Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ MÀI BỀ MẶT TRỤ NGOÀI ĐỊNH HÌNH
1.1. THÉP SKD11 VÀ VẬT LIỆU MÀI CBN
1.1.2. Hạt mài CBN và đá mài CBN
a, Hạt mài CBN
Hạt mài CBN có cấu trúc tinh thể như Hình 1.4 [18]
Hình 1.1. Các mặt phát triển của tinh thể CBN và hình thái hình học [18]
Bo nitrid dạng khối (CBN) là loại hạt mài lớn nhất. Bo nitrid ở trạng thái bình thường là một chất bột trơn màu trắng có tên gọi h-BN (hoặc α-BN). Bo
nitrid có cấu trúc nguyên tử phân lớp hình lục giác giống với graphit tuy nhiên các nguyên tử nitơ và bo xếp xen kẽ nhau thay vì cacbon. Bo nitrid có những đặc điểm tương đồng với than chì về cấu trúc và liên kết. Hạt CBN giống như kim cương, nó không có trong tự nhiên mà được tổng hợp nhân tạo dưới nhiệt độ và áp suất cao. Mặc dù vậy, tính chất hoá học của hạt CBN lại khác kim cương. Mặc dù dung môi tạo nên CBN là các boride, oxide và nitrid kim loại,
(111) Mặt B hoặc N thay thế
(100) Mặt B và N (110)
Bát diện
Khối tám mặt
Khối tứ diện
phổ biến nhất là Li3N nhưng CBN không có ái lực với các kim loại chuyển tiếp [19].
Hình dạng CBN có thể kiểm soát được trong quá trình tổng hợp bằng cách sử dụng nhiệt độ và áp suất để khống chế tốc độ phát triển trên mặt phẳng bát diện (111) và mặt phẳng lập phương (100). Tinh thể CBN thường có hình dạng cuối cùng là một tứ diện vát mép. Bên cạnh đó, tinh thể CBN còn có hình bát diện lập phương hoặc bát diện. Hạt mài CBN có màu hổ phách, từ nâu đến đen, màu của nó phụ thuộc vào mức độ và loại tạp chất lẫn trong đó. Hạt mài CBN khi dư thừa nguyên tố bo sẽ có màu đen.
Các loại hạt mài CBN được sử dụng để chế tạo đá mài
Nếu phân chia theo lớp có phủ hay không có lớp phủ, hạt mài CBN bao gồm hai loại.
- Borazon CBN loại 1 là hạt mài không có lớp phủ được sử dụng để chế tạo đá mài CBN liên kết kim loại (niken).
- Borazon CBN loại 2 là hạt CBN có phủ niken được dùng để chế tạo đá mài CBN liên kết nhựa (phenolic hoặc polyamide) [20], [21].
b, Đá mài CBN
Tổng quan về đá mài CBN
Đá mài CBN là loại đá mài mà vật liệu hạt mài là CBN. Đến năm 1994, khoảng 25% quá trình mài ở Nhật Bản, 15% ở Châu Âu, 10% ở Mỹ sử dụng đá mài CBN. Do ưu điểm của hạt mài CBN nên đá mài CBN ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực mài.
Hạt mài CBN và hạt mài kim cương khá giống nhau về nhiều mặt. Cả hai cùng có cấu trúc mạng tinh thể dạng khối và tính dẫn nhiệt cao. Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN được thể hiện trong Hình 1.2 [22]. Tuy vậy chúng cũng có những tính chất rất khác biệt. Kim cương thiên về graphit hoá (khi nhiệt độ là 9000C) và dễ bị oxy hoá trong không khí, có phản ứng với các chi tiết gia công chứa sắt ở nhiệt độ cao. CBN ổn định, không bị oxi hoá khi nhiệt độ lên tới 13000C và có thể gia công dễ dàng các chi tiết chứa sắt.
Do đá mài CBN có độ cứng rất cao và tốc độ mòn chậm nên gia công bằng đá mài CBN có khả năng đạt độ chính xác rất cao. Loại đá này đòi hỏi sửa đá rất ít.
a) b)
Hình 1.2. Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN [22]
a) Hạt mài kim cương b) Hạt mài CBN
Đặc tính của đá mài CBN Đá mài CBN có một số đặc tính vượt trội so với đá mài thông thường:
- Tính dẫn nhiệt tốt: đá mài CBN có tính dẫn nhiệt tốt (từ 200 đến 300 W/m.K ở nhiệt độ thường), do đó có thể nhanh chóng phân tán nhiệt ở vùng cắt. Tính dẫn nhiệt của CBN gần bằng kim cương, trong khi độ giãn nở nhiệt cao hơn kim cương khoảng 20%.
