So sánh độ cứng sau khi nung theo từng loại vật liệu. Danh sách các loại thép và các điểm cần lưu ý trong thiết kế

Ở đâyquá trình tôi　được「Cứng độ theo vật liệu」Đang ghi chú về điều này.

Tôi đã từng tìm kiếm trên nhiều trang web để tìm kiếm dữ liệu về độ cứng của các loại vật liệu khác nhau, với câu hỏi: "Nên chọn loại vật liệu nào để đạt được độ cứng cần thiết cho bộ phận này?" Tuy nhiên, mặc dù nhiều trang web có thông tin về các loại thép tiêu biểu như S45C, nhưng tôi không thể tìm thấy danh sách toàn diện bao gồm cả thép công cụ và thép không gỉ, nên cuối cùng tôi chỉ có thể kết hợp các thông tin rời rạc lại với nhau.

Bài viết này được viết cho các nhà thiết kế có cùng nỗi lo lắng như tôi trước đây. Bài viết cung cấp bảng tổng hợp toàn diện, cho phép so sánh độ cứng thu được từ quá trình tôi luyện các loại thép chính, từ thép carbon đến thép hợp kim, thép công cụ và thép không gỉ, điều mà các trang web khác thường thiếu.

Hơn nữa, không chỉ đơn thuần là dữ liệu, mà còn giải thích cẩn thận từ nguyên lý cơ bản quyết định độ cứng tối đa của thép, cuối cùng là cách tham khảo tiêu chuẩn JIS và thông tin nhà sản xuất đáng tin cậy, cấu trúc bài viết giúp bạn có thể học một cách có hệ thống những kiến thức thực sự hữu ích trong thực tiễn thiết kế. Đọc bài viết này, bạn sẽ không còn bối rối trong việc lựa chọn vật liệu và có thể tự tin đưa ra chỉ thị xử lý nhiệt.

So sánh độ cứng sau khi nung theo danh sách các loại vật liệu

Ở đây, chúng tôi trình bày bảng so sánh toàn diện về phạm vi độ cứng có thể đạt được bằng cách tôi luyện đối với các loại thép chính thường được sử dụng trong thiết kế máy móc. Hãy hiểu các đặc tính của từng loại thép và sử dụng bảng này như bước đầu tiên trong việc lựa chọn vật liệu.

Chú thích:
¹ Độ cứng tiêu biểu sau khi tôi (HRC): Giá trị này là độ cứng dự kiến từ hàm lượng carbon khi đạt được cấu trúc martensite gần như 100% trên bề mặt bằng cách làm lạnh nhanh lý tưởng. Trạng thái này rất dễ vỡ,Độ cứng này hầu như không được chỉ định trong bản vẽ.

² Phạm vi độ cứng thực tế sau quá trình tôi và tôi lại (HRC): Giá trị này là phạm vi độ cứng mục tiêu trên sản phẩm thực tế sau khi thực hiện quá trình "tôi lại" sau khi tôi, nhằm đạt được sự cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai.Kỹ sư thiết kế cần chỉ định phạm vi độ cứng này trên bản vẽ.

³ Thép không gỉ cứng hóa kết tủa: SUS630 không được tôi luyện mà được làm cứng bằng cách xử lý lão hóa (cứng hóa kết tủa) sau khi xử lý nhiệt hòa tan. Độ cứng được điều chỉnh theo nhiệt độ xử lý (ví dụ: H900 khoảng 480°C).

Vai trò của lượng carbon trong việc quyết định độ cứng của quá trình tôi

Điều gì quyết định độ cứng tối đa có thể đạt được khi tôi luyện thép? Kết luận là,Giới hạn đó gần như được quyết định bởi lượng carbon có trong thép.

Bởi vì, quá trình xử lý nhiệt gọi là tôi cứng là quá trình làm nguội nhanh thép từ trạng thái nhiệt độ cao, tạo ra một cấu trúc rất cứng gọi là martensite bên trong.Độ cứng của cấu trúc martensite này được quyết định bởi số lượng nguyên tử carbon bị giam giữ bên trong nó.Do đó, lượng carbon trong thép nguyên liệu càng cao thì độ cứng tối đa có thể đạt được càng cao.

Ví dụ, đối với S45C (hàm lượng carbon khoảng 0,45%) thông dụng, độ cứng tối đa về mặt lý thuyết là khoảng 63HRC, còn đối với S55C (hàm lượng carbon khoảng 0,55%) có hàm lượng carbon cao hơn, độ cứng tối đa về mặt lý thuyết là khoảng 65HRC.

Tuy nhiên,Những điểm quan trọng mà nhà thiết kế cần biếtCó một sự thật là khi lượng carbon vượt quá khoảng 0,6%, thì dù có tăng thêm carbon nữa, độ cứng tối đa cũng hầu như không tăng lên nữa. Nếu chỉ đơn thuần tìm kiếm độ cứng mà chọn loại thép carbon cao đắt tiền, không những không đạt được hiệu quả tương xứng với chi phí, mà ngược lại, độ dẻo dai (độ bền) còn giảm, và nhược điểm là dễ gãy vỡ sẽ trở nên nghiêm trọng hơn.

Như vậy, khi xem xét độ cứng cần thiết cho các bộ phận, việc hiểu rằng hàm lượng carbon là yếu tố cơ bản nhất quyết định giới hạn tiềm năng của độ cứng là bước đầu tiên để lựa chọn vật liệu phù hợp.

Độ cứng và đặc tính của thép carbon (S45C, v.v.)

Thép carbon, thường được gọi là "vật liệu S-C", là loại thép được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực thiết kế máy móc, tiêu biểu là S45C.

Lợi thế lớn nhất của thép carbon là hiệu suất chi phí cao.　　Vì không chứa các nguyên tố hợp kim đắt tiền như crom và molypden, nên có thể giảm chi phí vật liệu xuống mức thấp. Trong trường hợp S45C, bằng cách xử lý nhiệt thích hợp, có thể đạt được độ cứng bề mặt khoảng HRC55~60, đảm bảo khả năng chống mài mòn cần thiết cho nhiều bộ phận máy móc.

Mặt khác, cũng có những nhược điểm mà nhà thiết kế cần lưu ý. Đó là,Khả năng nung thấpĐiểm này. Như đã đề cập ở trên, thép carbon không chứa nguyên tố hợp kim có khả năng làm cứng sâu bên trong chi tiết kém hơn. Do đó, ngay cả khi cố gắng làm cứng toàn bộ chi tiết có thành dày như trục có đường kính lớn, bề mặt có thể cứng nhưng phần trung tâm vẫn mềm.

Vì vậy,Thép carbon được cho là thích hợp hơn cho các ứng dụng làm cứng bề mặt một cách có chọn lọc, như làm cứng bằng tần số cao, so với làm cứng toàn bộ bộ phận bằng phương pháp "làm cứng toàn bộ".　Giá thành rẻ là một điểm hấp dẫn, nhưng cần xem xét kích thước của các bộ phận và độ bền yêu cầu,Cần phải xem xét cẩn thận để đảm bảo không thiếu tính chất nung.

Độ cứng và đặc tính của thép hợp kim (SCM, SNCM)

Để bù đắp tính chất dễ bị nung chảy của thép carbon, người ta đã phát triển thép hợp kim có thêm các nguyên tố hợp kim như crom (Cr), molypden (Mo) và niken (Ni).　Đại diện tiêu biểu là vật liệu SCM (thép crom molypden) và vật liệu SNCM (thép niken crom molypden).

Lợi thế lớn nhất của thép hợp kim là tính chất tôi luyện tuyệt vời.　　Các nguyên tố hợp kim được thêm vào có tác dụng làm chậm sự thay đổi cấu trúc bên trong khi làm lạnh thép. Nhờ đó, ngay cả trong trường hợp cần làm lạnh nhanh thép carbon, vẫn có thể làm cứng hoàn toàn phần lõi của chi tiết bằng cách làm lạnh từ từ bằng dầu.

Ví dụ, SCM440 có hàm lượng carbon gần giống với S45C, nhưng do có khả năng tôi luyện vượt trội, nên được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận có mặt cắt lớn, bu lông có độ bền cao đòi hỏi độ tin cậy cao, trục xe, v.v. Một lợi thế lớn nữa là có thể làm mát từ từ, giúp giảm rủi ro xử lý nhiệt như nứt hoặc biến dạng.

