19/03/2019 ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU VÀ CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHƯƠNG THÉP TS Trương Công Tiễn 4.1 Khái niệm chung thép Quy trình luyện thép gồm bước sau: Thép gang hợp kim đen Sắt (Fe), Cacbon (C) lượng nhỏ chất Oxy (O), Photpho (P), Silic (Si),… Quá trình luyện thép từ quặng Sắt (Fe2O3, Fe3O4) luyện lò cao Gang (hợp kim Sắt Cacbon với hàm lượng Cacbon lớn 1,7%), đưa Gang vào luyện lò luyện thép để khử bớt Cacbon ta thép Luyện lò (Lị Martin): Thép luyện phương pháp có chất lượng tốt có cấu trúc nhất, nhược điểm phương pháp suất thấp (thời gian luyện mẻ từ đến 12 giờ), giá thành thép cao Luyện lò quay (lị Bessmer, lị Thomas): Phương pháp có suất cao, chất lượng không tốt lẫn tạp chất, bọt khí (thời gian luyện mẻ khoảng 30 phút) nên giá thép giảm Để khắc phục nhược điểm phương pháp trên, người ta sử dụng lò quay tiên tiến, vừa cho thép chất lượng tốt, vừa cho suất cao Vật liệu Công nghệ Chế tạo 19/03/2019 4.1 Khái niệm chung thép 4.1.1 Khái niệm Thép hợp kim sắt cacbon với hàm lượng cacbon thép nhỏ 2,14% Ngồi cịn có số tạp chất : Mn < 0,8 % ; Si < 0,4 % ; P < 0,05 % ; S < 0,05 % 4.1.2 Ảnh hưởng nguyên tố đến tính chất tổ chức thép Cacbon Khi lượng cacbon thay đổi tổ chức thép thay đổi : - C < 0,8 tổ chức (F + P); - C = 0,8 tổ chức (P) ; - C > 0,8 tổ chức (P + XeII ) Khi lượng cacbon thay đổi tính thép thay đổi: Lượng cacbon tăng độ dẻo độ dai giảm, độ cứng độ bền tăng Khi C > 1% độ bền lại giảm Các nguyên tố khác Măng gan (Mn) si lích (Si ) : làm tăng độ bền, độ cứng giảm độ dãn dài thép Khử ôxy thép Phốt (P) lưu huỳnh (S) : tạp chất có hại (P) làm cho thép giịn nhiệt độ bình thường (giịn nguội), cịn (S ) làm cho thép giịn nhiệt độ cao (giịn nóng) Vật liệu Công nghệ Chế tạo 4.1 Khái niệm chung thép 4.1.3 Phân loại Tùy theo thành phần hóa học nguyên tố thép mà người ta phân thép thành hai nhóm thép cacbon thép hợp kim Trong đó: Thép cacbon: ngồi sắt cacbon cịn số ngun tố khác gọi tạp chất thành phần thép như: Mn, Si, P, S… Thép hợp kim: sắt cacbon tạp chất, người ta cố tình đưa thêm vào nguyên tố đặc biệt với hàm lượng định để làm thay đổi tổ chức tính chất thép cho phù hợp với yêu cầu sử dụng Các nguyên tố đưa vào thường Cr, Ni, Mn, W, V, Mo, Ti, Cu, Ta, B, N… 4.1.4 Tính chất chung Thép có tính tổng hợp cao, có tính cơng nghệ tốt, có nhiều chủng loại với nhiều công dụng khác nên vật liệu sử dụng nhiều khí chế tạo, xây dựng, đóng tàu… Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 19/03/2019 4.2 Thép cacbon Thép cacbon loại thép thơng thường, ngồi Fe C cịn chứa tạp chất thường có như: Mangan, silic, phốt pho… 4.2.1 Ảnh hưởng nguyên tố đến tính chất thép cacbon Cacbon: nguyên tố quan trọng nhất, định tổ chức, tính chất công dụng thép Khi tăng %C làm giảm độ dẻo độ dai va đập Khi %C tăng khoảng 0,8 - 1% độ bền độ cứng cao vượt qua 1% độ bền độ cứng bắt đầu giảm Mn Si: tạp chất có lợi, có cơng dụng khử ơxy P, S: tạp chất có hại, làm giảm tính thép Vật liệu Công nghệ Chế tạo 4.2 Thép cacbon 4.2.1 Phân loại thép cacbon 4.2.1.1 Theo tổ chức Thép trước tích : tổ chức ( + P ) Thép tích : tổ chức ( P ) Thép sau tích : tổ chức là( P + XeII ) 4.2.1.2 Theo lượng cacbon Thép cacbon thấp (%C ≤ 0,25%): dẻo, dai có độ bền độ cứng thấp Thép cacbon trung bình (%C từ 0,3 - 