Tiểu luận về thép Chế tạo máy.

1 a Các yêu cầu chung Cơ tính Tính chất chi tiết máy khả chịu tải trọng tĩnh động, yêu cầu có độ bền cao độ dai tốt phù hợp với điều kiện tải trọng Nhiều chi tiết máy đòi hỏi độ cứng bề mặt cao để bảo đảm tính chống mài mòn làm việc bị ma sát hay cọ sát Nhiều chi tiết máy làm việc tải trọng thay đổi theo chu kỳ (trục, bánh ) nên đòi hỏi giới hạn mỏi cao Hình Bánh b Tính cơng nghệ Để trở thành chi tiết thành phẩm thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia công Trước tiên thường biến dạng nóng (rèn) để tạo phơi, tạo hình dạng gần số kích thước bao lớn vẽ Ngồi biến dạng nóng giúp tạo tổ chức tốt (làm nhỏ mịn hạt, tạo thớ phù hợp ) Hình Rèn thép Tiếp phơi thép tạo thành phải qua cắt gọt để tạo hình dạng, kích thước xác độ bóng u cầu quy định Hình 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 hợp kim thấp, trường hợp thật quan trọng dùng đến hợp kim hóa trung bình, khơng dùng hợp kim hóa cao d Thành phần hóa học • Cacbon thép cacbon: Thành phần cacbon dao động từ 0,10 - 0,65% chia thành loại: - Nhóm yêu cầu nặng độ dẻo, độ dai: thành phần cacbon thấp 0,10 - 0,25% Muốn có độ bền cao phải tơi + ram thấp, độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon - Nhóm yêu cầu nặng giới hạn chảy độ dai: thành phần cacbon trung bình 0,30 - 0,50%C tơi + ram cao Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tơi bề mặt - Nhóm u cầu nặng giới hạn đàn hồi: thành phần cacbon tương đối cao 0,55 0,65% tơi + ram trung bình • Thành phần hợp kim thép hợp kim Hình Thép hợp kim Chia thành hai nhóm phụ Nhóm ngun tố hợp kim chiếm tỷ lệ chủ yếu nguyên tố đưa vào, có tác dụng làm tăng độ bền nhờ nâng cao độ thấm tơi, ngun tố Cr, Mn, Si Ni (ngồi có B), với đặc tính: - Rẻ, dễ kiếm (riêng Ni đắt song phải dùng thật cần), song tổng lượng chúng đưa vào thường khoảng 1,0 - 3,0%, gặp loại - 6%, - Có tác dụng nâng cao độ thấm tơi Nhóm ngun tố hợp kim phụ đưa vào thép với lượng ít, thường < 0,1%, cao thường không 0,2% với mục đích cải thiện nhược điểm ngun tố đưa vào, Ti, Zr, Nb, V Mo e Quan hệ tổng lượng hợp kim thành phần thấu Theo độ thấm thép kết cấu chia thành bốn nhóm: - Thép có độ thấm tơi thấp, tơi thấu tới đường kính 15mm, loại khơng hợp kim hóa tức thép cacbon - Thép có độ thấm tơi trung bình, tơi thấu tới đường kính 35mm, loại hợp kim hóa thấp đơn giản có 1%Cr 2%Mn 1%Cr + 0,5%Si - Thép có độ thấm tơi tương đối cao, tơi thấu tới đường kính 75mm, loại hợp kim hóa thấp phức tạp crôm - niken thường, crôm - môlipđen, crôm - mangan – silic - Thép có độ thấm tơi cao, tơi thấu tới đường kính 100mm, loại hợp kim hóa phức tạp tới - 6% thép crơm-niken cao hay crơm-niken-mơlipđen f Các nhóm thép chế tạo máy Có ba nhóm thép kết cấu chế tạo máy với đặc điểm khác thành phần cacbon, hợp kim, chế độ nhiệt luyện, tính cơng dụng: - Thép thấm cacbon có thành phần cacbon thấp (dẻo, dai), để đạt độ bền cao phải + ram thấp, 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 tính phải tơi + ram cao, muốn đạt độ cứng bề mặt tốt cuối phải qua bề mặt - Thép đàn hồi có thành phần cacbon tương đối cao (kém dẻo, dai cứng, đàn hồi), để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tơi + ram trung bình Thép thấm cacbon a Đặc điểm thành phần