Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm crom và chế độ nhiệt luyện đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép austenite mangan cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NHẤT TRÍ

ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC HỢP KIM HĨA THÊM CROM
VÀ CHẾ ĐỘ NHIỆT LUYỆN
ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÀI MÒN DO VA ĐẬP VÀ MA SÁT
CỦA THÉP AUSTENITE MANGAN CAO
(EFFECT OF CHROMIUM ALLOYING AND HEAT TREATMENT ON
WORK HARDENING AND ABRASION OF HIGH MANGANESE
AUSTENITIC STEEL)

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu
Mã số: 60520309

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Đại Đoàn
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. Phạm Sơn Minh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 07 tháng 09 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Lưu Phương Minh - Chủ tịch
2. PGS. TS. Trần Văn Khải - Thư ký
3. TS. Huỳnh Công Khanh - Ủy viên
4. TS. Nguyễn Đại Đoàn - Phản biện 1
5. PGS. TS. Phạm Sơn Minh - Phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT VẬT LIỆU


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN NHẤT TRÍ
Ngày, tháng, năm sinh: 24/03/1991
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu

MSHV: 1770196
Nơi sinh: Đồng Nai
Mã số: 60520309

I. TÊN ĐỀ TÀI: Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm Crom và chế độ nhiệt luyện
đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép Austenite Mangan cao
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tổng quan về thép chống mài mòn austenite mangan cao; tổng quan về các
nghiên cứu liên quan đến đề tài
- Thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ ram sau khi tôi đến cấu trúc tế vi và một
số chỉ tiêu cơ tính của thép austenite mangan cao được hợp kim hóa crom
- Đánh giá kết quả thực nghiệm và bàn luận
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2020
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2020
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2020
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT VẬT LIỆU
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi vô cùng mang ơn thầy PGS.TS. Nguyễn
Ngọc Hà đã tận tâm giúp đỡ, hướng dẫn tư duy tiếp cận vấn đề và con đường đúng
đắn để hoàn tất nhiệm vụ đã đề ra.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy PGS. TS. Trần Văn Khải đã tận tình tư vấn và
hướng dẫn tôi một số kinh nghiệm trong phân tích vật liệu.

Tơi xin chân thành cảm ơn các em Lâm Thị Bắc, Bùi Thị Khánh Như, Nguyễn Thị
Hoan trong nhóm sinh viên hỗ trợ đã cùng tham gia hỗ trợ hết mình cho tơi trong
các thí nghiệm của luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Cơng ty CP ĐT&XD Cơng Trình 3, Cơng ty
DVG, Công ty Hyosung, Trung tâm Quatest 3, Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm
Tp.HCM, Khoa Công nghệ Vật Liệu trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo
điều kiện vô cùng thuận lợi và giúp đỡ để tơi có đầy đủ cơ cở vật chất và thiết bị để
thực hiện luận văn của mình.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn sự động viên và giúp đỡ của vợ tơi, gia đình
và bạn bè để tơi hồn thành tốt nhiệm vụ.
Xin kính chúc các thầy cơ, các em sinh viên, q doanh nghiệp, Đại học Công
Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM, Đại học Bách Khoa Tp.HCM nhiều sức khỏe, thành
công và ngày càng phát triển.
Tp HCM, ngày 05 tháng 09 năm 2020
Nguyễn Nhất Trí


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tên đề tài: Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm Crom và chế độ nhiệt luyện
đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép Austenite Mangan cao.
Thép austenite mangan cao (thép Hadfield) là một loại thép được biết đến
với độ dẻo dai cao, độ cứng thấp nhưng bề mặt có khả năng tự biến cứng khi chịu tác
động của tải trọng va đập. Lớp bề mặt có độ dày vài mm của thép austenite mangan
cao có tính kháng mài mịn cực kì tốt, đặc biệt khơng bị mất đi theo thời gian như công
nghệ tôi thấm cacbon, nito mà ln được hình thành liên tục trong q trình làm việc
chịu tải trọng va đập.
Nhằm tăng cường khả năng chống mài mòn của hợp kim dưới điều kiện làm
việc chịu tải trọng, các nguyên tố tạo cacbit đã và đang được bổ dung vào q trình
hợp kim hóa. Việc này không may đã dẫn đến sự tiết cacbit trong quá trình đúc tại các

