Hợp kim của sắt

§5. HỢP KIM CỦA SẮT

I. GANG

Gang là hợp kim của sắt - cacbon (2 - 5%) và một số nguyên tố khác: 1 - 4% Si; 0,3 - 5% Mn; 0,1 - 2% P; 0,01 - 1% S.

1. Phân loại, tính chất và ứng dụng gang

Dựa vào thành phần, tính chất có 2 loại gang:

a) Gang trắng

- Thành phần: Gang trắng chứa ít cacbon, rất ít silic, chứa nhiều xementit .

- Tính chất: Gang trắng rất cứng và giòn.

- Ứng dụng: Gang trắng dùng để luyện thép.

b) Gang xám

- Thành phần: Gang xám chứa nhiều cacbon, silic.

- Tính chất: Gang xám kém cứng và kém giòn hơn gang trắng. Gang xám khi nóng chảy thành chất lỏng và khi hoá rắn tăng thể tích.

- Ứng dụng: Gang xám dùng đúc các bộ phận của máy, ống dẫn nước, cánh cửa...

2. Sản xuất gang

a) Nguyên liệu

• Quặng sắt: chứa 30 – 95% là oxit sắt không chứa hoặc chứa ít lưu huỳnh, photpho.

• Than cốc (điều chế từ than mỡ): Than cốc có vai trò cung cấp nhiệt khi cháy, tạo ra chất khử là CO và tạo thành gang.

• Chất chảy:

có trong quặng sắt), xỉ silicat dễ nóng chảy nổi lên trên gang.

b) Phản ứng hoá học xảy ra trong lò cao

• Phản ứng tạo chất khử CO: Không khí nóng được nén vào lò cao ở phía trên của nồi lò, đốt cháy hoàn toàn than cốc.

• Phản ứng khử oxit sắt:

- Phản ứng CO khử các oxit sắt thực hiện ở thân lò:

- Phần giữa thân lò: nhiệt độ khoảng 500°C - 600°C

- Phần dưới thân lò nhiệt độ khoảng 700°C - 800°C

• Phản ứng tạo xỉ: ở phần bụng lò, nhiệt độ khoảng 1000°C:

Sự tạo thành gang: Ở phần bụng lò có nhiệt độ khoảng 1500°C, sắt nóng chảy có hoà tan một phần cacbon và một lượng nhỏ mangan, silic..., đó là gang. Gang nóng chảy tích tụ ở nồi lò.

II. THÉP

Thép là hợp kim sắt - cacbon (0,01 - 2%) và một lượng rất ít các nguyên tố Si, Mn, ...

1. Phân loại, tính chất và ứng dụng của thép

Dựa vào thành phần, tính chất có 2 loại thép.

a) Thép thường hay thép cacbon

- Thành phần: Thép chứa ít cacbon, silic, mangan và rất ít lưu huỳnh, photpho.

- Tính chất và ứng dụng: Độ cứng của thép phụ thuộc vào hàm lượng cacbon. Thép cứng chứa trên 0,9%C, thép mềm chứa không quá 0,1%C. Loại thép này thường được sử dụng trong xây dựng nhà cửa, chế tạo các vật dụng trong đời sống.

b) Thép đặc biệt

- Thành phần: Thép có chứa thêm các nguyên tố khác như Si, Mn, Cr, Ni, W, V...

- Tính chất và ứng dụng: Thép đặc biệt có những tính chất cơ học, vật lí rất quý.

• Thép Cr - Ni rất cứng chế tạo vòng bi, vỏ bọc thép.

• Thép không gỉ có thành phần 74%Fe, 18%Cr, 8%Ni dùng để chế tạo dụng cụ y tế, dụng cụ nhà bếp.

• Thép W - Mo - Cr rất cứng dù ở nhiệt độ cao, dùng để chế tạo dao cắt gọt kim loại cho máy tiện, máy phay.

• Thép silic chế tạo lò xo, phít ô tô, thép chế tạo đường ray xe lửa, máy .

2. Sản xuất thép

a) Nguyên liệu

• Gang trắng hoặc gang xám, sắt thép phế liệu.

• Chất chảy là CaO.

• Nhiên liệu là dầu mazút hoặc khí đốt.

• Khí oxi.

b) Những phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình luyện gang thành thép

• Khí oxi được dùng làm chất oxi hoá các nguyên tố trong gang thành oxit.

• Cacbon và lưu huỳnh bị oxi hoá → và tách khỏi gang.

• Silic và photpho bị oxi hoá → và .

Những oxit này hóa hợp với chất chảy CaO tạo thành xỉ (canxi photphat và canxi silicat) nổi trên bề mặt thép lỏng:

Các phương pháp sản xuất thép: Có 3 phương pháp sản xuất thép.

(1) Phương pháp Bet-xơme (lò thổi oxi)

- Quá trình sản xuất:

• tinh khiết nén dưới áp suất 10atm được thổi trên bề mặt và trong lòng gang nóng chảy, do vậy oxi đã oxi hoá rất mạnh các tạp chất (C, Si, P, S, ...).

• Ngày nay khoảng 80% thép được sản xuất theo phương pháp này.

- Ưu và nhược điểm:

• Phản ứng trong khối gang tỏa nhiều nhiệt.

• Thời gian luyện thép ngắn.

• Lò lớn có thể luyện 300 tấn thép trong thời gian 45 phút.

(2) Phương pháp Mac-tanh (lò bằng)

- Quá trình sản xuất:

• Nhiên liệu là khí đốt hoặc dầu cùng với không khí và oxi được phun vào lò để oxi hoá các tạp chất trong gang.

• 12 - 15% thép trên thế giới được sản xuất theo phương pháp này.

- Ưu và nhược điểm:

• Xảy ra chậm nên có thể kiểm soát được tỉ lệ các nguyên tố trong thép và bổ sung các nguyên tố cần thiết khác như Mn, Ni, Cr, Mo, W, V... Do đó có thể luyện được thép chất lượng cao.

• Tốn nhiên liệu để đốt lò.

(3) Phương pháp lò điện

- Quá trình sản xuất:

• Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và gang lỏng tạo ra nhiệt độ trên 3000°C và dễ điều chỉnh hơn so với các loại lò trên.

• Khối lượng mỗi mẻ thép không lớn.

- Ưu và nhược điểm:

• Luyện được những loại thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như vonfram (3350°C), moliden (2620°C), crom (1890°C) và loại được hầu hết các nguyên tố có hại cho thép như S, P.

• Nhược điểm của lò quang điện là dung tích nhỏ, điện năng tiêu thụ lớn.