Vật liệu thép cacbon thường ở dạng đã qua cán nóng ( tấm, thanh, dây, thép hình chữ U, I, thép góc..) chủ yếu để dùng trong xây dựng, không được gia công tiếp theo để tăng chất lượng. Thành phần lưu huỳnh và phótpho khá cao.
Tiêu chuẩn Việt Nam quy định kí hiệu thép cacbon thường nhóm A bằng 2 chữ GT và sau đó là độ bền giới hạn ( kG/cm2)
Tiêu chuẩn Nga kí hiệu là CT và sau là chỉ số 0,1,2,3,4,5,6 ( số nhóm tăng thì thành phần C tăng và cơ tính cũng tăng)
Thép cacbon thường chia làm ba loại A, B, C.
Loại thép A là thép cacbon thường chỉ qui định về cơ tính. Bảng 5-1 trình bày cơ tính của thép cacbon thường loại A của Việt Nam và Nga. Theo TCVN 1765-75 ký hiệu thép nhóm này là CT và sau đó là trị số độ bền giới hạn ( kG/mm2)
Ví dụ CT38 là thép cacbon thường nhóm A có σb=38 kG/mm2.
Thép loại B là thép cacbon thường qui định về thành phần hoá học, cơ tính không qui định. Loại thép này được dùng trong các kết cấu khi chế tạo phải gia công nhiệt ( rèn, hàn, nhiệt luyện). Theo TCVN ký hiệu thép nhóm này như nhóm A tuy nhiên có thêm chữ B ở đầu và con số theo sau chỉ thành phần hoá học. Thành phần hoấ học của thép B được giới thiệu ở bảng 5-2
Thép loại C là thép cacbon thường được quy định cả về cơ tính lẫn thành phần. Loại thép này trong kí hiệu Việt Nam thêm chữ C, còn Nga có thêm chữ B. Thép loại C thường dùng trong các kết cấu hàn và cốt thép cho bê tông cốt thép.
Bảng5.1. Cơ tính của thép cacbon thường của Việt Nam và Nga
Số hiệu thép σb, N/mm2 δ, % Nga Việt Nam CTO CT31 >310 20 CT1 CT33 320-420 31 CT2 CT38 340-440 29 CT3 CT42 380-490 21 CT4 CT42 420-540 21 CT5 CT51 500-640 17
Bảng5.2. thành phần hóa học của thép B
Số hiệu thép C,% Mn,% Si trong thép % S, % P, %
Nga Việt Nam sôi nửa lặng lặng Không lớn hơn
CTO BCT31 0,23 - - - - 0,06 0,07 CT1 BCT33 0,06-0,12 0,25-0,5 0,05 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04 CT2 BCT34 0,09-0,15 0,25-0,5 0,5 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04 CT3 BCT38 0,14-0,22 0,3-0,65 0,07 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04 CT4 BCT42 0,18-0,27 0,4-0,7 0,07 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04 5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao
Loại thép này có nhiều tính năng cao hơn thép thông dụng, đặc biệt là có độ bền cao hơn trong khi các chỉ tiêu cơ tính khác vẫn đảm bảo yêu cầu của thép xây dựng. Để nâng cao độ bền mà không làm hại nhiều các chỉ tiêu khác nhau, người ta hợp kim hóa thấp thép bằng nhiều nguyên tố hòa tan vào ferit nhưng ít làm hại tính hàn như Mn, Si, Cr, Cu…Để duy trì độ dẻo và độ dai có thể còn hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh như V, Nb để giữ cho hạt nhỏ. Ngoài làm tăng độ bền, hợp kim hóa thấp còn làm tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển, đặc biệt khi thép chứa khoảng 0,2 đến 0,3% Cu.
Tuy có những ưu điểm nhất định song loại thép này cũng có một số nhược điểm như tính hàn có phần hơi kém hay nâng cao nhiệt độ giòn lạnh, dễ bị phá hủy giòn ở nhiệt độ rất thấp. Tiêu chuẩn Việt Nam đối với loại thép này quy định một số mác như sau:
+ loại 1% Mn ( 14Mn, 15MnV, 19Mn) + Loại 2% Mn ( 09Mn2, 14Mn2, 18Mn2) + Loại 1% Mn + 0,6% Si ( 12MnSi, 16MnSi)
5.2.4. Thép làm cốt bê tông
Đây là loại thép chuyên dùng làm cốt cho bê tông làm tăng khả năng chịu kéo, uốn và tải trọng động cho cấu kiện, rất thường gặp hàng ngày. TCVN 1651-85 chia các thép làm cốt bê tông ra làm bốn cấp C I, C II, C III, C IV.
+ Cấp C I là cấp chịu lực kém nhất dùng thép tròn trơn với mác CT38 + Cấp C II là cấp dùng thép có đốt với mác CT51
5.4. Thép chế tạo máy
5.4.1. Các yêu cầu chung
Các chi tiết máy truyền động cần phải có độ cứng vững, độ bền đạt yêu cầu đối với biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, độ tin cậy và độ bền lâu đảm bảo. Trong số các loại vật liệu khác nhau, thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu nêu trên là hợp kim trên cơ sở sắt đó là gang và đặc biệt là thép. Độ cứng vững cao và giá thành rẻ làm cho thép được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các kết cấu trong ngành xây dựng, vỏ, thân máy, ốc vít..Thông thường các loại thép sử dụng chế tạo máy phải đáp ứng được các yêu cầu cơ bản sau:
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 đô dai tốt phù hợp với điều kiện của tải trọng. Độ bền cao sẽ giúp máy có công suất lớn nhưng nhẹ và nhỏ gọn. Tuy nhiên trong chế tạo máy, người ta coi trọng giới hạn chảy vì các chi tiết máy ở dạng lắp ghép không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc
Độ dai va đập rất quan trọng đối với chi tiết máy chịu tải trọng động do phải tăng tải một cách đột ngột. Chính chỉ tiêu này quyết định độ tin cậy khi làm việc, nó đảm bảo khó bị phá hủy giòn. Ngoài ra thep làm chi tiết máy còn đòi hỏi độ cứng cao vì các chi tiết máy cần phải có độ cứng bề mặt cao để đảm bảo tính chống mài mòn khi co sát trong quá trình làm việc
b. Tính công nghệ: Hầu như tất cả các chi tiết máy trước khi trở thành thành phẩm đều phải trải qua các nguyên công cắt gọt để tạo ra hình dạng, hình dáng, kích thước và đô bóng như xác định, vì thế các loại thép chế tạo máy phải có khả năng gia công thích hợp nhằm làm giảm giá thành sản phẩm
c. Về thành phần hóa học thép chế tạo máy theo hàm lượng và tác dụng các nguyên tố hợp kim được chia thành hai nhóm chính và phụ
+ Nhóm 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, Ni
+ Nhóm nguyên tố hợp kim được đưa vào thép với lượng rất nhỏ thường < 0,1% nhằm mục đích cải thiện một vài nhược điểm hay nâng cao một vài tính chất nào đó do nguyên tố chính đưa vào, đó là các nguyên tố Ti, Zr, Nb, V và Mo.
5.4.2. Các nhóm thép chế tạo máy
Có ba nhóm thép 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), muốn đạt độ bền cao phải tôi+ram thấp
+ Thép hóa tốt có thành phần cacbon trung bình, để nâng cao cơ tính phải tôi+ram cao
+ Thép đàn hồi có thành phần cacbon tương đối cao, để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tôi+ram trung bình.
5.5. Thép dụng cụ
Tính chất cơ bản của dụng cụ cắt là tác động lực vào phôi, sản phẩm mà không hay ít bị ăn mòn, do vậy yêu cầu cơ bản là có độ cứng cao và tính chống mài mòn cao. Độ cứng cao và phải cao hơn hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm, do vậy tùy từng loại dụng cụ cần độ cứng yêu cầu tối thiểu khác nhau. Tính chống mài mòn cao để đảm bảo cho dụng cụ làm việc được lâu dài, gia công được khối lượng lớn sản phẩm mà không bị giảm hay mất cấp chính xác. Tuy nhiên cũng phải chú ý đến độ dai va đập, không cho phép thấp giá trị quy định để tránh gãy vỡ.
b.Thành phần hóa học
Cacbon: Cacbon quyết định độ cứng và tính chống mài mòn nên ở những loại dụng cụ cần yêu cầu này cao như dao cắt, dụng cụ biến dạng nguội và dụng cụ đo có yêu cầu cacbon tối thiểu cao hơn. 0,7-1%. Còn đối với các dụng cụ gia công phôi mềm hay ở trạng thái nóng có thể thấp hơn, khoảng 0,3-0,5%.
