Bài báo cáo cuối kì học phần công nghệ vật liệu mới dùng trên ô tô borat thép boron

Thép Boron rất hữu ích như một nguyên tố hợp kim trong nhiều vật liệu, nhưng trong bài viết này nó sẽ được minh họa như một nguyên tố hợp kim trong thép vì tác dụng của nó trong việc tăn

BÀI BÁO CÁO CUỐI KÌ

HỌC PHẦN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU MỚI

DÙNG TRÊN Ô TÔ BORAT - THÉP BORON

Khoa/viện: Viện đào tạo sau đại học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

LỜI NÓI ĐẦU

Để hoàn thành quá trình nghiên cứu và hoàn thiện báo cáo này, em xin chân thành cảm

ơn sâu sắc đến Thầy TS Phạm Hải Định, thầy đã trực tiếp chỉ dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu Thầy luôn tận tâm hỗ trợ, giúp em giải đáp các thắc mắc trong quá trình làm bài và cho chúng em những lời khuyên, những kiến thức vô cùng quý báu từ thầy để em hoàn thiện báo cáo này Borat – Thép Boron là đề tài em được nhận làm báo cáo môn học Công nghệ vật liệu mới dung trên ô tô, ngành kỹ thuật ô tô tại Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh Do sự hiểu biết và kiến thức em còn hạn hẹp nên còn nhiều thiếu sót trong bài làm Em mong nhận được lời nhận xét, góp ý chỉnh sửa từ quý thầy, cô để báo cáo của em được chỉnh chu và hoàn thiện tốt hơn

Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn những thầy TS Phạm Hải Định luôn hỗ trợ em hoàn thành bài báo cáo

Xin trân trọng cảm ơn Thầy

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

I ) Giới thiệu 4

II) Boron trong công nghệ vật liệu thép 4

1) Các tính chất cơ bản của Boron 4

2) Độ hòa tan Boron trong sắt nguyên chất 6

3) Các hình dạng có sẵn 9

4) Boron trong thép là nguyên tố hợp kim 10

5) Hiệu ứng làm cứng Boron 11

6) Các ứng dụng của Thép Boron 12

III) Thép Boron trong công nghệ vật liệu dùng trong ô tô 13

1) Gia cố cơ thể và khung 13

2) Cải thiện tầm nhìn bằng thủy tinh Borosilicate 16

3) Borat trong chất lỏng và chất bôi trơn ô tô 17

4) Vai trò của borat trong polyme và cao su 18

IV) Xe điện: Boron trong công nghệ sản xuất EV 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

I ) Giới thiệu

Xe của chúng ta đang sử dụng là một hệ thống phức tạp được tạo thành từ hàng nghìn bộ phận khác nhau Nhiều bộ phận trong số đó có chứa borat Phục vụ vô số chức năng, borat trong ô tô rất quan trọng để đảm bảo sự an toàn, độ bền, độ tin cậy và chất lượng mà chúng

ta phụ thuộc vào để đưa chúng ta đến đích Từ đèn pha, dầu động cơ đến các bộ phận chính của ô tô như thân nhôm, boron là thành phần quan trọng

Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 0°C boron là một chất rắn Lượng boron tối ưu phải được thêm vào thép để đạt được độ cứng tối đa, dựa trên kinh nghiệm là khoảng 0,0003 đến 0,0030% B Thép Boron được cung cấp cho các nhà sản xuất thép dưới dạng ferroboron hoặc dưới dạng một trong một số hợp kim độc quyền Sự lựa chọn bổ sung luôn phụ thuộc vào thực tiễn sản xuất thép, hỗn hợp và khối lượng sản phẩm, kinh nghiệm và sở thích của từng nhà khai thác cũng như giá cả Thép Boron rất hữu ích như một nguyên tố hợp kim trong nhiều vật liệu, nhưng trong bài viết này nó sẽ được minh họa như một nguyên tố hợp kim trong thép vì tác dụng của nó trong việc tăng cường độ cứng Boron được thêm vào thép không hợp kim và thép hợp kim thấp để nâng cao mức độ cứng thông qua việc tăng cường độ cứng Ví dụ, Boron được thêm vào thép cắt tốc độ cao, chứa 18%W, 4%Cr và 1%V, nâng cao hiệu suất cắt nhưng làm giảm chất lượng rèn của chúng Bên cạnh đó, Boron rất hữu ích như một nguyên tố hợp kim trong nhiều vật liệu trong ngành công nghiệp

ô tô Thép Boron đã đạt được nhiệt độ khoảng 1.350 – 1.400 N/mm2 Do đó, sản phẩm có

độ bền cao gấp khoảng 4 lần so với thép cường độ cao thông thường Tuy nhiên, ở đây nó

sẽ được minh họa như một nguyên tố hợp kim trong công nghệ cải tiến của thép do có tác dụng tăng cường kết cấu vững chắc

II) Boron trong công nghệ vật liệu thép

1) Các tính chất cơ bản của Boron

Tên "boron" bắt nguồn từ khu vực ngôn ngữ Armenia-Ba Tư: buraq hoặc burah cho borax, một trong những hợp chất boron được biết đến rộng rãi nhất, cụ thể là natri natri tetraboratedecahydrat Cách đây rất lâu, borax đã được xuất khẩu dưới cái tên "Tincal" từ các hồ muối ở Trung Á đến châu Âu, nơi nó được sử dụng như một chất hỗ trợ trong quá trình hàn và nấu chảy

Tỷ lệ boron trong lớp vỏ ngoài của trái đất được ước tính là 10ppm và trong tự nhiên boron không tồn tại ở trạng thái cơ bản mà luôn kết hợp với oxy Các khoáng chất có chứa boron quan trọng nhất về mặt kỹ thuật là:

Borax (Tincal): Na2O x 2B2O3 x 10H2O;

Tincalconit: Na2O x 2B2O3 x 5H2O;

Kernit (Rasorit): Na2O x 2B2O3 x 4H2O;

Boraxit: 5MgO x MgCl2 x 7B2O3;

Colemanit: 2CaO x 3B2O3 x 5H2O;

Sassolin: B2O3 x 3H2O

Các mỏ boron lớn nhất nằm ở Kazakhstan, California, Argentina và Thổ Nhĩ Kỳ Boron được sản xuất thành công lần đầu tiên vào năm 1808 bởi H Davy ở dạng vô định hình Boron là phi kim duy nhất thuộc nhóm chính thứ ba của bảng tuần hoàn Ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 0°C boron là một chất rắn Nó có sáu đồng vị, một số trong đó có tính phóng xạ với thời gian bán phân rã rất ngắn, dưới 1 giây Một số tính chất quan trọng nhất của boron được liệt kê trong bảng 1, 2 và 3

Table 3: Boron: dữ liệu nhiệt động

Theo P.E Brushby và cộng sự tốc độ khuếch tán boron giống như tốc độ khuếch tán carbon (hệ số khuếch tán D=0,002e-21000/RT) Với hàm lượng carbon lên tới 0,43%, độ hòa tan của boron trong mạng austenite không phụ thuộc vào hàm lượng carbon Sự khuếch tán carbon không bị ảnh hưởng với hàm lượng boron lên tới 0,009%

2) Độ hòa tan Boron trong sắt nguyên chất

Có nhiều ý kiến khác nhau về vị trí của các nguyên tử boron trong mạng tinh thể sắt Dựa trên việc so sánh hệ số khuếch tán của carbon và boron, Jandeska và I.J.Morral đã kết luận rằng các nguyên tử boron bị hòa tan xen kẽ trong mạng γ-Fe C.C McBride, J.W Spretnak, R.Speiser đã đạt được kết quả tương tự dựa trên việc so sánh xem xét lý thuyết về bán kính nguyên tử boron và khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng γ-Fe Tuy nhiên, những cân nhắc hình học này bỏ qua các cơ chế liên kết vật lý và hóa học

R.M.Goldhoff và J.W.Spretnak đã phát hiện ra bằng các phép đo độ lệch tia X rằng thông

số mạng trong sắt gamma bị giảm khi có mặt boron Họ coi đây là bằng chứng về sự hòa tan thay thế của các nguyên tử boron trong mạng austenite Do bán kính nguyên tử của boron và sắt, họ coi vị trí của các nguyên tử boron tại các vị trí mạng tinh thể thuận lợi hơn

ở các vị trí mạng trung gian

Họ cũng phát hiện ra rằng sự khác biệt giữa các thông số mạng của sắt nguyên chất và sắt chứa boron giảm khi nhiệt độ tăng Từ đó, họ kết luận rằng khi nhiệt độ tăng lên, nhiều nguyên tử boron di chuyển từ mạng tới các ranh giới hạt, nơi thực tế đã tìm thấy sự phân tách boron Tuy nhiên, các tác giả này không loại trừ khả năng một số lượng nhỏ nguyên

tử boron cũng có thể chiếm giữ các vị trí mạng trung gian

Có một số công trình khác nhau trên hệ nhị phân Fe-B Hình 1 thể hiện một sơ đồ do

O.Kubaschevsky chuẩn bị Nó cho thấy hai eutectic, một loại có 17% nguyên tử boron, loại còn lại có 63,5% boron

Hình 1: Sơ đồ pha Kubaschewsky Fe-B

Trong phạm vi giữa hai Eutectic này, nhiệt độ chất lỏng thay đổi trong khoảng 1149°C, nhiệt độ eutectic ở mức 17% nguyên tử boron và 1590°C đối với hợp kim có 50% nguyên

tử boron Theo đó, nhiệt độ nóng chảy của sắt có thể giảm hơn 150°C đến mức tối đa là 350°C (ở mức 17% nguyên tử boron) bằng cách thêm từ 5 đến 30% nguyên tử bor Bằng cách tăng tỷ lệ boron trong ferroboron từ Eutectic thứ hai, nhiệt độ chất lỏng tăng đều đặn

và gần như tuyến tính cho đến nhiệt độ nóng chảy của boron nguyên chất Theo đó, trong

sơ đồ trên, borit sắt (FeB) có 16,23% khối lượng boron, có mạng tinh thể hình thoi và có

độ cứng cực cao 2300 HV0,2

Sắt-II-borua (Fe2B) có 8,83% khối lượng boron, mạng tứ giác và độ cứng từ 1800 đến

2000 HV0,2 (tốt nhất là tránh FeB) Nhiều tác giả đã nghiên cứu chính xác hơn về hệ nhị phân sắt/boron ở góc giàu sắt Theo sơ đồ pha nhị phân Fe-B của Houndremon (Hình 2), ở vùng nồng độ boron thấp, độ hòa tan tối đa của boron là 0,021% ở 1149°C Trong khi đó,

khi nhiệt độ giảm, độ hòa tan của nó cũng giảm, xuống tới 0,0021% ở 906°C

Đồng thời nhiệt độ này là perytectoid cho phản ứng perytectoid ở 0,0082%B Độ hòa tan của boron trong γ-Fe giảm đột ngột và ở 710°C chỉ có khoảng 0,0004% boron được hòa tan một cách chủ yếu

“ Eutectics là một thuật ngữ trong lĩnh vực hóa học và vật liệu Nó thường được sử dụng

để chỉ một phần hợp nhất của các chất hoặc nguyên tố hóa học trong một mức hợp lý có nhiệt độ thấp hơn các phần hợp hợp khác trong mức hợp hợp đó Hợp phần này được gọi

là thành phần eutectic và nhiệt độ tạo thành nó được gọi là nhiệt độ eutectic

Ví dụ, trong hợp kim và hợp chất, eutectic là một thành phần có nhiệt độ thấp nhất trong men hợp lý, nơi mà các thành phần khác được tạo thành thành công Khi đạt đến nhiệt độ eutectic, nòng hợp sẽ tạo thành một cấu trúc tinh thể đặc biệt.”

Hình 2: Biểu đồ Fe-B pha cân bằng cho nồng độ boron thấp

J.W.Spretnak đã nghiên cứu xem liệu boron có thể tạo thành một lớp màng bao quanh hạt austenit trong thép hay không và kết luận trên cơ sở các cân nhắc về mặt hình học rằng điều đó là không thể Thay vào đó, họ phát hiện ra một điểm kết tủa Fe2B ở ranh giới hạt Trong thép, boron có thể được phân tán trong ma trận ở dạng Fe2B, boride có kích thước

từ 20 đến 30x10-8 cm và ở dạng tự do, phân tách chủ yếu xung quanh ranh giới hạt austenite chính Lượng nhỏ boron hòa tan này được sắp xếp dọc theo ranh giới hạt, rõ ràng là làm chậm quá trình biến đổi γ-α bằng cách khuếch tán, cụ thể là nó ngăn chặn phản ứng ferit

do đó tăng cường độ cứng của thép

Lượng boron tối ưu phải được thêm vào thép để đạt được độ cứng tối đa, theo kinh nghiệm

là khoảng 0,0003 đến 0,0030% B Việc bổ sung boron vượt quá các giá trị đã đề cập sẽ làm giảm độ cứng do lượng nguyên tử boron dư thừa kết tủa khi khối lập phương tâm bề mặt Fe23(CB) )6 borocarbide có thể là nơi ưu tiên tạo mầm ferit

3) Các hình dạng có sẵn

Boron được cung cấp cho các nhà sản xuất thép dưới dạng ferroboron hoặc dưới dạng một trong một số hợp kim độc quyền Sự lựa chọn bổ sung luôn phụ thuộc vào thực tiễn sản xuất thép, hỗn hợp và khối lượng sản phẩm, kinh nghiệm và sở thích của từng nhà khai thác cũng như giá cả Nhà sản xuất thép nên chọn tác nhân bổ sung mang lại khả năng thu hồi cao nhất và đáng tin cậy nhất phù hợp với tính kinh tế tổng thể của xưởng nấu chảy của mình

Ferroboron là chất bổ sung có chi phí thấp nhất Hàm lượng boron tương đối cao: các loại tiêu chuẩn được bán với hàm lượng boron tăng dần từ 12 đến 24% B Các tạp chất chính

là carbon (0,10-1,5%), silicon (0,30-4,0%) và nhôm (0,5-8,0%) Một phân tích điển hình

sẽ bao gồm 18,0% B, 0,50% C, 0,50% Si, 0,2% Al, 0,03% P và 0,01% S Tất cả ngoại trừ boron đều là giá trị tối đa Sản phẩm được cung cấp ở dạng cục, 2 inch hoặc 1 inch x xuống, được đóng gói trong thùng thép 250 kg hoặc 500 lb hoặc siêu bao (túi số lượng lớn) có sức chứa lên tới 3000 lb (1360 kg) Nhiều khách hàng áp dụng giới hạn kích thước tối thiểu, chẳng hạn như 5 mm (0,2 in.), để giảm thiểu lượng vật liệu mịn, có thể mang lại khả năng thu hồi kém trong các phương pháp nấu chảy được kiểm soát kém hơn Ferroboron cũng

có sẵn ở dạng dây có lõi Vì ferroboron không chứa nồng độ đáng kể các yếu tố bảo vệ nên

nó cần được chăm sóc kỹ hơn so với các hợp kim độc quyền để mang lại kết quả đầy đủ và nhất quán Nó thường được thêm vào sau các chất loại bỏ oxy/nitơ khác, chẳng hạn như ferrotitanium

Các chất bổ sung boron độc quyền đắt hơn ferroboron trên cơ sở chi phí ban đầu nhưng thường được ưa thích vì hiệu quả cao hơn, dễ sử dụng và kết quả nhất quán hơn Tất cả sẽ chứa các chất thải oxy và/hoặc nitơ với tỷ lệ khác nhau như titan, nhôm, silicon và zirconi Những nguyên tố này thường có ái lực với oxy và nitơ lớn hơn boron Chất bổ sung độc quyền phổ biến nhất thường chứa 2,0% B, 15% Al, 30% Ti, 10% Si, bal Fe Tỷ lệ chất tẩy/boron cao của sản phẩm này đảm bảo hiệu quả của nó đối với tất cả các loại thép boron, miễn là trước tiên chúng đã được khử oxy đầy đủ

Hiện có sẵn nhiều loại hợp kim bổ sung boron độc quyền có thành phần khác, với hàm lượng boron thay đổi từ 0,5% đến 4% Nói chung, tỷ lệ boron và các nguyên tố nhặt rác càng cao thì càng cần phải cẩn thận để đảm bảo thu hồi đủ boron trong thép Các chất bổ sung boron độc quyền được bán ở dạng cục 1-1/4 inch và 2 inch x trở xuống, được đóng gói trong túi, lon hoặc thùng lớn

4) Boron trong thép là nguyên tố hợp kim

Boron rất hữu ích như một nguyên tố hợp kim trong nhiều vật liệu, nhưng ở đây nó sẽ được minh họa như một nguyên tố hợp kim trong thép vì tác dụng của nó trong việc tăng cường

độ cứng Boron được thêm vào thép không hợp kim và thép hợp kim thấp để nâng cao mức

độ cứng thông qua việc tăng cường độ cứng Ví dụ, Boron được thêm vào thép cắt tốc độ cao, chứa 18%W, 4%Cr và 1%V, nâng cao hiệu suất cắt nhưng làm giảm chất lượng rèn của chúng Việc bổ sung boron với lượng lên tới 0,01% vào thép austenit cũng giúp cải thiện độ bền nhiệt độ cao của chúng Thép Boron được sử dụng làm thép xây dựng chất lượng cao, có thể xử lý nhiệt, thép để cacbon hóa và thép tạo hình nguội như thép làm ốc vít Việc bổ sung từ 5 đến 50 ppm B vào thép ferritic chứa 14 đến 18% Cr có thể cải thiện chất lượng bề mặt của dải không gỉ bằng cách tránh các lỗi, chẳng hạn như cặn, gân dây và đường gờ, thường xảy ra trong sản xuất dải

Tác dụng cơ bản của boron đối với thép là tăng cường độ cứng, điều này thể hiện rõ ở nồng

độ rất nhỏ, khoảng 0,0010% boron Nó được thêm vào thép không hợp kim và thép hợp kim thấp để tăng cường độ cứng thông qua độ cứng Ngay cả với số lượng nhỏ có kích thước lên tới 100 ppm, boron mang lại tác dụng tăng cường độ cứng tương tự như các nguyên tố đắt tiền khác phải được thêm vào với số lượng lớn hơn nhiều Ví dụ, việc bổ sung 30 ppm B trong SAE sẽ thay thế khoảng 1%Ni, 0,5%C, 0,2%Mn, 0,12%V, 0,3%Mo hoặc 0,4%Cr

Hình 1: Độ cứng của thép do Boron tác động

Hình 1 thể hiện đường cong độ cứng của thép hợp kim thấp boron (13MnCrB5) so với thép không có boron (16MnCr5) Việc bổ sung 30 ppm boron vào thép chứa khoảng 0,15% C, 1% Mn và 0,9% Cr cho thấy độ cứng tăng rõ rệt gần 50% đến độ sâu lớn hơn so với bề mặt

so với trường hợp thép có thành phần giống hệt nhau , nhưng không có boron (xem Hình 1) Theo cùng các tác giả, không có sự khác biệt về độ cứng trên bề mặt giữa thép chứa boron và thép không chứa boron, điều này cũng có thể được thấy trong Hình 1 Theo đó,

độ cứng ban đầu do đó được xác định không phải bởi boron mà bởi trạng thái cấu trúc martensitic chịu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon Tác dụng tăng cường độ cứng của boron chỉ phát huy tác dụng bên dưới bề mặt

Cơ chế có tính quyết định đối với việc tăng cường độ cứng của boron là sự chậm trễ trong quá trình chuyển đổi sang các cấu trúc bainite, ferrite và Pearlite vốn mềm hơn martensite Trừ khi bị boron ngăn cản, những cấu trúc mềm hơn này sẽ được hình thành trong quá trình làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa, sau khi ủ hoặc gia công nóng

5) Hiệu ứng làm cứng Boron

Một đặc điểm nổi bật của thép boron là sự cải thiện độ cứng được tạo ra bằng cách bổ sung một lượng boron dù chỉ một phút Người ta thường chấp nhận rằng đỉnh độ cứng đạt được khi lượng boron nằm trong khoảng từ 3 đến 15 ppm Khi có một lượng boron quá mức (>30 ppm), các thành phần boron trở nên tách biệt trong ranh giới hạt austenite, điều này không chỉ làm giảm độ cứng mà còn có thể làm giảm độ dẻo dai, gây giòn và tạo ra độ giòn nóng Ảnh hưởng của boron đến độ cứng cũng phụ thuộc vào lượng carbon trong thép Tác dụng của boron tăng tỷ lệ nghịch với tỷ lệ phần trăm của carbon hiện diện

Boron phải ở trạng thái nguyên tử để cải thiện độ cứng, điều đó có nghĩa là phải cẩn thận trong quá trình sản xuất thép để boron có hiệu quả Boron cũng có thể trở nên kém hiệu quả nếu trạng thái của nó bị thay đổi do xử lý nhiệt không đúng cách Ví dụ, phải tránh nhiệt độ austenit hóa cao cũng như khoảng nhiệt độ nơi xảy ra kết tủa boron nhất định

Độ cứng phụ thuộc nhiều vào hoạt động của oxy, carbon và nitơ có trong thép Bo phản ứng với oxy tạo thành boron oxit (B2O3); với cacbon tạo thành boncementit sắt (Fe3(CB))

và boroncarbua sắt (Fe23(CB)6); và với nitơ để tạo thành boron nitrit (BN) Sự mất boron

do oxy được thể hiện bằng cách bổ sung boron vào thép đã khử bằng nhôm-silic và bằng cách sử dụng các phương pháp làm khuôn và muôi tốt Các chất tạo nitrit mạnh (titan, nhôm và zirconi) bảo vệ boron khỏi phản ứng với nitơ Ví dụ, nếu cố định nitơ bằng cách

sử dụng titan, độ cứng đạt yêu cầu sẽ đạt được ở khoảng nhiệt độ lên tới 1830°F (1000°C) với điều kiện là thép chứa khoảng 5-20 ppm boron

Độ cứng của thép boron cũng liên quan chặt chẽ đến điều kiện austenit hóa và thường được cho là giảm khi nung ở nhiệt độ trên 1830°F (1000°C) Thép Boron cũng phải được tôi luyện ở nhiệt độ thấp hơn các loại thép hợp kim khác có cùng độ cứng