Nghiên cứu chế tạo thép các bon siêu thấp sử dụng trong công nghiệp ô tô (tt)

MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trong công nghiệp, thép bon thấp (low carbon – LC) h ấ hấ – ELC) sử dụng rộng rãi có nhữ g ưu điểm khả ă g tạo hình tốt, dễ gia cơng chế tạo, tính hàn tố , độ bền hợp lý giá thành thấ hơ s ới loại vật liệu khác Do nhu cầu thép có tính dập sâu tốt cơng nghiệp tơ nên thép bon siêu thấ u – ULC đượ sử ụ g h hế h ại h i h ă g ậ s u ấ ố g hi h h g giả hiều h tiến ngành sản xuất thép; mặt khác, thép ULC cịn có tính hàn tốt nên phù hợp chế tạo loại sản phẩm yêu cầu ghép nối công nghệ hàn hồ quang tự động công nghiệ Th ELC sản xuất rộng rãi giới từ nhữ g ă 1970; b đầu, h ượ g C g h ELC ươ g đối – đạt khoả g 200 ươ g đươ g 0,02 % ; s u , xuất công nghệ tinh luyện chân không nên xuất thép ULC với h ượ g C hư ng thấp hơ 50 ươ g đươ g 0,005 % Ng i , h ULC hứa ượng nhỏ nguyên tố h hư Mangan (Mn) Silic (Si), nguyên tố hợ i i ượ g hư Titan (Ti) Ni i N để ă g độ bền cải thiện tính dập sâu Loại h sử dụng phổ biến chế tạo chi tiết dập nguội cầ độ biến dạng lớn, yêu cầu ghép nối công nghệ hàn phải qu g đ sơ hủ bề mặt Nh tinh luyện chân khơng khử bỏ khí hòa tan i uố g h ượng thấp nên thép ULC có tính dẻo cao, tính dập sâu tốt, phù hợp cho chế tạo sản phẩm phải qua g đ ạn gia cơng tạ hì h để ứng dụng công nghiệp ô tô, thực phẩm, dầu khí, giao thơng vận tải,… D h ượng C siêu thấ h độ dẻo cao tiến hành gia công biến dạng nguội; nh đ iết kiệ đượ ă g ượ g, ă g hấ ượng bề mặt ă g độ bền cho sản phẩm sử dụng mộ ượng nhỏ nguyên tố hợp kim Ở Việt Nam, nhu cầu loại thép bon thấp (C < 0,02 %) bon siêu thấp (C < 0,005 %) dạng cán nóng hay cán nguội g g ă g ề số ượng chủng loại Tuy nhiên, ngành thép Việt Nam hiệ hư sử dụng công nghệ tinh luyện chân khơng khơng có thiết b đú h i ẹt (hoặc phôi tấm) nên vẫ hư sản xuấ loại thép cuộ để cung cấp cho nhu cầu g ướ T g ng hợp nhập để cung cấp cho gia cơng chế tạo sản phẩm, cần có chế độ gia cơng tạo hình kết hợp với chế độ xử lý nhiệt phù hợp g đượ h, giảm tỷ lệ sản phẩm hỏng; nh khai thác hiệu tính ă g loại h ULC đảm bảo hiệu kinh tế trình chế tạo sản phẩm trình sử dụng Vì vậ , đề tài “Nghiên ch o h p c c on iê hấp sử dụng công nghiệp ô ô” mộ hướ g ới, gh h h hự iễ Mụ đ h ội u g ghi ứu h ấp thiế đối ới iệc sản xuấ thép ULC g ước, sử dụng hiệu loại thép công nghiệp chế tạo góp phần vào h iể ủ g h h Việ N i i g g h g ghiệ i hu g g hữ g ă ới Mục tiêu luận án - Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo thép ULC sử dụng công nghiệ h ượng C  0,005 %; - Nghiên cứu tinh luyện thép ULC chân không phân bố tạp chất phi kim thép ULC; - Nghiên cứu ả h hưởng củ điều kiện gia công biến dạng ủ đến tổ chức tế vi, thành phầ h đ h hướng tinh thể thép ULC để đạ h: giới hạn bền Rm = 260÷350 MPa, giới hạn chảy Rp = 110÷230 MP độ giãn dài A = 30÷50 % Phƣơng pháp nghiên cứu luận án - Nghi ứu ổ g qu i iệu ề h ULC (công nghệ sản xuất, h, ổ chức tế vi, ứng dụ g, u hướng nghiên cứu); - Nghiên cứu thự ghiệ gồm: + Chế