(1,4÷14,5)%Mn, tổ chức là austenit một lượng lớn Mn3C hay (Fe,Mn)3C tập trung ở biên hạt
nên làm giảm mạnh độ bền, độ dai và rất giòn, chữa thể đem dùng ngay được.
Tôi 1050÷1100oC, giữ nhiệt lâu để cacbit mangan hòa tan hết vào austenit rồi làm nguội trong nước để thép hoàn toàn là austenit, rất dẻo dai. Khi chịu và đập M hình thành trên mặt trượt.
Đặc điểm:
- Thép chỉ có tính chịu mài mòn cao khi xúc đá (và đập), khi xúc cát mòn nhanh.
- Tính gia công cắt rất kém chỉ bằng đúc (nếu cần có thể mài thô) hoặc nong lỗ. Nga là 110Г13Л ,ở Hoa Kỳ theo ASTM A128, ở Nhật là SCMnHx (x là số thứ tự). (Thép từ tính tự đọc)
5.6. GANG
Ngoài >2%C, gang còn có (0,5 -4)%Si (3,5%), (0,2-1,5)%Mn và P<0,7%,S<0,15%
5.6.1. Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy 5.6.1.1. Tổ chức tế vi
Có 2 loại:
Gang trắng: C dưới dạng liên kết Fe3C không có gr tựdo, màu trắng, cứng giòn. Gang xám: hầu hết C ở dạng grafit không có Xê tự do, dùng phổ biến trong CTM.
Tổ chức tế vi gang xám gồm 2 thành phần: grafit và nền kim loại (giống thép): - F + gr, F+P+ gr và P + gr, tuỳ theo hình dạng grafit ta có: gang xám: grafit tấm, gang cầu: grafit hình cầu, gang dẻo: grafit có dạng cụm (hình 5.18a,b,c). Hình dạng grafit quyết định tính chất.
Gang xám bền thấp hơn thép nhiều, σN >σK , gang dẻo, gang cầu khá hơn, rẻ hơn thép.
Chịu mài mòn, giảm chấn, tính đúc rất tốt, rất dễ gia công cắt gọt, không biến dạng, khó hàn.
5.6.1.2. Thành phần hóa học và cách chế tạo
Để có được grafit và grafit với các dạng khác nhau, mỗi gang phải có những đặc điểm
Hình 5.18. Dạng grafit
trong: gang xám (a); gang cầu (b)
gang dẻo (c)
Chế tạo: Gang xám đúc với %,
gang dẻo: nấu đúc gang trắng ít Cr
rồi ủ, gang cầu: biến tính cầu hoá.
Sự tạo thành grafit hay grafit hóa:
Tổ chức tế vi của gang phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội khi đúc (hình 5.19)
Cùng có C+Si=5% nếu d < 5: gang trắng;
d=10-15: gang biến trắng; d=15-40: gang peclit; d>40: gang ferit
Gang có C+Si > 7: gang xám ferit mọi d
Với d=30, muốn có P thì (C+Si)≤ 4
Với d<10 → gang trắng và biến trắng
Với d>50: gang xám F hoặc F+P
- Gang xám với grafit tấm là dạng tự nhiên được hình thành dễ dàng và đơn giản nhất:đúc thông thường.
- Gang cầu với grafit cầu là dạng thu gọn nhất được hình thành từ biến tính đặc biệt gang lỏng
C+Si cao ít P và S (<0,04%), T cao 1400 -1450oC, biếntính bằng FeSi40Mg10, 2% gang lỏng.
- Gang dẻo nấu đúc ra gang trắng rồi ủ để phân hóa nó thành grafit cụm.
5.6.2. Gang xám
Là loại gang phổ biến nhất (nếu không chỉ rõ loại gang thì phải hiểu đó là gang xám).
5.6.2.1. Cơ tính
Tuy dễ chế tạo, rẻ nhưng cơ tính kém.
- Độ bền thấp, giới hạn bền kéo < 350 ÷ 400MPa (th ường trong khoảng 150 ÷ 350MPa)
- Độ dẻo và độ dai thấp (δ ≈ 0,5%, aK < 100kJ/m2), có thể xem như vật liệu giòn.
Ưu điểm của gang xám: do grafit tấm nên: + Dễ gia công cắt.
+ Grafit có tính bôi trơ n nên cùng độ cứng thì gang chịu mài mòn cao hơn thép.
+ Grafit làm giảm chấn → làm đế, bệ máy (và cũng là để tận dụng khả năng chịu nén tốt).
5.6.2.2. Phương pháp nâng cao cơ tính
Cải thiện tổ chức sẽ dẫn đến nâng cao c ơ tính chủ yếu là giới hạn bền kéo.
- Làm giảm Cđl=Ct+1/3(Si+P) đúc ra gang hoa dâm (tr ắng xám lẫn lộn).
- Biến tính gang lỏng bằng FeSi. Grafit trong gang đ ược chia thành 8 cấp (theo ASTM) từ 1 đến 8, trong đó chiều dài trung bì nh của cấp 8 là < 0,015mm, cấp 1 là > 1mm.
- Tạo nền P có độ bền cao hơn.
Hình 5.19. Tổ chức của gang phụthuộc vào thành phần và tốc độ nguội
- Hợp kim hóa có tác dụng chủ yếu là hóa bền nền kim loại (tạo xoocbit), nâng cao độ
cứng, tính chống mài mòn, tính chịu nhiệt và hiệu quả đối với nhiệt luyện.
- Tôi + ram. Khi tôi + ram, T> 850oC.
Hình 5.19. Tổ chức tế vi của các loại gangxám: a. ferit b.ferit- peclit c. peclit 5.6.2.3. Các mác gang và công dụng
TCVN 1659-75 quy định ký hiệu các mác gang là GX xx-xx, bền kéo và bền uốn, kG/mm2
giống như ГOCT 1412-70 là CЧxx-xx.
Nhưng theoГOCT 1412-85 các mác gang xám gồm có:
CЧ10, CЧ15, CЧ20, CЧ25, CЧ30 và CЧ35 (chỉ ký hiệu giới hạn bền).
Hoa Kỳ: SAE J431 có các mác: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000, số chỉ σKx 10psi, ví dụ G3000 có σb≥ 30000psi hay 30ksi. Tiêu chuẩn ASTM: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55,
60:σK, ksi.
JIS có các mác gang xám sau: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350, trong đó s ố
chỉ giới hạn bền tối thiểu tinh theo đ ơn vị MPa.
- CЧ10, CЧ15 được dùng làm các vỏ, nắp không chịu lực (chỉ để che chắn).
- CЧ20, CЧ25: tải trọng nhẹ, ít mài mòn như vỏ hộp giảm tốc, thân máy, bích, cacte,ống nước.
- CЧ25, CЧ30: bánh răng (bị động, tốc độ chậm), bánh đ à, sơmi, xecmăng, thân máy.
- CЧ30, CЧ35: chịu tải cao, chịu mài mòn như bánh răng chữ V, trục chính, vỏ bơm thủy lực.
5.6.2.4. Gang xám biến trắng
Gang xám biến trắng (ở bề mặt) có tính chống mài mòn cao (với bề mặt có HB 400 ÷ 600), như để làm bi, trục nghiền, trục cán, bánh xe goòng,...
Ủ khử biến trắng ở 700 ÷ 750oC,ủ khử ứng suất ở 600 ÷ 650oC.
5.6.3. Gang cầu
Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất do grafit ở dạng thu gọn nhất.
5.6.3.1. Cơ tính
Do grafitở dạng hình cầu hầu như không tập trung ứng suất, vì vậy gang cầu duy trìđược 70 ÷ 90% độ bền của nền kim loại (thép), tức không thua kém thép bao nhiêu và có thể thay thế nó.
5.6.3.2. Đặc điểm chế tạo
- (C + Si) cao, P, đặc biệt là S thấp hơn (< 0,03%) do S tạo với Mg MgS làm xấu cơ tính.
- Không có hay có rất ít nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Zn, Bi.
5.6.3.3. Các mác gang và công dụng (1kG/mm2=10MPa=1,45ksi=1,45.103psi)
TCVN 1659-75: GC xx-xx (σK và δ vị kG/mm2 và %) giống như của ГOCT 7393-70 là
BЧxx-xx. Nhưng theoГOCT 7393-85 có các mác BЧ40, BЧ50, BЧ60, BЧ70, BЧ80 (σK).
SAE J434c có các mác D4018, D4512, D5506, D7003, trong đó hai ch ữ số đầu chỉ σb(min)
theo đơn vị ksi, hai chữ số sau chỉ δ (min) theo %, ví dụ, D4512 có σb≥ 45ksi vàδ ≥ 12%.
Tiêu chuẩnASTM có các class: 60-40-18, 65-45-12, 80-60-03, 100-70-03, 120-90-02, ba
cặp số đó lần lượt chỉ giá trị tối thiểu của σb,σ0,2 (ksi),δ (%).
JIS có các mác FCD370, FCD400, FCD450, FCD500, FCD600, FCD700, FCD800, trong
đó số chỉ σb (min) theo đơn vị MPa.
Mác gang cầu ferit - peclit BЧ50 : các chi tiết thông thường thay thép nói
chung.
Mác BЧ60: trục khuỷu, trục cán.
Các mác gang cầu BЧ70, BЧ80: tôi
đẳng nhiệt ra bainit, được dùng làm các chi tiết quan trọng.
Công dụng chủ yếu của gang cầu là dùng làm các chi tiết vừa chịu tải trọng kéo và và đập cao (như thép) đồng thời
lại dễ tạo hình bằng phương pháp đúc.
5.6.4. Gang dẻo 5.6.4.1. Cơ tính
5.6.4.2. Đặc điểm chế tạo
- Thành phần hóa học: (C + Si) thấp, C thấp đi thì Si lấy cao hơn.
Sản phẩm: có thành mỏng, d< 40mm (dưới 20 ÷ 30mm) để đúc ra gang trắng.
Về ủ grafit hóa: thời gian dài, chi phí nhiều năng lượng (h.5.20)
-Ở 950oC (trên A1): Fe3C→ γ1,8+grcụm - Từ 950 đến 738 oC:γ1,8→ γ0,8 + grcụm -Ở 700oC (dưới A1): Fe3C trong P→ F + grcụm. Tuỳ theo quy trìnhủ: I→ P+gr, II→ P+F+gr, II → F+gr
- Có 2 loại gang dẻo:
+ Gang dẻo tâm trắng, ủ trong môi tr ường ôxy hóa (Fe2O3) làm thoát cacbon nên mặt gãy có màu sáng.
+ Gang dẻo tâm đen, ủ trong môi tr ường trung tính (SiO2) C còn nhiều nên mặt gãy vẫn có màu đen xẫm như nhung đen.
5.6.4.3. Các mác gang và công dụng
Các nước thường đánh số các mác gang dẻo theo giới hạn bền kéo tối thiểu v à độ giãn dài
tương đối.
TCVN 1659-75: GZ xx-xx giống như ГOCT 1215 - 79 là КЧxx-xx, 2 số đầu σb (min), kG/mm2, cặp số sau chỉ δ (min) theo %.
Gồm: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 (gang dẻo ferit). КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ63-3 (gang dẻo peclit).
ASTM: 32510, 35018, 40010..., 3 số đầu làσb (min), MPa, 2 số sau chỉ δ (min) theo %.
SAE có: M 3210, M 4504, M 5003, M 5503, M 7002, M 8501, 2 số đầu chỉ σb (min) theo
đơn vị ksi, hai số sau chỉ δ (min) theo %.
JIS có các mác: gang dẻo tâm đen FCMB 270, FCMB 310, FCMB 340, FCMB 360; gang dẻo tâm trắng FCMW 330, FCMW 370, FCMWP 440, FCMWP 490, FCMWP 540, trong đó
số chỉ σb (min) theo đơn vị MPa.
Những chi tiết làm bằng gang dẻo: 3 yêu cầu là: hình dạng phức tạp, thành mỏng, chịu và
CHƯƠNG 6
HỢP KIM MÀU VÀ BỘT 6.1. Hợp kim nhôm (Al)
Nhôm và hợp kim nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép vì tính chất phù hợp với nhiều công
dụng: bền, nhẹ (bền riêng cao), chịu ăn mòn tốt (khí quyển),…
6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm
6.1.1.1. Các đặc tính của nhôm nguyên chất
Ưu điểm: khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm3) = 1/3 của thép: hàng không, vận tải do tiết
kiệm năng lượng, tăng tải trọng có ích. Tính bền ăn mòn khí quyển: xây dựng, trang trí nội
thất, dẫn điện tốt, tuy = 62% của Cu nh ưng nhẹ = 1/3 , tính dẻo rất cao, mạng A1, dễ kéo sợi,
dây và cán mỏng thành tấm, lá, băng, màng (foil), ép chảy thành các thanh dài với các biên dạng (profile) phức tạp rất khác nhau.
Nhược điểm: chịu nhiệt kém: chảy (660oC), không sử dụng ở trên 300 ÷ 400oC, độ bền, độ cứng thấp, ở trạng thái ủ σb = 60MPa, σ0,2 = 20MPa, HB 25.
Để ký hiệu mức độ biến cứng đ ơn thuần (tăng bền nhờ biến dạng nguội) ở Hoa Kỳ, Nhật và các nước Tây âu thường dùng các ký hiệu H1x, x là tỷ phần tăng bền biến dạng (x/8):
x=8 - tăng toàn phần (8/8 hay 100%), ứng với mức độ biến dạng rất lớn (= 75%)
1 - Mức tăng ít nhất (1/8 hay 12,5% so với mức toàn phần, ứng với mức độ biến dạng nhỏ;
2, 4, 6 - mức tăng trung gian (2/8, 4/8, 6/8 hay 25%, 50%, 75% so với mức toàn phần),
9 - mức tăng tối đa (bền, cứng nhất) ứng với mức độ biến dạng > 75%.
6.1.1.2. Hợp kim Al và phân loại
FC là giới hạn hoà tan của nguyên tố hợp kim trong α.
Hợp kim Al biến dạng- trái điểm C
Hợp kim Al đúc- bên phải điểm C
Hợp kim Al biến dạng hoá bền được bằng nhiệt luyện nằm trong
khoảng CF
Hợp kim Al biến dạng không hoá
bền được bằng nhiệt luyện - trái điểm
F Si,Mn,Ti,Zn,Fe ít hoà tan, Zn, Mg, Cu hoà tan nhiều.
c. Hệ thống ký hiệu cho hợp kim nhôm
Hoa kỳ ký hiệu các hợp kim nhôm: theo AA (Aluminum Association) bằng xxxx cho loại
hợp kim Al biến dạng và xxx.x cho loại hợp kim nhôm đúc:
Loại biến dạng Loại đúc
1xxx - Al sạch ( 99,0%), 1xx.x - Al thỏi hợp kim thương phẩm,
2xxx - Al - Cu, Al - Cu - Mg, 2xx.x - Al - Cu, 3xxx - Al - Mn, 3xx.x - Al - Si - Mg, Al - Si - Cu, 4xxx - Al - Si, 4xx.x - Al - Si, 5xxx - Al - Mg, 5xx.x - Al - Mg, 6xxx - Al - Mg - Si, 6xx.x - không có, 7xxx - Al - Zn - Mg, Al - Zn - Mg - Cu, 7xx.x - Al - Zn, 8xxx - Al - các nguyên tố khác 8xx.x - Al - Sn.
- 3 số tiếp theo được tra theo bảng để có các số liệu cụ thể.
Trạng thái gia công và hóa bền, các nước phương Tây thường dùng các ký hiệu sau:
F: trạngthái phôi thô, O: ủ và kết tinh lại,
H: hóa bền bằng biến dạng nguội, trong đó:
H1x (x từ 1 đến 9): chỉ biến dạng nguội thuần túy với mức độ khác
H2x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ủ hồi phục,
H3x (x từ 2 đến 9): biến dạng nguội rồi ổn định hóa,
T: hóa bền bằng tôi + hóa già, trong đó:
T1: biến dạng nóng, tôi, hóa già tự nhiên T3: tôi, biến dạng nguội, hóa già tự nhiên T4: tôi, hóa già tự nhiên
T5: biến dạng nóng, tôi, hóa già nhân tạo
T6: tôi, hóa già nhân tạo
T7: tôi, quá hóa già
T8: tôi, biến dạng nguội, hóa già nhân tạo
T9: tôi, hóa già nhân tạo, biến dạng nguội
TCVN 1659-75: hợp kim Al: AlCu4Mg là hợp kim Al chứa ~4%Cu, ~1%Mg. Với Al
sạch bằng Al và số chỉ phần trăm của nó, ví dụ Al99, Al99,5.
6.1.2. Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện
6.1.2.1. Nhôm sạch: Kỹ thuật Độ sạch cao
Việt nam: A0, A5, A6, A7, A8, A85, A9, A95, A97,… A995 A999
%Al 99 99,5 99,6 99,7 99,8 99,85 99,9 99,95 99,97,..99,995 99,999
Hoa kỳ: AA1060 và AA1100: 1060 dùng làm tấm ốp
trong xây dựng. Để làm dây (trần, bọc) hay cáp điện dùng. AA1350: dây điện
6.1.2.2. Hợp kim Al biến dạng không hóa bền đ ược bằng nhiệt luyện
Hợp kim Al-Mn: 3xx: dễ biến dạng dẻo, hoá bền
biến dạng cao, cung cấp d ưới dạng: lá mỏng, thanh,
Hình 6.2. Góc giàu AL của giản đồ pha Al- Cu
dây, hình,ống..., chống ăn mòn tốt trong khí quyển và dễ hàn.
Hợp kim Al-Mg: điển hình AA 5050, AA 5052, AA 5454: nhẹ nhất, độ bền khá, hoá bền
biến dạng tốt, biến dạng nóng, nguội v à hàn đều tốt, bền ăn mòn tốt nhất là sau anod hóa.
6.1.3. Hợp kim Al biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện
Đây là phân nhóm hợp kim Al quan trọng nhất, có cơ tính cao nhất không thua kém gì thép C.
6.1.3.1. Hệ Al- Cu và Al - Cu - Mg
Hợp kim AlCu4 và nhiệt luyện hóa bền
Giản đồ pha Al- Cu (hình 6.4) Hoà tan cực đại: 5,65%ở 548oC
Hoà tan cực tiểu: 0,5% ở 20oC
Quá giới hạn hòa tan: tiết ra ở dạng CuAl2II.
Tổ chức của hợp kim AlCu4:
Cân bằng (ủ): α- Al (Cu)0,5 + CuAl2II, (khoảng 7%) pha, độ bền min ( σb=200MPa) sau tôi: dung dịch rắn α quá bão hoà Al(Cu)4%, σb = 250 ÷ 300MPa và vẫn còn khá dẻo (sửa, nắn được).
Độ bền, độ cứng tăng lên dần và đạt đến giá trị cực đại sau 5 ÷ 7 ngày, σb=400MPa tức đã
tăng gấp đôi so với trạng thái ủ (hình 6.5) → gọi là tôi + hóa già tự nhiên (để lâu ở nhiệt độ thường).
Cơ chế hóa bền khi tôi + hóa già:
Guinier và Preston, TK 20:
α(Al(Cu)4%)→GP1→GP2→ θ’ →θ (CuAl2) hoá giàσmax → quá già
θ’ có mạng chính phương bán liền mạng với α cóσmax
• Hóa già tự nhiên: 5 ÷ 7 ngày,σ max
•Hóa già nhân tạo: 100 ÷ 200oC, thời gian tuỳ theo nhiệt độ có thể từ vài giờ vài chục giờ.
Các hợp kimthông dụng
Họ AA 2xxx (đura): hợp kim Al-Cu-Mg: ~ 4%Cu (2,6- 6,3%), 0,5÷1,5%Mg tên là đura
(duraluminium). Pha hóa bền, ngoài CuAl2 còn có CuMg5Al5, CuMgAl2 có tác dụng mạnh hơn.
Tạp chất: Fe, Si và Mn: Fe và Si là hai tạp chất thường có, Mn được đưa vào với lượng nhỏ để làm tăng tính chống ăn mòn.
AA 2014 và AA 2024: kết cấu máy bay, dầm khung chịu lực xe tải, s ườn tàu biển, thể thao... Đặc điểm nổi bật của đura là: Độ bền cao (σb=450÷480MPa), nhẹ ρ≈ 2,7g/cm3→ σb/ρ ~
15÷16km, trong khi đó CT51 là 6,0÷6,5, gang: 1,5÷6,0.
Kém bền ăn mòn kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau
6.1.3.2. Hệ Al- Mg - Si và Al - Zn - Mg
Al-Mg-Si: Họ AA6xxx : điển hình là AA 6061 và AA 6070: độ bền kém đura (σb=400MPa),
nhưng dẻo hơn, tính hàn tốt. Sau ép chảy, anod hóa → thanh (15m) → Xây dựng.
Hình 6.3. Hóa già hợp kim AlCu4
Al-Zn-Mg: Họ AA 7xxx: có độ bền cao nhất (σb> 550MPa), Zn= 4-8%, Mg=1÷3%, Cu=2% Tôi 350÷500oC trong không khí hoặc nước nóng, ứng dụng: máy bay, vũ khí, dụng cụ thể thao…
6.1.4. Hợp kim Al đúc
6.1.4.1. Cácđặc điểm: dễ chảy, dễ đúc, có thế biến tính, nguội nhanh để tăng c ơ tính.
6.1.4.2. Silumin đơn giản: Al-(10÷13)%Si (AA 423.0 hay AЛ2 (Nga))
Biến tính: bằng hỗn hợp muối (2/3NaF +1/3NaCl) với l ượng 0,05÷0,08% tăng cơ tính từ: σb = 130MPa,δ = 3% lênσb = 180MPa,δ = 8% nhưng vẫn còn thấp so với yêu cầu sử dụng; σb = 130MPa,δ = 3% lênσb = 180MPa,δ = 8% nhưng vẫn còn thấp so với yêu cầu sử dụng.
Các hợp kim Al- Si - Mg(Cu): là các hợp kim với khoảng Si rộng
6.1.4.3. Silumin phức tạp: