Tài liệu Nghiên cứu áp dụng công nghệ nhiệt luyện chân không để nhiệt luyện các sản phẩm cơ khí chất lượng cao

bé c«ng th−¬ng tæng c«ng ty m¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nghiÖp viÖn c«ng nghÖ b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi KH - CN M∙ sè: 240.08RD/h®-KHCN Tªn ®Ò tµi: Nghiªn cøu ¸p dông c«ng nghÖ nhiÖt luyÖn ch©n kh«ng ®Ó nhiÖt luyÖn c¸c s¶n phÈm c¬ khÝ chÊt l−îng cao C¬ quan chñ qu¶n : Bé C«ng th−¬ng C¬ quan chñ tr× : ViÖn C«ng nghÖ Chñ nhiÖm ®Ò tµi : Ph¹m V¨n Lµnh 7102 16/02/2009 Hµ Néi, th¸ng 12 - 2008 bé c«ng th−¬ng tæng c«ng ty m¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nghiÖp viÖn c«ng nghÖ b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi KH - CN M∙ sè: 240.08RD/h®-KHCN Tªn ®Ò tµi: Nghiªn cøu ¸p dông c«ng nghÖ nhiÖt luyÖn ch©n kh«ng ®Ó nhiÖt luyÖn c¸c s¶n phÈm c¬ khÝ chÊt l−îng cao C¬ quan chñ tr× chñ nhiÖm ®Ò tµi ViÖn c«ng nghÖ Ks. ph¹m v¨n lµnh Hµ Néi, th¸ng 12 - 2008 Nh÷ng ng−êi tham gia ®Ò tµi 1. Ph¹m V¨n Lµnh ViÖn C«ng nghÖ 2. Hoµng VÜnh Giang ViÖn C«ng nghÖ 3. TrÇn Träng NghÜa ViÖn C«ng nghÖ 4. NguyÔn V¨n ViÖt ViÖn C«ng nghÖ 5. NguyÔn Xu©n Th¾ng ViÖn C«ng nghÖ C¬ quan phèi hîp - C«ng ty Cæ phÇn NAKYCO - C«ng ty Cæ phÇn Dông cô C¬ khÝ XuÊt khÈu GIỚI THIỆU Nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng đối với các sản phẩm cơ khí nói chung, đặc biệt đối với sản phẩm cơ khí chất lượng cao (bánh răng, dụng cụ cắt, khuôn các loại). Thông qua nhiều công nghệ nhiệt luyện khác nhau, người ta có thể thay đổi tổ chức, cấu trúc, cơ tính, hoá tính và lý tính vật liệu kim loại cho phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết. Chi phí nhiệt luyện thường chiếm 10 - 15% giá thành sản phẩm (một số sản phẩm đặc biệt có thể lên tới 30%), nhưng lại nâng cao tuổi thọ chi tiết lên nhiều lần với chi tiết không qua nhiệt luyện, hoặc nhiệt luyện không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đề ra. Thực tế hiện nay, tại Việt Nam phần lớn các nhà máy chế tạo cơ khí đang sử dụng thiết bị đã cũ. Thiết bị công nghệ, trong đó có thiết bị nhiệt luyện đã lạc hậu và hư hỏng nhiều nên khả năng và hiệu quả sử dụng rất hạn chế. Nhiều chủng loại chi tiết máy không được nhiệt luyện hoặc nhiệt luyện không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật khi đưa vào sử dụng. Cơ tính, độ biến dạng, độ cứng, độ dai va đập của những sản phẩm này không đảm bảo, tuổi thọ thấp, ảnh hưởng xấu đến chất lượng và giá thành sản phẩm. Song song với việc xuống cấp thiết bị là sự hạn chế ứng dụng các công nghệ nhiệt luyện tiên tiến: Như nhiệt luyện trong môi trường chân không. Công nghệ nhiệt luyện sản phẩm cơ khí chất lượng cao như các loại bánh răng truyền động của máy móc thiết bị, dụng cụ cắt, dụng cụ đo lường cơ khí. Đặc biệt là các loại khuôn mẫu: Khuôn đúc áp lực, khuôn rèn, khuôn dập nguội... thường yêu cầu chế độ nhiệt luyện nghiêm ngặt để đạt được các yêu cầu kỹ thuật như: - Chịu mài mòn ở nhiệt độ làm việc cao. - Khả năng chống mỏi nhiệt, chống nứt nóng. - Khả năng biến dạng do nhiệt luyện là nhỏ nhất. 1 Để đáp ứng được các yêu cầu trên, ngoài yếu tố chọn đúng vật liệu, khâu nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng. Hiện nay trong nước vẫn sử dụng công nghệ truyền thống: Nhiệt luyện trong lò khí bảo vệ, lò muối, làm nguội trong dầu hoặc không khí song chất lượng không đảm bảo do quá trình nung nóng và làm nguội chi tiết bị oxy hoá, thoát cácbon hoặc có biến dạng lớn. Các công nghệ truyền thống này không đáp ứng được cho các sản phẩm cơ khí chất lượng cao đặc biệt là khuôn kim loại. Chính vì vậy phải áp dụng công nghệ nhiệt luyện tiên tiến như nhiệt luyện trong lò chân không mới đáp ứng được các yêu cầu nêu trên. Là một cơ sở nghiên cứu về công nghệ nhiệt luyện, chúng tôi có trách nhiệm thực hiện các dịch vụ nhiệt luyện cho các công ty chế tạo khuôn, tránh tình trạng khuôn chế tạo xong phải đem đi nhiệt luyện ở nước ngoài với chi phí giá thành cao. Để đáp ứng được nhiệm vụ trên, Viện Công Nghệ chúng tôi đang nghiên cứu ứng dụng công nghệ nhiệt luyện tiên tiến, đồng thời đầu tư thiết bị công nghệ hiện đại lò nhiệt luyện chân không, lò thấm Nitơ công nghệ plasma. Trong khuôn khổ đề tài này chúng tôi đặt ra nhiệm vụ là: - Nghiên cứu tổng quan nhiệt luyện chân không, nhiệt luyện khuôn kim loại trong môi trường chân không. - Khảo sát, đánh giá thực trạng sử dụng khuôn, các phương pháp công nghệ nhiệt luyện khuôn kim loại ở Việt Nam. - Nghiên cứu qui trình nhiệt luyện khuôn đúc áp lực trong lò chân không. - Thực nghiệm nhiệt luyện hoàn chỉnh một bộ khuôn đúc áp lực trong lò chân không theo quy trình đã đề ra. Kết quả nhiệt luyện và sử dụng khuôn đúc cho thấy, với điều kiện hiện có, chúng ta hoàn toàn có khả năng thiết kế được và kiểm soát quá trình nhiệt luyện khuôn để nhận được tính chất của vật liệu như mong muốn. 2 I. TỔNG QUAN NHIỆT LUYỆN TRONG MÔI TRƯỜNG CHÂN KHÔNG 1.1. Lợi ích và sự cần thiết của công nghệ nhiệt luyện chân không Nhiệt luyện chân không (Vacuum Heat Treatment) là công nghệ nhiệt luyện trong môi trường có áp suất thấp (khoảng 10-2 - 10-4 mbar), thông thường hay gọi là môi trường chân không. Công nghệ này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiệt luyện, đặc biệt là nhiệt luyện các sản phẩm cơ khí chất lượng cao. Chúng ta có thể nêu lên một số ví dụ điển hình như sau: - Bánh răng trong các hệ truyền động của máy móc thiết bị được chế tạo phần lớn từ thép có hàm lượng các bon thấp (khoảng 0,2%). Tuy nhiên, sau khi gia công cơ khí, bề mặt răng với độ cứng ban đầu của thép khoảng 20 HRC sẽ không có khả năng chịu mài mòn và chịu nén. Vì vậy cần phải được nhiệt luyện với các công đoạn thấm các bon, tôi và ram. Thấm các bon nhằm mục đích tăng hàm lượng các bon trên bề mặt bánh răng từ 0,2% lên 0,8-1% và qua đó làm tăng khả năng tôi của thép. Bề mặt răng có thể đạt độ cứng 60HRC sau khi tôi. Như vậy, nhiệt luyện đã nâng độ cứng mặt răng lên gấp 3 lần, qua đó nâng khả năng chịu mài mòn, chịu nén cũng như tuổi thọ của báng răng. - Dụng cụ cắt như mũi khoan, dao phay được chế tạo từ thép gió (thép hợp kim cao). Để cắt được kim loại, các dụng cụ này phải có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chịu mài mòn cao. Dụng cụ đạt được tính năng tổng hợp như vậy là nhờ vào các công đoạn nhiệt luyện đặc biệt. Nhiệt độ tôi của loại thép này gần đạt tới nhiệt độ nóng chảy để có thể hoà tan hết các pha Carbid thô đại. Tuy nhiên, nhiệt độ càng cao thì khả năng xảy ra hiện tượng thô hạt càng lớn. Nếu hạt bị thô thì cơ tính của thép sẽ giảm nhiều sau khi tôi. Vì vậy, việc tối ưu hoá thông số công nghệ 3 (nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt) khi nung tôi sẽ quyết định chất lượng của dụng cụ. - Khuôn kim loại là dụng cụ hết sức quan trọng trong lĩnh vực tạo phôi, nó quyết định tới chất lượng và giá thành sản phẩm. Phụ thuộc vào điều kiện làm việc và yếu tố công nghệ, người ta chia ra các nhóm khuôn như khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc (đúc thường và đúc áp lực). Khuôn kim loại nói chung đều làm việc trong điều kiện khắc nghiệt dưới tải trọng tổng hợp. Khuôn đúc áp lực, khuôn dập hoặc khuôn ép đều phải chịu tải trọng động đa phương, chu kỳ với áp lực lớn (lực ép, lực dập). Bề mặt khuôn chịu nén, chịu mài mòn, chịu ăn mòn hoá học và chịu nhiệt. Như vậy, khuôn phải đủ tính năng kỹ thuật để chịu được điều kiện làm việc như đã nêu trên. Các sản phẩm nói trên, nhiệt luyện trong lò chân không là tốt nhất vì nhiệt luyện chân không có những ưu điểm chính sau đây: - Chi tiết ít biến dạng do nhiệt độ nung nóng đồng đều. - Tiết kiệm năng lượng do năng lượng hầu như được sử dụng chủ yếu cho quá trình nung nóng chi tiết. - Khi sử dụng thiết bị lò chân không để nung nóng chi tiết tôi, ram: không có hiện tượng thấm hoặc thoát cácbon, không bị ôxy hoá bề mặt chi tiết. Vì vậy bề mặt đẹp, không cần phải tiến hành các bước gia công tiếp theo, chi tiết có tính chất đồng đều trong toàn bộ tiết diện. - Khi sử dụng thiết bị lò chân không để thấm cácbon: bề mặt chi tiết luôn sạch nên quá trình thấm nhanh hơn, ngoài ra cho phép thấm ở nhiệt độ cao hơn mà ít có hiện tượng biến dạng, từ đó có thể rút ngắn thời gian thấm. - Thấm trong môi trường chân không (thấm nitơ công nghệ plasma): bề mặt chi tiết sạch, rút ngắn thời gian thấm, giảm tiêu hao khí thấm từ 50 4 đến 100 lần. Qua đó giá thành nhiệt luyện (sẽ giảm 3-5 lần). Ngoài ra, chi tiết còn có tính chịu mài tốt hơn phương pháp thấm thông thường. - Môi trường thân thiện: không thải ra khí bẩn, không cần làm sạch chi tiết sau nhiệt luyện, môi trường tôi là khí trơ rất sạch, không làm ô nhiễm môi trường. Đây cũng là một tiêu chí quan trọng khi mà cả thế giới trong đó có nước ta đang thực hiện chiến lược "Sản xuất sạch". - Làm giảm chi phí gia công cơ khí chính xác sau nhiệt luyện như mài, đánh bóng... Cũng cần phải lưu ý rằng, giá thành các thiết bị nhiệt luyện chân không đắt hơn thiết bị thông thường, tuy nhiên giá thành vận hành thấp hơn, ví dụ đối với các sản phẩm đòi hỏi một quy trình công nghệ nhiệt luyện nghiêm ngặt như nhiệt luyện khuôn, nhiệt luyện và thấm bánh răng thì hiệu quả kinh tế càng cao. Đặc biệt khi tính đến vấn đề môi trường (trước đến nay ta thường chưa quan tâm đúng mức) thì hiệu quả về kinh tế xã hội càng cao. Tiết kiệm được chi phí xử lý môi trường. Tóm lại, công nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không là một công nghệ nhiệt luyện tiên tiến, đang ngày càng được sử dụng rộng rãi và hiệu quả. Công nghệ này đang dần dần thay thế công nghệ nhiệt luyện truyền thống, đặc biệt đây là công nghệ thân thiện môi trường, cho ta chất lượng sản phẩm cao và ổn định. Với các sản phẩm chất lượng cao như khuôn kim loại, bánh răng, dụng cụ cắt thì công nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không là một lựa chọn hợp lý và tối ưu nhất. 1.2. Vai trò của công nghệ nhiệt luyện trong việc chế tạo khuôn sử dụng trong ngành cơ khí chế tạo máy Trong quá trình phát triển của ngành cơ khí, các công nghệ về dập, đùn, kéo và đúc chính xác trong khuôn kim loại đang ngày một phát triển. Đặc điểm của các công nghệ này là sử dụng khuôn kim loại để chế tạo các sản 5 phẩm hoàn chỉnh có kích thước và độ bóng theo yêu cầu. Vì thế nhu cầu sử dụng các loại khuôn kim loại để gia công kim loại ngày càng tăng, đáng chú ý nhất là các loại khuôn dập nguội, khuôn dập nóng, khuôn kéo, khuôn đùn và khuôn đúc áp lực. Các loại khuôn này thường được chế tạo từ thép dụng cụ hợp kim bền nguội và thép dụng cụ hợp kim bền nóng, điển hình là thép SKD11 (thép làm khuôn dập nguội, tương đương như X12, X12M), thép SKD61 (thép bền nóng, tương đương 40Cr5MoV, H13). Các loại thép này hiện nay đang có sẵn trên thị trường do các nhà sản xuất của Nhật Bản và CHLB Đức cung cấp). Để có được sản phẩm đạt chất lượng và giá thành hợp lý, ngoài