Xử lý nhiệt (heat treatment) là (heat treatment hay nhiệt luyện) là chuỗi các nguyên công gia nhiệt, giữ nhiệt và làm nguội kim loại hoặc hợp kim theo các chế độ công nghệ xác định nhằm làm biến đổi tổ chức tế vi và tạo ra các cơ tính, lý tính và hóa tính mong muốn cho vật liệu mà không làm thay đổi hình dáng và kích thước hình học của chi tiết.
1. Cơ sở nhiệt động học và các chuyển biến pha trong thép
Xử lý nhiệt (trong kỹ thuật luyện kim còn gọi là nhiệt luyện) là công nghệ then chốt quyết định chất lượng và tuổi thọ làm việc của các chi tiết máy, công cụ cơ khí và cấu kiện kết cấu. Bản chất vật lý của nhiệt luyện dựa trên hiện tượng thù hình của kim loại và sự hòa tan, khuếch tán hay chuyển biến pha của các nguyên tố hợp kim dưới tác dụng của năng lượng nhiệt.
Đối với hệ hợp kim sắt - carbon (Fe-C), quá trình nhiệt luyện xoay quanh sự chuyển hóa giữa các pha thù hình của sắt và các hợp chất liên kim:
- Austenite (Pha gamma - Fe-gamma): Dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong sắt mạng lập phương tâm diện (FCC), có khả năng hòa tan carbon tối đa lên đến hai phẩy mười bốn phần trăm tại nhiệt độ một nghìn một trăm bốn mươi bảy độ C. Austenite có tính dẻo dai cao, không có từ tính và là pha nền tảng cần đạt được khi gia nhiệt trước khi thực hiện các bước làm nguội tiếp theo.
- Ferrite (Pha alpha - Fe-alpha): Dung dịch rắn xen kẽ của carbon trong sắt mạng lập phương tâm khối (BCC), độ hòa tan carbon cực kỳ thấp (tối đa không quá 0,02% tại 727 độ C). Ferrite mềm, dẻo và có từ tính mạnh ở nhiệt độ thường.
- Cementite (Fe3C): Hợp chất hóa học liên kim giữa sắt và carbon chứa sáu phẩy sáu mươi bảy phần trăm carbon theo khối lượng, có mạng tinh thể trực thoi phức tạp, độ cứng rất cao (trên tám trăm HV) nhưng giòn.
- Pearlite: Hỗn hợp cơ học cùng tích gồm các tấm ferrite và cementite xếp xen kẽ nhau sinh ra từ sự phân hủy của austenite khi làm nguội chậm qua nhiệt độ tới hạn 727 độ C.
- Martensite: Pha dung dịch rắn quá bão hòa carbon trong sắt mạng trực thoi tâm khối (BCT), hình thành từ sự chuyển biến không khuếch tán của austenite khi làm nguội cực nhanh, có độ cứng và ứng suất nội tại rất cao.
2. Bốn nguyên công nhiệt luyện truyền thống
Tùy thuộc vào nhiệt độ gia nhiệt và tốc độ làm nguội, các phương pháp xử lý nhiệt cơ bản được phân loại thành bốn nhóm nguyên công chính:
| Nguyên công | Nhiệt độ gia nhiệt đặc trưng | Chế độ làm nguội | Mục đích công nghệ và tổ chức đạt được |
|---|---|---|---|
| Ủ kim loại (Annealing) | Gia nhiệt trên đường A3 (với thép trước cùng tích) hoặc trên đường A1 từ ba mươi đến năm mươi độ C. | Làm nguội rất chậm cùng với lò nung (tốc độ khoảng hai mươi đến năm mươi độ C mỗi giờ). | Làm mềm kim loại, giảm độ cứng để dễ gia công cắt gọt, khử triệt để ứng suất dư nội tại và làm đồng đều thành phần hóa học (tổ chức pearlite hạt hoặc tấm thô). |
| Thường hóa (Normalizing) | Gia nhiệt hoàn toàn vào vùng austenite (cao hơn đường A3 hoặc Acm từ ba mươi đến năm mươi độ C). | Làm nguội trong không khí tĩnh ở nhiệt độ môi trường. | Làm mịn hạt tinh thể, nâng cao độ bền và độ dai va đập so với ủ, chuẩn bị tổ chức đồng nhất trước khi tôi thép. |
| Tôi thép (Quenching / Hardening) | Gia nhiệt cao hơn nhiệt độ tới hạn A3 (thép trước cùng tích) hoặc A1 (thép sau cùng tích) để đạt trạng thái austenite hoàn toàn. | Làm nguội rất nhanh với tốc độ vượt quá tốc độ nguội tới hạn trong nước, dầu khoáng, dung dịch muối hoặc polyme. | Ngăn cản quá trình khuếch tán carbon để chuyển biến austenite thành tổ chức Martensite – pha có độ cứng và độ chống mài mòn cực đại. |
| Ram thép (Tempering) | Gia nhiệt thép đã qua tôi đến một nhiệt độ xác định dưới đường tới hạn A1 (thường từ một trăm năm mươi đến sáu trăm năm mươi độ C). | Giữ nhiệt đủ lâu và làm nguội chậm trong không khí hoặc dầu. | Giảm ứng suất dư sinh ra trong quá trình tôi nhanh, chuyển hóa martensite tôi giòn thành martensite ram, troostite ram hoặc sorbite ram có sự cân bằng tối ưu giữa độ cứng cao và độ dẻo dai va đập. |
3. Động học chuyển biến pha và giản đồ TTT, CCT
Để kiểm soát chính xác cấu trúc vi mô đạt được sau khi xử lý nhiệt, các kỹ sư luyện kim sử dụng hai công cụ thực nghiệm đồ họa quan trọng:
- Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (Time-Temperature-Transformation - TTT): Mô tả động học phân hủy của austenite quá nguội khi được giữ ở các mức nhiệt độ không đổi dưới điểm A1 theo thang thời gian logarit. Giản đồ này xác định rõ các vùng chuyển biến thành pearlite (ở nhiệt độ cao khoảng 550 đến 700 độ C), vùng chuyển biến thành bainite – tổ chức tế vi dạng kim hoặc lông vũ trung gian giữa pearlite và martensite (khoảng 250 đến 550 độ C), và nhiệt độ bắt đầu chuyển biến martensite (Ms) cùng nhiệt độ kết thúc martensite (Mf).
