Ở đây ta chỉ quan tâm đến thời gian giữ nhiệt, một thông số cần được đảm bảo tương đối chính xác, song các nhà công nghệ nhiều khi còn chưa thống nhất trong cách xác định nó.. Các cách t
Trang 1Xác định thời gian giữ nhiệt khi nhiệt luyện thép
Bất kỳ một quy trình nhiệt luyện nào, dù đơn giản nhất, cũng bao gồm ít nhất 3 giai đoạn: nung, giữ nhiệt, làm nguội Nung nhằm đưa chi tiết nhiệt luyện đạt tới nhiệt độ cần thiết để các chuyển biến tổ chức có thể xảy ra; giữ nhiệt nhằm để hoàn thành triệt để các chuyển biến tổ chức cần thiết; làm nguội để đưa chi tiết về nhiệt độ thường với các tổ chức mong muốn Nung cần thực hiện với tốc độ nhất định để tránh làm cong vênh, nứt sản phẩm Làm nguội cũng cần thực hiện với một tốc độ được khống chế để ngoài mục đích tránh làm cong vênh, nứt sản phẩm, còn phải tạo được các tổ chức cần thiết, tuỳ theo mục đích nhiệt luyện cụ thể Đây là những giai đoạn cực kỳ quan trọng, cần được xét kỹ khi nhiệt luyện, và ta sẽ xét trong các chuyên mục riêng Ở đây ta chỉ quan tâm đến thời gian giữ nhiệt, một thông số cần được đảm bảo tương đối chính xác, song các nhà công nghệ nhiều khi còn chưa thống nhất trong cách xác định nó Trong bài này nêu cách xác định thời gian giữ nhiệt khi tôi thép Đối với các quy trình ủ hoàn toàn, thường hoá thép cũng có thể áp dụng cách tính này
Các cách tính toán
Giả sử chi tiết nhiệt luyện đã được nung đến đạt nhiệt độ tôi cần thiết Khi
đó thời gian giữ nhiệt (t) đối với các loại thép khác nhau được tính như sau [1]:
Thép cacbon, thép kết cấu hợp kim thấp: tgn = 5 ¸ 15 phút
Thép kết cấu hợp kim trung bình: tgn = 15 ¸ 25 phút
Thép dụng cụ gia công nóng (thép hợp kim cao có hàm lượng các bon » 0,3 – 0,5%): tgn = 20 - 30 phút
Loại thép này chứa chủ yếu các loại cacbit hợp kim chỉ hoà tan trong
austenit ở khoảng 10000C trở lên
Thép dụng cụ hợp kim thấp, chứa hàm lượng cacbon cao (khoảng 1,0%C trở lên): 5 phút < tgn = 0,5D < 60 phút
Trong đó D là kích thước chiều dày đặc trưng của chi tiết nhiệt luyện, tính bằng mm Nếu chi tiết có dạng hình trụ thì D chính là đường kính Nếu chi tiết có dạng phức tạp thì có thể coi D là chiều dày lớn nhất trong số các chiều dày của các hình khối tạo thành
Trang 2Thép dụng cụ hợp kim cao, cacbon cao (thông thường có chứa Cr): 10 phút
< tgn = (0,5 - 0,8)D < 60 phút
Trong đó D là kích thước chiều dày đặc trưng, được tính như trên Giá trị 0,5 được dùng cho nhiệt độ tôi chọn ở giới hạn trên, còn giá trị 0,8 dùng khi nhiệt độ tôi nằm ở giới hạn dưới
Thép gió, nhiệt độ tôi ở khoảng 1200 – 13000C : tgn = 5 - 15 phút
Sở dĩ trong một số công thức trên có xuất hiện đại lượng D- kích thước đặc trưng của chi tiết là vì trong thép C cao khi gia công nóng sau đúc dễ tồn tại dải cacbit; các dải cacbit này càng lớn khi kích thước gia công càng lớn Do
đó, để khử được chúng thời gian giữ nhiệt càng phải dài, tức là thời gian giữ nhiệt cũng phụ thuộc kích thước chi tiết
Nếu thời gian giữ nhiệt ngắn thì lượng cacbit hoà tan vào austenit không đủ
để tạo cho thép có được các tính chất cần thiết sau khi làm nguội (độ cứng,
độ thấm tôi, tính cứng nóng,….) Nếu thời gian giữ nhiệt quá kéo dài thì hạt austenit trở lên thô to, thép bị giòn; ngoài ra, nếu lấy độ cứng thứ nhất để sử dụng thì giá trị độ cứng có thể không đạt (bị thấp) do austenit dư còn nhiều
Ở phần 1 chúng ta đã xác định thời gian giữ nhiệt tgn với ước định rằng, chi tiết đã đạt nhiệt độ nung đều trên toàn tiết diện Điều này chỉ đúng khi chi tiết có kích thước rất nhỏ hay mỏng Những chi tiết như vậy được gọi là
“mỏng” (theo quan hệ nhiệt, tức là hầu như không có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi chi tiết trong quá trình nung) Trong các tính toán về truyền nhiệt, nếu chỉ tiêu Biô cho vật nào đó có giá trị không lớn hơn 0,25 thì vật đó được coi là “mỏng” theo quan hệ nhiệt Chỉ tiêu Biô (Bi) tính như sau:
Bi = aS/l
Trong đó a là hệ số truyền nhiệt (toả nhiệt), tính bằng W/m2K hay W/m2.độ;
l là hệ số dẫn nhiệt của chi tiết, W/mK; còn S là kích thước truyền nhiệt của chi tiết, m Giá trị S lấy bằng D/2 nếu chi tiết là hình trụ Nếu chi tiết dạng tấm thì S là ½ chiều dày khi nung hai phía, và bằng chiều dày nếu nung 1 phía
Trang 3Bây giờ, đối với những chi tiết “dày” theo quan hệ nhiệt, tức Bi > 0,25 thì sao? Ta biết, với những chi tiết “dày” (Bi > 0,25) thì nhiệt độ trên bề mặt luôn luôn chênh lệch so với trong lõi (hình 1)
Trong khi đó, thời gian nung được tính bắt đầu từ khi nhiệt độ trên bề mặt của chi tiết đạt giá trị cần thiết Do đó thời gian giữ nhiệt trong trường hợp này cần bổ sung thêm giai đoạn để cho nhiệt độ được đồng đều giữa bề mặt
và lõi Thời gian giữ nhiệt tổng thể tgn phải bao gồm 2 thành phần tgn1 và tgn2:
tgn = tgn1 + tgn2
Thành phần tgn2 cần thiết để các chuyển biến xảy ra đầy đủ được xác định như ở phần 1 Thành phần tgn1 là thời gian đủ để nhiệt độ giữa lõi và bề mặt đồng đều, ta sẽ xác định dưới đây [2]
Bảng 1 Hệ số hình dáng, kích thước KF và hệ số nhiệt độ KT
trong đó a- hệ số truyền nhiệt độ của vật liệu (a = l/cr), tính bằng m2/s; S- kích thước truyền nhiệt, m; KF là hệ số hình dáng, kích thước vật nung và
KT là hệ số nhiệt độ, được tính theo bảng 1 DtC/DtD = (tBMC- tLC)/
(tBMD- tLD); tBMD, tBMC, tLD, tLC – tương ứng là nhiệt độ trên bề mặt
và ở lõi ban đầu và cuối giai đoạn giữ nhiệt Các đại lượng DtD và DtC tương ứng là chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi ở đầu và cuối giai đoạn giữ nhiệt
Biểu thức trên đây được suy ra từ chỉ tiêu Fo trong bài toán truyền nhiệt, do
đó cho kết quả tính toán với độ chính xác cao Tuy nhiên, dễ thấy rằng trong điều kiện sản xuất, việc xác định giá trị DtD là khó khăn Trường hợp nhiệt luyện bình thường, có thể thỏa mãn với giá trị DtC/DtD đủ nhỏ nào đó, ví dụ DtC/DtD = 0,1 ¸ 0,2 để tính toán mà không cần biết cụ thể giá trị chênh lệch nhiệt độ DtD giữa lõi và bề mặt ở đầu giai đoạn giữ nhiệt Một khó khăn khác nữa là xác định thời điểm nhiệt độ trên bề mặt chi tiết đạt giá trị cần nung để bắt đầu tính thời gian giữ nhiệt, là khó Thông thường ta chỉ có thể
dễ dàng biết được nhiệt độ của môi trường lò đạt giá trị đặt trước mà thôi Trong thực tế, ta có thể xác định thời gian giữ nhiệt theo phương pháp kinh nghiệm như sẽ trình bày ở mục 3 dưới đây Các cách tính ở mục 3 đều lấy thời điểm lò đạt nhiệt làm điểm khởi đầu để xác định thời gian giữ nhiệt
Vì các khó khăn có thể gặp phải khi tính toán như đã nêu ở trên, trong thực
tế người ta có thể xác định thời gian giữ nhiệt như sau:
Trang 4Cách thứ 1: Thời gian giữ nhiệt được tính theo thời gian nung Nếu thời gian nung là tn thì thời gian giữ nhiệt là: tgn = (0,20 ¸ 0,25) tn
Cách thứ 2: Thời gian giữ nhiệt lấy theo kích thước chi tiết Nếu kích thước đặc trưng của chi tiết là D (mm) thì: tgn = D phút
Cách thứ 3: Tính theo công thức: tgn = A + b.D (bảng 2)
Chú ý là các cách tính trên đây đều chọn thời điểm bắt đầu là khi lò nung đạt nhiệt độ và lò làm việc ở chế độ nhiệt độ không đổi Ta biết rằng, nếu mẻ xếp có khối lượng lớn thì nhiệt độ bề mặt chi tiết sẽ lâu đạt hơn là với mẻ có khối lượng nhỏ Do đó các cách tính này đều chịu sai số nhất định Tuy nhiên, mẻ xếp trong sản xuất thường chọn ở gần giới hạn khối lượng cao nhất cho phép, sao cho năng suất đạt tối đa Trên đây là các cách tính áp dụng cho mẻ xếp với khối lượng như vậy và các cách tính này chỉ nên áp dụng trong điều kiện sản xuất
Kết luận:
Nếu nhiệt luyện chi tiết nhỏ hoặc “mỏng” (theo quan hệ nhiệt) với số lượng của mẻ xếp trong lò là nhỏ, có thể áp dụng các công thức như đã nêu ở mục
1 để tính thời gian giữ nhiệt
Nếu các chi tiết nung là “dày”, song khối lượng của mẻ xếp vào lò là nhỏ như trong điều kiện thí nghiệm hoặc nghiên cứu, lúc đó có thể coi rằng bề mặt chi tiết đạt nhiệt độ khi lò đạt nhiệt độ nung và áp dụng cách tính như ở mục 2