giáo trình Điện tử môn học vật liệu học: phần 2

Chia sẻ: Mai Hong Luu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

60
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

giáo trình Điện tử môn học vật liệu học: phần 2 trình bày về thép và gang; hợp kim màu và bột; vật liệu ceramit; vật liệu polyme; vật liệu compozit. mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm chi tiết nội dung.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: giáo trình Điện tử môn học vật liệu học: phần 2

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),