ứng dụng quan trọng nhất của luyện kim bột trong cơ khí là làm dao cắt bằng hợp kim cứng và đá mài.
a. Hợp kim cứng
Trong tất cả các loại vật liệu cắt thường dùng, hợp kim cứng là loại có tính cứng nóng cao hơn cả, tới 800 ữ 1000oC, tốc độ cắt có thể đạt tới hàng trăm m/min.
Thành phần hóa học và cách chế tạo
Thành phần chủ yếu của mọi loại hợp kim cứng là cacbit: WC (chiếm tỷ lệ cao nhất), TiC, TaC rất cứng và nhiệt độ chảy rất cao, ngoài ra còn có lượng nhỏ côban làm chất dính kết, nhờ vậy bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn và cứng nóng rất cao, hơn nữa đây là bản chất tự nhiên không phải qua nhiệt luyện. Do cacbit có nhiệt độ chảy rất cao, hợp kim cứng được chế tạo qua các bước sau.
- Tạo bột cacbit bằng cách hoàn nguyên WO3 bằng hyđrô ở 700 ữ 900oC
được bột W rồi đem nghiền, sàng lấy cỡ hạt nhỏ 0,10 ữ 0,15 đến 3 ữ 5àm, sau đó trộn bột W với bồ hóng và nung lên 1400oC trong 1h để được bột WC.
- Trộn bột cacbit với bột Co trong nhiều h cho thật đều rồi đem ép thành lưỡi cắt nhỏ, hình dạng đơn giản.
- Thiêu kết: nung ở nhiệt độ cao (1450oC) để Co biến mềm, bắt đầu chảy, dính chặt các hạt cacbit với nhau thành khối chắc.
Phân loại và các mác
Có ba nhóm: một, hai và ba cacbit như trình bày ở bảng 6.6.
Bảng 6.6. Thành phần hóa học (%) và cơ tính của một số
hợp kim cứng theo ΓOCT 3882-74
Thành phần hóa học, % Cơ tính Mác
hợp kim
WC TiC TaC Co uon
σb , MPa
HRA
Ký hiệu theo TCVN Mét cacbit
BK2 98 - - 2 1000 90,0 WCCo2
BK3 97 - - 3 1100 89,5 WCCo3
BK4 96 - - 4 1400 89,5 WCCo4
BK6 94 - - 6 1500 88,5 WCCo6
BK8 92 - - 8 1600 87,5 WCCo8
BK10 90 - - 10 1650 87,0 WCCo10
BK15 85 - - 15 1800 86,0 WCCo15
BK20 80 - - 20 1950 84,0 WCCo20
BK25 75 - - 25 2000 82,0 WCCo25
Hai cacbit
T30K4 66 30 - 4 950 92,0 WCTiC30Co4
T15K6 79 15 - 6 1150 90,0 WCTiC15Co6
T14K8 78 14 - 8 1250 89,0 WCTiC14Co8
T5K10 85 5 - 10 1400 88,5 WCTiC5Co10
T5K12 83 5 - 12 1650 87,0 WCTiC5Co12
Ba cacbit
TT7K12 81 4 3 12 1650 87,0 WCTiC4TaC3Co12
TT10K8 82 3 7 8 1450 89,0 WCTiC3TaC7Co8
TT20K9 71 8 12 9 1300 89,0 WCTiC8TaC12Co9
- Nhóm một cacbit: WC + Co với các mác có từ 2 đến 25%Co, còn lại là WC.
- Nhóm hai cacbit: chủ yếu vẫn là WC, có thêm 5 ữ 30%TiC và 4 ữ 12%Co.
- Nhóm ba cacbit: chủ yếu vẫn là WC, có thêm 3 ữ 8%TiC, 3 ữ 12%TaC và 8 ÷ 12%Co.
Tổ chức và cơ tính
Tổ chức tế vi của hợp kim cứng gồm các hạt cacbit sắc cạnh (màu sáng)
được gắn dính với nhau bằng Co (màu tối) như ở hình 6.17 với yêu cầu là các hạt nhỏ và phân bố đều. Do chế tạo bằng phương pháp bột nên bao giờ cũng có rỗ xốp song phải là ít nhất (~ 2%). Không cho phép có muội than (bồ hóng) trong tổ chức v× nã g©y ra ®iÓm mÒm.
Về cơ tính, hợp kim cứng rất cứng tới HRA 82 ữ 90 (HRC 70 ữ 75), chống mài mòn rất cao, cứng nóng rất cao, cắt được với tốc độ rất cao (hàng trăm m/min), nhưng có nhược điểm là giòn. Cơ tính của hợp kim cứng phụ thuộc vào:
- Với cùng lượng Co như nhau, nhóm hai cacbit cứng hơn nhóm một cacbit
279
vì TiC hòa tan WC (tới 70%) có độ cứng cao hơn, giòn hơn và có hệ số ma sát với thép nhỏ hơn so với WC. ảnh hưởng này cũng thấy ở TaC, NbC. Vì vậy thường dùng hai nhóm sau (hai, ba
cacbit) để gia công gang.
Hình 6.17. Tổ chức tế vi của BK8
- ở trong từng nhóm, mác nào chứa nhiều côban hơn sẽ dẻo hơn, song độ cứng và giới hạn bền uốn giảm đi đôi chút. Để kết hợp giữa độ cứng cao và độ dẻo nhất định trong cắt gọt hay dùng các mác với 6 ữ 8%Co (BK8, T15K6, TT10K8).