- Độ cứng cao: Độ cứng hạt mài CBN ở nhiệt độ trung bình thường là khoảng 4500 kg/mm2, bằng một nửa kim cương và gấp đôi các hạt mài thông thường. Độ cứng của CBN giảm khá nhanh ở nhiệt độ cao do cấu trúc tinh thể biến đổi thành dạng lục giác. Tuy nhiên giá trị này vẫn cao hơn hạt mài thông thường.
- Hạt mài sắc hơn: Hạt mài CBN có lưỡi cắt sắc hơn và góc trước từ -300
đến -600 (trong khi hạt mài bình thường là -600 đến -700) nên giảm ma sát và nhiệt độ cắt khi mài.
- Tính chống mài mòn cao: Đá mài CBN mòn chậm hơn đá mài nhôm ôxit
và silic cacbid do chúng có độ cứng cao hơn, hệ số mài lớn hơn. Tuy nhiên sự khác biệt về tính chống mài mòn lớn hơn nhiều so với độ cứng. Chênh lệch độ cứng bằng 2 có thể chuyển thành chênh lệch tính chịu mài mòn từ 100 đến 1000 tuỳ theo vật liệu hạt mài.
- Độ bền nhiệt tốt: CBN bền nhiệt trong ni tơ hoặc chân không đến ít nhất 15000C. Trong không khí hoặc ô xy, CBN tạo thành một lớp bảo vệ B2O3 trên bề mặt có thể ngăn cản quá trình ô xy hoá tới 13000C. Tuy nhiên lớp này phản ứng với nước, chính xác hơn là hơi nước ở nhiệt độ 9000C.
Cấu trúc của đá mài CBN Đá mài CBN được chế tạo ở dạng đơn lớp hoặc đa lớp.
Đá mài CBN đa lớp: là loại đá mài có nhiều lớp hạt mài. Do hạt mài CBN có giá thành cao nên đá mài CBN không được chế tạo nguyên khối như đá mài hạt mài truyền thống mà được chế tạo thành một vành mỏng có chiều dày 3 - 5 mm (gồm nhiều lớp hạt mài) sau đó dán lên cốt kim loại.
Đá mài CBN đơn lớp: là loại đá mài chỉ có một lớp hạt mài trên bề mặt lõi kim loại. Đá mài CBN đơn lớp nói chung rẻ hơn đá mài CBN đa lớp vì chúng chứa ít hạt mài CBN hơn.
Ứng dụng của đá mài CBN trong sản xuất Hạt mài CBN được sử dụng bất cứ khi nào các hạt mài khác thể hiện các bất lợi trong gia công, như về kinh tế (chi phí mài), năng suất, chất lượng (kích thước và hình dạng), chất lượng bề mặt gia công. Đá mài CBN ứng dụng rộng rãi trong mài tròn ngoài, mài tròn trong, mài định hình, mài vô tâm, mài phẳng,
mài rãnh, mài ren, mài khuôn,… Độ bền và độ cứng của hạt mài khiến tuổi bền của đá mài tăng cao. Khi được sử dụng đúng, CBN có thể mài dễ dàng các vật liệu chứa sắt cũng như hợp kim niken và coban. Kích thước hạt của đá mài CBN chỉ có ảnh hưởng nhỏ đến chất lượng bề mặt phôi so với kích thước hạt của đá mài kim cương. Do đó đối với đá mài CBN thường không chọn cỡ hạt khác nhau cho mài thô hay mài tinh mà thường chọn cỡ hạt trung bình [22].
Khó khăn khi mài bằng đá mài CBN không phải về mặt kỹ thuật mà là liên quan đến giá thành của nó. Do đó, cần căn cứ vào nhu cầu cụ thể để quyết định dùng loại đá mài nào.
Đá mài CBN phù hợp để mài các vật liệu cứng và dai, như thép gió sê-ri M và T và hợp kim niken do hạt mài thông thường rất khó mài các vật liệu này.
Đá mài CBN cũng nên được sử dụng để mài thép tôi có độ cứng lớn hơn 50 HRC. Đối với thép mềm có thể sử dụng CBN để mài thô do nó có hệ số bóc tách vật liệu cao. CBN cũng nên được dùng để mài các chi tiết có yêu cầu về
độ chính xác kích thước và hình dạng cao. Do mòn đá diễn ra chậm nên gia công bằng CBN dễ dàng đạt được chất lượng gia công tốt. Do hạt mài CBN duy trì được độ sắc lâu hơn nên lực mài nhỏ, đồng thời tạo ra ứng suất dư nén có thể làm hư hỏng bề mặt.