Tiểu luận về thép Chế tạo máy.

Nhóm các nguyên tố hợp kim chính chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các nguyên tố đưa vào, có tác dụng làm tăng độ bền nhờ nâng cao độ thấm tôi, đó là các nguyên tố Cr, Mn, Si và Ni ngoài ra có B

1 Các yêu cầu chung.

a Cơ tính.

Tính chất cơ bản của chi tiết máy là khả năng chịu tải trọng tĩnh và động, do vậy yêu cầu cơ bản là có độ bền cao và độ dai tốt phù hợp với điều kiện của tải trọng

Nhiều chi tiết máy còn đòi hỏi độ cứng bề mặt cao để bảo đảm tính chống mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát Nhiều chi tiết máy làm việc dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ (trục, bánh răng ) nên đòi hỏi giới hạn mỏi cao

Hình 1 Bánh răng

b Tính công nghệ.

Để trở thành chi tiết thành phẩm thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia công Trước tiên thường là biến dạng nóng (rèn) để tạo phôi, tạo ra hình dạng gần đúng nhưng một số kích thước bao đều lớn hơn ở bản vẽ Ngoài ra biến dạng nóng cũng giúp tạo ra tổ chức tốt hơn (làm nhỏ mịn hạt, tạo thớ phù hợp )

Hình 2 Rèn thép Tiếp đó phôi thép tạo thành phải qua cắt gọt để tạo ra hình dạng, kích thước chính xác và độ bóng yêu cầu như quy định

Hình 3 Cắt gọt thép

c Tính kinh tế.

Do sản lượng lớn, thép chế tạo máy nói chung phải rẻ, nên nói chung thường dùng thép cacbon và hợp kim thấp, trong trường hợp thật quan trọng mới dùng đến hợp kim hóa trung bình, không dùng hợp kim hóa cao

d Thành phần hóa học.

 Cacbon và thép cacbon:

Thành phần cacbon dao động từ 0,10 - 0,65% chia thành 3 loại:

- Nhóm yêu cầu nặng về độ dẻo, độ dai: thành phần cacbon thấp 0,10 - 0,25% Muốn

có độ bền cao phải tôi + ram thấp, độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon

- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn chảy và độ dai: thành phần cacbon trung bình 0,30

- 0,50%C và tôi + ram cao Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt

- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn đàn hồi: thành phần cacbon tương đối cao 0,55 - 0,65% và tôi + ram trung bình

 Thành phần hợp kim và thép hợp kim

Hình 4 Thép hợp kim

Chia thành hai nhóm chính và phụ

Nhóm các nguyên tố hợp kim chính chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các nguyên tố đưa vào, có tác dụng làm tăng độ bền nhờ nâng cao độ thấm tôi, đó là các nguyên tố Cr,

Mn, Si và Ni (ngoài ra có B), với các đặc tính:

- Rẻ, dễ kiếm (riêng Ni tuy đắt song vẫn phải dùng khi thật cần), song tổng lượng của chúng đưa vào thường chỉ khoảng 1,0 - 3,0%, rất ít khi gặp loại 5 - 6%,

- Có tác dụng nâng cao độ thấm tôi.

Nhóm các nguyên tố hợp kim phụ được đưa vào thép với lượng rất ít, thường < 0,1%, cao nhất thường không quá 0,2% với mục đích cải thiện một nhược điểm nào

đó do nguyên tố chính đưa vào, đó là Ti, Zr, Nb, V và Mo

e Quan hệ giữa tổng lượng hợp kim và thành phần tôi thấu.

Theo độ thấm tôi các thép kết cấu được chia thành bốn nhóm:

- Thép có độ thấm tôi thấp, chỉ tôi thấu tới đường kính 15mm, là loại không hợp kim hóa tức thép cacbon

- Thép có độ thấm tôi trung bình, tôi thấu tới đường kính 35mm, là loại được hợp kim hóa thấp và đơn giản như có 1%Cr hoặc 2%Mn hoặc 1%Cr + 0,5%Si

- Thép có độ thấm tôi tương đối cao, tôi thấu tới đường kính 75mm, là loại được hợp kim hóa thấp nhưng phức tạp như crôm - niken thường, crôm - môlipđen, crôm - mangan – silic

- Thép có độ thấm tôi cao, tôi thấu tới đường kính 100mm, là loại được hợp kim hóa phức tạp tới 5 - 6% như thép crôm-niken cao hay crôm-niken-môlipđen

f Các nhóm thép chế tạo máy.

