Tài liệu Nghiên cứu sản xuất thép hợp kim đúc chịu mài mòn (crmo) cho chế tạo quả lô máy ép viên

Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ Nghiên cứu sản xuất thép hợp kim đúc chịu mài mòn (CrMo) cho chế tạo quả lô máy ép viên BÙI XUÂN BÁCH Email: [email protected] Ngành Khoa học vật liệu – VLKL(KH) Chữ ký của GVHD Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Thuyết Bộ môn Kỹ Thuật Gang thép Viện: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU HÀ NỘI, 09/2022 Học viên: Bùi Xuân Bách Page 1 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Đề tài: Nghiên cứu sản xuất thép hợp kim đúc chịu mài mòn (CrMo) cho chế tạo quả lô máy ép viên Tác giả luận văn: Bùi Xuân Bách Khóa 2020B Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Thuyết Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Giảng viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên TS. Nguyễn Minh Thuyết Học viên: Bùi Xuân Bách Page 2 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc và tình cảm quý báu cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, cùng các Thầy/Cô trong Viện đã tận tình chỉ dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sỹ. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Minh Thuyếtđã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài này. Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp tại đơn vị Viện Luyện kim đenđã luôn tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Ngoài ra, tôi xin gửi lời cám ơn đến một nhóm sinh viên Bộ môn Kỹ thuật Gang Thép của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng bài luận không tránh khỏi những thiếu sót; tôi rất mong nhận được sự thông cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Học viên: Bùi Xuân Bách Page 3 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu LỜI CAM ĐOAN Tôi, Bùi Xuân Bách xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Minh Thuyết. Các kết quả nêu trong báo cáo luận văn là trung thực, không sao chép ở bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2022 Học viên Bùi Xuân Bách Học viên: Bùi Xuân Bách Page 4 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN Luận văn này được hoàn thành với mục tiêu tìm hiểu, nghiên cứu và xây dựngquy trình sản xuất thép CrMo với quy mô sản lượng nhỏ, đồng thời đánh giá tổ chức tế vi và cơ tính của thép sau khi sản xuất cũng như nghiên cứu quy trình nhiệt luyện cho mác thép với định hướng trong chế tạo quả lô của máy ép viên. Quá trình nghiên cứu tổng quan cho thấy rằng thép độ bền cao với ứng suất chảy lớn hiện nay vẫn nhận được nhiều sự qua tâm do chúng có những lợi ích lớn về kinh tế và sử dụng. Thép 42CrMo (AISI4140, GB/T3077) là một loại thép điển hình được đánh giá cao trong họ thép hợp kim thấp độ bền cao, với ứng suất chảy danh nghĩa trên 930 MPa. Hiện nay thép 42CrMo được sử dụng trong nhiều các kết cấu kỹ thuật như trục khuỷu ô tô, trục nghiền, bánh răng... Với khả năng ứng dụng lớn, nhu cầu về loại thép này ở Việt Nam cũng không nhỏ, tuy nhiên việc sản xuất mác thép 42CrMo chưa được nghiên cứu và triển khai sản xuất đại trà, do đó để đáp ứng được nhu cầu của ngành chế tạo cơ khí, chế tạo máy trong nước hầu hết loại thép này đều phải nhập khẩu từ nước ngoài. Trên thực tế, để nghiên cứu sản xuất thép mác 42CrMo có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp công nghệ khác nhau, nhưng phải chọn một công nghệ phù hợp với trình độ kỹ thuật, tận dụng được nguồn nguyên vật liệu có sẵn trong nước nhằm đạt được yêu cầu về chất lượng sản phẩm và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong luận văn này, tác giả trình bày kết quả đạt được của quá trình nghiên cứu sản xuất và xử lý nhiệt cho mác thép 42CrMo ở quy mô sản lượng nhỏ với mục tiêu áp dụng trong chế tạo quả lô ép viên. Đề tài nghiên cứu đã thành công trong xây dựng quy trình nấu luyện đạt mác thép 42CrMo có thành phần và cơ tính theo tiêu chuẩnGB/ T3077 bằng công nghệ lò cảm ứng trung tần với nguyên liệu đầu vào là thép phế CT3 và SKD. Hoàn thành các bước gia công nhiệt luyện cho mác thép 42CrMo cụ thể là tôi ở 860 oC trong 1 giờ và làm nguội trong dầu kết hợp với ram ở 500 oC trong 2 giờ sau đó làm nguội ngoài không khí. Chế tạo thành công quả lô ép viên. Thép sau đúc có tổ chức bao gồm peclit và ferrit, hạt thô đại với tính chất cơ học tương đối thấp. Sau quá trình nhiệt luyện, tổ chức của thép đạt được gồm mactenxit ram và cacbit phân bố trên nền ở khu vực biên hạt với độ cứng, độ bền được cải thiện đạt tiêu chuẩn, đáp ứng yêu cho cơ khí chế tạo các sản phẩm quả lô ép viên. Kết quả nghiên cứu này có thể được mở rộng trong sản xuất thép 42CrMo ở quy mô công suất lớn hơn với điều kiện về công nghệ và trang thiết bị phù hợp. Học viên Bùi Xuân Bách Học viên: Bùi Xuân Bách Page 5 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu MỤC LỤC CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ......................................................................................10 1.1. Tổng quan về thép hợp kim .................................................................................... 10 1.1.1. Đặc điểm chung của thép hợp kim. .................................................................. 12 1.1.2. Phân loại thép hợp kim ..................................................................................... 12 1.2. Thép hợp kim 42CrMo ........................................................................................... 14 1.2.1. Tiêu chuẩn, thành phần hóa học và cơ tính của mác thép 42CrMo ................. 15 1.2.2. Ứng dụng của thép 42CrMo ............................................................................. 16 1.3. Lựa chọn và mục tiêu của đề tài. ............................................................................ 18 CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ............................................................20 2.1. Công nghệ sản xuất và chế tạo sản phẩm từ thép 42CrMo .................................... 20 2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim .................................................................. 24 2.2.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến độ cứng. ...................................... 24 2.2.2. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến độ dai va đập và chịu mài mòn ........ 25 2.2.3. Ảnh hưởng của từng nguyên tố hợp kim tới cấu trúc và tính chất .................. 26 2.2.4. Ảnh hưởng của tạp chất ................................................................................... 29 2.4. Công nghệ xử lý nhiệt cho thép hợp kim 42CrMo ................................................ 30 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM........................................................34 3.1. Mục đích của thực nghiệm. .................................................................................... 34 3.2. Thực nghiệm nấu luyện mác thép 42CrMo trong lò cảm ứng trung tần ................ 34 3.3. Quá trình xử lý nhiệt ............................................................................................... 37 3.4. Phân tích, đánh giá.................................................................................................. 38 CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................43 4.1. Quá trình nấu luyện thép 42CrMo .......................................................................... 43 4. 2. Tổ chức tế vi và cấu trúc pha ................................................................................. 45 4.3. Cơ tính .................................................................................................................... 48 CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN ..........................................................................................51 Học viên: Bùi Xuân Bách Page 6 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu DANH MỤCHÌNH Hình 1.1: Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với lượnghợp kim tăng dần..................... 12 Hình 1.2. Một số sản phẩm chế tạo từ thép 42CrMo................................................................. 15 Hình 1.3. Máy ép viên và quả lô máy ép viên quả bàng.......................................................... 16 Hình 2.1: Sơ đồ dây truyền sản xuất thép hợp kim42CrMo..................................................... 19 Hình 2.2: Các dạng sản phẩm thép 42CrMo trong quy mô công nghiệp................................. 20 Hình 2.3: Các công đoạn chế tạo sản phẩm từ thép 42CrMo quy mô lớn................................ 21 Hình 2.4: Sản xuất thép 42CrMo trong quy mô nhỏ................................................................ 21 Hình 2.5: Các công đoạn chế tạo sản phẩm từ thép 42CrMo quy mô nhỏ.............................. 22 Hình 2.6: Ảnh hưởng của C và Cr lên sự tạo thành cacbit...................................................... 26 Hình 2.7: Giản đồ trạng thái Fe-Mn-C.................................................................................... 27 Hình 2.8: Sơ đồ công nghệ thường hóa thép 42CrMo............................................................. 30 Hình 2.9: Sơ đồ công nghệ tôi thép 42CrMo............................................................................ 31 Hình 2.10: Sơ đồ công nghệ ram thép 42CrMo....................................................................... 31 Hình 3.1: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thép 42CrMo.................................................... 35 Hình 3.2. Các quá trình thực hiện thực tế trong nấu luyện mác thép 42CrMo......................... 36 Hình 3.3. Quá trình đúc thực tế sản phẩm quả lô ép viên......................................................... 36 Hình 3.4: Quy trình xử lý nhiệt luyện........................................................................................ 37 Hình 3.3: Quá trình chuẩn bị mẫu thử trong quá trình nghiên cứu.......................................... 38 Hình 3.4: Sơ đồ quy trình đánh giá tính chất của sản phẩm thép 42CrMo.............................. 38 Hình 3.5. Máy mài mẫu và kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT..................................... 39 Hình3.6. Thiết bị hiển vi điện tử quét (SEM/EDX) đại học Bách Khoa Hà Nội........................ 39 Hình 3.7. Thiết bị đo độ cứng tế vi Duramin 2.......................................................................... 40 Hình 3.8. Nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X............................................................... 40 Hình 4.1. Phân tích mapping SEM-EDX trên mẫu đúc............................................................. 43 Hình 4.1. Lựa chọn công nghệ đúc và chế tạo sản phẩm quả lô ép viên................................... 44 Hình 4.3. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép a_sau đúc; b_sau tôi; c_sau ram........................... 44 Hình 4.4. Kết quả phân tích X-ray của a_mẫu đúc; b_mẫu sau nhiệt luyện............................ 45 Hình 4.5. Ảnh phân tích SEM của mẫu sau nhiệt luyện........................................................... 46 Hình 4.6. Kết quả phân tích SEM-EDX điểm trên mẫu sau nhiệt luyện................................... 47 Học viên: Bùi Xuân Bách Page 7 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thành phần hoá học các mác tương đương của thép 42CrMo ...................................... 14 Bảng 1. 2: Thành phần hóa học của mác thép 42CrMo.................................................................. 14 Bảng 1. 3: Cơ lý tính của mác thép 42CrMo................................................................................... 15 Bảng 1.4. các loại kích cỡ quả lô ép viên ....................................................................................... 17 Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến độ cứng của thép(HRC)............................. 24 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mác thép 42CrMo (GB / T 3077)........................................... 33 Bảng 3.2: Bảng tính phối liệu nấu luyện.......................................................................................... 34 Bảng 4.1: Thành phần hóa học của các mẻ nấu so với thành phần mác thép tiêu chuẩn.............. 42 Bảng 4.2. Kết quả đo độ cứng của mẫu sau đúc và sau nhiệt luyện............................................... 48 Bảng 4.3. Kết quả đo độ bền kéo của mẫu trước và sau nhiệt luyện............................................... 48 Học viên: Bùi Xuân Bách Page 8 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu DANH MỤC VIẾT TẮT Ý nghĩa STT Từ viết tắt 1 IF 2 SEM Hiển vi điện tử quét 3 XRD Nhiễu xạ tia X 4 HV 5 TEM Hiển vi điện tử xuyên 6 OM Otipcal Microscope (Hiển vi quang học). Học viên: Bùi Xuân Bách Induction Furnace (lò điện cảm ứng) Độ cứng Page 9 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. 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. 1.1.1. 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,… 1.1.2. 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. (hình 1.1) Hình 1.1: Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với lượnghợp kim tăng dần: a. peclet, b.mactenxit, c. 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. 1.2. 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….(Bảng 1.1) Học viên: Bùi Xuân Bách Page 14 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Bảng 1.1: Thành phần hoá học các mác tương đương của thép 42CrMo [7, 8] Thành phần hóa học (%) Nguyên Mác thép C Si Mn Cr Mo P S ≤ ≤ tố khác SCM435 (JIS G 4105) Ni≤0,25 0,33-0,38 0,15-0,35 0,60-0,85 0,90-1,20 0,15-0,30 0,030 0,030 0,32-0,40 0,17-0,37 0,40-0,70 0,80-1,10 0,15-0,25 0,035 0,035 0,30-0,37 ≤ 0,40 0,60-0,90 0,90-1,20 0,15-0,30 0,035 0,035 0,35-0,40 0,10-0,35 0,70-0,90 0,90-1,20 0,15-0,25 0,035 0,30-0,37 0,10-0,40 0,60-0,90 0,90-1,20 0,15-0,30 0,035 Cu≤0,30 35XM (ΓOCT4543) 34CrMo4 (DIN WNr1.7220 ) 708A37 (BS 970-1991) 0,0250,050 34CrMo4 (ISO 0,035 683/18:1996) 1.2.1. Tiêu chuẩn, thành phần hóa học và cơ tính của mác thép 42CrMo  Thành phần hóahọc. Bảng 1.2: Thành phần hóa học của mác thép 42CrMo [7, 8] Thành phần hóa học % C S P Cr Mo Si Mn 0,38-0,45 ≤0,03 ≤0,03 0,9-1,2 0,15-0,25 0,17-0,37 0,5-0,8 Học viên: Bùi Xuân Bách Page 15 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu  Cơ tính. Bảng 1.3: Cơ lý tính của mác thép 42CrMo [7, 8] Giớihạ n chảy (N/mm2) >830 Độ bền kéo (N/mm2) >980 Độ dãn dài tương đối (%) >12 Sự giảm mặt cắt (%) >45 Độ bền va đập (J/cm2) >59 Độ cứng (HB) Ủ ≤225 Tôi-ram 285-352 1.2.2. Ứng dụng của thép 42CrMo Đây là mác thép có độ bền cao và độ dai tốt, độ khả năng hóa bền tốt đồng thời không bị giòn nóng và chịu va đập tốt. Do đó mác thép này đáp ứng tốt các yêu cầu của các chi tiết đòi hỏi chịu mài mòn, va đập, và chịu tải trọng. Chính vì vậy chúng hay được dùng cho chế tạo các chi tiết lớn như khuôn dập, bánh răng, trục cán, trục khủy và bình chịu áp suất cao [7, 8]. Một số sản phẩm ứng dụng của thép 42CrMo được mô tả trong hình 1.2. Hình 1.2. Một số sản phẩm chế tạo từ thép 42CrMo Mác thép này cũng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác như xây dựng, đóng tàu, ô tô, năng lượng và hàng không vũ trụ (hình 1.3) Học viên: Bùi Xuân Bách Page 16 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Tuy nhiên để đạt được độ bền cao, đặc biệt là giới hạn chảy cao mà vẫn đảm bảo tốt độ dẻo, độ dai, mác thép này thường phải được qua nhiệt luyện hóa tốt bao gồm tôi và ram. Trong trường hợp chi tiết vừa chịu va đập cao vừa cần chống mài mòn ở bề mặt làm việc, sau khi nhiệt luyện hóa tốt thép còn được xử lý qua tôi bề mặt sẽ có tính chống mài mòn cao. Thông thường mác thép này được tạo phôi bằng cách cán nóng hay các phương pháp rèn dập nóng khác. Tính hàn của mác thép này kém do lượng C đã vượt quá 0,25%. Thép 42CrMo thuộc nhóm thép có ưu việt hơn về tính gia công cắt gọt, tuy cứng hơn song phoi thép dễ gãy làm cho cắt gọt được dễ dàng hơn. Ngay ở trạng thái hóa tốt có độ cứng cao, tuy hơi khó cắt song lại tạo nên bề mặt bóng, nhẵn hơn rất thích hợp cho gia công tinh. Hiện nay, máy ép viên được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực từ nông nghiệp đến công nghiệp, với khả năng ép vật liệu thành các viên với hình dạng và kích thước phù hợp với các mục đích sử dụng. Thông dụng nhất hiện nay hay sử dụng là máy ép viên quả bàng như mô tả trên hình 1.3. Hình 1.3. Máy ép viên và quả lô máy ép viên quả bàng Máy ép viên được thiết kế làm việc để ép các loại bột quặng, than cám, bùn đất, than củi, xỉ lò cao, tro bay, cao lanh….Máy làm việc năng suất cao, chi phí thấp , ít hỏng vặt. Đặc biệt với công nghệ ép mới tác dụng bằng lực chuyền động cơ hộp số kêt hợp với hệ thống thủy lực điều chỉnh được lực ép phù hợp với tất cả các loại than, quặng và nhiều vật liệu ép khác.Vật liệu trước khi đưa vào ép viên cục phải đảm bảo cỡ hạt được nghiền dưới 3mm. Sau khi than quặng được máy trộn trộn đều với phụ gia kết dính đưa lên băng tải vào máy ép. Tại đây với tác dụng lực kết hợp của động cơ và hệ thông thủy lực sẽ ép vật liệu thành viên theo biên dạng khuôn đã định hình. Học viên: Bùi Xuân Bách Page 17 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Trong quá trình ép nếu có sự cố như có đai ốc bằng thép hoặc vật liệu lớn hơn vật liệu ép lẫn vào thì máy sẽ tự động đẩy hai quả lô cho vật liệu lẫn vào rơi xuống dưới tránh được hiện tượng hỏng quả lô vào ổ bi. Quả lô máy ép (roller) quả bàng phải được chế tạo bằng vật liệu thép hợp kim Mn, Cr, Si, Mo….có khả năng chống mài mòn va đập cao phù hợp để ép các loại vật liệu dạng bột thành dạng viên như : bột than, bột quặng, bột đá, bột thạch cao… Để đáp ứng yêu cầu này thép CrMo là loại thép cực kỳ phù hợp cho chế tạo quả lô ép viên. Tùy vào từng loại vật liệu và yêu cầu về hình dáng kích thước của viên được ép, các loại quả lô được chế tạo phù hợp theo nhu cầu của người sử dụng và theo kích thước và công suất sẵn có của máy ép. Tất cả dạng viên như than, viên quặng… sau khi được ép qua roller của máy ép viên sẽ có cơ tính và độ bền liên kết vật liệu không thua kém gì so với hình dạng nguyên khối ban đầu của nó. Một số thông số kỹ thuật quả lô ép viên quả bàng thường được chế tạo và sử dụng trên thị trường được cho trong bảng 1.4 Model Roller Ø290 Roller Ø360 Roller Ø400 Roller Ø450 Roller Ø500 Roller Ø 650 Roller Ø750 Roller Ø850 Bảng 1.4. các loại kích cỡ quả lô ép viên Đường kính Chiều rộng Roller Roller (mm) (mm) 290 360 400 450 500 650 750 290 230 250 280 300 320 336 400 230 Công suất (t/h) 1-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-14 14-17 18-30 1.3. Lựa chọn và mục tiêu của đề tài. Hiện nay, theo xu thế phát triển chung, ngành chế tạo cơ khí Việt Nam đang có nhu cầu lớn về các chủng loại thép kết cấu hợp kim để làm vật liệu chế tạo các chi tiết, thiết bị. Tuy nhiên, chúng ta mới chỉ mới tự sản xuất được ở trong nước các loại thép thông thường, đối với các loại thép hợp kim và thép chất lượng cao thì đang phải nhập ngoại nhiều. Học viên: Bùi Xuân Bách Page 18 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu Trong những năm gần đây, Viện Luyện kim đen kết hợp với một số cơ sở khác như Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Đại học Bách Khoa Hà Nội đã từng bước nghiên cứu và sản xuất thép hợp kim với số lượng nhỏ nhằm đáp ứng nhu cầu của một số đơn vị đặt hàng về các chủng loại thép như: Thép đàn hồi siêu bền hệ hợp kim thấp, nghiên cứu chế tạo thép hợp kim SUH3 dùng làm xupap cho động cơ ôtô, nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim thấp mác ASTM3415, thép kết cấu hóa tốt, nghiên cứu công nghệ sản xuất thép đặc chủng mác 30XH2MA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh... [9, 10]. Trong đó loại thép 42CrMo được quan tâm nhiều cho ứng dụng trong cơ khí chế tạo nông nghiệp. Tuy nhiên thép 42CrMo vẫn chưa được nghiên cứu sản xuất với sản lượng đáp ứng đủ. Vì vậy, để đáp ứng được nhu cầu của ngành chế tạo cơ khí nông nghiệp nói riêng và ngành công nghiệp chế tạo máy trong nước nói chung, hầu hết loại thép này đều phải nhập khẩu từ nước ngoài. Để nghiên cứu, sản xuất thép mác 42CrMo có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp công nghệ khác nhau, nhưng phải chọn một công nghệ phù hợp với trình độ kỹ thuật, tận dụng được nguồn nguyên vật liệu có sẵn trong nước nhằm đạt được yêu cầu về chất lượng sản phẩm và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong phạm vi luận văn này tác giảlựa chọn hướng nghiên cứu sản xuất mác thép 42CrMo theo công nghệ lò điện trung tần và triển khai xây dựng quy trình xử lý nhiệt cho thép hướng tới ứng dụng trong chế tạo quả lô ép viên. Mục tiêu của luận văn được xác định gồm : - Xây dựng quy trình và nấu luyện thành công mác thép 42CrMo bằng công nghệ lò điện cảm ứng trung tần - Xác định quy trình xử lý nhiệt cho thép thành phẩm - Nghiên cứu đánh giá các tính chất của sản phẩm thép đạt được - Chế tạo thành công quả lô ép viên Học viên: Bùi Xuân Bách Page 19 Luận văn thạc sỹ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1. Công nghệ sản xuất và chế tạo sản phẩm từ thép 42CrMo Ngày nay, thép hợp kim42CrMo cũng như đa phần các loại thép hợp kim khác thường được sản xuất bằng cách sử dụng công nghệ nấu chảy, đúc, cán truyền thống. Lò thổi BOF hoặc điện được dùng để tạo ra thép lỏng, sau đó kết hợp với các phương pháp tinh luyện ngoài lò như AOD (Argon - Oxygen Decarburization), VOD (Vaccum Oxygen Decarburization), RH, SRH…. để khử sâu Cacbon và các tạp chất sau đó là quá trình đúc liên tục và cán (hình 2.1).[3-5, 11] Hình 2.1: Sơ đồ dây truyền sản xuất thép hợp kim42CrMo Học viên: Bùi Xuân Bách Page 20