Chương 5: Thép và gang potx

164 Phần III vật liệu kim loại Ch!ơng 5 thép và gang Các hợp kim trên cơ sở của sắt chiếm tỷ lệ áp đảo trong vật liệu kim loại, có tỷ lệ lớn trong vật liệu nói chung và đ!ợc dùng rất phổ biến trong kỹ thuật cũng nh! trong đời sống, làm các chi tiết quan trọng với yêu cầu kỹ thuật cao. Trong số các hợp kim của sắt trong ch!ơng này chỉ đề cập đến hợp kim Fe-C tức thép và gang, là loại rất th!ờng gặp với nhiều chủng loại đa dạng thích ứng với rất nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Sẽ lần l!ợt trình bày các nhóm thép và gang. Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng rất nặng và phức tạp, đó là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan trọng nhất. Hầu nh! mọi thép đều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa - nhiệt luyện để thay đổi cơ tính theo h!ớng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt, trong công nghiệp thép đ!ợc cung cấp d!ới dạng các bán thành phẩm: dây, sợi, thanh, tấm, lá, băng, ống, góc, và các dạng hình khác nhau rất tiện cho sử dụng. Ngoài khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép còn có tính hàn tốt, rất tiện sử dụng trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung không cao song một số mác có thể tiến hành đúc thành các sản phẩm định hình t!ơng đối phức tạp. Do những !u điểm nh! vậy thép đ!ợc coi là vật liệu x!ơng sống của công nghiệp. Cần chú ý là thép là loại vật liệu kim loại với nhiều nhóm có tính chất, công dụng rất khác nhau, do đó phải nắm vững tính chất, tác dụng của cacbon và từng nguyên tố, cũng nh! từng nhóm, phân nhóm, mác điển hình. Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim. Tr!ớc tiên hy phân biệt, so sánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép chính này. 5 Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim 5 . Thép cacbon Thép cacbon hay thép th!ờng, đ!ợc dùng rất phổ biến trong đời sống cũng nh! trong kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản l!ợng thép. a. Thành phần hóa học Nh! đ nói thép là hợp kim sắt - cacbon với l!ợng cacbon nhỏ hơn 2,14% với đặc tính là có tính dẻo nên có thể cán nóng đ!ợc (do khi nung nóng lên nhiệt độ cao có tổ chức hoàn toàn austenit - dung dịch rắn với mạng A1, rất dẻo). Song trong thực tế thép không chỉ là hợp kim sắt với cacbon mà còn với nhiều nguyên tố khác. Do yêu cầu thông th!ờng của công nghệ luyện kim, nhiều nguyên tố đ đi vào thành phần của thép mà không cần phải khử bỏ đi do có lợi hoặc không cần phải khử bỏ triệt để mặc dầu có hại do quá tốn kém không cần thiết. Thép cacbon là thép thông th!ờng (thép th!ờng), ngoài cacbon ra còn chứa một số nguyên tố với hàm l!ợng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng đ!ợc gọi là tạp chất th!ờng có hay chất lẫn vì không phải do cố ý đ!a vào. Trong số các tạp chất có một số có lợi và một số có hại. Hy xem xét các nguyên tố đó. Tạp chất có lợi: mangan và silic Bất kỳ thép nào dù đơn giản đến đâu cũng có mangan và silic với l!ợng không v!ợt quá 1%, chúng đi vào thành phần của thép là do: 165 - quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác nh! ôxyt mangan, ôxyt silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO Mn, SiO 2 Si) đi vào gang rồi vào thép, - khi luyện thép phải dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, phần không tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép {ferô là loại hợp kim trung gian, dễ luyện vì có nhiệt độ chảy t!ơng đối thấp, là nguyên liệu để pha chế, sử dụng trong quá trình luyện kim; nó chứa sắt, cacbon (> 1%) và l!ợng lớn nguyên tố hợp kim t!ơng ứng. Ví dụ ferô mangan 80 là loại có khoảng 80%Mn}. Trong các điều kiện thông th!ờng của quá trình luyện, các thép đều có chứa 0,80%Mn, 0,40%Si. Chúng là các nguyên tố có ích, có tác dụng tốt đến cơ tính: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ dẻo, độ dai), song với l!ợng ít nh! vậy không có ảnh h!ởng đáng kể đến cơ tính của thép cacbon. Tạp chất có hại: phôtpho và l!u huỳnh Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đ!ờng quặng sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang). Chúng làm thép giòn do đó phải đ!ợc khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông th!ờng cao nhất cũng không đ!