Ủ là một quá trình xử lý nhiệt trong đó phôi đã được làm nguội được hâm nóng đến nhiệt độ dưới A1, giữ trong một thời gian cụ thể và sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Thép tôi không nên được sử dụng trực tiếp; nó phải trải qua quá trình ủ, xác định cấu trúc vi mô và tính chất của thép và là bước xử lý nhiệt quan trọng.
3.1 Mục đích ủ
Để đạt được tính chất cơ học mong muốn
Sau khi tôi, phôi có độ cứng cao nhưng độ dẻo và dai thấp. Để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất khác nhau cho các bộ phận khác nhau, quá trình ủ được sử dụng để sửa đổi cấu trúc vi mô đã được làm nguội, điều chỉnh độ cứng và giảm độ giòn, dẫn đến các tính chất cơ học mong muốn của phôi.
Để ổn định kích thước phôi
Martensite và austenite còn lại được hình thành trong quá trình làm nguội là những cấu trúc không ổn định, có thể bị phân hủy theo thời gian, gây ra những thay đổi về kích thước và hình dạng. Quá trình ủ biến đổi cấu trúc vi mô đã nguội thành cấu trúc ổn định, đảm bảo phôi duy trì kích thước và hình dạng trong quá trình sử dụng.
Để giảm hoặc loại bỏ căng thẳng bên trong khi làm nguội
Làm nguội gây ra căng thẳng nội bộ đáng kể. Nếu không được giảm bớt kịp thời thông qua quá trình tôi luyện, những ứng suất này có thể làm cho phôi bị biến dạng hoặc thậm chí bị nứt.
3.2 Các biến đổi trong quá trình tôi thép đã tôi
Martensite đã được làm nguội và austenite được giữ lại là các pha siêu bền, phân hủy thành ferit và cacbua khi được tôi luyện từ nhiệt độ phòng xuống dưới A1. Các biến đổi cụ thể phụ thuộc vào nhiệt độ ủ:
Sự phân hủy của Martensite (Nhỏ hơn hoặc bằng 200 độ)
Khi được tôi luyện dưới 80 độ, không có sự thay đổi cấu trúc vi mô đáng kể nào xảy ra, ngoại trừ sự tập trung các nguyên tử cacbon trong martensite. Trong khoảng từ 80 độ đến 200 độ, martensite bắt đầu phân hủy, với các nguyên tử carbon kết tủa dưới dạng ε-cacbua (Fe2.4C), làm giảm độ siêu bão hòa carbon trong martensite và giảm tính tứ giác. Khi nhiệt độ ủ thấp, chỉ một phần cacbon dư kết tủa, để lại martensite dưới dạng dung dịch rắn siêu bão hòa của cacbon trong -Fe. Các ε-cacbua mịn được phân tán dọc theo các bề mặt phân cách của dung dịch rắn siêu bão hòa, duy trì mối quan hệ chặt chẽ (trong đó các nguyên tử ở ranh giới pha được chia sẻ bởi hai mạng tinh thể). Cấu trúc vi mô này, bao gồm dung dịch rắn ít bão hòa hơn và ε-cacbua, được gọi là martensite được tôi luyện. Do tính chất mịn và phân tán cao của ε-cacbua nên độ cứng của thép không giảm đáng kể khi tôi luyện dưới 200 độ. Tuy nhiên, sự kết tủa của ε-cacbua làm giảm sự biến dạng mạng, giảm ứng suất dập tắt và tăng nhẹ độ dẻo và độ bền của thép.
Sự phân hủy của Austenite được giữ lại (200 độ –300 độ)
Austenite được giữ lại tương tự như austenite chưa được làm lạnh, vì vậy các sản phẩm biến đổi nhiệt độ của nó giống như các sản phẩm của austenite được làm lạnh dưới điều kiện nhiệt độ tương tự, tạo thành martensite, bainite hoặc Pearlite tùy theo nhiệt độ.
Khi thép được tôi luyện trong khoảng từ 200 độ đến 300 độ, martensite tiếp tục bị phân hủy và austenite được giữ lại bắt đầu biến đổi thành bainite thấp hơn (200 độ –300 độ là phạm vi biến đổi bainite thấp hơn). Ở phạm vi nhiệt độ này, ứng suất dập tắt tiếp tục giảm nhưng độ cứng không giảm đáng kể.
Sự biến đổi của cacbua (250 độ –450 độ)
Khi được tôi luyện ở nhiệt độ trên 250 độ, khả năng khuếch tán của các nguyên tử cacbon tăng lên làm cho ε-cacbua dần dần chuyển thành dạng xi măng ổn định. Đến 450 độ, tất cả ε-cacbua chuyển thành dạng xi măng có độ phân tán cao. Sự kết tủa liên tục của cacbon làm giảm hàm lượng cacbon trong dung dịch rắn xuống mức cân bằng, biến nó thành ferit, mặc dù nó vẫn có hình dạng giống như kim. Cấu trúc này bao gồm ferit hình kim và xi măng có độ phân tán cao, được gọi là troostite được tôi luyện. Cấu trúc troostite được tôi luyện của thép 45 được thể hiện trong hình bên dưới. Tại thời điểm này, độ cứng của thép giảm, độ dẻo dai và độ dẻo của nó tăng hơn nữa, ứng suất tôi gần như bị loại bỏ.
