Friday , 19 January 2018
Breaking News

Ảnh Hưởng Của Các Nguyên Tố Hợp Kim Hoá đế tính chất của Thép

Hợp kim hóa là quá trình thêm một lượng nhỏ kim lọai khác hoặc phi kim vào kim lọai cơ bản . Chúng ta ít khi sử dụng kim lọai nguyên chất trong công nghiệp , bởi so với hợp kim thì các tính chất quan trọng như độ bền , độ cứng , độ dẽo , khả năng chống ăn mòn … của kim lọai nguyên chất thường kém hơn hoặc không thích hợp.

  • Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim hóa

Carbon – Carbon có ảnh hưởng mạnh nhất đến độ bền và độ cứng của thép. Hợp kim chứa đến 1.7% carbon còn được gọi là thép , trong khi nếu C% vượt quá 1.7% chúng được gọi là gang. Thép có hàm lượng carbon càng cao thì tính hàn càng kém.

Lưu hùynh (Sulphur) – Lưu hùynh tồn tại trong thép làm cho chúng dòn hơn , tăng tính cắt gọt (cắt gọt sẽ bị gãy vụn thay vì có dạng lò xo kéo dài. Thường thì khi luyện thép hàm lượng lưu hùynh được kiểm sóat và không chế đến mức tối thiểu vì lưu hùynh làm tăng xu thế nứt nóng , làm giảm tính hàn.

Manganese – Manganese có thể chứa trong thép đến 1% chúng là nguyên tố cần thiêt để khữ oxy và lưu hùynh khi luyện thép. Mangganese làm tăng độ bền và tính biến cứng của thép.

Chromium – Chromium, kết hợp với carbon tạo thành carbide, là nguyên tố làm tăng độ cứng của thép. Đồng thời chromium cũng làm tăng khả năng chống ăn mòn và độ bền của thép ở nhiệt độ cao. Thép hợp kim với chromium (hàm lượng Cr% > 10%) được gọi là thép không gỉ .

Nickel – Được dưa vào thép để tăng tính dẽo dai của thép. Que hàn có lỏi bằng bợp kim nickel có thể dùng để hàn gang. Nickel thường dùng kết hợp với chromium để hợp kim hóa thép không gỉ.

Molybdenum – Molybdenum làm tăng mạnh độ sâu biến cứng của thép . Thép chrome-moly chịu va đập rất tốt.

Silicon – Silicon thường có trong thép do hóa trình khữ oxýt. Silicon có vai trò tăng bền thép , song nếu vượt quá mức thì độ dẽo của thép sẽ bị giãm. Một lượng nhỏ silicon được thêm vào que hàn để tăng tính chảy lõang của kim lọai đắp.

Phospho – Phospho là tạp chất có hại bởi ví nó làm giãm độ dẽo , dai của thép. Trong quá trình tinh luyện thép , người ta cố gắng hạn chế chúng dưới giới hạn cho phép , mặc dù một lượng rất nhỏ phosporus sẽ làm tăng giới hạn bền của thép.

Aluminum – Nhôm chủ yếu được đưa vào thép để khữ oxýt. Một lượng nhỏ nhôm có tính chất làm mịn hạt thép khi kết tinh.

Copper – Đồng làm tăng tính chống ăn mòn của thép carbon , chúng làm giãm đáng kể tốc độ gỉ sét của thép trong điều kiện tự nhiên. Song lượng đồng cao sẽ làm giãm đáng kể tính hàn.

Columbium – Columbium được dùng làm chất ổn định cấu trúc các lọai thép austenite. Vì Carbon chứa trong thép không gỉ sẽ làm giãm khả năng chống ăn mòn hóa học , do chúng tạo thàng carbide chromium là giãm chromium tự do trong thép không gỉ. Thép không gỉ có hàm lượng carbon càng thấp thì tính chống ăn mòn càng cao ,song chúng ta không thể giãm mạnh hàm lượng carbon , vì giá thành sẽ rất cao , columbium là nguyên tố hợp kim hữu hiệu để hạn chế tác hại của carbon đến tính chống ăn mòn. So với chromium thì columbium có ái lực mạnh với carbon hơn, do vậy chúng sẽ thu hút carbon để hạn chế sự hình thành carbide chromium vốn có hại cho tính chống ăn mòn của thép không gỉ.

Tungsten – Tungsten được sử dụng để tăng độ bền của thép ở nhiệt độ cao. Ngòai ra Tunsgten còn có khả năng kết hợp với carbon để hình thành carbide tungsten có độ cứng rất cao và nhờ đó làm tăng mạnh tính chịu mài mòn của thép.

Vanadium – Vanadium là nguyên tố làm mịn hạt thép khi xử lý nhiệt. Đồng thời vanadium cũng làm tăng độ cứng thấm tôi làm cho thép cứng hơn khi nhiệt luyện.

Nitrogen – Thường thì nitrogen có trong thép để hạn chế sự hấp thu hydrogen và oxygen trong hóa trình nung chảy thép. Song sự hiên diện của nitrogen làm cho thép trở nên dòn. Nitrogen có tác dụng thúc đẩy quá trình hình thành pha austenite , do vậy nó có thể được đưa vào thép không gỉ để hạn chế lượng nickel cần thiết vốn ảnh hưởng mạnh đến giá thành của thép không gỉ.

  • Các tác động đặc trưng của các nguyên tố hợp kim

Manganese

Như đã nói trong phần tóm tắt , thép thương phẩm thường chứa từ 0,3-0,8% manganese, nhằm khữ oxides và giảm tác hại của lưu huỳnh (tồn tại trong thép dưới dạng sulphide sắt) . Lương manganese vượt quá yêu cầu này sẽ hòa tan vào sắt và kết hợp với carbon tạo carbide Mn3C xuất hiện đồng thời với carbide sắt Fe3C. Hiện nay các nhà sản xuất thép có xu thế tăng hàm lượng manganese trong thép kết hợp với việc giảm carbon để có các mác thép có độ bền tương đương song độ dẻo tăng cao đáng kể.

Khi manganese vượt quá 1,8% làm tăng xu thế bị tôi trong không khí và kết quả làm giảm đáng kể tính dẻo.Dưới trị số này thép manganese có 0.4% C có cơ tính tốt nhất khi tôi trong dầu và ram lại. Ngoài ra việc tăng hàm lượng manganese trong một số mác thép nhằm mục đích giảm lượng nickel vì lý do gía thành. Thép chứa 0,3-0,4% carbon, 1,3-1,6% manganese và 0,3% molybdenum có thể thay thế cho thép chứa 3% nickel trong một vài ứng dụng.

Thép dụng cụ không chịu va đập chứa 2% manganese, và 0,8-0,9% carbon. Thép chứa từ 5 đến 12% manganese có cấu trúc martensitic khi làm nguội chậm và ít được ưa chuộng trên thị trường.

Thép manganese Hadfield chứa từ 12 đến 14% of manganese và 1,0% of carbon. Thép này có đặc tính chống mài mòn tốt và thường được sử dụng làm rail và bánh xe lửa , các hàm nghiền đá , các lưởi khoan đá . Thép có cấu trúc Austenite sau khi tôi từ 1000°C, nên tính dẻo vẫn còn , khi chịu mài mòn thì lớp bề mặt nhanh chóng bị biến cứng nguội đạt độ cứng 200 đến 600 HV tùy mức độ va đập, trong khi lớp dưới vẫn giữ được trạng thái ban đầu. Việc ủ thép sẽ làm dòn do carbide hình thành ở vùng tinh giới hạt. Do đó cần tăng cường hàm lượng Nickel ở que hàn khi hàn thép manganese và đôi khi cần phải thêm 2% Mo để chống nứt. Nhằm phân tán carbide cần xử lý nhiệt ở 600°C, và giảm biến dạng và vùng ảnh hưởng nhiệt khi hàn.

Nickel

Nickel và manganese đều có tác động như nhau đối với việc hạ thấp điểm tới hạn cùng tinh tạo pearlite (điểm P) . Khi nung nóng thì cứ 1% Nickel thêm vào sẽ giảm được 100C ; khi làm nguội thì tác dụng mạnh hơn song không có qui luật rỏ ràng. Tác động thay đổi nhiệt độ tới hạn (Ar1) được vẽ ra trên hình 1 với thép chứa 0,2% carbon và chúng ta lưu ý đến đoạn nhảy bậc ở giá trị 8% nickel. Thép chứa đến 12% nickel sẽ bắt đầu chuyển biến pha ở nhiệt độ thấp hơn 300°C khi làm nguội , song khi nung nóng thì chuyển biến pha sẽ không xảy ra cho đến khi vượt 650°C. Thép có tính chất như vậy được gọi là thép có nhiệt trể không thuận nghịch . Tính chất này là đặc trưng của loại thép có tên thép maraging [1] và thép 9% Ni dùng cho các thiết bị chịu nhiệt độ thấp.

Việc tăng hàm lượng nickel có tác dụng như tăng tốc độ nguội của thép carbon khi xử lý nhiệt. Vì thế với tốc độ nguội như nhau thì thép có hàm lượng từ 5-:- 8% nickel sẽ có cấu trúc troostitic; Ở hàm lượng 8-:- 10% nickel thì có sự sụt giảm đột ngột , khi đó thép sẽ có cấu trúc martensitic, và trên 24% nickel thì nhiệt độ chuyển biến pha giảm bằng nhiệt độ tự nhiên nên hầu như thép vẫn giữ nguyên cấu trúc austenite .

Theo các thay đổi cơ tính thể hiện trên hình 1 thì các loại thép có 0,5% nickel cũng giống như thép carbon thông thường , song chúng khỏe hơn (bền và dai hơn) nhờ có hạt cấu trúc pearlite mịn hơn. Và nickel phân tán trên nền ferrite. Thép 10% nickel có độ bền kéo cao hơn , độ cứng lớn hơn , song dòn hơn. Khi hàm lượng nickel đủ cao để giữ thép có cấu trúc austenite ở nhiệt độ thường , khi đó thép mất từ tính , dẻo , dai , dễ gia công do giới hạn bền giảm xuống đáng kể.

Ở giản đồ Guillet trên hình 1 chúng ta cũng thấy là hàm lượng carbon có tác động lớn đến ảnh hưởng của Nickel ; ứng với một tốc độ nguội xác định thì thép chứa 2 đến 5% nickel và 0,1% carbon gần như không bị biến cứng .Thép Nickel chứa 0,25 đến 0,40% carbon thường được dùng làm các chi tiết máy quan trọng như trục khuỹu , thanh truyền …

Ưu điểm vượt trội của thép nickel hàm lượng thấp là giảm nhiệt độ tôi và (còn 550-650°C). Vì các điểm tới hạn Ac3 được hạ thấp, nhiệt độ tôi thấp so với thép carbon và nhờ khoảng nhiệt độ biến cứng trên nhiệt độ tới hạn Ac3 được mở rộng làm giảm quá trình tăng trưởng cở hạt (do tác động cản trở của nickel) làm cho thép có cấu trúc mịn chắc hơn. Thép nickel cấu trúc Martensitic thì không được ứng dụng rộng rải (do dòn) và thép nickel autenite thì có giá thành cao hơn so với thép manganese austenite. Thép Maraging đáp ứng được cả yêu cầu độ bền và độ dai nên được ứng dụng rộng rải trong ngành hàng không.

Thép có hàm lượng nickel cao dùng cho các mục đích đặc biệt nhờ vào hệ số dãn nở nhiệt thấp. Thép chứa 36% nickel, 0,2% carbon, 0,5% manganese, hệ số dãn nở nhiệt gần bằng không trong khoảng nhiệt độ từ 0° đến 100°C. Hợp kim này hóa già theo thời gian song có thể hạn chế tiến trình bằng cách nung ở 100°C trong nhiều ngày.

Một hợp kim khác của nickel có tên là Inver được dùng rộng rải trong công nghiệp sản xuất đồng hồ , thước đo , các sensor lưởng kim đo nhiệt , và làm vòng séc măng piston .

Hợp kim không có carbon chứa 78,5% nickel và 21,5% sắt có độ thấm từ cao và nó được dùng để làm nam châm vỉnh cửu.

Hình 1. Ảnh hưởng của nickel đối với việc thay đổi nhiệt độ chuyển biến pha pearlite và các thay đổi cơ tính ứng với thép 0,2% carbon khi tốc độ nguội không đổi.

Chromium

Chromium có thể hòa tan cả trong sắt alpha và gama, tuy nhiên, khi có carbon thì chúng có xu thế hình thành nên carbide phức hợp (FeCr)3C nhiều dạng và tỉ lệ chromium có thể cao hơn 15%; Các carbide chromium (CrFe)3C2 chứa khoảng vài phần trăm chromium (CrFe)7C3 chứa đến 55% Cr và (CrFe)4C, có 25% Cr. Thép không gỉ thì chứa Cr4C. Thép chromium cấu trúc pearlite chứa khoảng 2% chromium và rất dễ biến cứng khi tôi . Xem bảng sau :

Nhiệt độ tôi, °C Tốc độ tới hạn khi tôi
(Phút làm nguội từ 836° xuống 546°C)
836 3,5
1010 6,5
1200 13

Nguyên nhân là vì carbide chromium khó hoà tan vào austenite, song khi tăng hàm lượng lên cùng với việc tăng nhiệt độ , khả năng hòa tan của carbide chromium vào austenite tăng lên do đó làm tăng cao nhiệt độ tới hạn khi nung nóng(Ac) và làm nguội (Ar) với tốc độ chậm . Khi làm nguội nhanh Chromium tạo ra sự biến dạng ở phần trên đường cong chuyển biến đẳng nhiệt (isothermal transformation curve) [2].

Phần trăm carbon trong cấu trúc pearlite bị giảm xuống , do đó tỉ lệ cementite tự do cao nên độ cứng tôi cao hơn nếu thép có hàm lượng carbon cao. Carbide hình thành có dạng cầu nên cấu trúc thép cứng , dẻo dai thích hợp để làm vòng bi.

Khi hàm lượng chromium vượt quá 1,1% và thép có hàm lượng carbon thấp , chromium có tác dụng làm mịn cấu trúc pearlite , làm cho thép dẻo dai hơn , mặt khác khi đó một lớp mỏng oxide chromium hình thành trên bề mặt thép , giúp thép chống được ăn mòn thời tiết.

Thép có hàm lượng chromium cao có tính chất bền nhiệt (heat-resisting).

So với thép nickel thì thép chromium dễ cắt gọt hơn . Thép có hàm chromium càng cao thì càng nhạy nứt nóng do dòn ram nếu được làm nguội trong khoảng nhiệt độ ram 550/450°C. Thép chrome được dùng cho các ứng dụng đòi hỏi độ cứng cao , ví dụ như khuôn rèn nguội , bạc đạn , trục cán , dụng cụ …Thép có hàm lượng chromium cao cũng có thể làm nam châm vỉnh cữu.

Nickel and chromium

Thép Nickel có đặc điểm là bền , dẻo và dai trong khi thép chromium thì cứng và chịu mài mòn tốt.. Kết hợp giữa chromium và nickel tạo ra loại thép hợp kim có cả các ưu thế trên và trong vài trường hợp tạo ra thép hợp kim có đặc điểm riêng mà từng nguyên tố riêng lẻ không thể có được. Thép 4,5% nickel, 1,25% chromium và 0,35% carbon có độ thấm tôi rất cao và chỉ cần tôi trong không khí .

Thép nickel-chromium hàm lượng thấp có hàm lượng carbon trung bình được dùng cho các chi tiết tôi bề mặt – casehardening (như bánh răng chẳng hạn) trong khi thép carbon trung bình 0,25-0,35%, thì phải tôi thể tích mới đạt được độ cứng cần thiết. Ngoài ra thép nickel và chromiumcòn được dùng cho các kết cấu chống ăn mòn và bền nhiệt.

Ảnh hưởng dòn ram (embattlement) của thép nickel-chromium được chỉ ra ở hình . 2, từ đó có lưu ý là đường cong va đập Izod (1) giảm thấp trong khoảng 250-450°C đối với thép carbon . Khoảng nhiệt độ xung quanh 350°C được gọi là nhiệt độ dòn ram. Phospho và and nitơ có ảnh hưởng đáng kể đến dòn ram và các tạp chất (As, Sb, Sn) và manganese cao cũng tác động mạnh đến hiện tượng dòn ram.

Độ dòn ram – Temper brittleness là khái niệm dùng để chỉ tính dòn khi va chạm của kim loại do tác động của cấu trúc vùng tinh giới hạt [3] xuất hiện khi làm nguội chậm thép khi ram từ 600°C cũng như kéo dài việc nung nóng trong khoảng 400° đến 550°C.

Độ dòn ram có nguyên nhân từ việc vùng tinh giới hạn có hàm lượng các nguyên tố hợp kim như Mn, Cr, Mo quá cao trong khi bên trong hạt có cấu trúc austenite , việc này kéo theo sự thiên tích (segregation) của các nguyên tố gây dòn ram (embattling elements) như P, Sn, Sb, do phản ứng hóa học khi làm nguội chậm từ 600°C. Cách khắc phục (tăng độ dai) là nung thép đến trên 600°C và làm nguội nhanh để hạn chế thiên tích vùng tinh giới hạt. Thép chứa Antimony (0-001 %), phosphorus (0-008 %), arsenic, tin, manganese cao sẽ rất nhạy với dòn ram, trong khi molybdenum có tác động giảm độ nhạy do dòn ram . Thép chứa 0,25 % molybdenum sẽ giảm dòn ram (tăng giá trị đường cong Izod (2).

Bảng 1 cho biết ảnh hưởng của tốc độ nguội khi ram đối với thép có chứa 0,45 % molybdenum:

 

Hình 2. Ảnh hưởng của quá trình ủ (tempering) đối với cơ tính của nickel-chromium steel

C% = 0,26, Ni % = 3, Cr% = 1,2,

(mẫu thử nghiệm Φ29 mm tôi (hardened ) trong dầu từ 830°C.

Đường cong Izod (2) ứng với thép có chứa 0,25% Mo (molybdenum)

Bảng.1 Thép 0,3% C, 3,5 % Ni, 0,7%, Cr, ram ở 630°C

Thép Tốc độ nguội TS
MPa
Độ dãn dài Độ cứng Izod
ft lbf
Izod
J
Ni-Cr Trong dầu 896 18 60 64 87
Ni-Cr Theo lò 880 18 60 19 25
Ni-Cr-Mo Theo lò 896 18 61 59 80

Molybdenum

Molybdenum có thể hòa tan cả trong sắt alpha và gama và khi có mặt của carbon chúng sẽ hình thành nên carbide (FeMo)6C, Fe21Mo2C6, Mo2C.

Molybdenum có tác động đến đường cong chuyển biến nhiệt (TTT-curve) như chromium Tuy nhiên ở hàm lượng dưới 0,5% thì tác động ngăn chặn chuyển biến sang pearlite và làm tăng xu thế hình thành pha bainite . Thường thì 0,5% molybdenum được thêm vào thép carbon thường để làm tăng độ bền ở nhiệt độ 400°C, Tuy nhiên thực tế Molibdenium thường được dùng với các nguyên tố khác để có hiệu quả cao hơn.

Thép Ni-Cr-Mo được sử dụng rộng rải để làm các bộ phận quay của turbine và các cấu kiện có kích thước lớn , bởi vì molybdenum có ưu thế làm giãm độ dòn ram và giãm tác hại của khối lượng đến quá trình chuyển biến pha khi nung nóng hoặc làm nguội. Molybdenum cũng là thành phần không thể thiếu được cho các loại thép gió (high-speed steels), thép có độ từ thẩm cao (magnet alloys), thép chịu nhiệt (heat-resisting) và thép chống ăn mòn (corrosion-resisting steels).

Vanadium

Vanadium là nhân tố thanh lọc các oxit, hình thành nên carbide vanadium , tác động này làm tăng cơ tính của các loại thép nhiệt luyện , đặc biệt là khi tồn tại các nguyên tố khác. Vanadium giảm khoảng nhiệt độ ram xuống còn 500-600°C và thúc đẩy quá trìnhy biến cứng thứ cấp. Thép Chromium-vanadium (0,15%) được dùng làm các chi tiết đầu máy tàu hỏa , các trục (láp) ô tô , lò xo , các thanh chịu xoắn có tính năng chống rão tốt.

Tungsten

Tungsten hoà tan cả vào sắt gama và alpha. Nó kết hợp với carbon hình thành nên carbide WC và W2C, Tuy nhiên , trong thép thì carbide phức Fe3W3C hoặc Fe4W2C sẽ được hình thành. Hợp chất Fe3W2C làm cho vật liệu có tính biến cứng do hóa già (age-hardening) . Tungsten có tác động nâng cao điểm tới hạn của thép và phân tán chậm các carbide với khoảng nhiệt độ tương đối rộng. Kết thúc quá trình hòa tan ,các carbide tungsten chuyển hóa chậm , đặc biệt là khi ram, điều này làm cho thép có khả năng giữ độ cứng ở nhiệt độ cao , thích hợp cho các ứng dụng như làm khuôn rèn nóng , dụng cụ cắt có tốc độ cắt cao. Ngoài ra tungsten còn có tác dụng làm mịn hạt và làm giãm khả năng thoát carbon của thép. Tungsten cũng được dùng làm nguyên tố hợp kim cho thép nam châm , thép chịu ăn mòn ở nhiệt độ cao.

Silicon

Silicon hòa tan vào ferrite, và nhờ vậy làm cho chúng cứng hơn , đồng thời silicon cũng nâng cao các điểm tới hạn Ac và Ar khi làm nguội chậm nhờ đó giãm sự thay đổi thể tích khi chuyển pha từ gamma sang alpha.

Chỉ có 3 loại thép silicon được sử dụng cùng với manganese , nhóm một để làm lò xo ; nhóm hai dùng trong kỹ thuật điện , làm các lỏi từ của biến áp , cực từ của dynamo , máy phát điện , motor . Nhóm ba được dùng trong các van của ô tô .

  C Si Mn
1. Silico-manganese 0,5 1,5 0,8
2. Silicon steel 0,07 4,3 0,09
3. Silichrome 0,4 3,5 8

Nhóm này cung cấp tính năng chống oxýt hóa và cung cấp độ bền nhiệt.

Các nguyên tố khác

Copper hoà tan trong cấu trúc ferrite không quá 3,5% ở nhiệt độ thường hóa , song ở nhiệt độ thường thì nồng độ hòa tan bảo hòa ở 0,35% đồng có tác dụng hạ thấp các điểm tới hạn thúc đẩy quá trình hình thành cấu trúc martensite khi làm nguội thép trong không khí. Đồng có tác dụng tăng tính kháng ăn mòn thời tiết của thép. Thép chứa đồng dễ bị tôi cứng.

Cobalt dễ hòa tan cả trong sắt alpha và sắt gamma song làm yếu xu thế hình thành carbide của thép. Cobalt có tác dụng làm giảm khả năng biến cứng của vật liệu khi xử lý nhiệt , song lại có tác động tích cực là giúp duy trì độ cứng khi ủ thép. Cobalt được dùng nhiều trong các mác thép có tên gọi “Stellite” , ứng dụng làm cánh turbin khí , nam châm và vật liệu liên kết các hợp kim cứng , gốm kỹ thuật.

Boron. 0,003-0,005% boron thường được thêm vào thép sản xuất trong những năm gần đây , nhằm thúc đẩy quá trình làm lặng thép , làm mịn hạt và tăng tính biến cứng của thép khi nhiệt luyện. Việc tinh luyện thép với boron làm tăng tỉ số giới hạn bền / giới hạn đàn hồi và đồng thời làm tăng độ dai của thép. Nói cách khác boron làm cho thép cứng và dai hơn. Khi kết hợp với with molybdenum boron tạo nên cấu trúc bainite có giới hạn đàn hồi cao. Boron được dùng trong các vật liệu đắp cứng và các thanh điều khiển lò nguyên tử.

Nguồn: Internet.

[1] Đọc thêm về thép maraging ở trang http://www.key-to-steel.com/Articles/Art103.htm

[2] Thường được gọi là đường cong chữ “C”

[3] Vùng biên hạt bộc lộ khi ăn mòn các mẫu bằng dung dịch 1 gm cetyl trimethyl ammonium bromide; 20 gm picric acid; 100 cc distilled water, 100 cc ether. Dung dịch lắc đều có thể giữ được trong 24 giờ

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

Tấm Chịu Mòn 2 Thành Phần D-Plate