Giáo trình Vật liệu kim loại - Chương 5: Thép và gang

164 Phần III vật liệu kim loại Chương 5 thép và gang Các hợp kim trên cơ sở của sắt chiếm tỷ lệ áp đảo trong vật liệu kim loại, có tỷ lệ lớn trong vật liệu nói chung và được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật cũng như trong đời sống, làm các chi tiết quan trọng với yêu cầu kỹ thuật cao. Trong số các hợp kim của sắt trong chương này chỉ đề cập đến hợp kim Fe-C tức thép và gang, là loại rất thường gặp với nhiều chủng loại đa dạng thích ứng với rất nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Sẽ lần lượt trình bày các nhóm thép và gang. Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng rất nặng và phức tạp, đó là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan trọng nhất. Hầu như mọi thép đều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa - nhiệt luyện để thay đổi cơ tính theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt, trong công nghiệp thép được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm: dây, sợi, thanh, tấm, lá, băng, ống, góc, và các dạng hình khác nhau rất tiện cho sử dụng. Ngoài khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép còn có tính hàn tốt, rất tiện sử dụng trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung không cao song một số mác có thể tiến hành đúc thành các sản phẩm định hình tương đối phức tạp. Do những ưu điểm như vậy thép được coi là vật liệu xương sống của công nghiệp. Cần chú ý là thép là loại vật liệu kim loại với nhiều nhóm có tính chất, công dụng rất khác nhau, do đó phải nắm vững tính chất, tác dụng của cacbon và từng nguyên tố, cũng như từng nhóm, phân nhóm, mác điển hình. Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim. Trước tiên h∙y phân biệt, so sánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép chính này. 5.1. Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim 5.1.1. Thép cacbon Thép cacbon hay thép thường, được dùng rất phổ biến trong đời sống cũng như trong kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản lượng thép. a. Thành phần hóa học Như đ∙ nói thép là hợp kim sắt - cacbon với lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% với đặc tính là có tính dẻo nên có thể cán nóng được (do khi nung nóng lên nhiệt độ cao có tổ chức hoàn toàn austenit - dung dịch rắn với mạng A1, rất dẻo). Song trong thực tế thép không chỉ là hợp kim sắt với cacbon mà còn với nhiều nguyên tố khác. Do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim, nhiều nguyên tố đ∙ đi vào thành phần của thép mà không cần phải khử bỏ đi do có lợi hoặc không cần phải khử bỏ triệt để mặc dầu có hại do quá tốn kém không cần thiết. Thép cacbon là thép thông thường (thép thường), ngoài cacbon ra còn chứa một số nguyên tố với hàm lượng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng được gọi là tạp chất thường có hay chất lẫn vì không phải do cố ý đưa vào. Trong số các tạp chất có một số có lợi và một số có hại. H∙y xem xét các nguyên tố đó. Tạp chất có lợi: mangan và silic Bất kỳ thép nào dù đơn giản đến đâu cũng có mangan và silic với lượng không vượt quá 1%, chúng đi vào thành phần của thép là do: 165 - quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác như ôxyt mangan, ôxyt silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO → Mn, SiO2 → Si) đi vào gang rồi vào thép, - khi luyện thép phải dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, phần không tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép {ferô là loại hợp kim trung gian, dễ luyện vì có nhiệt độ chảy tương đối thấp, là nguyên liệu để pha chế, sử dụng trong quá trình luyện kim; nó chứa sắt, cacbon (> 1%) và lượng lớn nguyên tố hợp kim tương ứng. Ví dụ ferô mangan 80 là loại có khoảng 80%Mn}. Trong các điều kiện thông thường của quá trình luyện, các thép đều có chứa ≤ 0,80%Mn, ≤ 0,40%Si. Chúng là các nguyên tố có ích, có tác dụng tốt đến cơ tính: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ dẻo, độ dai), song với lượng ít như vậy không có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của thép cacbon. Tạp chất có hại: phôtpho và lưu huỳnh Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đường quặng sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang). Chúng làm thép giòn do đó phải được khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông thường cao nhất cũng không được vượt quá 0,05% cho mỗi nguyên tố. Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa: C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S ≤ 0,050%. Đó cũng là thành phần hóa học cơ bản của thép cacbon hay thép thường. Các tạp chất khác Ngoài phôtpho và lưu huỳnh, trong thép cũng luôn chứa các nguyên tố hyđrô, ôxy, nitơ do chúng hòa tan vào thép lỏng từ khí quyển của lò luyện. Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về tổ chức (gây tập trung ứng suất) và giòn (riêng nitơ có tính hai mặt sẽ trình bày sau) song với lượng chứa quá nhỏ (ví dụ: 0,006 ữ 0,008% đối với ôxy) nên rất khó phân tích, do vậy thường "dấu mặt" trong bảng thành phần nên được gọi là tạp chất ẩn náu. Đặc trưng của công nghiệp luyện kim hiện đại là sử dụng lại (tái chế) ngày càng nhiều với tỷ lệ cao thép, gang và hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim). Do vậy ngay trong thép cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau: - crôm, niken, đồng ≤ 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng không được vượt quá 0,50%, - vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố. Đáng chú ý xu thế này ngày một mạnh nên hàm lượng cho phép của các nguyên tố trên trong thép thường cũng tăng lên. Song dù như vậy người ta vẫn chỉ coi chúng là tạp chất (chất lẫn vào) vì: - không cố ý đưa vào, - với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Fe - C, về cơ bản thép tạo thành có tổ chức phù hợp với giản đồ pha Fe - C. Sau đây xét ảnh hưởng của năm nguyên tố thường gặp nhất trong thép cacbon. b. ảnh hưởng của cacbon đến tổ chức, tính chất và công dụng của thép thường 166 Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp). Tổ chức tế vi Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (ủ). - C ≤ 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắt nguyên chất. - C = 0,10 ữ 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích. - C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích. - C ≥ 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích. Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo. Hình 5.1. ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường (ở trạng thái ủ). Cơ tính ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình bày trên hình 5.1. Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB. Về mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25 đơn vị. Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) làm cho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi. Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp (≤ 0,25%) δ giảm 6%, aK giảm 300kJ/m 2, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) tương ứng là 3% và 200kJ/m2...Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng giòn. Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên. ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σb không đơn giản như đối với độ cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 ữ 0,50%C σb tăng khoảng 70 167 ữ 90MPa, trong khoảng 0,60 ữ 0,80%C σb tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σb lại giảm đi. Có thể giải thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số chốt cản trượt cho pha này do vậy σb tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là peclit, khi vượt quá 0,80 ữ 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những giòn mà còn làm giảm giới hạn bền. Vai trò của cacbon. Công dụng của thép theo thành phần cacbon Chính do cacbon có ảnh hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép. Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim. Điều khá kỳ diệu là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có được. Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và công dụng rất khác nhau như sau. - Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, được dùng làm kết cấu xây dựng, tấm lá để dập nguội. Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon. - Thép có cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao. - Thép có cacbon tương đối cao (0,55 ữ 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi. - Thép có cacbon cao (≥ 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo. Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65%. Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể trên để định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê dịch đôi chút. Tính công nghệ Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cacbon. Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập. Hàm lượng cacbon cũng có ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép. Nói chung thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia công cắt kém. Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém. Nói chung tính đúc của thép không cao. c. ảnh hưởng của các tạp chất thường có Mangan Mangan được cho vào mọi thép dưới dạng ferô mangan để khử ôxy thép ở trạng thái lỏng tức là để loại trừ FeO rất có hại: Mn + FeO → Fe + MnO (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh. Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ 168 bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 ữ 0,80% nên ảnh hưởng này không quan trọng. Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh. Silic Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái lỏng: Si + FeO → Fe + SiO2 (SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) Giống như mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a) nên làm tăng cơ tính của thép, song lượng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 ữ 0,40% nên tác dụng này cũng không rõ rệt. Phôtpho Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe - C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn. Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường). Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đ∙ trở nên giòn. Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn). Phôpho cũng có mặt lợi, được nói ở mục 5.3.6b. Lưu huỳnh Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 ữ 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, g∙y như là thép rất giòn. Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng. Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, g∙y. Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt (mục 5.3.6b). d. Phân loại thép cacbon Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc trưng riêng biệt cần để ý để sử dụng thép được tốt hơn. Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện Rõ ràng là thép càng ít tạp chất có hại (P, S) và các khí (H, O, N) có độ dẻo, độ dai càng cao tức có cơ tính tổng hợp cao, chất lượng càng cao. Các phương pháp luyện thép khác nhau có khả năng loại trừ tạp chất có hại khác nhau này ở các mức cao thấp khác nhau do đó tạo cho thép chất lượng tốt, xấu khác nhau. Có nhiều phương pháp luyện thép song cho đến hiện nay trên thế giới chỉ còn tồn tại ba phương pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉnh (lò L- D) (nước ta chỉ bằng lò điện hồ quang), ngoài ra còn các phương pháp làm sạch tạp chất ngoài lò. Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lượng sau. - Chất lượng thường, lượng P, S chỉ được khử đến mức 0,050% (hay cao hơn một chút) cho mỗi nguyên tố. Phương pháp luyện thép L-D thường chỉ đạt được 169 cấp chất lượng này mặc dầu nó cho năng suất rất cao và giá thành thép rẻ. Cấp chất lượng này thường chỉ áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao như một số thép xây dựng thông dụng. - Chất lượng tốt, lượng P, S được khử đến mức 0,040% cho mỗi nguyên tố. Phương pháp luyện thép bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt được cấp chất lượng này. Cấp chất lượng này thường áp dụng cho các nhóm thép dùng trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao hơn. - Chất lượng cao, lượng P, S được khử khá cẩn thận, đến mức 0,030% cho mỗi nguyên tố. Với các biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khử mạnh, tuyển chọn nguyên liệu vào...) vẫn có thể đạt được cấp chất lượng này bằng phương pháp luyện thép trong lò điện hồ quang. - Chất lượng rất cao, lượng P, S được khử ở mức triệt để nhất: 0,020% cho mỗi nguyên tố. Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt được giới hạn này. Thép sau khi luyện ở lò này được tinh luyện tiếp tục: khử tạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ. Ngoài ra để giảm tối đa lượng khí chứa trong thép người ta phải áp dụng đúc rót thép trong chân không. Các thép cacbon có thể được cung cấp ở ba cấp chất lượng: thường, tốt và cao (ít gặp). Các thép hợp kim không có cấp chất lượng thường, chỉ có các cấp: tốt, cao và rất cao. Thép xây dựng thường chỉ yêu cầu chất lượng thường, trong khi đó thép chế tạo máy phải có chất lượng từ tốt trở lên. Riêng thép làm ổ lăn phải đạt cấp chất lượng rất cao. Theo phương pháp khử ôxy Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không người ta chia ra hai loại thép sôi và thép lặng. Thép sôi là loại không được khử ôxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không mạnh là ferô mangan, nên trong thép lỏng vẫn còn FeO và do đó có phản ứng: FeO + C → Fe + CO↑ Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động như thể bị "sôi" vậy (nên có tên là thép sôi) và tạo ra bọt (rỗ) khí trong thỏi đúc. Khi cán nóng tiếp theo phần lớn bọt khí được hàn kín lại (chú ý là vỏ bọc khí nằm trong thỏi đúc, không tiếp xúc với không khí nếu không lưu kho quá lâu sẽ chưa bị ôxy hóa nên các nguyên tử sắt dễ khuếch tán, hàn kín lại khi cán nóng) nên nói chung không ảnh hưởng xấu đến cơ tính của thép đ∙ qua biến dạng nóng. Các đặc điểm của thép sôi là: - do không được khử bằng ferô silic nên chứa rất ít silic, thường là ≤ 0,05 ữ 0,07%, nên ferit của thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội, - không cho phép dùng thép sôi để chế tạo các vật đúc định hình vì các rỗ khí làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh hưởng rất xấu đến cơ tính, - không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trong thép vẫn còn ôxy (FeO) nên khi chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra, mối hàn chứa nhiều bọt khí. - không cho phép dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon do không được khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt bản chất lớn. Thép lặng là loại được khử ôxy triệt để bằng cả ferô mangan lẫn ferô silic là chất khử mạnh và nhôm, nên trong thép lỏng không xảy ra phản ứng trên, mặt thép lỏng luôn "phẳng lặng" (nên có tên là thép lặng). Các đặc điểm của thép lặng là: - do được khử bằng ferô silic nên chứa một lượng nhất định silic, thường trong khoảng 0,15 ữ 0,35%, vì thế ferit của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội hơn, 170 - trong tổ chức không có rỗ khí nên có cấu trúc xít chặt hơn, có cơ tính cao hơn thép sôi, các vật đúc bằng thép phải được chế tạo bằng thép lặng, tuy nhiên lõm co trong thép lặng khá lớn (phần này phải cắt bỏ đi làm giảm hiệu quả kinh tế), - trong các kết cấu hàn chảy chỉ được phép dùng thép lặng, - các chi tiết thấm cacbon chỉ được làm bằng thép lặng. Do các đặc tính trội hơn thép sôi, thép lặng được sử dụng rộng r∙i hơn. Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ được khử ôxy bằng ferô mangan và nhôm. Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và thép lặng. Tuy xuất hiện sau song thép nửa lặng có khuynh hướng thay thế cho thép sôi. Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, song thép cacbon có thể ở cả ba loại: sôi, lặng và nửa lặng. Theo công dụng Theo mục đích sử dụng hay theo công dụng có thể chia thép cacbon thành hai nhóm thép kết cấu và thép dụng cụ. Thép kết cấu là loại được dùng làm các kết cấu, chi tiết chịu tải (lực) do đó ngoài yêu cầu về độ bền bảo đảm còn cần phải có đủ độ dẻo, độ dai yêu cầu tức là cơ tính tổng hợp. Đây là nhóm thép được sử dụng thường xuyên nhất với khối lượng lớn nhất. Trong nhóm này còn có thể phân tiếp thành hai nhóm nhỏ hơn là xây dựng và chế tạo máy: - Thép xây dựng là loại chủ yếu được dùng trong xây dựng để làm các kết cấu thép dưới dạng các thanh dài, tấm rộng ghép lại, chúng đòi hỏi cơ tính tổng hợp song không cao. Thép xây dựng tuy có cần bền song phải có độ dẻo cao để dễ uốn khi lắp ghép và độ dai cao để khó bị phá hủy giòn, có tính hàn tốt. - Thép chế tạo máy đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn nên nói chung đòi hỏi chất lượng cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn phải bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai. Thép dụng cụ là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên có yêu cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn. Trong thực tế người ta sử dụng tất cả các cách phân loại trên. e. Tiêu chuẩn thép cacbon Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn Việt Nam đ∙ quy định những loại thép cacbon chính. TCVN 1765 - 75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường để làm các kết cấu xây dựng, được sử dụng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện. Do yêu cầu chất lượng không cao lượng nên lượng P, S cho phép khá lớn: P là 0,040 ữ 0,070%, S là 0,050 ữ 0,060%. Thép được ký hiệu bằng CT (với ý nghĩa là thép cacbon chất lượng thường) với các chữ ở sau cùng: s chỉ thép sôi, n chỉ thép nửa lặng, nếu không có chữ gì là thép lặng. Trong nhóm thép này lại quy định có ba phân nhóm A, B và C, trong đó phân nhóm thứ nhất A là chủ yếu. Phân nhóm A phân loại các mác theo giới hạn bền kéo tối thiểu đạt được tính theo đơn vị kG/mm2 - CTxx. Cách ký hiệu theo σb (min) như vậy khá tiện cho việc tính toán sơ bộ sức bền cũng như tiết diện thép. Ví dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có ơb ≥ 38kG/mm2 hay 380MPa song với ba phương pháp khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng và sôi nên các chỉ tiêu cơ tính khác có khác nhau đôi chút. Tiêu chuẩn cũng quy định tỉ mỉ và chặt chẽ các chỉ tiêu khác như σ0,2, δ, ψ, aK (xem bảng 5.1 ở mục 5.2.2b). Các phân nhóm B và C về cơ bản giữ nguyên ký hiệu như ở phân nhóm A song ở đầu ký hiệu tương ứng 171 có thêm chữ B và C là BCTxx và CCTxx. Phân nhóm B không quy định cơ tính song lại quy định thành phần hóa học (phải tra bảng 5.2), còn phân nhóm C lại quy định cả hai: cơ tính lẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có cơ tính của CT38 còn thành phần của BCT38. TCVN 1766-75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng tốt để chế tạo máy qua nhiệt luyện, do vậy phải được bảo đảm (quy định) cả thành phần hóa học lẫn cơ tính (phải tra bảng), các mác được ký hiệu bằng chữ C và số phần vạn cacbon trung bình - Cxx. Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 ữ 0,45%) và các tạp chất trong giới hạn đ∙ trình bày. Do chất lượng tốt nên lượng P và S là ≤ 0,040% cho mỗi nguyên tố, các mác có chất lượng cao (P, S ≤ 0,030% cho mỗi nguyên tố) ở cuối ký hiệu có chữ A, ví dụ C40A. TCVN 1822-76 quy định các mác thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là cacbon, D là dụng cụ) với số tiếp theo chỉ lượng cacbon trung bình tính theo phần vạn - CDxx hoặc CDxxx. Ví dụ, CD80 và CD80A là hai mác cùng có khoảng 0,80%C (0,75 ữ 0,84%) song với chất lượng tốt và cao. Tiêu chuẩn các nước ΓOCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thường bằng CT với các số từ 0, 1 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng cao). Cũng có các phân nhóm theo thứ tự A, Б, B lần lượt tương ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN. Về thép kết cấu cacbon chất lượng tốt ΓOCT quy định các mác ký hiệu theo số phần vạn cacbon trung bình, như mác 40 có khoảng 0,40%C như mác C40 của TCVN. Về thép cacbon dụng cụ ΓOCT quy định các mác bằng У với số tiếp theo chỉ lượng cacbon theo phần nghìn cacbon trung bình như У12 có khoảng 1,20%C. Tuy có một số khác biệt nhỏ về cơ bản TCVN về thép cacbon vẫn theo các nguyên tắc cơ bản của ΓOCT, nên có sự trùng hợp hoàn toàn giữa hai tiêu chuẩn này. Hoa Kỳ sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon. ASTM được dùng cho thép xây dựng. AISI và SAE cho các thép chế tạo máy và dụng cụ. JIS quy định các thép kết cấu chất lượng thường bằng SS hay SM với số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị MPa - SSxxx, SMxxx; các thép kết cấu cacbon chất lượng tốt bằng SxxC trong đó xx là số chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, các thép cacbon dụng cụ bằng SK với các số thứ tự từ 1 đến 7 - SKx. f. ưu nhược điểm của thép cacbon ưu điểm Thép cacbon được dùng rất rộng r∙i trong kỹ thuật nói chung và chế tạo máy vì ba ưu điểm sau: 1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền. 2) Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng. 3) Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép hợp kim). Nhược điểm Thép cacbon cũng có nhiều nhược điểm, trong đó đáng chú ý nhất là: 1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao, do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền, đặc biệt đối với tiết diện lớn. 2) Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hóa ở trên 200oC, ở trên 570oC bị ôxy hóa mạnh. 172 3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn. Các thép hợp kim tránh được các nhược điểm này. Do vậy trong thực tế thép cacbon được dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa phải, làm việc ở nhiệt độ thường; trong khi đó các thép hợp kim được dùng cho các trường hợp ngược lại. 5.1.2. Thép hợp kim Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan trọng. a. Thành phần hóa học Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào (không phải do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim) các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa). Các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với lượng đủ lớn như vậy được gọi là nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố (không có giá trị chung cho mọi nguyên tố) như sau: Mn ≥ 0,80 ữ 1,00%, Si ≥ 0,50 ữ 0,80%, Cr ≥ 0,50 ữ 0,80%, Ni ≥ 0,50 ữ 0,80%, W ≥ 0,10 ữ 0,50%, Mo ≥ 0,05 ữ 0,20%, Ti ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,30, B ≥ 0,0005%. Nhỏ hơn giới hạn dưới kể trên được coi là tạp chất. Tuy nhiên các giới hạn trên cũng chỉ là quy ước và không cứng nhắc một cách quá chặt chẽ. Thép hợp kim là loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa ít và rất ít các tạp chất có hại. b. Các đặc tính của thép hợp kim ở đây nói kỹ hơn các đặc tính trội hơn hẳn của thép hợp kim so với thép cacbon (thép cacbon tương đương được mang ra đối chứng phải là loại có cùng thành phần cacbon với thép hợp kim đ∙ cho). Cơ tính Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở thép sau khi tôi + ram. Khi hết sức tận dụng ưu điểm này cần chú ý đến đến các hệ quả sau đây: - ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ), độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đ∙ dùng thép hợp kim thì phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng, gần như thường hóa) hay ủ là sự l∙ng phí lớn về độ bền. - ưu việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn và lượng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ (≤ 20mm) ưu việt này của thép hợp kim không thể hiện được (vì với tiết diện nhỏ như vậy thép cacbon cũng được tôi thấu). - Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trường tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi nước. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi (do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim. - Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết chỉ cần vừa đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đ∙ cho là đủ, không nên dùng thừa (dùng thép 173 hợp kim quá cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá hủy giòn hơn). Do vậy có nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc kích thước (tiết diện). - Tuy đạt độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ ngược này để có xử lý thích hợp (bằng ram). Mặc dầu có ưu điểm về độ bền, nói chung thép hợp kim có tính công nghệ kém hơn thép cacbon (trừ tính thấm tôi). Tính chịu nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó làm mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200oC, do vậy tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy ôxyt tạo thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt. Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt: - không gỉ, chống ăn mòn trong axit, badơ, muối, - từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính, - gi∙n nở nhiệt đặc biệt... Qua đó thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết, không thể thiếu cho những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông thường. c. Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép Một cách đơn giản có thể xem một thép hợp kim đơn giản (chỉ có một nguyên tố hợp kim) là đưa thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C. Vậy h∙y xem nguyên tố hợp kim ảnh hưởng như thế nào đến hợp kim Fe - C mà ta đ∙ nghiên cứu, cụ thể là đến các tổ chức chính: các dung dịch rắn ferit, austenit, hợp chất xêmentit (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗn hợp ferit - cacbit)... Các nguyên tố khi đưa vào thép cũng không ngoài hai tác dụng: hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn và kết hợp với cacbon thành cacbit. Cũng khó phân loại rạch ròi song có thể tạm chia thành hai dạng nguyên tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hòa tan vào sắt và dạng có ái lực mạnh với cabon tạo nên cacbit. H∙y xét từng khả năng. Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn Đó là trường hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình và thường gặp là Mn, Si, Cr, Ni. Với lượng ít nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi đáng kể cấu hình của giản đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức ferit ở nhiệt độ thấp và austenit ở nhiệt độ cao. Khi hòa tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit, các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ dai. ảnh hưởng của bốn nguyên tố trên đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ dai được trình bày trên hình 5.2. Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si, Cr và Ni. Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit đ∙ có độ dai rất thấp (≤ 500kJ/m2) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế là rẻ hơn, khả năng hóa bền cao Mn và Si chỉ được dùng với hàm lượng hạn chế 1 ữ 2%. Như thế không thể dùng thép Mn, Si với độ thấm tôi cao vì bị hạn chế bởi lượng đưa vào. Còn Ni và Cr (cho tới hàm lượng 4%) trong khi làm tăng độ cứng chẳng những không làm giảm còn làm tăng chút ít độ dai. 174 Do vậy hợp kim hóa thép bằng Cr, Ni hay đồng thời bằng cả hai là rất tốt vì ngoài làm tăng độ thấm tôi, bản thân chúng nâng cao độ cứng, độ bền mà vẫn duy trì tốt độ dẻo, độ dai của ferit. Vì thế thép có độ thấm tôi cao thuộc nhóm được hợp kim hóa bằng Cr - Ni. Mặc dầu giá thành có cao hơn (do Cr và đặc biệt Ni ngày càng đắt, hiếm) loại thép này vẫn được ưa chuộng trong chế tạo các chi tiết đòi hỏi độ tin cậy cao. Với lượng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn chúng làm thay đổi hẳn cấu hình của giản đồ pha Fe - C, đặc biệt rõ là làm thay đổi các khu vực của ferit và austenit. Trên hình 5.3 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng Mn và Cr đến khu vực γ (austenit) của giản đồ pha Fe - C. Thấy rất rõ Mn (và cả Ni nữa) mở rộng (nhiệt độ tồn tại của) khu vực γ (tương ứng thu hẹp khu vực α). Với hàm lượng lớn trong khoảng 10 ữ 20% tổ chức austenit tồn tại cả ở nhiệt độ thường (không biểu thị ở hình 5.3a), tức là khi nung nóng hay làm nguội không có chuyển biến pha như thường gặp, thép được gọi là thép austenit. Còn Cr ngược lại thu hẹp khu vực γ (tương ứng mở rộng khu vực α như ở hình 5.3b). Với hàm lượng Cr đủ lớn (khoảng gần 20%) khu vực γ không còn tồn tại, tổ chức ferit tồn tại cả ở nhiệt độ cao cho tới khi chảy lỏng. Thép này cũng không có chuyển biến pha và được gọi là thép ferit. Những trường hợp như vậy chỉ gặp ở thép đặc biệt. Rõ ràng là các thép này không thể áp dụng hóa bền bằng tôi. Hình 5.2. ảnh hưởng của độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim chủ yếu trong dung dịch rắn ferit đến độ cứng (a) và độ dai va đập (b) Tạo thành cacbit Trừ các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo thành được cacbit trong thép (chỉ có thể hòa tan vào sắt), các nguyên tố hợp kim còn lại gồm Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb ngoài khả năng hòa tan vào sắt còn có thể kết hợp với cacbon thành cacbit. Người ta nhận thấy rằng số điện tử của phân lớp nd (3d, 4d, 5d) trong nguyên tử của nguyên tố nào càng bị thiếu thì nguyên tố đó càng có ái lực mạnh với cacbon và tất nhiên là trong thép (chủ yếu là sắt) chỉ nguyên tố nào có số điện tử của phân lớp nd ít hơn của Fe (là 6) thì mới có khả năng tạo thành được cacbit. Phù hợp với số thiếu hụt của điện tử, các nguyên tố tạo thành cacbit trong thép theo thứ tự từ yếu đến mạnh như sau: 175 Fe (6), Mn (5), Cr (5), Mo (5), W (4), V (3), Ti (2), Zr (2), Nb (2) [số trong ngoặc là số điện tử trong phân lớp nd], trong đó: - Mn và Cr là các nguyên tố tạo thành cacbit trung bình, - Mo và W là các nguyên tố tạo thành khá mạnh, - V là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, và - Ti, Zr, Nb là các nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh. Hình 5.3. ảnh hưởng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng α và γ trên giản đồ Fe-C. Khi đưa vào thép các nguyên tố này, cacbon sẽ ưu tiên kết hợp với các nguyên tố mạnh trước. Tùy theo nguyên tố hợp kim (Me) đưa vào và hàm lượng của nó, trong thép hợp kim có các pha cacbit sau. - Xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C. Khi thép chứa một lượng ít (1 ữ 2%) các nguyên tố tạo cacbit trung bình và khá mạnh là Mn, Cr, Mo, W chúng hòa tan thay thế vị trí các nguyên tử Fe trong xêmentit tạo nên xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C. Xêmentit hợp kim có tính ổn định cao (khó phân hủy, kết tụ khi nung) hơn xêmentit chút ít. Nhiệt độ tôi có tăng đôi chút. - Cacbit với kiểu mạng phức tạp. Khi hợp kim hóa đơn giản (chỉ bằng một nguyên tố hợp kim) song với lượng lớn (> 10%) Cr hoặc Mn (có dC / dMe > 0,59) chúng tạo nên với C loại cacbit với kiểu mạng phức tạp (xem lại mục pha xen kẽ 3.1.3b) như: Cr7C3, C23C6, Mn3C. Các đặc tính của cacbit này là: + có độ cứng cao (hơn xêmentit một chút), + có nhiệt độ chảy không cao lắm, trong khoảng 1550 ữ 1850oC (cao hơn xêmentit), nên có tính ổn định cao hơn. Nhiệt độ tôi của thép phải cao hơn 1000oC. - Cacbit kiểu Me6C. Trong các thép chứa Cr với W hoặc Mo sẽ tạo nên cacbit loại Me6C với kiểu mạng phức tạp, trong đó Me là các nguyên tố Cr, W, Mo và cả Fe. Loại cacbit này còn khó hòa tan vào austenit hơn và ổn định hơn loại trên. Nhiệt độ tôi của thép trong khoảng 1200 ữ 1300oC (xem mục thép gió 5.4.2c). - Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC (Me2C). Các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh và rất mạnh là V, Ti, Zr, Nb khi đưa vào thép với lượng ít (0,1%) cũng có khả năng liên kết hết với cacbon thành cacbit như VC, TiC, ZrC, NbC, chúng chính là pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản (vì dC / dMe < 0,59). Các đặc tính của loại cacbit này là: + có độ cứng cao nhưng ít giòn hơn xêmentit, 176 + có nhiệt độ chảy rất cao (trên dưới 3000oC) nên rất khó phân hủy và hòa tan vào austenit khi nung. Các nguyên tố này không có tác dụng tăng độ thấm tôi, cacbit của chúng thường đóng vai trò giữ cho hạt nhỏ và nâng cao tính chống mài mòn. Như vậy các cacbit hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, khó hòa tan vào austenit hơn so với xêmentit làm thép hợp kim cứng, bền nóng hơn và có nhiệt độ tôi cao hơn thép cacbon. Do các nhóm thép sử dụng các loại nguyên tố hợp kim và lượng chứa khác nhau nên nói chung mỗi nhóm thép thường chỉ gặp 1 ữ 2 loại cacbit kể trên, cụ thể là: + xêmentit hợp kim trong thép kết cấu, + cacbit với kiểu mạng phức tạp trong thép không gỉ và bền nóng (thuộc nhóm thép đặc biệt), + cacbit kiểu Me6C trong thép gió (thuộc thép dụng cụ), + cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC được tạo thành với lượng ít trong các nhóm thép khác nhau. Vai trò của cacbit hợp kim - Giống như xêmentit, cacbit hợp kim cũng có tác dụng làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn của thép song có phần mạnh hơn. Như sau này sẽ thấy thép làm dụng cụ tốt nhất phải là loại thép có cacbon cao và hợp kim cao. - Do khó hòa tan vào austenit khi nung nóng nên một mặt nâng cao nhiệt độ tôi mặt khác lại giữ được hạt nhỏ khi nung, điều này giúp nâng cao độ dai và cơ tính nói chung. - Khi ram, cacbit hợp kim tiết ra khỏi mactenxit và kết tụ lại ở nhiệt độ cao hơn so với xêmentit ở trong thép cacbon, do đó giữ được độ cứng cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200oC, đôi khi tới 500 ữ 600oC, tức có tính cứng hay bền nóng. d. ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện Các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng lớn đến quá trình nhiệt luyện, đặc biệt là tôi + ram, do vậy sẽ ảnh hưởng lớn đến cơ tính, đây là đặc tính nổi bật của thép hợp kim. H∙y xét tới từng mặt và từng quá trình của nhiệt luyện. Chuyển biến khi nung nóng để tôi Trừ một số thép đặc biệt, các thép hợp kim thông thường còn lại vẫn có tổ chức peclit, nên khi nung nóng để tôi vẫn có các chuyển pha: peclit → austenit, cacbit hòa tan vào austenit, hạt austenit phát triển (như thép cacbon với pha cacbit là xêmentit) song có các điểm đặc trưng sau: - Sự hòa tan cacbit hợp kim khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn so với xêmentit trong thép cacbon. H∙y so sánh các thép cùng có 1,00%C nhưng với lượng hợp kim cao thấp khác nhau: + thép cacbon 1,00%C (mác CD100), Fe3C, nhiệt độ tôi khoảng 780 oC, + thép hợp kim thấp 1,00%C + 1,50%Cr (thép ổ lăn), (Fe,Cr)3C, nhiệt độ tôi khoảng 830oC, + thép hợp kim cao 1,00%C + 12,0%Cr (thép khuôn dập), Cr23C6, nhiệt độ tôi > 1000oC. - Cacbit hợp kim do khó hòa tan vào austenit, nằm ở biên giới hạt, như hàng rào giữ cho hạt nhỏ. Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh với V, tương đối mạnh với W, Mo. Riêng thép có Mn lại có khuynh hướng làm to hạt austenit. Các 177 nguyên tố hợp kim còn lại Cr, Ni, Si, Al được coi là trung tính. Chính vì vậy thép hợp kim thường giữ được hạt nhỏ hơn thép cacbon khi cả hai cùng bị nung nóng ở cùng nhiệt độ (ví dụ khi thấm cacbon). Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội và độ thấm tôi Đây là tác dụng quan trọng nhất và điển hình nhất, cần nắm vững và tận dụng triệt để. Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội. Khi hòa tan vào austenit, tất cả các nguyên tố hợp kim (trừ Co) với các mức độ khác nhau đều làm chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội tức là làm đường cong chữ "C" dịch sang phải do đó làm giảm tốc độ tôi tới hạn Vt.h (hình 5.4a). Trong đó đáng để ý: các nguyên tố có tác dụng rất mạnh là Mo (khi riêng rẽ) và Cr - Ni (khi kết hợp), mạnh là Cr, Mn, B. Với cùng tổng lượng hợp kim, khi hợp kim hóa phức tạp làm giảm Vth mạnh hơn khi hợp kim hóa đơn giản. Cần chú ý là khi nguyên tố hợp kim không hòa tan vào austenit mà ở dạng cacbit không những không làm tăng mà còn làm giảm tính ổn định của austenit quá nguội, dẫn tới tăng Vt.h. Độ thấm tôi. Do làm giảm Vt.h, các nguyên tố hợp kim (trừ Co) khi hòa tan vào austenit đều làm tăng độ thấm tôi (hình 5.4b). Như thấy rõ từ hình vẽ, do đường cong chữ "C" trong thép hợp kim dịch sang phải nên có Vt.h2 < Vt.h1 của thép cacbon, tương ứng δ2 là độ thấm tôi của thép hợp kim, δ1 - độ thấm tôi của thép cacbon, ta luôn có δ2 > δ1. Nhờ hiệu quả này trong thép hợp kim có thể xảy ra các trường hợp sau mà ta không thể gặp trong thép cacbon: - Vt.h bé đến mức nhỏ hơn cả Vnguội của lõi, do đó sau khi tôi lõi cũng có tổ chức mactenxit, đây là trường hợp tôi thấu. Hình 5.4. So sánh giản đồ T - T - T, Vth (a) và độ thấm tôi (b) giữa thép cacbon và thép hợp kim. - Vnguội trong không khí cũng có thể lớn hơn Vt.h, do đó thường hóa cũng đạt được tổ chức mactenxit, đó là hiện tượng tự tôi (trong khi đó thường hóa thép cacbon chỉ đạt được xoocbit là cùng). Do độ thấm tôi tăng lên sẽ có hai hiệu quả chính sau đây: 178 1) Hiệu quả hóa bền của tôi + ram tăng lên rõ rệt, đặc biệt khi tôi thấu sẽ đạt tới cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện, nâng cao mạnh sức chịu tải của chi tiết. Vì thế: - Để phát huy hết khả năng chịu tải của chi tiết bằng thép hợp kim, phải sử dụng nó ở trạng thái tôi + ram, có như vậy mới đạt hiệu quả kinh tế (vì thép hợp kim đắt hơn). - Với tiết diện càng lớn càng phải dùng thép hợp kim và dùng nó càng hiệu quả. Do vậy phải căn cứ vào tiết diện và cơ tính yêu cầu mà chọn mác thép: tiết diện càng lớn, độ bền đòi hỏi càng cao, lượng hợp kim trong thép càng phải cao để có thể tôi thấu. 2) Khi tôi có thể dùng các môi trường nguội chậm mà vẫn đạt được mactenxit như tôi trong dầu, trong muối nóng chảy (phân cấp hay đẳng nhiệt), điều này dẫn đến các ưu việt sau: - Chi tiết, dụng cụ với hình dạng phức tạp khi tôi không sợ g∙y, nứt. Trong khi đó nếu làm bằng thép cacbon phải tôi trong nước dễ sinh vỡ. - ít biến dạng, trong nhiều trường hợp có độ cong vênh dưới mức cho phép, đặc biệt khi tôi phân cấp hay đẳng nhiệt. Chuyển biến mactenxit Khi hòa tan vào austenit, các nguyên tố hợp kim (trừ Co, Al, Si) đều hạ thấp nhiệt độ chuyển biến austenit thành mactenxit, do đó làm tăng lượng austenit dư sau khi tôi (xem lại phần giải thích ở hình 4.13). Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm giảm Ms như sau: Mn - 45 oC, Cr - 35oC, Ni - 26oC, Mo - 25oC, còn Co làm tăng 12oC, Al làm tăng 18oC, Si không ảnh hưởng gì. Do austenit dư tăng mạnh ở các thép có cacbon cao - hợp kim cao, độ cứng sau khi tôi có thể bị sụt 1 ữ 10 đơn vị HRC so với mức cao nhất có thể đạt được. Tuy đây là nhược điểm song hoàn toàn có thể khắc phục được bằng gia công lạnh hay ram nhiều lần ở nhiệt độ thích hợp để austenit dư → mactenxit, độ cứng lại đạt được mức cao nhất. e. Chuyển biến khi ram Nói chung các nguyên tố hợp kim hòa tan trong mactenxit đều cản trở sự phân hóa của pha này khi ram hay nói cụ thể hơn là làm tăng các nhiệt độ chuyển biến khi ram. Sở dĩ như vậy là vì các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon. Đặc biệt W, Mo, Cr có ái lực khá mạnh với cacbon có xu hướng giữ cacbon lại trong mactenxit, do đó duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ cao hơn. Ví dụ, sự tiết ra cacbit hợp kim ra khỏi mactenxit ở các nhiệt độ sau: - xêmentit Fe3C ở 200 oC, - xêmentit hợp kim (Fe,Me)3C ở 250 ữ 300 oC, - cacbit crôm Cr7C3, Cr23C6 ở 400 ữ 450 oC, - cacbit Fe3W3C loại Me6C ở 550 ữ 600 oC, (VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan khi nung nóng nên không tiết ra). Nhờ vậy dẫn đến các hiệu ứng sau. - Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng. - Do khuếch tán khó khăn cacbit tạo thành rất phân tán và nhỏ mịn, làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn, được gọi là hóa cứng phân tán. Sự tăng độ cứng khi ram thép hợp kim ở nhiệt độ thích hợp làm cho austenit dư → mactenxit và cacbit tiết ra ở dạng phân tán, nhỏ mịn được gọi là độ cứng thứ hai. - Cùng ram hay cùng làm việc ở một nhiệt độ, thép hợp kim bao giờ cũng có 179 độ cứng, độ bền cao hơn. Điều này cũng có nghĩa để cùng đạt độ cứng độ bền như nhau, phải ram thép hợp kim ở nhiệt độ cao hơn nên khử bỏ được ứng suất bên trong nhiều hơn vì thế thép có thể bảo đảm độ dai tốt. Tóm tắt các tác dụng tốt của nguyên tố hợp kim là: + khi hòa tan vào dung dịch rắn: • ferit làm tăng xô lệch mạng gây hóa bền (cacbon cũng có tác dụng này song chỉ ở trạng thái tôi, sau khi ram bị giảm rất mạnh), • austenit làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, giảm Vt.h, tăng độ thấm tôi, thép tôi ít biến dạng và g∙y vỡ hơn nhờ dùng dầu và các môi trường nguội chậm hơn. + khi tạo thành cacbit hợp kim: • bản thân pha này cứng và chống mài mòn hơn xêmentit, khó hòa tan khi nung giữ cho hạt nhỏ, • khó tiết ra khỏi mactenxit hơn nên gây nên bền nóng và cứng nóng, • khi ram được tiết ra dưới dạng phần tử nhỏ mịn, phân tán gây hóa bền. f. Các khuyết tật của thép hợp kim Tuy có nhiều ưu việt, thép hợp kim đôi khi cũng thể hiện một số khuyết tật cần biết để phòng tránh. Thiên tích Thép hợp kim, đặc biệt là loại được hợp kim hóa cao với nhiều thành phần hóa học phức tạp, sau khi kết tinh sẽ có tổ chức không đồng nhất, khi cán sẽ tạo nên tổ chức thớ làm cơ tính chênh lệch mạnh giữa các phương dọc và ngang (có khi chênh lệch tới 50 ữ 70% hay hơn nữa). Khắc phục bằng ủ khuếch tán rồi đem cán nóng, song nhiều khi ở các bán thành phẩm có tiết diện lớn vẫn còn thấy dạng khuyết tật này. Rõ ràng tiết diện của sản phẩm cán càng nhỏ dạng khuyết tật này càng ít thể hiện. Tuy các nhà máy luyện kim phải chịu trách nhiệm về loại khuyết tật này song nếu bị lọt lưới, các nhà máy cơ khí phải tiến hành biến dạng nóng lại với mức độ lớn. Đốm trắng Đó là dạng khuyết tật: trên mặt của một số thép hợp kim có các vết nứt nhỏ ở dạng đốm trắng. Nguyên nhân là hyđrô hòa tan vào thép lỏng rồi nằm lại trong thép rắn. ở trạng thái rắn do giảm đột ngột độ hòa tan ở dưới 200oC, hyđrô thoát ra mạnh, gây ra nứt. Đốm trắng là phế phẩm không chữa được, nó chỉ thể hiện trong thép có độ thấm tôi cao như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo, Cr - Ni - W khi cán nóng (khi đúc không xuất hiện đốm trắng do các rỗ co phân tán là túi chứa hyđrô). ở nhà máy luyện kim người ta ngăn ngừa khuyết tật này bằng cách giảm hơi nước trong khí quyển, sấy khô mẻ luyện (cả mẻ liệu - sắt thép vụn lẫn trợ dung - vôi) và làm nguội thật chậm sau khi cán để hyđrô kịp thoát ra. Hai dạng khuyết tật trên phải được khử bỏ ngay ở nhà máy luyện kim, rất ít gặp ở nhà máy cơ khí, nơi chỉ gia công tiếp tục các bán thành phẩm cán thành sản phẩm cơ khí với hình dạng, kích thước, cơ tính theo quy định. Giòn ram Đối với thép cacbon, khi tăng nhiệt độ ram độ dai tăng lên liên tục cho đến 650oC (vượt quá sẽ tạo ra peclit - hỗn hợp ferit - xêmentit thô, độ dai giảm đi), còn đối với thép hợp kim thấy có hai cực tiểu về độ dai ở hai khoảng nhiệt độ ram (hình 5.5) mà ta gọi là giòn ram, ứng với hai cực tiểu đó là hai loại giòn ram. Nguyên nhân của chúng chưa xác định được rõ ràng. 180 Giòn ram loại I (không thuận nghịch, không chữa được). Loại giòn ram này thể hiện rất rõ ở trong thép hợp kim khi ram ở khoảng 280 ữ 350oC (mỗi mác có một khoảng hẹp hơn trong phạm vi này), khi đó thấy độ dai rất thấp, đối với một số loại thép nó còn thấp hơn cả ở trạng thái mới tôi. Các thép cacbon cũng bị giòn ram loại này và xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Nguyên nhân có thể là do trong khoảng nhiệt độ này cacbit ε được tiết ra khỏi mactenxit có dạng tấm hay γdư → M, làm thép trở nên giòn. Đây là loại giòn không thể tránh được, tốt hơn cả là tránh ram ở khoảng nhiệt độ gây ra giòn ram này cho mỗi mác (khoảng hẹp hơn, chỉ 10 ữ 20oC so với 70oC kể trên). Hình 5.5. ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ dai va đập của thép hợp kim (có đối chứng với thép cacbon). Giòn ram loại II (thuận nghịch hay có thể chữa được). Loại này chỉ xảy ra trong thép được hợp kim hóa bằng Cr, Mn, Cr - Ni, Cr - Mn khi ram ở khoảng 500 ữ 600oC với cách làm nguội thông thường sau đó (trong không khí). Cũng ram tại nhiệt độ đó song lại làm nguội nhanh sau đó (trong dầu hay nước chả hạn) thì cũng không có cực tiểu thứ hai này (đường chấm chấm trên hình vẽ). Nguyên nhân có thể là nguội chậm sau khi ram cao thúc đẩy tiết ra các pha giòn ở biên giới hạt. Giòn ram loại II là thuận nghịch tức là có thể bị lại nếu đem ram lần nữa cũng với chế độ nhiệt như trên (500 ữ 600oC, nguội chậm). Đây là loại giòn ram có thể tránh được. Biện pháp phòng tránh như sau: - với các chi tiết nhỏ và trung bình: làm nguội nhanh trong dầu, trong nước sau khi ram cao, - với các chi tiết lớn làm nguội như vậy vẫn không đủ nhanh để làm mất giòn ram, lúc này phải dùng thép có hợp kim hóa thêm bằng 0,20 ữ 0,50%Mo hay 0,50 ữ 1,00%W. g. Phân loại thép hợp kim Đối với thép hợp kim có nhiều cách phân loại hơn và mỗi loại cũng cho biết một đặc trưng cần biết để sử dụng tốt hơn. Theo tổ chức cân bằng Theo tổ chức cân bằng (ở trạng thái ủ), với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau: - thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do, - thép cùng tích: peclit, - thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do, 181 - thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit. Riêng trường hợp thép được hợp kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có: - thép ferit: loại có Cr rất cao (> 17%) và thường rất ít cacbon, - thép austenit: loại có Mn cao (> 13%) và thường có cacbon cao, và loại có Cr (> 18%) + Ni (> 8%). Theo tổ chức thường hóa Theo tổ chức thường hóa các mẫu nhỏ φ25, theo lượng nguyên tố hợp kim tăng lên sẽ có các thép sau đây (hình 5.6): - thép họ peclit: loại hợp kim thấp, đường cong chữ "C" sát trục tung, nguội trong không khí được hỗn hợp ferit-xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxtit; phần lớn thép thuộc loại này, Hình 5.6. Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với lượng hợp kim tăng dần: a. peclit, b. mactenxit, c. austenit. - thép họ mactenxit: loại hợp kim hóa trung bình (> 4 ữ 6%) và cao, đường cong chữ "C" dịch sang phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng được mactenxit, - thép họ austenit: loại có chứa Cr cao và Ni cao (> 8%) hoặc Mn (> 13%) cao, chúng mở rộng khu vực γ và hạ thấp điểm Ms (< 0oC) nên làm nguội trong không khí (chỉ đến nhiệt độ thường, cao hơn Ms) cũng không có chuyển biến gì, giữ nguyên tổ chức austenit. Cách phân loại này cho biết tổ chức của thép ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng làm nguội trong không khí). Theo nguyên tố hợp kim Dựa vào tên nguyên tố hợp kim chính đưa vào để gọi, như: - Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính như Cr, Mn được lần lượt gọi là thép crôm, thép mangan, chúng là các thép hợp kim (hóa) đơn giản. - Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo được lần lượt gọi là thép crôm - niken, thép crôm - niken - môlipđen, chúng là các thép hợp kim (hóa) phức tạp. 182 Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim Theo tổng (hàm) lượng của các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến cao, người ta chia ra: - Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng < 2,5% (thường là thép peclit). - Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lượng từ 2,5 đến 10% (thường là thép họ từ peclit đến mactenxit). - Thép hợp kim cao: loại có tổng lượng >10% (thường là họ mactenxit hay austenit) Trong sách này dùng theo cách phân loại trên đ∙ quen thuộc ở nước ta, theo ΓOCT. Tuy nhiên các nước trên thế giới quan niệm hợp kim hóa cao thấp không giống nhau. Trung Quốc cũng có ba loại như trên song ranh giới giữa thấp và trung bình là 5% chứ không phải là 2,5%. Các nước Tây Âu chỉ phân biệt hai loại thấp và cao, trong đó hợp kim thấp là loại không chứa nguyên tố hợp kim nào nhiều hơn 5%, còn hợp kim cao là loại có ít nhất một nguyên tố nhiều hơn 5%. Theo công dụng Theo công dụng người ta chia thép hợp kim ra làm ba nhóm: - thép hợp kim kết cấu, - thép hợp kim dụng cụ và - thép hợp kim đặc biệt, trong đó hai nhóm đầu cũng có trong loại thép cacbon, còn nhóm thứ ba thì không có. Đây là nhóm với tính chất vật lý - hóa học đặc biệt, thường chứa tổng lượng hợp kim cao và rất cao (> 20%). Các cách phân loại trên thường có quan hệ với nhau và cho biết một số đặc trưng của thép. Thép austenit, ferit bao giờ cũng là loại thép đặc biệt, hợp kim cao hoặc rất cao, đắt và khó gia công cắt. Thép mactenxit là loại thép rất dễ tôi song rất khó gia công cắt phôi ở trạng thái cung cấp. Thép lêđêburit bao giờ cũng thuộc nhóm hợp kim cao - cacbon cao, rất cứng để làm dụng cụ. Thép Cr - Ni bao giờ cũng là thép kết cấu quý vì có độ thấm tôi cao và độ dai tốt... h. Tiêu chuẩn thép hợp kim Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1759 - 75 đ∙ quy định nguyên tắc ký hiệu thép hợp kim theo trật tự như sau: - số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn, nếu ≥ 1% có thể không cần biểu thị, - các nguyên tố hợp kim theo ký hiệu hóa học và ngay sau đó là hàm lượng theo phần trăm trung bình (thường đ∙ được quy tròn thành số nguyên), khi lượng chứa của nguyên tố khoảng 1% thì không cần biểu thị (bằng số). Ví dụ: - thép có 0,36 ữ 0,44%C, 0,80 ữ 1,00%Cr sẽ được ký hiệu là 40Cr, - thép có 0,09 ữ 0,16%C, 0,60 ữ 0,90%Cr, 2,75 ữ 3,75%Ni sẽ được ký hiệu là 12CrNi3, - thép có 1,25 ữ 1,50 %C, 0,40 ữ 0,70 %Cr, 4,5 ữ 5,5 %W sẽ được ký hiệu là 140CrW5 hay dơn giản chỉ là CrW5, - thép có 0,85 ữ 0,95%C, 1,20 ữ 1,60 %Si. 0,95 ữ 1,25 %Cr sẽ được ký hiệu là 90CrSi. Như vậy trên nguyên tắc rất dễ hiểu này có thể ký hiệu mọi thép theo thành phần của chúng mà không có những trùng lặp quan trọng. Nguyên tắc này được sử dụng để ký hiệu các thép khi cần thiết phải rút gọn cách biểu thị thành phần hóa học. 183 TCVN chưa phủ hết các thép hợp kim thường dùng. Tiêu chuẩn Nga ΓOCT ký hiệu thép hợp kim theo trật tự sau đây: - số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn (nếu là thép kết cấu) và phần nghìn (nếu là thép dụng cụ, loại có cacbon cao), khi ≥ 1,00% không biểu thị, - các nguyên tố hợp kim theo chữ cái Nga (thường là chữ đầu theo tên gọi, nếu trùng phải lấy chữ khác) như sau: theo chữ cái đầu tiên có: X cho crôm, H cho niken, B cho vonfram, M cho môlipđen, T cho titan, K cho côban; theo chữ cái tiếp sau có: Γ cho mangan, C cho silic, Φ cho vanađi, Д cho đồng, Ю cho nhôm, P cho bo, - thành phần của từng nguyên tố được biểu thị theo phần trăm đặt ngay sau mỗi chữ cái tương ứng, khi lượng chứa < 1,5% không biểu thị. - các thép chuyên dùng như thép gió, ổ lăn, kỹ thuật điện... có quy ước riêng. Theo đó bốn ký hiệu thép trên của TCVN sẽ tương ứng với ΓOCT như sau: 40Cr là 40X, 12CrNi3 là 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 là XB5, nhưng 90CrSi là 9XC. Qua đó thấy có những sai khác nhỏ, song cách ký hiệu thép của TCVN về cơ bản là của ΓOCT, rất dễ viết chuyển đổi cho nhau. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ Đối với thép hợp kim kết cấu, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI và SAE, chúng có cách biểu thị giống nhau bằng bốn số xxxx nên được viết là AISI/SAE xxxx, trong đó hai số cuối biểu thị lượng cacbon theo phần vạn trung bình. Sau đây là một số quy ước: thép cacbon 10xx, thép cacbon có mangan nâng cao 15xx, thép dễ cắt (2 loại) 11xx, 12xx, thép mangan 13xx, thép niken (2 loại) 23xx, 25xx, thép niken-crôm (4 loại) 31xx, 32xx, 33xx, 34xx, thép môlipđen (2 loại) 40xx, 44xx, thép crôm-môlipđen 41xx, thép niken-crôm-môlipđen (11 loại)43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx, thép niken-môlipđen (2 loại) 46xx, 48xx, thép crôm (2 loại) 50xx, 51xx, thép crôm với 0,50 ữ 1,50%C 501xx, 511xx, 521xx, thép crôm-vanađi 61xx, thép vonfram-crôm 72xx, thép silic-mangan 92xx, thép bo xxBxx, Đối với thép dụng cụ, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI với ký hiệu gồm một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự. Sau đây các chữ cái (thường lấy theo chữ cái đầu tiên chỉ nhóm thép) đó: W cho thép tôi nước (water), O cho thép tôi dầu (oil), 184 S cho thép dụng cụ chịu va đập (shock), T cho thép gió vonfram (tungsten), M cho thép gió môlipđen - vonfram, H cho thép làm dụng cụ biến dạng nóng (hot), D cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội (cold), A cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội, tự tôi, trong không khí (air), Đối với thép không gỉ và bền nóng, Hoa Kỳ dùng AISI với ký hiệu là nhóm ba số xxx, trong đó: 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thép mactenxit. Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS cũng ký hiệu thép hợp kim bắt đầu bằng chữ S song tiếp theo có những chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối chỉ phần vạn cacbon trung bình) hay một hoặc hai số theo thứ tự: SCrxxx - thép kết cấu crôm, SNCxxx - thép kết cấu niken - crôm, SMnxxx - thép mangan, SCMxxx - thép kết cấu crôm - môlipđen, SACMxxx - thép nhôm - crôm - môlipđen, SNCMxxx - thép kết cấu niken - crôm - môlipđen, SUJx - thép ổ lăn, SUMx - thép dễ cắt, SUPx - thép đàn hồi, SUSxxx - thép không gỉ (xxx lấy theo AISI), SUHx - thép bền nóng, SKx - thép dụng cụ cacbon, SKHx - thép gió, SKSx, SKDx, SKTx - thép dụng cụ hợp kim. 5.2. Thép xây dựng Đây là nhóm thép được dùng ở trạng thái cung cấp không qua nhiệt luyện, chủ yếu để làm các kết cấu xây dựng. 5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại a. Đặc điểm chung Các kết cấu thép xây dựng thường là các thanh (dầm) dài ghép lại với nhau bằng các mối hàn chảy hoặc bắt bulông, tán rivet, chúng đòi hỏi các yêu cầu kỹ thuật sau. Về cơ tính, ngoài yêu cầu về độ bền mà bất cứ vật liệu kết cấu nào cũng đòi hỏi ra, thép xây dựng phải có: - độ dẻo tốt và cao (δ ~ 15 ữ 35%) để phù hợp với đòi hỏi trong quá trình chế tạo kết cấu các thanh, dầm thường phải chịu uốn (cong, gập), - độ dai tốt (aK ~ 500 kJ/m 2) để có thể chịu được các tải trọng va đập do phương tiện giao thông hay gió, b∙o gây ra một cách đột ngột, ở các xứ lạnh người ta còn quan tâm đến độ dai va đập ở nhiệt độ âm do xu hướng biến giòn khi hạ thấp nhiệt độ. Trong mối quan hệ đó, thông thường độ bền của thép xây dựng không thể đạt cao lắm. Về tính công nghệ, ngoài yêu cầu độ dẻo tốt và cao không những ở trạng thái nóng mà cả ở trạng thái nguội như đ∙ trình bày thép phải có tính công nghệ nổi bật là tính hàn cao và bảo đảm vì phần lớn các kết cấu kim loại được ghép lại bằng cách hàn chảy. Về thành phần hóa học, để bảo đảm độ dẻo, độ dai và tính hàn cao thép bị hạn chế hàm lượng cacbon. ở trên đ∙ trình bày ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính nên ở đây chỉ nói về ảnh hưởng của nó đến tính hàn. Như đ∙ nói ở phần nhiệt 185 luyện, khi hàn một phần thép cơ sở bị chảy và nung nóng đến nhiệt độ cao (> 1000oC) hạt austenit bị lớn lên và khi nguội trong không khí sẽ chuyển pha thành hỗn hợp ferit + xêmentit nhỏ mịn dạng xoocbit hay trôxtit tuy bền song kém dẻo, dai. Chính vì vậy bao giờ bản thân mối hàn hay chính xác hơn là vùng sát với vùng chảy (gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt) cũng là vùng giòn nhất, dễ bị gẫy nhất khi làm việc. Vì lý do như vậy phải hạn chế hàm lượng cacbon và nguyên tố hợp kim nên không thể đạt được độ bền rất cao nhờ tăng cacbon, hợp kim hóa và nhiệt luyện. Nói chung để bảo đảm tính hàn thép phải có C ≤ 0,22%, thép với lượng cacbon > 0,25% tính hàn đ∙ trở nên kém. Nếu tính cả các nguyên tố khác để xác định tính hàn người ta thường dùng khái niệm cacbon đương lượng Cđ.l tính theo công thức: 15 CuNi 5 VMoCr 6 MnCCdl + + ++ ++= không được vượt quá 0,55%. Trong quá trình chế tạo kết cấu đôi khi thép cũng phải qua cắt gọt (ví dụ, khoan lỗ để bắt bulông) nhưng không nhiều, song nói chung thép xây dựng không phải là loại khó cắt gọt. Do tính chất chịu lực (cần dẻo dai tốt) và do đặc thù kích thước (rất dài) nên rất khó tiến hành nhiệt luyện trên thành phẩm, vì vậy khả năng nhiệt luyện không được đặt ra với thép này, vì thế thép thường được sử dụng trực tiếp ở trạng thái cung cấp từ nhà máy luyện kim. Nếu thép dược nhiệt luyện tôi + ram để hóa bền thì nguyên công này được tiến hành trên bán thành phẩm ở nhà máy luyện kim (xưởng cán). b. Phân loại Theo thành phần hóa học hay độ bền, thép xây dựng có hai phân nhóm lớn: cacbon hay thông dụng và hợp kim thấp độ bền cao. Theo công dụng có thể chia ra các phân nhóm: công dụng chung và các công dụng riêng như chuyên làm cốt bêtông, chuyên đóng tàu, làm cầu... Do đa dạng như vậy ở đây sẽ trình bày chủ yếu theo cách phân loại đầu, song có kết hợp với phân loại theo công dụng. 5.2.2. Thép thông dụng a. Đặc điểm chung Thép thông dụng là phân nhóm thép cacbon (hay còn gọi là thép thường) với chất lượng thường, được sản xuất nhiều nhất, thường gặp nhất với độ bền bình thường (σ0,2 < 300 ữ 320MPa), có giá bán rẻ nên có thể gặp chúng ở mọi nơi, mọi lúc ở dưới dạng các bán thành phẩm cán nóng khác nhau (ống, thanh, góc, hình, lá, tấm, băng cho đến dây, sợi...) rất dễ sử dụng và thường được dùng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện. Do tính phổ biến và đa năng người ta thường gọi nó là sắt. Nói chung có thể dùng nó vào các mục đích thông thường, không quan trọng trong đời sống cũng như trong xây dựng. Để chọn được loại phù hợp ngoài phải có tiết diện quy định việc quyết định cuối cùng là độ bền ở trạng thái cung cấp, do vậy mọi việc trở nên đơn giản và nhanh chóng. Chính vì vậy phân nhóm này thường được ký hiệu (gắn mác, đánh số) theo độ bền: giới hạn bền (hay giới hạn chảy) hoặc theo cấp thứ tự (1, 2, 3... hay A, B, C...). Ví dụ, để chọn dây thép chằng buộc hàng thép không những không bị đứt mà phải không được gi∙n dài ra dưới ứng suất làm việc, trong trường hợp này phải chọn theo giới hạn chảy, từ đây sẽ tìm ra mác thép có σ0,2 phù hợp. b. Tiêu chuẩn Việt Nam 186 TCVN 1765 - 75 quy định các mác và yêu cầu kỹ thuật cho thép cacbon kết cấu thông thường chính là nhóm này. Thép được chia thành ba phân nhóm A, B và C, trong đó phân nhóm A được sử dụng rất phổ biến. Bảng 5.1. Cơ tính của các thép thông dụng phân nhóm A (TCVN 1765-75) σ0,2, kG/mm 2 (không nhỏ hơn), cho độ dày, mm δ5(1), % (không nhỏ hơn), cho độ dày, mm Uốn 1800 (a -độ dày mẫu,d- đường kính gối uốn) cho độ dày, mm Mác thép σb, kG/mm2 ≤20 20- 40 40- 100 >100 ≤20 20- 40 >40 ≤20 >20 CT31 >31 - - - - 23 22 20 d=2a CT33s, 31-40 - - - - 35 34 32 d=0 CT33n, CT33 32-42 - - - - 34 33 31 d=0 CT34s 33-42 22 21 20 19 33 32 30 d=0 CT34n, CT34 34-44 23 22 21 20 32 31 29 d=0 CT38s 37-47 24 23 22 20 27 26 24 d=0,5a CT38n, CT38 38-49 25 24 23 21 26 25 23 d=0,5a CT38Mn 38-50 25 24 23 21 26 25 23 d=0,5a CT42s 41-52 26 25 24 23 25 24 22 d=2a CT42n, CT42 42-54 27 26 25 24 24 23 21 d=2a CT51n, CT51 51-64 29 28 27 26 20 19 17 d=3a CT52nMn 46-60 29 28 27 26 20 19 17 d=3a CT61n, CT61 ≥61 32 31 30 30 15 14 12 d=3a đường kính gối uốn tăng lên theo độ dày của mẫu Ghi chú: 1 - δ5 là độ gi∙n dài của mẫu có l0 = 5d0 Phân nhóm A (thứ nhất) Phân nhóm A quy định các mác bằng CTxx, trong đó xx là số chỉ giới hạn bền tối thiểu theo kG/mm2 gồm bảy mác chính từ CT31 đến CT61, nó chỉ được bảo đảm về mặt cơ tính mà không bảo đảm về thành phần hóa học (tức là về nguyên tắc nó có thành phần C và các nguyên tố bất kỳ miễn sao đạt được các chỉ tiêu cơ tính, tuy nhiên như đ∙ biết trong điều kiện thông thường cho thép cacbon vẫn có sự phụ thuộc của độ bền vào hàm lượng cacbon, theo kinh nghiệm thì từ CT33 trở đi các mác chênh lệch nhau 0,06 ữ 0,07%C, tức CT38 có khoảng 0,18 ữ 0,21%C, CT51 - 0,30 ữ 0,35%C). Ví dụ CT38 có σb ≥ 38kG/mm2 hay 380MPa, các chỉ tiêu khác như σ0,2, δ, ψ, aK cũng như khả năng uốn gập ở trạng thái nguội (rất cần khi gia công các kết cấu) phải tra bảng. Bảng 5.1 trình bày cơ tính của các mác thép này. Các mác CT31, CT33 đều không quy định σ0,2 song CT31 vừa kém bền lại vừa kém dẻo. Các mác còn lại có độ bền tăng lên thì độ dẻo lại kém đi. Cần chú ý là với cùng một mác cơ tính lại thay đổi chút ít theo tiết diện (chiều dày, đường kính): tiết diện càng nhỏ độ bền và độ dẻo lại càng tốt (có thể giải thích là do càng ít gặp khuyết tật và được nguội nhanh hơn sau khi cán nóng). Hai mác được dùng nhiều hơn cả là CT38 và CT51. 187 CT38 được dùng rất phổ biến trong các kết cấu thông dụng, không đòi hỏi độ bền cao, có tính hàn tốt. Hầu như phần lớn các kết cấu thép thường gặp (cột, tháp, xà ngang, ống, dây, lá để lợp, tấm để che, đỡ...) đều được làm bằng mác thép này hay tương đương. Trong khi đó CT51 được dùng cho các kết cấu chịu lực cao hơn song tính hàn lại không tốt bằng, được dùng nhiều trong máy nông nghiệp (lưỡi cày, bánh lồng...) và dụng cụ bằng tay để gia công gỗ. Bảng 5.2. Thành phần hóa học (%) của thép thông dụng phân nhóm B (TCVN 1765-75) Mác thép Cacbon Mangan Silic P, max S, max BCT31 <0,23 - - 0,07 0,06 BCT33s 0,06-0,12 0,25-0,50 ≤0,05 0,04 0,05 BCT33n 0,05-0,12 0,25-0,50 0,05-0,17 0,04 0,05 BCT33 0,06-0,12 0,25-0,50 0,12-0,30 0,04 0,05 BCT34s 0,09-0,15 0,25-0,50 ≤0,07 0,04 0,05 BCT34n 0,09-0,15 0,25-0,50 0,05-0,17 0,04 0,05 BCT34 0,09-0,15 0,25-0,50 0,12-0,30 0,04 0,05 BCT38s 0,14-0,22 0,30-0,60 ≤0,07 0,04 0,05 BCT38n 0,14-0,22 0,40-0,65 0,05-0,17 0,04 0,05 BCT38 0,14-0,22 0,40-0,65 0,12-0,30 0,04 0,05 BCT38Mn 0,14-0,22 0,80-1,10 ≤0,15 0,04 0,05 BCT42s 0,18-0,27 0,40-0,70 ≤0,07 0,04 0,05 BCT42n 0,18-0,27 0,40-0,70 0,05-0,17 0,04 0,05 BCT42 0,18-0,27 0,40-0,70 0,12-0,30 0,04 0,05 BCT51n 0,28-0,37 0,50-0,80 0,05-0,17 0,04 0,05 BCT51 0,28-0,37 0,50-0,80 0,15-0,35 0,04 0,05 BCT52nMn 0,22-0,30 0,80-1,20 ≤0,15 0,04 0,05 BCT61n 0,38-0,49 0,50-0,80 0,05-0,17 0,04 0,05 BCT61 0,38-0,61 0,50-0,80 0,15-0,35 0,04 0,05 Ghi chú: mọi thép trừ BCT31 có thể chứa < 0,30Cr, < 0,30Ni, < 0,30Cu, song tổng lượng của chúng không vượt quá 0,50%. Phân nhóm B (thứ hai) Phân nhóm này trái lại không quy định cơ tính mà chỉ quy định thành phần hóa học song cũng được ký hiệu như phân nhóm trên nhưng đằng trước có chữ B, tức BCTxx (như vậy xx không phải là số chỉ σb). Có các mác từ BCT31 đến BCT61. Muốn biết thành phần hóa học phải tra bảng 5.2. Phân nhóm C (thứ ba) Phân nhóm này quy định cả cơ tính lẫn thành phần hóa học, cũng được ký hiệu như phân nhóm A nhưng đằng trước có chữ C, tức CCTxx. Cơ tính và thành phần hóa học được tuân theo các mác tương ứng của các phân nhóm A và B. Ví dụ: CCT38 có cơ tính như CT38, còn thành phần như BCT38. Nếu như phân nhóm A có chất lượng thường thì các phân nhóm B và C có chất lượng nâng cao tuy chưa đạt được chất lượng tốt. Chúng tuy ít được dùng hơn song cần thiết trong những trường hợp quan trọng hơn đôi chút như khi phải bảo đảm tính hàn hay qua biến dạng nóng bộ phận (do biết được thành phần). 188 c. Tiêu chuẩn các nước ΓOCT 380 ký hiệu các thép thông dụng bằng CTx, trong đó x là số thứ tự từ 0 đến 6, có sự tương đương, trùng khớp hoàn toàn về các yêu cầu kỹ thuật giữa nhóm thép này của TCVN và ΓOCT (với các cặp số tương đương 31- 0, 33 - 1, 34 - 2, 38 - 3, 42 - 4, 51 - 5, 61 - 6, nói chính xác hơn TCVN chỉ đổi cách đánh số từ thứ tự sang chỉ σb mà thôi). Các mác này hiện vẫn rất được quen dùng ở nước ta. ΓOCT cũng có các phân nhóm thứ hai (Б) với loạt mác БCTx (ví dụ, БCT3 là BCT38 của TCVN) và thứ ba (B) với loạt mác BCTx (ví dụ BCT5 là CCT51 của TCVN). ở Hoa Kỳ thường dùng các thép thông dụng theo ASTM với nhiều tiêu chuẩn khác nhau (283, 284, 328, 529, 570...) với đặc điểm chung là chúng đều là loại được quy định cả cơ tính và thành phần hóa học tuy không thật chặt chẽ. Chúng được ký hiệu theo cấp (Grade) độ bền. Ví dụ, ASTM 570 có các Grade 30, 33, 36, 40, 45, 50 và 55, trong đó số chỉ σ0,2 theo ksi, như Grade 30 có σ0,2 ≥ 30ksi hay 205MPa (tương đương CT34). Các tiêu chuẩn khác đánh số theo Grades A, B, C... theo trật tự độ bền tăng dần. JIS G3101 có các mác chỉ được bảo đảm cơ tính như phân nhóm A của TCVN, bao gồm các mác SS 330, 400, 490 và 540, trong đó số chỉ σb tối thiểu theo MPa. JIS 3106 quy định các thép thông dụng chuyên để hàn được bảo đảm cả cơ tính lẫn thành phần hóa học, có các mác SM 400, 490, 520, 570 (có thể có các đuôi: A, B, C, YA, YB); trong đó số chỉ σb tối thiểu theo MPa. EN ký hiệu thép thông dụng bằng Fe với số tiếp theo chỉ σb tối thiểu theo MPa, ví dụ Fe 360B, Fe 430C, Fe 510D1... 5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA a. Đặc điểm chung Nhóm thép hợp kim thấp độ bền cao (High Strength Low Alloy steel) được viết tắt là HSLA có nhiều tính năng cao hơn thép thông dụng mà trước hết là có độ bền cao hơn (ơ0,2 > 300 ữ 320MPa) trong khi các chỉ tiêu cơ tính khác vẫn bảo đảm yêu cầu của thép xây dựng. Để nâng cao độ bền mà không làm hại nhiều các chỉ tiêu khác, người ta hợp kim hóa thấp thép bằng nhiều nguyên tố hòa tan vào ferit nhưng ít làm hại tính hàn như Mn, Si, Cr, Cu và có thể cả Ni, B và N. Để duy trì tốt độ dẻo và độ dai có thể còn hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh như V, Nb để giữ cho hạt nhỏ. Ngoài làm tăng độ bền, hợp kim hóa thấp còn làm tăng (gấp 2 ữ 4 lần) tính chống ăn mòn trong khí quyển, đặc biệt khi thép chứa khoảng 0,20 ữ 0,30%Cu. Để không làm tăng mạnh giá thành, người ta thường tận dụng việc hợp kim hóa tự nhiên (dùng gang luyện từ vùng quặng giầu nguyên tố hợp kim) hay sử dụng lại phế liệu là thép hợp kim và dùng các nguyên tố rẻ như Mn, Si. Do vậy tổng lượng hợp kim nhỏ hơn 2,0 ữ 2,5%, trong đó tổng lượng Cu + Ni + V + Mo chỉ khoảng 1,00%, mỗi nguyên tố thường chỉ dùng trong khoảng 0,50% (trừ Mn có thể tới 1,00% hay hơn một chút). Chính do cách làm như vậy sự tăng giá thành là không đáng kể so với khi luyện thép cacbon thông thường, trong khi đó có giới hạn chảy cao hơn hẳn, do đó tăng khả năng chịu tải hoặc giảm nhẹ kết cấu, không những thế còn giảm được công bảo dưỡng: ít phải sơn do nâng cao được tính chống ăn mòn trong khí quyển. Điều này đặc biệt có lợi trong xây dựng, làm cầu, khung toa xe, ôtô tải, tàu biển, 189 kết cấu thép trên cao... Một ưu điểm nữa của việc hợp kim hóa là nâng cao hiệu quả của tôi + ram để nâng cao độ bền, giới hạn chảy có thể đạt cao đến 400 ữ 600MPa (dĩ nhiên quá trình nhiệt luyện bán thành phẩm này chỉ được thực hiện ở nhà máy luyện kim). Hiệu quả sử dụng thép HSLA rất tốt. Chỉ nói riêng về mặt tiết kiệm kim loại, khi thay thế cho thép thông dụng khi dùng thép HSLA có σ0,2 = 350MPa tiết kiệm được 15% kim loại, σ0,2 = 400MPa tiết kiệm được 25 ữ 30%, σ0,2 = 600MPa tiết kiệm được 50%. Tuy có những ưu điểm rất cơ bản, thép HSLA cũng có một số nhược điểm như tính hàn có phần hơi kém hay nâng cao nhiệt độ giòn lạnh, dễ bị phá hủy giòn ở nhiệt độ âm sâu. b. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3104-79 quy định các mác cũng như yêu cầu kỹ thuật cho thép kết cấu hợp kim thấp mà thực chất cũng là loại HSLA với hai nhóm: - dùng làm kết cấu kim loại như: + loại ~ 1%Mn (14Mn, 15MnV, 19Mn), + loại ~ 2%Mn (09Mn2, 14Mn2, 18Mn2), + loại ~ 1%Mn + 0,6%Si (12MnSi, 16MnSi, 17MnSi), + loại ~ 1%Mn + 0,6%Si + 0,6%Cr (14CrMnSi), + loại ~ 1,50%Mn + 0,60 hay 1,00%Si (09Mn2Si, 10Mn2Si1), + loại ~ 0,80%Cr + 0,80%Si + 0,60%Ni + 0,40%Cu (10CrSiNiCu, 15CrSiNiCu) - dùng làm cốt bêtông (sẽ trình bày ở mục tiếp theo). c. Tiêu chuẩn các nước ΓOCT có đầy đủ các mác tương ứng với các mác cùng loại của TCVN, như 14Mn là 14Γ, 15CrSiNiCu là 15XCHД. Ngoài ra còn nhiều mác khác chứa nitơ (0,015 ữ 0,025%) như 14Γ2AΦ, 16Γ2CAΦ, 16Γ2AΦ; chứa bo (~ 0,003%) như 14ΓCMΦP. Việc chọn mác thép HSLA làm kết cấu nhà và thiết bị được quyết định một cách chặt chẽ căn cứ vào dạng chi tiết trong kết cấu, điều kiện làm việc, nhiệt độ tính toán, đặc tính và độ lớn của tải trọng... ở Nga đ∙ dùng nhiều thép HSLA làm đường ống, cầu. Thép HSLA được dùng rộng r∙i ở Hoa Kỳ theo tiêu chuẩn của SAE với các mác 9xx, trong đó xx là số chỉ σ0,2 tối thiểu theo đơn vị ksi với các loại mác 942, 945, 950, 955, 960, 965, 970 và 980. Ví dụ SAE 945 có σ0,2 ≥ 45ksi hay 310MPa. Ngoài ra ASTM cũng có nhiều tiêu chuẩn cho thép HSLA được phân thành các Grades xx (xx chỉ ơb hay ơ0,2 theo ksi) hay theo thứ tự A, B, C... với độ bền tăng dần. Nhóm đặc biệt trong thép HSLA là nhóm thép có tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển Cor - Ten rất được ưa chuộng không những ở Hoa Kỳ mà cả Châu Âu cũng như trên thế giới. Đây là loại thép HSLA nhưng có thêm Cu đôi khi cả P nên có tính chống ăn mòn trong khí quyển cao gấp đôi thép HSLA không có chúng và gấp bốn thép thông dụng và có σ0,2 ≥ 350MPa. Thép Cor-Ten đặc biệt thích hợp với các kết cấu ngoài trời ở các khu công nghiệp, vùng duyên hải, hải đảo. JIS G3129 quy định loạt mác SH 590P (dạng tấm), SP 590S (góc) cho thép HSLA, trong đó σb ≥ 590MPa, chúng có độ bền cao chủ yếu là nhờ có tới 1,50 ữ 190 2,00%Mn. JIS G3114 quy định hai mác SPA - H (tấm cán nóng) và SPA - C (tấm cán nguội) cho thép có tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển, có σ0,2 ≥ 315 và 345MPa. 5.2.4. Thép làm cốt bêtông Thép làm cốt bêtông là loại chuyên dùng làm cốt cho bêtông làm tăng khả năng chịu kéo, uốn và tải trọng động cho cấu kiện, rất thường gặp hàng ngày. TCVN 1651-85 chia các thép làm cốt bêtông ra làm bốn cấp: C I, C II, C III và C IV: Cấp C I là cấp chịu lực thấp nhất dùng thép tròn trơn với mác CT38, Cấp C II dùng thép có đốt với mác CT51, Các cấp C III, C IV là các cấp chịu lực cao hơn dùng thép HSLA với các mác 35MnSi, 18Mn2Si, 25Mn2Si, 20CrMn2Zr của TCVN 3104-79. Thép làm cốt bêtông của Hoa Kỳ được dùng theo ASTM. Loại tròn trơn: σb ≥ 485MPa, σ0,2 ≥ 385MPa. Loại có đốt : σb ≥ 550MPa, σ0,2 ≥ 485MPa. tức là có độ bền cao hơn cấp C I và C II của TCVN. Theo JIS 3112 có hai mác thép tròn trơn: SR235 và SR295, bốn mác thép có đốt: SD295, SD345, SD390, SD490; trong đó số chỉ σ0,2 tối thiểu theo MPa. 5.2.5. Các thép khác Hình 5.7. Cơ tính của dây thép phụ thuộc hàm lượng cacbon và độ biến dạng. Dây thép cũng là loại được dùng rất phổ biến vào các mục đích khác nhau. Để đạt được đường kính quy định thường phải qua rất nhiều lần kéo nguội, nguyên công này còn giúp hóa bền thép. Trong thực tế có thể gặp rất nhiều loại dây không những khác nhau về đường kính mà cả về cơ tính (từ rất mềm, dẻo đến cứng, khó bẻ cong). Hầu như mọi dây thép thông dụng đều là thép cacbon, song với lượng cacbon và mức độ biến dạng khác nhau dây có cơ tính khác nhau như trình bày ở hình 5.7. Như thế không hẳn dây thép cứng, bền bắt buộc phải có lượng cacbon thật cao. Đường ray cho xe lửa tuy được coi như thép xây dựng nhưng lại là thép khá cứng, bền với chất lượng tốt. 191 5.3. Thép chế tạo máy 5.3.1. Các yêu cầu chung Một cỗ máy dù to đến đâu cũng do nhiều chi tiết, bộ phận nhỏ ghép lại với các đòi hỏi cơ tính khá khác nhau cho nên thép để làm chi tiết máy có yêu cầu cao hơn vì phải thỏa m∙n các yêu cầu khác nhau về cơ tính, chính xác về hình dạng, kích thước cũng như độ bóng bề mặt để lắp ráp. Để thỏa m∙n được yêu cầu đó, các chi tiết máy với các điều kiện làm việc khác nhau thường được làm bằng nhiều mác thép khác nhau với chế độ nhiệt luyện tôi + ram không giống nhau. a. Cơ tính Tính chất cơ bản của chi tiết máy là khả năng chịu tải trọng tĩnh và động, do vậy yêu cầu cơ bản là có độ bền cao và độ dai tốt phù hợp với điều kiện của tải trọng. Độ bền cao sẽ giúp tạo ra các máy khỏe (có công suất lớn) hơn, nhẹ và nhỏ gọn hơn và giá thành hạ hơn. Để đạt được yêu cầu này phải dùng thép phù hợp và nhiệt luyện bảo đảm. Tuy nhiên trong chế tạo máy, về độ bền người ta ngày càng coi trọng giới hạn chảy, vì lẽ các chi tiết máy ở dạng lắp ghép không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc. Độ dai va đập rất quan trọng đối với chi tiết chịu tải trọng động do phải tăng tải một cách đột ngột. Chính chỉ tiêu này quyết định độ tin cậy khi làm việc, nó bảo đảm khó bị phá hủy giòn, yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với các phương tiện giao thông. Ngoài hai chỉ tiêu cơ bản trên nhiều chi tiết máy còn đòi hỏi độ cứng bề mặt cao để bảo đảm tính chống mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát. Rất nhiều chi tiết máy làm việc dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ (trục, bánh răng...) nên đòi hỏi giới hạn mỏi cao. b. Tính công nghệ Để trở thành chi tiết thành phẩm thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia công. Trước tiên thường là biến dạng nóng (rèn) để tạo phôi, tạo ra hình dạng gần đúng nhưng một số kích thước bao đều lớn hơn ở bản vẽ. Hơn nữa các nhà máy cơ khí không bao giờ có đủ mọi chủng loại phôi phù hợp với chi tiết sản xuất cho dù là loại chi tiết đơn giản như trục trơn, chốt. Ngoài ra biến dạng nóng cũng giúp tạo ra tổ chức tốt hơn (làm nhỏ mịn hạt, tạo thớ phù hợp...). Tiếp đó phôi thép tạo thành phải qua cắt gọt để tạo ra hình dạng, kích thước chính xác và độ bóng yêu cầu như quy định. Hầu như không một chi tiết máy nào lại không phải qua cắt gọt, nói chung đây là nguyên công tốn kém nhất trong gia công cơ khí, chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành. Tất cả các yêu cầu trên có thể đạt được nhờ chọn đúng mác thép và chế độ nhiệt luyện thích hợp. c. Tính kinh tế Do sản lượng lớn, thép chế tạo máy nói chung phải rẻ, nên nói chung thường dùng thép cacbon và hợp kim thấp, trong trường hợp thật quan trọng mới dùng đến hợp kim hóa trung bình, không dùng hợp kim hóa cao. d. Thành phần hóa học Do các yêu cầu về cơ tính, tính công nghệ, kinh tế như trên, thép phải có thành phần hóa học phù hợp. 192 Cacbon và thép cacbon Như đ∙ biết cacbon là nguyên tố cơ bản nhất quyết định cơ tính và cả tính công nghệ của thép, nên chọn đúng hàm lượng cacbon là yếu tố quan trọng hàng đầu khi xác định mác thép. Cacbon hóa bền thép song làm giảm độ dẻo, độ dai, làm xấu tính gia công áp lực, gia công cắt và tính hàn. Do tác dụng như vậy lượng cacbon trong thép kết cấu chế tạo máy thường gặp được quy định khá chặt chẽ: 0,10 ữ 0,65% và tùy theo các yêu cầu khác nhau lại chia ra ba nhóm nhỏ như sau: - Nhóm yêu cầu nặng về độ dẻo, độ dai: thành phần cacbon thấp 0,10 ữ 0,25%. Muốn có độ bền cao phải tôi + ram thấp, độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon. - Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn chảy và độ dai: thành phần cacbon trung bình 0,30 ữ 0,50%C và tôi + ram cao. Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt. - Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn đàn hồi: thành phần cacbon tương đối cao 0,55 ữ 0,65% và tôi + ram trung bình. Cách phân chia ba phân nhóm về thành phần cacbon như trên cũng chỉ có tính chất tương đối, có thể xê dịch đôi chút. Nói chung thép cacbon kết cấu chế tạo máy có tính công nghệ tốt và rẻ, chiếm tỷ lệ tới 80 ữ 90% trong cơ khí, được dùng phổ biến trong chế tạo máy thông dụng để làm các chi tiết chịu tải trọng thấp hay trung bình, có tiết diện nhỏ (< 20mm), hình dạng đơn giản (để khi phải tôi trong nước không bị nứt). Trong những điều kiện đó dùng thép cacbon không khác gì thép hợp kim, tức đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao hơn. Tuy nhiên thép cabon cũng có nhược điểm quan trọng, đó là: - khi có tiết diện lớn (> 30 ữ 40mm) không thể đạt được độ bền tốt như ở tiết diện nhỏ, - không thể chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp (tiết diện thay đổi đột ngột), - tính chống ram kém, không duy trì được độ bền, độ cứng cao sau khi tôi khi bị nung nóng đến 200oC và cao hơn, nên nói chung không làm việc được ở các nhiệt độ đó. Ngược lại thép hợp kim lại thể hiện ưu việt ở ba mặt trên. Thành phần hợp kim và thép hợp kim So với thép cacbon, thép hợp kim tuy có đắt hơn, tính công nghệ kém hơn, song bù lại có độ bền cao hơn, đó là ưu điểm quan trọng nhất. Nguyên nhân của nó như đ∙ nói trước hết là do nâng độ thấm tôi, ngoài ra còn do hóa bền ferit, tạo ra cacbit phân tán, giữ cho hạt nhỏ. Trong thép kết cấu chế tạo máy, theo tác dụng và hàm lượng, các nguyên tố hợp kim được chia thành hai nhóm chính và phụ. Nhóm các nguyên tố hợp kim chính chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các nguyên tố đưa vào, có tác dụng làm tăng độ bền nhờ nâng cao độ thấm tôi, đó là các nguyên tố Cr, Mn, Si và Ni (ngoài ra có B), với các đặc tính: - rẻ, dễ kiếm (riêng Ni tuy đắt song vẫn phải dùng khi thật cần), song tổng lượng của chúng đưa vào thường chỉ khoảng 1,0 ữ 3,0%, rất ít khi gặp loại 5 ữ 6%, - có tác dụng nâng cao độ thấm tôi. Để nâng cao độ thấm tôi, người ta thấy rằng với một tổng lượng hợp kim như nhau khi chia ra dùng nhiều nguyên tố (hợp kim hóa phức tạp) có tác dụng mạnh 193 hơn khi chỉ dùng một nguyên tố (hợp kim hóa đơn giản). Ví dụ không dùng thép với 3%Cr vì cho độ thấm tôi (bền) kém hơn 1%Cr + 2%Ni hay 1%Cr + 1%Mn +1%Si. Thường gặp: - khi tổng lượng hợp kim ~1% dùng một nguyên tố, ví dụ thép crôm; - khi tổng lượng hợp kim ~2% hay dùng hai nguyên tố, ví dụ thép crôm - niken; - khi tổng lượng hợp kim ~3% dùng hai hoặc ba nguyên tố, ví dụ thép crôm - mangan - silic; - khi tổng lượng hợp kim ≥4% dùng hai, ba hoặc bốn nguyên tố. Nhóm các nguyên tố hợp kim phụ được đưa vào thép với lượng rất ít, thường < 0,1%, cao nhất thường không quá 0,2% với mục đích cải thiện một nhược điểm nào đó do nguyên tố chính đưa vào, đó là Ti, Zr, Nb, V và Mo. - Ti, Zr, Nb, V là các nguyên tố giữ cho thép có hạt nhỏ khi nung, đặc biệt trong thép Cr - Mn (Mn có khuynh hướng gây hạt lớn), để đạt mục đích này thường dùng khoảng 0,10%Ti. - Mo (~ 0,20%) tránh được giòn ram loại II, thường được đưa vào thép Cr - Ni với độ thấm tôi cao có lượng cacbon trong khoảng 0,20 ữ 0,40% (như sau này sẽ biết là loại thép hóa tốt tôi thấu với tiết diện lớn phải qua tôi + ram cao, rất nhạy cảm với giòn ram loại II mà không tránh được bằng biện pháp đơn giản làm nguội nhanh trong nước hoặc dầu). W cũng có tác dụng này nhưng phải dùng nhiều hơn (~ 0,50%) nên ít dùng. Ngoài tác dụng chống giòn ram loại II các nguyên tố này còn có tác dụng nâng cao độ thấm tôi, nên thép crôm - niken - môlipđen (hoặc vonfram) được coi như thép chế tạo máy tốt nhất. Như vậy thép hợp kim chế tạo máy có những đặc điểm sau: - tuy có giá thành đắt hơn song về cơ tính nó có độ bền cao hơn, điều này thể hiện rất rõ khi tiết diện lớn nhờ tính thấm tôi cao, đặc biệt là khi tôi thấu sẽ đạt được cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện, - do tôi dầu, thậm chí có thể áp dụng tôi phân cấp nên có thể làm được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà không sợ nứt hoăc bị biến dạng lớn, - tính chống ram tốt nên một mặt giữ được độ bền ở nhiệt độ cao hơn, mặt khác trong điều kiện như nhau thép hợp kim được ram ở nhiệt độ cao hơn do đó ứng suất bên trong thấp hơn. e. Quan hệ giữa tổng lượng hợp kim và đường kính tôi thấu Để bảo đảm cơ tính cao và đồng nhất trên tiết diện thép phải được tôi thấu, muốn vậy phải được hợp kim hóa một cách hợp lý hay nói khác đi trong trường hợp này tiết diện thép được chọn theo độ thấm tôi hay tổng lượng nguyên tố hợp kim. Cũng có thể nói rằng mỗi mác thép chỉ bảo đảm cơ tính cao và đồng nhất tới tiết diện nhất định. Mác thép với tổng lượng hợp kim càng cao cho phép làm các chi tiết có tiết diện càng lớn. Theo độ thấm tôi các thép kết cấu được chia thành bốn nhóm: - thép có độ thấm tôi thấp, chỉ tôi thấu tới đường kính 15mm, là loại không hợp kim hóa tức thép cacbon, - thép có độ thấm tôi trung bình, tôi thấu tới đường kính 35mm, là loại được hợp kim hóa thấp và đơn giản như có 1%Cr hoặc 2%Mn hoặc 1%Cr + 0,5%Si, - thép có độ thấm tôi tương đối cao, tôi thấu tới đường kính 75mm, là loại được hợp kim hóa thấp nhưng phức tạp như crôm - niken thường, crôm - môlipđen, crôm - mangan - silic, 194 - thép có độ thấm tôi cao, tôi thấu tới đường kính 100mm, là loại được hợp kim hóa phức tạp tới 5 ữ 6% như thép crôm-niken cao hay crôm-niken-môlipđen. f. Các nhóm thép chế tạo máy Có ba nhóm thép kết cấu chế tạo máy chính với các đặc điểm khác nhau về thành phần cacbon, hợp kim, chế độ nhiệt luyện, cơ tính và công dụng: - thép thấm cacbon có thành phần cacbon thấp (dẻo, dai), để đạt độ bền cao phải tôi + ram thấp, còn muốn đạt độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon, - thép hóa tốt có thành phần cacbon trung bình (khá bền, dẻo, dai), để nâng cao cơ tính hơn nữa phải tôi + ram cao, còn muốn đạt độ cứng bề mặt tốt cuối cùng phải qua tôi bề mặt, - thép đàn hồi có thành phần cacbon tương đối cao (kém dẻo, dai nhưng khá cứng, rất đàn hồi), để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tôi + ram trung bình. Tiếp theo sẽ trình bày các nhóm thép này. Cần chú ý là trong mỗi nhóm có nhiều mác khác nhau, chúng khác nhau chủ yếu về độ thấm tôi do đó được dùng cho các độ lớn tiết diện khác nhau; ngoài ra các nguyên tố hợp kim cũng đưa đến cho thép những tính chất đặc trưng như Cr - Ni vừa tăng mạnh độ thấm tôi vừa giữ được độ dai cao, làm xấu tính gia công cắt, gây giòn ram, Mn - Si làm thép bền, cứng, nhưng lại gây giòn. 5.3.2. Thép thấm cacbon a. Đặc điểm về thành phần hóa học Thép thấm cacbon là loại thép có thành phần cacbon thấp: 0,10 ữ 0,25% (cá biệt có thể tới 0,30%) để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhưng bề mặt bị mài mòn mạnh như bánh răng, cam, chốt... Để đạt được yêu cầu đó thép phải qua thấm cacbon (bao gồm cả tôi + ram thấp sau khi thấm), nên được đặt tên như trên. Cacbon Lượng cacbon trong thép được quy định trong khoảng 0,10 ữ 0,25% để bảo đảm độ dẻo, độ dai cao của lõi ở cả trạng thái tôi + ram thấp để đạt được độ bền cao nhất. Dùng giới hạn dưới khi cần độ dai cao hơn, dùng giới hạn trên khi cần độ bền cao hơn. Trong một số trường hợp cần đạt độ bền cao hơn nữa có thể dùng tới 0,30%C. Nếu dùng cao hơn nữa độ dai của lõi sẽ thấp khi tôi + ram thấp, không chịu được tải trọng va đập. Các thép cacbon có độ thấm tôi thấp, chỉ dùng cho chi tiết nhỏ (φ < 10 ữ 20) và hình dạng đơn giản (vì phải tôi nước), chỉ chịu mài mòn bình thường. Do phải chịu nung lâu ở nhiệt độ cao khi thấm cacbon, các thép thấm cacbon phải là loại được khử ôxy triệt để (thép lặng), tốt nhất là loại hạt nhỏ để hạt không bị to, làm thép giòn. Hợp kim Ngược lại, ưu thế của thép hợp kim là có độ thấm tôi cao, dùng cho chi tiết lớn (φ > 30 ữ 50), hình dạng phức tạp và chịu mài mòn cao. Để bảo đảm các yêu cầu trên các nguyên tố hợp kim dùng trong thép thấm cacbon phải bảo đảm cả hai tác dụng: vừa làm tăng tính thấm tôi để nâng cao độ bền lại vừa thúc đẩy quá trình thấm cacbon (hoặc ít ra cũng không cản trở). Với ý nghĩa đó người ta không dùng silic vì gây thoát cacbon nên cản trở quá trình thấm cacbon. Nguyên tố hợp kim cơ bản có mặt trong mọi thép hợp kim thấm cacbon là crôm, có thể dùng nó riêng rẽ hay kết hợp với niken, mangan. Cũng không dùng thép chỉ hợp kim hóa bằng mangan do nguyên tố này thúc đẩy hạt austenit phát triển khi thấm cacbon. 195 Bảng 5.3. Thành phần hóa học (trung bình, %) của một số mác thép thấm cacbon Tiêu chuẩn Mác thép C Mn Cr Ni Mo, max P, max S, max khác Thép cacbon TCVN C10 C15 C20 0,10 0,15 0,20 0,50 0,50 0,50 - - - - - - - - - 0,035 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 - - - ΓOCT 15 20 0,15 0,20 0,50 0,50 - - - - - - 0,040 0,040 0,040 0,040 - - AISI/ SAE 1015 1020 0,15 0,20 0,45 0,45 - - - - - - 0,040 0,040 0,050 0,050 - - JIS S15C S20C 0,15 0,20 0,45 0,45 - - - - - - 0,030 0,030 0,035 0,035 - - Thép crôm ΓOCT 15X 20X 15XΦ 0,15 0,20 0,15 0,60 0,70 0,60 0,90 0,90 1,00 - - - - - - 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 - - V0,10 AISI/ SAE 5015 5115 4118 0,15 0,15 0,18 0,40 0,80 0,80 0,40 0,80 0,50 - - - - - 0,10 0,035 0,030 0,030 0,040 0,030 0,035 - - - JIS SCr415 SCM415 0,15 0,15 0,75 0,75 1,10 1,10 - - - 0,25 0,030 0,030 0,030 0,030 - - Thép crôm - niken và crôm - niken - môlipđen ΓOCT 20XH 12XH3A 20X2H4A 20XH2M 18X2H4MA 0,20 0,12 0,20 0,20 0,18 0,60 0,50 0,50 0,60 0,45 0,65 0,80 1,50 0,50 1,50 1,30 3,00 3,50 1,90 4,30 - - - 0,25 0,35 0,035 0,025 0,025 0,035 0,025 0,035 0,025 0,025 0,035 0,025 - - - - - AISI/ SAE 4320 4720 8115 8615 8822 9310 94B17 0,20 0,20 0,15 0,15 0,22 0,10 0,17 0,60 0,65 0,80 0,80 0,90 0,55 0,90 0,50 0,50 0,45 0,55 0,50 1,30 0,45 1,90 1,10 0,35 0,60 0,60 3,40 0,55 0,25 0,20 0,12 0,20 0,35 0,12 0,12 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,025 0,035 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,025 0,040 - - - - - - B0,003 JIS SNC415 SNC815 SNCM415 SNCM815 0,15 0,15 0,15 0,15 0,50 0,50 0,50 0,50 0,45 0,90 0,45 0,90 2,40 3,10 2,40 3,10 - - 0,30 0,30 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 - - - - Thép crôm – mangan - titan và crôm - mangan - môlipđen ΓOCT 18XΓT 25XΓM 0,18 0,25 1,00 1,00 1,00 1,00 - - - 0,25 0,035 0,035 0,035 0,035 Ti0,05 - Ghi chú: các thép đều có chứa 0,15 ữ 0,30Si ưu việt của thép hợp kim thấm cacbon so với thép cacbon là ở các mặt sau: - độ bền cao do độ thấm tôi cao, ưu việt này càng rõ rệt khi tiết diện chi tiết càng lớn, - tính chống mài mòn cao nhờ sau khi thấm cacbon tạo nên các cacbit hợp kim ổn định hơn, phân tán hơn và cũng có phần cứng hơn đôi chút, - độ bền, tính chống mài mòn cao kể trên duy trì được ở nhiệt độ cao hơn 196 200oC, - ít biến dạng, nứt khi tôi do được làm nguội trong dầu, nên làm được các chi tiết có hình dạng phức tạp, - có khả năng nâng cao nhiệt độ thấm, do đó rút ngắn được thời gian thấm. Bảng 5.3 trình bày thành phần hóa học của mác thép thấm cacbon theo một số tiêu chuẩn. Sau đây trình bày các thép và đặc điểm của từng loại. a. Thép cacbon Do các yêu cầu trên, thép cacbon để thấm cacbon phải là loại thép lặng, không được dùng thép sôi hay nửa lặng vì chúng có khuynh hướng phát triển hạt mạnh. Phù hợp với các yêu cầu đề ra chỉ dùng các mác thép cacbon sau: C10, C15, C20, C25 và đôi khi cả CCT38 (như đ∙ nói trong điều kiện thông thường của sản xuất luyện kim mác thép này có khoảng 0,20%C). (tương ứng với ΓOCT là 10, 15, 20, 25, ВСт3, SAE/AISI là 1010, 1015, 1020, 1025, JIS là S10C, S15C, S20C, S25C). Chúng có đặc điểm: - sau khi thấm cacbon đạt được yêu cầu thấp kể trên ở tiết diện nhỏ: độ cứng bề mặt HRC 60 ữ 62, chống mài mòn tương đối tốt, lõi HRC 30 ữ 40, độ dai cao, độ bền tốt, σb trong khoảng 500 ữ 600MPa, - do bắt buộc phải tôi nước, độ thấm tôi thấp nên không thể làm được các chi tiết có hình dạng phức tạp và lớn, - khi thấm cacbon không thể nâng cao quá 900oC (trong thép không có các yếu tố cản trở hạt phát triển), tốc độ thấm kéo dài, nói chung hạt vẫn bị to. Do hạt lớn sau khi thấm không thể tôi trực tiếp mà phải qua thường hóa rồi mới tôi (một hoặc hai lần) nên thường bị biến dạng lớn. Như vậy thép cacbon với các mác trên chỉ áp dụng cho các chi tiết nhỏ (φ < 20mm), hình dạng đơn giản, tính chống mài mòn yêu cầu bình thường, tóm lại thường là các chi tiết không quan trọng như một số phụ tùng xe đạp, xe cải tiến (trục, côn và bi). Chi tiết dù nhỏ nhưng hình dạng phức tạp (nhiều góc cạnh) cũng không thể làm bằng thép cacbon. Khi dùng thép này phải chú ý tuân thủ đúng quy trình thấm do tính phức tạp hơn của nó. c. Thép crôm Như đ∙ biết, crôm là nguyên tố tương đối rẻ, nó không những nâng cao độ thấm tôi còn xúc tiến quá trình thấm cacbon (do có ái lực với cacbon mạnh hơn), do vậy được dùng trong mọi thép hợp kim thấm cacbon. Thép crôm đơn giản là thép có khoảng 1%Cr, được dùng khá phổ biến trong cơ khí để làm các chi tiết loại nhỏ, có hình dạng không quá phức tạp. Thường dùng các ký hiệu sau (như đ∙ nói TCVN chưa quy định cho thép kết cấu hợp kim nên ở đây chỉ là ký hiệu theo TCVN 1659-75) 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV (tương ứng với ΓOCT là các mác 15X, 20X, 15XΦ, 20XΦ, SAE/AISI là 5015, 5115, 5120, JIS là SCr415, SCr420). So với thép thường, thép crôm có những đặc điểm sau: - sau khi thấm cacbon cũng đạt độ cứng HRC 60 ữ 62 song có tính chống mài mòn cao hơn đôi chút, - do nâng cao chút ít độ thấm tôi và dùng môi trường tôi dầu nên có thể làm được chi tiết có hình dạng tương đối phức tạp, - độ bền cao hơn đôi chút, σb trong khoảng 700 ữ 800MPa, 197 - nhiệt độ thấm cacbon trong khoảng 900 ữ 920oC, tốc độ thấm nhanh hơn, độ hạt bình thường, sau thấm không cần thường hóa song vẫn phải áp dụng cách tôi như thép cacbon (một hoặc hai lần). Ngoài ra thép này còn có khuynh hướng quá b∙o hòa cacbon tạo nên lưới cacbit gây ra giòn (điều này dễ xảy ra khi thấm ở thể rắn), Công dụng: làm các chi tiết nhỏ (φ 20 ữ 40) song hình dạng tương đối phức tạp như bánh răng, trục bậc, chốt với đòi hỏi tính chống mài mòn tương đối cao. Để nâng cao độ thấm tôi và tránh quá b∙o hòa lớp thấm của thép crôm, người ta thường hợp kim hóa thêm bằng niken hay mangan là các nguyên tố không tạo thành cacbit (Ni) hay tạo cacbit yếu (Mn). d. Thép crôm - niken và crôm - niken - môlipđen Như đ∙ nói sự kết hợp của crôm và niken không những làm tăng mạnh độ thấm tôi nhờ đó tăng độ bền mà còn duy trì được độ dai. Với đặc trưng bền và dai thép crôm - niken được dùng cho các chi tiết quan trọng, cần độ tin cậy cao như trong ôtô, máy bay... Có hai loại: - crôm - niken thường ~ 1%Cr + 1%Ni, và - crôm-niken cao ~ 1%Cr + 3%Ni. Ngoài ra nếu đưa thêm một lượng nhỏ môlipđen vào hai loại trên sẽ nâng cao độ thấm tôi thêm nữa. Thép crôm - niken thường Là loại thép hợp kim thấp, trong đó crôm 0,50 ữ 1,00% còn niken > 1%, nhưng cũng đủ cải thiện đáng kể độ thấm tôi, tôi rất dễ trong dầu. Tuy nhiên loại này không có hiệu quả kinh tế cao nên hầu như không được dùng ở các nước phương Tây (trước đây AISI / SAE có loạt mác 3115, 3120, 3215, 3220 3316 và 3415 thuộc loại crôm-niken nhưng đ∙ bỏ từ lâu, trước 1945). Mác thép điển hình hiện còn được dùng ở Nga là 20XH, được dùng làm các chi tiết hình dạng phức tạp với kích thước trung bình (50 ữ 75mm), chịu tải trọng va đập cao như các bánh răng ôtô tải nhẹ và du lịch Thép crôm - niken cao Là loại thép trong đó niken cao hơn 2% và có thể tới 4% còn crôm cũng chỉ trên dưới 1%, tức có tỷ lệ Ni / Cr = 3 hay 4. Như đ∙ biết với lượng crôm - niken như thế độ thấm tôi rất cao, tôi thấu được các tiết diện đến 100mm và cao hơn, trong thực tế có thể coi có độ thấm tôi bất kỳ. Với ngay tiết diện lớn như vậy cũng rất dễ dàng tôi trong dầu, còn với tiết diện nhỏ hơn có thể áp dụng tôi phân cấp, nhờ đó giảm mạnh độ biến dạng. Thép được dùng làm các chi tiết thấm cacbon rất quan trọng: chịu tải trọng nặng và bị mài mòn mạnh, hình dạng lớn và phức tạp, yêu cầu độ tin cậy cao như các chi tiết trong máy bay, ôtô mà các hư hỏng có thể gây tai họa cho người. Mác thép điển hình của loại này là 12XH3A và 20X2H4A của ΓOCT (SNC415 và SNC815 của JIS) có thể đạt được tổ hợp cơ tính cao tới σb = 1000 ữ 1200MPa, aK = 900 ữ 1000kJ/m 2. Tuy nhiên khi sử dụng thép này phải tính đến các yếu tố sau: - đắt (theo số liệu của Nga đắt gấp ba thép cacbon), - tính gia công cắt kém do thép quá dẻo (do cacbon thấp, niken cao), phoi không g∙y vụn, - phải áp dụng quy trình nhiệt luyện sau khi thấm cacbon khá phức tạp. Để cải thiện phần nào tính gia công cắt thép phải qua thường hóa. Quy trình nhiệt luyện thép này khá phức tạp do sau khi thấm cacbon bề 198 mặt với hàm lượng cacbon cao và nguyên tố hợp kim khá cao làm hạ thấp điểm Ms nên nếu tôi bình thường còn lại nhiều austenit dư (tới 50 ữ 60%) và độ cứng chỉ đạt HRC 45 ữ 55, không đủ chống mài mòn. Vì thế sau khi thấm tiến hành: - thường hóa trực tiếp rồi ram cao ở 600 ữ 650oC trong thời gian dài từ 2 đến 6h làm cacbit phân tán tiết ra khỏi các dung dịch rắn làm cho chúng nghèo hợp kim đi, - tôi: khi nung nóng có hai pha austenit đ∙ nghèo hợp kim (nâng cao điểm Ms) và cacbit phân tán nên sau làm nguội được nhiều mactenxit, cacbit phân tán và ít austenit dư nên vừa bảo đảm độ cứng cao (HRC > 60) vừa chống mài mòn cao, - ram thấp (như thường lệ để giảm ứng suất). Thép crôm - niken - môlipđen Chủ yếu là nhóm thép crôm-niken cao (cũng có cả thép crôm - niken thường) kể trên nhưng có thêm 0,10 ữ 0,40%Mo với tác dụng chủ yếu là để nâng cao hơn nữa độ thấm tôi (ở đây không có tác dụng chống giòn ram do chỉ phải ram thấp), chúng được coi là thép thấm cacbon tốt nhất, được dùng vào các mục đích quan trọng nhất và cho tiết diện lớn nhất. Các mác thép điển hình của loại này là 20XH2M, 18X2H4MA của ΓOCT (SNCM415, SNCM815 của JIS, 4320, 4720, 8115, 8615, 8822, 9310, 94B17 của AISI / SAE). Đặc tính của các mác thép này cũng giống như các mác crôm - niken cùng loại song có tính thấm tôi cao hơn (ví dụ SNCM415 có tính thấm tôi cao hơn SNC415, còn cách nhiệt luyện giống như SNC415). Các mác tốt nhất (ví dụ như 18X2H4MA) là loại tự tôi, tức loại mactenxit, phải áp dụng triệt để cách nhiệt luyện kể trên. e. Thép crôm - mangan - titan Nhóm thép này có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cao được dùng rất rộng r∙i ở Nga cũng như ở nước ta trong chế tạo bánh răng ôtô tải nhẹ và trung bình. Về mặt kinh tế, nó là loại thép tương đối rẻ vì hợp kim hóa thấp chủ yếu bằng các nguyên tố rẻ (Mn) và không đắt (Cr) không phải dùng đến niken đắt. Về độ bền, đối với các chi tiết trung bình (< 50mm) nó có độ bền tương đương như thép crôm - niken do có thể tôi thấu (σb = 1100 ữ 1150MPa), tuy độ dẻo, độ dai có kém hơn đôi chút (aK = 600 ữ 900kJ/m 2). ưu điểm chính của nhóm thép này là ở tính công nghệ. Trước hết thép không quá dẻo, dai mà vẫn đủ mềm để có thể cắt gọt tốt. Sau đó là công nghệ thấm cacbon của thép có khá nhiều ưu việt: - do có mangan nên bề mặt thép không bị quá b∙o hòa cacbon, - tuy có mangan là nguyên tố làm hạt lớn, song nhờ có titan (dù với lượng nhỏ) nên tạo ra được các phần tử cacbit titan TiC rất nhỏ nằm ở biên hạt austenit, ngăn trở hạt lớn lên, nên thép có hạt nhỏ. Chính do điều này sẽ dẫn tới ba ưu điểm sau, - cho phép thấm ở nhiệt độ cao hơn 900oC (ví dụ ở 930 ữ 950oC) nên rút ngắn được thời gian thấm, - có thể tôi trực tiếp ngay sau khi thấm vì không cần các nguyên công làm nhỏ hạt như thường hóa, tôi lần thứ nhất. Nhiệt luyện sau thấm là đơn giản nhất: tôi trực tiếp với hạ nhiệt còn khoảng 850 ữ 880oC rồi ram thấp, - do quy trình đơn giản như vậy nên biến dạng rất thấp. ΓOCT quy định hai mác thép làm bánh răng rất phổ biến là 18XΓT (ngoài ra có 25XΓT, 30XΓT) và 25XΓM. Trong đó mác đầu dùng trong trường hợp thấm cacbon như đ∙ trình bày còn mác sau dùng cho trường hợp thấm cacbon - nitơ ở 199 thể khí với nhiệt độ thấm 850oC, thời gian thấm vẫn rút ngắn thêm, tôi trực tiếp + ram thấp, độ biến dạng đạt được giá trị nhỏ nhất. Do thấm ở nhiệt độ thấp hơn, không gây ra hạt lớn nên không cần dùng titan mà thay vào đó là môlipđen để cải thiện thêm độ thấm tôi. Trong hai, ba mươi năm trở lại đây, ở Nga phương án dùng thép mác 25XΓM làm bánh răng hộp số ôtô, qua thấm cacbon - nitơ thể khí, tôi trực tiếp phân cấp trong dầu nóng 180oC được coi là hoàn hảo hơn cả vì vừa cho độ cứng cao, tính chống mài mòn cao (hơn thấm cacbon), độ biến dạng dưới mức cho phép (chỉ 0,08 ữ 0,12mm, cho phép là 0,12mm) nhờ đó nâng cao gần gấp đôi tuổi thọ. 5.3.3. Thép hóa tốt Thép hóa tốt là thép có thành phần cacbon trung bình, 0,30 ữ 0,50%C, để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập tương đối cao mà bề mặt có thể bị mài mòn như trục, bánh răng, chốt..., để đạt được cơ tính tổng hợp cao nhất thép phải qua nhiệt luyện hóa tốt (tôi + ram cao) nên có tên như trên. a. Đặc điểm về thành phần hóa học Cacbon Lượng cacbon trung bình trong giới hạn 0,30 ữ 0,50% sẽ bảo đảm sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính: độ bền, độ dẻo, độ dai (cơ tính tổng hợp) sau khi tôi + ram cao và độ cứng, tính chống mài mòn tương đối cao sau khi tôi bề mặt, thỏa m∙n tốt các yêu cầu trên. Nếu dùng lượng cacbon khác đi không thể đạt được cơ tính tổng hợp tốt, tuy rằng dùng lượng cacbon cao hơn đạt được độ cứng bề mặt và tính chống mài mòn cao hơn. Thường dùng phổ biến lượng cacbon trong khoảng 0,35 ữ 0,45%. Hợp kim Để bảo đảm có cơ tính tổng hợp cao và đồng nhất trên toàn tiết diện, thép phải được hợp kim hóa thích hợp để đạt tới độ thấm tôi mong muốn, do đó tiết diện càng lớn lượng hợp kim đưa vào càng phải cao. Nguyên tố hợp kim chính dùng trong thép hóa tốt là các nguyên tố Cr, Mn với lượng chứa 1 ữ 2%, Ni - 1 ữ 4% như nhóm thép thấm cacbon, ngoài ra còn cho phép dùng cả Si với lượng chứa không quá 1% (vì không qua thấm cacbon nên không phải hạn chế như trường hợp trên). Trong mấy chục năm gần đây người ta cũng chú ý dùng bo (B), với lượng rất nhỏ, khoảng 0,0005 ữ 0,003%, cũng có tác dụng như 1%Ni hay 0,5%Cr (khi dùng 0,003% tạo nên các borit sắt FeB, Fe2B lại làm giảm độ thấm tôi). Không dùng B một cách đơn độc vì tác dụng của B được tăng cường khi dùng nó cùng với Cr, Ni, Mn. Nguyên tố hợp kim phụ thường dùng tr