Sự kết tụ và tăng trưởng của xi măng và kết tinh lại Ferrite (450 độ –700 độ)
Trên 450 độ, xi măng có độ phân tán cao dần dần hình cầu thành các hạt mịn và khi nhiệt độ tăng lên, các hạt này phát triển. Đồng thời, ferrite bắt đầu kết tinh lại trong khoảng từ 500 độ đến 600 độ, chuyển từ hình dạng thanh hoặc hình kim thành các hạt đa giác.
Cấu trúc này, bao gồm xi măng dạng hạt phân bố trên nền ferit đa giác, được gọi là sorbite đã tôi luyện. Cấu trúc sorbite tôi luyện của thép 45 được thể hiện trong hình bên dưới. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng lên 650 độ –A1, xi măng dạng hạt sẽ trở nên thô hơn, tạo thành cấu trúc vi mô của ferit đa giác và xi măng dạng hạt lớn hơn, được gọi là ngọc trai đã tôi luyện.
Sự biến đổi của thép tôi trong quá trình ủ xảy ra ở các phạm vi nhiệt độ khác nhau. Ngay cả ở cùng một nhiệt độ ủ, nhiều loại biến đổi có thể xảy ra. Các tính chất của thép cường lực phụ thuộc vào những thay đổi cấu trúc vi mô này, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học của nó. Nói chung, khi nhiệt độ ủ tăng, độ bền và độ cứng giảm trong khi độ dẻo và độ dẻo dai được cải thiện, những thay đổi này trở nên rõ rệt hơn ở nhiệt độ cao hơn.
3.3 Các loại và ứng dụng của quá trình ủ
Yếu tố chính quyết định cấu trúc vi mô và tính chất của thép là nhiệt độ ủ. Quá trình ủ được phân thành ba loại dựa trên nhiệt độ và cấu trúc vi mô thu được:
Ủ nhiệt độ thấp (150 độ –250 độ)
Quá trình ủ ở nhiệt độ thấp tạo ra martensite được tôi luyện. Mục đích là để duy trì độ cứng cao và khả năng chống mài mòn của thép đã tôi đồng thời giảm ứng suất bên trong và độ giòn, đồng thời cải thiện độ dẻo và độ dẻo dai. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng cho thép có hàm lượng cacbon cao và hợp kim trong dụng cụ cắt, dụng cụ đo lường, khuôn dập nguội, vòng bi lăn, các bộ phận được cacbon hóa và các bộ phận được làm nguội bề mặt. Độ cứng sau khi ủ thường nằm trong khoảng 58–64 HRC.
Nhiệt độ trung bình (350 độ –500 độ)
Phương pháp này mang lại troostite được tôi luyện. Mục đích của nó là đạt được cường độ năng suất cao, giới hạn đàn hồi và độ dẻo dai đáng kể. Ủ ở nhiệt độ trung bình chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận đàn hồi khác nhau và khuôn gia công nóng. Độ cứng sau khi ủ thường dao động từ 35–50 HRC.
Ủ nhiệt độ cao (500 độ –650 độ)
Phương pháp này tạo ra sorbite được tôi luyện. Mục tiêu là đạt được sự cân bằng về sức mạnh, độ cứng, độ dẻo và độ dẻo dai. Khi kết hợp quá trình làm nguội và ủ ở nhiệt độ cao, quá trình này thường được gọi là "làm nguội và ủ". Nó được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận kết cấu quan trọng trong sản xuất ô tô, máy kéo và máy công cụ (như thanh nối, đinh tán, bánh răng và trục truyền động). Độ cứng sau khi ủ thường dao động từ 200–330 HBW.
Mặc dù các giá trị độ cứng của thép sau khi thường hóa và ram khá giống nhau, nhưng các thành phần kết cấu quan trọng trong sản xuất thường trải qua quá trình tôi thay vì chuẩn hóa. Điều này là do cấu trúc vi mô của sorbite được tôi luyện có xi măng dạng hạt, trong khi sorbite thu được từ quá trình chuẩn hóa có xi măng dạng lớp. Vì vậy, thép tôi và tôi không chỉ thể hiện cường độ cao hơn mà còn có độ dẻo, dai tốt hơn so với trạng thái thường hóa.
Làm nguội và ủ có thể đóng vai trò là quá trình xử lý nhiệt cuối cùng hoặc xử lý sơ bộ trước khi làm cứng bề mặt và xử lý nhiệt hóa học. Vì độ cứng của thép cường lực không cao nên cho phép gia công dễ dàng và giá trị độ nhám bề mặt thấp.
Ngoài ba phương pháp ủ thông thường này, một số loại thép hợp kim cao còn trải qua quá trình ủ mềm ở nhiệt độ cao ở 20 độ –40 độ dưới A1 để thu được ngọc trai được tôi luyện thay thế cho ủ hình cầu.
Để đảm bảo sự biến đổi cấu trúc vi mô triệt để trong quá trình ủ, phôi phải được giữ ở nhiệt độ ủ trong một thời gian vừa đủ, thường từ 1 đến 3 giờ, tùy thuộc vào vật liệu, nhiệt độ, độ dày, tải trọng và phương pháp gia nhiệt. Phương pháp làm mát sau khi ủ ít ảnh hưởng đến hiệu suất của thép cacbon, nhưng để tránh gây ra ứng suất mới, phôi thường được làm nguội từ từ trong không khí sau khi ủ.