Hợp kim: Đưa nguyên tố hợp kim với lượng ít vào thép là để tăng tính thấm tôi do vậy làm được các dụng cụ nhỏ với hình dạng tương đối phức tạp. Các nguyên tố hợp kim đưa vào cũng làm tăng tính chống ram do đó nâng cao tính cứng nóng, song do với lượng ít hiệu quả này không đáng kể. Đưa nguyên tố hợp kim ( chủ yếu là W,Mo) với lượng nhiều vào thép, ngoài tác dụng tăng mạnh tính thấm tôi còn có mục đích là gây cản trở mạnh quá trình ram do nâng cao mạnh nhiệt độ phân hóa của mactenxit, nâng cao tính cứng nóng. Chính vì vậy hầu như các dụng cụ làm việc trên máy đều làm bằng thép hợp kim.
5.5.2. Các nhóm thép dụng cụ
Theo bản chất của quá trình gia công, có thể chia các dụng cụ thành ba nhóm lớn sau đây.
+ Dụng cụ cắt (gọi là dao cắt) với đặc trưng tạo hình là tạo ra phoi, như dao tiện, phay, bào, tuốt...
+ Dụng cụ biến dạng với đặc trưng tạo hình bằng biến dạng dẻo như trục cán, khuôn dập, khuôn ép chảy...ở cả trạng thái nguội lẫn trạng thái nóng.
+ Dụng cụ đo như palame, thước cặp, dưỡng.. tuy không làm thay đổi hình dạng, kích thước sản phẩm, nhưng cũng không thể thiếu trong sản xuất cơ khí.
5.5.2.1 Thép hợp kim làm dụng cụ cắt
a. Yêu cầu đối với vật liệu làm dụng cụ cắt
Các loại dao làm việc trong điều kiện phay, bào, doa...tuy có những nét khác biệt song về cơ bản là giống nhau và có thể coi tiện là nguyên công điển hình.
+ Để tạo phoi, lưỡi cắt chịu áp lực rất lớn tạo ra công cơ học để tách kim loại.Vì vậy dao cắt phải có độ cứng cao hơn hẳn phôi. Trường hợp thông dụng ( cắt thép gang thông thường với HB trên dưới 200) dao phải có độ cứng HRC > 60, các trường hợp khác phải thấp hơn hoặc cao hơn gía trị trên. Để đạt được yêu cầu này dao phải được làm bằng thép với lượng cacbon tối thiểu là 0,7%
+ Dao phải có tính chống mài mòn cao để chống tạo thành rãnh lõm, yêu cầu này đặc biệt quan trọng đối với trường hợp gia công chính xác. Tính chống mài mòn của thép phụ thuộc vào các yếu tố sau.
- Độ cứng: có giá trị càng cao tính chống mài mòn càng tốt. Thường là khi độ cứng HRC ở mức cao hơn 60, cư tăng thêm một đơn vị tuổi bền của dao tăng thêm khoảng 25-30%.
- Lượng cacbit dư: càng cao tính chống mài mòn càng cao. Các thép cùng tích và sau cùng tích sau khi tôi tuy hầu như có độ cứng như nhau, song tính chống mài mòn khác nhau, càng xa cùng tích ( tức càng nhiều cacbon tính chống mài mòn càng cao) do nhiều cacbit. Chính vì lý do này phần lớn thép làm dụng cụ cắt có lượng cacbon >1%
+ Công tách phoi và ma sát biến thành nhiệt và phần lớn lại tập trung ở lưỡi cắt làm cho phần này nóng lên rõ rệt, do đó sẽ làm xấu khả năng cắt gọt của dao. Đặc biệt khi cắt gọt với tốc độ cao, nhiệt độ lưỡi cắt cao vượt quá 200-300oC, mactenxit bị phân hóa, độ cứng HRC thấp dưới 60, dao không còn khả năng cắt gọt. Do vậy với dao cắt cần năng suất cao phải đưa vào thép những nguyên tố tạo cho thép tính cứng nóng: chúng hòa tan vào sắt và do có ái lực mạnh với cacbon nên giữ nguyên tố này ở lại trong mactenxit tới 500-600oC. Vì vậy khi cắt gọt với tốc độ cao, dao tuy bị nóng lên song vẫn giữ được tổ chức mactenxit với độ cứng cao đủ để cắt.
b. Thép làm dao có năng suất thấp -Thép cacbon
Loại thép này có các mác CD70, CD80, CD90, CD100, CD110... chúng có các đặc tính như sau:
Ưu điểm: Sau khi tôi + ram thấp có thể đạt HRC> 60 đủ để cắt. Dễ biến dạng nóng, gia công cắt và rẻ
Nhược điểm:
+ Độ thấm tôi thấp, với các dao lớn hơn , lớp tôi mỏng, sau thời gian làm việc khi mài lại không còn đủ độ cứng nên cần phải tôi lại, do đó không thuận tiện khi sử dụng.
+ Tính cứng nóng thấp do mactenxit không được hợp kim hóa, có tính chống ram kém.
-Thép hợp kim
Đó là nhóm thép có thành phần cacbon cao và được hợp kim hóa thấp và vừa phải với đặc tính có độ thấm tôi tốt hơn hay tính chống mài mòn cao.
Loại có tính thấm tôi tốt là loại được hợp kim hóa bằng 1%Cr với mác điển hình 90CrSi. Thành phần hợp kim như vậy có tác dụng:
+ Cải thiện tính thấm tôi vì thế có thể làm dao nhỏ với hình dạng phức tạp như mũi khoan, doa, taro bàn ren, lược ren, phay...
+ Nâng cao chút ít tính cứng nóng. Silic cùng với crôm còn càn trở mạnh quá trình ram ở dưới 250-300oC vì thế có tính cứng nóng đến trên dưới 300oC
90CrSi tương đối rẻ với tính năng làm việc tốt hơn thép cacbon nên được dùng tương đối phổ biến trong chế tạo các loại dao cắt kể trên. Tuy nhiên mác 90CrSi cũng có nhược điểm mà đáng kể nhất là dẽ thoát cacbon khi nung nên phải chú ý bảo vệ khi tôi.
Loại có tính chống mài mòn cao là loại có cacbon rất cao > 1,3% với 0,5%Cr và 4-5%W mác CrW5. Do có cacbon rất cao và nhiều vonfram là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh nên trong thép tồn tại một lượng lớn cacbit làm tăng rất mạnh tính chống mài mòn.
c. Thép làm dao có năng suất cao – Thép gió
+ Tốc độ cắt 35-80mm/phút ( 3 đến 7 lần so với loại trên) + Tính chống mài mòn và tuổi bền cao ( 8 đến 10 lần) + Độ thấm tôi đặc biệt cao ( tôi thấu với tiết diện bất kỳ) Các thành phần của thép gió có tác dụng như sau:
Cacbon biến đổi trong giới hạn khá rộng từ 0,7 đến 1,5% đủ để hòa tan mactenxit và tạo thành cacbit với các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là W, Mo và đặc biệt là V. Khi thêm 1%V phải đưa thêm 0,1-0,15% vào thép. Cả hai tác dụng đó làm cho thép gió cứng và làm tăng mạnh tính chống mài mòn.
Crôm có trong mọi thép gió với lượng giống nhau, khoảng 4% có tác dụng làm tăng độ thấm tôi. Nhờ tổng lượng ( Cr+W+Mo) cao nên thép gió có khả năng tự tôi, tôi thấu với tiết diện bất kỳ và có thể áp dụng tôi phân cấp.
Vonfram là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất không những vì có tỷ lệ cao nhất ( 6-8%) mà chinh là do tạo ra tính cứng nóng cao, nên có suất cao. Là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, vonfram chủ yếu nằm ở dạng Fe3W3C, khi nung nóng nó hòa tan vào austenit nên sau khi tôi mactenxit chứa nhiều vonfram.
Molipden được dùng để thay thế vonfram đắt lại có tỷ lệ quá cao. Môlipden có cấu trúc tinh thể và tính chất rất giống vonfram nên có thể thay thế cho nhau theo tỷ lệ nguyên tử là 1:1, song do môlipden rẻ hơn lại nhẹ hơn vì thế đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Vanadi là nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh. VC rất ít hòa tan vào austenit khi nung, trong thép nó ở dạng các phần tử cứng, phân tán, làm tăng tính chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khi tôi. Mọi thép gió đều có ít nhất 1% V, khi vượt quá 2% tính chống mài mòn tăng lên, song không nên dùng quá 5% vì làm xấu mạnh tính mài.
Côban không tạo thành cacbit, nó chỉ hòa tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn với hàm lượng vượt quá 5% tính cứng nóng của thép gió tăng lên rõ rệt. Nhược điểm của thép gió chứa coban là dễ bị thoát cacbon khi tôi và khi chứa quá nhiều thép bị giòn.
5.5.2.2. Thép làm dụng cụđo
a. Điều kiện làm việc và yêu cầu