hóa học: • Cacbon Quy định khoảng 0,10 - 0,25% để bảo đảm độ dẻo, độ dai cao lõi trạng thái + ram thấp để đạt độ bền cao Dùng giới hạn cần độ dai cao hơn, dùng giới hạn cần độ bền cao Các thép cacbon có độ thấm thấp, dùng cho chi tiết nhỏ (ф < 10 - 20) hình dạng đơn giản (vì phải tơi nước), chịu mài mòn bình thường Hình Thép thấm cacbon • Hợp kim Ưu thép hợp kim có độ thấm tơi cao, dùng cho chi tiết lớn (ф> 30 50), hình dạng phức tạp chịu mài mòn cao Bảng Thành phần hóa học (trung bình, %) số mác thép thấm cacbon b Thép cacbon Thép cacbon để thấm cacbon phải loại thép lặng, không dùng thép sôi hay nửa lặng chúng có khuynh hướng phát triển hạt mạnh Phù hợp với yêu cầu đề dùng mác thép cacbon sau: C10, C15, C20, C25 đơi CCT38 (như ∙ nói điều kiện thông thường sản xuất luyện kim mác thép có khoảng 0,20%C) (tương ứng với ΓOCT 10, 15, 20, 25, BCT3, SAE/AISI 1010, 1015, 1020, 1025, JIS S10C, S15C, S20C, S25C) c Thép Crom Là thép có khoảng 1%Cr, dùng phổ biến khí để làm chi tiết loại nhỏ, có hình dạng khơng q phức tạp Thường dùng ký hiệu sau (như nói TCVN chưa quy định cho thép kết cấu hợp kim nên ký hiệu theo TCVN 1659-75) 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV (tương ứng với ΓOCT mác 15X, 20X, 15XΦ, 20XΦ, SAE/AISI 5015, 5115, 5120, JIS SCr415, SCr420) Đặc điểm: - Sau thấm cacbon đạt độ cứng HRC 60 - 62 song có tính chống mài mòn cao đơi chút - Do nâng cao chút độ thấm dùng môi trường dầu nên làm chi tiết có hình dạng tương đối phức tạp - Độ bền cao đôi chút, σb khoảng 700 - 800MPa - Nhiệt độ thấm cacbon khoảng 900 - 920oC, tốc độ thấm nhanh hơn, độ hạt bình thường, sau thấm khơng cần thường hóa song phải áp dụng cách tơi thép cacbon (một hai lần) Công dụng: làm chi tiết nhỏ (ф 20 - 40) song hình dạng tương đối phức tạp bánh răng, trục bậc, chốt với đòi hỏi tính chống mài mòn tương đối cao d Thép Crom-niken Crom-niken-mơlipđen Như nói kết hợp crôm niken làm tăng mạnh độ thấm tơi nhờ tăng độ bền mà trì độ dai Dùng cho chi tiết quan trọng, cần độ tin cậy cao ôtô, máy bay Hình Sản phẩm thép hợp kim Có hai loại - Thép crơm - niken thường: Là loại thép hợp kim thấp, crơm 0,50 - 1,00% niken > 1%, đủ cải thiện đáng kể độ thấm tôi, dễ dầu - Thép crôm - niken cao :Là loại thép niken cao 2% tới 4% crơm 1%, tức có tỷ lệ Ni / Cr = hay e Thép crôm - mangan – titan Chúng coi thép thấm cacbon tốt nhất, dùng vào mục đích quan trọng cho tiết diện lớn Các mác thép điển hình loại 20XH2M, 18X2H4MA ΓOCT (SNCM415, SNCM815 JIS, 4320, 4720, 8115, 8615, 8822, 9310, 94B17 AISI / SAE) Thép hóa tốt a Đặc điểm thành phần hóa học • Cacbon Lượng cacbon trung bình giới hạn 0,30 - 0,50% bảo đảm kết hợp tốt tiêu tính: độ bền, độ dẻo, độ dai (cơ tính tổng hợp) sau tơi + ram cao độ cứng, tính chống mài mòn tương đối cao sau tơi bề mặt • Hợp kim Ngun tố hợp kim dùng thép hóa tốt nguyên tố Cr, Mn với lượng chứa - 2%, Ni - - 4% nhóm thép thấm cacbon, ngồi cho phép dùng Si với lượng chứa khơng q 1% (vì khơng qua thấm cacbon nên hạn chế trường hợp trên) Và có Bo (B) Nguyên tố hợp kim phụ thường dùng thép hóa tốt Mo W, chúng có tác dụng tăng độ thấm tơi, song chủ yếu để khắc phục giòn ram loại II ram cao tiết diện lớn (không thể khắc phục nguội nhanh sau ram) b Đặc điểm nhiệt luyện Nhiệt luyện kết thúc thép hóa tốt chia làm hai bước: - Bước tạo cho lõi có tính tổng hợp cao để chịu tải trọng tĩnh va đập cách + ram cao đạt tổ chức xoocbit ram với độ cứng HB 240 - 280 (HRC 25 - 30) Bước thứ hai tạo cho bề mặt độ cứng tính chống mài mòn mà khơng phá hủy tính tổng hợp vừa đạt tồn tiết diện c Thép cacbon Phù hợp với yêu cầu đề mác thép C30, C35, C40, C45, C50 C40Mn song dùng nhiều hai mác (tương ứng với mác 40, 45, 40Γ, 58 ΓOCT, 1040, 1045 AISI/SAE, S45C JIS) Được dùng làm chi tiết máy nhỏ (ф 20 - 30), hình dạng đơn giản trục, chốt phẳng, truyền lực d Thép crôm – môlipđen Đưa thêm vào thép crôm kể khoảng 0,25%Mo cải thiện thêm độ thấm tơi chống giòn ram loại II Thép crôm - môlipđen dùng làm chi tiết máy trung bình (ф > 50mm) hình dạng tương đối phức tạp bánh e Thép crôm - mangan crơm - mangan – silic Thép có chứa 1%Cr + 1%Mn hay 1%Cr + 1%Mn + 1%Si loại hợp kim hóa phức tạp nên có độ thấm cao, dùng làm chi tiết lớn (ф 50 - 60mm) f Thép crôm - niken crôm - niken – môlipđen - - - Thép crôm - niken thường: Thép thường chứa khoảng 1%Cr + 1%Ni, niken thấp nên chưa có độ thấm tơi cao, làm chi tiết với tiết diện 50 - 60mm với σb khoảng 700MPa aK khoảng 700kJ/m2 Thép crôm - niken cao: Thép thường chứa khoảng - 2%Cr + - 4%Ni (với tỷ lệ Ni / Cr vào khoảng - 4) thuộc nhóm thép hợp kim trung bình với độ thấm tơi cao, tơi thấu với tiết diện 100mm, thực tế coi tơi thấu với tiết diện (nó thuộc loại mactenxit) Thép crôm - niken cao với môlipđen: Đây loại thép hóa tốt chế tạo máy tốt so với loại đưa them lượng nhỏ (0,15 - 0,40%) môlipđen làm tăng độ thấm tôi, làm chi tiết với hình dạng phức tạp, tiết diện lớn (≥ 100mm) mà loại trừ giòn ram loại II (đối với loại chi tiết lớn làm nguội nhanh dầu, nước sau ram khơng đủ nhanh để làm giòn ram) g Thép dùng để thấm nitơ Thép thấm nitơ phải thép hợp kim đặc biệt có nguyên tố crôm (~1,6%), môlipđen (~ 0,30%), nhôm (~1,00%) tạo nên nitrit cứng, phân tán ổn định nitrit sắt Lượng cacbon thép trung bình, khoảng 0,40% nên nhiệt luyện hóa tốt để tạo tính tổng hợp cao cho lõi trước thấm nitơ nâng cao độ cứng bề mặt Thép đàn hồi a Điều kiện làm việc yêu cầu thép đàn hồi Điều kiện làm việc: Đặc điểm làm việc chi tiết đàn hồi chịu tải trọng tĩnh va đập cao mà không cho phép bị biến dạng dẻo Hình Thép đàn hồi làm nhíp tơ u cầu: - Giới hạn đàn hồi cao, tức khả chống biến dạng dẻo cao (ở giới hạn bền khơng có ý nghĩa khơng cho phép có biến dạng dẻo), tỷ lệ σđh / σb gần tới tốt, thường đạt giới hạn 0,85 - 0,95 - Độ cứng cao khoảng HRC 35 - 45 hay HB 350 - 450 thích hợp; độ dẻo, độ dai thấp khơng để xảy biến dạng dư trình làm việc, song không 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 nhiệt luyện Để đạt giới hạn đàn hồi cao thép phải nhiệt luyện để có tổ chức trơxtit ram cách tơi + ram trung bình với tỷ lệ σđh / σb ≈ 0,90 Để bảo đảm giới hạn đàn hồi, giới hạn mỏi cao nhiệt luyện gia công phải ý đến chất lượng bề mặt: - Chống thoát cacbon - Tạo nên ứng suất nén bề mặt - Nâng cao độ nhẵn bóng bề mặt, loại bỏ vết xước mầm mống nứt mỏi Hình Nhiệt luyện thép c Các mác thép đặc điểm Thép thường thép mangan: Thép thường có tính đàn hồi tốt loại thép cacbon với mác C65, C70 CD80, CD100 Thép với khoảng 1%Mn với mác 65Mn dùng rộng