164 Phần III vật liệu kim loại Chương 5 thép và gang Các hợp kim trên cơ sở của sắt chiếm tỷ lệ áp đảo trong vật liệu kim loại, có tỷ lệ lớn trong vật liệu nói chung và được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật cũng như trong đời sống, làm các chi tiết quan trọng với yêu cầu kỹ thuật cao. Trong số các hợp kim của sắt trong chương này chỉ đề cập đến hợp kim Fe-C tức thép và gang, là loại rất thường gặp với nhiều chủng loại đa dạng thích ứng với rất nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Sẽ lần lượt trình bày các nhóm thép và gang. Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng rất nặng và phức tạp, đó là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan trọng nhất. Hầu như mọi thép đều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa - nhiệt luyện để thay đổi cơ tính theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt, trong công nghiệp thép được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm: dây, sợi, thanh, tấm, lá, băng, ống, góc, và các dạng hình khác nhau rất tiện cho sử dụng. Ngoài khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép còn có tính hàn tốt, rất tiện sử dụng trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung không cao song một số mác có thể tiến hành đúc thành các sản phẩm định hình tương đối phức tạp. Do những ưu điểm như vậy thép được coi là vật liệu xương sống của công nghiệp. Cần chú ý là thép là loại vật liệu kim loại với nhiều nhóm có tính chất, công dụng rất khác nhau, do đó phải nắm vững tính chất, tác dụng của cacbon và từng nguyên tố, cũng như từng nhóm, phân nhóm, mác điển hình. Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim. Trước tiên hy phân biệt, so sánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép chính này. 5.1. Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim 5.1.1. Thép cacbon Thép cacbon hay thép thường, được dùng rất phổ biến trong đời sống cũng như trong kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản lượng thép. a. Thành phần hóa học Như đ nói thép là hợp kim sắt - cacbon với lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% với đặc tính là có tính dẻo nên có thể cán nóng được (do khi nung nóng lên nhiệt độ cao có tổ chức hoàn toàn austenit - dung dịch rắn với mạng A1, rất dẻo). Song trong thực tế thép không chỉ là hợp kim sắt với cacbon mà còn với nhiều nguyên tố khác. Do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim, nhiều nguyên tố đ đi vào thành phần của thép mà không cần phải khử bỏ đi do có lợi hoặc không cần phải khử bỏ triệt để mặc dầu có hại do quá tốn kém không cần thiết. Thép cacbon là thép thông thường (thép thường), ngoài cacbon ra còn chứa một số nguyên tố với hàm lượng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng được gọi là tạp chất thường có hay chất lẫn vì không phải do cố ý đưa vào. Trong số các tạp chất có một số có lợi và một số có hại. Hy xem xét các nguyên tố đó. Tạp chất có lợi: mangan và silic Bất kỳ thép nào dù đơn giản đến đâu cũng có mangan và silic với lượng không vượt quá 1%, chúng đi vào thành phần của thép là do: 165 - quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác như ôxyt mangan, ôxyt silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO Mn, SiO 2 Si) đi vào gang rồi vào thép, - khi luyện thép phải dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, phần không tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép {ferô là loại hợp kim trung gian, dễ luyện vì có nhiệt độ chảy tương đối thấp, là nguyên liệu để pha chế, sử dụng trong quá trình luyện kim; nó chứa sắt, cacbon (> 1%) và lượng lớn nguyên tố hợp kim tương ứng. Ví dụ ferô mangan 80 là loại có khoảng 80%Mn}. Trong các điều kiện thông thường của quá trình luyện, các thép đều có chứa 0,80%Mn, 0,40%Si. Chúng là các nguyên tố có ích, có tác dụng tốt đến cơ tính: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ dẻo, độ dai), song với lượng ít như vậy không có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của thép cacbon. Tạp chất có hại: phôtpho và lưu huỳnh Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đường quặng sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang). Chúng làm thép giòn do đó phải được khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông thường cao nhất cũng không được vượt quá 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%. Đó cũng là thành phần hóa học cơ bản của thép cacbon hay thép thường. Các tạp chất khác Ngoài phôtpho và lưu huỳnh, trong thép cũng luôn chứa các nguyên tố hyđrô, ôxy, nitơ do chúng hòa tan vào thép lỏng từ khí quyển của lò luyện. Chúng đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về tổ chức (gây tập trung ứng suất) và giòn (riêng nitơ có tính hai mặt sẽ trình bày sau) song với lượng chứa quá nhỏ (ví dụ: 0,006 ữ 0,008% đối với ôxy) nên rất khó phân tích, do vậy thường "dấu mặt" trong bảng thành phần nên được gọi là tạp chất ẩn náu. Đặc trưng của công nghiệp luyện kim hiện đại là sử dụng lại (tái chế) ngày càng nhiều với tỷ lệ cao thép, gang và hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim). Do vậy ngay trong thép cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau: - crôm, niken, đồng 0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng không được vượt quá 0,50%, - vonfram, môlipđen, titan 0,05% cho mỗi nguyên tố. Đáng chú ý xu thế này ngày một mạnh nên hàm lượng cho phép của các nguyên tố trên trong thép thường cũng tăng lên. Song dù như vậy người ta vẫn chỉ coi chúng là tạp chất (chất lẫn vào) vì: - không cố ý đưa vào, - với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ tính của hợp kim Fe - C, về cơ bản thép tạo thành có tổ chức phù hợp với giản đồ pha Fe - C. Sau đây xét ảnh hưởng của năm nguyên tố thường gặp nhất trong thép cacbon. b. ả nh hưởng của cacbon đến tổ chức, tính chất và công dụng của thép thường 166 Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp). Tổ chức tế vi Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (ủ). - C 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắt nguyên chất. - C = 0,10 ữ 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích. - C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích. - C 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích. Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo. Hình 5.1. ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường (ở trạng thái ủ). Cơ tính ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình bày trên hình 5.1. Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB. Về mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25 đơn vị. Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (, ) và độ dai va đập (a K ) làm cho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi. Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp ( 0,25%) giảm 6%, a K giảm 300kJ/m 2 , còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) tương ứng là 3% và 200kJ/m 2 .Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng giòn. Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên. ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền b không đơn giản như đối với độ cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 ữ 0,50%C b tăng khoảng 70 167 ữ 90MPa, trong khoảng 0,60 ữ 0,80%C b tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, khi vượt quá giá trị này b lại giảm đi. Có thể giải thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số chốt cản trượt cho pha này do vậy b tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là peclit, khi vượt quá 0,80 ữ 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những giòn mà còn làm giảm giới hạn bền. Vai trò của cacbon. Công dụng của thép theo thành phần cacbon Chính do cacbon có ảnh hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép. Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim. Điều khá kỳ diệu là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có được. Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và công dụng rất khác nhau như sau. - Thép có cacbon thấp ( 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, được dùng làm kết cấu xây dựng, tấm lá để dập nguội. Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon. - Thép có cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao. - Thép có cacbon tương đối cao (0,55 ữ 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi. - Thép có cacbon cao ( 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo. Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65%. Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể trên để định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê dịch đôi chút. Tính công nghệ Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cacbon. Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập. Hàm lượng cacbon cũng có ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép. Nói chung thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia công cắt kém. Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém. Nói chung tính đúc của thép không cao. c. ả nh hưởng của các tạp chất thường có Mangan Mangan được cho vào mọi thép dưới dạng ferô mangan để khử ôxy thép ở trạng thái lỏng tức là để loại trừ FeO rất có hại: Mn + FeO Fe + MnO (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh. Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ 168 bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 ữ 0,80% nên ảnh hưởng này không quan trọng. Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh. Silic Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái lỏng: Si + FeO Fe + SiO 2 (SiO 2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò) Giống như mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a) nên làm tăng cơ tính của thép, song lượng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 ữ 0,40% nên tác dụng này cũng không rõ rệt. Phôtpho Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe - C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe 3 P cứng và giòn. Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường). Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đ trở nên giòn. Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn). Phôpho cũng có mặt lợi, được nói ở mục 5.3.6b. Lưu huỳnh Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Fe lẫn Fe ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988 o C), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 ữ 1200 o C) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gy như là thép rất giòn. Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng. Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620 o C, dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gy. Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt (mục 5.3.6b). d. Phân loại thép cacbon Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc trưng riêng biệt cần để ý để sử dụng thép được tốt hơn. Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện Rõ ràng là thép càng ít tạp chất có hại (P, S) và các khí (H, O, N) có độ dẻo, độ dai càng cao tức có cơ tính tổng hợp cao, chất lượng càng cao. Các phương pháp luyện thép khác nhau có khả năng loại trừ tạp chất có hại khác nhau này ở các mức cao thấp khác nhau do đó tạo cho thép chất lượng tốt, xấu khác nhau. Có nhiều phương pháp luyện thép song cho đến hiện nay trên thế giới chỉ còn tồn tại ba phương pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉnh (lò L- D) (nước ta chỉ bằng lò điện hồ quang), ngoài ra còn các phương pháp làm sạch tạp chất ngoài lò. Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lượng sau. - Chất lượng thường, lượng P, S chỉ được khử đến mức 0,050% (hay cao hơn một chút) cho mỗi nguyên tố. Phương pháp luyện thép L-D thường chỉ đạt được 169 cấp chất lượng này mặc dầu nó cho năng suất rất cao và giá thành thép rẻ. Cấp chất lượng này thường chỉ áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao như một số thép xây dựng thông dụng. - Chất lượng tốt, lượng P, S được khử đến mức 0,040% cho mỗi nguyên tố. Phương pháp luyện thép bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt được cấp chất lượng này. Cấp chất lượng này thường áp dụng cho các nhóm thép dùng trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao hơn. - Chất lượng cao, lượng P, S được khử khá cẩn thận, đến mức 0,030% cho mỗi nguyên tố. Với các biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khử mạnh, tuyển chọn nguyên liệu vào .) vẫn có thể đạt được cấp chất lượng này bằng phương pháp luyện thép trong lò điện hồ quang. - Chất lượng rất cao, lượng P, S được khử ở mức triệt để nhất: 0,020% cho mỗi nguyên tố. Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt được giới hạn này. Thép sau khi luyện ở lò này được tinh luyện tiếp tục: khử tạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ. Ngoài ra để giảm tối đa lượng khí chứa trong thép người ta phải áp dụng đúc rót thép trong chân không. Các thép cacbon có thể được cung cấp ở ba cấp chất lượng: thường, tốt và cao (ít gặp). Các thép hợp kim không có cấp chất lượng thường, chỉ có các cấp: tốt, cao và rất cao. Thép xây dựng thường chỉ yêu cầu chất lượng thường, trong khi đó thép chế tạo máy phải có chất lượng từ tốt trở lên. Riêng thép làm ổ lăn phải đạt cấp chất lượng rất cao. Theo phương pháp khử ôxy Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không người ta chia ra hai loại thép sôi và thép lặng. Thép sôi là loại không được khử ôxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không mạnh là ferô mangan, nên trong thép lỏng vẫn còn FeO và do đó có phản ứng: FeO + C Fe + CO Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động như thể bị "sôi" vậy (nên có tên là thép sôi) và tạo ra bọt (rỗ) khí trong thỏi đúc. Khi cán nóng tiếp theo phần lớn bọt khí được hàn kín lại (chú ý là vỏ bọc khí nằm trong thỏi đúc, không tiếp xúc với không khí nếu không lưu kho quá lâu sẽ chưa bị ôxy hóa nên các nguyên tử sắt dễ khuếch tán, hàn kín lại khi cán nóng) nên nói chung không ảnh hưởng xấu đến cơ tính của thép đ qua biến dạng nóng. Các đặc điểm của thép sôi là: - do không được khử bằng ferô silic nên chứa rất ít silic, thường là 0,05 ữ 0,07%, nên ferit của thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội, - không cho phép dùng thép sôi để chế tạo các vật đúc định hình vì các rỗ khí làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh hưởng rất xấu đến cơ tính, - không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trong thép vẫn còn ôxy (FeO) nên khi chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra, mối hàn chứa nhiều bọt khí. - không cho phép dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon do không được khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt bản chất lớn. Thép lặng là loại được khử ôxy triệt để bằng cả ferô mangan lẫn ferô silic là chất khử mạnh và nhôm, nên trong thép lỏng không xảy ra phản ứng trên, mặt thép lỏng luôn "phẳng lặng" (nên có tên là thép lặng). Các đặc điểm của thép lặng là: - do được khử bằng ferô silic nên chứa một lượng nhất định silic, thường trong khoảng 0,15 ữ 0,35%, vì thế ferit của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội hơn, 170 - trong tổ chức không có rỗ khí nên có cấu trúc xít chặt hơn, có cơ tính cao hơn thép sôi, các vật đúc bằng thép phải được chế tạo bằng thép lặng, tuy nhiên lõm co trong thép lặng khá lớn (phần này phải cắt bỏ đi làm giảm hiệu quả kinh tế), - trong các kết cấu hàn chảy chỉ được phép dùng thép lặng, - các chi tiết thấm cacbon chỉ được làm bằng thép lặng. Do các đặc tính trội hơn thép sôi, thép lặng được sử dụng rộng ri hơn. Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ được khử ôxy bằng ferô mangan và nhôm. Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và thép lặng. Tuy xuất hiện sau song thép nửa lặng có khuynh hướng thay thế cho thép sôi. Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, song thép cacbon có thể ở cả ba loại: sôi, lặng và nửa lặng. Theo công dụng Theo mục đích sử dụng hay theo công dụng có thể chia thép cacbon thành hai nhóm thép kết cấu và thép dụng cụ. Thép kết cấu là loại được dùng làm các kết cấu, chi tiết chịu tải (lực) do đó ngoài yêu cầu về độ bền bảo đảm còn cần phải có đủ độ dẻo, độ dai yêu cầu tức là cơ tính tổng hợp. Đây là nhóm thép được sử dụng thường xuyên nhất với khối lượng lớn nhất. Trong nhóm này còn có thể phân tiếp thành hai nhóm nhỏ hơn là xây dựng và chế tạo máy: - Thép xây dựng là loại chủ yếu được dùng trong xây dựng để làm các kết cấu thép dưới dạng các thanh dài, tấm rộng ghép lại, chúng đòi hỏi cơ tính tổng hợp song không cao. Thép xây dựng tuy có cần bền song phải có độ dẻo cao để dễ uốn khi lắp ghép và độ dai cao để khó bị phá hủy giòn, có tính hàn tốt. - Thép chế tạo máy đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn nên nói chung đòi hỏi chất lượng cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn phải bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai. Thép dụng cụ là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên có yêu cầu chủ yếu là cứng và chống mài mòn. Trong thực tế người ta sử dụng tất cả các cách phân loại trên. e. Tiêu chuẩn thép cacbon Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn Việt Nam đ quy định những loại thép cacbon chính. TCVN 1765 - 75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường để làm các kết cấu xây dựng, được sử dụng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt luyện. Do yêu cầu chất lượng không cao lượng nên lượng P, S cho phép khá lớn: P là 0,040 ữ 0,070%, S là 0,050 ữ 0,060%. Thép được ký hiệu bằng CT (với ý nghĩa là thép cacbon chất lượng thường) với các chữ ở sau cùng: s chỉ thép sôi, n chỉ thép nửa lặng, nếu không có chữ gì là thép lặng. Trong nhóm thép này lại quy định có ba phân nhóm A, B và C, trong đó phân nhóm thứ nhất A là chủ yếu. Phân nhóm A phân loại các mác theo giới hạn bền kéo tối thiểu đạt được tính theo đơn vị kG/mm 2 - CTxx. Cách ký hiệu theo b (min) như vậy khá tiện cho việc tính toán sơ bộ sức bền cũng như tiết diện thép. Ví dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có ơ b 38kG/mm 2 hay 380MPa song với ba phương pháp khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng và sôi nên các chỉ tiêu cơ tính khác có khác nhau đôi chút. Tiêu chuẩn cũng quy định tỉ mỉ và chặt chẽ các chỉ tiêu khác như 0,2 , , , a K (xem bảng 5.1 ở mục 5.2.2b). Các phân nhóm B và C về cơ bản giữ nguyên ký hiệu như ở phân nhóm A song ở đầu ký hiệu tương ứng 171 có thêm chữ B và C là BCTxx và CCTxx. Phân nhóm B không quy định cơ tính song lại quy định thành phần hóa học (phải tra bảng 5.2), còn phân nhóm C lại quy định cả hai: cơ tính lẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có cơ tính của CT38 còn thành phần của BCT38. TCVN 1766-75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng tốt để chế tạo máy qua nhiệt luyện, do vậy phải được bảo đảm (quy định) cả thành phần hóa học lẫn cơ tính (phải tra bảng), các mác được ký hiệu bằng chữ C và số phần vạn cacbon trung bình - Cxx. Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 ữ 0,45%) và các tạp chất trong giới hạn đ trình bày. Do chất lượng tốt nên lượng P và S là 0,040% cho mỗi nguyên tố, các mác có chất lượng cao (P, S 0,030% cho mỗi nguyên tố) ở cuối ký hiệu có chữ A, ví dụ C40A. TCVN 1822-76 quy định các mác thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là cacbon, D là dụng cụ) với số tiếp theo chỉ lượng cacbon trung bình tính 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 lượng tốt và cao. Tiêu chuẩn các nước OCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thường bằng C T 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, , B lần lượt tương ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN. Về thép kết cấu cacbon chất lượng tốt OCT quy định các mác ký hiệu theo số phần vạn cacbon trung bình, như mác 40 có khoảng 0,40%C như mác C40 của TCVN. Về thép cacbon dụng cụ OCT quy định các mác bằng với số tiếp theo chỉ lượng cacbon theo phần nghìn cacbon trung bình như 12 có khoảng 1,20%C. Tuy có một số khác biệt nhỏ về cơ bản TCVN về thép cacbon vẫn theo các nguyên tắc cơ bản của OCT, nên có sự trùng hợp hoàn toàn giữa hai tiêu chuẩn này. Hoa Kỳ sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon. ASTM được dùng cho thép xây dựng. AISI và SAE cho các thép chế tạo máy và dụng cụ. JIS quy định các thép kết cấu chất lượng thường bằng SS hay SM với số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị MPa - SSxxx, SMxxx; các thép kết cấu cacbon chất lượng tốt bằng SxxC trong đó xx là số chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, các thép cacbon dụng cụ bằng SK với các số thứ tự từ 1 đến 7 - SKx. f. ! u nhược điểm của thép cacbon !u điểm Thép cacbon được dùng rất rộng ri trong kỹ thuật nói chung và chế tạo máy vì ba ưu điểm sau: 1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền. 2) Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng. 3) Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép hợp kim). Nhược điểm Thép cacbon cũng có nhiều nhược điểm, trong đó đáng chú ý nhất là: 1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao, do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền, đặc biệt đối với tiết diện lớn. 2) Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hóa ở trên 200 o C, ở trên 570 o C bị ôxy hóa mạnh. 172 3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn. Các thép hợp kim tránh được các nhược điểm này. Do vậy trong thực tế thép cacbon được dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa phải, làm việc ở nhiệt độ thường; trong khi đó các thép hợp kim được dùng cho các trường hợp ngược lại. 5.1.2. Thép hợp kim Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan trọng. a. Thành phần hóa học Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm vào (không phải do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim) các nguyên tố có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa). Các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với lượng đủ lớn như vậy được gọi là nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố (không có giá trị chung cho mọi nguyên tố) như sau: Mn 0,80 ữ ữữ ữ 1,00%, Si 0,50 ữ ữữ ữ 0,80%, Cr 0,50 ữ ữữ ữ 0,80%, Ni 0,50 ữ ữữ ữ 0,80%, W 0,10 ữ ữữ ữ 0,50%, Mo 0,05 ữ ữữ ữ 0,20%, Ti 0,10%, Cu 0,30, B 0,0005%. Nhỏ hơn giới hạn dưới kể trên được coi là tạp chất. Tuy nhiên các giới hạn trên cũng chỉ là quy ước và không cứng nhắc một cách quá chặt chẽ. Thép hợp kim là loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa ít và rất ít các tạp chất có hại. b. Các đặc tính của thép hợp kim ở đây nói kỹ hơn các đặc tính trội hơn hẳn của thép hợp kim so với thép cacbon (thép cacbon tương đương được mang ra đối chứng phải là loại có cùng thành phần cacbon với thép hợp kim đ cho). Cơ tính Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở thép sau khi tôi + ram. Khi hết sức tận dụng ưu điểm này cần chú ý đến đến các hệ quả sau đây: - ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ), độ bền của thép hợp kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đ dùng thép hợp kim thì phải qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng, gần như thường hóa) hay ủ là sự lng phí lớn về độ bền. - !u việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng lớn và lượng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ ( 20mm) ưu việt này của thép hợp kim không thể hiện được (vì với tiết diện nhỏ như vậy thép cacbon cũng được tôi thấu). - Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trường tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít biến dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi nước. Do vậy các chi tiết có hình dạng phức tạp phải qua tôi (do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim. - Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ cứng, độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết chỉ cần vừa đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đ cho là đủ, không nên dùng thừa (dùng thép 173 hợp kim quá cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá hủy giòn hơn). Do vậy có nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc kích thước (tiết diện). - Tuy đạt độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy phải chú ý đến mối quan hệ ngược này để có xử lý thích hợp (bằng ram). Mặc dầu có ưu điểm về độ bền, nói chung thép hợp kim có tính công nghệ kém hơn thép cacbon (trừ tính thấm tôi). Tính chịu nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó làm mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200 o C, do vậy tại các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy ôxyt tạo thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt. Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng lớn quy định có thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt: - không gỉ, chống ăn mòn trong axit, badơ, muối, - từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính, - gin nở nhiệt đặc biệt . Qua đó thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết, không thể thiếu cho những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông thường. c. Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép Một cách đơn giản có thể xem một thép hợp kim đơn giản (chỉ có một nguyên tố hợp kim) là đưa thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C. Vậy hy xem nguyên tố hợp kim ảnh hưởng như thế nào đến hợp kim Fe - C mà ta đ nghiên cứu, cụ thể là đến các tổ chức chính: các dung dịch rắn ferit, austenit, hợp chất xêmentit (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗn hợp ferit - cacbit) . Các nguyên tố khi đưa vào thép cũng không ngoài hai tác dụng: hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn và kết hợp với cacbon thành cacbit. Cũng khó phân loại rạch ròi song có thể tạm chia thành hai dạng nguyên tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hòa tan vào sắt và dạng có ái lực mạnh với cabon tạo nên cacbit. Hy xét từng khả năng. Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn Đó là trường hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình và thường gặp là Mn, Si, Cr, Ni. Với lượng ít nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi đáng kể cấu hình của giản đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức ferit ở nhiệt độ thấp và austenit ở nhiệt độ cao. Khi hòa tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit, các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ dai. ảnh hưởng của bốn nguyên tố trên đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ dai được trình bày trên hình 5.2. Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si, Cr và Ni. Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit đ có độ dai rất thấp ( 500kJ/m 2 ) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế là rẻ hơn, khả năng hóa bền cao Mn và Si chỉ được dùng với hàm lượng hạn chế 1 ữ 2%. Như thế không thể dùng thép Mn, Si với độ thấm tôi cao vì bị hạn chế bởi lượng đưa vào. Còn Ni và Cr (cho tới hàm lượng 4%) trong khi làm tăng độ cứng chẳng những không làm giảm còn làm tăng chút ít độ dai. [...]... 4720 81 15 86 15 8822 9310 94B17 SNC4 15 SNC8 15 SNCM4 15 SNCM8 15 0,20 0,12 0,20 0,20 0,18 0,20 0,20 0, 15 0, 15 0,22 0,10 0,17 0, 15 0, 15 0, 15 0, 15 0,60 0 ,50 0 ,50 0,60 0, 45 0,60 0, 65 0,80 0,80 0,90 0 ,55 0,90 0 ,50 0 ,50 0 ,50 0 ,50 0, 65 0,80 1 ,50 0 ,50 1 ,50 0 ,50 0 ,50 0, 45 0 ,55 0 ,50 1,30 0, 45 0, 45 0,90 0, 45 0,90 1,30 3,00 3 ,50 1,90 4,30 1,90 1,10 0, 35 0,60 0,60 3,40 0 ,55 2,40 3,10 2,40 3,10 0, 25 0, 35 0, 25 0,20 0,12... 0 ,50 0, 45 0, 45 0, 45 0, 45 - Thép crôm OCT 15X 20X 15X 0, 15 0,20 0, 15 0,60 0,70 0,60 0,90 0,90 1,00 - - 0,0 35 0,0 35 0,0 35 0,0 35 0,0 35 0,0 35 V0,10 AISI/ SAE 50 15 51 15 4118 SCr4 15 SCM4 15 0, 15 0, 15 0,18 0, 15 0, 15 0,40 0,80 0,80 0, 75 0, 75 0,40 0,80 0 ,50 1,10 1,10 - 0,10 0, 25 0,0 35 0,030 0,030 0,030 0,030 0,040 0,030 0,0 35 0,030 0,030 - 0,0 35 0,0 25 0,0 25 0,0 35 0,0 25 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,0 25 0,040 0,030... gỗ Bảng 5. 2 Thành phần hóa học (%) của thép thông dụng phân nhóm B (TCVN 17 65- 75) Mác thép Cacbon Mangan Silic P, max S, max BCT31 . 2, 75 ữ 3, 75% Ni sẽ được ký hiệu là 12CrNi3, - thép có 1, 25 ữ 1 ,50 %C, 0,40 ữ 0,70 %Cr, 4 ,5 ữ 5, 5 %W sẽ được ký hiệu là 140CrW5 hay dơn giản chỉ là CrW5,. Phần III vật liệu kim loại Chương 5 thép và gang Các hợp kim trên cơ sở của sắt chiếm tỷ lệ áp đảo trong vật liệu kim loại, có tỷ lệ lớn trong vật liệu nói