Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 - Gang và Thép

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép

Kim loại (tiếng Hy Lạp là metallon), là một trong ba nhóm các nguyên tố được phân biệt bởi độ ion hóa và các thuộc tính liên kết của chúng, cùng với các á kim và các phi kim. Sự biến đổi giữa nhiều tính chất khác nhau của kim loại làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong cuộc sống hàng ngày.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 1

Tính chất chung của kim loại

Không có định nghĩa đơn giản về kim loại, tuy nhiên, bất kỳ nguyên tố hóa học nào có "tính chất kim loại" hoặc "các đặc tính kim loại" được phân loại là kim loại. Các tính chất đặc trưng của kim loại bao gồm tính ánh kim, độ dẫn nhiệt, dẩn điện, và khả năng bị định hình vĩnh viễn hoặc bị biến dạng ở nhiệt độ phòng.

Các nguyên tố hóa học thiếu các tính chất kim loại điển hình này được phân loại là phi kim loại. Một vài nguyên tố, được gọi là kim loại, đôi khi hoạt động giống như kim loại và vào những thời điểm khác như phi kim loại. Một số ví dụ về kim loại như sau: carbon, phốt pho, silicon và lưu huỳnh

Các thuộc tính khác nhau của kim loại có thể được kết hợp bằng cách trộn hai hoặc nhiều kim loại với nhau. Hợp chất kết quả đó được gọi là hợp kim. Kim loại nguyên tố tinh khiết thường quá mềm để sử dụng thực tế, đó là lý do tại sao nhiều ngành luyện kim tập trung vào việc hình thành các hợp kim hữu ích. Tạo ra một hợp kim với một công thức cụ thể có thể cho phép tạo ra một đặc tính kim loại hoặc đặc tính kim loại cụ thể cho một ứng dụng được xác định trước

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 2

Tính chất vật lý của kim loại

Tính dẻo, dễ kéo, dễ dát mỏng: 

Ta có thể dễ dàng dát mỏng thanh kim loại, tác dụng lực làm biến dạng chúng nhưng khó để làm chúng tách rời nhau. Những kim loại có tính dẻo cao nhất theo thứ tự giảm dần : Au, Ag, Al, Cu, Sn...

Tính dẫn điện: 

Kim loại dẫn được điện nhờ dòng electron chuyển động có hướng trong kim loại. Kim loại khác nhau thì có tính dẫn điện khác nhau. Các kim loại dẫn điện tốt nhất theo thứ tự giảm dần là: Ag, Cu, Au, Al, Fe,…

Tính dẫn nhiệt: 

Tính chất này của kim loại cũng là nhờ các electron tự do có trong kim loại. Khi đốt nóng một đầu thanh kim loại, các electron tự do ở vùng nhiệt độ cao có động năng lớn, chuyển động đến vùng có nhiệt độ thấp hơn và truyền năng lượng cho các ion dương ở đây, làm đầu kia của thanh kim loại cũng nóng lên. Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt như: Ag, Cu, Al, Fe,..

Tính ánh kim: 

Tính ánh kim là vẻ ngoài ánh lên của kim loại gọi là ánh kim. Hầu hết kim loại đều có ánh kim.

Tính chất hóa học của kim loại

Tác dụng với phi kim

Tác dụng với oxi: Hầu hết kim loại (trừ Au, Pt, Ag,...) tác dụng với oxi ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao, tạo thành oxit.

Tác dụng với phi kim khác (Cl.,, S,...)

Nhiều kim loại tác dụng với phi kim ở nhiệt độ cao, tạo thành muối.

Tác dụng với dung dịch axit

Nhiều kim loại tác dụng với dung dịch axit (HCl,...) tạo thành muối và H2.

Tác dụng với dung dịch HNO3 và H2SO4 đặc nóng

Kim loại tác dụng dung dịch HNO3 đặc nóng tạo  muối nitrat và nhiều loại khí như NO2 ,NO, N2O, N2 và muối NH4NO3

KIm loại tác dụng với dung dịch H2SO4 đặc nóng tạo muối sunfat và nhiều loại khí  như SO2 H2S  và  lưu huỳnh 

Tác dụng với dung dịch muối

Kim lọại hoạt dộng mạnh hơn (trừ Na, K, Ba,... vì kim loại kiềm, kiềm thổ tan trong nước ở điều kiện thường) tác dụng với muối của kim loại yếu hơn, tạo thành muối và kim loại mới.

Tác dụng với nước

Các kim loại mạnh như Li, Na, K, Ca, Sr, Ba…tác dụng với nước dễ dàng ở nhiệt độ thường tạo thành dung dịch bazo 

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 3

Gang

Gang là vật liệu đúc được dùng khá phổ biến để chế tạo máy và xây dựng cơ bản (ống, ghi lò, nắp, hộp...) tuy nhìn chung có cơ tính tổng hợp kém thép song có nhiều đặc điểm quý cần tận dụng triệt để; đó là nhiệt độ chảy thấp hơn, dễ nấu luyện, tính đúc tốt và dễ gia công cắt gọt. 

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 5

Trong công nghiệp thường chỉ dùng ba loại gang: xám, cầu, dẻo với tổ chức có grafit (làm cho gang có màu xẫm, tối), không có lêđêburit, khá mềm, dễ gia công cắt. Riêng gang trắng với tổ chức có lêđêburit, không có grafit (nên gang có màu sáng như thép được gọi là gang trắng), rất cứng (HB 400 - 500), giòn, không gia công cắt được, nói chung bị hạn chế sử dụng (chỉ dùng để luyện thép, đúc ủ gang dẻo và đúc gang xám biến trắng).

Tổ chức tế vi của gang

Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớn hay toàn bộ cacbon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay grafit (như vậy rất ít hay không có cacbon ở dạng liên kết hay cacbit). Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là grafit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau:

- Ferit khi toàn bộ C ở dạng tự do (nên không còn cacbon để kết hợp với Fe hay các kim loại để tạo thành xêmentit hay cacbit), không có cacbon liên kết.

- Ferit - peclit hay peclit khi phần lớn C ở dạng tự do và rất ít (< 0,80%) ở dạng liên kết, Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của grafit như phân biệt trên tổ chức tế vi của các mẫu chưa tẩm thực (grafit không phản xạ ánh sáng có màu tối và nền kim loại chưa biết).

  • Gang xám: grafit có dạng tấm (phiến, lá...), là dạng tự nhiên khi đúc.

  • Gang cầu: grafit có dạng quả cầu tròn, phải qua biến tính đặc biệt.

  • Gang dẻo: grafit có dạng cụm (tụ tập thành đám), qua phân hóa từ xêmentit.

Có thể xem gang chế tạo máy là thép (ferit, ferit - peclit, peclit) có lẫn grafit. Chính sự khác nhau của dạng grafit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau.

Thành phần hóa học và cách chế tạo

Để có được grafit và grafit với các dạng khác nhau, mỗi gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hóa học và cách chế tạo.

Sự tạo thành grafit hay grafit hóa.

Trong gang cacbon có thể tồn tại ở cả hai dạng: tự do và liên kết, vậy điều kiện tạo thành chúng ra sao ?

Trước tiên phải nói rằng grafit là pha ổn định nhất, còn xêmentit kém ổn định hơn (giả ổn định), song sự tạo thành grafit lại khó khăn hơn do so với xêmentit thành phần cacbon (%C) và cấu trúc của grafit sai khác quá nhiều với pha lỏng và austenit (như về %C của Xê, G, γ  và pha lỏng lần lượt là 6,67, 100, 2,14 và 3,0 - 4,0%C). Tuy nhiên nhờ có ảnh hưởng của thành phần hóa học và chế độ làm nguội khi đúc, sự tạo thành grafit của gang có thể trở nên dễ dàng hơn.

Thành phần hóa học

Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành grafit. Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành grafit (grafit hóa) là silic. Silic càng nhiều hay đúng hơn tổng lượng %(C+Si) càng cao sự grafit hóa càng mạnh, càng hoàn toàn, cacbon liên kết (xêmentit) càng ít, thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản người ta coi gang là hợp kim ba cấu tử Fe - C - Si.

Trong các điều kiện khác như nhau, khi giảm %(C + Si) sự grafit hóa giảm dần.

  • (C + Si) lớn, khoảng ≥ 6%, sự tạo thành grafit là mạnh nhất với nền ferit (không có cacbon liên kết).

  • (C + Si) tương đối cao, khoảng 5,0 - 6,0%, có nền ferit - peclit (0,1 - 0,50%C liên kết).

  • (C + Si) vừa phải, khoảng 4,2 - 5,0%, có nền peclit (0,60 - 0,80%C lien kết).

  • (C + Si) thấp, < 4,0 - 4,3%C, có gang trắng (toàn bộ C của gang ở dạng liên kết).

Trong gang cũng có thể có các nguyên tố thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi là gây hóa trắng gang) hay chống lại grafit hóa, chúng được đưa vào có chủ định, riêng các gang đều có khoảng 0,50%Mn (gây biến trắng, làm cứng gang, nó là tạp chất thường có của hợp kim Fe - C và với hàm lượng như vậy là có lợi cho cơ tính).

Tốc độ nguôi khi đúc và cách chế tạo

Yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến grafit hóa là tốc độ làm nguội khi đúc. Làm nguội chậm thúc đẩy tạo thành grafit, còn làm nguội nhanh thúc đẩy tạo thành cacbit, tạo ra gang trắng, gây biến trắng.

Như vậy lượng silic và tốc độ nguội ảnh hưởng lớn đến đến sự tạo thành grafit nói chung, còn dạng grafit khác nhau được tạo thành bằng các phương pháp khác nhau tức theo các đường đi khác nhau.

  • Gang xám với grafit tấm là dạng tự nhiên được hình thành dễ dàng và đơn giản nhất: đúc thông thường.

  • Gang cầu với grafit cầu là dạng thu gọn nhất được hình thành từ biến tính đặc biệt gang lỏng thông dụng (gang xám).

  • Gang dẻo với grafit cụm (dạng đám) được hình thành qua hai bước: tạo ra xêmentit (gang trắng) rồi ủ để phân hóa nó thành grafit cụm.

Gang xám

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 6

Tuy dễ chế tạo, rẻ nhưng cơ tính kém.

  • Độ bền thấp, giới hạn bền kéo < 350 - 400MPa (thường trong khoảng 150 - 350MPa), chỉ bằng nửa của thép thông dụng, 1/3 - 1/5 của thép hợp kim.

  • Độ dẻo và độ dai thấp (δ ≈ 0,5%, aK < 100kJ/m2), có thể xem như vật liệu giòn.

Nguyên nhân cơ tính thấp của gang xám là do có tổ chức grafit tấm với độ bền rất thấp (có thể coi bằng không), có dạng bề mặt lớn, coi như vết nứt, rỗng chia cắt rất mạnh nền kim loại (thép) và sự tập trung ứng suất ở các đầu nhọn của tấm grafit làm giảm rất mạnh độ bền kéo. Tuy nhiên cấu trúc này ít làm hại độ bền nén (giới hạn bền nén của gang xám không kém thép).

Grafit nói chung và grafit tấm nói riêng cũng có những mặt có lợi.

  • Grafit mềm (HB 2) và giòn, làm gang có độ cứng thấp (<< gang trắng) và phoi dễ gẫy nên dễ gia công cắt.

  • Grafit có tính bôi trơn nên làm tăng tính chống mài mòn, với cùng độ cứng như nhau (hay thấp hơn chút ít) gang có tính chống mài mòn cao hơn thép là vì lý do này.

  • Grafit có khả năng làm tắt dao động nên gang xám thường được dung làm đế, bệ máy (và cũng là để tận dụng khả năng chịu nén tốt).

Gang xám biến trắng

Trong sản xuất cơ khí hầu như không dùng gang trắng do quá cứng, không thể gia công cắt được, và giòn, song có sử dụng gang xám biến trắng (ở bề mặt) có tính chống mài mòn cao (với bề mặt có HB 400 - 600), như để làm bi, trục nghiền, trục xay sát. Muốn vậy khi đúc gang xám thay cho làm nguội thong thường người ta làm nguội nhanh những phần, bề mặt cần cứng (như đúc trong khuôn kim loại hay bằng cách đặt kim loại dẫn nhiệt nhanh trong phần khuôn cát tiếp giáp để tạo ra gang trắng).

Đôi khi dù không mong muốn, khi đúc vẫn nhận được gang xám biến trắng (do đúc trong khuôn kim loại, ly tâm, áp lực, ở các thành mỏng...). Để dễ gia công cắt phải đem ủ ở 700 - 750oC, xêmentit bị phân hóa thành ferit và grafit nhờ đó độ cứng giảm đi. Nếu ủ ở 600 - 650oC chỉ có khả năng làm mất ứng suất bên trong do làm nguội không đều khi đúc gây ra.

Gang cầu

Do grafit ở dạng thu gọn nhất (quả cầu tròn), ít chia cắt nền kim loại nhất, hầu như không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền, vì vậy gang cầu duy trì được 70 - 90% độ bền của nền kim loại (thép), tức không thua kém thép bao nhiêu và có thể thay thế nó.

Các đặc điểm về cơ tính của gang cầu là:

  • - Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (σb = 400 - 800MPa, σ0.2 = 250 - 600MPa), tức là tương đương với thép cacbon chế tạo máy.

  • - Độ dẻo và độ dai nhất định (δ = 2 ÷ 15%, aK = 300 ÷ 600kJ/m2), tuy có kém thép song cao hơn gang xám rất nhiều.

Đặc điểm chế tạo

Về phối liệu, gang cầu được chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng) nên về cơ bản thành phần của chúng giống nhau (C + Si cao) song cũng có nét khác biệt để làm cho biến tính tạo ra grafit cầu được thuận lợi:

  • (C + Si) cao hơn (xem bảng 5.9).

  • P, đặc biệt là S thấp hơn (< 0,03%) do S kết hợp với Mg thành MgS làm xấu cơ tính và tổn hao chất biến tính.

  • Không có hay có rất ít nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Zn, Bi.

  • Hợp kim hóa bằng Ni (< 2%), Mn (< 1%) để nâng cao hiệu quả của tôi + ram.

Về biến tính:

  • Gang lỏng có nhiệt độ cao hơn bình thường khoảng 50 - 80oC (tức khoảng 1450oC).

  • Biến tính (đặc biệt) cầu hóa: đưa Mg hay Ce (xêri) vào gang lỏng để phần còn lại trong thành phần gang phải trong giá trị nhỏ xác định (ví dụ đối với Mg là 0,04 - 0,08%).

  • Biến tính grafit hóa bằng ferô silic, silicô canxi để chống biến trắng.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 7

Công dụng chủ yếu của gang cầu là dùng làm các chi tiết vừa chịu tải trọng kéo và va đập cao (như thép) đồng thời lại dễ tạo hình bằng phương pháp đúc. Chi tiết quan trọng điển hình làm bằng gang cầu là trục khuỷu. Đó là chi tiết có hình dạng phức tạp, chịu tải trọng lớn và va đập, chịu mài mòn khi làm bằng thép (ví dụ C45) phải dùng các phôi thép lớn qua rèn ép trên các máy ép lớn tạo ra phôi gia công với lượng dư lớn, tốn công cắt, nếu thay bằng gang cầu thiết bị sử dụng có phần đơn giản hơn tạo ra được vật đúc gần với thành phẩm hơn do đó chi phí gia công thấp hơn. Hơn nữa sau khi cùng tôi bề mặt, cổ trục khuỷu gang cầu có tính chống mài mòn cao hơn so với thép. Các hãng xe hơi nổi tiếng đã dung gang cầu trong động cơ xe du lịch và tải nhỏ.

Trong thời gian gần đây gang cầu với sản lượng khá lớn được dùng để chế tạo ống nước (đường kính lớn) dùng trong xây dựng cơ bản vì nó có ưu điểm hơn so với các vật liệu thường dùng trước đây là gang xám và thép. Tuy gang xám dễ chế tạo (nấu chảy, đúc, rẻ) song do cơ tính thấp không chịu đựng được áp suất nước trong ống dẫn cao tới hàng chục at trong thời gian dài (lúc đó nước thẩm thấu qua grafit tấm dài với bề mặt lớn dễ đánh thủng phần nền kim loại mỏng xen giữa các tấm, gây rò rỉ, phá hủy). Còn thép khó đúc hơn do nhiệt độ chảy cao, co ngót lớn).

Gang dẻo

Do grafit ở dạng cụm (grafit tấm tụ thành từng đám còn gọi là cacbon ủ) và lượng cacbon của gang rất thấp nên gang dẻo có độ bền gần như gang cầu song hơn hẳn gang xám (σb = 300 - 600MPa, σ0,2 = 200 - 450MPa), song độ dẻo cao như gang cầu (δ = 3 - 15%).

Đặc điểm chế tạo

Về phối liệu, gang dẻo được chế tạo bằng cách ủ từ gang trắng nên về cơ bản thành phần hóa học của chúng giống nhau: (C + Si) thấp, song cũng có nét khác biệt để khi đúc vừa tạo ra gang hoàn toàn trắng song cũng để dễ grafit hóa khi ủ sau đó nên khi lấy C thấp đi thì Si lấy cao hơn (xem bảng 5.9).

Về lựa chọn sản phẩm. Sản phẩm đúc bằng gang dẻo phải có thành mỏng, không cho phép có thành nào dày quá 40mm (thường chỉ cho phép dưới 20 - 30mm) để bảo đảm nguội nhanh tạo ra gang hoàn toàn trắng.

Về ủ grafit hóa. Đây là giai đoạn dài nhất (2 - 3 ngày), chiếm tỷ lệ cao trong giá thành. Gang trắng được ủ trong khoảng 1000 - 700oC với sự grafit hóa của xêmentit như sau:

  • Fe3C → Feγ(C) + Cgrafit cụm

  • Fe3C → Feα + Cgrafit cụm.

Tùy thuộc vào cách tiến hành có thể có các loại gang dẻo sau:

  • Gang dẻo lõi trắng, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi trường ôxy hóa làm thoát cacbon mạnh (thường dùng môi trường là quặng sắt) nên cacbon ủ (grafit) bị giảm mạnh nên mặt gãy có màu sang.

  • Gang dẻo lõi đen, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi trường trung tính hay không bị ôxy hóa mạnh, cacbon ủ vẫn còn nhiều nên mặt gãy vẫn có màu tối (trừ viền mép ngoài bị thoát cacbon gây trắng). Loại này chỉ có ở Hoa Kỳ.

Tùy thuộc vào nền kim loại, quá trình ủ grafit hóa có triệt để hay không, có:

  • Gang dẻo ferit: grafit hóa triệt để, không có cacbit, xêmentit, thời gian ủ dài (khoảng hai - ba ngày) ở 1000 và 7000C.

  • Gang dẻo peclit: grafit hóa vừa phải, nên kim loại còn khoảng 0,6 đến 0,8%C ở dạng cacbit, xêmentit, thời gian ủ tương đối ngắn (chưa đến hai ngày) chỉ ở 10000C.

  • Gang dẻo ferit - peclit: trung gian giữa hai loại trên (thời gian ủ ở 7000C ngắn hơn so với khi ủ gang dẻo ferit.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 8

Những chi tiết làm bằng gang dẻo phải thỏa mãn đồng thời ba yêu cầu là: hình dạng phức tạp, thành mỏng, chịu va đập. Chỉ cần không thỏa mãn một trong các yêu cầu trên việc chế tạo bằng gang dẻo hoặc là không thể được hoặc là không kinh tế, lúc đó làm bằng vật liệu khác rẻ hơn (ví dụ nếu không chịu va đập làm bằng gang xám, nếu hình dạng đơn giản làm bằng thép hàn...).

Thép

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.

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 -  Gang và Thép - 9

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.

Phân loại thép

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.

- 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 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. Phơng 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 đã 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 - 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 - 0,35%, vì thế ferit của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội hơn.

- 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 rãi 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.

 

Xem thêm:

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 1 - Hợp kim cứng

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 2 - Thép hợp kim

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 4 - Vật liệu phi kim dùng trong cơ khí

Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 5 - Nhôm và hợp kim nhôm

 

Hutscom - Nhà phân phối dụng cụ cơ khí, thiết bị công nghiệp uy tín tại thị trường Việt Nam

Website: https://hutscom.vn/

Mail: sales@hutscom.vn

Hotline: 0903 867 467

Địa chỉ: Phòng G7, Số 6 Phùng Khắc khoan, Phường Đakao, Quận 1, TPHCM

Bình luận

Không tìm thấy bài viết

Viết bình luận