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

TRƢƠNG QUỐC TÍNH

NGHIÊN CỨU HỢP KIM HOÁ VÀ XỬ LÝ NHIỆT THÉP
MANGAN CAO

Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ Thuật Vật Liệu
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS.TS. LÊ THỊ CHIỀU

Hà Nội – 9/2013


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 4
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 6
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 7
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 11
CHƢƠNG I: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THÉP HADFIED TRONG...................... 13
VÀ NGOÀI NƢỚC........................................................................................................ 13
1.1. Quá trình nghiên cứu thép Hadfied trên thế giới. ............................................... 13
1.2. Tình hình nghiên cứu thép Hadfied trong nƣớc.................................................. 14
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ THÉP HADFIED ..................................................... 17
2.1. Đặc điểm của thép Hadfied. ................................................................................ 17
2.2. Ảnh hƣởng của thành phần đến tổ chức và tính chất thép Hadfield. .................. 19

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả
nghiên cứu trong bản luận văn này hoàn toàn trung thực, chính xác và chƣa từng đƣợc
công bố ở bắt kỳ công trình hoặc cơ sở nào khác dƣới dạng luận văn.

Ngƣời cam đoan

TRƢƠNG QUỐC TÍNH


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS. Lê Thị
Chiều và TS. Phạm Mai Khánh, những ngƣời đã trực tiếp định hƣớng đề tài và tận tình
hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Vật Liệu và Công Nghệ
Đúc, ThS. Nguyên Dƣơng Nam đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực nghiệm,
nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Ngoài ra cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới công ty TNHH đúc thép hợp
kim Thắng Lợi VICO đã tạo điều kiện tốt và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ
án này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, công ty nơi em đang làm
việc đã hỗ trợ, động viên em về mọi mặt.
Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Trƣơng Quốc Tính


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Ms

Photpho
Lƣu Huỳnh
Vanadi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Tính chất cơ học của vật đúc 1,11%C-12.7%Mn-0.5%Si-0.043%P làm nguội
trong nƣớc từ 1040 ° C 1900 ° F) ................................................................................. 32
Bảng 2.2 Thành phần nguyên tố của mẫu thí nghiệm ................................................... 38
Bảng 2.3 Thành phần hoá học thép Hadfied theo tiêu chuẩn Nga. ............................... 40
Bảng 2.4. Cơ tính của vật đúc thành dày 30mm bằng mác 110Γ13A sau khi tôi 105011000C trong nƣớc ......................................................................................................... 40
Bảng 2.5 Thành phần hóa học % của các mác thép Hadfield của Mĩ theo tiêu
chuẩn ASTM A128-90 ở bảng dƣới: ..................................................................... 41
Bảng 2.6: Thành phần hóa học % của các mác thép Hadfield của Nhật theo tiêu
chuẩn JIS G5131-91ở bảng dƣới: .................................................................................. 42
Bảng 2.7 Cơ tính của các mác thép Hadfield ở trạng thái Austenit hóa theo JIS G513191 .................................................................................................................................... 42
Bảng 4.1. Thành phần mẫu ............................................................................................ 57
Bảng 4.2 Chế độ nhiệt luyện của các mẫu thí nghiệm. ................................................. 70


DANH MUC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2. 1 Mặt cắt giản đồ trạng thái Fe-13Mn-C ................................................ 17
Hình 2. 2 Độ hoà tan C vào thép Mn (13%) ....................................................... 19
Hình 2. 3 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lƣợng cabcon của thép austenit mangan
chứa 12,2 đến 13,8% Mn. Số liệu lấy từ mẫu đúc nặng 3,6 đến 4,5 kg và kích
thƣớc ngang khoảng 25 mm, nhúng vào nƣớc từ 1040 đến 1095 0C................... 20
Hình 2. 4 Sự thay đổi cơ tính theo hàm lƣợng mangan củai thép austenit mangan
1,15% C. khối lƣợng đúc từ 3,6 đến 4,5 kg, chiều dày khoảng 25 mm, nung tôi ở
1040 đến 10950C, làm nguội trong nƣớc. Thử va đập 20 lần tác động với lực

Hình 4. 2 Hình ảnh SEM mẫu hợp kim hóa không biến tính: hình ảnh cacbit ... 51
Hình 4. 3 Biểu đồ giá trị độ cứng khi thay đổi hàm lƣợng Vanadi ..................... 52
Hình 4. 4 Ảnh tổ chức tế vi thực hiện biến tính và không biến tính ................... 54
Hình 4. 5 Ảnh tổ chức tế vi hàm lƣợng Vanadi 2% có biến tính và không biến
tính ........................................................................................................................ 55
Hình 4. 6 Biểu đồ giá trị độ cứng khi thay đổi hàm lƣợng V, biến tính và không
biến tính ................................................................................................................ 56


Hình 4. 7 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu không va đập ............................................ 58
Hình 4. 8 Phân tích EDS thành phần điểm mẫu sau nhiệt luyện a,b,c,d ........... 60
Hình 4. 9 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu va đập sau nhiệt luyện .............................. 62
Hình 4. 10 Ảnh SEM mẫu sau va đập ................................................................. 62
Hình 4. 11 Tổ chức mẫu xe tăng T54 sau thời kỳ làm việc ................................ 63
Hình 4. 12 Giá trị độ cứng ................................................................................... 64
Hình 4. 13 Mẫu sau đúc và thành phần một số điểm .......................................... 66
Hình 4. 14 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ truyền thống .............................................. 67
Hình 4. 15 Tổ chức tế vi mẫu nhiệt luyện theo chế độ truyền thống .................. 67
Hình 4. 16 Sơ đồ nhiệt luyện chế độ nghiên cứu ................................................ 68
Hình 4. 17 Tổ chức tế vi mẫu nhiệt luyện theo chế độ nghiên cứu..................... 68
Hình 4. 18 Ảnh tổ chức của các mẫu dỡ khuôn ở các nhiệt độ khác nhau ......... 72


LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng đất nƣớc, các ngành khai khai thác đất đá, sản xuất
vật liệu xây dựng, nhƣ xi măng… đang ngày phát triển. Theo đó, các loại phụ tùng thay
thế trong các máy xúc, các thiết bị đập nghiền khoáng vật cũng tăng theo. Nhiều loại
phụ tùng có nhu cầu lớn về số lƣợng nhƣ các loại là búa đập, tấm lót, răng gầu xúc…
làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt: vừa chịu mài mòn, vừa chịu va đập cao.
Trƣớc đây, các loại phụ tùng này phải nhập từ Liên Xô cũ, sau đó đƣợc mua ở

QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THÉP HADFIED TRONG
VÀ NGOÀI NƢỚC
1.1. Quá trình nghiên cứu thép Hadfied trên thế giới.
Năm 1982 nhà luyện kim ngƣời Anh tên là Robert Hadfield đã nấu luyện một
loại thép với hàm lƣợng mangan cao gần 13% . Từ năm 1878, Hadfield đã bắt tay vào
nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan. Sau đó
bốn năm, nhà luyện kim trẻ tuổi của xứ Sepfin này đã ghi trong nhật ký của mình nhƣ
sau: “Tôi đã bắt đầu những thí nghiệm này vì quan tâm đến việc sản xuất một loại thép
vừa cứng, đồng thời lại vừa dai. Các thí nghiệm đã dẫn đến một kết quả đáng chú ý,
rất quan trọng và đủ sức làm thay đổi các quan điểm hiện hành của các nhà luyện kim
đối với các hợp kim của sắt”. Năm 1883, ông đã đƣợc cấp bằng phát minh đầu tiên của
nƣớc Anh về thép mangan sản xuất bằng cách pha feromangan giàu mangan vào sắt.
Trong những năm tiếp theo, ông tiếp tục nghiên cứu những vấn đề liên quan với thép
mangan. Năm 1883, các công trình của ông “Nghiên cứu về mangan và việc sử dụng nó
trong ngành luyện kim”, “Nghiên cứu về một số tính chất mới phát hiện được của sắt
và mangan” và “Nghiên cứu về thép mangan” đã ra đời. Các công trình nghiên cứu này
đã chỉ ra rằng nếu đƣợc tôi trong nƣớc thì loại thép mangan này có thêm những tính
chất mới, rất ƣu việt. Sau đó, Hadfield còn nhận đƣợc hàng loạt bằng phát minh nữa
liên quan với việc nhiệt luyện thép mangan, và đến năm 1901 thì ông đƣợc trao bằng
phát minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trƣớc khi tôi. Ngày nay, trải
qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, thép Hadfield đã có những ứng dụng rất nhiều
trong các lĩnh vực công nghiệp. Đặc biệt là trong công nghiệp khai khoáng, công
nghiệp xi măng, đƣờng sắt… Đó là các chi tiết chịu mài mòn và chịu va đập dƣới áp
lực cao.


