Trong các phân xưởng hoặc các nhà máy cơ khí, nguyên công cắt gọt bao gồm tiện, phay, bào, khoan, doa… có khối lượng lớn hơn cả, không mấy chi tiết tránh được cắt gọt.
Yêu cầu đối với thép làm dao cắt
Độcứng cao, đây là yêu cầu tối thiểu đầu tiên, vìđểcó thểcắt gọt được, độcứng của dao phải cao hơn hẳn độcứng của phôi. Trong trường hợp gia công các vật liệu dễ cắt như hợp kim màu, thép gang thông thường, độ cứng của phôi không quá 200- 250HB, độcứng của dao không dưới 60HRC. Còn khi phải gia công các vật liệu khó cắt như thép, gang, hợp kim cao như thép bền nóng, thép không gỉ, gang austenit…, đá, vật liệu gốm,… độ cứng của dao phải cao hơn nữa, lúc đó không dùng dao bằng thép mà phải dùng những vật liệu có độcứng cao như các loại hợp kim cứng.
Tính chống mài mòn cao, khi làm việc, dao cắt luôn bị mài sát vào phôi và phoi, để đảm bảo tuổi thọ của dao và tính chính xác gia công, dao phải có tính chống mài mòn cao. Tính chống mài mòn của dao trước hết phụ thuộc vào độ cứng của nó, độ cứng càng cao tính chống mài mòn càng cao. Tuy nhiên với hai thép dụng cụ có độ cứng như nhau, thép nào có chứa nhiều cacbit dư phân tán đều hơn, thép đó sẽ có tính chống mài mòn cao hơn (ví dụ thép CD120 có tính chống mài mòn cao hơn thép CD80, tuy cả hai có cùng độcứng sau khi tôi).
Tính cứng nóng, tính cứng nóng là khả năng duy trì được độ cứng caoở nhiệt dộ cao, nó được xác định bằng nhiệt độram lớn nhất (với thời gian ram 1h) mà độcứng
của vật liệu làm dao không dưới 58HRC. Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng, nó quyết định tốc độ cắt của dao. Bởi vì khi làm việc, nhất là khi cắt nhanh do mài sát với phôi và phoi mà dao có thểbị nung nóng mãnh liệt, tổchức có độcứng cao là mactenxit có thểbị phân hủy (giống như nó bị ram) làm độ cứng của dao giảm đi, khả năng cắt gọt bị giảm. Ví dụ, thép dụng cụ cacbon chỉ có tính cứng nóng đến khoảng 200-2500C, trong khi đó thép gió có thể giữ được độ cứng cao đến khoảng 600-6500C, do tính chống ram của nó cao hơn thép cacbon
Ngoài ba yêu cầu chủyếu trên, thép làm dao phải có độ bền uốn cao (trường hợp dao tiện) hoặc độ bền xoắn cao (trường hợp mũi khoan) và độ dai va đập cũng không được quá thấp đểtránh mẻ, gẫy lưỡi cắt.
2.5.2.1. Thép làm dao cắt năng suất thấp.
Dao cắt năng suất thấp là những loại dao cắt mà tốc độcắt chỉkhoảng 5-10m/ph. Đểchếtạo những loại dao này có thểdùng thép cacbon và thép hợp kim thấp.
a. Thép cacbon
Để chế tạo dụng cụ cắt năng suất thấp, có thể dùng thép dụng cụ cacbon loại CD70, CD80,…CD130, chúng tương đương với các sốhiệu W1, W2 của Mỹ. Sau khi tôi và ram thấp, chúng có độcứng trên 60HRC, để đảm bảo cắt gọt. Các thép sau cùng tích, ngoài mactenxit còn có xementi II nên có tính chống mài mòn cao hơn so với thép trước cùng tích và cùng tích.
Nhược điểm của thép cacbon là có độ thấm tôi thấp, nên chỉ thích hợp làm dao cắt nhỏ, hình dạng đơn giản và nhất là do tính cứng nóng thấp nên chỉ cắt với tốc độ không quá 5m/ph (dao cắt năng suất thấp và dụng cụcầm tay).
b. Thép hợp kim thấp
Các nguyên tố hợp kim thường dùng đối với thép dụng cụ hợp kim thấp là Cr, Mn, Si, W. Trong đó Cr khoảng 1% và Mn khoảng 1-2% để tăng độ thấm tôi cho khoảng 1%Si và khoảng 4-5%W để tăng độcứng và tính chống mài mòn.
Mác đầu và mác cuối có lượng C rất cao (1,3-1,4%), lượng Cr thấp (0,5%), nên độ thấm tôi thấp, có thể tôi trong nước và do vậy đạt được độ cứng rất cao (65- 68HRC), lượng cacbit dư nhiều (20-30%) nên có khả năng chống mài mòn cao, có thể dùng làm dao cạo các loại kể cả dao cạo râu. Riêng mác 140CrW5 còn được gọi là thép kim cương, dùng đểgia công tinh các loại vật liệu cứng.
