Nghiên cứu công nghệ chế tạo thép kết cấu hợp kim mác 20XH2M để chế tạo trục răng chủ động cấp 3

Mục tiêu của nghiên cứu này là xác lập công nghệ hợp lý để chế tạo thép hợp kim 20XH2M làm trục răng chủ động cấp 3 trong hộp giảm tốc nhằm nội địa hoá sản xuất...

Research of manufacturing technology of 20XH2M structural steel for the 3rd level gearbox input shafts.

 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 kết cấu hợp kim mác 20XH2M để chế tạo trục răng chủ động cấp 3 trong hộp giảm tốc gồm: công nghệ nấu luyện, công nghệ tinh luyện, công nghệ rèn, công nghệ nhiệt luyện. Trục răng chế tạo từ thép nghiên cứu có độ cứng bề mặt cao để có khả năng chống mài mòn tốt, độ cứng và độ bền lõi thích hợp làm việc  tốt  trong  điều  kiện  chịu  tải  trọng  động. Quy trình công nghệ chế tạo trục răng từ thép 20XH2M này hoàn toàn có thể áp dụng để sản xuất ở qui mô công nghiệp và mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội cao. Từ khóa: thép kết cấu hợp kim, tinh luyện điện xỉ, nhiệt luyện

 ABSTRACT

This paper presents research results of manufacturing technology of 20XH2M structural steel for fabricating the 3^rd level gearbox input shafts, including: smelting,refining, forging, heat treating technologies. The fabricated gear box input shaft archived the high hardness at the surface for wear resistance, the suitable hardness and tensile strength at the core for impact resistance. The introduced manufacturing technology of 20XH2M structural steel for the gear- box input shafts can be applied in industrial production with high economical and social efficiency. Keywords: alloy structural steel, electroslag refining, heat treating. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cơ khí là ngành công nghiệp nền tảng có tác dụng quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Các chi tiết cơ khí thường phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Vì vậy, trong công nghiệp cơ khí chế tạo phải sử dụng các loại thép hợp kim chất lượng cao. Hiện nay, Việt Nam hầu như đều phải nhập khẩu các loại thép hợp kim chất lượng nhằm phục vụ cho ngành cơ khí do trong nước chưa có cơ sở nào có dây chuyền sản xuất thép chế tạo máy hoàn chỉnh, đồng thời nhu cầu về thép loại này lớn về chủng loại nhưng lại nhỏ về sản lượng nên gần như chưa cơ sở nào đáp ứng được nhu cầu của ngành cơ khí. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo thép kết cấu hợp kim mác 20XH2M để chế tạo trục răng chủ động cấp 3 là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Mục tiêu của nghiên cứu này là xác lập công nghệ hợp lý để chế tạo thép hợp kim 20XH2M làm trục răng chủ động cấp 3 trong hộp giảm tốc nhằm nội địa hoá sản xuất. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Công nghệ luyện thép Thép 20XH2M được nấu luyện bằng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ. Nguyên liệu đầu vào là sắt thép phế và các loại ferro để hợp kim hóa thép. Căn cứ vào thành phần hóa học thép 20XH2M trong bảng 1, đã dùng nguyên liệu đầu vào như ở bảng 2 và hệ số cháy hao các nguyên tố hợp kim ở bảng 3 để tiến hành phối liệu nấu thép như ở bảng 4. Bảng 1. Thành phần hoá học (%) của thép 20XH2M theo tiêu chuẩn GOST 5781 - 82 của Nga

Mác thép	C	Si	Mn	P ≤	S≤	Cr	Ni	Mo
20XH2M	0,15-0,22	0,17-0,37	0,4-0,7	0,035	0,035	0,4-0,6	1,6-2,0	0,2-0,3

Bảng 2. Thành phần hoá học của nguyên liệu dùng cho nấu luyện (%)

TT	Nguyên liệu	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S
1	Phế CT3	0,18	0,25	0,45	-	-		0,019	0,016
2	FeSi	1,23	72,24
3	FeMn	1,16		70,95
4	FeCr, (C cao)	6,01			65,10
5	FeMo						60
6	Ni					94

Bảng 3. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

TT	Nguyên tố hợp kim	Hệ số cháy hao, %
1	Mn	5 - 10
2	Si	6 -10
3	C	10-15
4	Ni	1 - 2
5	Cr	5 - 8
6	Mo	1

Bảng 4. Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg

STT	Nguyên liệu	Mẻ 1	Mẻ 2	Mẻ 3)
1	Thép Phế CT3	300	300	300
2	FeSi	1,0	1,0	1,0
3	FeMn	1,5	1,5	1,5
4	FeCr,(C cao)	3,0	3,0	3,0
5	FeMo	1,5	1,5	1,5
6	Ni	6,5	6,5	6,5
	Tổng cộng	313,5	313,5	313,5

Quy trình nấu luyện thép 20XH2M 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 liệu gồm thép phế CT3, Ni, FeMo vào lò sao cho liệu được xếp chặt nhất. - 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, ta dần dần nạp liệu cho đến khi hết số lượng của mẻ nấu tính toán và hợp kim hóa 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 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 (cát + CO₂ + nước thuỷ tinh) để đúc các thanh điện cực có kích thước 60 x 2.000 mm cho tinh luyện điện xỉ. 2.2. Công nghệ tinh luyện Thép hợp kim cao sau khi đúc xong không đưa vào rèn hoặc cán ngay vì phôi thép lúc đó dễ bị nứt, vỡ. Do vậy, sau khi nấu luyện cần phải tiến hành tinh luyện nhằm tạo điều kiện tốt cho khâu rèn tiếp theo. Thép rèn cho được kết quả tốt thì thỏi đúc phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Sạch tạp chất: Hàm lượng P, S thấp. Sạch khí. Thỏi đúc có cấu trúc hạt mịn. Mật độ cao. Không rỗ xốp. - Chất lượng bề mặt: Không được có các loại khuyết tật có hại. Đã sử dụng công nghệ tinh luyện điện xỉ  để tinh luyện thép. Để đạt được mục đích tinh luyện, chúng tôi chọn hệ xỉ ANF-6 của Liên Xô cũ với thành phần hoá học 30 % Al₂O₃ và 70 % CaF₂. Lượng xỉ cần thiết để tinh luyện là 50 - 60 kg/tấn sản phẩm. Quy trình tinh luyện điện xỉ được tiến hành như sau: Trước khi điện xỉ, hộp kết tinh phải được kiểm tra cẩn thận về bề mặt trong và độ kín nước. Cho lượng xỉ cần thiết cho một thỏi (3,0 - 3,5 kg cho một thỏi điện xỉ 50 - 55 kg) vào hộp kết tinh. Hạ điện cực từ từ xuống sao cho tạo được hồ quang làm nóng chảy xỉ rắn, tạo thành xỉ lỏng. Cho điện cực nhúng vào bể xỉ lỏng với độ sâu thích hợp và chế độ điện hợp lý (điện áp và dòng điện) để tạo ra được các giọt kim loại nóng chảy ở đầu điện cực. Giọt kim loại lỏng này lớn dần lên và dưới tác dụng của trọng lực giọt kim loại sẽ tách khỏi đầu điện cực, đi qua bể xỉ lỏng và lắng xuống dưới đáy hộp kết tinh tạo thành bể thép lỏng. Tại đây, dưới tác dụng của dòng nước làm nguội chảy quanh hộp kết tinh, bể thép lỏng kết tinh nhanh thành thỏi điện xỉ theo hướng từ dưới lên trên và từ ngoài vào trong. Trong quá trình đi qua lớp xỉ lỏng, do tương tác hoá lý giữa xỉ lỏng và thép lỏng nên giọt thép lỏng được tinh luyện sạch các tạp chất, nhất là S. Quá trình kết tinh xẩy ra do tốc độ làm nguôi lớn nên thỏi điện xỉ có cấu trúc hạt mịn, rất thuận lợi cho khâu rèn tiếp theo. Quá trình tinh luyện điện xỉ cứ như thế xẩy ra cho đến khi hộp kết tinh được điền đầy thì kết thúc. 2.3.Công nghệ rèn Nung phôi: Khi nung phôi thép 20XH2M, để tránh sốc nhiệt gây nứt phôi thép, ở giai đoạn đầu đến 800 ^oC cần nung chậm, tốc độ nâng nhiệt 100 ÷ 120 ^oC/h. Giai đoạn sau có thể nung nhanh hơn, 120 ÷ 150 ^oC/h. Đối với thép 20XH2M, nhiệt độ bắt đầu rèn là 1100 ^oC ± 20 ^oC và nhiệt độ kết thúc rèn là 850 ^oC. Biến dạng khi rèn: Thép 20XH2M có trở kháng biến dạng vừa phải nên khi rèn cần chú ý các khâu nung phôi, chế độ biến dạng và quá trình làm nguội. Làm nguội phôi rèn: Thép 20XH2M khá nhạy cảm với ứng suất nhiệt do vậy dễ bị nứt nhất là từ 850 ^oC trở xuống. Vì vậy, phôi rèn phải được làm nguội với tốc độ chậm, khoảng 70 ÷  80 ^oC/h. 2.4. Công nghệ nhiệt luyện Công nghệ ủ thép: Ủ thép tại 860 ^oC, thời gian giữ nhiệt 2 h, nguội cùng lò. Công nghệ thấm cacbon: nhiệt độ thấm cacbon thể khí tại 900 ^oC, giữ nhiệt 6h, làm nguội cùng lò đến 700 ^oC (có khí nitơ bảo vệ), sau đó làm nguội ngoài không khí. Công nghệ tôi: Nhiệt độ tôi của thép 860 ^oC, đồng nhiệt 1 h, làm nguội trong dầu. Công nghệ ram: Nhiệt độ ram thép 200 ^oC, giữ nhiệt 2 h, làm nguội trong dầu. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Thành phần hóa học Qua kết quả thể hiện ở bảng 5 ta thấy rằng các mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu cầu về thành phần hoá học của mác thép, tương đương mác thép cùng loại trong tiêu chuẩn OCT 5781 - 82 của Nga. Hàm lượng các nguyên tố nằm trong giới hạn cho phép. Các tạp chất như S, P đều có hàm lượng thấp đảm bảo cho thép có độ sạch cao. Từ các kết quả phân tích trong bảng 6 thấy thành phần hoá học của của các nguyên tố hợp kim trong thép sau điện xỉ hầu như không thay đổi, tạp chất S giảm xuống. Cấu trúc thỏi điện xỉ có chất lượng tốt (hạt mịn, xít chặt không có rỗ khí), bề mặt ngoài không bị nứt vỡ, bong xỉ, điều này thuận tiện cho công nghệ rèn tiếp theo. 3.2. Cơ tính Từ bảng 7,8 thấy cơ tính của thép 20XH2M như độ bền, độ cứng, độ giãn dài sau khi nhiệt luyện tương đương với mác thép cùng loại trong tiêu chuẩn OCT 5781 - 82 của Nga. Bảng 5. Thành phần hoá học của thép 20XH2M sau khi nấu luyện, %

Mẻ	Thành phần hoá học
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo
1	0,20	0,24	0,50	0,016	0,013	0,54	1,85	0,26
2	0,17	0,19	0,45	0,018	0,012	0,60	1,83	0,29
3	0,19	0,21	0,42	0,019	0,012	0,58	1,92	0,28

 Bảng 6. Thành phần hoá học thép 20XH2M sau điện xỉ, %

Mẻ	Thành phần hóa học
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo
1	0,18	0,20	0,45	0,016	0,009	0,55	1,85	0,27
2	0,16	0,18	0,42	0,018	0,011	0,58	1,82	0,28
3	0,19	0,18	0,41	0,018	0,010	0,56	1,91	0,28

 Bảng 7. Cơ tính của thép 20XH2M sau nhiệt luyện

STT	Ký hiệu mẫu	Giới hạn chảy (MPa)	Giới hạn bền (MPa)	Độ dãn dài (%)	Độ dai va đập (J/cm2)
1	M01	942,27	1071,13	11,0	123,0
2	M02	897,02	1105,26	12,0	130,0
3	M03	851,75	1103,49	12,0	125,0

Bảng 8. Độ cứng của thép 20XH2M

TT	Tên chỉ tiêu	Đơn vị đo	Kết quả đo
			Lần 1	Lần 2	Lần 3	TB
1	Độ cứng mẫu sau ủ	HRB	84,3	86,3	85,4	85,3
		HB	160	170	165	165
2	Độ cứng lõi sau thấm tôi và ram	HRC	38,3	40,6	39,4	39,4
3	Độ  cứng  lớp  thấm  sau tôi và ram	HRA	80,3	80,4	80,8	80,5
		HRC	58	59	59,5	58,8

3.3.Tổ chức tế vi Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học cho thấy tổ chức tế vi của thép 20XH2M  ở các trạng thái nhiệt luyện như sau: - Trạng thái ủ: thép có tổ chức peclit, cacbit và ferit - Trạng thái sau thấm - tôi - ram: Lớp thấm có tổ chức mactenxit nhỏ mịn, ít austenit dư và những hạt cacbit, lõi có tổ chức mactenxit. Từ kết quả trong bảng 9 và theo tiêu chuẩn TCVN 5747-2008: Chiều sâu lớp thấm cacbon được tính từ bề mặt lớp thấm đến vị trí có độ cứng bằng 550 HV. Như vậy chiều sâu lớp thấm cacbon đạt 1,1 mm. Với chiều sâu lớp thấm này đạt yêu cầu so với chiều sâu lớp thấm của sản phẩm trong khoảng 0,9-1,2 mm. 3.4. Sản phẩm Sản phẩm khảo nghiệm là trục răng. Trục răng sau khi hoàn thiện được tiến hành lắp thử nghiệm trên hộp giảm tốc di chuyển của máy khoan mỏ. Công ty TNHH Cơ khí Phương Nam thực hiện lắp đặt, theo dõi qúa trình dùng thử trục răng. Sau một thời gian dùng thử công ty có nhận xét rằng trục răng được chế tạo đúng kích thước bản vẽ, quá trình lắp đặt dễ dàng, ăn khớp tốt. Trong quá trình làm việc, trục răng chưa xảy ra hiện tượng tróc, gãy răng. Bảng 9. Độ cứng của lớp thấm cacbon

Chiều sâu lớp thấm (µm)	Độ cứng (HRC)	Độ cứng (HV)
50	59,9	695
150	59,5	695
250	59,2	680
400	58,2	659
600	58,0	655
800	57,4	642
1000	53,4	571
1200	49,2	502
1500	44,7	443
1700	39,2	384

[caption id="attachment_2111" align="aligncenter" width="640"] Hình . Tổ chức tế vi của thép 20XH2M  sau ủ (a),  sau thấm, tôi, ram: bề mặt (b), sau thấm, tôi, ram: lõi (c)[/caption] [caption id="attachment_2110" align="aligncenter" width="640"] Hình . a) Thỏi điện xỉ, b) Phôi rèn, c)Trục răng[/caption] 4. KẾT LUẬN Sau khi thực hiện, đã rút ra được những kết luận sau: - Việc lựa chọn thép 20XH2M chất lượng cao để chế tạo trục răng là hoàn toàn phù hợp. - Đã xác định được công nghệ sản xuất thép hợp kim mác 20XH2M bao gồm: Công nghệ luyện thép trong lò cảm ứng trung tần, công nghệ tinh luyện điện xỉ, công nghệ rèn bằng búa 750 kg và công nghệ nhiệt luyện. - Đã xác định được các đặ trưng của thép 20XH2M bao gồm: thành phần hoá học, cơ tính, tổ chức tế vi. Tính chất của thép chế tạo được đạt tiêu chuẩn OCT 5781 - 82 của Nga. - Kết quả sử dụng sản phẩm đã khẳng định chất lượng của thép đã chế tạo là rất tốt, hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cho việc chế tạo trục răng trong hộp giảm tốc. 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. Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2007.
3. Bùi Anh Hoà, Nguyễn Sơn Lâm; Luyện thép hợp kim và thép đặc biệt, Hà Nội, 2010.
4. Từ Tăng Khải, Tinh luyện ngoài lò, Hà Nội 2007
5. Nguyễn Chung Cảng, Sổ tay nhiệt luyện, NXB KHKT 2007
6. ASM Metal handbook, Vol 1 - Properties and Selection: Irons, Steels, and High Performance Alloys, 2009.
7. ASM Metals handbook, Vol 4 - Heat streating, 2004
8. ASM Metals handbook, Vol 9 - Metallography and microstructure, 2004.
9. ASM Metals handbook, Vol 14 - Forming and Forging, 2004.