Bài giảng Chương 4: Nhiệt luyện thép

ữ0,65%C- HRC 52 ữ 58, 
%C = 0,70 ữ 1,00%C- HRC 60 ữ 64, %C = 1,00 ữ 1,50%C- HRC 65 ữ 66 
2) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy, áp dụng cho thép có 
%C=0,15-0,65: 
tôi + ram trung bình thép đàn hồi (0,55-0,65)%C 
Tôi+ram cao → thép có cơ tí nh tổng hợp cao nhất (thép 0,3-0,5)%C 
4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép 
a. Đối với thép TCT (< 0,80%C): Ttôi = A3 + (30 ữ 50
oC) → M+í t γd− 
b. Đối với thép CT và SCT (≥ 0,80%C): Ttôi =A1+(30 ữ 50oC) ≈ 760 ữ 780oC → 
M+í t γd−+XêII 
c. Lý do để chọn nhiệt độ tôi: 
+ Thép TCT, T< A3 còn F là pha mềm gây ra điểm mềm ảnh h−ởng xấu tới độ 
bền, độ bền mỏi và tí nh chống mài mòn. 
+ Thép SCT, T> Acm → hàm l−ợng C trong γ cao quá dễ sinh γ d− nhiều, hạt lớn 
(vì T >950oC) 
A1<Ttôi<Acm sau tôi đ−ợc M+ l−ới XêII+ í t γ d− → chống mài mòn tốt 
1400 
1600 
1800 
1200 
ủ cầ u 
700 
800 
900 
T
, o
C
T
, o
F
A1 
Acm 
A3 
th−ờng 
ủ và tô i 
%C 0,8 0,4 1,2 
2) Làm nhỏ xêmentit chuẩn bị cho nhiệt 
luyện kết thúc. Th−ờng áp dụng cho các 
thép kết cấu tr−ớc khi tôi (thể tí ch và bề 
mặt). 
3) Làm mất l−ới xêmentit II của thép sau 
cùng tí ch → thép đỡ giòn, gia công đ−ợc 
bóng hơn. 
 56 
d. Đối với thép hợp kim: cũng dựa vào GĐP Fe-C để tham khảo nhiệt độ tôi, 2 
tr−ờng hợp: 
+ thép hợp kim thấp (ví dụ 0,40%C + 1,00%Cr), Ttôi ~ thép 0,40%C, có lấy tăng 
lên 1,1-1,2 lần 
+ thép hợp kim trung bình và cao: tra trong các sách tra cứu và sổ tay kỹ thuật. 
4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi 
Tốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi, tạo ra độ cứng cao (cả sâu 
trong lõi) đồng thời với biến dạng nhỏ và không bị nứt. 
b. Các yếu tố ảnh h−ởng đến tốc độ tôi tới hạn: 
- Thành phần hợp kim của γ: quan trọng nhất, γ càng giàu nguyên tố hợp kim (trừ 
Co) đ−ờng "C" càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ: (2ữ3)% nthk Vth ≈ 100oC/s, (5 ữ 
7)% nthk Vth ≈ 25
oC/s. 
- Sự đồng nhất của γ : γ càng đồng nhất càng dễ biến thành M (γ không đồng 
nhất, vùng giàu C dễ biến thành Xê, vùng nghèo C dễ biến thành F) → Ttôi ↑ → γ 
đồng nhất → Vth ↓ 
- Các phần tử rắn ch−a tan hết vào γ: thúc đẩy tạo thành hỗn hợp F-Xê, làm tăng 
Vth. 
- Kí ch th−ớc hạt γ: càng lớn, biên giới hạt càng í t, càng khó tạo thành hỗn hợp F-
Xê , Vth ↓ 
c. Độ thấm tôi 
Đ/n: là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức 1/2M + 1/2T 
Cách xác định: bằng thí nghiệm tôi đầu mút 
Các yếu tố ảnh h−ởng: 
Vth: càng nhỏ độ thấm tôi càng cao, Vth < Vlõi tôi thấu, các yếu tố làm giảm Vth → 
↑δ 
Tốc độ làm nguội: nhanh → ↑δ nh−ng dễ gây nứt, biến dạng. 
ý nghĩa: biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi + ram, đúng hơn là biểu thị 
tỷ lệ tiết diện của chi tiết đ−ợc hóa bền nhờ tôi + ram. 
- Thép có độ thấm tôi càng cao đ−ợc coi là chất l−ợng càng tốt, 
- Mỗi mác thép có δ xác định do đó nên dùng cho các chi tiết có kí ch th−ớc nhất 
định để có thể tôi thấu 
d. Đánh giá độ thấm tôi: 
Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép với cùng l−ợng cacbon là 0,40%, ở 
đây độ thấm tôi đ−ợc tí nh tới vùng nửa 1/2M+1/2T. 
+ Thép cacbon, δ trung bình chỉ khoảng 7mm, nếu thêm 1,00%Cr là 12mm, còn 
thêm 0,18%Mo nữa tăng lên đến 30mm. 
+ Để tăng mức độ đồng đều cơ tí nh trên tiết diện, tr−ớc khi đem chế tạo các bánh 
răng quan trọng ng−ời ta phải kiểm tra lại δ của mác thép mới định dùng. 
+ Ng−ợc lại: còn có yêu cầu hạn chế độ thấm tôi để bảo đảm cứng bề mặt lõi vẫn 
dẻo dai. 
e. Tí nh thấm tôi và tí nh tôi cứng: 
Tí nh tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao nhất khi tôi, %C càng cao tí nh tôi 
cứng càng lớn. 
 57 
Tí nh thấm tôi là khả năng đạt chiều dày lớp tôi cứng lớn nhất, %nthk càng cao thì 
tí nh thấm tôi càng lớn. 
 a) b) c) 
Hình 4.17. Khả năng tôi cứng của một số loại thép: 
a. 0,40%C, b. 0,40%C + 1,00%Cr, c. 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo, 
4.4.4. Các ph−ơng pháp tôi thể tí ch và công dụng. Các môi tr−ờng tôi 
Các cách phân loại tôi: Theo T tôi: tôi hoàn toàn và không hoàn toàn, theo phạm 
vi: tôi thể tí ch và tôi bề mặt, theo ph−ơng thức và môi tr−ờng làm nguội (hình 
4.18) ta có: 
a. Tôi trong một môi tr−ờng hình 4.18 - a 
Hình 4.18. Ph−ơng pháp tôi Hình 4.19. Đ−ờng nguội lý t−ởng khi tôi 
a. trong 1 môi tr−ờng, b. trong 2 môi tr−ờng, 
c. tôi phân cấp, d. tôi đẳng nhiệt. 
Yêu cầu đối với môi tr−ờng tôi: 
- làm nguội nhanh thép để đạt đ−ợc tổ chức M, - không làm thép bị nứt hay biến 
dạng 
- rẻ, sẵn, an toàn và bảo vệ môi tr−ờng. 
Để đạt đ−ợc hai yêu cầu đầu tiên, môi tr−ờng tôi lý t−ởng hình 4.19: 
1) Làm nguội nhanh thép ở trong khoảng γ kém ổn định nhất 500 ữ 600oC để γ 
không kịp phân hóa thành hỗn hợp F-Xê. Vnguội> Vth. 
2) Làm nguội chậm thép ở ngoài khoảng nhiệt độ trên vì ở đó γ quá nguội có tí nh 
ổn định cao, không sợ bị chuyển biến thành hỗn hợp F-Xê có độ cứng thấp. Đặc 
20 
40 
60 
12 20 
H
R
C
khoảng cách,mm 
20 
40 
60 
7 20 
khoảng cách ,mm 
H
R
C
khoảng cách, mm 
20 
40 
60 
30 20 
H
R
C
 độ cứng ~1/2M+1/2T độ cứng ~1/2M+1/2T độ cứng ~1/2M+1/2T 
A1austenit
nh
iệ
t đ
ộ
, 
a
thời gian 
b c d
Mđ
A1austenit
nh
iệ
t đ
ộ
, 
thờ i gian 
Mđ
 58 
biệt trong khoảng chuyển biến M (300 ữ 200oC), nguội chậm sẽ làm giảm ứng 
suất pha do đó í t bị nứt và í t cong vênh. 
Các môi tr−ờng tôi th−ờng dùng: (bảng 4.1) 
 Bảng 4.1. Đặc tí nh làm nguội của các môi tr−ờng tôi 
Tốc độ nguội, [độ/s], ở các khoảng nhiệt độ Môi tr−ờng tôi 
600 ữ 5000C 300 ữ 2000C 
N−ớc lạnh, 10 ữ 300C 600-500 270 
N−ớc nóng, 500C 100 270 
N−ớc hòa tan 10%NaCl, NaOH,200C 1100-1200 300 
Dầu khoáng vật 100-150 20-25 
Tấm thép, không khí nén 35-30 15-10 
N−ớc: là môi tr−ờng tôi mạnh, an toàn, rẻ, dễ kiếm nên rất thông dụng nh−ng 
cũng dễ gây ra nứt, biến dạng, không gây cháy hay bốc mùi khó chịu, khi nhiệt độ 
n−ớc bể tôi > 40oC tốc độ nguội giảm, (khi To n−ớc = 50oC, tốc độ nguội thép 
chậm hơn cả trong dầu mà không làm giảm khả năng bị biến dạng và nứt (do 
không làm giảm tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) phải l−u ý tránh: bằng cách cấp 
n−ớc lạnh mới vào và thải lớp n−ớc nóng ở bề mặt đi. 
N−ớc (lạnh) là môi tr−ờng tôi cho thép cacbon (là loại có Vth lớn, 400 ữ 800oC 
/s), song không thí ch hợp cho chi tiết có hình dạng phức tạp. 
