Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác Z50CD15 dùng để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc

nuôi gia súc, gia cầm ở qui mô công nghiệp. Nó cũng rất dễ dàng cho việc bảo quản, vận chuyển. Một trong các bộ phận quan trọng nhất của thiết bị ép thức ăn này là khuôn ép thức ăn. Khuôn ép này ngoài việc phải chịu được tác động ăn mòn khi tiếp xúc với các thức ăn, còn phải chịu được sự mài mòn của việc ép thức ăn khi đi qua các lỗ nhỏ trên bề mặt khuôn. Thép không gỉ máctenxít đáp ứng tốt các yêu cầu này. Để góp phần phục vụ nhu cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu khi các chi tiết này bị hỏng, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công Thương chấp thuận giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép Z50CD15 dùng để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc”. Bản báo cáo bao gồm các phần như sau: - Tổng quan. - Nội dung và phương pháp nghiên cứu. - Kết quả đạt được. - Kết luận và kiến nghị. - Tài liệu tham khảo. - Các tài liệu liên quan đến đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thương), Viện Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp cùng các cơ quan trong cũng như ngoài Bộ. Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cám ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó. 5 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu thép không gỉ máctenxit có chứa Crôm, Molipđen và Vanadi. Để phân biệt các loại thép với nhau, người ta có nhiều cách như theo thành phần hoá học, công dụng của chúng, cấu trúc tồn tại,… Đối với thép không gỉ, thông thường người ta hay dùng cách phân loại theo dạng tồn tại cấu trúc của thép. Trong hệ thép không gỉ có những họ thép như sau: thép austenit, dạng ferit, dạng máctenxit, dạng bề hoá tiết pha, dạng song pha. Trong các loại thép này thì thép máctenxit có giá thành thấp trong khi chúng lại có tính chất tốt của loại thép không gỉ. Thông thường, đối với thép không gỉ máctenxit chỉ có một nguyên tố hợp kim là Crôm thì hàm lượng Crôm tối thiểu phải lớn hơn 11,5% còn nếu có thêm các nguyên tố hợp kim khác như Mo, V, Ni, Ti, W,… thì hàm lượng Cr có thể nhỏ hơn 11,5% thì thép không gỉ đó mới có cấu trúc máctenxit. Nhờ có các nguyên tố hợp kim này mà thép có được tính chống gỉ tốt và có độ bền cơ học cao. Ngoài ra thép máctenxit còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như cơ khí, dụng cụ và các chi tiết sử dụng ở nhiệt độ cao. Thành phần hoá học của hệ thép không gỉ máctenxit được nêu trong bảng 1. Bảng 1: Thành phần hóa học của hệ thép không gỉ máctenxit. TT Mác thép Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) AISI ASTM C Si Mn P ≤ S ≤ Cr Ni Mo Khác 1 403 403 ≤0,15 ≤0,50 ≤1,00 0,040 0,030 11,5- 13,0 2 410 410 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 11,5- 13,5 3 410Cb XM-30 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 11,5- 13,5 Nb≤0,25 4 410S - ≤0,06 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 11,5- 13,5 ≤0,6 5 414 414 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 11,5- 13,5 1,25- 2,50 6 416 416 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,25 0,060 0,150 12,0- 14,0 Zr/Mo≤0,60 7 416 plus X - ≤0,15 ≤1,00 1,50- 2,50 0,060 0,150 12,0- 14,0 ≤0,60 8 416Se 416Se ≤0,15 ≤1,00 ≤1,25 0,060 0,060 12,0- 14,0 Se>0,15 9 420 420 ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 12,0- 14,0 10 420F 420F ≤0,15 ≤1,00 ≤1,25 0,060 0,150 12,0- 14,0 ≤0,60 11 420F Se 420F Se 0,30- 0,40 ≤1,00 ≤1,25 0,06 0,06 12,0- 14,0 Se>0,15 12 422 - 0,20- 0,45 ≤0,75 ≤1,00 0,040 0,030 11,5- 13,5 0,50- 1,00 0,75- 1,25 V=0,15-0,3 W=0,75-1,25 13 431 431 ≤0,20 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 15,0- 17,0 1,25- 2,50 14 440A 440A 0,60- 0,75 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 16,0- 18,0 ≤0,75 6 15 440B 440B 0,75- 0,95 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 16,0- 18,0 ≤0,75 16 440C 440C 0,95- 1,20 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 16,0- 18,0 ≤0,75 17 440F - 0,95- 1,20 ≤1,00 ≤1,00 0,06 0,15 16,0- 18,0 Mo/Zr≤0,75 18 440F Se - 0,95- 1,20 ≤1,00 ≤1,00 0,06 0,06 16,0- 18,0 Se>0,15 19 501 501 ≤0,10 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 4,00- 6,00 0,40- 0,65 20 502 502 ≤0,10 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 4,00- 6,00 0,40- 0,65 21 503 501A ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,030 6,00- 8,00 0,45- 0,65 22 504 501B ≤0,15 ≤1,00 ≤1,00 0,040 0,040 8,00- 10,0 0,90- 1,10 Qua bảng 1 ta thấy hệ thép không gỉ máctenxit được phân chia làm 3 nhóm chính gồm nhóm thép chỉ có Cr khoảng 13%, nhóm có chứa Cr+Ni và nhóm có chứa Cr cộng thêm một số nguyên tố hợp kim vi lượng như Mo, V, Ti. 1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của thép không gỉ máctenxit. . Như đã biết, thành phần cơ bản của thép không gỉ máctenxit là Cr vào khoảng 11,5-18% ngoài ra còn có thêm một số nguyên tố hợp kim khác nữa. Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cấu trúc và tính chất của các loại thép không gỉ máctenxit. Cácbon: Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, tức là nguyên tố tăng độ ổn định của pha austenit. Do có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn γ và tạo thành pha cácbit có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm đi do có sự thay đổi cấu hình của cácbit. Khi có các nguyên tố tạo cácbit mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung chủ yếu vào những vị trí hình thành cácbit. Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cácbít. Điều này dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hưởng đến tính chất hợp kim. Cácbon cũng có ảnh hưởng xấu đến tính dẻo, giảm khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim. Vì vậy, hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa hàm lượng cácbon thấp như các loại thép không gỉ làm việc trong các môi trường có tính ăn mòn mạnh. Tuy nhiên, đối với thép không gỉ máctenxit được sử dụng trong ngành chế tạo cơ khí thì hàm lượng cácbon lại cao. Crôm: Crôm là nguyên tố rất quan trọng có ảnh hưởng mạnh đến tính chống gỉ của thép nhờ khả năng thụ động của Crôm. Để đảm bảo khả năng chống gỉ của thép, hàm lượng Cr trong thép tối thiểu phải lớn hơn 11,5% để tạo ra một lớp màng 7 ôxit bền vững trên bề mặt thép và lớp ôxit này có lực liên kết bền vững với kim loại nền nên đã tạo cho thép có tính chống gỉ tốt. Hình 1: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr Hình 1 mô tả giản đồ trạng thái của Fe-Cr. Crôm là nguyên tố mở rộng vùng α, làm tăng nhiệt độ Ac3 và làm giảm nhiệt độ Ac1. Ở khoảng nhiệt độ 600-8000C với hàm lượng Cr vào khoảng 45% sẽ tạo thành pha σ mở rộng về hai phía Fe và Cr. Pha σ rất cứng và dòn. Pha σ trong hệ Fe-Cr được tiết ra ở nhiệt độ cao và cần thời gian dài. Ở nhiệt độ thấp thì không thể tiết ra pha σ. Crôm là nguyên tố tạo cácbít khá mạnh. Vì vậy, cácbon liên kết với crôm tạo thành cácbit đã làm giảm khả năng tiết pha σ trong thép crôm. Crôm kết hợp với cácbon thành 3 loại cácbít : Cr3C, Cr7C3 và Cr23C6. Cácbít Cr23C6 có mạng tinh thể lập phương diện tâm với thông số mạng 0,64A0 với nhiệt độ nóng chảy là 1520-15500C. Cácbít Cr7C3 có mạng tinh thể ba nghiêng với thông số mạng a=3,89A0 và c=41,323A0, nhiệt độ nóng chảy là 1630-16700C. Đối với thép được hợp kim nhiều nguyên tố thì Cr thường tạo ra cácbit phức ở dạng (Fe,Cr)3C, (Cr,Fe)7C3 và (Cr,Fe)4C. Các dạng cácbit phức được thể hiện trên hình 2. 8 Hình 2: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr-C ở 200C Tóm lại, trong thép không gỉ máctenxit, Crôm có những tác dụng sau: Tạo ra khả năng chống gỉ cho thép. Tạo ra cấu trúc máctenxit làm tăng độ bền cho thép. Vanadi: Vanadi ở trong thép có tác dụng làm nhỏ hạt tinh thể nên tạo cho thép có độ bền và tính dẻo cao. Vanadi là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh (khả năng tạo cacbit tăng dần theo thứ tự Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti). Vanadi cùng với C tạo ra nhiều loại cacbit như V5C, V2C, V4C3, VC và V2C3. Ngoài các nguyên tố hợp kim trên ra, trong thép không gỉ máctenxit có thể có thêm một số nguyên tố hợp kim khác nữa như Ni, W, Ti, Nb,… Trong số các nguyên tố này thì Ti và Nb cũng có tác dụng tạo pha cácbit để nâng cao độ bền, tính chịu nhiệt và tính chống gỉ. 9 Hình 3: Giản đồ trạng thái hệ Fe-V. Hình 4: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-V-C ở 200C 10 Molypđen: Mo là nguyên tố hợp kim thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α trong hợp kim với sắt. Mo làm tăng độ bền cơ học, độ bền mỏi và làm tăng tính chịu nhiệt của thép. Mo cũng là nguyên tố tạo cácbít mạnh như Cr. Trong thép hợp kim có chứa Mo thông thường tạo thành cácbit đơn như MoC, Mo2C và một số loại cácbít phức khác. Hình 5: Giản đồ trạng thái hệ Fe-Mo 11 Hình 6: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-Mo-C ở 200C 1.3. Nhiệt luyện thép không gỉ máctenxit Để nhận được cấu trúc máctenxit nhằm đảm bảo cơ tính cao, thép không gỉ phải được nhiệt luyện. Công đoạn nhiệt luyện bao gồm các khâu chủ yếu sau: austenit hoá, tôi và ram. Austenit hoá: Nhiệm vụ của khâu austenit hoá là tạo ra dung dịch rắn γ đồng nhất để chuẩn bị cho khâu tôi tiếp theo. Vì vậy, nhiệt độ austenit hoá là phải cao hơn nhiệt độ Ac3 để các nguyên tố hợp kim có thể hoà tan hoàn toàn vào các dung dịch rắn. Ngoài yếu tố nhiệt độ thì cần phải có thời gian giữ nhiệt đủ để các nguyên tố hợp kim có thể khuyếch tán hoàn toàn vào dung dịch rắn. Thông thường, các mác thép không gỉ máctenxit được austenit hoá ở nhiệt độ từ 950- 11000C. Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép và kích thước sản phẩm. Tôi: Tôi là công đoạn làm nguội nhanh dung dịch rắn γ từ nhiệt độ austenit hoá xuống dưới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến máctenxit Ms. Tốc độ làm nguội để 12 chuyển biến austenit – máctenxit xảy ra hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần hoá học của mác thép. Thông thường, thép không gỉ máctenxit được làm nguội khi tôi bằng dầu hoặc không khí. Như vậy, để đảm bảo nhận được cấu trúc máctenxit thì khâu tôi phải thoả mãn các điều kiện chính như sau: Tốc độ làm nguội phải lớn hơn tốc độ làm nguội tới hạn cho phép của thép. Tốc độ làm nguội tới hạn của từng loại thép thông thường được xác định bằng thực nghiệm. Để điều chỉnh tốc độ làm nguội người ta thường sử dụng các môi trường tôi khác nhau như không khí, dầu, nước và các loại dung môi khác nhau. Đối vói thép không gỉ máctenxit thường dùng môi trường tôi là dầu hoặc không khí nén. Sau khi tôi, ta nhận được cấu trúc của thép là máctenxit với mạng tinh thể lập phương thể tâm. Vì quá trình tôi là một quá trình xẩy ra rất nhanh nên không đủ thời gian cho các nguyên tố khuyếch tán. Vì vậy, máctenxít là một dung dịch rắn quá bão hoà có độ cứng cao và dòn. Bên cạnh máctenxit trong cấu trúc của thép không gỉ máctenxít còn có thể có một lượng nhỏ σ-pherit. Đôi khi còn có cả austenit dư khi tốc độ làm nguội không đủ lớn. Ram: Máctenxit nhận được sau khi tôi là một dung dịch rắn quá bão hoà, có độ cứng cao và dòn. Vì vậy để thép có những tính chất cơ lý cao nhất theo yêu cầu thì cần thiết phải tiến hành ram thép. Trong quá trình ram thép có xảy ra các hiện tượng như phân huỷ austenit dư ở khoảng nhiệt độ 220-2600C. Kết quả của quá trình này là độ cứng và tính chịu mài mòn của thép tăng lên. Hiện tượng phân huỷ dung dịch rắn xảy ra ở nhiệt độ 320-4300C Kết quả của quá trình ram là cấu trúc hợp kim ở trạng thái ổn định, độ cứng giảm đi nhưng tính dẻo tăng lên. Các tính chất khác như tính chống gỉ cũng được tăng lên. 1.4. Thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15. Thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 thuộc về nhóm thép có chứa 14,5%Cr và được hợp kim hoá thêm các nguyên tố hợp kim Mo và V. Đây là hệ thép đã được nghiên cứu và sản xuất ở nhiều nước trên thế giới. Các nước đã đưa ra tiêu chuẩn hoá mác thép này. Bảng 2 đưa ra mác thép, tiêu chuẩn và thành phần hoá học của loại thép này của các nước như Nhật Bản, Liên Xô cũ, Đức và Pháp. Bảng 2: Thành phần hoá học mác thép Z50CD15 và các mác tương đương STT Mác Tiêu Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) thép chuẩn C Si Mn P S Cr Mo V Ni 1 4Cr13 Nga 0,36- 0.45 ≤ 0,6 ≤ 0,8 ≤0,035 ≤0,03 12,0- 14,0 - - - 2 SUS420J2 Nhật 0,26- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,03 12,0- - - ≤ 0,6 13 Chế độ gia công thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 như sau: - Chế độ rèn: 1100-9000C. Sản phẩm sau rèn được làm nguội chậm. - Chế độ ủ: 800-8600C. Tốc độ làm nguội 300C/giờ. - Chế độ tôi: 1000-10500C. Môi trường làm nguội là dầu. - Chế độ ram: Ram cao tại nhiệt độ 6000C. Môi trường là không khí Tính chất cơ lý tính của thép sau nhiệt luyện như sau: σb : ≥950 MPa σ0,2: ≥750 MPa δ: ≥9 % Cấu trúc của thép không gỉ Z50CD15 sau khi nhiệt luyện là máctenxit, δ- pherit và cácbít các loại. Ngoài ra, thép không gỉ máctenxit còn có tính chống gỉ cao trong một số môi trường ăn mòn. Chính vì có các tính chất cơ lý tính cao như vậy mà thép không gỉ máctenxit Z50CD15 được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp như cơ khí, hoá chất,… 1.5. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc. 1.5.1. Công nghệ chế biến thức ăn gia súc. Từ nguyên liệu thức ăn chăn nuôi ở dạng bột để có sản phẩm dạng viên chủ yếu phải trải qua ba công đoạn: - Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu - Công đoạn tạo hình viên - Công đoạn sử lý sau khi tạo viên Dựa vào yêu cầu về thức ăn của từng vật nuôi khác nhau mà có các thiết bị cụ thể khác nhau. Căn cứ vào công nghệ chuẩn bị nguyên liệu khác nhau và công nghệ sử lý tạo viên, ta có thể chia thành công nghệ tạo viên cho gia súc, gia cầm với công nghệ tạo viên thức ăn thủy sản. Sơ đồ lưu trình công nghệ chủ yếu của nó được thể hiện trên hình 7. 0,40 14,0 3 X46Cr13 (14034) Đức 0,42- 0,50 ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,045 ≤0,03 12,50- 14,50 - - - 4 X38Cr13 (14031) Đức 0,35- 0,42 ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,045 ≤0,03 12,50- 14,50 - - - 5 Z44C14 Pháp 0,40- 0,48 ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,04 0,015- 0,03 12,50- 14,50 - - - 6 Z50CD15 Pháp 0,45- 0,55 ≤ 0,75 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,015 14,0- 15,0 0,5- 1,0 0,1- 0,2 - 7 Z50C15 Pháp 0,45- 0,55 ≤0,75 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,015 14,5- 15,5 - - - 14 Hình 7: Lưu trình công nghệ chế biến thức ăn gia súc dạng viên Trong lưu trình trên, công đoạn tạo hình viên đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc nâng cao chất lượng và công suất của dây chuyền chế biến. Nguyên lý của công đoạn tạo hình viên như sau: Máy ép tạo viên gồm có một trục đặc bên trong và một trục rỗng bao ở ngoài, nghĩa là 2 trục lồng vào nhau. Trục rỗng có 2 ổ bi, vòng ngoài của ổ bi lắp vào 2 thân ổ lắp chặt vào thành máy. Một đầu trục có mặt bích để lắp khuôn ép. Khi trục rỗng quay thì khuôn ép quay theo tốc độ quay của khuôn. Căn cứ vào đặc tính của nguyên liệu và đường kính của viên để chọn tốc độ quay của khuôn sao cho phù hợp. Theo kinh nghiệm thì với khuôn ép có đường kính lỗ bé thì phải sử dụng tốc độ tiếp tuyến tương đối cao, còn với khuôn có đường kính lỗ khuôn lớn thì phải sử dụng tốc độ tiếp tuyến nhỏ. Tốc độ tiếp tuyến của khuôn có ảnh hưởng đến hiệu suất tạo viên, đến tiêu hao năng lượng và độ bền chắc của viên. Trong phạm vi nhất định, tốc độ tiếp tuyến của khuôn cao thì năng suất cao, năng lượng tiêu hao cao, độ cứng của viên và tỉ lệ hồ hoá của bột cũng tăng lên. Nói chung, với đường kính lỗ khuôn là 3,2 ÷ 6,4mm thì tốc độ tiếp tuyến của khuôn rất cao có thể đạt tới 10,2m/s; còn khi đường kính lỗ khuôn 16 ÷ 19mm thì tốc độ tiếp tuyến của khuôn ép là 6,1÷ 6,6m/s. Trong thiết bị ép thức ăn, trục đặc không quay và được lắp ổ đỡ trên một đầu của trục đặc có một mặt bích .Trên mặt bích đó được lắp 2 hoặc 3 quả lô ép. Quả lô ép quay trơn quanh mình nó. Khe hở giữa quả lô ép với khuôn ép được điều chỉnh thích hơp thì mới ép tạo thành viên. Khe hở này nói chung là từ 0,1 đến 0,3mm. Nguyên lý làm việc của buồng ép viên như trên hình 8. Thùng chứa Cấp liệu Phun hơi nước Trộn Tạo viên Sấy, làm mát Bẻ mảnh Phân loại Thành phẩm Bao gói sản phẩm 15 Hình 8: Nguyên lý làm việc của buồng ép viên 1 Khuôn ép 11 Bulông điều chỉnh 2 Bulông kẹp chặt 12 Bulông điều chỉnh 3 Quả lô ép 13 Đai ốc chống nới lỏng 4 Đai ốc chống nới lỏng 14 Bánh răng điều tiết 5 Bulông điều chỉnh 15 Quả lô ép 6 Bánh răng điều tiết 16 Bulông kẹp chặt 7 Đai ốc chống nới lỏng 17 Dao cắt viên 8 Bulông điều chỉnh 18 Viên 9 Dao gạt liệu vào 19 Khu vực vật liệu để tạo viên 10 Đai ốc chống nới lỏng 1.5.2. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc. Như trên đã trình bày, khuôn ép thức ăn gia súc cần phải có tính chịu mài mòn khi làm việc, tính chống gỉ khi tiếp xúc với các loại thức ăn khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu này, thép không gỉ máctenxit loại Z50CD15 có độ bền cơ học cao, tính chống gỉ tốt hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu trên. Hiện nay trên thế giới đang sử dụng vật liệu X46Cr13 cho khuôn và lô ép tại các nhà máy chế biến thức ăn gia súc. Hình dạng của một khuôn ép thức ăn gia súc được thể hiện trên hình 9: Hình 9: Khuôn ép thức ăn gia súc 16 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nội dung nghiên cứu Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu lựa chọn mác thép hợp kim phù hợp để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc; - Nghiên cứu xác định công nghệ chế tạo thép hợp kim mác Z50CD15 bao gồm các khâu: Công nghệ luyện thép Công nghệ tinh luyện Công nghệ gia công áp lực Công nghệ nhiệt luyện - Đánh giá chất lượng vật liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lý, cấu trúc và khả năng chống ăn mòn. - Chế tạo 03 khuôn ép thức ăn gia súc, dùng thử và đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao, đề tài đã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau: - Dựa trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, tiêu chuẩn về thép hợp kim và điều kiện làm việc của khuôn ép thức ăn gia súc để lựa chọn mác thép. - Sử dụng lò trung tần của Trung Quốc để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện, thiết bị tinh luyện điện xỉ 750KVA để tiến hành tinh luyện thép, búa rèn 750kg, lò nung, tôi và ram để xác định công nghệ rèn và nhiệt luyện thép hợp kim mác Z50CD15. - Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp phân tích quang phổ trên thiết bị ARL 3460 để xác định thành phần hoá học của thép. - Sử dụng máy kéo vạn năng để xác định độ bền và độ giãn dài tương đối của thép nghiên cứu. - Sử dụng máy đo độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 256-1 - Sử dụng kính hiển vi quang học để nghiên cứu tổ chức tế vi của thép. 17 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1. Công nghệ chế tạo thép hợp kim mác Z50CD15 Sau khi nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn trong nước cũng như trên thế giới, đề tài đã đi theo hai hướng công nghệ khác nhau nhằm chế tạo được sản phẩm là khuôn ép thức ăn gia súc. Hướng thứ nhất đi theo các nguyên công luyện thép, đúc tạo phôi điện xỉ, tinh luyện điện xỉ, rèn gia công áp lực, ủ mềm, gia công cơ khí, nhiệt luyện và tạo ra sản phẩm. Hướng thứ hai đi theo các nguyên công luyện thép, đúc phôi chi tiết, ủ mềm, gia công cơ khí, nhiệt luyện và tạo ra sản phẩm. Trong hai hướng này, trên thế giới chủ yếu đi theo hướng có nguyên công gia công áp lực để tạo cho sản phẩm có các tính chất cơ lý tính tốt nhất. Sau đây là các kết quả đạt được trong quá trình tiến hành thí nghiệm. 