Xử lý nhiệt còn gọi là 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. Chủ yếu của ứng dụng nhiệt luyện là thuộc về ngành luyện kim

I. Xử lý nhiệt là gì ?

Xử lý nhiệt (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. Chủ yếu của ứng dụng nhiệt luyện là thuộc về ngành luyện kim. Nhiệt luyện cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ như ngành sản xuất thủy tinh. Quá trình nhiệt luyện bao gồm sự nung nóng hoặc làm nguội với mức độ chênh lệch đáng kể, hoặc xử lý nhiệt theo một thời gian biểu nhằm mục đích làm mềm hay làm cứng vật liệu, cũng như tạo ra sự cứng hay mềm khác nhau trên cùng một vật liệu, ví dụ như tôi bề mặt, vật liệu chỉ cứng ở bề mặt (chống mài mòn) nhưng lại dẻo dai ở phần bên trong (chịu va đập cũng như chịu uốn rất tốt).

Nhiệt luyện đòi hỏi một quy trình chặt chẽ và có kiểm soát thời gian và tốc độ trao đổi nhiệt trên vật liệu. Nhiều quốc gia tiên tiến chưa công bố và 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. Ví dụ, với một chi tiết trục động cơ, người ta sử dụng vật liệu thép hợp kim thấp (giá thành rẻ),sau công đoạn nhiệt luyện ram, thấm vật liệu có bề mặt cứng chịu được bài mòn cao, nhưng thân trục lại chịu được chấn động và chịu uốn khá lớn, chi tiết được bán với giá rất cao.

Bản chất của nhiệt luyện kim loại là làm thay đổi tính chất thông qua biến đổi tổ chức của vật liệu. Một quy trình nhiệt luyện bao gồm 3 giai đoạn: Nung, giữ nhiệt, làm nguội. Khi nung, tổ chức vật liệu sẽ thay đổi theo nhiệt độ, tuỳ thời điểm nâng, hạ nhiệt với các tốc độ khác nhau mà nhiệt luyện với các phương pháp khác nhau sẽ cho ra tính chất vật liệu mong muốn.

Để làm thay đổi mạnh hơn nữa các tính chất của kim loại và hợp kim, người ta còn kết hợp đồng thời các tác dụng của biến dạng dẻo và nhiệt luyện hay tác dụng hoá học và nhiệt luyện. Như vậy Nhiệt luyện (nói chung) bao gồm ba loại: Nhiệt luyện đơn giản, Cơ nhiệt luyện, Hoá nhiệt luyện.

II. Các phương pháp xử lý nhiệt

1. Xử lý nhiệt bằng cách tôi dầu

Trong chế tạo cơ khí, xử lý nhiệt đóng vai trò quan trọng vì không những nó tạo cho chi tiết sau. Khi gia công cơ những tính chất cần thiết mà còn làm tăng tính công nghệ của vật liệu. Vì vậy có thể nói nhiệt luyện là khâu quan trọng không thể thiếu được đối với chế tạo cơ khí và là một trong những. Yếu tố công nghệ quan trọng quyết định chất lượng của sản phẩm cơ khí.

Quá trình tôi thép trong dầu trải qua 3 giai đoạn sau:

- Sôi màng

- Sôi bọt

- Truyền nhiệt đối lưu

a. Sôi màng

Thời điểm chúng ta đưa kim loại vào dầu, lúc kim loại được nhúng vào dầu thì sẽ thấy xuất hiện một lớp màng gọi là “ màng khí “ giữa bề mặt kim loại và dầu nhiệt luyện. Dựa vào hệ phụ gia làm ướt bề mặt cũng như sự đồng đều của bề mặt kim loại sẽ quyết định trực tiếp tới sự ổn định của lớp màng khí cũng như khả năng làm cứng.

b. Sôi bọt

Ở giai đoạn thứ 2 này, lớp màng khí sẽ tan biến tại 1 điểm nhiệt độ dẫn đến quá trình sôi bọt. Và trong giai đoạn sôi màng này thì tốc độ truyền nhiệt được diễn ra mãnh liệt nhất. Hệ số truyền nhiệt có thể cao gấp 2 lần so với quá trình sôi màng.

c. Truyền nhiệt đối lưu

Khi thép và kim loại đã được giảm nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ sôi của dầu tôi thép. Sự đối lưu và dẫn nhiệt sẽ khiến quá trình làm lạnh chậm, tốc độ giảm nhiệt ở giai đoạn này cũng chậm và phụ thuộc theo độ nhớt dầu cũng như mức độ phân hủy của dầu. Độ nhớt càng thấp thì tỷ lệ truyền nhiệt càng nhanh và trái lại độ nhớt càng cao thì tỷ lệ ấy càng chậm.

--> Hướng dẫn lựa chọn dầu tôi thép, kim loại

Khi Quý khách đi mua dầu tôi kim loại cần phải lưu ý tới tính chất hóa học cũng như những đặc điểm quan trọng của dầu nhiệt luyện.

--> Các tính chất hóa học của dầu tôi thép

- Dầu không pha nước: Cũng giống nhiều loại dầu khác, nó được pha chế từ dầu gốc khoáng, không tạo nhũ. Nó cũng được pha chế những loại dầu có nguồn gốc từ dầu mỏ, chứa các chất béo bôi trơn, este, dầu thực vật và hệ phụ gia chịu cực áp phải kể tới: sulfur, Chlorine, phosphorus. Và trong danh sách các dầu nhiệt luyện chất lượng thì dầu không pha nước chính là loại dầu tốt nhất, nó cung cấp khả năng bôi trơn và hạ nhiệt hoàn hảo, ổn định.

- Dầu pha nước và tạo nhũ: Là chất lỏng pha loãng vào nước với hàm lượng nước cao. Khi pha với nước sẽ tạo nhũ, chất cô đặc có chứa dầu gốc và chứa cả chất tạo nhũ khiến dung dịch khi hòa tan với nước sẽ tạo ra một dung dịch có mức ổn định nhũ cao. Bình thường thì tỷ lệ pha dầu với nước ( 3 - 10% ) thì dung dịch sẽ đảm bảo khả năng truyền nhiệt tốt và ổn định.

- Dầu tổng hợp, bán tổng hợp: Với 2 loại dầu này thì sự ổn định hóa học là tốt hơn hẳn, dầu có khả năng chống cháy, sử dụng được lâu ngày và truyền nhiệt ổn định dài lâu.

--> Tính chất của dầu nhiệt luyện

+ Tốc độ làm mát - tốc độ tôi: Nó sẽ chỉ cho chúng ta biết khoảng thời gian cần thiết để tôi thép, tôi kim loại nào đó.

+ Tính chất dẫn nhiệt: đây là yếu tố quyết định tới tốc độ làm lạnh. Khả năng dẫn nhiệt cao thì tốc độ làm lạnh cũng nhẽ nhanh hơn và ngược lại.

+ Độ nhớt: dầu có độ nhớt càng thấp thì tốc độ truyền nhiệt cũng như là làm lạnh lại càng nhanh.

+ Nhiệt độ làm việc - Điểm chớp cháy của dầu: dầu mà có điểm chớp cháy cao thì rất tốt, rất an toàn khi sử dụng.

+ Điểm rót chảy: đây là giới hạn thấp nhất của nhiệt độ mà khi đó dầu bắt đầu tan chảy được. Để ngăn chặn việc bơm bị phá hủy thì điều bắt buộc đó là điểm rót chảy phải thấp hơn nhiệt độ thấp nhất của hệ thống.

+ Khả năng phân hủy sinh học: loại dầu này được các chuyên gia chế tạo hợp lý trong việc phân hủy thành những hỗn chất ít gây hại cho môi trường xung quanh nhất. Điều này khiến quá trình xử lý dầu thải tốn ít chi phí nhất.

+ Sự tạo bọt khí thấp: Bọt khí có trong dầu sẽ làm suy giảm đáng kể về khả năng làm lạnh cho nên hệ phụ gia chống tạo bọt được thêm vào trong dầu sẽ khắc phục tối đa vấn đề này.