tạo mẫu h ULC qu g đ ạn: nấu luyệ g ò điện hồ qu g h h g g ò điện cảm ứng kết hợp với tinh luyện chân không, gia công biến dạng bằ g hươ g h nguội, ủ g ò điện trở; Ph h h h hần hóa h c máy quang phổ phát xạ; Kiể h ằng máy thử độ bền kéo; + Quan sát tổ chức tế vi tạp chất phi kim kính hiển vi quang h c, hiể i điện tử quét kết hợp phổ h ă g ượng tia X (SEM-EDX), hiể i điện tử quét kết hợp vi phân tích (SEMEPMA); X đ nh cấu trúc tinh thể đ h hướng kết tinh nhiễu xạ g XRD , hiển vi nhiễu xạ điện tử tán xạ gược (SEMEBSD) Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 1) Ý nghĩ kho học - Với quy trình cơng nghệ nấu luyện chân khơng, cán nguội ủ g ò điện trở, hế tạ h h g h ULC h ượng C nhỏ hơ 0,005% ổ chức tế vi thuầ f i ; h s u hi ủ 800 oC giới hạn chảy (Rp = 140÷180 MPa), giới hạn bền (Rm = 295÷380 MP độ giãn dài (A = 40÷50 %) - Đã hứng minh thực nghiệm hế khử sâu C trình tinh luyện thép lỏng chân không nh chuyển d ch cân phản ứng [C] [O]={CO} Đã õ ả h hưởng lực khuấy trộn điện từ đế độ tạp chất phi kim q trình tinh luyện thép lỏng lị cao tần chân không - Đã hẳ g đ nh vai trị làm nhỏ hạt ferit q trình ủ thép ULC hợp kim hóa Ti Nb Tỷ phần kết tinh lại thép ULC ủ 600oC ũ g tính tốn dựa mơ hình JMAK 2) Ý nghĩ hực tiễn Đã đư ả h hưởng củ điều kiện nhiệ độ ủ đế h ổ chức tế vi thép ULC, góp phần sử dụng hiệu h ULC g điều kiện thực tế doanh nghiệ h hế tạ g ước sử dụng thép ULC Gợi mở hướng ứng dụng tinh luyện thép chân không để khử sâu C sản xuất loại thép chấ ượng cao ngành thép Việt Nam Tính luận án - Lầ Việ N , ấu luyện thành cơng thép ULC có h ượng C nhỏ hơ 0,005 % ươ g đươ g 50 g hiết b nấu chả h h g; đ nh tổ chức tế i h thép ULC sau trình cán nguội ủ - Đã ghi ứu khử sâu C thép lỏng tiến hành tinh luyện chân không Th ULC cán nguội ủ chế độ phù hợ để đạt đượ h đ ứng cho ứng dụng thực tế - Đã sử dụ g hươ g h hiễu xạ điện tử tán xạ gượ EBSD để đ nh cấu trúc tinh thể hình thái pha ferit thép ULC Bố cục luận án - Mở đầu - Chươ g Tổng quan thép ULC - Chươ g Phươ g h ghi ứu thực nghiệm - Chươ g Kết thảo luận - Kết luận kiến ngh - Danh mụ g ì h g ố luận án - Tài liệu tham khảo CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THÉP ULC 1.1 Thành phần hóa học, tính tổ chức tế vi Theo th i gi , h ượng C thép ULC ngày giảm nhà sản xuất khống chế h ượng C nhỏ hơ 0,006 % Để ă g độ bền thép ULC, mộ ượng nhỏ nguyên tố hợp kim (Mn, Si, ), nguyên tố hợ i i ượ g N , Ti, cho vào thép ULC Theo giả đồ Fe-C, tổ chức tế vi thép ULC thuầ f i Để hạn chế lớn lên hạt trình ủ, số nguyên tố hợp kim hư Ti, N cho vào thép ULC Thực tế sản xuất sử dụng h ULC h hấ độ bền tính dập sâu thép ULC b ảnh hưởng nhiều h hước hạt thép sau trình xử lý nhiệt Cơ h điển hình củ h ULC hư s u: giới hạn chảy (Rp = 100÷310 MPa), giới hạn bền (Rm = 140÷450 MP độ giãn dài (A = 25÷50%) Để ă g độ bền khống chế h h u ầu, gư i ta phải sử dụng biệ h h hư điều chỉnh thành phần nguyên tố hợ i , h đổi chế độ gia công biến dạng (cán nguội, cán nóng, ) xử lý nhiệt 1.2 Cơng nghệ nấu luyện tinh luyện Trên giới, h ULC nấu luyện theo cơng nghệ lị thổi s uđ i h u ệ g i ò ằ g hiế h h g Trong công nghệ sản xuất loại thép chấ ượng cao thép ULC, tinh luyện thép lỏng chân khơng có vai trị quan tr ng Phươ g h uấ h ụ đ h hằ giả h ượ g [H] g hi đú hỏi h để è Từ ụ đ h , hươ g h đượ h iể ứ g ụ g để giải qu ế hữ g u ầu s u: Giả h ượ g h hò g h :[H], [N], [O], … Giả h ượ g C g h ỏ g đế giới hạ ấ hấ Hợ i h ới hệ số hu hồi gu ố hợ i ấ Khử S ằ g ỉ Ti h u ệ h h g ự gu ắ h g hầ h ỏ g hù g ẫ hiế h h g để i h u ệ C h i hươ g h i h u ệ h ỏ g g hự ế sả uấ hươ g pháp DH (Dortmund - Horder - Hi u i hươ g h RH (Ruhrstahl Heraeus) Đối với h ULC, hươ g h i h uyện chân khơng tuần hồn khử h RH hư g sử dụ g để giảm h ượng C xuố g ưới 50 ppm ( 0,005 % , đồng th i khử sâu tạp chấ h hò hư O iơ N 1.3 Công nghệ cán ủ Trong công nghệ sản xuấ h ULC g tiến h h ước đư guội để sản xuất thép ULC cuộn (cứng mề để cung cấp cho dập tạo hình Quy trình có số hượ điể hư sản ượng thấ , i u h ă g ượng nhiều, dây chuyền sản xuất dài, tiêu hao kim loại lớ ,…Vì ậ , u hướng sản xuất thép ULC hiệ đ g ố gắ g hướng tới u cầu độ dày phơi tấ 50÷60 điển hình cơng nghệ CSP (compact strip production) Khi nung, thép ULC b biến dạng dẻo nguội chuyển sang trạng thái ổ đ h hơ qu ì h ch chuyển khuyết tậ điể ă g ng lệch mạng điều kiện phân bố lại số ượng giảm Các trình xả hi u g đượ hi h h gi i đ ạn hồi phục kết tinh lại T g hự ế, h ULC s u hi nguội độ ứ g h ẻ ầ hải ủ để ứ g suấ hụ hồi h ẻ ầ hiế h hữ g g đ iế h 1.4 Xu hƣớng nghiên cứu thép ULC giới Những chủ đề nghiên cứu i qu đến thép ULC gồm có: điều chỉnh thành phần hóa h , hươ g h i h u ện chân khơng, kiểm sốt q trình hợp kim hóa, chế độ xử lý nhiệt, ả h hưởng tạp chất phi kim, gia cơng tạo hình, tính ch u ă ị g i ng khí 1.4.1 Công nghệ tinh luyện chân không Lúc đ i, hươ g h tinh luyện chân nhiệm vụ khử khí, s u đ cịn phải thực thêm ă g h hư S, khử C, gia nhiệt, hợ i h , đồ g thành phần nhiệ độ; vậ ă g độ thép biến tính tạp chất Thực tế h hấy tinh luyện thép lỏng bằ g hươ g h RH hoặ hươ g h khí chân khơng (Vacuum degassing) khử C, O N xuống giá tr thấ g h sản phẩm thép Trong công nghiệ , để g đượ ă g suất chấ ượng thép ULC phải sử dụ g hươ g h khí chân khơng kết hợp với thổi ơxy (VOD RH-OB) Trong thực tế, hươ g h khử khí kết hợp với thổi ơxy giả h ượng C thép lỏng từ 0,03% xuống 0,0010,002% vòng 10 phút 1.4.2 Tạp chất phi kim thép ULC Về ghi ứu độ sạ h ập chấ hi i ủ h ULC, Tậ đ Th POSCO ự hằ ỏ h hấ hiệ ượ g i h h ỏ g g qu ì h đú Kế ghi ứu ghiệ h hấ , sử ụ g ại ỉ ă g hò hấ hi i ố để h hủ hù g , hù g u g gi ì h ế i h g đú i ụ ấ hiệu g sả uấ h ULC độ sạ h Một số nghiên cứu h kết luận tổ g h ượng ơxy hịa tan thép ả h hưởng nhiều đến chấ ượng bề mặt thép sử dụng công nghiệ , đặc biệt tạo khuyết tật rạn chân chim bề mặt sản phẩm Tất tạp chấ hi i cho có nguồn gốc từ xỉ lẫ ì h hướ ươ g đối lớn (M Wang cộng sự); tạp chấ h đ g h ULC h g khử bỏ cách phù hợp làm xấu tính chất sản phẩm cuối (W C Doo cộng … 1.4.3 Xử lý nhiệt tổ chức tế vi Nhiều công bố hẳ g đ nh công nghệ g h i đú s uđ cán nguội để sản xuất loại ă g ấm mỏng hồn tồn áp dụng thành cơng cho loại h ULC để cung cấp cho chế tạo loại sản phẩm yêu cầu độ bền cao; Bằng việc nung nhiệ độ thấp sau trình dập tạ hì h để đ ứng yêu cầu giả độ dày thép cung cấp cho công nghiệ g độ bền tính chố g đập thép ULC hóa bền (J Galan cộng sự): nghiên cứu phát triển loại thép ULC giữ đượ độ i đập tốt nhiệ độ hư g ẫn có tính hàn tố , độ bề ã ,… h quy trình xử – nhiệt (R Chukla cộng …Gầ đ , hiều nghiên cứu sử dụng kỹ thuậ EBSD coi hiệ phân tích cấu trúc tinh thể pha ferit nhằ đ h gi h hước hạ , đ h đ h hướng tinh thể có lợi cho q trình dập sâu thép ULC, tính tốn tỷ lệ phân bố biên hạt góc lớn (hoặc nhỏ), chí xác đ h biế đổi củ đ h hướng tinh thể trình kéo mẫu ủ thép ULC Việ N hư sản xuấ thép ULC, số ũ g ố gắng nghiên cứu nấu luyện thép C thấp từ thiết b g ướ hư g ế hư đượ hư ong muốn Các nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệ hư công bố rộng rãi Nội dung nghiên cứu đề cậ đến công nghệ nấu luyện thép C thấp ( 0,02 %) sử dụ g ò điện cảm ứng, kiể h ổ chức tế vi thép C thấ hế tạ Mặc dù cịn hạn chế tính khoa h c thực tiễ , hư g đ gg hấ đ h đư hững gợi ý quan tr ng cho nghiên cứu công nghiệ C g đ ạn xử lý tiếp h hư gi g iến dạng, xử lý nhiệ ũ g hải nghiên cứu đồng để xem xét ả h hưở g đế h ổ chức thép ULC Kết luận chương 1: Th ULC đượ sử ụ g hổ iế g g ghiệ hự hẩ hữ g ưu điể ổi ội ề h ẻ , ă g ậ hì h, h h ố hù hợ ới hiều g ghệ hủ ề ặ sơ , Việ N hư sả uấ đượ h ULC, hư g hiều g hậ h ướ g i ề để gu iệu h sả uấ Như h h ụ 1.4, hiều ghi ứu ề ại h hế giới C ghi ứu ậ u g điều hỉ h h h hầ h h ủ h , ú gắ h i gi i h u ệ h h g, hiệ ,… để g hấ ượ g h ULC ă g hiệu i h ế h qu ì h sả uấ Nhiều hiế ghi ứu hiệ đại đượ sử ụ g, ội u g ghi ứu h hu s u h h h T g hi đ , hư ấ ỳ ộ ghi ứu s u ề h ULC đượ hự hiệ Việ N Vì ậ , ội u g ghi ứu ủ uậ ề hế h ULC hế sứ ầ hiế , h hự iễ gh h h Mụ i u ổ g qu ủ uậ hế gồ ấu u ệ , gi g iế g ủ h h g h ULC T sở i iệu g ố quố ế, uậ ự h h ULC h h hầ h h (C  0,005 % ; Mn  0,4 % ; Si  0,2 % h s u hi ủ Rm = 250÷400 MPa ; Rp = 120÷200 MP ; A = 35÷50 % Ng i , ộ số ẫu h ULC đượ ă g h h ượ g C M h ặ hợ i h ằ g N /Ti để ghi ứu h đổi ủ h ULC CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM Quy trình thí nghiệm tổng qt nghiên cứu thực hiệ hư sơ đồ hình 2.1, bao gồ g đ ạn chính: (1) nấu luyện thép ULC, (2) gia công biến dạng xử lý nhiệt, (3) phân tích kiểm tra mẫu thép ULC Kim loại độ cao (Fe điện phân, Mn, Si,…) Quy trình nấu luyện Th C h g hư ng (% C < 0,2) Quy trình nấu luyện Nấu luyện thép ULC (% C ≤ 0,005) Cán nguội Ủ xử lý nhiệt Phân tích, kiểm tra (thành phần hóa học, ính, ổ chức t vi,…) Hình 2.1 Quy trình thực nghiệm nghiên cứu 2.1 Nấu luyện thép ULC lị điện hồ quang chân khơng Mụ đ h thực nghiệm nấu luyện tạo mẫu thép ULC có thành phần hóa h c theo mong muốn cho nghiên cứu h đổi tính, tổ chức tế vi thép ULC tr g điều kiện khác Bảng 2.1 Nguyên liệu cho nấu luyện h p ULC rong lò điện hồ quang chân khơng F điện Mn Si Ti Nb phân (2÷5mm) (< 4mm) (