Trong các nhà máy cơ khí, cắt gọt là nguyên công có khối lượng lớn hơn cả, tiêu phí nhiều năng lượng, máy móc, nhân công và chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm. Do đó tạo ra các dụng cụ cắt có thể cắt gọt với tốc độ cao (năng suất cao) là yêu cầu thường xuyên.
Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt
Điều kiện làm việc của dao tiện và yêu cầu cơ tính
Hình 5.12. Sơ đồ tiện (a) và sơ đồ mặt cắt 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) Để tạo phoi, lưỡi cắt chịu áp lực rất lớn tạo ra công cơ học phá hủy (tách) kim loại. Vì vậy dao phải có độ cứng cao hơn hẳn phôi. Trường hợp thong dụng (cắt thép, gang thông thường với HB
trên dưới 200) dao phải có độ cứng HRC ≥ 60. Các trường hợp khác có thể thấp hơn (khi cắt hợp kim màu) hoặc cao hơn (khi cắt thép bền nóng, không gỉ, độ bền cao) giá trị trên. Để đạt được yêu cầu này dao phải được làm bằng thép với lượng cacbon tối thiểu là 0,70% và qua tôi cứng + ram thấp thành mactenxit ram.
2) Dao bị mài sát: mặt trước với phoi, mặt sau với phôi, đặc biệt là trên mặt trước sẽ tạo nên rãnh lõm do phải biến dạng và bẻ gãy phoi. Tới lúc hai mặt này bị mòn mạnh, khoảng cách hẹp lại, lưỡi cắt bị gãy và trở nên "cùn" phải mài lại. Vì vậy dao phải có tính chống mài mòn cao để chống tạo thành rãnh lõm, yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với trường hợp gia công chính xác. Tính chống mài mòn của thép phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Độ cứng: có giá trị càng cao tính chống mài mòn càng tốt. Thường là khi độ cứng HRC ở mức cao hơn 60, cứ tăng thêm 1 đơn vị tuổi bền của dao tăng them khoảng 25 - 30%.
- Lượng cacbit dư: càng cao tính chống mài mòn càng cao. Các thép cùng tích và sau cùng tích sau khi tôi tuy hầu như có độ cứng như nhau, song tính chống mài mòn khác nhau, càng xa cùng tích (tức càng nhiều cacbon) tính chống mài mòn càng cao do càng nhiều cacbit. Chính vì lý do này phần lớn thép làm dụng cụ cắt có lượng cacbon ≥ 1%, đôi khi tới ≥ 1,50%, cá biệt tới 2% và hơn.
3) Công tách phoi và ma sát biến thành nhiệt và phần lớn lại tập trung ở lưỡi cắt làm cho phần này nóng lên rõ rệt, do đó sẽ làm xấu khả năng cắt gọt của dao. Đặc biệt khi cắt gọt với tốc độ cao, nhiệt độ lưỡi cắt cao vượt quá 200 - 300oC, mactenxit bị phân hóa, độ cứng HRC thấp dưới 60, dao không còn khả năng cắt gọt. Do vậy với dao cắt cần năng suất cao, phải đưa vào thép những nguyên tố tạo cho thép tính cứng nóng: chúng hòa tan vào sắt (trong austenit rồi
mactenxit) và do có ái lực mạnh với cacbon nên giữ nguyên tố này ở lại trong mactenxit tới 500 - 600oC. Vì vậy khi cắt gọt với tốc độ cao, dao tuy vẫn bị nóng lên song vẫn giữ được tổ chức mactenxit với độ cứng cao (HRC > 60) đủ để cắt. Khác với độ cứng, độ (tính) cứng nóng được xác định bằng nhiệt độ (ram) cao nhất mà ở đó độ cứng HRC của thép vẫn còn cao tới 58.
Ngoài ba yêu cầu chính đó ra các thép làm dụng cụ cắt cũng phải thỏa mãn các yêu cầu khác: độ bền (uốn khi tiện, xoắn khi khoan... nhờ kết hợp với thiết kế), độ dai bảo đảm (tuy không yêu cầu cao để tránh mẻ, gãy lưỡi cắt).
Thép làm dụng cụ cắt cũng phải có tính công nghệ nhất định.
- Tính thấm tôi tốt để bảo đảm độ cứng cao và đồng nhất khi tôi trong dầu, nhất là các dao có hình dạng phức tạp như phay tuốt, mũi khoan... phải tôi phân cấp để tránh nứt và biến dạng.
- Có khả năng chịu gia công áp lực ở trạng thái nóng.
- Có khả năng chịu gia công cắt ở trạng thái ủ (HB ≤ 265).
- Có tính mài tốt sau khi tôi.
Thép làm dao có năng suất thấp
Đó là loại thép làm dao chỉ cắt được với tốc độ 5 - 10m/min.
Thép cabon
Theo TCVN 1822-76 có các mác CD70, CD80, CD80Mn, CD90, CD100, CD110, CD120 và CD130 với chất lượng tốt (P ≤ 0,035, S ≤ 0,030) và cũng các mác như vậy nhưng có chất lượng
cao (P ≤ 0,030, S ≤ 0,020) có thêm chữ A sau cùng như từ CD70A đến CD130A. Chúng có các đặc tính như sau:
- Sau khi tôi + ram thấp có thể đạt HRC ≥ 60 đủ để cắt. Chế độ tôi của các thép như sau: CD70, CD80 - tôi hoàn toàn ở 800 - 820oC, 780 - 800oC, CD90 - CD130 - tôi không hoàn toàn ở 760 - 780oC. Tuy tất cả đều đạt độ cứng HRC 60 - 62 song các thép sau cùng tích CD100 - CD130 có nhiều XeII dư nên chống mài mòn tốt hơn các mác còn lại.
- Dễ biến dạng nóng, gia công cắt và rẻ.
Song cũng để lộ nhiều nhược điểm quan trọng.
+ Độ thấm tôi thấp (chỉ tôi thấu các tiết diện trên dưới 10mm). Với các dao lớn hơn, lớp tôi mỏng, sau thời gian làm việc khi mài lại không còn đủ độ cứng nên phải tôi lại, do đó không thuận tiện khi sử dụng.
+ Tính cứng nóng thấp do mactenxit không được hợp kim hóa, có tính chống ram kém. Tính cứng nóng không vượt quá 200 - 250oC, do đó chỉ đạt năng suất thấp, tốc độ cắt không quá 5m/min. Chính điều này đã hạn chế sử dụng.
Công dụng: do những nhược điểm kể trên nên rất ít dùng thép cacbon làm dao cắt. Nếu có sử dụng cũng chỉ để làm dao nhỏ, hình dạng đơn giản với năng suất thấp hay bằng tay. Dụng cụ điển hình làm bằng thép dụng cụ cacbon là giũa (hội tụ khá đầy đủ các điều kiện vừa nêu được chế tạo với mác CD120).
Thép hợp kim
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 hơn hay tính chống mài mòn cao.
Loại có tính thấm tôi tốt là loại được hợp kim hóa thấp bằng 1%Cr (có thể thêm 1%Si) với mác điển hình 90CrSi (TCVN 1823-76). Thành phần hợp kim như vậy có tác dụng:
- Cải thiện tính thấm tôi: môi trường tôi dầu vẫn bảo đảm độ cứng HRC cao hơn 60. Cũng chính vì vậy có thể làm dao nhỏ với hình dạng phức tạp như mũi khoan, doa, tarô, bàn ren, lược ren, phay..
- Nâng cao chút ít tính cứng nóng. Silic cùng với crôm còn cản trở mạnh quá trình ram ở dưới 250 - 300oC, vì thế có tính cứng nóng đến trên dưới 300oC, có thể cắt với tốc độ 10 m/min hay hơn một chút.
90CrSi tương đối rẻ với tính năng làm việc tốt hơn thép cacbon nên được dùng tương đối phổ biến trong chế tạo các loại dao cắt kể trên. Tuy nhiên mác 90CrSi cũng có nhược điểm mà đáng kể nhất là dễ thoát cacbon khi nung (do có nhiều silic) nên phải chú ý bảo vệ khi tôi. Thép được tôi ở 840 - 860oC trong dầu, ram 150 - 200oC, độ cứng HRC đạt trong khoảng 62 - 64.
Loại có tính chống mài mòn cao là loại có cacbon rất cao (> 1,30%) với 0,50%Cr và 4,0 - 5,0%W mác CrW5 (140CrW5). Do có cacbon rất cao và nhiều vonfram là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh nên trong thép tồn tại một lượng lớn cacbit làm tăng rất mạnh tính chống mài mòn.
Thép có tính thấm tôi thấp (do ít crôm và nhiều cacbit thúc đẩy chuyển biến thành hỗn hợp ferit - cacbit) nên môi trường tôi là nước. Độ cứng HRC sau khi tôi (800 - 820oC) ram (~ 150oC) đạt tới 66 - 68, nên thép được dùng làm dao tiện, phay với tốc độ cắt không lớn lắm (do không có tính cứng nóng) để cắt sửa các phôi cứng (ví dụ bề mặt trục cán đã tôi).
