Tìm hiểu về thép gió HSS trong đời sống và gia công trong cơ khí

Lịch sử thép gió

Thép Mushet được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1868 rất giống với thép HSS hiện đại. Công thức bao gồm 2% cacbon, 2,5% mangan, 7% vonfram, và phần còn lại là sắt.

Loại này có nhiệt độ nóng chảy rất cao và không cần phải tôi luyện cũng như làm cứng như các hợp kim khác vào thời điểm đó. Trong 30 năm tiếp theo, nó được sử dụng rộng rãi.

Năm 1900, một công ty thép của Hoa Kỳ bắt đầu thử nghiệm thép chất lượng cao như Mushet để sản xuất và lưu trữ chúng theo lô. Quá trình này đã tạo ra cuộc cách mạng công nghiệp và đặt nền móng cho sự phát triển tương lai của Hoa Kỳ.

Năm 1910, lô thép tốc độ cao đầu tiên được sản xuất bằng cách thay thế mangan cho crom trong công thức Mushet. Crom được coi là nguyên tố quan trọng nhất trong ngành công nghiệp thép không gỉ, và nó rẻ hơn vì dễ khai thác và có nhiều trong tự nhiên.

Các loại thép tốc độ cao sau này có thành phần chung là molypden và vonfram; có độ bền tốt. Nó rất tốt về độ cứng, tính linh hoạt, khả năng chịu nhiệt độ, chống oxy hóa, … Tuy nhiên, giá thành của molipden, vonfram cao và cung vượt cầu. Từ đó thép cấp 2 ra đời.

Thép HSS là gì?

Thép gió HSS hay thép tốc độ cao tên tiếng anh là High speed steel là loại thép có vận tốc cao, độ cứng lớn, độ bền, chống oxy hóa tốt và năng lực chịu nhiệt cao. Khi thao tác ở vận tốc cao, thép gió sẽ sản sinh ra lực ma sát và nhiệt lượng rất lớn .

Thép HSS ngày nay được định nghĩa là thép có thành phần theo công thức: Fe–C–X

• Fe: sắt được xem là giá trị hơn vàng bởi nó có giá rẻ, tồn tại nhiều trong vỏ trái đất. Trong tất cả các loại thép, hợp kim từ cao cấp đến thấp cấp đều có thành phần chủ yếu là FE (>70%). Các thành phần khác có tác dụng bù đắp các điểm yếu vốn có của Fe
• C: trên 0.60% carbon
• X chiếm 7% trong đó là crom, molypden, tungsten, vanadium… Tùy vào tính chất mong muốn mà sử dụng nguyên tố phù hợp crom(cứng, không gỉ), vanadium (dẻo), tungsten(chịu nhiệt 3422 °C), molypden (dẻo + chịu nhiệt 2896°C)… Ngoài ra còn có thể dùng titan nhưng giá thành rất cao.

Thành phần hóa học của thép gió

• Cacbon: Lượng cacbon trong thép gió chiếm khoảng 0,7-1,5%. Tỷ lệ này đảm bảo được rằng cacbon sẽ hòa tan tốt vào mactenxit để tạo thành cacbit.
• Wolfram, Mô lip đen: chiếm tỉ lệ khá cao, trên 10%.
• Crom: Tỷ lệ của crom nằm trong khoảng 3,8 – 4,4%. Thành phần này có vai trò làm tăng độ thấm tôi. Chúng ta có thể thấy tổng lượng Cr+W+Mo tương đối cao (trên 15%). Điều này giúp thép gió có khả năng tự tôi thâu với tiết diện bất kỳ và có thể được áp dụng tôi phân cấp.
• Vanadi: Thép gió đều sẽ có ít nhất 1% là Vanadi, có thể có hơn 2% để tăng tính chống mài mòn nhưng sẽ không được thêm quá 5% vì điều này sẽ khiến tính mài của thép gió bị mòn. Vanadi cũng tạo thành được các bít rất mạnh.
• Coban: Nguyên tố này thì không có khả năng tạo thành bít. Coban chỉ có thể hòa tan vào sắt với dạng dung dịch rắn. Hàm lượng của coban sẽ không lớn hơn 5% và giúp làm tăng rõ rệt tính cứng nóng của thép gió.

Lớp phủ bên ngoài

• Lớp phủ Titanium: giúp tăng độ chịu nhiệt cho vật liệu, được sử dụng phổ biến nhất, làm tăng tuổi thọ vật liệu lên đến 300%-400% so với loại không phủ.
• Lớp phủ Carbon Nitride: làm tăng độ cứng cho vật liệu ở cường độ cao, độ dẻo tốt và hệ số ma sát rất thấp, phù hợp cho việc chế tạo mũi khoan, khoan thép có độ cứng cao.
• Lớp phủ Nhôm Titan Nitride: có khả năng chống oxi hoá rất tốt, giảm nhiệt cho vật liệu, thích hợp cho khoan các loại vật liệu mà không cần làm mát.
• Lớp phủ Nhôm Nitride: giống như lớp phủ Nhôm Titan giúp vật liệu có khả năng kháng oxi hoá, chịu nhiệt tốt.
• Lớp phủ Tecrona: lớp phủ cao cấp nhất với hệ số ma sát thấp, giúp tăng tuổi thọ cho những vật liệu có cường độ làm việc trong môi trường cao.

Đặc tính thép gió HSS

Thép gió HSS có tốc độ cắt lên đến 35 – 80m/min với 3 – 7 lần. Tính chống mài mòn và tuổi bền cao với 8 – 10 lần. Bên cạnh đó, độ thẩm tôi đặc biệt cao (tôi thấu với tiết diện bất kỳ).

