Làm cứng bằng ngọn lửa: Xử lý nhiệt bề mặt để tăng độ bền của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Làm cứng bằng ngọn lửa là một quá trình xử lý nhiệt làm cứng bề mặt chọn lọc trong đó bề mặt của một bộ phận thép được nung nóng nhanh chóng bằng cách tác động trực tiếp ngọn lửa khí oxy-nhiên liệu, sau đó là làm nguội ngay lập tức để tạo ra lớp bề mặt được làm cứng trong khi vẫn duy trì lõi mềm hơn, cứng hơn. Kỹ thuật xử lý nhiệt cục bộ này tạo ra lớp vỏ ngoài chống mài mòn với giá trị độ cứng cao trong khi vẫn bảo toàn độ dẻo dai và độ bền bên trong của bộ phận.

Quá trình này đặc biệt quan trọng trong sản xuất các thành phần hoặc bộ phận lớn có hình dạng phức tạp, nơi mà việc tôi luyện bằng lò nung thông thường sẽ không khả thi hoặc không khả thi về mặt kinh tế. Việc tôi luyện bằng ngọn lửa cho phép xử lý chọn lọc các khu vực cụ thể chịu mài mòn cao, chẳng hạn như răng bánh răng, bề mặt ổ trục và đường ray xe lửa.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, tôi ngọn lửa thuộc về họ các kỹ thuật làm cứng bề mặt cùng với tôi cảm ứng, tôi laser và thấm cacbon. Không giống như các phương pháp làm cứng bề mặt làm thay đổi thành phần bề mặt, tôi ngọn lửa là một quá trình nhiệt biến đổi hàm lượng cacbon hiện có trong thép cacbon trung bình đến cao thành martensite mà không làm thay đổi thành phần hóa học.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi bằng ngọn lửa tạo ra sự chuyển đổi pha trong cấu trúc tinh thể của thép. Khi bề mặt thép được nung nóng nhanh trên nhiệt độ tới hạn trên của nó (thường là 727-912°C tùy thuộc vào hàm lượng cacbon), cấu trúc ferit lập phương tâm khối (BCC) và cacbua sắt (Fe₃C) chuyển thành austenit lập phương tâm mặt (FCC).

Trong quá trình làm nguội nhanh tiếp theo (làm nguội), austenit không có đủ thời gian để chuyển đổi trở lại thành ferit và xêmentit thông qua các quá trình khuếch tán. Thay vào đó, một quá trình chuyển đổi không khuếch tán xảy ra, tạo ra martensite tứ giác tâm khối (BCT)—một dung dịch rắn bão hòa cacbon trong sắt có độ cứng và độ giòn cao do biến dạng mạng tinh thể.

Độ sâu của quá trình tôi luyện phụ thuộc vào sự thâm nhập nhiệt, được kiểm soát bởi nhiệt độ ngọn lửa, thời gian gia nhiệt và độ dẫn nhiệt của thép. Bên dưới lớp tôi luyện, vật liệu lõi vẫn giữ nguyên cấu trúc vi mô ban đầu, mang lại độ dẻo dai và độ dẻo dai cho thành phần.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình tôi ngọn lửa dựa trên các nguyên lý truyền nhiệt kết hợp với động học chuyển pha. Phương trình Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) tạo thành nền tảng để hiểu động học chuyển pha trong cả giai đoạn gia nhiệt và làm mát.

Theo truyền thống, hiểu biết về quá trình tôi luyện bằng ngọn lửa đã phát triển cùng với những tiến bộ trong khoa học luyện kim vào đầu thế kỷ 20. Các phương pháp tiếp cận thực nghiệm ban đầu đã nhường chỗ cho các mô hình tinh vi hơn khi kiến ​​thức về chuyển đổi pha và biểu đồ chuyển đổi làm mát liên tục (CCT) phát triển vào những năm 1930 và 1940.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp động lực học chất lỏng tính toán (CFD) để mô hình hóa các đặc điểm ngọn lửa và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để dự đoán phân phối nhiệt, độ dốc nhiệt và các cấu trúc vi mô kết quả. Các phương pháp tính toán này cho phép kiểm soát quy trình chính xác hơn so với các phương pháp tiếp cận dựa trên kinh nghiệm truyền thống.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hiệu quả làm cứng bằng ngọn lửa gắn chặt với cấu trúc tinh thể và ranh giới hạt của thép. Quá trình này tạo ra một gradient các cấu trúc vi mô từ bề mặt đến lõi, với các hạt martensite mịn ở bề mặt chuyển sang cấu trúc ferit-pearlite ban đầu ở lõi.

Kích thước hạt trong lớp cứng ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cuối cùng. Các hạt austenite mịn hơn hình thành trong quá trình nung nóng chuyển thành martensite mịn hơn khi tôi, tạo ra độ cứng cao hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn. Các ranh giới hạt hoạt động như rào cản đối với chuyển động trật khớp, góp phần vào bề mặt được gia cố.

Quá trình này minh họa các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về chuyển đổi pha, kiểm soát khuếch tán và mối quan hệ cấu trúc-tính chất. Tốc độ làm nóng và làm nguội nhanh tạo ra các điều kiện không cân bằng khiến các nguyên tử cacbon bị giữ lại ở các vị trí xen kẽ trong mạng lưới sắt, gây ra hiện tượng biến dạng mạng lưới đặc trưng của martensite.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Độ sâu của quá trình tôi cứng ($D_h$) trong quá trình tôi cứng bằng ngọn lửa có thể được ước tính gần đúng bằng:

$$D_h = k \sqrt{t}$$

Ở đâu:
- $D_h$ là độ sâu tôi cứng (mm)
- $k$ là hằng số vật liệu cụ thể liên quan đến độ khuếch tán nhiệt (mm/s^(1/2))
- $t$ là thời gian gia nhiệt (giây)

Công thức tính toán liên quan

Lượng nhiệt đầu vào ($Q$) trong quá trình tôi bằng ngọn lửa có thể được tính như sau:

$$Q = \eta \cdot V_g \cdot H_v$$

Ở đâu:
- $Q$ là nhiệt lượng đầu vào (kW)
- $\eta$ là hệ số hiệu suất ngọn lửa (thường là 0,7-0,9)
- $V_g$ là lưu lượng khí (m³/h)
- $H_v$ là nhiệt trị của khí (kWh/m³)

Tốc độ làm nguội ($C_r$) cần thiết để hình thành martensit phải vượt quá tốc độ làm nguội tới hạn:

$$C_r = \frac{T_a - T_f}{t_c} > C_{tới hạn}$$

Ở đâu:
- $C_r$ là tốc độ làm mát (°C/s)
- $T_a$ là nhiệt độ austenit hóa (°C)
- $T_f$ là nhiệt độ cuối cùng (°C)
- $t_c$ là thời gian làm mát (giây)
- $C_{critical}$ là tốc độ làm nguội tới hạn cho sự hình thành martensit

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này chủ yếu có giá trị đối với thép cacbon trung bình đến cao (0,35-0,60% C) có hình dạng tương đối đơn giản. Mô hình truyền nhiệt giả định các đặc tính nhiệt đồng đều trên toàn bộ vật liệu.

Mối quan hệ căn bậc hai giữa độ sâu và thời gian tôi cứng chỉ đúng khi độ dẫn nhiệt là yếu tố hạn chế. Đối với thời gian gia nhiệt rất ngắn hoặc các phần mỏng, mối quan hệ này bị phá vỡ do hạn chế gia nhiệt bề mặt.

Các mô hình này giả định điều kiện làm nguội hoàn hảo và không tính đến sự thay đổi về tốc độ làm nguội giữa các hình dạng phức tạp hoặc sự hình thành các sản phẩm chuyển đổi trung gian như bainit.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM E18: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại
• ASTM E384: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn cho độ cứng vi vết lõm của vật liệu
• ISO 6508: Vật liệu kim loại - Thử độ cứng Rockwell
• ASTM E140: Bảng chuyển đổi độ cứng tiêu chuẩn cho kim loại

ASTM E18 và ISO 6508 cung cấp các phương pháp chuẩn hóa để đo độ cứng bề mặt bằng thang đo Rockwell, thường được sử dụng cho các thành phần được tôi bằng ngọn lửa. ASTM E384 bao gồm thử nghiệm độ cứng vi mô được sử dụng để xác định cấu hình độ cứng thông qua độ sâu của vỏ. ASTM E140 cho phép chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng khác nhau.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị kiểm tra độ cứng thường bao gồm máy kiểm tra độ cứng Rockwell để đo độ cứng bề mặt và máy kiểm tra độ cứng vi mô (Vickers hoặc Knoop) để định hình độ sâu của vỏ. Các thiết bị này đo độ bền của vật liệu khi bị lõm bằng cách sử dụng các đầu lõm chuẩn hóa dưới tải trọng được kiểm soát.

Kính hiển vi kim loại được sử dụng để kiểm tra các cấu trúc vi mô cắt ngang sau khi khắc bằng thuốc thử thích hợp (thường là nital). Điều này cho thấy sự chuyển đổi từ cấu trúc martensitic ở bề mặt sang cấu trúc vi mô lõi.

Đặc tính nâng cao có thể sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD) để phân tích hướng tinh thể và phân bố pha trên lớp cứng.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn để đo độ cứng yêu cầu cắt ngang vuông góc với bề mặt đã tôi. Các mẫu phải được cắt cẩn thận để tránh sinh nhiệt có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô.

Chuẩn bị bề mặt bao gồm quá trình mài dần dần với các chất mài mòn ngày càng mịn hơn (thường là 120 đến 1200 grit), sau đó đánh bóng bằng bột kim cương hoặc hỗn dịch alumina để đạt được độ bóng gương. Khắc hóa học bằng dung dịch nital 2-5% để lộ cấu trúc vi mô.

Mẫu vật phải không bị mất cacbon, oxy hóa hoặc hư hỏng cơ học có thể ảnh hưởng đến độ cứng. Việc gắn mẫu trong nhựa nhiệt rắn là phổ biến để tạo điều kiện xử lý trong quá trình chuẩn bị và thử nghiệm.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra độ cứng thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trong điều kiện độ ẩm được kiểm soát để đảm bảo tính nhất quán của phép đo. Đối với thử nghiệm Rockwell, tải trọng tiêu chuẩn 150 kgf (thang HRC) thường được sử dụng cho các bề mặt được tôi bằng ngọn lửa.

Các phép đo độ cứng vi mô để xác định độ sâu của vỏ thường sử dụng tải trọng từ 100-500 gf với các phép đo được thực hiện ở khoảng cách 0,1-0,5 mm từ bề mặt vào trong. Tốc độ thử nghiệm và thời gian dừng được chuẩn hóa theo thông số kỹ thuật thử nghiệm có liên quan.

Điều kiện môi trường phải không rung động để đảm bảo phép đo vết lõm chính xác, đặc biệt là đối với thử nghiệm độ cứng vi mô khi vết lõm có kích thước cực nhỏ.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu độ cứng được thu thập dưới dạng một loạt các phép đo từ bề mặt đến lõi. Độ sâu vỏ hiệu quả thường được định nghĩa là độ sâu mà độ cứng giảm xuống 50 HRC hoặc 513 HV, hoặc thay vào đó là 80% độ cứng bề mặt tối đa.

Phân tích thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn cho độ cứng bề mặt. Hồ sơ độ cứng thường được trình bày dưới dạng đồ thị vẽ độ cứng so với khoảng cách từ bề mặt.

Độ sâu của vỏ được xác định bằng cách nội suy giữa các điểm đo để xác định độ sâu chính xác tương ứng với ngưỡng độ cứng. Độ sâu vỏ tổng thể, độ sâu vỏ hiệu quả và độ dốc độ cứng là các thông số chính được báo cáo.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Độ sâu trường hợp)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	1,5-5,0mm	Làm nguội bằng nước một lần	SAE J417
Thép hợp kim (4140)	2.0-8.0mm	Làm cứng dần dần, làm nguội bằng polyme	Tiêu chuẩn ASTMA255
Thép công cụ (O1)	1.0-3.0mm	Làm cứng tại chỗ, làm nguội bằng dầu	Tiêu chuẩn ASTMA681
Gang (GG25)	3.0-10.0mm	Làm cứng bằng quay, phun nước	Tiêu chuẩn ISO6506

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép chủ yếu là do sự khác biệt về hàm lượng carbon, các nguyên tố hợp kim và cấu trúc vi mô trước đó. Hàm lượng carbon và hợp kim cao hơn thường cho phép tôi luyện sâu hơn do khả năng tôi luyện tăng lên.

Trong các ứng dụng thực tế, các giá trị này hướng dẫn thiết kế thành phần bằng cách thiết lập mối quan hệ giữa các điều kiện tải trọng bề mặt và độ sâu vỏ yêu cầu. Lớp cứng phải đủ dày để chịu được tải trọng tác dụng mà không bị biến dạng dưới bề mặt.

Một xu hướng đáng chú ý trên các loại thép là thép hợp kim cao hơn đạt được độ cứng sâu hơn ở các thông số ngọn lửa tương đương do tốc độ làm mát tới hạn thấp hơn. Tuy nhiên, chúng cũng có xu hướng phát triển ứng suất dư cao hơn có thể cần xử lý giảm ứng suất.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường thiết kế các thành phần được tôi bằng ngọn lửa để đảm bảo độ sâu của vỏ cứng vượt quá độ sâu ứng suất cắt tối đa trong điều kiện tải. Đối với các ứng dụng tiếp xúc Hertzian, độ sâu này xấp xỉ 0,3 lần chiều rộng tiếp xúc.

Hệ số an toàn cho độ sâu của vỏ thường nằm trong khoảng từ 1,5-2,5, tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng. Hệ số an toàn cao hơn được áp dụng cho các thành phần chịu tải trọng va đập hoặc nơi hậu quả hỏng hóc nghiêm trọng.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng khả năng tôi luyện (hàm lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim) với khả năng gia công, xu hướng biến dạng và chi phí. Thép cacbon trung bình (0,40-0,55% C) là sự thỏa hiệp tối ưu cho nhiều ứng dụng, cung cấp phản ứng tôi luyện thích hợp mà không bị biến dạng quá mức.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Các thành phần máy móc hạng nặng, đặc biệt là bánh răng lớn, bánh xích và trục, là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của quá trình tôi bằng ngọn lửa. Các thành phần này được hưởng lợi từ quá trình tôi chọn lọc các mặt răng và bề mặt ổ trục trong khi vẫn duy trì lõi cứng có thể hấp thụ tải trọng va đập.

Cơ sở hạ tầng đường sắt, đặc biệt là đường ray và công tắc, là một ứng dụng chính khác với các yêu cầu khác nhau. Ở đây, tôi luyện bằng ngọn lửa làm tăng khả năng chống mài mòn và khả năng chống mỏi tiếp xúc lăn trong khi cho phép sửa chữa tại hiện trường mà không cần tháo rời các thành phần.

Các thành phần thiết bị khai thác như răng xẻng, hàm nghiền và con lăn băng tải sử dụng phương pháp tôi bằng ngọn lửa để chống lại sự mài mòn cực độ. Quy trình này cho phép tân trang tại chỗ các bề mặt bị mòn, kéo dài tuổi thọ của các thành phần trong các hoạt động từ xa, nơi việc thay thế gặp nhiều thách thức về mặt hậu cần.

Đánh đổi hiệu suất

Độ cứng và độ dẻo dai thể hiện mối quan hệ nghịch đảo trong các thành phần được tôi bằng ngọn lửa. Độ cứng bề mặt cao hơn cải thiện khả năng chống mài mòn nhưng làm tăng độ giòn và dễ bị hư hỏng do va đập, đòi hỏi phải cân bằng cẩn thận dựa trên các điều kiện sử dụng.

Ứng suất dư và độ ổn định kích thước tạo ra một sự đánh đổi khác. Chu kỳ nhiệt nhanh gây ra ứng suất dư nén ở bề mặt (có lợi cho khả năng chống mỏi) nhưng có thể gây biến dạng ở các phần mỏng hoặc các thành phần không đối xứng.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách điều chỉnh các thông số ngọn lửa, lựa chọn chất làm nguội và xử lý tôi luyện sau khi tôi cứng. Tôi luyện ở 150-200°C có thể làm giảm ứng suất và cải thiện độ dẻo dai với mức giảm độ cứng tối thiểu.

Phân tích lỗi

Hỏng do mỏi dưới bề mặt là một chế độ hỏng phổ biến trong các thành phần được tôi bằng ngọn lửa. Điều này xảy ra khi lớp vỏ được tôi không đủ để ngăn ngừa biến dạng dẻo ở vùng dưới bề mặt nơi xảy ra ứng suất cắt tối đa dưới tiếp xúc Hertzian.

Cơ chế hỏng hóc thường tiến triển thông qua sự khởi đầu vết nứt dưới bề mặt tại giao diện lõi-vỏ, sau đó là sự lan truyền vết nứt song song với bề mặt và cuối cùng là sự bong tróc của lớp đã cứng. Kiểm tra kim loại học cho thấy các mẫu vết nứt cánh bướm đặc trưng xung quanh các tạp chất tại nguồn gốc hỏng hóc.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm tăng độ sâu của vỏ, cải thiện độ sạch của thép để giảm hàm lượng tạp chất và áp dụng phương pháp phun bi để tăng ứng suất nén dư. Việc tôi luyện thích hợp cũng làm giảm độ giòn tại giao diện vỏ-lõi nơi xảy ra hiện tượng tập trung ứng suất.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon là yếu tố chính quyết định độ cứng tối đa có thể đạt được, với 0,40% C thường đạt 55 HRC và 0,60% C đạt 62 HRC. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng khả năng nứt trong quá trình tôi.

Mangan tăng cường khả năng làm cứng bằng cách giảm tốc độ làm mát tới hạn, cho phép làm cứng sâu hơn ở mức độ làm nguội tương đương. Crom và molypden cải thiện khả năng làm cứng và khả năng chống tôi, khiến chúng trở thành chất bổ sung có giá trị cho các thành phần được tôi bằng ngọn lửa.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm cân bằng carbon để có độ cứng, mangan và crom để có khả năng tôi luyện và silicon để khử oxy và tăng độ bền. Phốt pho và lưu huỳnh được giữ ở mức thấp để giảm thiểu sự giòn và hình thành tạp chất.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt trước ảnh hưởng đáng kể đến kết quả tôi luyện bằng ngọn lửa. Các hạt ban đầu mịn hơn tạo ra martensit mịn hơn khi tôi luyện, tạo ra độ cứng và độ dai cao hơn. Các cấu trúc chuẩn hóa thường phản ứng tốt hơn các cấu trúc ủ.

Sự phân bố pha trước khi tôi luyện ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Perlite đồng nhất với các phiến mỏng chuyển đổi dễ dàng hơn thành austenite đồng nhất trong quá trình nung nóng nhanh so với perlite thô hoặc carbide hình cầu.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất và có thể gây nứt trong quá trình tôi. Chúng cũng cản trở quá trình truyền nhiệt, có khả năng gây ra các điểm mềm trong lớp đã tôi. Thép sạch có hàm lượng tạp chất thấp tạo ra kết quả tôi đồng đều hơn.

Xử lý ảnh hưởng

Nhiệt độ ngọn lửa và tốc độ đèn khò quyết định tốc độ nhiệt đầu vào và ảnh hưởng đáng kể đến độ sâu của vỏ. Nhiệt độ cao hơn và tốc độ chậm hơn làm tăng độ sâu của vỏ nhưng có nguy cơ quá nhiệt và làm hạt thô hơn ở bề mặt.

Lựa chọn chất làm nguội ảnh hưởng đáng kể đến kết quả làm cứng. Nước cung cấp quá trình làm nguội nhanh nhất và làm cứng sâu nhất nhưng tối đa hóa nguy cơ biến dạng và nứt. Các dung dịch polyme cung cấp tốc độ làm nguội trung gian, trong khi dầu cung cấp quá trình làm nguội nhẹ nhàng nhất với độ biến dạng tối thiểu.

Làm nóng trước ở nhiệt độ 150-250°C trước khi tôi bằng ngọn lửa giúp giảm sự chênh lệch nhiệt độ và biến dạng liên quan, đặc biệt quan trọng đối với các hình dạng phức tạp hoặc các thành phần có độ dày mặt cắt khác nhau.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến hiệu suất của chất làm nguội, chất làm nguội lạnh hơn cung cấp tốc độ làm nguội nhanh hơn. Kiểm soát nhiệt độ rất quan trọng đối với tính nhất quán của quy trình, đặc biệt là với quá trình làm nguội bằng nước, khi các biến động làm thay đổi đáng kể khả năng làm nguội.

Môi trường ẩm ướt có thể đưa hydro vào thép trong quá trình nung nóng bằng ngọn lửa, có khả năng gây nứt chậm. Điều chỉnh ngọn lửa thích hợp để duy trì ngọn lửa trung tính hoặc giảm nhẹ sẽ giảm thiểu rủi ro này.

Tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ cao có thể làm mềm lớp cứng, làm giảm độ cứng. Các thành phần được thiết kế để sử dụng ở nhiệt độ cao có thể yêu cầu hợp kim tôi cứng thứ cấp hoặc phương pháp xử lý bề mặt thay thế.

Phương pháp cải tiến

Biến tính hợp kim bằng crom, molypden và vanadi làm tăng khả năng tôi và khả năng chịu nhiệt. Các nguyên tố này tạo thành cacbua ổn định, chống lại sự mềm hóa ở nhiệt độ cao và cải thiện khả năng chống mài mòn.

