Mục đích của việc làm nguội thép kết cấu carbon là gì?

Mục đích của việc làm nguội thép kết cấu carbon là gì?
Quá trình tôi đối với thép kết cấu cacbon bao gồm việc nung thép đến nhiệt độ austenit hóa (thường là 30-50 độ trên Ac3, yêu cầu austenit hóa hoàn toàn đối với thép hypoeutectoid), giữ thép ở nhiệt độ này trong một khoảng thời gian để cho phép cấu trúc vi mô biến đổi hoàn toàn thành austenite, sau đó làm nguội nhanh nó trong môi trường làm mát như nước hoặc dầu. Mục đích cốt lõi của nó là đạt được sự cải thiện "đột phá" về tính chất cơ học bằng cách thay đổi cấu trúc vi mô bên trong của thép (chuyển austenite thành các cấu trúc không cân bằng như martensite hoặc bainite), đặc biệt đối với các yêu cầu về độ bền và độ cứng. Quá trình này có thể được phân loại thành bốn mục tiêu cốt lõi sau:
1. Cải thiện đáng kể độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép
Cấu trúc vi mô cân bằng của thép kết cấu cacbon (ví dụ: ngọc trai + ferit) có độ cứng tương đối thấp (ví dụ: độ cứng cán nóng-của thép Q235 là khoảng HB150-180 và của thép 45 là khoảng HB170{17}}210). Điều này làm cho nó không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn và trầy xước (ví dụ: bề mặt chống mài mòn trên các bộ phận cơ khí và các cạnh dụng cụ). Trong quá trình làm nguội, austenite nguội đi nhanh chóng (tốc độ làm mát phải vượt quá "tốc độ làm mát tới hạn"). Các nguyên tử không có thời gian để khuếch tán và hình thành ngọc trai cân bằng mà thay vào đó bị buộc phải hình thành martensite. Martensite là dung dịch cacbon rắn siêu bão hòa trong -Fe, với độ biến dạng mạng đáng kể và nhiều sai lệch bên trong. Điều này làm tăng đáng kể độ cứng:
Thép kết cấu cacbon-trung bình (chẳng hạn như thép 45) có thể đạt độ cứng HRC55-60 sau khi tôi, vượt xa độ cứng của thép cán nóng.
Thép kết cấu cacbon-cao (chẳng hạn như thép 65) thậm chí có thể đạt độ cứng HRC60-65 sau khi tôi, tiệm cận mức độ cứng của thép công cụ thông thường.
Độ cứng cao này cải thiện hiệu quả khả năng chống mài mòn của các bộ phận và giảm mài mòn trong quá trình sử dụng (ví dụ: đường dẫn hướng của máy công cụ dập tắt và sườn răng bánh răng).
2. Cải thiện đáng kể độ bền và khả năng chống biến dạng của thép
Ngoài độ cứng, quá trình làm nguội làm tăng đáng kể độ bền kéo, cường độ năng suất và khả năng chống biến dạng của thép kết cấu cacbon. Ferrite ở cấu trúc cân bằng có độ dẻo cao nhưng độ bền thấp, trong khi ngọc trai có độ bền vừa phải. Tuy nhiên, Martensite có thể đạt được độ bền tăng 50% -100% do biến dạng mạng và tăng cường độ lệch.
Ví dụ: thép 45 có độ bền kéo khi cán nóng-là khoảng 600 MPa. Sau khi làm nguội (không ủ), độ bền kéo tăng lên trên 1000 MPa và cường độ năng suất tăng từ 355 MPa lên hơn 800 MPa.
Đối với các bộ phận chịu tải, chống va đập hoặc chống biến dạng (chẳng hạn như trục, thanh kết nối và bu lông), độ bền cao sau khi tôi nguội đảm bảo rằng các bộ phận đó không bị biến dạng hoặc gãy trong các điều kiện vận hành phức tạp, do đó đáp ứng được-yêu cầu về khả năng chịu tải của kết cấu. 3. Đặt nền tảng cho quá trình "tôi luyện" tiếp theo, đạt được độ dẻo dai "độ bền{2}} THĂNG BẰNG."
Mặc dù thép kết cấu carbon đạt được độ cứng và độ bền cực cao sau khi tôi, nhưng chúng có những nhược điểm đáng kể: ứng suất bên trong cao trong cấu trúc martensite, độ dẻo kém và độ bền cực thấp (dễ bị gãy giòn, khả năng hấp thụ năng lượng va chạm thường chỉ 5-10J). Sử dụng trực tiếp dễ dẫn đến hỏng hóc do tác động nhỏ hoặc tập trung ứng suất. Do đó, quá trình làm nguội hiếm khi được sử dụng như một "xử lý nhiệt cuối cùng", mà là tiền thân của quá trình ủ. Chức năng cốt lõi của nó là cung cấp "cấu trúc nền tảng có độ cứng cao, độ bền cao" cho những điều chỉnh hiệu suất tiếp theo.
Quá trình tôi luyện tiếp theo ở các nhiệt độ khác nhau (tôi luyện ở nhiệt độ-thấp 150-250 độ, tôi luyện ở nhiệt độ trung bình- 350-500 độ và tôi luyện ở nhiệt độ cao 500-650 độ) có thể loại bỏ ứng suất martensite bên trong và cải thiện độ dẻo dai trong khi vẫn giữ được phần lớn độ bền đã tôi.
Ví dụ: sau khi tôi và tôi-ở nhiệt độ cao (làm nguội và tôi luyện) thép 45, độ cứng giảm xuống HRC 28-32, trong khi độ bền kéo vẫn ở trên 800 MPa và khả năng hấp thụ năng lượng va chạm tăng lên trên 50J. Điều này đạt được sự cân bằng lý tưởng giữa "độ bền cao và độ dẻo dai cao", khiến nó trở thành giải pháp tối ưu hóa hiệu suất toàn diện được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất máy móc. 4. Cải thiện hiệu suất cục bộ và đáp ứng các yêu cầu "Tăng cường cục bộ"
Một số bộ phận bằng thép kết cấu carbon không yêu cầu cường độ tổng thể cao (để tránh độ giòn tổng thể) và chỉ yêu cầu tăng cường các khu vực làm việc quan trọng (chẳng hạn như bề mặt mài mòn và các khu vực chịu ứng suất tập trung). Trong những trường hợp này, quá trình làm nguội có thể đạt được "cải thiện hiệu suất cục bộ" thông qua phương pháp "sưởi ấm cục bộ + làm mát cục bộ".
Ví dụ, ray dẫn hướng máy công cụ yêu cầu khả năng chống mài mòn bề mặt (độ cứng cao), nhưng ma trận ray dẫn hướng phải duy trì độ bền (để tránh gãy do va chạm). Điều này có thể đạt được thông qua "làm nguội bề mặt gia nhiệt cảm ứng". Điều này bao gồm việc chỉ làm nóng bề mặt ray dẫn hướng đến quá trình austenit hóa và làm nguội nhanh chóng, tạo thành martensite nguội (độ cứng HRC 50-55) trên bề mặt trong khi vẫn duy trì cấu trúc cân bằng ban đầu của ma trận (duy trì độ dẻo dai).
Ví dụ khác, phần đầu hoặc phần ren của bu lông yêu cầu khả năng chống cắt và mài mòn. Làm nguội cục bộ có thể đạt được hiệu suất quan trọng đồng thời tránh được độ giòn tổng thể và giảm nguy cơ hỏng hóc bộ phận.