Ủ, thường hoá, trui và ram là bốn cách nhiệt luyện thép cơ bản: cùng một mác thép, chỉ thay đổi nhiệt độ nung và tốc độ làm nguội mà cho ra vật liệu mềm dễ gia công, dai đều, cứng chống mòn hoặc cân bằng giữa cứng và dai. Ủ nguội chậm trong lò để làm mềm; thường hoá nguội ngoài không khí để hạt mịn đều; trui là nung thép tới nhiệt độ nhất định rồi làm nguội thật nhanh để thép cứng lên; ram là nung lại thép đã trui ở nhiệt độ thấp hơn để bớt giòn.
Vì sao nung nóng rồi làm nguội lại đổi được tính chất thép?
Bí mật nằm ở chỗ sắt có hai kiểu xếp nguyên tử. Ở nhiệt độ phòng, sắt xếp theo mạng lập phương tâm khối, khe giữa các nguyên tử rất hẹp, gần như không chứa được cacbon. Khi nung lên trên khoảng 727–912 °C (tuỳ lượng cacbon), sắt chuyển sang mạng lập phương tâm mặt gọi là austenit, khe rộng hơn, cacbon hoà tan đều vào trong.
Khi làm nguội, sắt muốn quay về kiểu xếp cũ và đẩy cacbon ra ngoài. Nếu nguội chậm, cacbon có đủ thời gian di chuyển, tụ lại thành các lớp xêmentit (Fe₃C) mỏng xen kẽ với sắt mềm, tạo cấu trúc tên là peclit, thép mềm và dẻo. Nếu nguội thật nhanh, cacbon bị "nhốt" lại tại chỗ, mạng tinh thể bị kéo méo thành một cấu trúc rất cứng gọi là mactenxit. Toàn bộ nhiệt luyện thép là trò điều khiển cuộc "chạy đua" giữa tốc độ nguội và tốc độ di chuyển của cacbon.
| Cách nhiệt luyện | Nung tới (thép 0,45% C, khoảng) | Làm nguội | Kết quả chính |
|---|---|---|---|
| Ủ hoàn toàn | Khoảng 820–860 °C | Rất chậm, nguội theo lò | Mềm nhất, dễ cắt gọt, khử ứng suất |
| Thường hoá | Khoảng 840–880 °C | Ngoài không khí tĩnh | Hạt mịn, đều, cứng hơn ủ một chút |
| Trui | Khoảng 820–860 °C | Rất nhanh trong nước, dầu hoặc dung dịch polyme | Cứng nhất nhưng giòn, nhiều ứng suất |
| Ram | 150–650 °C (sau khi trui) | Thường nguội ngoài không khí | Giảm giòn, tăng dai, chỉnh độ cứng |
Các con số trong bảng chỉ mang tính minh hoạ cho thép cacbon trung bình phổ biến (loại C45, tương đương mác 45 trong tiêu chuẩn Việt Nam). Mỗi mác thép có nhiệt độ riêng ghi trong sổ tay vật liệu.
Ủ thép để làm gì?
Ủ là cách "xoá" quá khứ của thép. Sau khi cán nguội, kéo dây, dập sâu hay hàn, thép bị biến cứng và tích ứng suất bên trong. Nung lên vùng austenit, giữ một thời gian, rồi để nguội rất chậm cùng lò (có khi mất cả chục giờ), thép trở nên mềm, đồng đều, ít ứng suất.
Có vài kiểu ủ với mục đích khác nhau:
- Ủ hoàn toàn: làm mềm thép trước khi cắt gọt, dập.
- Ủ cầu hoá: giữ lâu quanh nhiệt độ khoảng 700 °C để xêmentit co lại thành hạt tròn, giúp thép dụng cụ, thép ổ bi dễ gia công.
- Ủ khử ứng suất: nung tới khoảng 550–650 °C, thấp hơn vùng chuyển pha, giữ rồi nguội chậm. Áp dụng cho kết cấu hàn lớn như bồn áp lực, ống dày để giảm ứng suất dư do hàn, hạn chế nứt và biến dạng về sau.
- Ủ kết tinh lại: cho dây thép, tấm thép cán nguội mềm trở lại để kéo, cán tiếp.
Dây đồng, dây nhôm cũng được ủ, nhưng cơ chế khác: ở đây là kết tinh lại hạt bị biến dạng chứ không có chuyển pha như thép.
Thường hoá khác ủ chỗ nào?
Thường hoá nung tương tự ủ, thường cao hơn một chút, nhưng cho nguội ngoài không khí thay vì trong lò. Nguội nhanh hơn một chút đủ để hạt tinh thể mịn và đều hơn, thép hơi cứng và bền hơn so với ủ. Vì chỉ cần lấy ra khỏi lò, thường hoá rẻ và nhanh hơn ủ.
Thường hoá hay được dùng để "làm đều" thép sau khi rèn hay đúc, khi hạt bị thô và không đều; cho các chi tiết không cần cứng cao như trục đơn giản, dầm, chi tiết kết cấu; hoặc làm bước chuẩn bị trước khi trui.
Trui thép diễn ra thế nào và vì sao dễ nứt?
Trui là nung thép tới nhiệt độ nhất định (vùng austenit) rồi làm nguội thật nhanh. Môi trường trui quyết định tốc độ nguội:
- Nước, nước muối: nguội nhanh nhất, dùng cho thép cacbon thường, nhưng gây ứng suất lớn, dễ cong vênh và nứt.
- Dầu trui: nguội chậm hơn, ít nứt, dùng cho thép hợp kim.
- Dung dịch polyme: điều chỉnh được tốc độ nguội nằm giữa nước và dầu, ít khói cháy.
- Khí, không khí: một số thép hợp kim cao (như thép làm khuôn) trui được bằng khí nén trong lò chân không, ít biến dạng nhất.
Lý do dễ nứt: khi chi tiết nhúng vào nước, bề mặt nguội trước và chuyển thành mactenxit, nở thể tích một chút; lõi bên trong vẫn còn nóng, chuyển pha sau. Bề mặt và lõi giằng co nhau, sinh ứng suất lớn. Chi tiết có góc nhọn, lỗ, thay đổi tiết diện đột ngột là nơi vết nứt trui hay xuất hiện. Kỹ sư thiết kế vì vậy luôn bo tròn góc, tránh tiết diện quá chênh lệch ở chi tiết cần trui.
Thép sau trui cứng nhưng giòn như thuỷ tinh, gần như không ai dùng ở trạng thái đó. Nó phải được ram ngay sau đó, càng sớm càng tốt, vì ứng suất có thể gây nứt chậm khi để lâu.
Ram ở nhiệt độ nào cho chi tiết nào?
Ram là nung lại thép đã trui ở nhiệt độ thấp hơn vùng chuyển pha, giữ một thời gian, rồi làm nguội. Nhiệt độ ram quyết định thép sẽ cứng hay dai:
| Kiểu ram | Nhiệt độ (khoảng) | Tính chất đạt được | Chi tiết điển hình |
|---|---|---|---|
| Ram thấp | 150–250 °C | Giữ độ cứng cao, giảm bớt giòn | Dụng cụ cắt, khuôn dập nguội, vòng bi, chi tiết đã thấm cacbon |
| Ram trung bình | 350–500 °C | Đàn hồi tốt | Lò xo, nhíp ô tô |
| Ram cao | 500–650 °C | Dai, bền, độ cứng vừa phải | Trục, bánh răng chịu tải, bu lông cường độ cao, thanh truyền |
Trui rồi ram cao được gọi chung là nhiệt luyện hoá tốt. Đây là chế độ phổ biến nhất cho chi tiết máy chịu lực: trục động cơ, trục khuỷu, thanh truyền, bu lông cấp bền cao. Những con số như 8.8 hay 10.9 trên đầu bu lông chính là cấp bền đạt được nhờ chế độ nhiệt luyện này.
Dao, kéo cũng trui và ram, nhưng đó là chuyện của nghề rèn thủ công, một lĩnh vực riêng; ở nhà máy, nguyên lý vẫn y hệt chỉ khác ở quy mô và cách kiểm soát.
Lò nhiệt luyện trong nhà máy trông như thế nào?
Xưởng nhiệt luyện hiện đại khác xa hình ảnh lò than đỏ rực. Có các lò buồng nung điện cho mẻ nhỏ, lò giếng sâu đặt dưới nền để treo trục dài thẳng đứng (tránh cong), lò băng tải liên tục cho bu lông và chi tiết nhỏ chạy qua các vùng nung, trui, ram, và lò chân không cho khuôn mẫu đắt tiền. Nhiệt độ được điều khiển bằng cặp nhiệt điện và máy tính, thường sai số chỉ vài độ. Khí quyển trong lò có thể được kiểm soát để bề mặt thép không bị ôxi hoá hay mất cacbon.
Sau nhiệt luyện, chi tiết được đo độ cứng bằng máy đo Rockwell, Vickers hoặc Brinell; mẫu đại diện được cắt ra soi tổ chức tế vi dưới kính hiển vi. Một bánh răng hỏng sớm thường được truy ngược về đúng mẻ lò và biểu đồ nhiệt độ lưu trong máy.
Xưởng nhiệt luyện có nhiều mối nguy: lò nhiệt độ cao, bể dầu trui có thể bắt lửa nếu nhúng chi tiết quá chậm, khí quyển bảo vệ chứa khí dễ cháy và khí độc. Đây là nghề đòi hỏi được đào tạo và tuân thủ quy trình nghiêm ngặt. Muốn hiểu sâu hơn, giáo trình "Vật liệu học" và "Nhiệt luyện kim loại" trong các trường đại học kỹ thuật là điểm khởi đầu tốt.
Câu hỏi thường gặp
Trui thép là gì?
Trui là nung thép tới nhiệt độ nhất định (vùng austenit, với thép cacbon trung bình khoảng 820–860 °C) rồi làm nguội thật nhanh trong nước, dầu hoặc dung dịch polyme. Thép chuyển thành mactenxit rất cứng nhưng giòn, nên sau đó phải ram.
Ủ và thường hoá khác nhau thế nào?
Cả hai đều nung thép vào vùng austenit. Ủ để nguội rất chậm trong lò, cho thép mềm nhất. Thường hoá để nguội ngoài không khí, cho hạt mịn đều và thép hơi cứng, bền hơn ủ, lại rẻ và nhanh hơn.
Vì sao thép sau khi trui phải ram?
Thép vừa trui rất cứng nhưng giòn và chứa ứng suất lớn, dễ nứt hay gãy khi chịu va đập. Ram ở 150–650 °C giảm giòn, tăng dai, và chỉnh độ cứng cho hợp công dụng.
Nhiệt luyện hoá tốt là gì?
Là trui rồi ram cao ở khoảng 500–650 °C, cho thép vừa bền vừa dai. Đây là chế độ thường dùng cho trục, bánh răng chịu tải, thanh truyền và bu lông cường độ cao.
Vì sao trui thép bằng nước dễ nứt?
Nước làm bề mặt nguội và chuyển pha trước lõi, sinh ứng suất lớn giữa vỏ và lõi. Góc nhọn, lỗ và tiết diện thay đổi đột ngột là nơi tập trung ứng suất, dễ nứt nên thép hợp kim thường trui dầu hoặc polyme.
