T 10Cr18Ni 9i 1Cr18Ni 9i 30321 321 Z10CN18-10 X12CrNii18-9 SUS29 En
4.2.4.4Thép và hợp kim đặc biệt
(Thép và hợp kim có tính chất vật lý, hóa học đặc biệt)
Đúng như tên gọi, các thép có tính chất vật lý, hóa học đặc biệt so với thép hợp kim thường nó khác cả về thành phần hóa học lẫn tổ chức tế vi, được dùng vào các mục đích đặc biệt và được gọi tắt là thép đặc biệt.
Trong chế tạo cơ khí thường gặp các nhóm thép đặc biệt sau: - Thép không gỉ, có tính chống ăn mòn cao.
- Hợp kim có tính giãn nở nhiệt đặc biệt. - Hợp kim có điện trở lớn.
- Thép và hợp kim từ tính.
Cần chú ý rằng các thép và hợp kim đặc biệt, tuy được sử dụng với khối lượng ít song đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật hiện đại. Đặc điểm nổi bật của một số thép hợp kim đặc biệt thông dụng là thành phần hợp kim rất cao, rất ít hoặc rất nhiều cacbon thường có tổ chức một pha là ôstenit và ferit, rất ít trường hợp có tổ chức là peclit.
4.2.4.4.1Thép không gỉ
Trong công nghiệp hóa học và trong đời sống hàng ngày thường phải sử dụng đến nhiều các chi tiết máy, dụng cụ, đồ dùng bằng thép có tính chống ăn mòn cao trong khí quyển và các môi trường khác. Để đáp ứng nhu cầu trên người ta đã nghiên cứu chế tạo ra loại thép không gỉ.
a. Thành phần hóa học
- Thành phần cacbon thấp. Thành phần cacbon càng thấp, số lượng pha cacbit trong thép càng ít, dòng điện ăn mòn càng nhỏ, tính chống ăn mòn càng cao. Làm việc trong môi trường ăn mòn càng mạnh, lượng cacbon yêu cầu càng phải giảm thấp.
- Lượng nguyên tố hợp kim cao. Tất cả các loại thép không gỉ đều có hàm lượng Cr > 12% và một lượng lớn Ni và Mn, ngoài ra còn có Ti, Nb.
b. Các loại thép không gỉ * Thép không gỉ 2 pha
-Thành phần: cacbon (0,1 ÷ 0,4)% , chứa Cr > 12%.
- Đặc điểm: thép gồm tổ chức 2 pha ferit và cacbit, sau khi tôi đạt độ cứng cao tổ chức nhận được là ferit - mactenxit hoặc mactenxit.
- Số hiệu và công dụng
10Cr13; 20Cr13 ở trạng thái ủ khá dẻo dai, có thể chịu được biến dạng nguội và hàn, được dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu ăn mòn, chịu nhiệt độ cao( không quá 4500C) như cánh tuốcbin hơi, bộ phận crăckinh dầu mỏ.
30C13; 40Cr13 với lượng cacbon cao hơn, độ bền và độ cứng cao hơn, song độ dẻo và độ dai thấp hơn, có thể gia công biến dạng nóng và khi hàn dễ nứt, dùng làm dụng cụ mổ (trong y tế), đồ dùng hàng ngày (dao, kéo không gỉ ), ổ bi và lò xo làm việc trong một số môi trường ăn mòn
Thép có tổ chức ôstenit hoặc ferit, trong thép hầu như không tạo thành các cặp pin tế vi. Thép có tính chống ăn mòn cao trong các dung dịch axit nên còn được gọi là thép chịu axit.
- Thép ôstenit (thép không gỉ crôm - niken ).
+ Thành phần: C ≤0,2% ; Cr =18% ; Ni = ( 9 - 10 )%. + Đặc điểm
Tính chống ăn mòn cao: ổn định trong nước sông, nước biển, trong hơi nước bão hòa và quá nhiệt, trong các dung dịch muối, axit nitric với mọi nồng độ và nhiệt độ, axit sunfuric với mọi nồng độ ở nhiệt độ thường, axit clohyđric loãng ở nhiệt độ thường. Ngoài ra với lượng crôm cao thép có tính chống ô xy hóa ở nhiệt độ cao.
Tính công nghệ tốt: thép có tính dẻo cao ( = 60%, =60%) dễ cán dập, gò ở trạng thái nguội để chế tạo các thiết bị hóa học (làm bình, ống dẫn).
Cơ tính đảm bảo: khi ủ thép có cơ tính tương đối thấp бb= 750 N/mm2, б0,2
= 250N/mm2, sau biến dạng nguội đạt độ bền rất cao бb = 1000N/mm2, б0,2 = 250N/mm2 đảm bảo cho các yêu cầu chịu tải của các thiết bị hóa học.
+ Số hiệu và công dụng: 08Cr18Ni9; 04Cr18Ni10; 08Cr18Ni10Ti; 10Cr18Ni9 ; 17Cr18Ni9 ; 12Cr18Ni9Ti, dùng rộng rãi trong công nghiệp hóa học, thực phẩm, chi tiết chịu nhiệt trong chế tạo máy bay, nhiệt điện, đồ dùng hàng ngày.
Ngoài thép không gỉ thuần ôstenit ra trong kỹ thuật còn sử dụng thép không gỉ ôstenit - ferit, ôstenit - mactenxit.
* Thép không gỉ ferit (thép crôm )
Thành phần: C ≤ 0,15%; Cr = (17 ÷ 28 )%
Đặc điểm: Thép có tổ chức 1 pha ferit (thực ra là nửa ferit, vì ngoài ferit còn có cacbit crôm ).
Số hiệu và công dụng : 08Cr17Ti ; 10Cr25Ti ; 10Cr28 dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit nitric.
4.2.4.4.2Thép và hợp kim chịu nhiệt
Trong kinh tế quốc dân và quốc phòng…thép và hợp kim chịu nhiệt đóng vai trò vô cùng quan trọng, là vật liệu không thể thiếu trong chế tạo các chi tiết của động cơ đốt trong và phản lực, thiết bị nhiệt điện, tên lửa, máy bay siêu âm, tầu vũ trụ.
Các chi tiết máy làm việc ở nhiệt độ cao phải đạt được 2 yêu cầu cơ bản sau: - Tính ổn định nóng: tính ổn định nóng là khả năng kim loại chống được ôxy hóa ở nhiệt độ cao, tức là không bị tạo thành các vẩy ôxyt khi làm việc trong không khí ở nhiệt độ cao cũng như trong sản phẩm cháy. Vì thế thép và hợp kim chịu nhiệt phải được hợp kim hóa bằng các nguyên tố Cr ; Si ; Aℓ. Ôxyt của chúng xít chặt đủ ngăn cản các nguyên tử ôxy từ môi trường thẩm thấu sâu vào kim loại.
- Tính bền nóng: tính bền nóng là khả năng kim loại chịu được tải trọngcơ học ở nhiệt độ cao, tức là giữ được độ bền ở nhiệt độ cao.
b.Các loại thép và hợp kim chịu nhiệt
* Thép bền nóng ở nhiệt độ (300 ÷ 600 )0C
- Thành phần: Thép có cacbon thấp và trung bình, hợp kim hóa bằng các nguyên tố Cr, Mo, V có tổ chức là peclit.
- Số hiệu và công dụng:
12Cr ; 12CrMoV; 20CrMoV…dùng làm các chi tiết như ống quá nung hơi, ống dẫn hơi làm việc ở nhiệt độ (540 ÷560) 0C.
Để làm cánh tuôcbin hơi ở nhiệt độ (540 ÷ 560)0C phải dùng thép hợp kim hóa cao hơn (thép loại mactenxit) số hiệu 15Cr12WNiMoV,12Cr13; 15Cr11MoV.
30CrMo ; 35CrNi3MoA ; 38CrMoAℓ A; 40CrNi2MoA, dùng làm chi tiết bắt chặt trong thiết bị nồi hơi - tuốc bin như bu lông, vít cấy (tác dụng làm kín mối nối), mặt bích.
* Thép bền nóng ở nhiệt độ (600 ÷ 800)0C
- Thành phần: Cr ≥ 9% với các nguyên tố Si ; Mo ; Ni ; W ; Ti ; V… làm tăng tính bền nóng.
-Số hiệu và công dụng
40Cr9Si2 ; 40Cr10Si2Mo thép có tính ổn định của ôstenit quá nguội rất cao nên là loại thép mactenxit, dùng làm xupap xả trong động cơ đốt trong, làm việc trong môi trường chịu tải trọng cao, chịu nhiệt cao(650 ÷ 700)0C và bị ăn mòn trong môi trường của sản phẩm cháy, ngoài ra còn bị mài mòn khi va đập.
30Cr13Ni7Si2 dùng làm xupap xả cho động cơ công suất lớn.
09Cr14Ni18W5; 12Cr18Ni10Ti; 45Cr14Ni14W2Mo (thép ôstenit), dùng làm nồi hơi áp suất siêu cao, làm việc ở nhiệt độ(750 ÷ 800)0C.
100Cr25Ti; 100Cr18Ni9Ti, dùng làm các thiết bị hóa học, buồng đốt động cơ phản lực.
4.2.4.4.3Hợp kim có điện trở lớn
a. Yêu cầu đối với hợp kim có điện trở lớn
- Có điện trở suất lớn
- Có hệ số nhiệt độ điện trở tận lượng nhỏ(đảm bảo điện trở ít thay đổi khi nhiệt độ biến đổi).
- Có tính ổn định nóng cao.Các dây đốt của lò có nhiệt độ làm việc cao tới hàng nghìn độ nên vật liệu chế tạo chúng phải có tính chống ôxy hóa cao, sao cho bề mặt của chúng không tạo nên vẩy ôxyt. Để đạt yêu cầu trên hợp kim phải chứa Cr cao, ngoài ra còn có Aℓ.
b. Các hợp kim có điện trở lớn
* Hợp kim của sắt
- Thành phần: hợp kim của Fe với Cr, Aℓ với thành phần cacbon thấp C ≤ 0,15%, Cr ≥ 13%, Aℓ = (4 ÷ 5)% (do lượng cacbon thấp nên thường không gọi là thép).
- Đặc điểm: hợp kim có tổ chức là dung dịch rắn của Cr, Aℓ, hòatrong Fe với mạng lập phươngthể tâm (ferit), không có chuyển biến thù hình khi nung. Tính ổn định nóng cao, điện trở lớn, giá rẻ, độ dai thấp.
- Số hiệu và công dụng: 10Cr13Aℓ 4; 10Cr25Aℓ 5... dùng làm dây đốt nóng. * Hợp kim của niken(nicrôm):
- Thành phần: hợp kim của Ni ≥ 60% với Cr ≥ 13%, ngoài ra còn có Fe. - Đặc điểm: tổ chức là dung dịch rắn của crôm và sắt hòa tan vào niken, kiểu mạng lập phương diện tâm. Độ dẻo dai cao dễ cán, kéo thành tấm, dây, giá thành đắt(chứa nhiều Ni ).
- Số hiệu và công dụng: 100Cr20Ni60; 100Cr15Ni60 dùng làm dây (tấm) điện trở trong các lò nung công nghiệp, lò nung thí nghiệm, bếp điện, bàn là điện.
- Số hiệu và công dụng: 100Cr20Ni60; 100Cr15Ni60 dùng làm dây(tấm) điện trở trong các lò nung công nghiệp, lò nung thí nghiệm, bếp điện, bàn là điện.
4.2.4.4.4 Hợp kim có tính giãn nở nhiệt và đàn hồi đặc biệt a. Hợp kim có tính giãn nở nhiệt đặc biệt
Trong chế tạo máy chính xác, dụng cụ đo và máy đo, có trường hợp phải dùng hợp kim có tính giãn nở nhiệt đặc biệt.
Ví dụ: Trong máy đo chính xác yêu cầu một số bộ phận có kích thước không thay đổi theo nhiệt độ, do đó hệ số nở nhiệt bằng không.
Trong dụng cụ quang học, bóng đèn điện tử lại cần có hợp kim với hệ số nở nhiệt bằng thủy tinh( = 9.10 - 6 ).
b. Hợp kim Inva (36H) và Supeinva (32HKД )
-36Ni (36H): thành phần 36%Ni còn lại là Fe. Hệ số nhỏ (hệ số giãn nở nhiệt gần bằng không trong phạm vi ở nhiệt độ thường), có cơ tính tốt tính chống ăn mòn cao.
- 32NiCoCu (32HKД): thành phần Ni = 32%, Co = 4%, Cu = 0,7% còn lại là Fe. Hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn Inva.
Dùng rộng rãi làm chi tiết yêu cầu chính xác gần như tuyệt đối trong điều kiện dao động nhiệt độ của môi trường khí quyển.
c.Hợp kim Côva
-29NiCo(29HK) thành phần 29%Ni và 18%Co còn lại là Fe. Hệ số giãn nở bằng hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh chịu nhiệt.
- 33NiCo(33HK) thành phần 33%Ni và 17%Co còn lại là Fe, hệ số giãn nở bằng hệ số giãn nở nhiệt của sứ.
d. Hợp kim Platinit(47HД )
Thành phần 47%Ni và 5%Cu còn lại là Fe. Hệ số giãn nở nhiệt bằng hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh thường(loại không chịu nhiệt ).
Hợp kim côva và platinit được dùng rộng rãi trong công nhiệp chế tạo bóng đèn điện và điện tử ở các bộ phận kim loại gắn, dính với thủy tinh, sứ.
e. Hợp kim có tính đàn hồi đặc biệt
Trong kỹ thuật có trường hợp cần dùng kim loại có môđun đàn hồi không thay đổi theo nhiệt độ. Trong một số hợp kim hệ Fe - Ni khi nung nóng mô đun đàn hồi tăng lên hoặc giảm đi rất ít, có thể coi như không thay đổi, các hợp kim này có tên gọi là êlinva(với ý nghĩa đàn hồi không đổi ).
- Số hiệu, thành phần và nhiệt độ làm việc(Bảng 4.4) - Đặc điểm
Hệ số mô đun đàn hồi nhỏ hơn 10 lần thép cacbon, 20 lần thép ôstenit. Để đảm bảo tính đàn hồi lớn và ổn định, hợp kim được nhiệt luyện bằng cách tôi, biến dạng, hóa già ở nhiệt độ(600 ÷ 750 )0C. Êlinva được cung cấp dưới dạng lá mỏng(0,1 - 0,2 )mm và dây đường kính(0,3 - 5 )mm.
- Công dụng
Dùng chế tạo các chi tiết đàn hồi, lò xo của các khí cụ cơ cấu chính xác như âm thoa, dây tóc đồng hồ…Sự không đổi của môđun đàn hồi bảo đảm sai số của khí cụ đo rất nhỏ trong diều kiện nhiệt độ thay đổi trong phạm vi qui định.
Bảng 4.4 Số hiệu, thành phần hóa học và nhiệt độ làm việc của êlinva Số hiệu Thành phần các nguyên tố (%) Nhiệt độ làm việc cao nhất ( 0C ) Ni Cr Co(Mn) Ti Aℓ Mo 36NiCrTiAlMo5(36HXT ЮM) 42NiCrTiAl (42HXTЮM) 44NiCrTiAl (44HXTЮ) 40NiCrMo (40HXMo) 35 - 37 41,5 - 43,5 43,5 - 45,5 15 - 17 11,5-13,5 5,3 - 5,9 5,0 - 5,6 19 - 21 0,8 - 1,2 - - 39 – 41 2,7 - 3,2 2,4 - 3,0 2,2 - 2,7 1,8-2,2Mn 0,9 - 1,2 0,5 - 1,0 0,4 - 0,8 - 4 - 5 - - 6,4- 7,4 100 100 200 400 4.2.4.4.5Thép và hợp kim từ tính a.Thép và hợp kim từ cứng
Vật liệu từ cứng dùng để làm nam châm vĩnh cửu, cần phải có lực khử từ Hc lớn để cản trở từ hóa, tổn thất từ trễ cao. Các tính chất trên ổn định và không thay đổi theo thời gian.
* Thép từ cứng
- Đặc tính: tổ chức của thép từ cứng thường là dung dịch rắn với sự xô lệch mạng cao và các pha thứ hai nhỏ mịn khi tôi và hóa già tổ chức đạt được là mactenxit.
- Thành phần: các nguyên tố đưa vào sắt ở dạng dung dịch rắn(để làm tăng tổn thất từ trễ) là C ≥ 1%; Cr(3 ÷ 10)%; W(6% ); Co(5 ÷ 15)% ngoài ra có Mo đưa vào thép để tăng độ thấm tôi của thép, lực khử từ, cảm ứng từ dư và giúp ổn định tính chất từ theo thời gian.
- Ký hiệu: theo tiêu chuẩn của Nga, đứng đầu ký hiệu là chữ E, tiếp theo là các chữ và số biểu thị tên và phần trăm của nguyên tố hợp kim.
- Số hiệu và công dụng : EX2 ; EX3 ; EB6 có độ thấm tôi lớn dùng làm nam châm với kích thước lớn. Cho thêm Co vào thép chứa Crôm làm cho lực khử từ tăng lên rất nhanh, trong đó cảm ứng từ dư thấp, nhưng giá thành đắt và nhiệt luyện phức tạp.
Thường dùng số hiệu: EX5K5 ; EX9K15M2.
* Hợp kim từ cứng(hệ Fe - Ni - Aℓ)
Hợp kim không chứa cacbon (nên không phải là thép) có giá trị công nghiệp lớn nhất, chiếm hơn 80% số lượng nam châm vĩnh cửu. Loại hợp kim này có (15 ÷ 35 )% Ni và (8 ÷ 15 )%Aℓ. Để nâng cao lực khử từ hợp kim còn đưa thêm vào (15 ÷ 25 )%Co, (4 ÷ 8)% Cu khoảng 5%Ti.
* Hợp kim alni (alumin và niken) - Số hiệu: ЮHД4 ; ЮHД8; ЮHД12.
- Công dụng: dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu mạnh với kích thước nhỏ.
b. Thép từ mềm
Vật liệu từ mềm làm lõi biến áp, stato máy điện, nam châm điện, cần phải có lực khử từ nhỏ (Hc nhỏ ), độ từ thẩm cao ( lớn ), tổn thất từ trễ nhỏ.
* Sắt kỹ thuật
э; эA ; эAA có C≤0,04% ; Si ≤0,2%. Dùng trong thiết bị có dòng điện một chiều hoặc với dòng điện xung nhỏ.
* Thép kỹ thuật điện
- Ký hiệu: э kèm theo các chữ số
+ Số thứ nhất gồm các số 1; 2; 3; 4 chỉ lượng silic (Si trong giới hạn khoảng 0,8 ÷ 4,8%).
+ Số thứ hai gồm các số 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8 chỉ tính chất từ hóa qui định: Basố đầu 1; 2; 3chỉ cấp tổn thất riêng của nhóm thép khi từ hóangược với tần số 50Hz với các mức độ bình thường, thấp và rất thấp.Năm số sau 4; 5; 6; 7; 8 chỉ các cấp tổn thất riêng của các nhóm thép khi từ hóa ngược với tần số 400Hz.
Nếu sau ký hiệu có 1 số 0 (Ví dụ: э310 ) chỉ thép cán nguội có textuamạnh (có hướng), có 2 số 00 (Ví dụ: э1100 ) chỉ thép cán nguội có textuaít ( đẳng hướng). Sau ký hiệu không có số 0 (Ví dụ: э21 ) chỉ loại thép cán nóng. Chữ A ở cuối ký hiệu chỉ tổn thất riêng đặc biệt thấp.
Ví dụ: э1100 - thép kỹ thuật điện (TC Nga ) C = (0,01÷ 0,1 )% ; Si = 1% thấm từ cấp 1. thép cán nguội đẳng hướng.
- Số hiệu và công dụng
+ э32; э42; э43; э31; э310; э32; э320 dùng làm lõi biến áp stato máy điện.
+ э11; э12; э13; э1100 dùng làm phần ứng và cực của máy điện.
Trong chế tạo máy điện đôi khi cần vật liệu không có từ tính, nhưng lại có cơ tính tốt, do đó phải có thép không có từ tính để thay cho các hợp kim màu như đồng và nhôm.
Các thép không có từ tính thường dùng là thép được hợp kim hóa bằng Mn, Ni, Cr, Al với lượng C trung bình, tổ chức của thép là ôstenit.
Số hiệu thường dùng:
55Mn9Ni9Cr3(55Γ9H9X3);45Cr17Aℓ3(45Γ17Ю3); 100Mn9Ni9(Γ9H9).
4.3 Gang