Mở đầu
Chế độ xử lý nhiệt tiếp theo nguyên công tôi sẽ được lựa chọn để đảm bảo cơ tính làm việc của khuôn dập nguội tuỳ theo tổ chức nhận được sau khi tôi. Tuổi thọ của khuôn dập phụ thuộc vào độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn. Muốn khuôn có chất lượng làm việc tốt, tuổi thọ cao, việc xác định đúng độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn là yếu tố quan trọng. Thép có độ bền, độ cứng cao sẽ có tính chống mài mòn cao. Khi độ cứng của thép lớn hơn 60HRC thì cứ tăng thêm 1HRC, tuổi thọ của dụng cụ sẽ tăng thêm 30%. Như vậy, xác định đúng độ cứng làm việc của khuôn, tận dụng tuyệt đối việc nâng cao độ cứng của thép sau tôi sẽ có ý nghĩa trong việc tăng tuổi thọ của khuôn. Mặt khác tuổi thọ của khuôn còn phụ thuộc vào tính chống mài mòn, điều này còn phụ thuộc vào lượng cacbit. Hai thép có cùng độ cứng, thép nào có lượng các bít nhỏ mịn, phân bố đều nhiều hơn, thép đó có tính chống mài mòn cao hơn. Như vậy, muốn khuôn có tuổi thọ cao thì ngoài việc chọn độ cứng thích hợp còn phải chọn chế độ xử lý nhiệt sao cho trong tổ chức của nó có nhiều các bit nhỏ mịn phân bố đều.
Xuất phát từ yêu cầu làm việc, khuôn đột dập có yêu cầu độ cứng thấp hơn (56-58HRC) để có độ dai va đập cao hơn so với khuôn dập vuốt (độ cứng 60-61HRC) có độ dai va đập thấp hơn. Vấn đề được đặt ra ở đây là sự kết hợp giữa độ cứng với tổ chức tế vi thích hợp để đạt được mục tiêu vừa đề cập ở trên.
Như đã trình bày trong bài báo trước (số 2/2006), thép SKD11 có thể áp dụng nhiều chế độ tôi khác nhau và do vậy cũng có thể có nhiều cách ram khác nhau để đạt được các yêu cầu khác nhau về cơ tính, sự ổn định kích thước và tính chống mài mòn. Tôi ở 10500C-10750C, lượng austenit dư sau tôi ít, độ cứng đạt 64-65 HRC, biến dạng lớn do máctenxit quá bão hoà cácbon và nguyên tố hợp kim, nếu sau đó tiến hành ram ở nhiệt độ thấp (1500C-2000C) thì kết quả nhận được độ cứng cao và gần như không thay đổi (giảm 1-2 HRC) do nhiệt độ thấp chỉ khử bỏ một phần ứng suất, còn mactenxit và austennit dư hầu như chưa chuyển biến. tôi ở nhiệt độ 11000C-11250C, tỷ lệ austenit dư sau tôi khá lớn (đến 40%) nên kích thước khuôn hầu như không thay đổi, độ cứng đạt được thấp (khoảng 58HRC) do mactenxit kém bão hoà cacbon và nguyên tố hợp kim, sau đó ram ở nhiệt độ 1500C-2000C, độ cứng hầu như không thay đổi. Tôi ở nhiệt độ cao 11250C-11500C, cacbit hợp kim hoà tan gần hết vào austenit, sau khi tôi lượng austenit dư rất lớn, độ cứng sau khi tôi thấp, chỉ đạt 54-56 HRC, nếu cũng ram ở nhiệt độ thấp như trên thì không đảm bảo cơ tính cho khuôn dập nguội, nhưng nếu tìm được vùng nhiệt độ cao, thích hợp để ram, hoặc có thể ram vài lần ở nhiệt độ đó để lượng austenit dư sẽ chuyển biến thành mactenxit ram, đồng thời mactenxit tôi chuyển biến thành mactenxit ram và tiết ra cacbit nhỏ mịn, phân tán thì độ cứng có thể tăng lên đến 58 – 60 HRC (độ cứng thứ hai). Điều phải lưu ý đối với các thép hợp kim cao và phức tạp là hiện tượng giòn ram (làm cho độ dai va đập có giá trị cực tiểu) thường xuất hiện ở vùng nhiệt độ cao, do vậy nghiên cứu cũng cần phát hiện ra các vùng nhiệt độ này và cần phải tránh.
Môi trường ram cho thép SKD11 có thể dùng muối nóng chảy (đồng đều nhiệt tốt hơn) hoặc môi trường không khí. Tuỳ thuộc vào yêu cầu cơ tính của khuôn dập, nhiệt độ ram được chọn để đảm bảo khử ứng suất, phân huỷ phần lớn austenit dư và tiết ra cacbit nhỏ mịn phân bố đều, tạo được độ cứng cần thiết và tính chống mài mòn cao để tăng tuổi thọ của khuôn.
