GANG VÀ TH ÉP 6.1 GANG
6.2. THÉP 1 Thép cacbon
a . T hành p h ầ n h ó a học
Thép cacbon không phải là hợp kim chỉ gồm có sắ t và cacbon (trong dó lượng c < 2,14%) mà do diều kiện nấu luyện, còn nhiều nguyền tô khác đã đì vào th à n h phần của thép. Đó là các tạp chât thường có như Mn, Si, p, s , các tạ p chất ẩ n như H2, N2, 0 2) các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, Ti, Mo ...
+ Các tạp chất thường có:
- Mangan và silic đi vào trong thép từ các nguồn lẫn trong quặng sắt, sau đó đi vào th àn h phần cỏa gang rồi vào thép, hoặc do dùng ferô silic và ferô mangan. để khử ôxy, một phần các nguyên tô" này đi vào thép. Mn và Si là hai tạp chất có lợi, chúng nâng cao cd tính của thép.
Trong diều kiện thông thường, chúng có m ặt trong thép với lượng chứa Mn ố 0,8%, Si á 0,6%.
- Photpho và lưu huỳnh đi vào thép qua qúặng sắ t và nhiên liệu. Nói chung cả hai nguyên tố này đều có hại, do vậy cần phải tiến hành khử bỏ chúng trong quá trìn h nấu luyện đến mức có th ể được. Với thép thông thường, lượng mỗi nguyên tố trong thép phải nhỏ hơn 0,06%.
+ Các tạp chất ngẫu nhiên:
Công nghiệp luyện kim sử dụng ngày càng nhiều sắ t thép phế liệu do các ngành kinh tê' và quốc phòng thải ra, trong đó nhiều bộ phận làm bằng các thép hợp kim, nên các thép cacbon thông thường vẫn có thể có một l.ượng các nguyên tố Cr, Ni, Cu (< 0,2%), Mo, Ti, V (< 0,1%).
+ Các tạp chất ẩn:
Thép cacbon thông thường cũng hòa tan các khí nitơ, hydro và ôxy với lượng chứa rấ t ít, khó xác định (nên được gọi là tạ p chất ẩn). Nới chung, chúng là tạp chất cớ hại.
Các nguyên tố kể trê n với lượng trong giới h ạn cho phép không ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của thép cacbon, đứợc coi là tạp chất lẫn vào m ột cách tự nhiên m à không có sự cố ý đặc biệt nào.
b. Ả nh hưởng củ a c á c nguyên tô đến t ổ chức và tín h c h ấ t của th ép cacbon
+ Cacbon: là ngùyên t ể quan trọng nhất, quyết dịnh chủ yếu đến tổ chức và cơ tín h của thép cacbon (và cả thép hợp kim).
Theo giản đồ trạ n g th ái Fe-C, khi lượng cacbon trong thép tăng, lượng xêm entit cũng tă n g lê n tương ứng v à làm th ay đổi tổ chức tế vi. Ở trạn g th á i cân bằng, tổ chức tế vi của thép cacbon phụ thuộc vào lượng chứa cacbon của nó như sau:
c < 0,8% - ferit + peclit c = 0,8% - peclit
c > 0,8% - peclit + xêmentit II
Khi thay đổi lượng cacbon, cơ tín h của thép thay đổi r ấ t nhiều. Qui luật chung là: th à n h phần cacbon tăng lên th ì độ bền chỉ tăng theo hàm lượng cacbon đến giới h ạn 0,8 -ỉ- 1,0%C, vượt quá giới h ạ n này độ bền lại giảm đi.
H ình 6.7 trìn h bày ắnh hưởng của th àn h phần cacbon đến giới hạn bền kéo (ơb), độ cứng (HB), độ dãn dài (ô), độ th ắ t (ụ) và độ dai va đập (ak) cùa thép cacbon ở trạ n g th ái ủ.
$ £ 300 200 100 1200 "1 0 0 0 800 - 600 - 400 — 200 --- r \ 4 s \ \ sầ s HQ > \ / / > \ . \
\
/é ị lị/ ' / \ X . N tã 60 50 40 30 20 10 £ 3 JC < 2400 2000 .1600 1200 a 00 400 0 0,2 0.4 0,,6 0,0 1.0 1,2 1,4 c%Hình 6.7. Ảnh hưởng của c đến cơ tính căa thép cacbon ở trạng thái ả
Có thể giải thích các quy luật trê n như sau: khi tăng lượng cacbon, số lượng pha xêm en tit (cứng, giòn) tâ n g lên, lượng peclit cũng tăn g lên tương ứng, còn lượng pha ferit (mềm, dẻo) giảm đi. Tổ chức peclit gồm hai pha xêm entit (cứng) và ferit (mềm) xen kẽ nhau, là một hãn hợp cơ học có độ bền cao. Như vậy khi tăng lượng cacbon, độ bền, độ cứng tăng; độ dẻo, độ dai giảm. Khi lượng chứa cacbon vượt quá giới hạn 0,8 -ỉ- 1,0%, trong thép sẽ xuất hiện pha xêmentit II ở dạng lưới, cản trở sự trượt và tạo điều kiện cho việc xuất hiện và p hát triển vết nứt, làm độ bền của thép giảm.
Về m ặt định lượng, khi tãng 0,1%C, độ cứng tăn g thêm khoảng 20 -h 25%HB, giới hạn bền tăng thêm khoảng 60 -7- 80MPa, độ dãn dài giầm đi khoảng 2 + 4%, độ th ắ t giảm di 1.+ 5%, độ dai va đập giảm khoảng 200kJ/ m 2.
Do cacbon ảnh hưởng lđn đến tổ chức và tính chất của thép, nên thép có th à n h phần cacbon khác nhau sẽ có cơ tính khác nhau và chúng được sử dụng vào. các mục đích khác nhau.
Ngoài cơ tín h ra, cacbon cững ảnh hưông đến một số tín h chất vật lý, hóa học của thép. Khi tăng lượng cacbon, m ật độ (khối lượng riêng y), độ từ th ẩm (|i), khả năng chống ăn mòn của thép giảm, còn điện trỏ suất (pX lực khử từ (Hc) tăng lên.
+ Mangan: mangan được cho vào thép khi tin h luyện dưới dạng ferò- mangan, để khử ôxy và lưu huỳnh, theo các phản ứng:
FeO + Mn -> Fe + MnO FeS + Mn -* Fe + MnS
175
(MnO, MnS nổi lên, đi vào xỉ và được cào ra khỏi lò).
Mangan ỉà nguyên tố ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, vì vậy làm tăng cơ tính của thép. Tuy nhiên, do lượng Mn trong thép cacbon ít (0,8%) nên tác dụng này không rõ rệt.
Tác dụng chủ yếu của Mn trong thép cacbon là khử ôxy và h ạn chế tác hại của lưu huỳnh.
+ Silic: Silic được cho vào thép để khử triệ t để ôxy: 2FeO + Si SiOa + 2Fe
(S1O2 nổi lên, đi vào xỉ và được cào ra khỏi lò).
Silic hòa ta n vào ferit cũng nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, nhưng trong thép cacbon, lượng silic cũng chỉ trong giới hạn nhỏ hơn 0,6% nên tác dụng hóa bền cũhg không rõ rệt.
+ Photpho: Photpho đi vào trong thép từ quặng hay từ than (khi luyện gang). Dù ở dạng hòa tan trong ferit hay dạng liên kết Fe3P, nó đều làm cho thép bị giòn, dặc biệt ỗ trạn g th ái nguội (đây là hiện tượng giòn nguội), do vậy phải h ạn chế sự có m ặt của p ở dưới mức cho phép, đối với thép cacbon thông thường, hàm lượng photpho nhỏ hơn 0,06%. Riêng đối với thép dễ cắt, dể nâng cao khả năng gẫy phoi, lượng p có thể cao tới 0,15%.
+ Lưu huỳnh: Lưu huỳnh đi vào trong thép từ quặng và n h ất là từ than (khi luyện gang). Cùng tinh (Fe + FeS) có n h iệt độ nóng chảy thấp (988°C), nằm ở biên giới hạt. Khi nung nóng thép để gia công áp lực, cùng tin h này bị mềm và chảy ra, làm thép bị phá hủy ở biên hạt, đó là hiện tượrig giòn nóng. Do vậy, phải h ạn chế sự có m ặt của s ở dưới mức cho phép. Đối với thép cacbon thông thường, lượng s nhỏ hơn 0,06%. Riêng dối với th ép dễ cắt, để nâng cao khả nãng gẫy phoi, lượng s có thể cao tới 0,08 0,30%.
c. P h ả n lo ạ i th é p cacbo n
Có nhiều cách phân loại thép cacbon, nhưng thường gặp các cách sau: + Theo chất lượng: theo chất lượng luyện kim, tức theo mức độ đồng n h ấ t của th à n h phần hóa học, tổ chức và tín h chất của thép và đặc biệt là mức độ chứa của tạp chất có hại p, s, có th ể phân ra các loại thép sau:
- Thép có chất lượng thường, có th ể chứa tới 0,06%s và 0,07%p 176
- Thép có chất lượng tót, chứa không quá 0,04%s và 0,035%p - Thép có chất lượng cao, chứa không quá 0,025% mỗi nguyên tố - Thép có chất lượng đặc biệt cao, chứa không quá 0,015%s và 0,025%p.
Thông thường thép cacbon gồm ba loại đầu tiên.
+ Theo phương pháp luyện kim: chất lượng của thép do phương pháp luyện quyết định.
- Phương pháp Mactanh, với tường lò có tín h bazơ, có thể khử được p, s, luyện được thép với chất lượng tương đối tốt, với tường lò axit có thể luyện được thép có chất lượng cao.
- Phương pháp L-D luyện thép với năng suất cao, chất lượng từ th ô n g th ư ờ n g đ ế n tố t.
- Phương pháp lò diện hồ quang luyện được thép chất lượng cao, khử p, s rấ t tốt.
+ Theo phương pháp khử ôxy: người ta phân thép ra làm thép sôi, thép lặng và thép nửa lặng.
- Thép sôi là thép không được khử ôxy triệ t để, tức là chỉ được khử bằng ferô-mangan (chất khử không mạnh). Do vẫn còn FeO, nên nó cỗ thể tác dụng với cacbon trong thép lỏng theo phản ứng:
FeO + c -> Fe + c o t
Khí CO bay lên làm cho m ặt thép chuyển động giống như bị sôi lên, nên có tên là thép sôi. Do khí c o vẫn còn tạo th à n h ngay cả khi rót khuôn nên sẽ tạo th à n h các bọt khí (rỗ khí) trong thỏi thép đúc và gần như không có lõm co tập trung d phía trên . Trong quá trìn h cán nóng tiếp theo, phần lớn các rỗ khí có khả năng được h àn liền lại làm cho thép trd nên sít chặt hơn. Thép sôi có th à n h phần không đồng nhất: phần phía ngoài có hàm lượng cacbon thấp, phần lõi chứa nhiều cacbon hơn. Sự p h ân lớp này .thấy rõ trong tấm thép cán. Hàm lượng Si trong thép sôi thấp (< 0,07%) do vậy nó r ấ t dẻo, thích hợp cho việc rập sâu. Tuy vậy thép sôi khó hàn, vì khi hàn tạ i vùng nóng chảy sẽ lại xảy ra hiện tượng sôi, làm xuất hiện nhiều rỗ ỗ vùng mép h à n và làm xấu cơ tính mối hàn.
- Thép lặng là thép được khử ôxy triệ t để, ngoài ferô-mangan, còn dùng ferô-silịc và AI, n ên trong thép lỏng r ấ t ít FeO. M ặt thép lỏng phẳng lặng, do vậy được gọi là thép lặng. Trong thỏi thép lặng hầu như không còn bọt khí, nhưng lõm co lại lớn. C hất lượng thép lỏng cao hơn
thép sôi, nhưng không kinh tế vì phải cắt bỏ phần lõm co, chi phí cho việc khử ôxy tôn kém hơn. Do nhiều Si hơn (0,15 -í- 0,30%), nên thép lặng cứng hơn so với thép sôi. Thép lặng dễ hàn hơn.
- Thép nửa lặng là loại thép trung gian giữa thép sôi và thép lặng. Thép cacbon thấp có th ể ở 'ba loại trên. Thép cacbon trung bình có thể là thép lãng hoặc nửa lặng. Thép cacbon cao (và cá thép hợp kim) luôn là thép lặng. Chi tiế t đúc chỉ được chế tạo từ thép lặng.
+ Theo công dụng: đây là cách phân loại thường dùng nhất, gồm bốn nhóm chính:
- Thép cán nóng thông dụng: chủ yếu dùng trong xây dựng và các công dụng tượng tự, Ĩ1ÓỈ chung không cần qua n hiệt luyện
- Thép k ế t cấu: chủ yếu để làm các chi tiế t máy, thường phải qua nhiệt luyện
■ Thép dụng cụ: chủ yếu để làm dụng cụ (cất gọt, biến dạng, đo lường ...), thường b.ắt buộc phải qua n h iệt luyện
- Thép có công dụng riêng (thép chuyên dùng).
d. K ỹ h iệu v à côn g d ụ n g c ủ a các nhóm th é p cacbon
+ N hóm thép cán nóng thông dụng (thép cacbon chất lượng thường).
Nhóm này thường được cung câp ồ dạng cán nóng (dây, ống, tấm, thanh, th ép hìn h ...) vớì mục đích chủ yếu làm các k ết cấu trong xây dựng (nhà, xưởng, cầu, cốt bêtông trong chế tạo máy để làm các chi tiế t máy không quan trọng. Theo TCVN 1765-75, nhóm th ép này được ký hiệu bằng chữ CT (C: cacbon, T: thép) với con số tiếp thép chỉ giới h ạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2). Nhổm thép này được chia th àn h ba phân nhóm nhỏ:
- P h ân nhóm A: chỉ quy định về cơ tính mà không quy định về th à n h p h ần hóa học (xem bảng 6.2);
- P h ân nh«ím B: chỉ quy định về th àn h phần hóa học m à không quy định về cơ tính, thép thuộc phân nhóm này ký hiệu th êm chữ B ở phía trước (xem bảng 6.3);
- P h ân nhóm C: được quy định cả về cơ tín h và th à n h phần hóa học, cơ tín h giống nhóm A, th àn h phần hóa học giống nhóm B, thép thuộc phân nhóm này ký hiệu thêm chữ c ở phía trước.
B ả n g 6.2. Cơ tính quy cỉịnh của các mác thép cacbon chất lượng thường Ph ăn nhóm, A M ác th é p ơ b , M Pa <70 2 ,M P a , % C T31 > 310 - 20 C T 3 3 32 0-420 - 31 C T 3 4 340-440 200 29 C T 3 8 380-490 210 23 C T 4 2 420-540 240 21 C T51 500-640 260 17 C T61 > 6 0 0 300 .. 12 B ản g 6.3. Thành phần hóa học củạ các mác thép cacbon chốt íượng thường Phân nh óm B Mác Thép c % Mn, % SI ỉrong thé p. % s , %
p, %
Sôi Nửa lặng Lặng Khdnj q uá
BCT31 BCT33 BCT34 BCT38 BCT42 8CT51 8CT61 s 0,23 0,06-0,12 0,09-0,15 0,14-0,22 0,18-0,27 0,28-0,37 0,38-0,49 0,25-0,50 0,25-0,50 0,30-0,65 0,40-0,70 0 50-0 80 0,50-0,80 0,05 0,Q5 0,07 0,07 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0 05-0,17 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 1 0,06 0,05 0,05 0,05. 0,05 0,05 0,05 0,06 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04
Các mác phân nhóm A được dùng làm cốc chi tiết, k ết cấu không phải qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện, ...), do đó, chúng giữ nguyên tổ chức và cơ tính ban đầu *
Các mác phân nhóm B được dùng làm các chi tiết, kết cấu phải qua gia công nóng (hàn, nhiệt luyện, rènT...). Muốn vậy, cần biết th àn h phần hóa học để xác định chê' độ gia công nóng.
Các mác nhóm c được dụng ]àm các kết cấu hàn. Lúc này phải biết cả cơ tín h và th àn h phần hóa học ban đầu của thép. So với hai phân nhóm trên, phân nhóm c có chất lượng cao hơn.
Cả ba phân nhóm được dùng làm các kết cấu kim loại và chi tiết chịu tải nhẹ. Trong nhóm này còn có những phân nhóm đặc biệt như làm k ết cấu xây đựng, đóng tàu, làm cầu ...
+ Nhóm thép kết cấu: "Đây .là nhóm thép cacbon chất lượng tốt, lượng p , s thấp (P< 0,035%, S s 0,04%) và được quy định cả về cơ tín h và th àn h phần hóa học. Theò TCVN 1766-75, nhóm thép này được ký hiệu bằng c (thép caeboíi) với con số chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn. Nếu là thép sôi thì thêm chữ s, nếu là thép nửa lặng thì thêm chữ n ở phía sau.
Bảng 6.4. Thành phần hóa học và cơ tính của nhóm thép két cấu cacbon chốt lượng tốt 9 Mác thép c % Mn % C ơ tính s a u khi thư ờ n g h ó a Đ ộ cứng sau ủ KB a* kJ/m* ơb MPa 00,2 MPa 8s, % V % HB 2 £ £ C8 0 ,0 5-0 ,12 0,35-0,65 320 200 33 60 13 1 • - C 10 0,07-0,14 0,36-0,65 340 2 10 31 55 143 - - C 15 0,12-0,19 0,35-0,65 360 230 27 55 149 - - C20 0,17-0,24 0.35-0,65 420 250 25 50 163 - - C25 0,22-0,30 Ọ, 50-0, BO 460 260 23 50 170 - 900 C30 0,27-0,35 0,50-0,80 500 300 21 45 179 - 800 C35 , 0,32-0,40 0,50-0,80 540 320 20 45 207 - 700 C40 0,37-0,45 ' 0,50-0,80 580 340 19 40 . 2 17 167 600 C45 0,42-0,50 0,50-0,80 610 360 16 40 229 197 500 C50 0,47-0,55 0,50-0,80 640 380 14 35 241 207 400 C55 0,52-0,60 0,50-0,80 660 390 13 - 255 2 17 • C60 0,57-0,65 0,50-0,BO 690 410 12 35 255 217 • C65 0,62-0,70 0,50-0,80 7 10 420 10 30 255 229 - C70 0,67-0,75 0,50-0,80 7ào 430 9 30 269 229 - C75 0,72-0,80 0,50-0,80 110 0 900 7 30 265 241 - 080 0,77-0,85 0,50-0,80 110 0 950 6 30 285 241 - C85 0,82-0,90 0,50-0,80 115 0 1000 6 30 302 ■ 255 - Do th à n h phần hóạ học và cơ tín h quy định chặt chẽ nên nhóm thép này chủ yếu làm các chi tiế t máy, rấ t tiện cho việc xác định chế độ gia công nóng và tín h toán sức bền khi th iết kế.
• + Nhóm thép dụng cụ: Nhóm thép này có th àn h phần cacbon cao (S: 0,70%) thuộc loại thép chất lượng tốt, được quỹ định khá chặt chẽ về th à n h phần hóa học, n h ất là lượng chứa p và s , được sử đụng làm các dụng cụ với năng suất thấp và trung bình. Theo TCVN 1822-76, nhópi thép này được ký hiệu bằng chữ CD (C: cacbon, D: dụng cụ) với con số phía sau chỉ lượng c trung bình theo phần vạn.
B ảng 6,5. Thành phẩn hóa học của nhóm thép dụng cụ cacbon Mác Thép Thặnh phẩn các nguyên tố, % Độ cứng sau Khl ủ, HB
c
Si Mn CD70 0,60-0,74 0.15-0,35 0,20-0,40 187 CD80 0,75-0,84 0,15-0,35 0,20-0,40 187 CD90 0,85-0,94 0,15-0,35 0,15-0,35 192 CD 1000,95-1,04
0,15-0,35 0,15-0.35 197 CD110 1,05-1,14 0,15-0,35 0,15-0,35 207 CD120 1,15-1,24 0,15-0,35. 0,15-0,35 207 ' CD-I 30 1,25-1,35 • 0.15-0,35 0,15-0,35 217+ Nhóm thép cacbon có công dụng riêng:
- Thép đường ray: đường ray yêu cầu có độ bền vă tín h chống mài mòn cao. Đây là loại thép cacbon chất lượng cao có hàm lượng cacbon và mangan tương dối cao (0,50 -ỉ- 0,80%C; 0,6 1,0% Mn), photpho và lưu huỳnh thấp (< 0,05% S; < 0,04% P). Ray hỏng có th ể tậ n dụng để chế tạo các chi tiế t và dụng cụ như đục, dao, nhíp ...
- Dây thép các loại: dây thép được sản xuất bằng kéo nguội. Cơ tính của dây thép phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và mức độ biến dạng.
Dây thép cacbon cao và được biến dạng lớn khi kéo nguội đạt tới giới hạn bền kéo rấ t cao (4.000 -ỉ- 4.500MPa). Dây thép cacbon thấp thường được mạ trán g kẽm dùng làm dây điện thoại và trong dân dụng. Dây thép có hàm lượng cacbon 0,50 -ỉ- 0,70% dùng để cuốn th àn h lò so. Các loại cáp thép có độ bền rấ t cao là do các sợi thép nhỏ kéo nguội bện lại.
- Thép lá để rập nguội: thép để rập nguội dùng ở dạng tấm mỏng, có tính dẻo, đặc biệt với các chi tiết rập sâu. Hàm ỉượng cacbon và silic trong thép này phải thấp (0,05 + 0,20%C; < 0,15% Si), tổ chức chủ yếu là ferit và thường là thép sôi (C5sf C8s, ClOs ...). Để tăng khả năng chống ăn mòn, thép lá mỏng có thể được trán g thiếc (gọi là sắt tây) hoặc kẽm (tôn trắn g kẽm).
e, ư u nhược đ iểm cơ bản củ a th ép cacbon
+ Ưu đ iểm :
- Rẻ tiền vì dễ nấu luyện vồ không dùng các nguyên tố hợp kim đắt t i ề n
- Có cơ tín h n h ấ t định (chẳng hạn độ cứng sau khi tôi của thép cacbon cao không kém thép hợp kim có lượng cacbon tương tự)
- Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, hàn, cán, rèn, rập, gia công cắt gọt, kéo sợi.
+ Nhược điểm:
- Độ bền ở trạn g th ái cung cấp (thường hóa) và trạn g th ái ủ thấp, giới hạn đàn hồi không cao
- Độ thấm tôi thấp, muốn đạt độ cứng phải chọn môi trường tôi mạnh, diều này dễ dẫn tới nguy cơ biến dạng và nứt
- Thép cacbon dù đã tôi cứng nhưng khả năng chống mài mòn vẫn không cao, do trong nó hầu nhữ không có các loại cacbit hợp kim (yếu tố quan trọng góp phần nâng cao độ chống mài mòn của thép).
- Độ chống ăn mòn nói chung thấp.
2. K hái n iệm về th é p hợp kim
a. T h àn h p h ầ n h ó a học cửa th ép hợp kim
Thép hợp kim là loại thép mà ngoài sắt, cacbon và các tạp chất, người ta cố ý đưa vào các nguyên tô đặc biệt với một lượng n h ất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho hợp với yêu cầu sử dụng. Các nguyên tố được đưa vào một cách cô' ý và có hàm lượng lớn hơn một giá trị xác định được gọi là nguyên tố hợp kim. Giới h ạn này tùy thuộc vào sự tác động của nguyên tố hợp kim đến thép.
Các nguyên tố hợp kim thường gặp là: Cr, Ni, Mn, w , V, Mo, Ti, Ta, Cu, B, N... và ranh giới về lượng để phân biệt tạp chất và nguyên tố hợp kim là như sau: Mn: 0,8 4- 1,0%; Si: 0,5 -*■ 0,8%; Cr: 0,2 -ỉ- 0,8%; W: 0,1 -r 0,6%; Mo: 0,05 - 0,2%; Ti, V, Nb, Zr, Cu: 0,1%; B: 0,002%.
Ví dụ: thép chứa 0,7% Mn vẫii coi là thép cacbon (nghĩa là Mn vẫn chỉ là tạ p chất), trong khi chỉ cần 0,1% V thì V đã được xem là nguyên tố hợp kim.
Trong thép hợp kim, lượng các tạp chất có h ại như p, s , hydro, ôxy r ấ t th ấ p so với trong thép cacbon.
b. Đ ặc đ ỉể m cử a th ếp hợp k im ,
Do được khử tạp chất triệ t để hơn và n h ấ t là phải cho vào các nguyên tố hợp kim, nện nói chung thép hợp kim đắt tiền hơn so với thép cacbon, nhưng bù lại thép hợp kim có những đặc điểm nổi trội hơn h ẳn so với thép cacbon.
+ Về cơ tính: nói chung thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, thể hiện đặc biệt rõ ràn g sau khi tôi yà ram , do độ thấm tôi của thép hợp kìm được cải th iện r ấ t nhiều so với thép cacbon. Thép được hợp kim hóa càng cao, ưu việt này càng rõ. Tuy nhiên cần lưu ý:
- Ở trạn g th ái chưa qua nh iệt luyện hóa bền (ví dụ trạn g th ái ủ), độ bền của thép hợp kim không cao hơn nhiều so với thép cacbon.
V ' Sau nh iệt luyện, thép hợp kim có th ể đạt độ bền r ấ t cao, nhưng cùng với sự tăng dộ bền, độ dẻo và độ dai lại giảm đi, do vậy phải chú ý đến mối quan hệ này để xác định cơ tín h thích hợp.
+ Về tín h cồng nghệ: nói chung, cùng với sự tăng mức độ hợp kim hóa, tính công nghệ của thép sẽ xấu đi.
4- Về tín h chịu n h iệt (tính cứng nóng v à tính bền nóng).
Thép cacbon có độ cứng cao sau khi tôi, nhưng không giữ được dộ cứng khi làm việc ở n h iệt độ cao hơn 200°c đo mactexit bị phân hủy và xêm entit k ết tụ. Ở nhiệt độ cao hơn, thép bị biến dạng do hiện tượng dão và bị ôxy hóa m ạnh. Một số nguyên tố hợp kim có khả năng cản trâ sự 182
khuếch tá n của cacbon, sự phân hủy mactenxit và tích tụ cacbit ở nhiệt độ cao, vì th ế nó lãm cho thép hợp kim giữ được độ cứng cao của trạng thái tôi, độ bền và tính chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao. Ưu việt này của thép hợp.kim dược ứng dụng trong thép dụng cụ và thép bền nóng.
+ Về các tín h chất v ật lý và hóa học đặc biệt.
Nhờ hợp kim hóa, người ta có thể tạo thép không gỉ, thép có tính dãn nở và dàn hồi đặc biệt, thép có từ tính cao, thép không có từ tín h ...
Như vậy có thê nối rằng, nguyên tố hợp kim có tác dụng rấ t tốt, thép hợp kim là v ậ t liệu không thể thiếu trong ngành chế tạo máy, thiết bị điện, công nghệ hóa học ...
c. Tác d ạ n g củ a nguyên t ố hợp kim
Nguyên tổ’ hợp kim trong thép ở trạn g th á i cân bằng chủ yếu ở hai đạng: hòa ta n vào sắt (Fe„, và Fey) dưới dạng dung dịch rắn và kết hợp với cacbon th à n h cacbit hợp kim.
+ Sự hòa ta n của các nguyên tố hợp kim vào sắt
Khi hòa tan vào sắt, các nguyên tố hợp kim có th ể thay th ế sắt trong mạng F ea (gọi là ferit hợp kim) hoặc trong m ạng FeY (gọi là ôstenit hợp kim).
Một sô nguyên tố như: Ni, Mn, Cu, c , N ... khi hòa tan vào sắt sẽ mỗ rộng ở vùng ổn định của ôstenit và hạ thấp n h iệt độ chuyển biến, a ; Y H.6.8. Đặc biệt với Mn và Ni, khi hàm lượng đủ lớn (Mn 10%, Ni 20%) thép sẽ có tổ chức Ỵ ngay cả ồ nhiệt độ thường. Riêng Ni có thể hòa tan vô h ạn vào Ỵ.
V
a) b)
H ình 6.8. Giản đồ trạng thái sắt - nguyên tố hạp kim (loại mở rộng vùng y thu hẹp vùng a.)
a) khi hòá iati vô hạn váo FeỴ; b) khi hòa tan có hạn vào Fey
Một sô nguyên tố khác như: Cr, Si, V, Ti, Mo,
w,
Nb ... lại thu hẹp vùng ổn định của y và nâng cao nhiệt độ chuyển biến a V y, H.6.9. Riêng Cr có thể hòa tan vô hạn vào sắt.4; V . I l y + a Y- V V a Ạ, Fe % NTHK (Cr, V)
a)
Fe % NTHK (AI, Sn, Pb, Z r,...) b)H ình 6.9. Giản đồ trạng thái sát - nguyên tố hợp kim (loại mở rộng vùng a thu hẹp vàng ỵ)
a) khi hòa tan vô hạn vào Fe a ; b) khi hòa tan có hạn vào Fe a
Trong thực tế, thường gặp các thép dược hợp kim hóa bằng một lượng không nhiều Mn, Ni và các nguyên tố mở rộng vùng a như Cr, Si, V,
w,
Tí, ... Khi đó, ở trạn g th á i cân bằng, thép gồm hai pha là ferit và cacbit, nhung ferit này có cơ tính khác hẳn cơ tín h của ferit trong thép cacbon. Các nguyên tô' hợp kim hòa tan vàoFea ở dạng thay thế, làm m ạng tin h thể bị xô lệch và mức độ xô lệch càng tăng khỉ nồng độ nguyên tố hợp kim càng lớn. Điều này làm cho độ bền, dộ cứng tăng, còn độ dẻo, dai của thép giảm. Hình 6.10 trìn h bày ảnh hưởng của một sô nguyên tố hợp kim đến cơ tín h của ferit.220 200 180 á 160 § g 140 120 100 (a) - É Si
ị
Niá
f r t - Moể
2
/$5í
■ w 6 7 0 1 2 Hàm luọng cá c nguyàn tố %H ình 6.10. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cơ tính của ferit a) độ cứng HB; b) độ dai va đập a*
Qua H.6.10 ta thấy Mn và Si làm tăng rấ t m ạnh độ cứng, độ bền, nhưng chúng lại làm giảm rấ t mạnh độ dẻo, dai của ferit. Vì vậy trong thực tế, với thép hợp kim thông thường, lượng Mn và Si cũng chỉ được dùng trong giới hạn 1-2%. Crôm và niken có mức độ hóa bến vừa phải và không làm giảm mạnh độ dẻo dai nên thường có m ặt nhiều trong các loại thép hợp kim (riêng Ni không những không làm giảm mà còn cải thiện độ dai, tuy nhiên phải lưu ý đến giá thành cao của Ni).
