Giáo trình Vật liệu cơ điện (Nghề: Vận hành nhà máy thủy điện) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

Giáo trình Vật liệu cơ điện (Nghề: Vận hành nhà máy thủy điện) cung cấp cho người học những kiến thức như: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim; Gang; Thép và vật liệu dẫn từ; Hợp kim cứng; Kim loại màu và vật liệu dẫn điện; Ăn mòn kim loại; Vật liệu phi kim loại và vật liệu cách điện;...Mời các bạn cùng tham khảo!

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/ MÔ ĐUN: Vật liệu cơ điện NGÀNH/NGHỀ: Vận hành nhà máy thủy điện ( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng)

LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017

LỜI GIỚI THIỆU

Hiện nay ở nước ta hầu hết các hoạt động của xã hội đều gắn với việc sử dụng điện năng Điện không những được sử dụng ở thành phố mà còn được đưa về nông thôn, miền núi hoặc nhờ các trạm phát điện địa phương, máy phát điện hộ gia đình

Cùng với sự phát triển của điện năng các thiết bị điện dân dụng được sử dụng ngày càng tăng lên không ngừng Chất lượng của các vật liệu điện cũng không ngừng được cải tiến và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới Vì vậy đòi hỏi người công nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong các ngành nghề điện, điện tử phải hiểu rõ về bản chất của các vật liệu và ứng dụng của các vật liệu đó, đồng thời phải hiểu rõ về cấu tạo vật liệu, nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng và cách khắc phục để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện năng trong sử dụng

Nội dung môn học này trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản về cấu tạo vật liệu điện nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành nghề của mình

MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu 2 Chương 1: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim 1 Khái niệm về kim loại, hợp kim

2 Cấu tạo của kim loại, hợp kim

3 Tính chất chung của kim loại và hợp kim: 5 6 10 Chương 2. Gang

1 Giới thiệu chung về gang: 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang:

3 Các loại gang thường dùng: 14 15 16 Chương 3. Thép và vật liệu dẫn từ

1 Thép 21

2 Vật liệu dẫn từ 36

Chương 4 Hợp kim cứng

1 Khái niện chung: 48

2 Một số loại hợp kim cứng thường dùng 48

Chương 5 Kim loại màu và vật liệu dẫn điện

1.Khái niệm và phân loại kim loại 50

2 Đặc điểm và tính chất chung 50

3 Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao 58

4 Vật liệu dẫn điện có điện trở cao 59

5 Một số vật liệu dẫn điện khác 60

6 Hợp kim làm ổ trượt 61

Chương 6. Ăn mòn kim loại 1 Hiện tượng ăn mòn kim loại: 67

2 Phương pháp chống ăn mòn kim loại 67

Chương 7 Vật liệu phi kim loại và vật liệu cách điện

1.Khái niệm và phân loại 68

2 Tính chất chung của vật liệu cách điện 69

3 Vật liệu cách điện thể khí 75

4 Vật liệu cách điện thể lỏng 77

5 Vật liệu cách điện thể rắn 78

6 Chất dẻo 86

7 Dầu - Mỡ bôi trơn 88

Chương 8: Vật liệu bán dẫn 1 Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn 88

2 Sự dẫn điện của vật liệu bán dẫn 88

3 Tiếp giáp điện tử - lỗ trống 90

4 Một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật 91

- Hợp kim là dung dịch rắn của nhiều nguyên tố kim loại hoặc giữa nguyên tố kim loại với nguyên tố phi kim Hợp kim mang tính kim loại (dẫn nhiệt cao, dẫn điện, dẻo,

dễ biến dạng, có ánh kim ) Hợp kim màu, là hợp kim của các kim loại khác ngoài sắt

1.3 Vai trò của kim loại, hợp kim trong cuộc sống

Trong các nhóm vật liệu kể trên thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc

và những công trình xây dựng Sự phát triển không ngừng của máy động lực, máy công cụ gắn liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính năng ngày càng cao

Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt của nó

là một lần thúc đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành khoa học mới như:

– Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã giúp cho ngành công nghiệp hàng không và tên lửa có bước phát triển nhảy vọt

– Hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong ngành

cơ khí như: thép không rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990)…

Ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo ra những hợp kim mới có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính cùng một số tính chất vật lý và hóa học đặc biệt Những thành công trong nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới

2 Cấu tạo của kim loại, hợp kim:

2.1 Kim loại:

2.1.1 Cấu tạo nguyên tử

Các kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác nhau

- Vật chất là do các nguyên tử tạo thành, mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp bao gồm: hạt nhân mang điện tích dương ở giữa các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo khác nhau Hạt nhân bao gồm Proton và nơtron

Hình 1-1: Sơ đồ phân bố các điện tử trên quỹ đạo

Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình elíp Quỹ đạo ngoài cùng có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của mỗi chất (hình 1-1) Đối với kim loại ở quỹ đạo ngoài cùng thường có 1 đến 2 điện tử, các điện tử này dễ bật đi khỏi quỹ đạo để cho nguyên tử trở thành ion dương và đó là chỗ khác nhau chủ yếu giữa Kim loại và vật liệu phi kim loại

- Như Vậy: Kim loại có cấu tạo như là các ion dương, có các điện tử tự do chạy xung quanh hạt nhân và các điện tử này dễ bật ra khỏi quỹ đạo của nó Các điện tử tự

do là nguyên nhân tạo ra tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt và tính dẻo dai của kim loại 2.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể

Hình 1-2: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất

a) Sơ đồ sắp xếp mạng tinh thể lập phương đơn giản; b) ô cơ bản của mạng

Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, tức là các nguyên tử của nó sắp xếp trong không gian theo một vị trí hình học nhất định chứ không hỗn độn như các vật liệu phi kim loại trong đó các nguyên tử kim loại được biểu diễn bằng những vòng tròn nhỏ nằm ở các mép của hình lập phương ta gọi là nút mạng Phần nhỏ nhất đặc trưng cho một mạng tinh thể nào đó gọi là ô cơ bản Nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể như hình 1-2

2.1.3 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp

Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại

Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tính đối xứng, nó là một trong những đặc điểm quan trọng thể hiện cả hình dáng bên ngoài, cấu trúc bên trong và các tính chất của Kim loại Cấu trúc mạng tinh thể thường mang các tính chất rất đa dạng phụ thuộc vào kiểu sắp xếp nguyên tử Sau đây là một số kiểu mạng tinh thể thường gặp:

+ Lập phương thể tâm

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này (hình 1-3), các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên tử Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể gọi là thông số mạng, độ lớn

kim loại có kiểu mạng này là sắt, crom, Vanadi…

+ Lập phương diện tâm

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương như hình 1 - 4 Các kim loại

có kiểu mạng này là: Sắt, đồng, nhôm, niken…

+ Lục phương dày đặc

Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục lăng, hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm ba khối lăng trụ tam giác cách nhau như hình 1-5 Các kim loại có kiểu mạng này gồm kẽm, côban, magiê…

+ Ngoài ba loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta còn gặp kiểu mạng chính phương thể tâm như hình 1-6 Nó khác mạng lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh không bằng hai cạnh kia

