Đề tài : Nghiên cứu áp dụng phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngoài lò

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, thép không gỉ và thép hợp kim bền nhiệt đã trở thành vật liệu của tương lai, do đáp ứng được các yêu cầu ngày càng khắt khe của các ngành kỹ thuật nên nó được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Tuy nhiên, thép không gỉ và thép hợp kim bền nhiệt là lọai thép có thành phần hợp kim (Cr, Ni) cao nên quá trình sản xuất phải thực hiện theo một quy trình công nghệ phức tạp. Hiện nay thép không gỉ và thép hợp kim bền nhiệt được sử dụng tại Việt nam chủ yếu là nhập ngọai dạng thanh, tấm, ống với giá thành cao. Dạng các chi tiết máy thì phải đặt hàng ở nước ngoài với giá thành rất cao và luôn bị phụ thuộc. Là một thành viên của ngành luyện kim Việt Nam, công ty Cổ phần cơ khí Luyện Kim chúng tôi đã trăn trở rất nhiềutrước vấn đề trên.Các đề tài: Chế tạo cụm van của trược của thùng rót thép, Chế tạo trục cán gang hai lớp bằng phương pháp ly tâm, chế tạo thép khuôn mẫu… đã được chúng tôi thực hiện trong nh?ngnăm qua. Tinh luyện thép hợp kim ngòai lòđể đúc thép không gỉ, thép hợp kim bền nhiệt là tâm huyết của chúng tôi với mong muốn khắc phục một phần vấn vấn đề trên và góp nâng cao chất lượng thép đúc Việt Nam trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chúng tôi xin chân thành cám ơn Vụ Khoa học Công nghệ- Bộ Công Thương, Công ty Tôn Phương Nam, Công Ty Thép Biên Hòa, Công ty Capital (Anh quốc) đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài này. Do hạn chế về thời gian, trang thiết bị công nghệ và trình độ công nghệ, chắc chắn đề tài của chúng tôi sẽ cònmột số tồn tại nhất định, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của các cấp, các cách ngành, đặc biệt là các nhà chuyên môn. Xin trân trọng cám ơn CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Phạm Mạnh Cường Nghin c?u p d?ng phuong php tinh luy?n thp h?p kim dc ngịai lị (tr

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG RỈ, THÉP ĐÚC BỀN NHIỆT

VÀ CÔNG NGHỆ TINH LUYỆN THÉP HỢP KIM NGÒAI LÒ 1.1 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HỢP KIM 03

1.1.1 Ảnh hưởng nguyên tố Si

1.1.2 Ảnh hưởng nguyên tố Mn

1.1.3 Ảnh hưởng nguyên tố Ni

1.1.4 Ảnh hưởng nguyên tố Cr

1.1.5 Ảnh hưởng nguyên tố Mo

1.4 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TINH LUYỆN THÉP HỢP KIM NGÒAI LÒ 17

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

5.1 KẾT LUẬN

5.2 KIẾN NGHỊ

PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO

6.1 Phụ lục 1: Công nghệ đúc các chi tiết

6.2 Phụ lục 2: Các quy trình công nghệ

6.3 Phụ lục 3: Các sản phẩm đúc đã thực hiện

6.4 Phụ lục 4: Kết quả kiểm tra cơ tính và tổ chức kim lọai

6.5 Phụ lục 5: Bảng tính giá thành chế tạo

6.6 Phụ lục 6: Nhận xét của khách hàng sử dụng

6.7 Tài liệu tham khảo

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, thép không gỉ và thép hợp kim bền nhiệt đã trở thành vật liệu của tương lai, do đáp ứng được các yêu cầu ngày càng khắt khe của các ngành kỹ thuật nên nó được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày và trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật

Tuy nhiên, thép không gỉ và thép hợp kim bền nhiện là lọai thép có thành phần hợp kim (Cr, Ni) cao nên quá trình sản xuất phải thực hiện theo một quy trình công nghệ phức tạp

Hiện nay thép không gỉ và thép hợp kim bền nhiệt được sử dụng tại Việt nam chủ yếu là nhập ngọai dạng thanh, tấm, ống với giá thành cao Dạng các chi tiết máy thì phải đặt hàng ở nước ngoài với giá thành rất cao và luôn bị phụ thuộc

Là một thành viên của ngành luyện kim Việt Nam, công ty Cổ phần cơ khí Luyện Kim chúng tôi đã trăn trở rất nhiều trước vấn đề trên.Các đề tài: Chế tạo cụm van của trược của thùng rót thép, Chế tạo trục cán gang hai lớp bằng phương pháp ly tâm, chế tạo thép khuôn mẫu… đã được chúng tôi thực hiện trong những năm qua

Tinh luyện thép hợp kim ngòai lò để đúc thép không gỉ, thép hợp kim bền

nhiệt là tâm huyết của chúng tôi với mong muốn khắc phục một phần vấn vấn đề trên và góp nâng cao chất lượng thép đúc Việt Nam trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Chúng tôi xin chân thành cám ơn Vụ Khoa học Công nghệ- Bộ Công Thương, Công ty Tôn Phương Nam, Công Ty Thép Biên Hòa, Công ty Capital (Anh quốc) đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng tôi hòan thành đề tài này

Do hạn chế về thời gian, trang thiết bị công nghệ và trình độ công nghệ, chắc chắn đề tài của chúng tôi sẽ còn một số tồn tại nhất định, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của các cấp, các cách ngành, đặc biệt là các nhà chuyên môn

Xin trân trọng cám ơn

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

Phạm Mạnh Cường

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG RỈ, THÉP ĐÚC BỀN NHIỆT VÀ CÔNG NGHỆ TINH

LUYỆN THÉP HỢP KIM NGÒAI LÒ

I ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUYÊN TỐ HỢP KIM

1.1 Ảnh hưởng nguyên tố Si

Silic là nguyên tố mở rộng vùng α và không tạo ra cácbit Silic làm tăng tính thấm tôi của thép, nhưng chỉ ở mức độ trung bình ( Hệ số thấm tôi của Mangan là 4, còn của silic là 1,7 ) Ngoài ra, silic còn có tác dụng làm tăng tính ổn định ram, nhưng không làm tăng tính dòn ram của thép Silic còn có khả năng chống oxy hoá ở nhiệt độ cao và tăng độ bền rão Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng silic trong thép sẽ làm dịch chuyển đường cong chữ “C” chuyển biến đẳng nhiệt austenit của hợp kim sang bên trái, thúc đẩy quá trình tiết cácbit thứ cấp, tạo peclit làm giảm độ cứng và tính chịu mài mòn Trong vùng chuyển biến mactensit thì silic lại làm tăng nhiệt độ

Ms làm cho chuyển biến mactensit xẩy ra triệt để hơn

1.2 Ảnh hưởng nguyên tố Mn

Mangan có cấu trúc tinh thể lập phương với thông số mạng 9,894 A°

Do có thông số mạng tinh thể lớn hơn nhiều so với sắt nên khi hợp kim hoá mangan vào sắt sẽ làm tăng thông số mạng tinh thể của hợp kim Tỷ trọng của mangan nhỏ hơn của sắt nên khi tăng hàm lượng mangan trong sắt sẽ làm giảm tỷ trọng của hợp kim ( ví dụ, khi Mn = 5% thì tỷ trọng của hợp kim sẽ giảm từ 7,88 xuống 7,83 kg/dm3 ) Nhiệt độ nóng chảy của mangan là 1247°C

Mangan là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng γ Đối với cácbon, mangan cũng tạo thành cácbit dạng ( Fe,Mn )3 C với tính chất gần giống như xêmentit Khác với các cácbit crôm, cácbit mangan dễ hoà tan vào dung dịch rắn như xêmentit và cũng dễ tiết ra từ dung dịch rắn khi ram Mangan làm tăng mạnh độ cứng và độ bền của ferit Mangan cũng làm tăng mạnh độ cứng của austenit như crôm Đối với hợp kim Fe-Cr-Mn thì khi tăng hàm lượng mangan sẽ làm chậm chuyển biến γ → α khi làm nguội) Còn khi hợp kim chứa 1%C thì các điểm tới hạn khi làm nguội còn giảm mạnh hơn Do đó khi nung để tôi hợp kim chứa cácbon cao thì cácbit

mangan dễ hoà tan vào austenit và độ bão hoà mangan trong dung dịch rắn tăng lên Ví dụ khi nung thép chứa 1%C đến 830°C thì có tới 80% mangan hoà tan trong dung dịch rắn Vì thế sự phân huỷ austenit khi làm nguội thép Fe-Cr-C chứa 1%Mn xẩy ra rất chậm Tốc độ làm nguội khi tôi nhỏ tính thấm tôi cao Điều này cho phép tôi trong môi trường yếu ( như dầu ) Mangan làm giảm nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit Ms nên trong thép tôi chứa mangan sẽ tăng hàm lượng austenit dư khi tăng hàm lượng mangan.Ưu việt của thép chứa mangan là giảm chiều hướng biến dạng và tăng tính thấm tôi

Một ưu việt nữa của thép chứa mangan là mangan liên kết với lưu huỳnh tạo thành hợp chất hoá học bền vững MnS nên làm giảm sự bở nóng của thép Khi hàm lượng của mangan từ 1 – 1,2% thì độ bền của thép được tăng lên

Mức độ tạo thành cácbit của mangan kém hơn so với crôm Chỉ khoảng 50% mangan kết hợp với cácbon để tạo thành cácbit, 50% còn lại thì hoà tan vào dung dịch rắn

1.3 Ảnh hưởng nguyên tố Ni

Niken kết tinh trong mạng tinh thể lập phương diện tâm, giống như

γ-Fe nên niken là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng γ rất mạnh Với một lượng Ni thích hợp sẽ làm cho thép có tổ chức γ ngay cả ở nhiệt độ thông thường Thông số mạng của niken là 3,524 A°, lớn hơn của γ-Fe một chút

Do niken làm tăng tính ổn định của austenit nên khi tăng hàm lượng niken trong hợp kim thì lượng austenit dư sau khi tôi cũng tăng lên

1.4 Ảnh hưởng nguyên tố Cr

Crôm có cấu trúc tinh thể tương tự như α-sắt, tức là có mạng tinh thể lập phương thể tâm với thông số mạng 2,877A° Tỷ trọng của crôm là 7,1 kg/dm3 Hệ số dãn nở nhiệt ở 20°C là 8,2.10-6 và nhiệt độ nóng chảy của crôm là 1615°C

Hợp kim Fe-Cr ở trạng thái rắn tạo ra một số dung dịch rắn γ, γ + α, α và đặc biệt là trong khoảng 44-52% Cr sẽ tạo ra hợp chất liên kim không ổn định σ Pha này rất cứng, dòn và chứa 48,2% Cr ( xem hình 1 )

Đến hàm lượng 2% thì crôm hoà tan hoàn toàn trong sắt Do bán kính nguyên tử của crôm gần bằng của sắt nên trong mạng tinh thể α-sắt, các nguyên tử crôm nằm trong các nút mạng thay thế các nguyên tử sắt, tạo nên dung dịch rắn thay thế với các tính chất cơ học cao hơn, đặc biệt là độ dai

va đập Nguyên tố crôm nâng cao tính chống gỉ của thép, đặc biệt là khi hàm lượng crôm lớn hơn 12%

Trong hợp kim Fe-Cr-C thì một phần crôm liên kết với cácbon tạo thành cácbit Trong khoảng 1-2% Cr thì hầu như tất cả crôm liên kết với cácbon tạo thành cácbit phức hợp ( Fe, Cr )3 C Cácbit này và cả Xêmentit hoà tan trong γ-sắt khi nung lên 890-900°C

Khi hàm lượng crôm tăng trên 2% thì trong thép sẽ tạo ra các loại cácbit crôm đặc biệt, có công thức hoá học là ( Cr, Fe )7 C3 và kết tinh trong hệ Tam tà ( Trigonal ) Loại cácbit này rất ổn định và chỉ hoà tan trong austenit khi nung ở 1040-1070°C

Khi hàm lượng crôm từ 10-11% trở lên sẽ tạo thành loại cácbit phức tạp có công thức hoá học là ( Cr, Fe )23 C6 và kết tinh trong hệ lập phương Sự hình thành các loại cácbit phụ thuộc vào hàm lượng crôm và cácbon Nhờ có sự hình thành các loại cácbit này mà thép có độ cứng cao và tính chịu mài mòn tốt

Crôm có ảnh hưởng đến chuyển biến γ ↔ α ( nhiệt độ chuyển biến và điều kiện tiết cácbit từ dung dịch rắn ) Do crôm trong austenit làm giảm độ hoà tan của cácbon nên các đường giới hạn hoà tan của cácbit trong austenit dịch chuyển về phía giảm hàm lượng cácbon, thu hẹp vùng γ Tuy nhiên, sự thu hẹp này cũng chỉ ở mức độ nhỏ do sự có mặt của cácbon-nguyên tố mở rộng vùng γ

II TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG GỈ

Thép không gỉ bao gồm một họ hợp kim trên cơ sở Fe mà tính chất chủ yếu của nó là bền chống ăn mòn trong các môi trường khác nhau Tuy nhiên được gọi là thép không gỉ nhưng cần phải hiểu một cách tương đối so với thép thông thường Thực ra mỗi lọai thép không gỉ chỉ có tính chống ăn mòn cao trong một số môi trường nhất định và ngay cả trong môi trường đó nó vẫn bị ăn mòn với tốc độ nhỏ <0.1mm/năm ( không đáng kể)

Thép không gỉ có một số đặc tính ưu việt là :

Hàm lượng crôm, % (theo khối lượng)

- Đặc điểm nổi bật của thép không gỉ là khả năng chống gỉ, ngày nay người

ta đã chế tạo được các lọai thép không gỉ có khả năng làm việc trong

nhiều môi trường xâm thực mạnh như: Acid, kiềm, phóng xạ…

- Có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao

- Có các chất cơ học ( Độ bền, tính dẻo) và công nghệ (tính đàn hồi, khả năng dập sâu, tính gia công …) tốt

- Có tính vệ sinh cao

- Có ngọai hình thẩm mỹ cao

- Có khả năng dùng lại lớn

Cr Và Ni là 2 nguyên tố chính trong họ thép không gỉ, tùy thuộc vào hàm lượng và tỷ lệ Cr và Ni để có thể tạo nên tổ chức chức khác nhau của thép không gỉ (Xem hình 2- giản đồ Schaeffler)

M - vùng tồn tại của Mactenxit; α- Ferit; γ-austenit

Trong đó: Crtđb = %Cr + %Mo + 1.5%Si + 0.5%Nb

Nitđb = %Ni + 30%C + 0.5%Mn

Chính vì vậy có thể chia thép không gi thành 3 nhóm chính là : Thép không gỉ mactenxit, Thép không gỉ austenit, thép không gỉ ferit Ngòai ra còn có cả lọai thép không gỉ ferit-austenit và thép không gỉ hóa cứng tiết pha phân tán

2.1 Thép không gỉ mactenxit

15 20

γ + α +Μ

γ +Μ 20

Μ 10 15

5

Μ + α 5

Ni (tđ)

Khi hàm lượng Cr chiếm từ 12% - 17% Thép không gỉ này sẽ có tổ chức mactenxit, nếu vượt qua giới hạn trên sẽ trở thành thép austenit Nếu lượng Cr ở giới hạn dưới (12.5-1.3%) thi lượng Carbon phải hạn chế không vượt quá 0.4% để tránh tạo thành quá nhiều pha cacbit crôm dẫn tới làm nghèo crôm ở phần kim lọai nền và giảm khả năng chống gỉ của thép Các lọai thép này bao gồm (theo bảng 1)

SEA/

AISI

UNS JIS Cmax Mnmax Simax Cr Ni* Pmax Smax Các

nguyên tố khác

Bảng 1 Thành phần hóa của các mác thép không gi Mactenxit

• Đối với các mác thép của JIS có bổ sung thêm 0.6 % Ni Để nhiệt luyện thép không gỉ lọai này thường dùng: Austenit hóa, tôi và ram Nhiệt độ austenit hóa khá cao (950-1100oC) do Cr nâng cao điểm chuyển pha α ↔ γ và cần phải hòa tan cacbit crôm vào γ Do lượng Cr cao nên thép này dễ tôi, có thể nguội trong dầu hoặc trong không khí vẫn có thể nhận được tổ chức mactenxit Nhiệt độ ram tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, nhưng cần chú ý tránh dòn ram lọai II ờ vùng nhiệt độ 350-575oC bằng cách làm nguội trong dầu Nếu nguội chậm trong vùng nhiệt độ trên sẽ hình thành Cr23C6 đây là nguyên nhân làm thép bị giòn và giảm khả năng chống ăn mòn

Công dụng của lọai thép này bao gồm: đối với lọai có % Carbon thấp như: 403; 420… thường dùng làm đồ trang sức, ốc vít không gỉ, chi tiết chịu nhiệt (dưới 450oC) như tuốc bin hơi, bộ phận crắc kinh dầu mỏ… Còn đối với một số lọai có % Carbon trung bình như: 420F; 431… có độ cứng cao hơn và giới hạn đàn hồi cao hơn thường dùng lam lò xo không gỉ, dụng cụ đo…

Riêng đối với một số lọai có % Carbon cao như: 440A; 440B; 440C… dùng làm dụng cụ mổ (dao kéo), chi tiết chịu nhiệt và chịu mài mòn như supap xả của động cơ điêzel, ổ bi làm việc trong một số môi trường ăn mòn

Tóm lại thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn mòn cao trong không khí, nước sông, nước máy, do hiệu ứng thụ động hóa của Crôm nên không bị ăn mòn trong acid HNO3, còn trong các acid khác chúng đều bị ăn mòn Cần chú ý rằng trong ba lọai thép không gỉ chính thì thép mactenxit là lọai có tính chống ăn mòn kém nhất Trong thực tế thường gặp thép Crôm tối thiểu 12.5-13.0% vừa đủ để đảm bảo tính thụ động hóa của lớp bề mặt, nhưng do một phần Cr tạo với C thành cacbit nên nó không thể tham gia tạo

ra màng thụ động làm cho lọai thép này có tính chống ăn mòn kém

2.2 Thép không gỉ ferit

Thép không gỉ ferit có giới hạn đàn hồi cao hơn thép mactenxit, nhưng mức độ biến dạng dẻo lại thấp hơn, nên chúng thích hợp cho việc gia công biến dạng dẻo nguội (cán, kéo, gò, dập…) độ bền chống ăn mòn của chúng phụ thuộc lượng crôm có trong thép, nhưng tốt nhất ở trạng thái ủ Để hạn chế hiện tượng ăn mòn cục bộ (ăn mòn điểm) phải tăng lượng crôm lên trên 20% và tốt hơn là cho thêm khỏang 2%Mo, cho phép sử dụng thép không khí hậu biển, nước biển và trong môi trường acid Các lọai thép này bao gồm: (Xem bảng 2)

SEA/

AISI

UNS JIS Cmax Mnmax Simax Cr Pmax Smax Các

nguyên tố khác

Tùy theo lượng Crôm, thép không gỉ ferit được chia thành ba nhóm:

- Nhóm thép chứa khỏang 13%Cr như:( 405-Mỹ), lọai này chứa rất ít Carbon (<0.08%C), khi cho thêm 0.2%Al, nhằm mở rộng vùng ∝ để ngăn cản sự tạo thành austenit khi nung và tạo thuận lợi cho việc hàn, được dùng nhiều trong công nghiệp dầu mỏ

- Nhóm thép chứa tới 17% Cr như : (430F; 434-Mỹ), đây là lọai thép không

gỉ ferit được sử dụng nhiều nhất vì nó có thể thay thế thép không gỉ austenit khi điều kiện sử dụng cho phép, lại không chứa Ni nên giá thành chế tạo thấp Được sử dụng trong công nghiệp sản xuất acid HNO3, hóa thực phẩm, kiến trúc… Tuy nhiên nhược điểm của lọai thép này là khó hàn, khi nhiệt độ vượt quá 950oC, vùng gần mối hàn trở nên giòn và xảy

ra hiện tượng ăn mòn theo biên hạt Điều này có thể khắc phục bằng cách hạ thấp lượng Carbon hoặc biến tính Ti vào thép

- Nhóm thép chứa từ 20-30%Cr như (446-Mỹ) vì có %Cr cao nên chúng có tính chống ôxihóa cao ( không bị tróc vẩy ở nhiệt độ cao 800-900oC)

2.3 Thép không gỉ austenit

Khi cho thêm Ni vào thép không gỉ, nguyên tố mở rộng vùng γ, với lượng thích hợp sẽ làm cho thép có tổ chức γ ngay cả ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thường, thép đó được gọi là thép austenit (bảng3)

SEA/A

ISI UNS JIS Cmax Mnmax Simax Cr Ni* Pmax Smax

Các nguyên tố khác

316L S31603 SUS316L 0.03 2.00 1.00 16.0-18.0 10.14.0 0.045 0.03 Mo:

2.0-3.0 316LN SUS316LN 0.03 2.00 1.00 16.0-18.0 10.014.0 0.045 0.03 Mo: 2.0-3.0;

N:0.1-0.3

Bảng 3 Thành phần hóa của các mác thép không gỉ austenit

Thép không gỉ austenit có một số ưu điểm nổi bật như sau:

- Tính chống ăn mòn cao, chúng hòan tòan ổ định trong nước sông, nước biển, trong hơi nước bão hòa và quá nhiệt, trong dung dịch muối Trong các dung dịch acid chúng có tính chống ăn mòn cao: ổn định trong acid HNO3 với mọi nồng độ và nhiệt độ, trong acid H2SO4 nguội, trong acid HCl lõang, nguội Vì vậy chúng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất acid, công nghiệp hóa dầu và thực phẩm, chi tiết chịu nhiệt tới 900-

1000oC, …

- Tính dẻo cao (δ = 45-60%), dễ cán, dập, gò ở trạng thái nguội, rất thích hợp để chế tạo các thiết bị hóa học (làm bình, ống…) Cũng nhờ có cấu tạo mạng lập phương diện tâm nên không bị dòn ngay cả khi có hạt lớn do nung quá nhiệt , đặc biệt là không có điểm chuyển biến dẻo giòn, do vậy có thể dùng ở nhiệt độ rất thấp như ở vùng băng giá, hoặc làm bình chứa khí hóa lỏng, trong kỹ thuật làm lạnh…

- Cơ tính đảm bảo, mặc dầu không được hóa bền do nhiệt luyện (do không có chuyển biến pha), nhưng lại hóa bền rất mạnh bằng biến dẻo dạng nguội: ở trạng thái ủ (hoặc trạng thái tôi để có tổ chức hòan tòan austenit), chúng có độ dẻo cao, nhưng độ bền thấp: δb= 750MPa; σ0.2=250MPa, nhưng sau biến cứng bằng biến dạng nguội có thể đạt độ bền rất cao: δb= 1000MPa; σ0.2=750MPa, hòan tòan đáp ứng yêu cầu chịu tải của các thiết

bị hóa học Sự hóa bền này là do phần lớn austenit ở phần bị biến dạng mạnh đã chuyển thành mactenxit (gọi là mactenxit biến dạng, giống như trường hợp của thép Mn cao) Cũng chính vì nguyên nhân này, thép bị biến cứng rất nhanh sau mỗi làn biến dạng vì vậy để có biến dạng tiếp phải đem thép ủ ở nhiệt độ thích hợp

Do những ưu điểm trên, thép không gỉ austenit là lọai thép được dùng phổ biến nhất, ví dụ ở Mỹ thép không gỉ austenit chiếm tới 70% sản lượng thép không gỉ Không những trong công nghiệp hóa học mà cả trong ngành công nghiệp khác và làm đồ gia dụng Tuy nhiên, khi sử dụng thép không gi

người ta thường phai can nhắc vì thép không gỉ austenit còn tồn tại một số nhược điểm như sau:

- Đắt tiền, do chứa nhiều Ni Để khắc phục điều này có thể dùng Mn thay thế một phần Ni để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường acid yếu (acid hữu cơ, muối, kiềm…) trong ngành công nghiệp hoá thực phẫm

- Khó gia công cắt gọt do dẻo quánh, phoi khó gãy Có thể cải thiện bằng cách thêm sêlen hoặc lưu hùynh với lượng khỏang 0.15%, tuy nhiên điều này có làm giảm chút ít khả năng chống mài mòn của thép

- Bị ăn mòn trong một số trường hợp cụ thể: Như bị ăn mòn theo biên hạt ở vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn hoặc chi tiết phải thường xuyên làm việc ở khỏang 400-800oC, ăn mòn tập trung (dạng điểm, dạng hang hốc), ăn mòn dưới ứng suất và hiệu ứng tích luy do ăn mòn và mỏi, … do có sự tiết pha crôm cacbit ở vùng biên hạt làm nghèo crôm ở vùng liền kề và vùng đó sẽ bị ăn mòn nhanh hơn Có thể khắc phục hiện tượng này bằng cách giảm lượng carbon trong thép, hoặc thêm nguyên tố tạo cacbít mạnh hơn như Ti hay Nb, hoặc Mo

2.4 Thép không gỉ austenit-ferit

Khi tăng lượng crôm và giảm lượng Ni (18-28%Cr + 5-9%Ni) thép sẽ có tổ chức hỗn hợp γ và α, đó là thép không gỉ austenit-ferit

Lọai thép này có cơ tính rất tốt, hầu như không có hiện tượng giòn của thép ferit, còn giới hạn đàn hồi có thể cao gấp 3 lần thép không gỉ austenit Bên cạnh đó độ bền chống ăn mòn đảm bảo, đặc biệt là trong điều kiện chịu áp lực (ăn mòn ứng suất) hoặc ăn mòn tập trung (ăn mòn điểm) và ăn mòn đạng hang hốc trong khí quyển có tính xâm thực mạnh Theo JIS, thép không gỉ austenit-ferit có các thành phần hóa cụ thể như sau: (xem bảng 4)

JIS Cmax Mnmax Simax Cr Ni* Pmax Smax Các nguyên tố khác

SUS329J1 0.08 1.50 1.00 23.0-28.0 3.0-6.0 0.04 0.03 Mo:1.0-3.0

SUS329J3L 0.030 2.00 1.00 21.0-24.0 4.5-6.5 0.04 0.03 Mo:2.5-3.5;

N:0.08-0.2 SUS329J4L 0.03 1.500 1.00 24.0-26.0 5.5-7.5 0.04 0.03 Mo:2.5-3.5;

N:0.08-0.2

Bảng 4 Thành phần hóa của các mác thép austenit-ferit

2.5 Thép không gỉ hóa cứng tiết pha (thép austenit-mactenxit)

Thép không gỉ hóa cứng tiết pha có thể tiến hành gia công biến dạng nguội, cắt gọt ở trạng thái tương đối mềm và khó thể hóa bền bằng hóa gìa ở vùng nhiệt độ thấp (tránh biến dạng cong vênh và sự ô xi hóa)

Thép không gỉ hóa cứng tiết pha là sản phẩm của quá trình nhiệt luyện: nung nóng sau đó làm nguội ngòai không khí để nhận được tổ chức austenit và các hạt cacbit nhỏ mịn, sau đó gia công lạnh để chuyển một phần austenit (có thể là tòan bộ) thành mactenxit Cuối cùng đem hóa già thì sẽ nhận được cơ tính cực đại, đó là sự hóa bền cấu trúc nhờ tiết ra các phần tử nhỏ mịn.Thành phần hóa của thép không gỉ hóa cứng tiết pha tham khảo (bảng5)

SEA/A

ISI UNS JIS Cmax Mnmax Simax Cr Ni* Pmax Smax

Các nguyên tố khác

III TỔNG QUAN VỀ THÉP HỢP KIM BỀN NHIỆT

Thép hợp kim bền nhiệt phải thỏa mãn được hai yêu cầu cơ bản:

- Có tính ổn định nhiệt (tính bền hóa học ở nhiệt độ cao)

- Có tính bền nhiệt (giữ được độ bền cơ học ở nhiệt độ cao)

Tính ổn định nhiệt là khả năng của kim lọai chống lại sự phá hủy của môi trường nhiệt độ cao (không khí nóng, sản phẩm cháy của động cơ chứa các khí có hại như CO2, SO2, H2S…, muối nóng chảy và bốc hơi chứa nhiều ion Cl- ) Trong đó dạng phá hủy nguy hiểm thường gặp nhất là sự ô xi hóa ở nhiệt độ cao, tức là tạo thành vẩy oxit kim lọai Fe2O3; Fe3O4; FeO… đối với thép thông thường Đặc biệt FeO có cấu tạo mạng không sít chặt nên quá trình ô xi hóa ở nhiệt độ cao phát triển và phá hủy rất nhanh

Để tăng khả năng chống ô xi hóa cho thép ở nhiệt độ cao thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al và Si Các nguyên tố này khi bị ô xihóa tạo ra các oxit tương ứng là : Cr2O3; Al2O3; SiO2 , chúng có cấu tạo mạng sít chặt,

tạo nên màng bảo vệ sít chặt, vững chắc trên bề mặt thép Tuy nhiên, lượng

Al và Si thường chỉ sử dụng trong giới hạn 1-2% vì nếu nhiều quá lớp oxit tương ứng của chúng dễ bị giòn, bong ra làm mất khả năng bảo vệ thép Riêng đối với Cr là chất chống ô xi hóa rất hiệu quả, luôn được đưa vào thép làm việc ở nhiệt độ cao Nhiệt độ làm việc càng cao thì %Cr phải càng lớn Tính chống oxi hóa của Cr không phụ thuộc vào tổ chức của thép mà chỉ phụ thuộc vào hàm lượng Cr có trong thép

Tính bền nhiệt là khả năng của kim lọai chịu được tải trọng (tức là giữ được độ bền) ở nhiệt độ cao Khi kim lọai làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi trong thời gian dài, kim lọai sẽ bị biến dạng dẻo (dão), đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của hai quá trình ngược nhau: biến dạng dẻo gây hóa bền và kết tinh lại gay nên thải bền Hiện tượng dão sẽ trở nên đặc biệt nguy hiểm nếu nhiệt độ làm việc cao hơn nhiệt độ kết tinh lại, kim lọai sẽ bị biến dạng dẻo và dẫn tới phá hủy sau một thời gian nhất định

Kim lọai có nhiệt độ nóng chảy cao thì có tình bền nhiệt càng cao, có cùng nhiệt độ nóng chảy, kim lọai nào có nhiệt độ kết tinh cao hơn sẽ có tính bền nhiệt cao hơn Mọi yếu tố nâng cao nhiệt độ kết tinh đều làm tăng tinh bền nhiệt Tổ chức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nhiệt: Thép có tổ chức austenit có tinh bền nhiệt cao hơn thép có tổ chức ferit

Do ở nhiệt độ cao biên giới hạt kém bền hơn so với bền trong hạt, quá trình biến dạng dão dẫn tới phá hủy thường xảy ra trước tiên ở biên giới hạt, do vật hạt càng nhỏ (biên giới càng nhiều) thì tính bền nóng càng kém Điều này ngược lại so với độ bền ở trạng thái nguội Thực nghiệm đã chứng minh rằng hợp kim có tổ chức một pha với hạt lớn có tính bền nnhiệt cao hơn so với hạt nhỏ

Đối với thép, các nguyên tố hợp kim như Mo; W; Nb; Ti; Zr có tác dụng tạo các pha hóa cứng phân tán (cacbit, nitrit) có tác dụng chống dão, còn các nguyên tố có tác dụng ổn định tổ chức austenit, … đều có tác dụng nâng cao tính bền nhiệt

Thép có độ bền nhiệt tốt nhất là là lọai thép hợp kim cao có tổ chức austenit cũng chỉ chịu được nhiệt độ 750-800oC (dưới áp suất cao) là do bị

hạn chế bởi nhiệt độ nóng chảy của Fe Muốn tăng cao tính bền nóng phải dùng các hợp kim trên cơ sở Ni; Cr và các kim lọai có nhiệt độ nóng chảy cao hơn như W, Mo…

Hợp kim bền nóng trên cơ sở Ni gồm hai lọai chính là nicrôm và nimônic

Nicrôm là hợp kim của Ni và Cr với hàm lượng C rất nhỏ, có tổ chức một pha, lọai hợp kim này có cơ tính thấp nhưng chịu được nhiệt độ cao, thường chỉ dùng làm dây điện trở

Nimônic là hợp kim bền nhiệt tốt, gồm bốn nguyên tố Ni-Cr-Ti-Al nay là hợp kim hóa bền tiết pha phân tán, sau khi tôi và hóa già, tổ chức gồm γ+γ’ (trong đó γ là dung dịch rắn của Ni hòa tan Cr, Ti; Al có mạng lập phương diện tâm như austenit, còn γ’ là các phần tử rắn siêu nhỏ được tiết

ra trong quá trình hóa già có tác dụng hóa bền γ Nếu hợp kim hóa nimônic bằng B; Ce, W; Mo; Co, … sẽ tăng tính bền nóng của nó rất nhiều Chúng thường được ứng dụng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao trong các động cơ phản lực, tuốc bin khí

- Hợp kim bền nóng trên cơ sở Cr cóthể làm việc ở nhiệt độ cao tới 1100oC

- Hợp kim bền nóng trên cơ sở Mo cóthể làm việc ở nhiệt độ cao tới

IV TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TINH LUYỆN THÉP HỢP KIM NGÒAI LÒ

Phương pháp tinh luyện thép hợp kim ngòai lò (còn được gọi là phương pháp luyện thép thứ cấp) được áp dụng để nhằm đạt được những mục đích chủ yếu sau:

- Kiểm sóat thành phần của thép hợp kim

- Khử khí (giảm hàm lượng ô xi và hydro trong thép hợp kim)

- Tạo được độ tinh khiết ở mức vĩ mô cho thép hợp kim (lọai bỏ các phi kim lọai, các ôxit và sun phít không mong muốn)

- Biến đổi các chất lẫn (thay đổi thành phần hoặc hình dạng các chất không mong muốn có trong thép hợp kim để nó phù hợp với cơ tính của thép hợp kim đúc)

Nguyên lý họat động chủ yếu sử dụng trong phương pháp tinh luyện thép hợp kim đúc ngòai lò đựa trên cơ sở đưa thép lỏng vào môi trường áo suất thấp để lọai bỏ các chất khí (Chủ yếu là oxi và hydro)â trong thép Dựa vào nguyên lý trên, có các phương pháp khác nhau và có thể chia thành bốn nhóm:

- Khử khí dòng thép trong chân không

- Khử khí bắng cách lưu thông

- Tinh luyện trong thùng rót

- Khử khí chân không cùng với việc nâng nhiệt bổ sung

4.1 Khử khí dòng thép trong chân không thường sử dụng các phương pháp:

4.1.1 Khử khí dòng thép từ thùng rót tới khuôn (hình 3):

Hình 3 Sơ đồ bố trí thiết bị đúc trong chân không theo phương pháp khử khí trên dòng thép lỏng từ thùng rót tới khuôn

Nguyên lý của phương pháp này là đặt khuôn trong buồng chân không, thép được lấy từ lò luyện qua thùng rót Khi rót thép từ thùng rót đáy vào thong rót nhỏ gắn trên buồng chân không Khi dòng thép lỏng đi vào vùng được tạo chân không trong buồng chân không, nó được phá vỡ thành nhữ giọt ly ti, làm tăng đáng kể diện tích bề mặt thép lỏng làm tăng quá trình khử khí

4.1.2 Khử khí dòng thép từ thùng rót tới thùng rót (hình 4)

Hình 4 Sơ đồ bố trí thiết bị đúc sử dụng phương pháp khử khí cho dòng thép từ thùng rót tới thùng rót

Phương pháp này cũng đặt thùng rót trong buồng chân không, bên cạnh việc khử khí trong chân không, oxy có thể được lọai bỏ bằng cách khử oxit carbon trong chân không Để thực hiện được điều này bằng cách bổ sung thêm một lượng FeSi và nhôm theo yêu cầu thông qua phễu chuyên dùng được sử dụng sao cho không xảy ra sự tổn thất bằng chân không

4.1.3 Khử khí dòng thép lúc ra thép (hình 5)

Hình 5 Sơ đồ bố trí thiết bị đúc sử dụng phương pháp khử khí lúc ra thép

Phương pháp này dùng thùng rót kín để thay thế cho buồng chân không Trong quá trình khử khí, chất khử oxy cần dùng được đưa vào vào thép lỏng trong thùng rót

4.2 Khử khí bằng cách lưu thông

Trong phương pháp khử khí bằng cách lưu thông, kim lọai lỏng trong thùng rót bị áp suất môi trường được vào buồng khử khí được tạo chân không, khi đó kim lọai lỏng được đưa vào vùng áp suất thấp sau đó chảy trở lại thùng rót Chu kỳ này có thể được lặp đi lặp lại 40-50 lần nhằm đạt được mức độ khử khí theo mong muốn

4.2.1 Phương pháp D-H (Dortmund-Horder)

Hình 6 Sơ đồ trình bày nguyên lý họat động của phương pháp D-H

Phương pháp này đặt buồng chân không phía dưới, do áp suất môi trường làm cho thép lỏng được hút lên đi vào buồng chân không nơi thép được khử khí Sau đó buồng chân không được nâng lên trong khi phần dưới vẫn nằm trong thép lỏng, vì vậy làm cho thép quay trở lại thùng rót Ở giai đọan khử khí sau cùng, việc cho thêm các trợ dung mong muốn được thực hiện

4.2.2 Phương pháp Ruhrstahl – Heraes)

Hình 7 Sơ đồ hệ thống khử khí trong chân không R-H

Trong phương pháp R-H, hai ống “thông hơi” (Snorkel) được bố trí ở đáy buồng chân không Một chất khí trơ được đưa vào một trong hai ống này và dòng hỗn hợp khí-thép đi từ thùng rót lên buồng chân không bằng ống này, nơi đó sẽ được khử khí và sau đó nhờ vào trọng lực của nó chảy qua ống còn lại để trở về thùng rót

4.2.3 Phương pháp RH-OB

Hình 8 Sơ đồ hệ thống khử khí trong chân không RH-OB

Phương pháp RH-OB tương tự như phương pháp R-H Nhưng sự khác nhau ở chỗ chất khí được phun vào hệ thống không phải là khí trơ mà là khí trơ có lẫn ôxi Khí trơ có nhiệm vụ khuấy đảo kim lọai lỏng còn ôxi trợ giúp cho việc khử Carbon của thép lỏng Phương pháp này được sử dụng chủ yếu để lọai bỏ hydrô và một lượng nhất định carbon ra khỏi thép

4.3 Tinh luyện trong thùng rót

4.3.1 Phương pháp khuấy đảo bằng cảm ứng

Hình 9 Sơ đồ bố trí thiết bị sử dụng trong phương pháp khử khí với khuấy đảo bằng cảm ứng trong thùng rót

Trong phương pháp khuấy đảo bằng cảm ứng thì hiệu quả khuấy đảo có được bởi dòng xóay tạo ra trong thép lỏng bằng cuộn dây cảm ứng Thép được chứa trong thùng rót làm bằng thép không rỉ, không nhiễm từ Để tạo được sự khử khí, thùng rót được đặt vào trong buồng chân không

4.3.2 Phương pháp khử Carbon bằng ôxy trong chân không (VOD)

Hình 10 Sơ đồ phương pháp khử Carbon bằng ô xi trong chân không

Đây là phương pháp được sử dụng để sản xuất thép không rỉ Phương pháp này dùng thùng rót đã được nung nóng đặt vào trong buồng chân không, ôxy được thổi qua vòi phun phía trên bề mặt thép lỏng và argon được thổi qua viên gạch xốp đặt ở đáy thùng

4.3.3 Khử khí bằng oxy và argon AOD

Hình 11 Các bước xử lý để tinh luyện thép không gỉ bằng phương pháp AOD

Phương pháp khử carbon bằng oxy và argon (AOD) chủ yếu được sử dụng để sản xuất thép không gỉ Phương pháp này được thực hiện ở áp suất môi trường, bao gồm các bước sau:

- Nấu chảy liệu trong lò điện

- Rót thép vào thùng AOD

- Khử carbon bằng cách thổi argon và oxy cùng với chất trợ dung được cho vào trong quá trình thổi

- Bổ sung các lọai Ferro và khuấy đảo

- Kiểm tra mẫu và điều chỉnh thành phần hợp kim

- Ra thép

- Phương pháp AOD cho phép giảm lượng hydro tới mức <2ppm và hàm lượng Nitơ, lưu huỳnh <0.005% Phương pháp này có khả năng thực hiện tất cả các chức năng luyện kim, ngọai trừ việc kiểm sóat hình dạng của sunphít

4.4 Sục khí argon khi không có chân không

Để xục khí argon không có chân không trong môi trường không có chân không và không có nâng nhiệt trong quá trình tinh luyện thường sử dụng hai phương pháp: Phương pháp xục khí argon với nắp đậy (CAB) và phương pháp điều chỉnh thành phần bằng cách xục khí argon được làm kín (CAS)

Hình 12 Sơ đồ phương pháp xục khí argon khi không có chân không

a cách dùng vòi phun; b cách dùng viên gạch xốp

Chương 2:

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

I Nội dung nghiên cứu:

Hiện nay vấn để sản xuất thép đúc bằng vật liệu thép không gỉ và thép hợp kim bền nhiệt đã được thực hiện tại một số nước có nền khoa học công nghệ tiên tiến Tại thị trường Việt nam hiện nay nguồn thép không gỉ chủ yếu là do nhập ngọai ở dạng tấm mỏng 1-20 mm Còn đối với thép bền nhiệt thì chủ yếu sử dụng vật liệu X21C (ΓOCT) Vì vậy khi cần chế tạo các bạc lót, gối đỡ, ổ lăn lớn bằng vật liệu thép không gỉ và các chi tiết làm việc trong điều kiện nhiệt độ >500oC đều phải nhập ngọai với giá thành rất cao và không đáp ứng được tiến độ yêu cầu

Như ta đã biết, yêu cầu cơ bản của thép không gỉ là không bị phá hủy

do ăn mòn khí quyển hoặc trong môi trường khác, thép không gỉ phải đảm bảo có cơ tính phù hợp trong quá trình chế tạo và sử dụng Trong một số trường hợp cần tính an tòan lớn chống ăn mòn, thép còn phải có khả năng chống ăn mòn hố sâu và ăn mòn tinh giới cao

Trong giản đồ trạng thái hệ hai cấu tử Fe-Cr, Cr hòa tan hòan tòan trong Fe-α và theo kết quả củ nhiều công trình nghiên cứu khác nhau cho thấy, để màng oxít crôm trong dung dịch rắn bền vững thì hàm lượng Cr

>11.7%, hàm lượng Cr càng cao thì khả năng chống ăn mòn càng tốt

Nếu có Ni, tính chống ăn mòn của thép không gỉ sẽ được tăng cừng đáng kể do tác động thụ động hóa của Ni Mặt khác Ni là nguyên tố mở rộng vùng γ (ngược với Cr mở rộng vùng α), vì vậy muốn nhận được tổ chức một pha ostenit là tổ chức có tính chống ăn mòn cao thì hàm lượng Ni phải lớn hơn 8% Thực kiệm cho thấy, để đạt được tổ chứ một pha ostenit khi tôi, yêu cầu tổng hàm lượng Cr+NI >23%, trong đó %Ni>7% Từ phân tích trên, người ta đã lựa chọn được thành phần mác thép không gỉ một pha ostenit có tính chống ăn mòn cao là 304 tương đương với Cr18Ni8 còn gọi là thép không gỉ 18-8 Tổ chức của lọai thép không gỉ này sau khi tôi trong không khí (đối với chi tiết có thành dày mỏng) và trong nước (đối với chi tiết lớn) có tổ chức ostenit Chính vì vậy, thép không gỉ 304 được sử dụng rất rộng

rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp cho nên nhu cầu sử dụng thép không gỉ

304 rất lớn trên thị trường hiện nay

Để đáp ứng tình hình trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu để xây dựng công nghệ đúc thép không gỉ 304 (ASTM) còn gọi là SUS304(JIS) và thép hợp kim chịu nhiệt SCH13 (JIS) theo các bước công nghệ sau:

- Xây dụng công nghệ đúc cho từng chi tiết cụ thể tương ứng với các vật liệu trên

- Xây dựng công nghệ luyện thép SUS304; SCH13

- Xây dựng công nghệ tinh luyện các mác thép trên

- Xây dựng công nghệ xử lý nhiệt đối với thép SUS304

- Đánh giá chất lượng vật liệu (Thành phần hóa học, cơ tính, cấu trúc pha…)

- Theo dõi chất lượng sử dụng các vật liệu trên

II Phương pháp nghiên cứu:

Để nghiên cứu xác định công nghệ sẽ dùng lò cảm ứng trung tần 500 Kg/mẻ và lò trung tần 2000kg/mẻ để nấu luyện, thiết bị thổi argon để tinh luyện gắn trực tiếp vào đáy lò

Để xác định thành phần hoá học của vật liệu sẽ dùng máy phân tích nhanh SPECTROLAB (Đức)

Để xác định các tính chất cơ lý sẽ sử dụng máy kéo nén vạn năng và máy đo độ cứng HB

Để phân tích cấu trúc của thép sẽ dùng hiển vi quang học