CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHI CHẾ TẠO KHUÔN ÉP VIÊN GỖ NÉN
2.2.1. Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép
Một quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát bao gồm austenit hóa ( nung nóng và giữ nhiệt), làm nguội (tôi) và ram. Mỗi công đoạn của quá trình này đều có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm nhiệt luyện để nhận được tính chất mong muốn. Hình 2.1 là sơ đồ quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát [21].
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ nhiệt luyện tổng quát.
Austenit hoá (nung nóng và giữ nhiệt)
Austenit hóa là quá trình hoà tan đến mức độ cần thiết cácbon và các nguyên tố hợp kim để nền có khả năng cứng sau tôi nhưng không làm thô hạt và giòn. Ở nhiệt độ austenit hoá, carbid được hoà tan và nền thì chuyển từ ferrit sang austenit. Như vậy, C và các nguyên tố hợp kim từ carbid có thể hoà tan được vào nền austenit, do khả năng hòa tan C và các nguyên tố hợp kim khác của austenit cao hơn nhiều so với ferrit.
Trong quá trình nung nóng đến nhiệt độ tôi, tuỳ theo hình dáng sản phẩm, nên tiến hành 2 giai đoạn nung sơ bộ nhằm mục đích khử các ứng suất sinh ra trong quá trình gia công cơ khí. Giai đoạn 1 ở nhiệt độ khoảng 650o –700oC với tốc độ nung không nên vược quá 220oC/h, giai đoạn 2 là khoảng 810oC - 870oC. Tại 2 giai đoạn này, thời gian giữ nhiệt cần đủ để cân bằng nhiệt độ bề mặt và trong lõi (thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào kích thước, chiều dày của chi tiết).
Nhiệt độ tôi có tầm quan trọng đặc biệt khi tôi, nhiệt độ này sẽ quyết định hàm lượng %C cũng như % các nguyên tố hợp kim trong austenit và cuối cùng là quyết định đến độ cứng sau khi tôi. Khi nung đến nhiệt độ tôi, một phần carbid được hoà tan vào austenit.
Nhiệt độ tôi cao thì lượng carbid sẽ hoà tan nhiều hơn. Carbid được hoà tan sẽ làm giàu thêm C và các nguyên tố hợp kim cho austenit. Khi tôi, lượng carbid này trong dung dịch sẽ có xu hướng kết tinh ở biên giới hạt làm giảm độ dẻo dai (toughness) của vật liệu. Khi nhiệt độ tôi cao sẽ tăng hàm lượng %C và nguyên tố hợp kim và như thế sẽ tăng độ cứng martensit sau tôi, tuy nhiên cũng đồng thời tăng lượng austenit dư. Trong trường hợp, nếu carbid không hoà tan được hoàn toàn và một lượng lớn carbid tồn tại dưới dạng các hạt tròn trong nền, và như thế sẽ không tạo thành lưới carbid xung quanh biên giới hạt. Carbid VC là bền vững nhất, phần lớn không bị hoà tan ở nhiệt độ tôi. Austenit được làm giàu C sẽ hình thành martensit giàu C và như thế sẽ tăng độ cứng và độ bền của sản phẩm. Tuy nhiên nếu nhiệt độ cao quá sẽ có hiện tượng thô hạt thậm chí chảy cục bộ rất nguy hiểm. Vì thế trong mọi trường hợp không nên để quá nhiệt để tránh sự thô hạt mà có thể dẫn đến nứt, nhiều austenit dư làm giảm độ cứng và làm biến dạng sản phẩm.
Nhiệt độ tôi thấp, ngược lại, cho ta sản phẩm có độ dẻo cao hơn, tuy nhiên nếu thấp quá khi chưa hoà tan được carbid thì sẽ không nhận được sản phẩm có độ cứng cao để sau khi ram có được tính chất tốt hơn.
Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi cũng là một thông số quan trọng. Thời gian này phụ thuộc vào thiết bị nung, nhiệt độ tôi cũng như kích thước sản phẩm. Thông thường với lò điện trở, thời gian giữ nhiệt được tính khi bắt đầu đạt nhiệt độ tôi là 1h/25mm chiều dày sản phẩm.
