214975241 tổng hợp thep

1 Thành phần hóa học Khác với thép cacbon, thép hợp kim loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào (không phải yêu cầu thông thường cơng nghệ luyện kim) ngun tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa) Các ngun tố có lợi đưa vào cách đặc biệt với lượng đủ lớn gọi nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm nguyên tố với hàm lượng lớn giới hạn cho nguyên tố (khơng có giá trị chung cho ngun tố) sau: Mn ≥ 0,80 - 1,00%, Si ≥ 0,50 - 0,80%, Cr ≥ 0,50 - 0,80%, Ni ≥ 0,50 - 0,80%, W ≥ 0,10 - 0,50%, Mo ≥ 0,05 - 0,20%, Ti ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,30, B ≥ 0,0005% Nhỏ giới hạn kể coi tạp chất Tuy nhiên giới hạn quy ước không cứng nhắc cách chặt chẽ Thép hợp kim loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa tạp chất có hại ác đặc tính thép hợp kim Ở nói kỹ đặc tính trội hẳn thép hợp kim so với thép cacbon (thép cacbon tương đương mang đối chứng phải loại có thành phần cacbon với thép hợp kim cho) Cơ tính Do số yếu tố mà chủ yếu tính thấm tơi cao nên thép hợp kim có độ bền cao hẳn so với thép cacbon, điều thể đặc biệt rõ ràng thép sau + ram Khi tận dụng ưu điểm cần ý đến đến hệ sau đây: - Ở trạng thái khơng tơi + ram (ví dụ trạng thái ủ), độ bền thép hợp kim không cao thép cacbon Cho nên dùng thép hợp kim phải qua nhiệt luyện tơi + ram Nếu dùng thép hợp kim trạng thái cung cấp (sau cán nóng, gần thường hóa) hay ủ lãng phí lớn độ bền - Ưu việt độ bền cao thép hợp kim rõ tiết diện thép lớn lượng hợp kim đủ để bảo đảm thấu Khi tiết diện nhỏ (≤ 20mm) ưu việt thép hợp kim khơng thể (vì với tiết diện nhỏ thép cacbon thấu) - Do tính thấm tơi tốt, dùng mơi trường tơi chậm (dầu) nên tơi biến dạng nứt so với thép cacbon phải nước Do chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tơi (do đòi hỏi độ bền) phải làm thép hợp kim - Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng độ thấm tơi làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết cần vừa đủ bảo đảm thấu tiết diện cho đủ, không nên dùng thừa (dùng thép hợp kim q cao vừa đắt vừa khó gia cơng lại dễ bị phá hủy giòn hơn) Do có ngun tắc chọn mác thép hợp kim cao hay thấp phụ thuộc kích thước (tiết diện) - Tuy đạt độ bền cao thường có độ dẻo, độ dai thấp Do phải ý đến mối quan hệ ngược để có xử lý thích hợp (bằng ram) Mặc dù có ưu điểm độ bền, nói chung thép hợp kim có tính cơng nghệ thép cacbon (trừ tính thấm tơi) Tính chịu nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim cản trở khuếch tán cacbon làm mactenxit khó phân hóa cacbit khó kết tụ nhiệt độ cao 200oC, nhiệt độ thép hợp kim bền Một số thép hợp kim với lớp vảy ơxyt tạo thành nhiệt độ cao xít chặt, có tính bảo vệ tốt Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt Bằng cách đưa vào thép nguyên tố khác với lượng lớn quy định tạo cho thép tính chất đặc biệt: - Khơng gỉ, chống ăn mòn axit, badơ, muối - Từ tính đặc biệt khơng có từ tính - Giãn nở nhiệt đặc biệt Qua thấy thép hợp kim vật liệu cần thiết, thiếu cho ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi tính chất cao khác với thơng thường Tác dụng nguyên tố hợp kim đến tổ chức thép Một cách đơn giản xem thép hợp kim đơn giản (chỉ có nguyên tố hợp kim) đưa thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C Vậy xem nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến hợp kim Fe - C mà ta nghiên cứu, cụ thể đến tổ chức chính: dung dịch rắn ferit, austenit, hợp chất xêmentit (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗn hợp ferit - cacbit) Các nguyên tố đưa vào thép khơng ngồi hai tác dụng: hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn kết hợp với cacbon thành cacbit Cũng khó phân loại rạch ròi song tạm chia thành hai dạng ngun tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hòa tan vào sắt dạng có lực mạnh với cabon tạo nên cacbit Hãy xét khả Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn Đó trường hợp phần lớn nguyên tố mà điển hình thường gặp Mn, Si, Cr, Ni Với lượng nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi đáng kể cấu hình giản đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức ferit nhiệt độ thấp austenit nhiệt độ cao Khi hòa tan (tất nhiên dạng thay thế) vào ferit, nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng làm tăng độ cứng, độ bền thường làm giảm độ dẻo, độ dai Ảnh hưởng bốn nguyên tố đến hai tiêu điển hình độ cứng độ dai trình bày hình 5.2 Qua thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn Si, Cr Ni Hai nguyên tố Mn Si làm tăng mạnh độ cứng (độ bền) song làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt thép chứa 2%Si 3,5%Mn ferit có độ dai thấp (≤ 500kJ/m2) làm thép giòn khơng cho phép sử dụng Do có lợi rẻ hơn, khả hóa bền cao Mn Si dùng với hàm lượng hạn chế - 2% Như dùng thép Mn, Si với độ thấm tơi cao bị hạn chế lượng đưa vào Còn Ni Cr (cho tới hàm lượng 4%) làm tăng độ cứng khơng làm giảm làm tăng chút độ dai Do hợp kim hóa thép Cr, Ni hay đồng thời hai tốt ngồi làm tăng độ thấm tơi, thân chúng nâng cao độ cứng, độ bền mà trì tốt độ dẻo, độ dai ferit Vì thép có độ thấm tơi cao thuộc nhóm hợp kim hóa Cr - Ni Mặc dầu giá thành có cao (do Cr đặc biệt Ni ngày đắt, hiếm) loại thép ưa chuộng chế tạo chi tiết đòi hỏi độ tin cậy cao Với lượng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn chúng làm thay đổi hẳn cấu hình giản đồ pha Fe - C, đặc biệt rõ làm thay đổi khu vực ferit austenit Trên hình 5.3 trình bày ảnh hưởng hàm lượng Mn Cr đến khu vực γ (austenit) giản đồ pha Fe - C Thấy rõ Mn (và Ni nữa) mở rộng (nhiệt độ tồn của) khu vực γ (tương ứng thu hẹp khu vực α) Với hàm lượng lớn khoảng 10 - 20% tổ chức austenit tồn nhiệt độ thường (không biểu thị hình 5.3a), tức nung nóng hay làm nguội khơng có chuyển biến pha thường gặp, thép gọi thép austenit Còn Cr ngược lại thu hẹp khu vực γ (tương ứng mở rộng khu vực α hình 5.3b) Với hàm lượng Cr đủ lớn (khoảng gần 20%) khu vực γ khơng tồn tại, tổ chức ferit tồn nhiệt độ cao chảy lỏng Thép khơng có chuyển biến pha gọi thép ferit Những trường hợp gặp thép đặc biệt Rõ ràng thép áp dụng hóa bền tơi Hình 5.2 ảnh hưởng độ hòa tan nguyên tố hợp kim chủ yếu dung dịch rắn ferit đến độ cứng (a) độ dai va đập (b) Tạo thành cacbit Trừ nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo thành cacbit thép (chỉ hòa tan vào sắt), nguyên tố hợp kim lại gồm Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb khả hòa tan vào sắt kết hợp với cacbon thành cacbit Người ta nhận thấy số điện tử phân lớp nd (3d, 4d, 5d) nguyên tử nguyên tố bị thiếu nguyên tố có lực mạnh với cacbon tất nhiên thép (chủ yếu sắt) nguyên tố có số điện tử phân lớp nd Fe (là 6) có khả tạo thành cacbit Phù hợp với số thiếu hụt điện tử, nguyên tố tạo thành cacbit thép theo thứ tự từ yếu đến mạnh sau: Fe (6), Mn (5), Cr (5), Mo (5), W (4), V (3), Ti (2), Zr (2), Nb (2) [số ngoặc số điện tử phân lớp nd], đó: - Mn Cr nguyên tố tạo thành cacbit trung bình - Mo W nguyên tố tạo thành mạnh - V nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, - Ti, Zr, Nb nguyên tố tạo thành cacbit mạnh Hình 5.3 ảnh hưởng Mn (a) Cr (b) đến vùng a g giản đồ Fe-C Khi đưa vào thép nguyên tố này, cacbon ưu tiên kết hợp với nguyên tố mạnh trước Tùy theo nguyên tố hợp kim (Me) đưa vào hàm lượng nó, thép hợp kim có pha cacbit sau - Xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C Khi thép chứa lượng (1 - 2%) nguyên tố tạo cacbit trung bình mạnh Mn, Cr, Mo, W chúng hòa tan thay vị trí nguyên tử Fe xêmentit tạo nên xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C Xêmentit hợp kim có tính ổn định cao (khó phân hủy, kết tụ nung) xêmentit chút Nhiệt độ tơi có tăng đơi chút - Cacbit với kiểu mạng phức tạp Khi hợp kim hóa đơn giản (chỉ nguyên tố hợp kim) song với lượng lớn (> 10%) Cr Mn (có dC / dMe > 0,59) chúng tạo nên với C loại cacbit với kiểu mạng phức tạp như: Cr7C3, C23C6, Mn3C Các đặc tính cacbit là: + Có độ cứng cao (hơn xêmentit chút) + Có nhiệt độ chảy không cao lắm, khoảng 1550 - 1850oC (cao xêmentit), nên có tính ổn định cao Nhiệt độ thép phải cao 1000oC - Cacbit kiểu Me6C Trong thép chứa Cr với W Mo tạo nên cacbit loại Me6C với kiểu mạng phức tạp, Me nguyên tố Cr, W, Mo Fe Loại cacbit khó hòa tan vào austenit ổn định loại Nhiệt độ thép khoảng 1200 1300oC - Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC (Me2C) Các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh mạnh V, Ti, Zr, Nb đưa vào thép với lượng (0,1%) có khả liên kết hết với cacbon thành cacbit VC, TiC, ZrC, NbC, chúng pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản (vì dC/dMe < 0,59) Các đặc tính loại cacbit là: + Có độ cứng cao giòn xêmentit + Có nhiệt độ chảy cao (trên 3000oC) nên khó phân hủy hòa tan vào austenit nung Các nguyên tố tác dụng tăng độ thấm tơi, cacbit chúng thường đóng vai trò giữ cho hạt nhỏ nâng cao tính chống mài mòn Như cacbit hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, khó hòa tan vào austenite so với xêmentit làm thép hợp kim cứng, bền nóng có nhiệt độ tơi cao thép cacbon Do nhóm thép sử dụng loại nguyên tố hợp kim lượng chứa khác nên nói chung nhóm thép thường gặp - loại cacbit kể trên, cụ thể là: + Xêmentit hợp kim thép kết cấu + Cacbit với kiểu mạng phức tạp thép khơng gỉ bền nóng (thuộc nhóm thép đặc biệt) + Cacbit kiểu Me6C thép gió (thuộc thép dụng cụ) + Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC tạo thành với lượng nhóm thép khác Vai trò cacbit hợp kim - Giống xêmentit, cacbit hợp kim có tác dụng làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn thép song có phần mạnh Như sau thấy thép làm dụng cụ tốt phải loại thép có cacbon cao hợp kim cao - Do khó hòa tan vào austenit nung nóng nên mặt nâng cao nhiệt độ mặt khác lại giữ hạt nhỏ nung, điều giúp nâng cao độ dai tính nói chung - Khi ram, cacbit hợp kim tiết khỏi mactenxit kết tụ lại nhiệt độ cao so với xêmentit thép cacbon, giữ độ cứng cao trạng thái nhiệt độ cao 200oC, đơi tới 500 - 600oC, tức có tính cứng hay bền nóng Ảnh hưởng ngun tố hợp kim đến trình nhiệt luyện Các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng lớn đến q trình nhiệt luyện, đặc biệt + ram, ảnh hưởng lớn đến tính, đặc tính bật thép hợp kim Hãy xét tới mặt trình nhiệt luyện Chuyển biến nung nóng để tơi Trừ số thép đặc biệt, thép hợp kim thơng thường lại có tổ chức peclit, nên nung nóng để tơi có chuyển pha: peclit → austenit, cacbit hòa tan vào austenit, hạt austenit phát triển (như thép cacbon với pha cacbit xêmentit) song có điểm đặc trưng sau: - Sự hòa tan cacbit hợp kim khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ tơi cao thời gian giữ nhiệt dài so với xêmentit thép cacbon Hãy so sánh thép có 1,00%C với lượng hợp kim cao thấp khác nhau: + Thép cacbon 1,00%C (mác CD100), Fe3C, nhiệt độ khoảng 780oC + Tthép hợp kim thấp 1,00%C + 1,50%Cr (thép ổ lăn), (Fe,Cr)3C, nhiệt độ khoảng 830oC + Thép hợp kim cao 1,00%C + 12,0%Cr (thép khuôn dập), Cr23C6, nhiệt độ > 1000oC - Cacbit hợp kim khó hòa tan vào austenit, nằm biên giới hạt, hang rào giữ cho hạt nhỏ Tác dụng mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh với V, tương đối mạnh với W, Mo Riêng thép có Mn lại có khuynh hướng làm to hạt austenit Các nguyên tố hợp kim lại Cr, Ni, Si, Al coi trung tính Chính thép hợp kim thường giữ hạt nhỏ thép cacbon hai bị nung nóng nhiệt độ (ví dụ thấm cacbon) Sự phân hóa đẳng nhiệt austenit nguội độ thấm Đây tác dụng quan trọng điển hình nhất, cần nắm vững tận dụng triệt để Sự phân hóa đẳng nhiệt austenit nguội Khi hòa tan vào austenit, tất nguyên tố hợp kim (trừ Co) với mức độ khác làm chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt austenit nguội tức làm đường cong chữ "C" dịch sang phải làm giảm tốc độ tơi tới hạn Vt.h (hình 5.4a) Trong đáng để ý: nguyên tố có tác dụng mạnh Mo (khi riêng rẽ) Cr - Ni (khi kết hợp), mạnh Cr, Mn, B Với tổng lượng hợp kim, hợp kim hóa phức tạp làm giảm Vth mạnh hợp kim hóa đơn giản Cần ý nguyên tố hợp kim khơng hòa tan vào austenit mà dạng cacbit khơng khơng làm tăng mà làm giảm tính ổn định austenit nguội, dẫn tới tăng Vth Độ thấm Do làm giảm Vt.h, nguyên tố hợp kim (trừ Co) hòa tan vào austenit làm tăng độ thấm tơi (hình 5.4b) Như thấy rõ từ hình vẽ, đường cong chữ "C" thép hợp kim dịch sang phải nên có Vt.h2 < Vt.h1 thép cacbon, tương ứng δ2 độ thấm thép hợp kim, δ1 - độ thấm thép cacbon, ta ln có δ2 > δ1 Nhờ hiệu thép hợp kim xảy trường hợp sau mà ta gặp thép cacbon: - Vth bé đến mức nhỏ Vnguội lõi, sau tơi lõi có tổ chức mactenxit, trường hợp tơi thấu Hình 5.4 So sánh giản đồ T - T - T, Vth (a) độ thấm (b) thép cacbon thép hợp kim - Vnguội khơng khí lớn Vt.h, thường hóa đạt tổ chức mactenxit, tượng tự tơi (trong thường hóa thép cacbon đạt xoocbit cùng) Do độ thấm tăng lên có hai hiệu sau đây: 1) Hiệu hóa bền tơi + ram tăng lên rõ rệt, đặc biệt thấu đạt tới tính cao đồng tồn tiết diện, nâng cao mạnh sức chịu tải chi tiết Vì thế: - Để phát huy hết khả chịu tải chi tiết thép hợp kim, phải sử dụng trạng thái tơi + ram, có đạt hiệu kinh tế (vì thép hợp kim đắt hơn) - Với tiết diện lớn phải dùng thép hợp kim dùng hiệu Do phải vào tiết diện tính yêu cầu mà chọn mác thép: tiết diện lớn, độ bền đòi hỏi cao, lượng hợp kim thép phải cao để tơi thấu 2) Khi tơi dùng mơi trường nguội chậm mà đạt mactenxit dầu, muối nóng chảy (phân cấp hay đẳng nhiệt), điều dẫn đến ưu việt sau: - Chi tiết, dụng cụ với hình dạng phức tạp tơi khơng sợ gãy, nứt Trong làm thép cacbon phải tơi nước dễ sinh vỡ - Ít biến dạng, nhiều trường hợp có độ cong vênh mức cho phép, đặc biệt phân cấp hay đẳng nhiệt Chuyển biến mactenxit Khi hòa tan vào austenit, nguyên tố hợp kim (trừ Co, Al, Si) hạ thấp nhiệt độ chuyển biến austenit thành mactenxit, làm tăng lượng austenit dư sau tơi Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm giảm Ms sau: Mn - 45oC, Cr - 35oC, Ni - 26oC, Mo - 25oC, Co làm tăng 12oC, Al làm tăng 18oC, Si khơng ảnh hưởng Do austenit dư tăng mạnh thép có cacbon cao - hợp kim cao, độ cứng sau tơi bị sụt - 10 đơn vị HRC so với mức cao đạt Tuy nhược điểm song hồn tồn khắc phục gia công lạnh hay ram nhiều lần nhiệt độ thích hợp để austenit dư → mactenxit, độ cứng lại đạt mức cao Chuyển biến ram Nói chung ngun tố hợp kim hòa tan mactenxit cản trở phân hóa pha ram hay nói cụ thể làm tăng nhiệt độ chuyển biến ram Sở dĩ nguyên tố hợp kim cản trở khuếch tán cacbon Đặc biệt W, Mo, Cr có lực mạnh với cacbon có xu hướng giữ cacbon lại mactenxit, trì độ cứng cao nhiệt độ cao Ví dụ, tiết cacbit hợp kim khỏi mactenxit nhiệt độ sau: - Xêmentit Fe3C 200oC - Xêmentit hợp kim (Fe,Me)3C 250 - 300oC - Cacbit crôm Cr7C3, Cr23C6 400 - 450oC - Cacbit Fe3W3C loại Me6C 550 - 600oC (VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan nung nóng nên khơng tiết ra) Nhờ dẫn đến hiệu ứng sau - Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng - Do khuếch tán khó khăn cacbit tạo thành phân tán nhỏ mịn, làm tăng độ cứng tính chống mài mòn, gọi hóa cứng phân tán Sự tăng độ cứng ram thép hợp kim nhiệt độ thích hợp làm cho austenit dư → mactenxit cacbit tiết dạng phân tán, nhỏ mịn gọi độ cứng thứ hai - Cùng ram hay làm việc nhiệt độ, thép hợp kim có độ cứng, độ bền cao Điều có nghĩa để đạt độ cứng độ bền nhau, phải ram thép hợp kim nhiệt độ cao nên khử bỏ ứng suất bên nhiều thép bảo đảm độ dai tốt Tóm tắt tác dụng tốt nguyên tố hợp kim là: + Khi hòa tan vào dung dịch rắn: • Ferit làm tăng xơ lệch mạng gây hóa bền (cacbon có tác dụng song trạng thái tôi, sau ram bị giảm mạnh), • Austenit làm tăng tính ổn định austenit nguội, giảm Vt.h, tăng độ thấm tơi, thép tơi biến dạng gãy vỡ nhờ dùng dầu môi trường nguội chậm + Khi tạo thành cacbit hợp kim: • Bản thân pha cứng chống mài mòn xêmentit, khó hòa tan nung giữ cho hạt nhỏ • Khó tiết khỏi mactenxit nên gây nên bền nóng cứng nóng • Khi ram tiết dạng phần tử nhỏ mịn, phân tán gây hóa bền Các khuyết tật thép hợp kim Tuy có nhiều ưu việt, thép hợp kim đơi thể số khuyết tật cần biết để phòng tránh Thiên tích Thép hợp kim, đặc biệt loại hợp kim hóa cao với nhiều thành phần hóa học phức tạp, sau kết tinh có tổ chức không đồng nhất, cán tạo nên tổ chức thớ làm tính chênh lệch mạnh phương dọc ngang (có chênh lệch tới 50 - 70% hay nữa) Khắc phục ủ khuếch tán đem cán nóng, song nhiều bán thành phẩm có tiết diện lớn thấy dạng khuyết tật Rõ ràng tiết diện sản phẩm cán nhỏ dạng khuyết tật thể Tuy nhà máy luyện kim phải chịu trách nhiệm loại khuyết tật song bị lọt lưới, nhà máy khí phải tiến hành biến dạng nóng lại với mức độ lớn Đốm trắng Đó dạng khuyết tật: mặt số thép hợp kim có vết nứt nhỏ dạng đốm trắng Ngun nhân hyđrơ hòa tan vào thép lỏng nằm lại thép rắn trạng thái rắn giảm đột ngột độ hòa tan 200oC, hyđrơ mạnh, gây nứt Đốm trắng phế phẩm khơng chữa được, thể thép có độ thấm tơi cao Cr - Ni, Cr - Ni - Mo, Cr Ni - W cán nóng (khi đúc khơng xuất đốm trắng rỗ co phân tán túi chứa hyđrô) Ở nhà máy luyện kim người ta ngăn ngừa khuyết tật cách giảm nước khí quyển, sấy khô mẻ luyện (cả mẻ liệu - sắt thép vụn lẫn trợ dung - vôi) làm nguội thật chậm sau cán đểhyđrơ kịp Hai dạng khuyết tật phải khử bỏ nhà máy luyện kim, gặp nhà máy khí, nơi gia cơng tiếp tục bán thành phẩm cán thành sản phẩm khí với hình dạng, kích thước, tính theo quy định Giòn ram Đối với thép cacbon, tăng nhiệt độ ram độ dai tăng lên liên tục 650oC (vượt tạo peclit - hỗn hợp ferit - xêmentit thơ, độ dai giảm đi), thép hợp kim thấy có hai cực tiểu độ dai hai khoảng nhiệt độ ram (hình 5.5) mà ta gọi giòn ram, ứng với hai cực tiểu hai loại giòn ram Nguyên nhân chúng chưa xác định rõ ràng Giòn ram loại I (khơng thuận nghịch, khơng chữa được) Loại giòn ram thể rõ thép hợp kim ram khoảng 280 - 350oC (mỗi mác có khoảng hẹp phạm vi này), thấy độ dai thấp, số loại thép thấp trạng thái Các thép cacbon bị giòn ram loại xảy nhiệt độ thấp Nguyên nhân khoảng nhiệt độ cacbit ε tiết khỏi mactenxit có dạng hay γdư→M, làm thép trở nên giòn Đây loại giòn khơng thể tránh được, tốt tránh ram khoảng nhiệt độ gây giòn ram cho mác (khoảng hẹp hơn, 10 - 20oC so với 70oC kể trên) Hình 5.5 ảnh hưởng nhiệt độ đến độ dai va đập thép hợp kim (có đối chứng với thép cacbon) Giòn ram loại II (thuận nghịch hay chữa được) Loại xảy thép hợp kim hóa Cr, Mn, Cr - Ni, Cr - Mn ram khoảng 500 - 600oC với cách làm nguội thơng thường sau (trong khơng khí) Cũng ram nhiệt độ song lại làm nguội nhanh sau (trong dầu hay nước chả hạn) khơng có cực tiểu thứ hai (đường chấm chấm hình vẽ) Ngun nhân nguội chậm sau ram cao thúc đẩy tiết pha giòn biên giới hạt Giòn ram loại II thuận nghịch tức bị lại đem ram lần với chế độ nhiệt (500 - 600oC, nguội chậm) Đây loại giòn ram tránh Biện pháp phòng tránh sau: - Với chi tiết nhỏ trung bình: làm nguội nhanh dầu, nước sau ram cao - Với chi tiết lớn làm nguội không đủ nhanh để làm giòn ram, lúc phải dùng thép có hợp kim hóa thêm 0,20 - 0,50%Mo hay 0,50 - 1,00%W Phân loại thép hợp kim Đối với thép hợp kim có nhiều cách phân loại loại cho biết đặc trưng cần biết để sử dụng tốt Theo tổ chức cân Theo tổ chức cân (ở trạng thái ủ), với lượng cacbon tăng dần thép với tổ chức sau: - Thép trước tích: peclit + ferit tự cao (P ≤ 0,030, S ≤ 0,020) có thêm chữ A sau từ CD70A đến CD130A Chúng có đặc tính sau: - Sau tơi + ram thấp đạt HRC ≥ 60 đủ để cắt Chế độ thép sau: CD70, CD80 - tơi hồn tồn 800 - 820oC, 780 - 800oC, CD90 - CD130 - tơi khơng hồn tồn 760 780oC Tuy tất đạt độ cứng HRC 60 - 62 song thép sau tích CD100 - CD130 có nhiều XeII dư nên chống mài mòn tốt mác lại - Dễ biến dạng nóng, gia cơng cắt rẻ Song để lộ nhiều nhược điểm quan trọng + Độ thấm thấp (chỉ thấu tiết diện 10mm) Với dao lớn hơn, lớp mỏng, sau thời gian làm việc mài lại khơng đủ độ cứng nên phải tơi lại, khơng thuận tiện sử dụng + Tính cứng nóng thấp mactenxit khơng hợp kim hóa, có tính chống ram Tính cứng nóng khơng vượt q 200 - 250oC, đạt suất thấp, tốc độ cắt khơng q 5m/min Chính điều hạn chế sử dụng Công dụng: nhược điểm kể nên dùng thép cacbon làm dao cắt Nếu có sử dụng để làm dao nhỏ, hình dạng đơn giản với suất thấp hay tay Dụng cụ điển hình làm thép dụng cụ cacbon giũa (hội tụ đầy đủ điều kiện vừa nêu chế tạo với mác CD120) Thép hợp kim Đó nhóm thép có thành phần cacbon cao (~ 1% cao hơn) hợp kim hóa thấp vừa phải với đặc tính có độ thấm tơi tốt hay tính chống mài mòn cao Loại có tính thấm tơi tốt loại hợp kim hóa thấp 1%Cr (có thể thêm 1%Si) với mác điển hình 90CrSi (TCVN 1823-76) Thành phần hợp kim có tác dụng: - Cải thiện tính thấm tôi: môi trường dầu bảo đảm độ cứng HRC cao 60 Cũng làm dao nhỏ với hình dạng phức tạp mũi khoan, doa, tarô, bàn ren, lược ren, phay - Nâng cao chút tính cứng nóng Silic với crơm cản trở mạnh q trình ram 250 - 300oC, có tính cứng nóng đến 300oC, cắt với tốc độ 10 m/min hay chút 90CrSi tương đối rẻ với tính làm việc tốt thép cacbon nên dùng tương đối phổ biến chế tạo loại dao cắt kể Tuy nhiên mác 90CrSi có nhược điểm mà đáng kể dễ thoát cacbon nung (do có nhiều silic) nên phải ý bảo vệ Thép 840 - 860oC dầu, ram 150 - 200oC, độ cứng HRC đạt khoảng 62 - 64 Loại có tính chống mài mòn cao loại có cacbon cao (> 1,30%) với 0,50%Cr 4,0 5,0%W mác CrW5 (140CrW5) Do có cacbon cao nhiều vonfram nguyên tố tạo thành cacbit mạnh nên thép tồn lượng lớn cacbit làm tăng mạnh tính chống mài mòn Thép có tính thấm tơi thấp (do crơm nhiều cacbit thúc đẩy chuyển biến thành hỗn hợp ferit cacbit) nên môi trường nước Độ cứng HRC sau (800 - 820oC) ram (~ 150oC) đạt tới 66 - 68, nên thép dùng làm dao tiện, phay với tốc độ cắt không lớn (do khơng có tính cứng nóng) để cắt sửa phơi cứng (ví dụ bề mặt trục cán tơi) Thép làm dao có suất cao - thép gió Đây loại thép làm dao quan trọng nhất, tốt nhất, thỏa mãn cao yêu cầu vật liệu làm dao: - Tốc độ cắt 35 - 80m/min (3 - lần so với loại trên) - Tính chống mài mòn tuổi bền cao (8 - 10 lần) - Độ thấm đặc biệt cao (tơi thấu với tiết diện bất kỳ) Thành phần hóa học tác dụng nguyên tố Thép gió tên gọi Việt Nam (các nước thường gọi thép cắt nhanh: high speed steel - Anh, acier coupe rapide - Pháp, быстрорежущая сталь - Nga) loại thép dụng cụ tự tơi (có thể tự tơi, tơi khơng khí (gió) đạt mactenxit cứng nên ta thép gọi thép gió) có suất cắt cao có tổng lượng hai nguyên tố vonfram môlipđen cao (> 10%) lượng lớn crơm (4%), ngồi có thêm vanađi cơban Các ngun tố thép gió có tác dụng sau Cacbon biến đổi giới hạn rộng từ 0,70 đến 1,50%, đủ để hòa tan vào mactenxit tạo thành cacbit với nguyên tố tạo thành cacbit mạnh W, Mo đặc biệt V Khi thêm 1%V phải đưa thêm 0,10 - 0,15%C vào thép Cả hai tác dụng làm cho thép gió cứng làm tăng mạnh tính chống mài mòn Crơm có thép gió với lượng giống nhau, khoảng 4% (3,8 - 4,4%) có tác dụng làm tăng mạnh độ thấm Nhờ tổng lượng (Cr + W + Mo) cao (> 15%) nên thép gió có khả tự tôi, thấu với tiết diện áp dụng tơi phân cấp Vonfram nguyên tố hợp kim quan trọng có tỷ lệ cao (6 - 18%) mà tạo tính cứng nóng cao, nên có suất cao Là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, vonfram chủ yếu nằm dạng Me6C hay Fe3W3C, nung nóng hòa tan vào austenit nên sau tơi mactenxit chứa nhiều vonfram Khi nung nóng lại hay ram Me6C tiết khỏi mactenxit khoảng 550 - 570oC, nên trì độ cứng cao sau đến tới 600oC Môlipđen dùng để thay vonfram đắt lại có tỷ lệ cao Mơlipđen có cấu trúc tinh thể tính chất giống vonfram nên thay cho theo tỷ lệ nguyên tử : 1, song môlipđen rẻ lại nhẹ (với khối lượng riêng 10,3 so với 19,3g/cm3), mặt khối lượng 1%Mo thay gần 2%W, thay đem lại hiệu kinh tế cao (mặc dù không cải thiện tính cắt gọt) Vanađi nguyên tố tạo thành cacbit mạnh VC hòa tan vào austenit nung, thép dạng phần tử cứng, phân tán, làm tăng tính chống mài mòn giữ cho hạt nhỏ tơi Mọi thép gió có 1%V, vượt q 2% tính chống mài mòn tăng lên, song khơng nên dùng q 5% làm xấu mạnh tính mài Cơban khơng tạo thành cacbit, hòa tan vào sắt dạng dung dịch rắn với hàm lượng vượt 5% tính cứng nóng thép gió tăng lên rõ rệt ΓOCT có mác thép gió chứa hoặc 10%Co, AISI có nhiều mác thép gió với lượng côban thay đổi phạm vi 12% Nhược điểm thép gió chứa cơban dễ bị cacbon chứa nhiều (>10 - 12%) thép bị giòn Tổ chức tế vi nhiệt luyện Về tổ chức tế vi, thành phần hợp kim cao, 10 - 20% cacbon cao nên thép gió thuộc loại lêđêburit (khi ủ), mactenxit (khi thường hóa, trạng thái cung cấp) Thép chứa nhiều cacbit (15 25%), sau đúc cacbit chủ yếu dạng tinh lêđêburit hình xương cá nên giòn phải làm nhỏ chúng biến dạng nóng (cán, rèn) Thơng thường phơi cung cấp có tiết diện nhỏ chứng tỏ cán với độ biến dạng (ε) mạnh nên có cacbit nhỏ mịn phân bố Ở nhà máy khí thường tiến hành rèn lại phôi lớn (ф > 40) Sau rèn bị biến cứng, thép qua ủ khơng hồn tồn 840 - 860oC đạt độ cứng HB 241 - 269 với tổ chức peclit (dạng xoocbit) + cacbit nhỏ mịn phân bố đều, chịu gia cơng cắt Nhiệt luyện kết thúc + ram định độ cứng, tính chống mài mòn cao đặc biệt tính cứng nóng theo u cầu Tơi ngun cơng định tính cứng nóng thép gió với đặc điểm nhiệt độ cao (gần 1300oC) khoảng dao động lại hẹp (chỉ 10oC), không cho phép nhiệt độ thấp cao giới hạn quy định vì: 1) Khi nung thấp hơn, austenit chưa bão hòa đủ W để nâng cao tính cứng nóng: + Khi nung Ac1 (khoảng 850oC) thép gió có chuyển biến peclit thành austenit, 850 - 900oC đạt HRC 45 - 50 chưa đủ để cắt + Tiếp tục nâng cao nhiệt độ, cacbit hợp kim bắt đầu hòa tan hòa tan nhiều vào austenit làm pha giàu nguyên tố hợp kim (và cacbon) biểu thị hình 5.13a Tới 1000oC bão hòa crơm Cr23C6 dễ hòa tan VC khơng tan vào austenit Còn Fe3W3C (loại cacbit chủ yếu) bắt đầu hòa tan mạnh 1150oC tới gần 1300oC austenit hòa tan 8%W Nguyên lý chọn nhiệt độ thép gió tận lượng chọn nhiệt độ tơi cao để austenit chứa nhiều vonfram để mactenxit tạo thành có tính cứng nóng cao Tại nhiệt độ tơi nhiều cacbit Fe3W3C tồn VC chưa hòa tan cản trở hạt phát triển, giữ cho hạt nhỏ làm tăng tính chống mài mòn Hình 5.13 Độ hòa tan nguyên tố hợp kim vào austenite thép gió (a) tổ chức tế vi thép gió sau tơi (b) 2) Tuy nhiên vượt nhiệt độ quy định, cacbit hòa tan nhiều, hạt lại phát triển mạnh, thép bị giòn, chí có trường hợp biên hạt bị chảy Vì tơi cho thép gió đạt tính cứng nóng cao đòi hỏi phải đạt nhiệt độ cao cách xác Nếu cần đạt độ cứng cao (HRC > 60) nhiệt độ tơi cần 1000oC đủ Tổ chức tế vi thép gió sau tơi (hình 5.13b) gồm mactenxit giàu vonfram, austenit dư (30%) cacbit dư (15 - 20%) với độ cứng HRC khoảng 62, song chưa phải cao Cacbit dư có ảnh hưởng tốt đến tính chống mài mòn song lượng lớn austenit dư làm giảm độ cứng thép vài đơn vị HRC Sở dĩ austenit dư nhiều tơi nhiệt độ cao, austenit hợp kim hóa cao mặt tạo nên mactenxit cứng nóng cao mặt khác làm hạ thấp điểm Mf Do austenit q nguội có tính ổn định cao nên áp dụng nhiều cách tơi cho thép gió - Tơi dầu nóng (> 60oC) áp dụng cho dao có hình dạng đơn giản - Tơi phân cấp muối nóng chảy (400 - 600oC) với thời gian giữ nhiệt - 5min, áp dụng cho dao nhỏ, hình dạng phức tạp, có yêu cầu độ cong vênh nhỏ mũi khoan - Gia công lạnh để khử austenit dư sau tơi, áp dụng cần ổn định kích thước - Tơi khơng khí (tự tơi) đạt độ cứng cao dao mỏng, song cho độ cứng không (độ cứng thấp chỗ dày), dễ bị ơxy hóa, cacbon bề mặt, tiết cacbit khỏi austenit làm giảm tính cứng nóng, nên dùng - Tơi đẳng nhiệt bainit (giữ 240 - 280oC hàng h) cho biến dạng nhỏ song độ cứng HRC không 60, suất thấp, dùng Ram thép gió nhằm làm ứng suất bên trong, khử bỏ austenite dư, tăng độ cứng (độ cứng HRC tăng thêm - đơn vị, tượng gọi độ cứng thứ hai) Thép gió ram lần (thường 3) 550 - 570oC, lần 1h Chuyển biến xảy sau Khi nung tới 550oC cacbit vonfram Fe3W3C nhỏ mịn bắt đầu tiết khỏi dung dịch rắn làm austenit nghèo hợp kim đi, nâng cao điểm Ms làm giảm ứng suất nén lên austenit dư làm pha chuyển biến thành mactenxit, độ cứng tăng lên Sau lần ram có tỷ lệ định (khoảng 50 - 75%) austenit dư chuyển biến lại gây ứng suất bên mới, nên sau phải ram thêm - lần để q trình xảy hồn tồn Hình 5.14 Quy trình tơi + ram thép gió 80W18Cr4V (P18, T1, SKH2) thay đổi lượng austenit dư độ cứng HRC Chế độ tơi + ram thép gió điển biến đổi lượng austenit dư độ cứng trình bày hình 5.14 Để nâng cao khả cắt thép gió, sau mài hóa - nhiệt luyện: thấm cacbon nitơ nhiệt độ thấp (550 - 570oC) thể lỏng - 3h tạo lớp thấm mỏng có độ cứng cao (HRC ~ 70) tuổi bền tăng 50% song giòn, thích hợp với loại dao va đập Các mác công dụng TCVN chưa quy định mác thép gió Bảng 5.7 giới thiệu bốn số loại thép gió thường gặp Nga, Mỹ Nhật Thép gió với suất thường loại có tính cứng nóng đến 615 - 620oC, loại khơng chứa hay chứa cơban có < 2% vanađi, gồm ký hiệu 80W18Cr4V (P18, T1, SKH2) 85W6Mo5Cr4V2 (P6M5, M2, SKH51) Hiện loại ký hiệu sau ưa chuộng chứa vonfram hơn, rẻ với tính cắt tương đương loại ký hiệu đầu (loại cổ điển, mác thép gió đầu tiên), nhiều nước chiếm khoảng 50% lượng thép gió sử dụng Thép gió với suất cao loại có tính cứng nóng cao hơn, khoảng 630 - 650oC, cắt với tốc độ ≥ 40m/min có tính chống mài mòn cao, chúng chứa cơban có > 2% vanađi, gồm ký hiệu 85W18Co5Cr4V2 (P18K5Φ2, T4, SKH3), 155W12Co5V5Cr4 (P12Φ4K5, T15, SKH10) Cơng dụng thép gió để làm dụng cụ cắt lớn, hình dạng phức tạp, điều kiện cắt nặng với suất cao (tốc độ lớn) tuổi thọ cao, tức liên quan đến loại dao phức tạp nhất, chủ chốt nhất, đa dạng nên thép gió có tầm quan trọng định chế tạo dụng cụ cắt Bảng 5.7 Thành phần hóa học (%) mác thép gió thường gặp Thép làm dụng cụ biến dạng nguội Biến dạng dẻo thép nhiệt độ thường - biến dạng nguội - hình thức gia cơng phổ biến chế tạo khí với suất cao Dụng cụ để biến dạng trục cán, khuôn dập, đột có ý nghĩa quan trọng định suất chất lượng sản phẩm Điều kiện làm việc yêu cầu Có thể thấy dụng cụ biến dạng nguội mà điển hình khn dập có điều kiện làm việc yêu cầu dao cắt, song có điểm khác Ngồi chịu áp lực lớn ra, khn dập chịu ứng suất uốn, lực va đập ma sát Hơn diện tích tiếp súc lớn, khơng tạo phoi nên khn dập khơng bị nóng lên nhiều (thường không 200 - 250oC) Với điều kiện làm việc vậy, dụng cụ biến dạng nguội phải đạt yêu cầu sau 1) Độ cứng cao Nói chung dụng cụ biến dạng nguội yêu cầu độ cứng cao, khơng đòi hỏi cao dao cắt, phải đạt đến giới hạn tức HRC 58 - 62 phụ thuộc vào loại khuôn, chiều dày độ cứng thép đem dập, biến dạng Khi dập cắt thép cứng thép kỹ thuật điện (tơn silic) hay có chiều dày lớn phải yêu cầu độ cứng HRC tới 60, chí 62; dập uốn mỏng hay có độ cứng thấp yêu cầu độ cứng cần HRC 56 Khi độ cứng HRC lớn 62 khn dễ bị nứt, mẻ làm việc 2) Tính chống mài mòn cao bảo đảm hàng vạn - hàng chục vạn lần dập Nếu khn có tính chống mài mòn tạo khe hở chày cối, không làm việc 3) Độ bền độ dai bảo đảm để chịu tải trọng đặt vào lớn chịu va đập Đối với khuôn dập lớn cần có thêm yêu cầu độ thấm tơi thay đổi thể tích tơi Đặc điểm thép làm dụng cụ biến dạng nguội Để đạt yêu cầu tính kể trên, thép làm dụng cụ biến dạng nguội có đặc điểm chung sau - Thành phần cacbon cao, thường mức 1%, bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn sau tơi, song có số trường hợp đặc biệt phải lấy khác + Khi chịu va đập mạnh, lượng cacbon giảm đi, 0,40 - 0,60%, + Khi cần chống mài mòn thật cao, lượng cacbon phải cao đến 1,50 - 2,00% hay - Thành phần hợp kim phụ thuộc vào hình dạng, kích thước khn tính chống mài mòn u cầu tác dụng nâng cao độ thấm tạo cacbit cứng Để làm tăng độ thấm thường dùng ngun tố crơm, mangan, silic, vonfram với lượng (~1% loại) Để nâng cao tính chống mài mòn phải dùng lượng lớn crôm (~ 12%) với lượng cacbon cao, 1,50 - 2,00% hay - Nhiệt luyện kết thúc dụng cụ biến dạng nguội giống dao cắt + ram thấp để đạt tổ chức mactenxit ram với độ cứng cao, song có đặc điểm riêng • Để bảo đảm độ bền kích thước lớn (hơn dụng cụ cắt) nhiệt độ thép lấy cao chút (20 - 40oC) để austenit đồng hơn, nâng cao độ thấm Cũng để đạt điều này, trước tơi nên thường hóa để đạt hỗn hợp ferit - cacbit nhỏ mịn, ngồi có tác dụng giảm biến dạng, nứt tơi • Nhiệt độ ram lấy cao (song ram thấp) yêu cầu độ cứng thấp chút Chú ý ram thấp phải tránh giòn ram loại I Trong số dụng cụ biến dạng nguội, xét loại khuôn dập nguội loại dùng phổ biến sản xuất khí Thép làm khn bé Để làm khn dập nguội bé, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhỏ dùng thép dụng cụ cacbon với mác CD100, CD120, phải làm nguội nước, độ thấm tơi thấp song có độ cứng cao bảo đảm tính chống mài mòn khơng lớn Do độ thấm tơi khơng cao nên với kích thước 30 - 40mm lõi có độ dẻo định, khn có khả chịu va đập, song để lớp tơi q mỏng bị lún, dẹt làm việc Thép làm khn trung bình Để làm khn trung bình (75 -100mm) hay loại bé có hình dạng phức tạp, chịu tải trọng lớn phải dùng thép có khoảng 1%C nguyên tố hợp kim Cr, W, Mn, Si (~ 1% nguyên tố) để nâng cao độ thấm với mác 110Cr, 100CrWMn, !00CrWSiMn Trong mác 100CrWMn điển hình dùng phổ biến Nó có đặc điểm sau Bảng 5.8 Thành phần hóa học (%) mác thép làm khuôn dập nguội thường gặp - Do có mangan nên sau tơi có lượng austenit dư định nên biến dạng nhỏ - Có thể dùng cách tơi phân cấp (nếu khn nhỏ) hai môi trường (nếu khuôn trung bình) để giảm độ biến dạng mà đạt độ cứng cao - Thiên tích cacbit lớn, cacbit lớn thép dễ bị nứt tơi, phải kiểm tra cấp