Nhiệt luyện trong lò cảm ứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

----------

BÁO CÁO MÔN HỌC
CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN.

ĐỀ TÀI : NHIỆT LUYỆN TRONG LÒ CẢM ỨNG

GVHD:

TS. Trần Văn Khải

SVTH:

Mai Thị Trúc

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2019


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... iiii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC LÒ CẢM ỨNG. ..........................................1
1.1.

Lò cảm ứng ........................................................................................................1

1.2.

Các vấn đề về lò cảm ứng ..................................................................................2

1.2.1.

Nhiệt năng trong lò cảm ứng. .....................................................................2

1.2.2.

Cấu tạo bộ phận nhiệt luyện ........................................................................3

CHƯƠNG 2 NHIỆT LUYỆN TRONG LÒ CẢM ỨNG. .........................................4
2.1.

Tổng quan về nhiệt luyện trong lò cảm ứng ......................................................4

2.1.1.

Các loại vật liệu sử dụng nhiệt luyện trong lò cảm ứng. ............................4

2.1.2.

Phân loại lò cảm ứng dùng trong nhiệt luyện. ............................................5

2.1.3.

Ứng dụng .....................................................................................................5

2.2.

Lý thuyết nhiệt luyện sử dụng lò cảm ứng ........................................................6

2.3.

Tôi bề mặt ........................................................................................................11

2.3.1.

Nguyên lý, quá trình ..................................................................................11

2.3.2.

Lựa chọn thông số .....................................................................................15

2.3.3.

Thí nghiệm về ảnh hưởng của hiệu bề mặt tới vật liệu .............................19

2.4.

Ram cảm ứng ...................................................................................................23

2.5.

Ủ cảm ứng ........................................................................................................28

CHƯƠNG 3 TỔNG KẾT, ƯU NHƯỢC ĐIỂM. ........................................................31
3.1.

Ưu nhược điểm khi sử dụng lò cảm ứng để nhiệt luyện: .................................31

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................34

i


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý lò cảm ứng ............................................................................1
Hình 1. 2 Cấu tạo bộ phận nhiệt luyện ............................................................................3
Hình 1. 3 Cấu tạo bộ phận nhiệt luyện chi tiết bánh răng ...............................................3
Hình 2. 1 Nhiệt độ Curie của một số loại vật liệu ..........................................................7
Hình 2. 2 Độ sâu xuất hiện dòng điện của một số vật liệu (mm) ....................................8
Hình 2. 3 Biểu đồ nhiệt dung của thép khi nung .............................................................8
Hình 2. 4 Biểu đồ nhiệt độ...............................................................................................9
Hình 2. 5 Nhiệt dung riêng của một số loại vật liệu ........................................................9
Hình 2. 6 Năng lượng cần thiết cho một số vật liệu ......................................................10
Hình 2. 7 Hiệu suất sử dụng nhiệt .................................................................................11
Hình 2. 8 Sơ đồ quá trình tôi liên tục liên tiếp ..............................................................13
Hình 2. 9 Đầu cảm ứng gắn vào bánh răng ...................................................................14
Hình 2. 10 Nhiệt luyện một mặt sản phẩm ....................................................................15
Hình 2. 11 Biểu đồ xác định công suất riêng bề mặt cho phép ....................................16
Hình 2. 12 Biểu độ động học chuyển pha P γ ...........................................................17
Hình 2. 13 Nhiệt độ và tốc độ nung của một số mác thép tôi bề mặt cảm ứng .............18
Hình 2. 14 Thành phần hóa học của mẫu thép AISI 1050 ............................................19
Hình 2. 15 Hình ảnh của mẫu sau 0, 3 và 9 giây ...........................................................19
Hình 2. 16 Sự thay đổi của tần số và cường độ dòng điện theo thời gian (f,I ~ t) ........20
Hình 2. 17 Biểu đồ quan quan hệ giữa độ cứng theo chiều sâu lớp tôi ........................22
Hình 2. 18 Cấu trúc tế vi của mẫu tại 2,4,6,8 mm ........................................................23
Hình 2. 19 Mối quan hệ giữa thời gian và độ cứng trong quá trình ram trong lò nung và
trong lò cảm ứng ...........................................................................................................24

Hình 2. 20 Nhiệt độ bề mặt và phần lõi của phôi trong quá trình gia nhiệt và làm nguội
khi ram ...........................................................................................................................26
Hình 2. 21 Ảnh hưởng của thông số nguồn và tần số tới chất lượng sản phẩm khi ram
cảm ứng .........................................................................................................................26
Hình 2. 22 Dữ liệu sản xuất khi ram cảm ứng. ..............................................................27
Hình 2. 23 Mô hình ủ cảm ứng với sản phẩm ống thép ...............................................29
Hình 2. 24 Mô hình ủ cảm ứng với sản phẩm ống nhôm .............................................30

ii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Các mác thép không thích hợp để xử lý nhiệt cảm ứng ..................................5

iii


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC LÒ CẢM ỨNG.

