Chương 6
THÉP HỢP KIM
6.1 Tổng quan.
Thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý cho vào thép các nguyên tố có lợi với
một hàm lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho phù hợp với
yêu cầu sử dụng. Các nguyên tố đặc biệt đó được gọi là các nguyên tố hợp kim. Các
nguyên tố hợp kim thường gặp trong thép là crôm, vônfram, titan, molipđen, vanadi,
mangan, silíc , nikel, bo, đồng….
Lưu ý rằng khi hàm lượng của các nguyên tố này thấp hơn một giới hạn nhất định
nào đó chúng được coi là tạp chất. Ranh giới để phân biệt một nguyên tố là tạp chất hay
là nguyên tố hợp kim rất khác nhau theo từng loại nguyên tố. Thí dụ:
Mn: 0,8 ÷ 1,0 % Si: 0,5 ÷ 0,8 % Cr: 0,2 ÷ 0,8 %
Ni: 0,2 ÷ 0,6 % W: 0,1 ÷ 0,5 % Mo: 0,05 ÷ 0,2 %
Ti: 0,1 % Cu: 0,1 % B: 0,002 %
Thép hợp kim là loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa rất ít tạp chất có hại.
6.2 Đặc tính của thép hợp kim
Về cơ tính.
− Tính thấm tôi cao hơn thép cácbon.
− Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng độ cứng, độ bền nhưng thường
làm giảm độ dẻo, độ dai.
− Nhìn chung tính công nghệ thấp hơn thép các bon.
Về tính chịu nhiệt (tính cứng nóng và tính bền nóng).
Thép cácbon mặc dù có độ cứng cao sau khi tôi, nhưng độ cứng này không giữ được
khi làm việc ở nhiệt độ cao hơn 2000C do tổ chức máctenxít bị phân hủy và xementít kết
tụ.
Do các nguyên tố hợp kim cản trở khả năng khuyếch tán của cácbon, làm máctenxít
phân hóa và cácbit kết tụ ở nhiệt độ cao nên thép hợp kim có thể giữ được độ cứng cao
của trạng thái tôi và tính chống dão tới 6000C và tính chống ôxy hóa tới 800 – 1.0000C.
Về các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt:
91
− Không gỉ, chống ăn mòn trong axít, bazơ, muối.
− Từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính.
− Giản nở nhiệt đặc biệt….
6.3 Tác dụng của các nguyên tố hợp kim.
6.3.1 Sự hòa tan của các nguyên tố hợp kim vào sắt.
Phần lớn các nguyên tố hợp kim, điển hình thường gặp là Mn, Si, Cr, Ni hoà tan vào
sắt tạo thành dung dịch rắn.
Các nguyên tố hợp kim khi hòa tan vào thép làm tăng tính thấm tôi của thép do đó
chúng có tác dụng hóa bền tốt khi nhiệt luyện.
Mangan và silíc là hai nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng và độ bền nhưng rất
tiếc chúng lại làm giảm mạnh độ dẻo và độ dai của ferít nên trong thực tế thép hợp kim
thông thường chỉ chứa mangan và silíc trong giới hạn từ 1 đến 2%. Nikel và crôm có mức
độ hóa bền vừa phải nhưng không làm giảm mạnh độ dẻo và độ dai, nên được sử dụng
rất nhiều trong loại thép hợp kim.
6.3.2 Sự tạo thành các pha cácbít hợp kim.
Các nguyên tố hợp kim có ái lực mạnh với cácbon dễ tạo thành các pha cácbit trong
thép. Các nguyên tố như Mn, Cr, W, Mo, V, Zr, Ti, Nb có khả năng tạo pha cácbit, những
pha này gọi là pha xementit hợp kim.
Các pha cácbit làm tăng mạnh độ cứng, tính chống mài mòn của thép. Khi tôi chúng
tạo nên tổ chức hạt nhỏ mịn làm cơ tính và độ dai của thép tốt hơn. Khi ram các pha này
tiết ra khỏi xementit và kết tụ lại ở nhiệt độ cao do đó làm cho thép có tính bền nóng cao.
6.3.3 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chuyển biến khi nung.
Các nguyên tố hợp kim (trừ mangan) đều tạo nên những cácbit hợp kim bền vững và
ổn định hơn so với xementít nên đều khó hòa tan vào austenít hơn so với xementít. Vì thế
muốn hòa tan chúng cần nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn. Các nguyên tố tạo cácbit
càng mạnh càng khó hòa tan vào austenít. Cụ thể, cácbit titan (TiC) và cácbit vanadi (VC)
rất khó hòa tan, còn những cácbit khác khó hòa tan hơn so với xementít hợp kim và
xementít hơp kim lại khó hòa tan hơn xementít thường.
Ngoài ra, do tốc độ khuyếch tán của các nguyên tố hợp kim thấp hơn rất nhiều so
với cácbon cho nên để đạt được sự đồng đều thành phần của austenít hợp kim cũng khó
khăn hơn so với quá trình đạt sự đồng đều của thành phần austenít thông thường trong
thép cácbon. Chính vì thế mà muốn làm đồng đều thành phần hóa học của austenít hợp
kim cần phải giữ nhiệt lâu hơn.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến sự phân hóa đẳng nhiệt của
austenít.
92
Trừ côban (Co), các nguyên tố hợp kim khi hòa tan vào austenít đều làm chậm tốc độ
phân hóa đẳng nhiệt của austenít với mức độ khác nhau. Nói cách khác chúng đều làm dịch
chuyển đường cong chữ “C” sang phải.
Có những nguyên tố chỉ làm dịch chuyển đường cong chữ “C” sang phải chứ không
làm thay đổi hình dạng của đường cong so với thép cácbon. Đó là các nguyên tạo cácbit
như nikel, silíc, đồng, nhôm và nguyên tố tạo cácbit yếu như mangan (Hình 6.1a).
Nhieät ñoä, 0C
Nhieät ñoä, 0C
A1 A1
→
→
Theùp caùc Theùp Si, Ni,
bon Mn Theùp Cr, W
Mo, V
M Theùp caùc M
bon
Thôøi gian, logτ → Thôøi gian, logτ →
a. b.
Hình 6.1 Sự dịch chuyển sang phải của đường cong chữ “C” của các nguyên tố hợp
kim.
a. Thép cácbon và thép được hợp kim hóa bằng Ni, Si, Mn.
b. Thép cácbon và thép được hợp kim hóa bằng Cr, W, Mo, V.
Còn những nguyên tố tạo cácbit mạnh như crôm, vônfram, molibden và vanadi không
những làm dịch chuyển đường cong chữ “C” sang phải mà còn làm thay đổi hình dạng của
nó (Hình 6.1b). Ta thấy đường cong bị dịch chuyển sang phải và bị tách thành hai đường
cong chữ “C” trên và dưới. Đường cong trên ứng với chuyển biến austenít thành peclít,
xoocbít và trustít, còn đường cong dưới ứng với chuyển biến của austenít thành bainít.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến độ thấm tôi.
Khi hòa tan vào austenít, các nguyên tố hợp kim làm dịch chuyển đường cong chữ
“C” sang phải vì thế làm giảm tốc độ tôi tới hạn nên làm tăng độ thấm tôi của thép hợp
kim.
Cùng với điều kiện làm nguội như nhau, ứng với sự phân bố tốc độ nguội theo tiết
diện giống như nhau, thép hợp kim có tốc độ nguội thấp hơn nên có độ thấm tôi lớn hơn
so với độ thấm tôi của thép cácbon nên sau nhiệt luyện tôi và ram các chi tiết bằng thép
hợp kim chịu tải trọng tốt hơn.
93
Các thép có tốc độ tôi tới hạn nhỏ và do đó có độ thấm tôi lớn là các loại thép hợp
kim Cr – Ni, Cr – Mn, Cr – Mo, Cr – Ni – Mo, hay Cr – Mn – Mo, v.v. chúng là cơ sở của
thép hợp kim kết cấu hiện nay.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chuyển biến máctenxít.
Trong số các nguyên tố hợp kim thường dùng, hai nguyên tố nhôm (Al) và côban (Co)
làm tăng nhiệt độ bắt đầu chuyển biến máctenxít (Mđ), riêng silíc (Si) không gây ảnh
hưởng gì, còn các nguyên tố hợp kim còn lại đều làm giảm điểm Mđ nên đều làm tăng
lượng austenít dư sau khi tôi.
Chính vì ảnh hưởng này mà một số thép hợp kim cao có điểm chuyển biến máctenxít
Mđ quá thấp vì thế sau khi tôi còn có lượng austenít dư lớn dẫn đến độ cứng không đạt giá
trị mong muốn. Để khử bị austenít dư này, người ta thường phải tiến hành gia công lạnh
hoặc ram ở nhiệt độ thích hợp một vài lần để austenít dư tiếp tục chuyển biến thành
máctenxít và khi đó độ cứng của thép sẽ đạt được giá trị cao nhất.
6.3.4 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình ram.
Với các mức độ khác nhau, các nguyên tố hợp kim đều cản trở các chuyển biến xảy
ra khi ram.
Trong quá trình ram có chuyển biến austenít dư thành mactenxít ram nên làm tăng độ
cứng. Sự tăng độ cứng do kết quả của chuyển biến austenít dư thành máctenxít và hóa
cứng phân tán khi ram đựoc gọi là độ cứng thứ hai. Hiện tượng này thường gặp trong thép
crôm cao và thép vônfram cao.
Một cách tổng quát ta có thể nêu vắn tắt tác dụng của các nguyên tố hợp kim như
sau:
− So với thép cácbon, ở nhiệt độ thường, thép hợp kim có độ bền cao hơn là do
ferít là pha chủ yếu của thép đã được hóa bền bởi sự hòa tan của các nguyên tố hợp
kim. Nhưng hiệu quả này chỉ được phát huy đầy đủ sau khi nhiệt luyện tôi và ram
do những nguyên tố hợp kim không những làm tăng chiều dày của lớp hóa bền (độ
thấm tôi) mà còn nâng cao cả độ bền của chính lớp hóa bền đó.
− Thép hợp kim giữ được độ bền, độ cứng cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao
hơn so với thép cácbon do các nguyên tố hợp kim ở trong dung dịch rắn máctenxít
cản trở sự phân hóa của pha này khi ram.
6.4 Các khuyết tật của thép hợp kim.
1. Thiên tích nhánh cây.
Thép hợp kim cao do chứa một hàm lượng lớn các nguyên tố khác loại nên được làm
nguội từ trạng thái lỏng (kết tinh) chúng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn chứa ít cácbon trước
tiên vì dung dịch rắn này có nhiệt độ nóng chảy cao tạo nên các nhánh cây. Tiếp sau đó
chúng mới kết tinh ra dung dịch rắn có chứa nhiều cácbon và các nguyên tố hợp kim do
dung dịch rắn loại này có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn tạo nên các vùng giữa các nhánh
cây. Quá trình kết tinh như vậy đã tạo ra sự khác nhau về thành phần hóa học giữa các
nhánh cây hay nói cách khác, nó tạo ra thiên tích nhánh cây.
94
Thỏi thép hợp kim với tổ chức nhánh cây khi đem cán sẽ tạo ra tổ chức thớ, làm cho
cơ tính của chúng khác nhau theo các phương khác nhau. Hơn nữa chúng rất dễ nứt khi gia
công rèn, cán vì liên kết giữa các tinh thể nhánh cây kém và bản thân nhánh cây có tính dẻo
thấp.
Để ngăn ngừa thiên tích nhánh cây trong các thỏi thép hợp kim cần làm nguội chậm
trong quá trình đúc nhằm tạo điều kiện khuyếch tán tốt để làm đồng đều thành phân.
Phương pháp này làm chậm năng xuất đúc nên không đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật.
Các thép hợp kim có thiên tích nhánh cây có thể khắc phục bằng cách đem ủ
khuyếch tán ở nhiệt độ 1.050 – 1.1000C trong thời gian dài từ 8 đến 10 giờ. Do ủ khuyếch
tán có giá thành cao nên chỉ áp dụng khi thật cần thiết.
2. Đốm trắng.
Đốm trắng là các vết nứt nhỏ có dạng đốm trắng thấy rõ trên mặt gẫy của thỏi cán
của thép hợp kim. Nó là nguồn gốc phát sinh ra phá hủy giòn nên là một dạng khuyết tật
nguy hiểm của thép hợp kim. Rất may, đốm trắng chỉ xảy ra trong thỏi thép cán của thép
hợp kim có độ thấm tôi cao như thép hợp kim crôm – nikel, Crôm – Nikel – vônfram
(Môlipđen) mà thôi.
Nguyên nhân chính gây ra đốm trắng là hyđrô.
Ngoài ra với sự chuyển biến pha (từ γ→α hay từ γ→ máctenxít) không đồng đều về
thời gian và nhiệt độ, sự khác nhau về thành phần hóa học giữa các vùng tinh thể gây nên
ứng suất bên trong cũng tạo nên đốm trắng.
Để ngăn ngừa, cần phải sấy khô tòan bộ mẻ liệu (vật liệu kim loại, nhiên liệu và
chất trợ dung) trước khi cho vào lò luyện để giảm bớt hàm lượng hyđrô hòa tan vào thép
lỏng. Phương pháp này ít tốn kém có hiệu quả kinh tế cao.
Ngoài ra người ta còn dùng cách ủ đẳng nhiệt, hay sau khi biến dạng cho làm nguội
chậm với thời gian dài 10–15 giờ. Những phương pháp này kéo dài nên khá tốn kém.
3. Giòn ram.
Thông thường khi tăng nhiệt độ ram (từ ram thấp đến ram cao) độ dai va đập luôn
luôn tăng lên và đạt tới giá trị cao nhất ở nhiệt độ 600 – 6500C rồi lại giảm đi như hình vẽ
6.2.
95
Độ dai va đập
ak , kJ/m2
1.4
00
1.2
00
1.0
0
100 200 300 400 500
600 700
Hình 6.2 Quan hệ giữa độ dai va đập và nhiệt độ ram của thép cácbon (0,40%C).
Tuy nhiên, quan hệ giữa nhiệt độ ram và độ dai va đập ở một số loại thép kết cấu
hợp kim lại khác, chúng có thể có hai giá trị cực tiểu ứng với hai khoảng nhiệt độ khác
nhau mà tại đó thép bị giòn hơn mức bình thường rất nhiều. Hiện tượng này được gọi là
giòn ram (Hình vẽ 6.3).
Loại giòn xuất hiện khi ram trong khoảng nhiệt độ 280 – 350 0C ứng với giá trị cực
tiểu thứ nhất được gọi là giòn ram loại I. Ta nên tránh giòn ram loại I bằng cách không
ram thép ở khoảng nhiệt độ này vì đây là loại giòn ram không chữa được hay giòn ram
không thuận nghịch.
