Báo cáo Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép Mác Z50CD15 dùng để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ
Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP MÁC Z50CD15 DÙNG ĐỂ
CHẾ TẠO KHUÔN ÉP THỨC ĂN GIA SÚC”
Cơ quan chủ quản:
Cơ quan chủ trì:
Chủ nhiệm đề tài:
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Ths. NGUYỄN QUANG DŨNG
6826
28/4/2008
HÀ TÂY, 12/2007
1
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ
Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP MÁC Z50CD15 DÙNG ĐỂ
CHẾ TẠO KHUÔN ÉP THỨC ĂN GIA SÚC”
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG
Nguyễn Văn Sưa
HÀ TÂY, 12/2007
2
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU
4
5
1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu thép không gỉ máctenxit có chứa Crôm, Molipđen và Vanadi 5
1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
thép không gỉ máctenxit.
1.3. Nhiệt luyện thép không gỉ máctenxit
1.4. Thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15.
1.5. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc.
1.5.1. Công nghệ chế biến thức ăn gia súc.
1.5.2. Lựa chọn mác thép làm khuôn ép thức ăn gia súc
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
6
11
12
13
13
15
16
16
16
17
17
17
20
23
23
25
27
27
27
28
32
33
36
36
36
37
38
2.2. Phương pháp nghiên cứu
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1. Công nghệ sản xuất thép hợp kim mác Z50CD15
3.1.1. Công nghệ luyện thép
3.1.2. Công nghệ tinh luyện
3.1.3. Công nghệ đúc chi tiết
3.1.4. Công nghệ rèn
3.1.5. Công nghệ nhiệt luyện
3.2. Các tính chất của thép Z50CD15
3.2.1. Thành phần hoá học
3.2.2. Tính chất cơ lý
3.2.3. Cấu trúc pha
3.2.4. Tính chống gỉ của thép
3.3. Chế tạo sản phẩm
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận
4.2. Kiến nghị
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
6. PHỤ LỤC
3
MỞ ĐẦU
Trong một đất nước, nền kinh tế bao gồm rất nhiều ngành như công nghiệp,
nông nghiệp, giao thông vận tải,… Trong số các ngành này, ngành chăn nuôi gia
súc, gia cầm cũng đóng một vai trò quan trọng. Trước đây, khi ngành cơ khí còn
kém phát triển, ngành công nghiệp ít có tác dụng hỗ trợ đến sự phát triển của
ngành chăn nuôi. Gần đây, người ta đã phát minh ra các máy chế biến thức ăn
cho ngành chăn nuôi không những giúp giảm nhẹ lao động cho người chăn nuôi
mà còn tăng năng suất và chất lượng của ngành kinh tế này.
Trong số các thiết bị này, thiết bị chế biến thức ăn cho ngành chăn nuôi đã
được nhiều nước tiến hành nghiên cứu, chế tạo. Nguyên lý hoạt động của thiết bị
này như sau: nguyên liệu vụn rời, sau khi được hấp sấy, sẽ được máy này ép
thành viên. Thức ăn này rất tiện lợi cho việc chăn 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.
4
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
Cr
Ni
Mo
Khác
P ≤
S ≤
1
403
403
410
XM-30
-
0,040 0,030 11,5-
≤0,15 ≤0,50 ≤1,00
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
≤0,06 ≤1,00 ≤1,00
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
≤0,15 ≤1,00 ≤1,25
13,0
0,040 0,030 11,5-
13,5
0,040 0,030 11,5-
13,5
0,040 0,030 11,5-
13,5
0,040 0,030 11,5- 1,25-
2
410
3
410Cb
410S
414
Nb≤0,25
4
≤0,6
5
414
416
-
13,5
0,060 0,150 12,0-
14,0
2,50
6
416
Zr/Mo≤0,60
7
416 plus
X
416Se
1,50- 0,060 0,150 12,0-
≤0,15 ≤1,00
≤0,60
≤0,60
2,50
14,0
0,060 0,060 12,0-
14,0
0,040 0,030 12,0-
14,0
8
416Se
420
420F
Se>0,15
≤0,15 ≤1,00 ≤1,25
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
≤0,15 ≤1,00 ≤1,25
9
420
10
11
12
13
14
420F
0,060 0,150 12,0-
14,0
420F Se 420F Se 0,30-
0,40
422
0,06
0,06
12,0-
14,0
Se>0,15
≤1,00 ≤1,25
≤0,75 ≤1,00
-
0,20-
0,45
0,040 0,030 11,5- 0,50- 0,75- V=0,15-0,3
13,5
1,00
1,25 W=0,75-1,25
431
431
440A
0,040 0,030 15,0- 1,25-
≤0,20 ≤1,00 ≤1,00
17,0
0,040 0,030 16,0-
18,0
2,50
440A
0,60-
0,75
≤1,00 ≤1,00
≤0,75
5
15
16
17
18
19
20
21
22
440B
440C
440F
440F Se
501
440B
440C
-
0,75-
0,95
0,95-
1,20
0,95-
1,20
0,95-
1,20
0,040 0,030 16,0-
≤1,00 ≤1,00
≤1,00 ≤1,00
≤1,00 ≤1,00
≤1,00 ≤1,00
≤0,75
≤0,75
18,0
0,040 0,030 16,0-
18,0
0,06
0,15
16,0-
18,0
16,0-
18,0
Mo/Zr≤0,75
-
0,06
0,06
Se>0,15
501
502
501A
501B
0,040 0,030 4,00-
0,40-
0,65
0,40-
0,65
0,45-
0,65
0,90-
1,10
≤0,10 ≤1,00 ≤1,00
≤0,10 ≤1,00 ≤1,00
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
≤0,15 ≤1,00 ≤1,00
6,00
0,040 0,030 4,00-
6,00
0,040 0,030 6,00-
8,00
502
503
504
0,040 0,040 8,00-
10,0
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
6
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.
7
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.
8
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
9
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
10
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
11
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
thép
Tiêu
chuẩn
Nga
Thành phần hoá học của các nguyên tố (%)
C
Si Mn
P
S
Cr Mo
V
-
Ni
-
1
2
4Cr13
0,36- ≤ 0,6 ≤ 0,8 ≤0,035 ≤0,03
12,0-
14,0
-
-
0.45
SUS420J2
Nhật
0,26- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,04
≤0,03
12,0-
-
≤ 0,6
12
0,40
0,42- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,045 ≤0,03 12,50-
0,50 14,50
0,35- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,045 ≤0,03 12,50-
0,42 14,50
0,40- ≤ 1,0 ≤ 1,0 ≤0,04 0,015- 12,50-
14,0
3
4
5
6
7
X46Cr13
(14034)
X38Cr13
(14031)
Z44C14
Đức
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Đức
Pháp
Pháp
Pháp
0,48
0,45-
0,55
0,03
14,50
Z50CD15
≤
0,75
≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,015 14,0-
0,5-
1,0
-
0,1-
0,2
-
15,0
Z50C15
0,45- ≤0,75 ≤ 1,0 ≤0,04 ≤0,015 14,5-
0,55 15,5
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.
13
Thùng chứa
Cấp liệu
Bao gói sản phẩm
Thành phẩm
Phân loại
Phun hơi nước
Trộn
Bẻ mảnh
Tạo viên
Sấy, làm mát
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.
14
Hình 8: Nguyên lý làm việc của buồng ép viên
Khuôn ép 11 Bulông điều chỉnh
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Bulông kẹp chặt
Quả lô ép
12 Bulông điều chỉnh
13 Đai ốc chống nới lỏng
14 Bánh răng điều tiết
15 Quả lô ép
Đai ốc chống nới lỏng
Bulông điều chỉnh
Bánh răng điều tiết
Đai ốc chống nới lỏng
Bulông điều chỉnh
Dao gạt liệu vào
16 Bulông kẹp chặt
17 Dao cắt viên
18 Viên
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
15
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.
16
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
0,8
1,0
Si
Cr
Mo
V
1
2
Phế thép X17
Phế thép Mn
0,12
0,65
0,8
0,3
17
17
3
4
5
6
7
FeMn
FeSi
1,0
0,1
98
80
75
FeMo
FeV
55
45
Bột graphít
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
1
Nguyên tố hợp kim
Hệ số cháy hao (%)
C
Cr
Mn
Si
6 -10
2 - 3
2
3
3 - 6
4
6 - 10
1 - 2
5
Mo
V
6
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
Phế thép không gỉ X17
Phế thép 65Mn
FeMn
FeSi
FeMo
FeV
Than graphit
Nhôm dây
Mẻ 1 (kg)
281
9,8
Mẻ 2 (kg)
328
1
2
3
4
5
6
7
8
11,5
1,0
0,65
5,0
1,5
1,8
0,8
0,55
4,3
1,3
1,5
1,0
1,2
Tổng cộng
300
350
18
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
0,53
0,62
0,6
0,72
0,85
14,5
14,0
0,85
0,86
0,25
0,27
0,006 0,027
0,005 0,026
≤ 0,015 ≤ 0,04
Mẻ 2 (phân tích
tại VLKĐ)
Thành phần
tiêu chuẩn
0,45 -
0,55
14,0 -
15,0
0,5 -
1,0
0,1 -
0,2
≤ 1,0
≤ 0,75
19
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
20
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
2
3
Điện cực
Hộp kết tinh
Bể xỉ lỏng
4
5
6
Bể kim loại lỏng
Kim loại rắn
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).
21
- 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
22
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
23
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:
24
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.
25
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.
26
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.
27
Bảng 8: Tính chất cơ lý của thép không gỉ máctenxit mác Z50CD15.
STT Trạng thái Giới hạn bền Giới hạn chảy
Độ dãn dài
Độ cứng
nhiệt luyện (Rm - Mpa)
(R0,2 - Mpa)
HBS
tương đối (δ-%)
1
Trạng thái sau khi ủ
Mẫu số 1
Mẫu số 2
725,1
736,5
581,9
594,4
18,1
18,7
186
191
2
Trạng thái sau tôi + ram
Mẫu số 1
Mẫu số 2
945
960
-
-
10,0
9,6
450
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).
28
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
29
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
30
Tải về để xem bản đầy đủ
37 trang
11/03/2024
2760
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép Mác Z50CD15 dùng để chế tạo khuôn ép thức ăn gia súc", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bao_cao_nghien_cuu_cong_nghe_san_xuat_thep_mac_z50cd15_dung.pdf
