Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép SUS440B dùng trong công nghiệp và dân dụng

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN






BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP SUS440B DÙNG
TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG


CNĐT: PHẠM THỊ MAI HƯƠNG














8287

NĂM 2010

1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
1. TỔNG QUAN CHUNG 3
1.1. Đặc tính thép không gỉ. 3
1.1.1 Quá trình ăn mòn 3
1.1.2 Sự ăn mòn thép không gỉ 5
1.1.3 Những phương pháp đánh giá tính chống gỉ của vật liệu kim loại. 7
1.1.4 Xử lý bề mặt thép không gỉ 8
1.2 Thép bền chịu ăn mòn 8
1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên tính chất của thép. 10
1.3.1 Ảnh hưởng của các bon 10
1.3.2 Ảnh hưởng của crôm 11
1.3.3 Ảnh hưởng của môlipđen 13
1.3.4 Ảnh hưởng của silic 14
1.3.5 Ảnh hưởng của mangan 14
1.3.6 Ảnh hưởng của ni ken 15
1.4 Lựa chọn mác thép nghiên cứu 15
2.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.1. Nội dung nghiên cứu 18
2.2. Phương pháp nghiên cứu 18
3
. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 20
3.1. Công nghệ chế tạo thép SUS440B 20
3.1.1. Công nghệ nấu luyện 20
3.1.2 Công nghệ tinh luyện 24

3.1.3 Công nghệ ủ 26
3.1.4 Công nghệ rèn 28
3.1.5 Công nghệ tôi 30
3.1.6 Công nghệ ram 31
3.2 Các tính chất của thép SUS440B 33
3.2.1 Thành phần hoá học 33
3.2.2 Tính chất cơ lí 34
3.2.3 Cấu trúc pha 34
3.2.4 Tính chống gỉ 36
3.3 Chế tạo sản phẩm 39
4
. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44
4.1. Kết luận 44
4.2 Kiến nghị 44
5.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 46
6
. PHỤ LỤC 47

2
MỞ ĐẦU
Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ 10 đã đề ra phương hướng phấn đấu
tới năm 2020 cơ bản đưa nước ta trở thành một nước công nghiệp. Để hiện
đại hóa được nền công nghiệp nước nhà thì việc nghiên cứu chế tạo được
những vật liệu để sản xuất dụng cụ, thiết bị có chất lượng cao, đáp
ứng được
yêu cầu khắt khe của đời sống và sản xuất là một việc rất cần thiết và quan
trọng.
Nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, chế biến thực phẩm, công
nghiệp dầu khí có điều kiện làm việc trong các môi trường xâm thực khác

nhau. Vì vậy thép dùng trong các ngành công nghiệp này vừa phải có độ bền
cao vừa phải có tính chống gỉ cao. Đặc biệt trong công nghiệp dược phẩm,
chế t
ạo dụng cụ y tế, chế tạo dao dùng trong công nghiệp thực phẩm, chế
biến thuỷ sản… thì việc chế tạo được vật liệu thép để cho ra những sản
phẩm vừa bảo đảm độ sắc, độ cứng lại vừa có tính chống gỉ là việc rất cần
thiết. Hàng năm các cơ sở sản xuất dụng cụ như công ty cổ phần MEINFA
phả
i nhập hàng chục tấn sản phẩm thép cây, thép tấm mác SUS420J2,
SUS430, SUS440A, SUS440B…để sản xuất dụng cụ phục vụ nhu cầu trong
nước và xuất khẩu ra nước ngoài. Do đó trong năm 2010 chúng tôi được Bộ
Công Thương cho triển khai đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép
SUS440B dùng trong công nghiệp và dân dụng”, nhằm thiết lập được công
nghệ sản xuất thép SUS440B đáp ứng cho các nhu cầu của nhiều ngành
công nghiệp như hóa chất, dược ph
ẩm, dụng cụ y tế…
Nhân dịp này chúng tôi cũng xin cảm ơn sự quan tâm và chỉ đạo sát
sao của Vụ Khoa học và công nghệ - Bộ Công thương, sự hợp tác có hiệu
quả của Viện Công nghệ- Tổng công ty máy động lực và máy nông nghiệp,
công ty TNHH một thành viên Vạn Xuân, công ty cổ phần MEINFA… đã
giúp chúng tôi hoàn thành đề tài được giao.

3
PHẦN 1. TỔNG QUAN CHUNG.
1.1 Đặc tính thép không gỉ
1.1.1 Quá trình ăn mòn
Vật liệu là thép thì không thể tránh khỏi ăn mòn. Sự ăn mòn thép được
thể hiện ở sự phá huỷ bề mặt của kim loại và hợp kim do sự tương tác hoá
học hoặc điện hoá của môi trường bên ngoài. Thành phần môi trường ăn
mòn và các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn thì bất thường và muôn màu muôn

vẻ. Điều kiện làm việ
c phức tạp của các chi tiết máy luôn luôn đặt ra những
vấn đề mà khoa học và kỹ thuật phải giải quyết. Do đó luôn luôn có những
mác thép mới ra đời nhằm đáp ứng được những yêu cầu của công nghiệp và
đời sống.
Hậu quả của quá trình ăn mòn là làm giảm tiết diện làm việc của chi
tiết kim loại, làm giảm độ bền, làm mất độ kín, tính lưu truyền, hình dáng và
tính chất kế
t cấu quan trọng khác của cụm chi tiết và tổ hợp máy. Các sản
phẩm tạo thành của ăn mòn làm ô nhiễm môi trường, giảm chất lượng sản
phẩm, làm xấu các thông số máy và trong hàng loạt trường hợp phá huỷ các
công trình và tăng thêm sự cố của máy.
Người ta có thể phân loại ăn mòn theo cơ chế quá trình hoặc theo hình
dạng bên ngoài của bề mặt ăn mòn. Nếu phân loại theo cơ chế ta có ăn mòn
hóa học và
ăn mòn điện hóa. Phân biệt theo dạng bên ngoài của bề mặt ăn
mòn, ta có dạng ăn mòn đều, ăn mòn cục bộ, ăn mòn tinh giới. Nếu phân
biệt theo môi trường ăn mòn, ta có dạng ăn mòn khí quyển, ăn mòn nước
biển, ăn mòn lỏng…
Sau đây chúng ta xem xét các dạng ăn mòn được phân chia theo biểu
hiện bên ngoài của bề mặt bị ăn mòn.

