Bài tập Vật Liệu Học 2: Thép không gỉ

Chia sẻ: Luuvan Qui | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:22

0
383
lượt xem
161
download

Bài tập Vật Liệu Học 2: Thép không gỉ

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhóm thép không gỉ, hình thành từ họ thép hợp kim, được khởi nguồn từ năm 1913 tại Sheffield, nước Anh; Harry Brearley đã thử một số hợp kim để làm thép nòng súng, và Ông nhận thấy một số mẫu cắt không thấy bị gỉ và thực tế rất khó tẩm thực. Khi Ông tìm hiểu sâu về vật liệu kì thú này, thấy rằng thép có chứa 13% Cr.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài tập Vật Liệu Học 2: Thép không gỉ

  1. Bài tập Vật Liệu Học 2 THÉP KHÔNG GỈ Thép không gỉ: Nhóm thép không gỉ, hình thành từ họ thép hợp kim, được khởi nguồn từ năm 1913 tại Sheffield, nước Anh; Harry Brearley đã thử một số hợp kim để làm thép nòng súng, và Ông nhận thấy một số mẫu cắt không thấy bị gỉ và thực tế rất khó tẩm thực. Khi Ông tìm hiểu sâu về vật liệu kì thú này, thấy rằng thép có chứa 13% Cr. Kết quả này dẫn đến phát triển của dao kéo từ thép không gỉ và cũng từ đây, Sheffield trở nên nổi tiếng. Công trình phát triển ngẫu nhiên này cũng đã được thực hiện ở Pháp cùng khoảng thời gian đó đã làm cho sự phát triển tột đỉnh của họ thép không gỉ austenit đầu tiên này. Tiêu thụ thép không gỉ trên thế giới ngày càng gia tăng. Đó là sự tăng trưởng nhu cầu về xây dựng và công trình công nghiệp – nơi mà thép không gỉ được sử dụng để làm trang trí và chống gỉ, yêu cầu về bảo dưỡng thấp và có độ bền. Rất nhiều ngành công nghiệp khác đang chấp nhận thép không gỉ vì các lý do trên cũng như nó không có nhiều đòi hỏi về xử lý sản phẩm, sơn phủ khi được đem sử dụng, chỉ có điều là giá thành của nó cao hơn thép Carbon thường. Minh chứng cho sự ứng dụng rộng rãi là các nhà sản xuất đồ gia dụng, họ là những nhà cung cấp ngày càng tăng sản phẩm, về mặt truyền thống biết đến là “hàng trắng-whitegoods”, được sản xuất từ thép không gỉ  Họ thép không gỉ: Thép không gỉ là hợp kim cơ sở sắt có chứa tối thiểu 10.5%Cr; Cr sẽ tạo lớp Oxyt bảo vệ thụ động, đó là lý do vì sao nhóm thép này có tính chất đặc trưng “không gỉ” hay chống ăn mòn. Khả năng của lớp oxyt là tính tự “hàn gắn - self heal”, nghĩa là thép có khả năng chịu ăn mòn, cho dù phần bề mặt tiếp tục bị hao mòn. Đây là điều không đúng đối với thép Carbon thường và hợp kim thấp khi mà chúng được bảo vệ ăn mòn nhờ lớp phủ kim loại như kẽm Zn hoặc cadmi Cd hoặc lớp phủ vô cơ như sơn. Mặc dù tất cả các loại thép không gỉ phụ thuộc vào sự có mặt của Cr, các kim loại khác được bổ sung để tăng cường các tính chất của chúng. Sự phân loại thép không gỉ không theo tên kim loại chính mà dựa vào cấu trúc luyện kim (metallurgical structure) của chúng – các khái niệm sử dụng để kí hiệu cho sự sắp xếp của nguyên tử hình thành biên hạt, và chúng được quan sát với độ phóng đại lớn của kính hiển vi quang học qua phần mẫu được đánh bóng. Tùy thuộc vào thành phần hóa học nhất định của thép, cấu trúc có thể là các pha bền austenit hay ferrit, hỗn hợp “song pha” của cả hai, pha martenxit được hình thành Lưu Văn Quí Trang 1
  2. Bài tập Vật Liệu Học 2 khi thép được nguội nhanh từ nhiệt độ cao, hoặc cấu trúc hóa bền bởi sự tiết pha vi mô. Quan hệ giữa sự khác nhau của họ thép không gỉ được chia theo hình 1. Một số sánh khác về tính chất của họ thép khác nhau được liệt kê ở Bảng 1. Hình 1. Các họ thép không gỉ.  Thép không gỉ austenit: Nhóm thép này có chứa ít nhất 16%Cr và 6% Ni (mác thép cơ sở 304 được quy định là 18/8) và phạm vi này phụ thuộc vào tính hợp kim cao hay “siêu austenit” như mác 904L với 6%Mo. Các nguyên tố bổ sung như Mo, Ti hay Cu để biến đổi hoặc cải thiện tính chất của chúng, làm cho thép không gỉ thích ứng với các ứng dụng cụ thể ở nhiệt độ cao cũng như chịu ăn mòn. Nhóm thép này cũng thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ thấp do ảnh hưởng của hàm lượng Ni làm cho thép tránh đượchiện tượng ròn lạnh tại nhiệt độ thấp, Ni là nguyên tố đặc trưng của họ thép này. Quan hệ giữa các mác thép austenit khác nhau được biểu thị ở hình 2. Lưu Văn Quí Trang 2
  3. Bài tập Vật Liệu Học 2 Hình 2. Thép không gỉ austenit  Thép không gỉ Austenite và Ferrit trong ứng dụng thực tiễn: Thép austenit phổ biến nhất được gọi là 18/8 chứa khoảng 18%Cr và 8%Ni. Đây là họ thép có chứa ít Niken nhất có cấu trúc hoàn toàn Austenit. Thép Austenit có khuynh hướng bị nứt dưới tác động của sự ăn mòn ứng suất, đặc biệt sự có mặt của ion clorua chỉ với vài phần triệu đôi khi có thể gây nguy hiểm. Đây là một dạng phá hủy không mong muốn, xảy ra trong các môi trường ăn mòn dưới có tác dụng của ứng suất nhỏ, là sự cố ý hay ứng suất dư hình thành trong quá trình chế tạo vật liệu. Trong thép Austenit có xảy ra hiện tượng giống bẻ gãy xuyên tinh thể - quá trình này rất dễ phát triển trong dung dịch muối Clo nóng. Phá hủy do ăn mòn ứng suất được giảm thiểu trong thép hợp kim Austenit Ni cao. Thép austenit phổ biến nhất được gọi là 18/8 chứa khoảng 18%Cr và 8%Ni. Đây là họ thép có chứa ít Niken nhất có cấu trúc hoàn toàn Austenit. Tuy nhiên trong một vài trường hợp, ví dụ, sau khi bị biến dạng hay hàm lượng C rất thấp, Lưu Văn Quí Trang 3
  4. Bài tập Vật Liệu Học 2 nó có thể chuyển đổi một phần thành Mactenxit ở nhiệt độ phòng. Nhằm ổn định hơn sự tạp thành của Macténit có thể đạt được bằng cách tăng dần hàm lượng Niken, giống như là minh họa trong họ thép từ 301 đến 310. Thép không rỉ 18/8 được sử dụng rộng rãi bởi tính chống chịu với các môi trường ăn mòn rất xuất sắc. Tuy nhiên, các tính chất đó chỉ được cải thiện bằng việc tăng thêm hàm lượng Niken và, tăng hàm lượng Crom làm tăng sự chống chịu ăn mòn giữa các hạt. Thép Austenit có khuynh hướng bị nứt dưới tác động của sự ăn mòn ứng suất, đặc biệt sự có mặt của ion clorua chỉ với vài phần triệu đôi khi có thể gây nguy hiểm. Đây là một dạng phá hủy không mong muốn, xảy ra trong các môi trường ăn mòn dưới có tác dụng của ứng suất nhỏ, là sự cố ý hay ứng suất dư hình thành trong quá trình chế tạo vật liệu. Trong thép Austenit có xảy ra hiện tượng giống bẻ gãy xuyên tinh thể - quá trình này rất dễ phát triển trong dung dịch muối Clo nóng. Phá hủy do ăn mòn ứng suất được giảm thiểu trong thép hợp kim Austenit Ni cao. Họ thép 316 chứa 2-4% Molipden, Mo làm tăng đáng kẻ tính chống ăn mòn, đặc biệt trong chống ăn mòn lỗ, ăn mòn lỗ định nghĩa như một vùng thấm cục bộ trên màng chống ăn mòn và xảy ra điển hình trong dung dịch muối Cl. Gần đây, một số mác với hàm lượng Mo là 6.5% đã phát triển, nhưng Crom phải được tăng đến 20% và niken đến 24% để duy trì cấu trúc Austenit. Sự ăn mòn về biên giới hạt có thể trở thành một vấn đề nguy hiểm, đặc biệt khi xử lý nhiệt độ cao, chẳng hạn quá trình hàn cho phép tiết ra Cr23C6 trong những vùng biên giới này. Dạng ăn mòn giữa các hạt đôi khi xuất xứ từ sự mục mối hàn. Để chống lại hậu quả này một vài loại thép Austenit, ví dụ họ 304 and 316, được chế tạo với cacbon thấp hơn 0.03% và tuân theo các qui định như của mác 304L và 316L. Bằng cách lựa chọn them vào Niobi hoăc Titan hơi quá một lượng hợp thức để có thể kết hợp với C, giống như trong các họ 321 và 347. Thép Austenit cho đến nay vẫn được coi là vật liệu không có độ bền cao. Điển hình ứng suất dư tại biến dạng 0.2% chỉ khoảng 250 MPa và sức bền kéo trong khoảng 500 và 600 MPa, cho thấy rằng họ thép có tiềm năng thực sự đối với hóa bền bằng rèn (biến dạng), sẽ làm cho điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn so với trường hợp của thép mềm. Tuy nhiên thép Austenit lại có tính dẻo tốt với độ giãn dài lên đến 50% trong quá trình thử độ bền kéo. Thép Cr/Ni cũng chống chịu tốt trong môi trường oxy hóa nhiệt độ cao do có sự hình thành lớp màng mỏng bề mặt bảo vệ, còn các mác thông thường có độ bền thấp ở nhiệt độ cao. Họ thép này trở nên ổn định khi có mặt của Ti và Nb, họ thép 321 và 347, có thể được xử lý nhiệt để tạo ra sự phân tán nhỏ mịn của TiC hoặc NbC, chúng sẽ tương tác với lệch sinh ra trong quá trình rão. Một trong những hợp kim được sử dụng phổ biến là 25Cr20Ni có sự bổ sung Ti hay Nb là nguyên tố duy trì độ bền rão tốt ở nhiệt độ 700°C Lưu Văn Quí Trang 4
  5. Bài tập Vật Liệu Học 2 Để đạt được đặc tính chống dão cao nhất ở nhiệt độ cao, cần thiết trước hết là nâng độ bền ở nhiệt độ phòng lên mức cao hơn. Điều này có thể đạt được bằng cách xử lý nhiệt hóa bền tiết pha trong thép có thành phần nguyên tố phù hợp để cho phép tiết ra các pha liên kim loại, thường là Ni3(Al,Ti). Sự quan trọng của việc điều khiển miền γ để đạt được thép Austenit ổn định đã được đề cập. Giữa vùng pha austenit và sắt δ có một miền giói hạn (α+γ) mà có thể được sử dụng để nhận được thép không rỉ hai pha hoặc cấu trúc song pha. Cấu trúc phải được tạo thành bằng cách cân bằng chính xác giữa các nguyên tố mở rộng (tạo thành) α (Mo,Ti, Nb, Si, Al) và nguyên tố mở rộng γ (Ni, Mn, C and N). Để đạt được cấu trúc song pha, cần tăng hàm lượng Cr lên trên 20%. Tuy nhiên tỷ lệ chính xác của α+γ được xác định bởi quá trình xử lý nhiệt. Rõ ràng, từ nhận định về phân vùng γ từ giản đồ trạng thái cân bằng, rằng phần nằm trong phạm vi 1000-1300°C sẽ dẫn đến hàm lượng ferit biến thiên quá các khoảng giới hạn. Xứ lý thông thường được thực hiện giữa 1050 và 1150°C, ở đó hàm lượng ferit không quá nhạy quá trình làm nguội tiếp theo. Thép song pha bền hơn thép Austenit thường, một phần là nhờ kết quả của cấu trúc hai pha và cũng bởi vì điều này dẫn đến kích thước hạt trở nên nhỏ mịn hơn. Thực vậy bằng cách xử lý hóa nhiệt thích hợp giữa 900 và 1000C, có thể nhận được cấu trúc song-pha- vi-mô rất mịn, thể hiện ở tính siêu dẻo, ví dụ có độ tính dẻo rất cao ở nhiệt độ cao, khi tốc độ biến dạng nhỏ hơn giá trị tới hạn. Một lợi thế nữa là thép không gỉ song pha chống chịu quá trình phát sinh nứt khi kết tinh, rất có ý nghĩa đối với quá trình hàn. Trong khi sự tồn tại của sắt δ có ảnh hưởng bất lợi trong việc chống ăn mòn trong một số trường hợp, nó cải thiện sức chịu đựng của thép chống lại quá trình phát sinh nứt ăn mòn ứng suất xuyên tinh do pha ferit trơ đối với dạng phá hủy này. Có 1 nhóm thép không rỉ có cấu trúc ferit quan trọng nữa. Có chứa từ 17 đến 30% Cr và, bằng quá trình phân tán của các nguyên tố hóa bền austenit Ni, chiếm đáng kể lợi thế về kinh tế. Những loại thép này, đặc biệt với một lượng lớn Cr, có tính chống ăn mòn xuất sắc trong nhiều môi trường cụ thể và hoàn toàn không có sự ăn mòn ứng suất. Thép này chứa vài giới hạn, đặc biệt những loại thép có hàm lượng Cr cao, là nguyên tố có chiều hướng làm cho thép trở nên bị dòn. Quá trình gây ròn một phần các nguyên tố xen kẽ C và N, ví dụ với thép 25 %Cr bình thường sẽ dòn ở nhiệt độ phòng nếu hàm lượng C quá 0.3% .Một nhân tố cộng nữa là không có sự thay đổi pha dẫn đến khó khăn hơn trong việc làm mịn các hạt ferit, và chúng sẽ trở nên thô sau khi được xử lý ở nhiệt độ cao như hàn. Điều này vẫn làm tăng thêm nhiệt độ chuyên tiếp dẻo/dòn, điều đó giống như là hành vi của các nguyên tố xen kẽ. May mắn thay, các phương pháp luyện thép hiện đại như tinh luyện bằng Argon-Oxyen có thể làm giảm lượng nguyên tố xen kẽ xuống dưới 0.03%, Lưu Văn Quí Trang 5
  6. Bài tập Vật Liệu Học 2 trong quá trình nấu chảy chân không bằng chùm tia điện tử vẫn có thể làm tốt hơn.  Cách phân loại các mác thép: Có nhiều cách khác nhau để phân loại thép không gỉ: -Thứ nhất: Theo cấu trúc tinh thể kim loại có 5 loại - thép austinic, feritic, martenic, thép kết tủa cứng, thép hai pha. -Thứ hai: theo cách đánh số của Viện Sắt thép Mỹ (AISI), có mác thép 200/300/400/500/600 -Thứ ba: theo Hệ thống đánh số thống nhất do Hiệp hội kiểm định vật liệu Mỹ (ASTM) và Hội các kỹ sư chế tạo máy của Mỹ (SAE) áp dụng cho tất cả các kim loại và hợp kim (Cách ghi mác thép bắt đầu bằng chữ S sau đó là 5 chữ số tiếp sau, từ S00001 đến S99999 áp dụng cho tất cả các loại thép chịu nhiệt và chống ăn mòn) -Thứ tư: theo ứng dụng có - thép không rỉ, thép chịu axit, thép chịu nhiệt cao -Thứ năm: theo cấu trúc nguyên tố hợp kim có - thép Crôm, thép Crom-Nickel, thép Crom-nickel- molidenum, thép Crom- Nickel- Mangan. Theo cách đánh số mác thép, thép không rỉ được chia làm các loại : mác thép 400, 300 và 200. (Theo cách đánh số của AISI ngoài ra còn có mác 500/600 nhưng vì chúng không phổ thông nên ta bỏ qua) - Đây là cách phân loại đễ nhớ, quen dùng nhất (gọi tên mác thép theo số) - Mác thép 400: Là loại thép hợp kim Cr (Cr từ 10.5-18%), không có Nikel, nhiễm từ. Loại thép này có cơ lý tính không bằng mác thép 200/300: độ dập sâu và gia công tạo hình kém hơn,khả năng chống rỉ trong một số môi trường là tương đương, nhưng có ưu thế là giá thành thấp. Mác thép 430 với hàm lượng Cr từ 16-18% là mác thép phổ biến nhất trong nhóm thép này - Mác thép này được ứng dụng làm đồ trang trí, kiến trúc trong nhà, bồn rửa, máy giặt, đồ bếp, các bộ phận ô tô… - Mác thép 300: L à loại hợp kim Nikel crom, hàm lượng Nikel và Crom cao (Nikel từ 6-15%. Cr từ 16-26%), có độ bền cao được gia tăng thông qua việc gia công nguội. Loại thép này không nhiễm từ, chống ăn mòn tốt, có khả năng chế tạo, và tính hàn tốt . Đây là loại thép đặc trưng, được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại thép không rỉ.. Mác thép 304 với hàm lượng Nickel là 8-10.5% và Cr là 18-20% là loại thép điển hình cho nhóm này. - Nó thường được dùng cho các ứng dụng sản xuất thiết bị thực phẩm, hoá chất và các ứng dụng kiến trúc. - Mác thép 200: L à loại hợp kim Nikel Mangan Crom. Hàm lượng Nikel trong mác thép này thấp hơn nhiều so với mác 300 ( Nikel 1-4%), chúng được thay thế bằng một phần của Mangan (Mn từ 5-10%). Mác thép này không nhiễm từ, và có khả năng chế tạo tốt trong một số ứng dụng chế tạo. Về cơ bản, cơ lý Lưu Văn Quí Trang 6
  7. Bài tập Vật Liệu Học 2 tính của nó cũng giống mác 300 tuy nhiên khả năng chống rỉ hạn chế hơn. - Nó đ ược dùng trong một số ứng dụng cơ cấu và dùng trong việc sản xuất đồ bếp, bộ phận trong máy giặt, trang trí kiến trúc trong nhà. - Về m ặt lịch sử , nó ra đời sau mác thép 300 (được sáng chế vào những năm 30 của thế kỷ 20, phát triển vào những năm 50 ở Mỹ, những năm cuối 80 ở Ấn Độ, và thời gian gần đây ở Đài Loan và Trung Quốc) xuất phát từ mục đích kinh tế là làm giảm hàm l ượng Nikel, thay thế một phần Nickel bằng Mangan, qua một số cuộc khủng hoảng nguyên liệu Nickel trên thế giới. Nhược điểm của mác thép này chính là khả năng tái chế nó, cũng như khả năng chống rỉ hạn chế trong một số môi trường. Vì vậy việc mở rộng phát triển nó đang vẫn là vấn đề được bàn nhiều đến trong các diễn đàn quốc tế về sản xuất thép không rỉ.  MỘT SỐ LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CỦA THÉP KHÔNG GỈ: Thép tấm, cuộn Cán nóng, cán nguội Các mác thép: 201; 202; 430; 430DDQ; 409; 304; 304L; 321; 316L... Tiêu chuẩn: AISI (JIS, EN) Độ bóng bề mặt: 1D/No1, 2D, 2B, BA, HL, No.4, 800 (bóng gương) Kích thước: Dày x Rộng = (0,3mm-50mm) x (1219mm/1500mm) Thanh cây đặc Lưu Văn Quí Trang 7
  8. Bài tập Vật Liệu Học 2 Thanh tròn Thanh vuông Thanh lục giác Kích thước: Đường kính (cạnh) x dài = (8mm-150mm) x 6000mm Thanh V, U, L, I Kích thước: Dài 6000mm Mác thép: 409; 304; 304L; 321; 316L Tiêu chuẩn: AISI (JIS, EN) Phụ kiện đường ống Ống công nghiệp: đúc và hàn Ống thực phẩm, Ống chịu áp lực Kích thước: DN8 – DN400 (SCH5 – SCH80) x 6000mm Tiêu chuẩn: ASTM – A312(A269, A270); JIS G3459, DIN 11850, DIN 11852 Mác thép: TP (SUS) 304, 304L, 316, 316L, 310S Lưu Văn Quí Trang 8
  9. Bài tập Vật Liệu Học 2 Van và phụ kiện • Van Van nối ren, mặt bích (bi, bướm, cửa, cầu, y loc, một chiều, an toàn). Kích thước: DN8 – DN250 Tiêu chuẩn: ASTM – A351/ANSI Class 150 – 600; JIS 5K - 20K Van đặc chủng: Van điều khiển, van dao, van chân, van 3 ngã (nối bích, nối ren) Kich thước: DN15 – 300 Tiêu chuẩn: ASTM – A351, JIS 5K – 20K • Phụ kiện Phụ kiện : Hàn/ ren (Cút, tê, tê thu, côn thu. Zacco...) Kích thước: DN15 – DN600 Têu chuẩn: ASTM A403/ASTM – A351 (BSPT) Mặt bích: Mặt bích phẳng F/F – R/F Kích thước: : DN15 – DN600 Tiêu chuẩn: JIS 5K – 20K, ANSI #150 - #600 Phụ kiện vi sinh: Van, cút, tê, côn, nối dùng trong ngành thực phẩm (vi sinh) Kích thước: DN ½ “-6” Tiêu chuẩn: DIN 11852 , 11850 Lưu Văn Quí Trang 9
  10. Bài tập Vật Liệu Học 2 Lưu Văn Quí Trang 10
  11. Bài tập Vật Liệu Học 2 THÉP GIÓ I. Thép gió là một loại thép dụng cụ có đặc tính đặc biệt: có thể tôi (nhiệt luyện) trong gió. Ở đa số các quốc gia khác thép gió được gọi là "thép cắt nhanh" (thí dụ, tiếng Anh: high speed steel). Là loại thép hợp kim có các thành phần: • Cacbon: 0,7-1,5%: đảm bảo đủ hoà tan vào mactenxit tạo thành cacbit với các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là Volfram, Mô lip đen và đặc biệt là Vanađi. • Volfram, Mô lip đen khá cao: > 10%. • Crom: Khoảng 4% (từ 3,8÷4,4%) có tác dụng làm tăng mạnh độ thấm tôi. Nhờ tổng lượng Cr+W+Mo cao (>15%) nên thép gió có khả năng tự tôi (đây là lý do khiến người ta đặt tên là thép gió), tôi thâu với tiết diện bất kỳ và có thể áp dụng tôi phân cấp. • Vanađi: Nguyên tố tạo thành các bít rất mạnh. Mọi thép gió đều có ít nhất 1%V, khi cao hơn 2% tính chống mài mòn tăng lên, tuy nhiên không lên dùng quá 5% vì làm giảm tính mài. • Coban: Không tạo thành các bít, nó chỉ hoàn tan vào sắt ở dạng dung dịch rắn, với hàm lượng không vượt quá 5% tính cứng nóng của thép gió tăng lên rõ rệt. II. Ứng dụng: Thép gió có ứng dụng chủ yếu trong chế tạo các dụng cụ cắt gọt. Theo phân loại của thép dụng cụ, chúng được xếp vào loại thép làm dao có năng suất cao. III. Nhiệt luyện thép gió: Nhiệt luyện thép gió thường là tôi+ram để quyết định độ cứng, tính chống mài mòn và đặc biệt là tính cứng nóng theo yêu cầu. Tôi thép gió Tôi là nguyên công quyết định độ cưng của thép gió với đặc điểm là tôi ở nhiệt độ rất cao (gần 1300°C) với khoảng giao động hẹp (10°C). Ram thép gió Ram thép gió nhằm làm mất ứng suất bên trong, khử bỏ austenit dư, tăng độ cứng (độ cứng tăng 2÷3 HRC, hiện tượng này gọi là độ cứng thứ hai). Thép gió được ram 2-4 lần ở 550C-570°C mỗi lần trong vòng 1 giờ. IV. Xu hướng phát triển của thép gió: 1. Quá trình phát triển hợp kim hóa thép gió: Năm 1861 được xác định là năm bắt đầu sản xuất thép gió [1]. Người ta đưa ra thị trường mác thép Mushet có thể tôi được bằng không khí (có lẽ là mác thép tự tôi đầu tiên) có thành phần C = 2,4%; Si = 0,79%; Mn Lưu Văn Quí Trang 11
  12. Bài tập Vật Liệu Học 2 = 1,90%; Cr = 0,49% và W = 5,62%. Thép Mushet không có độ chịu nhiệt và tính cắt gọt cao vì nhiệt độ tôi tương đối thấp, gần như thép các-bon. Lúc đó người ta chưa biết được rằng độ chịu nhiệt của thép đạt được không chỉ bởi độ bền hóa học do thành phần lựa chọn mà còn do khả năng tôi được ở nhiệt độ tôi cao. Sau đó, nhiều nhà luyện kim đã nghiên cứu sản xuất các mác thép tự tôi khác có hàm lượng thành phần xê dịch trong khoảng: C=1,252,25%; Mn=1,53,5%; Cr = 0,33,0%; W = 4,011,0%. Nổi bật nhất trong giai đoạn này là những công trình nghiên cứu của hãng Bethlehem Steel, đứng đầu là Taylo. Khi nghiên cứu cơ sở lý thuyết hợp kim hóa, Taylo đã đưa ra kết luận: công suất cắt gọt của thép gió tăng lên theo khả năng tăng nhiệt độ tôi và đạt giá trị lớn nhất ở mác thép gió có nhiệt độ tôi gần nhiệt độ nóng chảy. Năm 1906, Taylo đưa ra mác thép gió được ứng dụng rộng rãi và hoàn thiện thành mác W18Cr4V ngày nay. Yêu cầu chất lượng cắt gọt ngày càng cao và sự giao động mạnh mẽ giá cả nguyên liệu là vấn đề chính trong nhiều vấn đề khó khăn ngăn trở các nhà sản xuất thép gió. Do tình trạng căng thẳng không đủ hợp kim ferro FeW và do không thực hiện được việc thông thương nguyên liệu này, người ta đã phải tăng cường nghiên cứu tìm kiếm các mác thép gió có hàm lượng W thấp hơn 18% bằng việc thay thế các nguyên tố hợp kim hóa khác. Molipđen được sử dụng sản xuất thép gió lần đầu tiên vào năm 1898. Theo Taylo, cứ 1% Mo có thể thay thế được 2% W (hiện nay tỷ lệ này là 1,5%). Điểm yếu của thép gió hợp kim hóa Mo là có độ nhạy cảm thoát các-bon rất lớn. Thời đó không có các điều kiện trang thiết bị công nghệ để khắc phục nhược điểm này, nên thép gió hợp kim hóa Mo không phát triển. Thập niên 20 của thế kỷ XX, người ta chỉ sử dụng thép gió hợp kim hóa W, chủ yếu là mác 18% W mà ở Liên Xô cũ ký hiệu là P18; ở Đức ký hiệu là S18-4-1; ở Mỹ ký hiệu là T1 và ở Nhật ký hiệu là SKH2. Đến những năm 30 của thế kỷ XX, các hãng sản xuất thép gió lại quay trở lại vấn đề thay thế W bằng Mo. Lý do là sự cung cấp quặng wolfram từ Trung Quốc không ổn định. Đồng thời, ở Mỹ nguồn quặng molipđen lại rất dồi dào. Kết quả của những cố gắng giai đoạn này là sự ra đời mác thép W6Mo5V2 được sản xuất khắp thế giới. ở Liên Xô ký hiệu là P6M5; ở Đức ký hiệu là S6-5-4-2; ở Mỹ ký hiệu là M2; ở Nhật ký hiệu là SKH9. Nguyên tố Vanađi cũng đã dược nghiên cứu đưa vào sản xuất thép gió từ rất sớm (1906). Nhưng thép gió hợp kim hóa V làm xấu tính mài bóng là tính công nghệ quan trọng của dụng cụ nên việc tăng hàm lượng V rất hạn chế. Các nhà luyện kim lần đầu tiên đưa Co vào thép gió vào năm 1912 [1,2]. Thép gió hợp kim hoá bằng Co có độ chịu nhiệt và độ cứng rất cao, thường Lưu Văn Quí Trang 12
  13. Bài tập Vật Liệu Học 2 sử dụng để cắt gọt vật liệu khó gia công: thép bền nhiệt ôstenit, thép kết cấu có độ cứng tới 4045 HRc và sử dụng khi cắt gọt với tốc độ lớn. Coban khác với W hoặc Mo, V và Cr là nguyên tố không tạo thành các bit. ảnh hưởng của Co lên tính chất của thép gió, vì vậy, khác với các nguyên tố này. Co tồn tại trong dung dịch rắn khi ram hóa bền tiết ra hợp chất liên kim loại dạng (Co, Fe)7W6 hoặc (Co,Fe)7Co6 có độ phân tán rất nhỏ mịn và độ ổn định chống tích tụ cao hơn pha các bít rất nhiều. Những năm gần đây, lợi dụng ưu điểm trên của Co, người ta đã cho Co vào hợp kim hóa các mác thép gió thông thường để nâng cao công suất cắt gọt. Crom trong tất cả các mác thép gió chỉ trong khoảng 35%. Nói đến ảnh hưởng của Cr tới thép gió phải được khảo sát trong mối tương tác của chúng với W và một phần với V. Người ta cũng đã nghĩ đến dùng Cr thay thế W hoặc Mo bởi Cr là nguyên tố tạo các bit rẻ tiền nhất. Sơ qua lịch sử phát triển hợp kim hóa thép gió để thấy được những khó khăn về mặt công nghệ sản xuất còn phải chịu sự chi phối bởi những vấn đề kinh tế xã hội. Do đặc trưng sản xuất thép gió là quy mô nhỏ, chỉ sản xuất từng đợt và phải qua nhiều công đoạn nên chi phí tài chính là gánh nặng, đặc biệt muốn nâng cao chất lượng sản phẩm đòi hỏi con đường công nghệ dài. Điều nhấn mạnh ở đây là vừa phải sử dụng có hiệu quả các nguồn nguyên liệu, vừa phải tìm kiếm các con đường công nghệ đạt chất lượng cao giá thành hạ. 2. Xu hướng hóa bền thép gió hợp kim hóa thấp: Nếu tính chất cơ bản của thép gió được xác định là tính cắt gọt của dụng cụ thì tính chất công nghệ (tính mài, độ ổn định chống quá nung, thoát các bon và ôxy hóa, tính dẻo công nghệ ở trạng thái nóng và trạng thái nguội…) ảnh hưởng không chỉ đến hiệu quả sản xuất công nghiệp mà còn ảnh hưởng đến độ ổn định, tức độ tin cậy của dụng cụ. Điều này đặc biệt quan trọng khi sử dụng dụng cụ trong sản xuất tự động hóa. Những mác thép gió cổ điển W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2 có thành phần dựa trên cơ sở kết quả nghiên cứu cơ bản và thực nghiệm về hợp kim hóa và khả năng thực hiện sản xuất trong điều kiện wolfram và molipđen là quý hiếm và giá đắt. Từ những năm 70 của thế kỷ XX, thép gió W6Mo5Cr4V2 đã được sản xuất đến 70% sản lượng thép gió (mác thép gió W18Cr4V hiện nay sản xuất không vượt quá 45% ). Đồng thời với xu hướng nghiên cứu ổn định và nâng cao chất lượng thép gió cổ điển, một hướng khác là nghiên cứu khả năng hợp kim hóa hóa bền thép gió hợp kim hóa thấp, thậm chí không hợp kim hóa W, tạo ra các mác thép gió thay thế được thép W6Mo5Cr4V2 [ 5]. Thép gió hợp kim hóa thấp có thành phần rất đa dạng, theo chúng tôi, có thể chia một cách tương đối thành 3 nhóm chính : Lưu Văn Quí Trang 13
  14. Bài tập Vật Liệu Học 2 - Nhóm 1: Là các mác thép gió có hàm lượng W thấp đã được nghiên cứu sản xuất từ những năm 30, sau này hoàn thiện thêm đưa vào tiêu chuẩn như ABCIII (tiêu chuẩn Nº320-63) của Đức hoặc 11P3AM32 (tiêu chuẩn GOCT 19265-73) của Liên Xô cũ. Các mác thép gió này có hàm lượng W ~ 3%; Mo ~ 3%; V ~2% và C ~ 1%. - Nhóm 2: Là các mác thép gió có hàm lượng W thấp mới được nghiên cứu sản xuất trong thời gian gần đây như P2M5 của Liên Xô (1978), D-950 của Thụy Điển (1985) hoặc M52 của Mỹ. Các mác thép gió này có hàm lượng W = 1,02,0%; Mo = 5,08,0%; V = 1,02,0% và C ~ 1%. - Nhóm 3: là các mác thép gió không hợp kim hóa W. Từ những năm 30 của thế kỷ XX, người ta đã nghiên cứu sản xuất các mác thép gió không có W mà điển hình là các mác EU 260 (1938) , EU 277 (1939). Những năm gần đây, nhiều mác thép mới đã được nghiên cứu sản xuất như 41, 42 (1978); 11Mo5V (1979). Các mác thép gió này chỉ được sử dụng hạn chế thay thế thép W6Mo5Cr4V2 bởi vì nhược điểm chung của nó là nhiệt độ tôi thấp, V cao làm xấu tính mài, Mo cao làm tăng khuynh hướng thoát các-bon. Để nâng cao chất lượng, mở rộng phạm vi sử dụng thay thế được thép gió cổ điển phải nghiên cứu từ cơ sở khoa học của cơ chế hóa bền. Vấn đề rất phức tạp, mức độ phức tạp không chỉ liên quan đến tương tác giữa các nguyên tố thành phần mà còn phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể hình thành và biến đổi cấu trúc thép gió đúc. Lấy nguyên tố Al làm ví dụ: Nếu đặc trưng ảnh hưởng của Al và Co lên nhiệt độ chuyển biến pha khi nung nóng, lên độ cứng thứ cấp và độ cứng nóng của thép gió là như nhau thì khác với Co, Al còn có khả năng liên kết từng phần trong thép thành nitrit nhỏ mịn bổ sung độ bền và độ giai va đập. Những kết quả nghiên cứu năm 1986 của L X. Kremnhep hóa bền thép gió 11Mo5V bằng Al (tới 1%) tạo được mác thép gió 11Mo5VAl có các tính chất công nghệ không thua kém, thậm chí cao hơn thép gió W6Mo5Cr4V2 (P6M5) (xem bảng 1). Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, hiện nay có một xu hướng mang tính bảo thủ là cố gắng tìm kiếm các giải pháp loại trừ những nhược điểm do tính không ổn định của thép gió cổ điển, song không thể mong chờ tăng nhiều tính chất công nghệ. Mặc dù vậy, chúng ta vẫn nên chú ý đến khả năng này. Thép gió cổ điển vẫn còn giá trị công nghiệp trong sản xuất hiện tại và tương lai vì việc đầu tư thiết bị sản xuất quá tốn kém chưa thể bỏ đi ngay được. 3. Những giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng thép gió: Về mặt công nghệ cũng có thề nâng cao chất lượng thép gió cổ điển bằng các phương pháp nấu luyện, gia công và nhiệt luyện hiện đại. Lưu Văn Quí Trang 14
  15. Bài tập Vật Liệu Học 2 Giải pháp đầu tiên tăng độ cứng của thép gió bằng cách tăng hàm lượng các bon nhưng không thay đổi hàm lượng các nguyên tố hợp kim hóa. Giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước. Hầu hết các nước công nghiệp phát triển đều dùng mác thép gió W6Mo5Cr4V2 có hàm lượng C = 0,951,05%. Thép có độ cứng thứ cấp tăng, độ chịu nhiệt tăng, thỏa mãn tính mài bóng (V< 2,5%), nhưng các-bon tăng làm giảm tính dẻo công nghệ khi rèn hoặc cán và có khuynh hướng nứt nhiệt. Một giải pháp khác có hiệu quả là hợp kim hóa thép gió bằng Nitơ. Hợp kim hóa N bằng cách cho FeV (hoặc FeCr) có ngậm nitơ khi nấu trong lò thường hoặc hóa khí khi nấu trong lò hồ quang plazma nồi lò ceramic. Độ bền của dụng cụ thép gió được hợp kim hóa nitơ tăng tới 1520% khi nitơ cho vào 0,1%. Khó khăn của giải pháp này là rất khó điều chỉnh hàm lượng nitơ. Hiện nay chưa có nhiều tài liệu về phương pháp hợp kim hóa nitơ thép gió. Trong điều kiện sản xuất quy mô vừa và nhỏ, công nghệ biến tính thép lỏng hoặc biến tính trong khuôn (đúc huyền phù ) có nhiều lợi thế áp dụng và đạt hiệu quả nhất định. Đặc biệt, việc sử dụng nguyên tố kim loại đất hiếm xử lý thép lỏng nâng cao chất lượng tinh luyện và biến tính thép gió có thể cải thiện đáng kể cấu trúc thỏi đúc kim loại nâng cao tính chất công nghệ của dụng cụ [6]. Công nghệ tinh luyện điện xỉ có ưu việt tạo được thỏi đúc thép gió cải thiện đáng kể độ không đồng đều cấu trúc. Chi phí đầu tư cho công nghệ tinh luyện điện xỉ có tăng lên nhưng sản phẩm đảm bảo chất lượng và hiệu quả kinh tế cao. Vì thế chỉ trong thời gian ngắn, công nghệ tinh luyện điện xỉ đã được ứng dụng rộng rãi với quy mô lớn trong sản xuất thép gió hiện đại [7]. Công nghệ luyện kim bột có khả năng tạo được các mác thép gió hợp kim hóa cao và có thể tăng hàm lượng các bít. Thép gió lỏng được phun tạo bột trong khí trơ (Argon), ép nóng tạo phôi gia công nóng thông thường có thể tạo được chi tiết có cấu trúc rất nhỏ mịn và đồng đều. Phương pháp luyện kim bột ép nguội và thiêu kết có khả năng trực tiếp tạo ra được dụng cụ có hình dáng đa dạng và phức tạp. Nói chung, phương pháp luyện kim bột có nhiều ưu điểm hấp dẫn cả về công nghệ lẫn kinh tế. Dụng cụ sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột đạt được cấu trúc nhỏ mịn rất đồng đều, độ bền của dụng cụ có thể lớn hơn 1,5-3,5 lần so với dụng cụ sản xuất bằng phương pháp luyện kim thường [ 8]. Cũng cần phải nhắc đến một số giải pháp công nghệ gia công áp lực và nhiệt luyện như: công nghệ rèn ép, ủ chu kỳ, hóa nhiệt luyện… song con đường này hầu như đã khai thác hết. Không thể đòi hỏi lớn hơn ở các mác thép gió truyền thống mà tính chất của thép chủ yếu dựa trên cơ sở hóa bền Lưu Văn Quí Trang 15
