Ứng dụng phân loại và quy trình làm nguội thép

Làm nguội là một quy trình xử lý nhiệt, trong đó phôi được nung nóng đến một nhiệt độ tới hạn nhất định, sau đó được làm nguội có chọn lọc để thu được martensite có độ cứng-cao hoặc bainite cứng hơn, sau đó là tôi luyện.

Quá trình làm nguội cải thiện khả năng chống mài mòn và độ bền của các bộ phận cũng như tuổi thọ mỏi của chúng.

 

 

Nguyên tắc làm nguội và quy trình cơ bản

 

Thép và các vật liệu khác trải qua quá trình biến đổi pha khi được nung nóng, và sự biến đổi pha austenit hóa là điều kiện tiên quyết để làm nguội.

Nói chung, thép hypoeutectoid được tôi ở nhiệt độ cao hơn Ac3 từ 20 đến 30 độ, trong khi thép hypoeutectoid được tôi ở nhiệt độ cao hơn Ac1 từ 20 đến 30 độ.

Khi làm nguội, điều quan trọng là tránh làm nóng quá mức. Thời gian giữ phải được xác định dựa trên kích thước phôi và mô hình lò để đảm bảo chuyển đổi cấu trúc vi mô đồng nhất.

Quá trình quan trọng trong quá trình làm nguội là làm mát. Đường cong làm mát lý tưởng tránh vùng mũi ngọc trai, chủ yếu để ngăn chặn sự hình thành các cấu trúc không{1}}martensitic. Tốc độ làm mát cũng phải được kiểm soát để giảm ứng suất bên trong và biến dạng của bộ phận.

Lưu ý: Ac1 và Ac3 tương ứng là nhiệt độ tại đó austenite bắt đầu hình thành và nhiệt độ tại đó thép hypoeutectoid tương ứng hóa hoàn toàn khi nung nóng. Đây là những điểm tham chiếu quan trọng để xác định quá trình ủ.

 

Các phương pháp quy trình làm nguội chính và nguyên tắc vận hành chính

 

1. Làm nguội bằng chất lỏng-đơn

Làm nguội bằng chất lỏng-đơn là phương pháp làm nguội bằng chất lỏng cơ bản và đơn giản nhất. Nó chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận có hình dạng đơn giản, đối xứng và có sự thay đổi mặt cắt ngang-tối thiểu, chẳng hạn như trục và chốt.

Để làm nguội bằng chất lỏng-đơn lẻ, chất làm mát thích hợp phải được chọn dựa trên độ dày vật liệu và phôi. Thép-cacbon thấp và thép hợp kim thấp{3}}thường được tôi bằng nước hoặc nước muối, trong khi thép hợp kim-cao và các bộ phận có hình dạng nhỏ,-phức tạp có thể được tôi bằng dầu hoặc dung dịch polyme.

Trong quá trình làm nguội, đảm bảo rằng phôi được ngâm đều trong môi trường và môi trường được khuấy trộn đúng cách để ngăn màng hơi cản trở việc làm mát.

Làm nguội bằng chất lỏng-đơn mang lại độ ổn định chất lượng-cao và phù hợp cho sản xuất-quy mô lớn, nhưng nên thận trọng về nguy cơ biến dạng và nứt do làm nguội quá nhanh.

 

2. Hai{1}}dập tắt bằng chất lỏng

Hai-làm nguội bằng chất lỏng kết hợp ưu điểm của việc làm mát nhanh và chậm. Đầu tiên, môi trường thứ nhất, chẳng hạn như nước hoặc nước muối, nhanh chóng được truyền qua vùng austenite không ổn định nhất của vật liệu. Khi nhiệt độ của vật liệu đạt đến nhiệt độ biến đổi martensite, vật liệu sẽ nhanh chóng được chuyển sang môi trường thứ hai, chẳng hạn như dầu, để hoàn thành quá trình biến đổi martensite.

Hai-làm nguội bằng chất lỏng đặc biệt phổ biến đối với các phôi gia công có kích thước trung bình-đến{2}}lớn được làm bằng thép cacbon-cao và thép hợp kim từ trung bình-đến-cao, chẳng hạn như khuôn và phôi bánh răng.

Chìa khóa của hoạt động này là kiểm soát chính xác thời gian dừng của phôi trong môi trường đầu tiên. Thông thường, thời gian làm nguội là 1 giây cho mỗi 3-5 mm độ dày phôi hiệu quả được sử dụng, mặc dù điều này cũng có thể được xác định bằng cách quan sát sự biến mất của bong bóng trên bề mặt phôi.

Việc chuyển từ môi trường thứ nhất sang môi trường thứ hai phải nhanh chóng và liên tục để tránh sự tăng nhiệt độ có thể gây ra sự phân hủy cấu trúc vật liệu.

Hai{0}}làm nguội bằng chất lỏng làm giảm đáng kể ứng suất nhiệt và ứng suất cấu trúc, khiến nó trở thành một phương pháp hiệu quả để kiểm soát biến dạng và ngăn ngừa nứt.

 

3. Làm nguội bước

Quá trình làm nguội từng bước đòi hỏi phải làm nóng phôi đến mức austenit hóa, sau đó làm nguội phôi trong bể nước nóng cao hơn điểm Ms một chút, chẳng hạn như bể nitrat hoặc bể kiềm, để giữ. Sau khi nhiệt độ đồng đều trên mặt cắt ngang-của phôi, phôi sẽ được lấy ra và làm mát bằng không khí-.

Quá trình dập tắt từng bước thường được sử dụng trên các công cụ và bộ phận có hình dạng phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao, chẳng hạn như vòi, bánh răng nhỏ và trục chính xác.

