Mục đích của nghiên cứu này là xác định ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện khác nhau đến cơ tính của thép 40XA, đồng thời có thử nghiệm chế độ nhiệt luyện với tôi hai lần để nâng cao độ dai va đập, khắc phục hiện tượng giòn ram trong thép 40XA dùng cho sản xuất.
Study on methods to improve the impact toughness of steel 40XA
NGUYỄN VĂN DƯƠNG1,* PHẠM VĂN QUÝ2
1Học viện Kỹ thuật Quân Sự, 236 Hoàng Quốc Việt-Cầu Giấy-Hà Nội
2Công ty Cơ khí 25, Phú Minh- Sóc Sơn-Hà Nội
*Email: duongdmse@gmail.com
Ngày nhận bài: 12/6/2019, Ngày duyệt đăng: 26/8/2019:
TÓM TẮT
Bài báo nghiên cứu các biện pháp khác nhau để cải thiện độ dai va đập, giảm xu hướng giòn ram cho thép hóa tốt 40XA (GOST 4543 – 71). Đã khảo sát các chỉ tiêu cơ tính của thép này sau khi nhiệt luyện thông thường với nguội dầu và nguội không khí sau ram cao. Ngoài ra, đã thử nghiệm chế độ nhiệt luyện có tôi hai lần bao gồm: tôi sơ bộ ở nhiệt độ cao và nung tôi lại với giữ nhiệt ở nhiệt độ cận tới hạn. Sau tôi hai lần và ram cao, thép có các chỉ tiêu cơ tính (giới hạn bền, độ giãn dài, độ dai va đập) cao hơn rõ rệt so với nhiệt luyện thông thường. Các kết quả bước đầu có thể ứng dụng để nâng cao cơ tính của các chi tiết quan trọng chế tạo bằng loại thép này.
Từ khóa: Nhiệt luyện, thép hợp kim, độ dai va đập, giòn ram.
ABSTRACT
In this paper, methods of improving the toughness, eliminating the tempering embrittlement of steel 40XA (GOST 4543 -71) were used. The mechanical properties of this steel after conventional oil quenching followed by high temperature tempering with air cooling and with oil cooling after high temperature tempering were investigat- ed. Besides, a double quenching process consisting of a preliminary quenching from high temperature and a sec- ondary quenching with intermediate holding at sub-critical temperature was conducted. After this double quench- ing and high temperature tempering, the steel acquired mechanical properties (tensile strength, elongation and impact toughness) notably higher than the respective properties obtained by conventional heat treating. These research results can be applied to improve the mechanical properties of important details from this steel.
Key words: Heat treating, alloyed steel, impact toughness, tempering embrtittlement, heat treating.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong chế tạo cơ khí ở nước ta hiện nay, thép 40X (GOST 4543 – 71) là loại thép hợp kim phổ biến, được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết kết cấu khác nhau. Loại thép này có các ưu điểm là giá rẻ, cho cơ tính khá, chế độ nhiệt luyện đơn giản và tính công nghệ đảm bảo [1-3]. Loại thép này cũng được dùng nhiều trong sản xuất quốc phòng nhưng với yêu cầu về chất lượng luyện kim cao hơn nên thép thường sử dụng tương đương mác 40XA (GOST 4543 – 71).
Loại thép 40X thường được sử dụng sau tôi và ram cao để cho cơ tính tổng hợp tốt nhất, tức là có sự kết hợp hài hòa giữa độ cứng, độ bền với độ dẻo, độ dai. Tuy nhiên các thép họ Cr, hoặc Ni – Cr khi nhiệt luyện như vậy thường gặp phải vấn đề giòn ram nhiệt độ cao. Tức là hiện tượng giảm độ dai va đập của thép khi nguội chậm sau ram cao, có thể dẫn đến phá hủy giòn chi tiết trong quá trình sử dụng [4, 5]. Gần đây, Sozonov Yu. B và cộng sự đã xây dựng một phương pháp nhiệt luyện phức hợp với tôi hai lần để nâng cao độ dai va đập cho các loại thép kết cấu, thép dụng cụ,…[6,7]. Phương pháp này có nhiều triển vọng ứng dụng trong sản xuất nhiệt luyện, khắc phục hiện tượng giòn ram, nâng cao cơ tính tổng hợp của chi tiết kết cấu [6,8].
