Vật liệu cắt gọt thép hợp kim trong ngành cơ khí

Ngành công nghiệp nặng đặc biệt là ngành chế tạo máy cần phải phát triển hơn nữa. Muốn vậy phải có vật liệu phù hợp để đáp ứng được yêu cầu đó. Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành khoa học vật liệu đã tìm ra nhiều loại vật liệu mới như chất dẻo, composite, thủy tinh, gốm,… nhưng vẫn không thể thay thế hoàn toàn kim loại và hợp kim, bởi vì nó có những ưu điểm mà vật liệu khác không thể có được.

Thép hợp kim là gì?

Thép hợp kim là loại thép chứa trong nó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp. Người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép. Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu.với tổng lượng nguyên tố thêm vào nằm khoảng từ 1,0% đến 50% tổng khối lượng hỗn hợp để cải thiện chất lượng thép thành phẩm.

– Về cơ tính: thép hợp kim nói chung có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi và ram.

– Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 2000 độ C. Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao.

Các đặc tính của thép hợp kim

Các đặc tính trội hơn hẳn của thép hợp kim so với thép cacbon (thép cacbon tương đương được mang ra đối chứng phải là loại có cùng thành phần cacbon với thép hợp kim).

Cơ tính

Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở thép sau khi tôi + ram. Khi tận dụng ưu điểm này cần chú ý đến đến các hệ quả sau đây:

– Ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ), độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đã dùng thép hợp kim thì phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng, gần như thường hóa) hay ủ là sự lãng phí lớn về độ bền.

– Ưu việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn và lượng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ (≤ 20mm) ưu việt này của thép hợp kim không thể hiện được (vì với tiết diện nhỏ như vậy thép cacbon cũng được tôi thấu).

– Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trường tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi nước. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi (do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim.

– Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết chỉ cần vừa đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đã cho là đủ, không nên dùng thừa (dùng thép hợp kim quá cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá hủy do tính giòn hơn). Do vậy có nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc kích thước (tiết diện).

– Tuy đạt độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ ngược này để có xử lý thích hợp (bằng ram).

Mặc dầu có ưu điểm về độ bền, nói chung thép hợp kim có tính công nghệ kém hơn thép cacbon (trừ tính thấm tôi).

Tính chịu nhiệt độ cao

Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó làm mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200 độ C, do vậy tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy ôxyt tạo thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt.

Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt

Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt:

– Không gỉ, chống ăn mòn trong axit, badơ, muối.

– Từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính.

– Giãn nở nhiệt đặc biệt…

Qua đó thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết, không thể thiếu cho những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông thường.

Tiêu chuẩn thép hợp kim

Tiêu chuẩn Việt Nam 

TCVN 1759 – 75 đã quy định nguyên tắc ký hiệu thép hợp kim theo trật tự như sau:

– Số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn, nếu ≥ 1% có thể không cần biểu thị.

– Các nguyên tố hợp kim theo ký hiệu hóa học và ngay sau đó là hàm lượng theo phần trăm trung bình (thường đã được quy tròn thành số nguyên), khi lượng chứa của nguyên tố khoảng 1% thì không cần biểu thị (bằng số).

Ví dụ:

  • Thép có 0,36 – 0,44%C, 0,80 – 1,00%Cr sẽ được ký hiệu là 40Cr.
  • Thép có 0,09 – 0,16%C, 0,60 – 0,90%Cr, 2,75 – 3,75%Ni sẽ được ký hiệu là 12CrNi3.
  • Thép có 1,25 – 1,50 %C, 0,40 – 0,70 %Cr, 4,5 – 5,5 %W sẽ được ký hiệu là 140CrW5 hay đơn giản chỉ là CrW5.
  • Thép có 0,85 – 0,95%C, 1,20 – 1,60 %Si. 0,95 – 1,25 %Cr sẽ được ký hiệu là 90CrSi.

Như vậy trên nguyên tắc rất dễ hiểu này có thể ký hiệu mọi loại thép theo thành phần của chúng mà không có những trùng lặp quan trọng. Nguyên tắc này được sử dụng để ký hiệu các thép khi cần thiết phải rút gọn cách biểu thị thành phần hóa học. Nhưng TCVN chưa phủ hết các thép hợp kim thường dùng.

Phân loại thép hợp kim

Đối với thép hợp kim có nhiều cách phân loại hơn và mỗi loại cũng cho biết một đặc trưng cần biết để sử dụng tốt hơn.

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%).

Theo tổ chức thường hóa

Theo tổ chức thường hóa các mẫu nhỏ ф25, theo lượng nguyên tố hợp kim tăng lên sẽ có các thép sau đây (hình 5.6):

– 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.

– 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.

Cách phân loại này cho biết tổ chức của thép ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng làm nguội trong không khí).

Theo nguyên tố hợp kim

Dựa vào tên nguyên tố hợp kim chính đưa vào để gọi, như:

– 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

Theo tổng (hàm) lượng của các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến cao, người ta chia ra:

– 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).

– Thép hợp kim cao: loại có tổng lượng >10% (thường là họ mactenxit hay austenit)

Tuy nhiên các nước trên thế giới quan niệm hợp kim hóa cao thấp không giống nhau. Trung Quốc cũng có ba loại như trên song ranh giới giữa thấp và trung bình là 5% chứ không phải là 2,5%. Các nước Tây Âu chỉ phân biệt hai loại thấp và cao, trong đó hợp kim thấp là loại không chứa nguyên tố hợp kim nào nhiều hơn 5%, còn hợp kim cao là loại có ít nhất một nguyên tố nhiều hơn 5%.

Theo công dụng

Theo công dụng người ta chia thép hợp kim ra thành:

– Thép hợp kim kết cấu.

– Thép hợp kim dụng cụ

– Thép hợp kim đặc biệt (thép gió).

– Thép không gỉ

Trong đó hai nhóm thép hợp kim kết cấu và thép hợp kim dụng cụ cũng có trong loại thép cacbon, còn nhóm thứ ba thì không có. Đây là nhóm với tính chất vật lý – hóa học đặc biệt, thường chứa tổng lượng hợp kim cao và rất cao (>20%).

Thép hợp kim kết cấu

Là loại thép trên cơ sở thép kết cấu cho thêm vào các nguyên tố hợp kim. Loại này có hàm lượng cacbon khoảng 0,1 – 0,85% và lượng phần trăm của nguyên tố hợp kim thấp. Thép hợp kim kết cấu được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao. Cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao…

Theo TCVN ký hiệu thép cacbon kết cấu là chữ C, sau chữ C ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép như: C20, C45, C65…

Ví dụ: C45 trong đó chữ C ký hiệu thép cacbon, 45 chỉ phần vạn cacbon trung bình ( tương đương với 0,45%C).

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

–        Nga (ГOCT): Ký hiệu xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác 40 có 0,4%C.

–        Mỹ (AISI/SAE):  Ký hiệu 10xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác 1045 có 0,45%C.

–        Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC trong đó xx là các số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác S45C có 0,45%C.

Thép hợp kim dụng cụ

Là thép có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và độ chịu mài mòn cao. Hàm lượng cacbon trong hợp kim dụng cụ từ 0,7 – 1,4%, các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si, Mn. Hàm lượng tạp chất S và P thấp (< 0,025%).

Thép hợp kim dụng cụ tuy có độ cứng cao khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như: đục, dũa, dụng cụ đo hay các loại khuôn dập.

Theo TCVN ký hiệu thép cacbon dụng cụ là chữ CD, sau chữ CD ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép theo phần vạn như: CD70, CD80, CD100.

Ví dụ: CD100 – chữ CD ký hiệu thép cacbon dụng cụ, 100 chỉ phần vạn cacbon trung bình (tương đương với 1%C).

 Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

–        Nga (ГOCT): Ký hiệu Yxx trong đó xx là số chỉ phần nghìn C. Ví dụ mác Y12 có 1,2%C.

–        Mỹ (AISI):  Ký hiệu Wxxx trong đó xxx là số thứ tự. Ví dụ W110.

–        Nhật (JIS): Ký hiệu SKx trong đó x là số thứ tự từ 1 đến 7.

Thép hợp kim đặc biệt (thép gió)

Là một dạng thép hợp kim đặc biệt để làm dụng cụ cắt gọt và các chi tiết máy có yêu cầu cao.

Trong tổ chức của thép gió có các nguyên tố sắt, cacbon, crom, vonfram, coban, vanadi.

Thép gió có độ cứng cao, bền, chịu mài mòn và chịu nhiệt đến 6500C. Trong thép gió có hàm lượng các nguyên tố hợp kim như sau: 8,5 – 19% W, 0,7 – 1,4% C, 3,8 – 4,4% Cr, 1 – 2,6% V và một lượng nhỏ Mo hay Co.

Những mác thép gió thường dùng theo TCVN có 90W9V2, 75W18V, 140W9V5, 90W18V2.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

–   Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.

–   Mỹ (AISI):  Ký hiệu một chữ cái M (thép gió môlipđen) hoặc T (thép gió vonfram) và số thứ tự theo sau.

Ví dụ: T1 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam.

–   Nhật (JIS): Ký hiệu SKHx, trong đó x là số thứ tự.

Ví dụ: SKH2 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V Việt Nam.

Thép không gỉ

Là loại thép có khả năng chống ăn mòn tốt. Trong thép không rỉ, hàm lượng crom khá cao (>12%). Theo tổ chức tế vi, thép không rỉ được chia thành bốn loại là austenit, ferit, austenit-ferit, mactenxit. Tùy theo mức độ chống rỉ mà chúng được sử dụng trong các môi trường khác nhau như nước biển, hóa chất.

Một số mác thép không rỉ ký hiệu theo TCVN 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr18Ni9.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

–   Nga (ГOCT): tương tự như TCVN.

–   Mỹ (AISI):  ký hiệu gồm 3 số xxx, trong đó 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thép mactenxit.

Ví dụ: 304 là thép không rỉ tương đương với mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.

–   Nhật (JIS): ký hiệu SUSxxx, trong đó xxx lấy theo AISI.

Ví dụ: SUS304 là thép không rỉ tương đương với mác 304 của Mỹ hoặc mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam.

Thép ngày nay còn được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lãnh vực khác như:

– Thép cacbon kết cấu chế tạo máy: Các loại thép này đều là dòng thép hợp kim với: Độ bền tốt, dẻo dai, chịu mài mòn chịu tải trọng tốt nhất. Chất lượng tốt đáp ứng tiêu chuẩn chế tạo: Làm trục máy, chi tiết trục cán, trục vít, chi tiết bánh răng, chi tiết máy chịu mài mòn …

– Thép gió – thép dao công cụ: Các ưu điểm vượt trội của đồng thép gió như độ chống mài mòn và dẻo dai. Ứng dụng làm dao công cụ, lưỡi cưa, khuôn rèn nguội…

– Thép dùng làm khuôn nhựa: Các loại thép này thường dễ gia công, khả năng chống gỉ cao. Chi phí bảo trì khuôn thấp, khả năng đánh bóng tốt. Khả năng chống mài mòn cao. Khả năng gia công dễ dàng, độ cứng đồng nhất mọi kích thước. Ứng dụng làm lõi khuôn, làm khuôn nhựa. Làm khuôn độ bóng cao, chế tạo khuôn mẫu, chế tạo máy…

– Thép dùng làm khuôn đập nguội:  Các loại thép với độ chống mài mòn cao, dễ gia công, độ thấm tôi tốt,.. Ứng dụng làm khuôn dập nguội, trục cán hình, các chi tiết chịu mài mòn cao.

– Thép dùng làm khuôn dập nóng: Với ưu điểm độ bền nhiệt cao, độ dai va đập được cân bằng tốt. Khả năng gia công cơ tốt, biến dạng rất ít sau khi nhiệt luyện. Để cho khuôn tốt hơn thì ram ít nhất 2 lần. Được sử dụng rộng rãi cho khuôn đúc, khuôn dập nóng

– Thép hợp kim phục vụ ngành đóng tàu (chế tạo động cơ, chân vịt tàu thuỷ);

– Thép hợp kim cường độ cao dùng trong các công trình xây dựng, giao thông (cầu, đường, nhà cao tầng);

– Thép hợp kim bền hóa chất, thép chịu nhiệt, kim loại màu sử dụng trong quốc phòng (vũ khí, trang bị) và phục vụ cho công nghiệp (hóa chất, dầu khí, chế tạo máy…)