ợc v!ợt quá 0,05% cho mỗi nguyên tố. Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa: C 2,4%, Mn 0,80%, Si 0,40%, P 0,050%, S 0,050%. Đó cũng là thành phần hóa học cơ bản của thép cacbon hay thép th!ờng. Các tạp chất khác Ngoài phôtpho và l!u huỳnh, trong thép cũng luôn chứa các nguyên tố hyđrô, ôxy, nitơ do chúng hòa tan vào thép lỏng từ khí quyển của lò luyện. Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về tổ chức (gây tập trung ứng suất) và giòn (riêng nitơ có tính hai mặt sẽ trình bày sau) song với l!ợng chứa quá nhỏ (ví dụ: 0,006 ữ 0,008% đối với ôxy) nên rất khó phân tích, do vậy th!ờng "dấu mặt" trong bảng thành phần nên đ!ợc gọi là tạp chất ẩn náu. Đặc tr!ng của công nghiệp luyện kim hiện đại là sử dụng lại (tái chế) ngày càng nhiều với tỷ lệ cao thép, gang và hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim). Do vậy ngay trong thép cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm l!ợng thấp các nguyên tố sau: - crôm, niken, đồng 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng l!ợng của chúng không đ!ợc v!ợt quá 0,50%, - vonfram, môlipđen, titan 0,05% cho mỗi nguyên tố. Đáng chú ý xu thế này ngày một mạnh nên hàm l!ợng cho phép của các nguyên tố trên trong thép th!ờng cũng tăng lên. Song dù nh! vậy ng!ời ta vẫn chỉ coi chúng là tạp chất (chất lẫn vào) vì: - không cố ý đ!a vào, - với l!ợng ít nh! vậy, chúng không có ảnh h!ởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Fe - C, về cơ bản thép tạo thành có tổ chức phù hợp với giản đồ pha Fe - C. Sau đây xét ảnh h!ởng của năm nguyên tố th!ờng gặp nhất trong thép cacbon. b. ả nh h!ởng của cacbon đến tổ chức, tính chất và công dụng của thép th!ờng 166 Tuy là nguyên tố hóa học rất bình th!ờng song có thể nói cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp). Tổ chức tế vi Nh! thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm l!ợng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên t!ơng ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (ủ). - C 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi nh! sắt nguyên chất. - C = 0,10 ữ 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên l!ợng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép tr!ớc cùng tích. - C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích. - C 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng lên l!ợng xêmentit II tăng lên t!ơng ứng, đó là các thép sau cùng tích. Chính do sự thay đổi tổ chức nh! vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo. Hình 5 ảnh h!ởng của cacbon đến cơ tính của thép th!ờng (ở trạng thái ủ). Cơ tính ảnh h!ởng của cacbon đến cơ tính của thép th!ờng ở trạng thái ủ đ!ợc trình bày trên hình 5.1. Cacbon có ảnh h!ởng bậc nhất (theo quan hệ đ!ờng thẳng) đến độ cứng HB. Về mặt định l!ợng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25 đơn vị. Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (, ) và độ dai va đập (a K ) làm cho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi. Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp ( 0,25%) giảm 6%, a K giảm 300kJ/m 2 , còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) t!ơng ứng là 3% và 200kJ/m 2 Nh! vậy hàm l!ợng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng giòn. Có thể dễ dàng giải thích điều này là do l!ợng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên. ảnh h!ởng của cacbon đến giới hạn bền b không đơn giản nh! đối với độ cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 ữ 0,50%C b tăng khoảng 70 167 ữ 90MPa, trong khoảng 0,60 ữ 0,80%C b tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, khi v!ợt quá giá trị này b lại giảm đi. Có thể giải thích nh! sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số chốt cản tr!ợt cho pha này do vậy b tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là peclit, khi v!ợt quá 0,80 ữ 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện l!ới xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (l!ới) làm cho thép không những giòn mà còn làm giảm giới hạn bền. Vai trò của cacbon. Công dụng của thép theo thành phần cacbon Chính do cacbon có ảnh h!ởng lớn đến cơ tính nh! vậy nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép. Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét tr!ớc tiên là hàm l!ợng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim. Điều khá kỳ diệu là chỉ cần thay đổi chút ít hàm l!ợng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có đ!ợc. Theo hàm l!ợng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và công dụng rất khác nhau nh! sau. - Thép có cacbon thấp ( 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nh!ng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, đ!ợc dùng làm kết cấu xây dựng, tấm lá để dập nguội. Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon. - Thép có cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại có cơ tính tổng hợp cao nên đ!ợc dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao. - Thép có cacbon t!ơng đối cao (0,55 ữ 0,65%) với !u điểm là có độ cứng t!ơng đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, đ!ợc dùng làm các chi tiết đàn hồi. - Thép có cacbon cao ( 0,70%) với !u điểm là có độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, đ!ợc dùng làm công cụ nh! dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo. Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có l!ợng cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65%. Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể trên để định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê dịch đôi chút. Tính công nghệ Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm l!ợng cacbon. Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập. Hàm l!ợng cacbon cũng có ảnh h!ởng đến tính gia công cắt của thép. Nói chung thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm l!ợng cacbon có tính gia công cắt kém. Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém. Nói chung tính đúc của thép không cao. c. ả nh h!ởng của các tạp chất th!ờng có Mangan Mangan đ!ợc cho vào mọi thép d!ới dạng ferô mangan để khử ôxy thép ở trạng thái lỏng tức là để loại trừ FeO rất có hại: Mn + FeO Fe + MnO (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) Ngoài ra mangan cũng loại trừ đ!ợc tác hại của l!u huỳnh. Mangan có ảnh h!ởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ 168 bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song l!ợng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 ữ 0,80% nên ảnh h!ởng này không quan trọng. Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của l!u huỳnh. Silic Silic đ!ợc cho vào nhiều loại thép d!ới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái lỏng: Si + FeO Fe + SiO 2 (SiO 2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) Giống nh! mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a) nên làm tăng cơ tính của thép, song l!ợng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 ữ 0,40% nên tác dụng này cũng không rõ rệt. Phôtpho Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe - C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi l!ợng phôtpho v!ợt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe 3 P cứng và giòn. Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ th!ờng). Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đ trở nên giòn. Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn l!ợng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất l!ợng phôpho cũng không thể v!ợt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn). Phôpho cũng có mặt lợi, đ!ợc nói ở mục 5.3.6b. L!u huỳnh Khác với phôtpho, l!u huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Fe lẫn Fe ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988 o C), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (th!ờng ở 1100 ữ 1200 o C) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gy nh! là thép rất giòn. Ng!ời ta gọi hiện t!ợng này là giòn nóng hay bở nóng. Khi đ!a mangan vào, do có ái lực với l!u huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620 o C, d!ới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gy. Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt (mục 5.3.6b). d. Phân loại thép cacbon Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc tr!ng riêng biệt cần để ý để sử dụng thép đ!ợc tốt hơn. Theo độ sạch tạp chất có hại và ph!