Tôi thép là nung thép trên nhiệt độ tới hạn Ac1 để tạo tổ chức austenit, rồi làm nguội nhanh để austenit chuyển thành mactenxit — pha có độ cứng cao. Ram nung lại thép đã tôi ở nhiệt độ thấp hơn Ac1 để giảm ứng suất dư mà vẫn giữ phần lớn độ cứng. Thấm cacbon khuếch tán thêm cacbon vào bề mặt thép cacbon thấp trước khi tôi, để bề mặt cứng còn lõi vẫn dẻo dai.
Nội dung thuộc chuyên trang Vật liệu & nhiệt luyện của cokhi.net, ở góc nguyên lý chung — không tư vấn quy trình nhiệt luyện cho lô hàng/chi tiết cụ thể (nhiệt độ thực tế phụ thuộc lò, mác thép chính xác, kích thước chi tiết); khi cần dịch vụ nhiệt luyện thật, liên hệ xưởng nhiệt luyện chuyên trách.
Ba công đoạn, ba mục đích khác nhau
Tôi (quenching) — tạo độ cứng
Theo giản đồ sắt-cacbon, khi nung thép vượt nhiệt độ tới hạn Ac1, tổ chức austenit bắt đầu xuất hiện. Nếu làm nguội đủ nhanh (tôi trong nước, dầu hoặc dung dịch tôi chuyên dụng), austenit không kịp chuyển thành các tổ chức cân bằng thông thường mà chuyển thành mactenxit — pha có độ cứng cao nhưng giòn và mang ứng suất dư lớn. Với thép C45, nhiệt độ tôi tham khảo là A3 + (30–50)°C — cao hơn nhiệt độ chuyển biến hoàn toàn A3 một khoảng để đảm bảo austenit hóa đều trước khi làm nguội.
Ram (tempering) — giảm giòn, giữ độ bền
Thép mới tôi rất cứng nhưng giòn và có ứng suất dư — dễ nứt nếu dùng ngay. Ram là nung lại thép đã tôi ở nhiệt độ dưới Ac1, giữ nhiệt một khoảng thời gian rồi làm nguội, để mactenxit và austenit dư phân hóa thành tổ chức ổn định hơn. Ba mức ram phổ biến:
| Mức ram | Nhiệt độ | Tổ chức đạt được | Đặc điểm |
|---|---|---|---|
| Ram thấp | 150 – 250°C | Mactenxit ram | Giữ độ cứng cao nhất, giảm giòn một phần — dùng cho dao cụ, chi tiết cần độ cứng bề mặt |
| Ram trung bình | 300 – 450°C | Trustit (troostite) | Cân bằng độ cứng và độ dẻo dai — dùng cho lò xo, chi tiết chịu tải va đập vừa |
| Ram cao | 500 – 650°C | Sorbit | Độ dẻo dai cao nhất, độ cứng giảm nhiều nhất — dùng cho trục, bánh răng chịu tải động |
Thấm cacbon (carburizing) — cứng ngoài, dẻo trong
Thấm cacbon áp dụng cho thép cacbon thấp (khoảng 0,1–0,2% C — vốn khó đạt độ cứng cao khi tôi trực tiếp). Quy trình khuếch tán cacbon vào lớp bề mặt cho đến khi đạt khoảng 0,8–1% C tại bề mặt, sau đó tôi và ram thấp. Kết quả: bề mặt cứng, chịu mài mòn tốt (nhờ lớp cacbon cao mới tôi được) trong khi lõi vẫn dẻo dai (do lõi vẫn giữ cacbon thấp, không thể tôi cứng như bề mặt) — phù hợp chi tiết vừa chịu mài mòn bề mặt vừa chịu va đập/uốn (bánh răng, trục cam, chốt).
Ví dụ minh họa: thép C45/S45C
C45 (TCVN) tương đương S45C (JIS) — mác thép cacbon trung bình rất phổ biến trong chế tạo máy tại Việt Nam (đã đối chiếu ký hiệu ở bài Ký hiệu mác thép TCVN – JIS – ASTM – GB). Ở trạng thái chưa nhiệt luyện, độ cứng thép C45 khoảng 23 HRC; sau khi tôi và ram thấp, độ cứng có thể đạt khoảng 57–59 HRC theo một nguồn kỹ thuật tham khảo — số liệu này chưa đối chiếu đủ 2 nguồn độc lập nên chỉ mang tính minh họa mức độ tăng độ cứng, không dùng làm tiêu chí nghiệm thu; nhiệt độ và thời gian nhiệt luyện thực tế cần theo quy trình cụ thể của xưởng và mác thép chính xác đang dùng.
Vì sao ba công đoạn hay đi cùng nhau
Tôi tạo độ cứng nhưng để lại độ giòn nguy hiểm — gần như không chi tiết cơ khí nào dùng thép mới tôi mà không ram. Vì vậy quy trình "tôi + ram" thường được nhắc như một cặp không tách rời, còn thấm cacbon là bước thêm vào trước khi tôi, chỉ áp dụng khi cần "cứng ngoài dẻo trong" mà thép nền không tự đạt được bằng cách tôi trực tiếp.
Thuật ngữ
- Ac1: nhiệt độ tới hạn dưới, nơi bắt đầu xuất hiện austenit khi nung thép cùng tích/á cùng tích.
- A3 (Ac3): nhiệt độ tới hạn trên, nơi thép hoàn toàn chuyển thành austenit (với thép trước cùng tích).
- Austenit: tổ chức thép tồn tại ở nhiệt độ cao, là "nguyên liệu" để tạo mactenxit khi làm nguội nhanh.
- Mactenxit (martensite): tổ chức thép độ cứng cao, giòn, hình thành khi austenit nguội quá nhanh không kịp chuyển biến theo con đường cân bằng.
- Trustit / Sorbit: tổ chức trung gian giữa mactenxit (cứng, giòn) và ferit-xementit cân bằng (mềm, dẻo) — hình thành khi ram ở nhiệt độ trung bình/cao.
Tài liệu tham khảo
- VISCO NDT, 4.1. Nhiệt luyện thép (nguyên lý tôi/ram, giản đồ Ac1/A3, mactenxit): https://visco.com.vn/visco-ndt-self-training-center/vat-lieu-co-khi-va-gia-cong-kim-loai/chuong-iv-nhiet-luyen-va-hoa-nhiet-luyen-thep/4-1-nhiet-luyen-thep/
- Thịnh Phát, Quy trình nhiệt luyện thép C45 (nhiệt độ tôi A3+30-50°C, ba mức ram và tổ chức tương ứng): https://thinhphatict.com/quy-trinh-nhiet-luyen-thep-c45
- Đại Phú Steel, Độ cứng thép tấm S45C sau nhiệt luyện là bao nhiêu? (độ cứng tham khảo trước/sau nhiệt luyện — một nguồn, chưa đối chiếu chéo): https://daifusteel.com/do-cung-thep-tam-s45c-sau-nhiet-luyen