1.1. Lò cảm ứng
Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ (Định luật Faraday): năng
lượng điện xoay chiều cấp cho cuộn cảm để tạo một từ trường biến thiên, khi đặt vật
dẫn vào trong từ trường đó thì trong vật xuất hiện (cảm ứng) dòng điện cảm ứng (dòng
Foucault). Dưới tác dụng của dòng điện cảm ứng chạy trong vật nung, nhiệt năng được
toả ra trong vật nung theo định luật Joule-Lenx.

Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý lò cảm ứng
Theo nguyên lý dẫn từ, lò cảm ứng được chia ra hai loại: lò cảm ứng có lõi sắt và lò cảm

ứng không có lõi sắt.Theo tần số sử dụng, lò cảm ứng lại được chia ra: lò tần số thấp
(tần số công nghiệp 50Hz), lò trung tần (500-10.000 Hz) và lò cao tần (200-1.000 KHz).
Để tạo ra tần số cao, lò cần sử dụng các thiết bị phát tần số như: máy phát điện, đèn phát
điện tử hay bán dẫn (Thyristor).
Ưu điểm:
• Để nhiệt luyện thép và hợp kim trong lò điện người ta sử dụng năng lượng điện biến
thành nhiệt năng, do đó tập trung được năng lượng nhiệt lớn để nung nóng kim loại
nhanh đặc biệt chỉ nung nóng bề mặt
• Dễ điều chỉnh nhiệt độ, thời gian và quá trình gia nhiệt theo ý muốn
• Sản phẩm không tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa, không có khí thải , đảm bảo an toàn
môi trường
• Thiết bị có thể tự động, cơ khí hóa, nâng cao hiệu suất sản phẩm.
• Hiệu suất sử dụng năng lượng lớn, ít hao tốn năng lượng từ đó giảm tiêu phí sản xuất.
Nhược điểm:

1


• Giá thành các loại thép lò điện cao còn vì tiêu tốn chi phí điện năng và chi phí mua
điện cực lớn.
• Yêu cầu trình độ kỹ thuật cao.
• Chi phí rất cao khi phải sửa chữa hư hỏng, bảo trì
1.2. Các vấn đề về lò cảm ứng
1.2.1. Nhiệt năng trong lò cảm ứng.
Theo định luật Faraday, Năng lượng điện gia nhiệt cho kim loại được tính theo công
thức :

Trong đó :

I1.n1 : ampe vòng ( A.mm)

d: đường kính nồi chứa kim loại ( mm )
h: chiều cao nồi lò ( mm)
ρ: điện trở suất kim loại ( Ω.m)
f : tần số làm việc (Hz)
Nhiệt năng truyền vào khối kim loại phụ thuộc vào các yếu tố sau:
• Điện trở suất ρ và hệ số từ thẩm µ của kim loại
• Trị số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng trị số dòng điện lên hai lần thì nhiệt năng
tăng lên bốn lần.
• Tần số dòng điện của nguồn cấp. Nếu tăng tần số lên bốn lần thì nhiệt năng sẽ tăng
lên hai lần.
Từ đó ta nhận thấy rằng: tăng dòng điện của nguồn cấp hiệu quả hơn tần số của nguồn
cấp nhưng thực tế trị số dòng không thể tăng lên được quá lớn vì lý do cách điện, trị số
dòng lớn làm nóng chảy vòng cảm ứng (mặc dù đã được làm mát bằng dòng nước liên
tục) cho nên thực tế người ta tăng tần số của nguồn cấp.

2


1.2.2. Cấu tạo bộ phận nhiệt luyện
Cấu tạo của bộ phận nhiệt luyện được miêu tả như hình 1.2

Lõi nhiệt luyện

Phần không
nhiệt luyện

Phần được nhiệt
luyện

Hình 1. 2 Cấu tạo bộ phận nhiệt luyện
Cấu tạo gồm một lõi thép bao quanh bộ phận cần được nhiệt luyện. Cho một dòng điện
cao tần chạy qua lõi thép ấy. Khi đó sẽ xuất hiện dòng tạo ra điện trường và theo nguyên
lý Fu-cô làm nóng kim loại. Chỉ có bề mặt của sản phẩm nhiệt luyện được nung nóng
do dòng điện Fu-cô chỉ nung nóng vật ở bề mặt.
Ngoài ra khi nhiệt luyện các chi tiết bánh răng thì cấu tạo của bộ phận nhiệt luyện có
dạng như sau:

Hình 1. 3 Cấu tạo bộ phận nhiệt luyện chi tiết bánh răng
Bộ phận có đường kính càng lớn thì lõi nhiệt luyện cũng tăng dần kích thước theo. Tuy
nhiên, công suất của máy có giới hạn nên thường bộ phận nhiệt luyện ( các lõi cảm ứng
hay cuộn cảm ứng ) sẽ có kích thước phù hợp và dùng các phương pháp nhiệt luyện
khác nhau để khắc phục
3


CHƯƠNG 2

NHIỆT LUYỆN TRONG LÒ CẢM ỨNG.

2.1. Tổng quan về nhiệt luyện trong lò cảm ứng
Máy cảm ứng tần số cao và công nghệ nhiệt luyện cảm ứng hiện đang là công nghê gia
nhiệt với hiệu suất gia nhiệt cao nhất (dành cho vật liệu kim loại), tốc độ nhanh nhất và
công suất tiêu thụ thấp do đó góp phần bảo vệ môi trường. Nó đã được sử dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp gia công vật liệu kim loại, xử lý nhiệt, hàn, quá trình
nóng chảy vật liệu. Nó không chỉ có thể làm nóng phôi một cách toàn bộ, mà còn gia
nhiệt cục bộ cho phôi; nhiệt của phôi chỉ tập trung vào bề mặt của nó. Không chỉ làm
nóng trực tiếp vật liệu kim loại, mà còn trên phi kim hay vật liệu nhiệt luyện gián tiếp.
Vì vậy, công nghệ gia nhiệt cảm ứng được sử dụng rộng rãi ngày nay.
Quy trình xử lý: Quá trình gia nhiệt này thường được sử dụng trên bề mặt của vật liệu

cần làm cứng, nhưng cũng có thể được sử dụng để ủ hoặc ủ một phần. Đầu những năm
1930, Hoa Kỳ và các quốc gia, Liên Xô đã áp dụng phương pháp gia nhiệt cảm ứng cho
bề mặt làm cứng các bộ phận. Với sự phát triển công nghiệp, gia nhiệt cảm ứng, xử lý
nhiệt công nghệ tiếp tục cải tiến, tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng.
2.1.1. Các loại vật liệu sử dụng nhiệt luyện trong lò cảm ứng.
Xử lý nhiệt cảm ứng có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu gang dẻo và thép.
Thông thường, thép carbon trung bình (% 0,35 -% 0,50 carbon) cho kết quả nhiệt luyện
cảm ứng cao nhất. Ngoài ra, vật liệu gang dễ uốn chất lượng cao (GGG 50 - 70) cũng
có thể áp dụng phương pháp này.
Đối với các loại thép cacbon có % cacbon cao hơn, Chromium có thể được thêm vào
thép (thường là 0,25-0,35%) để tương tác với hàm lượng carbon của thép và tạo ra các
carbua bề mặt nhằm tăng độ cứng bề mặt.
Các mác thép hơp kim sau không phù hợp để xử lý nhiệt cảm ứng.

4


Bảng 2.1: Các mác thép không thích hợp để xử lý nhiệt cảm ứng [1]
Thép làm việc nhiệt độ thường
210Cr12
155CrVMo12
60WCrV7
45NiCrMo4
90MnCrV8

Thép làm việc nhiệt độ cao
38CrMoV5
40CrMoV5
32CrMoV3
56NiCrMoV7

2.1.2. Phân loại lò cảm ứng dùng trong nhiệt luyện.
Theo tần số của dòng điện xoay chiều, nhiệt luyện cảm ứng được chia theo tần số làm
việc, bao gồm: UHF, HF, RF, MF.
• Xử lý nhiệt cảm ứng tần số cực cao (UHF) được sử dụng trong tần số hiện tại lên đến
27 MHz, lớp gia nhiệt cực kỳ mỏng, chỉ khoảng 0,15 mm, có thể được sử dụng cho
hình dạng phức tạp như cưa tròn và phôi cứng bề mặt mỏng.
• Xử lý nhiệt cảm ứng tần số cao (HF) thường được sử dụng trong tần số hiện tại từ
200 đến 300 kHz, độ sâu của lớp gia nhiệt là 0,5 đến 2 mm có thể được sử dụng cho
bánh răng, tay áo xi lanh, cam, trục,…
• Việc xử lý nhiệt cảm ứng vô tuyến (RF) với tần số hiện tại từ 20 đến 30 kHz, với hệ
thống sưởi bánh răng mô-đun nhỏ hiện tại siêu âm thanh, nhiệt luyện lớp thô dọc theo
phân phối hồ sơ răng, hiệu suất tốt hơn sử dụng lửa tinh khiết.
• Gia nhiệt cảm ứng 4 MF (Tần số trung bình - MF) xử lý nhiệt bằng cách sử dụng
dòng điện tần số thường từ 2,5 đến 10 kHz, độ sâu của lớp nhiệt luyện là 2 đến 8 mm,
và nhiều hơn nữa cho bánh răng mô-đun lớn, có trục đường kính lớn hơn và trục
nguội.
Ngoài ra, với công nghệ nhiệt luyện và gia nhiệt sử dụng dòng xoay chiều với tần số là
50 đến 60 Hz cũng được áp dụng, độ sâu của lớp nhiệt luyện là 10 đến 15 mm, có thể
được sử dụng cho bề mặt cứng của phôi lớn.
2.1.3. Ứng dụng
Nhiệt luyện cảm ứng được sử dụng rộng rãi để làm cứng bề mặt bánh răng, trục, trục
khuỷu, cam, con lăn,… của phôi. Mục đích là để cải thiện khả năng chống mài mòn và
5


khả năng chống mỏi của các sản phẩm này. Trục truyền của ô tô ứng dụng công nghệ
này để làm cứng bề mặt, chu kỳ tải thiết kế mỏi tăng khoảng 10 lần so với làm nguội và
tôi luyện. Nhiệt luyện cảm ứng bề mặt thường ứng dụng làm cứng vật liệu phôi thường
bằng thép carbon.

