Author
Em thấy đây là bài báo rất hay của cô Hằng về ứng dụng cho thép SKD11 làm khuôn dập nguội. .. Các bác đọc rồi cho ý kiến
Nâng cao chất lượng cho thép SKD11 làm khuôn dập nguội
Mở đầu Nâng cao tuổi thọ cho khuôn dập nguội đang là vấn đề được quan tâm của công nghiệp Việt Nam trong thời kỳ đổi mới nhằm mục tiêu sản xuất ra các sản phẩm có chất lượng cao, giá thành hạ, có tính cạnh tranh trong khu vực và trên thế giới. Việc phát triển công nghiệp xe máy, ô tô ở Việt Nam càng đặt ra một đòi hỏi cấp thiết cho việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lượng và tuổi thọ cho khuôn dập nguội.
Cơ tính của khuôn bao gồm độ bền, độ cứng, độ dai, khả năng chống mài mòn, đây là các đặc trưng quan trọng quyết định tính chất của khuôn, chẳng hạn, khi độ cứng của dụng cụ trên 60 HRC thì cứ tăng thêm 1 HRC thì tuổi thọ của khuôn tăng thêm 30%.
Nghiên cứu chất lượng khuôn cho thấy rằng, tuổi thọ của khuôn thấp có thể do các nguyên nhân:
- Khả năng chống mài mòn kém có thể do độ cứng thấp (55-57 HRC);
- Hiện tượng sứt và vỡ khuôn do nhiệt luyện không đúng (độ cứng không phù hợp với chức năng khuôn, chẳng hạn khuôn đột dập độ cứng nên thấp hơn khuôn dập vuốt);
- Vật liệu làm khuôn không tương thích với vật liệu dập sản phẩm và sản lượng;
- Lắp đặt khuôn không đúng;
- Chế độ bôi trơn khi dập không đảm bảo.
Trong đó, nguyên nhân về vật liệu và xử lý vật liệu có vai trò quan trọng. Bài báo này đề cập đến việc khảo sát các nguyên nhân do vật liệu và xử lý vật liệu không đúng dẫn đến tuổi thọ của khuôn thấp và các biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng của khuôn dập nguội bằng thép họ SKD11.
Phương pháp nghiên cứu
Thép làm khuôn dập nguội thường sử dụng hiện nay là SKD11, đây là loại thép làm khuôn thích hợp với các vật liệu dập là thép tấm (SPCC), thép không gỉ với sản lượng lớn. Bảng 1 là thành phần của SKD11 theo tiêu chuẩn JIS (Nhật Bản) và một số mác cùng họ của các nước.
Các nghiên cứu xuất phát từ việc khảo sát các khuôn dập nguội hỏng do Công ty Kim khí Thăng Long chế tạo, các khuôn này được phân tích thành phần hoá học bằng phương pháp quang phổ phát xạ, đo độ cứng trên thiết bị HP250 (Nga) và Mityo (ý), chụp ảnh tổ chức tế vi của khuôn hỏng tại các vị trí khác nhau trên kính hiển vi Asiover 100A (Đức). Nghiên cứu tổ chức ở trạng thái cung cấp của thép SKD11 do Công ty cung cấp, nghiên cứu qui trình nhiệt luyện hiện đang được Công ty và một số đơn vị khác như Công ty Dụng cụ xuất khẩu, Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp sử dụng.(bảng 1)
Kết quả và bàn luận
1. Khảo sát các dạng sai hỏng của khuôn
Hình 1. Một số dạng sai hỏng khuôn dập nguội
Hình 1 là ảnh các dạng khuôn sai hỏng sau một thời gian làm việc, nguyên nhân các sai hỏng của các khuôn dập có thể phán đoán như sau:
- Nứt, vỡ: có thể do sự không tương thích giữa vật liệu làm khuôn với phôi dập hoặc chọn vật liệu làm khuôn không đúng. Chẳng hạn khuôn cắt hình và khuôn dập vuốt bằng thép SKD11 và vật liệu dập là thép SPCC, theo qui trình xử lý nhiệt của Công ty, thông thường được 10.000 sản phẩm, trong khi nếu nhiệt luyện đúng, khuôn có thể sản xuất 1 triệu sản phẩm. Tổ chức ban đầu của vật liệu làm khuôn có cacbit phân bố dạng thớ, không được phá bỏ trước khi chế tạo khuôn, cũng sẽ là nguyên nhân gây giòn, dẫn đến nứt vỡ. Nứt vỡ còn có thể do ứng suất nhiệt. Chi tiết không đồng đều về tiết diện, có phần dày, phần mỏng. Phần mỏng khi nung sẽ đạt nhiệt độ trước phần dày, do đó, để tránh nứt hoặc cong vênh, cần nung chậm hoặc nung phân cấp, tạo cân bằng nhiệt giữa phần dày và phần mỏng, cũng như giữa bề mặt và lõi. Làm nguội đột ngột cũng gây ra ứng suất nhiệt, SKD11 là thép hợp kim cao, có tốc độ nguội tới hạn nhỏ, làm nguội chậm cũng nhận được máctenxit, nên không cần làm nguội với tốc độ lớn, thường sử dụng dầu nóng để hạn chế ứng suất. Khi nhiệt luyện còn có ứng suất tổ chức do quá trình chuyển biến austenit thành mactenxit với thể tích tăng lên. Sự tăng thể tích của các phần không đều nhau cũng sẽ gây ra nứt.
Trong môi trường nung, nếu không được bảo vệ dễ gây ôxy hoá và thoát carbon. Hiện tượng mất cacbon ở bề mặt gây chuyển biến tổ chức không đồng đều giữa bề mặt bị thoát cacbon và phần liền kề bề mặt không bị thoát cacbon tạo ra một lớp ứng suất kéo, khi gia công cơ tiếp theo ứng suất đó tăng lên có thể lớn hơn giới hạn bền, dẫn đến nứt chân chim.
- Độ cứng không đạt: Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến chi tiết không đạt độ cứng sau nhiệt luyện. Môi trường tôi, nhiệt độ tôi không đúng, thời gian giữ nhiệt không đủ, chọn không đúng mác thép, hoặc đúng mác thép nhưng thành phần không ổn định như đã nói ở trên. Ngoài ra, còn phải kể đến lượng austenit dư, nếu còn nhiều sau quá trình ram, độ cứng cũng thấp, do đó, cần điều chỉnh lượng austenit dư phù hợp với độ cứng yêu cầu. Thoát cacbon cũng làm cho độ cứng bề mặt thấp và khuôn chóng mòn. Thời gian giữ nhiệt quá lâu có thể làm lớn hạt cũng dẫn đến độ cứng và độ bền thấp.
- Mài mòn không đều: Do độ cứng trên bề mặt khuôn không đồng đều, sự phân bố không đồng đều austenit dư và cacbit sau tôi có thể gây ra điểm cứng và điểm mềm.
2. Phân tích thành phần hoá học của các thép làm khuôn dập nguội:
Bảng 2 là thành phần hoá học của các thép làm khuôn sai hỏng được phân tích trên máy quang phổ phát xạ.
Các thép thuộc họ SKD11, song ít nhiều sai khác với mác thép tiêu chuẩn, chẳng hạn hàm lượng các bon thấp hơn khá nhiều (1,149; 0,932 so với 1,4-1,6), hàm lượng vanadi cao hơn nhiều so với thép chuẩn (2,03; 1,182 so với 0,2-0,5), ngoài ra còn có thêm wolfram, coban. Sự có mặt của các nguyên tố tạo cácbit mạnh cùng với hàm lượng carbon thấp làm cho thép rất nhiều cácbit, lượng cácbon hoá bền cho nền ít. Có thể nói rằng, nguồn thép vào Việt Nam không ổn định và không tiêu chuẩn. Đây sẽ là khó khăn lớn cho người xử lý nhiệt vật liệu, thường xuyên phải điều chỉnh qui trình nhiệt luyện và khó đạt được cơ tính theo yêu cầu.
