Sau khi tôi, chi tiết đổi cả kích thước lẫn hình dạng — và đó là hai hiện tượng khác nguyên nhân. Đổi kích thước đến từ chuyển pha: tổ chức nhận được sau tôi có thể tích riêng khác tổ chức ban đầu. Đổi hình dạng đến từ chênh nhiệt và ứng suất dư. Vì thế nguyên công tinh phải nằm sau nhiệt luyện, với lượng dư chừa sẵn.
Nội dung thuộc chuyên trang Vật liệu & nhiệt luyện của cokhi.net, viết ở góc nguyên lý và thứ tự nguyên công.
Hai hiện tượng bị gọi chung một tên
Ở xưởng, mọi thứ xảy ra sau lò đều được gọi là "biến dạng". Tách ra thì xử lý được:
| Đổi kích thước (size change) | Đổi hình dạng (distortion) | |
|---|---|---|
| Nguyên nhân | Chuyển pha — tổ chức mới có thể tích riêng khác tổ chức cũ | Chênh nhiệt giữa mặt và lõi khi nung/nguội, cộng ứng suất dư có sẵn từ nguyên công trước |
| Biểu hiện | Chi tiết nở ra hoặc co lại gần như đều theo mọi hướng | Cong, vênh, xoắn, lỗ tròn thành ovan, trục thẳng thành côn |
| Có đoán trước được không | Có xu hướng ổn định trong cùng mác thép, cùng quy trình | Khó đoán, phụ thuộc hình dáng chi tiết và cách treo/đỡ trong lò |
| Cách bù | Trừ hao khi gia công thô | Chừa lượng dư đủ để nguyên công tinh cắt lại toàn bộ mặt |
Chi tiết mỏng, dài, tiết diện thay đổi đột ngột hoặc có lỗ lệch tâm thì phần đổi hình dạng luôn lớn hơn phần đổi kích thước. Nguyên lý các quá trình nung – giữ – nguội xem chuyên mục nhiệt luyện, và ảnh hưởng của mác thép xem ký hiệu mác thép.
Vì sao chuyển pha làm đổi kích thước
Thép được nung lên vùng austenit rồi làm nguội nhanh sẽ nhận tổ chức mactenxit. Các tổ chức này xếp nguyên tử khác nhau, nên cùng một khối lượng thép chiếm thể tích khác nhau — mactenxit có thể tích riêng lớn hơn austenit. Chi tiết vì thế nở ra sau khi tôi.
Ba điều kéo theo:
- Lượng nở phụ thuộc tỉ lệ tổ chức nhận được, mà tỉ lệ đó phụ thuộc mác thép, tốc độ nguội và chiều dày chi tiết. Cùng một chi tiết, mặt ngoài nguội nhanh chuyển pha nhiều hơn lõi.
- Austenit dư còn lại sau tôi có thể chuyển tiếp về sau, làm kích thước tiếp tục nhích trong thời gian dài — lý do các chi tiết cần ổn định kích thước cao phải qua bước xử lý riêng.
- Ram làm tổ chức đổi tiếp một lần nữa, nên kích thước sau ram khác kích thước ngay sau tôi.
⚠️ Trị số phần trăm thay đổi kích thước theo từng mác thép: đang cập nhật. Các con số lưu hành trên tài liệu thương mại chưa đối chiếu được với bản gốc tiêu chuẩn hay tài liệu của nhà sản xuất thép nên không dẫn ở đây. Cách làm đúng trong sản xuất là đo trên chi tiết mẫu của chính lô thép và chính quy trình lò đang dùng, rồi lấy số đó làm căn cứ trừ hao.
Ứng suất dư: thứ có sẵn trước khi vào lò
Chi tiết đi vào lò hiếm khi "sạch ứng suất". Cán, kéo, rèn, cắt và gia công thô đều để lại ứng suất dư. Khi nung, thép mềm đi và ứng suất dư được giải phóng — chi tiết cong ngay cả trước khi chuyển pha xảy ra.
Đó là lý do trình tự sau đây được dùng cho chi tiết chính xác:
- Gia công thô, chừa lượng dư.
- Khử ứng suất (nung ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tôi, giữ, nguội chậm) — chi tiết cong ở bước này, khi còn lượng dư để sửa.
- Gia công bán tinh, nắn lại hình dáng, vẫn chừa lượng dư cho bước cuối.
- Nhiệt luyện (tôi + ram).
- Gia công tinh sau nhiệt luyện — mài, mài khôn hoặc nghiền, tùy cấp chính xác cần đạt.
Bỏ bước 2 thì bước 4 gánh cả hai loại biến dạng cùng lúc, và lượng dư ở bước 5 thường không đủ. Thứ tự nguyên công tổng quát xem quy trình gia công cơ khí.
Lượng dư chừa bao nhiêu là đủ
Nguyên tắc thì đơn giản: lượng dư phải lớn hơn tổng biến dạng dự kiến, để nguyên công tinh cắt được toàn bộ mặt cần đạt — không để sót vùng nào chưa chạm dao. Vùng sót là vùng còn kích thước trước nhiệt luyện, và nó phá hỏng cả dung sai kích thước lẫn dung sai hình học.
Ba ràng buộc kéo ngược lại, nên không thể cứ chừa thật nhiều:
- Lớp thấm hoặc lớp tôi bề mặt có chiều sâu hữu hạn. Mài quá sâu là mài mất lớp cứng — mất luôn chức năng của nhiệt luyện.
- Mài nhiều sinh nhiệt nhiều, dễ gây cháy mài và ứng suất kéo bề mặt.
- Thời gian mài tốn hơn thời gian tiện phay cho cùng lượng vật liệu.
⚠️ Trị số lượng dư khuyến nghị theo từng loại chi tiết: đang cập nhật — chưa đối chiếu được với tài liệu gốc, và trong thực tế nó phải suy từ biến dạng đo được trên chính lô thép, chính quy trình lò của bạn. Cấp chính xác và độ nhám mà nguyên công mài đạt được xem mài chính xác: dung sai và độ nhám đạt được; phân biệt các nguyên công tinh xem mài khôn, nghiền, siêu tinh.
Ghi gì lên bản vẽ và lên đơn đặt nhiệt luyện
Đây là chỗ mất mát hay xảy ra nhất: bản vẽ ghi dung sai nhưng không nói kích thước đó áp cho trạng thái nào.
- Ghi rõ dung sai áp cho chi tiết sau nhiệt luyện và sau gia công tinh — trạng thái chi tiết làm việc.
- Ghi yêu cầu độ cứng và chiều sâu lớp để bên nhiệt luyện chọn được quy trình, và để bạn biết còn bao nhiêu lượng dư được phép mài đi. Cách kiểm xem phương pháp đo độ cứng Rockwell, Brinell, Vickers và bảng quy đổi độ cứng.
- Ghi dung sai hình học (độ thẳng, độ trụ, độ đảo) nếu chi tiết dài hoặc mỏng — vì đây chính là thứ nhiệt luyện phá hỏng, và dung sai kích thước không tự khống chế hình dạng.
- Yêu cầu nghiệm thu và cách đặt hàng nhiệt luyện ngoài: đặt gia công nhiệt luyện ngoài — yêu cầu kỹ thuật và nghiệm thu.
Lưu ý một hiểu lầm: tiêu chuẩn dung sai chung không "cứu" được chi tiết sau tôi. ISO 2768 và dung sai tự do chỉ quy định mức dung sai mặc định cho kích thước không ghi dung sai; nó không cho phép chi tiết ra ngoài dung sai vì lý do nhiệt luyện.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao chi tiết ra ngoài dung sai sau khi tôi? Vì hai hiện tượng xảy ra cùng lúc: chuyển pha làm đổi kích thước do tổ chức mới có thể tích riêng khác tổ chức cũ, và chênh nhiệt cộng ứng suất dư làm đổi hình dạng — cong, vênh, xoắn, ovan.
Đổi kích thước và cong vênh khác nhau thế nào? Đổi kích thước là chi tiết nở ra hoặc co lại gần như đều theo mọi hướng, do chuyển pha, và có xu hướng ổn định nên trừ hao được. Cong vênh là đổi hình dạng, do chênh nhiệt và ứng suất dư, khó đoán và phải sửa bằng nguyên công tinh sau nhiệt luyện.
Vì sao phải chừa lượng dư mài? Vì kích thước và hình dạng sau nhiệt luyện không đúng bản vẽ. Lượng dư cho phép nguyên công tinh cắt lại toàn bộ mặt cần đạt; nếu thiếu lượng dư sẽ còn vùng chưa chạm dao, giữ nguyên kích thước trước nhiệt luyện.
Có nên gia công tinh trước rồi mới đem tôi không? Không, với chi tiết cần dung sai chặt. Nhiệt luyện sẽ phá kích thước và hình dạng vừa đạt được. Trình tự đúng là thô — khử ứng suất — bán tinh — nhiệt luyện — tinh.
Khử ứng suất trước khi tôi để làm gì? Để chi tiết giải phóng ứng suất dư từ cán, rèn và gia công thô ở giai đoạn còn lượng dư để sửa, thay vì để nó bung ra cùng lúc với chuyển pha trong lần tôi.
Tra và kiểm tiếp
- Đối chiếu dung sai bạn đang yêu cầu với cấp chính xác mài đạt được: mài chính xác — dung sai và độ nhám.
- Tra sai lệch giới hạn của kích thước sau gia công tinh: công cụ tra dung sai ISO 286.
- Xem cách khai dung sai hình học cho chi tiết dài hoặc mỏng trước khi gửi đi nhiệt luyện: 14 ký hiệu dung sai hình học.
Tài liệu tham khảo
- ISO 286-1:2010 — GPS — ISO code system for tolerances on linear sizes (khoảng dung sai của kích thước sau gia công tinh).
- ISO 2768-1 — General tolerances — Part 1: Tolerances for linear and angular dimensions without individual tolerance indications (mức dung sai mặc định; không phải cơ sở để miễn trừ biến dạng nhiệt luyện).
- ISO 6507 / ISO 6508 / ISO 6506 — Metallic materials — Vickers / Rockwell / Brinell hardness test (kiểm độ cứng nghiệm thu sau nhiệt luyện).
Nhãn minh bạch: Bài kiến thức nền do Ban Biên tập Kỹ thuật cokhi.net biên soạn. Sơ đồ là hình khái niệm, biến dạng vẽ phóng đại. Bài nêu cơ chế và thứ tự nguyên công; hai chỗ cần con số — phần trăm thay đổi kích thước theo mác thép và trị số lượng dư khuyến nghị — ghi rõ "đang cập nhật" vì chưa đối chiếu được nguồn gốc, và trong sản xuất phải đo trên chính lô thép và chính quy trình lò đang dùng.