Ứng dụng của thép gió trong đời sống

• Sử dụng để sản xuất mũi khoan thép gió, mũi khoan gỗ vì kim loại tổng hợp này có năng lực chịu được vận tốc vòng xoay lớn, đồng thời giữ mép của mũi khoan lâu hơn so với những phiên bản thép carbon khác .
• Dùng để sản xuất những dụng cụ cắt gọt như : lưỡi cưa, ta rô, phay, dao cắt, máy bào, mũi định tuyến và một số ít công cụ khác như : dũa, đục, kéo, dao, … vì nó làm tăng độ cứng, độ dẻo dai, sắc nhọn cho công cụ. Theo phân loại của thép dụng cụ, thép HSS được xếp vào loại thép làm dao có hiệu suất cao.

Quy trình nhiệt luyện thép gió 

• Bước đầu tiên là nung phân cấp ở hai mức nhiệt độ lần lượt là 4.500 độ C và 8.500 độ C với thời gian là khoảng 1,4 phút/mm độ dày. Trong quá trình này, khí bảo vệ, bể muối hoặc chân không có thể được sử dụng để đảm bảo việc cấp thoát cacbon và  môi trường chống oxy hóa.
• Tiếp tục nung và tôi phân cấp ở hai mức nhiệt độ lần lượt là 1.260 độ C và 12.800 độ C với thời gian là khoảng 1 phút/mm độ dày. Bước này có vai trò là làm bão hòa Austenite với Crom.
• Sau khi kết thúc quá trình nung, những dụng cụ nhỏ được làm nguội trong không khí còn các dụng cụ lớn thì được đặt trong dầu để làm nguội. Bước làm nguội cần thực hiện đúng quy trình để hạn chế thấp nhất khả năng thép bị biến dạng. Tiếp đến tất cả dụng cụ sẽ tiếp tục được tôi phân cấp trong mức nhiệt từ 500 – 5.500 độ C.
• Lúc này thì hàm lượng Cacbit và Mactenxit sơ cấp trong thép gió vẫn còn chứa tới 405 Austenite nên độ cứng của thép vẫn chưa đạt được mức tối đa. Vậy nên, thép sẽ tiếp tục được gia công lạnh (ram) trong nhiệt độ từ 550 – 5.700 độ C để chuyển hóa Austenite thành Mactenxit.

Các loại thép HSS

Tổng cộng có 24 loại thép HSS được công nhận. Trong đó 7 loại có thành phần chính tungsten(vonfram) ký hiệu T1-T15. 17 loại có thành phần chính là molypden ký hiệu M2-M48.

Thép có thành phần tungsten và molypden ~ 10% được cho là có độ bền lớn nhất. Cả về độ cứng, dẻo, chịu nhiệt được dùng khi cần cắt kim loại.

Các loại thép HSS phổ biến

Ngoài ra thành phần chính là Fe, các thành phần khác với tỷ lệ nhỏ là Cobalt, Mangan, Silic… Các công ty đều có công thức tạo thành HSS của riêng mình, ít khi nào giống nhau và không được công bố.

Thép gió có bị gỉ không? Cách bảo quản

Hiện tượng gỉ, ăn mòn là quá trình oxy hóa phổ biến thường gặp ở kim loại. Mặc dù có khả năng chống oxy hóa tốt nhưng các công cụ, dụng cụ và vật liệu được làm từ thép gió HSS vẫn có thể xuất hiện tình trạng hoen gỉ nếu không được bảo quản kỹ.

Để bảo quản tốt thiết bị, dụng cụ, vật liệu thép gió khỏi quá trình oxy hóa, thì công đoạn bảo quản cần phải lưu ý những vấn đề sau:

Cách bảo quản vật liệu thép gió

• Kho bảo quản thép phải khô ráo, thoáng, không bị dột, ẩm ướt hay hắt mưa,…
• Phân loại và xếp thép trong kho thành từng loại
• Các thanh thép gió HSS phải được bó thành từng bó riêng xếp trên các kệ đỡ
• Thép tấm phải được bảo quản kỹ để tránh các tác động vật lý, hóa học của môi trường.

Lưu ý khi bảo quản vật liệu thép gió

Cách bảo quản máy móc (máy khoan từ, khoan bàn, máy đột thủy lực,…) làm từ thép HSS

• Sử dụng các lớp sơn chống gỉ để cách ly bề mặt thiết bị với môi trường
• Sử dụng các chất cản (dầu bảo dưỡng, dầu natri,…)
• Dùng các lớp sơn phủ kim loại (thủy tinh, men, chất dẻo)
• Dùng lớp phủ kim loại (mạ kẽm) ngay từ khi sản xuất
• Thường xuyên thoa dầu bôi trơn khi sử dụng và lau chùi kỹ máy móc khi không dùng tới

Bảo quản dụng cụ làm từ thép gió HSS

Đối với mũi khoan thép gió, do trong quá trình khoan cắt, người dùng thường sử dụng nước làm mát để giảm nhiệt cho mũi khoan nên khi không sử dụng, người dùng cần lau chùi cẩn thận và dùng thêm dầu bảo dưỡng (có hàm lượng nhớt nhỏ) để tránh tình trạng gỉ sét.

Ngoài ra, bạn cần hạn chế bảo quản mũi khoan ở những nơi ẩm ướt hay cho tiếp xúc nhiều với nước. Bạn cũng có thể sử dụng các lớp phủ kim loại (chất dẻo) để bảo quản tốt hơn.

Trong trường hợp mũi khoan bị cùn thì cần phải thay mới ngay để tránh làm ảnh hưởng đến vật liệu, máy móc.