Ứng dụng xử lý nhiệt trong ốc vít bằng thép không gỉ

Ốc vít bằng thép không gỉ, bao gồm bu lông, đai ốc, ốc vít và vòng đệm, được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, kỹ thuật hàng hải, hóa dầu, chế biến thực phẩm và xây dựng do khả năng chống ăn mòn, tính chất cơ học và độ bền tuyệt vời của chúng. Tuy nhiên, thép không gỉ đúc hoặc tạo hình thường không đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất của môi trường làm việc phức tạp, chẳng hạn như độ bền cao, khả năng chống mài mòn, độ ổn định kích thước và khả năng chống hàn lạnh (tròn). Xử lý nhiệt, như một công nghệ xử lý quan trọng, có thể điều chỉnh cấu trúc vi mô của ốc vít bằng thép không gỉ mà không làm thay đổi đáng kể hình dạng của chúng, từ đó tối ưu hóa các đặc tính cơ học và tuổi thọ sử dụng của chúng. Bài viết này trình bày chi tiết về các quy trình xử lý nhiệt phổ biến đối với ốc vít bằng thép không gỉ, nguyên tắc ứng dụng của chúng, sự thích ứng dành riêng cho vật liệu và thực tiễn ứng dụng công nghiệp.

1. Tổng quan về xử lý nhiệt cho ốc vít bằng thép không gỉ

Mục đích cốt lõi của việc xử lý nhiệt cho ốc vít bằng thép không gỉ là điều chỉnh cấu trúc tinh thể bên trong, loại bỏ ứng suất bên trong tạo ra trong quá trình tạo hình (như gia công nguội và gia công) và cân bằng mối quan hệ giữa độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ bền và khả năng chống ăn mòn. Không giống như ốc vít bằng thép carbon, thép không gỉ chứa các nguyên tố hợp kim như crom (Cr), niken (Ni), molypden (Mo) và titan (Ti), tạo thành một màng oxit thụ động trên bề mặt để chống ăn mòn. Vì vậy, việc xử lý nhiệt cho ốc vít bằng thép không gỉ không chỉ phải cải thiện tính chất cơ học mà còn tránh làm hỏng lớp màng thụ động này hoặc giảm khả năng chống ăn mòn.

Việc lựa chọn quy trình xử lý nhiệt phụ thuộc vào loại thép không gỉ (austenitic, martensitic, ferritic, duplex), yêu cầu về hiệu suất của ốc vít và các tình huống ứng dụng của chúng. Các quy trình phổ biến bao gồm xử lý dung dịch, ủ, làm nguội và ủ, làm cứng kết tủa, làm cứng bề mặt và giảm ứng suất, mỗi quy trình có đặc điểm và phạm vi ứng dụng riêng biệt.

2. Các quy trình xử lý nhiệt thông thường và ứng dụng của chúng

2.1 Xử lý dung dịch (Solution Ủ)

Xử lý giải pháp là quy trình xử lý nhiệt cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất đối với ốc vít bằng thép không gỉ austenit (như loại 304, 316, 321) và ốc vít bằng thép không gỉ song công. Quá trình này bao gồm việc nung nóng các chốt đến nhiệt độ trên giới hạn hòa tan của cacbua (thường là 1000–1200°C đối với thép không gỉ austenit), giữ chúng ở nhiệt độ này trong một khoảng thời gian nhất định để đảm bảo hòa tan hoàn toàn cacbua (chẳng hạn như cacbua crom) vào ma trận austenit, sau đó làm nguội nhanh (dập tắt) chúng trong nước hoặc không khí để thu được cấu trúc vi mô austenit đồng nhất.

Chức năng chính của việc xử lý dung dịch là loại bỏ sự kết tủa giữa các hạt của cacbua, giúp ngăn ngừa sự ăn mòn giữa các hạt—một dạng hư hỏng phổ biến của ốc vít bằng thép không gỉ trong môi trường ăn mòn như ngành công nghiệp chế biến hóa chất và hàng hải. Ngoài ra, việc xử lý dung dịch giúp cải thiện độ dẻo và độ bền của ốc vít, tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tạo hình tiếp theo (chẳng hạn như cán ren) và đảm bảo độ ổn định kích thước trong quá trình sử dụng. Ví dụ, ốc vít bằng thép không gỉ 316L được sử dụng trong thiết bị hàng hải phải trải qua quá trình xử lý dung dịch để tăng cường khả năng chống ăn mòn clorua và duy trì tính toàn vẹn cấu trúc trong môi trường mặn, ẩm ướt.

2.2 Ủ

Ủ là một quá trình xử lý nhiệt nhằm mục đích làm mềm các ốc vít bằng thép không gỉ, giảm ứng suất bên trong, cải thiện khả năng gia công và đồng nhất hóa cấu trúc vi mô. Quá trình này thay đổi một chút tùy theo loại thép không gỉ: đối với thép không gỉ austenit, quá trình ủ thường được kết hợp với xử lý dung dịch (ủ dung dịch); đối với thép không gỉ ferit, quá trình ủ được tiến hành ở 700–900°C, sau đó làm nguội chậm để loại bỏ ứng suất dư và cải thiện độ dẻo; đối với thép không gỉ martensitic, quá trình ủ được sử dụng để làm mềm vật liệu sau khi tôi, giảm độ giòn và tạo điều kiện thuận lợi cho gia công.

Trong sản xuất ốc vít bằng thép không gỉ, quá trình ủ thường được áp dụng trước khi gia công nguội hoặc gia công ren. Ví dụ, trước khi làm nguội bu lông thép không gỉ martensitic 17-4 PH, ủ ở 800–850°C có thể làm mềm vật liệu, giảm lực cản trong quá trình tạo hình nguội và tránh nứt ốc vít hoặc mài mòn khuôn quá mức, từ đó giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, ủ giảm ứng suất (một loại ủ) được sử dụng để xử lý các ốc vít sau khi hàn hoặc gia công, làm nóng chúng đến 600–800°C và làm nguội từ từ để ngăn ngừa biến dạng hoặc nứt do ứng suất dư trong quá trình sử dụng.

2.3 Làm nguội và ủ

Làm nguội và ủ chủ yếu được áp dụng cho các ốc vít bằng thép không gỉ martensitic (như loại 410, 420) và một số ốc vít bằng thép không gỉ làm cứng kết tủa đòi hỏi độ bền và độ cứng cao, chẳng hạn như ốc vít được sử dụng trong các bộ phận cơ khí ứng suất cao và các bộ phận hàng không vũ trụ. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn: làm nguội và ủ.

Làm nguội bao gồm việc nung nóng các ốc vít đến nhiệt độ austenit hóa (850–1050°C đối với thép không gỉ martensitic), giữ chúng trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó làm nguội nhanh chúng trong dầu hoặc nước để biến ma trận austenite thành martensite, do đó làm tăng đáng kể độ cứng và độ bền của ốc vít. Tuy nhiên, ốc vít bằng thép không gỉ martensitic đã được tôi rất giòn và chứa ứng suất dư đáng kể, do đó quá trình ủ phải được thực hiện ngay sau khi tôi.

Quá trình ủ bao gồm việc hâm nóng các ốc vít đã nguội đến nhiệt độ thấp hơn (150–650°C), giữ chúng trong một thời gian nhất định và sau đó làm nguội chúng đến nhiệt độ phòng. Quá trình này làm giảm độ giòn, giảm ứng suất dư và điều chỉnh sự cân bằng giữa độ cứng, độ bền và độ bền của ốc vít. Ví dụ, 410 bu lông thép không gỉ được sử dụng trong các bộ phận động cơ ô tô trải qua quá trình tôi và tôi luyện để đạt được độ cứng HRC 35–45, đảm bảo chúng có thể chịu được tải trọng cao và rung động lặp đi lặp lại mà không bị biến dạng hoặc gãy.