Để đáp ứng nhu cầu đặc biệt của một số phôi đã được phát triển cho cảm ứng làm nóng
bề mặt làm cứng thép chuyên dụng độ cứng thấp. Carbon cao phôi thép và gang cũng
có thể được sử dụng nhiệt luyện bề mặt gia nhiệt cảm ứng.

2.2. Lý thuyết nhiệt luyện sử dụng lò cảm ứng
Hiệu ứng bề mặt là xu hướng của dòng điện xoay chiều phân bổ nó trong dây dẫn với
mật độ dòng điện gần bề mặt dây dẫn lớn hơn so với ở gần lõi của nó, điều này ảnh
hưởng tới nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ bên trong của sản phẩm. Được tính bằng công
thức sau:

J = J0.𝑒 −𝑟/𝛥
Trong đó: r : Là khoảng cách giữa lõi cảm ứng và sản phẩm
Δ : Là độ sâu xuất hiện dòng điện.
J: Là mật độ dòng điện của vị trí đang xét
J0: Là mật độ dòng điện của bề mặt vật.
Chiều sâu bề mặt xuất hiện dòng điện: Ảnh hưởng bởi tần số của dòng điện được sử
dụng. Tần số dòng điện càng tăng, thì chiều sâu bề mặt nung nóng càng giảm đi. Bởi vì
thế tùy theo mục đích nhiệt luyện và chiều sâu cần nhiệt luyện, ta có thể chọn tần số
thích hợp. Thông thường tần số của dòng điện sử dụng là từ 100 – 450kHz ( thuộc dòng
điện cao tần) , bởi vì trong khoảng tần số này, độ sâu bề mặt và lượng nhiệt tỏa ra là
thích hợp để nung nóng liên tục của các bề mặt các vật vừa và nhỏ.Khi cần thiết tăng độ
sâu nung bề mặt, ta có thể tăng tần số của dòng điện lên, thông thường chỉ tăng từ 530kHZ. Ta sử dụng dòng điện cao tần bởi vì nhiệt lượng sinh ra lớn đồng thời độ sâu bề
mặt khi nung là vừa đủ. Theo công thức của Maxwell, quan hệ giữa tần số và độ sâu bề
mặt là: [1]
6


𝜌

𝛥 = 5030√

(cm)
𝑓.𝜇
Trong đó : Δ ∶ Độ sâu bề mặt xuất hiện dòng điện ( cm)
𝜌 : Điện trở suất lõi cảm ứng (Ω.cm)
𝑓: Tần số của dòng điện (Hz)
𝜇 : Độ từ thẩm ( H/cm)
Khi nhiệt độ tăng tới nhiệt độ Currie TC thì sẽ cần một nhiệt lượng để phá vỡ từ tính,
khiến cho độ từ thẩm của thép bị giảm đi và điện trở suất của thép được tăng lên do
nhiệt độ. Sự thay đổi các thông số 𝜌 và 𝜇 làm cho chiều dày xuất hiện dòng điện thay
đổi và được hiệu chỉnh theo công thức sau: [2]

Δ (20 ÷1000oC) =

500
√𝑓

(cm)

Trong đó Δ (20 ÷1000oC) : Độ sâu bề mặt xuất hiện dòng điện ( cm)
𝑓: Tần số của dòng điện (Hz)

Hình 2. 1 Nhiệt độ Curie của một số loại vật liệu [3]

7


Hình 2. 2 Độ sâu xuất hiện dòng điện của một số vật liệu (mm) [3]
Ví dụ xét một sản phẩm tôi bề mặt lên tới 12000C, sẽ xảy ra các quá trình:
• Nhiệt độ bề mặt tăng nhanh, nhiệt độ bên trong vẫn không thay đổi
• Khi tới nhiệt độ Currie : 7700C , thì toàn bộ lượng nhiệt được sử dụng để thay đổi từ

tính của thép. Nhiệt độ bề mặt không tăng thêm nữa do nhiệt dung riêng tăng cao.
• Khi phá vỡ xong từ tính thì nhiệt độ bề mặt tiếp tục tăng.
Sau đây là biểu đồ biểu hiện quá trình trên:

Nhiệt dung tăng mạnh
Hình 2. 3 Biểu đồ nhiệt dung của thép khi nung [4]
8


Sự chuyển biến nhiệt độ theo thời gian khi tôi một phôi có bán kính 16mm tới nhiệt độ
12000C với tổng thời gian 10s có dạng như sau:

Hình 2. 4 Biểu đồ nhiệt độ [4]
Ta nhận thấy rằng nhiệt độ của bề mặt tăng rất nhanh theo thời gian trong khi đó nhiệt
độ của lõi sản phẩm tuy tăng nhưng với tốc độ khá thấp và ít. Vật có kích thước càng
lớn thì nhiệt độ bên trong lõi sẽ thấp hơn nữa và gần như không tăng đáng kể. Để tính
toán nhiệt lượng cần cung cấp ta lần lượt xét các yếu tố sau:
Nhiệt lượng cần cung cấp cho phôi nhiệt luyện đến nhiệt độ thích hợp : Q1 = m.c.Δt
Trong đó c là nhiệt dung riêng của phôi cần nhiệt luyện, ta có bảng sau:

Hình 2. 5 Nhiệt dung riêng của một số loại vật liệu [3]
9


Nhưng bên cạnh đó, cần phải cung cấp lượng nhiệt mất mát qua bức xạ và sự tỏa nhiệt
của lõi cảm ứng, gọi là Q2 và Q3 :
Q2 = Ae.C0.( T14 – T24)
Q3 = I2.R
Vậy lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình nhiệt lượng là Q = Q1 + Q2 + Q3
Lượng nhiệt tỏa ra từ lò cảm ứng là :

Năng lượng tiêu hao khi nhiệt luyện các sản phẩm bằng các vật liệu khác nhau và ở các
nhiệt độ đạt được khác nhau được thống kê:

Hình 2. 6 Năng lượng cần thiết cho một số vật liệu [4]
10


Hiệu suất sử dụng nhiệt được thống kê như sau:

Hình 2. 7 Hiệu suất sử dụng nhiệt [4]
2.3. Tôi bề mặt
2.3.1. Nguyên lý, quá trình
Tôi bề mặt là công nghệ bao gồm nung nóng nhanh bề mặt chi tiết thép lên tới nhiệt độ
cần thiết bằng các 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 đến nhiệt
độ tôi còn phần lớn lõi vẫn chưa đạt nhiệt độ tôi nên khi tôi thì chỉ có bề mặt chi tiết
được tôi cứng, trong khi đó lõi, chi tiết vẫn mềm, đảm bảo tính dẻo dai.
Nguyên lý: Khi ta đặt chi tiết thép ( vật dẫn điện ) vào trong một điện từ trường biến
thiên với tần số f thì bề mặt chi tiết sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng có tần số biến
thiên f lần trong một giây. Dòng điên cảm ứng chủ yếu tập trung ở lớp bề mặt của chi
tiết. [1]
Các chi tiết làm việc trong điều kiện vừa chịu mômen xoắn lại vừa chịu mài mòn ma sát
trên bề mặt yêu cầu lõi cần có tính tổng hợp cao, bề mặt có độ cứng, tính chống mài
mòn cao.Yêu cầu trên được đáp ứng bằng cách nhiệt luyện hóa tốt cho lõi, còn bề mặt
thì được hóa bền, tăng cứng nhờ tôi trong lò cảm ứng cho các loại thép kết cấu hóa tốt.
Vì thế thép dùng để tôi trong lò cảm ứng thường là loại thép có hàm lượng cacbon trung
bình từ 0,4 % ÷ 0,6% . Người ta thường dùng thép hóa tốt có độ thấm tôi bình thường
hoặc thấp để tôi trong lò cảm ứng như C40, C45, C50, C55, C60,….Hiện nay người ta
11

còn dùng phương pháp tôi trong lò cảm ứng cho các loại thép có độ thấm tôi tương đối
cao bằng thép hóa tốt hợp kim thấp như 40Cr, 40CrV, hoặc thậm chí cả thép CD100,
ganng.
Có các phương pháp tôi bề mặt như sau: [1]
• Tôi đồng thời: Khi Po ≥ [Po] công suất máy hoàn toàn đáp ứng yêu cầu nung chi tiết
với diện tích đã cho với tần số f và chiều dày lớp nung xác định. Chi tiết được nung
nóng đồng thời toàn bộ trong vòng cảm ứng, sau khi đạt được nhiệt độ tôi, chi tiết
được mang ra làm nguội trong môi trường tôi.
• Tôi liên tiếp: Khi Po < [Po], công suất máy không đủ lớn để nung nóng toàn bộ bề
mặt diện tích được nung. Lúc này, chọn giải pháp nung từng phần nhỏ diện tích sau
đó tịnh tiến nung nóng phần khác trong khi vòng nước làm nguội ( dung dịch tôi) liên
tiếp phun nước để tôi phần vừa được nung. Phương pháp này áp dụng cho các chi
tiết dạng băng, thanh hoặc các chi tiết nhỏ gắn trên băng tải truyền động tịnh tiến,
vùng cảm ứng đứng yên hoặc ngược lại
• Tôi liên tục liên tiếp: Trường hợp này tương tự với tôi liên tiếp nhưng khác ở chỗ là
áp dụng đối với các chi tiết có bề mặt dạng trụ tròn như trục, bánh răng modun nhỏ,….
Trong phương pháp này thì thường các chi tiết vừa quay vừa tịnh tiến, vòng cảm ứng
thì đứng yên ( hoặc ngược lại)
Hình 2.8 là miêu tả quá trình tôi liên tục liên tiếp đối với chi tiết dạng trụ tròn.

