Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép công cụ hợp kim mác X38CrMoV51 làm việc ở nhiệt độ cao

MỞ ĐẦU Thộp cụng cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao là loại thộp được sử dụng rộng rói trong nhiều ngành sản xuất, chế tạo, gia cụng nguyờn nhiờn vật liệu để phục vụ cho nhiều lĩnh vực k

BỘ CễNG THƯƠNG TỔNG CễNG TY THẫP VIỆT NAM-CTCP

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Báo cáo tổng kết

Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC Và PHáT TRIểN CấP Bộ

Tên đề tài :

“NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ SẢN XUẤT THẫP CễNG CỤ HỢP KIM

MÁC X38CrMoV5 1 LÀM VIỆC Ở NHIỆT ĐỘ CAO”

_

Cơ quan chủ quản : TỔNG CễNG TY THẫP VIỆT NAM-CTCP

Cơ quan chủ trỡ : VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Chủ nhiệm đề tài : PHẠM THANH SƠN

HÀ NỘI - 2011

BỘ CễNG THƯƠNG

TỔNG CễNG TY THẫP VIỆT NAM-CTCP

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Báo cáo tổng kết

Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC Và PHáT TRIểN CấP Bộ

Tên đề tài :

“NGHIấN CỨU CễNG NGHỆ SẢN XUẤT THẫP CễNG CỤ HỢP KIM

MÁC X38CrMoV5 1 LÀM VIỆC Ở NHIỆT ĐỘ CAO”

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

Họ và tên Học hàm, học vị chuyên môn Cơ quan công tác

1 Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen

2 Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen

3 Nguyễn Hồng Phúc Kỹ sư Viện Luyện kim Đen

4 Phạm Thị Mai Phương Kỹ sư Viện Luyện kim Đen

5 Vũ Thế Anh Kỹ sư Tổng công ty Thép Việt Nam

6 Nguyễn Văn Tháo Kỹ sư Xí nghiệp cơ khí 79

7 Bùi Văn Tiệp Kỹ sư Công ty Cổ phần Thép Hoà Phát

8 Nguyễn Đức Thắng Kỹ sư Công ty Thép Miền Nam

2.1 Nội dung nghiên cứu 252.2 Phương pháp nghiên cứu 26

III KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 26

3.4 Công nghệ gia công cơ khí và chế tạo sản phẩm 34

3.6 Các tính chất của thép công cụ hợp kim mác X38CrMoV5 1 39

MỞ ĐẦU

Thộp cụng cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao là loại thộp được sử dụng rộng rói trong nhiều ngành sản xuất, chế tạo, gia cụng nguyờn nhiờn vật liệu để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khỏc nhau theo nhu cầu và yờu cầu thực tế của sản xuất như chế tạo cỏc loại khuụn đỳc nhựa, khuụn ộp đựn nhụm, khuụn dập thể tớch, khuụn ộp ma sỏt,…; cỏc chi tiết cho dõy chuyền luyện cỏn thộp: con lăn hộp dẫn, con lăn trong lũ, bỏnh cỏn, trục cỏn, bỏnh đẩy, dao cắt phụi,… Cỏc loại thộp này thường được hợp kim hoỏ bằng cỏc nguyờn tố hợp kim là những vật tư đắt tiền nờn giỏ thành của cỏc loại thộp hợp kim khỏ cao Trong sự phỏt triển mạnh mẽ của nền kinh tế thị trường, việc nghiờn cứu tỡm

ra cỏc loại thộp chất lượng tốt và cú giỏ thành cạnh tranh là một hướng đi của cỏc nhà luyện kim hiện nay Một trong cỏc kết quả của hướng đi này là tạo ra thộp cụng cụ hợp kim làm việc trong mụi trường nhiệt độ cao, chịu mài mũn

và va đập cú độ bền cao, chất lượng tốt và giỏ thành cạnh tranh

Việc nghiờn cứu sản xuất cỏc loại thộp hợp kim đạt chất lượng tốt để đỏp ứng như cầu của ngành cụng nghiệp sản xuất, chế tạo và gia cụng vật liệu hiện nay của nước ta là hết sức cần thiết và quan trọng Vỡ vậy, năm 2011 Bộ Cụng Thương đó giao nhiệm vụ cho Viện Luyện kim đen thực hiện đề tài

“Nghiờn cứu cụng nghệ sản xuất thộp cụng cụ hợp kim mỏc X38CrMoV5 1 làm việc ở nhiệt độ cao” Mục tiờu của đề tài là xỏc định được cụng nghệ sản xuất thộp cụng cụ hợp kim mỏc X38CrMoV5 1 đạt chất lượng tốt bằng nguyờn liệu và thiết bị sẵn cú trong nước, đỏp ứng được yờu cầu của ngành cụng nghiệp và phỏt triển kinh tế đất nước

Bản báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu này bao gồm các nội dung chính nh− sau:

Trong quỏ trỡnh thực hiện đề tài, chỳng tụi đó nhận được sự chỉ đạo, giỳp

đỡ tạo điều kiện của Vụ Khoa học và Cụng nghệ - Bộ Cụng Thương, Cụng ty

Cổ phần Thộp Hoà Phỏt, Cụng ty Thộp Miền Nam-Tổng cụng ty Thộp Việt Nam – CTCP, Xớ nghiệp cơ khớ 79 – Bộ Quốc Phũng, cựng một số cơ sở sản xuất, chế tạo và nghiờn cứu khỏc Nhõn dịp này, chỳng tụi xin trõn trọng cảm

ơn về sự giỳp đỡ và hợp tỏc đú

bộ phận chịu nhiệt, chịu mài mòn trong mỗi nhà máy cán là khá lớn, cụ thể Nhà máy cán Công ty CP Thép Hoà Phát, Nhà máy cán Công ty Thép Miền Nam, (công suất 400.000 thép cán/năm) mỗi năm phải thay thế trên 600 con lăn mỗi loại (theo thống kê của nhà máy), ngoài ra có nhiều chi tiết khác nữa như bánh đẩy, ống dẫn, dao cắt, Chính vì vậy, với số lượng trên 30 nhà máy cán thép nóng hiện đại hiện nay (sản lượng từ 100.000 ÷ 500.000 tấn/năm) thì nhu cầu sử dụng thép công cụ hợp kim làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, chịu mài mòn là rất lớn Chất lượng của các chi tiết này rất quan trọng trong quá trình sản xuất do đây là những chi tiết tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm nóng, tốc độ sản phẩm cao, ma sát lớn,… nên chúng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, năng suất và an toàn thiết bị,… Do vậy, để tăng cường khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn cho chi tiết, người ta đã tiến hành chế tạo bằng thép có thể làm việc tốt trong môi trường nhiệt độ cao, chịu mài mòn có hàm lượng Mn, Mo, Cr, V đáng kể

Trên thế giới người ta đã nghiên cứu một số loại vật liệu có thể chịu nhiệt

độ cao, chịu mài mòn bằng hợp kim hoá, thêm một số nguyên tố hợp kim quí hiếm như Mn, Mo, V, Cr,…Việc đưa thêm nguyên tố hợp kim như V, Mo, vào đã nâng cao khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn của vật liệu, đồng thời làm tăng khả năng cạnh tranh về chất lượng của sản phẩm trên thị trường

Ở Việt Nam hiện nay cũng có một số nhà máy, xí nghiệp sản xuất thép hợp kim làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, nhưng thường là các loại thép có

độ bền thấp, chất lượng không ổn định Do vậy, nhiều nhà máy, xí nghiệp, xưởng sản xuất, khu vực khai thác và các thiết bị công nghiệp cần sử dụng thép làm việc tốt trong môi trường nhiệt độ cao đã phải tiến hành nhập ngoại

Thép công cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất, chế tạo và gia công vật liệu: dây chuyền cán thép, luyện kim, khuôn mẫu, con lăn truyền dẫn, các chi tiết cơ khí khác

vì chúng có cơ tính tổng hợp cao (độ bền cao, tính chịu nhiệt, mài mòn, va đập, độ bền chống phá hủy cao và có thể làm việc bền lâu trong các điều kiện tải trọng phức tạp,…) Cơ chế của các chi tiết, dụng cụ làm bằng các loại thép làm việc ở nhiệt độ cao là chúng có khả năng chịu nhiệt và thắng được trở kháng biến dạng, độ mài mòn của vật liệu biến dạng và máy móc, thiết bị tác động lên

Trong các loại thép công cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao thì thép X38CrMoV5 1 theo tiêu chuẩn của Đức DIN 17350 có hàm lượng các nguyên tố hợp kim ít hơn, có độ cứng, độ bền khá tốt, phù hợp với điều kiện làm việc của các loại con lăn dẫn hướng trong dây chuyền cán thép Thép này được hợp kim hoá với lượng nhỏ các nguyên tố Cr, Mo, V Thép có hàm lượng các bon trung bình (%C = 0,36 ÷ 0,42) kết hợp với các nguyên tố hợp kim nêu trên đã làm cho mác thép này có độ thấm tôi và tổ chức sau tôi, ram

sẽ tiết ra các loại các bít hợp kim và cấu trúc hạt nhỏ mịn, đạt tính tổng hợp cao, đáp ứng được yêu cầu của các chi tiết làm việc lâu trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn và cần độ bền lớn Chính vì vậy, mác thép X38CrMoV5 1 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực chế tạo các loại khuôn

và dụng cụ làm việc ở nhiệt độ cao Mác thép này được sử dụng khá nhiều ở nước ta trong các thiết bị nhập khẩu: các loại khuôn đúc áp lực dành cho kim loại nhẹ (như nhôm, thiếc, magiê, ), các loại khuôn ép ma sát và cơ học để biến dạng nóng thép, đồng, nhôm và hợp kim của chúng, khuôn để ép đùn nhôm, bạc lót, chày, đầu nong, các dụng cụ và khuôn để chế tạo đinh vít, đai

ốc, đinh tán và bu lông, lưỡi cắt nóng, khuôn đúc nhựa, dụng cụ cho máy biến dạng nóng,… và đặc biệt là các con lăn hộp dẫn trong dây chuyền cán thép Ở các nước khác Nhật, Pháp, Ý, Mỹ, Nga,… cũng sản xuất các loại thép tương tự Thành phần hoá học và cơ tính của các mác thép cùng chủng loại X38CrMoV5 1 DIN 17350 được liệt kê trong bảng 1 và 2

Bảng 1: Một số mác thép công cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao [1]

Thành phần hoá học (%) Tiêu

0,80 ÷ 1,20

0,30 ÷

4,80 ÷ 5,50

1,20 ÷ 1,50

0,25 ÷

4,80 ÷ 5,50

1,00 ÷ 1,50

Bảng 2: Cơ tính của một số thép công cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao [1]

Mác thép X38CrMoV5 1 theo tiêu chuẩn DIN 17350 của Đức, là loại thép công cụ hợp kim (nguyên tố hợp kim chính là Cr, Mo, V,…) sau khi được nhiệt luyện hoá tốt (tôi và ram cao ở 500 ÷ 650 0C) sẽ có độ bền cao, tính chịu nhiệt và chịu mài mòn tốt

Các ngành công nghiệp trong nước, đặc biệt là các nhà máy cán thép sử dụng rất nhiều loại mác thép hợp kim làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, các dụng cụ và chi tiết máy chịu nhiệt, chịu mài mòn lớn, với loại mác thép

Cơ tính Tiêu

chuẩn Mác thép Độ cứng sau ủ

(HBS)

Độ cứng sau ram (HRC)

Độ bền sau ram cao (500 - 650 0 C), MPa

X38CrMoV5 1 chủ yếu được nhập khẩu từ cỏc nước cú nền cụng nghiệp phỏt triển mạnh và một phần nhỏ được sản xuất trong nước nhưng chất lượng khụng đảm bảo Vỡ vậy, việc nghiờn cứu cụng nghệ sản xuất thộp hợp kim dụng cụ làm việc trong mụi trường nhiệt độ cao mỏc X38CrMoV5 1 để sản xuất cỏc chi tiết và dụng cụ chịu nhiệt độ cao, chịu mài mũn là hết sức cần thiết, đỏp ứng được sự phỏt triển của nền cụng nghiệp Việt Nam hiện nay và giảm tối đa sản phẩm phải nhập ngoại

1.2 Ảnh hưởng của cỏc nguyờn tố hợp kim đến cấu trỳc và tớnh chất của thộp X38CrMoV5 1

Như đó nờu ở trờn, mỏc thộp X38CrMoV 5 1 là loại thộp cụng cụ hợp kim làm ở nhiệt độ cao với hàm lượng cỏc bon trung bỡnh và cỏc nguyờn tố hợp kim chớnh là Crụm (Cr), Mụlớpđen (Mo), Vanađi (V), và cựng với một số nguyờn tố hợp kim khỏc là Si, Mn,… Sự kết hợp ảnh hưởng của cỏc nguyờn

tố này đó tạo ra cho mỏc thộp X38CrMoV 5 1, sau khi được gia cụng và nhiệt luyện cú cơ tớnh tổng hợp rất cao, đỏp ứng được cỏc yờu cầu của cỏc dụng cụ

và khuụn mẫu làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao Sau đõy chỳng ta sẽ xem xột ảnh hưởng của cỏc nguyờn tố hợp kim đến cấu trỳc và tớnh chất của thộp mỏc X38CrMoV5 1

- ảnh hưởng của hàm lượng Cácbon (C)

Các bon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch đặc hòa tan có hạn, khi hòa tan trong thép C làm tăng lượng xementit, mở rộng vùng Austenit Ngoài ra C có thể kết hợp với một số nguyên tố hợp kim như Cr, W, Mn, Mo,

Ti, V, Nb, tạo thành cácbit trong thép

Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, tức là nguyên tố tăng độ ổn định của pha austenit Do có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn γ và tạo thành pha cácbít có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt các hợp kim trên cơ sở sắt Cácbon là nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép về mặt định lượng ta thấy rằng cứ tăng 0,1% C, độ cứng HB sẽ tăng khoảng 25 đơn vị Thực nghiệm cho thấy rằng độ cứng HB tăng tuyến tính với hàm lượng cácbon trong thép (hình 2)

Hình 1 Giản đồ trạng thái Fe-C ứng dụng trong điều kiện thực tế

đối với vật đúc bằng thép C và thép hợp kim [12]

Cácbon làm giảm độ dẻo dai của thép, khi hàm lượng cácbon nhỏ độ dẻo (δ, Φ), độ dai va đập (ak) của thép giảm rất mạnh, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi

Chính do cácbon ảnh hưởng lớn đến cơ tính của thép như vậy nên nó quyết

định phần lớn công dụng của thép Vì vậy, khi dùng thép vào việc gì trước hết phải xem hàm lượng cácbon trong mác là bao nhiêu, sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim

Hình 2 ảnh hưởng của C đến cơ tính của thép [12]

Đối với thép cácbon trung bình (0,3 ữ 0,5%C), có độ bền, độ cứng, độ dẻo

đều khá cao và hiệu quả nhiệt luyện rất tốt Tóm lại, loại thép này có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh, chịu mài mòn và va đập cao đặc biệt khi thép kết hợp với một số nguyên tố hợp kim đặc biệt như Vanadi (V), Môlipđen (Mo), Crôm (Cr),… do đó những loại thép này thường được ứng dụng làm các dụng cụ như con lăn chịu nhiệt, khuôn đúc nhựa, khuôn ép đùn kim loại nhẹ, khuôn ép ma sát,

Cỏcbon cú ảnh hưởng õm đến tớnh dẻo, giảm khả năng chống lại sự phỏt triển của vết nứt và giảm tớnh hàn của hợp kim Bảng 3 đưa ra cỏc dạng cacbit khỏc nhau của một số nguyờn tố hợp kim và độ cứng tương ứng của cỏc loại cỏcbit thế hiện trờn hỡnh 3

Hỡnh 3 Độ cứng của một số loại cỏcbit

Bảng 3: Cỏc dạng cỏc bớt khỏc nhau của một số nguyờn tố hợp kim

- ảnh hưởng của nguyên tố Vanađi (V)

Theo tiêu chuẩn TCVN-7446-1-2004 thì trong thép có hàm lượng nguyên

tố vanađi ≥ 0,10 %V thì được coi là thép hợp kim Vanađi là nguyên tố làm thu hẹp vùng γ và khuynh hướng tạo cacbít mạnh hơn Mo, trong thép hợp kim chứa Vanadi thường tạo thành cácbit VC, V2C, V3C, V23C6,… có tác dụng làm cho thép có cấu trúc hạt tinh thể nhỏ mịn, nằm ở biên hạt nên tạo cho thép có độ bền cao, độ đàn hồi lớn và tính dẻo cao Thép như vậy sẽ có tính chịu được va đập mạnh và lực uốn, bền bỉ chống lại được sự mài mòn và chống được sự đứt gãy rất tốt Giản đồ trạng thái của hệ Fe-V và C-Fe-V

được trình bầy trên hình 4 và hình 5

Hình 4 Giản đồ trạng thái hệ Fe-V [12]

Hình 5 Giản đồ trạng thái hệ C-Fe-V [12]

Vanađi nõng cao độ thấm tụi của cỏc đảo austenit hỡnh thành ở vựng nhiệt độ nung tới hạn Thộp chứa vanađi cú thể được làm nguội từ nhiệt độ nung trong khụng khớ hoặc thổi giú đều cú thể thu được tổ chức song pha với tớnh chất đỏp ứng yờu cầu

Vanađi là nguyờn tố tạo thành cacbit mạnh, làm cho cỏc nguyờn tử xen

kẽ rời khỏi ferit, cú tỏc dụng làm nhỏ hạt, làm tăng độ gión dài của ferit, cú tỏc dụng tốt để làm mất đi đoạn gión dài ở giới hạn chảy; đồng thời vanađi làm giảm khuynh hướng húa già của thộp Vanađi cú tỏc dụng tăng độ thấm tụi của ốc đảo γ sau khi nung ở vựng nhiệt độ tới hạn, vỡ ở nhiệt độ nung cỏc cacbit chứa vanađi đó được hũa tan đại bộ phận Nếu trong thộp cú mangan sẽ

thỳc đẩy quỏ trỡnh hũa tan cacbit Cỏc phần tử cacbit vanađi trờn phõn giới austenit và austenit dư cú tỏc dụng neo cứng mặt phõn giới hai pha và đõy cũng là nguyờn nhõn làm tăng độ thấm tụi của austenit Về phương diện này, ảnh hưởng của cacbit vanađi và titan là tương tự Thộp chứa vanađi và titan trong điều kiện cụng nghệ như nhau cú tớnh chất khỏc nhau khụng nhiều

Vanađi cú nhiệt độ núng chảy là 1825 ữ 1912 0C; trọng lượng nguyờn

tử 50,95; đường kớnh nguyờn tử av = 3,03 A Thường dựng vanađi để hợp kim húa thộp kết cấu, thộp cắt gọt, thộp dụng cụ,… Khi nấu luyện nờn cho FeV vào lũ khoảng 5 ữ 7 phỳt trước lỳc thỏo thộp Khụng được cho FeV vào lũ luyện thộp quỏ sớm, nhất là lỳc chưa khử oxy, lưu huỳnh, khớ triệt để vỡ dễ bị oxy húa rất mạnh, mất mỏt vanađi rất nhiều

- Ảnh hưởng của nguyờn tố Mụlipđen (Mo)

Mụlipđen là nguyờn tố hợp kim đặc biệt tạo cho thộp cú khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, Mo là nguyờn tố tạo cỏc bớt rất mạnh, trong thộp hợp kim chứa Mo thường tạo thành cỏcbit đơn như MoC và Mo2C và một số loại cỏc bớt phức tạp khỏc tuỳ theo hàm lượng Mụlipđen, khi đưa vào thộp hoà tan phần lớn vào xờmentớt Mo làm tăng khả năng ram, giảm sự nhạy cảm với dũn ram cựng với Cr làm tăng mạnh độ thấm tụi Khi đưa vào trong thộp, Mo cựng với cỏcbon tạo thành cỏcbit rất cứng và ổn định, cú nhiệt độ núng chảy cao trờn 2000 0C Mo là nguyờn tố làm thu hẹp vựng γ và mở rộng vựng α trong hợp kim với sắt Giản đồ trạng thỏi hệ C-Fe-Mo và Fe-

Mo được trỡnh bày trong hỡnh 6 và hỡnh 7

Hình 6 Giản đồ trạng thái hệ C-Fe-Mo [12]

Hình 7 Giản đồ trạng thái hệ Fe-Mo [12]

Mụlipđen cú tỏc dụng làm nhỏ hạt austenit, Mo tan vào dung dịch làm tăng độ bền cơ học, độ bền mỏi, độ thấm tụi đồng thời tăng tớnh ổn định của hạt cỏc bớt trong thộp, giảm lượng hoà tan của cỏc bớt, tăng tớnh chịu nhiệt và chống khuynh hướng dũn ram của thộp Mo cú thể làm tăng nhiệt độ kết tinh lại của hợp kim, ngăn cản sợ kết tụ của pha hoỏ bền và hỡnh thành cỏc loại hợp chất phức tạp, làm tăng tỏc dụng hoỏ bền phõn tỏn Hỡnh 8 thể hiện sự thay đổi độ cứng của thộp sau ram khi hàm lượng mụlipđen trong thộp khỏc nhau

Hỡnh 8 Ảnh hưởng của Mo đến độ cứng của thộp X38CrMoV5 1 khi ram [12]

Nhược điểm của Mo là dễ gõy hiện tượng thoỏt cỏc bon, làm phức tạp hoỏ quỏ trỡnh nhiệt luyện

Thường cho FeMo vào theo liệu đầu giai đoạn nấu chảy

- Ảnh hưởng của nguyờn tố Crụm (Cr)

Crôm có tác dụng cải thiện tính thấm tôi của austenit dạng ốc đảo hình thành khi nung So với thép song pha không có crôm, thép song pha có chứa crôm cho phép làm nguội chậm mà vẫn thu được phần trăm mactensit tương

đối cao ảnh hưởng của crôm phụ thuộc vào hàm lượng cacbon trong thép Khi % cacbon tăng thì ở nhiệt độ tới hạn cho phép hàm lượng γ% tăng, làm cho % Cr giảm trong mỗi hạt γ sẽ giảm và tác dụng tăng độ thấm tôi đối với γ cũng giảm Crôm còn có tác dụng thúc đẩy C khuếch tán γ làm giảm giới hạn chảy của ferit làm cho thép song pha có giới hạn chảy thấp

Thành phần chủ yếu tạo nên tính không gỉ và tính chịu nhiệt vượt trội của thép và hợp kim chính là crôm ảnh hưởng của crôm thể hiện rõ ràng khi cho vào thép ~5% Thép chứa 5 %Cr có độ bền ôxy hoá tốt đến 600ữ650 0C cao hơn nhiều so với thép cacbon 150ữ200 0C

Thép không gỉ chứa 13 %Cr có độ bền ôxy hoá cao hơn 750ữ800 0C Thép chứa 18ữ20 %Cr đến 900ữ1000 0C, còn thép có 25ữ28 %Cr đến 1100ữ11500C Việc tăng hàm lượng crôm trong sắt làm chuyển dịch về phía cao hơn nhiệt độ bắt đầu ôxy hoá mạnh và xuất hiện sự biến màu do nhiệt trên kim loại

Điều này cho thấy, việc tăng hàm lượng crôm làm giảm độ dày màng mỏng tạo ra trên bề đánh bóng của thép Tính chịu nhiệt cao của thép và hợp kim chứa crôm được lý giải do sự tạo thành trên bề mặt hoàn toàn là ôxyt bền chắc hay ôxyt dạng spinel FeO.Cr2O3

Crôm kim loại khi nung nóng bị ôxy hoá và tạo thành ôxyt duy nhất

Cr2O3 Đây là chất ôxy hoá bền vững trong một dải rộng nhiệt độ và với các

độ dày khác nhau của của màng mỏng và tạo nên tính bảo vệ tốt cho kim loại Ngoài ra, lớp ôxyt được tạo thành trên bề mặt kim loại khi ôxy hoá crôm sẽ không thay đổi tính chất ngay cả khi làm nguội nó trong khí ôxy

Crôm phân bố không đồng đều ở lớp ôxyt bên ngoài và bên trong tuỳ thuộc vào nhiệt độ làm việc và hàm lượng crôm có trong hợp kim Như vậy,

hàm lượng crôm trong lớp gỉ tăng lên tuỳ thuộc vào việc nâng cao nhiệt độ và

độ dài thời gian làm việc

- ảnh hưởng của nguyên tố Mangan (Mn)

Mangan là nguyờn tố mở rộng vựng γ, khi hũa tan vào ferit cú tỏc dụng húa bền pha này Mangan khụng tạo cacbit riờng biệt mà thay thế sắt trong

Fe3C Mangan cú tỏc dụng tăng độ thấm tụi, với 1%Mn đường kớnh tới hạn lý thuyết lớn gấp bốn lần so với thộp cacbon khụng cú mangan Ngoài ra mangan trong quỏ trỡnh nấu chảy cú tỏc dụng khử ụxy và kết hợp với lưu huỳnh tạo MnS rất bền vững làm giảm hiện tượng bở núng trong thộp

Tuy nhiờn trong thộp kết cấu thỡ hàm lượng khụng quỏ 2% và hiếm khi mangan đúng vai trũ là một nguyờn tố hợp kim độc lập, bởi vỡ nú kộo theo một số nhược điểm sau: thỳc đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tớnh giũn ram, giảm độ dẻo và độ bền

- ảnh hưởng của nguyên tố Silic (Si)

Silic là nguyờn tố mở rộng vựng α, cũng như niken silic khụng tạo cacbit Silic cú tỏc dụng làm tăng độ cứng, độ bền, tớnh chảy loóng trong thộp Silic cũn tăng tớnh ổn định ram, nhưng khụng làm tăng tớnh giũn của thộp Silic tăng khả năng chống oxy húa cho thộp ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dóo Ngoài ra silic cũn cú tỏc dụng khử ụxy trong thộp Dưới đõy là bảng thống kờ ảnh hưởng của một số nguyờn tố hợp kim trong thộp

Bảng 5: Ảnh hưởng của nguyờn tố hợp kim đến cấu trỳc và tớnh chất của thộp

Nguyờn

tố độ thấm tụi Nõng cao Húa bền ferit nhỏ hạt Làm Hỡnh thành cỏcbit Cản trở sự ram Cụng dụng nổi bật

Cr Mạnh Trung bỡnh Yếu Trung bỡnh Trung bỡnh

Cú trong mọi thộp để nõng cao độ thấm tụi, chống ăn mũn và chịu nhiệt

độ bền ở nhiệt độ cao

Mn Mạnh Mạnh Làm hạt to nhanh Yếu Yếu Dựng thay Ni để tạo austenit

Si Yếu Mạnh Khụng

Khụng, thỳc đẩy sự graphit húa, thoỏt C

Trung bỡnh, dưới

2500C Mạnh

Chống oxy húa, chế tạo thộp kỹ thuật điện, thộp đàn hồi

Chỉ cần 0,1%P hoà tan, ferit đã trở nên rất giòn, nhưng P là nguyên tố thiên tích rất mạnh trong quá trình kết tinh; để tránh giòn, lượng P trong thép phải ≤ 0,05% (để nơi tập trung lượng P cao nhất cũng không thể vượt quá 0,1% là giới hạn gây giòn) ảnh hưởng của P đến cơ tính còn thể hiện ở sự tăng mạnh nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái dẻo sang giòn Ngoài ra P còn làm tăng giới hạn chảy, làm giảm độ co thắt tương đối, giảm công lan truyền vết nứt (dễ bị nứt) Do đó phải khống chế P theo yêu cầu qui định trong mác thép khá chặt chẽ

+ ảnh hưởng của Lưu huỳnh (S): Khác với P, S không hoà tan vào Feα và Feγ mà tồn tại ở dạng sunfit (FeS), nó tạo với sắt cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp (988 0C) nên khi kết tinh nó sẽ kết tinh sau cùng, do đó nằm phân

bố ở biên giới hạt, khi nung thép lên để cán, kéo (biến dạng nóng), biên hạt sẽ chảy mềm ra và thép bị phá huỷ giòn

Nếu có Mn trong thép, do có ái lực với S mạnh hơn Fe nên sẽ thay Fe tạo thành MnS; pha này kết tinh ở nhiệt độ cao (1620 0C), dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc nên không bị chảy nhưng gây đứt, gẫy khi gia công nóng Khi khử bỏ tính giòn nóng sunfua Mn (MnS) cũng như các tạp chất phi kim loại khác (ôxít, nitrít, ) đóng vai trò như những nơi tập trung ứng suất, làm giảm độ dẻo và độ dai của thép Bởi vậy hàm lượng S trong thép phải được hạn chế chặt chẽ

+ ảnh hưởng của Ôxy (O2): Độ hoà tan của Ôxy trong thép khá lớn, ở nhiệt độ 1600 0C 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 vì nếu sau khi hoà tan vào sắt, mạng tinh thể bị méo lệch, do đó cơ tính của thép

bị ảnh hưởng Thép có hàm lượng ôxy cao thường bị phá huỷ giòn

+ ảnh hưởng của Nitơ (N2) và Hydro (H2): Nitơ và Hyđrô ảnh hưởng mạnh đến tính dẻo, tăng khuynh hướng phá huỷ giòn của thép Nitơ hoà tan trong ferit với lượng rất nhỏ và tạo thành vật lẫn trong kim loại (nitrít), các nitrit làm thép có tính giòn, làm giảm độ bền của thép Hàm lượng N2 cao gây

ra hiện tượng hoá già khi biến dạng, khi biến dạng nguội các nguyên tử N2trong thép tích tụ lại trên các đường lệch, tạo ra khí quyển cottrell vây hãm lệch, làm giảm tính dẻo của thép

Hydro nằm ở trong dung dịch rắn hoặc tích tụ trong các rỗ xốp và trên các lệch Tính giòn do H2 gây ra biểu lộ càng ít khi độ bền của vật liệu càng cao và độ hoà tan của nó trong mạng tinh thể càng nhỏ Sự hóa giòn mạnh nhất được thấy ở thép tôi với tổ chức mactenxit và không thấy xuất hiện trong thép austenit Hàm lượng H2 cao có thể dẫn tới hiện tượng tróc, nứt tạo thành bởi áp lực cao; do khi nguội chậm H2 giảm độ hoà tan, thoát ra dưới dạng bọt khí Các vết tróc, nứt ở trong vùng mặt gẫy có dạng vết đốm màu trắng, còn trên bề mặt là các vết nứt nhỏ, hiện tượng này thường gặp ở các thỏi thép cán, rèn, đúc từ thép Cr và Cr-Ni Để tránh hiện tượng trên, thép sau khi biến dạng nóng, được làm nguội chậm hoặc giữ lâu ở nhiệt độ 2500C

Do H2 có tốc độ khuếch tán lớn, ở điều kiện như vậy, sẽ không tích tụ thành bọt khí mà thoát ra khỏi thép

Vấn đề làm nguội của nguyên công nhiệt luyện sau khi nung cũng rất phức tạp và phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đã chọn Nó bao gồm chế độ làm nguội chậm theo lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trường không khí có hơi nước, trong môi trường nước, dầu, muối , mỗi chế độ và môi trường làm nguội cho ta cơ tính khác nhau Vì vậy với mỗi loại chi tiết phải chọn chế độ làm nguội phù hợp mới đạt được khả năng làm việc của chi tiết như mong muốn

1.3 Đặc điểm điều kiện làm việc của con lăn hộp dẫn

Với hệ thống giá cán thép thủ công, tốc độ cán chậm thì quá trình đưa thép vào trục cán được thực hiện bởi người công nhân dùng kìm gắp thép rồi đưa vào lỗ hình trục cán Còn đối với hệ thống các giá cán thép liên tục (hình 9) với tốc độ cán thép rất nhanh thì người công nhân khó mà có thể thực hiện các thao tác như vậy Do đó người ta đã thiết kế một cụm các chi tiết để thực hiện tốt công việc này, trong đó bộ phận rất quan trọng là bộ dẫn hướng dẫn thép vào và ra khỏi hệ thống trục cán thép Bộ dẫn hướng được lắp trên các giá cán (hình 10) với mục đích là dẫn hướng cho thép, trực tiếp tiếp xúc với thép cán nóng ở tốc độ cán cao, va đập lớn nên điều kiện là rất khắc nghiệt đòi hỏi con lăn dẫn hướng cần phải được chế tạo bằng loại vật liệu có thể làm việc được ở nhiệt độ cao, chịu được mài mòn do ma sát giữa con lăn và thép cán với tốc độ cao và chịu va đập mạnh từ quá trình cán thép nóng

Hình 9 Hệ thống các giá cán thép liên tục

Hình 10 Bộ con lăn hộp dẫn được gắn trên các giá cán thép

Qua nghiên cứu lý thuyết và từ thực tế sản xuất, chúng tôi thấy rằng khoảng nhiệt độ cán của những loại thép xây dựng là tương đối rộng Nhiệt độ bắt đầu cán thường từ 1150 ữ 1220 0C Nhiệt độ kết thúc cán từ 890 ữ 950 0C Trong phạm vi nhiệt độ cán ở trên thép có trở kháng biến dạng nhỏ, tính dẻo tốt và dễ biến dạng khi cán Tuy nhiên, chúng ta cũng phải chú ý tới kích thước, hình dáng và bề mặt sản phẩm cùng với chất lượng sản phẩm mà kết thúc cán với nhiệt độ thích hợp, làm nguội với tốc độ thích hợp để đạt được chất lượng cơ lý tính tốt, tính năng kỹ thuật cao

Bộ con lăn dẫn hướng là chi tiết được thay thế thường xuyên sau mỗi quá trình cán nhất định và mỗi loại con lăn ở vị trí khác nhau thì tuổi thọ của chúng cũng khác nhau: con lăn ở vị trí giá cán trung và cán tinh là thường phải thay thế nhiều nhất do ở đây con lăn phải chịu sự mài mòn do nhiệt độ cao (890 ữ 1220 0C) và tốc độ cán lớn (tốc độ cán của giá cán trung và cán tinh khoảng từ 1ữ80 m/s)

1.4 Vật liệu thộp cụng cụ hợp kim để chế tạo con lăn hộp dẫn

Qua đặc điểm làm việc của con lăn hộp dẫn được phõn tớch dựa trờn cơ sở

lý thuyết và điều kiện thực tế tại một số nhà mỏy cỏn thộp: Nhà mỏy cỏn thộp Hoà phỏt, Nhà mỏy cỏn thộp Miền Nam,… chỳng tụi nhận thấy rằng cỏc con lăn dẫn hướng cú rất nhiều loại với hỡnh dạng và kớch thước khỏc nhau, chỳng tuỳ thuộc vào chủng loại sản phẩm thộp cỏn, vị trớ và hỡnh dạng lỗ hỡnh trục cỏn trờn giỏ cỏn bộ con lăn đú làm việc

Hình 11 Bộ con lăn hộp dẫn của giá cán thép nóng

Chúng tôi thấy rằng, các con lăn dẫn hướng (được chế tạo bằng vật liệu 5XHM, SKD61, SKD6, C45,… ) đang sử dụng được lắp đặt tại vị trí trước và sau mỗi giá cán trực tiếp tiếp xúc với thép cán ở nhiệt độ cao (khoảng từ 890÷1220 0C), với ma sát lớn của thép nóng ở tốc độ lớn và va đập mạnh, Các con lăn này sử dụng được một thời gian thường hay bị mòn và phải mất thời gian để khắc phục, làm gián đoạn quá trình sản xuất của nhà máy Hiện nay, Nhà máy đang tìm hiểu, lựa chọn vật liệu khác phù hợp và ổn định hơn

do trong nước chế tạo và tránh phải nhập khẩu để thay thế các con lăn dẫn hướng này Để con lăn dẫn hướng có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, chịu mài mòn thì vật liệu phải có tính ổn định nóng (tính bền hoá học ở nhiệt độ cao) và tính bền nóng (giữ được độ bền cơ học cao ở nhiệt độ cao)

Tính ổn định nóng (hay tính chịu nóng) là khả năng của kim loại và hợp

kim chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao (không khí nóng) Trong các dạng phá huỷ này thì hay gặp nhất và nguy hiểm nhất là sự ôxy hoá

ở nhiệt độ cao, tức là sự tạo thành các vẩy ôxit kim loại, ví dụ đối với sắt thép

là Fe2O3, Fe3O4 và FeO, trong đó FeO có cấu tạo mạng không sít chặt nên tạo cho quá trình ôxy hoá phát triển thuận lợi và thép bị phá huỷ nhanh Đối với thép hợp kim thì tạo thành FeCrO3, Cr2O3, FeCr2O4,… Đối với các loại thép hợp kim đa nguyên tố thì quá trình ôxy hoá diễn ra rất phức tạp Trong quá trình ôxy hoá sẽ tạo ra trên bề mặt kim loại một lớp màng ôxit Sự ôxy hoá muốn tiếp tục xẩy ra được thì các ion ôxy phải khuyếch tán qua được lớp màng này để phản ứng với kim loại tạo ra ôxit kim loại Như vậy, tuỳ theo đặc tính cấu trúc của lớp màng ôxit này mà nó có tính chất bảo vệ (ngăn ngừa

sự ôxy hoá tiếp theo) hay không Màng bảo vệ phải có những tính chất sau :

- Phải xít chặt và bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại;

- Bền với tác động của môi trường ;

- Có sự bám dính tốt với kim loại nền ;

- Có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng của kim loại

Các ôxit Cr3O2, Al2O3 và SiO2 có các đặc tính này Vì vậy, người ta thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al và Si để nâng cao tính chịu nhiệt của thép

Tính bền nóng là khả năng của kim loại chịu được tải trọng ở nhiệt độ

cao Khi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong một thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp được gọi là dão (creep) Đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của hai quá trình ngược nhau: biến dạng dẻo gây ra hoá bền

và kết tinh lại gây ra thải bền Hiện tượng dão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi nhiệt độ làm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì kim loại sẽ bị biến dạng dẻo nhiều và dẫn tới phá huỷ sau một thời gian nào đó Để nâng cao tính bền nóng ta phải tìm cách chống lại hiện tượng biến dạng dão Muốn vậy phải tạo ra cấu trúc có khả năng chống lại sự chuyển động của lệch mạng cũng như sự xê dịch biên giới hạt ở nhiệt độ cao Các nguyên tố hợp kim Mo,

