BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Dương Nam

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V VÀ QUÁ TRÌNH
XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THÉP 15%Mn

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Dương Nam

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V VÀ QUÁ TRÌNH
XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THÉP 15%Mn

Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
Mã số: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS ĐÀO HỒNG BÁCH
2. PGS. TS LÊ THỊ CHIỀU

Hà Nội – 2016

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu –
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã liên tục dạy tôi trong suốt quá trình học Đại học đến khi
làm xong nghiên cứu sinh.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn của mình đến lãnh đạo Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng Hải
Việt Nam và Bộ môn Công nghệ và Vật liệu đã hỗ trợ, tạo điều kiên tốt nhất cho tôi trong quá
trình tôi làm nghiên cứu sinh.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới anh Phùng Đình Thông và quý công ty TNHH Thắng Lợi
– Nam Định đã tạo điều kiện hết sức để tôi được thực nghiệm thực tế tại nhà máy trong suốt
thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới các phòng thí nghiệm, các viện nghiên cứu ở trong và
ngoài trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của mình.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên giúp đỡ của gia đình, người thân, bạn
bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian qua.
Tác giả

Nguyễn Dương Nam


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
PHẦN 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Đặc điểm của thép austenite mangan cao
1.2. Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết búa đập làm bằng thép Mn

v
vi
viii
1
3
3
3
4
4
8
9
12
16
16
18
21
24
27
32
32
34
34
36
38
38
41
41
43
43
44

4.1.1. Ảnh hưởng của crom đến tổ chức tế vi sau nhiệt luyện của thép
4.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Crom đến độ cứng và tính chống mài mòn của
mẫu
4.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng crom đến độ dai va đập
4.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Vanadi đến tổ chức và cơ tính của thép
4.2.1. Ảnh hưởng của vanadi đến tổ chức tế vi
4.2.1.1. Ảnh hưởng đến tổ chức sau đúc
4.2.1.2. Ảnh hưởng của vanadi đến tổ chức tế vi mẫu sau nhiệt luyện dưới kính hiển
vi quang học
4.2.1.3. Phân tích SEM, EDS, mapping và TEM
4.2.2. Ảnh hưởng của vanadi đến độ cứng và khả năng chịu mài mòn

46
46
51
53
53
53
54
56
57
57
57
57
58
59
59
60
60
61

5.3.2. Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 1
5.3.3. Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 2
5.3.4. Nhiệt luyện theo quy trình 3
5.3.4.1. Lựa chọn nhiệt độ xử lý nhiệt trung gian
5.3.4.2. Lựa chọn nhiệt độ và thời gian austenite hóa
5.3.4.3 Quy trìnhnhiệt luyện 3b:(nung trung gian 6500C, nung tôi ở 11000C )
5.4. So sánh cơ tính các quy trình nhiệt luyện
5.4.1. So sánh độ cứng
5.4.2. So sánh độ dai va đập
CHƯƠNG 6 CƠ CHẾ HÓA BỀN THÉP AUSTENITE MANGAN CAO 15%Mn
HỢP KIM HÓA BẰNG Cr, V
6.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Crom
6.1.1. Độ cứng của mẫu
6.1.2. Tổ chức tế vi mẫu dưới tác dụng va đập
6.1.3. Phân tích ảnh SEM và EDS
6.1.4. Kết quả quan sát bằng TEM
6.2. Ảnh hưởng của vannadi đến khả năng biến cứng sau va đập và xử lý ở nhiệt độ
âm
6.2.1. Ảnh hưởng của vannadi đến khả năng biến cứng sau va đập
6.2.2. Ảnh tổ chức tế vi quang học của mẫu
6.2.3. Phân tích ảnh TEM
6.3. Ảnh hưởng của đất hiếm đến khả năng biến cứng trong thép Mn cao khi chịu va
đập và xử lý ở nhiệt độ âm
6.3.1. Ảnh hưởng của đất hiếm đến kết quả độ cứng
6.3.2. Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức tế vi sau va đập (quang học)

79
80
80
82



iv
6.3.3. Quan sát ảnh TEM
PHẦN 4 KẾT LUẬN CHUNG
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

121
127
128
132


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Mđ – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit
Mk – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit
Ms – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit
Mf – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit
γ – pha austenite
α – pha ferit
Xe – pha Xementit
Cr – nguyên tố Crôm
V – nguyên tố Vanadi
C – nguyên tố Cacbon
Mn – nguyên tố Mangan
Ti – nguyên tố Titan
Ni – nguyên tố Niken

