CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU LÀM DAO Mã chương MHCG 13-01 Giới thiệu: Để nâng cao năng suât, chất lượng sản phẩm gia công cắt gọt phải hiểu được các yêu cầu của vật liệu làm dao, các loại vật liệu dùng làm dụng cụ cắt và ứng dụng của nó trong các điều kiện vật liệu gia công cụ thể phù hợp với thiết bị và phương pháp gia công, đáp ứng yêu cầu ngày càng phát triển của ngành cơ khí chế tạo. Mục tiêu: - Trình bày được tính năng, công dụng của các loại vật liệu làm dao; - Chọn được vật liệu làm dao phù hợp điều kiện gia công (phần thân dao và lưỡi cắt); - Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập. Vật liệu làm dao phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Có độ cứng cao (cao hơn độ cứng vật liệu gia công). Thường vật liệu gia công trong cơ khí lá thép, gang… có độ cứng cao, do đó để có thể cắt được, vật liệu làm dao phải có độ cứng cao hơn (50 ÷ 60 HRC) - Có tính bền cơ học: Dụng cụ cắt thường phải làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt: tải trọng lớn không ổn định, nhiệt độ cao, ma sát lớn, rung động… dễ làm lưỡi cắt của dụng cụ cắt sứt mẻ.
Do đó vật liệu làm dao cần phải có độ bền cơ học (sức bền uốn, kéo, nén, va đập) càng cao càng tốt. - Có tính chịu nhiệt cao: Ở vùng cắt, nơi tiếp xúc giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công, do kim loại biến dạng, ma sát nên nhiệt độ rất cao (700 ÷ 800 0C), có khi đến hàng ngàn 0C. Ở nhiệt độ này, vật liệu làm dụng cụ cắt có thể bị thay đổi cấu trúc do chuyển biến pha làm cho các tính năng cắt giảm xuống. Vì vậy vật liệu dụng cụ cắt cần có tính chịu nhiệt cao, nghĩa là giữ được tính chất ổn định ở nhiệt độ cao trong thời gian dài.
- Có tính chịu mài mòn: Làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, ma sát lớn, thì sự mòn dao là điều thường xảy ra. Thông thường vật liệu càng cứng thì tính chống mài mòn càng cao. Tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ cao khi cắt thì hiện tượng mài mòn cơ học không còn là chủ yếu nữa, mà ở đây sự mài mòn chủ yếu là do hiện tượng chảy dính (bám dính giữa vật liệu làm dao và vật liệu gia công) là cơ bản. Ngoài ra do việc giảm độ cứng ở phần cắt do nhiệt độ cao 9 khiến cho lúc này hiện tượng mòn xảy ra càng khốc liệt.
Vì vậy vật liệu làm dao cần có tính chịu mài mòn cao. - Có tính công nghệ và kinh tế: Vật liệu làm dao cần có tính dễ công nghệ (dễ rèn, cán, dễ tạo hình bằng cắt gọt, có tính thấm tôi cao, dễ nhiệt luyện). Các loại vật liệu và phạm vi ứng dụng. Để làm phần cắt dụng cụ, người ta có thể dùng các loại dụng cụ khác nhau tuỳ thuộc váo tính cơ lý của vật liệu cần gia công và diều kiện sản xuất cụ thể.
Dưới đây lần lượt giới thiệu làm phần cắt dụng cụ theo sự phát triển và sự hoàn thiện về khả năng làm việc của chúng. Nhiệt độ giới hạn Độ cứng Năm Vật liệu dụng cụ Ve,m/ph đặt tính cắt 0C HRC 1894 Thép Cacbon dụng 5 200-300 60 cụ 60 1900 Thép hợp kim 8 300-500 dụng cụ - 1900 Thép gió 12 - 1908 Thép cải tiến 15-20 500-600 60-64 1913 Thép gió(tăng Co 20-30 600-650 và WC) 1931 Hợp kim cứng 200 1000-1200 91 Cácbitvonfram 1934 Hợp kim cứngWC 300 1000-1200 91-92 và TiC 1955 Kim cương nhân 800 100.000HV tạo 1957 Gốm 300-500 1500 92-94 1965 Nitrit Bo 100-200 1600 8.000HV 1970 Hợp kim cứng phủ 300 1000 18. Thép Cacbon dụng cụ: Để đạt được độ cứng, tính chịu nhiệt và chịu mài mòn, lượng C trong thép Cacbon dụng cụ không thể được dưới 0,7% (thường từ 0,7 - 1,3%)và lượng P, S thấp (P < 0,035%, S < 0,025%) Độ cứng sau khi tôi và ram đạt HRC = 60 - 62. - Sau khi ủ độ cứng đạt đượckhoảng HB = 107-217 nên dễ gia công cắt và gia công bằng áp lực.
