Trong nghiên cứu này sẽ trình bày ảnh hưởng các chế độ xử lý nhiệt gồm tôi, gia công lạnh (ở -80 và -160 oC) và hóa già đến hàm lượng austenit dư, cơ tính và khả năng ổn định kích thước của thép SKD 11.
Study on heat treatment of SKD11 steel for high precise gauges using for mechanical assembly
TRỊNH VĂN TRUNG1,2, NGUYỄN VĂN THÀNH1,3*, HOÀNG VĨNH GIANG3, NGUYỄN ANH SƠN1, PHẠM HỒNG TUẤN4, NGUYỄN THÀNH HỢP4, BÙI HẢI ĐĂNG1
1Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội;
2Viện VJIIST, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội;
3Viện Công nghệ, Bộ Công-Thương, Số 25 Vũ Ngọc Phan, Đống Đa, Hà Nội;
4Trung tâm Quang điện tử, Viện Ứng dụng công nghệ, C6 – Thanh Xuân Bắc, Thanh Xuân, Hà Nội.
*Email: thanhmaterial@mail.com
Ngày nhận bài: 26/10/2019, Ngày duyệt đăng: 21/12/2019
TÓM TẮT
Ảnh hưởng của các thông số công nghệ của các quá trình tôi, gia công lạnh và hóa già đến tổ chức, tính chất và sự ổn định kích thước của thép SKD11 được đánh giá thông qua việc khảo sát độ cứng, tổ chức tế vi, sự thay đổi thành phần austenit và kích thước của bộ dưỡng kiểm tự chế tạo bằng loại thép này. Kết quả nghiên cứu cho thấy, sau tôi độ cứng thép SKD11 đạt được khoảng 57-64 HRC, sau gia công lạnh làm giảm lượng austenit dư, tăng độ cứng lên thêm (1÷3) HRC, hóa già thường làm giảm độ cứng của mẫu thép một chút nhưng có tác dụng ổn định kích thước. Dưỡng kiểm sau gia công lạnh “sâu” (-160 oC) ổn định kích thước hơn dưỡng chỉ hóa già hoặc gia công lạnh ở nhiệt độ “nông” (-80 oC). Thay đổi kích thước nhỏ nhất đạt được nhỏ hơn 3 mm trong khoảng nhiệt độ khảo sát (20-40 oC) với dưỡng được xử lý nhiệt tôi (nhiệt độ austenit 1030 oC, giữ 90 phút), sau đó gia công lạnh âm sâu (-160 oC, giữ 6 giờ) và cuối cùng hóa già (150 oC, giữ 48 giờ).
Từ khóa: dưỡng kiểm, thép SKD11, gia công lạnh, hóa già
ABSTRACT
The influence of technological parameters of quenching, cryogenic treatment and aging processes on microstructure, properties and dimensional stability of SKD11 steels are assessed through hardness, microstructure, changes in austenitic composition and dimension of the self-made gause making of this steel. The research results show that after hardening, SKD11 steel can achieve hardness of 57-64 HRC, cryogenic treatment decreases the retained austenite then increases the hardness by 1-3 HRC while aging process slowly decreases the hardness of the steel but has an dimentional stablizing effect. The gause after “deep” cryogenic treatment (-160 oC) is more stable than that after aging or cryogenic treatment at “shallow” temperature (-80 oC). The smallest size change of gauge is less than 3 mm at the investigating temperature range (20÷40 oC) by quenching (austenizing at 1030 oC, hold for 90 minutes), then deep cryogenic treatment (-160 oC, hold for 6 hours), and finally aging (150 oC, hold for 48 hours).
Keywords: gauges, SKD11 steel, cryogenic treatment, aging
1. GIỚI THIỆU
Công nghiệp hỗ trợ nói chung và phục vụ ngành chế tạo, lắp ráp ô tô, xe máy nói riêng có những yêu cầu đặc thù, trong đó độ chính xác trong gia công chi tiết, đảm bảo tính lắp lẫn với quy mô hàng loạt là vô cùng quan trọng. Để hạn chế tối đa sai sót và tiết kiệm thời gian cho công đoạn này, các nhà máy lắp ráp cần hệ thống dưỡng kiểm có độ chính xác cao với độ cứng cao và kích thước ổn định trong điều kiện môi trường có nhiệt độ thay đổi để phục vụ khâu kiểm tra nhanh trước và trong quá trình lắp ráp. Hiện nay, hầu hết các nhà máy đang sử dụng dưỡng, vòng kiểm nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao.
Các đơn vị chế tạo khuôn trong nước đến thời điểm này chưa làm chủ được công nghệ chế tạo và sản xuất dưỡng một cách có hệ thống để gia công và xử lý các chi tiết này, một phần do năng lực về thiết bị, đồng thời chưa có giải pháp tổng thể từ khâu lựa chọn vật liệu, gia công chính xác và xử lý nhiệt ổn định kích thước trong điều kiện biến động nhiệt độ ở nước ta.
Đối với những dưỡng kiểm thông thường (cấp chính xác thấp) và hình dạng đơn giản thì có thể dùng thép dụng cụ cacbon cao để chế tạo sau đó nhiệt luyện bằng tôi và ram thấp. Độ cứng đạt được khoảng 58÷62 HRC, có thể áp dụng hóa già để ổn định kích thước nhưng khả năng chống mài mòn không cao [1].
Đối với dưỡng kiểm có độ chính xác cao thường yêu cầu có độ cứng cao cỡ (63÷65) HRC để đảm bảo khả năng chịu mài mòn và khả năng ổn định kích thước cao nên vật liệu yêu cầu có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ chỉ khoảng (10-5 ÷ 10-6)/oC thì thép SKD11 sau tôi chân không cho phép đạt độ cứng cao khoảng (60-63) HRC, có thể tiếp tục áp dụng gia công lạnh để tăng độ cứng và hóa già để ổn định tổ chức, ít cong vênh, có độ giãn nở nhiệt tương đối nhỏ so với một số mác vật liệu khác như bảng 1 dưới đây là phù hợp.
Bảng 1. Hệ số giãn nở nhiệt của một số vật liệu gang, thép (trong khoảng 20-100 oC)
| Vật liệu | Thép cacbon | S55C | SKD11 | Thép không gỉ austenit | Thép không gỉ ferit | Gang |
| Hệ số giãn nở nhiệt(10-6 /oC) | 12,2 | 11,7 | 10,3 | 16,3 | 10,9 | 11 |
Nhưng để ổn định kích thước, ngoài hệ số giãn nở nhiệt nhỏ thì thép SKD11 kể trên sau tôi cần xử lý nhiệt để ổn định tổ chức mactenxit (tôi) và austenit dư đạt được trong thời gian dài do các tổ chức này sau tôi không ổn định sẽ có xu hướng bị chuyển biến/phân hóa về các tổ chức cân bằng hơn, tuy với tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thường, nhưng cũng có thể làm thay đổi thể tích pha dẫn đến thay đổi kích thước và hình dạng của chi tiết dù với giá trị rất nhỏ. Để ổn định các tổ chức mactenxit (tôi) và austenit dư này thì thép sau tôi phải tiến hành hóa già bằng cách nung ở (120 ÷ 140) oC trong (1 ÷ 2) ngày. Do nung thấp hơn nhiệt độ ram thấp, mactenxit (tôi) cũng như austenit dư trở nên ổn định và không bị chuyển biến trong suốt thời gian làm việc sau đó [2].
Theo [3] khi sử dụng công nghệ gia công lạnh có thể làm giảm lượng austenit dư và làm tăng độ vài HRC so với thép sau tôi và có tác dụng tăng tính ổn định kích thước.
Gia công lạnh hay xử lý nhiệt độ âm (xử lý âm) được biết đến với thuật ngữ tiếng Anh là Subzero Treatment hoặc Cryogenic Treatment là công nghệ phổ biến hiện nay để giảm austenit dư trong thép hợp kim cao sau tôi.
Một số công trình nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình gia công lạnh cho thép SKD11 đến cơ tính và thành phần austenit dư của thép SKD11 sau tôi chân không đã được nghiên cứu ở nhiệt độ khoảng (-80 và -120 oC), nhưng chưa có khảo sát cụ thể ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt độ âm [4].
Tác giả Nguyễn Thu Hường đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số tôi như nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt đến cơ tính của thép sau tôi. Sau đó là ảnh hưởng của nhiệt độ gia công lạnh tại hai giá trị nhiệt độ thấp (-20 và -80 oC) đến độ cứng và thành phần austenit dư, cũng như đã khảo sát trong môi trường tôi dầu và chưa đề cập tới ảnh hưởng của chế độ gia công lạnh đến khả năng ổn định kích thước thép SKD11 [5].
Trong nghiên cứu này sẽ trình bày ảnh hưởng các chế độ xử lý nhiệt gồm tôi, gia công lạnh (ở -80 và -160 oC) và hóa già đến hàm lượng austenit dư, cơ tính và khả năng ổn định kích thước của thép SKD 11.
2. THỰC NGHIỆM
Thép SKD11 được sử dụng để chế tạo vòng dưỡng kiểm có kích thước danh định 162 mm bằng máy CNC FOCUS 220 như trong hình 1.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện, các mẫu có kích thước Ø32×20 mm được cắt từ thanh thép SKD11 dài có thành phần hóa học như bảng 2 dưới đây.
Bảng 2. Thành phần hóa học của mác thép SKD11 phân tích bằng máy quang phổ phát xạ ARL3460
| Nguyên tố | C | Cr | Si | Mn | Mo | V | Ni | P | S | Fe |
| Hàm lượng (%) | 1,51 | 12,07 | 0,29 | 0,31 | 0,94 | 0,19 | 0,21 | 0,026 | 0,0009 | Còn lại |
Mẫu thép nghiên cứu được nung phân cấp tại hai nhiệt độ (650 oC trong 90 phút) và (850 oC trong 90 phút), sau đó được nâng lên các nhiệt độ austenit hóa khảo sát ở (980, 1030 và 1080 oC), thời gian giữ nhiệt khảo sát (60, 90 và 150 phút). Sau đó được tôi chân không với áp suất khí nén 6 bar trong lò chân không đơn buồng Turbo2 Treater M. Kí hiệu chế độ tôi: Tx/y, với x là nhiệt độ austenit hóa, y là thời gian ausenit hóa. Ví dụ: T1030/90 là mẫu austenit hóa ở nhiệt độ 1030 oC trong 90 phút.
Một số mẫu thép sau tôi hoặc sau gia công lạnh được thực hiện hóa già trong lò nung Barnsteed ở nhiệt độ 150 oC với thời gian giữ nhiệt khảo sát (12, 24, 48 và 72 giờ). Kí hiệu chế độ hóa già: HGx, với x là thời gian hóa già. Ví dụ mẫu T1030/90 + HG24: mẫu sau tôi hóa già ở 150 oC trong 24 giờ.
Thực hiện nghiên cứu gia công lạnh tại nhiệt độ âm khảo sát (-80 và -160) oC, thời gian giữ nhiệt tại các nhiệt độ trên (1/2, 2, 4, 6 và 8 giờ). Thiết bị gia công lạnh của Viện Công nghệ được làm lạnh bằng nitơ lỏng cho phép khảo sát đạt nhiệt độ âm tối đa (-186) oC. Kí hiệu mẫu gia công lạnh là GCLx/y, với x là nhiệt độ âm khảo sát, y là thời gian giữ tại nhiệt độ âm. Ví dụ: T1030/90 + GCL(-80)/6 là mẫu sau tôi, gia công lạnh ở (-80) oC, giữ trong 6 giờ.
Độ cứng được đo bằng máy đo thô đại Metrolog, với dải đo HRC tiêu chuẩn từ (20÷70) HRC, sai số 0,5 HRC.
Tổ chức tế vi được khảo sát trên kính hiển vi quang học Axiovert.
Cường độ mài mòn được kiểm tra bằng phương pháp Pin on disc của Viện Máy Mỏ. Công thức xác định cường độ mài mòn (g/N.mm): I = ∆P/(NxS), trong đó:
– ∆P: trọng lượng bị hao hụt sau khi thí nghiệm
– N: tải trọng thử, trong thí nghiệm thực tế tiến hành: N = 24
– S: quãng đường di chuyển của mẫu, cách tính: S = n x 2πR
– n: tổng số vòng quay
– R: bán kính trượt (trong nghiên cứu này: R = 25 cm)
Để xác định phần trăm austenit dư, đã sử dụng phương pháp tẩm thực màu với dung dịch tẩm thực TT1 (HCl + axit priric) để xác định tổng phần trăm cacbit và austenit dư, dung dịch tẩm thực TT2 (NaOH+ K3FeN6) để xác định tổng % cacbit. Các phép đo lấy trung bình tại 5 vị trí trên mẫu để hạn chế sai số. Từ đó xác định được:
%Austenit dư = %(Cacbit + Austenit dư) – % Cacbit.
Sử dụng máy đo kích thước ba chiều FUSION 9106 để đo kích thước đường kính dưỡng kiểm. Trong thí nghiệm xác định khả năng ổn định kích thước của dưỡng kiểm đã sử dụng thêm thiết bị gia nhiệt cho phép kiểm tra thay đổi kích thước mẫu trong khoảng nhiệt độ (20÷40) oC. Mỗi kích thước đo kiểm được lấy trung bình từ 3 lần để đảm bảo hạn chế sai số trong phép đo.
Gọi ∆L = DT – D0 là kích thước thay đổi của dưỡng kiểm do thay đổi nhiệt, với DT là đường kính dưỡng tại khoảng nhiệt độ khảo sát, Do là đường kính dưỡng tại T0 = 20 oC (không gia nhiệt).
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh tổ chức tế vi và cơ sở phân tích austenit dư
Tổ chức tế vi của mẫu thép SKD11 ở trạng thái cung cấp và sau xử lý nhiệt như hình 2 dưới đây:
(a) Mẫu thép trạng thái cung cấp
(b) Mẫu thép T1030/90 + GCL (-80 oC)/6
Tổ chức thép sau tôi, sau gia công lạnh và sau hóa già đều quan sát rõ ràng nền mactenxit và tổ chức cacbit, austenit dư. Đây là cơ sở của phương pháp tẩm thực màu, xác định austenit dư.
Ảnh phân tích nhiễu xạ rơnghen mẫu SKD11 sau 4 chế độ xử lý nhiệt như hình 3 dưới đây:
Giản đồ nhiễu xạ cho thấy các mẫu sau tôi (T1030) được hóa già (HG48), hoặc gia công lạnh (GCL-80/6h và GCL-160/6h) đều có thành pha cơ bản gồm các pha mactenxit và cacbit M7C3. Với các mẫu sau tôi, tôi kết hợp hóa già hoặc tôi kết hợp gia công lạnh ở -80 oC vẫn quan sát thấy pic của austenit, nhưng mẫu tôi kết hợp gia công lạnh -160 oC không còn quan sát thấy pha austenit nữa. Như vậy, việc gia công lạnh âm sâu ở -160 oC đã làm austenit dư chuyển biến gần như triệt để.
3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian austenit hóa đến độ cứng và hàm lượng austenit dư
Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi tới độ cứng của mẫu và thành phần austenit dư được trình bày như bảng 3 dưới đây:
Bảng 3. Kết quả đo độ cứng và hàm lượng austenit dư của các mẫu sau tôi ở các nhiệt độ khác nhau
| T980/60 | T1030/60 | T1080/60 | ||||||
| Độ cứng (HRC) | Austenitdư (%) | Độ cứng (HRC) | Austenitdư (%) | Độ cứng (HRC) | Austenitdư (%) | |||
| Bề mặt | Lõi | Bề mặt | Lõi | Bề mặt | Lõi | |||
| 59 | 57,5 | 5,39 | 64 | 63 | 9,39 | 58,5 | 58 | 16,10 |
Ảnh hưởng tới độ cứng: Khi tăng nhiệt độ từ 980 lên 1030 oC độ cứng sau tôi tăng mặc dù lượng austenit dư tăng. Lý do ở nhiệt độ thấp (980 oC) lượng cacbit hòa tan vào austenit ít, do đó độ cứng mactenxit sau tôi không cao so với tôi ở 1030 oC. Nhưng khi tăng đến nhiệt độ 1080 oC, độ cứng giảm do kích thước hạt lớn và hàm lượng austenit dư lớn làm giảm độ cứng tổng thể của thép sau tôi.
