A1, có thể được coi như tổ chức nhận được ở trạng thái ủ) cho ta thấy sự tồn tại
của các loại cacbit tuỳ theo tỷ lệ Cr/C (hình 1.3). Khi tỷ lệ Cr:C vượt 3:1, tổ chức tế vi bao
gồm cacbit giàu Cr như (Cr,Fe)23C6 hoặc (CrFe)7C3 hoặc đồng thời cả hai. Ở trạng thái ủ,
hàm lượng cacbit trong thép AISI D2 là khoảng 18% trong đó 83,5% là cacbit Cr7C3 và
16,5% là (Cr,Fe)7C3. Tổ chức tế vi của loại thép này sau khi ủ bao gồm peclit và cacbit.
Trong thép Cr cao thì cacbit (Cr,Fe)7C3 là chủ yếu. Khi có các nguyên tố hợp kim
khác như Mo, V, Si hay Mn thì cacbit sẽ là cacbit phức. Thành phần, hàm lượng cacbit
phụ thuộc vào thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp kim. Thép với thành phần
1,4%C, 13,13%Cr, 1,2%Mo ở trạng thái ủ chỉ tồn tại cacbit (Cr,Fe)23C6.

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

15


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Hình 1.3: Giản đồ Fe-Cr-C ở 7000C
Tổ chức của thép sau nhiệt luyện có thể đánh giá theo mặt cắt giản đồ Fe-Cr-C ở
10000C (hình 1.4). Có thể thấy, ở nhiệt độ tôi lớn hơn 10000C, trong tổ chức của thép Cr
cao chỉ có cacbit (CrFe)7C3. Tổ chức của thép sau tôi 11500C có chứa 11% cacbit, trong
đó 90,6% Cr7C3và 9,4% (Cr,Fe)7C3. Tổ chức của thép sau khi tôi và ram gồm mactenxit,
austenit dư, cacbit sơ cấp và cacbit thứ cấp.
% Cr

Hình 1.4: Mặt cắt giản đồ Fe-Cr-C ở 10000C
Độ cứng: Ở trạng thái ủ, vật liệu SKD11 có độ cứng lớn nhất 250HB, đây là độ
cứng cho phép gia công cơ khí thuận lợi. Thông thường sau khi tôi (đạt độ cứng tối đa),
người ta ram để được độ cứng khoảng 58-62HRC.
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

16


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
Độ bền: Sau khi tôi, tuỳ theo các ứng dụng thực tế mà chọn độ cứng để từ đó
chọn chế độ ram hợp lý. Độ bền cao sẽ đảm bảo cho khuôn có khả năng chịu ứng suất lớn
mà không bị phá hủy. Độ bền có mối quan hệ với độ cứng, thông thường độ cứng cao thì
độ bền cao, tuy nhiên nếu độ cứng quá cao thì vật liệu sẽ trở nên giòn. Thường thì độ cứng
và độ dai va đập là hai thông số được kiểm tra sau khi nhiệt luyện trong khi độ bền phải
xác định trên mẫu thử, song độ cứng là thông số kiểm tra thường xuyên nhất.

Độ dai va đập: Thép chịu va đập khi có độ dai va đập ≥ 1000N.m/cm2. Cũng như
độ bền, độ dai va đập phụ thuộc nhiều vào độ cứng. Độ cứng càng cao thì độ dai va đập
càng thấp. Đây là một đặc điểm rất quan trọng, cần phải biết thoả hiệp giữa độ cứng và độ
dai va đập để vật liệu có được tính chất tổng hợp tốt nhất phù hợp với yêu cầu sử dụng.
Mài mòn: Mài mòn là một tính chất rất quan trọng của vật liệu chế tạo khuôn.
Cần phải hiểu độ mài mòn là tính chất công nghệ, nó phụ thuộc nhiều vào hệ mài, vào
điều kiện mài. Các thông số đưa ra chỉ có tính chất tham khảo vì nó chỉ đúng với một hệ
mài và điều kiện mài cụ thể. Chẳng hạn khả năng chống mài mòn của thép SKD11 khi vật
liệu dập là thép cacbon thông thường khác với vật liệu dập là thép không gỉ và khác xa
với vật liệu dập là hợp kim nhôm. Đa số các nhà công nghệ đều thống nhất rằng độ mài
mòn của các loại dụng cụ chế tạo từ loại thép SKD11 phụ thuộc vào độ cứng, hàm lượng
và sự phân bố cacbit. Hàm lượng cacbit càng cao thì độ cứng càng cao và khả năng chống
mài mòn càng tốt. Tuy nhiên, như đã đề cập ở phần độ dai va đập, độ cứng cao thì độ dai
va đập thường giảm vì thế phải chọn độ cứng và độ dai hợp lý để có độ mài mòn tối ưu
và như thế tuổi thọ của khuôn mới được kéo dài.
1.2.2. Tổ chức và tính chất thép SKD11 sau xử lý lạnh

