Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho thép 03ni18co9mo5tial ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng
- 52 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ
xử lý nhiệt cho thép 03Ni18Co9Mo5TiAl
ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng
NGUYỄN BÍCH VÂN
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Vật liệu (Kim loại)
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Minh
Chữ ký của GVHD
TS. Nguyễn Xuân Phương
Bộ môn: Vật liệu học, Xử lý Nhiệt và Bề mặt Chữ ký của GVHD
Viện: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu
HÀ NỘI, 11/2021
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian tiến hành triển khai nghiên cứu, em zcũng đã hoàn thành
nội dung luận văn thạc sĩ của mình. Luận văn được hoàn thành không chỉ là công
sức của bản thân em mà còn có sự giúp đỡ, hỗ trợ tích cực của nhiều cá nhân và tập
thể.
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Nguyễn Ngọc
Minh – người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho em. Thầy đã dành cho em nhiều
thời gian, tâm sức, cho em nhiều ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa cho em những
chi tiết nhỏ trong luận văn, giúp luận văn của em hoàn thiện về cả mặt nội dung và
hình thức. Thầy cũng đã luôn quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để em có thể
hoàn thành luận văn đúng tiến độ.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Xuân Phương – Viện Công nghệ
thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng. Sự hỗ trợ tận tình, tận tâm của anh cùng
những ý kiến đóng góp quý báu đã giúp em có được nguồn thông tin kịp thời, chính
xác cũng như tạo động lực nhắc nhở em có trách nhiệm với đề tài của mình, giúp
em hoàn thiện luận văn tốt hơn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, tập thể giảng viên và sinh
viên của Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
nói chung và Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và bề mặt nói riêng đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình học tập và triển khai nghiên
cứu đề tài luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, anh/chị cùng
khóa cao học năm 2019 vì đã luôn bên cạnh động viên, quan tâm giúp đỡ em trong
suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 1
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
LỜI NÓI ĐẦU
Nghiên cứu lựa chọn ra chế độ nhiệt luyện điển hình để xác định được các
thông số tối ưu, nhằm cải thiện cơ tính cho thép phù hợp trong mỗi điều kiện làm
việc xác định luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà công nghệ. Nghiên cứu
thành công không những cải thiện được hiệu năng làm việc, nâng cao tuổi thọ mà
còn giúp làm giảm giá thành sản phẩm một cách đáng kể.
Thép 03Ni18Co9Mo5TiAl là loại thép hợp kim đặc biệt (thép maraging - là
một trong những nhóm thép có độ bền cực cao) nếu được nhiệt luyện một cách
thích hợp. Loại thép này được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo các chi tiết cần độ
bền rất cao trong khi cũng cần có độ dẻo lớn để dễ gia công tạo hình. Với loại thép
này, ứng dụng phổ biến hiện nay thường gặp trong lĩnh vực chế tạo quốc phòng
(chế tạo vũ khí), lĩnh vực công nghiệp xe hơi (chế tạo khung, vỏ) và nhiều lĩnh vực
khác... Để đạt được các giá trị cơ tính như trên, thép cần xử lý nhiệt (tôi + hóa già)
một cách thích hợp để điều khiển quá trình tiết pha hóa bền trên nền một cách thích
hợp.
Với mục tiêu đề ra như trên, tác giả đã tiến hành thực hiện nghiên cứu với đề
tài có tên: “Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho thép
03Ni18Co9Mo5TiAl ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng” nhằm tìm ra chế độ nhiệt
luyện thích hợp.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 2
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trong nghiên cứu này, để đạt được mục tiêu chọn ra chế độ nhiệt luyện tối
ưu cho mẫu thép maraging (03Ni18Co9Mo5TiAl), trước tiên mẫu thép sẽ được lựa
chọn nhiệt độ tôi thích hợp dựa trên giản đồ pha. Việc này nhằm đảm bảo hòa tan
được các nguyên tố hợp kim vào trong nền tốt nhất. Mẫu được tôi ở 820oC trong
môi trường nước nguội để nhận tổ chức mactenxít có độ cứng cao. Để tiết pha hóa
bền và cải thiện độ dẻo, mẫu thép sau đó được mang đi hóa già ở các nhiệt độ khác
nhau với thời gian thay đổi như sau:
- Hóa già 450oC với thời gian thay đổi từ 2 đến 10 giờ
- Hóa già 490oC với thời gian thay đổi từ 2 đến 10 giờ
- Hóa già 530oC với thời gian thay đổi từ 2 đến 10 giờ
Để đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt đến tổ chức
và cơ tính, các mẫu đã được phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X, chụp ảnh
SEM để đánh giá sự tiết pha trong quá trình hóa già, trong khi kính hiển vi quang
học được sử dụng trên tất cả các mẫu để quan sát sự thay đổi của tổ chức tế vi nhận
được. Mẫu sau cùng sẽ được mang đi thử cơ tính để quan sát sự thay đổi trên giản
đồ ứng suất biến dạng sau khi nhiệt luyện ở các chế độ khác nhau như đã nêu trên.
Các kết quả đã chỉ ra rằng: độ cứng tăng khoảng 60% (từ 31.9 HRC lên 53.5 HRC);
độ bền kéo tăng xấp xỉ 2 lần (từ 1095 MPa ban đầu lên trên 2000 MPa).
Học viên: Nguyễn Bích Vân 3
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP MARAGING ..........................................9
1.1 Khái niệm và đặc điểm của thép maraging .....................................................9
1.1.1 Giới thiệu về họ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS) .........................9
1.1.2 Giới thiệu về thép maraging ...........................................................11
1.1.2.1. Lịch sử phát triển .............................................................................11
1.1.2.2. Sự ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới tính chất của thép
maraging ........................................................................................................13
1.1.2.3. Ứng dụng của thép maraging ...........................................................14
1.2 Cơ sở nhiệt luyện thép maraging ..................................................................15
1.2.1 Tôi thép ..........................................................................................15
1.2.2 Hoá già thép ...................................................................................16
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU .........................19
2.1 Phương pháp nghiên cứu...............................................................................19
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu ....................................................................19
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu ...............................................................19
2.1.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu ................................................................20
2.1.2.2. Xử lý nhiệt mẫu nghiên cứu .............................................................20
2.2 Thiết bị nghiên cứu .......................................................................................22
2.2.1 Thiết bị xử lý nhiệt .........................................................................22
2.2.2 Thiết bị phân tích ...........................................................................23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................30
3.1 Kết quả phân tích cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi .................................30
3.1.1 Cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi của mẫu ban đầu ...................30
3.1.2 Cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi của mẫu sau tôi .....................31
3.1.3 Cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi của mẫu sau hoá già .............31
3.1.3.1. Ảnh hưởng của thời gian hóa già tới tổ chức tế vi của thép ............31
3.1.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hóa già tới tổ chức tế vi của thép..............35
3.2 Kết quả phân tích mẫu qua Nhiễu xạ X-ray ..................................................40
3.3 Kết quả phân tích mẫu bằng SEM-EDX .......................................................40
3.3.1 Kết quả phân tích SEM-EDX của mẫu ban đầu ............................40
3.3.2 Mẫu hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 2 giờ ....................................42
3.3.3 Mẫu hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 6 giờ ....................................43
3.4 Kết quả thử cơ tính của mẫu thép maraging .................................................44
3.4.1 Kết quả kiểm tra độ cứng của mẫu thép maraging ........................44
3.4.1.1. Ảnh hưởng của thời gian hoá già tới độ cứng của mẫu thép ...........45
Học viên: Nguyễn Bích Vân 4
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
3.4.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoá già tới độ cứng của mẫu thép.............45
3.4.2 Kết quả thử kéo của mẫu thép maraging........................................46
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .......................................................................................49
4.1 Kết luận .........................................................................................................49
4.2 Đề xuất ..........................................................................................................49
Học viên: Nguyễn Bích Vân 5
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các thế hệ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS) [1] ........................................9
Hình 1.2. Tỷ phần các mác thép trong chế tạo ô tô [7] ............................................10
Hình 1.3. Quá trình chuyển biến pha khi nhiệt luyện thép AHSS [8] .......................10
Hình 1.4. Đồ thị so sánh độ bền của thép maraging với một số thép thông thường
khác [11] ...................................................................................................................12
Hình 1.5. Thép maraging và ứng dụng trong thực tế của nó [24]: ..........................14
