Vật liệu là lĩnh vực khoa học đã được nghiên cứu từ sớm và đã đạt được những thành tựu to lớn. Xuất hiện từ năm yêu cầu cơ bản đã kê trên ta tiến hành lựa chọn và tìm kiếm các loại vật liệu phù hợp.
Theo lịch sử phát triển của các phương pháp gia công cắt gọt, ta lần lượt điểm qua các loại vật liệu chế tạo dao thông dụng sau đây:
Thép cacbon dụng cụ và phạm vi ứng dụng của chúng
Thép cacbon dụng cụ là loại vật liệu được sử dụng sớm nhất vào lĩnh vực cắt gọt. Thành phần hoá học cơ bản của thép cacbon dụng cụ l à Fe và C. Trong đó hàm lượng cacbon chiếm khoảng 0,6-1,5%, và hàm lượng cacbon quyết định độ cứng của thép.
Loại vật liệu này có ưu điểm lớn là độ cứng sau khi nhiệt luyện đạt cao (61 -65 HRC) và dễ mài sắc, mài bóng. Nhưng cũng có nhược điểm rất cơ bản là khi nhiệt độ cắt lên tới 200-250oC độ cứng của thép giảm rất nhanh; hơn nữa biến dạng sau khi nhiệt luyện rất đáng kể.
Vì những nhược điểm cơ bản đó thép cacbon dụng cụ chỉ d ùng để chế tạo các loại dao cắt ở tốc độ thấp (dưới 15m/ph) và dao có hình dáng đơn giản.
Hiện nay thép cacbon thường dùng làm đục, dũa và một số dụng cụ cắt bằng tay.
Thép cacbon dụng cụ thường dùng hiện nay gồm các dạng sau: Y7A, Y8A, Y9A, Y10A, Y12A, Y13A. Những loại này chế độ nhiệt luyện như sau:
– Tôi ở nhiệt độ 750-840oC trong nước hoặc trong dầu rồi ram ở nhiệt độ 180 -200oC
Độ cứng bề mặt đạt 60-65 HRC, độ cứng bên trong khoảng 40 HRC.
Thép hợp kim dụng cụ và phạm vi ứng dụng
Khi nấu luyện thép, nếu ta thêm vào mẻ nấu một lượng thích hợp các nguyên tố hợp kim như Crôm (Cr), Mangan (Mn), Silic (Si), Môlypden (Mo), Wo lfram (W)…, ta sẽ thu được sản phẩm của mẻ nấu là thép hợp kim. Những loại thép hợp kim d ùng để chế tạo dụng cụ cắt gọt là thép hợp kim dụng cụ.
Tuỳ thuộc vào loại nguyên tố hợp kim và hàm lượng của chúng được cho vào mẻ nấu mà tính chất hợp kim có khác nhau. Ví dụ: Crôm sẽ làm tăng độ cứng và độ thấm tôi của thép; Wolfram làm tăng khả năng chịu nhiệt và chịu mòn của thép; Vanadi làm tăng độ bền của thép.
So với thép cacbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ có những ưu điểm sau:
1. Độ biến dạng khi nhiệt luyện nhỏ. Vì vậy có thể chế tạo được các loại dao phức tạp như dao chuốt, bàn ren…
2. Độ bền nhiệt cao hơn thép cacbon dụng cụ, thường khoảng 350-4000oC. Do đó có thể cắt trong phạm vi tốc độ 15-30 m/ph.
3. Dễ mài sắc và mài bóng
Cũng như thép cacbon dụng cụ khả năng chịu nhiệt của thép hợp kim dụng cụ không đáp ứng được yêu cầu cắt gọt hiện đại (cắt cao tốc), do đó phạm vi sử dụng chúng cũng bị thu hẹp. Hiện nay các loại vật liệu này chủ yếu là dúng để chế tạo các loại dao cắt với tốc độ thấp như bàn ren, ta rô, dao chuốt… ở nước ta sử dụng các mác thép hợp kim dụng cụ (theo tiêu chuẩn Liên Xô) sau: 9XC, XB…, XB5, X12. Những mác thép trên khi tôi ở nhiệt độ 820-830oC, có thể đạt được độ cứng 62-64 HRC.
Thép gió (thép cao tốc) và phạm vi sử dụng:
Thực chất thép gió là thép hợp kim, nhưng có hàm lượng hợp kim cao, thường ~18% Wolfram, ~4% Crom và ~1% Vanadi. Nhờ vậy cho phép cắt với tốc độ cao hơn thép dụng cụ, thường 30-80m/ph.
Hợp kim cứng và phạm vi sử dụng:
Hợp kim cứng được chế tạo bằng cách trộn một (hoặc nhiều) loại bột carbit với bột Koban, sau đó đem nung nóng và ép lại thành những mảnh tiêu chuẩn (gọi là thiêu kết). Các loại và hàm lượng carbit quyết định tính năng cắt gọt của hợp kim cứng; bột Koban chủ yếu có tác dụng dính kết, đồng thời có tác dụng làm tăng độ dẻo của hợp kim cứng.
Cho đến nay, trong ngành chế tạo máy thường dùng ba loại hợp kim cứng sau:
– Hợp kim cứng 1 carbit gồm có bột carbit Wolfram và bột dính kết Koban.
– Hợp kim cứng 2 carbit gồm có bột carbit Wolfram, bột carbit Titan trộn với bột dính kết Koban để thiêu kết.
– Hợp kim cứng 3 carbit được tạo bằng cách trộn carbit Wolfram, bột carbit Titan và bột carbit Tantan với bột Koban đem thiêu kết.
Hợp kim cứng là loại vật liệu chế tạo dao được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới hiện nay. Vì chúng có nhiều ưu điểm cơ bản mà ba loại vật liệu trước nó không thể có. Những ưu điểm là:
1. Độ cứng cao (62 – 65 HRC hoặc cao hơn) và độ cứng đó không giảm mấy trong điều kiện cắt cao tốc.
2. Khả năng chịu bền cao, do đó tuổi bền cao.
Tuy vậy HKC cũng có nhược điểm lớn là dòn, khả năng chịu uốn và chịu va đập kém.
Các loại vật liệu khác:
Ngoài 4 loại vật liệu thông dụng đã kể trên, trong ngành chế tạo máy người ta còn dùng một số vật liệu khác để chế tạo dụng cụ cắt kim loại, như kim cương, sành sứ, elbor.
1. Vật liệu sành sứ:
Sành sứ được nghiên cứu vào chế tạo dụng cụ cắt từ sau đại chiến thế giới thứ II. Thành phần chủ yếu là oxyt Nhôm (Al2O3). Vật liệu sành sứ có những đặc điểm có bản sau:
1. Có độ cứng rất cao. ở nhiệt độ bình thường khoảng 90 HRA. Độ cứng ấy hầu như không thay đổi khi nhiệt độ lên tới 1000oC.
2. Độ bền uốn rất nhỏ (30 – 40 kg/mm2).
3. Rất khó mài sắc.
Vì những đặc điểm trên, vật liệu sành sứ sẽ có triển vọng rất tốt nếu ta cải tạo được tính dòn của chúng.
2. Kim cương:
Kim cương được hình thành trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Vì vậy chúng có cấu tạo tinh thể đặc biệt, có độ cứng rất cao.
Bên cạnh kim cương tự nhiên, hiện nay người ta cũng dã tạo được kim cương nhân tạo có tinh thể đủ lớn để làm các mảnh dao.
Cũng như sành sứ, kim cương rất dòn (30 kg/mm2). Vì nhược điểm này nên kim cương chủ yếu được dùng làm hạt mài để mài các loại vật liệu có độ cứng và độ bền cao (như hợp kim cứng).
Cần lưu ý rằng: Kim cương là loại vật liệu hiếm, đắt tiền do vậy khi sử dụng chúng phải chú ý đến hiệu quả kinh tế.
3. Vật liệu tổng hợp elbor
Đây là loại vật liệu dao mới chủ yếu là làm hạt mài có tính chất như kim cương.