cacbit, thấy lớn phôi thép phải qua rèn Thép làm khn lớn có tính chống mài mòn cao Để làm khn dập lớn (200 - 300mm), chịu tải trọng nặng bị mài mòn mạnh phải dùng nhóm thép crơm cao tới 12% cacbon cao, 1,50 - 2,20% với mác Cr12 (210Cr12), Cr12Mo (160Cr12Mo) Cr12V1 (130Cr12V1) Chúng có đặc điểm bật sau - Tính chống mài mòn cao có tỷ lệ lớn (tới khoảng 30%) cacbit crôm nên bảo đảm tuổi bền làm việc cao - Độ thấm cao, thấu với kích thước 150 x 200mm tơi dầu bảo đảm độ bền, độ cứng cao khn lớn - Có thể áp dụng nhiều chế độ + ram khác để đạt yêu cầu khác tính ổn định kích thước dựa đặc điểm thép có nhiều cacbit, thay đổi nhiệt độ dẫn đến mức độ hòa tan cacbit khác làm biến đổi thành phần austenit, làm thay đổi tỷ lệ tổ chức tạo thành đến độ cứng kích thước khn: + Tơi nhiệt độ thấp, 1050 - 1075oC, austenit dư, độ cứng HRC đạt 64 - 65, tính cứng nóng thấp (cách tơi gọi độ cứng thứ nhất) Sau ram 150 - 200oC + Tôi nhiệt độ cao, 1125 - 1150oC, austenit hợp kim hóa cao, mactenxit có tính cứng nóng cao, độ cứng đạt thấp, HRC 54 - 56 có nhiều austenit dư (~ 60%) Giống thép gió, thép sau ram nhiều lần 500 - 530oC austenit dư chuyển biến thành mactenxit có độ cứng tăng lên đến HRC 58 - 60 (cách gọi độ cứng thứ hai) + Tôi nhiệt độ trung bình, 1100 - 1125oC có tỷ lệ austenit dư lớn (~ 40%) nên kích thước không thay đổi, đạt độ cứng HRC khoảng 58 Sau tôi, ram 150 - 200oC (cách gọi tơi ổn định kích thước) Khi ram, tránh nhiệt độ giòn ram loại I thép 300 - 375oC - Có thể dập với tốc độ cao, khn chịu nhiệt độ nung nóng tới 200 - 350oC Trên bảng 5.8 trình bày thành phần hóa học mác thép hai nhóm Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập Để làm dụng cụ biến dạng nguội chịu va đập đục, búa hơi, khuôn dập cắt thép dày - 4mm trở lên phải làm loại thép hợp kim với - 5% nguyên tố hợp kim song có lượng cacbon thấp hơn, 0,40 - 0,60% để bảo đảm độ dai va đập định Thường dùng mác sau: 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si, 50CrW2Si, 60CrW2Si 60CrWMn, có 1%Cr, 1%Si 2%W Để đạt độ dai yêu cầu sau phải ram cao khuôn dập bình thường Khi ram, tránh giòn ram loại I thép 240 - 270oC Hiện có khuynh hướng dùng hợp kim cứng làm khn dập nguội, đạt hiệu cao Thép làm dụng cụ biến dạng nóng Như biết biến dạng nóng hình thức gia cơng chủ yếu để chế tạo bán thành phẩm phôi (để gia công cắt) sản xuất luyện kim khí Trong sản xuất khí thường dùng phổ biến phương pháp gia công áp lực: rèn, ép chảy thông qua khuôn tương ứng Điều kiện làm việc yêu cầu Có thể thấy có chất (làm biến dạng dẻo) song dụng cụ biến dạng nóng có điều kiện làm việc khác dụng cụ biến dạng nguội cắt đặc điểm sau - Dụng cụ (khuôn) luôn tiếp xúc với phôi nóng tới ~ 1000oC nên thân khn bị nung nóng tới 500 - 700oC song khơng thường xun, liên tục - Do nung nóng đến trạng thái austenit nên phơi thép có tính dẻo cao, độ cứng khuôn không cần cao dụng cụ biến dạng nguội - Các dụng cụ biến dạng nóng thường có kích thước lớn, chịu tải trọng lớn, đạt tới vài trăm - vài nghìn Để bảo đảm điều kiện làm việc dụng cụ biến dạng nóng phải đạt yêu cầu sau: 1) Độ bền độ dai cao, độ cứng vừa phải để bảo đảm chịu tải trọng lớn va đập, độ cứng dụng cụ cần khoảng HB 350 - 450 (HRC 35 - 46), giá trị độ dai không bảo đảm 2) Tính chống mài mòn cao bảo đảm tạo hàng nghìn đến hàng vạn sản phẩm Do làm việc nhiệt độ cao, suất khn biến dạng nóng thấp khn biến dạng nguội chừng 10 lần 3) Tính chịu nhiệt độ cao, chống mỏi nhiệt để chịu trạng thái nhiệt độ thay đổi tuần hoàn dễ gây rạn, nứt Muốn thép phải có tính chống ram cao Đặc điểm thép làm dụng cụ biến dạng nóng Để đạt yêu cầu tính kể trên, thép dùng làm dụng cụ biến dạng nguội phải có đặc điểm chung sau - Thành phần cacbon trung bình, tùy theo loại khuôn (độ cứng độ dai va đập yêu cầu) lượng cacbon dao động khoảng 0,30 - 0,50% - Thành phần hợp kim thích hợp để bảo đảm tơi thấu, tính đồng tồn tiết diện bảo đảm tính chịu nóng, chống ram tốt đặc biệt trường hợp phải tiếp xúc lâu với phơi nóng Để bảo đảm thấm tơi tốt độ dai cao thường dùng crôm - niken; để bảo đảm thấm tơi, chịu nóng chống ram phải dùng tới - 10% vonfram - Nhiệt luyện kết thúc dụng cụ biến dạng nóng bao gồm tơi + ram để đạt tổ chức trôxtit ram (đôi trôxtit - xoocbit ram) có độ bền, độ dai, độ cứng phù hợp với yêu cầu làm việc Chú ý: ram nhiệt độ 500 - 600oC nên phải tránh giòn ram loại II Hai loại dụng cụ biến dạng nóng phổ biến sản xuất khí khn rèn khuôn ép chảy Thép khuôn rèn Để tạo phơi, sản xuất khí ngồi cách rèn tự người ta sử dụng rộng rãi cách rèn khn: biến dạng khn định hình gọi chung khuôn rèn Các khuôn rèn thường có kích thước lớn, chịu tải trọng cao va đập, bị nung nóng (500 - 550oC) thời gian tiếp súc ngắn Ở nước ta hay dùng thép crơm - niken (hay crơm - mangan) có hợp kim hóa thêm mơlipđen hay vonfram có khoảng 0,50% cacbon với mác 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrNiSiW, 50CrMnMo 50CrNiMo mác điển hình dùng phổ biến Thép có đặc điểm sau - Tính thấm tơi cao, tơi thấu dầu với khối thể tích 400 x 300 x 300mm, tơi phân cấp hay đẳng nhiệt với khuôn bé - Tôi + ram 500 - 600oC, tùy theo yêu cầu độ cứng với loại khuôn: nhỏ HRC 40 - 45 ram khoảng 500 - 540oC, lớn HRC 35 - 38 ram khoảng 540 - 580oC, tổ chức đạt trôxtit hay trơxtit xoocbit ram Cơ tính tốt 500oC: σb = 900MPa, σ0,2 = 650MPa, δ = 20 ÷ 22%, Ψ = 70% - Độ cứng phần đuôi nên thấp phần làm việc từ đến 10 đơn vị HRC phải ram thêm phần lò muối 600 - 650oC hay nung cảm ứng Bảng 5.9 Thành phần hóa học (%) mác làm khuôn rèn khuôn ép