biên giới hạt, làm giảm các tính chất đáng giá của thép austenite mangan cao. Vì vậy,
cần một công đoạn nhiệt luyện để đưa tổ chức của thép austenite mangan cao về cấu
trúc austenite, đồng thời phân bố và điều tiết sự có mặt phân tán của các cacbit trên
nền austenite để tăng cường khả năng kháng mài mịn trong q trình làm việc. Bằng
việc bổ sung Crom vào thép austenite mangan cao truyền thống (1.11% C, 12.76%
Mn, 2.43% Cr) và thay đổi q trình xử lí nhiệt – ram kết hợp tơi, đề tài đã tìm ra được
hiệu quả của sự thay đổi cấu trúc của hợp kim khi có mặt của Cr tương ứng với các
quá trình nhiệt luyện khác nhau, chứng mình được cacbit tạo thành do sự có mặt của
Cr là cacbit crom FexMnyCrzCt. Từ đó thiết lập được căn cứ để lựa chọn chế độ nhiệt
luyện phù hợp với từng yêu cầu tính chất của thép austenite mangan cao nhằm đáp ứng
quá trình ứng dụng trong thực tế.


ABSTRACT

Name of thesis: Effect of Chromium alloying and heat treatment on work
hardening and abrasion of high manganese austenitic steel.
High manganese austenitic steel (Hadfield steel) is a well-known material for its
high level of ductility, low hardness and surface work-hardening ability under impact.
A few millimeter surface layer of high manganese austenitic steel has high resistance
to abrasion, which continuously generates under dynamic loads, unlike materials being
treated with other technologies such as carburation and nitridation.
Carbide-forming agents have been introduced to the alloy to increase its wear
resistance under high pressure working conditions. However, this method leads to
carbides precipitation, mainly along the grain boundaries in casting, which reduces the
unique properties of austenitic steel. For that reason, a full heat treatment solution is
necessary to transform the microstructure of this alloy into pure austenite, and disperse
the carbide particles into austenite matrix to enhance the wear resistance ability. By
adding chromium into conventional Hadfield steel (1.11% C, 12.76% Mn, 2.43% Cr)
and changing heat treatment cycle – combination of quenching and tempering, this

thesis studies the effect chromium addition and different heat treatments on the
microstructure change, and prove that carbide grains formed are chromium carbides
FexMnyCrzCt. This is the premise for further researches on choosing the optimum heat
treatment solution to obtain required proterites for specific applications.


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ đề tài “Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa
thêm crom và chế độ nhiệt luyện đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma
sát của thép austenite mangan cao” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi
trong thời gian qua. Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả
nghiên cứu là do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có
nguồn gốc rõ ràng và chưa được cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tất cả
những sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thơng tin
trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện
Nguyễn Nhất Trí


i

MỤC LỤC

MỤC LỤC .........................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................ v
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................ 1
1.1. Mở đầu ................................................................................................................... 1

1.2. Các dạng mài mòn trong kỹ thuật ........................................................................... 4
1.3. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 7
1.4. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu .......................................................................... 7
1.4.1. Nhiệm vụ của nghiên cứu ................................................................................. 7
1.4.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 8
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỐNG MÀI MÒN MANGAN CAO ............... 9
2.1. Tổ chức, tính chất của thép austenite mangan cao ................................................... 9
2.2. Một số mác thép austenite mangan cao theo tiêu chuẩn phổ biến .......................... 10
2.3. Cơ chế hóa bền thép austenite mangan cao ........................................................... 14
2.4. Cơ chế chuyển biến từ austenite sang mactenxite .................................................. 17
2.5. Cơ chế song tinh và xô lệch .................................................................................. 18
2.6. Ảnh hưởng của cacbit đến khả năng tăng bền ....................................................... 23
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỀ TÀI ............... 26
3.1. Cấu trúc tế của thép austenite mangan cao sau khi đúc, chưa hợp kim hóa ............ 26
3.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của thép austenite mangan cao ................. 27


ii

3.2.1. Ảnh hưởng của quá trình nấu luyện ................................................................ 28
3.2.2. Ảnh hưởng của thành phần hóa học ................................................................ 30
3.2.3. Ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện .................................................................. 39
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 45
4.1. Chọn mác thép austenite mangan cao.................................................................... 45
4.2. Trang thiết bị ........................................................................................................ 45
4.3. Phương pháp thực hiện nghiên cứu ....................................................................... 52
4.3.1. Nấu luyện và đúc chi tiết ................................................................................ 53
4.3.2. Chế độ tôi ....................................................................................................... 54
4.3.3. Chế độ ram ..................................................................................................... 57
4.4. Phương pháp đánh giá .......................................................................................... 58