Nhược điểm là chi phí nguyên liệu cao hơn so với thép carbon. Tuy nhiên, trong thiết kế hiện đại đòi hỏi các bộ phận phải có kích thước lớn và độ bền cao, việc sử dụng thép hợp kim là không thể thiếu trong nhiều trường hợp để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất sau khi xử lý nhiệt.

Độ cứng và đặc tính của thép công cụ (vật liệu SK)

Thép công cụ, như tên gọi của nó, là loại thép được sử dụng cho khuôn đúc và dụng cụ cắt để gia công kim loại, có đặc tính cứng rất cao và khả năng chống mài mòn tuyệt vời.

Thép công cụ có hàm lượng carbon rất cao và chứa nhiều nguyên tố hợp kim như crom (Cr), vonfram (W) và molypden (Mo).Do đó, sau khi tôi luyện, có thể đạt được độ cứng rất cao vượt quá HRC60.

SKD11 là loại thép tiêu biểu được sử dụng cho khuôn lạnh. SKD11 có đặc tính ưu việt là kích thước sau khi tôi rất ít thay đổi, nên được sử dụng làm vật liệu tiêu chuẩn cho khuôn chính xác. Tuy nhiên, mặc dù rất cứng nhưng độ bền thấp và dễ gãy, nên không thích hợp cho các ứng dụng có tác động mạnh.

Ngoài ra, cũng có loại thép công cụ có đặc tính khó bị giảm độ cứng trong môi trường nhiệt độ cao, như SKD61 dùng cho khuôn nóng.

Thép công cụ là vật liệu đắt tiền được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt, nhưng độ cứng và khả năng chống mài mòn cao của nó mang lại hiệu suất vượt trội mà các loại thép khác không thể thay thế. Khi thiết kế khuôn mẫu và dụng cụ, điều quan trọng là phải hiểu rõ các đặc tính của vật liệu này.

Độ cứng và đặc tính của thép không gỉ

Thép không gỉ được biết đến là vật liệu có khả năng chống ăn mòn cao, nhưng không phải tất cả các loại thép không gỉ đều cứng khi được tôi luyện.　Chủ yếu là loại thép không gỉ được gọi là "loại martensite" có thể cải thiện độ cứng bằng cách nung nóng.

Thép không gỉ loại martensite, khác với loại austenite thông thường (như SUS304), có chứa carbon trong thành phần. Do đó, có thể tăng độ cứng bằng cách xử lý nhiệt để tạo ra sự biến đổi martensite.

Các loại thép tiêu biểu bao gồm SUS420J2 và SUS440C.SUS420J2 có thể đạt được độ cứng vượt quá HRC50 nhờ quá trình tôi, và được sử dụng cho các bộ phận dao, van, trục, v.v. yêu cầu khả năng chống ăn mòn và mài mòn. Mặt khác,SUS440C là vật liệu có thể đạt được độ cứng cao nhất trong các loại thép không gỉ, với độ cứng HRC trên 58.　Với khả năng chống mài mòn vượt trội, nó được sử dụng trong các bộ phận chính xác như bi, vòng trong và vòng ngoài của ổ trục, vòi phun.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng thép không gỉ loại martensite có độ cứng cao hơn nhưng lại kém hơn loại austenite về khả năng chống ăn mòn. Cần lựa chọn vật liệu dựa trên môi trường sử dụng, xem xét ưu tiên tính chống gỉ hay độ cứng.

Điểm cần lưu ý trong thiết kế để tận dụng độ cứng sau khi tôi

Lựa chọn vật liệu dựa trên tính chất nung và hiệu ứng khối lượng

Khi lựa chọn vật liệu cho các bộ phận, chỉ dựa vào độ cứng mục tiêu để quyết định loại thép là rất nguy hiểm.Đặc biệt cần chú ý là "hiệu ứng khối lượng" và "khả năng tôi cứng" liên quan đến nó.

Hiệu ứng khối lượng là gì?

Hiệu ứng khối lượng là hiện tượng chỉ ra rằng, ngay cả khi sử dụng cùng một loại thép, độ cứng sau khi tôi luyện sẽ khác nhau tùy thuộc vào kích thước của bộ phận (diện tích mặt cắt).　　Cụ thể, các bộ phận càng dày và dày thì tốc độ làm mát phần trung tâm càng chậm đáng kể. Do sự chênh lệch tốc độ làm mát này, bề mặt có thể cứng hoàn toàn nhưng bên trong vẫn chưa cứng hoàn toàn.Trạng thái "chưa chín"그렇게 되어 버립니다.

Khả năng nung và phương pháp đánh giá

Yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hiệu ứng khối lượng này là tính chất riêng của vật liệu, đó là "khả năng tôi cứng".　Khả năng tôi cứng là khả năng "độ cứng có thể đạt được khi tôi cứng".Điều này cho thấy. Có một số chỉ số để đánh giá khách quan tính chất này.

Thử nghiệm Jominy và đường cong tính chất nhiệt luyện

Phương pháp đánh giá tiêu biểu nhất là "Thử nghiệm Jominy (phương pháp nung một đầu)" được quy định trong JIS G 0561.Đây là thử nghiệm trong đó mẫu thử được gia công theo kích thước quy định được nung nóng, sau đó chỉ phun nước vào một mặt (một đầu) để làm lạnh.

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng cách từ đầu làm mát bằng nước của mẫu thử và độ cứng được gọi là "đường cong nhiệt luyện (đường cong Jominy)". Đầu làm mát bằng nước được làm lạnh nhanh nhất nên có độ cứng cao nhất, và độ cứng sẽ giảm dần khi khoảng cách từ đầu làm mát bằng nước tăng lên do tốc độ làm lạnh chậm lại.Vật liệu có độ cứng giảm theo đường cong nhẹ nhàng sẽ được đánh giá là "có tính chất nung tốt".

Ví dụ, thép carbon S45C sẽ giảm độ cứng nhanh chóng chỉ khi cách xa đầu làm mát bằng nước một chút, nhưng thép hợp kim SCM440 duy trì độ cứng cao tương đối xa và tạo ra đường cong nhẹ nhàng. Điều này cho thấy khả năng tôi của SCM440 vượt trội hơn S45C.

Chỉ số đường kính tới hạn

Một chỉ số thực tế khác là "đường kính tới hạn".　　Điều này được định nghĩa là "đường kính lớn nhất có thể đạt được cấu trúc martensite 50% trở lên ở phần trung tâm của bộ phận".Đường kính tới hạn càng lớn thì vật liệu càng có thể được tôi cứng đến tận lõi, ngay cả đối với các bộ phận dày.

Khả năng tôi cứng được cải thiện bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim như crom (Cr), molypden (Mo) và mangan (Mn). Do đó,Để ngăn chặn sự thiếu hụt độ bền bên trong do hiệu ứng khối lượng, nhà thiết kế phải chọn vật liệu có khả năng tôi cứng đủ đối với độ dày của vật liệu (vật liệu có đường kính tới hạn lớn) dựa trên phần dày nhất của bộ phận (độ dày chi phối)..

Cân bằng độ cứng và độ dẻo dai nhờ quá trình ủ lại

Thép đạt được độ cứng tối đa nhờ quá trình tôi luyện thực tế lại rất dễ vỡ như thủy tinh. Trong tình trạng "chỉ được tôi luyện" này, thép rất dễ vỡ ngay cả khi chịu tác động nhẹ, do đó không thể sử dụng cho hầu hết các bộ phận máy móc.

Do đó, sau khi tôi luyện, nhất thiết phải thực hiện công đoạn "tôi lại". Tôi lại là quá trình xử lý nhiệt bằng cách nung lại thép đã được tôi luyện ở nhiệt độ thích hợp, làm giảm một chút độ cứng, đồng thời loại bỏ sự biến dạng bên trong gây ra sự giòn, phục hồi độ dẻo dai, tức là "độ bền".

Nhà thiết kế cần hiểu mối quan hệ cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo dai, đồng thời tìm ra điểm cân bằng tối ưu phù hợp với tính năng yêu cầu của bộ phận.

Ví dụ, đối với các công cụ cần ưu tiên khả năng chống mài mòn, sẽ tiến hành "tôi nhiệt ở nhiệt độ thấp" để giảm thiểu sự suy giảm độ cứng. Mặt khác, đối với các bộ phận chịu tác động mạnh như trục và bánh răng, sẽ áp dụng "tôi nhiệt ở nhiệt độ cao (điều chỉnh tính chất)" để tăng cường độ bền dẻo đáng kể, ngay cả khi phải hy sinh một phần độ cứng.

Điều cần lưu ý ở đây là sự tồn tại của vùng nhiệt độ nguy hiểm được gọi là "độ giòn sau khi ủ", làm giảm đáng kể độ bền. Trừ khi có lý do đặc biệt, phải tránh ủ ở vùng nhiệt độ khoảng 250~350℃ và khoảng 450~550℃. Nhà thiết kế phải đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ cứng và độ bền trong vùng nhiệt độ an toàn.

Hướng dẫn sử dụng bản vẽ và cách tham khảo tiêu chuẩn JIS

Bản vẽ là sản phẩm cuối cùng để truyền đạt chính xác ý định của nhà thiết kế đến nơi sản xuất và sản xuất các bộ phận có chất lượng như mong muốn. Nếu hướng dẫn về xử lý nhiệt không rõ ràng, có thể dẫn đến việc sản phẩm bị lỗi.

Các chỉ dẫn cơ bản về bản vẽ

Khi chỉ định độ cứng trên bản vẽ, có một số quy tắc cần tuân thủ.

Đầu tiên,Độ cứng không phải là một giá trị duy nhất như "HRC 50" mà phải được chỉ định trong một phạm vi nhất định, ví dụ như "HRC 48~52".Khi thiết lập phạm vi này, hãy tham khảo bảng danh sách được trình bày ở đầu bài viết này."Phạm vi độ cứng thực tế của quá trình tôi và tôi lại"rất hữu ích.

Phạm vi được hiển thị trong bảng trên là phạm vi của từng vật liệu.Phạm vi độ cứng thường được đặt làm mục tiêuĐúng vậy. Tùy theo mục đích sử dụng của bộ phận và tính năng yêu cầu (ví dụ: ưu tiên khả năng chống mài mòn hay độ bền), chúng tôi sẽ thiết lập các giá trị mục tiêu cụ thể trong phạm vi đó.Nói chung, bằng cách duy trì khoảng cách khoảng 4 đến 5 điểm trong HRC, có thể chấp nhận sự chênh lệch nhỏ không thể tránh khỏi trong quá trình xử lý nhiệt và thực hiện quản lý chất lượng thực tế..

Tiếp theo,Mô tả rõ ràng nội dung xử lý. Không chỉ ghi "nóng chảy" mà phải ghi rõ "nóng chảy và làm nguội".Điều này cho thấy quá trình ủ lại là cần thiết để đảm bảo độ bền. (Trong bản vẽ thực tế hoặc bản vẽ thử nghiệm, ngay cả khi không có ghi chú "ủ lại", quá trình tôi và ủ lại vẫn được thực hiện theo bộ).

Đặc biệt làQuá trình tôi bề mặt như tôi cao tần　Trong trường hợp này, điều quan trọng là phải chỉ rõ phạm vi làm cứng bằng hình vẽ và chỉ định "độ cứng bề mặt" và "độ sâu lớp cứng hiệu quả".Đó là. "Độ sâu lớp cứng hiệu quả" là độ sâu duy trì độ cứng quy định từ bề mặt, là phương pháp chỉ dẫn chuyên môn có độ tin cậy rất cao trong việc đảm bảo tính năng của bộ phận.

Cách sử dụng nguồn thông tin đáng tin cậy

Nếu cần các tài liệu không có trong danh sách bài viết này hoặc dữ liệu chi tiết hơn, bạn có thể tham khảo các nguồn thông tin sau đây.

Cách sử dụng tiêu chuẩn JIS

Cơ sở cho các hướng dẫn này là JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản). Ví dụ, đối với thép carbon dùng trong kết cấu máy móc, tiêu chuẩn này được quy định trong "JIS G 4051". Bất kỳ ai cũng có thể xem tiêu chuẩn JIS miễn phí sau khi đăng ký sử dụng trên trang web của JISC (Hội đồng tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản). Điều quan trọng là phải tạo thói quen tham khảo thông tin sơ cấp làm cơ sở cho thiết kế.

• Trang web JISC (Hội đồng Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản): https://www.jisc.go.jp/

Tham khảo tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất thép

Trong khi tiêu chuẩn JIS quy định các yêu cầu chung, tài liệu kỹ thuật do các nhà sản xuất thép phát hành chứa dữ liệu chi tiết hơn về sản phẩm của họ (ví dụ: đường cong ủ chi tiết, biểu đồ CCT, dữ liệu về độ bền mỏi, v.v.). Đặc biệt,Đối với các loại thép cải tiến độc quyền của nhà sản xuất (ví dụ: DC53 của Daido Steel), tài liệu của nhà sản xuất là nguồn thông tin duy nhất.Điều này có nghĩa là khi thiết kế các bộ phận quan trọng, hãy chắc chắn lấy tài liệu kỹ thuật chính thức của nhà sản xuất vật liệu và kiểm tra kỹ nội dung của nó.

• Công ty TNHH Thép đặc biệt Daido:https://www.daido.co.jp/
• Công ty TNHH Proteal (trước đây là Công ty TNHH Hitachi Metals):https://www.proterial.com/
• JFE Steel Corporation:https://www.jfe-steel.co.jp/
• Công ty cổ phần Kobe Steel:https://www.kobelco.co.jp/
• Công ty TNHH Thép đặc biệt Sanyo:https://www.sanyo-steel.co.jp/

Hiểu về độ cứng sau khi nung và thiết kế tối ưu

Trong bài viết này, chúng tôi đã giải thích về độ cứng của thép sau khi tôi luyện, từ nguyên lý cơ bản đến dữ liệu cụ thể theo từng loại vật liệu, và những điểm cần lưu ý trong thiết kế. Cuối cùng, chúng tôi sẽ tóm tắt những điểm quan trọng mà các kỹ sư thiết kế máy móc cần ghi nhớ.

• Độ cứng tối đa của thép chủ yếu được quyết định bởi hàm lượng carbon.
• Khi lượng carbon vượt quá khoảng 0,6%, độ cứng tối đa sẽ đạt đến giới hạn.
• Khả năng làm cứng đến tận lõi của bộ phận (khả năng tôi cứng) được cải thiện nhờ các nguyên tố hợp kim.
• Thép carbon (S45C, v.v.) có giá thành rẻ nhưng khả năng tôi cứng thấp.
• Hợp kim thép (SCM440, v.v.) có tính chất tôi luyện tốt, thích hợp cho các bộ phận lớn và bộ phận quan trọng.
• Thép công cụ (SKD11, v.v.) có độ cứng và khả năng chống mài mòn cực cao.
• Thép không gỉ thuộc hệ Martensite (SUS420J2, SUS440C, v.v.) được làm cứng bằng cách tôi.
• Kích thước của bộ phận lớn thì khó làm cứng đến phần lõi (hiệu ứng khối lượng)
• Xem xét hiệu ứng khối lượng, chọn vật liệu có khả năng nung phù hợp với độ dày tối đa của bộ phận.
• Các bộ phận sau khi nung cứng rất dễ vỡ, vì vậy phải thực hiện quá trình ủ lại để tăng độ dẻo dai.
• Độ cứng và độ dẻo dai có mối quan hệ tương hỗ lẫn nhau.
• Tránh xử lý ở nhiệt độ nguy hiểm có thể gây ra hiện tượng giòn do nung lại.
• Bản vẽ phải chỉ rõ phương pháp xử lý nhiệt và "phạm vi" độ cứng.
• Trong quá trình tôi bề mặt, việc chỉ định "độ sâu lớp cứng hiệu quả" là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất.
• Tiêu chuẩn JIS là nguồn thông tin đáng tin cậy làm cơ sở cho thiết kế.

Đó là tất cả.