Trang chủ » Nghiên cứu ứng dụng » Nhiệt luyện » Nhiệt luyện chân không » Nhiệt luyện thép làm khuôn bền nóng

Nhiệt luyện thép làm khuôn bền nóng

Bài viết thuộc bản quyền của Viện Công Nghệ-25 Vũ Ngọc Phan-Hà Nội

1.PHẦN LÝ THUYẾT

1.1. Khuôn bền nóng

Thép SKD61 (JIS-Nhật) hay còn gọi 40Cr5MoV (ISO), thép H13 (AISI-Mỹ), là loại thép chuyên dụng để chế tạo khuôn dập nóng, khuôn đúc. Loại thép này có mặt ngày một nhiều trên thị trường Việt Nam. Có nhiều nghiên cứu được công bố liên quan đến công nghệ nhiệt luyện và ứng dụng của loại thép này, tuy nhiên đa số là tiếng nước ngoài. Các nghiên cứu đều nhận định rằng công nghệ nhiệt luyện đóng vai trò quyết định đến tính chất vật liệu của loại thép này.

1.1.1. Giới thiệu về khuôn bền nóng

Gia công trong khuôn nóng (như đúc, rèn) là phương pháp gia công kim loại ở trạng thái nóng dùng để sản xuất hàng loạt. So với các phương pháp khác khi tính đến chi phí, thì chi phí khuôn đóng một vị trí rất quan trọng. Chính vì lý do đó, chất lượng và tuổi thọ của khuôn luôn là vấn đề cần quan tâm. Trong nhiều yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khuôn, thì yếu tố tính chất vật liệu là rất quan trọng. Thép SKD61 được sử dụng khá rộng rãi để chế tạo khuôn vì những ưu điểm đã đề cập ở trên.

1.1.2.Cơ chế hỏng hóc

Trong quá trình làm việc, khuôn hỏng do những nguyên nhân chủ yếu sau:

(1) Rạn, nứt do mỏi nhiệt,

(2) mòn cơ học và mòn hoá học,

(3) dính khuôn,

(4) vỡ khuôn.

Rạn, nứt do mỏi nhiệt sinh ra là do sự thanh đổi liên lục nhiệt độ trên bề mặt khuôn trong quá trình đúc gây nên ứng suất trên bề mặt. Sự oxy hoá cũng như chảy mỏi (creep) cũng đóng góp một phần quan trọng trong quá trình này. Rạn nứt mỏi nhiệt được nhìn thấy trên bề mặt khuôn như những vết rạn chân chim vì thế người ta còn gọi là rạn chân chim. Đây là cơ chế phá huỷ thường gặp nhất, để hạn chế sự phá huỷ này, trước khi làm việc, khuôn thường được nung sơ bộ. Với quá trình đúc nhôm, khuôn thường được nung sơ bộ với nhiệt độ 250oC – 300oC để làm giảm sốc nhiệt khi nhôm lỏng tiếp xúc với bề mặt khuôn và vì thế sẽ tăng tuổi thọ khuôn [6].

Mòn cơ học sinh ra do kim loại gia công tiếp xúc trực tiếp với bề mặt khuôn dưới tác dụng động (lực và chuyển động tương đối giữa khuôn và vật gia công). Ví dụ với khuôn đúc nhôm, áp lực trong quá trình điền đầy thường trong khoảng 20 – 70 MPa và tốc độ của kim loại lỏng khi tiếp xúc bề mặt khuôn vào khoảng 20-60m/s nên dể gây ra mòn [6]. Ngoài ra cũng cần một lực lớn để giữ khuôn luôn kín chặt, lực này phụ thuộc vào áp lực và diện tích bề mặt tiếp xúc của kim loại lỏng với khuôn.

Dính khuôn là do những phản ứng hoá học xảy ra giữa vật liệu làm khuôn và vật liệu gia công.

Vỡ khuôn sinh ra chủ yếu do quá sốc vì nhiệt hoặc do lực ép cơ học quá lớn, kết quả là khuôn bị phá vỡ hoàn toàn. Vì những lý do đó mà khuôn đúc đòi hỏi độ bền và độ dai cao ở nhiệt độ làm việc.

