Nghiên cứu công nghệ chế tạo thép mác SKD62 dùng làm khuôn đùn ép nhôm

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










BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ


Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THÉP MÁC SKD 62
DÙNG LÀM KHUÔN ĐÙN ÉP NHÔM”








VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
PHÓ VIỆN TRƯỞNG

Phan Độc Lập





HÀ NỘI, 2012

3
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH


STT Họ và tên Chức danh Nơi công tác
1 Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ luyện
kim
Viện Luyện kim đen
2 Nguyễn Văn Tuyển Kỹ sư Công ty TNHH NN MTV
Cơ khí Đông Anh
3 Đàm Quang Tuấn Kỹ sư Công ty TNHH NN MTV
Cơ khí Đông Anh
4 Phạm Ngọc Diệu
Quỳnh
Tiến sĩ luyện
kim
Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội
4
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 5
1. TỔNG QUAN 6
1.1. Giới thiệu thép dụng cụ có chứa Crôm, Molipđen, Vonfram và Vanadi 6
1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
thép dụng cụ 9
1.3. Các quy trình công nghệ tinh luyện thép 13
1.4. Nhiệt luyện thép dụng cụ chịu nhiệt. 16
1.5. Thép dụng cụ chịu nhiệt. 17
1.6. Lựa chọn mác thép làm khuôn đùn ép nhôm. 17
1.6.1. Các tính chất cần thiết khuôn đùn ép nhôm. 17
1.6.2. Lựa chọn mác thép làm khuôn đùn ép nhôm. 19
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21
2.1. Nội dung nghiên cứu 21
2.2. Phương pháp nghiên cứu 21
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 22
3.1. Công nghệ chế tạo thép dụng cụ chịu nhiệt 22
3.1.1. Công nghệ nấu luyện thép dụng cụ chịu nhiệt 22
3.1.2. Công nghệ tinh luyện thép dụng cụ chịu nhiệt 26
3.1.3. Công nghệ gia công áp lực thép dụng cụ chịu nhiệt 31
3.1.4. Công nghệ nhiệt luyện thép dụng cụ chịu nhiệt 34
3.2. Các tính chất của thép dụng cụ chịu nhiệt 36
3.2.1. Thành phần hóa học 36
3.2.2. Tính chất cơ lý 36
3.2.3. Cấu trúc pha 36
3.3. Chế tạo sản phẩm 40
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42

4.1. Kết luận. 42
4.2. Kiến nghị. 42
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
6. PHẦN PHỤ LỤC 44
5
I. MỞ ĐẦU

Thép dụng cụ hợp kim chịu nhiệt là loại thép được sử dụng phổ biến để chế
tạo các phụ tùng, sản phẩm cơ khí cho nhiều ngành kinh tế quốc dân của đất
nước (thông qua các công đoạn như rèn, dập, chồn ép,…). Chính vì vậy, nhiều
nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu để khám phá và sử dụng được các
tính năng đặc biệt của loại thép này. Nhiều nhà máy cơ khí, chế tạo, phụ tùng
đều phải sử dụng các loại thép này.
Trên dây chuyền sản xuất các thanh nhôm dùng cho xây dựng hiện nay,
thông thường người ta sử dụng phương pháp đùn ép nhôm thông qua khuôn ép
bằng thép hợp kim chịu nhiệt độ cao. Nhôm sau khi nung nóng đến nhiệt độ dẻo
sẽ được đùn qua chi tiết khuôn. Khuôn đùn ép này luôn luôn phải tiếp xúc với
nhôm ở nhiệt độ nên rất chóng bị hỏng (các khuyết tật như nứt, vỡ, sứt mẻ các
góc cạnh,…) nên rất bộ khuôn cần phải được chế tạo bằng thép dụng cụ chịu
nhiệt tốt. Sau một thời gian sử dụng, nhiều bộ khuôn sẽ hỏng hóc cần phải tiến
hành thay thế. Để có phụ tùng thay thế thường xuyên, cần phải nghiên cứu chế
tạo các chi tiết này ngay ở trong nước, điều này sẽ làm giảm áp lực ngoại tệ
nhập khẩu và thời gian chờ đợi khi các chi tiết này bị hỏng.
Sau khi nghiên cứu Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công
Thương chấp thuận giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo thép
mác SKD 62 dùng làm khuôn đùn ép nhôm”.
Bản báo cáo bao gồm các phần như sau:
I. Mở đầu
II. Nội dung báo cáo tổng kết đề tài
III. Kết luận và kiến nghị

IV. Tài liệu tham khảo
V. Phụ lục
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo
điều kiện của Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thương), Công ty TNHH
MTV Cơ khí Đông Anh cùng các cơ quan trong cũng như ngoài Bộ. Nhân dịp
này, chúng tôi xin trân trọng cám ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó.
6
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu thép dụng cụ chịu nhiệt có chứa Crôm, Molipđen, Vonfram
và Vanadi.
Để phân biệt các loại thép với nhau, người ta có nhiều cách như theo thành
phần hoá học, công dụng của chúng, cấu trúc tồn tại,…
Đối với thép dụng cụ chịu nhiệt, thông thường người ta hay dùng cách phân
loại theo dạng tồn tại cấu trúc của thép.
Thông thường, đối với thép dụng cụ chịu nhiệt có chứa nhiều nguyên tố
hợp kim như Cr, Mo, W, V,… trong đó nguyên tố quan trọng nhất chính là C và
Cr. Nhờ có các nguyên tố hợp kim này mà thép có được độ chịu nhiệt cao hay
thấp.
Thành phần hoá học của nhóm thép dụng cụ chịu nhiệt có chứa Cr, Mo, W
và V được nêu từ bảng 1 đến bảng 4 theo các tiêu chuẩn của các nước.
Bảng 1: Thành phần hóa học của các mác thép dụng cụ chịu nhiệt (theo tiêu
chuẩn của Nhật Bản)

Thành phần hóa học của các nguyên tố (%) STT

Tên
mác
thép
C Si Mn Cr Mo W V NT

khác

P

≤
S

≤
1 SKD4 0,25-
0,35
≤0,40

≤0,60

2,00-
3,00
- 5,00-
6,00
0,30-
0,50
- 0,030 0,030
2 SKD5 0,25-
0,35
≤0,40

≤0,60

2,00-
3,00
- 9,00-

10,00

0,30-
0,50
- 0,030 0,030
3 SKD6 0,32-
0,42
0,80-
1,20
≤0,50

4,50-
5,50
1,00-
1,50
- 0,30-
0,50
- 0,030 0,030
4 SKD61

0,32-
0,42
0,80-
1,20
≤0,50

4,50-
5,50
1,00-
1,50

- 0,80-
1,20
- 0,030 0,030
5 SKD62

0,32-
0,42
0,80-
1,20
≤0,50

4,50-
5,50
1,00-
1,50
1,00-
1,50
0,20-
0,60
- 0,030 0,030
6 SKD7 0,28-
0,38
≤0,50

≤0,60

2,50-
3,50
2,50-
3,00

- 0,40-
0,70
- 0,030 0,030
7 SKD8 0,35-
0,45
≤0,50

≤0,60

4,00-
4,70
0,30-
0,50
3,80-
4,50
1,70-
2,20
Co:
3,80-
4,50
0,030 0,030
8 SKT3 0,50-
0,60
≤0,35

0,60-
1,00
0,90-
1,20
0,30-

0,50
- (≤0,20)

Ni:
0,25-
060
0,030 0,030
9 SKT4 0,50-
0,60
≤0,35

0,60-
1,00
0,70-
1,20
0,20-
0,50
- (≤0,20)

Ni:
1,30-
2,00
0,030 0,030
7
Bảng 2: Thành phần hóa học của các mác thép dụng cụ chịu nhiệt (theo tiêu
chuẩn của Liên Xô)


Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
STT

Tên mác
thép
C Si Mn Cr Mo Ni W V NT
khác
P

≤
S

≤
1 4X5B2ФC
0,35-
0.45
0,80-
1,20
0,15-
0,40
4,50-
5,50
≤0,30 ≤0,35 1,60-
2,20
0,60-
0,90
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
2 4X5MФC
0,32-
0,40

0,90-
1,20
0,20-
0,50
4,50-
5,50
1,20-
1,50
≤0,35 ≤0,20 0,30-
0,50
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
3 4X5MФ1C
0,37-
0,44
0,90-
1,20
0,20-
0,50
4,50-
5,50
1,20-
1,50
≤0,35 ≤0,20 0,80-
1,20
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
4 6X3MФC

0,55-
0,62
0,35-
0,65
0,20-
0,60
2,60-
3,30
0,20-
0,50
≤0,35 ≤0,20 0,30-
0,60
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
5 6X4M2ФC
0,57-
0,65
0,70-
1,00
0,15-
0,40
3,80-
4,40
2,00-
2,40
≤0,35 ≤0,20 0,40-
0,60
Cu≤0,30
Ti≤0,03

0,030 0,030
6 4X3BMФ
0,40-
0,48
0,60-
0,90
0,30-
0,60
2,80-
3,50
0,40-
0,60
≤0,35 0,60-
1,00
0,60-
0,90
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
7 4X4BMФC
0,37-
0,44
0,60-
1,00
0,20-
0,50
3,20-
4,00
1,20-
1,50

≤0,35 0,80-
1,20
0,60-
0,90
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
8 3X3M3Ф
0,27-
0,34
0,10-
0,40
0,20-
0,50
2,80-
3,50
2,50-
3,00
≤0,35 ≤0,20 0,40-
0,60
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
9 5X2MHФ
0,46-
0,53
0,10-
0,40
0,40-
0,70

1,50-
2,00
0,80-
1,10
1,20-
1,60
≤0,20 0,30-
0,50
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
10 3X2MHФ
0,27-
0,33
0,15-
0,40
0,30-
0,60
2,00-
2,50
0,40-
0,60
1,20-
1,60
≤0,20 0,25-
0,40
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
11 3X2B8Ф

0,30-
0,40
0,15-
0,40
0,15-
0,40
2,20-
2,70
≤0,5 ≤0,35 7,50-
8,50
0,20-
0,50
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
12 4X2B5MФ
0,30-
0,40
0,15-
0,35
0,15-
0,40
2,20-
3,00
0,60-
0,90
≤0,35 4,50-
5,50
0,60-
0,90

Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
13 4X2B2MФC

0,42-
0,50
0,30-
0,60
0,30-
0,60
2,00-
3,50
0,80-
1,10
≤0,35 1,80-
2,40
0,60-
0,90
Cu≤0,30
Ti≤0,03
0,030 0,030
14 5X3B3MФC

0,45-
0,52
0,50-
0,80
0,20-
0,50

2,50-
3,20
0,80-
1,10
≤0,35 3,00-
3,60
1,50-
1,80
Cu≤0,30
Ti≤0,03
Nb:0,05-
0,15
0,030 0,030
8

Bảng 3: Thành phần hóa học của các mác thép dụng cụ chịu nhiệt (theo tiêu
chuẩn của Trung Quốc)

Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
STT


Tên mác thép
C Si Mn Cr Mo W V NT
khác
P

≤
S

≤
1 5CrMnMo
0.5,0-
0,60
0,25-
0,60
1,20-
1,60
0,6-
0,9
0,15-
0,30
- - - 0,030 0,030
2 5CrNiMo
0,50-
0,60
≤0,40
0,50-
0,60
0,50-
0,80
0,15-
0,30
- - - 0,030 0,030
3 3Cr2W8V
0,30-
0,40
≤0,40 ≤0,40
2,20-
2,70

-
7,50-
9,00
0,20-
0,50
- 0,030 0,030
4 5Cr4Mo3SiMnVAl

0,47-
0,57
0,80-
1,10
0,80-
1,10
3,80-
4,30
2,80-
3,40
- 0,80-
1,20
Al:
0,3-
0,70
0,030 0,030
5 3Cr3Mo3W2V
0,32-
0,42
0,60-
0,90
≤0,65

2,80-
3,30
2,50-
3,00
1,20-
1,80
0,80-
1,20
- 0,030 0,030
6 5Cr4W5Mo2V
0,40-
0,50
≤0,40 ≤0,40
3,40-
4,40
1,50-
2,10
4,50-
5,30
0,70-
1,10
- 0,030 0,030
7 8Cr3
0,75-
0,85
≤0,40 ≤0,40 3,20-
3,80
- - - - 0,030 0,030
8 4CrMnSiMoV
0,35-

0,45
0,80-
1,10
0,80-
1,10
1,30-
1,50
0,40-
0,60
-
0,20-
0,40
- 0,030 0,030
9 4Cr3Mo3SiV
0,35-
0,43
0,80-
1,20
0,25-
0,70
3,00-
3,75
2,00-
3,00
-
0,25-
0,75
- 0,030 0,030
10 4Cr5MoSiV
0,33-

0,43
0,80-
1,20
0,25-
0,70
3,00-
3,75
2,00-
3,00
-
0,30-
0,60
- 0,030 0,030
11 4Cr5MoSiV1
0,32-
0,42
0,80-
1,20
0,20-
0,50
4,75-
5,50
1,10-
1,75
-
0,80-
1,20
- 0,030 0,030
12 4Cr5W2VSi
0,32-

0,42
0,80-
1,20
≤0,40
4,50-
5,50
-
1,60-
2,40
0,60-
1,00
- 0,030 0,030



9
Bảng 4: Thành phần hóa học của các mác thép dụng cụ chịu nhiệt (theo tiêu
chuẩn quốc tế ISO)

Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
STT


Tên mác
thép
C Si Mn Cr Mo W V NT
khác

P

≤
S

≤
H1 40NiCrMoV4

0,35-
0,45
0,10-
0,40
0,35-
0,65
1,70-
2,00
0,40-
0,60
- 0,05-
0,25
Ni:
3,60-
4,10
0,030

0,030

H2 55NiCrMoV2

0,50-
0,60
0,10-

0,40
0,65-
0,95
0,95-
1,25
0,30-
0,50
- 0,05-
0,25
Ni:
1,50-
2,00
0,030

0,030

H3 35CrMo2 0,30-
0,40
0,30-
0,80
0,50-
1,50
1,50-
2,20
0,40-
0,60
- - - 0,030

0,030

H4 30CrMoV3 0,25-
0,35
0,10-
0,40
0,15-
0,45
2,50-
3,50
2,50-
3,00
- 0,40-
0,70
- 0,030

0,030

H5 35CrMoV5 0,32-
0,42
0,90-
1,20
0,25-
0,55
4,50-
5,50
1,20-
1,70
- 0,30-
0,50
- 0,030

0,030

H6 40CrMoV5 0,35-
0,45
0,90-
1,20
0,25-
0,55
4,50-
5,50
1,20-
1,70
- 0,85-
1,15
- 0,030

0,030

H7 30WCrV5 0,25-
0,35
0,10-
0,40
0,15-
0,45
2,00-
3,00
- 4,50-
5,10
0,40-
0,70

- 0,030

0,030

H8 30WCrV9 0,25-
0,35
0,10-
0,40
0,15-
0,45
2,50-
3,50
- 8,50-
9,50
0,30-
0,50
- 0,030

0,030


Qua bảng 1-4 ta thấy hệ thép dụng cụ chịu nhiệt có các nguyên tố hợp kim
chính bao gồm cácbon, crôm, molipđen, vonfram và vanadi. Đôi khi để nâng
cao cơ tính chịu nhiệt của thép, người ta còn cho thêm nguyên tố niken.
1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
thép dụng cụ.
Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim chủ yếu đến
cấu trúc và tính chất của các loại thép dụng cụ chịu nhiệt.
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
cácbit có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt. Khi tăng nhiệt
độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm đi do có sự thay đổi cấu hình của
cácbit. Khi có các nguyên tố tạo cácbit mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung
10
chủ yếu vào những vị trí hình thành cácbit. Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon
sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và
pha cácbít. Điều này dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hưởng đến tính chất
hợp kim. Cácbon cũng có ảnh hưởng xấu đến tính dẻo, giảm khả năng chống lại
sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim.
Crôm (Cr):
Crôm là nguyên tố rất quan trọng có ảnh hưởng mạnh đến tính chịu nhiệt
của thép nhờ khả năng thụ động của Crôm. Ngoài ra Crôm lại có khả năng tăng
cơ lý tính của thép nhất là độ bền, độ dẻo.

Hình 1: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr
Hình 1 mô tả giản đồ trạng thái của Fe-Cr. Crôm là nguyên tố mở rộng
vùng , làm tăng nhiệt độ Ac
3
và làm giảm nhiệt độ Ac
1
. Ở khoảng nhiệt độ
600-800
0
C với hàm lượng Cr vào khoảng 45% sẽ tạo thành pha  mở rộng về
hai phía Fe và Cr. 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 .
Crôm là nguyên tố tạo cácbít khá mạnh. Vì vậy, cácbon liên kết với crôm
tạo thành cácbit đã làm giảm khả năng tiết pha  trong thép crôm.
11

Crôm kết hợp với cácbon thành 3 loại cácbít : Cr
3
C, Cr
7
C
3
và Cr
23
C
6
.
Cácbít Cr
23
C
6
có mạng tinh thể lập phương diện tâm với thông số mạng 0,64A
0

với nhiệt độ nóng chảy là 1520-1550
0
C.
Cácbít Cr
7
C
3
có mạng tinh thể ba nghiêng với thông số mạng a=3,89A
0
và
c=41,323A
0

, nhiệt độ nóng chảy là 1630-1670
0
C. Đối với thép được hợp kim
nhiều nguyên tố thì Cr thường tạo ra cácbit phức ở dạng (Fe,Cr)
3
C, (Cr,Fe)
7
C
3

và (Cr,Fe)
4
C.
Trong thép dụng cụ chịu nhiệt, nguyên tố Crôm tạo ra cấu trúc máctenxit
làm tăng độ bền cho thép.
Molypđen (Mo):
Mo là nguyên tố hợp kim thu hẹp vùng  và mở rộng vùng  trong hợp kim
với sắt. Mo làm tăng độ bền cơ học, độ bền mỏi và làm tăng tính chịu nhiệt của
thép. Mo cũng là nguyên tố tạo cácbít mạnh như Cr. Trong thép hợp kim có
chứa Mo thông thường tạo thành cácbit đơn như MoC, Mo
2
C và một số loại
cácbít phức khác.

Hình 2: Giản đồ trạng thái hệ Fe-Mo

Vonfram:
Trên hình thể hiện giản đồ trạng thái Fe-W. Vùng dung dịch rắn  có nhiệt
độ vào khoảng 1100
0

C và gần 3%W.
12
Pha ζ (Fe
3
W
2
) khá ổn định ở mọi nhiệt độ và luôn luôn có mặt trong
ferro vonfram. Pha ε (Fe
2
W) chỉ ổn định ở nhiệt độ dưới 1040
0
C và khi
nhiệt độ cao hơn 1040
0
C sẽ biến đổi thành ferrit và pha ζ. Khi nhiệt độ
dưới 1040
0
C pha ε tiết ra rất chậm.
W cũng tương tự như Cr là nguyên tố tạo các bít lớn. Trong hệ Fe-W-
C, có 3 dạng các bít đôi và 2 dạng các bít ba. Các bít đôi được tạo ra trên
cơ sở xemetit Fe
3
C, mà trong đó hòa tan một phần W, ngoài ra còn có
cácbít WC và W
2
C. Các bít WC là hợp kim rắn thiêu kết. Các bít W
2
C
cũng có thể hòa tan như các bít WC, mà ở đây không đủ số lượng nguyên
tử cacbon.

Hai dạng các bít ba là hệ các bít phức Fe-W-C. Một trong số đó là
(W,Fe)
6
C và dạng khác là (W,Fe)
23
C
6
, cũng tương tư như các bít crom
Cr
23
C
6
.

Hình 3: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-W

Vanadi:
Vanadi ở trong thép có tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể nên tạo cho thép có độ
bền và tính dẻo cao. Vanadi là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh (khả năng tạo
13
cacbit tăng dần theo thứ tự Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti). Vanadi
cùng với C tạo ra nhiều loại cacbit như V
5
C, V
2
C, V
4
C
3
, VC và V

2
C
3
.
Ngoài các nguyên tố hợp kim trên ra, trong thép dụng cụ chịu nhiệt có thể
có thêm một số nguyên tố hợp kim khác nữa như Ni, W, Ti,… Trong số các
nguyên tố này thì Ti và Nb cũng có tác dụng tạo pha cácbit để nâng cao độ bền,
tính chịu nhiệt.

Hình 4: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-V

1.3. Các quy trình công nghệ tinh luyện thép.
Có nhiều cách để tiến hành tinh luyện thép như:
Tinh luyện bằng xỉ.
Thổi khí bằng argon.
Khử khí chân không.
Khử khí chân không thép lỏng trong lò cỡ lớn.
Phương pháp tinh luyện ngoài lò có thiết bị gia nhiệt.
Phương pháp tinh luyện thép lỏng các bon thấp.
Phương pháp nạp thêm liệu thể rắn.
Nội dung chủ yếu của các phương pháp tinh luyện ngoài lò như sau:
Phương pháp tinh luyện bằng xỉ: tức là phương pháp dùng xỉ tổng hợp để
xử lý thép lỏng, là biện pháp nâng cáo độ sạch của thép lò chuyển, lò máctanh,
lò điện. Phương pháp tinh luyện bằng xỉ ngoài việc có thể khử nhanh S, còn có
thể khử ôxy và loại bỏ tạp chất một cách hiệu quả, do đó mà giảm nhẹ được tác
14
hại của sự ôxy hóa lần hai trong quá trình rót thép. Công nghệ chủ yếu của tinh
luyện bằng xỉ hiện nay vẫn được sử dụng gồm có: tinh luyện bằng xỉ khác lò;
tinh luyện bằng xỉ cùng lò; tinh luyện bằng luyện thép hỗn hợp.
Phương pháp thổi khí bằng argon: Trong quá trình tinh luyện bằng xỉ, xỉ

nóng chảy bị dòng thép va đập mà bị nhũ tương hóa. Để tăng hiệu quả, bán kính
của giọt xỉ nhũ tương càng nhỏ càng tốt vì nó làm tăng diện tích tiếp xúc giữa xỉ
và thép. Nhưng sau khi khử xong, nhiệm vụ tinh luyện bằng xỉ lại mong muốn
toàn bộ các giọt nhũ tương hóa có thể nhanh chóng nổi lên và thoát ra khỏi thép
lỏng. Tuy nhiên giọt xỉ ở trong thép lỏng lại nổi lên với tốc độ tỷ lệ thuận với
bình phương bán kính giọt xỉ. Với mâu thuẫn đó, thực tế, thường dùng cách kéo
dài thời gian lắng để giải quyết. Muốn kéo dài thời gian lắng có thể phải nâng
cao nhiệt độ ra thép. Điều này không tốt đến tuổi thọ lò, về mặt tiết kiệm năng
lượng, chất lượng thép. Bởi vậy, người ta đã áp dụng cách thổi khí argon vào
đáy thùng rót, dựa vào những bọt khí argon nổi lên từ dưới bể thép lỏng để bám
vào các giọt xỉ nhũ tương hóa và sự khuấy trộn thép lỏng do các bọt khí từ dưới
nổi lên, các hạt xỉ tụ tập lại với nhau và khiến cho tốc độ nổi lên của chúng tăng
lên. Đối với một số phương pháp sử dụng xỉ tổng hợp rắn, sự chuyển động của
thép lỏng trong thùng thép do khuấy trộn của argon thổi từ đáy lên cũng sẽ tăng
nhanh quá trình truyền chất giữa xỉ và thép một cách rõ rệt.
Phương pháp khử khí chân không: Để giảm bớt chất khí có hại ở trong
thép, đặc biệt là hydro, ngay từ trước, người ta đã đưa ra ý tưởng xử lý thép lỏng
trong môi trường chân không. Sau đó, đã có nhiều người tiếp tục đưa ra các
phương án khử khí chân không, nhưng do trình độ kỹ thuật thời bấy giờ chưa thể
áp dụng công nghệ khử khí chân không vào hiện thực. Mãi đến những năm 40
của thế kỷ trước, người ta mới chế tạo thành công các máy bơm chân không cỡ
lớn thì công nghệ khử khí chân không mới được áp dụng vào thực tế.
Phương pháp khử khí chân không thép lỏng trong lò cỡ lớn: Các loại
thép yêu cầu xử lý khử khí phần lớn được luyện trong lò chuyển hoặc lò
máctanh. Lò luyện thép loại này thường tương đối lớn. Nếu như đối với lượng
thép lớn vẫn sử dụng phương pháp khử khí chân không nói trên, ngoài việc phải
tăng năng lực hút khí của hệ thống hút khí theo tỷ lệ ra, còn có thể gặp khó khăn
về các mặt như khuấy trộn thép lỏng, hiệu suất khử khí, đầu tư cơ bản của thiết
bi, chi phí vận hành. Đặc biệt là lúc đó muốn chế tạo bơm chân không có năng
lực hút khí lớn cũng khác khó khăn. Vì thế đã xuất hiện ý tưởng xử lý phân lô

cùng với phương pháp khử khí chân không tương ứng.
Phương pháp tinh luyện ngoài lò có thiết bị gia nhiệt: Các phương pháp
tinh luyện đã giới thiệu ở trên (trừ công nghệ khử khí nâng và khử khí tuần hòa
chân không) là có thể lắp thêm nguồn gia nhiệt ra, còn các phương pháp khác
đều không thể lắp thêm nguồn gia nhiệt. Trong quá trình tinh luyện, vấn đề hạ
nhiệt độ thép lỏng thường được khắc phục bằng các biện pháp dự nhiệt tức là
tăng nhiệt độ ra thép, như vậy, sẽ phải tăng phụ tải của lò sơ luyện và tăng tiêu
hao vật liệu chịu lửa. Đồng thời, các vấn đề khác như thời gian tinh luyện, hạng
15
mục tinh luyện cũng như hiệu quả tinh luyện vẫn bị hạn chế. Vì thế đã ra đời
một loạt các phương pháp tinh luyện ngoài lò có thiết bị gia nhiệt. Hiện nay
dùng tương đối phổ biến là gia nhiệt hồ quang điện xoay chiều 3 pha. Mấy năm
gần đây phương pháp nhiệt hóa cũng được pháp triển khá mạnh.
Phương pháp tinh luyện thép lỏng cácbon thấp: Các thiết bị tinh luyện
ngoài lò có đầy đủ ba biện pháp gồm khuấy trộn, chân không và gia nhiệt có tính
năng tinh luyện khá đầy đủ, có thể thực hiện tuyệt đại bộ phận nhiệm vụ tinh
luyện, trừ việc nấu chảy phế thép. Nhưng còn có một số loại thép cácbon thấp,
đặc biệt là thép crôm cao và thép crôm-niken cácbon thấp, thì các phương pháp
nêu trên đều sử dụng không được thích hợp.
Tinh luyện thép lỏng crôm cao và cácbon thấp có mâu thuẫn chủ yếu là hạ
được cácbon mà vẫn giữ nguyên được crôm. Khi tinh luyện mác thép này trong
các lò điện hồ quang thông thường, dùng phương pháp thổi ôxy để nâng cao
nhiệt độ nấu luyện, từ đó mà bảo đảm ưu tiên (so với crôm) cho cácbon bị ôxy
hóa. Nhiệt độ nấu luyện quá cao khiến điều kiện làm việc của lớp lót lò xấu đi
rất nhiều, để hạn chế nhiệt độ nấu luyện quá cao chỉ có giảm lượng cácbon trong
phối liệu của lò, tức là tăng lượng dùng fero crôm cácbon thấp và crôm kim loại.
Như vậy làm tăng giá thành sản phẩm thép, đồng thời, suất thu hồi tổng của
crôm cũng không có cách nào nâng cao được. Để giải quyết vấn đề hạ cácbon và
giữ crôm thì chỉ có biện pháp hạ áp suất riêng phần CO. Trên cơ sở nhận thức đó
đã ra đời một số phương pháp tinh luyện ngoài lò chuyên sản xuất thép không

gỉ. Các phương pháp này về cơ bản đã thay thế phương pháp nấu luyện thép
không gỉ thổi ôxy của lò hồ quang chất lượng thấp, giá thành cao.
Phương pháp nạp thêm liệu thể rắn: Để thực hiện nhiệm vụ luyện kim
nào đó, người ta thường cần phải cho vào một số chất phản ứng thể rắn. Yêu cầu
suất lợi dụng của chất phản ứng cho vào càng cao càng tốt. Do đó, khi cho các
chất phản ứng vào, người ta luôn luôn tìm cách làm cho chất phản ứng trực tiếp
vào khu vực phản ứng và có diện tích tiếp xúc với chất cần phản ứng càng lớn
càng tốt, đồng thời cố gắng hết sức giảm tổn thất chất phản ứng trước khi tham
gia phản ứng. Để đạt được các yêu cầu nói trên, trong điều kiện sản xuất đã có
một loạt các cải tiến đối với phương pháp cho các chất phản ứng vào và đã nêu
ra một số biện pháp hữu hiệu thực hiện các cải tiến đó. Những biện pháp này về
cơ bản có thể chia làm hai loại: một loại là biến chất phản ứng dạng cục thành
chất bột, dùng chất khí phun đưa nó vào trong bể nóng chảy thể lỏng, loại khác
nữa là dùng phương pháp cơ khí để làm cho chất phản ứng có mặt tiếp xúc phản
ứng tương đối nhanh chóng xuyên qua lớp xỉ mà đi vào trong bể nóng chảy
trạng thái lỏng. Những phương pháp cho liệu rắn vào này hoặc một mình nó
hoặc cùng với các biện pháp tinh luyện khác tạo thành một loạt các phương pháp
tinh luyện ngoài lò mới.


16
1.4. Nhiệt luyện thép dụng cụ chịu nhiệt.
Để nhận được cấu trúc máctenxit nhằm đảm bảo cơ tính cao, đặc biệt là khả
năng chịu nhiệt của thép cần phải tiến hành nhiệt luyện. Công đoạn nhiệt luyện
bao gồm các khâu chủ yếu sau: austenit hoá, tôi và ram.
Austenit hoá:
Nhiệm vụ của khâu austenit hoá là tạo ra dung dịch rắn  đồng nhất để
chuẩn bị cho khâu tôi tiếp theo. Vì vậy, nhiệt độ austenit 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 các
nguyên tố hợp kim có thể khuyếch tán hoàn toàn vào dung dịch rắn. Thông
thường, các mác thép dụng cụ chịu nhiệt được austenit hoá ở nhiệt độ từ 1000-
1050
0
C. Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép và kích
thước sản phẩm.
Tôi:
Tôi là công đoạn làm nguội nhanh dung dịch rắn  từ nhiệt độ austenit hoá
xuống dưới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến máctenxit M
s
. Tốc độ làm nguội để
chuyển biến austenit – máctenxit xảy ra hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần hoá
học của mác thép. Thông thường, thép dụng cụ chịu nhiệt được làm nguội khi
tôi bằng dầu hoặc không khí.
Như vậy, để đảm bảo nhận được cấu trúc máctenxit 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 cho phép 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, dầu, nước và các loại dung môi khác nhau.
Đối với thép dụng cụ chịu nhiệt thường dùng môi trường tôi là dầu hoặc
không khí.
Sau khi tôi, ta nhận được cấu trúc của thép là máctenxit với mạng tinh thể
lập phương chính tâm. Vì quá trình tôi là một quá trình xẩy ra rất nhanh nên
không đủ thời gian cho các nguyên tố khuyếch tán. Vì vậy, máctenxít là một
dung dịch rắn quá bão hoà có độ cứng cao và dòn. Bên cạnh máctenxit trong cấu
trúc của thép dụng cụ chịu nhiệt còn có thể có một lượng lớn các loại cácbít của
các nguyên tố hợp kim như Cr, W, Mo, V kết hợp với C tạo thành.

Ram:
Máctenxit nhận được sau khi tôi là một dung dịch rắn quá bão hoà, có độ
cứng cao và dòn. Vì vậy để thép có những tính chất cơ lý cao nhất theo yêu cầu
thì cần thiết phải tiến hành ram thép. Trong quá trình ram thép có xảy ra các
hiện tượng như phân huỷ austenit dư. Kết quả của quá trình này là độ cứng và
tính chịu nhiệt của thép tăng lên. Thông thường người ta tiến hành ram cao ở
nhiệt độ 550-650
0
C
17
Kết quả của quá trình ram là cấu trúc hợp kim ở trạng thái ổn định, độ cứng
giảm đi nhưng tính dẻo tăng lên.
1.5. Thép dụng cụ chịu nhiệt.
Thép dụng cụ chịu nhiệt có khả năng chịu nhiệt độ cao thuộc về nhóm thép
có chứa 0,4 %C và được hợp kim hoá thêm các nguyên tố như Cr, Mo, W và V.
Đây là hệ thép đã được nghiên cứu và sản xuất ở nhiều nước trên thế giới. Các
nước đã đưa ra tiêu chuẩn hoá mác thép này. Bảng 5 đưa ra mác thép, tiêu chuẩn
và thành phần hoá học của loại thép tiêu biểu này của Nhật Bản. Hai mác thép
này có thành phần hóa học không khác nhau nhiều lắm. Đối với mác thép SKD
62 có thêm nguyên tố W, tuy nhiên hàm lượng nguyên tố V lại giảm đi một ít
(từ 1,0% xuống còn 0,4%) mặc dù vậy khả năng chịu nhiệt của SKD 62 vẫn cao
hơn so với thép SKD 61.
Bảng 5: Thành phần hóa học của các mác thép dụng cụ làm khuôn chịu nhiệt
Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
T
T

Mác thép
C Si Mn Cr Mo W V NT
khác

P

≤
S
≤
1 SKD61 0,32-
0,42
0,80-
1,20
≤0,50

4,50-
5,50
1,00-
1,50
- 0,80-
1,20
- 0,030 0,030

2 SKD62 0,32-
0,42
0,80-
1,20
≤0,50

4,50-
5,50
1,00-
1,50
1,00-

1,50
0,20-
0,60
- 0,030 0,030

Chế độ gia công nhiệt đối với thép dụng cụ chịu nhiệt như sau:
- Chế độ ủ: 820-870
0
C. Tốc độ làm nguội 50
0
C/giờ.
- Chế độ tôi: 1000-1050
0
C. Môi trường làm nguội là dầu hoặc không khí.
- Chế độ ram: Ram tại nhiệt độ 550-600
0
C. Môi trường là không khí.
Tính chất cơ lý tính của thép sau nhiệt luyện như sau:
Đối với chi tiết ủ: HBS < 229
Đối với chi tiết tôi/ram: HRC: 49-53
Cấu trúc của thép dụng cụ chịu nhiệt sau khi nhiệt luyện là máctenxit và
cácbít các loại.
Chính vì có các tính chất cơ lý tính cao như vậy mà thép dụng cụ chịu nhiệt
này được sử dụng phổ biến làm dụng cụ rèn dập, các loại khuôn chịu nhiệt.

1.6. Lựa chọn mác thép làm khuôn đùn ép nhôm.
1.6.1. Các tính chất cần thiết đối với khuôn đùn ép nhôm.
Trước đây, khi xây dựng nhà, người ta thường dùng các loại gỗ tự nhiên để
làm cửa đi, cửa sổ. Điều này làm cho vấn đề tàn phá rừng càng trầm trọng hơn
khi tốc độ đô thị hóa ngày càng diễn ra mãnh liệt. Để thay thế vật liệu trên, gần

đây người ta đã phát minh ra các máy móc hiện đại để chế tạo ra các thanh nhôm
18
từ nhôm thỏi. Các thanh nhôm này có hình dạng bên trong phức tạp nhằm tạo
điều kiện thuận lợi cho quá trình lắp ráp sau này.
Công nghệ chế tạo các thanh nhôm như sau:
Nguyên tắc cơ bản của đùn ép nhôm hoạt động rất đơn giản: một thỏi hình
trụ đã qua xử lý nhiệt trước được đặt trong máy đùn ép thủy lưc và được ép ở áp
suất cao qua một khuôn ép bằng thép để mà khi thỏi đùn ra khỏi máy ép sẽ có
hình dạng theo ý muốn. Trọng tâm của chu trình làm việc là khuôn ép. Kiểu
khuôn đơn giản nhất là loại khuôn thép đã được qua xử lý nhiệt, có một lỗ, được
gia công cơ khí đặc biệt, có hình dạng theo thiết kế. Cùng với các phụ kiện khác,
khuôn được giữ trong một trượt khuôn là một bộ phận của máy ép. Gắn chặt với
trượt khuôn là container (buồng ép). Trong buồng ép là một billet được chèn vào
sau khi nó đã được nung nóng ở nhiệt độ khoảng 500
0
C. Buồng ép cũng được
gia nhiệt bằng một dụng cụ chống điện tốt nhằm đảm bảo billet luôn được giữ ở
nhiệt độ đồng nhất. Ram (pitông) sẽ tạo áp lực lên billet và đầu của ram (dummy
block: chày ép) phải được thay định kỳ, bởi vì chức năng của nó là hấp thụ mài
mòn do sự tiếp xúc với kim loại nóng gây ra, áp lực được thực hiện bởi main
piston (pitông chính) vận hành bằng dầu thủy lực. Dầu thủy lực sinh ra dưới áp
lực của bơm dầu, áp lực này sẽ làm thanh nhôm được ép qua lỗ trong khuôn, tạo
thành thanh nhôm có hình dạng giống với hình của lỗ trong khuôn.
Chu trình phải dừng lại trước khi mũi Ram chạm vào khuôn. Container
quay trở lại xilanh nhả khuôn còn giữ phần còn lại của billet. Ram cũng sẽ lùi lại
và mẫu billet sẽ bị tách ra khỏi khuôn bởi một lưỡi cắt từ trên. Công suất lớn
nhất mà piston chính thực hiện được gọi là công suất ép. Công suất ép được đo
bằng tấn. Các máy ép công nghiệp có công suất từ 500-20.000 tấn, nhưng hầu
hết nằm trong khoảng 1.200 – 2.500 tấn.
Để nhôm có thể đùn ép ra thì phải đảm bảo 3 yếu tố nhiệt độ sau:

- Nhiệt độ của billet.
- Nhiệt độ của container 430 – 450
0
C
- Nhiệt độ của khuôn.
Lượng co ngót của nhôm vào khoảng 1/100.
Trong quá trình đùn ép nhôm, thì có nhiều phương án sửa khuôn, tùy thuộc
vào từng loại khuôn và kết cấu khuôn cùng với sự cảm nhận của người sửa khuôn
mà có thể đưa ra được những phương thức sửa khuôn khác nhau. Khi đùn ép
nhôm ở nhiệt độ khoảng 580 – 610
0
C, lúc này nhôm ở trạng thái gần như ở thể
lỏng nên theo đúng quy luật của dòng chảy là càng chịu lực ma sát lớn thì càng
chảy chậm.
Bảo quản khuôn: Khi khuôn đùn ép xong, thì lượng nhôm vẫn còn bám lại
trong khuôn, khi đó ta phải lấy lượng nhôm này ra bằng cách đun trong dung dịch
NaOH 20% ở nhiệt độ 100
0
C, tùy thuộc vào hình dạng kích thước khuôn mà ta
đun trong thời gian bao lâu, thông thường 8-12 giờ. Sau khi đã lấy nhôm ra ta
chuyển vào phòng sửa khuôn và dùng giấy ráp mịn đánh bóng lại toàn bộ bề mặt
bearing sau đó xịt lên bề mặt một lớp dung dịch bảo quản.
19


Hình 5: Ảnh chụp một loại khuôn đùn ép nhôm
1.6.2. Lựa chọn mác thép làm khuôn đùn ép nhôm
Các tiêu chí thiết kế cơ bản cho việc chế tạo khuôn phải dựa trên các
nguyên tắc cơ bản sau:
- Khuôn là một kết cấu cơ khí phức tạp, được làm bằng chất liệu cứng và

