Phương pháp nhiệt luyện kim loại

Khái niệm nhiệt luyện

    - Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại hoặc một hợp kim nào đó đến mức nhiệt độ xác định. Sau đó giữ nhiệt độ đó trong một thời gian cần thiết và làm nguội với tốc độ đã được tính toán để nhận được sản phẩm mới có tính chất cơ lý theo yêu cầu.

    - Khác với đúc, hàn, nhiệt luyện không làm nóng chảy vật liệu. Nó cũng không làm biến dạng kim loại như phương pháp cắt gọt hay phương pháp biến dạng dẻo (rèn và dập). Kết quả của quá trình nhiệt luyện chính là làm thay đổi tổ chức tế vi, cơ tính của sản phẩm kim loại. Đôi khi quá trình này còn tác động làm thay đổi thành phần hóa học cùng đặc tính của vật liệu. 

Vai trò của nhiệt luyện trong gia công cơ khí

    - Nhiệt luyện là một khâu gia công quan trọng không thể thiếu trong ngành cơ khí và luyện kim hiện đại. Vì ngoài các yêu cầu về thành phần hóa học ra, người ta chỉ có thể thông qua nhiệt luyện người ta mới có thể phát huy hết tất cả các khả năng tiềm tàng của kim loại và hợp kim. Như làm tăng độ cứng, độ bền, tính đàn hồi cũng như khả năng chống mài mòn của kim loại.

    - Một máy móc, công cụ tốt, không thể không dùng đến nhiều vật liệu tốt. Do đó để đạt được các yêu cầu về kỹ thuật trong cơ khí, có đến 80% các chi tiết máy phải gia công nhiệt luyện. 100% các dụng cụ cơ khí như dao cắt gọt, dụng cụ đo lường, trục khuỷu, bánh răng, ổ bi, khuôn mẫu… đều phải thông  qua nhiệt luyện.Nhiệt luyện giúp sản xuất ra các cơ cấu và chi tiết, dụng cụ máy bền hơn, nhẹ hơn, khỏe hơn với các tính năng tốt hơn.  Từ đó đảm bảo khả năng làm việc lâu dài bền vững cho máy móc và dụng cụ.

Các phương pháp nhiệt luyện kim loại

    - Phương pháp ủ: là quá trình đảo ngược của quá trình làm cứng nguyên liệu bằng cách nung nóng nguyên liệu đến nhiệt độ nhất định và duy trì trong khoảng thời gian vừa đủ. Rồi làm nguội chậm cùng lò với tốc độ nhỏ hơn 200 độ/1h. Để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo giúp nguyên liệu dễ gia công hơn.

    - Phương pháp thường hóa: là phương pháp nung nóng kim loại đến trạng thái Austronite hoàn toàn. Sau đó giữ nhiệt và làm nguội ngoài không khí tĩnh. Để thu được tổ chức gần ổn định, có độ cứng tương đối thấp. Mục đích làm giảm độ cứng của kim loại để phù hợp với quá trình gia công cắt gọt. Hoặc làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành dập, kéo thép ở trạng thái nguội .

    - Phương pháp tôi: Là quá trình nung nóng nguyên liệu đến nhiệt độ tới hạn (Ac1) để cấu trúc bên trong nguyên liệu biến thành tổ chức Ausenite (một tổ chức phi từ tính). Sau đó làm nguội nhanh để biến đổi nó thành tổ chức Martebsite hay các tổ chức không ổn định khác. Nhằm mục đích làm tăng độ bền và tăng khả năng chịu tải của chi tiết.

    - Phương pháp ram: Là phương pháp nhiệt luyện bằng cách nung nóng nguyên liệu đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới  hạn (Ac1). Sau đó giữ nhiệt trong một khoảng thời gian vừa đủ. Để Mactenxit và Austenit dư phân hoá thành các tổ chức có cơ tính phù hợp rồi làm nguội. Nhiệt độ Ram càng cao thì độ cứng càng giảm và độ dẻo càng tăng.

Các giai đoạn của quá trình nhiệt luyện kim loại

Bất kỳ hình thức nhiệt luyện nào cũng gồm 3 giai đoạn:

    - Nung nóng.

    - Giữ nhiệt.

    - Và làm nguội.

Giai đoạn nung nóng được đặc trưng bằng tốc độ nung và nhiệt độ nung. Giai đoạn giữ nhiệt được đặc trưng bằng thời gian giữ nhiệt. Giai đoạn làm nguội thì được đặc trưng bởi tốc độ làm nguội. Tuỳ thuộc vào hàm lượng thành phần, kích thước và hình dáng của chi tiết mà  từ đó người ta sẽ quyết định tốc độ nung cũng như nhiệt độ nung và tốc độ nguội một cách hợp lý.

Những kim loại có thể điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện

Kim loại nào có thể điều chế được bằng nhiệt luyện?

    - Nhiệt luyện thường chỉ được áp dụng với những kim loại có tính khử yếu hoặc trung bình. Còn đối với những kim loại có tính khử cao, nó sẽ được điều chế bằng các phương pháp khác. Như tuy luyện, điện phân nóng chảy, khử ứng suất, làm lạnh sâu hoặc nhuộm đen để đảm bảo hiệu quả cao nhất sau khi điều chế.

Những kim loại phổ biến điều chế bằng phương pháp nhiệt luyện

    - Thép: Thép là kim loại đầu tiên nằm trong danh sách này. Đây là kim loại được sử dụng nhiều nhất trong gia công cơ khí nhằm chế tạo các chi tiết máy, dụng cụ cắt gọt, công cụ đo đạc… Nhiệt luyện giúp cho các chi tiết bằng thép sau khi gia công có những tính chất cần thiết đảm bảo khả năng làm việc lâu dài, ổn định.

    - Sắt: Là một trong những kim loại phổ biến và có tính ứng dụng cao nhất được điều chế bằng nhiệt luyện. Sắt nhiệt luyện có tính ứng dụng cao trong thực tế. Được sử dụng trong nhiều ngành nghề đa dạng như: xây dựng, sản xuất, chế tạo máy…

    - Hợp kim nhôm: Nhiệt luyện (tôi + hóa già) giúp nhôm hợp kim có những tính chất không khác gì thép cabon nhưng lại ưu việt hơn. Phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong sản xuất công nghiệp.

    - Inox: Mục đích chủ yếu là để inox cứng hơn. Giúp tăng độ bền và khả năng chịu tải của inox.

    - Ngoài ra, danh sách này còn có rất nhiều sản phẩm khác. Nổi bật có thể kể tới Pb, Sn… Tùy từng trường hợp, chúng sẽ được xử lý với những yếu tố cũng như điều kiện nhiệt luyện hoàn toàn riêng biệt. 

Nguyên tắc khi điều chế kim loại bằng phương pháp nhiệt luyện

    - Nguyên tắc đầu tiên đối với phương pháp này là nó sử dụng những chất khử Oxit. Như C, Co, Hidro, Al để khử oxit kim loại trong điều kiện nhiệt độ cao. Khi đó, kim loại có thể đạt được những thay đổi đúng như mong muốn của người dùng.

    - Trong trường hợp cần sử dụng phản ứng giữa kim loại kiềm và kiềm thổ được sử dụng như một chất khử sẽ phức tạp hơn. Quá trình này cần được thực hiện trong môi trường chân không để mang lại hiệu quả như mong muốn.

    - Khi nhiệt luyện nguyên liệu là quặng sunfua kim loại, cần phải thực hiện chuyển đổi quặng thành các dạng oxit kim loại trước khi thực hiện quá trình nhiệt luyện.