Hình 1.6. Giản đồ pha Fe-C và sơ đồ phát triển hạt austenit trong quá trình tôi [26]
...................................................................................................................................15
Hình 1.7. Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới hạn Vth (t°m và tm là thời gian và nhiệt độ
ứng với austenit kém ổn định nhất) [26] ...................................................................16
Hình 1.8. Sơ đồ nhiệt luyện thép maraging ..............................................................17
Hình 1.9. a) Cấu trúc tinh thể của Fe nguyên chất và b) Cấu trúc tinh thể của pha
liên kim Ni3Ti [27] ....................................................................................................18
Hình 1.10. Sự lệch do pha liên kim Ni3Mo gây ra trong nền mactenxit của thép
maraging [11] ...........................................................................................................18
Hình 2.1. Quy trình nghiên cứu thực nghiệm cho mẫu thép maraging ....................19
Hình 2.2.Thiết bị cắt Delta AbrasiMet - Buehler, tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................20
Hình 2.3. Giản đồ pha Fe-Ni [28, 29] ......................................................................21
Hình 2.4. Giản đồ TTT của thép maraging [30] .......................................................22
Hình 2.5. Lò của hãng Nabertherm N11/H tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu –
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội .........................................................................23
Hình 2.6. Thiết bị mài, đánh bóng 2 đĩa LaboPol-25, Struers tại Viện Khoa học Vật
liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. ..........................................23
Hình 2.7. Hình minh hoạ mẫu thép: a) Trước tẩm thực, b) Sau tẩm thực ................24
Hình 2.8. Thiết bị hiển vi quang học Axiovert 40MAT thuộc viện Khoa học Vật liệu-
viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .....................................................24
Hình 2.9. Thiết bị hiển vi điện tử quét Jeol 6490 thuộc viện Khoa học Vật liệu- viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................25
Hình 2.10. Sơ đồ nhiễu xạ tia X trên mặt tinh thể.....................................................26
Hình 2.11. Thiết bị phân tích XRD Equinox 5000 tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................26
Hình 2.12. Hình minh hoạ 3 phương pháp đo độ cứng ............................................27
Hình 2.13. Thiết bị đo độ cứng AR-10/Mitutoyo tại Viện Khoa học vật liệu – Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................28
Hình 2.14. Biểu đồ tải trọng – biến dạng trong quá trình thử kéo [32] ...................29
Hình 2.15. Thiết bị thử kéo TT-HW2-1000 - 100 tấn, Torontech (trái) và FU/R50-
CKS, Devotrans – 5 tấn (phải) tại Viện Công nghệ- Bộ Quốc phòng ......................29
Học viên: Nguyễn Bích Vân 6
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 2.16. Thiết bị thử kéo, uốn vạn năng WEW-1000B-100 tấn tại Viện Cơ khí
Năng lượng và Mỏ - Vinacomin ................................................................................29
Hình 3.1. Tổ chức tế vi của mẫu ban đầu, độ phóng đại 100x và 500x ....................30
Hình 3.2. Kết quả tính toán tốc độ nguội tới hạn của thép maraging sử dụng phần
mềm JmatPro. ...........................................................................................................30
Hình 3.3. Tổ chức tế vi của mẫu sau tôi, độ phóng đại 100x và 500x ......................31
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già tại nhiệt độ 450 ºC, ở các mốc thời
gian khác nhau, độ phóng đại 500x ..........................................................................32
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già tại nhiệt độ 490 ºC, ở các mốc thời
gian khác nhau, độ phóng đại 500x ..........................................................................33
Hình 3.5. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già tại nhiệt độ 530 ºC, ở các mốc thời
gian khác nhau, độ phóng đại 500x ..........................................................................34
Hình 3.6. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 2 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................35
Hình 3.7. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 4 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................36
Hình 3.8. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 6 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................37
Hình 3.9. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 8 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................38
Hình 3.10. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 8 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................39
Hình 3.11. Ảnh nhiễu xạ XRD của mẫu: ...................................................................40
Hình 3.12. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu ban
đầu, độ phóng đại 1000x và 3000x ...........................................................................40
Hình 3.13. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu ban
đầu .............................................................................................................................41
Hình 3.14. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu
mẫu hoá già tại nhiệt độ 490°C trong 2 giờ .............................................................42
Hình 3.15. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu
mẫu hoá già tại nhiệt độ 490°C trong 6 giờ .............................................................43
Hình 3.16. Đồ thị ảnh hưởng của thời gian hoá già và nhiệt độ hoá già tới độ cứng
của mẫu thép .............................................................................................................45
Hình 3.17. Mẫu thử kéo thực tế.................................................................................46
Hình 3.18. Đồ thị thử kéo của mẫu ban đầu (sau tôi)...............................................46
Hình 3.19. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 2 giờ. .......47
Hình 3.20. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 4 giờ ........47
Hình 3.21. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 6 giờ ........47
Hình 3.22. Đồ thị ảnh hưởng của thời gian hoá già tới độ bền của mẫu thép .........48
Học viên: Nguyễn Bích Vân 7
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại thép AHSS [9] .........................................................................11
Bảng 1.2. Thành phần hoá học và một số chỉ tiêu cơ tính của các mác thép
maraging thông dụng [11] ........................................................................................13
Bảng 2.1. Thành phần hoá học của mác thép nghiên cứu ở trạng thái sau cán, theo
% khối lượng .............................................................................................................19
Bảng 2.2. Các chế độ nhiệt luyện thử nghiệm cho mác thép nghiên cứu ................21
Bảng 3.1. Kết quả đo độ cứng của mẫu thép ở các chế độ nhiệt luyện khác nhau..44
Bảng 3.2. Kết quả thử kéo của các mẫu thép thử nghiệm........................................48
Học viên: Nguyễn Bích Vân 8
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP MARAGING
1.1 Khái niệm và đặc điểm của thép maraging
1.1.1 Giới thiệu về họ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS)
Từ cuối thế kỷ XX, ngành luyện kim thế giới đã ứng dụng nhiều công nghệ
tiên tiến với định hướng: tăng năng suất, tăng chất lượng, giảm giá thành và thân
thiện môi trường. Trong đó, nổi bật là đã ứng dụng công nghệ hoàn nguyên trực tiếp
quặng sắt DRI - công nghệ phi cốc, hay công nghệ luyện kim xanh. Do không dùng
than cốc làm chất hoàn nguyên, nên sắt xốp có hàm lượng cacbon, tạp chất thấp
hơn. Khi tích hợp các công nghệ biến dạng và xử lý nhiệt đã tạo ra nhóm thép độ
bền cao tiên tiến AHSS, kết hợp độ bền cao, tính dẻo tốt.
Hình 1.1. Các thế hệ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS) [1]
Thép AHSS có lợi nhất khi được sử dụng cho các bộ phận an toàn, các bộ
phận cấu trúc của thùng xe và khung gầm. Theo nguyên tắc chung, trọng lượng
giảm khoảng 50%, tức là khi so sánh với thép nhẹ, độ dày giảm đi một nửa mà
không bị giảm độ bền. Kết quả là thép AHSS đã trở thành vật liệu được lựa chọn để
gia cố ngưỡng cửa, trụ A, trụ B, dầm va đập cửa, hệ thống cản và cấu trúc ghế.
Thép AHSS cũng đã được giới thiệu trong tất cả các bộ phận quan trọng
khác của xe hơi. Nhiều xe hơi mới đã được cấu tạo từ 30 đến 40% thép AHSS. Chỉ
trong một vài năm nữa, AHSS được dự đoán sẽ tạo ra từ 40 đến 50% lượng thép
tấm được sử dụng trong ô tô, góp phần giảm 5% tổng lượng phát thải khí nhà kính.
Thép AHSS đang dần thay thế cho một số mác thép HSLA truyền thống [2-
6].
Học viên: Nguyễn Bích Vân 9
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 1.2. Tỷ phần các mác thép trong chế tạo ô tô [7]
Đặc điểm thép AHSS là có thành phần hóa học gồm C, Mn, Si và một ít
nguyên tố Cr, Mo, Al gần như HSLA, nhưng có độ sạch tạp chất cao hơn với hàm
lượng P, S nhỏ hơn 0,015%. Đồng thời, trong quá trình sản xuất được tích hợp các
công nghệ tiên tiến về biến dạng và xử lý nhiệt. Nhờ đó, thép có tổ chức đa pha với
tỷ phần thể tích nhất định và có kích thước hạt đạt siêu mịn, nên thép có cơ tính vừa
bền vừa dẻo.
Hình 1.3. Quá trình chuyển biến pha khi nhiệt luyện thép AHSS [8]
Thép AHSS thế hệ 1 gồm các nhóm thép song pha DP, thép chuyển biến do
dẻo TRIP, thép đa pha CP, thép mactenxit, thép có các chỉ tiêu cơ học cao hơn hẳn
thép HSLA; dải độ bền siêu cao từ 500 đến 2000 MPa, độ giãn dài từ 10 đến 40%.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 10
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Ngoài ra, thép còn có tỷ số giới hạn bền trên giới hạn chảy cao, có thể chịu
tải biến dạng lớn hơn, hệ số hóa bền biến dạng lớn và chỉ số hấp thụ năng lượng
cao.
Các cơ tính đạt được như trên là do thép có độ sạch tạp chất cao và được xử
lý nhiệt đặc biệt, tùy quy trình nguội khác nhau để tạo ra một hỗn hợp các pha khác
nhau với tỷ phần pha nhất định tùy mác thép. Đến nay, tỷ trọng khối lượng thép
AHSS trong các xe ô tô con đã chiếm đến 70%.
Ngành công nghiệp chế tạo ô tô ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn, đòi hỏi
một số chi tiết phức tạp: đảm bảo cả chỉ tiêu về độ bền cao và độ dẻo dai cao hơn để
tăng khả năng biến dạng tạo hình. Do đó, thế hệ thép AHSS thứ hai ra đời để đáp
ứng các yêu cầu khắt khe hơn.
Các nhóm thép trong thế hệ này bao gồm: thép AUST SS, thép TWIP và thép
L-IP. Thành phần của những nhóm thép này bao gồm nhiều nguyên tố hợp kim hàm
lượng cao, dẫn tới giá thành cao nên ít được sử dụng phổ biến, chỉ dùng trong một
số trường hợp đặc biệt.
Hiện tại và tương lai, thế hệ thép AHSS thứ ba đang phát triển với hi vọng có
thể kết hợp độ bền cao của thế hệ thứ nhất với độ dẻo cao, khả năng biến dạng tạo
hình tốt của thế hệ thứ hai, trong khi giá thành được đảm bảo.
Bảng 1.1. Phân loại thép AHSS [9]
STT Nhóm thép AHSS Ký hiệu
1 Dual -Phase Steel DP
2 Complex-Phase Steel CP
3 Martensitic Steel MS
4 Transformation-induced Plasticity TRIP
5 Twinning-induced Plasticity TWIP
6 Austenitic Stainless Steel AUST SS
7 Light Induced Plasticity L-IP
1.1.2 Giới thiệu về thép maraging
1.1.2.1. Lịch sử phát triển
Maraging là sự kết hợp giữa hai từ: Martensite và age-hardening – Thép
mactenxit hoá già.
Thép maraging được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 1940 bởi một
công ty chuyên về kim loại và hợp kim ở miền tây Virginia – nước Mỹ:
International Nickel Company’s (Inco’s) Huntington Alloys và tác giả Clarence
Bieber. Họ nhận ra được sự vượt trội về độ cứng sau xử lý nhiệt thép.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 11
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Đến năm 1960, khi cuộc cách mạng về ngành hàng không và vũ trụ nổ ra thì
nhu cầu về loại thép này mới thực sự tăng cao. Thép tiếp tục được phát triển và đưa
thêm nguyên tố hợp kim Coban, Molypđen vào.
Tới năm 1991, do giá Coban đắt nên họ đã chế tạo thép maraging không
chứa Coban [10]. Cho tới nay, sự kết hợp hiếm có giữa độ bền và độ dẻo dai được
tìm thấy trong thép maraging giúp chúng trở nên phù hợp nhất với các yêu cầu khắt
khe về độ an toàn, yêu cầu vật liệu của linh kiện, cấu kiện trong ngành công nghiệp
hàng không vũ trụ, quân sự và nhiều lĩnh vực khác trong đời sống.
Thép maraging có hàm lượng cacbon rất thấp (<0.03%) cùng một lượng
nguyên tố hợp kim cao: Ni (17-19%), Ti (0.2-1.8%), Al (0.1-0.15%). Chính hợp
kim Fe-Ni-Ti-Al sau quá trình xử lý nhiệt giúp thép đạt được độ cứng tối ưu. Về sau
này, nguyên tố hợp kim như Co (8-12%), Mo (3-5%) mới được thêm vào thép. Do
hàm lượng hợp kim cao, đặc biệt là Co nên giá thành thép maraging rất đắt.
Hình 1.4. Đồ thị so sánh độ bền của thép maraging với một số thép thông thường
khác [11]
Qua đồ thị ta có thể thấy, so với các dòng thép tiên tiến độ bền cao khác, thép
maraging có độ bền vượt trội hơn hẳn: khoảng 2000MPa. Mặc dù hàm lượng
cacbon rất thấp nhưng sự có mặt của các pha liên kim hoá bền giúp thép maraging
xếp vào nhóm thép siêu bền.
Thép cũng có độ dẻo, độ dai cao (độ giãn dài tương đối khoảng 15%). Đây là
cơ sở cho khả năng biến dạng, tạo hình mà không cần qua ủ thép, vết nứt gần như
không xuất hiện.
Khác với các loại thép cacbon thông thường khác, thép maraging có tính hàn
tốt. Trong quá trình hàn, dù hàm lượng cacbon trong thép thấp nhưng mactenxit tôi
có độ dẻo, dai đảm bảo, không gây ra xô lệch mạng, nên chất lượng vùng hàn tốt,
không xảy ra nứt nguội do hyđrô.
Ngoài ra, độ cứng của thép cũng tương đối cao: khoảng 53HRC [12-14].
Học viên: Nguyễn Bích Vân 12
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
1.1.2.2. Sự ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới tính chất của thép
maraging
Bảng 1.2. Thành phần hoá học và một số chỉ tiêu cơ tính của các mác thép
maraging thông dụng [11]
Thành phần hoá học, %
Tên hợp kim
Ni Co Mo Ti Al
18Ni (200) 18 8.5 3.3 0.2 0.1
18Ni (250) 18 7.75 5.0 0.4 0.1
18Ni (300) 18 9.0 5.0 0.65 0.1
18Ni (350) 18 12.5 4.2 1.6 0.1
Ký hiệu thép: 18Ni (xxx)
18Ni: hàm lượng nguyên tố Niken trong thép (%)
xxx: giới hạn chảy (MPa) x ksi (1MPa = 0.145 ksi)
Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép maraging
Cacbon (C): về cơ bản, thép maraging không chứa C hoặc chứa rất ít
(<0.03%). Điều này giúp phân biệt thép maraging với các loại thép khác. Do C có
ái lực hoá học mạnh với Ti, nên hàm lượng C được giữ ở mức rất thấp để tránh sự
hình thành cacbit TiC. Đây là loại cacbit có hại, ảnh hưởng tới độ dẻo và độ dai của
thép [15, 16, 23].
Niken (Ni): Ni là nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong thép maraging.
Hàm lượng Ni được sử dụng rất cao (khoảng 18%). Một mặt, Ni kết hợp với các
nguyên tố hợp kim khác như Mo, Ti để tạo ra các pha liên kim như: Ni3Mo, Ni3Ti
có tác dụng tăng bền cho thép. Mặt khác, Ni mở rộng vùng austenit trong quá trình
làm nguội, giúp tránh hình thành delta ferit trong quá trình này. Ngoài ra, Ni cũng
giúp kiểm soát thể tích austenit dư trong thép – điều quan trọng với cả độ bền và độ
dẻo dai của thép [16, 17, 18, 19, 20, 23].
Coban (Co): đây cũng là một nguyên tố đóng vai trò quan trọng quyết định
tính chất đặc biệt của thép maraging. Hàm lượng Co được sử dụng trong thép dao
động từ 8-15%. Co làm giảm giới hạn hoà tan của molypđen do Co sẽ thay thế một
phần molypđen trong mạng tinh thể Feα, từ đó tăng phần thể tích của các pha liên
kim như: Ni3Mo, Fe2Mo. Cùng với đó, Co đẩy nhanh quá trình hình thành các pha
liên kim, giúp chúng phân tán đều trong thép, do đó rút ngắn thời gian hoá già để
đạt được độ cứng tối ưu. Ngoài ra, Co còn giúp kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền
và khả năng chống ăn mòn của thép [16, 19, 21, 23].
Molypđen (Mo): hàm lượng nguyên tố Mo được đưa vào thép dao động
trong khoảng 3-10%. Khi được đưa vào thép, Mo sẽ kết hợp với Fe và Ni để tạo ra
các pha liên kim giúp tăng bền cho thép: Fe2Mo, Ni3Mo [16, 19, 23].
Titan (Ti): hàm lượng nguyên tố này được sử dụng trong thép khoảng từ
0.2-0.7%. Ti sẽ kết hợp với Ni trong thép để tiết pha hoá bền Ni3Ti [16, 23].
Học viên: Nguyễn Bích Vân 13
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Nhôm (Al): tương tự như Ti, với hàm lượng nhỏ, chỉ khoảng 0.1%, Al tham
gia vào quá trình tạo pha liên kim Ni3Al hoá bền cho thép [22, 23].
