Theo bản chất của quá trình gia công, có thể chia các dụng cụ thành ba nhóm lớn sau đây.
+ Dụng cụ cắt (gọi là dao cắt) với đặc trưng tạo hình là tạo ra phoi, như dao tiện, phay, bào, tuốt...
+ Dụng cụ biến dạng với đặc trưng tạo hình bằng biến dạng dẻo như trục cán, khuôn dập, khuôn ép chảy...ở cả trạng thái nguội lẫn trạng thái nóng.
+ Dụng cụ đo như palame, thước cặp, dưỡng.. tuy không làm thay đổi hình dạng, kích thước sản phẩm, nhưng cũng không thể thiếu trong sản xuất cơ khí.
5.5.2.1 Thép hợp kim làm dụng cụ cắt
a. Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt
Các loại dao làm việc trong điều kiện phay, bào, doa...tuy có những nét khác biệt song về cơ bản là giống nhau và có thể coi tiện là nguyên công điển hình.
+ Để tạo phoi, lưỡi cắt chịu áp lực rất lớn tạo ra công cơ học để tách kim loại.Vì vậy dao cắt phải có độ cứng cao hơn hẳn phôi. Trường hợp thông dụng ( cắt thép gang thông thường với HB trên dưới 200) dao phải có độ cứng HRC > 60, các trường hợp khác phải thấp hơn hoặc cao hơn gía trị trên. Để đạt được yêu cầu này dao phải được làm bằng thép với lượng cacbon tối thiểu là 0,7%
+ Dao phải có tính chống mài mòn cao để chống tạo thành rãnh lõm, yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với trường hợp gia công chính xác. Tính chống mài mòn của thép phụ thuộc vào các yếu tố sau.
- Độ cứng: có giá trị càng cao tính chống mài mòn càng tốt. Thường là khi độ cứng HRC ở mức cao hơn 60, cư tăng thêm một đơn vị tuổi bền của dao tăng thêm khoảng 25-30%.
- Lượng cacbit dư: càng cao tính chống mài mòn càng cao. Các thép cùng tích và sau cùng tích sau khi tôi tuy hầu như có độ cứng như nhau, song tính chống mài mòn khác nhau, càng xa cùng tích ( tức càng nhiều cacbon tính chống mài mòn càng cao) do nhiều cacbit. Chính vì lý do này phần lớn thép làm dụng cụ cắt có lượng cacbon >1%
+ Công tách phoi và ma sát biến thành nhiệt và phần lớn lại tập trung ở lưỡi cắt làm cho phần này nóng lên rõ rệt, do đó sẽ làm xấu khả năng cắt gọt của dao. Đặc biệt khi cắt gọt với tốc độ cao, nhiệt độ lưỡi cắt cao vượt quá 200-300oC, mactenxit bị phân hóa, độ cứng HRC thấp dưới 60, dao không còn khả năng cắt gọt. Do vậy với dao cắt cần năng suất cao phải đưa vào thép những nguyên tố tạo cho thép tính cứng nóng: chúng hòa tan vào sắt và do có ái lực mạnh với cacbon nên giữ nguyên tố này ở lại trong mactenxit tới 500-600oC. Vì vậy khi cắt gọt với tốc độ cao, dao tuy bị nóng lên song vẫn giữ được tổ chức mactenxit với độ cứng cao đủ để cắt.
b. Thép làm dao có năng suất thấp -Thép cacbon
Loại thép này có các mác CD70, CD80, CD90, CD100, CD110... chúng có các đặc tính như sau:
Ưu điểm: Sau khi tôi + ram thấp có thể đạt HRC> 60 đủ để cắt. Dễ biến dạng nóng, gia công cắt và rẻ
Nhược điểm:
+ Độ thấm tôi thấp, với các dao lớn hơn , lớp tôi mỏng, sau thời gian làm việc khi mài lại không còn đủ độ cứng nên cần phải tôi lại, do đó không thuận tiện khi sử dụng.