Bảng 1.4: Phân chia các giai đoạn đập và nghiền
Bảng 1.5: Thành phần hóa học thép Γ13 (tính theo % nguyên tố)
Bảng 1.6: Cơ tính của vật đúc thành dày 30mm bằng mác 110Γ13A sau khi tôi
1050-11000C trong nước
Bảng 1.7: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của Mĩ
theo tiêu chuẩn ASTM A128-90
Bảng 1.8: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của
Nhật theo tiêu chuẩn JIS G5131-91
Bảng 1.9: Cơ tính của các mác thép austenite mangan cao ở trạng thái austenite
hóa theo JIS G5131-91
Bảng 1.10: Một số mác thép austenite mangan cao của Mỹ có hợp kim hóa
Bảng 1.11: Thành phần hóa học (%) của các mác thép austenite mangan cao của
Nhật theo tiêu chuẩn JIS G5131-91
Bảng 1.12: Cơ tính của các mác thép austenite mangan cao ở trạng thái austenite
hóa theo JIS G5131-91
Bảng 1.13: Thành phần và cơ tính của thép austenite Mn khi có thêm vanađi
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng của cácbit
Bảng 2.2: Độ cứng một số pha nền
Bảng 2.3: Nhiệt độ nóng chảy của các nguyên tố RE và REO
Bảng 2.4: Năng lượng tự do của các phản ứng hóa học giữa các nguyên tố
đất hiếm với Oxy và S
Bảng 2.5: Mối quan hệ giữa các thông số mạng của LaAlO3 với ɣ -Fe
Bảng 2.6: Hệ số lệch δ giữa các mặt xếp chặt của oxyt Ce203 , Ce202S và pha ɣ-Fe
Bảng 3.1 Thành phần hóa học các mẫu nghiên cứu.
Bảng 4.1: Thành phần các mẫu khi thay đổi hàm lượng Cr
Bảng 4.2:Giá trị độ cứng của mẫu khi thay đổi hàm lượng Cr
Bảng 4.3: Giá trị mài mòn của mẫu
Bảng 4.4: Giá trị độ dai va đập khi có và không có Cr
Bảng 4.5:Thành phần hóa học của mẫu khi thay đổi hàm lượng Vanadi
Bảng 4.6: Kết quả đo độ cứng của mẫu 0%, 1%, 2% sau đúc

69
69
70
72
77
77
79
79
80
82
83


vii
Bảng 4.13: Kết quả lượng mài mòn của mẫu có và không có biến tính
Bảng 5.1: Thành phần hóa học của thép Mn15Cr2V
Bảng 5.2 : Giá trị độ cứng của mẫu khi xử lý ở các nhiệt độ trung gian khác nhau
Bảng 5.3: Giá trị độ dai va đập của mẫu khi xử lý ở các nhiệt độ trung gian khác
nhau
Bảng 5.4: Giá trị độ cứng của mẫu ở các quy trình khác nhau
Bảng 5.5: Giá trị độ dai va đập của mẫu ở các quy trình khác nhau
Bảng 6.1: Giá trị độ cứng của mẫu sau khi xử lý nhiệt
Bảng 6.2: Giá độ cứng của mẫu khi thức hiện va đập 1000 lần, tải trọng 100N/cm2
Bảng 6.3: Giá độ cứng tế vi theo khoảng cách từ bề mặt mẫu
Bảng 6.4: Thành phần mẫu nghiên cứu
Bảng 6.5: Độ cứng tế vi của mẫu sau khi va đập và xử lý ở nhiệt độ âm
Bảng 6.6: Giá trị độ cứng tế vi của mẫu sau va đập và xử lý ở các nhiệt độ âm khác
nhau