2.4 Lượng mưa làm cứng lại

Làm cứng kết tủa (còn được gọi là làm cứng do tuổi) là một quy trình xử lý nhiệt chuyên dụng cho các ốc vít bằng thép không gỉ làm cứng kết tủa, chẳng hạn như các loại 17-4 PH, 17-7 PH, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, hóa dầu và sản xuất điện do độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Quá trình này bao gồm ba giai đoạn: xử lý dung dịch, làm nguội (để thu được dung dịch rắn siêu bão hòa) và lão hóa (kết tủa các pha tăng cường).

Đầu tiên, các ốc vít được xử lý bằng dung dịch ở nhiệt độ 1020–1060°C để hòa tan các nguyên tố hợp kim (như đồng, niobium) vào nền austenite, sau đó làm lạnh nhanh đến nhiệt độ phòng để thu được dung dịch rắn martensite hoặc austenite siêu bão hòa. Sau đó, quá trình xử lý lão hóa được thực hiện ở nhiệt độ 480–620°C, trong đó các pha tăng cường đồng đều, mịn (chẳng hạn như kết tủa giàu đồng) được kết tủa từ dung dịch rắn siêu bão hòa, cải thiện đáng kể độ bền và độ cứng của ốc vít mà không làm giảm khả năng chống ăn mòn. Ví dụ, ốc vít bằng thép không gỉ 17-4 PH sau khi đông cứng kết tủa có thể đạt được độ bền kéo lên tới 1170 MPa và độ cứng của Rockwell C38, khiến chúng phù hợp với các bộ phận máy bay và thiết bị hóa dầu áp suất cao.

2.5 Làm cứng bề mặt

Các ốc vít bằng thép không gỉ thường bị ăn mòn (hàn nguội) trong quá trình lắp ráp và tháo rời, đặc biệt là trong các tình huống tiếp xúc giữa kim loại với kim loại với mô men xoắn cao. Vết lõm chủ yếu là do độ cứng bề mặt thấp, độ nhám bề mặt quá mức hoặc thiếu chất bôi trơn và có thể dẫn đến kẹt dây buộc, khiến việc tháo ra cực kỳ khó khăn mà không làm hỏng các bộ phận. Làm cứng bề mặt là một giải pháp hiệu quả cho vấn đề này, vì nó chỉ làm cứng lớp bề mặt (từ vài đến hàng chục micron) của ốc vít, cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn trong khi vẫn duy trì khả năng chống ăn mòn và độ bền của vật liệu cơ bản.

Các quy trình làm cứng bề mặt phổ biến cho ốc vít bằng thép không gỉ bao gồm thấm nitơ, cacbon hóa và các quy trình dựa trên khuếch tán độc quyền như Kolsterising® và Super Expanite®. Kolsterising®, một quy trình khuếch tán ở nhiệt độ thấp, làm tăng đáng kể độ cứng bề mặt của ốc vít (thường trên 1000 HV) mà không làm thay đổi kích thước hoặc độ hoàn thiện bề mặt của chúng, khiến nó phù hợp với ốc vít bằng thép không gỉ austenit và song công được sử dụng trong thiết bị chính xác. Super Expanite® giải quyết những thiếu sót của quy trình làm cứng bề mặt truyền thống (như giảm khả năng chống ăn mòn và độ sâu làm cứng nông) bằng cách làm cứng cả lớp ngoài cùng và vật liệu bên dưới, cải thiện hơn nữa khả năng chống ăn mòn và chống mài mòn. Các quy trình làm cứng bề mặt này được sử dụng rộng rãi trong các ốc vít cho thiết bị y tế, máy móc chính xác và xử lý hóa học, trong đó khả năng chống ăn mòn và chống ăn mòn là rất quan trọng.