Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa cr, v và quá trình xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép 15%mn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Dương Nam

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V VÀ QUÁ TRÌNH
XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THÉP 15%Mn

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Dương Nam

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V VÀ QUÁ TRÌNH
XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THÉP 15%Mn

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS ĐÀO HỒNG BÁCH
2. PGS. TS LÊ THỊ CHIỀU

Hà Nội – 2016

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Vật liệu “Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp
kim hóa Cr, V và quá trình xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép 15%Mn” là công trình
do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Các thông tin, kết quả được sử dụng trong luận án này
hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Tất cả
những sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong
luận án đã được ghi rõ nguồn gốc.
Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS Đào Hồng Bách

PGS.TS Lê Thị Chiều

Tác giả luận án

Nguyễn Dương Nam


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy cô của tôi là PGS.TS Đào
Hồng Bách và PGS.TS Lê Thị Chiều đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi suốt quá trình thực
hiện luận án.
Những kết quả có được của luận án này là được sự giúp đỡ nhiệt tình, hết mình của TS
Phạm Mai Khánh. Tôi xin được chân thành cảm ơn anh và nhóm nghiên cứu về thép Mn cao
đã giúp đỡ hỗ trợ tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật liệu và công nghệ đúc –
Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình làm Nghiên cứu sinh.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu –
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã liên tục dạy tôi trong suốt quá trình học Đại học đến khi
làm xong nghiên cứu sinh.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn của mình đến lãnh đạo Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng Hải
Việt Nam và Bộ môn Công nghệ và Vật liệu đã hỗ trợ, tạo điều kiên tốt nhất cho tôi trong quá
trình tôi làm nghiên cứu sinh.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới anh Phùng Đình Thông và quý công ty TNHH Thắng Lợi
– Nam Định đã tạo điều kiện hết sức để tôi được thực nghiệm thực tế tại nhà máy trong suốt
thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới các phòng thí nghiệm, các viện nghiên cứu ở trong và
ngoài trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của mình.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên giúp đỡ của gia đình, người thân, bạn
bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian qua.
Tác giả

Nguyễn Dương Nam


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Đặc điểm của thép austenite mangan cao
1.2. Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết búa đập làm bằng thép Mn

cao.
1.2.1 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết chế tạo từ thép austenite mangan cao
làm việc trong điều kiện cần độ dai va đập và chống mài mòn cao
1.2.2. Các dạng sai hỏng, nguyên nhân và cách khắc phục
1.3. Các dạng thép austenite mangan cao
1.4. Tình hình nghiên cứu thép austenit mangan cao
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ chế hóa bền thép austenit mangan cao
2.1.1. Nguyên lý hóa bền thép austenite mangan cao
2.1.2. Quá trình hóa bền biến dạng của thép austenite mangan cao theo cơ chế song
tinh và xô lệch
2.1.3. Ảnh hưởng của cacbit
2.1.4. Cơ chế hóa bền thép austenite mangan cao theo cơ chế chuyển biến mactenxit
2.2. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến thép austenite mangan cao
2.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon và mangan
2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Crom
2.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng Vanadi
2.2.4. Ảnh hưởng của các nguyên tố khác
2.2.5. Ảnh hưởng của tạp chất
2.2.6. Ảnh hưởng của đất hiếm
2.3. Đặc điểm điều kiện đúc thép austenite mangan cao
2.3.1. Ảnh hưởng của các thông số nhiệt lý tới tổ chức của hợp kim đúc
2.3.2. Ảnh hưởng của công nghệ đúc rót
2.3.3. Nguồn gốc tạp chất trong thép
2.4. Nhiệt luyện thép austenite mangan cao
2.4.1. Mục đích nhiệt luyện
2.4.2. Chuyển biến Austenite trong thép austenit mangan cao khi nung nóng

Trang
i

v
vi
viii
1
3
3
3
4
4
8
9
12
16
16
18
21
24
27
32
32
34
34
36
38
38
41
41
43
43
44

44
44


ii
2.4.3. Sự hòa tan cacbit và đồng đều hóa austenite trong thép austenit mangan cao.
2.4.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cơ tính thép austenit mangan cao
2.4.5. Phân tích quy trình xử lý nhiệt
PHẦN 2 THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THÉP AUSTENIT
MANGAN CAO
3.1 Nội dung nghiên cứu
3.2 Chế tạo mẫu nghiên cứu
3.3 Nhiệt luyện các mẫu nghiên cứu
3.4 Phương pháp nghiên cứu.
3.4.1. Xác định thành phần hóa học.
3.4.2. Nghiên cứu tổ chức
3.4.3. Nghiên cứu va đập mẫu
3.4.4. Nghiên cứu, đánh giá quá trình mài mòn.
3.4.5. Nghiên cứu quá trình phá hủy mẫu do va đập.
3.4.6. Xác định độ cứng
3.4.7. Xác định tổng hàm lượng cacbit
3.4.8. Phân tích Rơnghen
3.4.9. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
3.4.10. Phương pháp EDS và mapping
3.4.11. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
PHẦN 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN TỐ CROM VÀ VANADI
4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr (0%; 2% và 2.5%) đến tổ chức và cơ tính của
thép austenit Mn cao với hàm lượng Mn là khoảng 15%.

4.1.1. Ảnh hưởng của crom đến tổ chức tế vi sau nhiệt luyện của thép
4.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Crom đến độ cứng và tính chống mài mòn của
mẫu
4.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng crom đến độ dai va đập
4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Vanadi đến tổ chức và cơ tính của thép
4.2.1. Ảnh hưởng của vanadi đến tổ chức tế vi
4.2.1.1. Ảnh hưởng đến tổ chức sau đúc
4.2.1.2. Ảnh hưởng của vanadi đến tổ chức tế vi mẫu sau nhiệt luyện dưới kính hiển
vi quang học
4.2.1.3. Phân tích SEM, EDS, mapping và TEM
4.2.2. Ảnh hưởng của vanadi đến độ cứng và khả năng chịu mài mòn

46
46
51
53
53
53
54
56
57
57
57
57
58
59
59
60
60
61

61
62
64
64
64
65
68
70
70
72
72
74
75
77


iii
4.2.3. Ảnh hưởng của vanadi đến độ dai va đập
4.3. Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép austenit Mn cao
4.3.1. Phân tích tổ chức tế vi
4.3.2. Ảnh hưởng của biến tính đến kết quả độ cứng, độ dai va đập và mài mòn
CHƯƠNG 5 ẢNH HƯỞNG CỦA QUY TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT ĐỐI VỚI THÉP
Mn15Cr2V
5.1 Trạng thái đúc của thép
5.1.1. Thành phần hóa học
5.1.2. Tổ chức tế vi
5.1.3. Phân bố và tỷ phần cacbit
5.2 Sự tiết ra cacbit khi nung mẫu đúc dưới nhiệt độ austenit hóa
5.3 Giới thiệu các quy trình nhiệt luyện
5.3.1. Giản đồ trạng thái

