Bốn loại xử lý nhiệt trong thép là gì?

Bốn điều cơ bản các loại xử lý nhiệt áp dụng cho thép là ủ, thường hóa, làm cứng (làm nguội) và ủ. Các quá trình nhiệt được kiểm soát này điều khiển cấu trúc tinh thể bên trong của kim loại để đạt được các đặc tính cơ học cụ thể—chẳng hạn như độ cứng, độ dẻo, độ bền kéo và khả năng chống va đập—mà không làm thay đổi thành phần hóa học. Theo Hiệp hội xử lý nhiệt quốc tế ASM, xử lý nhiệt là công nghệ cốt lõi đằng sau hầu hết mọi sản phẩm kim loại bền, từ bánh răng ô tô và dụng cụ phẫu thuật đến dầm chữ I kết cấu. Hiểu chính xác bốn điều này là gì các loại heat treatment và cách chúng hoạt động cho phép các kỹ sư chọn chu trình chính xác để ngăn ngừa hiện tượng gãy giòn, cải thiện khả năng gia công hoặc tối đa hóa khả năng chống mài mòn cho một ứng dụng cụ thể.

1. Ủ: Làm mềm kim loại và giảm bớt căng thẳng bên trong

Ủ là một quá trình xử lý nhiệt làm mềm thép, cải thiện độ dẻo và giảm ứng suất bên trong bằng cách nung kim loại đến nhiệt độ cao cụ thể, giữ nó ở đó đủ lâu để xảy ra biến đổi pha, sau đó làm nguội cực kỳ chậm, thường là bên trong lò. Mục tiêu chính của quá trình ủ là đưa thép về trạng thái mềm nhất có thể, giúp dễ dàng gia công hoặc tạo hình nguội. Đối với thép cacbon trơn, nhiệt độ ủ thường là Cao hơn nhiệt độ tới hạn trên từ 30°C đến 50°C (50°F đến 90°F) , dao động từ khoảng 723°C đối với thép eutectoid đến trên 910°C đối với thép cacbon thấp. Thép được giữ ở nhiệt độ này, thường trong một đến hai giờ trên mỗi inch mặt cắt ngang, cho phép cacbon hòa tan đồng đều vào pha austenite. Quá trình làm nguội tiếp theo là đặc điểm xác định của quá trình ủ: nó phải đủ chậm để cho phép cacbon khuếch tán ra khỏi mạng sắt và tạo thành các lớp ferit và xi măng thô thô, có khoảng cách rộng rãi được gọi là ngọc trai. Tốc độ làm mát thường là 10°C đến 50°C mỗi giờ , thường đạt được bằng cách đơn giản là để các bộ phận trong lò và để chúng nguội cùng nhau trong nhiều giờ hoặc thậm chí nhiều ngày. Cấu trúc vi mô thu được là một viên ngọc trai thô với diện tích lớn chứa ferit mềm, có độ cứng Brinell thấp đến mức 120 đến 150 HB trong các loại thép cacbon trung bình như AISI 1045. Theo Cẩm nang ASM Tập 4: Xử lý nhiệt , ủ không chỉ làm giảm độ cứng mà còn loại bỏ ứng suất dư từ quá trình gia công hoặc hàn nguội trước đó, điều này rất quan trọng để ngăn ngừa cong vênh trong quá trình gia công hoặc bảo dưỡng tiếp theo. Ngoài việc ủ hoàn toàn, còn tồn tại các biến thể chuyên biệt: ủ hình cầu tạo ra cấu trúc các hạt cacbua hình cầu để có khả năng tạo hình tối đa trong thép công cụ cacbon cao, trong khi quá trình ủ là xử lý nhiệt độ thấp hơn áp dụng cho thép cacbon thấp trong quá trình gia công nguội trình tự để khôi phục độ dẻo giữa các lần kéo hoặc cán. Bất kể phương pháp cụ thể nào, ủ luôn là điểm khởi đầu khi cần có khả năng làm việc cao hoặc giảm căng thẳng và đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất. các loại heat treatment trong các ngành công nghiệp chế tạo nặng.

