BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN B¸o c¸o tæng kÕt
§Ò TµI NGHI£N CøU KHOA HäC Vµ PH¸T TRIÓN CÊP Bé Tªn ®Ò tµi :
“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP HỢP KIM MÁC SKS43”
_________________________
Cơ quan chủ quản : TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
Cơ quan chủ trì : VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Chủ nhiệm đề tài : PHẠM THANH SƠN


_________________________
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG Đinh Văn Tâm
HÀ NỘI - 2010

- 3 -

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

Họ và tên
Học hàm, học
vị chuyên môn
Cơ quan công tác
1. Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen
2. Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ Viện Luyện kim Đen

- 4 -
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 05
I. TỔNG QUAN 06
1.1. Giới thiệu về tình hình sản xuất thép hợp kim và thép dụng cụ
hợp kim chịu va đập mác SKS43
06
1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến thép hợp kim mác SKS43 10
1.3. Quá trình va đập và hiệu suất va đập của dụng cụ chịu va đập 18
1.4. Vật liệu thép hợp kim chịu va đập để chế tạo đầu búa rèn 23
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
2.1 Nội dung nghiên cứu 24
2.2 Phương pháp nghiên cứu 24
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 26
3.1 Công nghệ nấu luyện26
3.2 Công nghệ tinh luyện29
3.3 Công nghệ rèn 31
3.4 Công nghệ gia công cơ khí và chế tạo sản phẩm33
3.5 Công nghệ nhiệt luyện34
3.6 Các tính chất của thép hợp kim mác SKS43
37
3.7 Chế tạo sản phẩm và dùng thử
41
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
43
4.1 Kết luận
43
4.2 Kiến nghị
43

lng tt bng nguyờn liu v thit b sn cú trong nc, ỏp ng c yờu
cu ca ngnh cụng nghip v phỏt trin kinh t t nc.
Bản báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu này bao gồm các nội dung chính
nh sau:
1. Phần tổng quan
2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
3. Kết quả đạt đợc
4. Kết luận và kiến nghị
5. Tài liệu tham khảo
6. Phần phụ lục
Trong quỏ trỡnh thc hin ti, chỳng tụi ó nhn c s ch o, giỳp
to iu kin ca V Khoa hc v Cụng ngh - B Cụng Thng, Xớ
nghip c khớ 79 B Quc Phũng, cựng mt s c s sn xut, ch to v
nghiờn cu khỏc. Nhõn dp ny, chỳng tụi xin trõn trng cm n v s giỳp
v hp tỏc ú. - 6 -
I. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về tình hình sản xuất thép hợp kim và thép dụng cụ hợp kim
chịu va đập mác SKS43.
Hiện nay trên thế giới sản xuất khoảng 1.000 chủng loại thép hợp kim.
Do thiết bị và kỹ thuật được cải tiến nhiều nên chất lượng thép hợp kim
không ngừng được tăng cao.
Về chiến lược phát triển thép của Việt Nam tới năm 2010 Bộ chính trị
trong thông báo s
ố 112TB/TW ngày 12/4/1995 đã nhấn mạnh: “Thép là vật
liệu chủ yếu đối với nhiều ngành công nghiệp, vai trò quyết định đối với sự
nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Phát triển nhanh ngành thép
là một yêu cầu khách quan, cấp bách và có ý nghĩa chiến lược”. “Ngoài việc

nghiệp chế tạo thép hợp kim phát triển.
Ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có đơn vị nhà máy nào chuyên sản xuất
thép hợp kim nói chung và thép dụng cụ hợp kim chịu va đập nói riêng, với
chất lượng cao, mà chủ yếu là sản xuất theo đơn đặt hàng dùng trong sửa chữa
và thay thế. Một s
ố đơn vị đã nghiên cứu và sản xuất được một số mác thép
hợp kim nhằm đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu của thị trường, tuy nhiên chỉ là
sản xuất nhỏ lẻ, rời rạc hạn chế về số lượng và chưa ổn định về chất lượng.
Hàng năm chúng ta phải nhập hàng trăm nghìn tấn thép hợp kim các loại, điều
này không chỉ
tiêu tốn rất nhiều ngoại tệ của đất nước mà còn ảnh hưởng đến
nguồn cung cấp vật liệu cho các ngành sản xuất công nghiệp.
Thép dụng cụ thuộc vào loại thép tốt, thép cao cấp được dùng rộng rãi
trong công nghiệp. Thép dụng cụ dùng để chế tạo dao cắt, khuôn dập và dụng
cụ đo lường. Thép dao cắt và thép khuôn dập khi làm việc cần có độ cứng cao
hơn nhiều so với vậ
t liệu bị gia công, đồng thời phải có tính chống mài mòn
tốt. Vì vậy sau khi gia công một số chi tiết nhất định sẽ bị mài mòn và phải
thay thế bằng dụng cụ khác, tức dụng cụ có tuổi thọ nhất định. Do đó yêu cầu
cơ bản đối với thép dụng cụ là có độ bền cao và tính chống mài mòn cao.
Ngoài những yêu cầu cơ bản đó, đối với dụng cụ khác nhau sẽ có yêu c
ầu
khác nhau đối với vật liệu.
Thép dụng cụ hợp kim chịu va đập được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ
khí chế tạo nói chung và ngành gia công áp lực nói riêng vì chúng có cơ tính
tổng hợp cao (độ bền cao, tính chịu va đập tốt, độ bền chống phá hủy cao, có
thể làm việc bền lâu trong các điều kiện tải trọng phức tạp,…). Cơ chế của các

- 8 -
dng c lm bng cỏc loi thộp chu va p l chỳng cú kh nng thng c

0,25 0,30 0,20
0,10 ữ
0,25
-
3
SKS4
JIS G4404-83
0,45 ữ
0,55
0,35 0,50
0,5 ữ
1,00
-
0,5 ữ
1,00
4
SKS41
JIS G4404-83
0,35 ữ
0,45
0,35 0,50
1,00 ữ
1,50
-
2,50 ữ
3,50
5
4CrW2Si
GB 1299-85
0,35 ữ

0,80
0,40
1,00 ữ
1,30
-
2,20 ữ
2,70
8
100V1 (1.2833)
DIN (WN)
0,95 ữ
1,05
0,15 ữ
0,25
0,15 ữ
0,30
-
0,10 ữ
0,15
-
9
100V2 (NF
A35-590 1992)
0,95 ữ
1,10
0,10 ữ
0,30
0,10 ữ
0,35
-

5
4CrW2Si
GB 1299-85
53 217 - 179
6
5CrW2Si
GB 1299-85
55 255 - 207
7
6CrW2Si
GB 1299-85
57 285 - 229
8
100V1 (1.2833)
DIN (WN)
57 230
9
100V2
(NF A35-590 1992)
60 223
Mác thép SKS43 là loại thép hợp kim thấp (nguyên tố hợp kim chính là
Vanadi - V) sau khi đợc nhiệt luyện (tôi và ram thấp) sẽ có độ bền cao và
tính chịu va đập tốt.

- 10 -
1.2. ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
thép SKS43.
Nh trên đã nêu, mác thép SKS43 là loại thép hợp kim thấp với hàm lợng
cácbon cao và các nguyên tố hợp kim chính là Vanadi (V), cùng với một số
nguyên tố hợp kim khác là Si, Mn, Cr, Sự kết hợp ảnh hởng của các nguyên