12


Hình 2. 8 Sơ đồ quá trình tôi liên tục liên tiếp [5]
Quá trình tôi bề mặt được thực hiện như sau: Ban đầu, ta đặt vật vào trục của máy rồi
khởi động.Trục của máy được cấu tạo gồm một giá đỡ trên kèm theo đó là các vòng dây
thép hoặc ống lõi dây để có đường kính thích hợp để vật có thể đi lọt qua. Khi khởi
động, vật nhiệt luyện xoay quanh tâm và chuyển động tịnh tiến, khi đi qua vòng dây

hoặc ống lõi dây đó, vật nhận dòng điện cảm ứng chạy trên bề mặt của mình. Do đó, vật
được nung nóng ở bề mặt, nhiệt độ nung nóng được quy định từng loại mác thép và
được điều chỉnh bằng tần số và số vòng dây phù hợp.Khi đi qua lớp vòng dây ấy, sẽ có
một bộ phận phun nước ( hoặc dung dịch làm nguội phù hợp) nhằm làm nguội nhanh bề
mặt của vật nấu luyện để tôi bề mặt. Số lần nung nóng và làm nguội tùy thuộc vào quy
định sản phẩm. Kết thúc quá trình, sản phẩm sẽ có tính chất cứng bề mặt, nhưng bên
trong vẫn đảm bảo được độ dẻo dai cần thiết.

13


Hình 2. 9 Đầu cảm ứng gắn vào bánh răng [6]
Tuy nhiên, tùy thuộc vào loại sản phẩm, ta có các dạng của đầu cảm ứng hoặc cuộn dây
cảm ứng khác nhau. Ví dụ khi tôi luyện bề mặt của các bánh răng, người ta thiết kế các
đầu cảm ứng gắn vào các rãnh bánh răng như hình 2.9. Khi đó, các cuộn dây sẽ nằm ở
bên trong các đầu cảm ứng và được gắn sát bánh răng. Khi khởi động thì vị trí các rãnh
bánh răng sẽ nhận dòng điện fu-cô thay vì toàn bộ bề mặt của bánh răng, với thiết kế
này thì ta sẽ nâng cao năng suất và tiết kiệm được năng lượng và thời gian cần thiết để
nhiệt luyện.
Hình 2.10 thể hiện quá trình tôi đồng thời vật. Thường thì ta chỉ áp dụng đối với các vật
có diện tích bề mặt nhỏ sẽ cho hiệu suất cao hơn do công suất của máy không quá lớn,
ảnh hưởng đến chi phí đầu tư máy móc thiết bị.

14


Hình 2. 10 Nhiệt luyện một mặt sản phẩm [5]
Sản phẩm thường sẽ được đặt trên cuộn cảm ứng ( hoặc vòng quanh đối với các chi tiết
hình trụ tròn) , sau khi khởi động máy thì toàn bộ bề mặt của sản phẩm đều xuất hiện
dòng điện cảm ứng và được nung nóng. Thông thường quá trình nung nóng chỉ xảy ra

từ 1 – 2s, sau đó vật được đem đi làm nguội trong nước ( hoặc dung dịch tôi tương ứng).
Sau khi tôi trong lò cảm ứng, vật được đem ram thấp hoặc tiến hành tôi tự ram. Quá
trình tự ram khi tôi cảm ứng được thực hiện nhờ lượng nhiệt dư trong lõi chi tiết ram
qua lớp vỏ mỏng đã được tôi cứng ở bên ngoài. Điều khiển quá trình tự ram khi tôi cảm
ứng thông qua thời gian cần thiết phun lượng dung dịch tôi lên bề mặt chi tiết. Bằng các
cảm ứng nhiệt độ, ta có thể xác định nhiệt độ tự ram, và từ thí nghiệm đo độ cứng, xem
tổ chức tế vi, ta có thể xác định thời gian và lưu lượng phun lượng dung dịch tôi lên bề
mặt chi tiết. Sau khi tôi và ram thấp thì độ cứng bề mặt của thép hóa tốt vào khoảng 56
÷ 60 HRC. [1]
2.3.2. Lựa chọn thông số
Cách lựa chọn các thông số trong công nghệ tôi trong lò cảm ứng
Tần số dòng điện: Tần số dòng điện được lựa chọn dựa vào chiều sâu lớp được tôi (
chiều sâu lớp được nung ) yêu cầu. Các chi tiết lớn như trục cán, chiều sâu lớp được tôi
yêu cầu từ 4 ÷ 6 mm. Các chi tiết nhỏ yêu cầu lớp tôi mỏng chỉ từ 1 ÷ 2 mm như các
loại trụ nhỏ, acpiston. Ta dựa vào công thức sau để tính tần số :

f =(

500 2
)
𝛥
15

Hz


Công suất riêng bề mặt: [2]

P0 =

𝑃𝑚.𝜂
𝐹

KW/cm2

Với Pm : Công suất của máy (KW)
F : Diện tích của bề mặt cần nung ( hoặc diện tích của bề mặt cuộn cảm ) (cm2)
𝜂 : Hiệu suất của vòng cảm ứng và biến áp hạ thế.

