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

1 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 2 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 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 4 1. TỔNG QUAN 6 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. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Nội dung nghiên cứu 17 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 3.3 Công nghệ rèn 25 3.4 Công nghệ nhiệt luy ện 26 3.5 Các tính chất của thép 37SiMn2MoV 29 3.6 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 39 4.1 Kết luận 39 4.2 Kiến nghị 39 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 6.PHỤ LỤC 41 4 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 ngh ệ 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 cầ u 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 c ần 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 5 - 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. 6 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 kh ả 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 luy ện 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 hợ p 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 7 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 củ a 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 chuẩ n 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 Mác thép C Si Mn Cr Ni Mo V P S 37SiMn2MoV Trung Quốc 0,33- 0,39 0,60- 0,90 1,6- 1,9 ≤0,30 ≤0,30 0,40- 0,50 0,05- 0,12 ≤0,035 ≤0,035 30Mn2MoW Trung Quốc 0,27- 0,34 0,17- 0,37 1,7- 2,0 ≤0,30 ≤0,30 0,40- 0,50 W:0,60- 1,00 ≤0,035 ≤0,035 36Γ2C Nga 0,32- 0,40 0,40- 0,70 1,58- 1,80 ≤0,25 ≤0,25 - - ≤0,035 ≤0,035 SMn433 Nhật Bản 0,30- 0,36 0,15- 0,35 1,20- 1,50 ≤0,35 ≤0,25 - - ≤0,030 ≤0,030 8 Bảng 2 : Cơ tính của thép 37SiMn2MoV Độ bền Mpa Giới hạn chảy Mpa Độ dãn dài % Độ co thắt % Độ dai va đập J/cm 2 Độ cứng HB ≥980 ≥835 ≥12 ≥50 ≥ 63 ≤ 269 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 s ắt. 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 Mo 2 C 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. 9 Bảng 3: Các dạng các bít khác nhau của một số nguyên tố hợp kim Dạng cacbit Nguyên tố hợp kim Tỷ lệ,% C 13.0 Fe 4.0 W 23.0 Mo 14.0 V 43.0 MC Cr 4.5 C 6.0 Fe 7.0 W 41.0 Mo 28.0 V 11.0 M 2 C Cr 8.0 C 6.7 Fe 76.0 W 5.0 Mo 4.0 V 2.0 M 3 C Cr 8.0 C 4.0 Fe 45.0 W 25.0 Mo 18.0 V 4.0 M 23 C 6 Cr 5.0 C 3.0 Fe 35.0 W 35.0 Mo 19.0 V 3.3 M 6 C Cr 3.3 10 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 Fe 3 C. 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 điể m 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 . [...]... 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 : 17 - 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. .. bulông trong bảng 5 và tính chất của thép 37SiMn2MoV trong bảng 2 chúng tôi thấy thép 37SiMn2MoV rất phù hợp để chế tạo bulông M16 và M27 với cấp bền 10.9 16 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. .. 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: ... nguội đủ chậm để nhận được tổ chức ổn định gần với trạng thái cân bằng với độ cứng thấp nhật và độ dẻo cao Nguyên công ủ được thực hiện sau khi rèn thép, làm mềm thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt Thép 37SiMn2MoV được ủ ở nhiệt độ 8400C, cùng lò Sơ đồ công nghệ ủ thép này được thể hiện trên hình 6 26 T(0C) 8400C 120-2000C/h Cùng lò 2h τ(h) Hình 6 : Sơ đồ công nghệ ủ thép 37SiMn2MoV - Công nghệ tôi và... 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 + Thành phần hóa học + Tính chất cơ lý: độ bền kéo, độ giãn dài, độ co thắt, độ cứng + Cấu trúc pha 5) Chế tạo thử 120 chiếc bulông M27 và 120 chiếc bulông M16 chất lượng tốt Xây dựng kế hoạch và tổ chức dùng thử bulông Theo dõi và đánh giá kết quả thử nghiệm... tôi thép Môi trương tôi 27 cho thép mác 37SiMn2MoV được chọn là dầu Sơ đồ tôi thép 37SiMn2MoV được trình bày trên hình 7 T(0C) 8700C 120-2000C/h 1h Tôi trong dầu τ(h) Hình 7 : Sơ đồ công nghệ tôi thép 37SiMn2MoV Kết quả của nguyên công tôi thép 37SiMn2MoV là ta nhận được cấu trúc thép bao gồm mactensit nhỏ mịn Cấu trúc như vậy chưa ổn định, rất cứng và dòn Để có được cấu trúc ổn định, cơ tính cao ta... 3.5.3 Cấu trúc tế vi Đề tài đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc tế vi của thép hợp kim kết cấu 37SiMn2MoV ở các trạng thái khác nhau trên kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT với độ phóng đại 200 và 500 Ở trạng thái ủ, thép có cấu trúc gồm: ferít, peclit và một số cacbít nhỏ mịn phân bố đều trên nền ferít (hình 9 và hình 10) Với cấu trúc này thép có độ bền cao và tính dẻo tốt Sau khi tôi, thép có cấu. .. bảng 5 và tính chất của thép 37SiMn2MoV trong bảng 6 theo tiêu chuẩn TCVN 19161996, 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 Cấp loại Thành phần hóa học, % Vật liệu và nhiệt luyện C P S Từ Đến ≤ ≤ 0,15d 0,4 0,035 0,035 0,25 0,55 0,035 0,035 0,15d 0,35 0,035 0,035 Thép các bon qua tôi,... nhiệt độ 6500C, cấu trúc của thép là mactenxit ram hạt mịn và một số cácbít tiết ra khi ram (hình 13 và hình 14) 31 Hình 9: Cấu trúc tế vi thép 37SiMn2MoV sau ủ (x 200) Hình 10: Cấu trúc tế vi thép 37SiMn2MoV sau ủ (x 500) 32 Hình 11: Cấu trúc tế vi thép 37SiMn2MoV sau tôi (x 200) Hình 12: Cấu trúc tế vi thép 37SiMn2MoV sau tôi (x500) 33 Hình 13: Cấu trúc tế vi thép 37SiMn2MoV sau ram (x 200) Hình 14: Cấu. .. trên hình 8 Kết quả của nguyên công ram thép 37SiMn2MoV là thép có cấu trúc mactensit ram và pha cácbít nhỏ mịn, phân bố đều đặn Với cấu trúc như vậy đảm bảo cho ta thép có độ bền cao, tính dẻo tốt , đáp ứng được yêu cầu của các nơi sử dụng T(0C) 6500C 120-2000C/h 1h Không khí τ(h) Hình 8: Sơ đồ công nghệ ram thép 37SiMn2MoV 3.5 Các tính chất của thép 37SiMn2MoV 3.5.1 Thành phần hoá học Kết quả phân . 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. 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. 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