3.1.1. Công nghệ luyện thép Thép hợp kim mác Z50CD15 thuộc về hệ thép không gỉ máctenxit có thành phần hóa học: C = 0,45 - 0,55%, Si ≤ 0,75%, Mn ≤ 1,0%, P ≤ 0,04%, S ≤ 0,015%, Cr = 14,0 - 15,0%, Mo = 0,5 - 1,0%, V = 0,1 - 0,2%. Để thuận tiện cho việc gia công chế tạo khuôn ép, hàm lượng Crôm nên nằm trong giới hạn dưới của mác thép. Tuy nhiên để tăng khả năng chống gỉ và độ bền của thép, hàm lượng Mo cần ở khoảng giới hạn trên của mác thép. Hàm lượng tạp chất có hại như P, S cũng sẽ được khống chế thấp hơn tiêu chuẩn cho phép để nâng cao khả năng chống gỉ cho thép. Ở các nước phát triển, thép không gỉ máctenxit được nấu luyện chủ yếu bằng lò điện hồ quang sau đó được tiến hành tinh luyện rồi đúc rót. Tuy nhiên trong điều kiện thiết bị của nước ta cũng như trong khuôn khổ thí nghiệm của đề tài, chúng tôi chọn lò cảm ứng trung tần với dung lượng 500kg của Trung Quốc để nghiên cứu xác định công nghệ luyện thép mác Z50CD15. Trên cơ sở yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép và các đặc tính của thiết bị công nghệ, đề tài đã sử dụng các loại nguyên liệu chất lượng cao sau: Phế thép Crôm (X17) Phế thép Mn (65Mn) Các loại ferô (FeMn, FeSi, FeMo, FeV) Than bột Graphít. Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 3. Bảng 3: Thành phần hoá học của nguyên liệu Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) TT Nguyên liệu C Mn Si Cr Mo V 1 Phế thép X17 0,12 0,8 0,8 17 2 Phế thép Mn 0,65 1,0 0,3 18 3 FeMn 1,0 80 4 FeSi 75 5 FeMo 0,1 55 6 FeV 45 7 Bột graphít 98 Để tính toán phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng các số liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Cr, Mn, Si, Mo, V trong lò cảm ứng trung tần và kinh nghiệm luyện thép của Viện Luyện kim đen cũng như tham khảo các tài liệu khác để đưa ra số liệu tham khảo. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện trong lò cảm ứng trung tần được nêu trong bảng 4. Bảng 4: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao (%) 1 C 6 -10 2 Cr 2 - 3 3 Mn 3 - 6 4 Si 6 - 10 5 Mo 1 - 2 6 V 10 - 15 Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu (bảng 3, hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim (bảng 4 và kinh nghiệm luyện thép thực tế nhiều năm, chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 2 mẻ nấu thí nghiệm với dung lượng (300 kg và 350kg) như nêu trong bảng 5. Bảng 5: Thành phần phối liệu thí nghiệm (kg) STT Tên nguyên liệu Mẻ 1 (kg) Mẻ 2 (kg) 1 Phế thép không gỉ X17 281 328 2 Phế thép 65Mn 9,8 11,5 3 FeMn 0,8 1,0 4 FeSi 0,55 0,65 5 FeMo 4,3 5,0 6 FeV 1,3 1,5 7 Than graphit 1,5 1,8 8 Nhôm dây 1,0 1,2 Tổng cộng 300 350 19 Quá trình nấu luyện thép không gỉ mactenxit mác Z50CD15 trong lò cảm ứng trung tần được tiến hành như sau: - Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO+CaF2 đã được sấy khô vào đáy lò. - Tiến hành xếp liệu: trước tiên xếp phế thép X17, phế thép 65Mn và FeMo vào đáy lò. - Tiến hành đóng điện để bắt đầu quá trình nấu luyện. Trong khi nấu luyện, dùng que chọc lò để đẩy liệu xuống tránh hiện tượng treo liệu, khi mẻ liệu nóng chảy hoàn toàn thì tiến hành vớt xỉ cũ ra và cho chất tạo xỉ mới vào lò. - Khi xỉ mới chảy hết và khi nhiệt độ nước thép đã đạt khoảng 16000C thì bắt đầu cho FeMn và FeSi để khử khí và hợp kim hoá bằng FeV. - Sau khoảng 8 phút cho toàn bộ nước thép ổn định thì tiến hành rót thép vào nồi rót đã được sấy nóng đỏ (trong nồi rót có một lượng nhôm kim loại để khử khí lần cuối trước khi rót thép vào khuôn. - Đối với mẻ thứ nhất, đề tài đã tiến hành đúc phôi cho quá trình điện xỉ sau này. Kích thước phôi điện xỉ: đường kính 140mm, chiều dài phôi 3m. - Đối với mẻ thứ hai, đề tài đã tiến hành làm khuôn cát để đúc ra phôi sản phẩm. Cụ thể của nguyên công đúc chi tiết này được trình bày ở phần sau. - Quá trình lấy mẫu phân tích thành phần hoá học được tiến hành khi rót được một nửa mẻ thép để đảm bảo thành phần trung bình của mẻ nấu. Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 2 mẻ theo phối liệu như đã nêu ở trên. Các mẻ nấu đều được lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học theo phương pháp truyền thống tại phòng thí nghiệm phân tích hoá của Viện Luyện kim đen. Ngoài ra mẻ thứ nhất còn được phân tích thêm theo phương pháp quang phổ. Kết quả phân tích thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm được nêu trong bảng 6. Bảng 6: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm Thành phần hoá học của các nguyên tố (%) STT C Mn Si Cr Mo V S P Mẻ 1 (phân tích bằng PP quang phổ) 0,54 0,58 0,7 14,2 0,84 0,26 0,005 0,025 Mẻ 1 (phân tích tại VLKĐ) 0,55 0,62 0,72 14,5 0,85 0,25 0,006 0,027 Mẻ 2 (phân tích tại VLKĐ) 0,53 0,6 0,85 14,0 0,86 0,27 0,005 0,026 Thành phần tiêu chuẩn 0,45 - 0,55 ≤ 1,0 ≤ 0,75 14,0 - 15,0 0,5 - 1,0 0,1 - 0,2 ≤ 0,015 ≤ 0,04 20 Qua các số liệu trong bảng 6, ta thấy cả 2 mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu cầu về thành phần hoá học. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim như C, Cr, Mo, Mn, Si đều nằm trong giới hạn cho phép ngoại trừ nguyên tố V có cao hơn giới hạn trên. Tuy nhiên, hàm lượng C nằm ở giới hạn trên chắc chắn cũng sẽ gây ra một số khó khăn khi tiến hành các khâu gia công áp lực cũng như gia công cơ khí sau này. Hàm lượng các tạp chất có hại như S, P đều rất nhỏ so với giới hạn cho phép chứng tỏ quá trình lựa chọn nguyên liệu nấu luyện và công nghệ nấu luyện là phù hợp với điều kiện hiện có của quá trình thí nghiệm. 