rãi Thép silic thép hợp kim khác: Đây nhóm có giới hạn đàn hồi cao dùng vào mục đích quan trọng Mác thép silic 60Si2 thường dùng với 2%Si mác phổ biến với đặc điểm sau: - Giới hạn đàn hồi cao, σđh ≥ 1000MPa với giá thành tương đối rẻ - Độ thấm tốt (tôi thấu dầu với tiết diện dày 20 - 30mm) - Dễ thoát cacbon nung nóng để tơi, phải ý bảo vệ bề mặt nhiệt luyện Các chi tiết máy điển hình thép a Các loại trục • Trục khuỷu: - - Hình 10 Trục khuỷu Trục khuỷu ôtô vận tải xe làm gang cầu thường làm thép mác C45 với lượng cacbon khống chế không cho phép vượt 0,45% Do trục khuỷu chi tiết dễ biến dạng, chi tiết phải đặt giá đỡ nung nóng làm nguội để thường hóa Để bảo đảm trục khuỷu làm việc lâu dài, người ta phải tiến hành bề mặt cổ: cổ truyền (cổ biên), cổ cổ mặt bích Hình 11 Các cách phân bố lớp tơi cổ trục khuỷu Hình 12 Sự phân bố dòng điện cảm ứng cạnh lỗ dầu ảnh hưởng đến độ cứng: a khơng có nút b.khi có nút thép c có nút đồng (phần gạch chéo phần tơi cứng) • - - Trục láp ô tô: Hình 13 Cây láp ô tô Trục láp ôtô tải dài (trên 1m), tiết diện lớn (đường kính 50mm), chịu tải trọng nặng, chịu mômen xoắn lớn, thường làm thép hợp kim hóa tốt Để bảo đảm độ bền cao, người ta thường dùng thép hợp kim hóa tốt có khả thấu với tiết diện 40 - 50mm bảo đảm tính cao đồng hóa tốt - Ví dụ, trục láp ơtơ tải ГАЗ thường làm mác 35XΓC, xe МАЗ - 38XΓC 40XHMA, xe ЗИЛ - 40XΓTP Trục máy cắt: Vật liệu làm trục máy thường thép cacbon mác C40, C45 thép crôm 40X Sau rèn phôi, thép mang ủ gia công thô, sau đem nhiệt luyện hóa tốt (tơi + ram cao) để đạt tính tổng hợp cao Cuối sau gia công tinh chi tiết cảm ứng bề mặt phần cần chống mài mòn phần làm việc với bạc, then mặt ren (ở trục vít) b Các loại bánh • Bánh chịu tải thường Các thép hóa tốt để làm bánh thường 40, 45, 40X 40XH Để bảo đảm độ bền cao, khả chịu va đập lõi, thép nhiệt luyện hóa tốt, mặt cần độ cứng tính chống mài mòn cao qua tơi cảm ứng • - Hình 14 Bánh xe đạp Đặc điểm cảm ứng bánh khó đạt lớp tơi cứng phân bố theo chu vi Hình 15 Sự phân bố lớp tơi lớp chuyển tiếp nung tồn bề mặt răng: a m < 2,0; b m = 2,0- 2,5; c.m = 2,5 - 4,0; d m > 4,0 (trong hình vẽ số độ cứng HRC) Bảng 16 Chọn chiều sâu lớp thấm cacbon theo mơđun (theo cơng ty Gleason) • Bánh chịu tải nặng Hình 18 Bánh tơ Các bánh quay với tốc độ lớn, chịu tải nặng (như bánh hộp số, cầu sau ôtô) làm thép thấm cacbon Các mác thép thấm cacbon thường dùng làm bánh 18XΓT, 25XΓT, 30XΓT, 12XH3A 25XΓM, 25XΓM dùng để thấm cacbon - nitơ Bảng 19 Hiệu thấm cacbon - nitơ so với thấm cacbon cho bánh Các thép kết cấu có cơng dụng riêng Nhóm thép có ứng dụng rộng rãi chế tạo máy, dùng vào mục đích chuyên dùng  ... phức tạp tới - 6% thép crơm-niken cao hay crơm-niken-mơlipđen f Các nhóm thép chế tạo máy Có ba nhóm thép kết cấu chế tạo máy với đặc điểm khác thành phần cacbon, hợp kim, chế độ nhiệt luyện,... mác thép thấm cacbon b Thép cacbon Thép cacbon để thấm cacbon phải loại thép lặng, không dùng thép sơi hay nửa lặng chúng có khuynh hướng phát triển hạt mạnh Phù hợp với yêu cầu đề dùng mác thép. .. thoát cacbon - Tạo nên ứng suất nén bề mặt - Nâng cao độ nhẵn bóng bề mặt, loại bỏ vết xước mầm mống nứt mỏi Hình Nhiệt luyện thép c Các mác thép đặc điểm Thép thường thép mangan: Thép thường có