Trục chịu đồng thời tải uốn/xoắn theo chu kỳ (đòi hỏi vật liệu dẻo dai chống mỏi — xem nguyên tắc "tải mỏi nguy hiểm hơn tải tĩnh" ở bài chi tiết máy) VÀ mài mòn cục bộ tại các vùng tiếp xúc ổ bi/bạc lót (đòi hỏi bề mặt cứng). Bài này giải thích cách nhiệt luyện giải quyết mâu thuẫn này, tiếp nối nguyên lý case-hardening đã nêu ở bài tôi ram thấm cacbon và vật liệu nhiệt luyện bánh răng.
Vì sao không tôi cứng toàn bộ trục
Tôi cứng toàn bộ tiết diện trục (through-hardening) làm tăng độ cứng đồng đều nhưng cũng làm giảm độ dẻo dai toàn bộ trục — trục chịu tải uốn/xoắn theo chu kỳ với vật liệu quá cứng/giòn có nguy cơ gãy giòn đột ngột cao hơn, đặc biệt tại các điểm tập trung ứng suất đã nêu ở bài thiết kế trục. Đây là lý do phần lớn trục công nghiệp không áp dụng tôi cứng toàn bộ.
Tôi cục bộ (local/induction hardening)
Giải pháp phổ biến: chỉ tôi cứng cục bộ tại các vùng cần chống mòn (cổ trục lắp ổ bi/bạc lót, rãnh then chịu ma sát) bằng phương pháp tôi cảm ứng (induction hardening) — dùng dòng điện cảm ứng tần số cao nung nóng nhanh chỉ lớp bề mặt tại vùng cần xử lý rồi làm nguội nhanh, trong khi phần lõi và các vùng khác của trục không bị ảnh hưởng nhiệt, giữ nguyên độ dẻo dai ban đầu. Kết quả tương tự nguyên lý thấm cacbon bề mặt bánh răng đã nêu ở bài liên quan — bề mặt cứng chống mòn, lõi dẻo dai chịu tải động.
Vật liệu thường dùng
Thép hợp kim trung bình carbon (có đủ carbon để tôi cứng cục bộ hiệu quả bằng cảm ứng, nhưng không quá cao gây giòn) là lựa chọn phổ biến nhất cho trục cần tôi cục bộ — khác với thép thấm cacbon carbon thấp dùng cho bánh răng (cần thấm thêm carbon từ bên ngoài do bản thân thép quá ít carbon để tôi cứng trực tiếp).
Nguyên tắc thực hành khi thiết kế trục cần tôi cục bộ
- Xác định rõ vùng cần cứng trước khi thiết kế: vùng lắp ổ bi/bạc lót, rãnh then chịu tải lặp — các vùng còn lại (đặc biệt điểm chuyển bậc có góc lượn) nên giữ nguyên trạng thái chưa tôi để duy trì độ dẻo dai chống mỏi.
- Tránh tôi cứng đè lên vùng góc lượn: vùng chuyển tiếp đường kính (điểm tập trung ứng suất) tôi cứng cục bộ không đúng cách có thể tạo thêm ranh giới cứng-mềm đột ngột, làm trầm trọng thêm nguy cơ nứt mỏi thay vì cải thiện.
Thuật ngữ
- Tôi cảm ứng (induction hardening): phương pháp tôi cục bộ dùng dòng điện cảm ứng tần số cao nung nóng nhanh chỉ lớp bề mặt cần xử lý.
- Tôi toàn phần (through-hardening): tôi cứng đồng đều toàn bộ tiết diện chi tiết, khác với tôi cục bộ chỉ xử lý vùng bề mặt cần thiết.
Tài liệu tham khảo
Bài này áp dụng nguyên lý case-hardening đã dẫn nguồn đầy đủ ở bài tôi ram thấm cacbon và vật liệu nhiệt luyện bánh răng cho trường hợp cụ thể của trục.