Tag: Bùi Văn Mưu

26

Động học quá trình thiêu kết bột compozit nền thép gió cốt hạt nano cácbit titan

Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu động học quá trình thiêu kết vật liệu compozit cốt nano TiC nền thép gió bằng phương pháp dãn nở nhiệt.

Kinetic characteristics of sintering process of high speed steel matrix composite reinforced by titanium carbide nanoparticles

Bùi Văn Mưu, Trần Quốc Lập, Phạm Ngọc Diệu Quỳnh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tóm tắt

    Việc đưa thêm bột nano TiC vào làm giảm tính thiêu kết của bột thép gió cụ thể là sự tăng nhiệt độ bắt đầu co ngót, tăng năng lượng hoạt hóa, giảm độ co ngót và tốc độ co ngót. Nano TiC mở rộng cửa số thiêu kết của thép gió nhưng không ảnh hưởng đáng kể nhiệt độ chảy lỏng biên hạt, Sự phân bố đồng đều của cột hạt TiC trong nền thép tạo thành lưới cacbit bao quanh biên hạt làm giảm độ xốp và tăng cường cơ tính của sản phẩm.

Abstract

    The article presents some research results of the sintering process of high speed steel composite reinforced by TiC nano particles using thermal diltometry. The addition of nano TiC lowers sinterability of high speed steel pow- der, showing increase of sintering onset temperature, rising activation energy of sintering, reducing shrinkage and shrinkage rate. Nano TiC extends sintering window of high speed steel, but does not affect solidus temperature of coposite when liquid phase appeared at boundary of particles. It resulted in better bonding of TiC particles into steel matrix, reduced material porousity and enhanced mechanical properties of the products.

1. MỞ ĐẦU

    Thiêu kết là quá trình quan trọng có vai trò quyết định đến hình dạng, kích thước và tính chất của sản phẩm chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Trong quá trình thiêu kết mẫu bị co ngót và hóa bền do các cơ chế chuyển chất trong vật liệu như khuếch tán bề mặt, khuếch tán thể tích, chảy lỏng và chảy nhớt… Nghiên cứu các thông số động học giúp hiểu được cơ chế quá trình thiêu kết, cho phép đánh giá và định hướng phương thức thiêu kết để đẩy mạnh quá trình co ngót, hạ thấp nhiệt độ thiêu kết hay tăng cường kiểm soát cấu trúc trong quá trình thiêu kết. Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất ra cơ chế phù hợp với quá trình thiêu kết dựa trên thực nghiệm hay các mô hình thiêu kết [1-5], tuy nhiên vẫn có nhiều điều còn chưa rõ ràng đối với hệ vật liệu siêu mịn và vật liệu nano, đặc biệt với hệ thép gió – TiC.

Công thức

    Phương trình động học quá trình co ngót của Kingery được viết dưới dạng sau [6,7]: với y=ΔL/L0 – độ co ngót của vật, t- thời gian, r- tốc độ co ngót, Q-năng lượng hoạt hóa quá trình thiêu kết, R-hằng số khí, A0 -hằng số, T-nhiệt độ thiêu kết. Q được xác định theo độ nghiêng đường thẳng biểu diễn mối quan hệ “lnr – (1/T).

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Nguyên vật liệu

    Bột TiC hình cầu, đường kính trung bình dTB=59 nm có hình dạng và thành phần các nguyên tố gồm Ti-76,81%, C-18,74%, Si-1,4%, Fe-1,43% (hình 1 và 2).

nanoCabit1

Hình 1. ảnh SEM nano TiC
 Hình 2. Phổ EDX bột nano Ti
 Hình 3. ảnh SEM bột thép gió
 Hình 4. Đường cong DTA bột thép gió

    Bột thép gió nhận được bằng phương pháp nghiền cơ học, kích thước trung bình của hạt bột dTB = 1,07μm, phân bổ kích thước hạt với 2 đỉnh D75=0,360μm, D90=2,68 μm, nhiệt độ nóng chảy T=1370°C (hình 3, 4), có thành phần hoá học nêu ở bảng 1.

C 1,25 Fe 76,49
O 6,49 Cr 3,93
Co 0,28 Mo 3,8
V 1,66 W 5,98

2.2. Chế tạo mẫu compozit

    Hỗn hợp bột thép gió được trộn với (3-9)% TiC trong máy nghiền hành tinh, thời gian nghiền 2 giờ, tốc độ trộn 200 vòng/phút, tỷ lệ bi/bột là 10/1. Hỗn hợp sau nghiền được ép trong khuôn hình khối có kích thước (25x5x5) mm, lực ép 500 MPa được thiêu kết trong môi trường argon của dãn nở kế. Tốc độ nâng nhiệt 150o/phút. Nhiệt độ tối đa 1300°C.

2.3. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu

    Thiết bị đo độ co ngót trong quá trình thiêu kết được sử dụng để nghiên cứu là dãn nở kế NETZSCH DIL 402 PC. Nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ kế Rơnghen SIEMENS D5000 và kính hiển vi điện tử quét FE-SEM HITACHI –S 4800 với độ phân giải cao.

Pages: Page 1, Page 2, Page 3
21

Quá trình thiêu kết vật liệu compozit nền thép gió cốt hạt nano cácbit titan

Vật liệu compozit cốt TiC nền thép là vật liệu compozit đặc biệt với các tính năng tốt như môđun đàn hồi cao, cứng, bền ăn mòn, bền mài mòn, bền nhiệt, tỷ trọng thấp, dễ gia công…

Synthesis process of high speed steel matrix composite reinforced by nanocarbide titan particles

Bùi Văn Mưu, Trần Quốc Lập, Phạm Ngọc Diệu Quỳnh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tóm tắt

   Bài báo trình bày quá trình thiêu kết ở nhiệt độ khác nhau của vật liệu compozit nền thép gió tái chế từ phoi với cốt hạt nanocacbit titan kích thước trung bình 60 nanomet được tạo ra bằng phương pháp nghiền cơ học. Năng lượng tích lũy trong quá trình nghiền và kích thước nano của TiC đã tạo ra điều kiện hình thành cácbit phức từ nhiệt độ thiêu kết thấp. Cơ tính của vật liệu được cải thiện đáng kể nhờ tăng cường liên kết giữa nền cốt của cácbit phức và sự phân tán đồng đều của hạt cácbit trong nền kim loại.

Abstract

   This paper presents sintering process at different temperatures of high speed steel matrix composite reinforced by TiC particles. Nanoparticle TiC (size of about 60nm), mechanical energy induced by milling and refinement of steel particles formed during mechanical milling favorated a carbide complex type (MexTi1-x)C at low sintering tem- peratures. Such carbide microstructure could slower particles growing, enhaned matrix – reinfocement interaction, thus improve mechanical property of composite.

1. MỞ ĐẦU

   Vật liệu compozit cốt TiC nền thép là vật liệu compozit đặc biệt với các tính năng tốt như môđun đàn hồi cao, cứng, bền ăn mòn, bền mài mòn, bền nhiệt, tỷ trọng thấp, dễ gia công… Vật liệu được sử dụng rộng rãi làm các nhóm chi tiết, dụng cụ khác nhau: bánh răng, gá đỡ, dụng cụ cắt, dụng cụ tạo hình, giá chịu áp lực làm việc ở nhiệt độ cao, máy bơm nhiên liệu… với chi phí sản xuất vật liệu thấp hơn so với các hợp kim cứng cùng chức năng. Xu hướng chính trong nghiên cứu ứng dụng của vật liệu compozit TiC nền thép hiện nay và trong tương lai là tăng độ cứng để chống mài mòn nhờ các chất kết dính mới, tăng độ mịn của các hạt cácbit và tối ưu hoá chế độ thiêu kết [1].

   Tính chất của vật liệu compozit cốt TiC nền thép phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ thể tích cốt, sự phân bố cốt trong nền và công nghệ sản xuất vật liệu. Các phương pháp đúc hoà tan TiC trong kim loại lỏng và phương pháp in-situ có thể tạo được vật liệu compozit có cơ tính cao do tạo được liên kết bền vững giữa nền và cốt nhưng rất khó khống chế thành phần và đồng đều cấu trúc thành phẩm. Hợp kim hóa cơ học là phương pháp ưu việt để sản xuất loại vật liệu này [2]. Pha nano cácbit phân tán trong nền bột siêu mịn tạo thành trong quá trình nghiền giúp đồng đều hóa thành phần, làm cho vật liệu có cơ tính vượt trội hơn nhiều so với các com- pozit cùng loại nhưng kích thước hạt to hơn. Chỉ một lượng nhỏ cácbit titan đã làm thay đổi đáng kể cơ tính của vật liệu [3].Trở ngại lớn của phương pháp là kích thước nhỏ gây nên hoạt tính bề mặt hạt dẫn tới sự lớn lên của hạt, xu thế kết dính và sự nhiễm bẩn bột trong quá trình sản xuất, đặc biệt trong quá trình tạo bột và thiêu kết [4].

2.THỰC NGHIỆM

2.1. Nguyên vật liệu

   Bột nhận từ phoi thép gió phế được nghiền, sàng có kích thước dTB = 60μm có thành phần hoá học như ở bảng 1.

C 0,800 Mn 0,285
Si 0,240 Ni 0,116
S 0,004 Cr 4,149
P 0,028 Mo 4,410
V 1,753 W 5,843

 Bảng 1. Thành phần hóa học bột thép gió

   Bột TiC được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học bột TiO2 và muội than kết hợp nung tạo cácbit [5] có hình dạng và kích thước trung bình 60 nm (hình 1, 2 ).

Hình 1

Hình 1. Phổ nhiếu xạ tia X mẫu bột TiC

Hình 2

Hình 2. ảnh chụp SEM mẫu bột TiC

2.2. Quy trình thực nghiệm

   Hỗn hợp bột compozit thép gió và TiC (5-10%) được trộn với 5% chất kết dính rồi đưa vào máy nghiền thể tích 550 cm3, tỷ lệ bi/bột = 10/1, thời gian nghiền tối đa đến 100 giờ trong môi trường cồn và Hecxan, vận tốc nghiền 300 vòng/phút. Hỗn hợp sau nghiền được ép trong khuôn hình trụ thành mẫu có kích thước (15 x 10 mm, lực ép 4,5 tấn/cm2 rồi đưa vào lò thiêu kết. Quá trình thiêu kết từng bậc trong môi trường hoàn nguyên bằng khí H2 và cacbon (khí CO) với nhiệt độ thiêu kết trong khoảng từ (1200 – 1350) °C, tốc độ nâng nhiệt 400/phút, làm nguội trong dầu.

Pages: Page 1, Page 2, Page 3
17

Nghiên cứu công nghệ luyện thép không gỉ austenit hệ CrMn thay thế hệ CrNi

Việc sử dụng mangan thay thế niken trong thép hợp kim nói chung và thép không gỉ nói riêng sẽ đem lại lợi ích kinh tế cao.

On the replace of nickel by mananese in austenitic stainless steels

Bùi Văn Mưu
Trường Đại học bách khoa Hà Nội
Lê Quang Hiếu
Viện Luyện kim đen

TÓM TẮT

   Ngày nay, thép không gỉ được sử dụng rộng rãi trong đời sống. Do đây là hệ thép hợp kim cao nên giá thành của loạt thép này khá đắt. Một trong nhũng biện pháp hạ giá thành sản phẩm là tìm kiếm các nguyên tố rẻ thay thế cho các nguyên tố đắt. Mangan là nguyên tố có một số đặc tính gần giống với niken như mở rộng vùng γ trong thép, đồng thời có cấu trúc gần giống với sắt nên nó có thể hoà tan nhiều trong thép. Một điều đáng quan tâm hơn nữa là nó có giá rẻ hơn niken. Việc sử dụng mangan thay thế niken trong thép hợp kim nói chung và thép không gỉ nói riêng sẽ đem lại lợi ích kinh tế cao.

ABSTRACT

   Nowaday, the stainless steels are used in all fĩelds of the life. It’s high alloyed steels so that they have rather high price. One of the methods tho reduce the cost is replacing partially expensive elements by cheaper ones. The manganese has some properties like nickel: broadening γ region and similar structure as iron, but cheaper than nickel. So using the manganese in some austenitic stainless steels has a great economic effect.

