Nghiên cứu công nghệ luyện thép 50B50 dùng chế tạo nòng súng bộ binh thông thường trong lò điện trung tần

ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt khác nhau như nhiệt độ cao, tải trọng lớn, chân không sâu, xâm thực mạnh… Các loại thép như vậy thường được hợp kim hoá bằng các nguyên tố khác nhau và trải qua các chế độ gia công cơ và nhiệt phù hợp. Các nguyên tố hợp kim thường là những vật tư đắt tiền nên giá thành của các loại thép hợp kim khá đắt. Trong bối cảnh của nền kinh tế thị trường, việc nghiên cứu tìm ra các loại vật liệu tốt và có giá thành cạnh tranh là một hướng đi của các nhà luyện kim hiện nay. Một trong các kết quả của hướng đi này là tạo ra thép hợp kim Bo (gọi là thép Bo) độ bền cao và giá thành cạnh tranh. Thép Bo là loại thép được hợp kim hoá bằng nguyên tố Bo với hàm lượng rất ít nên giá thành không tăng nhưng lại cải thiện được nhiều tính chất của thép, đặc biệt là cơ tính. Các loại thép Bo đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có ngành công nghiệp quốc phòng. Từ thực tế đó, nhóm sinh viên chúng em đã quyết định thực hiện đề tài “ Nghiên cứu công nghệ luyện thép 50B50 dùng chế tạo nòng súng bộ binh thông thường trong lò điện trung tần”. Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ nấu luyện thép Bo mác 50B50 đạt chất lượng cao bằng nguyên vật liệu và thiết bị có sẵn trong nước nhằm phục vụ cho ngành công nghiệp quốc phòng và các ngành kinh tế khác. Trong quá trình nghiên cứu do trình độ còn nhiều hạn chế đồng thời với phạm vi nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, điều kiện trang thiết bị, máy móc còn thiếu. Do đó trong đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót, vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn sinh viên để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Bùi Văn Mưu, ThS Ngô Quốc Dũng và các thầy cô giáo trong khoa: Khoa Học và Công Nghệ Vật Liệu, cùng toàn thể các bạn sinh viên đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này Hà Nội, tháng 6 năm 2008 Nhóm sinh viên thực hiện: Trần Đức Hưng Nguyễn Huy Phú Nguyễn Kim Tuân PHẦN I. TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề. Để đấu tranh, cải tạo thiên nhiên phục vụ cuộc sống, con người đã không ngừng tìm tòi, cải tiến các công cụ sản xuất. Trong lịch sử phát triển, loài người đã trải qua các thời kỳ đồ đá; thời kỳ đồ đồng, thời kỳ đồ sắt (gang - thép). Mỗi thời kỳ có những đặc trưng riêng. Nhưng khi sắt xuất hiện kéo theo những bước nhảy vọt về kinh tế và trình độ xã hội, đời sống xã hội thay đổi. Sự xuất hiện của đồ sắt là một bước ngoặt vĩ đại trong lịch sử loài người, sắt làm thay đổi hoàn toàn bộ mặt thế giới, đưa con người bước sang kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của sắt. Từ khi được phát hiện ra cho đến nay, qua từng thời đại, sắt (Fe) luôn là thứ vật liệu quan trọng chiếm vị trí hàng đầu trong số các loại vật liệu loài người sử dụng. Sắt có mặt khắp mọi nơi, đi sâu vào mọi ngành, mọi lĩnh vực đời sống sản xuất. Trong thời đại khoa học công nghệ phát triển ngày nay, rất nhiều vật liệu mới đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng mang lại hiệu quả như: Compozit, polyme, ceramix…Tuy nhiên, sản lượng các loại vật liệu mới này vẫn còn hạn chế, chưa thể thay thế được vai trò của thép trong trong đời sống nhất là trong các ngành công nghiệp: cơ khí, dầu khí, giao thông, quốc phòng, công nghệ thông tin… Ngày nay, có thể nói công nghệ sản xuất của ngành công nghiệp gang thép thế giới đã đạt đến trình độ tự động hoá ở mức độ rất cao. Hiện nay, hầu hết ngành công nghiệp thép ở các nước phát triển đang hướng nghiên cứu vào lĩnh vực nâng cao chất lượng, hạ giá thành, tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng về chủng loại nhằm thoả mãn nhu cầu ngày càng khắt khe của thị trường. 1.2. Tình hình sản xuất và nhu cầu thép trong nước và thế giới. 1.2.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ thép trên thế giới trong những năm gần đây. Hiện nay, tình hình sản xuất và tiêu thụ thép trên thế giới có nhiều biến động mạnh. Ngành công nghiệp thép thế giới bị chi phối bởi các yếu tố: - Sự tăng trưởng gần như bùng nổ của nền kinh tế Trung Quốc dẫn đến sự bùng nổ trong sản xuất và tiêu thụ thép tại Trung Quốc. Cho đến cuối 2006, Trung Quốc vẫn là nước có tốc độ tiêu thụ thép lớn nhất thế giới trong 3 năm gần đây với tốc độ tăng bình quân 20%/năm. Trong năm 2004, tiêu thụ thép của Trung Quốc là khoảng 262 triệu tấn, tăng 13% so năm 2003; trong khi tiêu thụ thép tại các nước còn lại đạt 642 triệu tấn, tăng 5%. Nhập khẩu ròng của Trung Quốc tăng lên hơn 3 lần, từ 13 triệu tấn lên 41 triệu tấn trong vòng chỉ 3 năm. - Sự tăng trưởng hồi phục của nền kinh tế Nga: Trong những năm 1990, phần lớn các nhà máy thép tại Liên Xô cũ, Ucraina và các nước Trung & Đông Âu đã hoạt động dư thừa công suất và đã bán ra thị trường thế giới với giá rẻ. Ngày nay, với sự tăng trưởng và phục hồi của nền kinh tế Nga, ngành công nghiệp đã hồi phục, sự hiện đại hoá các nhà máy thép cho phép Nga có khả năng cạnh tranh trong lĩnh vực thép bậc cao mà trước đây là lĩnh vực riêng ngành thép EU, Mỹ và Nhật Bản. - Sự phát triển năng động của các nước ASIAN: Hiện nay các nước trong khối ASIAN có tốc độ phát triển và năng động vào bậc nhất trên thế giới. Sức tiêu thụ thép ngày càng lớn và dần dần có ảnh hưởng tới tình hình thép trên thế giới. Bảng 1.1: Sản lượng thép trong trên thế giới trong vài năm gần đây (theo IISI) Năm Sản lượng (Triệu tấn) 2003 950 2004 1035 2005 1150 2006 1240 2007 1343 2008 1594 Nhìn chung sức tiêu thụ của EU, Bắc Mỹ, Nhật Bản phân tán giữa xu hướng ít thay đổi và xu hướng tăng trưởng nhẹ. Với khu vực này mức dao động trong năm 2010 là khoảng 20 đến 30 triệu tấn. Trong khi đó, Trung Quốc có mức dao động là 150 triệu tấn. Bảng 1.2: Sản lượng thép thô thế giới theo khu vực năm 2007. Khu vực 2006 2007 +/- (%) Tổng 1227,466 1315,074 7,1 Châu Á 654,334 727,135 11,1 Liên minh Châu Âu 202,627 210,566 3,9 Bắc Mỹ 131,547 132,579 0,8 C.I.S 119,455 123,563 3,4 Nam Mỹ 45,297 47,965 5,9 Châu Phi 18,392 18,684 1,6 Trung Đông 14,766 15,750 6,7 Châu Đại Dương 8,691 8,790 1,1 Thị trường thép Thế giới lại có tác động và ảnh hưởng không nhỏ đến thị trường thép Việt Nam. Ngành thép bị ảnh hưởng như vậy là do lượng thép nhập khẩu tương đối lớn. Sự biến động về giá cả của thị trường thế giới luôn ảnh hưởng đến thị trường trong nước, đặc biệt là thị trường Trung Quốc, một nước có đường biên giới với Việt Nam và có sản lượng thép lớn nhất thế giới. Theo các số liệu về nhu cầu tiêu thụ thép ở một số quốc gia dưới đây cho thấy nhu cầu tiêu thụ thép của các nước là tương đối lớn, nhu cầu thép của Việt Nam còn thấp so với mặt bằng chung của các nước khác. Bảng 1.3: Tiêu thụ thép tính theo đầu người ở một số nước khác và Việt Nam năm 2006 và 2007 (kg/người) (theo hiệp hội thép Việt Nam) Nước Singapo Hàn Quốc Trung Quốc Thái Lan Việt Nam Philipin Tiêu Thụ 1600 1200 420 340 230 180 Ta có thể thấy rằng tỷ lệ thép tính trên đầu người của Việt Nam còn thấp. Qua số liệu trên ta có thể đánh giá một cách tương đối về tốc độ phát triển xây dựng cơ sở hạ tầng cũng như nhu cầu thép trong tương lai gần của mỗi nước. Ngành luyện kim thế giới hiện nay đang từng bước được định hình lại theo xu hướng dần thay thế lượng bằng chất, có nghĩa là đưa vào sử dụng những loại vật liệu có độ bền cao, chất lượng tốt để thay cho những loại vật liệu thông thường có độ bền chưa cao. 1.2.2. Tình hình sản xuất và nhu cầu tiêu thụ thép trong nước. Ngành thép Việt Nam bắt đầu được xây dựng từ những năm đầu của thập kỷ 60. Khu liên hợp gang thép Thái Nguyên do Trung Quốc giúp đỡ xây dựng đánh dấu sự hình thành và phát triển của ngành thép Việt Nam. Từ năm 1989 đến năm 1990 thực hiện chủ trương đổi mới, mở cửa của Đảng và Nhà nước, ngành thép bắt đầu có sự tăng trưởng. Sản lượng thép trong nước đã đạt được trên 100.000 tấn/năm. Sản lượng thép cán năm 1995 đã tăng gấp 4 lần năm 1990 và đạt 450.000 tấn/năm. Từ năm 1996 đến năm 2000 ngành thép vẫn giữ được tốc độ tăng trưởng khá cao, tiếp tục đầu tư đổi mới và đầu tư có chiều sâu. Sản lượng thép cán cả nước năm 2000 đã đạt 1,57 triệu tấn, gấp hơn 3 lần năm 1995. Do có chính sách mở cửa, phát triển nền kinh tế thị trường nên đầu tư nước ngoài tăng lên nhanh chóng. Nhiều nhà máy mới, khu công nghiệp, khu đô thị…đã và đang được xây dựng. Ngoài ra, Đảng và Nhà nước đã đặt mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, phát triển các ngành công nghiệp mũi nhọn như xây dựng, đóng tàu, điện và điện tử, cơ khí chế tạo…nhu cầu thép sẽ không ngừng tăng lên. Bên cạnh lượng thép trong nước sản xuất thì Việt Nam còn phải nhập khẩu một lượng thép rất lớn. Nếu chỉ tính riêng sản xuất thép trong nước năm 2006 và năm 2007 chỉ đáp ứng được khoảng 40% nhu cầu (930.000 tấn). Do đó, Việt Nam phải nhập khẩu lượng thép lớn phục vụ nhu cầu tiêu thụ thép trong nước, đặc biệt là loại thép chuyên dụng. Vì hiện nay các nhà máy sản xuất thép ở nước ta mới chỉ sản xuất thép xây dựng. Ngành sản xuất thép của Việt Nam hiện nay đang có sự mất cân đối giữa cung và cầu. Do đó, đòi hỏi chúng ta phải đẩy mạnh sản xuất và nghiên cứu, giảm bớt sự phụ thuộc nhập khẩu dần xóa bỏ sự mất cân đối của ngành thép nói riêng và của nền kinh tế nói chung. 4000 4430 4900 5400 6200 8,000 21,700 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 2003 2004 2005 2006 2007 2010 2020 N¨m 1000T Hình 1.1: Nhu cầu thép cho đến năm 2020 Dựa vào mức độ tăng trưởng kinh tế chúng ta có thể dự báo được thị trường thép trong tương lai. Bảng 1.4: Tốc độ tăng trưởng bình quân của Việt Nam (theo JICA). Thời kỳ Tăng trưởng GDP Công nghiệp Tiêu thụ thép Bình quân dầu người Kg/USD 1998-2000 5¸6 % 9¸10 % 9% 0,081 2001-2005 7,5 % 8¸9 % 9,5¸10 % 0,083 2006-2010 6,5% 8¸9 % 9 % 0,085 Mục tiêu là phát triển ngành thép Việt Nam nhanh chóng trở thành một ngành phát triển hoàn chỉnh theo công nghệ truyền thống và ứng dụng các công nghệ hiện đại. Sử dụng tối đa nguồn quặng sẵn có trong nước, trên cơ sở xây dựng khu liên hợp luyện kim công suất 4-5 triệu tấn thép/năm, sử dụng tối đa và có hiệu quả nguồn nguyên liệu khoáng trong nước, áp dụng các công nghệ mới hiện đại đang được sử dụng trên thế giới. Từ thay thế nhập khẩu tiến tới xuất khẩu sản phẩm thép. Phấn đấu đến 2020 Việt Nam sẽ có một ngành thép phát triển bền vững với tốc độ tăng trưởng cao, bảo đảm tốt về chất lượng, đầy đủ về số lượng và chủng loại sản phẩm thép, đáp ứng cho nhu cầu phát triển kinh tế xã hội của đất nước. Phấn đấu năm 2020 đạt sản lượng 20 triệu tấn thép, trong đó sản xuất trong nước đạt 70% Bảng 1.5: Các chỉ tiêu chủ yếu của Việt Nam (theo JICA) Năm Tổng nhu cầu tiêu thụ thép (1000 T) Bình quân đầu người (kg/ng) GDP bình quân đầu người (USD/ng) Dự kiến tỷ lệ sản xuất(%) 2000 2500 31,5 380 2001 2730 34,1 408 2002 3000 37 438 2003 3270 39,5 470 2004 3580 43 505 2005 3900 46 543 2006 4350 50 700 2007 4800 55 775 2010 6000 65 1000 70 Sau đây là một số dự án xây dựng liên hợp luyện kim đã được công bố: Dự án nhà máy Liên hợp gang thép do Tập đoàn Tycoon Worldwide Group (Đài Loan) góp 60% vốn liên doanh với Tập đoàn Jinan Steel Group (Trung Quốc) góp 40% vốn. Địa điểm xây dựng: Khu kinh tế Dung Quất - Quảng Ngãi. Quy mô dự kiến: + Giai đoạn I: sản xuất 2 triệu tấn/năm theo công nghệ cổ điển lò cao – lò thổi oxy. + Giai đoạn II: tăng thêm 2,5 triệu tấn/năm. Sản phẩm: + Giai đoạn I: sản xuất phôi thép (một phần cho xuất khẩu). + Giai đoạn II: bổ xung cho sản xuất thép tấm, cuộn cán nóng, cán nguội. Lượng vốn đầu tư: + Giai đoạn I: 556 triệu USD + Giai đoạn II: 500 triệu USD Tổng vốn đầu tư là 1,056 tỷ USD. Thời gian xây dựng: + Giai đoạn I: đến năm 2009. + Giai đoạn II: đến năm 2014. - Tình hình triển khai: Đã được cấp phép tháng 9/2006 dự kiến khởi công tháng 5/2007. Nhưng tới tháng 6/2007 Tập đoàn Jinan (Trung Quốc) tuyên bố rút khỏi lien doanh và thay vào đó Tập đoàn Tycoon tuyên bố lầp liên doanh mới với công ty E.United (Đài Loan) nâng vốn đầu tư lên 3,3 tỷ USD và đã làm lễ khởi công xây dựng ngày 24/10/2007. Dự án nhà máy Liên hợp gang thép liên doanh giữa Tập đoàn Posco (Hàn Quốc) với Tập đoàn Tàu thuỷ Việt Nam (Vinashin) Địa điểm: khu Vân Phong , tỉnh Khánh Hoà. Quy mô: là khu liên hợp lớn (4-5) triệu tấn/năm dựa trên công nghệ Finex do Posco phát minh, vừa được khánh thành cuối tháng 5/2007 với môđun có công suất 1,5 triệu tấn ở Pohang (Hàn Quốc). Sản phẩm: thép tấm, thép cuộn cán nóng, cuộn cán nguội. Lượng vốn đầu tư: gần 4 tỷ USD. Thời gian xây dựng: chưa công bố. Tình hình triển khai: ký kết biên bản hợp tác nghiên cứu khả thi ngày 23/5/2007 có sự chứng kiến của Phó thủ tướng Nguyễn Sinh Hùng. Dự án nhà máy thép Liên hợp liên doanh giữa Tập đoàn TATA Steel (Ấn Độ) 65% với Tổng công ty Thép Việt Nam (VSC) 35% (TATA tham gia liên doanh với mỏ sắt Thạch Khê 30%). Địa điểm xây dựng nhà máy ở khu liên hợp Vũng Áng, Hà Tĩnh. Quy mô dự kiến (4-5) triệu tấn/năm theo công nghệ cổ điển lò cao – lò thổi ôxy. Sản phẩm thép tấm, thép cuộn cán nóng, cuộn cán nguội. Lượng vốn đầu tư: chưa công bố (có thông tin là 3 đến 3,35 tỷ USD). Thời gian xây dựng: chưa công bố. Tình hình triển khai: Biên bản ghi nhớ ký kết ngày 29/5/2007 tại Hà Nội. Bản ghi nhớ hợp tác ký ngày 4/6/2007 có sự chứng kiến của Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng ở Ấn Độ. Hiện nay, VSC và TATA đang phối hợp lập dự án khả thi, dự kiến hoàn thành cuối năm 2008. Dự án nhà máy Liên hợp liên doanh giữa Tập đoàn Lion Group (Malayxia) với Tập đoàn Tầu thuỷ Việt Nam (Vinashin) Địa điểm: Khu công nghiệp phía Nam tỉnh Ninh Thuận. Quy mô: Công suất 8 triệu tấn/năm chia 4 giai đoạn theo công nghệ lò cao – lò thổi ôxy. Sản phẩm: + Giai đoạn 1: khoảng 2 triệu tấn thép thanh và cuộn. + Giai đoạn 2: sản xuất thép tấm và chưa rõ khi nào kết thúc giai đoạn 4. Lượng vốn đầu tư: 7,3 tỷ USD, giai đoạn 1 đầu tư 2,8 tỷ USD. Thời gian bắt đầu xây dựng: chưa công bố. Tình hình triển khai: đã ký bản ghi nhớ hợp tác liên doanh ngày 31/8/2007 có sự chứng kiến của Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng. Dự án nhà máy thép cuộn cán nguội và cán nóng của POSCO (Hàn Quốc) 100% vốn nước ngoài Địa điểm: Khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa, Vũng Tàu. Công suất: + Giai đoạn 1 sản xuất cuộn cán nguội 1,2 triệu tấn. + Giai đoạn 2 sản xuất thép cán nóng 3 triệu tấn/năm và dây chuyền mạ kẽm 0,4 triệu tấn/năm. Lượng vốn đầu tư: giai đoạn 1 là 491 triệu USD. Giai đoạn 2 chưa công bố nhưng có thông tin tổng đầu tư 2 giai đoạn là 11 tỷ USD. - Thời gian xây dựng: + Giai đoạn 1 từ 2007 đến hết 2009. + Giai đoạn 2 từ 2009 đến 2012. Tình hình thực hiện dự án: Đã được cấp phép đầu tư tháng 11/2006, khởi công xây dựng 01/8/2007. Dự án nhà máy thép cán nóng liên doanh giữa Tập đoàn Essar Steel (Ấn Độ) 65% với Tổng công ty Thép Việt Nam (VSC) 20% và Tổng công ty Cao su Việt Nam (Geruco) 15%. Địa điểm: Khu công nghiệp Phú Mỹ, tỉnh Bà Rịa, Vũng Tàu. Công suất: + Giai đoạn 1: khoảng 2 triệu tấn/năm thép cuộn cán nóng. + Giai đoạn 2: mở rộng công suất lên 3 triệu tấn/năm. Lượng vốn đầu tư: cho giai đoạn 1 là 527 triệu USD. Thời gian xây dựng: đến cuối năm 2009. Tình hình thực hiện dự án: đã được cấp giấy phép đầu tư tháng 3/2007. Ngành sản xuất thép phải tiếp tục duy trì được mức tăng trưởng ổn định bền vững trên cơ sở đảm bảo tính hiệu quả để đáp ứng yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước; từng bước phát triển thành một trong những ngành công nghiệp trụ cột của nền kinh tế nước nhà. Cần kết hợp chặt chẽ phát huy nội lực và tranh thủ tận dụng có hiệu quả nguồn ngoại lực (vốn, công nghệ...) chú ý tới xu hướng hội nhập, không bỏ qua các cơ hội có được nhờ xu thế hợp tác và phân công lao động quốc tế để đẩy nhanh tốc độ phát triển ngành. Phát triển cân đối giữa luyện thép và cán kéo gia công, giảm dần tỷ lệ nhập phôi, tiến tới đáp ứng cơ bản nguồn phôi cho sản xuất thép cán kéo. Kết hợp giữa đa dạng hóa chủng loại, quy cách sản phẩm để phục vụ nhu cầu thị trường và phát triển có chọn lựa một số nhóm sản phẩm chủ yếu. Cần đầu tư phát triển để Tổng công ty thép Việt Nam trở thành tập đoàn kinh tế mạnh, giữ vai trò chủ đạo trong sản xuất thép trong nước đồng thời khuyến khích và tạo điều kiện cho các thành phần kinh tế khác đầu tư vào sản xuất thép. Kết hợp chặt chẽ, hài hòa giữa mục tiêu phát triển sản xuất thép với việc khai thác và sử dụng hợp lý, hiệu quả, tiết kiệm nguồn tài nguyên trong nước (trước hết là nguồn quặng sắt). Bước đi thích hợp để phát triển ngành thép trong tương lai là: + Kết hợp đầu tư có chiều sâu, hiện đại hóa, đổi mới công nghệ, nâng cao công suất và năng lực cạnh tranh của các cơ sở hiện có với xây dựng mới các nhà máy hiện đại, qui mô thích hợp, đạt trình độ công nghệ quốc tế. + Tùy theo quy mô và điều kiện, ta kết hợp sử dụng các loại công nghệ sản xuất khác nhau: Sản xuất bằng lò điện, các công nghệ luyện kim phi kok trên cơ sở sử dụng nguyên liệu trong nước, công nghệ lò cao hiện đại, lò chuyển khép kín. + Tăng dần tỷ trọng thép chất lượng cao trong các nhà máy hiện có nhằm tăng giá trị sản xuất nhờ tăng chất lượng, từng bước hình thành ngành sản xuất thép hợp kim chất lượng cao ở Việt Nam. + Cần tích cực tìm nguồn vốn để đầu tư một số nhà máy thép tấm cán nóng, cán nguội nhằm đáp ứng nhu cầu và chiếm lĩnh thị trường trong nước, từng bước tiến hành chuẩn bị đầu tư xây dựng nhà máy thép liên hợp khép kín theo nhiều giai đoạn (1,5 triệu, 3 triệu, 4,5 triệu T/n) trên cơ sở nguồn quặng sắt trong nước và nhập khẩu. Về vấn đề vốn, phải kết hợp huy động từ nhiều nguồn vốn. Trong những năm đầu, vốn vay từ nguồn tín dụng đầu tư của Nhà nước là chủ yếu, đồng thời cố gắng tranh thủ các nguồn vốn vay nước ngoài có sự bảo lãnh của Nhà nước kết hợp các nguồn vốn hiện có của tư nhân. Đồng thời chú trọng công tác đào tạo nhân lực và phát triển khoa học kỹ thuật phục vụ phát triển ngành luyện kim trong tương lai. 1.3. Giới thiệu về Bo và thép Bo. Bo là nguyên tố được Humphry và Gay-lussac phát minh năm 1808. Bo là một nguyên tố á kim, có đặc tính giống nguyên tố cácbon. Nguyên tố Bo không tồn tại dưới dạng sạch trong tự nhiên mà tồn tại ở dạng hợp chất như orthoboric axit trong các muối dung nham núi lửa, borat trong colemantic và quan trọng nhất là trong quặng kernit và quặng borat. Hợp chất quan trọng nhất của Bo trong thép Bo là nitrid Bo (NB) có độ cứng như kim cương. Nitrid Bo là một chất cách điện nhưng dẫn điện tốt làm cho á kim Bo tiến gần đặc tính của kim loại. Lúc đầu người ta chưa biết hết những ảnh hưởng của Bo trong thép và hàm lượng tối ưu của nó. Sau này, các nhà luyện kim đã phát minh ra rằng chỉ cần cho một lượng nhỏ Bo sẽ có ảnh hưởng lớn đến tính tôi của thép nên có thể dùng Bo để thay thế các nguyên tố hợp kim đắt tiền và chiến lược như mangan, crôm, molypden, vanadi và nikien. Tuy nhiên, mãi những năm 1970 người ta mới nghiên cứu cơ chế ảnh hưởng của Bo đến các tính chất của thép nhờ những thiết bị khoa học chính xác. Những kết quả nghiên cứu như vậy đã khẳng định Bo là nguyên tố hợp kim rất tiềm năng cho thép. Thép Bo sau khi nhiệt luyện sẽ có độ cứng cao và độ dẻo tốt. Chính vì thế , thép Bo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thép dụng cụ, thép chế tạo máy, thép làm chi tiết bắt chặt và cả trong ngành công nghệ quốc phòng … Tác dụng của Bo lên các tính chất của thép chỉ đạt được trong các loại thép đã khử ôxy triệt để (thép lắng nhôm). Do Bo là nguyên tố hoạt động hoá học mạnh nên thường bảo vệ Bo trong thép bằng cách cho thêm titan hay zircon vào thép. Thép Bo bao gồm thép cacbon và thép hợp kim. Ở Mỹ đã sản xuất 6 mác thép cacbon là các mác: AISI 15B21H, AISI 15B35H, AISI 15B37H, AISI 15B41H, AISI 15B48H, AISI 15B62H. Bên cạnh đó là 23 mác thép hợp kim khác ví dụ như: AISI 50B40, AISI 50B40H, AISI 50B44, AISI 50B44H, AISI 50B46, AISI 50B46H, AISI 50B50, AISI 50B50H, AISI 50B60,... 1.4. Giới thiệu mác thép nghiên cứu 50B50. Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thép Bo mác 50B50 theo ký hiệu của Mỹ. Các nước khác cũng có mác tương tự. Các mác thép này được nêu trên bảng 1.7 Thép 50B50 là thép cacbon trung bình được hợp kim hoá một lượng nhỏ Bo nên tính chất cơ lý được cải thiện rất nhiều. Các tính chất cơ lý của thép 50B50 sau nhiệt luyện theo tiêu chuẩn của Mỹ như sau: Độ bền kéo: Rm ≥ 785 Mpa Giới hạn chảy: R0,2 ≥ 540 Mpa Độ dãn dài tương đối: d ≥ 10% Độ dai va đập: ak ≥ 39 Jcm-2 Độ cứng sau ủ: ≥ 207 HB Với các tính chất cơ lý như nêu trên, thép 50B50 được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo máy, trong đó có ngành chế tạo vũ khí thông thường. Bảng 1.7: Thành phần hoá học của thép và các mác tương tự. Mác thép C Si Mn B P S 50B50 Mỹ 0,48-0,53 0,20-0,35 0,75-1,0 ≥0,005 ≤0,040 ≤0,040 50B Tr.Quốc 0,47-0,55 0,17-0,37 0,60-0,90 0,0005-0,0035 ≤0,035 ≤0,035 C50PA Liên Xô 0,47-0,54 0,17-0,37 0,50-0,70 0,002-0,006 ≤0,035 ≤0,040 170H41 Anh 0,37-0,44 0,10-0,40 0,80-1,10 0,0005-0,005 ≤0,025 ≤0,025 38B3 Pháp 0,34-0,40 0,10-0,40 0,60-0,90 0,0008-0,008 ≤0,035 ≤0,035 PHẦN II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Ảnh hưởng của những nguyên tố hợp kim đến thành phần tổ chức và tính chất của thép 50B50. 2.1.1. Ảnh hưởng của Cácbon (C). Trong hầu hết các nguyên tố hợp kim, về khả năng nâng cao độ bền thì cácbon là nguyên tố có ảnh hưởng đến bền nhiều nhất. Cácbon là nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ cứng (HB) của thép tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng cácbon trong thép (xét về mặt định lượng, ta thấy cứ tăng 0,1%C thì độ cứng HB của thép sẽ tăng thêm 25HB ). Tuy nhiên, cácbon cũng góp phần làm giảm đi độ dẻo, độ dai của thép. Cácbon còn là nguyên tố góp phần làm mở rộng vùng austenit (γ), tức là nó làm tăng độ ổn định của pha γ. Cácbon có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn γ và tạo thành cácbít có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt cho các loại hợp kim trên nền sắt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm đi do có sự thay đổi cấu hình của cácbít. Khi có sự xuất hiện của các nguyên tố tạo cácbít mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung chủ yếu vào những vị trí hình thành cácbít. Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cácbít, điều này dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hướng đến tính chất của hợp kim. Chính vì vậy, hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa hàm lượng cácbon tương đối thấp. Cácbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch đặc hoà tan có hạn, cácbon có thể hoà tan vào thép theo những tỷ lệ phù hợp và trong những điều kiện nhất định. Trong tổ chức ferit: ở nhiệt độ khoảng 20oC cácbon chỉ có thể hoà tan 0,006% ; ở 723oC thì cácbon có thể hoà tan 0,02%, còn ở ≥ 1400oC thì hoà tan khoảng 0,5%. Khi ở trạng thái austenit với nhiệt độ 723oC, độ hoà tan của cácbon là 0,8% và cũng ở trạng thái này khi nhiệt độ khoảng 1130oC thì khả năng hoà tan của cácbon trong thép lên đến 2%. Khi hoà tan trong thép, cácbon làm tăng lượng xêmentit, mở rộng vùng austenit. Ngoài ra, cácbon có thể kết hợp với một số nguyên tố khác như: Cr, Mn, Mo… để tạo thành cácbít trong thép. 1 2 3 4 5 6 200 600 1200 6.67 4.3 2.14 0.006 0.8 (Fe) (Fe 3 C) L K F D C E B A N H G S F+P Peclit, P (P+Fe 3 C)+Fe 3 C I A cm austenit, g g +L L L+Fe 3 C I Q a 727 ( g +Fe 3 C)+Fe 3 C I A 1 P+Fe 3 C II +(P+Fe 3 C) g +Fe 3 C II +( g +Fe 3 C) P+Fe 3 C II (P+Fe 3 C) [ a +Fe 3 C] Lê d êburit P+Fe 3 C %C 1147 d +L d d + g 1499 1539 1392 Nhiệt độ °C A 3 a+g P g +Fe 3 C II Hình 2.1 Giản đồ pha Fe-C. 2.1.2. Ảnh hưởng của Mangan (Mn). Mn có 4 dạng thù hình a, b, g, và d. Mng có mạng chính phương diện tâm với thông số mạng là 3,894°A. Các thông số mạng của Mng và Feg có sự khác nhau tương đối nhỏ nên Mn có khả năng hoà tan vô hạn vào Fe tạo dung dịch đặc Fe – Mn và có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của thép. Mn là nguyên tố mở rộng vùng g. Kết hợp với cabon (C), mangan tạo thành cacbit dạng (Fe, Mn)3C có độ cứng cao, đồng thời nó có tác dụng làm tăng tính chảy loãng và giúp khả năng điền đầy khuôn. Mn có khả năng khử sâu được S trong thép do tạo thành MnS và Mn còn được dùng để khử ôxy trong thép. Hình 2.2. Giản đồ trạng thái Fe-Mn. Mn có tác dụng làm giảm bớt hàm lượng C hoà tan trong ferit, do vậy nâng cao được tính dẻo của mác thép nghiên cứu. Mn thường hoà tan trong ferit, khi hoà tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit các nguyên tố hợp kim làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ dai. Ảnh hưởng của bốn nguyên tố hợp kim Mn, Si, Cr, Ni đến hai chỉ tiêu điển hình đó là độ cứng và độ dai được trình bày trong hình 2.3. Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si, Cr và Ni. Nguyên tố Mn làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng làm giảm đi độ dẻo,( độ dai ) . Đặc biệt thép chứa 3,5% Mn, ferit đã có độ dai rất thấp (500) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế rẻ hơn, khả năng bền hoá của Mn chỉ được dùng với hàm lượng 1÷2%. Mn góp phần nâng cao độ bền và độ cứng của pha γ, đồng thời Mn có tác dụng làm tăng độ thấm tôi . Mn không tạo cácbít riêng biệt mà thay thế Fe trong Fe3C, khi nung nóng Mn là nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng cũng như độ bền nhưng cũng đồng thời làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai của ferit. Là nguyên tố thường dùng để hợp kim hoá trong quá trình nấu luyện các mác thép, Mn có thể hoà tan vô hạn vào γ-Fe và Mn được dùng để khử sơ bộ ôxy trong thép, ngoài ra Mn còn có tác dụng khử S và làm tăng cơ tính của thép. Khi hoà tan vào thép Mn làm tăng tính chảy loãng của thép, giúp tăng cao khả năng điền đầy khuôn khi đúc phôi. Tuy vậy, khi trong thép có hàm lượng Mn ≥ 1,5% dễ làm nứt các chi tiết đúc, do đó nên chọn tốc độ làm nguội các chi tiết cho phù hợp, không nên quá cao. (a) Lượng nguyên tố hợp kim % (b) Lượng nguyên tố hợp kim % Hình 2.3. Ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn ferit đến độ cứng (hình a) và độ dai va đập (hình b). 2.1.3. Ảnh hưởng của Silic (Si). Si và Fe là hai nguyên tố có thông số mạng tương đối giống nhau nên nó có thể hoà tan hoàn toàn vào nhau để tạo thành các hợp chất : FeSi2 , FeSi , Fe5Si3 , Fe2Si. Hình 2.4. Giản đồ trạng thái Si-Fe. Si có tác dụng mở rộng vùng tồn tại hai pha(γ + α) trên giản đồ Fe-C. Điều này làm cho vùng giới hạn nhiệt độ nung khi nhiệt luyện được mở rộng, cải thiện tính năng công nghệ của thép, đảm bảo dễ đạt tới độ bền yêu cầu của mác thép, đồng thời ổn định được độ dẻo và giữ được các đặc tính tốt của thép một cách tốt nhất. Si còn có thể cải thiện hình thái austenit hình thành khi nung thép trong vùng nhiệt độ nung giới hạn, nhờ vậy mà thu được máctensit có dạng nhỏ mịn, phân bố đều. Trên cơ sở đó đảm bảo được hiệu quả hoá bền cao với sự kết hợp hài hoà giữa tính bền với tính dẻo của thép. Hình 2.5. Ảnh hưởng của Silíc đến độ dãn dài đồng đều u(%) và độ bền. Si là nguyên tố không tạo cácbít mà tập trung trong dung dịch rắn ferit làm tăng tốc độ thiên tích cácbon về vùng austenit, làm cho pha ferit sạch hơn và tránh được sự tiết pha cácbít dạng kích thước to trong quá trình làm nguội… Silic có tác dụng nâng cao độ thấm tôi. Ở dạng hoà tan trong ferit, Si có ảnh hưởng tới phản ứng tương tác giữa các lệch mạng. Nguyên tố Si làm tăng rất mạnh độ cứng, độ bền song cũng làm giảm đi độ dẻo, độ dai . Đặc biệt thép chứa 2% Si, ferit đã có độ dai rất thấp (500) (hình 2.3 ) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy mặc dầu có lợi thế rẻ hơn, khả năng bền hoá của Si chỉ được dùng với hàm lượng 1÷2%. Là nguyên tố có ái lực hoá học với ôxy mạnh nên Si còn được dùng làm chất khử ôxy. Khi hoà tan trong kim loại Si làm tăng việc tách Cácbon từ austenit (C ở dạng tự do). Hợp chất của Si và Mn được dùng để khử ôxy trong thép tạo ra các sản phẩm khử là tạp chất có hại như: (MnO), (SiO2) sẽ kết hợp tạo thành Silicat Mangan (MnO.SiO2) có nhiệt độ chảy thấp 1270°C hoặc Silicat (2MnO.SiO2) có nhiệt độ chảy 1326°C tách khỏi thép lỏng nổi lên trên xỉ, kích thước của Silicat này lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào tỷ số Mn:Si, tỷ lệ thích hợp nhất là Mn:Si = 4:1÷7:1. Si và Mn dùng để khử và hợp kim hoá thép ở dạng fero. Si làm tăng khả năng điền đầy khuôn khi đúc tức là tăng tính đúc, nhưng Si là nguyên tố làm to hạt, tinh thể thô đại. Si là nguyên tố không tạo cácbit trong thép, Si tập trung trong dung dịch sắt làm tăng độ thiên tích về austenit. Khi hàm lượng Si cao không có lợi cho chất lượng bề mặt của thép do dễ hình thành các oxit phức tạp, có nhiệt độ nóng chảy thấp. Đồng thời Si trong thép tăng độ bền, độ cứng và từ tính cho thép nhưng cũng làm giảm độ dẻo dai của thép. Vì vậy hàm lượng Si trong thép 50B50 không được quá cao nhằm hạn chế tình trạng tiết C tự do trong thép. Do Si có tỷ trọng nhỏ nên khi đưa vào hợp kim hoá dễ bị nổi lên trên mặt xỉ cho nên dễ bị ôxy hoá trên mặt xỉ. Vì vậy, trong luyện thép người ta thường cho Si vào trong thép lỏng trước khi ra thép khoảng 5 phút. 2.1.4. Ảnh hưởng của nguyên tố Bo lên các tính chất của thép. Hình 2.6. Ảnh hưởng của Bo tới giản đồ chữ C. Ảnh hưởng lớn nhất của Bo lên các tính chất của thép là làm tăng độ cứng và độ bền. Độ cứng của thép đạt lớn nhất khi hợp kim hoá Bo ở hàm lượng từ 0.002 - 0.006 %, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép nền, chủ yếu là hàm lượng cácbon. Vượt quá giới hạn này thì sẽ gây ra thiên tích Bo trên biên giới các hạt austenit, không những làm giảm độ cứng mà còn làm giảm độ dai va đập, gây ra tính dòn và bở nóng cho thép. Để cải thiện độ cứng cho thép thì Bo trong thép phải ở trạng thái nguyên tử . Như vậy, trong quá trình sản xuất thép phải có biện pháp bảo vệ Bo để nguyên tố này phát huy đuợc tác dụng lớn nhất. Tác dụng của Bo cũng bị giảm đi nếu áp dụng chế độ nhiệt luyện không đúng. Hình 2.7. Mức độ tăng cứng của thép Bo phụ thuộc vào %C. (FB=ĐỘ CỨNG CỦA THÉP B / ĐỘ CỨNG CỦA THÉP KHÔNG CÓ B). Độ cứng của thép Bo phụ thuộc hành vi cùa ôxy, cácbon và nitơ trong thép. Bo phản ứng với ôxy tạo ôxit Bo (B203), với cácbon tạo thành xêmentit-Bo sắt (Fe(C,B)) và Bo-cacbit sắt (Fe23(C,B)6) và với nitơ tạo thành nitrid Bo (BN). Có thể giảm tổn thất B do ôxy bằng cách khử triệt để ôxy bằng FeSi và Al. các nguyên tố nitrid mạnh như titan, nhôm, zircon bảo vệ cho._.