Tôi (làm nguội)
Tôi là quá trình làm nguội sản phẩm từ nhiệt độ tôi (austenit) với tốc độ nguội đạt tốc độ tới hạn để đảm bảo có chuyển biến austenit sang martensit.
Nước là môi trường làm nguội nhanh nhất, vì thế thường dùng để tôi các thép dụng cụ không hợp kim hay hợp kim thấp. Có thể cho thêm 8-10% muối Natri Clorua để có thể có được tốc độ nguội tối ưu. Do nguội nhanh, sự biến dạng và nguy cơ nứt vỡ là rất lớn.
Dầu có tốc độ nguội chậm hơn nước và thường để tôi thép hợp kim trung bình và cao. Để có được khả năng làm nguội tốt nhất, dầu tôi nên có nhiệt độ
khoảng 50o – 70oC. Một dạng của quá trình tôi trong dầu là tôi phân cấp. Trong quá trình này sản phẩm được làm nguội qua 2 giai đoạn. Giai đoạn 1, làm nguội trong dầu đến nhiệt độ trên Ms một ít, giữ để đồng đều nhiệt. Giai đoạn 2 làm nguội ngoài không khí qua quá trình chuyển biến martensit. Khi sử dụng phương pháp tôi này không được giữ ở nhiệt độ trên Ms ở giai đoạn 1 lâu để tránh hiện tượng chuyển biến bainit làm giảm độ cứng của sản phẩm.
Không khí có tốc độ nguội thấp hơn 2 môi trường trên, thường được dùng để tôi thép hợp kim cao. Tôi không khí cho ta độ biến dạng thấp nhất, tuy nhiên cần lưu ý đến nguy cơ bị ôxy hoá bề mặt và tốc độ nguội chậm không đủ để nhận được tổ chức martensit.
Những năm gần đây, khi mà công nghệ nhiệt luyện chân không được ứng dụng rộng rãi, khí trơ (N2, Ar) dưới áp suất cao được sử dụng như là môi trường tôi lý tưởng cho thép dụng cụ hợp kim cao. Tôi khí nén dưới áp suất cao tốc độ nguội nhanh hơn tôi không khí nhưng chậm hơn tôi dầu.
Ram
Sau khi tôi, nền không chuyển đổi hoàn toàn thành martensit, một số austenit vẫn còn gọi là austenit dư. Lượng austenit dư tăng khi hàm lượng C hòa tan, nguyên tố hợp kim tăng, nhiệt độ tôi tăng và thời gian giữ nhiệt kéo dài. Thông thường, thép sau tôi có tổ chức là martensit và austenit dư. Hai tổ chức này không ổn định và tạo ra ứng suất dễ gây nứt. Vì thế cần phải ram để ổn định tổ chức. Sau khi ram, martensit và austenit dư chuyển biến thành martensit ram. Đây là tổ chức có độ cứng không kém martensit tôi song lại ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong (do cácbon tiết bớt ra khỏi dung dịch rắn, làm giảm bớt xô lệch mạng). Ở một số thép dụng cụ, sau khi tôi có austenit dư lớn nên khi ram độ cứng có thể tăng lên 2- 3HRC do hiệu ứng tăng độ cứng nhờ chuyển biến austenit dư thành martensit ram lớn hơn hiệu ứng giảm độ cứng do cácbon tiết ra khỏi dung dịch rắn. Hiện tượng này gọi là độ cứng thứ hai.
Việc lựa chọn nhiệt độ, thời gian ram hợp lý là rất quan trọng. Cũng giống như tôi, thông số quan trọng nhất để quyết định nhiệt độ ram là độ cứng. Quan hệ
giữa độ cứng, nhiệt độ và thời gian ram được thể hiện bằng công thức Hollomon & Jaffe:
P = T (k + log t)
Trong đó P là thông số ram T = nhiệt độ ram [oK] k = hằng số, với thép k = 20 t = thời gian ram tính bằng giờ [h]
Mỗi một mác thép có một biểu đồ quan hệ giữa độ cứng và P. Từ độ cứng cần đạt sẽ tìm được P. Chọn thời gian ram t = 2÷4 h, ta tính được nhiệt độ ram T.