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% ngồi ra cịn có một số tạp chất khác như: Mn, Si, P, S.
b. Ảnh hưởng 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 chức của 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 ( 0,8 – 1 )% vượt quá giới hạn này độ bền của thép lại giảm đi.
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 lị xo, nhíp;
+ Thép có C ≥ 0,7% độ cứng và tính chống mài mịn cao, được dùng làm các loại dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khn 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 mịn.
- 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 lị )
Ngồi 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 ơxy 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 hịa tan vào ferit làm xơ 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 giịn ở nhiệt độ cao(giịn nóng) dẫn đến các cơng 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.
Ngồi ra trong thép cịn có ơxy, nitơ, hiđrơ và một số tạp chất khác làm giảm độ dẻo, tăng độ giòn.