Ảnh hưởng của xử lý phosphat hóa đến thấm nitơ trên thép SKD61

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ MINH NGỌC

ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ PHOSPHAT HÓA
ĐẾN THẤM NITƠ TRÊN THÉP SKD61

Chuyên ngành : KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS. TS. Phùng Thị Tố Hằng

Hà Nội – Năm 2013
i


MỤC LỤC
Trang phụ bìa.....................................................................................................i
MỤC LỤC...... ................................................................................................ ii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... v
LỜI CẢM ƠN ... ............................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................... xi
MỞ ĐẦU........ ............................................................................................. xiv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 1

1.1. Giới thiệu về khuôn đùn ép nhôm ......................................................... 1
1.1.1. Nguyên tắc đùn ép.......................................................................... 1
1.1.2. Khuôn đùn ép ................................................................................. 2
1.1.3. Yêu cầu của khuôn đùn ép.............................................................. 8
1.1.4. Chọn vật liệu làm khuôn đùn ép ................................................... 11
1.2. Thấm nitơ ........................................................................................... 17
1.2.1. Đặc điểm của lớp thấm nitơ trên thép ........................................... 18
1.2.2. Thấm nitơ thể khí ......................................................................... 21
1.2.3. Thấm nitơ cho SKD61 ................................................................. 30
1.3. Phosphat hóa thép............................................................................... 32
1.3.1. Đặc điểm của lớp phosphat trên thép ............................................ 32
1.3.2. Nguyên lý tạo lớp phosphat .......................................................... 33
1.3.3. Các phương pháp phosphat hóa .................................................... 34
1.3.4. Phân tích thành phần lớp phủ phosphat hóa .................................. 41

ii


1.3.5. Phân tích cấu trúc lớp phủ phosphat hóa....................................... 42
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ....................................... 45
2.1. Quy trình thực nghiệm ........................................................................ 45
2.2. Phương pháp thực nghiệm .................................................................. 46
2.2.1. Vật tư và hóa chất ........................................................................ 46
2.2.2. Chuẩn bị mẫu và kiểm tra tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp ....... 46
2.2.3. Tôi mẫu ........................................................................................ 47
2.2.4. Ram mẫu ...................................................................................... 48
2.2.5. Quy trình phosphat hóa nóng........................................................ 48
2.2.6. Quy trình thấm nitơ ...................................................................... 48
2.3. Các thiết bị thực nghiệm ..................................................................... 50
2.3.1. Lò nung nhiệt luyện ..................................................................... 50

2.3.2. Thiết bị phosphat hóa nóng .......................................................... 50
2.3.3. Lò thấm nitơ................................................................................. 51
2.3.4. Hệ điều khiển lưu lượng khí ......................................................... 51
2.3.5. Hệ thống đo độ phân hủy NH3 ...................................................... 52
2.3.6. Cảm biến hydro - Sensor hydro .................................................... 53
2.3.7. Hệ thống đo áp suất ...................................................................... 54
2.4. Các phương pháp nghiên cứu ............................................................. 55
2.4.1. Phương pháp xác định độ cứng và xác định chiều sâu lớp thấm ... 55
2.4.2. Phương pháp xác định khả năng chống mài mòn .......................... 56
2.4.3. Phân tích cấu trúc lớp thấm bằng kính hiển vi điện tử quét SEM .. 57
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 59
3.1. Thành phần hóa học của mẫu.............................................................. 59

iii


3.2. Nhiệt luyện thép SKD61..................................................................... 60
3.2.1. Tổ chức tế vi và độ cứng sau tôi ................................................... 60
3.2.2. Tổ chức và độ cứng sau ram ......................................................... 61
3.3. Thấm nitơ cho thép SKD61 ................................................................ 62
3.3.1. Ảnh hưởng của độ phân hủy β tới tổ chức và tính chất lớp thấm nitơ
trên mẫu thép SKD61 (không xử lý phosphat hóa)......................................... 63
3.3.2. Ảnh hưởng của độ phân hủy β tới mẫu có tiền xử lý phosphat hóa67
3.4. Ảnh hưởng của lớp phosphat hóa tới lớp thấm nitơ............................. 74
3.4.1. Ảnh hưởng của lớp phosphat tới tổ chức và tính chất của lớp thấm
nitơ với độ phân hủy 40% .............................................................................. 74
3.4.2. Ảnh hưởng của lớp phosphat tới tổ chức và tính chất của lớp thấm
nitơ với độ phân hủy 50% .............................................................................. 78
3.4.3. Ảnh hưởng của lớp phosphat tới tổ chức và tính chất của lớp thấm
nitơ với độ phân hủy 60% .............................................................................. 81

3.5. Kết quả phân tích thành phần hóa học của lớp thấm nitơ trên các mẫu
được tiền xử lý phosphat hóa bằng phương pháp EDS ....................................... 84
3.5.1. Mẫu phosphat hóa 30 phút sau đó thấm nitơ................................. 84
3.5.2. Mẫu phosphat hóa 60 phút sau đó thấm nitơ................................. 87
3.6. Hình thái bề mặt của lớp phosphat hóa ............................................... 90
3.7. Kết quả thử mài mòn .......................................................................... 92
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................ 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 98

iv


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này
là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm!
Tác giả

