L ỜI CAM ĐOAN
5. Phương phỏp nghiờn cứu
3.1.3. Thành phần hoỏ học
Thộp cacbon là thộp thụng thường, ngoài cacbon ra cũn chứa một số nguyờn tố với hàm lượng giới hạn mà trong thộp nào cũng cú, chỳng được gọi là tạp chất thường cú hay chất lẫnvỡ khụng phải do cố ý đưa vào, trong đú cú một số cú lợi và một số cú hại.
Tạp chất cú lợi: mangan và silic
Mọi loại thộp đều cú Mn và Si với lượng khụng vượt quỏ 1%, là do:
- Quặng sắt cú lẫn cỏc hợp chất (khoỏng vật) như ụxit mangan, ụxit Silic, trong quỏ trỡnh luyện gang chỳng bị hoàn nguyờn (MnO → Mn, SiO2 → Si) đi vào gang rồi vào thộp.
- Khi luyện thộp phải dựng ferụ mangan và ferụ silic để khử ụxy, phần khụng tỏc dụng hết với ụxy sẽ đi vào thành phần của thộp.
Trong quỏ trỡnh luyện thụng thường, cỏc thộp đều cú chứa ≤ 0,80% Mn, ≤ 0,4%Si. Chỳng là cỏc nguyờn tố cú ớch, tỏcdụng tốt đến cơ tớnh: nõng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ dẻo, dai).
Tạp chất cú hại: phốt pho và lưu huỳnh
Nú cú lẫn trong quặng sắt và nhiờn liệu (than coke khi luyện gang), làm cho
thộp giũn do đú phải được khử bỏ đến giới hạn cho phộp, khụng được vượt quỏ
0,05% (cho mỗi nguyờn tố).
Vậy với mọi loại thộp đều chứa:
C ≤ 2,14%. Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,05%, S ≤ 0,05%.
- 41 -
Cỏc tạp chất khỏc
Ngoài P, S trong thộp luụn chứa cỏc nguyờn tố H, O, N do chỳng hoà tan vào thộp lỏng từ khớ quyển của lũ luyện. Chỳng đặc biệt cú hại vỡ làm thộp khụng đồng nhất về tổ chức (gõy tập trung ứng suất) và giũn song với lượng chứa quỏ nhỏ (như 0,006 ữ 0,008% với O2) nờn rất khú phõn tớch - gọi là tạp chất ẩn.
Cụng nghiệp luyện kim hiện đại sử dụng lại (tỏi chế) thộp, gang và hợp kim phế liệu, nờn trong đú cú chứa lượng nhỏ cỏc nguyờn tố hợp kim: Crụm, Niken, Cu ≤ 0,30%; Vonfram, Mụlipđen, Titan ≤ 0,050%. Chỳng được coi là tạp chất vỡ khụng cố ý đưa vào, khụng ảnh hưởng đỏng kể đến tổ chức, cơ tớnh (với lượng quỏ nhỏ) của hợp kim Fe - C.
3.1.4. Ảnh hưởng của cacbon tớnh chất và cụng dụng của thộp thường
Cacbon là nguyờn tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tớnh chất (cơ tớnh), cụng dụng của thộp (cả thộp cacbon và thộp hợp kim thấp).
Cơ tớnh
- Cacbon cú ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB
- Về mặt định lượng cứ tăng 0,1%C độ cứng HB sẽ tăng them khoảng 25 đơn vị
- Đầu tiờn cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (δ,ψ) và độ dai va đập (ak) làm cho cỏc
chỉ tiờu này giảm đi nhanh chúng, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi.Ảnh
Hỡnh 3.1: Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tớnh của thộp thường
hưởng của cacbon đến giới hạn bền σb khụng đơn giản như đối với độ cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,1%C trong khoảng 0,1 ữ 0,5%C giới hạn bền tăng σb tăng 70 ữ
90Mpa, trong khoảng 0,6 ữ 0,8%C σb tăng rất chậm và đạt đến giỏ trị cực đại trong khoảng 0,8 ữ 1,0%C, khi vượt quỏ giới hạn này σb lại giảm đi.
Vai trũ của cacbon, cụng dụng của thộp theo thành phần cacbon:
Do cacbon cú ảnh hưởng lớn đến cơ tớnh nờn nú quyết định phần lớn cụng dụng của
thộp.
- Thộp C thấp(≤ 0,25%) cú độ dẻo, dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt tụi + ram khụng cao (muốn cao phải qua thấm C), được dựng làm kết cấu
xõy dựng, tấm lỏ dập nguội.
- Thộp C trung bỡnh(0,30 ữ 0,50%) cú độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khỏ cao, hiệu quả tụi + ram tốt, túm lại cú cơ tớnh tổng hợp cao nờn dựng chủ yếu làm cỏc chi tiết mỏy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.
- Thộp C tương đối cao (0,55 ữ 0,65%), độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dựng làm cỏc chi tiết đàn hồi.
- Thộp cú C cao (≥ 0,70%), độ cứng và tớnh chống mài mũn đều cao, dựng làm cỏc cụng cụ như dao cắt, khuụn dập, dụng cụ đo…
Tớnh cụng nghệ:
- Thộp càng cú %C ớt thỡ tớnh hàn và khả năng dập nguội, dập sõu của thộp càng dễ.
- Thộp cú %C cao thỡ cứng khú gia cụng cắt, song nếu %C quỏ thấp, thộp mềm dẻo cũng khú gia cụng cắt.
- Núi chung tớnh đỳc của thộp khụng cao.
3.1.5. Ảnh hưởng của cỏc tạp chất
Mangan: Được cho vào mọi thộp dưới dạng ferụ Mn để khử ụxy thộp ở trạng thỏi lỏng tức là loại trừ FeO rất cú hại:
Mn + FeO → Fe + MnO (MnO nổi lờnđi vào xỉ và bị cào ra khỏi lũ
Ngoài ra nú cũng loại trừ được tỏc hại của lưu huỳnh.Mangan cú ảnh hưởng tốt đến cơ tớnh, khi hoà tan vào ferit nú nõng cao độ bền, độ cứng của pha này, sẽ
- 43 -
làm tăng cơ tớnh của thộp, song vỡ %Mn chỉ cú 0,50 ữ 0,80% nờn ảnh hưởng này khụng quan trọng. Mn cũn cú tỏc dụng làm giảm nhẹ tỏc hại của lưu huỳnh
Silic:Được cho vào mọi thộp dưới dạng ferụ Si để khử ụxy triệt để thộp ở trạng thỏi lỏng: Si + FeO → Fe + SiO2 (SiO2 nổi lờn đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lũ)
Silic cũng hoà tan vào ferit, nõng cao độ bền, độ cứng của pha này nờn làm
tăng cơ tớnh của thộp, song %Si chỉ cú 0.20 ữ 0,40% nờn ảnh hưởng khụng rừ rệt.
Phụt pho: Cú khả năng hoà tan vào ferit làm xụ lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tớnh giũn, khi P vượt quỏ giới hạn hoà tan sẽ tạo nờn Fe3P cứng
giũn. Do đú nú gõy tớnh giũn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường), chỉ cần 0,10% P hoà tan, ferit đó trở nờn giũn. Ngoài ra P cũng là nguyờn tố thiờn tớch rất mạnh (phõn bố khụng đều) nờn để trỏnh giũn lượng %P trong thộp phải ≤ 0,050%. Song P cũng cú mặt cú lợi cho gia cụng cắt gọt.
Lưu huỳnh: Hoàn toàn khụng cú khả năng hoà tan trong Fe (cả Feỏ lẫn Feú) mà
tạo nờn hợp chất FeS. Khi nung để cỏn, kộo thộp dễ bị đứt, góy - gọi là giũn núng hay bở núng.
Khi đưa Mn vào nú sẽ tạo nờn MnS (Sunfua mangan), pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 16200 C, dưới dạng cỏc hạt nhỏ rời rạc nờn khụng bị chảy, gõy đứt, góy. Sunfua mangan cũng cú lợi cho gia cụng cắt.
