Trong các động cơ đốt trong, xupap xả là chi tiết làm việc trong các điều kiện nặng nhất: tải trọng cao, chịu nhiệt độ cao 650 ữ 700oC do khí cháy thải ra và bị mài mòn ở đuôi và cạnh vát khi va đập. Để chế tạo nó người ta dùng hai loại thép mactenxit và austenit với lượng cacbon khoảng 0,40 ữ 0,50% để bảo đảm có tính chống mài mòn nhất định.
Thép chứa crôm cao (9,0 ữ 10,0%) và silic (2%), ngoài ra có thể thêm môlipđen, đó là các nguyên tố vừa nâng cao tính chống ăn mòn hóa học (tạo nên lớp vảy ôxyt Cr2O3, SiO2 bền, xít chặt) vừa có tính chống ram tốt để không làm giảm độ bền, độ cứng khi làm việc ở nhiệt độ cao - tính cứng nóng. Các mác thép thường dùng nhất ở nước ta là ΓOCT 40X9C2 và 40X10C2M, thuộc loại thép mactenxit tự tôi. Nhiệt luyện bao gồm tôi (1000 ữ1100oC) + ram (700 ữ 750oC)
với các chú ý sau.
- nhiệt độ ram cao hơn nhiệt độ làm việc, do đó khi làm việc cơ tính không
bị biến xấu,
- thép mác 40X9C2 bị giòn ram loại II khá mạnh, sau khi ram phải làm nguội trong nước,
- để nâng cao tính chống mài mòn của đuôi là phần chịu ma sát với bề mặt cam mà không chịu nhiệt độ cao, người ta tiến hành tôi đầu mút đó bằng cách nung cảm ứng, ngọn lửa hay điện phân. Sau khi tôi ram thấp đạt độ cứng HRC 45
ữ50.
Tuy nhiên loại thép này có tính bền nóng không cao, chỉ dùng trong các động cơ xăng với công suất nhỏ. Với động cơ điêzen và cường hóa phải dùng thép austenit.
Bảng 5.11. Thành phần hóa học (%) của các mác thép làm xupap xả Tiêu chuẩn Mác thép C Cr Mn Si Mo Ni Họ mactenxit 40X9C2 0,35-0,45 8,0-10,0 0,70 2,0-3,0 - - ΓOCT 40X10C2M 0,35-0,45 9,0-10,5 0,70 1,9-2,6 0,70-0,9 - HNV-1 0,50-0,60 7,5-8,5 0,20-0,60 1,25-1,75 0,60-0,90 - SAE HNV-3 0,40-0,50 8,0-9,0 0,20-0,60 3,0-3,5 - - SUH 1 0,40-0,50 7,5-9,5 0,60 3,0-3,5 - - JIS SUH 3 0,35-0,45 10,0-12,0 0,60 1,8-2,5 0,70-1,30 - Họ austenit ΓOCT 45X14 H14B2M 0,40-0,50 13,0-15,0 0,70 0,80 0,25-0,40 13,0-15,0 SAE EV-9 0,35-0,50 12,0-15,0 1,00 0,30-0,80 0,20-0,50 12,0-15,0 W1,5-3,0 JIS SUH 91 0,35-0,45 14,0-16,0 0,60 1,5-2,5 W2,0-3,0 13,0-16,0 Thép austenit
Thép austenit làm xupap phải có cacbon trung bình 0,35 ữ 0,50%, crôm cao và niken cao để mở rộng khu vực γ. Thép này có nhược điểm là độ cứng thấp HB 160 ữ 200 và không thể nâng cao lên bằng cách tôi, nên đầu mút được thấm nitơ, cạnh vát được hàn đắp bằng stêlit (loại hợp kim cứng nấu chảy có 35%Cr, 1ữ 2%C, còn lại là Co).
5.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao d!ới tải trọng va đập(thép Hadfield) trọng va đập(thép Hadfield)
Đối với các chi tiết bị mài mòn rất mạnh trong điều kiện ma sát do mài sát dưới áp lực cao và va đập [như xích máy xúc, xe tăng, hàm nghiền đập, răng gàu xúc (đất, đá), thanh gạt, ghi (nơi giao nhau) đường sắt...] không thể dùng cách thấm cacbon hay tôi bề mặt vì chúng không đủ tính chống mài mòn, lớp thấm mỏng nên thời gian làm việc quá ngắn. Lúc này phải dùng loại thép hợp kim đặc biệt có độ dai cao nhưng có khả năng tự tăng mạnh độ cứng bề mặt khi làm việc, nhờ đó tăng mạnh tính chống mài mòn, hơn nữa lớp chống mài mòn đó không bao giờ mất đi vì một khi bị mòn đi lớp tự biến cứng khác tiếp theo lại hình thành, điều này ưu việt hơn hẳn tôi bề mặt và hóa - nhiệt luyện. Thép dùng vào mục đích này được gọi là thép Hadfield (do Hadfield tìm ra từ thế kỷ 19), đó là thép hợp kim đặc biệt được dùng ở trạng thái đúc với thành phần cơ bản gồm 0,90 ữ 1,30%C, 11,4 ữ 14,5%Mn (theo TCVN sẽ được ký hiệu là 110Mn13Đ) và tổ chức là austenit.
Như đ∙ biết Mn là nguyên tố mở rộng khu vực γ nên với lượng lớn Mn như vậy thép thuộc loại austenit (tức có tổ chức γ ổn định ở nhiệt độ thường). Với tổ chức austenit thép có độ dai cao, độ cứng thấp, song khi làm việc dưới áp lực cao và bị va đập austenit (với mạng A1 rất nhạy cảm với hóa bền biến dạng - xem lại mục 2.1.3b) bị biến dạng dẻo và biến cứng mạnh, làm tăng mạnh độ cứng và tính chống mài mòn của lớp bề mặt (còn thuyết khác lại cho rằng dưới áp suất cao do va đập, austenit chứa cacbon cao chuyển biến thành mactenxit cacbon cao - 1,10% - nên có độ cứng cao), còn lõi vẫn giữ nguyên tổ chức ban đầu nên vẫn duy trì được độ dai. Để đạt được độ dai, tính chống mài mòn cao như vậy, sau khi đúc thép phải qua dạng nhiệt luyện đặc biệt.
Do có mangan và cacbon cao nên sau khi đúc với tốc độ nguội chậm ngoài austenit ra thép có một lượng lớn Mn3C hay (Fe,Mn)3C được tạo thành nằm ở biên hạt nên làm giảm mạnh độ bền, độ dai và rất giòn, chưa thể đem dùng ngay được. Để làm mất dạng khuyết tật này phải nung vật đúc đến 1050 ữ1100oC, giữ nhiệt lâu để cacbit mangan hòa tan hết vào austenit rồi sau đó làm nguội nhanh trong nước để cacbit không kịp tiết ra và như thế tổ chức thép hoàn toàn là austenit, cơ tính đạt được như sau: σb = 800 ữ 900MPa, σ0,2 = 300 ữ 350MPa, δ = 15 ữ 25%, ψ
= 20 ữ 30%, HB 180 ữ 220. Nguyên công nhiệt luyện đó là austenit hóa (ổn định tổ chức hoàn toàn là austenit) nhưng do cách thực hiện giống với tôi nên trong thực tế vẫn dùng cách gọi này.
Khi sử dụng thép Hadfield phải chú ý tới các đặc điểm sau:
- Thép chỉ có tính chống mài mòn đặc biệt cao với các điều kiện đ∙ nói ở trên, trong các điều kiện không giống như vậy ưu việt này bị hạn chế hoặc mất đi do không tạo được lớp biến cứng bề mặt. Ví dụ, khi phun cát thép Hadfield lại bị mòn rất nhanh (hơn cả thép thường) do tác dụng mài bóc của ứng suất tiếp, răng gàu xúc đất lại bị mòn nhanh hơn khi xúc đá.
- Tuy thép có độ cứng thấp sau khi austenit hóa (HB 200) nhưng tính gia công cắt lại rất kém nếu không muốn nói là không thể gia công nó bằng dụng cụ cắt. Thép được tạo hình chỉ bằng đúc (nếu cần có thể mài thô).
Các mác thép loại này ở Nga là 110Γ13Л , ở Hoa Kỳ theo ASTM A128, ở Nhật là SCMnHx (x là số thứ tự).
5.5.5.Thép và hợp kim sắt có từ tính