Kim loại học - Phần 6: Thép và hợp kim

Phân VI THÉP VÀ HƠP KIM 6.1 thép 1.Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0,02% đến 2,06% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau. Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dể uốn, và sức bền kéo đứt. Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăng cường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại giòn và dễ gãy hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,06% theo trọng lượng ( ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1.147 độ C; nếu lượng cacbon cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ là xementit có cường lực kém hơn. Pha trộn với cacbon cao hơn 2,06% sẽ được gang. Thép cũng được phân biệt với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hay không có cacbon, thường là ít hơn 0,035%. Ngày nay người ta gọi ngành công nghiệp thép (không gọi là ngành công nghiệp sắt và thép), nhưng trong lịch sử, đó là 2 sản phẩm khác nhau. Ngày nay có một vài loại thép mà trong đó cacbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác, và cacbon nếu có, chỉ là không được ưa chuộng. Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phương pháp kém hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có hiệu quả hơn thì việc sử dụng thép trở nên phổ biến hơn. Với việc phát minh ra quy trình Bessemer vào giữ thế kỉ 19, thép đã trở thành một loại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém. Trong quá trình sản xuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi ôxy, thì giá thành sản xuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại. Ngày nay thép là một trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phần chính trong xây dựng, đồ dùng, công nghiệp cơ khí. Thông thường thép được phân thành nhiều cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhận theo chuẩn riêng. 2. đặc tính Cũng như hầu hết các kim loại, về cơ bản, sắt không tồn tại ở vỏ Trái Đất dưới dạng nguyên tố, nó chỉ tồn tại khi kết hợp với ôxy hoặc lưu huỳnh. Sắt ở dạng khoáng vật bao gồm Fe2O3-một dạng của ôxít sắt có trong khoáng vật hematit, và FeS2 - quặng sunfit sắt. Sắt được lấy từ quặng bằng cách khử ôxy hoặc kết hợp sắt với một nguyên tố hoá học như cacbon. Quá trình này được gọi là luyện kim, được áp dụng lần đầu tiên cho kim loại với điểm nóng chảy thấp hơn. Đồng nóng chảy ở nhiệt độ hơn 1.080 °C, trong khi thiếc nóng chảy ở 250 °C. Pha trộn với cacbon trong sắt cao hơn 2,06% sẽ được gang, nóng chảy ở 1.392 °C. Tất cả nhiệt độ này có thể đạt được với các phương pháp cũ đã được sử dụng ít nhất 6.000 năm trước. Khi tỉ lệ ôxy hoá tăng nhanh khoảng 800 °C thì việc luyện kim phải diễn ra trong môi trường có ôxy thấp. Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn cacbon và sắt có thể hình thành nên rất nhiều cấu trúc khác nhau với những đặc tính khác nhau. Hiểu được điều này là rất quan trọng để luyện thép có chất lượng. Ở nhiệt độ bình thường, dạng ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) hay sắt, một chất liệu kim loại mềm, có thể phân huỷ một lượng nhỏ cacbon (không quá 0,02% ở nhiệt độ 911 °C). Nếu trên 911 °C thì ferrit sẽ chuyển từ tâm khối (BCC) sang tâm mặt (FCC), được gọi là austenit, loại này cũng là một chất liệu kim loại mềm nhưng nó có thể phân huỷ nhiều cacbon hơn ( 2,06% cacbon nhiệt độ 1.147 °C). Một cách để loại bỏ cacbon ra khỏi austenit là loại xementit ra khỏi hỗn hợp đó, đồng thời để sắt nguyên chất ở dạng ferit và tạo ra hỗn hợp xementit-ferrit. Xementit là một hợp chất hoá học có công thức là Fe3C. 3. Phân loai thép Thép hiện đại được chế tạo bằng nhiều các nhóm hợp kim khác nhau, tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố cho vào mà cho ta các sản phẩm phù hợp với công dụng riêng rẽ của chúng. Thép cacbon bao gồm hai nguyên tố chính là sắt và cacbon, chiếm 90% tỷ trọng các sản phẩm thép làm ra. Thép hợp kim thấp có độ bền cao được bổ sung thêm một vài nguyên tố khác (luôn <2%), tiêu biểu 1,5% mangan, đồng thời cũng làm giá thành thép tăng thêm. Thép hợp kim thấp được pha trộn với các nguyên tố khác, thông thường molypden, mangan, crom, hoặc niken, trong khoảng tổng cộng không quá 10% trên tổng trọng lượng. Các loại thép không gỉ và thép không gỉ chuyên dùng có ít nhất 10% crom, trong nhiều trường hợp có kết hợp với niken, nhằm mục đích chống lại sự ămòn. Một vài loại thép không gỉ có đặc tính không từ tính. Thép hiện đại còn có những loại như thép dụng cụ được hợp kim hóa với số lượng đáng kể bằng các nguyên tố như vonfram hay coban cũng như một vài nguyên tố khác đạt đến khả năng bão hoà. Những chất này là tác nhân kết tủa giúp cải thiện các đặc tính nhiệt luyện của thép. Thép dụng cụ được ứng dụng nhiều vào các công cụ cắt gọt kim loại, như mũi khoan, dao tiện, dao phay, dao bào và nhiều ứng dụng cho các vật liệu cần độ cứng cao. 6.2 thép hợp kim 1.Khái niệm - Thép hợp kim là thép chứa trong nó các nguyên tố đặc biệt mà thép các bon không có, hoặc có trong thép các bon nhưng với lượng lớn hơn trong thép các bon. Nguyên tố đặc biệt này gọi là nguyên tố hợp kim. Tên của nguyên tố hợp kim được đặt cho tên của thép. - Các nguyên tố hợp kim phổ biến là : Cr, Mn, Si, Ni, W, V, Ti, Mo, Co, Cu, Al. 2.Mục đích cho nguyên tố hợp kim vào trong thép - Nâng cao độ bền . Đó là mục đích chủ yếu - Giữ được độ bền và độ cứng ở nhiệt độ cao - Tạo cho thép có một số tính chất lý hoá đặc biệt như không gỉ, dãn nở đặc biệt vì nhiệt, điện trở cao... 3.Phân loại thép hợp kim a.Theo lượng nguyên tố hợp kim trong thép : chia làm 3 loại. - Thép hợp kim thấp : Tổng lượng nguyên tố hợp kim < 2,5%. - Thép hợp kim trung bình : Tổng lượng nguyên tố hợp kim = 2,5 ¸10%. - Thép hợp kim cao : Tổng lượng nguyên tố hợp kim > 10%. b. Theo công dụng - Thép hợp kim kết cấu. - Thép hợp kim dụng cụ. - Thép hợp kim có tính chất lý, hoá đặc biệt. 4.Ký hiệu thép hợp kim * Nga ký hiệu thép hợp kim bằng các chữ và số. - Các chữ để ký hiệu các nguyên tố hợp kim - Các số đứng đầu ký hiệu để chỉ lượng các bon trong thép, nếu: + Không có số nào là chỉ C ≥1% + Có một con số chỉ C tính theo phần nghìn + Có hai con số chỉ C tính theo phần vạn. Các số đứng sau các chữ ký hiệu chỉ % nguyên tố hợp kim đó. Nếu lượng nguyên tố hợp kim đó ≤ 1% thì không ghi số nữa. - Nếu có chữ A đứng cuối ký hiệu là chỉ thép có chất lượng tốt. *Việt Nam ký hiệu thép hợp kim : Về cơ bản giống cách ký hiệu của Nga, chỉ khác ở chỗ: Các nguyên tố hợp kim được ghi theo ký hiệu hoá học và lượng các bon đều tính theo phần vạn. 6.3 CÁC LOẠI THÉP HỢP KIM 1.Thép hợp kim kết cấu a.Thành phần: Là thép các bon kết cấu cho thêm các nguyên tố hợp kim, do đó lượng C = 0,1 - 0,65% và các nguyên tố hợp kim thường dùng là : Cr, Mn, Si, Ni với tổng lượng <5%, ít dùng các nguyên tố đắt tiền như : Mo, W… b.Tính chất : Có giới hạn mỏi và giới hạn chảy cao, độ dẻo và độ dai tốt, tính chống mài mòn cao, có khả năng chịu va đập tốt, tính cứng nóng cao, tính nhiệt luyện tốt, dễ gia công cắt gọt. Khi %C tăng thì độ cứng và độ bền tăng. c.Phạm vi sử dụng - Chế tạo các chi tiết chịu tải trọng trung bình và cao như : Các trục truyền, bánh răng... - Các chi tiết máy công cụ thường làm bằng thép hợp kim Cr, Cr - Mn, Cr - Ni. - Thép Mn thường dùng trong kết cấu xây dựng cần độ bền tương đối cao như 24 20Mn, 25Mn, hoặc dùng làm lò xo như 60Mn, 65Mn. - Thép Si được dùng làm các chi tiết đàn hồi là lò xo, nhíp như 55Si2, 60Si2, 65Si3. 2.Thép hợp kim dụng cụ thấp a.Thành phần : C = 0,8 - 1,4%, các nguyên tố hợp kim đưa vào thép là Cr, Mn, Si, Ni, V, Ti là các nguyên tố tạo cácbít và tăng độ thấm tôi. b.Tính chất : Sau khi tôi đạt độ cứng 60 - 64 HRC, tính cứng nóng thấp (200 – 250C ), độ thấm tôi lớn hơn thép các bon dụng cụ. c. Phạm vi sử dụng - Làm dụng cụ với tốc độ cắt gọt thấp như : Đục nguội, dũa, mũi khoan, mũi khoét, bàn ren ( CrMn, CrMnSi ) - Làm dụng cụ đo, kiểm tra như : thước lá, thước cặp, panme, calíp ( 20Cr, 50Cr, CrMn ) - Dùng làm khuôn dập nóng, dập nguội. 3.Thép hợp kim dụng cụ cao ( thép gió ) a.Thành phần : W = 8,5 - 19% , C = 0,7 - 1,4% , Cr = 3,3 - 4,4% , V = 1,0 - 2,6% và một lượng nhỏ Mo hay Co. b.Tính chất : Độ cứng sau khi tôi đạt 62 - 64 HRC, tính cứng nóng đạt tới 500 - 600C, độ thấm tôi tốt, bền, chịu mài mòn. c. Phạm vi sử dụng : Làm dụng cụ cắt gọt với tốc độ cắt trung bình để cắt gọt vật liệu có độ cứng trung bình như : dao tiện, dao phay, dao chuốt. d. Ký hiệu : - Việt Nam ký hiệu như thép hợp kim. Ví dụ 90W9V2 - Nga ký hiệu thép gió bằng chữ P và số kèm theo chỉ % vonfram( W ), nếu có chứa Mo, V, Co với lượng > 2% thì sẽ có thêm chữ M, …, K và số chỉ % nguyên tố đó. 4.Thép ổ lăn a. Yêu cầu đối với thép làm ổ lăn: - Phải có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt - Có hàm lượng các bon cao, được hợp kim hoá bằng 0,6 - 1,5%Cr, đôi khi cả Mn, Si để tăng độ thấm tôi, đảm bảo cơ tính đồng nhất. b. Ký hiệu: - Việt Nam ký hiệu như thép hợp kim nhưng thêm vào đằng trước chữ OL Nga ký hiệu ổ lăn bằng chữ ỉ, chữ và số tiếp theo chỉ crôm và hàm lượng crôm ( Cr ) tính theo phần nghìn. c. Các số hiệu thường dùng: - ỉX6 : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d < 15 mm - ỉX9 : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d = 15 mm - ỉX15 : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d = 20 - 30 mm - ỉX15C : Để chế tạo ổ lăn có đường kính d > 30 mm. 5.Thép lò xo a. Yêu cầu đối với thép làm lò xo : - Phải có giới hạn đàn hồi và giới hạn mỏi cao, độ dai đảm bảo. - Lượng cácbon thích hợp từ 0,5 - 0,65%C, các nguyên tố hợp kim chủ yếu là : Mn, Si(1 - 2%), ngoài ra còn có Cr, Ni, V để tăng độ thấm tôi và tính ổn định của sự đàn hồi. b. Các số hiệu thép lò xo : - Thép 65, 70, 80, 85, 60Mn, 70Mn để làm lò xo thường - Thép 55Si2, 65Si2, 70Si2 làm nhíp và lò xo có chiều dày lớn tới 18mm. - Thép 50Cr MnA, 50Cr Si2A làm việc được ở nhiệt độ tới 300C, dùng làm lò xo xupáp và các lò xo quan trọng khác với tiết diện không lớn. - Thép 60Cr Si2A, 60Si2 Ni2A có độ thấm tôi d > 50mm, dùng làm lò xo, nhíp lớn chịu tải nặng và đặc biệt quan trọng.