𝜂 = ηCảm ứng . ηbiến áp = 0,8 .0,8 = 0,64
Công suất riêng bề mặt cho phép [P0] được xác định thông qua tần số dòng điện f và
chiều sâu lớp được tôi Δ bằng biểu đồ sau:

Hình 2. 11 Biểu đồ xác định công suất riêng bề mặt cho phép [2]
Nếu P0 ≥ [P0] thì có thể tiến hành tôi đồng thời toàn bộ diện tích F.
Nếu P0 < [P0] thì phải chia diện tích F thành các phần diện tích nhỏ hơn để tôi, bằng
công nghệ tôi liên tiếp. Hoặc nói cách khác nếu công suất máy nhỏ mà bề mặt cần tôi

16


quá lớn thì phải tôi từng phải nhỏ của vật cần tôi. Công suất riêng bề mặt nên chọn bằng
công suất riêng bề mặt cho phép bằng cách thay đổi diện tích bề mặt cuộn cảm ứng.
Nhiệt độ tôi: Nhiệt độ tôi trong lò cảm ứng được chọn theo công thức: [2]

t0cảm ứng = t0AC + ( 100 ÷ 200 )0C
Đối với thép trước cùng tich thì t0AC là nhiệt độ AC3, đối với thép sau cùng tích thì t0AC
là nhiệt độ ACm
Nhiệt độ tôi cảm ứng sở dĩ cao như vậy vì tốc độ nung nóng bằng dòng điện cảm ứng
rất lớn nên nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến pha P  γ đều nâng lên phía nhiệt

độ cao. Hình dưới là biểu độ động học chuyển pha P  γ :

Hình 2. 12 Biểu độ động học chuyển pha P γ [2]
Trong đó, đường 1 là đường bắt đầu chuyển biến, đường 2 là đường kết thúc chuyển
biến, đường 3 là đường hòa tan cacbit, đường 4 là đường đồng đều hóa Austenit. Ta thấy
rằng khi ta nung với tốc độ nung V2 > V1 , chuyển biến bắt đầu và kết thúc ở nhiệt độ
cao hơn và trong thời gian ngắn hơn. Dù rằng nhiệt độ tôi khá cao so với tôi thế tích
nhưng do tốc độ nung rất cao, thời gian nung đạt nhiệt độ tôi rất ngắn, các hạt Austenit
vẫn chưa kịp phát triển lớn. Vì vậy do nhiệt độ tôi cao, tốc độ sinh mầm lớn, thời gian
nung ngắn nên hạt Austenit khi tôi trong lò cảm ứng có kích thước rất bé , và khi làm
nguội nhanh sẽ được tổ chức Mactenxit hình kim siêu mịn. Các thông số tôi được xác
định bằng bảng sau:

17


Hình 2. 13 Nhiệt độ và tốc độ nung của một số mác thép tôi bề mặt cảm ứng [2]
Dung dịch làm nguội:[7]
Nước: Là môi trường tôi mạnh, an toàn, rẻ tiền, dễ kiếm, có các đặc điểm sau:
•

Nước lạnh từ 10 - 30 độ C có tốc độ nguội khá lớn 600°C/s, chính vì thế dễ gây nứt,
cong vênh và biến dạng.

•

Khi tôi nước bị nóng lên thì tốc độ nguội lại giảm mạnh. Khi nước nóng lên tầm 50°C
thì tốc độ nguội chỉ còn là 100°C/s, chính vì vậy không nên để nước nóng tới 50°C ,
hạn chế bằng cách xịt nước liên tục bằng nước mới.

Dung dịch Kiềm và dung dịch muối: Các dung dịch như NaCl, Na2CO3 (10%) và dung
dịch Kiềm NaOH, KOH với nồng độ thích hợp là các dung dịch tôi mạnh nhất với các
đặc điểm sau:
•

Tốc độ nguội đạt được 1100°C/s đến 1200°C/s.

•

Tăng khả năng tôi cứng ở thép do tốc độ nguội ở nhiệt độ cao tăng.

•

Ít gây cong vênh và nứt do không tăng tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp.

Môi trường Dầu: Là dung dịch tôi thường dùng nhất có tốc độ nguội nhỏ, gồm các loại
dầu máy, dầu khoáng vật
•

Tốc độ nguội đạt được 100°C/s đến 150°C/s.

•

Khi tôi thì dầu dễ bị bốc cháy, và tạo ngọn lửa cao, nên cần chú ý lửa hỏa hoạn khi
tôi trong dầu.

•

Tốc độ nguội 200°C - 300°C khoảng 20°C/s đến 25°C/s, nên tránh được cong vênh
và nứt.

