Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác 25XTT dùng trong ngành chế tạo máy nông nghiệp

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN









BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP MÁC
25 XGT DÙNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
NÔNG NGHIỆP

Chủ nhiệm đề tài: PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG







7686
05/02/2010

Hà Nội - 2009


1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
1. TỔNG QUAN 4
1.1. Giới thiệu thép kết cấu hợp kim. 4
1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc
và tính chất của thép 25ХГТ 7
1.3 Giới thiệu quá trình nhiệt luyện thép 25ХГТ 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 sản xuất thép hợp kim mác 25ХГТ 19
3.1.1. Công nghệ luyện thép 19
3.1.2 Công nghệ tinh luyện 23
3.1.3 Công nghệ rèn 26
3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện 27
3.2 Các tính chất của thép 25ХГТ 30
3.2.1 Thành phần hoá học 30
3.2.2 Tính chất cơ lí 30
3.2.3 Cấu trúc pha 31
3.3 Chế tạo sản phẩm 36
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37
4.1. Kết luận 37
4.2 Kiến nghị 37
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 38
6. PHỤ LỤC 39

2
MỞ ĐẦU

Thiên nhiên ban tặng cho Việt Nam một dải đất màu mỡ thuận lợi cho
phát triển nông nghiệp. Trong những năm gần đây, ngành nông nghiệp nước
ta đã có nhiều thành tựu đáng khích lệ. Từ chỗ thiếu lương thực, chúng ta đã
vươn lên trở thành nước xuất khẩu lúa gạo đứng hàng thứ hai thế giới, ngoài
ra còn nhiều mặt hàng có thế mạnh như cà phê, hạt tiêu, hạt điều và nhiều
loại rau quả. Tuy nhiên chúng ta chưa phát huy hết được tiềm năng, thế mạnh
của nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới.
Việt Nam hiện nay có khoảng 550.000 máy phục vụ sản xuất nông
nghiệp, chủ yếu là máy nổ và máy phát điện, còn máy cày, máy gặt đập và
các dòng máy chuyên dùng khác không đáng kể…Theo các chuyên gia thì
chúng ta mới chỉ đáp ứng được 30 % số máy móc dùng trong nông nghiệp, số
còn lại là nhập khẩu. Nguyên nhân chính khiến thị trường máy móc, thiết bị
nông nghiệp của nước ta bị máy móc nhập ngoại áp đảo trong cuộc cạnh
tranh là do ngành công nghệ chế tạo máy nông nghiệp chưa phát triển. Tỷ
trọng nguyên liệu phục vụ cho việc chế tạo máy nông nghiệp đa phần là nhập
khẩu, nguyên vật liệu trong nước chỉ chiếm từ 10-12% Công nghệ biến dạng
dẻo kim loại (cán, rèn dập) hoặc luyện bột kim loại cũng yếu, chất lượng phôi
không đảm bảo. Sản phẩm quy chuẩn như bulông, đai ốc vừa thiếu về
chủng loại vừa chưa đảm bảo chất lượng.
Theo Quyết định của Thủ tướng Chính phủ “ Phê duyệt Chiến lược
phát triển ngành cơ khí Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn tới 2020”,
trong phần “Định hướng chiến lược phát triển một số chuyên ngành và nhóm
sản phẩm cơ khí quan trọng” có đề cập rất chi tiết về mục tiêu phát triển máy
kéo và máy nông nghiệp:
“Về máy nông nghiệp: Tập trung đầu tư, xây dựng chuyên ngành chế tạo
máy nông nghiệp đủ mạnh, bao gồm máy canh tác, máy chế biến và thiết bị

bảo quản các sản phẩm nông nghiệp, nhằm đáp ứng nhu cầu trong nước,
từng bước xuất khẩu. Khuyến khích các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, cơ khí các
địa phương tham gia chế tạo thiết bị máy móc phục vụ nông nghiệp và công
3
nghiệp chế biến một cách có tổ chức, phân công và hợp tác hợp lý với các
doanh nghiệp cơ khí trong và ngoài địa phương.”
Để đáp ứng được mục tiêu nêu trên của ngành chế tạo máy nông nghiệp,
chúng ta phải chủ động trong việc cung cấp nguyên liệu, chủ yếu là các
chủng loại thép. Thép kết cấu hợp kim là một trong những loại thép được sử
dụng nhiều nhất trong ngành chế tạo cơ khí nông nghiệp. Do đó việc nghiên
cứu sản xuất các loại thép kết cấu hợp kim đạt chất lượng cao để đáp ứng nhu
cầu của ngành chế tạo máy nông nghiệp nói riêng và cho toàn ngành kinh tế
nói chung luôn luôn là vấn đề thời sự và cấp bách.
Từ những định hướng nêu trên, năm 2009 Bộ Công Thương đã giao cho
Viện Luyện kim Đen thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép
mác 25ХГТ dùng trong ngành chế tạo máy nông nghiệp”. Mục tiêu của đề tài
là xác định được công nghệ sản xuất mác thép 25ХГТ đạt chất lượng cao
bằng nguyên liệu và thiết bị sẵn có trong nước, đáp ứng được yêu cầu dùng
trong ngành chế tạo máy nông nghiệp và phục vụ nhu cầu trong nước.
Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đã hoàn thành các mục tiêu
đề ra. Các kết quả thử nghiệm và sản phẩm của đề tài được đánh giá tốt.
Trong bản báo cáo tổng kết đề tài, chúng tôi trình bày các nội dung
chính như sau :
1. Phần tổng quan
2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
3. Kết quả đạt được
4. Kết luận và kiến nghị
5. Tài liệu tham khảo
6. Phần phụ lục
Nh ân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cám ơn Vụ Khoa Học Công

Nghệ (Bộ Công Thương), Công ty TNHH một thành viên Máy kéo và Máy
Nông nghiệp, Viện Công nghệ và Xí nghiệp cơ khí 79, đã sự giúp đỡ chân
thành và tạo điều kiện cho chúng tôi thực hiện thành công đề tài.

4
1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu thép kết cấu hợp kim
a) Phân loại thép kết cấu
Trong ngành cơ khí chế tạo, thép kết cấu hợp kim được sử dụng rất rộng
rãi vì chúng có cơ tính tổng hợp cao (độ bền cao, tính dẻo tốt, độ bền chống
phá huỷ cao, có thể làm việc bền lâu trong các điều kiện tải trọng phức tạp ).
Thép kết cấu hợp kim là thép có hàm lượng các bon trung bình ( C = 0,20 –
0,50% ) và được nhiệt luyện tôi và ram cao hoặc thấp tuỳ mục đích sử dụng
[1]. Tuỳ thuộc vào các nguyên tố hợp kim hoá trong thép có thể chia thép
kết cấu thành các nhóm như: Thép crôm, thép mangan, thép crôm-mangan,
thép crôm-mangan-titan, thép crôm-silic, thép crôm-molipđen, thép crôm-
molipđen-vanaddi, thép crôm-vanađi, thép niken-molipđen, thép crôm-niken,
thép crôm-niken-bor, thép crôm-silic-mangan-niken…[2].
Nhờ có hàm lượng các bon trung bình và các nguyên tố hợp kim nên các
loại thép kết cấu hợp kim có độ thấm tôi cao. Cũng nhờ có thành phần hoá
học như vậy mà thép kết cấu hợp kim sau khi ram cao sẽ tiết ra các loại
cácbíd hợp kim nhỏ mịn làm cho thép có độ hạt nhỏ mịn, đạt cơ tính tổng
hợp cao.
b) Thép dùng trong ngành chế tạo máy nông nghiệp.
Thép dùng trong chế tạo máy nông nghiệp phải có cơ tính tốt vì các chi tiết
phải làm việc trong điều kiện có tải trọng, chịu mài mòn và va đập liên tục.
Do đó thép phải có độ bền tốt, độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn đảm bảo.
Thép phải có tính thấm tôi cao để khi chế tạo chi tiết lớn mới đảm bảo cơ tính
vượt trội. Ngoài ra lợi ích kinh tế và khả năng sản xuất lớn cũng cần quan
tâm.

- Thép kết cấu mangan như 15г, 20 г, 30 г , 40 г, 50 г có cấu trúc
nhỏ mịn, độ bền, độ đàn hồi, độ cứng vượt trội so với thép cacbon. Thép

5
mangan cú thm tụi tt, cỏc chi tit do ú cú bn, do v chu mi
mũn cao.
Khuyt im: Cú khuynh hng to ng sut ln phớa trong sau khi tụi
v gõy nt hoc cong vờnh. Nhc im na l cú hin tng giũn ram.
- Thộp kột cu crụm nh cỏc mỏc: 20X, 30X, 40X Loi thộp ny cú
bn, cng cao , ớt b thoỏt cacbon b mt, cú th tng cao cacbon b
mt khi xementit hoỏ. Do cú bn austenit, thộp kt cu crụm c tụi
trong du to ra cu trỳc mactensit (cú tớnh thm tụi tt). Cỏc loi thộp ny
c dựng lm bỏnh rng, trc truyn ng v nhiu chi tit.
- Thộp kt cu crụmmangan: cú tớnh thm tụi vt tri , nu hp kim
hoỏ mt lng nh titan thỡ cu trỳc ht rt mn. Chớnh cu trỳc cacbit titan
bn vng to kh nng duy trỡ ht austenit nh mn. Cỏc mỏc thộp thng
dựng l 18, 25 , 30 Cỏc mỏc thộp ny thng c dựng
ch to cỏc chi tit nh hp s, trc truyn ng v cu sau ca mỏy kộo
thộp ny, pha austenit cú tớnh n nh cao v cú thm tụi tt.
c) Thộp kt cu hp kim ti la chn nghiờn cu
Một trong những yêu cầu quan trọng trong chế tạo máy là giới hạn bền và
giới hạn chảy của vật liệu phải cao. Đặc biệt để nâng cao tuổi thọ của các chi
tiết máy, giới hạn chảy phải của vật liệu phải cao. Trong công nghiệp chế tạo
máy nông nghiệp, yêu cầu ny càng đợc chú trọng. Thép 25XT hoàn toàn
thoả mãn điều kiện trên, ta hóy th so sỏnh mt vi mỏc thộp hp kim:
Thép 20X:

b
780MPa ;
s

635MPa
Thép 18X:

b
880MPa ;
s
735MPa
Thép 25XT:

b
1270MPa ;
s
980MPa

6
Trong các loại thép kết cấu hợp kim thì thép 25ХГТ theo tiêu chuẩn
Liên Xô cũ ГOCT 4543 – 71 là loại thép kết cấu hợp kim đa nguyên tố. Thép
này được hợp kim hoá với lượng nhỏ các nguyên tố như crôm, mangan, titan.
Thép có hàm lượng các bon trung bình ( C = 0,22 – 0,29% ) kết hợp với các
nguyên tố hợp kim nêu trên đã làm cho mác thép này có cơ tính tổng hợp rất
cao, đặc biệt giới hạn bền và giới hạn chảy được tăng cao đáp ứng được yêu
cầu của các chi tiết máy làm việc lâu dài trong các điều kiện chịu liên tục va
đập và chịu tải trọng nặng. Do vậy mác thép 25ХГТ có nhiều ứng dụng
trong các lĩnh vực chế tạo máy, nó được sử dụng rất phổ biến ở nước ta, đặc
biệt là trong ngành chế tạo máy nông nghiệp. Ở Trung Quốc có mác thép
30CrMnTi theo tiêu chuẩn GB 3077 – 88 [3] với thành phần hoá học và các
tính chất tương tự như mác thép 25ХГТ. Ở Đức có mác thép 30MnCrTi4 có
thành phần tương tự (bảng 1).
Bảng 1 : Thành phần hoá học của thép 25ХГТ và các mác tương đương
Thành phần hóa học (%)

Mác thép
C Si Mn Cr Ti P S
25ХГТ
(ГOCT4543-71)
0,22-
0,29
0,17-
0,37
0,80-
1,10
1,00-
1,30
0,03-
0,09
0,035

0,035
30CrMnTi
(GB 3077-88)
0,24-
0,32
0,17-
0,37
0,80-
1,10
1,00-
1,30
0,04-
0,10
0,035

0,035
30MnCrTi4
(W-Nr 18401)
0,22-
0,33
0,17-
0,37
0,85-
1,15
1,00-
1,25
0,04-
0,10
0,035

0,035

Trong các mác thép trên, hàm lượng các tạp chất lưu huỳnh và phốt pho
đều nhỏ hơn 0,035%.




7
Bng 2 : C tớnh ca mỏc thộp 25(OCT4543-71)
cng
Gii hn chy
(Mpa)

Gii hn bn
(Mpa)
Thng hoỏ
(HB)
Sau tụi
(HRC)
dai va
p
(J/cm2)
980 1275 217 55 69

Nhng nghiờn cu nhiu nm v thc t ti cỏc nh mỏy Liờn Xụ c
cho thy cỏc chi tit mỏy c ch to t thộp c hp kim hoỏ mt lng
nh cỏc nguyờn t quý him (khụng dựng n niken hay vanai), cú bn
v tui th rt cao v cú nhiu li ớch kinh t [4]. Mỏc thộp 25 l mt
trong cỏc loi thộp ú (ch hp kim hoỏ 3 nguyờn t l Cr, Mn, Ti ) sau khi
c nhit luyn (tụi v ram ) s cú bn, chu mi mũn v tớnh do
cao.
Do vậy việc nghiên cứu và sản xuất thép hợp kim chất lợng cao 25XT
dùng chế tạo bán trục phải trong máy gặt đập liên hợp là việc làm cần thiết
nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất, tăng tỷ lệ nội địa hoá trong ngành sản xuất
máy nông nghiệp.
1.2 nh hng ca cỏc nguyờn t hp kim lờn cu trỳc v tớnh
cht ca thộp 25
Nh trờn ó nờu, mỏc thộp 25 l loi thộp hp kim phc hp vi hm
lng cỏc bon trung bỡnh vi 3 nguyờn t hp kim Cr, Mn v Ti. S kt hp
nh hng ca cỏc nguyờn t ny, c bit l cacbit titan bn vng to kh
nng duy trỡ pha austenit nh mn, ó to ra cho thộp 25 sau khi c
nhit luyn cú c tớnh tng hp rt cao, ỏp ng c yờu cu ca cỏc chi
tit mỏy múc lm vic trong iu kin chu ti ln v ng sut thay i do va

p liờn tc, cú hiu ng mi mũn cao [5-7]. Sau õy chỳng ta s xem xột nh
hng ca cỏc nguyờn t hp kim lờn cu trỳc v tớnh cht ca thộp hp kim
kt cu núi chung v mỏc 25 núi riờng.

8
- Ảnh hưởng của cácbon:
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 cacbit có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt các hợp
kim trên cơ sở sắt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm
đi do có sự thay đổi cấu hình của cácbíd. Khi có các nguyên tố tạo cácbíd
mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung chủ yếu vào những vị trí hình thành
cacbit. 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 cacbit. 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. Vì
vậy, hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa hàm lượng cácbon tương đối ít.
Đặc biệt là các loại thép không gỉ làm việc trong các môi trường xâm thực
mạnh cần có tính chống gỉ rất cao thường chứa cácbon ở hàm lượng cực thấp
(<0,03%). a) Ảnh hưởng của Crôm
Crôm là nguyên tố rất quan trọng nâng cao độ thấm tôi, độ bền và tính
chống gỉ của thép . Crôm là nguyên tố mở rộng vùng ferit. Giản đồ trạng thái
hệ Fe-Cr được nêu trong hình 1.

9


Hình 1 : Giản đồ trạng thái Fe – Cr.
Crôm là nguyên tố mở rộng vùng  và làm thu hẹp vùng , làm tăng
nhiệt độ Ac
3
và làm giảm nhiệt độ Ac
1
. Ở khoảng nhiệt độ 600
o
C – 800
o
C với
hàm lượng Cr khoảng 45% sẽ tạo thành pha  có công thức FeCr. Khi giảm
nhiệt độ thì vùng tồn tại của pha  mở rộng ra về cả hai phía Fe và Cr. Pha 
là pha rất cứng và dòn. Pha  trong hệ Fe – Cr được tiết ra ở nhiệt độ cao và
cần thời gian dài. Ở nhiệt độ thấp thì không thể tiết ra pha . Sự có mặt của
các nguyên tố Si, Mn, Mo làm tăng nhanh quá trình tiết pha . Trong thép
chứa 17 –20% Cr thì pha  sẽ tiết ra khi giữ lâu ở nhiệt độ 600 – 700
o
C.
Niken nâng cao nhiệt độ để tạo thành pha  từ 815  925
o
C.
Crôm là nguyên tố tạo cacbit khá mạnh. Vì vậy, cácbon liên kết với
crôm tạo thành cacbit đã làm giảm khả năng tiết pha  trong thép Crôm.
Crôm có 3 loại cacbit: Cr
3
C ,Cr

7
C
3
và Cr
23
C
6
. cacbit Cr
23
C
6
có mạng
tinh thể lập phương diện tâm với thông số mạng 0,64A
o
nhiệt độ nóng chảy là
1520 – 1550
o
C.
cacbit Cr
7
C
3
có mạng tinh thể ba nghiêng ( trigonal) với thông số mạng
a = 3,89A
o
và c = 41,323A
o
, nhiệt độ nóng chảy là 1630 – 1670
o
C. Đối với

thép được hợp kim nhiều nguyên tố Cr thường tạo ra cacbit phức dạng

10
(Fe,Cr)
3
C, (Cr ,Fe)
7
C
3
và ( Cr,Fe)
23
C
6
. Điều này được thể hiện trên giản đồ
trạng thái hệ Fe-Cr-C ( hình 2 ).
Chính nhờ việc tạo thành cácbid trên mà thép crôm có độ bền chịu mài
mòn cao, chịu nóng cao. Hàm lượng crôm càng lớn thì các đặc tính này càng
cao.

Hình 2 : Ảnh hưởng của C và Cr lên sự tạo thành cacbit

Ảnh hưởng của mangan
Mangan được cho vào thép khi nóng chảy để khử ô-xy cũng như làm
giảm tác dụng độc hại của lưu huỳnh. Mangan được coi là nguyên tố hợp kim
hoá nếu hàm lượng trong thép lớn hơn 1%. Mangan tạo cacbit (FeMn)
3
C và
hoà tan rất nhiều vào pha ferit.
Trên giản đồ trạng thái cho thấy, mangan là nguyên tố mở rộng vùng
(hình 3). Cũng giống niken, mangan làm tăng điểm A4, giảm điểm A3, do

đó có thể thay niken quý hiếm bằng mangan rẻ tiền [4].
Mangan làm tăng mạnh tính ổn định của pha austenit và tính thấm tôi của
thép, ngoài ra người ta thấy cứ 1% mangan có tác dụng bằng 4 % Ni.

11
Thép có hàm lượng Mn 1% và cao hơn, thường được tôi trong dầu để có
cấu trúc mactenxit. Tuy nhiên khi hàm lượng mangan vượt quá 1,5 % ferit
bắt đầu trở nên giòn, do đó trong thép kết cấu, hàm lượng mangan không nên
vượt quá 2 %.
Khi hàm lượng mangan tới 12%, pha mactenxit được tạo thành.
So với các nguyên tố hợp kim hoá khác, mangan có khả năng làm hạt
austenit lớn nhanh khi nung [4].




Hình 3 : Giản đồ trạng thái Fe-Mn
Ảnh hưởng của titan
Ở nhiệt độ 1100
o
C và hàm lượng 0,65% Titan có tác dụng mạnh làm
hẹp vùng hình 4; khi hàm lượng titan đạt 0,75% ở nhiệt độ này xuất hiện
vùng  + . Hợp chất Ti giàu Fe trước đây (Titanid) được viết theo thành
phần Fe
3
Ti chính là biểu thị pha Laves có thành phần Fe
2
Ti, mạng lục giác.
Ngoài Fe
2

Ti () còn có các loại titanid FeTi( ) và FeTi
2
.
Khi nhiệt độ giảm, tính hoà tan của titan cũng giảm theo, do đó hợp kim
sắt –titan 3-7% Ti có thể biến cứng do khuyếch tán.
Trên hình chiếu của giản đồ trạng thái Fe-Ti-C các vùng được giới hạn
bởi titanid sắt (Fe2Ti), cacbit titan (TiC), xêmentit và sắt. Titan là nguyên tố

12
tạo cacbit đặc biệt mạnh. Thậm chí khi hàm lượng titan tương đối thấp, cùng
với pha xêmentit cũng tạo nên TiC. Khả năng tạo cacbit của titan giảm khi có
mặt của vanađi. Do việc nghiên cứu chưa được sâu sắc nên, các đường biên
giới pha của các vùng có dung dịch  và hỗn hợp dung dịch  + Fe3C ở hình
trên chỉ là ước lệ. Tuy nhiên, trong việc nâng cao chất lượng thép bằng cách
hợp kim hoá với titan, trong khâu tôi ram cần ghi nhớ là cacbit titan được tạo
thành cùng với pha xêmentit ngay cả khi hàm lượng titan rất nhỏ[8].







