Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim kết cấu độ bền cao mác 37SiMn2MoV để sản xuất bulông cường độ cao

1

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN








BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ CẤP BỘ




Tên đề tài :
“Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim kết cấu
độ bền cao mác 37SiMn2MoV để sản xuất bulông cường độ cao”

DFGEDFGEDFGE

7687
05/02/2010





Hà Nội, 2009
2
Danh sách những người thực hiện chính

Họ và tên
Học hàm, học vị
chuyên môn
Cơ quan công tác
1. Phạm Thị Minh Phượng Kỹ sư Viện Luyện kim Đen
2. Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen
3. Phạm Thị Mai Phương Kỹ sư Viện Luyện kim Đen
4. Nguyễn Quốc Việt Kỹ sư Viện Luyện kim đen
5. Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ Việt Luyện kim đen


3
MỤC LỤC


MỞ ĐẦU 4

1. TỔNG QUAN 6
1.1. Giới thiệu về thép kết cấu và thép mác 37SiMn2MoV 6
1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép 37SiMn2MoV 8
1.3 Vật liệu chế tạo bulông cường độ cao 13
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17
2.1 Nội dung nghiên cứu 17
2.2 Phương pháp nghiên cứu 17
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19
3.1 Công nghệ nấu luyện 19
3.2 Công nghệ tinh luyện 22
3.3 Công nghệ rèn 25
3.4 Công nghệ nhiệt luy
ện 26
3.5 Các tính chất của thép 37SiMn2MoV
29
3.6 Chế tạo sản phẩm và dùng thử
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
35
39
4.1 Kết luận
39
4.2 Kiến nghị
39
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 40
6.PHỤ LỤC 41
4
Mở đầu
Bulông là một sản phẩm cơ khí được sử dụng để lắp ráp, ghép nối các chi
tiết lại thành một khối. Mối lắp ghép bằng bulông có thể chịu được tải trọng kéo
cũng như uốn rất tốt, nó lại có độ bền, độ ổn định lâu dài. Việc tháo lắp cũng như

hiệu chỉnh mối ghép bulông rất than tiện, nhanh chóng và không đòi hỏi những
công ngh
ệ phức tạp như các mối lắp ghép khác. Do có nhiều ưu điểm nên bulông
được sử dụng rộng rãi trong các máy móc, thiết bị công nghiệp, các công trình
xây dựng, công trình giao thông, cầu cống ở khắp mọi nơi trên thế giới.
Bulông được chế tạo theo nhiều cấp loại, các cấp loại khác nhau thì có cơ
tính khác nhau. Theo tiêu chuẩn quốc tế, người ta phân ra 10 cấp loại bulông:
3.6; 4.6; 4.8; 5.6; 5.8; 6.8; 8.8; 9.8; 10.9; 12.9. Bulông cường độ cao bao gồm 4
cấp loại: 8.8; 9.8; 10.9; 12.9. Tuỳ theo yêu cầ
u và điều kiện làm việc cụ thể của
sản phẩm, nhà thiết kế sẽ lựa chọn cấp loại bu lông cho phù hợp.
Ở Việt Nam cũng có nhiều nhà máy xí nghiệp sản xuất bu lông, nhưng
thường là các loại bulông có cấp bền thấp, một vài nơi chế tạo bulông cường độ
cao song chất lượng không ổn định, độ chính xác kém. Nhiều công trình xây
dựng và kết cấu thiết bị công nghiệp c
ần sử dụng bu lông cường độ cao đã phải
tiến hành nhập ngoại. Do vậy, việc sản xuất bulông cường độ cao để cung cấp
cho thị trường trong nước đã trở thành yêu cầu cấp bách. Để góp phần phục vụ
nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và
được Bộ Công Thương chấp nhận giao thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu công nghệ
sản xuất thép hợp kim kết cấu độ bền cao mác 37SiMn2MoV để sản xuất
bulông cường độ cao”.
Bản báo cáo gồm các phần như sau:
- Mở đầu
- Tổng quan
- Phương pháp nghiên cứu
- Kết quả đạt được
5
- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo điều
của Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương, Nhà máy cán thép Lưu Xá
cùng một số cơ sở nghiên cứu khác. Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cảm
ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó.






















6
I. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về thép kết cấu và thép mác 37SiMn2MoV

Thép kết cấu là loại thép dùng cho ngành chế tạo máy, có chất lượng tốt
(khử tạp chất đến : S ≤ 0,04%, P ≤0,035%), chủng loại đa dạng. Khả năng làm
việc của chúng sẽ được phát huy tối đa sau nhiệt luyện. Thép này thường được
hợp kim hoá bằng các nguyên tố : Cr, Mn, Si, Ni, Ti, Mo (W),…với lượng nhỏ
để nâng cao độ thấm tôi (cải thiện kh
ả năng nhiệt luyện) và hoá bền ferrite. Thép
kết cấu được chia thành các nhóm sau:
- Thép thấm cácbon : Là loại thép có thành phần cácbon thấp (≤ 0,25% C), ở
trạng thái cung cấp có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền thấp. Để cải thiện độ bền
và nâng cao độ cứng bề mặt, có thể áp dụng công nghệ thấm cácbon, tôi và ram
thấp.
- Thép hoá tốt : Là thép có thành phần cácbon vào khoảng 0,25 – 0,5%, cơ
tính tương đối cao ở trạng thái cung cấp. Sau nhiệt luy
ện hoá tốt
(tôi và ram cao) chúng sẽ có cơ tính tổng hợp cao nhất.
- Thép đàn hồi : Là thép có hàm lượng cácbon tương đối cao (0,5 – 0,7%),
chuyên dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi : nhíp, lò xo,…để có giới hạn đàn hồi
cao nhất thì phải qua tôi và ram trung bình.
Trong ba nhóm thép kết cấu trên thì thép kết cấu hoá tốt được sử dụng rất
rộng rãi vì chúng có tính công nghệ và cơ tính tổng hợp tốt ở trạng thái làm việc.
Thép hoá tốt có thể là thép các bon hoặc thép hợ
p kim như thép MnSi, CrMn,
CrNi, CrNiMo, CrNiV, CrNiW, CrNiMoV, MnSiMoV, CrNiMoW có thành
phần hóa học như sau:
- Hàm lượng các bon: C nằm trong khoảng 0,25 – 0,5% để thép có sự kết
hợp hài hoà giữ độ bền và dẻo dai.
- Các nguyên tố hợp kim: Thường dùng các nguyên tố Cr, Mn, Mo, Ti…
với mục đích làm tăng độ thấm tôi. Ngoài ra, các nguyên tố Mo, Ti được dùng để
7
giữ hạt nhỏ và chống giòn ram, cũng có thể dùng B với lượng rất nhỏ (< 0,005%)

để tăng độ thấm tôi.
Nhờ có hàm lượng các bon trung bình và các nguyên tố hợp kim nên các
loại thép hoá tốt có độ thấm tôi cao. Cũng do có thành phần hoá học như vậy mà
thép hoá tốt sau khi ram cao sẽ tiết ra các loại các bít hợp kim nhỏ mịn làm cho
thép có độ hạt nhỏ mịn, đạt cơ tính tổng hợp cao.
Mác thép 37SiMn2MoV thuộc loại thép hóa tốt MnSiMoV theo tiêu chuẩn
củ
a Trung Quốc, với các nguyên tố hợp kim hóa: Mn, Si, Mo và V. Hàm lượng
các bon trung bình ( C = 0,33 – 0,39% ) kết hợp với 4 nguyên tố hợp kim hóa
nêu trên đã làm cho thép này có cơ tính tổng hợp cao. Vì thế mác thép
37SiMn2MoV có nhiều ứng dụng để chế tạo các chi tiết chịu được tải trọng kéo
cũng như uốn rất tốt, có độ bền, độ ổn định lâu dài.
Tại các nước công nghiệp khác cũng có các mác thép tương tự: mác thép
36Γ2C theo tiêu chuẩn ΓOCT 4543-61 của Nga, mác thép SMn433 theo tiêu
chuẩ
n JIS 4106 của Nhật Bản. Thành phần hóa học của một số mác thép tương
đương và thép 37SiMn2MoV được nêu trong bảng, bảng 2 đưa ra cơ tính của
thép 37SiMn2MoV.
Bảng 1 : Thành phần hoá học của thép 37SiMn2MoV và các mác thép tương đương
Mác thép
C Si Mn Cr Ni Mo V P S
37SiMn2MoV
Trung Quốc
0,33-
0,39
0,60-
0,90
1,6-
1,9
≤0,30 ≤0,30

0,40-
0,50
0,05-
0,12
≤0,035 ≤0,035
30Mn2MoW
Trung Quốc
0,27-
0,34
0,17-
0,37
1,7-
2,0
≤0,30 ≤0,30
0,40-
0,50
W:0,60-
1,00
≤0,035 ≤0,035
36Γ2C
Nga
0,32-
0,40
0,40-
0,70
1,58-
1,80
≤0,25 ≤0,25 - -
≤0,035 ≤0,035
SMn433

Nhật Bản
0,30-
0,36
0,15-
0,35
1,20-
1,50
≤0,35 ≤0,25
- -
≤0,030 ≤0,030
8

Bảng 2 : Cơ tính của thép 37SiMn2MoV

Độ bền
Mpa


Giới hạn
chảy
Mpa

Độ dãn dài
%

Độ co thắt
%

Độ dai va
đập

J/cm
2


Độ cứng
HB
≥980 ≥835
≥12 ≥50
≥ 63 ≤ 269

1. 2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép 37SiMn2MoV
Thép 37SiMn2MoV là thép kết cấu có thành phần cacbon trung bình. Các
nguyên tố hợp kim cho vào thép kết cấu chủ yếu để nâng cao độ thấm tôi và
nâng cao cơ tính ở trạng thái cung cấp. Dưới đây là ảnh hưởng của các nguyên tố
tới cấu trúc và tính chất của thép 37SiMn2MoV.
- Cácbon:
Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng γ và tạo thành pha cácbít có độ cứng
cao, nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt các hợp kim trên cơ sở s
ắt. Khi có
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 hưởng đến tính chất hợp kim (ví
dụ, sự tạo thành Mo
2
C sẽ làm nghèo Mo trong dung dịch rắn, dẫn tới làm giảm
tính bền nóng của hợp kim). Cácbon cũng có ảnh hưởng âm đến tính dẻo, giảm
khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim. Bảng
3 đưa ra các dạng cacbit khác nhau của một số nguyên tố hợp kim và trên hình
1thể hiện độ cứng tương ứng của các loại cácbit.

9
Bảng 3: Các dạng các bít khác nhau của một số nguyên tố hợp kim
Dạng cacbit Nguyên tố hợp kim Tỷ lệ,%
C 13.0
Fe 4.0
W 23.0
Mo 14.0
V 43.0
MC
Cr 4.5
C 6.0
Fe 7.0
W 41.0
Mo 28.0
V 11.0
M
2
C
Cr 8.0
C 6.7
Fe 76.0
W 5.0
Mo 4.0
V 2.0
M
3
C
Cr 8.0

C 4.0
Fe 45.0
W 25.0
Mo 18.0
V 4.0
M
23
C
6

Cr 5.0
C 3.0
Fe 35.0
W 35.0
Mo 19.0
V 3.3
M
6
C
Cr 3.3
10

Hình 1: Độ cứng của một số loại cácbit
- Mangan: Mangan là nguyên tố mở rộng vùng γ, khi hòa tan vào ferit có
tác dụng hóa bền pha này. Mangan không tạo cacbit riêng biệt mà thay thế sắt
trong Fe
3
C. Mangan có tác dụng tăng độ thấm tôi, với 1%Mn đường kính tới hạn
lý thuyết lớn gấp bốn lần so với thép cacbon không có mangan. Ngoài ra mangan
trong quá trình nấu chảy có tác dụng khử ôxy và kết hợp với lưu huỳnh tạo MnS

rất bền vững làm giảm hiện tượng bở nóng trong thép.
Tuy nhiên trong thép kết cấu thì hàm lượng không quá 2% và hiếm khi
mangan đóng vai trò là một nguyên tố hợp kim độc lập, bởi vì nó kéo theo một
số nhược điể
m sau: thúc đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tính giòn ram,
giảm độ dẻo và độ bền.
- Molypden:
Molypđen là nguyên tố hợp kim quý hiếm, trong thép kết cấu thường chứa
0,2 – 0,6 % . Molypđen là nguyên tố thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α trong
hợp kim với sắt. Giản đồ trạng thái của hệ Fe-C-Mo được trình bầy trong hình 2


.
11














Molypden là nguyên tố tạo cácbít mạnh. Trong thép hợp kim chứa Mo
thường tạo thành cacbit đơn như MoC và Mo

2
C và một số loại cacbit phức khác
tuỳ theo hàm lượng Molypden (bảng 3). Do đó molypden làm tăng độ bền cơ
học, độ bền mỏi, tăng tính chịu nhiệt và chống khuynh hướng dòn ram loại 2 của
thép. Molypden còn làm tăng tính chống gỉ của thép, đặc biệt trong các môi
trường xâm thực mạnh. Molipđen làm cản trở qúa trình ram thép. Hình 3 thể
hiện sự thay đổi độ cứng của thép sau ram khi hàm lượng molipđen trong thép
khác nhau.
Lượng nguyên tố cacbon, %
T,
0
C

