Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

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

Nguyễn Ngọc Huân

ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ DỠ KHUÔN ĐẾN CHẤT LƢỢNG VẬT
ĐÚC THÉP MANGAN CAO

Chuyên ngành :

Kỹ thuật Vật liệu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. PHẠM MAI KHÁNH

Hà Nội – 2015


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

MỤC LỤC

NỘI DUNG

TRANG

Mục lục

1

Danh mục hình

3

Danh mục bảng

6

Lời nói đầu

7

Phần I: Tổng quan

9

1.1. Khái niệm về thép hợp kim mangan cao

9

1.2. Tính chất thép hợp kim mangan cao

10

1.3. Ứng dụng của thép hợp kim mangan cao

11

1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

11

1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước

14

Phần II: Phân tích điều kiện làm việc và chất lƣợng vật đúc làm bằng

17

thép hợp kim mangan cao
2.1. Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của vật đúc làm bằng thép

17

Mn cao (chọn chi tiết búa đập)
2.2. Các dạng sai hỏng, nguyên nhân và cách khắc phục

29

Phần III: Cơ sở lý thuyết

32

3.1. Ảnh hưởng các nguyên tố hợp kim đến thép austenite mangan cao

32

3.1.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng cacbon và mangan

32

3.1.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Crom

35

3.1.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Vanadi

37

3.1.4. Ảnh hƣởng của các nguyên tố khác

41

3.1.5. Ảnh hƣởng của tạp chất

44

3.2. Ảnh hưởng của cacbit và pha nền

44

1


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

3.3. Ảnh hưởng của công nghệ đúc rót

45

3.4. Ảnh hưởng của quy trình xử lý nhiệt

47

Phần IV: Nội dung, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu

55

4.1. Vật liệu và mẫu nghiên cứu

55

4.2. Các bước tiến hành thực nghiệm

56

Phần V: Kết quả thực nghiệm

61

5.1. Kết quả đo nhiệt độ dỡ khuôn

61

5.2. Tổ chức tế vi mẫu sau đúc

62

5.3. Tổ chức tế vi mẫu sau nhiệt luyện

64

5.4. Kết quả đo cơ tính

71

5.4.1. Đo độ cứng (HB)

71

5.4.2. Đo độ dai va đập (J/cm2)

72

5.5. Phân tích hàm lượng cacbit mẫu thép mangan cao dỡ khuôn ở

73

7000C
5.6. Phân tích tổ chức tế vi khi giữ nhiệt mẫu 1 ở 6500C

75

Kết luận và kiến nghị

78

I. Kết luận

78

II. Kiến nghị

78

Tài liệu tham khảo

79

2


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

DANH MỤC HÌNH
NỘI DUNG

TRANG

Hình 1.1. Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe – 13Mn –C

9

Hình 1.2. Thép búa công ty TNHH Đúc Thắng lợi (Nam định) X2500

13

Hình 1.3. Tổ chức song tinh tạo ra khi biến dạng tốc độ lớn

13

Hình 1.4. Một số sản phẩm búa đập và tấm lót trong sản xuất xi măng

15

Hình 2.1. Mô phỏng quá trình làm việc của chi tiết búa đập làm từ thép

18

austenit mangan cao
Hình 2.2. Cấu tạo và kích thước của rôto và búa

26

Hình 2.3. Tổ chức tế vi của búa đập có thi n tích và không có thi n tích

30

Hình 2.4. Tổ chức tế vi mẫu búa trong nước (a) và nhập ngoại (b)

31

Hình 3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến đường Acm

32

Hình 3.2. Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng cacbon của thép austenite

33

mangan từ 12,2 đến 13,8%Mn
Hình 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng mangan đến cơ tính của thép

34

austenite mangan cao với hàm lượng 1,15%C
Hình 3.4. Ảnh hưởng của Cr đến vùng

tr n giản đồ pha Fe –

36

C
Hình 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng Crom đến cơ tính của thép mangan

36

đúc
Hình 3.6. Giản đồ trạng thái hệ Fe –V

38

Hình 3.7. Giản đồ trạng thái hệ Fe – V - C

38

Hình 3.8. Phân tích thành phần cacbit bên trong thép austenit mangan

41

cao

3


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Hình 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng molypden đến cơ tính của thép

42

mangan đúc
Hình 3.10. Cấu trúc đặc trưng của thép mangan mác A 128 (ti u chuẩn

48

ASTM), mã B-3. (a) Vị trí tr n cùng là vật liệu đúc dày 76mm với lượng
cacbit lớn dọc theo bi n hạt. (b)Vị tr n b n dưới: 76 mm) vật liệu nung
nóng đến 1.1200C (20500F) 76 mm và được tôi nước.
Hình 3.11. Đường nguội cho thép austenit mangan với các độ dày khác

49

nhau
Hình 3.12. Quy trình nhiệt luyện truyền thống

51

Hình 3.13. Quy trình nhiệt luyện mẫu

54

Hình 4.1. Bản vẽ hệ thống mẫu và vị trí gắn can nhiệt

55

Hình 4.2. Lò nung theo chu trình

57

Hình 4.3. Giản đồ nhiệt luyện mẫu

58

Hình 4.4. Máy mài mẫu Struers – Labopol 25

59

Hình 4.5. Kính hiển vi quang học Axiovert 25A dùng trong nghi n cứu

59

Hình 4.6. Thiết bị xác định độ cứng thô đại Mitutoyo

60

Hình 5.1. Nhiệt độ dỡ khuôn

61

Hình 5.2. Tổ chức tế vi của mẫu sau đúc dỡ khuôn tại các nhiệt độ khác

62

nhau
Hình 5.3. Ảnh SEM và BSED mẫu số 1 sau đúc (700oC)

63

Hình 5.4. Tổ chức tế vi các mẫu sau nhiệt luyện

64

Hình 5.5. Ảnh SEM và BSED sau nhiệt luyện mẫu 1(7000C) và mẫu

66

4(nhiệt độ thường)
Hình 5.6. Phân tích EDS vùng Mẫu 1(7000C)

4

67


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Hình 5.7. Phân tích EDS điểm mẫu số 1(7000C)

67

Hình 5.8. Phân tích mapping mẫu số 1(7000C)

68

Hình 5.9. Phân tích EDS Lines mẫu số(7000C)

69

Hình 5.10. Ảnh SEM và EDS sau nhiệt luyện mẫu 3 (dỡ khuôn ở 9000C)

70

Hình 5.11. Đồ thị độ cứng của các mẫu dỡ khuôn tại các nhiệt độ khác

71

nhau và sau nhiệt luyện
Hình 5.12. Đồ thị độ dai va đập của các mẫu dỡ khuôn tại các nhiệt độ

71

khác nhau
Hình 5.13. Tẩm thực màu mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt khác nhau

73

Hình 5.14. Phân bố và phần trăm cacbit sau các chế độ xử lý khác nhau

75

Hình 5.15. Tổ chức tế vi mẫu 1(7000C) sau khi xử lý ở 6500C

75

Hình 5.16. Phân tích EDS Lines mẫu 1 (7000C)

76

Hình 5.17. Phân tích EDS điểm mẫu 1 (7000C)

77

5


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

DANH MỤC BẢNG
NỘI DUNG

TRANG

Bảng 1.1. Tính đúc của thép austenite mangan cao

10

Bảng 2.1. Thang độ cứng và phân loại các loại khoáng vật

20

Bảng 2.2. Hệ số khả năng đập nghiền của các loại vật liệu

21

Bảng 2.3. Phân chia các giai đoạn đập và nghiền

22

Bảng 2.4. Thành phần hóa học thép 13 (tính theo % nguy n tố)

28

Bảng 2.5. Cơ tính của vật đúc thành dày 30mmbằng mác 110 13A

29

sau khi tôi 1.050÷1.1000C trong nước
Bảng 3.1. Tính chất vật lý của Crom

35

Bảng 3.2. Thành phần và cơ tính của thép austenite mangan cao có

39

th m vanađi
Bảng 3.3. Độ cứng một số cacbit

44

Bảng 3.4. Độ cứng một số pha nền

45

6


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

LỜI NÓI ĐẦU
Thực hiện chủ trƣơng đƣờng lối của Đảng và Nhà nƣớc về đổi mới mô hình
tăng trƣởng, cơ cấu lại nền kinh tế, xây dựng nền tảng để sớm đƣa nƣớc ta cơ bản trở
thành nƣớc công nghiệp theo hƣớng hiện đại đến năm 2020. Do đó, ngành công nghệ
vật liệu phải là ngành đƣợc ƣu tiên phát triển hàng đầu. Nói đến vật liệu, không thể
không nói đến vật liệu kim loại, từ khi đƣợc loài ngƣời phát hiện, khai thác và sử dụng
cho đến nay, vật liệu kim loại vẫn luôn chiếm vị trí quan trọng nhất, có mặt ở khắp mọi
nơi, trong mọi ngành, mọi lĩnh vực của đời sống, sản xuất, nghiên cứu khoa học…
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp đòi hỏi vật
liệu kim loại phải có những tính năng nhƣ tính bền nhiệt cao hơn, khả năng chịu mài
mòn, khả năng chịu va đập tốt hơn, tính biến dạng, độ cứng và độ dẻo dai cao hơn.
Thép hợp kim là loại thép có một số nguyên tố có lợi đƣợc chủ động đƣa thêm
vào một hàm lƣợng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho phù
hợp với yêu cầu, điều kiện sử dụng. Các nguyên tố hợp kim thƣờng gặp trong thép là
mangan (Mn), crom (Cr), vanadi (v), vonfram (W), titan (Ti), molipđen (Mo), silic
(Si), niken (Ni), đồng (Cu)…Thép mangan cao là một trong những loại thép hợp kim

ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong sản xuất bởi khả năng làm việc chịu va đập cao,
khi có lực cơ học tác dụng lên chi tiết làm từ vật liệu này làm cho lớp trên bề mặt sẽ bị
biến cứng. Chiều dày lớp biến cứng tùy thuộc vào độ lớn của lực tác dụng, nhƣ quả
trình tiếp xúc va đập với vật liệu nghiền trong máy nghiền hay đất đá tiếp xúc với gầu
xúc. Trong khi đó, phần vật liệu trong lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai nên chi tiết chịu
đƣợc va đập cao. Khi lớp biến cứng trên bề mặt của chi tiết bị mài mòn, thì lớp bên
trong lộ ra tiếp tục đƣợc biến cứng trong qua trình chịu sự va đập sẽ thay thế lớp bề
mặt đã mài mòn.

7


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Các ngành sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng, khai khoáng, khai thác đất đá,…
đang ngày càng phát triển đòi hỏi nâng cao năng suất và sản lƣợng khai thác, sản xuất.
Do đó, nhu cầu các loại phụ tùng thay thế cũng tăng theo. Trong đó, hầu hết các phụ
tùng thay thế cho các ngành nói trên đều đƣợc sản xuất từ thép Mangan cao.
Mỗi quy trình xử lý vật liệu và sản phẩm thép Mangan cao đều có ảnh hƣởng
nhất định đến cơ tính, lý tính của thép. Nhận thấy tầm quan trọng của thép Mangan cao
trong những ngành công nghiệp nêu trên cũng nhƣ ảnh hƣởng nhất định của nhiệt độ
dỡ khuôn đến cơ tính của thép mangan cao cho đến nay vẫn chƣa có công trình hay tài
liệu nghiên cứu nào đƣợc công bố, nên tôi chọn Đề tài: “Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ
khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao”.
Sau thời gian tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm, Đề tài đã đƣợc hoàn thành mục
tiêu và nội dung đặt ra cho một luận văn cao học. Tuy nhiên do hạn chế về thời gian
điều kiện cho phép nên Đề tài này còn nhiều vấn đề cần tiếp tục đƣợc nghiên cứu sâu
hơn và ở phạm vi rộng hơn.
Đề tài đã đƣợc hoàn thành với sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Phạm Mai Khánh
cùng với sự giúp đỡ tận tình của ThS. Nguyễn Dƣơng Nam trong bộ môn Vật Liệu và

Công Nghệ Đúc - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các kết quả nghiên cứu trong
Luận văn này là kết quả nghiên cứu chung của nhóm nghiên cứu thép Mn cao. Các
thành viên trong nhóm hoàn toàn có thể sử dụng để báo cáo trong luận án, đồ án của
mình. Luận văn cao học cũng nhận đƣợc sự giúp đỡ và hỗ trợ tận tình của Công ty
TNHH Đúc Thắng Lợi – Nam Định (Vico).
Để có thể hoàn thành Đề tài này, tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các
Thầy/Cô của Bộ môn và Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu đã tận tình chỉ bảo và
giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu cũng nhƣ thực hiện Luận văn này./.
Hà Nội, ngày……tháng……năm 2015
Học viên

8


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

PHẦN I: TỔNG QUAN
1.1 . KHÁI NIỆM VỀ THÉP HỢP KIM MANGAN CAO.
Thép hợp kim mangan cao là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi
làm việc trong điều kiện chịu va đập, dƣới tác dụng của ứng suất pháp; dƣới tác dụng
của ứng suất tiếp (nhƣ phun cát) thép này lại bị mài mòn khá nhanh, nhƣ các loại thép
khác. Sau khi đúc và nhiệt luyện, thép hợp kim mangan cao có tổ chức Austenite, hàm
lƣợng cacbon và mangan cao (hay còn gọi là thép austenite mangan cao). Khi chịu 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 [2,5]. Do cơ chế tự biến cứng khi
chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại cho đến khi bị mài mòn quá giới hạn làm
việc cho phép của chi tiết.

Hình 1.1. Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe – 13Mn –C [11]
Thành phần hóa học của thép austenit mangan cao thông thƣờng nhƣ 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 nhƣ thƣờng sử dụng,
sau khi nung nóng đồng đều hóa thành phần trên 1.0000C, các nguyên tố hợp kim hòa
tan hoàn toàn vào Austenite, khi làm nguội nhanh trong nƣớc, 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 nhƣng nói chung nhiệt độ bắt đầu chuyển biến

9


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

(Ms) là ở nhiệt độ âm. Với thép chứa 13%Mn, 1,2%C nhiệt độ chuyển biến là -1960C,
vì vậy sau quá trình đúc, nung và tôi trên 1.0000C, sau đó đƣợc làm nguội trong nƣớc
thì kết quả nhận đƣợc 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 austenit và cacbit.
Thành phần hóa học của thép hợp kim mangan cao (thép Hadfield) thông thƣờng
nhƣ sau:
Mn = 10 – 14%, C = 1,0 – 1,4%, tỷ lệ C : Mn = 1 : 10
Và mác thép tương đương là 13 (theo ti u chuẩn của Nga) có thành phần [5]:
C

Mn

0,9-1,4

11,5-15,0

Cr

Ni

 1,0 

1,0

Si
0,8-1,0

Cu



0,3

P

 0,12

S



0,05

1.2. TÍNH CHẤT THÉP HỢP KIM MANGAN CAO.
Đây là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc dƣới tải trọng
va đập (dƣới tác dụng của ứng suất pháp), dƣới tác dụng của ứng suất tiếp (nhƣ phun
cát) lại bị mài mòn khá nhanh nhƣ các loại mác thép khác. Thép có tổ chức Austenite,

chứa cacbon và mangan cao. Dƣới tải trọng va đập Austenite ở bề mặt, nơi chịu va đập
sẽ chuyển biến thành Mactenxit 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 trong suốt quá trình làm việc. Thép này có tính gia công cắt rất kém,
thƣờng chỉ dùng ở trạng thái vật đúc.
Đây là loại thép hợp kim đặc biệt, 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.
10


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

 Tính cơ học: độ bền

 b = 800 ÷ 1.000MPa, độ dãn dài  s = 40 ÷ 50%,

 Có tính đúc rất tốt, nhƣng gia công cơ khí kém.
Thép này có tổ chức hoàn toàn Austenite, dễ tiết ra cacbit loại (Fe,Mn)3C, Mn23C6,
Mn7C3…. Do đó cần phải có một chế độ nhiệt luyện khắt khe để đảm bảo luôn luôn
đƣợc tổ chức Austenite, hoàn toàn không có cacbit tiết ra.

1.3. ỨNG DỤNG CỦA THÉP HỢP KIM MANGAN CAO
Thép hợp kim mangan cao đƣợc sử dụng để chế tạo:
 Răng gầu máy xúc đất, đá, sỏi.
 Làm xích xe ủi, xe tăng.
 Làm phễu chất liệu, làm ruột xoắn trong máy thiêu kết.
 Làm mũi khoan đất, đá sỏi.
 Thanh đập nghiền, búa đá trong công nghiệp sản xuất xi măng.
 Làm than vỏ máy nghiền bi và nghiền xoáy, hàm (má) và thân máy nghiền.

1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI
Từ năm 1878, nhà luyện kim ngƣời 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 lƣợng mangan cao (gần 13%). Sau đó bốn
năm, Nhà luyện kim trẻ tuổi của xứ Sepfin này đã ghi trong nhật ký của mình nhƣ 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 đƣợc cấp bằng phát minh đầu tiên của nƣớc
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 “Nghi n 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

11


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

mangan” và “Nghi n cứu về thép mangan” đã ra đời. Các công trình nghiên cứu này đã
chỉ ra rằng, nếu đƣợc tôi trong nƣớc thì loại thép mangan này có thêm những tính chất
mới, rất ƣu việt. Sau đó, Hadfield còn nhận đƣợc hàng loạt bằng phát minh nữa liên
quan với việc nhiệt luyện thép mangan, và đến năm 1901 thì ông đƣợc trao bằng phát
minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trƣớc khi tôi. Ngày nay, trải qua
nhiều năm nghiên cứu và phát triển, thép mangan cao đã có những ứng dụng rất nhiều
trong các lĩnh vực công nghiệp. Đặc biệt là trong công nghiệp khai khoáng, công
nghiệp xi măng, đƣờng sắt… Đó là các chi tiết chịu mài mòn và chịu va đập dƣới áp
lực cao. Cơ chế tăng bền chủ yếu là do quá trình chuyển biến austenite thành mactenxit
do sự trƣợt mạng. Ngoài ra, cơ chế này giải thích nếu tạo ra carbit tập trung ở biên giới

hạt sẽ có ảnh hƣởng không tốt cho quá trình tăng bền của thép. Carbit tập trung ở biên
giới hạt tạo nên ứng suất gây phá hủy chi tiết. Chính vì điều này nên thép mangan cao
không sử dụng các nguyên tố tạo carbit mạnh nhƣ V, Cr… để tăng tính chống mài
mòn. Hơn nữa, nếu theo quan điểm trên thì khi hợp kim quá nhiều Mn làm tăng tính ổn
định của austenite dẫn đến quá trình chuyển biến khó khăn hơn vì vậy hàm lƣợng
mangan tối đa chỉ nên 13%.
+ Tuy nhiên. nhiều tài liệu trên thế giới đặc biệt là ở một số nƣớc châu Á nhƣ
Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản… từ năm 2008 đến nay đã phát hiện và cho thấy độ
cứng của thép tăng lên trong quá trình làm việc không phải do chuyển biến mactenxit,
hay ít ra là trong phần lớn các trƣờng hợp không phải do chuyển biến mactenxit. Bằng
chứng là rất ít hoặc hầu nhƣ không có tác giả nào chụp ảnh đƣợc tổ chức mactenxit
ngay cả với các phƣơng tiện hiện đại.

12


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Hình 1.2. Thép búa công ty TNHH Đúc Thắng lợi (Nam định) X2500
Nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng sự tăng độ cứng trong quá trình làm việc
của thép mangan cao là do xô lệch, do song tinh, do khuyết tật, do biên giới của
austenite tạo ra trong quá trình biến dạng.

Hình 1.3. Tổ chức song tinh tạo ra khi biến dạng tốc độ lớn [7]
Trên quan điểm đó, sự ổn định của austenite trở nên không đáng ngại nữa, miễn
sao tạo ra nhiều song tinh, nhiều biên giới hạt. Và vì thế, giới hạn hàm luợng mangan
không phải là 13% mà có thể cao hơn, lên đến 16 hay 18% hoặc hơn nữa. Quá trình
đúc và nhiệt luyện phải tạo ra tổ chức hạt càng nhỏ càng tốt [7,8,9,10].
+ Một quan điểm mới, khác hẳn với các quan điểm trƣớc đây, cũng rất có lý là
nếu trong tổ chức có carbit thì tính chống mài mòn tăng, độ cứng tăng, tuổi thọ tăng.

Cacbit chỉ gây giòn khi tập trung ở biên giới hạt. Nếu bằng quá trình nhiệt luyện, thay

13


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

đổi sự phân bố cacbit đều trong hạt thì tính chống mài mòn của thép tăng lên nhiều và
tuổi thọ của chi tiết sẽ tăng lên. Quan niệm đó dẫn đến biện pháp công nghệ là hợp kim
hoá thêm các nguyên tố tạo cácbit và thay đổi chế độ xử lý nhiệt điều chỉnh sự phân bố
cacbit.
Từ những quan niệm đó thấy rằng có thể nâng cao chất lƣợng búa đập làm từ
thép họ mangan cao nếu thay đổi thành phần hóa học, chế độ đúc và chế độ nhiệt
luyện. Trong đó, tổ chức vật liệu trƣớc khi nhiệt luyện cũng có vai trò quan trọng, ảnh
hƣởng nhất định đến tổ chức sau nhiệt luyện và do đó ảnh hƣởng đến cơ tính và tuổi
thọ làm việc của vật liệu, nghiên cứu thành công sẽ góp phần rút ngắn thời gian sản
xuất sản phẩm đúc, làm tăng hiệu quả và tính kinh tế trong quá trình sản xuất sản phẩm
cuối cùng là các chi tiết từ thép austenite mangan cao. Khảo sát quá trình chuyển biến
nhiệt trung gian sau quá trình đúc và trƣớc khi nhiệt luyện là cần thiết, đến nay vẫn
chƣa có công trình hay tài liệu nghiên cứu khoa học nào liên quan đến yếu tố ảnh
hƣởng của nhiệt độ dỡ khuôn, vì thế Đề tài đã dự định khảo sát và nghiên cứu theo
hƣớng đó.

1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC.
Nhu cầu thép mangan cao ở Việt Nam không ngừng tăng về số lƣợng cũng nhƣ
chủng loại cũng nhƣ yêu cầu kéo dài thời gian làm việc của chi tiết làm từ vật liệu này
nên đòi hỏi phải nâng cao chất lƣợng vật liệu.
Trong lĩnh vực khai khoáng, đất nƣớc ta với trữ lƣợng khoáng sản tƣơng đối
lớn, nhu cầu phát triển ngành công nghiệp này là rất lớn nên trong những năm tới đây
việc khai thác các khoáng sản phục vụ nhu cầu trong nƣớc tiếp tục tăng cao. Các quặng

sau khi khai thác lên cần đập nghiền thành sản phẩm có kích thƣớc thích hợp cho chế
biến tiếp theo, do vậy cần nhiều các chi tiết phục vụ cho khai khoáng làm từ thép
mangan cao.

14


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Hình 1.4. Một số sản phẩm búa đập và tấm lót trong sản xuất xi măng
Trong lĩnh vực quân sự, các chi tiết hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt nhƣ
bộ phận xích xe tăng, các xe kéo bánh xích là một ứng dụng sử dụng họ thép mangan
điển hình. Việc chủ động sản xuất một số chi tiết thay thế là một yêu cầu cấp thiết.
Để đáp ứng yêu cầu này của quân đội, trƣớc đây vật liệu thép mangan cao chủ
yếu phải nhập ngoại. Song nhiều khi do không thể nhập đƣợc đúng kích cỡ và quy cách
phù hợp với chi tiết, bộ phận cần thay thế nên vật liệu nhập khẩu sử dụng vừa lãng phí,
vừa không đảm bảo đƣợc chất lƣợng sản phẩm và không đáp ứng thời gian yêu cầu.
Từ đầu những năm 1960 và những năm tiếp theo, cùng với việc phát triển các
nhà máy cơ khí, các phân xƣởng thép có lò điện hồ quang cỡ nhỏ, lò tần số cũng đƣợc
xây dựng. Các phân xƣởng này đã nấu luyện các loại thép hợp kim và đúc rót ra nhiều
chi tiết và một số thỏi nhỏ để rèn, từng bƣớc thay thế một phần thép mangan nhập
ngoại. Qua gần 50 năm phát triển, ở những nhà máy cơ khí, công suất thiết bị nấu
luyện và chủng loại sản phẩm thép hợp kim đƣợc tăng lên và mở rộng. Những sản
phẩm trên đã góp phần khôi phục và phát triển kinh tế. Song việc sản xuất còn mang
tính tự cung, tự cấp trong từng ngành, từng cơ sở, và theo những yêu cầu riêng của
từng thời kì, ít khi nghiên cứu và ứng dụng sản xuất hàng loạt mang tính ổn định, lâu
dài.
Mặc dù có nhiều cơ sở trong nƣớc sản xuất thép mangan cao nhƣng cho đến nay
chƣa có những nghiên cứu đầy đủ về cơ chế tăng bền và ảnh hƣởng của một số yếu tố
đến tổ chức, tính chất của họ thép này. Việc cập nhật những nghiên cứu mới còn chậm,

15


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Đặc biệt là cập nhật các thông tin về cơ chế chuyển biến của thép này tại các nƣớc châu
Á, nơi có điều kiện làm việc của chi tiết nhƣ ở nƣớc ta. Chính vì quan niệm về cơ chế
chuyển biến, thành phần thép không đƣợc cập nhật, tiếp cận theo nghiên cứu mới,
không có sự thay đổi công nghệ đã dẫn đến tuổi thọ của chi tiết do các cơ sở trong
nƣớc còn thấp.
Các quan niệm về cơ chế chuyển biến, thành phần, các chế độ xử lý sau nấu
luyện và đúc tại các nƣớc châu Á hiện đã có sự thay đổi, khác xa rất nhiều so với công
nghệ trƣớc đây. Theo các tài liệu mà tác giả thu thập đƣợc trong thời gian gần đây ở
các nƣớc châu Á, công nghệ chế tạo thép mangan cao đã biến đổi rất lớn: từ quan niệm
về cơ chế tăng bền, phƣơng thức hợp kim hóa đến chế độ xử lý nhiệt. Tuy nhiên, các
kết quả nghiên cứu đó hiện chƣa đƣợc quan tâm một cách đúng mức ở Việt Nam. Các
nhà máy, công ty sản xuất sản phẩm đúc từ thép austenite mangan cao chƣa có đƣợc
những kết quả nghiên cứu cụ thể để đƣa vào ứng dụng một cách hữu hiệu.

16


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

PHẦN II: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ
CHẤT LƢỢNG VẬT ĐÚC THÉP MANGAN CAO
2.1. Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của vật đúc làm bằng thép
mangan cao (chọn chi tiết búa đập)
Thép austenite mangan cao đƣợc ứng dụng chính trong chế tạo các chi tiết nhƣ
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 văn, một số vấn đề về điều kiện
làm việc có liên quan đến vật liệu đã đƣợc đề cập, để khái quát điều kiện làm việc của
các chi tiết đƣợc chế tạo từ thép austenite mangan cao, Luận văn xin viện dẫn búa đập
quặng là một ví dụ điển hình cần khảo sảt.
Búa đập đƣợc lắp trong máy nghiền búa. Các chi tiết trong máy nghiền bao gồm
khối quay: trục chính, đĩa, trục ống và búa. Bộ phận chính làm việc của máy nghiền
búa là chi tiết rôto và búa... Các ổ đĩa của rôto đƣợc dẫn động bằng động cơ xoay
nhanh trong khoang nghiền. Khi nạp nguyên liệu thô vào máy qua cửa cấp liệu, dƣới
tác động của lực búa quay tốc độ cao, kích thƣớc nguyên liệu đƣợc nghiền nhỏ. Dƣới
rôto có đĩa sàng vật liệu với kích thƣớc nhỏ hơn so với lƣới sàng sẽ đƣợc ra và giữ lại
phần hạt bột chƣa đạt kích thƣớc tiêu chuẩn sẽ đƣợc nghiền tiếp cho đến khi đạt yêu
cầu kỹ thuật. Vật liệu đƣợc nạp vào máy nghiền từ phía trên của máy, nhờ trọng lƣợng
bản thân rơi hoặc trƣợt theo máng vào vùng va đập với búa 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 (đƣợc gắn vào các
tấm phản hồi) trên thành vỏ máy, bật ngƣợc trở lại đầu búa để nghiền tiếp, cứ nhƣ vậy
cho đến khi đủ nhỏ lọt qua mắt sàng ra ngoài. Kích thƣớc của sản phẩm cuối cùng có
thể đƣợc điều chỉnh bằng cách thay đổi các đĩa sàng. Khoảng cách giữa các rôto và các
đĩa sàng cũng có thể đƣợc điều chỉnh theo yêu cầu khác nhau.

17


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Hình 2.1. Mô phỏng quá trình làm việc của chi tiết búa đập làm từ thép austenite
mangan cao
Phần làm việc chịu mài mòn chính của búa đập là đầu búa. Chiều dài đầu búa
đƣợc lựa chọn theo kích thƣớc lớn nhất của vật liệu đất đá dạng cục, viên đƣợc nạp
liệu.

Nếu Dmax ≤ 10 mm thì l = (1,4 -1,8) Dmax
Dmax = (100 ÷ 400) mm thì l = 0,6 Dmax
Trong đó: Dmax - kích thƣớc đá nạp lớn nhất.
l - chiều dài đầu búa.
(thông thƣờng chiều dài đầu búa đƣợc chọn bằng 0,5 chiều dài cả búa).
-

Động năng của búa: E = MoV2/2
Trong đó:

Mo - là khối lƣợng búa (kg).
V - Tốc độ dài của búa (m/s).

Nhƣ vậy có thể thấy trong điều kiện làm việc, tốc độ quay của búa rất cao
(100m/s), khi nghiền quặng, búa sẽ chịu đồng thời hai lực 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 chịu lực va đập mạnh. Khi hạt quặng càng
nhỏ dần (giảm kích thƣớc hạt quặng), búa sẽ càng bị chà xát nhiều dẫn đến búa sẽ bị

18


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

mòn dần. Cho đến khi búa mòn nhiều quá giới hạn kích thƣớc làm việc cho phép thì sẽ
phải dừng thiết bị để thay thế.
Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải có khả năng chịu
đƣợc tải trọng lớn khi va đập mạnh và có thể chịu đƣợc mài mòn trong quá trình bị chà
xát. Có nghĩa là vật liệu làm búa đập phải đảm bảo vừa mềm dẻo ở bên trong (để
không bị gãy vỡ khi va đập mạnh) lại vừa cứng vững bên ngoài (để ít bị mài mòn bởi

hạt quặng). Các vật liệu loại này chỉ có thể đáp ứng yêu cầu làm việc bằng hóa nhiệt
luyện (thấm bề mặt) hoặc sử dụng thép austenite mangan cao [1]. Tuy nhiên, chi phí
cho hóa nhiệt luyện chi tiết búa là rất đắt và hiệu quả sử dụng không cao. Vì vậy, các
búa đập quặng thƣờng đƣợc chế tạo từ thép austenite mangan cao (thép Hadfield). [2]
Trong điều kiện làm việc của búa, thép austenite mangan cao do có hàm lƣợng
mangan cao nên có tổ chức thép thuần austenite tạo nên tính dẻo cao và có thể chịu
đƣợc va đập với các loại quặng có độ cứng cao. 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 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 bị mòn dần đi, nhƣng tiếp tục xuất hiện lớp biến cứng mới. Quá trình cứ diễn
ra liên tục nhƣ vậy cho đến khi búa mòn hẳn và hết hiệu quả sử dụng. Độ cứng của
quặng đƣợc chia theo thang bảng nhƣ sau:


Độ bền và độ cứng.
 Độ bền của vật liệu đặc trƣng cho khả năng chống phá hủy của chúng
dƣới tác dụng của ngoại lực. Độ bền đƣợc biểu thị bằng giới hạn chịu nén
của Rn (kG/cm2) của vật liệu và đƣợc chia làm 4 loại:
▬

Kém bền:

< 100 (than đá, gạch đỏ…).

▬

Trung bình:

100 ÷ 500 (cát kết).

▬

Bền:

500 ÷ 2500 (đá vôi, hoa cƣơng, xỉ lò

cao…).
19


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan 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 ngƣời Đức Fr. Mohs đề xuất với 10 vật liệu chuẩn từ mềm tới cứng:
Bảng 2.1. Thang độ cứng và phân loại các loại khoáng vật
Loại
Mềm

Trung bình

Cứng



Độ cứng

Vật liệu chuẩn

Tính chất

1

Talc

Dễ vạch bằng móng tay

2

Thạch cao

Vạch bằng móng tay

3

Can xit

Dễ vạch bằng dao

4

Florit

Khó vạch bằng dao

5

Apatit

Không vạch dƣợc bằng dao

6

Tràng thạch

Cứng bằng kính cửa sổ

7

Đá quắc

Vạch đƣợc thủy tinh

8

Topa

Vạch đƣợc thủy tinh

9

Corundum

Cắt được thủy tinh

10

Kim cương

Cắt được thủy tinh

Độ giòn:

Đặc trƣng cho khả năng bị phá hủy của vật liệu dƣới tác động của lực va đập. Độ
giòn khác rất lớn giữa giới hạn bền nén và bền kéo.
Cấu trúc và kích thƣớc tinh thể ảnh hƣởng đến tính giòn. Cấu trúc còn quyết định
hình dạng của hạt khi vỡ ra trong quá trình nghiền. Ví dụ nhƣ Galen (PbS) vỡ thành
hình khối vuông, mica vỡ thành miếng mỏng, magnetit vỡ thành các hạt tròn.

20


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao



Hệ số khả năng đập nghiền của vật liệu:

Hệ số khả năng đập nghiền là tỷ số giữa năng lƣợng 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 2.2. Hệ số khả năng đập nghiền của các loại vật liệu

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

Clinker lò đứng tự động

1,15 ÷ 1,25

Clinker lò đứng thủ công

1,3 – 1,4

Diệp thạch

0,9

Xỉ lò cao trung bình

1,0

Cát

0,6 ÷ 0,7

Đá hoa cƣơng to hạt

0.9

Tràng thạch

0,8 ÷ 0,9

Vôi sống

1,64

Talc

1,04 ÷ 2,02

Than đá

0,75 ÷ 1,34

Ngƣời ta qui ƣớc chia quá trình đập nghiền thành các giai đoạn sau:

21

Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Bảng 2.3. Phân chia các giai đoạn đập và nghiền
Giai đoạn

Kích thƣớc sản phẩm (mm)

Hệ số i

> 100

2÷5

100 ÷ 30

5 ÷ 10

Đập nhỏ

30 ÷ 3

10 ÷ 30

Đập mịn

3 ÷ 0,5

> 30

Nghiền thô

0,5 ÷ 0,1

> 100

Nghiền mịn

< 0,1

> 500

Đập thô
Đập

Nghiền

Đập trung bình

Với các loại quặng quá mềm hoặc quá ẩm, lớp bề mặt làm việc của búa sẽ không
thể biến cứng đƣợc 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 austenit 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 nhƣ Corundum hay topa thì không thể sử dụng loại thép này đƣợc.
Lực tác dụng gây phá hủy búa trong quá trình va đập tồn tại hai dạng lực chính là
lực ly tâm trong quá trình búa chuyển động và động lƣợng gây ra trong quá trình va
chạm của búa với quặng. Nếu nhƣ 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 lấy ví dụ cụ

thể nhƣ sau:
Tính toán lực tác động đến đầu búa trong quá trình va đập viên vật liệu trong quá
trình sản xuất thủy tinh nhƣ sau:
Xác định vận tốc đầu búa (liên quan đến xác định lực tác dụng lên búa) :
Kích thƣớc giới hạn của viên vật liệu có thể xác định theo công thức thực nghiệm
sau:
22


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

 k .105
d gh  230
 m
 .v1,5

(2.1)

Trong đó:
-  k - ứng suất kéo của vật liệu, [N/m2], đối với viên vật liệu  k = 3,4.106 [N/m2].
-  - khối lƣợng riêng của vật liệu; đối với viên vật liệu  = 2.500 [kg/m3].
- v - tốc độ va đập, bằng tốc độ dài của đầu búa [m/s].
- d gh - kích thƣớc giới hạn của viên vật liệu [m].
Khi kích thƣớc của viên vật liệu nhỏ hơn kích thƣớc giới hạn thì sau va chạm vật
liệu không vỡ.
Tốc độ giới hạn của đầu búa:

 
vgh  1,75.10 3  k 
  .d 

2

2

(2.2)

Trong đó: d – kích thƣớc đá sản phẩm.
2

 3, 4.106 
3
vgh  1,75.10 
  38,85 m / s 
 2500.0,013 
2

Chọn vận tốc đầu búa: v = 39 [m/s]
Khối lƣợng búa:
Khi roto quay, búa tích trữ một động năng lớn và khi búa đập vào vật liệu dạng
cục thì búa sẽ biến động năng của mình thành công đập làm cho vật liệu bị vỡ vụn ra.
Động năng của búa đập sinh ra xác định nhƣ sau:

m.v12
E1 
 N .m
2

(2.3)

23


Ảnh hưởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến chất lượng vật đúc thép mangan cao

Trong đó:
m – khối lƣợng của búa [kg].

v1 - vận tốc của búa trƣớc khi đập [m/s].
Sau khi đập búa còn dƣ một động năng là:

E2 
Trong đó:

m.v22
 N .m
2

(2.4)

v2 - vận tốc của búa sau khi đập [m/s]

Nhƣ vậy, động năng của búa truyền cho vật liệu đem đập là:
E  E1  E2 

m 2
v1  v22 

2

(2.5)

Hoặc:

E 

m.v12
1  2 

2

(2.6)

với v2   .v1 .
Trong đó:  - hệ số hồi phục, nó phụ thuộc hình dáng và bản chất của vật liệu
đem đập và vật liệu làm búa, chọn nó nhƣ sau:
Nham thạch với thép

 = 0,180

Quặng apatit với thép

 = 0,224

Đá bazan với thép

 = 0,290

Bi đá bazan với thép

 = 0,710

Bi vật liệu sản xuất thủy

 = 0,895

tinh với thép

Hệ số hồi phục của vật liệu là:  = 0,895
24