LÊ MINH NGỌC

v


LỜI CẢM ƠN

Qua đây, tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy, người hướng
dẫn khoa học của mình, PGS.TS. Phùng Thị Tố Hằng, người đã đưa ra đề tài và tận
tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu của tác giả. Đồng thời tác giả cũng
chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học

Bách Khoa Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện cho tác giả về tài liệu và thủ tục hành chính
để tác giả hoàn thành bản luận văn này. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn đến bạn bè và
đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tác giả.
Do thời gian và trình độ còn hạn chế, chắc chắn bản luận văn không thể tránh
khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô
và bạn bè đồng nghiệp, tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Tháng 9 năm 2013
Học viên

LÊ MINH NGỌC

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
α

Dung dịch rắn xen kẽ của N trong Feα, được gọi là ferit Nitơ

β

Hệ số phân hủy của NH3

δ

Chiều dày lớp khuếch tán

γ

Dung dịch rắn xen kẽ của N trong Feγ

γ'

Pha xen kẽ Fe4N

ε

Pha xen kẽ Fe2N1-x

τ

Thời gian

C0

Nồng độ chất khuếch tán ở nền

Cs

Nồng độ chất khuếch tán ở bề mặt

Cx

Nồng độ chất khuếch tán ở khoảng cách x tính từ bề mặt

D

Hệ số khuếch tán

DC

Đường kính nguyên tử cácbon

DMe

đường kính nguyên tử nguyên tố hợp kim

KN

Thế thấm Nitơ

Q

Hoạt năng khuếch tán

R

Hằng số khí, R=1.98 [cal/mol.độ]

T

Thời gian

T

Nhiệt độ tuyệt đối

P

Áp suất

PNH3

Áp suất riêng phần của NH3

PH2

Áp suất riêng phần của H2

EDX (hay EDS) Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng tia X)
SEM

Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)

CNC

Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính)

vii


EDM
JIS

Electric Discharge Machining (Máy gia công tia lửa điện)
Japanese Industrial Standards (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản)

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thành phần hóa học các mác thép làm khuôn đùn ép nhôm .......... 12
Bảng 1.2. Một số tính chất vật lý của thép SKD61 ........................................ 13
Bảng 1.3. Chế độ xử lý nhiệt và độ cứng của thép SKD61 ............................ 13
Bảng 1.4. Nhiệt độ nung phân cấp khi tôi SKD61 ......................................... 14
Bảng 1.5. Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ tôi của SKD61 ............................. 14
Bảng 1.6. Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ram của SKD61............................ 16
Bảng 1.7. Các loại lớp thấm nitơ của SKD61 ................................................ 31
Bảng 1.8. Chiều sâu lớp thấm nitơ trên thép SKD61 ..................................... 31
Bảng 1.9. Thành phần và chế độ làm việc của phương pháp phosphat hoá điện
hoá ........................................................................................................................ 35
Bảng 1.10. Thành phần và chế độ làm việc của các dung dịch phosphat hóa ở
nhiệt độ cao ........................................................................................................... 37
Bảng 1.11. Thành phần và chế độ làm việc của các dung dịch phosphat hóa
nhanh..................................................................................................................... 38
Bảng 1.12. Thành phần và chế độ làm việc của dung dịch phosphat hóa nhanh
.............................................................................................................................. 39
Bảng 1.13. Thành phần và chế độ làm việc của dung dịch phosphat hóa có chứa
muối oxalat............................................................................................................ 39
Bảng 1.14. Thành phần và chế độ làm việc của dung dịch phosphat hóa nguội
.............................................................................................................................. 40
Bảng 1.15. Thành phần và chế độ làm việc của dung dịch phosphat hóa nguội
.............................................................................................................................. 41
Bảng 2.1. Thành phần mẫu nghiên cứu và so với tiêu chuẩn JIS ................... 47
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mẫu nghiên cứu ...................................... 59
Bảng 3.2. Giá trị độ cứng mẫu với các chế độ tôi tương ứng ......................... 60
Bảng 3.3. Giá trị độ cứng mẫu sau ram ......................................................... 61

ix


Bảng 3.4. Phân bố độ cứng trên lớp thấm nitơ của các mẫu không phosphat hóa
với độ phân hủy β thay đổi (40%, 50% và 60%) .................................................... 65
Bảng 3.5. Phân bố độ cứng trên các mẫu thấm nitơ được phosphat hóa 30 phút
với các chế độ phân hủy β khác nhau (40%, 50% và 60%) .................................... 69
Bảng 3.6. Phân bố độ cứng trên các mẫu thấm nitơ được phosphat hóa 60 phút
với các chế độ phân hủy β khác nhau (40%, 50% và 60%) .................................... 72
Bảng 3.7. Phân bố độ cứng trên các mẫu thấm nitơ ( = 40%) với các chế độ
phosphat hóa với thời gian khác nhau .................................................................... 76
Bảng 3.8. Phân bố độ cứng trên các mẫu thấm nitơ ( = 50%) tại các chế độ
phosphat hóa với thời gian khác nhau .................................................................... 79
Bảng 3.9. Phân bố độ cứng trên các mẫu thấm nitơ ( = 60%) tại các chế độ
phosphat hóa với thời gian khác nhau .................................................................... 82
Bảng 3.10. Thành phần hóa học tại các điểm quét linescan từ bề mặt vào trong
lõi mẫu phosphat 30 phút....................................................................................... 86
Bảng 3.11. Thành phần hóa học tại các điểm quét linescan từ bề mặt vào trong
nền mẫu phosphat hóa 60 phút............................................................................... 89
Bảng 3.12. Lượng kim loại bị mài mòn (mg) – Tải trọng 12N....................... 93

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ mặt cắt đứng của máy đùn ép (đơn giản) ............................... 1
Hình 1.2. Một bộ lắp ráp khuôn điển hình ....................................................... 2
Hình 1.3. Kết cấu khuôn SOLID ..................................................................... 4
Hình 1.4. Kết cấu khuôn HOLLOW dạng Porthole ......................................... 5

Hình 1.5: Các dạng khuôn rỗng ....................................................................... 6
Hình 1.6. Quy trình sản xuất một khuôn đùn ép nhôm BRIDGE hoàn chỉnh ... 7
Hình 1.7. Giản đồ CCT của thép SKD61 ....................................................... 15
Hình 1.8. Biểu đồ độ cứng của thép SKD61 sau tôi và ram ở các nhiệt độ .... 16
Hình 1.9. Giản đồ pha Fe-N .......................................................................... 19
Hình 1.10. Tổ chức lớp thấm nitơ.................................................................. 20
Hình 1.11. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán vào nhiệt độ .......................... 23
Hình 1.12. Quan hệ giữa thời gian khuếch tán và chiều dày lớp khuếch tán. . 24
Hình 1.13. Sự hình thành lớp thấm ................................................................ 25
Hình 1.14. Giản đồ Lehrer, các pha tạo thành phụ thuộc vào độ phân hủy NH3
và nhiệt độ ............................................................................................................. 26
Hình 1.15. Hệ thống bình burette đo độ phân huỷ NH3 .................................. 27
Hình 1.16. Tổ chức lớp thấm phụ thuộc vào thế thấm nitơ và nhiệt độ .......... 28
Hình 1.17. Quy trình thấm nitơ một giai đoạn ............................................... 29
Hình 1.18. Quy trình thấm nitơ 2 giai đoạn ................................................... 30
Hình 2.1. Quy trình thực nghiệm ................................................................... 45
Hình 2.2. Hình dạng và kích thước mẫu thí nghiệm....................................... 47
Hình 2.3. Quy trình nhiệt luyện mẫu thép SKD61 làm khuôn đùn ép nhôm .. 48
Hình 2.4. Sơ đồ thấm nitơ cho mẫu ............................................................... 49
Hình 2.5. Nabertherm N11/H ........................................................................ 50
Hình 2.6. Lò thấm nitơ .................................................................................. 51
Hình 2.7. Bảng điều chỉnh lưu lượng khí....................................................... 52
Hình 2.8. Độ dẫn nhiệt của các khí (Theo Hartmann & Braun) ..................... 53

xi


Hình 2.9. Cầu Wheatstone (a) và sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến hydro (b)
.............................................................................................................................. 54
Hình 2.10. Cảm biến hydro (STANGE - Đức)............................................... 54

Hình 2.11. Đồng hồ đo áp suất lò .................................................................. 55
Hình 2.12. Máy đo độ cứng tế vi Duramin 2 ................................................. 56
Hình 2.13. Máy đo độ cứng MITUTOYO ATK-600 ..................................... 56
Hình 2.14. Xác định chiều sâu lớp thấm nitơ (DIN 50190-3)......................... 56
Hình 2.15. Máy mài Pin-On-Disk (TRIBOtechnic - Pháp) ............................ 57
Hình 2.16. Sơ đồ kính kiển vi điển tử quét .................................................... 58
Hình 3.1. Tổ chức tế vi mẫu sau tôi ở 1030oC (x500) .................................... 60
Hình 3.2. Ảnh tổ chức tế vi sau tôi 1030oC và ram 560oC ............................. 62
Hình 3.3. Ảnh tổ chức tế vi mẫu thấm nitơ không xử lý phosphat hóa với độ
phân hủy β thay đổi. (x200) ................................................................................... 64
Hình 3.4. Đường phân bố độ cứng mẫu thấm nitơ không phosphat hóa ứng với
độ phân hủy β thay đổi (40%, 50% và 60%). ......................................................... 66
Hình 3.5. Ảnh tổ chức tế vi các mẫu thấm nitơ được phosphat hóa 30 phút với
độ phân hủy β thay đổi. (x200) .............................................................................. 68
Hình 3.6. Đường phân bố độ cứng trên các mẫu thấm nitơ được phosphat hóa
30 phút với độ phân hủy β thay đổi (40%, 50% và 60%). ...................................... 70
Hình 3.7. Tổ chức tế vi của các mẫu thấm nitơ được phosphat hóa 60 phút với
độ phân hủy β thay đổi. (x200) .............................................................................. 71
Hình 3.8. Đường cong phân bố độ cứng cứng trên các mẫu thấm nitơ được
phosphat hóa 60 phút với độ phân hủy β thay đổi (40%, 50% và 60%). ................. 73
Hình 3.9. Ảnh tổ chức tế vi với thời gian phosphat hóa khác nhau và độ phân
hủy 40%. (x200) .................................................................................................... 75
Hình 3.10. Đường cong phân bố độ cứng ở các chế độ phosphat khác nhau với
độ phân hủy β = 40%............................................................................................. 77
Hình 3.11. Ảnh tổ chức tế vi với thời gian phosphat hóa khác nhau và độ phân
hủy β = 50%. (x200) .............................................................................................. 78

