Nghiên Cứu Tổ Chức Và Tính Chất Của Thép SKD11 Khi Làm Lạnh âm Sâu

Tải bản đầy đủ (.pdf) (71 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Cơ khí - Chế tạo máy

Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.73 MB, 71 trang )

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuLỜI CAM ĐOANTôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được hình thành vàphát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS.Nguyễn AnhSơn và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu, kếtquả trong luận văn là hoàn toàn chính xác và trung thực.Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này.Tác giả luận vănTRẦN THỊ MAITrần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B1Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuLỜI CẢM ƠNTôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Anh Sơn, Bộ môn Vật liệu học, xử lý Nhiệtvà Bề mặt – Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đãtrực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành đề tài.Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật liệuhọc, xử lý Nhiệt và Bề mặt, các thầy cô giáo ở Phòng thí nghiệm kim loại học, các bạnsinh viên lớp Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt K54 và K55, các kỹ thuật viên của ViệnCông nghệ-Bộ Công Thương và Công ty TNHH Công nghệ FC Hòa Lạc đã tạo điều kiệngiúp tôi hoàn thành đề tài này.Tác giả luận vănTRẦN THỊ MAITrần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B2Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuMỤC LỤCTrangLỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... 1LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 2MỤC LỤC ..................................................................................................................... 3DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................ 5DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...................................................................... 6LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 8CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ......................................................................................... 91.1. Công nghệ xử lý lạnh thép ........................................................................................91.1.1. Quy trình xử lý lạnh thông dụng.........................................................................101.1.2. Đối tượng áp dụng ................................................................................................ 131.1.3. Các môi trường xử lý lạnh ...................................................................................131.1.4. Thiết bị xử lý lạnh .................................................................................................141.2. Công nghệ xử lý lạnh thép SKD11 .........................................................................141.2.1. Tổ chức và tính chất thép SKD11 sau nhiệt luyện thông thường ....................151.2.2.Tổ chức và tính chất thép SKD11 sau xử lý lạnh ..............................................171.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý lạnh ................................................201.3. Các phương pháp đánh giá tổ chức sau xử lý lạnh ..............................................261.3.1.Phương pháp kim tương định lượng ...................................................................261.3.2. Phương pháp nhiễu xạ rơnghen ..........................................................................271.4. Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu .................................................281.4.1. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 281.4.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 281.4.3. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................29CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............ 302.1. Sơ đồ các bước chuẩn bị, nghiên cứu ....................................................................302.2. Các bước thực nghiệm nghiên cứu .........................................................................312.2.1. Lựa chọn vật liệu, chuẩn bị mẫu trước khi tôi...................................................31Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B3Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu2.2.2. Lựa chọn quy trình nhiệt luyện và xử lý lạnh ....................................................312.2.3. Các bước nghiên cứu sau các quy trình tôi và xử lý lạnh .................................372.2.4. Các bước thực nghiệm ..........................................................................................392.3. Thiết bị thí nghiệm...................................................................................................40CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 463.1. Tổ chức và tính chất của thép SKD11 sau nhiệt luyện.........................................463.1.1. Tổ chức của thép SKD11 sau ủ ............................................................................463.1.2. Tổ chức của thép SKD11 sau tôi .........................................................................473.2. Tổ chức và tính chất của thép sau xử lý lạnh ........................................................503.2.1. Xử lý lạnh thông thường ......................................................................................503.2.2. Tổ chức của thép sau xử lý lạnh âm sâu ............................................................. 523.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh tới tổ chức và tính chất của thép ................563.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh đến hàm lượng cacbit .................................563.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh đến austenit dư ...........................................603.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh đến độ cứng của thép .................................613.4. Ảnh hưởng của thời gian xử lý lạnh tới tổ chức và tính chất của thép ..............613.5. Ảnh hưởng của chế độ xử lý sau gia công lạnh tới tổ chức cacbit ......................653.5.1. Ảnh hưởng của tốc độ nâng nhiệt ........................................................................653.5.2. Tổ chức tế vi và độ cứng của mẫu được xử lí nhiệt sau xử lí lạnh .....................66KẾT LUẬN ................................................................................................................. 69TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 70Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B4Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuDANH MỤC CÁC BẢNGTrangBảng 1.1: Thành phần hóa học của thép SKD11.............................................................. 15Bảng 1.2: Vùng nhiệt độ gia công lạnh và ứng dụng .......................................................21Bảng 2.1: Thành phần hóa học mẫu nghiên cứu ở trạng thái cung cấp ........................... 31Bảng 2.2: Quy trình tôi, xử lý lạnh 1 ................................................................................32Bảng 2.3: Quy trình tôi, xử lý lạnh 2 ................................................................................33Bảng 2.4: Quy trình tôi, xử lý lạnh 3 ................................................................................34Bảng 2.5: Quy trình tôi, xử lý lạnh 4 ................................................................................36Bảng 2.6: Các bước nghiên cứu sau quy trình 1............................................................... 37Bảng 2.7: Các bước nghiên cứu sau quy trình 2............................................................... 37Bảng 2.8: Các bước nghiên cứu sau quy trình 3............................................................... 38Bảng 2.9: Các bước nghiên cứu sau quy trình 4............................................................... 39Bảng 3.1: Kết quả đo độ cứng của các mẫu sau ủ ............................................................ 46Bảng 3.2: Thành phần các nguyên tố trong các pha sử dụng phương pháp EDX ............49Bảng 3.3: Độ cứng của thép sau nhiệt luyện ở các nhiệt độ khác nhau ........................... 50Bảng 3.4: Thành phần các nguyên tố trong các pha sau xử lý lạnh .................................52Bảng 3.5: Thành phần nguyên tố trong các loại cacbit khi xử lý lạnh ở -120oC .............54Bảng 3.6: Thành phần nguyên tố trong các loại cacbit khi xử lý lạnh ở -196oC .............56Bảng 3.7: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -200C .........................................................57Bảng 3.8: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -800C ........................................................58Bảng 3.9: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -1200C ......................................................59Bảng 3.10: Hàm lượng cacbit mẫu xử lý lạnh -1960C .....................................................59Bảng 3.11: Hàm lượng austenit dư sau xử lý lạnh âm sâu ...............................................60Bảng 3.12: Độ cứng các mẫu sau xử lý lạnh ở các nhiệt độ khác nhau ........................... 61Bảng 3.13: Hàm lượng cacbit và độ cứng mẫu ................................................................ 62Bảng 3.14: Hàm lượng austenit dư của mẫu sau xử lý lạnh ở -1200C ............................. 64với thời gian giữ nhiệt khác nhau .....................................................................................64Bảng 3.15: Độ cứng các mẫu sau xử lý lạnh ở -1200C.....................................................65Bảng 3.16: Hàm lượng cacbit và độ cứng mẫu ................................................................ 66Bảng 3.17: Hàm lượng cacbit và độ cứng mẫu ................................................................ 68Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B5Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊTrangHình 1.1: Chu kỳ nhiệt luyện thép gió M2 ......................................................................11Hình 1.2: Quy trình nhiệt luyện thép D2 theo Stratton ....................................................12Hình 1.3: Giản đồ Fe-Cr-C ở 700o C ................................................................................16Hình 1.4: Mặt cắt giản đồ Fe-Cr-C ở 10000C.................................................................16Hình.1.5: Tổ chức tế vi của thép.......................................................................................17Hình.1.6: Ảnh hiển vi quang học của thép sau tôi (a), sau xử lý lạnh (b) ........................18Hình 1.7: Giản đồ nhiễu xạ rơnghen mẫu khối ................................................................ 19Hình 1.8: Độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép D2 .........................................20Hình 1.9: Mức độ cải thiện về tính chống mài mòn ........................................................22Hình 1.10: Ảnh SEM của mẫu .........................................................................................23Hình. 1.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ mài mòn trên thép . .........................23Hình.1.12: Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt ở -196 ° C ...............................................25Hình. 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ auxtenit hóa và thời giữ ở nhiệt độ lạnh ................25Hình 2.1: Sơ đồ các bước nghiên cứu ..............................................................................30Hình 2.2: Kích thước mẫu nghiên cứu .............................................................................31Hình 2.3: Quy trình tôi, xử lý lạnh 1 ................................................................................32Hình 2.4: Quy trình tôi, xử lý lạnh 2 ................................................................................33Hình 2.5: Quy trình tôi, xử lý lạnh 3 ................................................................................35Hình 2.6: Quy trình tôi, xử lý lạnh 4 ................................................................................36Hình 2.7: Kính hiển vi quang họcAxioplan2....................................................................41Hình 2.8: Thiết bị phân tích thành phần kim loại và hợp kim75/80J MVU.....................42Hình 2.9: Lò nung có khí bảo vệ HTC 08/16, và Nabertherm 16N .................................42Hình 2.10: Máy đo độ cứng thô đại 751N-Wilson Wolpert .............................................43Hình 2.11: Thiết bị Rơnghen Miniflex 600 ......................................................................44Hình 2.12: Kính hiển vi điện tử quétJEOL JSM-7600F ...................................................45Hình 3.1: Ảnh tổ chức sau ủ X500 ...................................................................................46Hình 3.2: Ảnh tổ chức sau ủ X500 ...................................................................................46Hình 3.3: Tổ chức thép SKD11 sau tôi ở các nhiệt độ .....................................................47Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B6Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuHình 3.4: Ảnh SEM của thép sau tôi ở 1050oC ................................................................ 48Hình 3.6: Kết quả phân tích EDX của thép sau tôi ..........................................................49Hình 3.7: Ảnh SEM của thép sau khi gia công lạnh ........................................................50Hình 3.8: Các điểm phân tích EDX sử dụng SEM ........................................................... 51Hình 3.9: Kết quả phân tích EDX của thép sau gia công lạnh .........................................51Hình 3.10: Tổ chức tế vi của thép sau tôi 10800C, xử lý lạnh ở -1200C ..........................52Hình 3.11: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -120oC, phóng đại 5000 lần.......... Error!Bookmark not defined.Hình 3.12: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -120oC, phóng đại 25000 lần........ Error!Bookmark not defined.Hình 3.13: Phổ EDS của các loại cacbit thứ cấ,p xử lý lạnh ở -120oC ............................ 54Hình 3.14: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -120oC, phóng đại 5000 lần.......... Error!Bookmark not defined.Hình 3.15: Ảnh SEM của mẫu sau xử lý lạnh ở -196oC, phóng đại 25000 lần................55Hình 3.16 : Phổ EDS của các loại cacbit thứ cấp, xử lý lạnh ở -196oC ........................... 56Hình 3.17: Tổ chức tế vi mẫu xử lý lạnh -200C x1000 ....................................................57Hình 3.18: Tổ chức tế vi mẫu xử lý lạnh -800C x1000 ....................................................58Hình 3.11: Tổ chức tế vi mẫu xử lý lạnh -1960C x500 ....................................................59Hình 3.21: Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý lạnh tới tổng hàm lượng cacbit trong thép ....60Hình 3.22 : Ảnh tổ chức tế vi các mẫu tẩm thực màu hiển thị cacbit .............................. 62Hình 3.23: Tổ chức tế vi của thép sau xử lý lạnh ở -1200C, giữ nhiệt 1h x500 ...............63Hình 3.24: Tổ chức tế vi của thép sau xử lý lạnh ở -1200C, giữ nhiệt 2h x500 ...............63Hình 3.25: Tổ chức tế vi của thép sau xử lý lạnh ở -1200C, giữ nhiệt 20h x500 .............64Hình 3.26: Ảnh tổ chức tế vi các mẫu tẩm thực màu hiển thị cacbit .............................. 