Hợp kim cứng là một loại vật liệu kỹ thuật tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy và gia công vật liệu. Với độ cứng và độ bền nhiệt vượt trội, hợp kim cứng đã cách mạng hóa ngành gia công, cho phép cắt gọt các vật liệu khó như thép hợp kim, gang và vật liệu phi kim loại cứng. Bài viết này sẽ đi sâu vào khái niệm, thành phần, phân loại và những đặc tính nổi bật của hợp kim cứng.
 

1. Khái niệm và thành phần của hợp kim cứng

• Định nghĩa:
  • Hợp kim cứng là vật liệu composite được tạo thành từ các hạt cacbit (WC, TiC, TaC) liên kết với nhau bằng chất kết dính coban (Co).
  • Quá trình chế tạo hợp kim cứng được thực hiện bằng phương pháp luyện kim bột, bao gồm các bước: trộn bột, ép tạo hình, thiêu kết và gia công hoàn thiện.
• Thành phần:
  • Cacbit vonfram (WC):
    • Chiếm tỷ lệ lớn trong hợp kim cứng, quyết định độ cứng và độ bền nhiệt.
    • Các hạt WC có kích thước nano, tăng cường độ bền và độ dai.
  • Cacbit titan (TiC) và cacbit tantan (TaC):
    • Cải thiện khả năng chống mài mòn và độ bền nhiệt.
    • TiC đặc biệt hiệu quả trong gia công thép.
  • Coban (Co):
    • Chất kết dính, liên kết các hạt cacbit lại với nhau.
    • Hàm lượng coban ảnh hưởng đến độ dai và độ bền uốn của hợp kim cứng.

2. Đặc tính nổi bật của hợp kim cứng

• Độ cứng cực cao:
  • Đạt độ cứng từ 85 đến 92 HRC, vượt trội so với các loại vật liệu cắt gọt truyền thống.
  • Cho phép gia công các vật liệu có độ cứng cao như thép tôi, gang trắng và vật liệu composite.
• Độ bền nhiệt cao:
  • Giữ được độ cứng và độ bền ở nhiệt độ cao (800-1000°C).
  • Cho phép gia công ở tốc độ cắt cao, tăng năng suất.
• Khả năng chống mài mòn tuyệt vời:
  • Tuổi thọ dụng cụ cao, giảm chi phí thay thế và bảo trì.
  • Thích hợp cho gia công các vật liệu mài mòn như gang xám và vật liệu composite.
• Độ bền nén cao:
  • Chịu được tải trọng lớn trong quá trình gia công.
  • Cho phép gia công các chi tiết có kích thước lớn và hình dạng phức tạp.
• Khả năng chống biến dạng dẻo tốt:
  • Duy trì hình dạng và kích thước dụng cụ trong quá trình gia công.
  • Đảm bảo độ chính xác gia công cao.

3. Phân loại hợp kim cứng

• Theo thành phần cacbit:
  • Hợp kim cứng vonfram (WC-Co):
    • Chỉ chứa cacbit vonfram và coban.
    • Ký hiệu: BK (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ).
    • Ví dụ: BK8 (92% WC, 8% Co).
  • Hợp kim cứng titan-vonfram (WC-TiC-Co):
    • Chứa cacbit vonfram, cacbit titan và coban.
    • Ký hiệu: TK (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ).
    • Ví dụ: T15K6 (79% WC, 15% TiC, 6% Co).
  • Hợp kim cứng titan-tantan-vonfram (WC-TiC-TaC-Co):
    • Chứa cacbit vonfram, cacbit titan, cacbit tantan và coban.
    • Ký hiệu: TTK (theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ).
    • Ít được sử dụng do khó chế tạo.
• Theo ứng dụng:
  • Hợp kim cứng cắt gọt:
    • Dùng cho dao tiện, dao phay, mũi khoan, dao doa.
  • Hợp kim cứng khuôn dập:
    • Dùng cho khuôn dập nguội, khuôn dập nóng, khuôn kéo dây.
  • Hợp kim cứng chịu mài mòn:
    • Dùng cho chi tiết máy chịu mài mòn, vòi phun cát, con lăn cán thép.

4. Ảnh hưởng của thành phần đến tính chất hợp kim cứng

• Hàm lượng coban (Co):
  • Tăng hàm lượng Co làm tăng độ dai và độ bền uốn, giảm độ cứng và độ bền nén.
  • Hàm lượng Co phù hợp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.
• Kích thước hạt cacbit:
  • Hạt cacbit nhỏ làm tăng độ cứng và độ bền, giảm độ dai.
  • Công nghệ nano cho phép tạo ra hạt cacbit siêu nhỏ, cải thiện tính chất hợp kim cứng.
• Thành phần cacbit:
  • TiC và TaC cải thiện khả năng chống mài mòn và độ bền nhiệt.
  • Tỷ lệ WC, TiC và TaC được điều chỉnh để đạt được tính chất tối ưu.

5. Công nghệ chế tạo hợp kim cứng

• Luyện kim bột:
  • Trộn bột cacbit và coban.
  • Ép tạo hình bằng khuôn ép thủy lực hoặc ép đẳng tĩnh.
  • Thiêu kết trong lò chân không hoặc lò khí bảo vệ.
  • Gia công hoàn thiện bằng mài hoặc cắt dây EDM.
• Công nghệ phủ PVD/CVD:
  • Phủ lớp phủ TiN, TiAlN, AlTiN lên bề mặt hợp kim cứng.
  • Tăng cường độ cứng, độ bền nhiệt và khả năng chống mài mòn.

6. Ứng dụng của hợp kim cứng

• Ngành chế tạo máy:
  • Dao tiện, dao phay, mũi khoan, dao doa, dao cắt ren.
  • Khuôn dập, khuôn ép, khuôn kéo dây.
  • Chi tiết máy chịu mài mòn, ổ bi, bạc lót.
• Ngành khai khoáng:
  • Mũi khoan đá, mũi khoan dầu khí, dao cắt than.
• Ngành xây dựng:
  • Dao cắt gạch, dao cắt bê tông, dao cắt đá.
• Ngành điện tử:
  • Khuôn dập linh kiện điện tử, dao cắt dây điện.

Kết luận

Hợp kim cứng là vật liệu không thể thiếu trong ngành công nghiệp hiện đại. Với những tính năng vượt trội, hợp kim cứng đã và đang đóng góp quan trọng vào sự phát triển của ngành chế tạo máy và gia công vật liệu.