Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thấm nitơ plasma để thấm một số khuôn kim loại

VIỆN CÔNG NGHỆ - BỘ CÔNG THƯƠNG







BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THẤM NITƠ PLASMA
ĐỂ THẤM MỘT SỐ KHUÔN KIM LOẠI


CNĐT : HOÀNG VĨNH GIANG












8187

HÀ NỘI – 2010

- 1 -

ĐẶT VẤN ĐỀ
Khuôn kim loại là dụng cụ được sử dụng nhiều trong quá trình tạo phôi.
Các loại khuôn phổ biến là khuôn rèn, khuôn dập, khuôn đùn, khuôn đúc áp
lực, khuôn ép nhựa vv Phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của khuôn, người ta
có thể chọn vật liệu để chế tạo khuôn từ hai nhóm thép chủ yếu là thép dụng
cụ bền nguội và thép dụng cụ bền nóng. Quy trình chế tạo khuôn gồm các
bước chính sau: thi
ết kế, lựa chọn vật liệu, gia công cơ khí và nhiệt luyện nói
chung (tôi, ram và thấm N).
Thiết kế và gia công cơ khí đã có những tiến bộ vượt bậc nhờ việc ứng
dụng công nghệ CAD/CAM với các trung tâm gia công CNC. Những công
nghệ tiên tiến này cho phép chúng ta rút ngắn quá trình thiết kế và gia công
khuôn mẫu, cũng như thay đổi mẫu mã sản phẩm một cách linh hoạt. Có thể
nói, chúng ta đã làm chủ được khâu thiết kế và gia công cơ khí. Hai công
đ
oạn còn lại là vật liệu và nhiệt luyện đang đặt ra nhiều thách thức cho các
nhà nghiên cứu công nghệ vật liệu cả trong và ngoài nước. Thiếu hiểu biết
trong lĩnh vực này sẽ cho ra những bộ khuôn chất lượng thấp. Vì thế phát
triển vật liệu và công nghệ nhiệt luyện chúng là vấn đề rất được quan tâm.
Các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, CHLB Đức, Nhật, Nga, Anh,
Pháp, đã nghiên cứu và chế
tạo hàng chục loại thép làm khuôn phù hợp với
điều kiện làm việc khác nhau. Điển hình là thép chế tạo khuôn bền nguội,

thép chế tạo khuôn bền nóng, thép chế tạo khuôn chịu ăn mòn hoá học Theo
đó, công nghệ nhiệt luyện khuôn cũng được đầu tư tương xứng.
Những năm gần đây, ngoài yếu tố công nghệ, vấn đề bảo vệ môi trường
và tiết kiệm năng lượ
ng cũng được các quốc gia trên thế giới quan tâm. Nhiều
công nghệ nhiệt luyện tiên tiến đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng có
hiệu quả cao như công nghệ nhiệt luyện chân không và công nghệ thấm N
plasma. Hai công nghệ này được các nước tiên tiến trên thế giới ứng dụng có
hiệu quả cho nhiệt luyện và thấm N khuôn kim loại chất lượng cao.

- 2 -

Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng khuôn ngày một tăng, đặc biệt là những
năm gần đây khi mà ngành công nghiệp phụ trợ đang ngày càng phát triển.
Tuy nhiên, năng lực sản xuất khuôn, mẫu mới chỉ đáp ứng được một phần nhỏ
nhu cầu về khuôn mẫu các loại. Hầu hết các loại khuôn đòi hỏi chất lượng cao
đều phải nhập ngoại. Các Công ty liên doanh, Công ty 100% vốn nước ngoài
phả
i nhập bán thành phẩm về Việt Nam để lắp ráp hoặc nhập khẩu khuôn để
sản xuất. Một số Công ty chế tạo khuôn trong nước phải gửi khuôn ra nước
ngoài để nhiệt luyện và thấm N.
Thời gian gần đây, một số cơ sở nhiệt luyện khuôn có 100% vốn nước
ngoài đã xuất hiện như công ty Asung (Hàn quốc) ở Hưng Yên, Công ty
Hitachi (Nhật Bản) ở KCN Nội Bài, Công ty Taishin (Đài Loan) ở
KCN Biên
Hòa. Các Công ty này hoạt động tương đối khép kín, giá thành nhiệt luyện
cao. Đặc biệt, họ chỉ nhiệt luyện các loại thép do Công ty mẹ sản xuất.
Để đáp ứng nhu cầu về khuôn, nhiều xưởng cơ khí chế tạo khuôn mẫu
ra đời. Phần lớn các xưởng này có các công nghệ hiện đại để thiết kế và gia
công khuôn (công nghệ CAD/CAM, máy CNC), thép chế tạo khuôn được

nhập ngoại. Một số thép được nhập từ
các nước công nghiệp phát triển như
Hàn Quốc, Nhật Bản, CHLB Đức có chất lượng cao và ổn định., nhu cầu về
nhiệt luyện khuôn ngày càng tăng. Tuy vậy, khuôn chế tạo trong nước chất
lượng vẫn còn thấp và không ổn định. Theo đánh giá của các chuyên gia,
năng lực chế tạo khuôn, mẫu của các doanh nghiệp còn hạn chế chủ yếu là do
năng lực nhiệt luyện còn yếu.
Nhiệt luyện và th
ấm N là hai công đoạn cuối của quá trình chế tạo
khuôn. Thông thường, trước khi thấm N, khuôn phải được nhiệt luyện để tạo
nền vững chắc và có tính chất tốt nhất. Có thể nói, công đoạn thấm N và công
đoạn nhiệt luyện (tôi, ram) liên quan mật thiết với nhau. Vì vậy để nâng cao
chất lượng khuôn, việc ứng dụng công nghệ thấm N phải luôn song hành với
việc ứng dụng công nghệ nhiệ
t luyện (tôi, ram) tiên tiến.

- 3 -

Viện Công nghệ là một cơ sở nghiên cứu sâu trong lĩnh vực nhiệt
luyện. Viện là một trong những đơn vị có nhiều công trình nghiên cứu về
nhiệt luyện khuôn kim loại. Viện đặt mục tiêu áp dụng các công nghệ nhiệt
luyện và thấm N tiên tiến để nâng cao chất lượng khuôn. Bên cạnh yêu cầu về
kỹ thuật, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng cũng là tiêu chí của việc
lựa chọn công nghệ. Nhiệt luyện chân không và thấm N plasma là hai công
nghệ được lựa chọn cho mục tiêu này.
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng công nghệ nhiệt luyện chân
không và thấm N plasma để thấm khuôn kim loại.
- Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện chân không, ứng dụng để nhiệt
luyện khuôn chế tạo từ thép SKD11 và SKD61, đưa công nghệ này vào

sản xuất công nghiệp.
- Nghiên c
ứu công nghệ thấm N plasma, ứng dụng để thấm khuôn kim
loại và một số chi tiết máy.
Nội dung của đề tài là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm công nghệ
nhiệt luyện và thấm N plasma cho thép SKD11, SKD61, 40CrMo. Từ đó xây
dựng quy trình công nghệ nhiệt luyện và thấm N plasma cho các sản phẩm
với những yêu cầu cụ thể.
Nội dung chính bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về thép dụng cụ SKD11, SKD61, một số tính
chất, công nghệ
nhiệt luyện. Tổng quan về thấm N, thấm N plasma
Chương 2: Thực nghiệm nhiệt luyện và thấm N plasma cho thép
40CrMo, SKD11, SKD61, các phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng
nhiệt luyện, chất lượng lớp thấm.
Chương 3: Kết quả thực nghiệm, đánh giá kết quả và kết luận về công
nghệ nhiệt luyện, công nghệ thấm N plasma.
Chương 4: Kết quả ứng dụng trong thực tế.

- 4 -

Trình tự và phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu tài liệu để hiểu tính chất, ứng dụng của thép bền nóng
SKD61 và thép bền nguội SKD11.
- Nghiên cứu các quy trình công nghệ nhiệt luyện và thấm N cho thép
SKD11, thép SKD61. Từ đó, thiết kế quy trình nhiệt luyện phù hợp với
thiết bị hiện có (lò nhiệt luyện chân không Turbo

-Treater, lò thấm N
plasma Eltropuls).

- Tiến hành nhiệt luyện và thấm mẫu thép SKD11, SKD61, 40CrMo để
đánh giá các đặc tính vật liệu sau nhiệt luyện, sau thấm N plasma.
- Dựa vào yêu cầu kỹ thuật của từng sản phẩm để thiết kế quy trình công
nghệ và tiến hành nhiệt luyện và thấm N plasma khuôn thép SKD11,
khuôn thép SKD61 và bánh răng bơm dầu thép hợp kim thấp.
- Đưa khuôn, bánh răng được nhiệt luyện và thấm N plasma vào sử dụng,
đánh giá tuổ
i thọ.















- 5 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về thép dụng cụ
1.1.1. Phân loại về thép dụng cụ
Thép dụng cụ hay còn gọi là thép công cụ, như cách gọi đã thể hiện, là
thép dùng để chế tạo ra dụng cụ như dụng cụ cắt, khuôn. Có nhiều cách và

nhiều tiêu chuẩn phân loại thép dụng cụ.
Tiêu chuẩn của ISO 4957-1999 chia làm 5 nhóm: 1) thép dụng cụ
cacbon; 2) thép gió; 3) thép dụng cụ bền nguội; 4) thép dụng cụ bền nóng và
5) thép d
ụng cụ mục đích đặc biệt.
Tiêu chuẩn ASTM A 686-92 -1999 (AISI) chia làm 9 nhóm: 1) thép
dụng cụ tôi nước (W); 2) thép dụng cụ chịu va đập (S); 3) thép bền nguội tôi
dầu (O); 4) thép dụng cụ bền nguội hợp kim trung bình tôi không khí (A); 5)
thép C cao, Cr cao làm dụng cụ bền nguội (D); 6) thép làm khuôn ép nhựa
(P); 7) thép dụng cụ bền nóng (H); 8) thép gió wolfram (T); và 9) thép gió
molybden (M).
Tiêu chuẩn Nhật chia làm 4 nhóm: 1) JIS 4401-2000: thép dụng cụ
cacbon; 2) JIS 4403: thép gió; 3) JIS 4404: thép dụng cụ hợp kim; 4) JIS
4410: thép làm mũi khoan.
TCVN 1822-76 phân thép ra thành 4 nhóm đó là: 1) thép dụng cụ
cacbon; 2) thép dụng cụ hợ
p kim; 3) thép gió và 4) hợp kim cứng. Cách phân
loại này giống với cách phân loại của Nga và gần với cách phân loại của
Nhật. Tiêu chuẩn Việt Nam mới chỉ có tiêu chuẩn về thép dụng cụ cacbon và
thép dụng cụ hợp kim, chưa có tiêu chuẩn về thép gió và hợp kim cứng.
1.1.2. Đặc điểm, tính chất cơ bản của thép dụng cụ
Tính chất của thép phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá học và tổ
chức t
ế vi nhận được sau khi nhiệt luyện. Nhìn chung, tổ chức tế vi của thép
dụng cụ bao gồm nền và cacbit phân bố trong nền. Ở trạng thái ủ, nền thông
thường là ferit và cacbit dạng hình cầu.

