Nghiên cứu áp dụng công nghệ nhiệt luyện chân không để nhiệt luyện các sản phẩm cơ khí chất lượng cao

bộ công thơng
tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp

viện công nghệ

báo cáo tổng kết đề tài KH - CN
M số: 240.08RD/hđ-KHCN

Tên đề tài:

Nghiên cứu áp dụng công nghệ nhiệt luyện
chân không để nhiệt luyện các sản phẩm
cơ khí chất lợng cao

Cơ quan chủ quản : Bộ Công thơng
Cơ quan chủ trì

: Viện Công nghệ

Chủ nhiệm đề tài

: Phạm Văn Lành

7102
16/02/2009
Hà Nội, tháng 12 - 2008


bộ công thơng
tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp

viện công nghệ

báo cáo tổng kết đề tài KH - CN
M số: 240.08RD/hđ-KHCN

Tên đề tài:

Nghiên cứu áp dụng công nghệ nhiệt luyện
chân không để nhiệt luyện các sản phẩm
cơ khí chất lợng cao

Cơ quan chủ trì

chủ nhiệm đề tài

Viện công nghệ

Ks. phạm văn lành

Hà Nội, tháng 12 - 2008


Những ngời tham gia đề tài
1. Phạm Văn Lành

Viện Công nghệ

2. Hoàng Vĩnh Giang

Viện Công nghệ

3. Trần Trọng Nghĩa

Viện Công nghệ

4. Nguyễn Văn Việt

Viện Công nghệ

5. Nguyễn Xuân Thắng

Viện Công nghệ

Cơ quan phối hợp

- Công ty Cổ phần NAKYCO
- Công ty Cổ phần Dụng cụ Cơ khí Xuất khẩu


GIỚI THIỆU
Nhiệt luyện đóng vai trị quan trọng đối với các sản phẩm cơ khí nói
chung, đặc biệt đối với sản phẩm cơ khí chất lượng cao (bánh răng, dụng cụ
cắt, khuôn các loại). Thông qua nhiều công nghệ nhiệt luyện khác nhau,
người ta có thể thay đổi tổ chức, cấu trúc, cơ tính, hố tính và lý tính vật liệu
kim loại cho phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết. Chi phí nhiệt luyện
thường chiếm 10 - 15% giá thành sản phẩm (một số sản phẩm đặc biệt có thể
lên tới 30%), nhưng lại nâng cao tuổi thọ chi tiết lên nhiều lần với chi tiết
không qua nhiệt luyện, hoặc nhiệt luyện không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đề
ra.
Thực tế hiện nay, tại Việt Nam phần lớn các nhà máy chế tạo cơ khí

đang sử dụng thiết bị đã cũ. Thiết bị cơng nghệ, trong đó có thiết bị nhiệt
luyện đã lạc hậu và hư hỏng nhiều nên khả năng và hiệu quả sử dụng rất hạn
chế. Nhiều chủng loại chi tiết máy không được nhiệt luyện hoặc nhiệt luyện
không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật khi đưa vào sử dụng. Cơ tính, độ biến dạng,
độ cứng, độ dai va đập của những sản phẩm này không đảm bảo, tuổi thọ
thấp, ảnh hưởng xấu đến chất lượng và giá thành sản phẩm. Song song với
việc xuống cấp thiết bị là sự hạn chế ứng dụng các công nghệ nhiệt luyện tiên
tiến: Như nhiệt luyện trong môi trường chân khơng.
Cơng nghệ nhiệt luyện sản phẩm cơ khí chất lượng cao như các loại
bánh răng truyền động của máy móc thiết bị, dụng cụ cắt, dụng cụ đo lường
cơ khí. Đặc biệt là các loại khn mẫu: Khn đúc áp lực, khuôn rèn, khuôn
dập nguội... thường yêu cầu chế độ nhiệt luyện nghiêm ngặt để đạt được các
yêu cầu kỹ thuật như:
- Chịu mài mòn ở nhiệt độ làm việc cao.
- Khả năng chống mỏi nhiệt, chống nứt nóng.
- Khả năng biến dạng do nhiệt luyện là nhỏ nhất.

1


Để đáp ứng được các yêu cầu trên, ngoài yếu tố chọn đúng vật liệu, khâu
nhiệt luyện đóng vai trị quan trọng. Hiện nay trong nước vẫn sử dụng công
nghệ truyền thống: Nhiệt luyện trong lị khí bảo vệ, lị muối, làm nguội trong
dầu hoặc khơng khí song chất lượng khơng đảm bảo do q trình nung nóng
và làm nguội chi tiết bị oxy hố, thốt cácbon hoặc có biến dạng lớn. Các
công nghệ truyền thống này không đáp ứng được cho các sản phẩm cơ khí
chất lượng cao đặc biệt là khn kim loại. Chính vì vậy phải áp dụng công
nghệ nhiệt luyện tiên tiến như nhiệt luyện trong lị chân khơng mới đáp ứng
được các u cầu nêu trên.
Là một cơ sở nghiên cứu về công nghệ nhiệt luyện, chúng tơi có trách

nhiệm thực hiện các dịch vụ nhiệt luyện cho các cơng ty chế tạo khn, tránh
tình trạng khuôn chế tạo xong phải đem đi nhiệt luyện ở nước ngồi với chi
phí giá thành cao.
Để đáp ứng được nhiệm vụ trên, Viện Công Nghệ chúng tôi đang nghiên
cứu ứng dụng công nghệ nhiệt luyện tiên tiến, đồng thời đầu tư thiết bị cơng
nghệ hiện đại lị nhiệt luyện chân khơng, lị thấm Nitơ cơng nghệ plasma.
Trong khn khổ đề tài này chúng tôi đặt ra nhiệm vụ là:
- Nghiên cứu tổng quan nhiệt luyện chân không, nhiệt luyện khuôn kim
loại trong môi trường chân không.
- Khảo sát, đánh giá thực trạng sử dụng khuôn, các phương pháp công
nghệ nhiệt luyện khuôn kim loại ở Việt Nam.
- Nghiên cứu qui trình nhiệt luyện khn đúc áp lực trong lị chân khơng.
- Thực nghiệm nhiệt luyện hồn chỉnh một bộ khn đúc áp lực trong lị
chân khơng theo quy trình đã đề ra. Kết quả nhiệt luyện và sử dụng
khn đúc cho thấy, với điều kiện hiện có, chúng ta hồn tồn có khả
năng thiết kế được và kiểm sốt q trình nhiệt luyện khn để nhận
được tính chất của vật liệu như mong muốn.

2


I. TỔNG QUAN NHIỆT LUYỆN TRONG MÔI TRƯỜNG CHÂN
KHÔNG
1.1. Lợi ích và sự cần thiết của công nghệ nhiệt luyện chân không
Nhiệt luyện chân không (Vacuum Heat Treatment) là công nghệ nhiệt luyện
trong mơi trường có áp suất thấp (khoảng 10-2 - 10-4 mbar), thông thường hay
gọi là môi trường chân không. Công nghệ này ngày càng được sử dụng rộng
rãi trong nhiệt luyện, đặc biệt là nhiệt luyện các sản phẩm cơ khí chất lượng
cao. Chúng ta có thể nêu lên một số ví dụ điển hình như sau:
- Bánh răng trong các hệ truyền động của máy móc thiết bị được chế tạo

phần lớn từ thép có hàm lượng các bon thấp (khoảng 0,2%). Tuy nhiên,
sau khi gia cơng cơ khí, bề mặt răng với độ cứng ban đầu của thép
khoảng 20 HRC sẽ khơng có khả năng chịu mài mịn và chịu nén. Vì
vậy cần phải được nhiệt luyện với các công đoạn thấm các bon, tôi và
ram. Thấm các bon nhằm mục đích tăng hàm lượng các bon trên bề mặt
bánh răng từ 0,2% lên 0,8-1% và qua đó làm tăng khả năng tơi của
thép. Bề mặt răng có thể đạt độ cứng 60HRC sau khi tôi. Như vậy,
nhiệt luyện đã nâng độ cứng mặt răng lên gấp 3 lần, qua đó nâng khả
năng chịu mài mòn, chịu nén cũng như tuổi thọ của báng răng.
- Dụng cụ cắt như mũi khoan, dao phay được chế tạo từ thép gió (thép
hợp kim cao). Để cắt được kim loại, các dụng cụ này phải có độ cứng
cao, chịu nhiệt tốt, chịu mài mòn cao. Dụng cụ đạt được tính năng tổng
hợp như vậy là nhờ vào các công đoạn nhiệt luyện đặc biệt. Nhiệt độ tôi
của loại thép này gần đạt tới nhiệt độ nóng chảy để có thể hồ tan hết
các pha Carbid thơ đại. Tuy nhiên, nhiệt độ càng cao thì khả năng xảy
ra hiện tượng thơ hạt càng lớn. Nếu hạt bị thơ thì cơ tính của thép sẽ
giảm nhiều sau khi tơi. Vì vậy, việc tối ưu hố thơng số cơng nghệ

3


(nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt) khi nung tôi sẽ quyết định chất lượng
của dụng cụ.
- Khuôn kim loại là dụng cụ hết sức quan trọng trong lĩnh vực tạo phơi,
nó quyết định tới chất lượng và giá thành sản phẩm. Phụ thuộc vào điều
kiện làm việc và yếu tố cơng nghệ, người ta chia ra các nhóm khn
như khuôn dập, khuôn ép, khuôn đúc (đúc thường và đúc áp lực).
Khn kim loại nói chung đều làm việc trong điều kiện khắc nghiệt
dưới tải trọng tổng hợp. Khuôn đúc áp lực, khuôn dập hoặc khuôn ép
đều phải chịu tải trọng động đa phương, chu kỳ với áp lực lớn (lực ép,

lực dập). Bề mặt khuôn chịu nén, chịu mài mịn, chịu ăn mịn hố học
và chịu nhiệt. Như vậy, khn phải đủ tính năng kỹ thuật để chịu được
điều kiện làm việc như đã nêu trên.
Các sản phẩm nói trên, nhiệt luyện trong lị chân khơng là tốt nhất vì nhiệt
luyện chân khơng có những ưu điểm chính sau đây:
-

Chi tiết ít biến dạng do nhiệt độ nung nóng đồng đều.

- Tiết kiệm năng lượng do năng lượng hầu như được sử dụng chủ yếu
cho q trình nung nóng chi tiết.
- Khi sử dụng thiết bị lị chân khơng để nung nóng chi tiết tơi, ram:
khơng có hiện tượng thấm hoặc thốt cácbon, khơng bị ơxy hố bề mặt
chi tiết. Vì vậy bề mặt đẹp, khơng cần phải tiến hành các bước gia cơng
tiếp theo, chi tiết có tính chất đồng đều trong toàn bộ tiết diện.
- Khi sử dụng thiết bị lị chân khơng để thấm cácbon: bề mặt chi tiết ln
sạch nên q trình thấm nhanh hơn, ngoài ra cho phép thấm ở nhiệt độ
cao hơn mà ít có hiện tượng biến dạng, từ đó có thể rút ngắn thời gian
thấm.
- Thấm trong môi trường chân không (thấm nitơ công nghệ plasma): bề
mặt chi tiết sạch, rút ngắn thời gian thấm, giảm tiêu hao khí thấm từ 50

4


đến 100 lần. Qua đó giá thành nhiệt luyện (sẽ giảm 3-5 lần). Ngồi ra,
chi tiết cịn có tính chịu mài tốt hơn phương pháp thấm thông thường.
- Môi trường thân thiện: khơng thải ra khí bẩn, khơng cần làm sạch chi
tiết sau nhiệt luyện, mơi trường tơi là khí trơ rất sạch, không làm ô
nhiễm môi trường. Đây cũng là một tiêu chí quan trọng khi mà cả thế

giới trong đó có nước ta đang thực hiện chiến lược "Sản xuất sạch".
- Làm giảm chi phí gia cơng cơ khí chính xác sau nhiệt luyện như mài,
đánh bóng...
Cũng cần phải lưu ý rằng, giá thành các thiết bị nhiệt luyện chân không đắt
hơn thiết bị thông thường, tuy nhiên giá thành vận hành thấp hơn, ví dụ đối
với các sản phẩm địi hỏi một quy trình cơng nghệ nhiệt luyện nghiêm ngặt
như nhiệt luyện khuôn, nhiệt luyện và thấm bánh răng thì hiệu quả kinh tế
càng cao. Đặc biệt khi tính đến vấn đề mơi trường (trước đến nay ta thường
chưa quan tâm đúng mức) thì hiệu quả về kinh tế xã hội càng cao. Tiết kiệm
được chi phí xử lý mơi trường.
Tóm lại, cơng nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không là một công
nghệ nhiệt luyện tiên tiến, đang ngày càng được sử dụng rộng rãi và hiệu quả.
Công nghệ này đang dần dần thay thế công nghệ nhiệt luyện truyền thống,
đặc biệt đây là công nghệ thân thiện môi trường, cho ta chất lượng sản phẩm
cao và ổn định. Với các sản phẩm chất lượng cao như khn kim loại, bánh
răng, dụng cụ cắt thì cơng nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không là
một lựa chọn hợp lý và tối ưu nhất.
1.2. Vai trò của công nghệ nhiệt luyện trong việc chế tạo khuôn sử dụng
trong ngành cơ khí chế tạo máy
Trong q trình phát triển của ngành cơ khí, các cơng nghệ về dập, đùn,
kéo và đúc chính xác trong khn kim loại đang ngày một phát triển. Đặc
điểm của các công nghệ này là sử dụng khuôn kim loại để chế tạo các sản

5


phẩm hồn chỉnh có kích thước và độ bóng theo u cầu. Vì thế nhu cầu sử
dụng các loại khn kim loại để gia công kim loại ngày càng tăng, đáng chú
ý nhất là các loại khuôn dập nguội, khuôn dập nóng, khn kéo, khn đùn và
khn đúc áp lực. Các loại khuôn này thường được chế tạo từ thép dụng cụ

hợp kim bền nguội và thép dụng cụ hợp kim bền nóng, điển hình là thép
SKD11 (thép làm khn dập nguội, tương đương như X12, X12M), thép
SKD61 (thép bền nóng, tương đương 40Cr5MoV, H13). Các loại thép này
hiện nay đang có sẵn trên thị trường do các nhà sản xuất của Nhật Bản và
CHLB Đức cung cấp).
Để có được sản phẩm đạt chất lượng và giá thành hợp lý, ngồi các yếu
tố về quy trình cơng nghệ, quản lý sản xuất, chất lượng chế tạo khn đóng
vai trị rất quan trọng, nếu như khơng muốn nói là quyết định. Trong nhiều
yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khn, yếu tố tính chất vật
liệu của khn là quan trọng nhất. Nói đến tính chất vật liệu là nói đến tổ
chức tế vi và tính chất cơ lý của vật liệu. Hai tính chất này ngồi yếu tố đầu
vào (mác vật liệu) thì phụ thuộc chủ yếu vào q trình nhiệt luyện. Các cơng
nghệ thường dùng để nhiệt luyện các loại thép này là tôi, ram và hoá nhiệt
luyện (thấm nitơ, nitơ-cácbon, để nâng cao tuổi thọ của khuôn). Các loại chi
tiết bánh răng cũng là một đối tượng đòi hỏi khắt khe về chất lượng sản phẩm,
độ cứng, độ bóng bề mặt, độ cong vênh của bánh răng là những yếu tố quyết
định đến chất lượng và tuổi thọ của bánh răng, điều này bất kỳ ai cũng biết.
Thấm cácbon trong lị chân khơng, hoặc thấm nitơ sử dụng công nghệ plasma
giải quyết được cả 2 vấn đề trên.
Cơng nghệ nhiệt luyện đúng, hợp lý đóng vai trò quyết định đến chất
lượng, tuổi thọ của dụng cụ cắt, dụng cụ đo lường cơ khí, bánh răng, khn
và vì thế sẽ quyết định đến hiệu quả kinh tế của quá trình chế tạo sản phẩm và
thân thiện với môi trường.

6


1.3. Nhiệt luyện trong môi trường chân không ở nước ngồi .
Cơng nghệ nhiệt luyện trong mơi trường chân khơng đã được sử dụng
từ lâu và ngày nay đang trở thành công nghệ chủ yếu sử dụng để nhiệt luyện

các sản phẩm cơ khí chất lượng cao như khn kim loại. Nhiệt luyện khn
trong lị chân khơng và làm nguội bằng khí nén với áp suất cao là phương
pháp nhiệt luyện tiên tiến được các cơ sở nhiệt luyện ở các nước công nghiệp
phát triển như CHLB Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Balan, Bungaria, CH Czech, Italy,
Australia, Tây Ban Nha, Canada, Trung Quốc áp dụng.
Nhiều hãng sản xuất đã chế tạo các thiết bị chuyên dùng cho từng công
nghệ cụ thể và đã được tiêu chuẩn hố. Một số khn kim loại như khuôn đúc
áp lực được hiệp hội các nhà sản xuất khuôn Bắc Mỹ (NADCA) cũng như
công ty FORD, General Motors khuyến cáo nên dùng công nghệ nhiệt luyện
trong môi trường chân không để nhiệt luyện khuôn.
1.4. Nhiệt luyện trong môi trường chân không ở nước ta
Việt nam cũng đã quan tâm đến công nghệ này, tuy nhiên hiểu biết của
cán bộ kỹ thuật về công nghệ nhiệt luyện chân khơng cịn rất hạn chế. Một số
đơn vị trong nước và cơng ty liên doanh với nước ngồi cũng đã nhập thiết bị
lị chân khơng để nhiệt luyện khn kim loại như: Cơng ty Cổ phần Dụng cụ
Cơ khí xuất khẩu, Công ty Cổ phần Dụng cụ Thiết bị Y tế 2, Công ty TNHH
Sản xuất và Thương mại A-Sung. Việc ứng dụng cơng nghệ này ngồi yếu tố
về thiết bị thì yếu tố cơng nghệ cũng rất quan trọng, tuy nhiên công nghệ này
chưa được nghiên cứu thoả đáng, mặt khác cũng do giá thành thiết bị cũng
khá đắt. Nên việc sử dụng công nghệ này cũng hạn chế.
Khuôn chế tạo trong nước chủ yếu vẫn nhiệt luyện theo phương pháp
truyền thống nên tuổi thọ chưa cao. Khuôn nhiệt luyện trong nước hiện nay có
tuổi thọ thấp hơn nhiều so với tuổi thọ mà các nhà sản xuất nước ngoài đưa
ra, hệ quả là lợi nhuận thấp.

7


II. NHU CẦU VỀ CHẾ TẠO VÀ CUNG CẤP KHUÔN KIM LOẠI
Ở VIỆT NAM

Ở nước ta khuôn kim loại được sử dụng nhiều trong lĩnh vực đúc áp lực,
rèn dập. Khuôn kim loại phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, với áp
suất và nhiệt độ cao, thay đổi liên tục trong quá trình làm việc. Vì thế, vật liệu
làm khn địi hỏi phải có độ bền, độ dai, độ chịu mòn cao, khả năng chịu sốc
nhiệt và mỏi nhiệt tốt. Đây là tổ hợp các tính chất nhiều khi trái ngược nhau.
Ba đòi hỏi quan trọng nhất đối với khn là:
- Khả năng chống rạn nứt nóng.
- Độ bền ở nhiệt độ cao.
- Khả năng chịu mòn ở nhiệt độ cao.
Hiệp hội đúc áp lực Bắc Mỹ gọi tắt là NADCA (North American Die
Casting Association) đưa ra tiêu chuẩn chấp nhận đối với khn đúc trong
quy trình #207-2000 nhằm đảm bảo khuôn được chế tạo với chất lượng đáp
ứng đầy đủ và tốt ba yêu cầu trên.
Nhu cầu về khuôn kim loại ở nước ta ngày càng tăng cao, tuy nhiên để đáp
ứng đầy đủ các yêu cầu trên thì hầu như chưa có cơ sở nhiệt luyện nào làm
được. Ở nước ta phần lớn khuôn được nhiệt luyện theo cơng nghệ truyền
thống trong các lị muối, hoặc lị buồng điện trở nhiệt độ cao. Trong q trình
nung nóng, tuy đã được bảo vệ bề mặt, song vì mơi trường nung ở nhiệt độ
cao, bề mặt vẫn bị ôxy hóa và thốt cácbon. Điều này có ảnh hưởng lớn đến
chất lượng khuôn, đồng thời gây ra tốn kém trong q trình gia cơng cơ khí
chính xác ở cơng đoạn sau nhiệt luyện. Viện Công Nghệ là một trong những
cơ sở đã và đang nhiệt luyện khuôn kim loại tuy nhiên chất lượng chưa đáp
ứng được các yêu cầu trên. Vì vậy cho đến nay phần lớn khn kim loại chất
lượng cao vẫn phải nhập ngoại với giá cao. Những cơ sở sử dụng nhiều khuôn
và đang phải nhập khẩu, có thể kể ra như sau:

8


Theo số liệu điều tra của Sở Công nghiệp Hà Nội [6], nhu cầu về khuôn

mẫu của các doanh nghiệp trên địa bàn là rất lớn. Chẳng hạn, Công ty Song
Long hàng năm sản xuất trên 400 loại sản phẩm nhựa, vì vậy, lượng khn
đùn nhựa tiêu thụ là rất lớn, hiện chủ yếu phải nhập của nước ngồi. Cơng ty
TNHH một thành viên Kim khí Thăng Long trong giai đoạn 2006-2010 cần
tới 1500 bộ khuôn dập các loại. Công ty cổ phần Điện cơ Thống Nhất cần
khoảng 100 bộ khuôn đúc áp lực, 300 bộ khuôn đùn ép nhựa, 350 bộ khn
dập. Cơng ty cổ phần bi xích líp Đông Anh cần tới 500 bộ khuôn dập, Công
ty Cổ phần chế tạo máy điện Việt Nam - Hungari cần 150 bộ khuôn dập.
Công ty phụ tùng 1, công ty Disoco, Cơng ty cơ khí Phổ n sử dụng một số
lượng lớn khuôn đột dập liên hợp và mỗi năm phải nhập khẩu khuôn giá trị
lên tới gần 100 tỷ VNĐ. Công ty Nakyko, công ty Đại Dương, công ty thiết bị
Bưu Điện, Viện Cơng Nghệ có nhu cầu lớn về khuôn đúc áp lực. Công ty
Thành Long, Công ty cơ khí Đơng Anh tiêu thụ một lượng lớn khn đùn
nhôm. Các loại khuôn kim loại thường phải làm việc trong điều kiện khắc
nghiệt như áp suất cao, chịu va đập mạnh, nhiệt độ cao (với khn dập nóng,
khn đùn ép, khn đúc), chịu mài mịn cao. Vì thế, độ chính xác cao của
kích thước, độ bền, độ dai va đập cao, khả năng chịu sốc nhiệt, chịu nhiệt độ
và chịu mài mịn là những tính chất quan trọng đối với khn kim loại. Vì
những u cầu vừa nêu, khn kim loại phải được nhiệt luyện trong điều kiện
hết sức nghiêm ngặt về q trình nung nóng cũng như làm nguội.
Công nghệ nhiệt luyện trong môi trường chân không đáp ứng đầy đủ
các yêu cầu trên. Đây là một công nghệ nhiệt luyện tiên tiến, đang được sử
dụng rộng rãi và hiệu quả. Công nghệ này đang dần dần thay thế công nghệ
nhiệt luyện truyền thống, đặc biệt đây là công nghệ thân thiện môi trường.
Với các sản phẩm đặt ra là khn kim loại, thì cơng nghệ nhiệt luyện trong
môi trường chân không là một lựa chọn hợp lý và tối ưu nhất.

9

III. NHIỆT LUYỆN KHUÔN ĐÚC ÁP LỰC
3.1. Đặc điểm của thép chế tạo khuôn đúc áp lực
Thép chế tạo khuôn đúc áp lực là loại thép thuộc nhóm thép bền nóng,
đây là loại thép được sản xuất để có thể làm việc trong mơi trường có nhiệt độ
cao mà vẫn giữ được những tính chất cần thiết của q trình cơng nghệ.
Trong các nhóm thép trên, họ thép Cr-Mo được sử dụng nhiều để chế
tạo khuôn. Thành phần cơ bản của chúng là: 0,35-0,40%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 11,25% W.
Họ thép Cr-Mo có độ thấm tơi tốt do sự có mặt của Mo, khi có khoảng
1-1,25% Vơnfram (W) thì W cũng chỉ đóng vai trị thứ yếu đến độ thấm tơi.
Vanadium (V) có xu hướng làm giảm độ thấm tơi vì Vanadium thường dễ
dàng liên kết với cácbon làm giảm lượng cácbon trong nền. Silic (Si) với hàm
lượng cao làm tăng khả năng chống oxihố, hàm lượng silic có thể lên tới 1%.
Tính chất quan trọng nhất của loại thép này là độ bền, khả năng chiụ sốc
nhiệt, duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao.
Loại thép Cr-Mo được sử dụng nhiều để chế tạo khn dập nóng,
khn đúc, khn kéo hay lưỡi cắt [1, 9, 10, 12, 15, 29]. 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, đóng vai trị quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của
khn. Đây là vấn đề khơng những chỉ có tính kỹ thuật mà cịn có ý nghĩa
kinh tế to lớn.
Thép SKD61 hay H13 là loại thép thường được sử dụng để chế tạo
khuôn đúc áp lực, đây là loại thép nằm trong nhóm thép Cr-Mo đã nói ở trên.
Nguyên tố hợp kim chính là crơm có thành phần khoảng 5% với hàm lượng
cácbon khoảng 0,4%. Các nguyên tố hợp kim khác là môlipđen, vanadium, và
silic với hàm lượng mỗi nguyên tố khoảng 1%.

10

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 3.1 dưới
đây là thành phần của một số mác thép thông dụng tương đương mác SKD61.
Trong các loại thép bền nóng thơng dụng hệ Cr-Mo-V hiện có trên thị trường,
mác thép 40Cr5MoV hay cịn được gọi là H13 theo AISI (American Iron and
Steel Institute) hoặc SKD61 (theo ký hiệu của Nhật, JIS 4404) là loại thép đặc
trưng nhất và được sử dụng rộng rãi hơn cả, đặc biệt là để chế tạo khuôn dập nóng
và khn đúc áp lực.
Bảng 3.1: Thành phần hố học tiêu chuẩn của một số mác thép thông dụng
thuộc họ Cr-Mo-V [2, 8, 10, 13, 14, 28, 31]
Thành phần hoá học cơ bản [% khối lượng]
Mác thép

C

Mn

Si

Cr

Mo

V

0,32

0,20

0,80

4,75

1,10

0,80

0,45

0,50

1,20

5,50

1,75

1,20

X40CrMoV5-1

0,32

0,25

0,80

4,80

1,20

0,80

(DIN)

0,42

0,50

1,20

5,50

1,50

1,20

Z 40 CDV5

0,32

0,25

0,80

4,80

1,20

0,80

(AFNOR)

0,42

0,50

1,20

5,50

1,50

1,20

X40CrMoV5

0,32

0,25

0,80

4,80

1,20

0,80

(UNI)

0,42

0,50

1,20

5,50

1,50

1,20

SKD 61 (JIS)

0,32

max

0,80

4,50

1,10

0,80

0,42

0,50

1,20

5,50

1,50

1,20

X40CrMoV5-1

0,32

0,25

0,80

4,80

1,20

0,80

(ISO)

