VẬT LIỆU CẮT GỌT VÀ MÀI KIM LOẠI PHẦN 2- THÉP HỢP KIM

Để phát triển kinh tế quốc dân cần phải phát triển công nghiệp nặng đặc biệt là ngành chế tạo máy. 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 thủy tinh, chất dẽo, composite, 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.

Tại Nga, Trung Quốc và một số nước phương đông, thép hợp kim được chia làm 3 nhóm: thép hợp kim thấp, thép hợp kim trung bình và thép hợp kim cao. Ở phương Tây chỉ phân biệt hai loại thấp và cao. Sự khác nhau giữa hai loại này không có sự ranh giới rõ ràng. Theo tiêu chuẩn của Nga, thép hợp kim thấp có tổng lượng hợp kim nhỏ hơn 2,5%, ở thép hợp kim cao tỉ lệ này lớn hơn 10%. Thông thường, cụm từ “thép hợp kim” dùng để đề cập đến thép hợp kim thấp.

Thành phần hóa học của thép hợp kim

Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào (không phải do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim) các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa).

Các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với lượng đủ lớn được gọi là nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố (không có giá trị chung cho mọi nguyên tố) như sau:

• Mn ≥ 0,80 – 1,00%, Si ≥ 0,50 – 0,80%, Cr ≥ 0,50 – 0,80%,
• Ni ≥ 0,50 – 0,80%, W ≥ 0,10 – 0,50%, Mo ≥ 0,05 – 0,20%,
• Ti ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,30, B ≥ 0,0005%.

Nhỏ hơn giới hạn dưới kể trên được coi là tạp chất. Tuy nhiên các giới hạn trên cũng chỉ là quy ước và không cứng nhắc một cách quá chặt chẽ. Thép hợp kim là loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa ít và rất ít các tạp chất có hại.

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.

Tiêu chuẩn Nga

ΓOCT ký hiệu thép hợp kim theo trật tự sau đây:

– Số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn (nếu là thép kết cấu) và phần nghìn (nếu là thép dụng cụ, loại có cacbon cao), khi ≥ 1,00% không biểu thị.

– Các nguyên tố hợp kim theo chữ cái Nga (thường là chữ đầu theo tên gọi, nếu trùng phải lấy chữ khác) như sau:

• Theo chữ cái đầu tiên có: X cho crôm, H cho niken, B cho vonfram, M cho môlipđen, T cho titan, K cho côban;
• Theo chữ cái tiếp sau có: Γ cho mangan, C cho silic, Φ cho vanađi, Д cho đồng, Ю cho nhôm, P cho bo,

– Thành phần của từng nguyên tố được biểu thị theo phần trăm đặt ngay sau mỗi chữ cái tương ứng, khi lượng chứa < 1,5% không biểu thị.

– Các thép chuyên dùng như thép gió, ổ lăn, kỹ thuật điện... có quy ước riêng.

Theo đó bốn ký hiệu thép trên của TCVN sẽ tương ứng với ΓOCT như sau: 40Cr là 40X, 12CrNi3 là 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 là XB5, nhưng 90CrSi là 9XC. Qua đó thấy có những sai khác nhỏ, song cách ký hiệu thép của TCVN về cơ bản là của ΓOCT, rất dễ viết chuyển đổi cho nhau.

Tiêu chuẩn Hoa Kỳ

Đối với thép hợp kim kết cấu, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI và SAE, chúng có cách biểu thị giống nhau bằng bốn số xxxx nên được viết là AISI/SAE xxxx, trong đó hai số cuối biểu thị lượng cacbon theo phần vạn trung bình. Sau đây là một số quy ước:

• Thép cacbon 10xx,
• Thép cacbon có mangan nâng cao 15xx,
• Thép dễ cắt (2 loại) 11xx, 12xx,
• Thép mangan 13xx,
• Thép niken (2 loại) 23xx, 25xx,
• Thép niken–crôm (4 loại) 31xx, 32xx, 33xx, 34xx,
• Thép môlipđen (2 loại) 40xx, 44xx,
• Thép crôm–môlipđen 41xx,
• Thép niken–crôm–môlipđen (11 loại)43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx,
• Thép niken–môlipđen (2 loại) 46xx, 48xx,
• Thép crôm (2 loại) 50xx, 51xx,
• Thép crôm với 0,50 ữ 1,50%C 501xx, 511xx, 521xx,
• Thép crôm–vanađi 61xx,
• Thép vonfram–crôm 72xx,
• Thép silic–mangan 92xx,
• Thép bo xxBxx,

Đối với thép dụng cụ, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI với ký hiệu gồm một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự. Sau đây các chữ cái (thường lấy theo chữ cái đầu tiên chỉ nhóm thép) đó:

• W cho thép tôi nước (water),
• O cho thép tôi dầu (oil),
• S cho thép dụng cụ chịu va đập (shock),
• T cho thép gió vonfram (tungsten),
• M cho thép gió môlipđen – vonfram,
• H cho thép làm dụng cụ biến dạng nóng (hot),
• D cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội (cold),
• A cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội, tự tôi, trong không khí (air),

Đối với thép không gỉ và bền nóng, Hoa Kỳ dùng AISI với ký hiệu là nhóm ba số xxx, trong đó: 

• 2xx và 3xx là thép austenit, 
• 4xx là thép ferit,
• 4xx và 5xx là thép mactenxit.

Tiêu chuẩn Nhật Bản

JIS cũng ký hiệu thép hợp kim bắt đầu bằng chữ S song tiếp theo có những chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối chỉ phần vạn cacbon trung bình) hay một hoặc hai số theo thứ tự:

• SCrxxx – thép kết cấu crôm, SNCxxx – thép kết cấu niken – crôm,
• SMnxxx – thép mangan, SCMxxx – thép kết cấu crôm – môlipđen,
• SACMxxx – thép nhôm – crôm – môlipđen,
• SNCMxxx – thép kết cấu niken – crôm – môlipđen,
• SUJx – thép ổ lăn, SUMx – thép dễ cắt,
• SUPx – thép đàn hồi, SUSxxx – thép không gỉ (xxx lấy theo AISI),
• SUHx – thép bền nóng, SKx – thép dụng cụ cacbon,
• SKHx – thép gió, SKSx, SKDx, SKTx – thép dụng cụ hợp kim.

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 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%).

Các loại thép dùng trong cơ khí chủ yếu là thép hợp kim và chia thành các nhóm theo công dụng cụ thể

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.

Bài viết trên đây là những chia sẻ của chúng tôi với mong muốn mang đến cho quý khách hàng những thông tin hữu ích nhất. Ngoài ra, nếu quý khách hàng cần tìm mua các sản phẩm về hợp kim và linh kiện cơ khí khác.

Quý khách có thể liên hệ với chúng tôi thông qua các hình thức sau: 

- Hotline: 094 124 7183

- Email: linhkienvanthai@gmail.com

Công ty Văn Thái chúng tôi chuyên cung cấp các linh kiện và tất cả các loại hợp kim theo yêu cầu của khách hàng để sản xuất dao phay gỗ, với mã hợp kim đa dạng như: YG6, YG6Z, YG8, YG3X, YG15C, YG20C, YG25C... tùy vào nhu cầu sử dụng của khách hàng mà chúng tôi có

Lựa chọn Văn Thái và các sản phẩm do Văn Thái cung cấp quý khách sẽ vô cùng hài lòng vì chúng tôi có:

Dịch vụ giao hàng nhanh

Hậu mãi tốt

Sản phẩm giá thành hợp lý, chủng loại đa dạng.