Nâng cao chất lượng thép mangan bằng phương pháp biến tính

MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục đồ thị MỞ ĐẦU Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1 Thép Mangan cao biện pháp nâng cao chất lượng thép 1.1.1 Thép mangan cao 1.1.2 Các biện pháp nâng cao chất lượng thép 14 1.1.2.1 .Vật liệu Composit thép đúc Mn13 siêu bền 15 1.1.2.2 Biện pháp biến tính để nâng cao chất lượng thép mangan cao 16 1.1.2.3 .Biện pháp rót nhiệt độ thấp 16 1.2 Cơ sở lý thuyết biện pháp nâng cao chất lượng thép Mn cao phương pháp biến tính 18 1.2.1 Cơ sở lý thuyết biến tính thép đúc 18 1.2.2 Các lý thuyết giải thích trình biến tính 21 1.2.3 Titan nguyên tố biến tính thép 22 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình biến tính 26 1.2.5 Các phương pháp biến tính 28 1.3 Những quan điểm tăng bền thép Mn cao sau va đập 31 1.3 Vài nét ma sát mài mòn 31 1.3 Khái niệm hóa bền biến dạng thép Austenit Mn cao 35 1.3 Biến dạng dẻo hay biến dạng trượt 36 1.3 Cơ chế tăng bền xô lệch mạng 38 1.3.4.1 Theo lý thuyết cổ điển 38 1.3.4.2 Theo lý thuyết đại 41 1.3 Ảnh hưởng carbide độ cứng số pha carbide 42 1.4 Tình hình nghiên cứu thép Mn cao nước lí chọn đề tài nghiên cứu 43 1.4.1 Tình hình nghiên cứu thép Mn cao nước 43 1.4.2 Tình hình nghiên cứu thép Mn cao nước 45 1.4.3 Hướng nghiên cứu cách tiếp cận vấn đề 49 Chƣơng 2- THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng mục đích nghiên cứu.(mô tả thành phần thép Mn13 chế độ nhiệt luyện) 2.2 Điều kiện nghiên cứu (mô tả thiết bị nấu thành phần phối liệu ban đầu, điều kiện nấu, biến tính, mấu đúc thí nghiệm) 51 51 52 2.3 Phương pháp nghiên cứu 55 2.3.1 Đánh giá tổ chức cấu trúc thép 55 2.3.2 Xác định cấp hạt đường kính trung bình hạt phần mềm có 55 sẵn máy hiển vi quang học Axiovert 25 2.3.3 Đo độ mài mòn hệ số ma sát máy TE 97 Friction and 56 Wear 2.3.4 Xác định tính 57 2.3.5 Thí nghiệm hóa bền biến dạng va đập thép Mn13 58 Chƣơng 3- CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Thành phần, tổ chức thép Mn13 trạng thái đúc Công ty CKDA 59 3.2 Nhiệt luyện thép Mn13 61 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ biến tính đến tính chất thép Mn13 63 3.4 Ảnh hưởng % Ti đến tính chất thép Mn13 69 3.5 Quá trình hóa bền thép Mn cao biến tính Titan 76 3.5.1 Vai trò Ti tan 76 3.5.2 Góp phần làm sang tỏ chế hóa bền biến dạng thép Mn13 82 3.5.3 Khả chịu mài mòn va đập thép Mn13 88 Kết luận 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Thép hợp kim Mangan cao ( thép Hadfield) quan tâm nhiều nước giới Các hướng nghiên cứu " Biện pháp tăng bền chế tăng bền thép Mangan cao" Về biện pháp tăng bền; có giải pháp nhằm cải thiện tính chất thép Mangan cao: thứ nhất, hợp kim hóa biến tính; thứ hai, dùng thép Mn13 vật liệu compozit thứ ba rót nhiệt độ thấp Trong nhiều năm qua, Công ty Cơ khí Đông Anh dùng ba giải pháp nhằm nâng cao hiệu kinh tế kỹ thuật Mỗi giải pháp ứng dụng cho số chủng loại chi tiết định Về giải pháp hợp kim hóa biến tính, năm 80 kỉ trước, Công ty nấu thành công thép Mn13 cổ điển lò hồ quang dùng để đúc chi tiết chịu mài mòn việc đại tu máy kéo công nghiệp xây dựng Những năm sau đó, tiếp tục dùng biện pháp hợp kim hóa thêm nguyên tố Vanadi, Molipden, Crom Trong chục năm gần đây, Công ty ý đến công nghệ biến tính để cải thiện tính làm việc thép Mn13 Một điều đáng nói chất lượng thép Mn13 Công ty sản xuất thị trường Việt Nam chấp nhận chiếm lĩnh tỉ phần không nhỏ (khoảng 70%) thị trường Tuy nhiên, công nghệ biến tính Công ty dừng lại việc lựa chọn chất biến tính lượng sử dụng mà chưa có đánh giá cụ thể hiệu sử dụng Bởi nhiều cán kỹ thuật lúng túng công nghệ biến tính hợp kim Như biết, hợp kim, để đạt tính chất theo yêu cầu, công nghệ biến tính phải nêu vấn đề sau đây: - Chất biến tính gì? - Lượng dùng bao nhiêu? - Nhiệt độ biến tính - Thời gian biến tính - Phương pháp biến tính Để giải vấn đề tác giả lựa chọn đề tài: " Nâng cao chất lượng thép mangan phương pháp biến tính" Sau trình học tập nghiên cứu, thực nghiệm luận văn hoàn thành mục tiêu đề ra, a) tìm công nghệ biến tính thích hợp cho mác thép Mn13 sản xuất Công ty Cơ khí Đông Anh b) góp phần làm sáng tỏ chế hóa bền va đập thép Mn13 sản xuất Công ty Để đạt kết trên, cố gắng thân tác giả xin chân thành cảm ơn tạo điều kiện thuận lợi Viện đào tạo sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu trường đại học Bách Khoa Hà Nội, cảm ơn giúp đỡ Công ty TNHH MTV khí Đông Anh đồng nghiệp tác giả đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Dũng trực tiếp hướng dẫn Kỹ thuật biến tính thép nói riêng Khoa học vật liệu kim loại nói chung lĩnh vực khoa học rộng lớn Trong khuôn khổ luận văn, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến Thầy, Cô bạn đồng nghiệp CHƢƠNG TỔNG QUAN 1 Thép mangan cao biện pháp nâng cao chất lƣợng thép 1.1.1 Thép Mangan cao: Từ năm 1878, nhà luyện kim người Anh tên Robert Hadfield bắt tay vào nghiên cứu hợp kim sắt với nguyên tố khác, đặc biệt với mangan Ngay từ năm 1882 Hadfield nấu luyện thép với hàm lượng mangan cao Sau bốn năm, năm 1886, Hadfield ghi nhật ký công tác: " Tôi bắt đầu thí nghiệm quan tâm đến việc sản xuất loại thép vừa cứng, đồng thời lại vừa dai Các thí nghiệm dẫn đến kết đáng ý, quan trọng đủ sức làm thay đổi quan điểm hành nhà luyện kim hợp kim sắt" Ông cấp phát minh (năm 1883) thép mangan Sau đó, Ông tiếp tục nghiên cứu vấn đề liên quan với thép mangan Năm 1883, công trình nghiên cứu Ông thép mangan ứng dụng thép mangan cao thực tiễn, trình hòa tan mangan sắt, công nghệ nhiệt luyện thép mangan cao công bố Sau đó, Ông tiếp tục hoàn thiện thiết bị lẫn công nghệ nấu, đúc nhiệt luyện thép mangan cao ngày mác thép đặc biệt gắn với tên tuổi Ông Ngày nay, có thêm nhiều công trình nghiên cứu thép Mangan cao nhằm đưa loại vật liệu đặc biệt có ứng dụng hiệu công nghiệp Đặc biệt công nghiệp khai khoáng, công nghiệp xi măng, đường sắt…Các chi tiết loại chi tiết chịu mài mòn tác dụng va đập áp lực cao Lý thuyết cổ điển cho rằng, chế tăng bền chủ yếu trình chuyển biến austenit thành Maxtenxit trượt mạng tác động lực va đập Cơ chế cho rằng, loại carbide tập trung biên giới hạt có ảnh hưởng không tốt cho trình tăng bền thép vì, carbide tập trung biên giới hạt tạo nên ứng suất gây phá hủy chi tiết Bởi vậy, trước người ta không sử dụng nguyên tố tạo carbide mạnh V, Cr thép mangan cao Hơn nữa, theo quan điểm hàm lượng mangan thép cao làm cho austenit trở nên ổn định hơn, khó hình thành chuyển biến chịu va đập, hàm lượng Mn tối đa 13% Khi hòa tan dung dịch đặc, Mn mở rộng khu vực , hạ thấp điểm AC3, làm điểm tinh tích dịch chuyển qua trái Do Mn làm giảm nhiệt độ chuyển biến , làm nhỏ mịn tổ chức kết tinh lần 2, Mn làm tăng tính thấm thép Mn làm tăng độ bền, giảm độ dẻo, tăng lượng peclit thép Đặc biệt, Mn làm tăng độ co trước peclit nên thép mangan hay bị nứt nóng Vết nứt nóng hình thành khoảng nhiệt độ kết tinh sau kết tinh phân bố bề mặt hạt tinh thể nên bề mặt vết nứt thường bị oxy hóa có màu đen Cơ chế hình thành nứt nóng vật đúc thép Mn giải thích sau Trong trình kết tinh, lớp vỏ đông đặc bề mặt vật đúc hình thành Do thép Mn có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, vùng kết tinh hai pha hẹp nên lớp vỏ đông đặc phát triển nhanh đủ bền, đủ dẻo Khi nhiệt độ vật đúc chiều dày thành không đồng đều, chênh lệch nhiệt độ thiết diện vật đúc lớn sinh ứng suất nhiệt vật đúc, lớp vỏ vừa hình thành bị nứt tác dụng ứng suất Thời điểm nguy hiểm để tạo thành nứt nóng lúc mà tâm vật đúc đạt nhiệt độ bắt đầu co tuyến tính [2] Về tính Thép mangan cao có thành phần sau (%): (1,0-1,4)C; (0,4-1,0)Si; (10-14)Mn; (0,08-0,12)P; (0,02-0,04)S Tiêu biểu loại thép thép Hadfield có thành phần (%): 1,25C; 0,8Si; 13Mn; 0,1P 0,02S Một điều quan trọng lựa chọn thành phần đảm bảo tỉ lệ Mn/C từ đến10, tốt 10 Thép hadfield có khả chống mài mòn cao điều kiện va đập thép có tổ chức đặc biệt Sau đúc thép hadfield có tổ chức +(Fe,Mn)3C (hình 1.1) Trong (Fe,Mn)3C pha cacbit hỗn hợp, nghĩa là, mangan thay số nguyên tử Fe xementit Sau nhiệt luyện, thép hadfield có pha austenit không bị nhiễm từ Tổ chức austenit thép thu sau 1000-11500C nước không khí với vật đúc thành mỏng Đặc điểm bật thép là, austenit cacbon cao bề mặt chi tiết chịu tải trọng va đập chuyển biến thành mactenxit có độ cứng cao lõi giữ tổ chức austenit dẻo, dai Do chế tự biến cứng va đập nói mà lớp bề mặt cứng luôn tồn Chart Title 1600 L 1400 Nhiet do, 0C  1000 L++(Fe,Mn)3C +(Fe,Mn)3C 800 600 L+(Fe,Mn)3C L+ 1200  F (FeMn)3C ++(Fe,Mn)3C 400 200 ++(Fe,Mn)3C +(Fe,Mn)3C 0 Ham luong C, % Hình 1.1 Giản đồ trạng thái Fe-Mn-C có 13%Mn [2] Photpho nguyên tố đáng quan tâm đúc thép hadfield Photpho có thép có sẵn feromangan (FeMn) Trong trình nấu luyện thép, khó khử photpho Nếu tiến hành khử P Mn bị oxy hóa theo Bởi vậy, hàm lượng P thép không 0,08% Mặc dù hàm lượng C cao hàm lượng P < 0,12% không làm giảm độ dẻo thép Điều giải thích, ngược lại với thép cacbon thường, thép Mn cao, photpho không phân bố dạng cacbit biên giới hạt để gây tính bở nóng mà hòa tan dung dịch đặc hạt austenit không làm giảm nhiều độ dẻo thép Khi P > 0,12% , photpho tạo thành photphit phức tạp nằm biên giới hạt, gây nhiều khuyết tật, thí dụ, tính giòn không nhiệt độ thường mà nhiệt độ cao [2] Lưu huỳnh có thép Mn13 trạng thái tự nhiên thường nhỏ 0,02% có Mn khử bớt phần lưu huỳnh Bởi luyện thép hadfield không cần thêm biện pháp khử S lò gầu Thép hadfield có tính chất đặc biệt sau: Giới hạn chảy S = 250-400 MPa; giới hạn bền B = 700-800 MPa; độ dãn dài  = 40-55% độ co thắt  = 35-45%; độ dai va đập aK = 2000-3000 KJ/m2; HB = 180-220 Tuy có tính chất đặc biệt thép mềm có tính chịu mài mòn cao bị biến cứng phân tán, chịu mài mòn va đập áp lực lớn trình va đập, pha  tạo nhiều mặt trượt làm cho thép bị biến cứng, thép có độ cứng 450-500 HB Như vậy, thép chịu mài mòn cứng (va đập) mà không chịu mài mòn mềm Thí dụ dùng thép chế tạo vòi phun cát, thổi cát, thép bị mòn nhanh Có thể dùng thép hadfield để đúc chi tiết gầu xúc, xích xe tăng, ghi tàu, hàm đập má Ảnh hƣởng nguyên tố hợp kim hóa [2] Nguyên tố Crom Crôm silic, làm co hẹp vùng  vùng  biến hàm lượng Cr 12,5%, lúc thép có tổ chức tòan ferit chuyển biến pha Tuy nhiên có mặt C vùng  biến với điều kiện hàm lượng crôm lớn nhiều, thí dụ, C = 0,25% Cr = 23% C = 0,4% Cr = 30% tương ứng Crom nguyên tố tạo cacbit mạnh thường cacbit hỗn hợp dạng M23C6; M7C3 M3C Các loại cacbit có tác dụng hóa bền tiết pha thân làm tăng bền mòn cho vật liệu Crom làm tăng độ thấm cho thép, hòa tan vào ferit hóa bền lại không làm ảnh hưởng đến độ dẻo thép Nguyên tố Silic Khi hòa tan hợp kim sắt, silic làm cho điểm tinh C, tích S điểm E dịch chuyển phía nồng độ cacbon thấp giản đồ trạng thái Fe-C; giảm độ hoà tan cacbon vào gang trạng thái lỏng trạng thái đặc Silic nâng cao nhiệt độ chuyển biến tinh tích, làm cho đường tinh, đường tích trở thành khoảng chuyển biến tinh, tích, điều có ý nghiã quan trọng nhiệt luyện.Tăng hàm lượng Si làm giảm nhiệt độ chảy hệ số dẫn nhiệt thép Silic nguyên tố không tạo cacbit, nâng cao giới hạn chảy, kìm hãm thải bền ram với mức độ nhẹ, làm giảm độ dai thép Khi hàm lượng Si >1,5%, thép kết tinh dạng pha khoảng kết tinh tăng mạnh, độ chảy loãng thực tế thép tăng thép có nhiều vật lẫn màng SiO2 Với thép 0,4 %C, hàm lượng Si nhỏ (