Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS420J2 để chế tạo khuôn đúc nhựa

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 không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo khuôn đúc nhựa” DFGEDFGEDFGE Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM Cơ quan chủ trì: VIỆN LUYỆN KIM ĐEN Chủ nhiệm đề tài: PHẠM THỊ MINH PHƯỢNG Hà Nội, 2010 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 không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo khuôn đúc nhựa” DFGEDFGEDFGE VIỆN LUYỆN KIM ĐEN VIỆN TRƯỞNG Đinh Văn Tâm Hà Nội, 2010 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 luyện kim Viện Luyện kim đen 2.Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ luyện kim Viện Luyện kim đen 3.Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ luyện kim Viện Luyện kim đen 4.Nguyễn Hồng Phúc 5.Phạm Thị Mai Phương Kỹ sư luyện kim Kỹ sư luyện kim Viện Luyện kim đen Viện Luyện kim đen 3 MỞ ĐẦU 4  1.TỔNG QUAN 5 1.1 Thép không gỉ mactensit 5 1.2 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến tính chất của thép không gỉ mactensit 9 1.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim 9 1.2.2 Ảnh hưởng của công nghệ nhiệt luyện 11 1.3 Thép không gỉ mác SUS 420J2 – thép làm khuôn đúc nhựa 14 II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 2.1 Nội dung nghiên cứu 17 2.2 Phương pháp nghiên cứu 17 III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19 3.1 Công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2 19 3.1.1 Công nghệ nấu luyện 19 3.1.2 Công nghệ tinh luyện 22 3.1.3 Công nghệ rèn 24 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện 26 3.2 Các tính chất của thép SUS 420J2 29 3.2.1 Tính chất cơ tính 29 3.2.2 Cấu trúc tế vi 30 3.2.3 Tính chống gỉ 32 3.3 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 34 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 4.1 Kết luận 39 4.2 Kiến nghị 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 4 MỞ ĐẦU Ngày nay, trên thế giới nhu cầu chất dẻo trong kỹ thuật cũng như trong dân dụng ngày càng tăng. Dựa trên cơ sở khoa học kỹ thuật, thành tựu phát triển mạnh mẽ của ngành polyme, các nhà sản xuất chất dẻo đã đưa ra thị trường chất dẻo nhiều chủng loại với các tính chất hơn hẳn các loại vật liệu khác đó là nhẹ, bền, đẹ p, dễ gia công Khi chất lượng cuộc sống ngày càng cao thì yêu cầu về chất lượng và giá thành của các sản phẩm từ nhựa càng khắt khe hơn. Điều này thách thức các nhà sản xuất và gia công. Cũng vì thế ngành công nghiệp khuôn mẫu đã ra đời để đáp ứng nhu cầu đó. Ở nước ta, trong những năm gần đây có nhiều cơ sở chế tạo khuôn mẫu đã hình thành tại Hà Nội, thành phố H ồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác trong nước. Các cơ sở này đã đầu tư trang thiết bị hiện đại, đưa vào sử dụng các máy móc kỹ thuật số thế hệ mới (CNC) để nâng cao tính chính xác của gia công cơ khí. Tuy nhiên để đáp ứng yêu cầu cao của khuôn mẫu, các cơ sở phải nhập khẩu một lượng lớn các phôi thép cacbon và thép hợp kim chất lượng cao với giá thành đắt. Do vậy việc nghiên c ứu các thép hợp kim chất lượng cao dùng làm khuôn mẫu cho công nghiệp nhựa là cần thiết. 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 không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo khuôn đúc nhựa”. Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nh ận được sự giúp đỡ, tạo điều của Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương, công ty cơ khí Hoàng Thịnh, Công ty Sản xuất thương mại dịch vụ Đức Phương, 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. 5 1.TỔNG QUAN 1.1 Thép không gỉ mactensit Thép không gỉ mactensit thường gồm (0,2-1,2%)C, (10,5-18%)Cr và sắt. Hàm lượng Cr và C được cân bằng để đảm bảo cấu trúc mactensit sau tôi. Ngoài ra chúng được thêm vào các nguyên tố hợp kim khác như Mo, W và V để cải thiện tính ram sau khi tôi, một lượng nhỏ Ni góp phần nâng cao tính chống gỉ trong một số môi trường và cải thiện độ dai. Trong một số loại thép không gỉ mactensit còn thêm một lượng S hoặc Se để cải thiệt tính gia công cắt gọt. Loại vật liệ u này sẽ được xử lý nhiệt để cải thiện tính chất cơ học. Khác các loại thép thông thường khác, thép này có độ thấm tôi cao hơn và có nhiệt độ xử lý nhiệt khác so với những thép thông thường khác. Thép không gỉ mactensit có tính chống ăn mòn cao trong không khí, nước sông…So với các loại thép không gỉ khác, thép không gỉ mactensit có tính chống ăn mòn thấp hơn. Thành phần hóa học của một số mác thép không gỉ tiêu biểu theo tiêu chuẩn của Nhật được nêu trong bảng 1. Mối quan h ệ giữa các mác thép trong họ thép không gỉ mactensit thể hiện trong hình 1 [1]. Từ các số liệu ở bảng 1 ta thấy thép không gỉ mactensit có thể chia làm 3 nhóm chính: nhóm Cr-C không chứa Ni, nhóm 16% Cr chứa Ni và nhóm siêu mactensit 12%Cr được hợp kim hóa thêm bằng các nguyên tố vi lượng Mo, Se, W, V. 6 Bảng 1: Thành phần hóa học của một số mác thép không gỉ mactensit Mác thép Thành phần hóa học các nguyên tố, % C Mn ≤ Si ≤ Cr Ni P ≤ S ≤ Khác 403 0,15 1,00 0,50 11,5-13,0 0,04 0,03 410 0,15 1,00 1,00 11,5-13,5 0,04 0,03 414 0,15 1,00 1,00 11,5-13,5 1,25-2,50 0,04 0,03 416 0,15 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,15min 0,6Mo 416Se 0,15 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,06 0,15Min Se 420 0,15min 1,00 1,00 12,0-14,0 0,04 0,03 420F 0,15min 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,15min 0,6Mo 422 0,20-0,25 1,00 0,75 11,5-13,5 0,5-1,0 0,04 0,03 0.75−1.25Mo; 0.75−1.25W; 0.15−0.3V 431 0,20 1,00 1,00 15,0-17,0 1,25-1,50 0,04 0,03 440A 0,60-0,75 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo 440B 0,75-0,95 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo 440C 0,95-1,2 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo 7 Qua hình 1 ta thấy mỗi loại mác thép không gỉ mactensit có cơ tính khác nhau phụ thuộc nhiều vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim ví dụ: Ni tăng tính chống gỉ, tăng cơ tính; C: Nâng cao tính chất cơ học; Thêm Mo, V, W sẽ tăng độ bền và độ dai va đập; thêm Se: tạo cho bề mặt gia công (làm việc) tốt hơn; hàm lượng P, S trong một số mác thép khi tăng nhằm cải thiệt tính gia công cắt gọt. Qua đó tùy thuộc vào mục đích sử dụng c ủa sản phầm mà ta có thể lựa chọn những mác thép cho phù hợp. Trong thép không gỉ mactensit, sự hình thành cấu trúc mactensit cũng phụ thuộc vào các nguyên tố thúc đẩy tạo thành cấu trúc. Đứng về mặt thúc đẩy việc hình thành cấu trúc, các nguyên tố hợp kim được chia thành 2 nhóm: các nguyên tố thúc đẩy hình thành austenit và các nguyên tố thúc đẩy hình thành ferit. Các nguyên tố thúc đẩy hình thành cấu trúc austenite trong thép bao gồm niken, cacbon, mangan, coban, nitơ và đồng Tuy nhiên, vai trò của các nguyên tố 410 C≤0.15 13Cr 414 Ni thêm vào tăng tính chống gỉ 403 Chọn làm turbine hoặc những chi tiết chịu ứng suất 420 C tăng: nâng cao tính chất cơ học 416 P, S tăng: cải thiện tích cắt gọt 440C C,Cr tăng: độ cứng cao nhất, tăng tính chống gỉ 416Se Thêm Se: bề mặt gia công (làm việc) tốt hơn 440B C giảm ít: nâng cao độ dai 440A C giảm thấp hơn 440B để nâng cao độ dai 420F P, S tăng: cải thiện tích cắt gọt 422 Thêm Mo, V, W tăng độ bền và độ dai 431 Cr tăng, thêm Ni: tăng tính chống gỉ, tăng cơ tính Hình 1: Mối quan hệ của một số mác thép không gỉ mactensit 8 đối với sự hình thành cấu trúc austenit là khác nhau. Mạnh nhất là cacbon và nitơ, sau đó đến niken, coban, rồi mangan và cuối cùng là đồng. Các nguyên tố thúc đẩy việc hình thành cấu trúc ferit là crôm, silic, molipden, niobi Để đánh giá khả năng thúc đẩy việc tạo thành cấu trúc trong thép người ta dùng khái niệm niken đương lượng và crôm đương lượng. Niken đương lượng biểu thị tổng khả năng tạo cấu trúc austenit của nhóm nguyên tố thúc đẩy sự tạo thành austenite và crôm đương lượng biểu thị tổng khả năng tạo cấu trúc ferit của các nguyên tố hợp kim thúc đẩy sự tạo thành ferit. Niken đương lượng và crôm đương lượng được tính theo các công thức sau: Ni dl =Ni+0,5(Mn)+30C Cr dl =Cr+Mo+1,5Si+0,5Nb Như vậy, tùy vào giá trị của niken đương lượng và crôm đương lượng mà thép có cấu trúc hoặc austenit, hoặc ferit hay mactensit hay hỗn hợp của chúng. Giản đồ Schaeffler [4] giúp ta có thể dự đoán được cấu trúc của thép theo thành phần hóa học (hình 2). Hình 2: Giản đồ Schaffler 9 1.2 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến tính chất của thép không gỉ mactensit 1.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim Ảnh hưởng của nguyên tố C 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 lượ ng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cácbít. Trong thép không gỉ mactensit C nâng cao độ bền cho thép nhưng C ảnh hưởng xấu tới khả năng chống ăn mòn do kết hợp với Cr tạo thành cacbit, ngăn cản tới sự hình thành lớp màng thụ động. Ảnh hưởng của nguyên tố Cr Trên hình 3 nêu lên ảnh hưởng của nguyên tố Cr đến giản đồ Fe-C, qua đó thấy rõ Crôm là nguyên tố mở r ộng vùng Fe-α và thu hẹp vùng Fe-γ. Với nhiệt độ và hàm lượng cacbon khác nhau sẽ xuất hiện các loại cácbít khác nhau. Crôm là nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chống gỉ cho thép nhờ nó tạo ra màng ôxit Cr 2 O 3 hoặc FeCr 3 O 4 có tính bảo vệ cao. Trong hệ 2 cấu tử Fe-Cr, Crôm hòa tan hoàn toàn trong Fe-α và theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu khác nhau cho thấy để màng ôxit crôm nêu trên trong dung dịch rắn có tính bảo vệ thì lượng chứa crôm phải lớn hơn 11,7%. Lượng crôm càng cao khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và một số môi trường khác càng cao. [...]... của thép 420 a) tôi 935 0C, b) tôi 1025 0C 13 1.3 Thép không gỉ mác SUS 420J2 – thép làm khuôn đúc nhựa Thép không gỉ mactensit SUS 420J2 Thép không gỉ mác SUS 420J2 thuộc họ thép không gỉ mactensit Đây là loại thép đã được nghiên cứu và sản xuất ở rất nhiều nước có nền công nghiệp Luyện kim phát triển Các nước đã tiêu chuẩn hóa mác thép này và đã sản xuất, ứng dụng rất rộng rãi: Làm dụng cụ y tế, khuôn. .. Nội dung nghiên cứu Dựa trên tiêu chuẩn JIS G 4304 của Nhật và các tiêu chuẩn nước ngoài khác để lựa chọn mác thép hợp kim SUS 420J2 phù hợp cho việc chế tạo khuôn đúc nhựa Nội dung nghiên cứu như sau: 1)Xây dựng đề cương kế hoạch nghiên cứu: tổng quan và chi tiết Nghiên cứu các tài liệu về: Tiêu chuẩn vật liệu, công nghệ chế tạo, sản phẩm 2)Khâu công nghệ: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thiết... chế tạo thép SUS 420J2 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 3) Đánh giá chất lượng thép SUS 420J2 + Thành phần hóa học + Tính chất cơ lý: giới hạn bền, giới hạn chảy, độ giãn dài, độ cứng + Cấu trúc pha + Tính chống gỉ 4) Chế tạo thử một bộ khuôn đúc nhựa, ... thép không gỉ Hình 7: Độ truyền nhiệt của thép không gỉ 15 Như vậy thép không gỉ SUS 420J2 có những tính chất ưu việt sau: - Khả năng gia công và đánh bóng cao - Chống ăn mòn tốt - Chống mài mòn cao - Độ cứng và độ bền cao - Ổn định kích thước khi nhiệt luyện Lựa chọn thép SUS 420J2 làm khuôn đúc nhựa: Có rất nhiều loại khuôn đúc nhựa khác nhau, ở đây đề tài đề cập đến khuôn đúc nhựa có độ bóng cao Khuôn. .. 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, các tài liệu trong và ngoài nước về thép không gỉ, phân tích điều kiện làm việc của khuôn đúc nhựa 17 - 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... đối chứng, nhưng không nhiều Chứng tỏ khả năng chống gỉ của thép SUS 420J2 gần tương đương với khả năng chống gỉ của thép đối chứng SUS 420J1 3.3 Chế tạo sản phẩm và dùng thử Theo nội dung đăng kí, đề tài phải chế tạo được một bộ khuôn đúc nhựa để dùng thử và đánh giá chất lượng Chúng tôi chọn loại khuôn đúc dùng cho nhựa làm hộp đựng ô mai Việc gia công cơ khí được thực hiện tại Công ty cơ khí Hoàng... Đa - Hà Nội Khuôn nhựa sau khi chế tạo xong được dùng thử và đánh giá chất lượng tại Công ty Trách nhiệm hữu hạn Sản xuất Thương mại Dịch vụ Đức Phương Bộ khuôn nhựa “hộp đựng ô mai” theo bản thiết kế của công ty (hình 17, hình 18) được chế tạo bằng thép SUS 420J2 của Viện Luyện kim đen tại Công ty cơ khí Hoàng Thịnh Tại đây, Công ty đã áp dụng công nghệ hiện đại CNC vào việc gia công khuôn như: sử... lõm - Không có biểu hiện rỗ xốp 3.1.3 Công nghệ rèn Thép SUS 420J2 do đề tài chế tạo sẽ được rèn thành các phôi có kích thước khác nhau dùng vào việc chế tạo khuôn đúc nhựa Đối với thép không gỉ SUS 420J2 đã qua tinh luyện điện xỉ, cấu trúc thép có dạng kết tinh hướng tâm, có trở chống biến dạng tương đối cao nên khi rèn cần chú ý các khâu nung phôi, chế độ biến dạng và quá trình làm nguội Công nghệ. .. Hình 9: Sơ đồ công nghệ rèn thép SUS 420J2 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện Để thuận lợi cho việc gia công cơ khí cũng như đảm bảo cơ tính cao và tính chống gỉ tốt thì thép không gỉ mactensit mác SUS 420J2 phải được nhiệt luyện Nhiệt luyện bao gồm hai dạng : ủ mềm để gia công cơ khí và tôi ram để nâng cao cơ tính, khả năng chống gỉ của thép - Ủ mềm : Ủ là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến nhiệt... Do chất lượng của thép SUS 420J2 trong khâu nấu luyện, tinh luyện đảm bảo yêu cầu nên tỷ lệ thu hồi sản phẩm trong công đoạn rèn đạt tỷ lệ khá cao (~80%) Đây là một thuận lợi cho các công đoạn tiếp theo vì nó khẳng định được chất lượng của thép Sản phẩm phôi rèn được ủ mềm hợp lý để tạo điều kiện thuận lợi cho gia công cơ khí chế tạo khuôn mẫu sau này Sơ đồ công nghệ rèn thép không gỉ mactensit SUS . 14 1.3 Thép không gỉ mác SUS 420J2 – thép làm khuôn đúc nhựa ¾ Thép không gỉ mactensit SUS 420J2 Thép không gỉ mác SUS 420J2 thuộc họ thép không gỉ mactensit. Đây là loại thép đã được nghiên cứu. 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 không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo khuôn đúc nhựa . Trong quá trình thực hiện. Công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2 19 3.1.1 Công nghệ nấu luyện 19 3.1.2 Công nghệ tinh luyện 22 3.1.3 Công nghệ rèn 24 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện 26 3.2 Các tính chất của thép