Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÀI VÀ MÀI BỀ MẶT TRỤ NGOÀI ĐỊNH HÌNH Luận án này tập trung vào nghiên cứu sử dụng đá mài CBN để mài thép SKD11 trên máy phay CNC. Một số đặc điểm chung của thép SKD11, đá mài CBN và xu hướng sử dụng máy mài CNC, máy phay CNC đã được tìm hiểu. Từ việc tìm hiểu, phân tích, đánh giá tổng quan các công trình nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến mài, mài định hình và mài các bề mặt trụ ngoài định hình, luận án sẽ tập trung nghiên cứu giải quyết một số vấn đề mà các nghiên cứu trước chưa thực hiện được.
THÉP SKD11 VÀ VẬT LIỆU MÀI CBN 1. Thép SKD11 a, Đặc tính và ứng dụng Thép SKD11 (JIS G4404) là thép công cụ cacbon theo tiêu chuẩn Nhật Bản chuyên dùng cho khuôn ép nguội, loại thép này có khả năng chịu mài mòn rất tốt, cân bằng độ cứng và độ dẻo, độ thấm tôi vượt trội và ứng suất tôi thấp nhất, có khả năng chống biến dạng cao. Thép SKD11 có độ cứng sau khi xử lý nhiệt (nhiệt luyện) 58÷60 HRC. Thép SKD11 được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí khuôn mẫu và gia công chi tiết máy.
Thép SKD11 đặc biệt được sử dụng phổ biến nhất để làm phôi khi gia công khuôn dập nguội. b, Thành phần hóa học Thành phần hóa học thép SKD11 (JIS G4404) gồm: 1,4%÷1,6% C, ≤ 0,4% Si, ≤ 0,6% Mn, 11÷13% Cr, 0,2÷0,5% V, < 0,5% Ni [17]. Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất trong thành phần của thép SKD11. Nó quyết định chủ yếu đến tính chất của thép và tổ chức bên trong của thép.
Lượng cacbon trong thép tăng thì lượng cacbit cũng tăng, kết quả là sẽ làm thay đổi tổ chức tế vi của thép. Lượng cacbon trong thép càng cao thì độ cứng của thép càng tăng nhưng lại giòn. Ở trạng thái ủ, khi thành phần cacbon tăng thì độ bền và độ cứng của thép tăng còn độ dẻo và độ dai của thép sẽ giảm. Vì vậy, trong thành phần hóa học của thép SKD11 được thêm các nguyên tố khác để khắc phục nhược điểm này.
8 Crôm là nguyên tố tạo cacbit trung bình, nó là nguyên tố hợp kim phổ biến để hợp kim hoá. Crôm có thể hòa tan trong ferit. Hàm lượng crôm cao thì nó sẽ kết hợp với cacbon để tạo ra xementit (Fe, Cr) 3C và tạo ra các loại cacbit Cr7C3 và Cr2C6, quá trình này ngăn cản sự lớn lên của tinh thể do đó sẽ làm tăng độ thấm tôi cho thép. Tác dụng của crôm là làm tăng cơ tính tổng hợp và có độ bền ở nhiệt độ cao vì crôm tạo cacbit nhỏ mịn khi ram ở nhiệt độ trên 250o C, chính vì lý do đó nên crôm có tính chống ram đến nhiệt độ 250o C ÷ 300o C nên nó có tính cứng nóng đến 300o C [4].
Do tạo thành Cr2O3 rất bền nên crôm còn làm tăng mạnh tính chống oxy hóa. Molipden có khả năng cải thiện tính chống ram do đó nó làm tăng mạnh độ thấm tôi. Thành phần Molipdencó trong thép SKD11 làm cho thép có tính cứng nóng và có tính bền nóng nên nâng cao tính chịu nhiệt độ cao. Vanadi là nguyên tố tạo cacbit mạnh.
Cacbit VC tạo thành nhỏ mịn, có độ cứng rất cao. Vanadi không chỉ tăng khả năng chống mài mòn mà còn tăng tính chống ram cho thép. Cacbit VC khó tan tức là hầu như không hòa tan vào trong austenit ở nhiệt độ austenit hóa. Lượng vanadi tăng thì tính mỏi giảm và chống mài mòn của thép tăng lên.
