Nhiệt luyện là gì? Tìm hiểu các phương pháp nhiệt luyện trong gia công cơ khí

Trong gia công cơ khí, có rất nhiêu các loại vật liệu khác nhau như thép, gang, nhôm, inox, ... Với độ cứng khác nhau, chịu bền và mài mòn khác nhau, điều đó chính là nhờ quá trình nhiệt luyện. Nhiệt luyện được xem là yếu tố then chốt quyết định chất lượng và tuổi thọ của sản phẩm. Vậy nhiệt luyện là gì, có những phương pháp nhiệt luyện nào và chúng được áp dụng như thế nào trong sản xuất cơ khí? Hãy cùng Đức Phong tìm hiểu chi tiết qua bài viết dưới đây

Nhiệt luyện là gì? Đặc điểm, tác dụng và các yếu tố đặc trưng của nhiệt luyện

Định nghĩa

Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến một nhiệt độ xác định và giữ nhiệt tại đó ở một khoảng thời gian thích hợp sau đó làm nguội với tốc độ kiểm soát để thay đổi vi cấu trúc, cải thiện tính chất cơ học như: độ cứng, độ dai, độ dẻo mà không thay đổi hình dạng tổng thể. Trong gia công cơ khí, nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng giúp nâng cao, cải thiện chất lượng và tuổi thọ của chi tiết máy, hay sản phẩm.

Quy trình nhiệt luyện gồm 3 giai đoạn chính: nung nóng (đạt trạng thái austenit), giữ nhiệt (khuếch tán nguyên tử), và làm nguội (hình thành tổ chức mong muốn như martensite hoặc pearlite). Tốc độ nguội quyết định kết quả: nhanh (nước/dầu) tạo độ cứng cao, chậm (không khí/lò) tăng độ dẻo.

Đặc điểm của nhiệt luyện

• Thay đổi vi cấu trúc: Nung nóng đến nhiệt độ cao (700-950°C) tạo pha austenit, giữ nhiệt để khuếch tán nguyên tử, làm nguội kiểm soát (nhanh/chậm) hình thành martensite (cứng), pearlite (dẻo) hoặc bainite.​
• 3 giai đoạn cố định: Gia nhiệt (đạt nhiệt độ mục tiêu), giữ nhiệt (soaking time tùy kích thước/thành phần), làm nguội (tốc độ quyết định tính chất).​
• Không biến dạng hình dạng: Chỉ cải thiện cơ tính (độ cứng tăng 2-5 lần, độ dai, chống mòn) mà giữ kích thước gốc, khác với rèn/đúc.​
• Phụ thuộc yếu tố kiểm soát: Nhiệt độ chính xác (±10°C), thời gian ngâm (dài hơn cho vật dày), môi trường nguội (nước/dầu/không khí), thành phần hóa học.​
• Áp dụng chọn lọc: Chủ yếu thép/hợp kim (C 0.2-1.5%), ít hiệu quả với nhôm/đồng do điểm nóng chảy thấp.

Tác dụng của nhiệt luyện

• Tăng độ cứng và chống mài mòn: Chuyển pha austenit thành martensite qua tôi nguội nhanh, tăng độ cứng 2-5 lần (HRC 50-65), phù hợp dao cụ, bulong, bánh răng.​
• Cải thiện độ dai và dẻo: Ram sau tôi giảm giòn, cân bằng độ cứng-độ dẻo, tránh nứt vỡ dưới lực va đập.​
• Giảm ứng suất dư: Ủ/thường hóa loại bỏ căng thẳng từ gia công nguội, tăng ổn định kích thước sản phẩm.​
• Tăng độ bền và tuổi thọ: Chịu nhiệt cao hơn (lên 1000°F), chống oxy hóa/gỉ sét, kéo dài tuổi thọ máy móc 2-3 lần.​
• Tối ưu sản xuất: Tiết kiệm vật liệu (kết cấu nhẹ hơn), giảm chi phí bảo trì, dễ gia công hơn sau ủ

Về lợi ích kinh tế, nó giúp sản phẩm đạt hệ số an toàn cao, giảm trọng lượng máy (tiết kiệm năng lượng vận hành) và đặc biệt quan trọng trong cơ khí chính xác như dao phay ngón.

Các yếu tố đặc trưng của nhiệt luyện

• Nhiệt độ nung nóng (Tn): Nhiệt độ cao nhất đạt được (thường 700-950°C cho thép), xác định pha austenit hoàn chỉnh. Sai lệch ±10°C có thể thay đổi toàn bộ tổ chức (martensite vs pearlite).​
• Thời gian giữ nhiệt (tgn - soaking time): Thời gian duy trì Tn để khuếch tán nguyên tử đồng đều (tính theo √d, d=đường kính chi tiết). Dài hơn cho vật dày/lồi lõm.​
• Tốc độ làm nguội (Vnguội): Quyết định pha cuối cùng: nhanh (nước/dầu >500°C/s → martensite cứng giòn), chậm (không khí <10°C/s → pearlite dẻo)

Cá phương pháp nhiệt luyện hiện nay

1. Phương pháp ủ

Ủ là phương pháp nung nóng kim loại ở nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt khoảng thời gian và sau đó được làm nguội chậm với tốc độ dưới 200 độ / 1 giờ. Mục đích của ủ là để làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo của kim loại cũng như loại bỏ các ứng suất có trong kim loại. Có hai loại ủ là ủ không chuyển biến pha (ủ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn) và ủ có chuyển biến pha (ủ ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn).

Mục đích của phương pháp ủ thép:

• Giảm độ cứng của thép, giúp vật liệu phù hợp hơn với các quá trình gia công cắt gọt.
• Tăng độ dẻo, tạo điều kiện thuận lợi cho các phương pháp gia công áp lực như rèn, dập, uốn.
• Khử ứng suất dư bên trong vật liệu phát sinh sau các nguyên công như gia công cơ khí, đúc hoặc hàn, nhằm hạn chế biến dạng và nứt gãy.
• Làm đồng đều thành phần và nồng độ các nguyên tố trong thép, cải thiện tính ổn định của vật liệu.
• Tinh luyện kích thước hạt thép, góp phần nâng cao cơ tính và chất lượng tổng thể của sản phẩm.

2. Phương pháp thường hóa

Phương pháp thường hóa là quá trình gia công kim loại bằng cách nung nóng kim loại lên trạng thái austenit (hoàn toàn hoặc không hoàn toàn), giữ nhiệt và sau đó làm nguội trong không khí. 

Mục đích:

• Giúp thép có độ cứng cao hơn, độ dẻo thấp hơn so với ủ  để phù hợp cho gia công cắt gọt.
• Làm nhỏ hạt thép ( do nguội nhanh hơn ủ)
• Làm mất lưới XeII của thép sau cùng tích vì cơ tính rất xấu.

3. Phương pháp tôi

Tôi là phương pháp gia công kim loại bằng cách nung nóng kim loại lên trạng thái austenit, giữ nhiệt và làm nguội đủ nhanh để quá trình khuếch tán không xảy ra, kết quả nhận được là biến nó thành Mactenxit hay các tổ chức không ổn định với mục đích tăng độ cứng và độ bền của kim loại. Có 2 loại tôi là tôi bề mặt (tôi bên ngoài bề mặt) và tôi xuyên tâm (tôi cả bề mặt và phần bên trong).

4. Phương pháp ram

Ram là phương pháp gia công kim loại bằng cách nung nóng kim loại lên trạng thái austenit, giữ nhiệt và làm nguội chậm mục đích để quá trình khuếch tán xảy ra, kế quả nhận được là tổ chức cân bằng, giúp kim loại giảm độ cứng và tăng độ dẻo 

Bảng so sánh các phương pháp nhiệt luyện:

Phương pháp	Quy trình chính	Mục đích chính	Ứng dụng phổ biến
Ủ (Annealing)	Nung 700-900°C, giữ nhiệt, nguội chậm lò	Làm mềm, giảm ứng suất	Dao cụ trước gia công, phục hồi vật liệu ​
Thường hóa (Normalizing)	Nung Ac3+30-50°C, nguội không khí	Đồng đều tổ chức, tăng độ dai	Thép kết cấu, trục máy ​
Tôi (Quenching)	Nung 800-950°C, nguội nhanh nước/dầu	Tăng độ cứng tối đa (martensite)	Dao phay ngón, bulong chịu lực ​
Ram (Tempering)	Nung 150-650°C sau tôi, nguội không khí	Giảm giòn, cân bằng cứng-dẻo	Công cụ cắt gọt, lò xo ​

>> Tham khảo thêm: Thép carbon là gì? Tìm hiểu chi tiết về thép cacbon

Ứng dụng của nhiệt luyện trong đời sống

Nhiệt luyện có rất nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, chế tạo

• Ngành sản xuất máy móc: Nhiệt luyện được sử dụng để gia công các chi tiết máy có yêu cầu về độ chính xác cao, độ bền và khả năng chịu tải, ví dụ như: máy móc thiết bị, máy công cụ, máy móc ô tô, máy bay, ...
• Ngành sản xuất vũ khí phục vụ cho quân sự: Nhiệt luyện sử dụng để gia công các loại vũ khí đòi hỏi độ cứng, bền cao như: dao, kiếm, rìu, súng, đạn,...
• Ngành cơ khí: Nhiệt luyện được ứng dụng để sản xuất các loại dụng cụ cắt gọt trong cơ khí như: dao phay, mũi taro, dao tiện, mũi khoan, ...
• Ứng dụng trong ngành sản xuất thủy tinh yêu cầu về độ trong suốt, khả năng chịu nhiệt.

Nhiệt luyện đóng vai trò then chốt trong gia công cơ khí, giúp tối ưu cơ tính của vật liệu và đảm bảo chi tiết đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật trước khi đưa vào sử dụng. Việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện phù hợp không chỉ nâng cao độ bền, độ cứng và khả năng chịu mài mòn mà còn góp phần ổn định chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ chi tiết máy. Trên đây là toàn bộ thông tin chi tiết về nhiệt luyện cũng như các phương pháp nhiệt luyện phổ biến. Hy vọng những chia sẻ trên sẽ giúp bạn hiểu hơn và có thể nâng cao năng lực cạnh tranh sản phẩm của doanh nghiệp mình.