Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS420J2 để chế tạo khuôn đúc nhựa

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 không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo
khuôn đúc nhựa”


DFGEDFGEDFGE

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








Hà Nội, 2010

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 không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo
khuôn đúc nhựa”


DFGEDFGEDFGE








VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG




Đinh Văn Tâm




Hà Nội, 2010

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 luyện kim Viện Luyện kim đen
2.Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ luyện kim Viện Luyện kim đen
3.Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ luyện kim Viện Luyện kim đen
4.Nguyễn Hồng Phúc
5.Phạm Thị Mai Phương
Kỹ sư luyện kim
Kỹ sư luyện kim
Viện Luyện kim đen
Viện Luyện kim đen






3

MỞ ĐẦU 4

1.TỔNG QUAN 5
1.1 Thép không gỉ mactensit 5
1.2 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến tính chất của thép không gỉ mactensit 9
1.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim 9

1.2.2 Ảnh hưởng của công nghệ nhiệt luyện 11
1.3 Thép không gỉ mác SUS 420J2 – thép làm khuôn đúc nhựa 14
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17
2.1 Nội dung nghiên cứu 17
2.2 Phương pháp nghiên cứu 17
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19
3.1 Công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2 19
3.1.1 Công nghệ nấu luyện 19
3.1.2 Công nghệ tinh luyện 22
3.1.3 Công nghệ rèn 24
3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện 26
3.2 Các tính chất của thép SUS 420J2 29
3.2.1 Tính chất cơ tính 29
3.2.2 Cấu trúc tế vi 30
3.2.3 Tính chống gỉ 32
3.3 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 34
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39
4.1 Kết luận 39
4.2 Kiến nghị 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

4
MỞ ĐẦU
Ngày nay, trên thế giới nhu cầu chất dẻo trong kỹ thuật cũng như trong dân
dụng ngày càng tăng. Dựa trên cơ sở khoa học kỹ thuật, thành tựu phát triển mạnh
mẽ của ngành polyme, các nhà sản xuất chất dẻo đã đưa ra thị trường chất dẻo
nhiều chủng loại với các tính chất hơn hẳn các loại vật liệu khác đó là nhẹ, bền,
đẹ
p, dễ gia công Khi chất lượng cuộc sống ngày càng cao thì yêu cầu về chất
lượng và giá thành của các sản phẩm từ nhựa càng khắt khe hơn. Điều này thách
thức các nhà sản xuất và gia công. Cũng vì thế ngành công nghiệp khuôn mẫu đã ra
đời để đáp ứng nhu cầu đó.
Ở nước ta, trong những năm gần đây có nhiều cơ sở chế tạo khuôn mẫu đã
hình thành tại Hà Nội, thành phố H
ồ Chí Minh và một số thành phố lớn khác trong
nước. Các cơ sở này đã đầu tư trang thiết bị hiện đại, đưa vào sử dụng các máy móc
kỹ thuật số thế hệ mới (CNC) để nâng cao tính chính xác của gia công cơ khí. Tuy
nhiên để đáp ứng yêu cầu cao của khuôn mẫu, các cơ sở phải nhập khẩu một lượng
lớn các phôi thép cacbon và thép hợp kim chất lượng cao với giá thành đắt. Do vậy
việc nghiên c
ứu các thép hợp kim chất lượng cao dùng làm khuôn mẫu cho công
nghiệp nhựa là cần thiết. 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 không gỉ mác SUS
420J2 để chế tạo khuôn đúc nhựa”.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nh
ận được sự giúp đỡ, tạo điều
của Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương, công ty cơ khí Hoàng Thịnh,
Công ty Sản xuất thương mại dịch vụ Đức Phương, 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.