Mangan là nguyên tố ổn định và mở rộng austenit, nó hòa tan lượng nhỏ (0,2%) vào ferit và hóa bền pha này [4]. Mangan làm tăng độ ổn định của Austenit quá nguội, làm tăng mạnh độ thấm tôi với hệ số thấm tôi bằng 4 đồng thời làm tăng lượng austenit dư sau tôi, kết quả sẽ làm giảm độ biến dạng khuôn khi nhiệt luyện. Tuy nhiên, nếu nung mangan trong thời gian dài ở nhiệt độ cao dễ làm lớn hạt do đó dẫn đến làm cho thép giảm độ dai và bị giòn. Silic là nguyên tố nâng cao độ thấm tôi, nâng cao giới hạn chảy, nó là nguyên tố không tạo cacbit, mở rộng mạnh vùng ferit.
Silic có thể tạo SiO2 khít chặt ở bề mặt thép ở nhiệt độ cao, vì lý do đó nên silic ở nhiệt độ cao có tác dụng chống oxy hóa cho thép. Nhược điểm của silic là làm khó biến dạng dẻo đồng thời dễ gây thoát cacbon khi nung. Thép SKD11 sau khi tôi có biến dạng nhỏ vì trong thành phần của thép này có mangan nên sau khi tôi có lượng austenit dư nhất định. Khi tôi thép SKD11 để giảm độ biến dạng mà vẫn đạt độ cứng cao có thể dùng cách tôi 9 trong hai môi trường (nếu là khuôn trung bình) và tôi phân cấp (nếu là khuôn nhỏ) [5].
c, Tính gia công cắt gọt Thép SKD11 có độ cứng cao, đặc biệt là sau khi nhiệt luyện. Mặc dù vậy, thép SKD11 lại có khả năng gia công tốt bằng các phương pháp gia công cắt gọt. Thép SKD11 cho bề mặt gia công cắt gọt mịn và đẹp hơn, chịu mài mòn cao. Thép có đặc tính là độ thấm tôi tốt và ứng suất tôi là thấp do đó nâng cao độ cứng và chất lượng bề mặt đồng thời hạn chế được cong vênh khi gia công.
Hạt mài CBN và đá mài CBN a, Hạt mài CBN CBN là một vật liệu nhân tạo có khả năng chống mài mòn cao, tương tự như kim cương và thường được sử dụng để gia công các vật liệu khó mài. CBN có đặc tính cơ học và tính chịu nhiệt tốt. Hạt mài CBN có cấu trúc tinh thể như Hình 1. Bát diện Khối tứ diện (111) Mặt B hoặc N thay thế (110) (100) Mặt B và N Khối tám mặt Hình 1.
Các mặt phát triển của tinh thể CBN và hình thái hình học [18] Bo nitrid dạng khối (CBN) là loại hạt mài lớn nhất. Bo nitrid ở trạng thái bình thường là một chất bột trơn màu trắng có tên gọi h-BN (hoặc α-BN). Bo nitrid có cấu trúc nguyên tử phân lớp hình lục giác giống với graphit tuy nhiên các nguyên tử nitơ và bo xếp xen kẽ nhau thay vì cacbon. Bo nitrid có những đặc điểm tương đồng với than chì về cấu trúc và liên kết.
Hạt CBN giống như kim cương, nó không có trong tự nhiên mà được tổng hợp nhân tạo dưới nhiệt độ và áp suất cao. Mặc dù vậy, tính chất hoá học của hạt CBN lại khác kim 10 cương. Mặc dù dung môi tạo nên CBN là các boride, oxide và nitrid kim loại, phổ biến nhất là Li3 N nhưng CBN không có ái lực với các kim loại chuyển tiếp [19]. Hình dạng CBN có thể kiểm soát được trong quá trình tổng hợp bằng cách sử dụng nhiệt độ và áp suất để khống chế tốc độ phát triển trên mặt phẳng bát diện (111) và mặt phẳng lập phương (100).
