Như đ∙ biết biến dạng nóng là hình thức gia công chủ yếu để chế tạo bán thành phẩm và phôi (để gia công cắt) trong sản xuất luyện kim và cơ khí. Trong
sản xuất cơ khí thường dùng phổ biến các phương pháp gia công áp lực: rèn, ép chảy thông qua các bộ khuôn tương ứng.
a. Điều kiện làm việc và yêu cầu
Có thể thấy rằng tuy có bản chất như nhau (làm biến dạng dẻo) song dụng cụ biến dạng nóng có điều kiện làm việc hơi khác dụng cụ biến dạng nguội và cắt do các đặc điểm sau đây.
- Dụng cụ (khuôn) luôn luôn tiếp xúc với phôi nóng tới ~ 1000oC nên bản thân khuôn cũng bị nung nóng tới 500 ữ 700oC song không thường xuyên, liên tục.
- Do được nung nóng đến trạng thái austenit nên phôi thép có tính dẻo cao, vì thế độ cứng của khuôn không cần cao như dụng cụ biến dạng nguội.
- Các dụng cụ biến dạng nóng thường có kích thước lớn, chịu tải trọng lớn, có thể đạt tới vài trăm - vài nghìn tấn.
Để bảo đảm được các điều kiện làm việc như vậy các dụng cụ biến dạng
nóng phải đạt được các yêu cầu sau.
1) Độ bền và độ dai cao, độ cứng vừa phải để bảo đảm chịu được tải trọng lớn và va đập, độ cứng của dụng cụ chỉ cần trong khoảng HB 350 ữ 450 (HRC 35
ữ 46), quá giá trị này độ dai không bảo đảm.
2) Tính chống mài mòn cao bảo đảm tạo ra được hàng nghìn ữ hàng vạn sản phẩm. Do làm việc ở nhiệt độ cao, năng suất của các khuôn biến dạng nóng thấp hơn khuôn biến dạng nguội chừng 10 lần.
3) Tính chịu nhiệt độ cao, chống mỏi nhiệt để chịu được trạng thái nhiệt độ thay đổi tuần hoàn dễ gây ra rạn, nứt. Muốn vậy thép phải có tính chống ram cao.
b. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nóng
Để đạt được các yêu cầu cơ tính kể trên, các thép dùng làm dụng cụ biến dạng nguội phải có các đặc điểm chung sau.
- Thành phần cacbon trung bình, tùy theo từng loại khuôn (độ cứng và độ dai va đập yêu cầu) lượng cacbon dao động trong khoảng 0,30 ữ 0,50%.
- Thành phần hợp kim thích hợp để bảo đảm tôi thấu, cơ tính đồng nhất trên toàn tiết diện và bảo đảm tính chịu nóng, chống ram tốt đặc biệt trong trường hợp phải tiếp xúc lâu với phôi nóng. Để bảo đảm thấm tôi tốt và độ dai cao thường dùng crôm - niken; để bảo đảm thấm tôi, chịu nóng và chống ram phải dùng tới 8
÷ 10% vonfram.
- Nhiệt luyện kết thúc dụng cụ biến dạng nóng bao gồm tôi + ram để đạt tổ chức trôxtit ram (đôi khi cả trôxtit - xoocbit ram) có độ bền, độ dai, độ cứng phù hợp với yêu cầu làm việc. Chú ý: do ram ở nhiệt độ 500 ữ 600oC nên phải tránh
giòn ram loại II.
Hai loại dụng cụ biến dạng nóng phổ biến trong sản xuất cơ khí là khuôn rèn và khuôn ép chảy.
c. Thép làm khuôn rèn
Để tạo phôi, trong sản xuất cơ khí ngoài cách rèn tự do người ta đ∙ sử dụng rộng r∙i cách rèn khuôn: biến dạng trong các khuôn định hình được gọi chung là khuôn rèn. Các khuôn rèn thường có kích thước lớn, chịu tải trọng cao và va đập, bị nung nóng ít (500 ữ 550oC) do thời gian tiếp súc ngắn. ở nước ta hay dùng thép crôm - niken (hay crôm - mangan) có hợp kim hóa thêm bằng môlipđen hay vonfram và có khoảng 0,50% cacbon với các mác 50CrNiMo, 50CrNiW,
227 50CrNiSiW, 50CrMnMo trong đó 50CrNiMo là mác điển hình và được dùng phổ biến hơn cả. Thép này có những đặc điểm sau.
- Tính thấm tôi cao, tôi thấu trong dầu với khối thể tích 400 x 300 x 300mm, có thể tôi phân cấp hay đẳng nhiệt với khuôn bé.
- Tôi + ram 500 ữ 600oC, tùy theo yêu cầu độ cứng với từng loại khuôn:
nhỏ HRC 40 ữ 45 ram khoảng 500 ữ 540oC, lớn HRC 35 ữ 38 ram khoảng 540 ữ 580oC, tổ chức đạt trôxtit hay trôxtit - xoocbit ram. Cơ tính tốt ở 500oC: σb = 900MPa, σ0,2 = 650MPa, δ = 20 ÷ 22%, Ψ = 70%.
- Độ cứng phần đuôi nên thấp hơn phần làm việc từ 5 đến 10 đơn vị HRC do đó phải ram thêm phần này ở trong lò muối ở 600 ữ 650oC hay bằng nung cảm
ứng.
Bảng 5.9. Thành phần hóa học (%) của các mác làm khuôn rèn và khuôn ép chảy thường gặp
Tiêu chuÈn
Mác thÐp
C W Mo Cr V Si tương
đương với mác của ΓOCT
Thép làm khuôn rèn 50CrNiMo 0,50-
0,60
Mn 0,50- 0,80
0,15- 0,30
0,50- 0,80
- Ni1,40-
1,80 5XHM 50CrNiW 0,50-
0,60
0,40- 0,70
Mn 0,50- 0,80
0,50- 0,80
- Ni1,40- 1,80
5XHB 50CrNiSiW 0,50-
0,60
0,40- 0,70
Si 0,60-
0,90
1,30- 1,60
- Ni0,80-
1,20 5XHCB TCVN
50CrMnMo 0,50-
0,60
Mn 1,20- 1,60
0,15- 0,30
0,60- 0,90
- 0,25-
0,65 5XΓM Thép làm khuôn ép chảy
TCVN 30Cr2W8V 0,30-
0,40
7,50- 9,00
Mn 0,15- 0,40
2,20- 2,70
0,20- 0,50
0,15-
0,40 3X2B8Φ
AISI H21 0,26-
0,36
8,50- 10,00
Mn 0,15- 0,40
3,00- 3,75
0,30- 0,60
0,15- 0,30
JIS SKD5 0,35-
0,35
9,00- 10,0
Mn 0,60
2,00- 3,00
0,30- 0,50
0,35
TCVN 40Cr5W2VSi 0,35-
0,45
1,60- 2,40
Mn 0,15- 0,40
4,50- 5,50
0,60- 1,00
0,80-
1,20 4X5B2ΦC
H12 0,30-
0,40
1,00- 1,70
1,25- 1,75
4,75- 5,50
0,50 0,80- 1,20
AISI
H13 0,32-
0,45
- 1,10- 1,75
4,75- 5,50
0,80- 1,30
0,80- 1,20
JIS SKD62 0,32-
0,42
1,00- 1,50
1,00- 1,50
4,50- 5,50
0,20- 0,80
0,80- 1,20
Chú ý khi nhiệt luyện khuôn rèn:
+ Thời gian nung nóng dài (do kích thước khuôn lớn) thường dẫn đến ôxy hóa và thoát cacbon, phải có biện pháp bảo vệ.
+ Đối với các khuôn lớn do yêu cầu phải có độ dai cao hơn nên độ cứng có khi phải lấy thấp đi (HRC < 35), lúc đó có thể tiến hành khắc hình chính xác sau khi tôi + ram để bảo đảm độ chính xác cho khuôn.
Thường dùng 50CrNiMo, cho khuôn rèn với trọng lượng búa > 3T, các mác còn lại với khối lượng búa < 3T.
d. Thép làm khuôn ép chảy
Khác với khuôn rèn, các khuôn chồn ép nóng (ép chảy) có kích thước bé hơn nhưng lại chịu nhiệt độ cao hơn (do phải tiếp súc lâu với phôi), chịu áp suất cao nhưng tải trọng va đập nhỏ.
Để bảo đảm tính cứng nóng khá cao (bề mặt khuôn có thể bị nung nóng tới 600 ữ 700oC) phải dùng loại thép có đặc tính gần như thép gió, đó là loại được hợp kim hóa cao (~ 10%) bằng Cr + W và có khoảng 0,30 ữ 0,40%C (ở đây không cần tới 0,50%C như trên mà vẫn có hóa bền tương đương vì thép có lượng nguyên tố hợp kim cao hơn), ngoài ra có thể có thêm vanađi (1%) để nâng cao tính chống mài mòn và giúp duy trì hạt nhỏ và môlipđen (1%) để cải thiện hơn nữa tính thấm
tôi.
Các mác thép thường dùng là 30Cr2W8V và 40Cr5W2VSi. Chúng được tôi ở nhiệt độ cao (gần 1100oC) để hòa tan một lượng lớn cacbit hợp kim vào austenit và do đó sau khi tôi được mactenxit hợp kim hóa cao cho tính cứng nóng cao, hạt nhỏ bảo đảm độ dai tốt. Khi ram ở nhiệt độ thích hợp các mác này cũng cho độ cứng thứ hai như thép gió, song để bảo đảm độ dai tốt và độ cứng yêu cầu chúng
được ram ở 600 ữ 650oC để đạt tổ chức trôxtit ram với độ cứng HRC biến động
trong khoảng 40 ữ 50.
Để nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho bề mặt khuôn ép chảy, sau khi tôi + ram 600 ữ 650oC như trên, khuôn còn được thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp (bằng Tenifer hay thấm xyanua) ở 500 ữ 600oC (thấp hơn nhiệt độ ram để không làm xấu độ bền, độ cứng chung của khuôn), tạo nên lớp bề mặt cứng HRC trên dưới 65 chống mài mòn rất cao, còn lõi vẫn có độ cứng bảo đảm: HRC
40 ÷ 50.
Bảng 5.9 trình bày thành phần hóa học của các mác thép trên theo TCVN, ΓOCT, AISI và JIS.
5.5. Thép hợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt)