Nhiệt luyện là gì? Tìm hiểu các phương pháp và giai đoạn để giúp vật tư trở nên tốt hơn.

I. Tổng quan

Nhiệt luyện (xử lý nhiệt) bổ sung khoảng 15 tỷ đô la mỗi năm vào giá trị của các sản phẩm kim loại, với khoảng 80% trong số đó là các sản phẩm thép. Nhiều quốc gia tiên tiến chưa công bố và còn bí mật một số công nghệ nhiệt luyện – yếu tố tạo ra một vật liệu có giá thành hạ nhưng tính năng sử dụng rất cao.

Có một sự thật thú vị rằng việc thay đổi tính chất của kim loại dường như đã được thực hiện đầu tiên bởi những người Hy Lạp và La Mã. Các nghệ nhân của họ đã biết cách kiểm soát các đặc tính cuối cùng của thép bằng cách tôi và thậm chí đã thử nghiệm các điều kiện và tác nhân tôi khác nhau. Nhiệt độ làm nguội được kiểm soát trực quan bằng màu sắc bề mặt, đây vẫn là một phương pháp được sử dụng trong thế kỷ 19. Các quá trình xử lý nhiệt bắt đầu được nghiên cứu về mặt học thuật vào cuối thế kỷ 16”

Vậy nhiệt luyện là gì? Nhiệt luyện là một phương pháp tác động nhiệt độ lên vật chất nhằm làm thay đổi vi cấu trúc chất rắn, đôi khi tác động làm thay đổi thành phần hóa học, đặc tính của vật liệu. Nhiệt luyện đòi hỏi một quy trình chặt chẽ và có kiểm soát thời gian và tốc độ trao đổi nhiệt trên vật liệu.

Nhiệt luyện vật liệu được thực hiện bằng cách nung nóng kim loại hay hợp kim đến một nhiệt độ yêu cầu và đảm bảo tại nhiệt độ này vật liệu không được hóa lỏng. Sau đó, duy trì nhiệt độ trong một khoảng thời gian (yêu cầu vật liệu khác nhau sẽ cần khoảng thời gian duy trì nhiệt độ khác nhau). Cuối cùng tiến hành làm nguội vật liệu với tốc độ nhất định. Kết quả từ vật liệu ban đầu, chúng bị thay đổi vi cấu trúc hoặc thành phần hóa học. Hầu hết các kim loại và hợp kim đều được nhiệt luyện theo cách này hay cách khác, và sự hiểu biết cũng như khoa học về xử lý nhiệt đã được phát triển trong vòng 100 đến 125 năm qua. Cùng Alpha Fastener tìm hiểu kĩ hơn về quá trình nhiệt luyện trong bài viết này nhé!

II. Mục đích và lợi ích của nhiệt luyện

Xử lý nhiệt phục vụ các mục đích khác nhau, bao gồm:

• Để cải thiện các tính chất cơ học của vật liệu bao gồm độ cứng, độ bền kéo, khả năng chống sốc, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn. Khả năng chống mài mòn có thể được cải thiện bằng cách xử lý nhiệt thông qua quá trình làm cứng. Kim loại có thể được làm cứng trên bề mặt hoặc xung quanh để làm cho chúng cứng hơn, bền hơn, dẻo dai hơn và chống mài mòn tốt hơn. Độ dẻo dai và độ bền đối lập nhau, khi độ bền tăng lên thì độ dẻo dai có thể giảm dẫn đến giòn.
• Để cải thiện khả năng gia công và giảm độ giòn.
• Để giảm bớt các ứng suất bên trong của kim loại gây ra trong quá trình gia công nóng hoặc lạnh.
• Để thay đổi kích thước hạt (grain size) hoặc tinh chỉnh nó.
• Để tăng tính chất từ ​​và tính chất điện. Có một số vật liệu có xu hướng thu được từ tính khi chúng được làm cứng. Nếu sử dụng quy trình ủ đặc biệt, tính thấm từ sẽ giảm, điều này đặc biệt quan trọng nếu bộ phận sẽ được sử dụng trong môi trường điện tử.
• Để cải thiện độ bền mỏi (giới hạn bền) của các bộ phận vừa và nhỏ như ren, bánh răng, chốt pít-tông (piston), các loại trục, v.v.
• Tạo vẻ ngoài sạch sẽ, sáng sủa và đẹp mắt cho bề mặt.
• Xử lý nhiệt cải thiện đặc tính làm cứng của thép để cho phép nó cắt các kim loại khác.
• Để thúc đẩy tính đồng nhất của một cấu trúc.