- 6 -

Sau khi tôi và ram tổ chức thép bao gồm nền mactenxit và các cacbit

mịn của các nguyên tố hợp kim được phân bố trong đó. Số lượng (%), kích
thước, tính chất và sự phân bố cacbit trong nền có ảnh hưởng đến tính chất vật
liệu. Cacbit càng nhiều thì độ cứng càng cao và như thế khả năng chịu mài
mòn càng tốt. Cacbit càng mịn, độ bền cao và độ dai cao [47]. Tóm lại, cacbit
trong thép có vai trò hết sức quan trọng quyết định đến tính chất của thép.
Các loại cacbit có trong thép khác nhau, ph
ụ thuộc vào các nguyên tố
hợp kim. Thông thường, thép dụng cụ được hợp kim chủ yếu bằng 4 nguyên
tố đó là Cr, V, W, và Mo, các nguyên tố này đều tạo thành cacbit. Theo [47],
có 6 loại cacbit chính có mặt trong thép dụng cụ, chủng loại cacbit phụ thuộc
vào thành phần hợp kim. Các loại cacbit thường gặp và độ cứng của nó được
liệt kê trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Một số cacbit thường có trong thép dụng cụ [47].
Nguyên tố -M
Loại Cacbit
Độ cứng
[HRC]
Nhiều nhất Ít nhất
M
3
C 70 Fe, Mn, Cr W, Mo, V
M
23
C
6
73 Cr Mo, V, W
M
6
C 75 Fe, Mo, W Cr, V, Co
M

7
C
3
79 Cr -
M
2
C 79 W, Mo Cr
MC 84 V W, Mo
M được hiểu là tổ hợp của Fe với Mn và 4 nguyên tố hợp kim Cr, V,
W, Mo. Ví dụ M
3
C có công thức là (Fe+X)
3
C, ở đây X có thể là Mn, Cr, V,
W, Mo. Trong trường hợp thép cacbon đơn thuần ta có Fe
3
C – xêmentit.
Trong các loại cacbit trên, loại M
3
C có độ cứng thấp nhất và loại MC có độ
cứng cao nhất.

- 7 -

Ngoài các thành phần hợp kim, hai thành phần rất quan trọng khác
quyết định đến tính chất của vật liệu đó là S và P. Trên nguyên tắc, đây là
những tạp chất nên càng ít càng tốt. Thép có hàm lượng S khoảng dưới
0,005% và P dưới 0,025%, là những thép siêu sạch. Để được thép siêu sạch,
người ta thường tinh luyện lại bằng phương pháp VAR (Vacuum-Arc-
Remelting, tinh luyện chân không) hoặc ESR (Electro-Slag-Remelting, tinh

luyện điện xỉ).
Tuỳ theo từng ứng dụng, người sử dụ
ng cần lựa chọn loại thép hợp lý.
Dưới đây, chúng tôi sẽ trình bày 2 loại thép thông dụng nhất, đó là thép bền
nguội điển hình là thép SKD11 và thép bền nóng điển hình là thép SKD61.
1.1.3. Thép dụng cụ bền nguội
1.1.3.1. Yêu cầu tính chất đối với thép dụng cụ bền nguội
Dụng cụ gia công nguội thường làm việc trong môi trường áp lực lớn
và độ mài mòn cao. Trong điều kiện làm việc như vậy thép chế t
ạo dụng cụ
bền nguội (khuôn, dao cắt) cần có các tính chất sau:
- Độ bền cao để chịu được tải trọng liên tục trong quá trình làm việc.
- Khả năng chống mòn và mỏi cao trong quá trình làm việc.
- Dẻo dai (khả năng chống phá huỷ và chống mỏi).
- Ổn định kích thước trong quá trình làm việc.
- Tổ chức đồng đều và đẳng hướng.
- Khả năng gia công tốt.
- Có khả năng cắt dây hoặc hàn.
1.1.3.2. Một số mác thép thông dụng chế tạo khuôn bền nguội
Có nhiều loại thép được sử dụng để chế tạo khuôn bền nguội, từ thép
dụng cụ cacbon, thép hợp kim thấp đến thép hợp kim cao. Tuy nhiên, nhóm
thép thường được sử dụng nhiều nhất để chế tạo khuôn là thép hợp kim Cr
cao với các nguyên tố hợp kim khác là Mo, V hoặc W. Các loại thép này đã
được tiêu chuẩn hoá ở
hầu hết các quốc gia.

- 8 -

Ký hiệu của một số mác thép được liệt kê trong bảng 1.2. Thành phần
hoá học của thép nhóm SKD11 được liệt kê trong bảng 1.3.

Bảng 1.2: Thép dụng cụ bền nguội theo một số tiêu chuẩn thông dụng [16].
ISO 4957 JIS Nga DIN AISI GB
210Cr12 SKD1 X12 X210Cr12 D3 Cr12
- SKD11 X12M X165CrMoV12 - Cr12MoV
160CrMoV12 SKD11 - X155CrMoV12-1 D2 Cr12Mo1V
210CrW12 D6
100CrMoV5 SKD12 - X100CrMoV5-1 A2 Cr5Mo1V
Bảng 1.3: Thành phần hoá học thép bền nguội thông dụng nhóm SKD11 [16].
Thép theo
ISO (JIS)
Thành phần hoá học cơ bản [% khối lượng]

C Mn Si P
max
S
max
Cr Mo V
JIS-SKD11
G 4404
1,40
1,60
≤
0,60
≤
0,40
0,03 0,03
11,0
13,0
0,80
1,20

0,20
0,50
160CrMoV12
1,45
1,75
0,15
0,45
0,10
0,40
0,03 0,03
11,0
13,0
0,70
1,00
0,50
0,80
ASTM - D2
1,40
1,60
0,10
0,60
0,10
0,60
0,03 0,03
11,0
13,0
0,70
1,20
0,50
1,1

SAE-D2
1,40
1,60
0,5
0,5
0,10
0,60
0,03 0,03
11,0
13,0
0,70
1,20
0,80
Nhóm thép này được ưa chuộng vì các tính chất tuyệt vời của chúng,
đó là khả năng tôi cao, khả năng chịu mài tốt, độ bền cao và khả năng gia
công dễ dàng. Hiện nay trên thị trường Việt Nam đang sử dụng nhiều loại
thép có xuất xứ từ Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc và Đức. Đó là những mác
thép Cr12MoV, X12M hay AISI D2, đây là thép tương đương với mác thép
SKD11 của Nhật.

- 9 -

1.1.3.3. Tổ chức tế vi của thép dụng cụ bền nguội nhóm SKD11
Thép SKD11 là thép hợp kim với hàm lượng Cr lên đến 12%, hàm
lượng C khoảng 1,5%, hàm lượng Mo và V khoảng 1%. Thông thường sau
khi đúc thép này được gia công nóng để phá huỷ cấu trúc cacbit sơ cấp. Giản
đồ Fe-Cr-C có thể giúp chúng ta đánh giá về tổ chức tế vi cũng như tính chất
của loại thép này.
Giản đồ trạng thái Fe-Cr-C ở nhiệt độ 700
o

C có thể được coi như giản
đồ ở trạng thái ủ cho ta thấy sự tồn tại của các loại cacbit tuỳ theo tỷ lệ Cr/C
(hình 1.1). Khi tỷ lệ Cr:C vượt 3:1, tổ chức có các cacbit giàu Cr như
(CrFe)
23
C
6
hoặc (CrFe)
7
C
3
hoặc đồng thời cả hai. Theo [48], ở trạng thái ủ,
hàm lượng cacbit trong thép AISI D2 là khoảng 18% trong đó 83,5% là cacbit
Cr
7
C
3
và 16,5% là (CrFe)
7
C
3
[48]. Tổ chức tế vi của loại thép này sau khi ủ
bao gồm nền ferit và cacbit phân bố trong đó.

Hình 1.1: Giản đồ Fe-Cr-C ở 700
o
C [7].
Trong thép Cr cao thì cacbit (CrFe)
7
C

3

là chủ yếu. Khi có các nguyên tố
hợp kim khác như Mo, V, Si hay Mn thì cacbit sẽ là cacbit phức. Thành phần,
hàm lượng cacbit phụ thuộc vào thành phần và hàm lượng các nguyên tố hợp

- 10 -

kim. Sự có mặt của Mo hoặc W trong một vài mác thép làm ổn định
(CrFe)
23
C
6
. Thép với thành phần 1,4%C, 13,13%Cr, 1,2%Mo ở trạng thái ủ
chỉ tồn tại cacbit (CrFe)
23
C
6
[7].
Tổ chức của thép sau nhiệt luyện có thể đánh giá theo giản đồ Fe-Cr-C
ở 1000
o
C (hình 1.2). Có thể nhìn thấy, ở nhiệt độ tôi lớn hơn 1000
o
C, trong tổ
chức của thép Cr cao chỉ có cacbit (CrFe)
7
C
3
. Theo [48], tổ chức của thép sau

tôi 1150
o
C/15’ có chứa 11% cacbit, trong đó 90,6% Cr
7
C
3
và 9,4% (CrFe)
7
C
3
.
Sau khi tôi và ram, nền ferit được chuyển thành mactenxit.

Hình 1.2: Giản đồ Fe-Cr-C ở 1000
o
C [7].
1.1.3.4. Tính chất thép dụng cụ bền nguội nhóm SKD11
Tính chất vật liệu của của loại thép này phụ thuộc nhiều vào công nghệ
chế tạo cũng như phương pháp nhiệt luyện chúng. Mỗi mác thép do từng hãng
sản xuất có những tính chất đặc thù riêng. Tuy nhiên, các tính chất cơ bản của
chúng không khác nhau nhiều. Các số liệu dưới đây có thể được xem như các
số liệu tham khảo có tính chất tổng quát cho các loại thép t
ương đương mác
thép JIS-SKD11, AISI-D2, ISO-X160CrMoV12, X12M.


- 11 -

Độ cứng:
Độ cứng là một tính chất rất quan trọng của loại vật liệu chế tạo khuôn

bền nguội. Gần như là một định luật, với một loại vật liệu nhất định (có thành
phần và tổ chức ban đầu cố định), độ cứng càng cao thì khả năng chịu mài
càng lớn. Độ cứng dễ kiểm tra và có thể đo trực tiếp trên sản phẩm và nó phả
n
ảnh khá đầy đủ và trung thực tính chất vật liệu của sản phẩm. Vì thế, độ cứng
thường được lấy làm chỉ tiêu đánh giá cũng như thước đo chất lượng vật liệu
của sản phẩm sau nhiệt luyện.
Ở trạng thái ủ, loại vật liệu này có độ cứng max 250HB, đây là độ cứng
cho phép gia công cơ khí thuận lợi. Thông thường sau khi tôi (đạt độ cứ
ng tối
đa), người ta ram để được độ cứng khoảng 58-62HRC, một số trường hợp có
thể sử dụng ở độ cứng thấp hơn như 54-56 HRC.
Độ cứng phụ thuộc vào quá trình ram như trên hình 1.3.
40
45
50
55
60
65
70
0 100 200 300 400 500 600 700
Nhiệt độ ram [oC]
Độ cứng [HRC]
Tôi 1000 Tôi 1050 Tôi 1100

Hình 1.3: Độ cứng phụ thuộc vào nhiệt độ tôi và nhiệt độ ram [77].
Độ bền

Sau khi tôi, tuỳ theo các ứng dụng thực tế mà chọn độ cứng để từ đó
chọn chế độ ram hợp lý.

- 12 -

Sự phụ thuộc giữa độ cứng và độ bền được thể hiện trong bảng 1.4.
Bảng 1.4: Độ bền phụ thuộc vào độ cứng [77].
Độ cứng [HRC] Giới hạn chảy Re
0,2
[MPa]
62 2200
60 2150
55 1900
50 1650
Với loại thép này, thông thường các thông số về độ bền ít được kiểm
tra (vì với độ cứng cao thì việc thực hiện phép thử kéo rất khó khăn). Thường
thì độ cứng và độ dai va đập là hai thông số được kiểm tra sau khi nhiệt luyện.
Độ cứng là thông số kiểm tra thường xuyên nhất.
Độ dai va đập:

Cũng như độ bền, độ dai va đập phụ thuộc nhiều vào độ cứng. Trong
khoảng độ cứng thường sử dụng, độ dai va đập phụ thuộc vào độ cứng được
thể hiện trên hình 1.4. Có thể nhận thấy, độ cứng càng cao thì độ dai va đập
càng thấp. Đây là một đặc điểm rất quan trọng, cần phải biết thoả hiệp giữa độ
cứng và độ dai va đập để vật liệu có được tính chất tổng hợp tốt nhất phù hợp
với yêu cầu sử dụng.
0
5
10
15
20
25

57 58 59 60 61 62 63
Độ cứng [HRC]
Độ dai va đập [J/cm2]
AISI D2

Hình 1.4: Sự phụ thuộc độ dai va đập và độ cứng [48].