Hình 4: Giản đồ trạng thái hệ Fe-Ti

13
1.3 Giới thiệu quá trình nhiệt luyện thép 25ХГТ
Thường hoá:
Đối với thép kết cấu người ta thường áp dụng khâu ủ thường hoá thay
cho khâu ủ mềm trước khi gia công cơ khí nhằm đạt được cấu trúc xoocbit

mịn hơn cấu trúc peclit sau ủ mềm. Nhiệm vụ của khâu thường hoá là tạo ra
dung dịch rắn  đồng đều rồi làm nguội trong không khí để làm giảm ứng
suất dư, giảm độ cứng và tạo ra cấu trúc xoocbit nhỏ mịn để chuẩn bị cho
khâu nhiệt luyện cuối cùng (tôi và ram cao). Vì vậy, nhiệt độ thường hoá là
phải cao hơn nhiệt độ Ac
3
để các nguyên tố hợp kim có thể hoà tan hoàn toàn
vào các dung dịch rắn. Ngoài yếu tố nhiệt độ thì cần phải có thời gian giữ
nhiệt đủ để cho quá trình khuyếch tán các nguyên tố hợp kim xẩy ra được
hoàn toàn. Thông thường, nhiệt độ thường hóa ở nhiệt độ Ac
3
+ 50
o
C. Thời
gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào thành phần hóa học của thép và kích thước của
sản phẩm.
- Tôi:
Tôi là khâu làm nguội nhanh dung dịch rắn  từ nhiệt độ austenit hoá
xuống dưới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit M
s
. Tốc độ làm nguội để
chuyển biến austenit – mactensit xẩy ra hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần
hoá học của thép. Thông thường, các loại thép hợp kim được làm nguội khi
tôi bằng dầu.
Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit M
s
là một thông số rất quan trọng
trong công nghệ tôi thép. Nhiệt độ này cũng do thành phần hoá học của thép
quyết định. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xác định mối liên quan
giữa hàm lượng các nguyên tố hợp kim và nhiệt độ M

s
. Các kết quả thu được
là những công thức thực nghiệm chỉ chính xác với một khoảng thành phần
nhất định. Chẳng hạn trong  đã đưa ra công thức tính nhiệt độ M
s
theo hàm
lượng các nguyên tố hợp kim như sau:
M
s
= 1302 – 42(%Cr) – 61(%Ni) – 33(%Mn) – 28(%Si) – 1667(%C + %N)

14
Như vậy, để đảm bảo nhận được cấu trúc mactensit thì khâu tôi phải thoả
mãn các điều kiện chính như sau:
- Tốc độ làm nguội phải lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn của thép. Tốc
độ làm nguội tới hạn của từng loại thép thông thường được xác định bằng
thực nghiệm. Để điều chỉnh tốc độ làm nguội người ta thường sử dụng các
môi trường tôi khác nhau như không khí nén, dầu, nước, các loại dung dịch
khác nhau…
Đối với thép hợp kim thấp thường dùng môi trường tôi là dầu hoặc nước.
- Nhiệt độ làm nguội phải nhỏ hơn nhiệt độ bắt đầu chuyển biến austenit -
mactensit M
s
. Nhiệt độ M
s
của các thép được xác định bằng thực nghiệm
hoặc bằng các công thức gần đúng.
Sau khi tôi ta nhận được cấu trúc mactensit với mạng tinh thể lập phương
thể tâm. Vì tôi là một quá trình xẩy ra rất nhanh nên không đủ thời gian cho
các nguyên tố khuyếch tán. Vì vậy, mactensit là một dung dịch rắn quá bão

hoà, có độ cứng rất cao và dòn. Bên cạnh mactensit trong cấu trúc của thép
còn có thể có một lượng nhỏ  - pherit. Trong trường hợp tôi không hợp lí (ví
dụ tốc độ làm nguội không đủ nhanh) thì có thể còn một ít austenit dư, làm
giảm độ cứng của thép.
- Ram:
Mactensit nhận được sau khi tôi là một dung dịch rắn quá bão hoà, có độ
cứng cao nhưng tính dẻo rất thấp. Vì vậy để thép có những tính năng sử dụng
tốt như yêu cầu thì sau khi tôi cần phải tiến hành ram. Trong quá trình ram
xảy ra các hiện tượng phân huỷ austenit dư ở khoảng nhiệt độ 220 – 260
o
C.
Kết quả của hiện tượng này là austenit dư chuyển biến thành máctensit và
làm cho độ cứng và tính chịu mài mòn của thép tăng lên. Hiện tượng phân
huỷ dung dịch rắn xảy ra ở nhiệt độ 320 – 430
o
C. Trong giai đoạn này xảy ra
quá trình phân huỷ dung dịch rắn làm cho hàm lượng cácbon tiến gần tới giá
trị cân bằng. Độ cứng của thép giảm đi, đồng thời tính dẻo tăng lên.

15
Hiện tượng hình thành cacbit trong quá trình ram thép hợp kim có chứa
các nguyên tố tạo cacbit xảy ra khá phức tạp.Trong ram, ở giai đoạn đầu (từ
170
0
C  200
0
C ) xảy ra quá trình tiết cacbon từ mactenxit dưới dạng cacbit
nhỏ mịn. Khi nhiệt độ cao hơn (từ 220
0
C  260

0
C ) xảy ra quá trình phân hủy
austenit dư, chuyển thành mactenxit ram, làm cho độ cứng và tính chịu mài
mòn của thép tăng lên. Nếu ram thép ở nhiệt độ này thì có độ cứng, giới hạn
bền và giới hạn chảy cao (độ cứng có thể đạt 50 -55 HRC, giới hạn bền có thể
đạt 1300 – 1350Mpa). Theo  sự tạo thành các loại cacbit phụ thuộc vào
nhiệt độ như sau :
 300 – 350
o
C: Tạo thành cacbit phức loại Xêmentit: ( Fe, Cr)
3
C.
 400 – 450
o
C: Tạo thành M
2
X và M
3
C
7
. Loại M
2
X là Cr
2
C, Mo
2
C và
(Cr,Mo)
2
C. Còn M

7
C
3
là (Cr,Fe)
7
C
3
.
 >500
o
C: tạo thành cacbit loại (Cr,Fe)
23
C
6
.
Như vậy quá trình tiết cacbit trong khi ram diễn ra theo sơ đồ:
M
3
C M
7
C
3
M
23
C
6
.
Ngoài ra khi có mặt Mo thì có thể tạo thành Mo
2
C và (Cr,Mo)

2
C.
Kết quả của quá trình ram là cấu trúc hợp kim ở trạng thái ổn định, độ
cứng giảm đi ít chút và tính dẻo tăng lên. Các tính chất khác như tính chống
gỉ cũng được cải thiện.
Những điều cần chú ý khi chê tạo thép 25ХГТ
Thép kết cấu hợp kim 25ХГТ được hợp kim hoá một lượng nhỏ titan nên
có cấu trúc nhỏ mịn.
Trong thời gian gần đây, thép 18XГT và 25XГT được sử dụng rộng
rãi cho các chi tiết cần xêmentit hoá, đặc biệt cho hộp số truyền động, trục
khuỷu và cầu sau ô tô.
Trên giản đồ đẳng nhiệt chuyển hoá austenit - xêmentit và sau xêmentit
hoá của thép này cho thấy tính ổn định tương đối cao của pha austenit. Tuy
nhiên vì có hàm lượng mangan cao nên các thép này có khuynh hướng tạo

16
cấu trúc dạng dải dẫn đến các sản phẩm cán ngang có độ dai va đập giảm
nhiều.
Để lựa chọn thép cho ngành chế tạo máy nông nghiệp cần chú ý các
điểm sau:
Đối với thép chế tạo bánh răng, hộp giảm tốc, trục truyền động cần :
- Thép sau khi nhiệt luyện có biến dạng nhỏ, giới hạn bền mỏi cao, độ
thấm tôi tốt, đảm bảo đủ độ bền cho tâm chi tiết (không tồn tại ferit tự
do), bề mặt chi tiết không còn một loại cacbit nào hoặc austenit dư, có
độ cứng và độ bền chịu mài mòn cao.
- Thép không có cấu trúc dạng dải, lượng tạp chất phi kim nằm trong
giới hạn cho phép, trong điều kiện sản xuât lớn thép phải dễ gia công
bằng dụng cụ cắt gọt

17
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu tổng quan về thép kết cấu hợp kim và mác thép 25ХГТ dùng
để chế tạo các chi tiết quan trọng cho máy nông nghiệp trên cơ sở các tài
liệu và tiêu chuẩn trong và ngoài nước;
- Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất thép hợp kim mác 25ХГТ bao
gồm các khâu:
 Công nghệ luyện thép
 Công nghệ tinh luyện
 Công nghệ gia công áp lực
 Công nghệ nhiệt luyện
- Đánh gía chất lượng vật liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lí, tổ chức
tế vi và cấu trúc pha;
- Chế tạo một số sản phẩm dùng trong máy nông nghiệp như máy kéo, máy
nổ để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy và chính xác cao, đề tài đã
sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau:

- Trên cơ sở tìm hiểu nhu cầu của thị trường trong nước cũng như yêu
cầu của các cơ sở sản xuất máy nông nghiệp trong nước đồng thời tham
khảo tài liệu và tiêu chuẩn về thép hợp kim của các nước tiên tiến để lựa
chọn mác thép.
- Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300kg/mẻ để nghiên cứu xác
định công nghệ luyện thép, thiết bị tinh luyện điện xỉ 100KVA để xác
định công nghệ tinh luyện, búa rèn 750kg và 150 kg để xác định công
nghệ rèn và sử dụng lò nung bằng thanh C-Si để xác định công nghệ
nhiệt luyện thép hợp kim mác 25ХГТ.