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ............................................. 59
5.1. Tỉ lệ tiết cacbit tiết ra ............................................................................................ 59
5.2. Thành phần hóa học của cacbit tiết ra ................................................................... 71
5.3. Thử độ dai va đập ................................................................................................. 75
5.4. Thử bền kéo .......................................................................................................... 77
5.5. Độ cứng Brinell .................................................................................................... 79
5.6. Kết luận ................................................................................................................ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 84


iii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nhật JIS
G5131 – 91 [11] ............................................................................................................. 10
Bảng 2.2: Cơ tính của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nhật JIS G5131 – 91 [11]
....................................................................................................................................... 11
Bảng 2.3: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM
A128-90 [12] .................................................................................................................. 11
Bảng 2.4: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nga [11]
....................................................................................................................................... 13
Bảng 2.5: Cơ tính ở một số nhiệt độ của mác 110 Γ 13A theo tiêu chuẩn Nga [30] ........ 13
Bảng 2.6: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn DIN
SEW395-1998 [38] ......................................................................................................... 14
Bảng 2.7: Cơ tính ở một số mác thép X120Mn13 theo tiêu chuẩn DIN SEW395-1998 [38]
....................................................................................................................................... 14
Bảng 2.8: Các thông số đặc trưng của cacbit.................................................................. 24
Bảng 2.9: Độ cứng của một số pha nền........................................................................... 25

Bảng 3.1: Tương quan cơ tính theo chế độ ram trong nghiên cứu của John O. Olawale,

Simeon A. Ibitoye ............................................................................................................ 44

Bảng 4. 1: Thành phần hóa học của thép austenite mangan cao SCMnH11 .................... 45
Bảng 4.2. Danh sách các trang thiết bị dùng trong nghiên cứu ....................................... 45
Bảng 4. 3: Thành phần hóa học của tường lị trung tính ................................................. 46
Bảng 4.4: Qui hoạch các thí nghiệm ram thép austenite mangan cao SCMnH11 ............ 58
Bảng 4.5: Qui hoạch các phương pháp đánh giá ............................................................ 58

Bảng 5.1: Tỉ lệ cacbit mẫu thép SCMnH11 tôi – không ram (%) ..................................... 68


iv

Bảng 5.2: Tỉ lệ cacbit mẫu thép SCMnH11 tôi – có ram (%)........................................... 68
Bảng 5.3: Kết quả thử độ dai va đập ak........................................................................... 76
Bảng 5 4: Kết quả thử kéo 3 mẫu 1.3, 3.3, 5.3................................................................. 78
Bảng 5.5: Kết quả đo độ cứng Brinell của 18 mẫu thử nghiệm ....................................... 80


v

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Biểu tượng thép Hadfield [10] ........................................................................... 1
Hình 1.2. Tấm ghi đường sắt............................................................................................. 3
Hình 1.3. Gàu và bánh xích xe xúc .................................................................................... 3
Hình 1.4. Cối nghiền quặng hình cơn [10] ........................................................................ 3
Hình 1.5. Hàm nghiền quặng dạng tấm [10] ..................................................................... 3
Hình 1.6. Thiết bị nghiền quặng đá chịu va đập và ma sát cao.......................................... 4
Hình 1.7. Minh họa mài mịn chà xước [2] ....................................................................... 5
Hình 1.8. Minh họa mài mịn nghiền [2] ........................................................................... 5

Hình 1.9. Minh họa mài mịn bào [2] ................................................................................ 5
Hình 2.1. Tổ chức tế vi 100X của thép austenite mangan cao sau khi tơi với tốc độ phù
hợp [10] ........................................................................................................................... 9
Hình 2.2. Hình thái SEM bề mặt trước và sau khi bắn bi: (a) chưa bắn bi, (b) 30ph,
(c)60ph, (d) 120ph bắn bi [29]....................................................................................... 15
Hình 2.3. Ảnh hưởng thời gian va đập lên độ cứng thép Hadfield [16] ........................... 16
Hình 2.4. Sự thay đổi độ cứng theo khoảng cách từ bề mặt trên thép Hadfield [16] ........ 16
Hình 2.5. Tổ chức tế vi bề mặt của mẫu búa từ thép austenite mangan cao: a) Chưa làm
việc; b) Đã làm việc [32] ................................................................................................ 18
Hình 2.6. Mơ tả song tinh [33]........................................................................................ 19
Hình 2.7. Ảnh TEM tổ chức song tinh của thép austenite mangan cao [35] .................... 21
Hình 2.8. Ảnh trường sáng TEM tổ chức song tinh của thép austenite mangan cao khi
biến dạng 20% tại 24oC [32] .......................................................................................... 22
Hình 2.9. Ảnh HRTEM các hạt kích thước nano (A) lồng vào cấu trúc vơ định hình (B)
[36] ................................................................................................................................ 23
Hình 2.10. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép Trung Quốc sau khi làm việc [30] ................ 24
Hình 3.1. Ảnh SEM và XRD cho thấy tổ chức chứa cacbit (Fe,Mn)3C tại vùng biên gới hạt
[14] ................................................................................................................................ 26


vi

Hình 3.2. Ảnh SEM và XRD trên bề mặt (a,c) và trong lõi (b,d) sau khi tơi [14] ............. 27
Hình 3.3. Phế liệu sạch, ép thỏi ...................................................................................... 28
Hình 3.4. Hồi liệu thép austenite mangan cao ................................................................. 28
Hình 3.5.Tổ chức thép austenite mangan cao (12%Mn) rót tại 1377oC [10] ................... 29
Hình 3.6.Tổ chức thép austenite mangan cao (12%Mn) rót tại 1486 oC [10] .................. 29
Hình 3.7. Giản đồ trạng thái Fe-Mn-C của thép Hadfield [14] ....................................... 30
Hình 3.8. Mơ tả ảnh hưởng Mn lên độ bền của thép austenite mangan cao [16] ............. 32
Hình 3.9. Mơ tả ảnh hưởng Cacbon lên độ bền của thép austenite mangan cao [16] ...... 33

Hình 3.10. C tăng làm giảm khả năng chống mài mòn của thép austenite mangan cao
[15] ................................................................................................................................ 33
Hình 3.11. Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr [24]............................................................ 34
Hình 3.12. Tổ chức thép Hadfield sau đúc, cacbit tập trung biên giới hạt [13] ............... 35
Hình 3.13. Tổ chức thép Hadfield sau tơi nước, cacbit xuất hiện trên biên giới hat và nền
austenite [13] ................................................................................................................. 35
Hình 3.14. Tổ chức thép Hadfield sau tơi nước, cacbit khơng cịn trên nền austenite [13]
....................................................................................................................................... 35
Hình 3.15. Tổ chức thép Hadfield sau đúc có 1.4% Cr, một số cacbit hình kim tiết ra trên
nền .................................................................................................................................. 35
Hình 3.16. Mô tả ảnh hưởng Cr lên độ bền của thép austenite mangan cao [16] ............ 36
Hình 3.17. Ảnh hưởng hàm lượng Si đến thay đổi hình dạng cacbit [1] .......................... 37
Hình 3.18. Ảnh hưởng hàm lượng Si đến độ cứng thép Hadfield [1] ............................... 38
Hình 3.19. Ảnh hưởng hàm lượng P đến tính chất thép Hadfield [1] .............................. 38
Hình 3.20. Sơ đồ tôi đặc trưng của một loại thép Hadfield [1]........................................ 39
Hình 3.21. Cấu trúc đặc trưng của thép A128 (tiêu chuẩn ASTM), mã B-3. (a) Vị trí trên
cùng là vật liệu đúc dày 76mm với lượng cacbit lớn dọc theo biên hạt. (b) Mẫu nung nóng
đến 1120oC) [30] ............................................................................................................ 40
Hình 3.22. Tổ chức thép Hadfield 1.82%Cr – 1%V trước nhiệt luyện (a) và sau khi nhiệt
luyện (b) [30].................................................................................................................. 41


vii

Hình 3.23. Tổ chức tế vi của thép mangan cao sau khi tôi ở 1050℃, giữ 1 giờ và làm
nguội trong nước, sau đó ram thấp ở 250℃ [31] ............................................................ 42
Hình 3.24. Tổ chức tế vi của thép mangan cao sau khi tôi ở 1050 oC, giữ 1 giờ và làm
nguội trong nước, sau đó ram thấp ở 450℃ [31] ............................................................ 42
Hình 3.25. Tổ chức tế vi của thép mangan cao sau khi tôi ở 1050℃, giữ 1 giờ và làm
nguội trong nước, sau đó ram thấp ở 550℃ [31] ............................................................ 43

