Vai trò của nhiệt luyện và thấm nitơ đến tuổi thọ của khuôn đùn ép nhôm SKD61

Đặt vấn đề

Khuôn đùn ép là chi tiết rất quan trọng trong nhà máy sản xuất nhôm hình. Chi phí cho khuôn đùn ép, bằng một phần ba chi phí sản phẩm đùn ép. Vì vậy, vấn đề nâng cao tuổi thọ khuôn được tất cả các nhà máy trong lĩnh vực này hết sức quan tâm.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Các mẫu khuôn được nhà máy Nhôm thuộc Công ty Cơ khí Đông Anh cung cấp theo hợp đồng nghiên cứu. Độ cứng tế vi và phân tích tổ chức thực hiện trên máy Struer Duramin và kính hiển vi quang học AXIOVERT100A ĐHBK Hà nội. Phân tích cấu trúc và EDS trên (JSM-5410 LV và OXFORRD-ISISS 300 Đại học Khoa học Tự nhiên).

Độ cứng đo với tải trọng 100g, chuyển đổi từ giá trị vicke sang HRC.

Hiện nay, khuôn đùn ép nhôm hình được sản xuất chủ yếu bằng thép SKD61 (theo tiêu chuẩn JIS G4404 (1983) Nhật Bản, có thành phần: C=(0,32-0,42)%; Si=(0,8-1,2)%; Mn 0,5%; Cr (4,5-5,5)%, Mo=(1-1,5)%; V=(0,8-1,2)%).

Kết quả nghiên cứu

Phôi nhôm khi đùn ép có nhiệt độ khoảng 500oC chà xát lên bề mặt khuôn, vì vậy khuôn cần độ cứng bề mặt cao để không bị mài mòn. Đồng thời, khuôn còn chịu lực ép lớn và thay đổi nên phải có độ dai va đập và chống biến dạng tốt. Không những thế, khuôn đùn ép nhôm hình cần phải bảo đảm giữ được độ cứng ở nhiệt độ làm việc trong thời gian càng dài thì tuổi thọ càng cao. Hay nói một cách khác, khuôn đùn ép cần có tính cứng nóng cao.

Yêu cầu cụ thể về cơ tính của khuôn đùn ép như sau: lõi khuôn có độ cứng từ 48-53HRC. Độ cứng đó đạt được nhờ quá trình nhiệt luyện. Để chống mài mòn, khuôn cần thấm nitơ để có độ cứng bề mặt khoảng 62-65HRC. Chiều dày lớp thấm tốt nhất trong khoảng từ 100 đến 200mm. Nếu chiều dày nhỏ hơn, khuôn chóng bị mòn, tuổi thọ thấp, nếu lớn quá cũng không tốt vì lớp thấm dễ bị bong tróc. Trong thành phần cơ cấu, lớp thấm cần có một lượng pha nitơrit hợp kim có độ cứng cao để tăng tính chống mài mòn . Tuy nhiên, nếu lượng pha này nhiều quá, lớp thấm sẽ bị giòn.

Thấm nitơ là giai đoạn cuối cùng trong sản xuất khuôn. Sau một quá trình làm việc, khuôn bị mòn đi hoặc sự đồng đều độ cứng trên bề mặt khuôn không đảm bảo làm giảm chất lượng sản phẩm nhôm hình. Vì vậy, sau một số chu kỳ vận hành, hoặc sau một số lượng sản phẩm nhất định (tùy theo hình dáng và kích thước chi tiết để định lượng sản phẩm) [1], khuôn được phục hồi bằng cách chỉnh hình (nếu cần) và thấm nitơ lại. Tiếp theo, khuôn còn được làm việc và thấm lại cho đến khi chất lượng khuôn không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật được nữa. Một khuôn thường được thấm nitơ phục hồi nhiều lần. Thực tế cho thấy, có khuôn có thể thấm lại và sử dụng được hàng chục lần, có khuôn chỉ được vài lần đã hỏng. Vấn đề đặt ra là có thể thấm lại bao nhiêu lần để khuôn có thể làm việc với số chu kỳ lớn nhất và không bị sứt, vỡ, biến dạng trong quá trình làm viêc?. Những yếu tố nào quyết định số lần thấm lại của khuôn?