+ Tính cứng nóng thấp do mactenxit không được hợp kim hóa, có tính chống ram kém.
-Thép hợp kim
Đó là nhóm thép có thành phần cacbon cao và được hợp kim hóa thấp và vừa phải với đặc tính có độ thấm tôi tốt hơn hay tính chống mài mòn cao.
Loại có tính thấm tôi tốt là loại được hợp kim hóa bằng 1%Cr với mác điển hình 90CrSi. Thành phần hợp kim như vậy có tác dụng:
+ Cải thiện tính thấm tôi vì thế có thể làm dao nhỏ với hình dạng phức tạp như mũi khoan, doa, taro bàn ren, lược ren, phay...
+ Nâng cao chút ít tính cứng nóng. Silic cùng với crôm còn càn trở mạnh quá trình ram ở dưới 250-300oC vì thế có tính cứng nóng đến trên dưới 300oC
90CrSi tương đối rẻ với tính năng làm việc tốt hơn thép cacbon nên được dùng tương đối phổ biến trong chế tạo các loại dao cắt kể trên. Tuy nhiên mác 90CrSi cũng có nhược điểm mà đáng kể nhất là dẽ thoát cacbon khi nung nên phải chú ý bảo vệ khi tôi.
Loại có tính chống mài mòn cao là loại có cacbon rất cao > 1,3% với 0,5%Cr và 4-5%W mác CrW5. Do có cacbon rất cao và nhiều vonfram là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh nên trong thép tồn tại một lượng lớn cacbit làm tăng rất mạnh tính chống mài mòn.
c. Thép làm dao có năng suất cao – Thép gió
+ Tốc độ cắt 35-80mm/phút ( 3 đến 7 lần so với loại trên) + Tính chống mài mòn và tuổi bền cao ( 8 đến 10 lần) + Độ thấm tôi đặc biệt cao ( tôi thấu với tiết diện bất kỳ) Các thành phần của thép gió có tác dụng như sau:
Cacbon biến đổi trong giới hạn khá rộng từ 0,7 đến 1,5% đủ để hòa tan mactenxit và tạo thành cacbit với các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là W, Mo và đặc biệt là V. Khi thêm 1%V phải đưa thêm 0,1-0,15% vào thép. Cả hai tác dụng đó làm cho thép gió cứng và làm tăng mạnh tính chống mài mòn.
Crôm có trong mọi thép gió với lượng giống nhau, khoảng 4% có tác dụng làm tăng độ thấm tôi. Nhờ tổng lượng ( Cr+W+Mo) cao nên thép gió có khả năng tự tôi, tôi thấu với tiết diện bất kỳ và có thể áp dụng tôi phân cấp.
Vonfram là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất không những vì có tỷ lệ cao nhất ( 6-8%) mà chinh là do tạo ra tính cứng nóng cao, nên có suất cao. Là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, vonfram chủ yếu nằm ở dạng Fe3W3C, khi nung nóng nó hòa tan vào austenit nên sau khi tôi mactenxit chứa nhiều vonfram.
Molipden được dùng để thay thế vonfram đắt lại có tỷ lệ quá cao. Môlipden có cấu trúc tinh thể và tính chất rất giống vonfram nên có thể thay thế cho nhau theo tỷ lệ nguyên tử là 1:1, song do môlipden rẻ hơn lại nhẹ hơn vì thế đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Vanadi là nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh. VC rất ít hòa tan vào austenit khi nung, trong thép nó ở dạng các phần tử cứng, phân tán, làm tăng tính chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khi tôi. Mọi thép gió đều có ít nhất 1% V, khi vượt quá 2% tính chống mài mòn tăng lên, song không nên dùng quá 5% vì làm xấu mạnh tính mài.
Côban không tạo thành cacbit, nó chỉ hòa tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn với hàm lượng vượt quá 5% tính cứng nóng của thép gió tăng lên rõ rệt. Nhược điểm của thép gió chứa coban là dễ bị thoát cacbon khi tôi và khi chứa quá nhiều thép bị giòn.
