Giáo trình Vật liệu cơ khí Công nghệ kỹ thuật cơ khí

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

1.1.1 Cấu tạo tinh thể của kim loại nguyên chất

Các vật liệu phi kim loại có cấu tạo vô định hình, kim loại có cấu tạo tinh thể

- Ở trạng thái rắn, các nguyên tử kim loại sắp xếp trong không gian theo vị trí nhất định gọi là mạng tinh thể (hình 1.1)

- Phần nhỏ nhất đặc trƣng cho một loại mạng tinh thể gọi là ô cơ bản, sắp các ô cơ bản lại với nhau ta đƣợc mạng tinh thể

- Trong mạng tinh thể các nguyên tử nằm ở các mép ô cơ bản gọi là nút mạng

Hình 1.1 : Mạng tinh thể, khối cơ bản

Các mạng tinh thể thường gặp của kim loại (hình 1.2) là:

1.1.1.1 Mạng lập phương thể tâm (hình 1.2a)

- Nguyên tử nằm ở đỉnh (nút) và tâm khối lập phương

- Mạng này có ở Cr, W, Mo…

1.1.1.2 Mạng lập phương diện tâm (hình 1.2b)

- Nguyên tử nằm ở các đỉnh và tâm của mỗi mặt bên khối lập phương

- Mạng này thường có ở các kim loại Cu, Al, Ni

1.1.1.3 Mạng lục giác xếp chặt (hình 1.2c)

+ Đỉnh và các tâm mặt đáy

+ Tâm của 3 khối lăng trụ tam giác xen kẽ nhau

- Mạng này thường có ở các kim loại: Zn, Mg, Ti… a) b) c)

Hình 1.2 Mạng tinh thể kim loại nguyên chất a Mạng lập phương thể tâm b Mạng lập phương diện tâm c Mạng lục giác xếp chặt

Khi kim loại nóng chảy, cấu trúc mạng tinh thể bị phá vỡ, và quá trình đông đặc sẽ hình thành lại mạng tinh thể, được gọi là quá trình kết tinh Hầu hết các kim loại không thay đổi kiểu mạng tinh thể khi được nung nóng từ nhiệt độ thường đến nhiệt độ nóng chảy Tuy nhiên, một số kim loại đặc biệt có thể chuyển sang kiểu mạng tinh thể khác khi ở trạng thái rắn và được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định, trước khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy Tính chất này được gọi là tính thù hình.

Thí dụ: Nguyên tử Fe:

- t 0  911 0 : mạng lập phương thể tâm (còn gọi là Fe  )

- 911 0  t 0 1392 0 : mạng lập phương diện tâm (còn gọi là Fe  )

- 1392 0  t 0 1539 0 : mạng lập phương thể tâm (còn gọi là Fe  )

Trong kim loại, cấu trúc mạng tinh thể không đồng nhất mà bao gồm nhiều khối nhỏ gọi là đơn tinh thể (hạt) Những đơn tinh thể này liên kết bền vững với nhau tạo thành đa tinh thể Đơn tinh thể còn được gọi là hạt, trong khi đa tinh thể được gọi là đa hạt Kích thước hạt càng nhỏ, độ bền và độ dai va đập của kim loại càng cao.

Hình 1.3: Mạng tinh thể thực tế của kim loại (đa tinh thể) 1.1.2 Cấu tạo của hợp kim

Hợp kim là vật liệu được hình thành từ nhiều nguyên tố, chủ yếu là kim loại, và mang đặc tính kim loại Cấu trúc của hợp kim thường tồn tại dưới một trong các dạng nhất định.

Hợp kim ở dạng dung dịch rắn có đặc điểm:

- Một nguyên tố giữ nguyên kiểu mạng gọi là dung môi

- Nguyên tố kia hòa tan đều đặn vào gọi là nguyên tố hòa tan

Dung dịch rắn chia làm 2 loại: a- Dung dịch rắn thay thế (hình 1.4a): nguyên tử của nguyên tố hòa tan sẽ thay thế

Trong dung dịch rắn, nguyên tử của nguyên tố dung môi có thể xuất hiện tại các nút mạng Trong trường hợp dung dịch rắn thay thế, đường kính nguyên tử của nguyên tố dung môi và nguyên tố hòa tan gần như tương đương, ví dụ như trong hợp kim đồng thau (Cu và Zn) Ngược lại, trong dung dịch rắn xen kẽ, nguyên tử của nguyên tố hòa tan xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút mạng của nguyên tố dung môi, với đường kính nguyên tử của dung môi lớn hơn nhiều so với nguyên tố hòa tan, như trong trường hợp của Fe và C.

Hình 1.4: Dung dịch rắn a- Dung dịch rắn thay thế b- Dung dịch rắn xen kẽ 1.1.2.2 Hợp chất hóa học

Các nguyên tố trong hợp kim tương tác hóa học và được biểu diễn bằng công thức hóa học Hợp kim thường có độ cứng cao, điển hình như cạc bit sắt hay Xementit, là hợp chất hóa học giữa Fe và C với công thức Fe3C, nổi bật với độ cứng vượt trội.

Nguyên tố dung môi Đơn tinh thể Biên giới hạt

- Các nguyên tố thành phần khác nhau về kích thước và mạng tinh thể

- Các nguyên tử của nguyên tố thành phần sẽ tập hợp thành những hạt riêng lẻ, phân biệt đƣợc rõ trên tổ chức tế vi

1.1.3.Tính ƣu việt của hợp kim

So với kim loại nguyên chất, hợp kim có nhiều ƣu điểm hơn:

- Dễ luyện kim vì không cần khử tạp chất

- Độ cứng, độ bền cao hơn nhờ nhiệt luyện

- Tính công nghệ cao hơn: dễ đúc, dễ cắt gọt…

- Hệ số dãn nở nhiệt nhỏ hơn…

Hầu hết các chi tiết máy đều làm bằng hợp kim hay kim loại nguyên chất.

TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

Là khối lƣợng trên 1 đơn vị thể tích m: khối lƣợng

- Kim loại có tính chảy loãng khi nung nóng và đông đặc khi làm nguội

- Điểm nóng chảy là nhiệt độ kim loại bắt đầu nóng chảy

- Là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh

- Tính dẫn nhiệt tốt khi dễ đốt nóng nhanh và đồng đều cũng nhƣ dễ làm nguội nhanh

Khi bị đốt nóng kim loại dãn nở và khi làm nguội sẽ co lại

Là khả năng cho dòng điện đi qua, điện trở càng nhỏ thì tính dẫn điện càng mạnh

Là khả năng bị từ hóa khi đặt trong từ trường

- Co, Ni, Fe và hợp kim của sắt có tính nhiễm từ Hầu hết các kim loại khác không có tính nhiễm từ

- Nhiệt độ tăng tính nhiễm từ giảm

Bảng1.1: Một số tính chất vật lý vài kim loại thông dụng

Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh

Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của ôxy và 1 số hóa chất ở nhiệt độ cao

Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của axit

Khi thực hiện thí nghiệm kéo từ từ mẫu kim loại tròn và dài, người ta khảo sát mối quan hệ giữa lực kéo và biến dạng của mẫu Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua biểu đồ kéo, giúp chúng ta hiểu rõ về các loại biến dạng và hiện tượng phá hủy.

- OE là đường thẳng: biến dạng đàn hồi

- EB là đường cong: biến dạng dẻo

- BC là đường cong: phá hủy

Là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy

Hệ số dãn nở nhiệt ở 1 0 C

Tùy theo tải trọng tác dụng, phân biệt các loại độ bền kéo, nén, uốn, xoắn

Giới hạn đàn hồi (σ đh) là chỉ tiêu đánh giá quan trọng, phản ánh ứng suất lớn nhất mà mẫu có thể chịu đựng mà không làm thay đổi hình dáng và kích thước của nó khi ứng suất này được loại bỏ.

Trong đó: Pđh: lực kéo lớn nhất gây ra biến dạng dƣ  5%

Giới hạn chảy (σc) là ứng suất tối thiểu mà tại đó kim loại bắt đầu xảy ra hiện tượng chảy, dẫn đến biến dạng dẻo Tiết diện mẫu thử (F0) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giới hạn chảy này.

Trong đó: P ch : tải trọng bắt đầu biến dạng dẻo;

F o : tiết diện mẩu thử c- Giới hạn chảy quy ước ( 02 ): là ứng suất gây nên một lƣợng biến dạng dƣ là

0.2% so với chiều dài ban đầu

Giới hạn bền (σb) được định nghĩa là ứng suất cao nhất mà mẫu vật liệu có thể chịu đựng trước khi bị phá hủy Thông thường, giới hạn bền kéo được coi là tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá độ bền của vật liệu.

Trong đó: Pmax: lực kéo đứt

F 0 : tiết diện ban đầu của mẫu thử

Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy, và khi lực tác động ngừng lại, kim loại sẽ để lại một lượng biến dạng dư Kim loại có tính dẻo cao sẽ dễ dàng gia công áp lực hơn Độ dãn dài tương đối (δ%) là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá tính dẻo, được tính theo công thức cụ thể.

Trong đó: L k : chiều dài của mẫu sau khi kéo;

L 0 : chiều dài ban đầu của mẫu b- Độ thắt khi kéo đứt (%): đƣợc tính theo công thức:

Trong đó: F 0 : tiết diện ban đầu của mẫu;

F k : tiết diện ở phần cổ thắt của mẫu sau khi kéo đứt

Khả năng chống lại tải trọng va đập mà không bị phá hủy được gọi là độ bền va đập Độ bền này được tính bằng công cần thiết để phá hủy một đơn vị tiết diện của mẫu thử.

Độ cứng của kim loại là khả năng chống lại sự xuyên lún của vật cứng hơn lên bề mặt của nó Để đánh giá độ cứng, người ta thường sử dụng máy đo độ cứng với các phương pháp khác nhau Một trong những phương pháp phổ biến là phương pháp Brinelle, được đo bằng đơn vị HB, trong đó tải trọng P được áp dụng lên viên bi bằng thép đã được nhiệt luyện với đường kính D lên bề mặt vật liệu cần thử nghiệm.

Hình 1.6: Phương pháp đo độ cứng Brinelle Độ cứng Brinen đƣợc tính theo công thức:

Trong đó: P: tải trọng nén vào bi

F: diện tích vết lõm mặt chỏm cầu có đường kính d b- Phương pháp Rockwell (Đơn vị HR)

Xác định bởi các thang đo:

+ Thang đo HRB: với viên bi ấn bằng thép đã nhiệt luyện có  = 1/16 để đo thép chƣa tôi, đồng, đồng thau…

+ Thang đo HRA, HRC: vật liệu ấn là mũi côn bằng kim cương có góc ở đỉnh là

120 0 (hình 1.7) để đo thép đã tôi cứng

Trong phương pháp này, số đo độ cứng được chỉ trực tiếp trên đồng hồ máy đo

Hình 1.7 : Phương pháp đo độ cứng Rockwell với thang đo HRA, HRC

- Thang đo HB: áp dụng cho kim loại mềm chƣa tôi cứng

+ Thang đo HRB đối với thép chƣa tôi, đồng, đồng thau

+ Thang đo HRA, HRC để đánh giá thép đã tôi cứng

Thể hiện ở tính dễ hay khó gia công theo một phương pháp nào đó

Kim loại có tính cắt gọt tốt hơn khi:

- Tách và thóat phoi nhỏ

- Chất lƣợng bề mặt cao

Kim loại quá cứng như thép đã tôi thường khó cắt gọt

Kim loại quá mềm tính cắt gọt cũng kém vì tạo phoi dây và độ nhẵn kém

Kim loại có tính hàn tốt khi:

- Ít tốn năng lƣợng nung nóng

- Mối hàn tốt, chắc, không nứt vỡ

Kim loại có tính đúc tốt khi:

- Nhiệt độ nóng chảy thấp

- Tính linh động cao khi ở trạng thái nóng chảy

- Tổ chức kim loại đồng đều

Tính đúc của gang tốt hơn thép, hợp kim tốt hơn thép nguyên chất

Còn gọi là tính dễ gia công biến dạng Kim loại cán dẻo càng dễ gia công áp lực: rèn, dập, uốn, cán dẻo

Kim loại có tính nhiệt luyện tốt khi có khả năng thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo, một cách dễ dàng bằng phương pháp nhiệt luyện

1- Mô tả cấu tạo của hợp kim?

2- Phân tích tính ƣu việt của hợp kim so với kim loại nguyên chất?

3- Việc nghiên cứu các tính chất vật lý cơ bản của kim loại và hợp kim có lợi ích gì trong gia công cơ khí? Cho ví dụ ?

4- Vẽ biểu đồ và mô tả mối quan hệ giữa lực kéo và biến dạng của mẫu kéo?

5- Tính lực tối thiểu để kéo đứt dây thép 6 có độ bền kéo là  k  42 kg/mm 2 6- Trình bày các khái niêm về độ dẻo, độ cứng của kim loại và hợp kim? Việc nghiên cứu độ dẻo, độ cứng của kim loại và hợp kim giúp ích gì trong gia công cơ khí ?

7- Khi tiến hành thử mẩu kéo 1 thép có chiều dài 300mm, dây thép dản dài đến 420mm thì bị đứt Tính độ dản dài tương đối của dây thép trên?

8- Định nghĩa tính công nghệ của kim loại và hợp kim? Mô tả đặc điểm các tính công nghệ sau: tính cắt gọt, tính hàn, tính đúc, tính rèn, tính nhiệt luyện?

9- Các phôi thép đem gia công trên máy cắt kim loại (tiện, phay, bào) có độ cứng nhƣ sau:

Phôi nào dể gia công hơn? Tại sao?

1 Vật liệu học là môn học nghiên cứu: a Sự hình thành các cấu trúc khác nhau trong vật liệu b Quy luật thay đổi các tính chất của vật liệu c Cấu tạo và tính chất của vật liệu d Các nguyên lý cơ bản của vật liệu

2 Vì sao vật liệu kim loại là nhóm vật liệu sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật? a Vì chúng dễ chế tạo b Vì chúng có cơ tính tổng hợp cao c Vì chúng dễ tạo hình d Vì chúng có độ bền cao

3 Vật liệu kim loại gồm: a Các kim loại có trong thiên nhiên b Các kim loại và hợp kim mang tính chất đặt trƣng của kim loại c Các hợp kim từ các nguyên tố khác nhau d Các hợp kim và các hợp chất của chúng

4 Mạng tinh thể là: a Mạng của các nguyên tử trong tinh thể b Mô hình không gian mô tả sắp xếp của nguyên tử trong tinh thể c Mô hình mô tả quy luật hình học của tinh thể d Mạng của các nguyên tử hoặc phân tử trong vật liệu

5 Ô cơ sở của mạng tinh thể: a Khối thể tích nhỏ nhất có sắp xếp nguyên tử đại diện cho mạng tinh thể b Đơn vị thể tích của mạng tinh thể c Khối thể tích nhỏ nhất của mạng tinh thể d Khối thể tích để nghiên cứu quy luật săp xếp trong tinh thể

THÉP

PHÂN LOẠI THÉP

2.1.1.Phân loại theo tính năng sử dụng:

Gồm thép cacbon và thép hợp kim

- Thép cacbon kết cấu: dùng làm chi tiết máy hoặc trong xây dựng

- Thép cacbon dụng cụ: dùng làm dụng cụ cắt tốc độ thấp: lƣỡi đục, dũa

- Thép hợp kim kết cấu: dùng làm chi tiết máy

- Thép hợp kim dụng cụ: dùng làm dụng cụ cắt (lƣỡi khoan, dao tiện, phay…), dụng cụ đo, ổ lăn…

- Thép hợp kim đặc biệt: thép không rỉ, thép chịu nhiệt, thép từ tính…

2.1.2 Phân loại theo thành phần tạp chất có hại

-Thép chất lượng đặc biệt tốt: P < 0,025%, S = 0,025%

2.1.3 Theo phương pháp khử Oxy

- Thép sôi là thép đƣợc khử oxy không triệt để Do vẫn còn FeO, nên có thể tác dụng với cacbon trong thép lỏng theo phản ứng:

Khi khí CO bay lên, mặt thép sẽ chuyển động như thể đang sôi, vì vậy nó được gọi là thép sôi Khí CO còn lại tạo ra các bọt khí trong thỏi thép đúc, dẫn đến việc thép sôi có ít lõm co nhưng lại khó hàn.

Thép lặng là loại thép khử oxy triệt để, do đó trong thép lỏng có rất ít FeO Bề mặt của thép lỏng này phẳng và mịn, nên được gọi là thép lặng Trong thỏi thép lặng, hầu như không còn bọt khí, nhưng có thể xuất hiện lõm co lại lớn Ngoài ra, thép lặng còn dễ hàn hơn so với các loại thép khác.

- Thép nửa lặng là loại thép trung gian giữa thép sôi và thép lặng.

THÉP CACBON

2.2.1.1 Thép cacbon kết cấu chất lượng thường (thép xây dựng) a- Ký hiệu

Theo TCVN: gồm chữ CT kèm chỉ số chỉ giới hạn bền kéo

Ví dụ: CT31 (có  k  31kg/mm 2 ), CT33, CT42, CT51…

Hình 2.1: Một số loại thép xây dựng phổ biến a.Thép cuộn; b.Thép gân; c.Thép hộp; d.Thép ống; e Thép góc

- Dùng chủ yếu trong xây dựng dưới dạng tấm, thanh, ống hoặc định hình (L, U, I)

- Chế tạo chi tiết không quan trọng: bulông, đai ốc, vòng đệm

2.2.1.2.Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt a- Ký hiệu

Theo TCVN: Gồm chữ C và 2 chữ số chỉ hàm lƣợng cacbon trung bình tính theo phần vạn (1/10000) Ví dụ: C45 có 0.45%C b- Công dụng

- Thép C10, C15, C20: dùng để rèn, dập bulông, đai ốc, thép tấm để hàn

- C40, C45: làm trục truyền động, thanh truyền

- C50, C55: làm bánh răng, trục khủyu, trục chính máy công cụ

- C60, C65: chế tạo cam, đĩa ma sát

Hình 2.2: Một số chi tiết thường làm bằng thép cac bon kết cấu chất lượng tốt a- Bu lông, đai ốc; b Bánh răng; c.Đĩa thắng

Có hàm lƣợng cacbon từ 0.7  1.3% a- Ký hiệu

Theo TCVN gồm chữ CD kèm chỉ số chỉ phần vạn cacbon: CD70, CD80…

Hình 2.3: Một số chi tiết thường làm bằng thép cac bon dụng cụ a Đục kim loại; b Ta rô; c Lưởi khoan gổ b- Công dụng

Dùng chế tạo dụng cụ cắt kim loại tốc độ thấp, dụng cụ đo, khuôn dập:

- CD70 CD80, CD90 chế tạo dụng cụ cắt, chịu va đập nhƣ đục, đầu búa

- CD100, CD110, CD120 chế tạo mũi khoan gổ, tarô, bàn ren

- CD130 chế tạo mũi cạo, lƣỡi dũa, lƣỡi cƣa…

2.2.3 Ƣu, khuyết điểm của thép cacbon Ƣu điểm:

- Giá thành rẻ, dễ kiếm không sử dụng các nguyên tố hợp kim đắt tiền

- Cơ tính tổng hợp đủ

- Tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt gọt (so với thép hợp kim)

- Không có các tính chất lý, hóa đặc biệt.

THÉP HỢP KIM

Là thép có chứa hàm lựơng các nguyên tố hợp kim thích hợp (Cr, Mn, Si…) nhằm:

- Cải thiện cơ tính của thép: tăng độ bền, độ cứng, độ đàn hồi sau khi nhiệt luyện

- Tạo ra những tính chất lý hóa đặc biệt: tính chống ăn mòn, chịu nhiệt…

2.3.1 Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép

- Crôm (Cr): Tăng độ cứng, độ bền, tính chống ăn mòn nhƣng giảm độ dẻo

- Niken (Ni): Tăng độ bền, độ dẻo, tính chống ăn mòn và chịu va đập

- Vonfram(W): Tăng độ cứng và khả năng chịu nhiệt

- Coban (Co): Tăng tính chịu nhiệt và tính chịu va đập

- Molipden (Mo): Tăng tính chịu nhiệt, đàn hồi và chống ăn mòn

- Mangan (Mn): Tăng độ cứng, độ chịu mài mòn và tính chịu va đập nhƣng không giảm độ dẻo

- Silic(Si): Tăng độ bền, độ đàn hồi và tính chống ôxy hóa

Theo TCVN quy ƣớc ký hiệu nhƣ sau:

- Các chữ số ở đầu chỉ hàm lƣợng các bon tính theo phần vạn

- Ký hiệu các nguyên tố hợp kim tiếp sau bằng chính ký hiệu hóa học của nó

- Theo sau mỗi nguyên tố hợp kim là chữ số chỉ hàm lƣợng % của nguyên tố đó Nếu gần bằng 1% thì không biểu thị

- Có chữ A cuối là thép loại tốt

Ví dụ: + 90Cr2Si là thép hợp kim có: 0,9%C, 2%Cr, 1% Si

+ 30CrMn2Si là thép hợp kim có: 0,3%C, 1% Cr, 2%Mn và 1%Si

2.3.3 Tính chất và công dụng

2.3.3.1 Thép hợp kim kết cấu

Thép thấm cacbon có hàm lượng cacbon từ 0,1% đến 0,7% và chứa nhiều hợp kim, thường được xử lý qua quá trình thấm cacbon và nhiệt luyện Quá trình này giúp tăng cường cơ tính của thép, tạo ra bề mặt cứng chịu mài mòn trong khi vẫn giữ được độ dẻo bên trong để chịu va đập.

Thép thấm cacbon là loại thép chuyên dụng cho việc chế tạo các chi tiết cần có độ dẻo và độ dai cao ở lõi, trong khi bề mặt yêu cầu độ cứng cao để chịu mài mòn và va đập Loại thép này thường được sử dụng để sản xuất bánh răng, chốt, xích và đĩa ma sát, với hàm lượng cacbon dao động từ 0,1% đến 0,3%.

Các loại thép như 15Cr, 20Cr, và 15CrV thường được sử dụng để sản xuất các chi tiết nhỏ có đường kính dưới 30mm Chúng nổi bật với tính năng chống mài mòn bề mặt cao và khả năng chịu tải trọng trung bình Những ứng dụng phổ biến bao gồm chốt piston, trục cam ô tô, trục giữa xe đạp, trục pê đan và bánh răng.

- 20CrNi, 12CrNi3A, 18Cr2Ni4MoA, đƣợc dùng làm các chi tiết quan trọng nhƣ: bánh răng bị động, trục động cơ máy bay, tàu biển…

- 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi, dùng để sản xuất các chi tiết của ôtô máy kéo nhƣ: bánh răng hộp số, bánh răng cầu sau, các trục quan trọng

Hình 2.4: Một số chi tiết thường làm bằng thép thấm cac bon a Trục giữa xe đạp; b Chốt bít tông; c Trục cam b- Thép hóa tốt

Thép có hàm lượng cacbon trung bình được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu tải trọng trung bình và có khả năng chịu va đập cao Loại thép này đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ dai va đập, phù hợp cho các ứng dụng cần tính năng vượt trội trong điều kiện khắc nghiệt.

Thường dùng các loại sau:

Các loại thép như 35Cr, 40CrB, 45Cr và 50Cr thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường có tốc độ, áp lực riêng và tải trọng trung bình Chúng thường được ứng dụng trong các bộ phận như trục và bánh răng của hộp số trong các máy cắt kim loại.

- 40CrMn, 40CrMnB, 30CrMnSi, 35CrMnSi đƣợc dùng nhiều trong chế tạo ôtô: các trục, các kết cấu chịu lực…

Các loại thép như 40CrNi, 45CrNi, 50CrNi và 40CrNiMo thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng động lớn, bao gồm trục vít, hệ thống lái ô tô, bánh răng và trục truyền có khả năng chịu tải cao.

Hình 2.5: Một số chi tiết thường làm bằng thép hóa tốt a Trục truyền động; b Bánh rang

Nhóm thép 38CrNi3MoA, 38CrNi3MoVA, 18Cr2Ni4MoA và 18Cr2Ni4WA là những loại thép hóa tốt nhất, thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết lớn và quan trọng như trục rôto tuabin, các bộ phận chịu tải của máy khí nén và các chi tiết chịu áp lực cao.

Thép đàn hồi là loại thép chứa hàm lượng cacbon cao từ 0,5% đến 0,7%, sau khi được tôi và ram, nó có khả năng chịu lực đàn hồi tốt Loại thép này thường được sử dụng để sản xuất các chi tiết đàn hồi như lò xo và nhíp.

- Nhóm thép C65, C70, 60Mn, 70Mn là loại thép đàn hồi dùng làm các loại lò xo có kích thước bé

Nhóm thép 55Si2, 60Si2 và 60MnSi nổi bật với giới hạn đàn hồi cao và khả năng thấm tôi tốt Những loại thép này thường được sử dụng để chế tạo lò xo và nhíp cho ô tô, máy kéo, xe lửa, tàu biển, cũng như dây cót đồng hồ.

- Nhóm thép 60Si2Ni2A, 60Si2CrA có độ thấm tôi lớn, dùng để chế tạo lò xo, nhíp chịu tải nặng và đặc biệt quan trọng

- Nhóm thép 50CrV, 50CrMnV dùng chế tạo các lò xo nhỏ chịu nhiệt tới 300 0 C nhƣ lò xo supap xả

Hình 2.6: Một số chi tiết thường làm bằng thép đàn hồi a Lò xo đĩa; b Lò xo kéo, nén; c Lò xo lá (nhíp) 2.3.3.2 Thép hợp kim dụng cụ

Có hàm lƣợng cacbon cao (0,7  1,4%) với các nguyên tố hợp kim chủ yếu là Cr,

Si, Mn, W Sau khi nhiệt luyện có thể đạt độ cứng 60  62HRC thường dùng làm dụng cụ cắt gọt kim loại, khuôn dập, dụng cụ đo…

Thường sử dụng các loại sau: a Thép làm dụng cụ cắt gọt kim loại

 Thép làm dao cắt có năng suất thấp

Dao cắt có tốc độ cắt từ 5 đến 10 mét mỗi phút thường được làm từ thép cacbon và thép hợp kim thấp, cho năng suất thấp.

- 130Cr5 có độ cứng và tính chống mài mòn rất cao đƣợc dùng làm các loại dao cạo nhƣ: dao cạo nhẵn bề mặt kim loại, dao cạo râu…

- 100Cr2 có độ cứng khá cao (6164) HRC, đƣợc dùng làm dao tiện gỗ, đục …

Thép 90CrSi được ưa chuộng nhờ vào giá thành hợp lý và khả năng cắt đạt tốc độ từ 10 đến 14 m/phút Loại thép này thường được sử dụng để sản xuất các dụng cụ như mũi khoan, tarô, bàn ren và dao phay.

140CrW5 là loại thép có hàm lượng cacbon và wolfram cao, mang lại độ cứng vượt trội, có thể đạt tới 67-68 HRC Loại thép này thường được sử dụng để chế tạo dao cắt, thường được gọi là dao kim cương, chuyên dùng trong gia công các vật liệu cứng.

 Thép làm dao có năng suất cao (thép gió)

Là thép hợp kim dụng cụ thường dùng để cắt gọt kim loại với những đặc điểm sau:

- Chịu nhiệt đến 600 0 C mà không thay đổi độ cứng

- Tốc độ cắt đạt 25m/ph

- Có thể tôi ngay trong môi trường không khí, độ cứng đạt 60  65 HRC

- Vonfram là nguyên tố chính

- Hàm lƣợng Cr nhƣ nhau trong mọi thép gió (3,8  4,4%) không ghi trong ký hiệu

- Nếu có thêm nguyên tố Co, có thể chịu nhiệt 650 0 C đạt vận tốc cắt 35m/ph

Thường dùng làm dao tiện, phay, lưỡi khoan, khoét, doa, trục cán ren với các loại thép 90W9V2, 75W18V, 140W9V5, 90W18V2, 95W9Co5V2, 95W9Co10V2

Thép ổ lăn cần phải đáp ứng một số yêu cầu quan trọng để đảm bảo điều kiện làm việc hiệu quả, bao gồm độ bền cao, khả năng chịu mài mòn tốt và tính ổn định trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

- Độ cứng và tính chống mài mòn cao

Cơ tính của vật liệu phải đồng nhất hoàn toàn, không được có bất kỳ điểm mềm nào Điều này rất quan trọng để tránh việc hình thành các vết rỗ khi tiếp xúc, từ đó bảo đảm hiệu suất hoạt động tối ưu của ổ lăn.

- Độ bền mỏi tiếp xúc cao

 Thép ổ lăn làm việc ở nhiệt độ thường, môi trường không khí

Có hai loại OL100Cr2 và OL100Cr2SiMn, được sử dụng để chế tạo các sản phẩm như trục cán nguội, tarô, bàn ren, chi tiết vòi phun cao áp và dụng cụ đo.

 Thép ổ lăn làm việc ở nhiệt độ cao

Thường dùng thép gió loại 90W9Cr4V2Mo hoặc 85W6Mo5Cr4V2… để chế tạo các ổ lăn chịu nóng đến (400500) O C dùng trong động cơ tuabin, máy kéo

 Thép làm ổ lăn làm việc trong môi trường ăn mòn

GANG VÀ HỢP KIM MÀU

GANG

Đặc điểm chung: gang là hợp kim Fe – C với hàm lƣợng C  2,14% cùng một số nguyên tố tạp chất Si, Mn, S, P

- C: Ở dạng hợp chất hóa học (cementite) ta có gang trắng, ở dạng grafit ta có gang xám Hàm lượng C trong gang thường là từ 3,5  4,5%

- Si: Thúc đẩy quá trình grafit hóa trong gang để tạo gang xám

- Mn: ngăn cản sự grafit hóa, thúc đẩy sự tạo thành gang trắng

- P: Tăng tính chảy loãng, giúp việc đúc gang dễ hơn Tuy nhiên P làm tăng tính giòn của gang

S là nguyên tố gây hại, làm tăng độ giòn và giảm độ bền của gang khi kết hợp với P Gang có những đặc tính chung như cứng và giòn, nhiệt độ nóng chảy thấp, và dễ dàng trong quá trình đúc.

- Tốc độ nguội càng chậm thì càng thúc đẩy sự tạo thành grafit ta có gang xám

- Tốc độ nguội nhanh thì thúc đẩy sự tạo thành cacbit, tạo ra gang trắng

- Đƣợc dùng nhiều trong ngành chế tạo máy

- Hầu hết cacbon ở dạng grafit tấm nên mặt gãy có màu xám

- Sức bền kéo, độ dẻo dai kém

Tuy nhiên grafit có ƣu điểm:

- Có tác dụng nhƣ chất bôi trơn, làm tăng độ chịu mòn của gang so với thép

- Grafit mềm, giòn làm gang có độ cứng thấp và phoi dễ gãy nên dễ gia công cắt gọt

- Làm giảm độ co ngót khi đúc

- Grafit có khả năng dập tắt dao động nên gang xám thường được dùng làm đế, bệ máy

- Giá thành rẻ, dễ chế tạo

Hình 3.1: Tổ chức tế vi gang xám

3.1.1.2 Ký hiệu và công dụng

TCVN quy định ký hiệu là GX và 2 chỉ số chỉ giới hạn bền kéo và bền uốn tính theo kg/mm 2

Ví dụ: GX15 – 32 là gang xám có: k= 15 kg/mm 2 ; u = 32 kg/mm 2

Các loại gang GX12 – 28, GX15 – 32 và GX18 – 36 có cơ tính thấp, thích hợp cho các chi tiết không chịu lực Tuy nhiên, chúng lại có khả năng chịu va đập nhiệt tốt, do đó thường được sử dụng trong sản xuất vỏ hộp giảm tốc, thân máy, bích, caste và ống nước.

- GX21 – 40, GX24- 44, GX28 – 48 dùng làm chi tiết chịu tải trọng cao: bánh răng

(tốc độ chậm), bánh đà, sơ mi, thân máy, secmăng

- GX36-56, GX40-60 đƣợc dùng làm các chi tiết chịu lực, chịu tải trọng nặng nhƣ bánh răng chữ V trục chính, vỏ bơm thủy lực

Hình 3.2: Một số chi tiết làm bằng gang xám a Mặt bích; b Thân động cơ đốt trong; c Pu li;

- Là loại gang có mặt gãy màu trắng, C ở dạng hợp chất hóa học Xê (Fe 3 C)

- Rất cứng và giòn, tạo thành từ gang xám khi làm nguội vật đúc

- Không khả năng gia công cơ khí, chỉ sử dụng ở dạng vật đúc thành phẩm

Trong cùng vật đúc, chỗ thành mỏng dễ biến trắng hơn chỗ thành dày, mặt ngoài vật đúc dễ biến trắng hơn trong lõi

Hình 3.3 Tổ chức tế vi gang trắng

- Gang trắng không có ký hiệu

- Dùng chế tạo chi tiết có yêu cầu độ cứng cao, chịu mài mòn tốt nhƣ: bi nghiền, rulô máy xát gạo

Hình 3.4: Bi nghiền làm bằng gang trắng

- Grafit của nó có dạng cụm (còn gọi là hoa cúc hay cụm bông)

- Đƣợc ủ từ gang trắng (từ 2 đến 3 ngày, trong khoảng t 0 = 700 ÷ 1000 0 C) có graphit đƣợc phân hủy từ Fe 3 C

- Có độ dẻo rất cao (nên gọi là gang rèn, chứ không rèn đƣợc)

- Độ bền kéo cao hơn gang xám

Hình 3.5: Tổ chức tế vi gang dẻo

- TCVN ký hiệu là GZ kèm 2 chỉ số chỉ độ bền kéo và độ giản dài tương đối

Ví dụ: GZ30 – 6 là gang rèn có  bk = 30kg/mm 2 và  = 6%

- Dùng chế tạo các chi tiết đòi hỏi đồng thời các tính chất

+ Tiết diện thành mỏng ( 20mm)

Ví dụ: Ống nước chịu áp lực, van bướm lệch tâm…

Hình 3.6: Một số chi tiết làm bằng gang dẻo a Ống nước chịu áp lực; b Van bướm lệch tâm

Gang cầu là một loại gang mà grafit của nó có dạng quả cầu

- Có độ bền cao nhất trong các loại gang ( k = 40÷80 kg/mm 2 )

- Chế tạo từ nấu chảy gang xám ở 1450 0 C, khử S và cầu hóa graphit bằng Mg hoặc

- Vừa có tính chất của gang vừa có tính chất của thép: độ bền lẫn độ dẻo dai đều cao

Hình 3.7: Tổ chức tế vi gang cầu

TCVN quy định ký hiệu là GC kèm 2 chỉ số chỉ độ bền kéo và dãn dài tương đối: GC45 - 05, GC60 – 02…

Ví dụ: GC60 – 02 có bk= 60Kg/cm 2 và =2

Ngày càng nhiều ứng dụng thay thế thép bằng các vật liệu khác trong chế tạo các bộ phận như trục khuỷu, bánh răng, đường ray dẫn hướng và trục cán, với các mã vật liệu tiêu biểu như GC60-2, GC70-4, GC80-6.

Hình 3.8: Một số chi tiết làm bằng gang cầu thay cho thép a Trục cán nguội; b Trục khuỷu

HỢP KIM MÀU

3.2.1 Nhôm và hợp kim nhôm

- Nhiệt độ nóng chảy thấp (660 o C) nên nhôm dễ tạo hình bằng phương pháp đúc

- Là kim loại nhẹ có khối lƣợng riêng 2,7 g/cm 3

- Độ dẫn điện và dẫn nhiệt khá cao (bằng 65,5% của đồng)

- Độ dẻo và tính chống ăn mòn tốt:

Lớp màng oxyt nhôm Al 2 O 3 bền vững và sít chặt bám chắc vào bề mặt

- Độ bền thấp:  b = 60N/mm 2 ;  0 2 = 20N/mm 2 ; độ cứng 25HB

Theo TCVN nhôm sạch kỹ thuật ký hiệu là Al99.60 (chứa 0,40% tạp chất), nhôm công nghiệp là Al99( chứa 1% tạp chất)

Chia làm 2 loại: hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc a Hợp kim nhôm biến dạng

- Sản xuất dưới dạng tấm mỏng, bảng dài, các thỏi định hình, dạng ống, dây

- Có thể rèn dập, cán, ép hoặc các hình thức gia công áp lực khác

- Hàm lƣợng nguyên tố hợp kim không cao

 Hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện

Hợp kim nhôm biến dạng không được hóa bền qua nhiệt luyện vì quá trình nung nóng không giữ nhiệt hiệu quả và quá trình làm nguội không xảy ra sự chuyển biến pha.

Hợp kim nhôm loại nầy có đặc điểm:

- Hàm lƣợng các nguyên tố hợp kim thấp

- Có độ bền không cao, độ dẻo cao, tính chống ăn mòn tốt

Các họ hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện gồm:

Hợp kim Al-Mn (với tỷ lệ Mn từ 1% đến 1.6%) có đặc tính gia công biến dạng tốt cả ở nhiệt độ cao và thấp, đồng thời sở hữu khả năng hàn và chống ăn mòn trong môi trường khí quyển vượt trội hơn so với nhôm nguyên chất.

Nó đƣợc sử dụng rộng rãi thay thế cho nhôm nguyên chất khi sản phẩm có yêu cầu cơ tính cao hơn, nhất là độ dai va đập

Hợp kim nhôm Al-Mg (Mg < 0.6%) là loại hợp kim nhẹ nhất, nổi bật với tính đàn hồi và khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tốt Bề mặt gia công của chúng đẹp, có khả năng giảm chấn mạnh mẽ và khả năng biến dạng nóng, nguội, hàn đều tốt Đặc biệt, độ bền mỏi của hợp kim này cao, nên chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ôtô và công trình xây dựng.

Hình 3.9: Một số chi tiết và kết cấu làm bằng hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền bằng nhiệt luyện

 Hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện

Nhóm vật liệu kết cấu quan trọng này có độ bền trung bình và cao, với sự kết hợp tốt giữa độ bền và độ dẻo Các hợp kim nhôm biến dạng hóa bền bằng nhiệt luyện, điển hình như Al-Cu và Al-Cu-Mg, được gọi là dura.

Thành phần hóa học đura có hàm lƣợng Cu < 5%, Mg < 2%, ngoài ra còn có các nguyên tố nhƣ Fe, Si, Mn Đặc tính của dura:

- Độ bền khá cao, nhất là sau khi nhiệt luỵên,  b =(4247) kG/mm 2

- Độ bền riêng rất lớn

- Tính chống ăn mòn kém, khắc phục bằng cách phủ nhôm nguyên chất

- Ngành hàng không, đura dùng để chế tạo các sản phẩm nhƣ kết cấu máy bay, tàu vũ trụ…

- Ngành giao thông vận tải, đura dùng để chế tạo các sản phẩm nhƣ dầm chịu lực xe tải, khung sườn tàu biển…

- Trong ngành xây dựng đura đƣợc dùng làm các chi tiết, kết cấu chịu tải trọng nặng…

Hình 3.10: Một số kết cấu làm bằng hợp kim nhôm dura a Kết cấu vỏ máy bay; b Khung sườn ô tô

Hợp kim dura được hóa bền bằng cách tôi ở nhiệt độ 520 0 C trong nước Sau đó, đem hóa bền bằng 1 trong 2 cách:

+ Hóa bền tự nhiên: là bảo quản ở nhiệt độ 20 0 C trong khoảng thời gian (5  7) ngày thì hợp kim đạt được độ bền lớn nhất

+ Hóa bền nhân tạo: là nung nóng ở các nhiệt độ cao hơn 20 0 C (ví dụ ở 100 

200 0 C) với thời gian nung ngắn hơn nhưng độ bền của hợp kim không cao bằng hóa già tự nhiên

Trang 44 b Hợp kim nhôm đúc

Hợp kim nhôm đúc là loại hợp kim nhôm:

- Dùng chế tạo sản phẩm bằng phương pháp đúc

- Có độ chảy loãng, khả năng điền đầy khuôn cao

- Dùng chế tạo sản phẩm bằng phương pháp đúc

- Hàm lƣợng nguyên tố hợp kim cao hơn hợp kim nhôm biến dạng

- Thường là các hệ hợp kim: Al-Si, Al-Cu, Al-Mg Thông dụng nhất là hợp kim Al-

Si hay còn gọi là silumin

Silumin gồm có hai loại:

Silumin đơn giản là hợp kim chỉ chứa nhôm (Al) và silic (Si), nổi bật với tính năng đúc tốt và bề mặt bóng cao Tuy nhiên, loại silumin này có cơ tính thấp, nên thường được sử dụng để đúc các chi tiết có hình dạng phức tạp nhưng chỉ chịu tải trọng nhẹ.

Silumin phức tạp là hợp kim nhôm chứa từ 4% đến 10% silicon, cùng với các nguyên tố như đồng (Cu), magie (Mg), kẽm (Zn) và mangan (Mn) để cải thiện tính chất cơ học Hợp kim này có độ bền cao hơn, đặc biệt sau quá trình nhiệt luyện, và thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết quan trọng trong động cơ như mặt bích, bộ li hợp và pít tông.

Hình 3.11: Một số chi tiết làm bằng hợp kim nhôm đúc a Bít tông: b Vỏ xy lanh; c Qui lát 3.2.1.3 Ký hiệu hợp kim nhôm

Ký hiệu hợp kim nhôm theo TCVN 1859 – 75 nhƣ sau:

- Chữ Al đầu tiên chỉ hợp kim nhôm

- Ký hiệu hóa học kế tiếp chỉ hợp kim chính rồi đến hợp kim phụ

- Số đứng sau nguyên tố hóa học chỉ hàm lƣợng % nguyên tố đó

- Nếu là hợp kim đúc có chữ Đ sau cùng

Ví dụ: + AlSi5.5Cu4.5Đ: là hợp kim nhôm đúc có 5,5%Si, 4,5%Cu

+ AlCu4.4Mg1.5Mn0,06: hợp kim nhôm biến dạng có 4,4%Cu, 1,5%Mg, 0,06%Mn

3.2.2 Đồng và hợp kim đồng

3.2.2.1 Đồng nguyên chất a- Tính chất

- Đồng nguyên chất kỹ thuật thường có màu đỏ (đồng đỏ)

- Khối lƣợng riêng lớn D = 8,94 g/cm 3

- Tính dẫn điện và tính dẫn nhiệt rất cao

- Tính chống ăn mòn tốt

- Dẻo, dễ biến dạng nhƣng độ bền thấp

- Dễ gia công áp lực: dễ dát mỏng, kéo sợi, tấm mỏng…

- Độ bền, độ dẻo thấp  b kg/mm 2 ; độ cứng: 40HB, nhƣng khi biến dạng nguội đồng đƣợc hóa bền rất mạnh:  b Ekg/mm 2 ; độ cứng: 125HB b- Công dụng

Công dụng chính là làm dây dẫn và chế tạo hợp kim chất lƣợng cao

3.2.2.2 Hợp kim đồng a Đồng thau (còn gọi là latông hay đồng vàng)

- Là hợp kim của đồng và kẽm với hàm lƣợng kẽm ≤ 45 Hàm lƣợng Zn càng tăng độ bền càng tăng nhƣng độ dẻo giảm

- Đồng thau gồm 2 loại: đồng thau gia công áp lực và đồng thau đúc

- Nếu thêm lƣợng nhỏ chì (Pb = 0,5  3,0% ) sẽ tăng tính cắt gọt cho đồng

 Ký hiệu và công dụng

Theo TCVN đồng thau ký hiệu chữ LCuZn sau cùng là chỉ số chỉ hàm lƣợng %

Thành phần còn lại là đồng và các tạp chất

Ví dụ: LCuZn32 là đồng thau 32% kẽm,còn lại là 68% Cu các tạp chất khác

Đồng thau đa nguyên tố được ký hiệu là LCu, trong đó bao gồm các nguyên tố hợp kim chính và phụ, kèm theo tỷ lệ phần trăm % của từng nguyên tố Thành phần còn lại chủ yếu là đồng và các tạp chất khác.

Ví dụ: LCuZn14Si3Pb3 là đồng thau có 14%Zn, 3%Si, 3%Pb, 80%Cu và tạp chất Đồng thau đƣợc dùng để chế tạo:

- Các chi tiết chịu ăn mòn trong chế tạo máy: bánh răng, ổ trục, ống lót…

- Các ống tản nhiệt, ống dẫn, đồ trang sức, các sản phẩm mỹ nghệ

Hình 3.12 : Một số chi tiết làm bằng đồng thau a Kèn đồng; b Vít, đai ốc; c Bánh răng b Đồng thanh (brông thiếc)

Là hợp kim của đồng với Sn và một số nguyên tố khác không phải là Zn

- Đồng thanh cũng chia làm 2 loại: gia công áp lực và đồng thanh đúc

- Đồng thanh đƣợc sử dụng chủ yếu chế tạo các chi tiết chống ma sát, chất lƣợng cao, nhƣ: ống lót, trục vít, đai ốc, trục vít bánh vít…

Babít là hợp kim được tạo thành từ thiếc (Sn), chì (Pb), đồng (Cu) và antimon, thường được sử dụng để chế tạo ổ trục chịu áp lực và tốc độ cao Với tính chất mềm dẻo và hệ số ma sát thấp, babít giúp bảo vệ ngõng trục khỏi sự mài mòn, đặc biệt khi được đắp lên miếng dên.

 Ký hiệu và công dụng

Theo TCVN, ký hiệu đồng thanh là BCu, tiếp theo là ký hiệu các nguyên tố hợp kim chính và phụ, kèm theo tỷ lệ phần trăm (%) của mỗi nguyên tố Thành phần còn lại bao gồm đồng và các tạp chất khác.

Ví dụ: BCuSn10Pb1: là đồng thanh gồm 10%Sn, 1%Pb còn lại là 89% là đồng và các nguyên tố khác

Hình 3.13 : Một số chi tiết làm bằng đồng thanh a Bạc lót; b Bánh vít trục vít; c Lò xo đồng hồ c Vài hợp kim đồng khác

Brông nhôm là hợp kim của đồng (Cu) với nhôm (Al), nổi bật với độ bền cao hơn so với brông thiếc và khả năng chống ăn mòn tốt Mặc dù có tính đúc kém, brông nhôm lại có giá thành rẻ hơn, vì vậy nó thường được sử dụng thay thế cho brông thiếc Các hợp kim như BCuAl9Fe4 và BCuAl10Fe4Ni4 thường được ứng dụng trong các chi tiết chịu mài mòn nặng và chịu nhiệt cao, chẳng hạn như van xả, bạc lót, bệ trượt, mặt bích và bánh răng.

Brông berili, hay còn gọi là đồng đàn hồi, là hợp kim giữa đồng (Cu) và beryllium (Be), nổi bật với độ cứng và tính đàn hồi cao Hợp kim BCuBe2 thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết đặc biệt như lò xo, nhíp và các bộ phận đàn hồi có khả năng dẫn điện tốt Ngoài ra, brông berili còn có tính chống ăn mòn và độ bền nóng cao, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.

Là hợp kim của đồng và chì với lượng chì thường được sử dụng từ 25–

Hợp kim đồng chì, với tỷ lệ chì chiếm 30%, nổi bật nhờ tính chống ăn mòn cao, nhưng lại khó đúc và có trọng lượng lớn do khối lượng riêng của đồng (Cu) là 8,93 và chì (Pb) là 11,34 Hợp kim này thường được sử dụng để chế tạo ổ trượt trong động cơ đốt trong, với các ký hiệu brông chì phổ biến là BCuPb30 và BCuPb25.

3.2.3 Vài hợp kim màu khác

3.2.3.1 Hợp kim cứng a Tính chất

Là một loại vật liệu kim loại không phải hợp kim Fe-C, vật liệu này có tính nóng cứng cao, được sử dụng chủ yếu trong cắt gọt kim loại và hàn đắp lên các chi tiết, nhằm nâng cao tuổi thọ và khả năng chống mòn.

- Độ cứng: 85  92HRC (không cần nhiệt luyện)

- Chịu nóng: 800 o  1000 0 C mà không giảm độ cứng

- Tốc độ cắt gọt lên đến 300 m/ph

Bài viết đề cập đến thành phần chính của vật liệu, bao gồm carbide của các kim loại khó nóng chảy như vonfram (W), titan (Ti) và tantan (Ta) Những thành phần này được thiêu kết từ dạng bột kết hợp với kim loại coban (Co) làm chất kết dính.

Hợp kim cứng, chủ yếu là cacbit vonfram (WC) mịn, được kết dính bằng coban (Co), có khả năng chịu nhiệt lên đến khoảng 800 độ C Nhóm hợp kim cứng này được sử dụng rộng rãi trong sản xuất dao cắt kim loại, nhờ vào độ cứng và khả năng chống mài mòn cao.

- Ký hiệu các loại hợp kim cứng thường dùng theo TCVN: WCCo2; WCCo6;

WCCo8 Với con số đứng sau Co chỉ % của nó, phần còn lại là %WC

Ví dụ: WCCo8 là hợp kim cứng 1 carbide có 8% Co và 92% WC

NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN

GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C

4.1.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái Fe-C

Thép và gang là hợp kim của sắt và cacbon, và để nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc bên trong của chúng khi nhiệt luyện, cần phải xem xét giản đồ trạng thái của hợp kim sắt-cacbon Giản đồ này cung cấp thông tin về quy luật kết tinh cũng như các biến đổi bên trong hợp kim khi nung nóng và làm nguội.

4.1.2 Cấu tạo giản đồ trạng thái F

Hình 4.1: Giản đồ trạng thái Fe-C

Giản đồ trạng thái Fe–C được thể hiện trên mặt phẳng tọa độ kép, trong đó trục tung biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ và trục hoành thể hiện sự thay đổi thành phần carbon của hợp kim.

Trên trục tung bên trái, nhiệt độ 1539 o C tại điểm A thể hiện nhiệt độ nóng chảy của sắt nguyên chất, trong khi đó, điểm D trên trục tung bên phải chỉ ra nhiệt độ nóng chảy của cementite.

(1227 o C) Trên trục hoành số 6,67% chỉ tỷ lệ cacbon trong hợp chất cementite

4.1.3 Tọa độ 1 số điểm cơ bản trên giản đồ

4.1.4 Các đường trên giản đồ

- ACD : là đường lỏng với đặc điểm

+ Nung nóng đến t o > đường lỏng, hợp kim chảy lỏng hoàn toàn

+ Làm nguội đến t o < đường lỏng, hợp kim bắt đầu kết tinh

- AECF : là đường rắn (đường đặc) với đặc điểm:

+ Nung nóng đến t o > đường đặc, hợp kim bắt đầu chảy lỏng

+ Làm nguội đến t o < đường đặc, hợp kim hóa rắn hoàn toàn

- ECF 47 0 C không đổi là đường cùng tinh của gang, với điểm C (4.3%C,

1147 0 C) là điểm cùng tinh Gang có 4.3%C gọi là gang cùng tinh, có nhiệt nóng chảy thấp nhất (1147º)

- SPK (đường A 1 ): là đường cùng tích của thép, với điểm S (0.8%C, 727 0 C): là điểm cùng tích Thép có 0.8%C gọi là thép cùng tích

- GS (đường A 3 ): đường giới hạn hòa tan của F vào Au () khi nung nóng

- ES (đường Am): là đường giới hạn hòa tan của C trong Fe tạo thành austenite

- PQ : Đường giới hạn hòa tan của C trong Fe

4.1.5 Các tổ chức pha trên giản đồ

4.1.5.1 Các tổ chức một pha a Ferite: ( kí hiệu Fe (C) =  = F)( hình 4.2a): là dung dịch rắn xen kẽ của C trong Fe với mạng lập phương tâm khối Do lượng C hoà tan trong Fe rất nhỏ nên ferite đƣợc coi nhƣ sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền b Austenite: [ ký hiệu A== Fe 3 C) (hình 4.2b): Là dung dịch rắn xen kẽ C trong

Fe  có mạng lập phương tâm mặt với lượng hoà tan C đáng kể (cao nhất 2.14%C) ở

Austenite là pha không có tính sắt từ, chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao trên 727 °C và đóng vai trò quan trọng trong quá trình nhiệt luyện, mặc dù không được sử dụng trực tiếp để chế tạo chi tiết máy Pha này có tính dẻo và dai Cementite, ký hiệu Xe hoặc Fe₃C, là một pha xen kẽ với cấu trúc phức tạp, có nồng độ carbon 6.67% Cementite rất cứng, giúp chống mài mòn tốt nhưng lại rất giòn Tùy thuộc vào hàm lượng carbon, cementite có thể được phân loại thành ba loại khác nhau.

- Cementite thứ nhất (ký hiệu XeI)

Tạo thành từ dung dịch lỏng khi hạ nhiệt độ 1227÷1147 0 C(theo đường DC)

XeI chỉ có trong hợp kim có 4.3%C trở lên, rất cứng và giòn

Cementite thứ hai (ký hiệu XeII) hình thành từ dung dịch rắn Auxtenit theo đường ES trong khoảng nhiệt độ 1147÷727 °C, khi độ hòa tan của carbon trong Feγ giảm từ 2.14% xuống 0.8%.

XeII có trong hợp kim có 0%C 0.8%, rất cần trong thép để chống mài mòn

Cementite thứ ba (ký hiệu XeIII) hình thành từ ferite tại nhiệt độ dưới 727°C khi hàm lượng carbon giảm từ 0.02% xuống 0.006% Sự hình thành của XeIII là rất ít và không đáng kể.

Hình 4.2: Tổ chức tế vi của tổ chức 1 pha a Ferite; b Austenite 4.1.5.2 Các tổ chức hai pha a Pearlite: (ký hiệu P= [F+Fe 3 C] = [F+Xe])(hình 4.a,b):

Là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferite và cementite đƣợc tạo thành từ austenite có 0.8%C, ở 727 o C Trong pearlite có 88% ferite và 12% cementite phân bố đều (xen kẽ nhau)

Pearlite là một cấu trúc bền, dẻo và dai, phù hợp với các yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ Có hai loại pearlite chính là pearlite tấm và pearlite hạt.

Hình 4.3: Tổ chức tế vi của tổ chức 2 pha a Pearlite tấm (x 500); b Pearlite hạt (x500); c Ledeburite

Trang 61 b Ledeburite: [kí hiệu Le, = (  Xe ) = (P+Xe)](hình 4.3c)

Là hỗn hợp cơ học cùng tinh của austenite và cementite tạo thành từ pha lỏng có 4.3%C, ở 1147 0 C

Phân tích đến cùng thì Lê bao gồm ferite và cementite nhƣng cementite chiếm hàm lƣợng gần 2/3 nên rất cứng (tới 600HB) và giòn

4.1.6 Vài tính chất chung của thép và gang

Thép và gang đều là hợp kim của Fe và C với:

4.1.6.1 Tính chất chung của thép

- Thép cùng tích có thành phần C  0.8%, P( F+Xê)

- Thép trước cùng tích có thành phần C .8% ( P+F)

- Thép sau cùng tích có thành phần C  0.8%(P+XêII)

Khi nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn đường GSE, tổ chức austenite hoàn toàn được hình thành, mang lại đặc tính dẻo và dai cao, dễ dàng biến dạng Thép là vật liệu dẻo, có khả năng biến dạng ở trạng thái nóng trong quá trình gia công áp lực như rèn, dập, cuốn, cán và kéo, ngay cả khi không thể biến dạng ở trạng thái nguội.

4.1.6.2 Tính chất chung của gang

- Gang cùng tinh với 4.3%C Le (P+Xe)

- Gang trước cùng tinh với %C  4.3% ( P+ XeII+Le)

- Gang sau cùng tính với %C 4.3% (Le+XeI)

Do có hàm lƣợng C cao hơn nên gang có:

+ Tính giòn cao hơn ( chứa nhiều Xe), không gia công biến dạng dẻo đƣợc vì khi nung nóng vẫn còn nhiều Xe

+ Tính đúc tốt do đó có tổ chức cùng tinh và nhiệt nóng chảy thấp

NHIỆT LUYỆN

Nhiệt luyện là một phương pháp gia công cơ khí, trong đó kim loại được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định, sau đó giữ ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian nhất định và cuối cùng làm nguội với tốc độ kiểm soát Mục đích của quá trình này là để thay đổi các tính chất cơ học của kim loại.

4.2.1.2 Các yếu tố đăc trưng

Chế độ nhiệt luyện bao giờ cũng gồm các thông số:

+ Nhiệt độ nung phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép và dạng nhiệt luyện

+ Thời gian nung, giữ nhiệt và tốc độ làm nguội phụ thuộc vào loại thép và kích thước của chi tiết cần nhiệt luyện

Nhƣ vậy trong nhiệt luyện có 2 vấn đề quan trọng là nhiệt độ và thời gian Nếu thay đổi chúng, cơ tính gang, thép cũng thay đổi

4.2.2 Các phương pháp nhiệt luyện

Phương pháp này liên quan đến việc nung nóng thép đến một nhiệt độ nhất định, sau đó giữ nhiệt lâu và làm nguội chậm trong lò Mục đích của quá trình này là đạt được cấu trúc ổn định peclit, giúp thép có độ cứng thấp và độ dẻo cao.

Tùy phương pháp, ủ nhằm đạt từ 1÷2 trong số 5 mục đích sau:

1- Giảm độ cứng của thép, để dễ gia công cắt gọt

2- Làm tăng độ dẻo để dễ gia công áp lực: rèn, dập, cán, kéo

3- Làm giảm ứng suất bên trong do gia công cơ khí: đúc, hàn

4- Làm đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc bị thiên tích

5- Làm nhỏ hạt thép( để tăng bền)

Hình 4.4: Lò ủ kim loại c Các phương pháp ủ

 Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha : Đặc điểm:

- Không có chuyển biến pha pearlite  austenite, gồm ủ thấp và ủ kết tinh lại

Mục tiêu chính là giảm hoặc loại bỏ ứng suất bên trong vật đúc hoặc sản phẩm thông qua các phương pháp gia công cơ khí như cán và dập nguội, đồng thời vẫn giữ nguyên độ cứng của sản phẩm.

Ví dụ: Lò xo sau khi quấn nguội

+ Nhiệt độ ủ 200÷300 o C chỉ khử bỏ một phần ứng suất

+ Nhiệt độ ủ 450÷600 o C sẽ khử bỏ hoàn toàn ứng suất

+ Để khôi phục tính dẻo của thép sau khi bị biến dạng nguội

+ Nhiệt độ ủ > Tktl ( thường từ 600÷700 o C)

T ktl : nhiệt độ kết tinh lại

T ktl Fe= 450 o C, t o ktl Cu = 270 o C, t o ktl Al= 100 o C

 Các phương pháp ủ có chuyển biến pha Đặc điểm chung:

- Nhiệt độ ủ cao hơn đường A 1 (727 o C)

- Mục đích là giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ gia công cắt gọt hoặc dập nguội

+ Nung nóng ở trạng thái Au hoàn toàn

+ Áp dụng cho thép trước cùng tích với hàm lượng C khoảng 0.3÷0.6%

Nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn 30-50°C so với đường A3 giúp đạt được Au hoàn toàn Khi làm nguội, Au sẽ phân hóa thành ferite và pearlite, trong đó pearlite có dạng tấm, mang lại độ cứng cần thiết để dễ dàng cắt gọt.

Hình 4.5: Giản đồ ủ hoàn toàn

+Áp dụng cho thép cùng tích và sau cùng tích

+ Nung nóng ở trạng thái Au không hoàn toàn

+ Khi nung nóng chỉ peclit  Au Xe II vẫn còn lại

+ Khi làm nguội Au  pearlite hạt có độ cứng thấp hơn pearlite tấm  dễ cắt gọt

Hình 4.6: Giản đồ ủ không hoàn toàn

+ Áp dụng với thép hợp kim cao nhằm giảm độ cứng để dễ gia công cắt gọt

+ Nhiệt độ nung giống như ủ hoàn toàn (thép trước cùng tích) hoặc không hoàn toàn (đối với thép cùng tích và sau cùng tích)

+ Khi làm nguội ở nhiệt độ thấp hơn t o A1 khoảng 50 o C sẽ đƣợc giữ nhiệt trong thời gian dài (bằng 1 lò khác có khống chế nhiệt nhƣ quy định)

4.2.2.2 Thường hóa Đƣợc áp dụng cho thép cacbon thấp ( 0.25%C) nhằm đạt độ cứng thích hợp để cắt gọt bằng cách:

- Nung nóng đến trạng thái Au hoàn toàn (t o A 3 )

- Làm nguội trong không khí

- Thép có lƣợng C  0.7%: ủ không hoàn toàn

- Thép hợp kim cao: ủ đẳng nhiệt

Là quá trình nhiệt luyện nhằm mục đích:

- Nâng cao độ cứng và chống mài mòn

- Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết a Tôi thể tích

- Nung nóng thép lên nhiệt độ chuyển biến Au ( t o A1 )

Làm nguội nhanh bằng nước, dầu hoặc muối giúp biến đổi cấu trúc của Au thành mactensite hoặc các tổ chức không ổn định khác, từ đó tăng cường độ cứng và độ bền cho bề mặt cũng như lõi của chi tiết.

Hình 4.7: Qui trình tôi mủi đột dấu a Nung nóng và giữ nhiệt; b Làm nguội nhanh trong nước

Hình 4.8: Giản đồ nhiệt độ tôi

* Đối với thép sau cùng tích

- T o tôi = t o Ac 1 + (40÷50 o C) có tổ chức Au + Xe

- Làm nguôi nhanh ta có:

+ Xe không chuyển biến pha ( nhƣng vẫn cứng)

Nung ở nhiệt độ cao hơn t o Ac m rất nguy hiểm vì có thể gây quá nhiệt và mất carbon Độ cứng của vật liệu sẽ không tăng cao hơn khi nung ở nhiệt độ t o Ac 1 + (40÷50) o C.

Phải bảo đảm đủ thời gian để nhiệt độ khuếch tán đồng đều trên toàn bộ chi tiết nhằm tạo tổ chức Au đồng nhất, phụ thuộc vào:

- Chiều dày hoặc đường kính chi tiết (càng lớn thì giữ nhiệt càng lâu)

- Thành phần hóa học và môi trường tôi

+ Đối với lò buồng điện tử, thời gian giữ nhiệt 50÷90s

+ Đối với lò muối thời gian 20 ÷30s

 Tốc độ làm nguội: Làm nguội càng nhanh độ cứng chi tiết càng cao

- Môi trường làm nguội nhanh là dung dịch muối 10% trong nước

- Môi trường làm nguội vừa là nước

- Môi trường làm nguội chậm là dầu

- Riêng thép gió đƣợc tôi bằng quạt gió công suất lớn b Tôi bề mặt

Là phương pháp nung nóng nhanh và làm nguội nhanh mặt ngoài chi tiết nhằm mục đích:

- Đạt độ cứng cao bề mặt ngoài chi tiết để chịu mài mòn

- Lõi vẫn dẻo để chịu va đập

Phổ biến nhất là phương pháp tôi cao tần hoặc dùng ngọn lửa O 2 – C 2 H 2

 Tôi cao tần (bằng dòng điện tần số cao)

+ Bộ nguồn tạo dòng điện tần số cao (hàng ngàn Hz)

Vòng cảm ứng được chế tạo từ đồng đỏ, có cấu trúc rỗng cho phép dẫn nước qua để làm mát Chi tiết cần nung được đặt ở vị trí giữa vòng cảm ứng mà không tiếp xúc trực tiếp với nó.

Nguyên lý hoạt động của quá trình này là khi dòng điện cao tần được đưa qua vòng cảm ứng, nó sẽ tạo ra một từ trường biến thiên, sinh ra sức điện động cảm ứng trên bề mặt chi tiết Kết quả là dòng điện fuco được hình thành, làm nóng bề mặt chi tiết đến nhiệt độ tôi trong thời gian rất ngắn, chỉ vài giây Sau đó, nguồn điện sẽ được tắt và chi tiết sẽ được làm nguội nhanh chóng.

Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý tôi cao tần

+ Ưu : - Năng suất cao (thời gian nung rất ngắn)

- Độ biến dạng, cong vênh nhỏ

- Không bị ôxy hóa và thóat cacbon

Bằng cách điều chỉnh tần số dòng điện, bạn có thể dễ dàng kiểm soát chiều sâu lớp tôi, trong đó tần số cao dẫn đến nhiệt độ nung cao hơn và chiều sâu lớp kim loại nung trở nên mỏng hơn.

+ Khuyết: Thiết bị đắt tiền

Khó áp dụng cho chi tiết có hình dạng phức tạp

Hình 4.10: Tôi bề mặt bánh răng bằng phương pháp tôi cao tần

 - Tôi bằng ngọn lửa hàn O 2 - C 2 H 2 ( 3000 o C)

Dùng nguồn năng lƣợng của hỗn hợp khí cháy Oxy và axêtylen nung nóng nhanh chi tiết đến nhiệt độ tôi: C 2 H 2 + O 2 → CO2 + H 2 O + Q↑

Nhiệt độ ngọn lửa đạt (3000-3200) o C

+ Van giảm áp (ổn áp)

+ Mỏ đốt đƣợc chế tạo theo nguyên lý chế tạo của mỏ hàn khí O 2 -C 2 H 2

+ Nung toàn bộ và làm nguội toàn bộ nếu chi tiết bé

+ Nung liên tục và làm nguội liên tục nếu chi tiết lớn

Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý tôi bằng ngọn lửa hàn O 2 và C 2 H 2

Trang 68 Ưu: tôi đƣợc chi tiết rất lớn, rất cơ động

Khuyết: xác định nhiệt độ tôi bằng mắt đòi hỏi công nhân phải có kinh nghiệm 4.2.2.4 Ram

- Nung thép đã tôi dưới nhiệt độ Ac 1 (727 o C)

- Làm nguội chậm hoặc nhanh, nhằm mục đích làm giảm ứng suất trong thép sau khi tôi Do đó giảm tính giòn và tăng độ bền cho thép

+ Tốc độ ram phải chậm và đồng đều

+ Lò ram thường là lò điện có quạt gió để tạo sự đồng đều nhiệt độ trong lò Đối với chi tiết nhỏ có thể ram trong lò dầu

+ Thông thường làm nguội ngoài không khí

Các hình thức ram sử dụng phổ biến là: a- Ram thấp

- Mục đích là khử ứng suất bên trong chi tiết

- Độ cứng sau khi ram không đổi

- Thường áp dụng để ram dụng cụ cắt, các chi tiết thấm than, thấm nitơ b- Ram trung bình

- Độ cứng sau khi ram đạt 40 ÷ 50 HRC

- Đạt giới hạn đàn hồi cao

- Thường áp dụng để ram các lò xo c- Ram cao

- Thép sau khi tôi đƣợc ram cao còn gọi là tôi cải thiện

- Độ cứng có giảm bớt nhƣng độ bền và dai va đập cao

- Thường áp dụng cho chi tiết chịu va đập lớn

4.2.2.5 Những thiếu sót trong quá trình nhiệt luyện a Hiện tƣợng ôxy hóa và thoát cacbon

Khi nung thép ở nhiệt độ cao, quá trình oxy hóa xảy ra trên bề mặt chi tiết do tác động của ôxy, dẫn đến việc mất carbon và làm giảm độ cứng của thép Hệ quả là lượng dư gia công không đạt yêu cầu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

- Khắc phục bằng cách cho than hoa vào đáy hay cửa lò để khử bớt ôxy trong lò b Biến dạng và nứt

- Do làm nguội quá nhanh khi tôi làm thể tích chi tiết thay đồi đột ngột

+ Bảo đảm tốc độ nguội thật đều

+ Chọn môi trường tôi thích hợp (nước, dầu, gió)

+ Ram ngay sau khi tôi để giảm ứng suất c Độ cứng không đạt

- Nhiệt độ nung không đạt

- Tốc độ làm nguội không đúng khi tôi

+ Ủ, thường hóa hay ram cao để khử ứng suất

+Tôi lại đúng chế độ d Chi tiết bị giòn

- Do quá nhiệt gây nên

- Khắc phục bằng cách tôi lại.

HÓA NHIỆT LUYỆN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

4.3.1 Khái niệm về hóa nhiệt luyện

Là phương pháp nhiệt luyện được tiến hành sau khi thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt kim loại

Hóa nhiệt luyện là quá trình gồm hai bước chính: thấm và nhiệt luyện (thường là tôi + ram) Quá trình này giúp bề mặt chi tiết đạt được độ cứng cần thiết để chống lại ma sát, trong khi phần lõi vẫn đảm bảo độ dai để chịu được va đập.

Để thay đổi thành phần hóa học của lớp bề mặt, cần cho bề mặt chi tiết tiếp xúc với môi trường giàu các nguyên tố bổ sung ở nhiệt độ cao Sau một thời gian tiếp xúc, các nguyên tố này sẽ khuếch tán vào bề mặt sản phẩm.

4.3.2 Các phương pháp hóa nhiệt luyện

Quá trình tăng cường carbon cho bề mặt sản phẩm thép diễn ra bằng cách nung nóng sản phẩm ở nhiệt độ từ 850 oC đến 950 oC Trong môi trường chứa nhiều carbon, sản phẩm được giữ nhiệt lâu, giúp carbon khuếch tán vào bề mặt kim loại với độ sâu từ 0.5 đến 2mm.

- Thép dùng để thấm là thép carbon thấp ( 0,12  0,25%C)

- Sau khi thấm bề mặt chi tiết có hàm lƣợng carbon cao (0.81,2%C)

- Sau khi thấm sẽ tiến hành tôi và ram thấp

- Sau khi tôi bề mặt sản phẩm có độ cứng rất cao, nhƣng lõi vẫn bảo đảm dẻo, dai Thường dùng 1 trong 2 phương pháp: a- Thấm C thể rắn

- Chuẩn bị chất thấm C thể rắn: gồm có than gỗ (hạt 2-3 mm) cho thêm dầu nặng

- Chuẩn bị hộp thấm: đƣợc làm bằng thép tấm có chiều dày từ (5-8) mm và các chi tiết đƣợc xếp đều nhau a = (20-30) mm

Hình 4.12: Hộp thấm C thể rắn

- Tốc độ thấm: V thấm = (0.1-0.12) mm/1h giữ nhiệt Ƣu:

- Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, có thể nung trong lò điện hoặc nung trong lò đốt bằng than

- Chất lƣợng không cao vì không điều chỉnh đƣợc nồng độ chất thấm trong quá trình thấm

- Điều kiện lao động rất nặng nhọc, rất bụi

- Không tôi trực tiếp sau khi thấm

- Không cơ khí hóa, tự động hóa b- Thấm C thể khí

+ Dùng lò chuyên dùng hoạt động theo nguyên lý chất thấm là khí carbuahydro

+ Tốc độ thấm: V thấm = (0.2-0.3) mm/1h giữ nhiệt

Hình 4.13: Nguyên lý thấm C thể khí Ƣu:

- Cho năng suất khá cao

- Chất lƣợng khá tốt vì dễ dàng điều chỉnh đƣợc nồng độ chất thấm

- Điều kiện lao động tương đối sạch sẽ

- Dễ cơ khí hóa, tự động hóa, có thể tôi trực tiếp sau khi thấm

- Có hiện tƣợng tạo muội than bám vào bề mặt chi tiết (do nồng độ chất thấm quá cao)

- Giá thành thiết bị đắt tiền

Hình 4.14: Cấu tạo lò thấm C ở thể khí c Nhiệt luyện sau khi thấm C: sau thấm C bắt buộc phải tôi+ram thấp α Tôi một lần +ram thấp (thép C)

Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý tôi một lần+ram thấp β Tôi hai lần +ram thấp

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý tôi hai lần+ram thấp

 Tôi trực tiếp +ram thấp: chỉ áp dụng cho thép hạt bé

Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý tôi trực tiếp+ram thấp

Quá trình tăng cường thêm nitơ vào bề mặt của sản phẩm thép hợp kim đặc biệt, thường chứa crom và molypden, diễn ra ở độ sâu từ 0.1 đến 0.5mm nhằm nâng cao các tính năng của vật liệu.

- Tăng khả năng chống mài mòn bề mặt chi tiết (độ cứng 65-70 HRC)

- Tăng giới hạn mỏi, tăng khả năng làm việc của chi tiết dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ

- Tăng khả năng chống ăn mòn bề mặt

- Khi thấm N sản phẩm đƣợc nung ở nhiệt độ 500600 0 C trong lò kín có chứa NH 3 sẽ phân hủy thành H 2 và N Nitrogen sẽ khuếch tán vào bề mặt kim loại

- Tốc độ thấm: V thấm = (0.1-0.12) mm/10h giữ nhiệt

- Chi tiết phải được gia công tinh trước khi thấm N

- Sau khi thấm N không áp dụng bất kỳ một phương pháp gia công nào cả, do lớp thấm rất mỏng, chỉ làm sạch, đóng gói, đem dùng

Quá trình thấm C và N vào bề mặt sản phẩm thép nhằm nâng cao độ cứng, khả năng chống ăn mòn và giới hạn mỏi, với độ sâu thấm từ 0,1 đến 0,2 mm Phương pháp thấm có thể thực hiện trong môi trường thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí.

- Trong môi trường chất rắn: ở nhiệt độ 540560 o C

- Trong môi trường chất lỏng còn gọi là thấm xyanua (cyanide): ở nhiệt độ 800850 o C

- Trong môi trường chất khí (CH 4 và NH 3 ): ở nhiệt độ 850930 o C

Quá trình thấm kim loại là phương pháp tăng cường các nguyên tố như Al, Cr, Si, và B vào bề mặt sản phẩm thép, nhằm nâng cao tính năng như khả năng chịu nhiệt, chống rỉ và chống ăn mòn Phương pháp này tương tự như các kỹ thuật thấm cacbon, nitơ và xyanua.

1- Mô tả khái quát cấu tạo giản đồ trạng thái Fe-C ?

2- Trình bày đặc điểm đường lỏng, đường rắn trên giản đồ trạng thái Fe-C Dựa vào đó cho biết nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ kết và nhiệt độ hóa rắn của thép có 0,8%

3- Trình bày tính chất các tổ chức 1 pha, 2 pha trên giản đồ trạng thái Fe-C 4-Từ câu 2, 3 giải thích lý do: trong công nghệ chế tạo phôi thường dùng phương pháp gia công áp lực đối với thép và phương pháp đúc đối với gang?

5- Trình bày khái niệm về nhiệt luyện?

6 Trình bày khái niệm và mục đích các phương pháp ủ 3- Mô tả đặc điểm và mục đích các phương pháp ủ có chuyển biến pha?

7- Phôi thép C50, 50Cr2Mn4Si đã qua tôi quá cứng rất khó gia công cắt gọt Để giảm độ cứng nhằm gia công cắt gọt dễ hơn phải dùng phương pháp nhiệt luyện nào cho từng loại phôi trên? Lập qui trình nhiệt luyện cụ thể cho từng phôi trên?

8- Tôi thể tích là gì? chỉ ra nhiệt độ nung thích hợp khi tôi đối với thép trước và sau cùng tích để bảo đảm vừa đạt độ cứng theo yêu cầu, vừa bảo đảm không bị quá nhiệt khi nung?

9- Trình bày phương pháp tôi bề mặt bởi ngọn lửa cao tần?

10 Định nghĩa ram? Trình bày các hình thức ram được sử dụng phổ biến?

11- Liệt kê những thiếu sót trong quá trình nhiệt luyện? Cho biết nguyên nhân và biện pháp khắc phục?

12 Trình bày khái niệm về hóa nhiệt luyện và công nghệ thấm cacbon, thấm ni tơ?

1 Trên giản đồ trạng thái Fe-C đường lỏng có đặc điểm: a- Nung nóng đến t o > đường đặc, hợp kim chảy lỏng hoàn toàn b- Làm nguội đến t o < đường lỏng, hợp kim bắt đầu kết tinh c- Làm nguội đến t o < đường lỏng, hợp kim hóa rắn hoàn toàn d- a và b đều đúng

2 Trên giản đồ trạng thái Fe-C đường đặc có đặc điểm: a- Nung nóng đến t o > đường đặc, hợp kim chảy lỏng hoàn toàn b- Nung nóng đến t o > đường đặc, hợp kim bắt đầu chảy lỏng c- Làm nguội đến t o < đường đặc, hợp kim hóa rắn hoàn toàn d- b và c đều đúng

3 Phản ứng cùng tinh của hợp kim Fe-C xẩy ra ở nhiệt độ: a-1300 o C b-1247 o C c-1147 o C d-927 o C

4- Gang cùng tinh là gang có hàm lượng C: a- 0,8% b- 2,14% c- 4,3% d- 5%

5 Phản ứng cùng tích của hợp kim Fe-C xẩy ra ở nhiệt độ: a-827 o C b-727 o C c-927 o C d-700 o C

6- Thép cùng tich là thép có hàm lượng C: a- 0,8% b- 1% c- 2,14% d- 4,3%

7 Từ Fe và C người ta chế tạo ra 2 sản phẩm: SP1 là hợp kim của Fe+1%C; SP2 là hợp kim Fe +3,5%C; Cho biết sản phẩm nào là thép? a- Cả hai b-SP1 c- SP2 d- Không thể trả lời

8 Về cơ tính, pha ferit có đặc điểm là: a- Rất cứng b- Khó biến dạng dẻo c- Dẻo, dai, rất mềm d- Rất bền

9 Nồng độ C hòa tan lớn nhất trong Feα là: a- 0,02% b- 0,8% c- 1% d- 2,14%

10 Trong hợp kim Fe-C, pha austenit (A) là dung dịch rắn của C trong: a-Fe b-Fe c-Fe d-Fe

11 Nồng độ C hòa tan lớn nhất trong Fe là: a- 2,24% b- 2,14% c- 2,04% d- 1,94%

12 Về cơ tính, pha austenit có đặc điểm là: a- Rất cứng b- Khó biến dạng dẻo c- Dễ biến dạng dẻo d- Rất bền

13 Austenit không sử dụng trực tiếp chế tạo các chi tiết máy do: a- Quá cứng b- Quá mềm c- Quá giòn d- Chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (>727 o )

14 Trong thép các bon, austennit và ferit có khả năng: a- Biến dạng dẻo nhƣ nhau b- Ferit dễ biến dạng dẻo hơn austenit c- Austenit dễ biến dạng dẻo hơn ferit d- Tuỳ thuộc các trường hợp cụ thể

15 Trong hợp kim Fe-C, pha xementit (Xe) có kí hiệu là : a- Fe 3 C b- Fe 2 C c- FeC d- FeXCY

16 Tổ chức Xementit là: a Dung dịch rắn xen kẽ b Hợp chất hóa học c Hỗn hợp cơ học d Dung dịch rắn thay thế

17 Về cơ tính, pha xementit (Fe 3 C ) có đặc điểm là : a- Rất bền b- Rất cứng và giòn c- Rất mềm d- Rất dẻo

18 Tổ chức péclit trong hợp kim Fe-C là: a- Hỗn hợp cùng tích của ferit và austenit b- Hỗn hơp cùng tinh của ferit và xementit c- Hỗn hợp cơ học của ferit và xementit d- Hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xementit

19 Trong peclit có: a 32% Fe và 68% Xe b 68% Fe và 32% Xe c 88% Fe và 12% Xe d 12% Fe và 88% Xe

20 Về cơ tính, peclit có đặc điểm là:

Trang 75 a- Rất cứng b- Rất mềm c- Rất giòn d- Bền, dẻo, dai

MỘT SỐ VẬT LIỆU PHI KIM

ĐÁ MÀI

5.1.1.Công dụng và cấu trúc đá mài Đá mài là một dụng cụ cắt đặc biệt vì có vô số lƣỡi cắt hoàn toàn không giống nhau về kích thước và hình dáng Đá mài được tạo thành từ các hạt mài và chất dính kết có cấu trúc nhƣ (hình 5.1) gồm:

Hình 5.1: Cấu trúc đá mài

1 Hạt mài; 2 Chất dính kết; 3 Lỗ trống

Hạt mài là thành phần chính trong đá mài, đóng vai trò như những lưỡi cắt Do đó, hạt mài cần phải đáp ứng các yêu cầu tương tự như các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo lưỡi cắt.

Chất kết dính là thành phần quan trọng trong việc liên kết các hạt mài và định hình đá mài Độ cứng và độ bền của đá mài phụ thuộc chủ yếu vào chất kết dính này.

- Lỗ trống (khoảng trống): để chứa phoi mài

Trong 1 đơn vị thể tích đá mài, hạt mài càng lớn, cấu trúc của đá càng chặt Đá có cấu trúc xốp, khoảng hở giữa các hạt mài lớn mặt đá mài khó bị lì (phoi mài ít bị kẹt vào khoảng hở giữa các hạt mài) Tuy vậy đá mài có cấu trúc xốp có nhiều nhựơc điểm là sức bền kém, không giữ đƣợc lâu profile của mặt đá

Thường chọn cấu trúc của đá mài theo cách sau :

+ Chọn đá có cấu trúc chặt trong mài tĩnh và mài định hình để bảo đảm prôfin mặt đá mài

Chọn đá mài có cấu trúc chặt trung bình để mài thép đã tôi, sắc bén dụng cụ cắt, và thực hiện các công việc mài phẳng, mài tròn ngoài bằng mặt tròn của đá.

+ Chọn đá có cấu trúc xốp khi mài kim loại mềm và dẽo, khi mài phẳng mặt đầu của đá

Hình 5.2: Một số đá mài phổ biến trong ngành cơ khí

Là vật liệu dùng làm hạt mài có ở thiên nhiên và nhân tạo

Hạt mài được chế tạo từ các vật liệu như Al2O3 (coridon), carbide silic (SiC), carbide bor (B4C) và kim cương Chúng có kích cỡ hạt đa dạng, từ 5 micromet đến 3200 micromet, phục vụ cho việc sản xuất các loại đá mài khác nhau Bảng 5.1 cung cấp thông tin về một số vật liệu mài thông dụng.

Bảng 5.1: Một số vật liệu mài thông dụng

Dùng liên kết các hạt mài để tạo hình dáng và kích thước của đá mài Chất dính kết quyết định độ cứng và độ bền của đá mài

Hiện nay, chất kết dính phổ biến nhất là hai loại: vô cơ (keramic) và hữu cơ (bakelit và vunkahit) Chất kết dính keramic được sản xuất từ đất sét trắng chịu lửa và một số chất vô cơ khác, mang lại độ bền hoá học cao, khả năng chịu ẩm và nhiệt độ cao, đảm bảo tính năng của đá mài Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là độ giòn cao và chỉ hoạt động hiệu quả ở tốc độ thấp, thường được sử dụng để mài lỗ trong của kim loại cứng và thép gió.

Chất dính kết bakelit, được sản xuất từ nhựa cacbonic và fomalin, có khả năng hoạt động với tốc độ cắt lên đến 50m/s Tuy nhiên, ở nhiệt độ vượt quá 180 độ C, bakelit sẽ mất đi tính bền vững, khiến cho loại đá mài này không chịu được nhiệt độ cao.

Ký hiệu Vật liệu mài Độ cứng Knoop*

N/mm2 Độ bển nhiệt đến

Những lĩnh vực ứng dụng

Thép không hợp kim, thép không tôi cứng, thép đúc, gang dẻo

Thép hợp kim cao và thép hợp kim thấp, thép tôi cứng, thép thấm than, thép dụng cụ, titan

Vật liệu cứng: hợp kim cứng, gang, thép gió, gốm, thủy tinh,vật liệu mềm: đổng, nhôm, chất dẻo

CBN Nitride bor (BN) 60000 1200°C Thép gió, thép cán nóng và thép cán nguội

Hợp kim cứng, gang, thủy tinh, gốm, đá, kim loại không chứa sắt, không dành cho thép, liếc đĩa đá mài

Do chịu đƣợc lực va đạp tốt, đá mài loại này rất hữu ích trong việc mài thô hoặc cắt đứt., mài ba-via c Chất kết dính vunkahit (V)

Đá mài được chế tạo từ 70% cao su và 30% lưu huỳnh, với chất kết dính vunkahit có độ bền và tính đàn hồi cao hơn đá bakelit, giúp giữ tốt profile của đá Chất kết dính này thường được sử dụng để sản xuất đá mài định hình và các loại đá cắt có độ dày từ 0.3 - 0.5mm và đường kính từ 150 - 200mm Tuy nhiên, đá mài này có nhược điểm là độ xốp kém, bề mặt dễ bị lì và chịu nhiệt kém, có thể bị cháy ở nhiệt độ trên 200 độ C, do đó cần sử dụng dung dịch nguội lạnh khi vận hành Đá mài này thường được áp dụng trong các công đoạn mài bóng và mài tinh.

Khả năng tách rời các hạt mài cùn khỏi đá dưới tác động của lực cắt tạo ra một lớp hạt mài mới sắc cạnh trên bề mặt đá.

Đá cứng là loại đá mà các hạt mài khó tách rời, thường được sử dụng để gia công các vật liệu mềm Loại vật liệu này không yêu cầu độ sắc bén cao của lưỡi cắt, giúp tối ưu hóa hiệu quả gia công.

Đá mềm là loại đá có khả năng dễ dàng tách các hạt mài ra khỏi bề mặt, giúp tạo ra các hạt mài mới và lưỡi cắt mới, từ đó tăng cường độ sắc bén của lưỡi cắt Loại đá này thường được sử dụng trong gia công các vật liệu cứng.

Bảng 5.2: Cấp độ cứng dụng cụ mài ở Việt Nam với nước ngoài

Trang 83 Độ cứng hoặc độ mềm của đá mài không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo hạt mài mà phụ thuộc vào loại chất kết dính Đá mài có chất kết dính Keramic và Bakelit đƣợc chế tạo với tất cả các cấp độ cứng Đá mài có chất dính kết Vunkahit chỉ chế tạo với một số độ cứng nhất định

VẬT LIỆU GỐM (Vật liệu ceramic)

5.2.1 Khái niệm về vật liệu gốm

Vật liệu gốm là loại vật liệu vô cơ, phi kim loại, bao gồm các hợp chất như oxide, carbide, nitride và silicate, được tạo ra thông qua quá trình nung phôi ép từ bột Nhờ vào tính chất vượt trội, gốm được ứng dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực dân dụng và kỹ thuật.

Gốm kỹ thuật hay gốm công suất cao là những vật liệu gốm hiện đại ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy, không chỉ dưới dạng bộ phận lắp ráp mà còn trong kỹ thuật sản xuất như dụng cụ Những vật liệu này đảm nhận các nhiệm vụ đặc biệt nhờ vào những đặc tính ưu việt mà chỉ chúng mới có thể đáp ứng.

- Độ cứng và độ bền nén cao

- Bề mặt có tính trƣợt với độ bền mài mòn cao

- Độ bền nhiệt cao đến khoảng 1500°C

- Độ bển ăn mòn và độ bền chịu hóa chất

- Tỉ trọng thấp từ khoảng 2kg/dm 3 đến 4kg/ dm 3

- Đa số có tính cách điện

Tuy nhiên vật liệu gổm có những hạn chế:

- Không thể biến dạng và dễ vỡ khi bị va chạm mạnh

- Không thể chịu đƣợc ứng suất tăng vọt và không chịu đƣợc ứng suất kéo cao

Hình 5.3: Một số chi tiết cơ khí làm bằng vật liệu gốm 5.2.2 Chế tạo vật liệu gốm

Quá trình sản xuất vật liệu gốm bắt đầu từ các nguyên tố gốc dưới dạng bột, trải qua các bước như sau: đầu tiên, nghiền và trộn bột nguyên thủy để tạo thành khối lượng ban đầu; tiếp theo, tạo hình phôi thô bằng cách ép khuôn, đúc áp lực hoặc đùn ép bột nhão; sau đó, nung phôi thành cấu kiện gốm ở nhiệt độ từ 1400°C đến 2500°C; cuối cùng, gia công bề mặt cấu kiện bằng phương pháp mài nếu cần thiết để đạt độ trượt láng.

5.2.3 Các loại gốm và ứng dụng a- Gốm thạch anh (gốm silicat)

Còn gọi là sứ công nghiệp hay sứ kỹ thuật, gồm 50 % oxide nhôm (Al 2 0 3 ), 25 % cát thạch anh (Si02), và 25 % tràng thạch (KAlSi30 8 ) Có đặc điểm:

- Sứ thô màu trắng và đặc

- Có độ bền cơ học tốt, chịu đựng đƣợc nhiểu hóa chất

- Tính cách điện rất cao

Gốm ôxít, đặc biệt là oxide nhôm (Al2O3) được thiêu kết đặc, là vật liệu gốm quan trọng nhất trong việc chế tạo các bộ phận cách điện cho máy móc và thiết bị gia nhiệt như máy sưởi và đèn điện Với độ bền ép cao, độ cứng và khả năng chịu mài mòn, gốm ôxít còn có khả năng chịu nhiệt tốt và dẫn nhiệt hiệu quả Các ứng dụng của nó bao gồm đầu phun sợi, đĩa đệm kín, bộ phận dẫn sợi, bánh xe uốn, và vành đệm kín trượt.

Hình 5.4: Lưởi phay bằng gốm oxide nhôm c- Gốm không ôxít : Những vật liệu gốm không thuộc nguồn ôxít là carbua silic và nitrua silic

Gốm carbide silic (SiC) nổi bật với độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn và nhiệt tốt, cùng với độ giãn nở thấp và khả năng dẫn nhiệt cao Ngoài ra, SiC còn có khả năng chống ăn mòn xuất sắc đối với axít và kim loại lỏng Vật liệu này thường được sử dụng để chế tạo ống bảo vệ nhiệt kế, vật liệu chịu lửa cho lớp bọc bể nhôm lỏng, thanh nung và bạc trượt.

Gốm nitride silic (Si3N4) nổi bật với sự kết hợp độc đáo giữa độ cứng, khả năng chống mài mòn, chịu nhiệt cao, kháng hóa chất và độ bền ép lớn Loại gốm này thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu chịu tải cơ học cao và chuyển động nhanh, như vòng trượt, vòng bi, trục lăn và dụng cụ gia công gang đúc Trong khi đó, gốm than, được tạo thành từ sự kết hợp giữa carbon và silic cacbua, mang lại độ bền nhiệt cao, độ bền kéo, độ bền nén và khả năng chống hao mòn tối ưu, cho phép sản xuất các đĩa thắng công suất cao.

Hình 5.5: Một số chi tiết làm bằng gốm SiC, Si 3 N 4 a Bạc lót bằng gốm carbide silic (SiC) b Vòng bi làm bằng gốm nitride silic (Si 3 N 4 )

Hình 5.6: Đĩa phanh bằng gốm than 5.2.4 Tráng gốm (phủ gốm)

Tráng gốm được ứng dụng cho các cấu kiện thép với độ bền và độ dai cao, nhờ vào các tính chất vượt trội của bề mặt gốm như độ cứng, độ bền ép cực cao, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn hóa chất và tính cách điện Bề mặt gốm thường được phủ bằng hợp chất ôxít nhôm và titan đioxít (TiO2), thông qua phương pháp phun plasma, áp dụng cho các thiết bị như con lăn, bộ dẫn sợi và trục cán.

VẬT LIỆU THIÊU KẾT

Vật liệu thiêu kết được sản xuất từ bột kim loại thông qua quá trình ép cao áp để tạo hình và sau đó trải qua công đoạn thiêu kết nhằm đạt được độ bền kéo tối ưu.

Qui trình sản xuất chi tiết đƣợc thực hiện qua những công đoạn nhƣ (hình 5.7)

Quy trình sản xuất bột kim loại bao gồm các bước chính: Đầu tiên, bột kim loại được tạo ra bằng phương pháp phun sương kim loại nóng chảy hoặc nghiền từ kim loại rắn, với cấu trúc vi mô mịn và đồng đều Tiếp theo, các loại bột kim loại cần thiết được trộn với nhau, kèm theo chất bôi trơn như stearin kẽm để dễ dàng trong quá trình ép Sau đó, bột được ép trong khuôn với áp suất lên đến 600Mpa để tạo thành phôi ép có lực liên kết nhỏ Giai đoạn thiêu kết diễn ra khi phôi ép được nung, nhờ vào sự khuếch tán và kết tinh, tạo ra cấu trúc liên kết chặt chẽ Cuối cùng, nếu yêu cầu độ chính xác về kích thước và độ bóng bề mặt cao hơn, phôi sẽ được ép bổ sung trong khuôn đặc biệt sau khi thiêu kết.

Hình 5.8: Vài chi tiết làm từ vật liệu thiêu kết a Hợp kim cừng: b Bạc xốp tự bôi trơn

5.3.3 Ƣu nhƣợc điểm của kỹ thuật thiêu kết a- Ưu điểm

- Sản xuất đƣợc hàng loạt chi tiết hoàn tất với chi phí thuận lợi

- Sản xuất đƣợc những hợp kim với kim loại thành phần có nhiệt nóng chảy chênh lệch lớn

- Có thể sản xuất cả chi tiết xốp và đặc

- Tính chất vật liệu có thể lựa chọn bằng thành phần tương ứng của bột b- Khuyết điểm

- Gia công ép đòi hỏi áp lực cao

- Chi tiết lớn độ nén chặt kém

- Bị giới hạn phương pháp định hình Ví dụ: không có lỗ khoan ngang và lỗ ren.

CHẤT DẺO

Chất dẻo là vật liệu nhân tạo chủ yếu được sản xuất từ các nguyên liệu hữu cơ, đặc biệt là từ sản phẩm chưng cất dầu mỏ như hydro cacbon, phenol, rượu và anđêhyd.

Chất dẻo có cấu tạo vô định hình theo dạng cao phân tử hay còn gọi là polyme

Polyme là các hợp chất có cấu trúc phân tử lớn, với khối lượng phân tử từ 5000 đến 1 triệu, do đó được gọi là cao phân tử Mỗi phân tử polyme, hay còn gọi là đại phân tử, được cấu tạo từ một chuỗi dài các mắt xích liên kết với nhau, mỗi mắt xích này gọi là monome Khi nhiều monome nối tiếp nhau, chúng tạo thành polyme.

Chất dẻo có ưu điểm nổi bật so với kim loại là:

- Nhẹ, có khối lƣợng riêng từ 0,02 đên1,8 g/cm 3

- Cách nhiệt, cách điện, cách âm tốt

- Tính công nghệ tốt nghĩa là dễ chế tạo thành sản phẩm với công nghệ đơn giản, khi nhận đƣợc những sản phẩm có hình dạng phức tạp

- Có hệ số ma sát nhỏ nên khi ma sát thì lâu mòn hơn so với kim loại

Nhược điểm chủ yếu của chất dẻo là chịu nhiệt không cao (thường không quá

300 0 C), chóng bị hoá già ( lão hoá) nên thời gian sử dụng không nên để lâu hơn 20 năm, độ bền không cao lắm

Có nhiều cách phân loại:

Chất dẻo được phân loại theo tính chịu nhiệt thành hai loại: chất dẻo nhiệt dẻo và chất dẻo nhiệt rắn Chất dẻo nhiệt dẻo là loại chất dẻo khi được nung nóng sẽ mềm ra và khi làm nguội sẽ cứng lại, trong quá trình này, các tính chất lý hóa cơ bản không thay đổi Tuy nhiên, loại chất dẻo này không có khả năng chịu lực và nhiệt độ cao.

Chất dẻo nhiệt rắn là loại nhựa không mềm ra khi bị nung nóng Chúng chỉ bắt đầu phân huỷ hoặc cháy khi đạt đến một nhiệt độ cao nhất định, dẫn đến việc chất dẻo bị phá huỷ hoàn toàn.

Trang 88 toàn Tuy nhiên khi chƣa bị phân huỷ chất dẻo nhiệt rắn chịu lực tốt Do đó chất dẻo nhiệt rắn còn gọi là chất dẻo chịu lực, chịu nhiệt

+ Phân loại theo cấu tạo mạch có chất dẻo mạch thẳng, chất dẻo mạch nhánh, chất dẻo mạch thang, chất dẻo mạch lưới…

+ Phân loại theo nhóm công thức hoá học có chất dẻo olefin, chất dẻo vinyl, chất dẻo phenol, chất dẻo polyeste, chất dẻo acrilic

Dưới đây chỉ nghiên cứu một số chất dẻo thông dụng

5.4.3 Chất dẻo nhiệt dẻo (chất dẻo dẻo nóng)

Chất dẻo nhiệt dẻo có nhiều loại, thông dụng nhất là:

Polyetylen (PE) có công thức hóa học là (C2H4)n, là một loại chất dẻo không màu, không mùi và không vị, với khối lượng riêng 0,96 g/cm³ Chất này có tính cách điện tốt, không thấm nước và khí, đồng thời không hòa tan trong nước ngọt, nước mặn và cồn, nhưng dễ hòa tan trong axêton và benzen Polyetylen được sản xuất bằng cách tổng hợp từ khí etylen và có thể được chế tạo thành nhiều dạng khác nhau như túi đựng chất lỏng, vật liệu hạt, bột, ống truyền máu trong y tế, ống dẫn nước và hóa chất Ngoài ra, nó còn được sử dụng để bọc dây điện và kim loại nhằm chống gỉ và cách điện, cũng như chế tạo dụng cụ gia đình như bát và đĩa Tuy nhiên, nhược điểm chính của polyetylen là không chịu nhiệt tốt.

80 0 C Nếu rót nước sôi vào cốc bằng PE thì nó mềm ra, sau đó khi nguội thì co lại Khả năng chịu lực của PE kém

Hình 5.9: Một số sản phẩm làm từ nhựa PE a Kim tiêm, ống truyền dịch; b Bao nhựa; c Chai

Có công thức là (C 3 H 6 ) n , viết tắt là PP

PP có tính chất gần giống với PE về tính chất hoá học và cơ học Nhƣng khác với

PE có tính chịu nhiệt và tính thấm khí tốt, trong khi PP chịu được nước sôi nhưng sẽ mềm và co lại ở nhiệt độ trên 130°C PP có khả năng thấm khí ít hơn, do đó khi bọc kim loại trong túi PP dán kín, kim loại sẽ chậm bị rỉ hơn so với bọc trong túi PE Vì vậy, khi chế tạo các dụng cụ gia đình tiếp xúc với nước sôi, PP là lựa chọn tốt hơn so với PE.

Hình 5.10: Một số sản phẩm làm từ nhựa PP a Chén, dĩa nhưa; b Bình sửa; c Bao bì, túi 5.4.3.3 Polyvinylclorua

Có công thức là (C 2 H 3 Cl) n , viết tắt là PVC

PVC là một loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt, dễ dàng pha màu và có thể trở nên đục khi thêm chất độn Với đặc điểm cứng và bề mặt bóng, PVC dễ chùi rửa và có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt Tuy nhiên, nhựa PVC không chịu được nhiệt độ cao, đặc biệt là nước sôi, và dễ bị lão hóa khi tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt.

PVC được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất vải giả da (ximili), vỏ quạt bàn, vỏ TV, radio, cũng như các sản phẩm nội thất như bàn, ghế và vỏ máy giặt, máy tính.

Hình 5.11: Một số sản phẩm là từ nhựa PVC a Vỏ quạt bàn; b Bàn, ghế; c Ống nước; d.Vải giả da (simili):e Vỏ bọc dây điện

Còn có tên là polytetrafluoetylen, có công thức là (CF 2 –CF 2 ) n

Chất dẻo nhiệt dẻo này có khả năng chịu nhiệt lên đến 300°C và chịu lạnh xuống -196°C, với hệ số ma sát thấp và tính chống ăn mòn hóa học tốt Nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các loại bánh răng, ổ trượt, trục bơm nước, van, khóa nước, van dầu, linh kiện điện tử, cũng như trong việc phủ kim loại để tăng cường khả năng chịu nhiệt và chống ma sát, chẳng hạn như lớp phủ trên chảo không dính.

Hình 5.12: Một số sản phẩm là từ nhựa Teflon-4 a Ổ trượt; b Bánh răng 5.4.3.5 Polystyren

Có công thức là (CH 2 –CHC6H 5 ) n viết tắt là PS

Chất dẻo PS đƣợc tạo thành từ phản ứng trùng hợp Styren.

Polystyren (PS) là một loại nhựa trong suốt, cứng, không mùi và không vị, dễ dàng gia công bằng phương pháp ép và đúc dưới áp suất Nó có khả năng chịu ăn mòn hóa học tốt và là chất cách điện hiệu quả PS bền vững trong nhiều dung dịch như kiềm, H2SO4, H3PO4, axit boric, và các axit hữu cơ khác, cũng như trong nước, rượu, xăng, và dầu thực vật Tuy nhiên, chỉ có HNO3 đậm đặc và các chất oxy hóa mới có thể phá hủy được PS Nhựa polystyren thường được sử dụng để sản xuất các sản phẩm sinh hoạt như bàn ghế, hộp đựng xà phòng, cán dao cạo râu, cúc áo, lược, thìa, cốc, dĩa và chai.

Tuy nhiên, đối với sản phẩm từ nhựa PS tốt nhất là không nên dùng PS để đựng thức ăn nóng (trên 70 o C) sẽ tổn hại đến gan

Hình 5.13: Một số sản phẩm là từ nhựa PS a Hộp xốp; b Hộp đựng thực phẩm

5.4.4 Chất dẻo nhiệt rắn ( chất dẻo cứng nóng ) Điển hình là chất dẻo bakelite còn có tên phenol–formaldehyde Đây là chất dẻo nhiệt rắn đƣợc sử dụng rất rộng rãi Khi chế tạo thành sản phẩm người ta phải trộn thêm chất độn như bột gỗ, amian, sợi thuỷ tinh v.v rồi ép thành sản phẩm và sấy nóng ở nhiệt độ khoảng 150 0 C để chi tiết cứng lại Loại chất dẻo này khi làm việc chịu được nhiệt độ 130–150 0 C, cách điện tốt, chịu được các môi trường hoá học axit và môi trường kiềm, các dung môi hữu cơ Khi nung nóng đến nhiệt độ cao bakêlit không nóng chảy mà chỉ bị phá huỷ do cháy Một số công dụng: Trộn với sợi amian ép thành má thắng ô tô, xe gắn máy Trộn với bột gỗ làm tay nắm trên các máy công cụ, tay điều khiển trên ô tô và các máy móc khác, chế tao các hộp đựng dụng cụ, cán thành các tấm cách điện có chiều dày khác nhau Trộn với graphit làm ổ trƣợt Tẩm nhựa bakêlit lên giấy thấm làm giấy cách điện gọi là giấy hêtinac dùng bọc các búi dây trong máy biến áp và động cơ điện Độn sợi thuỷ tinh chế tạo các bánh răng chạy rất êm và ít bị mài mòn và chỉ cần làm nguội bằng nước

Hình 5.14: Một số chi tiếc cơ khí làm bằng chất dẻo Bakelit a Ổ trượt; b Bánh răng; c.Tấm cách điện

VẬT LIỆU COMPOZIT

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, trong đó bao gồm một vật liệu cốt bền vững chịu lực và một vật liệu nền dẻo để liên kết chúng lại với nhau Loại vật liệu này sở hữu tính bền cao và dẻo cao, điều mà không một vật liệu thông thường nào có thể đạt được Tuy nhiên, để tạo ra composite, cần chọn lựa vật liệu cốt và vật liệu nền sao cho hệ số giãn nở nhiệt của chúng gần bằng nhau, nhằm đảm bảo sự liên kết không bị phá hủy trong quá trình sử dụng do giãn nở không đồng đều.

Hình 5.15: Cấu tạo chung vật liệu composite

5.5.2 Các loại vật liệu composite thông dụng

Sợi thuỷ tinh là vật liệu composite phổ biến, được sản xuất từ sợi cốt thuỷ tinh silicat chất lượng cao và chất dẻo polyeste hoặc các loại chất dẻo nhiệt dẻo khác Với độ bền và độ dẻo cao, sợi thuỷ tinh chịu va đập tốt và chống ăn mòn hóa học, có thể thay thế cho các chi tiết bằng thép có độ bền trung bình Ưu điểm nổi bật của sợi thuỷ tinh là không bị rỉ sét và nhẹ, với khối lượng riêng khoảng 1,2–1,4 g/cm³ Sợi thuỷ tinh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo vỏ máy giặt, vỏ ca nô, vỏ cabin ô tô, mui xe du lịch, tấm ngăn giữa buồng lái và buồng máy bay, cũng như làm dây cáp quang và các chi tiết chịu lực trong tàu vũ trụ.

Hình 5.16: Một số kết cấu bằng vật liệu composite sợi thủy tinh a Thùng rác; b.Vỏ máy giặt; c.Vỏ ca nô

Sợi cacbon là một loại composite cao cấp, bao gồm các sợi cốt carbon và vật liệu nền như polyester, epoxy, và polyimid Công nghệ chế tạo sợi carbon từ sợi chất dẻo hiện chưa có tại Việt Nam Với độ bền cao, khả năng chống ăn mòn hóa học và chịu nhiệt tốt, sợi carbon được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu lực trong ô tô, máy bay, và tàu thủy, như mũi máy bay, thanh cản ô tô, và các bộ phận trên tàu vũ trụ và tàu con thoi.

Hình 5.17: Một số c kết cấu bằng vật liệu composite sợi carbon a Thân vợt tennis; b Thân xe đua

1- Trình bày công dụng và mô tả cấu trúc đá mài?

2- So sánh sự khác biệt giữa 2 khái niệm độ cứng hạt mài và độ cứng đá mài? 3- Vật liệu gốm là gì? Cho biết ƣu nhƣợc điểm vật liệu gốm kỹ thuật dùng trong ngành chế tạo máy?

4- Trình bày đặc điểm và phạm vi sử dụng các loại gốm ôxit nhôm (Al203), gốm silic nitrua (Si3N4), gốm than

5 Vật liệu thiêu kết là gì? Mô tả qui trình sản xuất vật liệu thiêu kết?

6- Trình bày khái niệm về chất dẻo?

7- Cho biết cách phân biệt chất dẻo nhiết dẻo và chất dẻo nhiệt rắn khi tác dụng nhiệt?

8- Trình bày đặc điểm và phạm vi ứng dụng của các chất dẻo PE, PS, PVC?

9- Trình bày khái niệm về vật liệu composite?

10- Mô tả cấu tạo và phạm vi ứng dụng của vật liệu composite sợi thủy tinh, sợi cacbon?

1 Thành phần chính của đá mài là a Hạt mài b Chất dính kết c Lỗ trống trong đá mài d Cả a, b, c

2 Hạt mài coridon làm từ vật liệu là: a SiC b Kim cương c Al 2 0 3 d B4C

3 Hạt mài coridon thường có các màu thay đổi từ nâu sẫm đến hồng được dùng để mài: a Thép đã tôi cứng b Thép chƣa tôi cứng c Thép hợp kim cao d Hợp kim cứng

4 Trong đá mài, chất dính kết giữ nhiệm vụ: a Liên kết các hạt mài b Tạo hình dáng đá mài c Tạo kích thước của đá mài d Cả a, b, c

5 Chất dính kết Bakelit (B) không chịu được nhiệt độ cao Nhưngchịu được lực va đạp tốt, đá mài loại này thường dùngđể: a Mài lỗ trong kim loại cứng b Mài bóng, mài tinh c Mài thô hoặc cắt đứt., mài ba-via d Mài định hình

6 Chất kết dính Vunkahit (V) gồm 70% cao su và 30% lưu huỳnh có độ bền và tính đàn hồi rất cao nên giữ được tốt profile của đá Đá mài loại này thường dùngđể: a Đá mài định hình b Đá mài bóng, mài tinh c Cả a và b d Đá mà thô

7 Khi nói đến độ cứng của đá mài được hiểu là: a Độ cứng của hạt mài

Trang 95 b Khả năng chịu nhiệt của chất dính kết c Khả năng tách rời của các hạt mài bị cùn ra khỏi đá d Hạt mài càng lớn, cấu trúc của đá càng chặt

8 Độ cứng và độ bền của đá mài được quyết định bởi: a Độ cứng hạt mài b Chất dính kết c Vật liệu dùng làm hạt mài d Kích thước hạt mài

9 Khi gia công các vật liệu cứng bằng mài phải chọn loại đá mài nào sau đây: a Đá mềm b Đá mềm vừa c Đá cứng vừa d Đá cứng

10 Vật liệu gốm là vật liệu: a Bột kim loại b Phi kim loại hữu cơ c Phi kim loại, vô cơ d Cả a và b

11 Những vật liệu gốm hiện đại gọi là gốm kỹ thuật hay gốm công suất cao, được dùng trong ngành chế tạo máycó ưu điểm: a Độ cứng và độ bền kéo cao b Độ cứng và độ bền nén cao c Độ bền nhiệt cao d Cả b và c

12 Gốm được thường dùng làm bộ phận cách điện trong máy móc, thiết bị gia nhiệt (máy sưởi nhỏ/thiết bị nung) bằng điện, công tắc và đèn là: a Gốm than b Gốm thạch anh (gốm silicat) c Gốm silic cacbua (SiC) d Gốm silic nitrua (Si3N4)

13 Gốm ôxit nhôm (Al203)được dùng làm dao cắt kim loại cao tốc do có độ cứng và độ bền mài mòn cao cũng như khả năng chịu nhiệt đến: a 650°C b 1000°C c 1500°C d 2000°C

Vòng bi gốm có nhiều ưu điểm nổi bật như độ cứng, khả năng chịu mài mòn, bền nhiệt, bền ép và chống ăn mòn hóa chất Chúng được chế tạo từ các loại gốm chất lượng cao như gốm silic nitrua (Si3N4), gốm silic cacbua (SiC), gốm than và gốm thạch anh (gốm silicat).

15 Gốm than làm từ carbon với silic cacbua có độ bền kéo, bền nén, bển nhiệt cao và độ bền mòn cực đại Những chi tiết nào sau đây được làm từ gốm than: a Bạc trƣợt b Ổ lăn c Đĩa thắng công suất cao d Đầu phun sợi

16 Vật liệu thiêu kết là vật liệu được sản xuất từ: a Bột phi kim hữu cơ b Bột kim loại c Bột phi kim vô cơ d Cả a,b,c loại nào cũng đƣợc

17 Quá trình chế tạo vật liệu thiêu kết, bột kim loại được tạo ra bằng phương pháp: a Nghiền kim loại rắn b.Điện phân c.Phun sương kim loại nóng chảy d a và c đúng

18 Hợp kim cứng 2 cac bit bao gồm các bột: a WC + TaC + Co b WC + TiC + Cr c TiC + TaC + Cr d WC + TiC + Co

19 Chất dẻo được sản xuất từ: a Vật liệu hữu cơ b Vật liệu vô cơ c Vật liệu hữu cơ kết hợp vô cơ d Vật liệu nhiều thành phần

20 Trong quá trình nung nóng và làm nguội các tính chất lý hoá cơ bản của chất dẻo nhiệt dẻo sẽ: a Thay đổi hoàn toàn b Thay đổi một phần c Không thay đổi d Thay đổi tùy từng loại chất dẻo

21 Trong các chất dẻo sau đây, chất dẻo nào không phải chất dẻo nhiệt dẻo: a Teflon–4 (polytetrafluoetylen) b PP (polypropylen) c Bakêlit (phenol–formaldehyd) d PVC (polyvinylclorua)

22 Kim tiêm, ống truyền dịch trong y tế thường làm bằng chất dẻo: a PVC b PS c PP d PE

23 Nhược điểm chủ yếu của chất dẻo PE (polyetylen) là không chịu nhiệt đến: a 80 0 C b 130 0 C c 150 0 C d 180 0 C

24 PVC là kí hiệu tắt của chất dẻo: a Polystyren b Polyvinylclorua c Polytetrafluoetylen d Polypropylen

Tiêu đề	Giáo trình Vật liệu cơ khí
Tác giả	Lâm Hồng Cảm
Trường học	Trường đại học
Chuyên ngành	Công nghệ kỹ thuật cơ khí
Thể loại	sách giáo trình
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Thủ Đức

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	3,14 MB