Tóm lại trong quá trình gia công nóng, khuôn chịu tác động của rất nhiều yếu tố, chủ yếu đó là sốc nhiệt, áp lực và sự mòn cơ học hoặc hoá học. Tất cả các cơ chế trên đều làm cho tuổi thọ của khuôn bị giảm và như thế sẽ phải tăng chí phí cho việc bảo dưỡng, duy trì hoặc sửa chữa khuôn, thậm chí phải loại bỏ khuôn hoặc loại bỏ những sản phẩm đã đúc, tóm lại là tăng chi phí sản xuất. Để hạn chế những chi phí tốn kém này khuôn phải đáp ứng được những yêu cầu đạt ra.

Ba đòi hỏi quan trọng nhất  đối với khuôn bền nóng là [10, 11, 14]: (1)Khả năng chống rạn nứt nóng, (2) độ bền ở nhiệt độ làm việc, (3) khả năng chịu mòn ở nhiệt độ làm việc.

Khả năng chống rạn nứt nóng tốt cho phép làm chậm lại hoặc chống lại sự hình thành các vết rạn trên mặt khuôn do sự thay đổi liên tục nhiệt độ trong quá trình khuôn làm việc. Khuôn thường làm việc trong điều kiện áp lực cao ở nhiệt độ cao nên cần thiết phải có độ bền cao ở nhiệt độ khuôn làm việc. Khả năng chịu mòn của khuôn phụ thuộc nhiều vào độ cứng, để khuôn ít mòn khi làm việc, yêu cầu độ cứng không giảm nhiều ở nhiệt độ làm việc.

1.2. Quy trình Nhiệt luyện

Trong nhiều yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khuôn, thì yếu tố tính chất vật liệu là quan trọng nhất. Nói đến tính chất vật liệu là nói đến 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 công đoạn đó, tôi, ram khuôn thành phẩm là 2 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 ám chỉ đến công đoạn tôi và ram.

Dưới đây chúng tôi sẽ đi sâu trình bày quá trình tôi và ram, phân tích các thông số của quá trình công nghệ này có ảnh hưởng như thế nào đến tính chất vật liệu của sản phẩm và để có được các tính chất vật liệu như ý muốn chúng ta phải thoả hiệp các điều kiện đó như thế nào

1.2.1. Nung nóng và tôi

Khuôn sau khi gia công hoàn chỉnh sẽ tiến hành nhiệt luyện. Đây là công đoạn cực kỳ 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 40Cr5MoV được thể hiện trên hình 2-1 [12, 13, 14, 17,18, 19]

Screenshot_4

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 C. Quá trình thấm C và thoát C bắt đầu xảy ra từ nhiệt độ khoảng trên 800oC. Sự thấm hoặc thoát C 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 có múp kín khí được bảo vệ bằng khí trơ hoặc các chất có thể thu oxy trong lò (như than, phoi gang)
  • Dùng giấy kim loại bọc kín bề mặt sản phẩm

Nung sơ bộ

Về mặt cấu trúc luyện kim, nung sơ bộ không có ý nghĩa gì, tuy nhiên nó có tác dụng hạn chế 2 loại ứng suất trong sản phẩm khi được tôi cứng. Loại thứ nhất, ứng suất do nhiệt, ứng suất này sinh ra do do thay đổi nhiệt độ, thay đổi càng đột ngột thì ứng suất này càng lớn. Loại thứ 2 sinh ra do biến đổi tổ chức khi thay đổi nhiệt độ (ví dụ từ ferit sang austenit). Nếu đồng thời sảy ra cả 2 ứng suất trên, thì ứng suất tổng sẽ rất lớn, có thể gây biến dạng thậm chí là nứt hoặc vỡ. Vì lý do đó, nung sơ bộ cần được quan tâm đúng mức.