1.2. Tình hình nghiên cứu thép Hadfied trong nƣớc.
Nhu cầu thép hợp kim ở Việt Nam không ngừng tăng về số lƣợng cũng nhƣ
chủng loại, đòi hỏi chất lƣợng cũng ngày một cao. Để đáp ứng yêu cầu này đại bộ phận
phải nhập ngoại. Song nhiều khi do không thể nhập đƣợc đúng kích cỡ và quy cách nên

và thép hợp kim. Chỉ mới có một vài nhà máy cơ khí trong và ngoài quân đội sản xuất
một số mác thép hợp kim với sản lƣợng rất nhỏ, chủ yếu là dƣới dạng đúc thép hoặc
phôi rèn, nhu cầu không ổn định, số lƣợng thƣờng rất nhỏ, tổ chức sản xuất số lƣợng
không nhiều, chƣa đảm bảo chất lƣợng, giá thành cao, kém sức cạnh tranh. Nguyên
nhân của việc này là:
- Do không chuyên nấu thép hợp kim nên hệ thống thiết bị nấu luyện chƣa đồng
bộ, ở tất cả các cơ sở, ngoài lò điện hồ quang hoặc lò trung cao tần, không có các thiết
bị xử lí tinh luyện ngoài lò…
- Do không nấu thép hợp kim thƣờng xuyên, mác thép hay thay đổi nên công
nghệ nấu luyện chƣa đƣợc thuần thục, cộng thêm chất lƣợng nguyên vật liệu hay biến
động và nói chung không đảm bảo làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng thép.
- Công nghệ giai đoạn sau chƣa đƣợc chú ý đúng mức, hay có thể nói là chƣa có
điều kiện thực hiện. Phải thấy là việc tổ chức sản xuất thép hợp kim ở nƣớc ta không
dễ.
Việc sản xuất một mác thép mới cần đầu tƣ đáng kể về vật chất và về công
nghệ, trong khi nhu cầu thị trƣờng rất cần nhiều mặt hàng mà mỗi mặt hàng số lại
không nhiều, thời gian đòi hỏi thƣờng lại rất gấp, khách hàng quen dùng thép hợp kim
nhập ngoại (thép chế tạo nhập đƣợc miễn thuế , đồng thời khách hàng cũng chƣa tin
tƣởng vào thép nội sản xuất gặp rất nhiều khó khăn. Tình hình trên cản trở rất nhiều
việc tổ chức sản xuất thép chất lƣợng và thép hợp kim ở nƣớc ta. Mặt khác, việc sản
xuất thép hợp kim ở nƣớc ta hầu nhƣ hoàn toàn mô phỏng các mác thép của nƣớc
ngoài, cốt sao nấu cho đúng thành phần mác thép đó để sử dụng, chƣa cơ sở nào quan


tâm đến nghiên cứu và sản xuất các mác thép phù hợp với yêu cầu thực tế đề ra. Vì
vậy nghiên cứu, đề xuất các giải pháp công nghệ cho thép mangan cao là rất cần thiết
và đó cũng là lý do để đề tài này đƣợc thực hiện.


