Thép và gang

71 Tiêu chuẩn các nước: Nga : ΓΓΓΓOCT Thép kết cacbon chất lượng thường dùng trong xây dựng: CTx với các số từ 0, 1 đến 6 chỉ cấp độ bền số càng to độ bền càng cao.. ưu nhược điểm của th

Thép có cơ tí nh tổng hợp cao, có tí nh công nghệ tốt (tạo hì nh, gia công cơ khí ,

biến dạng , hàn, nhiệt luyện) là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan

trọng nhất

Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim:

5.1 Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim

5.1.1 Thép cacbon

Thép cacbon hay thép thường: chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản

lượng thép

a Thành phần hóa học: %C < 2,14%, khi nung lên đủ cao → γ - mạng A1, rất

dẻo → biến dạng Ngoài Fe & C còn có: Mn, Si, P &S

Tạp chất có lợi: Mn, Si, do: quặng sắt, do khử ôxy

Tạp chất có hại: P & S, do quặng sắt và than đưa vào < 0,05% cho mỗi nguyên tố

Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa:

b ảnh hưởng của C đến tổ chức, tí nh chất và công dụng của thép thường

Là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tí nh chất (cơ tí nh),

công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp)

Tổ chức tế vi: GĐP Fe-C, %C tăng lên thì %Xê là pha giòn cũng tăng lên tương

Hì nh 5.1 ảnh hưởng của cacbon

đến cơ tí nh của thép thường (ở trạng thái ủ)

69 Tăng %C: làm giảm độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) vì %Xê tăng

Tăng %C thì σb tăng và đạt cực đại trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, sau đó giảm đi vì ban đầu %C tăng thì %Xê tăng làm tăng bền, sau khi vượt quá 0,80 ữ 1,00%C ngoài peclit (tấm) còn XêII

Theo %C có 4 nhóm với cơ tí nh và công dụng rất khác nhau như sau:

- Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%): dẻo, dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, Xây dựng

- Thép có cacbon trung bì nh (0,30 ữ 0,50%): chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va

đập cao

- Thép có cacbon tương đối cao (0,55 ữ 0,65%): chi tiết đàn hồi

- Thép có cacbon cao (≥ 0,70%): dụng cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo

%C càng thấp càng dễ hàn và dập

%C càng cao thì thép càng cứng càng khó cắt, nhưng %C quá thấp → dẻo quá khó gia công cắt

c ảnh hưởng của các tạp chất thường có

Mn: Mn để khử ôxy thép: Mn + FeO → Fe + MnO → xỉ

Ngoài ra, Mn loại trừ được tác hại của S Mn ảnh hưởng tốt đến cơ tí nh, khi hòa tan vào F nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hì nh 5.2a), trong thép C,

%Mn= (0,50 ữ 0,80)%

Si: để khử ôxy triệt để: Si + FeO → Fe + SiO2→ xỉ

Giống như Mn, Si hòa tan vào F cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hì nh 5.2a) nên làm tăng cơ tí nh của thép, %Si = (0,20 ữ 0,40)%

P: hòa tan vào F làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tí nh giòn nguội

S: 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), gây bở nóng Mn do tạo nên MnS, kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, làm giảm tác hại của S

d Phân loại thép cacbon

Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện

Trên thế giới hiện còn ba phương pháp luyện thép chí nh là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉ nh (lò L-D) (nước ta chỉ bằng lò điện hồ quang)

Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lượng sau

- Chất lượng thường: P, S ≤ 0,050% (hay cao hơn một chút) Thép được luyện từ

lò L-D, năng suất rất cao và giá thành thép rẻ

- Chất lượng tốt: P, S ≤ 0,040% ở lò mactanh và lò điện hồ quang

- Chất lượng cao: P, S ≤ 0,030% cho mỗi nguyên tố Lò điện hồ quang dùng

nguyên liệu chất lượng cao

- Chất lượng rất cao: P, S ≤ 0,020% cho mỗi nguyên tố Thép sau khi luyện ở lò

hồ quang được tinh luyện tiếp tục: bằng điện xỉ , đúc chân không

Các thép cacbon bán trên thị trường gồm ba cấp chất lượng: thường, tốt và cao (í t gặp) Thép hợp kim chỉ có các cấp: tốt, cao và rất cao Trong xây dựng chỉ dùng chất lượng thường, Chế tạo máy phải dùng chất lượng từ tốt trở lên, riêng thép làm

ổ lăn phải đạt cấp chất lượng rất cao

70

Theo phương pháp khử ôxy:

Thép sôi: chỉ được khử ôxy không triệt để bằng FeMn, do còn FeO nên:

FeO + C → Fe + CO↑, khí CO làm thép sôi

Đặc điểm của thép sôi:

- %Si thấp (≤ 0,05 ữ 0,07%), thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội,

- không dùng thép sôi để đúc định hì nh, cho kết cấu hàn, sinh bọt khí làm giảm chất lượng

- không dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon vì là thép bản chất hạt lớn

Thép lặng: là loại được khử ôxy triệt để bằng cả FeMn và FeSi và Al, nên mặt thép

lặng

Đặc điểm của thép lặng:

- %Si khá cao (0,15 ữ 0,35%), vì thế F của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội hơn

- không bị rỗ khí khi đúc, tuy nhiên lõm co lớn không kinh tế

- Dùng được cho các kết cấu hàn, thấm C

Thép nửa lặng: chỉ được khử ôxy bằng FeMn, Al Tí nh chất trung gian giữa thép

sôi và lặng Dùng thay thế cho thép sôi Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, thép cacbon có cả ba loại

Thép dụng cụ: cứng và chống mài mòn

e Tiêu chuẩn thép cacbon

Tiêu chuẩn Việt Nam:

TCVN 1766-75: quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng tốt để chế tạo

máy:- Cxx Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 ữ 0,45%), chất lượng tốt nên lượng P và S ≤ 0,040%, C40A, là mác có chất lượng cao P, S ≤ 0,030%

TCVN 1822-76: thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là cacbon, D là dụng cụ) với số

tiếp theo chỉ lượng cacbon trung bì nh tí nh 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

71 Tiêu chuẩn các nước: Nga : ΓΓΓΓOCT

Thép kết cacbon chất lượng thường dùng trong xây dựng: CTx 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

Thép kết cấu cacbon chất lượng tốt: xx, các số chỉ phần vạn C, mác 40 có

Thép kết cấu chất lượng thường: ký hiệu SSxxx hay SMxxx, xxx là các số chỉ

giới hạn bền kéo tối thiểu tí nh bằng MPa

Thép kết cấu cacbon chất lượng tốt: ký hiệu SxxC, xx là số chỉ lượng cacbon

phần vạn

Thép cacbon dụng cụ: ký hiệu SKx với x là các số thứ tự từ 1 đến 7

f ưu nhược điểm của thép cacbon

ưu điểm: dùng rất rộng rãi vì ba ưu điểm sau:

1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền

2) Cơ tí nh tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng

3) Tí nh công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép hợp kim)

Nhược điểm: điển hì nh là:

1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao 2) Tí nh chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm nhanh ở trên 200oC, ở trên 570oC bị ôxy hóa mạnh

3) Không có các tí nh chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn Thép cacbon được dùng làm các chi tiết nhỏ, hì nh dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa, làm việc ở nhiệt độ thường

72

- ưu việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện > 20mm → dùng cho chi tiết lớn

- Có thể tôi dầu nên í t biến dạng và nứt, rất ưu việt cho cho chi tiết phức tạp

- Tăng % hợp kim thì hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện tăng song độ dẻo, độ dai

và tí nh công nghệ xấu đi, trừ nhiệt luyện

Tí nh chất vật lý, hóa học đặc biệt: chống ăn mòn, tí nh chất từ, giãn nở nhiệt, chịu nhiệt hơn

c Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép

Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn: Mn, Si, Cr, Ni lượng dùng 1 vài %, tăng độ cứng, độ bền và giảm độ dẻo, độ dai (hì nh 5.2) do đó Mn và Si 1 ữ 2%

Ni và Cr (cho tới hàm lượng 4%): vừa làm tăng cứng còn làm tăng chút í t độ dai,

tăng độ thấm tôi là các nguyên tố quan trọng

Với lượng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn: Hì nh 5.3 cho thấy Mn, Ni mở rộng vùng γ (thu hẹp khu vực α), 10 ữ 20% tổ chức γ tồn tại cả ở nhiệt độ thường Cr thu hẹp khu vực γ, > 20% tổ chức F tồn tại cả ở nhiệt độ cao cho tới khi chảy lỏng Thép này cũng không có chuyển biến pha, không thể hóa bền bằng tôi và được gọi là

thép F

Hì nh 5.2 ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến độ cứng (a) và độ dai va đập (b)

Tạo thành cacbit

Các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo cacbit

Các nguyên tố tạo cacbit gồm: Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb có 2 tác dụng: hòa tan

và tạo cacbit

Khả năng tạo cacbit phụ thuộc vào số điện tử của phân lớp nd (3d, 4d, 5d), càng í t

thì khả năng tạo cacbit càng mạnh:

Fe (3d6), Mn (3d5), Cr (3d5), Mo (4d5), W (5d4), V (3d3), Ti (3d2), Zr (4d2), (Nb (4d4))

Mn và Cr: tạo thành cacbit trung bì nh, Mo và W: tạo thành khá mạnh,

V: tạo thành cacbit mạnh, và Ti, Zr, Nb: tạo thành cacbit rất mạnh, (Nd ngoại

- Cacbit với kiểu mạng phức tạp: Khi hợp kim chỉ với một nguyên tố hợp kim

song với lượng lớn > 10% Cr hoặc Mn (có dC / dMe > 0,59) tạo: Cr7C3, C23C6, Mn3C,

73 + 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 tí nh ổn định cao hơn Nhiệt độ tôi của thép phải cao hơn

1000oC

a) b)

Hì nh 5.3 ảnh hưởng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng α và γ trên giản đồ Fe-C

- Cacbit kiểu Me 6 C: Nguyên tố: Cr, W, Mo, cacbit loại Me6C 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 1300o

- Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC (Me 2 C): V, Ti, Zr, Nb lượng í t (0,1%), tạo

cacbit như VC, TiC, ZrC, NbC, chúng chí nh là pha xen kẽ rất cứng nhưng í t giòn, tăng mạnh tí nh chịu mài mòn 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 (nhóm thép đặc biệt),

+ cacbit kiểu Me6C trong thép gió (thuộc thép dụng cụ), MeC, trong các nhóm thép khác nhau

Vai trò của cacbit hợp kim

- Tăng độ cứng, tí nh chống mài mòn của thép mạnh hơn cả Xê Như sau này sẽ thấy thép làm dụng cụ tốt nhất phải là loại thép có cacbon cao và hợp kim cao

- Nâng cao nhiệt độ tôi, giữ được hạt nhỏ khi nung, do đó nâng cao độ dai và cơ

tí nh nói chung

- Tăng tí nh cứng hay bền nóng đôi khi tới 500 ữ 600oC

d ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trì nh nhiệt luyện

Chậm chuyển biến khi nung nóng để tôi

- cacbit hợp kim khó khó hòa tan hơn Xê, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn so với thép cacbon Hãy 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 780oC

+ thép ổ lăn (OL100Cr1,5 (ШX15) 1,00%C + 1,50%Cr, (Fe,Cr)3C, nhiệt độ tôi khoảng 830oC,

+ thép làm khuôn dập (hợp kim cao) 1,00%C + 12,0%Cr, Cr23C6, nhiệt độ tôi >

γ

γ

74

- TiC, ZrC, NbC,… giữ hạt nhỏ WC, MoC yếu hơn Riêng Mn làm to hạt austenit Các nguyên tố: Cr, Ni, Si, Al được coi là trung tí nh

Tăng độ ổn định của austenit quá nguội và tăng độ thấm tôi:

Tất cả các nguyên tố hợp kim (trừ Co) làm tăng độ ổn định γ quá nguội tức là giảm tốc độ tôi tới hạn Vt.h (hì nh 5.4a) Đặc biệt Mo (khi riêng rẽ) và Cr - Ni (khi kết hợp)

và Cr, Mn, B Do đó làm tăng độ thấm tôi của thép (hì nh 5.4)

Hì nh 5.4 So sánh giản đồ T - T - T,

Vth (a) và độ thấm tôi (b) giữa thép cacbon và thép hợp kim

Tăng austenit dư: Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm thay đổi Mđ như sau: (“-” giảm,

e Chậm chuyển biến khi ram

Đặc biệt W, Mo, Cr có ái lực mạnh nên giữ C lại trong M, do đó duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ cao hơn:

- Nâng cao tí nh chịu nhiệt độ cao, tí nh bền nóng, tí nh cứng nóng

- Tăng độ cứng và tí nh chống mài mòn, được gọi là hóa cứng phân tán

- So với thép C, thép hợp kim phải ram 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: làm hóa bền và tăng tí nh ổn định của γ quá nguội

+ khi tạo thành cacbit hợp kim:

• tăng cứng và chống mài mòn, khó hòa tan khi nung giữ cho hạt nhỏ,

• khó tiết ra khỏi M 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

75

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 tí ch: Nguyên tố hợp kim dễ bị thiên tí ch

Đốm trắng: Các vết nứt nhỏ màu trắng trên phôi thép sau cán do H2 hòa tan khi nấu luyện, khi làm nguội nhanh xuống dưới 200oC, hyđrô thoát ra mạnh, gây ra nứt gây phế phẩm không chữa được, thép hợp kim Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-W khi cán nóng (sau đúc các rỗ co phân tán là túi chứa hyđrô) Ngăn ngừa hoà tan H2khi nấu luyện và làm nguội thật chậm sau khi cán để hyđrô kịp thoát ra

Giòn ram:

2 cực tiểu về độ dai ở hai khoảng nhiệt độ ram (hì nh 5.5), ta gọi đó là giòn ram Nguyên nhân giòn ram vẫn chưa được xác định rõ ràng

Giòn ram loại I: (không thuận nghịch,

không chữa được), khi ram 280 ữ 350oC

(mỗi mác có một khoảng hẹp hơn trong

phạm vi này), tránh ram ở khoảng nhiệt

độ này

Giòn ram loại II: (thuận nghịch hay có

thể chữa được) Thép hợp kim Cr, Mn,

Cr - Ni, Cr - Mn, ram ở 500 ữ 600oC, rồi

làm nguội trong không khí Nếu sau khi

ram làm nguội nhanh trong dầu hay

nước thì không bị giòn ram, các chi tiết

lớn (vì nguội chậm) phải hợp kim hóa

0,20 ữ 0,50%Mo hay 0,50 ữ 1,00%W

mới hết giòn ram

Hì nh 5.5 ảnh hưởng của nhiệt độ ram

Thép hợp kim cao (Cr, Mn hay Cr - Ni) sẽ có:

- thép ferit: (Cr> 17%, rất í t cacbon),- thép γ: Mn>13%, cacbon cao và loại

Cr>18%+Ni> 8%)

Theo tổ chức thường hóa : mẫu nhỏ φ25, tuỳ theo lượng nguyên tố hợp kim (hì nh 5.6):

a) b) c)

