M Ở ĐẦU
1.3.2 Một số vật liệu dùng làm dụng cục ắt khi gia công hợp kim nhôm A7075
a. Hợp kim cứng
Là loại vật liệu làm dao được dùng rộng rãi nhất và có hiệu quả kinh tế cao. Vật liệu này được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột, luyện kim không phải qua nấu chảy mà vẫn ở trạng thái rắn. Hợp kim cứng (HKC) được chế tạo bằng cách ép và thiêu kết, do đó về cấu trúc cũng như tính chất cơ lý có những khác biệt so với
thép gió. Thành phần chủ yếu là các Các-bít Vônfram (WC), Các-bít Titan (TiC). Các-bít Tantan (TaC), ở dạng hạt mịn, trộn với Côban (Co) sau đó đem ép và thiêu kết ở nhiệt độ, áp suất cao. Do lượng Cacbit chiếm tỉ lệ rất lớn (> 90%) nên tính chất của HKC phụ thuộc vào tính chất của các Cacbit có mặt trong nó. Độ cứng của HKC là 70HRC và có thể làm việc ở nhiệt độ 800 ÷ 1000oC với tốc độ cắt lên đến 400 (m/phút). Hợp kim cứng được chia thành 3 nhóm như sau: Nhóm 1 Cacbit: Gồm có WC + Co, ký hiệu BK ; Nhóm 2 Cacbit: WC + TiC +Co, ký hiệu TK; Nhóm 3 Cacbit: WC + TiC + TaC + Co, ký hiệu TTK .
Hình 1.16. Đường cong ứng suất – biến dạng của 2 loại cacbit và thép gió [11].
Hình 1.16 cho thấy đường cong ứng suất – biến dạng của hai loại cacbit và thép gió. Cảhai cacbit đềcó mô đun đàn hồi (E) cao hơn thép gió và hợp kim 6% Co ứng suất chảy cao nhất. Trên hình 1.16 cho thấy đường cong ứng suất dần chuyển thành tuyến tính. Theo đó cũng thấy rằng lượng biến dạng dẻo trước khi phá hủy tăng lên theo hàm lượng coban.
Độ cứng và cường độ nén của cacbit đều giảm khi nhiệt độ tăng. Trên Hình 1.17 so sánh độ cứng ở nhiệt độ cao của các loại hợp kim cứng với thép gió. Qua đây cho thấy độ cứng và mức độ chịu nhiệt của cacbit cao hơn hẳn độ cứng và nhiệt độ của thép gió.
Như vậy hợp kim cứng khi được tráng phủ hoặc thấm thì tính cắt, tuổi bền cải thiện rõ rệt. Hiện nay trong công nghiệp gia công cắt gọt đa số đều lựa chọn dụng cụ cắt này để hạn chế tối đa các ảnh hưởng tới quá trình hình thành phoi, giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.
b. Thép gió
Một trong vật liệu làm dụng cụ cắt phổ biến hiện nay đó là thép gió. Thép gió là một loại thép công cụ có khả năng chịu mài mòn rất tốt, khả năng chịu nhiệt rất và có độ cứng cao. Vật liệu này có chứa các thành phần thép hợp kim hóa cao và có đặc tính đặc biệt đó là có thể nhiệt luyện trong gió. Bảng 1.3 là thành phần hóa học của các loại thép gió thông dụng.
