BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THÉP MÁC
25 XGT DÙNG TRONG NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
NÔNG NGHIỆP

Chủ nhiệm đề tài: PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG

7686
05/02/2010



2
MỞ ĐẦU

Thiên nhiên ban tặng cho Việt Nam một dải đất màu mỡ thuận lợi cho
phát triển nông nghiệp. Trong những năm gần đây, ngành nông nghiệp nước
ta đã có nhiều thành tựu đáng khích lệ. Từ chỗ thiếu lương thực, chúng ta đã
vươn lên trở thành nước xuất khẩu lúa gạo đứng hàng thứ hai thế giới, ngoài
ra còn nhiều mặt hàng có thế mạnh như cà phê, hạt tiêu, hạt điều và nhiều
loại rau quả. Tuy nhiên chúng ta chưa phát huy hết được tiềm năng, thế mạnh
của nước nông nghiệp có khí hậu nhiệt đới.
Việt Nam hiện nay có khoảng 550.000 máy phục vụ sản xuất nông
nghiệp, chủ yếu là máy nổ và máy phát điện, còn máy cày, máy gặt đập và
các dòng máy chuyên dùng khác không đáng kể…Theo các chuyên gia thì
chúng ta mới chỉ đáp ứng được 30 % số máy móc dùng trong nông nghiệp, số
còn lại là nhập khẩu. Nguyên nhân chính khiến thị trường máy móc, thiết bị
nông nghiệp của nước ta bị máy móc nhập ngoại áp đảo trong cuộc cạnh
tranh là do ngành công nghệ chế tạo máy nông nghiệp chưa phát triển. Tỷ
trọng nguyên liệu phục vụ cho việc chế tạo máy nông nghiệp đa phần là nhập
khẩu, nguyên vật liệu trong nước chỉ chiếm từ 10-12% Công nghệ biến dạng
dẻo kim loại (cán, rèn dập) hoặc luyện bột kim loại cũng yếu, chất lượng phôi
không đảm bảo. Sản phẩm quy chuẩn như bulông, đai ốc vừa thiếu về
chủng loại vừa chưa đảm bảo chất lượng.
Theo Quyết định của Thủ tướng Chính phủ “ Phê duyệt Chiến lược
phát triển ngành cơ khí Việt Nam đến năm 2010, tầm nhìn tới 2020”,
trong phần “Định hướng chiến lược phát triển một số chuyên ngành và nhóm
sản phẩm cơ khí quan trọng” có đề cập rất chi tiết về mục tiêu phát triển máy
kéo và máy nông nghiệp:
“Về máy nông nghiệp: Tập trung đầu tư, xây dựng chuyên ngành chế tạo
máy nông nghiệp đủ mạnh, bao gồm máy canh tác, máy chế biến và thiết bị

Nghệ (Bộ Công Thương), Công ty TNHH một thành viên Máy kéo và Máy
Nông nghiệp, Viện Công nghệ và Xí nghiệp cơ khí 79, đã sự giúp đỡ chân
thành và tạo điều kiện cho chúng tôi thực hiện thành công đề tài.

4
1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu thép kết cấu hợp kim
a) Phân loại thép kết cấu
Trong ngành cơ khí chế tạo, thép kết cấu hợp kim được sử dụng rất rộng
rãi vì chúng có cơ tính tổng hợp cao (độ bền cao, tính dẻo tốt, độ bền chống
phá huỷ cao, có thể làm việc bền lâu trong các điều kiện tải trọng phức tạp ).
Thép kết cấu hợp kim là thép có hàm lượng các bon trung bình ( C = 0,20 –
0,50% ) và được nhiệt luyện tôi và ram cao hoặc thấp tuỳ mục đích sử dụng
[1]. Tuỳ thuộc vào các nguyên tố hợp kim hoá trong thép có thể chia thép
kết cấu thành các nhóm như: Thép crôm, thép mangan, thép crôm-mangan,
thép crôm-mangan-titan, thép crôm-silic, thép crôm-molipđen, thép crôm-
molipđen-vanaddi, thép crôm-vanađi, thép niken-molipđen, thép crôm-niken,
thép crôm-niken-bor, thép crôm-silic-mangan-niken…[2].
Nhờ có hàm lượng các bon trung bình và các nguyên tố hợp kim nên các
loại thép kết cấu hợp kim có độ thấm tôi cao. Cũng nhờ có thành phần hoá
học như vậy mà thép kết cấu hợp kim sau khi ram cao sẽ tiết ra các loại
cácbíd hợp kim nhỏ mịn làm cho thép có độ hạt nhỏ mịn, đạt cơ tính tổng
hợp cao.
b) Thép dùng trong ngành chế tạo máy nông nghiệp.
Thép dùng trong chế tạo máy nông nghiệp phải có cơ tính tốt vì các chi tiết
phải làm việc trong điều kiện có tải trọng, chịu mài mòn và va đập liên tục.
Do đó thép phải có độ bền tốt, độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn đảm bảo.
Thép phải có tính thấm tôi cao để khi chế tạo chi tiết lớn mới đảm bảo cơ tính
vượt trội. Ngoài ra lợi ích kinh tế và khả năng sản xuất lớn cũng cần quan
tâm.

635MPa
Thép 18X:

b
880MPa ;
s
735MPa
Thép 25XT:

b
1270MPa ;
s
980MPa

6
Trong các loại thép kết cấu hợp kim thì thép 25ХГТ theo tiêu chuẩn
Liên Xô cũ ГOCT 4543 – 71 là loại thép kết cấu hợp kim đa nguyên tố. Thép
này được hợp kim hoá với lượng nhỏ các nguyên tố như crôm, mangan, titan.
Thép có hàm lượng các bon trung bình ( C = 0,22 – 0,29% ) kết hợp với các
nguyên tố hợp kim nêu trên đã làm cho mác thép này có cơ tính tổng hợp rất
cao, đặc biệt giới hạn bền và giới hạn chảy được tăng cao đáp ứng được yêu
cầu của các chi tiết máy làm việc lâu dài trong các điều kiện chịu liên tục va
đập và chịu tải trọng nặng. Do vậy mác thép 25ХГТ có nhiều ứng dụng
trong các lĩnh vực chế tạo máy, nó được sử dụng rất phổ biến ở nước ta, đặc
biệt là trong ngành chế tạo máy nông nghiệp. Ở Trung Quốc có mác thép
30CrMnTi theo tiêu chuẩn GB 3077 – 88 [3] với thành phần hoá học và các
tính chất tương tự như mác thép 25ХГТ. Ở Đức có mác thép 30MnCrTi4 có
thành phần tương tự (bảng 1).
Bảng 1 : Thành phần hoá học của thép 25ХГТ và các mác tương đương
Thành phần hóa học (%)


0,035
30MnCrTi4
(W-Nr 18401)
0,22-
0,33
0,17-
0,37
0,85-
1,15
1,00-
1,25
0,04-
0,10
0,035

0,035

Trong các mác thép trên, hàm lượng các tạp chất lưu huỳnh và phốt pho
đều nhỏ hơn 0,035%.

7
Bng 2 : C tớnh ca mỏc thộp 25(OCT4543-71)
cng
Gii hn chy
(Mpa)


p liờn tc, cú hiu ng mi mũn cao [5-7]. Sau õy chỳng ta s xem xột nh
hng ca cỏc nguyờn t hp kim lờn cu trỳc v tớnh cht ca thộp hp kim
kt cu núi chung v mỏc 25 núi riờng.

8
- Ảnh hưởng của cácbon:
Cácbon là nguyên tố mở rộng vùng , tức là nguyên tố tăng độ ổn định
của pha austenit. Do có khả năng mở rộng vùng dung dịch rắn  và tạo thành
pha cacbit có độ cứng cao nên cácbon là nguyên tố tăng bền rất tốt các hợp
kim trên cơ sở sắt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cácbon giảm
đi do có sự thay đổi cấu hình của cácbíd. Khi có các nguyên tố tạo cácbíd
mạnh trong hợp kim thì cácbon tập trung chủ yếu vào những vị trí hình thành
cacbit. Vì vậy, khi tăng hàm lượng cácbon sẽ làm thay đổi sự phân bố các
nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cacbit. Điều này dẫn
đến làm nghèo dung dịch rắn, ảnh hưởng đến tính chất hợp kim (ví dụ, sự tạo
thành Mo
2
C sẽ làm nghèo Mo trong dung dịch rắn, dẫn tới làm giảm tính bền
nóng của hợp kim). Cácbon cũng có ảnh hưởng âm đến tính dẻo, giảm khả
năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim. Vì
vậy, hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa hàm lượng cácbon tương đối ít.
Đặc biệt là các loại thép không gỉ làm việc trong các môi trường xâm thực
mạnh cần có tính chống gỉ rất cao thường chứa cácbon ở hàm lượng cực thấp
(<0,03%). a) Ảnh hưởng của Crôm
Crôm là nguyên tố rất quan trọng nâng cao độ thấm tôi, độ bền và tính
chống gỉ của thép . Crôm là nguyên tố mở rộng vùng ferit. Giản đồ trạng thái
hệ Fe-Cr được nêu trong hình 1.

7
C
3
và Cr
23
C
6
. cacbit Cr
23
C
6
có mạng
tinh thể lập phương diện tâm với thông số mạng 0,64A
o
nhiệt độ nóng chảy là
1520 – 1550
o
C.
cacbit Cr
7
C
3
có mạng tinh thể ba nghiêng ( trigonal) với thông số mạng
a = 3,89A
o
và c = 41,323A
o
, nhiệt độ nóng chảy là 1630 – 1670
o
C. Đối với

đó có thể thay niken quý hiếm bằng mangan rẻ tiền [4].
Mangan làm tăng mạnh tính ổn định của pha austenit và tính thấm tôi của
thép, ngoài ra người ta thấy cứ 1% mangan có tác dụng bằng 4 % Ni.

11
Thép có hàm lượng Mn 1% và cao hơn, thường được tôi trong dầu để có
cấu trúc mactenxit. Tuy nhiên khi hàm lượng mangan vượt quá 1,5 % ferit
bắt đầu trở nên giòn, do đó trong thép kết cấu, hàm lượng mangan không nên
vượt quá 2 %.
Khi hàm lượng mangan tới 12%, pha mactenxit được tạo thành.
So với các nguyên tố hợp kim hoá khác, mangan có khả năng làm hạt
austenit lớn nhanh khi nung [4].

Hình 3 : Giản đồ trạng thái Fe-Mn
Ảnh hưởng của titan
Ở nhiệt độ 1100
o
C và hàm lượng 0,65% Titan có tác dụng mạnh làm
hẹp vùng hình 4; khi hàm lượng titan đạt 0,75% ở nhiệt độ này xuất hiện
vùng  + . Hợp chất Ti giàu Fe trước đây (Titanid) được viết theo thành
phần Fe
3
Ti chính là biểu thị pha Laves có thành phần Fe
2
Ti, mạng lục giác.
Ngoài Fe
2

mịn hơn cấu trúc peclit sau ủ mềm. Nhiệm vụ của khâu thường hoá là tạo ra
dung dịch rắn  đồng đều rồi làm nguội trong không khí để làm giảm ứng
suất dư, giảm độ cứng và tạo ra cấu trúc xoocbit nhỏ mịn để chuẩn bị cho
khâu nhiệt luyện cuối cùng (tôi và ram cao). Vì vậy, nhiệt độ thường hoá là
phải cao hơn nhiệt độ Ac
3
để các nguyên tố hợp kim có thể hoà tan hoàn toàn
vào các dung dịch rắn. Ngoài yếu tố nhiệt độ thì cần phải có thời gian giữ
nhiệt đủ để cho quá trình khuyếch tán các nguyên tố hợp kim xẩy ra được
hoàn toàn. Thông thường, nhiệt độ thường hóa ở nhiệt độ Ac
3
+ 50
o
C. Thời
gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào thành phần hóa học của thép và kích thước của
sản phẩm.
- Tôi:
Tôi là khâu làm nguội nhanh dung dịch rắn  từ nhiệt độ austenit hoá
xuống dưới nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit M
s
. Tốc độ làm nguội để
chuyển biến austenit – mactensit xẩy ra hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần
hoá học của thép. Thông thường, các loại thép hợp kim được làm nguội khi
tôi bằng dầu.
Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit M
s
là một thông số rất quan trọng
trong công nghệ tôi thép. Nhiệt độ này cũng do thành phần hoá học của thép
quyết định. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xác định mối liên quan
giữa hàm lượng các nguyên tố hợp kim và nhiệt độ M

hoà, có độ cứng rất cao và dòn. Bên cạnh mactensit trong cấu trúc của thép
còn có thể có một lượng nhỏ  - pherit. Trong trường hợp tôi không hợp lí (ví
dụ tốc độ làm nguội không đủ nhanh) thì có thể còn một ít austenit dư, làm
giảm độ cứng của thép.
- Ram:
Mactensit nhận được sau khi tôi là một dung dịch rắn quá bão hoà, có độ
cứng cao nhưng tính dẻo rất thấp. Vì vậy để thép có những tính năng sử dụng
tốt như yêu cầu thì sau khi tôi cần phải tiến hành ram. Trong quá trình ram
xảy ra các hiện tượng phân huỷ austenit dư ở khoảng nhiệt độ 220 – 260
o
C.
Kết quả của hiện tượng này là austenit dư chuyển biến thành máctensit và
làm cho độ cứng và tính chịu mài mòn của thép tăng lên. Hiện tượng phân
huỷ dung dịch rắn xảy ra ở nhiệt độ 320 – 430
o
C. Trong giai đoạn này xảy ra
quá trình phân huỷ dung dịch rắn làm cho hàm lượng cácbon tiến gần tới giá
trị cân bằng. Độ cứng của thép giảm đi, đồng thời tính dẻo tăng lên.

15
Hiện tượng hình thành cacbit trong quá trình ram thép hợp kim có chứa
các nguyên tố tạo cacbit xảy ra khá phức tạp.Trong ram, ở giai đoạn đầu (từ
170
0
C  200
0
C ) xảy ra quá trình tiết cacbon từ mactenxit dưới dạng cacbit
nhỏ mịn. Khi nhiệt độ cao hơn (từ 220
0
C  260

7
C
3
là (Cr,Fe)
7
C
3
.
 >500
o
C: tạo thành cacbit loại (Cr,Fe)
23
C
6
.
Như vậy quá trình tiết cacbit trong khi ram diễn ra theo sơ đồ:
M
3
C M
7
C
3
M
23
C
6
.
Ngoài ra khi có mặt Mo thì có thể tạo thành Mo
2
C và (Cr,Mo)

17
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu tổng quan về thép kết cấu hợp kim và mác thép 25ХГТ dùng
để chế tạo các chi tiết quan trọng cho máy nông nghiệp trên cơ sở các tài
liệu và tiêu chuẩn trong và ngoài nước;
- Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất thép hợp kim mác 25ХГТ bao
gồm các khâu:
 Công nghệ luyện thép
 Công nghệ tinh luyện
 Công nghệ gia công áp lực
 Công nghệ nhiệt luyện
- Đánh gía chất lượng vật liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lí, tổ chức
tế vi và cấu trúc pha;
- Chế tạo một số sản phẩm dùng trong máy nông nghiệp như máy kéo, máy
nổ để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy và chính xác cao, đề tài đã
sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau:
19
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1. Công nghệ sản xuất thép hợp kim mác 25ХГТ
3.1.1. Công nghệ luyện thép
Thép hợp kim mác 25ХГТ là một loại thép kết cấu kết cấu hợp kim với
thành phần hoá học: C = 0,22 – 0,29%, Si = 0,17 - 0,37%, Mn = 0,80 –
1,10%, P  0,035% , S  0,035%, Cr = 1,00 – 1,30% , Ti = 0,03 –0,09%. Tuy
hàm lượng các nguyên tố hợp kim hoá đưa vào không lớn, nhưng chúng có
ảnh hưởng rất lớn đến tính chất cơ học của thép. Titan là nguyên tố rất khó
đưa vào thép vì chúng dễ bốc cháy ở nhiệt độ cao do bị ô-xy hoá mạnh, do đó
tuỳ theo từng phương pháp nấu luyện mà có cách cho vào thích hợp.
Để mẻ luyện đạt chất lượng cao, có thành phần hoá học ổn định, chúng
tôi lựa chọn thép nền có hàm lượng các bon gần giống mác thép nghiên cứu
và có hàm lượng lưu huỳnh và phốt pho thấp.
Ở các nước phát triển, thép 25ХГТ được nấu luyện phổ biến nhất là trong
lò điện hồ quang rồi tinh luyện trong các thiết bị tinh luyện ngoài lò. Trong
các điều kiện đặc biệt cũng có thể đựơc nấu luyện trong các thiết bị chuyên
dụng như lò hồ quang chân không, lò cảm ứng chân không ….Trong điều
kiện thiết bị của nước ta cũng như trong khuôn khổ thí nghiệm của đề tài,
chúng tôi chọn lò cảm ứng trung tần để nghiên cứu xác định công nghệ luyện
thép mác 25ХГТ. Loại lò này có nhiều dung tích khác nhau, chúng tôi sử
dụng lò Radyne (Anh) có dung tích 300 kg/mẻ của Viện Luyện kim đen để

0,31 - - 0,95 0,25 0,023 0,021

Để tính toán phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng các số
liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Cr, Ti, Si, Mn trong lò
cảm ứng trung tần và kinh nghiệm luyện thép nhiều năm nay của Viện Luyện
kim đen, Viện Công nghệ cũng như tham khảo các tài liệu của các cơ sở sản
xuất khác. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện trong lò
cảm ứng trung tần được nêu trong bảng 4.

21

Bảng 4: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim

TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %
1 Cr 2 - 3
2 Mn 10 - 15
3 Si 10 - 15
4 Ti 35 - 45
7 C 6 - 10
Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu (bảng 3), hệ số cháy hao
của các nguyên tố hợp kim (bảng 4) và kinh nghiệm luyện thép thực tế tại
Viện Luyện kim đen, chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 3 mẻ nấu thí
nghiệm với khối lượng khoảng 200 kg/mẻ (bảng 5).
Bảng 5: Phối liệu để nấu luyện thép 25ХГТ
TT Nguyên liệu Mẻ 1(kg) Mẻ 2(kg) Mẻ 3(kg)
1 Thép phế CT3 195 - 45
2 FeCr cácbon TB

1,9 - 3,8
3 FeCr C cácbon cao

rót đã được sấy đỏ. Trong nồi thép đã để sẵn nhôm kim loại ở dạng vụn
nhỏ để khử khí lần cuối.
- Rót thép vào khuôn cát (đã được xử lý đông cứng nhanh bằng nước
thuỷ tinh và khí CO2) để đúc các thanh điện với kích thước 60 x 1000
cho tinh luyện điện xỉ sau này.
- Lấy mẫu để phân tích thành phần hoá học.
Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ theo 3 phối liệu như đã nêu
trong bảng 5. Các mẻ thí nghiệm đã được lấy mẫu để phân tích thành phần
hoá học theo phương pháp truyền thống tại phòng thí nghiệm phân tích
hoá của Viện Luyện kim đen. Kết quả phân tích thành phần hoá học của
các mẻ thí nghiệm được nêu trong bảng 6.

23
Bảng 6: Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm

Thành phần hóa học (%)
Mẻ
C Si Mn Cr Ti Ni S P
M1 0,25 0,22 0,98 1,31 0,04 - 0,020 0,022
M2 0,27 0,24 1,01 1,25 0,08 - 0,019 0,021
M3 0,28 0,27 1,02 1,22 0,086 - 0,018 0,020
M2* 0,25 0,29 0,98 1,25 0,084 0,10 0,026 0,025
25ХГТ
(ГOCT4543-71)

0,22-
0,29
0,17-
0,37
0,80-

, H
2
phải thấp hơn giới hạn cho
phép.
- Cấu trúc : thỏi đúc phải có cấu trúc hạt mịn
- Mật độ cao : không có rỗ xốp.
- Chất lượng bề mặt : không được có các loại khuyết tật có hại.
Thiết bị tinh luyện điện xỉ của Viện Luyện kim đen có các thông số công
nghệ như sau:
- Công suất máy thiết kế : 100 KVA
- Dòng điện : 1000 – 1500 A
- Điện áp ra : 40 – 45 V
- Kích thước hộp kết tinh : 120 x 500 mm
- Kích thước điện cực : 60 – 80 mm
- Lưu lượng nước làm nguội : 5 – 6 m
3
/h
Để đạt được mục tiêu tinh luyện, chúng ta đã chọn hệ xỉ ANF - 6 của
Liên Xô cũ với thành phần hoá học 70% CaF
2
và 30% Al
2
O
3
. Hệ xỉ này có
ưu điểm là có khả năng khử S và P tốt, dễ kiếm và giá thành hạ.
Qui trình tinh luyện điện xỉ được tiến hành như sau:
Cho lượng xỉ cần thiết vào hộp kết tinh (2,0 – 2,5 kg xỉ cho một thỏi điện
xỉ, 50 –60 kg/tấn sản phẩm). Hộp kết tinh phải được kiểm tra cẩn thận về bề
mặt trong và độ kín nước. Hạ điện cực từ từ xuống sao cho tạo được hồ