Vật liệu kim loại - Chương 5 Gang và thép

Chia sẻ: Vũ Tiến Dũng Dũng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

362
lượt xem 119
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong hóa học, kim loại (tiếng Hy Lạp là metallon) là nguyên tố có thể tạo ra các ion dương (cation) và có các liên kết kim loại, và đôi khi người ta cho rằng nó tương tự như là cation trong đám mây các điện tử. Các kim loại là một trong ba nhóm các nguyên tố được phân biệt bởi độ ion hóa và các thuộc tính liên kết của chúng, cùng với các á kim và các phi kim. Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, đường chéo vẽ từ bo (B) tới poloni (Po) chia tách...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Vật liệu kim loại - Chương 5 Gang và thép

164 PhÇn III vËt liÖu kim lo¹i Ch¬ng 5 thÐp vµ gang C¸c hîp kim trªn c¬ së cña s¾t chiÕm tû lÖ ¸p ®¶o trong vËt liÖu kim lo¹i, cã tû lÖ lín trong vËt liÖu nãi chung vµ ®îc dïng rÊt phæ biÕn trong kü thuËt còng nh trong ®êi sèng, lµm c¸c chi tiÕt quan träng víi yªu cÇu kü thuËt cao. Trong sè c¸c hîp kim cña s¾t trong ch¬ng nµy chØ ®Ò cËp ®Õn hîp kim Fe-C tøc thÐp vµ gang, lµ lo¹i rÊt thêng gÆp víi nhiÒu chñng lo¹i ®a d¹ng thÝch øng víi rÊt nhiÒu môc ®Ých sö dông kh¸c nhau. SÏ lÇn lît tr×nh bµy c¸c nhãm thÐp vµ gang. ThÐp lµ lo¹i vËt liÖu kim lo¹i cã c¬ tÝnh tæng hîp cao, cã thÓ chÞu t¶i träng rÊt nÆng vµ phøc t¹p, ®ã lµ vËt liÖu chÕ t¹o m¸y th«ng dông, chñ yÕu vµ quan träng nhÊt. HÇu nh mäi thÐp ®Òu cã thÓ ¸p dông nhiÖt luyÖn vµ hãa - nhiÖt luyÖn ®Ó thay ®æi c¬ tÝnh theo híng mong muèn. Do cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng dÎo tèt, trong c«ng nghiÖp thÐp ®îc cung cÊp díi d¹ng c¸c b¸n thµnh phÈm: d©y, sîi, thanh, tÊm, l¸, b¨ng, èng, gãc, vµ c¸c d¹ng h×nh kh¸c nhau rÊt tiÖn cho sö dông. Ngoµi kh¶ n¨ng biÕn d¹ng dÎo mét sè nhãm thÐp cßn cã tÝnh hµn tèt, rÊt tiÖn sö dông trong x©y dùng. TÝnh ®óc cña thÐp nãi chung kh«ng cao song mét sè m¸c cã thÓ tiÕn hµnh ®óc thµnh c¸c s¶n phÈm ®Þnh h×nh t¬ng ®èi phøc t¹p. Do nh÷ng u ®iÓm nh vËy thÐp ®îc coi lµ vËt liÖu x¬ng sèng cña c«ng nghiÖp. CÇn chó ý lµ thÐp lµ lo¹i vËt liÖu kim lo¹i víi nhiÒu nhãm cã tÝnh chÊt, c«ng dông rÊt kh¸c nhau, do ®ã ph¶i n¾m v÷ng tÝnh chÊt, t¸c dông cña cacbon vµ tõng nguyªn tè, còng nh tõng nhãm, ph©n nhãm, m¸c ®iÓn h×nh. Theo thµnh phÇn hãa häc cã hai lo¹i thÐp: cacbon vµ hîp kim. Tríc tiªn h∙y ph©n biÖt, so s¸nh c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña hai lo¹i thÐp chÝnh nµy. 5.1. Kh¸i niÖm vÒ thÐp cacbon vµ thÐp hîp kim 5.1.1. ThÐp cacbon ThÐp cacbon hay thÐp thêng, ®îc dïng rÊt phæ biÕn trong ®êi sèng còng nh trong kü thuËt, nã chiÕm tû träng rÊt lín (tíi 80 ÷ 90%) trong tæng s¶n lîng thÐp. a. Thµnh phÇn hãa häc Nh ®∙ nãi thÐp lµ hîp kim s¾t - cacbon víi lîng cacbon nhá h¬n 2,14% víi ®Æc tÝnh lµ cã tÝnh dÎo nªn cã thÓ c¸n nãng ®îc (do khi nung nãng lªn nhiÖt ®é cao cã tæ chøc hoµn toµn austenit - dung dÞch r¾n víi m¹ng A1, rÊt dÎo). Song trong thùc tÕ thÐp kh«ng chØ lµ hîp kim s¾t víi cacbon mµ cßn víi nhiÒu nguyªn tè kh¸c. Do yªu cÇu th«ng thêng cña c«ng nghÖ luyÖn kim, nhiÒu nguyªn tè ®∙ ®i vµo thµnh phÇn cña thÐp mµ kh«ng cÇn ph¶i khö bá ®i do cã lîi hoÆc kh«ng cÇn ph¶i khö bá triÖt ®Ó mÆc dÇu cã h¹i do qu¸ tèn kÐm kh«ng cÇn thiÕt. ThÐp cacbon lµ thÐp th«ng thêng (thÐp thêng), ngoµi cacbon ra cßn chøa mét sè nguyªn tè víi hµm lîng giíi h¹n mµ trong thÐp nµo còng cã, chóng ®îc gäi lµ t¹p chÊt thêng cã hay chÊt lÉn v× kh«ng ph¶i do cè ý ®a vµo. Trong sè c¸c t¹p chÊt cã mét sè cã lîi vµ mét sè cã h¹i. H∙y xem xÐt c¸c nguyªn tè ®ã. T¹p chÊt cã lîi: mangan vµ silic BÊt kú thÐp nµo dï ®¬n gi¶n ®Õn ®©u còng cã mangan vµ silic víi lîng kh«ng vît qu¸ 1%, chóng ®i vµo thµnh phÇn cña thÐp lµ do:
165 - quÆng s¾t cã lÉn c¸c hîp chÊt (kho¸ng vËt) kh¸c nh «xyt mangan, «xyt silic, trong qu¸ tr×nh luyÖn gang chóng bÞ hoµn nguyªn (MnO → Mn, SiO2 → Si) ®i vµo gang råi vµo thÐp, - khi luyÖn thÐp ph¶i dïng fer« mangan vµ fer« silic ®Ó khö «xy, phÇn kh«ng t¸c dông hÕt víi «xy sÏ ®i vµo thµnh phÇn cña thÐp {fer« lµ lo¹i hîp kim trung gian, dÔ luyÖn v× cã nhiÖt ®é ch¶y t¬ng ®èi thÊp, lµ nguyªn liÖu ®Ó pha chÕ, sö dông trong qu¸ tr×nh luyÖn kim; nã chøa s¾t, cacbon (> 1%) vµ lîng lín nguyªn tè hîp kim t¬ng øng. VÝ dô fer« mangan 80 lµ lo¹i cã kho¶ng 80%Mn}. Trong c¸c ®iÒu kiÖn th«ng thêng cña qu¸ tr×nh luyÖn, c¸c thÐp ®Òu cã chøa ≤ 0,80%Mn, ≤ 0,40%Si. Chóng lµ c¸c nguyªn tè cã Ých, cã t¸c dông tèt ®Õn c¬ tÝnh: n©ng cao ®é cøng, ®é bÒn (còng lµm gi¶m ®é dÎo, ®é dai), song víi lîng Ýt nh vËy kh«ng cã ¶nh hëng ®¸ng kÓ ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp cacbon. T¹p chÊt cã h¹i: ph«tpho vµ lu huúnh Hai nguyªn tè nµy ®i vµo thµnh phÇn cña gang vµ thÐp qua con ®êng quÆng s¾t vµ nhiªn liÖu (than coke khi luyÖn gang). Chóng lµm thÐp gißn do ®ã ph¶i ®îc khö bá ®Õn giíi h¹n cho phÐp, song th«ng thêng cao nhÊt còng kh«ng ®îc vît qu¸ 0,05% cho mçi nguyªn tè. VËy thÐp nµo ngoµi s¾t ra còng ®Òu cã chøa: C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S ≤ 0,050%. §ã còng lµ thµnh phÇn hãa häc c¬ b¶n cña thÐp cacbon hay thÐp thêng. C¸c t¹p chÊt kh¸c Ngoµi ph«tpho vµ lu huúnh, trong thÐp còng lu«n chøa c¸c nguyªn tè hy®r«, «xy, nit¬ do chóng hßa tan vµo thÐp láng tõ khÝ quyÓn cña lß luyÖn. Chóng ®Æc biÖt cã h¹i v× lµm thÐp kh«ng ®ång nhÊt vÒ tæ chøc (g©y tËp trung øng suÊt) vµ gißn (riªng nit¬ cã tÝnh hai mÆt sÏ tr×nh bµy sau) song víi lîng chøa qu¸ nhá (vÝ dô: 0,006 ÷ 0,008% ®èi víi «xy) nªn rÊt khã ph©n tÝch, do vËy thêng "dÊu mÆt" trong b¶ng thµnh phÇn nªn ®îc gäi lµ t¹p chÊt Èn n¸u. §Æc trng cña c«ng nghiÖp luyÖn kim hiÖn ®¹i lµ sö dông l¹i (t¸i chÕ) ngµy cµng nhiÒu víi tû lÖ cao thÐp, gang vµ hîp kim phÕ liÖu mµ trong ®ã cã mét phÇn lµ lo¹i chøa c¸c nguyªn tè cã lîi (nguyªn tè hîp kim). Do vËy ngay trong thÐp cacbon luyÖn ra còng cã thÓ chøa hµm lîng thÊp c¸c nguyªn tè sau: - cr«m, niken, ®ång ≤ 0,30% cho mçi nguyªn tè song tæng lîng cña chóng kh«ng ®îc vît qu¸ 0,50%, - vonfram, m«lip®en, titan ≤ 0,05% cho mçi nguyªn tè. §¸ng chó ý xu thÕ nµy ngµy mét m¹nh nªn hµm lîng cho phÐp cña c¸c nguyªn tè trªn trong thÐp thêng còng t¨ng lªn. Song dï nh vËy ngêi ta vÉn chØ coi chóng lµ t¹p chÊt (chÊt lÉn vµo) v×: - kh«ng cè ý ®a vµo, - víi lîng Ýt nh vËy, chóng kh«ng cã ¶nh hëng ®¸ng kÓ ®Õn tæ chøc vµ c¬ tÝnh cña hîp kim Fe - C, vÒ c¬ b¶n thÐp t¹o thµnh cã tæ chøc phï hîp víi gi¶n ®å pha Fe - C. Sau ®©y xÐt ¶nh hëng cña n¨m nguyªn tè thêng gÆp nhÊt trong thÐp cacbon. b. ¶nh hëng cña cacbon ®Õn tæ chøc, tÝnh chÊt vµ c«ng dông cña thÐp thêng
166 Tuy lµ nguyªn tè hãa häc rÊt b×nh thêng song cã thÓ nãi cacbon lµ nguyªn tè quan träng nhÊt, quyÕt ®Þnh chñ yÕu ®Õn tæ chøc, tÝnh chÊt (c¬ tÝnh), c«ng dông cña thÐp (c¶ thÐp cacbon lÉn thÐp hîp kim thÊp). Tæ chøc tÕ vi Nh thÊy râ tõ gi¶n ®å pha Fe-C, khi hµm lîng cacbon t¨ng lªn tû lÖ xªmentit lµ pha gißn trong tæ chøc còng t¨ng lªn t¬ng øng (cø thªm 0,10%C sÏ t¨ng thªm 1,50% xªmentit) do ®ã lµm thay ®æi tæ chøc tÕ vi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng (ñ). - C ≤ 0,05% - thÐp cã tæ chøc thuÇn ferit (h×nh 3.19a), coi nh s¾t nguyªn chÊt. - C = 0,10 ÷ 0,70% - thÐp cã tæ chøc ferit + peclit, khi %C t¨ng lªn lîng peclit t¨ng lªn (c¸c h×nh 3.22a,b,c), ®ã lµ c¸c thÐp tríc cïng tÝch. - C = 0,80% - thÐp cã tæ chøc peclit (h×nh 3.20a,b), ®ã lµ thÐp cïng tÝch. - C ≥ 0,90% - thÐp cã tæ chøc peclit + xªmentit II (h×nh 3.23), khi %C t¨ng lªn lîng xªmentit II t¨ng lªn t¬ng øng, ®ã lµ c¸c thÐp sau cïng tÝch. ChÝnh do sù thay ®æi tæ chøc nh vËy c¬ tÝnh cña thÐp còng biÕn ®æi theo. H×nh 5.1. ¶nh hëng cña cacbon ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp thêng (ë tr¹ng th¸i ñ). C¬ tÝnh ¶nh hëng cña cacbon ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp thêng ë tr¹ng th¸i ñ ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.1. Cacbon cã ¶nh hëng bËc nhÊt (theo quan hÖ ®êng th¼ng) ®Õn ®é cøng HB. VÒ mÆt ®Þnh lîng thÊy r»ng cø t¨ng 0,10%C ®é cøng HB sÏ t¨ng thªm kho¶ng 25 ®¬n vÞ. Tho¹t tiªn cacbon lµm gi¶m rÊt m¹nh ®é dÎo (δ, ψ) vµ ®é dai va ®Ëp (aK) lµm cho c¸c chØ tiªu nµy gi¶m ®i nhanh chãng, song cµng vÒ sau møc gi¶m nµy cµng nhá ®i. VÝ dô: cø t¨ng 0,10%C trong ph¹m vi cacbon thÊp (≤ 0,25%) δ gi¶m 6%, aK gi¶m 300kJ/m2, cßn trong ph¹m vi cacbon trung b×nh (0,30 ÷ 0,50%) t¬ng øng lµ 3% vµ 200kJ/m2...Nh vËy hµm lîng cacbon cµng cao thÐp cµng cøng, cµng kÐm dÎo dai vµ cµng gißn. Cã thÓ dÔ dµng gi¶i thÝch ®iÒu nµy lµ do lîng pha xªmentit cøng vµ gißn t¨ng lªn. ¶nh hëng cña cacbon ®Õn giíi h¹n bÒn σb kh«ng ®¬n gi¶n nh ®èi víi ®é cøng. ThÊy r»ng cø t¨ng 0,10%C trong kho¶ng 0,10 ÷ 0,50%C σb t¨ng kho¶ng 70
167 ÷ 90MPa, trong kho¶ng 0,60 ÷ 0,80%C σb t¨ng rÊt chËm vµ ®¹t ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i trong kho¶ng 0,80 ÷ 1,00%C, khi vît qu¸ gi¸ trÞ nµy σb l¹i gi¶m ®i. Cã thÓ gi¶i thÝch nh sau: tho¹t tiªn t¨ng sè phÇn tö xªmentit trong nÒn ferit sÏ lµm t¨ng sè chèt c¶n trît cho pha nµy do vËy σb t¨ng lªn cho ®Õn khi cã tæ chøc hoµn toµn lµ peclit, khi vît qu¸ 0,80 ÷ 1,00%C ngoµi peclit (tÊm) ra b¾t ®Çu xuÊt hiÖn líi xªmentit II (h×nh 3.23) gißn l¹i ë d¹ng liªn tôc (líi) lµm cho thÐp kh«ng nh÷ng gißn mµ cßn lµm gi¶m giíi h¹n bÒn. Vai trß cña cacbon. C«ng dông cña thÐp theo thµnh phÇn cacbon ChÝnh do cacbon cã ¶nh hëng lín ®Õn c¬ tÝnh nh vËy nªn nã quyÕt ®Þnh phÇn lín c«ng dông cña thÐp. Muèn dïng thÐp vµo viÖc g× ®iÒu cÇn xem xÐt tríc tiªn lµ hµm lîng cacbon sau ®ã míi tíi c¸c nguyªn tè hîp kim. §iÒu kh¸ kú diÖu lµ chØ cÇn thay ®æi chót Ýt hµm lîng cacbon (chªnh lÖch nhau kh«ng qu¸ 0,50%) cã thÓ t¹o ra c¸c nhãm thÐp cã c¬ tÝnh ®èi lËp nhau mµ kh«ng nguyªn tè nµo cã ®îc. Theo hµm lîng cacbon cã thÓ chia thÐp thµnh ba - bèn nhãm víi c¬ tÝnh vµ c«ng dông rÊt kh¸c nhau nh sau. - ThÐp cã cacbon thÊp (≤ 0,25%) cã ®é dÎo, ®é dai cao nhng ®é bÒn, ®é cøng l¹i thÊp, hiÖu qu¶ nhiÖt luyÖn t«i + ram kh«ng cao, ®îc dïng lµm kÕt cÊu x©y dùng, tÊm l¸ ®Ó dËp nguéi. Muèn n©ng cao hiÖu qu¶ cña nhiÖt luyÖn t«i + ram ®Ó n©ng cao ®é bÒn ®é cøng ph¶i qua thÊm cacbon. - ThÐp cã cacbon trung b×nh (0,30 ÷ 0,50%) cã ®é bÒn, ®é cøng, ®é dÎo, ®é dai ®Òu kh¸ cao mÆc dÇu kh«ng ph¶i lµ cao nhÊt, cã hiÖu qu¶ t«i + ram tèt, tãm l¹i cã c¬ tÝnh tæng hîp cao nªn ®îc dïng chñ yÕu lµm c¸c chi tiÕt m¸y chÞu t¶i träng tÜnh vµ va ®Ëp cao. - ThÐp cã cacbon t¬ng ®èi cao (0,55 ÷ 0,65%) víi u ®iÓm lµ cã ®é cøng t¬ng ®èi cao, giíi h¹n ®µn håi cao nhÊt, ®îc dïng lµm c¸c chi tiÕt ®µn håi. - ThÐp cã cacbon cao (≥ 0,70%) víi u ®iÓm lµ cã ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn ®Òu cao, ®îc dïng lµm c«ng cô nh dao c¾t, khu«n dËp, dông cô ®o. Trong mét sè kiÓu ph©n lo¹i, nhãm thÐp cã cacbon trung b×nh cã lîng cacbon thay ®æi tõ 0,30 ®Õn 0,65%. ThËt ra c¸c giíi h¹n vÒ thµnh phÇn cacbon kÓ trªn ®Ó ®Þnh ranh giíi gi÷a c¸c nhãm còng kh«ng hoµn toµn cøng nh¾c, cã thÓ xª dÞch ®«i chót. TÝnh c«ng nghÖ TÝnh hµn vµ kh¶ n¨ng dËp nguéi, dËp s©u cña thÐp phô thuéc nhiÒu vµo hµm lîng cacbon. ThÐp cµng Ýt cacbon cµng dÔ hµn ch¶y vµ dËp. Hµm lîng cacbon còng cã ¶nh hëng ®Õn tÝnh gia c«ng c¾t cña thÐp. Nãi chung thÐp cµng cøng cµng khã c¾t nªn thÐp cã hµm lîng cacbon cã tÝnh gia c«ng c¾t kÐm. Song thÐp qu¸ mÒm vµ dÎo còng g©y khã kh¨n cho c¾t gät, nªn thÐp cã cacbon thÊp còng cã tÝnh gia c«ng c¾t kÐm. Nãi chung tÝnh ®óc cña thÐp kh«ng cao. c. ¶nh hëng cña c¸c t¹p chÊt thêng cã Mangan Mangan ®îc cho vµo mäi thÐp díi d¹ng fer« mangan ®Ó khö «xy thÐp ë tr¹ng th¸i láng tøc lµ ®Ó lo¹i trõ FeO rÊt cã h¹i: Mn + FeO → Fe + MnO (MnO næi lªn ®i vµo xØ vµ bÞ cµo ra khái lß) Ngoµi ra mangan còng lo¹i trõ ®îc t¸c h¹i cña lu huúnh. Mangan cã ¶nh hëng tèt ®Õn c¬ tÝnh, khi hßa tan vµo ferit nã n©ng cao ®é
168 bÒn vµ ®é cøng cña pha nµy (h×nh 5.2a), do vËy lµm t¨ng c¬ tÝnh cña thÐp, song lîng mangan cao nhÊt trong thÐp cacbon còng chØ n»m trong giíi h¹n 0,50 ÷ 0,80% nªn ¶nh hëng nµy kh«ng quan träng. Mn cßn cã t¸c dông lµm gi¶m nhÑ t¸c h¹i cña lu huúnh. Silic Silic ®îc cho vµo nhiÒu lo¹i thÐp díi d¹ng fer« silic ®Ó khö «xy triÖt ®Ó thÐp ë tr¹ng th¸i láng: Si + FeO → Fe + SiO2 (SiO2 næi lªn ®i vµo xØ vµ bÞ cµo ra khái lß) Gièng nh mangan, silic hßa tan vµo ferit còng n©ng cao ®é bÒn vµ ®é cøng cña pha nµy (h×nh 5.2a) nªn lµm t¨ng c¬ tÝnh cña thÐp, song lîng silic cao nhÊt trong thÐp cacbon còng chØ trong giíi h¹n 0,20 ÷ 0,40% nªn t¸c dông nµy còng kh«ng râ rÖt. Ph«tpho Lµ nguyªn tè cã kh¶ n¨ng hßa tan vµo ferit (tíi 1,20% ë hîp kim thuÇn Fe - C, cßn trong thÐp giíi h¹n hßa tan nµy gi¶m ®i m¹nh) vµ lµm x« lÖch rÊt m¹nh m¹ng tinh thÓ pha nµy lµm t¨ng m¹nh tÝnh gißn; khi lîng ph«tpho vît qu¸ giíi h¹n hßa tan nã sÏ t¹o nªn Fe3P cøng vµ gißn. Do ®ã ph«tpho lµ nguyªn tè g©y gißn nguéi hay bë nguéi (ë nhiÖt ®é thêng). ChØ cÇn cã 0,10%P hßa tan, ferit ®∙ trë nªn gißn. Song ph«tpho lµ nguyªn tè thiªn tÝch (ph©n bè kh«ng ®Òu) rÊt m¹nh nªn ®Ó tr¸nh gißn lîng ph«tpho trong thÐp ph¶i Ýt h¬n 0,050% (®Ó n¬i tËp trung cao nhÊt lîng ph«pho còng kh«ng thÓ vît qu¸ 0,10% lµ giíi h¹n g©y ra gißn). Ph«pho còng cã mÆt lîi, ®îc nãi ë môc 5.3.6b. Lu huúnh Kh¸c víi ph«tpho, lu huúnh hoµn toµn kh«ng hßa tan trong Fe (c¶ Feα lÉn Feγ) mµ t¹o nªn hîp chÊt FeS. Cïng tinh (Fe + FeS) t¹o thµnh ë nhiÖt ®é thÊp (988oC), kÕt tinh sau cïng do ®ã n»m ë biªn giíi h¹t; khi nung thÐp lªn ®Ó c¸n, kÐo (thêng ë 1100 ÷ 1200oC) biªn giíi bÞ ch¶y ra lµm thÐp dÔ bÞ ®øt, g∙y nh lµ thÐp rÊt gißn. Ngêi ta gäi hiÖn tîng nµy lµ gißn nãng hay bë nãng. Khi ®a mangan vµo, do cã ¸i lùc víi lu huúnh m¹nh h¬n s¾t nªn thay v× FeS sÏ t¹o nªn MnS. Pha nµy kÕt tinh ë nhiÖt ®é cao, 1620oC, díi d¹ng c¸c h¹t nhá rêi r¹c vµ ë nhiÖt ®é cao cã tÝnh dÎo nhÊt ®Þnh nªn kh«ng bÞ ch¶y hoÆc ®øt, g∙y. Sunfua mangan còng cã lîi cho gia c«ng c¾t (môc 5.3.6b). d. Ph©n lo¹i thÐp cacbon Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i thÐp cacbon mµ mçi c¸ch cho biÕt mét ®Æc trng riªng biÖt cÇn ®Ó ý ®Ó sö dông thÐp ®îc tèt h¬n. Theo ®é s¹ch t¹p chÊt cã h¹i vµ ph¬ng ph¸p luyÖn Râ rµng lµ thÐp cµng Ýt t¹p chÊt cã h¹i (P, S) vµ c¸c khÝ (H, O, N) cã ®é dÎo, ®é dai cµng cao tøc cã c¬ tÝnh tæng hîp cao, chÊt lîng cµng cao. C¸c ph¬ng ph¸p luyÖn thÐp kh¸c nhau cã kh¶ n¨ng lo¹i trõ t¹p chÊt cã h¹i kh¸c nhau nµy ë c¸c møc cao thÊp kh¸c nhau do ®ã t¹o cho thÐp chÊt lîng tèt, xÊu kh¸c nhau. Cã nhiÒu ph¬ng ph¸p luyÖn thÐp song cho ®Õn hiÖn nay trªn thÕ giíi chØ cßn tån t¹i ba ph¬ng ph¸p chÝnh lµ lß mactanh, lß ®iÖn hå quang vµ lß thæi «xy tõ ®Ønh (lß L- D) (níc ta chØ b»ng lß ®iÖn hå quang), ngoµi ra cßn c¸c ph¬ng ph¸p lµm s¹ch t¹p chÊt ngoµi lß. Theo møc ®é s¹ch t¹p chÊt tõ thÊp ®Õn cao cã c¸c møc chÊt lîng sau. - ChÊt lîng thêng, lîng P, S chØ ®îc khö ®Õn møc 0,050% (hay cao h¬n mét chót) cho mçi nguyªn tè. Ph¬ng ph¸p luyÖn thÐp L-D thêng chØ ®¹t ®îc
169 cÊp chÊt lîng nµy mÆc dÇu nã cho n¨ng suÊt rÊt cao vµ gi¸ thµnh thÐp rÎ. CÊp chÊt lîng nµy thêng chØ ¸p dông cho nhãm thÐp cã yªu cÇu kh«ng cao nh mét sè thÐp x©y dùng th«ng dông. - ChÊt lîng tèt, lîng P, S ®îc khö ®Õn møc 0,040% cho mçi nguyªn tè. Ph¬ng ph¸p luyÖn thÐp b»ng lß mactanh vµ lß ®iÖn hå quang dÔ dµng ®¹t ®îc cÊp chÊt lîng nµy. CÊp chÊt lîng nµy thêng ¸p dông cho c¸c nhãm thÐp dïng trong chÕ t¹o m¸y th«ng dông, tøc cã yªu cÇu cao h¬n. - ChÊt lîng cao, lîng P, S ®îc khö kh¸ cÈn thËn, ®Õn møc 0,030% cho mçi nguyªn tè. Víi c¸c biÖn ph¸p kü thuËt bæ sung (dïng chÊt khö m¹nh, tuyÓn chän nguyªn liÖu vµo...) vÉn cã thÓ ®¹t ®îc cÊp chÊt lîng nµy b»ng ph¬ng ph¸p luyÖn thÐp trong lß ®iÖn hå quang. - ChÊt lîng rÊt cao, lîng P, S ®îc khö ë møc triÖt ®Ó nhÊt: 0,020% cho mçi nguyªn tè. ChØ víi c¸c lß ®iÖn hå quang kh«ng thÓ ®¹t ®îc giíi h¹n nµy. ThÐp sau khi luyÖn ë lß nµy ®îc tinh luyÖn tiÕp tôc: khö t¹p chÊt ë ngoµi lß b»ng xØ tæng hîp, b»ng ®iÖn xØ. Ngoµi ra ®Ó gi¶m tèi ®a lîng khÝ chøa trong thÐp ngêi ta ph¶i ¸p dông ®óc rãt thÐp trong ch©n kh«ng. C¸c thÐp cacbon cã thÓ ®îc cung cÊp ë ba cÊp chÊt lîng: thêng, tèt vµ cao (Ýt gÆp). C¸c thÐp hîp kim kh«ng cã cÊp chÊt lîng thêng, chØ cã c¸c cÊp: tèt, cao vµ rÊt cao. ThÐp x©y dùng thêng chØ yªu cÇu chÊt lîng thêng, trong khi ®ã thÐp chÕ t¹o m¸y ph¶i cã chÊt lîng tõ tèt trë lªn. Riªng thÐp lµm æ l¨n ph¶i ®¹t cÊp chÊt lîng rÊt cao. Theo ph¬ng ph¸p khö «xy Theo møc ®é khö «xy cã triÖt ®Ó hay kh«ng ngêi ta chia ra hai lo¹i thÐp s«i vµ thÐp lÆng. ThÐp s«i lµ lo¹i kh«ng ®îc khö «xy triÖt ®Ó, tøc chØ b»ng chÊt khö kh«ng m¹nh lµ fer« mangan, nªn trong thÐp láng vÉn cßn FeO vµ do ®ã cã ph¶n øng: FeO + C → Fe + CO↑ KhÝ CO bay lªn lµm mÆt thÐp láng chuyÓn ®éng nh thÓ bÞ "s«i" vËy (nªn cã tªn lµ thÐp s«i) vµ t¹o ra bät (rç) khÝ trong thái ®óc. Khi c¸n nãng tiÕp theo phÇn lín bät khÝ ®îc hµn kÝn l¹i (chó ý lµ vá bäc khÝ n»m trong thái ®óc, kh«ng tiÕp xóc víi kh«ng khÝ nÕu kh«ng lu kho qu¸ l©u sÏ cha bÞ «xy hãa nªn c¸c nguyªn tö s¾t dÔ khuÕch t¸n, hµn kÝn l¹i khi c¸n nãng) nªn nãi chung kh«ng ¶nh hëng xÊu ®Õn c¬ tÝnh cña thÐp ®∙ qua biÕn d¹ng nãng. C¸c ®Æc ®iÓm cña thÐp s«i lµ: - do kh«ng ®îc khö b»ng fer« silic nªn chøa rÊt Ýt silic, thêng lµ ≤ 0,05 ÷ 0,07%, nªn ferit cña thÐp rÊt mÒm vµ dÎo, rÊt dÔ dËp nguéi, - kh«ng cho phÐp dïng thÐp s«i ®Ó chÕ t¹o c¸c vËt ®óc ®Þnh h×nh v× c¸c rç khÝ lµm gi¶m mËt ®é, tËp trung øng suÊt g©y ¶nh hëng rÊt xÊu ®Õn c¬ tÝnh, - kh«ng cho phÐp dïng thÐp s«i ®Ó lµm c¸c kÕt cÊu hµn ch¶y, do trong thÐp vÉn cßn «xy (FeO) nªn khi ch¶y láng ph¶n øng t¹o CO l¹i x¶y ra, mèi hµn chøa nhiÒu bät khÝ. - kh«ng cho phÐp dïng thÐp s«i ®Ó lµm chi tiÕt thÊm cacbon do kh«ng ®îc khö «xy triÖt ®Ó nªn thuéc lo¹i thÐp h¹t b¶n chÊt lín. ThÐp lÆng lµ lo¹i ®îc khö «xy triÖt ®Ó b»ng c¶ fer« mangan lÉn fer« silic lµ chÊt khö m¹nh vµ nh«m, nªn trong thÐp láng kh«ng x¶y ra ph¶n øng trªn, mÆt thÐp láng lu«n "ph¼ng lÆng" (nªn cã tªn lµ thÐp lÆng). C¸c ®Æc ®iÓm cña thÐp lÆng lµ: - do ®îc khö b»ng fer« silic nªn chøa mét lîng nhÊt ®Þnh silic, thêng trong kho¶ng 0,15 ÷ 0,35%, v× thÕ ferit cña thÐp cøng vµ bÒn h¬n, khã dËp nguéi h¬n,
170 - trong tæ chøc kh«ng cã rç khÝ nªn cã cÊu tróc xÝt chÆt h¬n, cã c¬ tÝnh cao h¬n thÐp s«i, c¸c vËt ®óc b»ng thÐp ph¶i ®îc chÕ t¹o b»ng thÐp lÆng, tuy nhiªn lâm co trong thÐp lÆng kh¸ lín (phÇn nµy ph¶i c¾t bá ®i lµm gi¶m hiÖu qu¶ kinh tÕ), - trong c¸c kÕt cÊu hµn ch¶y chØ ®îc phÐp dïng thÐp lÆng, - c¸c chi tiÕt thÊm cacbon chØ ®îc lµm b»ng thÐp lÆng. Do c¸c ®Æc tÝnh tréi h¬n thÐp s«i, thÐp lÆng ®îc sö dông réng r∙i h¬n. N»m trung gian gi÷a hai thÐp trªn lµ thÐp nöa lÆng, nã chØ ®îc khö «xy b»ng fer« mangan vµ nh«m. TÝnh chÊt cña nã n»m trung gian gi÷a thÐp s«i vµ thÐp lÆng. Tuy xuÊt hiÖn sau song thÐp nöa lÆng cã khuynh híng thay thÕ cho thÐp s«i. ThÐp hîp kim chØ cã lo¹i thÐp lÆng, song thÐp cacbon cã thÓ ë c¶ ba lo¹i: s«i, lÆng vµ nöa lÆng. Theo c«ng dông Theo môc ®Ých sö dông hay theo c«ng dông cã thÓ chia thÐp cacbon thµnh hai nhãm thÐp kÕt cÊu vµ thÐp dông cô. ThÐp kÕt cÊu lµ lo¹i ®îc dïng lµm c¸c kÕt cÊu, chi tiÕt chÞu t¶i (lùc) do ®ã ngoµi yªu cÇu vÒ ®é bÒn b¶o ®¶m cßn cÇn ph¶i cã ®ñ ®é dÎo, ®é dai yªu cÇu tøc lµ c¬ tÝnh tæng hîp. §©y lµ nhãm thÐp ®îc sö dông thêng xuyªn nhÊt víi khèi lîng lín nhÊt. Trong nhãm nµy cßn cã thÓ ph©n tiÕp thµnh hai nhãm nhá h¬n lµ x©y dùng vµ chÕ t¹o m¸y: - ThÐp x©y dùng lµ lo¹i chñ yÕu ®îc dïng trong x©y dùng ®Ó lµm c¸c kÕt cÊu thÐp díi d¹ng c¸c thanh dµi, tÊm réng ghÐp l¹i, chóng ®ßi hái c¬ tÝnh tæng hîp song kh«ng cao. ThÐp x©y dùng tuy cã cÇn bÒn song ph¶i cã ®é dÎo cao ®Ó dÔ uèn khi l¾p ghÐp vµ ®é dai cao ®Ó khã bÞ ph¸ hñy gißn, cã tÝnh hµn tèt. - ThÐp chÕ t¹o m¸y ®ßi hái c¬ tÝnh tæng hîp ë møc ®é cao h¬n nªn nãi chung ®ßi hái chÊt lîng cao h¬n, ®Æc biÖt lµ ®é bÒn ph¶i cao trong khi vÉn ph¶i b¶o ®¶m tèt ®é dÎo, ®é dai. ThÐp dông cô lµ lo¹i chØ chuyªn dïng lµm c«ng cô nªn cã yªu cÇu chñ yÕu lµ cøng vµ chèng mµi mßn. Trong thùc tÕ ngêi ta sö dông tÊt c¶ c¸c c¸ch ph©n lo¹i trªn. e. Tiªu chuÈn thÐp cacbon Tiªu chuÈn ViÖt Nam Tiªu chuÈn ViÖt Nam ®∙ quy ®Þnh nh÷ng lo¹i thÐp cacbon chÝnh. TCVN 1765 - 75 quy ®Þnh c¸c m¸c thÐp kÕt cÊu cacbon chÊt lîng thêng ®Ó lµm c¸c kÕt cÊu x©y dùng, ®îc sö dông ë tr¹ng th¸i cung cÊp, kh«ng qua nhiÖt luyÖn. Do yªu cÇu chÊt lîng kh«ng cao lîng nªn lîng P, S cho phÐp kh¸ lín: P lµ 0,040 ÷ 0,070%, S lµ 0,050 ÷ 0,060%. ThÐp ®îc ký hiÖu b»ng CT (víi ý nghÜa lµ thÐp cacbon chÊt lîng thêng) víi c¸c ch÷ ë sau cïng: s chØ thÐp s«i, n chØ thÐp nöa lÆng, nÕu kh«ng cã ch÷ g× lµ thÐp lÆng. Trong nhãm thÐp nµy l¹i quy ®Þnh cã ba ph©n nhãm A, B vµ C, trong ®ã ph©n nhãm thø nhÊt A lµ chñ yÕu. Ph©n nhãm A ph©n lo¹i c¸c m¸c theo giíi h¹n bÒn kÐo tèi thiÓu ®¹t ®îc tÝnh theo ®¬n vÞ kG/mm2 - CTxx. C¸ch ký hiÖu theo σb (min) nh vËy kh¸ tiÖn cho viÖc tÝnh to¸n s¬ bé søc bÒn còng nh tiÕt diÖn thÐp. VÝ dô CT38, CT38n, CT38s lµ ba m¸c cïng cã ¬b ≥ 38kG/mm2 hay 380MPa song víi ba ph¬ng ph¸p khö «xy kh¸c nhau: lÆng, nöa lÆng vµ s«i nªn c¸c chØ tiªu c¬ tÝnh kh¸c cã kh¸c nhau ®«i chót. Tiªu chuÈn còng quy ®Þnh tØ mØ vµ chÆt chÏ c¸c chØ tiªu kh¸c nh σ0,2, δ, ψ, aK (xem b¶ng 5.1 ë môc 5.2.2b). C¸c ph©n nhãm B vµ C vÒ c¬ b¶n gi÷ nguyªn ký hiÖu nh ë ph©n nhãm A song ë ®Çu ký hiÖu t¬ng øng
171 cã thªm ch÷ B vµ C lµ BCTxx vµ CCTxx. Ph©n nhãm B kh«ng quy ®Þnh c¬ tÝnh song l¹i quy ®Þnh thµnh phÇn hãa häc (ph¶i tra b¶ng 5.2), cßn ph©n nhãm C l¹i quy ®Þnh c¶ hai: c¬ tÝnh lÉn thµnh phÇn hãa häc, vÝ dô: m¸c CCT38 cã c¬ tÝnh cña CT38 cßn thµnh phÇn cña BCT38. TCVN 1766-75 quy ®Þnh c¸c m¸c thÐp kÕt cÊu cacbon chÊt lîng tèt ®Ó chÕ t¹o m¸y qua nhiÖt luyÖn, do vËy ph¶i ®îc b¶o ®¶m (quy ®Þnh) c¶ thµnh phÇn hãa häc lÉn c¬ tÝnh (ph¶i tra b¶ng), c¸c m¸c ®îc ký hiÖu b»ng ch÷ C vµ sè phÇn v¹n cacbon trung b×nh - Cxx. VÝ dô: C40 lµ m¸c cã kho¶ng 0,40%C (0,38 ÷ 0,45%) vµ c¸c t¹p chÊt trong giíi h¹n ®∙ tr×nh bµy. Do chÊt lîng tèt nªn lîng P vµ S lµ ≤ 0,040% cho mçi nguyªn tè, c¸c m¸c cã chÊt lîng cao (P, S ≤ 0,030% cho mçi nguyªn tè) ë cuèi ký hiÖu cã ch÷ A, vÝ dô C40A. TCVN 1822-76 quy ®Þnh c¸c m¸c thÐp dông cô cacbon b»ng CD (C lµ cacbon, D lµ dông cô) víi sè tiÕp theo chØ lîng cacbon trung b×nh tÝnh theo phÇn v¹n - CDxx hoÆc CDxxx. VÝ dô, CD80 vµ CD80A lµ hai m¸c cïng cã kho¶ng 0,80%C (0,75 ÷ 0,84%) song víi chÊt lîng tèt vµ cao. Tiªu chuÈn c¸c níc ΓOCT quy ®Þnh c¸c thÐp kÕt cacbon chÊt lîng thêng b»ng CT víi c¸c sè tõ 0, 1 ®Õn 6 chØ cÊp ®é bÒn (sè cµng to ®é bÒn cµng cao). Còng cã c¸c ph©n nhãm theo thø tù A, Б, B lÇn lît t¬ng øng víi c¸c ph©n nhãm A, B, C cña TCVN. VÒ thÐp kÕt cÊu cacbon chÊt lîng tèt ΓOCT quy ®Þnh c¸c m¸c ký hiÖu theo sè phÇn v¹n cacbon trung b×nh, nh m¸c 40 cã kho¶ng 0,40%C nh m¸c C40 cña TCVN. VÒ thÐp cacbon dông cô ΓOCT quy ®Þnh c¸c m¸c b»ng У víi sè tiÕp theo chØ lîng cacbon theo phÇn ngh×n cacbon trung b×nh nh У12 cã kho¶ng 1,20%C. Tuy cã mét sè kh¸c biÖt nhá vÒ c¬ b¶n TCVN vÒ thÐp cacbon vÉn theo c¸c nguyªn t¾c c¬ b¶n cña ΓOCT, nªn cã sù trïng hîp hoµn toµn gi÷a hai tiªu chuÈn nµy. Hoa Kú sö dông nhiÒu tiªu chuÈn cho thÐp cacbon. ASTM ®îc dïng cho thÐp x©y dùng. AISI vµ SAE cho c¸c thÐp chÕ t¹o m¸y vµ dông cô. JIS quy ®Þnh c¸c thÐp kÕt cÊu chÊt lîng thêng b»ng SS hay SM víi sè tiÕp theo chØ giíi h¹n bÒn kÐo tèi thiÓu tÝnh theo ®¬n vÞ MPa - SSxxx, SMxxx; c¸c thÐp kÕt cÊu cacbon chÊt lîng tèt b»ng SxxC trong ®ã xx lµ sè chØ lîng cacbon trung b×nh theo phÇn v¹n, c¸c thÐp cacbon dông cô b»ng SK víi c¸c sè thø tù tõ 1 ®Õn 7 - SKx. f. u nhîc ®iÓm cña thÐp cacbon u ®iÓm ThÐp cacbon ®îc dïng rÊt réng r∙i trong kü thuËt nãi chung vµ chÕ t¹o m¸y v× ba u ®iÓm sau: 1) RÎ, dÔ kiÕm kh«ng ph¶i dïng c¸c nguyªn tè hîp kim ®¾t tiÒn. 2) Cã c¬ tÝnh tæng hîp nhÊt ®Þnh phï hîp víi c¸c ®iÒu kiÖn th«ng dông. 3) Cã tÝnh c«ng nghÖ tèt: dÔ ®óc, c¸n, rÌn, kÐo sîi, hµn, gia c«ng c¾t (so víi thÐp hîp kim). Nhîc ®iÓm ThÐp cacbon còng cã nhiÒu nhîc ®iÓm, trong ®ã ®¸ng chó ý nhÊt lµ: 1) §é thÊm t«i thÊp nªn hiÖu qu¶ hãa bÒn b»ng nhiÖt luyÖn t«i + ram kh«ng cao, do ®ã ¶nh hëng xÊu ®Õn ®é bÒn, ®Æc biÖt ®èi víi tiÕt diÖn lín. 2) TÝnh chÞu nhiÖt ®é cao kÐm: khi nung nãng ®é bÒn cao cña tr¹ng th¸i t«i gi¶m ®i nhanh chãng do mactenxit bÞ ph©n hãa ë trªn 200oC, ë trªn 570oC bÞ «xy hãa m¹nh.
172 3) Kh«ng cã c¸c tÝnh chÊt vËt lý hãa häc ®Æc biÖt nh: cøng nãng, chèng ¨n mßn. C¸c thÐp hîp kim tr¸nh ®îc c¸c nhîc ®iÓm nµy. Do vËy trong thùc tÕ thÐp cacbon ®îc dïng lµm c¸c chi tiÕt víi mÆt c¾t ngang nhá, h×nh d¹ng ®¬n gi¶n, chÞu t¶i träng nhÑ vµ võa ph¶i, lµm viÖc ë nhiÖt ®é thêng; trong khi ®ã c¸c thÐp hîp kim ®îc dïng cho c¸c trêng hîp ngîc l¹i. 5.1.2. ThÐp hîp kim Trong kü thuËt dïng ngµy cµng nhiÒu thÐp hîp kim vµo c¸c môc ®Ých quan träng. a. Thµnh phÇn hãa häc Kh¸c víi thÐp cacbon, thÐp hîp kim lµ lo¹i thÐp mµ ngêi ta cè ý ®a thªm vµo (kh«ng ph¶i do yªu cÇu th«ng thêng cña c«ng nghÖ luyÖn kim) c¸c nguyªn tè cã lîi víi lîng ®ñ lín ®Ó lµm thay ®æi tæ chøc vµ c¶i thiÖn tÝnh chÊt (c¬, lý, hãa). C¸c nguyªn tè cã lîi ®îc ®a vµo mét c¸ch ®Æc biÖt víi lîng ®ñ lín nh vËy ®îc gäi lµ nguyªn tè hîp kim, chóng bao gåm c¸c nguyªn tè víi hµm lîng lín h¬n c¸c giíi h¹n cho tõng nguyªn tè (kh«ng cã gi¸ trÞ chung cho mäi nguyªn tè) nh sau: Mn ≥ 0,80 ÷ 1,00%, Si ≥ 0,50 ÷ 0,80%, Cr ≥ 0,50 ÷ 0,80%, Ni ≥ 0,50 ÷ 0,80%, W ≥ 0,10 ÷ 0,50%, Mo ≥ 0,05 ÷ 0,20%, Ti ≥ 0,10%, Cu ≥ 0,30, B ≥ 0,0005%. Nhá h¬n giíi h¹n díi kÓ trªn ®îc coi lµ t¹p chÊt. Tuy nhiªn c¸c giíi h¹n trªn còng chØ lµ quy íc vµ kh«ng cøng nh¾c mét c¸ch qu¸ chÆt chÏ. ThÐp hîp kim lµ lo¹i cã chÊt lîng tõ tèt trë lªn nªn chøa Ýt vµ rÊt Ýt c¸c t¹p chÊt cã h¹i. b. C¸c ®Æc tÝnh cña thÐp hîp kim ë ®©y nãi kü h¬n c¸c ®Æc tÝnh tréi h¬n h¼n cña thÐp hîp kim so víi thÐp cacbon (thÐp cacbon t¬ng ®¬ng ®îc mang ra ®èi chøng ph¶i lµ lo¹i cã cïng thµnh phÇn cacbon víi thÐp hîp kim ®∙ cho). C¬ tÝnh Do mét sè yÕu tè mµ chñ yÕu lµ do tÝnh thÊm t«i cao h¬n nªn thÐp hîp kim cã ®é bÒn cao h¬n h¼n so víi thÐp cacbon, ®iÒu nµy thÓ hiÖn ®Æc biÖt râ rµng ë thÐp sau khi t«i + ram. Khi hÕt søc tËn dông u ®iÓm nµy cÇn chó ý ®Õn ®Õn c¸c hÖ qu¶ sau ®©y: - ë tr¹ng th¸i kh«ng t«i + ram (vÝ dô ë tr¹ng th¸i ñ), ®é bÒn cña thÐp hîp kim kh«ng cao h¬n thÐp cacbon bao nhiªu. Cho nªn ®∙ dïng thÐp hîp kim th× ph¶i qua nhiÖt luyÖn t«i + ram. NÕu dïng thÐp hîp kim ë tr¹ng th¸i cung cÊp (sau c¸n nãng, gÇn nh thêng hãa) hay ñ lµ sù l∙ng phÝ lín vÒ ®é bÒn. - u viÖt vÒ ®é bÒn cao cña thÐp hîp kim cµng râ khi tiÕt diÖn cña thÐp cµng lín vµ lîng hîp kim ®ñ ®Ó b¶o ®¶m t«i thÊu. Khi tiÕt diÖn nhá (≤ 20mm) u viÖt nµy cña thÐp hîp kim kh«ng thÓ hiÖn ®îc (v× víi tiÕt diÖn nhá nh vËy thÐp cacbon còng ®îc t«i thÊu). - Do tÝnh thÊm t«i tèt, dïng m«i trêng t«i chËm (dÇu) nªn khi t«i Ýt biÕn d¹ng vµ nøt h¬n so víi thÐp cacbon lu«n ph¶i t«i níc. Do vËy c¸c chi tiÕt cã h×nh d¹ng phøc t¹p ph¶i qua t«i (do ®ßi hái vÒ ®é bÒn) ®Òu ph¶i lµm b»ng thÐp hîp kim. - Khi t¨ng møc ®é hîp kim hãa lµm t¨ng ®îc ®é thÊm t«i lµm t¨ng ®é cøng, ®é bÒn song thêng lµm gi¶m ®é dÎo, ®é dai nªn lîng hîp kim cÇn thiÕt chØ cÇn võa ®ñ b¶o ®¶m t«i thÊu tiÕt diÖn ®∙ cho lµ ®ñ, kh«ng nªn dïng thõa (dïng thÐp
173 hîp kim qu¸ cao võa ®¾t võa khã gia c«ng l¹i dÔ bÞ ph¸ hñy gißn h¬n). Do vËy cã nguyªn t¾c lµ chän m¸c thÐp hîp kim cao hay thÊp lµ phô thuéc kÝch thíc (tiÕt diÖn). - Tuy ®¹t ®é bÒn cao h¬n nhng thêng cã ®é dÎo, ®é dai thÊp h¬n. Do vËy ph¶i chó ý ®Õn mèi quan hÖ ngîc nµy ®Ó cã xö lý thÝch hîp (b»ng ram). MÆc dÇu cã u ®iÓm vÒ ®é bÒn, nãi chung thÐp hîp kim cã tÝnh c«ng nghÖ kÐm h¬n thÐp cacbon (trõ tÝnh thÊm t«i). TÝnh chÞu nhiÖt ®é cao C¸c nguyªn tè hîp kim c¶n trë sù khuÕch t¸n cña cacbon do ®ã lµm mactenxit khã ph©n hãa vµ cacbit khã kÕt tô ë nhiÖt ®é cao h¬n 200oC, do vËy t¹i c¸c nhiÖt ®é nµy thÐp hîp kim bÒn h¬n. Mét sè thÐp hîp kim víi líp v¶y «xyt t¹o thµnh ë nhiÖt ®é cao kh¸ xÝt chÆt, cã tÝnh b¶o vÖ tèt. TÝnh chÊt vËt lý, hãa häc ®Æc biÖt B»ng c¸ch ®a vµo thÐp c¸c nguyªn tè kh¸c nhau víi lîng lín quy ®Þnh cã thÓ t¹o ra cho thÐp c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt: - kh«ng gØ, chèng ¨n mßn trong axit, bad¬, muèi, - tõ tÝnh ®Æc biÖt hoÆc kh«ng cã tõ tÝnh, - gi∙n në nhiÖt ®Æc biÖt... Qua ®ã thÊy r»ng thÐp hîp kim lµ vËt liÖu cÇn thiÕt, kh«ng thÓ thiÕu cho nh÷ng ngµnh kü thuËt quan träng ®ßi hái c¸c tÝnh chÊt cao hoÆc kh¸c víi th«ng thêng. c. T¸c dông cña nguyªn tè hîp kim ®Õn tæ chøc cña thÐp Mét c¸ch ®¬n gi¶n cã thÓ xem mét thÐp hîp kim ®¬n gi¶n (chØ cã mét nguyªn tè hîp kim) lµ ®a thªm nguyªn tè hîp kim vµo hîp kim Fe - C. VËy h∙y xem nguyªn tè hîp kim ¶nh hëng nh thÕ nµo ®Õn hîp kim Fe - C mµ ta ®∙ nghiªn cøu, cô thÓ lµ ®Õn c¸c tæ chøc chÝnh: c¸c dung dÞch r¾n ferit, austenit, hîp chÊt xªmentit (pha cacbit), tæ chøc peclit (hçn hîp ferit - cacbit)... C¸c nguyªn tè khi ®a vµo thÐp còng kh«ng ngoµi hai t¸c dông: hßa tan vµo s¾t thµnh dung dÞch r¾n vµ kÕt hîp víi cacbon thµnh cacbit. Còng khã ph©n lo¹i r¹ch rßi song cã thÓ t¹m chia thµnh hai d¹ng nguyªn tè hîp kim ®Ó tiÖn kh¶o s¸t: d¹ng chñ yÕu hßa tan vµo s¾t vµ d¹ng cã ¸i lùc m¹nh víi cabon t¹o nªn cacbit. H∙y xÐt tõng kh¶ n¨ng. Hßa tan vµo s¾t thµnh dung dÞch r¾n §ã lµ trêng hîp cña phÇn lín nguyªn tè mµ ®iÓn h×nh vµ thêng gÆp lµ Mn, Si, Cr, Ni. Víi lîng Ýt nguyªn tè hîp kim (kho¶ng vµi %) chóng kh«ng lµm thay ®æi ®¸ng kÓ cÊu h×nh cña gi¶n ®å pha Fe - C, chóng hßa tan vµo s¾t tøc ferit ë nhiÖt ®é thÊp vµ austenit ë nhiÖt ®é cao. Khi hßa tan (tÊt nhiªn lµ ë d¹ng thay thÕ) vµo ferit, c¸c nguyªn tè hîp kim lµm x« lÖch m¹ng do ®ã lµm t¨ng ®é cøng, ®é bÒn vµ thêng lµm gi¶m ®é dÎo, ®é dai. ¶nh hëng cña bèn nguyªn tè trªn ®Õn hai chØ tiªu ®iÓn h×nh lµ ®é cøng vµ ®é dai ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 5.2. Qua ®ã thÊy râ cã hai nhãm kh¸c nhau: Mn vµ Si, Cr vµ Ni. Hai nguyªn tè Mn vµ Si lµm t¨ng rÊt m¹nh ®é cøng (®é bÒn) song còng lµm gi¶m m¹nh ®é dai (®é dÎo), ®Æc biÖt khi thÐp chøa 2%Si hoÆc 3,5%Mn ferit ®∙ cã ®é dai rÊt thÊp (≤ 500kJ/m2) lµm thÐp gißn kh«ng cho phÐp sö dông. Do vËy mÆc dÇu cã lîi thÕ lµ rÎ h¬n, kh¶ n¨ng hãa bÒn cao Mn vµ Si chØ ®îc dïng víi hµm lîng h¹n chÕ 1 ÷ 2%. Nh thÕ kh«ng thÓ dïng thÐp Mn, Si víi ®é thÊm t«i cao v× bÞ h¹n chÕ bëi lîng ®a vµo. Cßn Ni vµ Cr (cho tíi hµm lîng 4%) trong khi lµm t¨ng ®é cøng ch¼ng nh÷ng kh«ng lµm gi¶m cßn lµm t¨ng chót Ýt ®é dai.
174 Do vËy hîp kim hãa thÐp b»ng Cr, Ni hay ®ång thêi b»ng c¶ hai lµ rÊt tèt v× ngoµi lµm t¨ng ®é thÊm t«i, b¶n th©n chóng n©ng cao ®é cøng, ®é bÒn mµ vÉn duy tr× tèt ®é dÎo, ®é dai cña ferit. V× thÕ thÐp cã ®é thÊm t«i cao thuéc nhãm ®îc hîp kim hãa b»ng Cr - Ni. MÆc dÇu gi¸ thµnh cã cao h¬n (do Cr vµ ®Æc biÖt Ni ngµy cµng ®¾t, hiÕm) lo¹i thÐp nµy vÉn ®îc a chuéng trong chÕ t¹o c¸c chi tiÕt ®ßi hái ®é tin cËy cao. Víi lîng nhiÒu (>10%) Cr, Ni, Mn chóng lµm thay ®æi h¼n cÊu h×nh cña gi¶n ®å pha Fe - C, ®Æc biÖt râ lµ lµm thay ®æi c¸c khu vùc cña ferit vµ austenit. Trªn h×nh 5.3 tr×nh bµy ¶nh hëng cña hµm lîng Mn vµ Cr ®Õn khu vùc γ (austenit) cña gi¶n ®å pha Fe - C. ThÊy rÊt râ Mn (vµ c¶ Ni n÷a) më réng (nhiÖt ®é tån t¹i cña) khu vùc γ (t¬ng øng thu hÑp khu vùc α). Víi hµm lîng lín trong kho¶ng 10 ÷ 20% tæ chøc austenit tån t¹i c¶ ë nhiÖt ®é thêng (kh«ng biÓu thÞ ë h×nh 5.3a), tøc lµ khi nung nãng hay lµm nguéi kh«ng cã chuyÓn biÕn pha nh thêng gÆp, thÐp ®îc gäi lµ thÐp austenit. Cßn Cr ngîc l¹i thu hÑp khu vùc γ (t¬ng øng më réng khu vùc α nh ë h×nh 5.3b). Víi hµm lîng Cr ®ñ lín (kho¶ng gÇn 20%) khu vùc γ kh«ng cßn tån t¹i, tæ chøc ferit tån t¹i c¶ ë nhiÖt ®é cao cho tíi khi ch¶y láng. ThÐp nµy còng kh«ng cã chuyÓn biÕn pha vµ ®îc gäi lµ thÐp ferit. Nh÷ng trêng hîp nh vËy chØ gÆp ë thÐp ®Æc biÖt. Râ rµng lµ c¸c thÐp nµy kh«ng thÓ ¸p dông hãa bÒn b»ng t«i. H×nh 5.2. ¶nh hëng cña ®é hßa tan cña c¸c nguyªn tè hîp kim chñ yÕu trong dung dÞch r¾n ferit ®Õn ®é cøng (a) vµ ®é dai va ®Ëp (b) T¹o thµnh cacbit Trõ c¸c nguyªn tè Si, Ni, Al, Cu, Co kh«ng t¹o thµnh ®îc cacbit trong thÐp (chØ cã thÓ hßa tan vµo s¾t), c¸c nguyªn tè hîp kim cßn l¹i gåm Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb ngoµi kh¶ n¨ng hßa tan vµo s¾t cßn cã thÓ kÕt hîp víi cacbon thµnh cacbit. Ngêi ta nhËn thÊy r»ng sè ®iÖn tö cña ph©n líp nd (3d, 4d, 5d) trong nguyªn tö cña nguyªn tè nµo cµng bÞ thiÕu th× nguyªn tè ®ã cµng cã ¸i lùc m¹nh víi cacbon vµ tÊt nhiªn lµ trong thÐp (chñ yÕu lµ s¾t) chØ nguyªn tè nµo cã sè ®iÖn tö cña ph©n líp nd Ýt h¬n cña Fe (lµ 6) th× míi cã kh¶ n¨ng t¹o thµnh ®îc cacbit. Phï hîp víi sè thiÕu hôt cña ®iÖn tö, c¸c nguyªn tè t¹o thµnh cacbit trong thÐp theo thø tù tõ yÕu ®Õn m¹nh nh sau:
175 Fe (6), Mn (5), Cr (5), Mo (5), W (4), V (3), Ti (2), Zr (2), Nb (2) [sè trong ngoÆc lµ sè ®iÖn tö trong ph©n líp nd], trong ®ã: - Mn vµ Cr lµ c¸c nguyªn tè t¹o thµnh cacbit trung b×nh, - Mo vµ W lµ c¸c nguyªn tè t¹o thµnh kh¸ m¹nh, - V lµ nguyªn tè t¹o thµnh cacbit m¹nh, vµ - Ti, Zr, Nb lµ c¸c nguyªn tè t¹o thµnh cacbit rÊt m¹nh. H×nh 5.3. ¶nh hëng cña Mn (a) vµ Cr (b) ®Õn c¸c vïng α vµ γ trªn gi¶n ®å Fe-C. Khi ®a vµo thÐp c¸c nguyªn tè nµy, cacbon sÏ u tiªn kÕt hîp víi c¸c nguyªn tè m¹nh tríc. Tïy theo nguyªn tè hîp kim (Me) ®a vµo vµ hµm lîng cña nã, trong thÐp hîp kim cã c¸c pha cacbit sau. - Xªmentit hîp kim (Fe, Me)3C. Khi thÐp chøa mét lîng Ýt (1 ÷ 2%) c¸c nguyªn tè t¹o cacbit trung b×nh vµ kh¸ m¹nh lµ Mn, Cr, Mo, W chóng hßa tan thay thÕ vÞ trÝ c¸c nguyªn tö Fe trong xªmentit t¹o nªn xªmentit hîp kim (Fe, Me)3C. Xªmentit hîp kim cã tÝnh æn ®Þnh cao (khã ph©n hñy, kÕt tô khi nung) h¬n xªmentit chót Ýt. NhiÖt ®é t«i cã t¨ng ®«i chót. - Cacbit víi kiÓu m¹ng phøc t¹p. Khi hîp kim hãa ®¬n gi¶n (chØ b»ng mét nguyªn tè hîp kim) song víi lîng lín (> 10%) Cr hoÆc Mn (cã dC / dMe > 0,59) chóng t¹o nªn víi C lo¹i cacbit víi kiÓu m¹ng phøc t¹p (xem l¹i môc pha xen kÏ 3.1.3b) nh: Cr7C3, C23C6, Mn3C. C¸c ®Æc tÝnh cña cacbit nµy lµ: + cã ®é cøng cao (h¬n xªmentit mét chót), + cã nhiÖt ®é ch¶y kh«ng cao l¾m, trong kho¶ng 1550 ÷ 1850oC (cao h¬n xªmentit), nªn cã tÝnh æn ®Þnh cao h¬n. NhiÖt ®é t«i cña thÐp ph¶i cao h¬n 1000oC. - Cacbit kiÓu Me6C. Trong c¸c thÐp chøa Cr víi W hoÆc Mo sÏ t¹o nªn cacbit lo¹i Me6C víi kiÓu m¹ng phøc t¹p, trong ®ã Me lµ c¸c nguyªn tè Cr, W, Mo vµ c¶ Fe. Lo¹i cacbit nµy cßn khã hßa tan vµo austenit h¬n vµ æn ®Þnh h¬n lo¹i trªn. NhiÖt ®é t«i cña thÐp trong kho¶ng 1200 ÷ 1300oC (xem môc thÐp giã 5.4.2c). - Cacbit víi kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n MeC (Me2C). C¸c nguyªn tè t¹o thµnh cacbit m¹nh vµ rÊt m¹nh lµ V, Ti, Zr, Nb khi ®a vµo thÐp víi lîng Ýt (0,1%) còng cã kh¶ n¨ng liªn kÕt hÕt víi cacbon thµnh cacbit nh VC, TiC, ZrC, NbC, chóng chÝnh lµ pha xen kÏ víi kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n (v× dC / dMe < 0,59). C¸c ®Æc tÝnh cña lo¹i cacbit nµy lµ: + cã ®é cøng cao nhng Ýt gißn h¬n xªmentit,
176 + cã nhiÖt ®é ch¶y rÊt cao (trªn díi 3000oC) nªn rÊt khã ph©n hñy vµ hßa tan vµo austenit khi nung. C¸c nguyªn tè nµy kh«ng cã t¸c dông t¨ng ®é thÊm t«i, cacbit cña chóng thêng ®ãng vai trß gi÷ cho h¹t nhá vµ n©ng cao tÝnh chèng mµi mßn. Nh vËy c¸c cacbit hîp kim cøng h¬n, æn ®Þnh h¬n, khã hßa tan vµo austenit h¬n so víi xªmentit lµm thÐp hîp kim cøng, bÒn nãng h¬n vµ cã nhiÖt ®é t«i cao h¬n thÐp cacbon. Do c¸c nhãm thÐp sö dông c¸c lo¹i nguyªn tè hîp kim vµ lîng chøa kh¸c nhau nªn nãi chung mçi nhãm thÐp thêng chØ gÆp 1 ÷ 2 lo¹i cacbit kÓ trªn, cô thÓ lµ: + xªmentit hîp kim trong thÐp kÕt cÊu, + cacbit víi kiÓu m¹ng phøc t¹p trong thÐp kh«ng gØ vµ bÒn nãng (thuéc nhãm thÐp ®Æc biÖt), + cacbit kiÓu Me6C trong thÐp giã (thuéc thÐp dông cô), + cacbit víi kiÓu m¹ng ®¬n gi¶n MeC ®îc t¹o thµnh víi lîng Ýt trong c¸c nhãm thÐp kh¸c nhau. Vai trß cña cacbit hîp kim - Gièng nh xªmentit, cacbit hîp kim còng cã t¸c dông lµm t¨ng ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn cña thÐp song cã phÇn m¹nh h¬n. Nh sau nµy sÏ thÊy thÐp lµm dông cô tèt nhÊt ph¶i lµ lo¹i thÐp cã cacbon cao vµ hîp kim cao. - Do khã hßa tan vµo austenit khi nung nãng nªn mét mÆt n©ng cao nhiÖt ®é t«i mÆt kh¸c l¹i gi÷ ®îc h¹t nhá khi nung, ®iÒu nµy gióp n©ng cao ®é dai vµ c¬ tÝnh nãi chung. - Khi ram, cacbit hîp kim tiÕt ra khái mactenxit vµ kÕt tô l¹i ë nhiÖt ®é cao h¬n so víi xªmentit ë trong thÐp cacbon, do ®ã gi÷ ®îc ®é cøng cao cña tr¹ng th¸i t«i ë nhiÖt ®é cao h¬n 200oC, ®«i khi tíi 500 ÷ 600oC, tøc cã tÝnh cøng hay bÒn nãng. d. ¶nh hëng cña nguyªn tè hîp kim ®Õn qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn C¸c nguyªn tè hîp kim cã ¶nh hëng lín ®Õn qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn, ®Æc biÖt lµ t«i + ram, do vËy sÏ ¶nh hëng lín ®Õn c¬ tÝnh, ®©y lµ ®Æc tÝnh næi bËt cña thÐp hîp kim. H∙y xÐt tíi tõng mÆt vµ tõng qu¸ tr×nh cña nhiÖt luyÖn. ChuyÓn biÕn khi nung nãng ®Ó t«i Trõ mét sè thÐp ®Æc biÖt, c¸c thÐp hîp kim th«ng thêng cßn l¹i vÉn cã tæ chøc peclit, nªn khi nung nãng ®Ó t«i vÉn cã c¸c chuyÓn pha: peclit → austenit, cacbit hßa tan vµo austenit, h¹t austenit ph¸t triÓn (nh thÐp cacbon víi pha cacbit lµ xªmentit) song cã c¸c ®iÓm ®Æc trng sau: - Sù hßa tan cacbit hîp kim khã h¬n, ®ßi hái nhiÖt ®é t«i cao h¬n vµ thêi gian gi÷ nhiÖt dµi h¬n so víi xªmentit trong thÐp cacbon. H∙y so s¸nh c¸c thÐp cïng cã 1,00%C nhng víi lîng hîp kim cao thÊp kh¸c nhau: + thÐp cacbon 1,00%C (m¸c CD100), Fe3C, nhiÖt ®é t«i kho¶ng 780oC, + thÐp hîp kim thÊp 1,00%C + 1,50%Cr (thÐp æ l¨n), (Fe,Cr)3C, nhiÖt ®é t«i kho¶ng 830oC, + thÐp hîp kim cao 1,00%C + 12,0%Cr (thÐp khu«n dËp), Cr23C6, nhiÖt ®é t«i > 1000oC. - Cacbit hîp kim do khã hßa tan vµo austenit, n»m ë biªn giíi h¹t, nh hµng rµo gi÷ cho h¹t nhá. T¸c dông nµy rÊt m¹nh víi Ti, Zr, Nb, m¹nh víi V, t¬ng ®èi m¹nh víi W, Mo. Riªng thÐp cã Mn l¹i cã khuynh híng lµm to h¹t austenit. C¸c
177 nguyªn tè hîp kim cßn l¹i Cr, Ni, Si, Al ®îc coi lµ trung tÝnh. ChÝnh v× vËy thÐp hîp kim thêng gi÷ ®îc h¹t nhá h¬n thÐp cacbon khi c¶ hai cïng bÞ nung nãng ë cïng nhiÖt ®é (vÝ dô khi thÊm cacbon). Sù ph©n hãa ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi vµ ®é thÊm t«i §©y lµ t¸c dông quan träng nhÊt vµ ®iÓn h×nh nhÊt, cÇn n¾m v÷ng vµ tËn dông triÖt ®Ó. Sù ph©n hãa ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi. Khi hßa tan vµo austenit, tÊt c¶ c¸c nguyªn tè hîp kim (trõ Co) víi c¸c møc ®é kh¸c nhau ®Òu lµm chËm tèc ®é ph©n hãa ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi tøc lµ lµm ®êng cong ch÷ "C" dÞch sang ph¶i do ®ã lµm gi¶m tèc ®é t«i tíi h¹n Vt.h (h×nh 5.4a). Trong ®ã ®¸ng ®Ó ý: c¸c nguyªn tè cã t¸c dông rÊt m¹nh lµ Mo (khi riªng rÏ) vµ Cr - Ni (khi kÕt hîp), m¹nh lµ Cr, Mn, B. Víi cïng tæng lîng hîp kim, khi hîp kim hãa phøc t¹p lµm gi¶m Vth m¹nh h¬n khi hîp kim hãa ®¬n gi¶n. CÇn chó ý lµ khi nguyªn tè hîp kim kh«ng hßa tan vµo austenit mµ ë d¹ng cacbit kh«ng nh÷ng kh«ng lµm t¨ng mµ cßn lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi, dÉn tíi t¨ng Vt.h. §é thÊm t«i. Do lµm gi¶m Vt.h, c¸c nguyªn tè hîp kim (trõ Co) khi hßa tan vµo austenit ®Òu lµm t¨ng ®é thÊm t«i (h×nh 5.4b). Nh thÊy râ tõ h×nh vÏ, do ®êng cong ch÷ "C" trong thÐp hîp kim dÞch sang ph¶i nªn cã Vt.h2 < Vt.h1 cña thÐp cacbon, t¬ng øng δ2 lµ ®é thÊm t«i cña thÐp hîp kim, δ1 - ®é thÊm t«i cña thÐp cacbon, ta lu«n cã δ2 > δ1. Nhê hiÖu qu¶ nµy trong thÐp hîp kim cã thÓ x¶y ra c¸c trêng hîp sau mµ ta kh«ng thÓ gÆp trong thÐp cacbon: - Vt.h bÐ ®Õn møc nhá h¬n c¶ Vnguéi cña lâi, do ®ã sau khi t«i lâi còng cã tæ chøc mactenxit, ®©y lµ trêng hîp t«i thÊu. H×nh 5.4. So s¸nh gi¶n ®å T - T - T, Vth (a) vµ ®é thÊm t«i (b) gi÷a thÐp cacbon vµ thÐp hîp kim. - Vnguéi trong kh«ng khÝ còng cã thÓ lín h¬n Vt.h, do ®ã thêng hãa còng ®¹t ®îc tæ chøc mactenxit, ®ã lµ hiÖn tîng tù t«i (trong khi ®ã thêng hãa thÐp cacbon chØ ®¹t ®îc xoocbit lµ cïng). Do ®é thÊm t«i t¨ng lªn sÏ cã hai hiÖu qu¶ chÝnh sau ®©y:
178 1) HiÖu qu¶ hãa bÒn cña t«i + ram t¨ng lªn râ rÖt, ®Æc biÖt khi t«i thÊu sÏ ®¹t tíi c¬ tÝnh cao vµ ®ång nhÊt trªn toµn tiÕt diÖn, n©ng cao m¹nh søc chÞu t¶i cña chi tiÕt. V× thÕ: - §Ó ph¸t huy hÕt kh¶ n¨ng chÞu t¶i cña chi tiÕt b»ng thÐp hîp kim, ph¶i sö dông nã ë tr¹ng th¸i t«i + ram, cã nh vËy míi ®¹t hiÖu qu¶ kinh tÕ (v× thÐp hîp kim ®¾t h¬n). - Víi tiÕt diÖn cµng lín cµng ph¶i dïng thÐp hîp kim vµ dïng nã cµng hiÖu qu¶. Do vËy ph¶i c¨n cø vµo tiÕt diÖn vµ c¬ tÝnh yªu cÇu mµ chän m¸c thÐp: tiÕt diÖn cµng lín, ®é bÒn ®ßi hái cµng cao, lîng hîp kim trong thÐp cµng ph¶i cao ®Ó cã thÓ t«i thÊu. 2) Khi t«i cã thÓ dïng c¸c m«i trêng nguéi chËm mµ vÉn ®¹t ®îc mactenxit nh t«i trong dÇu, trong muèi nãng ch¶y (ph©n cÊp hay ®¼ng nhiÖt), ®iÒu nµy dÉn ®Õn c¸c u viÖt sau: - Chi tiÕt, dông cô víi h×nh d¹ng phøc t¹p khi t«i kh«ng sî g∙y, nøt. Trong khi ®ã nÕu lµm b»ng thÐp cacbon ph¶i t«i trong níc dÔ sinh vì. - Ýt biÕn d¹ng, trong nhiÒu trêng hîp cã ®é cong vªnh díi møc cho phÐp, ®Æc biÖt khi t«i ph©n cÊp hay ®¼ng nhiÖt. ChuyÓn biÕn mactenxit Khi hßa tan vµo austenit, c¸c nguyªn tè hîp kim (trõ Co, Al, Si) ®Òu h¹ thÊp nhiÖt ®é chuyÓn biÕn austenit thµnh mactenxit, do ®ã lµm t¨ng lîng austenit d sau khi t«i (xem l¹i phÇn gi¶i thÝch ë h×nh 4.13). Cø 1% nguyªn tè hîp kim lµm gi¶m Ms nh sau: Mn - 45oC, Cr - 35oC, Ni - 26oC, Mo - 25oC, cßn Co lµm t¨ng 12oC, Al lµm t¨ng 18oC, Si kh«ng ¶nh hëng g×. Do austenit d t¨ng m¹nh ë c¸c thÐp cã cacbon cao - hîp kim cao, ®é cøng sau khi t«i cã thÓ bÞ sôt 1 ÷ 10 ®¬n vÞ HRC so víi møc cao nhÊt cã thÓ ®¹t ®îc. Tuy ®©y lµ nhîc ®iÓm song hoµn toµn cã thÓ kh¾c phôc ®îc b»ng gia c«ng l¹nh hay ram nhiÒu lÇn ë nhiÖt ®é thÝch hîp ®Ó austenit d → mactenxit, ®é cøng l¹i ®¹t ®îc møc cao nhÊt. e. ChuyÓn biÕn khi ram Nãi chung c¸c nguyªn tè hîp kim hßa tan trong mactenxit ®Òu c¶n trë sù ph©n hãa cña pha nµy khi ram hay nãi cô thÓ h¬n lµ lµm t¨ng c¸c nhiÖt ®é chuyÓn biÕn khi ram. Së dÜ nh vËy lµ v× c¸c nguyªn tè hîp kim c¶n trë sù khuÕch t¸n cña cacbon. §Æc biÖt W, Mo, Cr cã ¸i lùc kh¸ m¹nh víi cacbon cã xu híng gi÷ cacbon l¹i trong mactenxit, do ®ã duy tr× ®é cøng cao ë nhiÖt ®é cao h¬n. VÝ dô, sù tiÕt ra cacbit hîp kim ra khái mactenxit ë c¸c nhiÖt ®é sau: - xªmentit Fe3C ë 200oC, - xªmentit hîp kim (Fe,Me)3C ë 250 ÷ 300oC, - cacbit cr«m Cr7C3, Cr23C6 ë 400 ÷ 450oC, - cacbit Fe3W3C lo¹i Me6C ë 550 ÷ 600oC, (VC, TiC, ZrC, NbC kh«ng hßa tan khi nung nãng nªn kh«ng tiÕt ra). Nhê vËy dÉn ®Õn c¸c hiÖu øng sau. - N©ng cao tÝnh chÞu nhiÖt ®é cao, tÝnh bÒn nãng, tÝnh cøng nãng. - Do khuÕch t¸n khã kh¨n cacbit t¹o thµnh rÊt ph©n t¸n vµ nhá mÞn, lµm t¨ng ®é cøng vµ tÝnh chèng mµi mßn, ®îc gäi lµ hãa cøng ph©n t¸n. Sù t¨ng ®é cøng khi ram thÐp hîp kim ë nhiÖt ®é thÝch hîp lµm cho austenit d → mactenxit vµ cacbit tiÕt ra ë d¹ng ph©n t¸n, nhá mÞn ®îc gäi lµ ®é cøng thø hai. - Cïng ram hay cïng lµm viÖc ë mét nhiÖt ®é, thÐp hîp kim bao giê còng cã
179 ®é cøng, ®é bÒn cao h¬n. §iÒu nµy còng cã nghÜa ®Ó cïng ®¹t ®é cøng ®é bÒn nh nhau, ph¶i ram thÐp hîp kim ë nhiÖt ®é cao h¬n nªn khö bá ®îc øng suÊt bªn trong nhiÒu h¬n v× thÕ thÐp cã thÓ b¶o ®¶m ®é dai tèt. Tãm t¾t c¸c t¸c dông tèt cña nguyªn tè hîp kim lµ: + khi hßa tan vµo dung dÞch r¾n: • ferit lµm t¨ng x« lÖch m¹ng g©y hãa bÒn (cacbon còng cã t¸c dông nµy song chØ ë tr¹ng th¸i t«i, sau khi ram bÞ gi¶m rÊt m¹nh), • austenit lµm t¨ng tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi, gi¶m Vt.h, t¨ng ®é thÊm t«i, thÐp t«i Ýt biÕn d¹ng vµ g∙y vì h¬n nhê dïng dÇu vµ c¸c m«i trêng nguéi chËm h¬n. + khi t¹o thµnh cacbit hîp kim: • b¶n th©n pha nµy cøng vµ chèng mµi mßn h¬n xªmentit, khã hßa tan khi nung gi÷ cho h¹t nhá, • khã tiÕt ra khái mactenxit h¬n nªn g©y nªn bÒn nãng vµ cøng nãng, • khi ram ®îc tiÕt ra díi d¹ng phÇn tö nhá mÞn, ph©n t¸n g©y hãa bÒn. f. C¸c khuyÕt tËt cña thÐp hîp kim Tuy cã nhiÒu u viÖt, thÐp hîp kim ®«i khi còng thÓ hiÖn mét sè khuyÕt tËt cÇn biÕt ®Ó phßng tr¸nh. Thiªn tÝch ThÐp hîp kim, ®Æc biÖt lµ lo¹i ®îc hîp kim hãa cao víi nhiÒu thµnh phÇn hãa häc phøc t¹p, sau khi kÕt tinh sÏ cã tæ chøc kh«ng ®ång nhÊt, khi c¸n sÏ t¹o nªn tæ chøc thí lµm c¬ tÝnh chªnh lÖch m¹nh gi÷a c¸c ph¬ng däc vµ ngang (cã khi chªnh lÖch tíi 50 ÷ 70% hay h¬n n÷a). Kh¾c phôc b»ng ñ khuÕch t¸n råi ®em c¸n nãng, song nhiÒu khi ë c¸c b¸n thµnh phÈm cã tiÕt diÖn lín vÉn cßn thÊy d¹ng khuyÕt tËt nµy. Râ rµng tiÕt diÖn cña s¶n phÈm c¸n cµng nhá d¹ng khuyÕt tËt nµy cµng Ýt thÓ hiÖn. Tuy c¸c nhµ m¸y luyÖn kim ph¶i chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ lo¹i khuyÕt tËt nµy song nÕu bÞ lät líi, c¸c nhµ m¸y c¬ khÝ ph¶i tiÕn hµnh biÕn d¹ng nãng l¹i víi møc ®é lín. §èm tr¾ng §ã lµ d¹ng khuyÕt tËt: trªn mÆt cña mét sè thÐp hîp kim cã c¸c vÕt nøt nhá ë d¹ng ®èm tr¾ng. Nguyªn nh©n lµ hy®r« hßa tan vµo thÐp láng råi n»m l¹i trong thÐp r¾n. ë tr¹ng th¸i r¾n do gi¶m ®ét ngét ®é hßa tan ë díi 200oC, hy®r« tho¸t ra m¹nh, g©y ra nøt. §èm tr¾ng lµ phÕ phÈm kh«ng ch÷a ®îc, nã chØ thÓ hiÖn trong thÐp cã ®é thÊm t«i cao nh Cr - Ni, Cr - Ni - Mo, Cr - Ni - W khi c¸n nãng (khi ®óc kh«ng xuÊt hiÖn ®èm tr¾ng do c¸c rç co ph©n t¸n lµ tói chøa hy®r«). ë nhµ m¸y luyÖn kim ngêi ta ng¨n ngõa khuyÕt tËt nµy b»ng c¸ch gi¶m h¬i níc trong khÝ quyÓn, sÊy kh« mÎ luyÖn (c¶ mÎ liÖu - s¾t thÐp vôn lÉn trî dung - v«i) vµ lµm nguéi thËt chËm sau khi c¸n ®Ó hy®r« kÞp tho¸t ra. Hai d¹ng khuyÕt tËt trªn ph¶i ®îc khö bá ngay ë nhµ m¸y luyÖn kim, rÊt Ýt gÆp ë nhµ m¸y c¬ khÝ, n¬i chØ gia c«ng tiÕp tôc c¸c b¸n thµnh phÈm c¸n thµnh s¶n phÈm c¬ khÝ víi h×nh d¹ng, kÝch thíc, c¬ tÝnh theo quy ®Þnh. Gißn ram §èi víi thÐp cacbon, khi t¨ng nhiÖt ®é ram ®é dai t¨ng lªn liªn tôc cho ®Õn 650oC (vît qu¸ sÏ t¹o ra peclit - hçn hîp ferit - xªmentit th«, ®é dai gi¶m ®i), cßn ®èi víi thÐp hîp kim thÊy cã hai cùc tiÓu vÒ ®é dai ë hai kho¶ng nhiÖt ®é ram (h×nh 5.5) mµ ta gäi lµ gißn ram, øng víi hai cùc tiÓu ®ã lµ hai lo¹i gißn ram. Nguyªn nh©n cña chóng cha x¸c ®Þnh ®îc râ rµng.
180 Gißn ram lo¹i I (kh«ng thuËn nghÞch, kh«ng ch÷a ®îc). Lo¹i gißn ram nµy thÓ hiÖn rÊt râ ë trong thÐp hîp kim khi ram ë kho¶ng 280 ÷ 350oC (mçi m¸c cã mét kho¶ng hÑp h¬n trong ph¹m vi nµy), khi ®ã thÊy ®é dai rÊt thÊp, ®èi víi mét sè lo¹i thÐp nã cßn thÊp h¬n c¶ ë tr¹ng th¸i míi t«i. C¸c thÐp cacbon còng bÞ gißn ram lo¹i nµy vµ x¶y ra ë nhiÖt ®é thÊp h¬n. Nguyªn nh©n cã thÓ lµ do trong kho¶ng nhiÖt ®é nµy cacbit ε ®îc tiÕt ra khái mactenxit cã d¹ng tÊm hay γd → M, lµm thÐp trë nªn gißn. §©y lµ lo¹i gißn kh«ng thÓ tr¸nh ®îc, tèt h¬n c¶ lµ tr¸nh ram ë kho¶ng nhiÖt ®é g©y ra gißn ram nµy cho mçi m¸c (kho¶ng hÑp h¬n, chØ 10 ÷ 20oC so víi 70oC kÓ trªn). H×nh 5.5. ¶nh hëng cña nhiÖt ®é ®Õn ®é dai va ®Ëp cña thÐp hîp kim (cã ®èi chøng víi thÐp cacbon). Gißn ram lo¹i II (thuËn nghÞch hay cã thÓ ch÷a ®îc). Lo¹i nµy chØ x¶y ra trong thÐp ®îc hîp kim hãa b»ng Cr, Mn, Cr - Ni, Cr - Mn khi ram ë kho¶ng 500 ÷ 600oC víi c¸ch lµm nguéi th«ng thêng sau ®ã (trong kh«ng khÝ). Còng ram t¹i nhiÖt ®é ®ã song l¹i lµm nguéi nhanh sau ®ã (trong dÇu hay níc ch¶ h¹n) th× còng kh«ng cã cùc tiÓu thø hai nµy (®êng chÊm chÊm trªn h×nh vÏ). Nguyªn nh©n cã thÓ lµ nguéi chËm sau khi ram cao thóc ®Èy tiÕt ra c¸c pha gißn ë biªn giíi h¹t. Gißn ram lo¹i II lµ thuËn nghÞch tøc lµ cã thÓ bÞ l¹i nÕu ®em ram lÇn n÷a còng víi chÕ ®é nhiÖt nh trªn (500 ÷ 600oC, nguéi chËm). §©y lµ lo¹i gißn ram cã thÓ tr¸nh ®îc. BiÖn ph¸p phßng tr¸nh nh sau: - víi c¸c chi tiÕt nhá vµ trung b×nh: lµm nguéi nhanh trong dÇu, trong níc sau khi ram cao, - víi c¸c chi tiÕt lín lµm nguéi nh vËy vÉn kh«ng ®ñ nhanh ®Ó lµm mÊt gißn ram, lóc nµy ph¶i dïng thÐp cã hîp kim hãa thªm b»ng 0,20 ÷ 0,50%Mo hay 0,50 ÷ 1,00%W. g. Ph©n lo¹i thÐp hîp kim §èi víi thÐp hîp kim cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i h¬n vµ mçi lo¹i còng cho biÕt mét ®Æc trng cÇn biÕt ®Ó sö dông tèt h¬n. Theo tæ chøc c©n b»ng Theo tæ chøc c©n b»ng (ë tr¹ng th¸i ñ), víi lîng cacbon t¨ng dÇn cã thÓ lÇn lît ®îc c¸c thÐp víi tæ chøc sau: - thÐp tríc cïng tÝch: peclit + ferit tù do, - thÐp cïng tÝch: peclit, - thÐp sau cïng tÝch: peclit + cacbit tù do,
181 - thÐp lª®ªburit (cacbit): cã lª®ªburit. Riªng trêng hîp thÐp ®îc hîp kim hãa cao chñ yÕu b»ng mét trong hai nguyªn tè Cr, Mn hay Cr - Ni, sÏ cã: - thÐp ferit: lo¹i cã Cr rÊt cao (> 17%) vµ thêng rÊt Ýt cacbon, - thÐp austenit: lo¹i cã Mn cao (> 13%) vµ thêng cã cacbon cao, vµ lo¹i cã Cr (> 18%) + Ni (> 8%). Theo tæ chøc thêng hãa Theo tæ chøc thêng hãa c¸c mÉu nhá φ25, theo lîng nguyªn tè hîp kim t¨ng lªn sÏ cã c¸c thÐp sau ®©y (h×nh 5.6): - thÐp hä peclit: lo¹i hîp kim thÊp, ®êng cong ch÷ "C" s¸t trôc tung, nguéi trong kh«ng khÝ ®îc hçn hîp ferit-xªmentit tøc peclit, xoocbit, tr«xtit; phÇn lín thÐp thuéc lo¹i nµy, H×nh 5.6. Tæ chøc sau khi thêng hãa cña c¸c thÐp víi lîng hîp kim t¨ng dÇn: a. peclit, b. mactenxit, c. austenit. - thÐp hä mactenxit: lo¹i hîp kim hãa trung b×nh (> 4 ÷ 6%) vµ cao, ®êng cong ch÷ "C" dÞch sang ph¶i kh¸ m¹nh, nguéi trong kh«ng khÝ còng ®îc mactenxit, - thÐp hä austenit: lo¹i cã chøa Cr cao vµ Ni cao (> 8%) hoÆc Mn (> 13%) cao, chóng më réng khu vùc γ vµ h¹ thÊp ®iÓm Ms (< 0oC) nªn lµm nguéi trong kh«ng khÝ (chØ ®Õn nhiÖt ®é thêng, cao h¬n Ms) còng kh«ng cã chuyÓn biÕn g×, gi÷ nguyªn tæ chøc austenit. C¸ch ph©n lo¹i nµy cho biÕt tæ chøc cña thÐp ë tr¹ng th¸i cung cÊp (sau c¸n nãng lµm nguéi trong kh«ng khÝ). Theo nguyªn tè hîp kim Dùa vµo tªn nguyªn tè hîp kim chÝnh ®a vµo ®Ó gäi, nh: - ThÐp chØ cã mét nguyªn tè hîp kim chÝnh nh Cr, Mn ®îc lÇn lît gäi lµ thÐp cr«m, thÐp mangan, chóng lµ c¸c thÐp hîp kim (hãa) ®¬n gi¶n. - ThÐp cã hai hay nhiÒu nguyªn tè hîp kim nh Cr - Ni, Cr - Ni - Mo ®îc lÇn lît gäi lµ thÐp cr«m - niken, thÐp cr«m - niken - m«lip®en, chóng lµ c¸c thÐp hîp kim (hãa) phøc t¹p.
182 Theo tæng lîng nguyªn tè hîp kim Theo tæng (hµm) lîng cña c¸c nguyªn tè hîp kim cã trong thÐp tõ thÊp ®Õn cao, ngêi ta chia ra: - ThÐp hîp kim thÊp: lo¹i cã tæng lîng < 2,5% (thêng lµ thÐp peclit). - ThÐp hîp kim trung b×nh: lo¹i cã tæng lîng tõ 2,5 ®Õn 10% (thêng lµ thÐp hä tõ peclit ®Õn mactenxit). - ThÐp hîp kim cao: lo¹i cã tæng lîng >10% (thêng lµ hä mactenxit hay austenit) Trong s¸ch nµy dïng theo c¸ch ph©n lo¹i trªn ®∙ quen thuéc ë níc ta, theo ΓOCT. Tuy nhiªn c¸c níc trªn thÕ giíi quan niÖm hîp kim hãa cao thÊp kh«ng gièng nhau. Trung Quèc còng cã ba lo¹i nh trªn song ranh giíi gi÷a thÊp vµ trung b×nh lµ 5% chø kh«ng ph¶i lµ 2,5%. C¸c níc T©y ¢u chØ ph©n biÖt hai lo¹i thÊp vµ cao, trong ®ã hîp kim thÊp lµ lo¹i kh«ng chøa nguyªn tè hîp kim nµo nhiÒu h¬n 5%, cßn hîp kim cao lµ lo¹i cã Ýt nhÊt mét nguyªn tè nhiÒu h¬n 5%. Theo c«ng dông Theo c«ng dông ngêi ta chia thÐp hîp kim ra lµm ba nhãm: - thÐp hîp kim kÕt cÊu, - thÐp hîp kim dông cô vµ - thÐp hîp kim ®Æc biÖt, trong ®ã hai nhãm ®Çu còng cã trong lo¹i thÐp cacbon, cßn nhãm thø ba th× kh«ng cã. §©y lµ nhãm víi tÝnh chÊt vËt lý - hãa häc ®Æc biÖt, thêng chøa tæng lîng hîp kim cao vµ rÊt cao (> 20%). C¸c c¸ch ph©n lo¹i trªn thêng cã quan hÖ víi nhau vµ cho biÕt mét sè ®Æc trng cña thÐp. ThÐp austenit, ferit bao giê còng lµ lo¹i thÐp ®Æc biÖt, hîp kim cao hoÆc rÊt cao, ®¾t vµ khã gia c«ng c¾t. ThÐp mactenxit lµ lo¹i thÐp rÊt dÔ t«i song rÊt khã gia c«ng c¾t ph«i ë tr¹ng th¸i cung cÊp. ThÐp lª®ªburit bao giê còng thuéc nhãm hîp kim cao - cacbon cao, rÊt cøng ®Ó lµm dông cô. ThÐp Cr - Ni bao giê còng lµ thÐp kÕt cÊu quý v× cã ®é thÊm t«i cao vµ ®é dai tèt... h. Tiªu chuÈn thÐp hîp kim Tiªu chuÈn ViÖt Nam TCVN 1759 - 75 ®∙ quy ®Þnh nguyªn t¾c ký hiÖu thÐp hîp kim theo trËt tù nh sau: - sè chØ hµm lîng cacbon trung b×nh theo phÇn v¹n, nÕu ≥ 1% cã thÓ kh«ng cÇn biÓu thÞ, - c¸c nguyªn tè hîp kim theo ký hiÖu hãa häc vµ ngay sau ®ã lµ hµm lîng theo phÇn tr¨m trung b×nh (thêng ®∙ ®îc quy trßn thµnh sè nguyªn), khi lîng chøa cña nguyªn tè kho¶ng 1% th× kh«ng cÇn biÓu thÞ (b»ng sè). VÝ dô: - thÐp cã 0,36 ÷ 0,44%C, 0,80 ÷ 1,00%Cr sÏ ®îc ký hiÖu lµ 40Cr, - thÐp cã 0,09 ÷ 0,16%C, 0,60 ÷ 0,90%Cr, 2,75 ÷ 3,75%Ni sÏ ®îc ký hiÖu lµ 12CrNi3, - thÐp cã 1,25 ÷ 1,50 %C, 0,40 ÷ 0,70 %Cr, 4,5 ÷ 5,5 %W sÏ ®îc ký hiÖu lµ 140CrW5 hay d¬n gi¶n chØ lµ CrW5, - thÐp cã 0,85 ÷ 0,95%C, 1,20 ÷ 1,60 %Si. 0,95 ÷ 1,25 %Cr sÏ ®îc ký hiÖu lµ 90CrSi. Nh vËy trªn nguyªn t¾c rÊt dÔ hiÓu nµy cã thÓ ký hiÖu mäi thÐp theo thµnh phÇn cña chóng mµ kh«ng cã nh÷ng trïng lÆp quan träng. Nguyªn t¾c nµy ®îc sö dông ®Ó ký hiÖu c¸c thÐp khi cÇn thiÕt ph¶i rót gän c¸ch biÓu thÞ thµnh phÇn hãa häc.
183 TCVN cha phñ hÕt c¸c thÐp hîp kim thêng dïng. Tiªu chuÈn Nga ΓOCT ký hiÖu thÐp hîp kim theo trËt tù sau ®©y: - sè chØ hµm lîng cacbon trung b×nh theo phÇn v¹n (nÕu lµ thÐp kÕt cÊu) vµ phÇn ngh×n (nÕu lµ thÐp dông cô, lo¹i cã cacbon cao), khi ≥ 1,00% kh«ng biÓu thÞ, - c¸c nguyªn tè hîp kim theo ch÷ c¸i Nga (thêng lµ ch÷ ®Çu theo tªn gäi, nÕu trïng ph¶i lÊy ch÷ kh¸c) nh sau: theo ch÷ c¸i ®Çu tiªn cã: X cho cr«m, H cho niken, B cho vonfram, M cho m«lip®en, T cho titan, K cho c«ban; theo ch÷ c¸i tiÕp sau cã: Γ cho mangan, C cho silic, Φ cho vana®i, Д cho ®ång, Ю cho nh«m, P cho bo, - thµnh phÇn cña tõng nguyªn tè ®îc biÓu thÞ theo phÇn tr¨m ®Æt ngay sau mçi ch÷ c¸i t¬ng øng, khi lîng chøa < 1,5% kh«ng biÓu thÞ. - c¸c thÐp chuyªn dïng nh thÐp giã, æ l¨n, kü thuËt ®iÖn... cã quy íc riªng. Theo ®ã bèn ký hiÖu thÐp trªn cña TCVN sÏ t¬ng øng víi ΓOCT nh sau: 40Cr lµ 40X, 12CrNi3 lµ 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 lµ XB5, nhng 90CrSi lµ 9XC. Qua ®ã thÊy cã nh÷ng sai kh¸c nhá, song c¸ch ký hiÖu thÐp cña TCVN vÒ c¬ b¶n lµ cña ΓOCT, rÊt dÔ viÕt chuyÓn ®æi cho nhau. Tiªu chuÈn Hoa Kú §èi víi thÐp hîp kim kÕt cÊu, Hoa Kú thêng sö dông AISI vµ SAE, chóng cã c¸ch biÓu thÞ gièng nhau b»ng bèn sè xxxx nªn ®îc viÕt lµ AISI/SAE xxxx, trong ®ã hai sè cuèi biÓu thÞ lîng cacbon theo phÇn v¹n trung b×nh. Sau ®©y lµ mét sè quy íc: thÐp cacbon 10xx, thÐp cacbon cã mangan n©ng cao 15xx, thÐp dÔ c¾t (2 lo¹i) 11xx, 12xx, thÐp mangan 13xx, thÐp niken (2 lo¹i) 23xx, 25xx, thÐp niken-cr«m (4 lo¹i) 31xx, 32xx, 33xx, 34xx, thÐp m«lip®en (2 lo¹i) 40xx, 44xx, thÐp cr«m-m«lip®en 41xx, thÐp niken-cr«m-m«lip®en (11 lo¹i)43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx, thÐp niken-m«lip®en (2 lo¹i) 46xx, 48xx, thÐp cr«m (2 lo¹i) 50xx, 51xx, thÐp cr«m víi 0,50 ÷ 1,50%C 501xx, 511xx, 521xx, thÐp cr«m-vana®i 61xx, thÐp vonfram-cr«m 72xx, thÐp silic-mangan 92xx, thÐp bo xxBxx, §èi víi thÐp dông cô, Hoa Kú thêng sö dông AISI víi ký hiÖu gåm mét ch÷ c¸i chØ nhãm thÐp vµ sè thø tù. Sau ®©y c¸c ch÷ c¸i (thêng lÊy theo ch÷ c¸i ®Çu tiªn chØ nhãm thÐp) ®ã: W cho thÐp t«i níc (water), O cho thÐp t«i dÇu (oil),