Việc xác ñịnh chế ñộ nhiệt luyện cho thép phụ thuộc rất lớn vào hình dáng, kích thước của chi tiết và sự phân bố cacbit trong tổ chức của thép ban ñầu. Thép SKD11 có tới 12% Cr, cacbit sau khi ñúc có dạng xương cá. Hình dáng, kích thước và sự phân bố cacbit trong tổ chức phụ thuộc rất nhiều vào quá trình gia công trước ñó như rèn phôi. Trường hợp lý tưởng là cacbit trong phôi thép cung cấp có dạng cầu nhỏ mịn (1-2 µm) phân bố ñều. Trên thực tế, phôi cung cấp ở dạng sau rèn, phôi ñược rèn cẩn thận sao cho cacbit vỡ vụn, có thể phân bố dọc theo phương rèn (không còn dạng xương cá).
Khuôn dập nguội yêu cầu ñộ cứng cao, thường trên 58HRC. Ở trạng thái cung cấp ñộ cứng của thép khoảng 20HRC. ðể phát huy các ñặc tính của chúng với ñiều kiện làm việc chịu áp lực cao, chịu mài mòn và va ñập chúng phải ñược nhiệt luyện tôi và ram.
Tôi thép phải nhằm mục tiêu ñạt ñược cơ tính cao sau tôi, có nghĩa là
mactenxit bão hòa cacbon và các nguyên tố hợp kim, nhưng không làm thô hạt và giòn. Lượng cacbon và nguyên tố hợp kim trong thép SKD11 cao, do vậy có nhiều cách tôi. Tùy thuộc vào việc chọn nhiệt ñộ tôi, thời gian giữ nhiệt ñể hòa tan phần lớn cacbit ban ñầu, lượng austenit dư nhận ñược khác
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...24
nhau, cơ tính khác nhau. Các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình tôi bao gồm: nhiệt ñộ tôi, thời gian giữ nhiệt ở nhiệt ñộ tôi và môi trường tôi.
a) Quá trình nung tôi, nhiệt ñộ tôi
Thép ñược nung ñến nhiệt ñộ austenit hóa. Ở nhiệt ñộ này, cacbit ñược hoà tan vào austenit, ferit (tự do hoặc trong cùng tích peclit) cũng chuyển biến thành austenit. Lượng cacbon, nguyên tố hợp kim có trong austenit ñược quyết ñịnh bởi việc chọn nhiệt ñộ tôi và thời gian giữ nhiệt ở nhiệt ñộ tôi. Khi tôi, austenit chuyển biến thành mactenxit và giữ lại một lượng austenit chưa chuyển biến (austenit dư). Nhiệt ñộ càng cao, thời gian giữ nhiệt càng dài, lượng cacbit hòa tan càng nhiều vào austenit, nhiệt ñộ bắt ñầu và kết thúc chuyển biến mactenxit càng thấp, lượng austenit dư càng nhiều. ðộ cứng sau khi tôi vì thế mà không ñạt ñược giá trị cao nhất. Nhiệt ñộ tôi quá cao còn dẫn ñến hiện tượng làm lớn hạt, sau khi tôi thép trở nên giòn, không ñáp ứng ñược yêu cầu làm việc. Vì vậy chọn nhiệt ñộ tôi phải hợp lý.
Nguyên tắc cơ bản của toàn bộ quá trình này là nung chậm và nung trong môi trường trung tính tránh thoát hoặc thấm C hoặc bị oxy hoá. Nhiệt luyện chân không, nhiệt luyện trong môi trường có khí bảo vệ hoặc nhiệt luyện trong lò muối nóng chảy là lựa chọn cần thiết.
