Những vật liệu chế tạo dụng cụ cắt gọt kim loại phổ biến hiện nay

Đăng bởi: Tinh HàDanh mục: Tin kỹ thuật

Trong ngành cơ khí chế tạo thì cắt gọt kim loại là một phương pháp gia công được ứng dụng phổ biến. Bằng cách sử dụng những dụng cụ cắt gọt để loại bỏ đi những lớp kim loại (lượng dư gia công) trên bề mặt của phôi giúp tạo thành những chi tiết theo đúng yêu cầu.

dụng cụ gia công cắt gọt kim loại

Và do đó, dụng cụ cắt gọt kim loại có một vai trò rất quan trọng, lựa chọn đúng loại dụng cụ cắt phù hợp với loại phôi và yêu cầu gia công sẽ không chỉ đảm bảo đạt được các thông số của chi tiết mà còn giúp tăng năng suất trong sản xuất.

Vậy có những yêu cầu cơ bản nào về các dụng cụ cắt gọt kim loại và những vật liệu để chế tạo chúng là gì? 

» Xem thêm bài viết: Các dụng cụ cắt gọt phổ biến trong gia công cơ khí

1. Những yêu cầu chung về dụng cụ cắt gọt kim loại

Có nhiều loại dụng cụ cắt gọt kim loại khác nhau như mảnh dao tiện, dao phay, đài phay, mũi khoan, mũi doa, dao vát mép sử dụng cho các phương pháp gia công khác nhau như tiện, phay, khoan, bào, chuốt… Chúng cũng được lắp đặt trên nhiều loại máy công cụ như máy tiện, máy phay, máy khoan, máy bào… nhằm đáp ứng cho những mục đích gia công khác nhau.

Bởi vậy chúng có rất nhiều hình dạng, kích thước khác biệt, nhưng về cơ bản thì các dụng cụ cắt gọt kim loại cần đáp ứng được những yếu tố sau: 

  • Độ cứng: dụng cụ cắt cần phải có độ cứng cao hơn độ cứng của phôi, phải đủ cứng để không bị biến dạng trong quá trình cắt gọt.
  • Độ bền cơ học: là khả năng không bị phá hủy khi phải chịu áp lực trong quá trình cắt.
  • Độ bền nhiệt: dao cắt cần phải giữ được độ cứng và độ bền cơ học khi phải chịu nhiệt sinh ra trong quá trình gia công.
  • Độ bền mài mòn: khả năng chống mài mòn trong quá trình cắt gọt.

Sản phẩm liên quan:

» Tất cả các công cụ gia công chính hãng tại Tinh Hà

» Mảnh dao tiện Sumitomo

» Mũi khoan Sumitomo

dao phay sumitomo

2. Thép dụng cụ

Còn được gọi là thép carbon chất lượng cao, có hàm lượng carbon cao, trước đây được dùng rất phổ biến trong các dụng cụ gia công cắt gọt. Có hai loại thép dụng cụ là thép carbon dụng cụ và thép hợp kim dụng cụ.

2.1 Thép carbon dụng cụ

Chứa 2 thành phần chính là sắt và carbon, còn các nguyên tố khác trong thép carbon dụng cụ là không đáng kể. Hàm lượng carbon trong thép càng cao thì càng làm tăng độ cứng, độ bền của công cụ nhưng lại khiến độ bền nhiệt bị kém đi. 

Để đạt được độ cứng, độ bền nhiệt và độ bền mài mòn cần thiết cho các công cụ cắt gọt thì lượng C trong thép carbon dụng cụ không được thấp hơn 0,7% (thường từ 0,7 – 1,3%) và lượng P, S thấp (P< 0,035%, S < 0,025%).

Thép carbon dụng cụ có ưu điểm là độ cứng, độ bền mài mòn khá cao nhưng hạn chế là độ bền nhiệt thấp, khi đến nhiệt độ 200 – 250oC thì đô cứng của công cụ cắt sẽ bị giảm xuống rất nhanh.

Cũng chính vì thế, ngày nay thép carbon dụng cụ không còn được sử dụng nhiều để chế tạo các công cụ cắt gọt mà chủ yếu chỉ dùng cho các dụng cụ cắt có vận tốc thấp (tối đa 10 – 12 m/phút) như dao bào, xọc, dụng cụ cắt gỗ hay các dụng cụ gia công bằng tay như lưỡi cưa tay, mũi khoan, giũa…

gia công cơ khí

2.2 Thép hợp kim dụng cụ

Là thép carbon được pha trộn thêm với các nguyên tố kim loại khác như vonfram, crom, vanadi, silic, mangan, niken… với tổng lượng nguyên tố thêm vào khoảng từ 1% đến 5% tổng khối lượng hổn hợp. Điều này giúp tăng độ bền nhiệt cho dụng cụ cắt gọt, khắc phục được hạn chế của thép carbon dụng cụ.

Tùy theo các loại nguyên tố được thêm vào và tỷ lệ của chúng mà thép hợp kim dụng cụ sẽ thay đổi về độ cứng, độ đàn hồi, độ bền cơ học, độ bền nhiệt, khả năng chống oxy hóa. Các loại thép hợp kim dụng cụ thường gặp là thép crom, thép crom-mangan-silic, thép vonfram, thép crom-niken.

Tuy rằng loại thép này đã cải thiện được khả năng chống nhiệt độ cao cho các công cụ cắt gọt nhưng do sự phát triển của các loại vật liệu mới thì hiện tại thép hợp kim dụng cụ cũng chỉ được dùng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt có tốc độ cắt thấp.

3. Thép gió

Thép gió là loại thép có hàm lượng cao carbon và các nguyên tố kim loại vonfram (W), molipden (Mo),  crom (Cr) và vanadi (V). Nó có độ cứng, độ bền mòn và độ bền nhiệt cao, điều này cho phép những dụng cụ cắt gọt làm việc ở tốc độ cao mà không làm giảm độ cứng của dụng cụ. Cũng vì thế mà thép gió được gọi là “thép cắt nhanh” ở nhiều quốc gia (ví dụ trong tiếng Anh là high speed steel).

khoan thép gió

Các công cụ cắt gọt được làm từ thép gió có khả năng chịu nhiệt lên tới 500 – 600 oC, với tốc độ cắt lên đến 50 – 60 m/phút.

Đối với các dụng cụ cắt gọt vật liệu thông dụng thì thường được chế tạo từ những mác thép gió P6M5 ( 6% vonfram, 5% molipden), P6M3 ( 6% vonfram, 3% molipden), P12 (12% vonfram). Đối với các dụng cụ cắt gọt dùng cho thép không gỉ và thép hợp kim có độ cứng và độ dẻo cao (trong điều kiện cắt gọt có va đập) thì thường dùng những mác thép gió P18KM2, P10K5M3, P9K5, P6M5K5, P12M2K8M3, P9M4K8, . . .

4. Hợp kim cứng

Đây là loại vật liệu chế tạo dụng cụ cắt gọt có tính cứng nóng rất cao, có thể chịu được nhiệt độ hơn 800 oC và có thể đạt tốc độ cắt lên đến hàng trăm m/phút. Hợp kim cứng được cấu thành từ hợp chất của carbon và các kim loại như vonfram, titan, tantan, và chất kết dính là coban. Có hai loại hợp kim cứng được dùng phổ biến là:

  • Hợp kim Vonfram –Coban (thường được ký hiệu là BK*): nhóm này được dùng chế tạo các công cụ cắt gọt gia công các vật liệu giòn như gang, đồng thau, thép tôi, chất dẻo. Tốc độ cắt có thể đạt 200 m/phút.
  • Hợp kim Titan – Vonfram – Coban (thường được ký hiệu là T* K*): nhóm này dùng cho các công cụ cắt gia công các vật liệu dẻo như thép, đồng đỏ. Tốc độ cắt có thể đạt 350 m/phút.

Hiện nay, người ta cũng sử dụng loại hợp kim ba cacbit ( Cacbit Volfram, Cacbit Titan và Cacbit Tantan – ký hiệu là TTK) để chế tạo các dụng cụ cắt gọt, loại này có độ bền cao hơn lợi TK 1,5-2 lần. 