Hình 4.1. Lị nấu trung tần 1,500kg tại Cơng ty CP ĐT&XD Cơng Trình 3 .................... 47
Hình 4.2. Lị buồng điện trở nhiệt luyện tại Công ty CP ĐT&XD Cơng Trình 3 .............. 47
Hình 4.3. Máy phân tích quang phổ phát xạ tại Cơng ty CP ĐT&XD Cơng Trình 3 ....... 48
Hình 4.4. Máy cắt tế vi tại Cơng ty DVG......................................................................... 48
Hình 4.5. Máy mài và đánh bóng mẫu tại Đại học Cơng Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM ... 49
Hình 4. 6. Kính hiển vi quang học tại Đại học Cơng Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM ......... 49
Hình 4.7. Kính hiển vi điện tử quét SEM tại Công ty Hyosung ........................................ 50
Hình 4.8. Máy thử kéo tại Cơng ty CP ĐT&XD Cơng Trình 3......................................... 51
Hình 4.9. Máy đo độ cứng Brinell tại Đại học Bách Khoa Tp.HCM ................................ 51
Hình 4.10. Máy thử độ dai va đập tại Trung tâm Quatest 3 ............................................. 51
Hình 4.11. Mẫu đúc cơn chữ Y theo ASTM A356 ............................................................ 53
Hình 4.12. Quy trình tơi thép austenite mangan cao chung ............................................. 55
Hình 4.13. Quy trình tơi thép austenite mangan cao SCMnH11 sau khi tính tốn ........... 56
Hình 4.14. Quy trình ram thép austenite mangan cao SCMnH11 .................................... 57
Hình 5.1. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 tôi 1050˚C - 3 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 59
Hình 5.2. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 350˚C - 2 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 59
Hình 5.3. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 350˚C - 3 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 60
Hình 5.4. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 400˚C - 1 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 60


viii

Hình 5.5. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 400˚C - 2 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 61
Hình 5.6. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 400˚C - 3 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 61

Hình 5.7. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 500˚C - 1 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 62
Hình 5.8. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 500˚C - 2 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 62
Hình 5.9. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 500˚C - 3 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 63
Hình 5.10. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 600˚C - 1 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 63
Hình 5.11. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 600˚C - 2 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 64
Hình 5.12. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 600˚C - 3 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 64
Hình 5.13. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 700˚C - 1 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 65
Hình 5.14. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 700˚C - 2 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 65
Hình 5.15. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 700˚C - 3 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 66
Hình 5.16. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 750˚C - 1 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 66
Hình 5.17. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 750˚C - 2 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 67
Hình 5.18. a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 750˚C - 3 giờ b) Cacbit trên
biên giới hạt. c) Cacbit trên nền...................................................................................... 67


ix

Hình 5.19. Biểu đồ liên hệ thời gian và nhiệt độ ram ...................................................... 69
Hình 5.20. Biểu đồ liên hệ thời gian và nhiệt độ ram ...................................................... 69

Hình 5.21. Biểu đồ liên hệ thời gian và nhiệt độ ram ...................................................... 69
Hình 5.22. Ảnh SEM 100X mẫu ram 500˚C – 3h ............................................................. 71
Hình 5.23. EDX cacbit trên biên giới hạt ........................................................................ 72
Hình 5.24. EDX cacbit trên biên giới hạt ........................................................................ 72
Hình 5.25. EDX cacbit trong nền hạt tinh thể ................................................................. 73
Hình 5.26. EDX cacbit trong nền hạt tinh thể ................................................................. 73
Hình 5.27. EDX trong nền hạt tinh thể ............................................................................ 74
Hình 5.28. Bốn mẫu thử độ dai va đập ............................................................................ 75
Hình 5.29. Mặt gãy theo TCVN 312-1:2007 .................................................................... 76
Hình 5.30. Mặt gãy của 4 mẫu đã thử va đập 1.3, 3.3, 5.3 và 6.3 .................................... 76
Hình 5.31. Chuẩn bị 3 mẫu thử kéo 1.3, 3.3 và 5.3 theo ASTM E8 .................................. 77
Hình 5.32. Biểu đồ thể hiện 3 mẫu thử kéo 1.3, 3.3 và 5.3 theo ASTM E8 ....................... 78
Hình 5.33. Các vị trí đo độ cứng Brinell ......................................................................... 79
Hình 5.34. Biểu đồ thể hiện độ cứng Brinell theo chế độ ram ......................................... 81


