- Thời gian: Thông thường thời gian giữ nhiệt sau khi thấu nhiệt là khoảng 1h Thời gian thấu nhiệt phụ thuộc vào kích thước mẫu, do kích thước mẫu nhỏ
1. Giới thiệu công nghệ gia công lạnh
Từ lâu người ta đã biết sử dụng nhiệt để cải thiện tính chất của thép, quá trình này được biết đến với danh từ nhiệt luyện (sử dụng nhiệt độ cao hơn nhiệt
độ môi trường) bao gồm các quá trình ủ, tôi, ram.
Xử lý thép ở nhiệt độ âm mới được tiến hành vào những năm đầu của thế
kỷ 20, tuy nhiên thực tế thì vào những năm cuối của thế kỷ 20 lĩnh vực này mới
được chú ý.
Xử lý nhiệt độ âm (xử lý âm) được biết đến với thuật ngữ tiếng Anh là Subzero Treatment, Cryogenic Treatment. Lĩnh vực này bao gồm 3 quá trình khác nhau khác nhau (hình 1) [1, 2, 3, 4, 5, 6], đó là:
(1)Lắp ghép lạnh (tiếng Anh: Shrink Fitting): thông thường trục được làm lạnh để giảm đường kính
(2)Gia công lạnh (tiếng Anh: Shallow Cryogenic Treatment, Subzero Treatment, Cold Treatment): sản phẩm được lành lạnh đến khoảng 80oC
đến -120oC sau đó được làm ấm đến nhiệt độ môi trường.
(3)Gia công lạnh sâu (tiếng Anh: Deep Cryogenic Treatment đôi khi chỉ
Cryogenic treatment): Sản phẩm được làm lạnh đến khoảng -190oC và giữở đó nhiều giờ sau đó làm ấm từ từđến nhiệt độ môi trường.
Trong các tài liệu khác nhau 2 khái niệm Subzero Treatment và Cryogenic Treatmant được thay thế cho nhau. Khi Subzero Treatment được hiểu với nghĩa rộng là xử lý âm, thì Cryogenic là gia công lạnh sâu còn gia công lạnh là Cold treatment. Khi Cryogenic Treatment được hiểu với nghĩa rộng là xử lý âm thì Subzero Treatment được hiểu là gia công lạnh và gia công lạnh sâu
là Deep Cryogenic Treatment. Trong tiếng Việt có thể gọi chung công nghệ
này là công nghệ xử lý nhiệt độ âm bao gồm gia công lạnh và gia công lạnh sâu. Sự khác biệt của 3 quá trình này được thể hiện trên hình 1
Hình 1. Các quá trình xử lý nhiệt độ âm [6]
Quá trình lắp ghép lạnh được tiến hành với mục đích làm giảm đường kính trục do có sự co giãn nhiệt (phần 2). Hai quá trình còn lại được thực hiện
đối với thép đã được tôi nhằm cải thiện tổ chức thép với mục đích tăng khả
năng chịu mòn của thép.
Kim loại giãn nở khi nung nóng và co lại khi làm nguội. Quá trình thay
đổi kích thước này được biểu diễn qua công thức:
∆LT = α. (∆T).L Trong đó: ∆LT : sự thay đổi chiều dài
α: Hệ số giãn nở nhiệt
∆T: chênh lệch nhiệt độ
L: chiều dài
Lắp ghép lạnh là một phương pháp thuận tiện cho việc lắp ghép các chi tiết khi dung sai lắp ghép giữa chúng là rất nhỏ. Thông thường, người ta sẽ làm lạnh để giảm đường kính trục để dễ dàng lắp ghép với các chi tiết khác rồi sau
đó nung lại đến nhiệt độ thường. Hệ số giãn nở nhiệt của một số loại vật liệu
được cho trong bảng 1
Bảng 1: Hệ số giãn nở nhiệt một số loại vật liệu [6] Vật liệu a (x10-6/oC) Sắt 12 Thép cácbon 12 Thép không gỉ 304 17,3 Nhôm nguyên chất 25 Nhôm 3003 (ASTM B221) 7,2 Đồng nguyên chất 16,6 Magie nguyên chất 25 Niken (ASTM B160, B161, B162) 11,9 Kẽm nguyên chất 35 3. Gia công lạnh
Để cải thiện tính chất của thép người ta tiến hành nhiệt luyện, quá trình này bao gồm nung nóng thép đến nhiệt độ austenit hóa và làm nguội nhanh để
nhận được tổ chức mactenxit, là dung dịch rắn quá bão hòa C trong α.