10 - Độ thấm tôi nên thường tôi trong nước do đó dễ gây ra nứt vỡ nhất là những dụng cụ có kích thước lớn. - Tính chịu nóng kém, độ cứng giảm nhanh khi nhiệt độ đạt đến 200o – 300oC ứng với tốc độ cắt 4-5 m/ph. - Khó mài và dễ biến dạng khi nhiệt luyện do đó ít dùng để chế tạo những dụng cụ định hình, cần phải mài theo prôphin khi chế tạo. Dưới đây là bản nêu thành phần hóa học, cơ lý tính và phạm vi ứng dụng của một số mác thép Cácbon dụng cụ thường gặp.
Giả sử ta có nhãn hiệuY10A - Chữ Y: kí hiệu của Cácbon. - Chữ A:kí hiệu của chất lượng tốt (hàm lượng P, S < 0,03%) - Số10: giá trị trung bình của cácbon trong thép (0,95 - 1,09%) Ngoài ra còn có các nhãn hiệu khác như Y7,Y8…Y10,Y12 nhưng chất lượng kém hơn(không có chữ A) nên hiện nay ít dùng b. Thép hợp kim dụng cụ: Thép hợp kim dụng cụ là loại thép có hàm lượng Cacbon cao, ngoài ra còn có thêm một số nguyên tố hợp kim với hàm lượng nhất định ( 0.5 – 3%) Các nguyên tố hợp kim như: Cr, W, Co, V có tác dụng: - Làm tăng tính thấm tôi của thép - Tăng tính chịu nóng đến 300oC, tương ứng với tốc độ cắt cao hơn thép cacbon dụng cụ khoảng 20%. Thành phần hoá học của một số nhãn hiệu thép hợp kim dụng cụ % Nhãn Kí hiệu Nhóm C Mn Si Cr W V hiệu Nga <0,35 12,5-1,1 0,2-0,4 - - Thép Cr05 0,04-0,06 I XB 85CrV <0,35 0,45-0,7 0,8-,0,9 0,3-0,6 - 0,15-0,3 <0,35 1,3-,1,6 Cr X 0,95-1,1 <0,4 - - II 1,2-1,6 0,95- 9CrSi 9XC 0,85-0,95 0,3-0,6 - - ,1,25 CrMn X 1,3-1,5 0,45-0,7 <0,35 1,3-1,6 - - III CrWMn XB 0,9-1,0 0,8-1,0 0,15-0,35 0,9-1,2 1,2-1,6 - IV CrW5 XB5 1,25-,1,5 <0,3 <0,3 0,4-0,7 4,5-5,5 0,15-0,30 Kí hiệu Nhóm Nhãn hiệu Liên xô C Mn Si Cr W V cũ I Thép Cr05 XB 12,5-1,1 0,2-0,4 <0,35 0,04-0,06 - - 11 85CrV 0,45-0,7 0,8-,0,9 0,3-0,6 <0,35 - 0,15-0,3 <0,35 1,3-,1,6 Cr X 0,95-1,1 <0,4 - - II 1,2-1,6 0,95- 9CrSi 9XC 0,85-0,95 0,3-0,6 - - ,1,25 CrMn X 1,3-1,5 0,45-0,7 <0,35 1,3-1,6 - - III CrWMn XB 0,9-1,0 0,8-1,0 0,15-0,35 0,9-1,2 1,2-1,6 - IV CrW5 XB5 1,25-,1,5 <0,3 <0,3 0,4-0,7 4,5-5,5 0,15-0,30 Chú thích: C – cacbon, Mn – mangan, Si – silic, Cr – crôm, W – vonram, V – vanadi.
