5 Bí mật của quá trình nhiệt luyện: Tính chất kim loại kỹ thuật được tiết lộ

Hướng dẫn đầy đủ về nhiệt luyện: Cách hoạt động của quá trình gia công kim loại

Nhiệt luyện có thể nghe có vẻ chỉ đơn giản là làm nóng và làm nguội kim loại. Tuy nhiên, đối với các kỹ sư và chuyên gia kim loại, đó là một phương pháp cẩn thận và kiểm soát để hoàn toàn thay đổi cách một vật liệu hoạt động. Chúng ta không chỉ thay đổi nhiệt độ của một bộ phận; chúng ta đang thay đổi cấu trúc nguyên tử và mẫu tinh thể của nó để đạt được các đặc tính cơ học cụ thể, dự đoán được và lặp lại được. Điều này xảy ra bằng cách quản lý cẩn thận các chu trình làm nóng và làm nguội để thúc đẩy các thay đổi mong muốn trong vật liệu. Hướng dẫn này sẽ cung cấp một cái nhìn kỹ thuật sâu về các nguyên tắc khoa học kim loại kiểm soát những thay đổi này, các quá trình chính được sử dụng trong ngành công nghiệp, các yếu tố quan trọng đảm bảo thành công và các phương pháp kiểm tra xác nhận kết quả. Hiểu rõ các yếu tố này là điều phân biệt giữa việc làm nóng đơn giản và thực hành kỹ thuật cao của nhiệt luyện, một thực hành thiết yếu để biến hợp kim kim loại tiêu chuẩn thành một bộ phận hiệu suất cao với độ bền, độ cứng và độ bền đặc biệt. Mục tiêu là vượt ra ngoài các định nghĩa đơn giản và đi vào cốt lõi khoa học, cung cấp kiến thức để hiểu và kiểm soát cấu trúc cuối cùng của vật liệu và, kết quả là, hiệu suất của nó trong quá trình sử dụng.

Nền tảng khoa học: Chuyển đổi pha kim loại

Để kiểm soát hiệu quả quá trình nhiệt luyện, trước tiên chúng ta phải hiểu nền tảng khoa học kim loại đằng sau nó. Các đặc tính của kim loại liên quan trực tiếp đến cấu trúc vi mô của nó — sự sắp xếp và loại của các pha tinh thể. Nhiệt luyện là công cụ chúng ta sử dụng để thay đổi cấu trúc vi mô này. Phần này giải thích lý do đằng sau cách thức hoạt động, cung cấp kiến thức lý thuyết cần thiết để dự đoán và diễn giải kết quả của bất kỳ quá trình nhiệt nào.

Bản đồ sơ đồ pha sắt-Cacbon

Đối với thép, là hợp kim của sắt và cacbon, sơ đồ pha sắt-Cacbon (Fe-Fe3C) là bản đồ quan trọng nhất. Nó thể hiện các pha cân bằng của thép ở các nhiệt độ và nồng độ cacbon khác nhau. Hiểu sơ đồ này không phải là tùy chọn; đó là nền tảng để xây dựng tất cả các quá trình nhiệt luyện thép.

Các pha và cấu trúc chính cần xác định là:

• Ferrit (α-sắt): Cấu trúc tinh thể lập thể trung tâm (BCC) của sắt với độ hòa tan cacbon rất thấp. Nó mềm, dễ uốn và từ tính. Đây là pha chính trong thép ít cacbon ở nhiệt độ phòng.
• Austenit (γ-sắt): Cấu trúc tinh thể lập thể mặt (FCC) của sắt tồn tại ở nhiệt độ cao. Đặc điểm chính của nó là khả năng hòa tan đáng kể hơn cacbon (lên đến 2.14% theo trọng lượng) so với ferrit. Pha này không từ tính và là điểm khởi đầu cho hầu hết các quá trình làm cứng.
• Cementit (Fe3C): Hợp chất sắt và cacbon rất cứng và giòn (6.67% theo trọng lượng). Nó cung cấp độ cứng cho thép nhưng quá mức có thể dẫn đến giòn.
• Perlite: Cấu trúc vi mô lớp gồm các lớp xen kẽ của ferrit và cementit, hình thành trong quá trình làm nguội chậm từ austenit. Các đặc tính của nó là sự cân bằng giữa ferrit mềm và cementit cứng.
• Martensit: Cấu trúc không cân bằng, hình lập thể trung tâm thân (BCT) hình thành bởi quá trình làm nguội nhanh (ngâm) của austenit. Các nguyên tử cacbon bị mắc kẹt trong mạng tinh thể sắt, gây ra biến dạng mạng tinh thể cực đoan. Sự biến dạng này là nguồn gốc của độ cứng cao đặc trưng và tính giòn của martensit.

Sơ đồ cũng làm nổi bật các nhiệt độ quan trọng kiểm soát sự thay đổi pha:

• A1 (Nhiệt độ tới hạn thấp): Nhiệt độ eutectoid (727°C hoặc 1341°F) tại đó austenit chuyển thành perlite khi làm nguội. Dưới nhiệt độ này, austenit không còn ổn định.
• A3 (Nhiệt độ tới hạn cao): Nhiệt độ tại đó quá trình chuyển đổi từ ferrit sang austenit hoàn tất khi nung nóng. Nhiệt độ này thay đổi theo hàm lượng cacbon.
• Acm: Nhiệt độ tại đó quá trình chuyển đổi cementit thành austenit hoàn tất khi nung trong thép hypereutectoid (hàm lượng cacbon > 0.76%).

Nguyên lý của tính allotropy

Toàn bộ lĩnh vực nhiệt luyện thép có thể thực hiện được nhờ vào một đặc tính gọi là tính allotropy. Đây là khả năng của một nguyên tố tồn tại ở nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau. Đối với sắt, chuyển đổi allotropic quan trọng là sự thay đổi từ cấu trúc BCC ở nhiệt độ phòng (ferrit) sang cấu trúc FCC ở nhiệt độ cao (austenit).

Khi nung nóng thép trên nhiệt độ A3, các nguyên tử sắt sắp xếp lại từ BCC sang FCC. Các khoảng trống giữa các nguyên tử trong cấu trúc austenit FCC lớn hơn, cho phép hòa tan cacbon có trong cementit của thép. Điều này tạo ra dung dịch rắn cacbon trong sắt. Sự biến đổi này là chìa khóa để “mở khóa” cấu trúc vi mô của thép, cho phép chúng ta kiểm soát các đặc tính của nó khi làm nguội. Nếu không có sự thay đổi từ BCC sang FCC, cacbon sẽ bị giữ chặt trong cementit, và quá trình làm cứng sẽ không thể thực hiện được.

Sơ đồ Thời gian, Nhiệt độ, Chuyển đổi

Trong khi sơ đồ Fe-Fe3C cho chúng ta thấy những gì xảy ra ở trạng thái cân bằng ( làm nguội chậm), hầu hết các quá trình xử lý nhiệt đều liên quan đến làm nguội không cân bằng. Để hiểu các tình huống động này, chúng ta sử dụng sơ đồ Chuyển đổi Thời Gian- Nhiệt Độ (TTT) và Chuyển đổi Làm Nguội Liên Tục (CCT).

Các sơ đồ này là bản đồ động cho một thành phần thép cụ thể. Chúng vẽ nhiệt độ so với thời gian (trên thang logarithm) và cho thấy các cấu trúc vi mô (ví dụ: perlite, bainite, martensite) sẽ hình thành nếu thép được giữ ở nhiệt độ nhất định (TTT) hoặc làm mát với tốc độ nhất định (CCT). Ví dụ, một sơ đồ CCT cho thép carbon thông thường sẽ cho thấy để đạt được cấu trúc hoàn toàn martensit, tốc độ làm mát phải đủ nhanh—thường vượt quá 200°C mỗi giây—để bỏ qua “mũi” của đường cong hình thành perlite. Nếu quá trình làm mát quá chậm, austenit sẽ chuyển đổi thành perlite mềm hơn hoặc bainite trước khi trở thành martensit. Các sơ đồ này là công cụ kỹ thuật quan trọng để thiết kế chu trình làm nguội để đạt được cấu trúc vi mô mong muốn.