Bảng 1.3. Thành phần của các loại thép gió[11]
Loại thép Thành phần hóa học Độ cứng (HV) C Cr Mo W V Co T1 0,75 4 - 18 1 - 823 T2 0,8 4 - 18 2 - 823 T4 0,75 4 - 18 1 5 849 T5 0,8 4 - 18 2 9,5 869 T6 0,8 4,5 - 20 1,5 12 969 T15 1,5 4 - 12 5 5 890 M1 0,8 4 8 1,5 1 0,8 823 M2 0,85 4 5 6 2 0,85 836 M4 1,3 4 4,5 5,5 4 - 849 M15 1,5 4 3,5 6,5 5 5 869 M30 0,8 4 8 2 1,25 5 869 M42 1,10 3,75 9,5 1,5 1,15 8 897
Thép gió còn được gọi là “thép cắt nhanh” hay “thép tốc độ cao” (High Speed Steel). Loại thép này khi dùng làm dụng cụ cắt cho phép làm việc với tốc độ rất cao. Ở nhiệt độ650°Cđộ cứng của thép gió có thểđạt đến 50HRC mà vẫn giữđược khả năng cắt gọt tốt. Tính chất cơ bản của họ thép này là khả năng chịu nóng cao do thép được đưa vào một lượng lớn vonfram (W) cùng các nguyên tố tạo cacbit khác như: Molipden (Mo), crôm (Cr), vanadi (V). Trên hình 1.18a là hình ảnh vi mô lớp cấu trúc của thép gió M2, phần lớn cấu trúc bao gồm mactenxit. Các nguyên tố hợp kim vonfram, molypden, vanadi có xu thế kết hợp với cacbon để tạo thành cacbua liên kết rất mạnh. Thành phần khác như Fe3(W, Mo)3C và V4C3, các nguyên tốnày được nhìn thấy trên Hình 1.18b tạo thành các vùng nhỏ, hình thuôn dài, màu trắng và chiều ngang vài m. Các hạt này đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nhiệt. Khi nhiệt độtăng lên, các hạt cacbua có xu hướng hòa tan, vonfram, molypden, vanadi và cacbon hòa tan cùng sắt. Nhiệt độcàng cao các nguyên tố này đi vào dung dịch đến điểm nóng chảy hạt vẫn còn nguyên vẹn, sựcó mặt của các hạt này ngăn cản các hạt thép phát triển. Do vậy thép gió được nung tới nhiệt độ 12900C mà không trởlên thô và giòn.
Hình 1.18. Cấu trúc tế vi của thép gió; a) thép cacbon, b) thép gió
Trên Hình 1.19 thể hiện đường cong nhiệt của thép gió. Lúc đầu khi nhiệt độtăng độ cứng giảm xuống, khi tăng hơn 4000C độ cứng tăng trở lại và khi nhiệt độ đến 5000C
Như vậy Von-fram là nguyên tố thiết yếu làm tăng độ cứng, molypden cũng là một nguyên tố có thể thay thế chức năng của nó. Hiện nay molypden được sử dụng là thành phần thường được sử dụng trong thành phần của thép gió. Cacbon là nguyên tố tạo lên liên kết của các nguyên tố cacbua mạnh (vanadi, vonfram và molypden). Trong đó cần thêm 1 % cacbon đi vào dung dịch để làm tăng cứng của ma trận mactenxit. Crom có luôn chiếm 4-5% trong tất cả các hợp kim, chức năng chính của nó là tăng độ cứng. Vanadium có tác dụng giảm mài mòn cho thép gió. Coban có tác dụng hạn chế sự phát triển của các hạt cacbua kết tủa. Hình 1.20 cho thấy giới hạn bền của thép gió và các vật liệu khác ởcác vùng nhiệt độkhác nhau.
Hình 1.19. Đường cong nhiệt độ của thép cacbon và théo gió [11]
.
c. Vật liệu phun phủ
Cùng với xu thế phát triển hiện nay, các nhà máy gia công cơ khí ra đời liên tục, môi trường cạnh tranh, nên các xưởng sản xuất cơ khí đều bắt buộc kiểm soát chi phí để đảm bảo cạnh tranh. Do đó việc kéo dài tuổi thọ đồ bền của dụng cụ cắt gọt kim loại là một yếu tố giúp giảm bớt một phần chi phí cho sản phẩm. Một trong những biện pháp giúp tăng tuổi thọ, độ bền của dụng cụ cắt gọt kim loại là sử dụng lớp phủ. Vật liệu phun phủ cũng được nghiên cứu sử dụng trong luận án, dưới đây là vai trò của lớp phun phủ và đặc điểm của công nghệ phun phủ hiện nay.
+ Vai trò của lớp phủ trong dụ cụ cắt gọt kim loại
- Tăng khả năng chịu mài mòn: Đây là khả năng của lớp phủ để chống lại sự mài mòn. Mặc dù vật liệu phôi không cứng, nhưng các nguyên tố cấu thành phoi đó và quá trình gia công có thể giúp vào gây ra hỏng lưỡi cắt của dao cụ hoặc gây ra lẹo dao.
-Tăng độ bóng bề mặt: Hệ số ma sát cao hơn có thể gây ra nhiệt độ ở vùng cắt cao, dẫn đến tuổi thọ dao cụ bị giảm hoặc lớp phủ bị hư hại, bong ra. Tuy nhiên, với hệ số ma sát thấp có thể gia tăng tuổi thọ dụng cụ cắt đáng kể. Nhiệt độ cắt có thể được giảm khi bề mặt dụng cụ có độ bóng cao và cũng giúp cho phoi thoát ra được dễ dàng hơn làm cho nhiệt độ cắt giảm xuống đáng kể.
-Tăng độ cứng: Độ cứng bề mặt cao của lớp phủ là một trong những lựa chọn tốt nhất để tăng tuổi thọ dụng cụ. Thông thường, khi vật liệu hay bề mặt càng cứng hơn, thì tuổi thọ dụng cụ sẽ càng tăng lên.
Lớp phủ TiCN (Titanium Carbo - Nitride) có một độ cứng bề mặt cao hơn lớp phủ TiN (Titanium Nitride). Do có nhiều carbon hơn, nên lớp phủ TiCN có độ cứng cao hơn 33% với khoảng độ cứng Vickers từ 3000 đến 4000, phụ thuộc vào các nhà sản xuất lớp phủ. Với độ cứng bề mặt khoảng 9000 Vickers của lớp phủ kim cương CVD, đã giúp cho tuổi thọ của dụng cụ tăng hơn 10 đến 20 lần nếu so sánh với lớp phủ PVD. Lớp phủ kim cương CVD này chính là lựa chọn tuyệt vời cho gia công các vật liệu kim loại màu (không chứa sắt) bởi độ cứng cao của nó và khả năng có thể chạy với tốc độ cắt cao hơn 2 đến 3 lần so với dao cụ không phủ.
-Tăng nhiệt độ oxi hóa: Đây là một điểm quan trọng cần lưu ý vì có thể gây ra quá trình gia công bị sự cố hư hỏng. Nhiệt độ oxi hóa cao hơn sẽ giúp cho hiệu quả cao hơn trong các quá trình gia công cho ra nhiệt độ cao.
dụng gia công với nhiệt độ cao. Lớp phủ này có thể giữ được độ cứng vẫn tốt ở nhiệt độ cao do có lớp phủ nhôm oxit – ở giữa dụng cụ cắt và phoi. Đồng thời cũng giúp tải nhiệt thoáttốt hơn từ bề mặt dao cụ vào phoi hoặc các bộ phận khác.
-Chống lẹo dao: Để chống lại việc phần nhỏ vật liệu bị tôi cứng bám vào mặt trước của dao (lẹo dao), bằng cách làm cho hoạt động hóa học giữa lưỡi dao cắt và vật liệu cắt giảm bớt đi. Hiện tượng lẹo dao thường xảy ra phổ biến trong gia công kim loại màu như nhôm, đồng. Lớp phủ mà có khả năng chống lẹo dao sẽ hiệu quả tại những nơi mà chất lượng nước làm mát còn thấp hoặc có vấn đề về nồng độ nước làm mát.
+ Các công nghệ phủ thông dụng hiện nay
Trên Hình 1.21 thể hiện độ cứng tế vi của các lớp phun phủ khác nhau. Dưới đây đưa ra đặc điểm của một số vật liệu phun phủ hay sử dụng:
Phủ Titanium Nitride (TiN) —phủ PVD công dụng chung, lớp phủ này làm tăng độ cứng và nhiệt độ ô xy hóa cao.
Phủ Titanium Carbo-Nitride (TiCN): lượng các bon thêm vào góp phần tăng độ cứng và bôi trơn bề mặt của lớp phủ.
Hình 1.21. Độ cứng tế vi của các lớp phun phủ[14]
Phủ Titanium Aluminum Nitride (TiAlN hoặc AlTiN): bao gồm một lớp ôxýt nhôm giúp nâng cao tuổi thọ của dao cho các ứng dụng sinh nhiệt mạnh mẽ. Được sử dụng trong trường hợp đặc biệt khi áp dụng gia công khô hoặc gần khô. Dao có lớp phủ AlTiN có độ bền bề mặt cao hơn, so sánh với dao có lớp phủ TiAlN, nhờ vào biến thiên tỷ lệ phần trăm được sử dụng trong hợp chất nhôm/titan. Tùy chọn này rất phổ biến cho các ứng dụng gia công cao tốc.
Phủ Chromium Nitride (CrN): lớp phủ này có ưu điểm nhờ vào các tính chất chống dính của nó, nó là một giải pháp được ưa thích cho việc chống lại hiện tượng lẹo dao.
Phủ kim cương: cho hiệu suất gia công tốt nhất khi gia công vật liệu không chứa sắt. Đặc biệt lý tưởng để gia công graphit, composit nền kim loại, nhôm có thành phần silicon cao và các loại vật liệu mài. Hoàn toàn không phù hợp cho gia công thép, vì các phản ứng hóa học làm phá hủy liên kết lớp phủvới chất nền.
Như vậy với các lợi ích của vật liệu phun phủ như đã nêu trên, khi gia công kim loại màu nói chung, gia công hợp kim nhôm A7075 nói riêng thì sử dụng vật liệu phun phủ là một giải pháp cải thiện đáng kể tuổi thọ của dụng cụ cắt. Đặc biệt khi gia công khô hợp kim nhôm vật liệu phun phủ được lựa chọn giảm các yếu tố về ma sát, nhiệt cắt, hiện tượng cứng nguội sinh ra…
1.4 Những vấn đề khi gia công khô và gia công có dung dịch trơn nguội hợp kim nhôm A7075
+ Gia công có dung dịch trơn nguội
Hai nhiệm vụ chính của dung dịch trơn nguội là bôi trơn ở tốc độ cắt tương đối thấp và làm mát ở tốc độ cắt tương đối cao. Ởvùng tốc độ cắt cao không có thời gian để chất lỏng thấm vào giao diện giữa phoi và dao, vùng mài mòn hoặc các vết nứt trên mặt sau của phoi để cung cấp dầu bôi trơn. Ở tốc độ cắt thấp thì việc làm mát không quan trọng tuy nhiên ởvùng bôi trơn lại quan trọng hơn. Như vậy dung dịch trơn nguội thường dùng làm mát ở tốc độcao và dùng bôi trơn ở tốc độ cắt thấp.
Theo Shaw, 1970 thì sử dụng dung dịch trơn nguội có liên quan đến các vấn đề của quá trình cắt như: thoát phoi, ăn mòn, sức khỏe và giá cả. Tuy nhiên mục tiêu chính của việc sử dụng dung dịch trơn nguội đó là: giảm chi phí và tăng năng suất gia công.
Một loại chất lỏng được sử dụng phổ biến trong quá trình cắt là cacbon tetraclrua. Cacbon tetraclorua (CCl4) là một trong những chất lỏng rất hữu ích và cho hiệu quả tốt nhất trong các dòng chất lỏng dùng cho quá trình gia công ở tốc độ cắt thấp. Chất lỏng này có tác dụng làm giảm đáng kể hệ số ma sát, ứng suất cắt, ứng suất biến dạng trên mặt phẳng cắt. Tuy nhiên chất lỏng này có nhược điểm là rất độc hại, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Hình 1.22. Hệ số cắt, góc cắt với hệ sốma sát ứng với điều kiện khác nhau [15].
