Nếu bạn từng nghe đến việc “làm cứng thép” trong ngành cơ khí, thì đó chính là quá trình tôi thép. Đây là một bước xử lý nhiệt vô cùng quan trọng, giúp biến thép từ trạng thái bình thường trở nên bền bỉ và cứng chắc hơn. Cùng Intech Solar tìm hiểu chi tiết về tôi thép qua bài viết dưới đây.
Khái niệm tôi thép là gì?
Tôi thép là quá trình nung nóng thép đến nhiệt độ thích hợp rồi làm nguội nhanh trong môi trường như nước, dầu hoặc khí. Cách làm này khiến cấu trúc bên trong của thép thay đổi, tạo ra độ cứng và khả năng chịu mài mòn vượt trội.
Trong tôi thép, điểm mấu chốt nằm ở sự thay đổi pha của thép. Khi thép được nung đến nhiệt độ cao, các tinh thể trong nó tái sắp xếp. Việc làm nguội nhanh khiến cấu trúc mới “đóng băng” lại, từ đó tạo ra độ cứng cao hơn so với trạng thái ban đầu.
Nếu bạn cầm trên tay một con dao bằng thép chưa tôi, nó dễ cong hoặc cùn khi sử dụng. Ngược lại, thép đã qua tôi vừa cứng, vừa bền, giữ được lưỡi sắc lâu hơn. Đó là lý do tại sao từ dụng cụ cắt gọt, linh kiện máy móc cho đến chi tiết trong ngành xây dựng đều cần đến thép đã được tôi luyện.
Mục đích của quá trình tôi thép
Gia tăng độ cứng và khả năng chịu mài mòn
Một trong những mục tiêu lớn nhất của tôi thép chính là làm cho vật liệu “khó chịu hỏng hơn”. Thép sau khi tôi có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, rất phù hợp để chế tạo dụng cụ cắt gọt, trục máy, bánh răng hay các chi tiết phải hoạt động liên tục trong điều kiện khắc nghiệt.
Nâng cao tuổi thọ và hiệu suất sử dụng
Khi thép bền hơn, dĩ nhiên sản phẩm tạo ra từ nó cũng có tuổi thọ dài hơn. Nhờ vậy, người dùng không phải thay mới liên tục, giúp tiết kiệm chi phí bảo trì, sửa chữa. Các nhà sản xuất cơ khí cũng giảm rủi ro hỏng hóc khi vận hành.
Đảm bảo chất lượng trong sản xuất công nghiệp
Trong nhiều ngành, đặc biệt là cơ khí chính xác và công nghiệp nặng, việc đảm bảo độ cứng, độ bền của thép gần như là “tiêu chuẩn bắt buộc”. Tôi thép chính là giải pháp giúp đáp ứng yêu cầu này, từ đó giữ cho quá trình sản xuất ổn định và an toàn hơn.
Các phương pháp tôi thép phổ biến
Mỗi loại sản phẩm thép sẽ phù hợp với một phương pháp tôi khác nhau. Việc lựa chọn đúng kỹ thuật không chỉ đảm bảo chất lượng mà còn tối ưu chi phí và độ bền của vật liệu.
Tôi xuyên tâm
Tôi xuyên tâm được thực hiện bằng cách chọn nhiệt độ tôi phù hợp với thành phần cacbon của thép, dựa trên giản đồ pha. Sau khi nung nóng, chi tiết được giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh trong môi trường thích hợp như nước, dầu hoặc dung dịch hóa chất. Kết quả là thép đạt được độ cứng đồng đều từ bề mặt đến lõi. Hiệu quả của phương pháp này thường được đánh giá thông qua chỉ tiêu độ thấm tôi, thể hiện khả năng vật liệu đạt được độ cứng ở mức độ sâu đến đâu.
Tôi mặt ngoài
Khác với tôi xuyên tâm, phương pháp tôi mặt ngoài chỉ làm cứng lớp bề mặt, còn phần lõi giữ nguyên độ dẻo. Ưu điểm của cách này là chi tiết vừa chống mài mòn tốt, vừa đảm bảo khả năng chịu va đập mà không bị giòn gãy. Tôi mặt ngoài thường áp dụng cho bánh răng, trục truyền động và các chi tiết chịu ma sát lớn. Có hai hình thức chính:
- Tôi cao tần: sử dụng dòng điện xoay chiều tần số cao để nung nhanh bề mặt chi tiết, sau đó làm nguội nhanh.
- Tôi bằng ngọn lửa ôxy – axêtylen: nung bề mặt chi tiết bằng ngọn lửa hỗn hợp ôxy – axêtylen đến nhiệt độ tới hạn A3, rồi làm nguội nhanh trong nước hoặc dung dịch chuyên dụng.
