Nghiên cứu sản xuất thép hợp kim CrMo chịu mài mòn cho chế tạo quả lô máy ép viên

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu sản xuất thép hợp kim đúc chịu mài mòn crmo cho chế tạo quả lô máy ép viên, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Bùi Xuân Bách
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Thuyết
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất thép hợp kim đúc chịu mài mòn (CrMo) cho chế tạo quả lô máy ép viên
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về thép hợp kim
• 1.2. Đặc điểm chung của thép hợp kim
• 1.3. Phân loại thép hợp kim
• 1.4. Thép hợp kim 42CrMo
• 1.5. Tiêu chuẩn, thành phần hóa học và cơ tính của mác thép 42CrMo
• 1.6. Ứng dụng của thép 42CrMo
• 1.7. Lựa chọn và mục tiêu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
• 2.1. Công nghệ sản xuất và chế tạo sản phẩm từ thép 42CrMo
• 2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
• 2.3. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến độ cứng
• 2.4. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến độ dai va đập và chịu mài mòn
• 2.5. Ảnh hưởng của từng nguyên tố hợp kim tới cấu trúc và tính chất
• 2.6. Ảnh hưởng của tạp chất
• 2.7. Công nghệ xử lý nhiệt cho thép hợp kim 42CrMo
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 3.1. Mục đích của thực nghiệm
• 3.2. Thực nghiệm nấu luyện mác thép 42CrMo trong lò cảm ứng trung tần
• 3.3. Quá trình xử lý nhiệt
• 3.4. Phân tích, đánh giá
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Quá trình nấu luyện thép 42CrMo
• 4.2. Tổ chức tế vi và cấu trúc pha
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu thép CrMo chịu mài mòn cho máy ép viên

Nghiên cứu sản xuất thép CrMo chịu mài mòn cho máy ép viên là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Thép CrMo, với đặc tính chịu mài mòn cao, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ bền và độ dẻo dai. Việc phát triển quy trình sản xuất thép này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí nhập khẩu mà còn nâng cao khả năng cạnh tranh cho ngành chế tạo cơ khí trong nước.

1.1. Đặc điểm và tính chất của thép CrMo

Thép CrMo có thành phần hóa học đặc biệt, bao gồm Cr và Mo, giúp cải thiện tính chất cơ học. Đặc biệt, thép này có khả năng chống mài mòn tốt, độ bền cao và khả năng chịu va đập tốt, phù hợp cho các ứng dụng trong máy ép viên.

1.2. Quy trình sản xuất thép CrMo

Quy trình sản xuất thép CrMo bao gồm các bước nấu luyện, xử lý nhiệt và gia công. Việc lựa chọn công nghệ sản xuất phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Vấn đề và thách thức trong sản xuất thép CrMo

Mặc dù thép CrMo có nhiều ưu điểm, nhưng việc sản xuất loại thép này vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chất lượng nguyên liệu, quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng là những yếu tố cần được chú trọng.

2.1. Chất lượng nguyên liệu đầu vào

Chất lượng nguyên liệu đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của thép CrMo. Việc sử dụng nguyên liệu không đạt tiêu chuẩn có thể dẫn đến sản phẩm cuối cùng không đạt yêu cầu kỹ thuật.

2.2. Kiểm soát quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất thép CrMo cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo các thông số kỹ thuật được duy trì. Sự thay đổi trong quy trình có thể ảnh hưởng đến chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm.

III. Phương pháp sản xuất thép CrMo hiệu quả

Để sản xuất thép CrMo chịu mài mòn, cần áp dụng các phương pháp công nghệ tiên tiến. Việc sử dụng lò cảm ứng trung tần là một trong những giải pháp hiệu quả nhất hiện nay.

3.1. Công nghệ lò cảm ứng trung tần

Công nghệ lò cảm ứng trung tần cho phép nấu luyện thép CrMo với chất lượng cao. Phương pháp này giúp kiểm soát nhiệt độ và thành phần hóa học một cách chính xác.

3.2. Quy trình xử lý nhiệt cho thép CrMo

Xử lý nhiệt là bước quan trọng để cải thiện tính chất cơ học của thép CrMo. Quy trình này bao gồm các bước như tôi và ram, giúp tăng độ cứng và độ bền cho sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của thép CrMo trong máy ép viên

Thép CrMo được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy ép viên nhờ vào tính chất chịu mài mòn và độ bền cao. Việc sử dụng loại thép này giúp nâng cao hiệu suất làm việc của máy móc.

4.1. Các sản phẩm chế tạo từ thép CrMo

Các sản phẩm chế tạo từ thép CrMo bao gồm quả lô máy ép viên, trục cán và các chi tiết máy khác. Những sản phẩm này đều yêu cầu tính chịu mài mòn cao và độ bền tốt.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc sử dụng thép CrMo

Việc sử dụng thép CrMo không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp chế tạo. Sản phẩm từ thép CrMo có tuổi thọ cao hơn, giảm thiểu chi phí bảo trì.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu thép CrMo

Nghiên cứu sản xuất thép CrMo chịu mài mòn cho máy ép viên mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp chế tạo. Tương lai của thép CrMo hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với nhiều ứng dụng mới.

5.1. Triển vọng phát triển thép CrMo

Triển vọng phát triển thép CrMo trong tương lai rất khả quan. Nhu cầu về thép chất lượng cao trong ngành chế tạo sẽ tiếp tục tăng, tạo cơ hội cho các nghiên cứu và cải tiến công nghệ.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất và phát triển các loại thép hợp kim mới, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, nhu cầu sử dụng thép hợp kim thấp độ bền cao với giới hạn chảy danh nghĩa trên 830 MPa ngày càng tăng mạnh nhằm phục vụ chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng động và mài mòn khắc nghiệt. Thép mác 42CrMo theo tiêu chuẩn GB/T3077 là vật liệu điển hình sở hữu cơ tính tổng hợp vượt trội, song tại thị trường Việt Nam, gần như 100% phôi thép này phải nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí cao. Đặc biệt, bộ phận quả lô trong máy ép viên quả bàng (hoạt động với dải đường kính từ 290 mm đến 850 mm và công suất ép từ 1 đến 30 tấn/giờ) thường xuyên bị mòn vẹt, nứt vỡ khi ép các loại vật liệu có độ mài mòn cao như bột than, quặng sắt, bùn thải và tro xỉ.

Đề tài nghiên cứu được thực hiện bởi tác giả Bùi Xuân Bách dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Minh Thuyết tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, bảo vệ vào tháng 09/2022. Mục tiêu trọng tâm của luận văn là thiết lập quy trình công nghệ nấu luyện mác thép 42CrMo bằng lò cảm ứng trung tần dung lượng 750 kg/mẻ từ nguồn thép phế liệu sẵn có trong nước (thép CT3 và thép dụng cụ SKD61), kết hợp xác lập chế độ xử lý nhiệt tối ưu nhằm đúc thành công quả lô máy ép viên đạt chuẩn chất lượng quốc tế.

Nghiên cứu mang ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật sâu sắc khi giúp doanh nghiệp cơ khí nội địa chủ động hoàn toàn nguồn phôi đúc chất lượng cao, cắt giảm từ 25% đến 30% giá thành chế tạo so với nhập khẩu phôi thanh rèn ngoại nhập, đồng thời nâng cao độ bền làm việc của quả lô ép viên trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp và nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết hợp kim hóa thép kết cấu và động học chuyển pha nhiệt luyện thép cacbon trung bình:

• Lý thuyết hợp kim hóa hệ Cr-Mo: Nguyên tố Crôm (hàm lượng từ 0,90% đến 1,20%) đóng vai trò mở rộng vùng ferit, nâng cao độ thấm tôi và tham gia tạo các pha cacbit dạng phức hợp giúp cải thiện khả năng chống mài mòn. Nguyên tố Mô-líp-đen (hàm lượng từ 0,15% đến 0,30%) có tác dụng thu hẹp vùng austenite, làm mịn hạt tinh thể, nâng cao độ bền nhiệt và triệt tiêu triệt để hiện tượng giòn ram loại II.
• Lý thuyết chuyển biến pha khi tôi và ram: Quá trình nung nóng thép vượt quá điểm tới hạn Ac3 làm đồng đều hóa tổ chức austenite. Khi làm nguội nhanh trong môi trường dầu, austenite chuyển hóa thành mactenxit tôi có độ cứng cao nhưng giòn. Quá trình ram tiếp theo ở nhiệt độ trung bình sẽ phân hóa mactenxit tôi thành mactenxit ram đồng thời tiết ra các pha cacbit phân tán mịn, tạo nên sự cân bằng hoàn hảo giữa độ bền kéo và độ dẻo dai.
• Các khái niệm cốt lõi: Luận văn tập trung khai thác các khái niệm then chốt gồm độ thấm tôi, hóa bền phân tán bởi cacbit Mo2C, giới hạn chảy đàn hồi và cơ chế mài mòn bề mặt do ma sát trượt kết hợp áp lực cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm toàn diện kết hợp công nghệ nấu luyện và các kỹ thuật phân tích hiện đại:

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu thực nghiệm: Tác giả tiến hành tính toán phối liệu và nấu luyện thực nghiệm 3 mẻ thép liên tiếp với khối lượng lần lượt là 507,1 kg (mẻ 1), 609,7 kg (mẻ 2) và 711,9 kg (mẻ 3) trong lò điện cảm ứng trung tần dung tích 750 kg/mẻ. Nguồn nguyên liệu đầu vào chính gồm thép phế CT3, phế liệu SKD61 cùng các hợp kim trung gian FeSi, FeMn, FeCr, FeMo và nhôm kim loại khử oxy.
• Phương pháp phân tích thành phần và tổ chức tế vi: Thành phần hóa học được kiểm soát chính xác bằng phương pháp quang phổ phát xạ. Tổ chức tế vi và sự phân bố nguyên tố được quan sát qua kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT kết hợp kính hiển vi điện tử quét SEM tích hợp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Cấu trúc pha tinh thể được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) với bức xạ CuKα trong dải góc quét 2θ từ 30 độ đến 100 độ.
• Phương pháp đo kiểm cơ tính: Độ cứng tế vi và độ cứng tổng thể được đo trên thiết bị Duramin 2 (thang đo HV và quy đổi sang HB). Thử nghiệm kéo đứt xác định giới hạn bền, giới hạn chảy và độ giãn dài tương đối được thực hiện trên các mẫu đúc chuẩn gia công trước và sau nhiệt luyện. Toàn bộ thực nghiệm được hoàn thành trong giai đoạn 2021 - 2022 tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Gang Thép và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận những kết quả thực nghiệm ấn tượng, khẳng định tính khả thi của quy trình công nghệ đề xuất:

• Kiểm soát chính xác thành phần hóa học: Thành phần hóa học của cả 3 mẻ nấu đều đạt chuẩn GB/T3077. Cụ thể, hàm lượng Cacbon được khống chế ở mức 0,38% - 0,41%, Crôm đạt 1,03% - 1,11%, Mô-líp-đen đạt 0,24% - 0,27%, Silic đạt 0,21% - 0,31% và Mangan đạt 0,52% - 0,62%. Tạp chất có hại được khử sâu với Phốt pho dưới 0,03% và Lưu huỳnh đạt mức rất thấp chỉ 0,01%.
• Sự chuyển biến cấu trúc tế vi vượt trội: Mẫu thép ở trạng thái sau đúc có tổ chức ferit dạng mạng lưới bao quanh peclit hạt thô đại. Sau quy trình tôi ở 860 độ C trong 1 giờ làm nguội dầu và ram ở 500 độ C trong 2 giờ làm nguội không khí, tổ chức chuyển hóa hoàn toàn sang mactenxit ram mịn kết hợp bainit và các hạt cacbit Mo2C siêu mịn phân tán đồng đều ở biên hạt.
• Cơ tính tăng trưởng đột phá sau nhiệt luyện: Độ cứng mẫu sau nhiệt luyện tăng vọt từ mức 204 HB (sau đúc) lên 433 HB (sau tôi và ram), tương đương mức tăng 112,25%.
• Độ bền kéo và giới hạn chảy vượt xa tiêu chuẩn: Giới hạn bền kéo của thép sau nhiệt luyện đạt trung bình 1343 MPa (so với 631 MPa ở trạng thái đúc, tăng 112,83%), vượt 37% so với mức chuẩn quy định 980 MPa. Giới hạn chảy đạt 1242 MPa (so với 593 MPa trước nhiệt luyện, tăng 109,44%), vượt 49,6% so với yêu cầu tiêu chuẩn 830 MPa, trong khi độ giãn dài vẫn duy trì ở mức lý tưởng từ 12,0% đến 14,0%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm cho thấy cơ chế tăng bền của thép 42CrMo xuất phát từ sự tương tác đồng thời giữa tổ chức pha nền mactenxit ram và hiệu ứng cản trở chuyển động lệch mạng của các hạt cacbit Mo2C kích thước nano phân tán tại biên hạt. Trên phổ phân tích EDX điểm, sự tập trung mật độ cao của nguyên tố Mô-líp-đen tại các điểm trắng đã xác thực sự hình thành pha cacbit bền nhiệt, giúp duy trì độ cứng cao trong điều kiện ma sát nhiệt khi ép viên.

Dữ liệu so sánh cơ tính giữa trạng thái đúc và trạng thái nhiệt luyện có thể được minh họa trực quan qua đồ thị cột hoặc bảng số liệu biến thiên ứng suất kéo - độ giãn dài, làm nổi bật bước nhảy vọt về cơ tính khi chuyển đổi từ tổ chức peclit thô sang mactenxit ram. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công bố quốc tế của Chaouch và cộng sự cũng như mô hình dự báo phần tử hữu hạn của tác giả Smoljan về động học ram thép hợp kim Cr-Mo. Sự hiện diện của 0,24% - 0,27% Mo đã ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ giòn ram loại II khi làm nguội trong không khí tĩnh sau khi giữ nhiệt ở 500 độ C, tạo nên một kết cấu vật liệu có độ dai va đập bền bỉ chịu được tải trọng ép nặng của máy ép viên.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm ứng dụng và mở rộng công nghệ vào thực tiễn sản xuất:

• Chuẩn hóa tỷ lệ phối liệu phế liệu thép trong sản xuất công nghiệp: Các nhà máy đúc cơ khí cần áp dụng tỷ lệ phối liệu chuẩn gồm 75% - 77% thép phế CT3 kết hợp 21% - 23% thép phế SKD61, bổ sung phụ gia FeCr, FeMo và chất tăng cacbon để đạt mác 42CrMo, giúp giảm thiểu tiêu hao kim loại nguyên chất và hạ giá thành vật liệu ít nhất 20% trong vòng 6 tháng triển khai.
• Áp dụng nghiêm ngặt quy trình nhiệt luyện 2 giai đoạn cho chi tiết quả lô: Doanh nghiệp gia công cơ khí cần thiết lập chế độ tôi tại 860 độ C (giữ nhiệt 60 phút, môi trường làm nguội dầu chuyên dụng) kết hợp ram ở 500 độ C (giữ nhiệt 120 phút, làm nguội không khí tĩnh) nhằm đảm bảo độ cứng làm việc đồng đều từ 420 HB đến 445 HB và độ bền kéo trên 1300 MPa cho toàn bộ bề mặt làm việc.
• Mở rộng quy mô nấu luyện lên lò cảm ứng công suất lớn: Các đơn vị luyện kim cần nghiên cứu nâng cấp quy mô thử nghiệm từ lò 750 kg/mẻ lên các lò điện trung tần thương mại có dung tích từ 5 tấn đến 30 tấn/mẻ trong lộ trình từ 1 đến 2 năm tới, kết hợp công nghệ tinh luyện ngoài lò hoặc xỉ điện để nâng cao độ sạch của thép lỏng.
• Ứng dụng công nghệ tôi cảm ứng cao tần bề mặt cục bộ: Đối với các quả lô làm việc trong môi trường bột đá, bột quặng có tính mài mòn cực cao, xưởng chế tạo nên bổ sung nguyên công tôi cao tần cục bộ bề mặt rãnh ép sau khi đã nhiệt luyện hóa tốt, nhằm đẩy độ cứng lớp mặt lên trên 55 HRC, kéo dài tuổi thọ quả lô lên gấp 1,5 đến 2 lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung nghiên cứu có giá trị thực tiễn và tính học thuật cao, phục vụ thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

• Kỹ sư luyện kim và công nghệ đúc: Tiếp cận công thức tính toán phối liệu tối ưu từ nguồn thép phế CT3 và SKD61, nắm bắt kỹ thuật nấu luyện lò cảm ứng trung tần và kiểm soát xỉ khử tạp chất Photpho, Lưu huỳnh đạt tiêu chuẩn xuất xưởng.
• Doanh nghiệp chế tạo máy và thiết bị nông - công nghiệp: Ứng dụng quy trình chế tạo quả lô ép viên quả bàng chịu mài mòn cao, chủ động sản xuất phụ tùng thay thế cho các nhà máy sản xuất phân bón viên, ép than cám, quặng thiêu kết và xử lý tro xỉ nhiệt điện.
• Cán bộ nghiên cứu và học viên sau đại học ngành Khoa học Vật liệu: Sử dụng tài liệu như một nghiên cứu điển hình về phương pháp phân tích thực nghiệm chuyển pha tổ chức tế vi thông qua OM, SEM-EDX và XRD CuKα trên thép hợp kim thấp hóa tốt.
• Chuyên gia quản lý kỹ thuật và tư vấn vật liệu công nghiệp: Định hình giải pháp nội địa hóa vật liệu mác cao thay thế thép nhập khẩu, tối ưu hóa chuỗi cung ứng vật tư cơ khí phụ trợ tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

• Thép 42CrMo được nấu luyện trong nghiên cứu có ưu điểm gì so với thép nhập khẩu? Thép 42CrMo tự chế tạo bằng lò trung tần đạt cơ tính vượt trội với giới hạn bền trên 1340 MPa và giới hạn chảy trên 1200 MPa, hoàn toàn đáp ứng tiêu chuẩn GB/T3077 nhưng tận dụng được nguồn thép phế SKD61 và CT3 có sẵn, giúp cắt giảm chi phí sản xuất phôi từ 25% đến 30% so với nhập khẩu nguyên khối.

• Tại sao cần sử dụng thép phế SKD61 kết hợp với thép CT3 trong mẻ nấu? Thép phế SKD61 vốn chứa sẵn hàm lượng cao các nguyên tố quý như Crôm (từ 4,5% đến 5,5%) và Mô-líp-đen (từ 1,0% đến 1,5%). Việc phối trộn với thép CT3 giá rẻ giúp tận dụng tối đa lượng hợp kim có sẵn trong phế liệu, giảm thiểu lượng ferro nguyên chất đắt tiền cần nạp bổ sung vào lò.

• Chế độ nhiệt luyện nào giúp quả lô máy ép viên đạt cơ tính tối ưu nhất? Quy trình tối ưu gồm hai bước: tôi nung tại 860 độ C trong 1 giờ rồi làm nguội trong môi trường dầu để đạt tổ chức mactenxit tôi, tiếp theo là ram ở 500 độ C trong 2 giờ rồi làm nguội ngoài không khí để chuyển hóa thành mactenxit ram phân tán hạt cacbit Mo2C, nâng độ cứng lên 433 HB.

• Vai trò của nguyên tố Mô-líp-đen (Mo) trong hợp kim 42CrMo là gì? Mô-líp-đen với tỷ lệ từ 0,24% đến 0,27% giúp làm mịn hạt tinh thể austenite, nâng cao độ thấm tôi cho các chi tiết có tiết diện dày, tạo hạt cacbit phân tán Mo2C chống mài mòn và đặc biệt là loại trừ triệt để khuyết tật giòn ram loại II khi ram ở nhiệt độ cao.

• Công nghệ đúc khuôn cát có đáp ứng được độ chính xác cho quả lô ép viên không? Phương pháp đúc khuôn cát truyền thống kết hợp hệ thống đậu ngót tính toán chuẩn xác cho phép tạo hình hoàn chỉnh phôi quả lô thô. Sau đó, quá trình gia công cơ khí như tiện, phay rãnh ép viên và nhiệt luyện hóa tốt sẽ đảm bảo độ chính xác hình học và cơ tính làm việc ổn định của quả lô.

Kết luận

• Đóng góp học thuật và công nghệ: Xây dựng thành công quy trình công nghệ nấu luyện thép hợp kim 42CrMo bằng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ từ thép phế CT3 và SKD61, đảm bảo thành phần hóa học và cơ tính đạt chuẩn GB/T3077.
• Tối ưu hóa quy trình nhiệt luyện: Xác lập thành công chế độ tôi 860 độ C trong dầu và ram 500 độ C ngoài không khí, tạo ra tổ chức mactenxit ram đồng nhất cùng các hạt cacbit Mo2C kích thước nhỏ mịn phân tán đều trên nền thép.
• Bứt phá về chỉ tiêu cơ tính: Nâng độ cứng từ 204 HB lên 433 HB, giới hạn bền đạt 1343 MPa và giới hạn chảy đạt 1242 MPa với độ giãn dài 12% - 14%, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu chịu mài mòn và chịu va đập nặng.
• Chế tạo thành công sản phẩm thực tế: Đúc và gia công hoàn thiện quả lô máy ép viên quả bàng phục vụ dây chuyền ép viên quặng và than cám với năng suất làm việc ổn định.
• Kêu gọi hành động và mở rộng: Đề nghị các cơ sở đúc và doanh nghiệp chế tạo cơ khí ứng dụng ngay quy trình công nghệ này vào dây chuyền sản xuất thực tế để chủ động nguồn vật tư phụ tùng thay thế, hướng tới mở rộng quy mô lò nấu lên mức 5 đến 30 tấn/mẻ trong tương lai gần.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Tổng quan về thép hợp kim Thép hợp kim là các loại thép được dùng nhiều trong chế tạo chi tiết máy, trong đó có rất nhiều chi tiết lắp ghép với nhau, đòi hỏi có cơ tính tổng hợp cao cả về độ bền, độ dẻo, độ dai… là thép đa dạng về cơ tính với những yêu cầu nhiều khi khác hẳn nhau ví dụ như khi cần mềm, dẻo để dập sâu cho đến cứng, đàn hồi như lò xo, nhíp; từ độ bền thông thường cho đến độ bền cao như trục truyền, trục bánh răng v.v…; từ yêu cầu độ cứng, tính chống mài mòn thông thường cho đến loại cần độ cứng, tính chống mài mòn cao[1, 2]. Những nguyên tố hợp kim đưa vào thép hợp kim có tác dụng chủ yếu làm tăng cơ tính, và đảm bảo tính đồng nhất trên tiết diện của sản phẩm. Các nguyên tố hợp kim hóa trong thép này cũng phải đạt yêu cầu là không làm tăng quá nhiều giá thành sản phẩm vì lượng thép được sử dụng khá lớn, vì vậy các loại thép kết cấu hợp kim dùng để chế tạo máy được hợp kim hóa với hàm lượng không quá nhiều cao và yêu tiên những loại nguyên tố hợp kim phổ biến, mang tính kinh tế ví nụ như các nguyên tố hợp kim hóa thường dùng là Mn, Si,.

Ngoài ra người ta hay dùng Cr vì tác dụng tốt, giá thành không quá cao. Nguyên tố Ni được dùng với Cr để có tác dụng tốt đến độ thấm tôi và đảm bảo có độ dai cao, dùng cho chi tiết với yêu cầu cao về cơ tính và độ tin cậy khi làm việc. Nguyên tố Mo thường được dùng với lượng không lớn để tăng độ thấm tôi và tránh dòn ram II. Tuỳ thuộc vào các nguyên tố hợp kim hoá trong thép có thể chia thép kết cấu hợp kim thành các nhóm như: Thép Ni-Cr, thép Ni-Cr-Mo, thép Cr, thép Cr-Mo, thép Mn, thép Cr-Mn, thép Cr-Mo-Al …[1-6].

Thép Crôm: Thường dùng với lượng Cr = 0,5 ÷ 1% chủ yếu để cải thiện tính tôi (tôi được trong dầu) và nâng cao độ thấm tôi. Thép Cr được dùng làm các chi tiết máy nhỏ nhưng có hình dạng tương đối phức tạp như trục bậc, bánh răng. Thép Cr đạt được các yêu cầu đề ra cao hơn thép C, sau khi hoá tốt σb = 800 ÷ 950 MPa. Nhược điểm của thép là giòn ram loại II khi ram cao nên sau khi ram cao thường làm nguội trong dầu [6].

Học viên: Bùi Xuân Bách Page 10 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Thép Cr-Mo: Khi hàm lượng Mo trong thép Crôm khoảng 0,25% sẽ cải thiện thêm độ thấm tôi và chống được giòn ram loại II. Thép Cr – Mn và Cr – Mn – Si:Thép có chứa 1%Cr + 1% Mn hay 1% Cr + 1% Mn + 1%Si là loại hợp kim hoá phức tạp nên có độ thấm tôi cao, dùng làm chi tiết khá lớn( D = 50 ÷ 60 mm). Thép Cr – Ni và Cr – Ni – Mo: Nhờ hợp kim hoá bằng cả Cr và Ni nên thép có độ thấm tôi cao mà vẫn giữ được độ dẻo, độ dai tốt, nhất là trong trường hợp Ni ≥ 3% và có chứa Mo. Thép Cr – Ni thường: Thép thường chứa khoảng 1% Cr + 1% Ni, do Ni thấp nên chưa có độ thấm tôi cao, chỉ được làm các chi tiết với D = 50 ÷ 60 mm với σb ∼ 700 MPa và ak∼ 700 Kj/m2.

Nhờ tính thấm tôi nên thép được làm các chi tiết có hình dạng khá phức tạp. Ví dụ thép 40XH, thường dùng làm các chi tiết truyền lực hay hệ thống lái trong ôtô. Nhược điểm của thép này là bị giòn ram loại II và tính gia công cắt hơi kém. Để tránh giòn ram loại II phải làm nguội nhanh sau khi ram.

Để cải thiện tính gia công cắt thép được ram cao. Thép Cr – Ni cao: Thép có Cr = 1÷ 2% + Ni = 3 ÷ 4% (với tỉ lệ Ni/ Cr = 3 ÷ 4) thuộc nhóm thép hợp kim trung bình với độ thấm tôi cao, tôi thấu với D ∼ 100mm, thực tế được coi là tôi thấu với tiết diện bất kỳ (nó thuộc loại mactenxit). Nhờ vậy thép có cơ tính tổng hợp rất cao: σb∼ 1100 MPa, ak ∼ 800 Kj/m2 Thép Cr – Ni cao với Mo: Đây là thép hoá tốt chế tạo máy tốt nhất vì so với loại trên đưa thêm một lượng nhỏ (0,15 ÷ 0,4%) Mo không những làm tăng độ thấm tôi, làm các chi tiết với hình dạng phức tạp, tiết diện lớn (D ≥ 100 mm) mà còn loại trừ được giòn ram loại II. Có thể thấy, so với thép kết cấu xây dựng, thép kết cấu hợp kim dùng cho ngành chế tạo máy đòi hỏi khắt khe hơn nhiều về chất lượng, cả thành phần hóa học lẫn cơ tính ở các trạng thái nhiệt luyện khác nhau.

Trên thực thế, thép hợp kim rất đa dạng về chủng loại và mác thép. Tuy nhiên loại thép hợp kim được sử dụng nhiều nhất thường là thép hợp kim thấp độ bền cao với hàm lượng tổng các nguyên tố hợp kim trong thép chiếm ≤2,5%. Loại thép này vừa đáp ứng được nhu cầu về chất lượng đồng thời có tính kinh tế. Học viên: Bùi Xuân Bách Page 11 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Trong khuôn khổ của luận văn nàytác giả chú ý tới nhóm thép hệ Cr-Mo.

Đây là nhóm thép hợp kim thấp, độ bền cao rấtthông dụng, được hợp kim hoá bằng các nguyên tố hợp kim tương đối phổ biến với hàm lượng không cao nhưng có những đặc tính cơ học cũng như các tính chất khác đáp ứng được các yêu cầu khắt khe khi sử dụng trong chế tạo các chi tiết máy thông dụng. Đặc điểm chung của thép hợp kim. - Về cơ tính: có độ bền (giới hạn bền, giới hạn chảy) cao hơn hẳn so với thép cacbon thông thường. Điều này thể hiện rõ ràng sau khi tôi và ram.

Có thể đạt đồ bền cao, nhưng thông thường với sự tặng độ bền thì độ dẻo và độ dai lại giảm đi, do vậy không thể không chú ý đến mối quan hệ này để xác định rõ cơ tính thích hợp - Tính chịu nhiệt độ cao: Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200oC, do vậy ở nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy oxyt tạo thành ở nhiệt độ khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt - Tính chất vật lí, hóa học đặc biệt: không gỉ, chống ăn mòn trong axit, bazo, muối. Từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính. Giản nở nhiệt đặc biệt,… 1.

Phân loại thép hợp kim Thép hợp kim có nhiều cách phân loại, dựa vào đặc trưng hoặc dựa vào ứng dụng, cụ thể có thể xem xét theo một số phân loại như sau: * Theo tổ chức cân bằng: Theo tổ chức cân bằng (ở trạng thái ủ), với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau: - Thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do. - Thép cùng tích: peclit. - Thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do. - Thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit.

Riêng trường hợp thép được hợp kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có: - Thép ferit: loại có Cr rất cao (> 17%) và thường rất ít cacbon. - Thép austenit: loại có Mn cao (> 13%) và thường có cacbon cao, và loại có Cr (> 18%) + Ni (>8%). Học viên: Bùi Xuân Bách Page 12 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu * Theo tổ chức thường hóa - Thép họ peclit: loại hợp kim thấp, đường cong chữ "C" sát trục tung, nguội trong không khí được hỗn hợp ferit-xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxtit; phần lớn thép thuộc loại này.1: Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với lượnghợp kim tăng dần: a. austenit - Thép họ mactenxit: loại hợp kim hóa trung bình (> 4 - 6%) và cao, đường cong chữ "C" dịch sang phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng được mactenxit.

- Thép họ austenit: loại có chứa Cr cao và Ni cao (> 8%) hoặc Mn (> 13%) cao, chúng mở rộng khu vực γ và hạ thấp điểm Ms (< 0oC) nên làm nguội trong không khí (chỉ đến nhiệt độ thường, cao hơn Ms) cũng không có chuyển biến gì, giữ nguyên tổ chức austenit. * Theo nguyên tố hợp kim - Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính như Cr, Mn được lần lượt gọi là thép crôm, thép mangan, chúng là các thép hợp kim (hóa) đơn giản. - Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo được lần lượt gọi là thép crôm - niken, thép crôm - niken - môlipđen, chúng là các thép hợp kim (hóa) phức tạp. * Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim - Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng < 2,5% (thường là thép peclit).

- Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lượng từ 2,5 đến 10% (thường là thép họ từ peclit đến mactenxit). Học viên: Bùi Xuân Bách Page 13 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu - Thép hợp kim cao: loại có tổng lượng >10% (thường là họ mactenxit hay austenit) * Theo công dụng - Thép hợp kim kết cấu. - Thép hợp kim dụng cụ - Thép hợp kim đặc biệt. Thép hợp kim 42CrMo Thép hợp kim họ Cr-Mo là thép hóa tốt.

Đây là họ thép hợp kim thấp với hàm lượng cacbon trung bình nằm trong khoảng C = 0,38 - 0,45%[1-3, 6]. Việc kết hợp hai nguyên tố hợp kim crôm và molipđen đã làm cho loại thép này có cơ tính tổng hợp cao. Ngay từ những năm đầu của thế kỷ trước, thép kết cấu hợp kim Cr-Mo đã được nghiên cứu và sản xuất với số lượng lớn ở các nước công nghiệp phát triển, đặc biệt là ở Nga và Mỹ. Ngày nay đã có nhiều mác thép mới thuộc họ thép này được nghiên cứu sản xuấti nhằm đáp ứng yêu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau.

Thép mác 42CrMo là loại thép hợp kim thấp thuộc họ thép Cr-Mo được sản xuất theo tiêu chuẩn GB/ T3077 của Trung Quốc. Mác thép này cũng có trong hầu hết tiêu chuẩn tương đương của các nước phát triển như [7, 8]: mác 35XMΦ trong bộ tiêu chuẩn ΓOCT của Nga; mác 34CrMo4 trong bộ tiêu chuẩn DIN của Đức; mác 35CD4 trong bộ tiêu chuẩn NF của Pháp; mác 780A37 trong bộ tiêu chuẩn BS của Anh; mác 4135 trong bộ tiêu chuẩn ASTM của Mỹ; mác SCM435 tiêu chuẩn JIS G 4105 của Nhật Bản, mác 34CrMo4 trong bộ tiêu chuẩn Quốc tế ISO….