Vật liệu kỹ thuật phần 2

Gang chịu n h iệ t Để gang có th ể làm việc ở nhiệt độ cao, thường hợp kim hóa gang bằng các nguyên tố Si, Cr, Al, với hàm lượng xác định đủ để tạo trê n bề m ặt một lớp ôxit bền, sít ch

2 - 4% M angan.và silic là hai nguyên tố quan trọng thường gặp trong

gang vối hàm lượng từ 0,5% -ỉ-2,5% mỗi nguyên tố Chúng có tác dụng điều chỉnh sự tạo th àn h graphit, tổ chức và cơ tính của gang Photpho và lưii huỳnh ià hai tạp chất vớí lượng thấp (0,05%-ỉ-0,5%), trong đó lưu huỳnh là nguyên tố có h ại với gang Ngoài ra, trong gang có thể có một

số nguyên tố khác-như Crf Ni, Mo, Mg, Cu

б T ổ chức t ế vỉ

Theo tổ chức tế vi, có thể phân gang thành các loại: trắng, xám, cầu và đẻo Gang trắng là gang trong dó tâ 't cả cacbon nằm ỏ dạĩig liên kết hóa học Fe3C Vì vậy gang trẩng luôn chứa hỗn hợp cùng tinh

■Cêđêburit

Gang xám, cầu, dèo là các loại gang inà trong dó phần lớn cacbon ở dạng

tự do (graphit) với hình dạng khác nhau: tấm, cầu, cụm V

TỔ chức t ế vi của gang chứa graphit còn phụ thuộc vào tỉ lệ phân

bố của cacbon ở pha graphìt và xêmentit Khi hầu như tấ t cả cacbon

ở dạng tự do th ì nền kim loại của tổ chức chỉ gồm ferit, còn khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức có thể là ferit - peclit, pecỉit hoặc peclit - xêmentit

c C ơ tin h oà tin h còng nghệ

Về cơ tín h , nói chung gang là loại v ật liệu có đ 4 ổể«r kéo thấp" độ giòn cao Dò chứa một lượng ỉớn xêmentit, gang trắn g ếố độ bền kéơ*rất thấp và độ giòn rấ t cao

Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu, tổ chức graphit do độ bền bằng không (0) nên được coí như là các lỗ hổng có sẵn trong gang, làm

m ất tín h liên tục của nền gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang kém bền Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng graphit,

lớn n h ấ t ở gang xám với graphit dạng tâm và bé n h ất ở gang cầu với

graphit dạng cầu tròn Vì vậy gang cầu có độ bền cao n h ấ t phối hợp với tính dẻo tố t n h ấ t tròng các loại gang Ngoài ra, sự có m ặt của graphit trong gang có ảnh hưởng tốt đến cơ tính như tăn g khả năng chông mòn

do m a sát, làm tắ t rung động và dao động cộng hưởng

Về tính công nghệ, gang có tính đúc tốt do n h iệt độ nóng chảy thấp, độ chảy loãng cao và tín h gia công cắt gọt tố t (ở gang xám, cầu, dẻo) do graphít trong gang làm phoi dễ gãy vụn

d Công d ụ n g

Các loại gang có graphit được dùng nhiều trong chế tạo cơ khí và

trong các lĩnh vực khác Ví dụ\ trong ô tô, các chi tiế t bằng gang có thể

chiếm tới 50% khối lượng kim loại, trong các th iế t bị và m áy tĩnh tại, tỉ

lệ này là 50 - 80% Nói chung, gang được đùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩn h và ít chịu va dập như bệ máy, vỏ, nắp, các bộ phận tĩn h tại, các chi tiế t chịu mài mòn ma sá t làm việc trọng điều kiện khó bôi trơn

Ngoài ra, gang cầu, gang dẻp, do cơ tính cao, có thể dùng thay thế cho thép trong một sô' trường hợp

2 G ang xám

Gang xám là loại gang được

dùng phổ biến n h ất trong chế tạo cơ

khí và dân dụng

a T ổ chức t ế vi

Gang xám là loại gang mà

phần lớn cacbon của nó nằm ở dạng

tự do (graphit), rấ t ít hoặc không có

cacbon ở dạng liền k ết với sắt

(FeaC) Lượng cacbon liên k ết d

khoảng 0 -5-1,0% c trong tổng lượng

cacbon của gang (thường là 3 - 4%)

Do tổ chức chứa nhiều graphit, m ặt

gang có màu xám, tối (màu của

graphit) nên cổ tê n là gang xám

Graphìt trong gang xám có dạng tấm cong Tổ chức tế vi nhìn dưới kính hiển vi chỉ thây được giao tuyến của các tấm graphit với bề mặt nhẵn làm ta chỉ thấy graphit dưới dạng vảy, vạch, đường cong nhọn hai đầu, H.6.1.

Tùy theo mức độ tạo th àn h graphit m ạnh hay yếu, gang xám được chia th àn h các loại sau:

- Gang xám ferit, có mức độ tạo thành graphit m ạnh nhất, trong đó hầu như tấ t cả cacbon ở dạng graphit, không có xêmentit Gang chỉ có hai pha: graphit tấm và nền kim loại fierit, H.6.2.C

- Gang xám ferit - peclit, có mức độ tạo th àn h graphit m ạnh, trong

dó cacbon liên k ết khoảng 0,1 - 0,6%, tạo nên nền kim loại ferit - peclit, tương ứng với nền thép trước cùng tích Tổ chức của gang gồm graphit tấm và nền kim loại ferit - peclit, H.6.2.b

- Gang xám peclit có mức độ tạo th àn h graphit trung bình trong đó lượng cacbon liên kết khoảng 0,6 - 0,8%, tạo nên -nền kim loại peclit, tương ứng với nền thép trước cùng tích Tổ chức của gang gồm graphit tấm và nền kim loại peclit, H.6.2a

H ình 6.2 Tổ chức tế vi của các ỉoại gang xám, nền:

a) pecỉìt b) ferit-peclit c) ferit

Như vậy, có th ể nói tổ chức tế vi của gang xám giống tổ chức tế vi của thép trước cùng tích và cùng tích, song có thêm các tấm graphit Chính do điều này mà cơ tính của gang khác thép

Lượng cacbon trong gang xám thông thường khoảng 2,84-3,5%

165

- Siỉic: silic cũng là nguyên tố thúc đẩy m ạnh sự tạo th à n h graphit

và là nguyên tố quan trọng trong gang xám Lượng silic trong gang xám

khoảng 1,5 -ỉ- 3% tùy yêu cầu mức độ tạo th àn h graphit Ngoài ra, khi

silic hòa tan vào ferit của gang làm tăng rấ t m ạnh độ cứng và độ bền pha này

- Mangan: mangan là nguyên tô” cản trở sự tạo graphit Để bảo đảm yêu cầu tạo thành graphit, giữa Mn và Si cần phải có tỉ lệ tương ứng: Mn cao thì Si cũng phải cao Thường dùng gang xám với hàm lượng 0,5*1% Mn

- Phốt pho; không ảnh hưởng đến quá trìn h tạo graphit, trong một

số trường-hợp phốt pho là nguyên tô' có lợi đo làm tăng độ chảy loãng của gang lỏng, làm tăng tính chống mài mòn của gang do tạo cùng tinh hai pha (Fe + Fe3P)

Thường dùng gang xám chứa 0,1 T 0,2% P, trong trường hợp cần nâng cao tính chông mài mòn hàm lượng P có th ể đ ạt tới 0,5% Tuy nhiên nâng cao lượng phốt pho quá mức sẽ làm gang giòn

- Lưu huỳnh là nguyên tô' làm cản trở m ạnh sự tạo th à n h graphit

trong gang đồng thời còn làm xấu tín h đúc của gang đo làm giảm độ

chảy loăng Vì vậy phải h ạn chế lượng lưu huỳnh trong gang, không để vượt qụá 0,08 - 0,12%

Ngoài ra, trong gang xám hợp kim có th ể gặp các nguyên tô' như

Cr, Mo, Ni, Cu có tác dụng riêng

c, Mối quan hệ g iữ a th à n h p h ầ n h óa học và tốc độ nguội đ ến tổ chức t ế vi củ a g a n g

- Thành phần hóa học: người ta thường điều chỉnh mức độ tạo thành graphit trong gang bằng cách điểu chỉnh lượng c và Si H.6.3 nêu

ảnh hưởng của c và Si đến mửc độ tạo thành graphit: lượng c và Si càng

nhiều, mức độ th àn h graphit càng mạnh

H ình 6.3 Ảnh hưởng của c và Si đến mức độ tậo thành graphit

trong trường hợp chiều dày thành vật đúc ổOmm, đúc trong khuôn cát tươi

I' gang trắng; II- gang xám pectit; ỈU- gang xâm ỉerít

- Tốc độ nguội: tốc độ nguội khi k ết tinh có ảnh hưởng m ạnh đến

sự tạo th àn h graphit trong gang Tốc độ nguội càng chậm càng thúc đẩy quá trìn h tạo graphit Vì vậy đúc trong khuôn cát dễ tạo th àn h gang xám hơn đúc trong khuôn kim loại Trong cùng v ật đúc, chỗ th àn h mỏng dễ bị biến trắn g hơn chỗ th àn h dày, m ặt ngoài v ật đúc dễ bị biến trắ n g hơn trong lõi

Ảnh hưởng tổng hợp của th àn h phần hóa học (biểu thị thông qua

tổng lượng %c + % Si) và tốc độ nguội (biểu thị qua chiều dày th à n h vật

đúc) đến mức độ tạo th à n h graphit được trìn h bày ở H.6.4

H ìn h B.4 Ả n h hường của tổng lượng cacbon với siỉic và chiều dày thành

vật đúc (khi đức trong khuôn cát tươi) đến mức độ tạo thành graph.it

/' gang trắng; //- gang xám peclit; III- gang xám ferit

d Cơ tín h g a n g xá m

Do ảnh hưởng graphit ở dạng tấm mà gang xám có cơ tín h thấp hơn thép nhiều

Graphit là pha có độ bền rấ t thấp nên ở trong gang nó như là

những vết rỗng, nứ t có sần, làm m ất sự liên tục của nền kim loại, do đó làm giảm m ạnh độ bền kéo của gang Ngoài ra graphit cũng ảnh hưởng xấu đến độ bền kéo vì đầu nhọn của các tấm graphit chính là nơi tập trung ứng suất: graphìt dạng tấm không ảnh hưởng xấu đến tín h bền nén

Như vậy so với thép, gang xám có giới hạn bền nén không thua kém bao nhiêu nhưng giới h ạ n bền kéo, độ dẻo, độ dai lại th ấp hơn nhiều Độ cứng của gang xám trong khoảng 150-ỉ-250 HB, dễ gia công

I Cắt.

+ Ảnh hưởng của graphit đến cơ tính của gang xám:

Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào số lượng, độ lớn và sự phân

G raphit tấm càng dài cơ tín h của gang xám càng th ấp Để nâng cao

cơ tính của gang xám phải dùng các biện pháp làm graphit nhỏ mịn

G raphit phân bô" trê n nền kim loại càng đều thì càng ít ảnh hưởng xâu đến cơ tính

Để đánh giá chất lượng của graphit người ta phân loại nó theo các cấp về độ dài, hình dáng và sự phân bố

+ Ảnh hưởng của nền kim loại đến cơ tính của gang xám:

N ền kim loại của gang là yếu tố quan trọ n g quyết dinh cơ tính của gang Do vậy với châ't lượng graphit như nhau, gang xám với nền peclit có độ bền cao hơn ferit-peclit, và nền ferit-peclit có độ bền cao hơn n ền ferit

Độ cứng của gang xám phụ thuộc khá nhiều vào nền kim loại, lượng cacbon liên k ết càng cao thì độ cứng càng cao

Độ deo của gang xám hầu như không bị ả n h hưởng gì bởi nền kim loại

Anh hưởng của nền kim loại đến cơ tín h của gang được trìn h bày ở bảng 6.1

Bảng 6,1 Cơ tinh củà các loại gang xám,

Loại gang xám Giới hận bền kéo

ơb (MPa)

Bộ cứng HB (kG/rtĩm2)

+ Các biện pháp nâng cao cơ tín h của gang xám:

- Giảm lượng cacbon của gang: nếu nấu trong lò điện, biện pháp này không khó thực hiện Có th ể giảm lượng cacbon trong gang xám xuống còn khòảng 2 ,2 -ỉ-2,5%

- Biến tính: cho vào thùng hoặc m áng rót gang lỏng các chất biến tính, chúng sẽ tạo nên eác ôxit, n itrit phân tá n làm cho sự tạo mầmgraphit được thuận lợi Gang xám biến tính có graphit nhỏ mịn, phân bô' đều, do đó cơ tírlh tố t hơn

- Hợp kim hóa: đưa thêm nguyên tô" hợp kim vào gang, ngoài tác dụng nâng cao cơ tín h còn cải th iện m ột số tín h chất đặc b iệt khác như tính chống mài mòn, tín h chông ăn mòn, tính chịu nh iệt

- N hiệt luyện: tôi và ram gang xám, biến nền kim loại th àn h tổ chức xoocbit, trô stit, m actenxit ram để đạt độ bền cao hơn cũng là biện pháp được áp đụng rộng rãí

168

e Các mác gan g xá m và công d ụ n g

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659-75, gang xám được kí hiệu

GX với hai cặp sô chỉ giới hạn bền kéo và độ bền uốn của gang tính bằng kG/mm2 (hay lOMPa)

Các mác gang GXOO, GX12-28, GX15-32, là các loại gang xám chứa tổng lượng c cao Tố chứa tế vi của nó gồm: graphit tâm nhiều, kích thước thô to và nền kim loại là ferit-peclit Cơ tính của các mác gang này thấp nên chỉ sử dụng cho các chi tiế t không chịu lực nhưng lại chịu va đập nhiệt tốt

Các mác gang GX21-40, GX24-44, GX32-52 trong tổ chức có graphit tấm, số lượng ít, mịn, phân bô” đều, nền kìm loại là peclit nên cơ tính của gang khá cao Các mác này dược sử dụng cho các chi tiế t chịu lực, chịu mài mòn trong ngành chế tạo máy

Hai mác GX36-56, GX40-60 trong tổ chức có ít graphit, độ mịri cao, phân bố đều và nền lcim loại là peclit rấ t nhỏ mịn Các mác gang này có

cơ tính cao, được đùng cho các chì tiế t chịu mài mòn, chịu tải trọng nặng

3 Gang cầu

a T ổ chức t ế vì

Theo tổ chức tế vi của nền kim loại H inh 6.5 T ổ chức tế vi của

và peclit Hình 6.5 nêu tổ chức tế vi của

gang cầu ferit

Tổ chức tế vi của gang cầu cũng

giống gang xám, song chỉ khác là graphit

của nó ở dạng thu gọn nhất: dạng quả

cầu, chính điều này làm độ bền kéo cua

gang cầu rấ t cao so với gang xổm

cũng có ba loại gang cầu: ferit, ferit-peclit gang cầu ferit

Thành phần hóa học của gang cầu sau biến tính: 3,0 + 3,6%-C,

2 ,0 + 3,0%'Si, 0,5* l,0%Mn, ắ Ó,15%p, < 0,03%s, 0,04 + 0,08%Mg

c Cơ tín h

Trong gang cầu, nhờ graphít ở dạng thu gọn nhất, ít chia cắt nền kim loại và ít tập trung ứng suất nhất, nên độ bền của nền kim loại còn giữ được tới 70+ 90% Ngoài ra gang cầu còn có độ dai n h ấ t định Do vậy, gang cầu có cơ tính tổng hợp tương đổi cao, gần như thép cacbon

Cơ tính của gang cầu phụ thuộc chủ yếư vào tổ chức của nền kim

loại Do v ậy sau kh i đúc, gang cầu thường được nh iệt luyện đê’ đáp ứng

các yêu cầu cơ tính khác nhau

Grạphit cầu càng tròn, kích thước càng nhỏ và' số’ ìượng càng ít thì

cơ tính của gang cầu càng cao ■

d C ác m á c g a n g c ầ u v à c ô n g d ụ n g

Gang cầu theo TCVN 1659-75 được lú hỉệu bằiig’chữ cái GC với hai cặp chi số để chi giá trị tối thiểu củá giới hạn bền kéo (đơn vị kG/ram2 hay lOMPa) và độ dãn dài tương đôi 5(%) của gang

Gang cầu ferit mác GC40 -10 có ơb > 400 MPa, 5 > 10% và độ cứng

156 + 197 HB Gang cầu peclit mác GC 60-2 có ơb > 600 MPa, 5 >2% và

độ cứng 197 -ỉ- 269HB Đặc biệt, gạng cầu sau khi tôi đẳng nhiệt ra tổ chức bainit, có th ể đạt ơ b - 1000 Ị300 MPa, 5 = 4 -;- 8% và độ cứng đạt

302 : 369HB

Gang cầu được sử dụng để thay cha thép chế tạo các chi tiết chịu

lực lớn và chịu tải trọng va dập, chịu inài mòn như trục khuỷu ô tô, cam,

t r ụ c cán, t h â n t u a b i n h ơ i .

4 G ang d ẻo

a TỐ ch ứ c t ế vi

Tố chức tế vi của gang dẻo cũng

giống gang xám và gang cầu, song khác

ở hai điểm: graphit của nó ỏ dạng cụm

và graphit cụm này tạo ra không phải

khi đúc mà do ủ tiếp theo

Theo tô chưc tê VI cúa nên kim H ình 6.6 Tổ chức tế vi cííã

loại, có ba dạng gang dẻo: ferit, ferit- gang dẻo ferit

peclit và peclit H.6.6 trìn h bày tổ chức

tế vi của gang dẻo ferit

170

b T h à n h p h ầ n h ó a học

Trong gang dẻo, graphit cụm được tạo ra trong quá trìn h ủ, do dó

thành phần hóa học của gang dẻo phải đảm bảo chci quá trình graphit hóa không được xảy ra ở b ất cứ bộ phận nào khi kết tinh mà chỉ được xảy ra khi ủ Vì vậy, tổng lượng c và Si không được quá nhiều để trá n h xảy ra graphit hóa khi k ết tin h v ật đúc nhưng phải đủ để xảy ra graphit

hóa khi ủ K h i đúc nếu có tạo thành graph it tấm dù rấ t nhỏ thì khi ủ các

mầm này,sẽ phát triển lẽn th àn h tấm lớn và lúc đó lại được gang xám

Lượng cacbon trong gang dẻo càng thấp thì tính dẻo của gang sau khi ủ càng cao T hành phần cacbon của gang trắng đế ủ ra gang dẻo

t h ô n g thường là 2,2+2,8%

Lượng Sí trong gang cần vừa đủ để tạo th àn h gang trắn g khi đúc

vừa để sau này đủ để tạo th àn h graphit khi ủ tiếp theo, lượng Si trong

gang thường khoảng 0,8-h1,4%

Tổng lượng c và Si trong gang dẻo tố t n h ấ t là khoảng 3,5%

Các gang đẻo thông thường có th àn h phần khi đúc như sau:

2,2+2,8%C; 0,8*1,4% Si; < 1% Mn; < 0,1% S; < 0,2% p.

c S ơ lược về cá c h c h ế tạ o g a n g dẻo

Muôn được gang dẻo phải nấu gang có th àn h phần xác định và đúc

thành gang trắn g có tổ chức trước cùng tinh Vì vậy, ngoài việc khống

chế th àn h phần ra, cần phải làm nguội nhanh vật đúc, do dó th àn h vật

đúc không được dày quá IOh-20 mm Từ gang trắng mới ú dược thành

gang dẻo Theo qui trìn h ủ có hai loại gàng dẻo:

- Gang dẻo tâm trắng: chế tạo từ gang trắn g có th àn h phán eacbon

cao 2,6+2,8%, để giảm lượng cacbon tự do, cần ủ ra nền peclit và giảm

bởt cacbon bằng việc ủ gang dẻo trong môi trường ôxy hóa Chế độ nhiệt

khi ù gồm giữ n h iệt ở 980-ỉ-1060DC trong 60+120 giờ, sau đó làm nguội

tương đối nhanh để tạo ra tổ chức peclit - graphit cụm

- Gang dẻo tâm đen: chế tạo từ gang trắ n g cỏ hàm lượng cacbon

thấp 2,2-5-2,3% ử tiến hành trong môi trường trung tính đế’ tạo nền ferit

và graphit cụm N hiệt độ ủ gang dẻo tâm đen tiến h àn h ở 950°c trong

20 giờ nhằm phân hủy xêmentit, sau đó ủ ferit hóa nền bằng cách làm

nguội chậm vật đúc với tốc độ 3T5°C/giờ ồ nhiệt độ 760-860°C hoặc làm

nguội tương đối nhanh v ật đúc xuống dưới n h iệt độ chuyển biến cùng tích và giữ ở n h iệt độ đó cho đến khi peclit phân hóa h ệ t th àn h ferit và graphit cụm

171

Á

Hiện nay, để giảm giá th àn h gang dẻo, người ta thường rút ngắn thời gian ủ bằng các biện pháp:

- Tăng hàm lượng Si, giảm hàm lượng c tới mức cho phép và biến tính gang lỏng bằng các nguyên tố chông tạo graphit tấm : B, Bi, Sb

- Biến tính gang lỏng bằng các nguyên tố tạo mầm khi ủ;

- Tạo mầm graphit khi nhiệt luyện

ứ Cơ tín h g a n g d ẻo

Do graphit ở dạng tương đối tập trung nên gang dẻo có độ bền kéo cao hơn gang xám nhiừig kém gang cầu Giới hạn bền kéo của gang dẻo trong khoảng 300 -f 600 MPa

Độ dẻo của gang dẻo khá cao: 5 = 54- 10%, có trường hợp vượt quá

độ dẻo của gang cầu

e Các m ác g a n g d ẻo v à công dụ n g

Theo TCVN 1659 - 75, gang dẻo dược ký hiệu bằng chữ cái GZ với hai cặp chữ số chỉ giá trị tối thiểu của giới h ạn bền kéo (kG/ram2) và độ dẻo (%)

Gang dẻo có cơ tín h tương đôi cao, đặc biệt tính dẻo tốt, nhưng do giá th àn h chế tạo cao, gang dẻo chỉ được đùng cho các chi tiế t nhỏ, hình dạng phức tạp, th àn h mỏng, chịu va đập trong công nghiệp máy kéo, ô

tô, m áy dệt, m áy nông nghiệp .

5 G ang có tín h ch ấ t đ ặ c b ỉệ t

Người ta cho thêm vào gang một số nguyên tố hợp kim để tạo cho chúng một tính chất đặc biệt nào đó

a Gang chịu n h iệ t

Để gang có th ể làm việc ở nhiệt độ cao, thường hợp kim hóa gang bằng các nguyên tố Si, Cr, Al, với hàm lượng xác định đủ để tạo trê n bề

m ặt một lớp ôxit bền, sít chặt, làm cho gang không bị ôxy hóa và trương

nở tiếp theo Tùy theo các nguyên tô' được dùng mà có các loại gang:

- Gang hợp kim silic chứa 1,6^-2,5%C; 4-5-6% Si; 0,4-r0,6% Mn, có tổ

chức nền kim loại là ferit, có th ể làm việc ở 6 0 0 °c nếu là gan g xám và ở

950 - 1000°c nếu là gang cầu

* Gang hợp kim crôm cao chứa 2,4-ỉ-3,6%C, 12-ỉ-18%Cr, có tổ chức cùng tin h và pectit, làm việc trong điều kiện chịu mài mòn và chịu nhiệt Gang chứa 2,5-!-2,9%C, 25+29% Cr, có thể làm việc tới 900°c

- Gang niken cao chứa 2,5v3,0%C; 14+17% Ni; 6-5-8% Cu có thể làm việc tới 600°c trong điều kiện bị mài mòn mạnh

172

- Gang nhôm cao chứa 184-25% AI có thể làm việc ở nhiệt độ tới

Một sô" loại gang chịu àn mòn:

- Gang silic cao có th àn h phần ứng với cùng tinh và nằm trong giớihạn 0,5 -í- 1%C; 12 -ỉ- 17% Si; 0,3 4- 0,8% Mn Gang có độ bền kém, độ cứng cao, giòn, khó gia công Gang làm việc được trong môi trường HN03i H2SO4, H3PO4, trong HC1 nồng độ nhỏ hơn 30% Khi tăng Si tới 17% và thêm 3,5 4,0% Mo, gang sẽ làm việc được trong HC1 với mọinồng độ

- Gang crôm cao có tổ chức ferit-peclit có th à n h phần 1,0 4- 2,2%C;

0.5 V 2,5% Si; 0,3 -ỉ- 1,0 Mn; 20 4- 26% Cr; < 0,1% s Gang có cơ tính khá,

nhưng độ cứng cao, khó gia công Gang làm việc tốt trong môi trường

HNO 3 , H 3 PO 4 , trong dung dịch muối và các chất hữu cơ không hoàn nguyền.

- Gang niken cao có tố chức nền kim loại là ôstenit chứa1,8 H- 3,0%C; 1,0 + 2,7% Si; 0,4 1,5«- Mn; 14 -í- 30% Ni; 5 0,4% P;

< 0,12% s Gang có cơ tính khá, dễ gia công cơ Gang làm việc tốt trong

H 2 SO 4 , HC1 trong axit có tính ôxy hóa yếu và kiềm ở điều kiện chịu ăn

tô khác đã đì vào th à n h phần của thép Đó là các tạp chât thường có như

Mn, Si, p, s , các tạ p chất ẩ n như H2, N2, 0 2) các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, Ti, Mo

+ Các tạp chất thường có:

- Mangan và silic đi vào trong thép từ các nguồn lẫn trong quặng sắt, sau đó đi vào th àn h phần cỏa gang rồi vào thép, hoặc do dùng ferô silic và ferô mangan để khử ôxy, một phần các nguyên tô" này đi vào thép Mn và Si là hai tạp chất có lợi, chúng nâng cao cd tính của thép

173

Trong diều kiện thông thường, chúng có m ặt trong thép với lượng chứa

Mn ố 0,8%, Si á 0,6%

- Photpho và lưu huỳnh đi vào thép qua qúặng sắ t và nhiên liệu Nói chung cả hai nguyên tố này đều có hại, do vậy cần phải tiến hành khử bỏ chúng trong quá trìn h nấu luyện đến mức có th ể được Với thép thông thường, lượng mỗi nguyên tố trong thép phải nhỏ hơn 0,06%

+ Các tạp chất ngẫu nhiên:

Công nghiệp luyện kim sử dụng ngày càng nhiều sắ t thép phế liệu

do các ngành kinh tê' và quốc phòng thải ra, trong đó nhiều bộ phận làm bằng các thép hợp kim, nên các thép cacbon thông thường vẫn có thể có một l.ượng các nguyên tố Cr, Ni, Cu (< 0,2%), Mo, Ti, V (< 0,1%)

+ Các tạp chất ẩn:

Thép cacbon thông thường cũng hòa tan các khí nitơ, hydro và ôxy với lượng chứa rấ t ít, khó xác định (nên được gọi là tạ p chất ẩn) Nới chung, chúng là tạp chất cớ hại

Các nguyên tố kể trê n với lượng trong giới h ạn cho phép không ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của thép cacbon, đứợc coi là tạp chất lẫn vào m ột cách tự nhiên m à không có sự cố ý đặc biệt nào

b Ả nh hưởng củ a c á c nguyên tô đến t ổ chức và tín h c h ấ t của

th ép cacbon

+ Cacbon: là ngùyên t ể quan trọng nhất, quyết dịnh chủ yếu đến tổ chức và cơ tín h của thép cacbon (và cả thép hợp kim)

Theo giản đồ trạ n g th ái Fe-C, khi lượng cacbon trong thép tăng,

lượng xêm entit cũng tă n g lê n tương ứng v à làm th ay đổi tổ chức tế vi Ở

trạn g th á i cân bằng, tổ chức tế vi của thép cacbon phụ thuộc vào lượng chứa cacbon của nó như sau:

c < 0 , 8 % - ferit + peclit

c = 0,8% - peclit

c > 0,8% - peclit + xêmentit II

Khi thay đổi lượng cacbon, cơ tín h của thép thay đổi r ấ t nhiều Qui

luật chung là: th à n h phần cacbon tăng lên th ì độ bền chỉ tăng theo hàm lượng cacbon đến giới h ạn 0,8 -ỉ- 1,0%C, vượt quá giới h ạ n này độ bền lại giảm đi

H ình 6.7 trìn h bày ắnh hưởng của th àn h phần cacbon đến giới hạn bền kéo (ơb), độ cứng (HB), độ dãn dài (ô), độ th ắ t (ụ) và độ dai va đập (ak) cùa thép cacbon ở trạ n g th ái ủ

174

Hình 6.7 Ảnh hưởng của c đến cơ tính căa thép cacbon ở trạng thái ả

Có thể giải thích các quy luật trê n như sau: khi tăng lượng cacbon,

số lượng pha xêm en tit (cứng, giòn) tâ n g lên, lượng peclit cũng tăn g lên

tương ứng, còn lượng pha ferit (mềm, dẻo) giảm đi Tổ chức peclit gồm

hai pha xêm entit (cứng) và ferit (mềm) xen kẽ nhau, là một hãn hợp cơ học có độ bền cao Như vậy khi tăng lượng cacbon, độ bền, độ cứng tăng;

độ dẻo, độ dai giảm Khi lượng chứa cacbon vượt quá giới hạn 0,8 -ỉ- 1,0%,

trong thép sẽ xuất hiện pha xêmentit II ở dạng lưới, cản trở sự trượt và

tạo điều kiện cho việc xuất hiện và p hát triển vết nứt, làm độ bền của

thép giảm

Về m ặt định lượng, khi tãng 0,1%C, độ cứng tăn g thêm khoảng

20 -h 25%HB, giới hạn bền tăng thêm khoảng 60 -7- 80MPa, độ dãn dài

giầm đi khoảng 2 + 4%, độ th ắ t giảm di 1.+ 5%, độ dai va đập giảm

khoảng 200kJ/ m 2

Do cacbon ảnh hưởng lđn đến tổ chức và tính chất của thép, nên

thép có th à n h phần cacbon khác nhau sẽ có cơ tính khác nhau và chúng

được sử dụng vào các mục đích khác nhau

Ngoài cơ tín h ra, cacbon cững ảnh hưông đến một số tín h chất

vật lý, hóa học của thép Khi tăng lượng cacbon, m ật độ (khối lượng

riêng y), độ từ th ẩm (|i), khả năng chống ăn mòn của thép giảm, còn điện

trỏ suất (pX lực khử từ (Hc) tăng lên

+ Mangan: mangan được cho vào thép khi tin h luyện dưới dạng ferò- mangan, để khử ôxy và lưu huỳnh, theo các phản ứng:

FeO + Mn -> Fe + MnO FeS + Mn -* Fe + MnS

175

A

(MnO, MnS nổi lên, đi vào xỉ và được cào ra khỏi lò).

Mangan ỉà nguyên tố ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, vì vậy làm tăng cơ tính của thép Tuy nhiên, do lượng Mn trong thép cacbon ít (0,8%) nên tác dụng này không rõ rệt

Tác dụng chủ yếu của Mn trong thép cacbon là khử ôxy và h ạn chế tác hại của lưu huỳnh

+ Silic: Silic được cho vào thép để khử triệ t để ôxy:

2FeO + Si SiOa + 2Fe (S1O2 nổi lên, đi vào xỉ và được cào ra khỏi lò)

Silic hòa ta n vào ferit cũng nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, nhưng trong thép cacbon, lượng silic cũng chỉ trong giới hạn nhỏ hơn 0,6% nên tác dụng hóa bền cũhg không rõ rệt

+ Photpho: Photpho đi vào trong thép từ quặng hay từ than (khi luyện gang) Dù ở dạng hòa tan trong ferit hay dạng liên kết Fe3P, nó

đều làm cho thép bị giòn, dặc biệt ỗ trạn g th ái nguội (đây là hiện tượng giòn nguội), do vậy phải h ạn chế sự có m ặt của p ở dưới mức cho phép,

đối với thép cacbon thông thường, hàm lượng photpho nhỏ hơn 0,06% Riêng đối với thép dễ cắt, dể nâng cao khả năng gẫy phoi, lượng p có thể cao tới 0,15%

+ Lưu huỳnh: Lưu huỳnh đi vào trong thép từ quặng và n h ất là từ than (khi luyện gang) Cùng tinh (Fe + FeS) có n h iệt độ nóng chảy thấp (988°C), nằm ở biên giới hạt Khi nung nóng thép để gia công áp lực, cùng tin h này bị mềm và chảy ra, làm thép bị phá hủy ở biên hạt, đó là

hiện tượrig giòn nóng Do vậy, phải h ạn chế sự có m ặt của s ở dưới mức

cho phép Đối với thép cacbon thông thường, lượng s nhỏ hơn 0,06% Riêng dối với th ép dễ cắt, để nâng cao khả nãng gẫy phoi, lượng s có thể cao tới 0,08 0,30%

c P h ả n lo ạ i th é p cacbo n

Có nhiều cách phân loại thép cacbon, nhưng thường gặp các cách sau:+ Theo chất lượng: theo chất lượng luyện kim, tức theo mức độ đồng n h ấ t của th à n h phần hóa học, tổ chức và tín h chất của thép và đặc biệt là mức độ chứa của tạp chất có hại p, s, có th ể phân ra các loại thép sau:

- Thép có chất lượng thường, có th ể chứa tới 0,06%s và 0,07%p

176

- Thép có chất lượng tót, chứa không quá 0,04%s và 0,035%p

- Thép có chất lượng cao, chứa không quá 0,025% mỗi nguyên tố

- Thép có chất lượng đặc biệt cao, chứa không quá 0,015%s và 0,025%p

Thông thường thép cacbon gồm ba loại đầu tiên

+ Theo phương pháp luyện kim: chất lượng của thép do phương pháp luyện quyết định

- Phương pháp Mactanh, với tường lò có tín h bazơ, có thể khử được

p, s, luyện được thép với chất lượng tương đối tốt, với tường lò axit có thể luyện được thép có chất lượng cao

- Phương pháp L-D luyện thép với năng suất cao, chất lượng từ

ra hiện tượng sôi, làm xuất hiện nhiều rỗ ỗ vùng mép h à n và làm xấu cơ tính mối hàn

- Thép lặng là thép được khử ôxy triệ t để, ngoài ferô-mangan, còn dùng ferô-silịc và AI, n ên trong thép lỏng r ấ t ít FeO M ặt thép lỏng phẳng lặng, do vậy được gọi là thép lặng Trong thỏi thép lặng hầu như không còn bọt khí, nhưng lõm co lại lớn C hất lượng thép lỏng cao hơn

177

thép sôi, nhưng không kinh tế vì phải cắt bỏ phần lõm co, chi phí cho việc khử ôxy tôn kém hơn Do nhiều Si hơn (0,15 -í- 0,30%), nên thép lặng cứng hơn so với thép sôi Thép lặng dễ hàn hơn.

- Thép nửa lặng là loại thép trung gian giữa thép sôi và thép lặng.Thép cacbon thấp có th ể ở 'ba loại trên Thép cacbon trung bình có thể là thép lãng hoặc nửa lặng Thép cacbon cao (và cá thép hợp kim) luôn là thép lặng Chi tiế t đúc chỉ được chế tạo từ thép lặng

+ Theo công dụng: đây là cách phân loại thường dùng nhất, gồm bốn nhóm chính:

- Thép cán nóng thông dụng: chủ yếu dùng trong xây dựng và các công dụng tượng tự, Ĩ1ÓỈ chung không cần qua n hiệt luyện

- Thép k ế t cấu: chủ yếu để làm các chi tiế t máy, thường phải qua nhiệt luyện

■ Thép dụng cụ: chủ yếu để làm dụng cụ (cất gọt, biến dạng, đo lường ), thường b.ắt buộc phải qua n h iệt luyện

- Thép có công dụng riêng (thép chuyên dùng)

d K ỹ h iệu v à côn g d ụ n g c ủ a các nhóm th é p cacbon

+ N hóm thép cán nóng thông dụng (thép cacbon chất lượng thường).

Nhóm này thường được cung câp ồ dạng cán nóng (dây, ống, tấm, thanh, th ép hìn h .) vớì mục đích chủ yếu làm các k ết cấu trong xây dựng (nhà, xưởng, cầu, cốt bêtông trong chế tạo máy để làm các chi tiế t máy không quan trọng Theo TCVN 1765-75, nhóm th ép này được

ký hiệu bằng chữ CT (C: cacbon, T: thép) với con số tiếp thép chỉ giới

h ạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2) Nhổm thép này được chia th àn h ba phân nhóm nhỏ:

- P h ân nhóm A: chỉ quy định về cơ tính mà không quy định về

th à n h p h ần hóa học (xem bảng 6.2);

- P h ân nh«ím B: chỉ quy định về th àn h phần hóa học m à không quy

định về cơ tính, thép thuộc phân nhóm này ký hiệu th êm chữ B ở phía

trước (xem bảng 6.3);

- P h ân nhóm C: được quy định cả về cơ tín h và th à n h phần hóa học, cơ tín h giống nhóm A, th àn h phần hóa học giống nhóm B, thép thuộc phân nhóm này ký hiệu thêm chữ c ở phía trước

B ả n g 6.2 Cơ tính quy cỉịnh của các mác thép cacbon chất lượng thường

0 50-0 80

0,50-0,80

0,05 0,Q5 0,07 0,07

0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17

0 05-0,17

0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 1

0,06 0,05 0,05 0,05.

0,05 0,05 0,05

0,06 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

Các mác phân nhóm A được dùng làm cốc chi tiết, k ết cấu không phải qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện, .), do đó, chúng giữ nguyên tổ chức và cơ tính ban đầu *

Các mác phân nhóm B được dùng làm các chi tiết, kết cấu phải qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện, rènT ) Muốn vậy, cần biết th àn h phần hóa học để xác định chê' độ gia công nóng

Các mác nhóm c được dụng ]àm các kết cấu hàn Lúc này phải biết

cả cơ tín h và th àn h phần hóa học ban đầu của thép So với hai phân nhóm trên, phân nhóm c có chất lượng cao hơn

Cả ba phân nhóm được dùng làm các kết cấu kim loại và chi tiết chịu tải nhẹ Trong nhóm này còn có những phân nhóm đặc biệt như làm k ết cấu xây đựng, đóng tàu, làm cầu

+ Nhóm thép kết cấu: "Đây là nhóm thép cacbon chất lượng tốt,

lượng p , s thấp (P< 0,035%, S s 0,04%) và được quy định cả về cơ tín h

và th àn h phần hóa học Theò TCVN 1766-75, nhóm thép này được ký hiệu bằng c (thép caeboíi) với con số chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn Nếu là thép sôi thì thêm chữ s, nếu là thép nửa lặng thì thêm chữ n ở phía sau

179

Bảng 6.4 Thành phần hóa học và cơ tính của nhóm thép két cấu cacbon chốt

a* kJ/m* ơb

MPa

00,2 MPa 8s, % V % HB

-C75 0,72-0,80 0,50-0,80 110 0 900 7 30 265 241

-080 0,77-0,85 0,50-0,80 110 0 950 6 30 285 241 C85 0,82-0,90 0,50-0,80 115 0 1000 6 30 302 ■ 255 -

-Do th à n h phần hóạ học và cơ tín h quy định chặt chẽ nên nhóm thép này chủ yếu làm các chi tiế t máy, rấ t tiện cho việc xác định chế độ gia công nóng và tín h toán sức bền khi th iết kế

• + Nhóm thép dụng cụ: Nhóm thép này có th àn h phần cacbon cao(S: 0,70%) thuộc loại thép chất lượng tốt, được quỹ định khá chặt chẽ về

th à n h phần hóa học, n h ất là lượng chứa p và s , được sử đụng làm các dụng cụ với năng suất thấp và trung bình Theo TCVN 1822-76, nhópi thép này được ký hiệu bằng chữ CD (C: cacbon, D: dụng cụ) với con số phía sau chỉ lượng c trung bình theo phần vạn

B ảng 6,5 Thành phẩn hóa học của nhóm thép dụng cụ cacbon

+ Nhóm thép cacbon có công dụng riêng:

- Thép đường ray: đường ray yêu cầu có độ bền vă tín h chống màimòn cao Đây là loại thép cacbon chất lượng cao có hàm lượng cacbon và mangan tương dối cao (0,50 -ỉ- 0,80%C; 0,6 1,0% Mn), photpho và lưuhuỳnh thấp (< 0,05% S; < 0,04% P) Ray hỏng có th ể tậ n dụng để chế tạo các chi tiế t và dụng cụ như đục, dao, nhíp

- Dây thép các loại: dây thép được sản xuất bằng kéo nguội Cơ tính của dây thép phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và mức độ biến dạng

Dây thép cacbon cao và được biến dạng lớn khi kéo nguội đạt tới giới hạn bền kéo rấ t cao (4.000 -ỉ- 4.500MPa) Dây thép cacbon thấp thường được mạ trán g kẽm dùng làm dây điện thoại và trong dân dụng Dây thép có hàm lượng cacbon 0,50 -ỉ- 0,70% dùng để cuốn th àn h lò so Các loại cáp thép có độ bền rấ t cao là do các sợi thép nhỏ kéo nguội bện lại

- Thép lá để rập nguội: thép để rập nguội dùng ở dạng tấm mỏng,

có tính dẻo, đặc biệt với các chi tiết rập sâu Hàm ỉượng cacbon và silic trong thép này phải thấp (0,05 + 0,20%C; < 0,15% Si), tổ chức chủ yếu là ferit và thường là thép sôi (C5sf C8s, ClOs .) Để tăng khả năng chống

ăn mòn, thép lá mỏng có thể được trán g thiếc (gọi là sắt tây) hoặc kẽm (tôn trắn g kẽm)

e, ư u nhược đ iểm cơ bản củ a th ép cacbon

- Độ chống ăn mòn nói chung thấp

181

2 K hái n iệm về th é p hợp kim

a T h àn h p h ầ n h ó a học cửa th ép hợp kim

Thép hợp kim là loại thép mà ngoài sắt, cacbon và các tạp chất,

người ta cố ý đưa vào các nguyên tô đặc biệt với một lượng n h ất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho hợp với yêu cầu sử dụng Các nguyên tố được đưa vào một cách cô' ý và có hàm lượng lớn hơn một giá trị xác định được gọi là nguyên tố hợp kim Giới h ạn này tùy thuộc vào sự tác động của nguyên tố hợp kim đến thép

Các nguyên tố hợp kim thường gặp là: Cr, Ni, Mn, w , V, Mo, Ti,

Ta, Cu, B, N và ranh giới về lượng để phân biệt tạp chất và nguyên tố hợp kim là như sau: Mn: 0,8 4- 1,0%; Si: 0,5 -*■ 0,8%; Cr: 0,2 -ỉ- 0,8%; W: 0,1 -r 0,6%; Mo: 0,05 - 0,2%; Ti, V, Nb, Zr, Cu: 0,1%; B: 0,002%

Ví dụ: thép chứa 0,7% Mn vẫii coi là thép cacbon (nghĩa là Mn vẫn chỉ là tạ p chất), trong khi chỉ cần 0,1% V thì V đã được xem là nguyên tố hợp kim

Trong thép hợp kim, lượng các tạp chất có h ại như p, s , hydro, ôxy

r ấ t th ấ p so với trong thép cacbon

b Đ ặc đ ỉể m cử a th ếp hợp k im ,

Do được khử tạp chất triệ t để hơn và n h ấ t là phải cho vào các nguyên tố hợp kim, nện nói chung thép hợp kim đắt tiền hơn so với thép cacbon, nhưng bù lại thép hợp kim có những đặc điểm nổi trội hơn

h ẳn so với thép cacbon

+ Về cơ tính: nói chung thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, thể hiện đặc biệt rõ ràn g sau khi tôi yà ram , do độ thấm tôi của thép hợp kìm được cải th iện r ấ t nhiều so với thép cacbon Thép được hợp kim hóa càng cao, ưu việt này càng rõ Tuy nhiên cần lưu ý:

- Ở trạn g th ái chưa qua nh iệt luyện hóa bền (ví dụ trạn g th ái ủ), độ bền của thép hợp kim không cao hơn nhiều so với thép cacbon

V ' Sau nh iệt luyện, thép hợp kim có th ể đạt độ bền r ấ t cao, nhưng cùng với sự tăng dộ bền, độ dẻo và độ dai lại giảm đi, do vậy phải chú ý đến mối quan hệ này để xác định cơ tín h thích hợp

+ Về tín h cồng nghệ: nói chung, cùng với sự tăng mức độ hợp kim hóa, tính công nghệ của thép sẽ xấu đi

4- Về tín h chịu n h iệt (tính cứng nóng v à tính bền nóng).

Thép cacbon có độ cứng cao sau khi tôi, nhưng không giữ được dộ

cứng khi làm việc ở n h iệt độ cao hơn 200°c đo mactexit bị phân hủy và

xêm entit k ết tụ Ở nhiệt độ cao hơn, thép bị biến dạng do hiện tượng dão

và bị ôxy hóa m ạnh Một số nguyên tố hợp kim có khả năng cản trâ sự182

khuếch tá n của cacbon, sự phân hủy mactenxit và tích tụ cacbit ở nhiệt

độ cao, vì th ế nó lãm cho thép hợp kim giữ được độ cứng cao của trạng

thái tôi, độ bền và tính chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao Ưu việt này của

thép hợp.kim dược ứng dụng trong thép dụng cụ và thép bền nóng

+ Về các tín h chất v ật lý và hóa học đặc biệt

Nhờ hợp kim hóa, người ta có thể tạo thép không gỉ, thép có tính dãn nở và dàn hồi đặc biệt, thép có từ tính cao, thép không có từ tín h .Như vậy có thê nối rằng, nguyên tố hợp kim có tác dụng rấ t tốt, thép hợp kim là v ậ t liệu không thể thiếu trong ngành chế tạo máy, thiết

bị điện, công nghệ hóa học

c Tác d ạ n g củ a nguyên t ố hợp kim

Nguyên tổ’ hợp kim trong thép ở trạn g th á i cân bằng chủ yếu ở hai

đạng: hòa ta n vào sắt (Fe„, và Fey) dưới dạng dung dịch rắn và kết hợp với cacbon th à n h cacbit hợp kim

+ Sự hòa ta n của các nguyên tố hợp kim vào sắt

Khi hòa tan vào sắt, các nguyên tố hợp kim có th ể thay th ế sắt trong mạng F ea (gọi là ferit hợp kim) hoặc trong m ạng FeY (gọi là ôstenit hợp kim)

Một sô nguyên tố như: Ni, Mn, Cu, c , N khi hòa tan vào sắt sẽ

mỗ rộng ở vùng ổn định của ôstenit và hạ thấp n h iệt độ chuyển biến,

a ; Y H.6.8 Đặc biệt với Mn và Ni, khi hàm lượng đủ lớn (Mn 10%, Ni 20%) thép sẽ có tổ chức Ỵ ngay cả ồ nhiệt độ thường Riêng Ni có thể hòa tan vô h ạn vào Ỵ

V

H ình 6.8 Giản đồ trạng thái sắt - nguyên tố hạp kim

(loại mở rộng vùng y thu hẹp vùng a.) a) khi hòá iati vô hạn váo FeỴ; b) khi hòa tan có hạn vào Fey

183

Một sô nguyên tố khác như: Cr, Si, V, Ti, Mo, w, Nb lại thu hẹp vùng ổn định của y và nâng cao nhiệt độ chuyển biến a V y, H.6.9 Riêng Cr có thể hòa tan vô hạn vào sắt.

Trong thực tế, thường gặp các thép dược hợp kim hóa bằng một

lượng không nhiều Mn, Ni và các nguyên tố mở rộng vùng a như Cr, Si,

V, w, Tí, Khi đó, ở trạn g th á i cân bằng, thép gồm hai pha là ferit và cacbit, nhung ferit này có cơ tính khác hẳn cơ tín h của ferit trong thép

cacbon Các nguyên tô' hợp kim hòa tan vàoFea ở dạng thay thế, làm

m ạng tin h thể bị xô lệch và mức độ xô lệch càng tăng khỉ nồng độ nguyên tố hợp kim càng lớn Điều này làm cho độ bền, dộ cứng tăng, còn

độ dẻo, dai của thép giảm Hình 6.10 trìn h bày ảnh hưởng của một sô nguyên tố hợp kim đến cơ tín h của ferit

Qua H.6.10 ta thấy Mn và Si làm tăng rấ t m ạnh độ cứng, độ bền, nhưng chúng lại làm giảm rấ t mạnh độ dẻo, dai của ferit Vì vậy trong thực tế, với thép hợp kim thông thường, lượng Mn và Si cũng chỉ được dùng trong giới hạn 1-2% Crôm và niken có mức độ hóa bến vừa phải và không làm giảm mạnh độ dẻo dai nên thường có m ặt nhiều trong các loại thép hợp kim (riêng Ni không những không làm giảm mà còn cải thiện

độ dai, tuy nhiên phải lưu ý đến giá thành cao của Ni)

+ Sự tạo th àn h pha cacbit trong hợp kim

Các nguyên tố tạo cacbit đều là các kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp (số điện tử ở phân lớp d hoặc f của lớp trong chưa đầy nhưng lớp điện tử ở phân lớp s hoặc d bên ngoài đã có điện tử)

Trong thép cacbon, pha cacbit là Fe3C Khi có m ặt nguyên tố hợp kim, ngoài khả năng hòa tan vào sắt, rấ t nhiều nguyên tố hợp kim còn có khả nồng tran h giành cacbon với sắt 'để tạo th àn h pha cacbit hợp kim

Khả năng này tùy thuộc vào ái lực hóa học của nguyên tổ' hợp kim đối với

cacbon 80 với sắt, mà ái lực này chính do lớp vỗ điện tử quyết định Các kim loại chuyển tiếp như Ni, Co và các kim loại như Si, Al, Zn, Cu, Si,

Co, không những không tạo cacbit mà còn ngăn cản cacbon kết hợp với sắt và các nguyên tố khác, thúc đẩy quá trìn h tạo cacbon tự do (graphit) hoặc làm thoát cacbon khi nung thép

Khả năng tạo cacbit tăng dần theo trậ t tự sau: Fe, Mn, Cr, w , Mo,

V, Zr, Ti, Nb

Mangan (dôi khi cả Cr,W) không tạo ra cacbit độc lập, đo ái lực với cacbon chỉ m ạnh hơn so với sắt chút ít, chúng thường thay th ế sắt trong xêmentit tạo ra xêmentit hợp kim dạng (Fe, Me)3C Crôm, Vonfram là nguyên tố tạo cacbit trung bình, hoặc là nằm trong xêmentit hợp kim, hoặc tạo ra cacbit phức tạp như Cr23C6, Fe3W3Ce có nhiệt độ phân hủy thấp, dễ hòa ta n vào ôstenit khi nung Mo, V, Zr, Ti, Nb là các nguyên tố tạo cacbit m ạnh có công thức: MoC, v c , ZrC, TiC, NbC, chúng có cấu tạo

mạng tin h thể đơn giản và chỉ phân hủy ở nhiệt độ rấ t cao, khó hòa tan

vào ôstenit, có tác dụng giữ h ạ t nhỏ khi nung thép

+ Tác dụng riêng biệt của các nguyên tố hợp kim chủ yếu:

- Các nguyên tố mở rộng vùng

Y-Mangan: Mn hòa tan vào ferit có tác dụng làm hóa bền pha này Mangan làm tăng độ thấm tôi, với 1% Mn đường kính tới hạn lý thuyết lớn gấp bốn lần so với thép cacbon không có Mn (hệ số tăng độ th ấm tôi của Mn là bốn) Mn không tạo cacbit riêng biệt mà thay th ế sắt trong Fe3C Người ta sử dụng Mil để cải thiện tính chất của thép cán nóng

185

thòng dụng, nâng cao độ thấm tôi của thép phải qua n h iệt luyện Mặc

đù Mn khá rẻ, nhưng hiếm khi đóng vai trò ỉà một nguyên tố hợp kim độc lập vì nó có một nhược điểm: thúc đẩy h ạ t tin h thế lớn nhanh khi nung, tăng tính giòn ram, giảm độ dẻo, độ bền theo hướng vuông góc phương cán

Niken: Ni có tác dụng chủ yếu là làm tăng độ bền và độ dai va đập

cho ferit Thép chứa trên 5% Ni giữ được độ dai tót ngay cả ở nhiệt độ

rấ t thấp Thép có 9% Ni được dùng chế tạo các binh chứa trong các hệ

thống làm lạnh Ni còn có tác dụng giữ h ạ t nhỏ cho thép khi thấm cacbon Hệ số tãng độ thâm tôi của Ni là 1,4,

- Các nguyên tố mở rộng vùng a:

Silic: Khi không có m ặt cacbon, với khoảng 2% Si th ì chuyển biến

a 5=^7 bi ức chế Hệ số tãng độ thấm tôi của Si là 1,7 Silic có tác dung tăng tín h ổn định ram, nhưng không làm tăng tính giòn ram của thép Silic làm tăng khả năng chông -ôxy hóa của thép ỏ n h iệt độ cao và tăng

dộ bền chống dão Cùng vớí Mn, Si có tác dụng tăng giói hạn đàn hồi, dược ứng dụng dể sản xuất lò so, nhíp

Crôm: Các cacbit crôm (Cr7C3, C^sCe) hòa tan vào ôstenit ở nhiệt

độ cao hơn 900°c Hệ số' tăng độ thấm tôi của crôm khá cao: 3,2 Crôm

có tác dụng cải th iện tín h chống ram và giữ độ bền ỏ n h iệt dộ cao do nó tạo ra cacbit nhỏ mịn lĩhi ram có tác dụng hóa bền tiế t pha, bù ỉại sự giảm độ cứng của mactexit do giảm độ chính phương crôm đóng vai trò hàng dầu đối với độ bền chống mài mòn

Môlỉpđeh: Mo là nguyên tố tạo cacbit mạnh, khó hòa tan vào ôstenit khi nung, cho nên trong thép kết cấu lượng Mo không vượt quá

1%, nhưng trong thép dụng cụ và thép không gỉ, lượng Mo có thể cao hơn

nhiều Hệ số tăng độ thấm -tôi của Mo cao: 3,8 Mo cải th iện tính chống ram do tạo ra dộ cứng thử hai khi ram và làm giảm sự nhạy cảm đối với gion ram

Vanadi: Cacbit vanadi (VC) khó hòa tan vào ôstenit, nghĩa là nó giữ c&cbon ở dạng liên k ết và do vậy làm giảm độ thấm tôi và độ cứng của thép: Cacbit v c nhỏ mịn, nằm ở biên giới h ạ t, có tác dụng ngăn cản

sự lớn lên của h ạ t ôstenit khi nung Vanadi cũng tăng tính chống ram và khả năng chống m ài mòn của thép Thường lượng V trong thép không quá 0,2%

Có th ể tóm tắ t tác đụng riẽng lẻ của các nguyên tô" hợp kim đến tính chất của thép như sau:

- Để tăn g độ th ấm tôi, người ta sử đụng Mn hoặc Cr và cả Ni Khi hợp kim hỏa dồng thời nhiều nguyên tố thì hiệu quả cao hơn hợp kim

186

hóa một nguyên tố có hàm lượng tương đương với tổng hàm lượng các nguyên tố kia.

- Để cải th iện tính chống ram, người ta sử đụng Cr, Mo, V, w là những nguyên tố tạo cacbit trong quá trìn h ram

- Để nâng cao độ bền chống mài mòn, người ta cũng sử dụng các nguyên tố tạo cacbit

+ Ánh Hưởng cửa các nguyên tô' hợp kim đến quá trìn h nhiệt luyện:Các nguyên tô' hợp kim ả n h hưởng m ạnh đến các quá trìn h nhiệt luyện, đặc biệt ỉà tôi và ram, do vậy ảnh hưdng quan trọng đến

cơ tính Đây là đặc điểm nổi b ậ t của thép hợp kim Dưới đây sẽ xem

xét ắnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới từng m ặt của quá trình

so với thép cacbon, chuyển biến này có những điểm khác biệt

Trừ Mn, các cacbit hợp kim khác đều khó hòa tan vào ôstenit hơn

so với xêm entit (do cacbit của chúng bền vững và ổn định hạn so với xêmentit), vì vậy muốn hòa tan chúng, đòi hỏi nhiệt độ nung cao hom và thời gian dài hcm Các nguyên tố tạo cacbit càng mạnh thì càng khó hòa tan Ngoài ra sự đồng đều hóa thành phần của ôstenit hợp kim củng khó khăn hơn, vì tốc độ khuếch tán củạ các nguyên tố hợp kim thấp hơn nhiều so với cacbon

Vì th ế muốn đồng đều hóa thành phần hóa học của ôstenit cần phải giữ nhiệt lâu hơn

Nếu thép được hợp làm hóa bằng những nguyên tố tạo cacbit m ạnh (Ti, V, Mo .)■ thì do khó hòa tan, các cacbit đó nằm ở biên giới h ạ t iàm cản trở sự sáp nhập giừa các hạt, do đó giữ được h ạ t ôstenit nhỏ mịn khi nung nóng Ngoài ra, một sô" nguyên tô" hợp kim như Al, Ti, V, Nb có thể tạo nên các pha ôxit, nitirit bền vững rấ t khó hòa tan, cũng có tác dụng giữ cho h ạt ôstenit nhỏ mịn Ni và Si (hai nguyên tố không tạo cacbit) cũng cản trở sự phát triển của h ạ t ồstenit, nhưng tác dụng này không rõ

Mn là nguyên tố tạo cacbit duy n h ất không cản trở mà còn thúc đẩy sự phát triển của h ạ t ôstenit

187

Nói chung, do tác dụng của các nguyên tố hợp kim như nêu trên, nên khi tôi, thép hợp kim phải được nung nóng đến nh iệt độ cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn, song vẫn giữ được h ạ t ôstenit nhỏ mịn.

- Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến sự phân hóa đẳng nhiệt của ôstenit:

Khi hòa tan vào ôstenit, các nguyên tố hợp kim (trừ Co) đều làm chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt của ôstenit, tức làm dường cong chữ c

dịch sang phải Điều này là do sự chuyển biến khuếch tá n ôstenit thành hỗn hợp ferit-cacbit Lượng nguyên tố hợp kim trong ôstenit càng nhiều, tính Ổn định của ôstenit quá nguội càng cao

Các nguyên tố không tạo thành cạcbit như-Ni, Si, Cu, AI và nguyên

tố tạo cacbit yếu là Mn chỉ làm dịch chuyển vị trí của dường cong chữ c

sang phải mà không làm thay dối hĩnh dạng của đưòng cong, H.6.11a

Các nguyên tố tạo cacbit mạnh như Cr, V, Mo, w , không những làm dịch chuyển đường cong chữ c sang phải mà còn làm thay đổi hình dạng của nó, tách thành hai đường cong chữ c trê n và dưới, H.6.11b Đường cong chữ c trên ứng với chuyển biến ôstenit th àn h peclit, xoocbit, trôstit, còn đường cong chữ c dưới ứng với chuyển biến ôstenit thành bainit Khoảng nh iệt độ giữa hai đường cong chữ c là ôstenit quá nguội

có tính ổn định r ấ t lớn, đến mức giữ nhiệt rấ t lâu, khoáng 3 T- 30h, vẫn chưa thấy chuyển biến

H ình 6.11 Anh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến hình dạng đường cong chữ c

Tác dụng dịch chuyển đường cong chữ c sang phải m ạnh n h ất là

Mo, rồi tiêp đến Mn, Cr, Ni Với cùng hàm iượng, nhưng k ết hợp nhiều nguyên tố hợp kim đồng thời, tác dụng dịch chuyển dường cong chữ c

sang phải sẽ mạnh hơn.Liíu ý rằng các nguyên tố hợp kim chỉ làm dịch chuyển đường cong chữ c sang phải khi chúng dược hòa tan trong

188

ồstenit Thép tuy được hợp kim hóa cao, nhưng nhiệt độ nung nóng chưa đủ cao (hoặc thời gian giữ nhiệt không đủ dài) thì phần lớn cacbit hợp kim vẫn chưa hòa tan vào ôstenit, cũng sẽ không đạt được đầy đủ tác dụng đó.

- Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến độ thấm tôi:

Khi hòa tan vào ôstenit các nguyên tô” hợp kim làm dịch đường cong chữ c sang phải, nên chúng làm giảm tốc độ tôi tới hạn và do dó độ thấm tôi tăng H.6.12 trìn h bày ảnh hưởng này của các nguyên tố hợp kim Thép hợp kim có tốc độ tồi tới hạn thấp, H.6.12a, do vậy nếu điều kiện làm nguội như nhau, ứng với sự phân bố tốc độ nguội theo tiế t diện giống nhau, thép hợp kim có độ thấm tôi cao hơn thép cacbon, H.6.12b

a)

H ình 6.12 a) sơ đồ biểu diễn sự giảm tốc độ tôi tới hạn

b)sự tăng độ thấm tôi của thép hợp kim so với thép cacbon (Vthl, Vlh2 lần lượt là tốc độ tôi tới hạn của thép cacbon và thép

hợp kim ; ôi, ỗ 2 ỉần lượt ỉà độ thấm tôi của thép cacbon và thép hợp kim)

Do độ thấm tôi tăng lên, hiệu qụả hóa bền của tôi và ram đối với thép hợp kim được cải thiện rõ rệt Đây là một ưu điểm nểi bật của thép hợp kim so với thép cacbon Để phát huy h ết ưu điểm đó, rõ ràng, thép hợp kìm phải được sử dụng ỗ trạng th ái sau nh iệt luyện (tôi + ram), thích hợp với chi tiế t chịu tẫi trọng cao và tiế t diện lớn

Do tốc độ tôi tới hạn giảm đi, khi tôi thép hợp kim chỉ cần dùng môi trường làm nguội chậm như đầu, không khí hoặc áp dụng cách tôi' phân cấpr tôị dẳng nhiệt, do vậy có th ể giảm được biến dạng và nứt

Các thép có tôc độ tôi tới hạn nhỏ và độ th ấm tôi lớn là các thép hợp kim họ: Cr-Nì, Cr-Mn, Cr-Mo, Cr-Ni-Mo, Đó là cơ sở của các thép kết cấu hợp kim hiện nay

Lưu ý là các nguyên tố hợp kim chi làm tăng độ th ấm tôi khi chúng hòa tan trong ôstenit

- Ảnh hưông của nguyên tố hợp kim đến chuyển biến mactenxit:

Thép hợp kim

189

Các nguyên tố hợp kim tuy không ảnh hưởng đến động học của chuyển biến mactenxit nhưng lại ảnh hưdng rõ rệ t đến nh iệt độ chuyển biến ôstenit thành mactenxit và do đó ảnh hưởng đến lượng ôstenit dư khi tôi.

AI và Co làm tăng n h iệt độ chuyển biến m actenxit (Mđ), còn Si không ảnh hưởng gì Hầu hết các nguyên tố hợp kim thông dụng còn lại đều làm giảm Mđ và do vậy làm tăng lượng ôstenit dư sau khi tôi Trong

giới hạn nhỏ hơn 4 '-*■ 5%, cứ thễra 1% nguyên tố hợp kim,, điểm Mđ thay

đổỉ như sạu: Mn làm giảm 45°C; Cr giảm 35°G, Ni giảm\26°G, Mo giảm

25°c, Co làm tãng 12°a AI tăng 18°c:

Do ảnh hưởng này mà một sô thép hợp kim cao có điểm Mđ quá thấp nên sau khí tôi có lượng ôstenit dư lớn Việc khử bỏ ôstenit dư có thể thực hiện bằng phương pháp gia công lạnh hoặc ram và làm nguội ở nhiệt độ thích hợp một vài lần để ôstenit dư chuyển biến tiếp tục thành mactenxit, Lúc đó độ cứng sẽ đ ạt giả trị cao nhất

- Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến chuyền biến khi ram:

Các nguyên tố hợp kilrij ở irtức độ khác nhau, đều cản trở (làm

chậm) các chuyển biến xảy ra khi ram thép, mà cụ thể đến ba quả trình: phân hóa mactenxít, chuyển b iế n ô ste n it dư th à n h m actenxit ram, kết tụ cacbit

N hiệt độ cần th iế t để xảy ra các quá trìn h trê n đều cao hơn so vởi thép cacbon tương ứng Để đ ạt được cùng độ cứng như thép cacbon, thép hợp kim phải được ram ở nh iệt độ cao hơn Vì th ế các thép hợp kim sau khi tôi vẫn giữ được độ bền, độ cứng ở nhiệt độ cao hơn so với thép cacbon Người ta gọi đó là tính chông ram của thép hợp kim

Sở dĩ có đặc tính này là vì các nguyến tố kim loại có tốc dộ khuếch

tá n chậm làm cản trở sự chuyển dời của cacbon, làm quá trìn h ram xảy

ra chậm Tổng kết một cách hệ thông tác dụng tố t của nguyên tố hợp kim đến cơ tín h của thép:

Ở n h iệt độ thường,thép hợp kim có độ bền cao hơn thép cacbon là

do pha ferit được hóa bền bdi sự hòa tan củạ các nguyên tố hợp kim.Hiệu quả của các nguyên tố hợp kim chỉ được phát huy đầy đủ sau khi thép được tôi và ram, do nguyên tố hợp kim không những làm tàng chiều dày lớp hóa bền (do có độ thấm tôi lớn) m à còn nâng cao độ bền của chính lớp hóa bền đó

Thép hợp kim giữ được độ bền, độ cứng ở n h iệt độ cao hơn do các

nguyên tố hợp kim ở trong đung dịchi rắn mactenxit cản trở sự phân hóa của pha này khi ram Bảng 6.6 trìn h bày mức độ tác đụng của một số nguyên tố hợp kim chủ yếu vã tạc dụng nổi b ật của chúng

190

Bảng 6.6 Đặc tinh tác dụng của một sô' nguyên tố hợp kim ở trong thép

Lảm nhỏ hạt

Hình thành cacbit

Cản trồ sự (am

mò /1 và chju nhiệt

Làm hạt

to nhanh

Dùng thay Nỉ để chế tạo thép ỏstemt

Không:

thúc đẩy

sự graphit hóa, thoảt c

Trung b)nh,

d ư ớ i250°c mạnh

Chống ôxy hóa, chế tậo thép kỹ thuật điện, thép đản hổi.

Nâng cao độ dai a* tạo thép ôstenit

Làm nhò hạt mạnh hữn cả V

d Các k h u yết tậ t c ủ a th ép hợp kim

Trong quá trìn h gia công và sử dụng, thép hợp kim thường bị một

số khuyết tậ t ảnh hưởng xấu đến cơ tính Các khuyết tậ t thường gặp là:

+ Thiên tích nhánh cây:

Thép hợp kim cao chứa một lượng các nguyên tố khác nhau, khi làm nguội từ trạ n g th ái lỏng, trước tiên sẽ kết tinh ra dung dịch rắn

chứa ít cacbon và nguyên tố hợp kim (có nhiệt độ nóng chảy bao nên kết

tinh trước), 'ử au đó mới kết tinh ra dung dịch rắn giàu cacbon và nguyên

tố hợp kim (nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nên k ết tinh sau) ở vùng giữa

các nhánh cây Eio vậy, có sự khác nhau về thành phần hóa học giữa các phần của nhánh cây, được gọi thiên tích nhánh cây Lượng nguyên tố hợp kim càng cao, th iên tích nhánh cây th ể hiện càng rõ

191

Thỏi thép hợp kim bị thiên tích nhánh cây khi đem cán sẽ tạo thành tổ chức dạng thớ, làm cho cơ tín h k h á c nhau theo các phương khác nhau M ặt khác, thỏi lại dễ nứt khi căn, rèn vì liên k ết giữa các tinh thế’ nhánh cây yếu, bản th ân nhánh cây có tính dẻo thấp.

Để khắc phục thiên tích nhánh cây, cần tiến hành ủ khuếch tán thỏi đúc trước khi đem cán, rèn N hiệt độ ủ là 1.050 -ỉ-1.100oC, thời gian

dài 8 -ỉ- 10 giờ ủ khuếch tá n là nguyên công n h iệt luyện giá thành cao,

vì vậy, chỉ áp dạng khi thực sự cần th iết đối với các thép hợp kim có yêu cầu cao về chất lượng

Đốm trắng:

Đốm trắng là các vết nứt nhỏ có dạng lốm đốm trắng, thấy rõ trên

m ặt gẫy của thép cán Đốm trắn g là dạng khuyết tậ t rấ t nguy hiểm, là nguồn gốc phát sinh các phá hủy giòn; Nó chỉ xảy ra ở trong thỏi cán của các thép hợp kim có độ thấm tôi cao họ Cr-Ni, Cr-Ni-W (Mo), không xảy ra ỏ thỏi đúc của mọi loại thép và thỏi cán của thép cacbon, thép hợp kim ồstenit và ferit

Nguyên n h ân xảy ra đốm trắng là hydro Hydro trong khí quyển của lò luyện hòa ta n vào thép lỏpg và cố định lại khi kết tinh thép Độ hòa tan của hydro trong thép giảm dần khi hạ n h iệt độ, dậc biệt dưới 200°C; dộ hòa tan của hydro bị giảm đột ngột, do vậy hydro b ắt buộc phải th o át ra Trong thép cán, rèn do m ật độ lớn (không còn lỗ xốp là nơi hydro có thể th o át ra), khi tích tụ lại, áp suất hydro lớn đến mức có thể phá hủy c ụ c b ộ , g â y n ứ t thép Ngoài r a , d o c h u y ể n biến p h a Y -> CL

hoặc y —> M không ủồng đều về thời gian và n h iệt độ, do giữa các vừng của tin h thể có th àn h phần hóa học khác nhau, cũng gây nên ứng suất

* bên trong, góp phần tạù nên đốm trắng Có thể vì vậy mà không thấy xuất hiện đốm trắn g trong thép cacbon và thép hợp kim thấp

Để ngăn ngừa không tạo thành đốm trắng, phải giảm bớt lượng hydro hòa tan trong thép lỏng bằng cách làm khô phối liệu, nhiên liệu

và chất trợ dung trước khi cho vào lò luyện Đây là biện pháp ít tốn kém, mang lại hiệu quả tốt

Giòn ram:

Đốỉ với thép cacbon, khi táng nh iệt độ ram, độ dai va đập sẽ tăng

và đ ạt giá trị lớn nhất ỏ khoảng n h iệt độ 600 * 650°c rồi giảm đi,

H.6.13a Nhưng một số thép k ết cấu hợp kim, quan hệ giữa độ dai va đập và nh iệt độ ram có thể có hai cực tiểu ứng với hai khoảng nhiệt độ,H.6.13b, tại đó độ dai của thép bị giâm dột ngột khi đo ở nhiệt độ thường, hiện tượng đó được gọi Ịà giòn ram

/ A

í

/ / v

này, cacbit dạng tâm tiết ra khpi mactenxit ở biên giới pha dẫn tới hóa

giòn, hoặc do ôstenit chuyển thành mactenxit ram là pha giòn hơn làm

độ dai va dập giảm đột ngột Đây là dạng giòn ram không thuận nghịch, không khắc phục được Cách tốt n h ất là không ram ở nhiệt độ có xuất hiện giòn ram lọại I

Loại giòn ram xuất hiện khi ram ở khoảng 500 + 600°c (thường

gặp ở thép hợp kim họ Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn), sau khi ram làm nguội chậm, ứng với cực tiểu thứ hai, H.6.13b, được gọí là giòn ram loại II Nếu sau khi ram, làm nguội nhanh thi khồng xuất hiện giòn rám, song nếu sau dó lại tiến hành ram lâu trong khoảng 500 -f- 600°c, tính giòn lại xuất hiện, vì vậy giòn ram này mang tính thuận nghịch; Cũng giống như giòn ram loại ĩ, nguyên nhân của giòn rám loại II cũng chưa được xác định rõ ràng Biện pháp ngăn ngừa giòn ram loại II là làin nguội nhanh sau khi ram cao Với chi tiết lớn khó làm nguội nhanh, phải dùng

thép hợp kim hóa thêm khoảng 1% w hay 0,5% Mo.

e P h ân lơ ại th ép hợp kim

* P h ần loại theo tổ chức tế vi

+ P h ân loại theo tổ chức ỗ trạng th á i cân bằng (ủ)

- Thép trước cùng tích với tổ chức ferit và peclit

- Thép cùng tích với tổ chức peclit

- Thép sau cùng tích với tổ chức peclit và cacbit II

- 'Thép lêđêburit với tổ chức có cùng tintriêđêburit ‘

193

- Thép ôstenit với tổ chức thuần ôstenit (do được hợp kim hóa với lượng lớn các nguyên tố mở rộng vùng y, như Mn, Ni)

- Thép ferit với tổ chức thuần ferit (do được hợp kim hóa với lượng

lớn các nguyên tổ md rộng vùng a, như Cr, Si).

+ P hân loại theo tổ chức ở trạn g th ái thường hóa

Đem ôstenit hóa các mẫu 25mm rồi làm nguội ngoài không khí tĩnh, tùy mức độ hợp kim hóa, có th ể có các loại thép:

- Thép peclit: là loại thép hợp kim thấp, tín h ổn định của ôstenitquá nguội chưa lớn lắm, tổ chức nhận được là peclit (xoocbit, trôstit) '

- Thép mactenxit: thường là loại thép hợp kim trung bình và cao,

có tính Ổn định củạ ôstenit quá nguội lớn, tổ chức nhận được là

- Thép ôstenit là loại thép được hợp kim hóa cao bởi các nguyên tố

Ni, Mn (mở rộng vùng y) nên sau khi nguội ngoài không khí, thép vẫn ở

trạng th á i ôstẹnit

* P h ân loại thẹo nguyên tô' hợp kim: cách phân loại này dựa vào tốn các nguyên tố hợp kim chính của thép Với cách p h ân loại này cỗ các loại thép Cr, thép Cr-NÌ, thép Cr-NỈ-Mo, thép Cr-Mn-Ti

* P h ân loại theo tổng lượng các nguyên tố hợp kim:

- Thép hợp kim thấp: tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5% (thường là thép peclic)

- Thép hợp kim trung bình: tổng lượng các nguyên tố hợp kim từ 2,5 + 10% (thường là thép peclit- mactenxit)

- Thép hợp kim cao: tổng lượng các nguyên tố hợp kim cao hơn 10% (thường là thép mactenxit hay ôstenit)

* P h ân loại theo công dụng: đây là cách phân loại phổ biến n h ấ t Theo đó, thép hợp kim được phân th à n h các nhóm chính sau:

- Thép cán nóng thông dụng; dùng trong xây dựng và các cồng việc thông thường tưcmg tự, không cần qua n h i ệ t luỵện khi sử dụng

- Thép k ết cấu: chủ yếu để làm chi tiế t máy, thường phải qua nhiệtluyện

- Thép dụng eụ: làm dụng cụ cắt, khuôn, b ắ t buộc phải qua nhiệtluyện

- THép hợp kim đặc biệt: là nhóm thép có tín h chất cơ, lý, hóa đặc

biệt Ví đụ: thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép chống m ài mòn cao,

thép từ tính,

P h ần trìn h bày các nhóm thép cụ th ế sau đây sẽ dựa vào cách phân loại này

194 ;

cuối cùng chỉ thép chất lượng cao Vi dụ: mác thép 60Si2CrVA chứa 0,56 -7-

Tính chất:

- Giới h ạn bền, đặc biệt là giới hạn chảy của thép, càng cao, các

kết cấu càng bền và gọn nhẹ Nếu tãng giới hạn bền từ 240 -ỉ- 260MPa (thép GT 38) lên 340 * 360MPa, khối lượng k ết cấu kim loại có th ể giảm bớt 20 + 25%, điều này sẽ đem lại hiệu quá kính tế r ấ t lớn Bằng cách hợp kim hóa vi lượng hoặc bằng cách gia công thích hợp sau khi cán, có thể tăng giởi h ạn chảy Ịên trê n 30ỌMPa, thậm chí trê n 500MPa

- Tính dẻo phải bảo đảm, do các kết cấu kim loại khi chế tạo thường p h ải quà uốn, rập Bình thường yêu cầu 6 2: 18 T 20%, còn đối với c/ác loại thép tấm mỏng để rập sâu thi yêu cầu ô > 25 T- 30%

- Tính h àn tốt: Tính h à n được xem là yếu tố quan trọng hàng đầu

vì phần lứn thép đem sử dụng phải qua hàn Để nâng cao tín h h à n phải tìm cách h ạ n chế lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim Có th ể xác định khả nâng h à n của th ép bằng cách tín h giá trị lượng cacbon quy đổi (tương dương) Một trong những công thức thường được đùng để tính lượng cacbon tương đương do Viện H àn Quốc tế đưa ra như sau:

ri - %Mn \ % Cr + % Mo + % V % Ni + % Cu

195

%Ctđ càng cao thi thép càng khó hàn.

- Tính chống ăn mòn trong khí quyển: thép cacbon dễ bị ăn mòn (gỉ) trong khí quyên, nhất là trong không khí ẩm, khí quyển còng nghiệp có nhiều c o , CƠ2, H2S, khí quyển vùng biển có nhiều c r Có thể hạn chế gỉ bằng cách phủ (sơn, mạ ) Cũng có th ể tăng khả năng chống

ăn mòn trong khí quyển bằng cách đưa vào thép một lượng nhỏ nguyên

tố như Cr, Ni, và đặc biệt là Cu, p

b N hóm th é p cacbon

Theo TCVN 1765-75, đó chính là nhóm thép CT Trong thực tế thường gặp các loại CT33, CT34, CT38, và CT51, tròng đó CT51 thường được cán th àn h thép vằn dùng làm cốt bêtông

Nhóm thép này có giới hạn chảy thấp (< 300 MPa), nhưng có độ dẻo cao (S = 15 -ỉ- 30%) Để nâng cao độ bền của cốt thép cho bêtông, người ta tiến h àn h kéo dãn các thanh thép đó dài thêm 6 -*■ 8%, nhờ đó làm tăng sức chịu tả i cho bêtông, tiết kiệm thép và đỡ công làm sạch do khi kéo dãn gỉ bị bong ra

Các mác CT38s và CCT38 thường được dùng sản xuất thép tròn trơn, m ác CCT51n dược dùng sản xuất thép vằn

c N hóm th é p hợp k im vi lượng

v ề th à n h phần hóa học, thép hợp kim vi lượng chỉ khác nhóm thép cacbon chút ít, cụ thể là Mn < 1,5%, ngoài ra nó còn chứa nhỏ hcm 0,1% các nguyên tố tạo cacbit m ạnh như V, Ti, Nb Điểm nổi b ậ t của loại thép này là có cơ tín h khá cao: giới hạn đàn hồi từ 400 -ỉ- 650MPa: độ bền kéo trong khoảng 500 850MPa vắ độ dãn dài cũng đủ cao (5 = 14 T- 17%)

Điều này cũng được giải thích là sự có m ặt của V, Ti, Nb làm giảm kích thước h ạ t và tiết ra pha thứ hai, làm cải th iện đáng kể cơ tín h của thép

Cũng do kích thước h ạ t nhỏ, các thép này có nh iệt độ chuyển biến

từ dẻo sang giòn râ't thấp Chúng được sử dụng để làm các chi tiết, đòi

hỏi giới hạn đàn hồi cao, độ dai va đập ở n h iệt độ thấp bảo đảm, đó là

những tín h chất cần th iế t để chế tạo các ông dẫn khí, dẫn dầu hoặc các kết câu ỗ vùng băng giá

liên tục, khồng có điểm gấp khúc hay đoạn nằm ngang sau biến dạng đàn hồi, H.6.14 Điều đó có nghĩa là độ bền tăng liên tục theo mức độ tăng của biến dạng khi chưa vượt quá giới hạn bền của chúng Sau khi tạo hình băng biến dạng (rèn, rập), giới hạn đàn hồi của nhóm thép này không thấp hơn 500MPa.

Hình 6.14 Giản đồ kéo của; a) thép thường; b) thép hai pha đối nghịch

c) thép hợp kim vỉ lượng (lưu ý trên đường b không có đoạn

nằm ngang và sự hóa bền do biến dạng rất mạnh)

Sở dĩ được đ ặt tên là thép hai pha đổì nghịch là vì trong thép

thuộc nhóm này, tổ chức tế vi của chúng gồm nền ferit không chứa

xêmentit (rất dẻo) và các “hòn đảo nhỏ” mactenxit (với tỉ lệ khoảng

10 -ỉ- 20%, có độ cứng cao)

về th àn h phần, chúng thuộc loại thép cacbon thấp (0,08 -ỉ- 0,15%)

nhưng mangan khá cao (1 -ỉ- 1,5%) Để đạt được tổ chức như trên, người

ta sử dụng nh iệt luyện và cơ nhiệt luyện để chế tạo theo một trong hai cách:

- Cách t h ứ nhất: nung thép lên đến nhiệt độ nằm giữa Aci và Ac3

ở nhiệt độ này ferit hầu như chưa thay đổi, chỉ có các “hòn đảo” peclit là chuyên thành ôstenit chứa nhiều cacbon Sau khi tôi, các “hòn đảo” này

sẽ chuyển th àn h mactenxit

- Cách thứ hai: tôi trực tiếp sau khi cán nóng sẽ nhận được ngay tổ chửc hỗn hợp ferit và mactenxit Trường hợp này phải kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ k ết thúc khi cán dể bảo đám tổ chức trước khi tôi là ferit và ôsrenit

Với nhóm thép này, để cải thiện độ thấm tôi, người ta có thể cho thêm một lượng nhỏ Cr (0,5%) và Mo (0,4%-)

197

Á

e N h óm th ép hợp k im th ấ p

Thép hợp kim thấp thỏa m ãn tốt các yêu cầu xây dựng hiện dại do

có giới h ạ n chảy cao, tính chông ăn mòn tốt trong khí quyển và tương đối rẻ, trong nhiều trường hợp, tỷ lệ tăng giới hạn chầy vượt quá tỷ lệ tăng giá th à n h sản xuất, do vậy mang lại hiệu quả kinh tế cao Bảng 6.7 trìn h bày một sô' mác thép thuộc nhóm này theo TCVN 3104-79

Bảng 6.7 Thành phần hóa học và cơ tính của thép xảy dựng hạp kim thấp

tố khác

ơb MPa

ơo.í MPa

Các mác thép 19Mn, 09Mn2, 14Mn2 có tính hàn tốt Trong đó mác 19Mn dùng làm các đường ông dẫn dầu và khí đốt áp lực cao; 14Mn2 dùng làm vỏ lò cao, th iế t bị thu bụi Các mác thép 17MnSi, 14CrMnSi có

cơ tính cao hơn, dược dùng làm các k ết cấu chịu lực, dầm ô tô, đóng toa

xe, thùng xe Các mác 35CrSi, 25Mn2Si được dùng làm cốt bê tông cường độ cao

Đồng khi được cho vào thép với một lượng nhỏ (0,20 0,55%) sẽ cảithiện đáng kể khả năng chông ăn mòn của thép trong khí quyển, do đó tạo ra một lớp bảo vệ kiểu ôxit có cấu tạo sít chặt (bao gồm ôxit sắt, ôxit dồng xen kẽ nhau) Đôi khi còn cho thêm Cr, Ni (khoảng 0,5% cho mỗi nguyên tố) và cả P(0,15%), chúng góp phần tăng cường tác dụng của Cu

M ặt khác, các nguyên tô' này (trừ P) đều cải thiện cơ tính của thép Mác thép 15CrSiNiCu được dùng làm các kết cấu kim loại ở khu công nghiệp,

các công trìn h giao thông vận tải (cầu, dầm ô tô .) và vùng khí hậu biển

4 Thép k ế t cấu

a K h á i niệm , đặc điểm của thép k ế t cấu

Khái niệm về thép kết cấu:

198

Thép k ết cấu là loại thép chủ yếu dùng để chế tạo các chi tiế t máy

So với loại thép cán nóng thông đụng, chúng được sử dụng với khối lượng ít hơn, nhưng thuộc loại chất lượng cao hơn, có nhiều chủng loại hơn và thường phải tiến hành nhiệt luyện để p h át huy h ế t các khả năng làm việc Việc lựa chọn, sử dụng hợp lý thép k ết cấu trong chế tạo cơ khí sẽ mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao

Đặc điểm của thép kết cấu:

- v ề tín h chất, thép kết cấu phải đ ạt dược hai yêu cầu cơ bản: có

tính công nghệ tố t ở trạng thái cung cấp (gia công cắt gọt và gia công áp

lực) và có cơ tín h tổng hợp tố t ở trạn g th ái công tác

- Về th àn h phần cacbon: Để đảm bảo các tín h chất nêu trên, thépkết câu thường là loại thép có hàm lượng eacbon thấp và trung bình, nằm trong giới hạn 0,10 0,60% (trừ các thép chuyên dùng như thépvòng bi)

- Về nguyên tố hợp kim: Các nguyên tố hợp kira cho vào thép kết cấu chủ yếu để nâng cao độ thấm tôi, nâng cao cơ tính ở trạn g th ái cung cấp (nhưng không nên cho nhiều quá vì sẽ làm xấu tín h công nghệ và nâng cao giá thành) Do vậy, cảc nguyên tố hợp kim trong thép kết cấu

được dùng vởi số lượng không cao, thường chỉ 1 -f- 3%, cá biệt cũng chỉ 6

* 7% Thông thường Cr, Mn, Si, với lượng mỗi nguyên tố khoảng 1 -r 2% (vì quá giới hạn này, độ dẻo, độ dai giảm mạnh), Ni là 1 -7- 4% Để

nâng cao độ th ấm tôi, thường dùng cách hợp kim hóa phức tạp (nhiều loại, hàm lượng thấp), hoặc cho thêm một lượng nhỏ B (0,001 T 0,002%), cho Ti (< 0,1%) vào thép chứa Mn để trá n h h ạ t lớn; thêm Mo, w vào thép Cr-Ni để trá n h giòn ram loại II

b P h ăn lo ạ i th ép k ế t cấ u theo đ ặ c đ iểm n h iệt luyện chung

- Thép thấm cacbon: là thép có th àn h phần cacbon thấp, (0,10 -ỉ- 0,25%), ở trạ n g th á i cụng cấp có độ dẻo, dai cao nhưng kém bền Đế' nâng cao độ cứng lớp bề mật, phải qúa thấm cacbon, tôi và ram thấp

- Thép hóa tốt: là thép có thành phần cacbon trung bình (0,3 + 0,5%) ở trạ n g th ái cung cấp có cơ tính tổng hợp khá Để có cơ tính tổng hợp cao n h ấ t phái qua n h iệt luyện hóa tố t (tôi + ram cao) Với các chi tiế t yêu cẳu độ cứng bề m ặt cao (để chống mài mòn) thì sau nhiệt luyện hóa tốt, phải qua tôi bề m ặt và ram thấp

-'T h é p đàn hồi: là thép có th à n h phần cacbon tương đối cao (0,5 + 0,7%) Để đ ạ t được tổ chức trô stit ram có giới h ạn đàn hồi cao nhất, thép phái qua tòi và ram trung bình

199

Ngoài ra, còn có các loại thép k ết cấu có công dụng riêng như thép vòng bi, thép dễ cắt .

c T hép th ấ m cacbon

Thép thấm cacbon là loại thép dùng để chế tạo các chi tiết yêu cầu trong lõi dẻo, dai, còn bề m ặt có độ cứng cao, chịu mài mòn (bánh ràng, chốt, xích, đĩa ma sát .)

tố Ni ngoài tác dụng tăng độ thấm tôi còn tác dụng giữ h ạ t nhỏ, làm tăn g độ dai va dập

Các nguyên tố Si, Co thường không được đưa vào thép thấm cacbon

vì chúng ngăn cản cacbon thấm vào thép

+ Đặc điểm về cơ tính:

So với thép cacbon dể thấm cacbon, thép hợp kim để thấm cacbon

có độ th ấm tôi lớn hơn nên độ bền lõi cao hơn, ít biến dạng khi tôi, chế

tạo được chi tiế t lớn hơn, có thể thấm ở nhiệt độ cao hơn (để giảm thờigian thấm ) Sau nh iệt luyện, tính chống mài mòn của thép hợp kim caohơn do tạo cacbit ổn định với độ phân tá n cao

Cơ tín h của thép thấm cacbon sau khi thấm cacbon, tôi và ram

Bảng 6.8 T hành p h ẩ n hóa học của m ột số mác thép thấm cacbon

- Nhóm thép cacbon: bao gồm các mác CIO, C15, C20, C25 và đôi

khi cá CT38 Chúng được làm các chi tiết mỏng hình dạng đơn giản, có yêu cầu chống mài mòn ở bề m ặt mà không yêu cầu cao về độ bền

Nhóm thép này không nên thấm ở nhiệt dộ quá 900°c vi dễ bị h ạt lớn, sau khi thấm phải tôi hai lần và môi trường tôi là nước nên độ biến dạng lớn

Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp của nhóm thép này:

ơb = 500 -T- 600MPa, Oo 2 = 300 -ỉ- 400MPa, ô = 15 4- 20%, độ cứng bề mặt

> 60HRC

- Nhóm thép crôm: bao gồm các mác 15Cr, 20Cr,15CrV Chúng được dùng làm các chi tiế t nhỏ có dường kính dưới 30 mm, yêu cầu chống mài mòn bể m ặt cao, chịu tả i trung bình như chốt piston, trục cam ôtô, trục giữa xe đạp, trục pêđan, bánh răng có môđun nhỏ có thể thấm ở nhiệt độ 900 4- 920ữc , tôi trong dầu nên ít biến dạng

Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp: ơb = 700 + 800MPa, ơo,2 = 500 ^ 600MPa, ỏ = 10 T 12%, độ cứng bề m ạt > 60HRC

Một nhược điểm của nhóm thép này là khuynh hướng làm tăng

nồng độ của cacbon ở lớp bề m ặt (do crôm là nguyên tố tạo cacbit) tạo

nên lưới cacbit làm lớp thấm có tính giòn và nhạy cảm với vết khía

201

- Nhóm thép crôm-nil5,en: bao gồm các mác 20CrNi, 12CrNi3A, 12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 18Cr2Ni4MoA Trừ mác đầu, các mác sau đều

có lượng Ni cao nên các mác này có độ thâm tôi rấ t cao, độ bền và độ dai

va đập cao, được dùng làm các chi tiết thấm cacbon có tiế t diện lớn, chịu tải cao Mác 18Cr2Ni4WA, 18Cr2Ni4MoA được dùng làm các chi tiết đặc biệt quan trọng (bánh răng, trục động cơ máy bay, tàu biển .) và có thể dùng cả ở trạng th á i không thấm cacbon (chi tôi và ram thấp) để làm * các chi tiết chịu tải trọng cao nhưng không yêu cầu chống m ài mòn hoặc

có thể dùng ở trạn g thái hóa tốt để làm các chi tiế t chịu tải va đập cao

Cơ tính sau khi thấm cacbon, tôi và ram th ấ p :a b= 1000-ỉ-1200 MPa, ơữ2= 700-ỉ-950 MPa, 5= 10 +12%, độ cứng bề m ặt > 60HRC

- Nhóm thép crôm - m angan - titan (hoặc môlipđen) bao gồm các mác 18CrMnTi, 25CrMnTi, 30CrMnTi, 25CrMnMo Trong dó Mn Là nguyên tố thay cho Ni để làm tăng độ thấm tôi và giảm tập trung cacbon

quá cao ở bề mặt, còn Ti và Mo làm nhỏ h ạ t (nên có th ể thấm cacbon ở

920-ỉ-950oC và nhờ th ế rú t ngắn thời gian thấm) Các mác này được dùng

để sản xuất các chi tiết của ô tô máy kéo (bánh răng hộp số, bánh răng cầu sau, các trục quan trọng )

Sau khi thấm cacbon, tôi và ram thấp, cơ tín h của nhóm thép này như sau:

ơb = 1150+ 1500 MPa; ơũ2 = 900-M300 MPa; 8 = 9+11%.'

d T hép h ó a tố t

Thép hóa tốt là loại thép có hàm ỉượng cacbon trung bình (0,30 -T 0,50%) dùng đề' chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, yêu cầu về độ bền và độ dai cao Cơ tính tổng hợp cao n h ất của thép

đạt được bằng cách rihiệt luyện hóa tốt (tôi và ram cao), nên được gọi ỉà

thép hóa tốt

+ Đặc điểm về thành phần hóa học:

- T hành phần cacbon, để bảo đảm có sự kết hợp cao n h ấ t về độ bền

và độ dai, thép hóa tốt phải có lượng cacbon trung bình 0,30 T 0,50%, trong một số trường hợp đặc biệt có thể dùng tới 0,55%

- Các nguyên tố hợp kim; thường dùng các nguyên tố hợp kim để

tăng độ thấm tôi: Cr, Ni, Mn, Si với lượng mỗi nguyên tố trê n dưới 19c.

Để làm h ạ t nhỏ và trá n h giòn ram, dùng Ti (< 0,1^), Mo {< 0,3^) Thời gian sau này còn có khuynh hướng dùng B (< 0,005%) k ết hợp với

Cr, Ni, Mn để tăng độ thấm tôi

Các mác thép hóa tốt và công dụng:

202