CHƢƠNG II

Ni

Si

 1,0 0,8-1,0

Cu

P

S

 0,3

 0,12

 0,05

Giản đồ hình 2.1 cho thấy rằng với thành phần nguyên tố nhƣ thƣờng sử dụng,
sau khi nung đồng đều hóa thành phần trên 1000oC, các nguyên tố hợp kim hòa tan
hoàn toàn vào austenit, khi làm nguội nhanh trong nƣớc, thép có thành phần đồng nhất
là γ austenite. Thép có thành phần khác nhau austenit sẽ chuyển thành mactensit ở các
nhiệt độ khác nhau, nhƣng nói chung đều có nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Ms ở nhiệt
độ âm. Với thép chứa 13%Mn, 1,2%C, nhiệt độ chuyển biến là -196o, vì vậy sau khi
đúc, nung tôi trên 1000o, và làm nguội trong nƣớc, thép có tổ chức 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.
Đây là loại thép hợp kim đặc biệt, 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.

Ngoài ra C có thể kết hợp với một số hợp kim nhƣ Cr, W, Mn, Mo, Ti, V, Nb…
tạo thành Cacbit trong thép. Theo tiêu chuẩn ASTM A128-90 thì thành phần các
nguyên tố của các mác thép trong trong hình 2.2 không cho phép bất cứ chuyển
hoá Austenit nào khi các hợp kim đƣợc làm nguội trong nƣớc trên đƣờng Acm.
Đối với các chi tiết
lớn, kích thƣớc không đồng
đều, tính dẻo ở phần dày bị
giảm đi vì quá trình làm
nguội các phần dày chậm đi
so với phần mỏng hơn. Quá
trình này là nguyên nhân
hình thành cacbit dọc biên
hạt và những vùng nhánh
khác và có thể, ảnh hƣởng
của tất cả các vùng trong
khuôn trừ chỗ nhỏ nhất.

Hình 2. 2 Độ hoà tan C vào thép Mn (13%)

Hình 2.2 cho thấy nhiệt độ Acm cho thép 13% Mn chứa từ 0,6 đến 1,4% C.
Các tính chất cơ học của thép austenit mangan khác hẳn so với cả hai thành
phần cấu thành chúng là cacbon và mangan. Khi hàm lƣợng cacbon tăng, khó mà giữ
tất cả cacbon trong dung dịch rắn, vì vậy cacbon tăng, độ dẻo giảm. Tuy nhiên, khi
tăng cacbon, khả năng chống mài mòn có xu hƣớng tăng. Vì vậy trong loại thép này,


hàm lƣợng cacbon thƣờng cao, khoảng 1,20% mặc dù tính dẻo có bị giảm. t khu sử
dụng hàm lƣợng cacbon trên 1,4% vì khi nhiệt luyện rất khó nhận đƣợc tổ chức hoàn
toàn austenit, mà thƣờng chứa cacbit ở biên hạt. Điều đó có thể làm ảnh hƣởng xấu đến
độ bền và độ dẻo. Ngoài ra sự thiên tích có thể tạo ra những vùng khác biệt về thành

chững lại, dẫu vẫn còn một vài sự tăng cƣờng không đáng kể cho đến khi hàm lƣợng
đạt 13%.
2.2.2. Ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim.
2.2.2.1. Ảnh hƣởng của Silic.
Silic có mặt trong tất cả loại của mác thép A 128 tiêu chuẩn ASTM bảng 2.5
của thép austenit mangan. Silic ít khi đƣợc đƣa vào với hàm lƣợng lớn trừ khi dùng cho
mục đích sản xuất thép đặc biệt. Hàm lƣợng silic vƣợt quá 1% là không phổ biến. Hàm
lƣợng silic 1% và 2% có thể đƣợc sử dụng để gia tăng giới hạn chảy đến một mức độ
vừa phải, tuy nhiên với mục đích nhƣ vậy thì các nguyên tố khác lại đƣợc sử dụng
nhiều hơn. Độ bền giảm xuống đột ngột khi hàm lƣợng Si trên 2,2% nên thép mangan
chứa nhiều hơn lƣợng Si này trở nên vô giá trị. Mặt khác, mức silic dƣới 0,1% lại làm
cho tính lỏng giảm đi trong quá trình đúc.
2.2.2.2. Ảnh hƣởng của Photpho.
Ảnh hƣởng của P đến cơ tinh 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
tƣơng đối, giảm lan truyền vết nứt. Do đó việc khống chế hàm lƣợng P theo yêu cầu qui
định trong mác thép khá chặt chẽ.
2.2.2.3. Ảnh hƣởng của Crôm.
Với lƣợng cacbon thông thƣờng khoảng 1,15% thì C làm tăng ứng suất chảy dẻo
Hình 2.5 và tiến trình cản chịu ảnh hƣởng.


Hình 2. 6 Ảnh hưởng của (a) crôm,(b) molypden, và (c) hàm lượng niken đến các thuộc
tính căng dãn của thép mangan đúc. Thép đã được đúc mẫu thử nghiệm 25 mm, nung
nóng đến 10950 C (20000F), và tôi nước.
Crôm bổ sung vào thép làm cơ tính
cải thiện đáng kể, và loại thép mangan cao
crôm ví dụ: mác thép A 128 - ASTM, loại
C có lẽ là phổ biến nhất. ASTM A 128, loại
B, cũng thƣờng có một ít crôm. Bổ sung đến

Với thành phần 1% molypden ASTM A 128, mã E-1, và AWS A5.13, mã
EFeMn-B có khả năng chịu đƣợc sự nung nóng trong quá trình làm việc, điều mà các
mã tiêu chuẩn B-2, B-3 và B-4. Mã E-1 bị hạn chế. Các loại thép có molipden thích
hợp với việc đúc các chi tiết cỡ lớn đƣợc sử dụng trong máy nghiền, các chi tiết trong
quá trình hàn vá và hàn phủ thƣờng xuyên bị nung nóng.
Mã E-2, trong đó có khoảng 2% Mo, có thể đƣợc xử lý nhiệt đặc biệt để tạo
thành tổ chức cacbit mịn phân tán trong Austenit. Quá trình xử lý nhiệt này đòi hỏi sự
làm mịn hạt từng phần Bằng sáng chế Mỹ 1.975.746 bằng cách peclit hóa khoảng
5950C (11050F trong 12 giờ và nhúng vào nƣớc từ 9800 C (18000F . Loại tổ chức này
có khả năng tăng độ chịu mài mòn trong các ứng dụng máy nghiền. Độ bền kéo của


các phần máy nghiền hình nón mòn dao động từ 440 đến 485 MPa 64 đến 70 ksi độ
bền nén, MPa 695 - 850 100 đến 125 ksi độ bền kéo, và 15 đến 25% độ dãn dài.
Việc thêm vào hơn 1% hàm lƣợng molypden có thể làm cho thép mangan có
thể nóng chảy cục bộ trong quá trình xử lý nhiệt. Sự nóng chảy trƣớc tiên xảy ra do có
sự hiện diện của các hợp chất có điểm nóng chảy thấp ở vùng giữa các nhánh cây và
dọc theo các biên hạt. Hiện tƣợng này có xu hƣớng tồi tệ hơn khi mà lƣợng P cao hơn
> 0,05% , ở nhiệt độ cao hơn và mức độ cacbon cao hơn > 1,3% trong thép.
Ngoài ra molypden đƣợc thêm vào thép mangan mã F để tránh hiện tƣợng hoá
giòn trong cả lúc đúc và trong điều kiện xử lý nhiệt.
2.2.2.5. Ảnh hƣởng của Ni.
Niken, với số lƣợng lên đến 4%, là nguyên tố ổn định Austenit vì nó luôn tồn tại
trong dung dịch rắn. Đặc biệt Ni ken có tác dụng ngăn chặn sự tiết ra cacbít ở khoảng
300 đến 5500C. Sự có mặt của niken giúp giữ đƣợc phẩm chất phi từ tính trong thép,
đặc biệt là ở các lớp bề mặt bị thoát cacbon. Niken bổ sung vào thép mangan cao làm
tăng độ dẻo, giảm độ bền kéo, và giảm sức chịu mài mòn thép mangan. Niken đƣợc sử
dụng chủ yếu trong các mác thép mangan có hàm lƣợng cacbon thấp và các sản phẩm
thép mangan đã đƣợc rèn bao gồm cả điện cực hàn . Trong các sản phẩm rèn, niken
đôi khi đƣợc sử dụng kết hợp với molypden.