5.3.2. Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 1
5.3.3. Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 2
5.3.4. Nhiệt luyện theo quy trình 3
5.3.4.1. Lựa chọn nhiệt độ xử lý nhiệt trung gian
5.3.4.2. Lựa chọn nhiệt độ và thời gian austenite hóa
5.3.4.3 Quy trìnhnhiệt luyện 3b:(nung trung gian 6500C, nung tôi ở 11000C )
5.4. So sánh cơ tính các quy trình nhiệt luyện
5.4.1. So sánh độ cứng
5.4.2. So sánh độ dai va đập
CHƯƠNG 6 CƠ CHẾ HÓA BỀN THÉP AUSTENITE MANGAN CAO 15%Mn
HỢP KIM HÓA BẰNG Cr, V
6.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Crom
6.1.1. Độ cứng của mẫu
6.1.2. Tổ chức tế vi mẫu dưới tác dụng va đập
6.1.3. Phân tích ảnh SEM và EDS
6.1.4. Kết quả quan sát bằng TEM
6.2. Ảnh hưởng của vannadi đến khả năng biến cứng sau va đập và xử lý ở nhiệt độ
âm
6.2.1. Ảnh hưởng của vannadi đến khả năng biến cứng sau va đập
6.2.2. Ảnh tổ chức tế vi quang học của mẫu
6.2.3. Phân tích ảnh TEM
6.3. Ảnh hưởng của đất hiếm đến khả năng biến cứng trong thép Mn cao khi chịu va
đập và xử lý ở nhiệt độ âm
6.3.1. Ảnh hưởng của đất hiếm đến kết quả độ cứng
6.3.2. Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức tế vi sau va đập (quang học)

79
80
80
82

85
85
85
85
86
87
90
90
92
93
95
95
97
100
107
107
107
109
110
110
111
112
113
114
115
116
117
119
119
120

iv
6.3.3. Quan sát ảnh TEM
PHẦN 4 KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

121
127
128
132


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Mđ – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit
Mk – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit
Ms – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit
Mf – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit
γ – pha austenite
α – pha ferit
Xe – pha Xementit
Cr – nguyên tố Crôm
V – nguyên tố Vanadi
C – nguyên tố Cacbon
Mn – nguyên tố Mangan
Ti – nguyên tố Titan
Ni – nguyên tố Niken

Mo – nguyên tố Molypden
Fe – nguyên tố sắt
FCC – mạng lập phương tâm mặt
BCC – mạng lập phương tâm khối
TEM – hiển vi điện tử truyền qua
SEM – hiển vi điện tử quét
FESEM – hiển vi điện tử quét phân giải cao
EDS – phương pháp vi phân tích nguyên tố
BSED – hiển vi điện tử tán xạ ngược
ASTM – tiêu chuẩn của Hoa Kỳ
NL – nhiệt luyện
RE – đất hiếm
σe – giới hạn đàn hồi
Acm – đường giới hạn hòa tan austenite
A1 – nhiệt độ tới hạn hòa tan austenite
A3 - nhiệt độ tới hạn hòa tan austenite
d – là khoảng cách giữa các mặt tinh thể (hkl)
θ – là góc nhiễu xạ
λ – là chiều dài bước sóng của chùm tia phân tích
GM là biến thiên nhiệt động học của chuyển biến từ austenite sang mactenxit
∆Ghh là thành phần nhiệt động học quyết định bởi thành phần hóa học của hợp kim
∆Gchlà thành phần nhiệt động học gây nên do biến dạng cơ học


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Tính đúc của thép austenite mangan cao.
Bảng 1.2: Thang độ cứng và phân loại các loại khoáng vật
Bảng 1.3: Hệ số khả năng đập nghiền của các loại vật liệu

Bảng 1.4: Phân chia các giai đoạn đập và nghiền
Bảng 1.5: Thành phần hóa học thép Γ13 (tính theo % nguyên tố)
Bảng 1.6: Cơ tính của vật đúc thành dày 30mm bằng mác 110Γ13A sau khi tôi
1050-11000C trong nước
Bảng 1.7: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của Mĩ
theo tiêu chuẩn ASTM A128-90
Bảng 1.8: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của
Nhật theo tiêu chuẩn JIS G5131-91
Bảng 1.9: Cơ tính của các mác thép austenite mangan cao ở trạng thái austenite
hóa theo JIS G5131-91
Bảng 1.10: Một số mác thép austenite mangan cao của Mỹ có hợp kim hóa
Bảng 1.11: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của
Nhật theo tiêu chuẩn JIS G5131-91
Bảng 1.12: Cơ tính của các mác thép austenite mangan cao ở trạng thái austenite
hóa theo JIS G5131-91
Bảng 1.13: Thành phần và cơ tính của thép austenite Mn khi có thêm vanađi
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng của cácbit
Bảng 2.2: Độ cứng một số pha nền
Bảng 2.3: Nhiệt độ nóng chảy của các nguyên tố RE và REO
Bảng 2.4: Năng lượng tự do của các phản ứng hóa học giữa các nguyên tố
đất hiếm với Oxy và S
Bảng 2.5: Mối quan hệ giữa các thông số mạng của LaAlO3 với ɣ -Fe
Bảng 2.6: Hệ số lệch δ giữa các mặt xếp chặt của oxyt Ce203 , Ce202S và pha ɣ-Fe
Bảng 3.1 Thành phần hóa học các mẫu nghiên cứu.
Bảng 4.1: Thành phần các mẫu khi thay đổi hàm lượng Cr
Bảng 4.2:Giá trị độ cứng của mẫu khi thay đổi hàm lượng Cr
Bảng 4.3: Giá trị mài mòn của mẫu
Bảng 4.4: Giá trị độ dai va đập khi có và không có Cr
Bảng 4.5:Thành phần hóa học của mẫu khi thay đổi hàm lượng Vanadi
Bảng 4.6: Kết quả đo độ cứng của mẫu 0%, 1%, 2% sau đúc

Bảng 4.7: Kết quả đo độ cứng của mẫu 0%, 1%, 2% V sau nhiệt luyện
Bảng 4.8: Kết quả lượng mài mòn của mẫu có và không có hợp kim hóa Vanadi
Bảng 4.9: Kết quả đo độ dai va đập của mẫu 0%, 1%, 2% V không biến tính sau
nhiệt luyện
Bảng 4.10: Thành phần hóa học của mẫu khi thay đổi hàm lượng Vanadi
Bảng 4.11: Kết quả độ cứng của mẫu có và không có biến tính
Bảng 4.12: Kết quả độ dai va đập của mẫu có và không có biến tính

Trang
4
6
6
7
9
9
10
10
10
11
11
11
13
26
27
38
39
40
40
55
65

69
69
70
72
77
77
79
79
80
82
83


vii
Bảng 4.13: Kết quả lượng mài mòn của mẫu có và không có biến tính
Bảng 5.1: Thành phần hóa học của thép Mn15Cr2V
Bảng 5.2 : Giá trị độ cứng của mẫu khi xử lý ở các nhiệt độ trung gian khác nhau
Bảng 5.3: Giá trị độ dai va đập của mẫu khi xử lý ở các nhiệt độ trung gian khác
nhau
Bảng 5.4: Giá trị độ cứng của mẫu ở các quy trình khác nhau
Bảng 5.5: Giá trị độ dai va đập của mẫu ở các quy trình khác nhau
Bảng 6.1: Giá trị độ cứng của mẫu sau khi xử lý nhiệt
Bảng 6.2: Giá độ cứng của mẫu khi thức hiện va đập 1000 lần, tải trọng 100N/cm2
Bảng 6.3: Giá độ cứng tế vi theo khoảng cách từ bề mặt mẫu
Bảng 6.4: Thành phần mẫu nghiên cứu
Bảng 6.5: Độ cứng tế vi của mẫu sau khi va đập và xử lý ở nhiệt độ âm
Bảng 6.6: Giá trị độ cứng tế vi của mẫu sau va đập và xử lý ở các nhiệt độ âm khác
nhau

83

85
96
97
107
108
110
110
110
115
115
119


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe – 13Mn –C
Hình 1.2: Mô phỏng quá trình làm việc của chi tiết búa đập làm từ thép austenite
mangan cao
Hình 1.3: Tổ chức tế vi của búa đập có thiên tích và không có thiên tích
Hình 1.4: Tổ chức tế vi mẫu búa trong nước (a) và nhập ngoại (b)
Hình 1.5: Tổ chức song tinh tạo ra khi biến dạng tốc độ lớn
Hình 2.1: Sự thay đổi độ cứng từ bề mặt của thép mangan cao khi chịu tải
Hình 2.2: Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến năng lượng khuyết tật xếp trong
vùng hóa bền song tinh (TWIP)và băng trượt (TRIPLEX)
Hình 2.3: Sự phụ thuộc của năng lượng khuyết tật vào hàm lượng Mn
Hình 2.4: Ảnh hưởng của C và Mn đến năng lượng khuyết tật xếp
Hình 2.5: Ảnh hưởng của C và Mn đến nhiệt động học chuyển biến
Hình 2.6: Ảnh hưởng của Mn đến sản phẩm chuyển biến
Hình 2.7: Sự phụ thuộc của khuyết tật xếp vào nhiệt độ

Hình 2.8: Khả năng hóa bền phụ thuộc vào tốc độ biến dạng, thực hiện ở 22oC
Hình 2.9: Mô tả quá trình hình thành song tinh từ austenite
Hình 2.10: Mô tả song tinh
Hình 2.11: Mô tả hóa bền bằng biên giới hạt
Hình 2.12: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của thép austenite mangan cao a) song
tinh b) Ảnh vi nhiễu xạ nền austenite
Hình 2.13: Sơ đồ tạo tổ chức austenite nano
Hình 2.14: Ảnh hiển vi phân giải cao của thép austenite mangan cao sau biến dạng
Hình 2.15: Ảnh vi nhiễu xạ phân tích vùng xếp lớp của thép austenite mangan cao
Hình 2.16: Ảnh phân giải cao quan sát vùng xếp lớp của thép austenite mangan
cao
Hình 2.17: Tổ chức tế vi sau biến tính và có xử lý nhiệt (a); phân tích phân bố
cacbit trên ảnh tổ chức
Hình 2.18: Ảnh tổ chức tế vi mẫu Trung Quốc sau khi làm việc
Hình 2.19: Tinh thể cấu trúc. (a) Austenite (fcc). (b) Ferit (bcc). (c) Mactenxit
(BCT)
Hình 2.20: Sơ đồ hình thành pha mactenxit, cho thấy sự trượt và bề mặt nghiêng
Hình 2.21: Sơ đồ minh họa các biến dạng cần cho sự tạo thành pha mactenxit. (a)
cấu trúc tinh thể pha mẹ. (b) Biến dạng mạng gây ra bởi sự thay đổi trong kiểu
mạng tinh thể. (c) loại trượt và (d) loại song tinh biến dạng cần thiết để giữ cho mặt
phẳng ứng xử không bị biến dạng
Hình 2.22: Mactenxit (a) Lath. (b) Plate. Source
Hình 2.23: Ảnh hiển vi quang học kim mactenxit trong hợp kim Fe-0,2% C
Hình 2.24: Ảnh chụp hiển vi của tấm mactenxit Fe-32Ni. Lưu ý có sự hiện diện của
gân chính ở cả hai tấm. Tấm 1 cho thấy cấu trúc nhỏ mịn gồm cặp song sinh

Trang
3
5
8

9
13
17
19
19
19
19
20
20
20
21
21
22
22
23
23
24
24
25
25
28
28
29

29
29
29


ix

Hình 2.25: Tổ chức tế vi của mẫu búa đập từ thép austenite mangan cao
Hình 2.26: Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến đường Acm
Hình 2.27: Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng cacbon của thép austenite mangan
từ 12,2 đến 13,8%Mn
Hình 2.28: Ảnh hưởng của hàm lượng mangan đến cơ tính của thép austenite
mangan cao với hàm lượng 1.15%C
Hình 2.29: Ảnh hưởng của hàm lượng Crom đến cơ tính của thép mangan đúc
Hình 2.30: Giản đồ trạng thái hệ Fe –V
Hình 2.31: Giản đồ pha Fe-19.5Mn-2.5Cr-2.2V
Hình 2.32: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép Mn cao sau khi xử lý nhiệt
Hình 2.33: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu sau khi xử lý nhiệt
Hình 2.34: Ảnh hưởng của hàm lượng molypden đến cơ tính của thép mangan đúc
Hình 2.35: Sự lớn lên của M7C3 khi không có chất biến tính (1) và khi có chất biến
tính (2)
Hình 2.36: Mối quan hệ hình học tinh thể của oxyt Ce2O2S và cácbit M7C3
Hình 2.37: Hệ vật đúc - khuôn đúc
Hình 2.38: Sơ đồ chuyển biến tổ chức khi nung nóng thép
Hình 2.39: Cấu trúc đặc trưng của thép A 128 (tiêu chuẩn ASTM), mã B-3.
Hình 2.40: Đường nguội của thép austenite mangan với các độ dày khác nhau
Hình 2.41: Quy trình nhiệt luyện truyền thống
Hình 2.42: Quy trình nhiệt luyện truyền thống (quy trình 1)
Hình 2.43: Quy trình xử lý nhiệt số 2
Hình 2.44: Quy trình xử lý nhiệt cải tiến
Hình 3.1: Quy trình đúc mẫu cháy
Hình 3.2: Quá trình điền đầy kim loại và khuôn đúc trong mẫu tự thiêu
Hình 3.3: Quy trình xử lý nhiệt
Hình 3.4: Máy đánh bóng Struers – Labopol
Hình 3.5: Máy hiển vi quang học Leica 4000
Hình 3.6: Hiển vi quang học Axiovert 25A chụp ảnh tổ chức
Hình 3.7: Thiết bị đánh giá độ mài mòn Tribotech

Hình 3.8: Mẫu thử nghiệm và thiết bị thử va đập Chappy
Hình 3.9: Thiết bị xác định độ cứng thô đại Mitutoyo
Hình 3.10: Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500
Hình 3.11: Máy hiển vi điện tử quét FESEM Jeol 7600
Hình 3.12: Thiết bị phân tích EDS, mapping
Hình 3.13: Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý chụp ảnh TEM
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý tính d
Hình 3.16: Vết nhiễu xạ

Hình 4.1: Giản đồ pha Fe-15Mn-2Cr
Hình 4.2: Quy trình nhiệt luyện số 3a
Hình 4.3: Tổ chức tế vi mẫu khi thay đổi hàm lượng Cr
Hình 4.4: Ảnh SEM và phân tích EDS mẫu 2%Cr (sau khi xử lý nhiệt)

31
32
33
33
34
35
35
36
36
37
39
40
42
45
48

49
49
51
51
52
54
55
56
57
57
57
58
59
59
60
61
61
62
63
63
63
64
65
66
67


x
Hình 4.5: Phân tích nhiễu xạ Xray mẫu 2 sau nhiệt luyện
Hình 4.6: Ảnh TEM mẫu 2%Cr

Hình 4.7: Đồ thị giá trị độ cứng trung bình (sau xử lý nhiệt) khi thay đổi hàm lượng
Cr
Hình 4.8: Mô tả cấu trúc tinh thể cacbit Vanadi (VC)
Hình 4.9: Giản đồ pha thép Managn cao
Hình 4.10: Quy trình xử lý nhiệt (quy trình 3b)
Hình 4.11: Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 0%V, 1%V, 2% V sau đúc
Hình 4.12: Ảnh tổ chức tế vi của mẫu 0%, 1%V, 2%V sau nhiệt luyện ở chế độ 3b
Hình 4.13: Phân tích EDS mẫu 0%V
Hình 4.14: Phân tích EDS điểm mẫu 0%V
Hình 4.15: Phân tích mapping mẫu 1%V
Hình 4.16: Phân tích EDS vùng mẫu 1%V
Hình 4.17: Phân tích EDS điểm mẫu 1%V
Hình 4.18: Ảnh TEM các hạt phân tán của mẫu 1%V
Hình 4.19: Giá trị độ cứng của mẫu sau đúc và sau nhiệt luyện khi thay đổi hàm
lượng V
Hình 4.20: Ảnh tổ chức tế vi sau đúc của mẫu sau đúc khi có và không biến tính
RE
Hình 4.21: Tổ chức tế vi sau khi xử lý nhiệt mẫu biến tính và không biến tính
Hình 4.22: Ảnh tán xạ ngược sau khi xử lý nhiệt mẫu biến tính và không biến tính
Hình 4.23: Ảnh TEM các hạt phân tán của mẫu biến tính (M7)
Hình 5.1: Tổ chức tế vi của mẫu sau đúc
Hình 5.2: Ảnh SEM (a) và BSED (b) mẫu sau đúc
Hình 5.3: Sự phân bố cac bit (5.3.a) và tỷ phần cacbit (5.3.b) sau đúc
Hình 5.4: Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau khi nung ở 6500C, 2h
Hình 5.5: Ảnh SEM và BSED
Hình 5.6: Ảnh EDS Line mẫu 1%V ở 6500C
Hình 5.7: Phân tích EDS điểm mẫu 1%V xử lý ở 6500C
Hình 5.8: Giản đồ pha thép 19 Mn
Hình 5.9: Các quy trình xử lý
Hình 5.10: Tổ chức tế vi của mẫu sau khi xử lý nhiệt theo quy trình 1

Hình 5.11: Quy trình xử lý nhiệt số 2
Hình 5.12 : Tổ chức tế vi thép sau nhiệt luyện theo quy trình 2
Hình 5.13: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu M3
Hình 5.14: Kết quả ảnh SEM và BSED
Hình 5.15: Phân tích EDS
Hình 5.16: Tổ chức tế vi của thép khi xử lý ở các nhiệt độ trung gian khác nhau
Hình 5.17 : Tổ chức tế vi mẫu 5 sau nhiệt luyện theo quy trình 3a
Hình 5.18: Phân tích cacbit sau nhiệt luyện theo quy trình 3a
Hình 5.19: Ảnh SEM và phân tích EDS (hình 4.16) mẫu sau nhiệt luyện theo quy

67
68
69
71
71
72
73
74
75
75
76
76
77
77
78
80
81
81
82
85

86
86
88
88
89
90
91
92
92
93
93
94
94
95
96
98
98
99


xi
trình 3a
Hình 5.20: Ảnh mapping phân bố các nguyên tố Cr, Fe, Mn và V trong mẫu
Hình 5.21: Tổ chức tế vi mẫu 1%V khi thay đổi thời gian giữ nhiệt tại 6500C
Hình 5.22: EDS mẫu 1%V theo quy trình 6500C (1h) – 11000C (2h)
Hình 5.23: EDS mẫu 1%V theo quy trình 6500C (3h) – 11000C (2h)
Hình 5.24: Tẩm thực cacbit với mẫu sau nhiệt luyện quy trình 3b
Hình 5.25: Phần trăm cacbit sau quy trình xử lý 3b
Hình 5.26: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu 5 sau khi xử lý theo quy trình 3b
Hình 5.27 : Ảnh SEM, BSED và phân tích EDS mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình

3b
Hình 5.28: Phân tích EDS lines mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình 3b
Hình 5.29: Phân bố tổng thể các nguyên tố Cr, Fe, Mn và V
Hình 5.30: Phân tích EDS điểm mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình 3b
Hình 5.31: Ảnh TEM mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình 3b
Hình 5.32: Biểu đồ giá trị độ cứng của mẫu tại các quy trình xử lý khác nhau
Hình 6.1: Đồ thị giá trị độ cứng của mẫu sau nhiệt luyện và va đập
Hình 6.2: Tổ chức tế vi của mẫu sau va đập 1000 lần tải trọng 100N/cm2
Hình 6.3: Ảnh SEM mẫu 1 và 2 sau nhiệt luyện (a, b) và sau mài mòn (c, d)
Hình 6.4: Phân tích EDS mẫu 2 sau khi nhiệt luyện
Hình 6.5: Ảnh TEM mẫu 2 sau va đập
Hình 6.6: Giá trị độ cứng tế vi của mẫu sau va đập và xử lý ở các nhiệt độ âm
Hình 6.7: Tổ chức tế vi của các mẫu không có vanadi (mẫu 4a, 4c) và có vanadi
(mẫu 5b, 5d) các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập và xử lý ở nhiệt độ âm
Hình 6.8: Ảnh TEM của các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập
Hình 6.9: Ảnh TEM và vi nhiễu xạ của các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập và xử lý
ở nhiệt độ -800C
Hình 6.10: Giá trị độ cứng tế vi của mẫu sau va đập và xử lý ở các nhiệt độ âm
khác nhau
Hình 6.11: Tổ chức tế vi của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính (M5)
Hình 6.12:Tổ chức tế vi của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính (M5) ở 800
Hình 6.13: Ảnh TEM của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính (M5) sau va
đập
Hình 6.14: Sơ đồ sự tương tác giữa lệch và song tinh, đường trượt.
Hình 6.15: Tương tác giữa lệch và tường lệch khi biến dạng
Hình 6.16: Vùng tập trung lệch tại các giải trượt
Hình 6.17: Ảnh TEM của mẫu không biến tính (M5)và được biến tính (M7) ở -800C

99
100

101
101
102
102
103
104
104
105
105
106
107
110
111
112
113
113
115
116
117
118
119
120
121
121
122
122
123
124

1

MỞ ĐẦU
Thép austenite magan cao là thép hợp kim với hàm lượng Mn cao (trên 10%). Sau
khi xử lý nhiệt, trước khi chịu tải, thép có tổ chức austenite với độ dai cao và độ cứng thấp.
Trong quá trình làm việc, dưới tải trọng va đập, lớp bề mặt của thép bị biến cứng làm tăng
khả năng chịu mài mòn cho chi tiết. Đây là đặc điểm rất đặc trưng, riêng biệt của loại thép
này. Trong quá trình làm việc, những chi tiết chế tạo từ thép ausenite mangan cao sẽ bị
chịu đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà xát theo ứng suất tiếp.
Quá trình làm việc ban đầu chi tiết chịu tác động chủ yếu của va đập sau đó sẽ bị chà xát
và dẫn đến chi tiết mòn dần.
Họ thép austenite mangan cao đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp.
Nhiều ngành công nghiệp ứng dụng lượng thép austenite mangan rất lớn như ngành sản
xuất xi măng, vật liệu xây dựng, ngành khai khoáng, khai thác đất đá, máy xúc và các thiết
bị đập nghiền khoáng vật và rất nhiều ngành khác nữa. Tuy nhiên, hiện nay các nhà sản
xuất trong nước đang còn nhiều vấn đề vướng mắc là chất lượng sản phẩm còn thấp, mài
mòn nhanh, tuổi thọ làm việc thấp.
Vì vậy đã có nhiều công trình nghiên cứu và cho đến nay nhiều tác giả vẫn không
ngừng nghiên cứu để tìm hiểu bản chất thực sự của quá trình hóa bền nhằm nâng cao chất
lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng.
Trải qua nhiều năm sử dụng, nhiều quan điểm về cơ chế hóa bền đã được đề cập, từ
đó dẫn đến hiện nay trên thế giới đã có nhiều thay đổi trong phương pháp tăng bền cho
thép Mn cao như: hợp kim hóa kết hợp với xử lý nhiệt, phương pháp đúc hai lớp, phương
pháp cấy thanh cacbit tăng khả năng chống mài mòn.
Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp tăng bền bằng cách hợp kim hóa
kết hợp với quy trình xử lý nhiệt hợp lý. Một quy trình xử lý nhiệt hợp lý cho thép Mn cao
đã được hợp kim hóa sẽ góp phần tạo được các cacbit nhỏ mịn phân tán vừa tăng độ dai va
đập vừa tăng khả năng chống mài mòn cho thép.
Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của thép austenite mangan
cao đề tài của luận án được lựa chọn là:“Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Cr, V

và quá trình xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép 15%Mn”.
Mục đích của đề tài luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của Crom, Vanadi và quá trình xử lý nhiệt đến hình thái tổ
chức và khả năng hóa bền của thép austenite mangan cao nhằm thay đổi tổ chức, sự phân
bố và giảm kích thước hạt pha nền nhằm mục đích thay đổi cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc
cho hệ thép austenite mangan cao với hàm lượng Mn là 15%. Thăm dò nghiên cứu ảnh
hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép austenite mangan cao.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: Thép austenite mangan cao với thành phần Mn: 15%; thay đổi hàm lượng
Cr với sự thay đổi là: 0; 2; 2.5% và thay đổi hàm lượng V với sự thay đổi là 0; 1; 2% sử
dụng làm búa đập quặng có độ bền từ kém bền đến bền còn những loại có độ bền rất cao
như Corandong hay topa thì không thể sử dụng loại thép này được; và chỉ sử dụng để đập
thô đến đập mịn. Luận án tập trung nghiên cứu đối với các mẫu từ sau khi đúc.
Đề tài luận án tập trung nghiên cứu làm rõ các vấn đề sau về thép austenite mangan
cao:


2

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng các nguyên tố Crom và Vanadi đến tổ chức
và cơ tính của thép austenite mangan cao sau khi đúc và xử lý nhiệt. Thăm dò nghiên cứu
ảnh hưởng của đất hiếm đến thép austenite mangan cao.
- Nghiên cứu ảnh hưởng quy trình xử lý nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép
austenite mangan cao.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của va đập đến tổ chức và cơ tính của thép austenite mangan
cao.
- Phân tích các quan điểm về cơ chế tăng bền đối với thép austenite mangan cao.
Về quy trình xử lý nhiệt: khi thay đổi hàm lượng V các mẫu được xử lý theo ba quy
trình khác nhau.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án:

Ý nghĩa khoa học
* Đã phân tích ảnh hưởng các nguyên tố tạo cacbit Cr, V đối với tăng cơ tính cho
thép austenite mangan cao.
* Trên cơ sở phân tích quá trình trình tiết và hòa tan cacbit, quá trình làm nhỏ hạt
austenite, xác định được quy trình nhiệt luyện hợp lý, tăng khả năng chống mài mòn và
tăng độ dai va đập cho thép.
* Đã nghiên cứu cơ chế biến cứng cơ học của thép austenite mangan cao dưới tác
dụng của lực va đập để từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến cứng cho thép. Việc
làm nhỏ hạt austenite sẽ có tác dụng tạo nhiều định hướng song tinh dưới tác dụng của tải
trọng dẫn đến tăng khả năng hóa bền của thép. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố trong nền
góp phần tăng tính chống mài mòn cho thép; ngăn cản quá trình chuyển động của lệch.
* Đã xác định được các phần tử cacbit, austenite trong thép ở kích thước nano và
phân tích ảnh hưởng của lớp nano bề mặt trong việc tăng cứng cho thép austenite mangan
cao.
Ý nghĩa thực tiễn
- Đã khẳng định được cơ chế hóa bền thép Mn15Cr2V, đưa ra phương pháp tăng bền
cho thép.
- Đã xây dựng được quy trình nhiệt luyện tăng bền cho thép Mn15Cr2V và đã được
áp dụng có hiệu quả để sản xuất búa đập đá.
Phương pháp nghiên cứu:
- Tập hợp tài liệu về thép mangan cao trong và ngoài nước.
- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp tổng hợp, đánh giá phân
tích, phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm.
Nội dung và bố cục của luận án
Luận án được chia làm 04 phần chính và mở đầu:
Mở đầu
Phần 1: Cơ sở lý thuyết.
Phần 2: Thực nghiệm.
Phần 3: Kết quả và bàn luận.
Phần 4: Kết luận chung

3

PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Đặc điểm của thép austenite mangan cao
Từ năm 1878, nhà luyện kim người Anh tên là Robert Hadfield đã bắt tay vào nghiên
cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan. Năm 1882
Hadfield đã nấu luyện thép với hàm lượng magan cao (gần 13%). Sau đó bốn năm, nhà
luyện kim trẻ tuổi của xứ Sepfin này đã ghi trong nhật ký của mình như sau: “Tôi đã bắt
đầu những thí nghiệm này vì quan tâm đến việc sản xuất một loại thép vừa cứng, đồng thời
lại vừa dai. Các thí nghiệm đã dẫn đến một kết quả đáng chú ý, rất quan trọng và đủ sức
làm thay đổi các quan điểm hiện hành của các nhà luyện kim đối với các hợp kim của sắt”.
Năm 1883, ông được cấp bằng phát minh đầu tiên của nước Anh về thép mangan sản xuất
bằng cách pha feromangan giàu mangan vào sắt. Trong những năm tiếp theo, ông tiếp tục
nghiên cứu những vấn đề liên quan với thép mangan. Năm 1883, các công trình của ông
“Nghiên cứu về mangan và việc sử dụng nó trong ngành luyện kim”, “Nghiên cứu về một
số tính chất mới phát hiện được của sắt và mangan” và “Nghiên cứu về thép mangan” đã
ra đời. Các công trình nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, nếu được tôi trong nước thì loại thép
mangan này có thêm những tính chất mới, rất ưu việt. Sau đó, Hadfield còn nhận được
hàng loạt bằng phát minh nữa liên quan với việc nhiệt luyện thép mangan, và đến năm
1901 thì ông được trao bằng phát minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trước
khi tôi.
Thép austenite mangan cao là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm
việc trong điều kiện va đập, dưới tác dụng của ứng suất pháp. Dưới tác dụng của ứng suất
tiếp (như phun cát) thép này lại bị mài mòn khá nhanh, như các loại thép khác. Sau khi đúc
và nhiệt luyện, thép austenite mangan cao có tổ chức austenite, chứa cacbon và mangan
cao. Dưới tải trọng va đập, austenite ở bề mặt nơi chịu va đập sẽ bị biến cứng, có độ cứng
cao, trong khi đó lõi vẫn giữ nguyên tổ chức austenite dẻo dai. Do cơ chế tự biến cứng khi

chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại cho đến khi bị mài mòn hết.

Hình 1.1: Mặt cắt giản đồ pha Fe-13Mn-C [28]


4
Thành phần hóa học của thép austenite mangan cao thông thường như sau:
Mn = 10 – 14%; C = 1,0 – 1,4%; tỷ lệ Mn : C = 10: 1
Giản đồ hình 1.1 cho thấy rằng với thành phần nguyên tố như thường sử dụng, sau
khi nung nóng đồng đều hóa thành phần trên 10000C, các nguyên tố hợp kim hòa tan hoàn
toàn vào austenite, khi làm nguội nhanh trong nước, thép có thành phần đồng nhất là γ
(austenite). Thép có thành phần khác nhau austenite sẽ chuyển thành mactenxit ở các nhiệt
độ khác nhau nhưng nói chung nhiệt độ bắt đầu chuyển biến (Ms) ở nhiệt độ âm. Với thép
chứa 13%Mn, 1,2%C nhiệt độ chuyển biến là -1960C [28], vì vậy sau khi đúc nung tôi trên
10000C và làm nguội trong nước thép có tổ chức hoàn toàn austenite.
Ở trạng thái đúc khi làm nguội chậm (ví dụ nhiệt độ dỡ khuôn thấp) và khi hóa già
thép có tổ chức austenite và cacbit.
Về tính chất thép austenite mangan cao có một số tính chất sau:
Có độ cứng, dẻo dai đặc biệt khi chịu tải trọng lớn tính chất này càng cao khi
tải trọng càng lớn.
Tính cơ học: độ bền σb = 800 – 1000Mpa, độ dãn dài σs = 40 – 50%.
Có tính đúc rất tốt nhưng tính gia công cơ khí kém.
Bảng 1.1: Tính đúc của thép austenite mangan cao [6]

Độ ngót khi đông đặc

Độ co tuyến tính tự do

Nhiệt độ đường lỏng

6,0%

2,4 - 3,0%

Khoảng 14000C

Thép này có tổ chức hoàn toàn austenite, dễ tiết ra cacbit loại (Fe,Mn)3C. Do đó cần
phải có một chế độ nhiệt luyện khắt khe để đảm bảo luôn luôn được tổ chức austenite hoàn
toàn không có cacbit tiết ra.

1.2. Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết chế tạo
từ thép austenite mangan cao
1.2.1. Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết chế tạo từ thép austenite
mangan cao làm việc trong điều kiện cần độ dai va đập và chống mài mòn
cao
Thép austenite mangan cao được ứng dụng chính trong chế tạo các chi tiết như búa
đập, tấm lót, răng gầu xúc… Các chi tiết này đều làm việc trong điều kiện va đập, chịu mài
mòn và bị chà xát. Trong nội dung của luận án, một số vấn đề về điều kiện làm việc có liên
quan đến vật liệu đã được đề cập.
Để có thể giới thiệu về điều kiện làm việc của các chi tiết được chế tạo từ thép
mangan cao, xin viện dẫn búa đập quặng như một ví dụ.
Búa đập được lắp trong máy nghiền búa. Các chi tiết trong máy nghiền bao gồm
khối quay trục chính, đĩa, trục ống và búa. Phần chính làm việc của máy nghiền búa là roto
và búa. Các ổ đĩa của động cơ roto xoay nhanh trong khoang nghiền. Khi nạp nguyên liệu
thô vào máy qua cửa cấp liệu do tác động của búa tốc độ cao, kích thước nguyên liệu được
nghiền nhỏ. Dưới roto có đĩa sàng để sàng các vật liệu với kích thước nhỏ hơn so với lưới
sàng sẽ được ra và giữ lại phần bột chưa đạt tiêu chuẩn cho việc nghiền tiếp cho đến khi
đạt đến kích thước chuẩn. Vật liệu được nạp vào máy nghiền từ phía trên của máy, nhờ
trọng lượng bản thân rơi hoặc trượt theo máng và vùng ra đập của búa đang quay với tốc
độ cao. Sau va đập, vật liệu bị vỡ thành nhiều mảnh và bay với góc phản chiếu khoảng 900,

tạo thành một vùng đập nghiền. Khi bay, các mảnh vỡ đập vào các tấm lót (được gắn vào


5
các tấm phản hồi) trên thành vỏ máy, bật ngược trở lại đầu búa để nghiền tiếp, cứ như vậy
cho đến khi đủ nhỏ lọt qua mẳt sang ra ngoài. Kích thước của sản phẩm cuối cùng có thể
được điều chỉnh bằng cách thay đổi các đĩa sàng. Khoảng cách giữa các roto và các đĩa
sàng cũng có thể được điều chỉnh theo yêu cầu khác nhau.

Hình 1.2: Mô phỏng quá trình làm việc của chi tiết búa đập làm từ thép austenite mangan cao [9]

Phần làm việc chịu mài mòn chính của búa đập là đầu búa. Chiều dài đầu búa được
lựa chọn theo kích thước của viên đá nạp lớn nhất.
Nếu Dmax ≤ 10 mm thì l = (1,4 -1,8) Dmax
Dmax = (100 -400) mm thì l = 0,6 Dmax
Trong đó: Dmax: kích thước đá nạp lớn nhất.
l: chiều dài đầu búa (thông thường chiều dài đầu búa được chọn bằng 0.5 chiều dài cả búa).
Động năng của búa: E = MoV2/2
Trong đó: Mo: là khối lượng búa (kg).
V: Tốc độ dài của búa (m/s).
Như vậy có thể thấy trong điều kiện làm việc, tốc độ quay của búa rất cao (100m/s),
khi nghiền quặng, búa sẽ bị đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà
xát theo ứng suất tiếp. Tính toán lực đập lên búa đập quặng ước tính khoảng 78N/cm2.
Tải trọng va đập trong quá trình làm thí nghiệm được tính toán lớn hơn rất nhiều so
với tải trọng mà viên quặng tác dụng lên đầu búa [23].
Ban đầu, khi quặng thô to, búa chủ yếu bị va đập mạnh. Hạt quặng càng nhỏ, búa sẽ
càng bị chà xát nhiều dẫn đến búa sẽ bị mòn dần. Cho đến khi búa mòn nhiều quá thì sẽ
phải dừng thiết bị để thay.
Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải có thể chịu được tải trọng
lớn khi va đập mạnh và có thể chịu được mài mòn trong quá trình bị chà xát. Có nghĩa là

vật liệu làm búa đập phải vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại
vừa cứng vững bên ngoài (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng). Các vật liệu loại này chỉ có thể
có được hóa nhiệt luyện (thấm bề mặt) hoặc sử dụng thép austenite mangan cao [5,6]. Tuy
nhiên, việc hóa nhiệt luyện cho chi tiết búa là rất đắt và hiệu quả không cao. Vì vậy, các
búa đập quặng thường được chế tạo từ thép austenite mangan cao (thép Hadfield) [6,11].
Trong điều kiện làm việc của búa, thép austenite mangan cao do có mangan cao có tổ
chức thuần austenite nên rất dẻo và có thể chịu được va đập với các loại quặng cứng. Khi
va đập với lực tác động mạnh, bề mặt thép bị biến cứng do có austenite chuyển biến thành
mactenxit hoặc tạo ra các song tinh cùng các xô lệch mạng. Càng va đập nhiều, lớp biến