Phân tích các quá trình chính

Với nền tảng khoa học đã được thiết lập, chúng ta có thể phân tích một cách hệ thống các quá trình nhiệt luyện chính. Mỗi quá trình sử dụng nguyên lý biến đổi pha nhưng áp dụng các chu trình nhiệt độc đáo—làm nóng, ngâm, và làm mát—để đạt được mục tiêu kỹ thuật cụ thể. Hiểu rõ sự khác biệt về các tham số và kết quả của chúng là điều cần thiết để lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp cho từng ứng dụng.

Luyện nhiệt để đạt độ mềm tối đa

Mục tiêu chính của quá trình ủ là tạo ra một vật liệu ở trạng thái mềm nhất, dễ uốn nhất. Thường được thực hiện để giảm thiểu ứng suất nội bộ từ các công đoạn trước đó (như định hình lạnh), cải thiện khả năng gia công hoặc tinh chỉnh cấu trúc hạt trước khi tiến hành tôi luyện tiếp theo.

Quá trình này liên quan đến việc nung nóng thép đến nhiệt độ trong phạm vi hoặc hơi trên phạm vi austenit hóa của nó (ví dụ, chỉ trên A3 đối với thép hypoeutectoid). Sau đó, nó được giữ ở nhiệt độ này—một bước gọi là ngâm ủ—đủ lâu để toàn bộ chi tiết đạt nhiệt độ đồng nhất và để austenit trở nên đồng nhất. Bước quan trọng nhất là quá trình làm mát. Đối với quá trình ủ hoàn toàn, chi tiết được làm mát cực kỳ chậm, thường bằng cách để nó trong lò nung khi lò tự làm mát trong nhiều giờ. Quá trình làm mát chậm này cho phép austenit chuyển đổi thành pearlite thô và ferit, dẫn đến độ cứng tối thiểu và độ dẻo tối đa.

Chuẩn hóa để làm mịn hạt

Chuẩn hóa có chu trình gia nhiệt tương tự quá trình ủ nhiệt nhưng có phương pháp làm mát và mục tiêu hoàn toàn khác nhau. Mục tiêu không phải là đạt độ mềm tối đa mà là tạo ra cấu trúc vi mô perlit đồng đều hơn, tinh tế hơn. Việc tinh chỉnh này cải thiện cả độ bền và độ dẻo dai so với bộ phận đã qua quá trình ủ nhiệt.

Quá trình bắt đầu bằng cách nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn một chút so với quá trình ủ, thường khoảng 50°C (90°F) trên đường A3 hoặc Acm. Điều này đảm bảo tất cả các cấu trúc vi mô trước đó được hòa tan hoàn toàn vào pha austenit đồng nhất. Sau khi ngâm, bộ phận được lấy ra khỏi lò và để nguội trong không khí yên tĩnh. Tốc độ làm nguội này khá nhanh hơn so với làm nguội trong lò nhưng chậm hơn nhiều so với quá trình tôi. Nó ngăn chặn sự hình thành của perlite thô, thay vào đó tạo ra phân bố tinh thể ferit và perlite đều đặn hơn. Cấu trúc tinh chỉnh này làm cho vật liệu phản ứng tốt hơn với các quá trình tôi cứng sau này.

Làm cứng qua quá trình tôi luyện

Làm cứng, hoặc tôi luyện, được thực hiện để đạt độ cứng tối đa và khả năng chống mài mòn cao nhất. Mục tiêu là biến đổi cấu trúc vi mô của thép thành gần như martensit 100%. Đây là quy trình được sử dụng cho dụng cụ, bạc đạn, bánh răng và các thành phần khác yêu cầu bề mặt cứng.

Quá trình yêu cầu nung nóng thép vào phạm vi austenit, giống như quá trình nhiệt luyện và tôi luyện bình thường. Sau khi ngâm đủ thời gian thích hợp, bộ phận được làm nguội nhanh, hoặc làm nguội đột ngột. Điều này đạt được bằng cách nhúng thành phần vào môi trường có thể truyền nhiệt nhanh, chẳng hạn như nước, dầu hoặc dung dịch polymer chuyên dụng. Tốc độ làm nguội phải đủ nhanh để bỏ qua “mũi” của đồ thị TTT/CCT, ngăn chặn sự biến đổi của austenit thành các pha mềm hơn như perlite hoặc bainite. Thay vào đó, austenit biến đổi thành martensit ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ bắt đầu hình thành martensit, hay Ms).

Trong thực tế, việc chọn tốc độ làm nguội phù hợp là rất quan trọng. Quá chậm, và độ cứng đầy đủ không đạt được, dẫn đến quá trình làm nguội chậm với các điểm mềm. Quá nhanh—ví dụ, sử dụng nước trên thép cứng dầu—và các ứng suất nhiệt lớn có thể gây nứt hoặc biến dạng chi tiết, đặc biệt là trong các bộ phận có hình dạng phức tạp hoặc góc cạnh sắc nét.

Luyện cứng để tăng độ bền

Một phần đã được làm nguội mới ở trạng thái cứng tối đa nhưng cũng dễ vỡ nhất. Cấu trúc martensit chịu lực rất lớn và quá giòn để sử dụng trong hầu hết các ứng dụng thực tế; một va đập mạnh có thể làm nó vỡ vụn. Tôi luyện là một quá trình xử lý sau làm nguội cần thiết để giảm độ giòn này và giảm thiểu ứng suất nội bộ.

Quá trình này liên quan đến việc nung lại phần đã cứng để đạt nhiệt độ cụ thể dưới nhiệt độ tới hạn thấp (A1, khoảng 727°C). Nhiệt độ tôi luyện được chọn là sự cân bằng: nhiệt độ cao hơn mang lại độ dẻo dai và khả năng chịu kéo tốt hơn nhưng đổi lại là giảm độ cứng và độ bền. Phần được giữ ở nhiệt độ này trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ, từ một đến hai giờ) rồi làm nguội. Trong quá trình tôi luyện, martensite BCT không ổn định bắt đầu phân hủy thành hỗn hợp ổn định hơn của ferrit và các kết tủa carbide rất mịn. Cấu trúc vi mô mới này, được gọi là martensite tôi luyện, giữ lại phần lớn độ cứng ban đầu trong khi đạt được một mức độ dẻo dai quan trọng.

Bảng 1: Tổng quan so sánh các quy trình xử lý nhiệt cốt lõi

Các biến số kiểm soát quá trình quan trọng

Chuyển từ lý thuyết sang thực hành, thành công của bất kỳ quá trình nhiệt luyện nào phụ thuộc vào việc kiểm soát chính xác nhiều biến số then chốt. Sai lệch trong các tham số này có thể dẫn đến tính chất không đồng nhất, biến dạng chi tiết hoặc thậm chí thất bại thảm khốc. Đạt được cấu trúc vi mô và tính chất cơ học mong muốn không phải là ngẫu nhiên; đó là kết quả của việc kiểm soát quá trình tỉ mỉ.

Tốc độ gia nhiệt và đồng đều

Tốc độ làm nóng một chi tiết và độ đồng đều của nhiệt độ đó là rất quan trọng, đặc biệt đối với các hình dạng phức tạp hoặc tiết diện lớn. Nếu một phần của chi tiết nóng nhanh hơn phần khác, các gradient nhiệt sinh ra có thể tạo ra ứng suất nội bộ đáng kể. Những ứng suất này có thể gây biến dạng ( cong vênh) hoặc, trong các trường hợp nghiêm trọng, nứt vỡ ngay cả trước khi bắt đầu quá trình làm nguội.