3.1.2. Công nghệ tinh luyện Thép hợp kim không gỉ máctenxit mác Z50CD15 là loại thép hợp kim cao với cấu trúc phức tạp: máctenxit, pherit và các loại cácbít phức hợp dạng M3C, M2C, M7C2 và M23C6. Vì vậy để tạo điều kiện tốt cho các khâu gia công sau này, yêu cầu thỏi đúc phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Không có rỗ xốp trong thỏi đúc. - Các tạp chất như S, P phải nằm dưới giới hạn cho phép. - Các tạp chất khí như N2, O2, H phải thấp hơn giới hạn cho phép. - Cấu trúc của thỏi đúc phải nhỏ mịn. Để đảm bảo các yêu cầu trên, có nhiều công nghệ có thể áp dụng như đúc trong chân không, tinh luyện bằng lò thùng, … Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế của Việt Nam, chúng tôi đã sử dụng công nghệ tinh luyện điện xỉ để tiến hành đúc thỏi đúc cho việc gia công khuôn ép thức ăn gia súc sau này. Tại Việt Nam, công nghệ điện xỉ được sử dụng trong ngành luyện kim đầu tiên tại Viện Luyện kim đen với công suất thiết bị đầu tiên là 100KVA, sau đó công nghệ này đã được một số cơ sở sản xuất khác nghiên cứu áp dụng như nhà máy Cơ khí (Công ty Thép Miền Nam), Xí nghiệp Z45 (Bộ Quốc phòng). Mục tiêu của đề tài là chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc, mà hiện nay chi tiết khuôn ép thông dụng nhất có trọng lượng đến 63 kg. Khuôn ép này có dạng hình vành khăn có Φ ngoài = 330mm và Φ trong = 250mm, chiều cao khuôn = 134mm. Để chế tạo được khuôn ép này cần phải tiến hành rèn phôi có trọng lượng lớn đến 107 kg mới có thể đạt yêu cầu của phôi chi tiết khuôn (nếu tính cả trọng lượng phần lõi ruột bên trong). Trong khi đó khả năng điện xỉ của Viện Luyện kim đen lại nhỏ (trọng lượng phôi đúc điện xỉ chỉ đạt tối đa 40kg), do đó công đoạn tinh luyện điện xỉ đã được chúng tôi tiến hành tại Xí nghiệp Z45 (Bộ Quốc phòng). Thiết bị tinh luyện điện xỉ của Xí nghiệp Z45 có các thông số chủ yếu sau: - Công suất máy thiết kế: 750KVA - Dòng điện: 3500 A - Điện áp: 50 V - Đường kính điện cực: 140mm - Đường kính thỏi đúc điện xỉ: 194mm 21 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị điện xỉ được mô tả trên hình 10. 1 2 3 4 5 6 Hình 10: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị điện xỉ 1 Điện cực 4 Bể kim loại lỏng 2 Hộp kết tinh 5 Kim loại rắn 3 Bể xỉ lỏng 6 Tấm thép mồi ban đầu Để đạt được các mục tiêu tinh luyện, chúng tôi đã chọn hệ xỉ gồm thành phần như sau: 8% SiO2 + 38% CaF2 + 25% Al2O3 + 20% CaO + 9% MgO. Quá trình chế tạo xỉ tinh luyện bao gồm các bước: - Phối liệu từng cấu tử tạo xỉ theo đúng hàm lượng yêu cầu. - Nghiền nhỏ các chất tạo xỉ tới kích cỡ <1mm. - Tiến hành nấu chảy phối liệu trên trong lò điện hồ quang có nồi lò bằng graphít. Duy trì quá trình này trong khoảng 30 phút để toàn bộ khí trong xỉ được khử hoàn toàn và toàn bộ xỉ được đồng đều về thành phần hóa học. - Đổ xỉ lỏng ra khuôn kim loại và tiến hành nghiền nhỏ đến kích thước <1mm sau đó xỉ sẽ được bảo quản trong dụng cụ kín tránh hút ẩm. Quá trình tinh luyện điện xỉ được tiến hành như sau: - Điều chỉnh thỏi điện cực vào trong hộp kết tinh sao cho tiếp xúc gần chạm vào tấm thép tiếp điện ở đáy hộp kết tinh. - Tiến hành nấu chảy xỉ rắn đã được chế tạo từ trước trong lò nồi graphít với khối lượng 10kg cho một lần tinh luyện (3% trọng lượng thỏi đúc). 22 - Đổ xỉ lỏng vào gầu rót (đã nung nóng đỏ), sau đó nhanh chóng đổ vào hộp kết tinh đã được chuẩn bị từ trước. - Tiến hành đóng điện để quá trình tinh luyện điện xỉ bắt đầu. Dưới tác dụng của dòng điện, bể xỉ có điện trở riêng lớn sẽ làm nóng chảy điện cực thành từng giọt kim loại và sẽ tách khỏi đầu điện cực, đi qua bể xỉ lỏng rồi lắng xuống đáy hộp kết tinh tạo thành bể kim loại lỏng. - Tại đây, dưới tác dụng của dòng nước làm nguội chạy quanh hộp kết tinh, bể kim loại lỏng sẽ kết tinh thành thỏi điện xỉ theo hướng từ dưới lên trên. Trong quá trình đi qua lớp xỉ lỏng, giọt kim loại lỏng sẽ được tinh luyện làm sạch các tạp chất. Do quá trình điện xỉ được tiến hành dưới lớp xỉ nên không có hiện tượng khí bên ngoài thâm nhập vào thỏi điện xỉ. Ngoài ra do quá trình kết tinh xảy ra với tốc độ lớn nên thỏi điện xỉ có cấu trúc nhỏ mịn, thuận lợi cho khâu gia công rèn sau này. - Quá trình điện xỉ được thực hiện đến khi thỏi thép rắn đông đặc lên đến một độ dài nhất định thì cơ cấu dịch chuyển hộp kết tinh bắt đầu vận hành đưa hộp dịch chuyển lên phía trên, trong khi đó thỏi đúc đông đặc vẫn nằm nguyên tại chỗ và thép điện cực vẫn tiếp tục đi xuống. Tốc độ đi xuống của điện cực và tốc độ đi lên của hộp kết tinh phải đồng bộ với nhau nhờ trị số điện trở của bể xỉ. - Khi đạt yêu cầu về khối lượng thỏi đúc điện xỉ, ta tiến hành giảm dần dòng điện để quá trình bù ngót cho thỏi đúc vẫn tiếp tục cho đến khi bề mặt trên của thỏi đúc phẳng (thời gian khoảng 3 phút) thì ta tiến hành ngắt điện và kết thúc quá trình tinh luyện. - Để tránh ứng suất có thể xẩy ra trong khi điện xỉ, khi hộp kết tinh đi lên đến đâu phải tiến hành che phủ phần thỏi đúc vừa mới đi ra khỏi hộp kết tinh bằng tấm bảo ôn amiăng. Khi quá trình điện xỉ kết thúc, cần đưa ngay toàn bộ thỏi điện xỉ vào lò buồng bên cạnh và tiến hành ủ ở nhiệt độ 8600C trong khoảng thời gian 4h sau đó làm nguội với tốc độ 300C/h cho đến 5500C, sau đó làm nguội theo lò. - Thực tế thí nghiệm, chúng tôi đã tiến hành điện xỉ mẻ nấu luyện thứ nhất được một thỏi có trọng lượng 280kg. - Thời gian tiến hành tinh luyện một thỏi đúc điện xỉ kéo dài 3h30. Thành phần hoá học của mẻ nấu thí nghiệm sau khi tinh luyện điện xỉ được nêu trong bảng 7. Bảng 7: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm sau khi tinh luyện. STT C Mn Si Cr Mo V S P Mẻ 1 0,53 0,55 0,60 14,1 0,84 0,23 0,005 0,025 23 Qua kết quả này ta thấy rằng, thành phần hoá học của thép sau điện xỉ có thay đổi không đáng kể. Về lý thuyết thành phần của tạp chất S, P sẽ giảm mạnh nhưng thực tế thay đổi ít vì hàm lượng S, P đã rất thấp nên khó giảm xuống thấp được nữa. 3.1.3. Công nghệ đúc chi tiết Công nghệ đúc chi tiết này tương tự như các quá trình đúc chi tiết khác. Trong quá trình đúc cần lưu ý một số vấn đề sau: Hệ số co ngót của loại thép này được lấy bằng 2,5-3%. Hệ thống rót của vật đúc cần được làm theo phương pháp xiphông để chất lượng vật đúc cao nhất. Cần phải tiến hành sơn khuôn với chất sơn khuôn là bột MgO để tránh sự dính bám cát trong quá trình đúc. Khuôn sau khi làm xong cần được sấy khô triệt để nhằm tránh rỗ trong quá trình đúc rót. Nhằm khử bỏ hoàn toàn các rỗ ngót trong vật đúc, đề tài đã tính toán tỷ lệ đậu ngót chiếm 60% trọng lượng vật đúc. Đồng thời nhằm tránh rỗ trong quá trình đúc, đề tài cũng đã sử dụng một lượng chất phát nhiệt để đưa vào đậu ngót trong quá trình rót để duy trì quá trình bù ngót cho vật đúc. Thực tế của quá trình thí nghiệm, đề tài đã tiến hành đúc được 2 chi tiết có kích thước: Φngoài = 350 mm, Φtrong 230 mm, chiều cao 155mm. Sau khi tiến hành cắt đậu ngót và rãnh dẫn, thấy rằng vật đúc không có hiện tượng rỗ, xốp bên trong vật đúc. 3.1.4. Công nghệ rèn Thép không gỉ máctenxit Z50CD15 là loại thép hợp kim cao có trở chống biến dạng tương đối cao, độ dẫn nhiệt kém nên khi rèn cần chú ý các khâu nung phôi, chế độ biến dạng và quá trình làm nguội. Công nghệ rèn được tiến hành trên búa rèn 750kg và phôi thép được nung bằng lò buồng đốt bằng than antraxit. Công đoạn rèn bao gồm các công đoạn: nung phôi, biến dạng khi rèn và làm nguội phôi rèn. Nung phôi. Do thỏi đúc điện xỉ quá lớn nên sau khi ủ mềm xong, chúng tôi đã tiến hành cưa bỏ đầu, đuôi của thỏi điện xỉ để khử bỏ các khuyết tật của thỏi đúc rồi tiến hành tính toán để cưa thành 2 chi tiết để phù hợp với trọng lượng khuôn ép thức ăn gia súc (mỗi chi tiết có trọng lượng 107kg). Thép không gỉ mactenxit Z50CD15 có độ dẫn nhiệt kém nên khá nhậy cảm với ứng suất nhiệt. Vì vậy, cần tránh sốc nhiệt đặc biệt ở giai đoạn đầu của thời 24 kỳ nung. Tốc độ nâng nhiệt ở giai đoạn này khoảng 800C/giờ. Ở giai đoạn sau (trên 8000C) có thể nung nhanh hơn, tốc độ nung có thể đến 1000C/giờ. Nhiệt độ rèn là một khoảng nhiệt độ mà ở đó thép có trở kháng chống biến dạng nhỏ nhất để có thể nhận được vật rèn có các tính chất tốt nhất cho các khâu gia công tiếp sau. Nhiệt độ bắt đầu rèn là nhiệt độ đảm bảo cho sự hoà tan hoàn toàn các nguyên tố hợp kim và cácbít vào dung dịch rắn austenit. Đối với thép không gỉ mactenxit nhiệt độ bắt đầu rèn là 11000C. Thời gian đồng đều nhiệt cũng vô cùng quan trọng nhằm làm cho nhiệt độ bên ngoài và bên trong của thỏi đúc đồng đều. Do kích thước phôi đúc lớn (Φ 192mm) nên thời gian giữ nhiệt thỏi đúc vào khoảng 4 giờ. Nhiệt độ kết thúc rèn là nhiệt độ mà tại đó thép vẫn còn đủ tính dẻo cần thiết cho sự biến dạng mà vẫn không tạo ra các vết nứt tế vi. Đối với thép mác Z50CD15, nhiệt độ kết thúc rèn là 9000C. Biến dạng khi rèn. Quá trình rèn thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 được tiến hành trong khoảng nhiệt độ 9000C-11000C. Ở giai đoạn đầu cần tiến hành biến dạng nhẹ để phá vỡ tổ chức đúc của thỏi đúc sau đó lật phôi đúc và tiến hành chồn. Khi tiến hành chồn nếu phôi đúc bị chéo nghiêng (do tiết diện của mặt đe và thỏi đúc không cân xứng) thì cần tiến hành chỉnh sửa để cho hai mặt của thỏi rèn luôn song song nhau. Quá trình rèn kết thúc khi chi tiết rèn đạt kích thước yêu cầu (về đường kính ngoài và chiều cao). Thực tế thí nghiệm, khi tiến hành chồn chi tiết đầu tiên đến khi đạt kích thước Φngoài = 300 mm thì bắt đầu tiến hành đột lỗ (Φ70mm) và sau đó sẽ tiến hành nong lỗ để đạt kích thước là Φtrong = 240 mm và Φngoài = 340 mm nhằm thuận tiện hơn cho khâu gia công cơ khí sau này. Tuy nhiên, do thép này có khả năng biến dạng kém nên khi đột lỗ xong đã xuất hiện một số vết nứt mép bên ngoài gây hỏng chi tiết. Với chi tiết còn lại, chúng tôi đã quyết định không tiến hành nong lỗ mà để nguyên kích thước sau khi chồn và chuyển về chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc có kích thước nhỏ như đề tài đã đăng ký ban đầu. Làm nguội phôi rèn. Như đã nêu ở phần trên, thép không gỉ mactenxít mác Z50CD15 rất nhạy cảm với ứng suất nhiệt, nhất là từ 8000C trở xuống. Vì vậy, vật rèn từ thép này phải được làm nguội chậm (500C/giờ) thì mới có thể gia công cơ khí được. Thực tế, sau khi rèn xong do điều kiện của phân xưởng rèn không có thiết bị nung và giữ nhiệt chi tiết ngay nên chúng tôi chỉ có thể làm nguội chi tiết bằng cách vùi chi tiết vào cát nóng để tránh tạo ra ứng suất sau khi rèn mà thôi. Sơ đồ công nghệ rèn thép không gỉ mác Z50CD15 được trình bày trên hình 11: 25 T0C 8000C 4000C 7 9 11 t (h) Hình 11: Sơ đồ công nghệ rèn thép Z50CD15 3.1.5. Công nghệ nhiệt luyện . Để đảm bảo cơ tính cao và tính chống gỉ tốt thì thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 phải được nhiệt luyện. Nhiệt luyện bao gồm hai công đoạn: ủ mềm để gia công cơ khí và nhiệt luyện cuối cùng để nâng cao cơ tính và khả năng chống gỉ của thép. Ủ mềm là công nghệ nung chi tiết đến nhiệt độ thấp hơn Ac1, giữ một thời gian nhất định tuỳ theo kích thước sản phẩm để đồng đều nhiệt trong toàn bộ chi tiết rồi tiến hành làm nguội chậm với tốc độ nhất định. Nguyên công này thường được thực hiện sau nguyên công rèn. Lợi ích của nguyên công này còn làm giảm ứng suất dư sinh ra khi rèn và cấu trúc không đồng đều, dẫn đến độ cứng giảm, tính dẻo của chi tiết tăng lên. Với trạng thái như vậy, thép có thể gia công cơ khí dễ dàng. Đối với thép Z50CD15 và chi tiết lớn như vậy, nhiệt độ ủ là 800-8600C và thời gian giữ tại nhiệt độ này 4h, sau đó tiến hành làm nguội với tốc độ 300C/giờ đến nhiệt độ 5600C thì làm nguội cùng lò. Thực tế, sau khi tiến hành nhiệt luyện như vậy, đã có thể gia công cơ khí chi tiết rèn một cách dễ dàng. Khâu nhiệt luyện cuối cùng bao gồm nguyên công tôi và ram để quyết định các tính chất của thép ở trạng thái sử dụng. Dựa trên giản đồ trạng thái hệ Fe-Cr- C, với thành phần hoá học của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 thì nhiệt độ Ac3 = 9500C. Vì vậy, nhiệt độ austenit hoá của thép này vào khoảng 10000C. 26 Với thành phần hoá học của thép do đề tài tạo ra như C và V ở giới hạn trên nên chúng tôi chọn nhiệt độ austenit hoá là 1000-10200C. Với nhiệt độ này có thể đảm bảo cho sự hoà tan hoàn toàn các nguyên tố hợp kim và các cácbit vào trong dung dịch rắn để chuẩn bị cho chuyển biến máctenxit trong quá trình làm nguội khi tôi thép. Môi trường tôi của thép này là dầu. Sơ đồ tôi thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 được trình bày trên hình 12. T0C 8000C 4000C 6 7 9 t (h) Hình 12: Sơ đồ công nghệ tôi thép không gỉ Z50CD15 Kết quả của nguyên công tôi thép Z50CD15 là ta nhận được cấu trúc thép bao gồm máctenxit, austenit dư và một lượng nhỏ δ-pherit. Cấu trúc như vậy không ổn định, cứng và dòn do đó để nhận được cấu trúc ổn định và cơ tính cao cần phải tiến hành ram thép. Trong quá trình ram xảy ra các hiện tượng sau: Phân huỷ austenit dư. Phân huỷ dung dịch rắn. Tiến hành tiết pha cácbít. Để các quá trình trên xảy ra hoàn toàn thì thép không gỉ máctenxit Z50CD15 cần được ram ở nhiệt độ 6000C và tiến hành làm nguội ngoài không khí. Sơ đồ công nghệ ram thép Z50CD15 được trình bày trên hình 13. 