83

Hình 2.8: Khả năng hóa bền phụ thuộc vào tốc độ biến dạng, thực hiện ở 22oC
Hình 2.9: Mô tả quá trình hình thành song tinh từ austenite
Hình 2.10: Mô tả song tinh
Hình 2.11: Mô tả hóa bền bằng biên giới hạt
Hình 2.12: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của thép austenite mangan cao a) song
tinh b) Ảnh vi nhiễu xạ nền austenite
Hình 2.13: Sơ đồ tạo tổ chức austenite nano
Hình 2.14: Ảnh hiển vi phân giải cao của thép austenite mangan cao sau biến dạng
Hình 2.15: Ảnh vi nhiễu xạ phân tích vùng xếp lớp của thép austenite mangan cao
Hình 2.16: Ảnh phân giải cao quan sát vùng xếp lớp của thép austenite mangan
cao
Hình 2.17: Tổ chức tế vi sau biến tính và có xử lý nhiệt (a); phân tích phân bố
cacbit trên ảnh tổ chức
Hình 2.18: Ảnh tổ chức tế vi mẫu Trung Quốc sau khi làm việc
Hình 2.19: Tinh thể cấu trúc. (a) Austenite (fcc). (b) Ferit (bcc). (c) Mactenxit
(BCT)
Hình 2.20: Sơ đồ hình thành pha mactenxit, cho thấy sự trượt và bề mặt nghiêng
Hình 2.21: Sơ đồ minh họa các biến dạng cần cho sự tạo thành pha mactenxit. (a)
cấu trúc tinh thể pha mẹ. (b) Biến dạng mạng gây ra bởi sự thay đổi trong kiểu
mạng tinh thể. (c) loại trượt và (d) loại song tinh biến dạng cần thiết để giữ cho mặt
phẳng ứng xử không bị biến dạng
Hình 2.22: Mactenxit (a) Lath. (b) Plate. Source
Hình 2.23: Ảnh hiển vi quang học kim mactenxit trong hợp kim Fe-0,2% C
Hình 2.24: Ảnh chụp hiển vi của tấm mactenxit Fe-32Ni. Lưu ý có sự hiện diện của
gân chính ở cả hai tấm. Tấm 1 cho thấy cấu trúc nhỏ mịn gồm cặp song sinh

Trang
3
5
8

Hình 2.25: Tổ chức tế vi của mẫu búa đập từ thép austenite mangan cao
Hình 2.26: Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến đường Acm
Hình 2.27: Sự thay đổi cơ tính theo hàm lượng cacbon của thép austenite mangan
từ 12,2 đến 13,8%Mn
Hình 2.28: Ảnh hưởng của hàm lượng mangan đến cơ tính của thép austenite
mangan cao với hàm lượng 1.15%C
Hình 2.29: Ảnh hưởng của hàm lượng Crom đến cơ tính của thép mangan đúc
Hình 2.30: Giản đồ trạng thái hệ Fe –V
Hình 2.31: Giản đồ pha Fe-19.5Mn-2.5Cr-2.2V
Hình 2.32: Ảnh tổ chức tế vi mẫu thép Mn cao sau khi xử lý nhiệt
Hình 2.33: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu sau khi xử lý nhiệt
Hình 2.34: Ảnh hưởng của hàm lượng molypden đến cơ tính của thép mangan đúc
Hình 2.35: Sự lớn lên của M7C3 khi không có chất biến tính (1) và khi có chất biến
tính (2)
Hình 2.36: Mối quan hệ hình học tinh thể của oxyt Ce2O2S và cácbit M7C3
Hình 2.37: Hệ vật đúc - khuôn đúc
Hình 2.38: Sơ đồ chuyển biến tổ chức khi nung nóng thép
Hình 2.39: Cấu trúc đặc trưng của thép A 128 (tiêu chuẩn ASTM), mã B-3.
Hình 2.40: Đường nguội của thép austenite mangan với các độ dày khác nhau
Hình 2.41: Quy trình nhiệt luyện truyền thống
Hình 2.42: Quy trình nhiệt luyện truyền thống (quy trình 1)
Hình 2.43: Quy trình xử lý nhiệt số 2
Hình 2.44: Quy trình xử lý nhiệt cải tiến
Hình 3.1: Quy trình đúc mẫu cháy
Hình 3.2: Quá trình điền đầy kim loại và khuôn đúc trong mẫu tự thiêu
Hình 3.3: Quy trình xử lý nhiệt
Hình 3.4: Máy đánh bóng Struers – Labopol
Hình 3.5: Máy hiển vi quang học Leica 4000
Hình 3.6: Hiển vi quang học Axiovert 25A chụp ảnh tổ chức
Hình 3.7: Thiết bị đánh giá độ mài mòn Tribotech

49
49
51
51
52
54
55
56
57
57
57
58
59
59
60
61
61
62
63
63
63
64
65
66
67


x
Hình 4.5: Phân tích nhiễu xạ Xray mẫu 2 sau nhiệt luyện
Hình 4.6: Ảnh TEM mẫu 2%Cr

Hình 5.11: Quy trình xử lý nhiệt số 2
Hình 5.12 : Tổ chức tế vi thép sau nhiệt luyện theo quy trình 2
Hình 5.13: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu M3
Hình 5.14: Kết quả ảnh SEM và BSED
Hình 5.15: Phân tích EDS
Hình 5.16: Tổ chức tế vi của thép khi xử lý ở các nhiệt độ trung gian khác nhau
Hình 5.17 : Tổ chức tế vi mẫu 5 sau nhiệt luyện theo quy trình 3a
Hình 5.18: Phân tích cacbit sau nhiệt luyện theo quy trình 3a
Hình 5.19: Ảnh SEM và phân tích EDS (hình 4.16) mẫu sau nhiệt luyện theo quy

67
68
69
71
71
72
73
74
75
75
76
76
77
77
78
80
81
81
82
85

3b
Hình 5.28: Phân tích EDS lines mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình 3b
Hình 5.29: Phân bố tổng thể các nguyên tố Cr, Fe, Mn và V
Hình 5.30: Phân tích EDS điểm mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình 3b
Hình 5.31: Ảnh TEM mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình 3b
Hình 5.32: Biểu đồ giá trị độ cứng của mẫu tại các quy trình xử lý khác nhau
Hình 6.1: Đồ thị giá trị độ cứng của mẫu sau nhiệt luyện và va đập
Hình 6.2: Tổ chức tế vi của mẫu sau va đập 1000 lần tải trọng 100N/cm2
Hình 6.3: Ảnh SEM mẫu 1 và 2 sau nhiệt luyện (a, b) và sau mài mòn (c, d)
Hình 6.4: Phân tích EDS mẫu 2 sau khi nhiệt luyện
Hình 6.5: Ảnh TEM mẫu 2 sau va đập
Hình 6.6: Giá trị độ cứng tế vi của mẫu sau va đập và xử lý ở các nhiệt độ âm
Hình 6.7: Tổ chức tế vi của các mẫu không có vanadi (mẫu 4a, 4c) và có vanadi
(mẫu 5b, 5d) các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập và xử lý ở nhiệt độ âm
Hình 6.8: Ảnh TEM của các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập
Hình 6.9: Ảnh TEM và vi nhiễu xạ của các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập và xử lý
ở nhiệt độ -800C
Hình 6.10: Giá trị độ cứng tế vi của mẫu sau va đập và xử lý ở các nhiệt độ âm
khác nhau
Hình 6.11: Tổ chức tế vi của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính (M5)
Hình 6.12:Tổ chức tế vi của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính (M5) ở 800
Hình 6.13: Ảnh TEM của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính (M5) sau va
đập
Hình 6.14: Sơ đồ sự tương tác giữa lệch và song tinh, đường trượt.
Hình 6.15: Tương tác giữa lệch và tường lệch khi biến dạng
Hình 6.16: Vùng tập trung lệch tại các giải trượt
Hình 6.17: Ảnh TEM của mẫu không biến tính (M5)và được biến tính (M7) ở -800C

99
100

1

MỞ ĐẦU
Thép austenite magan cao là thép hợp kim với hàm lượng Mn cao (trên 10%). Sau
khi xử lý nhiệt, trước khi chịu tải, thép có tổ chức austenite với độ dai cao và độ cứng thấp.
Trong quá trình làm việc, dưới tải trọng va đập, lớp bề mặt của thép bị biến cứng làm tăng
khả năng chịu mài mòn cho chi tiết. Đây là đặc điểm rất đặc trưng, riêng biệt của loại thép
này. Trong quá trình làm việc, những chi tiết chế tạo từ thép ausenite mangan cao sẽ bị
chịu đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà xát theo ứng suất tiếp.
Quá trình làm việc ban đầu chi tiết chịu tác động chủ yếu của va đập sau đó sẽ bị chà xát
và dẫn đến chi tiết mòn dần.
Họ thép austenite mangan cao đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp.
Nhiều ngành công nghiệp ứng dụng lượng thép austenite mangan rất lớn như ngành sản
xuất xi măng, vật liệu xây dựng, ngành khai khoáng, khai thác đất đá, máy xúc và các thiết
bị đập nghiền khoáng vật và rất nhiều ngành khác nữa. Tuy nhiên, hiện nay các nhà sản
xuất trong nước đang còn nhiều vấn đề vướng mắc là chất lượng sản phẩm còn thấp, mài
mòn nhanh, tuổi thọ làm việc thấp.
Vì vậy đã có nhiều công trình nghiên cứu và cho đến nay nhiều tác giả vẫn không
ngừng nghiên cứu để tìm hiểu bản chất thực sự của quá trình hóa bền nhằm nâng cao chất
lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng.
Trải qua nhiều năm sử dụng, nhiều quan điểm về cơ chế hóa bền đã được đề cập, từ
đó dẫn đến hiện nay trên thế giới đã có nhiều thay đổi trong phương pháp tăng bền cho
thép Mn cao như: hợp kim hóa kết hợp với xử lý nhiệt, phương pháp đúc hai lớp, phương
pháp cấy thanh cacbit tăng khả năng chống mài mòn.
Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp tăng bền bằng cách hợp kim hóa
kết hợp với quy trình xử lý nhiệt hợp lý. Một quy trình xử lý nhiệt hợp lý cho thép Mn cao
đã được hợp kim hóa sẽ góp phần tạo được các cacbit nhỏ mịn phân tán vừa tăng độ dai va
đập vừa tăng khả năng chống mài mòn cho thép.
Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của thép austenite mangan
cao đề tài của luận án được lựa chọn là:“Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Cr, V

Ý nghĩa khoa học
* Đã phân tích ảnh hưởng các nguyên tố tạo cacbit Cr, V đối với tăng cơ tính cho
thép austenite mangan cao.
* Trên cơ sở phân tích quá trình trình tiết và hòa tan cacbit, quá trình làm nhỏ hạt
austenite, xác định được quy trình nhiệt luyện hợp lý, tăng khả năng chống mài mòn và
tăng độ dai va đập cho thép.
* Đã nghiên cứu cơ chế biến cứng cơ học của thép austenite mangan cao dưới tác
dụng của lực va đập để từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến cứng cho thép. Việc
làm nhỏ hạt austenite sẽ có tác dụng tạo nhiều định hướng song tinh dưới tác dụng của tải
trọng dẫn đến tăng khả năng hóa bền của thép. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố trong nền
góp phần tăng tính chống mài mòn cho thép; ngăn cản quá trình chuyển động của lệch.
* Đã xác định được các phần tử cacbit, austenite trong thép ở kích thước nano và
phân tích ảnh hưởng của lớp nano bề mặt trong việc tăng cứng cho thép austenite mangan
cao.
Ý nghĩa thực tiễn
- Đã khẳng định được cơ chế hóa bền thép Mn15Cr2V, đưa ra phương pháp tăng bền
cho thép.
- Đã xây dựng được quy trình nhiệt luyện tăng bền cho thép Mn15Cr2V và đã được
áp dụng có hiệu quả để sản xuất búa đập đá.
Phương pháp nghiên cứu:
- Tập hợp tài liệu về thép mangan cao trong và ngoài nước.
- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp tổng hợp, đánh giá phân
tích, phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm.
Nội dung và bố cục của luận án
Luận án được chia làm 04 phần chính và mở đầu:
Mở đầu
Phần 1: Cơ sở lý thuyết.
Phần 2: Thực nghiệm.
Phần 3: Kết quả và bàn luận.
Phần 4: Kết luận chung

chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại cho đến khi bị mài mòn hết.

Hình 1.1: Mặt cắt giản đồ pha Fe-13Mn-C [28]


4
Thành phần hóa học của thép austenite mangan cao thông thường như sau:
Mn = 10 – 14%; C = 1,0 – 1,4%; tỷ lệ Mn : C = 10: 1
Giản đồ hình 1.1 cho thấy rằng với thành phần nguyên tố như thường sử dụng, sau
khi nung nóng đồng đều hóa thành phần trên 10000C, các nguyên tố hợp kim hòa tan hoàn
toàn vào austenite, khi làm nguội nhanh trong nước, thép có thành phần đồng nhất là γ
(austenite). Thép có thành phần khác nhau austenite sẽ chuyển thành mactenxit ở các nhiệt
độ khác nhau nhưng nói chung nhiệt độ bắt đầu chuyển biến (Ms) ở nhiệt độ âm. Với thép
chứa 13%Mn, 1,2%C nhiệt độ chuyển biến là -1960C [28], vì vậy sau khi đúc nung tôi trên
10000C và làm nguội trong nước thép có tổ chức hoàn toàn austenite.
Ở trạng thái đúc khi làm nguội chậm (ví dụ nhiệt độ dỡ khuôn thấp) và khi hóa già
thép có tổ chức austenite và cacbit.
Về tính chất thép austenite mangan cao có một số tính chất sau:
Có độ cứng, dẻo dai đặc biệt khi chịu tải trọng lớn tính chất này càng cao khi
tải trọng càng lớn.
Tính cơ học: độ bền σb = 800 – 1000Mpa, độ dãn dài σs = 40 – 50%.
Có tính đúc rất tốt nhưng tính gia công cơ khí kém.
Bảng 1.1: Tính đúc của thép austenite mangan cao [6]

Độ ngót khi đông đặc

Độ co tuyến tính tự do

Nhiệt độ đường lỏng


tạo thành một vùng đập nghiền. Khi bay, các mảnh vỡ đập vào các tấm lót (được gắn vào


5
các tấm phản hồi) trên thành vỏ máy, bật ngược trở lại đầu búa để nghiền tiếp, cứ như vậy
cho đến khi đủ nhỏ lọt qua mẳt sang ra ngoài. Kích thước của sản phẩm cuối cùng có thể
được điều chỉnh bằng cách thay đổi các đĩa sàng. Khoảng cách giữa các roto và các đĩa
sàng cũng có thể được điều chỉnh theo yêu cầu khác nhau.

Hình 1.2: Mô phỏng quá trình làm việc của chi tiết búa đập làm từ thép austenite mangan cao [9]

Phần làm việc chịu mài mòn chính của búa đập là đầu búa. Chiều dài đầu búa được
lựa chọn theo kích thước của viên đá nạp lớn nhất.
Nếu Dmax ≤ 10 mm thì l = (1,4 -1,8) Dmax
Dmax = (100 -400) mm thì l = 0,6 Dmax
Trong đó: Dmax: kích thước đá nạp lớn nhất.
l: chiều dài đầu búa (thông thường chiều dài đầu búa được chọn bằng 0.5 chiều dài cả búa).
Động năng của búa: E = MoV2/2
Trong đó: Mo: là khối lượng búa (kg).
V: Tốc độ dài của búa (m/s).
Như vậy có thể thấy trong điều kiện làm việc, tốc độ quay của búa rất cao (100m/s),
khi nghiền quặng, búa sẽ bị đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà
xát theo ứng suất tiếp. Tính toán lực đập lên búa đập quặng ước tính khoảng 78N/cm2.
Tải trọng va đập trong quá trình làm thí nghiệm được tính toán lớn hơn rất nhiều so
với tải trọng mà viên quặng tác dụng lên đầu búa [23].
Ban đầu, khi quặng thô to, búa chủ yếu bị va đập mạnh. Hạt quặng càng nhỏ, búa sẽ
càng bị chà xát nhiều dẫn đến búa sẽ bị mòn dần. Cho đến khi búa mòn nhiều quá thì sẽ
phải dừng thiết bị để thay.
Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải có thể chịu được tải trọng
lớn khi va đập mạnh và có thể chịu được mài mòn trong quá trình bị chà xát. Có nghĩa là

Bảng 1.2: Thang độ cứng và phân loại các loại khoáng vật [8]
Độ cứng
Vật liệu chuẩn
Tính chất
1
Talc
Dễ vạch bằng móng tay
Mềm
2
Thạch cao
Vạch bằng móng tay
3
Can xit
Dễ vạch bằng dao
4
Florit
Khó vạch bằng dao
Trung bình
5
Apatit
Không vạch dược bằng dao
6
Tràng thạch
Cứng bằng kính cửa sổ
7
Đá quắc
Vạch được thủy tinh
8
Topa
Vạch được thủy tinh



7
Clinker lò đứng tự động
Clinker lò đứng thủ công
Diệp thạch
Xỉ lò cao trung bình
Cát
Đá hoa cương to hạt
Tràng thạch
Vôi sống
Talc
Than đá

1,15 - 1,25
1,3 – 1,4
0,9
1.0
0.6-0.7
0.9
0.8-0.9
1.64
1.04-2.02
0.75-1.34

Người ta quy ước chia quá trình đập nghiền thành các giai đoạn sau:

Đập

Nghiền

sử dụng loại thép này được.
Lực tác dụng vào búa để gây phá hủy trong quá trình va đập tồn tại hai dạng lực
chính là lực ly tâm trong quá trình búa chuyển động và động lượng gây ra trong quá trình
va chạm của búa với quặng. Nếu như lực này gây ra ứng suất nhỏ hơn ứng suất tới hạn thì
búa sẽ không bị phá hủy và sẽ bị hỏng chính là do quá trình mài mòn. Ngoài ra, nếu ứng
suất gây nên nhỏ hơn σ0.2 thì búa sẽ không bị biến dạng dẻo.
Có thể thấy trong điều kiện làm việc, tốc độ quay của búa rất cao (100m/s), khi
nghiền quặng, búa sẽ bị đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà xát
theo ứng suất tiếp.
Ban đầu, khi quặng thô to, búa chủ yếu bị va đập mạnh. Hạt quặng càng nhỏ, búa sẽ
càng bị chà xát nhiều dẫn đến búa sẽ bị mòn dần. Cho đến khi búa mòn nhiều quá thì sẽ
phải dừng thiết bị để thay.
Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải chịu được tải trọng lớn
khi va đập mạnh và chịu được mài mòn trong quá trình bị chà xát. Có nghĩa là vật liệu làm
búa đập phải vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại vừa cứng
vững bên ngoài (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng).
Thép mangan cao có thể đáp ứng yêu cầu này nếu được hợp kim hóa và nhiệt luyện
thích hợp.
Do có mangan cao sau khi nhiệt luyện, thép có tổ chức thuần austenite nên rất dẻo và
có thể chịu được va đập của các loại quặng cứng. Dưới tác động mạnh của lực va đập,
austenite chuyển biến thành mactenxit [6,11,61] hoặc tạo ra song tinh, xô lệch mạng


8
[24,25, 27,28, 29,34,50,57,68], bề mặt thép bị biến cứng. Lượng va đập càng lớn hoặc thời
gian va đập kéo dài, lớp biến cứng bề mặt này càng hình thành nhiều. Khi kích cỡ hạt
quặng nhỏ dần, sự chà xát tăng lên làm lớp bề mặt biến cứng chịu mài mòn, bị mòn dần đi,
lớp biến cứng mới xuất hiện. Quá trình cứ diễn ra như vậy cho đến khi búa mòn hẳn và hết
hiệu quả sử dụng.
Với các loại quặng quá mềm hoặc quá ẩm, búa sẽ không thể biến cứng được do lực

Hình 1.4: Tổ chức tế vi mẫu búa trong nước (a) và nhập ngoại (b) [9]

Các sai hỏng khác: các sai hỏng về kích thước và hình dạng chủ yếu xuất hiện
trong quá trình đúc chứ không xuất hiện dưới các điều kiện làm việc khác nhau của búa.

1.3. Các dạng thép austenite mangan cao
Trên cơ sở phân tích đặc điểm điều kiện làm việc của thép austenite mangan cao và
quá trình hình thành phát triển của thép này có thể phân chia ra một số nhóm thép mangan
cao như sau :
Ở Nga chỉ có một mác thép austenite mangan cao với ký hiệu 110Γ13A (trước đây là
Γ13A hay đơn giản hơn chỉ là Γ13) mà các điều kiện kỹ thuật của nó được quy định ở
ΓOCT2176 – 77.
Bảng 1.5: Thành phần hóa học thép Γ13 (tính theo % nguyên tố) [7]

C

Mn

Cr

 1,0

Ni

Si

Cu

P



Z
%

360380

650830

3453

3443

Độ dai va đập (KCU),J/cm2,ở các nhiệt
độ,0C
+20

-20

-40

-60

-80

2635

2432

2230


1,2-1,35

Mn
11,00min
11,5-14,0
11,5-14,0
11,5-14,0
11,5-14,0

Cr
-

Mo
-

Ni
-

Simax
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00

Pmax
0,070
0,070
0,070
0,070

0,05
0,04
0,80
0,035 0,30-0,8

Cr
-

V
-

Sau khi đúc thép được sử dụng ở trạng thái austenite hóa ở trên 10000C để khử bỏ
(hòa tan) hết cacbit Mn3C, thép có tổ chức hầu như hoàn toàn austenite. Cơ tính sau khi
austenite hóa (tôi) được giới thiệu ở bảng sau:
Bảng 1.9: Cơ tính của các mác thép austenite mangan cao ở trạng thái austenite hóa theo JIS
G5131-91 [9]

Mác thép
SCMnH1
SCMnH2
SCMnH3

Nhiệt độ
austenite
hóa,0C
1000
1050
1050

R0.2min,