0,42

0,50

1,20

5,50

1,50

1,20

40X5MØ (Gost)

0,35

0,50

0,17

4,50

1,20

0,40

0,45

0,80

0,37

5,50

1,60

0,60

H 13 (AISI)

P
max
0,03

S
max
0,03

0,03

0,02

0,03

0,02

0,03

0,02

0,03

0,03

0,03

0,02

0,03

0,03

11


Ngồi các mác đã được tiêu chuẩn hố ở trên, các hãng chế tạo thép
cũng đưa ra thị trường nhiều loại thép với các tên thương mại khác nhau, tuy
nhiên thành phần hố học của nó tương đương SKD61.
3.2.u cầu của khuôn đúc nhôm
Theo các tài liệu [10,11,14] khuôn đúc nhơm cần phải có những tính chất:
- Khả năng chống rạn nứt nóng.
- Độ bền ở nhiệt độ cao.
- Khả năng chịu mòn ở nhiệt độ cao.
Khả năng chống rạn nứt nóng của thép là khả năng làm chậm lại, hoặc
chống lại sự hình thành các vết rạn trên mặt khuôn, do sự thay đổi liên tục của
nhiệt độ trong q trình làm việc của khn.
Khn thường làm việc trong điều kiện áp lực lớn, nhiệt độ cao nên phải
có độ bền cần thiết trong khoảng nhiệt độ làm việc của khn.
Khả năng chịu mịn của khn phụ thuộc nhiều vào độ cứng, để khn ít
bị mịn khi làm việc thì độ cứng khơng giảm nhiều ở nhiệt độ làm việc.
Để có được các tính chất được đề cập ở trên, ngoài yếu tố về vật liệu ban
đầu, yếu tố nhiệt luyện đóng vai trị rất quan trọng. Các tính chất trên được
quyết định bởi tổ chức tế vi và cơ tính của vật liệu. Cả hai tính chất: tổ chức tế
vi và cơ tính của loại thép này phụ thuộc chính vào q trình nhiệt luyện. Với
một mác thép bền nóng cụ thể thì độ cứng, độ dai va đập và khả năng chịu

nhiệt, là các tính chất quyết định đến tuổi thọ của khn. Để có được các tính
chất phù hợp với từng mục đích sử dụng, đã có nhiều quy trình cơng nghệ
nhiệt luyện được đưa ra trong các tài liệu [1, 3, 10, 11, 12, 13, 19, 22, 23].
Quy trình cơng nghệ nhiệt luyện thép 40Cr5MoV (SKD61) làm khn đúc áp
lực nhơm sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.

12


3.3. Nhiệt luyện khuôn đúc áp lực nhôm
Trong các yếu tố quyết định đến chất lượng và tuổi thọ của khn, tính
chất vật liệu là yếu tố quan trọng nhất. Nói đến tính chất vật liệu là nói đến
thành phần hóa học, cấu trúc, 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, ngồi yếu tố đầu vào (mác vật
liệu) thì phụ thuộc chủ yếu vào q trình nhiệt luyện. Các cơng nghệ thường
dùng để nhiệt luyện sản phẩm được chế tạo từ thép dụng cụ bền nóng là tơi,
ram và hố nhiệt luyện. Trong các quy trình nhiệt luyện thì cơng đoạn tơi và
ram khuôn thành phẩm là hai công đoạn quan trọng nhất quyết định đến tuổi
thọ và tính chất của khn, thực tế khi nói đến nhiệt luyện, người ta cũng chỉ
coi trọng đến công đoạn tôi và ram.
Dưới đây chúng tôi sẽ phân tích ảnh hưởng các thơng số của q trình
tơi và ram đến tính chất vật liệu của sản phẩm và để có được các tính chất vật
liệu.
3.3.1. Nung nóng và tơi
Khn sau khi gia cơng hồn chỉnh sẽ tiến hành nhiệt luyện. Đây là
công đoạn quan trọng quyết định đến tính chất cuối cùng của sản phẩm. Khi
nói đến nhiệt luyện, cơng đoạn khó khăn và phức tạp nhất là nung nóng và tơi
(thường gọi là tơi).
Mỗi cơng đoạn của q trình nhiệt luyện đều có ảnh hưởng đến chất
lượng khn, vì vậy hiểu rõ từng cơng đoạn của quá trình này sẽ giúp chúng

ta điều khiển được q trình nhiệt luyện.
Quy trình cơng nghệ tổng qt để nhiệt luyện thép SKD61 được thể
hiện trên hình 3.1 [12, 13, 14, 17,18, 19].

13


toC

Nhiệt độ tôi
Nung tôi

Nung gđ 2

Nhiệt độ ủ

Nguội KK
Ram lần 1

Ram lần 2

Ram lần 3

Nung gđ 1
Nguội dầu

τ(h)

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình cơng nghệ tổng qt nhiệt luyện thép SKD61
Thiết bị và mơi trường nung

Trong q trình nung tơi, bề mặt của sản phẩm cần được bảo vệ để
tránh thốt hoặc thấm cácbon. Q trình thấm và thốt cácbon bắt đầu xẩy ra
từ nhiệt độ khoảng trên 800oC. Sự ôxy hoá hoặc thoát cácbon 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 khơng.
Sản phẩm nhiệt luyện thường được nung bằng một trong các thiết bị
sau:
- Lị chân khơng.
- Lị muối nóng chảy.
- Lị bảo vệ bằng khí trơ hoặc các chất có thể thu oxy .
Nung phân cấp
Nung phân cấp có tác tác dụng hạn chế hai loại ứng suất trong quá trình
gia nhiệt. Loại thứ nhất là ứng suất nhiệt, ứng suất này sinh ra do chênh lệch
nhiệt độ ở tiết diện của vật nung. Nếu tiết diện càng thay đổi càng đột ngột thì