Để giảm thiểu điều này, các bước tiền gia nhiệt ở nhiệt độ thấp thường được sử dụng cho các thành phần nhạy cảm. Loại lò nung cũng đóng vai trò quan trọng. Lò nung theo mẻ phổ biến, nhưng đối với sản xuất số lượng lớn, lò nung liên tục với nhiều vùng nhiệt độ cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn. Lò chân không mang lại độ đồng đều nhiệt tối đa và ngăn ngừa oxy hóa bề mặt, điều này rất quan trọng đối với các thành phần hàng không và y tế.

Thời gian ngâm để biến đổi

Khi phần đạt đến nhiệt độ mục tiêu, nó phải được giữ ở đó trong một khoảng thời gian nhất định, gọi là thời gian ngâm. Mục đích của việc ngâm là hai mục đích: thứ nhất, để đảm bảo toàn bộ mặt cắt của phần, từ bề mặt đến lõi, đạt nhiệt độ đồng đều mong muốn; thứ hai, để cho phép đủ thời gian cho các biến đổi kim loại cần thiết hoàn tất. Trong thép, điều này có nghĩa là cho phép tất cả các pha carbide hòa tan hoàn toàn vào austenite.

Một quy tắc chung là ngâm trong một giờ cho mỗi inch độ dày mặt cắt. Tuy nhiên, đây chỉ là điểm khởi đầu. Thời gian cần thiết còn phụ thuộc vào loại hợp kim và cấu trúc vi mô ban đầu. Ngâm không đủ sẽ dẫn đến cấu trúc austenit không đồng nhất, điều này sẽ gây ra các đặc tính không nhất quán sau khi làm cứng—thường thấy là các điểm mềm trong quá trình kiểm tra độ cứng.

Khoa học của quá trình tôi

Giai đoạn làm mát, hay còn gọi là quá trình quenching, có thể coi là phần quan trọng nhất và ít khoan dung nhất của quá trình tôi luyện. Tốc độ làm mát quyết định trực tiếp cấu trúc vi mô cuối cùng. Như đã trình bày trên sơ đồ CCT, cần vượt qua một “tốc độ làm mát tối thiểu” cụ thể để hình thành martensite. Việc chọn lựa môi trường làm mát là một quyết định kỹ thuật quan trọng. Mỗi môi trường có khả năng làm mát đặc trưng, hoặc mức độ nghiêm trọng của quá trình làm mát.

Lựa chọn môi trường làm mát phụ thuộc vào khả năng tôi luyện của thép—khả năng hình thành martensite ở độ sâu. Thép hợp kim thấp có khả năng tôi luyện thấp và yêu cầu quá trình làm mát rất nhanh (như nước hoặc muối brine), trong khi thép dụng cụ hợp kim cao có khả năng tôi luyện cao và có thể được tôi luyện bằng quá trình làm mát chậm hơn (như dầu hoặc thậm chí là khí). Sử dụng môi trường làm mát quá mạnh cho vật liệu là nguyên nhân chính gây nứt do quá trình làm mát.

Bảng 2: Đặc điểm của các môi trường làm mát phổ biến

Kỹ thuật tiên tiến và chuyên biệt

Ngoài bốn quy trình chính, còn có nhiều phương pháp xử lý nhiệt tiên tiến và chuyên biệt nhằm đáp ứng các yêu cầu hiệu suất đặc thù và khắt khe. Những kỹ thuật này thường nhắm vào đặc tính bề mặt hoặc được thiết kế cho hợp kim phi sắt, thể hiện sự đa dạng và khả năng thích ứng của quá trình nhiệt luyện kim loại.

Phương pháp làm cứng bề mặt

Trong nhiều ứng dụng, như bánh răng, trục, và bạc đạn, thành phần lý tưởng có tính chất kép: bề mặt cực kỳ cứng, chống mài mòn để chịu đựng tiếp xúc và ma sát, và lõi mềm hơn, dai hơn, dễ uốn hơn để hấp thụ sốc và chống mỏi mòn. Làm cứng bề mặt, hay còn gọi là làm cứng vỏ, là một nhóm các quy trình nhằm đạt được điều này.

