Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu chế tạo thép các bon siêu thấp sử dụng trong công nghiệp ô tô

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:105

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu thực nghiệm chế tạo thép ULC sửdụng trong công nghiệp ô tô có hàm lượng C/0,005%; nghiên cứu tinh luyện thép ULC trong chân không và phân bố tạp chất phi kim của thép ULC; nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện gia công biến dạng và ủ đến tổ chức tế vi, thành phần pha và định hướng tinh thể của thép ULC đểđạt cơ tính,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu chế tạo thép các bon siêu thấp sử dụng trong công nghiệp ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THÉP CÁC BON SIÊU THẤP SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Ô TÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THÉP CÁC BON SIÊU THẤP SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Ô TÔ Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Bùi Anh Hòa Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận án tiến sĩ của tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả Luận án Tiến sĩ Bùi Anh Hòa Lê Hoàng 1
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Bùi Anh Hòa đã trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn sự tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ của các cán bộ, giảng viên Bộ môn Kỹ thuật Gang thép - Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội trong quá trình học tập để hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Luận án Tiến sĩ Lê Hoàng 2
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. 1 LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ 2 MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ 4 DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ 6 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 9 1. Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 9 2. Mục tiêu của luận án .................................................................................................... 10 3. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án .......................................................................... 10 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................................. 10 5. Tính mới của luận án ................................................................................................... 11 6. Bố cục của luận án ....................................................................................................... 11 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP ULC ..................................................................... 12 1.1. Thành phần hóa học, cơ tính và tổ chức tế vi ........................................................... 12 1.2. Công nghệ nấu luyện và tinh luyện .......................................................................... 15 1.3. Công nghệ cán và ủ .................................................................................................. 21 1.4. Xu hƣớng nghiên cứu về thép ULC trên thế giới ..................................................... 28 1.5. Khả năng ứng dụng thép ULC ở Việt Nam .............................................................. 39 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............................. 43 2.1. Nấu luyện thép ULC trong lò điện hồ quang chân không ........................................ 43 2.2. Nấu luyện và tinh luyện thép ULC trong chân không .............................................. 44 2.3. Gia công biến dạng và ủ thép ULC .......................................................................... 48 2.4. Phân tích và kiểm tra thép ULC ............................................................................... 