- Trong các mác (đặc biệt trong nhóm một cacbit) nếu cỡ hạt cacbit và côban càng nhỏ mịn thì tuy không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng nhưng cải thiện rất mạnh tính chống mài mòn, độ bền và độ dai va đập (các mác có hạt nhỏ và đặc biệt nhỏ được chỉ rõ thêm bằng ký hiệu riêng).
Công dụng
Hợp kim cứng đang được sử dụng rộng r∙i làm dao cắt, khuôn kéo sợi,
khuôn dập và chi tiết máy.
Hiệu quả sử dụng hợp kim cứng trong cắt gọt cao hơn hẳn thép gió (có tài liệu đánh giá là 10 lần nếu tính từ hiệu quả sử dụng vonfram) nhưng không thể làm mất vị trí của thép gió là do những nhược điểm sau:
- không tạo hình phức tạp được vì dùng cách ép bột chỉ tạo được các mảnh nhỏ đơn giản và sau đó cũng không thể gia công định hình được vì quá cứng, do vậy hợp kim cứng thường chỉ dùng làm dao đơn giản một lưỡi cắt (hầu hết các dao một lưỡi cắt hiện nay bằng hợp kim cứng),
- tính giòn tương đối cao, dễ g∙y, vỡ, mẻ dưới tải trọng va đập, - tính dẫn nhiệt kém: ~ 50% của thép.
Khi làm dao, miếng hợp kim cứng nhỏ được hàn (hàn đồng) hay kẹp vào thân dao bằng thép C45 có độ bền uốn và độ dẻo tốt, sẽ tránh các nhược điểm trên
của hợp kim cứng.
Nhóm một cacbit có tính cứng nóng khoảmg 800oC: BK2 ữ BK8 dùng để cắt phôi có phoi vụn như gang, sứ, gốm, hợp kim màu, BK10 ữ BK15 làm khuôn kéo sợi, mũi khoan (địa chất) có tuổi bền hơn thép hàng chục lần, làm khuôn kéo sợi, BK20 ữ BK25 có độ dai tốt hơn làm khuôn dập, chi tiết máy chống mài mòn.
Nhóm hai cacbit có tính cứng nóng tới 900 ữ 1000OC, chủ yếu được dùng
để gia công tinh thép, kể cả thép đặc biệt.
Nhóm ba cacbit do sự có mặt của TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn, chủ yếu được dùng để gia công thô thỏi đúc, cán, rèn.
b. Vật liệu làm đĩa cắt
Dao (đĩa) cắt bằng kim cương nhân tạo hay nitrit bo (BN) lập phương
được dùng rộng r∙i trong cắt kim loại, đá. Chúng là các vật liệu siêu cứng (HV 8000 ữ 10000). Có thể có các dạng sau.
- Bột kim cương trộn với 1 ữ 2% bột B, Be hoặc Si (chất dính kết) được ép nóng dưới áp suất cao tới 12GPa ở nhiệt độ khoảng 3000oC, đạt được HV 8000.
- Bột kim cương hoặc bột BN rải lên bề mặt hợp kim cứng rồi ép nóng dưới
áp suất 5 ữ 8GPa ở khoảng 1800oC, lúc đó một phần nhỏ Co, thậm chí cả W, Ti của hợp kim cứng tiết ra thành chất dính kết với lớp siêu cứng, đạt HV 5000 ữ
8000.
- Bột kim cương hoặc bột BN trộn với khoảng 20 ữ 30% bột kim loại (chất dính kết), ép nóng dưới áp suất 3 ữ 6GPa ở 1200 ữ 1600oC, đạt HV 4000 ữ 5000, thích hợp với dụng cụ cắt đá.
Kim cương tuy có độ cứng cao nhất (HV 10000) nhưng lại bị hạn chế nhiệt
độ sử dụng (khi cắt với tốc độ cao, cacbon khuếch tán vào sắt, thép) nên dao cắt với BN có ưu việt hơn. Ví dụ có thể cắt gang xám với tốc độ 1800 ữ 2000 m/min.
c. Vật liệu mài
Bột mài phải là các hạt cứng có kích thước không đều nhưng luôn luôn có các góc cạnh sắc nhọn. Theo độ cứng tăng lên thường dùng cát trắng (SiO2), êmêri (hỗn hợp tự nhiên của Al2O3), Al2O3, SiC, BN lập phương, kim cương. Có thể dùng
chúng ở ba dạng:
-tự do, trong máy phun cát, bột mài rà, bột đánh bóng (như đánh bóng mẫu kim loại để quan sát tổ chức tế vi là bột Cr2O3 - màu rêu và Al2O3 - màu trắng),
- gắn trên giấy, vải (gọi là giấy, vải ráp hay nhám) để làm nhẵn gỗ, kim loại,
- khối (đá mài các loại): thường làm bằng SiC, các hạt mài được liên kết với nhau bằng chất dính kết gốm thủy tinh hay nhựa hữu cơ.
d.ThÐp giã bét
Loại thép gió với lượng cacbon và hợp kim cao (> 2%C, > 6%V, > 10%Co) rất khó luyện, bị thiên tích mạnh và khó rèn. Khi chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột nhờ có bột mịn mà thành phần trở nên đồng nhất hơn. Xuất phát từ nguyên liệu bột (Fe, C, W, Cr, Mo, V, Co) qua ép nóng dưới áp suất 100MPa ở 1100oC trong khí bảo vệ acgông (Ar), tạo nên các bán thành phẩm thỏi lớn. Chế độ rèn và nhiệt luyện như thép gió nấu chảy nhưng với nhiệt độ thấp hơn.