• Carburizing: Đây là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Một bộ phận thép carbon thấp được nung trong môi trường giàu carbon (khí, lỏng, hoặc dạng bao bọc rắn). Các nguyên tử carbon khuếch tán vào bề mặt của bộ phận, tạo thành lớp vỏ có hàm lượng carbon cao. Sau đó, bộ phận được làm nguội nhanh và tôi luyện. Lớp vỏ có hàm lượng carbon cao trở thành martensite rất cứng, trong khi lõi có hàm lượng carbon thấp vẫn giữ được cấu trúc vi mô dai hơn, mềm hơn.
• Nitriding: Trong quá trình này, nitơ được khuếch tán vào bề mặt của bộ phận thép, thường chứa các nguyên tố tạo nitrid như nhôm, crôm hoặc molybden. Quá trình này diễn ra ở nhiệt độ tương đối thấp (khoảng 500°C) và không yêu cầu làm nguội nhanh. Nitơ tạo thành các nitrid kim loại cực kỳ cứng ở bề mặt, mang lại khả năng chống mài mòn xuất sắc, chống gỉ sét, và tăng tuổi thọ mỏi mòn với ít biến dạng.
• Làm cứng bằng cảm ứng: Phương pháp này sử dụng cảm ứng điện từ để nhanh chóng nung nóng một khu vực bề mặt của bộ phận. Một dòng điện xo chiều chạy qua cuộn đồng, tạo ra dòng xoáy trong bộ phận thép, sinh ra nhiệt độ cao rất nhanh. Khi bề mặt đạt nhiệt độ biến đổi austenit, nguồn điện được tắt và bề mặt ngay lập tức được làm nguội, thường bằng phun sương tích hợp trong bộ cuộn. Điều này tạo ra lớp vỏ martensit cứng trong khi lõi vẫn không bị ảnh hưởng. Đây là quy trình nhanh, sạch sẽ và kiểm soát tốt, lý tưởng cho sản xuất số lượng lớn các bộ phận như trục trục và trục khuỷu.

Làm cứng bằng kết tủa (tuổi):

Trong khi các quy trình đã thảo luận chủ yếu áp dụng cho thép, nhiều hợp kim phi sắt, như các hợp kim dựa trên nhôm, niken, và titanium, lấy sức mạnh từ cơ chế khác: làm cứng bằng kết tủa, còn gọi là làm cứng theo tuổi. Các hợp kim này không thể được làm cứng bằng biến đổi martensit.

Quy trình gồm ba bước:

1. Xử lý dung dịch: Hợp kim được nung ở nhiệt độ cao để hòa tan tất cả các nguyên tố hợp kim vào một dung dịch rắn đơn pha.
2. Làm nguội nhanh: Hợp kim được làm nguội nhanh xuống nhiệt độ phòng, giữ các nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn siêu bão hòa. Trong trạng thái này, vật liệu khá mềm.
3. Lão hóa: Bộ phận sau đó được nung lại ở nhiệt độ trung bình thấp hơn và giữ trong thời gian dài (hoặc đôi khi để lão hóa ở nhiệt độ phòng). Trong bước này, các nguyên tố hợp kim bị kết tủa ra khỏi dung dịch dưới dạng các hạt cực kỳ mịn, phân tán đều. Những hạt này đóng vai trò như các chướng ngại vật cho sự di chuyển của dislociation trong mạng tinh thể, làm tăng đáng kể độ bền và độ cứng của hợp kim.

Các hợp kim thường có khả năng làm cứng theo tuổi bao gồm nhiều dòng nhôm (như 6061 và 7075 dùng trong hàng không và kết cấu) và các hợp kim hiệu suất cao như thép không gỉ 17-4 PH và Inconel 718.

Xử lý Cryogenic cho Hiệu suất

Xử lý cryogenic là một quá trình bổ sung giúp nâng cao hiệu suất vật liệu vượt quá khả năng đạt được chỉ với xử lý nhiệt thông thường. Nó liên quan đến việc đóng băng sâu các vật liệu xuống nhiệt độ dưới -150°C (-240°F) sau khi làm nguội nhanh và trước hoặc sau quá trình tôi luyện.

Mục đích chính là đảm bảo sự biến đổi hoàn toàn của austenite còn lại. Trong nhiều loại thép đã tôi cứng, đặc biệt là các loại thép cacbon cao và hợp kim cao, một tỷ lệ nhỏ của austenite có thể không chuyển đổi thành martensite trong quá trình làm nguội nhanh. “Austenite còn lại” này mềm và không ổn định về kích thước. Nhiệt độ cực thấp của quá trình cryogenic cung cấp năng lượng cần thiết để thúc đẩy quá trình biến đổi này hoàn tất, tạo ra cấu trúc martensitic đồng nhất hơn. Một lợi ích phụ là sự kết tinh của các carbide “eta” (η) cực nhỏ, giúp tăng khả năng chống mài mòn. Quá trình này được sử dụng để cải thiện tuổi thọ và độ ổn định kích thước của dụng cụ cắt, bạc đạn và các thành phần động cơ hiệu suất cao.

Phân tích kỹ thuật và Kiểm tra chất lượng (QC)

Cam kết của quá trình xử lý nhiệt là cung cấp một vật liệu có các đặc tính cụ thể, được thiết kế sẵn. Phân tích kỹ thuật và kiểm tra chất lượng (QC) là các phương pháp chúng tôi sử dụng để xác minh rằng cam kết này đã được thực hiện. Các bài kiểm tra này cung cấp dữ liệu khách quan cần thiết để xác nhận rằng quá trình nhiệt đã được thực hiện chính xác và thành phần cuối cùng sẽ hoạt động như thiết kế.

Kiểm tra tính chất cơ học

Các bài kiểm tra cơ học đo trực tiếp các đặc tính quan trọng cho hiệu suất trong dịch vụ. Chúng là bằng chứng tối thượng của một quá trình xử lý nhiệt thành công.

• Kiểm tra độ cứng: Đây là phương pháp kiểm tra QC phổ biến nhất, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí trong xử lý nhiệt. Nó đo khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu (ví dụ, lõm). Giá trị thu được là chỉ số mạnh mẽ về khả năng chống mài mòn và độ bền kéo. Các phương pháp chính là Rockwell (đo độ sâu của vết lõm), Brinell (đo đường kính của vết lõm từ một quả bóng lớn), và Vickers/Knoop (sử dụng kim cương để tạo vết lõm, lý tưởng cho các vùng nhỏ hoặc lớp mỏng). Một bài kiểm tra độ cứng có thể nhanh chóng xác nhận xem một bộ phận đã đạt được cấu trúc martensitic mục tiêu hay chưa hoặc đã tôi đúng cách chưa.
• Kiểm tra độ dẻo: Độ dẻo là khả năng của vật liệu hấp thụ năng lượng và biến dạng dẻo trước khi gãy. Nó đặc biệt quan trọng đối với các thành phần chịu tác động va đập. Các phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn là thử nghiệm va đập Charpy hoặc Izod. Trong các thử nghiệm này, mẫu có rãnh được đánh đập bằng một chiếc pendulum có trọng lượng, và năng lượng hấp thụ bởi mẫu trong quá trình gãy được đo. Thử nghiệm này rất quan trọng để xác nhận rằng quá trình tôi đã giảm thiểu độ giòn của bộ phận đã tôi cứng thành công.

Phân tích vi cấu trúc qua Metallography

Trong khi các bài kiểm tra cơ học cho biết “là gì” về các đặc tính, thì phân tích vi cấu trúc cho biết “tại sao”. Metallography là quá trình chuẩn bị và kiểm tra vi cấu trúc của vật liệu dưới kính hiển vi. Nó cung cấp xác nhận trực quan trực tiếp về kết quả của quá trình xử lý nhiệt.