Mục đích của nghiên cứu này là xác định ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện khác nhau đến cơ tính của thép 40XA, đồng thời có thử nghiệm chế độ nhiệt luyện với tôi hai lần để nâng cao độ dai va đập, khắc phục hiện tượng giòn ram trong thép 40XA dùng cho sản xuất.
2. THỰC NGHIỆM
Phôi thép dạng cây được nhà máy cơ khí Chiến Thắng cung cấp. Hàm lượng các nguyên tố chính xác định bằng phương pháp quang phổ phát xạ như sau:
0,43% C; 0,73% Mn; 0,24% Si; 0,03% Ni; 1,02% Cr; 0.023% P; 0.012% S; Fe – còn lại. Như vậy, mẫu thép có thành phần tương đương thép 40XA (GOST 4543 – 71), thậm chí hàm lượng tạp chất S tốt hơn so với yêu cầu. Từ phôi cây cắt ra các mẫu thí nghiệm dạng thanh tiết diện khoảng 12 mm x 12 mm để nhiệt luyện theo các chế độ khác nhau. Nhóm mẫu I – nhiệt luyện thông thường bao gồm tôi ở 860 oC và ram cao 550 oC với nguội trong không khí sau ram cao (hình 1). Nhóm mẫu II – chế độ nhiệt luyện tôi và ram cao tương tự chế độ 1 với làm nguội trong dầu sau ram cao (hình 2). Nhóm mẫu III được nhiệt luyện với tôi hai lần bao gồm: nung tôi sơ bộ ở nhiệt độ cao 1250 oC, nung tôi lần hai với giữ nhiệt ở vùng cận tới hạn và nung đến nhiệt độ tôi với tốc độ khống chế, cuối cùng ram cao với chế độ làm nguội không khí sau ram (hình 3).
Sau nhiệt luyện các mẫu được đo độ cứng Rocwell thang C trên thiết bị Durajet. Tổ chức tế vi của các mẫu được bộc lộ bằng dung dịch Nital và quan sát trên kính hiển vi AxioImager. Biên giới hạt austenit trong mẫu sau tôi được tẩm thực bằng dung dịch VanderVoort [9].
Các đặc trưng bền và dẻo của mẫu sau các chế độ nhiệt luyện được xác định bằng phương pháp thử kéo. Các mẫu thử kéo có tiết diện hình tròn đường kính d0 = 8 mm, chiều dài tính toán L0 = 40 mm theo tiêu chuẩn GOST 1497 – 84. Độ dai va đập được xác định theo tiêu chuẩn GOST 9454 – 78 với mẫu tiết diện vuông 10 mm x 10 mm và chiều dài 75 mm.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Cơ tính của các mẫu với chế độ nhiệt luyện khác nhau được thể hiện ở bảng 1 và các hình 4 – 6 là giản đồ thử kéo của các mẫu. Tổ chức tế vi của các mẫu sau ram cao được thể hiện ở hình 7 – 9.
Bảng 1 Cơ tính các nhóm mẫu sau nhiệt luyện
| Tên mẫu | σ , MPa | σ , MPa | δ, % | a , J/cm2(*) |
| Nhóm I | 762 | 920 | 15,4 | 124 |
| Nhóm II | 783 | 943 | 16,6 | 126 |
| Nhóm III | 855 | 968 | 20,3 | 173 |
(*): Giá trị trung bình từ 3 mẫu thử
So sánh cơ tính của mẫu I với mẫu II cho thấy, làm nguội nhanh trong dầu sau ram thép 40XA cải thiện các chỉ tiêu cơ tính so với làm nguội trong không khí không nhiều, chẳng hạn độ dai va đập thay đổi từ 124 J/cm2 lên 126 J/cm2. Tổ chức tế vi của các mẫu này cũng không cho thấy sự khác biệt nào (hình 7, 8).
Như vậy thép 40XA dùng trong nghiên cứu này thể hiện xu hướng giòn ram nhiệt độ cao không đáng kể. Điều này có thể được giải thích bởi hàm lượng tạp chất P, S rất thấp (P = 0,023 %, S = 0,012 %) trong các mẫu thép sử dụng. Theo [5], một nguyên nhân có thể của hiện tượng giòn ram nhiệt độ cao trong các thép hợp kim hóa tốt họ crôm và crôm – nicken là do sự thiên tích tạp chất ở vùng lân cận biên giới hạt trong quá trình làm nguội sau ram cao. Trong các mẫu thép 40XA sử dụng trong nghiên cứu này, hàm lượng các tạp chất P, S rât thấp. Do đó xu hướng thiên tích tạp chất không đáng kể nên hiện tượng giòn ram nhiệt độ cao hầu như không thể hiện rõ.
