. 100% Độ thắt tiết diện tương đối ψ % : ψ % = 0
CHƯƠNG 8: THẫP KẾT CẤU
8.1.KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THẫP KẾT CẤU :
Thộp kết cấu là thộp được sử dụng với khối lượng lớn nhất để chế tạo cỏc chi tiết mỏy và kết cấu chịu tải. Chỳng đỏp ứng được cỏc yờu cầu khỏc nhau về cơ tớnh, chớnh xỏc về hỡnh dạng, kớch thước và đạt được độ búng bề mặt theo yờu cầu lắp rỏp.
8.1.1.Yờu cầu của thộp kết cấu :
1-Cơ tớnh tổng hợp cao :
Đõy là yờu cầu cơ bản nhất vỡ nú quyết định khả năng chịu tải và thời gian làm việc cho chi tiết mỏy trong điều kiện tải trọng quy định.
a-Độ bền cao : nếu độ bền cao sẽ giỳp cho mỏy múc cú cụng suất lớn hơn, nhỏ gọn hơn và tuổi thọ cao hơn. Trong cỏc chi tiết mỏy ứng suất sinh ra khụng được lớn hơn giới hạn chảy vỡ khụng được phộp biến dạng dẻo. Do vậy giới hạn chảy cao là yờu cầu quan trọng nhất về cơ tớnh của thộp kết cấu.
b-Độ dai va đập cao : đõy là chỉ tiờu rất quan trọng vỡ chi tiết mỏy thường làm việc trong điều kiện tải trọng động. Chỉ tiờu này quyết định độ tin cậy khi làm việc, đảm bảo cho chi tiết khụng bị phỏ huỷ dũn. Đõy là yờu cầu đặc biệt quan trọng đối với cỏc phương tiện giao thụng.
c-Giới hạn mỏi cao : Khỏ nhiềỡu chi tiết làm việc trong điều kiện tải trọng thay đổi cú chu kỳ cần phải cú giới hạn mỏi cao để trỏnh phỏ huỷ mỏi.
d-Tớnh chống mài mũn cao : Chi tiết mỏy làm việc trong điều kiện ma sỏt và mài mũn mạnh, do vậy bề mặt của chỳng phải cú độ cứng cao để chống mài mũn tốt. Nõng cao tớnh chống mài mũn bằng nhiệt luyện.
2-Tớnh cụng nghệ tốt :
Do được sản xuất với số lượng lớn và phải qua cỏc dạng gia cụng như biến dạng núng, cắt gọt ...nờn thộp phải cú tớnh cụng nghệ tốt để hạ giỏ thành gia cụng. Hầu hết chi tiết mỏy đều phải qua nhiệt luyện để đảm bảo cỏc yờu cầu về cơ tớnh. Do vậy nếu thộp cú độ thấm tụi cao, dễ nhiệt luyện cũng gúp phần hạ giỏ thành đỏng kể.
3-Tớnh kinh tế :
Do sản lượng lớn, chủng loại nhiều nờn yờu cầu giỏ thành của thộp phải rẻ. Tuy nhiờn yờu cầu này phải đặt sau độ bền. Trong một số trường hợp quan trọng phải dựng thộp quý thỡ cú thể bỏ qua yờu cầu này.
8.1.2.-Thành phần hoỏ học :
Thộp kết cấu phải cú thành phần hoỏ học phự hợp để cú thể đỏp ứng được cỏc yờu cầu nờu trờn.
1-Cỏc bon : là nguyờn tố cơ bản nhất quyết định cơ tớnh và tớnh cụng nghệ của thộp kết
cấu. Do đú hàm lượng cỏc bon trong thộp kết cấu quy định khỏ chặt chẽ từ 0,10ữ 0,65%. Tuỳ từng trường hợp cụ thể lại chia làm ba nhúm nhỏ như sau :
-Nhúm yờu cầu chủ yếu về độ dẻo, độ dai cú lượng cỏc bon thấp : 0,10ữ 0,25% -Nhúm yờu cầu chủ yếu về giới hạn chảy và độ dẻo cú lượng cỏc bon trung bỡnh : 0,30ữ 0,50%
-Nhúm yờu cầu chủ yếu về giới hạn đàn hồi cú lượng cỏc bon tương đối cao : 0,55ữ 0,65%.