49 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 53 3.1. Thành phần hóa học của mẫu thép ULC .................................................................. 53 3.2. Khử C trong tinh luyện chân không ......................................................................... 54 3.3. Cơ tính của mẫu thép ULC ....................................................................................... 58 3.4. Tổ chức tế vi ............................................................................................................. 73 3.5. Ảnh hƣởng của Ti và Nb đến quá trình kết tinh lại .................................................. 79 3.6. Ảnh hƣởng của tinh luyện chân không đến tạp chất phi kim ................................... 84 3.7. Định hƣớng tinh thể của mẫu thép ULC .................................................................. 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 96 1. Kết luận chung ............................................................................................................. 96 2. Kiến nghị ..................................................................................................................... 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 98 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Ký hiệu/Chữ viết tắt Giải nghĩa 1 LC Các bon thấp (low carbon) 2 ELC Các bon rất thấp (extra-low carbon) 3 ULC Các bon siêu thấp (ultra-low carbon) 4 EBSD Nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc 5 BAF Lò ủ theo mẻ (batch annealing furnace) 6 CAF Lò ủ liên tục (continuous annealing furnace) 7 HVQH Hiển vi quang học 8 BCC Lập phƣơng tâm khối 9 XRD Nhiễu xạ tia X 10 VAF Lò điện hồ quang chân không 11 UHSS Thép có độ bền siêu cao 12 HSLA Thép hợp kim thấp độ bền cao 13 HAGB Biên hạt góc lớn 14 LAGB Biên hạt góc nhỏ 15 SPD Biến dạng dẻo mãnh liệt 16 ECAP Biến dạng qua kênh gấp khúc 17 ARB Cán dính tích lũy 18 TMCP Xử lý cơ – nhiệt 19 LĐHQ Lò điện hồ quang 4
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Một số mác thép ULC đang sử dụng trên thế giới 12 Bảng 1.2. So sánh cơ tính của thép ULC và hợp kim nhôm 15 Bảng 1.3. Thông số thí nghiệm trong nghiên cứu của L.Neves 29 Bảng 1.4. Thành phần hóa học của thép ULC hợp kim hóa Ti (%) 32 Bảng 1.5. Thành phần hóa học của thép ULC trƣớc khi cho Al (%) 34 Bảng 1.6. Thành phần hóa học của thép ULC áp dụng TMCP (%) 35 Bảng 2.1. Nguyên liệu cho nấu chảy thép ULC trong lò điện hồ quang chân 43 không Bảng 3.1. Thành phần của mẫu thép ULC nấu luyện trong lò điện hồ quang chân 53 không Bảng 3.2. Thành phần của thép C trƣớc và sau khi kết thúc thổi ôxy (%) 53 Bảng 3.3. Thành phần hóa học của mẫu thép ULC (%) 54 Bảng 3.4. Tỷ lệ khử C của mẫu thép ULC sau tinh luyện chân không (%) 55 Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra cơ tính của các mẫu thép ULC 58 Bảng 3.6. Cơ tính của thép ULC sau cán nguội khi thay đổi mức độ biến dạng 59 Bảng 3.7. Giới hạn chảy đạt đƣợc và tính toán của mẫu 1 70 Bảng 3.8. Kết quả thử cơ tính của thép ULC tinh luyện chân không sau cán và ủ 71 ở 800 oC Bảng 3.9. Kích thƣớc hạt của mẫu thép ULC (m) 79 Bảng 3.10. Độ cứng tế vi của thép ULC sau ủ (HV) 81 Bảng 3.11. Tỷ phần kết tinh lại của thép ULC khi ủ ở 600 oC 83 Bảng 3.12. Kết quả phân tích thành phần tạp chất bằng phƣơng pháp SEM-EDX 86 Bảng 3.13. Phân bố và thông số hạt ferit của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC 90 5