Hợp kim cứng được dùng phổ biến để chế tạo các mảnh chip tiện/phay theo những tiêu chuẩn hình dạng, kích thước khác nhau. Để tăng độ bền của mảnh chip, chúng sẽ được mạ lên trên bề mặt một lớp mỏng lớp phủ đặc trưng của mỗi hãng sản xuất. Tốc độ cắt lúc này có thể đạt đến 800 m/phút hoặc hơn.

Chip tiện Sumitomo
Chip tiện Sumitomo

Mặc dù hiệu quả của hợp kim cứng thể hiện hơn hẳn thép gió nhưng hợp kim cứng vẫn có những hạn chế sau:

  • Không tạo hình phức tạp được vì chỉ tạo được các mảnh nhỏ đơn giản (bằng cách ép bột), đồng thời cũng không thể gia công định hình được vì quá cứng. Bởi vậy nên hợp kim cứng thường chỉ dùng làm những loại dao cắt đơn giản một lưỡi cắt.
  • Tính giòn tương đối cao, dễ gãy, vỡ, mẻ dưới tải trọng va đập. Hiện tại nhược điểm này được khắc phục bằng các lớp phủ giúp tăng độ bền cơ học cho dụng cụ cắt.
  • Tính dẫn nhiệt kém ~ 50% của thép.

5. Các vật liệu khác

5.1 Hợp kim khoáng gốm (hợp kim Ceramic)

Loại hợp kim này được chế tạo từ oxid nhôm (Al2O3) – Corundum bằng cách nghiền nhỏ rồi ép và thiêu kết. Được sử dụng chủ yếu để chế tạo thành các mảnh cắt giống như hợp kim cứng. Hợp kim khoáng gốm có ưu điểm là độ bền nhiệt và độ chống mòn cao hơn hợp kim cứng, nhưng lại có độ giòn cao và độ bền cơ học thấp hơn hợp kim cứng.

5.2 Vật liệu siêu cứng (CTM)

Là loại vật liệu đa tinh thể được tạo thành từ Nitrit Bo. Nó có độ bền nhiệt cao hơn so với hợp kim cứng và hợp kim khoáng gốm. Thường được dùng để mạ các mảnh dao hợp kim cứng hay để chế tạo dụng cụ hạt mài để mài dao cắt. Vật liệu siêu cứng (CTM) phù hợp cho gia công thép, gang, hợp kim khó gia công.

5.3 Kim cương nhân tạo

Mũi phay Sumitomo phủ kim cương nhân tạo
Mũi phay Sumitomo phủ kim cương nhân tạo

Kim cương nhân tạo có thể được chế tạo ở dạng bột hoặc dạng tinh thể, chúng có các tính chất vật lý tương tự như kim cương tinh khiết trong tự nhiên. Có hai phương pháp tạo kim cương nhân tạo chính là phương pháp cao áp cao nhiệt HPHT (sử dụng nhiệt độ và áp suất cực cao nhằm tái tạo môi trường giống như môi trường tạo kim cương trong lòng đất), và phương pháp bốc hơi lắng tụ hóa học CVD (sử dụng sự bốc hơi hóa học của hợp chất khí Carbon dưới tác động của tia nhiệt plasma tạo ra sự phân chia phân tử khí cho đến khi chỉ còn lại nguyên tử carbon lắng tụ và phát triển trên mầm kim cương sẵn có).

Được ứng dụng ngày càng nhiều hơn trong các dụng cụ cắt gọt, chẳng hạn như mũi mài kim cương, đá cắt kim cương, dao cắt kim cương, mảnh dao tiện ngoài mũi kim cương,… kim cương nhân tạo có ưu điểm là góc cắt đẹp, cải thiện bề mặt gia công, cũng như giá thành tương đối hợp lý. Chúng cũng được dùng làm lớp phủ trên các công cụ cắt gọt như chip tiện, mũi khoan, doa… Các dao kim cương nhân tạo chủ yếu dùng trong gia công tinh kim loại màu, hợp kim và vật liệu phi kim loại.