2. Chuẩn hóa: Tinh chỉnh cấu trúc hạt để có tính đồng nhất và độ bền

Bình thường hóa là một quá trình xử lý nhiệt tạo ra cấu trúc vi mô đồng nhất, hạt mịn với độ bền và độ dẻo dai được cải thiện so với thép ủ bằng cách nung kim loại trên phạm vi tới hạn của nó và sau đó làm nguội nó trong không khí tĩnh thay vì trong lò. Nhiệt độ gia nhiệt để chuẩn hóa thường là Cao hơn nhiệt độ tới hạn từ 30°C đến 50°C , tương tự như ủ, nhưng điểm khác biệt quan trọng nằm ở giai đoạn làm nguội. Sau khi ngâm đủ, thép được lấy ra khỏi lò và để nguội trong không khí xung quanh, tĩnh lặng. Việc làm mát bằng không khí này nhanh hơn đáng kể so với làm mát bằng lò, dẫn đến cấu trúc ngọc trai mịn hơn với các hạt nhỏ hơn. Kích thước hạt mịn rất quan trọng vì nó làm tăng đồng thời cả độ bền chảy và độ dẻo dai, trong khi hầu hết các cơ chế tăng cường đều trao đổi cái này với cái kia. Đối với thép AISI 1045 chuẩn hóa, độ bền kéo thường đạt khoảng 620 MPa (90.000 psi) , cao hơn đáng kể so với 500 MPa điển hình của cùng loại thép trong điều kiện ủ hoàn toàn. Theo nghiên cứu được công bố bởi Tạp chí Kỹ thuật và Hiệu suất Vật liệu , chuẩn hóa cũng đồng nhất hóa cấu trúc vi mô trong các bộ phận đúc hoặc rèn có thể đã trải qua quá trình làm mát không đồng đều trong quá trình hóa rắn, do đó đảm bảo các đặc tính cơ học nhất quán trên toàn bộ bộ phận. Bình thường hóa thường được chỉ định là xử lý nhiệt cuối cùng cho thép kết cấu không yêu cầu độ cứng cực cao của điều kiện tôi và tôi luyện, cũng như bước chuẩn bị trước khi đông cứng, bởi vì cấu trúc hạt đồng nhất phản ứng dễ đoán hơn với quá trình làm nguội tiếp theo. Trong số bốn các loại heat treatment , quá trình chuẩn hóa chiếm vị trí trung gian giữa trạng thái mềm, dẻo được tạo ra bằng cách ủ và trạng thái cứng, giòn được tạo ra bằng cách làm nguội, khiến nó trở thành sự lựa chọn tuyệt vời cho các bộ phận cần sự cân bằng về độ bền và độ dẻo dai, chẳng hạn như bánh xe đường sắt, trục và tấm bình chịu áp lực.

3. Làm cứng (Dập tắt): Đạt được độ cứng và khả năng chống mài mòn tối đa

Làm cứng, còn được gọi là làm nguội, là một phương pháp xử lý nhiệt làm tăng đáng kể độ cứng và độ bền của thép bằng cách nung nó đến phạm vi austenit và sau đó làm nguội nhanh trong nước, nước muối, dầu hoặc không khí cưỡng bức, biến cấu trúc tinh thể thành một pha siêu bão hòa, cực kỳ cứng gọi là martensite. Thép được nung tới nhiệt độ khoảng 760°C đến 870°C (1.400°F đến 1.600°F) , tùy thuộc vào hàm lượng carbon và được giữ đủ lâu để củng cố hoàn toàn cấu trúc. Sự làm mát nhanh chóng—thường vượt quá 200°C mỗi giây trong nước làm nguội—ngăn chặn sự khuếch tán của các nguyên tử carbon ra khỏi mạng sắt. Thay vì hình thành các pha cân bằng của ferit và xi măngit, cacbon bị giữ lại trong cấu trúc tinh thể tứ giác tập trung vào vật thể được gọi là martensite. Cấu trúc này được đặc trưng bởi sức căng bên trong rất lớn và độ cứng có thể đạt tới 62 đến 67 HRC trên thang Rockwell C đối với thép công cụ có hàm lượng carbon cao như AISI 1095. Việc lựa chọn môi trường tôi là một quyết định kỹ thuật quan trọng. Nước và nước muối cung cấp khả năng làm nguội nghiêm trọng nhất, mang lại độ cứng tối đa nhưng cũng có nguy cơ biến dạng và nứt nứt cao nhất. Quá trình làm nguội dầu chậm hơn và đồng đều hơn, giảm sốc nhiệt và làm cho nó trở thành phương tiện được ưa chuộng cho thép hợp kim và các hình dạng phức tạp. Làm nguội bằng không khí, hoặc làm nguội bằng khí, được sử dụng cho các loại thép có độ cứng không khí hợp kim cao tạo thành martensite ngay cả ở tốc độ làm nguội tương đối chậm. Tuy nhiên, cấu trúc martensitic khi được làm nguội tuy cực kỳ cứng nhưng cũng rất giòn. Theo số liệu tổng hợp của Sổ tay phân tích lỗi ASM , martensite chưa qua xử lý có chứa ứng suất dư cao và có thể nứt tự phát do các khuyết tật nhỏ trên bề mặt hoặc trong quá trình mài. Độ giòn này là lý do tại sao quá trình đông cứng hầu như không bao giờ là bước cuối cùng trong chu trình nhiệt. Thay vào đó, quá trình làm cứng phải được thực hiện ngay sau đó bằng quá trình ủ để khôi phục độ dẻo dai. Bất chấp hạn chế này, làm cứng là cách trực tiếp nhất để đạt được độ cứng bề mặt cao cần thiết cho dụng cụ cắt, vòng bi, khuôn và tấm chịu mài mòn, và đó là quá trình xác định giữa các các loại heat treatment cho các bộ phận phải chống mài mòn và lõm.