Phương pháp nghiên cứu
Mẫu thép SKD11 (Nhật Bản) có kích thước 28x24x21mm và mẫu có khoan thêm lỗ F12 để xem xét ảnh hưởng của chỗ dày, chỗ mỏng. Sau khi tôi ở chế độ thích hợp: nung phân cấp lần 1 ở 6500C, lần 2 ở 8500C, nung tôi ở 10500C, thời gian giữ nhiệt là 10 phút, môi trường là không khí, các mẫu được đem ram ở các nhiệt độ khác nhau. Nghiên cứu được thực hiện với các nhiệt độ ram khác nhau và số lần ram khác nhau (số lần ram ở cùng một nhiệt độ). Tổ chức tế vi của thép và độ cứng là các chỉ tiêu đánh giá cơ tính và tuổi thọ của thép khi ram. Các thiết bị dùng để nghiên cứu bao gồm lò buồng điều khiển theo chương trình Linn của Đức với Tmax 13000C, kính hiển vi Axiovert 100A để quan sát và chụp ảnh tổ chức tế vi, máy đo độ cứng vạn năng Mityo (ý), HP250 (Nga).
Kết quả và bàn luận
1. ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ cứng của mẫu
Các mẫu sau khi tôi ở 10500C trong môi trường không khí, độ cứng đạt được 63 á 65 HRC, được ram ở các nhiệt độ khác nhau (mỗi lần giữ nhiệt 1 giờ). Khảo sát sự thay đổi độ cứng và tổ chức tế vi theo nhiệt độ ram nhận được các kết quả sau :
Sự phụ thuộc độ cứng vào nhiệt độ ram
Quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ được thể hiện trên hình 1, từ đồ thị này ta thấy, ram ở 2000C độ cứng giảm đi 2 HRC so với sau khi tôi (64HRC). Tăng nhiệt độ ram đến 3000C độ cứng giảm đến mức thấp nhất (58,5 HRC). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, độ cứng bắt đầu tăng. Giá trị độ cứng cao nhất đạt được ở khoảng 5000C (61,5 HRC), sau đó giảm mạnh khi ram cao hơn nhiệt độ này. Sự thay đổi của độ cứng có thể giải thích như sau: Ram ở 2000C, mactenxit tôi bắt đầu chuyển biến thành mactenxit ram bằng cách tiết ra cacbit, nhưng lượng các bít này không đáng kể, lượng cácbon và nguyên tố hợp kim trong mactenxit giảm, do vậy độ cứng của mactenxit giảm, trong khi đó austenit dư chưa chuyển biến, ứng suất giảm một phần, tổng lại độ cứng giảm không đáng kể. Khi tăng tiếp nhiệt độ ram (đến dưới 3000C), mactenxit ram vẫn tiếp tục tiết ra cacbon và nguyên tố hợp kim dưới dạng cacbit, xô lệch mạng giảm, austenit dư vẫn chưa chuyển biến, ứng suất tiếp tục giảm, do đó độ cứng tiếp tục giảm. Nhiệt độ ram tăng đến 4000C và 4500C, austenit dư bắt đầu chuyển biến thành mactenxit ram đồng thời tiết ra các bít. Sự tăng độ cứng do austenit dư chuyển biến thành mactexit ram, lượng cacbit nhỏ mịn phân bố đều tăng (cacbit do austenit dư và mactenxit tôi chuyển biến) lấn át sự giảm độ cứng do mactenxit tôi chuyển biến và ứng suất giảm, vì vậy, độ cứng trong khoảng nhiệt độ này tăng lên (hiện tượng độ cứng thứ hai). Ram quá 5000C, độ cứng lại giảm, nguyên nhân do lượng austenits dư hầu hết đã chuyển biến thành mactenxit ram, mactenxit tôi tiếp tục tiết ra cacbon và nguyên tố hợp kim, các cacbit nhỏ mịn bắt đầu tích tụ, ứng suất gần như hết hoàn toàn và độ cứng giảm đi nhanh chóng. Sự thay đổi của độ cứng có liên quan tới tổ chức được thể hiện rõ hơn qua việc nghiên cứu tổ chức tế vi của thép khi ram.
ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức tế vi
Ram ở 2000C, tổ chức tế vi nhận được trên hình 2 (a), với nền là mactenxit, pha trắng có dạng xương cá là cacbit dư (cacbít của tổ chức ban đầu chưa hoà tan hết khi tôi), các cacbit này sẽ là nguyên nhân gây ra hiện tượng giòn khuôn trong quá trình làm việc, nhất là khi khuôn làm việc trong điều kiện va đập. Ngoài ra, trên nền mactenxit còn có một số cacbit nhỏ mịn (hạt nhỏ màu sáng), đó là các cacbit không tan khi tôi (như VC). Cacbít do mactenxit tôi tiết ra có kích thước còn rất nhỏ nên không quan sát thấy. Ram ở 3000C (hình 2b), tổ chức tế vi chưa có nhiều thay đổi so với 2000C, lượng cacbit nhỏ mịn mới được tiết ra khỏi mactenxit nhiều hơn, kích thước lớn hơn, độ cứng lúc này chủ yếu là của mactenxit ram, độ cứng này giảm do xô lệch mạng giảm, còn austenit dư thì vẫn chưa chuyển biến. Ram ở 4000C, tổ chức tế vi gồm cacbit dư thô trên nền mactenxit, số lượng và kích thước của cacbit nhỏ mịn nhiều hơn và lớn hơn ở giai đoạn trước, độ cứng bắt đầu tăng, lúc này, austenit dư chuyển biến mạnh. Sự chuyển biến của austenit dư thành mactenxit ram làm độ cứng tăng mạnh, lấn át sự giảm độ cứng của mactenxit do sự tiết cácbit. ở 5000C, kích thước của cacbit này lớn hơn, lượng cacbit lại nhiều hơn nữa. Sau gia đoạn này, độ cứng bắt đầu giảm do austenit hầu như đã chuyển biến hết, chỉ có sự tiếp tục phân huỷ của austenit và sự tích tụ của cacbit.
ảnh hưởng của phương pháp ram
Nghiên cứu ảnh hưởng của số lần ram được thực hiện ở 5000C. Ram thực hiện 2 lần, mỗi lần 1 giờ. Ram lần 1 ở 5000C độ cứng khoảng 58 HRC. Sau khi ram lần 2, số lượng của cacbit tiết ra khi ram nhiều hơn và có sự tích tụ của các hạt cacbit, tương ứng với sự giảm độ cứng (56-57HRC). ưu điểm của phương pháp này là làm cho austenit dư chuyển biến nhiều hơn và khử ứng suất hơn nữa, đồng thời dừng lại sự phân huỷ của mactenxit.
Kết hợp với ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ cứng, ta nhận thấy, có thể ram để nhận được độ cứng khá cao với lượng cacbit nhỏ mịn phân bố đều, điều này quyết định khả năng chống mài mòn, có nghĩa là nâng cao được tuổi thọ của khuôn và điều cần tránh đối với thép SKD11 là ram ở nhiệt độ 300-3500C, tại đó có độ cứng giảm đáng kể.
Thực tế khảo sát khuôn bị vỡ do Công ty Kim khí Thăng Long cung cấp, khuôn này được nhiệt luyện theo qui trình tôi và ram thấp (2000C), độ cứng đạt 52-56HRC, tổ chức tế vi chỉ có cacbit dư thô, hầu như không có cacbit nhỏ mịn tiết ra khi ram nên khả năng chống mài mòn rất kém, tuổi thọ thấp. Hiện tượng khuôn vỡ ngoài nguyên nhân tồn tại của cacbit dư thô, định hướng theo phương rèn do rèn chưa đạt yêu cầu, còn do sự tồn tại của ứng suất sau tôi không được khử hết do nhiệt độ xử lý thấp (hình 5a). Trong khi đó, qui trình nhiệt luyện với nhiệt độ tôi ở 10500C, ram ở nhiệt đô cao ( 480-5200C), độ cứng đạt 58-60HRC, ứng suất đã được khử triệt để, với nhiều cacbit nhỏ mịn, phân bố đều sẽ cho khuôn có độ cứng, độ dai, khả năng chống mài mòn cao (Hình 5b)
Kết luận
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ram và phương pháp ram đến độ cứng và tổ chức tế vi cho phép kết luận:
- Nhiệt độ ram quyết định sự tiết ra cacbit nhỏ mịn phân bố đều. Điều này có tác dụng vừa tăng độ cứng, vừa tăng khả năng chống mài mòn.
- Có thể nhận được độ cứng cao, độ dai cao, khả năng chống mài mòn tốt và giảm triệt để ứng suất cho khuôn bằng cách tôi và ram ở nhiệt độ cao. Phương pháp này làm tăng tuổ thọ của khuôn
- Qui trình nhiệt luyện nghiên cứu đã được áp dụng nhiệt luyện khuôn đột lỗ cắt hình chi tiết xe máy cho Công ty Kim khí Thăng Long, cho tuổi thọ tương đương với khuôn của Đài loan, với tuổi thọ gấp 3 lần khuôn chế tạo và nhiệt luyện theo qui trình cũ của Công ty. q
Tài liệu tham khảo
Phùng Thị Tố Hằng. “Báo cáo tổng kết đề tài 01C-01/05-2004-1”. 2004
I. R.Rauzin. “ Termicheskaia obrabotka khromistoi stali”. Moskva “ Meshunastroenhie”. 1978
ASM Committeen on Heat treating of Tool Steels “ Introduction to heat treating of tool steel”. American society for metals. 1981.
Daniel S. Zamborsky. “ Control of Distortion in Tool Steels”. Corporate Metallurgist Warner and Swasey Co. 1978.
