thép và gang

Sự tạo thành graphit trong hợp kim Fe-C nguyên chất • Về năng lượng tự do: của graphit luôn nhỏ hơn của Xê ở mọi nhiệt độ • Về công tạo mầm: của Xê nhỏ hơn của graphit rất nhiều • Kết

CHƯƠNG 5

THÉP VÀ GANG

Từ khóa: Steel; Iron

1 GANG 1.1 Đặc điểm chung

1.1.1 Thành phần hóa học

• C> 2,14%; thường dùng: 2,5 – 4,0%

• Mn, Si: 0,5 – 3,0%; có tác dụng điều chỉnh

sự tạo thành graphit, cơ tính của gang

• P, S: 0,05 – 0,5%; thường có hại cho

gang

• Các nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mo, Ti …

• Các nguyên tố biến tính: Mg, Ce …

1.1.2 Tổ chức tế vi

• Phân loại gang theo tổ chức tế vi:

- Gang trắng: toàn bộ C trong gang ở dạng Fe3C

→ tổ chức tế vi hoàn toàn phù hợp với giản đồ giả ổn định Fe-Fe3C

- Gang xám, cầu, dẻo: phần lớn C ở dạng tự do:

graphit với các dạng: tấm, cầu, cụm Tổ chức tế

vi không phù hợp với giản đồ Fe-Fe3C

• Trong gang chứa graphit:

- Nền KL: F, F+P, P, P+Xê

- Phần phi kim: graphit

• Do khác nhau về tổ chức tế vi → các loại gang

1.2 Gang xám (GX; Grey Iron)

1 2.1 Sự tạo thành graphit trong GX

b Sự tạo thành graphit trong hợp

kim Fe-C nguyên chất

• Về năng lượng tự do: của graphit luôn

nhỏ hơn của Xê ở mọi nhiệt độ

• Về công tạo mầm: của Xê nhỏ hơn của

graphit rất nhiều

• Kết hợp cả 2 yếu tố: khả năng tạo thành

graphit từ gang lỏng trong HK Fe-C

nguyên chất chỉ có thể xảy ra trong

khoảng 1153-11470C Tương tự, khả năng tạo thành graphit từ Aus- 740-7270C ⇒

phải làm nguội vô cùng chậm mới có khả

Giản đồ trạng thái Fe-C ổn định

(Fe-Cgraphit)

1600 1400 1200 1000 800 600





c.Sự tạo thành graphit trong gang xám

Ảnh hưởng của TPHH

• Cacbon: thúc đẩy sự tạo thành graphit C

càng nhiều → khả năng tạo graphit càng lớn C= 2,5-4,0%

• Silic: thúc đẩy mạnh sự tạo thành graphit

Để điều chỉnh mức độ tạo graphit, lượng

Si trong gang xám 1,0-3,0%

• Mangan: ngăn cản sự tạo thành graphit

Tuy nhiên Mn có lợi về cơ tính Mn=

0,5-1,0%

Tốc độ nguội

• Tốc độ nguội càng chậm càng thúc đẩy quá trình tạo thành graphit

- GX ferit: tất cả C đều ở dạng graphit

Gang có 2 pha: grafit tấm và nền ferit

- GX F-P: C liên kết chỉ khoảng 0,1-0,6%

Tổ chức: grafit tấm và nền KL F-P

- GX P: C liên kết 0,6-0,8% Tổ chức:

1.2.4 Ký hiệu gang xám theo

Các mác GX theo TCVN

hạn bền kéo,

N/mm2

Giới hạn bền uốn,

N/mm2

Độ dãn dài,

%

Dạng graphit Nền kim

loại

Công dụng

GX00 - - - Các chi tiết

không quan trọng

GX12-28 >120 >280 ∼ 0,5 Tấm thô to P-F Các chi tiết chịu

tải nhẹ, không chịu mài mòn

GX15-32 >150 >320 ∼ 0,5 Tấm thô to P-F Chi tiết chịu tải

trung bình, ít chịu mài mòn: cacte, mặt bích, thân máy bơm …

Các mác GX theo TCVN

Số hiệu Giới

hạn bền kéo, N/mm2

Giới hạn bền uốn, N/mm2

Độ dãn dài,

%

Dạng graphit Nền kim

1.3 Gang cầu (Ductile Cast Iron) 1.3.1 Tổ chức tế vi

• Graphit: có dạng

cầu → độ bền kéo

rất cao so với GX

• Nền: F, F+P, P

• Cách chế tạo gang cầu: nấu

chảy gang xám; điều chỉnh

thành phần hoá học; khử S;

biến tính cầu hoá bằng Mg

(Ce)

1.3.4 Ký hiệu gang cầu theo

TCVN

• Ký hiệu gang cầu bằng 2 chữ GC và 2 số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo (kG/mm2)

và độ dãn dài δ (%)

Các mác gang cầu theo TCVN

1.4.Gang dẻo (Malleable Iron) 1.4.1 Mở đầu

• Tổ chức tế vi:

- Graphite ở dạng cụm và được hình thành khi ủ

- Nền: F; F+P; P

• Cách chế tạo: nấu gang; đúc thành vật

đúc có tổ chức là gang trắng; ủ graphite hoá

1.4.3.Ủ gang trắng thành gang dẻo

1 Nung gang trắng TCT ở khoảng 10000C:

P+XeII+(P+Xe) → γ+(γ+Xe) (XeII còn rất ít)

2 Giữ nhiệt ở 10000C trong 10 – 20 h:

Xe → γ + Gr

3 Làm nguội chậm từ 10000C xuống 7000C:

- Từ 10000C xuống A1: γ → γ + XeII

- XeII bị phân hoá: XeII → γ + Gr

- Dưới A1: γ + Gr → P + Gr (Gang dẻo P)

4 Nếu tiếp tục giữ nhiệt ở 7000C (30h):

1.4.4 Cơ tính

• Độ bền cao hơn GX nhưng kém GC

• Độ dẻo: δ= 5 – 10%

Tổng kết các loại gang

2 THÉP 2.1 Thép cacbon 2.1.1 Thành phần hóa học

- Đi vào thép từ quặng sắt (P), nhiên liệu (S)

- Tạp chất có hại, cần khử bỏ trong quá trình luyện

- ≤ 0,05% (mỗi nguyên tố)

• Nguyên liệu cho ngành luyện kim: một lượng đáng kể sắt thép vụn → một lượng các nguyên tố vào thép

Cr, Ni, Cu ≤ 0,2%; Mo, W, Ti ≤ 0,1%

2.1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố

- Loại trừ tác hại của lưu

huỳnh: chuyển FeS

2FeO+Si → Fe+SiO2

• Hòa tan vào F →

nâng cao độ bền F →

nâng cao độ bền thép

c Phospho, lưu huỳnh

• P làm tăng tính dòn nguội của thép do tạo thành Fe3P

d Các khí oxy, hydro, nitơ

• Làm giảm cơ tính của thép: giảm độ dẻo,

dễ phá hủy dòn

• Nếu khử khí không triệt để khi nấu luyện

→ tạo rỗ khí trong thỏi đúc → giảm cơ tính của thép

b Theo phương pháp khử oxy

• Chất lượng cao hơn thép sôi

Thép lặng – Thép sôi

c Theo công dụng

• Thép xây dựng (thép cán nóng): chủ yếu làm các kết cấu xây dựng (nhà, cầu ,

khung …)

• Thép kết cấu: chủ yếu làm chi tiết máy

• Thép dụng cụ: chủ yếu làm dụng cụ (cắt gọt, biến dạng, đo …)

• Thép có công dụng riêng: thép đường rail, dây thép, …

2.1.4 Ký hiệu thép C

a Thép C chất lượng thường (thép cán nóng thông dụng)

• Thép sôi: thêm “s” phía sau

a Thép C chất lượng thường

Phân nhóm B

• Chỉ quy định TPHH, không quy định cơ tính

• Ký hiệu giống phân nhóm A và thêm chữ B phía trước

• Các số hiệu (thép lặng): BCT31, BCT33, BCT34,

BCT38, BCT42, BCT51, BCT61

• Chế tạo các chi tiết qua gia công nóng

Phân nhóm C

• Được quy định cả cơ tính lẫn thành phần hóa học

• Ký hiệu giống phân nhóm A và thêm chữ C phía trước

• Các số hiệu (thép lặng): CCT31, CCT33, CCT34,

CCT38, CCT42, CCT51, CCT61

• Cơ tính giống phân nhóm A; thành phần hóa học – B

• Sử dụng làm kết cấu hàn

b.Thép kết cấu C chất lượng tốt

• S< 0,04%; P< 0,035%

• Quy định chặt chẽ cả cơ tính lẫn thành

phần hóa học

• Chủ yếu dùng làm chi tiết máy

• Ký hiệu theo TCVN: Chữ C đầu với số tiếp theo chỉ hàm lượng C trung bình theo

phần vạn; thép sôi: thêm “s” phía sau;

thép nửa lặng: thêm “n” phía sau

• C8, C10, C15, C20, …, C75, C80, C85

c Thép dụng cụ C

• Thuộc nhóm thép chất lượng tốt và chất lượng cao

• Ký hiệu theo TCVN: hai chữ đầu CD, số tiếp theo chỉ hàm lượng C trung bình theo phần vạn; nếu phía sau có thêm chữ A: chỉ thép chất lượng cao

• CD70, CD80, …, CD120, CD130

2.1.5 Đặc điểm của thép C

• Rẻ, dễ nấu luyện

• Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, gia công nguội, gia công nóng … so với thép hợp kim

• Độ thấm tôi thấp → hiệu quả hóa bền

bằng nhiệt luyện không cao

2.2 Thép hợp kim 2.2.1 Thành phần hóa học

Mo: 0,05–0,20%

W: 0,1 – 0,5%

Ti ≥ 0,1%

Cu ≥ 0,1%

2.2.2.Đặc điểm của thép hợp kim

- Với sự tăng độ bền, độ dẻo, dai giảm

tính công nghệ của thép xấu đi

2.2.3.Tác dụng của các NTHK

a Cơ chế tác dụng

1 Hòa tan vào sắt (Feα, Feγ) với dạng dung

dịch rắn thay thế

2 Kết hợp với C thành cacbit hợp kim

3 Tác dụng với Fe tạo thành pha trung

gian (FeB, FeB2, FeCr …)

b Sự hòa tan của NTHK vào sắt

• Khả năng hòa tan của các NTHK vào Feα, Feγ:

- Một số hòa tan vào: mở rộng vùng tồn tại của Feγ

- Một số khác thu hẹp vùng tồn tại của Feγ

• Các NTHK hòa tan vô hạn vào Feγ: Ni, Mn …

• Các NTHK hòa tan vô hạn vào Feα: Si, Cr, V …

• Hợp kim hoá thép bằng một lượng không lớn Ni,

Mn & các NT mở rộng vùng ferit (Cr, Si …) → thép

có 2 pha ở nhiệt độ thường là ferit hợp kim &

cacbit: thép kết cấu và thép dụng cụ thường gặp

c Tác dụng của NTHK với C

• Ni, Cu, Al, Si, Co …:

- Không có khả năng kết hợp với C tạo

thành cacbit

- Chỉ có thể nằm trong dung dịch rắn với Fe

• Mn, Cr, V, Mo, Ti, Zr, Ti …: có khả năng kết hợp với C thành cacbit

• Mức độ kết hợp với C từ mạnh đến yếu:

Ti, Nb, Zr, V, Mo, W, Cr, Mn, Fe

d Tác dụng riêng lẻ của các NTHK

• Làm tăng độ thấm tôi: Mn, Cr, Ni …

• Làm tăng tính chống ram: Cr, Mo, W, V …

• Làm tăng khả năng chống mài mòn: các nguyên tố tạo cacbit mạnh

2.2.4 Ký hiệu thép hợp kim theo

TCVN

• Được kí hiệu theo hệ thống chữ và số:

- Chữ ký hiệu các NTHK bằng chính kí hiệu hóa học

- Số đầu chỉ lượng C theo phần vạn

- Số phía sau kí hiệu hóa học chỉ lượng chứa

trung bình quy tròn của nguyên tố đã cho theo phần trăm

- Nếu lượng NTHK trên dưới 1% thì không kí hiệu số

- Nếu thêm chữ A ở cuối: thép chất lượng cao

2.2.5 Phân loại thép hợp kim

a Theo nguyên tố hợp kim

• Gọi tên thép theo các NTHK chứa trong nó:

2.2.5 Phân loại thép hợp kim

c Theo công dụng

Thép kết cấu hợp kim

- Chế tạo chi tiết máy

- Chịu tải trọng lớn → độ bền cao, đủ dẻo

• Thép thấm cacbon:

- Hàm lượng C thấp (≤0,25%) ⇒ độ bền thấp, độ dẻo, dai cao

- Nhiệt luyện: thấm cacbon – tôi – ram thấp

- 20Cr, 20CrMo, 12CrNi3A, 15CrV …

- Nhiệt luyện: tôi – ram trung bình → tổ chức

troxtit: tính đàn hồi cao nhất

- 60Mn, 65Mn, 70Mn, 65Si2, 60SiMn, 50CrVA,

60Si2CrA, 60Si2Ni2A …

- Thông thường: tôi + ram thấp

- 100Cr,70CrSi, 90CrSi, Thép gió (C= 0,70 – 1,50%;

• Thép làm khuôn dập nguội:

- Độ cứng cao: 56–62 HRC; chống mài mòn cao

- Lượng C cao: ≈ 1%; khuôn chịu va đập: C= 0,4– 0,6%

- Các NTHK làm tăng độ thấm tôi: Cr, Mn, Si, W…

- Nhiệt luyện: tôi + ram thấp

- 90CrWSiMn, 210Cr12, 40CrSi, 40CrW2Si …

- Thí dụ: sự oxy hoá thép ở nhiệt độ cao

• Ăn mòn điện hóa:

- Nhúng 2 thanh KL có điện thế điện cực khác nhau vào 1

dung dịch điện li → xuất hiện dòng điện trong dây dẫn nối nhau giữa chúng → KL có điện thế điện cực thấp hơn (anode) sẽ hòa tan vào dung dịch

- Nếu VLKL có nhiều pha và những pha này có điện thế điện cực khác nhau ở trong cùng 1 môi trường điện li →

sẽ bị ăn mòn điện hóa

- Thép cacbon: F (anode) và Xe (cathode), trong môi

a Thép không gỉ

Thép không gỉ 2 pha

• Cr hòa tan vô hạn trong Feα (F)

• Khi F chứa gần 12% Cr → điện thế điện cực tăng vọt lên gần với điện thế điện cực của Xê

• Các mác: 08Cr13, 12Cr13, 20Cr13,

30Cr13, 40Cr13

• “Hít nam châm”

• Có tính chống ăn mòn cao trong: không

khí, nước sông, HNO3

b Thép và HK chống mài mòn

Các dạng thép & HK chống mài mòn

khi làm việc: thép Hadfield

tải va đập → lớp bề mặt bị biến dạng dẻo và biến cứng

b Thép và HK chống mài mòn

Thép graphit hoá

• Phương pháp chế tạo: ủ graphit hoá

phôi thép C cao (1,5-2,0%) và Si cao 2%) theo chế độ nhiệt gần giống ủ gang dẻo

(1-• Tổ chức: F, Xe, Graphit

• Cơ tính sau khi tôi: 62-63 HRC và có tính bôi trơn tốt → tính chống mài mòn rất cao