Hình 1-5: Kiểu lục phương dày đặc Hình 1-6: Ô cơ bản chính

a) Ô cơ bản; b) Hình chiếu bằng phương thể tâm

Hình 1-3 Kiểu lập phương thể tâm

b

a

- Trong dung dịch đặc thay thế: Nguyên tử nguyên tố này đẩy nguyên tử nguyên tố

kia thay thế vào đó (hình 1-6a) Tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở đúng như cấu tử của dung môi Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này bằng nguyên tử khác ít nhiều đều xảy ra sự xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố nào có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau Vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối

với các nguyên tố có kích thước nguyên tử gần bằng nhau (sai lệch không quá 15%)

Hình 1-6: Các mô hình cấu trúc dung dịch đặc của hợp kim

a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mô hình dung dịch đặc xen kẽ;

c) Mô hình dung dịch đặc tổng hợp

- Trong dung dịch đặc xen kẽ: Nguyên tử của các nguyên tố hòa tan (ví dụ cácbon,

ôxi ) nằm xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút của mạng tinh thể của nguyên tố cơ bản (hình 1-1b) Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên

2.2.2 Hợp chất hóa học

Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hóa học khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác định, có thành phần hóa học xácđịnh được biểu diễn bằng một công thức hóa học

Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao

3 Tính chất chung của kim loại và hợp kim

3.1 Tính chất vật lý (tính chất lý học): Là các tính chất đặc trưng như là vẻ sáng

mặt ngoài, tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt, tính dẫn điện vv

3.1.1 Vẻ sáng mặt ngoài

Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại người ta chia thành hai nhóm là kim loại đen

và kim loại màu

a Kim loại đen: Kim loại đen gồm toàn bộ các hợp kim của sắt, tức là các loại

gang và các loại thép

b Kim loại màu

- Kim loại màu là tất cả các hợp kim và kim loại còn lại

- Kim loại không trong suốt, kể cả những tấm kim loại được cán, dát rất mỏng cũng không để cho ánh sáng xuyên qua nó được Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu ánh sáng ở mặt ngoài Mỗi kim loại sẽ phản chiếu ánh sáng theo một màu sắc riêng mà

ta quen gọi là màu của kim loại

Thí dụ: Đồng có màu đỏ, Thiếc có màu trắng bạc…

3.1.2 Tính nóng chảy

Kim loại có tính chảy lỏng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội Nhiệt độ ứng với đúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy (và ngược lại) Điểm nóng chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ đúc, vì khi đúc

ta phải nấu chảy lofng kim loại để dát vào khuôn

Điểm nóng chảy của hợp kim lại khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau, ta có thể tạo được hợp kim mới có điểm nóng chảy thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của từng kim loại riêng rẽ Trong thực tế người ta có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy thấp

nóng chảy của từng kim loại thành phần

3.1.3 Tính dẫn nhiệt

Là tính truyền nhiệt của kim loại khi đốt nóng hoặc làm lạnh

- Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ nóng chảy nhanh và đông đặc nhanh

- Kim loại có tính dẫn nhiệt kém muốn nung nóng hoàn toàn phải cần nhiều thời gian, nếu làm nguội quá nhanh dễ gây ra nứt và vỡ

Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng Kilô calo/m.giờ.độ Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng

Thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của các kim loại khác với bạc vì bạc

có tính dẫn nhiệt tốt nhất Ví dụ: Nếu lấy bạc có tính dẫn nhiệt bằng một đơn vị thì các kim loại khác như: Đồng = 0,9; Nhôm = 0,5; Sắt = 0,15…

3.1.4 Tính giãn nở nhiệt

Khi đốt nóng các kim loại giãn nở ra và khi nguội lạnh nó co lại Sự giãn nở kim loại không giống nhau Để đánh giá sự giãn nở nhiệt của các kim loại khác nhau người

được gọi là hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài Sự giãn nở theo thể tích được tính bằng

3 lần sự giãn nở theo chiều dài

Trong kỹ thuật để làm các dụng cụ đo lường đảm bảo độ chính xác cao người ta

Cần chú ý rằng hệ số giãn nở nhiệt tuy rất nhỏ, nhưng với các vật có kích thước lớn,

có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, chúng ta phải chú ý tới đặc điểm này Ví dụ trong động cơ ô tô phải chú ý đến khe hở giữa piston và xilanh để ở trạng thái nguội vẫn đảm bảo độ kín cần thiết, ở trạng thái nóng thì piston không bị bó kẹt trong xilanh

3.1.5 Tính dẫn điện

Là khả năng dẫn điện của kim loại Các kim loại khác nhau thì có tính dẫn điện khác nhau Kim loại có tính dẫn điện cao tức là kim loại ít cản trở dòng điện (điện trở của kim loại nhỏ) So sánh tính dẫn điện và tính dẫn nhiệt của kim loại ta thấy kim loại nào dẫn nhiệt tốt thì cũng dẫn điện tốt và ngược lại

Các kim loại có tính dẫn điện tốt được dùng trong kỹ thuật là đồng, nhôm… Khi nhiệt độ tăng lên thì tính dẫn điện giảm đi và ngược lại

loại là tốt nhất Đây chính là hiện tượng siêu dẫn hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế

3.1.6 Nhiệt dung

dung của kim loại càng lớn, càng cần tốn nhiều nhiệt lượng mới đốt nóng vật đó lên được Đây là một đặc trưng cần biết khi gia công cơ khí bằng các phương pháp gia công nóng như đúc, hàn…

3.1.7 Tính nhiễm từ

Là khả năng kim loại bị từ hoá khi được đặt trong một từ trường Trong thực tế khả năng nhiễm từ của các kim loại không giống nhau và được chia làm hai nhóm

- Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ và được gọi là chất sắt từ

- Hầu hết các kim loại khác thì không có tính nhiễm từ

Tính nhiễm từ của các chất sắt từ phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại đó, do vậy tính nhiễm từ không phải là cố định đối với mỗi loại vật liệu

tính nữa

Tính nhiễm từ của kim loại được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật Trên ô tô nó được dùng để chế tạo các loại nam châm, các lõi sắt từ của các cuộn cảm, của rơle trong các thiết bị điện

3.1.8 Trọng lượng riêng

so sánh khi chọn vật liệu chế tạo các máy móc thiết bị cần quan tâm đến việc giảm nhẹ khối lượng

3.1.9 Nhiệt độ nóng chảy

Kim loại có tính nóng chảy khi đốt nóng và đông đặc khi nguội Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn được gọi là nhiệt độ nóng chảy Điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên hợp kim đó Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc Vì khi đúc người ta nấu chảy loãng kim loại để rót vào khuôn

3.2 Tính chất hoá học

3.2.1 Định nghĩa

Tính chất hóa học là biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng hóa học của các môi trường có hoạt tính khác nhau Hầu hết các kim loại và hợp kim đều bị tác dụng hóa học của môi trường xung quanh

Ví dụ thép để trong không khí bị gỉ, đồng bị gỉ thành màu xanh vv

3.2 2 Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim

a Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxi

trong không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

b Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axít Khi lựa

chọn vật liệu trong chế tạo máy, người ta phải căn cứ vào tính chất hóa học của vật liệu để lựa chọn cho phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết máy Ví dụ: Trên ô tô người ta phải dùng vật liệu là chì làm các bản cực của các bình ắc quy vì chì không bị axít ăn mòn

3.3.2 Các tính chất cơ học chủ yếu

a Độ bền Là khả năng chịu ngoại lực của kim loại ở mẫu thử đó nó không bị phá

b Độ cứng Là khả năng chống lại ngoại lực tác động khi chịư lực ở mẫu thử nó

được xác định là độ biến dạng trong cùng một điều kiện ngoại lực như nhau Người ta dùng nhiều đơn vị đo độ cứng như: HB (Brinen), HRA, HRB, HRC (Rốc oen)

c Độ đàn hồi Là khả năng biến dạng của vật liệu khi có ngoại lực tác động

d Tính biến hình Là khả năng biến dạng của kim loại so với hình dạng ban

đầu khi ngoại lực tác động, có phương, chiều và trị số khác nhau

Tính chất cơ học của vật liệu là một trong những đặc trưng quan trọng nhất được quan tâm khi lựa chọn vật liệu trong chế tạo máy

3.4 Tính chất công nghệ

3.4.1 Định nghĩa: Là khả năng mà kim loại có thể thực hiện được các phương

pháp công nghệ khác nhau để sản xuất các sản phẩm

3.4.2 Tính công nghệ

a Tính cắt gọt: Là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó Tính cắt gọt

được xác định bằng: tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt, độ bóng bề mặt sau khi cắt gọt

b Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết khi nung nóng cục

bộ vị trí nối đến trạng thái nóng chảy hoặc biến dạng dẻo

c Tính đúc: Là khả năng chảy loãng của kim loại khi nấu chảy kim loại để đổ vào

khuôn đúc Tính đúc được xác định bởi độ co, ngót và tính thiên tích của kim loại

d Tính rèn dập: Là khả nẳng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi có ngoại lực

tác động để tạo thành hình dạng chi tiết mà không bị phá hủy

e Tính nhiệt luyện: Là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của kim

loại bằng cách nung nóng kim loại, giữ kim loại ở nhiệt độ đó một thời gian rồi cho

nguội trong các môi trường với tốc độ nguội khác nhau

Tính chất công nghệ của kim loại cũng là một yếu tố rất quan trọng trong gia công chế tạo Nhờ có tính công nghệ có thể chế tạo được các chi tiết có các yêu cầu kỹ thuật khác nhau trong công nghệ chế tạo máy

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

Câu 1: Hãy nêu tầm quan trọng của kim loại và hợp kim trong sản xuất công nghiệp?

Câu 2: Trình bày cấu tạo của kim loại?

Câu 3: Thế nào là hợp kim? Cho biết cấu tạo của hợp kim?

Câu 4: Trình bày các tính chất chung của kim loại và hợp kim?

1 Giới thiệu chung về gang

1.1 Khái niệm: Gang là hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), trong đó lượng C = 2,14%,

nhưng không lớn hơn 6,67% Ngoài ra còn có các nguyên tố như Mn, S P, Si và một

số tạp chất khác

1.2 Thành phần hoá học và kết cấu mạng tinh thể

a Tổ chức tế vi: Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm

khác là phần lớn hay toàn bộ các bon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay

Graphit (rất ít hoặc không có các bon ở dạng liên kết hay cacbít)

Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là Graphit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau:

- Pherit: khi toàn bộ C ở trạng thái tự do

- Pherit – Peclit: Khi phần lớn C ở trạng thái tự do và rất ít C ở dạng liên kết Các

gang khác nhau chỉ là ở dạng của graphit

+ Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên khi đúc (gang xám)

+ Graphit có dạng quả cầu tròn: phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu)

+ Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hoá từ Xêmentit ( gang dẻo) Chính sự khác nhau của dạng Graphit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau

b Thành phần hoá học: Để có được graphit và graphit với các dạng khác nhau

Mỗi loại gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hoá học và cách chế tạo

Bảng 2-1 Thành phần hoá học của gang

Trong gang cũng còn có các nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi là gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hoá Chúng được đưa vào có chủ định hoặc chúng là các tạp chất

1.3 Tính chất của gang: Gang có một số tính chất quan trọng sau đây:

-Tính điền đầy khuôn trong gang, nhất là gang xám, tính chất này của gang rất quan trọng Vì vậy các chi tiết máy không có yêu cầu đặc biệt thì thường dùng phương pháp đúc để tạo hình Người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực Các phương pháp đúc này có thể tạo được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp

mà không cần gia công lại Ví dụ đúc thân máy, nắp máy… động cơ ôtô

- Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, như gang cầu, gang hợp kim đều có độ bền

cơ, bền nhiệt cao Vì vậy người ta thường dùng gang chế tạo các chi tiết máy có yêu cầu cao về độ chịu mài mòn, ma sát, độ gifn nở vì nhiệt thấp Ví dụ: Làm bánh đà động cơ ôtô, các xilanh lực của hệ thống thủy lực…

Tuy nhiên gang cũng có nhược điểm như tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện kém,

độ bền mỏi nhỏ Như vậy các chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng gang

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang:

2.1 ảnh hưởng của cácbon

Nếu các bon chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xementít thì gang đó gọi là gang trắng, nếu C ở trạng thái tự do thì gang đó gọi là gang xám(Grafít) Sự tạo thành các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội của nó

Nếu tốc độ nguội nhanh thì được gang trắng, tốc độ nguội chậm thì được gang xám

2.2 ảnh hưởng của các Mn, Si, P, S

- Silic (Si): Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang vì nó

thúc đẩy sự tạo thành Grafít trong gang xám, do vậy thành phần Si thường cao (1 đến

4,25%)

- Mangan (Mn): Nó thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản quá trình

Grafít hóa vì vậy lượng Mn trong gang trắng thường cao (từ 2 đến 2,5%)

- Phốt pho (P): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn

của gang Tuy nhiên P lại làm tăng tính chảy lofng của gang khi đúc

- Lưu huỳnh (S): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm tính đúc, giảm độ

bền, làm cho gang giòn Do đó thành phần của S trong gang thường nhỏ hơn 0,15%

3 Các loại gang thường dùng

- Lý tính: Trên bề mặt gãy của gang có màu sáng trắng do Cacbon ở dạng hợp chất

- Cơ tính: Do Cacbon ở dạng Fe3C nên gang rất cứng (650÷700)HB và giòn Do đó không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang trắng để làm các chi tiết máy có độ

chính xác cao

+ Độ dẻo, dộ bền thấp

+ Có khả năng chịu mài mòn tốt

- Tính kinh tế Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ

c Công dụng

- Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lửa…

- Cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ, nên chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng còn lõi vẫn là gang Graphit Muốn bề mặt bị biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc

- Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần được dùng để ủ thành gang dẻo

- Tổ chức tế vi: Gang xám là loại gang mà phần lớn Cacbon ở dạng tự do (gọi là

Graphit) Graphit trong gang xám có dạng tấm (hay phiến) cong tự nhiên Do graphit

có màu xám nên mặt gãy của gang có màu xám

b Phân loại: Tùy theo mức độ tạo thành Graphit mạnh hay yếu, gang xám được

chia ra các tổ chức sau :

- Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất cả Cacbon đều ở dạng tự do, không có xementit, chỉ có 2 pha: Graphit và nền kim loại là Ferit

- Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon liên

0,6 ÷ 0,8 % tạo nên nền kim loại Peclit

+ Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn Xementit nên gang xám có độ cứng, độ

+ Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép

+ Có khả năng khủ cộng hưởng và tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ)

- Tính kinh tế Chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép

d Phạm vi sử dụng: Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước

sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu nén là chủ yếu, các chi tiết cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi

trơn VD: Thân, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ

d Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Nga gang xám được ký hiệu bằng hai chữ CЧ : Với 2 số chỉ giới

- Thường dùng các loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám được ký hiệu bằng hai chữ GX và 2 số

giống tiếp theo giống như ký hiệu của Nga

Bảng 2-2 Cơ tính của gang xám (Theo TCVN 1659 - 75)

Số hiệu

gang

Giới hạn bền kéo

2

Độ giãn dài (δ%)

Giới hạn bền uốn

2

Giới hạn bền nén

2

Độ cứng

- Tổ chức tế vi ở dạng cụm bông

- Phương pháp chế tạo: Ủ gang trắng thành gang dẻo

b Tính chất: Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ dẻo cao và

c Phạm vi sử dụng:

- Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện chế tạo lâu, tốn nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm chi tiết máy, đồng thời thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Hình dạng phức tạp

- Tiết diện (thành) mỏng

- Chịu va đập

d Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ KЧ tiếp theo là hai

số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền

loại gang dẻo thường dùng: KЧ 4 30-06, KЧ 4 33-08, KЧ 4 37-12, KЧ 45-12, KЧ

56-04

- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và 2 số

Bảng 2-4 Cơ tính của gang dẻo (Theo TCVN 1661 - 75)

Số hiệu gang Giới hạn bền

kéo (kG/mm2)

Độ giãn dài (δ%)

-Chế tạo gang cầu:

b Tính chất

- Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt (Graphit hình cầu dạng thu gọn nhất)

- Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép

- Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép

c Phạm vi sử dụng: Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như trục

cán, thân tuốc-bin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác

d Ký hiệu

- Theo TCVN: GC và 2 số tương ứng như tiêu chuẩn Nga

- Các loại gang cầu thường dùng BЧ 38-17; BЧ 42-12

Bảng 2-3 Cơ tính của gang cầu (Theo TCVN 1660 - 75)

Số hiệu

gang

Giới hạn bền kéo

(KG/mm 2 )

Giới hạn quy ước khi kéo

Độ giãn dài

(δ%)

Độ dai va đập

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2

Câu 1: Trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang?

Câu 2: Trình bày thành phần, tổ chức tế vi, tính chất, phạm vi ứng dụng, kí hiệu của gang xám?

Câu 3: Trình bày thành phần, phương pháp chế tạo, phạm vi ứng dụng, kí hiệu của gang dẻo?

Câu 4: Trình bày thành phần, tính chất phạm vi ứng dụng của gang cầu?

1 Thép

1.1 Khái niệm chung về thép

1.1.1 Định nghĩa Thép là hợp kim của sắt và cacbon cùng một số nguyên tố khác như Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu hàm lượng cacbon trong thép nhỏ hơn 2,14%

1.1.2 phân nhóm thép

Tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố trong thép mà người ta phân thép

thành hai nhóm là thép cacbon và thép hợp kim Trong đó:

Thép cacbon: ngoài sắt và cacbon thì còn một số nguyên tố khác gọi là các tạp chất trong thành phần của thép như: Mn, Si, P, S…

Thép hợp kim: ngoài sắt và cacbon và các tạp chất, người ta cố tình đưa thêm vào các nguyên tố đặc biệt với một hàm lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho phù hợp với yêu cầu sử dụng Các nguyên tố được đưa vào thường là

Cr, Ni, Mn, W, V, Mo, Ti, Cu, Ta, B, N…

1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất chung của thép

1.2.1 Ảnh hưởng của các bon

Đây chính là nguyên tố chủ chốt và quan trọng nhất trong việc quyết định đến độ bền của thép Đối với loại thép này, nếu càng giảm lượng cacbon thì độ dẻo của thép cacbon càng cao Ngược lại hàm lượng cacbon trong thép tăng lên thì độ cứng, độ bền cũng sẽ tăng lên đáng kể Nhưng trường hợp này sẽ làm giảm tính dễ uốn và giảm tính hàn

Việc lượng cacbon trong thép tăng lên cũng kéo theo làm nhiệt độ nóng chảy của thép thấp xuống, tức là khả năng chịu nhiệt sẽ bị giảm Tuy nhiên, chỉ khi hàm lượng cacbon tăng lên ở mức 0.8% đến 1% thì độ bền của thép mới đạt ngưỡng cực đại Ngược lại, nếu giảm quá khoảng giới hạn này, tức nhiên độ bền của thép sẽ giảm đi

1.2.2 Ảnh hưởng của các Mn, Si, P, S

* Mangan (Mn)

Lượng mangan có thể có trong thép cacbon chỉ nằm ở mức từ 0,5 % đến 0,8 % Nó

có tác dụng làm nâng cao độ bền và độ cứng của thép Đặc biệt sẽ giúp giảm bớt những tác hại mà lưu huỳnh tạo ra

* Lưu huỳnh (S)

Lưu huỳnh sau khi đưa vào sẽ kết hợp với nguyên tố mangan và kết tinh ở nhiệt độ cao 1620 độ C Sự kết hợp này sẽ giúp cho thép trở nên deo hơn và không bị đứt, gãy khi ở nhiệt độ cao

* Silic (Si)

Lượng silic cao nhất có trong thép ở mức 0.2% đến 0.4%, khá thấp nên cũng không

có tac dụng gì rõ rệt Khi silic hòa tan vào ferit thì mới tăng thêm độ cứng và bền

* Photpho (P)

Đây là nguyên tố khi hòa tan với ferit sẽ làm tăng tính giòn của thép Vì thế khi thêm vào chỉ nên ở mức thấp hơn 0.05%

1.2.3 Ảnh hưởng của các tạp chất nitơ

Khi hàm lượng cacbon thấp dưới 0.03% sẽ làm giảm sức bền của thép chuẩn Lúc này nitơ được thêm vào để tăng thêm độ bền cho thép

1.3 Phân loại thép

1.3.1 Phân loại theo thành phần

* Thép cacbon: Hàm lượng cacbon dưới 1,7% không có các thành phần hợp kim khác Tuỳ theo hàm lượng cacbon chia ra:

- Thép cacbon thấp: Lượng cacbon dưới 0,22% Đây là loại thép mềm, dẻo, dễ gia công, được sử dụng trong ngành xây dựng

- Thép cacbon vừa: Lượng cacbon từ 0,22% đến 0,6%

- Thép cacbon cao: Lượng cacbon từ 0,6% đến 1,7%

Thép cacbon vừa và cao được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác

* Thép hợp kim: Thêm các thành phần kim loại khác như Crôm (Cr), kền (Ni), mănggan (Mn) có tác dụng nâng cao chất lượng thép (tăng độ bền, tăng tính chống gỉ ) Tuỳ theo hàm lượng các kim loại khác chia ra:

- Thép hợp kim thấp: Lượng kim loại thêm vào dưới 2,5% Được sử dụng trong ngành kết cấu xây dựng

1.3.2 Phân loại theo phương pháp luyện thép

- Luyện bằng lò bằng (Lò Martin): Thép luyện bằng phương pháp này có chất lượng tốt do có cấu trúc thuần nhất, nhưng nhược điểm của phương pháp này là năng suất thấp (thời gian luyện một mẻ từ 8 đến 12 giờ), do vậy giá thành thép cao

- Luyện bằng lò quay (lò Bessmer, lò Thomas): Phương pháp này có năng suất cao, nhưng chất lượng không tốt do lẫn tạp chất, bọt khí (thời gian luyện một mẻ chỉ khoảng 30 phút) nên giá thành thép giảm

Để khắc phục nhược điểm của các phương pháp trên, hiện nay người ta sử dụng lò quay tiên tiến, vừa cho thép chất lượng tốt, vừa cho năng suất cao

1.3.3 Phân loại theo phương pháp khử ôxy

- Thép sôi: Là loại không khử được ôxi triệt để Quá trình khử khí CO bay lên, mặt

thép lỏng chuyển động như thể bị sôi nên gọi là thép sôi Loại này vẫn còn các bọt rỗ khí trong thỏi đúc

- Thép lặng: Là loại khử ô xi triệt để Quá trình khử mặt thép lỏng luôn phẳng nặng

nên có tên gọi là thép lặng Thép lặng trong tổ chức không có rỗ khí nên có cơ tính cao hơn thép sôi

1.3.4 Phân loại theo công dụng

- Nhóm thép cacbon kết cấu: Trong nhóm này lại chia ra làm hai loại:

+ Thép xây dựng: Chủ yếu dùng làm kết cấu trong xây dựng nhà cửa, cầu cống Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp, song không cao và cần có độ dẻo để dễ uốn

+ Thép chế tạo máy: Loại này đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn, đặc biệt

là độ bền phải cao trong khi vẫn đảm bảo độ dẻo, độ dai Trong nhóm thép này người

ta lại chia ra các loại:

- Nhóm thép chế tạo máy: Trong nhóm này lại có các loại:

+ Nhóm yêu cầu cao về độ dẻo, độ dai: Trong nhóm này thành phần cacbon thấp (C

= 0,1 – 0,25%) Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua nhiệt luyện thấm cacbon

+ Nhóm yêu cầu cao về giới hạn chảy và độ dai: Thành phần cacbon của nhóm này loại trung bình (C=0,3 – 0,5%) Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt + Nhóm yêu cầu cao về giới hạn đàn hồi: Nhóm này có thành phần cacbon tương đối cao (C= 0,55 – 0,65%)

- Nhóm thép cacbon dụng cụ: Là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên cần có yêu

cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn

Trong công nghệ chế tạo máy, khoảng 80% khối lượng là thép cácbon kết cấu

1.4.1 Thép các bon kết cấu chất lượng thường

a Thành phần, kí hiệu

-Theo TCVN 1765 – 75: Thép cacbon chất lượng thường bằng hai chữ cái CT kèm

+ Nhóm B: Phía trước chữ CT có thêm chữ B có các mác từ BCT 31 đến BCT 61

thép phải tra bảng

Bảng 2-6 Thép các bon chất lượng thường nhóm B theo TCVN 1765-75

+ Nhóm C: Phía trước chữ CT có chữ C tức là CCT kèm theo hai con số Cơ tính và

thành phần hoá học tuân theo các mác tương ứng của phân nhóm A, B Ví dụ mác CCT 38 có cơ tính như CT 38, còn thành phần hoá học thì như BCT 38

-Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT 380) Thép cacbon chất lượng thường ký hiệu

bằng hai chữ cái CT kèm theo con số từ 0 - 6 chỉ cấp độ bền Số càng to độ bền càng

vậy độ bền uốn tăng theo tỷ số từ 0 - 6, độ dẻo thì ngược lại

Tiêu chuẩn này cũng phân làm 3 phân nhóm là A, Б, B tương ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN

+ Nhóm A: Có các mác thép CT0 -… CT6

+ Nhóm Б: Có các mác thép MCT0 …MCT7 hoặc KCT0 -….KCT7

+ Nhóm B: Có các mác thép BMCT2 - BMCT5; BKCT2 - BKCT5

Các chữ M, Б, K là chỉ cách chế tạo thép: M là thép lò máctanh, Б là thép lò becxơ,

K là thép lò điện.Trong các ký hiệu trên chữ số càng lớn thì lượng cacbon trong thép càng nhiều, thép càng cứng và bền nhưng độ dẻo và dai thì giảm đi

Bảng 2-7 Thành phần hóa học và cơ tính thép C chất lượng thường (ΓOCT 380)

- Theo Tiêu chuẩn Hoa kì (ASTM) với nhiều tiêu chuẩn khác nhau: 283, 284, 328

với đặc điểm chung là chúng đều được quy định cả về cơ tính và thành phần hoá học

và chúng cũng được chia theo ba cấp A, B, C theo thứ tự độ bền tăng dần

-Theo tiêu chuẩn của Nhật (JSG 3101), thép cacbon có chất lượng thường được kí

hiệu bằng chữ SS hay SM với số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (Mpa) Có các mác thép chỉ được đảm bảo cơ tính như phân nhóm A - TCVN JSG 3106 có các mác thép chuyên để hàn đảm bảo cả cơ tính lẫn thành phần hoá học như nhóm C - TCVN

b Tính chất và công dụng

Thép cacbon được dùng nhiều trong xây dựng để làm tấm đan, cốt bê tông, làm cầu

và các công trình khác Thường được dùng ở dạng đã qua cán nóng thành hình như :

dây, thanh, tấm, chữ U , I , L

Thép nhóm A vì không qui định thành phần nên không dùng gia công nóng Các loại thép nhóm B và C được dùng để sản xuất các chi tiết có qua nhiệt luyện hoặc để hàn Ví dụ làm các loại bu lông, chốt, trục chịu tải trọng nhỏ

Bảng 2-8 Phạm vi sử dụng của thép cacbon chất lượng thường

Mác

thép Đặc điểm và phạm vi sử dụng

chịu ứng suất không lớn Có tính hàn tốt

khác mà yêu cầu có độ bền không cao, tính hàn thỏa mãn yêu cầu

- Theo TCVN 1766 – 75: Thép cacbon chất lượng tốt được kí hiệu bằng chữ C và

hai con số chỉ phần vạn lượng cacbon trong bình có trong thép Ví dụ mác C 40 có nghĩa: C chỉ thép cacbon chất lượng tốt, 40 chỉ lượng cacbon khoảng 0,4%

- Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓCOT): Dùng hai con số chỉ phần vạn lượng

cacbon trong bình có trong thép Ví dụ ký hiệu thép là 30, 35, 40, 45… ý nghĩa là thép cacbon kết cấu loại tốt trong đó lượng C là 0,3, 0,35%

- Theo tiêu chuẩn của Nhật: Kí hiệu thép cacbon chất lượng tốt bằng hai chữ

SxxC Trong đó xx là chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn

c Tính chất và công dụng

Thép cacbon kết cấu loại tốt được sử dụng nhiều trong chế tạo máy Các loại thép C10, C15, C20 là loại có tính công nghệ tốt: Dễ tiện , rèn, hàn, dập Các loại này

thường làm dùng bulông, đai ốc, ống, các tấm thép hàn Các loại thép C40, C45 được

sử dụng để làm thanh truyền động cơ ôtô, các loại trục truyền lực Người ta thường tôi

và ram để tăng độ cứng bề mặt và khả năng chịu mòn Các loại thép C55 - C70 là thép

có chứa nhiều cacbon thường được sử dụng làm trục cán, các loại lò xo…

1.4.3 Thép các bon dụng cụ:

a Thành phần

Thép Cacbon dụng cụ là loại thép dùng để chế tạo dụng cụ cắt, dụng cụ đo kiểm, vì

vậy thép này có lượng C = (0,7 ÷ 1,6)%

b Ký hiệu

- Theo tiêu chuẩn Nga (ΓCOT): Thép các bon dụng cụ được ký hiệu bằng chữ Y

kèm theo con số chỉ lượng C tính theo phần nghìn Nếu có thêm chữ A ở cuối ký hiệu

là chỉ thép có chất lượng tốt VD : Y8 là thép các bon dụng có hàm lượng C = 0,8%; Y12A là thép các bon dụng có hàm lượng C = 1,2% và là thép chất lượng tốt Thường dùng các ký hiệu Y7, Y8, Y9, Y10, Y11, Y12 …

- Theo TCVN: thép các bon dụng cụ được ký hiệu bằng hai chữ CD tiếp theo là

con số chỉ lượng C tính theo phần vạn, thêm chữ A chỉ chất lượng tốt VD : CD80 tương đương với Y8, CD 120A tương đương với Y12A

theo mong muốn như : Cr , Mn , Ni, Si , Mo, V , Ti, Co , Cu , Al , W

- Tính chịu ăn mòn hóa học: Thép có khả năng chịu ăn mòn trong axit, bazơ,

muối Một số loại khác có khả năng chổng gỉ tốt

- Tính chịu nhiệt cao: Do có các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của

cacbon nên thép hợp kim có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn 2000C mà cơ tính của thép ít bị thay đổi Tuy vậy thép hợp kim có nhược điểm tính dẻo dai kém

* Thành phần hoá học: Khác với thép cacbon, trong thép hợp kim người ta cố ý

đưa thêm vào các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất cơ, lý, hoá của vật liệu Các nguyên tố có lợi đưa vào với lượng đủ lớn như vậy được gọi là nguyên tố hợp kim Sau đây là một số nguyên tố thông thường

- Theo tiêu chuẩn của Nga ( ΓOCT)

+ Dùng số: dùng hai số đầu tiên chỉ phần vạn lượng cácbon trung bình, nếu thép

chứa 1% lượng C thì con số đầu tiên không ghi Các con số đứng sau các chữ chỉ thành phần % của nguyên tố đó Nếu nguyên tố nào bằng 1% thì không ghi số

- Theo tiêu chuẩn Hoa kì (SASI/SAE): Phía sau tiêu chuẩn trên có bốn con số

SASI/SAExxxx Trong đó hai số cuối biểu thị lượng cacbon trung bình theo phần vạn

- Theo tiêu chuẩn Nhật bản (JSG): Thép hợp kim bắt đầu bằng chữ S, tiếp theo là

kí hiệu nguyên tố hợp kim và tiếp theo là ba số Trong đó hai số cuối chỉ phần vạn lượng cacbon trung bình Ví dụ: SCr xxx

c Ứng dụng: Thép hợp kim kết cấu được dùng nhiều trong công nghệ chế tạo chi

tiêt máy

- Thép Crôm: ví dụ 15X dùng chế tạo các bánh răng, trục cam động cơ đốt trong, loại 20X chế tạo các vòng bi

cụ, thép hợp kim dụng cụ có tính chống mài mòn tốt hơn, chịu nhiệt tốt hơn Các thép

hợp kim dụng cụ còn có độ thấm tôi sâu, biến dạng nhỏ hơn các loại thép khác

b Phân loại: Người ta phân thép hợp kim dụng cụ thành các loại sau:

* Thép có năng suất thấp: Đó là nhóm thép có thành phần cacbon cao (C ≥ 1%),

được hợp kim hoá thấp và vừa phải với đặc điểm có độ thấm tôi tốt và tính chống mài

mòn khá cao Ví dụ: mác thép 90CrSi Trong nhóm này người ta lại chia làm các loại:

- Loại có tính thấm tôi tốt: Loại này được hợp kim hoá thấp (các nguyên tố ≈

1%) Ví dụ mác thép 90 CrSi

- Loại có tính chống mài mòn cao: Loại này có lượng cacbon rất cao (C > 1,3%),

và nhiều Vonfram là nguyên tố tạo thành cacbit Ví dụ mác thép 140CrW5 Trong loại này người ta lại sử dụng nhiều loại thép hợp kim dụng cụ khác:

+ Thép hợp kim dụng cụ Crôm Ví dụ: X12, 9X

+ Thép hợp kim dụng cụ Crôm – Silic Ví dụ: 9 XC, 6XC, 4XC

* Thép làm dao có năng suất cao (Thép gió): Thép gió là tên gọi của Việt Nam (các nước gọi là thép cắt nhanh) do nó có thể tự tôi trong không khí (trong gió) cũng đạt được độ cứng cao nên gọi là thép gió Trong thép gió người ta lại chia ra hai loại:

Thép gió có năng suất thường và thép gió có năng suất cao

Đây là thép làm dao quan trọng nhất, nó thoả mãn nhiều yêu cầu đối với vật liệu làm dao như: tính chống mài mòn và tuổi bền cao, nó chịu được nhiệt độ cao (tới

lần các loại trên) Tính chống mài mòn và tuổi bền cao (gấp 8 đến 10 lần các loại trên) Đặc biệt độ thấm tôi của thép gió rất cao (tôi thấu với tiết diện bất kì)

1,2-1,25

0,95-Làm mũi khoan, mũi doa, tarô, bàn ren, khuôn dập…

1,0-Làm trục máy, khuôn dập nguội cỡ nhỏ

1,3-Làm đục, lưỡi cạo cắt nguội và cắt nóng kim loại

* Nhóm có năng suất cao: Thép gió

- Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và tính chất của thép gió

+ Tất cả các nguyên tố hợp kim có ở trong thép gió thì nguyên tố Vonfram là quan trọng nhất Tỷ lệ Vonfram trong thép gió bằng từ 6 đến 18% nó làm cho thép gió có tính nóng cao là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh gọi là cacbit Vonfram Fe3W3C + Crom: Crom trong thép gió ư 4% nó có tác dụng làm tăng độ thấm tôi nên thép gió có khả năng tự tôi và tôi thấu tới tiết diện bất kì

+ Vannadi: Là nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh, là cacbit Vanadi (VC) VC rất cứng và có tính ổn định do đó làm tăng tính chống mài mòn

Ví dụ: 9XC: Nghĩa là đây là thép hợp kim dụng cụ

9 chỉ lượng phần nghìn C trong thép C = 0,9%

X chỉ lượng Cr ≈ 1%

H chỉ lượng Ni ≈ 1%

- Nhóm thép có năng suất cao: Thép gió

+ Theo tiêu chuẩn của Nga (ΓOCT) được quy định như sau: Dùng chữ P đầu tiên chỉ thép gió, con số đứng sau chữ P chỉ thành phần % Vonfram (W), con số đứng sau chữ Ф chỉ thành phần % Vanadi (V), Con số đứng sau chữ M chỉ thành phần % của Molipden (Mo), con số đứng sau chữ K chỉ thành phần % của coban (Co), thành phần % của Crom (Cr) thì không ghi vì lượng crom các loại thép gió đều ≈ 4% Ví dụ: P10K5Ф5 có nghĩa: P chỉ thép gió có 10% Vonfram, 5% bột kết dính Coban, 5% Vanadi còn lại 80% là cacbit Vonfram

+ Tiêu chuẩn của Hoa kì (AISI) có các mác thép gió là T1, T4, T15, M2

+ Theo tiêu chuẩn của Nhật (JSG) có các mác SKH2, SKH3, SKH10, SKH51…

e Ứng dụng

- Thép hợp kim dụng cụ crôm: ví dụ là loại X12, 9X dùng để chế tạo các loại dao

tiện, dao phay, khuôn dập

- Thép hợp kim dụng cụ Crôm-Si lích: Ví dụ 9XC, 6XC dùng làm dao cắt các loại

máy tiện, doa, làm mũi khoan…

- Thép gió

+ Thép gió năng suất thường: Ví dụ P9, P18, T1, SKH2… Dùng làm dao gia công

các vật liệu mềm và có độ cứng trung bình Nó được dùng phổ biến làm dụng cụ cắt

như là dao tiện, phay, khoan, khoét… Trong hai loại trên thì loại P18 có tính mài mòn

tốt hơn và đắt tiền hơn

+ Thép gió năng suất cao: Ví dụ loại P10K5Ф5, P18K5Ф2, T4, SKH3… Các loại này có tính chống mài mòn và có tính cứng nóng cao Nó được dùng để gia công các vật liệu có độ cứng cao như gang, thép hợp kim …

1.5.2.3 Thép hợp kim đặc biệt

* Đặc điểm: Là các loại thép hợp kim có khả năng chịu bền nhiệt, chịu được nhiệt

độ cao mà ít bị suy giảm về cơ tính, chịu được sự ăn mòn hóa học của môi trường

* Thành phần hoá học:Để có được các tính chất đặc biệt, người ta pha trộn nhiều

nguyên tố kim loại với những tỷ lệ khác nhau và đặc điểm khác nhau Sau đây là một

số thành phần chính:

a Thành phần cacbon: Phần lớn các loại thép này có thành phần cacbon thấp (từ

0,1 –0,15%), thậm chí có những loại thép không còn cacbon (lúc này không gọi là thép

mà chỉ là hợp kim sắt) Có loại thép ngược lại có lượng cacbon rất cao ( >1%), rất ít trường hợp có lượng cacbon trung gian

b Thành phần hợp kim: Phần lớn loại thép này thuộc loại hợp kim hoá cao

(>20%), song thường chỉ dùng một hoặc hai nguyên tố hợp kim chủ yếu là Crom – Niken

* Các loại thép hợp kim đặc biệt: Người ta chia thép hợp kim đặc biệt làm 5 loại:

a Thép không gỉ

- Tính chất: Là loại thép có khả năng chống sự ăn mòn rất cao của môi trường

(không khí, nước biển, dung dịch kiềm và axit) Một trong các nguyên tố tạo cho thép

có tính chống gỉ là Crom Trên bề mặt của thép tạo thành một lớp màng mỏng Cr2O3

có khả năng chống gỉ Nếu cho thêm Niken vào thép chứa nhiều Crom thì tính chống

gỉ càng tốt Vì vậy có loại thép Crom, Crom - Niken chống gỉ

- Kí hiệu:

+ Thép Crom được ký hiệu như 2X13, X17 hoặc là X28…các loại này dùng làm xupáp, xilanh động cơ đốt trong, dụng cụ đo, dụng cụ y tế hoặc trong công nghiệp hóa thực phẩm

+ Thép Crom – Niken được kí hiệu X18H9, 2X18H9… được chế tạo dạng tấm mỏng dùng nhiều trong công nghiệp hàng không

b Thép chịu nhiệt và bền nhiệt

- Tính chất: Là loại thép có khả năng chịu nhiệt độ cao của các khí có tính ăn mòn

kim loại Thành phần chủ yếu tạo nên tính chịu nhiệt là Crom, các nguyên tố khác như nhôm và Silic cũng tạo nên tính chịu nhiệt của thép Mặt ngoài của thép

chịu nhiệt hình thành một lớp mỏng, chắc, một lớp hỗn hợp Oxit crom và Oxit sắt Lớp màng này ngăn không cho Ôxi của không khí hoặc các khí nóng khác xâm nhập vào thép

- Kí hiệu: Ví dụ 4X9C2, 6XCЮ… loại này chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ

c Thép và hợp kim có điện trở cao

- Thép được sử dụng trong các lò điện và các thiết bị sấy nóng Các loại thép này ngoài việc có điện trở cao còn có tính chịu ôxi hoá cao

- Ví dụ: Có bốn loại thép điện trở cao là: X13Ю4, OX23Ю5, OX23Ю5A, OX27Ю5A các loại này sử dụng trong các lò điện và thiết bị sấy vì nó có tính chịu oxi hóa cao

d Thép có từ tính và không có từ tính

- Thép có từ tính: Loại thép này có độ từ thẩm lớn và lực khử từ nhỏ Các thép này

được kí hiệu như: EX5K5, EX9K15M,… và được ứng dụng để chế tạo các loại nam châm vĩnh cửu

- Thép không có từ tính: Trong chế tạo máy điện, đôi khi cần vật liệu không có từ

tính nhưng lại có cơ tính tốt Do vậy người ta dùng thép không có từ tính để thay các hợp kim màu như đồng, nhôm Để thép không có từ tính người ta đưa vào thép một lượng nhất định Niken hoặc Mangan Ví dụ: H9Γ9; 55Γ9H9X3… là các loại thép để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường có từ trường, nhưng lại không được có tính từ hóa

e Thép có tính giãn nở đặc biệt

- Trong các dụng cụ đo lường đặc biệt chính xác, người ta đòi hỏi vật liệu chế tạo hầu như không thay đổi độ giãn nở khi nhiệt độ môi trường thay đổi nhiều Để đáp ứng yêu cầu này người ta đã sản xuất hợp kim Niva có hệ số giãn nở nhiệt rất nhỏ Ví dụ H36, X8H30 là các loại thép dùng chế tạo các loại dụng cụ đo có yêu cầu đặc biệt

giãn nở nhiệt gần như bằng 0

Ngoài ra trong các loại đồng hồ đo, để đảm bảo độ chính xác thì các dây tóc và lò

xo của đồng hồ còn có yêu cầu lực đàn hồi không thay đổi và ít giãn nở Để đáp ứng yêu cầu này, người ta chế tạo hợp kim Êlinva X8H30 Để có được các hợp kim có hệ

số giãn nở nhiệt gần bằng hệ số giãn nở nhiệt của thuỷ tinh (trong các dây tóc bóng đèn chân không) người ta sử dụng hợp kim Platinít H42

- Chú ý: Các kí hiệu của 5 loại thép không gỉ ở trên được lấy theo (ΓOCT) của Nga Ngoài theo tiêu chuẩn ΓOCT còn có các tiêu chuẩn khác như sau:

+ Tiêu chuẩn của Mỹ ( AISI) có các mác thép 410, 420, 405, 406…

+ Tiêu chuẩn của Nhật (JSG) có các mác thép SUS301, 304, 316, 420, 446…

- Thép làm khuôn dập bé: CD100; CD120 (Y10; Y12)

- Thép làm khuôn trung bình (75-100mm) thường dùng thép 100Cr; 100CrWMn; 100CrWSiMn tôi phân cấp

- Thép làm khuôn lớn và chống mài mòn cao (200-300mm) thường dùng 200Cr12 150Cr12Mo 130Cr12V có khả năng chống mài mòn cao có độ thấm tôi lớn

- Thép làm khuôn chịu tải trọng va đập: 40CrW2Si; 50CrW2Si; 40CrSi; 60CrSi

* Thép làm khuôn dập nóng

a Điều kiện làm việc và yêu cầu

- Tiếp xúc với phôi nóng (10000C), khuôn chịu nóng (500-7000C) theo chu kỳ

- Độ bền, dai, cứng vừa phải: 35-45 HRC

- Tính chống mài mòn cao

- Bền nhiệt, chống mỏi nhiệt, chịu được nhiệt độ thay đổi theo chu kỳ

b Các thép làm khuôn dập nóng

- Thép làm khuôn rèn: 50CrNiMo; 50CrNiW; 50CrNiTi; 50CrNiSi; 50CrNiSiW

- Thép làm khuôn chồn, ép: 30Cr2W8; 30Cr2W8V; 30CrNiSi; 40CrNiSi; 50CrNiSi

2.1.2 Tính chất của vật liệu dẫn từ

Các nguyên tố có tính chất sắt từ là: sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng được gọi là chất sắt từ Nguyên nhân chủ yếu gây nên

những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỷ đạo của các điện tử trong nguyên tử

Hiện tượng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hướng song song với nhau Các vùng ấy được gọi là đômen tử

Như vậy tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm

từ tự phát ngay khi không có từ trường ngoài Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng

từ hóa tự phát nhưng mômen từ của các đômen lại có hướng rất khác nhau Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hướng nghĩa là theo các trục khác nhau mức

từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau Trong trường hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính

dị hướng thể hiện rất rõ người ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính Tạo được thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, nó được sử dụng trong kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ

của vật liệu theo hướng xác định

2.1.3 Các đặc tính của vật liệu dẫn từ

Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ dưới ảnh hưởng của từ trường bên ngoài gồm có các hiện tượng sau:

+ Tăng thể tích của các đômen có mômen từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ nhất

và giảm kích thước của các đômen khác (quá trình chuyển dịch mặt phân cách của các đômen)

+ Quay các véc tơ mômen từ hóa theo hướng từ trường ngoàI (quá trình định hướng)

Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ có thể đặc trưng bằng đường cong từ hóa B = f(H),

có dạng tương tự với tất cả các vật liệu sắt từ

Khi từ hóa chất sắt từ đơn tinh thể thì kích thước của chúng có thay đổi

Quá trình từ hoá lại vật liệu sắt từ trong từ trường biến đổi bao giờ cũng có tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt do tổn hao từ trễ và tổn hao động học

Tổn hao động học là do dòng điện xoáy cảm ứng trong khối sắt từ và một phần còn

do hiệu ứng gọi là hậu quả từ hoá hay độ nhớt từ Tổn hao dòng điện xoáy phụ thuộc vào điện trở Điện trở suất chất sắt từ càng cao thì tổn hao dòng điện xoáy càng nhỏ Công suất tổn hao dòng điện xoáy có thể tính theo công thức:

V B f

P f 2

max 2





Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ Được dùng

để chế tạo mạch từ của các thiết bị điện, đồ dùng điện Đặc điểm của loại vật liệu này

Thép điện cácbon thấp, hoặc tấm điện, một trong những loại khác nhau của thép thỏi, độ dày của tấm từ 0,2 đến 4mm, không chứa trên 0,04% cácbon và không quá 0,6% của các nguyên tố khác Độ thẩm từ cao nhất đối với những loại thép khác nhau không trên mức 3500  4500, lực kháng từ tương ứng không cao hơn (100  62)A/m Sắt đặc biệt tinh khiết được sản xuất bằng cách điện phân trong dung dịch của sulfát sắt hay clorua sắt Nó chứa 0,05 tạp chất

Vì có điện trở tương đối thấp nên sắt tinh khiết kỹ thuật được sử dụng tương đối ít, chủ yếu làm mạch từ từ thông không đổi

Bảng 4.1: Các thành phần hóa học và các tính chất từ của một vài loại sắt

Người ta đưa thêm silic vào thành phần của những lá thép này Hàm lượng silic này dùng để hạn chế tổn hao do từ trễ và tăng điện trở của thép để giảm tổn hao do dòng điện xoáy Nếu thành phần silic nhiều (trên 5%) thì làm tăng độ dòn, giảm độ dẻo nên vật liệu rất khó gia công

Tùy theo thành phần silic có trong thép nhiều hay ít mà tính chất từ thay đổi khác nhau Thép có hàm lượng silic cao chủ yếu làm mạch từ cho máy biến áp Thép

có hàm lượng silic rất nhỏ được dùng làm mạch từ trong trường hợp từ thông không đổi

Con số thứ hai đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép

+ Các con số 1, 2, 3 đảm bảo suất tổn hao xác định khi từ hoá lại ở tần số Pécmaloi50Hz) và cảm ứng từ trong từ trường mạnh

+ Chữ A ký hiệu suất tổn hao rất thấp

+ Số 4 cho biết thép được định mức tổn hao khi từ hóa ở tần số 400Hz và cảm ứng từ trong từ trường trung bình

+ Thép có ký hiệu số 5, 6 dùng trong từ trường yếu từ (0,002 0,008)A/cm và trị

+ Con số 7, 8 chỉ đặc điểm chủ yếu của độ từ thẩm trong cường độ từ trường trung bình từ (0,03 10)A/cm

+ Con số 0 thứ 3 chỉ thép được cán nguội (thép có thớ)

+ Có hai số 0 liên tiếp là thép được cán nguội và ít thớ

Bảng 4.2: Sự phụ thuộc của khối lượng riêng và điện trở suất thép lá kỹ thuật điện vào hàm lượng silíc

Hàm lượng Si, %

Khối lượng riêng,

Điện trở suất