Chương 7_Một số loại thép và hợp kim màu thông dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

VẬT LIỆU KỸ THUẬT
Giảng viên: TS. Nguyễn Thị Hằng Nga
Email:


TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Khoa Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ cơ khí

CHƯƠNG 7

MỘT SỐ LOẠI THÉP VÀ HỢP KIM MÀU
THÔNG DỤNG

NỘI DUNG
7.1. Thép kết cấu
7.2. Thép và hợp kim dụng cụ
7.3. Thép và hợp kim có tính chất đặc biệt
7.4. Kim loại và hợp kim màu thông dụng


7.1. THÉP KẾT CẤU
3

Yêu cầu đối với thép kết cấu
a. Cơ tính

- Giới hạn chảy cao
- Độ dai, độ dẻo cao

- Độ cứng bề mặt và giới hạn mỏi cao
b. Tính cơng nghệ
- Tính gia cơng áp lực tốt
- Tính gia cơng cắt tốt
- Tính hàn và có khả năng nhiệt luyện cao
c. Tính kinh tế
- Rẻ


7.1. THÉP KẾT CẤU
4

Thành phần hoá học
a. Carbon và thép Carbon
- Hàm lượng C trong thép kết cấu được quy định 0,10,65 %:

+ % C thấp: 0,1  0,25 % – độ dẻo, độ dai cao;
+ % C trung bình: 0,3  0,5 % – độ bền, độ dẻo cao;
+ % C tương đối cao: 0,55  0,65 % – độ đàn hồi cao.
- Nhược điểm:
+ Có độ bền thấp, độ thấm tôi thấp;
+ Phải tôi trong nước, dễ bị nứt khi độ biến dạng cao
khi tơi;
+ Tính chống ram kém.


7.1. THÉP KẾT CẤU
5

b. Thành phần hợp kim và thép hợp kim

❖ Nhóm ngun tố hợp kim chính
- Gồm: Cr, Mn, Si, Ni - tăng độ bền của thép;

- Đặc điểm:
+ Rẻ dễ kiếm, tổng lượng hợp kim thường 13% (56%);
+ Nâng cao độ thấm tôi;
+ Khi tổng lượng hợp kim ~1% dùng 1 nguyên tố - Cr;
+ Khi tổng lượng hợp kim ~2% dùng 2 nguyên tố - Cr-Ni;

+ Khi tổng lượng hợp kim ~3% dùng 3 nguyên tố - Cr-Mn-Si;
+ Khi tổng lượng hợp kim  4% dùng 2 hoặc 3 nguyên tố.


7.1. THÉP KẾT CẤU
6

❖ Nhóm nguyên tố hợp kim phụ
- Gồm: Ti, V, Zr, Nb, Mo, W;

- Đặc điểm:
+ Đắt, hàm lượng mỗi nguyên tố thường < 0,1  0,2%;
+ Ti, V, Zr, Nb giữ hạt nhỏ khi nung nóng thép Cr – Mn;

+ Mo (0,2 %), W (0,5  0,8%) tránh giòn ram loại II thép Cr, Mn.
- Ưu điểm:

+ Có độ bền cao;
+ Tơi được trong dầu;
+ Tính chống ram tốt.

7.1. THÉP KẾT CẤU
7

c. Quan hệ giữa tổng lượng hợp kim và đường kính tơi thấu

+ Thép có độ thấm tơi thấp – thép Cacbon
- Đường kính tơi thấu 15 mm.
+ Thép có độ thấm tơi trung bình – thép hợp kim hố thấp và
đơn giản (loại có 1%Cr, 2%Mn, 1%Cr + 0,5%Si)
- Đường kính tơi thấu 35 mm.
+ Thép có độ thấm tơi tương đối cao – thép hợp kim hố thấp
nhưng phức tạp: Cr-Ni; Cr-Mo; Cr-Mn-Si
- Đường kính tơi thấu 75 mm.
+ Thép có độ thấm tơi cao – thép hợp kim hoá cao và phức tạp
(5  6%) như: Cr-Ni; Cr-Mo
- Đường kính tơi thấu 100 mm.


7.1. THÉP KẾT CẤU
8

Phân loại thép kết cấu
+ Thép thấm C: %C thấp (dẻo, dai) để đạt độ bền cao phải tôi
+ ram thấp, muốn đạt độ cứng bề mặt cao trước đó phải đem
thấm C;
+ Thép hố tốt: %C trung bình (tương đối dẻo dai, bền) để
nâng cao cơ tính phải tơi + ram cao, phải tơi bề mặt;
+ Thép đàn hồi: %C tương đối cao (kém dẻo dai, nhưng khá
cứng, rất đàn hồi) để nâng cao tính đàn hồi phải tơi + ram trung

bình;
+ Thép kết cấu có công dụng riêng: Thép lá, tấm, thép dễ cắt,
thép làm ổ lăn.


7.1. THÉP KẾT CẤU
9

7.1.1. Thép thấm Carbon
a. Carbon
- Lượng Carbon: 0,1  0,25% (0,3%);
- Độ dai, độ dẻo cao, độ bền thấp;
- Độ thấm tôi thấp.
b. Hợp kim
- Tăng độ thấm tôi để nâng cao độ bền;

- Thúc đẩy quá trình thấm C (Cr, Cr – Ni, Cr – Mn – Ti).


7.1. THÉP KẾT CẤU
10

Các loại thép thấm Carbon
a. Thép Carbon
- Các thép thường để thấm Cacbon là: C10, C15, C20, C25
tương đương với thép (10, 15, 20, 25);
Đặc điểm
- Sau khi thấm, tôi + ram thấp độ cứng đạt 60  62 HRC với
tính chống mài mịn tốt, lõi có độ cứng 30  40 HRC ;
- Độ bền thấp, độ thấm tơi thấp, có b = 500  600 MPa;

- Phải tôi trong nước, độ biến dạng lớn;

- Không thể nâng cao nhiệt độ thấm quá 900C vì thép có bản
chất hạt lớn, tốc độ thấm chậm, thời gian thấm kéo dài.


7.1. THÉP KẾT CẤU
11

b. Thép Crôm – Cr
- Các mác thép thường sử dụng là: 15Cr, 20Cr, 25Cr tương
đương với thép (15X, 20X, 25X);

- Cr là nguyên tố nâng cao độ thấm tơi, có ái lực với carbon.
Đặc điểm
- Sau khi thấm, tôi + ram thấp độ cứng đạt 60  62 HRC với tính
chống mài mịn cao;
- Độ bền cao, độ thấm tơi cao, có b = 700  800 MPa;
- Tôi trong dầu, áp dụng với các chi tiết tương đối phức tạp;

- Nhiệt độ thấm 900  920C, tốc độ thấm nhanh, độ hạt bình
thường;


7.1. THÉP KẾT CẤU
12

c. Thép Crôm – Niken và thép Crôm – Niken – Môlipden
❖ Thép Crôm – Niken
+ Thép Crôm – Niken thường: ~1%Cr + 1%Ni;

+ Thép Crôm – Niken cao: ~1%Cr + 3%Ni.
- Mác thép điển hình: 20CrNi, 12CrNi3A, 20Cr2Ni4A tương
đương 20XH, 12XH3A, 20X2H4A.

Đặc điểm
- Sau khi thấm, tôi + ram thấp độ cứng đạt 60  62 HRC, tính
chống mài mịn rất cao;
- Độ bền cao, độ thấm tơi cao, có b = 1000  1200 MPa;
- Tôi trong dầu, áp dụng với các chi tiết lớn, phức tạp;
- Nhiệt độ thấm 900  920C, tốc độ thấm nhanh;
- Đắt, tính gia cơng cắt kém và quy trình nhiệt luyện phức tạp.


7.1. THÉP KẾT CẤU
13

❖ Thép Crôm – Niken – Môlipden
- Mác thép điển hình: 20CrNi2Mo, 18Cr2Ni4MoA, tương
đương 20XH2M, 18XH4MA.

- Hàm lượng Mo ~ 0,1  0,4%.
Đặc điểm
- Sau khi thấm, tôi + ram thấp độ cứng đạt 60  62 HRC, tính
chống mài mịn rất cao;
- Độ bền cao, độ thấm tơi rất cao, có b = 1000  1200 MPa;

- Tôi trong dầu, áp dụng với các chi tiết lớn, phức tạp;
- Nhiệt độ thấm 900  920C, tốc độ thấm nhanh;
- Đắt, tính gia cơng cắt kém và quy trình nhiệt luyện phức tạp.

