Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim chất lượng cao mác ZU40CrMnMoV để chế tạo con lăn đỡ phôi đúc thép liên tục…
Production process of high quality steel ZU40CrMnMoV for manufactur- ing support roller for moving continuous casting steel billet
NGUYỄN HỒNG PHÚC, BÙI XUÂN BÁCH, NGUYỄN THU TRANG
Viện Luyện kim đen, Văn Bình, Thường Tín, Hà Nội
Ngày nhận bài: 16/9/2017, Ngày duyệt đăng: 24/11/2017
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ sản xuất thép hợp kim chất lượng cao mác ZU40CrMnMoV để chế tạo con lăn đỡ phôi đúc thép liên tục. Nguyên liệu đầu vào là thép phế và các loại ferro hợp kim như FeCr, FeMo, FeV, FeMn. Thép được nấu luyện trong lò cảm ứng trung tần 750 kg. Sau khi nấu luyện, thép ZU40CrMnMoV có thành phần hóa học là: (0,38 ÷ 0,4) % C, (0,91 ÷ 1,01) % Mn, (0,37 ÷ 0,42) % Si, (0,024÷0,028) % P, (0,015 ÷ 0,02) % S, (0,98 ÷ 1,3) % Cr, (0,22 ÷ 0,29) % Mo, (0,16 ÷ 0,19) % V. Con lăn được đúc trong khuôn làm bằng hỗn hợp (cát + nước thủy tinh + CO2) Sản phẩm đúc không bị rỗ và nứt. Thép được ủ hoàn toàn, nhiệt độ ủ Tu = 860 oC, thời gian giữ nhiệt 2 h, làm nguội cùng lò. Tôi thép ở nhiệt độ Tt = 900 oC, thời gian giữ nhiệt 1h, làm nguội trong dầu. Ram thép ở nhiệt độ Tr = 260 oC, thời gian giữ nhiệt 10 h, làm nguội trong không khí 20 oC, tốc độ nâng nhiệt Vn = 120 oC/h. Cơ tính của thép sau nhiệt luyện: Giới hạn bền σb = (836 ÷ 869) MPa, độ giãn dài = (12 ÷ 13) %, độ dai va đập Ak = (12 ÷ 13) J.cm-2. Con lăn làm từ thép ZU40CrMnMoV đã đưa vào sử dụng trên dây truyền công nghệ đúc phôi thép liên tục và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của Công ty TNHH Khoáng sản và luyện kim Việt – Trung.
Từ khóa: Thép ZU40CrMnMoV, con lăn đỡ phôi, thép hợp kim, phôi thép đúc liên tục.
ABSTRACT
This paper presents a study of manufacturing technology for high quality alloy steel grade ZU40CrMnMoV to produce support roller for moving continuous casting steel billet. Input material is scrap steel and ferro alloys such as FeCr, FeMo, FeV, FeMn. Steel is melted by medium frequency induction furnace of 750 kg. The alloy steel ZU40CrMnMoV has chemical composition: (0.38 ÷ 0.4) % C, (0.91 ÷ 1.01) % Mn, (0.37 ÷ 0.42) % Si, (0.024 ÷ 0.028) % P, (0.015 ÷ 0.02) % S, (0.98 ÷ 1.3) % Cr, (0.22 ÷ 0.29) % Mo, (0.16 ÷ 0.19) % V. Support roller is cast in composite mould (sand + liquid glass + CO2). Casting products are without pitting and cracks. Steel is full annealed at holding temperature Ta = 860 oC, for 2 h, with furnace cooling. Steel is quenched at temperature Tt = 900 oC, for 1 h, cooled in oil, then tempered at temperature Tt = 260 oC, for holding time 10 h, air cooling at 20 oC, temperature increase rate Vi = 120 oC/h. Mechanical properties of steel after heat treatment are: tensile strength σb = (836 ÷ 869) MPa, elongation = (12 ÷ 13) %, impact strength (energy) Ak = (12 ÷ 13) J.cm-2. Support roller made from steel ZU40CrMnMoV was used for manufacturing continuous casting steel billet and satisfied the technical requirements of the Viet – Trung Metallurgy and Mineral Co.Ltd.
