Đề tài : Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim mác SKS43

và trong nghị định số 88/CP ngày 31/12/1996 cũng đã ghi: “Công nghệ sản xuất vật liệu kim loại là lĩnh vực quan trọng có tác dụng quyết định đối với sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Cơ quan chủ quản : TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM

Cơ quan chủ trì : VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Chủ nhiệm đề tài : PHẠM THANH SƠN

HÀ NỘI - 2010

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

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

2.1 Nội dung nghiên cứu 242.2 Phương pháp nghiên cứu 24

III KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 26

3.4 Công nghệ gia công cơ khí và chế tạo sản phẩm 33

va đập sử dụng ớt nguyờn tố hợp kim húa mà cú độ bền đảm bảo, chất lượng tốt và giỏ thành thấp

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 2010 Bộ Cụng Thương đó giao nhiệm vụ cho Viện Luyện kim đen thực hiện đề tài

“Nghiờn cứu cụng nghệ sản xuất thộp hợp kim mỏc SKS43” Mục tiờu của đề tài là xỏc định được cụng nghệ sản xuất thộp hợp kim mỏc SKS43 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, 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

I TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về tình hình sản xuất thép hợp kim và thép dụng cụ hợp kim chịu va đập mác SKS43

Hiện nay trên thế giới sản xuất khoảng 1.000 chủng loại thép hợp kim

Do thiết bị và kỹ thuật được cải tiến nhiều nên chất lượng thép hợp kim không ngừng được tăng cao

Về chiến lược phát triển thép của Việt Nam tới năm 2010 Bộ chính trị trong thông báo số 112TB/TW ngày 12/4/1995 đã nhấn mạnh: “Thép là vật liệu chủ yếu đối với nhiều ngành công nghiệp, vai trò quyết định đối với sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Phát triển nhanh ngành thép

là một yêu cầu khách quan, cấp bách và có ý nghĩa chiến lược” “Ngoài việc đáp ứng đủ thép xây dựng thông dụng, ngành thép phải quan tâm xây dựng nhà máy chuyên sản xuất thép chất lượng cao, thép hợp kim và một số loại thép chất lượng khác phục vụ ngành chế tạo máy và công nghiệp quốc phòng”… và trong nghị định số 88/CP ngày 31/12/1996 cũng đã ghi: “Công nghệ sản xuất vật liệu kim loại là lĩnh vực quan trọng có tác dụng quyết định đối với sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước cũng như đối với việc bảo vệ an ninh quốc gia…Trong việc xây dựng ngành luyện kim Việt Nam cần chú trọng các lĩnh vực công nghệ sau đây:

Công nghệ luyện thép hợp kim chất lượng cao, thép hợp kim và hợp kim cho cơ khí chế tạo máy, công nghệ hóa chất, xi măng, dầu khí, cho nhu cầu quốc phòng Các công nghệ đúc tiên tiến, công nghệ gia công, xử lý, phân tích, kiểm nghiệm tương ứng”

Như vậy, có thể thấy Đảng và Nhà nước ta luôn nhấn mạnh vai trò quyết định của vật liệu thép đối với sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa, đối với phát triển kinh tế và bảo đảm an ninh quốc phòng Tuy nhiên, Việt Nam vẫn chưa có được một nhà máy cỡ lớn nào chuyên sản xuất các loại thép hợp kim và việc sản xuất thép hợp kim vẫn chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ và sự đầu

tư vẫn chưa được đồng bộ dẫn đến chất lượng thép hợp kim của ta được sản

xuất ra chất lượng vẫn chưa được tốt như thép nhập ngoại Do đó hàng năm chúng ta vẫn phải nhập khẩu một lượng lớn thép hợp kim chất lượng cao từ nước ngoài để phục vụ cho nhu cầu sửa chữa và chế tạo thiết bị ở trong nước Việc nghiên cứu để sản xuất thép hợp kim chất lượng cao nói chung và thép dụng cụ hợp kim chịu va đập nói riêng để chế tạo các chi tiết phục vụ cho các ngành công nghiệp là luôn cần thiết kể cả khi chúng ta đã có nền công nghiệp chế tạo thép hợp kim phát triển

Ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có đơn vị nhà máy nào chuyên sản xuất thép hợp kim nói chung và thép dụng cụ hợp kim chịu va đập nói riêng, với chất lượng cao, mà chủ yếu là sản xuất theo đơn đặt hàng dùng trong sửa chữa

và thay thế Một số đơn vị đã nghiên cứu và sản xuất được một số mác thép hợp kim nhằm đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu của thị trường, tuy nhiên chỉ là sản xuất nhỏ lẻ, rời rạc hạn chế về số lượng và chưa ổn định về chất lượng Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép hợp kim các loại, điều này không chỉ tiêu tốn rất nhiều ngoại tệ của đất nước mà còn ảnh hưởng đến nguồn cung cấp vật liệu cho các ngành sản xuất công nghiệp

Thép dụng cụ thuộc vào loại thép tốt, thép cao cấp được dùng rộng rãi trong công nghiệp Thép dụng cụ dùng để chế tạo dao cắt, khuôn dập và dụng

cụ đo lường Thép dao cắt và thép khuôn dập khi làm việc cần có độ cứng cao hơn nhiều so với vật liệu bị gia công, đồng thời phải có tính chống mài mòn tốt Vì vậy sau khi gia công một số chi tiết nhất định sẽ bị mài mòn và phải thay thế bằng dụng cụ khác, tức dụng cụ có tuổi thọ nhất định Do đó yêu cầu

cơ bản đối với thép dụng cụ là có độ bền cao và tính chống mài mòn cao Ngoài những yêu cầu cơ bản đó, đối với dụng cụ khác nhau sẽ có yêu cầu khác nhau đối với vật liệu

Thép dụng cụ hợp kim chịu va đập được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí chế tạo nói chung và ngành gia công áp lực nói riêng vì chúng có cơ tính tổng hợp cao (độ bền cao, tính chịu va đập tốt, độ bền chống phá hủy cao, có thể làm việc bền lâu trong các điều kiện tải trọng phức tạp,…) Cơ chế của các

dụng cụ làm bằng cỏc loại thộp chịu va đập là chỳng cú khả năng thắng được trở khỏng biến dạng của vật liệu biến dạng và mỏy múc, thiết bị tỏc động lờn Trong các loại thép dụng cụ hợp kim chịu va đập thì thép SKS43 có độ cứng và độ bền khá tốt Nhờ có hàm lượng các bon cao và một số nguyên tố hợp kim nên các loại thép này có độ thấm tôi cao và tổ chức sau khi ram sẽ tiết ra các loại các bít hợp kim nhỏ mịn nên làm cho thép có độ hạt nhỏ mịn,

đạt cơ tính tổng hợp cao đáp ứng được yêu cầu của các chi tiết máy làm việc trong môi trường chịu va đập mạnh Chính vì vậy, mác thép SKS43 có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực chế tạo cơ khí, dụng cụ, các chi tiết dùng trong môi trường chịu va đập Đây là mác thép của Nhật sản xuất theo tiêu chuẩn JIS G 4404 và được sử dụng khá nhiều ở nước ta trong các thiết bị nhập khẩu: pitstong khoan lắc, khuôn tán mũ đinh hay đầu búa rèn,… ở các nước khác như Đức, Pháp, Trung Quốc, cũng sản xuất các loại thép tương tự Thành phần hoá học và cơ tính của các mác thép cùng chủng loại SKS43 bảng 1 và 2

Bảng 1: Thành phần húa học của một số thộp dụng cụ hợp kim chịu va đập

GB 1299-85

0,35 ữ 0,45

0,8 ữ 1,10 ≤ 0,40

1,00 ữ

2,00 ữ 2,50

GB 1299-85

0,45 ữ 0,55

0,50 ữ 0,80 ≤ 0,40

1,00 ữ

2,00 ữ 2,50

7 6CrW2Si

GB 1299-85

0,55 ÷ 0,65

0,50 ÷ 0,80 ≤ 0,40

1,00 ÷

2,20 ÷ 2,70

8 100V1 (1.2833)

DIN (WN)

0,95 ÷ 1,05

0,15 ÷ 0,25

0,10 ÷ 0,30

1.2 ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của thép SKS43

Như trên đã nêu, mác thép SKS43 là loại thép hợp kim thấp với hàm lượng cácbon cao và các nguyên tố hợp kim chính là Vanadi (V), cùng với một số nguyên tố hợp kim khác là Si, Mn, Cr, Sự kết hợp ảnh hưởng của các nguyên

tố này đã tạo ra cho mác thép SKS43 sau khi được nhiệt luyện có cơ tính tổng hợp rất cao, đáp ứng được các yêu cầu của các chi tiết máy móc làm việc trong

điều kiện chịu va đập Sau đây chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các nguyên

tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của mác thép SKS43

- ảnh hưởng của hàm lượng Cácbon (C):

Cácbon 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 Ostenit Ngoài ra C có thể kết hợp với một số nguyên tố hợp kim như Cr, W, Mn, Mo,

Ti, V, Nb, tạo thành Cacbit trong thép

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 thấp

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)

Cácbon làm giảm độ dẻo dai của thép, đầu tiên, 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

Dựa vào hàm lượng các bon người ta chia thép thành 4 nhóm với cơ tính

và công dụng rất khác nhau

- Thép cácbon thấp (≤ 0,25% C) có độ dẻo, độ dai cao, nhưng độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện (tôi + ram) không cao Muốn nâng cao hiệu quả nhiệt luyện để nâng cao độ bền, độ cứng phải kết hợp với quá trình thấm cácbon

Hình 2: ảnh hưởng của C đến cơ tính của thép

- Thép cácbon trung bình (0,3 - 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 và va đập cao

- Thép cácbon tương đối cao (0,55-0,65%C), loại thép này có ưu điểm là

độ cứng, giới hạn đàn hồi cao nên được sử dụng làm các chi tiết đàn hồi

- Thép cácbon cao (≥ 0,7%C), với ưu điểm độ cứng và tính chống mài mòn và va đập cao đặc biệt khi thép kết hợp với một số loại hợp kim đặc biệt như Vanadi (V), do đó những loại thép này thường được ứng dụng làm các dụng cụ như dao cắt, khuôn dập tán mũ đinh, dụng cụ đo, pistong khoan lắc, 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

Dạng cacbit Nguyờn tố hợp kim Tỷ lệ, %

- ảnh hưởng của nguyên tố Vanadi :

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 đ−ợc va đập mạnh và lực uốn, bền bỉ chống lại đ−ợc sự mài mòn và chống đ−ợc sự đứt gãy rất tốt Giản đồ trạng thái của hệ Fe-V và C-Fe-V

đ−ợc trình bầy trên hình 4 và hình 5

Hình 4 : Giản đồ trạng thái hệ Fe-V

Hình 5 : Giản đồ trạng thái hệ C-Fe-V

Vanađi nõng cao độ thấm tụi của cỏc đảo ostenit 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 ostenit và ostenit dư cú tỏc dụng neo cứng mặt phõn giới hai pha và đõy cũng

là nguyờn nhõn làm tăng độ thấm tụi của ostenit 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

Ảnh hưởng của Nb đến thộp song pha cũng tương tự vanađi, song cacbit Nb tớnh ổn định cao hơn ở nhiệt độ nung tới hạn nú khú hũa tan hoặc khú lớn lờn hơn Ở tốc độ nguội thớch hợp, thộp Nb cú thể xuất hiện ferit thứ cấp, hiện tượng này cải thiện thờm tớnh dẻo của thộp song pha

Vanađi cú nhiệt độ núng chảy là 1825 – 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 5-7 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 nguyên tố Crôm:

Crôm có tác dụng cải thiện tính thấm tôi của ostenit 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 mactenxit 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 Cr 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

- ¶nh h−ëng cña nguyªn tè 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

- ¶nh h−ëng cña nguyªn tè 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 trong thép

Bảng 5: Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến cấu trúc và tính chất của thép

Nguyên

tố độ thấm tôi Nâng cao Hóa bền ferit nhỏ hạt Làm 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

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

Si Yếu Mạnh Không

Không, thúc đẩy sự graphit hóa, thoát C

Trung bình, dưới

250 0 C Mạnh

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

V Mạnh, nhưng VC khó hòa

tan vào γ

Yếu Mạnh Mạnh Mạnh Làm hạt nhỏ

- Ảnh hưởng của tạp chất:

+ Ảnh hưởng của P: Trong sắt lỏng Phốt pho hòa tan rất nhiều ở dạng

phân tử Fe2P, nếu có O2, Mn, Al thì có thể tạo thành P2O5, P4O3, Mn5P2AlP, FeO.P2O5, Fe2O3.P2O5 , nhưng trong sắt đặc, sự hòa tan của P không đáng kể,

đặc biệt ở trong pha Ferit hoà tan chỉ độ vài phần nghìn, do vậy dễ xuất hiện

Fe3P làm tăng giòn ở nhiệt độ thường (gây bở nguội hay giòn nguội), do đó làm giảm mạnh độ dai va đập của chi tiết

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 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 (988oC) 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 Oxy: Độ hoà tan của Ôxy trong thép 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 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 và Hydro: Nitơ và Hyđrô ảnh hưởng mạnh đến tính dẻo, tăng khuynh hướng phá huỷ giòn của thép N 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 N cao gây ra hiện tượng hoá già khi biến dạng, khi biến dạng nguội các nguyên tử N trong 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 H 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 H cao có thể dẫn tới hiện tượng tróc, nứt tạo thành bởi áp lực cao; do khi nguội chậm H 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 250oC Do H 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 Quỏ trỡnh va đập và hiệu suất va đập của dụng cụ chịu va đập

Trong quỏ trỡnh gia cụng kim loại bằng ỏp lực núi riờng và gia cụng chịu

va đập núi chung, những vật gia cụng được biến dạng dẻo và bị biến dạng là

do cỏc nhỏt dập Năng lượng của mỗi một nhỏt dập L phần lớn được tiờu hao

để làm biến dạng vật liệu cần gia cụng, phần năng lượng đú kớ hiệu là Lg Sự tiờu hao năng lượng ấy tuõn theo một quy luật nhất định Để giải thớch, chứng minh quy luật ấy chỳng ta cần phải chỳ ý đến tớnh chất cơ học của động

lượng Đối với máy búa, nội lực được tích lũy ở đầu búa và khuôn Khi tính năng lượng cần phân biệt hai trường hợp:

- Những máy búa có bệ đe cố định

- Những máy búa không có bệ đe (bệ đe chuyển động)

Nếu ta coi mỗi nhát dập đều đúng trọng tâm và bệ đe tự do (chuyển động) ta có công thức sau:

m1v1 + m2v2 = m1v1’ + m2v2’ = (m1 + m2)vx (1.1) trong đó: m1 , v1 – khối lượng và tốc độ ban đầu của bộ phận rơi;

m2 , v2 – khối lượng và tốc độ ban đầu của bệ đe;

v1’ – tốc độ sau khi va đập của bộ phận rơi;

v2’ – tốc độ sau khi va đập của bệ đe;

vx – tốc độ trọng tâm của hệ thống va đập Tốc độ trong tâm vx

không thay đổi trong suốt quá trình va đập

Từ công thức trên ta có:

2 1

' 2

' 1 2

1

2 2 1 1

vmvmm

m

vmvm

+

+

=+

+

Nếu bệ đe cố định thì tốc độ ban đầu của bệ đe v2 = 0 Người ta chia quá trình va đập ra làm hai giai đoạn:

1.3.1 Giai đoạn thứ nhất (giai đoạn có tải):

Trong suất giai đoạn này các phần khuôn (hay đầu búa) trên và dưới làm vật rèn biến dạng (biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi) dần dần tiến gần nhau và đến khi kết thúc giai đoạn này thì vật rèn được biến dạng cực đại Ở thời điểm cuối cùng của giai đoạn thứ nhất, tốc độ của những thành phần trong hệ thống (đầu búa và bệ đe hoặc 2 đầu búa) bằng nhau và bằng tốc độ trọng tâm vx Năng lượng tích lũy ban đầu của hệ thống (LE) phần lớn được tiêu hao để làm vật rèn biến dạng dẻo (Lg) và một phần làm vật rèn biến dạng đàn hồi (Ly) Sau giai đoạn thứ nhất năng lượng còn dư L1

Biến dạng dẻo của đầu búa hoặc khuôn so với biến dạng dẻo của vật rèn thì rất nhỏ, do đó chúng ta không tính đến Vậy:

LE = Lg + Ly + L1 = Ln + L1 (1.3)

Trong gia đoạn thứ nhất năng lượng làm biến dạng dẻo (Lg) thì bị mất

đi Năng lượng làm vật rèn biến dạng đàn hồi (Ly) thì tích lũy trong đầu búa

' ' vv

vv

2 1 1

vL

2 2 2

2 1

m

Kết thúc giai đoạn thứ nhất, năng lượng LE giảm dần xuống giá trị là

L1 Theo định luật bảo toàn động năng ta có:

).(

2

)(

2

v)(

L

2 1

2 2 2 1 1

2 x 2 1

v m v m m

m

+

+

=+

Với máy búa có bệ đe cố định v2 = 0 thì:

E

L m m

m

.)(

L

2 1

1

Tổng năng lượng bị mất đi trong giai đoạn thứ nhất:

Đối với máy búa có bệ đe chuyển động:

)(

)(

L

2 1

2 2 1 2 1

v v m m L

m m

m L

)(

L

2 1

2

1= +

−

và

2

1 1

m

m L

L

n

1.3.2 Giai đoạn thứ hai:

Sau giai đoạn thứ nhất thì giai đoạn thứ hai xảy ra là do năng lượng Ly

(tức là năng lượng biến dạng đàn hồi) Năng lượng đó được tích lũy ở đầu búa, bệ đe và làm thay đổi tốc độ trọng tâm vx thành tốc độ cuối cùng v1’, v2’ Tốc độ cuối cùng của đầu búa, bệ đe hoặc hai đầu búa sau giai đoạn thứ nhất (sau khi va đập) xác định theo những công thức sau:

m1v1 + m2v2 = m1v1’ + m2v2’ và v1 – v2’ = k(v2 - v1) Nếu 0< k <1 thì ta rút ra được:

))(

1('

2 1

2 1

m m

1('

2 1

1 2

m m

m

++

=Nếu vật rèn dẻo tuyệt đối, nghĩa là k = 0 thì:

x

v m

m

v m v m v v m m

−

=

2 1

2 2 1 1 2 1 2 1

2 1

v

x

v m

m

v m v m v v m m

+

=

2 1

2 2 1 1 2 1 2 1

2 2

2'

2 1

2 1

m m

2'

2 1

1 2

m m

m

++

) ' ( L

2 2 2

2 1 1 0

v m v

m

+

=Thay giá trị v1’ và v2’ vào công thức trên ta được:

a Khi đe dưới chuyển động:

)(

2

)()

(L

2 1

2 2 1 2 1 2 2 2 2 1 1 0

m m

v v m m k v m v m

+

−+

+

=

2 1 2

2 1 0

L

m m

m k m

2 Năng lượng làm vật rèn biến dạng dẻo sẽ bằng: Lg = LE – L0

a Trường hợp đe dưới chuyển động:

)(

2

)1()(L

2 1

2 2 2 1 2 1

m m

k v

v m m

m

) 1 (

2 1

m m

2

)

2 1

2 2 1 2

L m m

v v m m

1.4 Vật liệu thép hợp kim chịu va đập để chế tạo đầu búa rèn

Qua khảo sát thực tế tại một số Xí nghiệp 179 - Công ty TNHH MTV Vật tư Công nghiệp Quốc Phòng - Bộ Quốc phòng, Công ty TNHH MTV Cơ khí Trần Hưng Đạo,… chúng tôi thấy có nhiều loại đầu búa rèn (làm bằng các vật liệu của liên xô cũ như: 5XHM, 40X, Y8, ) đang sử dụng được lắp đặt tại các vị trí trực tiếp làm biến dạng các chi tiết, sản phẩm là các vật liệu làm bằng thép dụng cụ và thép dụng cụ hợp kim, Các đầu búa phải làm việc trong điều kiện khá khắc nghiệt như chịu áp lực lớn, va đập mạnh và nhiệt độ cao (khoảng 800 ÷ 1200 0C) Các đầu búa này khi dùng được một thời gian thì thường hay bị rạn, nứt và phải mất thời gian để khắc phục Hiện nay Nhà máy đang tìm hiểu, lựa chọn vật liệu khác phù hợp do trong nước chế tạo và tránh phải nhập khẩu để thay thế các đầu búa rèn này Với yêu cầu là đầu búa làm bằng thép rèn từ thép hợp kim hoặc thép cácbon và nhiệt luyện với điều kiện

là thép có thể chịu va đập và giới hạn bền không nhỏ hơn 800 – 900 KN/mm2,

độ cứng cao và có tính chịu va đập tốt

Hiện nay, sản phẩm được rèn qua khuôn là phổ biến nên điều kiện làm việc trong trường hợp này phải có tính chịu va đập mạnh và độ cứng cao để thắng lực tác động và độ cứng của các khuôn rèn và vật rèn

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thép SKS43 là loại thép có độ cứng cao, chịu va đập tốt nên có thể sử dụng để làm pistong khoan lắc, khuôn tán

mũ đinh,… Với tính chất cơ lý như trên và điều kiện làm việc của đầu búa rèn trong trường hợp rèn sản phẩm có sử dụng khuôn và lý thuyết về quá trình va đập, hiệu suất va đập của các dụng cụ chịu va đập của máy búa rèn, thì sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng để chế tạo các chi tiết chịu va đập mạnh như đầu búa rèn