7.1. THÉP KẾT CẤU
14

d. Thép Crôm – Mangan – Titan
- Mác thép điển hình: 18CrMnTi; 25CrMnTi, 25CrMnTiMo tương
đương 18XΓT, 25XΓT, 25XΓTM.
- Gồm: ~1%Cr, 1%Mn, 0,1%Ti và (0,2  0,3)%Mo
Đặc điểm
- Sau khi thấm, tôi + ram thấp độ cứng đạt 60  62 HRC, tính

chống mài mịn rất cao;
- Độ bền cao, độ thấm tơi cao, có b = 1000  1500 MPa;
- Tôi trong dầu, áp dụng với các chi tiết lớn, phức tạp;
- Nhiệt độ thấm 930  950C, tốc độ thấm nhanh;
- Hạt nhỏ (Ti).


7.1. THÉP KẾT CẤU
15

7.1.2. Thép hóa tốt
Thép hố tốt là loại thép có hàm lượng carbon trung bình %C =
0,3  0,5% để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh, va
đập tương đối cao và bề mặt chịu mài mòn tốt như trục, bánh
răng, chốt,…
a. Carbon
+ Lượng C = 0,30,5 %, đảm bảo độ bền, độ dẻo và độ dai.
b. Hợp kim
+ Các nguyên tố hợp kim chính nâng cao độ thấm tơi gồm: Cr

– Mn với lượng chứa 1  2 % và Ni - 4%;
+ Nguyên tố hợp kim phụ thường dùng là W hoặc Mo chúng
cũng có tác dụng làm tăng độ thấm tơi (tránh DR II).


7.1. THÉP KẾT CẤU
16

Đặc điểm về nhiệt luyện
- Thông thường quy trình cơng nghệ gia cơng các chi tiết bằng
thép hố tốt như sau:
Rèn, dập nóng (tạo phơi)

Ủ (gia cơng cắt thô)

Tôi + ram cao (gia công cắt tinh)

Tôi bề mặt hoặc hoá nhiệt luyện (mài, sửa)


7.1. THÉP KẾT CẤU
17

Các loại thép hoá tốt
a. Thép Carbon
+ Gồm các mác thép sau: C35, C40, C45, C50 (35,40,45,50)
+ Đặc điểm:
- Độ bền, độ thấm tôi thấp (tôi thấu 10);
- Sau hố tốt có b = 750  850 MPa;
- Khơng làm được các chi tiết lớn và có hình dạng phức tạp,

phải tơi trong nước (20  30 mm);
- Rẻ và có tính cơng nghệ tốt: dễ rèn, dập nóng cắt gọt.
 Nhóm thép này được dùng làm các chi tiết chịu tải trọng
khơng lớn và có tiết diện nhỏ như trục khuỷu, trục truyền, trục
cam trong các động cơ nhỏ bánh răng tốc độ chậm, bulông chịu
tải.


7.1. THÉP KẾT CẤU
18

b. Thép Crôm
+ Gồm các mác thép: 35Cr, 40Cr, 45Cr, 50Cr (35X,40X,...)
+ Đặc điểm:
- Hàm lượng Cr ~ 1%;
- Độ bền, độ thấm tôi cao (tôi thấu 20);
- Sau hố tốt có b = 800  950 MPa;
- Chế tạo chi tiết có tiết diện trung bình (20  40 mm), tơi trong
dầu;

- Giịn ram loại II khi ram cao.
 Nhóm thép này dùng làm các chi tiết chịu tải trung bình như
trục, bánh răng máy cắt kim loại.


7.1. THÉP KẾT CẤU
19

c. Thép Cr – Mn và thép Cr – Mn – Si
+ Thép Crôm – Mangan: 40CrMn, 40CrMnTi, 40CrMnTiB;

+ Thép Crôm – Mangan – Silic: 30CrMnSi, 35CrMnSi;
- Gồm: 1%Cr, 1%Mn, 1%Si, 0,030,09%Ti, 0,0020,005%B
Đặc điểm:

- Độ bền, độ thấm tơi cao (tơi thấu 40  50);
- Sau hố tốt có b = 1000  1100 MPa;
- Làm được chi tiết tiết diện trung bình (40  60 mm), hình

dáng phức tạp, tơi trong dầu;
- Có tính đàn hồi tốt, đảm bảo tính dập, tính cắt gọt;
- Giịn ram loại II khi ram cao.


7.1. THÉP KẾT CẤU
20

d. Thép Crôm – Niken và thép Crôm – Niken – Môlipden
❖ Thép Crôm – Niken
+ Thép Crôm – Niken thường: ~1%Cr + 1%Ni;
- Mác thép điển hình: 40CrNi, 45CrNi, 50CrNi tương đương
40XH, 45XH, 50XH.
Đặc điểm

- Độ bền tương đối cao, độ dẻo độ dai tốt, có b = 700  1000
MPa;
- Độ thấm tôi thấp (với tiết diện 50  60 mm);
- Tôi trong dầu, áp dụng với các chi tiết phức tạp;
- Giòn ram loại II khi ram cao;
- Tính gia cơng cắt hơi kém.

7.1. THÉP KẾT CẤU
21

+ Thép Crôm – Niken cao: ~(1  2)%Cr + (3  4)%Ni;
- Mác thép điển hình: 30CrNi3A, 38CrNi3A, tương đương
30XH3A, 38XH3A.
Đặc điểm
- Độ bền tương đối cao, độ dẻo độ dai tốt, có b = 700  1000
MPa;
- Độ thấm tôi thấp (với tiết diện 50  60 mm);

- Tôi trong dầu, áp dụng với các chi tiết phức tạp;
- Giòn ram loại II khi ram cao;
- Tính gia cơng cắt hơi kém.


7.1. THÉP KẾT CẤU
22

❖ Thép Crôm – Niken – Môlipden
+ Thép Crơm–Niken–Mơlipden: ~1%Cr+1%Ni+0,150,4%Mo
- Mác thép điển hình: 38Cr2Ni2MoA, 38CrNi3MoVA,

tương

đương 38X2H2MA, 38XH3MФA.
Đặc điểm
- Độ bền cao, độ dẻo độ dai tốt, có b = 1200 MPa; ch = 1100

MPa;
- Độ thấm tôi rất cao (tôi thấu tiết diện >100 mm);
- Tôi trong dầu, áp dụng với các chi tiết lớn, phức tạp;
- Tính gia cơng cắt hơi kém.


7.1. THÉP KẾT CẤU
23

7.1.4. Thép đàn hồi
Thép đàn hồi là loại thép khá cứng, có lượng cacbon tương đối
cao C = 0,55  0,65 % có tính đàn hồi cao để chế tạo lị xo, nhíp
và các chi tiết đàn hồi khác…
Đặc điểm làm việc của lị xo, nhíp và các chi tiết đàn hồi là chịu
tải trọng tĩnh và va đập lớn mà không cho phép biến dạng dẻo.
Yêu cầu:
- Giới hạn đàn hồi cao, tỉ lệ σđh/σb = 0,85  0,95;
- Độ cứng khá cao, độ dẻo, dai thấp, HRC = 35  45;
- Giới hạn mỏi cao để thích ứng với điều kiện tải trọng thay đổi
theo chu kỳ.


7.1. THÉP KẾT CẤU
24

Đặc điểm về thành phần hoá học và nhiệt luyện
a. Thành phần hoá học
- Lượng C = 0,5  0,7% (thường là 0,55  0,65%)
- Các nguyên tố hợp kim: 1%Mn, 2%Si, 1  2%(Cr + Ni):
+ Nâng cao giới hạn đàn hồi và độ cứng;

+ Nâng cao độ thấm tôi, đảm bảo giới hạn đàn hồi đồng nhất
trên tồn bộ tiết diện.

b. Nhiệt luyện
- Chống thốt cacbon, sử dụng tơi và ram trung bình;
- Tạo nên ứng suất nén bề mặt → phun bi, lăn ép;
- Nâng cao độ nhẵn bóng bề mặt → cán, kéo tinh hoặc mài.


7.1. THÉP KẾT CẤU
25

Các loại thép đàn hồi và công dụng

a. Thép Carbon và thép Mangan
+ Thép carbon
- Gồm các mác thép: C65, C70 và đôi khi là CD80, CD100
(65, 70, 80, 100)
+ Thép Mangan
- Gồm các mác thép: 65Mn, 70Mn (65Γ, 70Γ) – 1%Mn.
Đặc điểm:
- Có giới hạn đàn hồi thấp σđh ≤ 800 MPa;
- Độ thấm tôi thấp (tơi thấu 15 mm).

Cơng dụng:
- Dùng làm lị xo.