trên cơ sở sắt. Cácbon là nguyên tố làm tăng độ cứng cho thép về mặt định
lợng ta thấy rằng cứ tăng 0,1% C, độ cứng HB sẽ tăng khoảng 25 đơn vị.
Thực nghiệm cho thấy rằng độ cứng HB tăng tuyến tính với hàm lợng cácbon
trong thép (Hình 2).
Cácbon làm giảm độ dẻo dai của thép, đầu tiên, khi hàm lợng cácbon nhỏ
độ dẻo (, ), độ dai va đập (a
k
) của thép giảm rất mạnh, song càng về sau
mức giảm này càng nhỏ đi.
Chính do cácbon ảnh hởng lớn đến cơ tính của thép nh vậy nên nó quyết
định phần lớn công dụng của thép. Vì vậy, khi dùng thép vào việc gì trớc hết
phải xem hàm lợng cácbon trong mác là bao nhiêu, sau đó mới tới các
nguyên tố hợp kim.
Dựa vào hàm lợng các bon ngời ta chia thép thành 4 nhóm với cơ tính
và công dụng rất khác nhau .
- Thép cácbon thấp ( 0,25% C) có độ dẻo, độ dai cao, nhng độ cứng lại
thấp, hiệu quả nhiệt luyện (tôi + ram) không cao. Muốn nâng cao hiệu quả nhiệt
luyện để nâng cao độ bền, độ cứng phải kết hợp với quá trình thấm cácbon.
Hình 2:
ả
nh hởng của C đến cơ tính của thép.

- 12 -
- Thép cácbon trung bình (0,3 - 0,5%C), có độ bền, độ cứng, độ dẻo đều
khá cao và hiệu quả nhiệt luyện rất tốt. Tóm lại, loại thép này có cơ tính tổng
hợp cao nên đợc dùng làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.
- Thép cácbon tơng đối cao (0,55-0,65%C), loại thép này có u điểm là
độ cứng, giới hạn đàn hồi cao nên đợc sử dụng làm các chi tiết đàn hồi.
- Thép cácbon cao ( 0,7%C), với u điểm độ cứng và tính chống mài
mòn và va đập cao đặc biệt khi thép kết hợp với một số loại hợp kim đặc biệt

M
3
C
C 6,7
Fe 76,0
W 5,0
Mo 4,0
V 2,0
Cr 8,0
M
23
C
6

C 4,0
Fe 45,0
W 25,0
Mo 18,0
V 4,0
C
r
5,0
M
6
C
C 3,0
Fe 35,0
W 35,0
Mo 19,0
V 3,3
Hình 4 : Giản đồ trạng thái hệ Fe-V

Hình 5 : Giản đồ trạng thái hệ C-Fe-V
Vanai nõng cao thm tụi ca cỏc o ostenit hỡnh thnh vựng
nhit nung ti hn. Thộp cha vanai cú th c lm ngui t nhit
nung trong khụng khớ hoc thi giú u cú th thu c t chc song pha vi
tớnh cht ỏp ng yờu cu.
% Cacbon
% Vanai
% Vanai
Nhit
0
C

Crôm có tác dụng cải thiện tính thấm tôi của ostenit dạng ốc đảo hình
thành khi nung. So với thép song pha không có crôm, thép song pha có chứa
crôm cho phép làm nguội chậm mà vẫn thu đợc phần trăm mactenxit tơng
đối cao. ảnh hởng của crôm phụ thuộc vào hàm lợng cacbon trong thép.
Khi % cacbon tăng thì ở nhiệt độ tới hạn cho phép hàm lợng % tăng, làm
cho Cr% giảm trong mỗi hạt sẽ giảm và tác dụng tăng độ thấm tôi đối với

cũng giảm. Cr còn có tác dụng thúc đẩy C khuếch tán làm giảm giới hạn
chảy của ferit làm cho thép song pha có giới hạn chảy thấp.

- 16 -
- ¶nh h−ëng cña nguyªn tè Mangan :
Mangan là nguyên tố mở rộng vùng γ, khi hòa tan vào ferit có tác dụng
hóa bền pha này. Mangan không tạo cacbit riêng biệt mà thay thế sắt trong
Fe
3
C. Mangan có tác dụng tăng độ thấm tôi, với 1%Mn đường kính tới hạn lý
thuyết lớn gấp bốn lần so với thép cacbon không có mangan. Ngoài ra
mangan trong quá trình nấu chảy có tác dụng khử ôxy và kết hợp với lưu
huỳnh tạo MnS rất bền vững làm giảm hiện tượng bở nóng trong thép.
Tuy nhiên trong thép kết cấu thì hàm lượng không quá 2% và hiếm khi
mangan đóng vai trò là một nguyên tố hợp kim độc lập, bởi vì nó kéo theo
một số nhược điểm sau: thúc
đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tính
giòn ram, giảm độ dẻo và độ bền.
- ¶nh h−ëng cña nguyªn tè Silic:
Silic là nguyên tố mở rộng vùng α, cũng như niken silic không tạo
cacbit. Silic có tác dụng làm tăng độ cứng, độ bền, tính chảy loãng trong thép.
Silic còn tăng tính ổn định ram, nhưng không làm tăng tính giòn của thép.
Silic tăng khả năng chống oxy hóa cho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền

Yếu Yếu
Dùng thay Ni để
tạo austenit
Si Yếu Mạnh Không
Không, thúc
đẩy sự
graphit hóa,
thoát C
Trung
bình, dưới
250
0
C
Mạnh
Chống oxy hóa, chế
tạo thép kỹ thuật
điện, thép đàn hồi
V
Mạnh, nhưng
VC khó hòa
tan vào γ
Yếu Mạnh Mạnh Mạnh Làm hạt nhỏ

- 17 -
- nh hng ca tp cht:
+ nh hng ca P: Trong sắt lỏng Phốt pho hòa tan rất nhiều ở dạng
phân tử Fe
2
P, nếu có O
2

làm giảm mạnh độ dai va đập của chi tiết.
Chỉ cần 0,1%P hoà tan, ferit đã trở nên rất giòn, nhng P là nguyên tố
thiên tích rất mạnh trong quá trình kết tinh; để tránh giòn, lợng P trong thép
phải 0,05% (để nơi tập trung lợng P cao nhất cũng không thể vợt quá
0,1% là giới hạn gây giòn). ảnh hởng của P đến cơ tính còn thể hiện ở sự
tăng mạnh nhiệt độ chuyển biến từ trạng thái dẻo sang giòn. Ngoài ra P còn
làm tăng giới hạn chảy, làm giảm độ co thắt tơng đối, giảm công lan truyền
vết nứt (dễ bị nứt). Do đó phải khống chế P theo yêu cầu qui định trong mác
thép khá chặt chẽ.
+ ảnh hởng của S: Khác với P, S không hoà tan vào Fe và Fe mà tồn
tại ở dạng sunfit (FeS), nó tạo với sắt cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy thấp
(988
o
C) nên khi kết tinh nó sẽ kết tinh sau cùng, do đó nằm phân bố ở biên
giới hạt, khi nung thép lên để cán, kéo (biến dạng nóng), biên hạt sẽ chảy
mềm ra và thép bị phá huỷ giòn.
Nếu có Mn trong thép, do có ái lực với S mạnh hơn Fe nên sẽ thay Fe tạo
thành MnS; pha này kết tinh ở nhiệt độ cao (1620
0
C), dới dạng các hạt nhỏ rời
rạc nên không bị chảy nhng gây đứt, gẫy khi gia công nóng. Khi khử bỏ tính
giòn nóng sunfua Mn (MnS) cũng nh các tạp chất phi kim loại khác (ôxít,
nitrít, ) đóng vai trò nh những nơi tập trung ứng suất, làm giảm độ dẻo và độ
dai của thép. Bởi vậy hàm lợng S trong thép phải đợc hạn chế chặt chẽ.
+ ảnh hởng của Oxy: Độ hoà tan của Ôxy trong thép khá lớn, ở nhiệt độ
1600
o
C là 0,23%, đồng thời nó có thể kết hợp với Fe tạo thành các ôxít FeO,
Fe
2

Vấn đề làm nguội của nguyên công nhiệt luyện sau khi nung cũng rất
phức tạp và phụ thuộc vào chế độ nhiệt luyện đã chọn. Nó bao gồm chế độ
làm nguội chậm theo lò, nguội ngoài không khí, nguội trong môi trờng
không khí có hơi nớc, trong môi trờng nớc, dầu, muối , mỗi chế độ và
môi trờng làm nguội cho ta cơ tính khác nhau. Vì vậy với mỗi loại chi tiết
phải chọn chế độ làm nguội phù hợp mới đạt đợc khả năng làm việc của chi
tiết nh mong muốn.
1.3. Quỏ trỡnh va p v hiu sut va p ca dng c chu va p
Trong quỏ trỡnh gia cụng kim loi bng ỏp lc núi riờng v gia cụng chu
va p núi chung, nhng vt gia cụng c bin dng do v b bin dng l
do cỏc nhỏt dp. Nng lng ca mi mt nhỏt dp L phn ln
c tiờu hao
lm bin dng vt liu cn gia cụng, phn nng lng ú kớ hiu l L
g
. S
tiờu hao nng lng y tuõn theo mt quy lut nht nh. gii thớch, chng
minh quy lut y chỳng ta cn phi chỳ ý n tớnh cht c hc ca ng

- 19 -
lượng. Đối với máy búa, nội lực được tích lũy ở đầu búa và khuôn. Khi tính
năng lượng cần phân biệt hai trường hợp:
- Những máy búa có bệ đe cố định
- Những máy búa không có bệ đe (bệ đe chuyển động).
Nếu ta coi mỗi nhát dập đều đúng trọng tâm và bệ đe tự do (chuyển
động) ta có công thức sau:
m
1
v
1
+ m

’ – tốc độ sau khi va đập của bộ phận rơi;
v
2
’ – tốc độ sau khi va đập của bệ đe;
v
x
– tốc độ trọng tâm của hệ thống va đập. Tốc độ trong tâm v
x

không thay đổi trong suốt quá trình va đập.
Từ công thức trên ta có:
21
'
2
'
1
21
2211
x
m m
vm vm
m m
vm vm
v
21
+
+
=
+
+

= L
g
+ L
y
+ L
1
= L
n
+ L
1
(1.3)

- 20 -
Trong gia đoạn thứ nhất năng lượng làm biến dạng dẻo (L
g
) thì bị mất
đi. Năng lượng làm vật rèn biến dạng đàn hồi (L
y
) thì tích lũy trong đầu búa
và bệ đe.
Trị số của L
y
phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật rèn khi bị đốt
nóng, do đó hệ số hoàn nguyên k được xác định bằng công thức sau:
v
1
’ - v
2
’ = k(v
2

=
(1.6)
Năng lượng ban đầu của những máy búa có bệ đe chuyển động thì:
2
v
2
v
L
2
22
2
11
mm
E
+=
(1.7)
Kết thúc giai đoạn thứ nhất, năng lượng L
E
giảm dần xuống giá trị là
L
1
. Theo định luật bảo toàn động năng ta có:
).(2
)(
2
v
)(L
21
2
2211

)(
)(
L
21
2
2121
1
mm
vvmm
LL
En
+
−
=−=
(1.10)
Đối với máy búa có bệ đe cố định v
2
= 0 thì:
EEn
L
mm
m
LL .
)(
L
21
2
1
+
=−=

1
+ m
2
v
2
= m
1
v
1
’ + m
2
v
2
’ và v
1
– v
2
’ = k(v
2
- v
1
)
Nếu 0< k <1 thì ta rút ra được:
))(1('v
21
21
2
11
vvk
mm

+
−=
21
2211
21
21
2
11
)('vx
v
mm
vmvm
vv
mm
m
v =
+
+
=−
+
+=
21
2211
21
21
2
22

vv
mm
m
v −
+
+=

1. Động năng của hệ thống sau gia đoạn thứ nhất thì bằng tổng năng
lượng đàn hồi và năng lượng dư:
L
0
= L
y
+ L
12
)'(
2
)'(
L
2
22
2
11
0
vmvm
+=


⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
=
21
2
2
1
0
L
mm
mkm
L
E

2. Năng lượng làm vật rèn biến dạng dẻo sẽ bằng: L
g
= L
E
– L
0
a. Trường hợp đe dưới chuyển động:
)(2
)1()(
L
21
22

a. Đe không chuyển động:
)1(
2
21
2
k
mm
m
y
−
+
=
η

b. Đe chuyển động:
)1(
)(2
)(
2
21
2
2121
k
Lmm
vvmm
E
y
−
+
−

Theo bảng trên ta thấy m
1
/m
2
càng lớn thì hiệu suất va đập càng cao.

- 23 -
1.4. Vật liệu thép hợp kim chịu va đập để chế tạo đầu búa rèn
Qua khảo sát thực tế tại một số Xí nghiệp 179 - Công ty TNHH MTV
Vật tư Công nghiệp Quốc Phòng - Bộ Quốc phòng, Công ty TNHH MTV Cơ
khí Trần Hưng Đạo,… chúng tôi thấy có nhiều loại đầu búa rèn (làm bằng các
vật liệu của liên xô cũ như: 5XHM, 40X, Y8, ) đang sử dụng được lắp đặt tại
các vị trí trực tiếp làm biế
n dạng các chi tiết, sản phẩm là các vật liệu làm
bằng thép dụng cụ và thép dụng cụ hợp kim, Các đầu búa phải làm việc
trong điều kiện khá khắc nghiệt như chịu áp lực lớn, va đập mạnh và nhiệt độ
cao (khoảng 800 ÷ 1200
0
C). Các đầu búa này khi dùng được một thời gian thì
thường hay bị rạn, nứt và phải mất thời gian để khắc phục. Hiện nay Nhà máy
đang tìm hiểu, lựa chọn vật liệu khác phù hợp do trong nước chế tạo và tránh
phải nhập khẩu để thay thế các đầu búa rèn này. Với yêu cầu là đầu búa làm
bằng thép rèn từ thép hợp kim hoặc thép cácbon và nhiệt luyện với điều kiện
là thép có thể chịu va đập và giới h
ạn bền không nhỏ hơn 800 – 900 KN/mm
2
,
độ cứng cao và có tính chịu va đập tốt.
Hiện nay, sản phẩm được rèn qua khuôn là phổ biến nên điều kiện làm
việc trong trường hợp này phải có tính chịu va đập mạnh và độ cứng cao để

+ Công nghệ nấu luyện
+ Công nghệ tinh luyệ
n
+ Công nghệ rèn
+ Công nghệ gia công cơ khí
+ Công nghệ nhiệt luyện
3) Đánh giá chất lượng thép SKS43
+ Thành phần hóa học
+ Tính chất cơ lý: độ cứng HBS và HRC
+ Cấu trúc pha.
4) Chế tạo thử 02 bộ đầu búa rèn chất lượng tốt. Xây dựng kế hoạch và
tổ chức dùng thử đầu búa rèn. Theo dõi và đánh giá kết quả thử nghiệm và
khả năng sử dụng.
5) Viết báo cáo tổng kết đề tài.
2.2 Ph
ương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy chính xác cao, đề tài đã sử
dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu như sau :

- 25 -
- Trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuất và các tài liệu trong và ngoài nước
về thép dụng cụ hợp kim chịu va đập, phân tích điều kiện làm việc của đầu
búa rèn.
- Sử dụng lò cảm ứng trung tần Radyne 300kg/mẻ để thực hiện công
nghệ nấu luyện, thiết bị tinh luyện điện xỉ 100KVA để xác định công nghệ
tinh luyện, búa rèn 400kg và 150kg để xác định công nghệ rèn và lò nung, tôi
và ram
để xác định công nghệ nhiệt luyện.
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và thiết bị phân
tích quang phổ phát xạ ARL 3460 OES theo tiêu chuẩn ASTM 415-2005 để