27 T0C 6000C 2000C 4 8 t (h) Hình 13: Sơ đồ công nghệ ram thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 Kết quả của nguyên công ram thép Z50CD15 là ta có cấu trúc máctenxit ram và pha cácbit nhỏ mịn, phân bố đều. Với cấu trúc như vậy đảm bảo cho thép có độ bền cao, tính dẻo và tính chống gỉ tốt, đáp ứng được yêu cầu của sản phẩm. 3.2. Các tính chất của thép Z50CD15 . 3.2.1. Thành phần hoá học Thành phần hoá học của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 theo tiêu chuẩn của Pháp và các tiêu chuẩn tương đương của Nhật Bản và Liên Xô cũ được nêu trong bảng 2. Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm của đề tài được nêu trong bảng 6 (sau khi nấu luyện) và trong bảng 7 (sau khi tinh luyện điện xỉ). Như vậy với công nghệ nấu luyện và tinh luyện mà đề tài đề xuất đã đảm bảo được thành phần hoá học nằm trong khoảng qui định của tiêu chuẩn. 3.2.2. Tính chất cơ lý Tính chất cơ lý của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 được xác định ở hai trạng thái nhiệt luyện: ủ và tôi+ram. Các đặc tính cơ lý được xác định là độ bền kéo, giới hạn chảy, độ giãn dài tương đối và độ cứng. Tất cả các phép đo cơ lý đều được thử 3 lần và lấy giá trị trung bình. Tính chất cơ lý được nêu trong bảng 8. Cơ tính của thép do đề tài chế tạo tương đương với các mác thép của nước ngoài. 28 Bảng 8: Tính chất cơ lý của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15. STT Trạng thái nhiệt luyện Giới hạn bền (Rm - Mpa) Giới hạn chảy (R0,2 - Mpa) Độ dãn dài tương đối (δ-%) Độ cứng HBS 1 Trạng thái sau khi ủ Mẫu số 1 725,1 581,9 18,1 186 Mẫu số 2 736,5 594,4 18,7 191 2 Trạng thái sau tôi + ram Mẫu số 1 945 - 10,0 450 Mẫu số 2 960 - 9,6 460 3.2.3. Cấu trúc pha Đề tài đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc tế vi của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 ở các trạng thái nhiệt luyện khác nhau trên kính hiển vi quang học NEOPHOT. Ở trạng thái ủ, thép có cấu trúc cácbít nhỏ mịn phân bố đều trên nền pherit (hình 14 và hình 15). Với cấu trúc này thép có độ bền cao và tính chống dẻo tốt. Sau khi tôi, thép có cấu trúc máctenxit nhỏ mịn và một số cácbít chưa hoà tan (hình 16 và hình 17). Sau khi ram ở nhiệt độ 6000C, cấu trúc của thép là sorbit hạt mịn và ferit (hình 18 và hình 19). 29 Hình 14: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ủ x 200 Hình 15: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ủ x 500 30 Hình 16: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau tôi x 200 Hình 17: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau tôi x 500 31 Hình 18: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ram x 200 Hình 19: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ram x 500 32 3.2.4. Tính chống gỉ của thép Để xác định tính chống gỉ của thép thông thường người ta dùng phương pháp đo độ hao mòn trọng lượng và phương pháp đường cong phân cực. Đề tài lựa chọn phương pháp đường cong phân cực vì phương pháp này cho độ chính xác cao hơn. Khi kim loại và hợp kim được tạo thành thì trên bề mặt sẽ xuất hiện một lớp màng thụ động bên ngoài. Khả năng chống ăn mòn của kim loại phụ thuộc vào tính chất vật lý và hoá học của lớp màng thụ động này. Trong các nguyên tố hợp kim thì Crôm đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lớp màng thụ động vì nó có ái lực hoá học với ôxy cao hơn với sắt. Như trên đã nêu, để đảm bảo tính chống gỉ của thép thì hàm lượng Crôm phải lớn hơn 11,5%. Để xác định tốc độ ăn mòn của thép hay hợp kim trong một môi trường nào đó người ta có thể dùng đại lượng mật độ dòng ăn mòn Iam được xác định trên đường cong phân cực của thép hay hợp kim trong môi trường nghiên cứu đó vì hai đại lượng này có mối liên quan với nhau thông qua công thức Tafel: A Ptl = --------- . Iam.t n.F Trong đó: Ptl: Tổn thất trọng lượng do ăn mòn (mg/dm2.ngày). A: Nguyên tử lượng của kim loại. n: Hoá trị của kim loại. F: Hằng số Faraday. t: Thời gian (ngày). Iam: Mật độ dòng ăn mòn (µA/dm2). Như vậy để so sánh khả năng chống gỉ của hai kim loại, thì chúng ta chỉ cần so sánh Iam của hai kim loại đó trong cùng một môi trường ăn mòn. Kim loại nào có Iam nhỏ hơn thì có khả năng chống gỉ tốt hơn. Do không tìm được thép chuẩn của nước ngoài để tiến hành so sánh khả năng chống ăn mòn nên đề tài đã tiến hành thí nghiệm so sánh khả năng chống gỉ của thép Z50CD15 với thép X17 của Liên Xô (cũ). Môi trường xâm thực được tiến hành thí nghiệm là axit sunfuric (H2SO4 nồng độ 0,5M). Kết quả được nêu trong bảng 9. Bảng 9: Mật độ ăn mòn của các mẫu thép Môi trường xâm thực Mẫu thép Z50CD15 (A/cm2) Mẫu thép X17 (A/cm2) H2SO4 0,5M 3,5.10-3 3,2.10-4 33 Kết quả đường cong phân cực của hai mẫu thép thí nghiệm (Z50CD15) và mẫu đối chứng (X17) được thể hiện trên hình 20. Hình 20: Đường cong phân cực của mẫu thép Z50CD15 (---------) và mẫu thép X17 ( ) được đo trong môi trường axit H2SO4 0,5M. Qua kết quả đo đường cong phân cực ta thấy mẫu thép Z50CD15 có vùng thụ động tương tự như mẫu đôi chứng (X17). Tuy nhiên so với mẫu đối chứng, mật độ dòng ăn mòn có cao hơn bởi vì thép đối chứng có hàm lượng Cr cao hơn (17%) và hàm lượng Cácbon thấp hơn (0,1%) nên khả năng chống gỉ của thép đối chứng cao hơn chút ít so với thép nghiên cứu. Thế nhưng thép Z50CD15 lại có tính chất cơ lý tính cao hơn, nên khả năng sử dụng của thép Z50CD15 tốt hơn thép X17 3.3. Chế tạo sản phẩm . Theo bản đăng ký thuyết minh, đề tài phải chế tạo được 300kg sản phẩm tương đương với 3 bộ khuôn ép thức ăn gia súc với kích thước Φngoài=330mm, Φtrong=250mm, chiều cao=134mm. Trong quá trình chế tạo, thấy loại khuôn có Φngoài=392mm có nhu cầu lớn nên đề tài đã chuyển sang chế tạo loại khuôn lớn này để quá trình thử nghiệm được tiến hành ngay sau khi có sản phẩm. Tuy nhiên, trong quá trình gia công khâu rèn khuôn khi tiến hành đột lỗ một chi tiết 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 I ( A .c m -2 ) E (V/SCE) 34 đã bị nứt vỡ. Qua nghiên cứu thấy rằng, khả năng chịu biến dạng dẻo của thép không gỉ máctenxit với hàm lượng C cao là kém nên đề tài đã quyết định không tiến hành khâu đột lỗ và nong lỗ như dự kiến nữa mà chuyển về chế tạo loại khuôn như đăng ký ban đầu của đề tài là loại khuôn có kích thước là Φngoài=330mm và chiều cao của khuôn là 134mm với nguyên công chỉ gồm có khâu chồn từ chiều cao 520mm xuống 140mm. Chi tiết còn lại này sau khi tiến hành gia công áp lực đã đạt yêu cầu về kích thước. Hình dạng và kích thước của phôi khuôn ép thức ăn gia súc như trong phần phụ lục kèm theo. Cả ba chi tiết vừa chế tạo ra được tiến hành ủ để khử bỏ ứng suất sinh ra trong quá trình chế tạo và giảm độ cứng để có thể gia công cơ khí được. Chế độ nhiệt của quá trình ủ này như sau: nhiệt độ ủ 8600C, thời gian ủ 4 giờ, tốc độ làm nguội 300C/giờ, nhiệt độ kết thúc làm nguội 5600C, sau đó làm nguội cùng lò. Thực tế đã chứng minh cả ba chi tiết này đều gia công cơ khí được dễ dàng. Công đoạn gia công cơ khí khuôn ép được tiến hành tại Viện Nghiên cứu Thiết kế chế tạo máy nông nghiệp bao gồm các công đoạn như gia công tiện nhằm đạt các kích thước chính, sau đó phôi khuôn ép sẽ được tiến hành khoan trên máy khoan lỗ sâu CNC chuyên dụng dùng để khoan khuôn ép của hãng IXION (Đức) với tính năng của máy là hoàn toàn tự động có thể khoan 4 lỗ liền một lúc và có thể gia công được gần như mọi loại kích cỡ khuôn ép trên thị trường. Tốc độ máy khoan lên tới 12000v/phút và máy khoan này có hệ thống bơm dầu làm nguội đặc biệt. Cuối cùng, sản phẩm được tiến hành nhiệt luyện trong môi trường chân không nhằm ngăn ngừa sự tạo thành lớp vỏ ôxit khi tiến hành nung để tôi. Sơ đồ công nghệ chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc sau khi tạo được phôi rèn như sau: Phôi rèn → Ủ mềm → Gia công cơ khí → Khoan lỗ → Tôi chân không → Ram chân không → Hoàn thiện sản phẩm → Sản phẩm. Trên thực tế, sau khi tiện bề mặt bên ngoài của chi tiết được gia công áp lực đã xuất hiện một số vết nứt tế vi nhỏ. Thấy rằng nếu cứ gia công cơ khí tiếp theo sẽ không đủ kích thước của chi tiết nên đề tài đã không gia công cơ khí chi tiết này nữa. Qua nghiên cứu, đề tài nhận định các vết nứt này nảy sinh trong quá trình gia công áp lực. Do chi tiết vật đúc quá lớn (120kg) và không có thiết bị hỗ trợ khi tiến hành gia công áp lực nên đã tiến hành gia công rèn chi tiết ngay khi nhiệt độ ủ chưa đồng đều trong toàn bộ chi tiết cùng với việc dùng lực đánh quá lớn khi nhiệt độ đã xuống thấp dưới nhiệt độ cho phép đã gây ra hiện tượng nứt tế vi trên bề mặt chi tiết. Hai chi tiết đúc tiếp tục được tiến hành gia công cơ khí. Sau khi gia công cơ khí xong, thấy rằng bề mặt bên ngoài của chi tiết đều tốt không có hiện tượng rỗ, xốp, nứt bên ngoài. Hiện nay, hai chi tiết này đang được Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp gia công và tiến hành thử nghiệm. Quá trình khoan lỗ, nhiệt luyện được tiến hành thuận lợi và đang trong khâu hoàn thiện sản phẩm. 35 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận Sau khi thực hiện đề tài, chúng tôi rút ra được các kết luận quan trọng sau: - Việc lựa chọn thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc là phù hợp. - Đã xác định được công nghệ chế tạo thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15 bao gồm các khâu: Công nghệ luyện thép trong lò tần số. Công nghệ đúc chi tiết Công nghệ nhiệt luyện (ủ và tôi+ram). - Đề tài đã xác định được các tính chất của thép Z50CD15 (bao gồm thành phần hoá học, cơ lý tính và cấu trúc). Thép do đề tài chế tạo ra có tính chất cơ lý tính tương đương với thép của nước ngoài. - Đề tài đang trong quá trình hoàn thiện sản phẩm để đưa đi dùng thử nhằm đánh giá kết quả của đề tài. 4.2. Kiến nghị Để giảm giá thành sản phẩm nhằm cạnh tranh được với sản phẩm nhập ngoại, đề nghị Bộ cho phép tiếp tục đầu tư nghiên cứu sản xuất nhằm hoàn thiện công nghệ chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc. 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngô Trí Phúc và Trần Văn Địch: Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2003. 2. Các tiêu chuẩn về thép không gỉ. 3. P. LACOMBER and G. BERANGER: Stainless steel. Paris 1993. 4. Э. ГУДРЕМОН – Специальные стали, Издательство “Металлургия” Москва, 1966. 5. Г.М. БОРОДУЛИН, Е.И. МОШКЕВИЧ - Нерҗавеющая сталь, Издательство “Металлургия” Москва, 1973. 6. В.Н. ЖУРАВЛЕВ, О.И. НИКОЛАЕВА - Машиностроительные стали, справочник - Издательство “Машиностроение”, Москва, 1968. 7. A.E. ЛЕЙКИН, Б.И. РОДИН - Материаловедение - Издательство “Высшая школа” Москва, 1971. 37 BẢNG THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr. Hình 2: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr-C ở 200C. Hình 3: Giản đồ trạng thái hệ Fe-V. Hình 4: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-V-C ở 200C. Hình 5: Giản đồ trạng thái hệ Fe-Mo. Hình 6: Mặt cắt đẳng nhiệt giản đồ trạng thái của hệ Fe-Mo-C ở 200C. Hình 7: Lưu trình công nghệ chế biến thức ăn gia súc dạng viên. Hình 8: Nguyên lý làm việc của buồng ép viên. Hình 9: Khuôn ép thức ăn gia súc. Hình 10: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị điện xỉ. Hình 11: Sơ đồ công nghệ rèn thép Z50CD15. Hình 12: Sơ đồ công nghệ tôi thép không gỉ Z50CD15. Hình 13: Sơ đồ công nghệ ram thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15. Hình 14: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ủ x 200. Hình 15: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ủ x 500. Hình 16: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau tôi x 200. Hình 17: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau tôi x 500. Hình 18: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ram x 200. Hình 19: Cấu trúc tế vi của thép Z50CD15 sau ram x 500. Hình 20: Đường cong phân cực của mẫu thép Z50CD15 (---------) và mẫu thép X17 ( ) được đo trong môi trường axit H2SO4 0,5M. BẢNG THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1: Thành phần hóa học của hệ thép không gỉ máctenxit. Bảng 2: Thành phần hoá học mác thép Z50CD15 và các mác tương đương. Bảng 3: Thành phần hoá học của nguyên liệu. Bảng 4: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim. Bảng 5: Thành phần phối liệu thí nghiệm (kg). Bảng 6: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm. Bảng 7: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm sau khi tinh luyện. Bảng 8: Tính chất cơ lý của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15. Bảng 9: Mật độ ăn mòn của các mẫu thép.