Quỏ trỡnh nhiệt luyện gang khụng làm thay đổi dạng của graphit mà chỉ làm thay đổi nền kim loại/ Quỏ trỡnh chuyển biến tổ chức nền kim loại nền kim loại của gàn khi nung núng và làm nguội về cơ bản giống quỏ trỡnh xảy ra trong thộp nờn cú thể ỏp dụng vỏc chế độ nhiệt luyện của thộp cho gang. Tuy vậy, quỏ trỡnh nhiệt luyện cũng cú nhhững đặc điểm tiờng do c ú sự khỏc nhau về thành phần hoỏ học và đặc biệt l à quỏ trỡnh graphit hoỏ chi phối
Quỏ trỡnh nhiệt luyện làm thay đổi tổ chức nền kim loại và do đú, làm thay đổi tớnh chất tương tụ như thộp chỉ được sử dụng rộng rói cho gang dảo, gan cầu và gang giun vỡ ở đõy graphit đó ở dạng phự hợp, cú cơ tớnh cao. Đối với gang xỏm, thường chỉ ỏp dụng cỏc dạng nhiệt luyện này cho cỏc nỏc gang cú độ bền cao, đặc biệt là cho gang xỏm hợp kim thấp.
Đặc trưng nổi bật của gang là do điều kiện graphit hoỏ rất khỏc nhau khi đỳc nờn tổ chức ban đầu của gang trước khi nhiệt luyện rất khỏc nhau và thay đổi từ ferit, ferit-peclit tới peclit. Do đú, thường phải giữ ở nhiệt độ và thời gian rất khỏc nhau tuỳ theo tổ chức ban đầu của gang để cú thể bóo hoà cacbon cho austenit từ graphit thường xảy ra chập chạp nờn cần nhiệt độ cao hoặc thời gian lõu hơn.
Ở gang, sự thiờn tớch của cỏc nguyờn tố như Si, Mn và cỏc nguyờn tố hợp kim rất rừ ràng từ tõm hạt (xung quan graphit) tới biờn giới hạt tinh thể. Vỡ vậy, ngay trong một tinh thể, quỏ trỡnh chuyển biến pah khi nhiệt luyện xảy ra cũng
Dựa vào cựng ba pha này, cú thể nung gang ở đõy để đạt được tổ chức ferit-ausenit với hàm lượng ferit xỏc định rồi tiến hành cỏc dạng nhiệt luyện khỏc nhau để nhận được gang cú tổ chức ferit với cỏc tổ chức sau nhiệt luyện như xocbit, bainit và mactenxit ram, …. bảo đảm cho gang cú độ bền cao trong khi vẫn giữ được độ dẻo tốt.
Đặc điểm nổi bật khỏc của gang do hậu quả của quỏ trỡnh graphiet hoỏ là chú thể ủ nhiệt độ cao (950 – 1050OC) để phõn huỷ cacbit như trong quỏ trỡnh ủ gang dảo hoặc ủ mền ở nhiệt độ vừa dưới điểm chuyển biến cựng tớch (650 - 750OC) để nhận một phần hay hoàn toàn tổ chức nền kim loại là ferit, đảm bảo cho gang cú độ cứng thấp và độ dẻo cao
CHƯƠNG VI. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THẫP 6.1. Khỏi niệm về thộp cacbon
Thộp cỏc bon là hợp kim của sắt và cỏcbon với hàm lượng cỏc bon nhỏ hơn 2,14%. Ngoài ra trong thộp luụn chứa một lượng nhỏ cỏc nguyờn tố Mn, Si, P, S. Với bất kỳ loại thộp cỏc bon nào ngoài sắt ra cũng cú chứa C 2,14%; Mn 0,80%; Si 0,40%; P và S 0,05%. Thộp cỏc bon được sử dụng rất rộng rói trong cơ khớ (tỷ lệ 60 70%) và cỏc ngành cụng nghiệp khỏc.
Ngoài cỏc nguyờn tố trờn trong thộp cỏc bon cũn chứa một lượng khớ rất nhỏ hỡnh thành trong quỏ trỡnh nấu kuyện như : ụxy, hydrụ, nitơ. Nhưng do số lượng của chỳng quỏ ớt, ảnh hưởng khụng đỏng kể đến tớnh chất nờn ta thường khụng quan tõm đến
6.1.1. Thành phần hoỏ học và ảnh hưởng của cỏc nguyờn tố đến tổ chức và tớnh chất của thộp cacbon
a) Cỏc bon: là nguyờn tố quan trọng nhất quyết định đến tổ chức và tớnh chất của thộp. Với hàm lượng cỏc bon khỏc nhau thộp cú tổ chức tế vi khỏc nhau:
- Nếu hàm lượng cỏc bon < 0,80%: tổ chức là pherit và pộclit - Nếu hàm lượng cỏc bon = 0,80%: tổ chức là peclit.
- Nếu hàm lượng cỏc bon > 0,80%: tổ chức peclit và xờmentit thứ hai. Mặt khỏc khi hàm lượng cỏc bon tăng lờn thỡ lượng xờmentit tăng lờn, cản trở mạnh quỏ trỡnh trượt của pherit làm cho độ bền, độ cứng của thộp tăng lờn, độ dẻo và độ dai giảm đi. Tuy nhiờn độ bền lớn nhất đạt được với hàm lư ợng cỏc bon từ 0,80-1,0%, vượt quỏ giới hạn này do lượng xờmentit thứ hai quỏ nhiều làm cho thộp dũn, độ bền giảm đi Thộp cỏc bon với hàm lượng khỏc nhau được sử dụng trong cỏc lĩnh vực hoàn toàn khỏc nhau.
Hỡnh 6.1 Ảnh hưởng của cỏcbon đến cơ tớnh của thộp
b) Mangan: được cho vào thộp dưới dạng pherụ mangan để khử ụxy loại bỏ tỏc hại của FeO trong thộp lỏng:
Mn + FeO Fe + MnO
ễxớt mangan nổi lờn đi vào xỉ và được lấy ra khỏi lũ. Ngoài ra mangan cũn cú tỏc dụng loại bỏ tỏc hại của lưu huỳnh trong thộp. Mangan hoà tan vào pherit nõng cao cơ tớnh cho thộp, tuy nhiờn tỏc dụng khụng lớn do lượng chứa của nú nhỏ. Lượng mangan trong thộp từ 0,50 0,80%
c) Silic:được cho vào thộp dưới dạng pherụ silớc để khử ụxy loại bỏ tỏc hại của FeO trong thộp lỏng:
Si + FeO Fe + SiO2
Điụxớt silic nổi lờn đi vào xỉ và được lấy ra khỏi lũ. Ngoài ra silic cũn hoà tan vào pherit và nõng cao cơ tớnh cho thộp. Silic khử ụxy và nõng cao cơ tớnh cho thộp mạnh hơn mangan. Lượng silớc trong thộp từ 0,20 0,40%. Do vậy tỏc dụng nõng cao cơ tớnh khụng đỏng kể.
d) Phốt pho: Phốt pho cú khả năng hoà tan vào pherit khỏ lớn (đến 1,20% trong Fe-C nguyờn chất) và giảm đột ngột khi nhiệt độ giảm. Do đú gõy xụ lệch mạng phe rit rất mạnh làm tăng tớnh dũn khỏ lớn (đường kớnh nguyờn tử phốt pho khỏc nhiều so với sắt).
Khi vượt quỏ giới hạn hoà tan nú tạo ra Fe3P cứng và dũn. Do vậy phốt pho làm thộp bị dũn ở nhiệt độ thường và gọi là dũn nguội (cũn gọi là bở nguội). Do tớnh thiờn tớch rất mạnh nờn chỉ cần 0,10%P đó làm cho thộp bị dũn. Vỡ thế lượng phốt pho trong thộp nhỏ hơn 0,05%. Về phương diện gia cụng cắt gọt thỡ phốt pho là nguyờn tố cú lợi vỡ làm cho phoi dễ góy, lỳc này lượng phốt pho đến 0,15%.
e) Lưu huỳnh: Lưu huỳnh hoàn toàn khụng hoà tan trong sắt mà tạo nờn hợp chất FeS. Cựng tinh (Fe+FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (9880C) và phõn bố tại biờn giới hạt. khi cỏn, rốn, kộo (nung đến trờn 10000C) biờn giới hạt bị chảy ra làm thộp bị đứt, góy, hiện tượng này gọi là dũn núng (cũn gọi là bở núng). Tuy nhiờn cú thể dựng mangan để loại bỏ tỏc hại của lưu huỳnh:
Cú nhiều cỏch phõn loại thộp cỏc bon, mỗi phương phỏp cú một đặc trưng riờng biệt cần quan tõm đến để sử dụng được hiệu quả hơn.
