5.4.2.1. Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt:điều kiện làm việc và yêu cầu cơ tính:
Hình 5.12. Sơ đồ tiện (a) và sơ đồ mặtcắt khi tiện (b):
1. phôi 2. phoi 3. rãnh lõm 4. dao 5. mặt trước 6. mặt sau
Các loại dao làm việc trong điều kiện tiện, 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 (hình 5.12). 1) Độ cứng cao: cao HRC ≥ 60, bằng thép thì %C > 0,70% và qua tôi cứng + ram thấp.
2) Chịu mài sát: mặt trước với phoi, mặt sau với phôi, đặc biệt là trên mặt trước. Dao phải
có tính chống mài mòn cao:độ cứng cao, nhiều cacbit d ư thì chống mài mòn tốt.
3) Chịu nhiệt cao: nhiệt độ l ưỡi cắt > 200 ÷ 300oC, do đó dao cắt cần phải có tính cứng
nóng cao.
Thép làm dụng cụ cắt cũng phải có tính công nghệ nhất định: thấm tôi tốt, có khả năng chịu
gia công áp lực ở trạng thái nóng, có khả năng chịu gia công cắt ở trạng tháiủ (HB ≤ 265).
5.4.2.2. Thép làm dao có năng su ất thấp
Đó là loại thép làm dao chỉ cắt được với tốc độ 5 ÷ 10m/min.
Thép cabon:
TCVN: CD70, CD80, CD80Mn, CD90, CD100, CD110, CD120 và CD130.
Chúng có các đặc tính như sau: P≤ 0,035, S ≤ 0,030 rất thấp.
- Sau khi tôi + ram thấp có thể đạt HRC ≥ 60 đủ để cắt. Chế độ tôi của các thép nh ư sau:
CD70, CD80: tôi hoàn toàn ở 800 ÷ 820oC, 780 ÷ 800oC.
CD90 ÷ CD130: tôi không hoàn toàn ở 760 ÷ 780oC. Cùng có độ cứng HRC 60 ÷ 62.
CD100 ÷ CD130 có nhiều XeII dư nên chống mài mòn tốt hơn.
- Dễ biến dạng nóng, dễ gia công cắt và rẻ.
Nhược điểm quan trọng:
+Độ thấm tôi thấp (chỉ tôi thấu các tiết diện tr ên dưới 10mm). Với các dao lớn h ơn, lớp tôi
mỏng, sau thời gian làm việc khi mài lại không cònđủ độ cứng nên phảitôi lại, do đó không
thuận tiện khi sử dụng.
+Tính cứng nóng thấp: không vượt quá 200 ÷ 250oC, do đó tốc độ cắt không quá 5 m/min.
Công dụng: dao nhỏ, hình dạng đơn giản với năng suất thấp hay dụng cụ cầm tay: giũa
(CD120).
Đó là nhóm thép có thành phần cacbon cao (~ 1% và cao hơn) và được hợp kim hóa thấp
và vừa phải với đặc tính có độ thấm tôi tốt h ơn hay tính chống mài mòn cao. Loại có tính thấm tôi tốt: 1%Cr (có thể thêm 1%Si): 90CrSi (Nga 9XC)
Công dụng: làm dao nhỏ hình dạng phức tạp như mũi khoan, doa, tarô, bàn ren, lược ren, phay..
Tính cứng nóng tương đối khá: Si cùng với Cr tăng tính cứng nóng tới 300oC, tốc độ
10m/min.
Tương đối rẻ, được dùng tương đối phổ biến.
Nhược điểm mà đáng kể nhất là dễ thoát cacbon khi nung (do Si) nên phải chú ý bảo vệ khi tôi. Thép được tôi ở 840÷860oC trong dầu, ram 150÷200oC, độ cứng 62÷64HRC.
Loại có tính chống mài mòn cao: %C rất cao (>1,30%) với 0,50%Cr và 4,0÷5,0%W mác 140CrW5 (Nga XB5). Do C và W tạo cacbit làm tăng rất mạnh tính chống mài mòn. Tính thấm tôi thấp (ít Cr và nhiều cacbit) môi trường tôi phải là nước. Độ cứng HRC sau khi tôi
(800 ÷ 820oC) ram (~ 150oC) đạt tới 66 ÷ 68, làm dao tiện, phay với tốc độ cắt không lớn lắm
(sửa phôi cứng) quay chậm.
5.4.2.3. Thép làm dao có năng su ất cao- Thép gió:
Thép gió là tên gọi Việt Nam (thép cắt nhanh: Anh- high speed steel, Pháp- acier à coupe rapide, Nga -быстрорежущая сталь) tự tôi khi nguội trong gió- thép gió.
- Tốc độ cắt 35 ÷ 80m/min (3 ÷ 7 lần so với loại trên). - Tính chống mài mòn và tuổi bền cao (8 ÷ 10 lần).
- Độ thấm tôi đặc biệt cao (tôi thấu với tiết diện bất kỳ).
Thành phần hóa học và tác dụng của các nguyên tố:
Tổng lượng W+Mo > 10%, Cr=4%, ngoài ra còn có thể có thêm V, Co. Tác dụng của các nguyên tố:
C= 0,70 đến 1,50%, đủ để hòa tan vào M và tạo thành cacbit với các nguyên tố W, Mo và đặc
biệt là V. Thêm 1%V phải đưa thêm 0,10 ÷ 0,15%C vào thép, tăng m ạnh tính chống mài mòn. Cr khoảng 4% (3,8 ÷ 4,4%): tăng mạnh độ thấm tôi.
W= 6 ÷ 18%: tạo tí nh cứng nóng cao, tới 600oC.
Mo: thay thế W đắt lại có tỷ lệ quá cao: 1%Mo thay thế đ ược gần 2%W, lợi về kinh tế.
V: tạo cacbit rất mạnh VC l àm tăng tính chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khi tôi. Co: > 5% tăng tính c ứng nóng.
Tổ chức tế vi và nhiệt luyện:
Sau ủ và thường hoá: sau ủ: Lê, sau thường hoá: M. Thép chứa nhiều cacbit (15 ÷ 25%), sau khi đúc cacbit chủ yếu ở dạng cùng tinh Lê hình xương cá nên rất giòn và phải làm nhỏ
chúng bằng biến dạng nóng (cán, rèn).
Gia công: Thông thường phôi được cung cấp có tiết diện càng nhỏ chứng tỏ đã đượccán với độ biến dạng (ε) mạnh nên đã có cacbit nhỏ mịn và phân bố đều. Phôi lớn ( > 40)
thường phải rèn. Sau khi rèn bị biến cứng, thép phải đ ược qua ủ không hoàn toàn ở
840÷860oC đạt độ cứng HB 241÷269 với tổ chức peclit (dạng xoocbit) + cacbit nhỏ mịn phân
Nhiệt luyện kết thúc bằng tôi + ram: quyết định độ cứng, tính chống mài mòn caođặc biệt
là tính cứng nóng theo yêu cầu.
Tôi: nhiệt độ tôi rất cao (gần 1300oC) khoảng dao động lại khá hẹp (chỉ 10oC), không cho phép tôiở nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn giới hạn quy định vì:
1) Khi tôi thấp hơn: γ chữa bão hòađủ W để nâng cao tính cứng nóng:
+ Khi nung trên Ac1 (khoảng 850oC) mới có chuyển biến P → γ, do vậy tôi ở 850 ÷ 900oC chỉ đạt HRC 45 ÷ 50 chữa đủ để cắt.
+ Nungở trên 900-1000oC: cacbit hợp kim bắt đầu hòa tan ngày càng nhiều vàoγ làmγ trở
nên giàu nguyên tố hợp kim (và cả cacbon) (hì nh 5.13a). Cr do Cr23C6 dễ hòa tan hơn cả nên bão hoà sớm nhất. VC hầu như không tan vào austenit. Còn Fe3W3C (loại cacbit chủ yếu) bắt đầu hòa tan mạnh ở trên 1150oC và ngay cả tới gần 1300oC γ cũng chỉ hòa tanđược 8%W.
Cơ sở chọn nhiệt độ tôi của thép gió:
1) Nhiệt độ tôi phải đủ cao để γ chứa nhiều W để có tính cứng nóng cao nhất. Tại nhiệt độ
tôi vẫn còn khá nhiều cacbit Fe3W3C và toàn bộ VC chữa hòa tan sẽ cản trở hạt phát triển,
giữ cho hạt nhỏ và làm tăng tí nh chống mài mòn.
Hình 5.13. Độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim vàoγ của thép gió (a)
và tổ chức tế vi của thép gió sau khi tôi (b)
2) Tôiở nhiệt độ cao quá: cacbit hòa tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép bị giòn, thậm chí có trường hợp biên hạt bị chảy. Do đó nhiệt độ cao một cách khá chính xác. Nếu chỉ cần đạt độ cứng cao (HRC > 60) thì nhiệt độ tôi chỉ cần hơn 1000oC là đủ.
Tổ chức tế vi của thép gió sau khi tôi: hình 5.13b gồm: M giàu W,γ dư (30%) và cacbit dư
(15 ÷ 20%) với độ cứng HRC chỉ khoảng 62. Cacbit d ư có ảnh hưởng tốt đến tính chống mài mòn song lượng lớn γ dư làm giảm độ cứng của thép tôi v ài đơn vị HRC. γ dư nhiều vì tôi ở
nhiệt độ cao, γ hoà tan nhiều nguyên tố hợp kim làm hạ thấp điểm MK. Do γ quá nguội có
tínhổn định rất cao nên có thể tôi cho thép gió:
- Tôi trong dầu nóng (> 60oC): áp dụng cho các dao có hình dạng đơn giản.
- Tôi phân cấp trong muối nóng chảy (400 ÷ 600oC): với thời gian giữ nhiệt 3-5min, áp dụng cho các dao nhỏ, hình dạng phức tạp, yêu cầu độ cong vênh rất nhỏ như mũi khoan.
- Tôi trong không khí (tự tôi): tuy vẫn đạt độ cứng cao đối với dao mỏng, song có thể cho độ cứng không đều (độ cứng thấp hơn ở chỗ dày), dễ bị ôxy hóa, thoát cacbon bề mặt, tiết
cacbit khỏi γ làm giảm tí nh cứng nóng, nên rất ít dùng.
- Tôi đẳng nhiệt ra bainit (giữ ở 240 ÷ 280oC hàng h): cho biến dạng nhỏ nhất song độ
cứng HRC không quá 60, năng suất thấp, ít dùng.
- Gia công lạnh: để khử austenit d ư sau khi tôi, áp dụng khi cần ổn định kích th ước.
Ram thép gió: mất ứng suất bên trong, khử bỏ γ dư, tăng độ cứng (HRC tăng thêm 2 ÷ 3). Chế độ nhiệt luyện điển hình (hình 5.14).
Ram 2 ÷ 4 lần (thường là 3)ở 550 ÷ 570oC, mỗi lần trong 1h.
Khi nung tới 550oC cacbit vonfram Fe3W3C nhỏ mịn mới bắt đầu tiết ra khỏi dung dịch
rắn làmγ nghèo hợp kim đi, nâng cao điểm Mđ và làm giảm ứng suất nén lên γ dư làm pha
này chuyển biến thành M, độ cứng tăng lên. Sau mỗi lần ram chỉ có một tỷ lệ nhất định
(khoảng 50 ÷ 75%) γ dư chuyển thành M và lại gây ra ứng suất bên trong mới, nên sau đó thay đổi của lượng γ dư và độ cứng HRC
Để nâng cao hơn nữa khả năng cắt của thép gió, sau khi mài có thể được thấm C-Nở nhiệt độ thích hợp (550 ÷ 570oC) trong vài giờ hoặc tốt nhất là đem phủ TiN bằng công nghệ PVD.
phải ram thêm 1 ÷ 3 lần nữa để quá trình xảy ra được hoàn toàn hơn.
Hình 5.14. Quy trình tôi + ram thép gió 80W18Cr4V (P18, T1, SKH2) cùng với sự
Các mác và công dụng:
Bốn mác trong số các loại thép gió th ường gặp của Nga, Mỹ và Nhật.
1. Thép gió với năng suất thường: tính cứng nóng đến 615 ÷ 620oC, không chứa hay chứa
rất ít Co và có < 2%V, gồm 2 mác: 80W18Cr4V (P18, T1, SKH2) và 85W6Mo5Cr4V2 (P6M5, M2, SKH51). Mác sau chứa ít W nên rẻ hơn mà tính cắt vẫn tương đương nhau.
Nhiều nước loại thép gió 85W6Mo5Cr4V2 chiếm tới 50% l ượng thép gió sử dụng. Ký hiệu
VN (Nga, Hoa kỳ, Nhật).
2. Thép gió với năng suất cao: tính cứng nóng đến 630 ÷ 650oC, có thể cắt với tốc độ ≥40m/min hoặc có tí nh chống mài mòn cao, chúng chứa Co và > 2%V, gồm 2 mác:
85W18Co5Cr4V2 (P18K5Φ2, T4, SKH3); 155W12Co5V5Cr4 (P12Φ4K5, T15, SKH10).
Làm các dụng cụ cắt lớn, hình dạng phức tạp, điều kiện cắt nặng với năng suất cao (tốc độ
lớn) và tuổi thọ cao, tức liên quan đến các loại dao phức tạp nhất, chủ chốt nhất, rất đa dạng
nên thép gió có tầm quan trọng quyết định trong chế tạo dụng cụ cắt.