Loại giòn xuất hiện khi ram trong khoảng nhiệt độ 500 – 600 0C ứng với giá trị cực
tiểu thứ hai thường gặp ở thép hợp kim crôm, thép hợp kim mangan, hay thép hợp kim
crôm – mangan hoặc thép hợp kim crôm – nikel sau khi làm nguội chậm được gọi là giòn
ram loại II.
96
Độ dai va đập ak , kJ/m2
Nguội nhanh
2.50
0
2000
Nguội chậm
1500
1000
0 100 200 300 400 500 600
700
Nhiệt độ ram, 0C
Hình 6.3 Quan hệ giữa độ dai va đập và nhiệt độ ram của thép hợp kim
(0,30%C, 1,47%Cr, 3,4%Ni).
Với chi tiết có kích thước nhỏ để tránh giòn ram loại hai người ta tiến hành cho
nguội nhanh trong nước hay dầu sau khi ram cao. Đối với chi tiết có kích thước lớn người
ta dùng thép hợp kim có thêm 1% vônfram hay 0,5% môlipđen.
6.5 Ký hiệu và phân loại thép hợp kim.
6.5.1 Ký hiệu.
Ký hiệu của thép còn được gọi là mác thép. Theo tiêu chuẩn Việt nam, thép hợp kim
được ký hiệu bằng hệ thống chữ và số trong đó chữ ký hiệu các nguyên tố hợp kim bằng
chính ký hiệu hóa học của nó. Số ở đầu mác thép chỉ hàm lượng cácbon trung bình tính
theo phần vạn, số ở sau nguyên tố hợp kim nào chỉ hàm lượng trung bình của nguyên tố đó
tính theo phần trăm. Chữ A ở cuối mác thép (nếu có) chỉ thép có chất lượng cao. Nếu hàm
lượng của nguyên tố hợp kim nào đó xấp xỉ bằng một thì không cần ghi số.
Thí dụ mác thép 18CrMnTi cho biết đây là thép hợp kim có chứa 0,18% cácbon,
khoảng 1% mỗi nguyên tố crôm, mangan và ti tan. Mác 60Si2 cho biết đây là thép hợp kim
có chứa 0,60% cácbon và khoảng 2% silíc.
6.5.2 Phân loại thép hợp kim.
1. Phân loại theo nguyên tố hợp kim.
Đây là cách phân loại dựa vào tên của nguyên tố hợp kim chính có mặt trong thép. Có
những loại thép gồm một nguyên tố hợp kim như thép crôm, thép nikel, thép mangan, v.v
97
hoặc những thép hợp kim chứa hai nguyên tố hợp kim chính như thép crôm – nikel, thép
crôm – mangan hay những thép có chứa ba nguyên tố hợp kim chính như thép crôm – nikel
– molibđen, v.v.
Theo cách này người ta biết được tính chất của thép do nguyên tố hợp kim chính
quyết định.
2. Phân loại theo tổng lượng nguyên tố hợp kim.
Theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim có mặt trong thép người ta chia thép hợp
kim ra làm ba loại:
− Thép hợp kim thấp là loại thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim
nhỏ hơn 2,5% (thường là thép péclit).
− Thép hợp kim trung bình là loại thép có tổng lượng các nguyên tố
hợp kim từ 2,5% đến 10% (thường là thép péclit - máctenxít).
− Thép hợp kim cao là loại thép có tổng lượng các nguyên tố hợp kim
lớn hơn 2,5% (có thể là thép máctenxít hay austenít).
Cách phân loại này cho biết giá trị của thép.
3. Phân loại theo tổ chức ở trạng thái thường hóa.
Nung nóng thép hợp kim đến trạng thái hoàn toàn là austenít rồi làm nguội trong
không khí tĩnh (tức nhiệt luyện thường hóa) người ta thấy tùy theo mức độ hợp kim hóa
chúng ta có thể nhận được các thép hợp kim sau:
Thép péclít.
Thép péclít là loại thép hợp kim thấp do đó độ ổn định của austenít quá nguội còn
nhỏ vì thế khi làm nguội trong không khí tĩnh véc tơ tốc độ nguội cắt đường cong chữ “C”
nên tổ chức của nó nhận được là péclít (xoocbít, trustít)
Thép máctenxít.
Thép máctenxít là loại thép có hàm lượng cácbon trung bình hoặc cao nên tính ổn
định của austenít cao, vì thế chỉ cần làm gnuội trong không khí tĩnh véctơ tốc độ nguội của
nó cũng không cắt đường cong chữ “C” mà đi thẳng vào vùng chuyển biến máctenxít nên
tổ chức nhận được là máctenxít. Những loại thép máctenxít vì thế còn có tên là thép tự tôi.
Thép austenít.
Thép austenít là loại thép được hợp kim hóa cao bởi nikel và mangan là những
nguyên tố mở rộng vùng γ nên khi làm nguội ngoài không khí tĩnh đến nhiệt độ bình
thường tổ chức của nó vẫn còn là austenít.
4. Phân loại theo công dụng.
Cách phân loại theo cơng dụng được dùng nhiều nhất. Theo cách này người ta chia
thép hợp kim ra làm các loại sau:
98
Thép hợp kim cán nóng thông dụng, thép hợp kim kết cấu, thép hợp kim dụng cụ và
thép hợp kim đặc biệt.
6.6 Một số thép hợp kim thường dùng.
6.6.1 Thép hợp kim kết cấu thông dụng.
6.6.1.1 Tổng quan
Thép hợp kim kết cấu được dùng chủ yếu để chế tạo các chi tiết máy lớn và quan
trọng như các loại trục, các bánh răng, thanh truyền lực, lò xo, vòng bi v.v.
Thép hợp kim kết cấu thuộc nhóm chất lượng cao, có nhiều chủng loại và thường
phải nhiệt luyện trước khi dùng để phát huy hết khả năng làm việc của chúng. Chính vì
thế việc lựa chọn, sử dụng hợp lý thép hợp kim kết cấu trong chế tạo cơ khí sẽ mang lại
hiệu quả kinh tế và kỹ thuật lớn.
Thép hợp kim kết cấu thường có thành phần cácbon thấp và trung bình trong giới
hạn 0,1 – 0,6%, cao nhất cũng không quá 0,65% trừ các thép chuyên dùng và chịu mài mòn
như thép vòng bi.
Hàm lượng nguyên tố hợp kim trong thép hợp kim kết cấu thường chỉ 1 – 3%, nhiều
nhất cũng chỉ 6 – 7% và thường dùng mangan, silíc là những nguyên tố rẻ tiền, dễ kiếm.
Ngoài ra còn có crôm và nikel.
Tác dụng chủ yếu của những nguyên tố hợp kim trên là nâng cao độ thấm tôi
(đường kính tôi thấu có thể từ 25 – 200 mm) và hóa bền pha ferít để nâng cao cơ tính ở
trạng thái cung cấp.
6.6.1.2 Một số loại thông dụng.
Thép hợp kim kết cấu thấm cácbon.
Nhóm thép hợp kim kết cấu thấm cácbon chuyên dùng để chế tạo các chi tiết truyền
lực như bánh răng, cam, chốt xích, đóa ma sát v.v nên đòi hỏi trong lõi dẻo dai chịu va đập
còn bề mặt cần cứng vững chịu được mài mòn vì thế trước khi dùng phải thấm cácbon rồi
đem tôi và ram thấp.