ơng pháp luyện Rõ ràng là thép càng ít tạp chất có hại (P, S) và các khí (H, O, N) có độ dẻo, độ dai càng cao tức có cơ tính tổng hợp cao, chất l!ợng càng cao. Các ph!ơng pháp luyện thép khác nhau có khả năng loại trừ tạp chất có hại khác nhau này ở các mức cao thấp khác nhau do đó tạo cho thép chất l!ợng tốt, xấu khác nhau. Có nhiều ph!ơng pháp luyện thép song cho đến hiện nay trên thế giới chỉ còn tồn tại ba ph!ơng pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉnh (lò L- D) (n!ớc ta chỉ bằng lò điện hồ quang), ngoài ra còn các ph!ơng pháp làm sạch tạp chất ngoài lò. Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất l!ợng sau. - Chất l!ợng th!ờng, l!ợng P, S chỉ đ!ợc khử đến mức 0,050% (hay cao hơn một chút) cho mỗi nguyên tố. Ph!ơng pháp luyện thép L-D th!ờng chỉ đạt đ!ợc 169 cấp chất l!ợng này mặc dầu nó cho năng suất rất cao và giá thành thép rẻ. Cấp chất l!ợng này th!ờng chỉ áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao nh! một số thép xây dựng thông dụng. - Chất l!ợng tốt, l!ợng P, S đ!ợc khử đến mức 0,040% cho mỗi nguyên tố. Ph!ơng pháp luyện thép bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt đ!ợc cấp chất l!ợng này. Cấp chất l!ợng này th!ờng áp dụng cho các nhóm thép dùng trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao hơn. - Chất l!ợng cao, l!ợng P, S đ!ợc khử khá cẩn thận, đến mức 0,030% cho mỗi nguyên tố. Với các biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khử mạnh, tuyển chọn nguyên liệu vào ) vẫn có thể đạt đ!ợc cấp chất l!ợng này bằng ph!ơng pháp luyện thép trong lò điện hồ quang. - Chất l!ợng rất cao, l!ợng P, S đ!ợc khử ở mức triệt để nhất: 0,020% cho mỗi nguyên tố. Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt đ!ợc giới hạn này. Thép sau khi luyện ở lò này đ!ợc tinh luyện tiếp tục: khử tạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ. Ngoài ra để giảm tối đa l!ợng khí chứa trong thép ng!ời ta phải áp dụng đúc rót thép trong chân không. Các thép cacbon có thể đ!ợc cung cấp ở ba cấp chất l!ợng: th!ờng, tốt và cao (ít gặp). Các thép hợp kim không có cấp chất l!ợng th!ờng, chỉ có các cấp: tốt, cao và rất cao. Thép xây dựng th!ờng chỉ yêu cầu chất l!ợng th!ờng, trong khi đó thép chế tạo máy phải có chất l!ợng từ tốt trở lên. Riêng thép làm ổ lăn phải đạt cấp chất l!ợng rất cao. Theo ph!ơng pháp khử ôxy Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không ng!ời ta chia ra hai loại thép sôi và thép lặng. Thép sôi là loại không đ!ợc khử ôxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không mạnh là ferô mangan, nên trong thép lỏng vẫn còn FeO và do đó có phản ứng: FeO + C Fe + CO Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động nh! thể bị "sôi" vậy (nên có tên là thép sôi) và tạo ra bọt (rỗ) khí trong thỏi đúc. Khi cán nóng tiếp theo phần lớn bọt khí đ!ợc hàn kín lại (chú ý là vỏ bọc khí nằm trong thỏi đúc, không tiếp xúc với không khí nếu không l!u kho quá lâu sẽ ch!a bị ôxy hóa nên các nguyên tử sắt dễ khuếch tán, hàn kín lại khi cán nóng) nên nói chung không ảnh h!ởng xấu đến cơ tính của thép đ qua biến dạng nóng. Các đặc điểm của thép sôi là: - do không đ!ợc khử bằng ferô silic nên chứa rất ít silic, th!ờng là 0,05 ữ 0,07%, nên ferit của thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội, - không cho phép dùng thép sôi để chế tạo các vật đúc định hình vì các rỗ khí làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh h!ởng rất xấu đến cơ tính, - không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trong thép vẫn còn ôxy (FeO) nên khi chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra, mối hàn chứa nhiều bọt khí. - không cho phép dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon do không đ!ợc khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt bản chất lớn. Thép lặng là loại đ!ợc khử ôxy triệt để bằng cả ferô mangan lẫn ferô silic là chất khử mạnh và nhôm, nên trong thép lỏng không xảy ra phản ứng trên, mặt thép lỏng luôn "phẳng lặng" (nên có tên là thép lặng). Các đặc điểm của thép lặng là: - do đ!ợc khử bằng ferô silic nên chứa một l!ợng nhất định silic, th!ờng trong khoảng 0,15 ữ 0,35%, vì thế ferit của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội hơn, 170 - trong tổ chức không có rỗ khí nên có cấu trúc xít chặt hơn, có cơ tính cao hơn thép sôi, các vật đúc bằng thép phải đ!ợc chế tạo bằng thép lặng, tuy nhiên lõm co trong thép lặng khá lớn (phần này phải cắt bỏ đi làm giảm hiệu quả kinh tế), - trong các kết cấu hàn chảy chỉ đ!ợc phép dùng thép lặng, - các chi tiết thấm cacbon chỉ đ!ợc làm bằng thép lặng. Do các đặc tính trội hơn thép sôi, thép lặng đ!ợc sử dụng rộng ri hơn. Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ đ!ợc khử ôxy bằng ferô mangan và nhôm. Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và thép lặng. Tuy xuất hiện sau song thép nửa lặng có khuynh h!ớng thay thế cho thép sôi. Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, song thép cacbon có thể ở cả ba loại: sôi, lặng và nửa lặng. Theo công dụng Theo mục đích sử dụng hay theo công dụng có thể chia thép cacbon thành hai nhóm thép kết cấu và thép dụng cụ. Thép kết cấu là loại đ!ợc dùng làm các kết cấu, chi tiết chịu tải (lực) do đó ngoài yêu cầu về độ bền bảo đảm còn cần phải có đủ độ dẻo, độ dai yêu cầu tức là cơ tính tổng hợp. Đây là nhóm thép đ!ợc sử dụng th!ờng xuyên nhất với khối l!ợng lớn nhất. Trong nhóm này còn có thể phân tiếp thành hai nhóm nhỏ hơn là xây dựng và chế tạo máy: - Thép xây dựng là loại chủ yếu đ!ợc dùng trong xây dựng để làm các kết cấu thép d!ới dạng các thanh dài, tấm rộng ghép lại, chúng đòi hỏi cơ tính tổng hợp song không cao. Thép xây dựng tuy có cần bền song phải có độ dẻo cao để dễ uốn khi lắp ghép và độ dai cao để khó bị phá hủy giòn, có tính hàn tốt. - Thép chế tạo máy đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn nên nói chung đòi hỏi chất l!ợng cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn phải bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai. Thép dụng cụ là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên có yêu cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn. Trong thực tế ng!ời ta sử dụng tất cả các cách phân loại trên. e. Tiêu chuẩn thép cacbon Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn Việt Nam đ quy định những loại thép cacbon chính. TCVN 1765 - 75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất l!ợng th!ờng để làm các kết cấu xây dựng, đ!ợc sử dụng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện. Do yêu cầu chất l!ợng không cao l!ợng nên l!ợng P, S cho phép khá lớn: P là 0,040 ữ 0,070%, S là 0,050 ữ 0,060%. Thép đ!ợc ký hiệu bằng CT (với ý nghĩa là thép cacbon chất l!ợng th!ờng) với các chữ ở sau cùng: s chỉ thép sôi, n chỉ thép nửa lặng, nếu không có chữ gì là thép lặng. Trong nhóm thép này lại quy định có ba phân nhóm A, B và C, trong đó phân nhóm thứ nhất A là chủ yếu. Phân nhóm A phân loại các mác theo giới hạn bền kéo tối thiểu đạt đ!ợc tính theo đơn vị kG/mm 2 - CTxx. Cách ký hiệu theo b (min) nh! vậy khá tiện cho việc tính toán sơ bộ sức bền cũng nh! tiết diện thép. Ví dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có ơ b 38kG/mm 2 hay 380MPa song với ba ph!ơng pháp khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng và sôi nên các chỉ tiêu cơ tính khác có khác nhau đôi chút. Tiêu chuẩn cũng quy định tỉ mỉ và chặt chẽ các chỉ tiêu khác nh! 0,2 , , , a K (xem bảng 5.1 ở mục 5.2.2b). Các phân nhóm B và C về cơ bản giữ nguyên ký hiệu nh! ở phân nhóm A song ở đầu ký hiệu t!ơng ứng 171 có thêm chữ B và C là BCTxx và CCTxx. Phân nhóm B không quy định cơ tính song lại quy định thành phần hóa học (phải tra bảng 5.2), còn phân nhóm C lại quy định cả hai: cơ tính lẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có cơ tính của CT38 còn thành phần của BCT38. TCVN 1766-75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất l!ợng tốt để chế tạo máy qua nhiệt luyện, do vậy phải đ!ợc bảo đảm (quy định) cả thành phần hóa học lẫn cơ tính (phải tra bảng), các mác đ!ợc ký hiệu bằng chữ C và số phần vạn cacbon trung bình - Cxx. Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 ữ 0,45%) và các tạp chất trong giới hạn đ trình bày. Do chất l!ợng tốt nên l!ợng P và S là 0,040% cho mỗi nguyên tố, các mác có chất l!ợng cao (P, S 0,030% cho mỗi nguyên tố) ở cuối ký hiệu có chữ A, ví dụ C40A. TCVN 1822-76 quy định các mác thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là cacbon, D là dụng cụ) với số tiếp theo chỉ l!ợng cacbon trung bình tính theo phần vạn - CDxx hoặc CDxxx. Ví dụ, CD80 và CD80A là hai mác cùng có khoảng 0,80%C (0,75 ữ 0,84%) song với chất l!ợng tốt và cao. Tiêu chuẩn các n!ớc OCT quy định các thép kết cacbon chất l!ợng th!ờng bằng C T với các số từ 0, 1 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng cao). Cũng có các phân nhóm theo thứ tự A, !, B lần l!ợt t!ơng ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN. Về thép kết cấu cacbon chất l!ợng tốt OCT quy định các mác ký hiệu theo số phần vạn cacbon trung bình, nh! mác 40 có khoảng 0,40%C nh! mác C40 của TCVN. Về thép cacbon dụng cụ OCT quy định các mác bằng với số tiếp theo chỉ l!ợng cacbon theo phần nghìn cacbon trung bình nh! 12 có khoảng 1,20%C. Tuy có một số khác biệt nhỏ về cơ bản TCVN về thép cacbon vẫn theo các nguyên tắc cơ bản của OCT, nên có sự trùng hợp hoàn toàn giữa hai tiêu chuẩn này. Hoa Kỳ sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon. ASTM đ!ợc dùng cho thép xây dựng. AISI và SAE cho các thép chế tạo máy và dụng cụ. JIS quy định các thép kết cấu chất l!ợng th!ờng bằng SS hay SM với số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị MPa - SSxxx, SMxxx; các thép kết cấu cacbon chất l!ợng tốt bằng SxxC trong đó xx là số chỉ l!ợng cacbon trung bình theo phần vạn, các thép cacbon dụng cụ bằng SK với các số thứ tự từ 1 đến 7 - SKx. f. ! u nh!ợc điểm của thép cacbon !u điểm Thép cacbon đ!ợc dùng rất rộng ri trong kỹ thuật nói chung và chế tạo máy vì ba !u điểm sau: 1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền. 2) Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng. 3) Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép hợp kim). Nh!ợc điểm Thép cacbon cũng có nhiều nh!ợc điểm, trong đó đáng chú ý nhất là: 1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao, do đó ảnh h!ởng xấu đến độ bền, đặc biệt đối với tiết diện lớn. 2) Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hóa ở trên 200 o C, ở trên 570 o C bị ôxy hóa mạnh. 172 3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt nh!: cứng nóng, chống ăn mòn. Các thép hợp kim tránh đ!ợc các nh!ợc điểm này. Do vậy trong thực tế thép cacbon đ!ợc dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa phải, làm việc ở nhiệt độ th!ờng; trong khi đó các thép hợp kim đ!ợc dùng cho các tr!ờng hợp ng!ợc lại. 5 2. Thép hợp kim Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan trọng. a. Thành phần hóa học Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà ng!ời ta cố ý đ!a thêm vào (không phải do yêu cầu thông th!ờng của công nghệ luyện kim) các nguyên tố có lợi với l!ợng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa). Các nguyên tố có lợi đ!ợc đ!a vào một cách đặc biệt với l!ợng đủ lớn nh! vậy đ!ợc gọi là nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm l!ợng lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố (không có giá trị chung cho mọi nguyên tố) nh! sau: Mn 0,80 ữ ữữ ữ ,00%, Si 0,50 ữ ữữ ữ 0,80%, Cr 0,50 ữ ữữ ữ 0,80%, Ni 0,50 ữ ữữ ữ 0,80%, W 0,0 ữ ữữ ữ 0,50%, Mo 0,05 ữ ữữ ữ 0,20%, Ti 0,0%, Cu 0,30, B 0,0005%. Nhỏ hơn giới hạn d!ới kể trên đ!ợc coi là tạp chất. Tuy nhiên các giới hạn trên cũng chỉ là quy !ớc và không cứng nhắc một cách quá chặt chẽ. Thép hợp kim là loại có chất l!ợng từ tốt trở lên nên chứa ít và rất ít các tạp chất có hại. b. Các đặc tính của thép hợp kim ở đây nói kỹ hơn các đặc tính trội hơn hẳn của thép hợp kim so với thép cacbon (thép cacbon t!ơng đ!ơng đ!ợc mang ra đối chứng phải là loại có cùng thành phần cacbon với thép hợp kim đ cho). Cơ tính Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở thép sau khi tôi + ram. Khi hết sức tận dụng !u điểm này cần chú ý đến đến các hệ quả sau đây: - ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ), độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đ dùng thép hợp kim thì phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng, gần nh! th!ờng hóa) hay ủ là sự lng phí lớn về độ bền. - !u việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn và l!ợng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ ( 20mm) !u việt này của thép hợp kim không thể hiện đ!ợc (vì với tiết diện nhỏ nh! vậy thép cacbon cũng đ!ợc tôi thấu). - Do tính thấm tôi tốt, dùng môi tr!ờng tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi n!ớc. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi (do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim. - Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng đ!ợc độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song th!ờng làm giảm độ dẻo, độ dai nên l!ợng hợp kim cần thiết chỉ cần vừa đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đ cho là đủ, không nên dùng thừa (dùng thép 173 hợp kim quá cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá hủy giòn hơn). Do vậy có nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc kích th!ớc (tiết diện). - Tuy đạt độ bền cao hơn nh!ng th!ờng có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ ng!ợc này để có xử lý thích hợp (bằng ram). Mặc dầu có !u điểm về độ bền, nói chung thép hợp kim có tính công nghệ kém hơn thép cacbon (trừ tính thấm tôi). Tính chịu nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó làm mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200 o C, do vậy tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy ôxyt tạo thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt. Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt Bằng cách đ!a vào thép các nguyên tố khác nhau với l!ợng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt: - không gỉ, chống ăn mòn trong axit, badơ, muối, - từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính, - gin nở nhiệt đặc biệt Qua đó thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết, không thể thiếu cho những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông th!ờng. c. Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép Một cách đơn giản có thể xem một thép hợp kim đơn giản (chỉ có một nguyên tố hợp kim) là đ!a thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C. Vậy hy xem nguyên tố hợp kim ảnh h!ởng nh! thế nào đến hợp kim Fe - C mà ta đ nghiên cứu, cụ thể là đến các tổ chức chính: các dung dịch rắn ferit, austenit, hợp chất xêmentit (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗn hợp ferit - cacbit) Các nguyên tố khi đ!a vào thép cũng không ngoài hai tác dụng: hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn và kết hợp với cacbon thành cacbit. Cũng khó phân loại rạch ròi song có thể tạm chia thành hai dạng nguyên tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hòa tan vào sắt và dạng có ái lực mạnh với cabon tạo nên cacbit. Hy xét từng khả năng. Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn Đó là tr!ờng hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình và th!ờng gặp là Mn, Si, Cr, Ni. Với l!ợng ít nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi đáng kể cấu hình của giản đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức ferit ở nhiệt độ thấp và austenit ở nhiệt độ cao. Khi hòa tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit, các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và th!ờng làm giảm độ dẻo, độ dai. ảnh h!ởng của bốn nguyên tố trên đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ dai đ!ợc trình bày trên hình 5.2. Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si, Cr và Ni. Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit đ có độ dai rất thấp ( 500kJ/m 2 ) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế là rẻ hơn, khả năng hóa bền cao Mn và Si chỉ đ!ợc dùng với hàm l!ợng hạn chế 1 ữ 2%. Nh! thế không thể dùng thép Mn, Si với độ thấm tôi cao vì bị hạn chế bởi l!ợng đ!a vào. Còn Ni và Cr (cho tới hàm l!ợng 4%) trong khi làm tăng độ cứng chẳng những không làm giảm còn làm tăng chút ít độ dai. [...]... SCrxxx - thép kết cấu crôm, SNCxxx - thép kết cấu niken - crôm, SMnxxx - thép mangan, SCMxxx - thép kết cấu crôm - môlipđen, SACMxxx - thép nhôm - crôm - môlipđen, SNCMxxx - thép kết cấu niken - crôm - môlipđen, SUJx - thép ổ lăn, SUMx - thép dễ cắt, SUPx - thép đàn hồi, SUSxxx - thép không gỉ (xxx lấy theo AISI), SUHx - thép bền nóng, SKx - thép dụng cụ cacbon, SKHx - thép gió, SKSx, SKDx, SKTx - thép. .. một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự Sau đây các chữ cái (th!ờng lấy theo chữ cái đầu tiên chỉ nhóm thép) đó: W cho thép tôi n!