chương 5 thép và gang

GZ: Đây là vật liệu có độ bền cao lại kế thừa được những tính chất tốt vốn có của gang, thậm chí có thể thay thế cho thép trong rất nhiều ứng dụng mà các loại. gang khác không có khả nă[r]

Khái niệm về thép C và thép hợp kim

Ảnh hưởng của C đến tổ chức và cơ tính

- tăng độ cứng khi %C tăng (0,1%C/25HB)

- làm giảm độ dẻo, độ dai va đập

- làm tăng độ bền và đạt cực đại trong khoảng 0,8-1,0%C sau

………… đó giảm

Vai tròn của C đối với công dụng của thép

* Thép C thấp (%C < 0,25%)

tiết máy sau khi hoá nhiệt luyện

Ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất

• Mangan: Mn có trong thép là do dùng fero Mn khử O2 + quặng

Mn + FeO  Fe + MnO (nhẹ  nổi đi vào xỉ)Tác dụng: hoá bền Ferit (%Mn: 0,5-0,8%)

• Silic: Si có trong thép là do dùng fero Si khử O2 + quặng

Si + FeO  Fe + SiO (nhẹ  nổi đi vào xỉ)Tác dụng: hoá bền Ferit (%Mn: 0,2-0,4%)

• Phốtpho: P có trong thép là do lẫn trong quặng, kết hợp với Fe tạo

……….Fe3P cứng và giòn

Ảnh hưởng: gây hiện tượng bở nguội (%P < 0,05%)

• Lưu huỳnh: S có trong thép là do lẫn trong quặng, kết hợp với Fe

……….tạo cùng tinh (Fe3S + Fe) có nhiệt độ nóng chảy thấpẢnh hưởng: gây hiện tượng bở nóng (%S < 0,05%)

Phân loại thép C

• Phân loại theo độ sách tạp chất có hại (P, S)

- Chất lượng thường: %P < 0,05% và %S < 0,05%

- Chất lượng tốt: %P < 0,04% và %S < 0,04% (lò hồ quang điện)

- Chất lượng cao: %P < 0,03% và %S < 0,03% (lò hồ quang điện)

- Chất lượng rất cao: %P < 0,02% và %S < 0,02% (lò hồ quang điện + điện xỉ )

• Phân loại theo phương pháp khử Oxy

- Thép sôi (khử Oxy chưa triệt để): có nhiều rỗ khí bên trong do chỉ sử dụng FeMn

- Thép lặng (khử Oxy triệt để): thường khử bằng FeMn, FeSi và Al

- Thép nửa lặng (là dạng trung gian của 2 loại thép trên): thường khử bằng Al, FeMn

Phân loại thép C (… )

• Phân loại theo công dụng

- Thép kết cấu: các kết cấu, chi tiết máy chịu tải…

- Thép xây dựng: dùng trong xây dựng, các kết cấu thép…

- Thép chế tạo máy: đòi hỏi chất lượng cao hơn thép xây dựng…

- Thép dụng cụ: dùng chế tạo các công cụ chuyên dùng có yêu cầu độ cứng

và ……….chống mài mòn cao

Ưu điểm của thép C

• Rẻ, dễ kiếm do không đòi hỏi thành phần phức tạp

• Có cơ tính phù hợp với một số trường hợp nhất định

• Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn………so với thép hợp kim

Nhược điểm của thép C

• Độ thấm tôi thấp nền hiệu quả hoá bền nhiệt luyện không cao

• Tính chịu nhiệt độ cao kém

• Không có các tính chất lý, hoá đặc biêt: chống ăn mòn, tính cứng nóng…

Làm thế nào để khắc phục được các nhược điểm trên?

 Là thép được đưa vào thêm một số nguyên tố khác ngoài C (Ni, Cr, Ti… ) với lượng đủ lớn  làm thay đổi tổ chức  cải thiện tính chất của vật liệu

* Các nguyên tố chính với lượng đủ lớn có thể làm thay đổi tổ chức

Mn  0,8-1,0% Si  0,5-0,8% Cr  0,5-0,8%

Ni  0,5-0,8% W  0,1-0,5% Mo  0,05-0,2%

Ti  0,01% Cu  0,3% B  0,002%

* Các đặc tính của thép hợp kim

- Cơ tính:

- Trạng thái không nhiệt luyện, độ bền khác không nhiều so với thép C

tương đương

- Độ thấm tôi lớn  chiều sâu lớp hoá bền lớn hơn so với thép C

- Tốc độ nguội tới hạn nhỏ  giảm cong vênh chi tiết

- Độ bền cao hơn hẳn thép C sau khi nhiệt luyện

- Tính công nghệ kém hơn thép C

- Tính chịu nhiệt độ cao:

- Cácbit của nhiều nguyên tố HK có tác dụng ngăn cản sự kết tụ cácbit,

phân hoá M

- Tính chất đặc biệt:

- Bền ăn mòn trong nhiều môi trường

- Có từ tình đặc biệt, có sự giãn nở nhiệt đặc biệt…

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép

* Hoà tan vào Fe tạo dung dịch rắn

- Với hàm lượng nhỏ (~ vài %): không làm thay đổi cấu hình GĐP Fe-C

- ảnh hướng đến độ cứng của vật liệu

- ảnh hưởng đến độ dai a k

% ng.tố hợp kim 

4100

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép

* Hoà tan vào Fe tạo dung dịch rắn

- Với hàm lượng lớn (> 10 %): làm thay đổi cấu hình GĐP Fe-C

 tuỳ thuộc vào nguyên tố HK mà các vùng tổ chức bị thay đổi (10-20% Mn, Ni)

Tạo cácbit mức độ TB

Tạo cácbit mức

độ khá mạnhTạo cácbit mức độ mạnh

Tạo cácbit mức

độ rất mạnh

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép

* Tạo thành Cácbit (…)

Các loại cácbit

- Xêmentít HK (Fe, Me) 3 C: Mn, Cr, Mo, W

- Cácbit kiểu mạng phức tạp: Cr 7 C 3 , Cr 23 C 6 , Mn 3 C

- Cácbit kiểu Me 6 C: Cr, W, Mo, Fe

- Cácbit kiểu mạng đơn giản MeC (Me 2 C): V, Ti, Zr, Nb

Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến nhiệt luyện

Chuyển biến nung nóng khi tôi

Peclít  Austenit, sau đó các loại cácbit hoà tan vào Austenit

Sự phân hoá đẳng nhiệt của Austenit quá nguội

Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến nhiệt luyện

Chuyển biến khi ram

Đa số các ng.tố HK có xu hướng cản trở sự phân hoá C ra khỏi M  giữ độ cứng cho thép ở nhiệt độ cạo

• Khi các nguyên tố HK hoà tan vào dung dịch rắn:

- gây xô lệch mạng trong Fe  cản trở chuyển động của lệch  hoá bền

- tăng tính ổn định của A quá nguội, giảm Vth  chi tiết ít bị cong vênh, biến dạng

• Khi các nguyên tố HK tạo

cácbít:

- khó hoà tan  giữ cho hạt

nhỏ khi nung

- ở nhiệt độ cao nhất định

mới bị tiết ra khỏi M  có

tính cứng nóng cho chi tiết

- sau ram được phân bố dưới

dạng hạt nhỏ mịn, phân tán

 hoá bền

Các khuyết tật của thép HK

Thiên tích

Đốm trắng

Giòn ram loại I (280-350 0 C)

Giòn ram loại II (500-600 0 C)

Thép nửa lặngThép sôi

Thép kết cấu chất lượng thường để làm các kết cấu xây dựng

Thép để làm các kết cấu xây dựng: hệ ASTM

Thép để làm chi tiết máy và dụng cụ: hệ AISI và SAE

Loại thép HK %C theo phần vạn

trung bìnhMột số loại thép HK quy ước theo con số:

Yêu cầu chung:

Yêu cầu chung:

• Độ bền cao

• Độ dai va đập cao

• Độ cứng bề mặt cao

• Giới hạn mỏi cao

• Tính công nghệ tốt: dễ tạo hình, cắt gọt, gia công tinh…

• Giá thành thấp, phù hợp với yêu cầu sử dụng

• Thành phần hóa học chính xác đảm bảo hiệu quả nhiệt luyện: một số nguyên

tố thường gặp trong thép hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V…

- Thép Cr-Ni, Cr-Ni-Mo: 12CrNi3A, 20Cr2Ni4A, 20CrNi2Mo, 18Cr2Ni4Mo

- Thép Cr-Mn-Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi

Đặc điểm: đi từ trên xuống dưới: độ thấm tôi tăng lên, độ bền tăng, độ dẻo dai trong lõi tăng lên

-> hình dáng chi tiết sẽ được chế tạo phức tạp dần lên theo

-> khả năng chịu tải của chi tiết tăng lên

Đặc điểm: đi từ trên xuống dưới: độ thấm tôi tăng lên, độ bền tăng, độ cứng

trong lõi sau nhiệt luyện hóa tốt tăng

-> hình dáng chi tiết sẽ được chế tạo phức tạp dần lên theo

-> khả năng chịu tải của chi tiết tăng lên

• Nhóm thép C: 0,55% < %C < 0,65

Một số mác điển hình: C65, C70………

- Độ thấm tôi thấp, độ cứng sau nhiệt luyện 35-45HRC

-Các chi tiết có hình dáng đơn giản, chiều dày chi tiết thấp (0,15-8mm)

• Nhóm thép hợp kim:

- Thép Mn: 65Mn

- Thép Si: 60Si2, 60Si2Ni2A……

Đặc điểm: đi từ trên xuống dưới: độ thấm tôi tăng lên, độ bền tăng, độ cứng trong lõi sau nhiệt luyện

-> hình dáng chi tiết sẽ được chế tạo phức tạp dần lên theo

-> khả năng chịu tải của chi tiết tăng lên

• Nhóm thép lá giập nguội sâu:

• Một số yêu cầu chung:

- Tính công nghệ tốt để có thể gia công tạo hình

• Thép làm dao cắt năng suất thấp:

năng suất cắt cao hơn (10m/phút)

- Đặc điểm: + Có độ cứng rất cao sau nhiệt luyện (65-68HRC)

suất rất cao (35-80m/phút) + Có thể tôi thấu chi tiết có tiết diện bất kỳ.

+ C (0,7-1,5%): hình thành mactenxit và cacbit hợp kim + Cr (~4%): tăng độ thấm tôi

+ W (6-18%): tạo các bit làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn và

tính cứng nóng + Mo: tạo cacbit làm tăng độ cứng……(giống W) -> thay thế cho W + V: tạo cacbit làm tăng độ cứng… (giống W), hạn chế số lượng vì

làm giảm tính mài + Co: cải thiện tính cứng nóng cho thép, hạn chế số lượng do gây

thoát C khi tôi

- Đặc điểm: + Có độ cứng cao sau nhiệt luyện (63-65HRC)

+ Tính ổn định kích thước cao + Độ nhẵn bóng bề mặt cao.

- Đặc điểm: + Có độ cứng cao sau nhiệt luyện (58-62HRC)

+ Tính chống mài mòn cao + Độ bền và độ dai cao.

- Thép làm khuôn bé: CD100, CD120

- Thép làm khuôn trung bình: 110Cr, 100CrWMn, 100CrWSiMn

• Thép làm dụng cụ biến dạng nóng:

+ Tính chống mài mòn cao + Tính chịu nhiệt độ cao.

- Thép làm khuôn rèn: 50CrNiMo, 50CrNiW, 50CrNiSiW, 50CrMnMo

Hàm lượng C: rất thấp 0,1-0,15%C hoặc rất cao > 1,0%C

Thành phần hợp kim: thuộc nhóm hợp kim cao (>10%), thường là hợp kim hoá đơn giản

• Ảnh hưởng đến cơ tính

Tổ chức tế vi: Austentit, Ferit và Mactenxit ở trạng thái cung cấp

Đặc điểm: là loại thép có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường có tính

ăn mòn mạnh như: axit, bazơ………

Sự ăn mòn kim loại

 là sự phá huỷ kim loại do tác dụng điện hoá hay hoá học

Sự phá huỷ do tác dụng của hoá học  ăn mòn hoá học (ăn mòn khô) do kim loại phản ứng hoá học với môi trường xung quanh

Sự phá huỷ do tác dụng điện hoá do cố sự chênh lệch về điện thế điện cực giữa các vùng  tạo nên các cặp pin ăn mòn

3 quá trình cơ bản của ăn mòn điện hoá:

1 Quá trình anod: kim loại có điện thế điện cực âm hơn bị hoà tan theo

Đánh giá mức độ ăn mòn của kim loại? Dựa vào một trong hai chỉ tiêu đánh giá:

tổn thất khối lượng kim loại (mg/dm2) và tốc độ thâm nhập (mm/năm)

Mức độ bền ăn mòn của các loại vật liệu

1 Độ bền ăn mòn cao: tốc độ thâm nhập < 0,125 mm/năm

2 Độ bền ăn mòn trung bình: tốc độ thâm nhập ~ 0,125-1,25mm/năm

3 Độ bền ăn mòn kém: tốc độ thâm nhập > 1,125mm/năm

Các dạng ăn mòn

- Ăn mòn đều: xảy ra đều trên bề mặt vật liệu  có thể dự đoán tuổi thọ chi tiết

- Ăn mòn lỗ: xảy ra tại các vị trí cục bộ trên bề mặt  khó phát hiện

- Ăn mòn tinh giới: xảy ra tại biên giới hạt  nguy hiểm do có tốc độ ăn mòn thâm nhập lớn

Nguyên nhân ăn mòn của thép?

 Do tổ chức của thép gồm 2 pha (F và Xe)  có sự chênh lệch về điện thế tạo ra các vi pin  ăn mòn điện hoá

 biện pháp nâng cao tính chống ăn mòn cho thép:

• Nâng cao điện thế (F) lên mức gần với Cácbit

• Làm cho thép có tổ chức một pha đồng nhất (F, A)

 biện pháp: hợp kim hoá (Cr, Ni, Mn…)

Thép không gỉ 2 pha (F và cácbit Cr): 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 và 40Cr13

12Cr13, 20Cr13: trục bơm, ốc vít không gỉ…

30Cr13 và 40Cr13: lò xo, ổ lăn, dụng cụ phẫu thuật…

Thép không gỉ 1 pha (F): %C ít hơn (0,1-0,2%), %Cr nhiều hơn (17-25%):

08Cr13: dùng trong hoá dầu

12Cr17: thay thế cho thép không gỉ Cr-Ni

15Cr25Ti: thép chịu nhiệt

Thép không gỉ 1 pha (A): %C rất thấp (< 0,08%), %Cr ~ (16-18%) %Ni ~ (6-8%) Ngoài ra còn có thêm một số nguyên tố HK: Ti, Nb, Ta, Mo…để tạo cácbit nhằm ngăn cản tạo cácbit Cr

 chịu được ăn mòn trong môi trường axit HNO3, H2SO4…

Thép không gỉ hoá bền tiết pha:

- Đặc điểm: + Làm việc ở nhiệt độ cao nên cần độ bền dão lớn

+ Dễ bị Oxy hóa ở nhiệt độ cao -> thêm các nguyên tố chống ăn cải

thiện bền ăn mòn (Cr) hoặc tạo lớp vảy oxit trên bề mặt (Cr, Si)

45Cr14Ni14WMo

* Thép có tính chống mài mòn đặc biệt: 130Mn13Đ

• Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy

+ Tổ chức tế vi: C phần lớn ở dạng tự do với các hình dạng khác

nhau, nền thép (F, F-P hoặc P)

C có thể ở dạng tấm, lá, cầu, cụm bông……

+ Thành phần hóa học: Fe, C, Si, Mn, S, P….

(C+Si) ≥ 6% -> C hầu như ở dạng không liên kết (C+Si) ~ 5-6% C nền F-P, một phần C ở dạng LK (C+Si) ~ 4.2-5% C nền P, một phần C ở dạng LK (C+Si) ≤ 4-4,3% C toàn bộ C ở dạng LK

+ Tốc độ nguội : nguội chậm dễ tạo ra graphit dạng tự do -> dễ

tạo thành gang chế tạo máy

- Đặc điểm: + Có độ bền thấp

+ Độ dẻo, độ dai thấp

+ Làm giảm lượng graphit + Làm nhỏ mịn Graphit + Tạo nền kim loại độ bền cao hơn (hợp kim hóa cho pha nền,

nhiệt luyện tôi + ram)

• Gang cầu:

+ Độ dẻo, độ dai thấp so với thép nhưng tốt hơn gang xám

+ Dùng chất biến tính: Mg, Ce + Sử dụng thêm FeSi, FeCa để C khó ở dạng liên kết với Fe

+ xx độ dãn dài (%)

- Đặc điểm: + Có độ bền tương đương gang cầu

+ Độ dẻo, độ dai khá cao

+ Đúc và nguội để nhận được gang trắng

Các ứng dụng:

GX: đúc các băng máy lớn, có độ phức tạp cao, các chi tiết không cần chịu độ uốn lớn, nhưng cần chịu lực nén tốt Các băng máy công cụ (tiện, phay, bào, ), thân máy của động cơ đốt trong.

GC: Gang cầu được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu lực lớn và chịu tải trọng

va đập, mài mòn như trục khuỷu, cam, bánh răng… Do rẻ gang cầu được dùng nhiều để thay thế thép và gang dẻo.

GZ: Đây là vật liệu có độ bền cao lại kế thừa được những tính chất tốt vốn có của gang, thậm chí có thể thay thế cho thép trong rất nhiều ứng dụng mà các loại

gang khác không có khả năng.