Ảnh hưởng tới austenit dư: Do thép SKD11 thuộc họ Lêđêburit với hàm lượng nguyên tố hợp kim cao nên trong tổ chức của thép tồn tại nhiều cacbit. Khi tăng nhiệt độ tôi từ 980 đến 1080 oC hàm lượng austenit dư tăng từ 5,39% lên 16,10%. Điều này có thể giải thích là khi tăng nhiệt độ austenit hóa, cacbit (chủ yếu là Cr) hòa tan vào austenit càng nhiều, làm nồng độ cacbon và các nguyên tố hợp kim trong austenit tăng lên, dẫn đến tính ổn định của austenit tăng và hạ thấp điểm Mf của thép khi tôi. Do vậy làm tăng hàm lượng austenit dư sau tôi.
Bảng 4. Ảnh hưởng thời gian giữ nhiệt đến độ cứng mẫu thép SKD11 sau tôi
| T1030/60 | T1030/90 | T1030/150 | ||||||
| Độ cứng (HRC) | Austenitdư (%) | Độ cứng (HRC) | Austenitdư (%) | Độ cứng (HRC) | Austenitdư (%) | |||
| Bề mặt | Lõi | Bề mặt | Lõi | Bề mặt | Lõi | |||
| 64 | 63 | 9,39 | 62 | 62 | 9,65 | 58 | 58 | 12,27 |
Ảnh hưởng của thời gian austenit hóa: Theo bảng 4, khi tăng thời gian giữ nhiệt dẫn đến tăng hàm lượng austenit dư và làm giảm độ cứng. Giữ nhiệt trong khoảng 60 phút thì có thể chưa đủ thấu nhiệt nên độ cứng không đồng đều giữa bề mặt và lõi. Ngoài ra khi giữ nhiệt dài khoảng 150 phút ở nhiệt độ austenit hóa nên hàm lượng austenit dư nhiều gây giảm độ cứng. Do đó thời gian giữ nhiệt được khuyến cáo chỉ cần đủ để thấu nhiệt chi tiết, không nên giữ quá dài. Với quy tắc thời gian giữ 1 giờ/2,54 cm tính cho dưỡng kiểm thì giữ nhiệt khoảng 90 phút là hợp lý.
3.3. Ảnh hưởng của chế độ gia công lạnh và hóa già tới cơ tính
Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ gia công lạnh tới thành phần austenit dư và độ cứng mẫu được trình bày như bảng 5 dưới đây:
Bảng 5. Kết quả ảnh hưởng nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khi gia công lạnh tới độ cứng và thành phần austenit dư
| Trạng thái mẫu | T1030/90 | T1030/90 + GCL(-80 oC) | T1030/90 + GCL(-160oC) | ||||||
| Thời gian(giờ) | 0 | 0,5 | 2 | 4 | 6 | 0,5 | 2 | 4 | 6 |
| Độ cứng bề mặt sau gia công lạnh (HRC) | 62 | 62 | 62 | 62,5 | 63 | 62,5 | 65 | 65 | 65 |
| Austenit dư (%) | 9,65 | 8,86 | 7,36 | 5,39 | 4,72 | 7,65 | 4,15 | 1,83 | 1,85 |
Như vậy khi tăng thời gian và giảm nhiệt độ gia công lạnh thì độ cứng tăng, thành phần austenit giảm so với mẫu sau tôi do austenit chuyển biến thành mactenxit. Trong cùng một khoảng thời gian các mẫu gia công ở nhiệt độ lạnh sâu (-160 oC) thu được hiệu quả hơn gia công lạnh ở -80 oC. Cụ thể sau 4 giờ, mẫu gia công lạnh ở -160 oC đã ổn định austenit khoảng (1,83÷1,85) %, mẫu gia công lạnh ở -80 oC vẫn còn 5,39 %.
Ảnh hưởng chế độ gia công lạnh và nguyên công hóa già được trình bày trong bảng 6.