- 13 -

Mài mòn:
Mài mòn là một tính chất rất quan trọng của vật liệu chế tạo khuôn.
Cần phải hiểu độ mài mòn là tính chất công nghệ, nó phụ thuộc nhiều vào hệ
mài, vào điều kiện mài. Các thông số đưa ra chỉ có tính chất tham khảo vì nó
chỉ đúng với một hệ mài và điều kiện mài cụ thể.
Đa số các nhà vật liệu học đều thống nhất rằng độ mài mòn của các lo
ại
dụng cụ chế tạo từ loại thép này phụ thuộc vào độ cứng và hàm lượng cacbit.
Hàm lượng cacbit càng cao thì độ cứng càng cao và khả năng chống
mài mòn càng tốt. Tuy nhiên, như đã đề cập ở phần độ dai va đập, độ cứng
cao thì độ dai va đập thường giảm vì thế phải chọn độ cứng và độ dai hợp lý
để có độ mài mòn tối ưu và như thế tuổi thọ củ
a khuôn mới được kéo dài.
1.1.3.5. Ứng dụng thép SKD11 chế tạo khuôn bền nguội
Thép bền nguội SKD11 được sử dụng để chế tạo các loại dụng cụ bền
nguội như khuôn dập nguội, dao cắt, trục cán. Bảng 1.5 liệt kê một số ứng
dụng và độ cứng yêu cầu đối với một số loại dụng cụ.
Bảng 1.5. Một số ứng dụ
ng của thép SKD11 [77].
Ứng dụng
Độ cứng yêu cầu

[HRC]
Khuôn dập 58-62
Lưỡi cắt thép tấm mỏng 55-60
Lưỡi cắt thép tấm dày trung bình 55-58
Trục cán thép nguội >=80HS
Trục cán định hình 58-64
Khuôn rèn nguội (chày) 58-62
Khuôn rèn nguội (cối) 55-63



- 14 -

1.1.4. Thép dụng cụ bền nóng
1.1.4.1. Yêu cầu đối với thép bền nóng chế tạo khuôn
Thép dụng cụ bền nóng là loại thép được sản xuất để làm việc trong
môi trường có nhiệt độ cao mà vẫn giữ được những tính chất cần thiết của quá
trình công nghệ. Để đáp ứng được các yêu cầu vừa nêu, thép bền nóng cần
phải có những tính chất sau:
- Chịu mài tốt trong điều kiện làm vi
ệc ở nhiệt độ cao.
- Khả năng chống biến dạng ở điều kiện làm việc.
- Khả năng chống mỏi nhiệt và nứt nóng.
- Khả năng chống sốc nhiệt.
- Khả năng chống biến dạng do nhiệt luyện.
- Khả năng gia công tốt ở trạng thái ủ.
Nhìn chung, các loại thép bền nóng là thép hợp kim trung bình hoặc
h
ợp kim cao, phần lớn chúng có hàm lượng C tương đối thấp (0,25- 0,6%).
Cấu trúc của loại thép này ở trạng thái ủ bao gồm nền mềm và những cacbit

phân bố đều trong đó. Những cacbit này thường là cacbit Cr, cacbit W, cacbit
Mo, cacbit V và chúng có độ cứng rất cao. Vật liệu với lượng cacbit càng
nhiều thì có khả năng nhận được độ cứng càng cao qua quá trình nhiệt luyện.
1.1.4.2. Một số mác thép thông dụng dùng chế tạo khuôn bền nóng
Thép bền nóng có thể được chia làm 5 nhóm nh
ỏ đó là: thép Cr, thép
Cr-Mo, thép Cr-W, thép W hoặc thép Mo.
Trong các nhóm thép trên, thép Cr-Mo được sử dụng nhiều để chế tạo
khuôn. Thành phần cơ bản của chúng gồm có: 0,35-0,4%C; 0,30-0,60%Mn;
1,0% Si; 3,5-5,5%Cr; 0,4-1,0%V; 1,0-2,5%Mo, không có hoặc có khoảng 1-
1,25% W.
Thép Cr-Mo có độ thấm tôi cao bởi sự có mặt của Mo. Khi có khoảng
1%-1,25% W thì W cũng chỉ đóng vai trò thứ yếu đến độ thấm tôi. Vanadi
(V) có xu hướng làm giảm độ thấm tôi vì V thường dễ dàng liên kết với C làm

- 15 -

giảm lượng C trong nền. Silíc (Si) với hàm lượng cao làm tăng khả năng
chống oxi hoá, hàm lượng Si có thể lên tới 1%. Tính chất quan trọng nhất của
loại thép này là độ bền, khả năng chịu sốc nhiệt và độ cứng ở nhiệt độ cao.
Dù xuất hiện với những tên gọi và ký hiệu khác nhau, nhưng thành
phần hoá học của các loại thép này không khác nhau nhiều, bảng 1.6 là thành
phần của một số mác thép thông dụng tươ
ng đương mác SKD61.
Bảng 1.6: Thành phần hoá của một số mác thép nhóm SKD61 [16].
Thành phần hoá học cơ bản
[% khối lượng]
Mác thép
C Mn Si Cr Mo V P
max