Hàm lượng cácbon trong thép hợp kim kết cấu thấm cácbon khoảng 0,10 – 0,25%,
hiện nay có xu hướng dùng thép với lượng cácbon trên dưới 0,3% để nâng cao độ bền của
lõi, nhất là với các chi tiết lớn.
Lưu ý: sự khác nhau về chất lượng giữa thép thấm cácbon thông thường và thép hợp
kim kết cấu thấm cácbon khi có cùng hàm lượng cácbon là thép hợp kim kết cấu thấm
cácbon có độ thấm tôi lớn hơn nên độ bền của lõi cao hơn do đó làm đựoc chi tiết lớn
hơn, ngoài ra do ít bị biến dạng khi tôi nên có thể thấm được ở nhiệt độ cao hơn. Khi độ
cứng của bề mặt như nhau thì tính chống mài mòn của thép hợp kim kết cấu cao hơn so
với thép thấm cácbon thông thường do tạo nên cácbit ổn định với độ phân tán cao.
Một số mác thép hợp kim kết cấu thấm cácbon có thể kể đến là:
Nhóm thép crôm: bao gồm các mác 15Cr, 20Cr, 15CrV… được dùng làm các chi tiết
nhỏ với đường kính không lớn hơn 30mm, yêu cầu chống mài mòn cao ở bề mặt và chịu
99
tải trung bình như các chốt piston, trục cam, trục giữa xe đạp, trục pêđan, bánh răng có mô
đun nhỏ v.v.
Nhóm thép crôm – nikel: bao gồm các mác 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A,
18Cr2Ni4WA, 18Cr2Ni4Mo, v.v có độ thấm tôi rất cao, đảm bảo được độ bền và độ dai
va đập tốt vì thế thường được làm các chi tiết chịu tải trọng cao nhất.
Mác thép 18Cr2Ni4W hoặc 18Cr2Ni4Mo được dùng làm các chi tiết đặc biệt quan
trọng như bánh răng, trục của động cơ máy bay, tầu biển, v.v. Nhược điểm cơ bản của
nhóm thép này là đắt, khó cắt gọt và qui trình nhiệt luyện phức tạp.
Nhóm thép crôm – mangan – titan: bao gồm các số hiệu 18CrMnTi, 25CrMnTi,
30CrMnTi, 25CrMnMo, v.v được dùng để sản xuất hàng loạt các chi tiết của máy kéo như
các bánh răng hộp số, bánh răng cầu sau và các trục quan trọng.
Thành phần hóa học của một số mác thép thuộc nhóm thép hợp kim kết cấu thấm
cácbon nêu trên được trình bày trong bảng 6.1
Bảng 6.1 Một số thép hợp kim kết cấu thấm cácbon.
Thành phần các nguyên tố (%)
Mác thép
Nguyên tố
C Cr Ni Mn
khác
15Cr 0,12–0,15 0,70 –1,00 – 0,40–0,70 –
20Cr 0,17–0,23 0,70 –1,00 – 0,50–0,80 –
15CrV 0,12–0,18 0,80 –1,10 – 0,40–0,70 0,06 – 0,12V
20CrNi 0,17–0,23 0,45 –0,75 1,00 – 1,40 0,40–0,70 –
12Cr2Ni3A 0,09–0,16 0,60 –0,90 2,75 – 3,15 0,30–0,60 –
12Cr2Ni4A 0,09–0,15 1,25–1,65 3,25 – 3,65 0,30–0,60 –
18Cr2Ni4MoA 0,14–0,20 1,36–1,65 4,00 – 4,40 0,25–0,55 0,3 – 0,40Mo
18CrMnTi 0,17–0,23 1,00–1,30 – 0,80–1,10 0,03 – 0,09Ti
25CrMnTi 0,22–0,29 1,00–1,30 – 0,80–1,10 0,03 – 0,09Ti
30CrMnTi 0,24–0,32 1,00–1,30 – 0,80–1,10 0,03–0,09Ti
25CrMnMo 0,23–0,29 0,90–1,20 – 0,90–1,20 0,2–0,30Mo
Thép hợp kim kết cấu đàn hồi.
Thép hợp kim kết cấu đàn hồi là loại thép dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi như
lò xo, nhíp các loại và các chi tiết chịu đàn hồi khác.
Để đạt được giới hạn đàn hồi cao nhất, loại thép này phải được nhiệt luyện để có
tổ chức trustít ram bằng cách tôi rồi ram trung bình. Ngoài ra, để tăng khả năng chịu mỏi
100
người ta còn tạo ra trên bề mặt của chúng một ứng suất dư bằng cách cán, phun bi, lăn ép,
v.v.
Các mác thép đàn hồi gồm 60Mn, 65Mn, 70Mn, 55Si2, 60Si2, 60SiMn, 60Si2CrA,
60Si2Ni2A, 50CrV, 50CrMnV… được cán, kéo thành tấm lá, dây để cuốn, uốn thành các
hình dạng khác nhau.
Các mác thép 60Mn, 65Mn, 70Mn là loại thép lò xo thường, chúng được cán thành
các bán thành phẩm tiết diện nhỏ và được cung cấp ở trạng thái đã qua nhiệt luyện tôi và
ram trung bình.
Các mác thép 55Si2, 60Si2, 60SiMn có giới hạn đàn hồi cao, độ thấm tôi tốt dùng để
làm lò xo, nhíp có chiều dày tới 18mm trong chế tạo máy kéo, xe lửa, tầu biển, dây cót
đồng hồ, v.v.
Các mác thép 60Si2CrA, 60Si2Ni2A có độ thấm tôi lớn – có thể tôi thấu trên 50mm
nên thường được dùng để chế tạo lò xo, nhíp lớn chịu tải nặng và đặc biệt quan trọng.
Các mác thép 50CrV, 50CrMnV có tính chống ram cao, có thể chế tạo các lò xo nhỏ,
chịu nhiệt tới 3000C như lò xo supáp xả.
Thành phần hóa học của một số mác thép nêu trên được trình bày trong bảng 6.2
Bảng 6.2 Một số thép hợp kim kết cấu đàn hồi.
Thành phần các nguyên tố (%)
Mác thép
C Mn Si Cr Nguyên tố khác
65Mn 0,62 – 0,70 0,9 – 1,2 0,17 – 0,37 < 0,25
60Si2 0,57 – 0,65 0,6 – 0,9 1,50 – 2,0 –
60SiMn 0,55 – 0,65 0,8 – 1,0 1,30 – 1,80 –
50CrV 0,46 – 0,54 0,5 – 0,8 1,17 – 1,37 – 0,1 – 0,2V
60Si2CrA 0,56 – 0,64 0,5 – 0,8 1,40 – 1,80 –
60Si2Ni2A 0,56 – 0,64 0,5 – 0,8 1,40 –1,80 – 1,4 – 1,7Ni
Thép hợp kim kết cấu hóa tốt.
Thép hợp kim kết cấu hóa tốt là loại thép dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng
tĩnh và va đập cao nên yêu cầu có độ bền và độ dẻo cao, nghĩa là cần phải có cơ tính tổng
hợp cao. Cơ tính tổng hợp cao nhất của thép đạt được bằng cách nhiệt luyện hóa tốt tức
tôi rồi ram cao vì thế loại thép này có tên thép hóa tốt.
Nhóm thép crôm bao gồm các mác 35Cr, 40Cr, 40CrB, 45C và 50Cr, trong đó thường
gặp nhất là 40Cr được dùng làm các chi tiết chịu tải và làm việc với tốc độ trung bình như
các loại trục, bánh răng hộp số của các máy cắt gọt.
101
Nhóm thép crôm – mangan, crôm – mangan – silíc gồm các mác 40CrMn, 40CrMnB,
30CrMnsi và 35CrMnSi… có cơ tính và tính công nghệ tốt, được dùng nhiều trong chế tạo
các kết cấu chịu lực, các chi tiết thuộc bộ phận lái, v.v.
Nhóm thép crôm – nikel gồm các mác 40CrNi, 45CrNi, 50CrNi, 40CrNiMo (người ta
cho thêm molibđen để tránh hiện tượng giòn ram) được dùng làm các chi tiết chịu tải trọng
lớn, yêu cầu độ tin cậy cao như trục vít của hệ thống lái.
Các thép 38CrNi3Mo, 38CrNi3MoV, hoặc 18Cr2Ni4W là các mác thép tốt nhất của
thép hợp kim kết cấu hóa tốt. Chúng thường được dùng để chế tạo các chi tiết quan trọng,
chịu tải trọng nặng như trục rơtơ tuốc bin, các chi tiết chịu tải của máy nén khí, các chi
tiết máy bay, v.v.
Thành phần hóa học của một số mác thép nêu trên được trình bày trong bảng 6.3.
Bảng 6.3 Một số thép hợp kim kết cấu hóa tốt.
Thành phần các nguyên tố (%)
Mác thép
C Mn Si Cr Ni Nguyên tố khác
40Cr 0,36-0,44 0,8-1,10 < 0,8 < 0,4 < 0,3
40CrB 0,37-0,45 0,80-1,10 < 0,8 < 0,4 < 0,3
40CrMnB 0,37-0,45 0,80-1,10 0,7-1,0 < 0,4 < 0,3 0,002-0,005B
30CrMnSi 0,28-0,35 0,80-1,10 0,8-1,1 0,9-1,2 < 0,3
40CrNi 0,36-0,44 0,45-0,75 < 0,8 < 0,4 1,0-1,4
40CrNiMo 0,37-0,44 0,60-0,90 < 0,8 < 0,4 1,2-1,6 0,15-0,25Mo
0,03-0,09 Ti
40CrMnTiB 0,38-0,45 0,80-1,10 0,7-1,0 < 0,4 < 0,3
0,002-0,005B
0,35-0,45Mo
38CrNi3MoV 0,33-0,42 1,20-1,50 < 0,8 < 0,4 3,0-3,4
0,1-0,2V
6.6.1.3 Thép hợp kim kết cấu có công dụng riêng.
Thép dễ cắt.
Thép dễ cắt là loại thép chuyên dùng để chế tạo ra các chi tiết được gia công cắt gọt
với năng suất cao trên các máy cắt tự động như bu long, ốc, vít. bạc, bánh răng và các chi
tiết tương tự với sản lượng lớn, yêu cầu độ chính xác cao về kích thước và nhẵn bóng bề
mặt, nhưng lại không đòi hỏi chịu tải trọng cao.
Vì lẽ này thép dễ cắt yêu cầu có độ cứng vừa phải khoảng 150 – 250 HB, phoi thép
phải dễ gãy, không bám vào dao, đảm bảo tốc độ cắt cao và tạo được bề mặt chi tiết
nhẵn bóng.
102
Để dảm bảo độ cứng vừa phải hàm lượng cácbon của thép không được vượt quá
0,50%. Còn để làm cho phoi dễ gẫy thép cần chứa một hàm lượng lưu huỳnh và phột pho
lớn hơn giới hạn cho phép trong các loại thép khác, cụ thể lưu huỳnh vào khoảng 0,1 –
0,3%, còn phốt pho vào khoảng 0,05 – 0,15%.
Do chứa nhiều phốt pho và lưu huỳnh nên cơ tính của thép dễ cắt bị xấu đi. Cụ thể,
độ dẻo và độ dai giảm đi cùng với giảm cả độ bền mỏi và tính chống ăn mòn.
Một số mác thép dễ cắt hay gặp là 12S, 20S, 30S và 40MnS. Trong số này mác 12S
chuyên dùng để tạo ra các vít, bulong, đai ốc và các chi tiết nhỏ có hình dạng phức tạp
thường được gia công trên các máy cắt tự động. Còn các mác còn lại thường được dùng
để chế tạo các chi tiết chịu lực cao hơn.
Thành phần hóa học và cơ tính các mác thép dễ cắt hay gặp được trình bày trong
bảng 6.4.
Bảng 6.4 Thành phần hóa học và cơ tính của thép dễ cắt.
Thành phần các nguyên tố Cơ tính
Mác
thép
C Mn S P σb δ ψ HB
(MPa)
(%) (%) (%) (%) (%) (%)
12S 0,08-0,16 0,60-0,90 0,08-0,20 0,08-0,15 420-570 22 36 160
20S 0,15-0,25 0,60-0,90 0,08-0,12 < 0,06 460-510 20 30 168
30S 0,25-0,35 0,70-1,00 0,08-0,12 < 0,06 520-670 15 25 185
40MnS 0,35-0,45 1,20-1,55 0,18-0,30 < 0,05 600-750 14 20 207
Chú ý:
− Các mác trên đều chứa khoảng 0,15 – 0,35% Si.
− Cơ tính được đo dọc theo phương cán nóng.
Thép ổ lăn.
Ổ lăn còn được gọi là ổ bi hay ổ đũa là những chi tiết thường gặp trong máy mĩc các
loại. Ổ lăn thường được chế tạo từ loại thép hợp kim chuyên dùng – thép ổ lăn và được
chế tạo ở các nhà máy chuyên môn hóa – nhà máy sản xuất ổ bi.
Theo tiêu chuẩn việt nam TCVN4805- 90, thép ổ lăn được ký hiệu bằng chữ OL theo
sau là các con số chỉ hàm lượng cácbon trung bình tính theo phần vạn và lượng nguyên tố
hợp kim được tính theo phần trăm. Hiện nay, tại Việt Nam có hai mác thép ổ lăn được sử
dụng khá phổ biến.
OL100Cr2 và OL100Cr2SiMn có thành phần tương đương với thép dụng cụ nên
người ta còn dùng các mác thép này để chế tạo ra trục cán nguội, ta rô, bàn ren, dụng cụ
đo lường và các chi tiết phun cao áp v.v.
103
Với các loại ổ lăn nhỏ có chiều dày hay đường kính bi dưới 20mm có thể dùng loại
thép có lượng crôm thấp (khoảng 0,5%).
Để chế tạo các ổ lăn chịu nóng cao tới 400 – 5000C làm việc trong động cơ tuốc bin
của máy bay, người ta dùng loại thép gió 90W9Cr4V2Mo hay 85W6Mo5Cr4V2, v.v.
6.6.2 Thép hợp kim dụng cụ.
6.6.2.1 Thép hợp kim dụng cụ làm dao cắt.
1. Tổng quan
Để có thể cắt gọt được, độ cứng của lưỡi dao phải cao hơn hẳn độ cứng của phoi.
Vì thế yêu cầu đầu tiên đối với vật liệu làm dao cắt là phải có độ cứng cao.
Trong quá trình cắt gọt, dao cắt luôn luôn bị mài sát vào phôi và phoi nên để bảo đảm
tuổi thọ của dao và bảo đảm tính chính xác gia công thì dao phải có tính chống mài mòn
cao.
Nếu tốc độ cắt càng lớn, tiết diện phoi tách ra khỏi phoi cũng như độ bền và độ dai
của vật liệu gia công càng lớn thì nhiệt độ nung lưỡi cắt của dụng cụ càng cao. Trong
những điều kiện này khả năng làm việc của dụng cụ được quyết định bởi độ cứng “nóng”
cao và khả năng của vật liệu giữ được nó khi nung nóng lâu, nghĩa là bởi tính chịu nóng.
Vì thế mà năng suất cắt phụ thuộc vào tính cứng nóng của vật liệu làm dao.
Theo tính chịu nóng người ta chia các vật liệu được dùng làm dao cắt thành các nhóm
sau:
−Thép làm dao cắt có năng suất thấp có tính chịu nóng đến 2000C bao gồm thép
dụng cụ cácbon (đã trình bày trong phần thép cácbon), và thép hợp kim thấp.
−Thép làm dao cắt có năng suất cao có tính chịu nóng đến 600 – 6400C còn có tên là
thép cắt nhanh được hợp kim hóa cao (thép gió).
Ngoài ra, để chế tạo dụng cụ cắt người ta còn sử dụng hợp kim cứng có tính chịu
nóng đến 800 – 1.0000C và các vật liệu siêu cứng có tính chịu nóng đến 1.2000C .
2. Một số thép hợp kim làm dao cắt thông dụng.
Thép làm dao cắt có năng suất thấp - Thép hợp kim thấp.
Dao cắt năng suất thấp là những loại dao mà tốc độ cắt chỉ khoảng 5 – 10m/ph.
Một vài mác thép dụng cụ hợp kim thấp thường dùng là 130Cr05, 140CrW5, 100Cr2,
90CrSi, 90CrMn2. Chúng thường được dùng để chế tạo mũi khoan, ta rô, bàn ren, dao phay
v.v với kích thước nhỏ.
Thành phần hóa học của một số mác thép nêu trên được trình bày trong bảng 6.5.
Bảng 6.5 Một số thép dụng cụ hợp kim thấp.
Mác thép Thành phần các nguyên tố (%)
C Cr Mn Si W
104
130Cr05 1,25-1,40 0,40-0,60 – < 0,35 –
100Cr2 0,95-1,10 1,30-1,60 – < 0,35 –
90CrSi 0,85-0,95 0,95-1,25 – 1,20-1,60 –
90Mn2 0,85-0,95 – 1,5-1,7 – –
140CrW5 1,25-1,50 0,40-0,70 – < 0,30 4,5 – 5,5
Thép làm dao cắt có năng suất cao (thép gió).
Thép gió là thép dụng hợp kim cao có tính chịu nóng đến 600 – 640 0C và có độ thấm
tôi lớn đến mức hầu như tôi thấu tiết diện bất kỳ. Thép gió được dùng để chế tạo dụng
cụ cắt có năng suất cao – tốc độ cắt đạt 25 tới 35m/ph.
Thép gió được hợp kim hóa chủ yếu bằng vônfram, ngoài ra còn có một lượng khá
lớn các nguyên tố khác như molibđen, vanađi, crôm và cô ban.
Do có thành phần hợp kim và cácbon cao nên thép gió có tính ổn định của austenít quá
nguội lớn đến mức khi tôi làm nguội trong không khí (gió) cũng đạt được tổ chức
máctenxít. Có thể vì lý do này mà người ta gọi nó là thép gió.
Thép gió đúc qua biến dạng nóng nhiều lần rồi đem ủ sẽ có được tổ chức khá đồng
đều: các hạt bít bít nhỏ mịn phân bố đều trên nền xoocbít hay peclít với độ cứng không
quá 240 – 256HB, dễ dàng cho gia công cắt (Hình 6.4).
Hình 6.4 Tổ chức tế vi của thép gió sau khi rèn và ủ, cácbit đồng đều
Nhiệt luyện tôi là nguyên công có ý nghĩa quyết định tính cứng nóng của thép gió.
Nhiệt độ tôi thép gió rất cao khoảng 1230–12900C với mục đích chủ yếu là hòa tan
tối đa các nguyên tố hợp kim vào austenít để sau khi tôi chúng nằm lại trong mactenxít
đảm bảo tính cứng nóng cho thép khi làm việc. Môi trường tôi thép gió là dầu nóng 60 –
800C hoặc tôi phân cấp trong bể muối nóng chảy (400 – 6000C) rồi làm nguội ngoài không
khí.
Tổ chức của thép sau khi tôi gồm máctenxít, austenít dư (30 – 40%) và cácbit dư (15
– 20%) với độ cứng khoảng 62 – 63HRC (Hình 6.5).
105
Hình 6.5 Tổ chức tế vi của thép gió P18 sau khi tôi và ram 3 lần (
Ram thép gió sau khi tôi ngoài mục đích làm giảm ứng suất dư còn nhằm mục đích
làm giảm lượng austenít dư sau khi tôi nên tăng độ cứng cho thép. Nhiệt độ ram thép gió
trong khoảng 550 – 5700C và ram từ 2 đến 4 lần, mỗi lần khoảng 1 giờ. Các mác thép gió
thường được dùng là 80W18Cr4VMo, 90W9Cr4V2Mo, 85W12Cr3V2Mo,
85W6Mo5Cr4V2, 145W9V5Cr4Mo.
Những mác thép này có tính cứng nóng không quá 6000C nên chỉ dùng làm dao cắt
với tốc độ khoảng 25m/ph.
6.6.2.2 Thép hợp kim dụng cụ làm khuôn dập.
Thép làm khuôn dập nguội.
Khuôn dập nguội là loại khuôn dùng để biến dạng dẻo kim loại ỡ trạng thái nguội,
tức ở nhiệt độ bình thường. Các khuôn dập nguội phải chịu áp lực rất lớn, chịu uốn, chịu
ma sát và chịu cả va đập mạnh. Chính vì thế thép dùng để làm khuôn dập nguội phải thỏa
mãn các yêu cầu cơ bản như có độ cứng cao, có tính chống mài mòn tốt, có độ bền và độ
dai đảm bảo để chịu được tải trọng va đập ở mức vừa phải.
Các thép thường dùng để làm khuôn dập nguội bao gồm các mác CD100, CD120,
100Cr, 100CrWMn, 100CrWSiMn, 210Cr12, 160Cr12Mo, 130Cr12V, 110Cr6WV, 40CrSi,
60CrSi, 40CrW2Si, v.v.
Các mác CD100 và CD120 là thép dụng cụ cácbon được dùng để chế tạo khuôn nhỏ,
chịu tải trọng không lớn, có hình dạng đơn giản.
Mác thép 110Cr6WV thuộc loại thép crôm trung bình, ít bị thiên tích cácbit, có độ
thấm tôi trung bình (khoảng 70 – 80mm khi tôi trong dầu) nên thường đựoc dùng để chế
tạo các khuôn lỗ kéo sợi, bàn lăn ren v.v.
Các mác thép 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si thuộc loại thép hợp kim thấp có hàm lượng
cácbon trung bình. Sau khi tôi và ram thích hợp, các mác thép này có độ cứng khoảng 45 –
55HRC nên thường đưpợc dùng để chế tạo các khuôn dập chịu va đập vừa phải.