2. Xử lý nhiệt kết hợp với ủ nhiệt:

Gia nhiệt và ủ là phương pháp xử lý nhiệt cho kim loại được đánh giá cao hiện nay, thay vì chỉ nung nóng và làm lạnh đột ngột kim loại thì sau quá trình gia nhiệt, vật liệu còn được ủ. Mặc dù phương pháp này làm độ cứng của kim loại giảm xuống tuy nhiên bù lại thì kim loại có độ bền cao hơn đi cùng với độ dẻo dai, tính chất cơ học được cải thiện giúp cho kim loại, đặc biệt là thép có được độ dẻo và độ cứng như mong muốn.

Phương pháp ủ thông thường theo nhiệt độ và thành phần hóa học trong quá trình, ủ có thể được chia thành:

a.Full ủ.

Đun nóng thép để 20 ~ 30 ℃ và giữ một khoảng thời gian sau khi làm mát chậm để có được gần để cân bằng quá trình xử lý nhiệt của tổ chức (hoàn toàn austenitizing). Ủ hoàn toàn chủ yếu được sử dụng cho tấm làm việc nóng, rèn, và đúc được làm từ thép carbon trung bình và cao cũng như các bộ phận hàn của nó. Độ cứng của thép cacbon thấp sau khi ủ không tốt cho gia công.

Ủ đầy đủ là nhằm mục đích tinh chế ngũ cốc, đồng nhất cấu trúc, loại bỏ nội bộ căng thẳng, giảm độ cứng và cải thiện machinability của thép. Sau khi ủ hoàn toàn, cấu trúc của thép hypoeutectoid là F + P. Trong thực tế sản xuất, để nâng cao năng suất, ủ làm mát đến khoảng 500 ℃ hoặc làm rỗng ra lạnh.

b. Một phần ủ.

Đun nóng thép đến trạng thái của hypoeutectoid hoặc hypereutectoid thép và sau đó làm mát từ từ sau khi bảo quản nhiệt để có được quá trình xử lý nhiệt gần với cấu trúc cân bằng. Nó chủ yếu được sử dụng để có được cấu trúc ngọc trai hình cầu để loại bỏ căng thẳng nội bộ, giảm độ cứng và cải thiện hiệu suất gia công. Quá trình ủ hóa thạch là một loại ủ một phần.

c. Cách nhiệt ủ.

Quá trình này cũng được gọi là nung kết tinh mà thép được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn, ở lại trong một thời gian dài và nhanh chóng nguội đến nhiệt độ phòng, tạo sự chuyển đổi từ Austenite thành Pearlite. Phải mất một thời gian dài để hoàn thành ủ hoàn toàn, đặc biệt là đối với thép không gỉ Austenitic siêu nguội, trong khi ủ nhiệt đẳng nhiệt có thể rút ngắn thời gian ủ.

Quá trình này là dành cho thép carbon cao (C> 0.6%),thép công cụ, thép hợp kim (số lượng nguyên tố hợp kim> 10%). Ủ nhiệt isothermal cũng hữu ích để có được mô đồng nhất và tài sản nhưng không thích hợp cho các phần lớn.

d. Spheroidizing ủ.

Một quá trình xử lý nhiệt cho cacbua spheroidizing để có được ngọc trai dạng hạt. Làm nóng thép để Ac1 hơn 20- 30 ℃ và giữ nhiệt độ của 2- 4h sau khi làm mát. Sự kết dính hóa thạch được sử dụng chủ yếu để giảm độ cứng, cấu trúc đồng nhất và cải thiện khả năng gia công để chuẩn bị cho việc dập tắt. Đây là một quá trình cho thép carbon và hợp kim cao để cải thiện khả năng gia công của họ. Có rất nhiều phương pháp cho quá trình ủ kết tinh, điều này có thể được thực hiện bằng ba phương pháp:

i) Một khi spheroidizing ủ: nhiệt thép lớn hơn nhiệt độ quan trọng trên 120 ~ 30 ℃ và ở lại trong một thời gian, sau đó cho phép nó làm mát xuống từ từ trong lò làm mát. Các mô ban đầu trước khi ủ phải là một tấm ngọc trai tốt và không có lưới carburized được cho phép.

ii) ủ nhiệt đẳng nhiệt: nung nóng thép sau khi bảo quản nhiệt, cùng với việc làm nguội lò dưới nhiệt độ tới hạn 10 ~ 30 ℃. Sau khi đẳng nhiệt cùng với lò làm mát đến khoảng 500 ℃ hoặc làm mát không khí phát hành chậm. Nó có một số ưu điểm như chu kỳ ngắn, đồng bộ hóa hình cầu và kiểm soát chất lượng dễ dàng.

iii) qua lại spheroidizing ủ

e. Diffusion ủ (Homogenizing ủ).