Quá trình chuyển biến austenit sang mactenxit được diễn ra ở một nhiệt
độ xác định, gọi là nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit Ms. Đối với phần lớn thép, quá trình chuyển biến là đẳng nhiệt và diễn ra từ từ cho đến khi kết thúc nhiệt độ chuyển biến mactenxit hay còn gọi là Mf. Nhiệt độ Ms và Mf là những thông sốđặc trưng của thép và có thể tìm thấy trong các tài liệu về nhiệt luyện.
Ảnh hưởng của hàm lượng %C tới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit Ms và nhiệt độ kết thúc Mf của thép các bon được thể hiện trong hình 2.
Hình 2 Ảnh hưởng của %C tới nhiệt độ chuyển biến Ms và Mf [6,11]
Có thể thấy Mf hoặc ngay cả Ms có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt
độ môi trường (25oC). Quá trình chuyển biến mactenxit xảy ra không hoàn toàn, do đó, chỉ có một phần austenit được chuyển biến thành mactenxit. Sau khi tôi,
một lượng austenit vẫn còn tồn tại trong tổ chức của thép tôi được gọi là austenit dư.. Lượng austenite dư phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần các nguyên tố hợp kim, nhiệt độ tôi, tốc độ tôi v.v. Lượng austenite dư sau khi tôi của thép các bon với %C khác nhau được thể hiện trên hình 3.
a) Vùng nhiệt độ tôi
b) % austenite dư
Hình 3: Lượng austenite dư sau tôi của thép %C khác nhau [11]
Nếu sau khi tôi thép được giữ một thời gian ở nhiệt độ môi trường hoặc nung đến nhiệt độ ram thì austenite dư sẽ ổn định, có nghĩa là sẽ khó để chuyển thành martensite hơn. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian giữ sau tôi trước khi gia công lạnh sâu -180oC được thể hiện trên hình 4.
a) Tôi 840oC, austenite dư 18%
b) Tôi 840oC, austenite dư 27%
Hình 4 : Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ổn định austenite dưđến % austenite chuyển biến thành mactenxit[10,11]
Như vậy có thể thấy, thông thường sau khi tôi trong tổ chức của thép luôn tồn tại một lượng austenite ảnh hưởng đến tính chất (tốt hoặc xấu) của thép. Để
kiểm soát những ảnh hưởng này, một trong những công nghệ mới nhất được sử
dụng hiện nay là gia công lạnh, gia công lạnh sâu.
Austenit dư dưới tác dụng của lực có thể chuyển biến thành martensit và có thể gây nứt vỡ sản phẩm. Để tránh hiện tượng này người ta phải chuyển austenit dư thành martenit hoặc bằng ram hoặc bằng gia công lạnh hoặc kết hợp cả hai.
Quá trình gia công lạnh được mô tả trên hình 5.
Hình 5. Quá trình xử lý thép
Đối với thép hợp kim cao hoặc thép thấm cabon, gia công lạnh là một bước trong quá trình xử lý nhiệt. Quá trình này được thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ -70oC đến -120oC, để chuyển biến austenit dư sang mactenxit. Như
vậy quá trình gia công lạnh có tác dụng:
- Làm tăng tính ổn định kích thước của sản phẩm trong quá trình làm việc (do không có chuyển biến pha)
- Tăng độ cứng của thép do tỉ lệ mactenxit được tăng lên đáng kể trong cấu trúc vật liệu. Một hàm lượng austenit dư nhất định sẽđược giữ lại
cho một vài ứng dụng cho bánh răng, vòng bi yêu cầu độ dẻo dai để
hấp thụ tác động hoặc chịu tải xoắn.
