Độ cứng trong gia công kim loại

Biên dịch và tổng hợp: Thanh Sơn

Các nội dung của bài viết:

·         Độ cứng là gì?

·         Đơn vị Độ Cứng

·         Độ Cứng trong gia công

·         Bảng Chuyển Đổi giữa các độ cứng

Độ Cứng Là Gì?

Độ cứng đo khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ do lực hoặc mài mòn gây ra. Các vật liệu có độ cứng cao nói chung sẽ bền hơn và chống mài mòn hơn nhưng mặt khác lại giòn hơn và dễ gãy hơn. Trong bài đăng này, chúng tôi sẽ đề cập đến nó từ góc độ gia công.

Độ cứng được định nghĩa là khả năng chống lõm (thụt, lún) và được xác định bằng cách đo chiều sâu cố định của vết lõm (thụt, lún). Nói một cách đơn giản hơn khi sử dụng một lực cố định (load), và một đầu vào vật liệu đã cho, vết lõm càng nhỏ vật liệu càng cứng. Giá trị độ cứng của vết lõm thu được bằng cách đo độ sâu hoặc diện tích của vết lõm và được sử dụng một trong 12 phương pháp thử khác nhau.

Đơn Vị Độ Cứng

Độ cứng được đo bằng một số phương pháp và đơn vị. Các đơn vị tiêu chuẩn được sử dụng trong lĩnh vực gia công là:

Rockwell [HRC/HRB/ HRA]

Độ cứng Rockwell (HR) được tính toán bằng cách đo chiều sâu của vết lõm, sau khi mũi đo tác động vào vật liệu mẫu ở một tải nhất định. Mũi đo đầu vào là một viên kim cương hình nón, hoặc đầu bi Carbide, tùy thuộc vào cấu trúc kim loại và điều kiện bề mặt.

Phương pháp Rockwell theo tiêu chuẩn EN ISO 6508: Đầu tiên, một lực thử nghiệm sơ bộ (thường được gọi là tải trước hoặc tải phụ preload). Quá trình tải trước này xuyên qua bề mặt kim loại để giảm tác động của lớp vỏ bề mặt. Sau khi giữ lực thử sơ bộ cho một khoảng thời gian dừng xác định, độ sâu đường cơ sở của vết lõm được đo.

Sau khi tác dụng tải sơ bộ, một tải bổ sung, gọi là tải trọng lớn, được thêm vào để đạt được tổng tải thử nghiệm yêu cầu. Lực này được giữ trong một khoảng thời gian xác định trước (thời gian dừng) để cho phép hồi phục đàn hồi. Tải trọng chính này sau đó được quay trở về tải sơ bộ. Sau khi giữ lực thử sơ bộ trong một khoảng thời gian dừng xác định, độ sâu cuối cùng của vết lõm được đo.

Minh họa phương pháp thử Rockwell

A = Độ sâu đạt được bởi đầu đo sau khi tải trọng đặt trước (tải nhỏ)

B = Vị trí của đầu đo tại thời điểm Tổng tải (Tải nhỏ cộng với Tải chính)

C = Vị trí cuối cùng đạt được bởi đầu đo sau khi vết lõm thu hồi lại do lực đàn hồi của vật liệu mẫu

D = Chiều sâu đo được đại diện cho sự khác biệt giữa tải trước và vị trí tải chính, được sử dụng để tính độ cứng Rockwell.

Độ cứng Rockwell được tính theo công thức sau:

Độ cứng Rockwell, HRC = [0,2 – độ sâu D của vết lõm (mm)] x 500

 Độ cứng Rockwell được xác định theo một đại lượng quy ước, không có thứ nguyên, phụ thuộc vào chiều sâu vết lõm. Chiều sâu càng lớn thì độ cứng càng nhỏ và ngược lại.
Tùy theo lực tác dụng mà người ta phân độ cứng Rockwell ra 3 thang A, B, C tương ứng. Có nhiều thang đo độ cứng Rockwell, kí hiệu là HRA, HRB, HRC, tùy thuộc vào loại và kích thước đầu đo cũng như giá trị lực tác dụng được sử dụng.

Tải thử nghiệm sơ bộ (tải trước) dao động từ 3 kgf (được sử dụng đo độ cứng Rockwell trên bề mặt) đến 10 kgf (được sử dụng đo độ cứng Rockwell thông thường). Lực thử nghiệm dao động từ 15kgf đến 150 kgf đo độ cứng Rockwell thường xuyên) đến 500 đến 3000 kgf đo độ cứng lớn.