1

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Mở đầu
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất diễn ra cuối thế kỷ 18 và đầu thế kỷ 19 là
cuộc cách mạng trong lĩnh vực sản xuất. Đây được xem là sự thay đổi cơ bản các điều
kiện xã hội, văn hóa và kỹ thuật, xuất phát từ nước Anh, sau đó lan tỏa ra tồn thế giới.
Cách mạng cơng nghiệp lần thứ hai tiếp tục sau đó từ khoảng thập niên 1860 đến đầu thế
kỷ XX. Xuyên suốt hai lần trong cuộc cách mạng cơng nghiệp này, nhu cầu về khai
khống sắt thép và than đá ngày càng lớn, sau đó là cơng nghiệp đường sắt phát triển khi
nhu cầu vận chuyển và giao thương phát triển không ngừng. Vấn đề đặt ra kể từ lúc bấy
giờ cho đến nay là tìm ra một loại vật liệu đáp ứng các điều kiện làm việc khắc nghiệt trên
để phục vụ trong ngành khai khoáng, đường sắt, xây dựng. Đó chính là loại vật liệu u
cầu có tính chống mài mịn bề mặt cao, chịu va đập tốt, nhưng bên trong yêu cầu độ dẻo

dai cao.

Hình 1.1. Biểu tượng thép Hadfield [10]
Thép Mangan cao (hàm hượng mangan trên 10%) được Sir Robert Hadfield phát
hiện ra năm 1882. Ban đầu, chỉ chế tạo thép có hàm lượng mangan dưới 2.46%. Ngài


2

Hadfield đã thử chế tạo thép có hàm lượng mangan cao hơn mức này khi ông dùng ferro
mangan 80%Mn – 7%C. Do dùng hợp kim ferro có tỉ lệ Mn:C xấp xỉ tỉ lệ 10:1 nên tỉ lệ
này ngẫu nhiên được chọn.
Trong các thử nghiệm của mình, ngài Hadfield đã phát hiện Mangan trong khoảng
2.5% - 7.5% thì thép sẽ cực kì giịn, nhưng khi hàm lượng Mn trên mức 10% thì thép trở
nên dẻo dai đáng kể. Ngài Hadfield cũng phát hiện ra rằng độ bền dẻo của thép tăng lên
nhiều khi tôi trong nước lạnh sau khi nung nóng ở mức 1832oF (1000oC). Sau đó, ơng tiếp
tục phát hiện ra với thành phần hóa học 1.2%C và 12.5%Mn (tỉ lệ Mn:C giữ nguyên
10:1), thành phần này cho đến ngày nay được đặt tên là thép Hadfield (năm 1883 đã được
vương quốc Anh cấp bằng sáng chế No. 200) [10].
Cho đến ngày nay, thép Hadfield được biết đến là loại thép có độ dẻo dai cao, độ
cứng thấp, bề mặt có khả năng tự biến cứng khi chịu tác động của tải khi va đập. Lớp bề
mặt này có tính chống mài mịn cao, khơng bị mất đi theo thời gian như công nghệ tôi
thấm cacbon, nito mà luôn được hình thành liên tục trong quá trình làm việc chịu tải trọng
va đập.
Trong thực tế, các chi tiết thường làm việc dưới ảnh hưởng của nhiều điều kiện tác
động kết hợp: vừa chịu va đập, vừa chịu ma sát. Bởi vì tính chất rất đặc trưng của thép
Hadfield – chống mài mòn tốt trên bề mặt, dẻo dai cao bên trong, mà thép Hadfield đã và
đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng gồm sản xuất xi-măng,
khai khống, đường sắt, ơtơ và xây dựng. Các chi tiết chịu tải trọng va đập mạnh như
cánh máy bắn bi, bi nghiền, hàm nghiền quặng (đá), cối nghiền, thanh ghi đường sắt, gàu

xúc, bánh xích xe tăng, búa nện…là các chi tiết điển hình được chế tạo bằng thép
Hadfield.


3

Hình 1.2. Tấm ghi đường sắt

Hình 1.3. Gàu và bánh xích xe xúc

.

