7. Hóa nhiệt luyện Mục tiêu
1.1.Khái niệm về thép cacbon
1.1.1. Thành phần hoá học và ảnh hưởng của các nguyên tố
a.Thành phần hóa học
Thép cacbon là hợp kim của Fe - C, Trong đó C < 2,14% ngoài ra còn có một số tạp chất khác như: Mn, Si, P, S.
b. Ảnhhưởng của các nguyên tố tới tính chất của thép
* Cacbon: C < 2,14%
Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất ảnh hưởng lớn tới tổ chức và cơ, lý, hóa tính của thép.
- Tổ chức
Khi lượng cacbon của thép tăng lên thì lượng xêmentit cũng tăng lên dẫn đến tổ chứccủa thép thay đổi.
Ví dụ: Ở trạng thái ủ tổ chức của thép cacbon phụ thuộc vào thành phần cacbon như sau.
C < 0,8% → F + P C = 0,8% → P C > 0,8% → P + XêII
- Cơ tính
Khi lượng cacbon thay đổi cơ tính của thép thay đổi rất nhiều. Quy luật
chung là, khi thành phần cacbon tăng lên độ bền, độ cứng cũng tăng lên, còn độ dẻo, độ dai giảm đi. Tuy nhiên độ bền chỉ tăng lên theo cacbon đến giới hạn
Có thể giải thích quy luật đó như sau:
Khi tăng lượng cacbon, số lượng pha xêmentỉt cứng giòn cũng tăng lên,
số lượng pha ferit mềm dẻo giảm đi, do vậy thép có độ cứng tăng lên, độ dẻo, độ dai giảm đi. Riêng ảnh hưởng của lượng pha xêmentit đến độ bền có nét hơi khác. Lúc đầu sự tăng về số lượng pha xêmentit với độ cứng cao có tác dụng cản trở sự trượt của ferit do đó làm tăng giới hạn bền của thép, nhưng khi xêmentit quá nhiều (khi C > 0,8%) tạo nên xêmentitII ở dạng lưới (liên tục) thì nó lại làm giảm độ bền, do lưới xêmentitII dễ dàng cho sự tạo thành và phát triển vết nứt khi phá hủy.
Thép có thành phần cacbon khác nhau sẽ có cơ tính khác nhau và do đó được sử dụng vào các mục đích khác nhau:
+ Thép có C≤ 0,25% có tính dẻo dai cao, độ bền thấp, dùng làm kết cấu xây dựng, các chi tiết dập nguội, thấm cacbon;
+ Thép có C = ( 0,3 ÷ 0,5% ) có độ bền, độ cứng, độ dai trung bình, thích hợp với các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập, như trục, bánh răng…;
+ Thép có C = ( 0,55 ÷ 0,65% ) độ cứng, độ bền cao và giới hạn đàn hồi cao nhất, dùng làm các chi tiết yêu cầu độ đàn hồi cao như lò xo, nhíp;
+ Thép có C ≥ 0,7% độ cứng và tính chống mài mòn cao, được dùng làm các loại dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập.
- Lí, hóa tính:
Khi tăng lượng cacbon thì điện trở và lực khử từ tăng, tính chống ăn mòn và độ từ thẩm của thép giảm đi.
*Mangan: Mn < 0,8%
- Mangan hòa tan vào nền ferit làm tăng độ bền và làm giảm độ giãn dài của thép.
- Một phần của mangan kết hợp với cacbon tạo thành hợp chất Mn3C có tính chất giống Fe3C làm tăng độ cứng, tăng tính chống mài mòn.
- Mangan được đưa vào thép dưới dạng fero- mangan để khử ôxy, tức là để loại trừ FeO rất có hại.
FeO + Mn → MnO + Fe
( MnO nổi lên, đi vào xỉ được cào ra khỏi lò )
Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh (FeS) đối với thép.
FeO + Mn MnS + Fe
* Silic: Si < 0,5%
- Silic hòa tan vào nền ferit làm tăng độ bền, độ cứng của pha này, do đó làm tăng độ bền, độ cứng và giảm độ giãn dài cho thép.
- Silic có tác dụng khử ôxy mạnh hơn so với mangan:
Si + 2FeO → SiO2 + 2Fe - Silic có khả năng làm tăng tính thấm từ.
* Photpho: P < 0,05%
- Photpho làm cho thép giòn ngay ở nhiệt độ thường (giòn nguội).
Photpho hòa tan vào ferit làm xô lệch mạng tinh thể của pha này nên thép bị giòn.
- Phot pho tăng sẽ cải thiện được tính cắt gọt.
* Lưu huỳnh: S < 0,05%
Lưu huỳnh làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao(giòn nóng) dẫn đến các công
nghệ rèn, cán, kéo, ép, hàn … gặp nhiều khó khăn.
Trong thép chứa nhiều lưu huỳnh tạo thành FeS tạo thành ở nhiệt độ thấp, nóng chảy ở nhiệt độ (9850C). Khi rèn, cán thường phải nung thép tới nhiệt độ
(1200)0C sẽ chảy làm yếu sự liên kết giữa các hạt kim loại nên thép dễ bị đứt. Ngoài ra trong thép còn có ôxy, nitơ, hiđrô và một số tạp chất khác làm giảm độ dẻo, tăng độ giòn.
1.2. Các phương pháp phân loại thép
1.2.1. Theo phương pháp luyện.
Dựa vào lò chế tạo thép
- Thép lò chuyển: Thép được luyện từ lò chuyển có chất lượng thường.
- Thép mactanh: Thép được luyện từ lò mactanh chất lượng tốt hơn thép lò chuyển.
- Thép lò điện: Thép được luyện từ lò điện (chủ yếu lò điện hồ quang) chất
lượng rất cao.
1.2.2. Theo mức độ khử ôxy
- Thép sôi là loại thép không được khử ôxy triệt để. chỉ được khử bằng
fero- mangan là loại chất khử không mạnh. Do vẫn còn FeO trong thép lỏng nên FeO có thể tác dụng với cacbon (của thép lỏng) để thành khí CO:
FeO + C → Fe + CO
Khí CO bay lên làm cho mặt thép lỏng chuyển động gây ấn tượng giống như sôi, do vậy có tên gọi là thép sôi. Do chỉ được khử ôxy bằng fero- mangan
nên tính chất của thép dẻo và dai dùng để sản xuất thép cacbon thấp, cán thành các tấm lá mỏng để dập nguội.
- Thép lắng là loại thép được khử ôxy triệt để, tức là ngoài fero-mangan
còn dùng các chất khử mạnh là fero- silic và bột nhôm, do vậy thép lỏng chứa rất ít FeO, mặt thép lỏng phẳnglặng nên gọi là thép lắng.
Do được khử ôxy một cách triệt để nên chất lượng của thép lắng cao hơn, là loại thép tốt dùng để làm phần lớn các chi tiết máy.
- Thép nửa lắng là thép có vị trí trung gian giữa thép sôi và thép lắng, chỉ được khử ôxy bằng fero - mangan và bột nhôm.
1.2.3. Theo tổ chức thép ở nhiệt độ thường
- Thép trước cùng tích: C < 0,8%, tổ chức là F + P - Thép cùng tích: C = 0,8%, tổ chức là P - Thép sau cùng tích: C > 0,8%, tổ chức là P + XêII 1.2.4. Theo thành phần cacbon - Thép cacbon thấp: C < 0,3% - Thép cacbon trung bình: C = (0,3 ÷ 0,7 )% - Thép cacbon cao: C > 0,7% 1.2.5. Theo chất lượng
Căn cứ vào lượng photpho và lưu huỳnh chia thép thành các loại:
- Thép chất lượng thường: S = (0,05 ÷ 0,07 )% ; P = ( 0,05 ÷ 0,09 )%. - Thép chất lượng tốt: S = P = ( 0,04 ÷ 0,045 )%.
- Thép chất lượng cao: S = P ≤ 0,03%.
- Thép chất lượng đặc biệt cao: S < 0,015% ; P < 0,025%.
1.2.6. Theo công dụng
- Thép cacbon thông dụng: thường dùng nhiều để làm các kết cấu xây dựng ( nhà xưởng, khung tháp, cầu đường …), đóng tàu.
- Thép cacbon kết cấu: chủ yếu dùng trong chế tạo chi tiết máy.
- Thép cacbon dụng cụ: chuyên dùng để chế tạo dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập.
1.3. Các loại thép cacbon
1.3.1. Thép cacbon thường (thép xây dựng)
a. Thành phần
C < 0,5%, chứa nhiều photpho và lưu huỳnh:
S = ( 0,05 ÷ 0,07 )% ; P = ( 0,05 ÷ 0,09 )%. b. Tính chất b. Tính chất
c. Ký hiệu
* Tiêu chuẩn Việt Nam ( TCVN 1765 – 75 )
CT kèm theo các số (31 ; 33 ; 34 ; 38 ; 42 ; 51 ; 61) chỉ giới hạn bền nhỏ nhất khi kéo tính theo (kG/mm2
).
Thép này được chia thành 3 phân nhóm:
- Nhóm A: chất lượng qui định theo cơ tính
CT31; CT33 ; CT34 ; CT38 ; CT42 ; CT51 ; CT61. - Nhóm B: Chất lượng qui định theo thành phần
BCT31; BCT33 ; BCT34 ; BCT38 ; BCT42 ; BCT51 ; BCT61. - Nhóm C: Chất lượng qui định theo cơ tính và thành phần
CCT31; CCT33 ; CCT34 ; CCT38 ; CCT42 ; CCT51 ; CCT61. Nếu sau ký hiệu có các chữ: s là chỉ loại thép sôi
n là chỉ loại thép nửa lắng.
không có chữ là thép lắng.
Ví dụ: CCT34s - thép cacbon thường
nhóm C, thuộc thép sôi, giới hạn bền kéo бBK= 34 kG/mm.2
* Tiêu chuẩn Nga ( OCT 380 – 71 )
CT kèm theo các số ( 0 ; 1 ; 2 , 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ) chỉ cacbon trong thép.
Thép này được chia thành 3 phân nhóm:
- Phân nhóm thứ nhất: chất lượng qui định theo cơ tính
CT0 ; CT1 ; CT2 ; CT3 ; CT4 ; CT5 ; CT6 ; CT7. - Phân nhóm thứ hai: Chất lượng qui định theo thành phần
БCT0 ; БCT1; . . . …; БCT7 (Б: Lò Becsơme ) KCT0 ; KCT1; . . . ; KCT7 ( K: Lò chuyển ) MCT0 ; MCT1; . . . .; MCT7 ( M: Lò Mactanh ). - Phân nhóm thứ ba: Chất lượng qui định theo cơ tính và thành phần
BБCT0 ; БCT1 ; . . . ... . ; BБCT7
BKCT0 ; KCT1 ; . . . ..; BKCT7 BMCT0 ; MCT1 ; . . . . ; BMCT7.
Chú ý: Các số không chỉ cụ thể % cacbon chứa trong thép. Theo kinh nghiệm, lượng cacbon được tính theo công thức:
CT0 → %C ≤ 0,23
Nếu sau ký hiệu có các chữ: KПlà chỉ loại thép sôi
ПC là chỉ loại thép nửa lắng.
không có chữ là thép lắng. Ví dụ:
- CT3ПC - thép cacbon thường, phân nhóm I, thuộc thép nửa lắng
C = 0,21%.
- BKCT7 - thép cacbon thường, phân nhóm III, thuộc thép lắng, luyện trong lò chuyển C = 0,49%.
* Tiêu chuẩn Nhật ( hệ thống JIS )
S + chữ cái biểu thị loại thép + giới hạn bền tính theo ( kG/mm2 ).
Các ký hiệu: SSxx; SMxx; SMAxx; SBxx ... Trong đó:
SS là thép cán SM là thép hàn
SMA là thép hàn, chống ăn mòn hóa học trong không khí SB là thép nồi hơi
xx là số chỉ giới hạn bền.
Ví dụ: SS41 - thép cán có giới hạn bền kéo бBK= 41kG/mm2
* Tiêu chuẩn Đức ( hệ thống DIN )
St: kèm theo 2 chữ số chỉ giới hạn bền kéo tính ra ( kG/mm2 ).
Ví dụ: St38 - thép cacbon thường, giới hạn bền kéo бBK= 38 kG/mm.2 d. Công dụng
- Nhóm A: Dùng nhiều trong ngành xây dựng không cần nhiệt luyện. - Nhóm B: Dùng để chế tạo những chi tiết không quan trọng như vòng đệm; khớp nối; chốt; trục; …; làm kết cấu hàn.
- Nhóm C: Chếtạo các loại thép định hình V ; L ; U ; I ; T ;…. .
Dùng nhiều trong ngành đóng tàu, cầu đường, . . . , làm kết cấu hàn chịu lực.