W, Nb, V, Ti …tạo ra các pha biến cứng phân tán làm cản trở chuyển động của lệch mạng và tạo hạt nhỏ mịn nên có tác dụng nâng cao tính bền nóng của hợp kim Các nguyên tố Ni và Mn có tác dụng ổn định cấu trúc austenit nên cũng có tác dụng nâng cao tính bền nóng

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thép X38CrMoV5 1 là loại thép có những tính chất ưu việt sau:

- Truyền nhiệt tốt (bảng 6);

- Độ giãn nở nhiệt thấp (bảng 7)

- Độ cứng và độ dai nóng cao (bảng 8);

- Có độ bền kéo lớn ở nhiệt độ cao (bảng 9);

- Độ bền chịu mài mòn nóng cao;

- Không bị nứt ở nhiệt độ cao;

- Chống sốc nhiệt và mỏi nhiệt;

- Khả năng gia công và đánh bóng tốt;

- Ổn định kích thước khi nhiệt luyện;

- Độ tinh khiết cao và cấu trúc hạt mịn

Bảng 6 Tính dẫn nhiệt của thép nghiên cứu X38CrMoV5 1 (W/m.K)

100oC 200oC 300oC 400oC 500oC 600oC 700oC

28,4 29,7 30,2 30,1 30,0 29,7 30,0

20÷100 o C 20÷200 o C 20÷300 o C 20÷400 o C 20÷500 o C 20÷600 o C 20÷700 o C 20÷800 o C 11,9 12,4 12,8 13,2 13,6 14,2 14,4 14,4

Bảng 8 Độ cứng của thép nghiên cứu X38CrMoV5 1

Trạng thái ủ Trạng thái tôi và ram

Môi trường tôi

Ram (0C)

Độ cứng HRC 750÷800 ≤ 235 1020÷1050 không khí 550÷650 Dầu, ≥50

Bảng 9 Độ cứng và độ bền kéo của thép nghiên cứu X38CrMoV5 1

Thép nghiên cứu có độ cứng, độ bền cao, chịu được mài mòn, bền khi làm việc ở nhiệt độ cao nên có thể sử dụng để làm con lăn hộp dẫn trong giá cán thép nóng và các chi tiết làm việc trong môi trường nhiệt độ cao khác,… Với tính chất cơ lý như trên và điều kiện làm việc của con lăn hộp dẫn trong trường hợp cán thép nóng, với tốc độ cao thì sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng để chế tạo các chi tiết làm việc ở môi trường nhiệt độ cao khác

II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

Dựa trên tiêu chuẩn DIN 17350 của Đức và các tiêu chuẩn nước ngoài khác, lựa chọn mác thép hợp kim X38CrMoV5 1 làm con lăn dẫn hướng làm việc ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn là hoàn toàn phù hợp Nội dung nghiên cứu như sau:

1) Nghiên cứu tổng quan về nhu cầu thị trường, yêu cầu chất lượng và công nghệ sản xuất thép X38CrMoV5 1 Nghiên cứu các tài liệu về: Tiêu chuẩn vật liệu, tiêu chuẩn sản phẩm, công nghệ chế tạo, ứng dụng của con lăn hộp dẫn 2) Khâu công nghệ: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thiết bị chế tạo thép công cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao mác X38CrMoV5 1 theo tiêu chuẩn Đức DIN 17350 Dựa trên cơ sở vật chất, thiết bị sẵn có tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định các công nghệ:

+ Công nghệ nấu luyện

+ Công nghệ tinh luyện

+ Công nghệ rèn

+ Công nghệ gia công cơ khí

+ Công nghệ nhiệt luyện

3) Đánh giá chất lượng thép X38CrMoV5 1

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy chính xác cao, đề tài đã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu như sau:

- Trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuất và các tài liệu trong và ngoài nước

về thép công cụ hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao, phân tích điều kiện làm việc của con lăn hộp dẫn để lựa chọn mác thép phù hợp

- Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300kg/mẻ để thực hiện công nghệ nấu luyện, thiết bị tinh luyện điện xỉ 100KVA để xác định công nghệ tinh luyện, búa rèn 400kg và 150kg để xác định công nghệ rèn và lò nung, tôi

và ram để xác định công nghệ nhiệt luyện

- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và thiết bị phân tích quang phổ phát xạ ARL 3460 OES theo tiêu chuẩn ASTM 415-2005 để xác định thành phần hoá học của nguyên liệu và sản phẩm thép nấu luyện

- Dùng máy đo độ cứng WHL 380 và HPO 250 để đo độ cứng Brinell và Rockwell theo các tiêu chuẩn ASTM A956-06, TCVN 257-85: 2007 và TCVN 256-1: 2006

- Dùng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 để xác định độ bền MPa theo tiêu chuẩn TCVN 197: 2002

- Dùng kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT theo tiêu chuẩn ASTM

E 407-07 để nghiên cứu tổ chức và cấu trúc pha

III KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1 Công nghệ nấu luyện

Thép dụng cụ hợp kim mác X38CrMoV5 1 là một loại thép có thành phần hóa học: C=0,36÷0,42%; Si=0,90÷1,20%; Mn = 0,30÷0,50%; Cr = 4,80÷5,8%;

Mo = 1,10÷1,40%; V = 0,25÷0,50%; P ≤ 0,03%; S ≤ 0,03% Để đảm bảo cho chất lượng cao của thép và cũng phù hợp với điều kiện nguyên vật liệu và thiết

bị sẵn có trong nước, chúng tôi chọn thiết bị nấu luyện là lò cảm ứng trung tần

Cụ thể đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu công nghệ nấu luyện trên lò cảm ứng trung tần Radyne 300 kg/mẻ do Anh chế tạo (hình 13)