Hình 1.4. Cối nghiền quặng hình cơn
[10]

Hình 1.5. Hàm nghiền quặng dạng
tấm [10]

Tuy nhiên, hiện nay các nhà sản xuất đúc trong nước vẫn tồn tại nhiều vướng mắc vì
chất lượng cịn thấp, độ mài mịn nhanh dẫn tới tuổi thọ làm việc thấp. Thép Hadfield
truyền thống thường chỉ chịu mài mòn do va đập tốt, trong khi chịu mài mịn do ma sát
thấp. Do vậy, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu trên thế giới tập trung cải thiện tính chất
của thép Hadfield bằng các phương pháp khác nhau:
 Hợp kim hóa kết hợp xử lí nhiệt
 Đúc hai lớp
 Cấy thanh cacbit


4

Hình 1.6. Thiết bị nghiền quặng đá chịu va đập và ma sát cao

Với mục tiêu nghiên cứu cải thiện tính chất chịu mài mịn của thép Hadfield, luận
án này tác giả lựa chọn phương pháp hợp kim hóa kết hợp với qui trình xử lí nhiệt hợp lí
để tạo ra tổ chức austenite hạt nhỏ với cacbit phân bố nhỏ mịn đồng đều bên trong hạt.
Với tổ chức này, tác giả hi vọng sẽ vừa tăng độ dẻo dai, vừa cải thiện chống mài mòn do
ma sát. Do vậy, đề tài của luận án xin được lựa chọn là: “Ảnh hưởng của việc hợp kim
hóa thêm crom và chế độ nhiệt luyện đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma
sát của thép austenite mangan cao”.
1.2. Các dạng mài mòn trong kỹ thuật
Theo báo cáo tổng quan về thép Mangan cao tại Trường Đại học Johannesburg,
Johannesburg, South Africa năm 2014 [1] và phân loại các dạng mài mịn trong máy
nghiền dùng thép Hadfield của tập đồn Metso [2], quá trình mà dẫn đến việc mất vật liệu
do ma sát được gọi là mài mòn. Trong kỹ thuật, mài mòn thường chia thành ba dạng:
Loại 1: Mài mòn ứng suất thấp hay mài mịn chà xước có đặc điểm
-

Khơng chịu lực nén

-

Vật liệu bị mài trượt mịn nhẹ dần trên bề mặt mài mịn

-

Ít xảy ra q trình va đập


5

Loại 2: Mài mòn ứng suất cao hay mài mòn nghiền có đặc điểm
-

Chịu lực nén lớn

-

Vật liệu bị vỡ ra thành nhiều phần nhỏ

-

Ít xảy ra q trình va đập

Loại 3: Mài mịn bào có đặc điểm
-

Chịu lực nén lớn

-

Vật liệu bị vỡ ra thành nhiều phần lớn

-

Xảy ra quá trình va đập mạnh giữa vật liệu được gia cơng và vật liệu chịu mài
mịn

Tương tác khi va đập và mài mòn đồng thời ảnh hưởng lên vật liệu chịu tác động được
mơ phỏng như hình 1.7, 1.8, 1.9.

Hình 1.7. Minh họa mài mịn chà xước
[2]

Hình 1.9. Minh họa mài mịn bào [2]

Hình 1.8. Minh họa mài mịn nghiền
[2]


6

Mài mịn là q trình thường xảy ra do sự ma sát của hai bề mặt vật liệu. Kết quả
của quá trình này là sự mất đi vật liệu theo thời gian, cho đến một lúc nào đó thì vật liệu
sẽ bị phá hủy, hoặc bề mặt vật liệu bị mất tính kháng mài mịn dẫn đến vật liệu khơng thể
chịu đựng được lâu hơn quá trình vận hành.
Nhưng trong thực tế, vật liệu thường không chỉ chịu tác động của riêng lực ma sát,
mà còn tác động của va đập. Lúc này, đòi hỏi vật liệu phải đáp ứng u cầu kháng mài
mịn va đập đồng thời. Trong đó, thực tế cho thấy hợp kim crom cao chịu mài mòn tốt
dưới tác động loại 1 và 2, thép austenite mangan cao chịu mài mòn tốt với loại 3.
Trong tiến trình phát triển của vật liệu chịu mài mịn đã có nhiều hướng đi để đáp
ứng cho từng ứng dụng cụ thể, có thể kể đến các hướng tiếp cận vật liệu như sau:

NÂNG CAO TÍNH CHỐNG
MÀI MỊN

COMPOSITE
[3, 4]

Kết hợp đặc tính nền cốt: bền + nhẹ
Cải thiện chịu ma sát chà xước

Ứng dụng: hàng không vũ trụ

COATING
[5, 6]

Tăng cơ tính bề mặt
Cải thiện chịu ma sát chà xước
Ứng dụng: bảo vệ bề mặt

CEMENTED
CARBIDE
[7, 8]

