NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP CHẤT LƯỢNG CAO MÁC ZU40CrMnMoV ĐỂ CHẾ TẠO CON LĂN ĐỠ PHÔI ĐÚC THÉP LIÊN TỤC
1. Mở đầu
Ngành công nghiệp thép nước ta trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ, nhiều nhà máy được đầu tư trang thiết bị hiện đại đã đáp ứng được nhu cầu thép xây dựng trong nước và còn xuất khẩu ra nước ngoài.
Trong quá trình đúc phôi thép liên tục, người ta dùng hệ thống con lăn để dẫn đỡ phôi thép sau khi ra khỏi khuôn đúc đến các khâu công nghệ tiếp theo. Do vậy, con lăn liên tục hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt như mài mòn, va đập và bị ôxy hóa trong môi trường nhiệt độ cao. Do đó thép dùng làm con lăn cần phải có cơ tính tổng hợp tốt để đảm bảo tuổi thọ, yêu cầu kỹ thuật cũng như an toàn thiết bị trong quá trình hoạt động.
Thép đúc hợp kim mác ZU40CrMnMoV có cơ tính tổng hợp cao, chịu được va đập, mài mòn và có khả năng chống ôxy hóa ở nhiệt độ cao nên hoàn toàn phù hợp để làm con lăn nói trên. Do tính chất ưu việt, thép ZU40CrMnMoV còn được sử dụng để chế tạo con lăn dẫn động, trục cán thép, các loại bánh răng cỡ lớn, trục dẫn động tải trọng nặng.
2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm
2.1 Công nghệ luyện thép
Thép ZU40CrMnMoV được nấu luyện bằng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ. Nguyên liệu đầu vào là sắt thép phế liệu và dùng các loại ferro để hợp kim hóa thép. Căn cứ vào thành phần hóa học thép ZU40CrMnMoV (bảng 1), đề tài đã dùng nguyên liệu đầu vào (bảng 2), hệ số cháy hao các nguyên tố hợp kim (bảng 3), để tiến hành phối liệu nấu luyện 04 mẻ thép ở bảng 4.
Bảng 1: Thành phần hoá học của thép ZU40CrMnMoV.
| Mác thép | Thành phần hoá học, % | ||||||||
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | V | Fe | |
| ZU40CrMnMoV | 0,37-0,45 | 0,90-1,20 | 0,20-0,45 | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 | 0,90-1,20 | 0,20-0,30 | 0,10-0,20 | còn lại |
Bảng 2: Thành phần hoá học của nguyên liệu dùng cho nấu luyện.
| TT | Nguyên liệu | Thành phần hóa học, % | |||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | V | P | S | ||
| 1 | Thép phế CT0 | 0,02 | 0,01 | 0,21 | 0,026 | 0,015 | |||
| 2 | Thép phế CT3 | 0,21 | 0,35 | 0,39 | 0,027 | 0,013 | |||
| 3 | Thép phế 38XM | 0,39 | 0,24 | 0,65 | 1,05 | 0,27 | 0,025 | 0,023 | |
| 4 | Thép phế SKD61 | 0,35 | 0,84 | 0,4 | 4,8 | 1,12 | 0,82 | 0,021 | 0,019 |
| 5 | Thép phế ZU40CrMnMoV | 0,37 | 0,34 | 1,04 | 0,96 | 0,30 | 0,18 | 0,024 | 0,014 |
| 6 | FeSi | 1,23 | 71,24 | ||||||
| 7 | FeMn | 1,12 | 60,95 | ||||||
| 8 | FeCr | 7,31 | 61,08 | ||||||
| 9 | FeMo | 1,26 | 51,21 | ||||||
| 10 | FeV | 51,23 | |||||||
| 11 | Bột grafit | 95,4 | |||||||
Bảng 3: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim.
| TT | Nguyên tố hợp kim | Hệ số cháy hao, % |
| 1 | Mn | 5 – 10 |
| 2 | Si | 6 – 10 |
| 3 | C | 10 -15 |
| 4 | Mo | 1 – 2 |
| 5 | Cr | 5 – 8 |
| 6 | V | 15 – 20 |
Bảng 4: Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm (đơn vị: kg).
| TT | Nguyên liệu | Mẻ 1 | Mẻ 2 | Mẻ 3 | Mẻ 4 |
| 1 | Thép phế CT0 | 660,0 | 515,0 | ||
| 2 | Thép phế CT3 | 110,0 | |||
| 3 | Thép phế 38XM | 550,0 | |||
| 4 | Thép phế SKD61 | 145,0 | |||
| 5 | Thép phế ZU40CrMnMoV | 680,0 | |||
| 6 | FeSi | 3,86 | 1,44 | 2,04 | 0,5 |
| 7 | FeMn | 9,24 | 4,55 | 8,46 | 0,5 |
| 8 | FeCr | 11,55 | 1,56 | 0,6 | |
| 9 | FeMo | 3,6 | 0,51 | 0,26 | 0,2 |
| 10 | FeV | 2,17 | 2,11 | 0,4 | |
| 11 | Bột graphit | 1,65 | 0,17 | 1,97 | 0,3 |
| Tổng cộng | 692,07 | 670,34 | 672,72 | 682,5 |
Qui trình công nghệ nấu luyện thép ZU40CrMnMoV thực hiện như sau:
– 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 CT0, CT3, 38XM, SKD61, ZU40CrMnMoV, FrCr, FeMo, 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, vớt xỉ cũ và cho chất tạo xỉ mới vào lò.
– Khi xỉ mới chảy hết, nhiệt độ thép lỏng đạt khoảng 1580 ¸ 1620 oC, cho FeV, FeMn để hợp kim hoá V, Mn và khử ôxy.
– Giữ 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 đổ thép lỏng vào để khử ôxy.
– Rót thép vào khuôn làm bằng hỗn hợp cát + nước thuỷ tinh + khí CO2 để đúc phôi làm con lăn. Khoảng nhiệt độ rót vào khuôn là Trót = 1540 – 1560 oC.
2.2 Công nghệ đúc thép
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 mác thép 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 đóng cứng nhanh bằng 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 2,5; 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 sấy bề mặt khuôn, đồng thời cho cháy hết cồn pha sơn khuôn.
– Sấy khuôn: Trước khi ráp khuôn, dùng đèn khò gas sấy khô khuôn.
Kiểm tra khuôn: 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 và tạp chất như đất, cát, sỏi.
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 ZU40CrMnMoV là Trót = 1540 – 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 con lăn, để nguội cùng khuôn trong khoảng 12 giờ, sau đó mới phá dỡ khuôn.
2.3 Công nghệ nhiệt luyện
Công nghệ ủ thép: Căn cứ vào thành phần hóa học của mác thép ZU40CrMnMoV, đã chọn phương pháp ủ hoàn toàn. Nhiệt độ ủ được tính theo công thức sau [2]:
Tu = Ac3 + (20 – 30 oC)
Thép ZU40CrMnMoV được ủ ở nhiệt độ Tu = 860 oC và làm nguội cùng lò, tốc độ nâng nhiệt vn = (100 – 120) oC/h. Sau khi ủ hoàn toàn nhận được tổ chức ferit – peclit, trong đó peclit ở dạng tấm. Với tổ chức này, thép dễ cắt gọt hơn.
Công nghệ tôi thép: Căn cứ vào thành phần hoá học của thép ZU40CrMnMoV và kích thước của con lăn, đã sử dụng công thức tính nhiệt độ tôi của thép như sau [2]:
Tt = Ac3 + (30 – 50 oC)
Nhiệt độ tôi Tt = 900 oC, giữ nhiệt 1 h, tốc độ nâng nhiệt vn = (100 – 120) oC/h. Với nhiệt độ như vậy có thể đảm bảo cho sự hòa tan các nguyên tố hợp kim như Mo, Cr, V và các loại cacbit vào dung dịch rắn g, chuẩn bị cho chuyển biến mactenxit trong quá trình làm nguội khi tôi thép. Môi trường tôi cho thép là dầu.
Công nghệ ram: Do bề mặt con lăn cần độ cứng và độ chống mài mòn cao nên đã chọn phương pháp ram thấp. Nhiệt độ ram thấp trong khoảng 150 – 250 oC [2]. Kết hợp với kinh nghiệm thực tế, đã chọn nhiệt độ ram cho thép ZU40CrMnMoV là Tr = 250 oC, giữ nhiệt 2,0h, làm nguội ngoài không khí ở nhiệt độ phòng. Sau khi ram, độ cứng thép giảm đi rất ít, ứng suất bên trong giảm đi đáng kể, do đó có tính dẻo, dai tốt hơn, khó bị phá hủy giòn hơn.
3. Kết quả đạt được
3.1 Thành phần hóa học
Sau khi nấu luyện thép ZU40CrMnMoV theo qui trình công nghệ như trên, đã phân tích thành phần hóa học của thép bằng máy quang phổ phát xạ MetalLap 75/80J MVU – GNR. Kết quả ở bảng 5 cho thấy thành phần các nguyên tố hợp kim nằm trong giới hạn tiêu chuẩn cho phép. Các tạp chất như S, P đều có hàm lượng thấp đảm bảo cho thép có độ sạch cao, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu về cơ tính và tổ chức tế vi của thép.
Bảng 5: Thành phần hoá học của thép ZU40CrMnMoV sau khi nấu luyện.
| Mẻ | Thành phần hoá học, % | ||||||||
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | V | Fe | |
| 1 | 0,384 | 1,016 | 0,382 | 0,027 | 0,018 | 1,106 | 0,294 | 0,191 | Còn lại |
| 2 | 0,398 | 0,966 | 0,42 | 0,028 | 0,020 | 1,301 | 0,254 | 0,161 | Còn lại |
| 3 | 0,408 | 0,914 | 0,405 | 0,025 | 0,015 | 0,961 | 0,224 | 0,177 | Còn lại |
| 4 | 0,401 | 1,014 | 0,375 | 0,024 | 0,018 | 0,981 | 0,264 | 0,169 | Còn lại |
3.2 Cơ tính
Sau ủ mềm, thép có độ cứng 263 HB. Với độ cứng này, thép thuận tiện cho gia công cắt gọt. Sau khi tôi và ram, thép có giới hạn bền sb = 857 MPa, độ giãn dài d = 12 %, độ dai va đập Ak = 13 J.cm-2, độ cứng 55 HRC. Các kết quả này là giá trị trung bình sau 03 lần thí nghiệm được thể hiện ở bảng 6.
Bảng 6: Cơ tính của thép ZU40CrMnMoV.
| Trạng thái nhiệt luyện | Cơ tính | |||||||||||
| Độ cứng | Giới hạn bền,sb, (MPa) | Độ giãn dài, d (%) | Độ dai va đậpAk, (J.cm-2) | |||||||||
| M1 | M2 | M3 | M1 | M2 | M3 | M1 | M2 | M3 | M1 | M2 | M3 | |
| Ủ | 262 (HB) | 263 (HB) | 264 (HB) | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Tôi +ram | 55 (HRC) | 55 (HRC) | 54 (HRC) | 836 | 866 | 869 | 12 | 12 | 13 | 13 | 12 | 13 |
Ghi chú : M1, M2, M3 là mẫu thí nghiệm số 1, 2, 3.
3.3. Tổ chức tế vi
Tổ chức tế vi của thép ZU40CrMnMoV được kiểm tra bằng kính hiển vi quang học Axioplan 2 – Carl Zeiss (CHLB Đức) 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 ZU40CrMnMoV ở các trạng thái nhiệt luyện như sau:
– Sau khi ủ, thép có tổ chức ferit – peclit với các hạt cacbit nhỏ mịn phân bố đều trên nền ferit (hình 1, độ phóng đại x 200).
– Sau khi tôi, thép có tổ chức mactenxit hình kim dạng nhỏ mịn và một số cacbit chưa hòa tan (hình 2, độ phóng đại x 200).
– Sau khi ram, thép có tổ chức mactenxit ram hạt mịn và một số cacbit dư (hình 3, độ phóng đại x 200).
Hình 1: Tổ chức tế vi thép sau ủ. Hình 2: Tổ chức tế vi thép sau tôi. Hình 3: Tổ chức tế vi thép sau ram.
3.4. Thử nghiệm sản phẩm
Con lăn chế tạo từ thép ZU40CrMnMoV được chạy thử nghiệm trên dây chuyền công nghệ đúc phôi thép liên tục của Công ty TNHH Khoáng sản và Luyện kim Việt Trung. Sau một thời gian đưa vào sử dụng liên tục, bề mặt con lăn chưa thấy có hiện tượng bị mài mòn và nứt vỡ. Đánh giá bước đầu cho thấy, con lăn hoàn toàn đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật của công ty. Hình 4 là con lăn sau khi đã gia công hoàn chỉnh.
Hình 4: Con lăn đỡ phôi đúc thép liên tục hoàn thiện.
4. Kết luận
Sau khi thực hiện đề tài, chúng tôi rút ra được những kết luận sau:
– Việc lựa chọn thép mác ZU40CrMnMoV có cơ tính tổng hợp cao để chế tạo con lăn đỡ phôi đúc thép liên tục là hoàn toàn phù hợp. Ngoài việc dùng chế tạo con lăn, thép mác này còn dùng để chế tạo trục cán thép, bánh răng cỡ lớn và trục dẫn động của máy chịu tải trọng nặng.
– Đã xác định được công nghệ sản xuất thép mác ZU40CrMnMoV bao gồm các khâu:
+ Công nghệ luyện thép trong lò cảm ứng trung tần 750 Kg/mẻ. Nguyên liệu đầu vào là thép phế liệu và ferro hợp kim. Quá trình thao tác nấu luyện, hợp kim hóa đơn giản, dễ điều khiển thực hiện.
+ Công nghệ đúc: Sử dụng khuôn hỗn hợp cát + nước thủy tinh + khí CO2 để nghiên cứu công nghệ đúc đã cho kết quả tốt. Con lăn sau khi đúc có chất lượng tốt, không bị rỗ, nứt. Công nghệ đúc đơn giản, dễ thực hiện và hoàn toàn có khả năng áp dụng vào qui mô sản xuất công nghiệp.
+ Công nghệ nhiệt luyện: Phương pháp ủ hoàn toàn đã tạo cho thép có tổ chức ferit – peclit thuận tiện cho gia công cơ khí; tôi thép ở nhiệt độ 900 oC, làm nguội trong dầu và ram thép ở nhiệt độ 260 oC trong thời gian 2,0h, làm nguội trong không khí ở nhiệt độ phòng đã tạo cho thép có cơ tính tổng hợp tốt.
– Đề tài đã xác định được các tính chất của thép ZU40CrMnMoV bao gồm thành phần hoá học, cơ tính tổng hợp cao.
– Tổ chức tế vi sau tôi ram là mactenxit ram hạt mịn và một số cacbit dư. Tổ chức này phản ánh đúng được bản chất của mác thép đó là chống mài mòn, ôxy hóa và chịu va đập tốt.
– Kết quả sử dụng sản phẩm tại Công ty TNHH Khoáng sản và Luyện kim Việt – Trung đã cho thấy chất lượng của thép do đề tài chế tạo là tốt. Con lăn do đề tài chế tạo hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của công ty.
– Quy trình công nghệ chế tạo con lăn từ thép ZU40CrMnMoV hoàn toàn có thể mở rộng ở qui mô sản xuất công nghiệp.
5. Tài liệu tham khảo
[1]. PGS. TS. Trần Văn Di: Thép hợp kim, hợp kim, quy trình công nghệ sản xuất, NXB KH & KT, 2008;
[2]. TS. Nghiêm Hùng: Vật liệu học cơ sở, NXB KH & KT, 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. Ngô Trí Phúc, GS. TS. Trần Văn Địch: Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB KH & KT, Hà Nội, 2003;
[5]. Từ Tăng Khải: Tinh luyện ngoài lò, NXB KH & KT, Hà Nội, 2003;
[6]. ASTME 399-90, Plane-Strain Fractura Toughness of Metallic Materials, 2007;
[7]. B. Janson: Users Guide to Version 5.1, Royal Institute of Technology – Stockholm – Sweden, 2004;
[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, 2001;
[11]. Nguyễn Chung Cảng: Sổ tay nhiệt luyện, NXB KH & KT, 2007;
[12]. P. Lacomber and G. Beranger: Stainless Steel, Paris, 2001./.