3.3. Gia công lạnh chuyển biến austenit dư thành mactenxitổn định kích thước
Austenit dư không ổn định ở nhiệt độ thường (25oC) và sẽ chuyển biến từ
từ theo thời gian. Với hầu hết các ứng dụng thông thường, đây không phải là vấn đề. Tuy nhiên, với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác rất cao, quá trình chuyển biến này có thể dẫn đến sự thay đổi kích thước từ việc thay đổi kích thước mạng tinh thể của các pha khác nhau. Ổn định kích thước có thể được thực hiện bởi việc lặp đi lặp lại các quá trình gia công lạnh. Điều này là rất quan trọng với những dung sai lắp ghép yêu cầu độ chính xác rất nhỏ hoặc các mẫu chuẩn đo lường.
3.4. Gia công lạnh chuyển biến austenit dư thành mactenxitđể tăng độ cứng Austenit dư thường làm giảm độ cứng của thép (hình 6 đường a), tuy nhiên với thép sau cùng tích, độ cứng này không phụ thuộc vào %C vì độ cứng của martensite chỉ phụ thuộc vào lượng C hoàn tan trong γ (hình 6 đường b) Nếu austenite chuyển thành 100% martensite (ví dụ bằng gia công lạnh) thì độ
Hình 6: Độ cứng của thép các bon phụ thuộc vào %C [11]
Độ cứng của thép sau tôi phụ thuộc vào % martensite và %C trong thép,
được thể hiện trong bảng 2.
Bảng 2 Độ cứng thép hợp kim thấp với những hàm lượng mactenxit khác nhau. [6]
% Martensit %C 50% 80% 90% 95% 99,9% 0,18 31 35 37,5 39 43 0,23 34 37,5 40,5 42 46 0,28 36,5 40,5 43 44,5 49 0,33 39 43,5 46,5 48,5 52 0,38 42 46 49 51 54 0,43 44 48 51 53,5 57 0,48 46,2 52 54 57 60
Với hầu hết các loại thép, gia công lạnh được thực hiện trong khoảng nhiệt độ dưới Mf từ -30oC đến -140oC. Thời gian của quá trình gia công lạnh vào khoảng 1h/25mm theo tiết diện hoặc có thể tính từ 1-1,5 giờ sau khi đạt nhiệt độ yêu cầu. Kéo dài thời gian hoặc không có ý nghĩa, đây cũng là một đặc
điểm của công nghệ này. Có thể xử lý nhiệt lạnh đồng thời cho các loại vật liệu khác nhau, với các kích thước khác nhau, trong trường hợp này tính thời gian theo chi tiết lớn nhất và nhiệt độ cho vật liệu có nhiệt độ Mf thấp nhất. Sau đó, chi tiết được lấy ra ngoài và để nguội từ từ tới nhiệt độ môi trường. Có thể sử
dụng quạt để tăng tốc độđối lưu và giảm thời gian làm nguội.
Sau khi tôi, nếu thép được giử một thời gian ở nhiệt độ môi trường hoặc nung đến nhiệt độ ram thì austenite dư sẽ ổn định, có nghĩa là sẽ khó để chuyển thành martensite hơn. Để quá trình chuyển biến austenit thành mactenxit đạt
được tối đa, gia công lạnh nên được tiến hành ngay sau khi tôi và trước khi ram. Lượng mactenxit mới hình thành với cacbon quá bão hòa không ổn định, dòn và dễ gây ra nứt. Vì thế, nhiều loại thép hợp kim cao cần được ram sơ bộở khoảng nhiệt độ 100oC-160 oC để ngăn ngừa nứt vỡ rồi sau đó mới đưa gia công lạnh và ram
Quá trình xử lý nhiệt nên được tiến hành theo sơ đồ dưới đây, có thể bỏ
qua bước ram sơ bộ.
Khi có sự yêu cầu chính xác về kích thước, nhiều chu kỳ gia công lạnh và ram sẽ cần được thực hiện đểđộ ổn định kích thước cao nhất. Bước xử lý nhiệt cuối cùng luôn luôn phải làm quá trình ram để chuyển biến nốt bất kỳ lượng mactenxit nào mới được hình thành.
4. Gia công lạnh sâu
Khả năng chịu mài mòn, độ dẻo dai, độ cứng và tính ổn định kích thước là những yêu cầu quan trọng đối với thép dụng cụ. Khả năng chịu mài mòn sẽ
ảnh hưởng đến tuổi thọ của dụng cụ chế tạo từ thép hợp kim cao và tuổi thọ của chúng có thể được cải thiện đáng kể nhờ ứng dụng phương pháp gia công lạnh sâu. Khi nhiệt luyện đúng đắn kết hợp với gia công lạnh sâu với nhiệt độ và thời gian hợp lý, các tính chất của thép có thểđạt được vượt lên trên kết quả của quá trình chuyển biến austenit dư thành mactenxit. Nhiều kết quả thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả của phương pháp gia công lạnh sâu, tuy nhiên, để giải thích quá trình xảy ra như thế nào thì cần phải có những thiết bị nghiên cứu chuyên sâu hơn và cần có những hiểu biết nhất định về kim loại học.
Giáo sư D.N. Collins tại trường đại học Dublin đã tiến hành nghiên cứu
để tìm hiểu các hiệu ứng xảy ra đối với thép dụng cụ khi xử lý gia công lạnh. Theo ông này, ngoài các hiệu ứng chuyển biến austenit dư thành mactenxit để
tăng độ cứng, quá trình gia công lạnh sâu còn có ảnh hưởng đến mactenxit. Nó gây ra sự thay đổi đối với tinh thể và cấu trúc tế vi, và trong quá trình ram tiếp theo, sẽ làm cho cacbit phân bố được nhỏ mịn hơn trong tổ chức tế vi. Sự
chuyển biến cacbit trong suốt quá trình ram tiếp sau khi gia công lạnh sâu góp phần cải thiện một số tính chất của vật liệu [1, 2, 6].
4.1 Các bước trong quá trình gia công lạnh sâu
Cũng giống như gia công lạnh, gia công lạnh sâu được tiến hành đối với thép đã được tôi. Nhiệt độ gia công lạnh sâu xung quanh -180oC với thời gian dài từ 24-72h, sau đó làm ấm từ từ đến nhiệt độ môi trường. Tốc độ làm lạnh nằm trong khoảng 2,5-5oC/phút, quá trình đưa chi tiết về nhiệt độ thường nên
được thực hiện trong không khí động với tốc độ 1oC/phút. Với những chi tiết có tiết diện dày, có thể cần được làm lạnh xuống nhiệt độ trung gian cho đồng đều nhiệt trên toàn bộ chi tiết trước khi tiếp tục làm nguội xuống. Quá trình này giúp việc ngăn chặn khả năng nứt vỡ của chi tiết. Sử dụng khí nito như là phương tiện truyền nhiệt sẽ cho phép kiểm soát được quá trình làm lạnh và nung nóng trở lại.
a)
b)
Hình 7: Ảnh hưởng của nhiệt độ (a) và thời gian (b) đến số lượng carbide [6].
Nhiệt độ và thời gian giữ là 2 thông số quan trong trong quá trình này.
Đối với thép dập nguội D2, lượng cacbit tiết ra càng nhiều khi nhiệt độ gia công lạnh càng giảm được thể hiện trong hình 7a. Thời gian tại nhiệt độ gia công lạnh
ảnh hưởng đến lượng cacbit được tiết ra, sẽ càng nhiều nếu càng kéo dài thời gian (hình 7b).