bài giảng thép và hợp kim đặc biệt

THÉP VÀ HỢP KIM ĐẶC BIỆT
Khái niệm
Là các thép và hợp kim có tính chất vật lý, hóa học, cơ học đặc biệt.
Tuy dùng với số lượng không nhiều, nhưng không thể thay thế được
trong một số lĩnh vực.
Đặc điểm :
• %C : rất thấp (< 0.1-0.15%) hoặc rất cao (> 1%).
• NTHK : rất cao (>10%), nhưng chỉ dùng loại một ( Cr, Mn,
Si) hay hai (Cr-Ni) NTHK chính.
• Tổ chức : thường là ôs, F hay M ở trạng thái cung cấp.
• Các nhóm thép chủ yếu:
- Có tính chống mài mòn cao
- Có tính chống ăn mòn cao
- Có tính chất điện hay từ đặc biệt
- Làm việc ở nhiệt độ cao
- Có tính giãn nở, đàn hồi đặc biệt
1. Thép và hợp kim có tính chịu mài mòn cao
Phân loại :
Có 4 loại chính :
• Thép có độ cứng cao, không có điểm mềm, như thép DC,
thép ổ lăn,…
• Thép có độ cứng không cao, nhưng có thể tự biến cứng lớp
bề mặt khi làm việc, thép hadfield
• Thép có độ cứng thấp, nhưng có thể tự bôi trơn,thép graphit
• Hợp kim trên cơ sở cacbit đúc hay thiêu kết
Thép Hadfield
• Thành phần hóa học : 1.3%C và 13%Mn (%Mn/%C = 10), ký
hiệu (TCVN-130MnĐ).(JIS-SCMnHx Thép Mn cao.ppt),
(ASTM-Ằ128) (GOST-Г13Л)
• Tổ chức tế vi : ôstenit, độ cứng thấp, 200HB.
• Cơ chế hóa bền : khi làm việc bị ma sát dưới áp lực lớn và

chịu tải trọng va đập, lớp bề mặt thép bị biến dạng dẻo, xảy ra
hai quá trình sau :
- Hóa bền biến cứng do biến dạng nguội
- Chuyển biến máctenxit , do ôs chứa C cao nên mactenxit biến
dạng có độ cứng rất cao, 600HB, trong khi lõi thì vẫn có độ dẻo
dai cao.
Khi làm việc, Lớp bề mặt biến cứng bị mài mòn và liên tục
được tạo thành dưới tác động của tải trọng, vì vậy, nó tốt hơn
là hóa nhiệt luyện.
Chú ý : - Sau khi đúc, cần tôi để tạo ra tổ chức hoàn toàn ôs
- Không thể gia công cắt, → đúc chính xác
Thép graphit hóa
• Thành phần hóa học : có thể dùng thép C cao
hoặc trung bình, nhưng cần có %Si cao (1-2%)
và Mn thấp
• Tổ chức tế vi : có nền giống như thép thông
dụng, nhưng còn thêm graphit tự do, kết hợp
được giữa độ bền, độ cứng của thép và khả
năng chịu mài mòn do giảm ma sát của graphit
• Công dụng : làm khuôn kéo, khuôn dập nguội
có tuổi thọ cao hơn 210Cr12 từ 2-3 lần.
Thay bạc trượt bằng đồng và chi tiết khác trong
điều kiện ma sát khô
Thép graphit hóa.ppt
Hợp kim các bit đúc
Pha cácbit rất cứng, có khả năng nâng cao độ chống mài mòn. Có thể
chế tạo theo phương pháp luyện kim bột ( thiêu kết) hoặc nấu chảy (đúc)
Hợp kim các bit đúc dựa trên nền sắt, chứa lượng lớn C (
<4%) và các nguyên tố tạo K ( chủ yếu là Cr, W, V, ), lượng
K chiếm từ 40-60%, dùng ở trạng thái đúc hoặc tráng lên bề

mặt chi tiết.
Ví dụ : hợp kim 250Cr28, 300Cr23B2Si2Ti, dùng cho các chi
tiết chịu mài mòn, không chịu va đập.
Hợp kim 350Cr7Mn7Si, 300Cr26Ni4Si4Mn có nền ôstenit,
chịu va đập
Hợp kim 110Mn13, 300Mn4, 110Cr14W13V2MnSi có nền
ôstenit-mactenxit dùng cho các chi tiết chịu va đập cao.
HK stellite : 1-2%C, 35-55%Co, 20-35%Cr, 9-15%W, Fe còn
lại.
2. Thép không gỉ
Khái niệm :
Là họ thép HK trên cơ sở sắt, bền ăn mòn trong các môi trường
khác nhau. Mỗi loại chỉ có tính chống ăn mòn cao trong một số môi
trường nhất định, ngay trong môi trường đó, nó vẫn bị ăn mòn với
tốc độ thấp và được coi là không gỉ.
Trong môi trường ăn mòn yếu :
- v < 0.01 mm/năm : coi là hoàn toàn không gỉ
- v < 0.1 mm/năm : coi là không gỉ
- v > 0.1 mm/năm : coi là bị gỉ
Trong môi trường ăn mòn mạnh :
- v < 0.1 mm/năm : chịu axit, muối tốt
- v < 1 mm/năm : coi là không gỉ
- v > 1 mm/năm : coi là bị gỉ
Về vai trò của crôm trong thép không gỉ
Crôm là NTHK có vai trò quyết định đến tính không gỉ
của thép. Có hai cách giải thích :
- Khi lượng Cr >12%, thép tạo ra lớp màng đặc chắc, làm
thụ động hóa bề mặt thép.
- Khi hòa tan vào F, nó làm điện thế điện cực của F nâng
lên bằng Xe (hay K nói chung)

Sơ lược về các loại thép không gỉ :
• Thép không gỉ M : Cr < 17%, C tới 1.1%
• Thép không gỉ F : Cr 12-30%, C < 0.08%
• Thép không gỉ Ôs : chứa Ni là nguyên tố mở
rộng ôstenit
• Thép không gỉ F-Ôs
• Thép không gỉ hóa cứng tiết pha
• Ảnh hưởng của NTHK trong thép không gỉ.ppt
• Khái niệm và Phân loại thép không gỉ.ppt
• Để xác định tổ chức của thép không gỉ khi biết
thành phần hóa học, người ta dùng giản đồ
Schaffler.Giản đồ Schaffler.ppt
Thép không gỉ mactenxit
 Thành phần hóa học: Lượng Cr 12-17%,
- Nếu %Cr nằm ở giới hạn dưới (12.5-13%) thì %C < 0.4% để
tránh tạo K, làm nghèo Cr, thuộc họ 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13,
40Cr13
- Nếu %Cr nằm ở giới hạn trên (17%), thì %C có thể tăng 0.9-
1.1%, độ cứng tăng mạnh.
Thành phần hóa học thép không gỉ M.ppt
 Môi trường sử dụng : không khí, nước sông, nước máy, axit
HNO
3
, bị ăn mòn trong các môi trường axit khác.
 Nhiệt luyện : tôi (950-1100
0
C ) và ram tùy yêu cầu cụ thể, (
tránh giòn ram loại II ở 350-575
0
C bằng nguội nhanh trong dầu)

 Công dụng :
• Loại ít C : làm đồ trang sức, ốc vít, cánh tua bin,
• Loại C trung bình : làm lò so, dụng cụ đo,
• Loại C cao : dụng cụ mổ, chi tiết chịu mài mòn như supap xả, ổ
lăn,
Thép không gỉ ferrit
Phụ thuộc vào %Cr, chúng được chia làm 3 nhóm :
• Nhóm chứa 13%Cr và rất ít C (0.08%), (ký hiệu
405),(08Cr13), thêm 0.2%Al, nguyên tố mở rộng α, ngăn
cản tạo ôs khi nung, có tính hàn tốt, dùng trong CN dầu
mỏ
• Nhóm chứa 17%Cr, (ký hiệu 430),(12Cr17), phổ biến
nhất, có thể thay thế thép họ ôs và rẻ tiền do không
chứa Ni,dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit
HNO
3
,hóa thực phẩm, kiến trúc,…Nhược điểm khó hàn
và bị ăn mòn tinh giới
• Nhóm chứa 20-30%Cr (ký hiệu 446), (15Cr25Ti), có tính
chống ôxy hóa cao (đến 800-900
0
C)
• Đặc tính chung : giới hạn đàn hồi cao hơn loại ôs,
nhưng mức độ hóa bền biến cứng thấp hơn, thích hợp
cho gia công biến dạng nguội. Có thể sử dụng ở vùng
biển, nước biển, môi trường axit
• Thành phần hóa học thép không gỉ họ F.ppt
Thép không gỉ ôstenit
Thường chứa Ni là nguyên tố mở rộng vùng
γ.Thành phần hóa học thép không gỉ họ ôstenit.ppt

Đặc điểm :
• Tính chống ăn mòn cao, hoàn toàn ổn định
trong nước sông, nước biển, trong hơi nước
bão hòa và quá nhiệt, trong các dung dịch muối.
Ổn định trong HNO
3
với mọi nồng độ và nhiệt
độ,trong H
2
SO
4
nguội, trong HCl loãng, nguội,
chịu nhiệt độ tới 900-1000
0
C,
• Độ dẻo cao (40-60%), dễ biến dạng nguội
• Có cơ tính bảo đảm, không hóa bền bằng nhiệt
luyện được, nhưng lại hóa bền biến dạng nguội
rất mạnh.
Nhược điểm :
• Đắt tiền do chứa nhiều Ni, có thể giảm giá thành
bằng thay thế một phần Mn
• Khó gia công cắt
• Tính chất của thép không gỉ.ppt
• Bị ăn mòn trong một số trường hợp cụ thể như
ăn mòn tinh giới khi hàn, phải cho thêm 2-4%
Mo ( mác 316, 316L) để tăng khả năng làm việc
trong môi trường có ion Cl
-
, hoặc giảm %C rất

thấp.
• Là thép dùng nhiều nhất (70%) trong họ thép
không gỉ
Thép không gỉ hóa bền tiết pha
Đặc điểm :
• Gần giống họ thép ôs về thành phần,nhưng có lượng Cr
và Ni thấp hơn (13-17%Cr và 4-7%Ni), thêm Al, Cu,
Mo, tổ chức ôs kém ổn định hơn.
• Có tính công nghệ và cơ tính cao hơn: dễ biến dạng và
cắt gọt và hóa bền bằng hóa già ở nhiệt độ thấp, tránh
được biến dạng và ôxy hóa.
Nhiệt luyện:
• Ủ ở 1050
0
C, nguội ngoài không khí, tổ chức là ôs dễ
biến dạng dẻo và cắt gọt.
• Nung 750-950
0
C, nguội ngoài không khí, tổ chức là ôs +
K (ít).
• Gia công lạnh 0÷ -75
0
C, ôs→ M
• Hóa già ở 525
0
C 1h, các pha hóa bền NiAl, Ni
3
Al, tiết ra
dạng phân tán nhỏ mịn, làm tăng độ bền
• Có tính chống ăn mòn tốt như họ 18-8

• Thép mactenxit hóa già (maraging steel).ppt
3. Thép bền nóng
Là thép có khả năng chịu tải lâu dài ở > 500
0
C,ví dụ : lò nung, nồi hơi, tua bin khí,…
Yêu cầu :
• Có khả năng chống dão hay giới hạn dão cao, ví dụ б
0.2/5000
=150MPa (bền nóng)
• Có khả năng chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao trong môi trường làm
việc (ổn định nóng)
Thành phần hóa học và tổ chức tế vi :
• Bảo đảm tính bền nóng : cần T
nc
cao và T
ktl
cao, tổ chức ôs có tính
bền nóng cao hơn F vì có T
ktl
cao hơn. Hạt thô, tổng ranh giới thấp
nên khả năng chống trượt tinh giới cao, tính bền nóng cao hơn. Các
NTHK như Mo, W, Nb, Ti, Zr tao K mạnh, phân tán đều có tác dụng
chống dão. Ni, Mn làm ổn định ôs, cũng nâng cao tính bền nóng.
• Bảo đảm tính ổn định nóng : không phụ thuộc vào tổ chức mà chỉ
phụ thuộc vào thành phần hóa học. Cr, Al, Si tạo màng ôxyt sít chặt,
tạo màng bảo vệ cho thép. Al, Si khoảng 1-2% mỗi loại, riêng Cr,
nhiệt độ làm việc càng cao, thì lượng Cr cần càng nhiều. Ví dụ Cr là
9% , 14% và 26% khi dùng thép ở 600-650
0
C, 800

0
C và 1000
0
C
tương ứng.
• Thép chống dão.ppt
Thép làm supap xả :
Supap xả làm có điều kiện việc rất năng nhọc, tải trọng cao, nhiệt
độ 650-700
0
C, bị ăn mòn và mài mòn trong khí thải.
Các động cơ nhỏ dùng thép Cr-Si, như 40Cr9Si2,
40Cr10Si2Mo, (là họ M), tôi ở 1000-1050
0
C và
ram 700-750
0
C, (nguội trong dầu để tránh giòn
ram loại II). Các thép này có tác dụng chống ôxy
hóa, chống ram và chống kết tụ K. HRC ~ 40.
Các động cơ lớn hơn dùng 30Cr13Ni7Si2 hay
45Cr14Ni14W2Mo (thép ôs), do độ cứng không
cao nên phần cần của supap thì thấm N, phần
mũ thì hàn đắp Hk cứng nấu chảy stellite.
Thép làm nồi hơi và tua bin hơi
Các lò hơi của nhà máy nhiệt điện thông dụng hoạt động ở chế độ
T=540
0
C và 250 at hoặc 560
0

C và 160 at.Nguyên nhân do không có thép
bền nóng tương đối rẻ để bảo đảm nồi hơi làm việc lâu dài ở > 100.000h và
áp suất hơi cao. Về công dụng, chúng được chia thành hai loại : thép nồi
hơi và thép bắt chặt.
• Thép nồi hơi : nồi hơi áp suất thấp và trung bình (<60
at), T < 450
0
C, cxo1 thể dùng thép C thấp như CT34,
CT38, C15, C20. Các ống quá nung hơi, dẫn hơi làm
việc ở nhiệt độ cao hơn ( 540-560
0
C) hay dùng thép C
thấp peclit 12CrMo, 12CrMoV, cánh tua bin hơi làm việc
ở 540-560
0
C dùng thép M như 15Cr12WNiMoV, 12Cr13,
15Cr11MoV. Các nồi hơi áp suất siêu cao dùng thép ôs
như 9Cr14Ni19W2NbB,
• Nhóm thép bắt chặt : như bu lông, vít cấy có tác dụng
làm kín các mối nối, mặt bích. Chúng cần giới hạn chảy
cao, thường dùng : 30CrMo, 35CrNi3MoA, 38CrMoAlA,
25Cr2MoVA, 40CrNi2MoA,
Hợp kim bền nóng (siêu HK)
Thép bền nóng ôs tốt nhất, ở áp suất cao, cũng chỉ chịu được 780-800
0
C (do
hạn chế bởi T
nc
của Fe). Muốn có tính bền nóng cao hơn, phải dùng các HK nền
Ni, Cr và HK hóa các KL có T

nc
cao như W, Mo,
Trên cơ sở Ni, có nicro6m và nimonic.
Nicrom : HK của Ni và Cr, đôi khi có Fe, và %C rất nhỏ, tổ chức 1
pha. HK có độ bền thấp, nhưng chịu được nhiệt độ cao, dùng
làm dây điện trở.
Nimonic : Hk bền nóng tốt gồm 20%Cr, 1%Al, 2%Ti, còn lại Ni, ký
hiệu Ni77Cr20Ti2Al, là HK hóa bền tiết pha phân tán. Tôi ở
1050-1150
0
C, hóa già ở 700-750
0
C, tổ chức gồm γ và γ’ . γ là
ddr của Ni hòa tan Cr, Ti, Al có mạng lptm, còn γ’ là các phần tử
rắn siêu nhỏ được tiết ra khi hóa già làm hóa bền γ, (nếu tiếp
tục nung lên 850
0
C thì γ’ sẽ chuyển thành б, công thức Ni
3
Ti và
mất tác dụng hóa bền)
Siêu hợp kim.ppt
-->