xii

Hình 3.12. Đường cong phân bố độ cứng ở các chế độ phosphat khác nhau với
độ phân hủy β = 50%. ............................................................................................ 80
Hình 3.13. Ảnh tổ chức tế vi với thời gian phosphat hóa khác nhau và độ phân
hủy β = 60%. (x200) .............................................................................................. 81
Hình 3.14. Đường cong phân bố độ cứng ở các chế độ phosphat khác nhau với
độ phân hủy β = 60%. ............................................................................................ 83
Hình 3.15. Ảnh SEM và các điểm quét linescan từ bề mặt vào nền của mẫu
phosphat hóa 30 phút. (x500)................................................................................. 85
Hình 3.16. Phổ EDS tại điểm LG20000 trên bề mặt mẫu phosphat hóa 30 phút.
.............................................................................................................................. 86
Hình 3.17. Ảnh SEM và các điểm quét linescan từ bề mặt vào trong lõi mẫu
phosphat hóa 60 phút. (x500)................................................................................. 88
Hình 3.18. Phổ EDS tại điểm LG10000 trên bề mặt mẫu phosphat hóa 60 phút
.............................................................................................................................. 88
Hình 3.19. Ảnh cấu trúc lớp phosphat hóa bề mặt (SEM) (x2500)................. 91
Hình 3.20: Ảnh mặt cắt ngang mẫu (SEM) (x5000) ...................................... 91
Hình 3.21. Biểu đồ lượng hao mòn ∑mi với tải trọng 12N............................. 94
Hình 3.22. Biểu đồ lượng hao mòn ∆mi với tải trọng 12N. ............................ 94

xiii


MỞ ĐẦU
Ngày nay, đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước với mục tiêu năm 2020 cơ bản thành một nước công nghiệp. Để đạt mục tiêu
mà Đảng và Nhà nước đề ra, rất nhiều doanh nghiệp nhà nước, tư nhân đã và đang
tập trung cho hiện đại hóa thiết bị và công nghệ, phát triển cơ sở vật chất để theo kịp
trình độ sản xuất quốc tế. Nhiều công nghệ tiên tiến của thế giới đã được giới thiệu ở
Việt Nam, tuy nhiên do các công nghệ này phần lớn ở dạng chuyển giao, vì vậy chúng
ta chưa làm chủ hoàn toàn các công nghệ đó. Việc sử dụng thiết bị, nguyên vật liệu,

nhiên liệu do đó chưa phát huy hết hiệu quả và giá thành sản phẩm vì thế còn cao.
Khuôn đùn ép nhôm hình là sản phẩm đòi hỏi công nghệ xử lý nhiệt và bề mặt
phức tạp để đạt được các yêu cầu cơ tính khi làm việc. Đây là chi tiết rất quan trọng
trong công nghệ sản xuất nhôm hình. Chi phí cho khuôn đùn ép, bằng một phần ba
chi phí sản phẩm đùn ép. Vì vậy, các nhà sản xuất luôn phấn đấu để nâng cao tuổi thọ
khuôn bằng cách cải tiến qui trình công nghệ chế tạo, xử lý nhiệt và bề mặt khuôn,
nhờ đó sẽ làm giảm giá thành sản xuất, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm đùn
ép.
Khuôn đùn ép nhôm hình được sản xuất chủ yếu bằng thép SKD61 (tiêu chuẩn
JIS). Sau nhiệt luyện tôi và ram, khuôn được tiến hành thấm nitơ để bề mặt làm việc
có độ cứng cao, làm tăng tính chống mài mòn. Tuy nhiên quá trình thấm nitơ xảy ra
ở nhiệt độ thấp, tốc độ thấm chậm, chiều dầy lớp thấm mỏng. Để nâng cao hiệu quả
quá trình thấm, các nghiên cứu về quá trình tiền xử lý cho khuôn trước khi thấm nitơ
đã được nghiên cứu trên thế giới và phosphat hóa là một trong các công nghệ đó.
Các nghiên cứu thăm dò đã chỉ ra, việc xử tiền lý phosphat hoá trước thấm nitơ
có vai trò tăng tốc quá trình thấm và nâng cao cơ tính cho lớp thấm nitơ trên thép. Để
có thể nắm bắt và làm chủ được công nghệ này, chúng tôi đề xuất thực hiện đề tài “
Ảnh hưởng của xử lý phosphat hóa đến thấm nitơ trên thép SKD61”.
Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp tiền xử lý phosphat
hóa nóng trên thép SKD61 đã qua tôi và ram, sau đó thấm nitơ thể khí, với mục tiêu:
Đánh giá ảnh hưởng của lớp phosphat tới khả năng hình thành lớp thấm nitơ.

xiv


Khảo sát tính chất cơ học của lớp thấm nitơ sau khi xử lý (độ cứng, chiều dầy
lớp thấm nitơ, khả năng chống mài ṃn của lớp thấm.)
Nội dung luận văn gồm ba chương:
Chương 1. Tổng quan
Giới thiệu chung khuôn đùn ép nhôm, yêu cầu cơ tính, các phương pháp xử lý

nhiệt. Cấu trúc và tính chất của các lớp phosphat hóa và lớp thấm nitơ.
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm
Trình bày quy trình tiến hành thực nghiệm và các phương pháp tiến hành phân
tích đánh giá kết quả mẫu thí nghiệm (hiển vi quang học, SEM, EDS, đo độ cứng tế
vi, thử mài mòn …).
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Đưa ra các kết quả phân tích cấu trúc và hình thái bề mặt của lớp phosphat hóa
bằng SEM, EDS. Nghiên cứu ảnh hưởng của tiền xử lý phosphat hóa tới chiều dầy
lớp thấm, sự phân bố độ cứng tế vi và khả năng mài mòn của lớp thấm.
Chương 4. Kết luận và kiến nghị
Kết luận về ảnh hưởng của lớp phosphat hóa trung gian lớp thấm nitơ và đưa ra
các hướng phát triển tiếp theo.

xv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về khuôn đùn ép nhôm
1.1.1. Nguyên tắc đùn ép
Nguyên tắc cơ bản của đùn ép nhôm rất đơn giản: một thỏi nhôm hình trụ đã qua
xử lý gia nhiệt trước được đặt trong máy đùn ép thuỷ lực và được ép ở áp suất cao qua
một khuôn ép bằng thép để mà khi thỏi đùn ra khỏi máy ép sẽ có hình dạng theo ý muốn.
Bản vẽ biểu đồ của một chu trình sản xuất được thể hiện ở hình 1.1: trọng tâm của chu
trình là khuôn.

Hình 1.1. Sơ đồ mặt cắt đứng của máy đùn ép (đơn giản)
Có hai quá trình đùn ép: trực tiếp và gián tiếp
Quá trình đùn ép trực tiếp: là quá trình đùn ép trong đó khuôn được gá cố định,
cần đẩy chuyển động đẩy phôi về phía khuôn và tạo hình thông qua khuôn.
Quá trình đùn ép gián tiếp: Phôi được giữ cố định. Khuôn lắp ở đầu cần đẩy

chuyển động về phía phôi tạo áp lực cần thiết để kim loại tạo hình qua khuôn.

1


Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đùn ép bao gồm: kích thước, hình dáng, dung
sai cuối cùng, bản chất hợp kim, tỷ số ép ... tất cả các thông số đó liên quan tới tốc độ
đùn ép, nhiệt độ phôi và áp lực ép.
1.1.2. Khuôn đùn ép
Khuôn đùn ép nhôm là một dụng cụ để định hình một loại sản phẩm nhôm bằng
phương pháp biến dạng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại – Biến dạng nóng. Nó
được thiết kế sao cho được sử dụng với một số lượng chu trình yêu cầu. Kích thước và
kết cấu khuôn phụ thuộc vào kích thước và hình dáng sản phẩm.
Một bộ lắp ráp dụng cụ khuôn cơ bản được chỉ ra ở hình 1.2.

Hình 1.2. Một bộ lắp ráp khuôn điển hình
Một số bộ phận cơ bản:
1. Vòng khuôn – Die ring

2


2. Khuôn phụ – Backer
3. Đệm khuôn – Bolster
4. Giá đỡ khuôn – Die holder
Kiểu khuôn đơn giản nhất là loại khuôn kim loại đã được qua xử lý nhiệt và bề mặt,
có một lỗ hình, được gia công cơ khí đặc biệt (CNC, EDM); có hình dạng theo thiết kế.
Cùng với các phụ kiện khác, khuôn được giữ trong một trượt đỡ khuôn - một bộ phận
của máy ép. Gắn chặt với trượt đỡ khuôn là một container (buồng ép). Trong buồng ép
là một billet được đưa vào sau khi nó đã được nung nóng ở nhiệt độ khoảng 300÷5000C.

