Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép SUS440B dùng trong công nghiệp và dân dụng

Các sản phẩm tạo thành của ăn mòn làm ô nhiễm môi trường, giảm chất lượng sản phẩm, làm xấu các thông số máy và trong hàng loạt trường hợp phá huỷ các công trình và tăng thêm sự cố của m

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP SUS440B DÙNG

TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG

CNĐT: PHẠM THỊ MAI HƯƠNG

8287 NĂM 2010

1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên tính chất của thép 10

1.3.3 Ảnh hưởng của môlipđen 13

1.4 Lựa chọn mác thép nghiên cứu 15

2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 20

3.1.2 Công nghệ tinh luyện 24

MỞ ĐẦU

Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ 10 đã đề ra phương hướng phấn đấu tới năm 2020 cơ bản đưa nước ta trở thành một nước công nghiệp Để hiện đại hóa được nền công nghiệp nước nhà thì việc nghiên cứu chế tạo được những vật liệu để sản xuất dụng cụ, thiết bị có chất lượng cao, đáp ứng được yêu cầu khắt khe của đời sống và sản xuất là một việc rất cần thiết và quan trọng

Nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, chế biến thực phẩm, công nghiệp dầu khí có điều kiện làm việc trong các môi trường xâm thực khác nhau Vì vậy thép dùng trong các ngành công nghiệp này vừa phải có độ bền cao vừa phải có tính chống gỉ cao Đặc biệt trong công nghiệp dược phẩm, chế tạo dụng cụ y tế, chế tạo dao dùng trong công nghiệp thực phẩm, chế biến thuỷ sản… thì việc chế tạo được vật liệu thép để cho ra những sản phẩm vừa bảo đảm độ sắc, độ cứng lại vừa có tính chống gỉ là việc rất cần thiết Hàng năm các cơ sở sản xuất dụng cụ như công ty cổ phần MEINFA phải nhập hàng chục tấn sản phẩm thép cây, thép tấm mác SUS420J2, SUS430, SUS440A, SUS440B…để sản xuất dụng cụ phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu ra nước ngoài Do đó trong năm 2010 chúng tôi được Bộ Công Thương cho triển khai đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép SUS440B dùng trong công nghiệp và dân dụng”, nhằm thiết lập được công nghệ sản xuất thép SUS440B đáp ứng cho các nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, dược phẩm, dụng cụ y tế…

Nhân dịp này chúng tôi cũng xin cảm ơn sự quan tâm và chỉ đạo sát sao của Vụ Khoa học và công nghệ - Bộ Công thương, sự hợp tác có hiệu quả của Viện Công nghệ- Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp, công ty TNHH một thành viên Vạn Xuân, công ty cổ phần MEINFA… đã giúp chúng tôi hoàn thành đề tài được giao

vẻ Điều kiện làm việc phức tạp của các chi tiết máy luôn luôn đặt ra những vấn đề mà khoa học và kỹ thuật phải giải quyết Do đó luôn luôn có những mác thép mới ra đời nhằm đáp ứng được những yêu cầu của công nghiệp và đời sống

Hậu quả của quá trình ăn mòn là làm giảm tiết diện làm việc của chi tiết kim loại, làm giảm độ bền, làm mất độ kín, tính lưu truyền, hình dáng và tính chất kết cấu quan trọng khác của cụm chi tiết và tổ hợp máy Các sản phẩm tạo thành của ăn mòn làm ô nhiễm môi trường, giảm chất lượng sản phẩm, làm xấu các thông số máy và trong hàng loạt trường hợp phá huỷ các công trình và tăng thêm sự cố của máy

Người ta có thể phân loại ăn mòn theo cơ chế quá trình hoặc theo hình dạng bên ngoài của bề mặt ăn mòn Nếu phân loại theo cơ chế ta có ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa Phân biệt theo dạng bên ngoài của bề mặt ăn mòn, ta có dạng ăn mòn đều, ăn mòn cục bộ, ăn mòn tinh giới Nếu phân biệt theo môi trường ăn mòn, ta có dạng ăn mòn khí quyển, ăn mòn nước biển, ăn mòn lỏng…

Sau đây chúng ta xem xét các dạng ăn mòn được phân chia theo biểu hiện bên ngoài của bề mặt bị ăn mòn

a, Sự ăn mòn đều đặn, toàn bộ Biểu hiện của sự ăn mòn là xảy ra sự phá huỷ chi tiết trên toàn bộ bề mặt ước chừng là như nhau

b, Sự ăn mòn cục bộ hay còn gọi là ăn mòn điểm, trong sự ăn mòn này chỉ những phần riêng biệt của bề mặt chi tiết bị phá huỷ (ăn mòn điểm)

c, Ăn mòn tinh giới Sự ăn mòn tinh giới được phân bố theo biên giới tinh thể (hạt) bên trong kim loại Ăn mòn tinh giới thường rất khó được biểu hiện khi xem xét bên ngoài sản phẩm Sự ẩn kín và tốc độ lan nhanh bên trong chi tiết làm cho sự ăn mòn này trở nên nguy hiểm nhất

d, Ăn mòn chọn lọc Trong sự ăn mòn này một trạng thái cấu trúc nào đấy của hợp kim bị phá huỷ

Sự ăn mòn có thể là ăn mòn hoá học hoặc điện hoá tuỳ theo đặc điểm hiện tượng lý hoá tương tác giữa môi trường và kim loại Tiêu biểu cho ăn mòn hóa học là ăn mòn khí Khi kim loại tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao, trên bề mặt của nó tạo ra màng oxit Màng oxit này

sẽ ngăn không cho oxy có khả năng xâm nhập vào bên trong Khi đó màng oxit có tính chất bảo vệ Tính chất bảo vệ của màng phụ thuộc vào tính chất, cấu trúc, độ bám dính với kim loại nền, độ dày, tỷ lệ khối lượng oxit và kim loại và hàng loạt các yếu tố khác

Ăn mòn điện hoá xuất hiện khi có sự tiếp xúc giữa các kim loại khác nhau hoặc là các pha cấu trúc của kim loại với chất điện ly Sự hiểu biết mối liên quan về điện thế cho phép xác định tính bền tương đối của kim loại chống lại sự ăn mòn, lựa chọn đúng lớp phủ bảo vệ Đặc tính ăn mòn của hợp kim phụ thuộc vào cấu trúc của chúng Cơ sở lý thuyết của ăn mòn điện hoá là theo sơ đồ tác dụng nguyên tố gavanic

Trong kim loại tinh khiết và hợp kim có một dung dịch rắn, ăn mòn điện hóa phát triển do sự có mặt lớp xen giữa các tinh thể, sức căng cơ học khác nhau và sự ôxy hóa các hạt khác nhau Ăn mòn được phát triển nhiều

hơn trong thép và hợp kim nhiều pha, đặc biệt nếu hiệu số thế của các trạng thái tế vi quá lớn Vì vậy để làm giảm tốc độ ăn mòn, trước hết cần sử lý để

có được cấu trúc đồng nhất Đồng thời sau gia công nhiệt cần làm phân hóa dung dịch quá bão hòa

Chi tiết ở trạng thái căng cơ học bị ăn mòn mạnh nhất Sau biến dạng dẻo các lỗ nhỏ tế vi giữa các tinh thể xuất hiện trong kim loại làm giảm tính chống ăn mòn của vật liệu Ảnh hưởng chung do ăn mòn và độ căng cơ học

là làm cho các chi tiết bị mỏi khi làm việc trong môi trường ăn mòn và tải trọng xoay chiều Các thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng các chi tiết có bề mặt nhám bị ăn mòn nhiều hơn so với các chi tiết có bề mặt được đánh bóng (1)

Nhiệt độ đóng vai trò lớn trong tất cả các dạng ăn mòn Trị số thế thay đổi khi tăng nhiệt độ trong ăn mòn điện hoá, làm tăng tốc độ quá trình phá huỷ, thay đổi độ hoà tan oxy trong nước

1.1.2 Sự ăn mòn thép không gỉ

Thép do có độ bền cao chống lại sự ăn mòn trong điều kiện khí quyển

và trong một vài môi trường khí, nước sông, nước biển, dung dịch muối, kiềm và một vài axit ở nhiệt độ phòng và ở nhiệt độ cao hơn được gọi là không gỉ

Nguyên tố hợp kim cơ bản bảo đảm độ bền ăn mòn của kim loại, đặc biệt trong môi trường oxy hoá là Crôm Crôm tinh khiết có độ bền hoá học cao do tạo thành màng oxit phủ lên bề mặt của chúng Khi thêm Cr vào thép thì chúng tạo thành dung dịch rắn với sắt và làm tăng độ chống gỉ của thép, nhưng chỉ có tác dụng khi hàm lượng của chúng trong thép từ 11,7% Giới hạn này cũng được xác định khi nghiên cứu dung dịch rắn Fe-Cr, ở đây sự thay đổi thế rõ ràng khi hàm lượng 12 – 13%Cr Hàm lượng Cr càng cao thì khả năng chống gỉ của hợp kim trong môi trường khí quyển và trong hàng

Các nguyên tố hợp kim khác, khi đưa vào thép thì có thể làm tăng hoặc giảm tính chống gỉ của hợp kim Fe-Cr Thí dụ, các bon liên kết với Cr trong phân tử cácbit Cr23C7 và v v…làm nghèo chúng trong dung dịch rắn

Do đó để đảm bảo tính chống gỉ theo yêu cầu của thép cần phải đưa Cr vào với lượng lớn hơn Như khi hàm lượng cácbon từ 0,15-0,20% thì hàm lượng

Cr không được nhỏ hơn 13-14% (1)

Thép Cr chỉ bền trong môi trường liên quan tới axit- chất oxy hoá Thí

dụ đối với HNO3, do độ bền của chúng được kích thích bởi sự tương tác thụ động hoá chống gỉ của Cr Sau khi nhiệt luyện thép Cr làm việc tốt trong môi trường khí quyển và môi trường nước ngọt Trong nước biển độ bền của chúng không lớn lắm do có sự ăn mòn điểm

Thép Cr-Ni ( kiểu X18Ni9) có tính chống gỉ trong một số môi trường xâm thực cao hơn rất nhiều Sau khi tôi thành austenit và đồng nhất về cấu trúc, điều này bảo đảm độ bền cũng như chống ăn mòn điện hoá Tuy nhiên

ở điều kiện nhiệt độ tăng cao, trong thép xảy ra sự phân rã austenit cùng với

sự làm giàu cácbit Cr trên biên giới hạt và làm nghèo Cr trên biên giới hạt

Cùng với sự tăng nhiệt độ (từ 500 – 8000C), tăng hàm lượng các bon

và thời gian giữ khi đốt nóng thì cũng làm tăng sự phân huỷ austenit, điều này ảnh hưởng xấu đến độ bền ăn mòn tinh giới của thép Thép không gỉ kiểu Cr-Ni cũng rất nhạy cảm đối với lưu huỳnh, bởi vì khi hàm lượng lưu huỳnh tăng sẽ tạo thành NiS phân bố theo biên giới hạt làm giảm độ bền ăn mòn tinh giới Bởi thế hàm lượng S trong thép loại này không nên vượt quá 0,020%

Thép không gỉ hệ Cr-Ni bền trong môi trường axit nitric, axit sunfuric lạnh, nhưng không bền trong môi trường HCl Nếu hợp kim hóa thêm các nguyên tố như Mo, Cu thì làm tăng tính chống gỉ của thép không gỉ Để tăng tính chịu nhiệt của thép chống lại ăn mòn không khí ở nhiệt độ cao thì người

ta có thể hợp kim hóa thép bằng các nguyên tố Cr, Al, và Si Các nguyên tố này có ái lực hóa học với oxy cao hơn so với Fe, bởi thế chúng sẽ khuyếch tán từ lớp bên trong của kim loại đến bề mặt để gặp oxy và nồng độ của chúng trong màng oxit sẽ tăng lên

1.1.3 Những phương pháp đánh giá tính chống gỉ của vật liệu kim loại

Để xác định tính chống gỉ của thép, phương pháp phổ biến nhất là xác định theo độ giảm trọng lượng hoặc độ giảm chiều dày của lớp kim loại và phương pháp đường cong phân cực

Theo tài liệu từ công trình (1), có 2 phương pháp đánh giá:

* Phương pháp đánh giá theo độ giảm chiều dày của lớp kim loại hoặc hợp kim bị ăn mòn trong một đơn vị thời gian (mm/năm)

+ Trong môi trường ăn mòn yếu (không khí, nước….)

- Tốc độ ăn mòn <0,01 mm/năm được coi là hoàn toàn không gỉ

- Tốc độ ăn mòn <0,1 mm/năm được coi là không gỉ

- Tốc độ ăn mòn >0,1 mm/năm được coi là bị gỉ

+ Trong môi trường ăn mòn mạnh (axit, muối, bazơ…)

- Tốc độ ăn mòn <0,1 mm/năm được coi là hoàn toàn không gỉ

- Tốc độ ăn mòn <1 mm/năm được coi là không gỉ

- Tốc độ ăn mòn >1 mm/năm được coi là bị gỉ

* Phương pháp đánh giá theo độ giảm trọng lượng trên một đơn vị diện tích, trong một đơn vị thời gian (g/m2h)

- Độ giảm trọng lượng < 0,1g/m2h đạt loại 0 (loại tốt): được coi là hoàn toàn không gỉ

- Độ giảm trọng lượng từ 0,1 – 1,0 g/m2h đạt loại 1 (loại đạt yêu cầu): được coi như không gỉ

- Độ giảm trọng lượng > 1,0g/m2h đạt loại 2 (loại không đạt): được

Giữa hai đại lượng này có mối quan hệ 1g/m2h = 0,122mm/năm

1.1.4 Xử lý bề mặt thép không gỉ

Để tăng tính chống gỉ cho sản phẩm thì bề mặt sản phẩm phải nhẵn, bóng không có khuyết tật bề mặt như nứt, rỗ…Do đó người ta rất chú trọng đến khâu xử lý bề mặt sản phẩm thép không gỉ ngay từ khâu cán, rèn và chế tạo sản phẩm

- Xử lý bề mặt thỏi đúc: Để loại bỏ khuyết tật bề mặt thỏi đúc người ta

sử dụng ba dạng xử lý bề mặt:

+ Tiện lớp vỏ bề mặt thỏi đúc trên máy tiện

+ Làm sạch toàn bộ hay một phần lớp vỏ thỏi đúc bằng máy mài + Làm sạch bề mặt thỏi đúc bằng tia lửa với sự trợ giúp của máy cắt hơi đặc biệt

- Xử lý bề mặt sản phẩm sau gia công cơ khí

Để xử lý bề mặt sản phẩm sau gia công cơ khí người ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

+ Đánh bóng bề mặt bằng cát, sau đó bằng phớt niken

+ Dùng phương pháp đánh bóng điện hoá

+ Dùng phương pháp tẩy rửa hoá học Có thể dùng hỗn hợp tẩy rửa

là axit HNO3 + HCl hoặc hỗn hợp NaCl + NaF + HNO3

Tuỳ mục đích sử dụng mà người ta có thể sử dụng một phương pháp hoặc đồng thời nhiều phương pháp khác nhau nhằm tạo ra được bề nặt sản phẩm đạt yêu cầu và có hiệu quả kinh tế nhất

1.2 Thép bền chịu ăn mòn

Thép mà theo đó vừa có độ bền cao, vừa có tính chống gỉ (chịu ăn mòn) trong một vài môi trường thì được gọi là thép bền chịu ăn mòn Theo tài liệu (2) đưa ra một số mác thép bền chịu ăn mòn như bảng 1

Bảng 1 Thành phần hóa học của thép bền chịu ăn mòn

C Cr Mo V 9X18(440B) 0,9 18 - -

Loại X14Mф

1,15 14,5 4,0 1,2

Để tạo ra độ bền chịu ăn mòn của thép với môi trường xung quanh,

người ta thường sử dụng nhiều loại thép mactensit có 11-12% Cr Những

thép này trước hết phải giảm hàm lượng cacbon Song vì cần thiết đảm bảo

một độ cứng cao mà khả năng giảm cacbon như vậy là hạn chế độ cứng Độ

cứng lớn nhất (sau tôi và nguội trong dầu) như sau:

Bằng cách gia công nguội, có thể tăng độ cứng thứ cấp thêm 1-2 HRC,

song độ bền và độ dẻo lại bị giảm đi

Trong thép 0,9 %C việc tăng nồng độ crôm trong pha mactensit được

tạo ra bằng cách tăng hàm lượng crôm trong thép đến 18% Thép 440B có

độ bền chống ăn mòn sau khi tôi ở 1075-1100 oC; khi đó trong pha mactesit

có 11%Cr và 0,25% C Phần crôm còn lại nằm ở trong các loại cácbit

Nếu thép có 1,0 – 1,2 % C thì cần thiết hợp kim hoá thêm molipden

Molipđen sẽ kết hợp với một phần crôm trong cácbit M23C6, làm cho nồng

ra molipden còn kích thích sự biến cứng khuyếch tán khi ram và tạo khả năng làm tăng độ cứng thứ cấp và tăng độ bền chịu nhiệt

Trong thép có 18 % Cr có thể chứa 0,6-0,8 % Mo và trong thép có 14 %

Cr cần phải chứa tới 1,4-1,8 % Mo Đặc trưng nồng độ của dung dịch rắn là điện trở thì hoàn toàn như nhau ở các mác thép 440B và 440C sau tôi

Ngoài ra độ bền chịu ăn mòn của thép còn phụ thuộc vào:

- Trạng thái cấu trúc nhận được sau ram Sau khi ram ở 150 – 400 oC, hầu như không làm giảm hàm lượng crôm trong pha mactesit, thép tuyệt đối bền vững (cấp 1) trong nước sôi, hơi nước, không khí ẩm và khô, với axit hữu cơ lạnh Sau khi ram cao hơn 500 – 550 oC, sẽ tạo ra cacbit crôm và dung dịch rắn bị làm nghèo đi, do vậy độ bền chống ăn mòn giảm xuống

- Trạng thái bề mặt của dụng cụ: Độ bền chống ăn mòn tăng lên sau khi thép được đánh bóng

Các thép SUS440B và SUSS440C được sử dụng làm dụng cụ, chủ yếu

là dụng cụ phẫu thuật (dao, kéo, panh…) mà các dụng cụ này cần độ cứng

và độ chịu ăn mòn cao Thép 440C có độ cứng cao sau ram ở 150 oC và ở 350-400 oC, sau khi mài thô và mài bóng là 58-59 HRC

Thép SUS440C có khoảng nhiệt độ tôi hẹp và độ cứng cao hơn

Thép SUSS440B dùng chế tạo dụng cụ có độ cứng thấp hơn, trong đó

có cả những dụng cụ gia công đồ gỗ

1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên tính chất của thép

1.3.1 Ảnh hưởng của Cacbon

Cacbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, kìm hãm sự chuyển biến Mactenxit và do đó làm tăng độ ổn định của pha Austenit Do có khả năng tạo thành cácbit có độ cứng cao nên cacbon là nguyên tố tăng bền rất tốt Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cacbon giảm do có sự thay đổi

cấu hình của cacbit Nếu có các nguyên tố tạo cacbit mạnh trong hợp kim thì cacbon chủ yếu tập trung ở những vị trí hình thành cacbit, do đó khi tăng hàm lượng C sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cacbit, dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn và làm thay đổi tính chất của hợp kim Cacbon làm giảm tính dẻo, giảm khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim Vì vậy hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa cacbon ở lượng tương đối ít, đặc biệt là đối với những loại thép làm việc trong môi trường xâm thực mạnh (các bon thường ≤ 0,03%) Thép không gỉ mactenxit thường chứa 0,05 ÷ 0,3%C, trừ các mác để chế tạo dụng cụ yêu cầu độ cứng và độ bền cao như SUS440 có thể chứa từ 0,6 ÷ 1,2%C

1.3.2 Ảnh hưởng của Crôm

Hình 1 Giản đồ trạng thái Fe – Cr (3)

Crôm là nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chống gỉ của thép không gỉ Để bảo đảm tính chống gỉ trong môi trường xâm thực yếu và trong không khí ẩm, hàm lượng Crôm phải ≥12%

Hợp kim FeCr ở trạng thái rắn tạo ra một số dung dịch rắn γ, γ+α và α (xem hình 1) Cr là nguyên tố mở rộng vùng Fe - α, với bất kỳ nồng độ Cr nào cũng có thể tạo ra tổ chức một pha của ferit, là dung dịch rắn giữa Fe- α

và Cr

Ở hàm lượng 1 - 2% Cr hòa tan hoàn toàn trong sắt do bán kính nguyên tử của Cr gần bằng của Fe nên trong mạng tinh thể Fe - α, các nguyên tử Cr nằm trong các nút mạng thay thế các nguyên tử Fe tạo nên dung dịch rắn thay thế có các tính cơ học cao hơn Nguyên tố Cr còn nâng cao tính chống gỉ của thép Đặc biệt khi hàm lượng Cr ≥12%

Khi hàm lượng Cr trong thép tăng lên 2% thì sẽ tạo ra các loại cacbit Crôm đặc biệt, có công thức hóa học là Cr7C3 Loại cacbit này rất ổn định và chỉ hòa tan trong austenit khi nung ở 1040 ÷ 10700 C

Khi hàm lượng Cr từ 10 ÷ 12% trở lên sẽ tạo thành loại cacbit phức tạp Sự hình thành các loại cacbit này phụ thuộc vào hàm lượng crôm và cacbon như đưa ra ở hình 2 Nhờ có các loại cacbit này mà thép có độ cứng cao và chịu mài mòn tốt Crôm ảnh hưởng đến chuyển biến γ↔α , ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển biến và điều kiện tiết cacbit từ dung dịch rắn

Ta đã biết rằng, khi trên bề mặt kim loại và hợp kim tạo được một lớp màng oxít có khả năng ngăn ngừa không cho các ion thấm qua và bám chặt vào kim loại nền Chính lớp màng này đã ngăn cản sự oxy hoá tiếp theo, tạo cho kim loại và hợp kim ở vào trạng thái thụ động Đó là lớp màng thụ động Khả năng chống gỉ của hợp kim phụ thuộc vào tính chất vật lý và hoá học của lớp màng bảo vệ này Trong các nguyên tố hợp kim thì crôm có vai trò

quan trọng trong việc làm bền vững lớp màng thụ động, vì nó có ái lực hoá học với oxy cao hơn sắt Để bảo đảm tính chống gỉ, hàm lượng crôm phải

≥12% Đối với thép làm dụng cụ, hàm lượng Cr phải đạt trên 12% để bảo đảm tính chống gỉ Ngoài ra còn phải thêm một lượng Cr kết hợp với Cacbon tạo ra các bít để bảo đảm độ cứng và tính chịu mài mòn cao Vì vậy thép làm dụng cụ như dao, dụng cụ y tế, vòng bi chịu ăn mòn nước biển… phải có hàm lượng Cr khoảng 16 ÷ 18 %

Molipđen mở rộng vùng α hơn cả Cr, thu hẹp vùng γ và có xu thế mở rộng vùng pha xecma (σ) về phía nồng độ Cr thấp, nên khi sử dụng Mo nên chú ý đến xu thế tạo pha xecma của nó Molipđen là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh Cacbit molipđen có tính ổn định cao, khó hòa tan vào austenit khi nung Molipđen còn làm tăng mạnh độ thấm tôi của thép, cải thiện tính chống ram, do Mo tạo ra độ cứng thứ cấp khi ram (do tạo thành Mo2C ), làm giảm sự nhạy cảm đối với hiện tượng dòn ram

Trong thép không gỉ làm dụng cụ như dao, dụng cụ y tế,… Mo làm tăng độ thấm tôi, tăng độ cứng, tăng tính chống gỉ và tăng tính chống mài mòn Hàm lượng Mo trong thép này nằm trong khoảng 0,25 ÷ 0,75

1.3.4 Ảnh hưởng của Si

Trong thép không gỉ Mactenxit có 17%Cr, Si làm tăng nhiệt độ AC3lên 70 ÷ 900C, làm hạ tốc độ tôi tới hạn Sự chuyển biến γ→α xảy ra ở trong thép chứa 0,36%Si ở 2150C, trong thép chứa 1,2%Si ở 1900C Hàm lượng Si trong thép tăng làm giảm độ bền sau tôi ở nhiệt độ cao Đối với thép có hàm lượng Si càng cao, độ dai va đập sau ram ở 7000C càng giảm, thép có 1,2%Si độ dai va đập giảm đến 5,5kg.m/cm2, thép có 1,95%Si độ dai va đập giảm đến 1,3kg.m/cm2 Sự giảm độ dai va đập ở 7000C liên quan đến sự tạo thành Silicua Khi tăng hàm lượng Si, độ bền ăn mòn trong axit nitric bị giảm nhiều

1.3.5 Ảnh hưởng của Mn

Mangan được cho vào thép khi nóng chảy để khử oxy cũng như làm giảm tác dụng độc hại của lưu huỳnh Mangan được coi là nguyên tố hợp kim hoá nếu hàm lượng trong thép lớn hơn 1% Mn làm tăng độ dai va đập của thép Khi hàm lượng Mn trong thép cao, độ bền trong axit HNO3 xấu đi rất nhiều, nhưng lại tăng lên rất nhiều trong axit Photphoric Mn là nguyên tố hợp kim

mở rộng vùng γ Đối với C, Mn cũng tạo thành cacbit dạng (Mn, Fe)3C Cacbit mangan dễ hòa tan vào dung dịch rắn và cũng dễ tiết ra từ dung dịch rắn khi ram Mn làm tăng mạnh độ cứng và độ bền của ferit Mn cũng làm tăng mạnh độ cứng của austenit Khi nung để tôi hợp kim chứa C cao thì cacbit mangan dễ hòa tan vào austenit, độ bão hòa Mn trong dung dịch rắn tăng lên Do đó sự phân hủy austenit khi làm nguội thép Fe- Cr-C chứa 1%Mn xảy ra rất chậm Tốc độ làm nguội khi tôi nhỏ tính thấm tôi cao, nên

có thể tôi trong môi trường yếu (như dầu) Ưu điểm của thép chứa Mn là giảm chiều hướng biến dạng và tăng tính thấm tôi Mangan còn liên kết với lưu huỳnh tạo thành hợp chất hoá học bền vững MnS nên làm giảm sự bở nóng của thép, khi hàm lượng Mn từ 1-1,2% thì độ bền của thép được tăng lên

1.3.6 Ảnh hưởng của Ni

Ni là nguyên tố mở rộng vùng γ rất mạnh, làm tăng tính ổn định của austenit Do đó khi tăng hàm lượng Ni trong hợp kim thì lượng austenit dư sau tôi cũng tăng lên Điều này nên tránh trong thép làm dụng cụ, loại thép cần ổn định về kích thước trong quá trình sử dụng Trong thép không gỉ làm dụng cụ , người ta khống chế lượng Ni ≤ 0,75%

1.4 Lựa chọn mác thép nghiên cứu

Trong các loại thép không gỉ, thì thép không gỉ mactenxit là loại được phát hiện sớm nhất và rẻ tiền nhất Để tạo ra độ bền chịu ăn mòn của thép với môi trường xung quanh, người ta thường sử dụng nhiều thép mactensit 11-12% Cr Những thép này trước hết phải giảm hàm lượng cacbon Song vì cần thiết đảm bảo một độ cứng cao mà khả năng giảm cacbon như vậy là hạn chế độ cứng Các loại thép không gỉ dùng để chế tạo dụng cụ như dụng cụ y

bi…thường phải có độ bền cao, độ cứng cao, độ bền mỏi và độ chống mài mòn cao Để bảo đảm được các yêu cầu đó thì thép phải chứa nhiều cácbon (khoảng 1%) Và để bảo đảm tính chống gỉ cao trong các môi trường xâm thực thì phải cần lượng crôm trong thép đủ lớn để đảm bảo vừa kết hợp với cácbon tạo thành các bit làm cho thép có độ cứng cao vừa bảo đảm hàm lượng crôm trong dung dịch rắn cao để tạo cho thép có tính chống gỉ tốt Do

đó để đảm bảo yêu cầu này lượng Cr trong thép phải đạt 16-18% Ngoài ra

để nâng cao tính chống gỉ và các tính chất cơ lý khác người ta còn hợp kim hoá thêm niken ở khoảng ≤ 0,75%, và Mo từ 0,3-0,75% Bởi vì molipden kết hợp với một phần crôm trong cácbit M23C6, do đó làm cho nồng độ crôm trong dung dịch tăng lên và làm tăng độ bền chống ăn mòn Ngoài ra molipden còn kích thích sự biến cứng khuyếch tán khi ram và tạo khả năng làm tăng độ cứng thứ cấp và tăng độ bền chịu nhiệt Trong thép có 18 % Cr

có thể chứa 0,6-0,8 % Mo Dựa vào những phân tích nêu trên chúng tôi đã chọn nghiên cứu công nghệ để sản xuất loại thép SUS440B, là loại thép bền chịu ăn mòn như đã nêu ở mục 1.2 để sử dụng trong công nghiệp và đời sống

Thành phần hoá học và tính chất cơ lý của thép SUS440B và các mác thép tương đương được nêu trong bảng 2 và 3

Bảng 2: Thành phần hoá học của thép SUS 440B và các mác thép

≤1,0 ≤1,0 ≤ 0,04 ≤0,03

16,0 ÷ 18,0

≤ 0,60

≤ 0,75

≤ 0,8 ≤ 0,8 ≤0,03 ≤ 0,025

17,0

÷ 19,0

≤1,0 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,03

16,0 ÷ 18,0

- 0,75 ≤ 8Cr17

GB 1220 – 92

(Trung Quốc)

0,75

÷ 0,95

≤1,0 ≤1,0 ≤0,035 ≤0,03

16,0 ÷ 18,0

≤ 0,60

≤ 0,75

Bảng 3: Tính chất cơ lý của thép không gỉ SUS440B

2 ) độ cứng sau ủ

(HRB)

Độ cứng sau tôi +ram (HRc)

PHẦN 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU 2.1.Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu, lựa chọn mác thép thích hợp để chế tạo dụng cụ (dao nhà bếp)

- Xác lập được quy trình công nghệ chế tạo thép SUS440B gồm các bước:

• Công nghệ nấu luyện

• Công nghệ tinh luyện

• Công nghệ rèn

• Công nghệ nhiệt luyện

• Công nghệ xử lý bề mặt

- Xác định các tính chất: tính chống gỉ, độ cứng, độ bền, thành phần hoá học, cấu trúc của vật liệu

- Từ mác thép nghiên cứu chế tạo được 20 sản phẩm

- Dùng thử sản phẩm để đánh giá chất lượng

- Báo cáo tổng kết đề tài

2.2 Phương pháp nghiên cứu:

- Dựa trên các tài liệu, tiêu chuẩn trong nước và nước ngoài, dựa vào điều kiện thiết bị thực tế ở Viện Luyện kim đen và các cơ sở trong nước để lựa chọn công nghệ phù hợp cho việc chế tạo sản phẩm

- Sử dụng lò trung tần Radyne (Anh) để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện, dùng thiết bị tinh luyện điện xỉ có công suất 100KVA để tinh luyện thép

- Nung phôi bằng lò phản xạ, rèn thép bằng búa 450kg Ủ, tôi và ram sản phẩm trên dây truyền nhiệt luyện của công ty TNHH một thành viên Vạn Xuân Nhiệt luyện mẫu thí nghiệm bằng lò dây điện trở CΗOΛ-1,6.2,5.I/II-MIY.4.2 của Viện Luyện Kim Đen

- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học và quang phổ phát xạ (máy quang phổ ARL 3460, Thuỵ Sĩ) để xác định thành phần hoá học Sử dụng các thiết bị thử hiện đại của các cơ sở nghiên cứu để xác định độ cứng (máy đo độ cứng HPO 250 và TK 2M , Liên Xô cũ) Để xác định cấu trúc của thép sử dụng kính hiển vi quang học AXIOVERT (CHLB Đức)

- Đánh giá khả năng chống gỉ của thép bằng phương pháp điện hoá trên thiết bị CMS100 (Mỹ)

- Chế tạo sản phẩm từ thép nghiên cứu của đề tài tại một số cơ sở sản xuất trong nước để đánh giá chất lượng thép

- Tổng kết các kết quả nghiên cứu và nêu được quy trình sản xuất theo điều kiện trong nước

PHẦN 3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Công nghệ chế tạo thép SUS440B

3.1.1 Công nghệ nấu luyện

Thép SUS440B là thép không gỉ hệ Cr có hàm lượng cacbon cao, có thành phần hoá học như sau : C : 0,75 – 0,95%; Si ≤ 1,0%; Mn ≤ 1,0%; P ≤ 0,045%; S ≤ 0,03%; Cr : 16 – 18%; Ni ≤ 0,6%; Mo ≤ 0,75% Để bảo đảm hàm lượng cacbon của mác thép cần phải chú ý tới độ cháy hao của cacbon Dựa vào cháy hao thực tế được đúc rút trong nhiều năm sản xuất và nghiên cứu thép hợp kim của Viện để tính phối liệu cho các mẻ luyện thép nghiên cứu Nguyên liệu cần được chọn lọc và phân tích chính xác để giúp cho việc tính phối liệu dễ dàng, thép có thành phần đúng mác

Để nâng cao cơ tính của thép, chúng tôi cố gắng khống chế hàm lượng các tạp chất có hại như : lưu huỳnh, phốt pho xuống càng thấp càng tốt Khi luyện thép cố gắng đạt hàm lượng P ≤ 0,025 và S ≤ 0,025%

Trong điều kiện thiết bị của nước ta, cũng như trong khuôn khổ đề tài chúng tôi sử dụng lò cảm ứng trung tần dung lượng 300kg/mẻ, kiểu Radyne của Anh để nấu luyện thép mác SUS 440B

Trên cơ sở thành phần hoá học đã chọn, đặc tính của thiết bị công nghệ, chúng tôi đã lựa chọn các nguyên liệu như trong bảng 4 và dựa vào hệ số cháy hao của các nguyên tố (bảng 5) để tính phối liệu mẻ nấu số 1 như trong bảng 6

Bảng 4: Thành phần các nguyên liệu chính dùng để luyện thép SUS440

Nguyên liệu Thành phần hoá học (%)

C Mn Si Cr Ni Mo P S 1) Phế thép Ct3 0.18 0.39 0.35 - - - 0.025 0.008

Bảng 5 Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %

Bảng 6: Phối liệu các mẻ nấu (tính bằng kg)

Quy trình nấu luyện được tiến hành như sau:

• Thứ tự xếp liệu: xếp một lượt thép phế, sau đó xếp niken kim loại,

FeCr các bon cao, FeCr các bon thấp, FeMo (đã được sấy khô), thép

phế

• Đóng điện, chạy 60% công suất trong 6 – 8 phút Sau đó từ từ nâng

lên cực đại Khi liệu ở dưới nồi đã chảy thì chọc liệu và cho thêm

liệu mới đến hết mẻ liệu

• Sau khi liệu chảy hoàn toàn, cho chất tạo xỉ Xỉ cần có độ kiềm lớn hơn hoặc bằng 2

• Cho ferrosilic75, ferromangan, sau 2-3 phút cho dây nhôm kim loại (1kg/tấn).Nhiệt độ ra thép 1620 oC Rót thép vào nồi rót đã được xấy khô tới nhiệt độ 800-900 oC và có sẵn phoi nhôm kim loại (1kg/tấn)

để khử ôxy trong thép lỏng

• Rót thép từ nồi rót vào khuôn có φ60mm để tạo phôi điện xỉ

• Tiến hành lấy mẫu phân tích thành phần hoá học của mẻ luyện, kết quả được nêu trong bảng 7

Từ kết quả phân tích chúng tôi nhận thấy thành phần hóa học của mẻ luyện đã đạt tiêu chí đề ra, nhưng để tận dụng lượng crôm có trong thép phế chúng tôi tiến hành luyện tiếp mẻ số 2, tận dụng tối đa hàm lượng Crôm có sẵn trong thép phế Ở đây chúng tôi sử dụng thép phế Cr17 là loại có tương đối sẵn trên thị trường Thành phần hoá học của thép phế và tỷ lệ phối liệu được ghi ở bảng 4 và bảng 6

Vì nhiều lý do, có thể do thành phần thép phế chưa thật đồng đều, lượng các bon đi vào thép nhiều hơn dự tính nên thành phần hoá học của mẻ

số 2 chưa đạt, hàm lượng C trong thép còn cao hơn thành phần cho phép Chúng tôi quyết định luyện mẻ số 3 vẫn sử dụng số lượng thép phế như cũ nhưng có điều chỉnh giảm lượng than điện cực và tính mức cháy hao ở giới hạn dưới Phối liệu mẻ số 3 được ghi ở bảng 6, thành phần hoá học các mẻ luyện được ghi ở bảng 7

Bảng 7: Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm

Từ các kết quả phân tích nhận được, chúng tôi thấy rằng tiến hành nấu luyện với 2 cách phối liệu khác nhau vẫn có được mác thép đạt yêu cầu đề

ra Như vậy tận dụng các loại thép phế liệu sẽ đưa lại nhiều lợi ích về kinh tế

mà các yêu cầu đối với mác thép vẫn đảm bảo Tuy nhiên cần phải chọn lọc

và phân tích chính xác thành phần hoá học của nguyên liệu

3.1.2 Công nghệ tinh luyện

Để bảo đảm yêu cầu đối với thép bền chịu ăn mòn, thép phải có hàm lượng phốt pho, lưu huỳnh thấp, phải sạch khí, hàm lượng ôxy, nitơ và hyđrô phải thấp hơn giới hạn cho phép Cấu trúc thỏi đúc phải là cấu trúc hạt mịn và đồng đều để bảo đảm cho các khâu gia công tiếp theo, dựa vào điều