Tăng độ cứng và chống mài mịn
Cải thiện 3 dạng chịu ma sát
Ứng dụng: cơ khí mài mòn

Trong cả ba hướng phát triển vật liệu kể trên, vật liệu chỉ có thể tăng khả năng
chống mài mòn trong một giới hạn nhất định (về chiều dày kháng mài mịn, về cường độ),
khơng vật liệu nào lí tưởng để chịu đựng dạng mài mòn va đập đặc thù trong các ứng


7

dụng kỹ thuật khai khống, cơng nghiệp nặng. Do vậy trong kỹ thuật cơ khí, vật liệu trên
nền gang và thép vẫn chưa thể thay thế. Trong số ấy, thép austenite mangan cao là loại vật
liệu đặc trưng đang được nghiên cứu và phát triển để chịu cả ba dạng mài mòn: chà xước,
nghiền và bào.
1.3. Đặt vấn đề
Thép austenite mangan cao sản xuất trong nước hiện nay chỉ đáp ứng khá tốt về độ

dai va đập, còn khả năng chịu mài mòn còn thấp. Một chi tiết trong các ứng dụng phổ
biến hoạt động động trong điều kiện rất khắc nghiệt, luôn chịu đồng thời của va đập và
mài mòn. Do vậy, việc nghiên cứu để phối trộn hợp kim hóa phù hợp, từ đó tìm hiểu để
chọn được điều kiện nhiệt luyện tối ưu nhằm thu được tổ chức kim loại đáp ứng được
điều kiện làm việc của chi tiết là việc cần thiết cho ngành luyện kim trong nước.
Cho tới nay, đã có nhiều nghiên cứu về hợp kim hóa crom trong thép austenite
mangan cao. Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu chỉ dừng lại việc chọn chế độ tơi phù hợp
mà cịn chưa đi sâu vào chế độ ram. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tính hợp kim hóa của
crom trong thép austenite mangan cao và tìm hiểu, đánh giá tồn bộ q trình nhiệt luyện
gồm tôi và ram là cần thiết để đưa ra một cái nhìn tồn diện. Đó chính là động lực để tôi
thực hiện nghiên cứu này.
1.4. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu
1.4.1. Nhiệm vụ của nghiên cứu
Thép austenite mangan cao sở hữu các tính chất tổng hợp mà hiếm vật liệu nào có
được cho các ứng dụng kỹ thuật cơ khí, vì vậy đã được ứng dụng hơn 100 năm qua [9]:
 Độ bền dẻo cao
 Khả năng hấp thụ năng lượng va đập tốt
 Khả năng hóa bền bề mặt do va đập tốt


8

Nhiệm vụ của nghiên cứu là tập trung nghiên cứu chế độ ram phù hợp sau khi tôi để
cacbit tiết ra vừa đủ số lượng, vừa có hình thái phù hợp để cải thiện tính chống mài mịn
do va đập và mài sát khi hợp kim hóa crom.
1.4.2. Nội dung nghiên cứu
Tổng quan về các nghiên cứu về ảnh hưởng của một số nguyên tố, trong đó có crom
và chế độ nhiệt luyện trong nấu luyện thép austenite mangan cao. Ngun lý hóa bền của
thép austenite mangan cao.
Hoạch định thí nghiệm và tiến hành nấu luyện chế tạo các mẫu thử và xử lí nhiệt tơi

và ram. So sánh và đánh giá sự thay đối cấu trúc tế vi của các mẫu thử ở các chế độ ram
khác nhau. Từ đó xem xét tính phù hợp về sự phân bố cacbit trên nền austenite.
Đo đạc và đánh giá khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của các mẫu thử
thơng qua một số chỉ tiêu cơ tính như: độ cứng, độ bền kéo, độ dai va đập.


9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỐNG MÀI MÒN MANGAN CAO
2.1. Tổ chức, tính chất của thép austenite mangan cao
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 mịn hết.
Hình chụp tế vi số 10 thể hiện tổ chức pha austenite của thép austenite mangan cao
sau khi đúc, tôi và làm nguội nhanh với nước. Công đoạn tôi thép austenite mangan cao
cần được tiến hành với tốc độ làm nguội nhanh để hạn chế sự tiết cacbit, làm giảm tính
dẻo dai đáng kể của vật liệu [10].

Hình 2.1. Tổ chức tế vi 100X của thép austenite mangan
cao sau khi tôi với tốc độ phù hợp [10]