Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa cr v và quá trình xử lý nhi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Dương Nam NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THÉP 15%Mn LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Dương Nam NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THÉP 15%Mn Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 62520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS ĐÀO HỒNG BÁCH 2. TS LÊ THỊ CHIỀU Hà Nội – 2016 3 PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Đặc điểm của thép austenite mangan cao Từ năm 1878, nhà luyện kim người Anh tên là Robert Hadfield đã bắt tay vào nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan.

Năm 1882 Hadfield đã nấu luyện thép với hàm lượng magan cao (gần 13%). Sau đó bốn năm, nhà luyện kim trẻ tuổi của xứ Sepfin này đã ghi trong nhật ký của mình như sau: “Tôi đã bắt đầu những thí nghiệm này vì quan tâm đến việc sản xuất một loại thép vừa cứng, đồng thời lại vừa dai. Các thí nghiệm đã dẫn đến một kết quả đáng chú ý, rất quan trọng và đủ sức làm thay đổi các quan điểm hiện hành của các nhà luyện kim đối với các hợp kim của sắt”. Năm 1883, ông được cấp bằng phát minh đầu tiên của nước Anh về thép mangan sản xuất bằng cách pha feromangan giàu mangan vào sắt.

Trong những năm tiếp theo, ông tiếp tục nghiên cứu những vấn đề liên quan với thép mangan. Năm 1883, các công trình của ông “Nghiên cứu về mangan và việc sử dụng nó trong ngành luyện kim”, “Nghiên cứu về một số tính chất mới phát hiện được của sắt và mangan” và “Nghiên cứu về thép mangan” đã ra đời. Các công trình nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, nếu được tôi trong nước thì loại thép mangan này có thêm những tính chất mới, rất ưu việt. Sau đó, Hadfield còn nhận được hàng loạt bằng phát minh nữa liên quan với việc nhiệt luyện thép mangan, và đến năm 1901 thì ông được trao bằng phát minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trước khi tôi.

Thép austenite mangan cao là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc trong điều kiện va đập, dưới tác dụng của ứng suất pháp. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp (như phun cát) thép này lại bị mài mòn khá nhanh, như các loại thép khác. Sau khi đúc và nhiệt luyện, thép austenite mangan cao có tổ chức austenite, chứa cacbon và mangan cao. Dưới tải trọng va đập, austenite ở bề mặt nơi chịu va đập sẽ bị biến cứng, có độ cứng cao, trong khi đó lõi vẫn giữ nguyên tổ chức austenite dẻo dai.

Do cơ chế tự biến cứng khi chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại cho đến khi bị mài mòn hết.1: Mặt cắt giản đồ pha Fe-13Mn-C [28] 4 Thành phần hóa học của thép austenite mangan cao thông thường như sau: Mn = 10 – 14%; C = 1,0 – 1,4%; tỷ lệ Mn : C = 10: 1 Giản đồ hình 1.1 cho thấy rằng với thành phần nguyên tố như thường sử dụng, sau khi nung nóng đồng đều hóa thành phần trên 10000C, các nguyên tố hợp kim hòa tan hoàn toàn vào austenite, khi làm nguội nhanh trong nước, thép có thành phần đồng nhất là γ (austenite). Thép có thành phần khác nhau austenite sẽ chuyển thành mactenxit ở các nhiệt độ khác nhau nhưng nói chung nhiệt độ bắt đầu chuyển biến (Ms) ở nhiệt độ âm. Với thép chứa 13%Mn, 1,2%C nhiệt độ chuyển biến là -1960C [28], vì vậy sau khi đúc nung tôi trên 10000C và làm nguội trong nước thép có tổ chức hoàn toàn austenite. Ở trạng thái đúc khi làm nguội chậm (ví dụ nhiệt độ dỡ khuôn thấp) và khi hóa già thép có tổ chức austenite và cacbit.

Về tính chất thép austenite mangan cao có một số tính chất sau: - Có độ cứng, dẻo dai đặc biệt khi chịu tải trọng lớn tính chất này càng cao khi tải trọng càng lớn. - Tính cơ học: độ bền σb = 800 – 1000Mpa, độ dãn dài σs = 40 – 50%. - Có tính đúc rất tốt nhưng tính gia công cơ khí kém.1: Tính đúc của thép austenite mangan cao [6] Độ ngót khi đông đặc Độ co tuyến tính tự do Nhiệt độ đường lỏng 6,0% 2,4 - 3,0% Khoảng 14000C Thép này có tổ chức hoàn toàn austenite, dễ tiết ra cacbit loại (Fe,Mn)3C. Do đó cần phải có một chế độ nhiệt luyện khắt khe để đảm bảo luôn luôn được tổ chức austenite hoàn toàn không có cacbit tiết ra.

Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết chế tạo từ thép austenite mangan cao 1. Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết chế tạo từ thép austenite mangan cao làm việc trong điều kiện cần độ dai va đập và chống mài mòn cao Thép austenite mangan cao được ứng dụng chính trong chế tạo các chi tiết như búa đập, tấm lót, răng gầu xúc… Các chi tiết này đều làm việc trong điều kiện va đập, chịu mài mòn và bị chà xát. Trong nội dung của luận án, một số vấn đề về điều kiện làm việc có liên quan đến vật liệu đã được đề cập. Để có thể giới thiệu về điều kiện làm việc của các chi tiết được chế tạo từ thép mangan cao, xin viện dẫn búa đập quặng như một ví dụ.

Búa đập được lắp trong máy nghiền búa. Các chi tiết trong máy nghiền bao gồm khối quay trục chính, đĩa, trục ống và búa. Phần chính làm việc của máy nghiền búa là roto và búa. Các ổ đĩa của động cơ roto xoay nhanh trong khoang nghiền.

Khi nạp nguyên liệu thô vào máy qua cửa cấp liệu do tác động của búa tốc độ cao, kích thước nguyên liệu được nghiền nhỏ. Dưới roto có đĩa sàng để sàng các vật liệu với kích thước nhỏ hơn so với lưới sàng sẽ được ra và giữ lại phần bột chưa đạt tiêu chuẩn cho việc nghiền tiếp cho đến khi đạt đến kích thước chuẩn. Vật liệu được nạp vào máy nghiền từ phía trên của máy, nhờ trọng lượng bản thân rơi hoặc trượt theo máng và vùng ra đập của búa đang quay với tốc độ cao. Sau va đập, vật liệu bị vỡ thành nhiều mảnh và bay với góc phản chiếu khoảng 900, tạo thành một vùng đập nghiền.

Khi bay, các mảnh vỡ đập vào các tấm lót (được gắn vào 5 các tấm phản hồi) trên thành vỏ máy, bật ngược trở lại đầu búa để nghiền tiếp, cứ như vậy cho đến khi đủ nhỏ lọt qua mẳt sang ra ngoài. Kích thước của sản phẩm cuối cùng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các đĩa sàng. Khoảng cách giữa các roto và các đĩa sàng cũng có thể được điều chỉnh theo yêu cầu khác nhau.2: Mô phỏng quá trình làm việc của chi tiết búa đập làm từ thép austenite mangan cao [9] Phần làm việc chịu mài mòn chính của búa đập là đầu búa. Chiều dài đầu búa được lựa chọn theo kích thước của viên đá nạp lớn nhất.

Nếu Dmax ≤ 10 mm thì l = (1,4 -1,8) Dmax Dmax = (100 -400) mm thì l = 0,6 Dmax Trong đó: Dmax: kích thước đá nạp lớn nhất. l: chiều dài đầu búa (thông thường chiều dài đầu búa được chọn bằng 0.5 chiều dài cả búa). Động năng của búa: E = MoV2/2 Trong đó: Mo: là khối lượng búa (kg). V: Tốc độ dài của búa (m/s).

Như vậy có thể thấy trong điều kiện làm việc, tốc độ quay của búa rất cao (100m/s), khi nghiền quặng, búa sẽ bị đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà xát theo ứng suất tiếp. Tính toán lực đập lên búa đập quặng ước tính khoảng 78N/cm2. Tải trọng va đập trong quá trình làm thí nghiệm được tính toán lớn hơn rất nhiều so với tải trọng mà viên quặng tác dụng lên đầu búa [23]. Ban đầu, khi quặng thô to, búa chủ yếu bị va đập mạnh.

Hạt quặng càng nhỏ, búa sẽ càng bị chà xát nhiều dẫn đến búa sẽ bị mòn dần. Cho đến khi búa mòn nhiều quá thì sẽ phải dừng thiết bị để thay. Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải có thể chịu được tải trọng lớn khi va đập mạnh và có thể chịu được mài mòn trong quá trình bị chà xát. Có nghĩa là vật liệu làm búa đập phải vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại vừa cứng vững bên ngoài (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng).

Các vật liệu loại này chỉ có thể có được hóa nhiệt luyện (thấm bề mặt) hoặc sử dụng thép austenite mangan cao [5,6]. Tuy nhiên, việc hóa nhiệt luyện cho chi tiết búa là rất đắt và hiệu quả không cao. Vì vậy, các búa đập quặng thường được chế tạo từ thép austenite mangan cao (thép Hadfield) [6,11]. Trong điều kiện làm việc của búa, thép austenite mangan cao do có mangan cao có tổ chức thuần austenite nên rất dẻo và có thể chịu được va đập với các loại quặng cứng.

Khi va đập với lực tác động mạnh, bề mặt thép bị biến cứng do có austenite chuyển biến thành mactenxit hoặc tạo ra các song tinh cùng các xô lệch mạng. Càng va đập nhiều, lớp biến 6 cứng bề mặt này càng hình thành nhiều [5,6]. Khi kích cỡ hạt quặng nhỏ dần, sự chà xát tăng lên làm lớp bề mặt biến cứng bị mòn dần đi, xuất hiện lớp biến cứng mới. Quá trình cứ diễn ra như vậy cho đến khi búa mòn hẳn và hết hiệu quả sử dụng.

Độ cứng của quặng được chia theo thang bảng như sau:  Độ bền và độ cứng.  Độ bền của vật liệu đặc trưng cho khả năng chống phá hủy của chúng dưới tác dụng của ngoại lực. Độ bền được biểu thị bằng giới hạn chịu nén của Rn (kG/cm2) của vật liệu và được chia làm 4 loại: ▬ Kém bền: <100 (than đá, gạch đỏ…) ▬ Trung bình: 100-500 (cát kết) ▬ Bền: 500-2500 (đá vôi, hoa cương, xỉ lò cao…) ▬ Rất bền: >2500 (đá quazt, đá diabaz…)  Độ cứng: hiện nay độ cứng chủ yếu xác định bằng thang 10 bậc do nhà khoáng vật người Đức Fr. Mohs đề xuất với 10 vật liệu chuẩn từ mềm tới cứng: Bảng 1.