Buồng ép cũng được gia nhiệt bằng một bộ nung cách điện tốt, nhằm đảm bảo billet luôn
được giữ ở nhiệt độ đồng nhất. Ram (pittông) sẽ tạo áp lực lên Billet và đầu của ram
(dummy block: chày ép) phải được thay định kỳ, bởi vì nó bị mài mòn do sự tiếp xúc với
kim loại nóng gây ra.
Áp lực ép được thực hiện bởi Main piston (pitông chính) vận hành bằng dầu thuỷ
lực (bơm dầu). Áp lực này sẽ làm thanh nhôm được ép qua lỗ trong khuôn, tạo thành
thanh có hình dạng giống với hình của lỗ trong khuôn.
Hành trình của pitông phải dừng lại trước khi chày ép chạm vào khuôn. Container
quay trở lại xilanh và nhả khuôn còn giữ phần còn lại của Billet. Ram cũng sẽ lùi lại và
mẩu Billet sẽ bị tách ra khỏi khuôn bởi một lưỡi cắt từ trên. Công suất lớn nhất mà pitông
chính thực hiện được gọi là công suất ép. Công suất ép được đo bằng tấn. Các máy ép
công nghiệp có công suất từ 500 đến 20.000 tấn, nhưng hầu hết nằm trong khoảng
1.200÷3.500 tấn.
Trọng tâm của quá trình đùn ép nhôm là khuôn, việc chế tạo khuôn phải dựa trên
những cơ sở dưới đây:
- Khuôn là kết cấu cơ khí phức tạp, được chế tạo bằng vật liệu cứng và bền. Song
bộ phận quan trọng nhất là phần trực tiếp tham gia vào quá trình đùn ép của khuôn. Do
đó, khuôn càng nhỏ càng tốt vì lí do chi phí và lí do làm việc.

3


- Thanh nhôm hình được tạo ra do billet đi qua lỗ hình, lỗ hình càng phức tạp thì
chịu lực càng phức tạp, thanh nhôm hình càng mỏng thì khuôn chịu áp lực càng cao. Yêu
cầu khuôn không bị nứt gãy.
Để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo tính kinh tế, khuôn cần lựa chọn vật liệu
và được xử lý nhiệt + bề mặt phù hợp.
Khuôn đùn ép có thể được chia thành 2 loại cơ bản: Khuôn Solid và khuôn Hollow.
1. Khuôn Solid (đặc)
Được sử dụng đùn ép các billet đặc thành các thanh đặc. Kết cấu một bộ khuôn

SOLID cơ bản gồm có: 01 L.I.P (Feeder) + 01 DIE + 01 BACKER (Hình 1.3).

Bolster
Đệm khuôn
Backer
Khuôn phụ
DIE
Khuôn
Feeder
(L.I.P)

Hình 1.3. Kết cấu khuôn SOLID
L.I.P (Feeder) có chức năng làm đường dẫn nhôm vào khuôn (DIE), chịu áp lực ép
và độ đàn hồi nhiệt cho khuôn, tăng độ cứng vững và tuổi thọ cho khuôn trong quá trình
làm việc.
DIE có chức năng tạo ra hình dáng hình học và bề mặt profile đúng kích thước.
BACKER có chức năng dẫn nhôm đùn ra, đảm bảo độ cứng vững cho khuôn.
2. Khuôn Hollow (rỗng)
Được sử dụng cho việc đùn ép các billet đặc thành hình dạng rỗng hoặc bán rỗng.

4


Các billet rỗng có một lỗ dọc thông quan tâm (được khoan, đúc, …). Chúng được
sử dụng với một lõi trục (mandrel) riêng rẽ. Những lõi trục này hoặc là cố định hoặc là
không cố định. Trong cả hai trường hợp, các mandrel phải tách khỏi khuôn và không
phải là một phần của khuôn. Một lõi trục sẽ quyết định kích thước bên trong của các
thanh đùn ép rỗng. Khuôn quyết định kích thước bên ngoài.
Lõi trục kiểu Đức: khi lõi trục được cố định với phần cuối stem (ram). Nó hoặc là
đi qua một billet rỗng hoặc khoan thủng một lỗ qua billet đặc.

Lõi trục kiểu Pháp: khi lõi trục không cố định, được đặt trong một khe rãnh trong
dummy block (chày ép) và tâm của nó trong khuôn khi kim loại chảy dưới áp lực ép.
Billet sử dụng là dạng rỗng.
Kết cấu một bộ khuôn HOLLOW cơ bản gồm có: 01 BRIDGE (Mandrel) + 01 DIE
+ 01 BACKER. Một số trường hợp do kích thước của profile lớn nên khi thiết kế chỉ cần
01 BRIDGE + 01 DIE (Hình 1.4).

Bolster
Đệm khuôn
DIE CAP
Mũ khuôn
DIE MANDREL

Hình 1.4. Kết cấu khuôn HOLLOW dạng Porthole
BRIDGE (Mandrel) có chức năng phân chia dòng và dẫn nhôm vào khuôn, tạo
thành hình dành hình học và bề mặt trong cho profile. Được ghép chặt với DIE thông
qua chốt định vị.

5


DIE có chức năng tạo hình dáng hình học và bề mặt ngoài cho profile.
BACKER đảm bảo kích thước và độ cứng vững của khuôn, lỗi dẫn nhôm ra.
Khuôn Hollow được phân thành các kiểu khác nhau như Spider, Porthole, Bridge
(hình 1.5): Các khuôn này đều có lỗ trục như một phần đồng bộ của khuôn. Các thanh
rỗng hoặc bán rỗng được chế tạo từ các khuôn này có một hoặc nhiều mối hàn hoặc các
đường hàn dọc. Điều này do có thực tế là kim loại chảy xung quanh các trụ lõi và hàn
với nhau bên trong khoang hàn trước khi qua khuôn. Những khuôn này phù hợp với các
hình dạng rỗng hoặc bán rỗng.

Porthole die

Spider die

Bridge die
Hình 1.5: Các dạng khuôn rỗng

6


3. Quy trình sản xuất một khuôn đùn ép nhôm hoàn chỉnh
Thiết kế
Phôi (SKD61)
Tiện (trước nhiệt luyện)
Lấy dấu
Phôi (SKD61)
Khoan
Phay trước nhiệt luyện
Mặt trước Die: phay trên CNC
Mặt sau Die và Bridge: phay trên máy phay đứng
Khoan lỗ cho cắt dây
Nhiệt luyện khuôn
Tiện, phay, mài phẳng
Cắt dây: DIE

CNC: BRIDGE
EDM: BRIDGE (Điện cực đồng)

EDM: Xử lý Bearing – bề mặt lỗ (Điện cực chì)
Hoàn thành

Hình 1.6. Quy trình sản xuất một khuôn đùn ép nhôm BRIDGE hoàn chỉnh
Theo quy trình sản xuất trước đây, khuôn sau khi chế tạo xong (đủ lỗ hình) rồi mới
nhiệt luyện, do vậy xảy ra cong vênh, biến dạng nhiều. Tạo hình chính xác sau nhiệt

7


luyện tôi và ram khó làm cho giá thành khuôn và chất lượng khuôn (tuổi thọ, độ chính
xác sản phẩm, ... ) cao.
Hiện nay quy trình sản xuất khuôn được thực hiện theo mô tả hình 1.6, sử dụng các
phương pháp gia công tiên tiến, chính xác cao như CNC, EDM: Khuôn được tạo hình
bên ngoài có đường kính và chiều dày theo kích thước thiết kế, được khoan lỗ tại các vị
trí thường là góc của thanh nhôm hình, đó là nơi đặt các dây cắt sau này. Sau đó được
đem nhiệt luyện tôi+ram, do hình dạng đơn giản nên cong vênh biến dạng không đáng
kể. Sau đó khuôn được cắt dây để tạo hình theo tiết diện ngang của thanh nhôm hình.
Nguyên công xử lý bề mặt được thực hiện sau cùng, khi đó kích thước sản phẩm đạt
được chính xác nhờ cắt dây, đảm bảo độ bóng, độ sạch cho xử lý bề mặt. Phương pháp
có giá thành cao nhưng cho khuôn độ chính xác và chất lượng sản phẩm cũng cao.
1.1.3. Yêu cầu của khuôn đùn ép
Từ các điều kiện làm việc của khuôn đùn ép như trên, khuôn đùn ép cần có các yêu
cầu cơ tính như tính cứng nóng, độ bền, độ dai va đập, tính cứng chống mài mòn, tính
bền nhiệt, mỏi nhiệt… Các tính chất này có thể mâu thuẫn nhau, để có thể hội tụ đủ các
tính chất đó cho khuôn cần có biện pháp xử lý nhiệt và bề mặt thích hợp. Trước hết phân
tích kỹ các yêu cầu cơ tính của khuôn.
1. Độ cứng và tính chống mài mòn
Độ cứng là một trong những chỉ tiêu quan trọng của khuôn đùn ép. Độ cứng cao,
tính chống mài mòn của khuôn sẽ cao, tuổi thọ của khuôn sẽ được kéo dài, do đó làm
giảm sai hỏng về kích thước của sản phẩm. Về lý thuyết thì độ cứng của toàn bộ khuôn
đùn ép không cần cao lắm vì phôi được nung nóng lên nhiệt độ cao nên mềm và dẻo.

Nói chung độ cứng lõi khuôn đùn ép chỉ yêu cầu trong khoảng 48÷53 HRC. Tuy nhiên,
với độ cứng như vậy, khả năng chống mài mòn lại kém, do vậy bề mặt của khuôn, nơi
tiếp xúc và ma sát với phôi cần có tính chống mài mòn cao. Để đáp ứng với yêu cầu này,