Keywords: ZU40CrMnMoV steel, support roller, alloy steel, continuous cast steel billet.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong quá trình đúc phôi thép liên tục, để dẫn dòng phôi thép khi đi ra khỏi hộp kết tinh người ta đã sử dụng hệ thống con lăn dẫn đỡ. Điều kiện làm việc của con lăn như sau:
– Tốc độ phôi thép trượt qua bề mặt con lăn: V = 2,1 m/phút.
– Nhiệt độ phôi thép khi tiếp xúc với con lăn: T = 1200 oC.
– Con lăn được làm mát bằng hệ thống nước tuần hoàn chảy bên trong.
– Kích thước tiết diện cắt ngang của phôi thép đúc liên tục: 130 x 130 mm hoặc 150 x 150 mm.
– Thời gian làm việc của con lăn: liên tục 365 ngày.
Như vậy, bề mặt con lăn liên tục bị mài mòn, va đập và bị ôxy hóa ở nhiệt độ cao. Do đó thép dùng làm con lăn cần phải có cơ tính tổng hợp cao để đảm bảo an toàn kỹ thuật.
Theo tiêu chuẩn GB1503 – 79 của Trung Quốc, thép ZU40CrMnMoV có khả năng chịu mài mòn, va đập cao do vậy được dùng để chế tạo trục cán thép. Từ nghiên cứu điều kiện thực tế hoạt động của con lăn và tính năng ưu việt của mác thép, nhận thấy thép mác này hoàn toàn phù hợp để chế tạo con lăn nói trên. Thành phần hóa học và cơ tính của thép ZU40CrMnMoV được trình bày trong bảng 1, 2.
Để sản xuất được thép ZU40CrMnMoV đạt tiêu chuẩn GB1503 – 79 của Trung Quốc và con lăn chế tạo ra đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật, đã tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: công nghệ luyện thép trong lò cảm ứng trung tần, sử dụng khuôn đúc thép làm bằng hỗn hợp (cát + nước thủy tinh+ khí CO2) và công nghệ nhiệt luyện bao gồm ủ, tôi, ram.
Bảng 1. Thành phần hoá học của thép ZU40CrMnMoV theo tiêu chuẩn GB1503 – 79 của Trung Quốc [1]
| Mác thép | Thành phần hoá học, % | ||||||||
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | V | Fe | |
| ZU40CrMnMoV | 0,37÷0,45 | 0,90÷1,20 | 0,20÷0,45 | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 | 0,90÷1,20 | 0,20÷0,30 | 0,10÷0,20 | còn lại |
Bảng 2. Cơ tính của thép ZU40CrMnMoV theo tiêu chuẩn GB1503 – 79 của Trung Quốc [1]
| Trạng thái nhiệt luyện | Giới hạn bền, σb (MPa) | Độ cứng (HBS) | Độ giãn dài, δ (%) | Độ dai va đập, Ak (J.cm-2) |
| Ủ | – | ≤ 320 | – | – |
| Tôi + ram | ≥ 765 | – | ≥ 7 | ≥ 11 |
Bảng 3. Thành phần hoá học của nguyên liệu dùng cho nấu luyện
| TT | Nguyên liệu | Thành phần hóa học, % | |||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | V | P | S | ||
| 1 | Thép phế CT0 | 0,02 | 0,01 | 0,21 | 0,026 | 0,015 | |||
| 2 | Thép phế CT3 | 0,21 | 0,35 | 0,39 | 0,027 | 0,013 | |||
| 3 | Thép phế 38XM | 0,39 | 0,24 | 0,65 | 1,05 | 0,27 | 0,025 | 0,023 | |
| 4 | Thép phế SKD61 | 0,35 | 0,84 | 0,4 | 4,8 | 1,12 | 0,82 | 0,021 | 0,019 |
| 5 | Thép phế ZU40CrMnMoV | 0,37 | 0,34 | 1,04 | 0,96 | 0,30 | 0,18 | 0,024 | 0,014 |
| 6 | FeSi | 1,23 | 71,24 | ||||||
| 7 | FeMn | 1,12 | 60,95 | ||||||
| 8 | FeCr | 7,31 | 61,08 | ||||||
| 9 | FeMo | 1,26 | 51,21 | ||||||
| 10 | FeV | 51,23 | |||||||
| 11 | Grafit | 95,4 | |||||||
THỰC NGHIỆM
2.1. Công nghệ luyện thép
Thép ZU40CrMnMoV được nấu luyện bằng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ. Nguyên liệu đầu vào là sắt thép phế liệu và dùng các loại fero để hợp kim hóa thép.
Căn cứ vào thành phần hóa học thép ZU40CrMnMoV (bảng 1), đã dùng nguyên liệu đầu vào (bảng 3) với hệ số cháy hao các nguyên tố hợp kim (bảng 4) để tiến hành phối liệu nấu luyện thép (bảng 5).
Bảng 4. 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 | Mo | 1 2 |
| 5 | Cr | 5 8 |
| 6 | V | 15 20 |
Bảng 5. Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm (Đơn vị: kg)
| TT | Nguyên liệu | Mẻ 1 | Mẻ 2 | Mẻ 3 | Mẻ 4 |
| 1 | Thép phế CT0 | 660,0 | 515,0 | ||
| 2 | Thép phế CT3 | 110,0 | |||
| 3 | Thép phế 38XM | 550,0 | |||
| 4 | Thép phế SKD61 | 145,0 | |||
| 5 | Thép phế ZU40CrMnMoV | 680,0 | |||
| 6 | FeSi | 3,86 | 1,44 | 2,04 | 0,5 |
| 7 | FeMn | 9,24 | 4,55 | 8,46 | 0,5 |
| 8 | FeCr | 11,55 | 1,56 | 0,6 | |
| 9 | FeMo | 3,6 | 0,51 | 0,26 | 0,2 |
| 10 | FeV | 2,17 | 2,11 | 0,4 | |
| 11 | Graphit | 1,65 | 0,17 | 1,97 | 0,3 |
| 12 | Tổng cộng | 692,07 | 670,34 | 672,72 | 682,5 |
Qui trình công nghệ nấu luyện thép ZU40CrMnMoV thực hiện 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 CT0, CT3, 38XM, SKD61, ZU40CrMnMoV, FrCr, FeMo, graphit 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. Chú ý dùng que chọc lò để tránh hiện tượng treo liệu. Khi mẻ liệu đã nóng chảy hoàn toàn, vớt xỉ cũ và cho chất tạo xỉ mới vào lò.
– Khi xỉ mới chảy hết, nhiệt độ thép lỏng đạt khoảng (1580 ÷ 1620) oC, cho FeV, FeMn để hợp kim hoá V, Mn và khử ôxy.
– Phân tích nhanh thành phần hóa học của mẻ thép đang nấu, nếu thành phần hóa học của các nguyên tố hợp kim nằm trong tiêu chuẩn GB1503 – 79, giữ nước thép lắng khoảng (5 ÷ 7) phút, vớt xỉ và rót thép vào nồi rót đã được sấy nóng. Cho FeSi, Al kim loại vào nồi rót trước khi đổ thép lỏng vào để khử ôxy.
– Rót thép vào khuôn làm bằng hỗn hợp (cát + nước thuỷ tinh + CO2) để đúc phôi làm con lăn. Nhiệt độ rót khoảng Trót = (1540 ÷ 1560) oC.
2.2. Công nghệ đúc thép
2.2.1. Chế tạo mẫu đúc
Vật liệu dùng cho mẫu đúc là gỗ mỡ. Khi chế tạo mẫu, cần lấy hệ số co ngót của kim loại bằng 2,0 (đối với thép hợp kim). Yêu cầu bề mặt mẫu đúc phải phẳng nhẵn.
2.2.2. Làm khuôn
Vật liệu làm khuôn bao gồm: cát, nước thủy tinh và khí CO2. Yêu cầu kỹ thuật như sau:
– Cát thạch anh: cỡ hạt (0,1 ÷ 0,16) được sấy khô.
– Nước thủy tinh 8 %; modun 1,8; tỷ trọng 1,4 kg/dm3 (42 44 độ Baume), được trộn đều vào cát khô.
– CO2 ở dạng khí: Sau khi đã tạo hình khuôn hoàn chỉnh, thổi khí CO2 vào khuôn thông qua các lỗ dẫn khí.
– Hỗn hợp sơn khuôn: Bột Zr và 2 % nhựa thông, pha với cồn công nghiệp 90o để đạt tỷ trọng (1,5 ÷ 1,7) kg/dm3 (40 ÷ 50 độ Baume). Khi sơn xong mỗi nửa khuôn, tiến hành đốt ngay để sấy bề mặt khuôn, đồng thời cho cháy hết cồn pha sơn khuôn.
