Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim kết cấu độ bền cao mác 37SiMn2MoV để sản xuất bulông cường độ cao

Để góp phần phục vụ nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công Thương chấp nhận giao thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợ

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN

CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

Tên đề tài :

“Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim kết cấu

độ bền cao mác 37SiMn2MoV để sản xuất bulông cường độ cao”

DFGEDFGEDFGE

7687

05/02/2010

Hà Nội, 2009

Danh sách những người thực hiện chính

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

1 Phạm Thị Minh Phượng Kỹ sư Viện Luyện kim Đen

2 Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen

3 Phạm Thị Mai Phương Kỹ sư Viện Luyện kim Đen

4 Nguyễn Quốc Việt Kỹ sư Viện Luyện kim đen

5 Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ Việt Luyện kim đen

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

1.1 Giới thiệu về thép kết cấu và thép mác 37SiMn2MoV 6

1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép 37SiMn2MoV 8

1.3 Vật liệu chế tạo bulông cường độ cao 13

2.2 Phương pháp nghiên cứu 17

3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19

3.1 Công nghệ nấu luyện 19

3.2 Công nghệ tinh luyện 22

Mở đầu

Bulông là một sản phẩm cơ khí được sử dụng để lắp ráp, ghép nối các chi tiết lại thành một khối Mối lắp ghép bằng bulông có thể chịu được tải trọng kéo cũng như uốn rất tốt, nó lại có độ bền, độ ổn định lâu dài Việc tháo lắp cũng như hiệu chỉnh mối ghép bulông rất than tiện, nhanh chóng và không đòi hỏi những công nghệ phức tạp như các mối lắp ghép khác Do có nhiều ưu điểm nên bulông được sử dụng rộng rãi trong các máy móc, thiết bị công nghiệp, các công trình xây dựng, công trình giao thông, cầu cống ở khắp mọi nơi trên thế giới

Bulông được chế tạo theo nhiều cấp loại, các cấp loại khác nhau thì có cơ tính khác nhau Theo tiêu chuẩn quốc tế, người ta phân ra 10 cấp loại bulông: 3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9 Bulông cường độ cao bao gồm 4 cấp loại: 8.8; 9.8; 10.9; 12.9 Tuỳ theo yêu cầu và điều kiện làm việc cụ thể của sản phẩm, nhà thiết kế sẽ lựa chọn cấp loại bu lông cho phù hợp

Ở Việt Nam cũng có nhiều nhà máy xí nghiệp sản xuất bu lông, nhưng thường là các loại bulông có cấp bền thấp, một vài nơi chế tạo bulông cường độ cao song chất lượng không ổn định, độ chính xác kém Nhiều công trình xây dựng và kết cấu thiết bị công nghiệp cần sử dụng bu lông cường độ cao đã phải tiến hành nhập ngoại Do vậy, việc sản xuất bulông cường độ cao để cung cấp cho thị trường trong nước đã trở thành yêu cầu cấp bách Để góp phần phục vụ nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và

được Bộ Công Thương chấp nhận giao thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim kết cấu độ bền cao mác 37SiMn2MoV để sản xuất bulông cường độ cao”

Bản báo cáo gồm các phần như sau:

- Mở đầu

- Tổng quan

- Phương pháp nghiên cứu

- Kết quả đạt được

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo điều của Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương, Nhà máy cán thép Lưu Xá cùng một số cơ sở nghiên cứu khác Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cảm

ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó

I TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về thép kết cấu và thép mác 37SiMn2MoV

Thép kết cấu là loại thép dùng cho ngành chế tạo máy, có chất lượng tốt (khử tạp chất đến : S ≤ 0,04%, P ≤0,035%), chủng loại đa dạng Khả năng làm việc của chúng sẽ được phát huy tối đa sau nhiệt luyện Thép này thường được hợp kim hoá bằng các nguyên tố : Cr, Mn, Si, Ni, Ti, Mo (W),…với lượng nhỏ

để nâng cao độ thấm tôi (cải thiện khả năng nhiệt luyện) và hoá bền ferrite Thép kết cấu được chia thành các nhóm sau:

- Thép thấm cácbon : Là loại thép có thành phần cácbon thấp (≤ 0,25% C), ở trạng thái cung cấp có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền thấp Để cải thiện độ bền

và nâng cao độ cứng bề mặt, có thể áp dụng công nghệ thấm cácbon, tôi và ram thấp

- Thép hoá tốt : Là thép có thành phần cácbon vào khoảng 0,25 – 0,5%, cơ tính tương đối cao ở trạng thái cung cấp Sau nhiệt luyện hoá tốt (tôi và ram cao) chúng sẽ có cơ tính tổng hợp cao nhất

- Thép đàn hồi : Là thép có hàm lượng cácbon tương đối cao (0,5 – 0,7%), chuyên dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi : nhíp, lò xo,…để có giới hạn đàn hồi cao nhất thì phải qua tôi và ram trung bình

Trong ba nhóm thép kết cấu trên thì thép kết cấu hoá tốt được sử dụng rất rộng rãi vì chúng có tính công nghệ và cơ tính tổng hợp tốt ở trạng thái làm việc Thép hoá tốt có thể là thép các bon hoặc thép hợp kim như thép MnSi, CrMn, CrNi, CrNiMo, CrNiV, CrNiW, CrNiMoV, MnSiMoV, CrNiMoW có thành phần hóa học như sau:

- Hàm lượng các bon: C nằm trong khoảng 0,25 – 0,5% để thép có sự kết hợp hài hoà giữ độ bền và dẻo dai

- Các nguyên tố hợp kim: Thường dùng các nguyên tố Cr, Mn, Mo, Ti… với mục đích làm tăng độ thấm tôi Ngoài ra, các nguyên tố Mo, Ti được dùng để

giữ hạt nhỏ và chống giòn ram, cũng có thể dùng B với lượng rất nhỏ (< 0,005%)

để tăng độ thấm tôi

Nhờ có hàm lượng các bon trung bình và các nguyên tố hợp kim nên các loại thép hoá tốt có độ thấm tôi cao Cũng do có thành phần hoá học như vậy mà thép hoá tốt sau khi ram cao sẽ tiết ra các loại các bít hợp kim nhỏ mịn làm cho thép có độ hạt nhỏ mịn, đạt cơ tính tổng hợp cao

Mác thép 37SiMn2MoV thuộc loại thép hóa tốt MnSiMoV theo tiêu chuẩn của Trung Quốc, với các nguyên tố hợp kim hóa: Mn, Si, Mo và V Hàm lượng các bon trung bình ( C = 0,33 – 0,39% ) kết hợp với 4 nguyên tố hợp kim hóa nêu trên đã làm cho thép này có cơ tính tổng hợp cao Vì thế mác thép 37SiMn2MoV có nhiều ứng dụng để chế tạo các chi tiết chịu được tải trọng kéo cũng như uốn rất tốt, có độ bền, độ ổn định lâu dài

Tại các nước công nghiệp khác cũng có các mác thép tương tự: mác thép 36Γ2C theo tiêu chuẩn ΓOCT 4543-61 của Nga, mác thép SMn433 theo tiêu chuẩn JIS 4106 của Nhật Bản Thành phần hóa học của một số mác thép tương đương và thép 37SiMn2MoV được nêu trong bảng, bảng 2 đưa ra cơ tính của thép 37SiMn2MoV

Bảng 1 : Thành phần hoá học của thép 37SiMn2MoV và các mác thép tương đương

37SiMn2MoV

Trung Quốc

0,39

0,33-0,90

0,60-1,9 ≤0,30 ≤0,30

1,6-0,50

0,40-0,12 ≤0,035 ≤0,03530Mn2MoW

0,05-Trung Quốc

0,34

0,27-0,37

0,17-2,0 ≤0,30 ≤0,30

1,7-0,50

0,40-1,00 ≤0,035 ≤0,03536Γ2C

0,32-0,40

0,70

0,15-1,50

1,20-≤0,35 ≤0,25 - - ≤0,030 ≤0,030

Bảng 2 : Cơ tính của thép 37SiMn2MoV

1 2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép 37SiMn2MoV

Thép 37SiMn2MoV là thép kết cấu có thành phần cacbon trung bình Các nguyên tố hợp kim cho vào thép kết cấu chủ yếu để nâng cao độ thấm tôi và nâng cao cơ tính ở trạng thái cung cấp Dưới đây là ảnh hưởng của các nguyên tố tới cấu trúc và tính chất của thép 37SiMn2MoV

- Cácbon:

Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng 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 Khi có các nguyên tố tạo cácbít mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung chủ yếu vào những vị trí hình thành cácbít Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cácbít Điều này dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hưởng đến tính chất hợp kim (ví

dụ, sự tạo thành Mo2C sẽ làm nghèo Mo trong dung dịch rắn, dẫn tới làm giảm tính bền nóng của hợp kim) Cácbon cũng có ảnh hưởng âm đến tính dẻo, giảm khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim Bảng

3 đưa ra các dạng cacbit khác nhau của một số nguyên tố hợp kim và trên hình 1thể hiện độ cứng tương ứng của các loại cácbit

Bảng 3: Các dạng các bít khác nhau của một số nguyên tố hợp kim

Hình 1: Độ cứng của một số loại cácbit

- Mangan: Mangan là nguyên tố mở rộng vùng γ, khi hòa tan vào ferit có tác dụng hóa bền pha này Mangan không tạo cacbit riêng biệt mà thay thế sắt trong Fe3C Mangan có tác dụng tăng độ thấm tôi, với 1%Mn đường kính tới hạn

lý thuyết lớn gấp bốn lần so với thép cacbon không có mangan Ngoài ra mangan trong quá trình nấu chảy có tác dụng khử ôxy và kết hợp với lưu huỳnh tạo MnS rất bền vững làm giảm hiện tượng bở nóng trong thép

Tuy nhiên trong thép kết cấu thì hàm lượng không quá 2% và hiếm khi mangan đóng vai trò là một nguyên tố hợp kim độc lập, bởi vì nó kéo theo một

số nhược điểm sau: thúc đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tính giòn ram, giảm độ dẻo và độ bền

- Molypden:

Molypđen là nguyên tố hợp kim quý hiếm, trong thép kết cấu thường chứa 0,2 – 0,6 % Molypđen là nguyên tố thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α trong hợp kim với sắt Giản đồ trạng thái của hệ Fe-C-Mo được trình bầy trong hình 2

Molypden là nguyên tố tạo cácbít mạnh Trong thép hợp kim chứa Mo thường tạo thành cacbit đơn như MoC và Mo2C và một số loại cacbit phức khác tuỳ theo hàm lượng Molypden (bảng 3) Do đó molypden làm tăng độ bền cơ học, độ bền mỏi, tăng tính chịu nhiệt và chống khuynh hướng dòn ram loại 2 của thép Molypden còn làm tăng tính chống gỉ của thép, đặc biệt trong các môi trường xâm thực mạnh Molipđen làm cản trở qúa trình ram thép Hình 3 thể hiện sự thay đổi độ cứng của thép sau ram khi hàm lượng molipđen trong thép khác nhau

Lượng nguyên tố cacbon, %

T, 0C

Lượng nguyên tố cacbon, % Hình 2 : Giản đồ trạng thái hệ Fe-C- Mo

Hình 3: Ảnh hưởng của Mo đến độ cứng của thép (có 0,35%C) khi ram

- Vanadi

Trong thép kết cấu chứa vanadi có tác dụng gần giống molipđen Nó thu hẹp vùng γ và khuynh hướng tạo các bít mạnh hơn cả molipđen Rất khó có thể hòa tan VC vào γ, do đó làm giảm độ thấm tôi và độ cứng của thép VC nhỏ mịn, nằm ở biên hạt, nó có tác dụng ngăn cản sự lớn lên của hạt γ khi nung Như vậy trong thép vanađi có tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể nên tạo cho thép có độ bền và

tính dẻo

- Silic

Silic là nguyên tố mở rộng vùng α, cũng như niken silic không tạo cacbit Silic có tác dụng làm tăng độ cứng, độ bền, tính chảy loãng trong thép Silic còn tăng tính ổn định ram, nhưng không làm tăng tính giòn của thép Silic tăng khả năng chống oxy hóa cho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão Ngoài ra silic còn có tác dụng khử ôxy trong thép

Dưới đây là bảng thống kê ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim đến cấu trúc và tính chất của thép

Bảng 4: Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cấu trúc và tính chất của thép

Làm nhỏ hạt

Hình thành cácbit

Cản trở sự ram

Công dụng nổi bật

Cr Mạnh Trung bình Yếu Trung bình Trung bình

Có trong mọi thép để nâng cao

độ thấm tôi, chống ăn mòn và chịu nhiệt

C

Trung bình, dưới

2500C Mạnh

Chống oxy hóa, chế tạo thép kỹ thuật điện, thép đàn hồi

Ni Trung bình Trung bình Không Không Không Nâng cao độ dai ak tạo thép

austenit

Mo Rất mạnh Yếu Trung bình Mạnh Mạnh

W Trung bình Yếu Trung bình Mạnh Mạnh

Chống giòn ram loại II và nâng cao độ bền ở nhiệt độ cao

V Mạnh, nhưng VC khó hòa

tan vào γ

1.3 Vật liệu chế tạo bulông cường độ cao

Qua cuộc khảo sát tại Nhà máy cán Lưu Xá, chúng tôi thấy có nhiều loại bulông ở các vị trí lắp ghép các chi tiết trong giàn máy cán thường hay bị dãn, đứt và phải mất nhiều thời gian để khắc phục Hiện nay Nhà máy chưa chọn lựa được vật liệu phù hợp để chế tạo bulông này Có 2 loại bulông Nhà máy đang quan tâm đến khả năng làm việc của chúng là:

+ Bulông M16: Lắp ở đầu trục mang bánh cán thép dây (bánh cán có kích thước D170) lắp thông qua mặt bích để có tác dụng chặn giữ bánh cán và chống

di dọc trục cho bánh cán trong quá trình làm việc (dùng để cán các sản phẩm thép dây D6, 8, 10) Trong quá trình làm việc bu lông M16 chịu lực kéo, hiện

nay chưa chịu được lực di dọc trục của bánh cán và thường xuyên làm bánh cán

bị di dọc trục qua mỗi đợt sản xuất, bu lông thường hay bị dãn, đứt và phải mất nhiều thời gian để khắc phục, sửa chữa thay bulông M16 khác

+ Bulông M27: sử dụng ở dãy cán thép thanh vằn (D16 - D40) Vị trí sử dụng: Làm bu lông kẹp giữ dẫn vào lỗ hình Quá trình làm việc bu lông chủ yếu chịu lực cắt (Dẫn vào lỗ hình có tác dụng dẫn hướng thép qua lỗ hình được dễ dàng)

Theo tiêu chuẩn về vật liệu chế tạo bulông cường độ cao trong bảng 5 và tính chất của thép 37SiMn2MoV trong bảng 6 theo tiêu chuẩn TCVN 1916-

1996, chúng tôi chọn thép hợp kim kết cấu độ bền cao mác 37SiMn2MoV để chế tạo bulông M16 và M27

Bảng 5: Vật liệu chế tạo bulông cường độ cao theo tiêu chuẩn ISO 898-1

1 Giới hạn

bền đứt

σb, N/mm² nhỏ

nhất 330 400 420 500 520 600 800 830 900 1040 1220nhỏ

5 Giới hạn

chảy qui

ước

N/mm² nhất nhỏ - - - - - - 610 660 720 940 1100

Bảng 7: Thông số kỹ thuật về bulông Đường kính

2.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nội dung nghiên cứu

Dựa trên tiêu chuẩn GB 3077-88 của Trung Quốc và các tiêu chuẩn nước ngoài khác để lựa chọn mác thép hợp kim 37SiMn2MoV phù hợp cho việc chế tạo bulông cường độ cao Nội dung nghiên cứu như sau:

1) Xây dựng đề cương kế hoạch nghiên cứu: tổng quan và chi tiết

2) Nghiên cứu các tài liệu về: Tiêu chuẩn vật liệu, tiêu chuẩn sản phầm, công nghệ chế tạo, ứng dụng của bulông M16 và M27

3) Khâu công nghệ: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thiết bị chế tạo thép hợp kim kết cấu 37SiMn2MoV theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB 3077-88 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 nhiệt luyện

4) Đánh giá chất lượng thép 37SiMn2MoV

6) Viết báo cáo tổng kết đề tài

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 hợp kim kết cấu độ bền cao, phân tích điều kiện làm việc của bulông cường

độ cao

- Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300kg/mẻ để thực hiện công nghệ nấu luyện, thiết bị tinh luyện điển 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 để xác định thành phần hoá học của nguyên liệu và sản phẩm thép nấu luyện

- Dùng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 để xác định độ bền, máy đo độ cứng HPO 250 để đo độ cứng theo các tiêu chuẩn TCVN 197:2002 và TCVN 256:2001

- Dùng kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT để nghiên cứu tổ chức và cấu trúc pha

- Sử dụng thiết bị MK30 để xác định khả năng chịu va đập của thép theo tiêu chuẩn TCVN 312-84.

3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1 Công nghệ nấu luyện

Để đảm bảo thép sau khi nấu luyện đạt chất lượng cao, đồng thời 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 nước Anh chế tạo

Trên cơ sở yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép và tận dụng phế liệu sẵn có tại Viện Luyện kim đen, đề tài đã sử dụng các loại nguyên liệu sau :

- Nhôm kim loại

Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 8

Bảng 8 : Thành phần hoá học của nguyên liệu, %

Để tính phối liệu mẻ luyện, chúng tôi sử dụng bảng hệ số cháy hao các

nguyên tố hợp kim (bảng 9) Ở đây hệ số cháy hao các nguyên tố hợp kim hoá

khi nấu luyện bằng lò cảm ứng được xây dựng dựa trên số liệu thống kê tại

Xưởng thép - Viện Luyện kim đen và một số cơ sở khác

Bảng 9 : Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %

Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu đầu vào (bảng 8), hệ số cháy

hao các nguyên tố hợp kim (bảng 9), chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 3 mẻ

nấu thí nghiệm với trọng lượng mỗi mẻ khoảng 250 kg như trong bảng 10

Bảng 10 : Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg

Quy trình thao tác nấu luyện như sau :

- Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO và CaF2 đã được nghiền nhỏ và sấy khô vào đáy lò

- Xếp liệu gồm thép phế CT3, C30 và FeMo vào lò sao cho liệu được xếp chặt nhất Lượng bột than điện cực được cho vào hộp sắt, đóng kín rồi cho vào đáy lò

- Đóng điện cho lò hoạt động, sau đó tăng dần công suất lò để nấu chảy mẻ liệu Chú ý dùng que chọc lò để tránh hiện tượng treo liệu Khi mẻ liệu đã nóng chảy hoàn toàn thì vớt xỉ cũ và cho chất tạo xỉ mới vào lò

- Khi xỉ mới chảy hết, nhiệt độ nước thép đã đạt được khoảng 16000C thì ta bắt đầu cho FeMn, FeSi và FeV hợp kim hóa và khử khí

- Để lắng nước thép khoảng 5 – 7 phút rồi vớt hết xỉ và rót thép vào nồi rót

đã được sấy đỏ Trong nồi thép đã để sẵn nhôm kim loại ở dạng mẩu nhỏ để khử khí lần cuối

- Rót thép vào khuôn cát làm bằng kỹ thuật đông cứng nhanh CO2 và nước thuỷ tinh để đúc các thỏi với kích thước :φ60 x (1000 ± 20%) để tinh luyện điện

xỉ

- Lấy mẫu khi rót thép để phân tích thành phần hoá học

Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ theo phối liệu như đã nêu trong bảng 10 Các mẻ thí nghiệm được lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học theo phương pháp truyền thống tại phòng thí nghiệm phân tích hoá của Viện Luyện kim đen Kết quả phân tích thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm được nêu trong bảng 11