Nghiên cứu công nghệ luyện thép hợp kim thấp 20 35 crmnsia để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng thay thế thép cromniken và crommolipden

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO NGUYỄN THANH HOÀN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THANH HOÀN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LUYỆN THÉP HỢP KIM THẤP VẬT LIỆU KIM LOẠI 20-35 CrMnSiA ĐỂ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT CHỊU TẢI TRỌNG, THAY THẾ THÉP CRÔMNIKEN & CRÔMMÔLIPDEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU KIM LOẠI KHÓA 2009-2011 Hà Nội – Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THANH HỒN NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ LUYỆN THÉP HỢP KIM THẤP 20-35 CrMnSiA ĐỂ CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT CHỊU TẢI TRỌNG, THAY THẾ THÉP CRÔMNIKEN & CRÔMMÔLIPDEN CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ VẬT LIỆU KIM LOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU KIM LOẠI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGÔ QUỐC LONG Hà Nội – Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu luận văn hồn tồn xác trung thực, tất số liệu chưa tác giả công bố./ MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG – TỔNG QUAN I.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT THÉP TRÊN THẾ GIỚI I.2 HIỆN TRẠNG CÔNG NGHIỆP GANG THÉP VIỆT NAM I.2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THÉP HỢP KIM CHẾ TẠO MÁY Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI I.2.1.Tình hình nghiên cứu thép hợp kim chế tạo máy giới I.2.2.Tình hình nghiên cứu thép hợp kim chế tạo máy Việt Nam I.2.3.Đặc điểm lĩnh vực ứng dụng thép 20-35CrMnSiA I.2.4 Mục đích nghiên cứu 14 CHƯƠNG II - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 II.1.ảnh nguyên tố hợp kim đến trình nấu luyện 15 II.1.1 Ảnh hưởng nguyên tố Cácbon (C) 15 II.1.2 Ảnh hưởng nguyên tố Mangan (Mn) 17 II.1.3 Ảnh hưởng Silic (Si) 18 II.1.4 Ảnh hưởng Crôm (Cr) 20 II.1.2 Ảnh hưởng nguyên tố tạp chất 22 II.1.2.1 Định nghĩa tạp chất 22 II.1.2.2 Ảnh hưởng tạp chất 22 II.1.2.2.1 Ảnh hưởng Phốtpho [P] 23 II.1.2.2.2 Ảnh hưởng Lưu huỳnh [S] 23 II.1.2.2.3 Khí ơxy [O] 24 II.1.2.2.4 Khí hydro [H], nitơ [N] 24 II.1.3 ảnh hưởng q trình đúc rót 25 II.1.4 ảnh hưởng q trình xử lý nhiệt 25 II.1.3 Quá trình khử tạp chất luyện thép 27 II.1.3.1 Các biện pháp loại bỏ tạp chất thép 27 II.1.3.2 Quá trình khử photpho [P] 27 II.1.3.4 Quá trình khử lưu huỳnh [S] 29 II.1.3.5.Qúa trình khử ơxy (O2) 30 II.2 CƠNG NGHỆ NẤU LUYỆN THÉP TRONG LÒ ĐIỆN CẢM ỨNG 32 II.2.1 Khái quát lò điện cảm ứng 32 II.2.2 Nguyên lý nấu luyện lò điện cảm ứng 34 II.2.3 Đặc điểm cơng nghệ luyện thép lị điện cảm ứng 34 CHƯƠNG III - CHUÂN BỊ THÍ NGHIỆM 36 III.1 THIẾT BỊ NẤU LUYỆN VÀ KIỂM TRA CƠ TÍNH 36 III.1.1 Lị cảm ứng trung tần 36 III.1.2.Khn đúc 37 III.1.3.Một số thiết bị kiểm tra chất lượng sản phẩm 38 III.2 CHẾ TẠO LỊ THÍ NGHIỆM 39 III.2.1 Quy trình đầm lị 39 III.2.2.Thiêu kết lị 40 III.3 TÍNH TỐN PHỐI LIỆU THÍ NGHIỆM 41 III.3.1 Chuẩn bị ngun vật liệu 41 III.3.2 Tính tốn phối liệu nấu luyện 43 III.4.1 QUÁ TRÌNH NẤU LUYỆN 46 III.4.2 Quy trình thao tác 47 III.5 QUY TRÌNH ĐÚC MẪU THÍ NGHIỆM 48 III.6 Q TRÌNH NHIỆT LUYỆN MẪU THÍ NGHIỆM 49 III.6.1 Quy trình ủ mẫu thí nghiệm 49 III.6.2 Quy trình tơi ram mẫu thí nghiệm 49 III.6.2.1 Chế độ tơi mẫu thí nghiệm 49 III.6.2.2.Chế độ ram mẫu thí nghiệm 50 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52 IV.1 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CÁC MẪU PHÂN TÍCH 52 IV.1.1 Kết phân tích 52 IV.1.2 Đánh giá kết 52 IV.2 CƠ TÍNH MẪU PHÂN TÍCH 52 IV.2.1 Kết thử tính 52 IV.2.2 Đánh giá kết 53 IV.3 SOI CHỤP TỔ CHỨC TẾ VI MẪU THÍ NGHIỆM 53 CHƯƠNG V - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 V.1 KẾT LUẬN 64 V.2 KIẾN NGHỊ 64 DANH MUC CÁC BẢNG Bảng I.2.3.1:Thành phần hoá học yêu cầu mác thép 20 35CrMnSiA(%) Bảng I.2.3.2: Thành phần hoá họ thép Crom với thép 2035CrMnSiA(%) TRANG 10 10 Bảng I.2.3.3: Gia công nhiệt luyện họ thép Crom 10 Bảng I.2.3.4: Cơ tính họ thép Crom 11 Bảng I.2.3.5: Thành phần hoá học thép cromolipden với thép 2035CrMnSiA(%) 11 Bảng I.2.3.6: Gia công nhiệt luyện họ thép Crommolipden 11 Bảng I.2.3.7: Cơ tính họ thép Cromolipden 12 Bảng I.2.3.8 : Thành phần hoá học họ thép cromniken với thép 2035CrMnSiA(%) 12 Bảng I.2.3.9: Gia công nhiệt luyện họ thép cromniken 13 Bảng I.2.3.10: Cơ tính họ thép cromniken 13 Bảng II.2.3.1: Quan hệ tần số làm việc đường kính liệu 35 Bảng III.2.1.: Cỡ hạt đầm lò hàm lượng % 39 Bảng III.3.1: Thành phần hoá học mác thép 30-35CrMnSiA (%) 41 Bảng III.3.2: Thành phần hóa học nguyên liệu (%) 43 Bảng III.3.2.1: Hệ số cháy hao nguyên tố hợp kim 44 Bảng III.4.2:đánh giá kết thành phần hóa học mác thép 30-35CrMnSiA 48 Bảng IV.1: Thành phần hoá học hai mẫu phân tích 52 Bảng IV.2.1: Kết thử tính mác thép 30 - 35CrMnSiA đúc 52 Bảng IV.2.2: Kết thử tính mác thép 30-35CrMnSiA sau nhiệt luyện Bảng IV.3.1: Bảng thành phần hóa học mẻ thép so sánh với hai mác 53 61 thép họ thép thép Crommolipden Bảng IV.3.2: Cơ tính mẻ thép so sánh với tính hai mác thép họ thép Cromolipden Bảng IV.3.3: So sánh tính mẻ thép với tính họ thép Cromolipden thép cromniken Bảng IV.3.4: So sánh so sánh thành phần hóa học mẻ thép với thành phần hóa học hai họ thép Cromolipden thép cromniken 61 61 62 DANH MỤC HINH VẼ Trang Hình II.1.1: Giản đồ pha Fe-C 15 Hình II.1.2 ảnh hưởng C đến tính thép 16 Hình II.1.2.1: Giản đồ trạng thái Fe-Mn 17 Hình II.1.3.1: Giản đồ trạng thái Fe - Si 18 Hình II.1.3.2: Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim Mn, Si dung 20 dịch rắn ferit đến độ cứng (hình a) độ dai va đập (hình b) Hình II.1.4.1: Giản đồ trạng thái Fe – Cr CrC 21 Hình II.1.2.2.1: Giản đồ trạng thái hệ Fe-FeS 24 Hình II.1.3.2.1: Quan hệ khả khử P với độ bazơ xỉ với 28 lượng FeO Hình II.1.3.5.1: Khả khử ơxy số nguyên tố 1600oC 32 Hình II.2.1.1: Sơ đồ bố trí hệ thống lị cảm ứng trung tần 50 kg/mẻ 33 phịng thí nghiệm Hình II.2.1.2: Lị điện cảm ứng trung tần 50 kg/mẻ 33 Hình III.1.1: Cấu tạo nội hình lị cảm ứng trung tần 36 Hình III.1.2: Khn đúc kim loại 37 Hình III.1.3: Kính hiển vi quang học LEICADM4000M 38 Hình III.1.4: Máy phân tích thành phần ARL3460 38 Hình III.1.5: Máy đo độ cứng HB 38 Hình III.2.1: kích thước Dưỡng Amiăng 40 Hình III.3.1: Vơi cục CaO 42 Hình III.3.2: FeMn65 42 Hình III.3.3: Nhơm kim loại 43 Hình III.4.1: Quy trình thí nghiệm 46 Hình III.4.2: Q trình nấu luyện 47 Hình III.6.1: Đồ thị nhiệt độ-thời gian trình nung rèn mẫu 49 Hình III.6.2: Đồ thị nhiệt độ-thời gian q trình tơi mẫu 50 Hình III.6.3: Đồ thị nhiệt độ-thời gian trình ram mẫu 50 Hình IV.1: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau đúc độ phóng