Với thép khuôn dập nóng ví dụ như thép 40Cr5MoV, nên tiến hành 2 giai đoạn nung sơ bộ. Giai đoạn 1 giữ ở nhiệt độ khoảng 650o – 700oC với tốc độ nung không nên vược quá 220oC /h, giai đoạn 2 là khoảng 810oC – 870oC. Tại 2 giai đoạn 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 giử nhiệt để tôi

Nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt là 2 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 carbide được hoà tan trong austenit và thành phần của nó. 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 carbide sẽ hoà tan nhiều hơn. Carbide được hoà tan sẽ làm giàu thêm C và các nguyên tố hợp kim cho austenit. Khi tôi lượng carbide này trong dung dịch sẽ có xu hướng kết tinh ở biên giới hạt làm giảm độ dẻo (toughness) của vật liệu. Trong trường hợp, nếu carbide không hoà tan được hoàn toàn và một lượng lớn carbide tồn tại dưới dạng các hạt tròn trong nền, và như thế sẽ không tạo thành lưới carbide xung quanh biên giới hạt. Carbide VC là bền vững nhất, phần lớn không bị hoà tan ở nhiệt độ tôi. Austenit được làm giàu C sẽ hình thành martensit giàu C và như thế sẽ tăng độ cứng và độ bền của sản phẩm. Tuy nhiên 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.

Nhiệt độ thấp, ngược lại, cho ta sản phẩm có độ dẻo cao hơn, tuy nhiên nếu thấp quá khi chưa hoà tan được carbide thì sẽ không nhận được sản phẩm có độ cứng cao để sau khi ram có được tính chất tốt hơn.

Với một mác vật liệu ứng với một thành phần nhất định nhà sản xuất sẽ đưa ra một nhiệt độ tôi hợp lý. Với loại vật liệu họ 40Cr5MoV thì nhiệt độ tôi được chọn trong khoảng 1020oC -1050oC. Nhiệt độ tôi được chọn dựa vào yêu cầu cụ thể của từng loại khuôn có tính chất nào được coi là quan trọng hơn cả. Ví dụ, độ bền ở nhiệt độ cao sẽ tăng khi tăng nhiệt độ tôi (hình 2.2), độ cứng cũng sẽ tăng (hình 2.3), tuy nhiên độ co thắt và độ giãn dài sẽ giảm (hình 2.2), như vậy cần phải chọn nhiệt độ tôi hợp lý để đạt được chất lượng khuôn theo mong muốn.

Screenshot_1

Để chọn được nhiệt độ tôi thích hợp người ta thường dựa vào độ cứng cần đạt sau khi tôi. Đường cong tôi biểu thị sự phụ thuộc của độ cứng sau tôi với nhiệt độ tôi, đối với thép H13 đường cong tôi được thể hiện trên hình 2.3. Dễ dàng nhận thấy nhiệt độ tôi càng thấp thì độ cứng đạt được càng thấp và ngược lại. Đây là yếu tố rất quan trọng giúp người nhiệt luyện xác định nhiệt độ tôi hợp lý.

Screenshot_2

Nhiệt độ tôi đóng vai trò quan trọng nhất, rồi mới đến thời gian giữ nhiệt. Thời gian giữ nhiệt, ngoài yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng và cơ tính, còn có nhiệm vụ làm đồng đều nhiệt độ hạn chế sự biến dạng trong quá trình làm nguội. Vùng nhiệt độ tôi của loại  thép này là tương đối cao nên hạt tinh thể lớn tương đối nhanh vì thế thời gian giữ nhiệt cần phải hạn chế, nên chọn thời gian ngắn nhất có thể.

Hình 2.4 cho ta thấy mối liên quan giữa độ cứng, nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt. Từ hình ta thấy 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 giử nhiệt chỉ cần 60s.

Với nhiệt độ tôi trong khoảng 1020oC -1050oC, thời gian giữ nhiệt có thể các định như sau: t = (s + 39)/2 [28]

Trong đó t là thời gian giữ nhiệt (phút), s là chiều dày khuôn (mm)

Screenshot_3

 Môi trường tôi

Tôi là làm nguội sản phẩm từ nhiệt độ austenit hoá (nhiệt độ tôi) đến nhiệt độ chuyển biến martensit để chuyển austenit thành martensit. Tốc độ làm nguội, cũng giống như sự đồng đều nhiệt độ, có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất cơ lý của sản phẩm. Trong trường hợp lý tưởng, quá trình tôi sẽ nhận được tổ chức martensite. Tổ chức này sau khi ram có thể cho ta sản phẩm có độ dai và độ chịu mài mòn tốt nhất. Để làm được điều này thì tốc độ làm nguội phải đủ lớn để tránh tạo ra tổ chức bainite, pearlite hay ferrite. Trong quá trình tôi, lõi sẽ được làm nguội chậm hơn và như thế khả năng không tạo thành martensite trong lõi là rất cao.