chảy thường gặp Chú ý nhiệt luyện khuôn rèn: + Thời gian nung nóng dài (do kích thước khn lớn) thường dẫn đến ơxy hóa cacbon, phải có biện pháp bảo vệ + Đối với khuôn lớn yêu cầu phải có độ dai cao nên độ cứng có phải lấy thấp (HRC < 35), lúc tiến hành khắc hình xác sau tơi + ram để bảo đảm độ xác cho khuôn Thường dùng 50CrNiMo, cho khuôn rèn với trọng lượng búa > 3T, mác lại với khối lượng búa < 3T Thép khuôn ép chảy Khác với khn rèn, khn chồn ép nóng (ép chảy) có kích thước bé lại chịu nhiệt độ cao (do phải tiếp súc lâu với phôi), chịu áp suất cao tải trọng va đập nhỏ Để bảo đảm tính cứng nóng cao (bề mặt khn bị nung nóng tới 600 - 700oC) phải dùng loại thép có đặc tính gần thép gió, loại hợp kim hóa cao (~ 10%) Cr + W có khoảng 0,30 - 0,40%C (ở không cần tới 0,50%C mà có hóa bền tương đương thép có lượng ngun tố hợp kim cao hơn), ngồi có thêm vanađi (1%) để nâng cao tính chống mài mòn giúp trì hạt nhỏ mơlipđen (1%) để cải thiện tính thấm tơi Các mác thép thường dùng 30Cr2W8V 40Cr5W2VSi Chúng nhiệt độ cao (gần 1100oC) để hòa tan lượng lớn cacbit hợp kim vào austenite sau tơi mactenxit hợp kim hóa cao cho tính cứng nóng cao, hạt nhỏ bảo đảm độ dai tốt Khi ram nhiệt độ thích hợp mác cho độ cứng thứ hai thép gió, song để bảo đảm độ dai tốt độ cứng yêu cầu chúng ram 600 - 650oC để đạt tổ chức trôxtit ram với độ cứng HRC biến động khoảng 40 - 50 Để nâng cao độ cứng tính chống mài mòn cho bề mặt khn ép chảy, sau + ram 600 650oC trên, khn thấm cacbon - nitơ nhiệt độ thấp (bằng Tenifer hay thấm xyanua) 500 - 600oC (thấp nhiệt độ ram để không làm xấu độ bền, độ cứng chung khuôn), tạo nên lớp bề mặt cứng HRC 65 chống mài mòn cao, lõi có độ cứng bảo đảm: HRC 40 - 50 Bảng 5.9 trình bày thành phần hóa học mác thép theo TCVN, ΓOCT, AISI JIS Đ Đặc điểm phân loại Đúng tên gọi đầy đủ, loại thép có đặc tính sử dụng khác lạ, gặp (do sử dụng với khối lượng khơng lớn) có ý nghĩa định, thiếu số lĩnh vực kỹ thuật, chúng có đặc điểm chung sau: - Về thành phần cacbon, phần lớn loại thép có cacbon thấp (< 0,10 - 0,15%) chí u cầu khơng cacbon (lúc khơng phải thép mà hợp kim sắt), có thép ngược lại yêu cầu cacbon cao (> 1,00%), trường hợp có lượng cacbon trung gian - Về thành phần hợp kim, phần lớn loại thép thuộc loại hợp kim hóa cao (> 10%) hay cao (> 20%) song thường dùng (hợp kim hóa đơn giản crơm silic) hay hai ngun tố hợp kim chủ yếu (như crôm - niken) - Về tổ chức tế vi, phần lớn loại có tổ chức khác hẳn, hợp kim hóa cao có tổ chức austenit, ferit, mactenxit trạng thái cung cấp Do thành phần tổ chức vậy, loại thép có nhóm thép với đặc tính cơ, lý, hóa khác nhau: + Có tính chống mài mòn đặc biệt cao + Có tính chất điện - điện từ đặc biệt + Làm việc nhiệt độ cao + Có tính giãn nở nhiệt hay đàn hồi đặc biệt Trong mục khảo sát thép sử dụng tương đối rộng rãi sản xuất khí Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao tải trọng va đập Đối với chi tiết bị mài mòn mạnh điều kiện ma sát mài sát áp lực cao va đập [như xích máy xúc, xe tăng, hàm nghiền đập, gàu xúc (đất, đá), gạt, ghi (nơi giao nhau) đường sắt ] dùng cách thấm cacbon hay tơi bề mặt chúng khơng đủ tính chống mài mòn, lớp thấm mỏng nên thời gian làm việc ngắn Lúc phải dùng loại thép hợp kim đặc biệt có độ dai cao có khả tự tăng mạnh độ cứng bề mặt làm việc, nhờ tăng mạnh tính chống mài mòn, lớp chống mài mòn khơng bị mòn lớp tự biến cứng khác lại hình thành, điều ưu việt hẳn bề mặt hóa - nhiệt luyện Thép dùng vào mục đích gọi thép Hadfield (do Hadfield tìm từ kỷ 19), thép hợp kim đặc biệt dùng trạng thái đúc với thành phần gồm 0,90 - 1,30%C, 11,4 - 14,5%Mn (theo TCVN ký hiệu 110Mn13Đ) tổ chức austenit Như biết Mn nguyên tố mở rộng khu vực γ nên với lượng lớn Mn thép thuộc loại austenit (tức có tổ chức ó ổn định nhiệt độ thường) Với tổ chức austenit thép có độ dai cao, độ cứng thấp, song làm việc áp lực cao bị va đập austenit (với mạng A1 nhạy cảm với hóa bền biến dạng - xem lại mục 2.1.3b) bị biến dạng dẻo biến cứng mạnh, làm tăng mạnh độ cứng tính chống mài mòn lớp bề mặt (còn thuyết khác lại cho áp suất cao va đập, austenit chứa cacbon cao chuyển biến thành mactenxit cacbon cao - 1,10% - nên có độ cứng cao), lõi giữ nguyên tổ chức ban đầu nên trì độ dai Để đạt độ dai, tính chống mài mòn cao vậy, sau đúc thép phải qua dạng nhiệt luyện đặc biệt Do có mangan cacbon cao nên sau đúc với tốc độ nguội chậm ngồi austenit thép có lượng lớn Mn3C hay (Fe,Mn)3C tạo thành nằm biên hạt nên làm giảm mạnh độ bền, độ dai giòn, chưa thể đem dùng Để làm dạng khuyết tật phải nung vật đúc đến 1050 - 1100oC, giữ nhiệt lâu để cacbit mangan hòa tan hết vào austenit sau làm nguội nhanh nước để cacbit không kịp tiết tổ chức thép hồn tồn austenit, tính đạt sau: σb = 800 ÷ 900MPa, σ0,2 = 300 ÷ 350MPa, δ = 15 ÷ 25%, ψ = 20 ÷ 30%, HB 180 ÷ 220 Ngun cơng nhiệt luyện austenit hóa (ổn định tổ chức hoàn toàn austenit) cách thực giống với nên thực tế dùng cách gọi Khi sử dụng thép Hadfield phải ý tới đặc điểm sau: - Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao với điều kiện nói trên, điều kiện khơng giống ưu việt bị hạn chế khơng tạo lớp biến cứng bề mặt Ví dụ, phun cát thép Hadfield lại bị mòn nhanh (hơn thép thường) tác dụng mài bóc ứng suất tiếp, gàu xúc đất lại bị mòn nhanh xúc đá - Tuy thép có độ cứng thấp sau austenit hóa (HB 200) tính gia cơng cắt lại khơng muốn nói khơng thể gia cơng dụng cụ cắt Thép tạo hình đúc (nếu cần mài thơ) Các mác thép loại Nga 110Γ13Л , Hoa Kỳ theo ASTM A128, Nhật SCMnHx (x số thứ tự)