Tóm lại, mục đích của nhiệt luyện giúp gia tăng ưu điểm về độ cứng, kéo dài tuổi thọ, nâng cao độ bền và khả năng chống mài mòn của vật liệu. Nhiệt luyện có thể làm cứng toàn phần và cũng có thể gia tăng độ cứng ở bề mặt. Nhưng vẫn giữ được sự dẻo dai bên trong của vật liệu.

III. Các giai đoạn xử lý nhiệt

Có ba giai đoạn xử lý nhiệt: 

• Nung nóng kim loại để đảm bảo kim loại duy trì nhiệt độ đồng đều 
• Giữ kim loại ở nhiệt độ cụ thể trong một khoảng thời gian quy định 
• Làm nguội kim loại đến nhiệt độ phòng

1. Giai đoạn nung nóng (T_n°)

Trong giai đoạn nung nóng, mục đích quan trọng nhất là đảm bảo rằng kim loại nóng lên đồng đều. Bạn có thể làm nóng đều bằng cách làm nóng từ từ. Nếu bạn làm nóng kim loại không đều, phần này có thể nở ra nhanh hơn phần kia, dẫn đến phần kim loại bị biến dạng hoặc nứt. Bạn chọn tốc độ gia nhiệt theo các yếu tố sau: 

• Độ dẫn nhiệt của kim loại. Kim loại có độ dẫn nhiệt cao nóng nhanh hơn kim loại có độ dẫn nhiệt thấp. 
• Tình trạng của kim loại. Các công cụ và bộ phận đã được làm cứng hoặc chịu ứng suất trước đây nên được làm nóng chậm hơn so với các công cụ và bộ phận chưa được làm nóng. 
• Kích thước và mặt cắt ngang của kim loại. Các bộ phận lớn hơn  hoặc các bộ phận có tiết diện không đồng đều  cần được làm nóng chậm hơn các bộ phận nhỏ để nhiệt độ bên trong gần với nhiệt độ bề mặt. Nếu không, có nguy cơ bị nứt hoặc cong vênh quá mức. 

2. Giai đoạn giữ nhiệt (τ_gn)

Mục đích của giai đoạn ngâm là giữ kim loại ở nhiệt độ thích hợp cho đến khi cấu trúc bên trong mong muốn hình thành. “Thời gian ngâm” là khoảng thời gian bạn giữ kim loại ở nhiệt độ thích hợp. Để xác định khoảng thời gian chính xác , bạn sẽ cần phân tích hóa học và khối lượng của kim loại. Đối với các mặt cắt không bằng phẳng, bạn có thể xác định thời gian ngâm bằng cách sử dụng mặt cắt lớn nhất. 

Nói chung, bạn không nên đưa nhiệt độ của kim loại  từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ ngâm trong một bước. Thay vào đó, bạn sẽ cần làm nóng kim loại từ từ đến ngay dưới nhiệt độ mà cấu trúc sẽ thay đổi, sau đó giữ nó cho đến khi nhiệt độ ổn định trong toàn bộ kim loại. Sau bước  “làm nóng sơ bộ” này, bạn sẽ nhanh chóng làm nóng nhiệt độ đến nhiệt độ cuối cùng mà bạn cần. Các bộ phận có thiết kế phức tạp hơn có thể yêu cầu các lớp gia nhiệt trước để tránh cong vênh.

3. Giai đoạn làm nguội (V_nguội) 

Trong giai đoạn làm nguội, bạn sẽ muốn làm nguội kim loại trở lại nhiệt độ phòng, nhưng có nhiều cách khác nhau để thực hiện việc này tùy thuộc vào loại kim loại. Nó có thể cần một phương tiện làm mát, chất khí, chất lỏng, chất rắn hoặc sự kết hợp của chúng . Tốc độ làm mát phụ thuộc vào bản thân kim loại và môi trường để làm mát. Theo đó, các lựa chọn bạn thực hiện trong quá trình làm mát là những yếu tố quan trọng trong các đặc tính mong muốn của kim loại. 

