Đề tài : Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim mác SKS43

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











B¸o c¸o tæng kÕt
§Ò TµI NGHI£N CøU KHOA HäC Vµ PH¸T TRIÓN CÊP Bé


Tªn ®Ò tµi :
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP HỢP KIM MÁC SKS43”
_________________________






Cơ quan chủ quản : TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
Cơ quan chủ trì : VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Chủ nhiệm đề tài : PHẠM THANH SƠN

HÀ NỘI - 2010

- 2 -
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN











B¸o c¸o tæng kÕt
§Ò TµI NGHI£N CøU KHOA HäC Vµ PH¸T TRIÓN CÊP Bé


Tªn ®Ò tµi :
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP HỢP KIM MÁC SKS43”

_________________________






VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG





Đinh Văn Tâm



HÀ NỘI - 2010

- 3 -

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

Họ và tên
Học hàm, học
vị chuyên môn
Cơ quan công tác
1. Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen
2. Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen

3. Nguyễn Hồng Phúc Kỹ sư Viện Luyện kim Đen
4. Phạm Thị Mai Phương Kỹ sư Viện Luyện kim Đen
5. Vũ Thế Anh Kỹ sư Tổng công ty Thép Việt Nam
6. Nguyễn Văn Tháo Kỹ sư Xí nghiệp cơ khí 79

- 4 -
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 05
I. TỔNG QUAN 06
1.1. Giới thiệu về tình hình sản xuất thép hợp kim và thép dụng cụ
hợp kim chịu va đập mác SKS43
06
1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép hợp kim mác SKS43 10
1.3. Quá trình va đập và hiệu suất va đập của dụng cụ chịu va đập 18
1.4. Vật liệu thép hợp kim chịu va đập để chế tạo đầu búa rèn 23
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
2.1 Nội dung nghiên cứu 24
2.2 Phương pháp nghiên cứu 24
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 26
3.1 Công nghệ nấu luyện26
3.2 Công nghệ tinh luyện29
3.3 Công nghệ rèn 31
3.4 Công nghệ gia công cơ khí và chế tạo sản phẩm33
3.5 Công nghệ nhiệt luyện34
3.6 Các tính chất của thép hợp kim mác SKS43
37
3.7 Chế tạo sản phẩm và dùng thử
41
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
43
4.1 Kết luận
43
4.2 Kiến nghị
43

V. TÀI LIỆU THAM KHẢO
44
VI. PHỤ L
ỤC
45


- 5 -
M U
Thộp dng c hp kim chu va p l loi thộp c s dng rng rói
trong nhiu ngnh sn xut, ch to, gia cụng nguyờn nhiờn vt liu phc
v cho nhiu lnh vc khỏc nhau theo nhu cu v yờu cu thc t ca xó hi
nh ch to pớttụng khoan lc, khuụn chn u (bulụng, inh tỏn), khuụn dp
th tớch (dng h hoc kớn - thuc lnh vc gia cụng ỏp lc), Cỏc loi thộp
ny thng
c hp kim hoỏ bng cỏc nguyờn t hp kim l nhng vt t
t tin nờn giỏ thnh ca cỏc loi thộp hp kim khỏ cao. Trong s phỏt trin
mnh m ca nn kinh t th trng, vic nghiờn cu tỡm ra cỏc loi thộp cht
lng tt v cú giỏ thnh cnh tranh l mt hng i ca cỏc nh luyn kim
hin nay. Mt trong cỏc kt qu ca hng i ny l to ra thộp hp kim chu
va p s dng ớt nguyờn t hp kim húa m cú
bn m bo, cht lng
tt v giỏ thnh thp.
Vic nghiờn cu sn xut cỏc loi thộp hp kim t cht lng tt
ỏp ng nh cu ca ngnh cụng nghip sn xut, ch to v gia cụng vt liu
hin nay ca nc ta l ht sc cn thit v quan trng. Vỡ vy, nm 2010 B
Cụng Thng ó giao nhim v cho Vin Luyn kim
en thc hin ti
Nghiờn cu cụng ngh sn xut thộp hp kim mỏc SKS43. Mc tiờu ca
ti l xỏc nh c cụng ngh sn xut thộp hp kim mỏc SKS43 t cht

lng tt bng nguyờn liu v thit b sn cú trong nc, ỏp ng c yờu
cu ca ngnh cụng nghip v phỏt trin kinh t t nc.
Bản báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu này bao gồm các nội dung chính
nh sau:
1. Phần tổng quan
2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
3. Kết quả đạt đợc
4. Kết luận và kiến nghị
5. Tài liệu tham khảo
6. Phần phụ lục
Trong quỏ trỡnh thc hin ti, chỳng tụi ó nhn c s ch o, giỳp
to iu kin ca V Khoa hc v Cụng ngh - B Cụng Thng, Xớ
nghip c khớ 79 B Quc Phũng, cựng mt s c s sn xut, ch to v
nghiờn cu khỏc. Nhõn dp ny, chỳng tụi xin trõn trng cm n v s giỳp
v hp tỏc ú.


- 6 -
I. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về tình hình sản xuất thép hợp kim và thép dụng cụ hợp kim
chịu va đập mác SKS43.
Hiện nay trên thế giới sản xuất khoảng 1.000 chủng loại thép hợp kim.
Do thiết bị và kỹ thuật được cải tiến nhiều nên chất lượng thép hợp kim
không ngừng được tăng cao.
Về chiến lược phát triển thép của Việt Nam tới năm 2010 Bộ chính trị
trong thông báo s
ố 112TB/TW ngày 12/4/1995 đã nhấn mạnh: “Thép là vật
liệu chủ yếu đối với nhiều ngành công nghiệp, vai trò quyết định đối với sự
nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Phát triển nhanh ngành thép
là một yêu cầu khách quan, cấp bách và có ý nghĩa chiến lược”. “Ngoài việc

đáp ứng đủ thép xây dựng thông dụng, ngành thép phải quan tâm xây dựng
nhà máy chuyên sản xuất thép chất lượng cao, thép hợp kim và một số loại
thép chất lượng khác ph
ục vụ ngành chế tạo máy và công nghiệp quốc
phòng”…. và trong nghị định số 88/CP ngày 31/12/1996 cũng đã ghi: “Công
nghệ sản xuất vật liệu kim loại là lĩnh vực quan trọng có tác dụng quyết định
đối với sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước cũng như đối với
việc bảo vệ an ninh quốc gia…Trong việc xây dựng ngành luyện kim Việt
Nam cần chú trọng các lĩnh vực công nghệ
sau đây:
Công nghệ luyện thép hợp kim chất lượng cao, thép hợp kim và hợp kim
cho cơ khí chế tạo máy, công nghệ hóa chất, xi măng, dầu khí, cho nhu cầu
quốc phòng. Các công nghệ đúc tiên tiến, công nghệ gia công, xử lý, phân
tích, kiểm nghiệm tương ứng”.
Như vậy, có thể thấy Đảng và Nhà nước ta luôn nhấn mạnh vai trò quyết
định của vật liệu thép đối với sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa, đối
v
ới phát triển kinh tế và bảo đảm an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, Việt Nam
vẫn chưa có được một nhà máy cỡ lớn nào chuyên sản xuất các loại thép hợp
kim và việc sản xuất thép hợp kim vẫn chỉ dừng lại ở quy mô nhỏ và sự đầu
tư vẫn chưa được đồng bộ dẫn đến chất lượng thép hợp kim của ta được sản

- 7 -
xuất ra chất lượng vẫn chưa được tốt như thép nhập ngoại. Do đó hàng năm
chúng ta vẫn phải nhập khẩu một lượng lớn thép hợp kim chất lượng cao từ
nước ngoài để phục vụ cho nhu cầu sửa chữa và chế tạo thiết bị ở trong nước.
Việc nghiên cứu để sản xuất thép hợp kim chất lượng cao nói chung và
thép dụng cụ hợp kim ch
ịu va đập nói riêng để chế tạo các chi tiết phục vụ
cho các ngành công nghiệp là luôn cần thiết kể cả khi chúng ta đã có nền công

nghiệp chế tạo thép hợp kim phát triển.
Ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có đơn vị nhà máy nào chuyên sản xuất
thép hợp kim nói chung và thép dụng cụ hợp kim chịu va đập nói riêng, với
chất lượng cao, mà chủ yếu là sản xuất theo đơn đặt hàng dùng trong sửa chữa
và thay thế. Một s
ố đơn vị đã nghiên cứu và sản xuất được một số mác thép
hợp kim nhằm đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu của thị trường, tuy nhiên chỉ là
sản xuất nhỏ lẻ, rời rạc hạn chế về số lượng và chưa ổn định về chất lượng.
Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép hợp kim các loại, điều
này không chỉ
tiêu tốn rất nhiều ngoại tệ của đất nước mà còn ảnh hưởng đến
nguồn cung cấp vật liệu cho các ngành sản xuất công nghiệp.
Thép dụng cụ thuộc vào loại thép tốt, thép cao cấp được dùng rộng rãi
trong công nghiệp. Thép dụng cụ dùng để chế tạo dao cắt, khuôn dập và dụng
cụ đo lường. Thép dao cắt và thép khuôn dập khi làm việc cần có độ cứng cao
hơn nhiều so với vậ
t liệu bị gia công, đồng thời phải có tính chống mài mòn
tốt. Vì vậy sau khi gia công một số chi tiết nhất định sẽ bị mài mòn và phải
thay thế bằng dụng cụ khác, tức dụng cụ có tuổi thọ nhất định. Do đó yêu cầu
cơ bản đối với thép dụng cụ là có độ bền cao và tính chống mài mòn cao.
Ngoài những yêu cầu cơ bản đó, đối với dụng cụ khác nhau sẽ có yêu c
ầu
khác nhau đối với vật liệu.
Thép dụng cụ hợp kim chịu va đập được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ
khí chế tạo nói chung và ngành gia công áp lực nói riêng vì chúng có cơ tính
tổng hợp cao (độ bền cao, tính chịu va đập tốt, độ bền chống phá hủy cao, có
thể làm việc bền lâu trong các điều kiện tải trọng phức tạp,…). Cơ chế của các