Hì nh 5.6 Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với

lượng hợp kim tăng dần: a peclit, b mactenxit, c austenit

nguội nhanh

aK thép cacbon

thép hợp kim

76

- Thép peclit: loại hợp kim thấp, hoặc thép, xoocbit, trôxtit; phần lớn thép thuộc loại này,

Theo nguyên tố hợp kim:

Dựa vào tên nguyên tố hợp kim chí nh:

- Thép Cr, Mn, là các thép hợp kim (hóa) đơn giản

- Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr-Ni, Cr-Ni-Mo, là các thép hợp kim (hóa) phức tạp

Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim:

- Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng < 2,5% (thường là thép peclit)

- Thép hợp kim trung bì nh: 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)

Cách phân loại này có nguồn gốc của Nga (ΓΓΓΓOCT)

Trung Quốc: < 5% hợp kim thấp, 5-10% là HK hoá trung bì nh, > 10% hợp kim cao Các nước Tây Âu chỉ có hai loại: ≤5% là HK hoá thấp, >5 là HK hoá cao

Theo công dụng:

3 loại: - thép hợp kim kết cấu,- thép hợp kim dụng cụ và- thép hợp kim đặc biệt,

h Tiêu chuẩn thép hợp kim

Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 1759 - 75 quy định: xx(NTHK)%

quy tròn thành số nguyên), riêng khoảng 1% thì không cần biểu thị (bằng số)

Tiêu chuẩn Hoa Kỳ: AISI và SAE

Đối với thép dụng cụ: AISI 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),

S- cho thép dụng cụ chịu va đập (shock),

T- cho thép gió vonfram (tungsten),

H- cho thép làm dụng cụ biến dạng nóng (hot),

D- thép làm dụng cụ biến dạng nguội (cold),

M- cho thép gió môlipđen - vonfram,

O- cho thép tôi dầu (oil),

A- cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội, tự tôi, trong không khí (air),

Đối với thép hợp kim kết cấu:gồm 4 số xxxx nên được viết là AISI/SAE xxxx, trong

đó, 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chí nh, 2 số cuối chỉ lượng cacbon theo phần vạn, với quy ước:

77 thép cacbon: 10xx

thép niken-môlipđen (2 loại): 46xx, 48xx thép crôm (2 loại): 50xx, 51xx thép crôm với 0,50 ữ 1,50%C (3loại): 501xx, 511xx, 521xx thép vonfram-crôm: 72xx thép silic-mangan: 92xx thép bo: xxBxx

Đối với thép không gỉ và bền nóng: AISI ký hiệu gồm 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 ký hiệu thép hợp kim mở đầu bằng chữ S, tiếp theo là các 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 bì nh) 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

5.2.1 Đặc điểm chung - phân loại

a Đặc điểm chung

yêu cầu kỹ thuật sau:

Về cơ tí nh: đủ độ bền, độ dẻo (δ ~ 15 ữ 35%), độ dai (aK ~ 500kJ/m2),

Về tí nh công nghệ: tí nh hàn tốt, dễ uốn, dễ cắt

Về thành phần hóa học: để bảo đảm độ dẻo, độ dai và tí nh hàn tốt thì hàm

lượng cacbon không được cao quá: C ≤ 0,22% Các nguyên tố khác chuyển thành cacbon đương lượng Cđ.l tí nh theo công thức:

15

Cu Ni 5

V Mo Cr 6

Mn C

a Đặc điểm chung (thép cacbon)

Đặc điểm: độ bền bì nh thường (σ0,2 < 300 ữ 320MPa), rẻ, đa dạng các bán thành phẩm cán nóng (ống, thanh, góc, hì nh, lá, tấm, băng cho đến dây, sợi )

b phân loại theo TCVN

78 Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 1765-75, chia thép xây dựng thành 3 nhóm

ACT (CT), BCT và CCT

Mác thép CT31 CT33(s,n) CT34(s,n) CT38(n,s) CT42(s,n) CT51(n) CT52(n) CT61(n)

σb,kG/mm2 >31 31-42 33-44 37-49 41-54 51-64 46-60 > 61

Từ trái sang phải độ bền tăng Hai mác được dùng nhiều hơn cả là CT38 và CT51

CT38 được dùng rất phổ biến cho kết cấu không đòi hỏi độ bền cao, có tí nh

hàn tốt: cột, tháp, xà ngang, ống, dây, lá để lợp, tấm để che, đỡ

CT51 được dùng cho các kết cấu chịu lực cao hơn, tí nh hàn kém hơn: lưỡi

cày, bánh lồng, dụng cụ bằng tay để gia công gỗ,…

Mác thép sôi (s) cơ tí nh thấp hơn thép nửa lặng (n) và thép lặng

Chất lượng cao hơn các nhóm B và C nhưng chưa đạt được chất lượng tốt

Chúng tuy í t được dùng hơn song cần thiết trong những trường hợp quan trọng hơn

đôi chút như khi phải bảo đảm tí nh hàn hay qua biến dạng nóng bộ phận (do biết

được thành phần)

c Tiêu chuẩn các nước

Nhật bản: JIS G3101 : SS330, SS400, SS490 và SS540 số chỉ σb min MPa

JIS 3106: SM400, SM490, SM520, SM570 thép chuyên để hàn, số chỉ σb min,

MPa

Châu âu: EN : Fe 360B, Fe 430C, Fe 510D1 Fe với số tiếp theo chỉ σb min, MPa,

5.2.3 Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel)

a Đặc điểm chung

Cơ tí nh: cao hơn (ơ0,2 > 300 ữ 320MPa)

Hợp kim: í t làm hại tí nh hàn như Mn, Si,Cr,Cu (Ni,B,N), V,Nb tạo hạt nhỏ, 0,20

ữ 0,30%Cu bền ăn mòn khí quyển Tổng lượng nguyên tố hợp kim ≤ 2,0ữ2,5%,

tổng lượng Cu+Ni+V+Mo ~ 1,00% (Mn có thể tới 1,00% vì rẻ) Sử dụng thép HSLA

thay thế cho thép thông dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao

Nhược điểm của HSLA: tí nh hàn kém hơn, dễ bị phá hủy giòn ở nhiệt độ thấp

b Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 3104-79: đã nêu trên 14Mn, 09Mn2,

c Tiêu chuẩn các nước Nga: ΓΓΓΓOCT : 14Mn là 14Γ, 15CrSiNiCu là 15XCHД đã

nêu trên

Nga đã dùng nhiều thép HSLA làm đường ống, cầu

Nhật bản, theo JIS G3129: quy định loạt mác SH 590P (dạng tấm), SP 590S

(góc)

JIS G3114 quy định hai mác SPA - H (tấm cán nóng) và SPA - C (tấm cán

nguội) cho thép có tí nh chống ăn mòn tốt trong khí quyển, có σ0,2 ≥ 315 và

345MPa

79

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: thép làm cốt bêtông gồm 4 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, gồm các mác HSLA: 35MnSi, 18Mn2Si, 25Mn2Si, 20CrMn2Zr

Hoa Kỳ theo ASTM: HSLA

Loại tròn trơn: σb≥ 485MPa, σ0,2≥ 385MPa

Loại có đốt : σb ≥ 550MPa, σ0,2 ≥ 485MPa cao hơn cấp CI và CII của TCVN Nhật bản 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

5.3.1 Các yêu cầu chung

a Cơ tí nh : Độ bền cao (giới hạn chảy), độ dai va đập lớn, chịu mài mòn, giới hạn

Nguyên tố hợp kim chí nh: Cr, Mn, Si và Ni (B), HK phụ: Ti,Zr,V,Nb,Mo

Hợp kim hóa phức tạp tốt hơn hợp kim hóa đơn giản

5.3.2 Thép thấm cacbon

a Đặc điểm các loại thép thấm cacbon và tác dụng của các nguyên tố

%C thấp: 0,10 ữ 0,25% (0,30%) để chịu tải trọng tĩnh và va đập cao + bề mặt

bị mài mòn mạnh như bánh răng, cam, chốt

hì nh dạng đơn giản, chỉ chịu mài mòn thấp Nhiệt độ thấm thấp < 900-920, thời gian thấm dài, sau khi thấm thường hoá và tôi+ram thấp không tôi trực tiếp

riêng hoặc kết hợp với Ni, Mn, Ti có 2 tác dụng: tăng cơ tí nh (thấm tôi, hạt nhỏ), không cản trở quá trì nh thấm cacbon Không dùng Si vì cản trở thấm cacbon, không dùng riêng Mn làm hạt thô

Các mác thép thường dùng: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV

ưu việt của thép hợp kim so với thép cacbon:

- độ bền cao do độ thấm tôi cao, tiết diện chi tiết lớn hơn

80

- chống mài mòn cao nhờ sau khi thấm cacbon tạo nên các cacbit hợp kim, cứng nóng >200oC

- tôi trong dầu nên í t diến dạng, dùng được cho các chi tiết có hì nh dạng phức tạp

- nhiệt độ thấm cao hơn, do đó rút ngắn được thời gian thấm

c Thép hợp kim Cr: 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV

Dùng cho chi tiết nhỏ (d=20-40), nhiệt độ thấm 900-920, do tạo cacbit Cr dễ quá bão hoà C

d Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo:

- độ thấm tôi lớn , bền và dai cao

- áp dụng: cho các chi tiết quan trọng, cần độ tin cậy cao như trong ôtô, máy bay Gồm 2 loại:

Thép Cr-Ni thấp: độ thấm tôi khá cao, tôi trong dầu, không kinh tế nên các nước

phương Tây không dùng 20CrNi (20XH), cho các chi tiết hì nh dạng phức tạp với d

~ (50 ữ 75mm), chịu tải trọng va đập cao như các bánh răng ôtô tải nhẹ và du lịch

Thép Cr-Ni cao: %Ni= 2% đến 4%, %Cr~ 1%, tỷ lệ Ni / Cr = 3 hay 4 Độ thấm tôi rất cao, tôi thấu được tiết diện bất kỳ (≥100) Tôi trong dầu, với tiết diện nhỏ có thể

áp dụng tôi phân cấp, nhờ đó giảm mạnh độ biến dạng áp dụng cho chi tiết quan trọng: chịu tải trọng nặng, chịu mài mòn mạnh, hì nh 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 Các mác thép Cr-Ni dùng để thấm cacbon là: VN: 12CrNi3A, 20Cr2Ni4A, Nga : 12XH3A và 20X2H4A, JIS: SNC415 và SNC815

cơ tí nh tổng hợp cao tới σb = 1000 ữ 1200MPa, aK = 900 ữ 1000kJ/m2

- rất đắt (theo số liệu của Nga đắt gấp ba thép cacbon),

- tí nh gia công cắt kém do thép quá dẻo (do cacbon thấp, niken cao), phoi không gãy vụn,

- phải áp dụng quy trì nh công nghệ khá phức tạp:

Trước khi gia công cắt thép phải qua thường hóa (tôi )

Sau khi thấm C, bề mặt có %C cao và Ni khá cao làm hạ thấp điểm Mđ lúc đó

đem tôi lượng γ dư (50 ữ 60%) cao, độ cứng thấp (45 ữ 55HRC), không đủ chống mài mòn Sau khi thấm phải thường hóa trực tiếp (tôi) rồi ram cao ở 600 ữ 650oC-

2 đến 6h, để tạo xoocbit và tiết cacbit làm d/dịch rắn nghèo bớt hợp kim đi Sau đó

nung tôi lại: với γ nghèo hợp kim (nâng cao điểm Mđ) và cacbit phân tán nên tôi+ram thấp sẽ nhận được M+cacbit phân tán và í t γ dư nên độ cứng cao (HRC>60) và chịu mài mòn tốt

Thép Cr-Ni-Mo: có thêm 0,10 ữ 0,40%Mo độ thấm tôi tăng (không có tác dụng chống giòn ram vì chỉ phải ram thấp), chúng được coi là thép thấm cacbon tốt nhất, được dùng vào các mục đí ch quan trọng nhất và cho tiết diện lớn nhất Các mác thép Cr-Ni-Mo để thấm cacbon thường dùng:

TCVN: 20CrNi2Mo, 20Cr2Ni4MoA (ΓΓΓΓOCT: 20XH2M, 18X2H4MA)

Hoa kỳ SAE/AISI: 4320, 8615, Nhật JIS: SNCM415, SNCM815

Các mác thép này có đặc tí nh giống như các mác Cr-Ni cùng loại song có tí nh thấm tôi cao hơn (ví dụ 20Cr2Ni4MoA có tí nh thấm tôi cao hơn 20Cr2Ni4A, quy trì nh nhiệt luyện giống nhau)

e Thép Cr-Mn-Ti:

81

- Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật: đều khá cao, được dùng rất rộng rãi ở ta và Nga

để chế tạo bánh răng ôtô tải nhẹ và trung bì nh, rẻ vì các nguyên tố Cr, Mn rẻ

- Độ bền: đối với các chi tiết trung bì nh (< 50mm) tôi thấu được nên có độ bền

tương đương như thép Cr-Ni, (σb = 1100 ữ 1150MPa), độ dẻo, độ dai kém hơn đôi chút (aK = 600 ữ 900kJ/m2)

Tí nh công nghệ:

dễ cắt gọt hơn thép Cr-Ni, khi thấm cacbon có nhiều ưu việt: có Mn nên lớp thấm không bị quá bão hòa C,có Ti (dù với lượng nhỏ) nên giữ được hạt nhỏ do đó có thể thấm ở nhiệt độ cao hơn (930 ữ 950oC), thời gian thấm ngắn hơn, sau thấm có thể tôi trực tiếp → biến dạng rất thấp

thọ tăng gần gấp đôi

5.3.3 Thép hóa tốt

Đ/n: là thép có thành phần cacbon trung bì nh (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 tí nh tổng hợp cao nhất thép phải qua nhiệt luyện hóa tốt (tôi + ram cao)

a Đặc điểm về thành phần hóa học

Cacbon: 0,30 ữ 0,50%, thường dùng hơn 0,35 ữ 0,45% 2 loại nguyên tố hợp kim: Nguyên tố hợp kim chí nh: Cr,Mn với lượng chứa 1ữ2%, Ni = 1ữ4% như nhóm thép thấm cacbon, ngoài ra còn cho phép dùng cả Si với lượng chứa không quá 1% (vì không cần thấm C) Gần đây dùng bo (B) lượng rất nhỏ 0,0005 ữ 0,003% (thấp quá không tác dụng, cao quá giòn do FeB), tương đương 1%Ni hay 0,5%Cr Tác dụng của B chỉ có khi dùng kết hợp với Cr, Ni, Mn

Nguyên tố hợp kim phụ: Mo và W, có tác dụng tăng độ thấm tôi, song chủ yếu là

để khắc phục giòn ram loại II

b Đặc điểm về nhiệt luyện:

Sơ bộ: để cải thiện tí nh cắt gọt, sau khi rèn, dập nóng để tạo phôi, thép được qua

ủ hoàn toàn (trừ thép Cr-Ni) đạt độ cứng HB 180 ữ 220 dễ gia công cắt thô

82 Bước thứ 2: sau khi gia công tinh, tôi bề mặt và ram thấp cho độ cứng HRC 52 ữ

58, cùng với độ cứng lõi HRC 25 ữ 30 đạt được yêu cầu đề ra Riêng các thép với

%C=0,30 ữ 0,35%, sau tôi bề mặt độ cứng không cao (≤ HRC50) nên phải thấm C-N nhiệt độ thấp (550 ữ 560oC để không làm hỏng tổ chức X ram của lõi) và bề mặt đủ cứng chịu được mài mòn

c Thép cacbon: các mác thường dùng:

TCVN: C30, C35, C40, C45, C50 và C40Mn, Nga ΓOCT 30, 35, 40, 45, 50, 40Γ Cơ tí nh: tối thiểu σb = 750 ữ 850MPa

Cải tiến: dùng thép cacbon với % Mn và Si rất thấp (Mn ≤ 0,20%, Si ≤ 0,15%), có

độ thấm tôi thấp, ví dụ thép 58s hay 55KΠ -Nga Độ thấm tôi δ=2mm cứng

60HRC, lõi vẫn dẻo, dai như là thép sau thấm cacbon Được dùng để chế tạo bánh răng bị động (quay chậm và í t mòn hơn)

d Thép Cr: %Cr= 0,50 hay 1,00% chủ yếu để cải thiện tí nh tôi (tôi được trong

dầu, tăng độ thấm tôi) Dùng làm các chi tiết nhỏ (φ 20 ữ 40), tương đối phức tạp Các mác thường dùng:

TCVN: 40Cr, 40CrVA, ΓΓΓΓOCT 40X, 40XΦA, SAE/AISI: 50B40, 5140, JIS: SCr440

e Thép Cr-Mo: thép Cr + khoảng 0,25%Mo để chống được giòn ram loại II và

tăng độ thấm tôi Thép Cr-Mo được dùng làm các chi tiết máy trung bì nh (φ >

50mm) hì nh dạng tương đối phức tạp như bánh răng Thường dùng các mác:

VN: 38CrMoA, Nga 38XMA , AISI / SAE : 4140 , JIS: SCM440

f Thép Cr-Mn và Cr-Mn-Si: 1%Cr + 1%Mn hay 1%Cr + 1%Mn + 1%Si là loại hợp kim hóa phức tạp nên có độ thấm tôi cao, dùng làm chi tiết khá lớn (φ 50 ữ

60mm) Tuy nhiên có Mn, Si nên cứng và giòn hơn, í t phổ biến hơn Nga dùng:

40XΓ, 30XΓC, Hoa Kỳ, Nhật không dùng

g Thép Cr-Ni và Cr-Ni-Mo: có cả Cr, Ni nên độ thấm tôi cao mà vẫn giữ được

độ dẻo, độ dai tốt, nhất là trong trường hợp niken cao tới ≥ 3% và có chứa Mo (giống thép thấm cacbon)

Thép Cr-Ni thấp: 1%Cr + 1%Ni, chi tiết d= 50 ữ 60mm với σb ~700MPa và

aK~700kJ/m2,hì nh dạng khá phức tạp Vì bị giòn ram loại II, tí nh gia công cắt hơi kém ngày càng í t dùng

Thép Cr-Ni cao: 1 ữ 2%Cr + 3 ữ 4%Ni (Ni/Cr ~ 3ữ4), tôi thấu với tiết diện trên

100mm, coi là tôi thấu với tiết diện bất kỳ (nó thuộc loại mactenxit) Nhờ vậy thép

có cơ tí nh tổng hợp rất cao: σb = 1100MPa, σ0,2 = 1000MPa, aK = 800kJ/m2 Các mác thường dùng:

VN: 38CrNi3, Nga: 30XH3A, JIS: SNC631 và SNC836, Hoa Kỳ không có thép

này Tuy nhiên thép này dễ bị giòn ram II và tí nh gia công cắt kém

Thép Cr-Ni cao với Mo: là thép chế tạo máy tốt nhất vì có (0,15 ữ 0,40%) Mo: tăng độ thấm tôi, làm các chi tiết với hì nh dạng phức tạp, tiết diện lớn (≥ 100mm),

không bị giòn ram loại II, thuộc nhóm thép mactenxit, tôi thấu với tiết diện bất kỳ, cơ tí nh tổng hợp cao nhất: σb = 1200MPa, σ0,2 = 1100MPa, aK = 800kJ/m2 Các mác thép Cr-N-Mo thường dùng:

VN: 38Cr2Ni2MoA, 38CrNi3MVA, ΓΓΓΓOCT: 38X2H2MA, 38XH3MΦA,

SAE/AISI: 4340, JIS: SNCM439

độ ram cao khi hóa tốt

Mác thường dùng: VN: 38CrMoAlA, Nga : 38X2MЮA, SAE: 7140, JIS: SACM645

Nhiệt luyện: tôi ở 930 ữ 950oC trong dầu, ram 640 ữ 680oC cơ tí nh đạt σb = 1030MPa, σ0,2 = 880MPa, aK = 600kJ/m2 Thấm nitơ ở 520 ữ 540oC đạt độ cứng HV850 ữ 1050 (~HRC 63 ữ 72)

5.3.4 Các chi tiết máy điển hì nh bằng thép

Quy trì nh rút gọn: trục láp ôtô ГАЗ dùng thép C40 (%C 0,38 ữ 0,43%), xe ЗИЛ dùng thép 45Bn (45PΠ- Nga) Sau khi thường hóa (HB 169 ữ 217), gia công cắt, rồi tôi cảm ứng cho bề mặt trục với chiều dày δ = 0,20 ữ 0,25d (d - đường kí nh thân trục láp)

Trục máy cắt: dùng thép cacbon mác C40, C45 hoặc thép crôm 40X

Sau khi nhiệt luyện hóa tốt, gia công tinh, tôi cảm ứng bề mặt làm việc với bạc, then hoặc mặt ren (ở trục ví t) rồi ram thấp

Đ/n: là thép khá cứng, có tí nh đàn hồi cao, có thành phần cacbon tương đối cao

(0,55ữ0,65%), dùng để chế tạo nhí p, lòxo và các chi tiết đàn hồi khác

Nhiệt luyện: giới hạn đàn hồi cao nhất khi thép được tôi + ram trung bì nh để được

trôxtit ram

a Điều kiện làm việc và yêu cầu đối với thép đàn hồi:

Đ/K làm việc: Chịu tải trọng tĩnh và va đập cao mà không cho phép bị biến dạng dẻo

Yêu cầu đối với thép:

- Giới hạn đàn hồi cao: tỷ lệ σđh / σb càng gần tới 1 càng tốt, thường là 0,85 ữ 0,95

84

- Độ cứng khá cao: thí ch hợp HRC 35 ữ 45 hay HB 350 ữ 450; độ dẻo, độ dai thấp để không bị biến dạng trong quá trì nh làm việc, song không quá thấp để dễ

bị phá hủy giòn

- Giới hạn mỏi cao: để thí ch ứng với điều kiện tải trọng thay đổi theo chu kỳ

b Đặc điểm về thành phần hóa học và nhiệt luyện

Thành phần hóa học: %C= 0,50 ữ 0,70% song tốt nhất là 0,55 ữ 0,65%, khi lượng nguyên tố hợp kim tăng lên thành phần cacbon có thể giảm đi đôi chút

Yêu cầu đối với các nguyên tố hợp kim:

- Nâng cao giới hạn đàn hồi và độ cứng: Mn và Si là tốt nhất (xem hì nh 5.2a)

- Nâng cao độ thấm tôi: Cr-Ni là tốt nhất, Si và Mn cũng có tác dụng này nhưng yếu hơn

Thường dùng: 1%Mn, 2%Si, 2% (Cr+Ni), nếu quá mức đặc biệt là Mn, Si thép sẽ cứng và giòn

Chú ý khi nhiệt luyện:

- Chống thoát cacbon: vì khi thành phần cacbon bề mặt thấp hơn giới hạn quy

định có thể tí ch riêng nhỏ hơn, chịu ứng suất kéo và do đó dễ phát sinh vết nứt

- Giới hạn đàn hồi thấp σđh ≤ 800MPa

- Độ thấm tôi thấp, chỉ tôi thấu với đường kí nh tới 15mm Dạng phổ biến nhất của

chúng là dây (Φ=0,15-8mm) được cung cấp ở trạng thái tôi chì rồi sau đó kéo

nguội với độ biến dạng >70% (ví dụ σđh > 2000MPa), có tí nh đàn hồi cao, nên để làm lòxo chỉ cần qua quấn nguội tạo hì nh rồi ủ thấp (200 ữ 300oC) để khử bỏ ứng suất

Thép silic và các thép hợp kim khác: 60Si2, với 2%Si (Nga 60C2)

- Giới hạn đàn hồi cao, σđh ≥ 1000MPa với giá thành tương đối rẻ

- Độ thấm tôi tốt hơn (tôi thấu trong dầu dày 20 ữ 30mm)

- Dễ thoát C khi nung nóng để tôi, vì vậy phải chú ý bảo vệ bề mặt khi nhiệt luyện

Để khắc giảm thoát C và nâng cao độ thấm tôi: hợp kim hóa: Cr,Mn,Ni và V

60Si2: lòxo trong toa xe, nhí p ôtô, trục mềm

50CrMn được dùng làm nhí p ôtô với tí nh công nghệ tốt hơn

60Si2CrVA và 60Si2Ni2A, σE=1500MPa làm nhí p, lòxo lớn, chịu tải trọng nặng, riêng loại chịu va đập mạnh nên dùng 60Si2Ni2A

SAE/AISI: 1065, 1070, 1566, 9260, 4161, 50B60, 5160 và 51B60, 8655

JIS: SUP3 (thép cacbon), SUP6 và SUP7 (thép silic), SUP9 và SUP9A (thép

Cr-Mn), SUP10, SUP11A, SUP12 và SUP13 thép khác

5.3.6 Các thép kết cấu có công dụng riêng

a Thép lá để dập nguội sâu: