Do các yêu cầu về cơ tính, tính công nghệ, kinh tế như trên, thép phải có thành phần hóa học phù hợp.
Cacbon và thép cacbon
Như đ∙ biết cacbon là nguyên tố cơ bản nhất quyết định cơ tính và cả tính công nghệ của thép, nên chọn đúng hàm lượng cacbon là yếu tố quan trọng hàng đầu khi xác định mác thép. Cacbon hóa bền thép song làm giảm độ dẻo, độ dai, làm xấu tính gia công áp lực, gia công cắt và tính hàn.
Do tác dụng như vậy lượng cacbon trong thép kết cấu chế tạo máy thường gặp được quy định khá chặt chẽ: 0,10 ữ 0,65% và tùy theo các yêu cầu khác nhau lại chia ra ba nhóm nhỏ như sau:
- Nhóm yêu cầu nặng về độ dẻo, độ dai: thành phần cacbon thấp 0,10 ữ
0,25%. Muốn có độ bền cao phải tôi + ram thấp, độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon.
- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn chảy và độ dai: thành phần cacbon trung bình 0,30 ữ 0,50%C và tôi + ram cao. Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt.
- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn đàn hồi: thành phần cacbon tương đối cao 0,55 ữ 0,65% và tôi + ram trung bình.
Cách phân chia ba phân nhóm về thành phần cacbon như trên cũng chỉ có tính chất tương đối, có thể xê dịch đôi chút.
Nói chung thép cacbon kết cấu chế tạo máy có tính công nghệ tốt và rẻ, chiếm tỷ lệ tới 80 ữ 90% trong cơ khí, được dùng phổ biến trong chế tạo máy thông dụng để làm các chi tiết chịu tải trọng thấp hay trung bình, có tiết diện nhỏ
(< 20mm), hình dạng đơn giản (để khi phải tôi trong nước không bị nứt). Trong
những điều kiện đó dùng thép cacbon không khác gì thép hợp kim, tức đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao hơn.
Tuy nhiên thép cabon cũng có nhược điểm quan trọng, đó là:
- khi có tiết diện lớn (> 30 ữ 40mm) không thể đạt được độ bền tốt như ở tiết diện nhỏ,
- không thể chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp (tiết diện thay đổi đột ngột),
- tính chống ram kém, không duy trì được độ bền, độ cứng cao sau khi tôi khi bị nung nóng đến 200oC và cao hơn, nên nói chung không làm việc được ở các nhiệt độ đó.
Ngược lại thép hợp kim lại thể hiện ưu việt ở ba mặt trên. Thành phần hợp kim và thép hợp kim
So với thép cacbon, thép hợp kim tuy có đắt hơn, tính công nghệ kém hơn, song bù lại có độ bền cao hơn, đó là ưu điểm quan trọng nhất. Nguyên nhân của nó như đ∙ nói trước hết là do nâng độ thấm tôi, ngoài ra còn do hóa bền ferit, tạo ra cacbit phân tán, giữ cho hạt nhỏ.
Trong thép kết cấu chế tạo máy, theo tác dụng và hàm lượng, các nguyên tố hợp kim được chia thành hai nhóm chính và phụ.
Nhóm các 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 và Ni (ngoài ra có B), với các đặc tính:
- rẻ, dễ kiếm (riêng Ni tuy đắt song vẫn phải dùng khi thật cần), song tổng lượng của chúng đưa vào thường chỉ khoảng 1,0 ữ 3,0%, rất ít khi gặp loại 5 ữ 6%,
- có tác dụng nâng cao độ thấm tôi.
Để nâng cao độ thấm tôi, người ta thấy rằng với một tổng lượng hợp kim như
nhau khi chia ra dùng nhiều nguyên tố (hợp kim hóa phức tạp) có tác dụng mạnh Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
hơn khi chỉ dùng một nguyên tố (hợp kim hóa đơn giản). Ví dụ không dùng thép với 3%Cr vì cho độ thấm tôi (bền) kém hơn 1%Cr + 2%Ni hay 1%Cr + 1%Mn +1%Si. Thường gặp:
- khi tổng lượng hợp kim ~1% dùng một nguyên tố, ví dụ thép crôm;
- khi tổng lượng hợp kim ~2% hay dùng hai nguyên tố, ví dụ thép crôm - niken;
- khi tổng lượng hợp kim ~3% dùng hai hoặc ba nguyên tố, ví dụ thép crôm - mangan - silic;
- khi tổng lượng hợp kim ≥4% dùng hai, ba hoặc bốn nguyên tố.
Nhóm các nguyên tố hợp kim phụ được đưa vào thép với lượng rất ít, thường < 0,1%, cao nhất thường không quá 0,2% với mục đích cải thiện một nhược điểm nào đó do nguyên tố chính đưa vào, đó là Ti, Zr, Nb, V và Mo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Ti, Zr, Nb, V là các nguyên tố giữ cho thép có hạt nhỏ khi nung, đặc biệt trong thép Cr - Mn (Mn có khuynh hướng gây hạt lớn), để đạt mục đích này thường dùng khoảng 0,10%Ti.
- Mo (~ 0,20%) tránh được giòn ram loại II, thường được đưa vào thép Cr - Ni với độ thấm tôi cao có lượng cacbon trong khoảng 0,20 ữ 0,40% (như sau này sẽ biết là loại thép hóa tốt tôi thấu với tiết diện lớn phải qua tôi + ram cao, rất nhạy cảm với giòn ram loại II mà không tránh được bằng biện pháp đơn giản làm nguội nhanh trong nước hoặc dầu). W cũng có tác dụng này nhưng phải dùng nhiều hơn (~ 0,50%) nên ít dùng. Ngoài tác dụng chống giòn ram loại II các nguyên tố này còn có tác dụng nâng cao độ thấm tôi, nên thép crôm - niken - môlipđen (hoặc vonfram) được coi như thép chế tạo máy tốt nhất.
Như vậy thép hợp kim chế tạo máy có những đặc điểm sau:
- tuy có giá thành đắt hơn song về cơ tính nó có độ bền cao hơn, điều này thể hiện rất rõ khi tiết diện lớn nhờ tính thấm tôi cao, đặc biệt là khi tôi thấu sẽ đạt được cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện,
- do tôi dầu, thậm chí có thể áp dụng tôi phân cấp nên có thể làm được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà không sợ nứt hoăc bị biến dạng lớn,
- tính chống ram tốt nên một mặt giữ được độ bền ở nhiệt độ cao hơn, mặt khác trong điều kiện như nhau thép hợp kim được ram ở nhiệt độ cao hơn do đó ứng suất bên trong thấp hơn.