– Sấy khuôn: Trước khi ráp khuôn, dùng đèn khò gas sấy khô khuôn.
2.2.3. Kiểm tra
Trước khi giáp khuôn, cần kiểm tra kích thước, độ vững chắc của kết cấu khuôn. Yêu cầu trong lòng khuôn phải sạch, không bị sứt, mẻ, lồi lõm và tạp chất như đất, cát, sỏi…
2.2.4. Rót thép vào khuôn
Trước khi rót thép, khuôn phải được giữ cố định cẩn thận, chắc chắn để tránh bị nổi khuôn dưới tác động của dòng thép lỏng. Khi rót thép phải đặc biệt chú ý đến nhiệt độ rót. Nhiệt độ rót của thép ZU40CrMnMoV là Trót = (1540 ÷ 1560) oC.
Thép được rót vào khuôn từ nồi rót. Tốc độ dòng rót kim loại lỏng ổn định và luôn duy trì đầy cốc rót.
2.2.5. Tháo dỡ khuôn
Vật đúc bằng thép hợp kim rất dễ bị nứt do ứng suất nhiệt, vì vậy cần phải kéo dài thời gian làm nguội vật đúc trong khuôn hoặc phải đem vật đúc vừa dỡ ra cho vào lò ủ ngay. Với phôi thép làm con lăn, đã để nguội cùng khuôn trong cát khô sau đó mới phá dỡ khuôn (hình 1 và 2).
2.3. Công nghệ nhiệt luyện
2.3.1. Công nghệ ủ thép
Căn cứ vào thành phần hóa học của mác thép ZU40CrMnMoV, đã chọn phương pháp ủ hoàn toàn. Nhiệt độ ủ được tính theo công thức sau [2]:
Tu = Ac3 + (20 ÷ 30 oC)
Thép ZU40CrMnMoV được ủ ở nhiệt độ Tu = 860 oC và làm nguội cùng lò, tốc độ nâng nhiệt Vn = (100 ÷ 120) oC/h. Sau khi ủ hoàn toàn nhận được tổ chức ferit – peclit, trong đó peclit ở dạng tấm. Với tổ chức này, thép dễ cắt gọt hơn.
2.3.2. Công nghệ tôi thép
Căn cứ vào thành phần hoá học của thép ZU40CrMnMoV và kích thước của con lăn, đã sử dụng công thức tính nhiệt độ tôi của thép như sau [2]:
Tt = Ac3 + (30 ÷ 50 oC)
Nhiệt độ tôi Tt = 900 oC, giữ nhiệt 1 h, tốc độ nâng nhiệt vn = (100 ÷ 120) oC/h. Với nhiệt độ như vậy có thể đảm bảo cho sự hòa tan các nguyên tố hợp kim như Mo, Cr, V và các loại cacbit vào dung dịch rắn, chuẩn bị cho chuyển biến mactenxit trong quá trình làm nguội khi tôi thép. Môi trường tôi cho thép là dầu.
2.3.3. Công nghệ ram
Do bề mặt con lăn cần độ cứng và độ chống mài mòn cao nên đã chọn phương pháp ram thấp. Nhiệt độ ram thấp trong khoảng (150 ÷ 250) oC [2].
Kết hợp với kinh nghiệm thực tế, đã chọn nhiệt độ ram cho thép ZU40CrMnMoV là Tr = 250 oC, giữ nhiệt 10 h, làm nguội ngoài không khí ở nhiệt độ phòng. Sau khi ram, độ cứng thép giảm đi rất ít, ứng suất bên trong giảm đi đáng kể, do đó có tính dẻo, dai tốt hơn, khó bị phá hủy giòn hơn.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thành phần hóa học
Sau khi nấu luyện thép ZU40CrMnMoV theo qui trình công nghệ như trên, đã phân tích thành phần hóa học của thép bằng máy quang phổ phát xạ MetalLap 75/80J MVU – GNR. Kết quả ở bảng 6 cho thấy thành phần các nguyên tố hợp kim nằm trong giới hạn tiêu chuẩn cho phép. Các tạp chất như S, P đều có hàm lượng thấp đảm bảo cho thép có độ sạch cao, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu về cơ tính và tổ chức tế vi của thép.
Bảng 6. Thành phần hoá học của thép ZU40CrMnMoV sau khi nấu luyện
| Mẻ | Thành phần hoá học, % | ||||||||
| C | Mn | Si | P | S | Cr | Mo | V | Fe | |
| 1 | 0,384 | 1,016 | 0,382 | 0,027 | 0,018 | 1,106 | 0,294 | 0,191 | Còn lại |
| 2 | 0,398 | 0,966 | 0,42 | 0,028 | 0,020 | 1,301 | 0,254 | 0,161 | |
| 3 | 0,408 | 0,914 | 0,405 | 0,025 | 0,015 | 0,961 | 0,224 | 0,177 | |
| 4 | 0,401 | 1,014 | 0,375 | 0,024 | 0,018 | 0,981 | 0,264 | 0,169 | |
Bảng 7. Cơ tính của thép ZU40CrMnMoV
| Trạng thái nhiệt luyện | Cơ tính | |||||||||||
| Độ cứng | Giới hạn bền, σb, (MPa) | Độ giãn dài, (%) | Độ dai va đập Ak, (J.cm-2) | |||||||||
| M1 | M2 | M3 | M1 | M2 | M3 | M1 | M2 | M3 | M1 | M2 | M3 | |
| Ủ | 262 HB | 263 HB | 264 HB | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Tôi + ram | 55 HRC | 55 HRC | 54 HRC | 836 | 866 | 869 | 12 | 12 | 13 | 13 | 12 | 13 |
Ghi chú: M1, M2, M3 là mẫu thí nghiệm số 1, 2, 3.
3.3. Tổ chức tế vi
Tổ chức tế vi của thép ZU40CrMnMoV được kiểm tra bằng kính hiển vi quang học Axioplan 2 – Carl Zeiss (CHLB Đức) trên các mẫu ủ, tôi và ram.
Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học cho thấy tổ chức tế vi của thép ZU40CrMnMoV ở các trạng thái nhiệt luyện như sau:
– Sau khi ủ, thép có tổ chức ferit – peclit với các hạt cacbit nhỏ mịn phân bố đều trên nền ferit (hình 3).
– Sau khi tôi, thép có tổ chức mactenxit hình kim dạng nhỏ mịn và một số cacbit chưa hòa tan (hình 4).
– Sau khi ram, thép có tổ chức mactenxit ram hạt mịn và một số cacbit dư (hình 5).
3.4. Thử nghiệm sản phẩm
Con lăn chế tạo từ thép ZU40CrMnMoV được chạy thử nghiệm trên dây chuyền công nghệ đúc phôi thép liên tục của Công ty TNHH Khoáng sản và luyện kim Việt – Trung.
Hiện nay, sau 8 tháng đưa vào sử dụng, bề mặt con lăn chưa thấy có hiện tượng bị mài mòn và nứt vỡ. Đánh giá bước đầu cho thấy, con lăn hoàn toàn đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật của công ty. Hình 6 là con lăn sau khi đã gia công hoàn chỉnh.
4. KẾT LUẬN
– Công nghệ luyện thép sử dụng nguyên liệu đầu vào là thép phế, ferro hợp kim và nấu luyện bằng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ đã đảm bảo thành phần hóa học của thép ZU40CrMnMoV đạt được tiêu chuẩn GB1503 – 79 của Trung Quốc.
– Công nghệ đúc sử dụng khuôn làm bằng hỗn hợp bao gồm cát, nước thủy tinh và khí CO2 đã cho sản phẩm đúc không bị rỗ, nứt.
– Sau khi nhiệt luyện, cơ tính của thép đã đạt được tiêu chuẩn GB1503 – 79 của Trung Quốc.
– Kết quả khảo nghiệm sản phẩm tại Công ty TNHH Khoáng sản và luyên kim Việt – Trung đã khẳng định thép ZU40CrMnMoV hoàn toàn phù hợp để làm con lăn đỡ phôi đúc thép liên tục.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Ngô Trí Phúc và Trần Văn Địch, Sổ tay sử dụng thép thế giới, NXB KH&KT, Hà Nội, 2003.
- Nghiên Hùng, Vật liệu học cơ sở, NXB KH&KT, 2007.