bền. Do đó khuôn càng nhỏ càng tốt vì lý do chi phí và lý do làm việc.
- Khuôn phải qua áp lực cao và phải chịu áp lực ép của máy ép mà không bị
nứt gãy.
Từ hai nguyên tắc cơ bản trên, khuôn cần phải có các thiết bị phụ kiện cụ
thể để trợ giúp nó thực hiện đúng chức năng. Cũng có các tiêu chí quan trọng mà
có nhiều hoặc ít ảnh hưởng đến dạng khuôn tương ứng kiểu máy ép được sử
dụng. Khuôn ép có thể được chia là 3 loại chính sau:
- Khuôn đặc: Đây là loại khuôn dùng cho đùn ép các thanh lộ thiên.
- Khuôn porhole: Dùng cho đùn ép các thanh rỗng. Dễ dàng thấy rằng vấn
đề cơ bản ở đây là việc tạo một lỗ.
- Khuôn kiểu spider cho các thanh rỗng: Được sử dụng theo cách tương tự
với kiểu khuôn porhole.
Khuôn ép là trung tâm của quy trình ép và ngay cả khi máy ép tinh vi nhất
cũng sẽ không thể sản xuất ra các sản phẩm tốt mà không có khuôn phù hợp. Vì
lý do này, để cải thiện quy trình ép cần có những nỗ lực cho các tiêu chí thiết kế
và các phương pháp thiết kế khuôn.
Qua nghiên cứu điều kiện làm việc của bộ khuôn đùn ép nhôm, thấy rằng
cần phải sử dụng loại thép đặc biệt có tính ổn định nóng cao và tính bền nóng ở
20
nhiệt độ cao. So sánh các mác thép chịu nhiệt hiện nay, đề tài đề xuất mác thép
SKD 62 làm khuôn đùn ép nhôm bởi vì của thép này có các tính chất:
Tính truyền nhiệt tốt.
Độ cứng cao sau khi tôi và ram.
Độ bền chịu mài mòn ở nhiệt độ cao lớn.
Có khả năng gia công và đánh bóng tốt.
Có khả năng nhiệt luyện cao.
Nhờ có các tính chất ưu việt như trên, thép nghiên cứu có độ cứng, độ bền
cao, bền khi làm việc ở nhiệt độ cao nên có thể sử dụng để làm khuôn đùn ép
nhôm trong dây chuyền chế tạo nhôm thanh. Với các tính chất của thép này,
ngoài bộ khuôn dùng cho máy đùn ép nhôm, có thể sử dụng thép này để chế tạo

các chi tiết làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao tương tự.

21
CHƯƠNG 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 lựa chọn mác thép hợp kim phù hợp để chế tạo khuôn đùn ép
nhôm;
- Nghiên cứu xác định công nghệ chế tạo thép dụng cụ chịu nhiệt bao gồm
các khâu:
Công nghệ luyện thép
Công nghệ tinh luyện thép
Công nghệ gia công áp lực
Công nghệ nhiệt luyện
- Đánh giá chất lượng vật liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lý, cấu trúc
và khả năng chịu nhiệt.
- Chế tạo 10 bộ khuôn đùn ép nhôm, dùng thử và 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 cao, đề tài đã sử dụng các phương
pháp và thiết bị nghiên cứu sau:
- Dựa trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, tiêu chuẩn về thép hợp kim và điều
kiện làm việc của khuôn đùn ép nhôm của dây chuyển đúc áp lực để lựa
chọn mác thép.
- Sử dụng lò trung tần 300kg để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện,
lò điện xỉ công suất 100kVA để xác định công nghệ tinh luyện điện xỉ,
búa máy 750kg để nghiên cứu khả năng gia công biến dạng thép dụng cụ
chịu nhiệt.

- Lò nung để xác định công nghệ nhiệt luyện thép dụng cụ chịu nhiệt.
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp
phân tích quang phổ trên thiết bị ARL 3460-OES để xác định thành phần
hoá học của thép theo phương pháp ASTM E 415.
- Sử dụng máy đo độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 256-1
- Sử dụng kính hiển vi quang học KHV Axiovert 40 MAT để nghiên cứu tổ
chức tế vi của thép.

22
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1. Công nghệ chế tạo thép dụng cụ chịu nhiệt.
Sau khi nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn trong nước cũng như trên thế
giới, đề tài đã đi theo hướng công nghệ nấu luyện thép bằng lò cảm ứng trung
tần, tinh luyện thép bằng lò điện xỉ, gia công áp lực, ủ mềm, gia công cơ khí,
nhiệt luyện và tạo ra sản phẩm là các bộ khuôn đùn ép nhôm. Lưu trình công
nghệ này sẽ tạo ra sản phẩm có các tính chất cơ lý tính tốt nhất. Sau đây là các
kết quả đạt được trong quá trình tiến hành thí nghiệm.
3.1.1. Công nghệ nấu luyện thép dụng cụ chịu nhiệt
Thép dụng cụ hợp kim chịu nhiệt dự định nghiên cứu có thành phần hóa
học như sau: C = 0,32 - 0,42%, Si = 0,8 - 1,2%, Mn  0,5%, P  0,03%, S 
0,03%, Cr = 4,5 – 5,5%, Mo = 1,0 - 1,5%, W = 1,0 - 1,5%, V = 0,2 - 0,6%.
Ở các nước phát triển, thép hợp kim thông thường được nấu luyện chủ yếu
bằng lò điện hồ quang sau đó được tiến hành tinh luyện rồi đúc rót. Tuy nhiên
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 với dung lượng 300kg của Anh để
nghiên cứu xác định công nghệ luyện thép dụng cụ chịu nhiệt.
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 như sau:
Phế thép CT3.

Phế khuôn cũ bằng thép SKD 62.
Các loại ferô (FeCr, FeMo, FeW, FeV, FeMn, FeSi,).
Nhôm kim loại.
Than bột Graphít.
Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 6.
Bảng 6: Thành phần hoá học của nguyên liệu
Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) TT

Nguyên liệu
C Mn Si Cr Mo W V
1 Phế thép CT3 0,2 0,46 0,2
2 Phế thép SKD 62

0,40 0,47 0,80 4,8 1,3 1,2 0,2
3 FeCr (C cao) 7,0 65
4 FeCr (C trung
bình)
1,0 65
5 FeMo 0,1 55
6 FeW 70
23
7 FeV 45
8 FeMn 1,0 75
9 FeSi 75
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, Mn, Si, Mo, Al và Cu
trong lò cảm ứng trung tần và kinh nghiệm luyện thép của Viện Luyện kim đen
cũng như tham khảo các tài liệu khác để đưa ra số liệu tham khảo.
Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện trong lò cảm ứng
trung tần được nêu trong bảng 7.

Bảng 7: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao (%)
1 C 10 - 15
2 Cr 2 - 3
3 Mn 3 - 6
4 Si 6 - 10
5 Mo 1 - 2
6 V 20 - 25
7 W 1 - 2
Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu (bảng 6), hệ số cháy hao của
các nguyên tố hợp kim (bảng 7) và kinh nghiệm luyện thép thực tế nhiều năm,
chúng tôi đã tính toán phối liệu cho mẻ nấu thí nghiệm như nêu trong bảng 8.
Bảng 8: Thành phần phối liệu thí nghiệm (kg)
STT Tên nguyên liệu Mẻ số 1 Mẻ số 2
1 Phế thép CT3 256,0
2 Phế thép SKD 62 292,0
3 FeCr (Cácbon cao) 8,0 3,0
4 FeCr (Các bon trung bình) 16,0
5 FeMn 0,3
6 FeSi 4,0 3,0
7 FeMo 7,5
8 FeV 4,5 1,0
9 FeW 5,2
TỔNG CỘNG 301,5 299,2
24
Quá trình nấu luyện thép dụng cụ chịu nhiệt trong lò cảm ứng trung tần
được tiến hành như sau:
- Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO+CaF
2
đã được sấy khô vào đáy lò

nhằm tạo xỉ ban đầu có tác dụng khử bỏ S, P và tránh sự thâm nhập của
các khí có hại vào thép trong quá trình nóng chảy.
- Tiến hành xếp liệu: trước tiên xếp phế thép CT3 (hoặc phế thép SKD 62),
FeW và FeMo vào đáy lò.
- Tiến hành đóng điện để bắt đầu quá trình nấu luyện. Trong khi nấu luyện,
dùng que chọc lò để đẩy liệu xuống tránh hiện tượng treo liệu, khi mẻ liệu
nóng chảy hoàn toàn thì tiến hành vớt xỉ cũ ra và cho chất tạo xỉ mới vào
lò, sau đó đưa thêm FeCr như tính toán.
- Khi xỉ mới chảy hết và nhiệt độ nước thép đã đạt khoảng 1600
0
C thì bắt
đầu cho FeMn và FeSi để khử khí, sau đó tiến hành hợp kim hóa bằng
cách cho FeV và tiến hành lấy mẫu phân tích thành phần hoá học.
- Sau khoảng thời gian 10 phút, khi đã có thành phần hoá học, tiến hành so
sánh kết quả với tiêu chuẩn mác thép để hiệu chỉnh các nguyên tố hợp
kim (bằng các nguyên liệu như C, FeMn, FeSi, FeCr, FeW, FeMo, FeV).
Thực tế nấu luyện, chỉ phải điều chỉnh một lượng nhỏ các nguyên tố hợp
kim như C, FeV, FeCr, FeSi. Đây là những nguyên tố dễ bị cháy hao
nhiều trong quá trình nấu luyện.
- Quá trình tinh luyện thép sau khi nấu luyện được tiến hành bằng công
nghệ điện xỉ với hộp kết tinh có Ф 120mm, nên theo kinh nghiệm nấu
luyện đường kính điện cực dùng cho quá trình điện xỉ là Ф 60mm. Việc
làm khuôn đúc phôi điện xỉ được tiến hành bằng phương pháp cát nước
thủy tinh + khí đông cứng nhanh bằng CO
2
. Phôi điện xỉ cần được tính
toán làm sao cho đủ trọng lượng của 1 thỏi điện xỉ, tránh hàn nối làm ảnh
hưởng đến chất lượng của chi tiết sau này.
- Sau khi mẻ nấu đạt nhiệt độ, thành phần hóa học và khuôn đúc đã được
sấy nóng bằng đèn khò, tiến hành ra thép vào nồi rót đã có lượng nhôm

khử khí bên ngoài thùng rót. Tiến hành gạt bỏ xỉ trên bề mặt thùng rót và
bắt đầu quá trình rót thép lỏng vào khuôn thỏi đúc. Để lấy mẫu phân tích
hóa học của mẻ nấu, tiến hành lấy mẫu trong thời gian giữa của quá trình
rót thỏi đúc để có được kết quả đạt diện nhất.
Kết quả phân tích thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm được nêu
trong bảng 9.
Bảng 9: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm
Thành phần hoá học của các nguyên tố (%)
STT
C Mn Si Cr Mo W V S P
Mẻ số 1
0,375

0,393

0,913

5,08 1,35 1,18 0,617 0,003

0,019

25
Mẻ số 2
0,373

0,387

0,85 5,11 1,30 1,14 0,592
0,003
0,019

Thành phần
tiêu chuẩn
0,32 -
0,42
 0,5
0,8-
1,2
4,5 –
5,5
1,0 -
1,5
1,0 -
1,5
0,2 -
0,6
 0,03

 0,03

Qua các số liệu trong bảng 9, ta thấy cả hai mẻ nấu thí nghiệm đều cho
thành phần hóa học nằm trong tiêu chuẩn cho phép của mác thép nghiên cứu.
Điều này chứng tỏ việc sử dụng máy phân tích nhanh khi nấu luyện đã giúp cho
người công nhân hiệu chỉnh thành phần một cách linh hoạt đảm bảo luôn luôn
đạt yêu cầu. Ngoài ra, đối với hàm lượng các tạp chất có hại như S, P đều nằm
trong giới hạn cho phép chứng tỏ quá trình lựa chọn nguyên liệu nấu luyện và
công nghệ nấu luyện là phù hợp với điều kiện hiện có của quá trình thí nghiệm.
Trong quá trình nấu luyện thí nghiệm, đối với mẻ số 2 có sử dụng 100%
nguyên liệu là phế thép dụng cụ chịu nhiệt do nhà máy cung cấp cũng cho thành
phần hóa học đạt yêu cầu. Hình số 6 có đưa ra ảnh chụp khuôn đùn ép nhôm đã

bị mòn sau quá trình sử dụng được đưa vào nấu luyện.

Hình 6: Ảnh chụp một khuôn đùn ép nhôm bị hỏng dùng làm phế liệu.

26
3.1.2. Công nghệ tinh luyện thép dụng cụ chịu nhiệt
Sau khi nấu luyện đạt thành phần hóa học của mác thép yêu cầu, khâu tinh luyện
thép lỏng để đạt yêu cầu về hàm lượng các tạp chất và khâu đúc phôi sau này
cũng rất quan trọng.
Thép hợp kim dụng cụ chịu nhiệt mác SKD 62 là loại thép hợp kim cao với
cấu trúc phức tạp: máctenxit, pherit và các loại cácbít phức hợp dạng M
3
C, M
2
C,
M
7
C
2
và M
23
C
6
. Vì vậy để tạo điều kiện tốt cho các khâu gia công sau này, yêu
cầu thỏi đúc phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Không có rỗ xốp trong thỏi đúc.
- Các tạp chất như S, P phải nằm dưới giới hạn cho phép.
- Các tạp chất khí như N
2
, O

2
, H phải thấp hơn giới hạn cho phép.
- Cấu trúc của thỏi đúc phải nhỏ mịn.
Để đảm bảo các yêu cầu trên, có nhiều công nghệ có thể áp dụng như đúc
trong chân không, tinh luyện bằng lò thùng, … Tuy nhiên, trong điều kiện thực
tế của Việt Nam, chúng tôi đã sử dụng công nghệ tinh luyện điện xỉ để tiến hành
tinh luyện thép sau khi nấu tại lò trung tần và tạo phôi gia công áp lực sau này.
Tại Việt Nam, công nghệ điện xỉ được sử dụng trong ngành luyện kim đầu
tiên tại Viện Luyện kim đen với công suất thiết bị đầu tiên là 100KVA. Đến nay
đã có một số cơ sở sản xuất khác nghiên cứu áp dụng như nhà máy Cơ khí
(Công ty Thép Miền Nam), Xí nghiệp Z45 (Bộ Quốc phòng).
Đề tài đã tiến hành tinh luyện thép bằng thiết bị điện xỉ có công suất
100KVA có các thông số chính sau:
- Công suất máy thiết kế: 100KVA
- Dòng điện: 1500 A
- Điện áp: 50 V
- Đường kính điện cực: 60mm
- Đường kính thỏi đúc điện xỉ: 120mm
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị điện xỉ được mô tả trên hình 7.