Kim loại và hợp kim đàn hồi với những tính chất đặc biệt hiện đang được sử dụng với một số lượng rất lớn trong ngành cơ khí chế tạo, giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp quốc phòng,... Để hiểu rõ hơn về bản chất, xin mời các bạn tham khảo bài viết sau:

1. Yêu cầu đối với vật liệu đàn hồi

Thép và các hợp kim có các tính chất đàn hồi cao được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy và dụng cụ. Trong chế tạo máy, chúng được dùng để chế tạo nhíp, bộ giảm xóc, lò xo chịu lực với các công dụng khác nhau.Trong chế tạo dụng cụ đươc sử dụng làm các chi tiết đàn hồi như tấm rơle, hộp xếp, giá treo, cấu kiện chịu kéo. Đặc điểm chung của các chi tiết này là không được phép biến dạng dư khi tải trọng tĩnh lớn, tuần hoàn hay va đập. Do đó các vật liệu này ngoài cơ tính đặc trưng cho các vật liệu kết cấu ( độ bền, độ déo, độ dai, độ bền mỏi) cần phải có độ bền cao để chống lại biến dạng dẻo dù nhỏ. Trong điều kiện chụ tải trọng tĩnh trong thời gian ngắn, độ bền chống biến dạng dẻo nhỏ được đặc trưng bởi giới hạn đàn hồi, khi chịu tải lâu hay tải tuần hoàn thì đó là độ bền tích thoát.

Độ bền tích thoát được đánh giá bởi sự chống lại tích thoát ứng suất. Tích thoát ứng suất được đặc trưng bởi việc giảm ứng suất làm việc trong chi tiết. Sự tích thoát ứng suất nguy hiểm ở chỗ, khi chuyển một phần biến dạng đàn hồi thành biến dạng dẻo thì các phần tử đàn hồi thay đổi hình dáng và kích thước sau khi bỏ tải trọng.

Tích thoát ứng suất xảy ra bằng cách biến dạng dẻo tế vi trong các hạt tinh thể riêng lẻ và được tích lũy theo thời gian. Với cấc ứng suất thấp hơn giới hạn đàn hồi, biến dạng dẻo tế vi có thể được gây ra: bởi sự uốn cong các lệch hay sự tách lệch riêng biệt khỏi các chốt hãm khi ứng suất nhỏ, bởi sự dịch chuyển các lệch hãm khi ứng suất cao.

Do đó để hợp kim đạt được giói hạn đàn hồi và độ bền tích thoát cao cần phải tạo được cấu trúc lệch ổn định, trong đó không chỉ phần lớn mà hầu như tất cả các lệch bị phong tỏa chắc chắn. Ngoài ra cấu trúc như thế phải có ứng suất tế vi ở mức độ không cao ví các ứng suất tế vi này cùng với ứng suất làm việc làm cho lệch chuyển động dễ dàng.

Để hãm lệch người ta dùng tất cả các phương tiện tạo chướng ngại vật có hiệu quả: hợp kim hóa, nâng cao mật độ lệch, tiết ra các pha thứ 2 phân tán. Với quan điểm về các tính chất đàn hồi thì cơ nhiệt luyện tạo thành cầu trúc thuận lợi nhất.

2. Các loại thép lò xo, nhíp

Các thép cacbon lò xo, nhíp thường được gọi là thép lò xo thông dụng có môđun đàn hồi cao để hạn chế biến dạng đàn hồi. Nên chúng được sử dụng để chế tao các chi tiết đàn hồi, chịu lực cao. Đây là các vật liệu có giá thành không cao nên được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ô tô, máy kéo, trong vận tải đường sẳt và chế tạo máy công cụ.

Để đảm bảo khả năng làm việc của các phân tử đàn hồi chịu lực các thép lò xo cần phải có giới hạn đàn hồi, giới hạn mỏi và độ bền tích thoát cao. Các thép lò xo thường có hàm lượng cacbon cao ( 0,5-0,7% ) được tôi và ram ở nhiệt độ 420-4500C thỏa mãn các yêu cầu đó.

Thép được tôi ra tổ chức mactenxit có giới hạn đàn hồi không cao. Giới hạn đàn hồi được nâng cao rõ rệt khi hình thành tổ chức trootxtit. Trong tổ chức này Ferit có mật độ cao các lệch kém chuyển động do bị biến cứng pha mạnh. Ngoài ra chúng còn bị phong tỏa có hiệu quả bởi các hạt cacbít phân tán.

Ngoài các tính chất đàn hồi cao, ram ra tổ chức trootxtit bảo đảm nâng cao một chừng mực nào đó độ dẻo và độ dai (đặc biệt trong các thép không có xu hướng ròn ram), nó quan trọng để giảm độ nhạy cảm với sự tập trung ứng suất và tăng giới hạn mỏi.

Tôi đẳng nhiệt ra tổ chức bainit dưới cũng cho kết quả tốt. Nó cho phép có được cơ tính cao khi chi tiết ít bị biến dạng.

Các lò xo không lớn và hình dạng ít phức tạp được chế tạo từ thép đã qua nhiệt luyện. Đối với lò xo to đòi hỏi lực quấn lớn thì dùng thép ở trạng thái ủ. Các chi tiết sau khi được chế tạo bằng cách quấn nóng hay rập nóng sẽ được nhiệt luyện.

Thép để làm nhíp được cung cấp ở dạng băng, sau đó rập tạo hình và tôi, ram ( hiện nay thường dùng lò chương trình tôi ram liên tục) sau đó bó.

Các mác thép cacbon bao gồm : C65, 70, 75, 80, 85, 65Mn, 70Mn (TCVN) được đặc trưng bởi độ bền tích thoát không cao, đặc biệt khi nung nóng. Chúng không có lợi để làm việc ở nhiệt độ trên 1000C. Do độ thấm tôi thấp nên các thép này được dùng các lò xo tiết diện không lớn lắm.

Các thép lò xo, nhíp hợp kim thuộc về lớp peclít. Các nguyên tố hợp kim cơ bản trong chúng là Si ( 1-3%), Mn (~1%). Trong các chi tiết có công dụng quan trong hơn thì thép được hợp kim hóa them Cr (~1%) và Ni (<1,7%) các nguyên tố hợp kim yêu cầu phải có ảnh hưởng ít tới giới hạn đàn hồi là tính chất chủ yếu của họ thép này. Quan trong hơn là hợp kim hóa để nâng cao độ thấm tôi, độ bền tích thoát ứng suất và gới hạn mỏi. Do đó hợp kim được sử dụng cho những phần tử đàn hồi kích thước lớn và đảm bảo cho chúng làm việc lâu hơn và độ tin cậy cao hơn.

Các mác thép Silic 50Si2, 60Si2, 70Si3A được dùng làm lò xo hay nhíp có chiều dày 18 mm. Chúng có đặc điểm chống sự lớn lên của hạt khi tôi, nhưng lại có xu hướng dễ thoát cacbon khi nung, đây là một dạng khuyết tật mặt rất nguy hiểm vì giảm độ bền mỏi. Mác thép Si-Mn 60SiMnA đã hạn chế được nhược điểm này và được dùng để chế tạo các lò xo có chiều dày nhỏ hơn 14 mm.

Các mác thép 50CrVA, 50CrMnVA có nhiệt độ ram cao hơn dòng thép Si và Si-Mn khoảng 5200C, có khả năng chịu nhiệt cao hơn, độ dai cao hơn, ít nhạy cảm với nhát cắt. Chúng được dùng làm nhíp các ôtô nhẹ, lò xo xupáp và các lò xo có công dụng quan trọng khác và nhiệt độ làm việc khoảng 3000C.

Các thép 60Si2CrA và 60Si2Ni2A đươc tôi thấu trong các tiết diện tương ứng là 50 và 80 mm và được dùng làm các lò xo và nhíp lớn có tải nặng và đặc biệt. Các tính chất của thép được quyết định bởi hàm lượng Cacbon và nhiệt độ ram. Ram được tiến hành ở nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ ứng với giới hạn đàn hồi cực đại để đảm bảo độ dẻo và dai.

Các mác thép 70Si3A, 60Si2CrA, 60Si2Ni2A có cơ tính cao nhất σb≥ 1800MPa; σ0,2 ≥ 1600MPa; δ≥ 5%; Ψ ≥20%. Giới hạn đàn hồi đạt σ0,01=880 -1150 MPa, còn độ cứng đạt 40-48 HRC. Với độ bền và độ cứng như vậy, thép này nhạy cảm với sự tập trung ứng suất cho nên trạng thái bề mặt có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi. Khi không có khuyết tật bề mặt giới hạn mỏi của thép khi uốn thấp hơn 500 MPa, còn khi xoắn ~300MPa. Để giảm độ nhạy cảm với tập trung ứng suất thì các lò xo và nhíp đã chế tạo được biến cứng bề mặt bằng phun bi. Sau khi đã hóa bền bằng phun bi giới hạn mỏi tăng 1,5-2 lần

Thép lò xo được hiểu là loại thép có khả năng đàn hồi cao, thường được dùng để chế tạo các loại lò xo (spring), đệm vênh (clip, có lắp trong cần khởi động xe máy) ... Khả năng đàn hồi này của thép lò xo ổn định nhất sau khi nhiệt luyện để đạt độ cứng từ 42 ÷ 48 HRC (do khả năng đàn hồi của thép có mối liên quan với độ cứng).

Thép lò xo có nhiều loại khác nhau.

Đối với những yêu cầu kỹ thuật không cao, vật liệu sử dụng thường là các mác thép carbon cao ( %C > 0.6%, tương đương các mác từ C60 trở lên). Khả năng đàn hồi của các mác thép này chủ yếu được tạo ra nhờ độ cứng cao sau nhiệt luyện. Các mác thường được dùng là S60C ÷ S80C(JIS), S60C - CSP (JIS, CSP = Carbon Spring).

Một thành phần khác được sử dụng nhiều nhất trong việc chế luyện các loại thép lò xo là Silic Si. Do những đặc điểm của mình, khi đi vào mạng tinh thể của thép, Si làm xô lệch mạng theo hướng làm tăng khả năng đàn hồi (đoạn này thì không nhớ kỹ lắm nên đề nghị dân vật liệu bổ sung giùm hoặc chờ tớ tìm lại tài liệu). Đại diện cho loại thép hợp kim này là mác thép 60C2 (GOST), S60CM(JIS, có bổ sung thêm Mo để tăng độ thấm tôi và làm nhỏ hạt khi nung tôi ở nhiệt độ cao).

Trong nhiều trường hợp, thành phần Si được thay thế bằng Mn hoặc các nguyên tố hợp kim khác có tác dụng tương đương (đều có khả năng tạo carbid như Si, Mn). Đại diện là các mác 65G (65Mn - GOST), Y8 (GOST), SK5M (JIS, tên mới là SK85), T8A (GB - Trung Quốc) ...

Ngoài ra, trong tiêu chuẩn Nhật (JIS) còn được chia nhỏ hơn theo dạng thương phẩm, có tên gọi khác nhau dù thành phần tương đương với các nhóm hợp kim vừa nêu. Thường được biết đến với cái tên SWPA (B) - Steel Wire Piano, loại vật liệu này thường có dạng dây, kích thước nhỏ (thường là D < 3 ÷ 5 mm), được dùng nhiều nhất làm dây đàn piano :D.

Chế độ nhiệt luyện của loại thép này thường được thực hiện như sau (ở đây là với lò liên tục, được bảo vệ bằng môi trường khí có %C hoạt tính ~ 0.6%): tôi dầu ở 860°C, ram 360 ÷ 440 °C / 2h để đạt độ cứng tối ưu vào khoảng 42 ÷ 48 HRC.

Đối với lò xo chân chống xe máy, trong thực tế sản xuất ở VN, thường không sử dụng SWP (như bác Huy Thanh nói) mà dùng các mác sau: 60C2, S60C - CSP, Y8, SK85, 65Mn ... để đảm báo tính kinh tế.

P/S: chú ý là khả năng đàn hồi của thép lo xo còn phụ thuộc cả vào tiết diện cắt ngang của dây lò xo nữa. Khi chiều dày (đường kính) dây tăng 1mm, lực đàn hồi có thể tăng tới 30%. Và phụ thuộc cả vào hình dạng của mặt cắt đó mà lực đàn hồi cũng khác nhau.

3. Để chế tạo lò xo, có thể dùng máy chuyên dụng hoặc dùng máy ... tiện (thậm chí là cả máy khoan). Lò xo được tạo ra bằng cách cuốn trên lõi thép tròn... Khi đó, vấn đề chỉ là thiết kế và chế tạo bộ đồ gá phục vụ cho công việc này.

Phân loại :

Theo phân loại theo công dụng thì thép kết cấu cacbon tốt có tỷ lệ C từ 55 -70 đều sử dụng làm lò xo nhíp, lò xo xoắn ốc được cả.

Còn được hay không do các thông số khác mà yêu cầu kỹ thuật quy định người thiết kế và thực hiện phải theo.

Mác thép Độ bền kéo(kg/mm2) Giới hạn chẩy(kg/mm2) Độ thắt (%)Trị số va đập(kgm/cm2) Cán nóng (HB<=) Thép ủ(HB<=)

C55 66 39 13 35 - 255 217

C60 69 41 12 35 - 255 229

C65 71 42 10 30 - 255 229

C70 73 43 9 30 - 269 229.

Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0,02% đến 2,06% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau. Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dể uốn, và sức bền kéo đứt. Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăng cường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại giòn và dễ gãy hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,06% theo trọng lượng ( ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1.147 độ C; nếu lượng cacbon cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ là xementit có cường lực kém hơn. Pha trộn với cacbon cao hơn 2,06% sẽ được gang. Thép cũng được phân biệt với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hay không có cacbon, thường là ít hơn 0,035%. Ngày nay người ta gọi ngành công nghiệp thép (không gọi là ngành công nghiệp sắt và thép), nhưng trong lịch sử, đó là 2 sản phẩm khác nhau. Ngày nay có một vài loại thép mà trong đó cacbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác, và cacbon nếu có, chỉ là không được ưa chuộng.

Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phương pháp kém hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có hiệu quả hơn thì việc sử dụng thép trở nên phổ biến hơn. Với việc phát minh ra quy trình Bessemer vào giữ thế kỉ 19, thép đã trở thành một loại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém. Trong quá trình sản xuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi ôxy, thì giá thành sản xuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại. Ngày nay thép là một trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phần chính trong xây dựng, đồ dùng, công nghiệp cơ khí. Thông thường thép được phân thành nhiều cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhận theo chuẩn riêng.

Đặc tính

Cũng như hầu hết các kim loại, về cơ bản, sắt không tồn tại ở vỏ Trái Đất dưới dạng nguyên tố, nó chỉ tồn tại khi kết hợp với ôxy hoặc lưu huỳnh. Sắt ở dạng khoáng vật bao gồm Fe2O3-một dạng của ôxít sắt có trong khoáng vật hematit, và FeS2 - quặng sunfit sắt. Sắt được lấy từ quặng bằng cách khử ôxy hoặc kết hợp sắt với một nguyên tố hoá học như cacbon. Quá trình này được gọi là luyện kim, được áp dụng lần đầu tiên cho kim loại với điểm nóng chảy thấp hơn. Đồng nóng chảy ở nhiệt độ hơn 1.080 °C, trong khi thiếc nóng chảy ở 250 °C. Pha trộn với cacbon trong sắt cao hơn 2,06% sẽ được gang, nóng chảy ở 1.392 °C. Tất cả nhiệt độ này có thể đạt được với các phương pháp cũ đã được sử dụng ít nhất 6.000 năm trước. Khi tỉ lệ ôxy hoá tăng nhanh khoảng 800 °C thì việc luyện kim phải diễn ra trong môi trường có ôxy thấp.

Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn cacbon và sắt có thể hình thành nên rất nhiều cấu trúc khác nhau với những đặc tính khác nhau. Hiểu được điều này là rất quan trọng để luyện thép có chất lượng. Ở nhiệt độ bình thường, dạng ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) hay sắt, một chất liệu kim loại mềm, có thể phân huỷ một lượng nhỏ cacbon (không quá 0,02% ở nhiệt độ 911 °C). Nếu trên 911 °C thì ferrit sẽ chuyển từ tâm khối (BCC) sang tâm mặt (FCC), được gọi là austenit, loại này cũng là một chất liệu kim loại mềm nhưng nó có thể phân huỷ nhiều cacbon hơn ( 2,06% cacbon nhiệt độ 1.147 °C). Một cách để loại bỏ cacbon ra khỏi austenit là loại xementit ra khỏi hỗn hợp đó, đồng thời để sắt nguyên chất ở dạng ferit và tạo ra hỗn hợp xementit-ferrit. Xementit là một hợp chất hoá học có công thức là Fe3C.

Thép hiện đại

Thép hiện đại được chế tạo bằng nhiều các nhóm hợp kim khác nhau, tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố cho vào mà cho ta các sản phẩm phù hợp với công dụng riêng rẽ của chúng. Thép cacbon bao gồm hai nguyên tố chính là sắt và cacbon, chiếm 90% tỷ trọng các sản phẩm thép làm ra. Thép hợp kim thấp có độ bền cao được bổ sung thêm một vài nguyên tố khác (luôn <2%), tiêu biểu 1,5% mangan, đồng thời cũng làm giá thành thép tăng thêm. Thép hợp kim thấp được pha trộn với các nguyên tố khác, thông thường molypden, mangan, crom, hoặc niken, trong khoảng tổng cộng không quá 10% trên tổng trọng lượng. Các loại thép không gỉ và thép không gỉ chuyên dùng có ít nhất 10% crom, trong nhiều trường hợp có kết hợp với niken, nhằm mục đích chống lại sự ăn mòn. Một vài loại thép không gỉ có đặc tính không từ tính.

Thép hiện đại còn có những loại như thép dụng cụ được hợp kim hóa với số lượng đáng kể bằng các nguyên tố như vonfram hay coban cũng như một vài nguyên tố khác đạt đến khả năng bão hoà. Những chất này là tác nhân kết tủa giúp cải thiện các đặc tính nhiệt luyện của thép. Thép dụng cụ được ứng dụng nhiều vào các công cụ cắt gọt kim loại, như mũi khoan, dao tiện, dao phay, dao bào và nhiều ứng dụng cho các vật liệu cần độ cứng cao

Đây là loại thép có thành phần cácbon nằm trong khoảng 0,5 - 0,7%, sau tôi và ram trung bình có giới hạn đàn hồi cao. Thép này chuyên dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi: lò xo, nhíp,...nên được gọi là thép đàn hồi.

Thành phần hoá học:

- Cácbon: Các phần tử đàn hồi không cho phép có biến dạng dẻo cũng như bị phá huỷ giòn khi làm việc nên thành phần các bon của thép đàn hồi không được quá thấp cũng như không được quá cao. Khoảng thành phần cácbon hợp lý của loại thép này là 0,5 - 0,7%(thường gặp 0,55 - 0,65%).

- Nguyên tố hợp kim: Các nguyên tố Mn, Si cho vào thép đàn hồi với mục đích nâng cao tính đàn hồi. Các nguyên tố khác như Cr, Ni, V được cho vào với mục đích ổn định tính đàn hồi của thép.

Các mác thép-ứng dụng và nhiệt luyện thép đàn hồi:

Bảng sau trình bày kí hiệu, thành phần, các ứng dụng và qui trình nhiệt luyện một số mác thép đàn hồi.