Luận văn thạc sỹ về sản xuất thép hợp kim crmo chịu mài mòn cho chế tạo máy ép viên

Tài liệu nghiên cứu Luận văn thạc sỹ nghiên cứu sản xuất thép hợp kim đúc chịu mài mòn crmo cho chế tạo quả lô máy ép, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• 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 CrMo Chịu Mài Mòn Cho 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
• 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 thép hợp kim

Thép hợp kim là loại thép được sử dụng rộng rãi trong chế tạo chi tiết máy, với nhiều yêu cầu về cơ tính như độ bền, độ dẻo và độ dai. Các nguyên tố hợp kim như Cr, Mo, Mn được thêm vào nhằm cải thiện các tính chất này. Thép hợp kim 42CrMo, với hàm lượng cacbon từ 0,38% đến 0,45%, là một ví dụ điển hình cho loại thép này. Loại thép này có độ bền cao và khả năng chống mài mòn tốt, rất phù hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo máy. Theo tiêu chuẩn GB/T 3077, thép 42CrMo được sản xuất với thành phần hóa học cụ thể, đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong chế tạo các chi tiết máy. Việc nghiên cứu và phát triển thép hợp kim CrMo không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu. "Thép hợp kim CrMo có khả năng ứng dụng lớn trong nhiều lĩnh vực, từ ô tô đến năng lượng".

1.1. Đặc điểm chung của thép hợp kim

Thép hợp kim có nhiều đặc điểm nổi bật như độ bền cao hơn so với thép cacbon thông thường, khả năng chịu nhiệt tốt và tính chống ăn mòn. Các nguyên tố hợp kim như Cr và Mo không chỉ cải thiện độ bền mà còn giúp thép duy trì tính chất ở nhiệt độ cao. Thép hợp kim thường được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm tổ chức, nguyên tố hợp kim và ứng dụng. Đặc biệt, thép Cr-Mo được biết đến với khả năng chịu mài mòn tốt, rất cần thiết trong các ứng dụng công nghiệp. "Đặc điểm của thép hợp kim là sự kết hợp hoàn hảo giữa độ bền và khả năng chống mài mòn".

II. Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết về thép 42CrMo tập trung vào công nghệ sản xuất và chế tạo sản phẩm từ loại thép này. Các yếu tố hợp kim như Cr và Mo có ảnh hưởng lớn đến độ cứng và độ dai của thép. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất cơ học của thép là rất quan trọng. Thép 42CrMo có khả năng chịu mài mòn tốt, nhờ vào cấu trúc tổ chức tế vi của nó. Công nghệ xử lý nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất của thép. "Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa quy trình xử lý nhiệt có thể nâng cao đáng kể độ bền và độ cứng của thép".

2.1. Công nghệ sản xuất và chế tạo sản phẩm từ thép 42CrMo

Công nghệ sản xuất thép 42CrMo bao gồm nhiều bước từ nấu luyện đến xử lý nhiệt. Việc sử dụng lò cảm ứng trung tần để nấu luyện thép cho phép kiểm soát tốt hơn thành phần hóa học và tính chất cơ học của sản phẩm. Sau khi nấu luyện, thép sẽ được xử lý nhiệt để đạt được các tính chất mong muốn. Quy trình này bao gồm các bước như tôi và ram, giúp cải thiện độ bền và độ dai của thép. "Quy trình sản xuất thép 42CrMo cần được tối ưu hóa để đáp ứng yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp".

III. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm về thép 42CrMo được thực hiện nhằm đánh giá tổ chức tế vi và cơ tính của thép sau khi sản xuất. Quá trình nấu luyện và xử lý nhiệt được thực hiện theo quy trình đã được xây dựng. Kết quả cho thấy rằng thép sau khi xử lý nhiệt có tổ chức mactenxit ram và cacbit phân bố đều, giúp cải thiện đáng kể độ cứng và độ bền. Việc phân tích tổ chức tế vi bằng các phương pháp hiện đại như SEM cho thấy sự phân bố đồng đều của các pha trong thép. "Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng thép 42CrMo có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu về cơ tính trong chế tạo quả lô máy ép viên".

3.1. Thực nghiệm nấu luyện mác thép 42CrMo

Thực nghiệm nấu luyện mác thép 42CrMo được thực hiện trong lò cảm ứng trung tần với nguyên liệu đầu vào là thép phế CT3 và SKD. Quá trình nấu luyện được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo thành phần hóa học đạt tiêu chuẩn. Sau khi nấu luyện, thép được xử lý nhiệt theo quy trình đã được xác định, bao gồm tôi ở 860 độ C và ram ở 500 độ C. Kết quả cho thấy rằng thép sau nấu luyện có tổ chức tế vi tốt, đáp ứng yêu cầu về cơ tính. "Thực nghiệm cho thấy rằng quy trình nấu luyện và xử lý nhiệt là yếu tố quyết định đến chất lượng của thép 42CrMo".

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thép 42CrMo có tổ chức tế vi và cơ tính đạt yêu cầu sau khi thực hiện quy trình nấu luyện và xử lý nhiệt. Tổ chức của thép bao gồm mactenxit và cacbit, với độ cứng và độ bền được cải thiện đáng kể. Việc phân tích các mẫu thép cho thấy rằng các tính chất cơ học của thép 42CrMo đáp ứng tốt các yêu cầu trong chế tạo quả lô máy ép viên. Kết quả này mở ra khả năng sản xuất thép 42CrMo ở quy mô lớn hơn trong tương lai. "Kết quả nghiên cứu này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy".

4.1. Quá trình nấu luyện thép 42CrMo

Quá trình nấu luyện thép 42CrMo được thực hiện theo quy trình đã được xây dựng, với sự kiểm soát chặt chẽ về thành phần hóa học và nhiệt độ. Kết quả cho thấy rằng thép sau nấu luyện có tổ chức tế vi tốt, với sự phân bố đồng đều của các pha. Việc sử dụng lò cảm ứng trung tần giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất. "Quá trình nấu luyện là bước quan trọng quyết định đến chất lượng của thép 42CrMo".

V. Kết luận

Luận văn đã trình bày kết quả nghiên cứu sản xuất thép hợp kim CrMo chịu mài mòn cho máy ép viên. Kết quả cho thấy rằng thép 42CrMo có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu về cơ tính và tổ chức tế vi. Việc nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất thép 42CrMo không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu. Kết quả nghiên cứu này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy, mở ra hướng đi mới cho việc sản xuất thép trong nước. "Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển ngành công nghiệp chế tạo máy tại Việt Nam".

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thép hợp kim CrMo, đặc biệt là mác thép 42CrMo (theo tiêu chuẩn GB/T3077), là loại thép hợp kim thấp có độ bền cao với ứng suất chảy danh nghĩa trên 930 MPa, được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo các chi tiết máy chịu mài mòn và va đập như trục khuỷu, bánh răng, và quả lô máy ép viên. Tại Việt Nam, nhu cầu về thép 42CrMo ngày càng tăng trong ngành cơ khí chế tạo, tuy nhiên việc sản xuất trong nước vẫn chưa đáp ứng được, phần lớn phải nhập khẩu. Luận văn này tập trung nghiên cứu quy trình sản xuất thép hợp kim đúc chịu mài mòn 42CrMo với quy mô sản lượng nhỏ bằng công nghệ lò điện cảm ứng trung tần, đồng thời xây dựng quy trình xử lý nhiệt nhằm nâng cao cơ tính của thép, phục vụ cho chế tạo quả lô máy ép viên.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm: xây dựng quy trình nấu luyện thép 42CrMo đạt tiêu chuẩn, xác định quy trình nhiệt luyện tối ưu, đánh giá tổ chức tế vi và cơ tính của thép sau sản xuất, và chế tạo thành công quả lô ép viên. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2020-2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển ngành luyện kim và cơ khí chế tạo trong nước, góp phần giảm nhập khẩu và nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành công nghiệp thép Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về thép hợp kim và công nghệ xử lý nhiệt, tập trung vào:

• Lý thuyết về ảnh hưởng nguyên tố hợp kim: Các nguyên tố Cr, Mo, Mn, Si, C ảnh hưởng đến độ cứng, độ bền, độ dai và khả năng chống mài mòn của thép. Ví dụ, Cr và Mo làm tăng độ thấm tôi và chống giòn ram, trong khi Mn tăng độ dai va đập.
• Mô hình tổ chức tế vi thép hợp kim: Tổ chức peclit, ferrit, mactenxit, bainit và cacbit phân bố ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính. Quá trình tôi và ram tạo ra tổ chức mactenxit ram và cacbit nhỏ mịn phân bố đều, nâng cao độ cứng và độ bền.
• Công nghệ xử lý nhiệt: Bao gồm thường hóa, tôi và ram với các chế độ nhiệt độ và thời gian cụ thể nhằm tối ưu hóa cơ tính thép 42CrMo.

Các khái niệm chính gồm: độ thấm tôi, giòn ram loại II, cacbit Mo2C, tổ chức mactenxit ram, và các phương pháp phân tích như hiển vi quang học (OM), hiển vi điện tử quét (SEM/EDX), và nhiễu xạ tia X (XRD).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu thép 42CrMo được sản xuất trong lò điện cảm ứng trung tần dung tích 750 kg/mẻ, sử dụng nguyên liệu đầu vào là thép phế CT3 và SKD61. Quy trình nghiên cứu gồm:

• Tính toán phối liệu dựa trên thành phần hóa học tiêu chuẩn GB/T3077 và hệ số cháy hao.
• Nấu luyện thép trong lò cảm ứng trung tần, kết hợp hợp kim hóa và tinh luyện điện xỉ để đạt thành phần chuẩn.
• Đúc sản phẩm quả lô ép viên bằng phương pháp đúc khuôn cát.
• Xử lý nhiệt gồm các bước ủ, tôi ở 860°C trong 1 giờ, làm nguội trong dầu, ram ở 500°C trong 2 giờ và làm nguội ngoài không khí.
• Phân tích tổ chức tế vi bằng OM và SEM/EDX, xác định pha bằng XRD.
• Đánh giá cơ tính qua thử độ cứng Vickers (HV), độ bền kéo, giới hạn chảy và độ dãn dài theo tiêu chuẩn.
• Timeline nghiên cứu kéo dài từ 2020 đến 2022, bao gồm giai đoạn chuẩn bị, thực nghiệm, phân tích và hoàn thiện sản phẩm.

Cỡ mẫu gồm ba mẻ nấu luyện với tổng trọng lượng từ 507 đến 712 kg, mỗi mẻ được lấy mẫu phân tích chi tiết. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên từ các mẻ nấu để đảm bảo tính đại diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học đạt chuẩn: Ba mẻ nấu luyện có thành phần C từ 0,38-0,41%, Cr từ 1,03-1,11%, Mo từ 0,24-0,27%, hoàn toàn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn GB/T3077. Sự đồng đều thành phần được xác nhận qua phân tích SEM-EDX, cho thấy nguyên tố phân bố đồng đều trên nền thép.

2. Tổ chức tế vi thay đổi rõ rệt sau xử lý nhiệt: Mẫu sau đúc có tổ chức peclit và ferrit với hạt thô đại, cơ tính thấp. Sau tôi ở 860°C và làm nguội trong dầu, xuất hiện tổ chức mactenxit và bainit. Sau ram ở 500°C, tổ chức chuyển thành mactenxit ram với các hạt cacbit nhỏ mịn phân bố đều, tăng cường cơ tính. Phân tích SEM-EDX xác định cacbit Mo2C phân bố ở biên hạt, góp phần tăng độ bền và độ cứng.

3. Cơ tính cải thiện đáng kể sau nhiệt luyện: Độ cứng tăng từ khoảng 204 HB lên trung bình 433 HB, tức tăng gấp đôi. Giới hạn bền kéo tăng từ 631 MPa lên trên 1340 MPa, giới hạn chảy từ 593 MPa lên trên 1190 MPa, độ dãn dài vẫn duy trì ở mức 12-14%, đáp ứng tiêu chuẩn ≥ 830 MPa giới hạn chảy và ≥ 12% độ dãn dài.

4. Chế tạo thành công quả lô ép viên: Sản phẩm đúc đạt kích thước và cơ tính yêu cầu, phù hợp cho ứng dụng trong máy ép viên, đảm bảo khả năng chịu mài mòn và va đập cao.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng công nghệ lò điện cảm ứng trung tần cho phép tận dụng nguyên liệu phế thép, giảm chi phí hợp kim hóa và đạt được thành phần chuẩn, phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa. Sự đồng đều thành phần và tổ chức tế vi sau nấu luyện và xử lý nhiệt là yếu tố then chốt đảm bảo cơ tính sản phẩm.

Tổ chức mactenxit ram và cacbit Mo2C phân bố đều là kết quả của quá trình tôi và ram, tương tự các nghiên cứu quốc tế đã công bố, giúp tăng độ cứng và độ bền mà vẫn giữ được độ dai cần thiết. Độ cứng và giới hạn bền tăng gấp đôi sau nhiệt luyện chứng tỏ hiệu quả của quy trình xử lý nhiệt được thiết kế.

Kết quả cơ tính vượt tiêu chuẩn GB/T3077 cho thấy sản phẩm có thể thay thế thép nhập khẩu trong các ứng dụng chịu mài mòn và va đập. Việc chế tạo quả lô ép viên thành công khẳng định tính khả thi của quy trình công nghệ trong thực tế sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ cứng và giới hạn bền trước và sau nhiệt luyện, bảng phân tích thành phần hóa học và ảnh hiển vi tế vi minh họa sự thay đổi tổ chức pha.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng quy mô sản xuất thép 42CrMo bằng lò điện cảm ứng trung tần: Tăng công suất lò từ 750 kg/mẻ lên 3-5 tấn/mẻ trong vòng 2-3 năm tới, nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước. Chủ thể thực hiện: Viện Luyện kim đen phối hợp với các doanh nghiệp luyện kim.

2. Hoàn thiện và chuẩn hóa quy trình xử lý nhiệt: Áp dụng chế độ tôi 860°C trong 1 giờ, làm nguội trong dầu, ram 500°C trong 2 giờ cho các sản phẩm thép 42CrMo nhằm đảm bảo cơ tính đồng đều và ổn định. Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất thép.

3. Phát triển sản phẩm quả lô ép viên đa dạng kích thước: Thiết kế và chế tạo các loại quả lô phù hợp với các model máy ép viên có công suất từ 1 đến 30 tấn/giờ, nâng cao khả năng chống mài mòn và va đập. Chủ thể thực hiện: Các nhà máy cơ khí chế tạo máy.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ công nhân viên: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ luyện thép hợp kim và xử lý nhiệt cho đội ngũ kỹ thuật nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả quy trình mới. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các viện nghiên cứu.

5. Nghiên cứu tiếp tục cải tiến thành phần hợp kim và công nghệ đúc: Tập trung vào việc giảm tạp chất, nâng cao độ bền và khả năng chống mài mòn thông qua các phương pháp tinh luyện hiện đại và công nghệ đúc tiên tiến. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp luyện kim.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Vật liệu và Luyện kim: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về sản xuất và xử lý nhiệt thép hợp kim CrMo, giúp nâng cao hiểu biết và ứng dụng thực tiễn.

2. Doanh nghiệp luyện kim và sản xuất thép hợp kim: Tham khảo quy trình công nghệ nấu luyện và xử lý nhiệt phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa, từ đó phát triển sản phẩm thép 42CrMo trong nước.

3. Các nhà thiết kế và chế tạo máy trong ngành cơ khí chế tạo: Hiểu rõ đặc tính vật liệu thép 42CrMo và quy trình xử lý nhiệt để lựa chọn vật liệu phù hợp cho các chi tiết chịu mài mòn như quả lô máy ép viên.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp luyện kim: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng chính sách phát triển ngành luyện kim, giảm nhập khẩu và nâng cao năng lực sản xuất trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Thép 42CrMo có ưu điểm gì so với các loại thép hợp kim khác?
   Thép 42CrMo có độ bền cao (giới hạn chảy trên 830 MPa), độ dai tốt và khả năng chống mài mòn nhờ hợp kim Cr và Mo. Đây là loại thép hợp kim thấp, dễ gia công và xử lý nhiệt, phù hợp cho các chi tiết chịu tải trọng và va đập.

2. Tại sao phải sử dụng công nghệ lò điện cảm ứng trung tần để sản xuất thép 42CrMo?
   Công nghệ lò điện cảm ứng trung tần cho phép tận dụng nguyên liệu phế thép, giảm chi phí hợp kim hóa, kiểm soát thành phần chính xác và phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ đến vừa, giúp sản xuất thép đạt tiêu chuẩn với hiệu quả kinh tế cao.

3. Quy trình xử lý nhiệt gồm những bước nào và ảnh hưởng ra sao đến cơ tính thép?
   Quy trình gồm ủ, tôi ở 860°C trong 1 giờ, làm nguội trong dầu, ram ở 500°C trong 2 giờ. Tôi tạo tổ chức mactenxit cứng, ram làm giảm độ giòn, tăng độ dai và ổn định cơ tính, giúp thép đạt độ cứng và độ bền cao mà vẫn giữ được độ dẻo.

4. Làm thế nào để đánh giá tổ chức tế vi và pha trong thép 42CrMo?
   Sử dụng hiển vi quang học (OM) để quan sát tổ chức peclit, ferrit, mactenxit; hiển vi điện tử quét (SEM/EDX) để phân tích phân bố nguyên tố và xác định cacbit; phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể chính.

5. Ứng dụng thực tế của quả lô ép viên chế tạo từ thép 42CrMo là gì?
   Quả lô ép viên dùng trong máy ép viên để ép các loại bột như than, quặng, đá thành viên có kích thước và hình dạng phù hợp. Thép 42CrMo đảm bảo quả lô có độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, giảm hỏng hóc và tăng tuổi thọ thiết bị.

Kết luận

• Đã xây dựng và triển khai thành công quy trình nấu luyện thép 42CrMo bằng công nghệ lò điện cảm ứng trung tần với nguyên liệu phế thép, đạt thành phần hóa học theo tiêu chuẩn GB/T3077.
• Xác định quy trình xử lý nhiệt gồm ủ, tôi và ram với chế độ nhiệt độ và thời gian tối ưu, tạo tổ chức mactenxit ram và cacbit Mo2C phân bố đều, nâng cao cơ tính thép.
• Cơ tính thép sau nhiệt luyện đạt độ cứng trung bình 433 HB, giới hạn bền trên 1300 MPa, giới hạn chảy trên 1190 MPa, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho chế tạo quả lô ép viên.
• Chế tạo thành công quả lô ép viên với cơ tính và kích thước phù hợp, chứng minh tính khả thi của quy trình công nghệ trong sản xuất thực tế.
• Đề xuất mở rộng quy mô sản xuất, hoàn thiện quy trình xử lý nhiệt và phát triển sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu ngành cơ khí chế tạo trong nước.

Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp luyện kim áp dụng quy trình này để sản xuất thép 42CrMo quy mô lớn hơn, đồng thời phát triển các sản phẩm cơ khí chịu mài mòn từ thép hợp kim này nhằm nâng cao giá trị gia tăng trong ngành công nghiệp vật liệu và chế tạo máy.

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 σ b = 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 σ b ∼ 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: σ b∼ 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.