BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

Tên đề tài :
“Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo
khuôn đúc nhựa”DFGEDFGEDFGE Tên đề tài :
“Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2 để chế tạo
khuôn đúc nhựa”DFGEDFGEDFGE VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG

Đinh Văn Tâm

Hà Nội, 2010


1.2.2 Ảnh hưởng của công nghệ nhiệt luyện 11
1.3 Thép không gỉ mác SUS 420J2 – thép làm khuôn đúc nhựa 14
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17
2.1 Nội dung nghiên cứu 17
2.2 Phương pháp nghiên cứu 17
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19
3.1 Công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2 19
3.1.1 Công nghệ nấu luyện 19
3.1.2 Công nghệ tinh luyện 22
3.1.3 Công nghệ rèn 24
3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện 26
3.2 Các tính chất của thép SUS 420J2 29
3.2.1 Tính chất cơ tính 29
3.2.2 Cấu trúc tế vi 30
3.2.3 Tính chống gỉ 32
3.3 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 34
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39
4.1 Kết luận 39
4.2 Kiến nghị 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO 40


khác. Nhân dịp này, chúng tôi xin trân trọng cảm ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó. 5
1.TỔNG QUAN
1.1 Thép không gỉ mactensit
Thép không gỉ mactensit thường gồm (0,2-1,2%)C, (10,5-18%)Cr và sắt. Hàm
lượng Cr và C được cân bằng để đảm bảo cấu trúc mactensit sau tôi. Ngoài ra
chúng được thêm vào các nguyên tố hợp kim khác như Mo, W và V để cải thiện
tính ram sau khi tôi, một lượng nhỏ Ni góp phần nâng cao tính chống gỉ trong một
số môi trường và cải thiện độ dai. Trong một số loại thép không gỉ mactensit còn
thêm một lượng S hoặc Se để cải thiệt tính gia công cắt gọt. Loại vật liệ
u này sẽ
được xử lý nhiệt để cải thiện tính chất cơ học. Khác các loại thép thông thường
khác, thép này có độ thấm tôi cao hơn và có nhiệt độ xử lý nhiệt khác so với những
thép thông thường khác. Thép không gỉ mactensit có tính chống ăn mòn cao trong
không khí, nước sông…So với các loại thép không gỉ khác, thép không gỉ
mactensit có tính chống ăn mòn thấp hơn. Thành phần hóa học của một số mác
thép không gỉ tiêu biểu theo tiêu chuẩn của Nhật được nêu trong bảng 1. Mối quan
h
ệ giữa các mác thép trong họ thép không gỉ mactensit thể hiện trong hình 1 [1].
Từ các số liệu ở bảng 1 ta thấy thép không gỉ mactensit có thể chia làm 3
nhóm chính: nhóm Cr-C không chứa Ni, nhóm 16% Cr chứa Ni và nhóm siêu
mactensit 12%Cr được hợp kim hóa thêm bằng các nguyên tố vi lượng Mo, Se, W,
V.
420F 0,15min 1,25 1,00 12,0-14,0 0,06 0,15min 0,6Mo
422 0,20-0,25 1,00 0,75 11,5-13,5 0,5-1,0 0,04 0,03
0.75−1.25Mo;
0.75−1.25W;
0.15−0.3V
431 0,20 1,00 1,00 15,0-17,0 1,25-1,50 0,04 0,03
440A 0,60-0,75 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo
440B 0,75-0,95 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo
440C 0,95-1,2 1,00 1,00 16,0-18,0 0,04 0,03 0,75Mo 7Qua hình 1 ta thấy mỗi loại mác thép không gỉ mactensit có cơ tính khác nhau
phụ thuộc nhiều vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim ví dụ: Ni tăng tính chống
gỉ, tăng cơ tính; C: Nâng cao tính chất cơ học; Thêm Mo, V, W sẽ tăng độ bền và
độ dai va đập; thêm Se: tạo cho bề mặt gia công (làm việc) tốt hơn; hàm lượng P, S
trong một số mác thép khi tăng nhằm cải thiệt tính gia công cắt gọt. Qua đó tùy
thuộc vào mục đích sử dụng c
ủa sản phầm mà ta có thể lựa chọn những mác thép
cho phù hợp.
Trong thép không gỉ mactensit, sự hình thành cấu trúc mactensit cũng phụ
thuộc vào các nguyên tố thúc đẩy tạo thành cấu trúc. Đứng về mặt thúc đẩy việc
hình thành cấu trúc, các nguyên tố hợp kim được chia thành 2 nhóm: các nguyên tố
thúc đẩy hình thành austenit và các nguyên tố thúc đẩy hình thành ferit.
Các nguyên tố thúc đẩy hình thành cấu trúc austenite trong thép bao gồm
niken, cacbon, mangan, coban, nitơ và đồng Tuy nhiên, vai trò của các nguyên tố
410
C≤0.15

C giảm ít:
nâng cao độ
dai
440A
C giảm thấp
hơn 440B để
nâng cao độ
dai
420F
P, S tăng: cải
thiện tích cắt
gọt
422
Thêm Mo, V,
W tăng độ
bền và độ dai
431
Cr tăng, thêm
Ni: tăng tính
chống gỉ, tăng
cơ tính
Hình 1: Mối quan hệ của một số mác thép không gỉ mactensit

8
đối với sự hình thành cấu trúc austenit là khác nhau. Mạnh nhất là cacbon và nitơ,
sau đó đến niken, coban, rồi mangan và cuối cùng là đồng. Các nguyên tố thúc đẩy
việc hình thành cấu trúc ferit là crôm, silic, molipden, niobi Để đánh giá khả năng
thúc đẩy việc tạo thành cấu trúc trong thép người ta dùng khái niệm niken đương
lượng và crôm đương lượng. Niken đương lượng biểu thị tổng khả năng tạo cấu
trúc austenit của nhóm nguyên tố thúc đẩy sự tạo thành austenite và crôm đương

tới sự hình thành lớp màng thụ động.
Ảnh hưởng của nguyên tố Cr
Trên hình 3 nêu lên ảnh hưởng của nguyên tố Cr đến giản đồ Fe-C, qua đó
thấy rõ Crôm là nguyên tố mở r
ộng vùng Fe-α và thu hẹp vùng Fe-γ. Với nhiệt độ
và hàm lượng cacbon khác nhau sẽ xuất hiện các loại cácbít khác nhau. Crôm là
nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chống gỉ cho thép nhờ nó tạo ra màng
ôxit Cr
2
O
3
hoặc FeCr
3
O
4
có tính bảo vệ cao. Trong hệ 2 cấu tử Fe-Cr, Crôm hòa tan
hoàn toàn trong Fe-α và theo kết quả của nhiều công trình nghiên cứu khác nhau
cho thấy để màng ôxit crôm nêu trên trong dung dịch rắn có tính bảo vệ thì lượng
chứa crôm phải lớn hơn 11,7%. Lượng crôm càng cao khả năng chống ăn mòn
trong khí quyển và một số môi trường khác càng cao. 10

Ảnh hưởng của Ni
Niken là nguyên tố mở rộng vùng γ, làm tăng tính ổn định pha austenit, nâng
cao tính chất cơ học và tính công nghệ. Ni có tác dụng chống lại sự ăn mòn trong
axit vô cơ.
Trong thép không gỉ mactensit, niken có tác dụng tăng bền dung dịch rắn, làm
hạn chế sự hình thành pha σ-pherit, một pha không mong muốn trong cấu trúc thép.

độ ram thép tới cơ tính của thép từ độ bền, giới hạn chảy, độ giãn dài, độ dai va
đạ
p, độ cứng thể hiện trên hình 5, hình 6.

Hình 4: Khoảng thay đổi độ cứng bề mặt sau khi xử lý nhiệt từ ủ đến tôi 12Hinh 5: ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ austenit hóa tới độ cứng và độ dai va
đập của thép
Qua hình trên thấy rằng tùy thuộc vào mác thép và mục đích sử dụng của thép
sẽ có thông số nhiệt luyện khác nhau. Ví dụ khi nhiệt độ austenit hóa tăng lên thì
xét về độ cứng: thép mác SUS 403 và SUS 431 có độ cứng không thay đổi nhiều
còn thép SUS 420 có độ cứng tăng mạnh trong khoảng nhiệt độ 800 – 1080
0
C sau
đó giảm dần khi nhiệt độ austenit trên 1080
0
C. Xét về độ dai va đập: Đối với thép
mác SUS 420 có độ dai va đập thấp hơn so với thép mác SUS 403 và khi nhiệt độ
austenit trên 1030
0
C thì độ dai va đập của thép SUS 420 giảm dần xuống ở mức
rất thấp.
Trên hình 6 cho chúng ta thấy khi nhiệt độ austenite hóa tăng từ 935
0
C tới
1025