Bảng 6. Kết quả khảo sát của 5 mẫu ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau
| Chế độ xử lý nhiệt | Austenit dư (%) | Độ cứng (HRC) | Cường độ mài mòn(10-11 g/N.mm) |
| T1030/90 + HG48 | 9,36 | 60 | 8,35 |
| T1030/90+GCL(-80)/6h | 4,72 | 63 | 5,03 |
| T1030/90+GCL(-80)/6h + HG48 | 7,36 | 61,5 | 5,85 |
| T1030/90+GCL(-160)/6h | 1,85 | 65 | 1,89 |
| T1030/90+GCL(-160)/6h + HG48 | 1,95 | 62,5 | 2,05 |
Khả năng chống mài mòn của thép phụ thuộc chủ yếu vào độ cứng và hàm lượng các pha cứng nằm phân tán trong nền. Kết quả xác định cường độ mòn bằng phương pháp Pin-on-disc (bảng 6) cho thấy các mẫu tôi+gia công lạnh+hóa già bị mài mòn nhiều hơn các mẫu chỉ tôi+gia công lạnh, do với hàm lượng austenit tương đương nhau, độ cứng mẫu thép qua hóa già có giảm đi. So với các mẫu xử lý lạnh ở nhiệt độ -80 oC, các mẫu xử lý lạnh ở -160 oC có cường độ mòn thấp hơn rất nhiều, do khi xử lý lạnh ở nhiệt độ âm sâu sẽ khử triệt để hàm lượng austenite trong thép sau tôi, dẫn đến tăng độ cứng. Điều này phù hợp với một số nghiên cứu của trường đại học Dublin [6, 7].
3.4. Khảo sát thay đổi và ổn định kích thước dưỡng kiểm Ø162-Go
Ảnh hưởng thời gian hóa già, khi xử lý nhiệt cho dưỡng kiểm bằng tôi kết hợp với hóa già (không có gia công lạnh), đến sự thay đổi kích thước ∆L của vòng dưỡng kiểm ở 4 vùng nhiệt độ khảo sát (20÷25; 25÷30; 30÷35 và 35÷40 oC) được trình bày trên hình 4 dưới đây.
Từ đồ thị hình 4, chứng tỏ khi tăng thời gian hóa già tính ổn định kích thước của dưỡng kiểm tăng lên rõ rệt, lý do pha mactenxit chiếm đa số trong tổ chức thép sau tôi đã được ổn định hóa. Nhưng do hàm lượng austenit dư trong thép còn khá lớn (9,36 % khi hóa già 48 giờ) do đó khả năng ổn định kích thước của dưỡng chưa được cao. Cụ thể khi kéo dài thời gian hóa già lên 72 giờ thì trong khoảng nhiệt độ khảo sát (20÷40 oC) kích thước dưỡng vẫn có thể thay đổi khoảng 9,5 mm. Do đó để tăng tính ổn định kích thước của dưỡng kiểm cần loại bỏ austenit triệt để hơn bằng cách thực hiện kết hợp thêm gia công lạnh.
Ảnh hưởng tổng hợp của gia công lạnh và hóa già đến sự ổn định kích thước của dưỡng kiểm như hình 5 được thực hiện ở 4 chế độ bao gồm:
CĐ1 (T1030/90 + GCL (-160)/6); CĐ2 (T1030/90 + GCL (-80)/6 + HG24); CĐ3 (T1030/90 + GCL (-160)/6 + HG24) và CĐ4 (T1030/90 + GCL (-160)/6 + HG48).
Khi xét thay đổi kích thước của dưỡng kiểm trong CĐ1, ta thấy do xử lý lạnh sâu (-160 oC) nên lượng austenit dư chuyển biến gần như triệt để thành mactenxit (còn 1,85%), nên trong khoảng nhiệt độ thấp (nhỏ hơn 30 oC), kích thước dưỡng kiểm thay đổi nhỏ, nhưng khi tăng nhiệt độ quá 30 oC, kích thước dưỡng kiểm thay đổi lớn có thể lên tới khoảng ∆L = 13,6 mm do các pha chưa được ổn định sẽ bị phân hóa.
Ảnh hưởng của chế độ gia công lạnh được thể hiện rõ ràng khi so sánh CĐ2 và CĐ3. Với cùng thời gian hóa già (24 giờ), trong CĐ3 kích thước dưỡng kiểm thay đổi ít hơn và bớt đột ngột hơn so với CĐ2 do khi xử lý lạnh ở -160 oC sẽ giảm gần như triệt để lượng austenit dư.