Kết quả đo độ cứng nhóm mẫu III sau tôi cũng như sau ram cao không có sự khác biệt so với nhóm mẫu I và nhóm mẫu II: độ cứng sau tôi đạt khoảng (46-49) HRC, độ cứng sau ram cao đạt khoảng (29-31) HRC. Tuy nhiên các chỉ tiêu thử kéo của nhóm mẫu III cao hơn hẳn so với cơ các chỉ tiêu tương ứng của nhóm mẫu I và nhóm mẫu II. Giới hạn bền của nhóm mẫu này cao hơn so với giới hạn bền của nhóm mẫu I và II: 968 MPa so với 943 MPa và 920 MPa. Giới hạn chảy của nhóm mẫu này cũng cao hơn so với giới hạn chảy của hai nhóm mẫu kia: 885 MPa so với 783 MPa và 762 MPa. Đặc biệt độ giãn dài tương đối của nhóm mẫu III cao hơn hẳn so với độ giãn dài tương đối cả nhóm mẫu I, II: 20 % so với 15 – 16 % của nhóm mẫu I và II (hình 6 – 8). Các kết quả này cũng phù hợp với kết quả thử độ dai va đập (bảng 1): nhóm mẫu III có độ dai va đập cao hơn 2 nhóm mẫu I và II (173 kJ/cm2 so với 126 kJ/cm2).
Độ cứng của các mẫu sau các chế độ nhiệt luyện khác nhau không có sự sai khác nhiều cho thấy bản chất các pha thu được sau các chế độ nhiệt luyện trên là không khác biệt. Hình ảnh tổ chức tế vi các mẫu sau ram (hình 7 – 9), không cho thấy sự khác biệt rõ ràng. Về bản chất đây vẫn là hỗn hợp ferit + peclit với một phần mactensit ram, hình 9 chưa thể hiện rõ ràng tổ chức nhỏ mịn so với hình 7, hình 8.
Tổ chức mẫu sau tôi, trước ram cao, có sự khác biệt. Với mẫu sau nhiệt luyện với tôi hai lần (hình 11), thể hiện rõ là tổ chức mactensit dạng hình kim gồm nhiều các bó mactensit dài, trong khi đó mẫu sau tôi thông thường có tổ chức mactensit dạng tấm (hình 10). Hình 12 là tổ chức mẫu nhiệt luyện với hai lần tôi được tẩm thực thể hiện biên giới hạt austenit trước khi tôi. Kết quả cho thấy tổ chức austenite này có độ hạt rất lớn, hơn 100 µm, là hệ quả của sự di truyền tổ chức của quá trình nung tôi sơ bộ ở nhiệt độ cao, 1250 oC, trước đó. Tổ chức mactensit dạng hình kim dài cũng là đặc trưng của mactensit nung tôi nhiệt độ cao với mật độ lệch mạng cao [4-5]. Do vậy có thể hy vọng mactensit thu được sau nhiệt luyện với tôi hai lần, do sự di truyển cấu trúc, sẽ có mật độ khuyết tật trong cấu trúc, chẳng hạn mật độ lệch mạng, rất cao. Tuy nhiên, cũng cần thấy rằng để thể hiện tốt hơn sự khác biệt về cấu trúc của phương pháp nhiệt luyện này thì chỉ hiển vi quang học là chưa đủ, cần có các kỹ thuật đặc trưng cấu trúc khác bổ sung.
Theo tác giả của công nghệ nhiệt luyện phức hợp với tôi hai lần này [6,7], nung tôi sơ bộ ở nhiệt độ cao tạo ra mactensit với mật độ lệch, mật độ biên giới siêu hạt rất cao trong cấu trúc. Quá trình nung tôi lại với giữ nhiệt ở vùng nhiệt độ cận tới hạn và nung có điều khiển đến nhiệt độ tôi sẽ duy trì hiệu ứng di truyền cấu trúc. Từ đó mactensit sau tôi lần hai có nhiều khuyết tật và quá trình phân rã sau khi ram xảy ra với quãng đường khuếch tán nhỏ hơn. Điều này làm phân bố các tạp chất P, S đồng đều hơn, hạn chế hiện tượng thiên tích của chúng trong quá trình ram nên độ dai va đập của thép hóa tốt sau nhiệt luyện với tôi hai lần có độ dai vai đập cao hơn thép sau nhiệt luyện hóa tốt thông thường khoảng 30 % mà không cần nguội dầu sau ram [8]. Bên cạnh đó, phương pháp nhiệt luyện phức hợp này còn có thể nâng cao các chỉ tiêu cơ tính như độ bền và độ dẻo do tổ chức thu được có kích thước siêu hạt nhỏ, mở ra khả năng ứng dụng cho nhiều loại chi tiết, đặc biệt là các chi tiết quan trọng [6].