1.1.2.3. Ứng dụng của thép maraging
Chính nhờ sự vượt trội về độ bền, độ cứng cũng như độ dẻo dai hiếm có,
thép maraging được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Lĩnh vực hàng không, vũ trụ: vỏ động cơ máy bay, vệ tinh nhân tạo, các loại
trục, giảm sóc, thiết bị nâng hạ cánh, …
Lĩnh vực quốc phòng: vỏ động cơ tên lửa, lò xo trong đầu pháo, cầu di động
loại nhẹ dùng trong hoạt động quân sự, …
Công cụ, dụng cụ dùng trong sản xuất: khuôn đúc, rèn, dập các loại; bánh
răng, lò xo, pittông, trục trong các máy công cụ, …
Các lĩnh vực khác: rotor, trục trong nhà máy hạt nhân; ổ cắm cáp, ống thuỷ
lực; thanh trục, bánh răng trong xe đua; bình vận chuyển khí chuyên biệt trong y
tế,…
a) b)
c) d)
Hình 1.5. Thép maraging và ứng dụng trong thực tế của nó [24]:
a) Chân đáp trực thăng, b) Vỏ động cơ tên lửa, c) Trục khuỷu, d) Khuôn dập
nhựa
Học viên: Nguyễn Bích Vân 14
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
1.2 Cơ sở nhiệt luyện thép maraging
Như đã nói ở trên, thép maraging được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực, đặc biệt là lĩnh vực quốc phòng, hàng không vũ trụ - nơi có những yêu cầu
khắt khe về vật liệu sử dụng chế tạo các chi tiết, linh kiện. Để đáp ứng các yêu cầu
đó, việc xây dựng một quy trình xử lý nhiệt (nhiệt luyện) tối ưu cho thép maraging
là một vấn đề cần thiết.
Xuất phát từ tên gọi của thép, ta có thể thấy quy trình xử lý nhiệt của thép
maraging chia làm 2 giai đoạn: tôi và hoá già.
1.2.1 Tôi thép
Định nghĩa
Tôi thép phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng vật liệu đến nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ tới hạn Ac1 hoặc Ac3 tuỳ thuộc vào loại thép để làm xuất hiện tổ chức
austenit. Sau khi giữ nhiệt, chi tiết được làm nguội nhanh thích hợp để austenit
chuyển thành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác có độ cứng và độ bền
cao (như bainit, truxtit khi tôi đẳng nhiệt) [25].
Hình 1.6. Giản đồ pha Fe-C và sơ đồ phát triển hạt austenit trong quá trình tôi [26]
Môi trường làm nguội
Sau khi nung và giữ nhiệt, chi tiết được làm nguội với tốc độ đủ lớn để
không có sự phân hoá khuếch tán của austenit thành peclit, để tổ chức nhận được là
mactenxit với lượng austenit dư là ít nhất.
Các môi trường làm nguội phổ biến: nước, dầu, dung dịch muối ăn, không
khí.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 15
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 1.7. Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới hạn Vth (t°m và tm là thời gian và nhiệt độ
ứng với austenit kém ổn định nhất) [26]
Mục đích của tôi thép
Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho thép.
Nâng cao độ bền, do đó nâng cao được khả năng chịu tải của chi tiết, nhất là
các chi tiết quan trọng, quyết định khả năng làm việc lâu dài của thiết bị.
Tôi thép maraging
Nung nóng thép tới nhiệt độ khoảng 820°C (vùng pha austenit hoàn toàn),
giữ nhiệt trong 1 giờ, sau đó làm nguội trong nước hoặc không khí để nhận được tổ
chức mactenxit. Trong các loại thép thông thường khác, cấu trúc mactenxit hình
thành sau quá trình làm nguội phụ thuộc vào hàm lượng cacbon. Tuy nhiên, thép
maraging chứa rất ít cacbon (0.03%). Sự hình thành mactenxit trong quá trình làm
nguội lại phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim niken có trong thép.
1.2.2 Hoá già thép
Định nghĩa
Hoá già là phương pháp gia công nhiệt luyện nhằm phân hoá dung dịch rắn
quá bão hoà nhận được sau khi tôi các hợp kim không có chuyển biến thù hình. Bản
chất của quá trình hoá già là chuyển hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao và
không cân bằng về trạng thái có năng lượng thấp và cân bằng hơn. Vì vậy, quá trình
hoá già là quá trình tự xảy ra.
Quá trình hoá già xảy ra chủ yếu phụ thuộc vào động học quá trình khuếch
tán. Năng lượng hoạt khuếch tán trong một hệ thống xác định phụ thuộc chủ yếu
vào nhiệt độ. Vì vậy, nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt là các thông số cơ bản của
quá trình hoá già.
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già chủ yếu phụ thuộc vào mức độ quá bão hoà
của hợp kim nhận được sau khi tôi, vì quá trình phân huỷ dung dịch rắn quá bão hoà
Học viên: Nguyễn Bích Vân 16
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
là quá trình khuếch tán nên mức độ phân huỷ, hình dạng pha tiết ra, độ phân tán của
chúng phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian hoá già.
Bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ
chức và đặc tính biến dạng trước đó có vai trò quan trọng. Chúng gây ảnh hưởng
đến mức độ, hình thức phân hoá của dung dịch rắn, độ phân tán của các phân tử tiết
ra, hình dạng của chúng và các đặc tính tổ chức khác [25].
Hoá già thép maraging
Hoá già ở nhiệt độ khoảng 450°C đến 530°C, giữ nhiệt trong 2 đến 10 giờ.
Quá trình xử lý nhiệt này giúp tạo thành các pha liên kim: Ni3(Ti, Mo), Ni3X
(X=Ti, Al, Mo), (Fe, Ni, Co)3(Ti, Mo), (Fe, Ni, Co)3(Mo, Ti) và (Fe, Ni, Co)7Mo6
nhỏ mịn, phân tán đồng đều trên nền mactenxit. Chúng cản trở chuyển động của
lệch, từ đó hoá bền cho thép.
Hình 1.8. Sơ đồ nhiệt luyện thép maraging
Cơ chế hoá bền thép maraging.
Cơ chế hoá bền trong thép chủ yếu do sự hình thành các pha liên kim trong
quá trình hoá già thép [9].
Các pha liên kim này có thể liền mạng hoặc bán liền mạng với nền
mactenxit, kích thước rất nhỏ mịn: trung bình khoảng 5-20nm và khoảng cách giữa
các hạt khoảng 100nm.
Vì khoảng cách này nhỏ hơn so với khoảng cách giữa các hạt cacbit nên hiệu
quả tăng bền rõ rệt hơn, độ bền có thể lên tới 2000MPa.
Các pha liên kim được tiết ra trong quá trình nhiệt luyện thép gồm: Ni3Mo,
Ni3Al, Fe2Mo.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 17
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 1.9. a) Cấu trúc tinh thể của Fe nguyên chất và b) Cấu trúc tinh thể của pha
liên kim Ni3Ti [27]
Hình 1.10. Sự lệch do pha liên kim Ni3Mo gây ra trong nền mactenxit của thép
maraging [11]
Học viên: Nguyễn Bích Vân 18
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
2.1 Phương pháp nghiên cứu
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu
Mác thép nghiên cứu: 03Ni18Co9Mo5TiAl (TCVN)
Các mác thép tương đương:
18Ni300 (ASTM)
X3NiCoMoTi 18-9-5 (DIN)
Bảng 2.1. Thành phần hoá học của mác thép nghiên cứu ở trạng thái sau cán, theo
% khối lượng
Nguyên tố Ni Co Mo Ti Al C Cr Mn Si Fe
% 19 9.3 5 0.64 0.06 ≤0.03 0.08 0.04 0.07 65.78
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, tác giả sử dụng phương pháp
nghiên cứu thực nghiệm.
Để có thể đánh giá chính xác những ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến tổ
chức và tính chất của thép, tác giả tập trung xem xét ảnh hưởng của hai yếu tố là
nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt trong quá trình hoá già của mác thép nghiên cứu:
03Ni18Co9Mo5TiAl.
Sơ đồ quy trình nghiên cứu thực nghiệm
Thay đổi thời
gian hóa già 2-
10h
Hình 2.1. Quy trình nghiên cứu thực nghiệm cho mẫu thép maraging
Học viên: Nguyễn Bích Vân 19
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ
xử lý nhiệt cho thép 03Ni18Co9Mo5TiAl
ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng
NGUYỄN BÍCH VÂN
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Vật liệu (Kim loại)
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Minh
Chữ ký của GVHD
TS. Nguyễn Xuân Phương
Bộ môn: Vật liệu học, Xử lý Nhiệt và Bề mặt Chữ ký của GVHD
Viện: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu
HÀ NỘI, 11/2021
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian tiến hành triển khai nghiên cứu, em zcũng đã hoàn thành
nội dung luận văn thạc sĩ của mình. Luận văn được hoàn thành không chỉ là công
sức của bản thân em mà còn có sự giúp đỡ, hỗ trợ tích cực của nhiều cá nhân và tập
thể.
