Sau một thời gian làm việc, các chi tiết máy bị mònđi do sự ma sát lẫn nhau giữa chúng, do tác dụng của môi trường làm việc nhưdòng nước, khí, do sựmài sát của các hạt cứng trên bềmặt chi tiết,… Cơ chếmài mòn trong các trường hợp đó là khác nhau.
Các thép và hợp kim có tính chống mài mòn cao dùng trong kỹthuật có bốn dạng chính. Thép có độ cứng cao và không có điểm mềm sau khi tôi như thép ổ bi, thép khuôn dập nguội loại 210Cr12,… Hoặc có thể dùng các thép khác nâng cao độ cứng
bềmặt bằng cách tôi bềmặt, hóa nhiệt luyện,…
Thép có độ cứng không cao nhưng có thể tựbiến cứng lớp bề mặt khi làm việc nên có tính chống mài mòn rất cao như thép Hatfind.
Thép có độ cứng thấp nhưng có khả năng tự bôi trơn như thép graphit. Hợp kim trên cơ sở cacbit đúc hoặc thiêu kết
2.6.1.1. Thépổ lăn
Ổ lăn (ổ bi hayổ đũa) là chi tiết thường gặp trong máy móc các loại, chúng được làm từ loại thép hợp kim chuyên dùng- thép ổ lăn, và được chế tạo ở các nhà máy chuyên môn hóa- nhà máyổbi.
Các bề mặt làm việc củaổ lăn bao gồm vòng ổ, bi, đũa. Khi làm việc chúng chịu ứng suất tiếp xúc cao với số lượng chu kỳ ứng suất lớn, do trượt lăn với nhau, ở từng thời điểm, chúng bịmài mònđiểm,… Đểthỏa mãn các yêu cầu làm việc đó, thép ổ lăn phải có độ bền mỏi tiếp xúc và chống mài mòn cao, do đó phải có độ cứng cao và đồng nhất.
a.Đặc điểm vềthành phần hóa học
Để đảm bảo sau khi tôi có độcứng cao và tính chống mài mòn tốt, lượng cacbon của thép phải cao (khoảng 1%C). Để đảm bảo không có điểm mềm lượng tạp chất phi kim loại phải thấp ít hơn 0,02%S, ít hơn 0,027%P và không có rỗ xốp. Ngoài ra tổ chức của thép phải đồng nhất, không có thiên tích cacbit, cacbit dư phải nhỏ mịn và phân bố đều. Tóm lại là loại thép có chất lượng cao.
Để tăng độ thấm tôi bảo đảm cơ tính đồng đều từ ngoài vào trong lõi thépđược hợp kim hóa bằng 0,6-1,5%Cr, đôi khi có cảMn, Si, Mo.
b. Các mác và ví dụ ứng dụng
Theo TCVN 4805-90, thépổ lăn được ký hiệu bằng chữOL với con sốchỉ lượng cacbon tính theo phần vạn và lượng nguyên tố hợp kim tính theo phần trăm. Hiện chúng ta sửdụng phổbiến hai loạiổ lăn OL100Cr2, OL100Cr2SiMn.
Thép ổ lăn nêu trên là loại thép tốt, vềthành phần tương đương thép dụng cụdo vậyở các nhà máy cơ khí người ta còn dùng làm trục cán nguội, tarô, bàn ren, dụng cụ đo, các chi tiết vòi phun cao áp,… Với loại ổ lăn nhỏ có chiều dày hoặc đường kính bi nhỏ hơn 20mm có thểdùng loại thép có lượng crôm thấp hơn (chỉkhoảng 0,5%Cr).
Với cácổ đũa rất lớn đường kínhổtừ 0,5m đến trên 2m người ta dùng thép thấm cacbon loại tốt như20Cr2Ni4A
Các ổ lăn làm việc trong môi trường ăn mòn (nước biển, dung dịch axit sunfuric 5-15%, dung dịch kiềm) phải dùng thép không gỉ crôm cao loại 18%Cr và cacbon cao 0,9%C là mác 90Cr18.
Các ổ lăn chịu nóng đến 400-5000C (trong động cơ tuốc bin của máy bay) phải dùng thép gió loại 90W9Cr4V2Mo, hoặc 85W6Mo5Cr4V2,…
2.6.1.2. Thép Hatfind (thép mangan cao)
Thép Hatfind được áp dụng trong công nghiệp từ cuối thế kỷ trước, đến nay nó vẫn có thành phần như lúc ban đầu 1,3%C và 13%Mn (tỷ lệ %Mn/%C=10), với ký hiệu là 130Mn13Đ (chữ Đ có nghĩa là đúc). Đây là lo ại thép đúc, có tổ chức austenite do chứa nhiều mangan là nguyên tố mở rộng vùng γvới độ cứng thấp khoảng 200HB và độdẻo dai cao. Khi làm việc bị ma sát dưới áp lực lớn và chịu tải trọng va đập, lớp bềmặt của thép bịbiến dạng dẻo, xảy ra hai quá trình.
Biến cứng do biến dạng nguội, mạng tinh thểaustenite bị xô lệch, các hạt bị chia nhỏthành tổchức siêu hạt (hay bloc).
Tạo thành mactenxit dưới tác dụng của ứng suất cao, một phần austenite chuyển biến thành mactenxit và được gọi là mactenxit biến dạng. Do lượng cacbon của thép cao nên mactenxit tạo thành có độcứng rất cao.