8


độ cứng bề mặt phải cao từ 62÷70 HRC, công nghệ bề mặt bắt buộc phải sử dụng cho
loại khuôn này.
Khuôn đùn ép làm việc liên tục, sản xuất sản phẩm với khối lượng lớn, do đó cần
có tính chống mài mòn cao để đảm bảo tuổi thọ khuôn và đảm bảo kích thước của sản
phẩm. Tùy vào chiều dày của lớp hóa bền bề mặt, người ta qui định trọng lượng của hợp
kim nhôm đùn ép qua khuôn. Khả năng chống mài mòn phụ thuộc vào tổ chức của thép,
đặc biệt là vai trò của cacbit hoặc các pha liên kim khác. Chúng ta đã biết rằng, hai thép
có cùng độ cứng thép nào có nhiều cacbit càng nhiều, khả năng chống mài mòn càng
tăng. Do vậy, khả năng chống mài mòn tỷ lệ với số lượng, kích thước, sự phân bố và
chủng loại cacbit.
Hình dáng, chất lượng bề mặt khuôn cũng ảnh hưởng đến khả năng chống mài mòn
của khuôn. Khuôn bị mài mòn mạnh nhất tại các mép của vào của lỗ hình. Khuôn đùn
ép sản phẩm càng mỏng, lỗ hình chịu áp lực càng lớn, bị mài mòn càng mạnh. Ngoài ra
khả năng chống mài mòn còn phụ thuộc vật liệu phôi hay điều kiện bôi trơn, làm mát
trong quá trình làm việc của khuôn.
2. Độ bền và độ dai va đập
Độ bền là khả năng chống lại sự phá huỷ khuôn trong quá trình làm việc và được
đặc trưng bởi giới hạn bền. Đó là giá trị ứng suất tối đa mà vật liệu làm khuôn có thể
chịu được khi bị phá huỷ. Khác với độ cứng (có thể chỉ cần thiết ở một phần của khuôn),
độ bền phải có trong toàn bộ thể tích khuôn nhất là tại vị trí xuất hiện các ứng xuất kéo,
nén, ... do đó, nâng cao độ bền sẽ tăng độ bền vững của khuôn khi làm việc, tăng tuổi
thọ của khuôn cũng như ổn định chất lượng (bề mặt và chiều dày) của sản phẩm.
Độ bền liên quan đến các yếu tố khác như độ cứng, cấp hạt, số lượng, kích thước

và sự phân bố cacbit… Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ bền rất phức tạp, cùng một độ
cứng nhưng độ bền có thể khác nhau. Hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền là cấp
hạt và sự phân bố cacbit trong tổ chức.

9


Đặc biệt nguy hiểm đối với độ bền là trường hợp lưới cacbit ở biên giới hạt, cacbit
góc cạnh khi nung quá nhiệt hoặc các cácbit dạng xương cá xuất hiện khi đúc không
được khử hết trước khi nhiệt luyện, khi đó cần rèn kỹ hoặc cán phôi trước khi chế tạo
khuôn để nhận được cacbit đa cạnh phân bố đều.
Độ dai là tính chất đặc trưng cho khả năng chống phá huỷ của khuôn dưới tác dụng
va đập và rất nhạy cảm với các vết nứt, vết khía, xước trên bề mặt của khuôn độ dai còn
phụ thuộc vào những yếu tố như cấp hạt, lượng austenit dư, độ cứng. Độ dai tăng tỷ lệ
thuận với lượng austenit dư trong tổ chức sau nhiệt luyện, hạt austenit càng mịn thì độ
dai càng cao. Độ dai có thể giảm đi khi austenit chuyển biến thành mactenxit khi ram.
Ngoài ra, độ dai cũng chịu ảnh hưởng của kích thước và phân bố của cacbit.
3. Tính bền nóng và chịu mỏi nhiệt
Kim loại làm khuôn đùn ép phải có giới hạn chảy và tính chống mài mòn nhất định
ở nhiệt độ cao để làm chậm quá trình mòn của lòng khuôn tiếp xúc với kim loại nóng.
Do làm việc lâu ở nhiệt độ cao (500÷600oC) nên nó cần phải có tính chống ram tốt ở
trong khoảng nhiệt độ trên để giữ được độ cứng ổn định trong quá trình làm việc.
Tính chịu mỏi nhiệt: do khuôn bị nung nóng (khi tiếp xúc với kim loại nóng) và
làm nguội (khi bỏ kim loại biến dạng ra) liên tục, xen kẽ nên bề mặt khuôn sẽ chịu ứng
suất nén, kéo thay đổi do đó dễ sinh nứt mỏi (mỏi nhiệt).
4. Chống hấp thụ và bám dính
Đó là sự tạo ra mối liên kết kim loại do quá trình khuếch tán tương hỗ hoặc đơn
phương giữa bề mặt làm việc của khuôn và vật gia công, dẫn đến sự mài mòn và bám
dính, làm xuất hiện các khuyết tật trên bề mặt làm việc của khuôn, gây ra sự thay đổi về
hình dáng, kích thước, độ bóng bề mặt cho cả khuôn và sản phẩm đùn ép. Có thể làm

giảm sự dính bám và mài mòn bằng cách:
- Tăng độ bóng bề mặt làm việc của khuôn,
- Hoá nhiệt luyện (thấm N, C-N …),
- Tăng độ dẫn nhiệt (làm nguội khuôn),

10