Trong gia công, phổ biến nhất là thang C (HRC). Kim loại gia công thường nằm trong khoảng 10-65 HRC.

Phương pháp đo Độ cứng Rockwell được phát triển để ít "phá hoại" hơn và rẻ hơn kiểm tra Brinell.

Thử nghiệm Rockwell được mô tả trong tiêu chuẩn ASTM E18-20 (Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại).

Brinell [HB]

Độ cứng Brinell được xác định bằng cách nhấn một bi thép cứng hoặc cacbit có đường kính D xác định dưới một tải trọng F cho trước, trong khoảng thời gian nhất định, bi thép sẽ lún sâu vào mẫu thử (Mũi thử trong phương pháp đo này là bi thép có đường kính 10 mm với lực ấn 3000 kg ấn lõm vào bề mặt kim loại. Đối với các kim loại mềm, lực ấn sẽ được giảm xuống 500 kg, và đối với các kim loại rất cứng, sẽ sử dụng đến bi thử Carbide Tungsten để giảm thiểu biến dạng đầu thử).

Phương pháp thử độ cứng này tạo ra vết lõm rộng nhất và sâu nhất trong số 3 phương pháp thử được đề cập trong bài viết này, cho phép thử nghiệm được tiến hành trên diện tích bề mặt lớn hơn của mẫu thử. Điều này cung cấp phép thử độ cứng trung bình trên diện tích bề mặt rộng hơn của vật liệu, có lợi thế là tính đến các bất thường về bề mặt và thớ trên kim loại. Tuy nhiên, thử nghiệm độ cứng Brinell chậm hơn so với các phương pháp thử nghiệm khác và để lại vết lõm lớn trên mẫu thử nghiệm .

Các giá trị độ cứng phổ biến đối với vật liệu gia công nằm trong khoảng từ 100 HB đối với vật liệu rất mềm đến 650 HB đối với thép đã qua xử lý nhiệt.

Ưu điểm của Brinell [HB] so với Rockwell [HRC/HRB] là toàn bộ phạm vi được bao phủ trên thang đo, trong khi ở thang đo Rockwell C khi độ cứng dưới 180 HB, bạn phải chuyển sang Rockwell B.

 Trong phương pháp này, trị số độ cứng gọi là HB được xác định bằng áp lực trung bình, biểu thị bằng Newton trên 1 mm² diện tích mặt cầu do vết lõm để lại, độ cứng Brinell được tính theo công thức:

Độ cứng Brinell, HB = Lực thử tác dụng tính bằng lực kilogam (kgf) ÷ Diện tích bề mặt của vết lõm (mm 2 )

Trong đó:

HB = số độ cứng Brinell

F = tải trọng được tính bằng kgf

 D = đường kính của đầu đo hình cầu tính bằng mm

d = đường kính trung bình của hai đường chéo vuông góc d1 và d2 của vết lõm trên vật liệu tính bằng mm.

Vickers [HV] 

Độ cứng Vickers [HV] là một đơn vị phổ biến để đo độ cứng của các loại cacbua (carbide) và các vật liệu cắt cứng khác như Gốm sứ, CBN và PCD. Phương pháp kiểm tra độ cứng Vickers là phương pháp đo độ cứng tế vi, chủ yếu đo chi tiết nhỏ và mỏng với độ sâu vết lõm nhỏ.

Thử nghiệm được thực hiện bằng cách đo diện tích bề mặt của vết lõm được tạo ra bởi một viên kim cương có hình kim tự tháp vuông. Số HV bằng lực chia cho diện tích (F/S).

Thử nghiệm độ cứng Vickers (HV) theo tiêu chuẩn EN ISO 6507.

Phương pháp Vickers dựa trên một hệ thống đo quang học. Phương pháp kiểm tra độ cứng tế vi bằng cách sử dụng một đầu kim cương hình chóp 4 cạnh (có góc ở giữa 2 mặt chop đối diện nhau là 136o) để tạo ra một vết lõm.

Hình dạng đầu đo độ cứng Vickers

Cách tính giá trị độ cứng vật liệu dựa vào vết lõm trên bề mặt vật liệu:

Độ cứng Vickers được tính bằng F/S, tức lực F chia cho diện tích bề mặt vết lõm S. Diện tích bề mặt vết lõm S được tính theo chiều dài trung bình 2 đường chéo d1 và d2 của vết lõm S.