Đặc điểm của khuôn đã qua sử dụng và thêm nitơ nhiều lần

Trong quá trình làm việc do ma sát với phôi ép, bề mặt khuôn dần bị mài mòn đi. Càng sâu vào phía trong càng mềm, do đó tốc độ mài mòn càng nhanh.

Thấm nitơ không những tạo ra lớp bề mặt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt mà còn làm tăng thể tích bù lại lượng mất đi do mài mòn.

Bất lợi khi thấm nitơ là phải tiến hành ở khoảng nhiệt độ 530 - 540 ⁰C trong thời gian từ 4-7 giờ thường cao hơn so với nhiệt độ nung sơ bộ và nhiệt độ đùn ép phôi. Thông thường, khuôn làm việc ở nhiệt độ đùn ép 500 ^oC trong nhiều giờ, và chịu nung nóng nhiều giờ nữa trong quá trình thấm lại nitơ. Ví dụ khuôn sau 5 lần thấm lại, không kể thời gian chịu nóng khi đùn ép, thì ít nhất đã bị nung ở nhiệt độ 530 ⁰C là 35 giờ. Do nitơ khuếch tán dần từ bề mặt vào lõi nên chiều dày lớp thấm của các khuôn cũ thấm lại tăng lên rất nhiều (tất nhiên không tăng tuyến tính theo thời gian) [5]. Chiều dày lớp thấm quá lớn làm giảm khả năng chịu uốn và chịu dai va đập của khuôn. Ngoài ra, hiện tượng tiết nitơrit ở những vùng có nhiệt độ thích hợp làm cho hàm lượng nitơ tập trung rất cao, dễ gây bong tróc dưới tác động cơ nhiệt.

Do khuôn bị nung nóng nhiều giờ trong quá trình làm việc và thấm nitơ lại nên độ cứng của lõi dần giảm đi; nghĩa là chênh lệch độ cứng bên trong của khuôn và lớp bề mặt ngày càng lớn. Khi ép, nền mềm bị lún xuống, dẫn đến gãy vỡ lớp thấm hoặc sứt khuôn, hoặc khuôn có thể bị biến dạng khi chịu lực ép [1], [3].

Trong quá trình làm việc, do tiếp xúc với phôi nhôm ở trạng thái biến mềm trong thời gian dài, nhôm khuếch tán vào bề mặt khuôn. Sự có mặt của nhôm làm cho quá trình thấm thuận lợi hơn, tạo ra nhiều nitơ rit nhôm trên bề mặt khuôn làm tăng độ cứng và chiều dày lớp thấm [4], [3] và [5]. Có nhôm thấm nitơ sẽ dễ dàng hơn, song nhiều quá thì dễ gây tập trung AlN ở gần bề mặt dễ gây bong tróc.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cứng nóng của khuôn trong quá trình làm việc

Nếu coi thành phần SKD61 đã đúng theo tiêu chuẩn JIS quy định thì yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng quyết định đến tính cứng nóng của khuôn là quá trình nhiệt luyện khuôn. Trước hết là nhiệt độ tôi khuôn.

Để đạt được độ cứng từ 48á53 HRC thép SKD 61 có thể tôi ở các nhiệt độ khác nhau từ 950 ^oC đến 1100 ^oC. Tuy nhiên khi được tôi ở nhiệt độ thích hợp thì tính cứng nóng và độ bền nóng sẽ được cải thiện (hình 1&2 [2]).

Khi nung ở nhiệt độ cao, lượng nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenit lớn. Nền thép giàu nguyên tố hợp kim sẽ ổn định và giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao hơn, thời gian dài hơn.

Tôi ở nhiệt độ cao quá (trên 1080 ^oC) hạt tinh thể của thép sẽ bị thô, độ dai của thép nhỏ và do đó khuôn dễ bị nứt vỡ, tuổi thọ giảm. Trái lại, nung tôi ở nhiệt độ thấp quá (dưới 1000 ^oC) nền thép ít được hoà tan nguyên tố hợp kim sẽ kém ổn định, nhanh chóng bị phân huỷ làm giảm độ cứng của khuôn.

Kết quả nghiên cứu cho thấy nung tôi SKD61 tốt nhất ở 1020 á 1070 ^oC. Giới hạn dưới dùng cho khuôn lớn, thời gian giữ nhiệt khi nung tôi dài. Giới hạn trên dùng cho các khuôn nhỏ, thành mỏng dưới 20 mm. Môi trường làm nguội khi tôi khuôn SKD61 tốt nhất là dầu nóng. Dùng quạt thổi gió lạnh để tôi cũng có thể áp dụng cho khuôn nhỏ. Song đối với khuôn lớn, thổi gió lạnh không đủ để làm nguội nhanh trong lõi do đó độ cứng trong lõi thấp, chất lượng sẽ kém đi.

Chế độ ram cũng ảnh hưởng tới tính cứng nóng nhưng theo chiều hướng ngược lại (hình 2):

Nhiệt độ ram lớn hơn 600 ^oC tính cứng nóng giảm mạnh do hiện tượng tiết cacbit làm nền thép nghèo nguyên tố hợp kim đi, do đó tính cứng nóng giảm.

Ram ở nhiệt độ thấp (500, 550 ^oC ) độ cứng giảm chậm theo thời gian, nhưng khả năng chống mài mòn kém vì không tận dụng được độ cứng thứ hai nhờ chuyển biến austenit dư thành mactenxit khi ram.

Kết quả tốt nhất là ram 2 lần ở nhiệt độ từ 570 đến 590 ^oC.

Phân tích các các kết quả trên có thể nhận thấy rằng tôi và ram thép SKD61 ở các chế độ khác nhau có thể cho cùng một giá trị độ cứng (ví dụ từ 48-53 HRC) ở nhiệt độ thường nhưng độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao thay đổi theo thời gian rất khác nhau. Hơn nữa nung tôi ở nhiệt độ thấp, chi phí năng lượng giảm đi, nguy cơ gây nứt khi tôi, ram nhỏ hơn nhiều vẫn còn cám dỗ nhiều nhà sản xuất khuôn.

Để giữ được độ bền, tính cứng nóng của khuôn đòi hỏi phải nhiệt luyện đúng chế độ.

Ngoài ra khuôn còn bị giảm độ cứng lõi do bị nung nóng gia nhiệt trước mỗi chu kỳ đùn ép và trong quá trình đùn ép. Quá trình đó thường thực hiện trong môi trường không bảo vệ nên khuôn bị ôxy hoá dưới lớp thấm nitơ làm lớp thấm dễ bị bong tróc [1].

Nhưng trên hết, như đã phân tích, khuôn bị giảm độ cứng, độ bền nhiều nhất trong quá trình thấm lại nitơ vì quá trình đó khuôn bị nung nóng ở nhiệt độ cao hơn, thời gian khá dài [5]

Cấu trúc lõi mềm với vỏ cứng trên bề mặt khi chịu lực ép, nền mềm bị lún xuống, lớp thấm cứng trên bề mặt kém biến dạng sẽ bị bị bong, nứt vỡ là điều khó tránh khỏi. Điều đáng quan tâm là do đã thấm lại nhiều lần, chiều dày lớp thấm quá lớn (gấp đôi so với yêu cầu) làm lớp thấm càng dễ bị bong tróc hơn.

Kết luận

Tuổi thọ làm việc của khuôn đùn ép nhôm SKD61 chỉ cao khi nhiệt luyện và thấm nitơ tốt.

Nhiệt luyện khuôn không tốt thì dù có thấm nitơ hay áp dụng biện pháp kỹ thuật nào thì hiệu quả cũng không cao.

Tài liệu trích dẫn

1. Nitex communicator, May 2000

2. UDDEHOLM Nichtrostender Stabstahl 2000

3. Lê Thị Chiều: Khảo sát và phân tích nguyên nhân các sai hỏng phổ biến khi sử dụng khuôn đùn ép khung nhôm xây dựng Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại 5/2006

Nguồn: KHCN số tháng 2/2007 (trang 24)