Hình.1.5: Tổ chức tế vi của thép sau tôi (a), sau xử lý lạnh (b)
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

17


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Những nghiên cứu cho thấy nhiệt độ gia công lạnh, thời gian giữ nhiệt khi gia công
lạnh là những yếu tố tác động tới sự hình thành và phát triển của cacbit. Một ví dụ về
nghiên cứu của Yang cùng cộng sự cho thấy sự thay đổi của tổ chức tế vi sau gia công lạnh
được chỉ ra trên hình 1.5. Ảnh tổ chức cho thấy, sau gia công lạnh có một lượng cacbit tiết
ra đáng kể, đồng thời hàm lượng austenit dư cũng giảm.

Có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để nghiên cứu cơ chế của các quá
trình chuyển biến cùng sự thay đổi tổ chức tế vi sau khi thép được xử lý lạnh: hiển vi điện
tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhiễu xạ tia X (XRD). Rất nhiều giả
thuyết được đưa ra dựa trên cấu trúc tế vi của mẫu thép nhận được sau xử lý lạnh, nhằm
giải thích cho sự cải thiện cơ tính của thép. Tuy nhiên, cơ chế của các chuyển biến xảy ra
trong thép trong quá trình xử lý lạnh vẫn chưa hoàn toàn được làm rõ.

Hình.1.6: Ảnh hiển vi quang học của thép sau tôi (a), sau xử lý lạnh (b)
Tổ chức thép trên ảnh điện tử thứ cấp (SEM) (hình 1.6) cho thấy, xử lý lạnh không
ảnh hưởng đến hình dạng và sự phân bố của cacbit sơ cấp. Tuy nhiên, do độ phóng đại
thấp nên viêc phân biệt cacbit thứ cấp chưa hòa tan hết sau nung tôi và cacbit tiết ra sau
xử lý lạnh khá khó khăn.
Kết quả xác định pha bằng nhiễu xạ Rơngen (hình 1.7) cho thấy, xử lý lạnh làm
giảm đáng kể lượng austenit dư. Loại cacbit tồn tại trong thép sau tôi và xử lý lạnh chủ
yếu là loại M7C3 (M=Fe,Cr,Mo) Tuy nhiên, việc khẳng định loại cacbit nào tiết ra bằng
phương pháp nhiễu xạ rơnghen khá khó khăn do các loại cacbit tiết ra ở nhiệt độ thấp có
kích thước nhỏ mịn, phân tán.
Các kết quả nghiên cứu trên các thép dụng cụ qua quy trình nhiệt luyện có xử lý
lạnh cho thấy, lượng austenit dư được chuyển biến thành mactenxit triệt để hơn so với sử

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

18


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
dụng phương pháp nhiệt luyện truyền thống để loại bỏ austenit dư. Do vậy, độ bền và tuổi
thọ của chi tiết tăng lên