5
1.TỔNG QUAN
1.1 Thép không gỉ mactensit
Thép không gỉ mactensit thường gồm (0,2-1,2%)C, (10,5-18%)Cr và sắt. Hàm
lượng Cr và C được cân bằng để đảm bảo cấu trúc mactensit sau tôi. Ngoài ra
chúng được thêm vào các nguyên tố hợp kim khác như Mo, W và V để cải thiện
tính ram sau khi tôi, một lượng nhỏ Ni góp phần nâng cao tính chống gỉ trong một
số môi trường và cải thiện độ dai. Trong một số loại thép không gỉ mactensit còn
thêm một lượng S hoặc Se để cải thiệt tính gia công cắt gọt. Loại vật liệ
u này sẽ
được xử lý nhiệt để cải thiện tính chất cơ học. Khác các loại thép thông thường
khác, thép này có độ thấm tôi cao hơn và có nhiệt độ xử lý nhiệt khác so với những
thép thông thường khác. Thép không gỉ mactensit có tính chống ăn mòn cao trong
không khí, nước sông…So với các loại thép không gỉ khác, thép không gỉ
mactensit có tính chống ăn mòn thấp hơn. Thành phần hóa học của một số mác
thép không gỉ tiêu biểu theo tiêu chuẩn của Nhật được nêu trong bảng 1. Mối quan
h
ệ giữa các mác thép trong họ thép không gỉ mactensit thể hiện trong hình 1 [1].
Từ các số liệu ở bảng 1 ta thấy thép không gỉ mactensit có thể chia làm 3
nhóm chính: nhóm Cr-C không chứa Ni, nhóm 16% Cr chứa Ni và nhóm siêu
mactensit 12%Cr được hợp kim hóa thêm bằng các nguyên tố vi lượng Mo, Se, W,
V.

6
Bảng 1: Thành phần hóa học của một số mác thép không gỉ mactensit
Mác
thép
Thành phần hóa học các nguyên tố, %
C
Mn
≤
Si
≤
Cr Ni
P
≤
S
≤
Khác
403 0,15 1,00 0,50 11,5-13,0 0,04 0,03
410 0,15 1,00 1,00 11,5-13,5 0,04 0,03
414 0,15 1,00 1,00 11,5-13,5 1,25-2,50 0,04 0,03
416 0,15 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,15min 0,6Mo
416Se 0,15 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,06 0,15Min Se
420 0,15min 1,00 1,00 12,0-14,0 0,04 0,03

420F 0,15min 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,15min 0,6Mo
422 0,20-0,25 1,00 0,75 11,5-13,5 0,5-1,0 0,04 0,03
0.75−1.25Mo;
0.75−1.25W;
0.15−0.3V
431 0,20 1,00 1,00 15,0-17,0 1,25-1,50 0,04 0,03
440A 0,60-0,75 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo
440B 0,75-0,95 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo
440C 0,95-1,2 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo


7


Qua hình 1 ta thấy mỗi loại mác thép không gỉ mactensit có cơ tính khác nhau
phụ thuộc nhiều vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim ví dụ: Ni tăng tính chống
gỉ, tăng cơ tính; C: Nâng cao tính chất cơ học; Thêm Mo, V, W sẽ tăng độ bền và
độ dai va đập; thêm Se: tạo cho bề mặt gia công (làm việc) tốt hơn; hàm lượng P, S
trong một số mác thép khi tăng nhằm cải thiệt tính gia công cắt gọt. Qua đó tùy
thuộc vào mục đích sử dụng c
ủa sản phầm mà ta có thể lựa chọn những mác thép
cho phù hợp.
Trong thép không gỉ mactensit, sự hình thành cấu trúc mactensit cũng phụ
thuộc vào các nguyên tố thúc đẩy tạo thành cấu trúc. Đứng về mặt thúc đẩy việc
hình thành cấu trúc, các nguyên tố hợp kim được chia thành 2 nhóm: các nguyên tố
thúc đẩy hình thành austenit và các nguyên tố thúc đẩy hình thành ferit.
Các nguyên tố thúc đẩy hình thành cấu trúc austenite trong thép bao gồm
niken, cacbon, mangan, coban, nitơ và đồng Tuy nhiên, vai trò của các nguyên tố
410
C≤0.15

13Cr
414
Ni thêm vào
tăng tính
chống gỉ
403
Chọn làm
turbine hoặc
những chi tiết
chịu ứng suất
420
C tăng: nâng
cao tính chất
cơ học
416
P, S tăng: cải
thiện tích cắt
gọt
440C
C,Cr tăng: độ
cứng cao
nhất, tăng tính
chống gỉ

416Se
Thêm Se: bề
mặt gia công
(làm việc) tốt
hơn
440B

C giảm ít:
nâng cao độ
dai
440A
C giảm thấp
hơn 440B để
nâng cao độ
dai
420F
P, S tăng: cải
thiện tích cắt
gọt
422
Thêm Mo, V,
W tăng độ
bền và độ dai
431
Cr tăng, thêm
Ni: tăng tính
chống gỉ, tăng
cơ tính
Hình 1: Mối quan hệ của một số mác thép không gỉ mactensit

8
đối với sự hình thành cấu trúc austenit là khác nhau. Mạnh nhất là cacbon và nitơ,
sau đó đến niken, coban, rồi mangan và cuối cùng là đồng. Các nguyên tố thúc đẩy
việc hình thành cấu trúc ferit là crôm, silic, molipden, niobi Để đánh giá khả năng
thúc đẩy việc tạo thành cấu trúc trong thép người ta dùng khái niệm niken đương
lượng và crôm đương lượng. Niken đương lượng biểu thị tổng khả năng tạo cấu
trúc austenit của nhóm nguyên tố thúc đẩy sự tạo thành austenite và crôm đương

lượng biểu thị
tổng khả năng tạo cấu trúc ferit của các nguyên tố hợp kim thúc đẩy
sự tạo thành ferit. Niken đương lượng và crôm đương lượng được tính theo các
công thức sau:
Ni
dl
=Ni+0,5(Mn)+30C
Cr
dl
=Cr+Mo+1,5Si+0,5Nb
Như vậy, tùy vào giá trị của niken đương lượng và crôm đương lượng mà thép
có cấu trúc hoặc austenit, hoặc ferit hay mactensit hay hỗn hợp của chúng. Giản đồ
Schaeffler [4] giúp ta có thể dự đoán được cấu trúc của thép theo thành phần hóa
học (hình 2).


Hình 2: Giản đồ Schaffler

9
1.2 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến tính chất của thép không gỉ mactensit
1.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
Ảnh hưởng của nguyên tố C
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 sắt. 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 lượ
ng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân
bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cácbít.
Trong thép không gỉ mactensit C nâng cao độ bền cho thép nhưng C ảnh
hưởng xấu tới khả năng chống ăn mòn do kết hợp với Cr tạo thành cacbit, ngăn cản

tới sự hình thành lớp màng thụ động.
Ảnh hưởng của nguyên tố Cr
Trên hình 3 nêu lên ảnh hưởng của nguyên tố Cr đến giản đồ Fe-C, qua đó
thấy rõ Crôm là nguyên tố mở r
ộng vùng Fe-α và thu hẹp vùng Fe-γ. Với nhiệt độ
và hàm lượng cacbon khác nhau sẽ xuất hiện các loại cácbít khác nhau. Crôm là
nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chống gỉ cho thép nhờ nó tạo ra màng
ôxit Cr
2
O
3
hoặc FeCr
3
O
4
có tính bảo vệ cao. Trong hệ 2 cấu tử Fe-Cr, Crôm hòa tan
hoàn toàn trong Fe-α và theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu khác nhau
cho thấy để màng ôxit crôm nêu trên trong dung dịch rắn có tính bảo vệ thì lượng
chứa crôm phải lớn hơn 11,7%. Lượng crôm càng cao khả năng chống ăn mòn
trong khí quyển và một số môi trường khác càng cao.


10

Ảnh hưởng của Ni
Niken là nguyên tố mở rộng vùng γ, làm tăng tính ổn định pha austenit, nâng
cao tính chất cơ học và tính công nghệ. Ni có tác dụng chống lại sự ăn mòn trong
axit vô cơ.
Trong thép không gỉ mactensit, niken có tác dụng tăng bền dung dịch rắn, làm
hạn chế sự hình thành pha σ-pherit, một pha không mong muốn trong cấu trúc thép.

Ngoài ra, niken còn làm tăng độ dai va đập và làm giảm khuynh hướng quá nhiệt,
hạn chế sự phát triển của các hạt trong thép.
Ảnh hưở
ng của Mn: 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. 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 không gỉ mactensit hàm lượng mangan không quá 1%
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.

Hình 3: ảnh hưởng của Cr(13% và 17%) đến giản đồ Fe-C

11
Ảnh hưởng của Si:
Silic là nguyên tố làm ổn định pha ferrit, 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 nâng cao
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.
1.2.2 Ảnh hưởng của công nghệ nhiệt luyện
Xử lý nhiệt đối với thép không gỉ mactensit cũng cầ
n thiết như thép các bon
thường và thép hợp kim thấp, trong đó độ bền và độ cứng đạt được phụ thuộc cơ
bản vào hàm lượng cacbon. Khoảng thay đổi độ cứng bề mặt sau khi xử lý nhiệt
khác nhau từ ủ đến tôi thể hiện trên hình 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ austenit, nhiệt

độ ram thép tới cơ tính của thép từ độ bền, giới hạn chảy, độ giãn dài, độ dai va
đạ
p, độ cứng thể hiện trên hình 5, hình 6.

Hình 4: Khoảng thay đổi độ cứng bề mặt sau khi xử lý nhiệt từ ủ đến tôi


12


Hinh 5: ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ austenit hóa tới độ cứng và độ dai va
đập của thép
Qua hình trên thấy rằng tùy thuộc vào mác thép và mục đích sử dụng của thép
sẽ có thông số nhiệt luyện khác nhau. Ví dụ khi nhiệt độ austenit hóa tăng lên thì
xét về độ cứng: thép mác SUS 403 và SUS 431 có độ cứng không thay đổi nhiều
còn thép SUS 420 có độ cứng tăng mạnh trong khoảng nhiệt độ 800 – 1080
0
C sau
đó giảm dần khi nhiệt độ austenit trên 1080
0
C. Xét về độ dai va đập: Đối với thép
mác SUS 420 có độ dai va đập thấp hơn so với thép mác SUS 403 và khi nhiệt độ
austenit trên 1030
0
C thì độ dai va đập của thép SUS 420 giảm dần xuống ở mức
rất thấp.
Trên hình 6 cho chúng ta thấy khi nhiệt độ austenite hóa tăng từ 935
0
C tới
1025

0
C thì các đường cong đều tịnh tiến lên phía trên, tức cơ tính của thép tăng.
Đồng thời khi ram ở nhiệt độ trên 500
0
C độ bền, độ cứng giảm.



13

Hình 6: ảnh hưởng của nhiệt độ austenit và ram thép tới tính chất cơ học của thép
420. a) tôi 935
0
C, b) tôi 1025
0
C.

14
1.3 Thép không gỉ mác SUS 420J2 – thép làm khuôn đúc nhựa
¾ Thép không gỉ mactensit SUS 420J2
Thép không gỉ mác SUS 420J2 thuộc họ thép không gỉ mactensit. Đây là loại
thép đã được nghiên cứu và sản xuất ở rất nhiều nước có nền công nghiệp Luyện
kim phát triển. Các nước đã tiêu chuẩn hóa mác thép này và đã sản xuất, ứng dụng
rất rộng rãi: Làm dụng cụ y tế, khuôn nhựa có tính ăn mòn như PVC, PET, khuôn
nhựa có độ bóng cao, bộ phận kết cấu, thiết b
ị y tế, công nghiệp thực phẩm, công
nghiệp mỹ phẩm… Bảng 2 giới thiệu tiêu chuẩn, thành phần hóa học của loại thép
này của của các nước Nga, Nhật Bản, Pháp, Mỹ và tiêu chuẩn ISO.
Bảng 2:Thành phần hóa học của thép SUS 420J2 và một số mác thép tương đương

Tiêu chuẩn,
mác thép
Thành phần hóa học của các nguyên tố, %
C Si Mn Cr Ni S P Ti
JIS G 4304
SUS 420J2
0,26-
0,40
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,030 ≤0,040
Nga
30X13
0,26-
0,35
≤0,80 ≤0,80
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,025 ≤0,030 ≤0,20
Trung Quốc
3Cr13
0,26-
0,35
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,030 ≤0,035
Pháp

Z33C13
0,28-
0,38
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6
0,015-
0,030
≤0,040
Mỹ
AISI 420
≥0,15
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,030 ≤0,040

ISO 6386/13-86
5
0,26-
0,35
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,030 ≤0,04

Chế độ gia công thép không gỉ mactensit SUS 420J2 theo tiêu chuẩn của Nhật
như sau:
- Rèn: 1100 – 900

0
C/làm nguội chậm trong cát nóng
- Ủ: 800 – 900
0
C/làm nguội chậm theo lò
750
0
C/làm nguội nhanh ngoài không khí
- Tôi : 980 – 1040
0
C/dầu
- Ram : 150 – 400
0
C/không khí

15
Thành phần hóa học và cơ tính của thép được nêu trong bảng 3 và 4.
Bảng 3: Thành phần hóa học của thép SUS 420J2, %
C Si Mn Cr Ni P S
0,26-0,40
≤1,0 ≤1,0
12,00-14,00 ≤0,6 ≤0,04 ≤0,03

Bảng 4: Cơ tính của thép SUS 420J2 sau ủ, ram
Cơ tính sau ủ
Cơ tính
sau tôi

Độ bền
(MPa)

Giới hạn chảy
(MPa)

Độ dãn dài
(%)
Độ cứng
(HB)
Độ cứng
(HRC)
≥ 540
≥225 ≥18 ≤235 ≥40
Về tính chất lý học : thép SUS 420J2 thuộc họ thép không gỉ mactensit nên có
độ truyền nhiệt cao hơn so với các thép thuộc họ thép không gỉ austenit và thép
không gỉ ferit, cụ thể ở hình 7 nêu nên sự khác nhau về độ truyền nhiệt của các loại
thép không gỉ.

Hình 7: Độ truyền nhiệt của thép không gỉ

16
Như vậy thép không gỉ SUS 420J2 có những tính chất ưu việt sau:
- Khả năng gia công và đánh bóng cao
- Chống ăn mòn tốt
- Chống mài mòn cao
- Độ cứng và độ bền cao
- Ổn định kích thước khi nhiệt luyện
¾ Lựa chọn thép SUS 420J2 làm khuôn đúc nhựa:
Có rất nhiều loại khuôn đúc nhựa khác nhau, ở đây đề tài đề cập đến khuôn
đúc nhựa có độ bóng cao.

Khuôn nhựa yêu cầu có độ cứng và độ bền cao, bề mặt khuôn luôn nhẵn bóng
khi làm viêc. Với những ưu điểm của thép không gỉ SUS 420J2, chúng tôi đã lựa
chọn làm khuôn đúc nhựa có độ bóng cao. Ngoài ra thép SUS 420J2 còn có ứng
dụng để làm dụng cụ y tế, khuôn nhựa có tính ăn mòn như PVC, PET, bộ phận kết
cấu, thiết bị y tế, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp mỹ phẩm…
















17
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
Dựa trên tiêu chuẩn JIS G 4304 của Nhật và các tiêu chuẩn nước ngoài khác
để lựa chọn mác thép hợp kim SUS 420J2 phù hợp cho việc chế tạo khuôn đúc
nhựa. Nội dung nghiên cứu như sau:
1)Xây dựng đề cương kế hoạch nghiên cứu: tổng quan và chi tiết. Nghiên cứu các
tài liệu về: Tiêu chuẩn vật liệu, công nghệ chế tạo, sản phẩm.
2)Khâu công nghệ: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thi

ết bị chế tạo thép
SUS 420J2. 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
3) Đánh giá chất lượng thép SUS 420J2
+ Thành phần hóa học
+ Tính chất cơ lý: giới hạn bền, giới hạn chảy, độ giãn dài, độ cứng
+ Cấu trúc pha.
+ Tính ch
ống gỉ
4) Chế tạo thử một bộ khuôn đúc nhựa, theo dõi, đánh giá kết quả thử nghiệm và
khả năng sử dụng.
5) Viết báo cáo tổng kết đề tài.
2.2 Phương 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 :
- Trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuấ
t, các tài liệu trong và ngoài nước về thép
không gỉ, phân tích điều kiện làm việc của khuôn đúc nhựa.

18
- 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 450kg và 150kg để xác định công nghệ rèn. 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 346 để xác định thành phần hoá học của nguyên liệu và

sản ph
ẩm 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 256:2006 và TCVN
257:2007.
- Dùng kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT để nghiên cứu tổ chức và
cấu trúc pha.
- Đánh giá khả năng chống gỉ của thép bằng phương pháp điện hóa trên thiết
bị CMS100 (Mỹ).















19
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1 Công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2
3.1.1 Công nghệ nấu luyện
Trong quá trình nấu luyện, đầu tiên phải chú ý tới khâu chuẩn bị nguyên liệu.
Để đảm bảo chủ động về nguyên liệu trong nước, chúng tôi sử dụng phối liệu như

sau:
- Từ nguyên liệu ban đầu: thép nền, các loại ferrô hợp kim FeCr, FeMn, FeSi,
Ni kim loại.
- Phế liệu thép không gỉ X13 có bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim bằng
ph
ế X17 hoặc FeCr.
Thành phần hoá học của nguyên liệu sử dụng được nêu trong bảng 5
Bảng 5: Thành phần hoá học của các nguyên liệu, %
Nguyên liệu C Mn Si Cr Ni S P
Phế CT3 0,18 0,39 0,35 - - 0,018 0,019
Phế X13 0,013 0,33 0,39 10,71 0,03 0,008 0,023
Phế X17 0,052 0,36 0,25 15,89 0,05 0,009 0,020
FeCr 0,4 60,23
FeSi75 0,70 70,0
FeMn 1,0 80,0
Ni 98,5
Graphit 98,2

Để tiến hành tính toán phối liệu, chúng tôi đã sử dụng các số liệu cháy hao các
nguyên tố hợp kim trong quá trình luyện thép trong lò cảm ứng như được nêu trong
bảng 6.



20
Bảng 6: Hệ số cháy hao các nguyên tố hợp kim
Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao,%
Cr 4-5
Mn 8-10
Si 10-12

Ni 2-3
C 10-15
Dựa vào thành phần hóa học của nguyên liệu, hệ số cháy hao của các nguyên
tô hợp kim và kinh nghiệm luyện thép thực tế tại Viện Luyện kim đen, chúng tôi đã
tính toán phối liệu cho 3 mẻ nấu, mỗi mẻ khoảng 250kg như trong bảng 7.
Bảng 7: Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg
TT Nguyên liệu Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3
1 Thép nền 195 - -
2 X13 - 147 236
3 X17 - 98 -
4 FeCr 50 - 8.5
5 FeSi 1,5 1,2 1,2
6 FeMn 1,7 1,6 1,8
7 Ni 0,8 0,8 0,8
8 Than graphit 0,4 1 1
Tổng 249,4 249,6 249,3

Quy trình thao tác nấu luyện như sau :
- Chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO và CaF
2
được cho vào đáy lò.
- Xếp liệu (thép phế CT3, X13, X17, FeCr, Ni) 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.

21
- 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 thì giữ cho nước thép ổn định rồi cho FeMn khử ôxy sơ

bộ sau đó dùng FeSi để khử ôxy tiếp.
-
Để lắng nước thép khoảng 5 – 7 phút rồi vớt hết xỉ và rót thép vào nồi rót đã
được sấy đỏ. Khử khí lần cuối trong nồi rót bằng nhôm kim loại. Nhiệt độ rót thép
không gỉ mác SUS 420J2 khoảng 1540 - 1650
0
C.
- 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%) đem tinh luyện điện
xỉ.
- Lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học.
Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ, kết quả phân tích thành phần hóa học
của 3 mẻ nấu thí nghiệm được nêu trong bảng 8. Bên cạnh kết quả phân tích bằng
phương pháp hóa học, chúng tôi đã tiến hành phân tích để đối chứng mẻ
số 3 bằng
phương pháp phân tích quang phổ trên thiết bị FISON ARL3460 của Thụy Sỹ tại
Viện Công nghệ.
Bảng 8: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm, %
Số mẻ C Mn Si Cr Ni S P
Mẻ 1 0,38 0,79 0,77 12,15 0,32 0,009 0,028
Mẻ 2 0,37 0,83 0,73 12,27 0,30 0,007 0,027
Mẻ 3 0,39 0,81 0,75 12,24 0,31 0,006 0.027
Me 3
*
0,394 0,825 0,768 12,235 0,304 0,0048 0,028
Thép
nghiên cứu
0,26-

0,40
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,03 ≤0,04
* kết quả phân tích quang phổ:
Qua các số liệu trong bảng 8 ta thấy cả 3 mẻ nấu thí nghiệm theo 3 cách phối
liệu đều đạt thành phần hóa học. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim C, Cr, Ni, Mn
và Si nằm trong giới hạn tiêu chuẩn của thép SUS 420J2, các tạp chất P, S ở mức

22
thấp so với tiêu chuẩn của các nước. Trong ba cách phối liệu, về phương diện kinh
tế thì cách phối liệu ở mẻ thứ 2 và 3 sử dụng loại phế X13 và X17 có giá thành rẻ
hơn so với phối liệu ở mẻ 1.
3.1.2 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 phả
i thấp
Cấu trúc : Thỏi đúc phải có cấu trúc hạt mịn
Mật độ cao : Không rỗ xốp
Để đáp ứng các yêu cầu trên, chúng tôi sử dụng công nghệ điện xỉ để tiến hành
đúc thỏi. Nguyên lý làm việc như sau:
+ Kim loại đem tinh luyện ở dạng điện cực có thành phần đúng mác đã nấu.
+ Trong quá trình tinh luyện, đầu điện cực nhúng vào xỉ nóng chảy ở nhi
ệt độ
1600-1700
0
C. Ở nhiệt độ cao đầu điện cực hình thành những giọt kim loại lỏng,
giọt kim loại lỏng này lớn dần lên và rơi khỏi đầu điện cực đi qua cột xỉ lỏng tập

trung dưới đáy thành bể kim loại lỏng.
Do có nước làm nguội từ đáy và xung quanh hộp kết tinh nên kim loại đông
đặc từ dưới lên trên và từ ngoài vào trong. Quá trình diễn ra liên tục, điện cự
c chảy
dần đi và hộp kết tinh được điền đầy thì kết thúc.
Nhiệm vụ của công nghệ là điều chỉnh lượng kim loại chảy ra và kết tinh luôn
cân bằng, nhờ đó tránh được hiện tượng thiên tích về mặt tổ chức thỏi. Do bề mặt
tiếp xúc rất lớn giữa xỉ và kim loại tạo ra được khả năng làm sạch kim loại lớn. Quá
trình kế
t tinh xẩy ra do tốc độ làm nguội lớn nên thỏi điện xỉ có cấu trúc hạt mịn,
rất thuận lợi cho khâu rèn tiếp theo.
Thiết bị tinh luyện điện xỉ của Viện Luyện kim đen có các thông số như sau:
- Công suất máy biến thế : 100 KVA
- Dòng điện : 1.000 – 1.500 A
- Điện áp ra : 40 – 45 V

23
- 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. Xỉ được sấy khô cẩn thận trước khi dùng.



1- Điện cực
2- Bể xỉ
3- Bể kim loại
4- Thỏi kim loại
5- Đế hộp kết tinh




Hình 8: Sơ đồ quá trình tinh luyện điện xỉ
Thành phần hóa học của 3 mẻ nấu thí nghiệm sau tinh luyện điện xỉ được nêu
trong bảng 9.
Bảng 9: Thành phần hoá học của thép sau điện xỉ, %
Mẻ C Mn Si Cr Ni S P
Mẻ 1 0,37 0,69 0,65 12,13 0,32 0,006 0,028
Mẻ 2 0,35 0,76 0,58 12,26 0,30 0,005 0,027
Mẻ 3 0,38 0,74 0,63 12,24 0,31 0,005 0,027
Thép
nghiên cứu
0,26-0,40 ≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,03 ≤0,04

24
Từ các kết quả phân tích trên ta thấy thành phần hoá học của thép sau điện xỉ

hầu như không thay đổi, hàm lượng Mn, Si, S, C giảm một chút. Còn hàm lượng P,
Cr, Ni ít thay đổi.
Các thỏi điện xỉ có chất lượng tốt:
- Bề mặt ngoài trơn, láng bóng, bong xỉ
- Đáy ít bị lồi và đỉnh ít bị lõm
- Không có biểu hiện rỗ xốp.
3.1.3 Công nghệ rèn
Thép SUS 420J2 do đề tài chế tạo sẽ đượ
c rèn thành các phôi có kích thước
khác nhau dùng vào việc chế tạo khuôn đúc nhựa.
Đối với thép không gỉ SUS 420J2 đã qua tinh luyện điện xỉ, cấu trúc thép có
dạng kết tinh hướng tâm, có trở chống biến dạng tương đối cao 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.
- Nung phôi
Các thỏi điện xỉ có kích thước Ø120 x 400mm được chất vào khu vự
c giữa lò
phản xạ từ nhiệt độ thấp. Thép không gỉ mactensit mác SUS 420J2 có độ dẫn nhiệt
kém nên khá nhạy cảm với ứng suất nhiệt. Vì vậy, cần tránh sốc nhiệt đặc biệt ở
giai đoạn đầu (700-800
0
C). Tốc độ nâng nhiệt ở giai đoạn này khoảng 70-80
0
C/giờ. Giai đoạn sau nung nhanh hơn, tốc độ nâng nhiệt khoảng 100
0
C/giờ. Chế
độ rèn được xác định như sau:
Nhiệt độ bắt đầu rèn là 1100
0
C

Nhiệt độ kết thúc rèn là 900-950
0
C
- Biến dạng khi rèn
Quá trình rèn thép không gỉ mactensit mác SUS 420J2 được tiến hành trong
khoảng nhiệt độ 1100-900
0
C. Quá trình rèn được tiến hành qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Cắt tạo phôi: dùng dao chặt đầu đuôi, chia thành những phôi có
kích thước phù hợp với khối lượng đã định.