14


ứng suất này càng lớn. Loại ứng suất thứ hai sinh ra do chuyển biến tổ chức
(ví dụ từ ferit sang austenit). Nếu đồng thời xảy ra cả hai ứng suất trên, thì
ứng suất tổng sẽ rất lớn. Ứng suất này có thể gây biến dạng, thậm chí là nứt
hoặc vỡ khi ứng suất vượt quá độ bền của vật liệu. Vì lý do đó, nung sơ bộ
cần được quan tâm đúng mức.
Với thép khuôn dập như thép H13 (SKD61), nên tiến hành nung hai
giai đoạn. Giai đoạn 1 được nung với tốc độ không quá 2000C/h và giữ ở
nhiệt độ khoảng 650 – 7000C. Giữ nhiệt lần 2 trong khoảng 810oC - 870oC.
Tại hai lần giữ nhiệt 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 giữ nhiệt để tôi
Nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt là hai yếu tố quan trọng nhất của quá

trình này, tuy nhiên nhiệt độ tơi đóng vai trị quan trọng hơn. Nhiệt độ và thời
gian sẽ quyết định lượng carbid được hoà tan trong austenit. 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 carbid sẽ hồ tan nhiều hơn. Carbid được hoà
tan sẽ làm giàu thêm cácbon và các nguyên tố hợp kim cho austenit. Trong
trường hợp nếu carbid khơng hịa tan được hồn tồn thì chúng sẽ tồn tại
trong tổ chức vật liệu dạng phân tán hoặc lưới. Carbid VC là loại Carbid bền
vững nhất, phần lớn khơng bị hồ tan ở nhiệt độ tơi.
Hàm lượng cácbon hoà tan trong Austenit sẽ quyết định đến độ cứng
của thép sau khi tơi. Hàm lượng cácbon hịa tan tối ưu nằm trong khoảng 0,81%, nếu nhiệt độ cao q sẽ có hiện tượng thơ 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.

15


Nhiệt độ tơi thấp, khả năng hồ tan carbid bị hạn chế, dẫn đến austenit
nghèo cácbon. Sản phẩm sau khi tơi sẽ có độ cứng thấp.
Mỗi mác vật liệu sẽ có một nhiệt độ tơi hợp lý. Với thép SKD61
(40Cr5Mo) thì nhiệt độ tơi được chọn trong khoảng 1020oC -1050oC. Nhiệt
độ tơi được chọn cịn dựa vào u cầu cụ thể của từng loại khn. Ví dụ: độ
bền ở nhiệt độ cao sẽ tăng khi tăng nhiệt độ tơi (hình 3.2), độ cứng cũng sẽ
tăng (hình 3.2), tuy nhiên độ co thắt và độ giãn dài sẽ giảm (hình 3.2). Như
vậy, cần phải chọn nhiệt độ tôi hợp lý để đạt được chất lượng khuôn theo mong
muốn.
M Pa
1100
1000

Z

%

900
800
700
600
500

%

A5

400
300
200
Re

100

Rm

0
600

620

640

660

680

700

720

740

760

780

800

°C

Nhiệt độ thử
Nhiệt độ tơi 1000oC
Nhiệt độ tơi 1050oC
Nhiệt độ tơi 1100oC
Hình 3.2: Tính chất cơ lý của thép H13 (SKD61) được tơi ở các nhiệt độ khác
nhau và ram 600oC/2h [29].

16


Để chọn được nhiệt độ tơi thích hợp, người ta thường dựa vào độ cứng
cần đạt sau khi tôi. Sự phụ thuộc của độ cứng vào nhiệt độ tôi, với thép H13

(SKD61), được thể hiện trên hình 3.3. Chúng ta dễ dàng nhận thấy nhiệt độ
tơi càng thấp thì độ cứng đạt được càng thấp và ngược lại. Đây là yếu tố rất

§é cøng HRC

quan trọng giúp người nhiệt luyện xác định nhiệt độ tơi hợp lý.

NhiƯt ®é C

Hình 3.3: Sự phụ thuộc của độ cứng vào nhiệt độ tôi [9, 12, 14, 15,17, 21]
Nhiệt độ tơi đóng vai trị quan trọng hơn thời gian giữ nhiệt. Thời gian
giữ nhiệt ngồi ảnh hưởng đến độ cứng và cơ tính, cịn có tác dụng làm đồng
đều nhiệt độ, qua đó hạn chế sự biến dạng trong q trình tơi. Vùng nhiệt độ
tôi của loại thép này tương đối cao nên dễ xảy ra thơ hạt. Vì thế, thời gian giữ
nhiệt cần phải hạn chế, nên chọn thời gian ngắn nhất có thể.
Hình 3.4 cho ta thấy mối liên quan giữa độ cứng, nhiệt độ tôi và thời
gian giữ nhiệt. 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 giữ nhiệt chỉ cần 60s.