Cường độ nhiễu xạ

Mo K

Góc 2
Hình 1.7: Giản đồ nhiễu xạ rơnghen mẫu khối
CHT- nhiệt luyện thông thường
CT-xử lý lạnh thông thường
SCt – xử lý lạnh nông
DCT- xử lý lạnh âm sâu
Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, tác dụng cải thiện cơ tính thép của quy trình nhiệt
luyện có xử lý lạnh so với quy trình nhiệt luyện truyền thống còn do sự đóng góp lớn từ
sự tiết cacbit thứ cấp trong quá trình xử lý lạnh. Trong đó, nhiệt độ gia công lạnh và thời
gian giữ nhiệt khi gia công lạnh là những yếu tố tác động mạnh nhất đến sự hình thành và
phát triển của cacbit thứ cấp. Và chính sự tiết cacbit này đóng góp rất lớn đến việc cải
thiện độ cứng và tính chống mài mòn của các loại thép qua xử lạnh.
Các kết quả nghiên cứu độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép sau khi nhiệt
luyện thông thường và xử lý lạnh được thể hiện ở hình 1.8(a,b). Có thể thấy rằng, xử lý
lạnh làm tăng độ cứng nhưng không nhiều, do lượng austenit dư giảm (hình 1.8a). Tuy
nhiên, khả năng chống mài mòn của thép được cải thiện đáng kể. Nguyên nhân là do khi
xử lý lạnh, lượng cacbit nhỏ mịn phân tán được tiết ra đáng kể, đặc biệt là khi làm lạnh
âm sâu (hình 1.8b).

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

19


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Khả năng chống mài mòn [m3.m-1]

Độ cứng [GPa]

Tải trọng, FN [N]

Độ cứng thô đại
HV60

Độ cứng tế vi
HV0,05

Hình 1.8: Độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép D2 sau các phương án nhiệt
luyện khác nhau
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý lạnh
Các thông số công nghệ như thời gian xử lý, thông số về nhiệt độ, số lần lặp lại chu
kỳ ram thép, kết hợp với thành phần hợp kim và quy trình xử lý nhiệt trước đó sẽ làm thay
đổi tính chất của thép.
Darwin và cộng sự (2007, 2008) đã xác định các thông số chính liên quan đến
việc xử lý lạnh như: tốc độ làm nguội, nhiệt độ giữ nhiệt, thời gian giữ nhiệt, tốc độ
nung, nhiệt độ ram và thời gian ram. Các kết quả của họ cho thấy tầm quan trọng của
các thông số trong việc cải thiện các tính chất cơ học của thép và chúng được đánh giá
theo trình tự của tầm quan trọng như sau:


Nhiệt độ xử lý lạnh: 72%



Thời gian giữ nhiệt: 24%



Tốc độ làm nguội: 10%



Nhiệt độ ram: 2%



Thời gian ram: không đáng kể

1.2.3.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh

Trong hai nghiên cứu khác nhau vào năm 2007 và 2008, Darwin và cộng sự cho
rằng nhiệt độ làm lạnh là nhân tố quan trọng nhất và chiếm 70% trong việc cải thiện tính
chịu mài mòn của thép.
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

20


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
Năm 2007, Reddy và cộng sự đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng tuổi thọ dụng
cụ của tấm cách ly P-30 tăng 9,58% và 21,8% khi được xử lý tại -960C và -1750C trong 24
giờ.
Năm 2005, Bensely và cộng sự đã chứng minh rằng tính chịu mài mòn của vật liệu
cải thiện 85% bởi xử lý lạnh nông (ở nhiệt độ -800C) và cải thiện 72% bởi xử lý lạnh sâu

(1960C) so với xử lý nhiệt thông thường. Họ cũng chứng minh tính chống mài mòn được
cải thiện từ quá trình lạnh sâu cao hơn so với quá trình lạnh nông 152%.
Nhiệt độ
-20  -800C
(Xử lý lạnh thông

Mục đích

Quá trình chuyển biến
Austenit dư chuyển

Giảm lượng Austenit dư trong thép

biến thành Mactenxit

thường)
-80  -1600C
(Xử lý lạnh nông)

-160  -1960C
(Xử lý lạnh âm sâu)

Hoàn thành chuyển
Giảm lượng Austenit dư đến tối đa
biến pha Mactenxit, bắt Tăng độ cứng
đầu có sự tiết cacbit
Ổn định kích thước
Tiết cacbit nhỏ mịn
phân tán