các yếu tố về quy trình công nghệ, quản lý sản xuất, chất lượng chế tạo khuôn đóng vai trò rất quan trọng, nếu như không muốn nói là quyết định. Trong nhiều yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khuôn, yếu tố tính chất vật liệu của khuôn là quan trọng nhất. Nói đến tính chất vật liệu là nói đến tổ chức tế vi và tính chất cơ lý của vật liệu. Hai tính chất này ngoài yếu tố đầu vào (mác vật liệu) thì phụ thuộc chủ yếu vào quá trình nhiệt luyện. Các công nghệ thường dùng để nhiệt luyện các loại thép này là tôi, ram và hoá nhiệt luyện (thấm nitơ, nitơ-cácbon, để nâng cao tuổi thọ của khuôn). Các loại chi tiết bánh răng cũng là một đối tượng đòi hỏi khắt khe về chất lượng sản phẩm, độ cứng, độ bóng bề mặt, độ cong vênh của bánh răng là những yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của bánh răng, điều này bất kỳ ai cũng biết. Thấm cácbon trong lò chân không, hoặc thấm nitơ sử dụng công nghệ plasma giải quyết được cả 2 vấn đề trên. Công nghệ nhiệt luyện đúng, hợp lý đóng vai trò quyết định đến chất lượng, tuổi thọ của dụng cụ cắt, dụng cụ đo lường cơ khí, bánh răng, khuôn và vì thế sẽ quyết định đến hiệu quả kinh tế của quá trình chế tạo sản phẩm và thân thiện với môi trường. 6 1.3. Nhiệt luyện trong môi trường chân không ở nước ngoài . Công nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không đã được sử dụng từ lâu và ngày nay đang trở thành công nghệ chủ yếu sử dụng để nhiệt luyện các sản phẩm cơ khí chất lượng cao như khuôn kim loại. Nhiệt luyện khuôn trong lò chân không và làm nguội bằng khí nén với áp suất cao là phương pháp nhiệt luyện tiên tiến được các cơ sở nhiệt luyện ở các nước công nghiệp phát triển như CHLB Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Balan, Bungaria, CH Czech, Italy, Australia, Tây Ban Nha, Canada, Trung Quốc áp dụng. Nhiều hãng sản xuất đã chế tạo các thiết bị chuyên dùng cho từng công nghệ cụ thể và đã được tiêu chuẩn hoá. Một số khuôn kim loại như khuôn đúc áp lực được hiệp hội các nhà sản xuất khuôn Bắc Mỹ (NADCA) cũng như công ty FORD, General Motors khuyến cáo nên dùng công nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không để nhiệt luyện khuôn. 1.4. Nhiệt luyện trong môi trường chân không ở nước ta Việt nam cũng đã quan tâm đến công nghệ này, tuy nhiên hiểu biết của cán bộ kỹ thuật về công nghệ nhiệt luyện chân không còn rất hạn chế. Một số đơn vị trong nước và công ty liên doanh với nước ngoài cũng đã nhập thiết bị lò chân không để nhiệt luyện khuôn kim loại như: Công ty Cổ phần Dụng cụ Cơ khí xuất khẩu, Công ty Cổ phần Dụng cụ Thiết bị Y tế 2, Công ty TNHH Sản xuất và Thương mại A-Sung. Việc ứng dụng công nghệ này ngoài yếu tố về thiết bị thì yếu tố công nghệ cũng rất quan trọng, tuy nhiên công nghệ này chưa được nghiên cứu thoả đáng, mặt khác cũng do giá thành thiết bị cũng khá đắt. Nên việc sử dụng công nghệ này cũng hạn chế. Khuôn chế tạo trong nước chủ yếu vẫn nhiệt luyện theo phương pháp truyền thống nên tuổi thọ chưa cao. Khuôn nhiệt luyện trong nước hiện nay có tuổi thọ thấp hơn nhiều so với tuổi thọ mà các nhà sản xuất nước ngoài đưa ra, hệ quả là lợi nhuận thấp. 7 II. NHU CẦU VỀ CHẾ TẠO VÀ CUNG CẤP KHUÔN KIM LOẠI Ở VIỆT NAM Ở nước ta khuôn kim loại được sử dụng nhiều trong lĩnh vực đúc áp lực, rèn dập. Khuôn kim loại phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, với áp suất và nhiệt độ cao, thay đổi liên tục trong quá trình làm việc. Vì thế, vật liệu làm khuôn đòi hỏi phải có độ bền, độ dai, độ chịu mòn cao, khả năng chịu sốc nhiệt và mỏi nhiệt tốt. Đây là tổ hợp các tính chất nhiều khi trái ngược nhau. Ba đòi hỏi quan trọng nhất đối với khuôn là: - Khả năng chống rạn nứt nóng. - Độ bền ở nhiệt độ cao. - Khả năng chịu mòn ở nhiệt độ cao. Hiệp hội đúc áp lực Bắc Mỹ gọi tắt là NADCA (North American Die Casting Association) đưa ra tiêu chuẩn chấp nhận đối với khuôn đúc trong quy trình #207-2000 nhằm đảm bảo khuôn được chế tạo với chất lượng đáp ứng đầy đủ và tốt ba yêu cầu trên. Nhu cầu về khuôn kim loại ở nước ta ngày càng tăng cao, tuy nhiên để đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên thì hầu như chưa có cơ sở nhiệt luyện nào làm được. Ở nước ta phần lớn khuôn được nhiệt luyện theo công nghệ truyền thống trong các lò muối, hoặc lò buồng điện trở nhiệt độ cao. Trong quá trình nung nóng, tuy đã được bảo vệ bề mặt, song vì môi trường nung ở nhiệt độ cao, bề mặt vẫn bị ôxy hóa và thoát cácbon. Điều này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng khuôn, đồng thời gây ra tốn kém trong quá trình gia công cơ khí chính xác ở công đoạn sau nhiệt luyện. Viện Công Nghệ là một trong những cơ sở đã và đang nhiệt luyện khuôn kim loại tuy nhiên chất lượng chưa đáp ứng được các yêu cầu trên. Vì vậy cho đến nay phần lớn khuôn kim loại chất lượng cao vẫn phải nhập ngoại với giá cao. Những cơ sở sử dụng nhiều khuôn và đang phải nhập khẩu, có thể kể ra như sau: 8 Theo số liệu điều tra của Sở Công nghiệp Hà Nội [6], nhu cầu về khuôn mẫu của các doanh nghiệp trên địa bàn là rất lớn. Chẳng hạn, Công ty Song Long hàng năm sản xuất trên 400 loại sản phẩm nhựa, vì vậy, lượng khuôn đùn nhựa tiêu thụ là rất lớn, hiện chủ yếu phải nhập của nước ngoài. Công ty TNHH một thành viên Kim khí Thăng Long trong giai đoạn 2006-2010 cần tới 1500 bộ khuôn dập các loại. Công ty cổ phần Điện cơ Thống Nhất cần khoảng 100 bộ khuôn đúc áp lực, 300 bộ khuôn đùn ép nhựa, 350 bộ khuôn dập. Công ty cổ phần bi xích líp Đông Anh cần tới 500 bộ khuôn dập, Công ty Cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam - Hungari cần 150 bộ khuôn dập. Công ty phụ tùng 1, công ty Disoco, Công ty cơ khí Phổ Yên sử dụng một số lượng lớn khuôn đột dập liên hợp và mỗi năm phải nhập khẩu khuôn giá trị lên tới gần 100 tỷ VNĐ. Công ty Nakyko, công ty Đại Dương, công ty thiết bị Bưu Điện, Viện Công Nghệ có nhu cầu lớn về khuôn đúc áp lực. Công ty Thành Long, Công ty cơ khí Đông Anh tiêu thụ một lượng lớn khuôn đùn nhôm. Các loại khuôn kim loại thường phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như áp suất cao, chịu va đập mạnh, nhiệt độ cao (với khuôn dập nóng, khuôn đùn ép, khuôn đúc), chịu mài mòn cao. Vì thế, độ chính xác cao của kích thước, độ bền, độ dai va đập cao, khả năng chịu sốc nhiệt, chịu nhiệt độ và chịu mài mòn là những tính chất quan trọng đối với khuôn kim loại. Vì những yêu cầu vừa nêu, khuôn kim loại phải được nhiệt luyện trong điều kiện hết sức nghiêm ngặt về quá trình nung nóng cũng như làm nguội. Công nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên. Đây là một công nghệ nhiệt luyện tiên tiến, đang được sử dụng rộng rãi và hiệu quả. Công nghệ này đang dần dần thay thế công nghệ nhiệt luyện truyền thống, đặc biệt đây là công nghệ thân thiện môi trường. Với các sản phẩm đặt ra là khuôn kim loại, thì công nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không là một lựa chọn hợp lý và tối ưu nhất. 9 III. NHIỆT LUYỆN KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC 3.1. Đặc điểm của thép chế tạo khuôn đúc áp lực Thép chế tạo khuôn đúc áp lực là loại thép thuộc nhóm thép bền nóng, đây là loại thép được sản xuất để có thể làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao mà vẫn giữ được những tính chất cần thiết của quá trình công nghệ. Trong các nhóm thép trên, họ thép Cr-Mo được sử dụng nhiều để chế tạo khuôn. Thành phần cơ bản của chúng là: 0,35-0,40%C; 0,30-0,60%Mn; 1,0% Si; 3,5-5,5%Cr; 0,4-1,0%V; 1,0-2,5%Mo, không có hoặc có khoảng 11,25% W. Họ thép Cr-Mo có độ thấm tôi tốt do sự có mặt của Mo, khi có khoảng 1-1,25% Vônfram (W) thì W cũng chỉ đóng vai trò thứ yếu đến độ thấm tôi. Vanadium (V) có xu hướng làm giảm độ thấm tôi vì Vanadium thường dễ dàng liên kết với cácbon làm giảm lượng cácbon trong nền. Silic (Si) với hàm lượng cao làm tăng khả năng chống oxihoá, hàm lượng silic có thể lên tới 1%. Tính chất quan trọng nhất của loại thép này là độ bền, khả năng chiụ sốc nhiệt, duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao. Loại thép Cr-Mo được sử dụng nhiều để chế tạo khuôn dập nóng, khuôn đúc, khuôn kéo hay lưỡi cắt [1, 9, 10, 12, 15, 29]. Chọn mác thép phù hợp cùng với chế độ nhiệt luyện hợp lý để đạt được các tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng, đóng vai trò quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khuôn. Đây là vấn đề không những chỉ có tính kỹ thuật mà còn có ý nghĩa kinh tế to lớn. Thép SKD61 hay H13 là loại thép thường được sử dụng để chế tạo khuôn đúc áp lực, đây là loại thép nằm trong nhóm thép Cr-Mo đã nói ở trên. Nguyên tố hợp kim chính là crôm có thành phần khoảng 5% với hàm lượng cácbon khoảng 0,4%. Các nguyên tố hợp kim khác là môlipđen, vanadium, và silic với hàm lượng mỗi nguyên tố khoảng 1%. 10 Dù xuất hiện với những tên gọi và ký hiệu khác nhau, nhưng thành phần hoá học của các loại thép này không khác nhau nhiều. Bảng 3.1 dưới đây là thành phần của một số mác thép thông dụng tương đương mác SKD61. Trong các loại thép bền nóng thông dụng hệ Cr-Mo-V hiện có trên thị trường, mác thép 40Cr5MoV hay còn được gọi là H13 theo AISI (American Iron and Steel Institute) hoặc SKD61 (theo ký hiệu của Nhật, JIS 4404) là loại thép đặc trưng nhất và được sử dụng rộng rãi hơn cả, đặc biệt là để chế tạo khuôn dập nóng và khuôn đúc áp lực. Bảng 3.1: Thành phần hoá học tiêu chuẩn của một số mác thép thông dụng thuộc họ Cr-Mo-V [2, 8, 10, 13, 14, 28, 31] Thành phần hoá học cơ bản [% khối lượng] Mác thép C Mn Si Cr Mo V 0,32 0,20 0,80 4,75 1,10 0,80 0,45 0,50 1,20 5,50 1,75 1,20 X40CrMoV5-1 0,32 0,25 0,80 4,80 1,20 0,80 (DIN) 0,42 0,50 1,20 5,50 1,50 1,20 Z 40 CDV5 0,32 0,25 0,80 4,80 1,20 0,80 (AFNOR) 0,42 0,50 1,20 5,50 1,50 1,20 X40CrMoV5 0,32 0,25 0,80 4,80 1,20 0,80 (UNI) 0,42 0,50 1,20 5,50 1,50 1,20 SKD 61 (JIS) 0,32 max 0,80 4,50 1,10 0,80 0,42 0,50 1,20 5,50 1,50 1,20 X40CrMoV5-1 0,32 0,25 0,80 4,80 1,20 0,80 (ISO) 0,42 0,50 1,20 5,50 1,50 1,20 40X5MØ (Gost) 0,35 0,50 0,17 4,50 1,20 0,40 0,45 0,80 0,37 5,50 1,60 0,60 H 13 (AISI) P max 0,03 S max 0,03 0,03 0,02 0,03 0,02 0,03 0,02 0,03 0,03 0,03 0,02 0,03 0,03 11 Ngoài các mác đã được tiêu chuẩn hoá ở trên, các hãng chế tạo thép cũng đưa ra thị trường nhiều loại thép với các tên thương mại khác nhau, tuy nhiên thành phần hoá học của nó tương đương SKD61. 