Nghiên Ứu Ông Nghệ Sản Xuất Thép Hế Tạo Nòng Súng 12,7Mm.pdf

MỞ ĐẦU N G U Y Ễ N T R Ư Ờ N G H U Y BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRƯỜNG HUY K H O A H Ọ C V À K Ỹ T H U Ậ T V Ậ T L IỆ U (K IM L O Ạ I) NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRƯỜNG HUY

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP CHẾ TẠO

NÒNG SÚNG 12,7MM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu Kim loại (KT)

Mã số: 10BVLKL-KT06

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN SƠN LÂM

Hà Nội – Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được hình thành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS TS Nguyễn Sơn Lâm và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn chính xác và trung thực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này

Tác giả luận văn

NGUYỄN TRƯỜNG HUY

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Nguyễn Sơn Lâm – Bộ môn

kỹ thuật Gang thép - Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn kỹ thuật Gang thép; Thầy giáo, bạn đồng nghiệp ở Viện Công nghệ - Bộ Quốc Phòng, đồng nghiệp nhà máy Z127 đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả luận văn

NGUYỄN TRƯỜNG HUY

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

Mục lục 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

10 1.1 Các yêu cầu đối với thép để chế tạo nòng súng, pháo 10

1.2 Các mác thép thông dụng chế tạo nòng súng, pháo của Nga 11

1.3 Lựu chọn quy trình 14

1.3.1 Một số phương pháp tinh luyện thép 15

1.3.2 Xác định quy trình 17

1.4 Các bước trong quy trình 17

1.4.1 Nấu luyện phôi thép 38XH3MФ 17

1.4.2 Tinh luyện điện xỉ 18

Chuẩn bị xỉ 19

Máy phân tích 19

1.4.2.2 Khử lưu huỳnh (S) 20

1.4.2.3 Ảnh hưởng của quá trình điện xỉ đối với quá độ Si - Mn 21

1.4.2.4 Khử khí 21

1.4.2.5 Khử tạp chất ôxit 23

1.4.2.6 Khống chế lượng Al và Mg 24

1.4.2.7 Khử khuyết tật điểm trắng (Floken) 25

1.4.3 Nhiệt luyện 26

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 28

2.2 Tinh luyện điện xỉ 33

2.2 1 Lựa chọn xỉ 33

2.2.3 Tinh luyện: 42

2.3 Nhiệt luyện 44

2.3.1 Phân tích tổ chức thô đại sau đúc 45

2.3.2 Nghiên cúu các phương pháp xử lý nhiệt 46

2.3.3 Quy trình nhiệt luyện: 50

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 56

3.1 Kết quả 56

3.2 Thảo luận và kiến nghị 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Chuẩn cơ tính của các nhóm thép nòng súng, pháo 10

Bảng 1.2 Chuẩn độ bền theo nhóm mác thép và kích thước nòng 11

Bảng 1.3 Chuẩn độ bền theo nhóm mác thép và kích thước nòng 18

Bảng 2.1 Thành phần hóa học thép OXH3MФA mẫu của Nga 29

Bảng 2.2 : thành phần hóa học của thép C45 30

Bảng 2.3: Thành phần hóa học của kim loại và fero 31

Bảng 2.4 : Hệ số cháy hao các nguyên tố trong lò trung tần (%) 31

Bảng 2.5 Hệ số cháy hao các nguyên tố trong tinh luyện điện xỉ (%) 31

Bảng 2.6 Bảng phối liệu nấu luyện 32

Bảng 2.7 Các bước nấu luyện 32

Bảng 2.8 Thành phần của 03 phôi thép sau nấu luyện 34

Bảng 2.9 Các mác xỉ thông dụng cho tinh luyện thép……….37

Bảng 2.10 Ứng dụng của một số mác xỉ trong tinh luyện………38

Bảng 2.11 Tính chất vật lý của một số mác xỉ………41

Bảng 2.12 Tính chất công nghệ của một số mác xỉ……….41

Bảng 2.13 Thành phần thép sau điện sỉ 47

Bảng 2.11 Độ cứng của phôi phụ thược thời gian ủ 49

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý tinh luyện điên

xỉ……….18

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ tinh luyện điện xỉ 19

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý tinh luyện điện xỉ 38

Hình 2.4 Ảnh chụp thiết bị điện xỉ hoạt động 40

Hình 2.5 Thép sau tinh luyện điện xỉ có vùng vẫn có hạt dạng hình trụ, thô to 42

Hình 2.6 Tổ chức thép sau điện xỉ 43

Hình 2.7 Kính hiển vi kim tương 44

Hình 2.8 Tổ chức tế vi thép sau tôi ở nhiệt độ khác nhau 44

Hình 2.9 Cùng với tăng thời gian giữ nhiệt ram hạt nhỏ đi 45

Hình 2.10 Tổ chức kim tương sau ram trong môi trường khác nhau 46

Hình 2.11 Ảnh phân tích dạng hạt và độ lớn hạt 47

Hình 2.12 Mẫu thép sau nhiệt luyện ở các chế độ phóng đại khác nhau……… 55

Hình 13 Mẫu 2.1 ,2.2, 2.3 chụp tại các vị trí trên cùng mặt cắt từ ngoài vỏ vào trong lõi phôi………57

MỞ ĐẦU

Trước yêu cầu bảo vệ đất nước trong tình hình hiện nay có rất nhiều khó khăn

và phức tạp Để nâng cao năng lực chiến đấu của bộ đội, Đảng và nhà nước ta rất chú trọng cho lĩnh vực sản xuất Quốc phòng Trong xu thế đó, nhiều dây truyền sản xuất vũ khí bộ binh loại mới được đầu tư song song với các dây truyền vũ khí cũ Tuy nhiên một trong những bức xúc đặt ra đối với công tác sửa chữa, sản xuất vật

tư kỹ thuật cho vũ khí trang bị kỹ thuật cũng như cải tiến hiện đại hóa và sản xuất các loại vũ khí trang bị là phải có vật liệu, phôi kim loại, hợp kim chất lượng cao,

vì khâu quyết định đến sản xuất và sửa chữa vũ khí là vật liệu Các loại vật tư kỹ thuật trong quân đội dùng là vật liệu có cơ, lý tính cao để đảm bảo hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt Vì chúng ta chưa có công nghệ vật liệu vững chắc nên việc sửa chữa, sản xuất vật tư kỹ thuật còn gặp nhiều khó khăn, phụ thuộc vào lượng vật

tư nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành rất cao và không chủ động Bên cạnh đó, trong những năm gần đây chất lượng đầu vào của vật tư nhập khẩu không được ổn định, lượng phôi nhập khẩu cơ lý tính không đồng đều đôi khi có nhiều khuyết tật không thể sử lý được

Trên cơ sở nhu cầu bức xúc đó, vấn đề nghiên cứu trong thực tiễn để đưa vào sản suất trong nước những vật tư thiết yếu trên cơ sở thiết bị hiện có của công nghiệp quốc phòng được đặt ra, đáp ứng nhu cầu trước mắt và lâu dài của quân đội Cùng với những chủng loại vật tư khác, thép chế tạo nòng súng bộ binh bước đầu đã được nghiên cứu tại các viện nghiên cứu và nhà máy trong quân đội nhưng vấn đề chế tạo được phôi có chất lượng ổn định vẫn chưa đáp ứng được Trong đó phải kể đến nhóm thép có tính năng đặc biệt OXH3MФA và OXH2MФA để sản xuất các loại chi tiết như nòng súng và các bộ phận quan trọng khác của súng B41, cối 100mm, súng chống tăng SPG-9, súng 12,7mm…Vì vậy, nghiên cứu công nghệ sản xuất thép OXH3MФA làm nòng súng 12,7mm là điều cần thiết hiện nay

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Các yêu cầu đối với thép để chế tạo nòng súng, pháo

1.1.1 Vật liệu dùng cho nòng súng, cần có cơ tính tổng hợp tốt: giới hạn bền và giới hạn chảy cao, tỷ lệ σS/σB ~ 1 để bảo đảm khả năng chịu tải lớn Thí dụ, nòng súng phải chịu áp lực lớn của khí thuốc cao Đồng thời, còn chịu tác dụng của nhiệt

độ khí thuốc Nếu bắn liên tục, nhiệt chưa kịp truyền ra ngoài, nòng có thể bị nóng

đỏ, độ chính xác phát bắn giảm, độ bền giảm, do đó không những cần vật liệu có

độ bền cao, mà còn cần vật liệu bền nhiệt và chịu nhiệt tốt

1.1.2 Phải bảo đảm có tính năng đồng đều trên toàn chiều dài và toàn tiết diện Muốn vậy, vật liệu phải bảo đảm độ thấm tôi sâu, có khả năng tôi thấu trên toàn tiết diện Đồng thời yêu cầu cần có độ hạt rất nhỏ mịn và đều, bảo đảm độ bền và tính dẻo tốt

1.1.3 Do chịu xung lực va đập nên đòi hỏi có độ dai va đập lớn, đồng thời bảo đảm độ dai ở nhiệt độ thấp khi bảo quản hoặc chiến đấu ở điều kiện khí hậu dưới 0

độ Thép nói chung có nhiệt độ hoá dòn cao, không thể làm việc ở nhiệt độ thấp Thép nòng súng phải bảo đảm cho trang bị bảo quản và hoạt động được ở nhiệt độ thấp, có nghĩa là phải có nhiệt độ chuyển biến sang vật liệu dòn thấp

1.1.4 Tính chống ăn mòn hoá học, ăn mòn điện hoá cao; chống mài mòn cơ học tốt Do chúng luôn tiếp xúc với sản phẩm cháy của khí thuốc, chịu tác động của môi trường, nên dễ bị ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá Đồng thời còn chịu mài mòn cơ học

1.1.5 Chịu tải xung chu kỳ với tần số cao Vật liệu đòi hỏi không chỉ có độ bền trong điều kiện tải trọng thông thường, mà phải bền khi tải trọng động, kết hợp điều kiện nhiệt độ cao Có nghĩa cần độ bền mỏi cao

1.1.6 Tính công nghệ: Vật liệu cần có tính gia công tốt Khi nấu luyện, phải tiến hành tinh luyện để đạt độ sạch cao không có rỗ xốp, khuyết tật điểm trắng Thép có độ dẫn nhiệt kém, nên quá trình nung và làm nguội khi xử lý nhiệt, phải sử dụng tốc độ chậm; chống nứt nẻ, cần giảm sự không đồng đều về nhiệt độ theo 2

đầu Cần phải sử dụng các biện pháp đặc biệt để điều khiển được chế độ nhiệt khi rèn và khi nhiệt luyện

1.2 Các mác thép thông dụng chế tạo nòng súng, pháo của Nga

Để đáp ứng các yêu cầu trên, các nhà công nghệ vũ khí đã tìm ra một họ vật liệu kết hợp với các quá trình công nghệ xử lý nhiệt có khả năng đáp ứng được các yêu cầu của từng loại nòng súng, pháo riêng biệt, nòng lựu pháo, nòng pháo nòng dài, nòng pháo cao xạ, nòng trơn Theo tiêu chuẩn vật liệu chế tạo vũ khí của Nga

Bảng 1 Chuẩn cơ tính của các nhóm thép nòng súng, pháo

Chuẩn bền, σ0,2,

Cr-Mo Cr-V

Ghi chú: Thép dùng trong vũ khí được ký hiệu bằng chữ O kèm theo giá trị của giới hạn chảy của vật liệu Các giá trị khác nhau do quy trình xử lý nhiệt quyết định

Tuỳ thuộc cấp độ bền có thể sử dụng xử lý nhiệt để điều khiển độ bền và tính dẻo Tính dẻo được đánh giá bằng chỉ tiêu độ co thắt tỷ đối., không phải dùng độ dãn dài Đối với thép nòng súng còn đòi hỏi phải đảm bảo độ dai va đập và điểm chuyển biến nhiệt độ dòn

Bảng 2 Chuẩn độ bền theo nhóm mác thép và kích thước nòng

(Theo tiêu chuẩn vật liệu chế tạo vũ khí của Nga)

σ0,2, MN/m2

ψ,

%

ak, MJ/m2

σB, MN/m2

σ0,2, MN/m2

ψ,

%

KU, MJ/m2

Hiện nay các chi tiết vũ khí thường dùng thép nhóm III và IV

Nhóm III cho độ bền cao, độ dẻo tốt, độ cứng và độ thấm tôi khá cao, chúng dễ hàn và dễ gia công cắt gọt

Nhóm IV cho độ bền cao nhất, độ dai va đập lớn, tính chống mài mòn tốt, độ thấm tôi sâu, nhưng tính hàn kém, gia công cắt gọt khó

Thép hợp kim Cr – Ni nên cho nguyên tố Mo với hàm lượng ~0,15% nhằm giảm thiểu khả năng gây dòn ram

Nhóm thép Cr-Ni-Mo là nhóm thép hay dùng nhất trong vũ khí để chế tạo các chi tiết nòng, khoá nòng và các chi tiết quan trọng khác Mo với hàm lượng nhỏ, nhưng làm hạt nhỏ mịn, làm giảm nhiệt độ chuyển biến khi tôi, làm giảm tốc độ tới hạn, nhờ đó làm tăng độ thấm tôi Tác dụng của Cr-Ni-Mo làm giản đồ chữ C tách làm 2, phần chuyển biến Peclit bị đẩy lùi xa trục nhiệt độ Khi thép được nung lên nhiệt độ tôi sau làm nguội trong không khí, thép chuyển biến Bâynit, một phần chuyển biến Mactenxit Khi tôi thép Cr-Ni-Mo thường tăng nhiệt độ nung tôi, bảo đảm các nguyên tố hợp kim tan hết trong Ferit Thép Cr-Ni-Mo còn có ưu điểm là nhiệt độ hoá dòn thấp, có nghĩa là chúng có thể làm việc ở nhiệt độ thấp mà không gây dòn

Nhóm thép Cr-Ni-Mo có tỷ lệ Cr/Ni : 1/1; 1/2; 1/3

Trong mác thép Cr-Ni-Mo, hàm lượng Cacbon thay đổi trong phạm vi 0,25~0,45% Khi hàm lượng Cacbon tăng, giới hạn bền tăng, độ dai va đập giảm, căn cứ vào yêu cầu của chi tiết vũ khí để khống chế hàm lượng này Khi nhiệt luyện, làm nguội nhanh trong nước cũng không gây nứt Độ thấm tôi của thép không cao, có thể tôi trong nước để tăng độ thấm tôi Thép này có tính dòn ram ở nhiệt độ 300~3500C Ram cao ở 500~6500C không thấy dòn ram Ví dụ thép OXH1M: Tôi 8700C, ram 650~6800C; Cơ tính đạt:

σb = 917~926Mpa; σS = 786~788 MPa

δ = 17~18%; ψ = 55,7~56 %; KU = 1,5~1,7 MJ/m2

Đối với thép chế tạo nòng súng, pháo cỡ nòng từ loại 12,7mm trở lên hiện nay chúng ta đang sử dụng mác thép thuộc nhóm IV, trong đó mác thép OXH3MФA được sử dụng phổ biến Đây là mác thép hợp kim có yêu cầu độ sạch và cơ tính tổng hợp rất cao, vì vậy quy trình chế tạo loại thép này đòi hỏi phải qua nhiều công đoạn trong đó có chế độ tinh luyện đặc biệt

độ cao dưới tác dụng của tải trọng không đổi xảy ra hiện tượng phá hủy do dão

Phá hủy là sự phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử Sự phá vỡ này có liên quan đến một loạt các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ biến dạng, tính chất của tải trọng,

sự tạo thành vết nứt và sự phát triển của vết nứt khi biến dạng, sự tập chung ứng xuất Khi trong mẫu thử có vết nứt, dưới tác dụng của ứng suất pháp đủ lớn, vết nứt sẽ lớn dần dẫn đến phá hủy mẫu Những vết nứt ban đầu trong kim loại, những vết nứt được phát triển trong quá trình chịu tải là vấn đề cần được khống chế

Có nhiều hướng đi để giải quyết vấn đề đó nhưng ở đây chúng tôi phát triển theo hướng tạo ra cấu trúc chứa nhiều sai lệch mạng, tạo ra yếu tố cản trở phát triển lẫn nhau giữa các lệch Có các biện pháp sau để tạo ra nhiều sai lệch mạng

- Biến dạng dẻo

- Tăng cường hãm lệch bằng cách tạo ra vật liệu hạt nhỏ và siêu hạt

- Hợp kim hóa và nhiệt luyện thích hợp để tạo ra pha thứ 2 có độ bền cao hơn

do tạo được những hạt nhỏ mịn phân tán Các hạt nhỏ cản trở mạnh sự chuyển động của lệch, ngăn cản chúng phát triển