2-Thành phần hợp kim :
Cỏc nguyờn tố hợp kim được đưa vào thộp kết cấu nhằm mục đich nõng cao độ bền do nõng cao độ thấm tụi và hoỏ bền pherit, tạo cỏc bớt phõn tỏn và giữ cho hạt nhỏ. Tuy nhiờn tớnh cụng nghệ của thộp hợp kim sẽ xấu hơn và cú giỏ thành cao hơn. Cỏc nguyờn tố hợp kim sử dụng trong thộp kết cấu chia ra lam hai nhúm :
a-Nhúm cỏc nguyờn tố hợp kim chớnh : là cỏc nguyờn tố chiếm tỷ lệ chủ yếu trong cỏc nguyờn tố đưa vào, cú tỏc dụng nõng cao độ bền nhờ nõng cao độ thấm tụi. Gồm cú cỏc nguyờn tố sau : Cr, Mn, Si, Ni (đụi khi cả B) với tổng lượng đưa vào 1ữ 3% cao nhất 5ữ 6%. Chỳng cú đặc điểm là :
-Rẻ, dễ kiếm
-Nõng cao độ thấm tụi. Để đạt được mục đớch này người ta thường dựng hợp kim húa phức tạp (với tổng lượng xỏc định sử dụng nhiều nguyờn tố hợp kim).
b-Nhúm cỏc nguyờn tố hợp kim phụ : được đưa vào thộp với số lượng rất ớt thường < 0,10% cao nhất khụng quỏ 0,20% với mục đớch cải thiện một nhược điểm nào đú của nguyờn tố hợp kim chớnh gồm cú : Ti, Zr, V, Nb, Mo.
8.2.THẫP THẤM CÁC BON : 8.2.1.Thành phần hoỏ học :
Thộp thấm cỏc bon là loại thộp cú thành phần cỏc bon thấp : 0,10ữ 0,25% (một số trường hợp đến 0,30%) để chế tạo cỏc chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhưng bề mặt bị mài mũn mạnh như : bỏnh răng, cam, chốt... Đặc điểm nhiệt luyện của chỳng là thấm cỏc bon, tụi và ram thấp.
1-Cỏc bon : lượng cỏc bon trong thộp trong khoảng 0,10 - 0,25% để đảm bảo lừi cú độ
dẻo, dai cao và sau khi nhiệt luyện đạt độ bền cao nhất.
2-Hợp kim : cỏc nguyờn tố hợp kim phải cú hai tỏc dụng nõng cao độ thấm tụi và thỳc
đẩy quỏ trỡnh thấm (hoặc khụng cản trở quỏ trỡnh thấm). Nguyờn tố chủ yếu đựơc dựng là crụm và kết hợp với mangan, niken.
8.2.2.Thộp cỏc bon :
Thường dựng cỏc mỏc thộp sau : C10, C15, C20, C25 và cả CT38. Đặc điểm của chỳng là :
-Sau khi thấm cỏc bon và nhiệt luyện đạt độ cứng bề mặt 60ữ 62 HRC, chống mài mũn tốt, lừi cú độ cứng 30ữ 40 HRC độ dẻo tốt, độ dai cao, độ bền tốt 500ữ 600 MN/m2
-Độ thấm tụi thấp nờn phải tụi trong nước, độ biến dạng lớn, khụng làm được cỏc chi tiết cú hỡnh dỏng phức tạp.
-Nhiệt độ thấm khụng vượt quỏ 900OC, tốc độ thấm nhỏ, thời gian thấm dài, hạt lớn. Sau khi thấm phải thường hoỏ, tụi hai lần và ram thấp độ biến dạng lớn.
Cụng dụng : làm cỏc chi tiết nhỏ (φ < 20 mm), khụng quan trọng, hỡnh dỏng đơn giản, yờu cầu chống mài mũn khụng cao lắm như : phụ tựng xe đạp, xe kộo (trục, cụn, nồi, bi...).
8.2.3.Thộp crụm :
Thường dựng cỏc mỏc thộp sau : 15Cr, 20Cr, 15CrV, 20CrV. Chỳng cú đặc điểm sau :
-Sau khi thấm cỏc bon và nhiệt luyện đạt độ cứng 60-62 HRC, độ bền và tớnh chống mài mũn cao hơn một ớt (độ bền đạt 700ữ 800 MN/m2.)
-Làm cỏc chi tiết tương đối phức tạp do tụi trong dầu độ biến dạng nhỏ.
-Nhiệt độ thấm 900ữ 920OC, tốc độ thấm nhanh hơn, hạt khụng lớn lắm. Tuy vậy vẫn phải tụi hai lần và ram thấp.
Cụng dụng : làm cỏc chi tiết tương đối phức tạp , nhỏ (φ =20ữ 40 mm) như : bỏnh răng, trục bậc, chốt cần tớnh chống mài mũn cao.
8.2.4.Thộp crụm-niken và crụm-niken-mụlipđen :
a-Thộp crụm -ni ken : nhúm thộp này cú đặc điểm sau :
-Sau khi thấm cỏc bon tụi và ram thấp độ cứng đạt 60ữ 62HRC, tớnh chống mài mũn cao hơn, độ bền đạt 1000-1200 MN/m2
-Cú độ bền cao kết hợp với độ dẻo tốt : đõy là ưu điểm nổi bật của thộp Cr-Ni mà khụng cú nhúm thộp nào sỏnh được
-Độ thấm tụi rất cao, làm được cỏc chi tiết lớn (chiều dày hay φ đến 100 mm) -Nhiệt độ thấm cỏc bon 900ữ 920OC
Chỳng được chia ra làm hai loại :
-Loại hợp kim thấp chứa 0,50ữ 1,00%Cr, Ni > 1% cú độ thấm tụi cao và tụi trong dầu. Tuy nhiờn hiệu quả kinh tế của nú khụng cao nờn ớt sử dụng. Mỏc thộp điển hỡnh là 20CrNi được dựng làm cỏc chi tiết hỡnh dỏng phức tạp, kớch thước trung bỡnh (50ữ 70mm), chịu tải trọng va đập cao như bỏnh răng trong ụ tụ du lịch và xe tải nho.ớ
-Loại Crụm -niken cao : lượng niken từ 2-4% và Cr trờn dưới 1%, độ thấm tụi rất cao, cú thể tụi thấu tiết diện đến 100 mm. Gồm cỏc mỏc sau : 12CrNi3A, 20Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA. Loại thộp này cú nhược điểm là : giỏ thành cao (Ni là nguyờn tố dắt), tớnh gia cụng cắt kộm do quỏ dẻo và nhiệt luyện phức tạp sau khi thấm cỏc bon. Cụng dụng : làm cỏc chi tiết thấm cỏc bon rất quan trọng, chịu tải trọng nặng và mài mũn mạnh, yờu cầu cú độ tin cậy cao như cỏc chi tiết rong mỏy bay, ụ tụ.
b-Thộp crụm-niken-mụlipđen : Trờn cơ sỏ thộp crụm -niken cao nhưng cú thờm 0,10ữ 0,40% Mo để nõng cao thờm độ thấm tụi. Đõy là nhúm thộp thấm cỏc bon tốt nhất, sử dụng vào cỏc mục đớch quan trọng nhất và cho cỏc chi tiết cú tiết diện lớn nhất. Bao gồm cỏc mỏc thộp sau : 20CrNi2Mo, 18Cr2Ni4MoA.
8.2.5.Thộp crụm-mangan-titan :
Nhúm thộp này cú cỏc chỉ tiờu kinh tế kỹ thuật cao được sử dụng khỏ phổ biến lamỡ cỏc bỏnh răng trong ụ tụ tải nhẹ và trung bỡnh. Giỏ thành của chỳng thấp (khụng chứa niken), độ bền tương đương thộp crụm niken nhưng độ dẻo và độ dai kộm hơn. Ưu điểm của nhúm thộp này là cú tớnh cụng nghệ tốt hơn : khụng bị quỏ bóo hoà cỏc bon, hạt khụng lớn nờn cú thể nõng cao nhiệt độ thấm đến 930ữ 950OC, tụi trực tiếp ngay sau khi thấm, độ biến dạng nhỏ. Gồm cỏc thộp : 18CrMnTi, 25CrMnTi.
8.3.THẫP HOÁ TỐT :
Là loại thộp cú thành phần cỏc bon trung bỡnh 0,30ữ 0,50% dựng để chế tạo cỏc chi tiết mỏy chịu tải trọng tĩnh và va đập tương đối cao bề mặt cú thể bị mài mũn như trục, bỏnh răng, chốt, tay biờn ...Chế độ nhiệt luyện cỳa chỳng là tụi và ram cao ( nhiệt luyện hoỏ tốt)
8.3.1.Thành phần hoỏ học :
1-Cỏc bon : trong giới hạn từ 0,30ữ 0,50% sẽ đảm bảo sự kết hợp tốt nhất giữa cỏc chỉ tiờu về cơ tớnh : độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai (cơ tớnh tổng hợp). Trong thực tế sử dụng phổ biến nhất là từ 0,35ữ 0,45 %C
2-Hợp kim : để đảm bảo cơ tớnh tổng hợp cao và đồng đều trờn toàn bộ tiết diện cỏc
nguyờn tố hợp kim phải sử dụng hợp lý, tiết diện càng lớn, lượng nguyờn tố đưa vào càng cao. Nguyờn tố hợp kim chớnh là crụm, mangan khoảng 1ữ 2%, niken 1ữ 4%. Ngoài ra cú thể dựng thờm silic khụng quỏ 1%. Ngày nay cú xu hướng dựng thờm bo với hàm lượng 0,0005ữ -0,003%. Nguyờn tố hợp kim phụ là mụlipđen và vonfram chủ yếu để chống giũn ram cho cỏc chi tiết lớn.