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Nguyễn Ngọc
Minh – người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho em. Thầy đã dành cho em nhiều
thời gian, tâm sức, cho em nhiều ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa cho em những
chi tiết nhỏ trong luận văn, giúp luận văn của em hoàn thiện về cả mặt nội dung và
hình thức. Thầy cũng đã luôn quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để em có thể
hoàn thành luận văn đúng tiến độ.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Xuân Phương – Viện Công nghệ
thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng. Sự hỗ trợ tận tình, tận tâm của anh cùng
những ý kiến đóng góp quý báu đã giúp em có được nguồn thông tin kịp thời, chính
xác cũng như tạo động lực nhắc nhở em có trách nhiệm với đề tài của mình, giúp
em hoàn thiện luận văn tốt hơn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, tập thể giảng viên và sinh
viên của Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
nói chung và Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và bề mặt nói riêng đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình học tập và triển khai nghiên
cứu đề tài luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, anh/chị cùng
khóa cao học năm 2019 vì đã luôn bên cạnh động viên, quan tâm giúp đỡ em trong
suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 1
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
LỜI NÓI ĐẦU
Nghiên cứu lựa chọn ra chế độ nhiệt luyện điển hình để xác định được các
thông số tối ưu, nhằm cải thiện cơ tính cho thép phù hợp trong mỗi điều kiện làm
việc xác định luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà công nghệ. Nghiên cứu
thành công không những cải thiện được hiệu năng làm việc, nâng cao tuổi thọ mà
còn giúp làm giảm giá thành sản phẩm một cách đáng kể.
Thép 03Ni18Co9Mo5TiAl là loại thép hợp kim đặc biệt (thép maraging - là
một trong những nhóm thép có độ bền cực cao) nếu được nhiệt luyện một cách
thích hợp. Loại thép này được ứng dụng nhiều trong việc chế tạo các chi tiết cần độ
bền rất cao trong khi cũng cần có độ dẻo lớn để dễ gia công tạo hình. Với loại thép
này, ứng dụng phổ biến hiện nay thường gặp trong lĩnh vực chế tạo quốc phòng
(chế tạo vũ khí), lĩnh vực công nghiệp xe hơi (chế tạo khung, vỏ) và nhiều lĩnh vực
khác... Để đạt được các giá trị cơ tính như trên, thép cần xử lý nhiệt (tôi + hóa già)
một cách thích hợp để điều khiển quá trình tiết pha hóa bền trên nền một cách thích
hợp.
Với mục tiêu đề ra như trên, tác giả đã tiến hành thực hiện nghiên cứu với đề
tài có tên: “Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiệt cho thép
03Ni18Co9Mo5TiAl ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng” nhằm tìm ra chế độ nhiệt
luyện thích hợp.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 2
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trong nghiên cứu này, để đạt được mục tiêu chọn ra chế độ nhiệt luyện tối
ưu cho mẫu thép maraging (03Ni18Co9Mo5TiAl), trước tiên mẫu thép sẽ được lựa
chọn nhiệt độ tôi thích hợp dựa trên giản đồ pha. Việc này nhằm đảm bảo hòa tan
được các nguyên tố hợp kim vào trong nền tốt nhất. Mẫu được tôi ở 820oC trong
môi trường nước nguội để nhận tổ chức mactenxít có độ cứng cao. Để tiết pha hóa
bền và cải thiện độ dẻo, mẫu thép sau đó được mang đi hóa già ở các nhiệt độ khác
nhau với thời gian thay đổi như sau:
- Hóa già 450oC với thời gian thay đổi từ 2 đến 10 giờ
- Hóa già 490oC với thời gian thay đổi từ 2 đến 10 giờ
- Hóa già 530oC với thời gian thay đổi từ 2 đến 10 giờ
Để đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt đến tổ chức
và cơ tính, các mẫu đã được phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X, chụp ảnh
SEM để đánh giá sự tiết pha trong quá trình hóa già, trong khi kính hiển vi quang
học được sử dụng trên tất cả các mẫu để quan sát sự thay đổi của tổ chức tế vi nhận
được. Mẫu sau cùng sẽ được mang đi thử cơ tính để quan sát sự thay đổi trên giản
đồ ứng suất biến dạng sau khi nhiệt luyện ở các chế độ khác nhau như đã nêu trên.
Các kết quả đã chỉ ra rằng: độ cứng tăng khoảng 60% (từ 31.9 HRC lên 53.5 HRC);
độ bền kéo tăng xấp xỉ 2 lần (từ 1095 MPa ban đầu lên trên 2000 MPa).
Học viên: Nguyễn Bích Vân 3
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP MARAGING ..........................................9
1.1 Khái niệm và đặc điểm của thép maraging .....................................................9
1.1.1 Giới thiệu về họ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS) .........................9
1.1.2 Giới thiệu về thép maraging ...........................................................11
1.1.2.1. Lịch sử phát triển .............................................................................11
1.1.2.2. Sự ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới tính chất của thép
maraging ........................................................................................................13
1.1.2.3. Ứng dụng của thép maraging ...........................................................14
1.2 Cơ sở nhiệt luyện thép maraging ..................................................................15
1.2.1 Tôi thép ..........................................................................................15
1.2.2 Hoá già thép ...................................................................................16
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU .........................19
2.1 Phương pháp nghiên cứu...............................................................................19
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu ....................................................................19
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu ...............................................................19
2.1.2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu ................................................................20
2.1.2.2. Xử lý nhiệt mẫu nghiên cứu .............................................................20
2.2 Thiết bị nghiên cứu .......................................................................................22
2.2.1 Thiết bị xử lý nhiệt .........................................................................22
2.2.2 Thiết bị phân tích ...........................................................................23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................30
3.1 Kết quả phân tích cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi .................................30
3.1.1 Cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi của mẫu ban đầu ...................30
3.1.2 Cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi của mẫu sau tôi .....................31
3.1.3 Cấu trúc qua ảnh tổ chức chức tế vi của mẫu sau hoá già .............31
3.1.3.1. Ảnh hưởng của thời gian hóa già tới tổ chức tế vi của thép ............31
3.1.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hóa già tới tổ chức tế vi của thép..............35
3.2 Kết quả phân tích mẫu qua Nhiễu xạ X-ray ..................................................40
3.3 Kết quả phân tích mẫu bằng SEM-EDX .......................................................40
3.3.1 Kết quả phân tích SEM-EDX của mẫu ban đầu ............................40
3.3.2 Mẫu hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 2 giờ ....................................42
3.3.3 Mẫu hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 6 giờ ....................................43
3.4 Kết quả thử cơ tính của mẫu thép maraging .................................................44
3.4.1 Kết quả kiểm tra độ cứng của mẫu thép maraging ........................44
3.4.1.1. Ảnh hưởng của thời gian hoá già tới độ cứng của mẫu thép ...........45
Học viên: Nguyễn Bích Vân 4
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
3.4.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoá già tới độ cứng của mẫu thép.............45
3.4.2 Kết quả thử kéo của mẫu thép maraging........................................46
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .......................................................................................49
4.1 Kết luận .........................................................................................................49
4.2 Đề xuất ..........................................................................................................49
Học viên: Nguyễn Bích Vân 5
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các thế hệ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS) [1] ........................................9
Hình 1.2. Tỷ phần các mác thép trong chế tạo ô tô [7] ............................................10
Hình 1.3. Quá trình chuyển biến pha khi nhiệt luyện thép AHSS [8] .......................10
Hình 1.4. Đồ thị so sánh độ bền của thép maraging với một số thép thông thường
khác [11] ...................................................................................................................12
Hình 1.5. Thép maraging và ứng dụng trong thực tế của nó [24]: ..........................14
Hình 1.6. Giản đồ pha Fe-C và sơ đồ phát triển hạt austenit trong quá trình tôi [26]
...................................................................................................................................15
Hình 1.7. Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới hạn Vth (t°m và tm là thời gian và nhiệt độ
ứng với austenit kém ổn định nhất) [26] ...................................................................16
Hình 1.8. Sơ đồ nhiệt luyện thép maraging ..............................................................17
Hình 1.9. a) Cấu trúc tinh thể của Fe nguyên chất và b) Cấu trúc tinh thể của pha
liên kim Ni3Ti [27] ....................................................................................................18
Hình 1.10. Sự lệch do pha liên kim Ni3Mo gây ra trong nền mactenxit của thép
maraging [11] ...........................................................................................................18
Hình 2.1. Quy trình nghiên cứu thực nghiệm cho mẫu thép maraging ....................19
Hình 2.2.Thiết bị cắt Delta AbrasiMet - Buehler, tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................20
Hình 2.3. Giản đồ pha Fe-Ni [28, 29] ......................................................................21
Hình 2.4. Giản đồ TTT của thép maraging [30] .......................................................22
Hình 2.5. Lò của hãng Nabertherm N11/H tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu –
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội .........................................................................23
Hình 2.6. Thiết bị mài, đánh bóng 2 đĩa LaboPol-25, Struers tại Viện Khoa học Vật
liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. ..........................................23
Hình 2.7. Hình minh hoạ mẫu thép: a) Trước tẩm thực, b) Sau tẩm thực ................24
Hình 2.8. Thiết bị hiển vi quang học Axiovert 40MAT thuộc viện Khoa học Vật liệu-
viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .....................................................24
Hình 2.9. Thiết bị hiển vi điện tử quét Jeol 6490 thuộc viện Khoa học Vật liệu- viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................25
Hình 2.10. Sơ đồ nhiễu xạ tia X trên mặt tinh thể.....................................................26
Hình 2.11. Thiết bị phân tích XRD Equinox 5000 tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................26
Hình 2.12. Hình minh hoạ 3 phương pháp đo độ cứng ............................................27
Hình 2.13. Thiết bị đo độ cứng AR-10/Mitutoyo tại Viện Khoa học vật liệu – Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam .............................................................28
Hình 2.14. Biểu đồ tải trọng – biến dạng trong quá trình thử kéo [32] ...................29
Hình 2.15. Thiết bị thử kéo TT-HW2-1000 - 100 tấn, Torontech (trái) và FU/R50-
CKS, Devotrans – 5 tấn (phải) tại Viện Công nghệ- Bộ Quốc phòng ......................29
Học viên: Nguyễn Bích Vân 6
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 2.16. Thiết bị thử kéo, uốn vạn năng WEW-1000B-100 tấn tại Viện Cơ khí
Năng lượng và Mỏ - Vinacomin ................................................................................29
Hình 3.1. Tổ chức tế vi của mẫu ban đầu, độ phóng đại 100x và 500x ....................30
Hình 3.2. Kết quả tính toán tốc độ nguội tới hạn của thép maraging sử dụng phần
mềm JmatPro. ...........................................................................................................30
Hình 3.3. Tổ chức tế vi của mẫu sau tôi, độ phóng đại 100x và 500x ......................31
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già tại nhiệt độ 450 ºC, ở các mốc thời
gian khác nhau, độ phóng đại 500x ..........................................................................32
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già tại nhiệt độ 490 ºC, ở các mốc thời
gian khác nhau, độ phóng đại 500x ..........................................................................33
Hình 3.5. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già tại nhiệt độ 530 ºC, ở các mốc thời
gian khác nhau, độ phóng đại 500x ..........................................................................34
Hình 3.6. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 2 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................35
Hình 3.7. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 4 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................36
Hình 3.8. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 6 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................37
Hình 3.9. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 8 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................38
Hình 3.10. Tổ chức tế vi của các mẫu hóa già trong thời gian 8 giờ, ở các mốc nhiệt
độ khác nhau, độ phóng đại 500x .............................................................................39
Hình 3.11. Ảnh nhiễu xạ XRD của mẫu: ...................................................................40
Hình 3.12. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu ban
đầu, độ phóng đại 1000x và 3000x ...........................................................................40
Hình 3.13. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu ban
đầu .............................................................................................................................41
Hình 3.14. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu
mẫu hoá già tại nhiệt độ 490°C trong 2 giờ .............................................................42
Hình 3.15. Kết quả vi phân tích thành phần hoá học trên cấu trúc tế vi của mẫu
mẫu hoá già tại nhiệt độ 490°C trong 6 giờ .............................................................43
Hình 3.16. Đồ thị ảnh hưởng của thời gian hoá già và nhiệt độ hoá già tới độ cứng
của mẫu thép .............................................................................................................45
Hình 3.17. Mẫu thử kéo thực tế.................................................................................46
Hình 3.18. Đồ thị thử kéo của mẫu ban đầu (sau tôi)...............................................46
Hình 3.19. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 2 giờ. .......47
Hình 3.20. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 4 giờ ........47
Hình 3.21. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 6 giờ ........47
Hình 3.22. Đồ thị ảnh hưởng của thời gian hoá già tới độ bền của mẫu thép .........48
Học viên: Nguyễn Bích Vân 7
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại thép AHSS [9] .........................................................................11
Bảng 1.2. Thành phần hoá học và một số chỉ tiêu cơ tính của các mác thép
maraging thông dụng [11] ........................................................................................13
Bảng 2.1. Thành phần hoá học của mác thép nghiên cứu ở trạng thái sau cán, theo
% khối lượng .............................................................................................................19
Bảng 2.2. Các chế độ nhiệt luyện thử nghiệm cho mác thép nghiên cứu ................21
Bảng 3.1. Kết quả đo độ cứng của mẫu thép ở các chế độ nhiệt luyện khác nhau..44
Bảng 3.2. Kết quả thử kéo của các mẫu thép thử nghiệm........................................48
Học viên: Nguyễn Bích Vân 8
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP MARAGING
1.1 Khái niệm và đặc điểm của thép maraging
1.1.1 Giới thiệu về họ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS)
Từ cuối thế kỷ XX, ngành luyện kim thế giới đã ứng dụng nhiều công nghệ
tiên tiến với định hướng: tăng năng suất, tăng chất lượng, giảm giá thành và thân
thiện môi trường. Trong đó, nổi bật là đã ứng dụng công nghệ hoàn nguyên trực tiếp
quặng sắt DRI - công nghệ phi cốc, hay công nghệ luyện kim xanh. Do không dùng
than cốc làm chất hoàn nguyên, nên sắt xốp có hàm lượng cacbon, tạp chất thấp
hơn. Khi tích hợp các công nghệ biến dạng và xử lý nhiệt đã tạo ra nhóm thép độ
bền cao tiên tiến AHSS, kết hợp độ bền cao, tính dẻo tốt.
Hình 1.1. Các thế hệ thép tiên tiến độ bền cao (AHSS) [1]
Thép AHSS có lợi nhất khi được sử dụng cho các bộ phận an toàn, các bộ
phận cấu trúc của thùng xe và khung gầm. Theo nguyên tắc chung, trọng lượng
giảm khoảng 50%, tức là khi so sánh với thép nhẹ, độ dày giảm đi một nửa mà
không bị giảm độ bền. Kết quả là thép AHSS đã trở thành vật liệu được lựa chọn để
gia cố ngưỡng cửa, trụ A, trụ B, dầm va đập cửa, hệ thống cản và cấu trúc ghế.
Thép AHSS cũng đã được giới thiệu trong tất cả các bộ phận quan trọng
khác của xe hơi. Nhiều xe hơi mới đã được cấu tạo từ 30 đến 40% thép AHSS. Chỉ
trong một vài năm nữa, AHSS được dự đoán sẽ tạo ra từ 40 đến 50% lượng thép
tấm được sử dụng trong ô tô, góp phần giảm 5% tổng lượng phát thải khí nhà kính.
Thép AHSS đang dần thay thế cho một số mác thép HSLA truyền thống [2-
6].
Học viên: Nguyễn Bích Vân 9
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 1.2. Tỷ phần các mác thép trong chế tạo ô tô [7]
Đặc điểm thép AHSS là có thành phần hóa học gồm C, Mn, Si và một ít
nguyên tố Cr, Mo, Al gần như HSLA, nhưng có độ sạch tạp chất cao hơn với hàm
lượng P, S nhỏ hơn 0,015%. Đồng thời, trong quá trình sản xuất được tích hợp các
công nghệ tiên tiến về biến dạng và xử lý nhiệt. Nhờ đó, thép có tổ chức đa pha với
tỷ phần thể tích nhất định và có kích thước hạt đạt siêu mịn, nên thép có cơ tính vừa
bền vừa dẻo.
Hình 1.3. Quá trình chuyển biến pha khi nhiệt luyện thép AHSS [8]
Thép AHSS thế hệ 1 gồm các nhóm thép song pha DP, thép chuyển biến do
dẻo TRIP, thép đa pha CP, thép mactenxit, thép có các chỉ tiêu cơ học cao hơn hẳn
thép HSLA; dải độ bền siêu cao từ 500 đến 2000 MPa, độ giãn dài từ 10 đến 40%.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 10
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Ngoài ra, thép còn có tỷ số giới hạn bền trên giới hạn chảy cao, có thể chịu
tải biến dạng lớn hơn, hệ số hóa bền biến dạng lớn và chỉ số hấp thụ năng lượng
cao.