Quá trình này bao gồm cắt cẩn thận một mẫu đại diện từ bộ phận, gắn nó vào polymer, mài và đánh bóng để đạt bề mặt như gương, rồi etching bằng dung dịch hoá học. Chất ăn mòn này tấn công chọn lọc các pha và ranh giới hạt ở các tốc độ khác nhau, tiết lộ vi cấu trúc khi quan sát dưới kính hiển vi. Một nhà luyện kim có kinh nghiệm có thể xác định các pha hiện diện (ví dụ, martensite, perlite, austenite còn lại), đánh giá kích thước hạt, kiểm tra độ sâu lớp mạ của bộ phận cứng bề mặt, và tìm kiếm các đặc điểm gây hại như decarburization hoặc vết nứt vi mô. So sánh vi cấu trúc của thép đã tôi và thép đã tôi cứng cho thấy rõ sự thay đổi cấu trúc sâu sắc, từ perlite thô, xếp lớp thành martensite mịn, dạng kim.

Kiểm tra không phá hủy (NDT)

Các ứng dụng nhiệt độ cao trong xử lý nhiệt, đặc biệt là làm nguội nhanh, đôi khi có thể gây ra các lỗi như nứt bề mặt hoặc dưới bề mặt. Những lỗi này có thể là nơi tập trung ứng suất và dẫn đến hỏng hóc sớm trong quá trình sử dụng. Các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) được sử dụng để kiểm tra các thành phần này mà không gây hư hỏng. Các phương pháp phổ biến sau xử lý nhiệt bao gồm kiểm tra bằng hạt từ (đối với vật liệu từ tính), sử dụng sắt vụn để phát hiện các vết nứt bề mặt, và kiểm tra siêu âm, sử dụng sóng âm tần cao để phát hiện các lỗi bề mặt và bên trong.

Bảng 3: Hướng dẫn phương pháp xác minh sau xử lý

Kết luận: Một Kỷ luật Kiểm soát

Chúng ta đã đi qua các nguyên lý cơ bản của biến đổi pha, dựa trên sơ đồ sắt-cacbon, qua việc thực hiện các quá trình ủ, tôi chuẩn, tôi cứng và tôi luyện. Chúng ta đã khám phá các biến số kiểm soát quan trọng quyết định thành công và các kỹ thuật tiên tiến đẩy giới hạn hiệu suất. Cuối cùng, chúng ta đã đề cập đến các phương pháp xác minh để hoàn thiện vòng lặp, xác nhận rằng các đặc tính mong muốn đã đạt được.

Tổng quan toàn diện này nhấn mạnh một chủ đề trung tâm: quá trình nhiệt luyện không phải là một nghệ thuật mà là một ngành kỹ thuật kiểm soát. Nó là nền tảng của sản xuất hiện đại, một công cụ mạnh mẽ cho phép chúng ta biến một vật liệu phổ biến thành cấu trúc bên trong chính xác phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi cao nhất. Thành công thực sự trong lĩnh vực này xuất phát từ sự hiểu biết sâu sắc về khoa học nền tảng và cách tiếp cận tỉ mỉ trong kiểm soát và xác minh quy trình.

• Electroplating – Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Electroplating
• Anodizing – Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Anodizing
• Chuyên đề ScienceDirect – Xử lý bề mặt điện hóa https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/electrochemical-surface-treatment
• Tiêu chuẩn của ASTM International – Tiêu chuẩn xử lý bề mặt https://www.astm.org/
• Hiệp hội Bảo vệ và Hiệu suất Vật liệu (AMPP) https://ampp.org/
• ASM International – Kỹ thuật bề mặt https://www.asminternational.org/
• NIST – Khoa học đo lường vật liệu https://www.nist.gov/mml
• SpringerLink – Công nghệ bề mặt và lớp phủ https://link.springer.com/journal/11998
• Materials Today – Kỹ thuật bề mặt https://www.materialstoday.com/
• SAE International – Tiêu chuẩn xử lý bề mặt https://www.sae.org/