1
VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÔI KẾT HỢP
2 MÔI TRƯỜNG (NƯỚC VÀ DẦU), ỨNG DỤNG
ĐỂ TÔI TRỤC CÁN CHẾ TẠO TỪ THÉP HỢP KIM
CR, CR-MO

CNĐT: PHẠM VĂN LÀNH

thậm chí dẫn đến sai hỏng như: cong vênh, nứt vỡ dẫn đến phế phẩm.
Hiện nay do nhu cầu sử dụng trục cán để cán mỏng lá, tấm nhôm,đồng
phục vụ cho các ngành sản xuất công nghiệp như trong kỹ thuật điện, sản
phẩ
m đồ gia dụng…ngày càng nhiều. Tôi trục cán không phải đến nay Viện
Công nghệ mới làm, công việc này đã được thực hiện từ lâu. Nhưng do chưa
được nghiên cứu đầy đủ cả lý thuyết và thực nghiệm, kết quả thực hiện chưa
ổn định vẫn xẩy ra tình trạng tôi chưa đạt. Việc thực hiện chỉ tập trung vào
kinh nghiệm của một số ít người chưa phổ bi
ến rộng. Do vậy thông qua đề tài
này chúng tôi hoàn toàn chủ động và làm chủ được công nghệ tôi trục cán với

3
các đường kính khác nhau được sử dụng trong sản xuất với chất lượng ổn
định, đạt kết quả cao.
Vật liệu để chế tạo các loại trục này thường là 40Cr; 40CrMo có đường
kính từ D200 ÷ D300, yêu cầu độ cứng sau nhiệt luyện là từ 52 ÷ 56 HRC
đảm bảo cán ra sản phẩm có độ bóng cao, nhẵn. Thông thường vật liệu thép
40Cr; 40CrMo khi nhiệt luyện thường tôi trong dầu. Trục cán có đường kính
lớn khi tôi trong dầu
độ cứng thường chỉ đạt từ 35 ÷ 42 HRC tùy theo đường
kính to hay nhỏ. Nếu đem trục cán tôi trong nước độ cứng > 56 HRC, song
trục tôi thường bị nứt vỡ do tốc độ làm nguội lớn gây ra phế phẩm. Do vậy để
nhiệt luyện trục cán nhôm, đồng vừa phải đạt độ cứng cao, vừa không bị nứt
vỡ phải chọn tôi 2 môi trường là nước qua dầu. Nghiên cứu công nghệ tôi kết
h
ợp 2 môi trường ( nước và dầu) ứng dụng để tôi trục cán chế tạo từ thép hợp
kim Cr, CrMo là nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. Nội dung nghiên cứu trong
khuôn khổ của đề tài này chúng tôi đặt ra là:
- Nghiên cứu tổng quan về tôi thép, các phương pháp tôi thép và công dụng

+ Các thép 0,4 ÷ 0,65%C đạt độ cứng HRC 52 ÷ 58 có tính chống mài
mòn.
+ Thép 0,7 ÷ 1,0 %C đạt độ cứng HRC 60 ÷ 64 có tính chống mài mòn cao
+ Thép 1,0 ÷ 1,5 %C đạt độ cứng HRC 64÷65 tính chống mài mòn rất cao
*. Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy: Để hiểu rõ quá trình xảy
ra khi tôi, chúng ta tìm hiểu thêm về đặc điểm chuyển biến austenit thành
mactenxit.
1.1.1. Chuyển biến của austenit thành mactenxit
Trong quá trình nhiệt luyện, sự phân rã của austenit xảy ra trong điều kiện
làm nguộ
i liên tục và đôi khi làm nguội đẳng nhiệt
Quá trình phân rã austenit quá nguội có thể phân thành hai dạng
- Chuyển biến khuếch tán – chuyển biến peclít và chuyển biến trung gian
(bainít)
- Chuyển biến không khuếch tán – chuyển biến mactenxit
Trong phần này ta chỉ đi sâu vào đặc điểm của chuyển biến austenit thành
mactenxit. Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liên tục. Cũng có thể
xây dựng giản đồ chuyển biến của austenit khi làm nguội liên tục với các độ
nhanh chậm khác nhau, với mỗi tốc độ nguội xác định các nhiệt độ tại đó