  16. Bài tập Vật Liệu Học 2 các bít. Thực tế khả năng nâng cao công suất cắt gọt của dụng cụ thép gió cổ điển là khó vì không thể nâng cao hơn độ chịu nhiệt của nó. Đó là hiệu lực của các định luật vật lý. Hơn thế nữa, một số tính chất bất lợi của thép gió cổ điển không thể loại bỏ hết nên sự ổn định của dụng cụ mà người sử dụng mong muốn là khó thực hiện. 4. Biện pháp loại bỏ nhược điểm của thép gió cổ điển: Kết tinh thép gió rất phức tạp. Khi tốc độ làm nguội thép trong khoảng nhiệt độ 13501100ºC rất lớn, một số phản ứng thực tế không đủ điều kiện xảy ra hoàn toàn. Trong cấu trúc hạt thép gió đúc có 3 lớp rõ rệt, không giống với các mác thép khác. Cấu trúc lưới các bit cùng tinh lêđêburit của thép gió đúc càng thô nếu kích thước thỏi đúc càng lớn và càng nặng nề hơn ở tâm và đầu thỏi đúc [10]. Không thể loại bỏ hoàn toàn cấu trúc như vậy nếu không gia công biến dạng dẻo nóng khắt khe và phức tạp. Trong sản xuất thép gió cho đến nay, việc khống chế thiên tích các bít là nguyên nhân của phần lớn chi phí sản xuất và còn là đối tượng của việc tăng chi phí đầu tư . Về mặt kim loại học, tư tưởng chủ đạo khắc phục khó khăn trên là phải đưa được phần lớn các bit vào nền ostenit. Nhưng điều này chỉ có thể đạt được bằng cách giảm hàm lượng các-bon và tăng hàm lượng coban trong thành phần thép. Năm 1975, tại Hội nghị quốc tế về thép gió tổ chức ở Staint-Elienne (Pháp), A. Greciet, A. Serres và R. Al. Haik đã báo cáo những kết quả nghiên cứu sản xuất thí nghiệm một số mác thép gió mới (trong bảng 2). Kết quả phân tích cho thấy, độ lớn của hạt thép theo thang đo Suyder- Graffer là 1213 là cực mịn. Nhưng quan trọng hơn cả là không còn tồn tại thiên tích các bit. Và kết quả nghiên cứu đã được chuyển giao sang sản xuất công nghiệp. Liên Xô (trước đây) và Nhật Bản là hai nước đi đầu trong nghiên cứu sản xuất các mác thép gió có độ chịu nhiệt rất cao dựa trên pha hóa bền hợp chất liên kim loại. Khi giảm hàm lượng C trong thép gió xuống còn 0,10,2%, pha hóa bền chủ yếu là hợp chất liên kim loại dạng Co7W6. Nhờ tính chất suất sắc của pha Co7W6, người ta đã tạo được những mác thép gió có độ chịu nhiệt cao hơn thông thường rất nhiều. Thuật ngữ đúng gọi nhóm thép này là “Thép gió có độ chịu nhiệt rất cao”, song do công suất cắt gọt đạt được quá cao nên người ta gán cho nó tên gọi “siêu thép gió”. Xin giới thiệu 4 mác thép tiêu biểu (trong bảng 3). Nhóm thép “siêu thép gió”này có các tính chất sau : - Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến pha rất cao (900950°C), cao hơn thép gió thường trên 100°C. - Hàm lượng C nhỏ, lượng các bit cùng tinh lêđêburit hầu như không Lưu Văn Quí Trang 16
  17. Bài tập Vật Liệu Học 2 có. - Pha hóa bền là hợp chất liên kim loại Co7W6. Khi nung tôi làm nguội nhanh, pha này không tiết ra, chuyển biến xảy ra như chuyển biến mactenxit. Ram ở nhiệt độ 500600°C, pha này tiết ra rất phân tán nhỏ mịn, rất ổn định và không tích tụ. Do đó độ cứng thứ cấp và độ chịu nhiệt rất cao. Bảng 4 là kết quả so sánh độ cứng của thép gió thường và siêu thép gió ở nhiệt độ thí nghiệm. Nhược điểm của siêu thép gió là tính dẻo công nghệ trạng thái nóng thấp hơn thép gió W18Cr4V một chút, đặc biệt tính gia công bằng cắt gọt là rất kém vì độ cứng sau ủ mềm còn cao (trên 3035 HRc). Nếu ta lấy công suất cắt gọt của thép các bon là 1, thép gió cổ điển hóa bền các bit sẽ là 3 thì siêu thep gió hóa bền hợp chất liên kim loại sẽ là 5. Như thế đủ thấy khả năng đạt được của siêu thép gió là khả quan. Tuy nhiên, thép gió hóa bền dựa trên hợp chất liên kim loại Co7W6 cần được nghiên cứu tiếp để xác định mọi khả năng hợp kim hóa hóa bền cấu trúc. Hiện nay còn thiếu nhiều thông tin về nhóm thép này. Điều chắc chắn là nếu không tăng được công suất lên nữa thì tương lai chúng khó có thể đáp ứng được những yêu cầu của ngành cơ khí tự động hóa năng suất cao. Việc tìm kiếm các khả năng khác cũng đang được tiến hành tích cực. Thép gió Dạng vật liệu: dạng thanh tròn, lập là hoặc dạng t Lưu Văn Quí Trang 17
  18. Bài tập Vật Liệu Học 2 HỢP KIM MÀU Lưu Văn Quí Trang 18
  19. Bài tập Vật Liệu Học 2 Nhôm và Hợp Kim Nhôm Tấm và cuộn, Seri 1, 2, 3, 6 và 7 Tấm chống trượt và hoa văn, 1, 3 và 5 Nhôm phủ PE và PVDF Nhôm Anode bóng Nhôm profile, cây và ống Seri 1, 6 và 7 Dây nhôm hợp kim (AL-ALLOY) Lưu Văn Quí Trang 19
  20. Bài tập Vật Liệu Học 2 Đường kính: 0.12mm - 0.22mm Tiêu chuẩn: Standard 5154 Thành phần hóa học: Si = 0.45%max.; Fe = 0.4%max.; Cu = 0.10%max.; Mn = 0.80 - 1.3%; Mg = 2.8 - 3.5%; Zn = 0.20%max.; Ti = 0.20%max.; còn lại là AL. Đặc điểm cơ tính: Độ bền kéo >= 210N/mm2; Độ giãn dài >= 7~12% (tùy thuộc vào từng đường kính cụ thể); Suất điện trở ở 20 Oc >= 0.051. Ứng dụng: Sản xuất các loại cáp đồng trục, cáp mềm, cáp thông tin, ống mềm, lưới chống côn trùng,... Nhôm Màu Hợp Kim Lưu Văn Quí Trang 20
Đồng bộ tài khoản