Giải thích chi tiết: Nhiệt luyện: thấm carbon và tôi cao tần

Bài toán dùng để làm gì

Ước lượng nhanh hai công nghệ tôi bề mặt: (1) thấm carbon – ở nhiệt độ và thời gian nào thì lớp thấm sâu bao nhiêu, cần bao lâu để đạt chiều sâu yêu cầu; (2) tôi cao tần – tần số máy tôi quyết định dòng điện cảm ứng ăn sâu bao nhiêu, từ đó ước lượng chiều sâu lớp tôi. Dùng khi đặt hàng nhiệt luyện bánh răng, trục, chốt.

Hình dung đơn giản

Kiến thức nền cần có

Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.6 vật liệu (độ cứng, cấu trúc) · 0.14 mỏi (lớp bề mặt cứng tăng bền mỏi)

Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu

Ký hiệu	Ý nghĩa	Đơn vị	Lấy số liệu ở đâu
T	Nhiệt độ thấm carbon	°C	Quy trình nhiệt luyện, thường 900–950 °C
t	Thời gian giữ nhiệt thấm	h	Quy trình nhiệt luyện
dr	Chiều sâu lớp thấm yêu cầu	mm	Bản vẽ (CHD, ví dụ 0,8–1,2 mm)
f	Tần số máy tôi cao tần	Hz	Nhãn máy tôi
ρ	Điện trở suất thép ở nhiệt độ tôi	Ω·m	Trên điểm Curie ≈ 1,1–1,2·10⁻⁶
μr	Độ từ thẩm tương đối	–	Trên điểm Curie (≈ 770 °C) = 1

Xây dựng công thức từng bước

Công thức tổng quát không "từ trên trời rơi xuống": nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:

Bước 1. Đổi nhiệt độ

Công thức Harris dùng độ Rankine (thang tuyệt đối của Mỹ):

T°R = (T + 273,15)·1,8

Bước 2. Chiều sâu thấm theo Harris

Chiều sâu tăng theo căn bậc hai của thời gian và tăng nhanh theo nhiệt độ (kết quả inch đổi ra mm nhân 25,4):

d = 25,4 · 31,6·√t / 10^(6700/T°R)

Bước 3. Thời gian cần cho chiều sâu yêu cầu

Đảo ngược công thức trên:

tr = [dr / (25,4·31,6/10^(6700/T°R))]²

Bước 4. Chiều sâu dòng cảm ứng

Dòng điện xoay chiều tập trung ở lớp bề mặt dày δ (hiệu ứng bề mặt). Kết quả m đổi ra mm:

δ = 503·√(ρ/(μr·f))

Hình CT46.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận

Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)

Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:

TT	Đại lượng	Ký hiệu	Giá trị	Đơn vị	Ghi chú / nguồn
1	Nhiệt độ thấm	T	925	°C
2	Thời gian thấm	t	6	h
3	Chiều sâu yêu cầu	dr	1	mm
7	Tần số	f	10 000	Hz
8	Điện trở suất thép ở nhiệt độ tôi	ρ	1,2e-06	Ω·m	Trên điểm Curie ≈ 1,1–1,2·10⁻⁶
9	Độ từ thẩm tương đối	μr	1		Trên điểm Curie (≈ 770 °C) μr = 1

Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:

TT	Đại lượng	Ký hiệu	Kết quả	Đơn vị	Công thức / cách tính
4	Nhiệt độ (°R)	TR	2 157	°R
5	CHIỀU SÂU THẤM	d	1,54	mm	d = 31,6·√t / 10^(6700/T°R) [inch] (Harris)
6	Thời gian cần cho chiều sâu yêu cầu	tr	2,54	h
10	Chiều sâu dòng cảm ứng	δ	5,51	mm	δ = 503·√(ρ/(μr·f))

Áp dụng thực tế và lưu ý

Công thức Harris cho chiều sâu tổng của lớp thấm; chiều sâu hiệu dụng (đến 550 HV) thường chỉ bằng khoảng 60–70 %. Luôn xác nhận bằng mẫu thử cắt ngang đo độ cứng.
Chiều sâu lớp tôi cao tần thực tế ≈ (0,5–1)·δ tùy thời gian nung và công suất. Tần số thường dùng: 1 mm → 100–250 kHz; 2–3 mm → 10–30 kHz; 4–6 mm → 1–10 kHz.
Ghi rõ trên bản vẽ: độ cứng bề mặt, chiều sâu lớp và phương pháp đo (ví dụ CHD 550 HV1 = 0,8–1,2 mm) để nhà nhiệt luyện và QC thống nhất.
Kết quả chỉ để ước lượng; thông số chính thức phải theo quy trình của nhà nhiệt luyện.