•

Là môi trường tôi gây hại cho sức khỏe và con người.
18


•

Thường dùng để tôi thép hợp kim và thép cacbon có biên dạng phức tạp

•

Dầu thường sử dụng trong tôi cảm ứng là loại dầu giải nhiệt emunxi với tỷ lệ pha
thích hợp.

2.3.3. Thí nghiệm về ảnh hưởng của hiệu bề mặt tới vật liệu
Chuẩn bị:
Vật liệu mẫu: mẫu hình trụ làm bằng thép carbon, trong đó hàm lượng carbon tương
ứng với AISI 1050 ( %C ~ 0.42 – 0.50). Thành phần hóa học được chỉ định trong bảng
hình dưới đây.

Hình 2. 14 Thành phần hóa học của mẫu thép AISI 1050 [8]
Hai loại mẫu thép carbon có đường kính 27 mm (mẫu A) và đường kính 50 mm (mẫu
B) đã được chuẩn bị để nung nóng ở 900 C. Dầu được sử dụng làm chất lỏng làm mát
trong quá trình làm nguội.
Quá trình cảm ứng
Sự phát triển của sự phân phối nhiệt cho mẫu A trong quá trình cảm ứng trong 0, 3 và 9
giây của hệ thống sưởi được mô tả trong hình 2.15 (a - c). Quá trình gia nhiệt được tiến
hành trong đó nhiệt độ trên bề mặt mẫu vật dao động từ 890 – 920 oC. Mẫu vật được đặt

ở trung tâm của cuộn dây với khoảng cách 4 mm giữa cuộn dây bên trong và mẫu vật
bên ngoài đường kính. Vị trí đo nhiệt kế hồng ngoại được biểu thị bằng đèn đỏ gần
đường kính ngoài, như trong hình dưới đây.

Hình 2. 15 Hình ảnh của mẫu sau 0, 3 và 9 giây [8]
19


Sau 10 giây của quá trình cảm ứng, mẫu thử được làm nguội vào thùng chứa dầu bằng
cách mở cổng bên dưới mẫu vật. Quá trình cảm ứng và vị trí mẫu vật cho mẫu B tương
tự mẫu A nhưng thời gian cảm ứng được kéo dài hơn để đạt được nhiệt độ austenite.
Kết quả:
Tần số: Kết quả đo tần số cho mẫu A và B trong quá trình cảm ứng được mô tả trong
hình 2 (a-b). Đối với mẫu A, tần số dao động từ 68 - 72 KHz trong khi đối với mẫu B,
tần số thấp hơn và dao động trong khoảng 57 - 62 KHz. Từ đó, với cùng công suất
nguồn, vât A cần tần số cao hơn so với vật B, hay tần số cảm ứng sẽ giảm khi đường
kính mẫu vật tăng.

Hình 2. 16 Sự thay đổi của tần số và cường độ dòng điện theo thời gian (f,I ~ t) [8]
(a) Biểu đồ tương ứng với mẫu A, (b) Biểu đồ tương ứng với mẫu B
Cường độ dòng điện:
• Trong quá trình cảm ứng cho mẫu A và B, ngoài yếu tố tần số, còn phụ thuộc được
vào cách sử dụng sắp xếp cuộn dây khác nhau. Hình 2 (a) và (b) hiện tại cũng mô tả
sự thay đổi trong quá trình tôi bề mặt cảm ứng. Dành cho mẫu A, cường độ dòng điện
hiện tại từ 40 - 45 Ampe, điện áp 8,8 - 10 KVA. Mẫu B dao động từ 70-75 Ampe và
điện áp khoảng 15 - 16KVA. Sự gia tăng của đường kính mẫu gây ra sự gia tăng của
cường độ dòng điện.
• Yêu cầu của dòng điện có công suất khá cao do thiết lập máy cảm ứng thành công
suất thực tối đa. Việc cung cấp hiện tại cho máy cảm ứng có thể được kiểm soát để
giảm yêu cầu năng lượng. Tuy nhiên, nó sẽ làm tăng thời gian làm nóng.

20


• Sự gia tăng của đường kính mẫu vật làm tăng cường độ dòng điện, từ đó dẫn đến
tăng năng lượng đầu vào.
Độ cứng của lớp tôi
Sự phân bố độ cứng trên bề mặt mẫu thử là tác động của cảm ứng quá trình được thể
hiện trong hình 3 (a-b).
Độ cứng ban đầu của vật liệu thép carbon nhận được là 21-22 HRC. Quá trình làm nguội
bằng cách sử dụng tôi cảm ứng làm tăng độ cứng vật liệu trên bề mặt đến 55-59 HRC.
Nó tăng gần 3 lần so với độ cứng ban đầu. Độ cứng giảm khi tăng khoảng cách từ đường
kính ngoài. Quá trình làm nguội mẫu vật sẽ làm cứng bề mặt nhưng làm mềm vùng lõi
của mẫu vật. Độ cứng của tâm mẫu thử giảm xuống còn 16-17 HRC.

21