Nghiên cứu đúc thép theo mác G13 bằng phương pháp mẫu hóa khí cho những sản phẩm đúc cỡ trung bình

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường Việt Nam, các sản phẩm thép ...được nhập vào Việt Nam, tạo ra sự so sánh về chất lượng, mẫu mã, và hiệu quả kinh tế với các sản phẩm tro

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

-Luyện Kim Miền Nam

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.2 MẪU NGHIÊN CỨU 32

2.4 THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 33

3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 36

3.4.6 Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn kích thước hạt cát không

3.4.8 Nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn áp suất chân không 47

3.4.9 Kết luận nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn thông số kỹ thuật

3.6.1 Nghiên cứu đánh giá thành phần hóa học của sản phẩm

3.7 TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 51

3.7.3 Dự kiến hiệu quả kinh tế khi áp dụng kết quả nghiên cứu 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

MỞ ĐẦU Hiện nay chỉ riêng tại phía Nam nước ta , nhu cầu sử dụng các chi tiết làm

từ thép Γ13 trong ngành khai thác đá và chế biến vật liệu liệu xây dựng ước tính lên tới hàng ngàn tấn mỗi năm Chủ yếu là các loại má kẹp, côn nghiền, búa đập,

và các loại tấm lót

Phương pháp chế tạo chủ yếu là theo phương pháp đúc truyền thống đúc trong khuôn cát, với chất kết dính là keo thủy tinh hoặc bentonit pha với nước Với phương pháp này làm tiêu tốn hàng ngàn tấn cát Silic mỗi năm, đi kèm với

phương pháp này một mặt nó tiêu tốn một khỏan chi phí khá cao, mặt khác nó lại thải ra môi trường một lượng chất thải và khí độc đe dọa an toàn trực tiếp tới môi trường làm việc của người lao động cũng như môi trường sống xung quanh

độ chính xác chưa cao

Xuất phát từ vấn đề kể trên chúng ta cần có một phương pháp đúc mới cho

truyền thống là :

tinh, bentonit,

Trong các phương pháp đúc thép tiên tiến và phổ biến hiện nay trên thế giới, giải quyết được vấn đề vừa nêu ra ở trên thì phương pháp đúc mẫu hóa khí ( lost foam casting-LFC) là phù hợp hơn cả Về nguyên lý đây là phương pháp đúc lợi dụng đặc tính của vật liệu xốp để tạo hình mẫu đúc một cách đơn giản và rẻ tiền Khuôn không dùng chất kết dính mà lợi dụng áp lực chân không làm chặt khuôn

và đốt cháy mẫu, mà không cần lấy mẫu ra khỏi khuôn

Phương pháp LFC có các ưu điểm sau:

phương pháp đúc truyền thống, giảm được chi phí sản xuất

kích thước

phải loại đi

gây ô nhiễm môi trường

loạt lớn

Trên cơ sở đơn đặt hàng theo quyết định 6228/QĐ-BCT ngày 10/12/2009

Nhóm thực hiện đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung dưới đây

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NHU CẦU THỊ TRƯỜNG

Hiện nay mỗi năm tại Việt Nam nhu cầu tiêu thụ sản phẩm thép đúc theo mác

Γ13 rất lớn, phục vụ chủ yếu cho các ngành công nghiệp khai thác và chế biến

khoáng sản như: Khai thác than, quặng, khai thác và chế biến đá, vật liệu xây

dựng, sản xuất xi măng

phẩm kể trên, chỉ tính riêng tại các công trường khai thác và chế biến đá thuộc

các tỉnh thành từ Đà nẵng trở vào cho tới Kiên giang, nhu cầu sử dụng các chi

tiết làm từ thép Γ13 ước đạt ~9.000 tấn/năm, dự báo còn tăng trong những năm

tới, do nhu cầu khai thác đá làm vật liệu xây dựng không ngừng gia tăng

Dạng sản phẩm chủ yếu là các loại má kẹp, côn nghiền, búa đập, và các

tấm lót được sản xuất trong nước là chủ yếu, nhập khẩu là rất ít và nếu có

thường đi theo máy nguyên bộ vào Việt Nam

Theo chu kỳ làm việc do va đập, chà siết dưới áp lực rất lớn nên chúng bị

bào mòn dần cho tới khi phải thay thế bằng sản phẩm mới.Thời gian tùy thuộc

vào cơ tính của đá tại từng mỏ, và số giờ làm việc của từng máy, trung bình từ 3

đến 5 tháng Có nơi ngắn nhất là 1 tháng, có nơi dài là 1 năm Nên chúng được

xếp vào loại vật tư phải thay thế thường xuyên

Dưới đây là tên và trọng lượng một số chi tiết đồng bộ theo dây chuyền

được sử dụng rộng rãi trên thị trường Việt Nam hiện nay :

Bảng 1-1 Hệ dây chuyền nghiền sàng đá do Liên bang Nga sản xuất

Tên dây chuyền

Trọng lượng hàm sơ cấp (bộ 2 tấm), kg

Trọng lượng hàm thứ cấp (bộ

2 tấm), kg

Trọng lượng côn nghiền (bộ 2 cái),

kg

Trọng lượng chèn hàm

( bộ 4 tấm),

kg

Tuổi thọ vật tư, tháng

Ngoài ra còn hàng trăm loại máy nghiền khác được nhập khẩu vào Việt

Nam từ nhiều nước khác nhau nên chủng loại rất phong phú và đa dạng, trọng

lượng từ vài chục kilogram cho đến vài tấn mỗi chi tiết, nhưng có trọng lượng

tương đương các loại kể trên là chủ yếu

Dưới đây trình bầy cấu tạo của loại máy nghiền má kẹp( loại má lắc phức tạp)

phổ biến nhất trên thị trường hiện nay

Hình 1-1 Cấu tạo máy nghiền má kẹp

Hàm, côn nghiền Búa đập Tấm lót máy nghiền xi măng

Hình 1- 2 Một số loại chi tiết tiêu biểu làm từ vật liệu thép chịu mài mòn va đập Γ13

trường này phải kể đến: Công ty cổ phần cơ khí Đông Anh ( Hà Nội) , Công ty Thiết bị phụ tùng Hòa Phát – Tập Đoàn Hòa Phát, công ty TNHH Đúc thép Thắng Lợi ( Nam Định), Công ty cơ khí đúc Duyên Hải (Đồng nai), Công ty cơ khí đúc Thái Bình Dương ( Đồng nai)

đang ngày một tăng lên Do lâu nay khách hàng có thói quen sử dụng sản phẩm

có giá bán cạnh tranh mà chưa đòi hỏi nhiều đến phần chất lượng và mẫu mã sản

phẩm, bề mặt chưa nhẵn đẹp, trong quá trình sử dụng vẫn thừơng xuyên có hiện tượng nứt, vỡ, nhanh mòn

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường Việt Nam, các sản phẩm thép

được nhập vào Việt Nam, tạo ra sự so sánh về chất lượng, mẫu mã, và hiệu quả kinh tế với các sản phẩm trong nước cùng loại làm cho các khách hàng trong nước có nhiều sự lựa chọn, họ tính toán kỹ hơn về hiệu quả sử dụng và tuổi thọ sản phẩm, từ đó ngày càng khắt khe hơn trong việc lựa chọn sản phẩm bán trên thị trường, tạo ra sự cạnh tranh ngày càng gay gắt về chất lượng, mẫu mã cũng như giá thành giữa các nhà sản xuất nội địa

hoặc hỗn hợp cát trộn bentonite Rất ít công ty sản xuất trang bị đầy đủ máy móc trang thiết bị từ phân tích hóa kiểm soát thành phần cho tới quá trình nhiệt luyện kiểm soát nhiệt độ tôi thép, gia công cơ khí sau đúc chưa đầy đủ nên chi tiết lắp ráp chưa chính xác cao Vì vậy chất lượng sản phẩm không đồng đều và còn thấp hơn nhiều so với sản phẩm cùng loại nhập từ nước ngoài Và cũng chính vì lý do trên nên giá trị kinh tế còn chưa cao

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

hoặc mẫu tự tiêu Năm 1958, H.F Shroyer – người Mỹ phát minh ra kỹ thuật đúc kim loại dùng mẫu nhựa bọt xốp (foam) và được nhận bằng phát minh (số bằng phát minh USP 2830343), đầu tiên mẫu được gia công từ tấm vật liệu polystyrene (EPS), dùng hỗn hợp cát - đất sét làm khuôn đúc mỹ nghệ Theo phương pháp này, làm khuôn xong không cần lấy mẫu, sau khi rót kim loại lỏng vào khuôn, mẫu sẽ tự bốc cháy lộ ra những không gian trống để điền đầy kim loại lỏng Sau khi kim loại lỏng đông đặc vật đúc sẽ hình thành Năm 1961, Công ty Grunzweig

và Hartmann – nước Đức đã mua bản quyền này và có cải tiến để đến năm 1962 đưa vào ứng dụng trong thực tiễn sản xuất Kỹ thuật dùng cát khô không chứa chất dính trong sản xuất vật đúc do H Nellen (Đức) và T.R Smith (Mỹ) đăng ký bản quyền năm 1964 Vì trong quá trình rót vào khuôn không chất dính thường xuyên có hiện tượng sụt lún (slump) nên năm 1967 A Wittemoser – người Đức dùng các hạt sắt nhiễm từ làm vật liệu khuôn thay thế cho cát thạch anh và từ trường được dùng làm “chất dính” nên phương pháp này còn được gọi là “đúc trong khuôn từ” Cũng vì máy làm khuôn từ khó tạo được các khuôn kích thước lớn , độ phức tạp cao nên năm 1971 Nagano – người Nhật phát minh ra phương pháp V (phương pháp đúc trong khuôn chân không) Ở đây cát khô không chứa chất dính được dùng làm vật liệu khuôn, dùng biện pháp hút chân không để cố định cát khuôn và tạo nên hốc khuôn phục vụ cho quá trình rót kim loại lỏng Từ phương pháp này, ngày nay rất nhiều nơi dùng phương pháp hút chân không để

cố định cát trong khuôn mẫu hóa khí, một mặt khắc phục được hiện tượng sụt lún

cát trong quá trình rót, mặt khác có lợi cho việc phân huỷ mẫu nhựa xốp và loại trừ chúng Trước năm 1980, nếu dùng công nghệ cát khô không chứa chất dính phải được sự đồng ý của công ty “Công nghệ khuôn hoàn chỉnh” (Full Mold Process, Inc) – Mỹ Sau này, bản quyền trên không còn hiệu lực, do đó 20 năm gần đây kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu hóa khí trên phạm vi toàn thế giới rất phát triển

