Giáo trình Vật liệu 2

e. ảnh h−ởng của thời gian ram: th−ờng (1 ữ 2h). Chú ý là sau khi tôi nên ram ngay để vừa tránh nứt xảy ra sau khi tôi vừa để tránh hiện t−ợng ổn định hóa γ d−. 4.6. Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép 4.6.1. Biến dạng và nứt a. Nguyên nhân và tác hại: do ứng suất sinh ra khi nguội làm thép bị biến dạng, cong vênh, nứt. Nói chung khó tránh khỏi nh−ng phải tìm cách hạn chế. b. Ngăn ngừa: - Nung nóng và đặc biệt là làm nguội với tốc độ hợp lý . - Nung nóng và làm nguội các trục dài: khi nung treo thẳng đứng để tránh cong, khi làm nguội phải nhúng thẳng đứng, phần dày xuống tr−ớc... - Nên dùng tôi phân cấp, hạ nhiệt tr−ớc khi tôi, với các vật mỏng phải tôi trong khuôn ép. c. Khắc phục: biến dạng, cong vênh với một số dạng chi tiết nh− trục dài, tấm có thể đem nắn, ép nóng hoặc nguội. Còn khi bị nứt thì không sửa đ−ợc. 4.6.2. ôxy hóa và thoát cacbon a. Nguyên nhân và tác hại: do trong môi tr−ờng nung có chứa chất ôxy hóa Fe và C: O2, CO2, hơi n−ớc..., khi ôxy hóa th−ờng đi kèm với thoát cacbon. Tác hại của ôxy hóa: làm hụt kí ch th−ớc, xấu bề mặt sản phẩm, thoát cacbon làm giảm độ cứng khi tôi. b. Ngăn ngừa: - Khí quyển bảo vệ:: CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4 < Pth gây oxy hoá - Khí quyển trung tí nh: N, Ar,.. - Nung trong lò chân không: 10-2 ữ 10-4 at có khả năng chống ôxy hóa và thoát cacbon một cách tuyệt đối cho mọi thép và hợp kim. Có thể: + Rải than hoa trên đáy lò hay cho chi tiết vào hộp phủ than lãng phí vì kéo dài thời gian nung. + Lò muối đ−ợc khử ôxy triệt để bằng than, ferô silic. Cách này chỉ áp dụng đ−ợc cho chi tiết nhỏ, năng suất thấp. Đ−ợc áp dụng rộng rãi khi tôi dao cắt. Rất độc c. Khắc phục: Phải để đủ đ−ợc l−ợng d− để hớt bỏ đi hoặc đem thấm cacbon. 62 4.6.3. Độ cứng không đạt: a. Độ cứng quá cao: sau khi ủ và th−ờng hóa thép hợp kim, do tốc độ nguội lớn → ủ lại. b. Độ cứng quá thấp: Nhiệt độ tôi ch−a đủ cao, thời gian giữ nhiệt ngắn. Làm nguội không đủ nhanh theo yêu cầu đề ra để tạo nên M. Thoát cacbon bề mặt,.. khắc phục. 4.6.4. Tí nh giòn cao Sau khi tôi, độ cứng vẫn ở bình th−ờng mà thép lại quá giòn (rơi vỡ). Nguyên nhân là nhiệt độ tôi quá cao (gọi là quá nhiệt), hạt thép bị lớn. Khắc phục: th−ờng hóa rồi tôi lại, tăng biến dạng. 4.6.5. ảnh h−ởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt a. ảnh h−ởng của nhiệt độ: là yếu tố quyết định nhất chất l−ợng nhiệt luyện b. Kiểm tra nhiệt độ nung: bằng các dụng cụ đo nhiệt: - < 400 ữ 500oC dùng nhiệt kế thủy ngân, < 1600oC dùng cặp nhiệt + đồng hồ (milivôn kế): + cặp Π Π- 1300oC (đến 1600oC), cặp XA- 800oC (1200oC). −ớc l−ợng bằng mắt: Màu đỏ - 700 ữ 830oC, da cam - 850 ữ 900oC, vàng - 1050 ữ 1250oC, trắng - 1250 ữ 1300oC. Tất nhiên cách này kém chí nh xác và đòi hỏi có kinh nghiệm. 