18
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp
phân tích quang phổ phát xạ trên thiết bị FISONS ARL 3460 của Thuỵ
Sĩ để xác định thành phần hoá học của thép.
- Sử dụng máy kéo vạn năng YMM – 50 và HO11-MATEST -Italy để
xác định độ bền và tính dẻo, máy đo độ cứng HPO 250 và TK2M để đo
độ cứng của vật liệu, thiết bị MK30 để đo độ dai va đập .
- Sử dụng kính hiển vi quang học AXIOVERT (CHLB Đức) để nghiên
cứu tổ chức tế vi .
- Dùng thử sản phẩm chế tạo từ thép của đề tài tại một số cơ sở sản xuất
để đánh giá chất lượng thép.
- Tổng kết các kết quả nghiên cứu và nêu được quy trình sản xuất theo
điều kiện trong nước.

19
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1. Công nghệ sản xuất thép hợp kim mác 25ХГТ
3.1.1. Công nghệ luyện thép
Thép hợp kim mác 25ХГТ là một loại thép kết cấu kết cấu hợp kim với
thành phần hoá học: C = 0,22 – 0,29%, Si = 0,17 - 0,37%, Mn = 0,80 –
1,10%, P  0,035% , S  0,035%, Cr = 1,00 – 1,30% , Ti = 0,03 –0,09%. Tuy
hàm lượng các nguyên tố hợp kim hoá đưa vào không lớn, nhưng chúng có
ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của thép. Titan là nguyên tố rất khó
đưa vào thép vì chúng dễ bốc cháy ở nhiệt độ cao do bị ô-xy hoá mạnh, do đó
tuỳ theo từng phương pháp nấu luyện mà có cách cho vào thích hợp.
Để mẻ luyện đạt chất lượng cao, có thành phần hoá học ổn định, chúng
tôi lựa chọn thép nền có hàm lượng các bon gần giống mác thép nghiên cứu
và có hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp.
Ở các nước phát triển, thép 25ХГТ được nấu luyện phổ biến nhất là trong
lò điện hồ quang rồi tinh luyện trong các thiết bị tinh luyện ngoài lò. Trong
các điều kiện đặc biệt cũng có thể đựơc nấu luyện trong các thiết bị chuyên
dụng như lò hồ quang chân không, lò cảm ứng chân không ….Trong điều
kiện thiết bị của nước ta cũng như trong khuôn khổ thí nghiệm của đề tài,
chúng tôi chọn lò cảm ứng trung tần để nghiên cứu xác định công nghệ luyện
thép mác 25ХГТ. Loại lò này có nhiều dung tích khác nhau, chúng tôi sử
dụng lò Radyne (Anh) có dung tích 300 kg/mẻ của Viện Luyện kim đen để

thực hiện nấu luyện.
Trên cơ sở yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép và các đặc tính
của thiết bị công nghệ, đề tài đã sử dụng các loại nguyên liệu sau:
- Thép Ct3 có hàm lượng cácbon trung bình và sạch tạp chất;
- Ferocrôm cácbon cao
- Feromangan 80
- Ferosilic 75
- Ferotitan

20
- Phế liệu thép 30Г
Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 3.

Bảng 3: Thành phần hoá học của nguyên liệu

Thành phần hóa học (%)
TT

Nguyên liệu
C Cr Ti Mn Si P S
1 Thép CT3 0,18 - - 0,51 0,25 0,018 0,022
FeCr (C
TB
) 0,63 65,20 0,071 0,032
3 FeCr (Ccao) 7,25 60,20 0,071 0,032
4 FeMn 0,65 - - 81,50 1,15 0,036 0,011
5 FeSi 0,3 - 0,41 73,25
6 FeTi 0,02 - 27,41 - - - -
7 Thép phế 30Г

0,31 - - 0,95 0,25 0,023 0,021

Để tính toán phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng các số
liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Cr, Ti, Si, Mn trong lò
cảm ứng trung tần và kinh nghiệm luyện thép nhiều năm nay của Viện Luyện
kim đen, Viện Công nghệ cũng như tham khảo các tài liệu của các cơ sở sản
xuất khác. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện trong lò
cảm ứng trung tần được nêu trong bảng 4.

21

Bảng 4: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %
1 Cr 2 - 3
2 Mn 10 - 15
3 Si 10 - 15
4 Ti 35 - 45
7 C 6 - 10
Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu (bảng 3), hệ số cháy hao
của các nguyên tố hợp kim (bảng 4) và kinh nghiệm luyện thép thực tế tại
Viện Luyện kim đen, chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 3 mẻ nấu thí
nghiệm với khối lượng khoảng 200 kg/mẻ (bảng 5).
Bảng 5: Phối liệu để nấu luyện thép 25ХГТ
TT Nguyên liệu Mẻ 1(kg) Mẻ 2(kg) Mẻ 3(kg)
1 Thép phế CT3 195 - 45
2 FeCr cácbon TB

1,9 - 3,8
3 FeCr C cácbon cao

2,0 - -
4 FeMn 1,24 0,50 0,45
5 FeTi 0,95 0,95 0,90
6 FeSi 0,7 0,7 0,7
7 Al kim loại 0,6 0,6 0,6
8 Thép phế 30 Г - - 150
9 Hồi liệu 195
Tổng cộng (Kg) 202,5 198,5 201,7