3.2. PHÂN LOẠI THẫP CACBON
3.2.1. Phõn loại theo chất lượng:
* Theo chất lượng: Theo chất lượng luyện kim tức là mức độ đồng nhất của thành phần hoỏ học, tổ chức, tớnh chất của thộp, nhất là mức độ chứa cỏc chất cú hại như P, S ta cú:
- Thộp chất lượng thường, cú thể cú tới ≤ 0.06% S, ≤ 0.07% P. - Thộp chất lượng tốt, chứa khụng quỏ 0.04% S và 0.035% P.
- Thộp chất lượng cao chứa khụng quỏ 0.025% mỗi nguyờn tố.
* Theo phương phỏp khử ụ xy:
Thộp sụi: Là thộp khử ụ xy chưa triệt để, vẫn cũn FeO nờn cú thể phản ứng với C tạo thành khớ CO2 bay lờn khi thộp lỏng, giống như bị sụi.
Thộp lặng: Là thộp đó được khử ụ xy triệt để, lượng FeO cũn rất ớt trong thộp lỏng, mặt thộp lỏng phẳng lặng.
Thộp nửa lặng: Là loại thộp trung gian giữa hai loại trờn.
* Phõn theo cụng dụng:
Đõy là cỏch phõn loại thường dựng nhất. Gồm cú bốn loại chớnh.
- Thộp cỏn núng thụng dụng (Thộp C vật liệu thường) loại này chủ yếu dựng trong xõy dựng, núi chung khụng qua nhiệt luyện.
- Thộp kết cấu (Thộp cacbon vật liệu tốt) chủ yếu được làm cỏc chi tiết mỏy, thường phải qua nhiệt luyện.
- Thộp dụng cụ, chủ yếu làm dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo lường, thường bắt buộc phải qua nhiệt luyện.
3.2.2. Phõn loại theo thành phần cacbon
a, Phõn loại theo phương phỏp luyện:
- Thộp luyện trong lũ Mactanh cú chất lượng tương đối tốt, giỏ thành khụng cao
lắm, gọi là thộp Mactanh.
- Thộp luyện trong lũ chuyển Betxme- Tụmat cú chất lượng thấp hơn thộp Mactanh.
- Thộp luyện trong lũ điện cú chất lượng tốt nhất.
b, Phõn loại theo hàm lượng Cacbon:
- Thộp Cacbon thấp (C< 0,3%). Loại này cú độ dẻo cao, nhưng độ bền thấp, được dựng làm cỏc chi tiết bằng phương phỏp dập hoặc cỏc chi tiết để thấm cacbon.
- Thộp cacbon trung bỡnh (C= 0,3 – 0,5%), loại này cú cơ tớnh tổng hợp tốt, thường được dựng làm cỏc chi tiết mỏy, như: trục, bỏnh răng...
- Thộp cú hàm lượng Cacbon tương đối cao( C= 0,55 – 0,65%),loại này cú độ cứng và tớnh đàn hồi cao, được dựng làm lũ xo, nhớp...
- 45 -
- Thộp cacbon cao(C= 0,7- 1,3%), loại này cú độ cứng và tớnh chống mài mũn cao, thường được dựng làm dụng cụ cắt gọt
c, Phõn loại theo cụng dụng: - Thộp cacbon kết cấu, gồm 2 loại:
+, Thộp cacbon kết cấu chất lượng thường ( chứa nhiều P,S). +, Thộp cacbon kết cấu chất lượng tốt ( chứa ớt P,S).
- Thộp cacbon dụng cụ (C = 0,7 – 1,3%), thường được dựng để chế tạo cỏc dụng cụ.
d. phõn loại theo giản đồ trạng thỏi Fe-C:
Giản đồ trạng thỏi Fe-C là cơ sở để nghiờn cứu quỏ trỡnh nhiệt luyện cỏc hợp kim Sắt và Cacbon (như: Gang, thộp..)
Giản đồ trạng thỏi Fe-C mụ tả trạng thỏi của hợp kim tương ứng với cỏc giỏ trị của hàm lượng cacbon và nhiệt độ của hợp kim.
Trục tung của giản đồ biểu thị nhiệt độ của hợp kim (0C), trục hoành biểu thị hàm lượng cacbon cú trong hợp kim (%).
+, Cỏc đường trờn giản đồ:
- Đường ABCD là đường lỏng: ở phớa trờn đường này là vựng tồn tại của hợp kim ở thể lỏng.
- Đường AHJECF là đường đặc: ở phớa trờn đường này là vựng tồn tại của hợp kim ở thể đặc, cũn phớa dưới là vựng tồn tại của hợp kim ở thể rắn.
- Đường GS( kớ hiệu là A3) đỏnh dấu sự chuyển biến từ Otennit sang phe rit khi làm nguội, và phe rit sang Otennit khi nung núng.
- Đường PSK (kớ hiệu A1) đỏnh dấu sự chuyển biến từ Otennit sang XờII khi làm
nguội, và từ XờII sang Otennit khi nung núng.
+, Cỏc tổ chức của hợp kim Fe-C:
Ở trạng thỏi rắn, hệ hợp kim Fe-C tồn tại cỏc tổ chức một pha và hai pha gồm:
- Tổ chức Xementit(Xe) là hợp chất hoỏ học của Fe và C ( C%=6,67%). Đõy là một tổ chức cú độ cứng cao, tớnh cụng nghệ kộm, độ giũn lớn nhưng chịu mài mũn tốt.
- Tổ chức ostenit (γ, Os ) là dung dịch đặc xen kẽ của C trong Feγ (sắt ostenit). Lượng hoà tan C tối đa là 2,14% ở 1147 oC. Tại 727 oC, lượng hoà tan C là
0,8%. Ostenit là pha dẻo và dai rất dễ biến dạng. Vỡ nú tồn tại riờng biệt chỉ ở nhiệt độ trờn 727 oC nờn khụng quyết định tớnh chất cơ học khi kim loại chịu tải mà chỉ cú ý nghĩa khi gia cụng ỏp lực núng và nhiệt luyện.
- Ferit (α, F) là dung dịch đặc xen kẽ của C hoà tan trong Feα. Lượng hoà tan cỏc bon trong ferit nhỏ. Ở 727 oC hoà tan 0,02% C. Nhiệt độ càng giảm, lượng hoà tan càng giảm nờn cú thể coi ferit là sắt nguyờn chất. Ferit rất dẻo, mềm và cú độ bền thấp.
- Peclit (P) là một tổ chức gồm hai pha. Nú là hỗn hợp cơ học của ferit và xementit, khi hạ nhiệt độ xuống 727 oC, cả ferit và xementit cựng kết tinh ở thể rắn tạo nờn cựng tinh peclit cú số lượng lớn nhất. Tớnh chất cơ học của peclit tuỳ thuộc
vào lượng ferit và xementit và phụ thuộc vào hỡnh dạng của xementit ( dạng hạt hoặc tấm).
- Leđeburit ( Le) là hỗn hợp cơ học cựng tinh của ostennit và xementit. Tại
1147 oC và 4,43% C cựng tinh leđeburit hỡnh thành, leđeburit cú độ cứng cao, giũn.
- 47 -
3.3. TIấU CHUẨN THẫP CACBON
3.3.1. Tiờu chuẩn Việt Nam:
Tiờu chuẩn Việt Nam đó quy định những loại thộp cacbon chớnh
TCVN 1765-75. Quy định cỏc mỏc thộp kết cấu cacbon chất lượng thường để làm cỏc kết cấu xõy dựng, được sử dụng ở trạng thỏi cung cấp, khụng qua nhiệt luyện. Do yờu cầu chất lượng khụng cao nờn lượng P, S cho phộp khỏ lớn: P ≈
0,040 ữ 0,070%, S ≈ 0,050 ữ 0,060%.
Mỏc thộp được ký hiệu bằng CT(với ý nghĩa là thộp cacbon chất lượng thường) với cỏc chữ số ở sau cựng: s chỉ thộp sụi, n chỉ thộp nửa nặng, nếu khụng cú chữ gỡ là thộp lặng.
Quy định thộp chia làm ba phõn nhúm A, B và C:
- Nhúm A (nhúm chủ yếu): Là thộp được bảo đảm về cơ tớnh, bao gồm giới hạn
chảy, độ gión dài và khả năng uốn gập. Nú được ký hiệu bằng chữ “CTxx” và số đằng sau chỉ thứ tự qui ước.
Phõn nhúm A cú cỏc số hiệu sau:
CT0, CT1, CT2, CT3, CT4, CT5, CT6 và CT7.
