Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác C50pa dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ 5,56 - 7,62mm

Bé c«ng TH¦¥NG TæNG C¤NG TY THÐP VIÖT NAM ViÖn LuyÖn kim §en -------------------- B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc vµ ph¸t triÓn C¤NG NGHÖ cÊp bé Tªn ®Ò tµi: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP MÁC C50PA DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO NÒNG SÚNG BỘ BINH CỠ NHỎ 5,56-7,62MM” DFGEDFGEDFGE C¬ quan chñ qu¶n: tæng c«ng ty thÐp vN C¬ quan chñ tr×: ViÖn LuyÖn kim §en Chñ nhiÖm ®Ò tµi: TS. NGUYỄN V¡N SƯA 6823 27/4/2008 Th¸ng 12/2007 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 2 1.TỔNG QUAN 4 1.1 Giới thiệu về bo và thép bo 4 1.2 Ảnh hưởng của bo lên các tính chất của thép 6 1.3 Giới thiệu mác thép nghiên cứu C50PA 9 2.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 2.1 Nội dung nghiên cứu 10 2.2 Phương pháp nghiên cứu 10 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 12 3.1Công nghệ sản xuất thép C50PA 12 3.1.1 Công nghệ luyện thép 12 3.1.2 Công nghệ tinh luyện 16 3.1.3 Công nghệ rèn 20 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện 22 3.2 Các tính chất của thép C50PA 25 3.2.1 Tính chất cơ lý 25 3.2.2 Độ dai va đập và dộ bền phá huỷ 27 3.2.3 Cấu trúc pha 30 3.3 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 35 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37 4.1 Kết luận 37 4.2 Kiến nghị 37 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 6. PHỤ LỤC 39 2 MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của nhiều ngành khoa học, kỹ thuật đòi hỏi các nhà luyện kim phải tạo ra được các loại thép có các tính năng đặc biệt để có thể làm việc ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt khác nhau như nhiệt độ cao, tải trọng lớn, chân không sâu, xâm thực mạnh … Các loại thép như vậy thường được hợp kim hoá bằng các nguyên tố khác nhau và trải qua các chế độ gia công cơ và nhiệt phù hợp. Các nguyên tố hợp kim thường là những vật tư đắt tiền nên giá thành của các loại thép hợp kim khá đắt. Trong bối cảnh của nền kinh tế thị trường, việc nghiên cứu tìm ra các loại vật liệu tốt và có giá thành cạnh tranh là một hướng đi của các nhà luyện kim hiện nay. Một trong các kết quả của hướng đi này là tạo ra thép hợp kim bo (gọi là thép bo) độ bền cao và giá thành cạnh tranh. Thép bo là loại thép được hợp kim hoá bằng nguyên tố bo với hàm lượng rất ít ( 0,0005 – 0,006% ) nên giá thành không tăng nhưng lại cải thiện được nhiều tính chất của thép, đặc biệt là cơ tính. Các loại thép bo đã được sử dụng trong nhiều lĩng vực, trong đó có ngành công nghiệp quốc phòng. Vì vậy, năm 2007 Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công thương) đã giao cho Viện Luyện kim đen thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ φ5,56-7,62 mm”. Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất thép bo mác C50PA đạt chất lượng cao bằng nguyên vật liệu và thiết bị sẵn có trong nước phục vụ cho ngành công nghiệp quốc phòng và các ngành kinh tế khác. Bản báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu này bao gồm các nội dung chính như sau : 1. Phần tổng quan 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 3. Kết quả đạt được 4. Kết luận và kiến nghị 5. Tài tiệu tham khảo 6. Phần phụ lục 3 Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự chỉ đạo, giúp đỡ tạo điều kiện của Vụ Khoa học-Công nghệ (Bộ Công thương) và Tổng cục Công nghiệp quốc phòng. Đồng thời, chúng tôi cũng nhận được sự giúp đỡ và hợp tác rất có hiệu quả của Nhà máy Cơ khí chính xác 11 (Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng). Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Công thương, Tổng cục Công nghiệp quốc phòng và Nhà máy Cơ khí chính xác 11 về sự giúp đỡ quý báu đó. 4 1.TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về bo và thép bo Bo là nguyên tố được Humphry Davy và Gay-Lussac phát minh năm 1808. Bo là một nguyên tố á kim, có các đặc tính gần giống nguyên tố cacbon. Nguyên tố bo không tồn tại ở dạng sạch trong tự nhiên mà thường tồn tại ở dạng hợp chất như orthoboric axit trong các suối dung nham núi lửa, borat trong colemantie và quan trọng nhất là trong quặng kernit và quặng borac. Hợp chất quan trọng nhất của bo trong thép bo là nitrid bo (NB) có độ cứng như kim cương. Nitrid bo là một chất cách điện nhưng dẫn nhiệt tốt làm cho á kim bo tiến gần đặc tính của kim loại. Lúc đầu người ta chưa biết được hết ảnh hưởng của bo trong thép và hàm lượng tối ưu của nó. Sau đó các nhà luyện kim đã phát minh ra rằng chỉ cần cho một lượng nhỏ bo sẽ có ảnh hưởng lớn đến tính tôi của thép nên có thể dùng bo để thay thế các nguyên tố hợp kim đắt tiền và chiến lược như mangan, crôm, molypđen, vanađi và niken. Tuy nhiên, mãi đến những năm 1970 người ta mới nghiên cứu được cơ chế ảnh hưởng của bo đến các tính chất của thép nhờ những thiết bị khoa học chính xác. Với những kết quả nghiên cứu như vậy đã khẳng định bo là nguyên tố hợp kim rất tiềm năng cho thép. Thép bo sau khi nhiệt luyện sẽ có độ cứng cao và độ dẻo tốt. Chính vì thế, thép bo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thép dụng cụ, thép chế tạo máy, thép làm chi tiết bắt chặt và cả trong ngành công nghiệp quốc phòng … Tác dụng của bo lên các tính chất của thép chỉ đạt được trong các loại thép đã khử ôxy triệt để (thép lắng nhôm). Do bo là nguyên tố hoạt động hoá học mạnh nên thường bảo vệ bo trong thép bằng cách cho thêm titan hay zirkon vào thép. Thép bo bao gồm thép cacbon và thép hợp kim. Ở Mỹ đã sản xuất 6 mác thép cacbon và 23 mác thép hợp kim chứa bo [1]. Các mác thép này được nêu trong bảng 1. 5 Bảng 1: Các mác thép bo của Mỹ Số TT Mác thép Loại thép Ghi chú 1 2 3 4 5 6 AISI 15B21H AISI 15B35H AISI 15B37H AISI 15B41H AISI 15B48H AISI 15B62H Thép cacbon 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 AISI 50B40 AISI 50B40H AISI 50B44 AISI 50B44H AISI 50B46 AISI 50B46H AISI 50B50 AISI 50B50H AISI 50B60 AISI 50B60H AISI 51B60 AISI 51B60H AISI 81B45 AISI 84B45H AISI 86B30H AISI 86B45 AISI 86B45H AISI 94B15 AISI 94B15H Thép hợp kim 6 20 21 22 23 AISI 94B17 AISI 94B17H AISI 94B30 AISI 94B30H 1.2 Ảnh hưởng của nguyên tố bo lên các tính chất của thép Ảnh hưởng lớn nhất của bo lên các tính chất của thép là làm tăng độ cứng và độ bền. Độ cứng của thép đạt lớn nhất khi hợp kim hoá bo ở hàm lượng từ 0,002 đến 0,006%, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép nền, chủ yếu là hàm lượng cacbon. Vượt quá giới hạn này thì sẽ gây ra thiên tích bo trên biên giới các hạt austenit, không những làm giảm độ cứng mà còn làm giảm độ dai va đập, gây ra tính dòn và bở nóng cho thép [2]. Để cải thiện độ cứng cho thép thì bo trong thép phải ở trạng thái nguyên tử. Như vậy, trong quá trình sản xuất thép phải có biện pháp bảo vệ bo để nguyên tố này phát huy được tác dụng lớn nhất [ 3-5 ]. Tác dụng của bo cũng bị giảm đi nếu áp dụng chế độ nhiệt luyện không đúng. Ví dụ, nhiệt độ austenit hoá quá cao có thể gây ra tiết pha giầu bo. Độ cứng của thép bo phụ thuộc vào hành vi của ôxy, cacbon và nitơ trong thép. Bo phản ứng với ôxy tạo thành ôxit bo (B2O3), với cacbon tạo thành xêmentit-bo sắt (Fe3(C,B)) và bo-cacbid sắt (Fe23(C,B)6) và với nitơ tạo thành nitrid bo (BN). Có thể giảm tổn thất bo do ôxy bằng cách khử triệt để ôxy bằng FeSi và Al. Các nguyên tố tạo nitrid mạnh như titan, nhôm, zirkon bảo vệ cho bo khỏi phản ứng với nitơ. Khả năng hình thành cacbid bo dạng Fe23(B,C)6 là một vấn đề đã được các nhà nghiên cứu về thép bo rất chú trọng. Đặc biệt là từ những năm 1970 trở lại đây, những nghiên cứu về quá trình tiết pha Fe23(B,C)6 trong austenit quá nguội đã đạt được nhiều kết quả tốt, ví dụ : đã xác định được hằng số mạng LPTT (fcc) của pha này, đã xác định được vùng nhiệt độ pha này ổn định, mối quan hệ dị hướng khi 7 tiết pha, đặc trưng về hình dạng của đường cong động học khi tiết pha đẳng nhiệt … Đồng thời đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp nhiệt luyện thép bo. Gần đây, người ta đã chú ý nghiên cứu quá trình tiết pha của các dạng cacbit khác khi ram thép bo [6]. Bằng kỹ thuật hiển vi điện tử xuyên thấu và quýet và nhiễu xạ rơnghen, Shi Chong Zhe đã khẳng định khi ram thép 50B trong khoảng nhiệt độ 490-720˚C có 3 loại cacbid được tiết ra từ mactensit là Fe3C, Fe23(C,B)6 và Fe3 (C,B). Nhóm nghiên cứu này cho rằng Fe23 (B,C)6 được tạo thành từ các mầm rồi lớn lên. Còn pha Fe3 (C,B) được tạo ra từ Fe3C sau khi hấp phụ thêm bo. Ở nhiệt độ ram thấp thì pha Fe3C tiết dễ hơn pha Fe23 (C,B)6, nhưng ở nhiệt độ ram cao thì hai pha này gần như tiết ra đồng thời. Sự tồn tại ổn định của pha Fe23 (C,B)6 là trong khoảng nhiệt độ 600 - 900˚C [7]. Như vậy, khi ram thép bo đầu tiên tiết ra pha Fe3C, sau dó mới tiết ra pha Fe23 (C,B)6 . Còn pha Fe3 (C,B) tiết ra sau cùng. Fe23 (C,B)6 hình thành các tâm mầm trong pha mẹ mactensit, còn pha Fe3 (C,B) được tạo thành từ Fe3C hấp phụ thêm B. Độ cứng của thép bo phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện austenit hoá. Khi nhiệt độ austenit hoá tăng lên trên 1.000˚C thì độ cứng của thép bo giảm [3]. Thép bo phải ram ở nhiệt độ thấp hơn các thép khác khi muốn giữ độ cứng như nhau. Bo làm chậm sự tạo thành ferit và peclit [8-9] và như vậy sẽ thúc đẩy sự tạo thành mactensit khi làm nguội nhanh [10]. Theo các tác giả này thì khi cho 0,002 – 0,003% B vào thép cacbon sẽ có tác dụng tăng độ cứng như 0,7% Cr, 0,5% Mo và 1,0% Ni. Bo chỉ có tác dụng khi được hoà tan trong các hạt khi làm nguội nhanh hơn là cho phép khuyếch tán ra biên giới hạt khi làm nguội chậm. Khả năng làm tăng độ cứng của bo tuỳ thuộc vào hàm lượng cacbon được nêu trên hình 1 và bo làm chậm sự tạo thành ferit và peclit được mưu tả trên hình 2 [10]. 8 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 3 2 1 0 Hình 1: Mức độ tăng độ cứng của thép Bo phụ thuộc vào % C FB= Độ cứng của thép Bo/độ cứng của thép không có Bo FB %C 0 10 100 1000 10.000 Hình 2: Ảnh hưởng của Bo tới giản đồ chữ C t,s 1000 800 600 400 200 T0C Không có Bo 0,0017%Bo 9 1.3 Giới thiệu mác thép nghiên cứu C50PA Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là thép bo mác C50PA theo ký hiệu của Liên Xô cũ. Các nước khác cũng có mác tương tự. Các mác thép này được nêu trong bảng 2. Bảng 2 : Thành phần hoá học của thép C50PA và các mác tương tự C Si Mn B P S C50PA Liên Xô 0,47-0,54 0,17-0,37 0,50-0,70 0,002- 0,006 ≤ 0,035 ≤ 0,040 50B Tr. Quốc 0,47-0,55 0,17-0,37 0,60-0,90 0,0005- 0,0035 ≤ 0,035 ≤ 0,035 50B50 Mỹ 0,48-0,53 0,20-0,35 0,75-1,0 ≥ 0,005 ≤ 0,040 ≤ 0,040 170H41 Anh 0,37-0,44 0,10-0,40 0,80-1,10 0,0005- 0,005 ≤ 0,025 ≤ 0,025 38B3 Pháp 0,34-0,40 0,10-0,40 0,60-0,90 0,0008- 0,008 ≤ 0,035 ≤ 0,035 Thép C50PA là thép cacbon trung bình được hợp kim hoá một lượng lượng nhỏ bo nên tính chất cơ lý được cải thiện rất nhiều. Các tính chất cơ lý của thép C50PA sau nhiệt luyện theo tiêu chuẩn của Liên Xô cũ như sau : - Độ bền kéo : Rm ≥ 785 Mpa - Giới hạn chảy : R0,2 ≥ 540 Mpa - Độ dãn dài tương đối : δ ≥ 10% - Độ dai va đập ak ≥ 39 Jcm-2 - Độ cứng sau ủ : ≤ 207 HB Với các tính chất cơ lý như nêu trên, thép C50PA được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo máy, trong đó có cả ngành chế tạo vũ khí thông thường. 10 2.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm : - Nghiên cứu tổng quan về thép bo và mác thép C50PA dùng để chế tạo nòng súng bộ binh cỡ nhỏ trên cơ sở các tài liệu và tiêu chuẩn trong và ngoài nước ; - Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất mác thép C50PA bao gồm các khâu : + Công nghệ luyện thép + Công nghệ tinh luyện + Công nghệ rèn + Công nghệ nhiệt luyện - Đánh giá chất lượng thép : thành phần hoá học, cơ tính, tổ chức tế vi và cấu trúc pha ; - Chế tạo 05 nòng súng AK để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng của thép nghiên cứu. 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy và chính xác cao, đề tài đã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau : - Trên cơ sở phân tích các điều kiện làm việc của nòng súng bộ binh cỡ nhỏ và tham khảo các tài liệu và tiêu chuẩn về thép hợp kim của các nước tiên tiến để lựa chọn mác thép. - Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300 kg/mẻ để nhiên cứu xác định công nghệ luyện thép, thiết bị điện xỉ 100 KVA để nghiên cứu công nghệ tinh luyện, búa rèn 750 kg và 150 kg để nghiên cứu công nghệ rèn và các loại lò tôi, ram để nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện. 11 - Sử dụng thiết bị quang phổ phát xa FOUNDRY MASTER (CHLB Đức) để phân tích thành phần hoá học, đặc biệt là B ở hàm lường rất nhỏ. - Sử dụng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 để xác định độ bền, máy đo độ cứng HPO 250 để đo độ cứng, thiết bị con lắc Charpy để đo độ dai va đập và thiết bị INSTRON 8801 (Anh) để đo độ bền phá huỷ. - Dùng kính hiển vi quang học Axiovert (CHLB Đức) để nghiên cứu tổ chức tế vi và máy nhiễu xạ rơnghen D 5000 (CHLB Đức) để phân tích cấu trúc pha của thép. - Dùng kính hiển vi điện tử quýet EMAX do hãng HITACHI (Nhật Bản) chế tạo để nghiên cứu cơ chế phá huỷ của thép. 12 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Công nghệ sản xuất thép bo mác C50PA 3.1.1 Công nghệ luyện thép Thép bo mác C50PA là một loại thép hoá tốt với thành phần hoá học : C = 0,47 – 0,55% ; Si = 0,17 – 0,35% ; Mn = 0,50 – 0,70% ; B = 0,002 – 0,006% ; P ≤ 0,035% và S ≤ 0,040%. Để đảm bảo cho chất lượng cao của thép và cũng phù hợp với điều kiện nguyên vật liệu và thiết bị sẵn có trong nước, chúng tôi sẽ hạ thấp hàm lượng tạp chất P ≤ 0,025% và S ≤ 0,025%. Ở các nước phát triển, thép C50PA thường được nấu luyện trong lò chuyển thổi ôxy hoặc lò điện hồ quang. Trong điều kiện của nước ta, do khối lượng nhu cầu thép này chưa nhiều nên chúng tôi chọn thiết bị nấu luyện là lò cảm ứng trung tần. Cụ thể đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu công nghệ nấu luyện trên lò cảm ứng trung tần Radyne 300 kg/mẻ do Anh chế tạo. 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 sau : - Thép nền loại Ct-5 - Thép đầu mẩu loại C45 - FeB - FeMn - FeSi - Nhôm kim loại - Bột than điện cực graphit Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 3. 13 Bảng 3 : Thành phần hoá học của nguyên liệu, % TT Nguyên liệu C Si Mn B P S 1 Thép Ct-5 032 0,27 0,64 - 0,020 0,017 2 Thép C45 0,47 0,24 0,78 - 0,018 0,016 3 FeB 7,0 4 FeMn 0,93 1,46 81 - 5 FeSi 0,1 76 - 0,031 0,020 6 Al Al=99,5 - 7 Điện cực 95 - Để tính toán phối liệu cho những mẻ nấu thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng các số liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Mn, Si trong lò cảm ứng trung tần và kinh nghiệm luyện thép nhiều năm của Viện Luyện kim đen cũng như tham khảo các tài liệu khác, ví dụ trong [11]. 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 Mn 3 – 6 2 Si 6 – 10 3 C 30 - 55 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 thực tế tại Viện Luyện kim đen, chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 3 mẻ nấu thí nghiệm với trọng lượng mỗi mẻ khoảng 250 kg như trong bảng 5. Riêng đối với nguyên tố B chúng tôi dự tính hệ số cháy hao khoảng 30 - 60% và sẽ điều chỉnh qua kết quả phân tích các mẻ nấu. 14 Bảng 5 : Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg TT Nguyên liệu Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3 1 Thép phế Ct-5 36 120 200 2 Thép phế C45 216 130 50 3 FeB 0,25 0,25 0,25 4 FeMn 1 1 1 5 FeSi 1 1 1 6 Bột than điện cực 0,4 0,7 1,0 7 Nhôm kim loại 1,2 1,0 1,0 Tổng cộng 253,85 253,95 254,25 Đối với thép bo thì vấn đề đưa bo vào thép như thế nào để đảm bảo đúng hàm lượng bo yêu cầu trong thép là cực kỳ quan trọng. Muốn vậy, ta phải hiếu rõ hành vi của nguyên tố bo khi luyện thép. Như đã nêu ở phần trên, bo là nguyên tố hoạt động hoá học mạnh nên để bảo toàn bo trong thép thì thép phải được khử ôxy triệt để. Nếu không, bo sẽ kết hợp với ôxy để tạo thành ôxit bo nổi lên xỉ. Vì thế, đối với thép hợp kim bo, ngoài FeMn và FeSi thì cần dùng thêm Al để khử ôxy. Vấn đề đặt ra cho công nghệ luyện thép bo là đưa bo vào thép lúc nào và cỡ hạt FeB bao nhiêu là phù hợp nhất. Theo các tài liệu [3-4] thì đưa bo ở dạng FeB vào thép sau khi đã khử ôxy triệt để bằng FeMn, FeSi và Al và trước khi ra thép khoảng 2 – 3 phút. Vì chỉ đưa FeB vào trước khi ra thép 2 – 3 phút nên kích thước của các hạt FeB không được to quá để đảm bảo cho việc hào tan của FeB vào thép lỏng được hoàn toàn. Với định hướng như vậy, chúng tôi đã tiến hành 3 mẻ thí nghiệm. Thành phần liệu và công nghệ nấu luyện không khác nấu luyện thép cacbon chất lượng. Duy chỉ phải chú ý đến khâu khử ôxy, thời điểm đưa FeB vào và kích thước hạt FeB thích hợp. Quy trình nấu luyện thép bo C50PA trong lò cảm ứng trung tần Radyne 300 kg/mẻ từ các nguyên liệu trên như sau : 15 - 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 Ct-5, C45 vào lò sao cho liệu được xếp chặt nhất. Lượng bột than điện cực được cho vào hộp sắt, đóng kín rồi cho vào đáy lò. - Đóng điện cho lò hoạt động, sau đó tăng dần công suất lò để nấu chảy mẻ liệu. Chú ý dùng que chọc lò để tránh hiện tượng treo liệu. 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˚C thì cho FeMn và sau đó là FeSi và nhôm kim loại vào để khử khí. - Để nước thép lắng khoảng 5 – 7 phút thì cho lượng FeB với kích thước phù hợp vào lò, dùng que khuấy đảo đều rồi để thép lắng 2 – 3 phút thì vớt xỉ và rót thép vào nồi rót đã được sấy đỏ. Nhiệt độ rót thép cũng tương tự như thép C50, khoảng 1.520 – 1.560˚C [12]. - Rót thép vào khuôn cát làm bằng kỹ thuật đông cứng nhanh CO2 và nước thuỷ tinh để đúc các thanh điện cực có kích thước φ60 x 2.000 mm để tinh luyện điện xỉ. - Lấy mẫu khi rót thép để phân tích thành phần hoá học. Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ theo phối liệu được nêu trong bảng 5. Việc xác định hàm lượng B trong thép là rất khó khăn. Ở nước ngoài người ta thường dùng phương pháp quang phổ phát xạ quang học plasma đôi cảm ứng (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry : ICP-OES) [13] hay bằng hệ thống thiết bị Laser Ablation ICP-MS with the CETAC LSX-100 [14]. Chúng tôi đã sử dụng thiết bị quang phổ phát xạ FOUNDRY-MASTER để phân tích B và các nguyên tố khác. Kết quả của 3 mẻ nấu thí nghiệm được phân tích trên máy quang phổ phát xạ FOUNDRY-MASTER được nêu trong bảng 6. 16 Bảng 6 : Thành phần hoá học của thép thí nghiệm, % Mẻ C Si Mn B P S 1 0,491 0,282 0,717 0,004 0,0175 0,0156 2 0,498 0,317 0,765 0,0037 0,0185 0,0159 3 0,502 0,303 0,658 0,0052 0,0170 0,0152 Qua các số liệu trong bảng 6 ta thấy cả 3 mẻ nấu thí nghiệm đều đạt yêu cầu về thành phần hoá học. Như vậy, cách đưa bo vào thép được đề tài đề xuất là hoàn toàn phù hợp. Hàm lượng các nguyên tố C, Si, Mn và B đều nằm trong giới hạn cho phép. Đặc biệt, các tạp chất P và S đều có hàm lượng rất thấp, đảm bảo cho thép có độ sạch rất cao.Thép lỏng sau khi nấu luỵện đạt yêu cầu được rót vào khuôn φ60 x 2.000 mm để làm điện cực cho khâu tinh luyện điện xỉ. 3.1.2 Công nghệ tinh luyện Để tạo điều kiện tốt cho khâu rèn tiếp theo thì thỏi đúc phải đáp ứng được các yêu cầu sau : - Sạch tạp chất : hàm lượng P, S phải thấp - Sạch khí : hàm lượng các loại khí O2, N2 và H2 phải thấp hơn giới hạn cho phép. - Cấu trúc : thỏi đúc phải có cấu trúc hạt mịn - Mật độ cao : không rỗ xốp - Chất lượng bề mặt : không được có các loại khuyết tật có hại. Để đáp ứng các yêu cầu trên cần phải tinh luyện thép. Trong điều kiện thực tế của nước ta, chúng tôi sử dụng công nghệ tinh luyện điện xỉ - một phương pháp đã được áp dụng thành công đối với nhiều mác thép hợp kim ở Viện Luyện kim đen, Công ty Cổ phần Cơ khí-Luyện kim (Tổng Công ty Thép Việt Nam) và Z45- Tổng cục kỹ thuật (Bộ Quốc phòng). 17 Thiết bị tinh luyện điện xỉ của Viện Luyện kim đen có các thông số công nghệ như sau : - Công suất máy biến thế : 100 KVA - Dòng điện : 1.000 – 1.500 A - Điện áp ra : 40 – 45 V - Kích thước hộp kết tinh : φ120 x 400 mm - Kích thước điện cực : φ60 mm - Lưu lượng nước làm mát : 5 – 6 m3/h 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 . Hệ xỉ này có nhiều ưu điểm là có khả năng khử S tốt, dễ kiếm và rẻ tiền. Hai cấu tử của xỉ được tuyển chọn cẩn thận bằng nam châm sau khi nghiền nhỏ và được sấy khô cẩn thận trước khi dùng. 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 ; - Cho lượng xỉ cần thiết cho một thỏi (2,0 – 2,5 kg cho một thỏi điện xỉ 40 – 45 kg) vào hộp kết tinh. Hộp kết tinh phải được kiểm tra cẩn thận về bề mặt trong và độ kín nước. 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. Vì bể thép lỏng được hình thành và kết tinh dưới lớp xỉ lỏng nên rất sạch khí, tương tự như 18 trường hợp luyện kim trong chân không. 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. Nguyên lý của quá trình điện xỉ được mưu tả trên hình 3. Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm qua tinh luyện điện xỉ được nêu trong bảng 7. Bảng 7 : Thành phần hoá học của thép sau điện xỉ, % Mẻ C Si Mn B P S 1 0,490 0,282 0,715 0,0039 0,0173 0,0152 2 0,496 0,315 0,765 0,0037 0,0182 0,0156 3 0,500 0,302 0,656 0,0051 0,0171 0,0150 Từ các kết quả phân tích trên ta thấy thành phần hoá học của thép sau điện xỉ hầu như không thay đỏi, trừ tạp chất S giảm khá nhiều. Các thỏi điện xỉ có chất lượng tốt : - Bề mặt ngoài láng bóng, bong xỉ ; - Đáy ít bị lồi, đỉnh ít bị lõm ; - Không có biểu hiện rỗ xốp. 20 3.1.3 Công nghệ rèn Thép C50PA có trở chống biến dạng vừa phải, độ dẫn nhiệt trung bình nên cũng cần chú ý các khâu nung phôi, chế độ biến dạng và quá trình làm nguội. Công nghệ rèn được nghiên cứu trên hệ thống thiết bị gồm lò buồng đốt than, búa máy 750 kg và 150 kg. Nung phôi Để tránh sốc nhiệt, ở giai đoạn đầu (700-800˚C) cần nung chậm, khoảng 100 - 120˚C/h. Giai đoạn sau có thể nung nhanh hơn, 120 - 150˚C/h. Nhiệt độ rèn thép là một khoảng nhiệt độ mà ở đó thép có trở chống biến dạng thấp, tính dẻo cao và sau rèn ta nhận được vật rèn có các tính chất tốt cho các khâu gia công tiếp theo (như tạo được hình dáng, kích thước yêu cầu, có cấu trúc hợp lý, không bị nứt …). Nhiệt độ bắt đầu rèn là nhiệt độ đảm bảo cho sự hoà tan hoàn toàn các nguyên tố hợp kim và cacbid vào dung dịch rắn austenit. Đối với thép C50PA nhiệt độ bắt đầu rèn là 1.100 ± 20˚C. Nhiệt độ kết thúc rèn là nhiệt độ mà ở đó thép vẫn còn đủ tính dẻo cần thiết cho sự biến dạng dẻo mà không tạo ra vết nứt tế vi. Nhiệt độ kết thúc rèn của thép C50PA là 850˚C. Biến dạng khi rèn Quá trình rèn thép C50PA được tiến hành trong khoảng nhiệt độ 1.100-850˚C. Ở giai đoạn đầu cần tiến hành biến dạng từ từ theo chiều vuốt dài, từ việc tạo thiết diện vuông vê sang thiết diện tròn. Các phôi rèn không được có các khuyết tật như nứt, gấp nếp, rạn chân chim … Việc chặt theo chiều dài được thực hiện bằng dao chặt phù hợp. Làm nguội phôi rèn Như đã nêu ở phần trên, thép C50PA khá nhậy cảm với ứng suất nhiệt, nhất là từ 800˚C trở xuống. Vì vậy, vật rèn phải được làm nguội với tốc độ chậm, khoảng 60 - 80˚C/h. Trong thực tế, chỉ cần vùi vật rèn vào cát ấm, khô là được. Sơ đồ công nghệ rèn thép C50PA được trình bầy trên hình 4. 21 0 5 7 Hình 5: Sơ đồ công nghệ thường hoá t,h T0C 1200 800 400 8300C 0 5 7 9 Hình 4: Sơ đồ công nghệ rèn t,h T0C 1200 800 400 11000C 22 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện Để đảm bảo cơ tính tổng hợp cao và thuận lợi cho việc gia công cơ khí thì thép C50PA phải được nhiệt luyện. Nhiệt luyện thép C50PA bao gồm hai dạng : thường hoá để gia công cơ khí và nhiệt luyện cuối cùng (tôi và ram cao – hoá tốt) để đạt cơ tính tổng hợp cao. Thường hoá Thường hoá được tiến hành đối với thép C50PA để khử ứng suất dư, ổn định cấu trúc và giảm độ cứng, tạo thuận lợi cho khâu gia công cơ khí tiếp theo. Thường hoá là công nghệ nung đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Ac3, giữ một thời gian tuỳ theo kích thước của phôi rồi làm nguội trong không khí. Với thép C50PA thì thường hoá được thực hiện ở nhiệt độ 820 - 850˚C và làm nguội trong không khí. Sơ đồ công nghệ thường hoá được mưu tả trên hình 5. Sau khi thường hoá như vậy thép có cấu trúc peclit nhỏ mịn và độ cứng đạt 204 HB. Với cấu trúc và độ cứng như vậy thép dễ gia công cơ khí. Nhiệt luyện cuối Nhiệt luyện cuối bao gồm tôi và ram cao được tiến hành sau khi gia công cơ khí thành chi tiết. Thép C50PA có nhiệt độ tới hạn Ac3 = 800˚C. Vì vậy, nhiệt độ austenit hoá của thép C50PA là khoảng 840 ± 20˚C. Với nhiệt độ này có thể đảm bảo cho sự hoà tan hoàn toàn cacbid Fe3 (C,B) và Fe23 (C,B)6 vào dung dịch rắn γ. Môi trường tôi cho thép C50PA là dầu. Sơ đồ tôi thép C50PA được trình bầy trên hình 6. Sau khi tôi thép C50PA ta nhận được cấu trúc mactensit nhó mịn. Mactensit là dung dịch rắn quá bão hoà, có độ cứng rất cao nhưng dòn, không ổn định. Để có cấu trúc ổn định, cơ tính tổng hợp cao ta phải tiến hành ram. Trong quá trình ram thép xẩy ra các hiện tượng sau : - Phân huỷ austenit dư : 220 - 260˚C - Phân huỷ dung dịch rắn : 320 - 430˚C - Tiết pha cacbit : 23 + 300 - 350˚C : tạo thành Fe3C + 400 - 450˚C : tạo thành Fe3(C,B) + Trên 500˚C : tạo thành Fe23(C,B)6 Như vậy, để các quá trình trên xẩy ra hoàn toàn, đặc biệt là việc tiết ra Fe23(C,B)6 để nâng cao độ cứng và đọ bền của thép bo thì ta phải ram cao từ 490 - 720˚C [6]. Đối với thép C50PA thì nhiệt độ ram phù hợp là 600 ± 20˚C. Môi trường làm nguội là không khí. Sơ đồ công nghệ ram thép C50PA được trình bầy trên hình 7. Kết quả sau nguyên công ram thép C50PA ta có cấu trúc xoocbit nhỏ mịn và pha cacbit phân tán đều đặn. Với cấu trúc như vậy đảm bảo cho thép độ bền cao, tính dẻo tốt, đáp ứng được nhu cầu khắt khe của nơi sử dụng. 24 0 5 7 Hình 6: Sơ đồ công nghệ tôi t,h T0C 1200 800 400 8400C 4 8 12 Hình 7: Sơ đồ công nghệ ram t,h T0C 800 600 400 25 3.2 Tính chất của thép C50PA 3.2.1 Tính chất cơ học Tính chất cơ học của thép C50PA (độ bền, tính dẻo sau khi tôi và ram và độ cứng sau thường hoá) được nêu trong bảng 8. Cơ tính của thép do đề tài chế tạo tương đương với mác thép của nước ngoài tương ứng. Bảng 8 : Tính chất cơ học của thép C50PA TT Nhiệt luyện R0,2 Mpa Rm MPa A % ak Jcm-2 Độ cứng HB 1 Thường hoá - - - - 204 2 Tôi và ram 598 849 20 58 - Bên cạnh những đại lượng cơ lý truyền thống như đã nêu trên, trong những năm gần đây người ta còn xác định khả năng làm việc của vật liệu trong những điều kiện gần giống với điều kiện thực tế dựa trên nguyên lý của cơ học phá huỷ [15-16]. Đại lượng thường dùng để đánh giá khả năng bền phá huỷ là độ bền phá huỷ ở trạng thái biến dạng phẳng (plane-fracture tuoghness) Kic . Mẫu để đo Kic được chế tạo như trên hình 8 và quá trình thử cũng như tính toán kết quả được tiến hành trên thiết bị INSTRON 8801 (Anh) theo tiêu chuẩn ASTM E399-97 (Mỹ) [17] tại phòng thí nghiệm Vật liệu tính năng cao (Viện nghiên cứu cơ khí năng lượng và mỏ). Kết quả đo được Kic = 82,16 Mpa.m1/2 thể hiện khả năng chống phá huỷ của thép C50PA là rất tốt, đặc biệt đối với các chi tiết dạng ống dầy, tấm dầy, vỏ các lò phản ứng hạt nhân [15]. 27 3.2.2Độ dai va đập và cơ chế phá huỷ Để xác định độ dai va đập của thép chúng tôi đã sử dụng thiết bị thử con lắc CHARPY. Phép đo độ dai va đập được tiến hành theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 312-1 : 2007. Độ dai va đập được đo trên ba mẫu và sau đó tính giá trị trung bình. Kết quả đo được ghi lại trong bảng 9. Các số liệu trong bảng 9 cho thấy thép C50PA có độ dẻo dai rất tốt (yêu cầu là ≥ 39 Jcm-2 ). Bảng 9 : Độ dai va đập của thép C50PA Mẫu 1 2 3 Giá trị TB Ak [J/cm2 ] 55 60 59 58 Hình thái (morphology) của mặt gẫy được phân thành hai loại : phá huỷ dẻo và phá huỷ dòn [16]. Để nghiên cứu xác định cơ chế phá huỷ của thép chúng tôi sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử quýet trên thiết bị EMAX do hãng HITACHI (Nhật Bản) chế tạo. Cơ chế phá huỷ của thép C50PA được nghiên cứu trên mặt gẫy của các mẫu thử độ dai va đập. Kết quả được nêu trên hình 9 với các độ phóng đại 250, 500, 1.000 và 2.000x. Kết quả về hình thái học của bề mặt gẫy như trên hình 8 biểu hiện cơ chế dẻo của thép C50PA khi phá huỷ. 28 29 Hình 9: Cơ chế phá huỷ của thép C50PA (x 250, 500, 1000,2000) 30 3.2.3 Cấu trúc pha Cấu trúc pha của thép C50PA được nghiên cứu bằng kỹ thuật hiển vi quang học và nhiễu xạ rơnghen. Kỹ thuật hiển vi quang học được tiến hành trên các mẫu thường hoá, mẫu tôi và mẫu ram. Còn kỹ thuật nhiễu xạ rơnghen được tiến hành trên mẫu sau tôi + ram cao. Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học cho thấy cấu trúc tế vi của thép C50PA sau thường hoá là peclit nhỏ mịn (hình 10), sau tôi là mactensit hình kim (hình 11) và sau ram ở 600˚C là xoocbit (hình 12). Chính cấu trúc xoobit đã đảm bảo cho thép có độ bền cao và tính dẻo tốt. Kết quả nghiên cứu bằng nhiễu xạ rơnghen cho thấy cấu trúc của thép C50PA chỉ có cấu trúc lập phương thể tâm ( Fe-α ) (hình 13). 31 Hình 10: Cấu trúc tế vi sau thường hoá (x 200, 500) 32 Hình 11: Cấu trúc tế vi sau tôi (x 500, 1000) 33 Hình 12: Cấu trúc tế vi sau ram (x 500, 1000) 35 3.3 Chế tạo sản phẩm và dùng thử Theo nội dung đăng ký, đề tài đã tiến hành chế tạo 05 nòng súng AK bằng thép C50PA để dùng thử và đánh giá chất lượng. Công nghệ chế tạo nòng súng AK được nêu trên hình 14. Các nòng súng AK sau khi hoàn thiện được thử áp suất cao tại Nhà máy Cơ khí chính xác 11 (Tổng cục Công nghiệp quốc phòng). Qua một thời gian theo dõi cho thấy các nòng súng được chế tạo từ thép C50PA do đề tài sản xuất có chất lượng tốt, đáp ứng được các nhu cầu của việc chế tạo vũ khí của quân đội. 36 H×nh 14: S¬ ®å c«ng nghÖ chÕ t¹o nßng sóng AK Ph«i Th−êng ho¸ Khoan lç Doa bãng lç T¹o kh−¬ng tuyÕn T«i Ram cao TiÖn tinh M¹ lç Nhuém ®en s¶n phÈm 37 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận - Đã xác định được công nghệ sản xuất thép bo mác C50PA từ khâu luyện thép, tinh luyện, rèn và nhiệt luyện bằng nguyên vật liệu và thiết bị sẵn có trong nước. Đặc biệt là đề tài đã thành công trong nghiên cứu công nghệ đưa bo vào thép đảm bảo đúng hàm lượng yêu cầu. - Thép nghiên cứu có các tính chất cơ học và cấu trúc tương đương với thép nước ngoài cùng mác. - Kết quả sử dụng thử đã khẳng định chất lượng và khả năng sử dụng của thép do đề tài chế tạo trong lĩnh vực chế tạo máy và vũ khí. 4.2 Kiến nghị Để nâng cao khả năng nghiên cứu và sản xuất các loại thép hợp kim chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu của các ngành kinh tế và quốc phòng, đề nghị nhà nước tiếp tục hỗ trợ kinh phí cho nghiên cứu và đầu tư xây dựng phòng thí nghiệm luyện kim trọng điểm. 38 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Engineering Fundamentals (www. Efunda.com/Materials/Steel) 2. E. M Grinberg : Steel industry in Russia & CIS countries in 21th Century Moscow 1994, Vol. 5, p. 182 3. D.H Herring : The International Journal of Thermal Technology, N. 3, 2007 4. Kobe Steel Technical Bulletin : Features and Properties of Boron Steel 5. S.K Banerji and J.E Morral : Boron Steel, Conference Proceedings, The Metallurgical Society of AIME, 1980, p. 125 6. Shi Chong Zhe and Wang Jing Yi : Journal of Iron and Steel Reseach, Vol. 8,N. 6, 1996, p. 29 7. ISIJ International, Vol.30, N. 3, 1966, p. 263 8. H.K.D.H Bhadeshia and L.E Svensson : International Conference on Modelling and Control of Joining Processes, Orlando, USA, 1993, p. 153 9. Y.C Jung et al : ISIJ International, Vol. 35,N. 8, 1995, p. 1001 10. G. Haywood and Naylor : IISI 11. V.N Kostiakov : Plasmeno-Indukcionaia plavka, Kiev, 1991 12. Phan Tử Phùng : Sách tra cứu kỹ thuật đúc thép, NXB KHKT Hà Nội 1991. 13. J. Deley : Determination of Boron in Steel by On-line Matrix Simplification, Le Creusot, France, 2007 14. CETAC Technical Bulletin : Determination of Boron and other Traces in Steels by Laser Ablation ICP-MS, 2007 15. P.Veles : Mechanical properties and Testing of Metalls, Praha, 1985 16. P.G Mikliaev, G.S Neshpor, V.G Kudriashov : Kinetika razrushenie, Moscow 1979 17. ASTM E 399-97 : Standard Test Method for Plan-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials 39 BẢNG THỐNG KÊ CÁC HÌNH Hình 1: Ảnh hưởng của B lên độ cứng của thép Hình 2: Ảnh hưởng của B lên giản đồ chữ C Hình 3: Sơ đồ công nghệ tinh luyện điện xỉ Hình 4: Sơ đồ công nghệ rèn Hình 5: Sơ đồ công nghệ thường hoá Hình 6: Sơ đồ công nghệ tôi Hình 7: Sơ đồ công nghệ ram Hình 8: Hình dạng và kích thước mẫu để đo Kic Hình 9: Cơ chế phá huỷ của thép C50PA (250, 500, 1.000 và 2.000x) Hình 10: Cấu trúc tế vi sau thường hoá (500 và 1.000x) Hình 11: Cấu trúc tế vi sau tôi (500 và 1.000x) Hình 12: Cấu trúc tế vi sau ram (500 và 1.000x) Hình 13: Giản đồ nhiễu xạ rơnghen Hình 14: Sơ đồ công nghệ chế tạo nòng súng AK BẢNG THỐNG KÊ CÁC BẢNG Bảng 1: Các mác thép bo của Mỹ Bảng 2: Thành phần hoá học của thép C50PA và các mác tương tự Bảng 3: Thành phần hoá học của nguyên liệu Bảng 4: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim Bảng 5: Phối liệu cho 3 mẻ nấu thí nghiệm Bảng 6: Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm Bảng 7: Thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm sau điện xỉ Bảng 8: Tính chất cơ học của thép C50PA Bảng 9: Độ dai va đập của thép C50PA