214975241 tổng hợp thep

Thành phần hóa học Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào không phải do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim các nguyên tố có lợi với lượ

1 Thành phần hóa học

Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào (không phải do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim) các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa)

Các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với lượng đủ lớn như vậy được gọi là nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố (không có giá trị chung cho mọi nguyên tố) như sau:

- 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 đã 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 như thường hóa) hay ủ là sự lãng phí lớn về độ bền

- Ưu việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn và lượng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu Khi tiết diện nhỏ (≤ 20mm) ưu việt này của thép hợp kim không thể hiện được (vì với tiết diện nhỏ như vậy thép cacbon cũng được tôi thấu)

- Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trường tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi nước 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 được độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết chỉ cần vừa đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đã cho là đủ, không nên dùng thừa (dùng thép 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 thước (tiết diện)

- Tuy đạt độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ ngược này để có xử lý thích hợp (bằng ram)

Mặc dù có ưu 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 200oC, 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 đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng 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

- Giãn 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 thường

3 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 đưa thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C Vậy hãy xem nguyên tố hợp kim ảnh hưởng như thế nào đến hợp kim Fe - C mà ta đã 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 đưa 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 Hãy xét từng khả năng

Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn

Đó là trường hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình và thường gặp là Mn, Si, Cr, Ni

Với lượng 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 thường làm giảm độ dẻo, độ dai Ảnh hưởng của bốn nguyên

tố trên đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ dai được 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 đã có độ dai rất thấp (≤ 500kJ/m2) 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 được dùng với hàm lượng hạn chế 1 - 2% Như thế không thể dùng thép Mn, Si với độ thấm tôi cao vì bị hạn chế bởi lượng đưa vào Còn Ni và Cr (cho tới hàm lượng 4%) trong khi làm tăng độ cứng chẳng những không làm giảm còn làm tăng chút ít độ dai Do vậy hợp kim hóa thép bằng Cr, Ni hay đồng thời bằng cả hai là rất tốt vì ngoài làm tăng độ thấm tôi, bản thân chúng nâng cao độ cứng, độ bền mà vẫn duy trì tốt độ dẻo, độ dai của ferit Vì thế thép có độ thấm tôi cao thuộc nhóm được hợp kim hóa bằng

Cr - Ni Mặc dầu giá thành có cao hơn (do Cr và đặc biệt Ni ngày càng đắt, hiếm) loại thép này vẫn được ưa chuộng trong chế tạo các chi tiết đòi hỏi độ tin cậy cao

Với lượng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn chúng làm thay đổi hẳn cấu hình của giản đồ pha Fe - C, đặc biệt rõ là làm thay đổi các khu vực của ferit và austenit Trên hình 5.3 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng Mn và Cr đến khu vực γ (austenit) của giản đồ pha Fe - C Thấy rất rõ Mn (và cả

Ni nữa) mở rộng (nhiệt độ tồn tại của) khu vực γ (tương ứng thu hẹp khu vực α) Với hàm lượng lớn trong khoảng 10 - 20% tổ chức austenit tồn tại cả ở nhiệt độ thường (không biểu thị ở hình 5.3a), tức là khi nung nóng hay làm nguội không có chuyển biến pha như thường gặp, thép được gọi là thép austenit Còn Cr ngược lại thu hẹp khu vực γ (tương ứng mở rộng khu vực α như ở hình 5.3b) Với hàm lượng Cr đủ lớn (khoảng gần 20%) khu vực γ không còn tồn tại, tổ chức ferit tồn tại cả ở nhiệt độ cao cho tới khi chảy lỏng Thép này cũng không có chuyển biến pha và được gọi là thép ferit Những trường hợp như vậy chỉ gặp ở thép đặc biệt Rõ ràng là các thép này không thể áp dụng hóa bền bằng tôi

Hình 5.2 ảnh hưởng của độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim chủ yếu trong dung dịch rắn ferit

đến độ cứng (a) và độ dai va đập (b)

Tạo thành cacbit

Trừ các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo thành được cacbit trong thép (chỉ có thể hòa tan vào sắt), các nguyên tố hợp kim còn lại gồm Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb ngoài khả năng hòa tan vào sắt còn có thể kết hợp với cacbon thành cacbit

Người ta nhận thấy rằng số điện tử của phân lớp nd (3d, 4d, 5d) trong nguyên tử của nguyên tố nào càng bị thiếu thì nguyên tố đó càng có ái lực mạnh với cacbon và tất nhiên là trong thép (chủ yếu là sắt) chỉ nguyên tố nào có số điện tử của phân lớp nd ít hơn của Fe (là 6) thì mới có khả năng tạo thành được cacbit

Phù hợp với số thiếu hụt của điện tử, các nguyên tố tạo thành cacbit trong thép theo thứ tự từ yếu đến mạnh như sau:

Fe (6), Mn (5), Cr (5), Mo (5), W (4), V (3), Ti (2), Zr (2), Nb (2)

[số trong ngoặc là số điện tử trong phân lớp nd], trong đó:

- Mn và Cr là các nguyên tố tạo thành cacbit trung bình

- Mo và W là các nguyên tố tạo thành khá mạnh

- V là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, và

- Ti, Zr, Nb là các nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh

Hình 5.3 ảnh hưởng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng a và g trên giản đồ Fe-C

Khi đưa vào thép các nguyên tố này, cacbon sẽ ưu tiên kết hợp với các nguyên tố mạnh trước Tùy theo nguyên tố hợp kim (Me) đưa vào và hàm lượng của nó, trong thép hợp kim có các pha cacbit sau

- Xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C Khi thép chứa một lượng ít (1 - 2%) các nguyên tố tạo cacbit trung bình và khá mạnh là Mn, Cr, Mo, W chúng hòa tan thay thế vị trí các nguyên tử Fe trong xêmentit tạo nên xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C Xêmentit hợp kim có tính ổn định cao (khó phân hủy, kết tụ khi nung) hơn xêmentit chút ít Nhiệt độ tôi có tăng đôi chút

- Cacbit với kiểu mạng phức tạp Khi hợp kim hóa đơn giản (chỉ bằng một nguyên tố hợp kim) song với lượng lớn (> 10%) Cr hoặc Mn (có dC / dMe > 0,59) chúng tạo nên với C loại cacbit với kiểu mạng phức tạp như: Cr7C3, C23C6, Mn3C Các đặc tính của cacbit này là:

+ Có độ cứng cao (hơn xêmentit một chút)

+ Có nhiệt độ chảy không cao lắm, trong khoảng 1550 - 1850oC (cao hơn xêmentit), nên có tính

ổn định cao hơn Nhiệt độ tôi của thép phải cao hơn 1000oC

- Cacbit kiểu Me6C Trong các thép chứa Cr với W hoặc Mo sẽ tạo nên cacbit loại Me6C với kiểu mạng phức tạp, trong đó Me là các nguyên tố Cr, W, Mo và cả Fe Loại cacbit này còn khó hòa tan vào austenit hơn và ổn định hơn loại trên Nhiệt độ tôi của thép trong khoảng 1200 - 1300oC

- Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC (Me2C) Các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh và rất mạnh

là V, Ti, Zr, Nb khi đưa vào thép với lượng ít (0,1%) cũng có khả năng liên kết hết với cacbon thành cacbit như VC, TiC, ZrC, NbC, chúng chính là pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản (vì dC/dMe < 0,59) Các đặc tính của loại cacbit này là:

+ Có độ cứng cao nhưng ít giòn hơn xêmentit

+ Có nhiệt độ chảy rất cao (trên dưới 3000oC) nên rất khó phân hủy và hòa tan vào austenit khi nung Các nguyên tố này không có tác dụng tăng độ thấm tôi, cacbit của chúng thường đóng vai trò giữ cho hạt nhỏ và nâng cao tính chống mài mòn

Như vậy các cacbit hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, khó hòa tan vào austenite 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 lượng chứa khác nhau nên nói chung mỗi nhóm thép thường chỉ gặp 1 - 2 loại cacbit kể trên, cụ thể là:

+ Xêmentit hợp kim trong thép kết cấu

+ Cacbit với kiểu mạng phức tạp trong thép không gỉ và bền nóng (thuộc nhóm thép đặc biệt) + Cacbit kiểu Me6C trong thép gió (thuộc thép dụng cụ)

+ Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC được tạo thành với lượng ít trong các nhóm thép khác nhau

Vai trò của cacbit hợp kim

- Giống như xêmentit, cacbit hợp kim cũng có tác dụng làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn của thép song có phần mạnh hơn Như sau này sẽ thấy thép làm dụng cụ tốt nhất phải là loại thép

có cacbon cao và hợp kim cao

- Do khó hòa tan vào austenit khi nung nóng nên một mặt nâng cao nhiệt độ tôi mặt khác lại giữ

được hạt nhỏ khi nung, điều này giúp nâng cao độ dai và cơ tính nói chung

- Khi ram, cacbit hợp kim tiết ra khỏi mactenxit và kết tụ lại ở nhiệt độ cao hơn so với xêmentit ở trong thép cacbon, do đó giữ được độ cứng cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200oC, đôi khi tới 500 - 600oC, tức có tính cứng hay bền nóng

4 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện

Các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng lớn đến quá trình nhiệt luyện, đặc biệt là tôi + ram, do vậy

sẽ ảnh hưởng lớn đến cơ tính, đây là đặc tính nổi bật của thép hợp kim Hãy xét tới từng mặt và từng quá trình của nhiệt luyện

Chuyển biến khi nung nóng để tôi

Trừ một số thép đặc biệt, các thép hợp kim thông thường còn lại vẫn có tổ chức peclit, nên khi nung nóng để tôi vẫn có các chuyển pha: peclit → austenit, cacbit hòa tan vào austenit, hạt austenit phát triển (như thép cacbon với pha cacbit là xêmentit) song có các điểm đặc trưng sau:

- Sự hòa tan cacbit hợp kim khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn

so với xêmentit trong thép cacbon Hãy so sánh các thép cùng có 1,00%C nhưng với lượng hợp kim cao thấp khác nhau:

+ Thép cacbon 1,00%C (mác CD100), Fe3C, nhiệt độ tôi khoảng 780oC

+ Tthép 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 tôi > 1000oC

- Cacbit hợp kim do khó hòa tan vào austenit, nằm ở biên giới hạt, như hang rào giữ cho hạt nhỏ Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh với V, tương đối mạnh với W, Mo Riêng thép có

Mn lại có khuynh hướng làm to hạt austenit Các nguyên tố hợp kim còn lại Cr, Ni, Si, Al được coi là trung tính Chính vì vậy thép hợp kim thường giữ được hạt nhỏ hơn thép cacbon khi cả hai cùng bị nung nóng ở cùng nhiệt độ (ví dụ khi thấm cacbon)

Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội và độ thấm tôi

Đây là tác dụng quan trọng nhất và điển hình nhất, cần nắm vững và tận dụng triệt để

Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội Khi hòa tan vào austenit, tất cả các nguyên tố hợp kim (trừ Co) với các mức độ khác nhau đều làm chậm tốc độ phân hóa đẳng nhiệt của

austenit quá nguội tức là làm đường cong chữ "C" dịch sang phải do đó làm giảm tốc độ tôi tới hạn Vt.h (hình 5.4a) Trong đó đáng để ý: các nguyên tố có tác dụng rất mạnh là Mo (khi riêng rẽ) và Cr - Ni (khi kết hợp), mạnh là Cr, Mn, B Với cùng tổng lượng hợp kim, khi hợp kim hóa phức tạp làm giảm Vth mạnh hơn khi hợp kim hóa đơn giản

Cần chú ý là khi nguyên tố hợp kim không hòa tan vào austenit mà ở dạng cacbit không những không làm tăng mà còn làm giảm tính ổn định của austenit quá nguội, dẫn tới tăng Vth

Độ thấm tôi Do làm giảm Vt.h, các nguyên tố hợp kim (trừ Co) khi hòa tan vào austenit đều làm tăng độ thấm tôi (hình 5.4b) Như thấy rõ từ hình vẽ, do đường cong chữ "C" trong thép hợp kim dịch sang phải nên có Vt.h2 < Vt.h1 của thép cacbon, tương ứng δ2 là độ thấm tôi của thép hợp kim, δ1 - độ thấm tôi của thép cacbon, ta luôn có δ2 > δ1

Nhờ hiệu quả này trong thép hợp kim có thể xảy ra các trường hợp sau mà ta không thể gặp trong thép cacbon:

- Vth bé đến mức nhỏ hơn cả Vnguội của lõi, do đó sau khi tôi lõi cũng có tổ chức mactenxit, đây là trường hợp tôi thấu

Hình 5.4 So sánh giản đồ T - T - T, Vth (a) và độ thấm tôi (b) giữa thép cacbon và thép hợp kim

- Vnguội trong không khí cũng có thể lớn hơn Vt.h, do đó thường hóa cũng đạt được tổ chức mactenxit, đó là hiện tượng tự tôi (trong khi đó thường hóa thép cacbon chỉ đạt được xoocbit là cùng)

Do độ thấm tôi tăng lên sẽ có hai hiệu quả chính sau đây:

1) Hiệu quả hóa bền của tôi + ram tăng lên rõ rệt, đặc biệt khi tôi thấu sẽ đạt tới cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện, nâng cao mạnh sức chịu tải của chi tiết Vì thế:

- Để phát huy hết khả năng chịu tải của chi tiết bằng thép hợp kim, phải sử dụng nó ở trạng thái tôi + ram, có như vậy mới đạt hiệu quả kinh tế (vì thép hợp kim đắt hơn)

- Với tiết diện càng lớn càng phải dùng thép hợp kim và dùng nó càng hiệu quả Do vậy phải căn

cứ vào tiết diện và cơ tính yêu cầu mà chọn mác thép: tiết diện càng lớn, độ bền đòi hỏi càng cao, lượng hợp kim trong thép càng phải cao để có thể tôi thấu

2) Khi tôi có thể dùng các môi trường nguội chậm mà vẫn đạt được mactenxit như tôi trong dầu, trong muối nóng chảy (phân cấp hay đẳng nhiệt), điều này dẫn đến các ưu việt sau:

- Chi tiết, dụng cụ với hình dạng phức tạp khi tôi không sợ gãy, nứt Trong khi đó nếu làm bằng thép cacbon phải tôi trong nước dễ sinh vỡ

- Ít biến dạng, trong nhiều trường hợp có độ cong vênh dưới mức cho phép, đặc biệt khi tôi phân cấp hay đẳng nhiệt

Chuyển biến mactenxit

Khi hòa tan vào austenit, các nguyên tố hợp kim (trừ Co, Al, Si) đều hạ thấp nhiệt độ chuyển biến austenit thành mactenxit, do đó làm tăng lượng austenit dư sau khi tôi

Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm giảm Ms như sau: Mn - 45oC, Cr - 35oC, Ni - 26oC, Mo - 25oC, còn Co làm tăng 12oC, Al làm tăng 18oC, Si không ảnh hưởng gì

Do austenit dư tăng mạnh ở các thép có cacbon cao - hợp kim cao, độ cứng sau khi tôi có thể bị sụt 1 - 10 đơn vị HRC so với mức cao nhất có thể đạt được Tuy đây là nhược điểm song hoàn toàn có thể khắc phục được bằng gia công lạnh hay ram nhiều lần ở nhiệt độ thích hợp để

austenit dư → mactenxit, độ cứng lại đạt được mức cao nhất

5 Chuyển biến khi ram

Nói chung các nguyên tố hợp kim hòa tan trong mactenxit đều cản trở sự phân hóa của pha này khi ram hay nói cụ thể hơn là làm tăng các nhiệt độ chuyển biến khi ram Sở dĩ như vậy là vì các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon Đặc biệt W, Mo, Cr có ái lực khá mạnh với cacbon có xu hướng giữ cacbon lại trong mactenxit, do đó duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ cao hơn Ví dụ, sự tiết ra cacbit hợp kim ra khỏi mactenxit ở các nhiệt độ sau:

- Xêmentit Fe3C ở 200oC

- Xêmentit hợp kim (Fe,Me)3C ở 250 - 300oC

- Cacbit crôm Cr7C3, Cr23C6 ở 400 - 450oC

- Cacbit Fe3W3C loại Me6C ở 550 - 600oC

(VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan khi nung nóng nên không tiết ra)

Nhờ vậy dẫn đến các hiệu ứng sau

- Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng

- Do khuếch tán khó khăn cacbit tạo thành rất phân tán và nhỏ mịn, làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn, được gọi là hóa cứng phân tán Sự tăng độ cứng khi ram thép hợp kim ở nhiệt

độ thích hợp làm cho austenit dư → mactenxit và cacbit tiết ra ở dạng phân tán, nhỏ mịn được gọi là độ cứng thứ hai

- Cùng ram hay cùng làm việc ở một nhiệt độ, thép hợp kim bao giờ cũng có độ cứng, độ bền cao hơn Điều này cũng có nghĩa để cùng đạt độ cứng độ bền như nhau, phải ram thép hợp kim ở nhiệt độ cao hơn nên khử bỏ được ứng suất bên trong nhiều hơn vì thế thép có thể bảo đảm độ dai tốt

Tóm tắt các tác dụng tốt của nguyên tố hợp kim là:

+ Khi hòa tan vào dung dịch rắn:

• Ferit làm tăng xô lệch mạng gây hóa bền (cacbon cũng có tác dụng này song chỉ ở trạng thái tôi, sau khi ram bị giảm rất mạnh),

• Austenit làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, giảm Vt.h, tăng độ thấm tôi, thép tôi ít biến dạng và gãy vỡ hơn nhờ dùng dầu và các môi trường nguội chậm hơn

+ Khi tạo thành cacbit hợp kim:

• Bản thân pha này cứng và chống mài mòn hơn xêmentit, khó hòa tan khi nung giữ cho hạt nhỏ

• Khó tiết ra khỏi mactenxit hơn nên gây nên bền nóng và cứng nóng

• Khi ram được tiết ra dưới dạng phần tử nhỏ mịn, phân tán gây hóa bền

6 Các khuyết tật của thép hợp kim

Tuy có nhiều ưu việt, thép hợp kim đôi khi cũng thể hiện một số khuyết tật cần biết để phòng tránh

Thiên tích

Thép hợp kim, đặc biệt là loại được hợp kim hóa cao với nhiều thành phần hóa học phức tạp, sau khi kết tinh sẽ có tổ chức không đồng nhất, khi cán sẽ tạo nên tổ chức thớ làm cơ tính chênh lệch mạnh giữa các phương dọc và ngang (có khi chênh lệch tới 50 - 70% hay hơn nữa) Khắc phục bằng ủ khuếch tán rồi đem cán nóng, song nhiều khi ở các bán thành phẩm có tiết diện lớn vẫn còn thấy dạng khuyết tật này Rõ ràng tiết diện của sản phẩm cán càng nhỏ dạng khuyết tật này càng ít thể hiện Tuy các nhà máy luyện kim phải chịu trách nhiệm về loại khuyết tật này song nếu bị lọt lưới, các nhà máy cơ khí phải tiến hành biến dạng nóng lại với mức độ lớn

Đốm trắng

Đó là dạng khuyết tật: trên mặt của một số thép hợp kim có các vết nứt nhỏ ở dạng đốm trắng Nguyên nhân là hyđrô hòa tan vào thép lỏng rồi nằm lại trong thép rắn ở trạng thái rắn do giảm đột ngột độ hòa tan ở dưới 200oC, hyđrô thoát ra mạnh, gây ra nứt Đốm trắng là phế phẩm không chữa được, nó chỉ thể hiện trong thép có độ thấm tôi cao như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo, Cr -

Ni - W khi cán nóng (khi đúc không xuất hiện đốm trắng do các rỗ co phân tán là túi chứa hyđrô) Ở nhà máy luyện kim người ta ngăn ngừa khuyết tật này bằng cách giảm hơi nước trong khí quyển, sấy khô mẻ luyện (cả mẻ liệu - sắt thép vụn lẫn trợ dung - vôi) và làm nguội thật chậm sau khi cán đểhyđrô kịp thoát ra

Hai dạng khuyết tật trên phải được khử bỏ ngay ở nhà máy luyện kim, rất ít gặp ở nhà máy cơ khí, nơi chỉ gia công tiếp tục các bán thành phẩm cán thành sản phẩm cơ khí với hình dạng, kích thước, cơ tính theo quy định

Giòn ram

Đối với thép cacbon, khi tăng nhiệt độ ram độ dai tăng lên liên tục cho đến 650oC (vượt quá sẽ tạo ra peclit - hỗn hợp ferit - xêmentit thô, độ dai giảm đi), còn đối với thép hợp kim thấy có hai cực tiểu về độ dai ở hai khoảng nhiệt độ ram (hình 5.5) mà ta gọi là giòn ram, ứng với hai cực tiểu đó là hai loại giòn ram Nguyên nhân của chúng chưa xác định được rõ ràng

Giòn ram loại I (không thuận nghịch, không chữa được) Loại giòn ram này thể hiện rất rõ ở trong thép hợp kim khi ram ở khoảng 280 - 350oC (mỗi mác có một khoảng hẹp hơn trong phạm

vi này), khi đó thấy độ dai rất thấp, đối với một số loại thép nó còn thấp hơn cả ở trạng thái mới

tôi Các thép cacbon cũng bị giòn ram loại này và xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn Nguyên nhân có thể là do trong khoảng nhiệt độ này cacbit ε được tiết ra khỏi mactenxit có dạng tấm hay

γdư→M, làm thép trở nên giòn

Đây là loại giòn không thể tránh được, tốt hơn cả là tránh ram ở khoảng nhiệt độ gây ra giòn ram này cho mỗi mác (khoảng hẹp hơn, chỉ 10 - 20oC so với 70oC kể trên)

Hình 5.5 ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ dai va đập của thép hợp kim (có đối chứng với thép

cacbon)

Giòn ram loại II (thuận nghịch hay có thể chữa được) Loại này chỉ xảy ra trong thép được hợp kim hóa bằng Cr, Mn, Cr - Ni, Cr - Mn khi ram ở khoảng 500 - 600oC với cách làm nguội thông thường sau đó (trong không khí) Cũng ram tại nhiệt độ đó song lại làm nguội nhanh sau đó (trong dầu hay nước chả hạn) thì cũng không có cực tiểu thứ hai này (đường chấm chấm trên hình vẽ) Nguyên nhân có thể là nguội chậm sau khi ram cao thúc đẩy tiết ra các pha giòn ở biên giới hạt Giòn ram loại II là thuận nghịch tức là có thể bị lại nếu đem ram lần nữa cũng với chế

độ nhiệt như trên (500 - 600oC, nguội chậm)

Đây là loại giòn ram có thể tránh được Biện pháp phòng tránh như sau:

- Với các chi tiết nhỏ và trung bình: làm nguội nhanh trong dầu, trong nước sau khi ram cao

- Với các chi tiết lớn làm nguội như vậy vẫn không đủ nhanh để làm mất giòn ram, lúc này phải dùng thép có hợp kim hóa thêm bằng 0,20 - 0,50%Mo hay 0,50 - 1,00%W

7 Phân loại thép hợp kim

Đối với thép hợp kim có nhiều cách phân loại hơn và mỗi loại cũng cho biết một đặc trưng cần biết để sử dụng tốt hơn

- Thép cùng tích: peclit

- Thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do

- Thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit

Riêng trường hợp thép được 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 thường rất ít cacbon

- Thép austenit: loại có Mn cao (> 13%) và thường có cacbon cao, và loại có Cr (> 18%) + Ni (>8%)

Theo tổ chức thường hóa

Theo tổ chức thường hóa các mẫu nhỏ ф25, theo lượng nguyên tố hợp kim tăng lên sẽ có các thép sau đây (hình 5.6):

- Thép họ peclit: loại hợp kim thấp, đường cong chữ "C" sát trục tung, nguội trong không khí được hỗn hợp ferit-xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxtit; phần lớn thép thuộc loại này

Hình 5.6 Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với lượng hợp kim tăng dần: a peclit, b

Cách phân loại này cho biết tổ chức 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 đưa vào để gọi, như:

- Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính như Cr, Mn được lần lượt gọi là thép crôm, thép mangan, chúng là các thép hợp kim (hóa) đơn giản

- Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo được lần lượt gọi là thép crôm - niken, thép crôm - niken - môlipđen, chúng là các thép hợp kim (hóa) phức tạp

Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim

Theo tổng (hàm) lượng của các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến cao, người ta chia ra:

- Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng < 2,5% (thường là thép peclit)

- Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lượng từ 2,5 đến 10% (thường là thép họ từ peclit đến mactenxit)

- Thép hợp kim cao: loại có tổng lượng >10% (thường là họ mactenxit hay austenit)

Ở đây dùng theo cách phân loại trên đã quen thuộc ở nước ta, theo ΓOCT Tuy nhiên các nước trên thế giới quan niệm hợp kim hóa cao thấp không giống nhau Trung Quốc cũng có ba loại như trên song ranh giới giữa thấp và trung bình là 5% chứ không phải là 2,5% Các nước Tây Âu chỉ phân biệt hai loại thấp và cao, trong đó hợp kim thấp là loại không chứa nguyên tố hợp kim nào nhiều hơn 5%, còn hợp kim cao là loại có ít nhất một nguyên tố nhiều hơn 5%

Các cách phân loại trên thường có quan hệ với nhau và cho biết một số đặc trưng 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 rất khó gia công cắt phôi ở trạng thái cung cấp Thép lêđêburit bao giờ cũng thuộc nhóm hợp kim cao - cacbon cao, rất cứng để làm dụng cụ Thép Cr - Ni bao giờ cũng là thép kết cấu quý vì có độ thấm tôi cao và độ dai tốt

8 Tiêu chuẩn thép hợp kim

Tiêu chuẩn Việt Nam

TCVN 1759 - 75 đã quy định nguyên tắc ký hiệu thép hợp kim theo trật tự như sau:

- Số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn, nếu ≥ 1% có thể không cần biểu thị

- Các nguyên tố hợp kim theo ký hiệu hóa học và ngay sau đó là hàm lượng theo phần trăm trung bình (thường đã được quy tròn thành số nguyên), khi lượng chứa của nguyên tố khoảng 1% thì không cần biểu thị (bằng số)

Ví dụ:

- Thép có 0,36 - 0,44%C, 0,80 - 1,00%Cr sẽ được ký hiệu là 40Cr

- Thép có 0,09 - 0,16%C, 0,60 - 0,90%Cr, 2,75 - 3,75%Ni sẽ được ký hiệu là 12CrNi3

- Thép có 1,25 - 1,50 %C, 0,40 - 0,70 %Cr, 4,5 - 5,5 %W sẽ được ký hiệu là 140CrW5 hay đơn giản chỉ là CrW5

- Thép có 0,85 - 0,95%C, 1,20 - 1,60 %Si 0,95 - 1,25 %Cr sẽ được ký hiệu là 90CrSi

Như vậy trên nguyên tắc rất dễ hiểu này có thể ký hiệu mọi thép theo thành phần của chúng mà không có những trùng lặp quan trọng Nguyên tắc này được sử dụng để ký hiệu các thép khi cần thiết phải rút gọn cách biểu thị thành phần hóa học

TCVN chưa phủ hết các thép hợp kim thường dùng

Tiêu chuẩn Nga

ΓOCT ký hiệu thép hợp kim theo trật tự sau đây:

- Số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn (nếu là thép kết cấu) và phần nghìn (nếu là thép dụng cụ, loại có cacbon cao), khi ≥ 1,00% không biểu thị

- Các nguyên tố hợp kim theo chữ cái Nga (thường là chữ đầu theo tên gọi, nếu trùng phải lấy chữ khác) như sau:

Theo chữ cái đầu tiên có: X cho crôm, H cho niken, B cho vonfram, M cho môlipđen, T cho titan, K cho côban;

Theo chữ cái tiếp sau có: Γ cho mangan, C cho silic, Φ cho vanađi, Д cho đồng, Ю cho nhôm, P cho bo,

- Thành phần của từng nguyên tố được biểu thị theo phần trăm đặt ngay sau mỗi chữ cái tương ứng, khi lượng chứa < 1,5% không biểu thị

- Các thép chuyên dùng như thép gió, ổ lăn, kỹ thuật điện có quy ước riêng

Theo đó bốn ký hiệu thép trên của TCVN sẽ tương ứng với ΓOCT như sau: 40Cr là 40X,

12CrNi3 là 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 là XB5, nhưng 90CrSi là 9XC Qua đó thấy có những sai khác nhỏ, song cách ký hiệu thép của TCVN về cơ bản là của ΓOCT, rất dễ viết chuyển đổi cho nhau

Tiêu chuẩn Hoa Kỳ

Đối với thép hợp kim kết cấu, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI và SAE, chúng có cách biểu thị giống nhau bằng bốn số xxxx nên được viết là AISI/SAE xxxx, trong đó hai số cuối biểu thị lượng cacbon theo phần vạn trung bình Sau đây là một số quy ước:

Đối với thép dụng cụ, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI với ký hiệu gồm một chữ cái chỉ nhóm thép

và số thứ tự Sau đây các chữ cái (thường lấy theo chữ cái đầu tiên chỉ nhóm thép) đó:

W cho thép tôi nước (water),

O cho thép tôi dầu (oil),

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 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,

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 dụng cụ hợp kim

1 Thành phần hóa học

Như đã nói thép là hợp kim sắt - cacbon với lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% với đặc tính là có tính dẻo nên có thể cán nóng được (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 thường của công nghệ luyện kim, nhiều nguyên tố đã 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 thường (thép thường), ngoài cacbon ra còn chứa một số nguyên tố với hàm lượng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng được gọi là tạp chất thường có hay chất lẫn vì không phải do cố ý đưa vào Trong số các tạp chất có một số có lợi và một số có hại Hãy 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 lượng không vượt quá 1%, chúng đi vào thành phần của thép là do:

- Quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác như ôxyt mangan, ôxyt silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO → Mn, SiO2 → 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 tương đối thấp, là nguyên liệu để pha chế, sử dụng trong quá trình luyện kim; nó chứa sắt,

cacbon (> 1%) và lượng lớn nguyên tố hợp kim tương ứng Ví dụ ferô mangan 80 là loại có khoảng 80%Mn}

Trong các điều kiện thông thường 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 lượng ít như vậy không có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của thép cacbon

Tạp chất có hại: phôtpho và lưu huỳnh

Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đường quặng sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang) Chúng làm thép giòn do đó phải được khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông thường cao nhất cũng không được vượt quá 0,05% cho mỗi nguyên tố

Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa:

"dấu mặt" trong bảng thành phần nên được gọi là tạp chất ẩn náu

Đặc trưng 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 lượng thấp các nguyên tố sau:

- Crôm, niken, đồng ≤ 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng không được vượt quá 0,50%

- Vonfram, môlipđen, titan ≤ 0,05% cho mỗi nguyên tố

Đáng chú ý xu thế này ngày một mạnh nên hàm lượng cho phép của các nguyên tố trên trong thép thường cũng tăng lên

Song dù như vậy người ta vẫn chỉ coi chúng là tạp chất (chất lẫn vào) vì:

- Không cố ý đưa vào

- Với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng 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

2 Ảnh hưởng của cacbon đến tổ chức, tính chất và công dụng của thép thường

Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường 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

Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là pha giòn trong

tổ chức cũng tăng lên tương 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 như sắt nguyên chất

- C = 0,10 - 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích

Hình 5.1 ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường (ở trạng thái ủ)

Cơ tính

Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình bày trên hình 5.1 Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB Về mặt định lượng 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 (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) 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%) δ giảm 6%, aK giảm 300kJ/m2, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) tương ứng là 3% và 200kJ/m2 Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng giòn Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên

Ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σb không đơn giản như đối với độ cứng Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 - 0,50%C σb tăng khoảng 70 - 90MPa, trong khoảng 0,60 -0,80%C σb tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại trong khoảng 0,80 - 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σb lại giảm đi Có thể giải thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số chốt cản trượt cho pha này do vậy σb tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là peclit, khi vượt quá 0,80 - 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) 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 hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim Điều khá kỳ diệu là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng 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 được Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với

cơ tính và công dụng rất khác nhau như sau

- Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả

nhiệt luyện tôi + ram không cao, được 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 - 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 được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao

- Thép có cacbon tương đối cao (0,55 - 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi

- Thép có cacbon cao (≥ 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo

Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng 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

Nói chung tính đúc của thép không cao

3 Ảnh hưởng của các tạp chất thường có

Mangan

Mangan được cho vào mọi thép dưới 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 được tác hại của lưu huỳnh

Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 - 0,80% nên ảnh hưởng này không quan trọng Mn còn

có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh

Silic

Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái lỏng:

Si + FeO → Fe + SiO2 (SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) Giống như 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 lượng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 - 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 lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn

Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường) Chỉ cần có

0,10%P hòa tan, ferit đã trở nên giòn Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn)

Lưu huỳnh

Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 - 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gãy như là thép rất giòn Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt

4 Phân loại thép cacbon

Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc trưng riêng biệt cần để ý để

sử dụng thép được tốt hơn

Theo độ sạch tạp chất có hại và phương 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 lượng càng cao Các phương 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 lượng tốt, xấu khác nhau Có nhiều phương pháp luyện thép song cho đến hiện nay trên thế giới chỉ còn tồn tại ba phương pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉnh (lò L-D) (nước ta chỉ bằng lò điện hồ quang), ngoài ra còn các phương pháp làm sạch tạp chất ngoài lò

Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lượng sau

- Chất lượng thường, lượng P, S chỉ được khử đến mức 0,050% (hay cao hơn một chút) cho mỗi nguyên tố Phương pháp luyện thép L-D thường chỉ đạt được cấp chất lượng này mặc dầu nó cho năng suất rất cao và giá thành thép rẻ Cấp chất lượng này thường chỉ áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao như một số thép xây dựng thông dụng

- Chất lượng tốt, lượng P, S được khử đến mức 0,040% cho mỗi nguyên tố Phơng pháp luyện thép bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt được cấp chất lượng này Cấp chất lượng này thường áp dụng cho các nhóm thép dùng trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao hơn

- Chất lượng cao, lượng P, S được 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 được cấp chất lượng này bằng phương pháp luyện thép trong lò điện hồ quang

- Chất lượng rất cao, lượng P, S được khử ở mức triệt để nhất: 0,020% cho mỗi nguyên tố Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt được giới hạn này Thép sau khi luyện ở lò này được tinh luyện tiếp tục: khử tạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ Ngoài ra để giảm tối đa

lượng khí chứa trong thép người ta phải áp dụng đúc rót thép trong chân không

Các thép cacbon có thể được cung cấp ở ba cấp chất lượng: thường, tốt và cao (ít gặp) Các thép hợp kim không có cấp chất lượng thường, chỉ có các cấp: tốt, cao và rất cao Thép xây dựng thường chỉ yêu cầu chất lượng thường, trong khi đó thép chế tạo máy phải có chất lượng từ tốt trở lên Riêng thép làm ổ lăn phải đạt cấp chất lượng rất cao

Theo phương pháp khử ôxy

Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không người ta chia ra hai loại thép sôi và thép lặng Thép sôi là loại không được 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:

- Do không được khử bằng ferô silic nên chứa rất ít silic, thường là ≤ 0,05 - 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 hưởng 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 được khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt bản chất lớn

Thép lặng là loại được 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 được khử bằng ferô silic nên chứa một lượng nhất định silic, thường trong khoảng 0,15 - 0,35%, vì thế ferit của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội hơn

- 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 được 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 được phép dùng thép lặng

- Các chi tiết thấm cacbon chỉ được làm bằng thép lặng

Do các đặc tính trội hơn thép sôi, thép lặng được sử dụng rộng rãi hơn

Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ được 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 hướng 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 được 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 được sử dụng thường xuyên nhất với khối lượng 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 được dùng trong xây dựng để làm các kết cấu thép dưới 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 lượng 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 người ta sử dụng tất cả các cách phân loại trên

5 Tiêu chuẩn thép cacbon

Tiêu chuẩn Việt Nam

Tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định những loại thép cacbon chính

TCVN 1765 - 75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường để làm các kết cấu xây dựng, được sử dụng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện Do yêu cầu chất lượng không cao lượng nên lượng P, S cho phép khá lớn: P là 0,040 - 0,070%, S là 0,050 - 0,060% Thép được ký hiệu bằng CT (với ý nghĩa là thép cacbon chất lượng thường) 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 được tính theo đơn vị kG/mm2 - CTxx Cách ký hiệu theo σb (min) như vậy khá tiện cho việc tính toán sơ bộ sức bền cũng như tiết diện thép Ví dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có σb ≥

38kG/mm2 hay 380MPa song với ba phương 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 như σ0,2, δ, ψ, aK Các phân nhóm B và C về cơ bản giữ nguyên ký hiệu như ở phân nhóm A song ở đầu ký hiệu tương ứng 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, 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 lượng tốt để chế tạo máy qua nhiệt luyện, do vậy phải được bảo đảm (quy định) cả thành phần hóa học lẫn cơ tính (phải tra bảng), các mác được 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 - 0,45%) và các tạp chất trong giới hạn đã trình bày Do chất lượng tốt nên lượng P và S là ≤ 0,040% cho mỗi nguyên tố, các mác có chất lượng 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 lượng 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 - 0,84%) song với chất lượng tốt và cao

Tiêu chuẩn các nước

ΓOCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thường bằng CT 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, Б, B lần lượt tương ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN Về thép kết cấu cacbon chất lượng tốt ΓOCT quy định các mác ký hiệu theo số phần vạn cacbon trung bình, như mác 40 có khoảng 0,40%C như mác C40 của TCVN Về thép cacbon dụng cụ ΓOCT quy định các mác bằng У với số tiếp theo chỉ lượng cacbon theo phần nghìn cacbon trung bình như У12 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 ΓOCT, nên có sự trùng hợp hoàn toàn giữa hai tiêu chuẩn này Hoa Kỳ sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon ASTM được 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 lượng thường 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 lượng tốt bằng SxxC trong đó xx là số chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, các thép cacbon dụng

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)

Nhược điểm

Thép cacbon cũng có nhiều nhược 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 hưởng 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 200oC, ở trên 570oC bị ôxy hóa mạnh

3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn

Các thép hợp kim tránh được các nhược điểm này

Do vậy trong thực tế thép cacbon được 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 thường; trong khi đó các thép hợp kim được dùng cho các trường hợp ngược lại

1 Các yêu cầu chung

Một cỗ máy dù to đến đâu cũng do nhiều chi tiết, bộ phận nhỏ ghép lại với các đòi hỏi cơ tính khá khác nhau cho nên thép để làm chi tiết máy có yêu cầu cao hơn vì phải thỏa mãn các yêu cầu khác nhau về cơ tính, chính xác về hình dạng, kích thước cũng như độ bóng bề mặt để lắp ráp

Để thỏa mãn được yêu cầu đó, các chi tiết máy với các điều kiện làm việc khác nhau thường được làm bằng nhiều mác thép khác nhau với chế độ nhiệt luyện tôi + ram không giống nhau

Cơ tính

Tính chất cơ bản của chi tiết máy là khả năng chịu tải trọng tĩnh và động, do vậy yêu cầu cơ bản

là có độ bền cao và độ dai tốt phù hợp với điều kiện của tải trọng

Độ bền cao sẽ giúp tạo ra các máy khỏe (có công suất lớn) hơn, nhẹ và nhỏ gọn hơn và giá thành

hạ hơn Để đạt được yêu cầu này phải dùng thép phù hợp và nhiệt luyện bảo đảm Tuy nhiên trong chế tạo máy, về độ bền người ta ngày càng coi trọng giới hạn chảy, vì lẽ các chi tiết máy ở dạng lắp ghép không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc

Độ dai va đập rất quan trọng đối với chi tiết chịu tải trọng động do phải tăng tải một cách đột ngột Chính chỉ tiêu này quyết định độ tin cậy khi làm việc, nó bảo đảm khó bị phá hủy giòn, yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với các phương tiện giao thông

Ngoài hai chỉ tiêu cơ bản trên nhiều chi tiết máy còn đòi hỏi độ cứng bề mặt cao để bảo đảm tính chống mài mòn khi làm việc bị ma sát hay cọ sát Rất nhiều chi tiết máy làm việc dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ (trục, bánh răng ) nên đòi hỏi giới hạn mỏi cao

Tính công nghệ

Để trở thành chi tiết thành phẩm thép bán thành phẩm phải qua nhiều khâu gia công

Trước tiên thường là biến dạng nóng (rèn) để tạo phôi, tạo ra hình dạng gần đúng nhưng một số kích thước bao đều lớn hơn ở bản vẽ Hơn nữa các nhà máy cơ khí không bao giờ có đủ mọi chủng loại phôi phù hợp với chi tiết sản xuất cho dù là loại chi tiết đơn giản như trục trơn, chốt Ngoài ra biến dạng nóng cũng giúp tạo ra tổ chức tốt hơn (làm nhỏ mịn hạt, tạo thớ phù hợp ) Tiếp đó phôi thép tạo thành phải qua cắt gọt để tạo ra hình dạng, kích thước chính xác và độ bóng yêu cầu như quy định Hầu như không một chi tiết máy nào lại không phải qua cắt gọt, nói chung đây là nguyên công tốn kém nhất trong gia công cơ khí, chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành

Tất cả các yêu cầu trên có thể đạt được nhờ chọn đúng mác thép và chế độ nhiệt luyện thích hợp

Tính kinh tế

Do sản lượng lớn, thép chế tạo máy nói chung phải rẻ, nên nói chung thường dùng thép cacbon

và hợp kim thấp, trong trường hợp thật quan trọng mới dùng đến hợp kim hóa trung bình, không dùng hợp kim hóa cao

Do tác dụng như vậy lượng cacbon trong thép kết cấu chế tạo máy thường gặp được quy định khá chặt chẽ: 0,10 - 0,65% và tùy theo các yêu cầu khác nhau lại chia ra ba nhóm nhỏ như sau:

- Nhóm yêu cầu nặng về độ dẻo, độ dai: thành phần cacbon thấp 0,10 - 0,25% Muốn có độ bền cao phải tôi + ram thấp, độ cứng bề mặt cao phải qua thấm cacbon

- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn chảy và độ dai: thành phần cacbon trung bình 0,30 - 0,50%C

và tôi + ram cao Muốn có độ cứng bề mặt cao phải qua tôi bề mặt

- Nhóm yêu cầu nặng về giới hạn đàn hồi: thành phần cacbon tương đối cao 0,55 - 0,65% và tôi + ram trung bình

Cách phân chia ba phân nhóm về thành phần cacbon như trên cũng chỉ có tính chất tương đối, có thể xê dịch đôi chút

Nói chung thép cacbon kết cấu chế tạo máy có tính công nghệ tốt và rẻ, chiếm tỷ lệ tới 80 - 90% trong cơ khí, được dùng phổ biến trong chế tạo máy thông dụng để làm các chi tiết chịu tải trọng thấp hay trung bình, có tiết diện nhỏ (< 20mm), hình dạng đơn giản (để khi phải tôi trong nước không bị nứt) Trong những điều kiện đó dùng thép cacbon không khác gì thép hợp kim, tức đạt hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao hơn

Tuy nhiên thép cabon cũng có nhược điểm quan trọng, đó là:

- Khi có tiết diện lớn (> 30 - 40mm) không thể đạt được độ bền tốt như ở tiết diện nhỏ,

- Không thể chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp (tiết diện thay đổi đột ngột),

- Tính chống ram kém, không duy trì được độ bền, độ cứng cao sau khi tôi khi bị nung nóng đến 200oC và cao hơn, nên nói chung không làm việc được ở các nhiệt độ đó

Ngược lại thép hợp kim lại thể hiện ưu việt ở ba mặt trên

Thành phần hợp kim và thép hợp kim

So với thép cacbon, thép hợp kim tuy có đắt hơn, tính công nghệ kém hơn, song bù lại có độ bền cao hơn, đó là ưu điểm quan trọng nhất Nguyên nhân của nó như đã nói trước hết là do nâng độ thấm tôi, ngoài ra còn do hóa bền ferit, tạo ra cacbit phân tán, giữ cho hạt nhỏ

Trong thép kết cấu chế tạo máy, theo tác dụng và hàm lượng, các nguyên tố hợp kim được chia thành hai nhóm chính và phụ

Nhóm các nguyên tố hợp kim chính chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các nguyên tố đưa vào, có tác dụng làm tăng độ bền nhờ nâng cao độ thấm tôi, đó là các nguyên tố Cr, Mn, Si và Ni (ngoài ra

có B), với các đặc tính:

- Rẻ, dễ kiếm (riêng Ni tuy đắt song vẫn phải dùng khi thật cần), song tổng lượng của chúng đưa vào thường chỉ khoảng 1,0 - 3,0%, rất ít khi gặp loại 5 - 6%,

- Có tác dụng nâng cao độ thấm tôi

Để nâng cao độ thấm tôi, người ta thấy rằng với một tổng lượng hợp kim như nhau khi chia ra dùng nhiều nguyên tố (hợp kim hóa phức tạp) có tác dụng mạnh hơn khi chỉ dùng một nguyên tố (hợp kim hóa đơn giản) Ví dụ không dùng thép với 3%Cr vì cho độ thấm tôi (bền) kém hơn 1%Cr + 2%Ni hay 1%Cr + 1%Mn +1%Si Thường gặp:

- Khi tổng lượng hợp kim ~1% dùng một nguyên tố, ví dụ thép crôm;

- Khi tổng lượng hợp kim ~2% hay dùng hai nguyên tố, ví dụ thép crôm - niken;

- Kkhi tổng lượng hợp kim ~3% dùng hai hoặc ba nguyên tố, ví dụ thép crôm - mangan - silic;

- Khi tổng lượng hợp kim ≥4% dùng hai, ba hoặc bốn nguyên tố

Nhóm các nguyên tố hợp kim phụ được đưa vào thép với lượng rất ít, thường < 0,1%, cao nhất thường không quá 0,2% với mục đích cải thiện một nhược điểm nào đó do nguyên tố chính đưa vào, đó là Ti, Zr, Nb, V và Mo

- Ti, Zr, Nb, V là các nguyên tố giữ cho thép có hạt nhỏ khi nung, đặc biệt trong thép Cr - Mn (Mn có khuynh hướng gây hạt lớn), để đạt mục đích này thường dùng khoảng 0,10%Ti

- Mo (~ 0,20%) tránh được giòn ram loại II, thường được đưa vào thép Cr - Ni với độ thấm tôi cao có lượng cacbon trong khoảng 0,20 - 0,40% (như sau này sẽ biết là loại thép hóa tốt tôi thấu với tiết diện lớn phải qua tôi + ram cao, rất nhạy cảm với giòn ram loại II mà không tránh được bằng biện pháp đơn giản làm nguội nhanh trong nước hoặc dầu) W cũng có tác dụng này nhưng phải dùng nhiều hơn (~ 0,50%) nên ít dùng Ngoài tác dụng chống giòn ram loại II các nguyên tố này còn có tác dụng nâng cao độ thấm tôi, nên thép crôm - niken - môlipđen (hoặc vonfram) được coi như thép chế tạo máy tốt nhất

Như vậy thép hợp kim chế tạo máy có những đặc điểm sau:

- Tuy có giá thành đắt hơn song về cơ tính nó có độ bền cao hơn, điều này thể hiện rất rõ khi tiết diện lớn nhờ tính thấm tôi cao, đặc biệt là khi tôi thấu sẽ đạt được cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện

- Do tôi dầu, thậm chí có thể áp dụng tôi phân cấp nên có thể làm được các chi tiết có hình dạng phức tạp mà không sợ nứt hoăc bị biến dạng lớn

- Tính chống ram tốt nên một mặt giữ được độ bền ở nhiệt độ cao hơn, mặt khác trong điều kiện như nhau thép hợp kim được ram ở nhiệt độ cao hơn do đó ứng suất bên trong thấp hơn

3 Quan hệ giữa tổng lượng hợp kim và đường kính tôi thấu

Để bảo đảm cơ tính cao và đồng nhất trên tiết diện thép phải được tôi thấu, muốn vậy phải được hợp kim hóa một cách hợp lý hay nói khác đi trong trường hợp này tiết diện thép được chọn theo

độ thấm tôi hay tổng lượng nguyên tố hợp kim Cũng có thể nói rằng mỗi mác thép chỉ bảo đảm

cơ tính cao và đồng nhất tới tiết diện nhất định Mác thép với tổng lượng hợp kim càng cao cho phép làm các chi tiết có tiết diện càng lớn Theo độ thấm tôi các thép kết cấu được chia thành bốn nhóm:

- Thép có độ thấm tôi thấp, chỉ tôi thấu tới đường kính 15mm, là loại không hợp kim hóa tức thép cacbon

- Thép có độ thấm tôi trung bình, tôi thấu tới đường kính 35mm, là loại được hợp kim hóa thấp

và đơn giản như có 1%Cr hoặc 2%Mn hoặc 1%Cr + 0,5%Si

- Thép có độ thấm tôi tương đối cao, tôi thấu tới đường kính 75mm, là loại được hợp kim hóa thấp nhưng phức tạp như crôm - niken thường, crôm - môlipđen, crôm - mangan – silic

- Thép có độ thấm tôi cao, tôi thấu tới đường kính 100mm, là loại được hợp kim hóa phức tạp tới

5 - 6% như thép crôm-niken cao hay crôm-niken-môlipđen

- Thép đàn hồi có thành phần cacbon tương đối cao (kém dẻo, dai nhưng khá cứng, rất đàn hồi),

để đạt giới hạn đàn hồi cao phải tôi + ram trung bình

Cần chú ý là trong mỗi nhóm có nhiều mác khác nhau, chúng khác nhau chủ yếu về độ thấm tôi

do đó được dung cho các độ lớn tiết diện khác nhau; ngoài ra các nguyên tố hợp kim cũng đưa đến cho thép những tính chất đặc trưng như Cr - Ni vừa tăng mạnh độ thấm tôi vừa giữ được độ dai cao, làm xấu tính gia công cắt, gây giòn ram, Mn - Si làm thép bền, cứng, nhưng lại gây giòn

1 Đặc điểm về thành phần hóa học

Thép thấm cacbon là loại thép có thành phần cacbon thấp: 0,10 - 0,25% (cá biệt có thể tới

0,30%) để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao nhưng bề mặt bị mài mòn mạnh như bánh răng, cam, chốt Để đạt được yêu cầu đó thép phải qua thấm cacbon (bao gồm cả tôi +

ram thấp sau khi thấm), nên được đặt tên như trên

Cacbon

Lượng cacbon trong thép được quy định trong khoảng 0,10 - 0,25% để bảo đảm độ dẻo, độ dai cao của lõi ở cả trạng thái tôi + ram thấp để đạt được độ bền cao nhất Dùng giới hạn dưới khi cần độ dai cao hơn, dùng giới hạn trên khi cần độ bền cao hơn Trong một số trường hợp cần đạt

độ bền cao hơn nữa có thể dung tới 0,30%C Nếu dùng cao hơn nữa độ dai của lõi sẽ thấp khi tôi + ram thấp, không chịu được tải trọng va đập

Các thép cacbon có độ thấm tôi thấp, chỉ dùng cho chi tiết nhỏ (ф < 10 - 20) và hình dạng đơn giản (vì phải tôi nước), chỉ chịu mài mòn bình thường Do phải chịu nung lâu ở nhiệt độ cao khi thấm cacbon, các thép thấm cacbon phải là loại được khử ôxy triệt để (thép lặng), tốt nhất là loại hạt nhỏ để hạt không bị to, làm thép giòn

Hợp kim

Ngược lại, ưu thế của thép hợp kim là có độ thấm tôi cao, dùng cho chi tiết lớn (ф> 30 - 50), hình dạng phức tạp và chịu mài mòn cao

Để bảo đảm các yêu cầu trên các nguyên tố hợp kim dùng trong thép thấm cacbon phải bảo đảm

cả hai tác dụng: vừa làm tăng tính thấm tôi để nâng cao độ bền lại vừa thúc đẩy quá trình thấm cacbon (hoặc ít ra cũng không cản trở) Với ý nghĩa đó người ta không dùng silic vì gây thoát cacbon nên cản trở quá trình thấm cacbon Nguyên tố hợp kim cơ bản có mặt trong mọi thép hợp kim thấm cacbon là crôm, có thể dùng nó riêng rẽ hay kết hợp với niken, mangan Cũng không dung thép chỉ hợp kim hóa bằng mangan do nguyên tố này thúc đẩy hạt austenit phát triển khi thấm cacbon