bài giảng thép và hợp kim đặc biệt

• Cơ chế hóa bền : khi làm việc bị ma sát dưới áp lực lớn và chịu tải trọng va đập, lớp bề mặt thép bị biến dạng dẻo, xảy ra hai quá trình sau : - Hóa bền biến cứng do biến dạng nguội -

THÉP VÀ HỢP KIM ĐẶC BIỆT

Khái niệm

Là các thép và hợp kim có tính chất vật lý, hóa học, cơ học đặc biệt Tuy dùng với số lượng không nhiều, nhưng không thể thay thế được trong một số lĩnh vực.

Đặc điểm :

Si) hay hai (Cr-Ni) NTHK chính

1 Thép và hợp kim có tính chịu mài mòn cao

Phân loại :

Có 4 loại chính :

thép ổ lăn,…

bề mặt khi làm việc, thép hadfield

• Cơ chế hóa bền : khi làm việc bị ma sát dưới áp lực lớn và

chịu tải trọng va đập, lớp bề mặt thép bị biến dạng dẻo, xảy ra hai quá trình sau :

- Hóa bền biến cứng do biến dạng nguội

- Chuyển biến máctenxit , do ôs chứa C cao nên mactenxit biến dạng có độ cứng rất cao, 600HB, trong khi lõi thì vẫn có độ dẻo dai cao.

Khi làm việc, Lớp bề mặt biến cứng bị mài mòn và liên tục

được tạo thành dưới tác động của tải trọng, vì vậy, nó tốt hơn

là hóa nhiệt luyện.

Chú ý : - Sau khi đúc, cần tôi để tạo ra tổ chức hoàn toàn ôs

- Không thể gia công cắt, → đúc chính xác

Thép graphit hóa

• Thành phần hóa học : có thể dùng thép C cao

hoặc trung bình, nhưng cần có %Si cao (1-2%)

và Mn thấp

• Tổ chức tế vi : có nền giống như thép thông

dụng, nhưng còn thêm graphit tự do, kết hợp

được giữa độ bền, độ cứng của thép và khả

năng chịu mài mòn do giảm ma sát của graphit

• Công dụng : làm khuôn kéo, khuôn dập nguội

có tuổi thọ cao hơn 210Cr12 từ 2-3 lần.

Thay bạc trượt bằng đồng và chi tiết khác trong điều kiện ma sát khô

Thép graphit hóa.ppt

Hợp kim các bit đúc

Pha cácbit rất cứng, có khả năng nâng cao độ chống mài mòn Có thể chế tạo theo phương pháp luyện kim bột ( thiêu kết) hoặc nấu chảy (đúc)

Hợp kim các bit đúc dựa trên nền sắt, chứa lượng lớn C (

<4%) và các nguyên tố tạo K ( chủ yếu là Cr, W, V, ), lượng

K chiếm từ 40-60%, dùng ở trạng thái đúc hoặc tráng lên bề mặt chi tiết

Ví dụ : hợp kim 250Cr28, 300Cr23B2Si2Ti, dùng cho các chi tiết chịu mài mòn, không chịu va đập

Hợp kim 350Cr7Mn7Si, 300Cr26Ni4Si4Mn có nền ôstenit,

chịu va đập

Hợp kim 110Mn13, 300Mn4, 110Cr14W13V2MnSi có nền

ôstenit-mactenxit dùng cho các chi tiết chịu va đập cao

HK stellite : 1-2%C, 35-55%Co, 20-35%Cr, 9-15%W, Fe còn lại

2 Thép không gỉ

Khái niệm :

Là họ thép HK trên cơ sở sắt, bền ăn mòn trong các môi trường khác nhau Mỗi loại chỉ có tính chống ăn mòn cao trong một số môi trường nhất định, ngay trong môi trường đó, nó vẫn bị ăn mòn với tốc độ thấp và được coi là không gỉ.

Trong môi trường ăn mòn yếu :

- v > 0.1 mm/năm : coi là bị gỉ

Trong môi trường ăn mòn mạnh :

- v > 1 mm/năm : coi là bị gỉ

Về vai trò của crôm trong thép không gỉ

Crôm là NTHK có vai trò quyết định đến tính không gỉ của thép Có hai cách giải thích :

thụ động hóa bề mặt thép

lên bằng Xe (hay K nói chung)

Sơ lược về các loại thép không gỉ :

• Thép không gỉ hóa cứng tiết pha

• Ảnh hưởng của NTHK trong thép không gỉ.ppt

• Khái niệm và Phân loại thép không gỉ.ppt

• Để xác định tổ chức của thép không gỉ khi biết thành phần hóa học, người ta dùng giản đồ

Schaffler Giản đồ Schaffler.ppt

Thép không gỉ mactenxit

 Thành phần hóa học: Lượng Cr 12-17%,

- Nếu %Cr nằm ở giới hạn dưới (12.5-13%) thì %C < 0.4% để tránh tạo K, làm nghèo Cr, thuộc họ 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 40Cr13

- Nếu %Cr nằm ở giới hạn trên (17%), thì %C có thể tăng 1.1%, độ cứng tăng mạnh.

0.9-Thành phần hóa học thép không gỉ M.ppt

 Môi trường sử dụng : không khí, nước sông, nước máy, axit

HNO3, bị ăn mòn trong các môi trường axit khác.

 Nhiệt luyện : tôi (950-11000 C ) và ram tùy yêu cầu cụ thể, ( tránh giòn ram loại II ở 350-575 0 C bằng nguội nhanh trong dầu)

 Công dụng :

• Loại ít C : làm đồ trang sức, ốc vít, cánh tua bin,

• Loại C trung bình : làm lò so, dụng cụ đo,

• Loại C cao : dụng cụ mổ, chi tiết chịu mài mòn như supap xả, ổ lăn,

nhất, có thể thay thế thép họ ôs và rẻ tiền do không

chứa Ni,dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit

và bị ăn mòn tinh giới

nhưng mức độ hóa bền biến cứng thấp hơn, thích hợp cho gia công biến dạng nguội Có thể sử dụng ở vùng biển, nước biển, môi trường axit

• Thành phần hóa học thép không gỉ họ F.ppt

Thép không gỉ ôstenit

Thường chứa Ni là nguyên tố mở rộng vùng

γ Thành phần hóa học thép không gỉ họ ôstenit.ppt

Đặc điểm :

• Tính chống ăn mòn cao, hoàn toàn ổn định

trong nước sông, nước biển, trong hơi nước

bão hòa và quá nhiệt, trong các dung dịch muối

Ổn định trong HNO3 với mọi nồng độ và nhiệt

độ,trong H2SO4 nguội, trong HCl loãng, nguội, chịu nhiệt độ tới 900-10000C,

• Độ dẻo cao (40-60%), dễ biến dạng nguội

• Có cơ tính bảo đảm, không hóa bền bằng nhiệt luyện được, nhưng lại hóa bền biến dạng nguội rất mạnh

• Bị ăn mòn trong một số trường hợp cụ thể như

ăn mòn tinh giới khi hàn, phải cho thêm 2-4%

Mo ( mác 316, 316L) để tăng khả năng làm việc trong môi trường có ion Cl-, hoặc giảm %C rất thấp.

• Là thép dùng nhiều nhất (70%) trong họ thép

không gỉ

Thép không gỉ hóa bền tiết pha

Đặc điểm :

và Ni thấp hơn (13-17%Cr và 4-7%Ni), thêm Al, Cu,

Mo, tổ chức ôs kém ổn định hơn

cắt gọt và hóa bền bằng hóa già ở nhiệt độ thấp, tránh được biến dạng và ôxy hóa

dạng phân tán nhỏ mịn, làm tăng độ bền

• Thép mactenxit hóa già (maraging steel).ppt

• Bảo đảm tính ổn định nóng : không phụ thuộc vào tổ chức mà chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học Cr, Al, Si tạo màng ôxyt sít chặt, tạo màng bảo vệ cho thép Al, Si khoảng 1-2% mỗi loại, riêng Cr, nhiệt độ làm việc càng cao, thì lượng Cr cần càng nhiều Ví dụ Cr là 9% , 14% và 26% khi dùng thép ở 600-650 0 C, 800 0 C và 1000 0 C

tương ứng.

• Thép chống dão.ppt

Thép làm supap xả :

Supap xả làm có điều kiện việc rất năng nhọc, tải trọng cao, nhiệt

độ 650-700 0 C, bị ăn mòn và mài mòn trong khí thải.

Các động cơ nhỏ dùng thép Cr-Si, như 40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo, (là họ M), tôi ở 1000-10500C và ram 700-7500C, (nguội trong dầu để tránh giòn ram loại II) Các thép này có tác dụng chống ôxy hóa, chống ram và chống kết tụ K HRC ~ 40.

Các động cơ lớn hơn dùng 30Cr13Ni7Si2 hay

45Cr14Ni14W2Mo (thép ôs), do độ cứng không cao nên phần cần của supap thì thấm N, phần

mũ thì hàn đắp Hk cứng nấu chảy stellite.

Thép làm nồi hơi và tua bin hơi

Các lò hơi của nhà máy nhiệt điện thông dụng hoạt động ở chế độ

T=540 0 C và 250 at hoặc 560 0 C và 160 at.Nguyên nhân do không có thép bền nóng tương đối rẻ để bảo đảm nồi hơi làm việc lâu dài ở > 100.000h và

áp suất hơi cao Về công dụng, chúng được chia thành hai loại : thép nồi hơi và thép bắt chặt.

• Thép nồi hơi : nồi hơi áp suất thấp và trung bình (<60

CT38, C15, C20 Các ống quá nung hơi, dẫn hơi làm

thấp peclit 12CrMo, 12CrMoV, cánh tua bin hơi làm việc

15Cr11MoV Các nồi hơi áp suất siêu cao dùng thép ôs như 9Cr14Ni19W2NbB,

• Nhóm thép bắt chặt : như bu lông, vít cấy có tác dụng

làm kín các mối nối, mặt bích Chúng cần giới hạn chảy cao, thường dùng : 30CrMo, 35CrNi3MoA, 38CrMoAlA, 25Cr2MoVA, 40CrNi2MoA,

Hợp kim bền nóng (siêu HK)

Thép bền nóng ôs tốt nhất, ở áp suất cao, cũng chỉ chịu được 780-800 0 C (do hạn chế bởi Tnc của Fe) Muốn có tính bền nóng cao hơn, phải dùng các HK nền

Ni, Cr và HK hóa các KL có Tnc cao như W, Mo,

Trên cơ sở Ni, có nicro6m và nimonic.

Nicrom : HK của Ni và Cr, đôi khi có Fe, và %C rất nhỏ, tổ chức 1

pha HK có độ bền thấp, nhưng chịu được nhiệt độ cao, dùng làm dây điện trở.

Nimonic : Hk bền nóng tốt gồm 20%Cr, 1%Al, 2%Ti, còn lại Ni, ký

hiệu Ni77Cr20Ti2Al, là HK hóa bền tiết pha phân tán Tôi ở

1050-1150 0 C, hóa già ở 700-750 0 C, tổ chức gồm γ và γ’ γ là ddr của Ni hòa tan Cr, Ti, Al có mạng lptm, còn γ’ là các phần tử rắn siêu nhỏ được tiết ra khi hóa già làm hóa bền γ, (nếu tiếp tục nung lên 850 0 C thì γ’ sẽ chuyển thành б, công thức Ni3Ti và mất tác dụng hóa bền)

Siêu hợp kim.ppt

Hợp kim cĩ điện trở lớn

• F echral: Là hợp kim trên cơ sở Fe-Cr-Al, với cácmác F 82C 13A 4 F 77C 17A1 5erl, e r

dung dịch rắn của Fe hòa tan Cr, Al và không có

suất lớn và rẻ, nhưng có nhược điểm là độ dẻodai thấp nên khó cán, kéo thành tấm, dây

• N icrôm: Là hợp kim của Ni, Cr (và Fe) vớicác mác Ni80Cr20, Ni60Cr15Fe22 Tûổ chức của chúng là dungdịch rắn của Ni hòa tan Cr và Fe, có mạng lập

phương diện tâm nên nicrôm rất dẻo dai, dễ cán,kéo thành tấm, dây Chúng được dùng rất rộng

rãi để làm dây điện trở trong các lò nung, bếp

• Thành phần hợp kim điện trở lớn.ppt

Hợp kim có tính giãn nở nhiệt đặc biệt

• Các hợp kim có tính giãn nở đặc biệt đều trên

cơ sở Fe-Ni Hệ số giãn nở nhiệt của các hợp kim hệ Fe-Ni biến đổi theo đường cong phức tạp Hệ số giản nở nhiệt của Fe.ppt Từ giản đồ này ta thấy hệ số α của sắt là 11,6.10-6, nếu

thêm vào 25%Ni, α tăng lên khoảng hai lần (α

• + Invar và superinvar:

ăn mòn tốt nên được dùng rộng rãi để làm các chi tiết yêu cầu độ chính xác gần như tuyệt đối trong điều kiện dao động nhiệt của môi trường khí quyển

• + Covar và Platinit:

thủy tinh sứ nên được dùng để hàn, gắn, dính với thủy tinh

chế tạo bóng đèn và đèn điện tử, các bộ phận kim loại gắn với thủy tinh, sứ

• Thành phần hĩa học của HK cĩ tính giãn nở đặc biệt.ppt

Hợp kim có tính đàn hồi đặc biệt

độ tăng Trong khi đó môđun đàn hồi của một số hợp kim trên

cơ sở Fe-Ni hầu như không đổi trong một khoảng nhiệt độ nào

đó Những hợp kim này được gọi là êlinvar Chúng được dùng

để chế tạo các chi tiết đàn hồi (lò so, nhíp các loại) của các khí

cụ và cơ cấu chính xác như âm thoa, dây tóc đồng hồ

(khoảng 20.10-6/ oC), tức là 10 lần nhỏ hơn thép cacbon và

20 lần nhỏ hơn thép ôstenit Để bảo đảm tính đàn hồi cao và

ổn định, các êlinvar được tôi và hóa già ở nhiệt độ 600 -750oC Chúng được cung cấp ở dạng lá mỏng (dày 0,1 – 0,2 mm)

hoặc dây có đường kính nhỏ (0,3 – 0,5 mm)

• Thành phần hĩa học của thép đàn hồi cao.ppt

Thép và hợp kim từ tính

Vật liệu từ cứng dùng để làm nam châm vĩnh cửu Yêu cầu của vật liệu từ cứng là có lực khử từ Hc lớn, năng lượng từ (Bc.Hc)max cao và tổn thất từ trễ cao (cảm ứng từ dư Br và lực khử từ Hc đều phải lớn) Tất cả các yêu tố gây ra xô lệch mạng đều có tác dụng làm tăng Hc và đó cũng là yếu tố làm tăng độ cứng của thép và hợp kim, do vậy có tên là “vật liệu từ cứng”.

• Các loại vật liệu từ cứng:

• Thép cacbon : CD 100  CD 120, tôi đạt tổ chức M Hc = 48 – 52 kA/m; Br = 0,80 – , 0 85T

• Thép hợp kim họ r, r C C - o C V í dụ: thép Cr - Co với 5 - 9%Cr, 5 - 15%Co, sau khi nhiệt luyện: c = H 90  150 kA /m, B­r = 0,80 – , 0 85T

• Alni: hợp kim từ cứng hệ Fe – Ni – l A

• Alnico: hợp kim từ cứng hệ Fe – Ni – Al – o C

• Thành phần hĩa học của HK từ cứng.ppt , Đường cong từ trễ.ppt

• Khác với thép cứng dùng ở trạng thái biến dạng các hợp kim hệ alni và alnico được dùng ở trạng thái đúc (do chúng giòn) và qua một quá trình nhiệt luyện đặc biệt: nung tới 1 300 o C, làm nguội với tốc độ v = 10 - 20 o C/giây trong từ trường mạnh (2.000 – 3.000 kA/m), trong quá trình nguội có sự tiết ra sắt từ phân tán có định hướng.

• Một số vật liệu từ cứng khác hệ Fe-V-Co (Vicalloi), Fe-Co-Mo (Comol), Cu-Ni-Co (Cunico), Fe-Cr-Co Chúng được cán thành lá, tấm, dây

• Người ta cũng dùng hợp kim từ cứng dạng bột ép và thiêu kết Gần đây đã chế tạo hợp kim từ cứng bằng phương pháp nguội rất nhanh từ hợp kim lỏng, tạo thành các lá, băng rất mỏng (thuộc nhóm vật liệu vi tinh thể, vô định hình) có (Br.Hc)max rất cao.

+ Thép và hợp kim từ mềm:

stator máy điện, nam châm điện chúng phải cólực khử từ Hc nhỏ, khả năng từ hóa cao (độ từthẩm  lớn), tổn thất từ trễ nhỏ Do đó hợp kimphải ở trạng thái cân bằng nhất (trạng thái ủ),

ít có yếu tố gây xô lệch mạng nhất và hạt lớn.Những yếu tố này làm cho thép và hợp kim trởnên mềm dẻo, do vậy được gọi là “vật liệu từmềm”

Các loại vật liệu từ mềm:

ít tạp chất càng tốt (< 0,04% / C, tổng tạp chất < 0,6%)để giảm đến mức độ tối đa các yếu tố gây xôlệch mạng Muốn đạt được hạt lớn, sắt phải đượcđem biến dạng tới mức tới hạn (2- 8%) rồi ủ kếttinh lại, có Hc = 80 – 350A/m, = (0,064 – ,).0 32 10- 3 T.m /A Sắt kỹ thuật

nên dòng fucô lớn, gây ra tổn thất lớn về nănglượng, nên chỉ được dùng cho các thiết bị có

dòng điện một chiều hay dòng xung nhỏ

• Thép kỹ thuật điện (thép silic hoặc tole silic)

Loại này được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp

làm nam châm điện, lõi máy biến áp, stato máy điện Lượng cacbon nằm trong giới hạn 0,01 

0,1% và các tạp chất cũng phải hạn chế để bảo đảm tổ chức là ferit Nguyên tố hợp kim chủ yếu là Si (mở

rộng vùng α), khi hòa tan vào ferit sẽ làm điện trở pha này tăng cao (ρ = 0,55  0,60 mm2/m), làm giảm

dòng fucô, làm tăng độ từ thẩm μ và giảm lực khử từ

Hc, tăng cảm ứng từ bão hòa Thường lượng Si < 5%,

vì nếu cao quá sẽ làm thép giòn.

• Để làm các chi tiết động như phần ứng và các cực của máy điện, phải dùng thép với lượng Si khoảng 2 - 3% bảo đảm độ bền động, dễ biến dạng hơn, nhưng tổn thất năng lượng cao hơn.

- Hợp kim có độ từ thẩm ban đầu cao (hợp kim permaloi):

• Các permaloi cổ điển có thành phần: 78% Ni, 21,5% Fe, còn lại là các tạp Mn, Si Để tăng điện trở, có thể hợp kim

hóa bằng Mo, Cr, Mn, Cu Permaloi có thành phần 79% Ni, 4%Mo, còn lại Fe, có độ từ thẩm ban đầu μ = , 2 2 10 - 3 Tm/A, và μmax = 15 10 - 3 m/ T A

• Các permaloi được dùng rộng rãi vì ngoài tính chất từ cao, chúng còn có tính gia công cắt và rập tương đối dễ, nhưng lưu ý là ứng suất dư sau khi gia công cơ làm xấu từ tính của hợp kim Do đó sau khi gia công cơ cần đem ủ lại.

• - Hợp kim F e - l A - i (alsifer) S

• Hợp kim này có μ0 rất cao (khoảng 35 10–3 Tm/A), lực khử từ Hc nhỏ, điện trở lớn và tổn thất từ trễ nhỏ hơn cả Nhưng do giòn, hợp kim này chỉ có thể dùng ở trạng thái đúc.

• Trong thực tế, nhiều khi cần vật liệu không nhiễm từ

nhưng yêu cầu cơ tính tốt Khi đó thường dùng thép không từ tính để thay thế cho hợp kim màu (Cu, Al) Đây là loại thép

có tổ chức ôstenit (ví dụ: thép không gỉ họ Cr-Ni),

thép Hadfield Nhưng các loại này thường là đắt hoặc khó gia công.

• Trong thực tế thường gặp các loại thép được hợp kim

hóa bằng Mn, Cr, Al, Mo và chứa ít Ni với lượng cacbon trung

bình, bảo đảm tổ chức thuần ôstenit, ví dụ: các mác 55M 9N 9C 3 n ir,

nl

45M 17A 3