0,5%): chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh va đập cao Thép cacbon tương đối cao (%C từ 0,55 - 0,65%): có tính đàn hồi cao, dùng làm lò xo Thép cacbon cao (%C ≥ 0,7%): có độ cứng cao nên dùng làm dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập 4.2.1.3 Theo phương pháp luyện Thép luyện từ lò Bét xme (Bessemer), có chất lượng thường (nhiều P, S ) Thép luyện từ lò Mác (Martin), có chất lượng tốt loại (ít P, S hơn) Thép luyện từ lò điện, chủ yếu từ lị điện hồ quang, có chất lượng tốt Vật liệu Công nghệ Chế tạo 19/03/2019 4.2 Thép cacbon 4.2.1 Phân loại thép cacbon 4.2.1.4 Theo công dụng Đối với ngành khí cần quan tâm đến cách phân loại theo công dụng Cách phân loại cho phép biết cách sử dụng thép cách hợp lý chế tạo sản phẩm thép Thép cacbon thơng dụng (cịn gọi thép cacbon thường) Loại có tính khơng cao, dùng để chế tạo chi tiết máy, kết cấu chịu tải nhỏ Thường dùng ngành xây dựng, giao thông (cầu, nhà, khung, tháp…) Thép cacbon thông dụng chia làm ba nhóm A, B, C Nhóm A đánh giá tiêu tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng…) Nhóm B đặc trưng thành phần hóa học nhóm C đặc trưng hai tiêu tính thành phần hóa học Khi cần biết tính ta sử dụng nhóm A, cần tính tốn hàn, nhiệt luyện sử dụng nhóm B C Theo TCVN 1765 - 75 qui định ký hiệu thép thông dụng hai chữ CT, sau chữ CT giới hạn bền tối thiểu, theo đơn vị N/mm2 Ví dụ: CT 38 – chữ số sau giới hạn bền Các nhóm B C có ký hiệu tương tự nhóm A qui ước thêm vào đằng trước chữ CT chữ B hay C để phân biệt Ví dụ: BCT31, CCT31 Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 4.2 Thép cacbon 4.2.1 Phân loại thép cacbon 4.2.1.4 Theo công dụng Đối với ngành khí cần quan tâm đến cách phân loại theo cơng dụng Cách phân loại cho phép biết cách sử dụng thép cách hợp lý chế tạo sản phẩm thép Thép cacbon thơng dụng (cịn gọi thép cacbon thường) Nga (ГOCT): Ký hiệu CTx x số từ 0, 1, đến cấp độ bền (số cao độ bền cao) có phân nhóm A, Б, B tương ứng với phân nhóm A, B, C Việt Nam Mỹ (ASTM): Ký hiệu theo số 42, 50, 60, 65 (min) theo đơn vị ksi Nhật (JIS): Ký hiệu SSxxx; SMxxx hay xxx số giới hạn bền kéo tối thiểu tính Mpa Ví dụ: SS400 thép cacbon thường có Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 19/03/2019 4.2 Thép cacbon 4.2.1 Phân loại thép cacbon 4.2.1.4 Theo công dụng Đối với ngành khí cần quan tâm đến cách phân loại theo công dụng Cách phân loại cho phép biết cách sử dụng thép cách hợp lý chế tạo sản phẩm thép Thép cacbon kết cấu Nhóm có chất lượng cao nhóm chất lượng thường thể hàm lượng tạp chất có hại (S 0,04%, P 0,035%), hàm lượng cacbon xác tiêu tính rõ ràng Thép cacbon kết cấu bảng dẫn ghi thành phần tính Thép cacbon kết cấu dùng chế tạo chi tiết máy chịu lực cao như: bánh răng, trục vít, cam, lị xo… Theo TCVN ký hiệu thép cacbon kết cấu chữ C, sau chữ C ghi số hàm lượng cacbon thép như: C20, C45, C65… Ví dụ: C45 chữ C ký hiệu thép cacbon, 45 phần vạn cacbon trung bình (tương đương với 0,45%C) Nga (ГOCT): Ký hiệu xx xx số phần vạn C Ví dụ mác 40 có 0,4%C Mỹ (AISI/SAE): Ký hiệu 10xx xx số phần vạn C Ví dụ mác 1045 có 0,45%C Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC xx số phần vạn C Ví dụ mác S45C có 0,45%C Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 4.2 Thép cacbon 4.2.1 Phân loại thép cacbon 4.2.1.4 Theo cơng dụng Đối với ngành khí cần quan tâm đến cách phân loại theo công dụng Cách phân loại cho phép biết cách sử dụng thép cách hợp lý chế tạo sản phẩm thép Thép cacbon dụng cụ Là loại thép có hàm lượng cacbon cao (0,7 - 1,4%) hàm lượng tạp chất S P thấp (< 0,025%) Thép cacbon dụng cụ có độ cứng cao nhiệt luyện chịu nhiệt thấp nên dùng làm dụng cụ như: đục, dũa, dụng cụ đo hay loại khuôn dập Theo TCVN ký hiệu thép cacbon dụng cụ chữ CD, sau chữ CD ghi số hàm lượng cacbon thép theo phần vạn như: CD70, CD80, CD100 Ví dụ: CD100 - chữ CD ký hiệu thép cacbon dụng cụ, 100 phần vạn cacbon trung bình (tương đương với 1%C) Nga (ГOCT): Ký hiệu Yxx xx số phần nghìn C Ví dụ mác Y12 có 1,2%C Mỹ (AISI): Ký hiệu Wxxx xxx số thứ tự Ví dụ W110 Nhật (JIS): Ký hiệu SKx x số thứ tự từ đến Vật liệu Công nghệ Chế tạo 10 19/03/2019 4.3 Thép hợp kim 4.3.1 Khái niệm Thép hợp kim loại thép chứa lượng thành phần nguyên tố hợp kim thích hợp Người ta cố ý đưa vào nguyên tố đặc biệt với lượng định để làm thay đổi tổ chức tính chất thép Các nguyên tố đặc biệt gọi nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu Chính nhờ ngun tố hợp kim mà làm cho thép hợp kim nói chung có ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như: Về tính: thép hợp kim nói chung có độ bền có độ bền cao hẳn so với thép cacbon Điều thể đặc biệt rõ ràng sau nhiệt luyện tơi ram Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ tính cao trạng thái nhiệt độ cao 200°C Muốn đạt điều thép phải hợp kim hóa số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao Các tính chất vật lý hóa học đặc biệt từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mịn… Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 11 4.3 Thép hợp kim 4.3.2 Phân loại thép hợp kim 4.3.2.1 Phân loại theo nồng độ hợp kim thép Gồm ba loại: Thép hợp kim thấp: có tổng lượng nguyên tố hợp kim đưa vào < 2,5% Thép hợp kim trung bình: có tổng lượng nguyên tố hợp kim đưa vào từ 2,5 - 10% Thép hợp kim cao: có tổng lượng nguyên tố hợp kim đưa vào > 10% 4.3.2.2 Phân loại theo nguyên tố hợp kim Cách phân loại dựa vào tên nguyên tố hợp kim thép Ví dụ thép có chứa crôm gọi thép crôm, thép manggan, thép niken … 4.3.2.3 Phân loại theo công dụng Thép hợp kim kết cấu Thép hợp kim dụng cụ Thép hợp kim có tính chất lý, hố đặc biệt Vật liệu Công nghệ Chế tạo 12 19/03/2019 4.3 Thép hợp kim 4.3.2 Phân loại thép hợp kim 4.3.2.4 Ký hiệu thép hợp kim Nga ký hiệu thép hợp kim chữ số Các chữ để ký hiệu nguyên tố hợp kim Tên Ký hiệu Tên Ký hiệu Tên Ký hiệu Tên Crôm( Cr ) X Ti tan(Ti) T Mangan(Mn) Γ Nhôm(Al) Ni ken(Ni) H Cơ ban(Co) K Silích(Si) C Đồng(Cu) Mơlípđen(Mo) M Vonfram(W) B Vanađi (V) ф Nitơ( N ) Ký hiệu A Các số đứng đầu ký hiệu để lượng bon thép, nếu: Khơng có số C ≥1% Có số C tính theo phần nghìn Có hai số C tính theo phần vạn Các số đứng sau chữ ký hiệu % nguyên tố hợp kim Nếu lượng nguyên tố hợp kim 1% khơng ghi số Nếu có chữ A đứng cuối ký hiệu thép có chất lượng tốt Việt Nam ký hiệu thép hợp kim: Về giống cách ký hiệu Nga, khác chỗ nguyên tố hợp kim ghi theo ký hiệu hố học lượng cácbon tính theo phần vạn Vật liệu Công nghệ Chế tạo 13 4.3 Thép hợp kim 4.3.2 Phân loại thép hợp kim 4.3.2.5 Các loại thép hợp kim Thép hợp kim kết cấu Là loại thép sở thép kết cấu cho thêm vào nguyên tố hợp kim Loại có hàm lượng cacbon khoảng 0,1 - 0,65% nguyên tố hợp kim thường dùng : Cr, Mn, Si, Ni với tổng lượng 2% có thêm chữ M, …, K số % ngun tố Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 17 4.3 Thép hợp kim 4.3.2 Phân loại thép hợp kim 4.3.2.5 Các loại thép hợp kim Thép ổ lăn Yêu cầu thép làm ổ lăn: Phải có độ cứng cao, chịu mài mịn tốt Có hàm lượng bon cao, hợp kim hố 0,6 ÷ 1,5%Cr, đơi Mn, Si để tăng độ thấm tôi, đảm bảo tính đồng Ký hiệu: Việt Nam ký hiệu thép hợp kim thêm vào đằng trước chữ OL Nga ký hiệu ổ lăn chữ ỉ, chữ số crôm hàm lượng crơm (Cr) tính theo phần nghìn Các số hiệu thường dùng: ỉX6 : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d < 15 mm ỉX9 : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d = 15 mm ỉX15 : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d = 20 ÷ 30 mm ỉX15C : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d > 30 mm Vật liệu Cơng nghệ Chế tạo 18 19/03/2019 4.3 Thép hợp kim 4.3.2 Phân loại thép hợp kim 4.3.2.5 Các loại thép hợp kim Thép lò xo Yêu cầu thép làm lị xo : Phải có giới hạn đàn hồi giới hạn mỏi cao, độ dai đảm bảo Lượng cácbon thích hợp từ 0,5 ÷ 0,65%C, nguyên tố hợp kim chủ yếu : Mn, Si(1 ÷ 2%), ngồi cịn có Cr, Ni, V để tăng độ thấm tơi tính ổn định đàn hồi Các số hiệu thép lò xo : Thép 65, 70, 80, 85, 60Mn, 70Mn để làm lò xo thường Thép 55Si2, 65Si2, 70Si2 làm nhíp lị xo có chiều dày lớn tới 18mm Thép 50Cr MnA, 50Cr Si2A làm việc nhiệt độ tới 3000C, dùng làm lò xo xupáp lị xo quan trọng khác với tiết diện khơng lớn Thép 60Cr Si2A, 60Si2 Ni2A có độ thấm tơi d > 50mm, dùng làm lị xo, nhíp lớn chịu tải nặng đặc biệt quan trọng 19 Vật liệu Công nghệ Chế tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Công Tiễn, Bài giảng Vật liệu Công nghệ chế tạo [2] Trần Thế Sang , Nguyễn Ngọc Phương, Vật liệu khí đại, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2012 [3] Hồng Tùng, Giáo trình Vật Liệu Cơ Khí Và Cơng Nghệ Cơ Khí, NXB Giáo Dục, 2006 [4] Nguyễn Thị Yên, Giáo trình vật liệu khí, NXB Hà Nội, 2005 [5] Nguyễn Tác Ánh, Giáo trình Cơng Nghệ Kim Loại, Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP HCM, 2004 [6] Nguyễn Văn Thái, Công nghệ vật liệu, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 [7] Trần Dỗn Sơn, Cơng nghệ chế tạo máy – Tập 1, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2012 [8] Phạm Ngọc Tuấn, Nguyễn Văn Tường, Các phương pháp gia công đặc biệt, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2013 [9] W Bolton, Engineering Materials Technology, 2nd Edition, Newnes, 1994 [10] Serope Kalpakjian, Stevan R Schmid, Manufacturing Engineering and Technology, 6th Edition, Prentice Hall, 2009 Vật liệu Công nghệ Chế tạo 20 10 ... 19/03/2019 4. 3 Thép hợp kim 4. 3.2 Phân loại thép hợp kim 4. 3.2.5 Các loại thép hợp kim Thép hợp kim dụng cụ cao (thép gió) Thành phần : W = 8,5 ÷ 19% , C = 0,7 ÷ 1 ,4% , Cr = 3,3 ÷ 4, 4% , V =... vạn C Ví dụ mác 1 045 có 0 ,45 %C Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC xx số phần vạn C Ví dụ mác S45C có 0 ,45 %C Vật liệu Công nghệ Chế tạo 4. 2 Thép cacbon 4. 2.1 Phân loại thép cacbon 4. 2.1 .4 Theo công dụng... phần vạn Vật liệu Công nghệ Chế tạo 13 4. 3 Thép hợp kim 4. 3.2 Phân loại thép hợp kim 4. 3.2.5 Các loại thép hợp kim Thép hợp kim kết cấu Là loại thép sở thép kết cấu cho thêm vào nguyên tố hợp