Nhìn chung kỹ thuật đúc trong khuôn mẫu hóa khí trải qua ba giai đoạn:

- Giai đoạn thứ nhất: Dùng nhựa bọt xốp làm mẫu và cát - đất sét làm khuôn, khuôn được chế tạo trên máy làm khuôn (ví dụ như máy ép, máy dằn)

- Giai đoạn hai: Dùng nhựa xốp làm mẫu, cát nhựa (vô cơ hoặc hữu cơ) làm khuôn

- Giai đoạn ba: Dùng mẫu tự tiêu và các hạt vật liệu khuôn không chứa chất dính, đầm khuôn bằng phương pháp vật lý (chân không hoặc từ trường)

Đúc bằng mẫu hóa khí được viết tắt theo tiếng Anh là LFC (Lost Foam Casting) hoặc EFC (Expandable Pattern Casting), cũng còn gọi là đúc trong khuôn hoàn chỉnh (Full Mold Casting)

Công nghệ đúc mẫu hóa khí – hút chân không ngày nay đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi vào sản xuất tại nhiều nước trên thế giới, trong đó phải kể đến Mỹ, năm 1998 chỉ tính riêng tại Mỹ, sản lượng đúc trong khuôn mẫu hóa khí đã đạt khoảng 14.000 tấn

Tại Châu Á, Quốc gia có nên kinh tế mới nổi Trung Quốc năm 2006 theo thống

kê có sản lượng đúc theo phương pháp mẫu hóa khí là 300.000 Tấn, sản phẩm chủ yếu là gang và thép, ngoài ra mộ số nước như Ấn độ, Malaysia, Thái Lan cũng sử dụng rộng rãi công nghệ này

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta đã có một số nơi nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc mẫu hóa khí như: Viện Công nghệ thuộc Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp, Công ty cơ khí dệt may Thủ Đức (TEXENCO), công ty TNHH Đúc thép Thắng Lợi , công ty Vippon tuy nhiên chủng lọai sản phẩm mới chỉ tập chung ở một số chi tiết nhỏ có trọng lượng thấp Như vậy khả năng ứng dụng rộng rãi đối với công nghệ này còn rất hạn chế

1.2.3 Nhận xét chung

Công nghệ đúc mẫu hóa khí - LFC ngày nay trên Thế giới đã rất phát triển và được xem như một công nghệ “xanh” trong lĩnh vực đúc chế tạo chi tiết máy Không chỉ ở những nước phát triển như Mỹ và châu Âu, Nhật Bản hiện nay một số nước có nền kinh tế mới nổi như Trung Quốc, Ấn độ cũng đã ứng dụng rộng rãi công nghệ này

Còn tại Việt Nam chúng ta việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ này trong sản xuất đúc tuy đã đạt được một số kết quả nhất định, song vẫn ở mức khiêm tốn cả

ở mức độ quy mô cũng như chủng loại sản phẩm Chính vì lý do trên cần có sự

đầu tư nghiên cứu mở rộng hơn về công nghệ này, ứng dụng vào trong thực tế sản xuất ra các sản phẩm đang có sức hút trên thị trường Tạo được lợi thế cạnh tranh, cũng như phát huy được tính ưu việt của công nghệ này

1.3 LÝ THUYẾT CƠ SỞ

1.3.1 Thép Hadfield- Γ13

Về lịch sử hình thành và phát triển của họ thép này ra đời vào khoảng năm

1882 do ông Robert Hadfield phát minh ra ban đầu có hàm lượng là 1.2%C - 12%Mn và từ đó họ thép này gắn liền với tên ông luôn nên còn có một tên gọi khác là thép Hadfield Kể từ lúc đó đến nay trải qua nhiều năm nhiều lần hiệu chỉnh thành phần so với ban đầu thì thép Hadfield đến nay đã được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau

1.3.1.1 Tổ chức kim loại, giản đồ pha của thép Γ13

Thép hadfield - Γ13 là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc dưới tải trọng va đập Thép có tổ chức Austenit ngay ở nhiệt độ thường, chứa cacbon và mangan cao Giống như chức năng của niken, mangan là một nguyên

tố hợp kim cơ bản và có tác dụng tạo tổ chức Austenit rất mạnh nhưng điểm đáng lưu ý ở đây là mangan lại là một nguyên tố hợp kim có giá rẻ hơn nhiều so với niken

Hình 1.3 Mạng tinh thể thép Austenit

Hình1.4 Mạng tinh thể Mactenxit Dưới tác dụng của tải trọng va đập lớp bề mặt sẽ chuyển biến từ tổ chức austenit thành tổ chức mactenxit ( độ cứng từ ~200HB lên 500HB), trong khi đó lõi vẫn giữ tổ chức austenit dẻo, dai Do cơ chế tự biến cứng khi chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại và không bao giờ bị mất đi khả năng làm việc

Để đạt được tính chống mài mòn tối đa thép hadfield thường được austenit hóa bằng cách nung nóng lên trên 1000o C để cacbit mangan hòa tan hết vào austenit rồi sau đó làm nguội nhanh trong nước làm cho cacbit trên không kịp tiết ra trở lại Về hình thức thực hiện thao tác trên rất giống tôi, nên trong thực tế vẫn thường gọi là tôi

Γ13 Các điều kiện kỹ thuật của nó được quy định ở tiêu chuẩn ΓΟCT 2176-77 Thép có thành phần hóa học như sau:

Bảng 1- 2 Thành phần hóa học của thép đúc 110 Γ13Λ

0,90-1,40 0,80-1,00 11,5-15,0 1,00 max 1,00 max 0,30 max 0,05 max 0,12 max

Bảng 1-3 Cơ tính của vật đúc thành dày 30mm bằng thép mác 110 Γ13Λ sau khi tôi 1050-1100 o C trong nước

• Nhạy cảm với đốm trắng không

Theo tiêu chuẩn Mỹ

Thép đúc Hadfield của Mỹ hợp kim hóa bằng mangan và có tổ chức austenit được quy định trong tiêu chuẩn ASTM A128-90 trình bày trong bảng sau:

Bảng 1-4, Thành phần hóa học ( %) của các mác thép Hadfield của Mỹ theo

Bảng 1-5 Thành phần hóa học (%) theo tiêu chuẩn JIS G5131-91của Nhật

Mác thép C Mn P, max S, max Si, max Cr V

Trong thực tế sản xuất người ta còn sử dụng một số Mác thép hợp kim Mn cao có bảng thành phần hóa học trình bày dưới đây:

Bảng 1-7 một số Mác thép Mangan cao được sử dụng ở trạng thái đúc trong sản xuất Type C Mn Cr Mo Ni Si, max P,max

Trên (hình 1-5) trình bày giản đồ pha của hệ Fe-Mn Trong hình này ta thấy

rõ khả năng hòa tan vào sắt theo nhiệt độ Mnγ có mạng lập phương diện tâm với thông số mạng gần giống Feγ do vậy chúng có khả năng hòa tan vô hạn vào nhau với lượng Mn đủ lớn thép sẽ có tổ chức thuần austenit ở nhiệt độ thường

Hình 1-5 Giản đồ pha Fe-Mn

Ở (hình 1-6) dẫn ra một giản đồ 3 nguyên của hệ Fe-C-Mn Nhìn vào giản đồ ta thấy ở vùng nhiệt độ trên đường Acm là tổ chức Austenit Tổ chức này được tạo

ra do sự tạo thành dung dịch rắn của Mn và C Tính ổn định của tổ chức này chịu

Hình 1.6 Giản đồ pha Fe-C-Mn

sự chi phối bởi hàm lượng hai nguyên tố Mn và C trong sắt và thành phần tồn tại

ổn định tổ chức này ở nhiệt độ thường và kể cả ở nhiệt độ thấp được mô tả rõ trên hình, cho thấy tổ chức Austenit rất ổn định tồn tại ở nhiệt độ -320ºF tức -195ºC Hàm lượng C cao trong thép có mối quan hệ mật thiết với tính ổn định của tổ chức Austenit và C có khả năng tan nhiều vào tổ chức Austenit này hơn

Độ tan của C trong thép 13%Mn được thấy rõ trong (hình 1-7) Và cũng trên hình này chỉ rõ rằng để chuyển biến hoàn toàn hạt cacbit thành Austenit cần nung nóng thép lên trên Acm

Hình 1-7 Độ tan của C trong thép 13% Mn

1.3.1.2 Tác dụng của các nguyên tố hợp kim với cacbon

a Các nguyên tố không tạo cacbit

Gồm Ni, Si, Co, Al, Cu, chúng không có khả năng kết hợp với C trong thép thành cacbit, chúng chỉ có thể ở dạng dung dịch rắn với sắt Trong đó Si và Co không những không tạo cacbit mà còn ngăn trở cacbon kết hợp với sắt và các nguyên tố khác, do vậy thúc đẩy cacbon trong thép ở dạng graphit hoặc làm cacbon dễ bị cháy thoát đi trong quá trình nung nóng khi nhiệt luyện

b Các nguyên tố tạo cacbit hợp kim

Là các nguyên tố kết hợp với cacbon tạo thành cacbit hợp kim trong thép Người ta thấy rằng tất cả các nguyên tố ấy đều có số điện tử ở tầng d ít hơn so với tầng d của sắt Theo lý thuyết số điện tử ở tầng d là 10, nhưng ở sắt chỉ có 6,

số điện tử càng thiếu khả năng tạo cacbit càng mạnh, cacbit tạo thành càng ổn định, khó bị phân hủy khi nung nóng Chính vì tính chất này chúng gây khó khăn cho quá trình austenit hóa khi nung nóng thép không mong muốn

Bảng 1-8 Sự phân bố điện tử ở các lớp, tầng của một số kim loại

điện tử của nguyên tố hợp kim, do vậy cacbit có liên kết kim loại, có một số tính chất của kim loại

thép cacbon, cacbit hợp kim cũng có tác dụng làm tăng cứng, tính chống mài mòn của thép, giữ cho hạt austenit nhỏ mịn khi nung nóng ở nhiệt độ cao, do vậy lượng cacbon và nguyên tố hợp kim cần được tính toán chặt chẽ sao cho đạt được cơ tính tốt nhất cho thép

1.3.1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới quá trình nhiệt luyện thép Γ13

Quá trình tạo thành austenit trong thép Γ13 khi nung nóng cũng bao gồm các giai đoạn: tạo mầm austenit, sự hòa tan của cacbit dư vào austenit và đồng đều hóa

Người ta nhận thấy cacbit hợp kim hình thành từ các nguyên tố tạo cacbit càng mạnh thì càng khó hòa tan đặc biệt là Ti và V

Sự đồng đều hóa thành phần của austenit cũng khó khăn hơn, do tốc độ khuếch tán của các nguyên tố hợp kim thấp hơn rất nhiều so với cacbon

Nếu thép được hợp kim hóa bằng những nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, đặc biệt là Ti, V, W, Mo thì do sự khó tan của các cacbit đó nằm ở biên giới hạt làm cản trở sự sáp nhập giữa các hạt mà giữ được hạt austenit nhỏ mịn khi nung nóng

Ngoài cacbit ra, một số nguyên tố hợp kim như: Al, V, Nb, Ti có thể tạo nên các pha oxit, nitrit rất khó tan cũng có tác dụng giữ cho hạt austenit nhỏ mịn

Hai nguyên tố không tạo thành cacbit là niken và Silic cũng được xem là các nguyên tố cản trở sự phát triển của hạt austenit, nhưng không rõ nét

Mangan là nguyên tố tạo cacbit duy nhất không những không cản trở mà còn thúc đẩy sự phát triển của hạt austenit Cơ chế làm to hạt austenit của nó chưa

giải thích được

nóng đến nhiệt độ cao hơn và thời gian giữ nhiệt lâu hơn, song vẫn giữ được hạt austenit nhỏ mịn

Do các tính chất đã phân tích ở trên, các nguyên tố hợp kim tạo cacbit mạnh như: Ti, V, W, Mo có vai trò rất tích cực trong tổ chức pha của thép austenit Mangan Chỉ với hàm lượng nhỏ các nguyên tố này cũng cải thiện đáng

kể cơ tính của thép, chúng cho các hạt austenit nhỏ mịn, tăng cường tính dẻo dai cho thép Các hạt mactenxit sinh ra từ các pha này cũng có kích thước nhỏ mịn

do vậy có độ cứng rất cao, cải thiện đáng kể khả năng chịu mài mòn va đập Nhưng do các hợp kim này có giá trị kinh tế cao, khi hợp kim hóa bằng các nguyên tố này làm tăng chi phí lên rất nhiều Do vậy khi sử dụng các nguyên tố này cần phải cân nhắc về mặt hiệu quả kinh tế

rẻ tiền như Cr, cao hơn một chút là Mo, mang lại giá trị sử dụng, và lợi ích kinh

nên trong thép dễ xuất hiện

Fe3P gây dòn ở nhiệt độ

thường Là nguyên tố thiên

tích mạnh khi kết tinh nên

ảnh hưởng xấu tới cơ tính của

thép

Độ thiên tích của Phôtpho rất

lớn chỉ kém lưu huỳnh, gây

ra sự không đồng đều trong

tổ chức thép Vì vậy việc khử

tạp chất có hại này ra khỏi

thép lỏng là một nhiệm vụ

quan trọng không thể bỏ qua

trong quá trình luyện thép

Hình.1-8 giản đồ trạng thái Fe-P

b Sulfua

Lưu huỳnh tạo nên hợp chất FeS và MnS trong thép Mangan cao, trong sắt lỏng Fe và FeS có thể hòa tan vô hạn vào nhau, song trong sắt đặc độ hòa tan của FeS lại rất nhỏ khoảng 0,015-0,020% Vì vậy khi hàm lượng S trong thép cao hơn 0,02% thì trong quá trình nguội, do kết quả của việc kết tinh chọn lọc, sẽ hoàn toàn tiết ra và tập chung trên tinh giới Khi nung nóng thép tới nhiệt độ trên

Hình 1-9 Giản đồ trạng thái hệ Fe-FeS

hiện tượng bở nóng trong thép Do vậy trong quá trình luyện thép phải đạt được hàm lượng S càng thấp càng tốt

c Oxi

Độ hòa tan của ôxy trong thép là khá lớn, ở nhiệt độ 1600oC là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxít FeO, Fe2O3, Fe3O4 Ôxy và sắt tạo thành dung dịch đặc khiếm khuyết nên sau khi hòa tan vào sắt, mạng tinh thể bị xô lệch, do đó cơ tính giảm, gây hiện tượng giòn

d Nitơ và hyđô

tính của thép mà còn là nguyên nhân chủ yếu tạo ra các khuyết tật như vết nhăn, các bọt khí và lỗ xốp Hyđrô còn tạo ra khuyết tật điểm trắng Vì vậy nghiên cứu hành vi của chúng trong quá trình nấu luyện và đúc rót, sẽ cho ta biện pháp khử

bỏ các tạp chất có hại này tới mức thấp nhất, nâng cao chất lượng thép là điều rất

có ý nghĩa

Hàm lượng khí trong thép phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng hơi nước và phân áp nitơ trong lò, thời gian nấu luyện, tính chất của xỉ Đồng thời trong quá trình đúc rót thép lỏng vừa bị ôxy hóa vừa hấp thụ khí nitơ Vì vậy phải xử dụng các biện pháp bảo vệ khi đúc rót để giảm hàm lượng khí trong thép

1.3.1.5 Ảnh hưởng của quá trình đúc rót tới cơ tính của thép

Quá trình đúc rót hợp lý làm cho chi tiết đạt được sau khi kết tinh đặc chắc

và đồng đều, thuận lợi cho quá trình nhiệt luyện nung nóng, làm lạnh ít gây ứng suất dẫn đến nứt vỡ sản phẩm

Quá trình thiết kế hệ thống rót, ngót hợp lý còn tạo điều kiện cho việc cắt tách đậu ngót dãnh dẫn một cách dễ dàng Do vậy cần sự tính toán tỉ mỉ, chính xác trong quá trình thiết kế, góp phần tăng năng suất giảm chi phí

Quá trình thiết kế phải cho ra các kết quả:

Quá trình rót thép liên tục, hệ thống rót hợp lý, các thiết diện thiết kế phải vừa đủ cho lưu lượng, đảm bảo tốc độ điền đầy khuôn chính xác, lọc xỉ tốt không gây cuộn xỉ Dòng chảy êm hạn chế tối đa hiện tượng cuộn khí, xói mòn cát gây rỗ khí, rỗ cát cho vật đúc

1.3.1.6 Quá trình khử tạp chất trong luyện thép

hàm lượng tạp chất, sự phân bố của chúng, hình dạng cấu trúc của từng loại có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của thép Chính vì vậy khử bỏ tạp chất ra

khỏi thép là một công đoạn không thể bỏ qua để có thép chất lượng tốt

Nguồn tạp chất chủ yếu từ 3 nguồn:

không được loại bỏ hết vào trong xỉ

liệu

• Tạp chất từ vật liệu chịu lửa trong quá trình nấu luyện hoặc rót thép

bị bào mòn, tẩm thực hóa học và cơ học lẫn vào trong thép các oxít như:

SiO2, Al2O3, MgO

Trong thực tế sản xuất, nếu thực hiện tốt quy trình từ khâu tuyển lựa, làm sạch nguyên liệu cho đến nấu luyện đúc rót có thể loại bỏ tốt tạp chất trong các khâu này, Nhưng đối với các tạp chất là sản phẩm của quá trình khử oxi trong và ngoài lò luôn là một thách thức đối với các nhà luyện kim

Để hạn chế tạp chất phi kim loại và khí trong luyện đúc tái chế thép, người

ta thường dùng các biện pháp sau:

*Khử bỏ bằng cách rửa sạch, sấy khô và bảo quản hợp lý, phân loại nguyên liệu nấu luyện ban đầu

*Chọn chế độ nấu luyện thích hợp ( môi trường xỉ, nhiệt độ thép lỏng)

*Các thiết bị như nồi rót, máng rót, vật liệu chịu lửa được sử dụng trong đúc rót cần được sấy khô và làm sạch cẩn thận

a Quá trình khử photpho

Trong kim loại, Photpho thường tồn tại ở dạng Fe3P, Fe2P và P Song đa số khi

nghiên cứu các phản ứng cân bằng vẫn thường dùng dạng photpho nguyên tử

Phản ứng khử Photpho được biểu diễn như sau:

2[P] +5(FeO) → (P2O5) + 5[Fe]

2[P] + 8(FeO) → (3FeO P2O5) + 5[Fe]

5 2 ] [

) (

P

O P

hoặc Lp =[ ] 2

) (

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) → (CaO)4 P2O5 + 5[Fe]

Hằng số cân bằng của phản ứng trên là:

(2)

tự do tồn tại, thì sự kết hợp bền chắc của CaO và P2O5 bị phá hủy theo phản ứng:

(CaO)4 P2O5 +2SiO2 → 2(CaO)2.SiO2 + P2O5

Vì vậy điều kiện cần thiết để khử photpho là hàm lượng CaO trong xỉ phải

đủ để hình thành (CaO)4 .P2O5), (CaO)2.SiO2), và các chất hóa hợp khác như CaO.Fe2O3 ; CaO.Al2O3 vv nghĩa là xỉ phải có độ bazơ cần thiết

Qua nghiên cứu về sự cân bằng của phản ứng khử photpho, người ta đã rút

ra kết luận rằng xỉ có độ bazơ và tính oxi hóa cao, có khả năng khử photpho lớn

Hình 1-10 Quan hệ giữa khả năng khử Photpho với độ Bazơ của xỉ và lượng (FeO)

Từ hình vẽ ta nhận thấy rằng, khi dùng ( CaO) để nâng cao độ bazơ của xỉ tới một trị số, thì chỉ tăng (CaO) đồng thời với tăng (FeO) mới có hiệu quả cho việc khử photpho Và như vậy chúng ta có thể rút ra kết luận điều kiện khử photpho là:

(3)

11

MnO MgO

CaO

Trong quá trình luyện thép, thông thường giai đoạn vừa nấu chảy xong là phù hợp cho việc khử photpho nhất Vì khi đó nhiệt độ kim loại lỏng còn thấp, FeO trong xỉ cao và kết hợp với điều kiện tạo xỉ trước thì việc khử photpho rất thuận lợi

Ngoài ra còn cần một số yêu cầu:

− Lượng xỉ phải nhiều để hàm lượng (CaO)4 P2O5 thấp

kim loại lỏng tránh hiện tượng photpho hoàn nguyên trở lại

b Quá trình khử sulfua

Trong quá trình luyện thép, việc khử sulfua chủ yếu thông qua xỉ, muốn khử sulfua cần phải chuyển nó thành những dạng hợp chất không hòa tan trong kim loại

Qua nghiên cứu người ta thấy rằng CaS hầu như không hòa tan vào trong kim loại lỏng FeS có độ hòa tan trong thép cao, MnS ít hòa tan hơn Do đó việc chuyển FeS thành MnS trong kim loại và CaS trong xỉ thì dễ dàng tách được CaS

ra khỏi kim loại lỏng

Phản ứng tạo thành MnS trong kim loại là:

[FeS] + [Mn] → [MnS] + [Fe]

Khi trong xỉ có CaO thì trên bề mặt giữa xỉ và kim loại sẽ có phản ứng sau:

Trong giai đoạn oxi hóa, phản ứng khử sulfua xảy ra không đáng kể vì môi trường oxi hóa cao, hơn nữa thành phần kim loại lúc này chưa đạt như mong muốn Giai đoạn hoàn nguyên là giai đoạn khử Sulfua tốt nhất bởi vì: lượng oxi trong kim loại rất ít ( sau khi khử oxi) Đặc biệt ở lò điện không thể dùng oxi để khử sunfua như trong lò thổi Trái lại, nếu trong kim lọai lỏng còn dư nhiều oxi thì không thể khử triệt để sulfua được.Môi trường bây giờ là môi trường hoàn nguyên, có nghĩa là nhiệt bức xạ rất lớn và phản xạ cũng vậy, làm cho nhiệt độ kim lọai lỏng cao, thành phần đồng đều Đặc biệt trong môi trường này, hoạt tính của kim lọai và xỉ lỏng rất cao tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử sulfua Như vậy điều kiện khử lưu huỳnh là:

− Hàm lượng ( FeO) thấp ( xỉ có tính hoàn nguyên), đồng thời phản ứng cháy cacbon tiến hành mãnh liệt nhằm giảm hàm lượng ( FeO) và tăng sự khuấy trộn nhờ ( CO) sinh ra

− Bể kim loại phải sôi mạnh làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và kim loại

sulfua

c Quá trình khử Oxi

Mục đích của quá trình là loại bỏ bớt lượng oxi trong thép Dùng nguyên tố

có ái lực hóa học với oxi lớn hơn ái lực của oxi với sắt, và tách các oxit tạo thành

ra khỏi kim loại lỏng Do vậy điều kiện ở đây là sản phẩm của phản ứng khử oxi- các oxit được tạo ra không hòa tan trong thép lỏng, dễ dàng nổi lên bề mặt xỉ

* Phương pháp khử lắng: Quá trình tiến hành được chia làm 2 giai đoạn, nguyên

tố khử oxi hoàn nguyên ( FeO) tạo ra các oxít không hòa tan trong thép lỏng nổi lên trên bề mặt Sau đó tách các oxit không hòa tan ra khỏi thép lỏng

Người ta thường dùng các nguyên tố khử oxi:

− Sự khử oxi của Mn:

Khả năng khử oxi của Mn thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt độ càng cao thì khả năng khử càng yếu

trường xỉ axit

Sản phẩm tạo ra của quá trình khử (MnO) có thể kết hợp với các oxit khác tạo thành những hợp chất có dung điểm thấp, lợi cho việc khử bỏ chúng ra khỏi thép Khi Mn tồn tại đồng thời với các nguyên tố khử oxi khác, nó có thể làm tăng khả năng khử oxi của các nguyên tố đó

Thuốc khử oxi là Mn thường được dùng ở dạng FeMn có hàm lượng khác nhau Rất may là đối với thép Γ13 hàm lượng Mn cao lên sẵn có tính chất khử oxi này

- Sự khử oxi của Si:

Điều kiện thuận lợi để tạp chất dễ nổi lên trong thép lỏng:

thuốc khử khác nhau, kết hợp cả thuốc khử tính axit và bazơ

Hình 1-11 Khả năng khử oxi của một số nguyên tố ở 1600 o C

Hình 1-12 Quan hệ giữa nồng độ cân bằng của Cacbon và Oxi hòa tan trong sắt

lỏng ở 1600 0 C khi phân áp CO thay đổi

Nội dung phương pháp khử oxi khuếch tán là loại bỏ xỉ cũ, tạo xỉ mới bằng cách cho hỗn hợp khử oxi dạng bột lên mặt xỉ lỏng.Thành phần của chất hỗn hợp thường dùng là vật liệu có chứa Cacbon như than cốc, than gỗ hoặc graphit Điều kiện tất yếu của phương pháp khử oxi khuếch tán là phải khống chế cho môi trường khí trong lò là môi trường hoàn nguyên để các thành phần trong hỗn hợp không bị cháy hao nhiều

Ưu điểm của phương pháp này là có thể thu được thép chứa tạp chất phi kim loại thấp vì quá trình khử oxi tiến hành giữa bề mặt tiếp xúc xỉ – kim loại, sản phẩm khử oxi còn lại trong thép tự nhiên giảm bớt

Nhược điểm của phương pháp này là thời gian khử oxi quá dài, năng suất thấp Để lọai bỏ nhược điểm này có thể dùng phương pháp khử oxi bằng xỉ tổng hợp Phương pháp được tiến hành như sau:

Nguyªn tè khö «xy, %

Tạo trước một loại xỉ chứa FeO thấp trong một thiết bị khác, chứa vào một thùng rót thép , sau đó đổ thép lỏng chưa khử oxi vào thùng với tốc độ cao, làm cho xỉ và thép khuấy trộn mãnh liệt Lợi dụng sức căng bề mặt tiếp xúc giữa xỉ và kim loại để tăng tốc độ quá trình khử oxi

* Phương pháp khử oxi chân không

Muốn cải thiện một cách căn bản chất lượng thép thì phải dùng phương pháp khử oxi chân không Vì các phương pháp khử oxi khác hầu như không có khả năng hoàn toàn loại bỏ tạp chất ra khỏi thép Mặc dù trong quá trình nấu luyện sản phẩm khử oxi có thể được khử bỏ hoàn toàn khỏi kim loại lỏng nhưng việc sinh

ra các oxit mới vẫn không thể tránh được Đó là vì phản ứng oxi thuộc vào loại phản ứng phát nhiệt cho nên trong quá trình rót thép và đúc, cân bằng vẫn di chuyển vể phía hình thành sản phẩm của phản ứng

Phương pháp khử oxi chân không dùng cacbon làm thuốc khử oxi

cũng giảm Vì vậy việc ứng dụng chân không trở thành một biện pháp hữu hiệu

để nâng cao khả năng khử oxi của cacbon

1.3.2 Nhiệt luyện thép Γ13

mòn va đập tốt nhất thì sau khi được tạo hình, cần phải trải qua quá trình xử lý nhiệt ( tôi nước) một cách nghiêm ngặt Nhằm mục đích chuyển hóa hoàn toàn các hạt tinh thể cacbit được tạo ra trong quá trình đúc thành tổ chức austenit dẻo daí Sở dĩ cần phải tiến hành một cách nghiêm ngặt bởi vì do đặc điểm của mác thép có hàm lượng cacbon và mangan khá cao nên tính dẫn xuất nhiệt thấp, bên cạnh đó hệ số dãn nở nhiệt lại cao (2,6-2,7%) do vậy rất dễ gây ứng suất nhiệt trong quá trình nung nóng, dẫn đến nứt vỡ chi tiết không mong muốn

Quá trình xử lý nhiệt cần phải trải qua 3 giai đoạn chính như sau:

quy trình phù hợp và nghiêm ngặt Đây là giai đoạn có mục đích làm xảy ra chuyển biến Peclit và xementit II thành austenit hòa tan trong thép Ngoài việc phải cung cấp đầy đủ một nhiệt lượng làm cho chuyển biến đó xảy ra, thì việc điều khiển tốc độ nhiệt ở từng khoảng nhiệt độ cũng là một vấn đề quan trọng

không kém nếu không muốn xảy ra ứng suất nhiệt gây nứt vỡ chi tiết

trì ở một tốc độ chậm, cố định Sở dĩ như vậy là do: quá trình nung nóng từ nhiệt

nhiệt do vậy cần nâng nhiệt với một tốc độ chậm để chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi chi tiết không quá lớn, tránh nứt, gẫy.Thường quá trình này người ta

vì giai đoạn này bắt đầu chuyển biến austenit hóa, và chuyển biến hoàn toàn ở

cung cấp năng lượng liên tục, nhanh để số mầm sinh ra càng nhiều càng tốt, kích thước hạt austenit càng nhỏ mịn càng tốt (vì năng lượng để tạo mầm lớn hơn rất nhiều là phát triển mầm) và do vậy tăng nhanh nhiệt độ trong quá trình này sẽ cho ta hạt austenit nhỏ mịn, dẻo daí

[Fe + Fe3C] → Feγ Trên hình 1-13 giản đồ Fe-C , cũng như trên hình 1-7 giản đổ Fe-Mn cho ta thấy

rõ khoảng nhiệt độ nung cần đạt tới để chuyển biến xảy ra hoàn tòan

ngoài bề mặt vào bên trong lõi chi tiết một cách đồng đều, vì quá trình nung nóng nhiệt độ trong lõi thấp hơn bề mặt, làm cho đồng đều tổ chức kim loại trên toàn bộ thể tích chi tiết Hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung nóng, làm đồng đều thành phần austenit Do austenit được tạo ra từ peclit, trong đó xementit và ferit có thành phần cacbon rất khác nhau, nên lúc mới đầu nó có thành phần cacbon rất không đồng đều, nên cần giữ nhiệt để đảm bảo khuếch tán đồng đều thành phần Tính toán thời gian giữ nhiệt cũng là một bài toán khó cần phải giải vì: nếu thời gian giữ nhiệt không đủ thì không đạt được mục đích, còn nếu giữ nhiệt quá lâu, một mặt làm tăng chi phí, mặt khác làm cho các hạt austenit trở lên thô to, giảm cơ tính của thép Đồng thời ở nhiệt độ này hiện tượng thoát cacbon xảy ra rất mạnh cũng làm giảm đáng kể cơ tính thép ( theo tài liệu nghiên cứu lớp thoát cacbon trên bề mặt có thể lên tới 4mm), tăng thời gian giữ nhiệt càng làm tăng lượng cacbon thoát ra

toán thời gian giữ nhiệt hợp lý, ngòai ra còn tùy thuộc hình dạng chi tiết mà có các hệ số tính toán cụ thể Đối với các chi tiết đơn giản, cứ mỗi 25mm tăng thêm thì thời gian giữ nhiệt tăng 30 phút

Hình 1-13 Giản đồ Fe - C

Hình 1-14 Chuyển biến pha khi làm nguội thép austenit Mn