Giá trị độ cứng Vickers được tính theo công thức sau:

Trong đó:

HV  : độ cứng Vickers

F     : lực được sử dụng để kiểm tra (N)

S     : diện tích bề mặt vết lõm (mm2)

d     : chiều dài trung bình 2 đường chéo của vết lõm (mm)

Độ cứng Vickers tính bằng F/S. Lấy lực thử F chia cho diện tích bề mặt lõm S. Bề mặt lõm S được tính theo độ dài trung bình hai đường chéo d. Bề mặt lõm được tạo thành khi tác dụng một lực vào mẫu thử với mũi đột kim cương, hình chóp.

Các loại carbide thường nằm trong khoảng 1.300-1.900 HV. Gốm sứ có thể đạt độ cứng 2.000 HV, CBN lên đến 3.000 HV và PCD lên đến 6.000 HV.

Ghi chú: 

Vật liệu siêu cứng CBN (Cubic Boron Nitride). CBN là viết tắt của Cubic Boron Nitride, là một loại vật liệu tổng hợp được sử dụng trong các ứng dụng cắt gọt kim loại. CBN có độ cứng cao hơn rất nhiều so với các vật liệu khác như thép và carbide, và có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống mài mòn tốt. Vật liệu này được sản xuất bằng cách tạo ra một phản ứng giữa bột boron và nitơ ở nhiệt độ và áp suất cao. CBN được sử dụng trong các ứng dụng cắt gọt kim loại như khoan, phay và mài, và là một vật liệu quan trọng trong ngành sản xuất máy móc và công nghiệp sản xuất.

PCD là viết tắt của “Poly Crystalline Diamond”, vật liệu cắt cứng nhất hiện có. PCD là một loại kim cương tổng hợp được sản xuất bằng cách thiêu kết các hạt kim cương đã chọn với ma trận kim loại ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Kết quả là vật liệu chứa 90-95% kim cương đạt độ cứng gần 6000 HV. Ngoài ra, một lượng nhỏ chất kết dính mang lại cho vật liệu độ dẻo dai bổ sung khiến nó trở thành vật liệu cắt hiệu quả.

Ưu điểm đo độ cứng bằng phương pháp Vickers:

+ Đo độ cứng các chi tiết nhỏ, chính xác.

+ Chỉ dùng 1 đầu đo duy nhất để đo độ cứng cho tất cả các loại vật liệu, không cần thay thế đầu đo.

+ Đo vật liệu tấm mỏng.

+ Đo bề mặt vật liệu mạ phủ.

Nhược điểm:

+ Thời gian chuẩn bị mẫu và đo lâu, mẫu đo cần phải được mài phẳng trước khi đo.

+ Giá thành máy đo độ cứng Vicker cao.

+ Có thể cần trang bị thêm máy cắt mẫu và mài mẫu.

Độ Cứng Trong Gia Công

Độ cứng là một trong những thông số quan trọng nhất trong bất kỳ quá trình gia công nào, vì nó ảnh hưởng đến Tốc độ loại bỏ vật liệu, mức tiêu thụ điện năng của máy và tuổi thọ của dụng cụ. Đây là thông số chính cần biết đối với cả vật liệu thô (phôi) và vật liệu dụng cụ cắt.

Vật liệu thô (phôi)

Mặc dù phản trực giác, nhưng không lý tưởng để gia công 1 vật liệu rất mềm. Không thể tách phoi mà độ cứng ở dưới một giá trị nhất định và vật liệu thô có xu hướng dính vào lưỡi cắt, gây ra BUE (buil up edge hình thành cạnh). 

Ghi chú: Thuật ngữ "BUE" viết tắt cho "built-up edge", là hiện tượng khi các hạt kim loại tích tụ và bám vào lưỡi dao trong quá trình gia công, gây ra sự cố về chất lượng sản phẩm và độ bền của dao. Đây là một vấn đề thường gặp trong gia công kim loại và cần được giải quyết bằng cách sử dụng các kỹ thuật chế tạo dao hiệu quả và sử dụng các chất bôi trơn phù hợp để giảm thiểu BUE.

Với 1 vật liệu có độ cứng nhất định, việc tăng độ cứng của nó sẽ làm tăng thêm độ mài mòn lưỡi dao và sẽ yêu cầu bạn phải chọn giảm tốc độ cắt hoặc giảm tuổi thọ dụng cụ. Với một ngưỡng độ cứng nhất định, sẽ không thể gia công vật liệu bằng mảnh dao carbide thông thường và mà bắt buộc phải dùng các vật liệu cao cấp hơn như Gốm sứ và CBN.

