Khái niệm thép cacbon
Thép các bon là hợp kim của sắt và cácbon với hàm lượng các bon nhỏ hơn 2,14%. Ngoài ra trong thép luôn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố Mn, Si, P, S. Với bất kỳ loại thép các bon nào ngoài sắt ra cũng có chứa C < 2,14%; Mn < 0,80%; Si <0,40%; P và S < 0,05%. Thép các bon được sử dụng rất rộng rãi trong cơ khí (tỷ lệ 60 ÷70%) và các ngành công nghiệp khác.
Ngoài các nguyên tố trên trong thép các bon còn chứa một lượng khí rất nhỏ hình thành trong quá trình nấu luyện như ôxy, hydrô, nitơ. Nhưng do số lượng của chúng quá ít, ảnh hưởng không đáng kể đến tính chất nên ta thường không quan tâm đến
Thành phần hóa học và tác dụng của các nguyên tố
a. Các bon: Là nguyên tố quan trọng nhất quyết định đến tổ chức và tính chất của thép, với hàm lượng các bon khác nhau thép có tổ chức tế vi khác nhau:
- Nếu hàm lượng các bon < 0,80% tổ chức là pherit và péclit
- Nếu hàm lượng các bon = 0,80% tổ chức là peclit.
- Nếu hàm lượng các bon > 0,80% tổ chức peclit và xêmentit thứ hai.
Mặt khác khi hàm lượng các bon tăng lên thì lượng xêmentit tăng lên, cản trở mạnh quá trình trượt của pherit làm cho độ bền, độ cứng của thép tăng lên, độ dẻo và độ dai giảm đi. Tuy nhiên độ bền lớn nhất đạt được với hàm lượng các bon từ 0,80 ÷ 1,0%, vượt quá giới hạn này do lượng xêmentit thứ hai quá nhiều làm cho thép dòn, độ bền giảm đi (Xem hình bên dưới).
Thép các bon với hàm lượng khác nhau được sử dụng trong các lĩnh vực hoàn toàn khác nhau.
b. Mangan: Được cho vào thép dưới dạng pherô mangan để khử ôxy loại bỏ tác hại của FeO trong thép lỏng:
Mn + FeO → Fe + MnO
Ôxyt mangan nổi lên đi vào xỉ và được lấy ra khỏi lò. Ngoài ra mangan còn có tác dụng loại bỏ tác hại của lưu huỳnh trong thép. Mangan hoà tan vào pherit nâng cao cơ tính cho thép, tuy nhiên tác dụng không lớn do lượng chứa của nó nhỏ. Lượng mangan trong thép từ 0,50 ÷ 0,80%.
c. Silic: Được cho vào thép dưới dạng pherô silíc để khử ôxy loại bỏ tác hại của FeO trong thép lỏng.
Si + FeO → Fe + SiO2
Điôxyt silic nổi lên đi vào xỉ và được lấy ra khỏi lò. Ngoài ra silic còn hoà tan vào pherit và nâng cao cơ tính cho thép. Silic khử ôxy và nâng cao cơ tính cho thép mạnh hơn mangan. Lượng silíc trong thép từ 0,20 ÷ 0,40%. Do vậy tác dụng nâng cao cơ tính không đáng kể.
d. Phốt pho: Phốt pho có khả năng hoà tan vào pherit khá lớn (đến 1,20% trong Fe - C nguyên chất) và giảm đột ngột khi nhiệt độ giảm. Do đó gây xô lệch mạng phe rit rất mạnh làm tăng tính giòn khá lớn (đường kính nguyên tử phốt pho khác nhiều so với sắt). Khi vượt quá giới hạn hoà tan nó tạo ra Fe3P cứng và dòn. Do vậy phốt pho làm thép bị giòn ở nhiệt độ thường và gọi là giòn nguội (còn gọi là bỏ nguội). Do tính thiên tích rất mạnh nên chỉ cần 0,10% P đã làm cho thép bị dòn. Vì thế lượng phốt pho trong thép nhỏ hơn 0,05%. về phương diện gia công cắt gọt thì phốt pho là nguyên tố có lợi vì làm cho phoi dễ gãy, lúc này lượng phốt pho đến 0,15%.
e. Lưu huỳnh: Lưu huỳnh hoàn toàn không hoà tan trong sắt mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh thể (Fe+FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988°C) và phân bố tại biên giới hạt. Khi cán, rèn, kéo (nung đến trên 1000°C) biên giới hạt bị chảy ra làm thép bị đứt, gãy, hiện tượng này gọi là giòn nóng (còn gọi là bỏ nóng). Tuy nhiên có thể dùng mangan để loại bỏ tác hại của lưu huỳnh.
Mn + FeS → Fe + MnS (nhiệt độ chảy 1620°C)
Về mặt gia công cắt gọt thì lưu huỳnh là nguyên tố có lợi vì nó tạo ra sunphua sắt làm cho phoi dễ gãy, trường hợp này lượng lưu huỳnh đến 0,35%.
Phân loại thép Cacbon
Có nhiều cách phân loại thép các bon, mỗi phương pháp có một đặc trưng riêng biệt cần quan tâm đến để sử dụng được hiệu quả hơn.
1. Phân loại theo phương pháp luyện và độ sạch tạp chất
a) Theo phương pháp luyện
- Thép mác tanh (ngày nay không dùng phương pháp này nữa)
- Thép lò chuyển (lò L- D, còn gọi là lò thổi)
- Thép lò điện
b) Theo độ sạch tạp chất
- Thép chất lượng thường: Có lượng P và S khá cao đến 0,05% được nấu luyện trong lò L - D có năng suất cao, giá thành rẻ. Các nhóm thép này chủ yếu được dùng trong xây dựng.
Thép chất lượng tốt: Có lượng P và S thấp hơn đến 0,04% được luyện trong lò điện hồ quang. Chúng được sử dụng trong chế tạo máy thông dụng.
- Thép chất lượng cao: Có lượng P và S đạt 0,03% được luyện trong lò điện hồ quang và có thêm các chất khử mạnh, nguyên liệu được tuyển chọn kỹ lưỡng.
- Thép chất lượng rất cao: Lượng P và S được khử đến mức độ thấp nhất 0,02% sau khi luyện bằng lò hồ quang chúng được tiếp tục khử tiếp tạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp hay bằng điện xỉ. Để hạn chế lượng khí trong thép phải dùng phương pháp rót trong chân không. Thép chất lượng cao và rất cao dùng chế tạo các thiết bị và máy móc quan trọng.
c) Phân loại theo phương pháp khử ôxy
Theo mức độ khử ô xy triệt để hay không triệt để ta chia thép ra hai loại là thép sôi và thép lắng (lặng).
- Thép sôi: Là loại thép được khử ô xy bằng chất khử yếu là phe rô mangan nên ô xy không được khử triệt để, trong thép lỏng vẫn còn FeO khi rót khuôn có phản ứng:
FeO + C → Fe + CO
Khí CO bay lên làm bề mặt thép lỏng chuyển động giống như hiện tượng sôi. Vật đúc thép sôi có mật độ thấp và chứa nhiều rỗ khí và lõm co nhỏ. Thép này có độ dẻo cao và rất mềm, dập nguội tốt.
- Thép lắng: Là loại thép được khử ô xy triệt để, ngoài phe rô mangan còn dùng phe rô silic và nhôm nên không còn FeO nữa, do vậy bề mặt thép lỏng phẳng lặng. Thép lắng có độ cứng khá cao, khó dập nguội. Vật đúc thép lắng có mật độ cao và lõm co lớn. Thép hợp kim chỉ là loại thép lắng. Ngoài ra còn loại thép nửa lặng, nó có tính chất trung gian giữa hai loại trên do chỉ khử ôxy bằng phe rô mangan và nhôm. Ngày nay có xu hướng dùng thép nửa lặng thay cho thép sôi.
2. Phân loại theo công dụng
Dựa theo mục đích sử dụng thép cácbon được chia làm hai nhóm là thép kết cấu và thép dụng cụ.
- Thép kết cấu: Là loại thép dùng làm các kết cấu và chi tiết máy chịu tải do đó cần có độ bền, độ dẻo và độ dai bảo đảm. Nhóm thép này được sử dụng nhiều nhất vì chủng loại sản phẩm của nó rất lớn. Đây là nhóm thép chất lượng tốt và cao.
- Thép dụng cụ: Là loại thép làm các dụng cụ gia công và biến dạng kim loại như dụng cụ cắt, khuôn dập, khuôn kéo ...Chúng giữ vai trò rất quan trọng để gia công các chi tiết và kết cấu máy. Số lượng thép dụng cụ không lớn vì chủng loại sản phẩm của chúng ít.
Ký hiệu thép Cacbon (tiêu chuẩn thép Cacbon)
1. Thép các bon chất lượng thường (thép các bon thông dụng)
Là loại thép chủ yếu được dùng trong xây dựng, được cung cấp qua cán nóng không nhiệt luyện, dưới dạng bán thành phẩm như ống, thanh, tấm, thép hình, sợi ...Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765 - 75 nhóm thép các bon chất lượng thường được ký hiệu bằng chữ CT (C - các bon, T - thép chất lượng thường). Nếu cuối mác thép không ghi gì cả là thép lắng (lặng), nếu có s là thép sôi, n là thép nửa lặng.
Chúng được chia làm ba phân nhóm:
- Phân nhóm A: Là loại thép chỉ được quy định về cơ tính mà không quy định về thành phần hóa học. Giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị kG/mm2 (với MPa phải nhân thêm 10), có thể tra bảng để tìm các chỉ tiêu σ0,2; δ; Ψ và aK. Gồm các mác CT31, 33, 34, 38, 42, 51, 61.
-Phân nhóm B: Là loại thép chỉ được quy định về thành phần hoá học mà không quy định về cơ tính (thành phần này có thể tìm thấy khi tra bảng). Ký hiệu của phân nhóm này tương tự phân nhóm A, chỉ khác là thêm chữ B ở đầu mác. Ví dụ BCT31, BCT33...BCT61.
- Phân nhóm C: Gồm các thép được quy cả về cơ tính và thành phần hoá học. Ký hiệu của chúng tương tự phân nhóm A, chỉ khác là thêm chữ C ở đầu mác. Ví dụ CCT31, CCT33...CCT61. Để tìm các chỉ tiêu của thép phân nhóm này ta phải dựa vào hai phân nhóm trên. Chẳng hạn với mác thép CCT38, khi tìm thành phần hoá học ta tra bảng theo mác BCT38, cơ tính theo mác CT38.
2. Thép kết cấu
Theo TCVN 1766-75 quy định ký hiệu bằng chữ C và các chữ số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bình trong thép tính theo phần vạn. Ví dụ: C05, C10, C15... C65. Nếu cuối mác thép có chữ A là loại chất lượng cao hơn (P, S < 0,030%)
3. Thép dụng cụ
Theo TCVN 1822-75 quy định ký hiệu bằng chữ CD (C-các bon, D-dụng cụ) và các chữ số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bình trong thép theo phần vạn. Nếu cuối mác thép có thêm chữ A có nghĩa là chất lượng cao hơn. Ví dụ: CD70, CD80...CD130 (CD70A, CD80A...CD130A).