- 8 -
dng c lm bng cỏc loi thộp chu va p l chỳng cú kh nng thng c

tr khỏng bin dng ca vt liu bin dng v mỏy múc, thit b tỏc ng lờn.
Trong các loại thép dụng cụ hợp kim chịu va đập thì thép SKS43 có độ
cứng và độ bền khá tốt. Nhờ có hàm lợng các bon cao và một số nguyên tố
hợp kim nên các loại thép này có độ thấm tôi cao và tổ chức sau khi ram sẽ
tiết ra các loại các bít hợp kim nhỏ mịn nên làm cho thép có độ hạt nhỏ mịn,
đạt cơ tính tổng hợp cao đáp ứng đợc yêu cầu của các chi tiết máy làm việc
trong môi trờng chịu va đập mạnh. Chính vì vậy, mác thép SKS43 có nhiều
ứng dụng trong các lĩnh vực chế tạo cơ khí, dụng cụ, các chi tiết dùng trong
môi trờng chịu va đập. Đây là mác thép của Nhật sản xuất theo tiêu chuẩn
JIS G 4404 và đợc sử dụng khá nhiều ở nớc ta trong các thiết bị nhập khẩu:
pitstong khoan lắc, khuôn tán mũ đinh hay đầu búa rèn,. ở các nớc khác
nh Đức, Pháp, Trung Quốc, cũng sản xuất các loại thép tơng tự. Thành
phần hoá học và cơ tính của các mác thép cùng chủng loại SKS43 bảng 1 và 2.
Bng 1: Thnh phn húa hc ca m
t s thộp dng c hp kim chu va p.
STT Mỏc thộp C Si Mn Cr V W
1
SKS43
JIS G4404-83
1,00 ữ
1,10
0,25 0,30 0,20
0,10 ữ
0,25
-
2
SKS44
JIS G4404-83
0,80 ữ
0,90

0,25 0,30 0,20
0,10 ữ
0,25
-
3
SKS4
JIS G4404-83
0,45 ữ
0,55
0,35 0,50
0,5 ữ
1,00
-
0,5 ữ
1,00
4
SKS41
JIS G4404-83
0,35 ữ
0,45
0,35 0,50
1,00 ữ
1,50
-
2,50 ữ
3,50
5
4CrW2Si
GB 1299-85
0,35 ữ

0,45
0,8 ữ
1,10
0,40
1,00 ữ
1,30
-
2,00 ữ
2,50
6
5CrW2Si
GB 1299-85
0,45 ữ
0,55
0,50 ữ
0,80
0,40
1,00 ữ
1,30
-
2,00 ữ
2,50

- 9 -
7
6CrW2Si
GB 1299-85
0,55 ữ
0,65
0,50 ữ

0,80
0,40
1,00 ữ
1,30
-
2,20 ữ
2,70
8
100V1 (1.2833)
DIN (WN)
0,95 ữ
1,05
0,15 ữ
0,25
0,15 ữ
0,30
-
0,10 ữ
0,15
-
9
100V2 (NF
A35-590 1992)
0,95 ữ
1,10
0,10 ữ
0,30
0,10 ữ
0,35
-

0,10 ữ
0,30
-

Trong các mác thép trên, hàm lợng các tạp chất lu huỳnh (S) và phốt
pho (P) đều nhỏ hơn 0,030% (mác thép 100V1 có P,S
0,025%).

Bng 2: C tớnh ca mt s thộp dng c hp kim chu va p.
STT Mỏc thộp
cng sau
ram (HRC)
cng sau
(HBS)
1
SKS43
JIS G4404-83
> 63 < 217
2
SKS44
JIS G4404-83
> 60 < 207
3
SKS4
JIS G4404-83
> 56 < 201
4
SKS41
JIS G4404-83
> 53 < 217

5
4CrW2Si
GB 1299-85
53 217 - 179
6
5CrW2Si
GB 1299-85
55 255 - 207
7
6CrW2Si
GB 1299-85
57 285 - 229
8
100V1 (1.2833)
DIN (WN)
57 230
9
100V2
(NF A35-590 1992)
60 223
Mác thép SKS43 là loại thép hợp kim thấp (nguyên tố hợp kim chính là
Vanadi - V) sau khi đợc nhiệt luyện (tôi và ram thấp) sẽ có độ bền cao và
tính chịu va đập tốt.

- 10 -
1.2. ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
thép SKS43.
Nh trên đã nêu, mác thép SKS43 là loại thép hợp kim thấp với hàm lợng
cácbon cao và các nguyên tố hợp kim chính là Vanadi (V), cùng với một số
nguyên tố hợp kim khác là Si, Mn, Cr, Sự kết hợp ảnh hởng của các nguyên

tố này đã tạo ra cho mác thép SKS43 sau khi đợc nhiệt luyện có cơ tính tổng
hợp rất cao, đáp ứng đợc các yêu cầu của các chi tiết máy móc làm việc trong
điều kiện chịu va đập. Sau đây chúng ta sẽ xem xét ảnh hởng của các nguyên
tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của mác thép SKS43.
- ảnh hởng của hàm lợng Cácbon (C):
Cácbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch đặc hòa tan có hạn,
khi hòa tan trong thép C làm tăng lợng xementit, mở rộng vùng Ostenit.
Ngoài ra C có thể kết hợp với một số nguyên tố hợp kim nh Cr, W, Mn, Mo,
Ti, V, Nb, tạo thành Cacbit trong thép.


Hình 1: Giản đồ trạng thái Fe-C ứng dụng trong điều kiện thực tế
đối với vật đúc bằng thép C và thép hợp kim thấp.

- 11 -












Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng , tức là nguyên tố tăng độ ổn định của
pha austenit. Do có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn và tạo thành pha
cácbít có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt các hợp kim

trên cơ sở sắt. Cácbon là nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép về mặt định
lợng ta thấy rằng cứ tăng 0,1% C, độ cứng HB sẽ tăng khoảng 25 đơn vị.
Thực nghiệm cho thấy rằng độ cứng HB tăng tuyến tính với hàm lợng cácbon
trong thép (Hình 2).
Cácbon làm giảm độ dẻo dai của thép, đầu tiên, khi hàm lợng cácbon nhỏ
độ dẻo (, ), độ dai va đập (a
k
) của thép giảm rất mạnh, song càng về sau
mức giảm này càng nhỏ đi.
Chính do cácbon ảnh hởng lớn đến cơ tính của thép nh vậy nên nó quyết
định phần lớn công dụng của thép. Vì vậy, khi dùng thép vào việc gì trớc hết
phải xem hàm lợng cácbon trong mác là bao nhiêu, sau đó mới tới các
nguyên tố hợp kim.
Dựa vào hàm lợng các bon ngời ta chia thép thành 4 nhóm với cơ tính
và công dụng rất khác nhau .
- Thép cácbon thấp ( 0,25% C) có độ dẻo, độ dai cao, nhng độ cứng lại
thấp, hiệu quả nhiệt luyện (tôi + ram) không cao. Muốn nâng cao hiệu quả nhiệt
luyện để nâng cao độ bền, độ cứng phải kết hợp với quá trình thấm cácbon.
Hình 2:
ả
nh hởng của C đến cơ tính của thép.

- 12 -
- Thép cácbon trung bình (0,3 - 0,5%C), có độ bền, độ cứng, độ dẻo đều
khá cao và hiệu quả nhiệt luyện rất tốt. Tóm lại, loại thép này có cơ tính tổng
hợp cao nên đợc dùng làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.
- Thép cácbon tơng đối cao (0,55-0,65%C), loại thép này có u điểm là
độ cứng, giới hạn đàn hồi cao nên đợc sử dụng làm các chi tiết đàn hồi.
- Thép cácbon cao ( 0,7%C), với u điểm độ cứng và tính chống mài
mòn và va đập cao đặc biệt khi thép kết hợp với một số loại hợp kim đặc biệt

nh Vanadi (V), do đó những loại thép này thờng đợc ứng dụng làm các
dụng cụ nh dao cắt, khuôn dập tán mũ đinh, dụng cụ đo, pistong khoan lắc,
Cỏcbon cú nh hng õm n tớnh do, gim kh nng chng li s phỏt
trin ca vt nt v gim tớnh hn ca hp kim. Bng 3 a ra cỏc dng
cacbit khỏc nhau ca mt s nguyờn t hp kim v cng tng ng ca
cỏc loi cỏcbit th hin trờn Hỡnh 3.


Hỡnh 3: cng ca mt s loi cỏcbit
Bng 3: Cỏc dng cỏc bớt khỏc nhau ca mt s nguyờn t hp kim
Dng cacbit Nguyờn t hp kim T l, %
MC
C 13,0
Fe 4,0
W 23,0
Mo 14,0
V 43,0
Cr 4,5
Dng cacbit

- 13 -
M
2
C
C 6,0
Fe 7,0
W 41,0
Mo 28,0
V 11,0
Cr 8,0

M
3
C
C 6,7
Fe 76,0
W 5,0
Mo 4,0
V 2,0
Cr 8,0
M
23
C
6

C 4,0
Fe 45,0
W 25,0
Mo 18,0
V 4,0
C
r
5,0
M
6
C
C 3,0
Fe 35,0
W 35,0
Mo 19,0
V 3,3

Cr 3,3

Tóm lại, Tuy cácbon là một nguyên tố hoá học rất bình thờng nhng có
thể nói nó quyết định rất lớn đến tổ chức, đặc tính, công dụng của thép. Trong
thép hợp kim khi hàm lợng C tăng, ảnh hởng của pha cacbit đợc tăng
cờng nên làm tăng mạnh độ cứng, giới hạn bền sau tôi. Độ phân tán của pha
cacbit đợc quyết định bởi chế độ nhiệt luyện và thành phần thép.
- ảnh hởng của nguyên tố Vanadi :
Theo tiêu chuẩn TCVN-7446-1-2004 thì trong thép có hàm lợng nguyên
tố vanađi 0,10 %V thì đợc coi là thép hợp kim. Vanađi là nguyên tố làm
thu hẹp vùng và khuynh hớng tạo cacbít mạnh hơn Mo, trong thép hợp
kim chứa Vanadi thờng tạo thành cácbit VC, V
2
C, V
3
C, V
23
C
6
, có tác
dụng làm cho thép có cấu trúc hạt tinh thể nhỏ mịn, nằm ở biên hạt nên tạo
cho thép có độ bền cao, độ đàn hồi lớn và tính dẻo cao. Thép nh vậy sẽ có

- 14 -
tính chịu đợc va đập mạnh và lực uốn, bền bỉ chống lại đợc sự mài mòn và
chống đợc sự đứt gãy rất tốt. Giản đồ trạng thái của hệ Fe-V và C-Fe-V
đợc trình bầy trên hình 4 và hình 5.

Hình 4 : Giản đồ trạng thái hệ Fe-V










Hình 5 : Giản đồ trạng thái hệ C-Fe-V
Vanai nõng cao thm tụi ca cỏc o ostenit hỡnh thnh vựng
nhit nung ti hn. Thộp cha vanai cú th c lm ngui t nhit
nung trong khụng khớ hoc thi giú u cú th thu c t chc song pha vi
tớnh cht ỏp ng yờu cu.
% Cacbon
% Vanai
% Vanai
Nhit
0
C

- 15 -
Vanai l nguyờn t to thnh cacbit mnh, lm cho cỏc nguyờn t xen
k ri khi ferit, cú tỏc dng lm nh ht, lm tng gión di ca ferit, cú
tỏc dng tt lm mt i on gión di gii hn chy; ng thi vanai
lm gim khuynh hng húa gi ca thộp. Vanai cú tỏc dng tng thm
tụi ca c o sau khi nung vựng nhit ti hn, vỡ nhit
nung cỏc
cacbit cha vanai ó c hũa tan i b phn. Nu trong thộp cú mangan s
thỳc y quỏ trỡnh hũa tan cacbit. Cỏc phn t cacbit vanai trờn phõn gii
ostenit v ostenit d cú tỏc dng neo cng mt phõn gii hai pha v õy cng
l nguyờn nhõn lm tng thm tụi ca ostenit. V phng din ny, nh
hng ca cacbit vanai v titan l tng t. Thộp cha vanai v titan trong
iu kin cụng ngh nh nhau cú tớnh cht khỏc nhau khụng nhiu.
nh hng ca Nb n thộp song pha c
ng tng t vanai, song
cacbit Nb tớnh n nh cao hn nhit nung ti hn nú khú hũa tan hoc
khú ln lờn hn. tc ngui thớch hp, thộp Nb cú th xut hin ferit th
cp, hin tng ny ci thin thờm tớnh do ca thộp song pha.
Vanai cú nhit núng chy l 1825 1912
0
C; trng lng nguyờn
t 50,95; ng kớnh nguyờn t a
v
= 3,03 A. Thng dựng vanai hp kim
húa thộp kt cu, thộp ct gt, thộp dng c, Khi nu luyn nờn cho FeV
vo lũ khong 5-7 phỳt trc lỳc thỏo thộp. Khụng c cho FeV vo lũ
luyn thộp quỏ sm, nht l lỳc cha kh oxy, lu hunh, khớ trit vỡ d b
oxy húa rt mnh, mt mỏt vanai rt nhiu.
- ảnh hởng của nguyên tố Crôm:

Crôm có tác dụng cải thiện tính thấm tôi của ostenit dạng ốc đảo hình
thành khi nung. So với thép song pha không có crôm, thép song pha có chứa
crôm cho phép làm nguội chậm mà vẫn thu đợc phần trăm mactenxit tơng
đối cao. ảnh hởng của crôm phụ thuộc vào hàm lợng cacbon trong thép.
Khi % cacbon tăng thì ở nhiệt độ tới hạn cho phép hàm lợng % tăng, làm
cho Cr% giảm trong mỗi hạt sẽ giảm và tác dụng tăng độ thấm tôi đối với

cũng giảm. Cr còn có tác dụng thúc đẩy C khuếch tán làm giảm giới hạn
chảy của ferit làm cho thép song pha có giới hạn chảy thấp.

- 16 -
- ¶nh h−ëng cña nguyªn tè 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 điểm sau: thúc
đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tính
giòn ram, giảm độ dẻo và độ bền.
- ¶nh h−ëng cña nguyªn tè 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 đ
ây là
bảng thống kê ảnh hưởng của một số nguyên tố hợp kim trong thép.
Bảng 5: Ảnh hưởng của 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
V
Mạnh, nhưng
VC khó hòa
tan vào γ
Yếu Mạnh Mạnh Mạnh Làm hạt nhỏ

- 17 -
- nh hng ca tp cht:
+ nh hng ca P: Trong sắt lỏng Phốt pho hòa tan rất nhiều ở dạng
phân tử Fe
2
P, nếu có O
2

, Mn, Al thì có thể tạo thành P
2
O
5
, P
4
O
3
, Mn
5
P
2
AlP,
FeO.P
2
O
5
, Fe
2
O
3
.P
2
O
5
, nhng trong sắt đặc, sự hòa tan của P không đáng kể,
đặc biệt ở trong pha Ferit hoà tan chỉ độ vài phần nghìn, do vậy dễ xuất hiện
Fe
3
P làm tăng giòn ở nhiệt độ thờng (gây bở nguội hay giòn nguội), do đó

làm giảm mạnh độ dai va đập của chi tiết.
Chỉ cần 0,1%P hoà tan, ferit đã trở nên rất giòn, nhng P là nguyên tố
thiên tích rất mạnh trong quá trình kết tinh; để tránh giòn, lợng P trong thép
phải 0,05% (để nơi tập trung lợng P cao nhất cũng không thể vợt quá
0,1% là giới hạn gây giòn). ảnh hởng của P đến cơ tính còn thể hiện ở sự
tăng mạnh nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái dẻo sang giòn. Ngoài ra P còn
làm tăng giới hạn chảy, làm giảm độ co thắt tơng đối, giảm công lan truyền
vết nứt (dễ bị nứt). Do đó phải khống chế P theo yêu cầu qui định trong mác
thép khá chặt chẽ.
+ ảnh hởng của S: Khác với P, S không hoà tan vào Fe và Fe mà tồn
tại ở dạng sunfit (FeS), nó tạo với sắt cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp
(988
o
C) nên khi kết tinh nó sẽ kết tinh sau cùng, do đó nằm phân bố ở biên
giới hạt, khi nung thép lên để cán, kéo (biến dạng nóng), biên hạt sẽ chảy
mềm ra và thép bị phá huỷ giòn.
Nếu có Mn trong thép, do có ái lực với S mạnh hơn Fe nên sẽ thay Fe tạo
thành MnS; pha này kết tinh ở nhiệt độ cao (1620
0
C), dới dạng các hạt nhỏ rời
rạc nên không bị chảy nhng gây đứt, gẫy khi gia công nóng. Khi khử bỏ tính
giòn nóng sunfua Mn (MnS) cũng nh các tạp chất phi kim loại khác (ôxít,
nitrít, ) đóng vai trò nh những nơi tập trung ứng suất, làm giảm độ dẻo và độ
dai của thép. Bởi vậy hàm lợng S trong thép phải đợc hạn chế chặt chẽ.
+ ảnh hởng của Oxy: Độ hoà tan của Ôxy trong thép khá lớn, ở nhiệt độ
1600
o
C là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxít FeO,
Fe
2

O
3
, Fe
3
O
4
. Ôxy và sắt tạo thành dung dịch đặc khiếm khuyết vì nếu sau khi
hoà tan vào sắt, mạng tinh thể bị méo lệch, do đó cơ tính của thép bị ảnh
hởng. Thép có hàm lợng Ôxy cao thờng bị phá huỷ giòn.

- 18 -
+ ảnh hởng của Nitơ và Hydro: Nitơ và Hyđrô ảnh hởng mạnh đến tính
dẻo, tăng khuynh hớng phá huỷ giòn của thép. N hoà tan trong ferit với lợng
rất nhỏ và tạo thành vật lẫn trong kim loại (nitrít), các nitrit làm thép có tính giòn,
làm giảm độ bền của thép. Hàm lợng N cao gây ra hiện tợng hoá già khi biến
dạng, khi biến dạng nguội các nguyên tử N trong thép tích tụ lại trên các đờng
lệch, tạo ra khí quyển cottrell vây hãm lệch, làm giảm tính dẻo của thép.
Hydro nằm ở trong dung dịch rắn hoặc tích tụ trong các rỗ xốp và trên các
lệch. Tính giòn do H gây ra biểu lộ càng ít khi độ bền của vật liệu càng cao và
độ hoà tan của nó trong mạng tinh thể càng nhỏ. Sự hóa giòn mạnh nhất đợc
thấy ở thép tôi với tổ chức mactenxit và không thấy xuất hiện trong thép
austenit. Hàm lợng H cao có thể dẫn tới hiện tợng tróc, nứt tạo thành bởi áp
lực cao; do khi nguội chậm H giảm độ hoà tan, thoát ra dới dạng bọt khí. Các
vết tróc, nứt ở trong vùng mặt gẫy có dạng vết đốm màu trắng, còn trên bề mặt
là các vết nứt nhỏ, hiện tợng này thờng gặp ở các thỏi thép cán, rèn, đúc từ
thép Cr và Cr-Ni. Để tránh hiện tợng trên, thép sau khi biến dạng nóng, đợc
làm nguội chậm hoặc giữ lâu ở nhiệt độ 250
o
C. Do H có tốc độ khuếch tán
lớn, ở điều kiện nh vậy, sẽ không tích tụ thành bọt khí mà thoát ra khỏi 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 nguội chậm theo lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trờng
không khí có hơi nớc, trong môi trờng nớc, dầu, muối , mỗi chế độ và
môi trờng 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 đợc khả năng làm việc của chi
tiết nh mong muốn.
1.3. Quỏ trỡnh va p v hiu sut va p ca dng c chu va p
Trong quỏ trỡnh gia cụng kim loi bng ỏp lc núi riờng v gia cụng chu
va p núi chung, nhng vt gia cụng c bin dng do v b bin dng l
do cỏc nhỏt dp. Nng lng ca mi mt nhỏt dp L phn ln
c tiờu hao
lm bin dng vt liu cn gia cụng, phn nng lng ú kớ hiu l L
g
. S
tiờu hao nng lng y tuõn theo mt quy lut nht nh. gii thớch, chng
minh quy lut y chỳng ta cn phi chỳ ý n tớnh cht c hc ca ng

- 19 -
lượng. Đối với máy búa, nội lực được tích lũy ở đầu búa và khuôn. Khi tính
năng lượng cần phân biệt hai trường hợp:
- Những máy búa có bệ đe cố định
- Những máy búa không có bệ đe (bệ đe chuyển động).
Nếu ta coi mỗi nhát dập đều đúng trọng tâm và bệ đe tự do (chuyển
động) ta có công thức sau:
m
1
v
1
+ m

2
v
2
= m
1
v
1
’ + m
2
v
2
’ = (m
1
+ m
2
)v
x
(1.1)
trong đó: m
1
, v
1
– khối lượng và tốc độ ban đầu của bộ phận rơi;
m
2
, v
2
– khối lượng và tốc độ ban đầu của bệ đe;
v
1

’ – tốc độ sau khi va đập của bộ phận rơi;
v
2
’ – tốc độ sau khi va đập của bệ đe;
v
x
– tốc độ trọng tâm của hệ thống va đập. Tốc độ trong tâm v
x

không thay đổi trong suốt quá trình va đập.
Từ công thức trên ta có:
21
'
2
'
1
21
2211
x
m m
vm vm
m m
vm vm
v
21
+
+
=
+
+

=
(1.2)
Nếu bệ đe cố định thì tốc độ ban đầu của bệ đe v
2
= 0. Người ta chia
quá trình va đập ra làm hai giai đoạn:
1.3.1. Giai đoạn thứ nhất (giai đoạn có tải):
Trong suất giai đoạn này các phần khuôn (hay đầu búa) trên và dưới
làm vật rèn biến dạng (biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi) dần dần tiến gần
nhau và đến khi kết thúc giai đoạn này thì vật rèn được biến dạng cực đại. Ở
thời điểm cuối cùng c
ủa giai đoạn thứ nhất, tốc độ của những thành phần
trong hệ thống (đầu búa và bệ đe hoặc 2 đầu búa) bằng nhau và bằng tốc độ
trọng tâm v
x
. Năng lượng tích lũy ban đầu của hệ thống (L
E
) phần lớn được
tiêu hao để làm vật rèn biến dạng dẻo (L
g
) và một phần làm vật rèn biến dạng
đàn hồi (L
y
). Sau giai đoạn thứ nhất năng lượng còn dư L
1
.
Biến dạng dẻo của đầu búa hoặc khuôn so với biến dạng dẻo của vật
rèn thì rất nhỏ, do đó chúng ta không tính đến. Vậy:
L
E

