Đang tải...

Tài liệu cơ khí Thép austenit mangan cao: quá khứ, hiện tại và tương lai

Thảo luận trong 'Cơ khí chế tạo' bắt đầu bởi congnghiep4, 25/1/10.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. congnghiep4
    Offline

    Guest
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    Số km:
    0
    Được đổ xăng:
    0
    Mã lực:
    0
    Xăng dự trữ:
    N/A lít xăng
    #1 congnghiep4, 25/1/10
    Last edited by a moderator: 15/8/14
    Giới thiệu chung

    Trong thời gian gần đây thép austenite mangan cao gần như ngày càng khẳng định được vị thế và chỗ đứng xứng đáng trong kỹ thuật và ngày càng được nhắc đến nhiểu trong các bài viết tổng quan kỹ thuật và trên các bài báo mới ra gần đây.

    Chính vì lẽ đó mà vấn đề đưa ra thảo luận và được đề cập đến chủ yếu trong bài báo này là bàn về quá khứ, hiện tại và hướng phát triển tương lại của các mác thuộc họ thép này. Mà trọng tâm là thép không gỉ Austenite Mangan cao, cũng như họ Austenite Mangan Crom thấp và không chứa Crom.

    Giống như chức năng của niken, mangan là một nguyên tố hợp kim cơ bản và có tác dụng tạo tổ chức Austenite rất mạnh nhưng điểm đáng lưu ý ở đây là Mangan lại là một nguyên tố hợp kim có giá rẻ hơn nhiều so với niken mà lại có vai trò ảnh hưởng tới cơ tính của thép tương tự như niken, nhưng có một điểm khác biệt lớn duy nhất của Mn so với Ni đó là Mn có khả năng kết hợp với Nitơ trong thép để tạo thành nhưng hợp chất có tính chất hết sức đặc biệt vì Mn làm tăng khả năng hoà tan của Nitơ trong thép, cho thép có độ bền cao hơn cả thép hợp kim Ni. Điều này có thể thấy rõ thông qua việc phân tích các tổ chức kim loại học vật lý hay thông qua giản đồ pha hai nguyên cho thấy ảnh hưởng của Mn đến khả năng hoà tan của Nitơ trong thép và khả năng chịu ăn mòn cùng cơ tính tổng hợp mà nó mang lại cho thép. Các mác thép dùng cụ thể dùng trong công nghiệp và cơ tính của các mác thép họ này đã được xem xét và phân loại cho từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể.

    Mở đầu

    Họ thép Austenite Mangan cao đã và đang có vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp kể cả trước kia và hiện tại người ta vẫn không ngừng nghiên cứu tìm tòi để làm sao mở rộng phạm vi ứng dụng của nó cụ thể hơn là xem xét các yếu tố kỹ thuật từ đó có thể phân ra các mác thép có ứng dụng đặc thù và hướng tới phổ biến rộng rãi hơn. Cũng chính vì lẽ đó mà mục đích chính của bài báo này là đề cập đến lịch sử hình thành và phát triển, công nghệ nấu luyện, cơ tính và ứng dụng của họ thép này bao gồm tất cả thép Austenite Mangan cao có chứa hoặc không chứa Cr.

    Về lịch sử hình thành và phát triển của họ thép này: ra đời vào khoảng năm 1882 do ông Robert Hadfield phát minh ra ban đầu có hàm lượng Mn là từ 1.2%C - 12%Mn và từ đó họ thép này gắn liền với tên ông luôn nên còn có một tên gọi khác là thép Hadfield. Kể từ lúc đó đến nay trải qua nhiều năm nhiều lần hiệu chỉnh thành phần so với ban đầu thì thép Hadfield đến nay đã có những ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp.

    Việc sử dụng một lượng lớn Mn thay vì dùng Ni trong thép không gỉ đã được người Đức áp dụng từ trước Thế chiến thừ II và người Mỹ áp dụng trong chiến tranh Triều Tiên để đối phó với sự khan hiếm Ni. Và tại thời điểm đó viện sắt thép Mỹ đã công bố và phát triển họ mác thép AISI 200, đầu tiên là các mác thép thay thế hoàn toàn Ni bằng Mn và sau đó là thay thế một nửa Ni bằng Mn. Họ mác thép AISI 200 tiếp theo tiếp tục phát triển theo nhiều hướng khác nhau, ấy phải kể đến loại thép chứa Mn và Nitơ vì chúng có rẩt nhiều ưu việt như độ bền cao cùng khả năng chịu mài mòn và ma sát, chịu ăn mòn và chịu oxy hoá rất tốt. Ngoài ra các loại thép dùng làm các vòng không nhiễm từ trong các máy phát điện cũng có lịch sử phát triển từ rất lâu rồi mà điển hình là mác Fe-8Mn-8Ni-4Cr được một Cty Đức tên là Krupp sản xuất ra vào năm 1901 và được sử dụng rộng rãi cho đến sau Đại chiến thế giới lần thứ nhất trước khi được thay thế bởi mác thép Fe-18Mn-4Cr-0.5C. Mác thép này từ khi ra đời cho đến nay đã được coi trọng và sử dụng rất rộng rãi với quy mô công nghiệp trên toàn thế giới .
    Fe-Mn & Fe-Ni

    Có một việc đề ra là đi nghiên cứu trường cường độ cân bằng của các mác thép này sẽ giúp ích rất lớn trong việc phát triển các họ hợp kim phi từ tính và được sử dụng nhiều để chế tạo các vỏ chứa vật liệu siêu dẫn làm việc trong môi trường nhiệt độ thấp.

    Còn có một mác thép không thể không nhắc đến đó là họ thép Austenite làm xupap xả động cơ ô tô là 21-2N và 21-4N cả hai đều chứa 9% Mn. Việc nghiên cứu những lĩnh vực này nhằm mục đích cung cấp kiến thức làm cơ sở để ta cải tiến những mác hợp kim cũ, điều này sẽ được khẳng định thông qua những thông tin trong bài báo mà chúng tôi đưa đến hội thảo lần này.

    Điểm qua một vài tính chất kim loại học vật lý của họ thép Mangan cao: Thép Mangan cao, cụ thể hơn là các mác thép được đưa ra trong bài báo này là hợp kim cơ bản trên cơ sở sắt gồm các hệ cơ bản được dẫn ra sau đây: Fe-Mn; Fe-C-Mn; Fe-N-Mn; Fe-Cr-Mn; Fe-Cr-N-Mn; và Fe-C-Ni-N-Mn. Giản đồ pha cho ta mô tả thích hợp về các pha, tổ chức, nhiệt độ và thành phần tương ứng cũng như mối quan hệ phụ thuộc giữa chúng vào nhiệt độ.

    Hình 1: Giản đồ pha Fe-Mn và Fe-Ni

    (trục hoành trên biểu diễn % nguyên tử Mn tan vào trong sắt theo nhiệt độ trục hoành dưới biểu thị % khối lượng Mn theo nhiệt độ và trên giản đồ biểu diễn chung cho hai hệ Fe-Mn và Fe-Ni). Trong hình này ta thấy rõ sự tương đồng giữa Ni và Mn trong Fe và khả năng hòa tan vào sắt theo nhiệt độ. Cả hai nguyên tố Ni và Mn đều mở rộng vùng γ và vì lẽ đó Ni và Mn còn có một tên gọi khác là nguyên tố Austenite hóa.
    Hình 2: Giản đồ pha Fe-Mn-C

    Ở hình 2 dẫn ra một giản đồ 3 nguyên của hệ Fe-C-Mn. Nhìn vào giản đồ ta thấy ở vùng nhiệt độ trên đường Acm là tổ chức Austenite. Tổ chức này được tạo ra do sự tạo thành dung dịch rắn của Mn và C. Tính ổn định của tổ chức này chịu sự chi phối bởi hàm lượng hai nguyên tố Mn và C trong sắt và thành phần tồn tại ổn định tổ chức này ở nhiệt độ thường và kể cả ở nhiệt độ thấp được mô tả rõ trên hình, cho thấy tổ chức Austenite rất ổn định tồn tại ở nhiệt độ -320F tức -195ºC. Hàm lượng C cao trong thép có mối quan hệ mật thiết với tính ổn định của tổ chức Austenite và C có khả năng tan nhiều vào tổ chức Austenite này hơn. Hạt cacbit phát triển mạnh theo nhiệt độ được thấy rõ trong hình 3
    Hình 3: Độ tan của C trong thép 13% Mn

    . Mác phổ dụng nhất trong chuỗi mác thép qui chuẩn ASTM 128 được tìm ra ở khu vực gạch song song (hình 2). Có thể thừa nhận là Fe-18Mn-0. 5C gần giống với mác thép dùng làm vòng đai hiện nay vốn được phát triển từ mác này lên.
    Họ thép không gỉ Mn thường thấy nhất nằm ở vùng giàu Fe trong giản đồ pha Fe-Cr-Mn và đây cũng là hệ đã và đang được nghiên cứu rộng rãi. Người có công nghiên cứu đầu tiên là Schafmeister. Điều này thấy rõ trên đường đẳng nhiệt 700ºC (1292F) trên hình 4
    Hình 4: Giản đồ hệ Fe-Mn-Cr tại nhiệt độ 700C

    . Rất khó có thể xác định được vùng biên pha của sắt sigma vì có sự tan lẫn vào nhau giữa dung dịch rắn Fe-Mn và Fe-Cr thấy rõ trên hình. Vùng không gỉ của thép có liên hệ chặt chẽ với điều này. Xuất phát từ thực nghiện chỉ ra rằng không thể tăng hàm lượng Cr lên quá 15% được ngoại trừ là trong sắt denta. Nếu hàm lượng C ở dưới ngưỡng này có thể phải bù thêm bằng các nguyên tố cho thêm như N hay là Ni sao cho lượng Cr vượt lên qua giới hạn cần thiết. Một đường lỏng giả thiết của hệ Fe-Cr-Mn được xây dựng bởi Revlin được thấy trong hình 5.
    Hình 5: Đường lỏng của hệ Fe-Mn-C

    Revlin tiếp tục thí nghiệm ở các nhiệt độ đẳng nhiệt 800ºC (1472F); 900ºC (1652F); 1000ºC (1832F); và 1200ºC (2192F). Đường đẳng nhiệt ở 1000ºC (1832F) được coi như đường nhiệt động học chuẩn của hệ này (hình 6).
    Hình 6: Giản đồ pha hệ Fe-Mn-Cr tại 1000C

    Trong một nghiên cứu gần đây trong vùng giàu sắt trên giản đồ Fe-Cr-Mn với lượng Mn ở mức khống chế chỉ 8% được Uhrenius thực nghiệm ở hai mức nhiệt độ là 800ºC(1472F) và 750ºC(1382F) kết quả thể hiện trên hình 7.
    Hình 7: Hệ Fe-Cr-Mn tại nhiệt độ 850 và 750C

    Một giản đồ khác của hệ Fe-Cr-Mn ở 4K cung cấp những hiểu biết về tổ chức của hệ ở nhiệt độ thấp trong đó vùng Austenite cũng được phác họa rõ trên hình 8.
    Hình 8: Giản đồ pha Fe-Mn-Cr tại 4K

    Macstensit αlpha và êta cùng với sắt delta và sigma cũng được thấy rõ trên hình.
    Ngoài ra còn nhiều hệ hợp kim khác có giản đồ pha rất đặc biệt. Một ví dụ điển hình là giản đồ minh họa ảnh hưởng tiềm ẩn của Ni cho vào đối với tổ chức sắt gama ở 1075ºC (1965F). Những thông tin từ rút ra từ giản đồ này rất hữu ích trong việc nghiên cứu ra họ thép Cr-Mn-Ni trong dãy mác thép 200 ở trên. Theo đó khi ta tăng hàm lượng Cr trong thép lên trên 15% là lý do chính của hiện tượng gỉ và vì vậy việc đưa Ni vào trở lên rất cần thiết điều này được chứng minh trong hình 9.
    Hình 9 : Tổ chức của thép Cr-Mn khi hàm lượng Ni biến đổi từ 0 đến 10%.

    Nitơ cũng là nguyên tố có ảnh hưởng rất mạnh trong việc mở rộng vùng Austenite được thấy rõ nhất trong thép có thành phần 15 đến 20% Cr và 12.5 đến 18% Mn. Tương tự như vậy hình 10 cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của Nito, với hàm lượng 0.3%N cho phép tăng lượng Cr cho vào lên tới 16 đến 19%.
    Hình 10: Ảnh hưởng của N đến vùng Austenite (cùng một lượng Cr, Mn nếu % N trong thép càng cao thì vùng austenite càng mở rộng.

    Thậm chí có một phương pháp khá đơn giản khác cho phép nghiên cứu về thành phần pha Austenite đó là sử dụng giản đồ Schaeffler (hình 11) cung cấp một phương pháp tính thành phần pha nhờ một quy tắc gọi là quy tắc tay đòn. Tỷ số Mn:Ni bằng 2:1 cho việc thay thế Ni bằng Mn trong thép không gỉ Austenit.
    Hình 11: Ảnh hưởng của thành phần đến độ tan của C và N

    Dullis đã tìm ra một công thức thích hợp cho phép tính tỷ lệ tương quan giữa các nguyên tố trong thép Austenite chứa C và N (tính tổng lượng N đưa vào thép hệ Fe-Cr-Mn khi biết hàm lượng C và Cr để thép không bị gỉ ) :

    C+N = 0.078 x (Cr - 12.5)

    Mangan không chỉ đóng vai trò mở rộng vùng Austenite ở nhiệt độ cao mà còn có tác dụng ổn định Austenite và chống lại chuyển biến Austenite thành Martensite trong khi tôi. Số liệu thu thập được biểu diễn trên hình 2 minh chứng cho nhận định này. Cụ thể cho thép không gỉ hệ Fe-Mn-Cr khi lượng Mn nằm ở mức 12-15% nó sẽ hạ đường chuyển biến Mactensit xuống thấp khiến cho chuyển biến Austenite sang Martensite không xảy ra khi tôi xuống nhiệt độ thường.

    Sự tiết hạt Cácbit: Trái ngược với họ thép không gỉ Austenite Cr-Ni là họ thép có rất nhiều công trình nghiên cứu về sự tiết pha Các bít còn đối với họ thép Mangan cao lại có ít bài báo xuất bản trong thời gian qua đề cập tới vấn đề này. Do một phần người ta thừa nhận sự giống nhau giữa hai hệ Cr-Mn và Cr-Ni nhưng bên cạnh đó cũng có nhiều sự khác nhau rất đặc trưng giữa hai hệ này cần phải nghiên cứu thêm nữa. Hạt cacbit được hình thành trong khoảng nhiệt độ từ 550 đến 800 C (1025 đến 1475 độ F) sở dĩ có sự khác biệt này không phải do Mangan mà phần nhiều là do Nitơ trong thép gây ảnh hưởng đến động học của sự tiết cacbit. Trong thép không gỉ họ Cr-Ni chứa Nitơ có tác dụng ngăn ngừa làm chậm sự tiết Cacbit và thay thế một phần cacbon trong các bit Crom (Cr23C6).

    Có nhiều bằng chứng gần đây chứng minh vai trò của Nitơ phân bố trong thép không gỉ Cr-Ni có tác dụng hạn chế ăn mòn tinh giới do ảnh hưởng của Nitơ tới động học của sự tiết pha.

    Nhiều mác thép hệ Fe-Cr-Mn và Fe-Mn có chứa lượng Cacbon và Nito cao hơn cả ở trong thép Austenite Cr-Ni và có sự khác biệt giữa chúng ở chỗ có sự tiết cacbit phức hợp trong những họ thép này và điều này có ý nghĩa ảnh hưởng lớn đến yếu tố biến cứng khi hóa già. C và N định xứ ở trong dung dịch rắn khi ủ ở một nhiệt độ nào đó phụ thuộc vào hàm lượng cacbon ban đầu và thường thấp hơn lượng Crom tan vào dung dịch rắn (Crom tan vào dung dịch rắn của sắt mạnh hơn cả C và N). Kết quả thấy trên hình 11 được trích ra từ báo cáo của Dullis cho thấy vai trò mờ nhạt của Nitơ. Theo một nghiên cứu khác Dullis nghiên cứu sự hóa già biến cứng đối với mác thép Austenite Fe-Cr-Mn chứa 0.4%C và 0.2-0.45%N và nhận thấy hai hạt tiết ra sau khi tiến hành ủ ở nhiệt độ 1204 C (2200F) và hóa già ở 871 C (1600F) cho đến 1038 C (1900F), ở biên giới hạt xuất hiện tổ chức dạng tấm đan xen giống như tổ chức Vitmantit. Ở biên hạt nhận thấy có tiết ra các bit Mn23C6 hoặc nitorit Crom Cr2N Hai loại các bít này thực sự có tác dụng khi đem hóa già khiến cho độ cứng của thép sau hóa già tăng lên trên 35-40HRC.

    Tổ hợp cơ tính tối ưu của vật liệu đã đạt được, tuy nhiên ngoài đạt được đúng thành phần của mác thép quy định còn phải qua cơ nhiệt luyện nữa.
    Trong khi chúng ta chưa làm rõ được sự giống và khác nhau giữa thép Fe-Mn có C cao hoặc N cao có hoặc không có Cr hoặc các nguyên tố tạo cacbit khác, qua cơ nhiệt luyện sẽ có tác động đến các hạt cacbit hoặc gia công lạnh chẳng hạn như hóa già đã và đang được áp dụng rất thành công trên nhiều mác thép.

    Dung dịch rắn Nitơ:

    Đây là hướng nghiên cứu đang còn bỏ nhỏ mà trong khi đó thép mangan cao luôn có sự liên hệ mật thiết với lượng nito cao. Vai trò của nito như sau: là một nguyên tố tạo Ostenit dễ dùng và rẻ , góp phần mở rộng vùng Ostenit ở nhiệt độ cao. Vì vậy cho phép chúng ta tăng hàm lượng Crom đưa vào trong thép và gián tiếp làm tăng độ cứng, nhất là độ thấm tôi của thép.Ngoài ra Nito cải thiện khả năng chống ăn mòn tinh giới của họ thép không gỉ.Vì những lý do trên không có lẽ gì là chúng ta không đưa Nito hòa tan vào thép Mangan cao cả.

    Kích thước của nguyên tử C và N đủ nhỏ so với kích thước nguyên tử của sắt và một số nguyên tố khác, chính vì thế C và N có thể chui vào mạng Feα và Feﺫγ đưới dạng nguyên tử xen kẽ. Nguyên tử Nito có đường kính là 0.72Aº còn của C là 0.77Aº vì thế mà khả năng tan của N vào dung dịch rắn mạnh hơn C rất nhiều. N chui vào sắt gama dễ hơn sắt ferrit rất nhiều.Minh chứng cho điều này ở 590ºC khi thấm nito thì hàm lượng N đi vào thép lên tới 2.35% trong khi đó hàm lượng N cực đại trong sắt ferrit chỉ có 0.1%.

    Trong những nguyên tố hợp kim hóa cơ bản có khả năng hòa tan N ít nhiều khác nhau trong đó Mangan là một trong những nguyên tố làm tăng hòa tan nito vào trong thép mạnh nhất. Điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Beer chỉ ra khả năng hòa tan N vào trong ferro-Mn tăng từ 0.05% (nếu 100% là sắt ) đến cực đại là 1.45% (nếu 100% Mn) ( Xem hình 12, nói về khả năng tan của N vào trong ferro-Mn ở nhiệt độ 1550ºC).
    [​IMG]
    Hình 12: Độ hòa tan của M trong hợp kim Fe-Mn tại 1550C

    Phương pháp được Langenber đưa ra trên lý thuyết để dự báo khả năng tan của N vào một hệ gồm nhiều thành phần tại 1600ºC (2900F). Bảng dưới đây tổng kết kết quả tính toán của Langerber với thực nghiệm. Bên cạnh sự tương quan này dựa vào số liệu thu được còn cho biết khả năng hòa tan N vào trong thép hệ Cr-Mn nhiều hơn so với hệ Cr-Ni. Thêm một nghiên cứu nhỏ nữa về ảnh hưởng khác nhau của các nguyên tố hợp kim đến mức độ hòa tan của N vào trong thép không gỉ 18Cr-8Ni kết quả được chỉ rõ trên hình 13. Kết quả mà chúng ta thấy trên hình 13 thừa nhận rằng Cr và Mn đều làm tăng mạnh khả năng tan. Trong mác thép 18-8 khả năng tan của Nitơ vào là 0,225% ở nhiệt độ 1600˚C và áp suất là 1atm.
    Hình 13: Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến độ hòa tan của Ni trong thép 18Cr-8Ni

    [​IMG]
    (Còn nữa)​

    Biên dịch: TRƯƠNG XUÂN TIỆP
    Hiệu đính và giới thiệu: Nguyễn Hoàng Việt
    Nguồn: luyenkim.net
     

Chia sẻ trang này