22
Qui trình nấu luyện thép hợp kim mác 25ХГТ trong lò cảm ứng trung tần
300kg/mẻ từ các nguyên liệu trên 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: trước tiên xếp FeCr đã được sấy khô xuống đáy lò, sau đó là
thép nền CT3. Đối với mẻ số 3 cũng làm tương tự phế liệu 30Гvà cho
cùng với thép nền.
- Đóng điện cho lò hoạt động, sau đó nâng dần công suất để nấu chảy mẻ
liệu. Dùng que chọc lò chọc để tránh hiện tượng treo liệu. Khi mẻ liệu
nóng chảy hoàn toàn thì vớt xỉ cũ ra và cho chất tạo xỉ mới vào lò.
- Khi xỉ mới chảy hết, nhiệt độ nước thép đã đạt được khoảng 1600
o
C thì
ta bắt đầu cho FeMn và sau đó là FeSi để khử khí. Trước khi thép ra lò,
cho Fe-Ti được bọc trong ống thép vào lò thép nóng chảy để hợp kim
hoá.
- 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 vụn
nhỏ để khử khí lần cuối.
- Rót thép vào khuôn cát (đã được xử lý đông cứng nhanh bằng nước
thuỷ tinh và khí CO2) để đúc các thanh điện với kích thước 60 x 1000
cho tinh luyện điện xỉ sau này.
- Lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học.
Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ theo 3 phối liệu như đã nêu
trong bảng 5. Các mẻ thí nghiệm đã 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 6.

23
Bảng 6: Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm

Thành phần hóa học (%)
Mẻ
C Si Mn Cr Ti Ni S P
M1 0,25 0,22 0,98 1,31 0,04 - 0,020 0,022
M2 0,27 0,24 1,01 1,25 0,08 - 0,019 0,021
M3 0,28 0,27 1,02 1,22 0,086 - 0,018 0,020
M2* 0,25 0,29 0,98 1,25 0,084 0,10 0,026 0,025
25ХГТ
(ГOCT4543-71)

0,22-
0,29
0,17-
0,37
0,80-

1,10
1,00-
1,30
0,03-
0,09

0,03
5
0,03
5
* Kết quả phân tích trên máy quang phổ ARL-3460
Qua số liệu nêu trong bảng 6 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, Cr, Ti, P, S
đều nằm trong giới hạn tiêu chuẩn của mác thép 25ХГТ, các tạp chất P, S đều
ở mức rất thấp so với tiêu chuẩn. Tuy nhiên mẻ số 1 cho hàm lượng Ti hơi
thấp, do chưa có kinh nghiệm đưa titan vào thép lỏng. Mẻ số 2 nấu lại mẻ 1
nên có thành phần đạt tốt nhất, hàm lượng Ti cao hơn và Cr giảm đi. Mẻ 3
cũng đạt thành phần hóa học tuy tận dụng thép phế liệu chứa mangan.
3.1.2 Công nghệ tinh luyện
Như đã nêu ở phần trên, thép hợp kim mác 25ХГТ là loại thép hợp kim đa
nguyên tố với cấu trúc phức tạp: peclit, -ferit và các loại cacbit khác nhau.
Vì vậy, 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 S, P phải thấp.

24
- Sạch khí : hàm lượng các loại khí O
2
, N
2

, H
2
phải thấp hơn giới hạn cho
phép.
- Cấu trúc : thỏi đúc phải có cấu trúc hạt mịn
- Mật độ cao : không có rỗ xốp.
- Chất lượng bề mặt : không được có các loại khuyết tật có hại.
Thiết bị tinh luyện điện xỉ của Viện Luyện kim đen có các thông số công
nghệ như sau:
- Công suất máy thiết kế : 100 KVA
- Dòng điện : 1000 – 1500 A
- Điện áp ra : 40 – 45 V
- Kích thước hộp kết tinh : 120 x 500 mm
- Kích thước điện cực : 60 – 80 mm
- Lưu lượng nước làm nguội : 5 – 6 m
3
/h
Để đạt được mục tiêu tinh luyện, chúng ta đã chọn hệ xỉ ANF - 6 của
Liên Xô cũ với thành phần hoá học 70% CaF
2
và 30% Al
2
O
3
. Hệ xỉ này có
ưu điểm là có khả năng khử S và P tốt, dễ kiếm và giá thành hạ.
Qui trình tinh luyện điện xỉ được tiến hành như sau:
Cho lượng xỉ cần thiết vào hộp kết tinh (2,0 – 2,5 kg xỉ cho một thỏi điện
xỉ, 50 –60 kg/tấn sản phẩm). 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 nên bể xỉ lỏng.
- Cho điện cực nhúng vào bể xỉ lỏng với độ sâu thích hợp và chế độ điện
hợp lí (điện áp và dòng điện) để tạo ra được các giọt kim loại lỏng ở đầu điện
cực. Giọt kim loại 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 rồi lắng xuống đáy hộp kết
tinh và dần dần tạo thành bể kim loại lỏng.Tại đây, dưới tác dụng của dòng
nước làm nguội chạy quanh hộp kết tinh, bể kim loại lỏng kết tinh nhanh
thành thỏi điện xỉ theo hướng từ dưới lên trên. Trong quá trình đi qua lớp xỉ
lỏng, do tương tác hoá lí giữa thép lỏng và xỉ lỏng nên giọt kim loại được
tinh luyện làm sạch các tạp chất, nhất là S. Vì bể kim loại được hình thành và