Nghiên cứu nấu luyện thép hợp kim chất lượng cao mác 12XH3A

p chất lượng cao, thép hợp kim đang phải nhập ngoại nhiều, đặc biệt là việc sản xuất thép hợp kim phục vụ cho ngành cơ khí chế tạo là rất hạn chế. Chính vì vậy, chúng em nghiên cứu nấu luyện thép hợp kim chất lượng cao mác 12XH3A phục vụ cho ngành chế tạo ô tô, xe máy và một số ngành khác như , khai thác mỏ, sản xuất xi măng, nhiệt điện ...nhằm mục đích sản xuất được mác thép này trong nước để giảm bớt phần nào nguyên liệu nhập khẩu. Sản phẩm mà đề tài nghiên cứu là mác thép làm bánh răng hộp số ôtô. phần 1. Tổng quan 1.1. Khái quát về ngành công nghiệp thép thế giới và Việt Nam. 1.1.1. Tình hình ngành công nghiệp thép thế giới. Ngày nay, sự phát triển của nền công nghiệp thế giới trong đó có công nghiệp luyện kim tăng mạnh theo trình độ khoa học kỹ thuật. Chất xám con người thể hiện ở những phát minh mới, công nghệ mới và dần dần từng bước hạn chế sự phụ thuộc vào tài nguyên, cũng như vị trí địa lý. Đối với một số quốc gia thế mạnh về tài nguyên vẫn chưa mất đi vai trò quan trọng của nó. Tuy nhiên, ở một số nước khu vực Đông Nam á (trong đó có Việt Nam), Châu Phi, Châu Mỹ ... nguồn nguyên liệu đang ở dạng tiềm năng nhưng nền kinh tế chưa đủ mạnh nên đang dần dần từng bước tìm vị thế trong ngành thép thế giới. Theo dự đoán của các chuyên gia, tương lai thép vẫn là một loại vật liệu hết sức quan trọng trong đời sống con người và sự phát triển xã hội. Nền công nghiệp sản xuất thép trên thế giới ngày càng phát triển, nhu cầu tiêu thụ thép giữa các khu vực và các nước ngày càng tăng. Qua sự khảo sát thực tế từ những năm trước đây đến nay cho thấy như sau : Hình 1.2 : Sản lượng thép của các nước trên thế giới năm 2005 Bảng 1.1 : Tổng sản lượng thép trên thế giới trong một số năm Năm Tổng sản lượng thép trên thế giới ( 1000T ) 1867 22 1870 500 1880 1.000 1990 28.000 2003 93.400 2004 1.057.000 2005 1.107.200 Tóm lại, công nghệ sản xuất thép thế giới đang hướng nghiên cứu vào lĩnh vực nâng cao chất lượng và mở rộng phạm vi sử dụng, tạo được nhiều sản phẩm mới thoả mãn nhu cầu đa dạng và phức tạp của nền kinh tế. Những dạng vật liệu mới ra đời gần đây như : compozit, polyme, ceramic …đang dần tìm chỗ đứng, nhưng chưa thể thay thế được vai trò của thép trong các ngành công nghiệp: cơ khí, ytế, dầu khí, giao thông vận tải, công nghệ thông tin, an ninh quốc phòng … 1.1.2. Tình hình ngành công nghiệp thép Việt Nam * Vai trò của thép trong nền kinh tế quốc dân Việt Nam đang thực hiện chương trình cải cách kinh tế “công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước” đã và đang tích cực chuyển đổi sang cơ chế thị trường theo định hướng xã hội chủ nghĩa. Nền kinh tế Việt Nam bước sang những năm đầu của thế kỷ 21 đang dần phát triển, lớn mạnh và ổn định, theo thông báo của tổng cục thống kê: GDP năm 2005 là 7,7%. Ngoài ra, chúng ta đã có kế hoạch phát triển các ngành công nghiệp quan trọng của đất nước, trong đó có ngành thép. Cụ thể trong bản quy hoạch tổng thể đã đưa ra chương trình phát triển ngắn hạn và trung hạn cho sản xuất thép đáp ứng đủ nhu cầu của nền kinh tế quốc dân và an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, hiện tại là các đơn vị sản xuất, kinh doanh thép chủ yếu phải nhập phôi và sắt thép phế từ nước ngoài, do khả năng cung cấp phôi của nước ta còn yếu chiếm khoảng (20%-25%) tổng lượng tiêu thụ thép. Thêm một vấn đề nữa đặt ra là khả năng cung cấp phôi từ phía nước ngoài cũng là bài toán thách thức không nhỏ đối với nền công nghiệp thép Việt Nam. Mặc dù, ngành công nghiệp thép trong những năm gần đây có mức tăng trưởng khá nhưng không cơ bản. Năng lực sản xuất thép đến nay đã đạt con số gần 800 nghìn tấn nhưng chủ yếu mới chỉ sản xuất thép tròn trơn, thép cốt bê tông, thép ống hàn thông thường cho xây dựng. Các loại thép tấm, thép lá, thép hình loại lớn, thép hợp kim chất lượng còn phải nhập khẩu. Theo Bộ công nghiệp: “Năm 2005 Việt Nam cần gần 5 triệu tấn thép trong khi khả năng chỉ có thể sản xuất 750.000 tấn". Do vậy, Bộ khuyến khích các doanh nghiệp tận dụng mọi nguồn lực để đưa sản lượng lên 1 triệu tấn. * Tình hình ngành công nghiệp thép Việt Nam Theo nguồn SEAISI thống kê, năm 2005 Việt Nam có kế hoạch nhập khẩu gần 4 triệu tấn thép. Với tốc độ phát triển công nghiệp cả nước 10,5%/năm dự kiến nhu cầu thép đến năm 2020. Bảng 1.1 : Nhu cầu thép đến năm 2020 ( Nguồn: SEAISI ) Năm Tổng nhu cầu tiêu thụ thép (1000T) Bình quân đầu người (kg/người) 2001 3280 41,0 2002 3620 44,6 2003 4000 48,3 2004 4430 53,2 2005 3000 57,8 2010 8.000 86,6 (dự kiến) 2020 21.700 173,6 (dự kiến) Ghi chú: Bao gồm có lượng thép sản xuất trong nước và nhập khẩu. Hình 1.2: Nhu cầu thép cho đến năm 2020 Bình quân đầu người 53,20 48,30 44,60 41,00 57,80 86,60 173,60 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2001 2002 2003 2004 2005 2010 2020 Năm Kg/người Hình 1.3: Bình quân thép trên đầu người cho đến năm 2020 Bảng 1.2: Số lượng thép tiêu thụ theo khu vực trong nước (Nguồn của Tổng Công ty Thép Việt Nam) Chủng loại Năm 2000 Năm 2005 Khối lượng (1.000T) Tỷ lệ (%) Khối lượng (1.000T) Tỷ lệ (%) Tổng Nhu cầu 2.600 100 4.900 100 Miền Nam 1.300 50 2.450 50 Miền Bắc 1.040 45 1.960 40 Miền Trung 260 10 490 10 A.Sản phẩm dài 1.600 3.000 100 Miền Nam 800 50 1.500 50 Miền Bắc 640 40 1.200 40 Miền Trung 160 10 300 10 B.Sản phẩm dẹt 1.000 100 1.900 100 Miền Nam 500 50 950 50 Miền Bắc 400 40 760 40 * Định hướng phát triển ngành công nghiệp thép Việt Nam Phát triển cân đối giữa hạ nguồn ( cán, kéo, gia công sau cán) và thượng nguồn ( Khai thác quặng sắt sản xuất gang và phôi thép). Kết hợp đa dạng hoá chủng loại và quy cách sản phẩm đáp ứng nhu cầu với sự phát triển có chọn lọc, hợp lý các sản phẩm thép đặc biệt sử dụng cho chế tạo máy, công nghiệp quốc phòng, giao thông. Phát triển sản xuất thép dựa trên khai thác và sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên trong nước để đảm bảo hiệu quả kinh tế - xã hội. Sử dụng công nghệ hiện đại, tự động hoá ở mức độ cao với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật tiên tiến để giảm chi phí bằng việc tiết kiệm nguyên nhiên liệu và đảm bảo các tiêu chuẩn về môi trường. Công nghệ được lựa chọn phải có tính ổn định cao, linh hoạt (dễ cải tạo và hiện đại hoá khi cần thiết) để dần thay thế các công nghệ lạc hậu và không gây hiệu quả xấu đến môi trường. 1.2. Khái quát một số công nghệ sản xuất thép trên thế giới. Hiện nay, các nước có nền luyện kim phát triển thì thép hợp kim thấp độ bền cao chiếm tới 20-30% tổng sản lượng thép kết cấu và xây dựng. Ngành công nghiệp thép thế giới gần đây đã sản xuất được các loại thép chất lượng cao với những đặc tính ưu việt: siêu sạch về tạp chất, siêu mịn về tổ chức, siêu đều về chất lượng, siêu bền về tính năng …Đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe nhất của nền kinh tế với giá rẻ và ổn định lâu dài. Đồng thời ngành thép cũng ứng dụng những công nghệ mới, từng bước đáp ứng được nhu cầu bảo vệ môi trường. Những yếu tố trên thúc đẩy ngành thép giải quyết được những vấn đề về chất lượng, về tính năng, về chủng loại nhằm nâng cao tuổi thọ và giảm được đáng kể trọng lượng các chi tiết, kết cấu. Nghĩa là ngành thép thế giới đang có một cuộc cách mạng cải tiến mạnh mẽ. Nói riêng về thép hợp kim chất lượng cao thì nhu cầu số lượng tăng trưởng tuy không lớn nhưng yêu cầu về chất lượng đòi hỏi rất cao. Một số nước tiên tiến như Đức, Nhật, Nga, Mỹ …và một số nước khác đã áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào trong công nghệ sản xuất thép, trong đó có thép chịu mài mòn, đã nghiên cứu, tìm ra những điểm mới nhằm mục đích rút ngắn lưu trình sản xuất, tức là giảm giá thành sản phẩm mà vẫn đạt được yêu cầu chất lượng của thép. Có thể nói công nghệ sản xuất thép hợp kim chất lượng cao ứng dụng trong ngày càng ổn định, thuần thục, tiên tiến và hiệu quả. 1.3. Tình hình nghiên cứu sản xuất thép chế tạo ôtô trong và ngoài nước. 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ở các nước có nền công nghiệp phát triển, việc nghiên cứu và sản xuất các loại vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc của các chi tiết máy móc để nâng cao các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật là công việc thường xuyên của các nhà vật liệu. Trong đó, thép hợp kim chất lượng làm việc trong điều kiện khắc nghiệt đã được nghiên cứu từ lâu. Một số mác thép thường được dùng trong công nghệ chế tạo cơ khí ( lĩnh vực ôtô, xe máy) như: C45, 12CrNi2 ... Trong đó, thép hợp kim chất lượng dùng trong ngành chế tạo ôtô như mác 12XH3A (Nga) đã được các nước nghiên cứu và sản xuất. Tương tự mác 12XH3A của Nga thì các nước khác cũng có mác như SNC415 (Nhật Bản), 12XH2 (Liên Xô cũ), 12CrNi2( Trung Quốc) ... Đây là loại thép có độ bền, độ dai và độ thấm tôi cao nên thích hợp cho các chi tiết như bánh răng, chốt pit tông, trục truyền có rãnh ... trong ngành chế tạo ôtô. 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều nhà máy lắp ráp và sản xuất ô tô, xe máy nên nhu cầu sử dụng loại thép này là rất lớn. Tuy nhiên hầu như tất cả các cơ sở sản xuất và lắp ráp ôtô- xe máy đều nhập khẩu thép từ nước ngoài theo các hợp đồng riêng còn các cơ sở nhỏ lẻ thì đi mua lại ở thị trường trôi nổi nên chất lượng thép không được khẳng định. Như vậy việc nghiên cứu để nấu luyện thép hợp kim chất lượng cao trong ngành chế tạo ô tô là vô cùng cấp bách và mác thép này hiện nay chưa có một đơn vị nào có báo cáo nghiên cứu khoa học hoặc sản xuất công nghiệp. Phần 2. lý thuyết 2.1. Thép hợp kim dùng trong ngành chế tạo ôtô. Trên thế giới, ngành công nghiệp chế tạo ô tô sử dụng rất nhiều các loại vật liệu khác nhau : từ kim loại, thuỷ tinh, gốm, sứ, nhựa, bán dẫn ... trong đó vật liệu kim loại chiếm 1 tỷ phần lớn nhất. Những chi tiết kim loại chủ yếu trong ô tô và động cơ ô tô phải được qua nhiệt luyện. Chi tiết được chế tạo bằng thép cácbon chất lượng chiếm 35-45% khối lượng tổng cộng và thép kết cấu hợp kim chiếm 55-65%. Hiện nay các nước phát triển trên thế giới đã có những tiêu chuẩn riêng cho những loại thép dùng cho ngành ô tô. Trong động cơ ô tô bánh răng hộp số là một trong những chi tiết quan trọng và không thể thiếu nên ta có thể nghiên cứu nguyên lý hoạt động cũng như loại vật liệu được sử dụng trong bộ phận này. 2.1.1. Bánh răng Bánh răng trong ô tô máy kéo thường chịu tải trọng lớn, có yêu cầu rất cao về chất lượng gia công cơ khí, hình dạng, kích thước, cũng như nhiệt luyện. So với bánh răng trong các máy công cụ thông thường, các bánh răng trong ô tô máy kéo chịu tải trọng cao hơn, chịu va đập và bị mòn nhanh hơn. Do vậy trong khi các bánh răng trong máy công cụ chỉ cần dụng thép cácbon hoặc thép hợp kim thấp, tôi cảm ứng theo chu vi thì phần lớn các bánh răng trong ô tô máy kéo được chế tạo bằng vật liệu tốt hơn : thép cácbon thấp hợp kim trung bình và được nhiệt luyện cẩn thận hơn : thấm cácbon hoặc thấm cácbon-nitơ. 2.1.2. Bánh răng hộp số * Điều kiện làm việc và yêu cầu kỹ thuật. Các bánh răng hộp số ô tô làm việc trong điều kiện khá nặng nhọc, chúng truyền lực lớn ở tốc độ vòng cao. Yêu cầu hộp số có kích thước nhỏ, nên bánh răng phải có kích thước nhỏ, do đó chúng làm việc điều kiện càng khắc nghiệt Nhiệm vụ của hộp số là thay đổi lực kéo tiếp tuyến và số vòng quay của bánh xe chủ động để phù hợp với lực cản trên đường và vận tốc ô tô theo nhu cầu sử dụng, nhờ sự ăn khớp của các cặp bánh răng khác nhau trong hộp số. Các bánh răng phải ăn khớp chính xác để truyền công suất từ động cơ đến bánh xe chủ động, đồng thời thay đổi trạng thái vào ăn khớp giữa các cặp bánh phải êm và linh hoạt. Như vậy trong quá trình làm việc bánh răng bánh răng chịu va đập mạnh và chịu tác dụng của nhiều ứng suất. Trong quá trình làm việc răng của bánh răng ô tô chịu các trạng thái lực sau : + Uốn khi truyền momen xoắn cực đại hay phanh đột ngột, do đó gây ra phá huỷ ở chân răng theo góc lượn. + Uốn dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ do đó gây ra ứng suất mỏi phá huỷ răng ở tiết diện nguy hiểm nhất là chân răng. Người ra nhận thấy tới 70% số bánh răng trục chủ động của hộp số ô tô bị hỏng là do mỏi. + ứng suất tiếp xúc trên bề mặt làm việc trong vùng ăn khớp của răng, do đó xuất hiện rỗ trên bề mặt, thậm chí phá huỷ bề mặt. + Mài mòn thường xảy ra ở bề mặt đầu mút răng khi thay đổi bánh răng ăn khớp lúc sang số. + Quá tải do tải trọng tăng đột ngột dẫn đến gãy, vỡ, ở một số bánh răng còn thấy có hiện tượng bề mặt răng bị mòn và xước, song điều này ít xảy ra ở các bánh răng sau khi hoá bền nhiệt luyện đạt được độ cứng cao. * Yêu cầu về vật liệu làm bánh răng hộp số. Do ứng suất cao như vậy, thép dùng làm bánh răng hộp số ô tô, máy kéo phải là loại thép hợp kim chất lượng cao với lượng nguyên tố hợp kim đủ để đạt yêu cầu về cấu trúc và cơ tính, bảo đảm tôi thấu khi nhiệt luyện nhờ đó đạt độ bền cao. Nhóm thép Cr-Ni là loại thép làm bánh răng ô tô rất phổ biến trên thế giới, đặc điểm về thành phần hoá học của loại thép này là : - Lượng cácbon thấp: 0,1 á 0,2% - Lượng Cr : 0,5 á 1,0% - Lượng Ni (thường gấp 3 Cr): 1 á 4 % Đặc tính của nhóm thép này là tính thấm tôi cao, độ bền và cơ tính tổng hợp cao, đặc biệt độ dai va đập rất tốt. Độ thấm tôi rất cao nhờ được hợp kim hoá phức tạp bằng Cr và Ni, trong đó lượng Ni tương đối cao, đặc biệt ở các mác thép có trên dưới 3% Ni. Nhờ độ thấm tôi cao, hầu như tôi thấu với mọi bánh răng ô tô nên thép có độ bền cao. Trong đó điển hình là mác thép 12XH3A, đây là loại thép kết cấu hợp kim thuộc hệ Cr - Ni, có các tính chất cơ lý đảm bảo yêu cầu công nghệ cho ngành cơ khí chế tạo, đồng thời có giá thành hạ nên được sử dụng khá rộng rãi làm bánh răng hộp số. Dưới đây là một số mác thép dùng làm trục hay bánh răng của một số nước trên thế giới như Nhật, Đức, Mỹ, Hàn Quốc, Nga và Trung Quốc. Bảng 2.2 : Thành phần hoá học thép của một số thép sản xuất bánh răng ôtô trên thế giới Mác thép Thành phần hoá học ( % trọng lượng ) C Si Mn P ≤ S ≤ Cr Ni Cu SNC415 ( Nhật Bản) 0,12-0,18 0,15-0,35 0,3-0,7 0,03 0,03 0,2-0,55 1,95-2,5 Cu ≤0,3 SNC815 (Nhật Bản) 0,12-0,18 0,15-0,35 0,35-0,6 0,03 0,03 0,7-1,0 3,0-3,5 25CrMo4 (Đức) 0,22-0,29 0,15-0,35 0,5-0,8 0,03 0,03 0,9-1,2 14NC11 (Pháp) 0,11-0,17 0,1-0,4 0,6-0,9 0,035 0,035 0,6-0,9 2,5-3,0 ASTN3415 (Mỹ) 0,12-0,18 0,15-0,35 0,3-0,7 0,03 0,03 0,3-0,6 1,9-2,7 Cu ≤ 0,3 12XH2 (Nga) 0,09-0,16 0,17-0,37 0,3-0,6 0,035 0,035 0,6-0,9 1,5-1,9 Cu ≤0,3 12XH3A (Nga) 0,09-0,16 0,15-0,37 0,3-0,6 0,035 0,035 0,6-0,9 2,75-3,2 Cu ≤0,3 12CrNi2 (Trung Quốc) 0,1-0,17 0,15-0,37 0,3-0,6 0,035 0,035 0,6-0,9 1,5-1,9 Cu ≤0,3 Bảng 2.3 : Tính chất cơ lí của một số thép chế tạo bánh răng hộp số ô tô. Mác thép Cơ tính sb MPa sch MPa d ( % ) ak J.Cm2 Độ cứng Sau ủ Sau tôi 12XH3A 785 588 12 88 ≤ 207 50-55 SNC415 780 17 88 ≤ 241 52-58 ASTM3415 785 17 88 ≤ 235 52-55 12CrNi2 785 590 12 63 ≤ 207 52-62 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến thép hợp kim chất lượng cao 2.2.1. ảnh hưởng của nguyên tố cácbon Cácbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch đặc hoà tan có hạn, cácbon có thể hoà tan vào trong thép theo những tỷ lệ nhất định trong những điều kiện nhất định. Trong tổ chức ferit : ở nhiệt độ thường khoảng 200C cácbon chỉ có thể hoà tan 0,006% ; ở nhiệt độ 7230C ( nhiệt độ chuyển biến peclit ) thì cácbon có thể hoà tan 0,02%, còn khi ở nhiệt độ ³ 14000C thì hoà tan khoảng 0,5%. Hình 2.1: ảnh hưởng của Cácbon đến cơ tính của thép thường Khi ở trạng thái austenit với nhiệt độ 7230C, độ hoà tan của cacbon là 0,8% và cũng ở trạng thái này khi nhiệt độ khoảng 11300C thì khả năng hoà tan đến 2%. Khi hoà tan trong thép cacbon làm tăng lượng xêmentit, mở rộng vùng Ostenit. Ngoài ra cácbon có thể kết hợp với một số hợp kim như Cr, W, Mn, Mo, Ti, V, Nb… tạo thành Cacbit trong thép. Cácbon là nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép về mặt định lượng ta thấy rằng cứ tăng 0,1% cácbon, độ cứng sẽ tăng khoảng 25 đơn vị. Thực nghiệm cho thấy rằng độ cứng tăng tuyến tính với hàm lượng các bon trong thép (hình 2.1). Đồng thời các bon làm giảm độ dẻo dai của thép, đầu tiên khi hàm lượng các bon nhỏ độ dẻo (), độ dai va đập (ak) của thép giảm rất mạnh, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi. 2.2.2. ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim. Trong thép hợp kim không thể thiếu cácbon, do vậy có thể coi thép hợp kim đơn giản nhất là hợp kim ba cấu tử: Sắt – cácbon – nguyên tố hợp kim. Các nguyên tố hợp kim mở rộng vùng tồn tại của g-Fe sẽ mở rộng phạm vi tồn tại của austenit do đó sẽ làm giảm các nhiệt độ tôi, ủ của thép; còn các nguyên tố hợp kim thu hẹp vùng tồn tại của g-Fe sẽ thu hẹp phạm vi tồn tại của austenit dẫn tới làm tăng các nhiệt độ tôi, ủ của thép. Trong thực tế thường gặp các thép được hợp kim hoá bằng một lượng không nhiều Mangan, Niken (các nguyên tố mở rộng vùng g ) và Cr, Si, V, W, Ti... (các nguyên tố mở rộng vùng a ). ở trạng thái cân bằng các thép này gồm hai pha là ferit và cácbit nhưng ferit của các thép này có cơ tính cao hơn hẳn cơ tính ferit của thép cácbon, vì rằng nguyên tố hợp kim hoà tan vào sắt ở dạng thay thế, làm xô lệch mạng tinh thể của chúng. Mức độ xô lệch càng tăng khi nồng độ các nguyên tố hợp kim càng lớn, do vậy mà độ bền, độ cứng của thép tăng lên, còn độ dẻo, độ dai giảm. Hình dưới đây cho thấy ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim chính (Cr, Ni, Mn, Si, Mo) đến cơ tính của ferit. Hình 2.2 : ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tính chất của ferít a) Độ cứng b) Độ dai va đập Hình 2.3. ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim tới điểm cùng tích A1 và lượng chứa cácbon trong cùng tích. Ta thấy rằng Mangan và Silic là hai nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng cũng như độ bền, nhưng đồng thời chúng cũng làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai của ferit. Vì vậy trong thực tế, với thép hợp kim thông thường lượng Mangan, Silic cũng chỉ được dùng trong giới hạn từ 1 đến 2%. Còn Crôm, niken có mức độ hoá bền vừa phải và không làm giảm mạnh độ dẻo dai nên thường được dùng trong nhiều thép hợp kim. Riêng niken không những không làm giảm độ dẻo dai mà còn cải thiện tính chất này nên nó là nguyên tố hợp kim rất tốt cho các thép hợp kim. Tuy nhiên thực tế niken là nguyên tố đắt hiếm, do đó phải hạn chế khi sử dụng. * ảnh hưởng của Crom ( Cr ). Cr là nguyên tố tạo các bít dạng phức tạp như Cr23C6, Cr7C3 ... Khi ram, cácbít crôm nhỏ mịn tiết ra, có tác dụng hoá bền tiết pha và tăng tính chống mài mòn tốt. Crôm làm tăng đáng kể độ thấm tôi (3,2) và độ cứng của thép sau nhiệt luyện. Đồng thời crôm hoà tan vào ferit và hoá bền nó, nhưng lại ít ảnh hưởng đến độ dẻo. Với hàm lượng Cr Ê 1% thì crôm có tác dụng tăng độ dai va đập. Ngoài ra, crôm còn làm giảm chiều sâu lớp thoát cácbon. Chính do những đặc tính quý này, crôm luôn được sử dụng trong công nghệ chế tạo các mác thép chất lượng với hàm lượng sử dụng luôn thay đổi từ 0,5-30%. Nó còn cải thiện tính chống ram và độ bền ở nhiệt độ cao do tạo ra các hạt nhỏ mịn khi ram. crôm là nguyên tố đóng vai trò hàng đầu tăng độ bền chống mài mòn của thép, có khả năng chống ôxi hoá cao, tăng tính chịu nhiệt. Hình 2.4 : ảnh hưởng của Cr đến các vùng trên giản đồ Fe-C * ảnh hưởng của Niken ( Ni ). Niken là nguyên tố mở rộng vùng g trong hợp kim với sắt. Trong giản đồ trạng thái Fe-C, niken mở rộng mạnh vùng g và thúc đẩy việc tạo thành Mactenxit ngay cả khi hàm lượng cácbon thấp. . Hình 2.5 : Giản đồ tổ chức thép Fe-Ni Niken có tác dụng tăng độ bền dung dịch rắn, làm hạn chế sự hình thành pha d-Ferit, một pha không mong muốn trong cấu trúc thép. Niken không tạo cacbit riêng biệt, tác dụng chủ yếu của niken là tăng độ thấp tôi ( hệ số tăng độ thấm tôi của niken là 1,4), độ bền, độ dai va đập cho thép và làm giảm khuynh hướng quá nhiệt, hạn chế sự phát triển của các hạt trong thép làm cho độ hạt nhỏ mịn. * ảnh hưởng của mangan (Mn) Mangan là nguyên tố mở rộng vùng g, mangan thường hoà tan trong pha ferit, khi hoà tan vào Ferit nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hoá bền Ferit). Đồng thời mangan có tác dụng làm tăng độ thấm tôi (hệ số tăng độ thấm tôi là 4).Mangan không tạo cacbit riêng biệt mà thay thế Fe trong Fe3C. Mangan ít khi đóng vai trò là nguyên tố độc lập vì có nhược điểm là : - Thúc đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung. - Tăng tính ròn ram. - Giảm độ dẻo và độ dai theo hướng vuông góc với phương cán. Hình 2.6: ảnh hưởng của Mn đến các vùng trên giản đồ Fe-C Mangan có khả năng khử được S sâu trong thép do tạo thành MnS và Mn còn được dùng để khử ôxy trong thép. * ảnh hưởng của Silic ( Si ) Silic là nguyên tố mở rộng vùng a, Silic cũng như Ni không tạo cacbit nhưng Silic đặc biệt ảnh hưởng mạnh tới sự graphit hoá (tiết ra graphit). Silic thường hoà tan trong thép Ferit (ở trạng thái này có thể hoà tan đến 15%). Silic làm tăng độ cứng, tăng tính chảy loãng và tính đàn hồi của thép. Silic tăng tính ổn định ram nhưng không làm tăng tính giòn ram của thép. Silic làm tăng tính chống ôxy hoá của thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão, không những vậy Si còn tăng giới hạn đàn hồi của thép. Ngoài ra Silic còn có tác dụng để khử ôxy trong thép. 2.2.3. ảnh hưởng của tạp chất * ảnh hưởng của Sunfua ( S ) Hình 2.7: Giản đồ trạng thái hệ Fe - FeS Hình 2.8: Sơ đồ về nguyên nhân của sự bở nóng Sunfua là kẻ địch lớn của người luyện thép. Trong hệ giản đồ cân bằng Fe-FeS có thể thấy rằng dung điểm của FeS là 11900C, dung điểm của chất cùng tinh tạo thành bởi Fe-FeS là 9850C. Lưu huỳnh gây ra hiện tượng bở nóng đối với thép do hình thành cùng tinh dễ chảy trên biên giới hạt Fe-FeS ở 9880C hay Fe- FeS - FeO ở 9400C. Lưu huỳnh làm giảm cơ tính, giảm tính chống ăn mòn và tính hàn của thép. Tuy nhiên, lưu huỳnh cũng làm cải thiện tính gia công cắt. Trong sắt lỏng, Fe và FeS có thể hoà tan vô hạn vào nhau, song trong sắt đặc độ hoà tan của FeS lại rất nhỏ khoảng 0,015-0,02. Vì vậy khi hàm lượng sunfua trong thép cao hơn 0,02 thì trong quá trình nguội, do kết quả của việc kết tinh chọn lọc chất cùng tinh dung điểm thấp sẽ hoàn toàn tiết ra và tập trung trên tính giới. Khi nung nóng thép tới nhiệt độ trên cùng tinh, tinh giới bị chảy và bị phá vỡ tạo thành hiện tượng bở nóng trong thép. Do vậy trong quá trình luyện thép phải đưa được hàm lượng sunfua xuống càng thấp càng tốt. * ảnh hưởng của phốt pho ( P ). Photpho có thể hoà tan trong Ferit đến 1,7%. Tại nhiệt độ cao ~11400C và thép có tổ chức là austenit thì photpho có thể hoà tan đến 0,6%. Photpho cũng là một tạp chất có hại, photpho làm giảm một cách rõ rệt cơ tính của thép, đặc biệt là giảm độ dai va đập. ở điều kiện nhiệt độ thấp thường sinh ra hiện tượng bở nguội (giòn cao ở nhiệt độ thường, đặc biệt ở nhiệt độ thấp ). Tuy nhiên photpho cũng có tác dụng cải thiện tính gia công cắt ( cắt tốt trên máy tự động ). Độ thiên tích của photpho rất lớn, chỉ kém lưu huỳnh. Nếu lượng P trong thép tăng sẽ làm cho thành phần hoá học của thỏi thép không đồng đều. Vì vậy việc khử photpho, một tạp chất có hại ra khỏi kim loại ( thép lỏng ) là nhiệm vụ quan trọng không thể thiếu của quá trình luyện thép. * ảnh hưởng của ôxy (O). Quá trình luyện thép là quá trình ôxy hoá để khử tạp chất khỏi thép lỏng, cần đủ ôxy truyền vào nồi lò trong những thời điểm cần thiết. Nhưng trong khi tạp chất bị ôxy hoá đến một mức độ nhất định thì việc truyền ôxy không lập tức dừng lại, do đó trong thép hoà tan nhiều ôxy. Độ hoà tan của ôxy trong thép khá lớn, ở nhiệt độ 16000C là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxít FeO, Fe2O3, Fe3O4. Ôxy và sắt tạo thành dung dịch đặc khiếm khuyết nên sau khi hoà tan vào sắt, mạng tinh thể bị méo lệch; do đó, cơ tính của thép biến xấu. Thép có hàm lượng ôxy cao rất giòn. * ảnh hưởng của Nitơ và Hiđrô. Nitơ và Hiđrô là những chất khí thường có trong thép. Không những chúng làm giảm cơ tính của thép mà còn là nguyên nhân chủ yếu tạo ra các khuyết tật như vết nhăn, các bọt khí và lỗ xốp ở trung tâm. Hyđrô còn tạo ra khuyết tật điểm trắng. Vì vậy, tìm hiểu những nguyên tố ảnh hưởng đến hàm lượng khí trong quá trình nấu luyện và đúc rót, quy luật nội tạng của sự khử bỏ, phương pháp giảm hàm lượng khí tới mức thấp nhất, nâng cao chất lượng thép, hạ giá thành sản phẩm là điều vô cùng quan trọng. Hàm lượng khí trong thép phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng hơi nước và phân áp nitơ trong lò, thời gian nấu luyện, tính chất của xỉ. Đồng thời trong quá trình đúc rót thép lỏng bị ôxy hoá vừa hấp thụ khí nitơ. Vì vậy, phải sử dụng các biện pháp bảo vệ khi đúc rót để giảm hàm lượng khí trong thép. 2.2.4. ảnh hưởng của quá trình đúc rót. Quá trình đúc rót hợp lý làm cho chi tiết đạt được sau khi kết tinh đặc chắc và đồng đều. Điều đó có thuận lợi cho khâu gia công, nhiệt luyện khi nung nóng và làm nguội sẽ ít gây ứng suất dẫn đến nứt sản phẩm. Với các sản phẩm đúc, thiết kế khuôn đúc tốt còn tạo điều kiện cho việc cắt đậu ngót và làm sạch dễ dàng. Khi chọn kích thước đậu ngót tối ưu, loại vật liệu làm khuôn đảm bảo. Dòng rót phải liên tục, không quá mảnh để tránh hiện tượng cuộn xỉ trong thép, tái ôxy hoá, đưa khí vào trong nước thép. 2.2.5. ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt. Nhiệt luyện là phần công nghệ quan trọng và không thể thiếu đối với chế tạo cơ khí. Nó quyết định tính chất cơ lý tính của thép. Khả năng làm việc của vật liệu chịu mài mòn phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện. Tuỳ theo tính năng sử dụng của mỗi chi tiết, mà lựa chọn vật liệu và chế độ nhiệt luyện tương ứng tối ưu để có thời gian sử dụng cao nhất. Chế độ nhiệt luyện bao gồm ủ, tôi, ram, hoá nhiệt luyện. Các chế độ nhiệt luyện đều phải qua từng bước: gia nhiệt (nung nóng), giữ nhiệt, làm nguội. Việc nghiên cứu và chế tạo phôi để thực hiện các nguyên công cho phù hợp với mỗi mác thép, thành dày chi tiết, độ phức tạp của chi tiết là rất quan trọng. Nếu không đúng, quá trình nhiệt luyện sẽ gây nứt hoặc dẫn đến cơ tính vật liệu không đảm bảo. Chế độ nâng nhiệt của quá trình nhiệt luyện gồm: ủ, thường hoá, tôi. Các chế độ này có nhiệm vụ đưa tổ chức ban đầu về ostenit và tạo ra cấu trúc có cỡ hạt nhỏ nhất. Thời gian giữ nhiệt của nguyên công nhiệt luyện cần hợp lý, đảm bảo thấu nhiệt cho toàn bộ sản phẩm và hoàn thành quá trình biến đổi pha. Nhưng nếu quá dài sẽ làm cho hạt thô và thoát các bon trên bề mặt thép. Vấn đề làm nguội của nguyên công nhiệt luyện sau khi nung cũng rất phức tạp và phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đã chọn. Nó bao gồm chế độ làm nguôị chậm theo lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trường không khí có hơi nước, trong môi trường nước, dầu… Mỗi chế độ và môi trường làm nguội cho ta cơ tính khác nhau. Vì vậy với mỗi loại chi tiết phải chọn chế độ làm nguội phù hợp mới đạt được khả năng làm việc của chi tiết như mong muốn. 2.3. Quá trình khử tạp chất trong luyện thép. * Nguồn gốc tạp chất trong thép. Hàm lượng tạp chất, cách phân bố tạp chất, hình dạng tạp chất và loại tạp chất có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thép. Vì vậy để nâng cao chất lượng thép phải ngăn ngừa và khử bỏ tạp chất. Trong luyện thép, nguồn tạp chất chủ yếu đưa vào từ + Sản phẩm của các phản ứng trong quá trình nấu luyện + Các chất bẩn, gỉ sắt cùng vật liệu đưa vào lò. Khi ra thép, đúc thép, vật liệu chịu lửa bị tẩm thực hoá học và cơ học mang vào thép các oxít như : SiO2, Al 2O3, MgO... Mặt khác do thép lỏng tiếp xúc với không khí bị ôxy hoá hoặc tách xỉ không tốt. Trong thực tế sản xuất, nếu thực hiện quy trình nấu luyện, đúc rót tốt thì nguồn tạp chất từ nguyên vật liệu, hay từ khâu đúc rót có thể giải quyết được, nhưng riêng nguồn gốc từ các sản phẩm khử ôxy trong và ngoài lò đòi hỏi các nhà luyện kim phải nghiên cứu khử bỏ chúng. * Các biện pháp khử tạp chất trong thép. Để giảm bớt tạp chất phi kim và khí trong thép, người ta thường dùng các biện pháp sau: - Chọn vật liệu sạch tạp chất, sấy khô và bảo quản liệu cẩn thận. Phải xử lý và phân loại trước khi dùng, hạ thấp áp suất riêng phần của H và hơi nước trong không gian lò. - Chọn chế độ thao tác nấu luyện thích hợp (chế độ xỉ , chế độ nhiệt…) nâng cao tốc độ khử các bon, rút ngắn thời gian sôi tĩnh trong lò. - Các thiết bị đúc thép, máng ra thép… vật liệu chịu lửa nhất thiết phải được sấy khô và làm sạch cẩn thận. áp dụng những biện pháp tinh luyện ngoài lò như: tinh luyện chân không, xỉ tổng hợp, thổi khí phản ứng, thổi khí trơ… 2.3.1. Quá trình khử photpho. Trong kim loại, photpho thường tồn tại ở dạng Fe3P, Fe2P và P. Song đa số khi nghiên cứu các phản ứng cân bằng vẫn thường dùng dạng phốt pho nguyên tử. Phản ứng khử photpho được tiến hành như sau : 2[P] +5(FeO) (P2O5) + 5[Fe] 2[P] + 8(FeO) (3FeO. P2O5) + 5[Fe] Lp = hoặc Lp = Các phản ứng theo chiều thuận trên là các phản ứng phát nhiệt. ở nhiệt độ cao, P2O5ở trạng thái tự do, ngay cả hợp chất phốt pho sắt cũng không bền, có thể bị hoàn nguyên bởi các nguyên tố như Si và Mn... Vì vậy, để khử phốt pho phải tạo xỉ có độ kiềm cao. Trong trường hợp này P bị ôxy hoá và khử bỏ theo phương trình sau : 2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) (4CaO. P2O5) + 5[Fe] Hằng số cân bằng của phản ứng trên là: Nếu trong xỉ có SiO2 tự do tồn tại, thì sự kết hợp bền chắc của CaO và P2O5 bị phá huỷ theo phương trình  (4CaO. P2O5) +2SiO2 2(2CaO.SiO2) + P2O5 Vì vậy điều kiện cần thiết để khử photpho là số lượng CaO trong xỉ phải đủ để hình thành (4CaO. P2O5), (2CaO.SiO2), CaO, FeO… Qua nghiên cứu về sự cân bằng của phản ứng khử photpho, người ta đã rút ra kết luận xỉ có độ bazơ và tính ôxy hoá cao, có khả năng khử photpho lớn nhất. Độ kiềm B Hình 2.10: Quan hệ giữa khả năng khử photpho với độ Bazơ của xỉ và với lượng (FeO) Từ hình vẽ ta thấy, khi dùng (CaO) để nâng cao độ ba độ bazơ của xỉ tới một trị số, thì chỉ tăng (CaO) đồng thời với tăng (FeO) mới có lợi cho việc khử phốtpho. Điều kiện để khử photpho là: +Xỉ có độ kiềm cao. +Hàm lượng FeO cao (xỉ có tính ôxy hoá). +Nhiệt độ lò và nhiệt độ kim loại lỏng phải tương đối thấp (nhưng không được quá thấp). Trong quá trình luyện thép, thông thường giai đoạn vừa nấu chảy xong là phù hợp cho việc khử photpho nhất. Vì khi đó nhiệt độ kim loại lỏng còn thấp, FeO trong xỉ cao và kết hợp với điều kiện tạo xỉ trước thì việc khử photpho rất thuận lợi . Cần chú ý là: + Lò phải được khuấy đảo, sôi sục, xỉ phải loãng. + Lượng xỉ phải nhiều nhằm giảm hàm lượng (4CaO. P2O5) trong xỉ .._.