Nghiên cứu hợp kim hóa và xử lý nhiệt thép MANGAN cao

Vì vậy, tôi đã chọn đề tài : “Nghiên cứu hợp kim hoá và xử lý nhiệt thép Mangan cao ’’ Để có thể hoàn thành được đồ án này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của các thầy, cô trong

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

-

TRƯƠNG QUỐC TÍNH

NGHIÊN CỨU HỢP KIM HOÁ VÀ XỬ LÝ NHIỆT THÉP

MANGAN CAO

Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ Thuật Vật Liệu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS LÊ THỊ CHIỀU

Hà Nội – 9/2013

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

LỜI CẢM ƠN 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC BẢNG 7

LỜI NÓI ĐẦU 11

CHƯƠNG I: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THÉP HADFIED TRONG 13

VÀ NGOÀI NƯỚC 13

1.1 Quá trình nghiên cứu thép Hadfied trên thế giới 13

1.2 Tình hình nghiên cứu thép Hadfied trong nước 14

CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ THÉP HADFIED 17

2.1 Đặc điểm của thép Hadfied 17

2.2 Ảnh hưởng của thành phần đến tổ chức và tính chất thép Hadfield 19

2.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng C và Mangan 19

2.2.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim 22

2.3 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến thép Hadfield 27

2.4 Ảnh hưởng của kích thước vật đúc 30

2.5 Quy trình nhiệt luyện truyền thống 32

2.6 Cơ chế hoá bền thép 35

2.7 Tiêu chuẩn kỹ thuật 40

2.7.1 Tiêu chuẩn của Nga 40

2.7.2 Tiêu chuẩn của Mỹ 41

2.7.3 Tiêu chuẩn của Nhật 42

2.8 Công dụng của thép Hadfied 43

CHƯƠNG III:THỰC NGHIỆM 45

3.1 Mục đích thí nghiệm 45

3.2 Phương án thục nghiệm 45

CHƯƠNG IV:KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

4.1 Ảnh hưởng của Valadi 48

4.1.1 Ảnh hưởng của vanadi khi không biến tính 48

4.1.2 Ảnh hưởng của Valadi khi có chất biến tính 53

4.1.3 Nhận xét 57

4.2 Ảnh hưởng của Crôm 57

4.2.1 Phân tích tổ chức tế vi 58

4.2.2 Độ cứng của mẫu 64

4.2 Ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến tổ chức tế vi 65

4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến tổ chức tế vi của thép 69

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả nghiên cứu trong bản luận văn này hoàn toàn trung thực, chính xác và chưa từng được công bố ở bắt kỳ công trình hoặc cơ sở nào khác dưới dạng luận văn

Người cam đoan

TRƯƠNG QUỐC TÍNH

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS Lê Thị Chiều và TS Phạm Mai Khánh, những người đã trực tiếp định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Vật Liệu và Công Nghệ Đúc, ThS Nguyên Dương Nam đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực nghiệm, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Ngoài ra cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH đúc thép hợp kim Thắng Lợi VICO đã tạo điều kiện tốt và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ

án này

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, công ty nơi em đang làm việc đã hỗ trợ, động viên em về mọi mặt

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Trương Quốc Tính

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

11000C trong nước 40

Bảng 2.5 Thành phần hóa học % của các mác thép Hadfield của Mĩ theo tiêu

chuẩn ASTM A128-90 ở bảng dưới: 41

Bảng 2.6: Thành phần hóa học % của các mác thép Hadfield của Nhật theo tiêu

chuẩn JIS G5131-91ở bảng dưới: 42

Bảng 2.7 Cơ tính của các mác thép Hadfield ở trạng thái Austenit hóa theo JIS

G5131-91 42

Bảng 4.1 Thành phần mẫu 57 Bảng 4.2 Chế độ nhiệt luyện của các mẫu thí nghiệm 70

DANH MUC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2 1 Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe-13Mn-C 17 Hình 2 2 Độ hoà tan C vào thép Mn (13%) 19 Hình 2 3 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng cabcon của thép austenit mangan

chứa 12,2 đến 13,8% Mn Số liệu lấy từ mẫu đúc nặng 3,6 đến 4,5 kg và kích thước ngang khoảng 25 mm, nhúng vào nước từ 1040 đến 1095 0

C 20

Hình 2 4 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng mangan củai thép austenit mangan

1,15% C khối lượng đúc từ 3,6 đến 4,5 kg, chiều dày khoảng 25 mm, nung tôi ở

1040 đến 10950

C, làm nguội trong nước Thử va đập 20 lần tác động với lực 680J mỗi lần 21

Hình 2 5 Ảnh hưởng của a crôm, b molypden, và c hàm lượng niken đến

các thuộc tính căng dãn của thép mangan đúc Thép đã được đúc mẫu thử nghiệm 25 mm, nung nóng đến 10950

Hình 2 8 Hình ảnh nhiễu xạ tia X của HV-AMS-3 hợp kim trước khi 26 Hình 2 9 cấu trúc đặc trưng của thép mangan mác A 128 tiêu chuẩn ASTM ,

mã B-3 a Vị trí trên cùng là vật liệu đúc dày 76mm với lượng cacbit lớn dọc

theo biên hạt b Vị trên bên dưới: 76 mm vật liệu nung nóng đến 11200

C

(20500F 76 mm và được tôi nước 29

Hình 2 10 Đường nguội cho thép austenit mangan với các độ dày khác nhau 31 Hình 2 11 Quy trình nhiệt luyện truyền thống 33

Hình 2 12 Ảnh trường sang cấu trúc song tinh W-S Lee and T-H Chen’s group from Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan in 2011) 36

Hình 2 13 Cấu trúc của thép sau đúc sau khi nhiệt luyện 930 và nguội trong nước 37

Hình 2 14 Cấu trúc của thép sau đúc 1,28%C-12,64%Mn-0,53%Si-2,74%Cr) 38

Hình 2 15 Cấu trúc tế vi của thép khi thêm 1% V 39

Hình 3 1 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ 1 46

Hình 3 2 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ 2 46

Hình 4 1 Ảnh tổ chức tế vi của các mẫu thép không biến tính 49

Hình 4 2 Hình ảnh SEM mẫu hợp kim hóa không biến tính: hình ảnh cacbit 51

Hình 4 3 Biểu đồ giá trị độ cứng khi thay đổi hàm lượng Vanadi 52

Hình 4 4 Ảnh tổ chức tế vi thực hiện biến tính và không biến tính 54

Hình 4 5 Ảnh tổ chức tế vi hàm lượng Vanadi 2% có biến tính và không biến tính 55

Hình 4 6 Biểu đồ giá trị độ cứng khi thay đổi hàm lượng V, biến tính và không biến tính 56

Hình 4 7 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu không va đập 58

Hình 4 8 Phân tích EDS thành phần điểm mẫu sau nhiệt luyện a,b,c,d 60

Hình 4 9 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu va đập sau nhiệt luyện 62

Hình 4 10 Ảnh SEM mẫu sau va đập 62

Hình 4 11 Tổ chức mẫu xe tăng T54 sau thời kỳ làm việc 63

Hình 4 12 Giá trị độ cứng 64

Hình 4 13 Mẫu sau đúc và thành phần một số điểm 66

Hình 4 14 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ truyền thống 67

Hình 4 15 Tổ chức tế vi mẫu nhiệt luyện theo chế độ truyền thống 67

Hình 4 16 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ nghiên cứu 68

Hình 4 17 Tổ chức tế vi mẫu nhiệt luyện theo chế độ nghiên cứu 68

Hình 4 18 Ảnh tổ chức của các mẫu dỡ khuôn ở các nhiệt độ khác nhau 72

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng đất nước, các ngành khai khai thác đất đá, sản xuất vật liệu xây dựng, như xi măng… đang ngày phát triển Theo đó, các loại phụ tùng thay thế trong các máy xúc, các thiết bị đập nghiền khoáng vật cũng tăng theo Nhiều loại phụ tùng có nhu cầu lớn về số lượng như các loại là búa đập, tấm lót, răng gầu xúc… làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt: vừa chịu mài mòn, vừa chịu va đập cao

Trước đây, các loại phụ tùng này phải nhập từ Liên Xô cũ, sau đó được mua ở một số nước khác như Đan Mạch, Pháp, Bỉ, Nhật, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Trung Quốc, Italia, Đài Loan, Hàn Quốc… với giá thành cao, ngoài ra việc nhập khẩu làm giảm tính chủ động trong sản xuất

Hiện nay một số doanh nghiệp trong nước đã bắt đầu sản xuất các loại chi tiết nói trên nhưng chất lượng chưa cao và đặc biệt là rất ít công trình nghiên cứu cơ sở lý thuyết và công nghệ vật liệu sản xuất các chi tiết đó ở nước ta

Thép được dùng để sản xuất các loại búa đập nói trên là thép có hàm lượng mangan cao với lượng các bon trên 1%

Đặc điểm của thép này là khi có lực cơ học tác dụng lên nó thì một lớp trên bề mặt bị biến cứng tương tự như tôi bề mặt Chiều dày lớp biến cứng tùy thuộc vào độ lớn của lực tác dụng Do lớp vật liệu bên trong vẫn còn dẻo dai nên thép chịu được va đập Khi lớp biến cứng bên ngoài bị mài mòn, thì lớp bên trong lộ ra, tiếp tục được biến cứng để thay thế lớp bề mặt đã mất

Chất lượng, tuổi thọ của các chi tiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố công nghệ nhưng rõ rệt nhất là vào thành phần vật liệu và phương pháp xử lý nhiệt

Vì vậy, tôi đã chọn đề tài : “Nghiên cứu hợp kim hoá và xử lý nhiệt thép Mangan cao ’’

Để có thể hoàn thành được đồ án này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của các thầy, cô trong và ngoài bộ môn Vật liệu và công nghệ Đúc

Cho phép tôi được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Thị Chiều, TS Phạm Mai Khánh vì sự hướng dẫn tận tình của thầy trong suốt quá trình làm tốt nghiêp Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Nguyên Dương Nam Ngoài ra cũng

xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH đúc thép hợp kim Thắng Lợi VICO

đã tạo điều kiện tốt và giúp đỡ chúng tôi trong quá trình thực hiện đồ án này Xin cảm

ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ chúng tôi trong suốt thời gian qua

CHƯƠNG I QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THÉP HADFIED TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Quá trình nghiên cứu thép Hadfied trên thế giới

Năm 1982 nhà luyện kim người Anh tên là Robert Hadfield đã nấu luyện một loại thép với hàm lượng mangan cao gần 13% Từ năm 1878, Hadfield đã bắt tay vào nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan Sau đó bốn năm, nhà luyện kim trẻ tuổi của xứ Sepfin này đã ghi trong nhật ký của mình như

sau: “Tôi đã bắt đầu những thí nghiệm này vì quan tâm đến việc sản xuất một loại thép vừa cứng, đồng thời lại vừa dai Các thí nghiệm đã dẫn đến một kết quả đáng chú ý, rất quan trọng và đủ sức làm thay đổi các quan điểm hiện hành của các nhà luyện kim đối với các hợp kim của sắt” Năm 1883, ông đã được cấp bằng phát minh đầu tiên của

nước Anh về thép mangan sản xuất bằng cách pha feromangan giàu mangan vào sắt Trong những năm tiếp theo, ông tiếp tục nghiên cứu những vấn đề liên quan với thép

mangan Năm 1883, các công trình của ông “Nghiên cứu về mangan và việc sử dụng nó trong ngành luyện kim”, “Nghiên cứu về một số tính chất mới phát hiện được của sắt

và mangan” và “Nghiên cứu về thép mangan” đã ra đời Các công trình nghiên cứu này

đã chỉ ra rằng nếu được tôi trong nước thì loại thép mangan này có thêm những tính chất mới, rất ưu việt Sau đó, Hadfield còn nhận được hàng loạt bằng phát minh nữa liên quan với việc nhiệt luyện thép mangan, và đến năm 1901 thì ông được trao bằng phát minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trước khi tôi Ngày nay, trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, thép Hadfield đã có những ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp Đặc biệt là trong công nghiệp khai khoáng, công nghiệp xi măng, đường sắt… Đó là các chi tiết chịu mài mòn và chịu va đập dưới áp lực cao

1.2 Tình hình nghiên cứu thép Hadfied trong nước

Nhu cầu thép hợp kim ở Việt Nam không ngừng tăng về số lượng cũng như chủng loại, đòi hỏi chất lượng cũng ngày một cao Để đáp ứng yêu cầu này đại bộ phận phải nhập ngoại Song nhiều khi do không thể nhập được đúng kích cỡ và quy cách nên vật liệu sử dụng vừa lãng phí, vừa không đảm bảo được chất lượng sản phẩm và thời

gian yêu cầu

Từ đầu những năm 1960 và những năm tiếp theo, cùng với việc phát triển các nhà máy cơ khí, các phân xưởng thép có lò điện hồ quang cỡ nhỏ, lò tần số cũng được xây dựng Các phân xưởng này đã nấu luyện các loại thép hợp kim và đúc rót ra nhiều chi tiết và một số thỏi nhỏ để rèn thay thế một phần cho nhập ngoại Qua hơn 50 năm phát triển, ở những nhà máy cơ khí này công suất thiết bị nấu luyện và chủng loại sản phẩm thép hợp kim được tăng lên và mở rộng Những sản phẩm trên đã góp phần khôi phục và phát triển kinh tế Song việc sản xuất đa phần còn mang tính tự cung tự cấp trong từng ngành, từng cơ sở, và theo những yêu cầu riêng của từng thời kì, ít khi sản xuất được hàng loạt mang tính hàng hóa lâu dài Kinh nghiệm sản xuất và chất lượng sản phẩm nhiều khi không được kế thừa và tiếp tục nâng cao Đối với một số sản phẩm

ở một số cơ sở nhiều khi chất lượng sản phẩm hiện nay sản xuất còn kém mấy năm trước, thậm chí mấy chục năm trước mà cơ sở đã từng sản xuất Điều đó cũng giải thích được với một lịch sử hơn 50 năm sản xuất thép hợp kim như vậy, nhưng đến nay, chất lượng sản phẩm này nói chung vẫn chưa cao, không ổn định, chưa được khách hàng ưa chuộng

Trong những năm gần đây, nhiều cơ sở đã quan tâm đầu tư những trang thiết bị khá hiện đại để nâng cao chất lượng sản phẩm Nhưng cũng còn phải có thời gian để tích lũy kinh nghiệm và làm quen với thị trường

Hiện nay, phân xưởng thép ở các nhà máy cơ khí ở nước ta thường có các lò điện hồ quang cỡ từ 0,5 đến 3 tấn Nhiều nhà máy cũng sản xuất các loại thép đúc như thép hợp kim mangan cao làm răng gầu xúc, tấm lót lò xi măng, búa đá, thanh đập…

Với việc phát triển nhanh của công nghiệp xi măng, nhu cầu về tấm lót và các phụ kiện cho ngành xi măng rất lớn, một số lò thép ở các nhà máy cơ khí xây dựng đã

có nhiều cố gắng trong việc đúc tấm lót và các phụ kiện thỏa mãn được ở mức đáng kể nhu cầu của ngành này

Đánh giá chung cho thấy ở nước ta chưa có ngành sản xuất thép chất lượng cao

và thép hợp kim Chỉ mới có một vài nhà máy cơ khí trong và ngoài quân đội sản xuất một số mác thép hợp kim với sản lượng rất nhỏ, chủ yếu là dưới dạng đúc thép hoặc phôi rèn, nhu cầu không ổn định, số lượng thường rất nhỏ, tổ chức sản xuất số lượng không nhiều, chưa đảm bảo chất lượng, giá thành cao, kém sức cạnh tranh Nguyên nhân của việc này là:

- Do không chuyên nấu thép hợp kim nên hệ thống thiết bị nấu luyện chưa đồng

bộ, ở tất cả các cơ sở, ngoài lò điện hồ quang hoặc lò trung cao tần, không có các thiết

bị xử lí tinh luyện ngoài lò…

- Do không nấu thép hợp kim thường xuyên, mác thép hay thay đổi nên công nghệ nấu luyện chưa được thuần thục, cộng thêm chất lượng nguyên vật liệu hay biến động và nói chung không đảm bảo làm ảnh hưởng tới chất lượng thép

- Công nghệ giai đoạn sau chưa được chú ý đúng mức, hay có thể nói là chưa có điều kiện thực hiện Phải thấy là việc tổ chức sản xuất thép hợp kim ở nước ta không

dễ

Việc sản xuất một mác thép mới cần đầu tư đáng kể về vật chất và về công nghệ, trong khi nhu cầu thị trường rất cần nhiều mặt hàng mà mỗi mặt hàng số lại không nhiều, thời gian đòi hỏi thường lại rất gấp, khách hàng quen dùng thép hợp kim nhập ngoại (thép chế tạo nhập được miễn thuế , đồng thời khách hàng cũng chưa tin tưởng vào thép nội sản xuất gặp rất nhiều khó khăn Tình hình trên cản trở rất nhiều việc tổ chức sản xuất thép chất lượng và thép hợp kim ở nước ta Mặt khác, việc sản xuất thép hợp kim ở nước ta hầu như hoàn toàn mô phỏng các mác thép của nước ngoài, cốt sao nấu cho đúng thành phần mác thép đó để sử dụng, chưa cơ sở nào quan

tâm đến nghiên cứu và sản xuất các mác thép phù hợp với yêu cầu thực tế đề ra Vì vậy nghiên cứu, đề xuất các giải pháp công nghệ cho thép mangan cao là rất cần thiết

và đó cũng là lý do để đề tài này đƣợc thực hiện

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ THÉP HADFIED 2.1 Đặc điểm của thép Hadfied

Thép Hadfield là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc trong điều kiện va đập, dưới tác dụng của ứng suất pháp Dưới tác dụng của ứng suất tiếp như phun cát thép này lại bị mài mòn khá nhanh, như hầu hết các loại thép khác

Do hàm lượng các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là mangan cao, điểm chuyến biến mactenxit Ms hạ thấp nên sau khi đúc và nhiệt luyện, thép Thép Hadfield có tổ chức Austenite, chứa cacbon và mangan cao Dưới tải trọng va đập, Austenitee ở bề mặt, nơi chịu va đập sẽ bị biến cứng, có độ cứng cao, trong khi đó lõi vẫn giữ nguyên tổ chức Austenite dẻo dai Do cơ chế tự biến cứng khi chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại, cho đến khi bị mòn hết

Thành phần hóa học của thép Hadfield thông thường như sau:

Mn = 10 – 14%, C = 1,0 – 1,4%, tỷ lệ C : Mn = 1 : 10

Hình 2 1 Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe-13Mn-C

Và mác thép tương đương là Γ13 (theo tiêu chuẩn của Nga) có thành phần:

0,9-1,4 11,5-15,0 1,0  1,0 0,8-1,0  0,3 0,12  0,05

Giản đồ hình 2.1 cho thấy rằng với thành phần nguyên tố như thường sử dụng, sau khi nung đồng đều hóa thành phần trên 1000oC, các nguyên tố hợp kim hòa tan hoàn toàn vào austenit, khi làm nguội nhanh trong nước, thép có thành phần đồng nhất

là γ austenite Thép có thành phần khác nhau austenit sẽ chuyển thành mactensit ở các nhiệt độ khác nhau, nhưng nói chung đều có nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Ms ở nhiệt

độ âm Với thép chứa 13%Mn, 1,2%C, nhiệt độ chuyển biến là -196o, vì vậy sau khi đúc, nung tôi trên 1000o, và làm nguội trong nước, thép có tổ chức austenite Ở trạng thái đúc khi làm nguội chậm ví dụ nhiệt độ dỡ khuôn thấp và khi hóa già, thép có tổ chức austenite và cacbit

Đây là loại thép hợp kim đặc biệt, có một số tính chất sau:

 Có độ cứng, dẻo dai đặc biệt khi chịu tải trọng lớn, tính chất này càng cao khi tải trọng càng lớn

 Tính cơ học: độ bền b= 800 – 1000MPa, độ dãn dài s= 40 – 50%,

 Có tính đúc rất tốt, nhưng gia công cơ khí kém, thường chỉ dùng ở trạng

thái vật đúc Tính đúc của thép Mn cao

Độ ngót khi đông đặc Độ co tuyến tính tự do Nhiệt độ đường lỏng

C

Để đảm bảo các tính chất trên, sau khi đúc và nhiệt luyện, thép cần có tổ chức hoàn toàn austenit, tránh việc tiết ra cacbit loại Fe,Mn 3C ở biên giới hạt Tuy nhiên gần đây, để tăng tính chống mài mòn cho thép, có nhiều nghiên cứu đề xuất các biện

pháp hợp kim hóa và xử lý nhiệt để trong tổ chức là austenit có cacbit nhỏ mịn phân

Đối với các chi tiết

lớn, kích thước không đồng

đều, tính dẻo ở phần dày bị

giảm đi vì quá trình làm

nguội các phần dày chậm đi

so với phần mỏng hơn Quá

trình này là nguyên nhân

Hình 2.2 cho thấy nhiệt độ Acm cho thép 13% Mn chứa từ 0,6 đến 1,4% C

Các tính chất cơ học của thép austenit mangan khác hẳn so với cả hai thành phần cấu thành chúng là cacbon và mangan Khi hàm lượng cacbon tăng, khó mà giữ tất cả cacbon trong dung dịch rắn, vì vậy cacbon tăng, độ dẻo giảm Tuy nhiên, khi tăng cacbon, khả năng chống mài mòn có xu hướng tăng Vì vậy trong loại thép này,

Hình 2 2 Độ hoà tan C vào thép Mn (13%)

hàm lượng cacbon thường cao, khoảng 1,20% mặc dù tính dẻo có bị giảm t khu sử dụng hàm lượng cacbon trên 1,4% vì khi nhiệt luyện rất khó nhận được tổ chức hoàn toàn austenit, mà thường chứa cacbit ở biên hạt Điều đó có thể làm ảnh hưởng xấu đến

độ bền và độ dẻo Ngoài ra sự thiên tích có thể tạo ra những vùng khác biệt về thành phần cục bộ ±17% ±0,2% C so với gía trị cacbon trung bình được xác định bằng

cách phân tích hóa học

Nếu hàm lượng cacbon và mangan giảm ví dụ 0,53% C tương ứng với 8,3% Mn hoặc 0,62% C với 8,1% Mn, khả năng biến cứng cao vẫn có thể đạt được do sự hình thành Mactenxit lập phương tâm khối – bcc từ austenite dưới áp lực Tuy nhiên, điều này không góp phần nâng cao khả năng chịu mài mòn ít nhất là với mài, nghiền áp lực lớn như người ta vẫn tưởng

Hình 2 3 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng cabcon của thép austenit mangan chứa 12,2 đến 13,8% Mn Số liệu lấy từ mẫu đúc nặng 3,6 đến 4,5 kg và kích thước ngang khoảng 25 mm, nhúng vào nước từ 1040 đến 1095 0

C

Mangan đóng góp một phần không nhỏ vào việc ổn định austenit bằng cách làm chậm quá trình chuyển biến nhưng không loại bỏ nó Thép chứa 1,1% Mn, chuyển biến đẳng nhiệt tại 3700 C (7000F bắt đầu khoảng 15 giây sau khi thép được dập nguội, còn với thép 13% hàm lượng Mn, quá trình chuyển hoá không diễn ra cho đến tận giờ thứ 48

Hình 2.4 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng mangan đến độ bền và độ dẻo của thép Austenit đúc sau khi đã được tôi trong nước và xử lý đặc biệt Người đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng mangan lên đến khoảng 22% Hàm lượng mangan có ít ảnh hưởng lên giới hạn chảy dẻo Trong thử nghiệm, độ bền và độ dẻo tới

Hình 2 4 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng mangan củai thép austenit mangan 1,15% C khối lượng đúc từ 3,6 đến 4,5 kg, chiều dày khoảng 25 mm, nung tôi ở 1040 đến 1095 0 C,

làm nguội trong nước Thử va đập 20 lần tác động với lực 680J mỗi lần

hạn tăng khá nhanh khi hàm lượng mangan lên đến khoảng 12% và sau đó có xu hướng chững lại, dẫu vẫn còn một vài sự tăng cường không đáng kể cho đến khi hàm lượng đạt 13%

2.2.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim

2.2.2.1 Ảnh hưởng của Silic

Silic có mặt trong tất cả loại của mác thép A 128 tiêu chuẩn ASTM bảng 2.5 của thép austenit mangan Silic ít khi được đưa vào với hàm lượng lớn trừ khi dùng cho mục đích sản xuất thép đặc biệt Hàm lượng silic vượt quá 1% là không phổ biến Hàm lượng silic 1% và 2% có thể được sử dụng để gia tăng giới hạn chảy đến một mức độ vừa phải, tuy nhiên với mục đích như vậy thì các nguyên tố khác lại được sử dụng nhiều hơn Độ bền giảm xuống đột ngột khi hàm lượng Si trên 2,2% nên thép mangan chứa nhiều hơn lượng Si này trở nên vô giá trị Mặt khác, mức silic dưới 0,1% lại làm cho tính lỏng giảm đi trong quá trình đúc

2.2.2.2 Ảnh hưởng của Photpho

Ảnh hưởng của P đến cơ tinh thể hiện ở sự tăng mạnh nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái dẻo sang giòn Ngoài ra P còn làm tăng giới hạn chảy, làm giảm độ co thắt tương đối, giảm lan truyền vết nứt Do đó việc khống chế hàm lượng P theo yêu cầu qui định trong mác thép khá chặt chẽ

2.2.2.3 Ảnh hưởng của Crôm

Với lượng cacbon thông thường khoảng 1,15% thì C làm tăng ứng suất chảy dẻo

Hình 2.5 và tiến trình cản chịu ảnh hưởng

Crôm bổ sung vào thép làm cơ tính

cải thiện đáng kể, và loại thép mangan cao

crôm ví dụ: mác thép A 128 - ASTM, loại

C có lẽ là phổ biến nhất ASTM A 128, loại

B, cũng thường có một ít crôm Bổ sung đến

2% crôm như ở mác C không làm giảm bớt

độ dẻo dai Tuy nhiên, nếu lớn hơn, ảnh

hưởng của nó tương tự như việc tăng hàm

lượng cacbon, nghĩa là làm giảm tính dẻo do

sự gia tăng khối lượng cacbit trong tổ chức

tế vi Trong một số ứng dụng, khi kết hợp

với đồng, có thể sử dụng đến 6% hàm lượng crôm, nhưng các loại ứng dụng này hiện nay không còn được chú ý đến nữa Crôm tăng cường khả năng chống chịu phá huỷ và

Hình 2 6 Ảnh hưởng của (a) crôm,(b) molypden, và (c) hàm lượng niken đến các thuộc tính căng dãn của thép mangan đúc Thép đã được đúc mẫu thử nghiệm 25 mm, nung

nóng đến 1095 0 C (2000 0 F), và tôi nước .

Hình 2 5 Tổ chức tế vi của thép Mn

khi bổ xung Crôm

ăn mòn khí quyển, mặc dù tác dụng này không phải lúc nào cũng như nhau, phụ thuộc vào từng ứng dụng riêng biệt Nó cũng được sử dụng lên đến 18% trong điện cực cacbon thấp cho thép hàn mangan Do tác dụng làm ổn định của crôm đối với cacbit sắt nên nhiệt độ tôi thép chứa crôm cần phải cao hơn nhiệt độ tôi thép mangan thông

thường trước khi làm nguội trong nước

2.2.2.4 Ảnh hưởng của Molyden

Lượng molypden bổ sung thường từ 0,5 đến 2%, được sử dụng để cải thiện

độ dẻo dai và khả năng chống nứt của vật đúc trong khi đúc và trong quá trình xử lý, đặc biệt là khi làm nguội Đồng thời molypden có tác dụng nâng cao độ bền của chi tiết lớn Trong thép mangan molypden hòa tan một phần trong dung dịch austenite, một phần tạo nên cacbit sơ cấp hình thành trong quá trình kết tinh của thép Molypden trong dung dịch ngăn chặn quá trình tiết pha cacbit hoá giòn, tạo nên peclit, ngay cả khi Austenit làm việc nhiệt độ trên 2750C , khi chi tiết đang trong quá trình hàn hoặc lúc sử dụng Cacbit molypden sơ cấp tạo nên những lớp vỏ bọc kế tiếp nhau xung quanh các nhánh cây austenit, chuyển chúng sang dạng hạt có lợi hơn, đặc biệt là khi hàm lượng molypden vượt quá 1,5%

Với thành phần 1% molypden ASTM A 128, mã E-1, và AWS A5.13, mã EFeMn-B có khả năng chịu được sự nung nóng trong quá trình làm việc, điều mà các

mã tiêu chuẩn B-2, B-3 và B-4 Mã E-1 bị hạn chế Các loại thép có molipden thích hợp với việc đúc các chi tiết cỡ lớn được sử dụng trong máy nghiền, các chi tiết trong

quá trình hàn vá và hàn phủ thường xuyên bị nung nóng

Mã E-2, trong đó có khoảng 2% Mo, có thể được xử lý nhiệt đặc biệt để tạo thành tổ chức cacbit mịn phân tán trong Austenit Quá trình xử lý nhiệt này đòi hỏi sự làm mịn hạt từng phần Bằng sáng chế Mỹ 1.975.746 bằng cách peclit hóa khoảng

5950C (11050F trong 12 giờ và nhúng vào nước từ 9800

C (18000F Loại tổ chức này

có khả năng tăng độ chịu mài mòn trong các ứng dụng máy nghiền Độ bền kéo của

các phần máy nghiền hình nón mòn dao động từ 440 đến 485 MPa 64 đến 70 ksi độ bền nén, MPa 695 - 850 100 đến 125 ksi độ bền kéo, và 15 đến 25% độ dãn dài

Việc thêm vào hơn 1% hàm lượng molypden có thể làm cho thép mangan có thể nóng chảy cục bộ trong quá trình xử lý nhiệt Sự nóng chảy trước tiên xảy ra do có

sự hiện diện của các hợp chất có điểm nóng chảy thấp ở vùng giữa các nhánh cây và dọc theo các biên hạt Hiện tượng này có xu hướng tồi tệ hơn khi mà lượng P cao hơn > 0,05% , ở nhiệt độ cao hơn và mức độ cacbon cao hơn > 1,3% trong thép

Ngoài ra molypden được thêm vào thép mangan mã F để tránh hiện tượng hoá giòn trong cả lúc đúc và trong điều kiện xử lý nhiệt

2.2.2.6 Ảnh hưởng của Vanadi

Là nguyên tố tạo cacbit mạnh Vanadi làm cho thép Mn tăng giới hạn chảy bao nhiêu thì nó lại làm giảm độ dẻo bấy nhiêu Vanadi được sử dụng trong thép mangan biến cứng phân tán trong phạm vi hàm lượng từ 0,5 đến 2% Vì sự ổn định của cacbit vanadi, nhiệt độ tôi cần cao hơn, khoảng từ 1120 đến 11750 C và trước đó nên già hoá

ở nhiệt độ từ 500 đến 6500C Trong một số ứng dụng nhất định yêu cầu độ bền nén hơn

700 MPa 100 ksi được cân đối với độ dẻo cho phép Các thí nghiệm trên một hợp kim austenit mangan - niken – molypden - vanadi cho thấy khả năng chịu mài mòn của loại thép này không tốt như của các mã tiêu chuẩn

Hình 2 8 a) Ảnh hiển vi quang học của thép Hadfield trong điều kiện như đúc,(b) ảnh chụp hiển vi quang học của thép Hadfield trong điều kiện xử lý nhiệt, (c) SEM hiển vi của không liên tục (Fe, Mn) 3C tại ranh giới của HV-AMS-2alloyin điều kiện như đúc và (d) SEM hiển vi của (Fe, Mn) 3C trong HV-AMS-3 hợp kim.

Hình 2 8 Hình ảnh nhiễu xạ tia X của HV-AMS-3 hợp kim trước khi

thử nghiệm mài mòn

2.2.2.7 Ảnh hưởng của Đồng

Giống như niken, lượng đồng 1 đến 5% đã được sử dụng trong thép Austenit mangan để ổn định austenite Các ảnh hưởng của đồng đến cơ tính của thép mangan cao đã không được xác định rõ ràng Một số quan điểm cho rằng đồng có thể có hiệu ứng giòn hoá thép do độ tan hạn chế của nó trong austenite

2.2.2.8 Ảnh hưởng của Bitmut

Các nguyên tố khác như bitmut và titan cũng được thêm vào để làm ổn định thép mangan Bitmut đã được phát hiện là có thể cải thiện tính gia công, đặc biệt là khi kết hợp với mức độ mangan cao > 13%

2.2.2.9 Ảnh hưởng của Titan

Titan có khả năng làm giảm cacbon trong Austenit bằng cách hình thành các cacbit rất ổn định Titan cũng có thể phần nào vô hiệu hóa ảnh hưởng của phốt pho, một số ứng dụng ở châu u dựa trên ý tưởng này Việc bổ sung <0,1% lượng vi hợp kim: titan, vanadi, bo, zirconi, và nitơ có tác dụng cải thiện độ hạt trong thép Mn, tuy nhiên đôi khi lại không phù hợp vì những nguyên tố này có thể làm giảm mạnh độ dẻo Nhiều hơn 0,2% nitơ dẫn đến trạng thái rỗ và thấm khí khi đúc Nhìn chung chúng làm giảm kích thước hạt, làm giảm khả năng nứt và co ngót của thép

2.2.2.10 Ảnh hưởng của Lưu huỳnh

Hàm lượng lưu huỳnh trong thép Mn ít ảnh hưởng đến tính chất của nó, bởi vì trong quá trình tinh luyện của mangan luôn loại bỏ lưu huỳnh bằng cách giữ nó ở trạng thái tạp chất sunfua tròn, vô hại Tuy rừng ở thép đúc, những tạp chất như vậy là vô hại, tuy nhiên, tốt nhất vẫn là giữ cho hàm lượng lưu huỳnh ở mức thấp thiết, thực nhất

có thể để giảm thiểu số lượng tạp chất trong tổ chức tế vi, giảm nguy cơ tiềm ấn sự hình thành các vết rạn, nứt trong quá trình sử dụng

2.3 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến thép Hadfield

Nhiệt luyện là công nghệ quan trọng và không thể thiếu đối với chế tạo cơ khí, nó quyết định tính chất cơ lý tính của thép Khả năng làm việc của vật liệu

chịu va đập, mài mòn, uốn, xoắn… phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện Tuỳ theo tính năng sử dụng của mỗi chi tiết, mà lựa chọn vật liệu và chế dộ nhiệt luyện tương ứng để cơ tính đạt được tối ưu, có thời gian sử dụng cao nhất Tương tự, đối với thép mangan cao, khâu nhiệt luyện quyết định khả năng sử dụng của chúng

Lựa chọn các thôncg số nhiệt luyện

Do phải chịu xung lực hoặc chịu nén khi làm việc, yêu cầu trước tiên của các chi tiết sử dụng thép mangan cao là có khả năng chịu va đập cao Điều đó chỉ có thể đạt được khi tổ chức thép là hoàn toàn austenite

Trong quá trình đúc thép Mn trong khuôn, có nhiều trường hợp vật đúc nguội rất chậm Điều này có thể làm austenite phân huỷ ra cacbit, nhất là khi thép được hợp kim hóa bởi các nguyên tố tạo cacbit mạnh Thường cácbit được tiết ra

ở biên giới hạt, làm cho chi tiết giòn, dễ nứt vỡ, rút ngắn tuổi thọ làm việc Sự phân huỷ của austenite phụ thuộc vào thành phần thép và tốc độ làm nguội của khuôn đúc Vì vậy sau khi đúc, tổ chức của thép có thể là austenite và cacbit

Quy trình nhiệt luyện truyền thống đối với thép mangan cao là nung đồng đều hóa ở nhiệt độ 1010-1090oC, sau đó nguội nhanh trong nước Mục đích của quá trình nung tôi từ 1010-1090oC là để hòa tan cacbit,vào austenite , sau khi nguội nhanh trong nước, nhận được tổ chức 100% austenite ổn định ở nhiệt độ phòng với lượng các bon và các nguyên tố hợp kim hoà tan trong nó Sau khi tôi,

độ cứng của thép đạt được trên 220HB tùy từng loại Tổ chức austenite có khả năng chịu va đập tốt và được hóa bền trong quá trình làm việc để tăng độ mài mòn

Như vậy, quy trình nhiệt luyện có nhiệm vụ đưa tổ chức ban đầu về trạng thái Austenite hoàn toàn, không có cacbit tiết ra ở biên giới và tạo ra cấu trúc có

cỡ hạt nhỏ nhất Thép hợp kim Mn cao, tốc độ nâng nhiệt cần chậm vì độ truyền nhiệt của Mn kém, dễ gây nứt do ứng suất nung

Để đạt được độ bền kéo và độ dẻo mong muốn theo tiêu chuẩn, đòi hỏi phải nhúng thép thật nhanh vào nước ngay sau quá trình austenit hoá Thông thường, một cấu trúc đạt yêu cầu là austenite hòa tan hết cacbon và mangan, về cơ bản không có cacbit Tuy nhiên không phải lúc nào cũng đạt được tổ chức đó, nhất là trong các chi tiết cỡ lớn hoặc trong thép có chứa nguyên tố dạng cacbit như crom , molypden, vanadium, và titan Nếu sau khi tôi còn dư cacbit tồn tại trong tổ chức ở dạng hạt nhỏ mịn, có vai trò như các hạt trung tính hoặc các hạt nhỏ phân bố trong hạt austenite thì chúng không có tác dụng xấu, mà ngược lại, sẽ tăng khả năng chống mài mòn cho thép Còn khi cacbit kết thành mảng, phân bố ở biên giới hạt thì tác hại của nó rất lớn, sẽ gây giòn, phá hủy chi tiết Hình 2.9 cho thấy tổ chức tế vi của một vật đúc bằng của thép austenit mangan có chiều ngang 76 mm sau khi đúc, austenite hóa và tôi trong nước…

Hình 2 9 cấu trúc đặc trưng của thép mangan mác A 128 (tiêu chuẩn ASTM), mã

B-3 (a) Vị trí trên cùng là vật liệu đúc dày 76mm với lượng cacbit lớn dọc theo biên hạt (b)Vị trên bên dưới: 76 mm) vật liệu nung nóng đến 1120 0 C (2050 0 F) 76 mm và

được tôi nước

Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ từ 1010 đến 10900C tùy thuộc kích thước chi tiết: giữ 1 đến 2 giờ cho mỗi 25 mm độ dày Sau đó nhúng vào nước được khuấy đều

Kích thước hạt austenit là yếu tố hết sức quan trọng, nó ảnh hưởng tới cả khả năng chống va đập và mài mòn Kích thước hạt càng nhỏ, cơ tính càng cao Tuy chịu ảnh hưởng chính từ nhiệt độ rót và quá trình làm nguội khi kết tinh, kích thước của các hạt austenit vẫn có chiều hướng phát triển trong quá trình giữ nhiệt, đặc biệt là trong thép mangan rèn

Sau khi nhiệt luyện thép mangan cần phải kiểm tra độ dai va đập mẫu thử là thanh hình chữ V Thường thì thép có giá trị độ dai va đập rất cao Mẫu thử Charpy chỉ bị uốn cong khi bị kéo qua máy gia công, chứ không bị gãy Cần chú ý là đôi khi các số liệu không hoàn toàn chính xác do sự chuẩn bị mẫu vật không thật chính xác Vết khía hình V nên được cắt bỏ bằng cách mài để giảm thiểu việc hoá cứng ở đỉnh

Thép Austenite mangan giữ được độ dẻo ở nhiệt độ dưới 0 và trên nhiệt độ Ms Thép dường như miễn dịch với hydro hoá giòn Độ cứng giảm dần khi nhiệt độ giảm Rất khó xác định nhiệt độ chuyển tiếp vì không có điểm nhọn trên đường đồ thị độ bền

va đập - nhiệt độ trên hình vẽ khi nhiệt độ là – 850

C (-1200F Thép chứa niken và mangan thường sự tăng bền, nếu lượng cacbon và crom cao hơn thì không làm tăng độ dai va đập Ngoài các cơ tính nói trên nhiều thép mangan đồng thời yêu cầu có khả năng chống mài mòn cao, nhất là khi chế tạo các chi tiết tiếp xúc với vật đập, bi nghiền, đất đá Trong trường hợp đó chi tiết bị chà xát rất mạnh

2.4 Ảnh hưởng của kích thước vật đúc

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cơ tính chi tiết là tốc độ nguội trong nước khi tôi, đối với các chi tiết có chiều dày lớn hoặc có kích thước thay đổi, rất khó để đảm bảo tốc độ truyền nhiệt một cách đồng đều từ bề mặt nóng sang

nước đã được khuấy hoặc vượt quá tốc độ dẫn nhiệt cố định của kim loại

Kết quả là, phần thép

thành dày có cơ tính ở trung

tâm thấp hơn hơn so vật đúc

mỏng Hình 2.10 cho thấy tốc

độ làm nguội dự kiến khi 4

tấm kim loại với bốn độ dày

khác nhau được nhúng vào

nước Bảng 2.1 liệt kê thuộc

tính chung của mẫu thép

1.11C-12.7Mn-0.5Si-0.043P

được làm nguội trong nước từ

nhiệt độ khoảng 9800 C

Khi kích thước chi tiết

tăng lên, độ bền kéo và độ dẻo giảm mạnh Nguyên nhân đầu tiên là chi tiết cỡ lớn không thể kết tinh đủ nhanh trong khuôn để ngăn chặn kích thước hạt thô Không thể làm thay đổi được kích thước hạt thô nhận được khi đúc bằng cách nhiệt luyện tiếp theo ngoại trừ trường hợp chi tiết được xử lý đặc biệt Các số liệu trích dẫn trong bảng 2.1, cho thấy mẫu hạt nhỏ có độ bền kéo và độ dãn dài lớn hơn 30% so với những mẫu hạt thô Vì vậy nhiều nước, đã có quy định cụ thể về độ hạt của vật đúc Ngoài các yêu cầu về cơ tính, vật đúc phải đáp ứng quy định theo tiêu chuẩn về độ hạt ví dụ Mỹ có

quy định độ hạt theco tiêu chuẩn ASTM – E8)

Để đạt được các yêu cầu về cơ tính, độ dày tối đa thông thường của mẫu đúc ở khoảng 127 đến 152 mm 5 đến 6 inch , mặc dù nhiều chi tiêt cần có độ dày lên đến

406 mm 16 in cũng đã từng được đúc

Hình 2 10 Đường nguội cho thép austenit mangan

với các độ dày khác nhau

Bảng 2.1 Tính chất cơ học của vật đúc 1,11%C-12.7%Mn-0.5%Si-0.043%P làm nguội

Tùy theo kích thước hạt, độ bền kéo của thép B-2 có giá trị phân tán từ 620 đến

1035 MPa và độ dãn dài từ 13 đến 67%

Tính chất cơ học trong một chi tiết cũng khác nhau theo kích thước từng phần

Độ bền kéo, độ dãn dài giảm thấp hơn đáng kể khi so sánh các mảng có chiều dày 102

mm và các mảng có chiều dày 25 mm 1 inch Vì độ dày của sản phẩm đúc thường

từ 102 đến 152 mm 4 đến 6 inch nên yếu tố này cần được cân nhắc cẩn thận với việc phân loại các mác thép cho chính xác

2.5 Quy trình nhiệt luyện truyền thống

Quy trình nhiệt luyện truyền thống được xây dựng dựa trên yêu cầu cơ tính của các chi tiết và chủ yếu cho thép mangan chỉ có, mangan và cacbon, không có hoặc ít các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là nguyên tố tạo cacbít mạnh

Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim và quy trình nhiệt luyện dự kiến:

Các chi tiết như búa đập quặng, tấm lót máy nghiền, xích xe tăng… khi làm việc vừa chịu va đập vừa chịu mài mòn cao Yêu cầu làm việc của thép mangan cao là phải có độ dai va đập cao để không bị vở dưới tải trọng nặng

Thép có tổ chức austenite sau khi tôi sẽ được tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc Cho đến nhiều năm gần đây người ta vẫn quan niệm rằng thép được tăng bền

là do austenite là pha dẻo dưới áp lực cao đã chuyển biến thành mactensite là pha cứng

và cứ mỗi lần phần cứng bị mài mòn đi thì phần dưới đó lại tiếp xuc với vật nghiền hoặc đất đá và lại được biến cứng Trên quan điểm đó lượng mangan được hạn chế trong khoảng 11-14% vì nếu lượng mangan cao hơn, austenite trở nên ổn định và quá trình hóa cứng do va đập sẽ kém hiệu quả Mặt khác trên quan điểm đó các nguyên tố tạo cacbit cũng không được hợp kim hóa vì lo ngại rằng cácbit tạo nên phân bố trên biên giới hạt sẽ làm giòn hợp kim

Tuy nhiên nhiều nghiên cứu gần đây phát hiện ra rằng dấu hiệu của chuyển biến mactensite rất hiếm và mạng của austenite cũng không thay đổi trong quá trình làm

việc Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng austenit được hóa bền chủ yếu là do xô lệch hoặc song tinh Trên cơ sở đó, lượng mangan được đưa vào thép không giới hạn, có thể lên tới hơn 20% Cùng với sự thay đổi hàm lượng mangan, sự hợp kim hóa cũng thay đổi,

bổ sung thêm nhiều nguyên tố tạo cacbit

Như phần đầu đã phân tích khi cacbit được tạo ra nếu phân bố dọc theo biên giới hạt sẽ gây giòn, giảm cơ tính của thép Nhưng nếu cacbit tồn tại dưới dạng hạt nhỏ mịn và phân bố đều trong hạt austenite thì sẽ làm tăng mạnh tính chống mài mòn

Để có được sự phân bố cacbit hợp lý cần kết hợp quá trình đúc và nhiệt luyện nhưng quá trình nhiệt luyện có ý nghĩa quyết định

Khi nghiên cứu thép mangan cao, tác gỉả bằng sáng chế Bằng sáng chế Mỹ 1.975.746 đã đưa ra chế độ nhiệt luyện cho thép mangan mã E-2 xem bảng 2.5 , quy trình nhiệt luyện bao gồm nung nóng vật đúc đến khoảng 5950 C, giữ nhiệt 8 đến 12 h

ở nhiệt độ này Mẫu đúc tiếp tục được nung nóng đến khoảng 9800

C (18000F để tái tạo tổ chức austenit Bước này chuyển đổi vùng peclit thành austenite có chứa các hạt cacbit nhỏ phân tán Những hạt cacbit đã không hòa tan vào austenite khi nhiệt độ austenit hoá không vượt quá 10100

C (18500F Sau khi tôi trong nước nhận được tổ chức austenit với các hạt cứng phân tán, cho độ bền nén cao hơn, độ cứng cao hơn, và tính dẻo kém hơn so với kết quả thu được từ cùng một mẫu thép nhưng được xử lý đặc biệt với nhiệt độ austenit hoá cao hơn Nhiệt luyện tiết pha phân tá biến cứng cho phép dụng sử dụng hàm lượng cacbon cao, do đó có thể nâng cao khả năng chống mài mòn

Từ năm 2008 đến nay, các nhà nghiên cứu Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc đã

có nhiều bài viết về thép mangan, đặc biệt là về cơ chế hóa bền thép trong quá trình làm việc và việc hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cabit và cũng đã đưa ra các quy trình nhiệt luyện khác nhau

Trong công trình này chúng tôi nghiên cứu đồng thời tăng độ dai va đập và tính chống mài mòn cho thép bằng cách kết hợp kim hóa, quá trình đúc và nhiệt luyện

Hàm lượng mangan trong thép cũng thay đổi, các nguyên tố hợp kim là các nguyên tố tạo cacbit Chế độ nhiệt luyện bao gồm: nung vật đúc lên 600oC, giữ nhiệt trong các thời gian khác nhau, sau đó nâng nhiệt độ lên nhiệt độ austenit hóa Cuối cùng làm nguội vật đúc trong nước Có thể giải thích quy trình đó như sau:

Sau khi đúc, nếu vật đúc được nguội nhanh, tổ chức tế vi sẽ hoàn toàn là austenite Trong trường hợp vật đúc nguội không đủ nhanh nguội trong khuôn với các chế độ dỡ khuôn khác nhau trong tổ chức tế vi ngoài austenite còn có cacbit Do nguội chậm, cacbit sẽ phân bố ở biên giới hạt

Quá trình nung vật đúc đến 600oC thực chất là quá trình hóa gìa tiết pha, trong đó austenite phân hủy, tiết ra cacbit đều khắp trong hạt Khi nung đến nhiệt

độ tôi, phần cacbit ở biên giới tạo ra khi làm nguội trong khuôn đúc sẽ hòa tan trước vì năng lượng hoạt hóa ở biên giới lớn hơn, còn lại cacbit trong hạt austenite làm tăng tính chống mài mòn cho thép

2.6 Cơ chế hoá bền thép

Từ trước đến nay người ta quan niệm quá trình hoá bền của thép hadfied là do quá trình austenite chuyến hoá thành mactenxit trong quá trình biến dạng Qua quá trình nghiên cứu người ta đã chứng minh được rằng, cơ chế hoá bền của thép hadfield không phải chỉ do quá trình chuyến hoá austenit thành mactenxit nữa mà là do:

- Sự hình thành song tinh

- Sự có mặt của các peclit và các bít ở biên giới hạt

Các loại thép mangan cao mới hiện nay ngoài việc sử dụng nhiều hàm lượng

Mn khác nhau còn thêm vào một lượng Cr, Mo, B, đất hiếm, v.v… so với thép Mn13 ban đầu Độ bền, tính dẻo, độ dai va đập, khả năng chống mài mòn của các loại thép

mangan cao hơn so với thép truyền thống Giá thành của loại thép mới bằng với loại thép đúc truyền thống, trong khi hiệu quả lại gấp đôi

Từ năm 1990, nhiều nhà khoa học đã chỉ ra rằng không có cơ chế chuyển đổi Mactenxit mà là hình thành các cặp song sinh, xếp chồng Bằng cách sử dụng thiết bị hiện đại nhƣ kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử quét Vì vậy, đã chứng minh đƣợc độ cứng phụ thuộc vào cơ chế hình thành các cặp song sinh, xếp chồng Có nhiều nghiên cứu để chứng minh vấn đề nhƣ của "Mactenxit và biến dạng thành song tinh trong thép Austenit" đƣợc thực hiện bởi V Tsakiris, DV Edmonds b,

và những thành viên khác * W-S Lee và T-H Chen từ Bộ môn Cơ khí, Đại học Quốc gia Cheng Kung, Đài Nam, Đài Loan vào năm 2011 Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã chứng minh đƣợc rằng có sự hình thành song tinh trên nền austenite Cụ thể hình 2.12 Chúng ta có thể dễ dàng nhìn thấy các song tinh song song với nhau Điều này chứng tổ có sự hình thành các cấu trúc khác mà không có cấu trúc Martensitic

Hình 2 12 Ảnh trường sang cấu trúc song tinh (W-S Lee and T-H Chen’s group from Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung University, Tainan,

Taiwan in 2011)

Ngoài cơ chế hoá bền hình thành song tinh thì theo một số nghiên cứu trên thế giới đã tìm ra được, động thái tăng sức bền cơ học của thép Hadfield và ảnh hưởng của việc bổ sung các nghiên tố hợp kim Theo báo cáo của Sun Wei, Zhang Jia, Tian Xingna, Wang Junqing (Research Institute of Materials, Sany Heavy Equipment Co., Ltd., Shenyang 110027, China về “Research and development on new type of cast high manganese steel” trên cơ sở thép Mn truyền thống họ tiến hành thay đổi hàm lượng Mn và thêm vào một lượng Cr, Mo, B, đất hiếm, v.v… so với thép Mn13 ban đầu Kết quả cho độ bền kéo, tính dẻo, độ dai va đập, khả năng chống mài mòn cao hơn

so với thép đúc sử dụng chế tạo máy móc của mỏ than đá hiện nay Điều này là do có nhiều pearlite và cacbít xuất hiện ở biên hạt hình 2.13 và 2.14 Sau khi tôi trong nước, pearlite hòa tan vào nền austenite, và phần lớn cacbít biến mất, hoặc chỉ 1 ít cacbít thẳng nằm ở biên hạt Kiểu cấu trúc này có lợi cho tính chất cơ học Ta cũng có thể thấy rất nhiều tinh thể song tinh trong cấu trúc, và sẽ làm tăng độ bền của vật liệu kim loại

Hình 2 13 Cấu trúc của thép sau đúc (1,28%C-12,64%Mn-0,53%Si-2,74%Cr)

Không chỉ nguyên tố Crôm làm tăng cơ tính của thép Mn mà vanadium cũng ảnh hưởng rõ rẹt đến tổ chức của thép Mn Ở nhiệt độ phòng, biến dạng song tinh đóng vai trò quan trọng Mức độ tăng sức bền được đánh giá là nhạy cảm với sự có mặt

của vanadium trên 1wt% (theo S.B.Sant, R.W.SMITH Khoa Kỹ thuật Luyện Kim,

Đại học Queen, Kingston, Ontario, Canada)

Người ta tiến hành thí nghiệm với 6 mẫu giống nhau về kích thước nhưng thành phần khác nhau, trong đó nhấn mạnh hàm lượng vanadi:

Bảng 2.2 Thành phần nguyên tố của mẫu thí nghiệm

Hình 2 14 Cấu trúc của thép sau đúc sau khi nhiệt luyện

(930 và nguội trong nước)