3. Tổ chức thép ở trạng thái cung cấp: Thép SKD11 với tổng hàm lượng các nguyên tố hợp kim từ 14,35- 17,25 % là thuộc họ Lêđêbuarit, sau khi đúc, lượng cácbit lớn, có dạng xương cá thô. Vì vậy, cần phải rèn để vỡ vụn các bít xương cá, ủ hay thường hoá trước khi sử dụng. Khảo sát các thép do Công ty Kim khí Thăng long cung cấp, với nhiều đợt thép khác nhau và nguồn vật liệu khác nhau, chúng tôi thấy rằng, hầu hết các thép các bít vẫn còn dạng xương cá, phân bố định hướng theo phương rèn. Các bít này không mất đi trong quá trình nhiệt luyện sau này, đây sẽ là một trong những nguyên nhân rất dễ gây nứt vỡ cho khuôn, nhất là khi khuôn chế tạo có mặt cắt ngang vuông góc với định hướng của cácbit xương cá. Hình 2 là tổ chức ban đầu của thép SKD11 ở trạng thái cung cấp, với cacbit thô định hướng theo phương rèn.
4. Quy trình nhiệt luyện hiện đang sử dụng tại công ty: Đó là nung phân cấp lần 1 ở 5000C, lần 2 ở 8700C, nung kết thúc ở 10500C; ram thấp ở 2000C trong 2 giờ. Qui trình này cũng được áp dụng ở hầu hết các công ty trên địa bàn Hà Nội. Nhiệt độ phân cấp trong qui trình không hợp lý, phân cấp lần đầu ở 500oC là hơi thấp vì với loại thép hợp kim cao, nung ở nhiệt độ này chưa khử triệt để ứng suất dư do gia công trước đó. Phân cấp lần 2 ở 870oC là hơi cao, nếu giữ nhiệt lâu có thể gây lớn hạt. Ram thấp ở 2000C sau tôi, một mặt không khử hết được ứng suất sinh ra khi tôi, mặt khác chưa tạo ra được các bít nhỏ mịn, phân bố đều trên nền mactenxit ram, đây chính là yếu tố làm tăng khả năng chống mài mòn của khuôn, góp phần tăng đáng kể tuổi thọ của khuôn.
Hình 3 là ảnh tổ chức tế vi của khuôn dập thìa bị vỡ sau một thời gian làm việc, kết quả của ram thấp cho thấy, hầu như không có cacbit nhỏ mịn phân bố đều, mà chỉ có cacbit thô định hướng theo phương rèn của tổ chức ban đầu và cacbit này chủ yếu làm tăng nguy cơ giòn thép.
5. Cơ tính của thép phải thích hợp với điều kiện làm việc của từng loại khuôn: Khuôn đột dập, làm việc trong điều kiện chịu va đập và mài mòn, độ cứng nên chọn thấp hơn (56-58HRC) so với khuôn dập vuốt (58-60HRC), đồng thời tổ chức tế vi nên có nhiều cácbít nhỏ mịn phân bố đều, tăng độ dai va đập, khả năng chống mài mòn và không có ứng suất.
Kết luận
Nghiên cứu các nguyên nhân dẫn đến tuổi thọ khuôn thấp bao gồm:
- Chọn thép làm khuôn thích hợp với chủng loại khuôn và sản lượng sản phẩm
- Nguồn thép cung cấp cần phải ổn định về thành phần hoá học cũng như tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp.
- Tránh thoát carbon bằng cách bảo vệ khi nung.
- Chế độ xử lý nhiệt hợp lý: Nhiệt độ nung phân cấp, nhiệt độ nung kết thúc, thời gian giữ nhiệt, môi trường tôi là các yếu tố phải được thiết lập cụ thể với từng chủng loại khuôn để đảm bảo tổ chức tế vi và cơ tính thoả mãn điều kiện làm việc.
Những kết luận trên đây là cơ sở để nghiên cứu thiết lập qui trình nhiệt luyện cho thép làm khuôn dập với tuổi thọ tăng.
