Khuôn đùn ép làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt: nhiệt độ cao, áp suất lớn và chịu mài mòn mạnh. Quá trình ép nóng thường thực hiện bằng cách tác dụng lực bằng bơm thuỷ lực theo phương nằm ngang. Giá trị của lực ép dao động trong khoảng một vài trăm đến hàng nghìn tấn.
Tuỳ thuộc vào yêu cầu sản phẩm, sẽ phải sử dụng tới các bộ khuôn khác nhau. Bộ phận phải thay đổi nhiều nhất là kích thước ngoài container (buồng ép), nó ảnh hưởng tới lực ép.
Thép làm khuôn đùn ép nhôm cần thỏa mãn các chỉ tiêu sau:
- Độ bền cao để có thể chịu được tải trọng liên tục trong quá trình làm việc, - Khả năng chống mòn cao trong quá trình làm việc bao gồm mài mòn và mỏi
bề mặt,
- Dẻo dai (khả năng chống phá huỷ và chống mỏi), - Ổn định kích thước trong quá trình làm việc, - Tổ chức đồng đều và đẳng hướng,
- Khả năng gia công tạo hình khuôn tốt (khi ở trạng thái ủ), - Khả năng chống ăn mòn tương đối tốt.
12
Thép làm khuôn đùn ép thường có %C trung bình khoảng (0,3÷0,6)%, được hợp kim hóa thích hợp với (Cr - Ni) để đảm bảo độ thấm tôi và độ dai va đập, với (Cr, Mo, W) để đảm bảo tính cứng nóng.
Bảng 1.1 là thành phần hóa học của một số mác thép phổ biến dùng làm khuôn đùn ép.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học các mác thép làm khuôn đùn ép nhôm
Tiêu chuẩn
Mác thép
Thành phần hóa học theo % khối lượng
C Mn Si Cr Mo V Nguyên tố khác GOST 3X2B8Ф 0,3÷0,4 0,15÷0,4 0,15÷0,4 2,2÷2,7 0,5 0,2÷0,5 Ni 0,35 W: 7,5÷8,5 JIS SKD61 0,3÷0,4 0,5 0,8÷1,2 4,5÷5,5 1,0÷1,5 0,8÷1,2 Cu 0,25 Ni 0,25 AISI H13 0,3÷0,4 0,2÷0,6 0,8÷1,2 4,7÷5,5 1,1÷1,7 0,8÷1,2 Cu + Ni 0,75
Trên thế giới và Việt nam hiện nay thường hay sử dụng các mác thép như 3X2B8Ф (Nga), SKD61 (Nhật Bản), H13 (Mỹ) để làm khuôn đùn ép nhôm. Vì các loại thép này không chỉ đảm bảo yêu cầu làm việc của khuôn đùn ép nhôm mà còn phổ biến bởi đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và tính kinh tế.
Ở nước ta mác thép phổ biến hơn cả để chế tạo khuôn đùn ép là thép SKD61, các nghiên cứu nâng cao tuổi thọ của khuôn đùn ép bằng thép SKD61 luôn được quan tâm. Vì vậy, đề tài chọn thép SKD61 của Nhật bản là đối tượng nghiên cứu. Một số đặc tính vật lý của thép SKD61 trình bầy trong bảng 1.2.
Từ thành phần hóa học ở bảng 1.1, ta có một số nhận xét sau về mác thép SKD61: - Thép có hàm lượng C trung bình, do đó sau nhiệt luyện tôi và ram có thể đạt được cơ tính tổng hợp cao.
13
- Lượng nguyên tố hợp kim tương đối cao từ 4,5÷5,5%Cr, 1,0÷1,5%Mo và 0,8÷1,2%V nên lượng cacbit nhiều, do vậy chúng có tính chịu mài mòn cao.
- Có độ thấm tôi lớn nên có thể chế tạo khuôn có kích thước lớn.
- Có thể nhiệt luyện theo nhiều chế độ khác nhau để đạt được chỉ tiêu cơ tính, cũng như sự ổn định kích thước của khuôn theo yêu cầu sử dụng.
Bảng 1.2. Một số tính chất vật lý của thép SKD61
Tính chất vật lý Giá trị Ghi chú
Khối lượng riêng 7,8 g/cm3
Nhiệt dung riêng 0,46 J/g.oC Từ 0÷100oC Hệ số giãn dẫn nhiệt 24,3 W/m.K
Hệ số Poatxông 0,3 Môđun đàn hồi 140 Gpa
Môđun cắt 81 Gpa
Độ bền kéo 1990 MPa
Điều kiện xử lý nhiệt chuẩn đối với thép SKD61 được thực hiện theo bảng 1.3.
Bảng 1.3. Chế độ xử lý nhiệt và độ cứng của thép SKD61 Công nghệ Ủ Tôi Ram Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HBW) Nhiệt độ (oC) Nhiệt độ (oC) Độ cứng (HRC) SKD61 820÷870 Nguội chậm ≤ 229 1000÷1050 Nguội trong dầu
550÷650
Nguội ngoài không khí ≤ 53
Quá trình nung để xử lý nhiệt các khuôn SKD61 được thực hiện trong lò điện hoặc lò muối, phân cấp ở các nhiệt như sau:
14
Bảng 1.4. Nhiệt độ nung phân cấp khi tôi SKD61
Giai đoạn Nhiệt độ Thời gian giữ nhiệt (phút)
1 600÷650oC Thời gian giữ tại nhiệt độ tôi x 2 2 800÷850oC Thời gian giữ tại nhiệt độ tôi x 1 3 1000÷1050oC Thời gian giữ tại nhiệt độ tôi x 1
Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ tôi được xác định qua kích thước của khuôn theo bảng 1.5. Thời gian giữ nhiệt của giai đoạn 1 quá trình nung phân cấp được tính hệ số 2 so với các giai đoạn 2 và 3 (hệ số 1) là ở vùng nhiệt độ thấp hệ số dẫn nhiệt của kim loại thấp, muốn nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ chi tiết cần phải giữ nhiệt với thời gian dài hơn.
Bảng 1.5. Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ tôi của SKD61
Chiều dầy (mm) ≤15 25 50 75 100 125 150 200 300
Thời gian giữ nhiệt (phút) 15 25 40 50 60 65 70 80 100
Hình 1.7 cho biết độ cứng nhận được của thép SKD61 với các tốc độ nguội khác nhau khi tôi. Từ giản đồ, nhận thấy rằng nếu làm nguội theo các đường nguội từ số 1÷6 thì độ cứng nhận được có giá trị từ 707÷592 HV (độ cứng chuyển đổi tương đương với 61÷55 HRC). Độ cứng này có thể đảm bảo rằng khi ram tiếp theo, có thể lựa chọn chế độ ram để có độ cứng của thép nằm trong khoảng 48÷53 HRC. Vì tốc độ nguội này khá nhỏ nên có thể sử dụng môi trường tôi là dầu nóng 80÷100oC để giảm thiểu ứng suất xuất hiện gây biến dạng mà vẫn đảm bảo nhận được tổ chức với độ cứng theo yêu cầu.
15
Hình 1.7. Giản đồ CCT của thép SKD61
Khi nhiệt độ tôi cao, lượng austenit dư nhiều, để austenit dư chuyển biến thành mactenxit ram và tăng độ cứng sau tôi thì phải tiến hành ram ở nhiệt độ cao, kết hợp với ram nhiều lần. Nhận thấy khi tôi ở các nhiệt độ trong khoảng 1020÷1050oC và ram ở các nhiệt độ khác nhau độ cứng đều có thể đạt được trong khoảng độ cứng yêu cầu của khuôn. Tuy nhiên do khuôn đùn ép làm việc ở nhiệt độ cao 450÷550oC, và khuôn tiếp tục xử lý thấm nitơ sau đó, do vậy lựa chọn nhiệt độ ram cho khuôn cần có những yêu cầu rất chặt chẽ. Cácbit Peclit Bainit Mactenxit Độ cứng HV10 Đường số T (giây) Giản đồ CCT
Nhiệt độ austenit hóa 1025oC. Thời gian giữ nhiệt 30 phút.
Nhiệt độ austenit hóa 1025o
C. Thời gian giữ nhiệt 30 phút.
Giây
Phút Giờ
16
Hình 1.8. Biểu đồ độ cứng của thép SKD61 sau tôi và ram ở các nhiệt độ
Từ biểu đồ hình 1.80, nhận thấy rằng vùng nhiệt độ ram 550÷600oC là thích hợp nhất, trước tiên ở vùng này sẽ tránh được hiện tượng giòn ram loại 2, tiếp theo tại đó có sự chuyển biến đáng kể austenit dư thành mactenxit ram, làm độ cứng tăng lên, xuất hiện độ cứng thứ 2 đáp ứng được yêu cầu độ cứng của khuôn. Mặt khác, khi ram ở nhiệt độ này tổ chức cũng ổn định và độ cứng sẽ giữ được tốt hơn khi khuôn làm việc. Ở nhiệt độ cao hơn, độ cứng giảm. Thời gian giữ nhiệt khi ram xác định qua kích thước của khuôn theo bảng 1.6.
Bảng 1.6. Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ram của SKD61
Chiều dầy
(mm) ≤25 26-35 36-64 65-84 85-124 125-174 175-249 250-349 350-499 Thời gian
17
Nhiệt luyện tôi và ram tạo ra cho khuôn cơ tính tổng hợp cao đáp ứng khả năng chịu lực đùn ép lớn. Tuy nhiên, với độ cứng trong khoảng 48÷53HRC, khả năng chịu mài mòn kém, khuôn bị mài mòn rất nhanh, do vậy, cần có thêm nguyên công xử lý bề mặt để tạo ra lớp có độ cứng cao, chống mài mòn. Các phương pháp xử lý bề mặt có thể áp dụng gồm: mạ crom cứng, phun phủ cacbit, thấm nitơ. Trong đó thấm nitơ là phương pháp được sử dụng thông dụng hơn cả, phương pháp này có ưu việt cả về tính kinh tế và chỉ tiêu kỹ thuật.