17


Với nhiệt độ tôi trong khoảng 1020oC - 1050oC, thời gian giữ nhiệt có
thể xác định gần đúng như sau [28]:
t = (x + 39)/2
Trong đó:
t : là thời gian giữ nhiệt (phút)
x : là chiều dày khn (mm)
800

NhiƯt ®é (°C)
1300
1250

700

1200
600
1150
500

1100
1050
1000

400

300
0.01

950

0.1

1

10

10

2

10

3

Thêi gian (s)

Hình 3.4: Độ cứng HV phụ thuộc nhiệt độ tôi và thời gian giữ nhiệt [29]
3.3.2. Môi trường tôi
Tôi là làm nguội sản phẩm từ nhiệt độ austenit hố (nhiệt độ tơi) đến
nhiệt độ chuyển biến martensit để chuyển austenit thành martensit. Tốc độ
làm nguội có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất cơ lý của sản phẩm.
Trong trường hợp tối ưu, q trình tơi sẽ nhận được tổ chức martensit. Tổ
chức này sau khi ram có thể cho ta sản phẩm có độ dai và độ chịu mài mòn tốt

18


nhất. Để đạt được điều này, tốc độ nguội phải đủ lớn để tránh chuyển biến
thành tổ chức bainit, pearlit hay ferrit. Trong q trình tơi, lõi sẽ được làm
nguội chậm hơn nên khó có chuyển biến martensit vì khơng đạt được tốc độ
nguội tới hạn.
Mỗi một mác vật liệu sẽ có một đường cong làm nguội đặc trưng.
Đường cong làm nguội của SKD61 ở nhiệt độ tôi 1030oC, thời gian giữ nhiệt
15 phút trong các môi trường tôi (làm nguội) khác nhau được thể hiện trên các
hình 3.5, 3.6, 3.7.
o

C

1200
1000
A1
800 ỉ100 tâm
ỉ 50 tâm
ỉ25 tâm
ỉ100 bề mặt

600

K

P

400
Ms

B

200
M
0
1

10

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

Thời gian (s)

Hỡnh 3.5: Đường cong làm nguội thép H13 (SKD61) trong dầu [29]

19


o

C

1200

1000
A1
800 ỉ100 tâm
600

K

ỉ50 tâm
ỉ 25 tâm
ỉ100 bề mặt

P

400
Ms

B

200
M
0
1

10

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

Thời gian (s)

Hỡnh 3.6: Đường cong làm ngi thép H13(SKD61) trong muối nóng chy [29]
o

C

1200
1000
A1
800

ỉ100 tâm
ỉ50 tâm
ỉ25 tâm

ỉ100 bề mặt

600

K
P

400
Ms

B

200
M
0
1

10

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

Thời gian (s)

Hỡnh 3.7: Đường cong làm nguội thép H13(SKD61) ngồi khơng khí [29]

20


Qua các sơ đồ làm nguội trên cho thấy, tốc độ làm nguội trong dầu là
nhanh nhất, trong khơng 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 mơi 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 cần làm nguội nhanh trong khoảng nhiệt độ tới
hạn (740oC - 538oC) để tránh tạo thành carbid trên biên giới hạt và qua đó 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 khn
bền nóng) được nghiên cứu kỹ trong dự án #129 do NADCA tiến hành. Trong
dự án này, 10 loại vật liệu thuộc thép H13(SKD61) 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).
Theo NADCA giá trị độ dai va đập KV này là giá trị trung bình bé nhất
mà thép H13(SKD61) cần có được khi dùng để chế tạo khn đúc áp lực. Tất
cả các mẫu này được nhiệt luyện để đạt cùng một mức độ cứng 44-46 HRC.
Các quy trình công nghệ nhiệt luyện với tốc độ làm nguội khi tôi khác nhau.
Tốc độ nguội thấp nhất là tôi trong khơng khí tĩnh và cao nhất là tơi trong dầu.
Một số kết quả về độ dai va đập KV ở nhiệt độ thường của thép
H13(SKD61) được ghi trong bảng 3.2 [20].

21


Bảng 3-2: Độ dai va đập KV ở nhiệt độ môi trường của thép H13 (SKD61),
độ cứng 44-46 HRC với các tốc độ làm nguội khác nhau [20]:
Loại thép

KV (J) ứng với các tốc độ tơi (oF/phút)
Khơng

50

80

120

Dầu

khí
H13 với KVmax.7,1 J

3,1

6,3

5,0

5,0

7,1

H13 với KVmax.8,2 J

6,4

6,7

8,5

9,8

8,2

H13 với KVmax.11,3 J

5,4

6,7

7,7

7,7

11,3

H13 với KVmax.14,0 J

5,4

9,5

8,5

13,5

14

H13 với KVmax.17,6 J

9,0

10,8

19,3

19,5

17,6

H13 với KVmax.20,9 J

8,1

14,4

13,9

17,1

20,9

H13 với KVmax.21,3 J

7,1

14,8

13,9

14,4

21,3

H13 với KVmax.22,0 J

6,3

19,3

20,9

22,0

22,0

Kết quả trên cho ta thấy, độ dai va đập có xu hướng tăng khi tốc độ làm
nguội. Tuy nhiên, khả năng bị biến dạng và nứt cũng tăng theo tốc độ làm
nguội. Vì thế, cần phải lựa chọn mơi trường tôi phù hợp. Đây là công việc của
những chuyên gia nhiệt luyện.
3.3.3. Ram
Sau khi tôi, tổ chức của thép bao gồm martensit, ứng suất dư, austenit dư và
carbid. Mục đích của ram là khử ứng suất dư, điều chỉnh độ cứng theo yêu
cầu, làm tăng độ bền và độ dai của vật liệu. Đối với thép H13 (SKD61), để
duy trì tính chất chịu nhiệt cần phải có phản ứng tiết pha carbid như Mo2C và
VC. Quá trình này xảy ra khi ram ở nhiệt độ 500oC- 650oC [21, 30]. Khi chọn
nhiệt độ ram, cần dựa vào yêu cầu về độ cứng. Hình 3.8 cho ta thấy sự phụ
thuộc của độ cứng vào nhiệt độ ram.

22