TS. Phùng Thị Tố Hằng
KHCN số tháng 1-2006 (trang 33)
Nguồn: http://irv.moi.gov.vn/socuoithang/toancanhkhcn/2006/8/15378.ttvn
Nâng cao chất lượng cho thép SKD11 làm khuôn dập nguội
Mở đầu Nâng cao tuổi thọ cho khuôn dập nguội đang là vấn đề được quan tâm của công nghiệp Việt Nam trong thời kỳ đổi mới nhằm mục tiêu sản xuất ra các sản phẩm có chất lượng cao, giá thành hạ, có tính cạnh tranh trong khu vực và trên thế giới. Việc phát triển công nghiệp xe máy, ô tô ở Việt Nam càng đặt ra một đòi hỏi cấp thiết cho việc nghiên cứu các biện pháp nâng cao chất lượng và tuổi thọ cho khuôn dập nguội.
Cơ tính của khuôn bao gồm độ bền, độ cứng, độ dai, khả năng chống mài mòn, đây là các đặc trưng quan trọng quyết định tính chất của khuôn, chẳng hạn, khi độ cứng của dụng cụ trên 60 HRC thì cứ tăng thêm 1 HRC thì tuổi thọ của khuôn tăng thêm 30%.
Nghiên cứu chất lượng khuôn cho thấy rằng, tuổi thọ của khuôn thấp có thể do các nguyên nhân:
- Khả năng chống mài mòn kém có thể do độ cứng thấp (55-57 HRC);
- Hiện tượng sứt và vỡ khuôn do nhiệt luyện không đúng (độ cứng không phù hợp với chức năng khuôn, chẳng hạn khuôn đột dập độ cứng nên thấp hơn khuôn dập vuốt);
- Vật liệu làm khuôn không tương thích với vật liệu dập sản phẩm và sản lượng;
- Lắp đặt khuôn không đúng;
- Chế độ bôi trơn khi dập không đảm bảo.
Trong đó, nguyên nhân về vật liệu và xử lý vật liệu có vai trò quan trọng. Bài báo này đề cập đến việc khảo sát các nguyên nhân do vật liệu và xử lý vật liệu không đúng dẫn đến tuổi thọ của khuôn thấp và các biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng của khuôn dập nguội bằng thép họ SKD11.
Phương pháp nghiên cứu
Thép làm khuôn dập nguội thường sử dụng hiện nay là SKD11, đây là loại thép làm khuôn thích hợp với các vật liệu dập là thép tấm (SPCC), thép không gỉ với sản lượng lớn. Bảng 1 là thành phần của SKD11 theo tiêu chuẩn JIS (Nhật Bản) và một số mác cùng họ của các nước.
Các nghiên cứu xuất phát từ việc khảo sát các khuôn dập nguội hỏng do Công ty Kim khí Thăng Long chế tạo, các khuôn này được phân tích thành phần hoá học bằng phương pháp quang phổ phát xạ, đo độ cứng trên thiết bị HP250 (Nga) và Mityo (ý), chụp ảnh tổ chức tế vi của khuôn hỏng tại các vị trí khác nhau trên kính hiển vi Asiover 100A (Đức). Nghiên cứu tổ chức ở trạng thái cung cấp của thép SKD11 do Công ty cung cấp, nghiên cứu qui trình nhiệt luyện hiện đang được Công ty và một số đơn vị khác như Công ty Dụng cụ xuất khẩu, Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp sử dụng.(bảng 1)
Kết quả và bàn luận
1. Khảo sát các dạng sai hỏng của khuôn
Hình 1. Một số dạng sai hỏng khuôn dập nguội
Hình 1 là ảnh các dạng khuôn sai hỏng sau một thời gian làm việc, nguyên nhân các sai hỏng của các khuôn dập có thể phán đoán như sau:
- Nứt, vỡ: có thể do sự không tương thích giữa vật liệu làm khuôn với phôi dập hoặc chọn vật liệu làm khuôn không đúng. Chẳng hạn khuôn cắt hình và khuôn dập vuốt bằng thép SKD11 và vật liệu dập là thép SPCC, theo qui trình xử lý nhiệt của Công ty, thông thường được 10.000 sản phẩm, trong khi nếu nhiệt luyện đúng, khuôn có thể sản xuất 1 triệu sản phẩm. Tổ chức ban đầu của vật liệu làm khuôn có cacbit phân bố dạng thớ, không được phá bỏ trước khi chế tạo khuôn, cũng sẽ là nguyên nhân gây giòn, dẫn đến nứt vỡ. Nứt vỡ còn có thể do ứng suất nhiệt. Chi tiết không đồng đều về tiết diện, có phần dày, phần mỏng. Phần mỏng khi nung sẽ đạt nhiệt độ trước phần dày, do đó, để tránh nứt hoặc cong vênh, cần nung chậm hoặc nung phân cấp, tạo cân bằng nhiệt giữa phần dày và phần mỏng, cũng như giữa bề mặt và lõi. Làm nguội đột ngột cũng gây ra ứng suất nhiệt, SKD11 là thép hợp kim cao, có tốc độ nguội tới hạn nhỏ, làm nguội chậm cũng nhận được máctenxit, nên không cần làm nguội với tốc độ lớn, thường sử dụng dầu nóng để hạn chế ứng suất. Khi nhiệt luyện còn có ứng suất tổ chức do quá trình chuyển biến austenit thành mactenxit với thể tích tăng lên. Sự tăng thể tích của các phần không đều nhau cũng sẽ gây ra nứt.
Trong môi trường nung, nếu không được bảo vệ dễ gây ôxy hoá và thoát carbon. Hiện tượng mất cacbon ở bề mặt gây chuyển biến tổ chức không đồng đều giữa bề mặt bị thoát cacbon và phần liền kề bề mặt không bị thoát cacbon tạo ra một lớp ứng suất kéo, khi gia công cơ tiếp theo ứng suất đó tăng lên có thể lớn hơn giới hạn bền, dẫn đến nứt chân chim.
- Độ cứng không đạt: Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến chi tiết không đạt độ cứng sau nhiệt luyện. Môi trường tôi, nhiệt độ tôi không đúng, thời gian giữ nhiệt không đủ, chọn không đúng mác thép, hoặc đúng mác thép nhưng thành phần không ổn định như đã nói ở trên. Ngoài ra, còn phải kể đến lượng austenit dư, nếu còn nhiều sau quá trình ram, độ cứng cũng thấp, do đó, cần điều chỉnh lượng austenit dư phù hợp với độ cứng yêu cầu. Thoát cacbon cũng làm cho độ cứng bề mặt thấp và khuôn chóng mòn. Thời gian giữ nhiệt quá lâu có thể làm lớn hạt cũng dẫn đến độ cứng và độ bền thấp.
- Mài mòn không đều: Do độ cứng trên bề mặt khuôn không đồng đều, sự phân bố không đồng đều austenit dư và cacbit sau tôi có thể gây ra điểm cứng và điểm mềm.
2. Phân tích thành phần hoá học của các thép làm khuôn dập nguội:
Bảng 2 là thành phần hoá học của các thép làm khuôn sai hỏng được phân tích trên máy quang phổ phát xạ.
Các thép thuộc họ SKD11, song ít nhiều sai khác với mác thép tiêu chuẩn, chẳng hạn hàm lượng các bon thấp hơn khá nhiều (1,149; 0,932 so với 1,4-1,6), hàm lượng vanadi cao hơn nhiều so với thép chuẩn (2,03; 1,182 so với 0,2-0,5), ngoài ra còn có thêm wolfram, coban. Sự có mặt của các nguyên tố tạo cácbit mạnh cùng với hàm lượng carbon thấp làm cho thép rất nhiều cácbit, lượng cácbon hoá bền cho nền ít. Có thể nói rằng, nguồn thép vào Việt Nam không ổn định và không tiêu chuẩn. Đây sẽ là khó khăn lớn cho người xử lý nhiệt vật liệu, thường xuyên phải điều chỉnh qui trình nhiệt luyện và khó đạt được cơ tính theo yêu cầu.