1. Mở đầu

   Thép không gỉ bao gồm các hợp kim trên cơ sở sát có tính chất chịu ăn mòn cao trong các môi trường xâm thực mạnh khác nhau. Tính chịu ăn mòn của họ thép này do nguyên tố crôm (Cr) quyết định, mặc dù một số nguyên tố khác như Al, Ni, Si, Mo… cũng làm tăng tính chịu ăn mòn của chúng. Trong họ thép không gỉ thì họ thép không gỉ austenit hệ CrNi có yêu cầu về các thành phần hợp kim tương đối cao, đặc biệt là nguyên tố niken (Ni) (khoảng 8% trở lên). Ni là nguyên tố đắt tiền và Việt Nam phải nhập khẩu hoàn toàn. Trong khi đó, Việt nam lại có các mỏ Mn ở Cao Bằng, Tuyên Quang, Hà Giang, Nghệ An, Hà Tĩnh… Xét về cấu trúc, Mn hòa tan vô hạn trong sắt (Fe) và tạo thành dung dịch gần lý tưởng. Do Mn có bán kính nguyên tử gần bằng bán kính nguyên tử của Fe (rFe=1,26A0; RMn=1,31A0) nên Mn chiếm vị trí thay thế các nguyên tử Fe.

   Mn có tính chất gần giống Ni là mở rộng vùng y trong thép. Trong giản đồ trạng thái, khi hàm lượng Mn dưới 50% thì hai giản đồ Cr-Mn và Cr-Ni là gần giống nhau, do đó sự có mặt của Mn hầu như không làm thay đổi tổ chức của hệ Fe-Cr-Ni ở trạng thái cân bằng. Đối với cacbon (C), Mn tạo thành cacbit (Fe, Mn)3C có độ cứng cao. Hơn thế nữa, khi có hàm lượng C tương đối thì trong quá trình biến dạng dẻo thép chứa Mn sẽ tạo thành pha mactexit.

2. Thực nghiệm

   Mác thép nghiên cứu có thành phần hoá học như trong bảng 1.

Bảng 1, 2, 3

Bảng 1 – 4

   Đã sử dụng các thiết bị sau để chế tạo và đặc trưng thép:

– Lò cảm ứng trung tần;
– Lò tinh luyện điện xỉ;
– Kính hiển vi quang học;
– Máy nhiễu xạ rơngen;
– Dụng cụ phân tích hoá học và quang phổ phát xạ;
– Máy kéo nén vạn năng;
– Phương pháp thử ăn mòn Tafel.

   Nguyên vật liệu ban đầu gồm: thép phế, FeMn, FeSi, Ni kim loại và một số vật tư phụ. Thành phần hoá học của nguyên liệu nêu trong bảng 2.

Pages: Page 1, Page 2
11

Ứng dụng Silicômangan (SiMn) để khử ôxy trong luyện thép

Sử dụng silicômangan để khử ôxy thép lỏng thay thế choferômangan và ferôsilic đạt kết quả tốt, rút ngắn thời gian khử ôxy khoảng một nửa và kết quả khử lại tốt hơn.

Deoxidizing steel by silico-manganese alloy

Bùi Văn Mưu
Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
Bùi Thanh Bình
Tổng công ty Thép Việt Nam

 Absstract

   Silico-manganese alloys have been used to replaceferro-manganese andferro-silicon alloysfor steel deoxidiz- ing. The replacement leads to duration and higher quality of deoxidizing process. Keyword: silico-manganese, ferro-manganese, ferro-silicon alloys

Mở đầu

   Công nghệ luyện thép bằng lò thổi hoặc lò điện … đều là những quá trình ôxy hóa để khử tạp chất khỏi thép, lượng ôxy truyền vào nồi lò phải được bảo đảm trong những thời gian cần thiết. Nhưng sau khi tạp chất bị ôxy hoá đã đạt yêu cầu, quá trình truyền ôxy vào nồi lò vẫn chưa dừng lại, do đó thép lỏng hoà tan quá nhiều ôxy. Mặt khác khi hạ thấp hàm lượng các nguyên tố có ái lực lớn với ôxy như mangan, silic,… thì hàm lượng ôxy hoà tan trong kim loại tăng lên bởi vì các nguyên tố này không bảo vệ kim loại khỏi xâm nhập của ôxy nữa. Vì sự ôxy hoá cacbon tiến hành chậm hơn so với ôxy hoá kim loại nên cacbon trở thành nguyên tố xác định hàm lượng ôxy hoà tan trong thép lỏng. Đó là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng sôi thép lỏng khi đông đặc làm cho thỏi đúc bị rỗ xốp.