Từ bảng tính chất vật lý của thép (bảng 1.5), ta thấy SKD11 là thép có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lại phụ thuộc và nhiệt ñộ của thép. Nhiệt ñộ cao, hệ số dẫn nhiệt tăng lên. Nung nhanh có thể dẫn ñến hiện tượng nứt khuôn. Phương pháp ñược lựa chọn là nung phân cấp. Thép SKD11 thường
ñược tiến hành nung phân cấp hai lần, lần 1 tại 650-700oC, lần 2 tại 850-
900oC do ñây là hai khoảng nhiệt ñộ nhạy cảm của thép. Tại nhiệt ñộ 600-
700oC là khoảng ñàn hồi của thép, và tại 800 ÷ 850oC là khoảng mà cacbit
hợp kim (cacbit Cr) bắt ñầu hòa tan. Do chịu sự thay ñổi thể tích khi nung nóng chuyển từ peclit thành austenit. Khuôn có kích thước không ñồng nhất,
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...25
các phần có bề dày khác nhau, sự thay ñổi thể tích này diễn ra không ñồng ñều, nó có thể là nguyên nhân dẫn tới biến dạng dụng cụ. Nung phân cấp lần thứ nhất từ nhiệt ñộ thường nung với tốc ñộ chậm, tốc ñộ nung khoảng từ 100
ñến 150oC/h ñến nhiệt ñộ 650-700oC, sau ñó cần giữ nhiệt ở nhiệt ñộ này ñể
ñồng ñều nhiệt trên toàn tiết diện. Phân cấp lần 2 ở nhiệt ñộ 850-900oC, tốc
ñộ nung từ phân cấp lần một ñến nhiệt ñộ phân cấp lần hai có thể nung với tốc ñộ lớn hơn (ñến 200oC/h). Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt ñộ phân cấp lần hai thường 2 phút/mm chiều dầy vật nung. Việc giữ nhiệt ở 850oC có mục ñích là hòa tan một phần cacbit Cr. Ở nhiệt ñộ này cacbit Crom ở dạng (Fe,Cr)3C bắt ñầu ñược hòa tan, việc giữ nhiệt này có ý nghĩa là giảm bớt ñược thời gian giữ ở nhiệt ñộ tôi (ñể hòa tan các cacbit), tránh ñược lớn hạt. [3]
Nhiệt ñộ tôi có tầm quan trọng ñặc biệt khi tôi thép dụng cụ, nhiệt ñộ này sẽ quyết ñịnh hàm lượng %C cũng như % các nguyên tố hợp kim trong austenite và cuối cùng là quyết ñịnh ñến ñộ cứng sau khi tôi. Nhiệt ñộ tôi ñược chọn ñể sao cho hòa tan phần lớn cacbit, cacbit trong SKD11 chủ yếu là cacbit Cr. Cacbit (Fe, Cr)7C3 và (Cr,Fe)23C6 hòa tan ở nhiệt ñộ trên 1000oC, do vậy nhiệt ñộ tôi ñược chọn phải trên 1000oC, trong khoảng 1020-1050oC, không nên lớn hơn.
Nếu nung tới khoảng 1100oC thì cacbit hợp kim sẽ hòa tan vào austenit nhiều, lượng austenit dư sau tôi nhiều hơn, ñộ cứng ñạt ñược thấp (khoảng 56HRC). Lượng austenit dư lớn có ưu ñiểm là giảm sự tăng thể tích do chuyển biến mactenxit khi tôi, do vậy ổn ñịnh ñược kích thước, ñiều này ñặc biệt cần thiết với các chi tiết có hình dạng phức tạp. Nhưng lượng austenit dư nhiều sẽ làm cho thép mềm, sau tôi không ñạt ñộ cứng tối ña. Ngược lại, nhiệt ñộ tôi thấp, thời gian giữ nhiệt không ñủ thì lượng cacbit sơ cấp (cacbit 1) hòa tan ít, ñộ cứng sau tôi không cao, cacbit sơ cấp còn nhiều, cacbit này có khả
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...26
năng chống mài mòn nhưng do kích thước lớn, ña cạnh, phân bố không ñều, là nơi dễ sinh ra vết nứt tế vi trong quá trình làm việc sau này.
Ở nhiệt ñộ tôi (1020-1050oC), cacbit bắt ñầu ñược hoà tan vào austenit. Một số cacbit chưa hoà tan (như cacbit vanadi, môlipden) ñóng vai trò quan trọng trong việc cản trở sự lớn lên của hạt khi nung và giữ nhiệt, Cacbit này càng mịn và càng phân bố ñều thì cấu trúc của thép sau nhiệt luyện càng nhỏ mịn. Tuy nhiên nếu cacbit sơ cấp (ban ñầu) không ñược hòa tan còn lại nhiều khi nung tôi do kích thước quá lớn hoặc có dạng xương cá, nằm lại trong nền sau khi tôi, xung quanh vùng ranh giới cacbit và nền có thể sẽ xuất hiện vết nứt tế vi, bản thân cacbit cũng sẽ là nơi phát sinh vết nứt ñầu tiên trong quá trình làm việc sau này. Vì vậy thép này trước khi chế tạo khuôn nhất thiết phải rèn ñể nhận ñược cacbit sơ cấp nhỏ và làm phân tán, ñồng thời có thời gian giữ hợp lý ñể hòa tan chúng. [3]
Từ nhiệt ñộ nung phân cấp lần hai ñến nhiệt ñộ tôi, tốc ñộ nung có thể lớn hơn chút ít so với giai ñoạn hai, nếu nung quá chậm sẽ tạo ñiều kiện cho hạt lớn lên.
Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt ñộ tôi: không có một công thức chính xác về thời gian này vì nó phụ thuộc nhiều vào thiết bị nung, nhiệt ñộ tôi, kích thước, số lượng sản phẩm. Theo tham khảo tài liệu của một số nước [12], thông thường với nhiệt ñộ tôi khoảng 1000o – 1100oC, người ta thường tính thời gian giữ nhiệt khi bắt ñầu ñạt nhiệt ñộ tôi là 1h/25mm chiều dày sản phẩm, sau khi ñạt ñược nhiệt ñộ tôi, nên giữ nhiệt khoảng 30 phút rồi mới tôi. ðối với các sản phẩm mỏng hay nhiệt ñộ tôi cao thì thời gian ñó có thể giảm xuống còn 15 phút hay chỉ vài phút.
Tuân thủ chặt chẽ qui trình nung tôi là rất cần thiết, ñồng thời sẽ làm cho ứng suất nhiệt xuất hiện trong chi tiết là nhỏ nhất, biến dạng cũng ít nhất. Các giai ñoạn nung ñược nêu như trên hình 2.8.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...27
Hình 1.8. Sơñồ nung, tôi thép SKD11
b) Quá trình làm nguội - môi trường tôi
Làm nguội thép phải căn cứ vào giản ñồ CCT của thép ñó, biết ñược tốc ñộ nguội tới hạn, có thể chọn ñược môi trường tôi thích hợp ñể nhận ñược tổ chức tế vi ñáp ứng với yêu cầu làm việc.
Thông thường, mong muốn nguội chậm, ñể làm giảm ứng suất nhiệt, ứng suất tổ chức do chuyển biến austenit thành mactenxit làm tăng thể tích gây ra
ứng suất tổ chức, ñiều này ñặc biệt cần thiết cho các chi tiết dày và có hình
dạng phức tạp. Vì thế với thép dụng cụ không nên làm nguội ñến nhiệt ñộ phòng mà nên dừng và chuyển sang ram khi nhiệt ñộ ñạt ñến 50o – 70oC. Tuy nhiên nếu nguội quá chậm, các pha không mong muốn như bainit hay ferit hình thành làm giảm chất lượng sản phẩm.
Môi trường tôi của thép hợp kim thông thường là dầu. ðể có ñược khả năng làm nguội tốt nhất, dầu tôi nên có nhiệt ñộ khoảng 60o – 80oC, ñể tăng ñộ linh ñộng của dầu, ñồng thời giảm bớt ứng suất nhiệt trong chi tiết tôi. Có
Thời gian Dầu nóng ToC 1050 650 850 τgn1 τgn2 τgn3
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...28
thể thực hiện cách tôi trong dầu là làm nguội qua 2 giai ñoạn. Giai ñoạn 1, sản phẩm ñược làm nguội trong dầu ñến nhiệt ñộ trên MS một chút, giữ ñể ñồng ñều nhiệt sau ñó làm nguội ngoài không khí qua quá trình chuyển mactenxit. Khi sử dụng phương pháp tôi này cần lưu ý là quá trình chuyển biến pha rất nhanh vì thế không ñược giữ ở nhiệt ñộ trên MS ở giai ñoạn 1 lâu dễ có hiện tượng chuyển biến bainite làm giảm ñộ cứng.
Cũng có thể tôi trong không khí tĩnh ñối với các thép hợp kim cao, khí nén có tốc ñộ nguội thấp hơn 2 môi trường tĩnh. Tôi không khí cho ta ñộ biến dạng thấp nhất, tuy nhiên cần lưu ý ñến nguy cơ bị oxy hoá bề mặt.
Những năm gần ñây khi mà công nghệ nhiệt luyện chân không ñược ứng dụng rộng rãi , khí trơ (N2, Ar) dưới áp suất cao ñược sử như là môi trường tôi lý tưởng cho thép dụng cụ hợp kim cao.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ...29
Hình 1.9 là giản ñồ CCT của thép SKD11 khi làm nguội liên tục, ñây là thép hợp kim cao, ñường cong chữ C dịch nhiều sang bên phải vì vậy tốc ñộ nguội tới hạn nhỏ. Từ giản ñồ này thấy rằng thép SKD11 có thể nguội chậm (0,1 ñộ/phút) trong không khí nhận ñược mactenxit. ðể giảm bớt ứng nhiệt khi tôi, thép này có thể làm nguội ñẳng nhiệt ở 500oC với thời gian khoảng 104 giây (2,8 giờ), sau ñó nguội trong không khí, cách tôi nhận ñược mactenxit có ñộ cứng cao với ứng suất nhỏ nhất. Trên thực tế với mẻ tôi lớn, ở vùng nhiệt ñộ cao, tốc ñộ nguội chậm có thể chạm vào ñường cong chữ ”C” và nhận ñược tổ chức có một phần peclit với ñộ cứng thấp, không ñạt yêu cầu.
Vì vậy có thể làm nguội trong không khí nén, quạt gió hoặc an toàn hơn, làm
nguội trong dầu nóng. Tuy nhiên làm nguội trong dầu gây ứng suất lớn, do vậy sau tôi cần phải tiến hành ram ngay ñể tránh hiện tượng nứt chi tiết. [3]