3. Tổ chức thép ở trạng thái cung cấp: Thép SKD11 với tổng hàm lượng các nguyên tố hợp kim từ 14,35- 17,25 % là thuộc họ Lêđêbuarit, sau khi đúc, lượng cácbit lớn, có dạng xương cá thô. Vì vậy, cần phải rèn để vỡ vụn các bít xương cá, ủ hay thường hoá trước khi sử dụng. Khảo sát các thép do Công ty Kim khí Thăng long cung cấp, với nhiều đợt thép khác nhau và nguồn vật liệu khác nhau, chúng tôi thấy rằng, hầu hết các thép các bít vẫn còn dạng xương cá, phân bố định hướng theo phương rèn. Các bít này không mất đi trong quá trình nhiệt luyện sau này, đây sẽ là một trong những nguyên nhân rất dễ gây nứt vỡ cho khuôn, nhất là khi khuôn chế tạo có mặt cắt ngang vuông góc với định hướng của cácbit xương cá. Hình 2 là tổ chức ban đầu của thép SKD11 ở trạng thái cung cấp, với cacbit thô định hướng theo phương rèn.
4. Quy trình nhiệt luyện hiện đang sử dụng tại công ty: Đó là nung phân cấp lần 1 ở 5000C, lần 2 ở 8700C, nung kết thúc ở 10500C; ram thấp ở 2000C trong 2 giờ. Qui trình này cũng được áp dụng ở hầu hết các công ty trên địa bàn Hà Nội. Nhiệt độ phân cấp trong qui trình không hợp lý, phân cấp lần đầu ở 500oC là hơi thấp vì với loại thép hợp kim cao, nung ở nhiệt độ này chưa khử triệt để ứng suất dư do gia công trước đó. Phân cấp lần 2 ở 870oC là hơi cao, nếu giữ nhiệt lâu có thể gây lớn hạt. Ram thấp ở 2000C sau tôi, một mặt không khử hết được ứng suất sinh ra khi tôi, mặt khác chưa tạo ra được các bít nhỏ mịn, phân bố đều trên nền mactenxit ram, đây chính là yếu tố làm tăng khả năng chống mài mòn của khuôn, góp phần tăng đáng kể tuổi thọ của khuôn.
Hình 3 là ảnh tổ chức tế vi của khuôn dập thìa bị vỡ sau một thời gian làm việc, kết quả của ram thấp cho thấy, hầu như không có cacbit nhỏ mịn phân bố đều, mà chỉ có cacbit thô định hướng theo phương rèn của tổ chức ban đầu và cacbit này chủ yếu làm tăng nguy cơ giòn thép.
5. Cơ tính của thép phải thích hợp với điều kiện làm việc của từng loại khuôn: Khuôn đột dập, làm việc trong điều kiện chịu va đập và mài mòn, độ cứng nên chọn thấp hơn (56-58HRC) so với khuôn dập vuốt (58-60HRC), đồng thời tổ chức tế vi nên có nhiều cácbít nhỏ mịn phân bố đều, tăng độ dai va đập, khả năng chống mài mòn và không có ứng suất.
Kết luận
Nghiên cứu các nguyên nhân dẫn đến tuổi thọ khuôn thấp bao gồm:
- Chọn thép làm khuôn thích hợp với chủng loại khuôn và sản lượng sản phẩm
- Nguồn thép cung cấp cần phải ổn định về thành phần hoá học cũng như tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp.
- Tránh thoát carbon bằng cách bảo vệ khi nung.
- Chế độ xử lý nhiệt hợp lý: Nhiệt độ nung phân cấp, nhiệt độ nung kết thúc, thời gian giữ nhiệt, môi trường tôi là các yếu tố phải được thiết lập cụ thể với từng chủng loại khuôn để đảm bảo tổ chức tế vi và cơ tính thoả mãn điều kiện làm việc.
Những kết luận trên đây là cơ sở để nghiên cứu thiết lập qui trình nhiệt luyện cho thép làm khuôn dập với tuổi thọ tăng.
TS. Phùng Thị Tố Hằng
KHCN số tháng 1-2006 (trang 33)
Nguồn: http://irv.moi.gov.vn/socuoithang/toancanhkhcn/2006/8/15378.ttvn