5.3. Thép chế tạo máy
5.3.1. Các yêu cầu chung
Một cỗ máy dù to đến đâu cũng do nhiều chi tiết, bộ phận nhỏ ghép lại với các đòi hỏi cơ tính khá khác nhau cho nên thép để làm chi tiết máy có yêu cầu cao hơn vì phải thỏa m∙n các yêu cầu khác nhau về cơ tính, chính xác về hình dạng, kích thước cũng như độ bóng bề mặt để lắp ráp. Để thỏa m∙n được yêu cầu đó, các chi tiết máy với các điều kiện làm việc khác nhau thường được làm bằng nhiều mác thép khác nhau với chế độ nhiệt luyện tôi + ram không giống nhau.
a. Cơ tính
Tính chất cơ bản của chi tiết máy là khả năng chịu tải trọng tĩnh và động, do vậy yêu cầu cơ bản là có độ bền cao và độ dai tốt phù hợp với điều kiện của tải trọng.
Độ bền cao sẽ giúp tạo ra các máy khỏe (có công suất lớn) hơn, nhẹ và nhỏ gọn hơn và giá thành hạ hơn. Để đạt được yêu cầu này phải dùng thép phù hợp và nhiệt luyện bảo đảm. Tuy nhiên trong chế tạo máy, về độ bền người ta ngày càng coi trọng giới hạn chảy, vì lẽ các chi tiết máy ở dạng lắp ghép không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc.
Độ dai va đập rất quan trọng đối với chi tiết chịu tải trọng động do phải tăng tải một cách đột ngột. Chính chỉ tiêu này quyết định độ tin cậy khi làm việc, nó bảo đảm khó bị phá hủy giòn, yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với các phương tiện giao thông.
Ngoài hai chỉ tiêu cơ bản trên nhiều chi tiết máy còn đòi hỏi độ cứng bề mặt cao để bảo đảm tính chống mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát. Rất nhiều chi tiết máy làm việc dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ (trục, bánh răng...) nên
đòi hỏi giới hạn mỏi cao.
b. Tính công nghệ
Để trở thành chi tiết thành phẩm thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia công.
Trước tiên thường là biến dạng nóng (rèn) để tạo phôi, tạo ra hình dạng gần
đúng nhưng một số kích thước bao đều lớn hơn ở bản vẽ. Hơn nữa các nhà máy cơ
khí không bao giờ có đủ mọi chủng loại phôi phù hợp với chi tiết sản xuất cho dù là loại chi tiết đơn giản như trục trơn, chốt. Ngoài ra biến dạng nóng cũng giúp tạo ra tổ chức tốt hơn (làm nhỏ mịn hạt, tạo thớ phù hợp...).
Tiếp đó phôi thép tạo thành phải qua cắt gọt để tạo ra hình dạng, kích thước chính xác và độ bóng yêu cầu như quy định. Hầu như không một chi tiết máy nào lại không phải qua cắt gọt, nói chung đây là nguyên công tốn kém nhất trong gia công cơ khí, chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành.
Tất cả các yêu cầu trên có thể đạt được nhờ chọn đúng mác thép và chế độ nhiệt luyện thích hợp.
c. TÝnh kinh tÕ
Do sản lượng lớn, thép chế tạo máy nói chung phải rẻ, nên nói chung thường dùng thép cacbon và hợp kim thấp, trong trường hợp thật quan trọng mới dùng đến hợp kim hóa trung bình, không dùng hợp kim hóa cao.
d. Thành phần hóa học
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 thÊm 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 ngét),
- 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
193 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.
- 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.
e. Quan hệ giữa tổng lượng hợp kim và đường kính tôi thấu
Để bảo đảm cơ tính cao và đồng nhất trên tiết diện thép phải được tôi thấu, muốn vậy phải được hợp kim hóa một cách hợp lý hay nói khác đi trong trường hợp này tiết diện thép được chọn theo độ thấm tôi hay tổng lượng nguyên tố hợp kim. Cũng có thể nói rằng mỗi mác thép chỉ bảo đảm cơ tính cao và đồng nhất tới tiết diện nhất định. Mác thép với tổng lượng hợp kim càng cao cho phép làm các chi tiết có tiết diện càng lớn. Theo độ thấm tôi các thép kết cấu được chia thành bèn nhãm:
- thép có độ thấm tôi thấp, chỉ tôi thấu tới đường kính 15mm, là loại không hợp kim hóa tức thép cacbon,
- thép có độ thấm tôi trung bình, tôi thấu tới đường kính 35mm, là loại được hợp kim hóa thấp và đơn giản như có 1%Cr hoặc 2%Mn hoặc 1%Cr + 0,5%Si, - thép có độ thấm tôi tương đối cao, tôi thấu tới đường kính 75mm, là loại
được hợp kim hóa thấp nhưng phức tạp như crôm - niken thường, crôm - môlipđen, crôm - mangan - silic,
- thép có độ thấm tôi cao, tôi thấu tới đường kính 100mm, là loại được hợp kim hóa phức tạp tới 5 ữ 6% như thép crôm-niken cao hay crôm-niken-môlipđen.
f. Các nhóm thép chế tạo máy
Có ba nhóm thép kết cấu chế tạo máy chính với các đặc điểm khác nhau về thành phần cacbon, hợp kim, chế độ nhiệt luyện, cơ tính và công dụng:
- thép thấm cacbon có thành phần cacbon thấp (dẻo, dai), để đạt độ bền cao phải tôi + ram thấp, còn muốn đạt độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon,
- thép hóa tốt có thành phần cacbon trung bình (khá bền, dẻo, dai), để nâng cao cơ tính hơn nữa phải tôi + ram cao, còn muốn đạt độ cứng bề mặt tốt cuối cùng phải qua tôi bề mặt,
- thép đàn hồi có thành phần cacbon tương đối cao (kém dẻo, dai nhưng khá cứng, rất đàn hồi), để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tôi + ram trung bình.
Tiếp theo sẽ trình bày các nhóm thép này. Cần chú ý là trong mỗi nhóm có nhiều mác khác nhau, chúng khác nhau chủ yếu về độ thấm tôi do đó được dùng cho các độ lớn tiết diện khác nhau; ngoài ra các nguyên tố hợp kim cũng đưa đến cho thép những tính chất đặc trưng như Cr - Ni vừa tăng mạnh độ thấm tôi vừa giữ
được độ dai cao, làm xấu tính gia công cắt, gây giòn ram, Mn - Si làm thép bền, cứng, nhưng lại gây giòn.