Tiêu chuẩn,
mác thép
Thành phần hóa học của các nguyên tố, %
C Si Mn Cr Ni S P Ti
JIS G 4304
SUS 420J2
0,26-
0,40
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,030 ≤0,040
Nga
30X13
0,26-
0,35
≤0,80 ≤0,80
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,025 ≤0,030 ≤0,20
Trung Quốc
3Cr13
0,26-
0,35
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,030 ≤0,035
Pháp

0
C/làm nguội chậm trong cát nóng
- Ủ: 800 – 900
0
C/làm nguội chậm theo lò
750
0
C/làm nguội nhanh ngoài không khí
- Tôi : 980 – 1040
0
C/dầu
- Ram : 150 – 400
0
C/không khí

15
Thành phần hóa học và cơ tính của thép được nêu trong bảng 3 và 4.
Bảng 3: Thành phần hóa học của thép SUS 420J2, %
C Si Mn Cr Ni P S
0,26-0,40
≤1,0 ≤1,0
12,00-14,00 ≤0,6 ≤0,04 ≤0,03

Bảng 4: Cơ tính của thép SUS 420J2 sau ủ, ram
Cơ tính sau ủ
Cơ tính
sau tôi

Độ bền
(MPa)

Khuôn nhựa yêu cầu có độ cứng và độ bền cao, bề mặt khuôn luôn nhẵn bóng
khi làm viêc. Với những ưu điểm của thép không gỉ SUS 420J2, chúng tôi đã lựa
chọn làm khuôn đúc nhựa có độ bóng cao. Ngoài ra thép SUS 420J2 còn có ứng
dụng để làm dụng cụ y tế, khuôn nhựa có tính ăn mòn như PVC, PET, bộ phận kết
cấu, thiết bị y tế, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp mỹ phẩm…

17
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
Dựa trên tiêu chuẩn JIS G 4304 của Nhật và các tiêu chuẩn nước ngoài khác
để lựa chọn mác thép hợp kim SUS 420J2 phù hợp cho việc chế tạo khuôn đúc
nhựa. Nội dung nghiên cứu như sau:
1)Xây dựng đề cương kế hoạch nghiên cứu: tổng quan và chi tiết. Nghiên cứu các
tài liệu về: Tiêu chuẩn vật liệu, công nghệ chế tạo, sản phẩm.
2)Khâu công nghệ: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thi

sản ph
ẩm thép nấu luyện.
- Dùng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 để xác định độ bền, máy đo độ
cứng HPO 250 để đo độ cứng theo các tiêu chuẩn TCVN 256:2006 và TCVN
257:2007.
- Dùng kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT để nghiên cứu tổ chức và
cấu trúc pha.
- Đánh giá khả năng chống gỉ của thép bằng phương pháp điện hóa trên thiết
bị CMS100 (Mỹ).
19
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1 Công nghệ sản xuất thép không gỉ mác SUS 420J2
3.1.1 Công nghệ nấu luyện
Trong quá trình nấu luyện, đầu tiên phải chú ý tới khâu chuẩn bị nguyên liệu.
Để đảm bảo chủ động về nguyên liệu trong nước, chúng tôi sử dụng phối liệu như

Ni 2-3
C 10-15
Dựa vào thành phần hóa học của nguyên liệu, hệ số cháy hao của các nguyên
tô hợp kim và kinh nghiệm luyện thép thực tế tại Viện Luyện kim đen, chúng tôi đã
tính toán phối liệu cho 3 mẻ nấu, mỗi mẻ khoảng 250kg như trong bảng 7.
Bảng 7: Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg
TT Nguyên liệu Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3
1 Thép nền 195 - -
2 X13 - 147 236
3 X17 - 98 -
4 FeCr 50 - 8.5
5 FeSi 1,5 1,2 1,2
6 FeMn 1,7 1,6 1,8
7 Ni 0,8 0,8 0,8
8 Than graphit 0,4 1 1
Tổng 249,4 249,6 249,3

Quy trình thao tác nấu luyện như sau :
- Chất tạo xỉ gồm hỗn hợp CaO và CaF
2
được cho vào đáy lò.
- Xếp liệu (thép phế CT3, X13, X17, FeCr, Ni) vào lò sao cho liệu được xếp
chặt nhất. Lượng bột than điện cực được cho vào hộp sắt, đóng kín rồi cho vào đáy
lò.

21
- 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 thì vớt xỉ cũ và cho chất tạo xỉ mới vào lò.
- Khi xỉ mới chảy hết thì giữ cho nước thép ổn định rồi cho FeMn khử ôxy sơ

0,40
≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,03 ≤0,04
* kết quả phân tích quang phổ:
Qua các số liệu trong bảng 8 ta thấy cả 3 mẻ nấu thí nghiệm theo 3 cách phối
liệu đều đạt thành phần hóa học. Hàm lượng các nguyên tố hợp kim C, Cr, Ni, Mn
và Si nằm trong giới hạn tiêu chuẩn của thép SUS 420J2, các tạp chất P, S ở mức

22
thấp so với tiêu chuẩn của các nước. Trong ba cách phối liệu, về phương diện kinh
tế thì cách phối liệu ở mẻ thứ 2 và 3 sử dụng loại phế X13 và X17 có giá thành rẻ
hơn so với phối liệu ở mẻ 1.
3.1.2 Công nghệ tinh luyện
Để tạo điều kiện tốt cho khâu rèn tiếp theo thì thỏi đúc phải đáp ứng được các
yêu cầu sau :
Sạch tạp chất : Hàm lượng P, S phả
i thấp
Cấu trúc : Thỏi đúc phải có cấu trúc hạt mịn
Mật độ cao : Không rỗ xốp
Để đáp ứng các yêu cầu trên, chúng tôi sử dụng công nghệ điện xỉ để tiến hành
đúc thỏi. Nguyên lý làm việc như sau:
+ Kim loại đem tinh luyện ở dạng điện cực có thành phần đúng mác đã nấu.
+ Trong quá trình tinh luyện, đầu điện cực nhúng vào xỉ nóng chảy ở nhi
ệt độ
1600-1700
0
C. Ở nhiệt độ cao đầu điện cực hình thành những giọt kim loại lỏng,
giọt kim loại lỏng này lớn dần lên và rơi khỏi đầu điện cực đi qua cột xỉ lỏng tập

có khả năng khử S tốt, dễ kiếm và rẻ tiền. Xỉ được sấy khô cẩn thận trước khi dùng.
1- Điện cực
2- Bể xỉ
3- Bể kim loại
4- Thỏi kim loại
5- Đế hộp kết tinh

Hình 8: Sơ đồ quá trình tinh luyện điện xỉ
Thành phần hóa học của 3 mẻ nấu thí nghiệm sau tinh luyện điện xỉ được nêu
trong bảng 9.
Bảng 9: Thành phần hoá học của thép sau điện xỉ, %
Mẻ C Mn Si Cr Ni S P
Mẻ 1 0,37 0,69 0,65 12,13 0,32 0,006 0,028
Mẻ 2 0,35 0,76 0,58 12,26 0,30 0,005 0,027
Mẻ 3 0,38 0,74 0,63 12,24 0,31 0,005 0,027
Thép
nghiên cứu
0,26-0,40 ≤1,00 ≤1,00
12,00-
14,00
≤0,6 ≤0,03 ≤0,04

24
Từ các kết quả phân tích trên ta thấy thành phần hoá học của thép sau điện xỉ

Nhiệt độ kết thúc rèn là 900-950
0
C
- Biến dạng khi rèn
Quá trình rèn thép không gỉ mactensit mác SUS 420J2 được tiến hành trong
khoảng nhiệt độ 1100-900
0
C. Quá trình rèn được tiến hành qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Cắt tạo phôi: dùng dao chặt đầu đuôi, chia thành những phôi có
kích thước phù hợp với khối lượng đã định.

Trích đoạn Các tính chất của thép SUS420J2 29

---