Tinh thể CBN thường có hình dạng cuối cùng là một tứ diện vát mép. Bên cạnh đó, tinh thể CBN còn có hình bát diện lập phương hoặc bát diện. Hạt mài CBN có màu hổ phách, từ nâu đến đen, màu của nó phụ thuộc vào mức độ và loại tạp chất lẫn trong đó. Hạt mài CBN khi dư thừa nguyên tố bo sẽ có màu đen.
Các loại hạt mài CBN được sử dụng để chế tạo đá mài Nếu phân chia theo lớp có phủ hay không có lớp phủ, hạt mài CBN bao gồm hai loại. - Borazon CBN loại 1 là hạt mài không có lớp phủ được sử dụng để chế tạo đá mài CBN liên kết kim loại (niken). - Borazon CBN loại 2 là hạt CBN có phủ niken được dùng để chế tạo đá mài CBN liên kết nhựa (phenolic hoặc polyamide) [20], [21]. b, Đá mài CBN Một số đặc điểm của đá mài CBN Đá mài CBN là loại đá mài được cấu tạo từ hạt mài là CBN.
Đến năm 1994, Nhật Bản sử dụng khoảng 25% loại đá này cho quá trình mài, ở Châu Âu là 15% và Mỹ là 10%. Do hạt mài CBN có nhiều ưu điểm nên đá mài CBN ngày càng được sử dụng rất rộng rãi trong gia công cơ khí đặc biệt là trong lĩnh vực mài. Hạt mài CBN và hạt mài kim cương khá giống nhau về nhiều mặt. Cả hai cùng có cấu trúc mạng tinh thể dạng khối và tính dẫn nhiệt cao.
Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN được thể hiện trong Hình 1. Tuy nhiên chúng cũng có những tính chất rất khác biệt. Kim cương bị graphit hoá (khi nhiệt độ đạt 900o C) và dễ bị oxy hoá trong không khí. Ở nhiệt độ cao, kim cương phản ứng với các chi tiết gia công chứa sắt.
Trong khi đó, CBN ổn định, không bị oxi hoá khi nhiệt độ lên tới 1300o C và có thể gia công dễ dàng các chi tiết chứa sắt. 11 Do đá mài CBN có độ cứng rất cao và đá bị mòn chậm nên gia công bằng đá mài CBN có khả năng đạt độ chính xác rất cao, đồng thời đá CBN đòi hỏi sửa đá rất ít. Hình dáng hạt mài kim cương và hạt mài CBN [22] a) Hạt mài kim cương b) Hạt mài CBN Đá mài CBN có đặc tính vượt trội so với đá mài thông thường: - Tính dẫn nhiệt tốt: Các nghiên cứu cho thấy đá mài CBN có tính dẫn nhiệt tốt (từ 200 đến 300 W/m.K ở nhiệt độ thường), do đó khi mài đá mài có thể nhanh chóng phân tán nhiệt ở vùng cắt. Đá mài CBN có tính dẫn nhiệt gần bằng kim cương, đồng thời đá CBN có độ giãn nở nhiệt cao hơn kim cương khoảng 20%.
- Độ cứng cao: Độ cứng hạt mài CBN ở nhiệt độ trung bình thường là khoảng 4500 kg/mm2 , bằng một nửa kim cương và gấp đôi các hạt mài thông thường. Do đá CBN có cấu trúc tinh thể biến đổi thành dạng lục giác nên ở nhiệt độ cao nó có độ cứng giảm khá nhanh. - Hạt mài sắc hơn: Hạt mài CBN có lưỡi cắt sắc hơn và góc trước từ -30𝑜 đến -60o (trong khi hạt mài bình thường là -60𝑜 đến -70o ) nên giảm ma sát và nhiệt độ cắt khi mài. - Tính chống mài mòn cao: Đá mài CBN có độ cứng cao nên hệ số mài lớn hơn đá mài nhôm ôxit và silic cacbid vì vậy nó bị mòn chậm hơn.
12 - Độ bền nhiệt tốt: CBN bền nhiệt trong ni tơ hoặc chân không đến ít nhất o 1500 C. Trong không khí hoặc ô xy, CBN tạo thành một lớp bảo vệ B2 O3 trên bề mặt có thể ngăn cản quá trình ô xy hoá tới 1300𝑜 C.