Trong quá trình vận hành, sự dao động nhiệt độ của bể phải được kiểm soát chặt chẽ, thường trong phạm vi cộng hoặc trừ 10 độ C. Thời gian giữ được tính toán dựa trên mặt cắt-lớn nhất, thường được ước tính là 5 mm/phút.

Làm nguội từng bước làm giảm ứng suất nhiệt một cách hiệu quả, cho phép quá trình biến đổi martensitic diễn ra dần dần trong quá trình làm mát không khí. Điều này dẫn đến ứng suất cấu trúc vi mô thấp và biến dạng tối thiểu. Tuy nhiên, do khả năng làm mát của muối nóng chảy hạn chế nên nó chỉ phù hợp với phôi có độ dày hiệu dụng không quá 20 mm.

 

4. Làm nguội đẳng nhiệt

Làm nguội đẳng nhiệt bao gồm việc làm nguội hoàn toàn phôi được nung nóng đến nhiệt độ austenit hóa trong bể nước nóng ở vùng biến đổi bainite. Thời gian giữ kéo dài cho phép austenite biến đổi hoàn toàn thành bainite thấp hơn, sau đó là làm mát bằng không khí. Austempering chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận đòi hỏi độ bền, độ dẻo dai và độ ổn định kích thước cao, chẳng hạn như vòng bi và khuôn mẫu chính xác. Nhiệt độ và thời gian đẳng nhiệt được xác định dựa trên đường cong TTT của thép, với nhiệt độ thường nằm trong khoảng từ 250 đến 400 độ.

Sau khi tôi luyện, vật liệu trở thành bainite, thể hiện độ bền và độ dẻo dai tuyệt vời, ít có xu hướng biến dạng hoặc nứt. Tuy nhiên, quá trình tôi luyện khắc nghiệt có chu kỳ sản xuất dài, chi phí cao và chỉ giới hạn ở những phôi có mặt cắt ngang nhỏ hơn.

 

Các vấn đề thường gặp và kiểm soát chất lượng

 

Quá trình làm nguội thường dẫn đến các khuyết tật như độ cứng không đủ, điểm mềm, biến dạng, nứt, oxy hóa và khử cacbon.

Độ cứng không đủ thường là do gia nhiệt ở nhiệt độ quá thấp hoặc làm mát không đủ. Một nguyên nhân khác là quá trình khử cacbon trên bề mặt phôi.

Các điểm mềm thường được gây ra bởi môi trường làm nguội bị ô nhiễm hoặc sự hiện diện của lớp oxit trên bề mặt phôi. Biến dạng và nứt có thể do ứng suất nhiệt hoặc cấu trúc quá mức gây ra.

Do đó, kiểm soát chất lượng trong quá trình làm nguội đòi hỏi phải giám sát toàn diện quá trình, đặc biệt là kiểm soát nhiệt độ chính xác trong giai đoạn gia nhiệt. Trong giai đoạn làm mát, nhiệt độ, nồng độ và tốc độ tuần hoàn của môi trường phải được giữ ổn định. Cần phải ủ ngay sau khi tôi để loại bỏ ứng suất dư trong các bộ phận.

Trong quá trình sản xuất hàng loạt, phải thường xuyên kiểm tra tại chỗ cấu trúc kim loại và độ cứng. Thử nghiệm không phá hủy có thể được sử dụng trên các bộ phận quan trọng để phát hiện các vết nứt.

 

Khả năng tương thích vật liệu và lựa chọn quy trình

 

Sự khác biệt về thành phần giữa các vật liệu dẫn đến độ cứng khác nhau, nhiệt độ bắt đầu biến đổi martensitic và tốc độ làm nguội tới hạn. Do đó, phải lựa chọn quy trình dập tắt cụ thể dựa trên đặc tính của vật liệu.

Thép-cacbon thấp và thép kết cấu hợp kim thấp-có độ cứng tương đối thấp và thường được làm nguội bằng nước hoặc hai-chất lỏng làm nguội để cải thiện độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của các bộ phận.

Thép được tôi và tôi bằng cacbon-trung bình yêu cầu phải đảm bảo lõi được làm cứng hoàn toàn, do đó, tôi thường sử dụng phương pháp tôi bằng dầu hoặc tôi bằng dầu nhanh để tránh biến dạng và nứt.

Thép công cụ có hàm lượng cacbon-cao dễ bị quá nhiệt, làm tăng khả năng biến dạng. Do đó, có thể sử dụng phương pháp làm nguội từng bước hoặc làm nguội trong dung dịch kiềm ở nhiệt độ-thấp.

Thép hợp kim-cao như H13 có độ cứng tuyệt vời nên chúng có thể được làm nguội bằng khí hoặc được làm cứng trong bể muối có nhiệt độ-cao để giảm thiểu biến dạng.

Các phôi được cacbon hóa đòi hỏi độ bền lõi đặc biệt cao, do đó chúng yêu cầu nhiệt độ tương đối thấp, có thể được làm nguội trực tiếp hoặc làm cứng trong bể muối.

Thép không gỉ và thép tốc độ cao-yêu cầu gia nhiệt trước và làm nguội trong bể muối để ngăn ngừa nứt và kết tủa cacbua.

Làm nguội là một quá trình phức tạp và quan trọng, vì vậy phương pháp làm nguội thích hợp phải được lựa chọn dựa trên đặc tính vật liệu, hình dạng bộ phận và điều kiện vận hành.

Làm nguội đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ quá trình gia nhiệt và làm mát để đạt được cấu trúc và đặc tính vi mô mong muốn, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định và đáng tin cậy.