3.2.Yêu cầu của khuôn đúc nhôm Theo các tài liệu [10,11,14] khuôn đúc nhôm cần phải có những tính chất: - Khả năng chống rạn nứt nóng. - Độ bền ở nhiệt độ cao. - Khả năng chịu mòn ở nhiệt độ cao. Khả năng chống rạn nứt nóng của thép là khả năng làm chậm lại, hoặc chống lại sự hình thành các vết rạn trên mặt khuôn, do sự thay đổi liên tục của nhiệt độ trong quá trình làm việc của khuôn. Khuôn thường làm việc trong điều kiện áp lực lớn, nhiệt độ cao nên phải có độ bền cần thiết trong khoảng nhiệt độ làm việc của khuôn. Khả năng chịu mòn của khuôn phụ thuộc nhiều vào độ cứng, để khuôn ít bị mòn khi làm việc thì độ cứng không giảm nhiều ở nhiệt độ làm việc. Để có được các tính chất được đề cập ở trên, ngoài yếu tố về vật liệu ban đầu, yếu tố nhiệt luyện đóng vai trò rất quan trọng. Các tính chất trên được quyết định bởi tổ chức tế vi và cơ tính của vật liệu. Cả hai tính chất: tổ chức tế vi và cơ tính của loại thép này phụ thuộc chính vào quá trình nhiệt luyện. Với một mác thép bền nóng cụ thể thì độ cứng, độ dai va đập và khả năng chịu nhiệt, là các tính chất quyết định đến tuổi thọ của khuôn. Để có được các tính chất phù hợp với từng mục đích sử dụng, đã có nhiều quy trình công nghệ nhiệt luyện được đưa ra trong các tài liệu [1, 3, 10, 11, 12, 13, 19, 22, 23]. Quy trình công nghệ nhiệt luyện thép 40Cr5MoV (SKD61) làm khuôn đúc áp lực nhôm sẽ được trình bày ở phần tiếp theo. 12 3.3. Nhiệt luyện khuôn đúc áp lực nhôm Trong các yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khuôn, tính chất vật liệu là yếu tố quan trọng nhất. Nói đến tính chất vật liệu là nói đến thành phần hóa học, cấu trúc, tổ chức tế vi và cơ tính của vật liệu đó. Cả hai tính chất: tổ chức tế vi và cơ tính của vật liệu, ngoài yếu tố đầu vào (mác vật liệu) thì phụ thuộc chủ yếu vào quá trình nhiệt luyện. Các công nghệ thường dùng để nhiệt luyện sản phẩm được chế tạo từ thép dụng cụ bền nóng là tôi, ram và hoá nhiệt luyện. Trong các quy trình nhiệt luyện thì công đoạn tôi và ram khuôn thành phẩm là hai công đoạn quan trọng nhất quyết định đến tuổi thọ và tính chất của khuôn, thực tế khi nói đến nhiệt luyện, người ta cũng chỉ coi trọng đến công đoạn tôi và ram. Dưới đây chúng tôi sẽ phân tích ảnh hưởng các thông số của quá trình tôi và ram đến tính chất vật liệu của sản phẩm và để có được các tính chất vật liệu. 3.3.1. Nung nóng và tôi Khuôn sau khi gia công hoàn chỉnh sẽ tiến hành nhiệt luyện. Đây là công đoạn quan trọng quyết định đến tính chất cuối cùng của sản phẩm. Khi nói đến nhiệt luyện, công đoạn khó khăn và phức tạp nhất là nung nóng và tôi (thường gọi là tôi). Mỗi công đoạn của quá trình nhiệt luyện đều có ảnh hưởng đến chất lượng khuôn, vì vậy hiểu rõ từng công đoạn của quá trình này sẽ giúp chúng ta điều khiển được quá trình nhiệt luyện. Quy trình công nghệ tổng quát để nhiệt luyện thép SKD61 được thể hiện trên hình 3.1 [12, 13, 14, 17,18, 19]. 13 toC Nhiệt độ tôi Nung tôi Nung gđ 2 Nhiệt độ ủ Nguội KK Ram lần 1 Ram lần 2 Ram lần 3 Nung gđ 1 Nguội dầu τ(h) Hình 3.1: Sơ đồ quy trình công nghệ tổng quát nhiệt luyện thép SKD61 Thiết bị và môi trường nung Trong quá trình nung tôi, bề mặt của sản phẩm cần được bảo vệ để tránh thoát hoặc thấm cácbon. Quá trình thấm và thoát cácbon bắt đầu xẩy ra từ nhiệt độ khoảng trên 800oC. Sự ôxy hoá hoặc thoát cácbon sẽ dẫn đến hiện tượng bề mặt bị mềm, tạo ứng suất và gây nứt. Để tránh hiện tượng này, sản phẩm phải được nung trong môi trường trung tính, chân không. Sản phẩm nhiệt luyện thường được nung bằng một trong các thiết bị sau: - Lò chân không. - Lò muối nóng chảy. - Lò bảo vệ bằng khí trơ hoặc các chất có thể thu oxy . Nung phân cấp Nung phân cấp có tác tác dụng hạn chế hai loại ứng suất trong quá trình gia nhiệt. Loại thứ nhất là ứng suất nhiệt, ứng suất này sinh ra do chênh lệch nhiệt độ ở tiết diện của vật nung. Nếu tiết diện càng thay đổi càng đột ngột thì 14 ứng suất này càng lớn. Loại ứng suất thứ hai sinh ra do chuyển biến tổ chức (ví dụ từ ferit sang austenit). Nếu đồng thời xảy ra cả hai ứng suất trên, thì ứng suất tổng sẽ rất lớn. Ứng suất này có thể gây biến dạng, thậm chí là nứt hoặc vỡ khi ứng suất vượt quá độ bền của vật liệu. Vì lý do đó, nung sơ bộ cần được quan tâm đúng mức. Với thép khuôn dập như thép H13 (SKD61), nên tiến hành nung hai giai đoạn. Giai đoạn 1 được nung với tốc độ không quá 2000C/h và giữ ở nhiệt độ khoảng 650 – 7000C. Giữ nhiệt lần 2 trong khoảng 810oC - 870oC. Tại hai lần giữ nhiệt này, thời gian giữ nhiệt cần đủ để cân bằng nhiệt độ bề mặt và trong lõi (thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào chiều dày sản phẩm). Nung đến nhiệt độ tôi và giữ nhiệt để tôi Nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt là hai yếu tố quan trọng nhất của quá trình này, tuy nhiên nhiệt độ tôi đóng vai trò quan trọng hơn. Nhiệt độ và thời gian sẽ quyết định lượng carbid được hoà tan trong austenit. Sau khi được nung sơ bộ ở giai đoạn 2, nâng nhiệt đến nhiệt độ tôi càng nhanh càng tốt, tốc độ nung không nên nhỏ hơn 150oC/h. Nhiệt độ cao thì lượng carbid sẽ hoà tan nhiều hơn. Carbid được hoà tan sẽ làm giàu thêm cácbon và các nguyên tố hợp kim cho austenit. Trong trường hợp nếu carbid không hòa tan được hoàn toàn thì chúng sẽ tồn tại trong tổ chức vật liệu dạng phân tán hoặc lưới. Carbid VC là loại Carbid bền vững nhất, phần lớn không bị hoà tan ở nhiệt độ tôi. Hàm lượng cácbon hoà tan trong Austenit sẽ quyết định đến độ cứng của thép sau khi tôi. Hàm lượng cácbon hòa tan tối ưu nằm trong khoảng 0,81%, nếu nhiệt độ cao quá sẽ có hiện tượng thô hạt thậm chí chảy cục bộ rất nguy hiểm. Vì thế trong mọi trường hợp không nên để quá nhiệt để tránh sự thô hạt mà có thể dẫn đến nứt, nhiều austenits dư và kể cả biến dạng. 15 Nhiệt độ tôi thấp, khả năng hoà tan carbid bị hạn chế, dẫn đến austenit nghèo cácbon. Sản phẩm sau khi tôi sẽ có độ cứng thấp. Mỗi mác vật liệu sẽ có một nhiệt độ tôi hợp lý. Với thép SKD61 (40Cr5Mo) thì nhiệt độ tôi được chọn trong khoảng 1020oC -1050oC. Nhiệt độ tôi được chọn còn dựa vào yêu cầu cụ thể của từng loại khuôn. Ví dụ: độ bền ở nhiệt độ cao sẽ tăng khi tăng nhiệt độ tôi (hình 3.2), độ cứng cũng sẽ tăng (hình 3.2), tuy nhiên độ co thắt và độ giãn dài sẽ giảm (hình 3.2). Như vậy, cần phải chọn nhiệt độ tôi hợp lý để đạt được chất lượng khuôn theo mong muốn. M Pa 1100 1000 Z % 900 800 700 600 500 % A5 400 300 200 Re 100 Rm 0 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 °C Nhiệt độ thử Nhiệt độ tôi 1000oC Nhiệt độ tôi 1050oC Nhiệt độ tôi 1100oC Hình 3.2: Tính chất cơ lý của thép H13 (SKD61) được tôi ở các nhiệt độ khác nhau và ram 600oC/2h [29]. 16 Để chọn được nhiệt độ tôi thích hợp, người ta thường dựa vào độ cứng cần đạt sau khi tôi. Sự phụ thuộc của độ cứng vào nhiệt độ tôi, với thép H13 (SKD61), được thể hiện trên hình 3.3. Chúng ta dễ dàng nhận thấy nhiệt độ tôi càng thấp thì độ cứng đạt được càng thấp và ngược lại. Đây là yếu tố rất §é cøng HRC quan trọng giúp người nhiệt luyện xác định nhiệt độ tôi hợp lý. NhiÖt ®é C Hình 3.3: Sự phụ thuộc của độ cứng vào nhiệt độ tôi [9, 12, 14, 15,17, 21] Nhiệt độ tôi đóng vai trò quan trọng hơn thời gian giữ nhiệt. Thời gian giữ nhiệt ngoài ảnh hưởng đến độ cứng và cơ tính, còn có tác dụng làm đồng đều nhiệt độ, qua đó hạn chế sự biến dạng trong quá trình tôi. Vùng nhiệt độ tôi của loại thép này tương đối cao nên dễ xảy ra thô hạt. Vì thế, thời gian giữ nhiệt cần phải hạn chế, nên chọn thời gian ngắn nhất có thể. Hình 3.4 cho ta thấy mối liên quan giữa độ cứng, nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt. Độ cứng lớn nhất đạt được sau khi tôi là 750 HV tương ứng với thời gian giữ nhiệt là 1000s (17 phút). Nếu nhiệt độ tăng lên 1100oC thì thời gian giữ nhiệt chỉ cần 60s. 17