Theo nhiệt độ người ta phân biệt tôi hoàn toàn và không hoàn toàn. Theo tiết diện nung nóng để tôi lại chia ra tôi thể tích và tôi bề mặt. ở đây chỉ trình bày về tôi thể tích. Như đ∙ nói không thể làm nguội thép với tốc độ tùy ý, mà chỉ có thể đưa nó vào trong môi trường nào đó (thường là chất lỏng) để nguội do vậy trên thực tế số phương thức làm nguội khi tôi cũng là có hạn. Theo phương thức làm nguội cũng như cách sử dụng môi trường làm nguội (hay còn gọi là môi trường tôi) có một số phương pháp tôi sau (hình 4.18).
Hình 4.18. Phương thức làm nguội trong các phương pháp tôi:
a. trong một môi trường, b. trong hai môi trường, c. ph©n cÊp,
d. đẳng nhiệt.
a. Tôi trong một môi trường và các môi trường tôi thường dùng
Đây là phương pháp tôi quan trọng nhất, chủ yếu nhất, được dùng rộng r∙i nhất. Trong phương pháp tôi này, làm nguội khi tôi như biểu diễn bởi đường a trên
143
143
hình 4.18, tức là nhúng, đưa vào trong một môi trường làm nguội nhanh thích hợp cho đến khi thép được nguội hẳn. Vấn đề chọn môi trường làm nguội - môi trường tôi có ý nghĩa quyết định.
Yêu cầu đối với môi trường tôi
Theo mức độ quan trọng môi trường tôi phải đạt được các yêu cầu sau:
- trước hết phải làm nguội nhanh thép sao cho đạt được tổ chức mactenxit,
đây là yêu cầu phải tính đến đầu tiên, nhưng đồng thời
- không làm thép bị nứt hay biến dạng (có thể cho phép với biến dạng nhỏ trong phạm vi cho phép),
- ngoài ra cũng phải tính đến các yếu tố kinh tế, an toàn và bảo vệ môi trường.
H×nh 4.19. §êng cong lý tưởng làm nguội khi tôi.
Để đạt được hai yêu cầu cơ bản trên, môi trường tôi đem dùng phải có khả
năng làm nguội khác nhau ở các khoảng nhiệt độ khác nhau biểu diễn bằng vectơ
nguội tương quan với giản đồ T - T - T của thép như ở hình 4.19, như sau.
1) Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng austenit kém ổn định nhất 500 ữ 600oC để austenit không kịp phân hóa thành hỗn hợp ferit - xêmentit. Muốn vậy môi trường tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn Vth. Đạt được yêu cầu này sẽ bảo đảm nhận được tổ chức mactenxit, bảo đảm độ cứng cao theo yêu cầu khi tôi. Rõ ràng đây là yêu cầu phải tính tới trước tiên khi chọn môi
trường tôi.
2) Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên vì ở ngoài khoảng 500 ữ 600oC austenit quá nguội có tính ổn định cao, không sợ bị chuyển biến thành hỗn hợp ferit - xêmentit có độ cứng thấp. Song ở đây người ta đặc biệt chú ý
đến khoảng nhiệt độ bắt đầu xảy ra chuyển biến mactenxit (300 ữ 200oC). Làm nguội chậm trong khoảng này sẽ có tác dụng làm giảm ứng suất tổ chức khi xảy ra chuyển biến này, bảo đảm thép tôi không bị nứt và ít cong vênh. Đây cũng là yêu cầu không thể bỏ qua, đặc biệt đối với loại thép và chi tiết có nguy cơ nứt và biến dạng lớn (thép cabon cao, chi tiết với hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngét...).
Trong thực tế chưa tìm được môi trường tôi nào thỏa m∙n tốt cả hai yêu
cầu chính kể trên.
Các môi trường tôi thường dùng
nhiệt độ
144
Đặc tính làm nguội kim loại ở các khoảng nhiệt độ của các môi trường tôi khác nhau được trình bày ở bảng 4.1.
Bảng 4.1. Đặc tính làm nguội của các môi trường tôi
Tốc độ nguội, 0C/s, ở các khoảng nhiệt độ Môi trường tôi
600 ÷ 5000C 300 ÷ 2000C
Nước lạnh, 10 ữ 300C 600, 500 270
Nước nóng, 500C 100 270
Nước hòa tan 10%NaCl, NaOH,200C 1100, 1200 300
Dầu khoáng vật 100 ữ 150 20 ữ 25
Tấm thép, không khí nén 35, 30 15, 10
Nước là môi trường tôi mạnh, an toàn, rẻ, dễ kiếm và thường dùng. Nước lạnh (10 ữ 30oC) làm nguội thép khá nhanh ở cả hai khoảng nhiệt độ, do vậy bảo
đảm độ cứng cao khi tôi nhưng cũng dễ gây ra nứt, biến dạng. Dùng nước để tôi rất an toàn vì không gây cháy hay bốc mùi khó chịu, song khi nước trong bể tôi bị nóng lên (> 40oC) làm giảm mạnh tốc độ nguội ở nhiệt độ cao (từ 500 ữ 600 xuống còn có 100oC/s khi nước bị nóng lên 50oC, nó còn làm nguội chậm hơn cả
dầu) nên làm giảm mạnh khả năng tôi cứng, mà không làm giảm khả năng bị biến dạng và nứt (do không làm giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp). Vì vậy khi tôi nước phải chú ý luôn giữ cho nước ở bể tôi được lạnh bằng cách cấp nước lạnh mới vào
và thải lớp nước nóng ở bề mặt đi.