Mỗi một mác vật liệu sẽ có một đường cong làm nguội đặc trưng. Với thép 40Cr5MoV, đường cong làm nguội với nhiệt độ tôi 1030 oC, thời gian giữ nhiệt 15 phút được tôi (được làm nguội) trong các môi trường khác nhau được thể hiện trên các hình 2.5, 2.6, 2.7

Screenshot_4

Screenshot_5

Screenshot_6

Các sơ đồ làm nguội trên cho thấy, trong các môi trường làm nguội, tốc độ làm nguôi trong dầu là nhanh nhất, nguội trong không khí tĩnh là chậm nhất. Trên các hình này cũng cho chúng ta thấy tốc độ nguội của các trục có kích thước (đường kính) khác nhau thì khác nhau. Trong cùng một môi trường, kích thước càng bé thì tốc độ nguội càng cao, tốc độ nguội của bề mặt bao giờ cũng nhanh hơn trong lõi.

Cũng theo sơ đồ này, khi làm nguội cần làm nguội nhanh trong khoảng nhiệt độ tới hạn (740oC – 538oC) để tránh tạo thành carbide trên biên giới hạt và như thế sẽ làm giảm đáng kể độ dai. Tốc độ nguội chậm trong giai đoạn này sẽ không chuyển biến thành martensit và như thế độ cứng sẽ thấp.

Ảnh hưởng của tốc độ nguội đến tính chất (trong trường hợp này là độ dai va đập, tính chất đặc trưng và quan trong nhất của của vật liệu làm khuôn bền nóng) được nghiên cứu kỹ trong dự án #129 do NADCA tiến hành. Trong dự án này, 10 loại vật liệu thuộc mác thép 40Cr5MoV được lựa chọn (được nấu luyện) với dự kiến độ dai va đập KV nằm xung quanh giá trị định mức 10,8J (8ft.lb).

Giá trị độ dai va đập KV này là giá trị, mà theo NADCA, là giá trị trung bình bé nhất mà thép cần có được khi dùng để chế tạo khuôn đúc áp lực. Tất cả các mẫu này được nhiệt luyện để đạt cùng 1 mức độ cứng 44-46 HRC. Năm (5) quy trình công nghệ nhiệt luyện với tốc độ làm nguội khi tôi khác nhau, thấp nhất là không khí tĩnh và cao nhất là tôi trong dầu. Một số kết quả độ dai va đập KV ở nhiệt độ thường được ghi trong bảng 2-1[20].

Bảng 2-1: Độ dai va đập KV của thép 40Cr5MoV với độ cứng 44-46 HRC ở nhiệt độ môi trường với các tốc độ làm nguôi khác nhau [20]:

Screenshot_7

Từ kết quả trên cho ta thấy, độ dai va đập có xu hướng tăng khi tốc độ làm nguội tăng. Tuy nhiên cũng cần phải biết thêm rằng sự biến dạng và khả năng sản phẩm bị nứt cũng tăng theo tốc độ làm nguội, vì thế cần phải lựa chọn môi trường tôi phù hợp, đây là công việc của những chuyên gia nhiệt luyện.

1.2.2. Ram

Sau khi tôi, tổ chức của thép là martensit, austenit dư và carbide, tổ chức này nhất thiết phải ram. Mục đích của ram là làm tăng độ bền và độ dai của vật liệu. Đối với thép H13, để duy trì tính chất chịu nhiệt cần phải có phản ứng tiết pha carbit như Mo2C và VC. Quá trình này xảy ra khi ram ở nhiệt độ 500oC – 650oC [21, 30]. Chọn nhiệt độ ram thích hợp nên dựa vào yêu cầu về độ cứng. Hình 2.8 cho ta thấy sự phụ thuộc của độ cứng vào nhiệt độ ram.

Nên ram ngay sau khi dừng tôi ở nhiệt độ khoảng 50oC – 70oC, với các khuôn đúc nhôm, nên tiến hành ram 2-3 lần. Lần đầu ngay sau khi tôi xong và ram với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ xuất hiện độ cứng thứ cấp khoảng 30oC. Nhiệt độ ram lần 2 được xác định dựa vào yêu cầu về độ cứng cần đạt, đây là lần ram quan trọng nhất, đòi hỏi chính xác cao. Ram lần 3 chủ yếu để khử ứng suất và thường chọn nhiệt độ thấp hơn lần 2 khoảng 30oC -50oC. Ram lần 3 cũng chỉ nên tiến hành với những chi tiết cực kỳ phức tạp, thường thì người ta chỉ ram 2 lần.Trong mọi trường hợp tránh ram ở nhiệt độ có độ cứng thứ cấp 500oC- 550oC (tránh dòn ram).

Screenshot_8

Screenshot_9

Hình 2.9 cho ta thấy sự phụ thuộc của độ cứng và độ dai va đập vào nhiệt độ ram. Thời gian ram cũng là một yếu tố xác định độ cứng của sản phẩm (hình 2.10). Tuỳ thuộc vào độ dày của khuôn mà chọn thời gian ram thích hợp, tuy nhiên không nên ram ngắn hơn 2h [8, 9, 28, 29]

Screenshot_10

2.Phần thực nghiệm

2.1. Phương pháp  và thiết bị kiểm tra

Thành phần hoá học:

Kiểm tra thành phần hoá học của vật liệu đầu vào trên máy quang phổ phát xạ nguyên tử ARL 3460 của hãng FIONS, Thuỵ sỹ

Độ cứng:

Độ cứng được đo trên mẫu cũng như trên sản phẩm bằng máy đo độ cứng HPO 250 máy đo độ cứng di động FRANKER của Đức hoặc máy đo độ cứng tế vi  FM -700e của Hãng FUTURE-TECH của Nhật bản.

Độ dai va đập:

Độ dai va đập KV được kiểm tra cho cả mẫu vật liệu đầu vào (để xác định độ dai va đập tối đa mà vật liệu có thể đạt được) và mẫu nhiệt luyện cùng khuôn đúc (để xác định độ dai va đập của sản phẩm nhiệt luyện).

Độ dai va đập KV được phản ánh thông qua kiểm tra năng lượng va đập của mẫu nhiệt luyện cùng sản phẩm, trên thiết bị thử va đập của Liên Xô (cũ).

Soi chụp kim tương:

Tổ chức tế vi của vật liệu ban đầu và vật liệu sau nhiệt luyện được kiểm tra và chụp ảnh trên kính hiển vi kèm máy ảnh NIKON của Nhật bản.

2.2. Kiểm tra vật liệu đầu vào

2.2.1. Thành phần hoá học

Vật liệu mua về được đánh dấu bằng màu khác nhau, vật liệu SKD61 được đánh màu đỏ. Để tránh nhầm lẫn mẫu khi gia công tất cả các mẫu thép SKD 61 được đánh số 6. Ba mẫu thép màu đỏ bất kỳ được kiểm tra, kết quả theo bảng

Screenshot_11

 

Tổ chức tế vi của vật liệu này ở trạng thái ban đầu được cung cấp (trạng thái ủ) được thể hiện trên hình 4.2.2.2.2. Tổ chức tế vi

2.2.3. Độ cứng

2.3. Thiết kế quy trình công nghệ nhiệt luyện

Theo bảng thành phần hoá học có thể thấy đây là thép tương đương mác thép SKD61.  Đây là loại thép điển hình được sử dụng cho khuôn dập nóng. Với loại thép này có thể áp dụng nhiều chế độ nhiệt luyện khác nhau. Với thiết bị lò chân không hiện có tại Viện công nghệ, quá trình nung được tiến trong môi trường chân không và tôi bằng khí nitơ áp suất cao. Trong quá trình nghiên cứu chúng tôi cũng tiến hành nhiệt luyện trên thiết bị lò buồng điện trở và tôi bằng quạt gió.

