a. Định nghĩa
Thấm ni tơ là phương pháp hóa – nhiệt luyện làm bão hòa ( thấm, khuếch tán) ni tơ vào bề mặt thép nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn và giới hạn mỏi của chi tiết
Độ cứng cao của lớp thấm ni tơ là bản chất tự nhiên của nó, không phải qua nhiệt luyện tiếp theo như khi thấm cacbon. Thông thường thấm ni tơ bằng khí NH3 có nhiệt độ trong khoảng 480- 650oC, lúc đó nó bị phân hóa mạnh nhất theo phản ứng
2NH3 3H2 + 2Nngtử
Ni tơ nguyên tử vừa được tạo thành có hoạt tính cao bị hấp thụ rồi khuếch tán vào thép. c. Đặc điểm của thấm ni tơ
- Do phải tiến hành ở nhiệt độ thấp sự khuếch tán khó khăn nên thời gian dài mà lớp thấm vẫn mỏng. Ví dụ ở 520oC trong 24h đạt 0,25-0,3mm, trong 48h đạt 0,4mm
- Sau khi thấm không tiến hành tôi và ram
- Thép thấm ni tơ thường là thép hợp kim chuyên dùng
- Lớp thấm cứng và độ cứng rất cao này giữ được ở ngay cả khi làm việc trên 500oC, trong khi đó độ cứng cao của thấm cacbon bị giảm mạnh khi nhiệt độ vượt quá 200oC, do mactenxit bị phân hóa khi ram.
4.5.3. Thấm đồng thời bề mặt thép bằng cacbon và ni tơ
a. Định nghĩa
Thấm cabon-nitơ là phương pháp hóa nhiệt luyện làm bão hòa đồng thời cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho chi tiết máy
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, trong nhiều trường hợp, sự kết hợp thấm đồng thời cacbon và nitơ cho phép thép có được những ưu điểm nhất định. Ví dụ nitơ tạo thuận lợi cho sự khuếch tán của cacbon do vậy có thể giảm nhiệt độ thấm xuống 850oC và vẫn nhận được lớp thấm tương tự như thấm cacbon thông thường. Môi trường thấm cacbon-nitơ là hỗn hợp thấm cacbon ở thế khí có pha thêm 3-5% NH3, trong lớp thấm có tạo thành pha cacbonitrit
b. Quá trình thấm
Thấm cacbon-nitơ có thể tiến hành ở nhiệt độ 820-860oC trong hỗn hợp muối nóng chảy chứa natri xianua. Trong bể muối có thành phần NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na2CO3 25-50% sau 1h thấm ở nhiệt độ trên có thể đạt được lớp thấm có chiều dày 0,3mm và sau khi tôi và ram ở nhiệt độ 180-200oC có thể đạt được độ cứng bề mặt 58-62HRC
Giả sử rằng, khi có sự tham gia của oxy, trong bể muối xảy ra các phản ứng sau: 2NaCN + O2 2NaCNO
2NaCNO + O2 Na2CO3 + CO + 2N 2CO CO2+C
Các muối trung tính NaCl và Na2CO3 cho thêm vào để nâng cao nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp muối, nó làm giảm sự bay hơi của các muối đắt tiền và độc hại ở nhiệt độ thấm. Nhược điểm thấm xianua là tính độc hại của muối xianua do đó thời gian hiện nay người ta đang nghiên cứu các phương pháp thấm cabon-nitơ bằng các hỗn hợp muối xianat và cacbônat không độc.
PHẦN 3
CÁC LOẠI VẬT LIỆU Chương 5
Thép và gang 5.1. Khái niệm chung về thép cacbon và thép hợp kim
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 như mọi thép đều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện để thay đổi cơ tính theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt, trong công nghiệp thép được cung cấp dưới các dạng bán thành phẩm: dây, sợi, thanh, tấm, lá, băng, ống, góc và các dạng hình khác nhau rất thuận 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 tương đối phức tạp. Do những ưu điểm như vậy thép được coi là vật liệu xương sống của công nghiệp.
Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim. Trước tiên hãy phân biệt, so sánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép này
5.1.1. Thép cacbon
5.1.1.1. Thành phần hoá học
Thành phần hoá học của thép cacbon gồm chủ yếu là Fe và C, ngoài ra còn có chứa một số nguyên tố khác nữa tuỳ theo điều kiện luyện thép. Nhưng nhìn chung hàm lượng của các nguyên tố trong thép cacbon khống chế trong phạm vi sau
C < 2%, Mn< 0,8%, Si < 0,5%, P,S < 0,05%, Cr, Ni. Cu, W, Mo, Ti rất ít 0,1 đến 0,2%.
Mn và Si là hai tạp chất có tác dụng nâng cao cơ tính của thép cacbon, P, S là tạp chất giảm chất lượng thép, nâng cao tính giòn nguội trong thép, nhưng lại tạo tính dễ cắt gọt cho thép.
5.1.1.2.Phân loại thép cacbon
Có nhiều cách để phân loại thép cacbon, mỗi cách cho biết một đặc trưng riêng biệt cần chú ý để sử dụng thép được tốt hơn.
a. Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 nhiệt luyện thép khác nhau có khả năng loại trừ tạp chất có hại khác nhau này ở các mức khác 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 tồn tại ba phương pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi oxy từ đỉnh
+ Chất lượng thường, lượng P,S chỉ khử được đến mức 0,05% cho mỗi nguyên tố. Cấp chất lượng này 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 0,04% cho mỗi nguyên tố. Phương pháp nhiệt luyện 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 chế tạo máy thông dụng
+ Chất lượng cao, lượng P,S được khử đến mức 0,03% 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 triệt để nhất 0,02% cho mỗi nguyên tố. 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 ngoài lò bằng xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ.
b. Theo phương pháp khử oxy
Theo mức độ khử oxy có triệt để hay không người ta chia ra hai loại thép sôi và thép lặng Thép sôi là loại không được khử oxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không mạnh nên trong thép vẫn còn FeO và do đó có phản ứng:
Khí Co bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động giống như bị sôi ( nên có tên gọi là thép sôi) và tạo ra bọt khí trong thỏi đúc. Khi cán nóng tiếp theo phần lớn bọt khí được hàn kín lại nên nói chung không ảnh hưởng xấu đến cơ tính của thép đã qua biến dạng nóng.
Các đặc điểm của thép sôi:
+ Do không được khử bằng fero silic nên chứa rất ít silic, nên ferit của thép rất mềm dẻo và dễ dập nguội
+ Không cho thép 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 xấu đến cơ tính.
+ Không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trong thép vẫn còn oxy nên khi chảy lỏng phản ứng tạo s lại xảy ra, mối hàn chứa nhiều bọt khí.
Thép lặng là loại được khử oxy triệt để bằng cả fero mangan và fero silic là chất khử mạnh và nhôm, nên trong thép không xảy ra phản ứng trên, mặt thép lỏng luôn phẳng lặng nên gọi là thép lặng
Đặc điểm của thép lặng là:
+ Do được khử bằng fero silic nên chứa một lượng nhất định silic, thường trong khoảng 0,15-0,3% 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
+ 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. FeO + C Fe + CO
Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ khử được oxy bằng fero 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.
c. Theo công dụng
Theo mục đích sử dụng người ta có thể phân 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 do đó ngoài yêu cầu về độ bền đảm bảo còn cần phải có đủ độ dẻo, dai. Đây là nhóm thép sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống và kỹ thuật. Trong nhóm này có thể phân chia tiếp thành hai nhóm nhỏ hơn đó là thép xây dựng và thép chế tạo máy
- Thép dụng cụ loại này chủ yếu là công cụ nên yêu cầu chủ yếu là độ cứng và tính chống mài mòn cao.
5.1.1.3. Ký hiệu thép cacbon
Tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định những loại thép cacbon chính. Theo TCVN 1765-75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường để làm thép xây dựng, được sử dụng ở trạng thái cung cấp không qua nhiệt luyện. Thép được ký hiệu là CT với ý nghĩa là thép cacbon chất lượng thường, với các chữ ở đằng sau cùng: s chỉ thép sôi, n chỉ thép nửa lặng, nếu không có chữ gì thì là thép lặng. Trong nhóm thép này lại chia ra làm ba phân nhóm A, B, C. Phân nhóm A phân loại các mác theo giới hạn bền kéo tối thiểu đạt được tính theo đơn vị kG/mm2, ví dụ là CT38, CT38n, CT38s là ba mác thép có cùng σb ≥ 38 kG/mm2. Các phân nhóm B,C ký hiệu giống như nhóm A tuy nhiên có thêm chữ B và C ở đầu ví dụ BCTxx, CCTxx.
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 đảm bảo cả thành phần hóa học lẫn cơ tính, các mác được ký hiệu bằng chữ C và phần vạn cacbon trung bình. Ví dụ C40 là mác có khoảng 0,4% cacbon
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, ví dụ CD80 là mác thép có 0,8% C.
5.1.2. Thép hợp kim
5.1.2.1. Thành phần hoá học
Thép hợp kim là loại thép ngoài thành phần Fe, C, các tạp chất trong quá trình chế tạo còn có các nguyên tố đặc biệt được đưa vào với một lượng nhất định để thay đổi cấu trúc và tính chất của thép. Đó là các nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Cu, B.
Giới hạn hàm lượng để từ đó phân chia ranh giới giữa khi là tạp chất và khi là thành phần hợp kim của các nguyên tố như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mn: 0,8-1,0% Si: 0,5-0,8% Cr: 0,2-0,8% Ti>0,1% Cu>0,1% Ni: 0,2-0,6% W: 0,1-0,5% Mo: 0,05-0,2% B> 0,002%
Thép hợp kim có cơ tính cao hơn thép cacbon, chịu được nhiệt độ cao hơn và có những tính chất vật lí và hoá học đặc biệt như chống tác dụng ăn mòn của môi trường cao…
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.
a. Theo tổ chức cân bằng
Theo tổ chức cân bằng ở trạng thái ủ, với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau:
+ Thép trước cùng tích peclit + ferit tự do + Thép cùng tích peclit
+ Thép sau cùng tích peclit + cacbit tự do + Thép lêđêburit có lêđêburit
Trong 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
b. Theo tổ chức thường hóa
Theo tổ chức thường hóa các mẫu nhỏ o25, theo lượng nguyên tố hợp kim tăng lên sẽ có các thép sau đây:
+ 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, trôxit, phần lớn thép thuộc loại này.
+ Thép họ mactenxit: loại hợp kim hóa trung bình ( >4-6%) và cao, đường cong chữ C dịch sang phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng được mactenxit.
+ Thép họ austenit: loại có chứa Cr cao và Ni cao ( >8%) hoặc Mn ( > 13%) cao, chúng mở rộng khu vực γ và hạ thấp điểm Ms nên làm nguội trong không khí ( chỉ đến nhiệt độ thường, cao hơn Ms) cũng không có chuyển biến gì, giữ nguyên tổ chức austenit
c. .Theo nguyên tố hợp kim
Dựa vào tên nguyên tố hơm 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 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.
d. Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim
Theo tổng 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) e.Theo công dụng
Theo công dụng người ta chia thép hợp kim ra làm ba nhóm: + Thép hợp kim kết cấu
+ Thép hợp kim dụng cụ + Thép hợp kim đặc biệt
5.1.2.3. Các cách kí hiệu thép hợp kim
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659-75, thép hợp kim được kí hiệu bằng hệ thống kí hiệu hóa học và số ( tỉ lệ phần trăm các nguyên tố trong hợp kim). Thí dụ thép 9 Mn2 có 0,09% C và 2%Mn.
Theo tiêu chuẩn Nga, thép hợp kim được kí hiệu theo hệ thống chữ cái đầu tiếng Nga của tên các nguyên tố hoá học và tỉ lệ phần trăm của chúng trong hợp kim. Ví dụ Crôm-X, Niken-H, Vonfram-B, silic-C, Nito-A, Côban-K…
Theo tiêu chuẩn trung quốc kí hiệu thép giống của liên Liên Xô cũ chỉ thay chữ bằng kí hiệu hoá học.
Tiêu chuẩn Mĩ thì kí hiệu thép hợp kim theo SAE-Hội kĩ sư ô tô Mĩ-dùng hệ thống chữ số để kí hiệu. Hai số đầu ghi loại thép ( ví dụ: 2 –Niken, 3-crôm-niken…)
5.2. Thép xây dựng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.2.1. Đặc điểm chung và phân loại
a. Đặc điểm chung
Các kết cấu thép xây dựng thường là các thanh dầm dài ghép lại với nhau bằng các mối hàn chảy hoặc bằng bulông, tán rivet, vì vậy chúng đòi hỏi một số yêu cầu kỹ thuật sau:
Về cơ tính ngoài các yêu cầu về độ bền mà bất cư vật liệu kết cấu nào đòi hỏi ra, thép xây dựng cần phải có:
- Độ dẻo cao để phù hợp với đòi hỏi trong quá trình chế tạo các thanh dầm thường phải chịu uốn - Độ dai tốt để có thể chịu được các tải trọng va đập do phương tiện giao thông hay các tác động bên ngoài một cách đột ngột
Về tính công nghệ thép xây dựng phải có tính hàn cao và đảm bảo phần lớn các kết cấu kim loại được ghép lại bằng cách hàn chảy.