Nước (lạnh) là môi trường tôi cho thép cacbon (là loại có Vth lớn, 400 ữ 800oC /s), song không thích hợp cho chi tiết có hình dạng phức tạp.
Khi hòa tan vào nước một lượng (10%) các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay xút (NaOH), khả năng tôi cứng thép của dung dịch tăng lên (do tăng tốc độ nguội ở nhiệt độ cao) song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu như không tăng tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) so với nước. Dung dịch này được dùng để tôi thép cacbon có Vth lớn (> 600oC / s), chủ yếu cho thép dụng cụ cacbon (loại cần bảo đảm độ
cứng cao).
Dầu cũng là môi trường tôi thường dùng song có các đặc tính hầu như đối lập với nước. Dầu làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó ít gây biến dạng, nứt nhưng khả năng tôi cứng lại kém. Dầu nóng và dầu nguội có khả năng tôi giống nhau nên người ta thường tôi thép trong dầu nóng, 60 ữ 80oC, để có độ lo∙ng (linh động) tốt không bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Song nhược
điểm của dầu là khi quá nóng (> 150oC) sẽ bốc cháy nên trong bể tôi dầu phải đặt ống xoắn cho nước chảy để làm nguội dầu. Ngoài ra dầu bốc mùi gây ô nhiễm môi trường, hại cho sức khỏe người.
Dầu là môi trường tôi cho thép hợp kim (loại có Vth nhỏ, < 150oC / s), các chi tiết có hình dạng phức tạp.
Tuy nhiên quy tắc tôi dầu cho thép hợp kim, tôi nước cho thép cacbon cũng
có thể có ngoại lệ.
- Chi tiết tuy bằng thép cacbon song với tiết diện nhỏ (φ < 10) và hình dạng
đơn giản (như trục trơn) có thể đem tôi dầu. Chi tiết tiết diện nhỏ song hình dạng phức tạp dù về mặt độ bền chọn thép cacbon cũng được vẫn phải chuyển sang làm
145
145 bằng thép hợp kim để tôi dầu.
- Chi tiết tuy làm bằng thép hợp kim song có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản nếu tôi dầu không đạt độ cứng có thể chuyển sang tôi nước.
Trong những năm gần đây nhiều nước đ∙ dùng các môi trường tôi mới, đó là dung dịch nước có pha các chất hóa học đặc biệt (như polyme) có tác dụng làm giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp nhờ đó giảm được nứt và cong vênh.
Người ta cũng có thể dùng môi trường tôi không phải là chất lỏng như: khí nén, luồng gió thổi, không khí tĩnh, tấm thép, tấm đồng ở dạng khuôn ép, chúng cho tốc độ nguội chậm, chỉ thích hợp với thép hợp kim cao (loại có Vth rất nhỏ, cỡ vài chục oC / s) với chiều dày mỏng, tiết diện bé. Nếu thép có Vth nhỏ đến mức khi làm nguội trong không khí tĩnh cũng đạt được mactenxit cứng thì đó là loại thép tự tôi. Tôi trong khuôn ép là cách tôi duy nhất cho các vật mỏng, hình dạng phức tạp dễ bị cong vênh khi làm nguội tự do.
Tôi trong một môi trường rất phổ biến do dễ áp dụng cơ khí hóa, tự động hóa, giảm nhẹ điều kiện lao động nặng nhọc.
b. Tôi trong hai môi trường (nước qua dầu)
Cách tôi này có phương thức làm nguội như biểu thị bằng đường b trên hình 4.18, nó tận dụng được ưu điểm của cả nước lẫn dầu. Thoạt tiên thép được làm nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh - nước, nước pha muối, xút đến khi sắp xảy ra chuyển biến mactenxit (300 ữ 400oC) thì nhấc ra chuyển sang làm nguội chậm trong môi trường tôi yếu: dầu (hay không khí) cho đến khi nguội hẳn.
Như vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho thép vừa ít gây biến dạng, nứt.
Nhược điểm về mặt công nghệ của cách tôi này là khó xác định thời điểm chuyển môi trường (thường là rất ngắn, chỉ vài giây và phải xử lý khá chính xác):
nếu quá sớm (khi nhiệt độ của thép còn cao) không thể đạt độ cứng cao do có chuyển biến thành hỗn hợp ferit - xêmentit khi làm nguội chậm tiếp theo, nếu quá
muộn thì chuyển biến mactenxit sẽ xảy ra ngay trong môi trường tôi mạnh, dễ gây nứt biến dạng. Thường xác định theo kinh nghiệm, ví dụ thời gian giữ trong nước
được tính theo mức là 2 ữ 3 s cho 10mm đường kính hay chiều dày, sau đó mới chuyển sang dầu. Cách tôi này đòi hỏi người thực hiện phải có kinh nghiệm, khó cơ khí hóa, tính lặp lại thấp chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc cho thép cacbon cao, yêu cầu độ cứng cao nhưng không đều ở các lần tôi khác nhau.
c. Tôi phân cấp
Cách tôi này có phương thức làm nguội như biểu thị bằng đường c trên hình 4.18, khắc phục được khó khăn về xác định thời điểm chuyển môi trường của cách tôi trên. Khi tôi phân cấp thép nung nóng được nhúng vào môi trường lỏng (muối nóng chảy) có nhiệt độ cao hơn điểm Ms khoảng 50 ữ 100oC, thép bị nguội
đến nhiệt độ này và giữ nhiệt (khoảng 3 ữ 5min) để đồng đều nhiệt độ trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong không khí để chuyển biến mactenxit.
ưu điểm của phương pháp tôi này là đạt độ cứng cao song có ứng suất bên trong rất nhỏ, độ biến dạng thấp nhất, thậm chí có thể sửa, nắn sau khi giữ đẳng nhiệt khi thép ở trạng thái austenit quá nguội vẫn còn dẻo. Hạn chế của tôi phân cấp là có năng suất thấp, chỉ áp dụng được cho các thép có Vth nhỏ (thép hợp kim cao như thép gió) và với tiết diện nhỏ như mũi khoan, dao phay...
Cả ba phương pháp tôi kể trên đều đạt được tổ chức mactenxit.
146
d. Tôi đẳng nhiệt
Cách tôi này có phương thức làm nguội như biểu thị bằng đường d trên hình 4.18, chỉ khác tôi phân cấp ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng h) cũng trong môi trường lỏng (muối nóng chảy) để austenit quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp ferit - xêmentit nhỏ mịn có độ cứng tương đối cao, độ dai tốt. Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt sẽ được các tổ chức khác nhau: 250 ữ 400oC - bainit, 500 ữ
600oC - trôxtit.
Sau khi tôi dẳng nhiệt không phải ram.
Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu, nhược điểm của tôi phân cấp, chỉ khác là có độ cứng thấp hơn và độ dai cao hơn. Do năng suất thấp (còn thấp hơn cả tôi phân cấp) nên trong thực tế ít áp dụng cách tôi này. Một số dụng cụ có yêu cầu cao về độ biến dạng cho phép và không yêu cầu độ cứng cao cũng như gang cầu có áp dụng cách tôi này.
ở đây nhấn mạnh sự giống nhau về nguyên tắc giữa ủ đẳng nhiệt và tôi
đẳng nhiệt, sự phân biệt thành ủ và tôi chỉ là do độ cứng, tổ chức tạo thành và có tính quy ước(cũng có thể là do một cách được làm nguội trong lò là ủ, cách kia
được làm nguội trong môi trường lỏng - muối nóng chảy – là tôi đẳng nhiệt).. Một phương pháp nhiệt luyện nằm trung gian giữa ủ và tôi đó là tôi chì (patenting) - dây thép sau khi nung nóng đến nhiệt độ tôi được làm nguội đẳng nhiệt trong bể chì nóng chảy ở 500 ữ 520oC để đạt được xoocbit nhỏ mịn gần như trôxtit, sau đó dây được qua kéo sợi nhiều lần (để bảo đảm đạt độ biến dạng tổng khoảng 90%), cuối cùng được dây thép có giới hạn đàn hồi rất cao và tính dẻo tốt.
e. Gia công lạnh
Đối với nhiều thép dụng cụ hợp kim, do lượng cacbon cao và được hợp kim hóa, các điểm Ms và Mf quá thấp nên khi làm nguội đến nhiệt độ thường (trong ba phương pháp đầu) vẫn còn nhiều austenit dư (xem lại hình 4.13), làm cho độ cứng cao đạt được bị hạn chế. Để đạt được độ cứng cao nhất người ta có thể đem thép tôi tiếp tục làm nguội (lạnh) đến nhiệt độ âm (-50 hay -70oC) để austenit tiếp tục chuyển biến thành mactenxit. Quá trình đó là gia công lạnh. Sau khi gia công lạnh
độ cứng có thể tăng thêm 1 ữ 10 đơn vị HRC tùy theo lượng austenit dư sau khi tôi ít hay nhiều. Gia công lạnh được áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng cao như ổ lăn, vòi phun cao áp, dao cắt kim loại.
f. Tôi tự ram
Là cách tôi với làm nguội không triệt để, chỉ trong thời gian ngắn từ vài
đến vài chục s để sau đó nhiệt của lõi hay các phần khác truyền đến, nung nóng tức ram ngay phần vừa được tôi. Như thế chi tiết không cần phải ram tiếp theo như
một nguyên công riêng biệt. Tôi tự ram được ứng dụng rộng r∙i khi tôi bộ phận (điển hình như khi tôi đục, chạm), tôi cảm ứng các chi tiết lớn (băng máy, trục dài...).