Tin Mới Nhất
Nghiên cứu công nghệ chế tạo thép đúc hợp kim mác ZU75CrMo
PHẠM THỊ MINH PHƯỢNG, NGUYỄN THỊ HẰNG 16/04/2019
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo thép hợp kim mác ZU75CrMo để làm cánh xoắn vít của máy trải bê tông asphalt gồm các: công nghệ nấu luyện, đúc và nhiệt luyện.
Research on manufacturing technology of ZU75CrMo cast steel
PHẠM THỊ MINH PHƯỢNG, NGUYỄN THỊ HẰNG
Viện Luyện kim đen, Văn Bình, Thường Tín, Hà Nội
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ chế tạo thép hợp kim mác ZU75CrMo để làm cánh xoắn vít của máy trải bê tông asphalt gồm các: công nghệ nấu luyện, đúc và nhiệt luyện. Cánh xoắn chế tạo từ thép nghiên cứu có khả năng chịu mài mòn và va đập tốt, thích hợp làm việc trong điều kiện chịu tải trọng động. Cánh xoắn đã được đưa vào sử dụng trên máy trải bê tông asphalt và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của Công ty Cổ phần Xây dựng giao thông và Thương mại 124.
Từ khóa: thép đúc hợp kim, đúc, nhiệt luyện.
ABSTRACT
This paper presents research results on manufacturing technology of ZU75CrMo alloy steel including smelting, casting, and heat treatment. The auger blade made of the manufactured ZU75CrMo steel has good abrasion and impact resistance and is suitable for working under dynamic load conditions. Auger blade has been used on the asphalt paver and met the technical requirements of the Joint Stock Company for trade and traffic construction No.124.
Keywords: cast alloy steel, casting, heat treatment.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, để làm được một con đường đẹp, một sân bay có độ bền đạt tiêu chuẩn thì việc trải thảm bê tông nhựa là rất quan trọng. Trong máy trải bê tông, vít tải được truyền động nhờ hệ thống điều khiển vít tải, khi trục vít quay sẽ đẩy vật liệu chuyển động tịnh tiến theo phương nằm ngang. Cánh xoắn vít tải khi làm việc liên tục chịu mài mòn và va đập của hỗn hợp bê tông nhựa ở nhiệt độ 140-160 oC. Hiện nay, cánh xoắn vít tải đều được cung cấp theo máy trải bê tông chuyên dụng được nhập khẩu từ nước ngoài, chưa cơ sở nào có dây chuyền sản xuất cánh xoắn hoàn chỉnh để thay thế. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo thép kết cấu hợp kim mác ZU75CrMo để chế tạo cánh xoắn vít tải máy nghiền là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Mục tiêu của đề tài là: (i) Xác lập công nghệ hợp lý để chế tạo thép hợp kim mác ZU75CrMo đạt tiêu chuẩn GB/T 1503-2008 của Trung Quốc; (ii) Chế tạo cánh xoắn vít tải trong máy trải bê tông từ thép nghiên cứu rồi thử nghiệm và đánh giá chất lượng.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Công nghệ luyện thép
Thép ZU75CrMo được nấu luyện bằng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ. Nguyên liệu đầu vào là sắt thép phế và các loại fero để hợp kim hóa thép. Căn cứ vào thành phần hóa học của thép ZU75CrMo (bảng 1), đã dùng nguyên liệu đầu vào (bảng 2) với hệ số cháy hao các nguyên tố (bảng 3) để phối liệu nấu thép như ở bảng 4. Quy trình nấu luyện thép ZU75CrMo trong lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ từ các nguyên liệu trên như sau: - Cho chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO và CaF2 đã được nghiền nhỏ và sấy khô vào đáy lò. Xếp thép phế CT3 và FeMo vào lò. - Đóng điện cho lò hoạt động, sau đó tăng dần công suất lò để nấu chảy mẻ liệu, dùng que chọc lò để tránh hiện tượng treo liệu. Khi mẻ liệu bắt đầu nóng chảy và tụt xuống, dần dần nạp liệu cho đến khi hết số lượng của mẻ nấu đã tính toán rồi hợp kim hóa bằng FeCr. Khi mẻ liệu đã nóng chảy hoàn toàn thì vớt xỉ cũ và cho chất tạo xỉ mới vào lò. - Khi xỉ mới chảy hết, nhiệt độ thép lỏng đạt khoảng (1.580 ÷ 1.620) oC thì cho FeMn đã hợp kim hoá và khử ôxy sơ bộ, sau đó dùng FeSi để khử ôxy tiếp. - Để lắng nước thép khoảng 5 - 7 phút rồi vớt hết xỉ và rót thép vào nồi rót đã được sấy đỏ. Trong nồi thép đã để sẵn nhôm kim loại để khử ôxy lần cuối. - Rót thép vào khuôn. Do sự giảm nhiệt độ khi ra thép và rót khuôn nên nhiệt độ ra thép là (1550-1600) oC và nhiệt độ rót vào khoảng (1500 -1550) oC. Khi đúc rót cần chọn tốc độ rót đều, hạn chế rỗ khí để đảm bảo chất lượng phôi đúc.
Bảng 1. Thành phần hoá học của thép ZU75CrMo theo tiêu chuẩn GB 1503-2008 của Trung Quốc (% t.l.)
| Mác thép | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo |
| ZU75CrMo | 0,72-0,80 | 0,2-0,45 | 0,6-0,9 | ≤0,035 | ≤0,03 | 0,75-1,0 | 0,20-0,45 |
Bảng 2. Thành phần hoá học của nguyên liệu dùng cho nấu luyện (% t.l.)
| TT | Nguyên liệu | C | Si | Mn | Cr | Mo | P | S |
| 1 | Thép phếCT3 | 0,29 | 0,21 | 0,51 | - | 0,022 | 0,016 | |
| 2 | FeSi | 1,2 | 70,24 | |||||
| 3 | FeMn | 5,01 | 60,85 | |||||
| 4 | FeCr | 4,08 | 60,21 | |||||
| 5 | FeMo | 60,08 | ||||||
| 6 | Graphít | 98,4 |
Bảng 3. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
| TT | Nguyên tố hợp kim | Hệ số cháy hao, % t.l. |
| 1 | Mn | 5 ÷ 10 |
| 2 | Si | 6 ÷ 10 |
| 3 | C | 10÷15 |
| 4 | Cr | 5 ÷ 8 |
| 5 | Mo | ≈ 1 |
Bảng 4. Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg
| STT | Nguyên liệu | Mẻ 1 (kg) | Mẻ 2 (kg) | Mẻ 3 (kg) |
| 1 | Thép phế CT3 | 300 | 300 | 220 |
| 2 | Hồi liệu | - | - | 80 |
| 3 | FeSi | 1,4 | 1,4 | 1,0 |
| 4 | FeMn | 2,0 | 2,0 | 1,5 |
| 5 | FeCr, (C cao) | 5,4 | 5,4 | 4,0 |
| 6 | FeMo | 1,6 | 1,6 | 1,2 |
| 7 | Graphit | 1,6 | 1,6 | 1,3 |
2.2. Công nghệ đúc
Để làm khuôn chế tạo cánh xoắn vít tải, đã chọn công nghệ làm khuôn bằng hỗn hợp (cát - nước thủy tinh - đất sét), đông cứng bằng CO2. Từ bản vẽ chi tiết thiết kế bản vẽ công nghệ đúc, sau đó làm mộc mẫu dựa trên bản vẽ công nghệ đúc, với độ co dài là 2 % (hình 1).
Chất sơn khuôn được sử dụng là loại GC 550A của Đài Loan chuyên dụng, dùng cho đúc thép hợp kim thấp (hình 2).
Nhiệt độ rót khuôn là (1550-1500) oC.
2.3. Công nghệ nhiệt luyện
Ủ được thực hiện sau khi đúc thép, làm cho thép có độ cứng thấp để dễ gia công cơ khí. Ủ thép ZU75CrMo tại 800 oC, tốc độ nâng nhiệt (120÷150) oC/h, thời gian giữ nhiệt 1 h (chi tiết có chiều dày 25 mm), nguội cùng lò. Để thép có độ cứng và độ bền cao, thép được tôi. Nhiệt độ tôi của thép ZU75CrMo là 800 oC, tốc độ nâng nhiệt (120÷150) oC/h, giữ nhiệt 1 h (chi tiết có chiều dày 25 mm), làm nguội trong dầu. Thép sau khi tôi có độ giòn cao và độ dẻo thấp, nên sau khi tôi cần ram để nâng cao cơ tính tổng hợp. Nhiệt độ ram thép phụ thuộc một phần vào yêu cầu độ cứng của chi tiết, được chọn là 500 oC, tốc độ nâng nhiệt (120÷150) oC/h, giữ nhiệt 2 h (chi tiết có chiều dày 25 mm), làm nguội ngoài không khí.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.Thành phần hóa học
Qua kết quả ở bảng 5 thấy các mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép cùng loại trong tiêu chuẩn GB 1503-2018 của Trung Quốc. Hàm lượng các nguyên tố nằm trong giới hạn cho phép. Các tạp chất như lưu huỳnh, phốt pho đều có hàm lượng thấp đảm bảo cho thép có độ sạch cao.
Bảng 5. Thành phần hoá học của thép ZU75CrMo
| Mẻ | Thành phần hoá học, % t.l. | ||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | |
| 1 | 0,73 | 0,39 | 0,78 | 0,02 | 0,016 | 0,95 | 0,30 |
| 2 | 0,75 | 0,44 | 0,75 | 0,019 | 0,013 | 0,98 | 0,31 |
| 3 | 0,76 | 0,40 | 0,71 | 0,023 | 0,015 | 0,96 | 0,31 |
3.2. Cơ tính
Từ các bảng 6, 7 và 8, thấy cơ tính của thép ZU75CrMo như độ bền, độ cứng, độ giãn dài và độ dai va đập sau khi nhiệt luyện đạt tiêu chuẩn GB 1503-2018 của Trung Quốc.
Bảng 6. Kết quả thử kéo của thép ZU75CrMo sau tôi và ram
| STT | Tên mẫu | Thử kéo | |
| Giới hạn bền (MPa) | Độ giãn dài (%) | ||
| 1 | Mẫu 1 | 1128 | 6,0 |
| 2 | Mẫu 2 | 1078 | 6,0 |
| 3 | Mẫu 3 | 1105 | 6,0 |
Bảng 7. Kết quả thử độ dai va đập của thép ZU75CrMo sau tôi và ram
| STT | Tên mẫu | Thử va đập (nhiệt độ thường) | ||
| Kích thước (mm) | Công va đập (J) | Độ dai va đập (J/cm2) | ||
| 1 | Mẫu 1 | 10x10x55 | 10,5 | 13,1 |
| 2 | Mẫu 2 | 10x10x55 | 11,1 | 13,8 |
| 3 | Mẫu 3 | 10x10x55 | 11,7 | 14,6 |
Bảng 8. Độ cứng của thép ZU75CrMo sau ủ, tôi, ram
| TT | Tên chỉ tiêu | Đơn vị đo | Kết quả đo | |||||
| Lần 1 | Lần 2 | Lần 3 | Lần 4 | Lần 5 | TB | |||
| 1 | Độ cứng mẫu sau ủ | HB | 207 | 212 | 210 | 208 | 212 | 209,8 |
| 2 | Độ cứng mẫu sau tôi | HRC | 60 | 59,5 | 60 | 59,5 | 59,5 | 59,7 |
| 3 | Độ cứng mẫu sau ram | HRC | 48 | 48,5 | 47,5 | 47 | 48 | 47,8 |
3.3.Tổ chức tế vi
Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học cho thấy tổ chức tế vi của thép ZU75CrMo ở các trạng thái nhiệt luyện như sau. Sau khi ủ thép có tổ chức peclit có màu tối và ferit có màu sáng (hình 3). Với tổ chức này, thép có độ cứng thấp, có thể được gia công cơ khí dễ dàng.
Sau khi tôi ở nhiệt độ 800 oC trong môi trường dầu, thép có tổ chức tế vi là mactensit hình kim nhỏ mịn, cacbit và austenit dư. Chính pha cacbit và mactensit đã tạo cho thép có độ bền và độ cứng cao (hình 4). Sau khi ram ở nhiệt độ 500 oC, làm nguội ngoài không khí, thép có tổ chức là xoocbit ram hạt mịn và cacbit, chính tổ chức xoocbit đã đảm bảo cho thép có độ bền cao và khả năng chịu mài mòn, va đập tốt (hình 4).
3.4. Sản phẩm
Cánh xoắn vít tải (hình 5) sau khi hoàn thiện được lắp thử nghiệm trên máy trải bê tông nhựa tại Công ty CP Xây dựng và thương mại 124. Sau một thời gian dùng thử công ty đã có nhận xét tốt. Cánh xoắn vít tải được chế tạo đúng yêu cầu kỹ thuật. Trong quá trình vận hành, cánh xoắn vít tải hoạt động ổn định. Bề mặt cánh xoắn vít tải chưa thấy có hiện tượng mài mòn và nứt vỡ. Đánh giá bước đầu cho thấy, cánh xoắn vít tải do Viện Luyện kim đen chế tạo đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuât của công ty.
4. KẾT LUẬN
Đã lựa chọn thép ZU75CrMo có chất lượng bảo đảm để chế tạo cánh xoắn vít tải. Đã xác định được công nghệ sản xuất thép đúc hợp kim mác ZU75CrMo bao gồm luyện thép trong lò cảm ứng trung tần, khuôn hỗn hợp và nhiệt luyện. Cũng đã xác định được các đặc trưng của thép ZU75CrMo gồm: thành phần hoá học, cơ tính, tổ chức tế vi. Tính chất của thép chế tạo đạt được tiêu chuẩn GB 1503-2018 của Trung Quốc. Kết quả sử dụng thử sản phẩm đã khẳng định chất lượng của thép chế tạo hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cho việc chế tạo cánh xoắn vít tải trong máy trải bê tông.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Phạm Chí Cường, Nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng thép ở Việt Nam, Tài liệu nội bộ của Hội đúc - luyện kim VN, Hà Nội, 2017.
- Ngô Trí Phúc và Trần Văn Địch, Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB Khoa học-kỹ thuật, Hà Nội, 2003.
- Nguyễn Chung Cảng, Sổ tay nhiệt luyện, NXB Khoa học-kỹ thuật, Hà Nội, 2007
- World Steel Association
- https://www.thebalance.com/steel-grades-2340174
- ASM Metal handbook, vol 1 - Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, 2009.
- ASM Metals handbook, vol 15 – Casting, 2004
- ASM Metals handbook, vol 4 – Heat streating, 2004
- ASM Metals handbook, vol 9 – Metallography and microstructure, 2004.
- https://oct.vn/trai-tham-be-tong-nhua-nong-nen-san-tennis
- TCVN 8819:2011, Mặt đường bê tông nhựa nóng yêu cầu thi công và nghiệm thu.