S
max
H13
(AISI)
0,32
0,45
0,20
0,50
0,80
1,20
4,75
5,50
1,10
1,75
0,80
1,20
0,03 0,03
X40CrMoV5-1
(DIN)
0,32
0,42
0,25
0,50
0,80
1,20
4,80
5,50
1,20
1,50
0,80

1,20
0,03 0,02
Z40CDV5
(AFNOR)
0,32
0,42
0,25
0,50
0,80
1,20
4,80
5,50
1,20
1,50
0,80
1,20
0,03 0,02
X40CrMoV5
(UNI)
0,32
0,42
0,25
0,50
0,80
1,20
4,80
5,50
1,20
1,50
0,80

1,20
0,03 0,02
SKD61
(JIS)
0,32
0,42
max
0,50
0,80
1,20
4,50
5,50
1,10
1,50
0,80
1,20
0,03 0,03
X40CrMoV5-1
(ISO)
0,32
0,42
0,25
0,50
0,80
1,20
4,80
5,50
1,20
1,50
0,80

1,20
0,03 0,02
40X5MØ
(Gost)
0,35
0,45
0,50
0,80
0,17
0,37
4,50
5,50
1,20
1,60
0,40
0,60
0,03 0,03
Loại thép Cr-Mo được sử dụng nhiều để chế tạo khuôn dập nóng,
khuôn đúc, khuôn kéo hay lưỡi cắt. Chọn mác thép phù hợp cùng với chế độ
nhiệt luyện hợp lý để đạt được các tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng

- 16 -

đóng vai trò quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khuôn. Thép SKD61 là
loại thép thông dụng nằm trong nhóm thép Cr-Mo đã nói ở trên, hợp kim
chính là Cr dao động trong khoảng 5% và C khoảng 0,4%. Các nguyên tố hợp
kim khác là Mo và V khoảng 1% và hàm lượng Si có thể lên đến 1%.
Trong các loại thép bền nóng thông dụng nhóm Cr-Mo-V hiện có trên
thị trường, mác thép 40Cr5MoV hay còn được gọi là SKD61 (theo ký hiệu
của Nhật, JIS 4404), H13 theo AISI (American Iron and Steel Institute) là đặc

trưng nhất và được sử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt là để chế
tạo khuôn rèn dập
và khuôn đúc.
1.1.4.3. Tổ chức tế vi thép bền nóng nhóm SKD61
Thép SKD61 là thép hợp kim Cr-Mo-V với thành phần 0,4%C, 5%Cr,
1%Mo và 1%V. Tổ chức tế vi của thép phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá
học (các nguyên tố hợp kim, các tạp chất) và quá trình nhiệt luyện. Giản đồ
pha Fe-Cr-C với hàm lượng 5%Cr được thể hiện trên hình 1.5.

%C
Hình 1.5: Giản đồ pha Fe-Cr-C với 5%Cr [7].

- 17 -

Nhờ có tỷ lệ thích hợp của 3 nguyên tố hợp kim cơ bản là Cr, Mo và V,
kết hợp với hàm lượng %C thích hợp để tạo thành những cacbit Mo
6
C, VC và
Cr
7
C
3
mà loại thép này có khả năng duy trì độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao
trong thời gian dài. Kích thước của các loại cacbit này phụ thuộc vào nguyên
tố tạo thành nó. Cacbit Mo và V có xu thế lớn hơn và thường tập trung thành
từng cụm, trong khi đó cacbit Cr và Fe thường mịn hơn và ít tập trung. Với
tính chất đó, loại thép này đáp ứng tốt các yêu cầu đối với khuôn làm việc
trong điều kiện nhiệt độ cao. Vì thế, chúng là vậ
t liệu được sử dụng rộng rãi
để chế tạo khuôn bền nóng.

Tổ chức tế vi của loại thép này sau khi nhiệt luyện (tôi và ram) bao
gồm nền mactenxit và các loại cacbit của các nguyên tố hợp kim được phân
bố trong đó. Trong thép này, ba nguyên tố Cr, Mo, V là những nguyên tố tạo
cacbit. Đối với thép SKD61 với hàm lượng C khoảng 0,4% thì các nguyên tố
Cr, Mo, V tạo ra được lượng cacbit tương đối lớn (khoảng 12%).
1.1.4.4. Tính chất của thép bền nóng nhòm thép SKD61
Độ bền kéo Rm, gi
ới hạn chảy R
p0,2

43
46
49
52
HRC
Rm
0 100 200 300 400 500 600 700 C
o
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
[MPa]
0

Hình 1.6: Giới hạn bền kéo Rm [45].

- 18 -

Trên hình 1.6 cho thấy độ cứng càng cao thì giới hạn bền kéo càng cao,
nhiệt độ cao thì độ bền giảm.
600
0
0 100
400
200
1000
800
1200
1400
1600
[MPa]
1800
500300200 400 700600
o
C
Rp 0.2
43
HRC
52

Hình 1.7: Giới hạn chảy R
p0,2
của thép 40Cr5MoV-1[45].
Hình 1.7 biểu thị sự phụ thuộc của giới hạn chảy R

p0,2
vào nhiệt độ làm
việc, nhiệt độ làm việc càng tăng thì giới hạn chảy càng giảm. Trên hình 1.7
còn biểu thị giới hạn chảy ứng với các độ cứng khác nhau: độ cứng càng cao
thì giới hạn chảy càng cao. Hình 1.6 và 1.7 cho ta thấy rằng, đến nhiệt độ
khoảng 500
o
C, độ cứng ban đầu có ảnh hưởng mạnh đến độ bền và giới hạn
chảy. Ảnh hưởng ấy mất dần khi nhiệt độ tăng trên 500
o
C và đến 700
o
C thì
hầu như mất hẳn.
Độ cứng

Độ cứng cũng là một tính chất quan trọng đối với thép bền nóng, nó
xác định tính chịu mài mòn - một tính chất quan trọng đối với khuôn. Đây là
tính chất dễ kiểm tra nhất và từ độ cứng chúng ta có thể dự báo các tính chất
khác của sản phẩm.
Độ cứng của khuôn thay đổi khi nhiệt độ thay đổi, sự phụ thuộc của độ
cứng vào nhiệt độ làm việc được thể hi
ện trên hình 1.8.