Một quá trình xử lý nhiệt, trong đó các thỏi, đúc, hoặc khoảng trống được đun nóng đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn trong một thời gian dài và sau đó được làm lạnh từ từ để loại bỏ tính không đồng nhất hóa học. Vì vậy, để loại bỏ sự phân biệt đuôi gai và phân biệt khu vực trong quá trình củng cố thỏi, và để đồng nhất thành phần và cấu trúc. Nhiệt độ khuếch tán ủ là rất cao, thường là trên nhiệt độ quan trọng của 100 ~ 200 ℃ cho 10 ~ 15 giờ, mà tùy thuộc vào sự phân biệt và cấp thép. Khuếch tán ủ cho một số chất lượng cao thép hợp kim và đúc hợp kim và thỏi với sự phân biệt nghiêm trọng.

f. Căng thẳng cứu trợ.

Để loại bỏ các căng thẳng còn lại, thép nóng đến nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn (thường là 500 ~ 650 ℃) sau khi bảo quản nhiệt, sau đó làm nguội trong lò. Khử áp lực không làm thay đổi cấu trúc kim loại.

j. Tái kết tinh luyện.

Sự kết tinh lại, còn được gọi là ủ trung gian, là quá trình xử lý nhiệt làm nóng kim loại biến dạng lạnh trên nhiệt độ tái kết tinh trong một khoảng thời gian nhất định, để hạt bị biến dạng có thể được chuyển đổi thành hạt cân bằng đồng nhất để loại bỏ quá trình gia công và căng thẳng còn lại. Việc tái kết tinh phải xảy ra lúc đầu với một lượng biến dạng dẻo lạnh nhất định và sau đó ở một nhiệt độ nhất định. Nhiệt độ thấp nhất tại đó tái kết tinh xảy ra được gọi là nhiệt độ tái kết tinh thấp nhất. Sưởi ấm của nhiệt độ ủ kết tinh nên cao hơn nhiệt độ tái kết tinh thấp nhất của 100 ~ 200 ℃ (nhiệt độ kết tinh thép tối thiểu khoảng 450 ℃),làm mát chậm sau khi bảo quản nhiệt thích hợp.

3. Xử lý nhiệt bề mặt:

Giống với đa số các phương pháp nhiệt luyện kim loại khác, gia nhiệt bề mặt hay nhiệt luyện bề mặt là cách xử lý nhiệt cho kim loại dưới tác dụng của dòng điện môi khiến cho bề mặt vật liệu kim loại được làm nóng liên tục, sau đó làm lạnh đột ngột giúp tăng độ cứng cáp hiệu quả, chiều sâu tăng độ cứng khoảng từ 0.5 đến 2.0 mm.

4. Xử lý nhiệt bằng cách Kết tụ làm cứng:

Phương pháp xử lý nhiệt bằng cách kết tụ hay chiết suất làm cứng thường được sử dụng trong việc xử lý nhiệt. Cho vật liệu làm bằng inox giúp cho inox trở nên cứng cáp hơn. Điểm nổi bật của phương pháp này đó chính là làm tan chảy sau đó hòa trộn nguyên tố carbon và trong vật liệu. Giúp inox đạt được độ cứng và tính chất cơ khí như mong muốn.

5. Xử lý nhiệt chân không:

Gia nhiệt trong lò ở trạng thái chân không sau đó làm lạnh bằng khí Nitơ

Gia nhiệt chân không hay xử lý nhiệt chân không nhiệt luyện chân không. Là quá trình sử dụng các lò xử lý nhiệt ở trạng thái chân không. Để nung nóng kim loại sau đó dùng khí Ni tơ để làm lạnh cho kim loại. Tác dụng của phương pháp này đó chính là giúp kim loại đạt được độ cứng nhanh chóng.