đại 54 100x Hình IV.2: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau đúc độ phóng đại 200 x Hình IV.3: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau đúc độ phóng đại 54 55 500x Hình IV.4: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau nhiệt luyện độ phóng 55 đại 500x Hình IV.5: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau nhiệt luyện độ phóng 56 đại 500x Hình IV.6: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau nhiệt luyện độ phóng 56 đại 200x Hình IV.7: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm trắng 57 Hình IV.8: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm đen thứ 58 Hình IV.9: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm đen thứ hai 59 Hình IV.10: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm vùng mẫu 60 Với q trình ram có tác dụng giảm phần ứng suất bên mẫu Lúc tổ chức nhận mactenxit ram phần Ostenit dư 51 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN IV.1 THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CÁC MẪU PHÂN TÍCH IV.1.1 Kết phân tích Qua máy phân tích thành phần ARL3460 xác định thành phần hóa học mẫu thép thí nghiệm nêu bảng Bảng IV.1 : Thành phần hoá học hai mẫu phân tích Thành phần hóa học, % Mẻ nấu C Si Mn P S Cr Mẻ 0,2189 0,3174 0,9734 0,0087 0,0007 0,9024 Mẻ 0,3535 1,253 0,9700 0,0093 0,0089 1,1063 IV.1.2 Đánh giá kết Từ bảng thành phần hóa học IV.1 có nhận xét sau: Với hai mẻ nấu luyện kết đạt yêu cầu mẻ ( mẻ số 2) nguyên nhân chủ yếu là:  Trong mẻ chúng tơi dự kiến tính tốn theo giá trị trung bình mác thép nấu luyện với tất fero Do chưa có kinh nghiệm nấu luyện lị to ( > 30 kg/mẻ) nên việc đạt nhiệt độ cao thuận lợi cho Cr hoàn nguyên làm lượng thép Si bị cháy hao nhiều Kết thành phần Mn, Cr, P,S đạt yêu cầu C Si bị thiếu hụt  Rút kinh nghiệm mẻ đầu, mẻ bổ sung thêm lượng FeSi FeCr, với thành phần tính tốn mẻ Kết thành phần hóa học cấu tử C, Mn, Si, Cr, P, S mẻ thép đạt mức yêu cầu Các kết đạt theo mác thép dự kiến để nấu luyện IV.2 CƠ TÍNH MẪU PHÂN TÍCH IV.2.1 Kết thử tính Bảng IV.2.1: Kết thử tính mác thép 30 - 35CrMnSiA đúc Cơ tính Mẫu Mẫu Giới hạn bền, Giới hạn chảy, B (MPa) s (MPa) 799 605 52 Độ giãn dài tương đối, δ (%) Độ cứng, HB 17 174 Bảng IV.2.2: Kết thử tính mác thép 30 - 35CrMnSiA sau nhiệt luyện Cơ tính Mẫu Mẫu Giới hạn bền, B (MPa) Giới hạn chảy, s (MPa) Độ giãn dài tương đối, δ (%) Độ cứng, HB 982 846 15 251 IV.2.2 Đánh giá kết Sau nhiệt luyện mẫu thép ứng với mẻ nấu chúng tơi tiến hành chế tạo mẫu thử tính Kết thử tính mẫu thép mơ tả bảng IV.3 Qua bảng thấy độ bền, giới hạn chảy đạt yêu cầu theo mác thép cần nấu luyện Song mẫu thử nghiệm có độ giãn dài cao độ cứng HB vượt giới hạn u cầu khơng nhiều Vì chúng tơi khẳng định mẻ thép mẫu đạt tương đương chất lượng thép mác 30-35CrMnSiA Liên Xô cũ chế tạo IV.3 SOI CHỤP TỔ CHỨC TẾ VI MẪU THÍ NGHIỆM Mẻ thép sau nấu luyện xong soi chụp tổ chức tế vi thép Trong trạng thái đúc mẫu thép thí nghiệm thấy dễ dàng tổ chức thép gồm có hai pha rõ rệt hạt péclit tấm, xen lẫn chúng hạt ferit mầu trắng có điểm cacbit đúc mầu xẫm Pha ferit dạng hạt trải dài có hình dạng khơng giống nhau, chủ yếu định vị biên giới hạt péclit Tỷ lệ pha péclit chiếm khoảng 90 - 92% toàn bề mặt mẫu soi chụp với mầu sắc xẫm nhạt khác hạt Sau tiến hành nhiệt luyện mẫu thép mẻ đúc thu sản phẩm mẫu thép ram cao Soi chụp tổ chức tế vi mẫu nhiệt luyện thấy mẫu ram cao vùng nhiệt độ 640oC nên tổ chức thu Xoocbit ram với hỗn hợp Ferit + Xementit hạt nhỏ mịn phân tán, có giới hạn chảy cao độ dai va đập tốt Trên mẫu thấy xuất sản phẩm kích thước nhỏ, mầu đen độ phân tán khơng đều, có vị trí tập trung lớn song có nơi có lưa thưa khơng có Đó nơi tập trung cácbit (Fe,Cr)3C có lượng cácbon (< 4%) Fe 53 Hình IV.1: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau đúc độ phóng đại 100x Hình IV.2: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau đúc độ phóng đại 200 x 54 Hình IV.3: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau đúc độ phóng đại 500x Hình IV.4: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau nhiệt luyện độ phóng đại 500x 55 Hình IV.5: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau nhiệt luyện độ phóng đại 500x Hình IV.6: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép sau nhiệt luyện độ phóng đại 200x 56 Cr cao Các kết chứng minh sản phẩm phân tích tổ chức mẫu thép điểm trắng điểm đen Dưới ảnh phân tích điểm trắng điểm đen 010 5.0 5.0 µm µm FeKb MnKb CrKb MnKa 200 CrKa 300 FeKesc 400 MnKesc 500 CKa Counts 600 SiKsum 700 SiKa 800 MnLsum 900 FeKa 010 CrLl MnLl FeLa FeLl MnLa CrLa 1000 100 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 keV ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.2618 Element (keV) Mass% Error% Atom% C K* 0.277 3.18 0.06 13.09 Si K 1.739 1.15 0.11 2.03 Cr K 5.411 2.84 0.30 2.70 Mn K 5.894 0.04 0.43 0.04 Fe K 6.398 92.79 0.48 82.14 Total 100.00 100.00 K 0.9369 0.8489 3.4658 0.0405 94.7079 Hình IV.7: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm trắng 57 10.00 009 5.0 5.0 µm µm 1000 009 FeKb SiKsum 300 200 CrKb 400 SiKa CrLl 500 CKa Counts 600 CrKa 700 FeKesc 800 FeKa FeLa FeLl CrLa 900 100 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.2377 Element (keV) Mass% Error% Atom% C K* 0.277 1.71 0.05 7.39 Si K 1.739 1.27 0.10 2.34 Cr K 5.411 1.36 0.27 1.36 Fe K 6.398 95.66 0.44 88.91 Total 100.00 100.00 K 0.4950 0.9212 1.6584 96.9255 Hình IV.8: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm đen thứ 58 011 5.0 5.0 µm µm 1000 011 800 700 CrKb CrKa 200 FeKesc SiKsum 300 SiKa CrLl 400 FeKb 500 CKa Counts 600 FeKa FeLa FeLl CrLa 900 100 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 keV ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.2554 Element (keV) Mass% Error% Atom% C K* 0.277 1.22 0.06 5.36 Si K 1.739 1.10 0.12 2.07 Cr K 5.411 1.23 0.33 1.25 Fe K 6.398 96.45 0.53 91.32 Total 100.00 100.00 7.00 8.00 9.00 K 0.3516 0.7958 1.4963 97.3564 Hình IV.9: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm đen thứ hai 59 10.00 008 5.0 5.0 µm µm 1000 008 FeLa FeLl CrLa 800 700 600 CrKb CrKa 200 FeKesc SiKsum 300 SiKa CrLl 400 FeKb 500 CKa Counts FeKa 900 100 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.2436 Element (keV) Mass% Error% Atom% C K* 0.277 1.32 0.06 5.80 Si K 1.739 1.27 0.11 2.38 Cr K 5.411 1.52 0.29 1.54 Fe K 6.398 95.89 0.47 90.29 Total 100.00 100.00 K 0.3818 0.9200 1.8452 96.8530 Hình IV.10: Ảnh chụp phổ EDX xác định điểm vùng mẫu 60 Trên tồn ảnh chụp cấu trúc mẫu thép chúng tơi khẳng định chắn thép sau ram có cấu trúc Xoocbit ram + máctenxit ram cacbit sắtcrom (Fe,Cr)3C Bảng IV.3.1: Bảng thành phần hóa học mẻ thép so sánh với hai mác thép họ thép thép Crommolipden Mác thép C Si Mn