Ngun tố Nâng cao độ thấm tơi Hóa bền Ferit Làm nhỏ hạt Hình thành cacbit Cản trở sự ram Cơng dụng nổi bật Cr Mạnh Trung bình Yếu Trung bình
Trung bình Có trong mọi thép
để nâng cao độ
thấm tơi, chống ăn mịn và chịu nhiệt
Mn Mạnh Mạnh Làm hạt
to nhanh Yếu Yếu Dùng thay Ni đểtạo thép austenit
Si Yếu Mạnh Không Khơng
thúc đẩy sự graphit hóa, thốt C Trung bình, dưới 2500C mạnh Chống oxy hóa, chế tạo thép kỹ thuật điện, thép đàn hồi Ni Trung bình Trung
bình Khơng Khơng Khơng Nâng cao độtạo thép austenitdai ak
Mo Rất mạnh Yếu Trung
bình Mạnh Mạnh Chống giòn ramloại II và nâng cao
độ bền ở nhiệt độ cao W Rất mạnh Yếu Trung bình Mạnh Mạnh V Mạnh nhưng VC khó hồn tan vàoγ Yếu Mạnh Mạnh Mạnh Làm hạt nhỏ Ti Không Mạnh Rất mạnh Rất mạnh Không Làm nhỏ hạt mạnh hơn cảV
2.2.1.5. Các khuyết tật của thép hợp kim
Các thép hợp kim cócơ tính cao hơn hẳn thép cacbon, được sửdụng nhiều trong chếtạo cơ khí vào các cơng việc quan trọng. Tuy nhiên trong q trình gia cơng và sử dụng chúng thường gặp một số khuyết tật ảnh hưởng xấu đến cơ tính nếu khơng có những biện pháp ngăn ngừa, khắc phục.
a. Thiên tích nhánh cây
Thép hợp kim cao chứa một lượng lớn các nguyên tố khác loại, khi làm nguội từ trạng thái lỏng, trước tiên sẽ kết tinh ra dung dịch rắn chứa ít cacbon và ngun tố hợp kim (vì dung dịch rắn này có nhiệt độ nóng chảy cao nên kết tinh trước) tạo nên nhánh cây, sau đó mới kết tinh ra dung dịch rắn giàu cacbon và nguyên tốhợp kim (loại này có nhiệt độnóng chảy thấp hơn nên kết tinh sau) tạp nên vùng giữa các nhánh cây. Do vậy có sựkhác nhau vềthành phần hóa học giữa các phần của nhánh cây, được gọi là thiên tích nhánh cây. Lượng nguyên tốhợp kim càng cao, thiên tích nhánh cây thểhiện càng rõ.
Ảnh hưởng xấu của thiên tích nhánh cây là ở chỗthỏi thép hợp kim khi đem cán sẽtạo thành tổchức thớ, làm cho cơ tính khác nhau theo các phương khác nhau. Ngồi ra thỏi thép hợp kim với tổ chức nhánh cây rất dễ nứt khi cán, rèn vì liên kết giữ các
Để ngăn ngừa thiên tích nhánh cây trong các thỏi thép hợp kim, khi đúc phải làm nguội chậm đểtạo điều kiện khuếch tán làm đều thành phần. Tuy nhiên biện pháp này không đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật và các xưởng luyện thép địi hỏi quay vịng khn đúc thỏi nhanh.
Đểkhắc phục thiên tích nhánh cây cần phải tiến hànhủkhuếch tán thỏi đúc trước khi đem cán, rèn. Nhiệt độ ủ là 1050-11000C với thời gian dài 8-10h. Ủ khuếch tán là nguyên công nhiệt luyện giá thành cao, vì vậy chỉ áp dụng khi thực sự cần thiết cho các thép hợp kim yêu cầu cao.
b.Đốm trắng
Đâylà một dạng khuyết tật rất nguy hiểm của thép hợp kim đó là các vết nứt nhỏ có dạng lốm đốm trắng, thấy rõ ở trên mặt gãy của vật, thỏi cán. Đốm trắng là nguồn gốc phát sinh các phá hủy giòn.
Dạng khuyết tật này chỉxảy raở trong thỏi cán của các thép hợp kim có độ thấm tơi cao như các thép hợp kim Cr-Ni, Cr-Ni-W(Mo), không xẩy ra ở trong thỏi đúc của mọi loại thép và thỏi cán của các thép cacbon, thép hợp kim austenit và ferit.
Nguyên nhân xảy ra đốm trắng là hyđrơ. Hyđrơ trong khí quyển của lị luyện hịa tan vào thép lỏng và cố định lại trong thép rắn. Độhịa tan của hyđrơ ởtrong thép rắn giảm dần khi hạnhiệt độ, đặc biệt từ dưới 2000C, độhịa tan của hyđrơ bị giảm đột, do vậy hyđrơ bắt buộc phải thốt ra. Trong thép cán, rèn với mật độlớn (do khơng cịn rỗ xốp), hyđrô không kịp thốt ra ngồi thép rắn, bị tích tụ lại dưới áp suất lớn tới mức phá hủy bộphận, gây ra vếnứt dạng chân chim. Trong thép đúc khơng có đốm trắng vì cịn rỗxốp là nơi hyđrơ có thể ẩn náu được.
Ngồi hyđrơ ra sựchuyển biến pha (γ→αhoặcγ→M) không đồng đều vềthời gian và nhiệt độ, giữa các vùng của tinh thểcó thành phần hóa học (vùng nhánh cây và vùng giữa các nhánh cây) gây nênứng suất bên trong, cũng góp phần tạo nên đốm trắng. Có thể vì vậy mà khơng thấy xuất hiện đốm trắng trong thép cacbon và thép hợp kim thấp.
Biện pháp tốt nhất là ngăn ngừa để không tạo thành đốm trắng, muốn vậy phải giảm bớt lượng hyđrơ hịa tan vào thép lỏng bằng cách sấy khơ tồn bộ mẻ liệu (sắt, thép vụn), nhiên liệu và chất trợ dung trước khi cho vào lò luyện. Đây là biện pháp ít tốn kém, mang lại hiệu quả tốt. Người ta cũng có thể dùng biện pháp khác, trong đó sau khi biến dạng nóng làm nguội thép xuống dưới nhiệt độ A1 khoảng 50-1000C rồi giữ nhiệt ở đó trong thời gian dài (từ vài đến hơn mười giờ tùy thuộc vào tiết diện thỏi), tức dùng cách ủ đẳng nhiệt, hoặc làm nguội sau khi biến dạng với tốc độ chậm (10-15h) để hyđrô kịp khuếch tán ra khỏi ferit. Biện pháp ủkhửbỏ đốm trắng đòi hỏi thời gian dài, khá tốn kém. Các nhà máy luyện kim tiến hành việc khửbỏ đốm trắng ở trong thỏi thép trước khi cung cấp cho các nhà máy cơ khí.
c. Giịn ram
Với thép cacbon khi tăng nhiệt độ ram, độ dai va đập sẽ tăng và đạt giá trị lớn nhất ở khoảng nhiệt độ 600-6500C rồi giảm đi. Nhưng một số thép kết cấu hợp kim quan hệ giữa độ dai va đập và nhiệt độ ram có thể có hai giá trị cực tiểu ứng với hai khoảng nhiệt độtại đó thép bịgiịn hơn mức bình thường rất nhiều hiện tượng đó được gọi là giịn ram.
Hình 2.8. Quan hệgiữa độ dai va đập và nhiệt độram
Loại giòn xuất hiện khi ram ởkhoảng 280-3500C,ứng với cực tiểu thứnhất được gọi là giòn ram loại I, mà nguyên nhân của nó đến nay cũng chưa rõ. Có thểlà do khi ramở nhiệt độ này, cacbit dạng tấm tiết ra khỏi mactenxitở biên giới pha dẫn tới phá hủy giòn, hoặc là do austenit dư chuyển thành mactenxit ở biên giới pha dẫn tới phá hủy giòn, hoặc là do austenit dư chuyển thành mactenxit ram là pha giòn hơn làm độ dai va đập giảm đi đột ngột. Hiện vẫn chưa có biện pháp có hiệu quả ngăn ngừa giịn ram loại I, do đó nó cịn được gọi là giòn ram không thuận nghịch hay không chữa được. Cách tốt nhất là tránh khơng ramởkhoảng nhiệt độcó xuất hiện giòn ram loại I. Loại giòn xuất hiện khi ram ởkhoảng 500-6000C, thường gặpở thép hợp kim Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn, sau khi ram làm nguội chậm,ứng với cực tiểu thứhaiđược gọi là giòn ram loại II. Nếu sau khi ram làm nguội nhanh (bằng cách nhúng vào nước hay dầu mà khơng đểnguội ngồi khơng khí như cách ram thơng thường) thì khơng xuất hiện cực tiểu thứhai nói trên, tức khơng xảy ra giịn ram. Song nếu sau đó lại tiến hành ram lâu trong khoảng 500-6000C, tính giịn lại xuất hiện, vì vậy giịn ram này mang tính chất thuận nghịch. Cũng giống như giòn ram loại I, nguyên nhân của giòn ram loại II vẫn chưa được xác định rõ ràng. Có thểlà do khi làm nguội chậm từnhiệt độ ram cao như vậy tạo điều kiện thuận lợi cho sựtiết ra các pha giịn có kích thước rất nhỏ ở biên giới hạt. Bản chất các pha đó là gì (nitrit, oxyt hay phôtphit) và cách phân bố chúng chưa được khẳng định. Biện pháp ngăn ngừa giòn ram loại II là làm nguội nhanh sau khi ram cao (bằng cách nhúng chi tiết vào dầu hay nước). Với chi tiết lớn khó làm nguội nhanh, phải dùng thép hợp kim hóa thêm bằng 1%W hay 0,5%Mo. Việc áp dụng cơ-
nhiệt luyện cũng có tác dụng ngăn cản giòn ram loại II.
2.2.2. Phân loại thép hợp kim
Có thể có các phương pháp phân loại thép hợp kim chủyếu sau :
a. Phân loại theo tổchức tếvi
Thường phân loại thép hợp kim theo tổ chức ở trạng thái cân bằng và sau khi thường hóa.
Phân loại theo tổ chức ở trạng thái cân bằng sau khi ủ, thép có tổ chức cân bằng ổn định, với độbền, độcứng thấp nhất. Theo lượng cacbon tăng dần, có thểcó các loại thép sau.
Thép trước cùng tích, với tổchức ferit và peclit. Thép cùng tích, với tổchức peclit.
Thép sau cùng tích với tổchức ngồi peclit cịn có cacbit thứhai. Thép lêđêburit với tổchức cóđiểmcùng tinh lêđêburit.
Thép austenit với tổ chức thuần austenit (do được hợp kim hóa với lượng lớn nguyên tốmởrộng vùngγ, như Ni hoặc Mn).
Thép ferit với tổchức thuần ferit (do được hợp kim hóa với lượng lớn nguyên tố mởrộng vùngα như Cr hoặc Si).
b. Phân loại theo tổchứcởtrạng thái thường hóa
Từtổchức sau khi austenit hóa rồi làm nguội ngồi khơng khí tĩnh (thường hóa) các mẫu nhỏ (đường kính 25mm) tùy mức độhợp kim hóa có thểcó các loại thép.
Hình 2.8. Đường cong ch áCạ của các loại thép
Thép peclit là loại thép hợp kim thấp, tính ổn định của austenit quá nguội chưa lớn lắm, vectơ nguội cắt chữ ÉCÊ (hình2.8a), nên tổchức nhận được vẫn là peclit.
Thép mactenxit là loại thép hợp kim trung bình và cao có tính ổn định của austenit q nguội lớn đến mức vectơ nguội ngồi khơng khí khơng cắt giản đồ chữ ÉCÊ mà xuống thẳng vùng mactenxit (hình 2.8b) nên tổchức nhận được là mactenxit.
Thép austenit là loại thép hợp kim cao bởi các nguyên tố như Ni, Mn mở rộng vùngγ xuống đến nhiệt độ thường (hình 2.8c), nên sau khi nguội ngoài khơng khí, thép vẫnởtrạng thái austenit.
c. Phân loại theo nguyên tốhợp kim
thép có chứa Cr được gọi là thép crơm, chứa Cr, Mn gọi là thép Cr-Mn, chứa Cr, Ni, Mo được gọi là thép Cr-Ni-Mo… Theo cách phân loại này biêt được tính chất của thép do nguyên tốhợp kim chính quyết định, ví dụthép Ni có tính dẻo, dai cao, thép Cr-Ni- Mo có độthấm tơi cao và khơng nhạy cảm với giịn ram loại II…
d. Phân loại theo tổng lượng nguyên tốhợp kim
Theo tổng lượng nguyên tốhợp kim có các loại sau.
Thép hợp kim thấp là loại mà tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5% (thường là loại peclit).
Thép hợp kim trung bình là loại mà tổng lượng các nguyên tốhợp kim từ 2,5 đến 10% (là loại peclit-mactenxit).
Thép hợp kim cao là loại mà tổng lượng các nguyên tốhợp kim cao hơn 10% (có thểlà thép mactenxit hay austenit).
Cách phân loại này cho biết giá trịcủa thép.
e. Phân loại theo công dụng
Đây là cách phân loại thường dùng nhất, cũng như thép cacbon, theo công dụng, thép hợp kim được phân ra các nhóm chính sau.
Thép cán nóng thơng dụng, được dùng với khối lượng lớn, chủ yếu dùng trong xây dựng và các công việc thông thường tương tự, không cần qua nhiệt luyện khi sửdụng.
Thép kết cấu là nhóm thép chủyếu đểlàm chi tiết máy, thường phải qua nhiệt luyện. Thép dụng cụlà nhóm thép chủyếu đểlàm dụng cụ, nhất thiết phải qua nhiệt luyện. Thép hợp kim đặc biệt là nhóm thép có các tính chất đặc biệt (cơ, lý, hóa) ví dụ thép khơng gỉ, thép có tính chống mài mịn cao, thép chịu nhiệt, thép có tính giãn nở và thép đàn hồi đặc biệt, thép khơng từ tính…
2.2.3. Ký hiệu thép hợp kim
Thép hợp kim được ký hiệu theo hệ thống chữvà số, chữký hiệu các nguyên tố hợp kim bằng chính ký hiệu hóa học của nó, số đầu chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, số phía sau ngun tốnào chỉ lượng trung bình của ngun tố đó theo phần trăm, nếu lượng nguyên tốhợp kim nào nhỏ hơn 1% thì khơng ghi con sốsau nó.
Ví dụmác thép 18CrMnTi, chứa 0,18%C, nhỏ hơn hoặc bằng 1% mỗi nguyên tố Cr, Mn, Ti (thép thấm cacbon) hoặc mác thép 60Si2 có 0,6%C, 2%Si (thép đàn hồi). Do nước ta chưa sản xuất được nhiều thép, thép là thép hợp kim, nên chủ yếu dùng thép nhập khẩu. Mỗi nước có cách phân loại và ký hiệu riêng của nó. Để tiện cho việc tra cứu, so sánh hoặc chuyển đổi tương đương.