   Đồng thời trong kim loại kết tinh, do kết tinh chọn lọc, chất lỏng còn lại của thép sẽ bão hòa ôxy trên giá trị cân bằng, nghĩa là trở thành quá bão hòa ôxy. Khi kết tinh, xảy ra việc lắng tách pha ôxy dư ở dạng Ferô hoặc hợp chất ôxy phức tạp có thành phần khác nhau. Việc xảy ra lắng tách ôxýt sắt là do độ hoà tan của ôxy trong sắt rắn thấp hơn nhiều lần so với trong sắt lỏng. Các ôxýt nằm ở biên giởi hạt kim loại rắn sẽ giảm lực liên kết tửc là giảm cơ tính của thép. Bởi vì nhiệt độ nóng chảy của cùng tinh ôxyt lắng tách thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại, cho nên khi nung nóng kim loại và khi gia công bằng áp lực (cán, rèn, dập) sẽ xảy ra phá huỷ thép. Ngoài ra nồng độ cao của ôxy trong thép gây ra “sự hoá già” trong quá trình sử dụng. Thép độ bền cao và đặc biệt thép bền nóng rất nhạy cảm với sự có mặt của ôxy, vì ôxy làm giảm độ dai va đập, độ bền nóng, tính dẻo và các tính chất khác. Ngoài ra, ôxy còn làm tăng lượng cháy hao và khó khống chế thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép, đặc biệt là những nguyên tố đắt tiền, những nguyên tố hợp kim có ái lực hoá học mạnh với O2, những nguyên tố hợp kim vi lượng… Khử O2 sẽ kéo theo giảm năng suất lò, tiêu hao năng lượng, nguyên liệu, tăng tạp chất phi kim làm bẩn thép… Hay nói một cách khác, khử O2 sẽ trực tiếp kéo theo tăng giá thành và tăng chất lượng thép. Bởi vậy khử O2 là công việc bắt buộc cuối cùng của sản xuất thép, nghiên cứu công nghệ khử O2 là một vấn đề luôn được đặt ra và cải tiến không ngừng, có như vậy mới đáp ứng được nhu cầu ngày một cao về chất lượng thép.

   Việc khử O2 tiến hành nhờ có nguyên tố – chất khử ôxy. Chất khử ôxy – đó là nguyên tố có ái lực cao với O2, lớn hơn so với sắt hoặc cacbon. Với tính cách là chất khử ôxy, thường dùng là mangan, silic và nhôm, trong trường hợp đặc biệt: Ti, Mg, Ca, B, Zn, các nguyên tố đất hiếm. Trong luyện thép phần lớn chất khử ôxy được dùng ở dạng hợp kim ferô: FeMn, FeSi, FeV. dạng hợp kim phức hợp silicômangan, silicôziricôni. Nhôm được dùng ở dạng sạch, còn để sản xuất hợp kim chịu nóng dùng các hợp kim trung gian niken – mangan, sắt – bo, silicôcanxi hoặc các kim loại sạch.

   Về nhiệt động học, chất khử ôxy cho vào bể kim loại, tác dụng với ôxy hoà tan theo phản ứng:

x[R] + y[O] = RxOy(k,l,r)

   Kết quả tác dụng như vậy tạo ra ôxyt các nguyên tố chất ôxy hóa ở dạng hơi, lỏng, rắn, không hoà tan trong kim loại lỏng.

   Nếu coi dung dịch của chất khử ôxy và ôxy trong kim loại gần với lý tưởng, thì giá trị nghịch đảo của hằng số cân bằng có thể là phương trình:

K’ = [%R] x [%O] y – Đó là hằng số khử ôxy

   Để so sánh giữa các chất khử ôxy với nhau, người ta dùng danh từ khả năng khử ôxy. Khả năng khử ôxy của nguyên tố – đó là nồng độ ôxy còn lại của ôxy hòa tan trong kim loại, cân bằng với hàm lượng đã biết của chất khử ôxy ở nhiệt độ đã cho. Nồng độ còn lại của ôxy càng thấp thì khả năng khử ôxy của nguyên tố đã cho càng mạnh so với các nguyên tố khác ở cùng nồng độ.

Pages: Page 1, Page 2, Page 3