Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 1 - Hợp kim cứng

Hợp kim cứng là hợp kim được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột mà thành phần chủ yếu của nó là những cacbit vonfram WC, cacbit titan TiC hoặc cacbit khác ở dạng hạt rất nhỏ được kết dính với nhau bằng nguyên tố coban.

Trong tất cả các loại vật liệu cắt thường dùng, hợp kim cứng là loại có tính cứng nóng cao hơn cả, tới 800 - 10,000 độ C, tốc độ cắt có thể đạt tới hàng trăm m/min.

Thành phần hóa học và cách chế tạo hợp kim cứng

Thành phần chủ yếu của mọi loại hợp kim cứng là cacbit: WC (chiếm tỷ lệ cao nhất), TiC, TaC rất cứng và nhiệt độ chảy rất cao, ngoài ra còn có lượng nhỏ côban làm chất dính kết, nhờ vậy bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn và cứng nóng rất cao, hơn nữa đây là bản chất tự nhiên không phải qua nhiệt luyện. 

Do cacbit có nhiệt độ chảy rất cao, hợp kim cứng được chế tạo qua các bước sau.

- Tạo bột cacbit bằng cách hoàn nguyên WO3 bằng hyđrô ở 700 - 9,000 độ C được bột W rồi đem nghiền, sàng lấy cỡ hạt nhỏ 0,10 - 0,15 đến 3 - 5μm, sau đó trộn bột W với bồ hóng và nung lên 14,000 độ C trong 1 giờ để được bột WC.

- Trộn bột cacbit với bột Co trong nhiều h cho thật đều rồi đem ép thành lưỡi cắt nhỏ, hình dạng đơn giản.

- Thiêu kết: nung ở nhiệt độ cao (14,500C) để Co biến mềm, bắt đầu chảy, dính chặt các hạt cacbit với nhau thành khối chắc.

Phân loại và các mác

Có ba nhóm: một, hai và ba cacbit

- Nhóm một cacbit: WC + Co với các mác có từ 2 đến 25%Co, còn lại là WC.

- Nhóm hai cacbit: chủ yếu vẫn là WC, có thêm 5 - 30%TiC và 4 - 12%Co.

- Nhóm ba cacbit: chủ yếu vẫn là WC, có thêm 3 - 8%TiC, 3 - 12%TaC và 8 - 12%Co.

Tổ chức và cơ tính

Tổ chức tế vi của hợp kim cứng gồm các hạt cacbit sắc cạnh (màu sáng) được gắn dính với nhau bằng Co (màu tối) như ở hình 6.17 với yêu cầu là các hạt nhỏ và phân bố đều. Do chế tạo bằng phương pháp bột nên bao giờ cũng có rỗ xốp song phải là ít nhất (~ 2%). Không cho phép có muội than (bồ hóng) trong tổ chức vì nó gây ra điểm mềm.

Về cơ tính, hợp kim cứng rất cứng tới HRA 82 - 90 (HRC 70 - 75), chống mài mòn rất cao, cứng nóng rất cao, cắt được với tốc độ rất cao (hàng trăm m/min), nhưng có nhược điểm là giòn. Cơ tính của hợp kim cứng phụ thuộc vào:

- Với cùng lượng Co như nhau, nhóm hai cacbit cứng hơn nhóm một cacbit vì TiC hòa tan WC (tới 70%) có độ cứng cao hơn, giòn hơn và có hệ số ma sát với thép nhỏ hơn so với WC. Ảnh hưởng này cũng thấy ở TaC, NbC. Vì vậy thường dùng hai nhóm sau (hai, ba cacbit) để gia công gang.

- Ở trong từng nhóm, mác nào chứa nhiều côban hơn sẽ dẻo hơn, song độ cứng và giới hạn bền uốn giảm đi đôi chút. Để kết hợp giữa độ cứng cao và độ dẻo nhất định trong cắt gọt hay dùng các mác với 6 - 8%Co (BK8, T15K6, TT10K8).

- Trong các mác (đặc biệt trong nhóm một cacbit) nếu cỡ hạt cacbit và côban càng nhỏ mịn thì tuy không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng nhưng cải thiện rất mạnh tính chống mài mòn, độ bền và độ dai va đập (các mác có hạt nhỏ và đặc biệt nhỏ được chỉ rõ thêm bằng ký hiệu riêng).

Công dụng của hợp kim cứng

Hợp kim cứng đang được sử dụng rộng rãi làm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập và chi tiết máy.

Hiệu quả sử dụng hợp kim cứng trong cắt gọt cao hơn hẳn thép gió (có tài liệu đánh giá là 10 lần nếu tính từ hiệu quả sử dụng vonfram) nhưng không thể làm mất vị trí của thép gió là do những nhược điểm sau:

- Không tạo hình phức tạp được vì dùng cách ép bột chỉ tạo được các mảnh nhỏ đơn giản và sau đó cũng không thể gia công định hình được vì quá cứng, do vậy hợp kim cứng thường chỉ dùng làm dao đơn giản một lưỡi cắt (hầu hết các dao một lưỡi cắt hiện nay bằng hợp kim cứng).

- Tính giòn tương đối cao, dễ gãy, vỡ, mẻ dưới tải trọng va đập.

- Tính dẫn nhiệt kém: ~ 50% của thép.

Khi làm dao, miếng hợp kim cứng nhỏ được hàn (hàn đồng) hay kẹp vào thân dao bằng thép C45 có độ bền uốn và độ dẻo tốt, sẽ tránh các nhược điểm trên của hợp kim cứng.

Nhóm một cacbit có tính cứng nóng khoảng 800oC: BK2 - BK8 dùng để cắt phôi có phoi vụn như gang, sứ, gốm, hợp kim màu, BK10 - BK15 làm khuôn kéo sợi, mũi khoan (địa chất) có tuổi bền hơn thép hàng chục lần, làm khuôn kéo sợi, BK20 - BK25 có độ dai tốt hơn làm khuôn dập, chi tiết máy chống mài mòn.

Nhóm hai cacbit có tính cứng nóng tới 900 - 1,000 độ C, chủ yếu được dung để gia công tinh thép, kể cả thép đặc biệt.

Nhóm ba cacbit do sự có mặt của TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn, chủ yếu được dùng để gia công thô thỏi đúc, cán, rèn.

Xem thêm:

• Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 2 - Thép hợp kim
• Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 - Gang và Thép
• Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí
• Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm