Thông số đông đặc và tổ chức tế vi của thép không gỉ

Bài báo này đề cập đến ảnh hưởng của các thông số đông đặc và tốc độ nguội của thép không gỉ đến sự phân bố nhiệt ở từng vùng của vật đúc, dễ gây ra ứng suất nhiệt phá vỡ tính hoàn thiện của vật liệu kim loại.

Solidification parameters and microstructure of cast stainless steel

Phạm Mai Khánh, Nguyễn Đình Bình, Lương Thanh Tú
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tóm tắt

   Thép không gỉ là loại thép hợp kim có khả năng chống ăn mòn xâm thực, được dùng nhiều trong công nghiệp chế tạo cơ khí, vật liệu xây dựng và chế tạo dụng cụ y tế. Trong bài báo này các tác giả phân tích ảnh hưởng của thông số đông đặc đối với tổ chức tế vi vật đúc dễ hình thành khuyết tật do tác dụng của sự biến thiên nhiệt độ cục bộ gây nên.

Abstract

   Stainless steel is a kind of alloyed steels with high corrosion – resistance used in machinery, architecture and medical instrumenation. In this paper, the influence of local thermal change in the solidification process on forma- tion of defects in stainless steel casting ingots is discussed.

1. Đặt vấn đề

   Thép không gỉ là loại thép hợp kim đặc biệt có khả năng chống ăn mòn xâm thực của axit, kiềm và nước trong môi trường khí quyển, nước biển, nước sông và một số môi trường ăn mòn khác. Phổ biến nhất là thép crôm-niken (chứa 18% Cr và 9% Ni). Sản lượng thép không gỉ ở một số nước chiếm 1% tổng sản lượng thép.

   Thép không gỉ được dùng nhiều vì tổ chức tế vi chủ yếu là dung dịch rắn ferit hoặc austenit (α, γ). Lượng C chứa trong thép rất nhỏ (0,08 – 0,17%) để lượng cacbit thấp và tồn tại rất ít ở biên giới hạt nhằm hạn chế khả năng ăn mòn tinh giới, phá huỷ sự liên kết giữa các pha.

   Thép 08Cr₁₈Ni₁₀ chứa 0,08% C; 18% Cr; 10% Ni, còn lại là Fe.

   Thép không gỉ austenit hệ Cr-Ni có cấu trúc austenit – dung dịch rắn của sắt γ, chỉ có thể hoá cứng sau gia công nguội, không từ tính, chủ yếu được dùng nhiều trong công nghiệp cơ khí như chế tạo các chi tiết máy bơm, trong kỹ thuật xây dựng như làm khung cửa, trong ngành y tế như dụng cụ y tế dùng trong phẫu thuật,v.v… 

   Ở nước ta hiện nay có nhiều cơ sở sản xuất đúc thép không gỉ. Bài báo này đề cập đến ảnh hưởng của các thông số đông đặc và tốc độ nguội của thép không gỉ đến sự phân bố nhiệt ở từng vùng của vật đúc, dễ gây ra ứng suất nhiệt phá vỡ tính hoàn thiện của vật liệu kim loại.

2. Thực nghiệm

   Vật đúc được chọn để nghiên cứu là một tấm phẳng có kích thước 60 x 200 x 200 mm đúc trong khuôn có chiều dày 60 mm, truyền nhiệt đối xứng từ tâm vật đúc, như vậy chiều dầy đông đặc của vật đúc trong trường hợp này là 30 mm.

   Thành phần hoá học

   Hợp kim đúc được chọn là thép không gỉ 08Cr₁₈Ni₁₀, có thành phần hoá học cụ thể nêu trong bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hoá học thép không gỉ 08Cr₁₈Ni₁₀

   Tính chất nhiệt lý

Khối lượng riêng (ρ) : 7850 kg/m³
Hệ số dẫn nhiệt (λ) : 17 W/m.độ
Tỷ nhiệt (c) : 504 J/kg.độ
Ẩn nhiệt kết tinh : 282,8 kJ/kg

   Tính chất công nghệ

Nhiệt độ đường lỏng (u_liq) : 1528°C
Nhiệt độ đường đặc (u_sol ) : 1480°C
Nhiệt độ rót (u_rot) : 1540°C
Thời gian rót (t_rot ) : (8 -12) sec.
Tốc độ bình quân khi rót : (6 – 8) kg/ sec.

   Khuôn đúc với chiều dầy thành khuôn 30 mm, được chế từ 2 loại vật liệu: hỗn hợp crômit với chất dính là thuỷ tinh lỏng và hỗn hợp khuôn cát với chất dính là thủy tinh lỏng (môđun 2,9; tỷ trọng 1,4 g/ml). Cả hai loại hỗn hợp trên đều được đóng rắn bằng khí CO2.

   Khuôn Crômit

   Dùng hạt quặng crômit (FeO.Cr₂O₃) khai thác từ mỏ Cổ Định, Thanh Hoá với cỡ hạt 0,15 mm; trộn với 5% thuỷ tinh lỏng, đóng rắn bằng khí CO₂. Khối lượng riêng của hỗn hợp sau đầm chặt là 2700 kg/m³.

   Khuôn cát

   Dùng cát trắng Đà Nẵng có thành phần hoá học nêu trong bảng 2.

Bảng 2. Thành phần hóa học cát Đà Nẵng
Bảng 3. Tính chất nhiệt lý của hốn hợp khuôn cát

   Tính chất vật lý:

Độ pH : 6,5 – 7,5
Hàm lượng bụi : (0 – 0,2)%
Tỷ trọng : 1,450 g/mm³
Cỡ hạt theo AFS : 42 – 48

   Khối lượng riêng của hỗn hợp sau khi đầm chặt là 1600 kg/m³.

   Xác định tính chất nhiệt lý của hỗn hợp khuôn như sau.

Hình 1. Sơ đồ bố trí cặp nhiệt trong khuôn

   Rót hợp kim 35CrMo vào 2 loại khuôn đã nói. Cặp nhiệt crômen-alumen vỏ bọc bằng nhựa chịu nhiệt đặt vào khuôn theo sơ đồ như hình 1. Sau khi đo sự phân bố nhiệt độ trong khuôn, tiến hành xử lý số liệu theo phương pháp bình phương bé nhất, tìm giá trị của hệ số khuếch tán nhiệt độ (a) với nhiệt độ (u) : a = f(u) thông qua phương trình sai phân về truyền nhiệt với lưới sai phân Crant- Nicholson. Từ các thông số cơ bản như khối lượng riêng (ρ) , tỷ nhiệt (c), hệ số dẫn nhiệt (λ) hiệu chỉnh thông số nhiệt lý của hỗn hợp để giải trường nhiệt độ, trường tốc độ nguội và xác định các thông số đông đặc liên quan.

   Tính chất nhiệt lý của hỗn hợp khuôn cát sau khi xử lý số liệu thí nghiệm xem trong bảng 3.