Làm nguội là khi bạn làm nguội nhanh kim loại trong không khí, dầu, nước, nước muối hoặc môi trường khác. Thông thường quá trình tôi luyện có liên quan đến quá trình làm cứng vì hầu hết các kim loại được làm cứng đều được làm nguội nhanh chóng bằng quá trình tôi, nhưng không phải lúc nào quá trình làm nguội hoặc làm lạnh nhanh cũng dẫn đến quá trình tôi cứng. Ví dụ, quá trình làm nguội bằng nước được sử dụng để ủ đồng và các kim loại khác được làm cứng bằng cách làm lạnh chậm. 

Không phải tất cả các kim loại đều nên được làm nguội – quá trình tôi có thể làm nứt hoặc cong vênh một số kim loại. Nói chung, nước hoặc nước b rin có thể làm nguội kim loại nhanh chóng, trong khi hỗn hợp dầu tốt hơn để làm nguội chậm hơn. Nguyên tắc chung là bạn có thể sử dụng nước để làm cứng thép carbon, dầu để làm cứng thép hợp kim và nước để tôi kim loại màu. Tuy nhiên, như với tất cả các phương pháp xử lý,  tốc độ và phương tiện làm mát bạn chọn phải phù hợp với kim loại.

IV.  Phương pháp xử lý nhiệt

Có một số loại quy trình xử lý nhiệt khác nhau, mỗi loại có mục đích và lợi ích riêng. Các loại quy trình xử lý nhiệt phổ biến nhất bao gồm tôi, ram, ủ và thường hóa

• Phương pháp tôi là quá trình nhiệt luyện gồm nung nóng hợp kim lên tới nhiệt độ có trạng thái pha nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội đủ nhanh để quá trình khuếch tán không kịp xảy ra. Phương pháp này giúp tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn của vật liệu.
• Ram là một phương pháp nhiệt luyện các kim loại và hợp kim gồm nung nóng chi tiết đã tôi đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn, sau đó giữ nhiệt một thời gian cần thiết để mactenxit và austenit dư phân hoá thành các tổ chức thích hợp rồi làm nguội. Điều này làm giảm hoặc loại bỏ ứng suất trong vật liệu.
• Ủ là một quá trình bao gồm làm nóng vật liệu đến một nhiệt độ cụ thể và giữ nó ở đó trong một khoảng thời gian trước khi để nguội dần. Quá trình này được sử dụng để làm mềm kim loại, cải thiện tính gia công, độ dẻo của chúng và giảm ứng suất bên trong.
• Thường hóa thép là quá trình nung nóng thép đến trạng thái Austenit và giữ ở nhiệt độ này trong một thời gian. Sau đó được làm mát dần trong không khí. Kỹ thuật này được sử dụng để cải thiện độ cứng và độ bền của thép cho phù hợp với yêu cầu gia công.

V. Tổng kết

Nhiệt luyện (xử lý nhiệt) là một quá trình trong đó nhiệt có kiểm soát được áp dụng cho vật liệu để thay đổi các tính chất của nó như độ bền, độ bền, khả năng chống mài mòn, v.v. Tầm quan trọng của xử lý nhiệt được thể hiện rõ ràng trên nhiều sản phẩm trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ, xây dựng, nông nghiệp, khai thác mỏ và hàng tiêu dùng đặc biệt là ngành chế tạo cơ khí như bulong, đai ốc, mặt bích,… tất cả đều sử dụng xử lý nhiệt để cải thiện tính chất của vật liệu, đặc biệt là thép.

Tất cả các phương pháp xử lý nhiệt này mang lại kết quả khác nhau khi áp dụng. Do đó, các công đoạn trong mỗi quá trình nhiệt luyện cùng với các điều kiện cụ thể sẽ được Alpha Fastener xem xét khi lựa chọn phương pháp nhiệt luyện để tạo ra sản phẩm tốt với các tính chất mong muốn.