Có ba nhóm thép kết cấu chế tạo máy chính với các đặc điểm khác nhau về thành phần cacbon, hợp kim, chế độ nhiệt luyện, cơ tính và công dụng:

- Thép thấm cacbon có thành phần cacbon thấp (dẻo, dai), để đạt độ bền cao phải tôi + ram thấp, còn muốn đạt độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon

- Thép hóa tốt có thành phần cacbon trung bình (khá bền, dẻo, dai), để nâng cao cơ tính hơn nữa phải tôi + ram cao, còn muốn đạt độ cứng bề mặt tốt cuối cùng phải qua tôi bề mặt

- Thép đàn hồi có thành phần cacbon tương đối cao (kém dẻo, dai nhưng khá cứng, rất đàn hồi), để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tôi + ram trung bình

2 Thép thấm cacbon

a Đặc điểm thành phần hóa học:

 Cacbon

Quy định trong khoảng 0,10 - 0,25% để bảo đảm độ dẻo, độ dai cao của lõi ở cả trạng thái tôi + ram thấp để đạt được độ bền cao nhất Dùng giới hạn dưới khi cần độ dai cao hơn, dùng giới hạn trên khi cần độ bền cao hơn

Các thép cacbon có độ thấm tôi thấp, chỉ dùng cho chi tiết nhỏ (ф < 10 - 20) và hình dạng đơn giản (vì phải tôi nước), chỉ chịu mài mòn bình thường

Hình 5 Thép thấm cacbon

 Hợp kim.

Ưu thế của thép hợp kim là có độ thấm tôi cao, dùng cho chi tiết lớn (ф> 30 - 50), hình dạng phức tạp và chịu mài mòn cao

Bảng 6 Thành phần hóa học (trung bình, %) của một số mác thép thấm cacbon

b Thép cacbon.

Thép cacbon để thấm cacbon phải là loại thép lặng, không được dùng thép sôi hay nửa lặng vì chúng có khuynh hướng phát triển hạt mạnh

Phù hợp với các yêu cầu đề ra chỉ dùng các mác thép cacbon sau:

C10, C15, C20, C25 và đôi khi cả CCT38 (như đã nói trong điều kiện thông thường của ∙ nói trong điều kiện thông thường của sản xuất luyện kim mác thép này có khoảng 0,20%C)

(tương ứng với xOCT là 10, 15, 20, 25, BCT3, SAE/AISI là 1010, 1015, 1020, 1025, JIS là S10C, S15C, S20C, S25C)

c Thép Crom.

Là thép có khoảng 1%Cr, được dùng khá phổ biến trong cơ khí để làm các chi tiết loại nhỏ, có hình dạng không quá phức tạp Thường dùng các ký hiệu sau (như đã nói TCVN chưa quy định cho thép kết cấu hợp kim nên ở đây chỉ là ký hiệu theo TCVN 1659-75) 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV (tương ứng với xOCT là các mác 15X, 20X, 15XΦ, 20XΦ, SAE/AISI là 5015, 5115, 5120, JIS là SCr415, SCr420)

Đặc điểm:

- Sau khi thấm cacbon cũng đạt độ cứng HRC 60 - 62 song có tính chống mài mòn cao hơn đôi chút

- Do nâng cao chút ít độ thấm tôi và dùng môi trường tôi dầu nên có thể làm được chi tiết có hình dạng tương đối phức tạp

- Độ bền cao hơn đôi chút, σb trong khoảng 700 - 800MPa.b trong khoảng 700 - 800MPa

- Nhiệt độ thấm cacbon trong khoảng 900 - 920oC, tốc độ thấm nhanh hơn, độ hạt bình thường, sau thấm không cần thường hóa song vẫn phải áp dụng cách tôi như thép cacbon (một hoặc hai lần)

Công dụng: làm các chi tiết nhỏ (ф 20 - 40) song hình dạng tương đối phức tạp như bánh răng, trục bậc, chốt với đòi hỏi tính chống mài mòn tương đối cao

d Thép Crom-niken và Crom-niken-môlipđen

Như đã nói sự kết hợp của crôm và niken không những làm tăng mạnh độ thấm tôi nhờ

đó tăng độ bền mà còn duy trì được độ dai Dùng cho các chi tiết quan trọng, cần độ tin cậy cao như trong ôtô, máy bay

Hình 7 Sản phẩm của thép hợp kim

Có hai loại

- Thép crôm - niken thường: Là loại thép hợp kim thấp, trong đó crôm 0,50 - 1,00% còn niken > 1%, nhưng cũng đủ cải thiện đáng kể độ thấm tôi, tôi rất dễ trong dầu

- Thép crôm - niken cao :Là loại thép trong đó niken cao hơn 2% và có thể tới 4% còn crôm cũng chỉ trên dưới 1%, tức có tỷ lệ Ni / Cr = 3 hay 4

e Thép crôm - mangan – titan.

Chúng được coi là thép thấm cacbon tốt nhất, được dùng vào các mục đích quan trọng nhất và cho tiết diện lớn nhất

Các mác thép điển hình của loại này là 20XH2M, 18X2H4MA của xOCT (SNCM415, SNCM815 của JIS, 4320, 4720, 8115, 8615, 8822, 9310, 94B17 của AISI / SAE)

3 Thép hóa tốt.

a Đặc điểm về thành phần hóa học.

 Cacbon.

Lượng cacbon trung bình trong giới hạn 0,30 - 0,50% sẽ bảo đảm sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính: độ bền, độ dẻo, độ dai (cơ tính tổng hợp) sau khi tôi + ram cao và độ cứng, tính chống mài mòn tương đối cao sau khi tôi bề mặt

 Hợp kim.

Nguyên tố hợp kim chính dùng trong thép hóa tốt là các nguyên tố Cr, Mn với lượng chứa 1 - 2%, Ni - 1 - 4% như nhóm thép thấm cacbon, ngoài ra còn cho phép dùng cả

Si với lượng chứa không quá 1% (vì không qua thấm cacbon nên không phải hạn chế như trường hợp trên) Và có cả Bo (B)

Nguyên tố hợp kim phụ thường dùng trong thép hóa tốt là Mo và W, chúng cũng có tác dụng tăng độ thấm tôi, song chủ yếu là để khắc phục giòn ram loại II khi ram cao

ở những tiết diện lớn (không thể khắc phục bằng nguội nhanh sau khi ram)

b Đặc điểm về nhiệt luyện.

Nhiệt luyện kết thúc thép hóa tốt được chia làm hai bước:

- Bước đầu tiên là tạo cho lõi có cơ tính tổng hợp cao để chịu được tải trọng tĩnh và va đập bằng cách tôi + ram cao đạt tổ chức xoocbit ram với độ cứng HB 240 - 280 (HRC

25 - 30)

- Bước thứ hai là tạo cho bề mặt độ cứng và tính chống mài mòn mà không phá hủy

cơ tính tổng hợp vừa đạt được trên toàn tiết diện

c Thép cacbon.

Phù hợp với các yêu cầu đề ra là các mác thép C30, C35, C40, C45, C50 và C40Mn song dùng nhiều hơn cả là hai mác giữa (tương ứng với các mác 40, 45, 40x, 58 của xOCT,

1040, 1045 của AISI/SAE, S45C của JIS)

Được dùng làm các chi tiết máy nhỏ (ф 20 - 30), hình dạng đơn giản như các trục, chốt phẳng, thanh truyền lực

d Thép crôm – môlipđen.

Đưa thêm vào thép crôm kể trên khoảng 0,25%Mo sẽ cải thiện thêm độ thấm tôi và chống được giòn ram loại II

Thép crôm - môlipđen được dùng làm các chi tiết máy trung bình (ф > 50mm) hình dạng tương đối phức tạp như bánh răng

e Thép crôm - mangan và crôm - mangan – silic.

Thép có chứa 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 (ф 50 - 60mm)

f Thép crôm - niken và crôm - niken – môlipđen.

