Thép thấm cacbon là loại thép có lượng cacbon thấp (0,1-0,25%), dùng để chế tạo các chi tiết truyền lực (bánh răng, cam, chốt xích, đĩa ma sát…), đòi hỏi trong lõi dẻo dai chịu va đập, sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp, có bề mặt cứng vững chịu được mài mòn.
a.Đặc điểm vềthành phần hóa học
Về thành phần cacbon, để đảm bảo lõi chi tiết có độ dai va đập cao, thành phần cacbon của thép nằm trong giới hạn 0,1%-0,25%C. Hiện nay có xu hướng dùng thép với lượng cacbon trên dưới 0,3% để nâng cao độbền của lõi, nhất là với chi tiết lớn.
Về các nguyên tố hợp kim, đối với thép thấm cacbon, các nguyên tố hợp kim ngoài khả năng làm tăng tính thấm tôi còn phải có tác dụng thúc đẩy (hoặc không cản trở) sựthấm cacbon vào thép và không làm hạt lớn, thường là các nguyên tốtạo cacbit Cr, Mn, Mo, V, Ti… Không dùng loại thép chỉ hợp kim bằng Mn vì nó làm hạt lớn (trong trường hợp này phải có thêm Ti để giữ cho hạt nhỏ). Đặc biệt nguyên tố Ni ngoài tác dụng tăng độ thấm tôi còn có tác dụng giữ hạt nhỏ và tăng mạnh độ dai va đập, các thép thấm cacbon tốt nhất có thểchứa tới 2-4%Ni.
Còn các nguyên tố như Si, Co không được coi là nguyên tố hợp kimđối với thép thấm cacbon, vì chúng ngăn cản C thấm vào thép.
thép hợp kim có độ thấm tôi lớn hơn nên độ bền lõi cao, ít biến dạng khi tôi và làm được chi tiết lớn hơn, có thể thấm ở nhiệt độ cao hơn. Khi độ cứng bề mặt như nhau thì tính chống mài mòn của thép hợp kim cao hơn do tạo nên cacbit ổn định với độ phân tán cao.
Cơ tính của thép thấm cacbon sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp như sau: -Độcứng bềmặt 59-63HRC, lõi 30-42HRC;
-Độ dai va đập ak = 700-1200kJ/m2; -Độbền kéoσb= 600-1200MPa.
Giới hạn dưới của độ dai và độ bền ứng với thép cacbon và hợp kim thấp, giới hạn trênứng với các thép tốt nhất trong họthép thấm.
b. Các mác thép và ví dụ ứng dụng
Các mác và thành phần hóa học của các thép thấm cacbon phổbiếnđược dùng. Nhóm thép cacbon bao gồm các mác C10, C15, C20, C25 và đôi khi cả CT38. Chúng được dùng để làm các chi tiết nhỏ (hoặc mỏng), hình dạng đơn giản, yêu cầu chống mài mòn cao ở bề mặt mà không yêu cầu độ bền cao. Không nên thấmở nhiệt độ quá 9000C vì dễbị hạt lớn, sau khi thấm phải tôi hai lần và môi trường tôi là nước nên độbiến dạng lớn.
Nhóm thép crôm bao gồm các mác 15Cr, 20Cr, 15CrV, chúng được dùng làm các chi tiết nhỏ (ø≤30mm), yêu cầu chống mài mòn cao ở bề mặt và chịu tải trung bình, như các chốt piston, trục cam ôtô, trục giữa xe đạp, trục pêđan, bánh răng có mô đun nhỏ,… Có thểthấmở nhiệt độ900-9200C, tôi trong dầu nên ít biến dạng.
Nhóm thép crôm-niken bao gồm các mác 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA. Trừ mác đầu, các mác sau đều có lượng Ni cao (3-4%), có độ thấm tôi rất cao, đảm bảo độ bền và độ dai va đập cao, được dùng làm các chi tiết thấm cacbon chịu tải trọng cao nhất. Mác cuối cùng 18Cr2Ni4W hoặc 18Cr2Ni4Mo, tương đương với các số hiệu 4815-4820 của Mỹ (chứa 0,15%-0,2%C; 3,5%Ni; 0,25%Mo), được dùng làm các chi tiết đặc biệt quan trọng như bánh răng, trục của động cơ máy bay, tàu biển,…), có thể dùng cảtrạng thái không thấm cacbon, chỉ tôi và ram thấp để làm các chi tiết chịu tải trọng rất cao nhưng không yêu cầu chống mài mòn, ngoài ra cũng có thểdùngở trạng thái hóa tốt (tôi + ram cao) với chi tiết chịu tải va đập rất cao.Nhược điểm của nhóm thép Ni cao là đắt, khó cắt gọt và quy trình nhiệt luyện phức tạp.
Nhóm thép crôm-mangan-titan bao gồm các số hiệu 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi, 25CrMnMo. Trong đó Mn là nguyên tố thay thế cho Ni làm tăng độ thấm tôi và giảm sựtập trung cacbon quá cao ở bềmặt. Còn Ti và Mo làm nhỏ hạt, nên có thể thấm C ở nhiệt độ cao tới 920-9500C và do vậy rút ngắn thời gian thấm. Chúng được dùng để sản xuất hàng loạt các chi tiết của ôtô, máy kéo (các bánh răng hộp số, bánh răng cầu sau, các trục quan trọng).