Ủ thép
Ủ thép là quá trình làm nguội chậm sau khi nung, nhằm làm thép mềm hơn và dễ gia công. Mục đích chính là giảm độ cứng, tăng độ dẻo, loại bỏ ứng suất bên trong sau khi đúc, hàn hoặc gia công cơ khí, đồng thời làm mịn kích thước hạt thép để cải thiện chất lượng.
Thường hóa
Thường hóa giúp thép có cấu trúc đồng đều, tăng độ bền và độ cứng cơ học. Phương pháp này còn giúp loại bỏ xementit ở dạng lưới, khử ứng suất do biến dạng trong quá trình gia công áp lực. Thép sau thường hóa thường có độ cứng phù hợp để làm phôi cho các bước xử lý tiếp theo.
Ram thép
Sau quá trình tôi, thép thường chứa ứng suất dư dễ gây giòn, nứt khi làm việc. Ram thép được áp dụng để giảm hoặc loại bỏ ứng suất dư này, đồng thời vẫn giữ lại độ cứng cần thiết. Đây là bước cuối cùng giúp chi tiết cơ khí đạt trạng thái cân bằng, đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất trong quá trình sử dụng lâu dài.
Yêu cầu đối với môi trường tôi thép
Một môi trường tôi thép được coi là đạt chuẩn khi đáp ứng đồng thời nhiều yếu tố kỹ thuật và an toàn.
- Trong khoảng nhiệt độ 400 – 600 °C, thép cần được làm nguội nhanh để tạo cấu trúc mactenxit, đồng thời hạn chế hiện tượng Austenit phân hủy thành Peclit.
- Khi nhiệt độ xuống dưới 400 °C hoặc vượt quá 600 °C, quá trình làm nguội phải diễn ra từ từ. Điều này giúp Austenit ổn định hơn và tránh được ứng suất dư quá lớn có thể gây nứt gãy chi tiết.
- Môi trường tôi phải duy trì tính ổn định trong suốt quá trình, không bị phân hủy hay oxy hóa ở nhiệt độ cao.
- Dung dịch làm nguội không được gây phản ứng hóa học với bề mặt thép, đảm bảo chất lượng chi tiết sau xử lý.
- Các yêu cầu về an toàn sức khỏe và bảo vệ môi trường phải được tuân thủ, bao gồm việc hạn chế độc hại cho con người, môi trường xung quanh và điều kiện lao động.
- Sau khi tôi, phần dung dịch bám trên bề mặt chi tiết phải dễ dàng loại bỏ bằng cách rửa sạch hoặc để bay hơi, giúp sản phẩm đạt độ sạch và chất lượng bề mặt tốt.
Ứng dụng của thép đã tôi trong thực tế
- Trong ngành cơ khí chế tạo: Hầu hết các loại dao cắt, khuôn dập hay mũi khoan đều phải trải qua quá trình tôi thép để đảm bảo độ sắc bén và độ bền cao. Nhờ vậy, năng suất gia công được nâng lên đáng kể.
- Trong sản xuất ô tô và máy móc công nghiệp: Các chi tiết như bánh răng, trục truyền động, lò xo hay vòng bi đều cần tôi thép để tăng khả năng chịu tải và kéo dài tuổi thọ. Đây là yếu tố then chốt giúp máy móc vận hành ổn định và an toàn.
- Trong xây dựng và kết cấu thép: Tôi thép giúp các thanh giằng, dầm chịu lực và bu lông có khả năng chống mài mòn, chịu va đập tốt hơn. Điều này đặc biệt quan trọng trong các công trình yêu cầu độ bền cao như cầu đường, tòa nhà cao tầng hoặc nhà xưởng công nghiệp.
- Trong sản phẩm gia dụng: Từ con dao bếp, kéo, cho đến các loại nông cụ như cuốc, xẻng đều được áp dụng công nghệ tôi thép. Đây là lý do chúng trở nên sắc bén, bền bỉ và gắn bó lâu dài với người sử dụng.
Có thể thấy, tôi thép là một trong những bước quan trọng nhất trong quá trình nhiệt luyện, giúp nâng cao độ cứng, độ bền và tuổi thọ của vật liệu. Nhờ kỹ thuật này, thép không chỉ đáp ứng yêu cầu về chất lượng trong sản xuất cơ khí mà còn mang lại hiệu quả lâu dài khi sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hiểu đúng và áp dụng đúng phương pháp tôi thép sẽ là chìa khóa để tạo ra những sản phẩm vừa bền chắc vừa đáng tin cậy.
