Các nguyên nhân dẫn đến nứt thép khi nhiệt luyện

Biên dịch Thanh Sơn, bản quyền thuộc về baoduongcokhi.com

                                                 Nhiệt luyện sản phẩm sau đúc

Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo ph­ương hướng đã chọn trước.

Các phương pháp nhiệt luyện (ảnh st)

Đặc điểm nổi bật của hầu hết các vật liệu sắt là khả năng bị nung nóng và làm nguội của chúng để tạo ra các đặc tính vật lý cao (cứng hơn, bền hơn, chống mài mòn tốt hơn) bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong vật liệu đó mà không hề làm thay đổi hình dáng và kích thước của chi tiết. 

Quy trình này bao gồm việc nung nóng kim loại đến nhiệt độ cao tới hạn và giữ trong một thời gian xác định (quá trình Austenitizing) để hoàn thành chuyển đổi thành tổ chức Austenit và khuếch tán các thành phần, sau đó làm nguội trong môi trường làm nguội để tạo ra tổ chức tế vi với độ cứng mong muốn.

Một trong những mối quan tâm lớn nhất trong quá trình nhiệt luyện làm cứng thép (tôi thép) là sự nứt vỡ của vật liệu thành phẩm và bán thành phẩm trong quá trình làm nguội.

Nhiều khi, nguồn gây ra nứt duy nhất được coi là chất làm nguội (quenchant). Tuy nhiên, có nhiều nguồn gây nứt thép khác ngoài việc làm nguội phải được xem xét.

Nứt khi tôi

Theo sau quá trình tôi cứng thép này, thường là quá trình gia nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn, gọi là ram thép - tempering, để giảm ứng suất dư sau khi tôi và hoàn thiện tổ chức tế vi, để đạt được các đặc tính vật lý cần thiết. Trình tự này được minh họa trong Hình bên dưới.

Hình - Sơ đồ chu trình tôi và ram thép.

Một mối quan tâm chính của việc nhiệt luyện là xảy ra hiện tượng bị nứt của vật liệu thành phẩm và bán thành phẩm trong chu trình làm nguội. Bên cạnh chi phí của nguyên vật liệu liên quan, còn có tổn thất về thời gian sản xuất.

Thật không may, khi gặp phải hiện tượng nứt, người ta thường cho rằng nguyên nhân là do  quá trình làm nguội, mà không được đánh giá thêm cấu trúc vi mô (microstructural). Mặc dù quá trình làm nguội nhanh quá mức thường là nguyên nhân gây ra nứt, nhưng có nhiều nguyên nhân khác cũng phải được xem xét. 

Dưới đây là các nguyên gây nứt thép khác nhau trong quá trình nhiệt luyện, bao gồm:

1. Nứt liên quan đến tốc độ làm nguội quá nhanh.

2. Nứt liên quan đến truyền nhiệt không đều.

3. Nguyên nhân liên quan đến cấu trúc của thép trước khi nhiệt luyện.

4. Hệ thống gia nhiệt không đồng nhất.

5. Tốc độ gia nhiệt quá mức.

6. Phạm vi nhiệt độ nhiệt luyện.

7. Ứng suất dư gia tăng từ bước gia công trước, tại các rãnh và đường nối.

8. Do sự phân tách hóa học.

9. Độ xốp của vật liệu.

10. Sự mất/thoát nguyên tố hợp kim.

11. Thành phần hóa học của thép không phù hợp.

Mặc dù, nứt khi làm nguội thép có thể phát sinh do tốc độ của quá trình làm nguội không đủ chậm, nhưng có rất nhiều tác nhân tiềm năng khác gây ra vấn đề này. Chúng bao gồm: làm nguội không đồng nhất do thiết kế hệ thống làm nguội kém, các quá trình làm nguội ngăn cản dòng chất lỏng làm nguội đồng đều xung quanh bộ phận trong quá trình làm nguội hoặc các chất làm nguội bị ô nhiễm.

Ngoài ra, còn có các nguồn gây nứt tiềm ẩn khác nữa là do các khuyết tật về cơ học hoặc vật liệu, bao gồm: tạp chất phi kim loại, các rãnh hoặc đường nối, ứng suất dư tăng từ quá trình gia công trước, độ không đồng nhất và độ xốp của vật liệu. 

Những vấn đề này không dễ phát hiện nếu không phân tích cấu trúc vi mô của kim loại. Vì vậy, các phương pháp phân tích kim loại (metallurgical analyses) được khuyến nghị nên được tiến hành để xác định nguyên nhân gốc rễ của hiện tượng nứt thép trong quá trình nhiệt luyện.

Phân tích kim loại (metallurgical analyses):

Phân tích kim loại để phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc trên bề mặt vật liệu, đánh giá cấu trúc vi mô và đảm bảo rằng kim loại phù hợp với các tiêu chuẩn.

Có hai loại kiểm tra kim loại: kiểm tra phá hủy và không phá hủy.

Kiểm tra không phá hủy có thể được thực hiện bằng chụp X quang hoặc kiểm tra siêu âm.

Thử nghiệm phá hủy: Các thử nghiệm được thực hiện ở cả cấp độ vĩ mô (macro) và vi mô (microscopic) và phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, SEM).

Related Posts by Categories