Nghiên cứu hợp kim hóa và xử lý nhiệt thép MANGAN cao

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

TRƢƠNG QUỐC TÍNH

NGHIÊN CỨU HỢP KIM HOÁ VÀ XỬ LÝ NHIỆT THÉP
MANGAN CAO

Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ Thuật Vật Liệu
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS.TS. LÊ THỊ CHIỀU

Hà Nội – 9/2013


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 4
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 6
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 7
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 11
CHƢƠNG I: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THÉP HADFIED TRONG...................... 13
VÀ NGOÀI NƢỚC........................................................................................................ 13
1.1. Quá trình nghiên cứu thép Hadfied trên thế giới. ............................................... 13
1.2. Tình hình nghiên cứu thép Hadfied trong nƣớc.................................................. 14
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ THÉP HADFIED ..................................................... 17
2.1. Đặc điểm của thép Hadfied. ................................................................................ 17
2.2. Ảnh hƣởng của thành phần đến tổ chức và tính chất thép Hadfield. .................. 19

2.2.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng C và Mangan. .................................................. 19
2.2.2. Ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim. ...................................................... 22
2.3. Ảnh hƣởng của xử lý nhiệt đến thép Hadfield. ............................................. 27
2.4. Ảnh hƣởng của kích thƣớc vật đúc ..................................................................... 30
2.5 Quy trình nhiệt luyện truyền thống ................................................................. 32
2.6. Cơ chế hoá bền thép ............................................................................................ 35
2.7. Tiêu chuẩn kỹ thuật............................................................................................. 40
2.7.1. Tiêu chuẩn của Nga. .................................................................................... 40
2.7.2. Tiêu chuẩn của Mỹ. ..................................................................................... 41
2.7.3. Tiêu chuẩn của Nhật .................................................................................... 42
2.8 Công dụng của thép Hadfied. ............................................................................. 43
CHƢƠNG III: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 45
3.1. Mục đích thí nghiệm ........................................................................................... 45


3.2. Phƣơng án thục nghiệm ...................................................................................... 45
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 48
4.1 Ảnh hƣởng của Valadi ...................................................................................... 48
4.1.1 Ảnh hƣởng của vanadi khi không biến tính ............................................ 48
4.1.2 Ảnh hƣởng của Valadi khi có chất biến tính. ............................................... 53
4.1.3 Nhận xét ........................................................................................................ 57
4.2 Ảnh hƣởng của Crôm........................................................................................... 57
4.2.1. Phân tích tổ chức tế vi ................................................................................. 58
4.2.2 Độ cứng của mẫu .......................................................................................... 64
4.2. Ảnh hƣởng của chế độ nhiệt luyện đến tổ chức tế vi. ........................................ 65
4.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ dỡ khuôn đến tổ chức tế vi của thép ............................ 69
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN............................................................................................. 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 76

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả
nghiên cứu trong bản luận văn này hoàn toàn trung thực, chính xác và chƣa từng đƣợc
công bố ở bắt kỳ công trình hoặc cơ sở nào khác dƣới dạng luận văn.

Ngƣời cam đoan

TRƢƠNG QUỐC TÍNH


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS. Lê Thị
Chiều và TS. Phạm Mai Khánh, những ngƣời đã trực tiếp định hƣớng đề tài và tận tình
hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Vật Liệu và Công Nghệ
Đúc, ThS. Nguyên Dƣơng Nam đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực nghiệm,
nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Ngoài ra cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH đúc thép hợp
kim Thắng Lợi VICO đã tạo điều kiện tốt và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ
án này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, công ty nơi em đang làm
việc đã hỗ trợ, động viên em về mọi mặt.
Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Trƣơng Quốc Tính


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Ms

γ
ASTM
SEM
HV
EDS
QTTT
QTCT
Cr
P
S
V

Tiếng Anh
Macten
Austenite
American Society for Testing and
Materials
Scanning Electron Microscopy

Tiếng Việt
Xit
Hiệp hội vật liệu và thử
nghiệm hoa kỳ
Kính hiển vi điện tử quét
Phƣơng pháp Vicker

Electronic Data Systems
Quy trình truyền thống
Quy trình cải tiến
Crôm

Photpho
Lƣu Huỳnh
Vanadi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Tính chất cơ học của vật đúc 1,11%C-12.7%Mn-0.5%Si-0.043%P làm nguội
trong nƣớc từ 1040 ° C 1900 ° F) ................................................................................. 32
Bảng 2.2 Thành phần nguyên tố của mẫu thí nghiệm ................................................... 38
Bảng 2.3 Thành phần hoá học thép Hadfied theo tiêu chuẩn Nga. ............................... 40
Bảng 2.4. Cơ tính của vật đúc thành dày 30mm bằng mác 110Γ13A sau khi tôi 105011000C trong nƣớc ......................................................................................................... 40
Bảng 2.5 Thành phần hóa học % của các mác thép Hadfield của Mĩ theo tiêu
chuẩn ASTM A128-90 ở bảng dƣới: ..................................................................... 41
Bảng 2.6: Thành phần hóa học % của các mác thép Hadfield của Nhật theo tiêu
chuẩn JIS G5131-91ở bảng dƣới: .................................................................................. 42
Bảng 2.7 Cơ tính của các mác thép Hadfield ở trạng thái Austenit hóa theo JIS G513191 .................................................................................................................................... 42
Bảng 4.1. Thành phần mẫu ............................................................................................ 57
Bảng 4.2 Chế độ nhiệt luyện của các mẫu thí nghiệm. ................................................. 70


DANH MUC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2. 1 Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe-13Mn-C ................................................ 17
Hình 2. 2 Độ hoà tan C vào thép Mn (13%) ....................................................... 19
Hình 2. 3 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lƣợng cabcon của thép austenit mangan
chứa 12,2 đến 13,8% Mn. Số liệu lấy từ mẫu đúc nặng 3,6 đến 4,5 kg và kích
thƣớc ngang khoảng 25 mm, nhúng vào nƣớc từ 1040 đến 1095 0C................... 20
Hình 2. 4 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lƣợng mangan củai thép austenit mangan
1,15% C. khối lƣợng đúc từ 3,6 đến 4,5 kg, chiều dày khoảng 25 mm, nung tôi ở
1040 đến 10950C, làm nguội trong nƣớc. Thử va đập 20 lần tác động với lực

680J mỗi lần. ........................................................................................................ 21
Hình 2. 5 Ảnh hƣởng của a crôm, b molypden, và c hàm lƣợng niken đến
các thuộc tính căng dãn của thép mangan đúc. Thép đã đƣợc đúc mẫu thử
nghiệm 25 mm, nung nóng đến 10950 C (20000F , và tôi nƣớc. ......................... 23
Hình 2. 6 Tổ chức tế vi của thép Mn khi bổ xung Crôm .................................... 23
Hình 2. 7 a Ảnh hiển vi quang học của thép Hadfield trong điều kiện nhƣ
đúc, b ảnh chụp hiển vi quang học của thép Hadfield trong điều kiện xử lý
nhiệt, c SEM hiển vi của không liên tục Fe, Mn 3C tại ranh giới của HVAMS-2alloyin điều kiện nhƣ đúc và d SEM hiển vi của Fe, Mn 3C trong HVAMS-3 hợp kim.................................................................................................... 26
Hình 2. 8 Hình ảnh nhiễu xạ tia X của HV-AMS-3 hợp kim trƣớc khi .............. 26
Hình 2. 9 cấu trúc đặc trƣng của thép mangan mác A 128 tiêu chuẩn ASTM ,
mã B-3. a Vị trí trên cùng là vật liệu đúc dày 76mm với lƣợng cacbit lớn dọc


theo biên hạt. b Vị trên bên dƣới: 76 mm vật liệu nung nóng đến 1120 0C
(20500F 76 mm và đƣợc tôi nƣớc. ...................................................................... 29
Hình 2. 10 Đƣờng nguội cho thép austenit mangan với các độ dày khác nhau . 31
Hình 2. 11 Quy trình nhiệt luyện truyền thống ............................................... 33
Hình 2. 12 Ảnh trƣờng sang cấu trúc song tinh W-S Lee and T-H Chen’s group
from Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung University,
Tainan, Taiwan in 2011) ...................................................................................... 36
Hình 2. 13 Cấu trúc của thép sau đúc sau khi nhiệt luyện 930 và nguội trong
nƣớc ..................................................................................................................... 37
Hình 2. 14 Cấu trúc của thép sau đúc 1,28%C-12,64%Mn-0,53%Si-2,74%Cr)
.............................................................................................................................. 38
Hình 2. 15 Cấu trúc tế vi của thép khi thêm 1% V ............................................. 39

Hình 3. 1 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ 1 .................................................................. 46
Hình 3. 2 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ 2 .................................................................. 46

Hình 4. 1 Ảnh tổ chức tế vi của các mẫu thép không biến tính ......................... 49

Hình 4. 2 Hình ảnh SEM mẫu hợp kim hóa không biến tính: hình ảnh cacbit ... 51
Hình 4. 3 Biểu đồ giá trị độ cứng khi thay đổi hàm lƣợng Vanadi ..................... 52
Hình 4. 4 Ảnh tổ chức tế vi thực hiện biến tính và không biến tính ................... 54
Hình 4. 5 Ảnh tổ chức tế vi hàm lƣợng Vanadi 2% có biến tính và không biến
tính ........................................................................................................................ 55
Hình 4. 6 Biểu đồ giá trị độ cứng khi thay đổi hàm lƣợng V, biến tính và không
biến tính ................................................................................................................ 56


Hình 4. 7 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu không va đập ............................................ 58
Hình 4. 8 Phân tích EDS thành phần điểm mẫu sau nhiệt luyện a,b,c,d ........... 60
Hình 4. 9 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu va đập sau nhiệt luyện .............................. 62
Hình 4. 10 Ảnh SEM mẫu sau va đập ................................................................. 62
Hình 4. 11 Tổ chức mẫu xe tăng T54 sau thời kỳ làm việc ................................ 63
Hình 4. 12 Giá trị độ cứng ................................................................................... 64
Hình 4. 13 Mẫu sau đúc và thành phần một số điểm .......................................... 66
Hình 4. 14 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ truyền thống .............................................. 67
Hình 4. 15 Tổ chức tế vi mẫu nhiệt luyện theo chế độ truyền thống .................. 67
Hình 4. 16 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ nghiên cứu ................................................ 68
Hình 4. 17 Tổ chức tế vi mẫu nhiệt luyện theo chế độ nghiên cứu..................... 68
Hình 4. 18 Ảnh tổ chức của các mẫu dỡ khuôn ở các nhiệt độ khác nhau ......... 72


LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng đất nƣớc, các ngành khai khai thác đất đá, sản xuất
vật liệu xây dựng, nhƣ xi măng… đang ngày phát triển. Theo đó, các loại phụ tùng thay
thế trong các máy xúc, các thiết bị đập nghiền khoáng vật cũng tăng theo. Nhiều loại
phụ tùng có nhu cầu lớn về số lƣợng nhƣ các loại là búa đập, tấm lót, răng gầu xúc…
làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt: vừa chịu mài mòn, vừa chịu va đập cao.
Trƣớc đây, các loại phụ tùng này phải nhập từ Liên Xô cũ, sau đó đƣợc mua ở

một số nƣớc khác nhƣ Đan Mạch, Pháp, Bỉ, Nhật, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Trung
Quốc, Italia, Đài Loan, Hàn Quốc… với giá thành cao, ngoài ra việc nhập khẩu làm
giảm tính chủ động trong sản xuất.
Hiện nay một số doanh nghiệp trong nƣớc đã bắt đầu sản xuất các loại chi tiết
nói trên nhƣng chất lƣợng chƣa cao và đặc biệt là rất ít công trình nghiên cứu cơ sở lý
thuyết và công nghệ vật liệu sản xuất các chi tiết đó ở nƣớc ta.
Thép đƣợc dùng để sản xuất các loại búa đập nói trên là thép có hàm lƣợng
mangan cao với lƣợng các bon trên 1%.
Đặc điểm của thép này là khi có lực cơ học tác dụng lên nó thì một lớp trên bề
mặt bị biến cứng tƣơng tự nhƣ tôi bề mặt . Chiều dày lớp biến cứng tùy thuộc vào độ
lớn của lực tác dụng. Do lớp vật liệu bên trong vẫn còn dẻo dai nên thép chịu đƣợc va
đập. Khi lớp biến cứng bên ngoài bị mài mòn, thì lớp bên trong lộ ra, tiếp tục đƣợc
biến cứng để thay thế lớp bề mặt đã mất.
Chất lƣợng, tuổi thọ của các chi tiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố công nghệ
nhƣng rõ rệt nhất là vào thành phần vật liệu và phƣơng pháp xử lý nhiệt.
Vì vậy, tôi đã chọn đề tài : “Nghiên cứu hợp kim hoá và xử lý nhiệt thép
Mangan cao ’’
Để có thể hoàn thành đƣợc đồ án này, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ rất nhiều
của các thầy, cô trong và ngoài bộ môn Vật liệu và công nghệ Đúc.


Cho phép tôi đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Thị Chiều, TS.
Phạm Mai Khánh vì sự hƣớng dẫn tận tình của thầy trong suốt quá trình làm tốt
nghiêp. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Nguyên Dƣơng Nam. Ngoài ra cũng
xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH đúc thép hợp kim Thắng Lợi VICO
đã tạo điều kiện tốt và giúp đỡ chúng tôi trong quá trình thực hiện đồ án này. Xin cảm
ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ chúng tôi trong suốt thời gian qua.


CHƢƠNG I

QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THÉP HADFIED TRONG
VÀ NGOÀI NƢỚC
1.1. Quá trình nghiên cứu thép Hadfied trên thế giới.
Năm 1982 nhà luyện kim ngƣời Anh tên là Robert Hadfield đã nấu luyện một
loại thép với hàm lƣợng mangan cao gần 13% . Từ năm 1878, Hadfield đã bắt tay vào
nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan. 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 đã 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 “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 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 Hadfield 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.


1.2. Tình hình nghiên cứu thép Hadfied trong nƣớc.
Nhu cầu thép hợp kim ở Việt Nam không ngừng tăng về số lƣợng cũng nhƣ
chủng loại, đòi hỏi chất lƣợng cũng ngày một cao. Để đáp ứng yêu cầu này đại bộ phận
phải nhập ngoại. Song nhiều khi do không thể nhập đƣợc đúng kích cỡ và quy cách nên

vật liệu sử dụng vừa lãng phí, vừa không đảm bảo đƣợc chất lƣợng sản phẩm và 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 thay thế một phần cho nhập ngoại. Qua hơn 50 năm
phát triển, ở những nhà máy cơ khí này 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 đa phần 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 sản
xuất đƣợc hàng loạt mang tính hàng hóa lâu dài. Kinh nghiệm sản xuất và chất lƣợng
sản phẩm nhiều khi không đƣợc kế thừa và tiếp tục nâng cao. Đối với một số sản phẩm
ở một số cơ sở nhiều khi chất lƣợng sản phẩm hiện nay sản xuất còn kém mấy năm
trƣớc, thậm chí mấy chục năm trƣớc mà cơ sở đã từng sản xuất. Điều đó cũng giải
thích đƣợc với một lịch sử hơn 50 năm sản xuất thép hợp kim nhƣ vậy, nhƣng đến
nay, chất lƣợng sản phẩm này nói chung vẫn chƣa cao, không ổn định, chƣa đƣợc
khách hàng ƣa chuộng.
Trong những năm gần đây, nhiều cơ sở đã quan tâm đầu tƣ những trang thiết bị
khá hiện đại để nâng cao chất lƣợng sản phẩm. Nhƣng cũng còn phải có thời gian để
tích lũy kinh nghiệm và làm quen với thị trƣờng.
Hiện nay, phân xƣởng thép ở các nhà máy cơ khí ở nƣớc ta thƣờng có các lò
điện hồ quang cỡ từ 0,5 đến 3 tấn. Nhiều nhà máy cũng sản xuất các loại thép đúc nhƣ
thép hợp kim mangan cao làm răng gầu xúc, tấm lót lò xi măng, búa đá, thanh đập…


Với việc phát triển nhanh của công nghiệp xi măng, nhu cầu về tấm lót và các
phụ kiện cho ngành xi măng rất lớn, một số lò thép ở các nhà máy cơ khí xây dựng đã
có nhiều cố gắng trong việc đúc tấm lót và các phụ kiện thỏa mãn đƣợc ở mức đáng kể
nhu cầu của ngành này.
Đánh giá chung cho thấy ở nƣớc ta chƣa có ngành sản xuất thép chất lƣợng cao

và thép hợp kim. Chỉ mới có một vài nhà máy cơ khí trong và ngoài quân đội sản xuất
một số mác thép hợp kim với sản lƣợng rất nhỏ, chủ yếu là dƣới dạng đúc thép hoặc
phôi rèn, nhu cầu không ổn định, số lƣợng thƣờng rất nhỏ, tổ chức sản xuất số lƣợng
không nhiều, chƣa đảm bảo chất lƣợng, giá thành cao, kém sức cạnh tranh. Nguyên
nhân của việc này là:
- Do không chuyên nấu thép hợp kim nên hệ thống thiết bị nấu luyện chƣa đồng
bộ, ở tất cả các cơ sở, ngoài lò điện hồ quang hoặc lò trung cao tần, không có các thiết
bị xử lí tinh luyện ngoài lò…
- Do không nấu thép hợp kim thƣờng xuyên, mác thép hay thay đổi nên công
nghệ nấu luyện chƣa đƣợc thuần thục, cộng thêm chất lƣợng nguyên vật liệu hay biến
động và nói chung không đảm bảo làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng thép.
- Công nghệ giai đoạn sau chƣa đƣợc chú ý đúng mức, hay có thể nói là chƣa có
điều kiện thực hiện. Phải thấy là việc tổ chức sản xuất thép hợp kim ở nƣớc ta không
dễ.
Việc sản xuất một mác thép mới cần đầu tƣ đáng kể về vật chất và về công
nghệ, trong khi nhu cầu thị trƣờng rất cần nhiều mặt hàng mà mỗi mặt hàng số lại
không nhiều, thời gian đòi hỏi thƣờng lại rất gấp, khách hàng quen dùng thép hợp kim
nhập ngoại (thép chế tạo nhập đƣợc miễn thuế , đồng thời khách hàng cũng chƣa tin
tƣởng vào thép nội sản xuất gặp rất nhiều khó khăn. Tình hình trên cản trở rất nhiều
việc tổ chức sản xuất thép chất lƣợng và thép hợp kim ở nƣớc ta. Mặt khác, việc sản
xuất thép hợp kim ở nƣớc ta hầu nhƣ hoàn toàn mô phỏng các mác thép của nƣớc
ngoài, cốt sao nấu cho đúng thành phần mác thép đó để sử dụng, chƣa cơ sở nào quan


tâm đến nghiên cứu và sản xuất các mác thép phù hợp với yêu cầu thực tế đề ra. Vì
vậy nghiên cứu, đề xuất các giải pháp công nghệ cho thép mangan cao là rất cần thiết
và đó cũng là lý do để đề tài này đƣợc thực hiện.


CHƢƠNG II

TỔNG QUAN VỀ THÉP HADFIED
2.1. Đặc điểm của thép Hadfied.
Thép Hadfield là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc
trong điều kiện 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 hầu hết các loại thép khác.
Do hàm lƣợng các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là mangan cao, điểm chuyến biến
mactenxit Ms hạ thấp nên sau khi đúc và nhiệt luyện, thép Thép Hadfield có tổ chức
Austenite, chứa cacbon và mangan cao. Dƣới tải trọng va đập, Austenitee 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 mòn hết.

Hình 2. 1 Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe-13Mn-C
Thành phần hóa học của 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 Γ13 (theo tiêu chuẩn của Nga) có thành phần:
C

Mn

Cr

0,9-1,4

11,5-15,0

 1,0

Ni

Si

 1,0 0,8-1,0

Cu

P

S

 0,3

 0,12

 0,05

Giản đồ hình 2.1 cho thấy rằng với thành phần nguyên tố nhƣ thƣờng sử dụng,
sau khi nung đồng đều hóa thành phần trên 1000oC, các nguyên tố hợp kim hòa tan
hoàn toàn vào austenit, khi làm nguội nhanh trong nƣớc, thép có thành phần đồng nhất
là γ austenite. Thép có thành phần khác nhau austenit sẽ chuyển thành mactensit ở các
nhiệt độ khác nhau, nhƣng nói chung đều có nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Ms ở nhiệt
độ âm. Với thép chứa 13%Mn, 1,2%C, nhiệt độ chuyển biến là -196o, vì vậy sau khi
đúc, nung tôi trên 1000o, và làm nguội trong nƣớc, thép có tổ chức 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.
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.

 Tính cơ học: độ bền

 b = 800 – 1000MPa, độ dãn dài  s = 40 – 50%,

 Có tính đúc rất tốt, nhƣng gia công cơ khí kém, thƣờng chỉ dùng ở trạng
thái vật đúc
Tính đúc của thép Mn cao
Độ ngót khi đông đặc

Độ co tuyến tính tự do

Nhiệt độ đƣờng lỏng

6,0%

2,4 - 3,0%

Khoảng 14000C

Để đảm bảo các tính chất trên, sau khi đúc và nhiệt luyện, thép cần có tổ chức
hoàn toàn austenit, tránh việc tiết ra cacbit loại Fe,Mn 3C ở biên giới hạt. Tuy nhiên
gần đây, để tăng tính chống mài mòn cho thép, có nhiều nghiên cứu đề xuất các biện


pháp hợp kim hóa và xử lý nhiệt để trong tổ chức là austenit có cacbit nhỏ mịn phân
bố bên trong hạt.
2.2. Ảnh hƣởng của thành phần đến tổ chức và tính chất thép Hadfield.
2.2.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng C và Mangan.
Cácbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch rắn hoà tan có hạn,
khi hoà tan trong thép C làm tăng lƣợng Xementit, mở rộng vùng Austenite.

Ngoài ra C có thể kết hợp với một số hợp kim nhƣ Cr, W, Mn, Mo, Ti, V, Nb…
tạo thành Cacbit trong thép. Theo tiêu chuẩn ASTM A128-90 thì thành phần các
nguyên tố của các mác thép trong trong hình 2.2 không cho phép bất cứ chuyển
hoá Austenit nào khi các hợp kim đƣợc làm nguội trong nƣớc trên đƣờng Acm.
Đối với các chi tiết
lớn, kích thƣớc không đồng
đều, tính dẻo ở phần dày bị
giảm đi vì quá trình làm
nguội các phần dày chậm đi
so với phần mỏng hơn. Quá
trình này là nguyên nhân
hình thành cacbit dọc biên
hạt và những vùng nhánh
khác và có thể, ảnh hƣởng
của tất cả các vùng trong
khuôn trừ chỗ nhỏ nhất.

Hình 2. 2 Độ hoà tan C vào thép Mn (13%)

Hình 2.2 cho thấy nhiệt độ Acm cho thép 13% Mn chứa từ 0,6 đến 1,4% C.
Các tính chất cơ học của thép austenit mangan khác hẳn so với cả hai thành
phần cấu thành chúng là cacbon và mangan. Khi hàm lƣợng cacbon tăng, khó mà giữ
tất cả cacbon trong dung dịch rắn, vì vậy cacbon tăng, độ dẻo giảm. Tuy nhiên, khi
tăng cacbon, khả năng chống mài mòn có xu hƣớng tăng. Vì vậy trong loại thép này,


hàm lƣợng cacbon thƣờng cao, khoảng 1,20% mặc dù tính dẻo có bị giảm. t khu sử
dụng hàm lƣợng cacbon trên 1,4% vì khi nhiệt luyện rất khó nhận đƣợc tổ chức hoàn
toàn austenit, mà thƣờng chứa cacbit ở biên hạt. Điều đó có thể làm ảnh hƣởng xấu đến
độ bền và độ dẻo. Ngoài ra sự thiên tích có thể tạo ra những vùng khác biệt về thành

phần. cục bộ ±17% ±0,2% C so với gía trị cacbon trung bình đƣợc xác định bằng
cách phân tích hóa học

Hình 2. 3 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng cabcon của thép austenit mangan
chứa 12,2 đến 13,8% Mn. Số liệu lấy từ mẫu đúc nặng 3,6 đến 4,5 kg và kích
thước ngang khoảng 25 mm, nhúng vào nước từ 1040 đến 1095 0C

Nếu hàm lƣợng cacbon và mangan giảm ví dụ 0,53% C tƣơng ứng với 8,3% Mn
hoặc 0,62% C với 8,1% Mn, khả năng biến cứng cao vẫn có thể đạt đƣợc do sự hình
thành Mactenxit lập phƣơng tâm khối – bcc từ austenite dƣới áp lực. Tuy nhiên, điều
này không góp phần nâng cao khả năng chịu mài mòn ít nhất là với mài, nghiền áp lực
lớn nhƣ ngƣời ta vẫn tƣởng.


Hình 2. 4 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng mangan củai thép austenit mangan 1,15% C.
khối lượng đúc từ 3,6 đến 4,5 kg, chiều dày khoảng 25 mm, nung tôi ở 1040 đến 10950C,
làm nguội trong nước. Thử va đập 20 lần tác động với lực 680J mỗi lần.

Mangan đóng góp một phần không nhỏ vào việc ổn định austenit bằng cách
làm chậm quá trình chuyển biến nhƣng không loại bỏ nó. Thép chứa 1,1% Mn,
chuyển biến đẳng nhiệt tại 3700 C (7000F bắt đầu khoảng 15 giây sau khi thép đƣợc
dập nguội, còn với thép 13% hàm lƣợng Mn, quá trình chuyển hoá không diễn ra cho
đến tận giờ thứ 48.
Hình 2.4 cho thấy ảnh hƣởng của hàm lƣợng mangan đến độ bền và độ dẻo
của thép Austenit đúc sau khi đã đƣợc tôi trong nƣớc và xử lý đặc biệt. Ngƣời đã
nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng mangan lên đến khoảng 22%. Hàm lƣợng
mangan có ít ảnh hƣởng lên giới hạn chảy dẻo. Trong thử nghiệm, độ bền và độ dẻo tới


hạn tăng khá nhanh khi hàm lƣợng mangan lên đến khoảng 12% và sau đó có xu hƣớng

chững lại, dẫu vẫn còn một vài sự tăng cƣờng không đáng kể cho đến khi hàm lƣợng
đạt 13%.
2.2.2. Ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim.
2.2.2.1. Ảnh hƣởng của Silic.
Silic có mặt trong tất cả loại của mác thép A 128 tiêu chuẩn ASTM bảng 2.5
của thép austenit mangan. Silic ít khi đƣợc đƣa vào với hàm lƣợng lớn trừ khi dùng cho
mục đích sản xuất thép đặc biệt. Hàm lƣợng silic vƣợt quá 1% là không phổ biến. Hàm
lƣợng silic 1% và 2% có thể đƣợc sử dụng để gia tăng giới hạn chảy đến một mức độ
vừa phải, tuy nhiên với mục đích nhƣ vậy thì các nguyên tố khác lại đƣợc sử dụng
nhiều hơn. Độ bền giảm xuống đột ngột khi hàm lƣợng Si trên 2,2% nên thép mangan
chứa nhiều hơn lƣợng Si này trở nên vô giá trị. Mặt khác, mức silic dƣới 0,1% lại làm
cho tính lỏng giảm đi trong quá trình đúc.
2.2.2.2. Ảnh hƣởng của Photpho.
Ảnh hƣởng của P đến cơ tinh thể hiện ở sự tăng mạnh nhiệt độ chuyển biến từ
trạng thái dẻo sang giòn. Ngoài ra P còn làm tăng giới hạn chảy, làm giảm độ co thắt
tƣơng đối, giảm lan truyền vết nứt. Do đó việc khống chế hàm lƣợng P theo yêu cầu qui
định trong mác thép khá chặt chẽ.
2.2.2.3. Ảnh hƣởng của Crôm.
Với lƣợng cacbon thông thƣờng khoảng 1,15% thì C làm tăng ứng suất chảy dẻo
Hình 2.5 và tiến trình cản chịu ảnh hƣởng.


Hình 2. 6 Ảnh hưởng của (a) crôm,(b) molypden, và (c) hàm lượng niken đến các thuộc
tính căng dãn của thép mangan đúc. Thép đã được đúc mẫu thử nghiệm 25 mm, nung
nóng đến 10950 C (20000F), và tôi nước.
Crôm bổ sung vào thép làm cơ tính
cải thiện đáng kể, và loại thép mangan cao
crôm ví dụ: mác thép A 128 - ASTM, loại
C có lẽ là phổ biến nhất. ASTM A 128, loại
B, cũng thƣờng có một ít crôm. Bổ sung đến

2% crôm nhƣ ở mác C không làm giảm bớt
độ dẻo dai. Tuy nhiên, nếu lớn hơn, ảnh
hƣởng của nó tƣơng tự nhƣ việc tăng hàm
lƣợng cacbon, nghĩa là làm giảm tính dẻo do
sự gia tăng khối lƣợng cacbit trong tổ chức
tế vi. Trong một số ứng dụng, khi kết hợp

Hình 2. 5 Tổ chức tế vi của thép Mn
khi bổ xung Crôm

với đồng, có thể sử dụng đến 6% hàm lƣợng crôm, nhƣng các loại ứng dụng này hiện
nay không còn đƣợc chú ý đến nữa. Crôm tăng cƣờng khả năng chống chịu phá huỷ và


ăn mòn khí quyển, mặc dù tác dụng này không phải lúc nào cũng nhƣ nhau, phụ thuộc
vào từng ứng dụng riêng biệt. Nó cũng đƣợc sử dụng lên đến 18% trong điện cực
cacbon thấp cho thép hàn mangan. Do tác dụng làm ổn định của crôm đối với cacbit sắt
nên nhiệt độ tôi thép chứa crôm cần phải cao hơn nhiệt độ tôi thép mangan thông
thƣờng trƣớc khi làm nguội trong nƣớc .
2.2.2.4. Ảnh hƣởng của Molyden.
Lƣợng molypden bổ sung thƣờng từ 0,5 đến 2%, đƣợc sử dụng để cải thiện
độ dẻo dai và khả năng chống nứt của vật đúc trong khi đúc và trong quá trình xử lý,
đặc biệt là khi làm nguội. Đồng thời molypden có tác dụng nâng cao độ bền của chi
tiết lớn. Trong thép mangan molypden hòa tan một phần trong dung dịch austenite, một
phần tạo nên cacbit sơ cấp hình thành trong quá trình kết tinh của thép. Molypden
trong dung dịch ngăn chặn quá trình tiết pha cacbit hoá giòn, tạo nên peclit, ngay cả khi
Austenit làm việc nhiệt độ trên 2750C , khi chi tiết đang trong quá trình hàn hoặc lúc sử
dụng. Cacbit molypden sơ cấp tạo nên những lớp vỏ bọc kế tiếp nhau xung quanh các
nhánh cây austenit, chuyển chúng sang dạng hạt có lợi hơn, đặc biệt là khi hàm lƣợng
molypden vƣợt quá 1,5%.

Với thành phần 1% molypden ASTM A 128, mã E-1, và AWS A5.13, mã
EFeMn-B có khả năng chịu đƣợc sự nung nóng trong quá trình làm việc, điều mà các
mã tiêu chuẩn B-2, B-3 và B-4. Mã E-1 bị hạn chế. Các loại thép có molipden thích
hợp với việc đúc các chi tiết cỡ lớn đƣợc sử dụng trong máy nghiền, các chi tiết trong
quá trình hàn vá và hàn phủ thƣờng xuyên bị nung nóng.
Mã E-2, trong đó có khoảng 2% Mo, có thể đƣợc xử lý nhiệt đặc biệt để tạo
thành tổ chức cacbit mịn phân tán trong Austenit. Quá trình xử lý nhiệt này đòi hỏi sự
làm mịn hạt từng phần Bằng sáng chế Mỹ 1.975.746 bằng cách peclit hóa khoảng
5950C (11050F trong 12 giờ và nhúng vào nƣớc từ 9800 C (18000F . Loại tổ chức này
có khả năng tăng độ chịu mài mòn trong các ứng dụng máy nghiền. Độ bền kéo của


các phần máy nghiền hình nón mòn dao động từ 440 đến 485 MPa 64 đến 70 ksi độ
bền nén, MPa 695 - 850 100 đến 125 ksi độ bền kéo, và 15 đến 25% độ dãn dài.
Việc thêm vào hơn 1% hàm lƣợng molypden có thể làm cho thép mangan có
thể nóng chảy cục bộ trong quá trình xử lý nhiệt. Sự nóng chảy trƣớc tiên xảy ra do có
sự hiện diện của các hợp chất có điểm nóng chảy thấp ở vùng giữa các nhánh cây và
dọc theo các biên hạt. Hiện tƣợng này có xu hƣớng tồi tệ hơn khi mà lƣợng P cao hơn
> 0,05% , ở nhiệt độ cao hơn và mức độ cacbon cao hơn > 1,3% trong thép.
Ngoài ra molypden đƣợc thêm vào thép mangan mã F để tránh hiện tƣợng hoá
giòn trong cả lúc đúc và trong điều kiện xử lý nhiệt.
2.2.2.5. Ảnh hƣởng của Ni.
Niken, với số lƣợng lên đến 4%, là nguyên tố ổn định Austenit vì nó luôn tồn tại
trong dung dịch rắn. Đặc biệt Ni ken có tác dụng ngăn chặn sự tiết ra cacbít ở khoảng
300 đến 5500C. Sự có mặt của niken giúp giữ đƣợc phẩm chất phi từ tính trong thép,
đặc biệt là ở các lớp bề mặt bị thoát cacbon. Niken bổ sung vào thép mangan cao làm
tăng độ dẻo, giảm độ bền kéo, và giảm sức chịu mài mòn thép mangan. Niken đƣợc sử
dụng chủ yếu trong các mác thép mangan có hàm lƣợng cacbon thấp và các sản phẩm
thép mangan đã đƣợc rèn bao gồm cả điện cực hàn . Trong các sản phẩm rèn, niken
đôi khi đƣợc sử dụng kết hợp với molypden.

2.2.2.6. Ảnh hƣởng của Vanadi.
Là nguyên tố tạo cacbit mạnh. Vanadi làm cho thép Mn tăng giới hạn chảy bao
nhiêu thì nó lại làm giảm độ dẻo bấy nhiêu. Vanadi đƣợc sử dụng trong thép mangan
biến cứng phân tán trong phạm vi hàm lƣợng từ 0,5 đến 2%. Vì sự ổn định của cacbit
vanadi, nhiệt độ tôi cần cao hơn, khoảng từ 1120 đến 11750 C và trƣớc đó nên già hoá
ở nhiệt độ từ 500 đến 6500C. Trong một số ứng dụng nhất định yêu cầu độ bền nén hơn
700 MPa 100 ksi đƣợc cân đối với độ dẻo cho phép. Các thí nghiệm trên một hợp
kim austenit mangan - niken – molypden - vanadi cho thấy khả năng chịu mài mòn của
loại thép này không tốt nhƣ của các mã tiêu chuẩn.