Các cải tiến quy trình như làm cứng dần dần (di chuyển ngọn lửa và làm nguội theo trình tự) cải thiện tính đồng nhất và giảm độ méo trong các thành phần lớn. Hệ thống làm cứng ngọn lửa được điều khiển bằng máy tính với điều khiển phản hồi đảm bảo kết quả nhất quán trên các hình dạng phức tạp.

Tối ưu hóa thiết kế bao gồm việc kết hợp các tính năng giảm ứng suất như bán kính khi thay đổi tiết diện, độ dày tiết diện đồng đều khi có thể và các mẫu gia cường đối xứng để cân bằng ứng suất dư và giảm thiểu biến dạng.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Làm cứng cảm ứng là một quá trình làm cứng bề mặt liên quan sử dụng cảm ứng điện từ để làm nóng bề mặt linh kiện thay vì tác động trực tiếp của ngọn lửa. Nó cung cấp khả năng kiểm soát chính xác hơn và xử lý sạch hơn nhưng đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và bị giới hạn bởi hình dạng của bộ phận.

Độ cứng đề cập đến khả năng hình thành martensite của thép ở độ sâu cụ thể khi tôi từ nhiệt độ austenit hóa. Nó khác với độ cứng (khả năng chống lõm) ở chỗ mô tả độ sâu tiềm tàng của quá trình tôi chứ không phải giá trị độ cứng bề mặt.

Thuật ngữ độ sâu vỏ bao gồm độ sâu vỏ tổng thể (độ sâu đến độ cứng lõi), độ sâu vỏ hiệu dụng (độ sâu đến giá trị độ cứng đã chỉ định, thường là 50 HRC) và vùng chuyển tiếp (vùng giữa độ cứng tối đa và độ cứng lõi).

Mối quan hệ giữa các thuật ngữ này là theo thứ bậc: khả năng tôi xác định độ sâu lớp phủ tiềm năng, ảnh hưởng đến việc lựa chọn giữa tôi bằng ngọn lửa và các quy trình thay thế như tôi bằng cảm ứng hoặc thấm cacbon lớp phủ.

Tiêu chuẩn chính

SAE J417 "Trục, trục chính và các bộ phận tương tự được tôi cứng bề mặt" cung cấp thông số kỹ thuật cho các bộ phận công nghiệp và ô tô được tôi cứng bằng ngọn lửa, bao gồm độ sâu vỏ tối thiểu và yêu cầu về độ cứng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

ISO 15787 "Tài liệu kỹ thuật về sản phẩm - Các bộ phận bằng sắt đã qua xử lý nhiệt - Trình bày và chỉ dẫn" thiết lập các tiêu chuẩn quốc tế để ghi lại các thông số kỹ thuật xử lý nhiệt, bao gồm các thông số tôi bằng ngọn lửa và tiêu chí chấp nhận.

Các tiêu chuẩn khu vực như DIN 17022 ở Châu Âu và JIS G 0559 ở Nhật Bản cung cấp các hướng dẫn cụ thể khác nhau về cách tiếp cận vị trí đo độ cứng và định nghĩa độ sâu của vỏ. Các tiêu chuẩn Châu Âu thường chỉ định nhiều điểm đo hơn các tiêu chuẩn của Hoa Kỳ.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào các quy trình lai kết hợp làm cứng bằng ngọn lửa với gia nhiệt cảm ứng hoặc laser để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và kiểm soát quy trình. Các phương pháp này cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn và giảm biến dạng.

Các công nghệ mới nổi bao gồm hệ thống giám sát thời gian thực sử dụng thuật toán nhiệt hồng ngoại và máy học để điều chỉnh các thông số ngọn lửa một cách linh hoạt. Các hệ thống này bù đắp cho các biến thể về đặc tính vật liệu và điều kiện môi trường.

Các phát triển trong tương lai có thể sẽ bao gồm các mô hình tính toán tinh vi hơn tích hợp các khía cạnh nhiệt, cơ học và luyện kim để dự đoán không chỉ các cấu hình độ cứng mà còn cả phân bố ứng suất dư và tuổi thọ của linh kiện. Phương pháp tiếp cận toàn diện này sẽ cho phép thiết kế tối ưu hơn với các vùng cứng được thiết kế chính xác.