N−ớc đ−ợc hoà tan 10% các muối (NaCl hoặc Na2CO3) hay (NaOH): nguội rất 
nhanh ở nhiệt độ cao song không tăng khả năng gây nứt (vì hầu nh− không tăng 
tốc độ nguội ở nhiệt độ thấp) so với n−ớc, đ−ợc dùng để tôi thép dụng cụ cacbon 
(cần độ cứng cao). 
Dầu : làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó í t gây biến dạng, nứt 
nh−ng khả năng tôi cứng lại kém. Dầu nóng, 60 ữ 80oC, có khả năng tôi tốt hơn vì 
có độ loãng (linh động) tốt không bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Nh−ợc 
điểm dễ bốc cháy phải có hệ thống ống xoắn có n−ớc l−u thông làm nguội dầu, 
bốc mùi gây ô nhiễm và hại cho sức khỏe. 
Dầu là môi tr−ờng tôi cho thép hợp kim (loại có Vth nhỏ, < 150oC / s), các chi 
tiết có hình dạng phức tạp, là môi tr−ờng tôi thứ 2 (thép CD) 
Quy tắc chọn môi tr−ờng tôi ngoại lệ: 
- Thép C tiết diện nhỏ (φ < 10), hình dạng đơn giản, dài (nh− trục trơn) nên tôi 
dầu. Chi tiết có hình dạng phức tạp về độ bền có thể chọn thép C nh−ng phải làm 
bằng thép hợp kim để tôi dầu. 
- Chi tiết bằng thép hợp kim, có tiết diện lớn, hình dạng đơn giản phải tôi n−ớc. 
Các vật mỏng, hình dạng phức tạp dễ bị cong vênh khi làm nguội tự do cần tôi 
trong khuôn ép, trong khung giữ chống cong vênh hoặc bó chặt nhiều thanh dài 
lại,.... 
Tôi trong một môi tr−ờng 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 tr−ờng (n−ớc qua dầu) Đ−ờng b trên hình 4.18 
Tận dụng đ−ợc −u điểm của cả n−ớc lẫn dầu: n−ớc, n−ớc pha muối, xút qua dầu 
(hay không khí ) cho đến khi nguội hẳn. Nh− vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho 
 59 
thép vừa í t gây biến dạng, nứt. Nh−ợc điểm: khó, đòi hỏi kinh nghiệm, khó cơ khí 
hóa, chỉ áp dụng cho tôi đơn chiếc thép C cao 
c. Tôi phân cấp: đ−ờng c trên hình 4.18 
Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm Mđ khoảng 50 ữ 100oC, 3 ữ 5min để 
đồng đều nhiệt độ trên tiết diện rồi nhấc ra làm nguội trong không khí để chuyển 
biến M. 
Ưu điểm: khắc phục đ−ợc khó khăn về xác định thời điểm chuyển môi tr−ờng của 
cách b. 
 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 γ quá nguội 
vẫn còn dẻo. 
Nh−ợc điểm: năng suất thấp, chỉ áp dụng đ−ợc cho các thép có Vth nhỏ (thép hợp 
kim cao nh− thép gió) và với tiết diện nhỏ nh− mũi khoan, dao phay... 
Cả ba ph−ơng pháp tôi kể trên đều đạt đ−ợc tổ chức mactenxit. 
d. Tôi đẳng nhiệt: đ−ờng d trên hình 4.18 
Khác tôi phân cấp ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơn (hàng giờ) cũng trong môi tr−ờng 
lỏng (muối nóng chảy) để austenit quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợp 
F-Xê nhỏ mịn có độ cứng t−ơng đối cao, độ dai tốt. Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng 
nhiệt sẽ đ−ợc 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 −u, nh−ợc điểm của tôi phân cấp, nh−ng độ cứng thấp hơn 
và độ dai cao hơn, năng suất thấp í t đ−ợc áp dụng cách tôi này. 
Một ph−ơng pháp tôi đẳng nhiệt đặc biệt là tôi chì (patenting) - tôi đẳng nhiệt 
trong bể Pb nóng chảy ở 500 ữ 520oC → X mịn, qua khuôn kéo sợi nhiều lần (ε 
tổng= 90%), đạt σE và δ max. 
e. Gia công lạnh 
áp dụng cho thép dụng cụ hợp kim, %C cao và đ−ợc hợp kim hóa, các điểm Mđ và 
MK quá thấp nên khi tôi l−ợng γ d− quá lớn, làm giảm độ cứng. Đem gia công lạnh 
(-50 hay -70oC) để γ d− → M, độ cứng có thể tăng thêm 1 ữ 10 đơn vị HRC. 
f. Tôi tự ram 
Là cách tôi với làm nguội không triệt để, nhằm lợi dụng nhiệt của lõi hay các phần 
khác truyền đến, nung nóng tức ram ngay phần vừa đ−ợc tôi: đục, chạm, tôi cảm 
ứng băng máy, trục dài... 
4.4.5. Cơ - nhiệt luyện thép 
a. Bản chất: đồng thời: biến dạng dẻo (cán nóng) γ đem tôi ngay rồi ram 
thấp ở 150 ữ 200oC. Kết quả: M nhỏ mịn với xô lệch cao, nhờ đó kết