Đõy là phõn nhúm quan trọng nhất và được sử dụng nhiều.
Bảng 3.1: Bảng cơ tớnh của cỏc loại thộp phõn nhúm A.
Số liệu thộp ơ0,2 (MN/m2) ơb (MN/m2) ơ% CT0 - >320 18 - 20 CT1 - 320 – 400 28 – 33 CT2 220 - 190 340 – 420 26 – 31 CT3 240 – 220 380 – 470 21 – 27 CT4 260 – 240 420 – 520 19 – 25 CT5 280 – 260 500 – 620 15 – 21 CT6 310 – 300 600 – 720 11 – 16 CT7 - > 700 8 - 11
Chỉ quy định cơ tớnh (khụng quy định thành phần hoỏ học) theo giới hạn bền kộo tối thiểu (Usb min) đạt được tớnh theo đơn vị kG/mm2.
+ Phõn nhúm B và C
Về cơ bản giữ nguyờn như ký hiệu như ở phõn nhúm song phần ký hiệu tương ứng cú thờm chữ B và chữ C (BCTxx, CCTxx).Là thộp được đảm bảo cả cơ tớnh lẫn thành phần húa học. Cú cỏc số hiệu sau:
BCT2, BCT3, BCT4, BCT5, chỳng được bảo đảm cỏc đặc tớnh sau:
- δb, δ 0,2, δ xỏc định theo nhúm A.
- Thành phần C, Mn, Si … xỏc định theo nhúm B.
b, Thộp cỏcbon chất lượng tốt (Thộp cơ khớ):
Là loại thộp cỏc-bon chất lượng tốt (ớt P và S) dựng để chế tạo cỏc mỏy múc hay cũn gọi là thộp kết cấu cỏc-bon. Khỏc với thộp trờn, nú được sử dụng ở trạng thỏi sau khi nhiệt luyện. Loại thộp nàyđược ký hiệu theo số phần vạn cỏc-bon trung
bỡnh cú cỏc số hiệu sau : 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85.
Thớ dụ thộp 45 thỡ lượng C trung bỡnh : 0,45%C.
Cỏc số hiệu thộp này được chế tạo thành cỏc thỏi đỳc, thỏi cỏn, dõy thộp, tấm thộp, ống thộp … tuỳ theo cụng dụng của chỳng.
Như đó núi ở trờn, tớnh chất của thộp phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cỏc- bon. Cỏc-bon càng nhiều thộp càng cứng và bền, nhưng lại kộm dẻo. Do đú thộp với thành phần cỏc-bon khỏc nhau sẽ được dựng vào cỏc mục đớch khỏc nhau.
Bảng 3.2. Thành phần húa học và cơ tớnh của cỏc số hiệu thộp cỏc-bon tốt.
Số hiệu thộp Lượng C % HB Cơ tớnh Thộp cỏn Thộp ủ δb kộ o (M N /m 2 ) δ0,2 (M N /m 2 ) δ % ϕ % ak (k J/ m 2 ) 10 0,07 – 0,13 137 - 330 210 31 55 - 15 0,12 – 0,19 143 - 385 230 27 55 - 20 0,17 – 0,21 156 - 420 250 25 55 - 25 0,22 – 0,30 170 - 420 280 23 50 -
- 49 - 30 0,27 – 0,35 179 - 500 300 21 50 35 0,32 – 0,40 197 - 540 300 20 45 900 40 0,37 – 0,45 217 187 580 340 19 45 800 45 0,42 – 0,50 241 197 610 360 16 40 700 50 0,47 – 0,55 241 207 640 380 14 40 600 55 0,52 – 0,60 255 217 660 390 13 35 500 60 0,57 – 0,65 255 229 690 410 12 35 400 65 0,62 – 0,70 255 229 710 420 10 30 - 70 0,67 – 0,75 269 229 730 430 9 30 - 75 0,72 – 0,80 285 241 1.100 900 7 30 - 80 0,77 – 0,85 285 241 1.100 950 6 30 - 85 0,82 – 0,90 362 255 1.100 1.100 6 30 -
Tất cả cỏc số hiệu thộp đều chứa 0,17 ữ 0,37% Si, ≤ 0,04% P, ≤ 0,04% S,