8.3.2.Đặc điểm về nhiệt luyện :
Để cải thiện tớnh gia cụng cắt gọt sau khi tạo phụi bằng rốn, dập núng thộp được ủ hoàn toàn đạt độ cứng 180ữ 220 HB (thộp crụm-niken phải thường hoỏ).
Nhiệt luyện kết thỳc gồm hai bước :
-Bước thứ nhất tạo cho lừi cú cơ tớnh tổng hợp cao để chịu được tải trọng tĩnh và va đập bằng tụi và ram cao, tổ chức nhận được là xoocbit ram (độ cứng 25ữ 30HRC). Tổ chức này cũn cú tỏc dụng tạo được độ búng cao khi cắt gọt và giỳp cho chuyển biến xảy ra nhanh chúng, nhận được mỏctenxit mhỏ mịn.
-Tạo cho bề mặt độ cứng cao và tớnh chống mài mũn lớn bằng tụi bề mặt và ram thấp (độ cứng đạt 52ữ 58HRC). Ngoài ra cú thể dựng thấm ni tơ hay thấm cỏcbon - ni tơ khi cần độ cứng cao hơn.
8.3.3.Thộp cỏc bon :
Thường sử dụng cỏc mỏc sau : C30, C35, C40, C45, C50 nhưng thụng dụng nhất là C45. Đặc điểm của nhúm thộp này là đỏp ứng được cỏc yờu cầu đề ra nhưng ở mức thấp. Cụ thể như sau :
-Độ bền thấp do độ thấm tụi nhỏ, độ bền 750ữ 850MN/m2
-Khụng làm được cỏc chi tiết lớn và hỡnh dỏng phức tạp do tụi trong nước. -Rẻ và cú tớnh cụng nghệ tốt.
Cụng dụng : làm cỏc chi tiết mỏy nhỏ (φ =20ữ 30mm) như : thanh truyền, chốt phẳng, trục, bỏnh răng bị động ...
8.3.4.Thộp crụm :
Thường dựng loại thộp chứa 0,50ữ 1,00% crụm chủ yếu để nõng cao độ thấm tụi khi tụi trong dầu. Gồm cỏc mỏc thộp : 35Cr, 40Cr, 45Cr, 50Cr, nhưng thụng dụng nhất là 40Cr và 40CrVA. So với nhúm thộp cỏc bon chỳng cú đặc điểm :
-Độ bền cao hơn do được hợp kim hoỏ bằng crụm nờn độ thấm tụi cao, độ bền đạt được 800ữ 950MN/m2.
-Làm được cỏc chi tiết cú tiết diện trung bỡnh hỡnh dỏng tương đối phức tạp như trục bậc, bỏnh răng trong mỏy cắt kim loại và tụi trong dầu.
-Bị dũn ram loại hai (với chi tiết nhỏ làm nguội nhanh sau khi ram).
8.3.5.Thộp crụm - mụlipđen :
Cho thờm khoảng 0,25% mụlipđen sẽ nõng cao độ thấm tụi và chống dũn ram loại hai. Thường dựng nhất là mỏc thộp 38CrMoA làm cỏc chi tiết mỏy trung bỡnh (φ > 50mm) hỡnh dỏng tương đối phức tạp như bỏnh răng.
8.3.6.Thộp crụm-mangan hay crụm-mangan-silớc :
Loại thộp này cú 1%Cr, 1%Si hay 1%Cr, 1%Mn, 1%Si do được hợp kim hoỏ phức tạp nờn cú độ thấm tụi cao hơn, độ bền đạt 1000-1100MN/m2, dựng làm cỏc chi tiết khỏ lớn (φ = 50ữ 60mm). Tuy nhiờn do hợp kim hoỏ cả Si lẫn Mn nờn cứng hơn và dũn hơn, khụng được dựng phổ biến lắm. Thụng dụng nhất là cỏc mỏc 40CrMn, 38CrMnSi.