= L
g
+ L
y
+ L
1
= L
n
+ L
1
(1.3)

- 20 -
Trong gia đoạn thứ nhất năng lượng làm biến dạng dẻo (L
g
) thì bị mất
đi. Năng lượng làm vật rèn biến dạng đàn hồi (L
y
) thì tích lũy trong đầu búa
và bệ đe.
Trị số của L
y
phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật rèn khi bị đốt
nóng, do đó hệ số hoàn nguyên k được xác định bằng công thức sau:
v
1
’ - v
2
’ = k(v
2

– v
1
) (1.4)

12
''
v v
v v
k
21
−
−
=
(1.5)
Tổng năng lượng L
g
và L
y
là năng lượng bị mất đi sau giai đoạn thứ
nhất (L
n
).
Năng lượng ban đầu của những máy búa có bệ đe cố định:
2
v
L
2
11
m
E

=
(1.6)
Năng lượng ban đầu của những máy búa có bệ đe chuyển động thì:
2
v
2
v
L
2
22
2
11
mm
E
+=
(1.7)
Kết thúc giai đoạn thứ nhất, năng lượng L
E
giảm dần xuống giá trị là
L
1
. Theo định luật bảo toàn động năng ta có:
).(2
)(
2
v
)(L
21
2
2211

2
x
211
mm
vmvm
mm
+
+
=+=
(1.8)
Với máy búa có bệ đe cố định v
2
= 0 thì:

E
L
mm
m
.
)(
L
21
1
1
+
=
(1.9)
Tổng năng lượng bị mất đi trong giai đoạn thứ nhất:
Đối với máy búa có bệ đe chuyển động:

)(
)(
L
21
2
2121
1
mm
vvmm
LL
En
+
−
=−=
(1.10)
Đối với máy búa có bệ đe cố định v
2
= 0 thì:
EEn
L
mm
m
LL .
)(
L
21
2
1
+
=−=

(1.11)

- 21 -
và
2
11
m
m
L
L
n
=
(1.12)
1.3.2. Giai đoạn thứ hai:
Sau giai đoạn thứ nhất thì giai đoạn thứ hai xảy ra là do năng lượng L
y

(tức là năng lượng biến dạng đàn hồi). Năng lượng đó được tích lũy ở đầu
búa, bệ đe và làm thay đổi tốc độ trọng tâm v
x
thành tốc độ cuối cùng v
1
’, v
2
’.
Tốc độ cuối cùng của đầu búa, bệ đe hoặc hai đầu búa sau giai đoạn thứ nhất
(sau khi va đập) xác định theo những công thức sau:
m
1
v

1
+ m
2
v
2
= m
1
v
1
’ + m
2
v
2
’ và v
1
– v
2
’ = k(v
2
- v
1
)
Nếu 0< k <1 thì ta rút ra được:
))(1('v
21
21
2
11
vvk
mm

m
v −+
+
−=

))(1('v
21
21
1
22
vvk
mm
m
v −+
+
+=

Nếu vật rèn dẻo tuyệt đối, nghĩa là k = 0 thì:

x
v
mm
vmvm
vv
mm
m
v =
+
+
=−

+
−=
21
2211
21
21
2
11
)('v


x
v
mm
vmvm
vv
mm
m
v =
+
+
=−
+
+=
21
2211
21
21
2
22

)('v

Do đó v
1
’ = v
2
’ = v
x
Nếu vật rèn đàn hồi tuyệt đối, nghĩa là k = 1 thì:
)(
2
'v
21
21
2
11
vv
mm
m
v −
+
−=

)(
2
'v
21
21
1
22

vv
mm
m
v −
+
+=

1. Động năng của hệ thống sau gia đoạn thứ nhất thì bằng tổng năng
lượng đàn hồi và năng lượng dư:
L
0
= L
y
+ L
1


2
)'(
2
)'(
L
2
22
2
11
0
vmvm
+=

Thay giá trị v
1
’ và v
2
’ vào công thức trên ta được:

- 22 -
a. Khi đe dưới chuyển động:
)(2
)()(
L
21
2
2121
22
2211
0
mm
vvmmkvmvm
+
−++
=

b. Khi đe dưới không chuyển động (v
2
= 0):
⎟
⎟
⎠
⎞

⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
=
21
2
2
1
0
L
mm
mkm
L
E

2. Năng lượng làm vật rèn biến dạng dẻo sẽ bằng: L
g
= L
E
– L
0
a. Trường hợp đe dưới chuyển động:
)(2
)1()(
L
21
22

2121
mm
kvvmm
g
+
−−
=

b. Trường hợp đe dưới không chuyển động:
Eg
Lk
mm
m
)1(L
2
21
2
−
+
=

3. Hiệu suất va đập:
E
g
y
L
L
=
η

a. Đe không chuyển động:
)1(
2
21
2
k
mm
m
y
−
+
=
η

b. Đe chuyển động:
)1(
)(2
)(
2
21
2
2121
k
Lmm
vvmm
E
y
−
+
−

=
η

Đối với búa có bệ đe với các số liệu của tỷ số m
1
/m
2
và k ta tính η
y
và
L
0
/L
E
rồi vẽ đồ thị.
Giá trị hiệu suất va đập của búa có bệ đe được trình bầy trong bảng sau:
η
y

m
2
/m
1

k
10 15 20
0,0 0,909 0,936 0,952
0,3 0,828 0,854 0,867
0,5 0,682 0,702 0,708

Theo bảng trên ta thấy m
1
/m
2
càng lớn thì hiệu suất va đập càng cao.

- 23 -
1.4. Vật liệu thép hợp kim chịu va đập để chế tạo đầu búa rèn
Qua khảo sát thực tế tại một số Xí nghiệp 179 - Công ty TNHH MTV
Vật tư Công nghiệp Quốc Phòng - Bộ Quốc phòng, Công ty TNHH MTV Cơ
khí Trần Hưng Đạo,… chúng tôi thấy có nhiều loại đầu búa rèn (làm bằng các
vật liệu của liên xô cũ như: 5XHM, 40X, Y8, ) đang sử dụng được lắp đặt tại
các vị trí trực tiếp làm biế
n dạng các chi tiết, sản phẩm là các vật liệu làm
bằng thép dụng cụ và thép dụng cụ hợp kim, Các đầu búa phải làm việc
trong điều kiện khá khắc nghiệt như chịu áp lực lớn, va đập mạnh và nhiệt độ
cao (khoảng 800 ÷ 1200
0
C). Các đầu búa này khi dùng được một thời gian thì
thường hay bị rạn, nứt và phải mất thời gian để khắc phục. Hiện nay Nhà máy
đang tìm hiểu, lựa chọn vật liệu khác phù hợp do trong nước chế tạo và tránh
phải nhập khẩu để thay thế các đầu búa rèn này. Với yêu cầu là đầu búa làm
bằng thép rèn từ thép hợp kim hoặc thép cácbon và nhiệt luyện với điều kiện
là thép có thể chịu va đập và giới h
ạn bền không nhỏ hơn 800 – 900 KN/mm
2
,
độ cứng cao và có tính chịu va đập tốt.
Hiện nay, sản phẩm được rèn qua khuôn là phổ biến nên điều kiện làm
việc trong trường hợp này phải có tính chịu va đập mạnh và độ cứng cao để

thắng lực tác động và độ cứng của các khuôn rèn và vật rèn.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là thép SKS43 là loại thép có độ cứng
cao, chịu va đập tốt nên có thể sử dụng để làm pistong khoan lắc, khuôn tán
m
ũ đinh,… Với tính chất cơ lý như trên và điều kiện làm việc của đầu búa rèn
trong trường hợp rèn sản phẩm có sử dụng khuôn và lý thuyết về quá trình va
đập, hiệu suất va đập của các dụng cụ chịu va đập của máy búa rèn, thì sản
phẩm của đề tài có thể ứng dụng để chế tạo các chi tiết chịu va đập mạnh như
đầu búa rèn.







- 24 -
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
Dựa trên tiêu chuẩn JIS G4404 - 83 của Nhật Bản và các tiêu chuẩn
nước ngoài khác để lựa chọn mác thép hợp kim SKS43 phù hợp cho việc chế
tạo chịu va đập mạnh là đầu búa rèn. Nội dung nghiên cứu như sau:
1) Nghiên cứu tổng quan về nhu cầu thị trường, yêu cầu chất lượng và
công nghệ sản xuất thép SKS43. Nghiên cứu các tài liệu về: Tiêu chuẩn vật
li
ệu, tiêu chuẩn sản phẩm, công nghệ chế tạo, ứng dụng của đầu búa rèn.
2) Khâu công nghệ: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thiết bị
chế tạo thép dụng cụ hợp kim chịu va đập mác SKS43 theo tiêu chuẩn Nhật
Bản JIS G4404 - 83. 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 luyệ
n
+ Công nghệ rèn
+ Công nghệ gia công cơ khí
+ Công nghệ nhiệt luyện
3) Đánh giá chất lượng thép SKS43
+ Thành phần hóa học
+ Tính chất cơ lý: độ cứng HBS và HRC
+ Cấu trúc pha.
4) Chế tạo thử 02 bộ đầu búa rèn chất lượng tốt. Xây dựng kế hoạch và
tổ chức dùng thử đầu búa rèn. Theo dõi và đánh giá kết quả thử nghiệm và
khả năng sử dụng.
5) Viết báo cáo tổng kết đề tài.
2.2 Ph
ương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy chính xác cao, đề tài đã sử
dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu như sau :

- 25 -
- Trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuất và các tài liệu trong và ngoài nước
về thép dụng cụ hợp kim chịu va đập, phân tích điều kiện làm việc của đầu
búa rèn.
- Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300kg/mẻ để thực hiện công
nghệ nấu luyện, thiết bị tinh luyện điện 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 theo tiêu chuẩn ASTM 415-2005 để

xác định thành phần hoá học của nguyên liệu và sản phẩm thép nấu luyện.
- Dùng máy đo độ cứng HPO 250 để đo độ cứng Brinell và Rockwell
theo các tiêu chuẩn
TCVN 256 - 1 :2006 và TCVN 257 - 1: 2007.
- Dùng kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT theo tiêu chuẩn
ASTM E 407-07 để nghiên cứu tổ chức và cấu trúc pha.