5
austenit quá nguội bắt đầu và kết thúc phân hoá ra hỗn hợp ferit – xêmentit,
rồi nối các điểm tương đồng với nhau lại như hình 1.1. Xây dựng các thí
nghiệm như vậy khá phức tạp và khó đạt được mức độ chính xác cần thiết.
Song để đơn giản có thể lợi dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt để xác định
tổ chức tạo thành khi làm nguội với tốc
độ khác nhau ( Hình 1.2)

Hình 1.1: Các đường bắt đầu và kết thúc chuyển biến austenit thành
ferit – xêmemtit thô và mịn tương ứng với các tốc độ làm

cong chữ “C” ở phần lồi: Austenit quá nguội phân hoá thành trôxtit. Làm
nguội trong dầu biểu thị bằng véc tơ V4, nó chỉ cắt phần lồi của đường cong
chữ “C” thứ nhất, austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôstit,
phần còn lại sẽ chuyển biến thành mactenxit, cuối cùng có tổ chức trôxtit +
mactenxit ( hay còn gọi là bán mactenxit). Làm nguội trong nước lạnh biểu thị

bằng véctơ V5, nó không cắt đường cong chữ “C” nào, tức austenit không
chuyển biến chút nào thành hỗn hợp ferit + xêmentit, phần lớn austenit quá
nguội chuyển thành mactenxit. Như vậy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ
chức nào là hoàn toàn phụ thuộc vào vị trí của véc tơ biểu thị tốc độ nguội
trên đường cong chữ “C”.
- Tổ chức đạt được thường không đồng nhất trên toàn tiết diện nhất là
trong trường hợp tiết diệ
n lớn.
- Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra giữa hai nhiệt độ (điểm) bắt đầu Ms và
kết thúc Mf. Ngoài khoảng đó austenit quá nguội không chuyển biến thành
mactenxit.
- Bằng thực nghiệm có thể xây dựng các giản đồ nhiệt động đối với các
loại thép, nhờ nó có thể xác định được tốc độ nguội tới hạn, được gọi là tốc độ
tôi tới hạn – Vth, với tốc
độ đó trở lên austenit chỉ chuyển biến thành
mactenxit ở nhiệt độ Ms và thấp hơn (Hình 1.3)
chức mactenxit, tổ chứ
c pha không cân bằng là dung dịch rắn quá bão hòa
cacbon trong sắt α - Fe. Các tinh thể mactenxit có cấu tạo dạng tấm, phát triển
với tốc độ rất lớn, bằng tốc độ truyền của âm thanh trong thép (≈ 5000m/
giây). Sự lớn lên của các tấm mactenxit bị ngăn cản bởi biên hạt austenit hoặc
các tấm mactenxit sinh ra trước đó.
Tính chất của mactenxit phụ thuộc vào lượng cac bon hòa tan trong nó
(Hình 1.4)
Hình 1.4: Sự thay đổi độ cứng (a) và thể tích riêng (b) củ
a mactenxit
với hàm lượng các bon trong thép khác nhau [7]
Hình 1.4a cho ta thấy ảnh hưởng của cacbon đến độ cứng của mactenxit.
Giới hạn bền của thép cũng thay đổi theo đường cong tương tự. Mactenxit có
độ cứng rất cao, khi lượng cacbon trong nó là 0,4% độ cứng có thể bằng hoặc
lớn hơn 60 HRC. Độ giòn của mactenxit tăng mạnh khi hàm lượng cacbon
tăng. Chuyển biến mactenxit trong thép kèm theo sự tăng thể tích đáng kể
(Hình 1.4b) các tính chất vật lý khác cũng thay
đổi rất mạnh.

10
- Chuyển biến mactenxit xảy ra không hoàn toàn, sau tôi một lượng nhỏ
austenit dư (1 ÷ 3 %) còn lại trong thép, khi nhiệt độ Mf cao hơn 20 ÷ 25
0
C.
- Ngoài hàm lượng cacbon, các nguyên tố hợp kim hòa tan trong austenit
ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ Ms và Mf. Hầu hết các nguyên tố hợp kim hạ
thấp nhiệt độ Ms và Mf bởi vậy khi tôi thép hợp kim, ngay cả khi với hàm
lượng các bon chưa cao, sau khi nguội đến nhiệt độ 20 ÷ 25
o
C có thể còn lại

o
C ÷ 860
o
C.
+ Đối với thép hợp kim trung bình và cao, nhiệt độ tôi khác nhiều với thép
cacbon tương đương mà ta phải tra trong các sổ tay kỹ thuật.
1.1.3. Tốc độ tôi tới hạn
Như đã biết tốc độ tôi tới hạn, là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để
austenit chuyển biến thành mactenxit có thể xác định gần đúng giá trị này
theo sơ đồ (Hình 1.2) và theo công thức sau:

1
o
m
th
m
A
T
V
t
−
=

o
C/ giây
Trong đó: A
1
: là nhiệt độ tới hạn của thép
T
0

th

≈ 25
0
C/ giây. Thành phần cacbon không ảnh hưởng quan trọng tới V
th
, thép
cacbon có V
th
trong khoảng 400÷800
0
C/ s.
+ Sự đồng nhất của austenit.
+ Các phân tử rắn chưa hòa tan hết vào austenit thúc đẩy chuyển biến tạo
thành hỗn hợp ferit-cacbit làm tăng V
th

+ Kích thước hạt austenit càng lớn, biên hạt càng ít, càng khó chuyển biến
thành ferit-cacbit , làm giảm V
th

1.1.4. Độ thấm tôi
Trong nhiều trường hợp tổ chức mactenxit không thể tạo thành trên toàn
tiết diện , mà chỉ có ở bề mặt ăn sâu vào bên trong đến chiều sâu nhất định.
Độ thấm tôi là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức mactenxit (đo độ thấm tôi tới
lớp nửa mactenxit tức mactenxit + trôxtit). Để xác định độ thấm tôi cho một
trường hợp cụ thể hãy chú ý đến các sơ đồ trên (Hình1.5a)
Nếu chi ti
ết thép có dạng hình trụ tròn với đường kính D, khi làm nguội
(lúc tôi) tốc độ nguội bề mặt bao giờ cũng cao hơn trong lõi nên phân bố trên


13
Theo (Hình 1.6) ta thấy rằng thép C40, φ125 mm tôi nước độ cứng bề mặt
khoảng 30HRC còn tôi dầu độ cứng nhỏ hơn 20HRC
Thép 40Cr, φ125 mm tôi nước độ cứng bề mặt khoảng 60HRC còn tôi dầu
độ cứng nhỏ hơn 30HRC
Rõ ràng tốc độ nguội ảnh hưởng lớn với thép có đường kính lớn khi tôi.
1.1.5. Tính thấm tôi và tính tôi cứng
Tính tôi hay tính tôi cứng là khả năng đạt độ cứng cao khi tôi, nó phụ
thuộc chủ yếu vào l
ượng cacbon của austenit (do có của thép) mà ít phụ thuộc
vào lượng nguyên tố hợp kim. Thép có cacbon càng cao tính tôi cứng càng
lớn. Ngược lại, tính thấm tôi là khả năng tăng chiều dày của lớp tôi cứng, nó
phụ thuộc chủ yếu vào mức độ hợp kim hoá của austenit (do có của thép) mà
ít phụ thuộc vào lượng cacbon. Thép hợp kim càng cao có tính thấm tôi càng
lớn. Do vậy tùy thuộc vào lượng cacbon, hợp kim, thép có thể có các kết hợp
khác nhau của 2 tính chất trên. Hình 1.7 giới thiệu dải thấ
m tôi của thép 40,
40Cr, 40CrMo.
Khoảng cách đến mút, mm Khoảng cách đến mút, mm Khoảng cách đến mút, m
a) b) c)
Hình 1.7: Dải thấm tôi của thép [4]
a. 0,40%C; b. 0,40%C + 1,00%Cr.
c. 0,40%C + 1,00%Cr + 0,18%Mo
1. Độ cứng của vùng nửa mactenxit của thép.
1.1.6. Austenit hoá (Nung nóng và giữ nhiệt)

14
1.1.6.1. Thiết bị và môi trường nung nóng
Trong quá trình nung nóng để tôi, bề mặt của sản phẩm cần được bảo vệ để

giờ và nhiều khi phải nung phân cấp (1 cấp hoặc 2 cấp) ở nhiệt độ 650
o
C ÷
700
o
C và 850
o
C ÷ 860
o
C

15
Đối với thép hợp kim thấp như thép Crôm, thép Crôm – Môlipđen tốc độ
nung không nên vượt quá 220
o
C/ giờ.
1.1.6.3. Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi
Rất khó để đưa ra công thức tổng quát và chính xác về thời gian giữ nhiệt.
Thời gian giữ nhiệt này phụ thuộc vào thiết bị nung nóng, nhiệt độ tôi, kích
thước, số lượng sản phẩm, cách xếp chi tiết trong lò nung…. Thông thường
định hướng thời gian giữ nhiệt trong lò giếng điện trở hoặc lò buồng điện trở
đối v
ới chi tiết thép cacbon và thép hợp kim thấp là 1 ÷ 1,5 phút / 1mm chiều
dày hoặc đường kính chi tiết.
Nếu kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi
tiết, bề mặt chi tiết có thể bị ôxy hoá và thoát cacbon. Nếu giữ lâu ở nhiệt độ
cao hạt tinh thể có thể sẽ lớn gây giòn.
1.1.7. Ram thép đã tôi
Ram thép là nguyên công bắt buộc khi tôi thép thành mactenxit. Sau khi tôi
đạt tổ chức mactenxit có độ cứng cao nhất song không thể

C)
Ram thấp là phương pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng 150
o
C ÷
250
o
C, giữ nhiệt độ này một thời gian (ít nhất là 2 tiếng) tổ chức đạt được là
mactenxit ram.
So với thép tôi, sau ram thấp nói chung độ cứng không giảm đi hoặc chỉ
giảm rất ít (chỉ 1 hay cùng lắm 2 đơn vị HRC, cá biệt có trường hợp lại tăng
lên khi một lượng lớn austenit dư → mactenxit, còn ứng suất bên trong giảm
đi đáng kể do đó có tính dẻo, tính dai tốt hơn, khó bị phá huỷ giòn hơn.
1.1.7.2. Ram trung bình (300
o
C ÷ 450
o
C)
Nhiệt độ ram trung bình là 300
o
C ÷ 450
o
C, tổ chức đạt được là trôxtit ram,
so với thép tôi, sau khi ram độ cứng giảm đi rõ rệt nhưng vẫn còn khá cứng,
song ứng suất bên trong được khử bỏ hoàn toàn, giới hạn đàn hồi đạt được giá
trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên.
1.1.7.3. Ram cao (500
o
C ÷ 650
o
C)

5. Làm nhỏ hạt thép.
Ở nội dung nghiên cứu của đề tài tôi trục cán hoặc mẫu thép từ thép 40Cr,
hoặc 40CrMo chỉ cần đạt mục đích làm giảm hay mất ứng suất bên trong gây
nên bởi gia công trước khi nhiệt luyện. Do đó ta chỉ chọn phương pháp ủ thấp
để đạt được mục đích trên.
Ủ thấp (ủ non) được tiến hành ở nhiệ
t độ < 700
o
C với mục đích làm giảm
hay khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết sau gia công trước khi nhiệt luyện.
Thông thường ủ ở nhiệt độ 650
o
C ÷ 680
o
C thời gian giữ nhiệt khoảng 3 ÷ 4
giờ. Phương pháp này là nhiệt luyện thép sơ bộ để tôi tiếp theo đạt được yêu
cầu kỹ thuật đề ra.

18
1.2. Môi trường tôi, tôi một môi trường, tôi hai môi trường
Môi trường tôi là một trong những nguyên liệu quan trọng trong sản xuất
cơ khí. Môi trường tôi dùng làm nguội sản phẩm (chủ yếu là thép) khi nhiệt
luyện nhằm đạt độ cứng và các chỉ tiêu cơ tính khác theo yêu cầu kỹ thuật.
1.2.1. Yêu cầu chung với môi trường tôi
Đối với môi trường tôi đều yêu cầu bốn chỉ tiêu, được biểu diễn theo sơ đồ
sau:


Giá
thấp
đến
mức có
thể
Ổn định,
không làm
bẩn bề mặt
sản phẩm
Dễ
kiểm
tra và
chế tạo
Vạn
năng
Không
độc hại
Không
cháy nổ

19
nhau ở các khoảng nhiệt độ khác nhau biểu diễn bằng véc tơ nguội tương
quan với giản đồ T-T-T của thép (Hình 1.8) như sau:

Hình 1.8: Đường cong lý tưởng làm nguội khi tôi [4]
1. Làm nguội nhanh thép ở khoảng austenit kém ổn định nhất 500÷600
0
C
để austenit không kịp phân hóa thành ferit – xêmentit . Muốn vậy môi trường
tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn (V

Đặc biệt là ở Việt Nam. Do vậy chúng ta xem xét kỹ hơn đặc điểm làm nguội
của môi trường tôi này
Quá trình truyền nhiệt làm nguội của các dung dịch có thể phân thành ba
giai đoạn khá rõ rệt như sau (Hình 1.9) 0
C Thời gian
Hình 1.9: Sơ đồ làm nguội chi tiết trong dung dịch nước [6] 21

+ Làm nguội bằng đối lưu.
Giai đoạn làm nguội qua màng hơi và sôi trực tiếp là quan trọng nhất, về
nguyên lý hoàn toàn có thể xác định được thời gian bằng cách tính toán.
1.2.4. Những môi trường tôi thông dụng
a. Nước
Nướ
c là môi trường tôi dễ kiếm nhất, rẻ an toàn và thường dùng. Nước
thuộc loại môi trường làm nguội mạnh (khả năng làm nguội lớn). Cơ chế tác
dụng khi dùng nước làm môi trường tôi như sau. Khi nhúng thép nung nóng
đỏ vào nước, sản phẩm bị nguội đột ngột xuống 700÷600
0
C và xung quanh
chi tiết tạo nên lớp màng hơi quá nung, lúc này sự thoát nhiệt xảy ra qua lớp
màng hơi nên tốc độ nguội chậm. Sau đó lớp màng hơi bị phá hủy và nước bắt
đầu sôi trên bề mặt thép, nhiệt độ hóa hơi của nước rất lớn, hấp thụ lượng
nhiệt lớn của thép, làm thép nguội đi với tốc độ rất nhanh. Giai đoạn này kéo
dài từ 600
o
C xuống 100
0
C. Khi thép bị nguội xuống dưới 100
0
C nước không
sôi nữa, quá trình nguội xảy ra bằng đối lưu với tốc độ chậm.
Từ bảng 1.1 thấy rõ nước làm nguội khá nhanh ở cả hai khoảng nhiệt độ.
Như vậy nước là môi trường tôi mạnh nhưng dễ gây ra nứt và cong vênh, do
tốc độ nguội ở vùng chuyển biến mactenxit lớn. Nhược điểm lớn của nước là
khi nước nóng lên (điều dễ xảy ra khi tôi) làm giả
m mạnh khả năng tôi cứng
mà không làm giảm khả năng biến dạng và nứt. Tốc độ làm nguội của nước ở

Nước 30
0
C 500 270
Nước 50
0
C 100 270
Nước hòa tan 10% NaCl, 20
0
C 1100 300
Nước hòa tan 10% NaOH, 20
0
C 1200 300
Nước hòa tan 10% Na
2
CO
3
, 20
0
C 800 270
Nước hòa tan CO
2
100÷200 200
Dầu khoáng vật 100÷150 20÷25
Tấm thép 35 15
Không khí nén 30 10
b. Dầu
Dầu là môi trường tôi phổ biến và quan trọng thường dùng tôi cho thép
hợp kim (loại có V
th
nhỏ, <150

th
nhỏ hoặc thép cacbon có tiết diện mỏng. Trong phần lớn các trường
hợp, để đảm bảo các chỉ tiêu cơ tính, tránh biến dạng, nứt khi tôi người ta
thường dùng dầu làm môi trường tôi.
Ưu điểm của dầu như đã trình bày. Nhưng kèm theo đó dùng dầu để làm
môi trường tôi cũng có hàng loạt nhược điểm:
- Do nhiệt độ bắt đầu cháy thấp (150÷320
0
C) dầu dễ bị bốc cháy khi tôi
gây ra hỏa hoạn. chỉ áp dụng tôi thể tích.
- Tôi dầu trong mọi trường hợp đều gây ô nhiễm môi trường.
- Trong quá trình sử dụng độ nhớt của dầu giảm đến mức độ nhất định phải
đổ dầu mới bổ sung. Giá thành dầu cao nên không kinh tế
1.2.5. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng
Theo nhiệt độ người ta phân biệt ra tôi hoàn toàn và tôi không hoàn toàn.
Theo tiết diện nung nóng để tôi lại chia ra làm tôi thể
tích và tôi bề mặt. Ở
đây chỉ trình bày về tôi thể tích. Như đã nói không thể làm nguội với tốc độ
tùy ý, mà chỉ có thể đưa nó vào trong môi trường nào đó (thường là chất lỏng)
để làm nguội. Do vậy trên thực tế phương thức làm nguội khi tôi cũng có hạn.
Theo phương thức làm nguội cũng như cách sử dụng môi trường làm nguội
(hay còn gọi là môi trường tôi) có một số phương pháp tôi sau (Hình 1.11) 25Hình 1.11: Phương thức làm nguội [4]
a. Tôi trong một môi trường. b. Tôi trong hai môi trường
c. Tôi phân cấp. d. Tôi đẳng nhiệt