6
cứng bề mặt này càng hình thành nhiều [5,6]. Khi kích cỡ hạt quặng nhỏ dần, sự chà xát
tăng lên làm lớp bề mặt biến cứng bị mòn dần đi, xuất hiện lớp biến cứng mới. Quá trình
cứ diễn ra như vậy cho đến khi búa mòn hẳn và hết hiệu quả sử dụng. Độ cứng của quặng
được chia theo thang bảng như sau:
 Độ bền và độ cứng.
 Độ bền của vật liệu đặc trưng cho khả năng chống phá hủy của chúng dưới
tác dụng của ngoại lực. Độ bền được biểu thị bằng giới hạn chịu nén của Rn (kG/cm2) của
vật liệu và được chia làm 4 loại:
▬ Kém bền:
<100 (than đá, gạch đỏ…)
▬ Trung bình:
100-500 (cát kết)
▬ Bền:
500-2500 (đá vôi, hoa cương, xỉ lò cao…)
▬ Rất bền:
>2500 (đá quazt, đá diabaz…)
 Độ cứng: hiện nay độ cứng chủ yếu xác định bằng thang 10 bậc do nhà
khoáng vật người Đức Fr. Mohs đề xuất với 10 vật liệu chuẩn từ mềm tới cứng:

Bảng 1.2: Thang độ cứng và phân loại các loại khoáng vật [8]
Độ cứng
Vật liệu chuẩn
Tính chất
1
Talc
Dễ vạch bằng móng tay
Mềm
2
Thạch cao
Vạch bằng móng tay
3
Can xit
Dễ vạch bằng dao
4
Florit
Khó vạch bằng dao
Trung bình
5
Apatit
Không vạch dược bằng dao
6
Tràng thạch
Cứng bằng kính cửa sổ
7
Đá quắc
Vạch được thủy tinh
8
Topa
Vạch được thủy tinh

Cứng
9
Corandong
Cắt được thủy tinh
10
Kim cương
Cắt được thủy tinh
Lọai

 Độ giòn
Đặc trưng cho khả năng bị phá hủy của vật liệu dưới tác động của lực va đập. Độ
giòn khác rất lớn giữa giới hạn bền nén và bền kéo.
Cấu trúc và kích thước tinh thể ảnh hưởng đến tính giòn. Cấu trúc còn quyết định
hình dạng của hạt khi vỡ ra trong quá trình nghiền. Vd: Galen (PbS) vỡ thành hình khối
vuông, mica vỡ thành miếng mỏng, magnetit vỡ thành các hạt tròn.
 Hệ số khả năng đập nghiền của vật liệu.
Hệ số khả năng đập nghiền là tỷ số giữa năng lượng tiêu tốn riêng khi đập nghiền vật
liệu chuẩn và các loại vật liệu khác với cùng mức độ và trạng thái đập nghiền.
Hệ số này càng lớn, vật liệu càng dễ đập nghiền. Nếu lấy hệ số khả năng đập nghiền
của vật liệu chuẩn là 1.0 (clinker lò quay trung bình) thì hệ số khả năng đập nghiền của
một số vật liệu sau:
Bảng 1.3: Hệ số khả năng đập nghiền của các loại vật liệu [12]
Vật liệu
Hệ số khả năng đập nghiền
Clinker lò quay trung bình
1,0
Clinker lò quay dễ đập nghiền
1,1
Clinker lò quay khó đập nghiền
0.8 - 0.9

7
Clinker lò đứng tự động
Clinker lò đứng thủ công
Diệp thạch
Xỉ lò cao trung bình
Cát
Đá hoa cương to hạt
Tràng thạch
Vôi sống
Talc
Than đá

1,15 - 1,25
1,3 – 1,4
0,9
1.0
0.6-0.7
0.9
0.8-0.9
1.64
1.04-2.02
0.75-1.34

Người ta quy ước chia quá trình đập nghiền thành các giai đoạn sau:

Đập

Nghiền

Bảng 1.4: Phân chia các giai đoạn đập và nghiền [12]
Giaiđoạn
Kích thước sản phẩm (mm)
Đập thô
>100
Đập trung bình
100 – 30
Đậpnhỏ
30 – 3
Đập mịn
3 – 0,5
Nghiền thô
0,5 – 0,1
Nghiền mịn
<0,1

Hệ số i
2–5
5 – 10
10 – 30
>30
>100
>500

Với các loại quặng quá mềm hoặc quá ẩm, búa sẽ không thể biến cứng được do lực
va đập quá nhỏ hoặc bị dính bết, dẫn đến hiệu quả nghiền không cao. Vì thế, việc lựa chọn
các loại búa sao cho phù hợp với các loại quặng khác nhau là vô cùng cần thiết. Các loại
búa đập làm từ thép austenite mangan cao chỉ có thể dùng cho các loại quặng có độ bền từ
kém bền đến bền còn những loại có độ bền rất cao như Corandong hay topa thì không thể

sử dụng loại thép này được.
Lực tác dụng vào búa để gây phá hủy trong quá trình va đập tồn tại hai dạng lực
chính là lực ly tâm trong quá trình búa chuyển động và động lượng gây ra trong quá trình
va chạm của búa với quặng. Nếu như lực này gây ra ứng suất nhỏ hơn ứng suất tới hạn thì
búa sẽ không bị phá hủy và sẽ bị hỏng chính là do quá trình mài mòn. Ngoài ra, nếu ứng
suất gây nên nhỏ hơn σ0.2 thì búa sẽ không bị biến dạng dẻo.
Có thể thấy trong điều kiện làm việc, tốc độ quay của búa rất cao (100m/s), khi
nghiền quặng, búa sẽ bị đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà xát
theo ứng suất tiếp.
Ban đầu, khi quặng thô to, búa chủ yếu bị va đập mạnh. Hạt quặng càng nhỏ, búa sẽ
càng bị chà xát nhiều dẫn đến búa sẽ bị mòn dần. Cho đến khi búa mòn nhiều quá thì sẽ
phải dừng thiết bị để thay.
Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải chịu được tải trọng lớn
khi va đập mạnh và chịu được mài mòn trong quá trình bị chà xát. Có nghĩa là vật liệu làm
búa đập phải vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại vừa cứng
vững bên ngoài (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng).
Thép mangan cao có thể đáp ứng yêu cầu này nếu được hợp kim hóa và nhiệt luyện
thích hợp.
Do có mangan cao sau khi nhiệt luyện, thép có tổ chức thuần austenite nên rất dẻo và
có thể chịu được va đập của các loại quặng cứng. Dưới tác động mạnh của lực va đập,
austenite chuyển biến thành mactenxit [6,11,61] hoặc tạo ra song tinh, xô lệch mạng


8
[24,25, 27,28, 29,34,50,57,68], bề mặt thép bị biến cứng. Lượng va đập càng lớn hoặc thời
gian va đập kéo dài, lớp biến cứng bề mặt này càng hình thành nhiều. Khi kích cỡ hạt
quặng nhỏ dần, sự chà xát tăng lên làm lớp bề mặt biến cứng chịu mài mòn, bị mòn dần đi,
lớp biến cứng mới xuất hiện. Quá trình cứ diễn ra như vậy cho đến khi búa mòn hẳn và hết
hiệu quả sử dụng.
Với các loại quặng quá mềm hoặc quá ẩm, búa sẽ không thể biến cứng được do lực

va đập quá nhỏ hoặc bị dính bết, dẫn đến hiệu quả nghiền không cao. Vì thế, việc lựa chọn
các loại búa sao cho phù hợp với các loại quặng khác nhau là vô cùng cần thiết. Các loại
búa đập làm từ thép austenite mangan cao chỉ có thể dùng cho các loại quặng có độ cứng
thích hợp.
1.2.2. Các dạng sai hỏng, nguyên nhân và cách khắc phục
Nứt, vỡ búa: nguyên nhân chính là do có hiện tượng thiên tích xuất hiện trong
búa do quá trình nhiệt luyện chưa triệt để, chưa hòa tan được hết cacbit dư vào trong nền
austenite còn tồn tại thiên tích nhánh cây làm giảm độ dai của búa. Hình 1.3 chỉ rõ tổ chức
tế vi của búa đập có và không thiên tích; theo đó tổ chức ở hình 1.3a là của búa đập bị vỡ
trả lại, còn hình 1.3b là búa đập xuất khẩu. Để khắc phục hiện tượng này, cách duy nhất là
phải tính toán và lựa chọn chế độ nhiệt luyện hợp lý cho từng chủng loại búa khác nhau.