8.3.7.Thộp crụm-niken và crụm-niken-mụlipđen :
Do được hợp kim hoỏ cả crụm và niken nờn loại thộp này cú độ thấm tụi cao mà vẫn giữ được độ dẻo và độ dai tốt, đặc biệt là khi niken cao ≥ 3% và cú thờm Mo. Chỳng được phõn ra ba nhúm nhỏ :
-Thộp crụm-niken thường : chứa khoảng 1%Cr và 1%Ni, do niken thấp nờn độ thấm tụi chưa cao, làm cỏc chi tiết φ 50ữ 60 mm, cú độ bền 700ữ 800MN/m2,aK = 700kJ/m2. Gồm cỏc mỏc thộp sau : 40CrNi, 45CrNi, 50CrNi thụng dụng nhất là 40CrNi. Đặc điểm của loại thộp này là :
+Độ bền tương đối cao kết hợp với độ dẻo độ dai tốt.
+Làm được cỏc chi tiết cú tiết diện khỏ lớn và hỡnh dỏng phức tạp. +Tớnh gia cụng cắt khụng cao lắm (do khỏ dẻo)
+Bị dũn ram loại hai.
Cụng dụng : là cỏc chi tiết chịu tải trọng động cao và cần độ tin cậy cao như hệ thống lỏi ụ tụ, chi tiết truyền lực trong mỏy bay...
-Thộp crụm - niken cao : loại thộp này chứa khoảng 1ữ 2%Cr, 2ữ 4%Ni (tỷ lệ Ni/Cr khoảng 3-4). Điển hỡnh là mỏc 30CrNi3A, cú độ thấm tụi lớn, cú thể tụi thấu với φ >100mm, trong thực tế được xem là tụi thấu với tiết diện bất kỳ. Độ bền đạt 1100MN/m2 , aK = 800kJ/m2. Tuy nhiờn cũng bị dũn ram loại hai và tớnh gia cụng cắt kộm. Cụng dụng như nhúm thộp Cr-Ni nhưng với kớch thước lớn hơn và hỡnh dỏng phức tạp hơn.
-Thộp crụm-niken-mụlipđen : loại thộp này dựa trờn cơ sở thộp crụm niken cao và cho thờm vào khoảng 0,1ữ 0,40%Mo. Đõy là loại thộp chế tạo mỏy tốt nhất do độ thấm tụi lớn, độ bền cao (σ B = 1200MN/m2 , aK = 800kJ/m2)., làm được chi tiết lớn, (φ ≥ 100 mm) hỡnh dỏng phức tạp và khụng bị dũn ram loại hai. Gồm cỏc mỏc thộp : 38CrNi3MoA, 38Cr2Ni2MoA, 38CrNi3MoVA và 38CrMoAlA (thộp thấm ni tơ). Cụng dụng như nhúm thộp trờn nhưng với kich thước lớn hơn nhiều và hỡnh dỏng phức tạp hơn, độ tin cậy cao nhất.
8.4.THẫP ĐÀN HỒI :
Thộp đàn hồi là loại thộp cú hàm lượng cỏc bon tương đối cao : 0,55ữ 0,65%, cú tớnh đàn hồi cao để là cỏc chi tiết như lũ xo, nhớp và cỏc chi tiết đàn hồi khỏc. Đặc điểm nhiệt luyện của chỳng là tụi và ram trung bỡnh.
8.4.1.Điều kiện làm việc và yờu cầu :
Đặc điểm làm việc của chi tiết đàn hồi là chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhưng khụng được phộp biến dạng dẻo. Cỏc yờu cầu của thộp đàn hồi :
-Giới hạn đàn hồi cao, khả năng chống biến dạng dẻo lớn. Tỷ lệ σ đh/σ B càng gần đến một càng tốt, thụng thường đạt từ 0,85ữ 0,95.
-Độ cứng khỏ cao, độ dẻo và dai thấp để trỏnh bị biến dạng dẻo (khụng được quỏ thấp dễ bị phỏ huỷ dũn)
-Giới hạn mỏi cao để phự hợp với điều kiện tải trọng thay đổi cú chu kỳ.
8.4.2.Đặc điểm về thành phần hoỏ học và chế độ nhiệt luyện :
1-Thành phần hoỏ học :
-Cỏc bon : để thoó món cỏc yờu cầu trờn lượng cỏc bon từ 0,55ữ 0,70% nhưng