Lượng nguyên tố cacbon, %
Hình 2 : Giản đồ trạng thái hệ Fe-C- Mo
12

Hình 3: Ảnh hưởng của Mo đến độ cứng của thép (có 0,35%C) khi ram
- Vanadi
Trong thép kết cấu chứa vanadi có tác dụng gần giống molipđen. Nó thu hẹp
vùng γ và khuynh hướng tạo các bít mạnh hơn cả molipđen. Rất khó có thể hòa
tan VC vào γ, do đó làm giảm độ thấm tôi và độ cứng của thép. VC nhỏ mịn,
nằm ở biên hạt, nó có tác dụng ngăn cản sự lớn lên của hạt γ khi nung. Như vậy
trong thép vanađi có tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể nên tạo cho thép có độ bền và
tính dẻo.
- Silic
Silic là nguyên tố mở rộng vùng α, cũng như niken silic không tạo cacbit.
Silic có tác dụng làm tăng độ cứng, độ bền, tính chảy loãng trong thép. Silic còn
tăng tính ổn định ram, nhưng không làm tăng tính giòn của thép. Silic tăng khả
năng chống oxy hóa cho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão. Ngoài ra

silic còn có tác dụng khử ôxy trong thép.
Dưới đây là bảng thố
ng kê ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim đến cấu
trúc và tính chất của thép.
13
Bảng 4: Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cấu trúc và tính chất của thép
Nguyên
tố
Nâng cao độ
thấm tôi
Hóa
bền
ferit
Làm
nhỏ hạt
Hình thành
cácbit
Cản trở sự
ram
Công dụng nổi
bật
Cr Mạnh
Trung
bình
Yếu Trung bình Trung bình
Có trong mọi
thép để nâng cao
độ thấm tôi,
chống ăn mòn và
chịu nhiệt

Mn Mạnh Mạnh
Làm
hạt to
nhanh
Yếu Yếu
Dùng thay Ni để
tạo austenit
Si Yếu Mạnh Không
Không,
thúc đẩy sự
graphit
hóa, thoát
C
Trung
bình, dưới
250
0
C
Mạnh
Chống oxy hóa,
chế tạo thép kỹ
thuật điện, thép
đàn hồi
Ni Trung bình
Trung
bình
Không Không Không
Nâng cao độ dai
a
k

tạo thép
austenit
Mo Rất mạnh Yếu
Trung
bình
Mạnh Mạnh
W Trung bình Yếu
Trung
bình
Mạnh Mạnh
Chống giòn ram
loại II và nâng
cao độ bền ở
nhiệt độ cao
V
Mạnh, nhưng
VC khó hòa
tan vào γ
Yếu Mạnh Mạnh Mạnh Làm hạt nhỏ

1.3 Vật liệu chế tạo bulông cường độ cao
Qua cuộc khảo sát tại Nhà máy cán Lưu Xá, chúng tôi thấy có nhiều loại
bulông ở các vị trí lắp ghép các chi tiết trong giàn máy cán thường hay bị dãn,
đứt và phải mất nhiều thời gian để khắc phục. Hiện nay Nhà máy chưa chọn lựa
được vật liệu phù hợp để chế tạo bulông này. Có 2 loại bulông Nhà máy đang
quan tâm đến khả năng làm việc của chúng là:
+ Bulông M16: Lắp ở đầ
u trục mang bánh cán thép dây (bánh cán có kích
thước D170) lắp thông qua mặt bích để có tác dụng chặn giữ bánh cán và chống
di dọc trục cho bánh cán trong quá trình làm việc (dùng để cán các sản phẩm

thép dây D6, 8, 10). Trong quá trình làm việc bu lông M16 chịu lực kéo, hiện
14
nay chưa chịu được lực di dọc trục của bánh cán và thường xuyên làm bánh cán
bị di dọc trục qua mỗi đợt sản xuất, bu lông thường hay bị dãn, đứt và phải mất
nhiều thời gian để khắc phục, sửa chữa thay bulông M16 khác.
+ Bulông M27: sử dụng ở dãy cán thép thanh vằn (D16 - D40). Vị trí sử
dụng: Làm bu lông kẹp giữ dẫn vào lỗ hình. Quá trình làm việc bu lông chủ yếu
chịu lực cắt. (Dẫn vào lỗ hình có tác dụng d
ẫn hướng thép qua lỗ hình được dễ
dàng).
Theo tiêu chuẩn về vật liệu chế tạo bulông cường độ cao trong bảng 5 và
tính chất của thép 37SiMn2MoV trong bảng 6 theo tiêu chuẩn TCVN 1916-
1996, chúng tôi chọn thép hợp kim kết cấu độ bền cao mác 37SiMn2MoV để chế
tạo bulông M16 và M27.
Bảng 5: Vật liệu chế tạo bulông cường độ cao theo tiêu chuẩn ISO 898-1
Thành phần hóa học, %
C
Cấp
loại
Vật liệu và nhiệt luyện
Từ Đến
P
≤
S
≤
Thép các bon qua tôi, ram có
các nguyên tố: Mn, Cr
0,15
d
0,4 0,035 0,035

8.8
Thép các bon qua tôi, ram 0,25 0,55 0,035 0,035
Thép các bon qua tôi, ram có
các nguyên tố: Mn, Cr
0,15
d
0,35 0,035 0,035
9.8
Thép các bon qua tôi, ram 0,25 0,55 0,035 0,035
Thép các bon qua tôi, ram 0,25 0,55 0,035 0,035
Thép các bon qua tôi, ram có
các nguyên tố Mn, Cr
0,20
d
0,55 0,035 0,035
10.9
f
Thép hợp kim qua tôi và ram
g
0,2 0,55 0,035 0,035
12.9
fh
Thép hợp kim qua tôi và ram
g
0,28 0,50 0,035 0,035
15
Ghi chú:
d: Trong trường hợp thép cácbon thường có hàm lượng cácbon dưới 0,25%, thì hàm
lượng mangan đối với cấp 8.8 là 0,6% và 9.8, 10.9 là 0,7%.
f: Vật liệu cho các cấp bulông này phải có độ thấp tôi đủ để đảm bảo tổ chức 90%

mactenxit ở phần lõi của vùng ren của bulông ở trạng thái tôi trước khi ram.
g: Những thép hợp kim này chứa ít nhất một trong các nguyên tố sau:
Cr: 0,30% Ni: 0,30% Mo: 0,20% V: 0,10%
h: Không cho phép có lớp giàu phốt pho màu trắng trên tổ chức tế vi ở bề mặt đối
với cấp loạ
i 12.9 vì sẽ ảnh hưởng đế ứng suất kéo.
Bảng 6: Cơ tính của bulông theo tiêu chuẩn TCVN 1916-1996
Trị số đối với cấp độ bền
8.8
Cơ tính
3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 6.8
≤
M16
>
M16
9.8 10.9 12.9
danh
nghĩa
300 400 500 600 800 800 900 1000 1200
1. Giới hạn

bền đứt
σb, N/mm²
nhỏ
nhất
330 400 420 500 520 600 800 830 900 1040 1220
nhỏ
nhất
90 114 124 147 152 181 219 242 266 295 353
2. Độ cứn

g
Brinen
HB
lớn
nhất
209 238 285 319 342 363 412
nhỏ
nhất
- - 20 23 27 31 38
3. Độ cứng

Rốc oen
HRC
lớn
nhất
-
- 30 34 36 39 44
danh
nghĩa
180 240 320 300 400 360 480 - - - - -
4. Giới hạn

chảy
σ ch,
N/mm²
nhỏ
nhất
190 240 340 300 420 360 480 - - - - -
danh
nghĩa

- - - - - - 640 640 720 900 1088
5. Giới hạn

chảy qui
ước
N/mm²
nhỏ
nhất
- - - - - - 610 660 720 940 1100

16
Bảng 7: Thông số kỹ thuật về bulông
Đường kính
Thông số cơ
bản
4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 27 30 36 42 48
Lớn 0.7 0.8 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
Bước
ren
Nhỏ

1.0 1.25 1.5 2.0 3.0

Từ yêu cầu cơ tính làm việc của bulông trong bảng 5 và tính chất của thép
37SiMn2MoV trong bảng 2 chúng tôi thấy thép 37SiMn2MoV rất phù hợp để
chế tạo bulông M16 và M27 với cấp bền 10.9.

17
2.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
Dựa trên tiêu chuẩn GB 3077-88 của Trung Quốc và các tiêu chuẩn nước
ngoài khác để lựa chọn mác thép hợp kim 37SiMn2MoV phù hợp cho việc chế
tạo bulông cường độ cao. Nội dung nghiên cứu như sau:
1) Xây dựng đề cương kế hoạch nghiên cứu: tổng quan và chi tiết.
2) Nghiên cứu các tài liệu về: Tiêu chuẩn vật liệu, tiêu chuẩn sản phầm,
công nghệ chế tạ
o, ứng dụng của bulông M16 và M27.
3) Khâu công nghệ: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thiết bị
chế tạo thép hợp kim kết cấu 37SiMn2MoV theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB
3077-88. Dựa trên cơ sở vật chất, thiết bị sẵn có tiến hành nghiên cứu thực
nghiệm để xác định các công nghệ:
+ Công nghệ nấu luyện
+ Công nghệ tinh luyện

+ Công nghệ rèn
+ Công nghệ nhiệt luyện
4) Đánh giá chất lượng thép 37SiMn2MoV
+ Thành phần hóa h
ọc
+ Tính chất cơ lý: độ bền kéo, độ giãn dài, độ co thắt, độ cứng
+ Cấu trúc pha.
5) Chế tạo thử 120 chiếc bulông M27 và 120 chiếc bulông M16 chất lượng
tốt. Xây dựng kế hoạch và tổ chức dùng thử bulông. Theo dõi và đánh giá kết
quả thử nghiệm và khả năng sử dụng.
6) Viết báo cáo tổng kết đề tài.
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin c
ậy chính xác cao, đề tài đã sử
dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu như sau :
18
- Trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuất và các tài liệu trong và ngoài nước về
thép hợp kim kết cấu độ bền cao, phân tích điều kiện làm việc của bulông cường
độ cao.
- Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300kg/mẻ để thực hiện công nghệ
nấu luyện, thiết bị tinh luyện điển xỉ 100KVA để xác định công nghệ tinh luyện,
búa rèn 400kg và 150kg để xác định công nghệ rèn và lò nung, tôi và ram để
xác
định công nghệ nhiệt luyện.
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và thiết bị phân tích
quang phổ phát xạ ARL 3460 OES để xác định thành phần hoá học của nguyên
liệu và sản phẩm thép nấu luyện.
- Dùng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 để xác định độ bền, máy đo độ
cứng HPO 250 để đo độ cứng theo các tiêu chuẩn
TCVN 197:2002 và TCVN

256:2001.
- Dùng kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT để nghiên cứu tổ chức và
cấu trúc pha.
- Sử dụng thiết bị MK30 để xác định khả năng chịu va đập của thép theo
tiêu chuẩn
TCVN 312-84.











19
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1 Công nghệ nấu luyện
Để đảm bảo thép sau khi nấu luyện đạt chất lượng cao, đồng thời cũng phù
hợp với điều kiện nguyên vật liệu và thiết bị sẵn có trong nước, chúng tôi chọn
thiết bị nấu luyện là lò cảm ứng trung tần. Cụ thể đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu
công nghệ nấu luyện trên lò cảm ứ
ng trung tần Radyne 300 kg/mẻ do nước Anh
chế tạo.
Trên cơ sở yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép và tận dụng phế
liệu sẵn có tại Viện Luyện kim đen, đề tài đã sử dụng các loại nguyên liệu sau :
- Thép nền loại C30, CT3
- FeMo

- FeMn
- FeSi
- FeV
- Bột grafit
- Nhôm kim loại
Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bả
ng 8.
Bảng 8 : Thành phần hoá học của nguyên liệu, %
TT
Nguyên
liệu
C Si Mn V Mo
1 Phế C30 0,28 0,24 0,75 - -
2 Phế CT3 0,18 0,19 0,48 - -
3 FeV 40
4 FeMo 50
5 FeMn 1,3 75
6 FeSi 72
7 Bột grafit 95
8 Al Al=99.5%
20
Để tính phối liệu mẻ luyện, chúng tôi sử dụng bảng hệ số cháy hao các
nguyên tố hợp kim (bảng 9). Ở đây hệ số cháy hao các nguyên tố hợp kim hoá
khi nấu luyện bằng lò cảm ứng được xây dựng dựa trên số liệu thống kê tại
Xưởng thép - Viện Luyện kim đen và một số cơ sở khác.
Bảng 9 : Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
TT Nguyên tố hợ
p kim Hệ số cháy hao, %
1 Mn 4-8
2 Si 6-10

3 C 6-10
4 Mo 1-2
5 V 15-20

Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu đầu vào (bảng 8), hệ số cháy
hao các nguyên tố hợp kim (bảng 9), chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 3 mẻ
nấu thí nghiệm với trọng lượng mỗi mẻ khoảng 250 kg như trong bảng 10.
Bảng 10 : Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg
TT Nguyên liệu Mẻ 1 (kg) Mẻ 2 Mẻ 3
1 Thép phế CT3 - 240 240
2 Phế C30 240 - -
3 FeMn 4,2 5,0 5,0
4 FeMo 2,1 2,1 2,1
5 FeV 0,5 0,5 0,5
6 FeSi 2,5 2,8 2,8
7 Bột than điện cực 0,2 0,6 0,6
8 Nhôm kim loại 0,8 0,8 0,8
Tổng cộng 250,3 251,8 251,8


21
Quy trình thao tác nấu luyện như sau :
- Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO và CaF
2
đã được nghiền nhỏ và sấy khô
vào đáy lò.
- Xếp liệu gồm thép phế CT3, C30 và FeMo vào lò sao cho liệu được xếp
chặt nhất. Lượng bột than điện cực được cho vào hộp sắt, đóng kín rồi cho vào
đáy lò.
- 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 nước thép đã đạt được khoảng 1600
0
C thì ta
bắt đầu cho FeMn, FeSi và FeV hợp kim hóa và khử khí.
- Để lắng nước thép khoảng 5 – 7 phút rồi vớt hết xỉ và rót thép vào nồi rót
đã được sấy đỏ. Trong nồi thép đã để sẵn nhôm kim loại ở dạng mẩu nhỏ để khử
khí lần cuối.
- Rót thép vào khuôn cát làm bằng kỹ thuật đông cứng nhanh CO
2
và nước
thuỷ tinh để đúc các thỏi với kích thước :φ60 x (1000 ± 20%) để tinh luyện điện
xỉ.
- Lấy mẫu khi rót thép để phân tích thành phần hoá học.
Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ theo phối liệu như đã nêu trong
bảng 10. Các mẻ thí nghiệm được lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học theo
phương pháp truyền thống tại phòng thí nghiệm phân tích hoá của Viện Luyện
kim
đen. Kết quả phân tích thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm được nêu
trong bảng 11.





22
Bảng 11 : Thành phần hoá học của thép thí nghiệm, %
Mẻ C Si Mn Cr Ni Mo V P S

1 0,350 0,640 1,781 0,235 0,093 0,425 0,082 0,032 0,024
2 0,351 0,645 1,776 0,235 0,093 0,423 0,080 0,033 0,026
3 0,348 0,643 1,780 0,234 0,094 0,424 0,081 0,034 0,025
Thép
nghiên
cứu
0,33-
0,39
0,60-
0,90
1,6-
1,9
≤0,30 ≤0,30
0,40-
0,50
0,05-
0,12
≤0,035 ≤0,035

Qua số liệu nêu trong bảng 11 ta thấy cả 3 mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu
cầu về thành phần hóa học. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim C, Si, Mn, Mo,
Cr và V đều nằm trong giới hạn tiêu chuẩn của mác thép 37SiMnMoV. Các tạp
chất P, S đều nằm trong giới hạn, tuy nhiên P gần giới hạn trên vì hàm lượng P
trong FeMn tương đối cao. Rút kinh nghiệm từ các mẻ nấu luyện chúng ta có thể
điều chỉnh hàm lượng P trong thép giảm xuống bằ
ng cách lựa chọn những FeMn
có hàm lượng P thấp để phối liệu.
3.2 Công nghệ tinh luyện
Để tạo điều kiện tốt cho khâu rèn tiếp theo thì thỏi đúc phải đáp ứng
được các yêu cầu sau :

Sạch tạp chất : hàm lượng P, S phải thấp
Cấu trúc : thỏi đúc phải có cấu trúc hạt mịn
Mật độ cao : không rỗ xốp
Để đáp ứng các yêu cầu trên, có nhiều công nghệ áp d
ụng như đúc trong
chân không, tinh luyện bằng lò thùng, Tuy nhiên, trong điều kiện thực hiện
thực tế của Việt Nam chúng tôi sử dụng công nghệ điện xỉ để tiến hành đúc thỏi.
Thiết bị tinh luyện điện xỉ của Viện Luyện kim đen có các thông số như
sau :
- Công suất máy biến thế : 100 KVA
23
- Dòng điện : 1.000 – 1.500 A
- Điện áp ra : 40 – 45 V
- Kích thước hộp kết tinh : φ120 x 400 mm
- Kích thước điện cực : φ60 mm
- Lưu lượng nước làm mát : 5 – 6 m
3
/h
Để đạt được mục đích tinh luyện, chúng tôi chọn hệ xỉ ANF-6 của Liên
Xô cũ với thành phần hoá học 30% Al
2
O
3
và 70% CaF
2
. Hệ xỉ này có nhiều ưu
điểm là có khả năng khử S tốt, dễ kiếm và rẻ tiền. Hai cấu tử của xỉ được tuyển
chọn cẩn thận bằng nam châm sau khi nghiền nhỏ và được sấy khô cẩn thận
trước khi dùng. Lượng xỉ cần thiết để tinh luyện là 50 – 60 kg/tấn sản phẩm.
Quy trình tinh luyện điện xỉ được tiến hành như sau ;

Cho lượng x
ỉ cần thiết cho một thỏi (2,0 – 2,5 kg cho một thỏi điện xỉ 40 –
45 kg) vào hộp kết tinh. Hộp kết tinh phải được kiểm tra cẩn thận về bề mặt
trong và độ kín nước. Hạ điện cực từ từ xuống sao cho tạo được hồ quang làm
nóng chảy xỉ rắn, tạo thành xỉ lỏng.
Cho điện cực nhúng vào bể xỉ lỏng với độ sâu thích hợ
p và chế độ điện hợp
lý (điện áp và dòng điện) để tạo ra được các giọt kim loại nóng chảy ở đầu điện
cực. Giọt kim loại lỏng này lớn dần lên và dưới tác dụng của trọng lực giọt kim
loại sẽ tách khỏi đầu điện cực, đi qua bể xỉ lỏng và lắng xuống dưới đáy hộp kết
tinh t
ạo thành bể thép lỏng. Tại đây, dưới tác dụng của dòng nước làm nguội
chảy quanh hộp kết tinh, bể thép lỏng kết tinh nhanh thành thỏi điện xỉ theo
hướng từ dưới lên trên và từ ngoài vào trong. Trong quá trình đi qua lớp xỉ lỏng,
do tương tác hoá lý giữa xỉ lỏng và thép lỏng nên giọt thép lỏng được tinh luyện
sạch các tạp chất, nhất là S. Vì bể thép lỏng được hình thành và kết tinh dưới lớp
xỉ l
ỏng nên rất sạch khí, tương tự như trường hợp luyện kim trong chân không.
Quá trình kết tinh xẩy ra do tốc độ làm nguôi lớn nên thỏi điện xỉ có cấu trúc hạt
mịn, rất thuận lợi cho khâu rèn tiếp theo. Quá trình tinh luyện điện xỉ cứ như thế
24
xẩy ra cho đến khi hộp kết tinh được điền đầy thì kết thúc. Nguyên lý của quá
trình điện xỉ được miêu tả trên hình 4.
Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm qua tinh luyện điện xỉ được
nêu trong bảng 12 (các mẻ được phân tích bằng phương pháp hóa học truyền
thống, riêng mẻ 2 được phân tích đối chiếu)
Bảng 12 : Thành phần hoá học của thép sau điện xỉ, %
Mẻ C Si Mn Cr Ni Mo V P S
1
0,342 0,637 1,773 0,236 0,095 0,429 0,080 0,032 0,014

2
0,344 0,634 1,768 0,235 0,094 0,427 0,078 0,033 0,012
3
0,341 0,640 1,772 0,234 0,096 0,428 0,080 0,034 0,013
2
*
0,343 0,632 1,767 0,236 0,095 0,429 0,081 0,034 0,013
Thép nghiên
cứu
0,33-
0,39
0,60-
0,90
1,6-
1,9
≤0,30 ≤0,30
0,40-
0,50
0,05-
0,12
≤0,035 ≤0,035

* : kết quả phân tích quang phổ
Từ các kết quả phân tích trên ta thấy thành phần hoá học của thép sau
điện xỉ bằng phương pháp phân tích quang phổ và phương pháp hoá học cổ điển
là gần như nhau. Thành phần các nguyên tố sau điện xỉ hầu như không thay đổi,
trừ tạp chất S giảm khá nhiều.
Các thỏi điện xỉ có chất lượng tốt :
Bề mặt ngoài láng bóng, bong xỉ ;
Không có biể

u hiện rỗ xốp.

25

Hình 4 : Sơ đồ qúa trình tinh luyên điện xỉ
3.3 Công nghệ rèn
Thép hợp kim mác 37SiMn2MoV là loại thép hợp kim trung bình có trở
chống biến dạng vừa phải, độ dẫn nhiệt trung bình nên khi rèn cần chú ý các
khâu nung phôi, chế độ biến dạng và quá trình làm nguội. Công nghệ rèn được
nghiên cứu trên hệ thống thiết bị gồm lò phản xạ, búa máy 450kg và 150kg
Thép 37SiMn2MoV sau khi điện xỉ được kiểm tra chất lượng đem xếp vào
lò phản xạ có nhiệ
t độ ban đầu bằng nhiệt độ môi trường. Tiến hành nâng nhiệt
với tốc độ tăng từ 80-120
0
C/h. Sau thời gian từ 5 đến 6giờ lò đạt nhiệt độ 650-
750
0
C ta tiến hành nâng nhiệt nhanh khoảng 150-200
0
C/h. Khi lò đạt nhiệt độ
1100-1150
0
C thì giữ đẳng nhiệt trong vòng 2giờ sau đó tiến hành rèn.
Giai đoạn 1 : Vỗ dài phôi thép, chặt đầu, đuôi đến kích thước cần thiết.
- Nhiệt độ bắt đầu rèn : 1100-1150
0
C
- Nhiệt độ kết thúc rèn : 900-950
0

C
Giai đoạn 2 : Rèn theo kích thước chi tiết phôi cho công đoạn tiếp theo.
Phôi vuông 40 x 40 x 180mm, phôi lục giác của bulông M16.