Giáo trình vật liệu 2 part 8 pot

91
Các loại dụng cụ đo sử dụng trong Cơ khí : palme, thớc cặp, thớc đo độ dài, đo
góc, dỡng, calip , dễ bị mòn, biến dạng, làm sai lệch kết quả đo. Để bảo đảm
độ chí nh xác, các dụng cụ đo phải đạt các yêu cầu sau:
1)
Độ cứng và tí nh chống mài mòn cao:
độ cứng HRC yêu cầu là 63 ữ 65.
2) ổn định kí ch thớc:
trong suốt đời làm việc (hàng chục năm hay hơn), nhờ 2 chỉ
tiêu sau:
- hệ số giãn nở vì nhiệt nhỏ và sự ổn định của tổ chức đạt đợc trong thời gian dài.
3) Độ nhẵn bóng bề mặt cao:
cấp 14, khi mài và í t bị biến dạng khi nhiệt luyện.
Độ cứng và tí nh chống mài mòn cao nh dao cắt song không yêu cầu tí nh cứng
nóng nên không cần làm bằng thép gió.
b. Thép làm dụng cụ đo cấp chí nh xác cao
Nguyên tố hợp kim và nhiệt luyện thí ch hợp:

- Hợp kim hóa Cr-Mn: (1% mỗi nguyên tố), để nâng cao độ thấm tôi (tôi thấu khi
tôi dầu), í t biến dạng; riêng Mn có tác dụng làm tăng d đến mức thí ch hợp làm
cho kí ch thớc hầu nh không thay đổi khi tôi.
- Hóa già để ổn định kí ch thớc: (nhiệt độ hóa già dới ram thấp, < 150
o
C). Để
vẫn là tổ chức M (tôi) chứ không phải là M ram, vì M (tôi) có những u điểm sau:
+ độ cứng và tí nh chống mài mòn cao, do đó
+ bảo đảm độ nhẵn bóng cao khi mài, và đặc biệt là
+
có hệ số gin nở vì nhiệt rất nhỏ
, chỉ khoảng 10

-5
ữ 10
-6
/
o
C
.
Phải hoá già vì : M (tôi) và d không ổn định, để ổn định M (tôi) và d phải xử lý
thép tôi ở 120
ữ
140
o
C trong 1
ữ
2 ngày.
Các thép thờng dùng:
là các mác 100Cr, 100CrWMn (TCVN 1823 - 76) và mác
140CrMn (mác X của Nga) trong đó 140CrMn đợc dùng nhiều hơn cả.
c.

Thép làm dụng cụ đo cấp chí nh xác thấp
Loại này chỉ yêu cầu cứng và chống mài mòn là đủ, do đó không cần dùng các
mác thép hợp kim cùng với tôi + hóa già nh trên mà chỉ dùng các mác thép:C15,
C20 thấm C, tôi + ram thấp
C45, C50, C55 qua tôi bề mặt + ram thấp, thép dụng cụ: CD80, CD120, tôi+ram
thấp
5.4.4. Thép làm dụng cụ biến dạng nguội
Biến dạng dẻo thép ở nhiệt độ thờng - biến dạng nguội - là hì nh thức gia công
phổ biến trong chế tạo cơ khí với năng suất cao. Dụng cụ để biến dạng nh trục
cán, khuôn dập, đột có ý nghĩa quan trọng quyết định năng suất và chất lợng

sản phẩm.
a. Điều kiện làm việc và yêu cầu:
1) Độ cứng đủ cao: HRC 58
ữ
62 (thấp hơn dao cắt) phụ thuộc vào loại khuôn,
chiều dày và độ cứng của thép lá đem dập, biến dạng: tôn silic dày phải yêu, HRC
tới trên 60 đến 62;
2)
Tí nh chống mài mòn cao: bảo đảm hàng vạn - hàng chục vạn lần dập vẫn
chí nh xác.
3) Độ bền và độ dai cao: chịu đợc tải trọng lớn và chịu va đập, khuôn dập lớn
cần có thêm yêu cầu về độ thấm tôi và í t thay đổi thể tí ch khi tôi.
b. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nguội:

92
- %C cao: ~ 1%, bảo đảm độ cứng, tí nh chống mài mòn sau khi tôi, song có một
số trờng hợp ngoại lệ: + khi chịu va đập mạnh, lợng cacbon giảm đi, còn 0,40 ữ
0,60%,
+ khi chịu mài mòn rất cao, %C đến 1,50
ữ
2,00% hay hơn.
- Hợp kim hoá:
phụ thuộc vào hì nh dạng, kí ch thớc khuôn và tí nh chống mài mòn
yêu cầu do tác dụng nâng cao độ thấm tôi và tạo ra cacbit cứng.
Để làm tăng độ thấm tôi: Cr, Mn, Si, W với lợng í t (~ 1% mỗi loại).
Để nâng cao tí nh chống mài mòn: Cr (~ 12%) và %C =1,50
ữ
2,00% hay hơn.
- Nhiệt luyện kết thúc: tôi + ram thấp để đạt độ cứng cao, song cũng có đặc điểm
riêng.

Để bảo đảm độ bền và do kí ch thớc lớn nên nhiệt độ tôi cao hơn 20
ữ
40
o
C để


đợc đồng nhất hơn, nâng cao độ thấm tôi, có khi phải thờng hóa trớc để hạt
nhỏ í t biến dạng, nứt khi tôi

Nhiệt độ ram lấy cao hơn (song vẫn là ram thấp) vì yêu cầu độ cứng thấp hơn
chút í t. Chú ý do ram thấp phải tránh giòn ram loại I.
c. Thép làm khuôn bé
Khuôn nhỏ, hì nh dạng đơn giản, chịu tải nhỏ: CD100, CD120, tôi trong nớc, tuy
độ thấm tôi của thép C thấp song có độ cứng bề mặt đủ bảo đảm điều kiện làm
việc, lõi có thể không tôi thấu nhng phải đảm bảo không bị lún là đợc.
d. Thép làm khuôn trung bì nh
Kí ch t h ớc khuôn trung bì nh (75 -100mm), hoặc loại bé nhng có hì nh dạng phức
tạp, chịu tải trọng lớn: dùng thép 1%C có hợp kim Cr, W, Mn, Si (~ 1% mỗi nguyên
tố) để nâng cao độ thấm tôi: 110Cr, 100CrWMn, 100CrWSiMn. Trong các mác đó
100CrWMn là điển hì nh hơn cả.
Đặc điểm của thép:

- Do có Mn nên sau khi tôi có lợng

d nhất định nên biến dạng nhỏ.
- Có thể dùng cách tôi phân cấp (nếu là khuôn nhỏ) và tôi trong hai môi trờng
(nếu là khuôn trung bì nh) để giảm độ biến dạng mà vẫn đạt độ cứng cao.
- Thiên tí ch cacbit lớn, khi cacbit lớn thép dễ bị nứt khi tôi, do đó phải kiểm tra cấp

cacbit, nếu thấy lớn phôi thép phải qua rèn.
e. Thép làm khuôn lớn và có tí nh chống mài mòn rất cao:
Kí ch t h ớc (200
ữ
300mm), chịu tải trọng nặng và bị mài mòn rất mạnh phải dùng
thép %Cr cao tới 12% và %C rất cao, 1,50 ữ 2,20% với các mác:
Cr12 (210Cr12), Cr12Mo (160Cr12Mo) và Cr12V1 (130Cr12V1).
Đặc điểm nổi bật của thép:
- Tí nh chống mài mòn rất cao: 30% cacbit crôm nên bảo đảm tuổi bền làm việc rất
cao.
- Độ thấm tôi cao: tôi thấu d=150x200
mm
trong dầu, bảo đảm độ bền, độ cứng khi
khuôn lớn.
- Có nhiều chế độ tôi + ram khác nhau: thay đổi nhiệt độ tôi dẫn đến mức độ hòa
tan cacbit khác nhau làm biến đổi thành phần của , vì thế làm thay đổi tỷ lệ của
các tổ chức tạo thành do đó ảnh hởng đến độ cứng và kí ch thớc khuôn:

93
+ Tôi nhiệt độ thấp: 1050 ữ 1075
o
C, í t d, độ cứng HRC đạt 64 ữ 65, nhng
tí nh cứng nóng thấp (cách tôi này gọi là tôi ra độ cứng thứ nhất). Sau khi tôi ram ở
150
ữ
200
o
C.
+ Tôi nhiệt độ cao: 1125 ữ 1150
o

C, đợc hợp kim hóa cao M tạo thành có tí nh
cứng nóng cao, nhng độ cứng đạt thấp, HRC 54
ữ
56 vì có nhiều

d (~ 60%).
Giống nh thép gió, thép này sau khi ram nhiều lần ở 500 ữ 530
o
C d sẽ chuyển
biến thành M và có độ cứng tăng lên đến HRC 58 ữ 60 (cách tôi này gọi là tôi ra
độ cứng thứ hai).
+ Tôi nhiệt độ trung bì nh: 1100
ữ
1125
o
C,

d khá lớn (~ 40%) nên kí ch thớc
hầu nh không thay đổi, đạt độ cứng HRC khoảng 58. Sau khi tôi, ram ở 150 ữ
200
o
C (tôi ổn định kí ch thớc).
Khi ram, tránh nhiệt độ giòn ram loại I của thép này là 300 ữ 375
o
C.
- Có thể dập với tốc độ cao: khuôn chịu đợc nhiệt độ nung nóng tới 200
ữ
350
o
C.

f. Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập
Dụng cụ biến dạng nguội chịu va đập nh: đục, búa hơi, khuôn dập cắt thép tấm
dày 3
ữ
4mm trở lên phải làm bằng loại thép hợp kim với 3
ữ
5% nguyên tố hợp
kim song có lợng cacbon thấp hơn, chỉ 0,40 ữ 0,60% để bảo đảm độ dai va đập
nhất định.
Thờng dùng các mác sau: 40CrSi, 60CrSi, 40CrW2Si, 50CrW2Si, 60CrW2Si và
60CrWMn, có 1%Cr, 1%Si và 1 ữ 2%W. Sau khi tôi phải ram cao hơn các khuôn
dập bì nh thờng. Khi ram, tránh giòn ram loại I của các thép trên ở 240
ữ
270
o
C.
Hiện nay đang có khuynh hớng dùng hợp kim cứng làm khuôn dập nguội, đạt
hiệu quả rất cao.
5.4.5.

Thép làm dụng cụ biến dạng nóng
Rèn, ép sử dụng các bộ khuôn tơng ứng.
a. Điều kiện làm việc và yêu cầu:
- Dụng cụ (khuôn) bị nung nóng: phôi ~1000
o
C, khuôn 500ữ700
o
C song không
liên tục
- Phôi thép ở nhiệt độ cao (

) mềm do đó khuôn không cần cứng nh khuôn dập
nguội
- Các dụng cụ biến dạng nóng thờng có kí ch thớc lớn, chịu tải trọng lớn, có thể
đạt tới vài trăm - vài nghì n tấn.
Yêu cầu đối với dụng cụ biến dạng nóng:

1) Độ bền và độ dai cao, độ cứng vừa phải đồng nhất trên toàn tiết diện để có thể
chịu đợc tải trọng lớn và va đập:độ cứng chỉ HB 350 ữ 450 (HRC 35 ữ 46), cao
quá lại không bảo đảm.
2) Tí nh chống mài mòn cao bảo đảm tạo ra đợc hàng nghì n ữ hàng vạn sản
phẩm. Nhiệt độ cao, làm nhịp độ sản xuất chỉ bằng 1/10 khuôn biến dạng nguội.
3)
Tí nh chịu nhiệt độ cao, chống mỏi nhiệt
để chịu đợc trạng thái nhiệt độ thay
đổi tuần hoàn dễ gây ra rạn, nứt. Muốn vậy thép phải có tí nh chống ram cao.

b. Đặc điểm của thép làm dụng cụ biến dạng nóng:
- Thành phần:
- %C trung bì nh: 0,30 ữ 0,50%.

94
- Hợp kim hoá thí ch hợp: để bảo đảm thấm tôi tốt và độ dai cao Cr-Ni; cứng
nóng 8 ữ 10%W
- Nhiệt luyện kết thúc:
tôi + ram trung bì nh (500
ữ
600
o
C) để đạt tổ chức T ram

(đôi khi cả T+X ram). Chú ý tránh giòn ram loại II. Hai loại thờng dùng:
c. Thép làm khuôn rèn
Dùng thép Cr-Ni (hay Cr-Mn) có thêm Mo hay W và %C= 0,50%:
các mác 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrNiSiW, 50CrMnMo trong đó 50CrNiMo là mác
điển hì nh.
Đặc điểm của thép 50CrNiMo:

- Tí nh thấm tôi cao, tôi thấu trong dầu với khối thể tí ch 400 x 300 x 300
mm
, có thể
tôi phân cấp hay đẳng nhiệt với khuôn bé.
- Tôi + ram 500 ữ 600
o
C, tùy theo yêu cầu độ cứng với từng loại khuôn: nhỏ HRC
40ữ45, ram khoảng 500ữ540
o
C, lớn HRC 35ữ38 ram khoảng 540 ữ 580
o
C, T hay
T+X ram.
- Độ cứng phần đuôi nên thấp hơn phần làm việc từ 5 đến 10 đơn vị HRC do đó
phải ram thêm phần này ở trong lò muối ở 600 ữ 650
o
C hay bằng nung cảm ứng.
Chú ý khi nhiệt luyện khuôn rèn:

+ Thời gian nung nóng dài (do kí ch thớc khuôn lớn) phải chống oxy hóa và thoát
cacbon
+ Đối với các khuôn lớn do cần phải có độ dai cao hơn nên độ cứng phải lấy thấp
đi (HRC< 35).

Thờng dùng 50CrNiMo, cho khuôn rèn với búa > 3Tấn, các mác còn lại với các
búa < 3T.
d. Thép làm khuôn ép chảy:
Điều kiện làm việc:
Khác với khuôn rèn, khuôn ép chảy thờng bé hơn nhng phải
chịu nhiệt độ vá áp suất cao hơn, tải trọng ổn định không có va đập.
Chọn thép:
Để có tí nh cứng nóng khá cao (600 ữ 700
o
C) phải hợp kim hóa cao
(~10%) Cr+W, %C=0,30
ữ
0,40%, V~1% để chống mài mòn và giữ hạt nhỏ,
Mo~1% để tăng tí nh thấm tôi.
Mác thép thờng dùng là:
30Cr2W8V và 40Cr5W2VSi. Tôi ở nhiệt độ cao (gần
1100
o
C), ram ở 600ữ 650
o
C để đạt tổ chức trôxtit ram với độ cứng HRC= 40 ữ 50.
Sau khi tôi + ram 600 ữ 650
o
C nh trên, khuôn còn đợc thấm C-N ở 500 ữ 600
o
C
5.5.

Thép hợp kim đặc biệt
(có tí nh chất vật lý - hóa học đặc biệt)

5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại
Đặc điểm chung của thép hợp kim đặc biệt:

- %C thấp: < 0,10
ữ
0,15%) hoặc ngợc lại yêu cầu %C cao (> 1,00%)
- Hợp kim hoá cao: > 10% hay rất cao > 20% song thờng là hợp kim hóa đơn
giản
- Về tổ chức tế vi: thờng cò tổ chức đơn pha:

, F, M ở trạng thái cung cấp.
- Đặc tí nh cơ, lý, hóa: có tí nh chống mài mòn đặc biệt cao, có tí nh chất điện - điện
từ đặc biệt,
làm việc ở nhiệt độ cao, có tí nh giãn nở nhiệt hay đàn hồi đặc biệt
5.5.2.

Thép không gỉ

Thép không gỉ (inox, inoxydable) bền ăn mòn trong axit.

95
a. Thép không gỉ hai pha: F+cacbit Cr : 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 và 40Cr13
+ tôi: T= 1000 ữ 1100
o
C tổ chức 1 pha F bền ăn mòn.
Cr làm tăng tí nh ổn định của austenit quá nguội nguội trong không khí cũng cho
mactenxit. 12Cr13 và 20Cr13 là thép trớc cùng tí ch khá dẻo, dai, có thể chịu biến
dạng nguội. Sau khi tôi và ram ở 700 ữ 775
o

C, đợc dùng làm các chi tiết: trục
bơm, đồ ngũ kim, ốc, ví t không gỉ .
30Cr13 và 40Cr13 là các thép CT và SCT nên khá cứng và kém dẻo hơn. Sau khi
tôi + ram 150 ữ 200
o
C, HRC 40 ữ 55 dùng làm kim phun động cơ, lòxo, ổ lăn
không gỉ và dụng cụ phẫu thuật, dao, kéo.
b. Thép không gỉ một pha ferit
Nếu dùng 13%Cr í t C đi (< 0,08%C) hoặc thép (0,10 ữ 0,20)%C, (17 ữ 25)%Cr
(Cr/C~150) thép chỉ có tổ chức một pha F, bền ăn mòn hơn loại hai pha kể trên:
08Cr13, 12Cr17, 15Cr25Ti:










Hì nh 5.15. Giản đồ pha Fe - Cr

08Cr13 có thể dùng để hàn, đợc dùng nhiều trong công nghiệp hóa dầu.
12Cr17 đợc sử dụng nhiều nhất để thay cho thép không gỉ austenit đắt hơn.
15Cr25Ti đợc dùng nh thép chịu nhiệt. Khả năng hóa bền biến dạng thấp nên
rất dễ biến dạng nguội.
c. Thép không gỉ một pha austenit:
Thành phần:
%Cr > 16

ữ
18%, %Ni

6
ữ
8%, có tổ chức

, còn gọi là thép họ 18 -
8 (> 18%Cr, > 8%Ni), đợc sử dụng nhiều nhất (ở Mỹ là 70%).
Bền ăn mòn:
trong HNO
3
nó có thể chịu đợc H
2
SO
4
(với mọi nồng độ và ở nhiệt
độ thờng), HCl (loãng và ở nhiệt độ thờng).
C ơ tí nh v à tí nh c ô n g n g h ệ :
độ dẻo cao (

= 50%),

0,2
= 250
ữ
300MPa, kém thép
ferit, có khả năng hóa bền biến dạng mạnh (sau biến dạng nguội, = 60 ữ 70%,
có thể đạt tới
0,2

= 750MPa, song = 5%) khó biến dạng nguội (gò, uốn, dập).
Nhiệt luyện:
tôi để tạo tổ chức một pha austenit đồng nhất chống ăn mòn tốt, T=
(1050
ữ
1100
o
C) để cacbit hòa tan hết vào austenit rồi sau đó làm nguội nhanh
trong nớc.
Các mác thông dụng:

12Cr18Ni9, bị ăn mòn tinh giới chỉ dùng cho kết cấu không qua hàn
- 08Cr18Ni11,



OCT 08X18H10, AISI 304, 316 ), %C< 0,03
ữ
0,04% nh
04X18H10, 03X18H12, AISI 316L), giảm C rất khó luyện và đắt.
- không có chuyển biến pha, thù hì nh, không thể
hóa bề n bằ ng tôi, khi nung nóng dễ là m cho hạt
lớn và là m xấ u cơ tí nh.
- Nung lâu thép >15%Cr ở trê n 475
o
C sẽ xuất
hiện các pha giòn (hì nh 5.15). Thép >20%Cr,
nung ở 550-800
o
C xuất hiện pha

(FeCr) rất
giòn. Nung ngắ n (hàn) và ủ ở trên 800
o
C rồi
nguội nhanh các pha trên không xuấ t hiện.

nhiệt độ,
o
C
1200
800
400
2
0
4
0

60

80

%Cr



L


+

96
- 08Cr18Ni10Ti, 12Cr18N9Ti,

OCT 08X18H10T, 12X18H9T, AISI 347 (AISI
316 có thêm 2%Mo là để cải thiện tí nh chống ăn mòn trong môi trờng có ion Cl
-
).
d.

Thép không gỉ hóa bền tiết pha

Đặc điểm:
- Về thành phần và tổ chức:

13
ữ
17%Cr và 4
ữ
7%Ni, có thêm Al, Cu, Mo và tổ chức austenit không thật ổn
định.
- Có tí nh công nghệ và cơ tí nh cao:
dễ biến dạng và gia công cắt thép ở trạng thái
mềm, sau đó hóa bền nó bằng hóa già ở nhiệt độ thấp nhờ đó tránh đợc biến
dạng và ôxy hóa
Quy trì nh nhiệt luyện:

+ ủ ở 1050
o
C, nguội trong không khí , tổ chức để dễ biến dạng dẻo và gia công

cắt
+ nung ở 750 ữ 950
o
C, nguội trong không khí đợc tổ chức + một í t cacbit (lợng
cacbit

nhiệt độ nung)
+ gia công lạnh đến 0 ữ -75
o
C, chuyển biến thành M
+ hóa già ở 525
o
C khoảng 1
h
, các pha hóa bền nh NiAl, Ni
3
Al tiết ra ở dạng phân
tán, nhỏ mịn làm tăng mạnh độ bền (

b
= 1650MPa,

0,2
= 1550MPa), giảm độ
dẻo ( = 6%).
- Có tí nh chống ăn mòn tốt gần nh thép họ 18- 8.
Công dụng: Nhờ cơ tí nh cao, đợc dùng làm kết cấu máy bay, Hoa kỳ dùng AISI
361 (hay còn ký hiệu là 17-7 PH (Precipitation Hardened), 17%Cr, 7%Ni, còn có
thêm ~1,2%Al, ~1%Mn.
5.5.3.

Thép bền nóng
(Heat - Resistant Steel)
Thép bền nóng là thép có khả năng chịu tải lâu dài ở trên 500
o
C đợc dùng vào
các mục đí ch tơng ứng nh: nồi hơi, tuabin khí , động cơ phản lực, tên lửa
a. Yêu cầu đối với thép làm việc ở nhiệt độ cao
Nhiệt độ cao có sự suy giảm rõ rệt cơ tí nh và tí nh chống ăn mòn.
Khi làm việc ở nhiệt độ cao, kim loại bị do. Đánh giá độ bền nhiệt = độ bền dão:
là ứng suất phá huỷ dão sau một thời gian nhất định (1000
h,
ký hiệu là
b/1000
=
170MPa). Giới hạn dão là ứng suất cần thiết để có độ biến dạng xác định (ví dụ
0,2%) sau một thời gian ấn định (ví dụ 1000h) đợc ký hiệu
0,2/1000
= 100MPa.
ở
nhiệt độ, sự oxy hóa thép tạo thành lớp vảy oxit làm giảm tiết diện chịu tải. Hợp
kim hóa thép bằng Cr, Si, Al tạo màng oxit bảo vệ; về phơng diện này, thép
không gỉ đều là thép bền nóng.
b. Thép làm xupap xả
Chịu tải trọng cao, chịu nhiệt độ cao 650
ữ
700
o
C, chịu mài mòn ở đuôi và cạnh
vát khi va đập. Thờng dùng 2 loại thép mactenxit và austenit với (0,40ữ0,50)%C:

Thép mactenxit
Chứa (9,0 ữ 10,0%)Cr và 2%Si, ngoài ra có thể thêm Mo, bền ăn mòn khô (nhờ
lớp vảy Cr
2
O
3
, SiO
2
bền, xí t chặt) vừa có tí nh cứng nóng tốt. Thờng dùng nhất là
40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo (OCT 40X9C2 và 40X10C2M). Tôi (1000ữ1100
o
C) +
ram (700ữ750
o
C), chú ý:

97
- nhiệt độ ram cao hơn nhiệt độ làm việc, do đó khi làm việc cơ tí nh không bị xấu
đi
- thép mác 40Cr9Si2 dễ bị giòn ram loại II, sau khi ram phải làm nguội trong nớc
- phần đuôi bị ma sát với bề mặt cam mà không chịu nhiệt độ cao, do vậy đầu mút
phải đợc tôi cảm ứng, ngọn lửa hay điện phân, sau đó ram thấp đạt độ cứng
HRC 45
ữ
50.
Vì có tí nh bền nóng không cao, thép này chỉ dùng trong các động cơ xăng với
công suất nhỏ. Với động cơ điêzen và cờng hóa phải dùng thép austenit.
Thép austenit

Thép chứa (0,35

ữ
0,50)%C, Cr và Ni cao, vì độ cứng thấp HB 160
ữ
200 nên đầu
mút đợc thấm nitơ, cạnh vát đợc hàn đắp bằng stêlit (hợp kim cứng chứa
35%Cr, 1
ữ
2%C, Co còn lại).
Xupap hút không chịu nhiệt độ cao nên đợc làm bằng 40CrNi (OCT 40XH).
5.5.4.

Thép có tí nh chống mài mòn đặc biệt cao dới tải trọng va đập

(thép Hadfield)
Thép Hadfield (thế kỷ 19), 110Mn13Đ, là thép hợp kim (0,90ữ1,30)%C &
(11,4ữ14,5)%Mn, tổ chức là austenit một lợng lớn Mn
3
C hay (Fe,Mn)
3
C tập trung
ở biên hạt nên làm giảm mạnh độ bền, độ dai và rất giòn, cha thể đem dùng
ngay đợc.
Tôi 1050ữ1100
o
C, giữ nhiệt lâu để cacbit mangan hòa tan hết vào austenit rồi làm
nguội trong nớc để thép hoàn toàn là austenit, rất dẻo dai. Khi chịu va đập M
hì nh thành trên mặt trợt
Đặc điểm:

- Thép chỉ có tí nh chịu mài mòn cao khi xúc đá (va đập), khi xúc cát mòn nhanh.

- Tí nh gia công cắt rất kém chỉ bằng đúc (nếu cần có thể mài thô) hoặc nong lỗ.
Nga là 11013 , ở Hoa Kỳ theo ASTM A128, ở Nhật là SCMnHx (x là số thứ tự).
(Thép từ tí nh tự đọc)
5.6. Gang
Ngoài >2%C, gang còn có (0,5-4)%Si (3,5%), (0,2-1,5)%Mn và P<0,7%,S<0,15%
5.6.1.

Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy

a. Tổ chức tế vi
2 loại: gang trắng: C dới dạng liên kết Fe
3
C không có gr tự do, màu trắng, cứng
giòn
Gang xám: hầu hết C ở dạng grafit không có Xê tự do, dùng phổ biến trong CTM
Tổ chức tế vi gang xám gồm 2 thành phần: grafit và nền kim loại (giống thép):
- F + gr, F+P+ gr và P + gr, tuỳ theo hì nh dạng gr ta có: gang xám: grafit tấm,
gang cầu: grafit hì nh
cầu
, gang dẻo: grafit có dạng
cụm
(hì nh 5.18a,b,c). Hì nh
dạng gr quyết định tí nh chất
Gang xám bền thấp hơn thép nhiều,
N
>
K
, gang dẻo, gang cầu khá hơn, rẻ hơn
thép
Chịu mài mòn, giảm chấn, tí nh đúc rất tốt, rất dễ gia công cắt gọt, không biến

dạng, khó hàn
b. Thành phần hóa học và cách chế tạo

98
Để có đợc grafit và grafit với các dạng khác nhau, mỗi gang phải có những đặc
điểm riêng về thành phần hóa học và cách chế tạo.








a) b) c)
Chế tạo: GX đúc với %, gang dẻo: nấu đúc gang trắng í t Cr rồi ủ, gang cầu: biến
tí nh cầu hoá
Sự tạo thành grafit hay grafit hóa

Tổ chức tế vi của gang phụ thuộc vào
thành phần hóa học và tốc độ nguội
khi đúc (hì nh 5.19)
cùng có C+Si = 5% nếu d < 5 gang
trắng,
d=10-15 gang biến trắng, d=15-40
gang peclit
d>40 gang ferit
Gang có C+Si > 7 gang xám ferit mọi d
Với d=30, muốn có P thì (C+Si) 4
Với d<10

gang trắng và biến trắng
Với d>50 gang xám F hoặc F+P










Hì n h 5 . 19. Tổ chức của gang phụ thuộc
vào thành phần và tốc độ nguội
- Gang xám với grafit tấm là dạng tự nhiên đợc hì nh thành dễ dàng và đơn giản
nhất:
đúc thông thờng
.
- Gang cầu với grafit cầu là dạng thu gọn nhất đợc hì nh thành từ biến tí nh đặc
biệt gang lỏng C+Si cao í t P và S (<0,04%), T cao 1400-1450
o
C, biến tí nh bằng
FeSi40Mg10, 2% gang lỏng.
- Gang dẻo nấu đúc ra gang trắng rồi ủ để phân hóa nó thành grafit cụm.
5.6.2. Gang xám
Là loại gang phổ biến nhất (nếu không chỉ rõ loại gang thì phải hiểu đó là gang
xám).
a. Cơ tí nh
Tuy dễ chế tạo, rẻ nhng cơ tí nh kém.

- Độ bền thấp, giới hạn bền kéo < 350 ữ 400MPa (thờng trong khoảng 150 ữ
350MPa)
- Độ dẻo và độ dai thấp (



0,5%, a
K
< 100kJ/m
2
), có thể xem nh vật liệu giòn.
Ưu điểm của gang xám: do grafit tấm
+ dễ gia công cắt,
+ grafit có tí nh bôi trơn nên cùng độ cứng thì gang chịu mài mòn cao hơn thép
+ grafit làm giảm chấn làm đế, bệ máy (và cũng là để tận dụng khả năng chịu
nén tốt).


Hì nh 5.18.
Dạng grafit trong:

gang xám (a),
gang cầu (b),
gang dẻo (c).

3
5
7
C+Si
30 45

F+gr
F+grF+gr
F+gr


dà
y
thà nh
P+F+gr
P+F+grP+F+gr
P+F+gr


P+gr
P+grP+gr
P+gr


Xê
Xê +P+gr
Xê +P+grXê +P+gr
Xê +P+gr


15

99
b. Phơng pháp nâng cao cơ tí nh
Cải thiện tổ chức sẽ dẫn đến nâng cao cơ tí nh chủ yếu là giới hạn bền kéo.
- Làm giảm C

đl
=C
t
+1/3(Si+P) đúc ra gang hoa dâm (trắng xám lẫn lộn)
-
B
iến tí nh gang lỏng bằng FeSi. Grafit trong gang đợc chia thành 8 cấp (theo
ASTM) từ 1 đến 8, trong đó chiều dài trung bì nh của cấp 8 là < 0,015mm, cấp 1 là
> 1mm.
- Tạo nền P có độ bền cao hơn.
- Hợp kim hóa có tác dụng chủ yếu là hóa bền nền kim loại (tạo xoocbit), nâng
cao độ cứng, tí nh chống mài mòn, tí nh chịu nhiệt và hiệu quả đối với nhiệt luyện.
- Tôi + ram. Khi tôi + ram, T> 850
o
C.









c. Các mác gang và công dụng
TCVN 1659-75 quy định ký hiệu các mác gang là GX xx-xx, bền kéo và bền uốn,
kG/mm
2
giống nh OCT 1412-70 là Cxx-xx. Nhng theo OCT 1412-85 các
mác gang xám gồm có:

C10, C15, C20, C25, C30 và C35 (chỉ ký hiệu giới hạn bền).
Hoa Kỳ: SAE J431 có các mác: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000, số chỉ
K

.10psi, ví dụ G3000 có

b

30000psi hay 30ksi. Tiêu chuẩn ASTM: 20, 25, 30, 35,
40, 45, 50, 55, 60:
K
, ksi.
JIS có các mác gang xám sau: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350,
trong đó số chỉ giới hạn bền tối thiểu tinh theo đơn vị MPa.
- C10, C15 đợc dùng làm các vỏ, nắp không chịu lực (chỉ để che chắn).
- C 20, C25: tải trọng nhẹ, í t mài mòn nh vỏ hộp giảm tốc, thân máy, bí ch,
cacte, ống nớc
- C25, C30: bánh răng (bị động, tốc độ chậm), bánh đà, sơmi, xecmăng, thân
máy.
- C30, C35 : chịu tải cao, chịu mài mòn nh bánh răng chữ V, trục chí nh, vỏ
bơm thủy lực.
d. Gang xám biến trắng
Gang xám biến trắng (ở bề mặt) có tí nh chống mài mòn cao (với bề mặt có HB
400 ữ 600), nh để làm bi, trục nghiền, trục cán, bánh xe goòng,
ủ khử biến trắng ở 700
ữ
750
o
C, ủ khử ứng suất ở 600
ữ

650
o
C
5.6.3. Gang cầu
Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất do grafit ở dạng thu gọn nhất.
a.

Cơ tí nh


Hì nh 5.19. Tổ chức
tế vi của các loại
gang xám:
a. ferit,
b. ferit - peclit,
c. peclit



100
Do grafit ở dạng hì nh cầu hầu nh không tập trung ứng suất, vì vậy gang cầu
duy trì đợc 70 ữ 90% độ bền của nền kim loại (thép), tức không thua kém thép
bao nhiêu và có thể thay thế nó.
b.

Đặc điểm chế tạo

- (C + Si) cao, P, đặc biệt là S thấp hơn (< 0,03%) do S tạo với Mg MgS làm xấu
cơ tí nh
- Không có hay có rất í t nguyên tố cản trở cầu hóa nh Ti, Al, Sn, Zn, Bi.

Về biến tí nh: T=1450
o
C bằng FeSi40Mg10 nêu trên.
c. Các mác gang và công dụng (1kG/mm
2
=10MPa=1,45ksi=1,45.10
3
psi)
TCVN 1659-75: GC xx-xx (
K
và vị
kG/mm
2
và
%
) giống nh của OCT 7393-70
là Bxx-xx. Nhng theo OCT 7393-85 có các mác B40, B50, B60, B70,
B80 (

K
).
SAE J434c có các mác D4018, D4512, D5506, D7003, trong đó hai chữ số đầu
chỉ
b
(min) theo đơn vị
ksi
, hai chữ số sau chỉ (min) theo
%
, ví dụ, D4512 có
b

45ksi và 12%.
Tiêu chuẩn ASTM có các class: 60-40-18, 65-45-12, 80-60-03, 100-70-03, 120-
90-02, ba cặp số đó lần lợt chỉ giá trị tối thiểu của

b
,

0,2
(ksi),

(%).
JIS có các mác FCD370, FCD400, FCD450, FCD500, FCD600, FCD700,
FCD800, trong đó số chỉ
b
(min) theo đơn vị
MPa
.
Mác gang cầu ferit - peclit B50 : các chi tiết thông thờng thay thép nói chung.
Mác B60: trục khuỷu, trục cán.
Các mác gang cầu B70, B80: tôi đẳng nhiệt ra bainit, đợc dùng làm các chi tiết
quan trọng.
Công dụng chủ yếu của gang cầu là dùng làm các chi tiết
vừa chịu tải trọng kéo
và va đập cao (nh thép) đồng thời lại dễ tạo hì nh bằng phơng pháp đúc.
5.6.4. Gang dẻo
a. Cơ tí nh
b. Đặc điểm chế tạo
- thành phần hóa học: (C + Si) thấp, C thấp đi thì Si lấy cao hơn

sản phẩm: có thành mỏng, d< 40mm (dới 20
ữ
30mm) để đúc ra gang trắng.
Về ủ grafit hóa:
thời gian dài, chi phí nhiều năng lợng (h.5.20)
- ở 950
o
C (trên A
1
):Fe
3
C
1,8
+ gr
cụm

- từ 950 đến 738
o
C:
1,8

0,8
+ gr
cụm
- ở 700
o
C (dới A
1
):
Fe

3
C trong P

F + gr
cụm
.








Tuỳ theo quy trì nh ủ: I

P+gr, II

P+F+gr, II

F+gr
950
738
727
I II III
T,
o
C
1,8
I : P+gr

II: P+F+gr
III: F+gr
300-400
10-20h
10-
15h


Hì nh 5.20. Quy trì nh ủ gang dẻo
Thời gian, h

101
- 2 loại gang dẻo:
- gang dẻo tâm trắng, ủ trong môi trờng ôxy hóa (Fe
2
O
3
)

làm thoát cacbon nên
mặt gãy có màu sáng
-
gang dẻo tâm đen
, ủ trong môi trờng trung tí nh (SiO
2
) C còn nhiều nên mặt gãy
vẫn có màu đen xẫm nh nhung đen.
c. Các mác gang và công dụng
Các nớc thờng đánh số các mác gang dẻo theo giới hạn bền kéo tối thiểu và độ
giãn dài tơng đối.

TCVN 1659-75: GZ xx-xx giống nh OCT 1215 - 79 là xx-xx, 2 số đầu
b

(min),
kG/mm
2
, cặp số sau chỉ (min) theo
%
. Gồm:

30-6,

33-8,

35-10,
37-12 (gang dẻo ferit),
45-7, 50-5, 55-4, 60-3, 63-3 (gang dẻo peclit).
ASTM: 32510, 35018, 40010 , 3 số đầu là
b
(min),
MPa
, 2 số sau chỉ (min)
theo %.
SAE có: M 3210, M 4504, M 5003, M 5503, M 7002, M 8501, 2 số đầu chỉ
b
(min)
theo đơn vị ksi, hai số sau chỉ

(min) theo %.
JIS có các mác: gang dẻo tâm đen FCMB 270, FCMB 310, FCMB 340, FCMB

360; gang dẻo tâm trắng FCMW 330, FCMW 370, FCMWP 440, FCMWP 490,
FCMWP 540, trong đó số chỉ

b
(min) theo đơn vị MPa.
Những chi tiết làm bằng gang dẻo:
3 yêu cầu là: hì nh dạng phức tạp, thành mỏng,
chịu va đập. Nếu không chịu va đập làm bằng gang xám, nếu hì nh dạng đơn giản
làm bằng thép hàn ).


84
Chơng 6
hợp kim màu và bột

6.1. Hợp kim Al (Al)
Al và hợp kim Al chiếm vị trí thứ hai sau thép vì tính chất phù hợp với nhiều công
dụng: bền, nhẹ (bền riêng cao), chịu ăn mòn tốt (khí quyển),
6.1.1.

Al nguyên chất và phân loại hợp kim Al
a. Các đặc tính của Al nguyên chất
Ưu điểm:
: khối lợng riêng nhỏ (2,7g/cm
3
) = 1/3 của thép: hàng không, vận tải do
tiết kiệm năng lợng, tăng tải trọng có ích. Tính bền ăn mòn khí quyển: xây dựng,
trang trí nội thất, dẫn điện tốt, tuy = 62% của Cu nhng nhẹ = 1/3 , tính dẻo rất
cao
, mạng A1, dễ kéo sợi, dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng (foil), ép

chảy thành các thanh dài với các biên dạng (profile) phức tạp rất khác nhau.
Nhợc điểm: chịu nhiệt kém: chảy (660
o
C), không sử dụng ở trên 300 ữ 400
o
C,
độ bền, độ cứng thấp, ở trạng thái ủ

b
= 60MPa,

0,2
= 20MPa, HB 25.
Để ký hiệu mức độ biến cứng đơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) ở Hoa
Kỳ, Nhật và các nớc Tây âu thờng dùng các ký hiệu H1x, x là tỷ phần tăng bền
biến dạng (x/8):
x=8 - tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng với mức độ biến dạng rất lớn (

= 75%),
1 - mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến
dạng nhỏ,
2, 4, 6 - mức tăng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so với mức toàn
phần),
9 - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng > 75%.
b. Hợp kim Al và phân loại

Hình 6.1.
Góc giản đồ pha Al - nguyên tố hợp kim


c.

Hệ thống ký hiệu cho hợp kim Al

Hoa kỳ ký hiệu các hợp kim Al:
theo AA (Aluminum Association) bằng xxxx cho
loại hợp kim Al biến dạng và xxx.x cho loại hợp kim Al đúc:
- Số đầu tiên có các ý nghĩa sau.
+
biến dạng
h
ợp
kim Al đúc
h
ợp
kim Al
L+

L
E
hoá bền đợc
=nhiệt luyện
không hoá bền
đợc bằng
nhi
ệ
t lu
yệ
n
C
F
L+


T,
o
C
% nthk
FC là giới hạn hoà tan của nthk trong


Hợp kim Al biến dạng- trái điểm C
Hợp kim Al đúc- bên phải điểm C
Hợp kim Al biến dạng hoá bền đợc bằng
nhiệt luyện nằm trong khoảng CF
Hợp kim Al biến dạng không hoá bền đợc
bằng nhiệt luyện - trái điểm F

Si,Mn,Ti,Zn,Fe ít hoà tan,
Zn, M
g
, Cu hoà tan nhiều