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:

NGHIấN CU CễNG NGH SN XUT THẫP MC SAE4161
DNG SN XUT DNG C Y T

DFGEDFGEDFGE

Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép vN
Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen
Chủ nhiệm đề tài: KS. PHM TH MAI PHNG 6827
27/4/2008


11
2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
13
2.1 Nội dung nghiên cứu
13
2.2 Phơng pháp nghiên cứu
13
3. Kết quả đạt đợc
14
3.1 Công nghệ sản xuất thép SAE4161
14
3.1.1 Công nghệ nấu luyện
14
3.1.2 Công nghệ tinh luyện
18
3.1.3 Công nghệ rèn
19
3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện
20
3.1.4.1 Công nghệ ủ
20
3.1.4.2 Công nghệ tôi
22
3.1.4.3 Công nghệ ram
23
3.2 Các tính chất của thép SAE4161
25
3.2.1 Thành phần hóa học
25
3.2.2 Các tính chất cơ lý

máy chuyên sản xuất dụng cụ y tế, nguyên liệu dùng để sản xuất phần lớn là nhập
ngoại, nhng cũng chỉ thỏa mãn một phần nhu cầu, phần lớn dụng cụ y tế đều phải
nhập từ nớc ngoài. Để tăng nội lực sản xuất trong nớc, đáp ứng một phần nhu cầu
của xã hội, Viện luyện kim đen đăng ký và đợc Bộ công thơng giao đề tài
Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác SAE4161 dùng để sản xuất dụng cụ
y tế
Hớng của đề tài là sử dụng tối đa những kết quả nghiên cứu và sản xuất đã áp
dụng thành công ở những nớc phát triển để xác lập đợc quy trình công nghệ thích
hợp sản xuất đợc mác thép đã chọn. Mác thép sản xuất theo quy trình đã chọn phải
có các thông số về thành phần hóa học, tính chất cơ lý, kim tơng tơng đơng
với vật liệu của nớc ngoài. từ mác thép sản xuất chế tạo thành dụng cụ phẫu thuật
tại Công ty cổ phần MEINFA, đạt Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.
Nội dung của báo cáo đề tài gồm các phần chính sau:
- Tổng quan chung
- Nội dung nghiên cứu và phơng pháp nghiên cứu
- Kết quả đạt đợc
- Kết luận và kiến nghị
- Ti liệu tham khảo
- Phụ lục
3
Trong quá trình thực hiện nhóm đề tài nhận đợc sự chỉ đạo sát sao của Vụ
Khoa học và Công nghệ, Bộ Công thơng và sự cộng tác hiệu quả của công ty Cổ
phần MEINFA, khoa ngoai bnh vin huyn Thng Tớn, công ty cơ khí 79, các
cán bộ của Viện Luyện Kim Đen. Nhân dịp này chúng tôi cũng xin cám ơn các qu ý
cơ quan và các cá nhân đã giúp chúng tôi hoàn thành đề tài đợc giao.
dụng tốt và giá thành không quá cao. Niken tuy khá đắt nhng có tác dụng rất tốt
đến độ thấm tôi khi đợc dùng kèm với Cr và bảo đảm có độ dai cao nên đợc dùng
cho các chi tiết với yêu cầu cao về cơ tính và độ tin cậy khi làm việc. Ngời ta còn
dùng Bo, N với lợng nhỏ (vi lợng) có tác dụng tốt đến cơ tính. Molipđen thờng
đợc dùng với lợng không lớn (0,20-0,50%, nhiều khi nhỏ hơn) để tăng độ thấm
tôi và tránh đợc dòn ram II.
Khi dùng thép chế tạo máy là thép hợp kim cần theo các nguyên tắc sau:
Chỉ dùng cho các chi tiết có đờng kính, chiều dày lớn hơn 20 mm để bảo
đảm tôi thấu, loại đờng kính nhỏ hơn chỉ cần dùng thép cácbon vì đã bảo
đảm tôi thấu.
5
Để bảo đảm tôi thấu và cơ tính đồng nhất, chi tiết có tiết diện càng lớn phải
dùng thép hợp kim có thành phần hợp kim hoá càng cao.
1.1.2 Phân loại thép hợp kim chế tạo máy.
Căn cứ vào cơ tính và công dụng, ngời ta chia thép kết cấu chế tạo máy thành
ba nhóm:
a, Thép có hàm lợng cácbon thấp, C

0,25% hay thép thấm C.
ở trạng thái ủ thép này có độ dẻo, độ dai cao song độ bền thấp. Vì vậy chúng rất
dễ dập nguội. Nhìn chung các thép có hàm lợng C thấp có tính dập nguội khác
nhau.
Trong công nghệ chế tạo máy thờng gặp các chi tiết dập nguội, nói chung các
thép có hàm lợng C thấp đều thoả mãn tính công nghệ này. Đặc điểm chung nữa
của nhóm thép này là có tính gia công rất kém, tuy mềm song phoi quá dẻo, khó
gẫy vụn, quấn lấy dao và bề mặt không nhẵn bóng.
b, Thép có hàm lợng C trung bình, 0,30-0,50 %, hay thép hoá tốt (tôi + ram

kim có hàm lợng các bon tơng đối cao, đặc biệt là hệ thép Cr-Mo.
Cho thêm Mo vào thép Crôm làm cho thép nhỏ hạt, tăng độ thấm tôi, nâng cao
độ bền và khắc phục khuynh hớng giòn ram và lớn lên của hạt khi nung nóng. Mo
có ảnh hởng đặc biệt đến việc nâng cao tính chất của thép ở nhiệt độ cao.
Thép đợc dùng sau tôi và ram (đôi khi thờng hóa và ram) để làm các chi tiết
quan trọng và cỡ lớn nh các loại trục, các chi tiết của tuabin (rôto, trục, đĩa) cũng
nh các chi tiết kẹp chặt làm việc ở nhiệt độ cao. Do có độ bền và tính hàn tốt, thép
Cr-Mo đợc sử dụng rộng rãi để làm các chi tiết kết cấu hàn quan trọng .
c, Thép có hàm lợng C tơng đối cao, 0,55-0,65%, hay thép đàn hồi.
Nhóm thép này ở trạng thái ủ đã khá cứng, bền; còn độ dẻo, độ dai tơng đối
thấp, không thích hợp với các chi tiết máy nói chung. Tính chất nổi bật của nhóm
thép này là có giới hạn đàn hồi cao nhất sau khi nhiệt luyện tôi + ram trung bình đạt
độ cứng trong khoảng HRC 35-45 hay HB 350-450. Vì vậy công dụng chủ yếu của
thép này là làm lò xo, nhíp cũng nh các chi tiết có tính đàn hồi cao.
Vì có độ bền đặc biệt là tính đàn hồi cao nên nhóm thép này rất khó dập nguội
và thờng chỉ đợc gia công nóng. Tính hàn của thép này kém. Tính gia công cắt
gọt không cao.
1.2 ảnh hởng của các nguyên tố hợp kim lên tính chất của thép.
1.2.1 ảnh hởng của Cacbon.
7
Cacbon là nguyên tố mở rộng vùng , kìm hãm sự chuyển biến Mactenxit và
do đó làm tăng độ ổn định của pha Austenit. Do có khả năng tạo thành Cácbit có độ
cứng cao nên cacbon là nguyên tố tăng bền rất tốt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng
tăng bền của cacbon giảm do có sự thay đổi cấu hình của cacbit. Nếu có các nguyên
tố tạo cacbit mạnh trong hợp kim thì cacbon chủ yếu tập trung ở những vị trí hình
thành cacbit, do đó khi tăng hàm lợng C sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố
hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cacbit, dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn

0
C.
Khi hàm lợng Cr từ 10 ữ 12% trở lên sẽ tạo thành loại cacbit phức tạp. Sự
hình thành các loại cacbit này phụ thuộc vào hàm lợng crôm và cacbon (hình
2)(2). Nhờ có các loại cacbit này mà thép có độ cứng cao và chịu mài mòn tốt.
Crôm ảnh hởng đến chuyển biến , ảnh hởng đến nhiệt độ chuyển biến và
điều kiện tiết cacbit từ dung dịch rắn. Hình 2. ảnh hởng của cacbon và Crôm lên sự tạo thành các bít

9
Ta đã biết rằng, khi trên bề mặt kim loại và hợp kim tạo đợc một lớp màng
oxít có khả năng ngăn ngừa không cho các ion thấm qua và bám chặt vào kim loại
nền. Chính lớp màng này đã ngăn cản sự oxy hoá tiếp theo, tạo cho kim loại và hợp
kim ở vào trạng thái thụ động. Đó là lớp màng thụ động. Khả năng chống gỉ của
hợp kim phụ thuộc vào tính chất vật ly và hoá học của lớp màng bảo vệ này. Trong
các nguyên tố hợp kim thì crôm có vai trò quan trọng trong việc làm bền vững lớp
màng thụ động, vì nó có ái lực hoá học với oxy cao hơn sắt.
1.2.3 ảnh hởng của Mo
Molipdden cú dng lp phng th tõm, thụng s mng 3.14A
o
, thụng s
mng ca Mo ln hn thụng s mng ca st nhiu, do ú cn tr s hỡnh thnh
mt lot cỏc dung dch c liờn tc. Hp kim húa thờm molipen vo thộp cú hm
lng cỏc bon trung bỡnh lm cho thộp cú cu trỳc nh ht, tng thm tụi, lm
tng bn, khc phc khuynh hng giũn ram v ln lờn ca ht khi nung núng.

Si làm tăng nhiệt độ AC
3
lên 70 ữ 90
0
C, làm hạ tốc độ tôi tới hạn. Sự chuyển
biến xảy ra ở trong thép chứa 0,36%Si ở 215
0
C, trong thép chứa 1,2%Si ở
190
0
C. Hàm lợng Si trong thép tăng làm giảm độ bền sau tôi ở nhiệt độ cao. Đối
với thép có hàm lợng Si càng cao, độ dai va đập sau ram ở 700
0
C càng giảm, thép
có 1,2%Si độ dai va đập giảm đến 5,5kg.m/cm
2
, thép có 1,95%Si độ dai va đập
giảm đến 1,3kg.m/cm
2
. Sự giảm độ dai va đập ở 700
0
C liên quan đến sự tạo thành
Silicua . Khi tăng hàm lợng Si, độ bền ăn mòn trong axit nitric bị giảm nhiều.
1.2.5 ảnh hởng của Mn.
Mn làm tăng độ dai va đập của thép. Khi hàm lợng Mn trong thép cao, độ
bền trong axit HNO
3
xấu đi rất nhiều, nhng lại tăng lên rất nhiều trong axit
Photphoric. Mn là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng . Đối với C, Mn cũng tạo
thành cacbit dạng (Mn, Fe)

ni ken để tăng khả năng chống gỉ của dụng cụ. Điều quan trọng là thép phải sạch
các tạp chất phi kim (S, P nên nhỏ hơn 0,025 để không tạo ra các điểm mềm làm
giảm khả năng làm việc của dụng cụ y tế).
Dựa vào điều kiện thực tế và các phân tích nêu trên, chúng tôi lựa chọn mác
thép SAE 4161 để làm dụng cụ phẫu thuật. Mác thép này có hàm lợng cacbon đủ
lớn (0,56- 0,62%), Cr: 0,6-0,9; Mo: 0,15-0,30 bảo đảm thoả mãn các yêu cầu về vật
liệu chế tạo dụng cụ phẫu thuật, nhất là đối với dụng cụ dùng để đục x
ơng, dao
mổ.
Thành phần hoá học và tính chất cơ l ý của thép SAE4161 và các mác thép
tơng đơng đợc nêu trong bảng 1 và 2.(3)
Bảng1: Thành phần hoá học của thép SAE4161 và các mác thép tơng đơng
12

Thành phần hoá học (%)
Mác
C Si Mn P S Cr Mo
50CrMo4
ISO 683 118:1996
0,46-
0,54
0,10-
0,40
0,50-
0,80
0,035 0,035
0,90-

1.7228) (Đức)
0,46-
0,54
0,40
0,50-
0,80
0,035 0,035
0,90-
1,20
0,15-
0,30 Bảng 2: Tính chất cơ lý của thép SAE4161

Mác

b

(MPa)

ch

(MPa)

(%)
A
kv
(J.cm
2

MIY.4.2 của Viện Luyện Kim Đen
- Sử dụng phơng pháp hoá học và quang phổ phát xạ (máy quang phổ ARL
3460, Thuỵ sĩ) để xác định thành phần hoá học. Sử dụng các thiết bị thử hiện đại
của các cơ sở nghiên cứu để xác định độ cứng (máy đo độ cứng HPO 250 và TK
2M , Liên xô cũ). Để xác định cấu trúc của thép sử dụng kính hiển vi AXIOVERT,
Đức.

14
3. kết quả đạt đợc
3.1 Công nghệ sản xuất thép SAE4161
Thành phần hoá học (%) của thép SAE4161 nh sau:
C: 0.56-0.64; Si: 0.15 -0.35: Mn : 0.75 -1.00; Cr : 0.70 0.90; Mo: 0.25 -0.35; P
0,035 ; S 0,04.
Tính chất cơ lí tính của thép SAE4161 nh sau:
Giới hạn bền: 1100 -1300 MPa, giới hạn chảy : 900MPa (min); độ dãn dài :
9%(min); độ dai va đập : 30J.cm
-2
(min); độ cứng sau ủ: 248HBs(min).
3.1.1 Công nghệ nấu luyện.
Thép SAE4161 là thép có hàm lợng C tơng đối cao (từ 0.56-0.64), việc đa
cácbon vào thép cần đặc biệt chú ý. Vì đây là nguyên tố rất dễ cháy hao. Có thể sử
dụng than grafit để nâng cao hàm lợng các bon, hoặc là sử dụng các loại thép phế
có hàm lợng C cao. Đề tài đã lựa chọn các nguyên liệu nh trong bảng 3, dựa vào
hệ số cháy hao thực tế của Viện Luyện kim đen (bảng 4) nhóm đề tài đã tính toán
phối liệu mẻ nấu số 1 nh trong bảng 5:
Bảng 3: Thành phần các nguyên liệu chính dùng để luyện thép SAE4161
Thành phần hoá học

1 Phế thép CT3 247.0
2 Phế thép C50 -
3 FeMn 1.5
4 FeSi 0.5
5 FeMo 1.40
6 FeCr các bon cao 3.65
7 Phế thép Cr17 -
8 Than grafit 1.20
7 Al kim loại 0.5

Cộng
255.75

Quy trình nấu luyện đợc tiến hành nh sau:
Thứ tự xếp liệu: Cho chất tạo xỉ (CaO + CaF
2
= 2 : 1 ) (1% mẻ liệu) đã
đợc xấy khô ở 200
o
C, xếp một lợt thép phế, FeCr các bon cao, FeMo (đã
đợc sấy khô), than graphít đợc cho vào hộp sắt và xếp vào giữa lò, sau đó
tiếp tục xếp thép phế.
16
Đóng điện, chạy 60% công suất trong 6 8 phút. Sau đó từ từ nâng lên cực
đại. Khi liệu ở dới nồi đã chảy thì chọc liệu và cho thêm liệu mới đến hết
mẻ liệu.
Sau khi liệu chảy hoàn toàn, vớt hết xỉ cũ và tạo xỉ mới. Xỉ cần có độ kiềm 17
Vì nhiều l ý do, có thể do thành phần thép phế cha thật đồng đều nên thành
phần hoá học của mẻ số 2 cha đạt, hàm lợng C trong thép còn thấp hơn thành
phần cho phép. Chúng tôi quyết định luyện mẻ số 3 sử dụng lợng thép phế có hàm
lợng các bon cao hơn. Phối liệu mẻ số 3 đợc ghi ở bảng 7, thành phần hoá học
các mẻ luyện đợc ghi ở bảng 8.
Bảng 7: Phối liệu mẻ nấu số 3 (tính bằng kg)
TT Nguyên liệu Mẻ 3
1 Phế thép CT3 -
2 Phế thép C50 239.0
3 FeMn 1.0
4 FeSi 0.5
5 FeMo 1.30
6 FeCr các bon cao -
7 Phế thép Cr17 14.0
8 Than grafit 0.7
7 Al kim loại 0.5

Cộng
257.0

Bảng 8: Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm

Thành phần hoá học

Mẻ

5. Tiêu hao nớc làm lạnh (Min) 5m
3
/giờ
6. Tốc độ chuyển dịch điện cực 33-35 mm/phút
7. Chiều dài làm việc của điện cực 2000mm
8. Xỉ tinh luyện ANF-6
9. Tiêu hao xỉ ANF-6 50- 60 kg/tấn sản phẩm
10, Kích thớc thỏi thép 110x350-400
Chúng tôi chọn hệ xỉ tinh luyện là loại ANF-6 (70% CaF
2
+ 30%Al
2
O
3
) là
loại xỉ dễ kiếm, rẻ tiền và khử S tốt. Xỉ cần đợc xấy khô trớc khi dùng. Quy trình
tinh luyện đợc tiến hành nh sau:
- Kiểm tra hộp kết tinh: mặt trong hộp phải sạch, hộp phải kín nớc
19
- Cho lợng xỉ cần thiết cho một thỏi (2 2,5kg cho 1 thỏi 40 50 kg) vào hộp
kết tinh. Hạ điện cực từ từ xuống sao cho tạo đợc hồ quang làm nóng chảy xỉ rắn
tạo thành bể xỉ lỏng. Cho điện cực nhúng vào bể xỉ lỏng với độ sâu và chế độ điện
hợp lý để tạo ra các giọt kim loại lỏng ở đầu điện cực. Giọt kim loại này lớn dần và
dới tác dụng của trong lực sẽ tách khỏi đầu điện cực đi qua lớp xỉ lỏng rồi lắng
xuống đáy hộp kết tinh tạo thành bể kim loại lỏng. Khi đi qua lớp xỉ lỏng giọt kim
loại sẽ đợc tinh luyện theo các phản ứng tơng tác giữa kim loại lỏng và xỉ lỏng.
Dới tác dụng làm nguội nhanh của dòng nớc chảy quanh hộp kết tinh bể kim loại

0
C.
Biến dạng khi rèn: thép SAE4161 đợc rèn trong khoảng nhiệt độ 1050
0
C ữ
850
0
C. ở giai đoạn đầu cần biến dạng từ từ và khi rèn phải liên tục chuyển vị trí để
tránh tạo ra vết nứt. Ngừng rèn khi nhiệt độ xuống dới 850
0
C.
Quy trình rèn thép SAE4161 đợc thực hiện nh sau:
Các thỏi thép điện xỉ 110 sau ủ đợc tiện hết lớp vỏ ôxit xuống còn 104 -
107, ca bỏ một đoạn l = 50 60mm (phần đầu của thỏi điện xỉ) để loại bỏ hết
phần rỗ , xốp. Sau đó xếp các thỏi thép vào giữa lò, tốc độ nâng nhiệt khi nung nóng
là 100-150
0
C/h, giữ ở nhiệt độ rèn 1-2 giờ. Nhiệt độ rèn là 1000
0
C - 1050
0
C, nhiệt
độ kết thúc rèn: 850
0
C.
Các bớc rèn:
Rèn bớc 1: Rèn đạt vuông 40.
Rèn bớc 2: Rèn đạt xuống vuông 30 vuông 20 (Rèn phôi 25 x
250 để chế tạo mẫu thí nghiệm)
3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện

độ ủ. Nhiệt độ ủ càng cao thì quá trình cầu hóa xảy ra càng nhanh. Vì vậy ủ cầu hóa
thờng ở gần nhiệt độ AC
1
. Do đó ủ thép hợp kim trớc cùng tích nh thép
SAE4161phải tiến hành gần điểm AC
1
, tức là ở nhiệt độ khoảng 720ữ730
0
C . Nếu ủ
ở nhiệt độ cao hơn thì hầu hết cacbit sẽ hòa tan vào austenit và khi làm nguội sẽ tạo
thành cacbit tấm là điều rất cần phải tránh.
Thời gian giữ nhiệt:
Khi nung đạt nhiệt độ ủ (720ữ730
0
C) phải giữ nhiệt một thời gian để bảo đảm
các quá trình chuyển biến , khuếch tán C và Cr vào Đối với kích thớc thỏi
đúc điện xỉ, thời gian giữ nhiệt là 3-4 giờ.
Tốc độ làm nguội:
Hình dạng cacbit sau ủ phụ thuộc vào trạng thái của dung dịch rắn và nhiệt độ
ủ. Độ phân tán của cacbit lại phụ thuộc vào tốc độ làm nguội. Khi làm nguội với tốc
độ lớn (200ữ300
0
C/h) sẽ tạo ra một lợng lớn các hạt cacbit nhỏ mịn do không đủ
thời gian để khuếch tán C và Cr, cấu trúc các hạt nhỏ mịn sẽ tạo ra vật liệu có độ
cứng và độ bền cao, khó gia công cơ khí. Vì vậy khi ủ cần làm nguội chậm để C, Cr
có đủ thời gian khuếch tán tạo ra các hạt cacbit hình cầu có kích thớc vừa phải làm
giảm độ cứng. Tốc độ làm nguội từ 70
0
C 80
0

3
+ 20
0
C.
Nếu tôi ở nhiệt độ cao quá hay giữ nhiệt trong thời gian quá dài thì sẽ làm cho
austenit phát triển mạnh, sau tôi sẽ nhận đợc cấu trúc mactenxit thô, mactenxit thô
dòn hơn mactenxit mịn.
Đối với thép trớc cùng tích, nhiệt độ tôi thích hợp và thời gian giữ nhiệt hợp
lý sẽ tạo ra một lợng cacbit thích hợp không bị hòa tan vào dung dịch rắn, sau tôi
0 6 9
H
ình
4
: Chế độ ủ thép SAE4161
t,h
T
0
C
1200
800
700 400

0
C. Sơ đồ công nghệ tôi đợc thể hiện trên hình 5.

Sau tôi thép có cấu trúc mactenxit hình kim (xem hình 9,10)
3.1.4.3 Công nghệ ram.
Ram là quá trình nhiệt luyện để chuyển từ tổ chức kém ổn định ở trạng thái
tôi thành tổ chức ổn định hơn. Ram tiến hành bằng cách nung nóng chi tiết đến
nhiệt độ chuyển biến , giữ ở nhiệt độ này và sau đó làm nguội. Cấu trúc mactenxit
sau tôi là dung dịch rắn quá bão hòa C, chứa ứng suất d nên không ổn định.
0 5 6
H
ình
5
: Chế độ tôi thép SAE4161
t,h
T
0
C
1200
800
400

0
C xementit kết tụ và tạo
thành xoocbit, thép có cấu trúc xoocbit thì có độ dai và độ dẻo cao, độ bền vừa
phải
Đối với thép SAE4161 dùng làm dụng cụ phẫu thuật yêu cầu phải có độ cứng
tơng đối cao (40 45HRC) nhng vẫn bảo đảm độ dẻo nên chúng tôi chọn chế độ
ram ở nhiệt độ 550
0
C. Sơ đồ công nghệ ram đợc thể hiện trên hình 6.
Cấu trúc của thép SAE4161 sau tôi ở 850
0
C/1h /Dầu và ram ở 550
0
C/2h/nớc
là xoocbit nhỏ mịn phân bố đồng đều. Độ cứng sau ram đạt 40HRC. Cấu trúc sau
tôi, ram đợc thể hiện ở hình 11,12.
3.2. Các tính chất của thép SAE4161
4 6
H
ình
6
: Chế độ ram thép SAE4161
t,h
T
0
C