Thành phần hóa học của một số mác thép nêu trên được trình bày trong bảng 6.6.
Bảng 6.6 Một số thép làm khuôn dập nguội.
Thành phần các nguyên tố (%)
Mác thép
Nguyên tố
C Cr W Mn Si
khác
106
100CrWMn 0,90– 1,05 0,9 – 1,2 1,2 – 1,6 0,8 – 1,1 ≤ 0,4 –
100CrWSiMn 0,90– 1,05 0,6 – 1,1 0,5 – 0,8 0,6 – 0,9 0,65– 1,0 0,05– 0,15V
210Cr12 2,00– 2,20 11,5– 13,0 – ≤ 0,35 ≤ 0,4 –
160Cr12Mo 1,45 –1,65 11,0– 12,5 – ≤ 0,35 ≤ 0,4 0,4 – 0,6Mo
130Cr12V 1,25– 1,45 11,0– 12,5 – ≤ 0,35 ≤ 0,4 0,7 – 0,9V
110Cr6WV 0,05– 1,15 5,5 – 6,6 1.1 – 1,5 ≤ 0,45 ≤ 0,35 0,5 – 0,8V
40CrSi 0,35– 0,45 1,3 – 1,6 – ≤ 0,40 1,2 –1,6 –
40CrW2Si 0,35– 0,44 1,0 – 1,3 2,0 – 2,5 ≤ 0,40 0,6 – 0,9 –
Để chế tạo ra khuôn dập nguội, với công nghệ cũ, người ta phải gia công cơ tương
đối chính xác trước khi tiến hành nhiệt luyện kết thúc do đó khuôn dễ bị biến dạng, nứt
hay vỡ phải bỏ đi gây lãnh phí vật liệu và các quá trình gia công trước đó.
Ngày nay với công nghệ tiến tiến, người ta tiến hành nhiệt luyện trước cả khối đảm
bảo đủ độ cứng cần thiết rồi dùng tia lửa điện để gia công lòng khuôn nên bảo đảm tính
chính xác cao về kích thước khuôn lại vừa tạo thuận lợi cho nhiệt luyện.
Ngoài ra, cũng bằng phương pháp gia công tia lửa điện này, với những khuôn cũ đã
bị mịn, người ta có thể phục hồi như mới mà không cần nhiệt luyện lại kể cả nhiệt luyện
sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc như trước đây vẫn thường làm.
Thép làm khuôn dập nóng.
Khuôn dập nóng là loại khuôn dùng để biến dạng dẻo kim loại ở nhiệt độ cao;
thường nhiệt độ của phôi khi bị biến dạng không nhỏ hơn 1.0000C.
Thép dùng làm khuôn dập nóng thường có thành phần cácbon trung bình khoảng 0,4
– 0,6% do khuôn không cần độ cứng cao. Các nguyên tố hợp kim cho vào nhóm thép này
thường là những nguyên tố có tác dụng đảm bảo tính thấm tôi, tính bền nóng và tính
chống giòn ram như crôm, nikel, Molibden, wonfram, v.v.
Các mác thép 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrMnMo được dùng để chế tạo các khuôn rèn
có kích thước lớn, chịu va đập mạnh và có bề mặt bị nung nóng tới 500 – 5500C.
Các mác thép 30Cr2W8V, 40Cr2W5MoV, 40Cr5W2Vsi do chứa từ 2 – 5% crôm và 2 –
8% vônfram nên có tính chống ram tốt vì thế thường được dùng để chế tạo các khuôn
chồn, ép có kích thước nhỏ hơn khuôn rèn nhưng lại cần tính chịu nhiệt độ cao hơn do
tiếp xúc lâu hơn với phôi thép nung đỏ.
Hiện nay người ta có xu hướng dùng hợp kim cứng để chế tạo các khuôn dập và
khuôn kéo thay cho thép hợp kim. Điều này đã đem lại hiệu quả kinh tế cao. Thành phần
hóa học của một số mác thép nêu trên được trình bày trong bảng 6.7.
Bảng 6.7 Một số thép làm khuôn dập nóng.
107
Thành phần các nguyên tố (%)
Mác thép
C Mn Cr W (Mo) Ni (Si) V
50CrNiMo 0,50– 0,60 0,50– 0,80 0,5 – 0,8 0,15– 0,30 1,4 – 1,8 –
50CrNiW 0,50– 0,60 0,50– 0,80 0,5 – 0,8 0,4 – 0,7 1,4 – 1,8 –
50CrMnMo 0,50– 0,60 1,20– 1,60 0,6 – 0,9 0,15– 0,30 – –
30Cr2W8V 0,30– 0,40 0,15– 0,40 2,2 – 2,7 7,5 – 8,5 – 0,2 – 0,5
40Cr2W5MoV 0,35– 0,45 0,15– 0,40 2,2 – 3,0 4,5 – 5,5 – 0,6 – 0,9
40Cr2W2Si 0,35– 0,45 0,15 – 0,40 4,5 – 5,5 1,6 – 2,2 0,8 – 1,2 0,6 – 0,9
6.6.2.3 Thép hợp kim dụng cụ làm dụng cụ đo lường.
Dụng cụ đo lường được sử dụng trong sản xuất cơ khí có nhiều loại khác nhau với
các cấp chính xác khác nhau như thước đo độ dài (thước lá chẳng hạn), thước cặp, panme,
thước gĩc, dưỡng, ca líp v.v. Trong quá trình đo lường chúng thường xuyên cọ sát với chi
tiết cần đo nên dễ bị mài mòn, biến dạng dần đến làm sai leach kết quả đo.
Chính vì thế thép dùng để chế tạo ra dụng cụ đo cần phải có độ cứng và tính chống
mài mòn cao, có kích thước không thay đổi trong suốt thời gian làm việc lâu dài. Ngoài ra,
thép làm dụng cụ đo phải có khả năng mài bóng cao và ít bị biến dạng khi nhiệt luyện.
Các mác thép thường dùng để chế tạo dụng cụ đo với cáp chính xác cao bao gồm
100Cr, OL100Cr2, 100CrWMn, và 140CrMn. Sau khi tôi nhóm thép này thường được gia
công lạnh hoặc hóa già nhân tạo ở nhiệt độ 120 – 140 0C trong thời gian dài khoảng 24 tới
48 giờ chứ không ram nhằm đảm bảo khả năng chống mài mòn cao và k1ich thước ổn
định.
Đối với các loại dụng cụ đo có cấp chính xác thấp chỉ cần tạo được bề mặt làm
việc có độ cứng cao để chống mài mòn là đủ vì vậy người ta thường dùng các mác thép
C15, C20, 15Cr, 20Cr, 12CrNi3A, C50, C55, 38CrMoAlA.
Mác 38CrMoAlA được dùng để chế tạo các dụng cụ đo có kích thước lớn và hình
dạng phức tạp, chúng thường qua thấm nitơ.
6 Thép hợp kim đặc biệt.
Thép hợp kim đặc biệt là những thép được dùng vào những mục đích đặc biệt do
chúng có những tính chất vật lý, tính chất hóa học đặc biệt khác với các loại thép hợp kim
thường dùng cả về thành phần hóa học và tổ chức tế vi.
Trong sản xuất cơ khí người ta thường dùng các nhóm thép đặc biệt như thép và hợp
kim có tính chống mài mòn cao, thép không gỉ, thép và hợp kim chịu nhiệt, hợp kim có điện
trở lớn, hợp kim có tính giãn nở nhiệt và đàn hồi đặc biệt, thép và hợp kim từ tính, v.v.
