. 100% Độ thắt tiết diện tương đối ψ % : ψ % = 0
CHƯƠNG 7: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THẫP
7.1.KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THẫP 7.1.1.Khỏi niệm :
Thộp cỏc bon là hợp kim của sắt và cỏcbon với hàm lượng cỏc bon nhỏ hơn 2,14%. Ngoài ra trong thộp luụn chứa một lượng nhỏ cỏc nguyờn tố Mn, Si, P, S. Với bất kỳ loại thộp cỏc bon nào ngoài sắt ra cũng cú chứa C ≤ 2,14%; Mn ≤ 0,80%; Si≤ 0,40%; P và S ≤ 0,05%. Thộp cỏc bon được sử dụng rất rộng rói trong cơ khớ (tỷ lệ 60ữ 70%) và cỏc ngành cụng nghiệp khỏc.
Ngoài cỏc nguyờn tố trờn trong thộp cỏc bon cũn chứa một lượng khớ rất nhỏ hỡnh thành trong quỏ trỡnh nấu kuyện như : ụxy, hydrụ, nitơ. Nhưng do số lượng của chỳng quỏ ớt, ảnh hưởng khụng đỏng kể đến tớnh chất nờn ta thường khụng quan tõm đến.
7.1.2.Thành phần hoỏ học và tỏc dụng của cỏc nguyờn tố đến tổ chức và tớnh chất của thộp :
1-Cỏc bon : là nguyờn tố quan trọng nhất quyết định đến tổ chức và tớnh chất của thộp.
Với hàm lượng cỏc bon khỏc nhau thộp cú tổ chức tế vi khỏc nhau : -Nếu hàm lượng cỏc bon < 0,80% : tổ chức là pherit và pộclit -Nếu hàm lượng cỏc bon = 0,80% : tổ chức là peclit.
-Nếu hàm lượng cỏc bon > 0,80% : tổ chức peclit và xờmentit thứ hai.
Mặt khỏc khi hàm lượng cỏc bon tăng lờn thỡ lượng xờmentit tăng lờn, cản trở mạnh quỏ trỡnh trượt của pherit làm cho độ bền, độ cứng của thộp tăng lờn, độ dẻo và độ dai giảm đi. Tuy nhiờn độ bền lớn nhất đạt được với hàm lượng cỏc bon từ 0,80-1,0%, vượt quỏ giới hạn này do lượng xờmentit thứ hai quỏ nhiều làm cho thộp dũn, độ bền giảm đi
Thộp cỏc bon với hàm lượng khỏc nhau được sử dụng trong cỏc lĩnh vực hoàn toàn khỏc nhau.
2-Mangan : được cho vào thộp dưới dạng pherụ mangan để khử ụxy loại bỏ tỏc hại của
FeO trong thộp lỏng :
Mn + FeO → Fe + MnO
ễxyt mangan nổi lờn đi vào xỉ và được lấy ra khỏi lũ. Ngoài ra mangan cũn cú tỏc dụng loại bỏ tỏc hại của lưu huỳnh trong thộp. Mangan hoà tan vào pherit nõng cao cơ tớnh cho thộp, tuy nhiờn tỏc dụng khụng lớn do lượng chứa của nú nhỏ. Lượng mangan trong thộp từ 0,50ữ 0,80%
3-Silic : được cho vào thộp dưới dạng pherụ silớc để khử ụxy loại bỏ tỏc hại của FeO
trong thộp lỏng :
Si + FeO → Fe + SiO2
Điụxyt silic nổi lờn đi vào xỉ và được lấy ra khỏi lũ. Ngoài ra silic cũn hoà tan vào pherit và nõng cao cơ tớnh cho thộp. Silic khử ụxy và nõng cao cơ tớnh cho thộp mạnh hơn mangan. Lượng silớc trong thộp từ 0,20ữ 0,40%. Do vậy tỏc dụng nõng cao cơ tớnh khụng đỏng kể.
4-Phốt pho : Phốt pho cú khả năng hoà tan vào pherit khỏ lớn (đến 1,20% trong Fe - C
nguyờn chất) và giảm đột ngột khi nhiệt độ giảm. Do đú gõy xụ lệch mạng phe rit rất mạnh làm tăng tớnh dũn khỏ lớn (đường kớnh nguyờn tử phốt pho khỏc nhiều so với sắt). Khi vượt quỏ giới hạn hoà tan nú tạo ra Fe3P cứng và dũn. Do vậy phốt pho làm thộp bị dũn ở nhiệt độ thường và gọi là dũn nguội (cũn gọi là bở nguội). Do tớnh thiờn tớch rất mạnh nờn chỉ cần 0,10%P đó làm cho thộp bị dũn. Vỡ thế lượng phốt pho trong thộp nhỏ hơn 0,05%. Về phương diện gia cụng cắt gọt thỡ phốt pho là nguyờn tố cú lợi vỡ làm cho phoi dễ góy, lỳc này lượng phốt pho đến 0,15%.
5-Lưu huỳnh : Lưu huỳnh hoàn toàn khụng hoà tan trong sắt mà tạo nờn hợp chất FeS.
Cựng tinh (Fe+FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988OC) và phõn bố tại biờn giới hạt. Khi cỏn, rốn, kộo (nung đến trờn 1000OC) biờn giới hạt bị chảy ra làm thộp bị đứt, góy, hiện tượng này gọi là dũn núng (cũn gọi là bở núng). Tuy nhiờn cú thể dựng mangan để loại bỏ tỏc hại của lưu huỳnh :
Mn + FeS → Fe + MnS (nhiệt độ chảy 1620OC)
Về mặt gia cụng cắt gọt thỡ lưu huỳnh là nguyờn tố cú lợi vỡ nú tạo ra sunphua sắt làm cho phoi dễ góy, trường hợp này lượng lưu huỳnh đến 0,35%.
7.1.3.Phõn loại thộp cỏc bon :
Cú nhiều cỏch phõn loại thộp cỏc bon, mỗi phương phỏp cú một đặc trưng riờng biệt cần quan tõm đến để sử dụng được hiệu quả hơn.
1-Phõn loại theo phương phỏp luyện và độ sạch tạp chất :
a-Theo phương phỏp luyện :
-Thộp mỏc tanh (ngày nay khụng dựng phương phỏp này nữa) -Thộp lũ chuyển (lũ L-D, cũn gọi là lũ thổi)
-Thộp lũ điện
132
b-Theo độ sạch tạp chất : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Thộp chất lượng thường : cú lượng P và S khỏ cao đến 0,050% được nấu luyện trong lũ L-D cú năng suất cao, giỏ thành rẻ. Cỏc nhúm thộp này chủ yếu được dựng trong xõy dựng.
-Thộp chất lượng tốt : cú lượng P và S thấp hơn đến 0,040% được luyện trong lũ điện hồ quang. Chỳng được sử dụng trong chế tạo mỏy thụng dụng.
-Thộp chất lượng cao : cú lượng P và S đạt 0,030% được luyện trong lũ điện hồ quang và cú thờm cỏc chất khử mạnh, nguyờn liệu được tuyển chọn kỹ lưỡng.
-Thộp chất lượng rất cao : lượng P và S được khử đến mức độ thấp nhất 0,020% sau khi luyện bằng lũ hồ quang chỳng được tiếp tục khử tiếp tạp chất ở ngoài lo ỡbằng xỉ tổng hợp hay bằng điện xỉ. Để hạn chế lượng khớ trong thộp phải dựng phương phỏp rút trong chõn khụng. Thộp chhất lượng cao và rất cao dựng chế tạo cỏc thiết bị và mỏy múc quan trọng.
2-Phõn loại theo phương phỏp khử ụ xy
Theo mức độ khử ụ xy triệt để hay khụng triệt để ta chia thộp ra hai loại là thộp sụi và thộp lắng (lặng).
a-Thộp sụi : là loại thộp được khử ụ xy bằng chất khử yếu : phe rụ mangan nờn ụ xy khụng được khử triệt để, trong thộp lỏng vẫn cũn FeO khi rút khuụn cú phản ứng :
FeO + C → Fe + CO↑
Khớ Co bay lờn làm bề mặt thộp lỏng chuyển động giống như hiện tượng sụi. Vật đỳc thộp sụi cú mật độ thấp và chứa nhiều rỗ khớ và lừm co nhỏ. Thộp này cú độ dẻo cao và rất mềm, dập nguội tốt.
b-Thộp lắng : là loại thộp được khử ụ xy triệt để, ngoài phe rụ mangan cũn dựng phe rụ silic và nhụm nờn khụng cũn FeO nữa, do vậy bề mặt thộp lỏng phẳng lặng. Thộp lắng cú độ cứng khỏ cao, khú dập nguội. Vật đỳc thộp lắng cú mật độ cao và lừm co lớn. Thộp hợp kim chỉ là loại thộp lắng.
133
Hỡnh 7.2- Sơ đồ cấu tạo của thỏi đỳc thộp sụi (a) và thộp lắng (b).
Ngoài ra cũn loại thộp nửa lặng, nú cú tớnh chất trung gian giữa hai loại trờn do chỉ khử ụxy bằng phe rụ mangan và nhụm. Ngày nay cú xu hướng dựng thộp nửa lặng thay cho thộp sụi.
3-Phõn loại theo cụng dụng :
Dựa theo mục đớch sử dụng thộp cỏcbon được chia làm hai nhúm : thộp kết cấu và thộp dụng cụ.
a-Thộp kết cấu : là loại thộp dựng làm cỏc kết cấu và chi tiết mỏy chịu tải do đú cần cú độ bền, độ dẻo và độ dai bảo đảm. Nhúm thộp này được sử dụng nhiều nhất vỡ chủng loại sản phẩm của nú rất lớn. Đõy là nhúm thộp chất lượng tốt và cao.
b-Thộp dụng cụ : là loại thộp làm cỏc dụng cụ gia cụng và biến dạng kim loại như : dụng cụ cắt, khuụn dập, khuụn kộo ...Chỳng giữ vai trũ rất quan trọng để gia cụng cỏc chi tiết và kết cấu mỏy. Số lượng thộp dụng cụ khụng lớn vỡ chủng loại sản phẩm của chỳng ớt.
7.1.4.Ký hiệu thộp cỏc bon (tiờu chuẩn thộp cỏc bon) :
1-Thộp cỏc bon chất lượng thường (thộp cỏc bon thụng dụng) :
Là loại thộp chủ yếu được dựng trong xõy dựng, được cung cấp qua cỏn núng khụng nhiệt luyện, dưới dạng bỏn thành phẩm : ống, thanh, tấm, thộp hỡnh, sợi ...Theo tiờu chuẩn Việt Nam TCVN 1765 - 75 nhúm thộp cỏc bon chất lượng thường được ký hiệu bằng chữ CT (C - cỏc bon, T - thộp chất lượng thường). Nếu cuối mỏc thộp khụng ghi gỡ cả là thộp lắng (lặng), nếu cú s là thộp sụi, n là thộp nửa lặng. Chỳng được chia làm ba phõn nhúm :
a-Phõn nhúm A : là loại thộp chỉ được quy định về cơ tớnh mà khụng quy định về thành phần húa học. Giới hạn bền kộo tối thiểu tớnh theo đơn vị kG/mm2 (với MPa phải nhõn thờm 10), cú thể tra bảng để tỡm cỏc chỉ tiờu σ 0,2, δ ψ, và aK. Gồm cỏc mỏc CT31, 33, 34, 38, 42, 51, 61.
b-Phõn nhúm B : là loại thộp chỉ được quy định về thành phần hoỏ học mà khụng quy định về cơ tớnh (thành phần này cú thể tỡm thấy khi tra bảng). Ký hiệu của phõn nhúm này tương tự phõn nhúm A, chỉ khỏc là thờm chữ B ở đầu mỏc. Vớ dụ BCT31, BCT33...BCT61.
c-Phõn nhúm C : gồm cỏc thộp được quy cả về cơ tớnh và thành phần hoỏ học. Ký hiệu của chỳng tương tự phõn nhúm A, chỉ khỏc là thờm chữ C ở đầu mỏc. Vớ dụ CCT31, CCT33...CCT61. Để tỡm cỏc chỉ tiờu của thộp phõn nhúm này ta phải dựa vào hai phõn nhúm trờn. Chẳng hạn với mỏc thộp CCT38, khi tỡm thành phần hoỏ học ta tra bảng theo mỏc BCT38, cơ tớnh theo mỏc CT38.
Thộp chuyờn dựng trong xõy dựng được quy định theo TCVN 5709-93.
2-Thộp kết cấu :
Theo TCVN 1766-75 quy định ký hiệu bằng chữ C và cỏc chữ số tiếp theo chỉ lượng cỏc bon trung bỡnh trong thộp tớnh theo phần vạn. Vớ dụ : C05, C10, C15... C65. Nếu cuối mỏc thộp cú chữ A là loaỹi chất lượng cao hơn (P, S ≤ 0,030%)
3-Thộp dụng cụ :
Theo TCVN 1822-75 quy định ký hiệu bằng chữ CD (C-cỏc bon, D-dụng cụ) và cỏc chữ số tiếp theo chỉ lượng cỏc bon trung bỡnh trong thộp theo phần vạn. Nếu cuối 134
mỏc thộp cú thờm chữ A cú nghĩa là chất lượng cao hơn. Vớ dụ : CD70, CD80...CD130 (CD70A, CD80A...CD130A)
7.3.KHÁI NIỆM VỀ THẫP HỢP KIM : 7.3.1.Khỏi niệm : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thộp hợp kim là loại thộp ngoài sắt và cỏc bon ra người ta cố ý đưa thờm vào cỏc nguyờn tố cú lợi, với số lượng nhất định và đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tớnh chất (cơ, lý, hoỏ ... mà chủ yếu là cơ tớnh) của chỳng.
Cỏc nguyờn tố cú lợi, được cố ý đưa vào thộp gọi là nguyờn tố hợp kim. Tuỳ theo tỏc dụng của chỳng đối với thộp mà giới hạn là nguyờn tố hợp kim khụng giống nhau, nguyờn tố tỏc dụng càng mạnh giới hạn này càng nhỏ.
Mn ≥ 0,80ữ 1,00% Si ≥ 0,50ữ 0,80% Cr ≥ 0,50ữ 0,80% Ti ≥ 0,10% W ≥ 0,10ữ 0,50% Mo ≥ 0,05ữ 0,20% Ni ≥ 0,50ữ 0,80% Cu ≥ 0,30% B ≥ 0,0005%
7.3.2.Cỏc đặc tớnh của thộp hợp kim :
1-Cơ tớnh : Do cú tớnh thấm tụi cao hơn nờn thộp hợp kim cú độ bền cao hơn hẳn thộp
cỏc bon cú cựng lượng chứa cỏc bon. Ưu việt này thể hiện rừ nhất qua nhiệt luyện và với kớch thước lớn (φ > 20mm). Mặt khỏc do tốc độ tụi tới hạn nhỏ nờn dựng cỏc mụi trường tụi yếu do vậy lượng biến dạng cũng giảm đi.
Tuy cú độ bền cao hơn nhưng độ dẻo và độ dai thấp nờn tớnh cụng nghệ kộm hơn thộp cỏc bon (trừ độ thấm tụi).
2-Tớnh chịu nhiệt độ cao :
Cỏc nguyờn tố hợp kim cản trở sự khuếch tỏn của cỏc bon do đú làm mỏctenxit khú phõn húa và cỏc bớt khú kết tụ ở cao hơn 2000C, do đú ở nhiệt độ này thộp hợp kim bền hơn thộp cỏc bon. Một số thộp hợp kim ụ xyt của nú tạo thành ở nhiệt độ cao cú màng sớt chặt cú tớnh bảo vệ tốt.
3-Cú tớnh chất lý húa học đặc biệt :
Một số thộp hợp kim cú cỏc tớnh chất lý húa học đặc biệt mà thộp cỏc bon khụng thể cú được như : chống ăn mũn cao, chịu núng lớn, chống mài mũn cao, từ tớnh cao và gión nở đặc biệt ...
7.3.3.Tỏc dụng của nguyờn tố hợp kim đến tổ chức của thộp :
Cú thể xem thộp hợp kim là thộp cỏc bon nhưng cú pha thờm vào đú cỏc nguyờn tố hợp kim. Trong phần này ta xem xột ảnh hưởng của cỏc nguyờn tố hơpỹ kim như thế nào đến cỏc tổ chức và giản đồ pha Fe-C.
1-Ảnh hưởng đến dung dịch rắn của sắt :
Cỏc nguyờn tố hợp kim cú tỏc dụng hũa tan vào dung dịch rắn của sắt như Mn,Si, Cr, Ni...
Với lượng hũa tan nhỏ : (cỡ vài phần %) chỳng khụng làm thay đổi đỏng kể hỡnh dỏng của giản đồ pha Fe-C và chỳng chỉ hũa tan vào sắt ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau. Khi hũa tan vào phe rớt dưới dạng thay thế chỳng gõy ra xụ lệch mạng, do đú làm tăng độ bền và độ cứng, làm giảm độ dẻo và độ dai với mức độ khỏc nhau.
Mn và Si làm tăng mạnh độ bền độ cứng nhưng lại làm giảm đỏng kể độ dẻo và độ dai (với 2%Si và 3,5%Mn độ dai ≤ 500kJ/m2) làm cho thộp dũn khụng sử dụng được. 135
Mặc dự hai nguyờn tố này làm tăng đỏng kể độ thấm tụi và cú giỏ thành thấp nhưng khụng thể sử dụng với hàm lượng lớn.
Cr và Ni làm tăng độ bền và độ cứng khụng mạnh bằng Si, Mn nhưng lại khụng làm giảm nhiều độ dẻo, độ dai. Trong một số trường hợp làm tăng một ớt độ dai, do vậy cú thể sử dụng với hàm lượng lớn (đến 4%). Thộp được hợp kim húa bằng crụm và niken làm tăng mạnh độ thấm tụi, nõng cao độ cứng, độ bền mà vẫn duy trỡ tốt độ dộo và độ dai. Tuy nhiờn Ni đắt tiền làm giỏ thành thộp cao, do vậy chỉ dựng cho cỏc chi tiết quan trọng cần độ tin cậy cao.
Với lượng hũa tan lớn : (> 10%) : Khi hũa tan với hàm lượng lớn cỏc nguyờn tố hợp kim làm thay đổi hẳn hỡnh dỏng của giản đồ pha Fe-C.
Mn và Ni khi hũa tan cú tỏc dụng mở rộng khu vực tồn tại của tổ chức austenit (mở rộng vựng phaγ và thu hẹp vựng pha α ) trờn giản đồ pha Fe-C. Với hàm lượng lớn từ 10-20% tổ chức austenit tồn tại ngay cả ở nhiệt độ thườỡng và gọi là thộp austenit.
Crụm là nguyờn tố thu hẹp khu vực tồn tại của austenit (thu hẹp vựng pha γ và mở rộng vựng pha α ), với lượng Cr đủ lớn khu vực γ khụng tồn tại nữa mà tổ chức phe rit tồn tại ngay cả ở nhiệt độ cao cho đến khi chảy lỏng. Hợp kim này gọi là thộp phe rit.
Thộp austenit và thộp phe rit khụng cú chuyển biến pha khi nung núng và làm nguội. Do vậy khụng thể húa bền được bằng phương phỏp tụi. Cỏc trường hợp này chỉ gặp ở thộp đặc biệt (thường là cỏc thộp khụng rỉ, thộp chịu núng)
2-Tạo thành cỏc bớt :
Tất cả cỏc nguyờn tố hợp kim (trừ Si, Ni, Al, Cu, Co) ngoài khả năng hũa tan vào sắt ra cũn cú thể kết hợp với cỏc bon tạo thành cỏc bớt. Đú là cỏc nguyờn tố : Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb. Điều kiện để tạo thành cỏc bớt là số điện tử ở phõn lớp d (3d, 4d, 5d) trong nguyờn tử của nguyờn tố đú nhỏ hơn 6 (là điện tử lớp d của Fe). Số nguyờn tử phõn lớp này càng nhỏ hơn 6 thỡ khả năng tạo cỏc bớt càng mạnh. Thứ tự tạo cỏc bớt của cỏc nguyờn tố như sau (theo chiều mạnh dần lờn) :
Fe(6), Mn(5), Cr(5), Mo(5), W(4), V(3), Ti(2), Zr(2), Nb(2).
136
Hỡnh 7.3- Giản đồ pha Fe- nguyờn tố hợp kim:
Khi cho cỏc nguyờn tố hợp kim vào thộp thỡ cỏc bon sẽ ưu tiờn tỏc dụng với nguyờn tố mạnh trước. Tựy theo nguyờn tố hợp kim cho vào và hàm lượng của nú, trong thộp hợp kim cú cỏc pha cỏc bớt sau đõy :
-Xờmentớt hợp kim (Fe, Me)3C : Nếu trong thộp chứa một lượng ớt cỏc nguyờn tố tạo cỏc bớt trung bỡnh và tương đối mạnh (1-2%) như : Mn, Cr, Mo, W chỳng sẽ hũa tan thay thế vị trớ cỏc nguyờn tử sắt trong xờmentit tạo nờn xờmentit hợp kim (Fe, Me)3C Xờmentớt hợp kim khú phõn hủy hơn xờmentit nờn nhiệt độ tụi cú cao hơn một ớt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
-Cỏc bit với kiểu mạng phức tạp (cỏcbit phức tạp) : Khi hợp kim húa đơn giản (một nguyờn tố hợp kim) nhưng với số lượng lớn (>10%) Cr hay Mn sẽ tạo nờn cỏc bit với kiểu mạng phức tạp : Cr7C3, Cr23C6, Mn3C cú cỏc đặc điểm sau :
+Cú độ cứng cao hơn xờmentit một ớt.
+Nhiệt độ núng chảy khụng cao lắm khoảng 1550ữ 18500C cú tớnh ổn định cao