ớc (water), O cho thép tôi dầu (oil), 184 S cho thép dụng cụ chịu va đập (shock), T cho thép gió vonfram (tungsten), M cho thép gió môlipđen - vonfram, H cho thép làm dụng cụ biến dạng nóng (hot), D cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội (cold), A cho thép làm dụng cụ biến... môlipđen (2 loại) 40xx, 44xx, thép crôm-môlipđen 41xx, thép niken-crôm-môlipđen (11 loại)43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx, thép niken-môlipđen (2 loại) 46xx, 48xx, thép crôm (2 loại) 50xx, 51xx, thép crôm với 0,50 ữ 1,50%C 501xx, 511xx, 521xx, thép crôm-vanađi 61xx, thép vonfram-crôm 72xx, thép silic-mangan 92xx, thép bo xxBxx, Đối với thép dụng cụ, Hoa Kỳ th!ờng sử... các thép với tổ chức sau: - thép tr!ớc cùng tích: peclit + ferit tự do, - thép cùng tích: peclit, - thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do, 181 - thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit Riêng tr!ờng hợp thép đ!ợc hợp kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có: - thép ferit: loại có Cr rất cao (> 17%) và th!ờng rất ít cacbon, - thép austenit: loại có Mn cao (> 13%) và. .. biến dạng nguội, tự tôi, trong không khí (air), Đối với thép không gỉ và bền nóng, Hoa Kỳ dùng AISI với ký hiệu là nhóm ba số xxx, trong đó: 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thép mactenxit Tiêu chuẩn Nhật Bản JIS cũng ký hiệu thép hợp kim bắt đầu bằng chữ S song tiếp theo có những chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối chỉ phần... của thép ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng làm nguội trong không khí) Theo nguyên tố hợp kim Dựa vào tên nguyên tố hợp kim chính đ!a vào để gọi, nh!: - Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính nh! Cr, Mn đ!ợc lần l!ợt gọi là thép crôm, thép mangan, chúng là các thép hợp kim (hóa) đơn giản - Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim nh! Cr - Ni, Cr - Ni - Mo đ!ợc lần l!ợt gọi là thép crôm - niken, thép. .. cho hạt nhỏ và nâng cao tính chống mài mòn Nh! vậy các cacbit hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, khó hòa tan vào austenit hơn so với xêmentit làm thép hợp kim cứng, bền nóng hơn và có nhiệt độ tôi cao hơn thép cacbon Do các nhóm thép sử dụng các loại nguyên tố hợp kim và l!ợng chứa khác nhau nên nói chung mỗi nhóm thép th!ờng chỉ gặp 1 ữ 2 loại cacbit kể trên, cụ thể là: + xêmentit hợp kim trong thép kết... cũng có trong loại thép cacbon, còn nhóm thứ ba thì không có Đây là nhóm với tính chất vật lý - hóa học đặc biệt, th!ờng chứa tổng l!ợng hợp kim cao và rất cao (> 20%) Các cách phân loại trên th!ờng có quan hệ với nhau và cho biết một số đặc tr!ng của thép Thép austenit, ferit bao giờ cũng là loại thép đặc biệt, hợp kim cao hoặc rất cao, đắt và khó gia công cắt Thép mactenxit là loại thép rất dễ tôi song... đây trình bày các thép và đặc điểm của từng loại a Thép cacbon Do các yêu cầu trên, thép cacbon để thấm cacbon phải là loại thép lặng, không đ!ợc dùng thép sôi hay nửa lặng vì chúng có khuynh h!ớng phát triển hạt mạnh Phù hợp với các yêu cầu đề ra chỉ dùng các mác thép cacbon sau: C10, C15, C20, C25 và đôi khi cả CCT38 (nh! đ nói trong điều kiện thông th!ờng của sản xuất luyện kim mác thép này có khoảng... hơn, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn so với xêmentit trong thép cacbon Hy so sánh các thép cùng có 1,00%C nh!ng với l!ợng hợp kim cao thấp khác nhau: + thép cacbon 1,00%C (mác CD100), Fe3C, nhiệt độ tôi khoảng 780oC, + thép hợp kim thấp 1,00%C + 1,50%Cr (thép ổ lăn), (Fe,Cr)3C, nhiệt độ tôi khoảng 830oC, + thép hợp kim cao 1,00%C + 12,0%Cr (thép khuôn dập), Cr23C6, nhiệt độ . của thép cacbon. Tạp chất có hại: phôtpho và l!u huỳnh Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đ!ờng quặng sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang) . Chúng làm thép. mangan và nhôm. Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và thép lặng. Tuy xuất hiện sau song thép nửa lặng có khuynh h!ớng thay thế cho thép sôi. Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, song thép. loại thép: cacbon và hợp kim. Tr!ớc tiên hy phân biệt, so sánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép chính này. 5 Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim 5 . Thép cacbon Thép