Một cách đơn giản có thể xem một thép hợp kim đơn giản (chỉ có một nguyên tố hợp kim) là đưa thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C. Vậy hãy xem nguyên tố hợp kim ảnh hưởng như thế nào đến hợp kim Fe - C mà ta đã nghiên cứu, cụ thể là đến các tổ chức chính: các dung dịch rắn ferit, austenit, hợp chất xêmentit (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗn hợp ferit - cacbit)... Các nguyên tố khi đưa vào thép cũng không ngoài hai tác dụng: hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn và kết hợp với cacbon thành cacbit. Cũng khó phân loại rạch ròi song có thể tạm chia thành hai dạng nguyên tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hòa tan vào sắt và dạng có ái lực mạnh với cabon tạo nên cacbit. Hãy xét từng khả năng.
Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn
Đó là trường hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình và thường gặp là Mn, Si, Cr, Ni.
Với lượng ít nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi đáng kể cấu hình của giản đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức ferit ở nhiệt độ thấp và austenit ở nhiệt độ cao.
Khi hòa tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit, các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ dai. Ảnh hưởng của bốn nguyên tố trên đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ dai được trình bày trên hình 5.2. Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si, Cr và Ni. Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit đã có độ dai rất thấp (≤ 500kJ/m2) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế là rẻ hơn, khả năng hóa bền cao Mn và Si chỉ được dùng với hàm lượng hạn chế 1 - 2%. Như thế không thể dùng thép Mn, Si với độ thấm tôi cao vì bị hạn chế bởi lượng đưa vào. Còn Ni và Cr (cho tới hàm lượng 4%) trong khi làm tăng độ cứng chẳng những không làm giảm còn làm tăng chút ít độ dai. Do vậy hợp kim hóa thép bằng Cr, Ni hay đồng thời bằng cả hai là rất tốt vì ngoài làm tăng độ thấm tôi, bản thân chúng nâng cao độ cứng, độ bền mà vẫn duy trì tốt độ dẻo, độ dai của ferit. Vì thế thép có độ thấm tôi cao thuộc nhóm được hợp kim hóa bằng Cr - Ni. Mặc dầu giá thành có cao hơn (do Cr và đặc biệt Ni ngày càng đắt, hiếm) loại thép này vẫn được ưa chuộng trong chế tạo các chi tiết đòi hỏi độ tin cậy cao.
Với lượng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn chúng làm thay đổi hẳn cấu hình của giản đồ pha Fe - C, đặc biệt rõ là làm thay đổi các khu vực của ferit và austenit. Trên hình 5.3 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng Mn và Cr đến khu vực γ (austenit) của giản đồ pha Fe - C. Thấy rất rõ Mn (và cả Ni nữa) mở rộng (nhiệt độ tồn tại của) khu vực γ (tương ứng thu hẹp khu vực α). Với hàm lượng lớn trong khoảng 10 - 20% tổ chức austenit tồn tại cả ở nhiệt độ thường (không biểu thị ở hình 5.3a), tức là khi nung nóng hay làm nguội không có chuyển biến pha như thường gặp, thép được gọi là thép austenit. Còn Cr ngược lại thu hẹp khu vực γ (tương ứng mở rộng khu vực α như ở hình 5.3b). Với hàm lượng Cr đủ lớn (khoảng gần 20%) khu vực γ không còn tồn tại, tổ chức ferit tồn tại cả ở nhiệt độ cao cho tới khi chảy lỏng. Thép này cũng không có chuyển biến pha và được gọi là thép ferit. Những trường hợp như vậy chỉ gặp ở thép đặc biệt. Rõ ràng là các thép này không thể áp dụng hóa bền bằng tôi.
Hình 5.2. ảnh hưởng của độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim chủ yếu trong dung dịch rắn ferit đến độ cứng (a) và độ dai va đập (b)
Tạo thành cacbit
Trừ các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo thành được cacbit trong thép (chỉ có thể hòa tan vào sắt), các nguyên tố hợp kim còn lại gồm Mn, Cr, Mo, W, Ti, Zr, Nb ngoài khả năng hòa tan vào sắt còn có thể kết hợp với cacbon thành cacbit.
Người ta nhận thấy rằng số điện tử của phân lớp nd (3d, 4d, 5d) trong nguyên tử của nguyên tố nào càng bị thiếu thì nguyên tố đó càng có ái lực mạnh với cacbon và tất nhiên là trong thép (chủ yếu là sắt) chỉ nguyên tố nào có số điện tử của phân lớp nd ít hơn của Fe (là 6) thì mới có khả năng tạo thành được cacbit.
Phù hợp với số thiếu hụt của điện tử, các nguyên tố tạo thành cacbit trong thép theo thứ tự từ yếu đến mạnh như sau:
Fe (6), Mn (5), Cr (5), Mo (5), W (4), V (3), Ti (2), Zr (2), Nb (2)
[số trong ngoặc là số điện tử trong phân lớp nd], trong đó:
- Mn và Cr là các nguyên tố tạo thành cacbit trung bình.
- Mo và W là các nguyên tố tạo thành khá mạnh.
- V là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, và
- Ti, Zr, Nb là các nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh.
Hình 5.3. ảnh hưởng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng a và g trên giản đồ Fe-C.
Khi đưa vào thép các nguyên tố này, cacbon sẽ ưu tiên kết hợp với các nguyên tố mạnh trước. Tùy theo nguyên tố hợp kim (Me) đưa vào và hàm lượng của nó, trong thép hợp kim có các pha cacbit sau.
- Xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C. Khi thép chứa một lượng ít (1 - 2%) các nguyên tố tạo cacbit trung bình và khá mạnh là Mn, Cr, Mo, W chúng hòa tan thay thế vị trí các nguyên tử Fe trong xêmentit tạo nên xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C. Xêmentit hợp kim có tính ổn định cao (khó phân hủy, kết tụ khi nung) hơn xêmentit chút ít. Nhiệt độ tôi có tăng đôi chút.
- Cacbit với kiểu mạng phức tạp. Khi hợp kim hóa đơn giản (chỉ bằng một nguyên tố hợp kim) song với lượng lớn (> 10%) Cr hoặc Mn (có dC / dMe > 0,59) chúng tạo nên với C loại cacbit với kiểu mạng phức tạp như: Cr7C3, C23C6, Mn3C. Các đặc tính của cacbit này là:
+ Có độ cứng cao (hơn xêmentit một chút).
+ Có nhiệt độ chảy không cao lắm, trong khoảng 1550 - 1850oC (cao hơn xêmentit), nên có tính ổn định cao hơn. Nhiệt độ tôi của thép phải cao hơn 1000oC.
- Cacbit kiểu Me6C. Trong các thép chứa Cr với W hoặc Mo sẽ tạo nên cacbit loại Me6C với kiểu mạng phức tạp, trong đó Me là các nguyên tố Cr, W, Mo và cả Fe. Loại cacbit này còn khó hòa tan vào austenit hơn và ổn định hơn loại trên. Nhiệt độ tôi của thép trong khoảng 1200 - 1300oC.
- Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC (Me2C). Các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh và rất mạnh là V, Ti, Zr, Nb khi đưa vào thép với lượng ít (0,1%) cũng có khả năng liên kết hết với cacbon thành cacbit như VC, TiC, ZrC, NbC, chúng chính là pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản (vì dC/dMe < 0,59). Các đặc tính của loại cacbit này là:
+ Có độ cứng cao nhưng ít giòn hơn xêmentit.
+ Có nhiệt độ chảy rất cao (trên dưới 3000oC) nên rất khó phân hủy và hòa tan vào austenit khi nung. Các nguyên tố này không có tác dụng tăng độ thấm tôi, cacbit của chúng thường đóng vai trò giữ cho hạt nhỏ và nâng cao tính chống mài mòn.
Như vậy các cacbit hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, khó hòa tan vào austenite hơn so với xêmentit làm thép hợp kim cứng, bền nóng hơn và có nhiệt độ tôi cao hơn thép cacbon.
Do các nhóm thép sử dụng các loại nguyên tố hợp kim và lượng chứa khác nhau nên nói chung mỗi nhóm thép thường chỉ gặp 1 - 2 loại cacbit kể trên, cụ thể là:
+ Xêmentit hợp kim trong thép kết cấu.
+ Cacbit với kiểu mạng phức tạp trong thép không gỉ và bền nóng (thuộc nhóm thép đặc biệt).
+ Cacbit kiểu Me6C trong thép gió (thuộc thép dụng cụ).
+ Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC được tạo thành với lượng ít trong các nhóm thép khác nhau.
Vai trò của cacbit hợp kim
- Giống như xêmentit, cacbit hợp kim cũng có tác dụng làm tăng độ cứng, tính chống mài mòn của thép song có phần mạnh hơn. Như sau này sẽ thấy thép làm dụng cụ tốt nhất phải là loại thép có cacbon cao và hợp kim cao.
- Do khó hòa tan vào austenit khi nung nóng nên một mặt nâng cao nhiệt độ tôi mặt khác lại giữ được hạt nhỏ khi nung, điều này giúp nâng cao độ dai và cơ tính nói chung.
- Khi ram, cacbit hợp kim tiết ra khỏi mactenxit và kết tụ lại ở nhiệt độ cao hơn so với xêmentit ở trong thép cacbon, do đó giữ được độ cứng cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200oC, đôi khi tới 500 - 600oC, tức có tính cứng hay bền nóng.