Kết quả là lớp bị biến dạng dẻo và biến cứng có độ cứng cao tới 600HB, có tính chống mài mòn rất cao. Hơn nữa trong quá trình làm việc nếu lớp cũ bị mònđi thì lới mới lại bị biến dạng dẻo và hóa bền. Về mặt này, thép Hatfind tốt hơn hẳn các thép được tôi bềmặt hoặc hóa nhiệt luyện.
Do có tổchức austenite, thép có độ dai cao, độbền tốtσb=800-1000MPa,σ0,2=400- 500MPa,δ=50-60%, ak=2000kJ/m2, nên có thểlàm việc tốt dưới tải trọng va đập.
Tính chống mài mòn của thép 130Mn13Đ đạt được giá trị cao nhất khi nó có tổ chức hoàn toàn austenite. Sauk hi đúc, ngoài austenite vẫn còn có mangan cacbit tiết ra (do lượng C và Mn của thép cao). Muốn hòa tan hết sốcacbit này phải nung nóng thép lên đến 1050-11000C, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh trong nước (gọi là tôi), tổ chức austenite được cố định lại hoàn toànởnhiệt độ thường.
Công dụng của thép Hatfind để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn mạnh dưới áp suất cao và dưới tải trọng va đập như ghi ray, răng gầu xúc, xích xe tăng, xích xe kéo, máyủi, cổ biên máy đập đá, vỏ máy nghiền, bi nghiền.
Cần lưuý
Sau khi đúc không thểtiến hành gia công cơ thép Hatfind bằng cách cắt gọt, cách duy nhất có thểtiến hành được là mài, do vậy phải chú ý khi thiết kế, chế tạo các chi tiết bằng thép này.
Thép này có tính chống mài mòn không cao khi bị mài sát, do đó không thích hợp với phun cát, do ở đây các hạt cứng được chuyển động với tốc độ nhanh nhưng với áp lực nhỏ.
2.6.1.3. Thép graphit hóa
Nếu trong tổ chức của thép kết cấu thông thường có graphit thì mặc dầu không làm tăng độ cứng nhưng lại tăng mạnh tính chống mài mòn do tác dụng bôi trơn của graphit trên bềmặt ma sát. Loại thép này được gọi là thép graphit hóa.
Để có được thép graphit hóa người ta phải dùng phôi thép cacbon cao 1,5-2% và lượng silic cao 1-2% rồi tiến hành ủ graphit hóa theo chế độ gần như ủ gang dẻo. Trong quá trìnhủgraphit hóa, một phần xementit bị phân hóa thành graphit. Sau khiủ, thép có tổ chức gồm hỗn hợp ferit, xementit và graphit. Tuỳ thuộc vào lượng cacbon và chế độnhiệt luyện, lượng graphit trong thép có thểbiến đổi trong phạm vi rộng.
Sau khi tôi, độcứng của thép có thể đạt tới 63HRC, lại có graphit bôi trơn tốt nên thép có tính chống mài mòn rất cao. Ví dụ, dùng thép graphit hóa làm khuôn kéo và khuôn dập nguội, tuổi thọcủa khuôn cao gấp 2-3 lần so với thép 210Cr12. Ngoài ra có thể dùng thép này ở trạng thái ủ thay cho hợp kim Cu để chế tạo bạc lót (ổ trượt) và chi tiết khác làm việc trong điều kiện ma sát.
2.6.1.4. Hợp kim cacbit đúc
Như đã biết, pha cacbit trong thép có tác dụng nâng cao khả năng chống mài mòn cho thép, vì chúng cóđộcứng rất cao và bền vững. Bằng cách nào đó có thể chếtạo ra vật liệu gồm chủ yếu là các loại cacbit, chúng chắc chắn sẽcó tính chống mài mòn rất cao. Hiện nay trong công nghiệp có hai phương pháp chính để chế tạo ra loại vật liệu này: phương pháp luyện kim bột (thiêu kết) và phương pháp nấu chảy (đúc). Phương pháp đi từ bột rồi qua ép và thiêu kết sẽ được đề cập trong mục hợp kim cứng. Ở đây chỉ đềcập đến sản phẩm của phương pháp nấu chảy, đó là các hợp kim cacbit đúc.
Hợp kim cacbit đúc là loại hợp kim trên cơ sở của Fe, chứa một lượng lớn cacbon (ít hơn 4%) và nguyên tố tạo cacbit (chủ yếu Cr, ngoài ra có thể dùng W, V, Mn…) do vậy tổ chức gồm một lượng lớn các loại cacbit (40-60%), bảo đảm tính chống mài mòn rất cao, dùng ở trạng thái đúc hoặc tráng lên các chi tiết và dụng cụ chịu mài mòn.
Để làm các chi tiết máy nông nghiệp, bunke, xe chở quặng không chịu va đập nhiều, có thểdùng các hợp kim 250Cr28, 300Cr23B2Si2Ti. Tổchức của hợp kim gồm một lượng lớn cacbit thứnhất và lêđêburit (cacbit và mactenxit).
Đểlàm các chi tiết va đập tương đối cao như răng máy xúc, đầu búa có thểdùng các hợp kim 350Cr7Mn7Si, 300Cr26Ni4Si4Mn. Tổ chức của hợp kim gồm các phần tửcacbit nhỏmịn trên nền austenite-mactenxit.
Để làm các chi tiết chịu tải trọng va đập cao như dao cắt đất cứng, gầu máy xúc quặng sắt,… có thể dùng hợp kim 110Mn13, 300Mn4, 110Cr14W13V2MnSi để tráng lên bề mặt chi tiết. Tổ chức của hợp kim gồm các phần tử cacbit trên nền austenite hoặc austenite-mactenxit.