4.7. Hóa bền bề mặt 4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) a. Nguyên lý nung nóng bề mặt: (hình 4.21a). Chiều sâu nung ∆ xác định theo công thức f 5030 à ρ =∆ cm, trong đó: ρ - điện trở suất (Ω.cm), à - độ từ thẩm (gaus/ơcstet). Hình 4.21. Nung nóng và tôi cảm ứng: b. Chọn tần số và thiết bị: Bánh răng chiều dày lớp tôi bằng (0,20 ữ 0,28)M (M là môđun răng). Khi cần lớp tôi dày (4 ữ 5mm): thiết bị 2500 hay 8000Hz, P= 100kW trở lên. Lớp tôi mỏng (1 ữ 2 mm), thiết bị tần số cao (66000 hay 250000Hz), p= 50 ữ 100kW. c. Các ph−ơng pháp tôi: Vòng cảm ứng đ−ợc uốn sao cho có dạng bao, ôm lấy phần bề mặt cần nung để tôi song không đ−ợc tiếp xúc với chi tiết, có khe hở 1,5 ữ 5,0mm, càng nhỏ càng đỡ tổn hao. Có 3 kiểu tôi sau: a. sơ đồ nung nóng cảm ứng, b. tôi khi nung nóng toàn bộ bề mặt tôi, c. tôi khi nung nóng và là m nguội liê n tục 1. chi tiế t tôi, 2. vòng cả m ứng, 3. vòng phun n−ớc, 4. đ−ờng sức từ tr−ờng. 63 - Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt nh− biểu thị ở hình 4.21b. - Nung nóng rồi làm nguội tuần tự từng phần riêng biệt: tôi từng răng cho các bánh răng lớn (m > 6) hay các cổ trục khuỷu (có máy tôi chuyên dùng điều khiển theo ch−ơng trình). - Nung nóng và làm nguội liên tục liên tiếp: trục dài (hình 4.21c), băng máy... co thể tự ram. d. Tổ chức và cơ tí nh của thép tôi cảm ứng: Thép dùng: %C= 0,35 ữ 0,55% (th−ờng chỉ 0,40 ữ 0,50%), có thể hợp kim thấp Tổ chức: nung với tốc độ rất nhanh do đó: - Nhiệt độ chuyển biến pha A1, A3 nâng cao lên, do vậy nhiệt độ tôi cao hơn từ 100 ữ 200oC. - Tốc độ chuyển biến pha rất nhanh, thời gian chuyển biến ngắn, nhận đ−ợc siêu M rất dẻo dai Tôi cảm ứng th−ờng đ−ợc áp dụng cho các chi tiết: + chịu tải trọng tĩnh và va đập cao, chịu mài mòn ở bề mặt nh− bánh răng, chốt... + chi tiết chịu mỏi cao, + chịu uốn, xoắn lớn: trục truyền, trục... e. −u việt: - Năng suất cao, do thời gian nung ngắn vì chỉ nung lớp mỏng ở bề mặt và nhiệt đ−ợc tạo ra ngay trong lớp kim loại. - Chất l−ợng tốt, tránh đ−ợc các khuyết tật: ôxy hóa, thoát cacbon, chất l−ợng đồng đều, kết quả ổn định. Độ cứng cao hơn so với tôi th−ờng khoảng 1 ữ 3 đơn vị HRC, gọi là siêu độ cứng. - Dễ tự động hóa, cơ khí hóa, thí ch hợp cho sản xuất hàng loạt. Nh−ợc điểm: khó áp dụng cho các chi tiết có hình dạng phức tạp, tiết diện thay đổi đột ngột... do khó chế tạo vòng cảm ứng thí ch hợp. 4.7.2. Hóa - nhiệt luyện Đ/n: Hóa - nhiệt luyện là đ−a chi tiết và trong môi tr−ờng thấm có thành phần, nhiệt độ thí ch hợp trong thời gian đủ để nguyên tố cần thấm đi sâu vào trong chi tiết sau đó đem nhiệt luyện để cải thiện hơn nữa tí nh chất của lớp bề mặt. a. Nguyên lý chung Môi tr−ờng thấm: là môi tr−ờng có chứa nguyên tố cần thấm, có khả năng phản ứng để cố định nguyên tố thấm lên bề mặt chi tiết và khuếch tán vào sâu phí a bên trong. Thấm C: môi tr−ờng khí phân huỷ từ dầu hoả, thấm N: khí NH3,.. 2 mục đí ch chí nh: - Nâng cao độ cứng, tí nh chống mài mòn và độ bền mỏi của thép hơn cả tôi bề mặt: thấm C, thấm N, thấm C-N,... đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí . - Nâng cao tí nh chống ăn mòn: thấm Cr, thấm Al, Si, B. Các quá trình thấm này phải tiến hành ở nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn, í t thông dụng hơn. Các giai đoạn: 1) khuếch tán thể khí : là quá trình khuếch tán chất thấm đến bề mặt chi tiết 2) Phản ứng tạo nguyên tử hoạt tí nh và cố định lên bề mặt: hấp phụ tạo nguyên tử hoạt trên bề mặt và phản ứng với nền để cố định chúng trên bề mặt (có thể hấp phụ phân ly hoặc phản ứng phân ly ra nguyên tử hoạt tí nh). 64 3) Khuếch tán thể rắn: nguyên tử chất thấm đ−ợc cố định trên bề mặt khuếch tán sâu vào bên trong để tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định. Trong ba giai đoạn kể trên thì khuếch tán thể rắn th−ờng chậm nhất do đó là khâu quyết định sự hình thành của lớp thấm. ảnh h−ởng của nhiệt độ và thời gian: Nhiệt độ càng cao: phản ứng tạo nguyên tử hoạt và khuếch tán vào càng nhanh, song cao quá thì có hại: Ví dụ: thấm C không quá 950oC để hạt tinh thể không bị thô to, thấm N không quá 650oC để còn bảo tồn tổ chức hoá tốt của thép ở lõi. Thời gian thấm: càng dài thì lớp thấm càng sâu: τ= KX (X-chiều sâu lớp thấm, K-hằng số ∈ no và công nghệ thấm, τ- thời gian thấm) b. Thấm cacbon: phổ biến nhất, dễ làm do đó hầu hết các x−ởng Cơ khí đều áp dụng Ưu điểm: bề mặt sau khi thấm + tôi và ram thấp HRC 60ữ64, chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi bền, dẻo, dai với độ cứng HRC 30 ữ 40. Nhiệt độ thấm: Đủ cao để thép ở trạng thái hoàn toàn là γ, pha có khả năng hòa tan nhiều cacbon (900 ữ 950oC). Tuỳ theo loại thép sử dụng: Thép C: C10-C25, T thấm = (900-930)oC, Thép hợp kim có Ti: 18CrMnTi, 25CrMnTi, T=(930-950)oC, Mn để %C không quá cao → bong Sau khi thấm và tôi+ram thấp: bề mặt %C (1-1,2)%, sau tôi +ram thấp độ cứng cao (th−ờng là 62 ữ 64), không bong. Lõi: có tổ chức hạt nhỏ (cấp 5 ữ 8) với tổ chức mactenxit hình kim nhỏ mịn, không có F tự do, để bảo đảm độ bền, độ dai cao, HRC 30 ữ 40. Thời gian thấm: (giữ nhiệt ở nhiệt độ thấm) phụ thuộc vào hai yếu tố sau. 1) Chiều dày lớp thấm yêu cầu: chiều dày lớp thấm X = (0,10 ữ 0,15)d, d đ−ờng kí nh hay chiều dày chi tiết. Riêng đối với bánh răng lấy X=(0,20 ữ 0,30)m (m- môduyn của răng) 2) Tốc độ thấm: Tuỳ theo công nghệ thấm và nhiệt độ thấm: Công nghệ thấm: 2 công nghệ th−ờng dùng: Thấm C thể rắn: Hình 4.22. Hộp thấm C thể rắn Thời gian và chiều dày lớp thấm: X2=(0,11-0,12)τ, khi thấm ở (900-930)oC- lấy K=0,11, khi thấm ở (930-950)oC- lấy K=0,12 Đặc điểm của thấm cacbon thể rắn là: + Thời gian dài (do phải nung cả hộp than dẫn nhiệt chậm), bụi, khó cơ khí hóa, kém ổn định, không đòi hỏi thiết bị kí n, rất đơn giản Thấm ở thể khí : là ph−ơng pháp thấm hiện đại, đ−ợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất Cơ khí . Chất thấm: Khí đốt và dầu hoả (dầu hoả dễ dùng hơn) nắ p chi tiế t thấ m hỗ n hợ p thấ m hộ p thấ m Hỗn hợp thấm: Than (cốc, đỏ, gỗ) cở 2-8mm : 25% Than dựng lại (xàng bỏ bột vụn): 60% BaCO3 : 15% Hoà BaCO3 vào nước vừa xệt để cú thể trộn đều vào than. Xếp chi tiết và lốn than vừa chặt như hỡnh 4.22. 65 Thiết bị thấm: các loại lò chuyên dùng để thấm C (bảng 4.3) Bảng 4.3. Lò thấm C của Nga Loại lò P, kw dxh lò,mm Loại lò P, kw dxh lò,mm • 25 25 300x450 • 75 75 500x900 • 35 35 300x600 • 90 90 600x900 • 60 60 450x600 •105 105 600x1200 Xếp hoặc treo chi tiết vào lò đảm bảo bề mặt cần thấm phải luôn có khí luân chuyển. Nâng nhiệt độ và cấp dầu: Nhiệt độ Số giọt dầu, [giọt/phút] (lò Ц 25 - Ц 60) < 300 0 300-500 30 500-900 30-50 900-950 90-150 (bão hoà) 900-950 50-80 (khuếch tán) Nhiệt độ thấm: theo loại thép nh− thấm C thể rắn Thời gian thấm: (kể từ khi đạt nhiệt độ thấm) K X2 =τ , K=0,12 khi thấm (900-930)oC, K=0,14 khi thấm ở (930-950)oC,τ=τbãohoà+τk/tán=2τbão hoà=2 τk/tán Hình 4.23. Sơ đồ lò thấm C bằng dầu hoả Nhiệt luyện sau khi thấm: 3 công nghệ: 1- Tôi trực tiếp+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm lấy ra cho nhiệt độ hạ xuống còn 850-860oC thì tôi trong dầu. Chỉ áp dụng cho thép hợp kim, quy trình đơn giản, kinh tế. 2- Tôi 1 lần+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm đem th−ờng hoá rồi tôi ở (820- 850)oC khi cần −u tiên cho lớp bề mặt, tôi ở (860-880)oC khi cần −u tiên cho lõi, áp dụng đ−ợc cho cả thép C. 3- Tôi 2 lần+ram thấp ở 200oC-1h: sau thấm đem th−ờng hoá rồi tôi ở (880-900)oC cho lõi xong, nung lại và tôi cho bề mặt ở (760-780)oC (tốt nhất là tôi cao tần), áp dụng cho mọi loại thép, đảm bảo cơ tí nh cả lõi và bề mặt, song phiền phức và ngày càng í t dùng. c. Thấm nitơ Định nghĩa và mục đí ch: làm bão hòa và khuếch tán N vào bề mặt thép hợp kim sau khi nhiệt luyện hoá tốt nhằm mục đí ch chủ yếu là nâng cao độ cứng, tí nh chống mài mòn (HRC 65 ữ 70 hơn hẳn thấm cacbon) và giới hạn mỏi của chi tiết. Tổ chức của lớp thấm: từ ngoài vào lần l−ợt là: (ε+γ’)- γ’-(γ’+α)-thép ở lõi, trong đó ε - là pha xen kẽ ứng với Fe2-3N, γ’ - là pha xen kẽ ứng với Fe4N, α - dung dịch rắn của N trong Feα. Độ cứng cao nhất của lớp thấm là vùng (γ’+α), do có nhiều nitrit: CrN, AlN, tiết ra nhỏ mịn nằm phân bố đều, không phải qua nhiệt luyện tiếp theo nh− khi thấm C. bì nh dầ u đ ế m giọ t ố ng xả đ ộ ng cơ ngọ n lử a chi tiế t thấ m 66 Thép dùng để thấm N: là thép hợp kim chuyên để thấm N điển hình là 38CrMoAlA sau khi nhiệt luyện hoá tốt Chất thấm N: khí NH3 công nghiệp (amôniac), ở nhiệt độ thấm (480 ữ 650) oC, NH3 bị phân huỷ nhiệt theo phản ứng: 2 NH3 → 3H2 + 2Nng.tử Chỉ có NH3 hấp phụ trên bề mặt phân huỷ tạo thành Nng/tử mới có tí nh hoạt cao khuếch tán vào tạo thành lớp thấm. Phần lớn còn lại không có tác dụng thấm, do đó để thấm N ng−ời ta phải liên tục bơm NH3 vào lò và lấy sản phẩm thừa ra ngoài. Để thấm ổn định với tốc độ đủ nhanh thì tỷ lệ phân huỷ nhiệt P của NH3: avào−moldsốtổng huỷphanNHmolsố P 3= phải thoả mãn: Nhiệt độ 450-500 500-600 600-700 P, % 20-35 30-45 40-60 Đặc điểm của công nghệ thấm nitơ: - Do phải tiến hành ở nhiệt độ thấp để không làm hỏng tổ chức của thép sau hoá tốt. Chọn nhiệt độ thấm phải căn cứ vào tí nh chống ram của thép (thép 38CrMoAlA thấm ở (500-550)oC, thép gió 80W18Cr4V có thể thấm ở (600-700)oC) - Sau khi thấm không phải tôi mà phải làm nguội chậm đến nhiệt độ 200oC để tiết nitrit làm tăng độ cứng, rồi đuổi hết khí ra mới đ−ợc mở lò để chống nổ. - Nếu trong khí thấm có pha thêm l−ợng nhỏ khí đốt (1-2%), hoặc thỉnh thoảng mở van cho 1 chút không khí vào, các nguyên tố C (trong khí đốt), oxy (trong không khí ) có tác đụng ổn định pha ε do đó tốc độ thấm tăng. - Thời gian thấm: khi có mặt C và O trong khí thấm thì τ K X 2 = , K = 0,2 đến 0,27, chú ý lớp ε xốp có độ cứng thấp (250-300HB), mẫu thấm to lên do đó th−ờng phải hớt bỏ đi. Độ cứng của lớp thấm N: 900-1000 HV, giữ đ−ợc ở nhiệt độ trên 500oC. Công dụng: cho chi tiết cần độ cứng và tí nh chống mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ cao hơn 500oC, nh− một số trục, bánh răng, sơmi trong máy bay, dụng cụ cắt, dụng cụ đo. d. Thấm cacbon - nitơ Định nghĩa và mục đí ch: làm bão hòa (thấm, khuếch tán) đồng thời cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tí nh chống mài mòn (về mặt này nó nằm trung gian giữa thấm cacbon và thấm nitơ). Nh− vậy nó cũng nhằm mục đí ch nh− hai ph−ơng pháp hóa - nhiệt luyện trên song tốt hơn thấm cacbon. Đặc điểm của công nghệ thấm C-N: tùy thuộc vào tỷ lệ giữa C và N trong lớp thấm mà quá trình có thể gần với một trong hai dạng thấm C hoặc N trên: - Thấm ở nhiệt độ cao, trên d−ới 800oC: chủ yếu là thấm C (í t N), do đó có tí nh chất gần với thấm C hơn song tốt hơn chỉ thấm C. - Thấm ở nhiệt độ thấp, trên d−ới 600oC: lớp thấm chủ yếu là N, do đó tí nh chất gần với thấm N hơn song kém hơn thấm nitơ đôi chút Thấm C-N ở nhiệt độ cao: 67 Chất thấm: chủ yếu là khí đốt hoặc dầu hoả nh− khi thấm C nh−ng có thêm 5 ữ 10%NH3, Nhiệt độ thấm: 780 ữ 860oC, thấp hơn so với thấm C Tổ chức lớp thấm: giống lớp thấm C nh−ng có thêm pha cacbo-nitrit Fe3(C,N) rất cứng (cứng hơn Fe3C) nằm phân tán nên làm tăng rất mạnh tí nh chống mài mòn do đó kéo dài tuổi thọ thêm 50 đến 100%. Chiều dày lớp thấm: mỏng hơn lớp thấm C khoảng 20 ữ 30%. Ví dụ bánh răng khi thấm cacbon sâu 0,90 ữ 1,20mm, khi thấm C-N chỉ cần 0,50 ữ 0,80mm. Nhờ vậy thời gian thấm sẽ ngắn lại. Do nhiệt độ và thời gian thấm đều giảm nên kinh tế hơn Nhiệt luyện sau khi thấm: sau khi thấm phải qua tôi + ram thấp nh− thấm C nh−ng đơn giản hơn vì tôi trực tiếp với mọi loại thép. Thấm cacbon - nitơ ở nhiệt độ thấp: Giống nh− khi thấm N, khí thấm có pha thêm 2-5% khí đốt, sau khi thấm không phải qua tôi+ram thấp nh− khi thấm N. Nhiệt độ thấm và thời gian thấm giống nh− khi thấm N, −u việt là thấm nhanh, hiện nay chỉ có công nghệ thấm C-N không có công nghệ thấm N riêng biệt. Thép dùng để thấm C-N: th−ờng là thép hợp kim: 25CrMnMo, sau khi thấm C-N nhiệt độ cao tôi trực tiếp phân cấp trong dầu nóng 180oC. 68 Phần III vật liệu kim loại Ch−ơng 5 thép và gang Thép có cơ tí nh tổng hợp cao, có tí nh công nghệ tốt (tạo hì nh, gia công cơ khí , biến dạng , hàn, nhiệt luyện) là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan trọng nhất. Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim: 5.1. Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim 5.1.1. Thép cacbon Thép cacbon hay thép th−ờng: chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản l−ợng thép. a. Thành phần hóa học: %C < 2,14%, khi nung lên đủ cao → γ - mạng A1, rất dẻo → biến dạng. Ngoài Fe & C còn có: Mn, Si, P &S Tạp chất có lợi: Mn, Si, do: quặng sắt, do khử ôxy Tạp chất có hại: P & S, do quặng sắt và than đ−a vào < 0,05% cho mỗi nguyên tố. Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa: C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S ≤ 0,050%. Ngoài P và S còn có các t/c có hại: H, N, O,.. hòa tan vào thép lỏng, là tạp chất ẩn náu. Các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim): do hồi liệu đ−a vào: Cr, Ni, Mo, Cu, Ti, b. ảnh h−ởng của C đến tổ chức, tí nh chất và công dụng của thép th−ờng Là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tí nh chất (cơ tí nh), công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp). Tổ chức tế vi: GĐP Fe-C, %C tăng lên thì %Xê là pha giòn cũng tăng lên t−ơng ứng (thêm 1%C thì Xê tăng thêm 15% (100/6,67= 15%)) do đó làm thay đổi tổ chức và tí nh chất thép. - C ≤ 0,006% - thép có tổ chức thuần F (hì nh 3.19a), coi nh− sắt nguyên chất. - C = 0,10 ữ 0,70% - thép có tổ chức F+P, khi %C tăng lên %P tăng lên (hì nh 3.22a,b,c), đó là các thép tr−ớc cùng tí ch. - C = 0,80% - thép có tổ chức P (hì nh 3.20a,b), đó là thép cùng tí ch. - C ≥ 0,90% - thép có tổ chức P+XêII (hì nh 3.23), khi %C tăng lên l−ợng XêII tăng Cơ tí nh: Hì nh 5.1 σ b, ψ, H B , a K %C HB σb ψ δ aK 0,8 Hì nh 5.1. ảnh h−ởng của cacbon đến cơ tí nh của thép th−ờng (ở trạng thái ủ) 69 Tăng %C: làm giảm độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) vì %Xê tăng Tăng %C thì σb tăng và đạt cực đại trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, sau đó giảm đi vì ban đầu %C tăng thì %Xê tăng làm tăng bền, sau khi v−ợt quá 0,80 ữ 1,00%C ngoài peclit (tấm) còn XêII Theo %C có 4 nhóm với cơ tí nh và công dụng rất khác nhau nh− sau: - Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%): dẻo, dai cao nh−ng độ bền, độ cứng lại thấp, Xây dựng - Thép có cacbon trung bì nh (0,30 ữ 0,50%): chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao. - Thép có cacbon t−ơng đối cao (0,55 ữ 0,65%): chi tiết đàn hồi. - Thép có cacbon cao (≥ 0,70%): dụng cụ nh− dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo. Tí nh công nghệ: %C càng thấp càng dễ hàn và dập. %C càng cao thì thép càng cứng càng khó cắt, nh−ng %C quá thấp → dẻo quá khó gia công cắt c. ảnh h−ởng của các tạp chất th−ờng có Mn: Mn để khử ôxy thép: Mn + FeO → Fe + MnO → xỉ Ngoài ra, Mn loại trừ đ−ợc tác hại của S. Mn ảnh h−ởng tốt đến cơ tí nh, khi hòa tan vào F nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hì nh 5.2a), trong thép C, %Mn= (0,50 ữ 0,80)%. Si: để khử ôxy triệt để: Si + FeO → Fe + SiO2 → xỉ Giống nh− Mn, Si hòa tan vào F cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hì nh 5.2a) nên làm tăng cơ tí nh của thép, %Si = (0,20 ữ 0,40)%. P: hòa tan vào F làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tí nh giòn nguội S: không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe+FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), gây bở nóng. Mn do tạo nên MnS, kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, làm giảm tác hại của S. d. Phân loại thép cacbon Theo độ sạch tạp chất có hại và ph−ơng pháp luyện Trên thế giới hiện còn ba ph−ơng pháp luyện thép chí nh là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉ nh (lò L-D) (n−ớc ta chỉ bằng lò điện hồ quang). Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất l−ợng sau. - Chất l−ợng th−ờng: P, S ≤ 0,050% (hay cao hơn một chút). Thép đ−ợc luyện từ lò L-D, năng suất rất cao và giá thành thép rẻ. - Chất l−ợng tốt: P, S ≤ 0,040% ở lò mactanh và lò điện hồ quang. - Chất l−ợng cao: P, S ≤ 0,030% cho mỗi nguyên tố. Lò điện hồ quang dùng nguyên liệu chất l−ợng cao. - Chất l−ợng rất cao: P, S ≤ 0,020% cho mỗi nguyên tố. Thép sau khi luyện ở lò hồ quang đ−ợc tinh luyện tiếp tục: bằng điện xỉ , đúc chân không. Các thép cacbon bán trên thị tr−ờng gồm ba cấp chất l−ợng: th−ờng, tốt và cao (í t gặp). Thép hợp kim chỉ có các cấp: tốt, cao và rất cao. Trong xây dựng chỉ dùng chất l−ợng th−ờng, Chế tạo máy phải dùng chất l−ợng từ tốt trở lên, riêng thép làm ổ lăn phải đạt cấp chất l−ợng rất cao. 70 Theo ph−ơng pháp khử ôxy: Thép sôi: chỉ đ−ợc khử ôxy không triệt để bằng FeMn, do còn FeO nên: FeO + C → Fe + CO↑, khí CO làm thép sôi Đặc điểm của thép sôi: - %Si thấp (≤ 0,05 ữ 0,07%), thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội, - không dùng thép sôi để đúc định hì nh, cho kết cấu hàn,.. sinh bọt khí làm giảm chất l−ợng. - không dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon vì là thép bản chất hạt lớn. Thép lặng: là loại đ−ợc khử ôxy triệt để bằng cả FeMn và FeSi và Al, nên mặt thép lặng. Đặc điểm của thép lặng: - %Si khá cao (0,15 ữ 0,35%), vì thế F của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội hơn - không bị rỗ khí khi đúc, tuy nhiên lõm co lớn không kinh tế - Dùng đ−ợc cho các kết cấu hàn, thấm C Thép nửa lặng: chỉ đ−ợc khử ôxy bằng FeMn, Al. Tí nh chất trung gian giữa thép sôi và lặng. Dùng thay thế cho thép sôi. Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, thép cacbon có cả ba loại. Theo công dụng Thép kết cấu: khối l−ợng lớn nhất, gồm 2 nhóm: thép xây dựng và thép chế tạo máy. - Thép xây dựng: cơ tí nh tổng không cao lắm, phải dẻo và có tí nh hàn tốt, không nhiệt luyện. - Thép chế tạo máy: đòi hỏi cơ tí nh tổng hợp ở mức độ cao hơn, phải qua nhiệt luyện. Thép dụng cụ: cứng và chống mài mòn. e. Tiêu chuẩn thép cacbon Tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 1765 - 75: Thép đ−ợc ký hiệu bằng CT : gồm 3 phân nhóm A, B và C, A là chủ yếu. Phân nhóm A: CTxx, bỏ cữ A. Ví dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có ơb ≥ 38kG/mm2 hay 380MPa song với ba mức khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng và sôi Phân nhóm B: quy định thành phần (tra sổ tay): BCT38:(0,14-0,22)C-(0,3- 0,65)Mn Phân nhóm C: quy định cả hai: cơ tí nh lẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có cơ tí nh của CT38 còn thành phần của BCT38. TCVN 1766-75: quy định các mác thép kết cấu cacbon chất l−ợng tốt để chế tạo máy:- Cxx. Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 ữ 0,45%), chất l−ợng tốt nên l−ợng P và S ≤ 0,040%, C40A, là mác có chất l−ợng cao P, S ≤ 0,030%. TCVN 1822-76: thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là cacbon, D là dụng cụ) với số tiếp theo chỉ l−ợng cacbon trung bì nh tí nh theo phần vạn - CDxx hoặc CDxxx. Ví dụ, CD80 và CD80A là hai mác cùng có khoảng 0,80%C (0,75 ữ 0,84%) song với chất l−ợng tốt và cao. 71 Tiêu chuẩn các n−ớc: Nga : ΓOCT Thép kết cacbon chất l−ợng th−ờng dùng trong xây dựng: CTx với các số từ 0, 1 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng cao). Cũng có các phân nhóm theo thứ tự A, Б, B lần l−ợt t−ơng ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN. Thép kết cấu cacbon chất l−ợng tốt: xx, các số chỉ phần vạn C, mác 40 có khoảng 0,40%C Thép cacbon dụng cụ: Уxx,các số chỉ l−ợng C phần nghì n: У12 có khoảng 1,20%C. Hoa Kỳ: sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon. ASTM đ−ợc dùng cho thép xây dựng. AISI và SAE cho các thép chế tạo máy và dụng cụ: AISI/SAE: thép C ký hiệu 10xx, thép C có Mn cao là 15xx, trong đó xx chỉ C phần vạn Nhật bản: JIS quy định: Thép kết cấu chất l−ợng th−ờng: ký hiệu SSxxx hay SMxxx, xxx là các số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tí nh bằng MPa Thép kết cấu cacbon chất l−ợng tốt: ký hiệu SxxC, xx là số chỉ l−ợng cacbon phần vạn Thép cacbon dụng cụ: ký hiệu SKx với x là các số thứ tự từ 1 đến 7. f. −u nh−ợc điểm của thép cacbon −u điểm: dùng rất rộng rãi vì ba −u điểm sau: 1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền 2) Cơ tí nh tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng 3) Tí nh công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép hợp kim). Nh−ợc điểm: điển hì nh là: 1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao 2) Tí nh chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm nhanh ở trên 200oC, ở trên 570oC bị ôxy hóa mạnh. 3) Không có các tí nh chất vật lý hóa học đặc biệt nh−: cứng nóng, chống ăn mòn. Thép cacbon đ−ợc dùng làm các chi tiết nhỏ, hì nh dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa, làm việc ở nhiệt độ th−ờng. 5.1.2. Thép hợp kim Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đí ch quan trọng. a. Thành phần hóa học Thép cacbon: C ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,80%, Si ≤ 0,40%, P ≤ 0,050%, S ≤ 0,050% còn lại là thép hợp kim. Thép hợp kim là loại có chất l−ợng từ tốt trở lên: P và S ≤ 0,040%. b. Các đặc tí nh của thép hợp kim Cơ tí nh: độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, nhất là sau khi tôi + ram, hệ quả: - ở trạng thái không tôi + ram, độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. 72 - −u việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện > 20mm → dùng cho chi tiết lớn - Có thể tôi dầu nên í t biến dạng và nứt, rất −u việt cho cho chi tiết phức tạp. - Tăng % hợp kim thì hiệu quả hoá bền bằng nhiệt luyện tăng song độ dẻo, độ dai và tí nh công nghệ xấu đi, trừ nhiệt luyện. Tí nh chất vật lý, hóa học đặc biệt: chống ăn mòn, tí nh chất từ, giãn nở nhiệt, chịu nhiệt... hơn c. Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn: Mn, Si, Cr, Ni. l−ợng dùng 1 vài %, tăng độ cứng, độ bền và giảm độ dẻo, độ dai (hì nh 5.2) do đó Mn và Si 1 ữ 2%. Ni và Cr (cho tới hàm l−ợng 4%): vừa làm tăng cứng còn làm tăng chút í t độ dai, tăng độ thấm tôi là các nguyên tố quan trọng. Với l−ợng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn: Hì nh 5.3 cho thấy Mn, Ni mở rộng vùng γ (thu hẹp khu vực α), 10 ữ 20% tổ chức γ tồn tại cả ở nhiệt độ th−