Các cơ tính đạt được như trên là do thép có độ sạch tạp chất cao và được xử
lý nhiệt đặc biệt, tùy quy trình nguội khác nhau để tạo ra một hỗn hợp các pha khác
nhau với tỷ phần pha nhất định tùy mác thép. Đến nay, tỷ trọng khối lượng thép
AHSS trong các xe ô tô con đã chiếm đến 70%.
Ngành công nghiệp chế tạo ô tô ngày càng phát triển mạnh mẽ hơn, đòi hỏi
một số chi tiết phức tạp: đảm bảo cả chỉ tiêu về độ bền cao và độ dẻo dai cao hơn để
tăng khả năng biến dạng tạo hình. Do đó, thế hệ thép AHSS thứ hai ra đời để đáp
ứng các yêu cầu khắt khe hơn.
Các nhóm thép trong thế hệ này bao gồm: thép AUST SS, thép TWIP và thép
L-IP. Thành phần của những nhóm thép này bao gồm nhiều nguyên tố hợp kim hàm
lượng cao, dẫn tới giá thành cao nên ít được sử dụng phổ biến, chỉ dùng trong một
số trường hợp đặc biệt.
Hiện tại và tương lai, thế hệ thép AHSS thứ ba đang phát triển với hi vọng có
thể kết hợp độ bền cao của thế hệ thứ nhất với độ dẻo cao, khả năng biến dạng tạo
hình tốt của thế hệ thứ hai, trong khi giá thành được đảm bảo.
Bảng 1.1. Phân loại thép AHSS [9]
STT Nhóm thép AHSS Ký hiệu
1 Dual -Phase Steel DP
2 Complex-Phase Steel CP
3 Martensitic Steel MS
4 Transformation-induced Plasticity TRIP
5 Twinning-induced Plasticity TWIP
6 Austenitic Stainless Steel AUST SS
7 Light Induced Plasticity L-IP
1.1.2 Giới thiệu về thép maraging
1.1.2.1. Lịch sử phát triển
Maraging là sự kết hợp giữa hai từ: Martensite và age-hardening – Thép
mactenxit hoá già.
Thép maraging được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm 1940 bởi một
công ty chuyên về kim loại và hợp kim ở miền tây Virginia – nước Mỹ:
International Nickel Company’s (Inco’s) Huntington Alloys và tác giả Clarence
Bieber. Họ nhận ra được sự vượt trội về độ cứng sau xử lý nhiệt thép.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 11
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Đến năm 1960, khi cuộc cách mạng về ngành hàng không và vũ trụ nổ ra thì
nhu cầu về loại thép này mới thực sự tăng cao. Thép tiếp tục được phát triển và đưa
thêm nguyên tố hợp kim Coban, Molypđen vào.
Tới năm 1991, do giá Coban đắt nên họ đã chế tạo thép maraging không
chứa Coban [10]. Cho tới nay, sự kết hợp hiếm có giữa độ bền và độ dẻo dai được
tìm thấy trong thép maraging giúp chúng trở nên phù hợp nhất với các yêu cầu khắt
khe về độ an toàn, yêu cầu vật liệu của linh kiện, cấu kiện trong ngành công nghiệp
hàng không vũ trụ, quân sự và nhiều lĩnh vực khác trong đời sống.
Thép maraging có hàm lượng cacbon rất thấp (<0.03%) cùng một lượng
nguyên tố hợp kim cao: Ni (17-19%), Ti (0.2-1.8%), Al (0.1-0.15%). Chính hợp
kim Fe-Ni-Ti-Al sau quá trình xử lý nhiệt giúp thép đạt được độ cứng tối ưu. Về sau
này, nguyên tố hợp kim như Co (8-12%), Mo (3-5%) mới được thêm vào thép. Do
hàm lượng hợp kim cao, đặc biệt là Co nên giá thành thép maraging rất đắt.
Hình 1.4. Đồ thị so sánh độ bền của thép maraging với một số thép thông thường
khác [11]
Qua đồ thị ta có thể thấy, so với các dòng thép tiên tiến độ bền cao khác, thép
maraging có độ bền vượt trội hơn hẳn: khoảng 2000MPa. Mặc dù hàm lượng
cacbon rất thấp nhưng sự có mặt của các pha liên kim hoá bền giúp thép maraging
xếp vào nhóm thép siêu bền.
Thép cũng có độ dẻo, độ dai cao (độ giãn dài tương đối khoảng 15%). Đây là
cơ sở cho khả năng biến dạng, tạo hình mà không cần qua ủ thép, vết nứt gần như
không xuất hiện.
Khác với các loại thép cacbon thông thường khác, thép maraging có tính hàn
tốt. Trong quá trình hàn, dù hàm lượng cacbon trong thép thấp nhưng mactenxit tôi
có độ dẻo, dai đảm bảo, không gây ra xô lệch mạng, nên chất lượng vùng hàn tốt,
không xảy ra nứt nguội do hyđrô.
Ngoài ra, độ cứng của thép cũng tương đối cao: khoảng 53HRC [12-14].
Học viên: Nguyễn Bích Vân 12
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
1.1.2.2. Sự ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới tính chất của thép
maraging
Bảng 1.2. Thành phần hoá học và một số chỉ tiêu cơ tính của các mác thép
maraging thông dụng [11]
Thành phần hoá học, %
Tên hợp kim
Ni Co Mo Ti Al
18Ni (200) 18 8.5 3.3 0.2 0.1
18Ni (250) 18 7.75 5.0 0.4 0.1
18Ni (300) 18 9.0 5.0 0.65 0.1
18Ni (350) 18 12.5 4.2 1.6 0.1
Ký hiệu thép: 18Ni (xxx)
18Ni: hàm lượng nguyên tố Niken trong thép (%)
xxx: giới hạn chảy (MPa) x ksi (1MPa = 0.145 ksi)
Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép maraging
Cacbon (C): về cơ bản, thép maraging không chứa C hoặc chứa rất ít
(<0.03%). Điều này giúp phân biệt thép maraging với các loại thép khác. Do C có
ái lực hoá học mạnh với Ti, nên hàm lượng C được giữ ở mức rất thấp để tránh sự
hình thành cacbit TiC. Đây là loại cacbit có hại, ảnh hưởng tới độ dẻo và độ dai của
thép [15, 16, 23].
Niken (Ni): Ni là nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong thép maraging.
Hàm lượng Ni được sử dụng rất cao (khoảng 18%). Một mặt, Ni kết hợp với các
nguyên tố hợp kim khác như Mo, Ti để tạo ra các pha liên kim như: Ni3Mo, Ni3Ti
có tác dụng tăng bền cho thép. Mặt khác, Ni mở rộng vùng austenit trong quá trình
làm nguội, giúp tránh hình thành delta ferit trong quá trình này. Ngoài ra, Ni cũng
giúp kiểm soát thể tích austenit dư trong thép – điều quan trọng với cả độ bền và độ
dẻo dai của thép [16, 17, 18, 19, 20, 23].
Coban (Co): đây cũng là một nguyên tố đóng vai trò quan trọng quyết định
tính chất đặc biệt của thép maraging. Hàm lượng Co được sử dụng trong thép dao
động từ 8-15%. Co làm giảm giới hạn hoà tan của molypđen do Co sẽ thay thế một
phần molypđen trong mạng tinh thể Feα, từ đó tăng phần thể tích của các pha liên
kim như: Ni3Mo, Fe2Mo. Cùng với đó, Co đẩy nhanh quá trình hình thành các pha
liên kim, giúp chúng phân tán đều trong thép, do đó rút ngắn thời gian hoá già để
đạt được độ cứng tối ưu. Ngoài ra, Co còn giúp kiểm soát sự cân bằng giữa độ bền
và khả năng chống ăn mòn của thép [16, 19, 21, 23].
Molypđen (Mo): hàm lượng nguyên tố Mo được đưa vào thép dao động
trong khoảng 3-10%. Khi được đưa vào thép, Mo sẽ kết hợp với Fe và Ni để tạo ra
các pha liên kim giúp tăng bền cho thép: Fe2Mo, Ni3Mo [16, 19, 23].
Titan (Ti): hàm lượng nguyên tố này được sử dụng trong thép khoảng từ
0.2-0.7%. Ti sẽ kết hợp với Ni trong thép để tiết pha hoá bền Ni3Ti [16, 23].
Học viên: Nguyễn Bích Vân 13
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Nhôm (Al): tương tự như Ti, với hàm lượng nhỏ, chỉ khoảng 0.1%, Al tham
gia vào quá trình tạo pha liên kim Ni3Al hoá bền cho thép [22, 23].
1.1.2.3. Ứng dụng của thép maraging
Chính nhờ sự vượt trội về độ bền, độ cứng cũng như độ dẻo dai hiếm có,
thép maraging được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Lĩnh vực hàng không, vũ trụ: vỏ động cơ máy bay, vệ tinh nhân tạo, các loại
trục, giảm sóc, thiết bị nâng hạ cánh, …
Lĩnh vực quốc phòng: vỏ động cơ tên lửa, lò xo trong đầu pháo, cầu di động
loại nhẹ dùng trong hoạt động quân sự, …
Công cụ, dụng cụ dùng trong sản xuất: khuôn đúc, rèn, dập các loại; bánh
răng, lò xo, pittông, trục trong các máy công cụ, …
Các lĩnh vực khác: rotor, trục trong nhà máy hạt nhân; ổ cắm cáp, ống thuỷ
lực; thanh trục, bánh răng trong xe đua; bình vận chuyển khí chuyên biệt trong y
tế,…
a) b)
c) d)
Hình 1.5. Thép maraging và ứng dụng trong thực tế của nó [24]:
a) Chân đáp trực thăng, b) Vỏ động cơ tên lửa, c) Trục khuỷu, d) Khuôn dập
nhựa
Học viên: Nguyễn Bích Vân 14
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
1.2 Cơ sở nhiệt luyện thép maraging
Như đã nói ở trên, thép maraging được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực, đặc biệt là lĩnh vực quốc phòng, hàng không vũ trụ - nơi có những yêu cầu
khắt khe về vật liệu sử dụng chế tạo các chi tiết, linh kiện. Để đáp ứng các yêu cầu
đó, việc xây dựng một quy trình xử lý nhiệt (nhiệt luyện) tối ưu cho thép maraging
là một vấn đề cần thiết.
Xuất phát từ tên gọi của thép, ta có thể thấy quy trình xử lý nhiệt của thép
maraging chia làm 2 giai đoạn: tôi và hoá già.
1.2.1 Tôi thép
Định nghĩa
Tôi thép phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng vật liệu đến nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ tới hạn Ac1 hoặc Ac3 tuỳ thuộc vào loại thép để làm xuất hiện tổ chức
austenit. Sau khi giữ nhiệt, chi tiết được làm nguội nhanh thích hợp để austenit
chuyển thành mactenxit hay các tổ chức không ổn định khác có độ cứng và độ bền
cao (như bainit, truxtit khi tôi đẳng nhiệt) [25].
Hình 1.6. Giản đồ pha Fe-C và sơ đồ phát triển hạt austenit trong quá trình tôi [26]
Môi trường làm nguội
Sau khi nung và giữ nhiệt, chi tiết được làm nguội với tốc độ đủ lớn để
không có sự phân hoá khuếch tán của austenit thành peclit, để tổ chức nhận được là
mactenxit với lượng austenit dư là ít nhất.
Các môi trường làm nguội phổ biến: nước, dầu, dung dịch muối ăn, không
khí.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 15
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 1.7. Giản đồ T-T-T và tốc độ tôi tới hạn Vth (t°m và tm là thời gian và nhiệt độ
ứng với austenit kém ổn định nhất) [26]
Mục đích của tôi thép
Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho thép.
Nâng cao độ bền, do đó nâng cao được khả năng chịu tải của chi tiết, nhất là
các chi tiết quan trọng, quyết định khả năng làm việc lâu dài của thiết bị.
Tôi thép maraging
Nung nóng thép tới nhiệt độ khoảng 820°C (vùng pha austenit hoàn toàn),
giữ nhiệt trong 1 giờ, sau đó làm nguội trong nước hoặc không khí để nhận được tổ
chức mactenxit. Trong các loại thép thông thường khác, cấu trúc mactenxit hình
thành sau quá trình làm nguội phụ thuộc vào hàm lượng cacbon. Tuy nhiên, thép
maraging chứa rất ít cacbon (0.03%). Sự hình thành mactenxit trong quá trình làm
nguội lại phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim niken có trong thép.
1.2.2 Hoá già thép
Định nghĩa
Hoá già là phương pháp gia công nhiệt luyện nhằm phân hoá dung dịch rắn
quá bão hoà nhận được sau khi tôi các hợp kim không có chuyển biến thù hình. Bản
chất của quá trình hoá già là chuyển hệ thống từ trạng thái có năng lượng cao và
không cân bằng về trạng thái có năng lượng thấp và cân bằng hơn. Vì vậy, quá trình
hoá già là quá trình tự xảy ra.
Quá trình hoá già xảy ra chủ yếu phụ thuộc vào động học quá trình khuếch
tán. Năng lượng hoạt khuếch tán trong một hệ thống xác định phụ thuộc chủ yếu
vào nhiệt độ. Vì vậy, nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt là các thông số cơ bản của
quá trình hoá già.
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già
Sự thay đổi tổ chức khi hoá già chủ yếu phụ thuộc vào mức độ quá bão hoà
của hợp kim nhận được sau khi tôi, vì quá trình phân huỷ dung dịch rắn quá bão hoà
Học viên: Nguyễn Bích Vân 16
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
là quá trình khuếch tán nên mức độ phân huỷ, hình dạng pha tiết ra, độ phân tán của
chúng phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian hoá già.
Bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ
chức và đặc tính biến dạng trước đó có vai trò quan trọng. Chúng gây ảnh hưởng
đến mức độ, hình thức phân hoá của dung dịch rắn, độ phân tán của các phân tử tiết
ra, hình dạng của chúng và các đặc tính tổ chức khác [25].
Hoá già thép maraging
Hoá già ở nhiệt độ khoảng 450°C đến 530°C, giữ nhiệt trong 2 đến 10 giờ.
Quá trình xử lý nhiệt này giúp tạo thành các pha liên kim: Ni3(Ti, Mo), Ni3X
(X=Ti, Al, Mo), (Fe, Ni, Co)3(Ti, Mo), (Fe, Ni, Co)3(Mo, Ti) và (Fe, Ni, Co)7Mo6
nhỏ mịn, phân tán đồng đều trên nền mactenxit. Chúng cản trở chuyển động của
lệch, từ đó hoá bền cho thép.
Hình 1.8. Sơ đồ nhiệt luyện thép maraging
Cơ chế hoá bền thép maraging.
Cơ chế hoá bền trong thép chủ yếu do sự hình thành các pha liên kim trong
quá trình hoá già thép [9].
Các pha liên kim này có thể liền mạng hoặc bán liền mạng với nền
mactenxit, kích thước rất nhỏ mịn: trung bình khoảng 5-20nm và khoảng cách giữa
các hạt khoảng 100nm.
Vì khoảng cách này nhỏ hơn so với khoảng cách giữa các hạt cacbit nên hiệu
quả tăng bền rõ rệt hơn, độ bền có thể lên tới 2000MPa.
Các pha liên kim được tiết ra trong quá trình nhiệt luyện thép gồm: Ni3Mo,
Ni3Al, Fe2Mo.
Học viên: Nguyễn Bích Vân 17
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
Hình 1.9. a) Cấu trúc tinh thể của Fe nguyên chất và b) Cấu trúc tinh thể của pha
liên kim Ni3Ti [27]
Hình 1.10. Sự lệch do pha liên kim Ni3Mo gây ra trong nền mactenxit của thép
maraging [11]
Học viên: Nguyễn Bích Vân 18
Luận văn thạc sĩ Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
2.1 Phương pháp nghiên cứu
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu
Mác thép nghiên cứu: 03Ni18Co9Mo5TiAl (TCVN)
Các mác thép tương đương:
18Ni300 (ASTM)
X3NiCoMoTi 18-9-5 (DIN)
Bảng 2.1. Thành phần hoá học của mác thép nghiên cứu ở trạng thái sau cán, theo
% khối lượng
Nguyên tố Ni Co Mo Ti Al C Cr Mn Si Fe
% 19 9.3 5 0.64 0.06 ≤0.03 0.08 0.04 0.07 65.78
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, tác giả sử dụng phương pháp
nghiên cứu thực nghiệm.
Để có thể đánh giá chính xác những ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến tổ
chức và tính chất của thép, tác giả tập trung xem xét ảnh hưởng của hai yếu tố là
nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt trong quá trình hoá già của mác thép nghiên cứu:
03Ni18Co9Mo5TiAl.
Sơ đồ quy trình nghiên cứu thực nghiệm
Thay đổi thời
gian hóa già 2-
10h
Hình 2.1. Quy trình nghiên cứu thực nghiệm cho mẫu thép maraging
Học viên: Nguyễn Bích Vân 19