6. Xử lý nhiệt thấm Ni tơ:

Là phương pháp xử lý nhiệt kim loại sử dụng Ni tơ ở dạng lỏng hoặc dạng khí để tẩm vào bề mặt kim loại trong quá trình luyện kim hay gia công cơ khí với điều kiện nhiệt độ khoảng từ 500 đến 600 độ C.

Đặc điểm của lớp thấm N trên nền thép là có độ sít chặt rất cao, nhờ đó sẽ tạo ra độ cứng bề mặt khá lớn ( > 80 HRA) nhưng lại làm giảm khả năng khuyếch tán sâu của Nitơ vào thép. Theo kinh nghiệm thực tế cũng như lý thuyết, chiều sâu thấm của lớp thấm Nitơ rất mỏng (0.1 max so với 1.2 mm của thấm C) nên lớp thấm N chủ yếu có tác dụng trang trí, chống ăn mòn hóa học và một số dạng mài mòn cũng như khả năng chịu nhiệt. Có một phương pháp khác để tăng chiều sâu thấm N là thấm hỗn hợp C - N, nhưng phương pháp này có một nhược điểm chết người là hỗn hợp khí C - N có thể tạo ra xyanua nên hiện nay, không còn được sử dụng nhiều.

Đối với mác thép của bạn, để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đặt ra, quá trình gia công thường gồm các bước như sau:

Gia công thô (có làm sạch via)
Nhiệt luyện : gần giống với mác thép S40C, tôi thể tích + ram để đạt độ cứng ~ 40 HRC.
Gia công tinh và đánh bóng bề mặt
Thấm N thể khí (dùng khí NH3). Sau khi thấm, kích thước ngoài của chi tiết có thể tăng (hoặc giảm nếu là lỗ) khoảng 0.08 ~ 0.12 mm nên cần phải tính toán kích thước sau gia công tinh phù hợp. Khi đó, độ cứng bề mặt có thể đạt > 420 HV (~ 45 HRC). Và đối với mác thép hợp kim của bạn, sẽ thừa đủ để đạt độ cứng yêu cầu (50 ~ 54 HRC ... tất nhiên là phải đo theo HV)

Chú ý:

Bề mặt thấm Nitơ có thể chịu mài mòn tốt nhưng khả năng chịu va đập là kém (cứng và giòn). Thường được áp dụng cho các loại khuôn đùn, ép ... và hạn chế với các khuôn dập.
Lớp thấm Nitơ rất mỏng, vì vậy nếu tiến hành mài sửa hoặc gia công tinh sau thấm thì có thể làm mất luôn lớp thấm
Theo những trình bày ở trên, hoàn toàn không cần tôi tần số cao sau khi thấm. Nếu làm thêm công đoạn đó, vừa không có tác dụng, vừa có thể làm bung luôn cả lớp thấm Nitơ.

7. Xử lý nhiệt thấm Carbon:

Khác với phương pháp gia nhiệt bằng Ni tơ. Quá trình nhiệt luyện cho kim loại này lại được thực hiện trong điều kiện bầu không khí có thấm carbon. Khiến cho carbon thẩm thấu vào bề mặt vật liệu giúp vật liệu kim loại trở nên cứng cáp hơn. Quá trình này thường được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ khoảng 150 đến 200 độ C.

8. Xử lý nhiệt thể tích:

Một phương pháp nhiệt luyện kim loại khác thường được ứng dụng. Đó chính là nhiệt luyện thể tích hay gia nhiệt thể tích. Đặc biệt trong việc xử lý nhiệt cho vật liệu thép. Thép sau khi đun nóng đến nhiệt độ nhất định được làm lạnh đột ngột. Để thay đổi trạng thái cố định carbon bên trong thành phần của thép.

Điều này giúp cho các sản phẩm làm từ thép hoặc các kim loại khác gia tăng độ cứng. Tránh bị bào mòn trong quá trình sử dụng.

Dù áp dụng hình thức xử lí nhiệt nào đi nữa thì những phương pháp này đều đảm bảo khả năng làm việc lâu dài cho chi tiết mà còn dễ dàng trong quá trình thi công sau này. Hãy tận dụng những phương pháp này một cách hợp lí để đạt hiệu quả cao nhất