66Hình 3.27: Ảnh tổ chức tế vi các mẫu tẩm thực màu hiển thị cacbit ............................... 67Hình 3.28: Biểu đồ điểm thể hiện sự thay đổi hàm lượng cacbit. ....................................68Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B7Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuLỜI NÓI ĐẦUCác vấn đề liên quan đến austenit dư trong thép sau khi xử lý nhiệt luôn hiện hữutrong quá trình phát triển của ngành nhiệt luyện thép dụng cụ. Austenit trong thép mềmnên làm giảm độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép dẫn đến việc giảm tuổi thọcủa chi tiết, không ổn định ở nhiệt độ thấp và có xu hướng biến thành mactenxit trong cácđiều kiện dẫn nhất định. Vì vậy, các nghiên cứu về công nghệ xử lý lạnh hiện nay trênthế giới chủ yếu trên thép dụng cụ và mục tiêu là biến đổi austenit trong thép thànhmactenxit, đồng thời thúc đẩy quá trình làm tiết cacbit trên nền mactenxit, làm tăng độcứng, tăng khả năng chống mài mòn và nâng cao tuổi thọ của chi tiết.Thép SKD11 (theo tiêu chuẩn JIS - Nhật Bản) thuộc họ thép dụng cụ có hàm lượnghợp kim cao, thường được sử dụng làm khuôn dập nguội có chất lượng cao. Tuy nhiên,trong thép SKD11 sau khi nhiệt luyện luôn tồn tại một lượng austenit dư khá lớn, khả năngchịu mài mòn kém. Điều này gây ảnh hưởng xấu tới cơ tính khi làm việc và tuổi thọ củakhuôn. Trước những đặc điểm, tính chất quan trọng mà xử lý lạnh âm sâu mang lại và hứahẹn khả năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu tổ chứcvà tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu”. Việc tiến hành các nghiên cứu cơbản bước đầu về xử lý lạnh âm sâu là vô cùng quan trọng và cấp thiết, mở ra một hướngnghiên cứu và ứng dụng hoàn toàn mới, góp phần đẩy mạnh nền khoa học kỹ thuật nướcnhà, tránh tụt hậu, giảm dần khoảng cách với các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển.Sau thời gian tìm hiểu lý thuyết và thực nghiệm đề tài đã hoàn thành nội dung đặtra cho một luận văn Thạc sĩ.Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B8Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuCHƯƠNG I. TỔNG QUAN1.1.Công nghệ xử lý lạnh thépTôi và ram là công nghệ thường được áp dụng để nâng cao độ cứng, khả năng chốngmài mòn cho thép, đặc biệt là các loại thép dụng cụ.Quá trình nhiệt luyện thép dụng cụ nói chung bao gồm nung nóng thép đến nhiệt độaustenit hóa và làm nguội nhanh để nhận được tổ chức mactenxit - dung dịch rắn quá bãohòa của C trong Feα. Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit gọi là Ms, nhiệt độ kết thúcchuyển biến mactenxit gọi là Mf. Quá trình chuyển biến mactenxit xảy ra không hoàn toàn,chỉ có một phần austenit được chuyển biến thành mactenxit nên sau tôi, thường còn lạimột lượng austenite dư nhất định. Đối với thép SKD11, thời gian austenit hóa ở nhiệt độtôi càng dài, lượng cacbit hòa tan càng nhiều nên lượng cacbon và nguyên tố hợp kimtrong austenit càng cao dẫn đến việc các nhiệt độ Ms và Mf càng thấp. Do vậy, sau khi tôi,với loại thép này, lượng austenit dư nhiều, thường đến 30% hoặc nhiều hơn. Austenit làpha không ổn định ở nhiệt độ thường và có độ cứng thấp, vì vậy cần phải làm giảm lượngaustenite dư trong thép SKD11.Xử lý lạnh là phương pháp làm lạnh thép xuống dưới nhiệt độ phòng (thấp hơnnhiệt độ chuyển biến của mactenxit) và được bổ sung trong quy trình nhiệt luyện thép.Quá trình này có tác dụng hoàn thành chuyển biến austenit thành mactenxit, cải thiện mộtsố tính chất và đạt được cấu trúc mong muốn của vật liệu. Tùy thuộc vào mục đích màxử lý lạnh có nhiều vùng nhiệt độ khác nhau như: xử lý lạnh thông thường ở (-20÷ -80oC),xử lý lạnh nông (-80÷ -120oC) hoặc xử lý lạnh âm sâu ở (-120÷ -196oC).Hiệu quả gia công lạnh phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép và những yếutố ảnh hưởng như mức độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim trong austenit.Gia công lạnh còn được dùng như biện pháp làm ổn định kích thước của chi tiếtchính xác như dụng cụ đo, chi tiết máy lạnh, vòng bi chất lượng cao.Tuy nhiên, có một số hợp kim sau tôi phải ram ngay vì mactenxit khi vừa hìnhthành (mactenxit tôi) được quá bão hòa cacbon làm cho thép dễ bị nứt. Tùy thuộc vào hàmlượng austenit yêu cầu mà có nhiều quy trình gia công lạnh và ram sau tôi được áp dụng.Đối với các loại thép hợp kim dụng cụ nói chung và SKD11 nói riêng, là nhữngloại thép có hàm lượng C và nguyên tố hợp kim cao, để đạt được yêu cầu cơ tính cho chitiết, khi nguyên tố hợp kim và C hòa tan vào austenit ở nhiệt độ nung tôi càng lớn, nhiệtđộ bắt đầu và kết thúc chuyển biến mactenxit sẽ hạ thấp. Do vậy, sau tôi, lượng austenitTrần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B9Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâudư còn lại trong thép là tương đối lớn có khi lên đến 30% làm giảm độ cứng và tính chốngmài mòn của thép. Do vậy cần xử lý để giảm tối đa austenit dư trong tổ chức thép sau tôi,giúp tăng độ cứng cũng như khả năng chống mài mòn cho thép.Theo cách truyền thống, để giảm lượng austenit dư trong thép, chi tiết được ramnhiều lần ở nhiệt độ tương đối cao với thời gian khoảng 1h cho mỗi lần ram. Tuy nhiên,biện pháp này làm giảm độ cứng của nền và làm thô hóa cacbit. Xử lý lạnh là phươngpháp khác để giảm lượng austenit dư trong thép. Nhiệt độ xử lý lạnh cho chi tiết càng gầnvới nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactenxit của thép thì lượng austenit dư được chuyểnbiến càng nhiều. Tùy thuộc vào mục đích cải thiện tính chất của chi tiết mà chọn nhiệt độxử lý lạnh khác nhau.Khác với phương pháp ram nhiều lần, phương pháp xử lý lạnh ngoài mục đích giảmlượng austenit dư còn có nhiều ưu điểm khác như: cải thiện độ bền, tăng tính chống màimòn, ổn định kích thước, ổn định tổ chức .1.1.1. Quy trình xử lý lạnh thông dụngVới hầu hết các loại thép, xử lý lạnh được thực hiện trong khoảng nhiệt độ dưới Mftừ -790C đến -1200C. Thời gian giữ nhiệt khoảng 1h/25mm theo tiết diện hoặc có thể tínhtừ 1-1,5 giờ sau khi đạt nhiệt độ yêu cầu. Sau đó, chi tiết được lấy ra ngoài và để nguội từtừ tới nhiệt độ môi trường. Một quy trình công nghệ xử lý lạnh hoàn chỉnh bao gồm cácquá trình: austenit hóa, tôi, xử lý lạnh và ram.Một số nghiên cứu cho rằng, để tối đa hóa tốc độ chuyển biến austenit, xử lý lạnhcần được tiến hành sau khi tôi và trước khi ram như:- Năm 1993, Dymchenko và Safronova đề ghị nên ram thép ở nhiệt độ thấp sau khixử lý lạnh thép đã tôi để tránh sự ổn định của austenit, tối ưu hóa chuyển biến mactenxittừ austenit dư;- Năm 1998, với những nghiên cứu của mình Yun và cộng sự xác nhận các dụngcụ được xử lý lạnh ở nhiệt độ -1960C ngay sau khi tôi có cơ tính tốt hơn so với các dụngcụ được xử lý lạnh sau khi tôi và ram;- Năm 2001, Mohan Lal đưa ra kết luận xử lý lạnh sẽ đạt hiệu quả cao nhất khiđược tiến hành ngay sau quá trình ram.- Năm 2006, Da Silva và cộng sự đã xác nhận hiệu quả xử lý lạnh trên các dụngcụ thép gió M2 bằng cách làm theo các chu kỳ nhiệt luyện thể hiện trong hình 1.1Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B10Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuHình 1.1: Chu kỳ nhiệt luyện thép gió M2 do Da Silva và cộng sự đề xuất năm 2006Tuy nhiên, các nghiên cứu tiếp sau được tiến hành để đưa ra một quy trình côngnghệ xử lý lạnh tối ưu nhất bằng cách thay đổi, tích hợp thứ tự các nguyên công và cácthông số công nghệ của các quá trình austenit hóa, tôi, xử lý lạnh và ram.Nhiều công trình nghiên cứu đã tiến hành để lựa chọn được thứ tự các nguyên côngtrong quy trình xử lý lạnh cho thép SKD11. Những nghiên cứu này cho thấy, để austenitdư chuyển biến thành mactenxit nhiều nhất thì nguyên công xử lý lạnh cần tiến hành ngaysau tôi và trước khi ram,vì theo họ ram là nguyên công ổn định austenit dư, làm cho nóchuyển biến khó khăn hơn. Với các thông số công nghệ tùy chọn với từng mục đích sửdụng, quy trình công nghệ xử lý lạnh cho SKD11 nên tiến hành như sau:Austenit hóaTôiGia công lạnhRamQuá trình austenit hóa và tôi cho thép SKD11 trong quy trình xử lý lạnh vẫn giốngnhư phương pháp nhiệt luyện truyền thống. Sự khác nhau ở đây là nguyên công gia cônglạnh và ram. Năm 2007, Stratton cũng đã thử nghiệm quy trình và đạt được cơ tính phùhợp với điều kiện làm việc của thép dụng cụ (hình 1.2).Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B11Nhiệt độLuận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuHình 1.2: Quy trình nhiệt luyện thép D2 theo StrattonTrong đó:1. Nung tôi2. Giữ nhiệt ở nhiệt độ tôi3. Nguội nhanh4. Giữ nhiệt ở 40oC5. Làm lạnh xuống -196oC với tốc độ chậm để tránh nứt vỡ6. Giữ nhiệt tại nhiệt độ xử lý lạnh7. Nung chậm tới nhiệt độ phòng8. Ram tại nhiệt độ ram thường áp dụng cho loại thép.Các thông số chính liên quan đến việc xử lý lạnh: tốc độ làm nguội, nhiệt độ giữnhiệt, thời gian giữ nhiệt, tốc độ nung, nhiệt độ ram và thời gian ram. Vai trò của các thôngsố này đến việc cải thiện cơ tính của thép là khác nhau: nhiệt độ xử lý lạnh chiếm 72%,thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ xử lý lạnh chiếm 24%, tốc độ làm nguội chiếm 10% trongkhi nhiệt độ ram chỉ chiếm 2%, còn tham số thời gian ram là không đáng kể. Như vậy, bathông số đầu tiên đóng góp đến 98% vào sự cải thiện tích chất cho thép. Vì vậy, các nghiêncứu gần đây chủ yếu tập trung vào ba thông số này.Ram là nguyên công xử lý cuối cùng để tạo ra cơ tính làm việc cho chi tiết. Tùythuộc vào loại thép mà thông số công nghệ của nguyên công này sẽ khác nhau: nhiệt độ,thời gian, số lần ram. Nhiệt độ ram luôn luôn phải nhỏ hơn nhiệt độ Ac1 của thép và quátrình ram cần được tiến hành ngay sau gia công lạnh. Nhiệt độ ram được sử dụng cho thépSKD 11 trong khoảng (150-600) oC. Nhiệt độ ram cao làm giảm độ cứng, giảm tính chịumài mòn của thép và làm tăng độ dai trong khi nhiệt độ ram thấp làm thép cứng, có tínhchịu mài mòn cao nhưng độ dai kém. Thời gian ram và chu kỳ ram tùy thuộc vào từngTrần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B12Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuloại thép mà có hiệu quả tốt hay không. Hiệu quả của quá trình ram đến sự điều chỉnh cơtính cho thép cũng phụ thuộc vào các thông số công nghệ của nguyên công gia công lạnhthực hiện trước đó. Đây là một trong những phần cần nghiên cứu sâu cho thép SKD11.Việc chọn quy trình xử lý lạnh cho thép, ngoài hiệu quả công nghệ phải đảm bảohiệu quả kinh tế. Có nhiều chế độ gia công lạnh chỉ dùng cho một mác thép vì nó liên quanđến quá trình công nghệ, chỉ tiêu chất lượng và hiệu quả kinh tế.1.1.2. Đối tượng áp dụngXử lý lạnh có thể được chia thành các nhóm tương ứng với các mục đích khácnhau:- Tạm thời thay đổi kích thước, làm giảm kích thước chi tiết khi lắp ghép với cácmối lắp ghép có độ chính xác rất cao, dung sai rất thấp, dung sai âm (lắp chặt);- Xử lý lạnh để austenit dư sau tôi ở thép hợp kim cao chuyển biến thành martenxitnhằm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn cho thép;- Xử lý lạnh ở nhiệt độ thấp hơn -800C, nhận thấy có sự tiết cacbit ra khỏi mactexitlàm tăng khả năng chống mài mòn cũng như độ dai của thép.- Xử lý lạnh âm sâu ở nhiệt độ dưới -1350C, tạo điều kiện cho tiết ra cacbit rất mịntrong thép hợp kim cao.Tóm lại, hầu hết các kết quả nghiên cứu đều cho thấy khi xử lý lạnh âm sâu cho thépcó thể nâng cao cơ tính của các loại thép dụng cụ so với các công nghệ nhiệt luyện truyềnthống khác như:+ Độ cứng và độ bền: với dự đoán rằng việc tiết cacbit nhỏ mịn và phân tán từmactenxit một mặt làm giảm độ cứng của mactenxit nhưng lại tạo cacbit có độ cứng caonên độ cứng chung của thép tăng không nhiều (1-2 HRC) nhưng độ bền lại tăng mạnh.+ Khả năng chống mài mòn tăng mạnh, do tiết ra các cacbit cứng nhỏ mịn và phântán. Nhiệt độ xử lý lạnh càng thấp, hàm lượng cacbit tạo thành càng nhiều, kích thước hạtcacbit càng nhỏ, mật độ cao nên khả năng chống mài mòn tăng càng mạnh.+ Ổn định kích thước: Tăng độ ổn định của kích thước theo thời gian, có tiềm năngứng dụng lớn trong chế tạo chi tiết cần độ chính xác cao, các dụng cụ và chuẩn đo lường.1.1.3. Các môi trường xử lý lạnhCó thể xử lý lạnh bằng nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp đơn giản nhấtlà dùng tuyết CO2 hoặc CO3 rắn, phương pháp này có thể đạt nhiệt độ từ (-650C ÷ -750C).Dùng tuyết CO2 và dung môi (cồn, benzene, axeton) bằng cách cho tuyết CO2 vào dungmôi cho đến khi nó không nổi lên bề mặt dung dịch nữa, lúc này đạt nhiệt độ khoảng(-780C). Có thể dùng nitơ lỏng để đạt nhiệt độ từ -1800C tới -1900C. Sử dụng các máylạnh chuyên dụng, các chất làm lạnh trong các máy này có đặc tính là ở nhiệt độ thấp nóTrần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B13Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâuchuyển thành dạng hơi và ngược lại khi nén và làm nguội lại chuyển thành thể lỏng. Tùytheo nhiệt độ lạnh yêu cầu, thiết bị sử dụng chu trình nén một cấp hay hai cấp và thể đạtkhoảng từ (-300C ÷ -800C). Nhiệt độ âm sâu nhất đạt được khi sử dụng nitơ lỏng (-1960C).Trường hợp không cần làm lạnh sâu có thể dùng phương pháp hóa học như hỗnhợp của nước đá với các loại muối NaCl, NaNO3, Na2CO3 (3 phần muối 1 phần nước cóthể đạt nhiệt độ -190C).1.1.4. Thiết bị xử lý lạnhHiện nay có nhiều phương pháp để làm lạnh sản phẩm đến nhiệt độ mong muốn.Mặc dù vậy, tất cả các phương pháp đều dựa vào nguyên lý trao đổi nhiệt, có thể làm lạnhtrực tiếp hoặc gián tiếp và có thể sử dụng nhiều môi trường khác nhau để làm lạnh. Có thểchia thiết bị xử lý lạnh thành 3 nhóm chính, đó là:(1) Thiết bị làm lạnh bằng CO2;(2) Thiết bị làm lạnh cơ học;(3) Thiết bị làm lạnh bằng nitơ lỏng (liquid nitrogen - LN).Trong 3 dòng thiết bị trên, dòng thiết bị làm lạnh bằng LN được sử dụng nhiều nhấttrong công nghệ xử lý vật liệu sắt thép.+ Thiết bị làm lạnh bằng CO2 sử dụng đá CO2 để làm lạnh bình chứa hỗn hợp chấtlỏng như trichloroethylene hoặc rượu. Với phương pháp này có thể làm lạnh đến -800C,tuy nhiên kiểm soát tốc độ làm nguội là rất khó.+ Thiết bị làm lạnh cơ học cho phép làm lạnh đến khoảng -1000C. Chất lỏng đượcsử dụng thôngthường là methylchloric (-970C), feron (-1110C), methylalcohol hoặcmethanol (-970C) và pentane (-1290C). Các chất lỏng này cho phép kiểm soát điều khiểnnhiệt độ rất tốt, vì thế có thể dể dàng điều khiển tốc độ làm nguội mong muốn. Chi phívận hành cho loại thiết bị này thấp nhưng giá thành ban đầu và phí bảo hành cao.+ Thiết bị làm lạnh bằng nitơ lỏng (LN) được sử dụng để làm lạnh sản phẩm đến 1960C. So với các phương pháp vừa nêu thì phương pháp làm nguội bằng LN có nhiều lợithế do có thể điều khiển dễ dàng nhiệt độ làm lạnh. Ngoài ra với LN có thể điều khiển tốcđộ làm nguội một cách dễ dàng. Hiện nay thiết bị làm lạnh bằng LN được sử dụng rộngrãi hơn cả.1.2.Công nghệ xử lý lạnh thép SKD11Thép SKD11 là loại thép hợp kim cao họ lêđêburit dùng làm khuôn dập có kíchthước lớn để dập các loại thép tấm, thép không gỉ …với sản lượng lớn. Ở Việt Nam, cácloại khuôn dập nguội được chế tạo chủ yếu từ thép SKD11. Tuổi thọ của khuôn làm bằngthép SKD11 khi được xử lý nhiệt đúng kế hợp thêm nguyên công xử lý bề mặt có thể đạtđến hàng triệu sản phẩm hoặc hơn nữa trên một đầu khuôn.Trần Thị Mai- KH-KT Vật liệu-Vật liệu Kim loại 2013B14Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu tổ chức và tính chất của thép SKD11 khi làm lạnh âm sâu1.2.1. Tổ chức và tính chất thép SKD11 sau nhiệt luyện thông thườngThành phần hóa học của SKD11 (tiêu chuẩn JIS G4404 – Nhật bản) được đưa ratrong bảng 1.1Thành phần %TiêuchuẩnMácthépCCrMoMnSiVJISSKD111,4÷1,611÷130,8÷1,20,60,350,2÷0,5AISID21,4÷1,611÷130,7÷1,20,60,60,7÷1,2Ni