Tăng khả năng chịu mài mòn cho
chi tiết

Bảng 1.2: Vùng nhiệt độ gia công lạnh và ứng dụng
Khi nhiệt độ xử lý lạnh được tiếp tục giảm đến -1960C, tính chịu mài mòn được tăng
lên nhiều hơn. Công trình của Mohanlal và cộng sự (2001) đã kết luận rằng các mẫu đã
ram khi được xử lý lạnh ở nhiệt độ -1400C trong 24 giờ không mang lại kết quả, nhưng
khi được xử lý lạnh ở nhiệt độ -1800C trong 24 giờ thì đạt được kết quả mong muốn. Do
đó các mẫu đã được ram nếu được xử lý ở nhiệt độ thấp hơn vẫn có thể mang lại kết quả
tốt hơn, và vẫn ngang bằng với các mẫu được xử lý lạnh nhưng trước đó không được ram.
Điều này cũng kết luận rằng sự ổn định của các giai đoạn diễn ra trong thời gian ram đòi
hỏi mức làm nguội chậm và thời gian đủ để chuyển sang giai đoạn ổn định, chắc chắn hơn
để tạo ra tính chịu mài mòn tốt hơn.

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

21


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Hình 1.9: Mức độ cải thiện về tính chống mài mòn trong các mẫu thép dụng cụ được xử
lý lạnh so với mẫu không được xử lý lạnh

Theo hình 1.9, khi nhiệt độ xử lý lạnh càng thấp, thì tính chống mài mòn của thép
dụng cụ càng tăng. Kết quả cho thấy, tính chống mài mòn của chi tiết được xử lý lạnh cao
hơn của chi tiết không qua xử lý lạnh; hơn nữa, nhiệt độ xử lý lạnh càng thấp thì tính
chống mài mòn càng tăng. Những kết quả này được chứng minh bằng sự thay đổi tổ chức
tế vi của thép sau xử lý lạnh với sự xuất hiện của cacbit thứ cấp nhỏ mịn phân tán.
Mẫu thép D2 được xử lý nhiệt theo các quy trình xử lý lạnh, thấy rằng lượng cacbit

thứ cấp tiết ra trong mẫu được xử lạnh có kích thước nhỏ (SSC) chiếm đa số (hình 1.10).
Trong khi, mẫu thép D2 được xử lý nhiệt theo quy trình truyền thống là tôi và ram thì
cacbit thứ cấp có kích thước lớn chiếm đa số. Hơn nữa, khi nhiệt độ xử lý lạnh càng thấp
thì số lượng cacbit thứ cấp kích thước nhỏ càng nhiều. Đó là lý do tại sao, khi mẫu được
xử lý lạnh thì tính chống mài mòn tăng lên.

Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

22


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Hình 1.10: Ảnh SEM của mẫu (a) Nhiệt luyện theo phương pháp truyền thống, (b) được
xử lý lạnh thông thường, (c) được xử lý lạnh nông, (d) được xử lý lạnh sâu.
LSCs: cacbit kích thước lớn;
SSCs: cacbit kích thước nhỏ;
γr : Austenit dư.
Từ các kiểm tra thực nghiệm bởi Barron (1974), tính chịu mài mòn của các mẫu thép
dụng cụ 52.100, D2, A2, M2 và O1 (Hình. 1.11.) giữ nhiệt ở nhiệt độ -1900C được chứng
minh là cao hơn khoảng 2,6 lần so với tính chịu mài mòn của mẫu thép dụng cụ giữ nhiệt
ở mức nhiệt -640C, -690C. Collins và Dormer (1997) đã chứng minh rằng lượng cacbit
tăng tương ứng với mức giảm nhiệt độ lạnh đối với thép dụng cụ D2 như thể hiện ở hình.
1.11.

Hình. 1.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ mài mòn trên thép D2 (Collins
và Dormer, 1997).
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

23

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu
1.2.3.2.

Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt

Darwin và cộng sự (2007, 2008) đã khẳng định sự đóng góp của giai đoạn giữ nhiệt
trong việc cải thiện tính chịu mài mòn của thép là từ 16% đến 30%. Das và cộng sự (2007)
đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến hệ số ma sát và cacbit của thép D2,
cho rằng thời gian giữ nhiệt không ảnh hưởng đến độ cứng, nhưng tính chịu mài mòn tăng
khi thời gian giữ nhiệt tăng. Trong một nghiên cứu khác, Jinyong và cộng sự (2007) xử lý
thép gió bằng xử lý lạnh trong 2 giờ và 16 giờ đã cho thấy rằng khả năng chống mài mòn
là cao hơn khi xử lý thép trong 16 giờ.
Bằng các kết quả nghiên cứu trên các thép làm khuôn dập nóng AISI M2, HSS và
AISI H13, Molinari và cộng sự (2001) khuyến cáo thời gian giữ nhiệt tối đa không được
quá 35 giờ; khoảng thời gian giữ nhiệt lâu hơn không có bất kỳ tác dụng đáng kể nào.
Trong hai nghiên cứu độc lập của mình, Dobbins (1995) và Barron (1996) đã chứng minh
rằng thời gian giữ nhiệt có vai trò quan trọng đối với các thuộc tính cuối cùng của thép
dụng cụ, và thời gian giữ nhiệt 20 giờ là đủ vì các nguyên tử trong vật liệu đòi hỏi thời
gian để khuếch tán đến các vị trí mới. Collins và Dormer (1997) và Collins (1996, 1998)
cho thấy thời gian giữ nhiệt ảnh hưởng đến độ cứng, tính chịu mài mòn và mật độ cacbit
của nhiều loại thép vì quá trình khuếch tán diễn ra rất chậm ở nhiệt độ âm. Theo các nghiên
cứu của Collins và Dormer (1997) đã thực hiện trên thép dụng cụ, nhiệt độ xử lạnh ảnh
hưởng đáng kể đến lượng cacbit tiết ra, vốn tăng theo thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ lạnh,
trong khi thời gian xử lý trên 24 giờ mang lại độ cứng cao hơn.
Lomte và Chikalthankar (2007) cũng khẳng định rằng thời gian giữ nhiệt khác nhau
trong quá trình xử lý lạnh của thép AISI D2 ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất dư trong
thép và độ bền của một số loại thép dụng cụ nào. Tuy nhiên, trong bằng sáng chế của mình,
Kamody (1993) khẳng định rằng thời gian giữ nhiệt không có vai trò trong việc quyết định

đến trạng thái cuối cùng của vật liệu được xử lý và khoảng thời gian giữ nhiệt 10 phút đã
được đề xuất để vật liệu đạt trạng thái cân bằng nhiệt trước khi được lấy ra và nung nóng
lại. Công trình của Moore và Collins (1993) về ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đối với
thép chứa V, D2 và thép dụng cụ H13 cho thấy đối với hai loại thép dụng cụ đầu tiên, có
rất ít hoặc không có gì thu được thông qua việc giữ nhiệt trong thời gian dài; tuy nhiên loại
thép thứ ba cho thấy độ cứng cao hơn sau khi được giữ nhiệt trong 40 phút. Das và cộng
sự (2009) đã thực hiện một loạt các kiểm tra về tính chịu mài mòn trên các mẫu thép AISI
D2 đã qua xử lý lạnh trong các khoảng thời gian khác nhau và kết luận rằng thời gian là
yếu tố quyết định để đạt được tính chịu mài mòn cao nhất. Do đó, một khoảng thời gian
giữ nhiệt tối ưu có thể được áp dụng cho từng loại thép mặc dù sự khác biệt về tính chất
do thời gian giữ nhiệt khác nhau có thể khá nhỏ.
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

24


Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Hình.1.12: Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt ở -1960C đối với nhóm cacbit ở thép
D2 (Collins và Dormer, 1997)

Hình. 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ auxtenit hóa và thời giữ ở nhiệt độ lạnh đối với
độ cứng của khuôn thép dụng cụ nóng D2 (Collins và Dormer, 1997)
Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B

25