Chế độ xử lý nhiệt đạt ổn định kích thước nhất khi gia công lạnh sâu và thời gian gia công lạnh cũng như hóa già đủ lớn là ở CĐ4. Trong chế độ xử lý nhiệt này, biến đổi kích thước của dưỡng kiểm nhỏ hơn 3 mm trong khoảng nhiệt độ khảo sát (20÷40 oC), đảm bảo cho dưỡng kiểm làm việc ổn định trong điều kiện nhiệt độ nhà xưởng thay đổi. So với CĐ 4, thì CĐ3 có thời gian hóa già ngắn hơn, nên ở nhiệt độ < 35 oC thay đổi kích thước dưỡng kiểm cũng nhỏ hơn 3 mm. Nhưng khi tăng nhiệt độ lên (35÷40) oC, độ tăng kích thước dưỡng kiểm lên tới 5,1 mm, trong khi ở CĐ4 dưỡng chỉ tăng lên 2,7 mm. Nguyên nhân như khi khảo sát ảnh hưởng thời gian hóa già, khi gia công lạnh rồi hóa già với thời gian gấp đôi, tổ chức mactenxit sau tôi được ổn định hơn.
Với bộ dưỡng kiểm có độ chính xác yêu cầu thay đổi trong khoảng 5 mm, chế độ xử lý nhiệt CĐ4 đảm bảo tính chính xác của dưỡng kiểm khi đo kiểm trong điều kiện ngoài xưởng.
IV. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát một số công nghệ xử lý nhiệt cho thép SKD11 dùng trong chế tạo dưỡng kiểm yêu cầu độ chính xác cao. Thép SKD11 sau tôi và gia công lạnh đảm bảo độ cứng cao có thể lên tới 65 HRC, sau đó kết hợp hóa già có thể đảm bảo sự ổn định kích thước để đáp ứng yêu cầu chế tạo dưỡng kiểm có độ chính xác cao. Dưới đây là một số kết luận chính:
– Để đạt được độ cứng cao nhằm tăng khả năng chống mài mòn thì thép SKD11 nên tôi ở 1030 oC. Thời gian giữ nhiệt không ảnh hưởng lớn tới độ cứng của thép sau tôi, nhưng nên tính thời gian giữ khoảng 1 giờ/ 2,5 cm chiều dày chi tiết.
– Nhiệt độ hóa già trong nghiên cứu được lựa chọn là 150 oC. Khi tăng thời gian hóa già, khả năng ổn định kích thước của dưỡng kiểm tăng lên do chuyển biến mactenxit tôi không ổn định thành mactenxit ram ổn định hơn.
– Gia công lạnh có tác dụng giảm hàm lượng austenit dư, tăng độ cứng mẫu thép sau tôi và ổn định kích thước của dưỡng kiểm. Nhiệt độ gia công lạnh âm hơn (-160 oC) cho phép chuyển biến austenit dư triệt để hơn so với nhiệt độ (-80 oC) do đó khả năng ổn định kích thước của dưỡng kiểm cũng cao hơn. Tương tự ảnh hưởng của nhiệt độ gia công, khi tăng thời gian gia công lạnh, hàm lượng austenit dư cũng giảm dẫn tới tăng độ cứng và khả năng ổn định kích thước của dưỡng kiểm. Ngoài ra khi gia công lạnh ở nhiệt độ âm sâu có tác dụng tăng khả năng chịu mài mòn rõ rệt.
LỜI CẢM ƠN
Bài báo được tiến hành dưới sự hỗ trợ từ đề tài có mã số ĐTKHCN.046/19 của Bộ Công-Thương.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- C. V. Collett & A. D. Hope; Manufacturing Engineering & Technology, 4th Edn, 1990
- Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2002
- T. Yugandhar, P. K. Krishnan; Cryogenic treatment and its effect on tool steel, 6th International Tooling Conference, 2010
- Hoàng Vĩnh Giang, Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gia công lạnh phục vụ xử lý thép sau khi tôi, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công -Thương, Mã số: 32.12 RD/HĐ-KHCN, 2016
- Nguyễn Thu Hường, Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến hàm lượng austenit dư trong thép SKD11, Đồ án tốt nghiệp kỹ sư, 2014
- D. N. Collins, J. Dormer; Deep cryogenic treatment of a D2 cold-worked tool steel, Heat Treatment of Metals, 1997
- D. N. Collins; Deep cryogenic treatment of tool steels: a Review, Heat Treatment of Metals, 1996
