Nghiên cứu sản xuất thép song pha DP

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu sản xuất thép song pha DP Study on manufacturing a dual phase steel (DP) Trần Công Thức1,*, Đinh Bá Trụ2, Nguyễn Trường An2 Trường Đại học Thái Bình Học viện Kỹ thuật Quân * Email: trancongthuc1980@gmail.com Mobile: 0988587787 Tóm tắt Từ khóa: Thép độ bền cao tiên tiến; Thép AHSS; Thép song pha; Thép độ bền cao tính dẻo tốt Bài báo trình bày kết nghiên cứu tạo phôi thép song pha DP họ CMnSi, cho độ bền cao tính dẻo tốt, thay thép 10GNA nhập ngoại Nghiên cứu thiết lập quan hệ thông số công nghệ với tính thép, thơng qua điều khiển tổ chức pha F M có độ hạt siêu mịn nhỏ 15µm, tỷ phần pha M từ 15 - 30% Thép DP luyện từ sắt xốp MIREX có độ tạp chất cao, hợp kim hóa số nguyên tố vi lượng xử lý nhiệt nhiệt độ AC1 AC3, nguội nhanh Cơng nghệ áp dụng sản xuất quy mơ công nghiệp để tạo phôi thép cho sản xuất khung dầm tơ chi tiết vũ khí Abstract Keywords: Advanced high strength steel; AHSS; Dual phase steels; High strength and good ductility steels This paper shows studied results of making billets of a CMnSi dual phase steel (DP) with high strength and good ductility which can be used instead of the imported 10GNA steel The study established the relation between processing parameters and mechanical properties through controlling microstructure of ferrite and martensite with grain size less finer than 15 µm and volume fraction of martensite of 15 to 30% The MIREX sponge iron melted-DP steel has low level of impurities, alloyed by several micro-alloying elements and thermomechanical processed in a range of temperature AC1 to AC3 and rapid-cooled in different environments The studied process can be applied in industry to manufacture steel billets for producing car members and parts of weapon Ngày nhận bài: 01/07/2018 Ngày nhận sửa: 10/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Thép song pha (DP) mác thép thuộc nhóm độ bền cao tiên tiến (AHSS), mác thép có tổ chức hai pha ferit (F) mactenxit (M); pha F dẻo làm pha M rắn nằm xen kẽ phân giới hạt pha F, có độ lớn hạt siêu mịn Hai pha F M có tỷ phần thể tích định, F chiếm 70 ÷ 85% có hình dạng đa cạnh phân bố liên tục giữ vai trò pha nền, M chiếm 30 ÷ 15% có dạng đảo lập phân bố F đóng vai trị pha hóa bền [4] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình cho thấy giới hạn bền số mác thép DP cao thép cacbon thấp, có nghĩa khả chịu tải lớn trước phá hủy, đồng thời giới hạn chảy đánh giá khả biến dạng dẻo thép DP lớn Hai tiêu chí dùng làm số mác thép để phân biệt Thép DP có độ dẻo tốt thép cacbon thấp, theo lý thuyết, nguyên nhân thành phần hóa học, tạo cho thép hình thành tổ chức cho độ dẻo tốt Nhưng quan trọng tiếp sau tác động thông số công nghệ, làm cho tổ chức nhỏ mịn hơn, tác nhân hóa bền hạt nhỏ phân tán Hình Biểu đồ ứng suất - biến dạng quy ước thép DP HSLA [4] Độ bền độ dẻo thép DP không phụ thuộc độ bền độ dẻo pha thành phần F M, mà cịn phụ thuộc theo tỷ phần thể tích chúng Hình 2a cho thấy, tăng tỷ phần M, giới hạn bền giới hạn chảy thép DP tăng đạt giá trị lớn tỷ phần M đạt ~ 60%, tiếp sau giới hạn bền giới hạn chảy giảm Trong (hình 2b), độ giãn dài thép DP đạt giá trị max tỷ phần M khoảng 35 - 45% a) b) Hình Biểu đồ quan hệ giới hạn bền (a) [5] độ giãn dài (b) với tỷ phần mactenxit [3] thép DP Độ bền độ dẻo thép hai số thường mâu thuẫn Đối với thép thông thường để tăng độ bền tăng tính dẻo thường dùng nguyên tố hợp kim, thép DP dùng cơng nghệ đặc thù tính dẻo tốt gia công biến dạng độ bền cao sử dụng CƠ SỞ LÝ THUYẾT Thép DP có tổ chức hai pha F, M Độ bền độ dẻo thép DP tính theo luật cộng tác dụng pha tổng tích tỷ phần độ bền, độ dẻo pha HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Theo lý thuyết cộng pha: Thép DP hỗn hợp hai pha F M nên tính thép có tính cộng (cơng thức 2) [3]  = M.VM + F.VF = M.VM + F (1-VM) (1)  = M.VM + F.VF = M.VM + F (1-VM) (2) Từ công thức (1) (2) cho thấy Độ bền, độ dẻo thép DP phụ thuộc vào tỷ phần pha, độ bền pha độ dẻo pha Mỗi tham số lại hàm thông số công nghệ (TSCN) Chính để khống chế tỷ phần pha thông qua khống chế thông số công nghệ (T,,vn) Đây sở để điều khiển tính thép DP Hình cho thấy đường cong ứng suất - biến dạng thép DP tuân theo lý thuyết cộng pha Hình Đường cong biến dạng thép song pha theo lý thuyết cộng pha [2] Theo lý thuyết hóa bền hạt nhỏ, trường hợp hạt F có kích thước siêu mịn (ultrafine grained - UFG), có nhiều hạt có phương tinh thể mặt gần trùng với phương trượt mặt trượt, có nghĩa là, tỷ lệ hạt tham gia trượt tăng Mặt khác, phân giới hạt khơng có tạp chất phi kim, lệch chuyển đến đó, chúng dễ truyền chuyển động sang hạt bên cạnh tiếp tục gây biến dạng nhờ làm chuyển động lệch phân giới hạt (hình 4) Hình Các dạng chuyển động lệch truyền sang hạt khác qua phân giới hạt [1] Theo lý thuyết hóa bền chuyển pha tạo pha mactenxit xen kẽ Trong điều kiện hạt pha F M nhỏ siêu mịn, làm thay đổi chế tăng bền thay đổi chế chuyển động lệch từ chuyển động hạt, truyền qua nhiều hạt, nên tác nhân cản trở lệch không pha HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 phân tán mạng hạt, mà thêm pha xen kẽ M nằm xen kẽ hạt pha Hình cho thấy, pha M xen kẽ pha F kết trình chuyển biến pha xử lý nhiệt nung vùng pha Khi nung phôi vùng pha pha ôstenit (Ơ) hình thành lớn lên tùy theo nhiệt độ nung thời gian giữ nhiệt, ta khống chế hàm lượng C% pha F Ô tỷ phần pha, khống chế độ lớn hạt F Ơ Khi làm nguội nhanh, ơstenit chuyển biến thành mactenxit Pha M tác nhân tích tụ lệch hãm lệch (hình 5) Hình Chuyển biến tạo pha rắn [6] Như vậy, điều khiển thông số nhiệt độ nung vùng pha thời gian giữ nhiệt, để khống chế hòa tan NTHH độ lớn hạt pha để cỡ hạt F Ô nhỏ mịn, sau làm nguội nhanh, pha M có kích thước nhỏ (< 10m), nằm xen kẽ phân giới hạt pha F, tạo nên vùng tích tụ lệch cản trở chuyển động lệch, từ đó, thép DP hóa bền KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết thực nghiệm Phôi thép luyện từ sắt xốp tinh luyện lị chân khơng đạt thành phần hóa học 0,098%C; 0,886%Si; 1,241%Mn; tạp chất thấp 0,024%P; 0,012%S, thép rèn từ 250mm xuống 14mm để làm mẫu thí nghiệm Phơi thép sau rèn có tổ chức hạt đồng đều, hạt F có dạng đa cạnh, cỡ hạt nhỏ khoảng 20µm, nhóm peclit phân bố Tiến hành xử lý nhiệt theo chế độ công nghệ bảng 1, chuẩn bị mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn TCVN 1971: 2014 Kết xác định giới hạn bền (RmTB), độ giãn dài (ATB) thép nghiên thể bảng Bảng Bảng kết thực nghiệm Mác 10HA STT Ký hiệu mẫu 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 D-1 D-2 D-3 D-4 D-5 D-6 D-7 D-8 D-9 N-1 T (0C) 740 740 740 760 760 760 780 780 780 740 Thông số công nghệ (oC/s)  (phút) 10 50 15 50 20 50 10 50 15 50 20 50 10 50 15 50 20 50 10 100 Chỉ tiêu tính RmTB (MPa) ATB (%) 624,6 24,5 627,6 23,7 691,5 22,7 663,5 25,6 638,8 20,1 712,2 18,2 669,9 24,0 693,9 26,7 704,7 24,3 609,0 23,7 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 N-2 N-3 N-4 N-5 N-6 N-7 N-8 N-9 M-1 M-2 M-3 M-4 M-5 M-6 M-7 M-8 M-9 10HA TY 14-1-2376-78 740 740 760 760 760 780 780 780 740 740 740 760 760 760 780 780 780 15 20 10 15 20 10 15 20 10 15 20 10 15 20 10 15 20 100 100 100 100 100 100 100 100 150 150 150 150 150 150 150 150 150 Sau 10000C/nước 639,7 700,7 671,5 685,2 763,6 678,3 706,3 804,5 631,6 636,4 735,9 654,4 688,4 747,9 765,6 795,5 819,3 20,8 20,5 19,9 18,6 17,6 25,5 23,7 16,9 25,4 21,3 20,0 24,7 22,6 18,2 23,5 18,2 17,0  589 25 Bảng Bảng giá trị, độ tin cậy đặc trưng tính thép nghiên cứu STT Tên đặc trưng tính thép nghiên cứu Giới hạn bền (Rm), MPa Độ giãn dài tương đối (A), % Các giá trị Max 819,3 25,4 Min 624,6 17,0 Độ tin cậy sperman 0,98 0,97 3.2 Bàn luận kết thực nghiệm Thành phần hóa học mác thép DP nghiên cứu nằm giới hạn yêu cầu, có hàm lượng C thấp, đặc biệt thành phần P% S% thấp Bảng cho thấy, mác thép DP nghiên cứu có tính tổng hợp cao hẳn mác thép 10HA, có giới hạn bền cao dải từ 624,6  819,3MPa, độ giãn dài tương đương từ 17,0  25,4% Bảng cho thấy, giá trị độ tin cậy lớn, giá trị độ tin cậy lớn 0,96 số liệu thực nghiệm có tính ổn định cao lần đo, đủ bảo đảm tính quy luật Từ kết bảng sử dụng phần mềm Statistica xây dựng ảnh đồ đồng mức quan hệ thông số công nghệ với giới hạn bền, độ giãn dài tương đối - Ảnh hưởng thông số cơng nghệ đến giới hạn bền: Hình cho thấy, giới hạn bền cao nhờ tỷ phần VM cao (trên 25  34%), tỷ phần F khoảng 70% độ lớn hạt M nhỏ từ 6,5  10,5m dF từ 12  18m Điều phù hợp với luật cộng pha chế tăng bền hãm lệch Khi tỷ phần VM từ 10  20% độ lớn hạt M từ 6,5  8m, giới bạn bền 680MPa cho độ giãn dài cao Hình cho thấy, tăng nhiệt độ nung từ 730  790oC giới hạn bền ln tăng Tăng thời gian giữ nhiệt từ  12 phút làm giảm giới hạn bền, tiết tục tăng thời gian giữ nhiệt làm giới hạn bền tăng, tốc độ nguội tăng độ bền tăng Tồn vùng cho giới hạn bền lớn Rm = 800  820MPa tương ứng với TSCN T = 760  790oC,  = 18  22 phút, = 100  180oC/s HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Giới hạn bền lớn tính theo hàm hồi quy Rm = 817MPa điều kiện T = 780oC,  = 20phút, = 150oC/s; nằm vùng giá trị max a) b) Hình Quan hệ độ bền với tỷ phần độ lớn hạt mactenxit (a), ferit (b) Hình Ảnh hưởng thông số công nghệ đến giới hạn bền - Ảnh hưởng thông số công nghệ đến độ giãn dài tương đối: Hình 8a cho thấy, tồn hai vùng cho độ giãn dài lớn 30%, vùng xuất tỷ phần M từ 10 đến 15% độ lớn hạt từ 9,5  10,5µm vùng VM khoảng 33  34% độ lớn hạt dM khoảng 6,5  7µm Hình 8b cho thấy, độ lớn hạt ferit từ 15  18m, tỷ phần ferit 84% cho độ giãn dài cao lớn 30% HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 a) %A - dM - VM b) A% - dF - VF Hình Ảnh đồ quan hệ độ giãn dài tương đặc trưng tổ chức Hình Ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến độ giãn dài Hình biểu diễn quan hệ độ giãn dài với thông số công nghệ cho thấy có vùng cho giá trị độ giãn dài lớn A > 24%: - Vùng 1: Khi T = 730 7400C,  =  15 phút = 160  1800C/s, độ lớn hạt ferit dF = 10µm, tỷ phần VF = 84%; - Vùng 2: Khi T = 780  790oC,  =  15 phút = 50oC/s, độ lớn hạt dF = 15µm, tỷ phần VF = 80% - Vùng 3: Khi T = 730  740oC,  =  15 phút, = 50oC/s, độ lớn hạt dF = 12µm, tỷ phần VF = 85% Tóm lại, độ giãn dài đạt giá trị tốt tạo tổ chức F có độ lớn hạt từ 10 đến 15µm tỷ phần F từ 80 đến 85%, tương ứng với giá trị thực nghiệm kiểm chứng A = 24% HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 KẾT LUẬN Phôi thép gia công biến dạng dẻo xử lý nhiệt với thông số công nghệ: Nhiệt độ nung từ 740  780oC, thời gian giữ nhiệt 10  20 phút tốc độ nguội 50  150oC/s Kết cho giới hạn bền từ 625 đến 820MPa, độ giãn dài từ 17 đến 26%, thỏa mãn mục tiêu độ bền độ dẻo thép song pha Với TSCN nghiên cứu cho giới hạn bền từ 625 đến 820MPa; đó, miền thơng số cho giá trị giới hạn bền lớn 800MPa ToC = 760  790oC,  =18  22 phút, = 100  150oC/s Miền thông số cho độ giãn dài lớn 26% xử lý hai vùng nhiệt độ 750oC 780  790oC, thời gian giữ nhiệt từ  15 phút, tốc độ nguội = 150oC/s DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU Rm A T  dF, dM VF, VM : Giới hạn bền (MPa) : Độ giãn dài (%) : Nhiệt độ nung vùng pha (0C) : Thời gian giữ nhiệt (phút) : Tốc độ nguội (oC/s) : Độ lớn hạt ferit mactenxit (µm) : Tỷ phần ferit mactenxit (%) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Minh Nghiệp, Trần Quốc Thắng (2012), Độ dẻo độ bền kim loại, NXB KH&KT, Hà Nội [2] Azuma, Masafumi; Huang, Xiaoxu; Winther, Grethe, 2013 Structural control of void formation in dual phase steels, Section for Materials Science and Advanced Characterization Department of Wind Energy, Technical University of Denmark [3] Majid Pouranvari, 2010 Tensile strength and ductility of ferrite martensite dual phase steels, Islamic Azad University [4] Stuart Keeler, Sc.D mechanical metallurgy, 2014 Advanced high strength steel (AHSS) application guidelines Version 05 [5] Sudersanan P.D, Nagaraj Kori, Aprameyan S and Dr Kempaiah U.N, 2012 The Effect of Carbon Content in Martensite on the Strength of Dual Phase Steel, Bonfring International Journal of Industrial Engineering and Management Science [6] Van Mil P.H.E.O (2007), Micromechanical modeling of a dual phase steel, Bachelor End Project  ... sở để điều khiển tính thép DP Hình cho thấy đường cong ứng suất - biến dạng thép DP tuân theo lý thuyết cộng pha Hình Đường cong biến dạng thép song pha theo lý thuyết cộng pha [2] Theo lý thuyết... phần hóa học mác thép DP nghiên cứu nằm giới hạn yêu cầu, có hàm lượng C thấp, đặc biệt thành phần P% S% thấp Bảng cho thấy, mác thép DP nghiên cứu có tính tổng hợp cao hẳn mác thép 10HA, có giới... mác thép DP cao thép cacbon thấp, có nghĩa khả chịu tải lớn trước phá hủy, đồng thời giới hạn chảy đánh giá khả biến dạng dẻo thép DP lớn Hai tiêu chí dùng làm số mác thép để phân biệt Thép DP