Khi gia công ở vùng tốc độ cắt thấp, yêu cầu dung dịch trơn nguội phải có giảm được hệ số ma sát giữa dao và phôi. Các nghiên cứu thực nghiệm trước đó [15] đã cho thấy hưởng của dung dịch trơn nguội đến hệ số ma sát khi gia công nhôm nguyên chất và lấy dung dịch CCl4 làm tiêu chuẩn. Các dung dịch Disculfua, mercaptan làm cho hê số ma sát giảm nhiều nhất. Nhìn chung hệ số cắt tăng tương ứng với góc cắt và hệ số cắt thểhiên trên Hình 1.22.
Ởvùng tốc độ cắt cao các thí nghiệm cho thấy khi sử dụng CCl4 ở tốc độ 12,5 (m/phút), hiệu quả của dung dịch trơn nguội không cao. Ở vùng tốc độ cắt 3 đến 30 (m/phút) đối với thép thì xuất hiện lẹo dao có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt gia công. Đểtránh ảnh hưởng của lẹo dao người ta bổ sung một sốthành phần hóa học như lưu huỳnh, phôt pho để giảm độnhám bề mặt gia công. Ngoài ra đối với vùng tốc độ cắt thấp thì tăng góc sau của dụng cụ cắt và chiều sâu cắt cũng làm tăng chất lượng bề mặt gia công.
Ở vùng tốc độ cao 30 (m/phút) đến 60 (m/phút) thì lẹo dao không còn tuy nhiên nhiệt lại xuất hiện. Dung dịch trơn nguội lúc này không có tác động trên mặt trước của dao và mặt sau của phoi, chức năng duy nhất của dung dịch trơn nguội lúc này là chức năng làm mát. Tốc độ rất cao lớn hơn 150 (m/phút) thì dung dịch trơn nguội không có thời gian cho việc làm mát hiệu quả.
Như vậy dung dịch trơn nguội có thể có tác dụng hoặc không tác dụng ở các vùng tốc độ cắt khác nhau. Ởcác chu kỳ cắt gián đoạn như phay chẳng hạn thì dung dịch trơn nguội cho dải nhiệt độ quá lớn từ phần cắt (đột ngột tiếp cần với nhiệt độ cao ởđầu dao) đến phần không cắt (làm mát mạnh) do vậy làm ứng suấkéo thay đổi theo sựchênh lệch của nhiệt độ. Ở những trường hợp cắt gián đoạn hay dao làm bằng vật liệu cacbit nên cắt khô lại có hiệu quả hơn.
De Chiffre (1978) [15] đã nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội với khoan, khoét, doa và taro. Kết quảnghiên cứu cũng cho thấy lực cắt, tuổi thọ của dụng cụ cắt cũng phụ thuộc vào phương pháp gia công và cách thức sử dụng dung dịch trơn nguội. Tính năng hoạt động của dung dịch trơn nguội cũng được De Chiffre (1981) đưa ra quan điểm sau:
- Thiết lập màng mềm của vùng tiếp xúc giữa phoi và dao. - Làm giảm ứng suất cắt của vật liệu gia công
- Giảm chiều dài tiếp xúc giữa dao và phoi.
Thực nghiệm đo lực và nhiệt độ đều giảm khi gia công cho thấy ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội tới việc giảm ma sát và làm mát của chất lỏng. Tác giảcũng đã thực nghiệm hàng loạt các thí nghiệm trên nhôm, đồng, thép ít cacbon và thép có hàng lượng các bon cao để đánh giá ảnh hưởng của dung dịch trơn nguội đến quá