- 19 -

90
200
320 430 540
650

20
30
40
50
Ñoä cöùng [HRC]
Nhieät ñoä [
o
C]

Hình 1.8: Sự thay đổi độ cứng khi nhiệt độ làm việc thay đổi [72].
Đường cong 1.8 cho thấy, độ cứng giảm không đáng kể trong khoảng
nhiệt độ làm việc đến 400
o
C, giảm ít trong khoảng nhiệt độ khoảng 400
o
C -
500
o
C (vẫn duy trì độ cứng khoảng 35-40 HRC). Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt
quá 500
o
C thì độ cứng bắt đầu giảm mạnh. Độ cứng ở các nhiệt độ khác nhau
trên hình 1.8 được gọi là độ cứng nóng. Độ cứng nóng là thước đo khả năng
duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ làm việc cao hơn nhiệt độ thường. Đây là tính
chất đặc biệt quan trọng của thép bền nóng.
Độ dai va đập

Độ dai va đập là một tính chất rất quan trọng đặc biệt đối với khuôn
dập nóng. Với khuôn dập nóng, độ dai va đập KV thường được quan tâm.
Độ dai va đập KV phụ thuộc vào nhiệt độ được thể hiện trên hình 1.9.

Dễ dàng nhận thấy, độ dai va đập tăng khi nhiệt độ làm việc tăng, đồng thời
độ dai va đập tăng khi độ cứng giảm. Độ dai va đập phụ thuộc nhiều vào t
ổ
chức tế vi của vật liệu, theo tài liệu [73] thì độ dai va đập của thép tôi trong
dầu sẽ cao hơn tôi trong không khí 25% trong trường hợp có cùng độ cứng
sau ram.

- 20 -

Ñoä dai va ñaäp KV [Jcm
2
]
Nhieät ñoä [
o
C]
0
10
20
30
40
100 200 300 400
500
600

Hình 1.9: Sự phụ thuộc của độ dai va đập KV với nhiệt độ làm việc [72].
(Độ cứng sau khi ram 45HRC).
Tóm lại, để có được các tính chất như đã đề cập ở trên, ngoài yếu tố về
vật liệu ban đầu, yếu tố nhiệt luyện đóng vai trò rất quan trọng. Các tính chất
trên được quyết định bởi tổ chức tế vi và cơ tính của vật liệu. Cả 2 tính chấ
t,

tổ chức tế vi và cơ lý của loại thép này phụ thuộc chính vào quá trình nhiệt
luyện. Với một mác thép bền nóng cụ thể, độ cứng, độ dai va đập và độ bền
nhiệt là các tính chất vật liệu quan trọng nhất quyết định đến tuổi thọ của
khuôn.
1.1.4.5. Ứng dụng của thép SKD61 chế tạo khuôn bền nóng
Thép SKD61 được sử dụng khá phổ biến để chế tạ
o khuôn và các chi
tiết chịu mài, làm việc trong môi trường nhiệt độ cao. Ngoài những tính chất
như độ dai va đập và tổ chức tế vi được kiểm tra phá huỷ bằng mẫu nhiệt
luyện cùng sản phẩm, độ cứng sản phẩm là một chỉ tiêu có thể đánh giá sự
phù hợp tính chất đối với ứng dụng cụ thể. Bảng 1.7 dưới đây sẽ liệt kê một
số ứ
ng dụng thường gặp và độ cứng nên đạt được khi nhiệt luyện thép này.



- 21 -

Bảng 1.7: Một số sản phẩm chế tạo từ thép SKD61.
Ứng dụng Độ cứng [HRC]
Khuôn đùn hợp kim Al, Mg 44-50
Khuôn đùn hợp kim Cu 43-47
Khuôn đùn thép không rỉ 45-50
Khuôn đúc áp lực nhôm 44-48
Khuôn rèn nóng (loại to) 44-48
Khuôn rèn nóng (loại nhỏ) 48-52
Khuôn đùn nhựa (sản xuất lượng lớn) 48-50
Khuôn đùn nhựa (yêu cầu bề mặt bóng) 50-52
Khuôn cắt nguội (ram thấp) 50-52
Khuôn cắt nóng (ram thấp) 50-52

Khuôn cắt nóng (ram cao) 46-50
1.2. Công nghệ nhiệt luyện thép
1.2.1. Cơ sở lý thuyết nhiệt luyện thép
Mục đích của công đoạn nhiệt luyện là làm thay đổi cấu trúc ban đầu
(thường ở trạng thái ủ) của vật liệu theo hướng phù hợp với mục đích sử
dụng. Tổ chức cần đạt sau nhiệt luyện thông thường bao gồm nền mactenxit
và cacbit mịn phân bố đều trong đó. Một quy trình công nghệ nhiệ
t luyện tổng
quát bao gồm austenit hoá (nung nóng và giữ nhiệt), làm nguội (tôi) và ram.
Mỗi công đoạn của quá trình này đều có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm,
vì vậy hiểu rõ từng công đoạn sẽ giúp chúng ta điều khiển được quá trình
nhiệt luyện để nhận được tính chất mong muốn. Hình 1.10 là sơ đồ quy trình
công nghệ nhiệt luyện tổng quát.