Mác 100Cr2 tương đương mác thép ổ lăn OL100Cr2 có thể dùng làm dao tiện năng suất thấp tốc độ cắt nhỏ hơn 10m/ph. Tuy nhiên mác 100Cr2 không thểthay mác OL100Cr2 làm ổ lăn vì lượng chứa P, S của nó vẫn vòn cao không đảm bảo yêu cầu tránh điểm mềm của thép ổ lăn.
Các mác 90CrSi, 90Mn2 tương đương với số hiệu thép dụng cụ tôi dầu của Mỹ, được dùng phổ biến vì tương đối rẻ(do hợp kim hóa bằng Mn và Si), có độthấm tôi
tố, có tính cứng nóng tới 250-2600C, tốc độcắt có thể đạt 10-14m/ph, có thể dùng để chế tạo mũi khoan, tarô, bàn ren, dao phay,… kích thước nhỏ. Khi nhiệt luyện lưu ý tránh thoát cacbon (thép có Si) và tránh hạt lớn (thép có Mn).
2.5.2.2. Thép dao cắt năng suất cao (thép gió)
Thép gió là thép dụng cụ hợp kim cao, dùng để làm dụng cụ cắt với năng suất cao. So với thép dụng cụ cacbon và hợp kim thấp đã nêu, thép gió có tốc độ cắt cao gấp 2-4 lần, tuổi thọ cao gấp 8-10 lần, tính cứng nóng đạt đến 560-6000C, tốc độ cắt đạt 25-35m/ph và có độthấm tôi cao (hầu như tôi thấu tiết diện bất kỳ).
a. Thành phần hóa học và tác dụng của các nguyên tố
Người ta thường chia thép gió ra làm hai nhóm, nhóm có năng suất thấp cắt bình thường (tốc độ cắt khoảng 25m/ph) và nhóm năng suất cao có tốc độcắt khoảng 35m/ph hoặc cao hơn.
Cacbon của thép gió thay đổi trong phạm vi 0,7-1,5% bảo đảm độ cứng và tính chống mài mòn cao cho thép. Các số hiệu có lượng cacbon cao (1,2-1,5%) có tính chống mài mòn rất cao, vì có nhiều cacbit dư (WC, VC, MoC…).
Crôm có ở trong mọi thép gió với lượng khoảng 4%, nó có tác dụng chủ yếu là tăng độ thấm tôi, chính nhờ vậy thép gió hầu như có độ thấm tôi bất kỳ, có thể tôi trong gió (không khí nén), hoặc tôi phân cấp đểgiảm biến dạng dụng cụ.
Vonfram là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất của thép gió với lượng khoảng 9- 18% tạo cho thép tính cứng nóng cao, quyết định đến năng suất cắt gọt. Vonfram là nguyên tốtạo cacbit mạnh, trong thép gió nó chủyếu nằmởdạng Me6C, khi nung nóngở nhiệt độ cao, một phần Me6C bị phân hóa hòa tan vào austenit do vậy sau khi tôi mactenxit có chứa nhiều W. Khi ram cacbit Me6C chỉtiết ra khỏi mactenxitởnhiệt độcao hơn 550-5700C, đảm bảo tính cứng nóng của thép gióởkhoảng trên dưới 6000C.
Vanađi là nguyên tố tạo cacbit mạnh, VC rất khó hòa tan vào austenit khi nung, chúng phân tán đều trong thép làm tăng mạnh tính chống mài mòn cho thép. Trong mọi thép gió lượng V ít nhất cũng khoảng 1-2%, khi lượng V cao hơn, tính chống mài mòntăng lên nhưng tính mài lại kém đi, mặt khác khi đó cũng phải tăng lượng cacbon tương ứng, nếu không lượng cacbon hiệu dụng trong mactenxit không đủ, sẽlàm giảm độcứng của thép.
Côban là nguyên tố không tạo cacbit, nó hòa tan vào sắt, với lượng 5-10%Co, tính cứng nóng của thép gió được cải thiện đáng kể.
Môlipđen được đưa vào để thay thế volfram (đắt), bởi vì trên rất nhiều mặt. Môlipđen khá giống với W có kiểu mạng tinh thể, đường kính nguyên tử tương tự nhau, tính chất hóa học giống nhau, cũng là ngu yên tố tạo cacbit, trong thép gió nó cũng tạo nên nhiều loại cacbit giống với các loại volfram cacbit,… nên chúng có thể thay thếlẫn cho nhau. Theo tính toán, 1% nguyên tửMo thay thế được cho 1% nguyên
tử W, nhưng Mo chỉ nhẹ bằng nửa W, do vậy theo tỷlệtrọng lượng, 1%Mo thay thế được cho 2%W. Ưu việt nổi bật của thép gió W-Mo là thiên tích cacbit nhỏ, tính dẻoở trạng thái nóng tốt nên dễ biến dạng nóng. Tuy vậy thép gió W-Mo khó nhiệt luyện hơn so với thép gió W do dễbịquá nhiệt, oxy hóa và thoát cacbon hơn.
b. Tổchức của thép gióởtrạng thái đúc, sau khi rèn và ủ
Do thành phần cacbon và hợp kim cao, thép gió thuộc loại thép lêđêburit (ởtrạng thái đúc hoặc trạng tháiủ), thép mactenxit ởtrạng thái thường hóa.
Hiện nay cũng có xu hướng dùngthép gió đúc (không qua biến dạng), do đó tiết kiệm được chi phí sản xuất. Quy trình chếtạo dao cắt thép gió đúc như sau: đúc chính xác - ủ - gia công cơ - tôi khửbỏ lêđêburit - ủ - gia công cơ - tôi thường – ram - mài sửa. Dao cắt bằng thép gió đúc cũngcó tính cứng nóng và chống mài mòn tốt.
Hình 2.9. Tổchức tếvi của thép gió: a. Trạng thái sau khi đúc, có lêđêburit, cacbit không đồng đều; b. Sau khi rèn vàủ, cacbit đồng đều
c. Tôi thép gió
Tôi thép gió là nguyên công có ý nghĩa quyết định tính cứng nóng của thép so với thép thường, nhiệt độtôi thép gió là rất cao từ1230-12900C, với mục đích chủyếu để hòa tan đến mức tối đa các nguyên tố hợp kim vào austenit, để sau khi tôi chúng nằm trong mactenxit, đảm bảo tính cứng nóng cho thép sau khi làm việc. Môi trường tôi thép gió là dầu nóng khoảng 60-800C, hoặc tôi phân cấp trong bểmuối nóng chảy (400-6000C) rồi nguội ngoài không khí.
Tổchức của thép gió sau khi tôi gồmmactenit, austenit dư (30-40%) và cacbit dư (15-20%), với độcứng 62-63HRC.
Hình 2.10. Mức độhòa tan nguyên tốhợp kim vào austenit theo nhiệt độnung
Hình 2.11. Tổ chức tế vi của thép gió 80W18Cr4VMo sau khi tôi
d. Ram thép gió
Hình 2.12. Quy trình nhiệt luyện kết thúc thép gió 80W18Cr4VMo
Ngoài mục đích như với các thép khác, ram thép gió còn nhằm làm giảm lượng austenit dư sau khi tôi, tăng độcứng cho thép. Nhiệt độ ram trong phạm vi 550-5700C và phải ram nhiều lần (2-4 lần) mỗi lần 1h. Nếu ram thấp hơn 5500C trong thép sẽ không có chuyển biến gì mới, còn nếu ram trên 6000C sẽlàm cacbit kết tụlàm giảm độ cứng. Cũng không thể ram một lần với thời gian lâu vì austenit dư sẽ không chuyển biến hết thành mactenxit sau một lần ram.
Quy trình nhiệt luyện kết thúc thép gió 80W18Cr4VMo được nêu trên hình 2.12. Cần nhấn mạnh rằng chỉ làm theo quy trìnhđó mới đạt tính cứng nóng tốt nhất và cho năng suất cắt gọt cao nhất. Nếu chỉ cần đạt độ cứng trên 60HRC thì không cần tôi ở nhiệt độ cao như vậy, chỉ ởtrên 10000C là được, nhưng không cho năng suất cao.
Để nâng cao khả năng cắt gọt của thép gió, sau khi tôi, ram và mài bóng có thể tiến hành thấm cacbon-nitơ nhiệt độ thấp (550-5700C) trong khoảng 2-3h, tạo ra lớp
thấm 0,02-0,04mm, có độcứng bềmặt cao 1000-1000Hμ, có thể tăng tuổi thọcho dao cắt 50-200%.
e. Công dụng của thép gió.
Các mác thép gió có năng suất cắt bình thường như: 80W18Cr4VMo, 90W9Cr4V2Mo, 85W12Cr3V2Mo, 85W6Mo5Cr4V2, 145W9V5Cr4Mo với tính cứng nóng không quá 6000C, dùng làm dao cắt với tốc độ cắt khoảng 25m/ph. Trong đó số hiệu đầu là loại cổ điển nhưng vẫn được ưa dùng ở nước ta. Mác 85W6Mo5Cr4V2 có tính năng không thua kém mác đầu, nhưng lại chứa ít volfram hơn lại có tính công nghệtốt, nên có triển vọng được dùng nhiều.
Các mác thép gió có năng suất cắt cao có tính cứng nóng cao tới 630-6400C, có thểcắt với tốc dộ 35m/ph, dùng để gia công các thép khó cắt như thép không gỉ, thép bền nóng có tổchức austenit…
Xu hướng hiện nay là ngày càng dùng nhiều các loại thép gió mới, có chứa Mo, V vì chúng có tính cứng nóng và khả năng chống mài mòn tốt.