Thép làm dao có năng suất cao - thép gió
Đây là loại thép làm dao quan trọng nhất, tốt nhất, thỏa mãn cao nhất các yêu cầu đối với vật liệu làm dao:
- 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
Thép gió là tên gọi Việt Nam (các nước thường gọi là thép cắt nhanh: high speed steel - Anh, acier à coupe rapide - Pháp, быстрорежущая сталь - Nga) của loại thép dụng cụ tự tôi (có thể là do tự tôi, tôi trong không khí (gió) cũng đạt được mactenxit cứng nên ở ta thép được gọi là thép gió) có năng suất cắt cao có tổng lượng hai nguyên tố vonfram và môlipđen cao (> 10%) và lượng khá lớn crôm (4%), ngoài ra còn có thể có thêm vanađi và côban.
Các nguyên tố trong thép gió có tác dụng như sau.
Cacbon biến đổi trong giới hạn khá rộng từ 0,70 đến 1,50%, đủ để hòa tan vào mactenxit và tạo thành cacbit với các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là W, Mo và đặc biệt là V. Khi thêm 1%V phải đưa thêm 0,10 - 0,15%C vào thép. Cả hai tác dụng đó làm cho thép gió cứng và làm tăng mạnh tính chống mài mòn.
Crôm có trong mọi thép gió với lượng giống nhau, khoảng 4% (3,8 - 4,4%) có tác dụng làm tăng mạnh độ thấm tôi. Nhờ tổng lượng (Cr + W + Mo) cao (> 15%) nên thép gió có khả năng tự tôi, tôi thấu với tiết diện bất kỳ và có thể áp dụng tôi phân cấp.
Vonfram là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất không những vì có tỷ lệ cao nhất (6 - 18%) mà chính là do tạo ra tính cứng nóng cao, nên có năng suất cao. Là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, vonfram chủ yếu nằm ở dạng Me6C hay Fe3W3C, khi nung nóng nó hòa tan vào austenit nên sau khi tôi mactenxit chứa nhiều vonfram. Khi nung nóng lại hay khi ram Me6C chỉ tiết ra khỏi mactenxit ở khoảng 550 - 570oC, nên duy trì được độ cứng cao sau khi tôi đến tới 600oC.
Môlipđen được dùng để thay thế vonfram đắt lại có tỷ lệ quá cao. Môlipđen có cấu trúc tinh thể và tính chất rất giống vonfram nên có thể thay thế cho nhau theo tỷ lệ nguyên tử là 1 : 1, song do môlipđen rẻ hơn lại nhẹ hơn (với khối lượng riêng 10,3 so với 19,3g/cm3), về mặt khối lượng 1%Mo thay thế được gần 2%W, vì thế sự thay thế đem lại hiệu quả kinh tế cao (mặc dù không cải thiện tính cắt gọt).
Vanađi là nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh. VC rất ít hòa tan vào austenit khi nung, trong thép nó ở dạng các phần tử cứng, phân tán, làm tăng tính chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khi tôi. Mọi thép gió đều có ít nhất 1%V, khi vượt quá 2% tính chống mài mòn tăng lên, song không nên dùng quá 5% vì làm xấu mạnh tính mài.
Côban không tạo thành cacbit, nó chỉ hòa tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn và với hàm lượng vượt quá 5% tính cứng nóng của thép gió tăng lên rõ rệt. ΓOCT chỉ có các mác thép gió chứa hoặc 5 hoặc 10%Co, AISI có nhiều mác thép gió với lượng côban thay đổi trong phạm vi 5 - 12%. Nhược điểm của thép gió chứa côban là dễ bị thoát cacbon khi tôi và khi chứa quá nhiều (>10 - 12%) thép bị giòn.
Tổ chức tế vi và nhiệt luyện
Về tổ chức tế vi, do thành phần hợp kim cao, 10 - 20% và cacbon cao nên thép gió thuộc loại lêđêburit (khi ủ), mactenxit (khi thường hóa, ở trạng thái cung cấp). Thép chứa nhiều cacbit (15 - 25%), sau khi đúc cacbit chủ yếu ở dạng cùng tinh lêđêburit hình xương cá nên rất giòn và phải làm nhỏ chúng bằng biến dạng nóng (cán, rèn). Thông thường phôi được cung cấp có tiết diện càng nhỏ chứng tỏ đã được cán với độ biến dạng (ε) mạnh nên đã có cacbit nhỏ mịn và phân bố đều. Ở các nhà máy cơ khí thường tiến hành rèn lại các phôi lớn (ф > 40). Sau khi rèn bị biến
cứng, thép được qua ủ không hoàn toàn ở 840 - 860oC đạt độ cứng HB 241 - 269 với tổ chức peclit (dạng xoocbit) + cacbit nhỏ mịn phân bố đều, có thể chịu gia công cắt được.