6.7.1 Thép và hợp kim có tính chống mài mòn cao.
108
Các thép và hợp kim có tính chống mài mòn cao được dùng nhiều trong kỹ thuật bao
gồm bốn nhóm:
− Thép có độ cứng cao và không có điểm mềm sau khi tôi như thép ổ bi, ổ lăn,
thép làm khuôn dập nguội loại 210Cr12…hoặc các loại thép nâng cao độ cứng bề
mặt bằng các cách tôi bề mặt, hoá nhiệt luyện.
− Thép có độ cứng không cao nhưng có thể tự biến cứng lớp bề mặt khi làm việc
nên có tính chống mài mòn rất cao như thép Hatfind.
− Thép có độ cứng thấp nhưng có khả năng tự bôi trơn như thép graphít.
− Hợp kim trên cơ sở cácbit đúc hoặc thiêu kết.
Nhóm đầu đã được trình bày trong các phần thép hợp kim kết cấu và thép hợp kim
dụng cụ nên không nhắc lại.
Trong phần này chúng tôi chủ yếu đi sâu vào ba nhóm còn lại mà thôi.
Thép Hatfind.
Thép Hatfind là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao với hàm lượng mangan
và cácbon cao (magan tới 13% còn cácbon 1,3% theo tỉ lệ giữa mangan và cácbon là %Mn :
%C =10:1).
Mác thép điển hình của loại thép này là 130Mn13Đ (chữ Đ có nghĩa là đúc). Tính
chống mài mòn của mác thép này đạt được giá trị cao nhất khi nó có tổ chức hoàn toàn là
austenit.
Thép Hatfind được dùng để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn mạnh dưới áp suất
cao và dưới tại trọng va đập như ghi ray, răng gầu xúc, xích xe tăng, xích xe kéo, máy ủi,
cổ biên máy đập đá, vỏ máy nghiền và bi nghiền v.v.
Thép graphít hóa.
Thép graphít hóa là loại thép có hàm lượng cácbon cao khoảng 1,5 – 2% và với hàm
lượng silíc lớn tới 1 –2% sau khi ủ có tổ chức gồm hỗn hợp ferít, xementít và graphít.
Sau khi tôi, độ cứng của thép có thể đạt tới 63HRC lại có graphit bôi trơn tốt trên bề
mặt ma sát nên thép này có tính chống mài mòn rất cao. Vì thế thép graphít hóa được dùng
là khuôn kéo, khuôn dập nguội (tuổi thọ cao hơn 2 tới 3 lần so với dùng thép 210Cr12),
hoặc dùng ở trạng thái ủ thay cho hợo kim đồng để chế tạo bạc lót (ổ trượt) và các chi
tiết khác làm việc trong điều kiện ma sát.
Hợp kim cácbít đúc.
Như chúng ta đã biết, các pha cácbit có độ cứng rất cao và bền vững nên ở trong thép
chúng có tác dụng nâng cao khả năng chống mài mòn. Vì lý do này mà người ta tìm cách
chế tạo các loại vật liệu có tổ chức chủ yếu là cácbit để nâng cao tính chống mài mòn cho
các chi tiết hay dụng cụ.
Hiện nay trong côngnghiệp có hai phương pháp chính để chế tạo loại vật liệu này là
luyện kim bột (còn gọi là thiêu kết) và phương pháp nấu chảy (đúc).
109
Phương pháp sản xuất từ vật liệu bột rồi qua ép và thiêu kết sẽ được trình bày trong
chương vật liệu bột. Trong phần này chúng tôi chỉ trình bày vật liệu hợp kim cácbit được
sản xuất bằng phương pháp nấu chảy, đó là hợp kim cácbit đúc.
Hợp kim cácbit đúc là loại hợp kim trên cơ sở của sắt với một hàm lượng lớn cácbon
(dưới 4%) và các nguyên tố tạo cácbit chủ yếu là crôm, hoặc vônfram, vanadi, mangan,
v.v. Hợp kim cácbit đúc có một lượng lớn các loại cácbit (tới 40 – 60%) nên có tính chống
mài mòn rất cao, thường dùng ở trạng thái đúc hoặc tráng lên các chi tiết và dụng cụ chịu
mài mòn.
Người ta dùng hợp kim cácbit đúc để chế tạo chi tiết máy nông nghiệp, bunke, xe
chở quặng không chịu va đập. Thí dụ như các máuCr28, 300Cr23B2Si2Ti. Tổ chức của
nhóm này gồm một lượng lớn cácbit thứ nhất và ledeburít (cácbit và xementít).
Còn để chế tạo chi tiết va đập tương đối cao như máy xúc, đầu búa chèn, gnười ta
tthường dùng các mác 350Cr7Mn7Si, 300Cr26Ni4Si4Mn. Tổ chức của nhóm này gồm các
phần tử cácbit nhỏ mịn trên nền austenít – mactenxít. Để tráng lên bề mặt chi tiết va đập
tương đối cao như dao cắt đất cứng, gầu máy xúc quặng sắt v.v người ta thường dùng các
mác 110Mn13, 300Mn4, 110Cr14W13V2MnSi. Tổ chức của nhóm này gồm các phần tử
cácbit trên nền austenít hoặc austenít – mác tenxít.
6.7.2 Thép không gỉ.
Thép không gỉ là một họ hợp kim trên cơ sở sắt mà tính chất chủ yếu của chúng là
bền chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau.
Cần lưu ý rằng, mỗi loại thép không gỉ chỉ có tính chống ăn mòn cao trong một môi
trường nhất định nào đó và ngay cả trong môi trường đó nó vẫn bị ăn mòn với tốc độ nhỏ
(không đáng kê) chứ không phải hoàn toàn không bị ăn mòn.
Trong thép không gỉ nguyên tố hợp kim đóng vai trò chính, quyết định là crôm. Với
hàm lượng crôm không ít hơn 12% thép trở nên không gỉ trong môi trường ôxy hóa do tạo
ra lớp màng thụ động trên bề mặt của nó.
Người ta còn giải thích tính bền chống ăn mòn của thép khi có hàm lượng crôm
không dưới 12% như sau: Khi ferít chứa không ít hơn 12% crôm, điện thế điện cực của nó
tăng lên tương đương với điện thế của pha xementít (hay các pha cácbit nói chung) nên
nâng cao khả năng chống ăn mòn điện hóa một cách rõ rệt và do đó làm cho thép trở thành
không gỉ.
Tùy thuộc vào hàm lượng của các nguyên tố cácbon, crôm và nikel có trong thép mà
người ta chia thép không gỉ ra làm ba loại chính là thép không gỉ austenít, thép không gỉ
ferít, thép không gỉ máctenxít. Ngoài ra còn có các loại thép không gỉ khác như thép không
gỉ austenít – ferít, thép không gỉ hóa cứng tiết pha còn gọi là thép không gỉ austenít –
mactenxít.
6.7.2.1 Thép không gỉ austenít.
Thép không gỉ austenít là loại thép hợp kim cao với khoảng 18% crôm và 8 – 10%
nikel có tổ chức austenít ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thường. Thép không gỉ
austenít điển hình là loại 18.8 hay 18.9 (thành phần gồm 18% crôm, 8% nikel hay 18%
crôm, 9% nikel). Thành phần hóa học của một số mác thép nêu trên được trình bày trong
bảng 6.8.
110
Copyright by webtailieu.net