4. Ủ: Cân bằng độ cứng và độ dẻo dai sau khi làm nguội

Ủ là quá trình xử lý nhiệt bắt buộc sau quá trình đông cứng; nó làm giảm độ giòn của cấu trúc martensitic và giảm bớt ứng suất dập tắt bằng cách nung nóng thép đến nhiệt độ dưới điểm tới hạn thấp hơn, giữ nó và sau đó làm mát trong không khí. Nhiệt độ ủ là biến số chính kiểm soát sự cân bằng cuối cùng giữa độ cứng và độ dẻo dai. Nó dao động từ thấp đến 150°C (300°F) cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn tối đa, chẳng hạn như lưỡi dao cạo và dụng cụ cắt kim loại, cao tới 650°C (1.200°F) cho các bộ phận phải hấp thụ năng lượng va chạm, chẳng hạn như trục và trục khuỷu ô tô. Khi nhiệt độ ủ tăng lên, các nguyên tử carbon bị bẫy kết tủa ra khỏi mạng martensite dưới dạng các hạt cacbua mịn và cấu trúc tinh thể dần dần biến đổi từ hình tứ giác tập trung vào cơ thể thành sự sắp xếp hình khối tập trung vào cơ thể ổn định hơn với các cacbua phân tán. Cấu trúc martensite được tôi luyện này có thể được thiết kế chính xác bằng cách kiểm soát thời gian và nhiệt độ. Ví dụ, thép carbon trơn được tôi tới 64 HRC có thể được tôi luyện ở 200°C để giữ được độ cứng 60 đến 62 HRC cho lưỡi cắt, hoặc được tôi luyện ở 550°C để tạo ra độ cứng 30 đến 35 HRC và có độ dẻo dai cao phù hợp làm thanh nối. Một hiện tượng đặc biệt được gọi là giòn do nhiệt độ có thể xảy ra nếu một số loại thép hợp kim nhất định được làm nguội chậm trong khoảng 450°C đến 600°C, nguy cơ này được giảm thiểu bằng cách thêm một lượng nhỏ molypden hoặc bằng cách làm nguội nhanh từ nhiệt độ ủ. Theo Phiên bản bàn sổ tay kim loại , ủ không chỉ đơn thuần là một biện pháp khắc phục sau quá trình làm cứng; nó là một công cụ thiết kế có chủ ý nhằm điều chỉnh phản ứng cơ học của thép theo nhu cầu chính xác của ứng dụng. Trong số bốn các loại heat treatment , ủ là quá trình chuyển đổi một bộ phận giòn, chịu ứng suất bên trong thành một bộ phận kỹ thuật đáng tin cậy.

Bốn loại xử lý nhiệt phối hợp với nhau như thế nào trong sản xuất

Trong thực tế công nghiệp, bốn loại xử lý nhiệt hiếm khi được sử dụng riêng lẻ; chúng được kết hợp thành một trình tự biến nguyên liệu thô thành các thành phần hoàn thiện với các đặc tính được kiểm soát chính xác. Một lộ trình sản xuất điển hình cho một bánh răng cứng bắt đầu bằng việc chuẩn hóa hoặc ủ phôi rèn để làm mềm nó để gia công và loại bỏ ứng suất đúc hoặc rèn còn sót lại. Sau đó phôi được gia công thành dạng gần như lưới khi ở trạng thái mềm nhất, dễ gia công nhất. Sau khi gia công, bộ phận này được nung nóng đến nhiệt độ austenit hóa và được làm nguội để tạo thành martensite, đạt được độ cứng bề mặt cao cần thiết cho khả năng chống mài mòn. Ngay sau khi tôi, bộ phận này được tôi luyện đến độ bền cần thiết, làm giảm ứng suất tôi bên trong và ngăn ngừa hiện tượng nứt chậm. Trình tự này—làm mềm, tạo hình, làm cứng, tôi luyện—là nền tảng để sản xuất hàng triệu bộ phận quan trọng, từ hộp số truyền động ô tô đến dụng cụ phẫu thuật. Các thông số cụ thể của từng bước phụ thuộc vào loại thép cũng như độ cứng và độ bền cuối cùng mong muốn. Ví dụ, một bánh răng được làm từ thép hợp kim cacbon thấp AISI 8620 có thể trải qua một quá trình làm cứng khác gọi là cacbon hóa, đưa cacbon vào lớp bề mặt trước khi làm nguội, nhưng trình tự xử lý lõi vẫn bao gồm việc chuẩn hóa để sàng lọc hạt, làm nguội để tạo thành vỏ martensitic và ủ để giảm độ giòn của vỏ. Hiểu cách bốn điều này các loại heat treatment tương tác cho phép các kỹ sư xử lý thiết kế một chu trình nhiệt giúp tối đa hóa hiệu suất đồng thời giảm thiểu biến dạng và phế liệu.

Câu hỏi thường gặp về các loại xử lý nhiệt

Sự khác biệt giữa ủ và bình thường hóa là gì?

Cả hai các loại heat treatment làm mềm thép và tinh chỉnh cấu trúc của nó, nhưng chúng khác nhau về tốc độ làm nguội. Quá trình ủ sử dụng quá trình làm nguội lò rất chậm, tạo ra trạng thái mềm nhất có thể với độ dẻo tối đa và cấu trúc hạt thô nhất. Quá trình chuẩn hóa sử dụng làm mát bằng không khí, tạo ra cấu trúc hạt mịn, cứng vừa phải với độ bền cao hơn và độ đồng đều tốt hơn. Chuẩn hóa được ưu tiên khi cần sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai, trong khi ủ được chọn khi cần độ mềm và khả năng định hình cực cao cho quá trình gia công nguội tiếp theo.

Tất cả các loại thép có thể được làm cứng bằng cách làm nguội?

Không. Khả năng hình thành martensite trong quá trình đông cứng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và thành phần hợp kim. Thép có ít hơn khoảng 0,30% cacbon thường không thể được làm cứng thành cấu trúc martensitic thông qua quá trình làm nguội trực tiếp vì chúng thiếu lượng cacbon đủ để tạo ra mạng cứng, bị biến dạng. Các loại thép có hàm lượng carbon thấp như AISI 1018 thường được làm cứng bằng phương pháp cacbon hóa, bổ sung carbon vào bề mặt trước khi tôi, tạo ra lớp vỏ cứng trên lõi cứng. Thép có hàm lượng carbon trung bình và cao, cũng như hầu hết các loại thép hợp kim, dễ dàng phản ứng với quá trình đông cứng.

Tại sao phải ủ ngay sau khi đông cứng?

Martensite được hình thành trong quá trình làm nguội có chứa ứng suất bên trong rất lớn. Nếu những ứng suất này không được giảm bớt thông qua quá trình tôi luyện, chúng có thể khiến bộ phận này bị nứt một cách tự nhiên, đôi khi vài giờ hoặc vài ngày sau khi tôi nguội, hiện tượng này được gọi là nứt chậm. Việc ủ phải được thực hiện ngay khi phần đạt đến khoảng 50°C đến 65°C (120°F đến 150°F) sau khi dập tắt. Việc trì hoãn bước này có nguy cơ gây hư hỏng bộ phận và được coi là lỗi quy trình nghiêm trọng ở tất cả các xưởng xử lý nhiệt.

Làm cách nào để lựa chọn giữa ủ và thường hóa đối với thép có hàm lượng carbon thấp?

Đối với các loại thép có hàm lượng carbon thấp sẽ trải qua quá trình tạo hình nguội hoặc kéo sâu, ủ là phương pháp được ưu tiên hơn. xử lý nhiệt vì nó tạo ra trạng thái mềm nhất, dẻo nhất. Nếu thành phần được thiết kế để sử dụng trong kết cấu khi cần có độ bền nhất định thì việc chuẩn hóa là lựa chọn tốt hơn vì nó mang lại kích thước hạt mịn hơn và cải thiện các tính chất cơ học mà không tốn chi phí làm mát lò kéo dài. Quyết định cũng phụ thuộc vào các bước sản xuất tiếp theo: ủ là lý tưởng cho nguyên liệu gia công trước, trong khi chuẩn hóa thường đóng vai trò là bước xử lý cuối cùng cho các phần cán nóng.

Bốn các loại heat treatment —ủ, chuẩn hóa, làm cứng và ram—tạo thành một bộ công cụ hoàn chỉnh để vận dụng các tính chất cơ học của thép. Mỗi quy trình giải quyết một nhu cầu kỹ thuật khác nhau: ủ tạo ra nền tảng mềm mại, không bị căng thẳng để tạo hình; bình thường hóa tinh chỉnh và đồng nhất hóa cấu trúc để đảm bảo độ tin cậy; quá trình đông cứng đẩy thép đến độ cứng tối đa có thể; và quá trình ủ biến đổi độ cứng giòn đó thành sự kết hợp an toàn, có thể sử dụng được giữa độ bền và độ dẻo dai. Cùng với nhau, các quy trình này cho phép sản xuất các bộ phận từ kim loại tấm mềm, có thể uốn cong đến các lưỡi cắt siêu cứng và chúng vẫn đóng vai trò thiết yếu đối với hoạt động sản xuất hiện đại như cách đây một thế kỷ.