- 22 -

ủ
nung sơ
Nhiệt độ tôi
ram lần 1
n
g
u
o
ä
i

d
a
à

u
n
g
u
o
ä
i

k
h
o
â
n
g

k
h
í
bộ lần 1
bộ lần 2
nung sơ
ram lần 2
ram lần 3
Thời gian [h]
Nhiệt độ [
o
C]
Hình 1.10: Sơ đồ quy trình cơng nghệ nhiệt luyện thép.
Đây là quy trình nhiệt luyện tổng qt. Đối với từng sản phẩm cụ thể,
tùy thuộc vào mác thép, hình dáng kích thước cũng như u cầu về tính chất

của sản phẩm, người nhiệt luyện chọn quy trình cơng nghệ hợp lý.
Austenit hố (nung nóng và giữ nhiệt)
Trong q trình nung tơi bề mặt của sản phẩm cần được bảo vệ để tránh
thốt hoặc thấm C. Q trình thấm C và thốt C b
ắt đầu xảy ra từ nhiệt độ
khoảng trên 800
o
C. Sự thấm hoặc thốt 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 mơi trường trung tính, chân khơng.
Sản phẩm thường được nung bằng một trong các thiết bị sau:
- Lò có múp kín khí được bảo vệ bằng khí trơ hoặc các chất có thể thu
oxy trong lò (như than, phoi gang).
- Lò chân khơng.
- Lò muối nóng chảy.
Austenit hóa là q trình hồ tan
đến mức độ cần thiết cacbon và các
ngun tố hợp kim để nền có khả năng cứng sau tơi nhưng khơng làm thơ hạt
và giòn. Ở nhiệt độ austenit hố, cacbit được hồ tan và nền thì chuyển từ ferit

- 23 -

sang austenit. Như vậy, C và các nguyên tố hợp kim từ cacbit có thể hoà tan
được vào nền austenit, do khả năng hòa tan C và các nguyên tố hợp kim khác
của austenit cao hơn nhiều so với ferit.
Trong quá trình nung nóng đến nhiệt độ tôi, tuỳ theo hình dáng sản
phẩm, nên tiến hành 2 giai đoạn nung sơ bộ nhằm mục đích khử các ứng suất
sinh ra trong quá trình gia công cơ khí. Giai đoạn 1 ở nhiệt độ khoảng 650
o
–

700
o
C với tốc độ nung không nên vược quá 220
o
C/h, giai đoạn 2 là khoảng
810
o
C - 870
o
C. 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 kích thước,
chiều dày của chi tiết).
Nhiệt độ tôi có tầm quan trọng đặc biệt khi tôi, nhiệt độ này sẽ quyết
định hàm lượng %C cũng như % các nguyên tố hợp kim trong austenit và
cuối cùng là quyết định đến độ cứng sau khi tôi. Khi nung đến nhiệt độ
tôi,
một phần cacbit được hoà tan vào austenit.
Nhiệt độ tôi cao thì lượng cacbit sẽ hoà tan nhiều hơn. Cacbit được hoà
tan sẽ làm giàu thêm C và các nguyên tố hợp kim cho austenit. Khi tôi, lượng
cacbit này trong dung dịch sẽ có xu hướng kết tinh ở biên giới hạt làm giảm
độ dẻo dai (toughness) của vật liệu. Khi nhiệt độ tôi cao sẽ tăng hàm lượng
%C và nguyên tố hợp kim và như thế sẽ tăng độ cứng mactenxit sau tôi, tuy
nhiên cũng đồng thời tăng lượng austenit dư. Trong trườ
ng hợp, nếu cacbit
không hoà tan được hoàn toàn và một lượng lớn cacbit tồn tại dưới dạng các
hạt tròn trong nền, và như thế sẽ không tạo thành lưới cacbit xung quanh biên
giới hạt. Cacbit VC là bền vững nhất, phần lớn không bị hoà tan ở nhiệt độ
tôi. Austenit được làm giàu C sẽ hình thành mactenxit 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 h

ạt 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 austenit dư làm giảm độ cứng và làm biến dạng sản phẩm.

- 24 -

Nhiệt độ tôi thấp, ngược lại, cho ta sản phẩm có độ dẻo cao hơn, tuy
nhiên nếu thấp quá khi chưa hoà tan được cacbit thì sẽ không nhận được sản
phẩm có độ cứng cao để sau khi ram có được tính chất tốt hơn.
Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi cũng là một thông số quan trọng.
Thời gian này phụ thuộc vào thiết bị nung, nhiệt độ tôi cũng như kích thước
sản phẩ
m. Thông thường với lò điện trở, thời gian giữ nhiệt được tính khi bắt
đầu đạt nhiệt độ tôi là 1h/25mm chiều dày sản phẩm.
Tôi (làm nguội)
Tôi là quá trình làm nguội sản phẩm từ nhiệt độ tôi (austenit) với tốc độ
nguội đạt tốc độ tới hạn để đảm bảo có chuyển biến austenit sang mactenxit.
Nước là môi trường làm nguội nhanh nhất, vì thế thường dùng để tôi
các thép dụng cụ không hợ
p kim hay hợp kim thấp. Có thể cho thêm 8-10%
muối Natri Clorua để có thể có được tốc độ nguội tối ưu. Do nguội nhanh, sự
biến dạng và nguy cơ nứt vỡ là rất lớn.
Dầu có tốc độ nguội chậm hơn nước, và thường để tôi thép hợp kim
trung bình và cao. Để có được khả năng làm nguội tốt nhất, dầu tôi nên có
nhiệt độ khoảng 50
o
– 70
o
C. Một dạng của quá trình tôi trong dầu là tôi phân
cấp. Trong quá trình này sản phẩm được làm nguội qua 2 giai đoạn. Giai đoạn

1, làm nguội trong dầu đến nhiệt độ trên M
S
một ít, giữ để đồng đều nhiệt.
Giai đoạn 2 làm nguội ngoài không khí qua quá trình chuyển biến mactenxit.
Khi sử dụng phương pháp tôi này không được giữ ở nhiệt độ trên M
S
ở giai
đoạn 1 lâu để tránh hiện tượng chuyển biến bainit làm giảm độ cứng của sản
phẩm.
Không khí có tốc độ nguội thấp hơn 2 môi trường trên, thường được
dùng để tôi thép hợp kim cao. Tôi không khí cho ta độ biến dạng thấp nhất,
tuy nhiên cần lưu ý đến nguy cơ bị oxy hoá bề mặt và tốc độ nguội chậm
không đủ để nhận được tổ chức mactenxit.