Ghi chú: CBN (boron nitrit) là một loại vật liệu siêu cứng, có khả năng chịu mài mòn và nhiệt độ cao, thường được sử dụng trong sản xuất dao cắt kim loại, đá mài và các công cụ cắt khác.

Phạm vi độ cứng của các Nhóm vật liệu

Nhóm vật liệu	HB	HRC
Thép (Ủ)	70-270	<28
Thép (Được tôi và ram)	270-350	29-38
Thép (Được tôi)	350-750	39-68
Thép không gỉ (Austenit)	70-180	<10
Gang	180-300	10-32
Nhôm	60-100	–
Siêu hợp kim chịu nhiệt (Inconel)	130-450	<46
titan	70-370	<40

Tungsten Carbide (cacbua vonfram)

Hầu hết các dụng cụ cắt được làm từ Tungsten Carbide. Thép có thể đạt độ cứng sau nhiệt luyện lên tới 1.000 [HV]. Các loại Tungsten Carbide nằm trong khoảng từ 1300 đến 2000 HV, và do đó phù hợp để cắt kim loại. Độ cứng cao đi đôi với độ dẻo dai và độ giòn thấp hơn. Chọn cấp độ quá cứng có thể gây ra hỏng hóc nghiêm trọng do gãy mảnh dao hoặc giảm tuổi thọ dụng cụ do lưỡi cắt bị sứt mẻ.

Độ cứng khuyên dùng của mảnh dao carbide cho mỗi ứng dụng.

Cấp Độ cứng	Độ cứng [ Hv]	Ứng dụng
Cứng (hard)	1700-1900	Tiện liên tục trong điều kiện ổn định
Cân bằng (balanced)	1500-1700	Tiện ở điều kiện kém thuận lợi hơn và Tạo rãnh
Bền (Tough)	1300-1500	Phay, cắt đứt hoặc Tiện với đường cắt gián đoạn

Bảng chuyển đổi giữa các độ cứng

BRINELL [HB]	ROCKWELL-C [HRC]	ROCKWELL-B [HRB]	VICKERS [HV]	ĐỘ BỀN [N/mm^2]
800	72
780	71
760	70
752	69
745	68
746	67
735	66
711	65
695	64
681	63
658	62
642	61
627	60
613	59
601	58		746
592	57		727
572	56		694
552	55		649
534	54	120	589
513	53	119	567
504	52	118	549
486	51	118	531
469	50	117	505
468	49	117	497
456	48	116	490	1569
445	47	115	474	1520
430	46	115	458	1471
419	45	114	448	1447
415	44	114	438	1422
402	43	114	424	1390
388	42	113	406	1363
375	41	112	393	1314
373	40	111	388	1265
360	39	111	376	1236
348	38	110	361	1187
341	37	109	351	1157
331	36	109	342	1118
322	35	108	332	1089
314	34	108	320	1049
308	33	107	311	1035
300	32	107	303	1020
290	31	106	292	990
277	30	105	285	971
271	29	104	277	941
264	28	103	271	892
262	27	103	262	880
255	26	102	258	870
250	25	101	255	853
245	24	100	252	838
240	23	100	247	824
233	22	99	241	794
229	21	98	235	775
223	20	97	227	755
216	19	96	222	716
212	18	95	218	706
208	17	95	210	696
203	16	94	201	680
199	15	93	199	667
191	14	92	197	657
190	13	92	186	648
186	12	91	184	637
183	11	90	183	617
180	10	89	180	608
175	9	88	178	685
170	7	87	175	559
167	6	86	172	555
166	5	86	168	549
163	4	85	162	539
160	3	84	160	535
156	2	83	158	530
154	1	82	152	515
149		81	149	500
147		80	147	490
143		79	146	482
141		78	144	481
139		77	142	480
137		76	140	475
135		75	137	467
131		74	134	461
127		72	129	451
121		70	127	431
116		68	124	422
114		67	121	412
111		66	118	402
107		64	115	382
105		62	112	378
103		61	108	373
95		56	104
90		52	95
81		41	85
76		37	80

 

--

Xin chào bạn! 

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa. 

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi. 

Nguyễn Thanh Sơn

Related Posts by Categories