Biến dạng dẻo thép ở nhiệt độ thường - biến dạng nguội - là hình thức gia công phổ biến trong chế tạo cơ khí với năng suất cao. Dụng cụ để biến dạng như
trục cán, khuôn dập, đột... có ý nghĩa quan trọng quyết định năng suất và chất lượng sản phẩm.
223 a. Điều kiện làm việc và yêu cầu
Có thể thấy rằng dụng cụ biến dạng nguội mà điển hình là khuôn dập về cơ
bản cũng có điều kiện làm việc và yêu cầu như đối với dao cắt, song cũng có điểm hơi khác. Ngoài chịu áp lực lớn ra, khuôn dập còn chịu ứng suất uốn, lực va đập và ma sát. Hơn nữa do diện tích tiếp súc lớn, không tạo ra phoi nên khuôn dập không bị nóng lên nhiều (thường không quá 200 ữ 250oC). Với điều kiện làm việc như
vậy, các dụng cụ biến dạng nguội phải đạt được các yêu cầu sau.
1) Độ cứng cao. Nói chung dụng cụ biến dạng nguội cũng yêu cầu độ cứng cao, tuy không đòi hỏi cao như dao cắt, nhưng cũng phải đạt đến giới hạn dưới của nó tức là HRC 58 ữ 62 phụ thuộc vào loại khuôn, chiều dày và độ cứng của thép lá
đem dập, biến dạng. Khi dập cắt các lá thép cứng như thép kỹ thuật điện (tôn silic) hay có chiều dày lớn phải yêu cầu độ cứng HRC tới trên 60, thậm chí 62; khi dập uốn lá mỏng hay có độ cứng thấp yêu cầu độ cứng chỉ cần HRC 56. Khi độ cứng HRC lớn hơn 62 khuôn dễ bị nứt, mẻ khi làm việc.
2) Tính chống mài mòn cao bảo đảm được hàng vạn - hàng chục vạn lần dập. Nếu khuôn có tính chống mài mòn kém sẽ tạo ra khe hở giữa chày và cối, không làm việc được.
3) Độ bền và độ dai bảo đảm để chịu được tải trọng đặt vào lớn và chịu va
đập. Đối với các khuôn dập lớn cần có thêm yêu cầu về độ thấm tôi và ít thay đổi thể tích khi tôi.
b. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nguội
Để đạt được các yêu cầu cơ tính kể trên, các thép làm dụng cụ biến dạng nguội có các đặc điểm chung sau.
- Thành phần cacbon cao, thường ở mức trên dưới 1%, bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn sau khi tôi, song có một số trường hợp đặc biệt phải lấy khác
®i.
+ khi chịu va đập mạnh, lượng cacbon giảm đi, còn 0,40 ữ 0,60%,
+ khi cần chống mài mòn thật cao, lượng cacbon phải cao đến 1,50 ữ
2,00% hay hơn.
- Thành phần hợp kim phụ thuộc vào hình dạng, kích thước khuôn và tính chống mài mòn yêu cầu do tác dụng nâng cao độ thấm tôi và tạo ra cacbit cứng.
Để làm tăng độ thấm tôi thường dùng các nguyên tố crôm, mangan, silic, vonfram với lượng ít (~ 1% mỗi loại). Để nâng cao tính chống mài mòn phải dùng lượng lớn crôm (~ 12%) cùng với lượng cacbon rất cao, 1,50 ữ 2,00% hay hơn.
- Nhiệt luyện kết thúc dụng cụ biến dạng nguội cũng giống như dao cắt là tôi + ram thấp để đạt tổ chức mactenxit ram với độ cứng cao, song cũng có đặc
điểm riêng.
• Để bảo đảm độ bền và do kích thước lớn (hơn dụng cụ cắt) nhiệt độ tôi của thép được lấy cao hơn một chút (20 ữ 40oC) để austenit được đồng nhất hơn, nâng cao độ thấm tôi. Cũng để đạt điều này, trước khi tôi nên thường hóa để đạt hỗn hợp ferit - cacbit nhỏ mịn, ngoài ra nó còn có tác dụng giảm biến dạng, nứt khi tôi.
• Nhiệt độ ram lấy cao hơn (song vẫn là ram thấp) vì yêu cầu độ cứng thấp hơn chút ít. Chú ý do ram thấp phải tránh giòn ram loại I.
Trong số các dụng cụ biến dạng nguội, chỉ xét loại khuôn dập nguội là loại
được dùng phổ biến trong sản xuất cơ khí.
c. Thép làm khuôn bé
Để làm khuôn dập nguội bé, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhỏ có thể dùng thép dụng cụ cacbon với các mác CD100, CD120, khi tôi phải làm nguội trong nước, độ thấm tôi thấp song có độ cứng cao bảo đảm tuy tính chống mài mòn không lớn. Do độ thấm tôi không cao nên với kích thước 30 ữ 40mm lõi vẫn có độ dẻo nhất định, khuôn có khả năng chịu va đập, song nếu để lớp tôi quá
mỏng nó có thể bị lún, dẹt đi trong khi làm việc.
d. Thép làm khuôn trung bình
Để làm khuôn trung bình (75 -100mm) hay loại bé nhưng có hình dạng phức tạp, chịu tải trọng lớn phải dùng thép có khoảng 1%C và các nguyên tố hợp kim Cr, W, Mn, Si (~ 1% mỗi nguyên tố) để nâng cao độ thấm tôi với các mác 110Cr, 100CrWMn, !00CrWSiMn. Trong các mác đó 100CrWMn là điển hình hơn cả và được dùng phổ biến. Nó có những đặc điểm sau đây.
Bảng 5.8. Thành phần hóa học (%) của các mác thép làm khuôn dập nguội thường gặp
Tiêu chuÈn
Mác thÐp
C W Mo Cr V Mn tương
đương với mác của ΓOCT
TCVN 100CrWMn 0,90-
1,05
1,20- 1,60
- 0,90- 1,20
- 0,80- 1,10
AISI O7 1,10-
1,30
1,00- 2,00
0,30 0,35- 0,85
0,40 1,00
JIS SKS31 0,95-
1,05
1,00- 1,50
- 0,80- 1,20
- 0,90- 1,20
XBΓ
210Cr12 2,00-
2,20
- - 11,5-
13,0
- 0,15-
0,40 X12 160Cr12Mo 1,45-
1,65
- 0,40- 0,60
11,0- 12,5
0,15- 0,30
0,15-
0,40 X12MΦ TCVN
130Cr12V1 1,20-
1,45
- - 11,0-
12,5
0,70- 0,90
0,15-
0,40 X12Φ1
D2 1,40-
1,60
Co 1,00
0,70- 1,20
11,0- 13,0
1,10 0,60
D3 2,00-
2,35
1,00 - 11,0- 13,0
1,00 0,60
D4 2,05-
2,40
- 0,70- 1,20
11,0- 13,0
1,00 0,60
D5 1,40-
1,60
Co2,5 -3,5
0,70- 1,20
11,0- 13,0
1,00 0,60
AISI
D7 2,15-
2,50
- 0,70- 1,20
11,5- 13,5
3,80- 4,40
0,60
SKD1 1,80-
2,40
- - 12,0-
15,0
0,30 0,60
JIS SKD11 1,40-
1,60
- 0,80- 1,20
11,0- 13,0
0,20- 0,30
0,60
Ghi chú: các thép đều có chứa 0,20 ữ 0,40Si, P ≤ 0,030, S ≤ 0,030
- Do có mangan nên sau khi tôi có lượng austenit dư nhất định nên biến
dạng nhỏ.
- Có thể dùng cách tôi phân cấp (nếu là khuôn nhỏ) và tôi trong hai môi trường (nếu là khuôn trung bình) để giảm độ biến dạng mà vẫn đạt độ cứng cao.
225 - Thiên tích cacbit lớn, khi cacbit lớn thép dễ bị nứt khi tôi, do đó phải kiểm tra cấp cacbit, nếu thấy lớn phôi thép phải qua rèn.
e. Thép làm khuôn lớn và có tính chống mài mòn rất cao
Để làm khuôn dập lớn (200 ữ 300mm), chịu tải trọng nặng và bị mài mòn rất mạnh phải dùng nhóm thép crôm cao tới 12% và cacbon rất cao, 1,50 ữ 2,20%
với các mác Cr12 (210Cr12), Cr12Mo (160Cr12Mo) và Cr12V1 (130Cr12V1).
Chúng có những đặc điểm nổi bật như sau.
- Tính chống mài mòn rất cao do có tỷ lệ lớn (tới khoảng 30%) cacbit crôm nên bảo đảm tuổi bền làm việc rất cao.
- Độ thấm tôi cao, tôi thấu với kích thước 150 x 200mm khi tôi trong dầu do vậy bảo đảm độ bền, độ cứng cao cả khi khuôn lớn.
- Có thể áp dụng nhiều chế độ tôi + ram khác nhau để đạt được các yêu cầu khác nhau về cơ tính và sự ổn định kích thước dựa trên đặc điểm là thép có nhiều cacbit, thay đổi nhiệt độ tôi dẫn đến mức độ hòa tan cacbit khác nhau làm biến đổi thành phần của austenit, vì thế làm thay đổi tỷ lệ của các tổ chức tạo thành do đó
đến độ cứng và kích thước khuôn:
+ Tôi nhiệt độ thấp, 1050 ữ 1075oC, ít austenit dư, độ cứng HRC đạt 64 ữ 65, nhưng tính cứng nóng thấp (cách tôi này gọi là tôi ra độ cứng thứ nhất). Sau khi tôi ram ở 150 ữ 200oC.
+ Tôi nhiệt độ cao, 1125 ữ 1150oC, austenit được hợp kim hóa cao, mactenxit có tính cứng nóng cao, nhưng độ cứng đạt thấp, HRC 54 ữ 56 vì có nhiều austenit dư (~ 60%). Giống như thép gió, thép này sau khi ram nhiều lần ở 500 ữ 530oC austenit dư sẽ chuyển biến thành mactenxit và có độ cứng tăng lên
đến HRC 58 ữ 60 (cách tôi này gọi là tôi ra độ cứng thứ hai).
+ Tôi nhiệt độ trung bình, 1100 ữ 1125oC có tỷ lệ austenit dư khá lớn (~
40%) nên kích thước hầu như không thay đổi, đạt độ cứng HRC khoảng 58. Sau khi tôi, ram ở 150 ữ 200oC (cách tôi này gọi là tôi ổn định kích thước).
Khi ram, tránh nhiệt độ giòn ram loại I của thép này là 300 ữ 375oC.
- Có thể dập với tốc độ cao, khuôn chịu được nhiệt độ nung nóng tới 200 ữ 350oC.
Trên bảng 5.8 trình bày thành phần hóa học các mác thép của hai nhóm trên.
f. Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập
Để làm các dụng cụ biến dạng nguội chịu va đập như đục, búa hơi, khuôn dập cắt thép tấm dày 3 ữ 4mm trở lên phải làm bằng loại thép hợp kim với 3 ữ 5%
nguyên tố hợp kim song có lượng cacbon thấp hơn, chỉ 0,40 ữ 0,60% để bảo đảm
độ dai va đập nhất định. Thường dùng các mác sau: 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si, 50CrW2Si, 60CrW2Si và 60CrWMn, có 1%Cr, 1%Si và 1 ữ 2%W. Để đạt độ dai yêu cầu sau khi tôi phải ram cao hơn các khuôn dập bình thường. Khi ram, tránh giòn ram loại I của các thép trên ở 240 ữ 270oC.
Hiện nay đang có khuynh hướng dùng hợp kim cứng làm khuôn dập nguội,
đạt hiệu quả rất cao.