a) Phõn loại theo phương phỏp luyện và độ sạch tạp chất:
* Theo phương phỏp luyện:
- Thộp mỏc tanh (ngày nay khụng dựng phương phỏp này nữa) - Thộp lũ chuyển (lũ L-D, cũn gọi là lũ thổi)
- Thộp lũ điện
* Theo độ sạch tạp chất:
-Thộp chất lượng thường: cú lượng P và S khỏ cao đến 0,050% được nấu luyện trong lũ L-D cú năng suất cao, giỏ thành rẻ. Cỏc nhúm thộp này chủ yếu được dựng trong xõy dựng.
- Thộp chất lượng tốt: cú lượng P và S thấp hơn đến 0,040% được luyện trong lũ điện hồ quang. Chỳng được sử dụng trong chế tạo mỏy thụng dụng.
- Thộp chất lượng cao: cú lượng P và S đạt 0,030% được luyện trong lũ điện hồ quang và cú thờm cỏc chất khử mạnh, nguyờn liệu được tuyển chọn kỹ lưỡng.
- Thộp chất lượng rất cao: lượng P và S được khử đến mức độ thấp nhất 0,020% sau khi luyện bằng lũ hồ quang chỳng được tiếp tụ c khử tiếp tạp chất ở ngoài lũ bằng xỉ tổng
hợp hay bằng điện xỉ. Để hạn chế lượng khớ trong thộp phải dựng phương phỏp rút trong chõn khụng. Thộp chhất lượng cao và rất cao dựng chế tạo cỏc thiết bị và mỏy múc quan trọng.
b) Phõn loại theo phương phỏp khử ụ xy
Theo mức độ khử ụ xy triệt để hay khụng triệt để ta chia thộp ra hai loại là thộp sụi và thộp lắng (lặng).
* Thộp sụi: là loại thộp được khử ụ xy bằng chất khử yếu: phe rụ mangan
nờn ụ xy khụng được khử triệt để, trong thộp lỏng vẫn cũn FeO khi rút khuụn cú phản ứng:
FeO + C Fe + COư
Khớ Co bay lờn làm bề mặt thộp lỏng chuyển động giống như hiện tượng sụi. Vật đỳc thộp sụi cú mật độ thấp và chứa nhiều rỗ khớ và lừm co nhỏ. Thộp này cú độ dẻo cao và rất mềm, dập nguội tốt.
* Thộp lắng (lặng): là loại thộp được khử ụ xy triệt để, ngoài phe rụ mangan cũn dựng phe rụ silic và nhụm nờn khụng cũn FeO nữa, do vậy bề mặt thộp lỏng phẳng lặng. Thộp lắng cú độ cứng khỏ cao, khú dập nguội. Vật đỳc thộp lắng cú mật độ cao và lừm co lớn. Thộp hợp kim chỉ là loại thộp lắng. Ngoài ra cũn loại thộp nửa lặng, nú cú tớnh chất trung gian giữa hai loại trờn do chỉ khử ụxy bằng pherụ mangan và nhụm. Ngày nay cú xu hướng dựng thộp nửa lặng thay cho thộp sụi.
c) Phõn loại theo cụng dụng:
Dựa theo mục đớch sử dụng thộp cỏcbon được chia làm hai nhúm: thộp kết cấu và thộp dụng cụ.
* Thộp kết cấu: là loại thộp dựng làm cỏc kết cấu và chi tiết mỏy chịu tải
do đú cần cú độ bền, độ dẻo và độ dai bảo đảm. Nhúm thộp này được sử dụng nhiều nhất vỡ chủng loại sản phẩm của nú rất lớn. Đõy là nhúm thộp chất lượng tốt và cao.
* Thộp dụng cụ: là loại thộp làm cỏc dụng cụ gia cụng và biến dạng kim loại như: dụng cụ cắt, khuụn dập, khuụn kộo ...Chỳng giữ vai trũ rất quan trọng để gia cụng cỏc chi tiết và kết cấu mỏy. Số lượng thộp dụng cụ khụng lớn vỡ chủng loại sản phẩm của chỳng ớt.
6.1.3. Ký hiệu thộp cacbon
a) Thộp cỏc bon chất lượng thường (thộp cỏc bon thụng dụng):
Là loại thộp chủ yếu được dựng trong xõy dựng, được cung cấp qua cỏn núng khụng nhiệt luyện, dưới dạng bỏn thành phẩm : ống, thanh, tấm, thộp hỡnh, sợi ...Theo tiờu chuẩn Việt Nam TCVN 1765 - 75 nhúm thộp cỏc bon chất lượng thường được ký hiệu bằng chữ CT (C - cỏc bon, T - thộp chất lượng thường). Nếu cuối mỏc thộp khụng ghi gỡ cả là thộp lắng (lặng), nếu cú s là thộp sụi, n là thộp nửa lặng. Chỳng được chia làm ba phõn nhúm:
* Phõn nhúm A: là loại thộp chỉ được quy định về cơ tớnh mà khụng quy định
về thành phần húa học. Giới hạn bền kộo tối thiểu tớnh theo đơn vị kG/mm2 (với MPa phải nhõn thờm 10), cú thể tra bảng để tỡm cỏc chỉ tiờu 0,2, , , và aK. Gồm cỏc mỏc CT31, 33, 34, 38, 42, 51, 61.
* Phõn nhúm B: là loại thộp chỉ được quy định về thành phần hoỏ học mà
khụng quy định về cơ tớnh (thành phần này cú thể tỡm thấy khi tra bảng). Ký hiệu của phõn nhúm này tương tự phõn nhúm A, chỉ khỏc là thờm chữ B ở đầu mỏc. Vớ dụ BCT31, BCT33...BCT61.
* Phõn nhúm C: gồm cỏc thộp được quy cả về cơ tớnh và thành phần hoỏ học.
Ký hiệu của chỳng tương tự phõn nhúm A, chỉ khỏc là thờm chữ C ở đầu mỏc. Vớ dụ CCT31, CCT33...CCT61. Để tỡm cỏc chỉ tiờu của thộp phõn nhúm này ta phải dựa vào hai phõn nhúm trờn. Chẳng hạn với mỏc thộp CCT38, khi tỡm thành phần hoỏ học ta tra bảng theo mỏc BCT38, cơ tớnh theo mỏc CT38.
Thộp chuyờn dựng trong xõy dựng được quy định theo TCVN 5709-93.
b) Thộp kết cấu:
Theo TCVN 1766-75 quy định ký hiệu bằng chữ C và cỏc chữ số tiếp theo chỉ lượng cỏc bon trung bỡnh trong thộp tớnh theo phần vạn.
Vớ dụ: C05, C10, C15... C65. Nếu cuối mỏc thộp cú chữ A là loại chất lượng cao hơn (P, S0,030%)
c)Thộp dụng cụ:
Theo TCVN 1822-75 quy định ký hiệu bằng chữ CD (C-cỏc bon, D-dụng cụ) và cỏc chữ số tiếp theo chỉ lượng cỏc bon trung bỡnh trong thộp theo phần vạn. Nếu cuối mỏc thộp cú thờm chữ A cú nghĩa là chất lượng cao hơn.
Vớ dụ: CD70, CD80...CD130 (CD70A, CD80A...CD130A)
6.2. Khỏi niệm về thộp hợp kim6.2.1. Định nghĩa thộp hợp kim 6.2.1. Định nghĩa thộp hợp kim
Thộp hợp kim là loại thộp ngoài sắt và cỏc bon ra người ta cố ý đưa thờm vào cỏc nguyờn tố cú lợi, với số lượng nhất định và đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tớnh chất (cơ, lý, hoỏ ... mà chủ yếu là cơ tớnh) của chỳng. Cỏc nguyờn tố cú lợi, được cố ý đưa vào thộp gọi là nguyờn tố hợp kim. Tuỳ theo tỏc dụng của chỳng đối với thộp mà giới hạn là nguyờn tố hợp kim khụng giống nhau, nguyờn tố tỏc dụng càng mạnh giới hạn này càng nhỏ.