Hình 1.3: Tổ chức tế vi của búa đập có thiên tích và không có thiên tích [9]

Búa bị mài mòn nhanh: nguyên nhân chính là không tạo ra được hoặc tạo ra rất
ít lớp bề mặt biến cứng. Sở dĩ có điều này là do ngoài việc sử dụng búa đập các loại quặng
có độ cứng không hợp lý còn do việc hợp kim hóa và chọn chế độ nhiệt luyện không hợp
lý. Các nghiên cứu mới đây chỉ ra rằng nếu lựa chọn được một chế độ hợp kim hóa và
nhiệt luyện hợp lý thì có thể cải thiện cơ tính của búa đập làm từ thép austenite mangan cao
lên rất nhiều do tạo được các pha gia cứng trong nền austenite [42,51,54,62]. Hiện nay, các
búa đập được sản xuất trong nước nói chung vẫn áp dụng chế độ nhiệt luyện cũ là chỉ nung
đến 10500C rồi làm nguội trong nước trong khi các nghiên cứu của nước ngoài đã kết hợp
ram và tôi để tạo tổ chức nhỏ mịn và có độ chịu mài mòn cao. Chính nhờ chế độ nhiệt
luyện này, các pha nền của búa đập trong nước và nước ngoài cũng khác hẳn nhau. Hình
1.4 cho thấy mẫu búa (hình 1.4b) có tổ chức nhỏ mịn hơn hẳn so với tổ chức của búa đập
trong nước (hình 1.4a). Đó chính là lý do vì sao búa nhập ngoại bền hơn búa trong nước.


9

Hình 1.4: Tổ chức tế vi mẫu búa trong nước (a) và nhập ngoại (b) [9]

Các sai hỏng khác: các sai hỏng về kích thước và hình dạng chủ yếu xuất hiện
trong quá trình đúc chứ không xuất hiện dưới các điều kiện làm việc khác nhau của búa.

1.3. Các dạng thép austenite mangan cao
Trên cơ sở phân tích đặc điểm điều kiện làm việc của thép austenite mangan cao và
quá trình hình thành phát triển của thép này có thể phân chia ra một số nhóm thép mangan
cao như sau :
Ở Nga chỉ có một mác thép austenite mangan cao với ký hiệu 110Γ13A (trước đây là
Γ13A hay đơn giản hơn chỉ là Γ13) mà các điều kiện kỹ thuật của nó được quy định ở
ΓOCT2176 – 77.
Bảng 1.5: Thành phần hóa học thép Γ13 (tính theo % nguyên tố) [7]

C

Mn

Cr

 1,0

Ni

Si

Cu

P

0,8-1,0
 0,3
1,0
Một số tính chất và tính công nghệ của 110Γ13A ở bảng dưới:

0,9-1,4

11,5-15,0



S

 0,12



0,05

Bảng 1.6: Cơ tính của vật đúc thành dày 30mm bằng mác 110Γ13A sau khi tôi 1050-11000C trong
nước [7]

R0.2
MPa

Rm
MPa

As
%

Z
%

360380

650830

3453

3443

Độ dai va đập (KCU),J/cm2,ở các nhiệt
độ,0C
+20

-20

-40

-60

-80

2635

2432

2230

1930

9-21

HB
186229

Tiêu chuẩn của Mỹ
Điều kiện của thép đúc austenite mangan cao của Mĩ hợp kim hóa bằng Mn và có tổ
chức austenite được quy định trong tiêu chuẩn ASTM A128 – 90, có các mác Grade A,
Grade B – 1, Grade B – 2, Grade B – 3, Grade B – 4, Grade C, Grade D, Grade E – 1,
Grade E – 2.


10
Bảng 1.7: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của Mỹ theo tiêu
chuẩn ASTM A128-90 [13]

Grade
A
B–1
B–2
B–3
B–4

C
10,5-1,35
0,9-1,05
1,05-1,2
1,12-1,28

1,2-1,35

Mn
11,00min
11,5-14,0
11,5-14,0
11,5-14,0
11,5-14,0

Cr
-

Mo
-

Ni
-

Simax
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00

Pmax
0,070
0,070
0,070
0,070

0,070

Tiêu chuẩn của Nhật
JIS G5131 – 91 quy định điều kiện kĩ thuật cho các mác thép austenite mangan cao
gồm 5 mác SCMn H1, SCMn H2, SCMn H3, SCMn H11, SCMn H21
Bảng 1.8: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của Nhật theo tiêu
chuẩn JIS G5131-91 [9]

Mác thép
SCMnH1
SCMnH2
SCMnH3

C
0,90-1,30
0,90-1,20
0,90-1,20

Mn
11,0-14,0
11,0-14,0
11,0-14,0

Pmax
0,10
0,07
0,05

Smax
Simax

0,05
0,04
0,80
0,035 0,30-0,8

Cr
-

V
-

Sau khi đúc thép được sử dụng ở trạng thái austenite hóa ở trên 10000C để khử bỏ
(hòa tan) hết cacbit Mn3C, thép có tổ chức hầu như hoàn toàn austenite. Cơ tính sau khi
austenite hóa (tôi) được giới thiệu ở bảng sau:
Bảng 1.9: Cơ tính của các mác thép austenite mangan cao ở trạng thái austenite hóa theo JIS
G5131-91 [9]

Mác thép
SCMnH1
SCMnH2
SCMnH3

Nhiệt độ
austenite
hóa,0C
1000
1050
1050

R0.2min,

MPa

Rmmin, MPa

A, min

-

740
740

35
35

Ghi chú

Theo JIS G5131-91 công dụng của thép như sau:
SCMn H1 - thông dụng (thông thường)
SCMn H2 - thông dụng (cao cấp không từ tính)
SCMn H3 - ghi đường sắt
Trong thép austenite mangan cao với hàm lượng mangan lớn hơn 15% gần đây đã
được nghiên cứu và phát triển để ứng dụng cho các chi tiết đòi hỏi độ từ thẩm thấp, nhiệt
độ thấp, và đảm bảo độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. Các ứng dụng này chủ yếu sử dụng trong
công nghệ của ngành giao thông vận tải và nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch và phản ứng
hạt nhân [13].
Với hàm lượng Mn lớn, theo tài liệu [55] tác giả đã chỉ ra khi hợp kim hóa với hàm
lượng Mn lớn sẽ tăng được khả năng chống mài mòn cho chi tiết.
Đặc điểm của nhóm vật liệu này thường sử dụng với hàm lượng cacbon tương đối
thấp dưới 1%C và hàm lượng Mn tương đối cao trên 15% thậm chí có thể đạt tới 30%Mn