CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Tổng quan về thép hợp kim Thép hợp kim là các loại thép được dùng nhiều trong chế tạo chi tiết máy, trong đó có rất nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, đòi hỏi có cơ tính tổng hợp cao cả về độ bền, độ dẻo, độ dai… là thép đa dạng về cơ tính với những yêu cầu nhiều khi khác hẳn nhau ví dụ như khi cần mềm, dẻo để dập sâu cho đến cứng, đàn hồi như lò xo, nhíp; từ độ bền thông thường cho đến độ bền cao như trục truyền, trục bánh răng v.v…; từ yêu cầu độ cứng, tính chống mài mòn thông thường cho đến loại cần độ cứng, tính chống mài mòn cao[1, 2]. Những nguyên tố hợp kim đưa vào thép hợp kim có tác dụng chủ yếu làm tăng cơ tính, và đảm bảo tính đồng nhất trên tiết diện của sản phẩm. Các nguyên tố hợp kim hóa trong thép này cũng phải đạt yêu cầu là không làm tăng quá nhiều giá thành sản phẩm vì lượng thép được sử dụng khá lớn, vì vậy các loại thép kết cấu hợp kim dùng để chế tạo máy được hợp kim hóa với hàm lượng không quá nhiều cao và yêu tiên những loại nguyên tố hợp kim phổ biến, mang tính kinh tế ví nụ như các nguyên tố hợp kim hóa thường dùng là Mn, Si,.
Ngoài ra người ta hay dùng Cr vì tác dụng tốt, giá thành không quá cao. Nguyên tố Ni được dùng với Cr để có tác dụng tốt đến độ thấm tôi và đảm bảo có độ dai cao, dùng cho chi tiết với yêu cầu cao về cơ tính và độ tin cậy khi làm việc. Nguyên tố Mo thường được dùng với lượng không lớn để tăng độ thấm tôi và tránh dòn ram II. Tuỳ thuộc vào các nguyên tố hợp kim hoá trong thép có thể chia thép kết cấu hợp kim thành các nhóm như: Thép Ni-Cr, thép Ni-Cr-Mo, thép Cr, thép Cr-Mo, thép Mn, thép Cr-Mn, thép Cr-Mo-Al …[1-6].
Thép Crôm: Thường dùng với lượng Cr = 0,5 ÷ 1% chủ yếu để cải thiện tính tôi (tôi được trong dầu) và nâng cao độ thấm tôi. Thép Cr được dùng làm các chi tiết máy nhỏ nhưng có hình dạng tương đối phức tạp như trục bậc, bánh răng. Thép Cr đạt được các yêu cầu đề ra cao hơn thép C, sau khi hoá tốt σb = 800 ÷ 950 MPa. Nhược điểm của thép là giòn ram loại II khi ram cao nên sau khi ram cao thường làm nguội trong dầu [6].
Học viên: Bùi Xuân Bách Page 10 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Thép Cr-Mo: Khi hàm lượng Mo trong thép Crôm khoảng 0,25% sẽ cải thiện thêm độ thấm tôi và chống được giòn ram loại II. Thép Cr – Mn và Cr – Mn – Si:Thép có chứa 1%Cr + 1% Mn hay 1% Cr + 1% Mn + 1%Si là loại hợp kim hoá phức tạp nên có độ thấm tôi cao, dùng làm chi tiết khá lớn( D = 50 ÷ 60 mm). Thép Cr – Ni và Cr – Ni – Mo: Nhờ hợp kim hoá bằng cả Cr và Ni nên thép có độ thấm tôi cao mà vẫn giữ được độ dẻo, độ dai tốt, nhất là trong trường hợp Ni ≥ 3% và có chứa Mo. Thép Cr – Ni thường: Thép thường chứa khoảng 1% Cr + 1% Ni, do Ni thấp nên chưa có độ thấm tôi cao, chỉ được làm các chi tiết với D = 50 ÷ 60 mm với σb ∼ 700 MPa và ak∼ 700 Kj/m2.
Nhờ tính thấm tôi nên thép được làm các chi tiết có hình dạng khá phức tạp. Ví dụ thép 40XH, thường dùng làm các chi tiết truyền lực hay hệ thống lái trong ôtô. Nhược điểm của thép này là bị giòn ram loại II và tính gia công cắt hơi kém. Để tránh giòn ram loại II phải làm nguội nhanh sau khi ram.
Để cải thiện tính gia công cắt thép được ram cao. Thép Cr – Ni cao: Thép có Cr = 1÷ 2% + Ni = 3 ÷ 4% (với tỉ lệ Ni/ Cr = 3 ÷ 4) thuộc nhóm thép hợp kim trung bình với độ thấm tôi cao, tôi thấu với D ∼ 100mm, thực tế được coi là tôi thấu với tiết diện bất kỳ (nó thuộc loại mactenxit). Nhờ vậy thép có cơ tính tổng hợp rất cao: σb∼ 1100 MPa, ak ∼ 800 Kj/m2 Thép Cr – Ni cao với Mo: Đây là thép hoá tốt chế tạo máy tốt nhất vì so với loại trên đưa thêm một lượng nhỏ (0,15 ÷ 0,4%) Mo không những làm tăng độ thấm tôi, làm các chi tiết với hình dạng phức tạp, tiết diện lớn (D ≥ 100 mm) mà còn loại trừ được giòn ram loại II. Có thể thấy, so với thép kết cấu xây dựng, thép kết cấu hợp kim dùng cho ngành chế tạo máy đòi hỏi khắt khe hơn nhiều về chất lượng, cả thành phần hóa học lẫn cơ tính ở các trạng thái nhiệt luyện khác nhau.
Trên thực thế, thép hợp kim rất đa dạng về chủng loại và mác thép. Tuy nhiên loại thép hợp kim được sử dụng nhiều nhất thường là thép hợp kim thấp độ bền cao với hàm lượng tổng các nguyên tố hợp kim trong thép chiếm ≤2,5%. Loại thép này vừa đáp ứng được nhu cầu về chất lượng đồng thời có tính kinh tế. Học viên: Bùi Xuân Bách Page 11 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Trong khuôn khổ của luận văn nàytác giả chú ý tới nhóm thép hệ Cr-Mo.
Đây là nhóm thép hợp kim thấp, độ bền cao rấtthông dụng, được hợp kim hoá bằng các nguyên tố hợp kim tương đối phổ biến với hàm lượng không cao nhưng có những đặc tính cơ học cũng như các tính chất khác đáp ứng được các yêu cầu khắt khe khi sử dụng trong chế tạo các chi tiết máy thông dụng. Đặc điểm chung của thép hợp kim. - Về cơ tính: có độ bền (giới hạn bền, giới hạn chảy) cao hơn hẳn so với thép cacbon thông thường. Điều này thể hiện rõ ràng sau khi tôi và ram.
Có thể đạt đồ bền cao, nhưng thông thường với sự tặng độ bền thì độ dẻo và độ dai lại giảm đi, do vậy không thể không chú ý đến mối quan hệ này để xác định rõ cơ tính thích hợp - Tính chịu nhiệt độ cao: Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200oC, do vậy ở nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy oxyt tạo thành ở nhiệt độ khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt - Tính chất vật lí, hóa học đặc biệt: không gỉ, chống ăn mòn trong axit, bazo, muối. Từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính. Giản nở nhiệt đặc biệt,… 1.
Phân loại thép hợp kim Thép hợp kim có nhiều cách phân loại, dựa vào đặc trưng hoặc dựa vào ứng dụng, cụ thể có thể xem xét theo một số phân loại như sau: * Theo tổ chức cân bằng: Theo tổ chức cân bằng (ở trạng thái ủ), với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau: - Thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do. - Thép cùng tích: peclit. - Thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do. - Thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit.
Riêng trường hợp thép được hợp kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có: - Thép ferit: loại có Cr rất cao (> 17%) và thường rất ít cacbon. - Thép austenit: loại có Mn cao (> 13%) và thường có cacbon cao, và loại có Cr (> 18%) + Ni (>8%). Học viên: Bùi Xuân Bách Page 12 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu * Theo tổ chức thường hóa - Thép họ peclit: loại hợp kim thấp, đường cong chữ "C" sát trục tung, nguội trong không khí được hỗn hợp ferit-xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxtit; phần lớn thép thuộc loại này.1: Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với lượnghợp kim tăng dần: a. austenit - Thép họ mactenxit: loại hợp kim hóa trung bình (> 4 - 6%) và cao, đường cong chữ "C" dịch sang phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng được mactenxit.
- Thép họ austenit: loại có chứa Cr cao và Ni cao (> 8%) hoặc Mn (> 13%) cao, chúng mở rộng khu vực γ và hạ thấp điểm Ms (< 0oC) nên làm nguội trong không khí (chỉ đến nhiệt độ thường, cao hơn Ms) cũng không có chuyển biến gì, giữ nguyên tổ chức austenit. * Theo nguyên tố hợp kim - Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính như Cr, Mn được lần lượt gọi là thép crôm, thép mangan, chúng là các thép hợp kim (hóa) đơn giản. - Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo được lần lượt gọi là thép crôm - niken, thép crôm - niken - môlipđen, chúng là các thép hợp kim (hóa) phức tạp. * Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim - Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng < 2,5% (thường là thép peclit).
- Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lượng từ 2,5 đến 10% (thường là thép họ từ peclit đến mactenxit). Học viên: Bùi Xuân Bách Page 13 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu - Thép hợp kim cao: loại có tổng lượng >10% (thường là họ mactenxit hay austenit) * Theo công dụng - Thép hợp kim kết cấu. - Thép hợp kim dụng cụ - Thép hợp kim đặc biệt. Thép hợp kim 42CrMo Thép hợp kim họ Cr-Mo là thép hóa tốt.
Đây là họ thép hợp kim thấp với hàm lượng cacbon trung bình nằm trong khoảng C = 0,38 - 0,45%[1-3, 6]. Việc kết hợp hai nguyên tố hợp kim crôm và molipđen đã làm cho loại thép này có cơ tính tổng hợp cao. Ngay từ những năm đầu của thế kỷ trước, thép kết cấu hợp kim Cr-Mo đã được nghiên cứu và sản xuất với số lượng lớn ở các nước công nghiệp phát triển, đặc biệt là ở Nga và Mỹ. Ngày nay đã có nhiều mác thép mới thuộc họ thép này được nghiên cứu sản xuấti nhằm đáp ứng yêu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau.
Thép mác 42CrMo là loại thép hợp kim thấp thuộc họ thép Cr-Mo được sản xuất theo tiêu chuẩn GB/ T3077 của Trung Quốc. Mác thép này cũng có trong hầu hết tiêu chuẩn tương đương của các nước phát triển như [7, 8]: mác 35XMΦ trong bộ tiêu chuẩn ΓOCT của Nga; mác 34CrMo4 trong bộ tiêu chuẩn DIN của Đức; mác 35CD4 trong bộ tiêu chuẩn NF của Pháp; mác 780A37 trong bộ tiêu chuẩn BS của Anh; mác 4135 trong bộ tiêu chuẩn ASTM của Mỹ; mác SCM435 tiêu chuẩn JIS G 4105 của Nhật Bản, mác 34CrMo4 trong bộ tiêu chuẩn Quốc tế ISO….