Nhiệt luyện kết thúc bằng tôi + ram quyết định độ cứng, tính chống mài mòn cao đặc biệt là tính cứng nóng theo yêu cầu.
Tôi là nguyên công quyết định tính cứng nóng của thép gió với đặc điểm là nhiệt độ tôi rất cao (gần 1300oC) khoảng dao động lại khá hẹp (chỉ 10oC), không cho phép tôi ở nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn giới hạn quy định vì:
1) Khi nung thấp hơn, austenit chưa bão hòa đủ W để nâng cao tính cứng nóng:
+ Khi nung quá Ac1 (khoảng 850oC) trong thép gió mới có chuyển biến peclit thành austenit, do vậy tôi ở 850 - 900oC chỉ đạt HRC 45 - 50 chưa đủ để cắt.
+ Tiếp tục nâng cao nhiệt độ, cacbit hợp kim bắt đầu hòa tan và hòa tan càng nhiều vào austenit làm pha này càng giàu nguyên tố hợp kim (và cả cacbon) như biểu thị ở hình 5.13a. Tới 1000oC đã bão hòa crôm do Cr23C6 dễ hòa tan hơn cả. 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 austenit cũng chỉ hòa tan được 8%W.
Nguyên lý chọn nhiệt độ tôi của thép gió là tận lượng chọn nhiệt độ tôi cao để austenit chứa nhiều vonfram nhất để mactenxit tạo thành có tính cứng nóng cao nhất. Tại nhiệt độ tôi vẫn còn khá nhiều cacbit Fe3W3C và toàn bộ VC chưa hòa tan sẽ cản trở hạt phát triển, giữ cho hạt nhỏ và làm tăng tính chống mài mòn.
Hình 5.13. Độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim vào austenite của thép gió (a) và tổ chức tế vi của thép gió sau khi tôi (b).
2) Tuy nhiên khi vượt quá nhiệt độ quy định, cacbit hòa tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép bị giòn, thậm chí có trường hợp biên hạt bị chảy.
Vì thế tôi sao cho thép gió đạt được tính cứng nóng cao nhất đòi hỏi phải đạt 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 đúng (hình 5.13b) gồm mactenxit giàu vonfram, austenit dư (30%) và cacbit dư (15 - 20%) với độ cứng HRC khoảng 62, song chưa phải là cao nhất.
Cacbit dư có ảnh hưởng tốt đến tính chống mài mòn song lượng lớn austenit dư làm giảm độ cứng của thép tôi vài đơn vị HRC. Sở dĩ austenit dư nhiều như vậy vì tôi ở nhiệt độ cao, austenit
được hợp kim hóa cao một mặt tạo nên mactenxit cứng nóng cao mặt khác làm hạ thấp điểm Mf.
Do austenit quá nguội có tính ổn định rất cao nên có thể áp dụng nhiều cách 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, có yêu cầu độ cong vênh rất nhỏ như mũi khoan.
- Gia công lạnh để khử austenit dư sau khi tôi, áp dụng khi cần ổn định kích thước.
- 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 austenit làm giảm tính 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.
Ram thép gió là nhằm làm mất ứng suất bên trong, khử bỏ austenite dư, tăng độ cứng (độ cứng HRC tăng thêm 2 - 3 đơn vị, hiện tượng này được gọi là độ cứng thứ hai). Thép gió được ram 2 - 4 lần (thường là 3) ở 550 - 570oC, mỗi lần trong 1h. Chuyển biến xảy ra như sau. Khi nung tới 550oC cacbit vonfram Fe3W3C nhỏ mịn mới bắt đầu tiết ra khỏi dung dịch rắn làm austenit nghèo hợp kim đi, nâng cao điểm Ms và làm giảm ứng suất nén lên austenit dư làm pha này chuyển biến thành mactenxit, độ cứng tăng lên. Sau mỗi lần ram chỉ có một tỷ lệ nhất định (khoảng 50 - 75%) austenit dư chuyển biến và lại gây ra ứng suất bên trong mới, nên sau đó 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) cũng như sự thay đổi của lượng austenit dư và độ cứng HRC.
Chế độ tôi + ram thép gió điển hình cũng như sự biến đổi lượng austenit dư và độ cứng được trình bày ở hình 5.14.
Để nâng cao khả năng cắt của thép gió, sau khi mài có thể được hóa - nhiệt luyện: thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp (550 - 570oC) thể lỏng trong 2 - 3h tạo ra lớp thấm mỏng có độ cứng rất cao (HRC ~ 70) tuổi bền có thể tăng 50% song hơi giòn, chỉ thích hợp với loại dao ít va đập.