Nghiên cứu công nghệ chế tạo thép 9Cr18Mo để làm gối trục truyền máy cán thép
Nguyễn Hồng Phúc
Viện Luyện kim đen
1. Lời nói đầu
Thép hợp kim có khả năng chống gỉ và cơ tính tổng hợp cao được sử dụng để chế tạo các chi tiết hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, vừa chống được tính ôxy hóa vừa có khả năng bền cơ học cao đang là vấn đề cấp bách của ngành luyện kim trong nước. Trong nước, chúng ta chưa có các nhà máy sản xuất thép hợp kim chất lượng cao. Toàn bộ thép không gỉ, thép công cụ hợp kim đã qua khâu gia công áp lực chúng ta đều phải nhập ngoại. Nhu cầu các loại thép hợp kim có tính năng đặc biệt trong nước là rất lớn để sử dụng cho các ngành công nghiệp khác nhau.
Trong dây chuyền cán thép, gối trục dùng để đỡ trục cán. Khi hoạt động, gối trục chịu sự va đập do trục cán gây ra, bị rỉ do quá trình làm nguội bằng nước. Do vậy, thép làm gối trục phải thỏa mãn hai điều kiện đó là chống gỉ tốt và va đập cao.
Thép 9Cr18Mo thuộc họ mactenxit có khả năng chống gỉ tốt trong môi trường nước sông, nước biển và cũng có cơ tính tổng hợp cao nên chịu được va đập cao, do vậy được dùng để chế tạo bạc, bi lăn và gối trục làm việc lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt như tải trọng nặng, mài mòn, va đập lớn và môi trường xâm thực mạnh.
2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm
2.1 Công nghệ luyện thép
Thép 9Cr18Mo có thành phần C cao và nhiều nguyên tố hợp kim khác như Cr, Mo. Trong điều kiện thiết bị của nước ta cũng như nguồn nguyên vật liệu có sẵn trong nước và để đảm bảo chất lượng cao của mác thép, chúng tôi đã chọn thiết bị nấu luyện là lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ.
Quy trình nấu luyện thép 9Cr18Mo trong lò cảm ứng trung tần:
– Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO và CaF2 đã được nghiền nhỏ và sấy khô vào đáy lò.
- Xếp liệu gồm thép phế X17, CT3, hồi liệu 9Cr18Mo, FrCr , FeMo, bột Graphit vào lò sao cho liệu được xếp chặt nhất.
- Đóng điện cho lò hoạt động, sau đó tăng dần công suất lò để nấu chảy mẻ liệu. Chú ý dùng que chọc lò để tránh hiện tượng treo liệu. Khi mẻ liệu đã nóng chảy hoàn toàn thì vớt xỉ cũ và cho chất tạo xỉ mới vào lò.
- Khi xỉ mới chảy hết, nhiệt độ thép lỏng đạt khoảng 1580 oC ¸ 1620 oC thì cho FeMn để hợp kim hoá Mn và khử ôxy.
- Để nước thép lắng khoảng 5 ¸ 7 phút vớt xỉ và rót thép vào nồi rót đã được sấy nóng. Cho FeSi, Al kim loại vào nồi rót trước khi rót thép lỏng vào để khử ôxy.
- Rót thép vào khuôn đúc đã được làm bằng công nghệ cát – thủy tinh lỏng, đông cứng nhanh bằng khí CO2 để đúc gối trục truyền máy cán thép.
- Lấy mẫu khi rót thép để phân tích thành phần hoá học.
2.2. Công nghệ đúc
Hiện nay, trong nước nói chung và Viện Luyện kim đen nói riêng để đúc các chi tiết lớn, có hình dạng phức tạp bằng thép hợp kim chúng ta đang sử dụng phổ biến công nghệ đúc khuôn cát đông cứng nhanh, hỗn hợp làm khuôn bao gồm: Cát khô + nước thủy tinh + CO2 (khí). Công nghệ đúc này có ưu điểm là thực hiện đúc được nhiều sản phẩm có hình dạng và kích thước khác nhau, chi phí cho nguyên vật liệu làm khuôn thấp, đảm bảo được chất lượng sản phẩm đúc, thao tác, vận hành của người công nhân đơn giản. Căn cứ vào yêu cầu của sản phẩm khảo nghiệm, máy móc thiết bị đúc hiện có và kinh nghiệm đúc thép hợp kim chất lượng cao lâu năm của Viện Luyện kim đen, đề tài đã chọn công nghệ đúc bằng khuôn cát đông cứng nhanh như đã phân tích để tiến hành đúc nghiên cứu.
Chế tạo mẫu đúc: Vật liệu dùng cho mẫu đúc là gỗ mỡ. Khi chế tạo mẫu, cần lấy hệ số co dài của kim loại bằng 2,0 % (đối với thép đề tài đang nghiên cứu). Yêu cầu bề mặt mẫu đúc phải phẳng nhẵn.
Làm khuôn: Vật liệu làm khuôn bao gồm: Cát, nước thủy tinh và khí CO2. Yêu cầu kỹ thuật như sau:
– Cát thạch anh: Cỡ hạt (0,1 ÷ 0,16) được sấy khô.
– Nước thủy tinh 8 %; modun 1,8; tỷ trọng 1,4 kg/dm3 (42 ¸ 44 độ Bome), được trộn đều vào cát khô.
– CO2 ở dạng khí: Sau khi đã tạo hình khuôn hoàn chỉnh, thổi khí CO2 vào khuôn thông qua các lỗ dẫn khí.
– Hỗn hợp sơn khuôn: Bột Zr và 2 % nhựa thông, pha với cồn công nghiệp 90o để đạt tỷ trọng (1,5 ¸ 1,7) kg/dm3 (40 ¸ 50 độ Bome). Khi sơn xong mỗi nửa khuôn, tiến hành đốt ngay để cháy hết cồn và sấy sơ bộ bề mặt khuôn.
– Sấy khuôn: Trước khi ráp khuôn, dùng đèn khò gas sấy khô khuôn.
Kiểm tra: Trước khi ráp khuôn, cần kiểm tra kích thước, độ vững chắc của kết cấu khuôn. Yêu cầu trong lòng khuôn phải sạch, không bị sứt, mẻ, lồi lõm…
Rót thép vào khuôn: Trước khi rót thép, khuôn phải được giữ cố định cẩn thận, chắc chắn để tránh bị nổi khuôn dưới tác động của dòng thép lỏng. Khi rót thép phải đặc biệt chú ý đến nhiệt độ rót. Nhiệt độ rót của thép là Trót = 1550 ¸ 1560 oC. Thép được rót vào khuôn từ nồi rót. Tốc độ dòng rót kim loại lỏng ổn định và luôn duy trì đầy cốc rót.
Tháo dỡ khuôn: Vật đúc bằng thép hợp kim rất dễ bị nứt do ứng suất nhiệt, vì vậy cần phải kéo dài thời gian làm nguội vật đúc trong khuôn hoặc phải đem vật đúc vừa dỡ ra cho vào lò ủ ngay. Với phôi thép làm gối trục, đề tài đã để nguội cùng khuôn trong cát khô sau đó mới phá dỡ khuôn.
2.3. Công nghệ nhiệt luyện
Để thuận lợi cho việc gia công cơ khí và nâng cao được cơ tính tổng hợp thì thép 9Cr18Mo phải được nhiệt luyện. Nhiệt luyện thép 9Cr18Mo bao gồm hai dạng ủ mềm để gia công cơ khí và nhiệt luyện cuối cùng (tôi và ram thấp) để đạt cơ tính tổng hợp cao.
2.3.1. Công nghệ ủ thép
Thép 9Cr18Mo được ủ bằng phương pháp ủ đẳng nhiệt. Nung thép đến 860 oC, đồng nhiệt trong 3 giờ. Tốc độ nâng nhiệt Vn = 100 ¸ 120 oC/h, hạ nhiệt xuống 700 oC, giữ nhiệt trong 4 giờ, làm nguội cùng lò đến 400 oC, sau đó làm nguội thép ngoài không khí.
2.3.2 Công nghệ tôi
Thép 9Cr18Mo được tôi ở nhiệt độ 1000 oC, tốc độ nâng nhiệt Vn = 100 ¸ 120 oC/h, giữ nhiệt ở 1000 oC trong 1 giờ sau đó làm nguội trong dầu.
2.3.3 Công nghệ ram
Thép được ram thấp, nhiệt độ ram là 260 oC, giữ nhiệt 5 giờ, sau đó làm nguội thép trong không khí.
3. Kết quả đạt được
3.1 Thành phần hoá học
Thành phần hoá học của thép 9Cr18Mo sau khi nấu luyện được nêu trong bảng 5. Từ các số liệu trong bảng 5 tiến hành so sánh với mác thép của nước ngoài ta thấy với công nghệ nấu luyện mà đề tài đã đề xuất ở phần trên đã đảm bảo được thành phần hoá học nằm trong khoảng qui định cho phép từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu về cơ tính, cấu trúc của thép.
Bảng 1: Thành phần hoá học của thép 9Cr18Mo sau khi nấu luyện, (%).
| Mẻ | Thành phần hoá học | ||||||
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | |
| 1 | 1,02 | 0,48 | 0,63 | 0,026 | 0,016 | 16,61 | 0,63 |
| 2 | 1,03 | 0,43 | 0,61 | 0,024 | 0,021 | 16,23 | 0,61 |
| 3 | 1,06 | 0,44 | 0,64 | 0,027 | 0,019 | 16,36 | 0,58 |
3.2. Độ cứng
Độ cứng của thép 9Cr18Mo được nghiên cứu ở hai trạng thái nhiệt luyện ủ và tôi + ram thấp. Kết quả nghiên cứu được chỉ ra trên bảng 6. Từ kết quả ở bảng 6, ta nhận thấy độ cứng của thép do đề tài chế tạo đạt được tương đối cao. Từ đó cho thấy thép có khả năng chống mài mòn tốt.
Bảng 2: Độ cứng của thép nghiên cứu mác 9Cr18Mo.
| Lần đo | Độ cứng ở các trạng thái nhiệt luyện | |
| Ủ (HB) | Tôi + Ram (HRC) | |
| 1 | 266 | 56 |
| 2 | 266 | 56 |
| 3 | 266 | 56 |
3.3. Tổ chức tế vi
Đề tài đã tiến hành nghiên cứu tổ chức tế vi của thép 9Cr18Mo bằng kỹ thuật hiển vi quang học. Kỹ thuật hiển vi quang học được tiến hành trên các mẫu: Ủ, Tôi và ram.
Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học cho thấy tổ chức tế vi của thép 9Cr18Mo ở các trạng thái nhiệt luyện như sau:
– Trạng thái ủ, thép có tổ chức tế vi là peclit và cacbit trên nền ferrit
– Ở trạng thái tôi, thép có tổ chức tế vi là mactexit tôi hình kim và cacbit chưa hòa tan .
– Ở trạng thái ram, thép có tổ chức tế vi là mactenxit ram hạt mịn và cacbit
3.4. Sản phẩm
Gối trục được chế tạo và tiến hành kiểm tra khuyết tật, kích thước, độ cứng bề mặt sau đó được lắp đặt thử nghiệm tại giá cán thô đầu tiên của hệ thống máy cán thép thanh dùng trong xây dựng (Hệ thống máy cán của hãng Danieli – Ý). Bước đầu thử nghiệm cho thấy gối trục làm từ thép do đề tài chế tạo đạt được yêu cầu kỹ thuật của công ty, phù hợp với điều kiện làm việc của máy cán trục vận hành ổn định, chạy êm, không bị rung lắc mạnh. Chưa thấy có hiện tượng nứt vỡ gối trục sau thời gian dài cán thép. Độ cứng bề mặt làm việc của gối trục đạt được 55 HRC. So với gối trục công ty nhập khẩu nguyên chiếc theo dây truyền ban đầu của hãng Danieli – Ý thì chất lượng gối trục làm từ thép nghiên cứu 9Cr18Mo là tương đương.
4. Kết luận
Sau khi thực hiện đề tài, chúng tôi rút ra được những kết luận sau:
– Việc lựa chọn thép 9Cr18Mo có khả năng chống gỉ và cơ tính tổng hợp cao để chế tạo gối trục truyền máy cán thép là hoàn toàn phù hợp. Thép do đề tài chế tạo ra đạt tiêu chuẩn tương đương của mác nước ngoài tương ứng.
– Đã xác định được công nghệ sản xuất thép 9Cr18Mo bao gồm các khâu:
+ Công nghệ luyện thép: Thép được nấu luyện trong lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ. Nguyên liệu đầu vào là thép phế liệu và các loại ferro hợp kim.
+ Công nghệ đúc: Thép được đúc bằng khuôn cát đông cứng nhanh đã cho kết quả phôi đúc tốt, không bị rỗ, nứt.
+ Công nghệ nhiệt luyện: Bao gồm ủ, tôi, ram đã cải thiện nâng cao được cơ tính của thép.
– Đề tài đã xác định được các tính chất của thép 9Cr18Mo bao gồm: Thành phần hoá học đạt tiêu chuẩn của mác thép nước ngoài tương ứng, độ cứng bề mặt tương đối cao và tổ chức tế vi phản ánh đúng được bản chất của mác thép.
– Kết quả sử dụng sản phẩm là gối trục truyền máy cán thép đã khẳng định chất lượng của thép do đề tài chế tạo là tốt. Gối trục không bị nứt vỡ do hiện tượng mỏi và bị rỉ trong môi trường nước làm nguội.
5. Tài liệu tham khảo
[1]. PGS. TS. Ngô Trí Phúc, GS. TS. Trần Văn Địch: Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2003;
[2]. TS. Nghiêm Hùng: Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa học và Kỹ thuật 2007;
[3]. PGS.TS. Nguyễn Sơn Lâm, PGS. TS. Bùi Anh Hoà: Luyện thép hợp kim và thép đặc biệt, NXB KH & KT 2010;
[4]. PGS.TS. Trần Văn Di: Thép hợp kim, hợp kim, quy trình công nghệ sản xuất, NXB KH & KT 2008;
[5]. Từ Tăng Khải: Tinh luyện ngoài lò, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2003;
[6]. ASTM E 399-90: Plane-Strain Fractura Toughness of Metallic Materials;
[7]. B. Janson: Users Guide to Version 5.1 Royal Institute of Technology – Stockholm – Sweden;
[8]. Shi Chong Zhe and Wang Jing Yi: Journal of Iron and Steel Reseach, Vol. 8,N. 6, 1996;
[9]. Y.C Jung et al : ISIJ International, Vol. 35,N. 8, 1995;
[10]. O. Bletton : Stainless Steel, Paris, P. 447;
[11]. Nguyễn Chung Cảng: Sổ tay nhiệt luyện, NXB KH & KT 2007;
[12]. P. Lacomber and G. Beranger : Stainless Steel, Paris, P. 31./.