5.5.2.2. Thép làm dụng cụđo
a. Điều kiện làm việc và yêu cầu
Trong sản xuất cơ khí thường xuyên sử dụng các loại dụng cụ đo với các cấp chính xác khác nhau: palme, thước cặp, thước đo độ dài, đo góc…chúng luôn cọ sát với chi tiết gia công và sản phẩm do đó dễ bị mòn, biến dạng, làm sai lệch kết quả đo. Để đảm bảo độ chính xác của dụng cụ đo thép đem dùng phải đạt các yêu cầu sau.
1. Độ cứng và tính chống mài mòn cao để đảm bảo không hay ít bị mòn ở các phần làm việc, giữ được độ chính xác cao trong thời gian làm việc lâu dài. Đối với cấp chính xác cao độ cứng HRC yêu cầu là 63-65.
2. Ổn định kích thước tức kích thước không hay rất ít thay đổi trong suốt đời làm việc ( có thể kéo dài hang chục năm hay hơn), điều này được đảm bảo bằng hai chỉ tiêu sau:
- Hệ số giãn nở vì nhiệt nhỏ
- Sự ổn định của tổ chức đạt được trong thời gian dài.
Như vậy thép làm dụng cụ đo cũng đòi hỏi độ cứng và tính chống mài mòn cao như dao cắt song không yêu cầu tính cứng nóng nên không cần làm bằng thép gió.
b. Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác cao
Để đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao với HRC 63-65 phải dùng loại thép có khoảng 1% C, hợp kim hóa thấp ( do các dụng cụ đo đều có tiết diện nhỏ) qua tôi cứng. Tuy nhiên để đạt được hai yêu cầu sau phải dùng các nguyên tố hợp kim và nhiệt luyện thích hợp.
- Để hợp kim hóa thường dùng crôm và mangan ( khoảng 1% mỗi nguyên tố), chúng nâng cao độ thấm tôi ( tôi thấu khi tôi dầu), ít biến dạng.
- Để ổn định kích thước thép sau khi tôi phải được hóa già. Để đạt được cả ba yêu cầu trên nhiệt luyện kết thúc phải đảm bảo cho thép đạt tổ chức mactenxit ( tôi ) chứ không phải là mactenxit ram như các dạng khác vì mactenxit tôi có những đặc điểm đó là độ cứng và tính chống mài mòn cao, do đó bảo đảm độ nhẵn bong cao khi mài, và đặc biệt là có hệ số giãn nở vì nhiệt rất nhỏ. Như vậy sau khi tôi thép kể trên đã đạt được hầu hết các yêu cầu trừ yêu cầu về ổn định của tổ chức đạt được trong thời gian dài do mactenxit ( tôi ) và austenit dư không ổn định chuyển biến với tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thường và phân bố lại ứng suất dư làm thay đổi thể tích kích thước và hình dạng với giá trị rất nhỏ. Để ổn định mactenxit ( tôi ) và austenit dư phải tiến hành hóa già thép tôi ở 120-140oC trong 1 đến 2 ngày. Do ở thấp hơn nhiệt độ ram, mactenxit tôi cũng như austenit dư không bị chuyển biến, bị ổn định hóa và không thể chuyển biến trong suốt thời gian sau đó.
Các thép thường dùng là các mác 100Cr, 100CrWMn và ký hiệu 140CrMn. c.Thép làm dụng cụ đo cấp chính xác thấp.
Đối với dụng cụ đo cấp chính xác thấp chỉ yêu cầu bề mặt làm việc cứng và chống mài mòn là đủ, do đó không yêu cầu dùng các mác thép hợp kim cùng với tôi+hóa già như trên. Có thể dùng các mác thép kết cấu thong qua hóa bền bền bề mặt như thép cabon thấp như các mác C15, C20 hay các thép cacbon trung bình C45, C50, C55 qua tôi bề mặt+ram thấp.