Giáo trình Vật liệu học (Nghề: Cắt gọt kim loại) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

(NB) Nội dung giáo trình Vật liệu học gồm 6 chương: Lý thuyết về hợp kim; Gang; Thép; Kim loại màu và hợp kim màu; Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện; Vật liệu phi kim loại. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: VẬT LIỆU HỌC NGHỀ: CẮT GỌT KIM LOẠI TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP + CAO ĐẲNG

Lào Cai, năm 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình Vật liệu cơ khí được biên soạn theo chương trình đào tạo Trung cấp

và Cao đẳng nghề Cắt gọt kim loại do Hiệu trưởng trường Cao đẳng Lào Cai ban hành ngày… tháng ……năm 2017

Giáo trình Vật liệu cơ khí nhằm cung cấp cho học sinh trường cao đẳng nghề

và học sinh ngành cơ khí, những kiến thức về vật liệu cơ khí Khi biên soạn giáo trình, tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến môn học và nghề đào tạo, cần thiết cho học sinh tiếp thu các môn khác

Nội dung giáo trình gồm 6 chương:

Chương 1: Lý thuyết về hợp kim

Chương 2: Gang

Chương 3: Thép

Chương 4: Kim loại màu và hợp kim màu

Chương 5: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

Chương 6: Vật liệu phi kim loại

Trong quá trình biên soạn mặc dù đã cố gắng, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót do thời gian biên soạn còn ngắn và trình độ còn hạn chế Rất mong được sự góp ý của người sử dụng để giáo trình được hoàn thiện hơn

Lào Cai, tháng 3 năm 2017

Tác giả

Ths Hoàng Anh Thái

HƯỚNG DẪN CHƯƠNG TRÌNH

1 Một số điểm chính về phương pháp giảng dạy môn học:

Khi giảng dạy giáo viên cần chú ý liên hệ, so sánh, chuyển đổi ký hiệu tiêu chuẩn vật liệu giữa các quốc gia

Khi giảng dạy sử dụng các học cụ trực quan, máy tính, máy chiếu, tranh treo tường để mô tả cấu trúc tinh thể và tổ chức kim loại, giản đồ trạng thái Fe-C và các biểu đồ chỉ dẫn nhiệt luyện

2 Những trọng tâm cần chú ý:

Chỉ dẫn nhiệt luyện chú ý sử dụng ký hiệu đồ họa cơ bản theo TCVN mới ban hành (các tiêu chuẩn này đã được chuyển đổi từ tiêu chuẩn quốc tế ISO 15787:2001)

Sử dụng các mô hình, trực quan vật thật để làm rõ vấn đề nêu ra trong lý thuyết Cần hướng dẫn cho học sinh tìm hiểu trong thực tế sản xuất ở xưởng và tổ chức trao đổi, thảo luận các vấn đề liên quan giữa lý thuyết và thực tế

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ HỢP KIM

1 KHÁI NIỆM VỀ HỢP KIM

1.2 Đặc tính hợp kim

Các kim loại nguyên chất thể hiện lên ưu việt rõ nhất trong dẫn điện, dẫn nhiệt

vì chúng có các chỉ tiêu này cao nhất (vì vậy các dây dẫn điện được làm bằng đồng, nhôm nguyên chất) Tuy vậy trong chế tạo cơ khí, thiết bị đồ dùng… các vật liệu đem dùng thường là hợp kim vì nó có các đặc tính phù hợp hơn về sử dụng, gia công

và kinh tế Các đặc tính cơ bản là:

- Có độ bền và độ dẻo cao: Đây là đặc tính rất quan trọng của hợp kim để chịu tải trọng cao khi làm việc, đồng thời hợp kim cũng không được giòn dẫn đến bị phá huỷ

- Các kim loại nguyên chất nói chung rất dẻo (dễ rát mỏng, kéo sợi…) song độ bền, tính chống mài mòn, độ cứng kém xa hợp kim từ vài ba đến hàng chục lần

- Tính công nghệ đa dạng và thích hợp: Để tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm, vật liệu phải có khả năng chế biến thích hợp được gọi là tính công nghệ Kim loại nguyên chất tuy dễ biến dạng dẻo nhưng khó cắt gọt, đúc, không hoá bền được bằng nhiệt luyện Hợp kim trái lại có tính công nghệ rất đa dạng như: Dễ cắt gọt, đúc, nhiệt luyện… Phù hợp với nhiều điều kiện công nghệ khác nhau

- Tính kinh tế cao: Trong nhiều trường hợp luyện hợp kim đơn giản và rẻ hơn

so với luyện kim loại nguyên chất do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào Ví dụ như: Luyện hợp kim Fe – C (thép và gang) đơn giản hơn so với luyện sắt nguyên chất Pha Zn vào kim loại chủ Cu ta được đồng Latông vừa bền lại vừa rẻ (do

Zn rẻ hơn Cu nhiều)

2 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM

2.1 Một số khái niệm cơ bản Để nghiên cứu cấu tạo của hợp kim ta cần làm quen một số khái niệm sau:

2.1.1 Cấu tử. Là các nguyên tố (hay hợp chất hoá học bền vững) cấu tạo nên hợp kim Ví dụ: Đồng Latông (hợp kim Cu-Zn) có hai cấu tử là Cu và Zn

2.1.2 Pha

Là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở một trạng thái và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn thì phải có

sự đồng nhất cùng một kiểu mạng và thông số mạng) Ví dụ Nước ở 00C là một cấu

tử (hợp chất hoá học bền vững H2O) và có hai pha (pha rắn là nước đá, pha lỏng là nước)

2.1.3 Hệ hợp kim: Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim

a Trong dung dịch đặc thay thế

Nguyên tử nguyên tố này đẩy nguyên tử nguyên tố kia thay thế vào đó (hình 1a) Tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như cấu tử của dung môi Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều đều xảy ra sự xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố nào có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau Vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối với các nguyên tố có kích thước nguyên tử gần bằng nhau (sai lệch không quá 15%)

1-Hình 1-1: Các mô hình cấu trúc dung dịch đặc của hợp kim

a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mô hình dung dịch đặc xen kẽ;

c) Mô hình dung dịch đặc tổng hợp

b Trong dung dịch đặc xen kẽ

Nguyên tử của các nguyên tố hòa tan (ví dụ cácbon, ôxi ) nằm xen kẽ vào các

lỗ hổng giữa các nút của mạng tinh thể của nguyên tố cơ bản (hình 1-1b) Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể

lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên

2.2.2 Hợp chất hóa học

Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hóa học khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xác định được biểu diễn bằng một công thức hóa học Ví dụ hợp chất hóa học của sắt và cácbon có công thức hóa học là Fe3C

Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao

2.2.3 Hỗn hợp cơ học

Hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học, khi những nguyên tử của các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể Như vậy những nguyên

tố này không hòa tan với nhau, cũng không liên kết với nhau thành hợp chất hóa học

mà liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy

Câu hỏi ôn tập chương 1

Câu 1: Thế nào là hợp kim ? Cho biết các đặc tính của hợp kim

Câu 2: Trình bày các dạng cấu trúc tinh thể của hợp kim

CHƯƠNG 2: GANG

1 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI HỢP KIM Fe – C

1.1 Khái niệm

Là biểu đồ chỉ rõ sự phụ thuộc của tổ chức hợp kim Fe - C (cụ thể là gang và

thép) vào thành phần hóa học và nhiệt độ

1.2 Các định nghĩa cơ bản

Trước khi nghiên cứu giản đồ, ta cần thống nhất các định nghĩa cơ bản sau: 1.2.1 Pha

Là các phần đồng nhất của hệ thống nó có cùng một kiểu mạng ở cùng một trạng thái lỏng hoặc rắn và phân cách với các pha còn lại bằng mặt phân cách, khi chuyển sang pha khác thì thành phần hóa học hoặc tổ chức của vật chất sẽ thay đổi đột ngột Ví dụ: chất lỏng đồng nhất là hệ thống một pha Hỗn hợp cơ học là hệ thống hai pha

1.2.2 Nguyên

Là vật chất tham gia tạo thành hệ thống Ví dụ: kim loại nguyên chất là hệ thống một nguyên, hợp kim là hệ thống của hai hay nhiều nguyên Riêng các hợp chất hóa học được coi là một nguyên

1.2.3 Hệ thống

Là tập hợp các pha nằm trong trạng thái cơ bản và cân bằng Hệ thống thì có tính thuận nghịch Ví dụ có hệ thống là nước và nước đá, trong hệ thống có hai pha là pha rắn và pha lỏng và có một nguyên là hợp chất hóa học là H2O Hệ thống chỉ tồn tại trong một điều kiện nào đó (nhiệt độ), có thể hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái lỏng hoặc rắn

1.3 Ý nghĩa của giản đồ

Giản đồ trạng thái Fe-C có tầm quan trọng và công dụng rất lớn Nó cho ta biết các nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ chuyển biến pha của kim loại hoặc hợp kim với thành phần xác định, từ đó xác định được các chế độ luyện đúc, cán, rèn kim loại Qua đó xác định được cơ tính và tính công nghệ khi gia công kim loại hoặc hợp kim

1.4.1 Giải thích giản đồ trạng thái Fe-C

Giản đồ trạng thái Fe-C trình bày hình 2-1 với các ký hiệu A,B…(t0C, %C) đã được quốc tế hóa (là sắp xếp các điểm theo thứ tự %C tăng dần) như sau:

A(1539-0), N(1392-0), G(911-0), Q(0-0,006), P(727-0,02), H(1499-0,1), J(1499-0,16), B(1499-0,5), S(727-0,8), E(1147-2,14), C(1147-4,3), D(1250-6,67), F(1147-6,67), K(727-6,67), L(0-6,67)

Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái hoàn toàn lỏng được xác định trên các đường nối A B C D

Cấu tạo hệ hợp kim Fe-C ở trạng thái rắn được xác định dưới đường nối các điểm A H J E C F, có đủ ba dạng cấu tạo gồm các dung dịch rắn, hợp chất hóa học được tạo thành (bởi hai nguyên tố Fe và C) và hỗn hợp cơ học của nó

Hình 2-1 Giảm đồ trạng thái Fe-C

1.4.2 Các tổ chức pha của hệ hợp kim Fe-C trên giản đồ:

a Tổ chức một pha

- Pha δ: Là dung dịch rắn của C hòa tan trong Feδ: Feδ(C), ký hiệu trên giản đồ

là δ

- Pha ôstennít: được ký hiệu là chữ γ (As), là dung dịch rắn của C hòa tan

trong Feγ, Feγ(C) Lượng C hòa tan tối đa 2,14% ở nhiệt độ 11470C tại điểm E và tối thiểu 0,8% ở nhiệt độ 7270C tại điểm S, nên đường SE là đường giới hạn hòa tan của của C trong Feγ

- Pha Ferít: ký hiệu là α (F) là dung dịch rắn ren kẽ của các bon trong sắt Feα

Feα(C) ở nhiệt độ cao thì hòa tan được 0,02% C, có lượng C hòa tan tối đa 0,006% ở nhiệt độ thường là điểm Q, nên đường PQ là đường giới hạn hòa tan của C trong Feα

có thể coi α là Feα vì lượng C hòa tan quá nhỏ nên Ferít được coi là nguyên chất, pha nay mềm dẻo

- Pha Xêmentít: Ký hiệu trên giản đồ là Xe hoặc Fe3C, là hợp chất hóa học của

Fe tác dụng hóa học với C khi C = 6,67%, có công thức hóa học Fe3C được xác định tại đường thẳng nối các điểm RKF, có độ cứng rất cao ≥ 700HB và rất giòn Ngoài ra

cơ tính của Xe còn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của nó, kích thước càng nhỏ thì Xe càng đỡ giòn Xêmentít có ba dạng:

+ Xêmentít1: ký hiệu là XeI được tiết ra từ pha lỏng có độ hạt lớn

+ Xêmentít2: ký hiệu là XeII được tiết ra từ pha rắn ôstennít có độ hạt nhỏ hơn

XeI

+ Xêmentít3: ký hiệu là XeIII được tiết ra từ pha rắn Ferít có độ hạt nhỏ mịn

- Pha Grafít (G): là các bon tự do phân bố trong kim loại, pha này mềm nhưng

giòn chỉ tồn tại trong gang xám

b Tổ chức hai pha

- Pha Peclít (P): Khi C = 0,8% có hỗn hợp cơ học cùng tích gọi là peclit gồm

hai pha (α + Xe) Được hình thành từ dung dịch rắn ôstennít tại 7270C tùy theo dạng của Xe mà có P tấm hoặc là P hạt

- Pha lêđêburít (Lê): Khi C = 4,3% có hỗn hợp cơ học cùng tinh Lêđeeburit

gồm hai pha được hình thành từ dung dịch lỏng L tại nhiệt độ 11470C

1.4.3 Phân loại hợp kim Fe-C theo giản đồ trạng thái

a Dựa vào % C ta có

+ Thép: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C < 2,14%

+ Gang: Là hợp kim sắt cácbon có hàm lượng %C > 2,14%

b Căn cứ vào tổ chức của nó trong giản đồ trạng thái ta có hai loại: Thép và

+ Gang trắng sau cùng tinh có tổ chức: Lê + XeI khi %C > 4,3%

1.4.4 Điểm và các đường tới hạn nhiệt độ:

a Định nghĩa: Là nhiệt độ tại đó có sự thay đổi cấu tạo bên trong của hợp kim ở trạng thái rắn

b Các điểm tới hạn:

- A 1 = 727 0 C (đường PSK): Là nhiệt độ tới hạn mà tại đó hợp kim Fe-C có cấu

tạo bên trong của tổ chức cùng tích thuận nghịch P↔ γ cụ thể:

+ Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A : Tại đó có chuyển biến P→ γ

+ Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A1: Tại đó có sự chuyển biến γ → P

Điểm nhiệt độ A 1 áp dụng cho tất cả các loại hợp kim Fe-C

- A 3 = 727 0 ÷ 911 0 C (đường SG): Là nhiệt độ tới hạn tại đó thép trước cùng

tích có chuyển biến cấu tạo giữa pha α ↔ γ cụ thể:

+ Khi nung tại nhiệt độ tới hạn A3: α hòa tan hết vào γ

+ Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn A3: α tách ra từ γ

- A cm = 727 0 ÷ 1147 0 C (đường SE): Là nhiệt độ tới hạn tại đó cho phép thép

sau cùng tích có chuyển biến cấu tạo giữa hai pha XeII ↔ γ cụ thể:

+ Khi nung tại nhiệt độ tới hạn Acm: XeII hòa tan hết vào γ

+ Khi làm nguội ở nhiệt độ tới hạn Acm: XeII tách ra từ γ

2 KHÁI NIỆM VỀ GANG

2.1 Giới thiệu chung về gang

Gang là một kim loại được dùng nhiều trong công nghệ cơ khí chế tạo vì nó có nhiều tính chất đáp ứng được các yêu cầu trong công nghệ chế tạo máy Trong các

loại máy móc tĩnh tại, các chi tiết bằng gang có khối lượng khoảng 70%

2.2 Khái niệm

Gang là hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), trong đó lượng C = 2,14%, nhưng không lớn hơn 6,67% Ngoài ra còn có các nguyên tố như Mn, S P, Si và một số tạp

chất khác

2.3 Tính chất của gang: Gang có một số tính chất quan trọng sau đây:

+ Tính điền đầy khuôn trong gang, nhất là gang xám, tính chất này của gang rất quan trọng Vì vậy các chi tiết máy không có yêu cầu đặc biệt thì thường dùng phương pháp đúc để tạo hình Người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực Các phương pháp đúc này có thể tạo được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp mà không cần gia công lại Ví dụ đúc thân máy, nắp máy… động cơ ôtô

+ Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, như gang cầu, gang hợp kim đều có độ bền cơ, bền nhiệt cao Vì vậy người ta thường dùng gang chế tạo các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ chịu mài mòn, ma sát, độ giãn nở vì nhiệt thấp Ví dụ: Làm bánh

đà động cơ ôtô, các xilanh lực của hệ thống thủy lực…

Tuy nhiên gang cũng có nhược điểm như tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện kém, độ bền mỏi nhỏ Như vậy các chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng gang

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang

2.4.1 Cácbon (C):

Nếu các bon chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xementít thì gang đó gọi

là gang trắng, nếu C ở trạng thái tự do thì gang đó gọi là gang xám (Grafít) Sự tạo thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội

của nó Nếu tốc độ nguội nhanh thì được gang trắng, tốc độ nguội chậm thì được

gang xám

2.4.2 Silic (Si):

Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang vì nó thúc đẩy sự tạo thành Grafít trong gang xám, do vậy thành phần Si thường cao (1 đến 4,25%)

hoặc không có các bon ở dạng liên kết hay cacbít)

Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là Graphit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau:

- Pherit: khi toàn bộ C ở trạng thái tự do

- Pherit – Peclit: Khi phần lớn C ở trạng thái tự do và rất ít C ở dạng liên kết

Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của graphit

+ Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên khi đúc (gang xám)

+ Graphit có dạng quả cầu tròn: Phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu)

+ Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hoá từ Xêmentit ( gang dẻo) Chính sự khác nhau của dạng Graphit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau

2.5.2 Thành phần hoá học và cách chế tạo

Để có được graphit và graphit với các dạng khác nhau Mỗi loại gang phải

có những đặc điểm riêng về thành phần hoá học và cách chế tạo

- Thành phần hoá học: Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành graphit Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố silic có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành graphit Lượng silic càng nhiều thì sự graphit hoá càng mạnh, cacbon liên kết (Xêmentit) càng ít hoặc thậm chí không có Vì vậy về cơ bản người

ta coi gang là hợp kim của ba cấu tử Fe – C – Si

Trong gang cũng còn có các nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi

là gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hoá Chúng được đưa vào có chủ định hoặc chúng là các tạp chất

Bảng 2-1 Thành phần hoá học của gang

Trắng 3,3 – 3,6 0,4 – 1,2 0,25 – 0,8 0,06 – 0,20 0,05 – 0,20 Xám 3,0 – 3,7 1,2 – 2,5 0,25 – 1,00 < 0,12 0,05 – 1,00 Cầu 3,0 – 4,0 1,8 – 3,0 0,10 – 0,80 < 0,03 < 0,01 Dẻo 2,0 – 2,6 1,0 – 1,6 0,20 – 1,00 0,04 – 0,20 < 0,20

- Tốc độ nguội khi đúc và cách chế tạo

Yếu tố ảnh hưởng đến graphit hoá là tốc độ nguội khi đúc Làm nguội chậm sẽ

thúc đẩy tạo thành graphit, làm nguội nhanh thúc đẩy tạo thành cacbit (tạo ra gang

trắng hoặc gây biến trắng)

Như vậy lượng Si và tốc độ nguội ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành graphit, còn các dạng graphit khác nhau được tạo thành bằng các phương pháp khác nhau Gang xám với graphit tấm được hình thành dễ dàng và đơn giản nhất bằng đúc thông thường Gang cầu với graphit cầu được hình thành từ biến tính đặc biệt gang lỏng thông dụng (gang xám)…

Do Cacbon ở dạng Fe3C nên gang rất cứng (650÷700)HB và giòn Do đó không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang trắng để làm các chi tiết máy có độ

- Cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ, nên chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng còn lõi vẫn là gang Graphit Muốn

bề mặt bị biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc

- Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần được dùng để ủ thành gang dẻo

- Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất cả Cacbon đều

ở dạng tự do, không có xementit, chỉ có 2 pha: Graphit và nền kim loại là Ferit

- Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon

liên kết (Fe3C) chỉ khoảng 0,1 ÷ 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit – Peclit

- Gang xám Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, lượng Fe3C khoảng 0,6 ÷ 0,8 % tạo nên nền kim loại Peclit

3.2.2 Tính chất

a Lý tính

- Dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn so với thép

- Nhiệt độ nóng chảy thấp

b Cơ tính

- Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn Xementit nên gang xám có độ cứng,

độ bền thấp hơn gang trắng nhiều (150 ÷ 250) HB; (150 ÷ 400) N/mm2

- Có khả năng khử cộng hưởng và tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ)

d Tính kinh tế Chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép

3.2.3 Phạm vi sử dụng

Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước sản phẩm lớn, kết

cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, các chi tiết cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi trơn VD: Thân, bệ

máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ

3.2.4 Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang xám được ký hiệu bằng hai chữ CЧ : Với 2 số

chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn, đơn vị l kG/mm2

VD : CЧ 24-44 là gang xám có giới hạn bền kéo σk = 24 kG/mm2 (240N/mm2); Giới hạn bền uốn σu = 44 kG/mm2 (440N/mm2)

- Thường dùng các loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám được ký hiệu bằng hai chữ GX và 2

số giống tiếp theo giống như ký hiệu của Nga

Bảng 2-2 Cơ tính của gang xám (Theo TCVN 1659 - 75)

Số hiệu

gang

Giới hạn bền kéo (kG/mm 2 )

Độ giãn dài (δ%)

Giới hạn bền uốn (kG/ mm 2 )

Giới hạn bền nén (kG/mm 2 )

Độ cứng

Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang

dẻo có độ dẻo cao và bền hơn gang xám (σk = 300 ÷

600N/mm2; δ= 5 ÷ 10%)

3.3.3 Phạm vi sử dụng

Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám

nhưng đắt do quá trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn

nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng

làm chi tiết máy, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu

- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ KЧ tiếp theo là

hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền kéo giới hạn σk (kG/mm2), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%) Các loại gang dẻo thường dùng: KЧ 30-06, KЧ 33-08, KЧ 37-12, KЧ 45-12, KЧ 56-

04

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và 2 số

giống tiêu chuẩn Nga Ví dụ GZ 33 - 08 gang dẻo có độ bền kéo giới hạn σk = 33 kG/mm2 và độ dãn dài tương đối là δ = 0,8%

Bảng 2-3 Cơ tính của gang dẻo (Theo TCVN 1661 - 75)

Số hiệu gang Giới hạn bền kéo

c Chế tạo gang cầu:

Gang lỏng (0,05 -1)% Mg hoặc Ce (Xêri) Gang cầu

3.4.2.Tính chất

- Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt (Graphit hình cầu dạng thu gọn nhất)

- Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép

- Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép

- Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở nhiệt độ

400oC

3.4.3 Phạm vi sử dụng

Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như trục cán, thân tuốc

-bin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác

3.4.4 Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ BЧ tiếp theo là

hai số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền kéo giới hạn σk (kG/mm2), số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối δ (%)

Ví dụ BЧ 38-17 là gang cầu có σk = 380N/mm2, δ = 17%

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang cầu được ký hiệu bằng hai chữ GC và 2 số

tương ứng như tiêu chuẩn Nga

- Các loại gang cầu thường dùng BЧ 38-17; BЧ 42-12

Bảng 2-4 Cơ tính của gang cầu (Theo TCVN 1660 - 75)

Số hiệu

gang

Giới hạn bền kéo (KG/mm2)

Giới hạn quy ước khi kéo (KG/mm 2 )

Độ giãn dài (δ%)

Độ dai va đập (KJ/m 2 )

Câu hỏi ôn tập chương 2

Câu 1: Trình bày thành phần hóa học, tính chất, kí hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam và công dụng của gang trắng, gang xám và gang dẻo

Câu 2: Kẻ bảng và liệt kê thành phần hóa học của gang trắng, xám, cầu và gang dẻo Câu 3: Cho biết các điểm tới hạn trên giản đồ trạng thái Fe-C

Câu 4: Giải thích các ký hiệu sau: GX 12 - 28; GC 40 - 10; GZ 37 – 12; GZ 45 – 6 Câu 5: Cho biết phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái

Câu 6: Giải thích các ký hiệu sau: CЧ 15-32; GX 18 – 36; KЧ 37-12; BЧ 42-12

- Thép C chất lượng tốt: Lượng P, S được khử đến 0,04% cho mỗi nguyên

tố và thép được luyện bằng lò điện quang

- Thép C chất lượng cao: Lượng P, S được khử đến 0,03% cho mỗi nguyên tố

và thép được luyện bằng lò điện quang với các biện pháp kỹ thuật bổ xung

- Thép C chất lượng rất cao: P, S được khử đến 0,02% cho mỗi nguyên tố và

thép được luyện bằng lò điện quang tiếp tục được tinh luyện để khử tạp chất

b Theo phương pháp khử oxi

- Thép sôi

Là loại không khử được ôxi triệt để Quá trình khử khí CO bay lên, mặt thép lỏng chuyển động như thể bị sôi nên gọi là thép sôi Loại này vẫn còn các bọt rỗ khí trong thỏi đúc

- Thép lặng

Là loại khử ô xi triệt để Quá trình khử mặt thép lỏng luôn phẳng nặng nên có tên gọi là thép lặng Thép lặng trong tổ chức không có rỗ khí nên có cơ tính cao hơn thép sôi

c Theo công dụng

- Nhóm thép cacbon kết cấu: Trong nhóm này lại chia ra làm hai loại:

+ Thép xây dựng: Chủ yếu dùng làm kết cấu trong xây dựng nhà cửa, cầu cống Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp, song không cao và cần có độ dẻo để dễ uốn

+ Thép chế tạo máy: Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai Trong nhóm thép này người ta lại chia ra các loại:

- Nhóm thép chế tạo máy: Trong nhóm này lại có các loại:

+ Nhóm yêu cầu cao về độ dẻo, độ dai: Trong nhóm này thành phần cacbon thấp (C = 0,1 – 0,25%) Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua nhiệt luyện thấm cacbon

+ Nhóm yêu cầu cao về giới hạn chảy và độ dai: Thành phần cacbon của nhóm này loại trung bình (C=0,3 – 0,5%) Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt

+ Nhóm yêu cầu cao về giới hạn đàn hồi: Nhóm này có thành phần cacbon tương đối cao (C= 0,55 – 0,65%)

- Nhóm thép cacbon dụng cụ: Là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên cần có yêu cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn

Trong công nghệ chế tạo máy, khoảng 80% khối lượng là thép cácbon kết cấu

1.2 Tính chất chung của thép cacbon

1.2.1 Ưu điểm

a Tính công nghệ

Các loại thép cacbon hầu hết đều có tính công nghệ tốt (trừ tính đúc là kém) đó

là có tính cắt gọt cao, tính rèn, hàn tốt và có khả năng nhiệt luyện cao để thay đổi cơ

tính

b Tính chất cơ học

- Có cơ tính tổng hợp tương đối tốt phù hợp với các điều kiện thông dụng

- Rẻ, dễ kiếm, không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền

1.2.2 Nhược điểm

- Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện (tôi, ram) không cao,

do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền

- Tính chịu nhiệt độ cao kém: Khi bị nung nóng độ bền của thép bị giảm nhanh,

bị ô xi hoá mạnh ở nhiệt độ cao

- Khả năng chịu mòn kém (loại thép cacbon thông dụng), dễ bị han gỉ do tính chịu axít, ăn mòn kém

1.3 Thép Cacbon kết cấu chất lượng thường

1.3.1 Phân loại và ký hiệu

a Phân loại

Người ta chia thành ba nhóm:

+ Nhóm A là nhóm thép đáp ứng yêu cầu về cơ tính

+ Nhóm B là nhóm thép không quy định cơ tính mà chỉ quy định thành phần hoá học

+ Nhóm C là nhóm thép đáp ứng cả cơ tính và thành phần hóa học

b Ký hiệu

- Theo TCVN 1765 – 75: Quy định kí hiệu thép cacbon chất lượng thường

bằng hai chữ cái CT kèm theo hai con số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu σk(kG/mm2) hoặc Mpa (1kG/ mm2 = 9,81.106 Pa = 9,81MPa ≈ 10 Mpa)

Đằng sau chữ số nếu có chữ s biểu thị cho thép sôi, chữ n biểu thị cho thép nửa lắng, không có chữ biểu thị cho thép lắng

+ Nhóm B: Phía trước chữ CT có thêm chữ B có các mác từ BCT 31 đến BCT

61 Số 31…61 không phải chỉ giới hạn bền kéo σk Muốn biết thành phần hoá học các mác thép phải tra bảng

Bảng 3-2 Thép các bon chất lượng thường nhóm B theo TCVN 1765-75

+ Nhóm C: Phía trước chữ CT có chữ C tức là CCT kèm theo hai con số Cơ

tính và thành phần hoá học tuân theo các mác tương ứng của phân nhóm A, B Ví dụ mác CCT 38 có cơ tính như CT 38, còn thành phần hoá học thì như BCT 38

- Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT 380) Thép cacbon chất lượng thường ký

hiệu bằng hai chữ cái CT kèm theo con số từ 0 - 6 chỉ cấp độ bền Số càng to độ bền càng cao Ví dụ CT1 có độ bền uốn là 40 kG/mm2 , CT3 có độ bền uốn là 47 kG/mm2 Như vậy độ bền uốn tăng theo tỷ số từ 0 - 6, độ dẻo thì ngược lại

Tiêu chuẩn này cũng phân làm 3 phân nhóm là A, Б, B tương ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN

- Nhóm A: Có các mác thép CT0 -… CT6

- Nhóm Б: Có các mác thép MCT0 …MCT7 hoặc KCT0 -….KCT7

Các chữ M, Б, K là chỉ cách chế tạo thép: M là thép lò máctanh, Б là thép lò becxơ, K là thép lò điện

- Nhóm B: Có các mác thép BMCT2 - BMCT5; BKCT2 - BKCT5 ý nghĩa của các chữ cái như nhóm Б

Trong các ký hiệu trên chữ số càng lớn thì lượng cacbon trong thép càng nhiều, thép càng cứng và bền nhưng độ dẻo và dai thì giảm đi

Bảng 3-3 Thành phần hóa học và cơ tính thép C chất lượng thường

hơn 320

18

CT1 0,07 - 0,13 0,35 - 0,50 0,055 0,050 320 - 700 28 CT2 0,09 - 0,15 0,35 - 0,50 0,055 0,050 340 - 420 26 CT3 0,14 - 0,22 0,40 - 0,65 0,12 - 0,30 0,055 0,050 410 - 430 22 CT4 0,18 - 0,27 0,40 - 0,70 0,12 - 0,30 0,055 0,050 450 - 480 20 CT5 0,28 - 0,37 0,50 - 0,80 0,17 - 0,35 0,055 0,050 540 - 570 16 CT6 0,38 - 0,50 0,50 - 0,80 0,17 - 0,35 0,055 0,050 640 - 670 12

- Theo Tiêu chuẩn Hoa kì (ASTM): Với nhiều tiêu chuẩn khác nhau: 283,

284, 328 với đặc điểm chung là chúng đều được quy định cả về cơ tính và thành phần hoá học và chúng cũng được chia theo ba cấp A, B, C theo thứ tự độ bền tăng dần

- Theo tiêu chuẩn của Nhật (JSG 3101): Thép cacbon có chất lượng thường

được kí hiệu bằng chữ SS hay SM với số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (Mpa) Có các mác thép chỉ được đảm bảo cơ tính như phân nhóm A - TCVN JSG

3106 có các mác thép chuyên để hàn đảm bảo cả cơ tính lẫn thành phần hoá học như nhóm C – TCVN

c Công dụng:

Thép cacbon được dùng nhiều trong xây dựng để làm tấm đan, cốt bê tông, làm cầu và các công trình khác Thường được dùng ở dạng đã qua cán nóng thành hình

như : dây, thanh, tấm, chữ U , I , L

Thép nhóm A vì không qui định thành phần nên không dùng gia công nóng Các loại thép nhóm B và C được dùng để sản xuất các chi tiết có qua nhiệt luyện hoặc để hàn Ví dụ làm các loại bu lông, chốt, trục chịu tải trọng nhỏ

Bảng 3-4 Phạm vi sử dụng của thép cacbon chất lượng thường

Mác

CT31 Chế tạo các kết cấu hàn xây dựng

CT33 Chế tạo các kết cấu chịu trọng tải nhỏ, có tính hàn tốt

CT34

Chế tạo các kết cấu kim loại có liên kết dầm, các trục với trạng thái chịu ứng suất không lớn Có tính hàn tốt

CT38

Chế tạo các kết cấu kim loại như trục, tay gạt, dầm và các chi tiết khác

mà yêu cầu có độ bền không cao, tính hàn thỏa mãn yêu cầu

CT42 Chế tạo các kết cấu kim loại yêu cầu có độ cứng bề mặt cao

CT51

Chế tạo các trục bánh răng, ổ trục và các chi tiết khác khi cần nâng cao độ bền làm việc

CT61 Chế tạo các trục, nối trục, tấm chịu ma sát và các yêu cầu có độ bền cao

1.4 Thép các bon kết cấu chất lượng tốt

- Theo TCVN 1766 – 75: Thép cacbon chất lượng tốt được kí hiệu bằng chữ C

và hai con số chỉ phần vạn lượng cacbon trong bình có trong thép Ví dụ mác C 40 có nghĩa: C chỉ thép cacbon chất lượng tốt, 40 chỉ lượng cacbon khoảng 0,4%

- Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓCOT): Dùng hai con số chỉ phần vạn lượng

cacbon trong bình có trong thép Ví dụ ký hiệu thép là 30, 35, 40, 45… ý nghĩa là thép cacbon kết cấu loại tốt trong đó lượng C là 0,3, 0,35%

- Theo tiêu chuẩn của Nhật: Kí hiệu thép cacbon chất lượng tốt bằng hai chữ

SxxC Trong đó xx là chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn

1 4.3 Công dụng

Thép cacbon kết cấu loại tốt được sử dụng nhiều trong chế tạo máy Các loại thép C10, C15, C20 là loại có tính công nghệ tốt: Dễ tiện , rèn, hàn, dập Các loại này thường làm dùng bulông, đai ốc, ống, các tấm thép hàn

Các loại thép C40, C45 được sử dụng để làm thanh truyền động cơ ôtô, các loại trục truyền lực Người ta thường tôi và ram để tăng độ cứng bề mặt và khả năng chịu mòn Các loại thép C55 - C70 là thép có chứa nhiều cacbon thường được sử dụng làm trục cán, các loại lò xo…

1.5 Thép cacbon dụng cụ

1.5.1 Khái niệm:

Thép Cacbon dụng cụ là loại thép dùng để chế tạo dụng cụ cắt, dụng cụ đo

kiểm, vì vậy thép này có lượng C = (0,7 ÷ 1,6)%

1.5.2 Yêu cầu với thép các bon dụng cụ

- Phải có độ cứng cao, khoảng (60 ÷ 65) HRC

Dùng để chế tạo các dụng cụ cắt với tốc độ cắt thấp và trung bình như Dũa, Ta

rô, bàn ren, đục nguội và các loại dụng cụ cắt dập Ngoài ra còn làm dụng cụ đo

kiểm yêu cầu độ chính xác cao

1.5.4 Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Nga (ΓCOT): Thép các bon dụng cụ được ký hiệu bằng chữ

Y kèm theo con số chỉ lượng C tính theo phần nghìn Nếu có thêm chữ A ở cuối ký hiệu là chỉ thép có chất lượng tốt

VD : Y8 là thép các bon dụng có hàm lượng C = 0,8%

Y12A là thép các bon dụng có hàm lượng C = 1,2% và là thép chất lượng tốt

- Thường dùng các ký hiệu Y7, Y8, Y9, Y10, Y11, Y12 …

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Thép các bon dụng cụ được ký hiệu bằng hai chữ

CD tiếp theo là con số chỉ lượng C tính theo phần vạn, thêm chữ A chỉ chất lượng tốt

VD : CD80 tương đương với Y8, CD 120A tương đương với Y12A

2 THÉP HỢP KIM

2.1 Khái niệm:

Thép hợp kim là thép cacbon được tinh luyện cẩn thận để loại bỏ tối đa những nguyên tố có hại như : P , S, ôxy, nitơ, hyđrô Đồng thời bổ sung vào một hay nhiều nguyên tố hợp kim với hàm lượng nhất định để nâng cao cơ tính và các tính chất

khác theo mong muốn như : Cr , Mn , Ni, Si , Mo, V , Ti, Co , Cu , Al , W

- Tính chịu nhiệt cao: Do có các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon nên thép hợp kim có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn 2000C mà cơ tính của thép ít bị thay đổi Tuy vậy thép hợp kim có nhược điểm tính dẻo dai kém

2.3 Thành phần hoá học:

Khác với thép cacbon, trong thép hợp kim người ta cố ý đưa thêm vào các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất cơ,

lý, hoá của vật liệu Các nguyên tố có lợi đưa vào với lượng đủ lớn như vậy được gọi

là nguyên tố hợp kim Sau đây là một số nguyên tố thông thường trong các mác thép

2.4 Phân loại thép hợp kim:

Thép hợp kim có nhiều cách phân loại khác nhau Sau đây là một số cách phân

loại chính

2.4.1 Theo nguyên tố hợp kim:

Người ta dựa vào tên nguyên tố hợp kim chính để đưa vào sử dụng Ví dụ thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính Cr, Mn lần lượt được gọi là thép Crom, thép Mangan Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr – Ni, Cr – Ni – Mo lần

lượt được gọi là thép Crôm – Ni ken và thép Crôm – Niken – Molipden

2.5 Các loại thép hợp kim

2.5.1 Thép hợp kim kết cấu

a Đặc điểm:

Là các loại thép được dùng nhiều trong các chi tiết máy vì nó có nhiều ưu điểm

về cơ tính như độ bền, cứng, độ chịu mòn, khả năng chịu nhiệt tốt, có tính thấm tôi

tốt

b Ký hiệu

- Theo TCVN 1759 -75:

+ Dùng số đầu chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn Nếu lượng cacbon ≈ 1% thì không cần ghi

+ Các nguyên tố hợp kim theo kí hiệu hoá học và tiếp theo là hàm lượng theo

% trung bình, khi lượng của nguyên tố khoảng 1% thì không cần ghi Ví dụ: có mác thép là 12CrNi3 có nghĩa là đây là thép hợp kim Cr – Ni có 0,12% cacbon, ≈ 1% Cr

và ≈ 3% Ni

Mác thép 40Cr có nghĩa là: Đây là thép hợp kim Crôm, lượng C = 0,4%, lượng

Cr ≈ 0,1%

- Theo tiêu chuẩn của Nga ( ΓOCT):

+ Dùng số: dùng hai số đầu tiên chỉ phần vạn lượng cácbon trung bình, nếu

thép chứa 1% lượng C thì con số đầu tiên không ghi Các con số đứng sau các chữ chỉ thành phần % của nguyên tố đó Nếu nguyên tố nào bằng 1% thì không ghi số

+ Dùng chữ: Dùng hệ thống chữ cái của Nga để ký hiệu các nguyên tố hợp

kim như sau:

Bảng 3-5 Ký hiệu nguyên tố hợp kim theo ΓOCT

Tên nguyên tố hợp kim Ký hiệu nguyên tố hợp

- Theo tiêu chuẩn Hoa kì (SASI/SAE): Phía sau tiêu chuẩn trên có bốn con số

SASI/SAExxxx Trong đó hai số cuối biểu thị lượng cacbon trung bình theo phần

vạn

- Theo tiêu chuẩn Nhật bản (JSG): Thép hợp kim bắt đầu bằng chữ S, tiếp

theo là kí hiệu nguyên tố hợp kim và tiếp theo là ba số Trong đó hai số cuối chỉ phần vạn lượng cacbon trung bình Ví dụ: SCr xxx

c Ứng dụng:

Thép hợp kim kết cấu được dùng nhiều trong công nghệ chế tạo chi tiết máy

- Thép Crôm: ví dụ 15X dùng chế tạo các bánh răng, trục cam động cơ đốt trong, loại 20X chế tạo các vòng bi

- Thép ni ken: ví dụ loại 13H5A loại này sau khi nhiệt luyện có độ bền dẻo dai cao thường chế tạo các chốt của piston hoặc làm lò xo

- Thép Crôm- Niken: Ví dụ 20XHA loại này có độ bền và tính cơ học cao, thường dùng chế tạo bánh răng hoặc thanh truyền động cơ có công suất lớn

2.5.2 Thép hợp kim dụng cụ

a Đặc điểm

Thép hợp kim dụng cụ hầu hết có thành phần Crôm là chủ yếu Ưu điểm của

thép này là tốc độ làm nguội chậm khi tôi, do đó tránh được sự nứt vỡ, cong vênh và thích hợp với việc chế tạo dụng cụ cắt, khuôn dập So với thép cacbon dụng cụ, thép hợp kim dụng cụ có tính chống mài mòn tốt hơn, chịu nhiệt tốt hơn Các thép hợp

kim dụng cụ còn có độ thấm tôi sâu, biến dạng nhỏ hơn các loại thép khác

b Phân loại Người ta phân thép hợp kim dụng cụ thành các loại sau:

* Thép có năng suất thấp: Đó là nhóm thép có thành phần cacbon cao (C ≥

1%), được hợp kim hoá thấp và vừa phải với đặc điểm có độ thấm tôi tốt và tính chống mài mòn khá cao Ví dụ: mác thép 90CrSi Trong nhóm này người ta lại chia

làm các loại:

- Loại có tính thấm tôi tốt: Loại này được hợp kim hoá thấp (các nguyên tố ≈

1%) Ví dụ mác thép 90CrSi

- Loại có tính chống mài mòn cao: Loại này có lượng cacbon rất cao (C >

1,3%), và nhiều Vonfram là nguyên tố tạo thành cacbit Ví dụ mác thép 140CrW5 Trong loại này người ta lại sử dụng nhiều loại thép hợp kim dụng cụ khác:

+ Thép hợp kim dụng cụ Crôm Ví dụ: X12, 9X

+ Thép hợp kim dụng cụ Crôm – Silic Ví dụ: 9 XC, 6XC, 4XC

* Thép làm dao có năng suất cao (Thép gió)

- Thép gió là tên gọi của Việt Nam (các nước gọi là thép cắt nhanh) do nó có thể tự tôi trong không khí (trong gió) cũng đạt được độ cứng cao nên gọi là thép gió Trong thép gió người ta lại chia ra hai loại: Thép gió có năng suất thường và thép gió

có năng suất cao

- Đây là thép làm dao quan trọng nhất, nó thoả mãn nhiều yêu cầu đối với vật liệu làm dao như: tính chống mài mòn và tuổi bền cao, nó chịu được nhiệt độ cao (tới

6000C độ cứng hầu như không đổi) Tốc độ cắt có thể đạt 35 – 80 m/phút (gấp 3 đến

7 lần các loại trên) Tính chống mài mòn và tuổi bền cao (gấp 8 đến 10 lần các loại trên) Đặc biệt độ thấm tôi của thép gió rất cao (tôi thấu với tiết diện bất kì)

9XC 0,85 - 0,95 0,3 - 0,6 1,2 - 1,6 0,95 - 1,25 Làm mũi khoan, mũi doa,

tarô, bàn ren, khuôn dập…

6XC 0,6 - 0,7 ≤ 0,4 0,6 -1,0 1,0 - 1,3 Làm trục máy, khuôn dập

nguội cỡ nhỏ

4XC 0,35 - 0,45 ≤ 0,4 1,2 – 1,6 1,3 - 1,6 Làm đục, lưỡi cạo cắt

nguội và cắt nóng kim loại

* Nhóm có năng suất cao: Thép gió

- Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và tính chất của thép gió

+ Tất cả các nguyên tố hợp kim có ở trong thép gió thì nguyên tố Vonfram là quan trọng nhất Tỷ lệ Vonfram trong thép gió bằng từ 6 đến 18% nó làm cho thép gió có tính nóng cao là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh gọi là cacbit Vonfram Fe3W3C

+ Crom: Crom trong thép gió ≈ 4% nó có tác dụng làm tăng độ thấm tôi nên thép gió có khả năng tự tôi và tôi thấu tới tiết diện bất kì

+ Vannadi: Là nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh, là cacbit Vanadi (VC) VC rất cứng và có tính ổn định do đó làm tăng tính chống mài mòn

+ Coban: Là nguyên tố không tạo thành cacbit, nó chỉ có thể hoà tan trong dung dịch rắn để làm tăng tính chịu nhiệt và làm tăng tính nóng cứng của thép gió + Molipden: Molipden có cấu trúc tinh thể và tính chất giống Vomfram nên nó thường dùng thay thế Vonfram vì Molipden rẻ tiền nên hiệu quả kinh tế cao

d Kí hiệu

- Nhóm thép có năng suất thấp

+ Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Kí hiệu và cách đọc giống như các loại thép hợp

kim khác Ví dụ mác thép 90CrSi có nghĩa là: Có 0,9% C ; 1% Cr ; 1% Si

+ Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT): Con số đầu tiên chỉ phần nghìn lượng C

trong thép, các con số đứng sau các chữ chỉ thành phần % của nguyên tố đó Nếu nguyên tố nào bằng 1% thì không ghi số

Ví dụ: 9XC: Nghĩa là đây là thép hợp kim dụng cụ

9 chỉ lượng phần nghìn C trong thép C = 0,9%

X chỉ lượng Cr ≈ 1%

H chỉ lượng Ni ≈ 1%

- Nhóm thép có năng suất cao: Thép gió

+ Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT): Dùng chữ P đầu tiên chỉ thép gió, con số

đứng sau chữ P chỉ thành phần % Vonfram (W), con số đứng sau chữ Ф chỉ thành phần % Vanadi (V), Con số đứng sau chữ M chỉ thành phần % của Molipden (Mo), con số đứng sau chữ K chỉ thành phần % của coban (Co), thành phần % của Crom (Cr) thì không ghi vì lượng crom các loại thép gió đều ≈ 4% Ví dụ: P10K5Ф5

có nghĩa: P chỉ thép gió có 10% Vonfram, có 5% bột kết dính Coban, có 5% Vanadi, còn lại 80% là cacbit Vonfram

+ Tiêu chuẩn của Hoa kì (AISI) có các mác thép gió là T1, T4, T15, M2 + Theo tiêu chuẩn của Nhật (JSG) có các mác SKH2, SKH3, SKH10,

SKH51…

e Ứng dụng

- Thép hợp kim dụng cụ crôm: ví dụ là loại X12, 9X dùng để chế tạo các loại

dao tiện, dao phay, khuôn dập

- Thép hợp kim dụng cụ Crôm-Si lích: Ví dụ 9XC, 6XC dùng làm dao cắt các

loại máy tiện, doa, làm mũi khoan…

- Thép gió: Thép gió năng suất thường: Ví dụ P9, P18, T1, SKH2… Dùng làm

dao gia công các vật liệu mềm và có độ cứng trung bình Nó được dùng phổ biến làm dụng cụ cắt như là dao tiện, phay, khoan, khoét… Trong hai loại trên thì loại P18 có

tính mài mòn tốt hơn và đắt tiền hơn

+ Thép gió năng suất cao: Ví dụ loại P10K5Ф5, P18K5Ф2, T4, SKH3… Các loại này có tính chống mài mòn và có tính cứng nóng cao Nó được dùng để gia công các vật liệu có độ cứng cao như gang, thép hợp kim …

2.5.3 Thép hợp kim đặc biệt

a Đặc điểm:

Là các loại thép hợp kim có khả năng chịu bền nhiệt, chịu được nhiệt độ cao

mà ít bị suy giảm về cơ tính, chịu được sự ăn mòn hóa học của môi trường

b Thành phần hoá học:

Để có được các tính chất đặc biệt, người ta pha trộn nhiều nguyên tố kim loại với những tỷ lệ khác nhau và đặc điểm khác nhau Sau đây là một số thành phần

chính:

- Thành phần cacbon: Phần lớn các loại thép này có thành phần cacbon thấp

(từ 0,1 –0,15%), thậm chí có những loại thép không còn cacbon (lúc này không gọi

là thép mà chỉ là hợp kim sắt) Có loại thép ngược lại có lượng cacbon rất cao (>1%), rất ít trường hợp có lượng cacbon trung gian

- Thành phần hợp kim: Phần lớn loại thép này thuộc loại hợp kim hoá cao

(>20%), song thường chỉ dùng một hoặc hai nguyên tố hợp kim chủ yếu là Crom – Niken

c Các loại thép hợp kim đặc biệt: Người ta chia thép hợp kim đặc biệt làm

5 loại:

- Thép không gỉ

+ Tính chất: Là loại thép có khả năng chống sự ăn mòn rất cao của môi trường

(không khí, nước biển, dung dịch kiềm và axit) Một trong các nguyên tố tạo cho thép có tính chống gỉ là Crom Trên bề mặt của thép tạo thành một lớp màng mỏng

Cr2O3 có khả năng chống gỉ Nếu cho thêm Niken vào thép chứa nhiều Crom thì tính chống gỉ càng tốt Vì vậy có loại thép Crom, Crom - Niken chống gỉ

+ Kí hiệu:

Thép Crom được ký hiệu như 2X13, X17 hoặc là X28…các loại này dùng làm xupáp, xilanh động cơ đốt trong, dụng cụ đo, dụng cụ y tế hoặc trong công nghiệp hóa thực phẩm

Thép Crom – Niken được kí hiệu X18H9, 2X18H9… được chế tạo dạng tấm mỏng dùng nhiều trong công nghiệp hàng không

- Thép chịu nhiệt và bền nhiệt

+ Tính chất: Là loại thép có khả năng chịu nhiệt độ cao của các khí có tính ăn

mòn kim loại Thành phần chủ yếu tạo nên tính chịu nhiệt là Crom, các nguyên

tố khác như nhôm và Silic cũng tạo nên tính chịu nhiệt của thép Mặt ngoài của thép chịu nhiệt hình thành một lớp mỏng, chắc, một lớp hỗn hợp Oxit crom và Oxit sắt Lớp màng này ngăn không cho ôxi của không khí hoặc các khí nóng khác xâm nhập vào thép

+ Kí hiệu: Ví dụ 4X9C2, 6XCЮ… loại này chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao từ 7000C đến 17000 C, ví dụ đế xupáp, xupáp trong buồng cháy động cơ

- Thép và hợp kim có điện trở cao

Thép được sử dụng trong các lò điện và các thiết bị sấy nóng Các loại thép này ngoài việc có điện trở cao còn có tính chịu ôxi hoá cao Ví dụ: Có bốn loại thép điện trở cao là: X13Ю4, OX23Ю5, OX23Ю5A, OX27Ю5A các loại này sử dụng trong các lò điện và thiết bị sấy vì nó có tính chịu oxi hóa cao

- Thép có từ tính và không có từ tính

+ Thép có từ tính: Loại thép này có độ từ thẩm lớn và lực khử từ nhỏ Các thép

này được kí hiệu như: EX5K5, EX9K15M,… và được ứng dụng để chế tạo các loại nam châm vĩnh cửu

+ Thép không có từ tính: Trong chế tạo máy điện, đôi khi cần vật liệu không

có từ tính nhưng lại có cơ tính tốt Do vậy người ta dùng thép không có từ tính để thay các hợp kim màu như đồng, nhôm

Để thép không có từ tính người ta đưa vào thép một lượng nhất định Niken hoặc Mangan Ví dụ: H9Γ9; 55Γ9H9X3… là các loại thép để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường có từ trường, nhưng lại không được có tính từ hóa

80 đến 1000 C sự giãn nở nhiệt gần như bằng 0

Ngoài ra trong các loại đồng hồ đo, để đảm bảo độ chính xác thì các dây tóc và

lò xo của đồng hồ còn có yêu cầu lực đàn hồi không thay đổi và ít giãn nở Để đáp ứng yêu cầu này, người ta chế tạo hợp kim Êlinva X8H30

Để có được các hợp kim có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng hệ số giãn nở nhiệt của thuỷ tinh (trong các dây tóc bóng đèn chân không) người ta sử dụng hợp kim Platinít H42

Chú ý: Các kí hiệu của 5 loại thép không gỉ ở trên được lấy theo (ΓOCT) của Nga Ngoài ra còn có các tiêu chuẩn khác như sau:

+ Tiêu chuẩn của Mỹ ( AISI) có các mác thép 410, 420, 405, 406…

+ Tiêu chuẩn của Nhật (JSG) có các mác thép SUS301, 304, 316, 420, 446…

2.5.4 Hợp kim cứng

a Khái niệm và nguyên lý chế tạo hợp kim cứng

- Khái niệm

Hợp kim cứng có độ cứng rất cao (từ 75 đến 76 HRC), có khả năng chịu nhiệt

độ cao (800-10000C), tốc độ cắt đạt đến hàng trăm, hàng nghìn m/phút Đây là loại thép được dùng làm dụng cụ cắt tốt nhất và phổ biến nhất Thép có độ cứng cao không phải do nhiệt luyện mà do bản chất của nó Trong thành phần hợp kim cứng thì không có Fe nên người ta không gọi nó là thép

- Nguyên lý chế tạo hợp kim cứng

Thành phần chủ yếu của hợp kim cứng là các bít của các kim loại khó nóng chảy như cácbít Vônfam và các bít Titan Ngoài ra còn có Côban làm chất dính kết Người ta chế tạo hợp kim cứng theo phương pháp bột Công nghiệp luyện kim chế tạo ra các loại bột cácbít Titan và cácbít Vônfam có cỡ hạt rất nhỏ rồi trộn đều với kim loại côban, hỗn hợp được ép trong các khuôn tạo thành các loại lưỡi cắt khác nhau theo yêu cầu Khi sử dụng chỉ cần mang lưỡi cắt đó hàn cố định vào thân dao cắt ta sẽ có các loại dao cắt khác nhau

b Phân loại, tính chất và phạm vi ứng dụng

*Phân loại: Hợp kim cứng có nhiều loại nhưng có thể chia thành hai loại chính sau:

- Hợp kim cứng dùng để hàn đắp: Người ta chia hợp kim cứng dùng để hàn

đắp làm ba loại: Loại đúc, loại hàn, loại que hàn để hàn điện Các loại này thường được dùng để hàn đắp lên các mũi dao hoặc các bề mặt chịu mòn Hợp kim cứng được hàn đắp lên bề mặt của vật bằng hàn điện hồ quang hoặc hàn hơi

- Hợp kim cứng loại gốm: Hợp kim cứng loại này dùng để cắt gọt kim loại, nó

được chia làm 3 nhóm:

+ Nhóm hợp kim cứng Vonfam (BK): Nhóm hợp kim này được ký hiệu là

BK Thành phần cơ bản là cacbit Vonfram và Côban kim loại, nhóm này gồm các

loại: BK2, BK3, BK6, BK8

Ý nghĩa: B chỉ các bít vonfram, Kchỉ côban Con số sau chữ K chỉ % lượng côban ví dụ BK8 là có 8% là bột Côban, 92% là các bít Vonfam

+ Nhóm hợp kim cứng Titan Vonfram (TK): Nhóm hợp kim này được ký hiệu

là TK Thành phần gồm các bít Vonfram, các bít Titan và bột côban, các loại hợp

+ Nhóm hợp kim cứng Titan – Tantan - Vonfram (TTK): Nhóm hợp kim này

được ký hiệu là TTK Thành phần chủ yếu WC có thêm 3 đến 8% TiC, 3- 12% TaC

và 8-12% Co Các loại hợp kim cứng nhóm TTK hay dùng là: TT7K12, TT10K8,