Thép hợp kim, hợp kim quy trình và công nghệ sản xuất

u.v n ed w lib ui ed u.v n- ww w lib ui TRẦN VĂN DY ww w lib ui ed u.v n -w ww lib ui ed u.v n -w ww lib ui ed u.v n- ww THÉP HỢP KIM, HỢP KIM – QUY TRÌNH VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2008 n- ed u.v ui .lib ww w ui lib ww w .vn ed u lib -w ww ed ui n- u.v ww w lib ui ed n- u.v ww w lib ui ed u.v n u.v n ed ui .ha ww w lib PHẦN w lib ui ed u.v n- TỔỈITG ftUÁT VỂ TH ÉP H Ò P liIM VÀ LỊCH SỬ PH Â T TRIỂIV H Ấ X XưẨT t h é p H Ợ P lO M TRÊIV THÊ GIỎI VÀ VIỆT NAM ww Chương u.v n- MỞ ĐẦU ed 1.1 ĐỊNH NGHĨA ui Thép hợp k im lo i thép sắt, cacbon tạp chất người ta cố ý đưa vào nguyên tố hợp kim với lượng định để làm thay lib đối tổ chức tính chất thép Cịn hợp kim loại khơng có sắt có -w ww mà có ngun tơ' hợp kim hoà tan lẫn Thép hợp kim hợp kim có đặc thù chung hợp kim hố ngun, hai nguyên, ba nguyên đa nouyên tố hoà tan lần tạo thành dung dịch đạc (Fe-Cr; Fe-C r-N i; C r-N i; ed u.v n C r-N i-W ) Phân loại thép hợp kim iheo nguyên tố chứa thép: ui + Thép hợp kim thấp; tổng lượng nguyên tố hợp kim chứa Ihép có khoảng -i- 5% .lib + Thép hợp k im trung bình có tổng lượng ngun tố hợp kim khoảng nhỏ -w ww % + Thép hợp kim cao có tổng lượng nguyên tố hợp kim lớn Ỉ0% \ u.v n 1.2 YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÁC NGUYÊN T ố HỢP KIM TRONG THÉP ed + Nguyên tố phải kết hợp với sắt ww w lib ui + Nguyên tố kếl hợp với sắt khơng làm tính chất kim loại sắt (Fe) u.v n ed chất sắt ww w lib + Nguyên iố hợp kim sử đụng vào thép phải có hiệu kinh tê .ha ui + Nguyên tố họp kim hoà tan vào sắt phải cải thiện tổ chức lính 1.3 C Á C Đ Ặ C T ÍN H C Ủ A T H É P H Ợ P K IM n- Các loại thép hợp kim có đạc tính trội hán so với thép cacbon, u.v hay nói khác mục đích hợp kim hố thép mặt sau đây: ed + Về tính, thép hợp kim nói chung có độ bền (g iới hạn bền, giới hạn ui chảy) cao hản so với thép cacbon Điểu đậc biệt thể rõ ràng sau nhiệt luyện ram u việt thường thể m ọi loại thép hợp w lib kim ; thép hợp kim hoá cao, mạnh ưu việt rõ rệt ww + Tuy nhiên cần lưu ý: trạng thái không nhiệt luyện (tơi + ram) độ bồn thép hợp kim không cao thép cacbon n- + Thép hợp kim đạt độ bền cao, thơng thường với tãng dộ u.v bền độ dẻo độ dai lại giảm đi, không ý đến mối ed quan hệ để xác định rõ tính thích hợp ui + Cùng với mức độ tãng hợp kim hố, tính cơng nghệ thép xấu .ha Về tính chịu nhiệt độ cao, thấy thép cacbon có độ bền tương đối cao lib sau tôi, không giữ làm việc nhiệt độ cao 200‘’c -w ww m actenxit bị phân hoá xêmentit kết tụ Các nguyên tố hợp kim làm cản trờ khả khuếch tán cacbon làm m acteiixit phân hoá cacbit kết tụ nhiệt độ cao hơn, thép hợp kim giữ tính cao trạng thái tơi ed u.v n nhiệt độ cao 200"c M uốn đạt tính chất thép cần hợp kim hố số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao u việt thép ui hợp kim ứng dụng Ihép dụng cụ thép bền nóng + Về tính chất vật lý hoá học đặc biệt: ta thấy thép cacbon bị gỉ lib khỏng khí, bị ãn mịn mơi trường axit, bazơ m uối, khơng có -w ww íính chất vật lý đạc biệt từ tính, giãn nở nhiệt đăc biệt M uốn phải dùng ỉoại thép hợp kim riêng biệt thành phần hố học chặt chẽ u.v n + Qua ta thấy rằng, ngun tơ' hợp kim tác dụng tốt, thép hợp kim loại vật liệu kim loại khơng thay chế tạo máy ed nặng, dụng cụ, nhiệt điện, công nghiệp hoá học v.v Thép hợp kim thường ww w lib ui làm chi tiết quan trọng thiết bị, máy móc điều kiện làm u.v n ed + M ỗ i nguyên tố hợp kim sử dụng nhiều hay ít, nhóm thép ui việc nặng nê ww w lib có cơng dụng dịnh phụ thuộc vào tác dụng đến tính chất thép Do thường thấv loại thép dùng inộl số nguyên tố hợp kim với hàm lượng định n- + Đ ối với thép kết cấu yêu cầu độ bền cao thường dùng nguyên tố nâng u.v cao độ thấm crôm, mangan, niken phần s ilic , với lượng chứa ed m ỗi nguyên tố từ - 2% Thép dụng cụ cắt gọt với tốc độ cao phải dùng 20% Thép với tính chất hố học vật lý molipđen với hàm lượng lớn ui nguyên tố nâng cao mạnh tính chịu nhiệt độ cao vonữam, coban, w lib đặc biệt có đặc điểm riêng thép khơng gỉ có chứa khơng dưó'i 12 5‘7c Cr, thép chống mài mịn có Ì37c Mn, thép kỹ thuật điện có 4- % Si ww + Ngoài ra, mức độ sử dụng nguyên tố hợp kim bị phụ thuộc vào n- trữ lượng thiên nhiên, khả chế biến Có nguyên u.v tố có tác dụng tổt mạt (như niken tính) phải ed hạn chế sử dụng đắt V ì vậy, m ỗi nước có hệ thơng thép hợp kim khác ui tuỳ thuộc vào tài nguyên khoáng sản kim loại khả mua bán thị trường .lib Các nguyên tố thường dùng crôm, mangan, niken, silic, voníram, coban, -w ww m olipden, vanađi, titan, bo Trong mangan đặc biệt silic hai nguyên tơ' có nhiều lại rẻ tiền dễ kiếm ed u.v n 1.4 ĐỘNG HỌC VÀ KỸ THUẬT HỢP KIM HOÁ THÉP TRẠNG THÁI LỎNG ui + Hợp kim liố q irình đưa vào kim loại lỏng hay đặc vài nguyên tố hợp kim để chế tạo thép hợp kim có thành phần hố học xác định cho thép lib hợp kim tính chất học, lý học, hố học theo u cầu sử dụng -w ww + Hầu hết loại hợp kim gang, thép, kim loại màu người ta tiên hành hợp kim hoá trạng thái lỏng Hợp kim hoá trạng thái lỏng tiến hành cách đưa trực tiếp nguyên tố hợp kim vào kim loại lỏng, trình u.v n động học chủ yếu q trình hồ tan khch tán nguyên tô hợp kim vào ed thép lỏng .ha ui + Điểu kiện hoà tan khuếch tán nguyên tố hợp kim tuân theo định ww w lib luật chung độ hoà tan nguyên tố vào dung dịch, có u.v n ed ui thể áp dụng cơng thức hồ tan khuếch tán trạng thái lỏng cho trường hợp cụ thể mà từ cơng thức ta thấy muốn giải tốt kim loại hoá cần phải áp ww w lib dụng biện pháp kv thuật sau: - Nhiệt độ thép lỏng cao: nhiệt độ hợp kim hoá cao tốt - Diện tích tiếp xúc lớn làm q trình hồ tan khuếch tán dễ dàng n- Nhưng tiến hành hợp kim hoá trạng thái lỏng, khả nãng oxy hoá u.v nguyên tố hợp kim dễ xảy bên cạnh vấn đé hoà tan khuếch ed tán nguyên tố hợp kim cần ý khả oxy hoá làm ui mát nguyên tố hợp kim K h i ý đến vấn để đó, người ta đề nguyên tắc: Các nguyên tố đưa vào thép lỏng dạng ferro hợp kim có w lib cỡ cục định phụ thuộc vào dung lượng lò loại ferro hợp kim cụ thể chất khó chảy, khó bị oxy hố nên đưa vào lò sớm, chấi ww w lib ui ed u.v n -w ww lib ui ed u.v n -w ww lib ui ed u.v n- ww dễ chảy, dễ bị oxy hố nên đưa vào lị sau giai đoạn oxy hố u.v n ed ui .ha ww w lib Chương u.v n- QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN s ả n XUẤT t h é p HỢP k i m TRÊN THÊ GIỚI VÀ VIỆT NAM ed 2.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT THÉP HỢP KIM ui TRÊN THÊ GIỚI w lib T ỷ lệ sản xuất thép hợp kim nước phụ thuộc vào trình độ phát triển ngành chế tạo khí m ỗi nước, ỏ nước công nghiệp phát triển, tỷ lệ thép ww hợp k im chiếm khoảng 20 - 30% tổng sản lượng thép Đầu thâp niên 90, lỷ lệ Trung Quốc khoảng 22% (do sản lượng thép chưa cao) Những n- năm gần đây, với phát triển nhanh sản lượng thép, tỷ lệ chiếm 17% u.v tổng sản lượng thép Tỷ lệ có giảm đi, song sản lượng tăng nhiều nên sản ed lượng tuyệt đối thép hợp kim Trung Quốc tăng nhanh .ha ui H iện g iớ i sản xuất khoảng 1.000 chủng loại thép hợp kim lib Do thiết b ị kỹ thuật cải tiến nhiều nên chất lượng thép hợp kim không -w ww ngừng tãng cao 2.1.1 Phát triển sản xuất thép hợp kim thấp độ bền cao ed u.v n Nhiều nước đạc biệt ý sản xuất thép hợp kim thấp độ bền cao Tuỳ tình hình tài nguyên nhu cầu mà m ỗi nước có hệ thép hợp kim thấp độ bền cao riêng .ha ui M ỹ có khoảng 250 mác thép hợp kim thấp độ bén cao, có mác Ihép Corten tiếng Nguyên lố hợp kim Cr, N i, Cu Toàn thép dùng lib đóng toa tàu / cấu kiện cơng trình, cột điện, tháp loại thép -w ww Đây m ột loại thép chống ãn mịn khí nhiễm bẩn cơng nghiệp tốt Nga sử dụng khoảng 50 mác thép hợp kim thấp độ bền cao, 09r2, 14P2 hay 10r2Cl, 09r2C, u.v n có mác isrc Nguyên tố hợp kim M n Si Ngoài cịn có mác thép ba ngun khác ed Trung Quốc có mác thép Q295, Q345, Q380, Q420, Q460, Q670 ww w lib ui Nguyên tố hợp kim M n , V, Nb, T i, Cr, N i u.v n ed ui Ty lệ thép hợp kim thấp độ bền cao Trung Quốc chiếm 21% tổng sản lượng thép sản xuất chủ yếu lò thổi oxy nguyên chất ww w lib Nhiều nước khác giới trọng phái triển loại thép hợp kim thấp độ bền cao này, với tổng số mác thép lẽn tới 400 mác Đạc biệt gần phát triển loại thép hợp kim thấp độ bền cao song pha có n- nhiều tinh r í t đậc biệt mà lưu trình sản xuất đơn giản thav thép u.v cacbon kết cấu dạng thép tấm, thép tròn, thép dây dùng chế tạo ed máy xây dựng ui Thực tiễn sản xuất ứng dụng thép hợp kim thấp song pha nước M ỹ, Nhật Bản, Trung Q uốc cho thấy việc đem lại hiệu lớn w lib kinh tế Giá thành sản xuất không cao thép thường độ bền cao nhiều lần ww Sự xuất phát triển thép hợp kim thấp song pha n- yêu cầu ngành chế tạo ôtô Ngày vỏ xe nhiều chi tiết ỏtô u.v dùng thép song pha Từ làm cho xe nhẹ hơn, bền hơn, tiêu hao nhiên liệu hơn, dẻ gia cơng chế tạo Ngồi ngành ơtơ, thép song pha ed sử dụng rộng rãi chế tạo máy, chế tạo cáp chịu lực ui bulông, êcu chịu lực, lõ i cáp AC Đó thép song pha có đặc điểm sau: Có tính dập vuốí nguội tốt; g iớ i hạn chảy thấp ơ^ = 350 450 MPa lib yêu cầu lực biến dạng không lớn, độ biến dạng lớn E-|- > %, kh i biến -w ww dạng dẻo hoá bền nhanh Cụ thể chuốt tới thép sợi H- 0,75 mm ơ^ > 1700 MPa, song vần giữ độ cứng thấp, độ dẻo tốt ed u.v n Cáp chịu lực có nhiều loại với cấp độ bền khác Loại thường gặp yêu cầu ơ[, > 1400 MPa Bulông chịu lực độ bền cao, điển hình bulơng cấp u cầu ơ(, > 880 MPa 8,8 ui Néu áp dụng Ihép hợp kim ihàp song pha chế tạo cáp chịu lực bulòng độ bền cao, hồn tồn đáp ứng tiêu tính với ưa điểm lib bật là: qui irình chế tạo đơn giản nhiều, giảm chi phí đầu tư -w ww cơng trình, giảm thời gian sản xuất, giảm tiêu hao lượng, vật tư công lao động, hạ giá thành V í dụ sản xuất cáp chịu lực: sản phẩm từ trước đến chế tạo từ thép cacbon cao (0,65 ^ 0,90% C) với quy u.v n trình sau: ed Thép cán dạng dài ww w lib ui mềm 10 Chuốt nóng -> Tơi bể chì -> Chuốt nguội Tẩy rửa axit -> Chuốt nguội -> ủ mềm Cuộn dây Ram khử ứng suất -)■ Bện cáp ủ Tẩy rửa axit -> Chuốt nguội u.v n ed Chuốt nguội sợi thép nliỏ ^ Tẩy bề mặt ^ Cuộn dãy -> Ram khử ứng suất -> Bện cáp Như vậy, bớt CdC ww w lib Thép cán dạng dài bước tơi bể chì nhiều bước ủ mềm, tẩy rửa axit V í dụ việc sản xuất bulòng độ bền cao, sản phấm từ trước đến dùng loại Tiện sửa ^ Cán lãn ren Tẩy Chuốt nguội đầu u.v Kéo chuồt nguội —> Photphat hoá bề mặt Mạ kẽm, Nếu dùng thép song pha quy ed bulơns ^ n- thép 40X (40Cr) chế tạo iheo quy trình sau: Thép cán dạng -> ủ bồ mặt ui trình đơn giản cịn: thép cán dạng tẩy rửa bề mặt ^ Kéo chuốt nguội calip —>■ Chồn nguội đầu bulông —> riện sửa —> Cán lãn ren mạ kẽm ww w lib Như vậy, rút bớt khâu nhiệt luyện ủ, tơi, ram photphat hố bé mặt 2.1.2 Q trình phát triển sản xuất thép gió n- Nãm 1861, nãm bắt đầu sản xuất thép gió mác Mushet iơ i u.v khơng khí, thành phần hoá học: 2,4% C; 0,79% S; 1,95% M n; 0,49% Cr; 62% w Thép khống có tính chịu nhiệt cao (nhiệl độ làm việc thấp) ed tính cảt gọt khơng cao VI nhiệt độ tơi tương dối thấp Sau phải sản xuất loại ui 3,5 % M n; 0,3 ^ 3% Cr; ^ 11% w Các thép gió có 1,25 " 2,25% C; 1,5 chương trình nghiên cứu bât giai đoạn hãng Bethlehem Steel lib đứng đầu Taylo Taylo đưa kết luận công suất cắt gọt thép gió tâng lên -w ww bằno cách tăng nhiệt độ tôi, đạt cực đại nhiệt độ nhiệt độ chảy Về sau, nãm 1906 Taylo đưa mác thép gió \V18C r4V (thép gió P18 ed u.v n ngày nay) Yêu cầu chất lượng cắt gọt ngày cao dao động giá cà nguyên vật liệu nấu vấn đề cản trở sản xuất ihép gió khơng đủ lượng ferro vonữam (FeW ) không thực việc thông thương nguyên vật liệu .ha ui Vì cần ùm kiếm cơng nghệ sản xuấl Ihép gió có hàm lượng vonữam thấp 18% w thay nguyên tố hựp kim khác M olipđen sử dụng để sản lib xuất thép gió vào nãm 1898 Theo Taylo 1% M o thay 2% w -w ww (hiện 1,5%) Nhược điểm thép gió molipđen có độ nhạy cảm cacbon rát lớn u.v n Những năm 20 kỷ trước người ta sử dụng thép gió có hàm lượng vonữam cao, chủ yếu mác thép gió P18 (18% W ) (Liên Xơ cũ có ký hiệu ed P18, Đức có ký hiệu SKH2, Trung Quốc có ký hiệu SI - - , M ỹ T| Nhật ui Bản ký hiệu SK H 2) Trung Quốc có quặng vonữam khống ổn định, lib M ỹ lại có nhiều quặng molipđen nên người ta sản xuất loại thép gió ww w ui Nếu dùng thép hợp kim thấp song pha quy trình cịn; 11 u.v n ed ui W 6M o5V (Liên Xô P6M5, Đức S6-5-4-2; M ỹ T2 Nhật Bản SKH9) .ha Nghiên cứu nguyên tố vanadi (V ) dể hợp km i hố vào thép gió thực ww w lib vào nãm 1906 Vanađi tạo thành cacbit (VC) có độ hạt m ịn Vanađi không tham gia vào việc tạo cấu trúc tinh dạng xương cá dạng rẻ quạt nên không làm xấu độ cacbit hàm lượng cacbon cao Nhưng n- thép gió vanađi có tính cơng nghệ quan trọno tính chịu mài mịn kém, nên u.v việc tăng hàm lượng vanađi vào thép hạn chế Coban (Co) khác với vonfram ed molipđen, vanadi crôm nguyên tô' hợp kim không tạo cacbit ui coban Coban hoà tan sắt Fe-a Fe-3, ram hoá bền tiết hợp chất liên kim loại (Co, Fe) 7\V(s, (Co, Fe) 7M fi có độ phân tán hạt nhỏ w lib m ịn ổn định chống tích tụ cao pha cacbit rấl nhiều Lần đẩu tiên đưa coban vào thép gió vào năm 1912, Trong Đại chiến giới lần thứ nhất, Đức ww sản xuất loại thép gió; 5% Co; -í- % W; ^ 10% Mo; 2% V titan Thép gió coban có độ chịu nhiệt độ cứng cao, thường dùng để chế tạo dao n- cất gọt vật liệu khó gia cơng thép bền nhiệt ostenit, thép khơng gỉ, thép u.v hợp kim kết cấu có độ cứng 40 ^ 45 HRC Để sử dụng cát gọt với tốc độ lớn ed người ta thường dùng loại thép gió mác W18Cr4V2Co5 (Liên Xơ P 1805K 5, Đức ui S I -1-2-5, M ỹ T Nhật Bản SKH3) thép gió mác W 6M o5Cr4V2Co5 (Liên Xô P6M 5K5, Đức S6-5-2-5, M ỹ M35), chí có mác thép tăng hàm lib lượng coban đên 15% mác P18Cr4V2Col5; cịn crơm thép gió ^ -w ww 5% Nguyên liệu nguyên tố crôm loại rẻ tiền, tạo cacbit tãng % Cr đến -ỉ- 12% thép gió Từ trước tới nay, thép gió mác sản xuất w Thép gió vonữam đảm ed u.v n phải có hàm lượng vonữam cao từ 4- 18% bảo tính chất thép gió tốc độ cắt lớn, độ cứng cao, chịu nhiệt độ làm việc cao ổn định tính ổn định trạng thái nóng đỏ .ha ui 2.1.3 Quá trình sản xuất thép hợp kim khịng gỉ lib L ịch sử thép không gỉ bắt dầu từ việc phát minh tác dụng nguyên tỏ' -w ww crôm cho thêm vào thép tạo đặc tính ưu việt đến việc sản xuất cơng nghiệp loại thép Từ nãm 1821 Berthier người nhận thây cho crôm vào thép tính chống gỉ tãng Berthier chế tạo u.v n hợp kim sắt - crôm cách hoàn nguyên hỗn hợp o x it sắt crôm Hàm lượng crôm hạn chế giới hạn thấp đủ để chế ui ed tạo lưỡi dao có độ cứng cao tính chống gỉ cao nhiều so vớ i thép cacbon ww w lib Đó ngun nhân Berthier khuyến nghị loại thép hợp kim 12 ... QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN s ả n XUẤT t h é p HỢP k i m TRÊN THÊ GIỚI VÀ VIỆT NAM ed 2.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT THÉP HỢP KIM ui TRÊN THÊ GIỚI w lib T ỷ lệ sản xuất thép hợp kim nước phụ thuộc vào... HỌC VÀ KỸ THUẬT HỢP KIM HOÁ THÉP TRẠNG THÁI LỎNG ui + Hợp kim lioá irình đưa vào kim loại lỏng hay đặc vài nguyên tố hợp kim để chế tạo thép hợp kim có thành phần hố học xác định cho thép lib hợp. .. 2.1.3 Quá trình sản xuất thép hợp kim khịng gỉ lib L ịch sử thép khơng gỉ bắt dầu từ việc phát minh tác dụng nguyên tỏ' -w ww crôm cho thêm vào thép tạo đặc tính ưu việt đến việc sản xuất công nghiệp