Tuy nhiên, các đặc điểm chuyển biến, đặc điểm hóa bền của dạng nhiệt luyện có tôi hai lần này vẫn còn chưa được sáng tỏ hoàn toàn. Đồng thời cần nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến đặc điểm tổ chức của thép sau nhiệt luyện với tôi hai lần để làm cơ sở cho việc ứng dụng của công nghệ này trong sản xuất. Trong các nghiên cứu tiếp theo tác giả dự định tập trung ứng dụng công nghệ này cho thép 40XA và các loại thép đặc biệt khác dùng cho sản xuất quốc phòng.
4. KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu các chế độ nhiệt luyện khác nhau với thép 40XA cho thấy, nâng cao tốc độ nguội sau ram cao làm thay đổi không đáng kể cơ tính của loại thép này. Nguyên nhân loại thép chất lượng cao này ít nhạy với giòn ram có thể do có hàm lượng P, S rất thấp, vì vậy sự thiên tích tạp chất trên biên giới hạt không xảy ra nhiều khi nguội chậm sau ram cao, do đó tốc độ nguội sau ram không ảnh nhiều đến cơ tính (độ dai của thép). Thử nghiệm với phương pháp nhiệt luyện tôi hai lần bao gồm: nung tôi sơ bộ ở nhiệt độ cao, nung tôi lại có giữ nhiệt ở vùng cận tới hạn và tôi, ram cao tiếp theo cho kết quả cải thiện cơ tính đáng kể. Thép sau nhiệt luyện với tôi hai lần có đồng thời các chỉ tiêu bền và chỉ tiêu độ dẻo cao hơn các chỉ tiêu tương ứng của thép sau nhiệt luyện thông thường. Do vậy, nhiệt luyện với tôi hai lần làm tăng độ dai va đập của thép lên đáng kể. Các kết quả so sánh tổ chức tế vi của thép sau hai dạng nhiệt luyện chỉ cho thấy sự khác biệt về hình thái mactensit sau khi tôi: thép sau tôi hai lần có mactensit dạng kim đặc trưng cho mactenxit nhiệt độ cao nhiều lệch mạng. Nghiên cứu cụ thể hơn về ảnh hưởng của các tham số công nghệ nhiệt luyện với tôi hai lần đến tổ chức của thép 40XA và các thép khác là rất cần thiết để làm cơ sở cho việc ứng dụng phương pháp nhiệt luyện này trong sản xuất.
TÀI LIỆU TRÍCH DẪN
- Nguyễn Hoành Sơn, Bài giảng vật liệu vũ khí, Tài liệu nội bộ HVKTQS, 2008.
- Сорокин В. Г. и др., Стали и сплавы. Марочник: Спра. Из., Интернет Инжиниринг, Москва, 2001.
- Nghiêm Hùng, Vật liệu học Cơ sở, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007.
- Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất, Công nghệ nhiệt luyện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002.
- Новиков И. И; Теория термической обработки металлов; Металлургия, Москва, 1978.
- Cазонов Ю. Б., Комиссаров А. А., Смирнова Ю. В., Сазонова А. Ю; Разработка режимов термической обработки для получения мелкозернистой структуры; Металловедение и термическая обработка металлов; 2009; № 5; c. 24-31.
- СССР, МПК С21 В1/78; Способ термической обработки легированных конструкционных сталей/ Ю.Б.Сазонов; МИСиС(ТУ); заяв. 09/07/86; опубл. 15/09/88; Бюл. №34; 1988; с. 2.
- Komissarov Alexander, Sazonov Yury, Smirnova Julia, Ozherelkov Dmitriy; The formation of ultrafine grain structure with nanoscale submicrocrystalline secretions of carbides in the subcritical temperatures to increase the reliability of structural steels; Book of abstracts of 19-th International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM-2012), Moscow, 18-22 June, 2012, p. 270.
- G. F. Vander Voort, Metallography: Principles and practice, McGraw-Hill Book Co., NY, 1984 and ASM International, Metals Park, OH, 1999, p. 222.