+ Sự tạo th àn h pha cacbit trong hợp kim.
Các nguyên tố tạo cacbit đều là các kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp (số điện tử ở phân lớp d hoặc f của lớp trong chưa đầy nhưng lớp điện tử ở phân lớp s hoặc d bên ngoài đã có điện tử).
Trong thép cacbon, pha cacbit là Fe3C. Khi có m ặt nguyên tố hợp kim, ngoài khả năng hòa tan vào sắt, rấ t nhiều nguyên tố hợp kim còn có khả nồng tran h giành cacbon với sắt 'để tạo th àn h pha cacbit hợp kim. Khả năng này tùy thuộc vào ái lực hóa học của nguyên tổ' hợp kim đối với cacbon 80 với sắt, mà ái lực này chính do lớp vỗ điện tử quyết định. Các kim loại chuyển tiếp như Ni, Co và các kim loại như Si, Al, Zn, Cu, Si, Co, không những không tạo cacbit mà còn ngăn cản cacbon kết hợp với sắt và các nguyên tố khác, thúc đẩy quá trìn h tạo cacbon tự do (graphit) hoặc làm thoát cacbon khi nung thép.
Khả năng tạo cacbit tăng dần theo trậ t tự sau: Fe, Mn, Cr, w , Mo, V, Zr, Ti, Nb.
Mangan (dôi khi cả Cr,W) không tạo ra cacbit độc lập, đo ái lực với cacbon chỉ m ạnh hơn so với sắt chút ít, chúng thường thay th ế sắt trong xêmentit tạo ra xêmentit hợp kim dạng (Fe, Me)3C. Crôm, Vonfram là nguyên tố tạo cacbit trung bình, hoặc là nằm trong xêmentit hợp kim, hoặc tạo ra cacbit phức tạp như Cr23C6, Fe3W3Ce có nhiệt độ phân hủy thấp, dễ hòa ta n vào ôstenit khi nung. Mo, V, Zr, Ti, Nb là các nguyên tố tạo cacbit m ạnh có công thức: MoC, v c , ZrC, TiC, NbC, chúng có cấu tạo mạng tin h thể đơn giản và chỉ phân hủy ở nhiệt độ rấ t cao, khó hòa tan vào ôstenit, có tác dụng giữ h ạ t nhỏ khi nung thép.
+ Tác dụng riêng biệt của các nguyên tố hợp kim chủ yếu: - Các nguyên tố mở rộng vùng Y-
Mangan: Mn hòa tan vào ferit có tác dụng làm hóa bền pha này. Mangan làm tăng độ thấm tôi, với 1% Mn đường kính tới hạn lý thuyết lớn gấp bốn lần so với thép cacbon không có Mn (hệ số tăng độ th ấm tôi của Mn là bốn). Mn không tạo cacbit riêng biệt mà thay th ế sắt trong Fe3C. Người ta sử dụng Mil để cải thiện tính chất của thép cán nóng
thòng dụng, nâng cao độ thấm tôi của thép phải qua n h iệt luyện. Mặc đù Mn khá rẻ, nhưng hiếm khi đóng vai trò ỉà một nguyên tố hợp kim độc lập vì nó có một nhược điểm: thúc đẩy h ạ t tin h thế lớn nhanh khi nung, tăng tính giòn ram, giảm độ dẻo, độ bền theo hướng vuông góc phương cán.
Niken: Ni có tác dụng chủ yếu là làm tăng độ bền và độ dai va đập cho ferit. Thép chứa trên 5% Ni giữ được độ dai tót ngay cả ở nhiệt độ rấ t thấp. Thép có 9% Ni được dùng chế tạo các binh chứa trong các hệ thống làm lạnh. Ni còn có tác dụng giữ h ạ t nhỏ cho thép khi thấm cacbon. Hệ số tãng độ thâm tôi của Ni .là 1,4,
- Các nguyên tố mở rộng vùng a:
Silic: Khi không có m ặt cacbon, với khoảng 2% Si th ì chuyển biến a 5=^7 bi ức chế. Hệ số tãng độ thấm tôi của Si là 1,7. Silic có tác dung tăng tín h ổn định ram, nhưng không làm tăng tính giòn ram của thép. Silic làm tăng khả năng chông -ôxy hóa của thép ỏ n h iệt độ cao và tăng dộ bền chống dão. Cùng vớí Mn, Si có tác dụng tăng giói hạn đàn hồi,