4
a, Sự ăn mòn đều đặn, toàn bộ. Biểu hiện của sự ăn mòn là xảy ra sự
phá huỷ chi tiết trên toàn bộ bề mặt ước chừng là như nhau.
b, Sự ăn mòn cục bộ hay còn gọi là ăn mòn điểm, trong sự ăn mòn này
chỉ những phần riêng biệt của bề mặt chi tiết bị phá huỷ (ăn mòn điểm).
c, Ăn mòn tinh giới. Sự ăn mòn tinh giới
được phân bố theo biên giới
tinh thể (hạt) bên trong kim loại. Ăn mòn tinh giới thường rất khó được biểu

hiện khi xem xét bên ngoài sản phẩm. Sự ẩn kín và tốc độ lan nhanh bên
trong chi tiết làm cho sự ăn mòn này trở nên nguy hiểm nhất.
d, Ăn mòn chọn lọc. Trong sự ăn mòn này một trạng thái cấu trúc nào
đấy của hợp kim bị phá huỷ.
Sự ăn mòn có thể là ăn mòn hoá học hoặc điện hoá tuỳ theo đặc
điểm
hiện tượng lý hoá tương tác giữa môi trường và kim loại. Tiêu biểu cho ăn
mòn hóa học là ăn mòn khí. Khi kim loại tiếp xúc với không khí ở nhiệt độ
thường và nhiệt độ cao, trên bề mặt của nó tạo ra màng oxit. Màng oxit này
sẽ ngăn không cho oxy có khả năng xâm nhập vào bên trong. Khi đó màng
oxit có tính chất bảo vệ. Tính chất bảo vệ của màng phụ thuộc vào tính chất,
cấu trúc, độ bám dính với kim loại nền, độ dày, tỷ
lệ khối lượng oxit và kim
loại và hàng loạt các yếu tố khác.
Ăn mòn điện hoá xuất hiện khi có sự tiếp xúc giữa các kim loại khác
nhau hoặc là các pha cấu trúc của kim loại với chất điện ly. Sự hiểu biết mối
liên quan về điện thế cho phép xác định tính bền tương đối của kim loại
chống lại sự ăn mòn, lựa chọn đúng lớp phủ bảo v
ệ. Đặc tính ăn mòn của
hợp kim phụ thuộc vào cấu trúc của chúng. Cơ sở lý thuyết của ăn mòn điện
hoá là theo sơ đồ tác dụng nguyên tố gavanic.
Trong kim loại tinh khiết và hợp kim có một dung dịch rắn, ăn mòn
điện hóa phát triển do sự có mặt lớp xen giữa các tinh thể, sức căng cơ học
khác nhau và sự ôxy hóa các hạt khác nhau. Ăn mòn được phát triển nhiều

5
hơn trong thép và hợp kim nhiều pha, đặc biệt nếu hiệu số thế của các trạng
thái tế vi quá lớn. Vì vậy để làm giảm tốc độ ăn mòn, trước hết cần sử lý để
có được cấu trúc đồng nhất. Đồng thời sau gia công nhiệt cần làm phân hóa
dung dịch quá bão hòa.

Chi tiết ở trạng thái căng cơ học bị ăn mòn mạnh nhất. Sau biến dạng
dẻo các lỗ nhỏ
tế vi giữa các tinh thể xuất hiện trong kim loại làm giảm tính
chống ăn mòn của vật liệu. Ảnh hưởng chung do ăn mòn và độ căng cơ học
là làm cho các chi tiết bị mỏi khi làm việc trong môi trường ăn mòn và tải
trọng xoay chiều. Các thí nghiệm cũng chứng tỏ rằng các chi tiết có bề mặt
nhám bị ăn mòn nhiều hơn so với các chi tiết có bề mặt được đánh bóng (1).
Nhiệt độ
đóng vai trò lớn trong tất cả các dạng ăn mòn. Trị số thế thay
đổi khi tăng nhiệt độ trong ăn mòn điện hoá, làm tăng tốc độ quá trình phá
huỷ, thay đổi độ hoà tan oxy trong nước.
1.1.2 Sự ăn mòn thép không gỉ
Thép do có độ bền cao chống lại sự ăn mòn trong điều kiện khí quyển
và trong một vài môi trường khí, nước sông, nước biển, dung dịch muối,
kiềm và một vài axit ở nhiệt độ
phòng và ở nhiệt độ cao hơn được gọi là
không gỉ.
Nguyên tố hợp kim cơ bản bảo đảm độ bền ăn mòn của kim loại, đặc
biệt trong môi trường oxy hoá là Crôm. Crôm tinh khiết có độ bền hoá học
cao do tạo thành màng oxit phủ lên bề mặt của chúng. Khi thêm Cr vào thép
thì chúng tạo thành dung dịch rắn với sắt và làm tăng độ chống gỉ của thép,
nhưng chỉ có tác dụng khi hàm lượng của chúng trong thép từ 11,7%. Giới
hạn này cũng được xác định khi nghiên cứu dung dịch rắn Fe-Cr, ở đây sự
thay đổi thế rõ ràng khi hàm lượng 12 – 13%Cr . Hàm lượng Cr càng cao thì
khả năng chống gỉ của hợp kim trong môi trường khí quyển và trong hàng
loạt môi trường ăn mòn khác càng cao.

6
Các nguyên tố hợp kim khác, khi đưa vào thép thì có thể làm tăng
hoặc giảm tính chống gỉ của hợp kim Fe-Cr. Thí dụ, các bon liên kết với Cr

trong phân tử cácbit Cr
23
C
7
và v v…làm nghèo chúng trong dung dịch rắn.
Do đó để đảm bảo tính chống gỉ theo yêu cầu của thép cần phải đưa Cr vào
với lượng lớn hơn. Như khi hàm lượng cácbon từ 0,15-0,20% thì hàm lượng
Cr không được nhỏ hơn 13-14% (1).
Thép Cr chỉ bền trong môi trường liên quan tới axit- chất oxy hoá. Thí
dụ đối với HNO
3
, do độ bền của chúng được kích thích bởi sự tương tác thụ
động hoá chống gỉ của Cr. Sau khi nhiệt luyện thép Cr làm việc tốt trong
môi trường khí quyển và môi trường nước ngọt. Trong nước biển độ bền của
chúng không lớn lắm do có sự ăn mòn điểm.
Thép Cr-Ni ( kiểu X18Ni9) có tính chống gỉ trong một số môi trường
xâm thực cao hơn rất nhiều. Sau khi tôi thành austenit và đồng nhất về cấu
trúc, điề
u này bảo đảm độ bền cũng như chống ăn mòn điện hoá. Tuy nhiên
ở điều kiện nhiệt độ tăng cao, trong thép xảy ra sự phân rã austenit cùng với
sự làm giàu cácbit Cr trên biên giới hạt và làm nghèo Cr trên biên giới hạt.
Cùng với sự tăng nhiệt độ (từ 500 – 800
0
C), tăng hàm lượng các bon
và thời gian giữ khi đốt nóng thì cũng làm tăng sự phân huỷ austenit, điều
này ảnh hưởng xấu đến độ bền ăn mòn tinh giới của thép. Thép không gỉ
kiểu Cr-Ni cũng rất nhạy cảm đối với lưu huỳnh, bởi vì khi hàm lượng lưu
huỳnh tăng sẽ tạo thành NiS phân bố theo biên giới hạt làm giảm độ bền ăn
mòn tinh giới. Bởi thế hàm lượ
ng S trong thép loại này không nên vượt quá

0,020%.
Thép không gỉ hệ Cr-Ni bền trong môi trường axit nitric, axit sunfuric
lạnh, nhưng không bền trong môi trường HCl. Nếu hợp kim hóa thêm các
nguyên tố như Mo, Cu thì làm tăng tính chống gỉ của thép không gỉ. Để tăng
tính chịu nhiệt của thép chống lại ăn mòn không khí ở nhiệt độ cao thì người

7
ta có thể hợp kim hóa thép bằng các nguyên tố Cr, Al, và Si. Các nguyên tố
này có ái lực hóa học với oxy cao hơn so với Fe, bởi thế chúng sẽ khuyếch
tán từ lớp bên trong của kim loại đến bề mặt để gặp oxy và nồng độ của
chúng trong màng oxit sẽ tăng lên.
1.1.3 Những phương pháp đánh giá tính chống gỉ của vật liệu kim loại.
Để xác định tính chống gỉ của thép, phương pháp phổ biến nhất là xác
định theo độ gi
ảm trọng lượng hoặc độ giảm chiều dày của lớp kim loại và
phương pháp đường cong phân cực.
Theo tài liệu từ công trình (1), có 2 phương pháp đánh giá:
* Phương pháp đánh giá theo độ giảm chiều dày của lớp kim loại hoặc hợp
kim bị ăn mòn trong một đơn vị thời gian (mm/năm).
+ Trong môi trường ăn mòn yếu (không khí, nước….)
- Tốc độ ăn mòn <0,01 mm/năm được coi là hoàn toàn không gỉ.
- Tốc
độ ăn mòn <0,1 mm/năm được coi là không gỉ
- Tốc độ ăn mòn >0,1 mm/năm được coi là bị gỉ
+ Trong môi trường ăn mòn mạnh (axit, muối, bazơ…)
- Tốc độ ăn mòn <0,1 mm/năm được coi là hoàn toàn không gỉ.
- Tốc độ ăn mòn <1 mm/năm được coi là không gỉ.
- Tốc độ ăn mòn >1 mm/năm được coi là bị gỉ.
* Phương pháp đánh giá theo độ giảm trọng lượng trên một đơ
n vị diện tích,

trong một đơn vị thời gian (g/m
2
h)
- Độ giảm trọng lượng < 0,1g/m
2
h đạt loại 0 (loại tốt): được coi là
hoàn toàn không gỉ.
- Độ giảm trọng lượng từ 0,1 – 1,0 g/m
2
h đạt loại 1 (loại đạt yêu
cầu): được coi như không gỉ.
- Độ giảm trọng lượng > 1,0g/m
2
h đạt loại 2 (loại không đạt): được
coi là bị gỉ.

8
Giữa hai đại lượng này có mối quan hệ 1g/m
2
h = 0,122mm/năm.
1.1.4 Xử lý bề mặt thép không gỉ.
Để tăng tính chống gỉ cho sản phẩm thì bề mặt sản phẩm phải nhẵn,
bóng không có khuyết tật bề mặt như nứt, rỗ…Do đó người ta rất chú trọng
đến khâu xử lý bề mặt sản phẩm thép không gỉ ngay từ khâu cán, rèn và chế
tạo sản phẩm.
- Xử lý bề mặt thỏi đúc: Để loại bỏ khuy
ết tật bề mặt thỏi đúc người ta
sử dụng ba dạng xử lý bề mặt:
+ Tiện lớp vỏ bề mặt thỏi đúc trên máy tiện.
+ Làm sạch toàn bộ hay một phần lớp vỏ thỏi đúc bằng máy mài.

+ Làm sạch bề mặt thỏi đúc bằng tia lửa với sự trợ giúp của máy
cắt hơi đặc biệt.
- Xử lý bề mặ
t sản phẩm sau gia công cơ khí.
Để xử lý bề mặt sản phẩm sau gia công cơ khí người ta có thể sử dụng
các phương pháp sau:
+ Đánh bóng bề mặt bằng cát, sau đó bằng phớt niken.
+ Dùng phương pháp đánh bóng điện hoá.
+ Dùng phương pháp tẩy rửa hoá học. Có thể dùng hỗn hợp tẩy rửa
là axit HNO
3
+ HCl hoặc hỗn hợp NaCl + NaF + HNO
3
.
Tuỳ mục đích sử dụng mà người ta có thể sử dụng một phương
pháp hoặc đồng thời nhiều phương pháp khác nhau nhằm tạo ra được bề nặt
sản phẩm đạt yêu cầu và có hiệu quả kinh tế nhất.
1.2 Thép bền chịu ăn mòn.
Thép mà theo đó vừa có độ bền cao, vừa có tính chống gỉ (chịu ăn
mòn) trong một vài môi trường thì được gọi là thép bền chị
u ăn mòn. Theo
tài liệu (2) đưa ra một số mác thép bền chịu ăn mòn như bảng 1.


9
Bảng 1. Thành phần hóa học của thép bền chịu ăn mòn.
Mác thép
Thành phần hoá học (%)
C Cr Mo V
9X18(440B) 0,9 18 - -

X18Mф (440C)
1,2 18 0,7 0,1
X14M (ЭИ515)
1,0 14 1,6 0,1
Loại X14Mф

1,15 14,5 4,0 1,2

Để tạo ra độ bền chịu ăn mòn của thép với môi trường xung quanh,
người ta thường sử dụng nhiều loại thép mactensit có 11-12% Cr . Những
thép này trước hết phải giảm hàm lượng cacbon. Song vì cần thiết đảm bảo
một độ cứng cao mà khả năng giảm cacbon như vậy là hạn chế độ cứng. Độ
cứng lớn nhất (sau tôi và nguội trong dầu) như sau:
Loại thép X18Mф, X14Mф X14M 9X18
C, % 1,2% 1,0 0,9
HRC 62-63 58-60 57-58

Bằng cách gia công nguội, có thể tăng độ cứng thứ cấp thêm 1-2 HRC,
song độ bền và độ dẻo lại bị giảm đi.
Trong thép 0,9 %C việc tăng nồng độ crôm trong pha mactensit được
tạo ra bằng cách tăng hàm lượng crôm trong thép đến 18%. Thép 440B có
độ bền chống ăn mòn sau khi tôi ở 1075-1100
o
C; khi đó trong pha mactesit
có 11%Cr và 0,25% C. Phần crôm còn lại nằm ở trong các loại cácbit.
Nếu thép có 1,0 – 1,2 % C thì cần thiết hợp kim hoá thêm molipden.
Molipđen sẽ kết hợp với một phần crôm trong cácbit M23C6, làm cho nồng
độ crôm trong dung dịch tăng lên và làm tăng độ bền chống ăn mòn. Ngoài

10

ra molipden còn kích thích sự biến cứng khuyếch tán khi ram và tạo khả
năng làm tăng độ cứng thứ cấp và tăng độ bền chịu nhiệt.
Trong thép có 18 % Cr có thể chứa 0,6-0,8 % Mo và trong thép có 14 %
Cr cần phải chứa tới 1,4-1,8 % Mo. Đặc trưng nồng độ của dung dịch rắn là
điện trở thì hoàn toàn như nhau ở các mác thép 440B và 440C sau tôi.
Ngoài ra độ bền chịu ăn mòn của thép còn phụ thuộc vào:
- Trạng thái cấu trúc nhận được sau ram. Sau khi ram ở 150 – 400
o
C,
hầu như không làm giảm hàm lượng crôm trong pha mactesit, thép tuyệt đối
bền vững (cấp 1) trong nước sôi, hơi nước, không khí ẩm và khô, với axit
hữu cơ lạnh. Sau khi ram cao hơn 500 – 550
o
C, sẽ tạo ra cacbit crôm và
dung dịch rắn bị làm nghèo đi, do vậy độ bền chống ăn mòn giảm xuống.
- Trạng thái bề mặt của dụng cụ: Độ bền chống ăn mòn tăng lên sau khi
thép được đánh bóng.
Các thép SUS440B và SUSS440C được sử dụng làm dụng cụ, chủ yếu
là dụng cụ phẫu thuật (dao, kéo, panh…) mà các dụng cụ này cần độ cứng
và độ chịu ăn mòn cao. Thép 440C có độ cứng cao sau ram
ở 150
o
C và ở
350-400
o
C, sau khi mài thô và mài bóng là 58-59 HRC.
Thép SUS440C có khoảng nhiệt độ tôi hẹp và độ cứng cao hơn.
Thép SUSS440B dùng chế tạo dụng cụ có độ cứng thấp hơn, trong đó
có cả những dụng cụ gia công đồ gỗ.
1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên tính chất của thép.

1.3.1 Ảnh hưởng của Cacbon.
Cacbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, kìm hãm sự chuyển biến
Mactenxit và do đó làm tăng độ ổn định của pha Austenit. Do có khả nă
ng
tạo thành cácbit có độ cứng cao nên cacbon là nguyên tố tăng bền rất tốt.
Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cacbon giảm do có sự thay đổi

11
cấu hình của cacbit. Nếu có các nguyên tố tạo cacbit mạnh trong hợp kim thì
cacbon chủ yếu tập trung ở những vị trí hình thành cacbit, do đó khi tăng
hàm lượng C sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các
pha dung dịch rắn và pha cacbit, dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn và làm
thay đổi tính chất của hợp kim. Cacbon làm giảm tính dẻo, giảm khả năng
chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợ
p kim. Vì vậy hầu
hết các loại thép hợp kim đều chứa cacbon ở lượng tương đối ít, đặc biệt là
đối với những loại thép làm việc trong môi trường xâm thực mạnh (các bon
thường ≤ 0,03%). Thép không gỉ mactenxit thường chứa 0,05 ÷ 0,3%C, trừ
các mác để chế tạo dụng cụ yêu cầu độ cứng và độ bền cao như SUS440 có
thể chứa từ 0,6 ÷ 1,2%C.
1.3.2 Ảnh hưởng của Crôm.

Hình 1. Giản đồ trạng thái Fe – Cr (3)

12
Crôm là nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chống gỉ của thép
không gỉ. Để bảo đảm tính chống gỉ trong môi trường xâm thực yếu và trong
không khí ẩm, hàm lượng Crôm phải ≥12%.
Hợp kim FeCr ở trạng thái rắn tạo ra một số dung dịch rắn γ, γ+α và α
(xem hình 1). Cr là nguyên tố mở rộng vùng Fe - α, với bất kỳ nồng độ Cr

nào cũng có thể tạo ra tổ chứ
c một pha của ferit, là dung dịch rắn giữa Fe- α
và Cr.
Ở hàm lượng 1 - 2% Cr hòa tan hoàn toàn trong sắt. do bán kính
nguyên tử của Cr gần bằng của Fe nên trong mạng tinh thể Fe - α, các
nguyên tử Cr nằm trong các nút mạng thay thế các nguyên tử Fe tạo nên
dung dịch rắn thay thế có các tính cơ học cao hơn. Nguyên tố Cr còn nâng
cao tính chống gỉ của thép. Đặc biệt khi hàm lượng Cr ≥12%.
Khi hàm lượng Cr trong thép tăng lên 2% thì sẽ tạo ra các loại cacbit
Crôm đặc biệt, có công thức hóa học là Cr
7
C
3
. Loại cacbit này rất ổn định và
chỉ hòa tan trong austenit khi nung ở 1040 ÷ 1070
0
C.
Khi hàm lượng Cr từ 10 ÷ 12% trở lên sẽ tạo thành loại cacbit phức
tạp. Sự hình thành các loại cacbit này phụ thuộc vào hàm lượng crôm và
cacbon như đưa ra ở hình 2. Nhờ có các loại cacbit này mà thép có độ cứng
cao và chịu mài mòn tốt. Crôm ảnh hưởng đến chuyển biến γ↔α , ảnh
hưởng đến nhiệt độ chuyển biến và điều kiện tiết cacbit từ dung dịch rắn.
Ta đã biết rằng, khi trên bề m
ặt kim loại và hợp kim tạo được một lớp
màng oxít có khả năng ngăn ngừa không cho các ion thấm qua và bám chặt
vào kim loại nền. Chính lớp màng này đã ngăn cản sự oxy hoá tiếp theo, tạo
cho kim loại và hợp kim ở vào trạng thái thụ động. Đó là lớp màng thụ động.
Khả năng chống gỉ của hợp kim phụ thuộc vào tính chất vật lý và hoá học
của lớp màng bảo vệ này. Trong các nguyên tố h
ợp kim thì crôm có vai trò

13
quan trọng trong việc làm bền vững lớp màng thụ động, vì nó có ái lực hoá
học với oxy cao hơn sắt. Để bảo đảm tính chống gỉ, hàm lượng crôm phải
≥12%. Đối với thép làm dụng cụ, hàm lượng Cr phải đạt trên 12% để bảo
đảm tính chống gỉ. Ngoài ra còn phải thêm một lượng Cr kết hợp với
Cacbon tạo ra các bít để bảo đảm độ cứng và tính chịu mài mòn cao. Vì vậy
thép làm dụng cụ như
dao, dụng cụ y tế, vòng bi chịu ăn mòn nước biển…
phải có hàm lượng Cr khoảng 16 ÷ 18 %.

0246
810
0
10
20
30
40
50
60
70
80
23 6
Cr C
23
6
C
r
C
α

+
7
3
2
3
6
C
C
r
C
r
C
α
+
+
7
3
C
r
C
α
+
7
3
Cr C
3
7
3
C
Fe

C
r
C
α
+
+
3
F
eC
α
+
3
F
eC


Hình 2: Mặt cắt giản đồ không gian hệ Fe- Cr-C ở nhiệt độ phòng(3)

1.3.3 Ảnh hưởng của Mo

14
Molipđen mở rộng vùng α hơn cả Cr, thu hẹp vùng γ và có xu thế mở
rộng vùng pha xecma (σ) về phía nồng độ Cr thấp, nên khi sử dụng Mo nên
chú ý đến xu thế tạo pha xecma của nó. Molipđen là nguyên tố tạo cacbit rất
mạnh. Cacbit molipđen có tính ổn định cao, khó hòa tan vào austenit khi
nung. Molipđen còn làm tăng mạnh độ thấm tôi của thép, cải thiện tính
chống ram, do Mo tạo ra độ cứng thứ cấp khi ram (do tạo thành Mo
2
C ), làm
giảm sự nhạy cảm đối với hiện tượng dòn ram.

Trong thép không gỉ làm dụng cụ như dao, dụng cụ y tế,… Mo làm
tăng độ thấm tôi, tăng độ cứng, tăng tính chống gỉ và tăng tính chống mài
mòn. Hàm lượng Mo trong thép này nằm trong khoảng 0,25 ÷ 0,75.
1.3.4 Ảnh hưởng của Si
Trong thép không gỉ Mactenxit có 17%Cr, Si làm tăng nhiệt độ AC
3

lên 70 ÷ 90
0
C, làm hạ tốc độ tôi tới hạn. Sự chuyển biến γ→α xảy ra ở trong
thép chứa 0,36%Si ở 215
0
C, trong thép chứa 1,2%Si ở 190
0
C. Hàm lượng Si
trong thép tăng làm giảm độ bền sau tôi ở nhiệt độ cao. Đối với thép có hàm
lượng Si càng cao, độ dai va đập sau ram ở 700
0
C càng giảm, thép có
1,2%Si độ dai va đập giảm đến 5,5kg.m/cm
2
, thép có 1,95%Si độ dai va đập
giảm đến 1,3kg.m/cm
2
. Sự giảm độ dai va đập ở 700
0
C liên quan đến sự tạo
thành Silicua . Khi tăng hàm lượng Si, độ bền ăn mòn trong axit nitric bị
giảm nhiều.
1.3.5 Ảnh hưởng của Mn.

Mangan được cho vào thép khi nóng chảy để khử oxy 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%. Mn làm tăng độ dai va đập của thép.
Khi hàm lượng Mn trong thép cao, độ bền trong axit HNO
3
xấu đi rất nhiều,
nhưng lại tăng lên rất nhiều trong axit Photphoric. Mn là nguyên tố hợp kim

15
mở rộng vùng γ. Đối với C, Mn cũng tạo thành cacbit dạng (Mn, Fe)
3
C.
Cacbit mangan dễ hòa tan vào dung dịch rắn và cũng dễ tiết ra từ dung dịch
rắn khi ram. Mn làm tăng mạnh độ cứng và độ bền của ferit. Mn cũng làm
tăng mạnh độ cứng của austenit. Khi nung để tôi hợp kim chứa C cao thì
cacbit mangan dễ hòa tan vào austenit, độ bão hòa Mn trong dung dịch rắn
tăng lên. Do đó sự phân hủy austenit khi làm nguội thép Fe- Cr-C chứa
1%Mn xảy ra rất chậm. Tốc độ làm nguội khi tôi nhỏ tính thấm tôi cao, nên
có thể tôi trong môi trường yếu (như
dầu). Ưu điểm của thép chứa Mn là
giảm chiều hướng biến dạng và tăng tính thấm tôi. Mangan còn liên kết với
lưu huỳnh tạo thành hợp chất hoá học bền vững MnS nên làm giảm sự bở
nóng của thép, khi hàm lượng Mn từ 1-1,2% thì độ bền của thép được tăng
lên.
1.3.6 Ảnh hưởng của Ni.
Ni là nguyên tố mở rộng vùng γ rất mạnh, làm tăng tính ổn định của
austenit. Do đó khi tăng hàm lượng Ni trong hợp kim thì lượng austenit dư
sau tôi cũng tăng lên. Điều này nên tránh trong thép làm dụng cụ, loại thép
cần ổn định về kích thước trong quá trình sử dụng. Trong thép không gỉ làm
dụng cụ , người ta khống chế lượng Ni ≤ 0,75%.

1.4 Lựa chọn mác thép nghiên cứu.
Trong các loại thép không gỉ, thì thép không gỉ mactenxit là loại được
phát hiện sớm nhất và rẻ tiền nhất. Để tạo ra độ bền chịu
ăn mòn của thép
với môi trường xung quanh, người ta thường sử dụng nhiều thép mactensit
11-12% Cr. Những thép này trước hết phải giảm hàm lượng cacbon. Song vì
cần thiết đảm bảo một độ cứng cao mà khả năng giảm cacbon như vậy là hạn
chế độ cứng. Các loại thép không gỉ dùng để chế tạo dụng cụ như dụng cụ y
tế, các loại dao dùng trong công nghiệp thực phẩm, các loại vòng

16
bi…thường phải có độ bền cao, độ cứng cao, độ bền mỏi và độ chống mài
mòn cao. Để bảo đảm được các yêu cầu đó thì thép phải chứa nhiều cácbon
(khoảng 1%). Và để bảo đảm tính chống gỉ cao trong các môi trường xâm
thực thì phải cần lượng crôm trong thép đủ lớn để đảm bảo vừa kết hợp với
cácbon tạo thành các bit làm cho thép có độ cứng cao vừa bảo đảm hàm
lượng crôm trong dung dị
ch rắn cao để tạo cho thép có tính chống gỉ tốt. Do
đó để đảm bảo yêu cầu này lượng Cr trong thép phải đạt 16-18%. Ngoài ra
để nâng cao tính chống gỉ và các tính chất cơ lý khác người ta còn hợp kim
hoá thêm niken ở khoảng ≤ 0,75%, và Mo từ 0,3-0,75%. Bởi vì molipden kết
hợp với một phần crôm trong cácbit M23C6, do đó làm cho nồng độ crôm
trong dung dịch tăng lên và làm tăng độ bền chống ăn mòn. Ngoài ra
molipden còn kích thích sự biến cứng khuyếch tán khi ram và tạo khả năng
làm tăng độ cứng thứ cấp và tăng độ bền chịu nhiệt. Trong thép có 18 % Cr
có thể chứa 0,6-0,8 % Mo. Dựa vào những phân tích nêu trên chúng tôi đã
chọn nghiên cứu công nghệ để sản xuất loại thép SUS440B, là loại thép bền
chịu ăn mòn như đã nêu ở mục 1.2 để sử dụng trong công nghiệp và đời
sống
Thành phần hoá học và tính chất cơ lý của thép SUS440B và các mác

thép tương đương được nêu trong bảng 2 và 3.











17
Bảng 2: Thành phần hoá học của thép SUS 440B và các mác thép
tương đương
Mác
Thành phần hoá học (%)
C Si Mn P S Cr Ni Mo
SUS440B
(JIS G4303
(1991) (Nhật)
0,75
÷
0,95
≤1,0 ≤1,0 ≤ 0,04 ≤0,03
16,0
÷
18,0
≤
0,60

≤
0,75
95 X18
ΓOCT 5632
(Nga)
0,90
÷
1,0
≤ 0,8 ≤ 0,8 ≤0,03 ≤ 0,025
17,0
÷
19,0
≤ 0,6 -
ASTM 440B
(Mỹ)
0,75
÷
0,95
≤1,0 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,03
16,0
÷
18,0
-
≤
0,75
8Cr17
GB 1220 – 92
(Trung Quốc)
0,75
÷

0,95
≤1,0 ≤1,0 ≤0,035 ≤0,03
16,0
÷
18,0
≤
0,60
≤
0,75



Bảng 3: Tính chất cơ lý của thép không gỉ SUS440B
(Theo JIS G4303 -1991)

Mác
σ
b

(MPa)
σ
ch

(MPa)
δ
(%)
a
k
(J/cm
2

)
độ cứng sau ủ
(HRB)
Độ cứng sau
tôi +ram
(HRc)
SUS 440B 780
≥590
15 39 ≤ 225
≥ 56 HRC

18
PHẦN 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
2.1.Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu tài liệu, lựa chọn mác thép thích hợp để chế tạo dụng cụ
(dao nhà bếp).
- Xác lập được quy trình công nghệ chế tạo thép SUS440B gồm các
bước:
• Công nghệ nấu luyện
• Công nghệ tinh luyện
• Công nghệ rèn
• Công nghệ nhiệt luyện
• Công nghệ xử lý bề mặt
- Xác định các tính ch
ất: tính chống gỉ, độ cứng, độ bền, thành phần hoá
học, cấu trúc của vật liệu.
- Từ mác thép nghiên cứu chế tạo được 20 sản phẩm
- Dùng thử sản phẩm để đánh giá chất lượng.
- Báo cáo tổng kết đề tài.

2.2. Phương pháp nghiên cứu:
- Dựa trên các tài liệu, tiêu chuẩn trong nước và nước ngoài, dựa vào
điều kiện thiết bị thực tế ở Viện Luyệ
n kim đen và các cơ sở trong nước để
lựa chọn công nghệ phù hợp cho việc chế tạo sản phẩm.
- Sử dụng lò trung tần Radyne (Anh) để nghiên cứu xác định công nghệ
nấu luyện, dùng thiết bị tinh luyện điện xỉ có công suất 100KVA để tinh
luyện thép.

19
- Nung phôi bằng lò phản xạ, rèn thép bằng búa 450kg. Ủ, tôi và ram sản
phẩm trên dây truyền nhiệt luyện của công ty TNHH một thành viên Vạn
Xuân. Nhiệt luyện mẫu thí nghiệm bằng lò dây điện trở CΗOΛ-1,6.2,5.I/II-
MIY.4.2 của Viện Luyện Kim Đen.
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học và quang phổ phát xạ (máy
quang phổ ARL 3460, Thuỵ Sĩ) để xác định thành phần hoá học. Sử dụng
các thiết bị thử hiện đại c
ủa các cơ sở nghiên cứu để xác định độ cứng
(máy đo độ cứng HPO 250 và TK 2M , Liên Xô cũ). Để xác định cấu trúc
của thép sử dụng kính hiển vi quang học AXIOVERT (CHLB Đức).
- Đánh giá khả năng chống gỉ của thép bằng phương pháp điện hoá trên
thiết bị CMS100 (Mỹ).
- Chế tạo sản phẩm từ thép nghiên cứu của đề tài tại một số cơ sở sản
xuất trong nước 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.


20
PHẦN 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1. Công nghệ chế tạo thép SUS440B
3.1.1 Công nghệ nấu luyện
Thép SUS440B là thép không gỉ hệ Cr có hàm lượng cacbon cao, có
thành phần hoá học như sau : C : 0,75 – 0,95%; Si ≤ 1,0%; Mn ≤ 1,0%; P ≤
0,045%; S ≤ 0,03%; Cr : 16 – 18%; Ni ≤ 0,6%; Mo ≤ 0,75%. Để bảo đảm
hàm lượng cacbon của mác thép cần phải chú ý tới độ cháy hao của cacbon.
Dựa vào cháy hao thực tế được đúc rút trong nhiều năm sản xuất và nghiên
cứu thép hợp kim của Việ
n để tính phối liệu cho các mẻ luyện thép nghiên
cứu. Nguyên liệu cần được chọn lọc và phân tích chính xác để giúp cho việc
tính phối liệu dễ dàng, thép có thành phần đúng mác.
Để nâng cao cơ tính của thép, chúng tôi cố gắng khống chế hàm lượng
các tạp chất có hại như : lưu huỳnh, phốt pho xuống càng thấp càng tốt. Khi
luyện thép cố gắng đạt hàm lượng P ≤ 0,025 và S ≤ 0,025%.
Trong điều kiện thiết bị
của nước ta, cũng như trong khuôn khổ đề tài
chúng tôi sử dụng lò cảm ứng trung tần dung lượng 300kg/mẻ, kiểu Radyne
của Anh để nấu luyện thép mác SUS 440B.
Trên cơ sở thành phần hoá học đã chọn, đặc tính của thiết bị công nghệ,
chúng tôi đã lựa chọn các nguyên liệu như trong bảng 4 và dựa vào hệ số
cháy hao của các nguyên tố (bảng 5) để tính phối liệu mẻ nấu số 1 như
trong
bảng 6.





21
Bảng 4: Thành phần các nguyên liệu chính dùng để luyện thép SUS440.

Nguyên liệu
Thành phần hoá học (%).
C Mn Si Cr Ni Mo P S
1) Phế thép Ct3 0.18 0.39 0.35 - - - 0.025 0.008
2)FeMn 1.0 80.0 - - - 0.25 0.009
3) FeCr (C Cao) 7.8 - 65.0 0,06 0,04
4) FeCr (C thấp) 0.06 65.20 0,04 0,03
5) FeSi (75) 0.70 - 72.0 - - 0,026 0,02
6) FeMo 55.0 0.12 0,16
7) Thép phế X17 0.04 0.43 0.28 16.50 0,20 0,016 0,025 0,008
8) Ni Kim loại 99,20 - - -
9) Than điện cực 98,0 - 0,5 - - - 0.30 0,21






Bảng 5. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %
Si
6 ÷ 10
Mn
4 ÷ 6
Cr
2 ÷ 3
Ni

∼ 1
C(than điện cực) 20 – 25
Mo 2 - 3



22
Bảng 6: Phối liệu các mẻ nấu (tính bằng kg).
TT Nguyên liệu Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3
1 Phế thép X17 - 200 200
2 Phế thép CT3 155 - -
3 FeMn 1.0 1.0 1.0
4 FeCr (C cao) 21.5 3.0 3.0
5 FeCr (C thấp) 33.5 - -
6 FeSi 1.0 1.0 1.0
7 Ni kim loại 0.4 0.2 -
8 FeMo 1.8 1.8 1.8
9 Al kim loại 0.5 0.5 0.5
10 Than điện cực - 2.2 2.0

Cộng 214.7 209.7
209.3


Quy trình nấu luyện được tiến hành như sau:
• Thứ tự xếp liệu: xếp một lượt thép phế, sau đó xếp niken kim loại,
FeCr các bon cao, FeCr các bon thấp, FeMo (đã được sấy khô), thép
phế.
• Đóng điện, chạy 60% công suất trong 6 – 8 phút. Sau đó từ từ nâng
lên cực đại. Khi liệu ở dưới nồi đã chảy thì chọc liệu và cho thêm

liệu mới đến hết mẻ liệu.

23
• Sau khi liệu chảy hoàn toàn, cho chất tạo xỉ. Xỉ cần có độ kiềm lớn
hơn hoặc bằng 2.
• Cho ferrosilic75, ferromangan, sau 2-3 phút cho dây nhôm kim loại
(1kg/tấn).Nhiệt độ ra thép 1620
o
C. Rót thép vào nồi rót đã được xấy
khô tới nhiệt độ 800-900
o
C và có sẵn phoi nhôm kim loại (1kg/tấn)
để khử ôxy trong thép lỏng.
• Rót thép từ nồi rót vào khuôn có φ60mm để tạo phôi điện xỉ.
• Tiến hành lấy mẫu phân tích thành phần hoá học của mẻ luyện, kết
quả được nêu trong bảng 7.
Từ kết quả phân tích chúng tôi nhận thấy thành phần hóa học của mẻ
luyện đã đạt tiêu chí đề ra, nhưng để tận dụng lượng crôm có trong thép phế
chúng tôi ti
ến hành luyện tiếp mẻ số 2, tận dụng tối đa hàm lượng Crôm có
sẵn trong thép phế. Ở đây chúng tôi sử dụng thép phế Cr17 là loại có tương
đối sẵn trên thị trường. Thành phần hoá học của thép phế và tỷ lệ phối liệu
được ghi ở bảng 4 và bảng 6.
Vì nhiều lý do, có thể do thành phần thép phế chưa thật đồng đều,
lượng các bon đi vào thép nhiều hơn dự tính nên thành phần hoá h
ọc của mẻ
số 2 chưa đạt, hàm lượng C trong thép còn cao hơn thành phần cho phép.
Chúng tôi quyết định luyện mẻ số 3 vẫn sử dụng số lượng thép phế như cũ
nhưng có điều chỉnh giảm lượng than điện cực và tính mức cháy hao ở giới
hạn dưới. Phối liệu mẻ số 3 được ghi ở bảng 6, thành phần hoá học các mẻ

luyện được ghi
ở bảng 7.

24
Bảng 7: Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm


Mẻ
Thành phần hoá học (%)
C Mn Si Cr Ni Mo P S
1 0.85 0.60 0.70 17.10 0.60 0.50 0.026 0.010
2 0.96 0.65 0.69 16.50 0.62 0.58 0.022 0.012
3 0.87 0.66 0.65 17.02 0.63 0.52 0.021 0.011
2
*
0,98 0,58 0,65 16,55 0,52 0,53 0,028 0,010

Thành phần hoá học của mác thép được tiến hành phân tích tại phòng
thí nghiệm Viện Luyện kim đen. Ngoài ra, chúng tôi còn kiểm tra lại mẻ
luyện số 2 tại Viện Công nghệ, kết quả phân tích được thể hiện trên bảng 7
(mẻ 2
*
).
Từ các kết quả phân tích nhận được, chúng tôi thấy rằng tiến hành nấu
luyện với 2 cách phối liệu khác nhau vẫn có được mác thép đạt yêu cầu đề
ra. Như vậy tận dụng các loại thép phế liệu sẽ đưa lại nhiều lợi ích về kinh tế
mà các yêu cầu đối với mác thép vẫn đảm bảo. Tuy nhiên cần phải chọn lọc
và phân tích chính xác thành phần hoá học của nguyên liệu.
3.1.2 Công nghệ tinh luy
ện

Để bảo đảm yêu cầu đối với thép bền chịu ăn mòn, thép phải có hàm
lượng phốt pho, lưu huỳnh thấp, phải sạch khí, hàm lượng ôxy, nitơ và
hyđrô phải thấp hơn giới hạn cho phép. Cấu trúc thỏi đúc phải là cấu trúc hạt
mịn và đồng đều để bảo đảm cho các khâu gia công tiếp theo, dựa vào điều