2.3. Thép cán nóng thơng dụng
2.3.1. Thành phần và tính chất
a. Thành phần hóa học
cải thiện một số tính chất như: độ bền cơ học và độ bền chống ăn mịn trong khí quyển… người ta có thểcho thêm một sốnguyên tốhợp kim ở mức độ vi lượng hoặc thấp với tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn hoặc bằng 2%. Nếu tăng lượng cacbon và lượng nguyên tố hợp kim hơn nữa thì có thể cải thiện rõ rệt các tính chất này, nhưng sẽ làm xấu tính dẻo dai và nhất là tính hàn của thép, mà các tính chất này là những yêu cầu hàng đầu đối với thép xây dựng, lĩnh vực sửdụng chủ yếu củ nhóm thép này. Ngồi ra cịn do lý do giá thành, với thép thông dụng, thường sản xuất với khối lượng lớn, không thểhợp kim hóa một cách tùy tiện.
b. Tính chất
Độbềnđặc biệt là giới hạn chảy của thép càng cao, các kết cấu càng bền và càng gọn nhẹ. Người ta thấy rằng nếu tăng giới hạn chảy từ240MPa-260MPa (thép CT38) lên 340MPa-360MPa, khối lượng kết cấu kim loại có thểgiảm bớt 20-25%. Điều này đem lại hiệu quảkinh tếlớn tiết kiệm thép dùng, giảm nhẹkhối lượng xây dựng, tăng được khả năng chịu tải của kết cấu như cầu, toa xe, ô tô… Bằng cách hợp kim hóa vi lượng hoặc bằng cách gia cơng thích hợp sau khi cán, có thể tăng giới hạn chảy lên trên 300MPa, thậm chí có thểlên trên 500MPa.
Tính dẻo phải đảm bảo, do các kết cấu kim loại khi chếtạo thường phải qua uốn dập, nên nó phải đủ dẻo, bình thườngδ=18-20%, với những loại thép tấm mỏng (uốn dập mui ơ tơ) thìδ ≥ 25-30%.
Tính hàn tốt, tính hàn phải được xem như yếu tốquan trọng hàng đầu bởi vì phần lớncác trường hợp sửdụng thép thơng dụng phải qua hàn. Hàn bảo gồm việc làm chảy bộphận chi tiết phải hàn, rồi làm nguội nó. Vùng kim loại bịchảy lỏng và vùng kếcận (vùng chuyển tiếp) trên kim loại nền, tuy lnở trạng rắn, nhưng phải trải qua một chu trình nhiệt nung nóng lên trên nhiệt độchuyển biến pha rồi bị làm nguội. Nguy cơ xuất hiện các vết nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt càng lớn nếu như sau khi bịnguội nhanh và trong mối hàn xuất hiện các pha cứng và giòn (cacbit hợp kim). Bởi lẽ đó người ta ln tìm cách hạn chế lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim đối với các loại thép chuyên dùng đểhàn. Nguồi ta cũng xác định khả năng hàn của thép bằng cách tính giá trị lượng cacbon quy đổi (tương đương). Một trong những công thức thường được dùng đểtính phần trăm C tương đương, do viện quốc tế (IIS/IIW) đưa ra như sau: %Ctđ= %C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15
Trong đó thành phần của các nguyên tố hợp kim được tính theo % khối lượng. Rõ ràng %Ctđ càng cao thì thép càng khó hàn (càng dễ bị tơi). Khi đó phải tìm cách hạn chếsựxuất hiện các khuyết tật hàn bằng cách nung nóng trước chỗcần hàn, khống chế chặt chẽ năng lượng sử dụng khi hàn (cho phù hợp với kích thước, chiều dày và hình dáng,…của chi tiết hàn), làm nguội chậm đến mức có thể được sau khi hàn…
quyển, nhất là trong khơng khí ẩm, bị ăn mịn mạnh trong khí quyển cơng nghiệp có nhiều CO2, CO, H2S, vùng biển có nhiều ion Cl-. Có thểhạn chếgỉbằng cách sơn phủ. Cũng có thể tăng khả năng chống ăn mịn trong khí quyển bằng cách đưa thêm vào thép một lượng nhỏcác nguyên tố như Cr, Ni và đặc biệt là Cu và P…