Đối với thép OXH3MФA là loại thép hợp kim thấp độ bền cao với các nguyên

tố Ni, Cr, Mo, V tạo ra cấu trúc hạt nhỏ phân tán, sau nhiệt luyện tạo được tổ chúc xoocbit, loại thép này có độ bền cao gấp khoảng 2 lần thép hợp kim thấp thông thường

Tuy nhiên, để có thể đạt được độ bền cao này với nguyên liệu đầu vào là thép phế thông thường chúng ta phải tiến hành một số công đoạn cụ thể mới có thể chế tạo được thép như mong muốn Hiện nay để chế tạo thép hợp kim yêu cầu chất

lượng cao chúng ta phải có khâu tinh luyện thép Một số phương pháp tinh luyện thép hiện có:

1.3.1 Một số phương pháp tinh luyện thép

Những hạn chế của các phương pháp luyện thép theo các công nghệ cổ điển được giải quyết có hiệu quả bằng các phương pháp tinh luyện thép Sự ra đời của các phương pháp này đã nâng cao chất lượng của thép và thép hợp kim cao cấp, đạt được các tinh chất hóa lý đáp ứng được nhu cầu của sản xuất công nghiệp

Các phương pháp tinh luyện:

1.3.1.1 Tinh luyện trong chân không

Có nhiều phương pháp khử tạp chất trong chân không có hiệu quả rất cao như:

- Tạo chân không trong lò nấu

- Tạo chân không trong nồi rót

- Tạo chân không cho dòng kim loại lỏng

- Tạo chân không trong khuôn đúc

Đới với lò nấu chúng ta cũng có nhiều thiết bị cơ sở để tạo chân không như:

- Điện cảm ứng chân không

- Điện hồ quang chân không

- Tia điện tủ chân không

Mỗi một phương pháp tinh luyện trong chân không đều có ưu nhược điểm riêng, tùy theo yêu cầu của loại thép ta cần chế tạo để sử dung các phương pháp này hợp lý Tinh luyện trong chân không cho ta kết quả khử khí tốt Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi đầu tư thiết bị rất đắt tiền chỉ được dùng cho một số hạn chế các sản phẩm đặc biệt đòi hỏi chất lượng rất cao ứng dụng trong công nghiệp hàng không, vũ trụ vv

1.3.1.2 Tinh luyện bằng xỉ tổng hợp

Phương pháp này được dựa trên cơ sở phản ứng giữa kim loại lỏng với xỉ, giữa

xỉ với khí mà tách tạp chất Sử dụng các hệ xỉ khác nhau theo từng mục đích của việc tinh luyện Có thể tinh luyện ngay trong lò hay tinh luyện ngoài lò với thiết bị

không cần gia nhiệt Trong trường hợp cần khử sâu S người ta hay dùng xỉ hệ CaF2

– CaO Trong quá trình khử phải xác định nhiệt độ, tính chất của xỉ và thời gian khử thích hợp cho từng mác thép cụ thể Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị rất đơn giản, có thể khử được cả P, S Tuy nhiên với các loại thép đòi hỏi chất lượng rất cao thì phương pháp này còn nhiều hạn chế

1.3.1.3 Tinh luyện điện xỉ:

Công nghệ tinh luyện điện xỉ cho phép tinh luyện lại kim loại và hợp kim đạt chất lượng rất cao bằng các loại xỉ có thành phần thích hợp Kết hợp với quá trình đúc theo nguyên lý điện xỉ cho ta những kết quả sau:

- Độ sạch sunfit và oxit cao Không có các loại tạp chất tập chung, các tạp chất nhỏ mịn được phân bố đồng đều Độ sạch và tính đồng nhất cao làm tăng tính dẻo đồng thời cũng làm tăng khả năng gia công biến dạng nóng, tăng khả năng thấm tôi

- Cấu trúc tổ chức thích hợp của thỏi là kết quả của sự đông đặc theo hướng gần như thẳng đứng trong thung kết tinh được làm nguội bằng nước

- Bề mặt thỏi sạch do có hình thành một lớp xỉ mỏng giữa thỏi và thung kết tinh

- Tổ chức tế vi tối ưu, được đặc trưng bởi khoảng cách nhỏ giữa các trục tinh thể dạng nhánh cây và thiên tích tế vi nhỏ, không có thiên tích thô đại

- Tỉ trọng cao trong toàn bộ thể tích của thỏi do không có rỗ xốp và rỗ co tế vi

- Hiệu suất thu hồi kim loại cao.và hệ số thanh phẩm phương pháp nấu tinh luyện điện xỉ

- Có thể sản xuất phôi thép có kích thước rất lớn

Dựa vào những kết quả đạt được, hiện nay để làm tăng chất lượng và hệ số thành phẩm phương pháp tinh luyện điện xỉ được sử dụng để chế tạo một số loại thép sau:

- Thép ổ bi, ổ trục

- Thép làm dụng cụ gia công

- Thép chịu nhiệt, thép không rỉ

có thỏi rỗng, thành mỏng và hình thù không đối xứng…

Hiện nay trong nước ta có một số cơ sở nghiên cứu ứng dụng công nghệ điện

xỉ nhưng chưa chế tạo được sản phẩm ổn định Trong quân đội có thiết bị điện xỉ kí hiệu ĐX725 hiện tại cung cấp được phôi dài 3m, nặng 1,2 tấn Đây là thiết bị cơ sở

để thực hiện công việc

1.3.2 Xác định quy trình

Với những đặc điểm trên, phù hợp với đặc điểm thiết bị hiện có của chúng ta, quy trình chế tạo thép OXH3MФA được chọn lựa gồm có các bước sau:

- Nấu phôi thép 38XH3MФ có hàm lượng P,S thấp

- Tinh luyện điện xỉ

- Nhiệt luyện

Trong tiến trình công nghệ này chúng ta đặc biệt đi sâu vào tinh luyện điện xỉ phôi thép

1.4 Các bước trong quy trình

1.4.1 Nấu luyện phôi thép 38XH3MФ

Thép được nấu luyện trong lò cảm ứng trung tần từ thép phế C45 thông thường đạt được mác thép Đối với thép để tinh luyện điện xỉ, vì trong quá trình tinh luyện

sẽ có cháy hao với các nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với oxi Lựa chọn nấu luyện mác thép có thành phần cận trên đối với các nguyên tố C, Si, Mn, V

1.4.2 Tinh luyện điện xỉ

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý tinh luyện điện xỉ

Kiểm tra tình trạng kỹ thuật của lò

Chuẩn bị điện cực

(làm sạch, gá, lắp điện cực)

Chuẩn bị xỉ

(Phối liệu, nung

xỉ, nấu chảy xỉ)

Chuẩn bị bình kết tinh: gá lắp, kiểm

tra bộ cảm biến

Rót xỉ lỏng vào lò

Tinh luyện (Điều khiển: U, I, R, Txỉ,

VBKT, VĐC)

Kết thúc khi phôi đạt

kích thước yêu cầu

Kiểm tra (thành phần hoá học, chất lượng phôi)

Thành phẩm/

bán thành phẩm

Máy phân tích

Máy dò khuyết tật bằng siêu âm

Ủ

Hình 2 Sơ đồ công nghệ tinh luyện điện xỉ

Đối với phương pháp tinh luyện điện xỉ, một số vấn đề chúng ta cần quan tâm

1.4.2 1 Khử P

Trong thép Phốt pho thường tồn tại dưới dạng hợp chất Fe3P, Fe2P, Ni3P Khử P dựa trên nguyên lý ôxy hoá P Phản ứng như sau:

2[Fe2P] + 5(Fe2+) + 8(O2-) = 9[Fe] + 2(PO43-)

Trong trường hợp tinh luyện thép cần khử tối đa P, cần dùng xỉ có hàm lượng CaO với tỷ lệ 20~27% Nhưng SiO2 và Al2O3 lại làm giảm tính chảy loãng của CaO nên hàm lượng của chúng trong xỉ cần thấp

Trong thao tác tinh luyện cần chú ý: Đầu tiên cần ôxy hoá P trong thép, để chúng đi vào trong xỉ, sau đó giữ P nằm trong xỉ, không cho chúng quay lại kim loại lỏng Để khử P, nhiệt độ xỉ không được quá cao, lúc này cần hạ thấp điện áp Căn cứ vào mầu khói, khống chế điện áp thích hợp để khử P

a Dùng xỉ có độ kiềm cao

b Để tăng tính chảy loãng của xỉ, cần nâng nhiệt độ, bằng cách tăng điện áp

c Tăng diện tích tiếp xúc giữa kim loại và xỉ

Nếu hàm lượng S trong kim loại lớn, cần dùng xỉ không có hợp chất ôxyt kiềm tính như CaF2, hoặc dùng xỉ có hàm lượng CaF2 + CaO

Khi khử lưu huỳnh, khói có màu vàng Dùng khống chế điện áp để khử S Chú

ý, khi khống chế bằng điện áp để khử S và khử P chúng có tác động ngược nhau Điện áp tăng, có lợi cho khử S, điện áp giảm có lợi cho khử P

1.4.2.3 Ảnh hưởng của quá trình điện xỉ đối với quá độ Si - Mn

Các thông số của quá trình công nghệ tinh luyện gồm: dòng điện, điện áp, chiều sâu bể xỉ Các thông số này ảnh hưởng lớn đến sự quá độ của Si-Mn giữa pha

xỉ và pha kim loại lỏng Thay đổi các thông số công nghệ điện xỉ, làm thay đổi các đặc trưng quá độ của các giọt kim loại qua lớp xỉ

Trong quá trình tinh luyện điện xỉ, lượng Si và Mn quá độ theo hướng từ kim loại sang xỉ dần tăng, theo hướng từ xỉ vào kim loại dần dần giảm Vì thế làm tăng năng lực ôxy hoá của xỉ Khi giảm tốc độ dịch chuyển của điện cực chảy, chiều sâu

từ đầu mút điện cực đến mặt kim loại lỏng (chiều sâu bể xỉ) giảm, làm tăng quá trình quá độ Si-Mn từ kim loại sang xỉ, tăng năng lực ôxy hoá của xỉ Từ đó, tăng khả năng lọc tạp chất của xỉ Khống chế dòng, điện áp và chiều sâu lớp xỉ có tính quyết định đến quá trình tinh luyện

Như vậy, để quá trình điện xỉ xảy ra tối ưu, cần điều khiển một cách hợp lý theo các kỹ thuật sau:

a Điều khiển dòng điện nấu luyện, thay đổi theo từng giai đoạn và các yêu cầu, điện áp điều khiển với cấp số nhỏ 1,5~2V, khống chế đúng công suất làm việc

b Khống chế đúng điện trở bể xỉ, tuỳ phản ứng hoá lý giữa xỉ và kim loại, thành phần xỉ biến đổi và đồng thời chiều dày lớp xỉ cũng biến đổi, cần bảo đảm điện trở bể xỉ bằng cách định kỳ thay xỉ mới

c Khống chế tốc độ di trượt của điện cực tan thông qua dòng điện nấu luyện theo đúng chế độ công nghệ

1.4 2.4 Khử khí

Một trong những ưu điểm của tinh luyện điện xỉ là có khả năng khử triệt để các tạp chất phi kim và giảm tối đa lượng khí trong thép Các khí thường có trong thép

là Ôxy, Nitơ và Hydrô Các chất khí này đến từ nhiều nguồn khác nhau: từ môi

trường vào, từ sản phẩm của phản ứng ôxy hoá khử Trong các thép nấu bằng các

phương pháp lò điện hồ quang hoặc lò cảm ứng, hàm lượng ôxy khoảng <

0,005% Sau tinh luyện điện xỉ, hàm lượng O giảm và thường giữ ở mức

0,0015~0,003%, giảm khoảng 1/3~1/2 Sau tinh luyện, hàm lượng Nitơ giảm từ

~0,05 xuống còn 0,02%, Hyđrô từ 0,0015 xuống dưới 0,001%

Nguồn gốc của ôxy trong thép chủ yếu trong chất trợ dung có các chất ôxyt

không ổn định, trên bề mặt điện cực tan có các vẩy ôxyt và khí trên bể xỉ Trong xỉ

sử dụng để tinh luyện thép có các chất như CaF2, và các ôxyt ổn định CaO, MgO,

Al2O2, chúng không bị ôxyt hoá Nhưng nếu dùng các nguyên liệu tự nhiên khác

làm chất trợ dung, sẽ dẫn đến việc các nguyên tố hợp kim bị ôxyt hoá Trong

nghiên cứu, sử dụng xỉ "nguyên chất", nên tác dụng ôxyt hoá của xỉ này ít Hết sức

tránh lẫn các thành phần dễ bị hoàn nguyên

Ôxy đi vào trong thép từ điện cực Trong điều kiện nấu luyện không dùng kỹ

thuật chân không và đúc trong khuôn cát thông thường, trên lớp bề mặt của điện

cực thường có nhiều vảy ôxyt, ngậm các xỉ và tạp chất, rỗ khí Để giảm nguồn

làm tăng ôxy, trước khi đưa vào tinh luyện, điện cực cần qua gia công tiện bóc lớp

vỏ bề mặt Cũng có thể sử dụng biện pháp quét phủ trên mặt điện cực một lớp hỗn

hợp các chất CaF2 và Na2Al2O Đối với thép có Cr, Ni, nên thường trên bề mặt

điện cực tồn tại một lớp ôxyt mỏng Có thể dùng cách tẩy rửa axit bề mặt điện cực Ôxy trên mặt bể xỉ có thể theo điện cực đi vào trong kim loại, hoặc trực tiếp đi vào

qua lớp xỉ Mặt khác, trong xỉ có các chất ôxyt hoá trị cao, tại phân giới xỉ-kim

loại, chúng phân giải thành ôxyt hoá trị thấp, từ đó ôxy đi vào trong thép Để khử

Hyđrô và các khí từ môi trường vào trong thép lỏng, sử dụng khí bảo vệ là khí

Argon Khí Argon có tác dụng ngăn chặn khí ôxy và cả Hydro từ môi trường đi

theo điện cực vào thép và đi qua lớp xỉ vào thép

Khí tan trong kim loại có thể dựa vào hiện hượng sôi của bể kim loại lỏng để

thoát lên bề mặt kim loại dưới dạng bọt khí Khi dùng kim loại để khử ôxy, sản

phẩm là FeO, sau đó được tác dụng với cacbon tạo thành khí CO, và thoát ra ngoài

kim loại Nếu dùng lò chân không, do phân áp của khí nhỏ, nên các khí tan trong kim loại dễ được khử

Khi tinh luyện điện xỉ, xỉ có độ kiềm cao và quá nhiệt lớn, sẽ có tác dụng tẩy rửa khí tốt Mặt khác, trong xỉ có SiO2, cũng có tác dụng khử tạp chất tốt, do tăng tính kiểm của xỉ, các tạp chất và khí nổi lên hoặc tan trong xỉ Xỉ có CaF2 cũng có tác dụng cường hoá quá trình khử khí

1.4 2.5 Khử tạp chất ôxit

Các tạp chất trong điện cực tan cơ bản bị khử khi điện xỉ Một trong những ưu việt của tinh luyện điện xỉ là giảm lượng và làm nhỏ hạt ôxit các loại Quá trình tinh luyện điện xỉ bao gồm sự tạo thành các giọt kim loại lỏng, giọt kim loại đi qua lớp xỉ sau đó tích tụ xuống bình kết tinh Việc các ôxit được khử chủ yếu do các giọt kim loại lỏng đi qua lớp xỉ và được lọc sạch

Các tạp chất trong thép qua tinh luyện chủ yếu do sinh ra trong quá trình tinh luyện Khi hàm lượng Al cao, tạp chất mới sinh chủ yếu Al2O3 Nếu Al ít, tạp chất chủ yếu là SiO2 Các tạp chất này tạo thành khi kết tinh và làm nguội Cần khống chế độ lớn và sự phân tán của các tạp chất này để bảo đảm độ bền mỏi của thép Các thông số quyết định đến quá trình khử tạp chất là: nhiệt độ bể xỉ, tính lưu động của xỉ (độ nhớt, độ chảy loãng), tốc độ dịch chuyển của bình kết tinh

Trong quá trình tinh luyện các hạt tạp chất nhẹ sẽ dần nổi lên mặt lớp kim loại lỏng Như vậy, việc khử các tạp chất này phần lớn phụ thuộc điều kiện giúp tạp chất nổi nhanh trên bề mặt kim loại Các nghiên cứu đã chỉ rõ, tốc độ nổi tỷ lệ nghịch với độ nhớt, tỷ lệ thuận với bình phương bán kính, tỷ lệ thuận với hiệu tỷ trọng của kim loại và tạp chất

Vai trò của CaO có tác dụng khử các tạp chất lưu huỳnh, nhưng do có Al2O3

làm giảm nhiệt độ nóng chảy của xỉ, nên nhiệt độ của bể xỉ tăng, cũng có tác dụng làm tăng khả năng khử lưu huỳnh, nhưng không ảnh hưởng lớn đến khử các tạp chất khác

Tốc độ luyện cũng ảnh hưởng đến mức độ khử tạp chất Tăng tốc độ nấu luyện cũng làm tăng tốc độ nổi của tạp chất, tốc độ nấu luyện lại tuỳ thuộc chế độ và

thành phần xỉ Khống chế thành phần xỉ cho phép tăng tốc độ khử tạp chất Điều này còn liên quan đến hướng kết tinh Nếu hướng kết tinh từ dưới lên, có xu hướng thúc đẩy các tạp chất nổi lên phía trên.

Phân bố nhiệt độ trong vùng xỉ: các nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ của xỉ có thể đạt đến 20000C Sự phân bố nhiệt độ trong vùng xỉ không đều Có vùng nhiệt độ cao, nằm ở dưới điện cực Vùng tiếp giáp xỉ - kim loại lỏng nhiệt độ đạt 16500C Vùng nhiệt độ thấp hơn nằm ngoài điện cực, nhiệt độ dưới 16000C Trên mặt xỉ tiếp giáp không khí, tại độ sâu 5 mm, nhiệt độ còn 13000C Nguyên nhân nhiệt độ không đều là do sự phân bố dòng điện Nhiệt độ không đều trong vùng xỉ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng tinh luyện, đến quá trình khử tạp chất

1.4 2.6 Khống chế lượng Al và Mg

Khống chế hàm lượng Al Một số mẫu nghiên cứu đầu tiên cho thấy, độ dai va đập không đạt yêu cầu Một trong những nguyên nhân là trong tạp chất còn một lượng Al cao hơn so với yêu cầu Một số tài liệu nước ngoài chỉ ra rằng, phải khử hàm lượng Al nhỏ hơn 0,015% Al là nguyên tố có trong thành phần xỉ, có tác dụng khử khí và làm nhỏ hạt tinh thể Sau tinh luyện Al còn lưu trong thành phần của thép Một phần tan trong dung dịch rắn, phần lớn nằm dưới dạng hợp chất hoá học với N và O: Nitrit nhôm, Ôxit nhôm, chúng chưa kịp ra khỏi thép Hàm lượng

Al có quan hệ với hàm lượng O, vì vậy, để giảm lượng Al bằng cách để quá trình khử khí tiến hành đầy đủ Cần khống chế hàm lượng Al không quá 0,010%

Khống chế hàm lượng Mg: Mg cũng là nguyên tố có trong xỉ và sau khi tinh luyện Trong thép Mg ở dưới dạng MgS và MgO Mg không ảnh hưởng lớn đến giới hạn bền và độ dẻo, độ cứng của thép, nhưng ảnh hưởng lớn đến sự xuất hiện vết nứt dòn Cùng với MnS chúng có xu hướng tiết ra từ hạt tinh thể, làm thay đổi nhiệt độ dòn nóng ở nhiệt độ cao Hàm lượng Mg được khống chế <0,003% Một

số nghiên cứu cũng cho kết luận hàm lượng Mg nhỏ có thể làm tăng độ dai va đập Nhưng hết sức tránh các hợp chất Mg tích tụ thành các hạt lớn

1.4 2.7 Khử khuyết tật điểm trắng (Floken)

Thép kết cấu Cr-Ni có nhạy cảm hình thành khuyết tật điểm trắng sau tinh luyện điện xỉ và gia công áp lực Điểm trắng có dạng vết nứt rất nhỏ có thể quan sát thấy mầu trắng trên mặt mẫu tổ chức sau tẩm thực Điểm trắng làm giảm cơ tính vật liệu, nhất là độ dẻo và độ dai trên mặt cắt ngang, giảm độ bền mỏi, làm chi tiết gãy đột ngột trong quá trình làm việc

Điểm trắng có thể quan sát qua mặt gẫy Ta thấy đó là các điểm sáng có hình bầu dục Có thể phát hiện bằng siêu âm, phân tích tổ chức thô với độ phóng đại nhỏ

Nguyên nhân gây điểm trắng: Nhiều nghiên cứu chỉ rõ, điểm trắng có quan hệ

mật thiết với hàm lượng Hydro trong thép và ứng suất dư trong thép đúc Hyđro là nguyên nhân chủ yếu gây điểm trắng Theo một số tư liệu, hàm lượng Hydro trong thép không được quá 2mL/100g, ảnh hưởng của Hydro đối với điểm trắng mới mất

đi Hàm lượng Hydro trong thép phụ thuộc phản ứng hoàn nguyên: lượng và tốc độ khử cácbon Lượng Hydro còn liên quan đến thao tác gạt xỉ Các xỉ ôxit gạt đi càng sạch, thời gian gạt xỉ dài, khả năng Hydro từ không khí vào thép lỏng càng lớn thì lượng Hydro càng nhiều Tinh luyện trong những ngày khô nóng ít thấy điểm trắng Ngược lại, luyện thép trong những ngày mưa, ngày ẩm trời, lượng điểm trắng tăng

Sau khi kết tinh, hàm lượng khí còn trong thép được khử nhờ nguội chậm Có thể dùng chế độ ủ để khử khuyết tật này

Chế độ làm nguội quyết định tốc độ kết tinh Cần khống chế tốc độ và nhiệt độ nước thông qua bình kết tinh, bảo đảm quá trình truyền nhiệt tốt nhất Cần khống chế áp lực P và lưu lượng Q của nước làm nguội Cần bảo đảm tốc độ nguội chậm, tốc độ lớn lên của mọi mầm kết tinh đồng đều, bảo đảm cho hạt nhỏ, không cho một số hạt lớn nhanh Nếu hướng kết tinh hướng lên trên, có tác dụng đẩy khí thoát khỏi kim loại Sau khi kết tinh, phôi đúc cũng phải được làm nguội chậm Sau khi

ra khỏi bình kết tinh, ứng suất dư nhiệt rất lớn, đồng thời áp suất bọt khí cao Nguội nhanh sẽ gây nứt

1.4.3 Nhiệt luyện

Nghiên cứu chế độ nhiệt luyện cho thấy: khi giữ đẳng nhiệt lâu dưới nhiệt độ tới hạn ~6500C, hàm lượng khí giảm do khí Hydro thoát ra ngoài Thời gian giữ nhiệt càng lâu, lượng Hydro thoát ra càng nhiều Độ nhạy cảm của thép đối với điểm trắng càng giảm Giữ nhiệt đẳng nhiệt còn làm giảm hàm lượng Hydro ở vùng thiên tích, tạo điều kiện cho Hydro khuyếch tán đến vùng mật độ thấp, làm giảm khả năng tạo thành phân tử Hydro, giảm tạo điểm trắng

Mặt khác, khi nguội chậm, việc hình thành các tổ chức sẽ đồng đều hơn, khả năng tạo ứng suất dư loại I và II giảm Như trên, phân tích ảnh kim tương, sau khi đúc, nếu nguội chậm chỉ thấy có F, P, B; nhưng nếu nguội nhanh hơn, thấy xuất hiện tổ chức Máctenxit, một tổ chức gây nội ứng suất Khi giữ nhiệt ở 6500C, Mactenxit sẽ chuyển biến thành Xoocbít ram Ôstenít dư cũng sẽ chuyển biến thành Xoocbit, tránh được các tổ chức tạo thành khi quá nguội Mặt khác, tốc độ khuyếch tán của khí ở tổ chức này cũng lớn hơn trong Mactenxit

Đối với chi tiết lớn, làm bằng thép Cr-Ni cần sử dụng công nghệ ủ thấp với thời gian giữ nhiệt lâu, bảo đảm khí bên trong phôi thép có đủ thời gian để khuyếch tán ra ngoài

Nhiều nghiên cứu chỉ rõ, quy trình ủ tuỳ thuộc hình dáng kích thước sản phẩm, tuỳ theo các mác thép cụ thể, sau khi phôi đúc được lấy ra khỏi bình kết tinh, đưa vào lò giữ nhiệt 4 giờ sau đó làm nguội xuống khoảng 300~3500C, bằng cách tắt lò

để nguội, tiếp sau nung trở lại với tốc độ tuỳ công suất lò, giữ nhiệt 30~40giờ, đối với vật liệu có độ dày > 300mm, tiếp sau, nguội chậm với tốc độ 300/giờ, đến

4000C, cuối cùng nguội chậm tiếp với tốc độ 150/giờ Kết quả không thấy có khuyết tật điểm trắng

Nếu thép có nhiều điểm trắng, cần sử dụng công nghệ ủ hoàn toàn Công nghệ như sau: sau khi đem phôi nóng ra khỏi bình kết tinh, làm nguội xuống ~3000C, như quy trình trên, giữ nhiệt ở nhiệt độ đó không được quá 12 giờ, tiếp sau, đem ủ hoàn toàn ở nhiệt độ 840~8600C, trên nhiệt độ chuyển biến pha, giữ nhiệt khoảng 4 giờ, bảo đảm thép được chuyển biến pha sang ôstenits, sau đó tắt lò làm nguội đến

3000C, để thép chuyển biến pha, tiếp đó làm nguội trong không khí Quy trình này

có thể áp dụng cho chi tiết có kích thước 100~200 mm

Đối với chi tiết lớn, khử Hydro rất khó khăn nên cần tính đủ thời gian cho quá trình khuyếch tán hydro

Như trên đã nêu, điểm trắng còn do ứng suất dư gây ra Một số nghiên cứu cho rằng, khi nguội, kim loại có chuyến biến tổ chức, nhưng, do thiên tích, tại các vùng khác nhau có các ôstenit ổn định (dư), khi thép nguội xuống nhiệt độ thường mới chuyển biến thành mactenxit Do khả năng hoà tan Hydro trong ôstenit cao nên khi nguội, sẽ thải ra hydro nguyên tử hoặc phân tử Khi ủ, giữ nhiệt ở nhiệt độ ~3000C trước khi nâng nhiệt lên 6500C rất quan trọng, ở nhiệt độ đó, tăng nhanh tốc độ chuyển biến của ôstenits dư Một số thực nghiệm khác, với chi tiết dày >200mm, sau khi lấy phôi khỏi bình kết tinh, giữ nhiệt ở 6500C trong 3~4 giờ sau đó làm nguội theo lò, để phôi nguội xuống ~3000C, tăng thời gian giữ nhiệt, không phải 4 giờ, mà lên 20 giờ, sau đó nung tiếp lên 6500C và giữ nhiệt chỉ cần 8~10 giờ cũng cho phép khử điểm trắng Nhưng nếu chỉ giữ nhiệt ở nhiệt độ 3000C trong 20 giờ

không ủ tiếp ở 6500C, điểm trắng rất nhiều

Như vậy, khử điểm trắng do Hyđro và do ứng suất dư gây ra, cần được tính toán đầy đủ và chính xác khi ủ Cần xác định nhiệt độ đúng, bảo đảm tốc độ khuyếch tán khí và khử ứng suất dư, đồng thời có đủ thời gian dài để khí khuyếch tán

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Bảng3 Thành phần hoá học thép 38XH3MФ theo ΓOCT 5192 – 78 Liên xô