Vấn đề luyện kim: Hàm lượng carbon, phân loại thép và thép hợp kim
Nói chung, thép carbon là hợp kim thép thương mại quan trọng nhất. Tăng hàm lượng carbon làm tăng độ cứng và sức mạnh và cải thiện độ cứng. Nhưng carbon cũng làm tăng độ giòn và giảm khả năng hàn vì xu hướng hình thành martensite. Điều này có nghĩa là hàm lượng carbon có thể là cả một vấn đề lớn khi nói đến thép thương mại.
Và trong khi có những loại thép có hàm lượng carbon lên tới 2% thì chúng là ngoại lệ. Hầu hết thép chứa ít hơn 0,35 phần trăm carbon.
Bây giờ, bất kỳ loại thép nào trong phạm vi hàm lượng carbon 0,35 đến 1,86 phần trăm đều có thể được làm cứng bằng cách sử dụng chu trình làm nóng bằng nhiệt. Hầu hết các loại thép thương mại được phân loại thành một trong ba nhóm:
Những loại thép này thường là sắt có ít hơn 1% carbon, cộng với một lượng nhỏ mangan, phốt pho, lưu huỳnh và silicon. Khả năng hàn và các đặc tính khác của các loại thép này chủ yếu là một sản phẩm có hàm lượng carbon, mặc dù các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng nhỏ.
Thép carbon được chia thành bốn nhóm:
Thấp. Thường được gọi là thép nhẹ, thép carbon thấp có ít hơn 0,30% carbon và là loại được sử dụng phổ biến nhất. Họ chế tạo và hàn độc đáo và dễ uốn hơn thép cacbon cao hơn.
Trung bình. Thép carbon trung bình có từ 0,30 đến 0,45% carbon. Carbon tăng có nghĩa là tăng độ cứng và độ bền kéo, giảm độ dẻo và gia công khó khăn hơn.
Cao. Với 0,45 đến 0,75 phần trăm carbon, các loại thép này có thể là thách thức để hàn. Gia nhiệt trước, gia nhiệt sau (để kiểm soát tốc độ làm mát), và đôi khi thậm chí gia nhiệt trong khi hàn trở nên cần thiết để tạo ra các mối hàn chấp nhận được và để kiểm soát các tính chất cơ học của thép sau khi hàn.
Rất cao. Với hàm lượng carbon lên tới 1,50 phần trăm, thép carbon rất cao được sử dụng cho các sản phẩm thép cứng như dụng cụ cắt kim loại và lò xo xe tải. Giống như thép carbon cao, chúng đòi hỏi xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn để duy trì tính chất cơ học của chúng.
Khi các loại thép này được thiết kế cho các ứng dụng hàn, hàm lượng carbon của chúng thường dưới 0,25% và thường dưới 0,15%. Các hợp kim điển hình bao gồm niken, crom, molypden, mangan và silic, làm tăng thêm sức mạnh ở nhiệt độ phòng và tăng độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.
Các hợp kim này có thể, trong sự kết hợp đúng, cải thiện khả năng chống ăn mòn và ảnh hưởng đến phản ứng của thép đối với xử lý nhiệt. Nhưng các hợp kim được thêm vào cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tính nhạy cảm của vết nứt, do đó, nên sử dụng các quy trình hàn hydro thấp với chúng. Làm nóng trước cũng có thể cần thiết. Điều này có thể được xác định bằng cách sử dụng công thức tương đương carbon, mà chúng ta sẽ đề cập đến trong một vấn đề sau.
Đối với hầu hết các phần, chúng ta đang nói về thép không gỉ ở đây, thép hợp kim cao thương mại quan trọng nhất. Thép không gỉ có ít nhất 12 phần trăm crôm và nhiều loại có hàm lượng niken cao.
Ba loại cơ bản của không gỉ là:
Thép không gỉ Martensitic tạo nên các lớp. Chúng có lượng crôm ít nhất, có độ cứng cao và yêu cầu cả trước và sau khi hàn để ngăn ngừa nứt trong vùng bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
Thép không gỉ Ferritic có 12 đến 27 phần trăm crôm với một lượng nhỏ hợp kim hình thành austenit.
Thép không gỉ Austenitic cung cấp khả năng hàn tuyệt vời, nhưng austenite không ổn định ở nhiệt độ phòng. Do đó, các hợp kim cụ thể phải được thêm vào để ổn định austenite. Chất ổn định austenite quan trọng nhất là niken và các chất khác bao gồm carbon, mangan và nitơ.
Các tính chất đặc biệt, bao gồm khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa và cường độ ở nhiệt độ cao, có thể được tích hợp vào thép không gỉ austenit bằng cách thêm một số hợp kim như crom, niken, molypden, nitơ, titan và columbium. Và trong khi carbon có thể thêm sức mạnh ở nhiệt độ cao, nó cũng có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn bằng cách tạo thành một hợp chất với crom. Điều quan trọng cần lưu ý là hợp kim Austenit không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt. Điều đó có nghĩa là chúng không cứng trong vùng ảnh hưởng hàn.
Trước khi chúng ta xem xét một vài hệ thống phân loại thép phổ biến, chúng ta hãy xem xét thêm một kim loại có hàm lượng carbon cao, gang. Hàm lượng carbon của gang là 2,1% trở lên. Có bốn loại gang cơ bản:
Bây giờ chúng ta hãy xem một hệ thống phân loại thép điển hình (xem Hình 1). Cả Hiệp hội kỹ sư ô tô (SAE) và Viện Sắt thép Hoa Kỳ (AISI) đều sử dụng các hệ thống gần như giống hệt nhau. Cả hai đều dựa trên một hệ thống gồm bốn chữ số với số đầu tiên thường chỉ ra loại thép cơ bản và hai số đầu tiên cùng nhau biểu thị chuỗi trong nhóm hợp kim cơ bản.
Hãy nhớ rằng có thể có một số loạt trong một nhóm hợp kim cơ bản, tùy thuộc vào số lượng các nguyên tố hợp kim chính. Hai hoặc ba số cuối cùng đề cập đến phạm vi hàm lượng carbon cho phép gần đúng theo điểm (phần vạn).
Các hệ thống phân loại này có thể trở nên khá phức tạp và Hình 1 chỉ là một biểu diễn cơ bản. Hãy chắc chắn tham khảo các ấn phẩm AISI và SAE gần đây nhất cho các phiên bản mới nhất.
Đó là cái nhìn về một số điều cơ bản liên quan đến mối quan hệ sắt-carbon-thép và ảnh hưởng của nó đối với hàn và hợp kim kim loại. Lần tới chúng ta sẽ xem xét việc làm cứng và các cách để làm cho kim loại mạnh hơn. Chúng tôi cũng sẽ xem xét ảnh hưởng của một số yếu tố hợp kim quan trọng và ảnh hưởng của hàn đối với luyện kim.
Và trong khi có những loại thép có hàm lượng carbon lên tới 2% thì chúng là ngoại lệ. Hầu hết thép chứa ít hơn 0,35 phần trăm carbon.
Bây giờ, bất kỳ loại thép nào trong phạm vi hàm lượng carbon 0,35 đến 1,86 phần trăm đều có thể được làm cứng bằng cách sử dụng chu trình làm nóng bằng nhiệt. Hầu hết các loại thép thương mại được phân loại thành một trong ba nhóm:
- Thép carbon trơn
- Thép hợp kim thấp
- Thép hợp kim cao
Thép Carbon
Những loại thép này thường là sắt có ít hơn 1% carbon, cộng với một lượng nhỏ mangan, phốt pho, lưu huỳnh và silicon. Khả năng hàn và các đặc tính khác của các loại thép này chủ yếu là một sản phẩm có hàm lượng carbon, mặc dù các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng nhỏ.
Thép carbon được chia thành bốn nhóm:
- Thấp
- Trung bình
- Cao
- Rất cao
Thấp. Thường được gọi là thép nhẹ, thép carbon thấp có ít hơn 0,30% carbon và là loại được sử dụng phổ biến nhất. Họ chế tạo và hàn độc đáo và dễ uốn hơn thép cacbon cao hơn.
Trung bình. Thép carbon trung bình có từ 0,30 đến 0,45% carbon. Carbon tăng có nghĩa là tăng độ cứng và độ bền kéo, giảm độ dẻo và gia công khó khăn hơn.
Cao. Với 0,45 đến 0,75 phần trăm carbon, các loại thép này có thể là thách thức để hàn. Gia nhiệt trước, gia nhiệt sau (để kiểm soát tốc độ làm mát), và đôi khi thậm chí gia nhiệt trong khi hàn trở nên cần thiết để tạo ra các mối hàn chấp nhận được và để kiểm soát các tính chất cơ học của thép sau khi hàn.
Rất cao. Với hàm lượng carbon lên tới 1,50 phần trăm, thép carbon rất cao được sử dụng cho các sản phẩm thép cứng như dụng cụ cắt kim loại và lò xo xe tải. Giống như thép carbon cao, chúng đòi hỏi xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn để duy trì tính chất cơ học của chúng.
Thép hợp kim thấp
Khi các loại thép này được thiết kế cho các ứng dụng hàn, hàm lượng carbon của chúng thường dưới 0,25% và thường dưới 0,15%. Các hợp kim điển hình bao gồm niken, crom, molypden, mangan và silic, làm tăng thêm sức mạnh ở nhiệt độ phòng và tăng độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.
Các hợp kim này có thể, trong sự kết hợp đúng, cải thiện khả năng chống ăn mòn và ảnh hưởng đến phản ứng của thép đối với xử lý nhiệt. Nhưng các hợp kim được thêm vào cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tính nhạy cảm của vết nứt, do đó, nên sử dụng các quy trình hàn hydro thấp với chúng. Làm nóng trước cũng có thể cần thiết. Điều này có thể được xác định bằng cách sử dụng công thức tương đương carbon, mà chúng ta sẽ đề cập đến trong một vấn đề sau.
Thép hợp kim cao
Đối với hầu hết các phần, chúng ta đang nói về thép không gỉ ở đây, thép hợp kim cao thương mại quan trọng nhất. Thép không gỉ có ít nhất 12 phần trăm crôm và nhiều loại có hàm lượng niken cao.
Ba loại cơ bản của không gỉ là:
- Austenitic
- Ferritic
- Martensitic
Thép không gỉ Martensitic tạo nên các lớp. Chúng có lượng crôm ít nhất, có độ cứng cao và yêu cầu cả trước và sau khi hàn để ngăn ngừa nứt trong vùng bị ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
Thép không gỉ Ferritic có 12 đến 27 phần trăm crôm với một lượng nhỏ hợp kim hình thành austenit.
Thép không gỉ Austenitic cung cấp khả năng hàn tuyệt vời, nhưng austenite không ổn định ở nhiệt độ phòng. Do đó, các hợp kim cụ thể phải được thêm vào để ổn định austenite. Chất ổn định austenite quan trọng nhất là niken và các chất khác bao gồm carbon, mangan và nitơ.
Các tính chất đặc biệt, bao gồm khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa và cường độ ở nhiệt độ cao, có thể được tích hợp vào thép không gỉ austenit bằng cách thêm một số hợp kim như crom, niken, molypden, nitơ, titan và columbium. Và trong khi carbon có thể thêm sức mạnh ở nhiệt độ cao, nó cũng có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn bằng cách tạo thành một hợp chất với crom. Điều quan trọng cần lưu ý là hợp kim Austenit không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt. Điều đó có nghĩa là chúng không cứng trong vùng ảnh hưởng hàn.
* Thép không gỉ luôn có hàm lượng crôm cao, thường là một lượng đáng kể niken và đôi khi có chứa molypden và các nguyên tố khác. Thép không gỉ được xác định bằng một số có ba chữ số bắt đầu bằng 2, 3, 4 hoặc 5.
Hình 1
Hãy chắc chắn kiểm tra các ấn phẩm AISI và SAE thích hợp cho các phiên bản mới nhất.
Hệ thống phân loại thép
Trước khi chúng ta xem xét một vài hệ thống phân loại thép phổ biến, chúng ta hãy xem xét thêm một kim loại có hàm lượng carbon cao, gang. Hàm lượng carbon của gang là 2,1% trở lên. Có bốn loại gang cơ bản:
- Gang xám, tương đối mềm. Nó dễ dàng gia công và hàn, và bạn sẽ thấy nó được sử dụng cho các khối xi lanh động cơ, đường ống và các cấu trúc máy công cụ.
- Gang trắng, cứng, giòn và không hàn được. Nó có cường độ nén hơn 200.000 pound mỗi inch vuông (PSI) và khi được ủ, nó trở thành gang dẻo.
- Gang dễ uốn, được ủ gang trắng. Nó có thể được hàn, gia công, dễ uốn, và cung cấp sức mạnh và khả năng chống sốc tốt.
- Gang dẻo, đôi khi được gọi là gang than chì hoặc hình cầu. Nó có tên này bởi vì carbon của nó có hình dạng của những quả cầu nhỏ, không phải là mảnh. Điều này làm cho nó cả dễ uốn và dễ uốn. Nó cũng có thể hàn.
Bây giờ chúng ta hãy xem một hệ thống phân loại thép điển hình (xem Hình 1). Cả Hiệp hội kỹ sư ô tô (SAE) và Viện Sắt thép Hoa Kỳ (AISI) đều sử dụng các hệ thống gần như giống hệt nhau. Cả hai đều dựa trên một hệ thống gồm bốn chữ số với số đầu tiên thường chỉ ra loại thép cơ bản và hai số đầu tiên cùng nhau biểu thị chuỗi trong nhóm hợp kim cơ bản.
Hãy nhớ rằng có thể có một số loạt trong một nhóm hợp kim cơ bản, tùy thuộc vào số lượng các nguyên tố hợp kim chính. Hai hoặc ba số cuối cùng đề cập đến phạm vi hàm lượng carbon cho phép gần đúng theo điểm (phần vạn).
Các hệ thống phân loại này có thể trở nên khá phức tạp và Hình 1 chỉ là một biểu diễn cơ bản. Hãy chắc chắn tham khảo các ấn phẩm AISI và SAE gần đây nhất cho các phiên bản mới nhất.
Đó là cái nhìn về một số điều cơ bản liên quan đến mối quan hệ sắt-carbon-thép và ảnh hưởng của nó đối với hàn và hợp kim kim loại. Lần tới chúng ta sẽ xem xét việc làm cứng và các cách để làm cho kim loại mạnh hơn. Chúng tôi cũng sẽ xem xét ảnh hưởng của một số yếu tố hợp kim quan trọng và ảnh hưởng của hàn đối với luyện kim.
Nhận xét