- Thép crôm - niken thường: Thép thường chứa khoảng 1%Cr + 1%Ni, do niken thấp nên chưa có độ thấm tôi cao, chỉ được làm các chi tiết với tiết diện 50 - 60mm với σb trong khoảng 700 - 800MPa.b khoảng 700MPa và aK khoảng 700kJ/m2

- Thép crôm - niken cao: Thép thường chứa khoảng 1 - 2%Cr + 3 - 4%Ni (với tỷ lệ Ni /

Cr vào khoảng 3 - 4) thuộc nhóm thép hợp kim trung bình với độ thấm tôi cao, tôi thấu với tiết diện trên 100mm, thực tế được coi là tôi thấu với tiết diện bất kỳ (nó thuộc loại mactenxit)

- Thép crôm - niken cao với môlipđen: Đây là loại thép hóa tốt chế tạo máy tốt nhất vì

so với loại trên đưa them một lượng nhỏ (0,15 - 0,40%) môlipđen không những làm tăng độ thấm tôi, làm các chi tiết với hình dạng phức tạp, tiết diện lớn (≥ 100mm)

mà còn loại trừ được giòn ram loại II (đối với loại chi tiết lớn như thế này làm nguội nhanh trong dầu, nước sau khi ram không đủ nhanh để làm mất giòn ram)

g Thép dùng để thấm nitơ.

Thép thấm nitơ phải là thép hợp kim đặc biệt trong đó có các nguyên tố như crôm (~1,6%), môlipđen (~ 0,30%), nhôm (~1,00%) tạo nên nitrit cứng, phân tán và ổn định hơn nitrit sắt

Lượng cacbon của thép này là trung bình, khoảng 0,40% nên được nhiệt luyện hóa tốt

để tạo cơ tính tổng hợp cao cho lõi trước khi thấm nitơ nâng cao độ cứng bề mặt

4 Thép đàn hồi

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

Điều kiện làm việc: Đặc điểm làm việc của các chi tiết đàn hồi là chịu tải trọng tĩnh và va đập cao mà không cho phép bị biến dạng dẻo

Hình 8 Thép đàn hồi làm nhíp ô tô

Yêu cầu:

- Giới hạn đàn hồi cao, tức khả năng chống biến dạng dẻo cao (ở đây giới hạn bền không có ý nghĩa vì không cho phép có biến dạng dẻo), tỷ lệ σb trong khoảng 700 - 800MPa.đh / σb trong khoảng 700 - 800MPa.b càng gần tới 1 càng tốt, thường đạt trong giới hạn 0,85 - 0,95

- Độ cứng khá cao trong khoảng HRC 35 - 45 hay HB 350 - 450 là thích hợp; độ dẻo, độ dai thấp không để xảy ra biến dạng dư trong quá trình làm việc, song không quá thấp để dễ bị phá hủy giòn

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

b Đặc điểm về nhiệt luyện.

Để đạt được giới hạn đàn hồi cao nhất thép phải được nhiệt luyện để có tổ chức trôxtit ram bằng cách tôi + ram trung bình với tỷ lệ σb trong khoảng 700 - 800MPa.đh / σb trong khoảng 700 - 800MPa.b ≈ 0,90 Để bảo đảm giới hạn đàn hồi, giới hạn mỏi cao khi nhiệt luyện cũng như khi gia công phải chú ý đến chất lượng bề mặt:

- Chống thoát cacbon

- Tạo nên ứng suất nén trên bề mặt

- Nâng cao độ nhẵn bóng bề mặt, loại bỏ các vết xước là mầm mống của nứt mỏi

Hình 9 Nhiệt luyện thép

c Các mác thép và đặc điểm.

Thép thường và thép mangan: Thép thường có tính đàn hồi tốt là loại thép cacbon với các mác C65, C70 và ngay cả CD80, CD100 Thép với khoảng 1%Mn với mác 65Mn cũng được dùng rộng rãi

Thép silic và các thép hợp kim khác: Đây là nhóm có giới hạn đàn hồi cao được dùng vào các mục đích quan trọng hơn Mác thép silic 60Si2 thường được dùng với 2%Si là mác phổ biến với các đặc điểm sau:

- Giới hạn đàn hồi cao, σb trong khoảng 700 - 800MPa.đh ≥ 1000MPa với giá thành tương đối rẻ

- Độ thấm tôi tốt hơn (tôi thấu trong dầu với tiết diện dày 20 - 30mm)

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

5 Các chi tiết máy điển hình bằng thép.

a Các loại trục

 Trục khuỷu:

Hình 10 Trục khuỷu

- Trục khuỷu các ôtô vận tải dưới 4 tấn và xe con ngoài làm bằng gang cầu ra thường làm bằng thép mác C45 với lượng cacbon khống chế không cho phép vượt quá 0,45%.

- Do trục khuỷu là chi tiết rất dễ biến dạng, chi tiết phải đặt trong giá đỡ khi nung nóng và làm nguội để thường hóa.

- Để bảo đảm trục khuỷu làm việc được lâu dài, người ta phải tiến hành tôi bề mặt các cổ: cổ thanh truyền (cổ biên), cổ chính và cổ mặt bích.

Hình 11 Các cách phân bố lớp tôi ở cổ trục khuỷu

Hình 12 Sự phân bố dòng điện cảm ứng ở cạnh lỗ dầu và ảnh hưởng của nó

đến độ cứng:

a khi không có nút b.khi có nút thép

c khi có nút đồng (phần gạch chéo là phần được tôi cứng).

 Trục láp ô tô:

Hình 13 Cây láp ô tô

- Trục láp ôtô tải khá dài (trên dưới 1m), tiết diện lớn (đường kính trên dưới 50mm), chịu tải trọng nặng, chịu mômen xoắn lớn, do vậy thường được làm bằng thép hợp kim hóa tốt.

- Để bảo đảm độ bền cao, người ta thường dùng thép hợp kim hóa tốt có khả năng tôi thấu với tiết diện 40 - 50mm sẽ bảo đảm được cơ tính cao và đồng đều khi hóa tốt.

- Ví dụ, trục láp ôtô tải ГАЗ thường được làm bằng mác 35XxC, xe МАЗ - 38XxC hoặc 40XHMA, xe ЗИЛ - 40XxTP.

 Trục máy cắt:

- Vật liệu làm trục máy thường là thép cacbon mác C40, C45 hoặc thép crôm 40X.

Sau khi rèn phôi, thép được mang đi ủ rồi gia công thô, sau đó đem nhiệt luyện hóa tốt (tôi + ram cao) để đạt được cơ tính tổng hợp cao Cuối cùng sau khi gia công tinh chi tiết được tôi cảm ứng bề mặt ở những phần cần chống mài mòn như các phần làm việc với bạc, then hoặc mặt ren (ở trục vít).

b Các loại bánh răng

 Bánh răng chịu tải thường.

Các thép hóa tốt để làm bánh răng thường là 40, 45, 40X đôi khi 40XH Để bảo đảm độ bền cao, khả năng chịu va đập của lõi, thép được nhiệt luyện hóa tốt, còn mặt răng cần độ cứng và tính chống mài mòn cao qua tôi cảm ứng.

Hình 14 Bánh răng xe đạp

Đặc điểm của tôi cảm ứng bánh răng là khó đạt được lớp tôi cứng phân

bố đều theo chu vi răng.

Hình 15 Sự phân bố lớp tôi và lớp chuyển tiếp khi nung toàn bộ bề mặt các răng: a m < 2,0; b m = 2,0- 2,5; c.m = 2,5 - 4,0; d m > 4,0 (trong hình vẽ các

số chỉ độ cứng HRC)

Bảng 16 Chọn chiều sâu lớp thấm cacbon theo môđun răng

(theo công ty Gleason)

 Bánh răng chịu tải nặng.

Hình 18 Bánh răng trong ô tô

Các bánh răng quay với tốc độ lớn, chịu tải nặng (như các bánh răng của hộp

số, cầu sau ôtô) được làm bằng thép thấm cacbon.

Các mác thép thấm cacbon thường dùng làm bánh răng là 18XxT, 25XxT, 30XxT, 12XH3A và 25XxM, trong đó 25XxM chỉ dùng để thấm cacbon - nitơ.

Bảng 19 Hiệu quả của thấm cacbon - nitơ so với thấm cacbon cho bánh răng

6 Các thép kết cấu có công dụng riêng.

Nhóm thép này có ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, được dùng vào các mục đích chuyên dùng.