Khuôn bền nóng chủ yếu là các loại khuôn rèn, khuôn đùn nhôm và khuôn đúc áp lực. Các loại khuôn này theo các tài liệu do các nhà sản xuất công bố [] thông thường có độ cứng khoảng 44-50HRC. Dựa vào nghiên cứu lý thuyết và các tài liệu hiện có [], đặc biệt quy trình nhiệt luyện của Hiệp hội đúc áp lực Bắc Mỹ – NADCA (North American Die Casting Association) quy trình #207-2000 [] và General Motor quy trình DC-9999-1 [] chúng tôi thiết kế quy trình tôi như trên hình 3.1 và quy trình ram trên hình 3.2

Screenshot_12

T: Nhiệt độ tôi, chọn 10300-10500CTrong đó:

T1: Nhiệt độ nung sơ bộ lần 1, chọn 5500-6000C

T2: Nhiệt độ nung sơ bộ lần 2, chọn 8000-8500C

t: Thời gian giử ở nhiệt độ tôi

t1: Thời gian giử nhiệt độ nhiệt độ nung sơ bộ lần 1

t2: Thời gian giử nhiệt độ nhiệt độ nung sơ bộ lần 2

Quá trình nung nóng:

Nung sơ bộ lần 1:

T1 = 5000- 5500C

t= 2t

Nung sơ bộ lần 2:

T2= 750 – 8000C

t2 =t

Nung tôi:

T = 10000 – 10500C

Thời gian giữ nhiệt (t) phụ thuộc vào chiều dày sản phẩm và được chọn theo bảng thời gian giữ nhiệt khi tôi.

Đối với các chi tiết có chiều dày nhỏ hơn 50mm thì có thể không cần nung sơ bộ.

Screenshot_13

Với loại thép này với các công nghệ truyền thống nung trong lò điện trở có khí bảo vệ hoặc không, có thể tôi trong môi trường dầu, bể muối hoặc quạt gió. Đã có một số nghiên cứu về nhiệt luyện loại thép này [C.Chiều], chúng tôi không đi sâu nghiên cứu.

Hiện nay Viện Công Nghệ đang sử dụng thiết bị nhiệt luyện chân không cho phép tôi bằng khí nén nitơ dưới áp suất cao đến 12bar. Đây là thiết bị mới và hiện đại, các nghiên cứu về nhiệt luyện trên thiết bị này còn rất ít được công bố, đặc biệt ở Việt nam chưa có công bố nào. Chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện trên hệ thống thiết bị này thiết bị

Quá trình làm nguội:

Quá trình làm nguội được thực hiện trong  môi trường khí nitơ với áp suất cao đến 12bar.

Tuy nhiên để so sánh với phương pháp cổ điển chúng tôi cũng tiến hành nhiệt luyện trong lò điện trở với phương pháp làm nguội bằng quạt gió.

Ram:

Ram đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình nhiệt luyện loại thép này, cần ram ngay sau khi quá trình làm nguội kết thúc, không nên để sản phẩm nguội dưới 70oC mới ram. Như đã trình bày ở trên, khuôn bền nóng làm việc trong điều kiện nóng, vì thế tốt nhất phải ram vượt qua nhiệt độ mà ở đó độ dai va đập bé nhất (với thép SKD61 nhiệt độ này khoảng 480-500). Có thể ram 1 lần, 2 lần , nếu thấy cần thiết thì có thể ram thêm lần 3 tuỳ theo hình dáng kích thước và tính chất của sản phẩm. Quy trình ram tổng quát được thể hiện trên hình 3.2

Screenshot_14

Trong đó

Tr: Nhiệt độ ram oC

Tr: Thời gian ram

Ram lần 1:

Nhiệt độ Tr1 = 520 -560oC,

Thời gian giử nhiệt theo bảng thời gian giử nhiệt khi ram (tr)

Ram lần 2: Sau khi ram lần 1 nếu độ cứng đạt yêu cầu thì ram tiếp lần 2 cùng nhiệt độ, nếu độ cứng chưa đạt yêu cầu thì chọn nhiệt độ thích hợp để ram

Thời gian giữ nhiệt độ ram theo bảng thời gian giữ nhiệt khi ram

Làm nguội ngoài không khí đến nhiệt độ môi trường.

Screenshot_15

Để xác định tính chất của vật liệu sau nhiệt luyện, với thép bền nóng, như trình bày ở phần lý thuyết độ cứng, độ dai va đập và tổ tổ chức tế vi có tính chất quan trọng quyết định đến tính chất và khả năng làm việc của sản phẩm. Vì lý do đó các các thông số  vật liệu chính sau đây sẽ được kiểm tra:

– Tổ chức tế vi

– Độ cứng sau tôi và sau ram

– Năng lượng va đập

Screenshot_16

2.4. Nhiệt luyện mẫu trong lò điện

2.4.1. Quy trình công nghệ nhiệt luyện

Quy trình nhiệt luyện được lựa chọn dựa vào các tài liệu đã công bố [], các thông số chính bao gồm:
Nhiệt độ tôi: 1030oC

Làm nguội: Quạt không khí

Ram: 550oC và 590oC

18 mẫu thử được nhiệt luyện thử trong điều kiện mà chúng tôi dự kiến sẽ nhiệt luyện khuôn. Cụ thể các thông số của quy trình nhiệt luyện được thể hiện trong bảng 4-5

Screenshot_17

Sau khi tôi, kiểm tra bằng mắt thường thấy bề mặt khuôn và mẫu không được đẹp, cụ thể, có hiện tượng oxy hoá bề mặt.

Sau khi ram lần 1 chúng tôi tiến hành đo độ cứng để xác định nhiệt độ cho ram lần 2 (độ cứng lần 2 là độ cứng cần đạt được) sau khi ram xong 2 lần chúng tôi tiến hành kiểm tra va đập, độ cứng, và soi chụp kim tương. Kết quả độ cứng và năng lượng va đập được thể hiện trong bảng 4-4. Tổ chức tế vi trên hình 4.5.

Screenshot_18

 

Screenshot_19

2.5. Nhiệt luyện trong lò chân không

2.5.1. Giới thiệu về thiết bị nhiệt luyện chân không tại Viện Công nghệ

Lò nung chân không đơn buồng Turbo[2] Treater M AvaC (IPSEN) có khả năng tôi các loại thép dụng cụ trong môi trường không bị oxi hóa và thoát cacbon bề mặt. Ngoài ra còn có thể thấm cacbon áp suất thấp.

Một số đặc tính kỹ thuật:

– Công suất nung tối đa : 150kw

– Nhiệt độ làm việc tối đa: 1320oC (5oC)

– Khối lượng 1 mẻ tối đa: 800kg

– Khí làm nguội sản phẩm khi tôi là Nitơ, độ sạch 99,999%

– Áp suất khí làm nguội tối đa: 12bar

– Độ chân không khi nhiệt luyện: 10-1 mbar

Hệ thống lò nung chân không đơn buồng được điều khiển hoàn toàn tự động thông qua hệ thống điều khiển lò PLC gồm: tủ điều khiển chứa các thiết bị đo, thiết bị ghi nhận, bộ đóng ngắt, máy tính và phần mềm điều khiển Vacu-Prof.

2.5.2. Tiến hành nhiệt luyện

Quy trình nhiệt luyện được lựa chọn theo quy trình nhiệt luyện tổng quát :

Screenshot_20

Screenshot_21

Các thông số công nghệ được thể hiện trong bảng 5-1

Screenshot_22

Mẫu sau khi nhiệt luyện theo các chế độ ở bảng 5-1 được tiến hành đo kiểm tra độ cứng năng lượng va đập. Các mẫu được đo 3 lần rồi lấy giá trị trung bình. Kết quả kiểm tra được thể hiện trong bảng 5-2.2.5.3. Kiểm tra các tính chất vật liệu (giá trị trung bình của 3 lần đo)

Bảng 5-2: Kết quả kiểm tra độ cứng và năng lượng

Screenshot_23

1 Comment

Gửi thảo luận