Mn 0,80 1,00% Si 0,50 0,80% Cr 0,50 0,80% Ti 0,10% W 0,10 0,50% Mo 0,05 0,20% Ni 0,50 0,80% Cu 0,30% B 0,0005%
6.2.2. Ảnh hưởng của nguyờn tố hợp kim đến tổ chức của thộp hợp kim
Cú thể xem thộp hợp kim là thộp cỏc bon nhưng cú pha thờm vào đú cỏc nguyờn tố hợp kim. Trong phần này ta xem xột ảnh hưởng của cỏc nguyờn tố hơpỹ kim như thế nào đến cỏc tổ chức và giản đồ pha Fe -C.
a) Ảnh hưởng đến dung dịch rắn của sắt:
Cỏc nguyờn tố hợp kim cú tỏc dụng hũa tan vào dung dịch rắn của sắt như Mn,Si, Cr, Ni... Với lượng hũa tan nhỏ : (cỡ vài phần %) chỳng khụng làm thay đổi đỏng kể hỡnh dỏng của giản đồ pha Fe-C và chỳng chỉ hũa tan vào sắt ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau. Khi hũa tan vào phe rớt dưới dạng thay thế chỳng gõy ra xụ lệch mạng, do đú làm tăng độ bền và độ cứng, làm giảm độ dẻo và độ d ai với mức độ khỏc nhau. Mn và Si làm tăng mạnh độ bền độ cứng nhưng lại làm giảm đỏng kể độ dẻo và độ dai (với 2%Si và 3,5%Mn độ dai 500kJ/m2) làm cho thộp dũn khụng sử dụng được. Mặc dự hai nguyờn tố này làm tăng đỏng kể độ thấm tụi và cú giỏ thành thấp nhưng khụng thể sử dụng với hàm lượng lớn. Cr và Ni làm tăng độ bền và độ cứng khụng mạnh bằng Si, Mn nhưng lại khụng làm giảm nhiều độ dẻo, độ dai. Trong một số trường hợp làm tăng một ớt độ dai, do vậy cú thể sử dụng với hàm lượng lớn (đến 4%). Thộp được hợp kim húa bằng crụm và niken làm tăng mạnh độ thấm tụi, nõng cao độ cứng, độ bền mà vẫn duy trỡ tốt độ dộo và độ dai. Tuy nhiờn Ni đắt tiền làm giỏ thành thộp cao, do vậy chỉ dựng cho cỏc chi tiết quan trọng cần độ tin cậy cao. Với lượng hũa tan lớn: (> 10%): Khi hũa tan với hàm lượng lớn cỏc nguyờn tố hợp kim làm thay đổi hẳn hỡnh dỏng của giản đồ pha Fe-C.
Mn và Ni khi hũa tan cú tỏc dụng mở rộng khu vực tồn tại của tổ chức austenit (mở rộng vựng pha và thu hẹp vựng pha ) trờn giản đồ pha Fe-C. Với hàm lượng lớn từ 10-20% tổ chức austenit tồn tại ngay cả ở nhiệt độ thường và gọi là thộp austenit.
Crụm là nguyờn tố thu hẹp khu vực tồn tại của austenit (thu hẹp vựng pha và mở rộng vựng pha ), với lượng Cr đủ lớn khu vực g khụng tồn tại nữa mà tổ chức pherit tồn tại ngay cả ở nhiệt độ cao cho đến khi chảy lỏng. Hợp kim này gọi là thộp pherit. Thộp austenit và thộp pherit khụng cú chuyển biến pha khi nung núng và làm nguội. Do vậy khụng thể húa bền được bằng phương phỏp tụi. Cỏc trường hợp này chỉ gặp ở thộp đặc biệt (thường là cỏc thộp khụng rỉ, thộp chịu núng)
b)Tạo thành cỏc bớt:
Tất cả cỏc nguyờn tố hợp kim (trừ Si, Ni, Al, Cu, Co) ngoài khả năng hũa tan vào sắt ra cũn cú thể kết hợp với cỏc bon tạo thành cỏc bớt. Đú là cỏc nguyờn tố: Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb. Điều kiện để tạo thành cỏc bớt là số điện tử ở phõn lớp d (3d, 4d, 5d) trong nguyờn tử của nguyờn tố đú nhỏ hơn 6 (là điện tử lớp d của Fe). Số nguyờn tử phõn lớp này càng nhỏ hơn 6 thỡ khả năng tạo cỏc bớt càng mạnh. Thứ tự tạo cỏc bớt của cỏc nguyờn tố như sau (theo chiều mạnh dần lờn): Fe(6), Mn(5), Cr(5), Mo(5), W(4), V(3), Ti(2), Zr(2), Nb(2).
Khi cho cỏc nguyờn tố hợp kim vào thộp thỡ cỏc bon sẽ ưu tiờn tỏc dụng với nguyờn tố mạnh trước. Tựy theo nguyờn tố hợp kim cho vào và hàm lượng của