- Giản đồ chuyển biến làm nguội liên tục (Continuous Cooling Transformation - CCT): Mô phỏng sát thực tế sản xuất hơn, biểu diễn các pha tạo thành ứng với các tốc độ làm nguội liên tục khác nhau từ trạng thái austenite. Giản đồ CCT cho phép xác định chính xác tốc độ làm nguội tới hạn tối thiểu cần thiết để làm nguội tránh vùng mũi phân hủy pearlite/bainite nhằm đạt được tổ chức martensite một trăm phần trăm.
4. Hóa nhiệt luyện và nhiệt luyện bề mặt
Trong nhiều ứng dụng kỹ thuật như chế tạo bánh răng, trục truyền động, xích tải hay khuôn dập, chi tiết đòi hỏi phải có bề mặt cực kỳ cứng và chống mài mòn cao, nhưng phần lõi bên trong lại phải đủ dẻo dai để chịu được các va đập cơ học tải trọng lớn. Các công nghệ biến tính bề mặt bao gồm:
- Tôi bề mặt bằng ngọn lửa hoặc cảm ứng điện từ cao tần: Gia nhiệt siêu nhanh lớp bề mặt chi tiết lên nhiệt độ tôi trong vài giây bằng dòng điện cảm ứng xoáy Foucault (tần số từ hàng chục kilohertz đến megahertz) rồi phun nước làm nguội tức thì, tạo ra lớp vỏ martensite cứng sâu từ một đến vài milimet mà không làm thay đổi cấu trúc lõi.
- Thấm carbon (Carburizing): Đưa chi tiết thép có hàm lượng carbon thấp (khoảng 0,1 đến 0,25%) vào môi trường khí hoặc chất rắn giàu carbon ở nhiệt độ cao (chín trăm đến chín trăm năm mươi độ C). Nguyên tử carbon khuếch tán vào lớp bề mặt làm tăng hàm lượng carbon lên khoảng 0,8 đến 1,0%, sau đó tiến hành tôi và ram để đạt độ cứng bề mặt từ năm mươi tám đến sáu mươi hai HRC.
- Thấm nitơ (Nitriding): Khuếch tán nguyên tử nitơ hoạt tính vào bề mặt thép ở nhiệt độ tương đối thấp (năm trăm đến năm trăm năm mươi độ C) trong môi trường khí amoniac phân hủy. Các nitride sắt và nitride hợp kim (CrN, AlN, Mo2N) tạo thành có độ cứng siêu cao (trên một nghìn HV) mà không cần qua nguyên công tôi nhanh, giúp chi tiết giữ nguyên kích thước mà không bị cong vênh biến dạng.
- Thấm carbon - nitơ kết hợp (Carbonitriding): Khuếch tán đồng thời carbon và nitơ ở nhiệt độ khoảng tám trăm đến tám trăm bảy mươi độ C, tạo lớp vỏ cứng chống mài mòn và chịu mỏi vượt trội cho các linh kiện ô tô xe máy.
5. Các khuyết tật nhiệt luyện và biện pháp phòng ngừa
Quá trình xử lý nhiệt nếu không được kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ, môi trường bảo vệ và tốc độ làm nguội có thể gây ra nhiều khuyết tật nghiêm trọng làm phế phẩm chi tiết:
- Nứt và cong vênh biến dạng (Cracking and Distortion): Do ứng suất nhiệt (chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi khi làm nguội) và ứng suất pha (sự giãn nở thể tích khi austenite chuyển biến thành martensite). Biện pháp khắc phục là áp dụng tôi phân cấp (martempering), tôi đẳng nhiệt tạo bainite (austempering) hoặc sử dụng môi trường tôi dầu có tốc độ nguội êm dịu hơn nước.
- Thoát carbon bề mặt (Decarburization) và oxy hóa tạo xỉ: Xảy ra khi gia nhiệt trong lò có môi trường khí oxy hóa tự do, làm mất lớp carbon bề mặt và suy giảm độ cứng sau tôi. Khắc phục bằng cách nung trong lò chân không hoặc lò có khí quyển bảo vệ trơ (khí nitơ, argon hoặc khí nội nhiệt endothermic).
- Quá nhiệt và cháy thép: Gia nhiệt ở nhiệt độ quá cao làm hạt tinh thể austenite phát triển thô to khiến thép sau tôi bị giòn (quá nhiệt), hoặc nghiêm trọng hơn làm nóng chảy và oxy hóa ranh giới hạt (cháy thép) không thể cứu vãn.