Ký hiệu của liên xô cũ: X – Crôm, T – mangan, B – vôngam Thép hợp kim dụng cụ nhóm I thường dùng chủ yếu để chế tạo các loại dụng cụ dùng để gia công gỗ. Thép hợp kim dụng cụ nhóm II do có lượng Crôm lớn ( 1 – 1.5 %) nên có tính thấm tôi và cắt gọt tốt hơn. Loại này chịu nhiệt khoảng 220 – 300oC. Thép hợp kim dụng cụ nhóm III có độ thám tôi cao, iýt thay đổi kích thước khi nhiệt luyện, nên thường chế tạo các loại dụng cụ cắt có độ chính xác cao và hình dáng phức tạp: mũi doa, ta rô, dao chuốt và các loại dụng cụ đo… Thép hợp kim dụng cụ nhóm IV có hàm lượng Vonfram lớn, hạt mịn nên độ cứng cao, tuy nhiên độ độ thâm tôi thấp dùng để chế tạop6 các loại dụng cụ cắt cần có lưỡi cắt sắc bén.
Tuổi bền cao và để gia công các loại vật liệu cứng. Nhìn chung, thép hop75 kim dụng cụ chủ yếu được dùng dùng để chế tạo các loại dụng cụ cầm tay và gia công ở tốc độ thấp. Thép gió có tính cắt cao hơn hẳn các loại thép nên trên, do đó từ khi thép gió ra đời, nó đã tạo ra một cuộc cách mạng về cắt gọt và năng suất gia công, làm xuất hiện một thế hệ các máy bán tự động và tự đông tốc độ cao. Nền cơ bản của thép gió vẫn là thép cacbon, nhưng có hàm lượng Cacbon cao hơn, đặc biệt hàm lượng các nguyên tố hợp kim Crôm, Vônfram, Côban, Vana di tăng lên đáng kể nhất là wonfram.
Những nguyên tố hợp kim này hợp với Cácbon tạo thành các cacbít kim loại có độ cứng cao, chịu mòn tốt, trong đó cácbít wonfram (WC) đóng vai trò nòng cốt. Các cácbít này ở nhiệt độ nhỏ hơn 600oC sẽ không thoát ra khỏi mạng máctensit nên vật liệu vẫn giữ được tính cắt tốt. 12 Tác dụng chủ yếu của Crôm là tăng độ thấm tôi, Vanadi tạo thành cacbít Vanadi có độ cứng cao, chịu mòn tốt, Côban không tạo thành cacbít mà hoà tan vào sắt, khi lượng Cácbon lớn hơn 5% thì tính chịu nhiệt của thép gió nâng cao. Ngoài ra còn có các loại thép gió có năng suất cao.
Ngoài ra, chất lượng thép gió phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt luyện. Vì vậy khi nhiệt luyện thép gió cần chú ý một số điểm chủ yếu sau: Không nung nóng thép gió đột ngột đến nhiệt độ cao, (nhiệt độ tôi khoảng 1300oC) mà phải tăng nhiệt độ dần dần từ 650oC, vì thép gió có độ dẫn nhiệt kém. Thông thường thép gió được nung nóng qua ba lò với nhiệt độ lần lượt 650 o C, 850 oC và 1300oC Phải ram sau khi tôi nhiều lần (3 lần) mổi lần trong 1 giờ (nhiệt độ ram 560oC). Sau mỗi lần ram phải để nguội đến nhiệt độ thường.
Những tính năng cơ bản của thép gió là: - Độ thấm tôi lớn, sau khi tôi đạt độ cứng HRC = 63 – 66. - Độ chịu nhịêt khoảng 600oC tương ứng với tốc độ cắt V = 25 - 35m/ph. So sánh giữa P18 và P9: - Năng suất gia công khác nhau không đáng kể.1 Biểu đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian - P18 chịu mòn tốt hơn, dể mài sắc, mài bóng hơn và có tính bền cao hơn P9. Hợp kim cứng (HKC) 13 Từ năm 1915-1925 ở Mỹ và Đức đã tiến hành thử nghiệm chế tạo hợp kim cứng.
Ơ Liên Xô cũ, hợp kim cứng ra đời vào những năm 1930-1935. Hợp kim cứng là loại vật liệu làm phần cắt dụng cụ được chế tạo theo phương pháp luyện kim bột. Thành phần chủ yếu của HKC là Cácbit của một số kim loại khó nóng chảy như Vonfran,Titan,Tantan và được liên kết bởi kim loại cơ bản Tính cắt của HKC do các pha Cácbit kim loại quyết định. Độ bền cơ học do Coban tạo nên.
Những tính năng cơ bản của HKC so với các loại vật liệu làm dao khác như sau: - Độ cứng cao HRA = 80 – 90 (HRC >70-71) - Độ chịu nhiệt cao: 800-10000C, do đó tốc độ cắt cho phép của HKC có thể đạt đến V >100 m/ph. - Độ chịu mòn gấp 1,5 lần so với thép gió.