Tìm kiếm cho nhanh

Nhập từ khóa vào kiếm, ví dụ: bơm, quạt, hộp số, máy nén....
Loading

15 tháng 4, 2009

Nghiên cứu sản xuất thép hợp kim bền nóng 40CrW2Si dùng chế tạo khuôn mẫu

1. MỞ ĐẦU

Từ hàng chục năm trở lại đây, các ngành công nghiệp sản xuất nhôm định hình, chất dẻo, cao su, gạch men, gốm sứ phát triển rất mạnh trên phạm vi cả nước. Để phục vụ các ngành công nghiệp trên, nhiều cơ sở chế tạo phụ tùng, khuôn mẫu liên tiếp ra đời. Các cơ sở này đã đầu tư trang thiết bị hiện đại để đáp ứng yêu cầu về số lượng cũng như chất lượng cho ngành chế tạo khuôn mẫu. Tuy nhiên vật liệu cho ngành khuôn mẫu luôn phải nhập ngoại. Đây chủ yếu là các mác thép hợp kim chất lượng cao có giá rất đắt. Theo dự báo, nhu cầu về thép hợp kim làm khuôn mẫu hàng năm lên đến 8.000-10.000 tấn..

Đứng trước thực tế trên, Viện Luyện kim Đen đã đề xuất và được Bộ Công nghiệp chấp thuận đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo thép hợp kim dụng cụ độ bền cao mác 40CrW2Si dùng làm khuôn trong công nghệ ép đùn nhôm”.

2. PHẦN THỰC NGHIỆM

2.1 Nghiên cứu một số tính chất của hợp kim bền nóng

Loại thép mà đề tài nghiên cứu là thép hợp kim bền nóng có chứa crôm. Trong loại thép này thường chứa một số nguyên tố đôi khi có tác dụng ngược nhau. Để có được tính chất và cấu trúc mong muốn, cần thiết phải kết hợp xác định hàm lượng các nguyên tố đó.

Trước đây người ta cho rằng thành phần cơ bản trong thép cao crôm là mactensit, ferit chứa cacbid, nitrid, cacbonitrid hay pha liên kim loại. Sự tồn tại và số lượng của chúng hay thành phần tổ chức khác nhau được quyết định bởi các nguyên tố hợp kim đưa vào thép. Lý thuyết về hợp kim hoá thép là dựa trên ảnh hưởng của từng nguyên tố hợp kim đến vị trí điểm tới hạn của sắt. Các nguyên tố này có ảnh hưởng nhất định đến việc mở rộng hay thu hẹp vùng g hoặc a. Các nguyên tố làm giảm vùng g là Al, Nb, Si, Mo, Ge, W, Cr. Các nguyên tố mở rộng vùng g là Ni, Co, Mn. Ngoài ra C và N cũng làm rộng vùng g, còn P, Al, Sb hẹp vùng g và mở rộng vùng a.

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim tới vị trí trong dung dịch rắn của hệ sắt – nguyên tố hợp kim được quyết định bởi nhiều yếu tố. Người ta đã chứng minh được mối liên quan giữa ảnh hưởng của từng nguyên tố hợp kim hoá đối với cấu trúc hợp kim sắt và cấu tạo nguyên tử của chúng.

Như vậy, các nguyên tố hợp kim có nhiều ảnh hưởng tới tính chất cơ học của thép.

1) Ảnh hưởng đối với độ cứng

Độ cứng sau tôi được quyết định chủ yếu bởi hàm lượng cacbon. Tác dụng của các nguyên tố hợp kim trước hết là tăng độ thấm tôi (Cr, Ni) và tạo cacbid mịn, khó tan(Mo, W). Hàm lượng Cr cao làm tăng độ cứng sau tôi của thép. Ảnh hưởng của W đến độ cứng giống như của Mo, nhưng có phần yếu hơn. Để thấy được tác dụng của chúng đến chất lượng thép, người ta so sánh độ cứng sau ram giữa thép đúc và thép qua biến dạng (bảng 1).

Bảng 1: Ảnh hưởng của các nguyên tố đối với độ cứng (HRC)

Ký hiệu

Thép đúc

Thép qua biến dạng

Sau ram

(500 oC, 1h)

Sau ủ kéo dài

(500 oC, 3h)

Sau ram

(500 oC, 1h)

Sau ủ kéo dài

(500 oC, 3h)

40

40Si

40Cr

40Cr2

40Ni

40Mo0,3

40Mo0,6

40W

40W2

40Cu0,3

24,5

25,5

30,0

35,0

27,5

32,5

36,5

32,5

36,0

24,0

22

25

32,5

34,5

27

36

40

35

39

23,5

26

26

31

36

28

33

37

32

36

27

20,5

22,5

32

35

25,5

36

40

33,5

37

24




Từ bảng 1 cho thấy ảnh hưởng của các nguyên tố tới độ cứng sau tôi + ram được quyết định bởi khả năng tạo thành cacbid, sự thay đổi tốc độ phân tán cacbon .. Chính các nguyên tố Cr, W, Mo đảm bảo độ cứng và độ bền sau ram.

2) Ảnh hưởng đối với độ dai va đập

- Cr, Mo, W làm giảm độ dai va đập trong khi Ni làm tăng độ dai va đập.

- Ảnh hưởng của các nguyên tố làm giảm độ dai va đập có lien quan tới quá trình tạo cacbid khi ram. Các nguyên tố Si, Cr, Mo, W làm chậm đông tụ cacbid, tạo khả năng đồng đều hoá cao trong toàn khối do đó làm giảm độ dai va đập. Trong khi Al, Mn, Ni, Cu không tham gia vào quá trình này nên làm tăng độ dai va đập.

3) Ảnh hưởng đến độ bền chịu mài mòn

Đối với thép dụng cụ bền nóng, yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền chịu mài mòn là khả năng chịu nóng của vật liệu. Ngoài ra phải tính đến các yếu tố phức tạp khác như sự phân bố cacbid, độ cứng pha mactensit, sự tồn tại của austenit dư v.v...

Độ cứng pha mactensit tăng lên có quan hệ với hàm lượng cacbon trong thép, nghĩa là tăng độ bền chịu mài mòn.

Trong nhièu công trình nghiên cứu cho thấy: Cr, W, Mo, V, Si làm tăng độ bền chịu mài mòn. Người ta đã thực hiện các nghiên cứu ảnh hưởng của từng nguyên tố riêng rẽ đến độ bền chịu mài mòn (bảng 2).

Bảng 2: Ảnh hưởng của từng nguyên tố đến độ bền chịu mài mòn

Vật liệu thử

Hàm lượng nguyên tố HK (%)

Tổn hao khối lượng, (g/cm2.km

Áp lực 4.500 Kpa,

Tốc độ 0,41m/gy

Áp lực 15.000 Kpa,

Tốc độ 0,41m/gy

Đúc

GCAL

Đúc

GCAL

Thép C40

chứa :

Wolfram

Molipđen

Crôm

Silic

Đồng

Niken

1,0

2,0

0,3

0,6

1,0

2,0

1,0

2,0

0,3

0,6

1,0

2,0

0,115

0,031

0,014

0,040

0,020

0,033

0,022

0,063

0,051

0,066

0,057

0,096

0,093

0,137

0,064

0,040

0,052

0,025

0,072

0,044

0,072

0,060

0,098

0,059

0,110

0,076

0,73

0,46

0,39

0,45

0,34

0,34

0,26

0,36

0,33

0,54

0,65

0,53

0,44

1,40

0,57

0,46

0,61

0,39

0,37

0,34

0,47

0,25

0,70

0,63

0,78

0,73



2.2 Nghiên cứu xác định công nghệ.

1) Công nghệ nấu luyện

- Sử dụng lò cảm ứng RADYNE (Anh) loại 300 kg /mẻ.

- Nguyên liệu: Thép hợp kim phế liệu: C45, OL15, 30X, các loại ferô: FeCr, FeW, FeMn, FeSi, Ni kim loại, Cu kim loại... Các nguyên liệu được chọn lọc và qua phân tích chính xác thành phần hoá học.

- Tính phối liệu mẻ luỵện: Dựa trên thành phần nguyên liệu và độ cháy hao của từng nguyên tố hợp kim hoá, 3 mẻ luyện được tính toán như trong bảng 3:

Bảng 3: Phối liệu cho luyện thép 40CrW2Si (kg)

Nguyên liệu

MẺ 1

MẺ 2

MẺ 3

- Phế C45

- Phế 30X

- Phế OL15

- Phế CT0

- FeW

- FeCr (C thấp)

- FeMn

- FeSi

- Ni kim loại

- Cu kim loại

-

80,0

75

70

8,0

2,0

1,2

2,2

0,5

0,5

20,0

93.0

50,0

42,0

8,20

2,6

1.1

2,3

0,6

0,6

-

80,0

40,0

75,0

8,0

2,0

1,2

2,2

0,5

0,5

Cộng

240,0

240,0

240,0


- Xỉ dùng cho luyện thép là hỗn hợp CaO + CaF2.

- Nhiệt độ ra thép là 1.550 – 1.600 oC.

- Thép được rót vào khuôn kim loại đẻ đúc thành phôi tròn Æ60 x 1000mm cho tinh luyện điện xỉ tiếp theo.

2) Công nghệ tinh luyện điện xỉ

Phương pháp tinh luyện điện xỉ có tác dụng làm giảm tạp chất có hại như S, P, O2, H2... Giảm mạnh khả năng thiên tích cacbid, làm nhỏ mịn hạt tinh thể vàãảy ra quá trình kết tinh định hướng làm cải thiện tính chất vật đúc.

- Điện cực : Chọn thỏi không rỗ xốp, có kích thước đồng đều Æ60 x 1000mm, cắt bỏ bavia, làm sạch bề mặt và hàn nối đầu để có chiều dài ~ 2 m.

- Hộp kết tinh : Sử dụng loại hộp Æ120 x 350¸400.

- Xỉ tinh luyện : ANF6 (70% CaF2 + 30% Al2O3) (60-70 kg/tấn SP).

- Chế độ điện : Cường độ dòng : 1.400 ¸1500 A

Điện áp : 45 ¸ 48 V

Sau khi điện xỉ dùng thiết bị siêu âm để kiểm tra và lựa chọn thỏi có chất lượng đạt yêu cầu.

3) Công nghệ rèn

Thép hợp kim 40CrW2Si qua tinh luyện điện xỉ có trúc kết tinh hướng tâm, rất nhạy cảm với ứng suất nhiệt.

- Tốc độ nâng nhiệt khi nung phôi: 60-80 oC/h. Thời gian đẳng nhiệt là 2 giờ ở 1.200 oC .

- Nhiệt độ rèn: Bắt đàu rèn: 1.050 – 1.100 oC, kết thúc rèn 900 – 950 oC.

- Biến dạng rèn: Qua 3 giai đoạn :

+ Rèn sơ bộ, cắt bỏ đầu đuôi thỏi điện xỉ và chặt tạo phôi.

+ Rèn thô, rèn đều các mặt để có biến dạng nhiều nhất.

+ Rèn tinh: Dùng dưỡng kiểm tra và rèn đều các mặt đến khi đạt kích thước yêu cầu.

- Phôi rèn: Thớt tròn 310x45, tấm chữ nhật 300 x 150 x 31

4) Công nghệ nhiệt luyện

- Ủ mềm: Sử dụng lò điện, tốc độ nâng nhiệt 60-80 oC, giữ đẳng nhiệt trong 2 giờ ở 850 oC . Tốc độ hạ nhiệt chậm: 40-60 oC/giờ hoặc làm nguội theo lò.

- Tôi thép: + Nhiệt độ tôi : 875-950 oC.

+ Môi trường tôi : nước (hoặc dầu)

- Ram thép: + Ram thấp : 150-200 oC.

+ Ram cao : 450 -500 oC



//3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1 Thành phần hoá học của thép :

Với 3 mẻ luyện, thép 40CrW2Si do đề tài chế tạo đạt thành phần hoá học theo yêu cầu của TCVN 1823-76 (bảng 4):

Bảng 4 : Thành phần hoá học của thép 40CrW2Si

Mẫu

C

Mn

Si

Cr

W

Ni

Cu

P

S

MẺ 1

0,39

0,33

0,87

1,29

2,21

0,31

0,33

0,026

0,021

MẺ 2

0,40

0,35

0,89

1,25

2,42

0,33

0,32

0,024

0,020

MẺ 3

0,41

0,34

0,87

1,27

2,36

0,32

0,30

0,023

0,021

TCVN

1823-76

0,35

0,44

0,15

0,40

0,60

0,90

1,00

1,30

2,00

2,50

max

0,30

max

0,30

max

0,03

max

0,03



2) Tính chất cơ lý:

Cơ tính của thép 40CrW2Si tuỳ thuộc vào quá trình nhiệt luyện. Đề tài đã thử nghiệm 3 chế độ nhiệt luyện và có các kết quả như trong bảng 5.

Bảng 5: Kết quả thử cơ tính của thép 40CrW2Si.

Chỉ tiêu

Mẫu 1

Mẫu 2

Mẫu 3

Nhiệt độ tôi (oC)

875

900

1000

Môi trường làm nguội

Nước

Nước

Dầu

Độ cứng (HRC)

52

56

58

Độ bền kéo (kg/mm2)

135

142

149

Độ dãn dài

23

19

17


3) Tổ chức tế vi:

- Thép ở trạng thái ủ mềm: tổ chức xoocbit lẫn ferit.

- Thép ở trạng thái sau tôi + ram: pha ferit và mactensit có cacbid mịn.
4) Sản phẩm khuôn ép đùn nhôm.

Từ phôi Æ 210x45 đã qua ủ mềm, sử dụng kỹ thuật CNC trong chế tạo, đề tài đã hoàn thành bộ khuôn “khay phấn”. Công ty HACIPCO đã sử dụng khuôn ép này trên thiết bị ép đùn nhôm của Hàn Quốc công suất 1250 tấn . Theo đánh giá của Công ty, chất lượng khuôn tốt, có thể thay thế khuôn nhập ngoại.



4. KẾT LUẬN

- Đề tài đã nghiên cứu và xác định được công nghệ chế tạo thép hợp kim bền nóng 40CrW2Si bao gồm công nghệ nấu luyện, tinh luyện, rèn, nhiệt luyện phù hợp quy mô và điều kiện trong nước.

- Sản phẩm thép có thành phần hoá học, tính chất cơ lý và cấu trúc đạt yêu cầu nêu ra. Khuôn chế tạo từ thép có chất lượng tốt, có thẻ thay thế vật liệu nhập ngoại.

KS. Nguyễn Văn Ngũ

Viện Luyện kim Đen



SCCK.TK

0 Đánh giá:

Đăng nhận xét

Đóng góp ý kiến, bình luận của bạn tại đây