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Giản đồ pha Fe-C 14 Hình 1.2. Tổ chức tế vi điển hình của thép ULC (%C = 0,0021) 14 Hình 1.3. So sánh khả năng dập sâu của thép ULC và hợp kim nhôm 15 Hình 1.4. Lƣu trình công nghệ sản xuất thép ULC 15 Hình 1.5. Hàm lƣợng tạp chất trong thép có thể đạt đƣợc 16 Hình 1.6. Phƣơng pháp RH và VD trong tinh luyện thép ULC 17 Hình 1.7. Phƣơng pháp tinh luyện RH-OB và VOD 18 Hình 1.8. Sơ đồ cán tấm thép ULC trong công nghiệp 21 Hình 1.9. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất thép cuộn ULC 22 Hình 1.10. Công nghệ ủ kết tinh lại đối với thép ULC 24 Hình 1.11. Sự thay đổi tổ chức tế vi của thép sau quá trình cán và ủ 24 Hình 1.12. Sự thay đổi tổ chức tế vi trong quá trình ủ 25 Hình 1.13. Ảnh hƣởng của mức độ biến dạng đến động học quá trình kết tinh lại 26 Hình 1.14. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ủ đến tỷ phần kết tinh lại của hợp kim Fe-3,5 27 %Si với mức độ biến dạng là 60 % Hình 1.15. Phƣơng pháp RH (trái) và VD (phải) trong tinh luyện thép ULC 28 Hình 1.16. Mô hình nghiên cứu tinh luyện thép ULC bằng phƣơng pháp RH 30 Hình 1.17. Các công đoạn thực hiện trong tinh luyện chân không RH 30 Hình 1.18. Cân bằng giữ [O] và [H] trong thép lỏng 31 Hình 1.19. Sự thay đổi hàm lƣợng C và N theo thời gian 32 Hình 1.20. Tạp chất SiO2 trong thép ULC 33 Hình 1.21. Hình dạng các tạp chất Al2O3 trong thép ULC 33 Hình 1.22. Quy trình xử lý nhiệt thông dụng của thép ULC 34 Hình 1.23. Nâng cao cơ tính của thép ULC theo quy trình TMCP 35 Hình 1.24. Ảnh chụp TEM pha nitrit của thép ULC 36 Hình 1.25. Quy trình xử lý nhiệt của thép ULC chứa Mn-Ti 36 Hình 1.26. Độ bền của thép ULC chứa 0,009 %C 37 Hình 1.27. Ảnh EBSD của thép ULC khi ủ ở 850, 800 và 850 oC 38 Hình 1.28. Độ giãn dài và độ bền của thép tấm sử dụng trong công nghiệp ô tô 39 Hình 1.29. Ứng dụng của thép ULC trong công nghiệp ô tô 40 Hình 1.30. Nóc vỏ xe ô tô bằng thép ULC/IF 220 dày 0,7 mm 41 Hình 1.31. Cửa và nóc vỏ xe ô tô chế tạo từ thép ULC sau cán nguội 41 6
Hình 2.1. Quy trình thực nghiệm của nghiên cứu 43 Hình 2.2. Mẫu thép ULC nấu luyện trong lò điện hồ quang 44 Hình 2.3. Quy trình thực nghiệm 2 nấu luyện và tinh thép ULC 45 Hình 2.4. Sơ đồ thực nghiệm thổi ôxy khử C trong lò trung tần 45 Hình 2.5. Thực nghiệm tinh luyện thép lỏng trong lò điện trở chân không (TN1) 46 Hình 2.6. Thực nghiệm tinh luyện thép lỏng trong lò cảm ứng chân không 47 Hình 2.7. Thực nghiệm cán nguội mẫu thép ULC 48 Hình 2.8. Sơ đồ chế độ ủ mẫu thép ULC 48 Hình 2.9. Hình dạng và kích thƣớc mẫu thử cơ tính 49 Hình 2.10. Mẫu thép ULC chụp hiển vi quang học 49 Hình 2.11. Kính hiển vi quang học (Axiovert 25) 50 Hình 2.12. Hiển vi điện tử quét kết hợp vi phân tích thành phần, SEM-EPMA (JEOL) 50 Hình 2.13. Thiết bị phân tích nhiễu xạ rơngen (Bruker) 51 Hình 2.14. Máy đo độ cứng tế vi Duramin 51 Hình 2.15. Mẫu thép ULC cho phân tích SEM-EBSD 52 Hình 2.16. Hiển vi nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc, SEM-EBSD (FEI) 52 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của áp suất đến cân bằng phản ứng 3.4 ở 1600 oC 55 Hình 3.2. Tỷ lệ khử C khi thay đổi điều kiện tinh luyện chân không 56 Hình 3.3. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng của mẫu thép ULC cán nguội (a) và so 60 sánh độ bền của mẫu thép ULC cán nguội (b) Hình 3.4. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 1 khi ủ ở nhiệt độ 61 khác nhau Hình 3.5. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 2 khi ủ ở nhiệt độ 62 khác nhau Hình 3.6. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 3 khi ủ ở nhiệt độ 63 khác nhau Hình 3.7. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 4 khi ủ ở nhiệt độ 64 khác nhau Hình 3.8. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 5 khi ủ ở nhiệt độ 65 khác nhau Hình 3.9. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng và cơ tính của mẫu 6 khi ủ ở nhiệt độ 66 khác nhau Hình 3.10. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng C đến cơ tính của thép ULC 67 Hình 3.11. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC cán nguội 68 Hình 3.12. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC ủ ở 400 o 69 o Hình 3.13. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC ủ ở 600 69 7
Hình 3.14. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Mn đến cơ tính của thép ULC ủ ở 800 o 70 Hình 3.15. Biểu đồ so sánh cơ tính của các mẫu thép ULC 72 Hình 3.16. Cơ tính của mẫu TN2-2 và TN2-3 so với một số loại thép độ bền thấp và 72 độ bền cao sử dụng trong công nghiệp ô tô Hình 3.17. Kết quả phân tích XRD của mẫu thép 1 (CR = 90 %) 73 Hình 3.18. Kết quả phân tích mẫu thép TN2-2 74 Hình 3.19. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép 1 sau cán nguội 74 Hình 3.20. Tổ chức tế vi của mẫu 1 khi nhiệt độ ủ khác nhau 75 Hình 3.21. Ảnh hiển vi quang học của các mẫu thép ULC khi ủ ở nhiệt độ khác nhau 76 Hình 3.22. Tổ chức tế vi của các mẫu thép ULC sau khi ủ 78 Hình 3.23. Tổ chức tế vi của thép ULC sau cán nguội và ủ ở 600 oC 80 Hình 3.24. Tổ chức tế vi của thép ULC sau khi ủ 5 phút 81 Hình 3.25. Sự giảm độ cứng tế vi theo thời gian ủ ở nhiệt độ 600 oC 82 Hình 3.26. Sự giảm độ cứng tế vi theo nhiệt độ ủ khi giữ nhiệt trong 5 phút 82 Hình 3.27. Quan hệ giữa tỷ phần kết tinh lại và thời gian ủ ở 600 oC của mẫu thép 4 84 Hình 3.28. Ảnh HVQH phân bố tạp chất trong mẫu thép ULC sau cán nguội 85 Hình 3.29. Kết quả phân tích SEM-EDX của mẫu TN1-1 86 Hình 3.30. Kết quả phân tích SEM-EDX của mẫu TN2-2 87 Hình 3.31. Kết quả phân tích SEM-EPMA của mẫu thép TN2-2 88 Hình 3.32. Ảnh chụp EBSD của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC 89 Hình 3.33. Phân bố kích thƣớc hạt ferit của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC 90 Hình 3.34. Hình chiếu cực của mẫu 1 sau khi ủ ở 800 oC 91 Hình 3.35. Ảnh chụp EBSD của mẫu thép TN2-2 sau cán nguội (a, b) và sau ủ (c) 92 Hình 3.36. Phân bố kích thƣớc hạt của mẫu TN2-2 sau cán nguội 93 Hình 3.37. Hình chiếu cực của mẫu thép TN2-2 sau cán nguội (trái) và sau ủ (phải) 94 Hình 3.38. Tỷ lệ phân bố góc biên giới các hạt ferit của mẫu cán ( hƣớng cán) 94 8
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong công nghiệp, thép các bon thấp (low carbon – LC) đƣợc sử dụng rộng rãi do có những ƣu điểm về khả năng tạo hình tốt, dễ gia công chế tạo, tính hàn tốt, độ bền hợp lý và giá thành thấp hơn so với các loại vật liệu khác. Ví dụ, một trong những loại thép đầu tiên đƣợc sử dụng trong công nghiệp là thép LC và thép các bon rất thấp (extra low carbon – ELC) do hai loại thép này có khả năng gia công tạo hình tốt và hiệu quả kinh tế cao [1]. Do nhu cầu về thép có tính dập sâu tốt trong công nghiệp ô tô nên thép các bon siêu thấp (ultra low carbon – ULC) đƣợc sử dụng thay thế cho các loại thép nói trên nhờ khả năng dập sâu rất tốt trong khi cơ tính không bị giảm nhiều nhờ những tiến bộ mới trong ngành sản xuất thép [2,3]. Đồng thời với ƣu điểm trên, thép ULC còn có tính hàn rất tốt nên rất phù hợp chế tạo các loại sản phẩm yêu cầu ghép nối bằng công nghệ hàn hồ quang tự động trong công nghiệp ô tô. Thép ELC bắt đầu đƣợc sản xuất rộng rãi trên thế giới từ những năm 1970. Ban đầu, hàm lƣợng các bon (C) trong thép ELC tƣơng đối cao – đạt khoảng 200 ppm (tƣơng đƣơng 0,02 %); nhƣng sau này, do có sự xuất hiện của công nghệ tinh luyện chân không nên xuất hiện thép ULC với hàm lƣợng C thƣờng thấp hơn 50 ppm (tƣơng đƣơng 0,005 %) [4-8]. Ngoài ra, thép ULC chứa một lƣợng nhỏ các nguyên tố khác nhƣ mangan (Mn) và silic (Si), hoặc các nguyên tố hợp kim vi lƣợng nhƣ titan (Ti) và niobi (Nb) để tăng độ bền và cải thiện tính dập sâu. Loại thép này đƣợc sử dụng phổ biến trong chế tạo các chi tiết dập nguội cần độ biến dạng lớn, yêu cầu ghép nối bằng công nghệ hàn hoặc phải qua công đoạn sơn phủ bề mặt. Nhờ tinh luyện trong chân không có thể khử bỏ khí hòa tan (ôxy và nitơ) xuống hàm lƣợng rất thấp nên thép ULC có tính dẻo cao, tính dập sâu tốt, rất phù hợp cho chế tạo các sản phẩm phải qua công đoạn gia công tạo hình để ứng dụng trong công nghiệp ô tô, thực phẩm, dầu khí, giao thông vận tải,… Do có hàm lƣợng C siêu thấp nên thép có độ dẻo cao và có thể tiến hành gia công biến dạng nguội; nhờ đó mà tiết kiệm đƣợc năng lƣợng, tăng chất lƣợng bề mặt và tăng độ bền cho sản phẩm mặc dù chỉ sử dụng một lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim. Ở Việt Nam, nhu cầu về các loại thép tấm các bon rất thấp (C < 0,02 %) và các bon siêu thấp (C  0,005 %) ở dạng cán nóng hay cán nguội ngày càng tăng về số lƣợng và chủng loại. Tuy nhiên, ngành thép Việt Nam hiện chƣa sử dụng công nghệ tinh luyện chân không và không có thiết bị đúc phôi dẹt (hoặc phôi tấm) nên vẫn chƣa sản xuất đƣợc loại thép cuộn này để cung cấp cho nhu cầu trong nƣớc. Trong trƣờng hợp nhập khẩu để cung cấp cho gia công chế tạo sản phẩm, cần có chế độ gia công tạo hình và kết hợp với chế độ xử lý nhiệt phù hợp thì mới nâng cao đƣợc cơ tính, giảm tỷ lệ sản phẩm hỏng; nhờ vậy mới có thể khai thác hiệu quả tính năng của loại thép ULC này và đảm bảo hiệu quả kinh tế trong quá trình chế tạo sản phẩm hoặc trong quá trình sử dụng. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu t ot p on siêu thấp sử dụng trong công nghiệp ô tô” là một hƣớng đi mới, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Mục đích và nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết đối với việc sản xuất đƣợc thép ULC ở trong nƣớc, sử dụng hiệu quả loại thép này trong công nghiệp chế tạo và góp phần vào sự phát triển của ngành thép Việt Nam nói riêng và ngành công nghiệp nói chung trong những năm tới. 9
2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án bao gồm: - Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo thép ULC sử dụng trong công nghiệp ô tô có hàm lƣợng C  0,005 %; - Nghiên cứu tinh luyện thép ULC trong chân không và phân bố tạp chất phi kim của thép ULC; - Nghiên cứu ảnh hƣởng của điều kiện gia công biến dạng và ủ đến tổ chức tế vi, thành phần pha và định hƣớng tinh thể của thép ULC để đạt cơ tính: giới hạn bền Rm = 260÷350 MPa, giới hạn chảy Rp = 110÷230 MPa và độ giãn dài A = 30÷50 %. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tổng quan tài liệu về thép ULC (công nghệ sản xuất, cơ tính, tổ chức tế vi, ứng dụng, xu hƣớng nghiên cứu); - Nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: + Chế tạo mẫu thép ULC qua các công đoạn: nấu luyện trong lò điện hồ quang chân không và trong lò điện cảm ứng kết hợp với tinh luyện chân không, gia công biến dạng bằng phƣơng pháp cán nguội, ủ trong lò điện trở; + Phân tích thành phần hóa học bằng máy quang phổ phát xạ; + Kiểm tra cơ tính bằng máy thử độ bền kéo; + Quan sát tổ chức tế vi và tạp chất phi kim bằng kính hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét kết hợp phổ phân tán năng lƣợng tia X (SEM-EDX), hiển vi điện tử quét kết hợp vi phân tích (SEM-EPMA); + Xác định thành phần pha và định hƣớng tinh thể bằng nhiễu xạ rơngen (XRD), hiển vi nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc (SEM-EBSD). 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 1) Ý ng ĩ k o ọc - Với quy trình công nghệ nấu luyện chân không, cán nguội và ủ trong lò điện trở, đã chế tạo thành công thép ULC có hàm lƣợng C nhỏ hơn 0,005% và tổ chức tế vi là thuần ferit; cơ tính sau khi ủ ở 800 oC là giới hạn chảy (Rp = 140÷180 MPa), giới hạn bền (Rm = 295÷380 MPa và độ giãn dài (A = 40÷50 %). - Đã chứng minh bằng thực nghiệm về cơ chế khử sâu C trong quá trình tinh luyện thép lỏng chân không nhờ chuyển dịch cân bằng của phản ứng [C]+[O]={CO}. Đã làm rõ ảnh hƣởng của lực khuấy trộn điện từ đến độ sạch của tạp chất phi kim trong quá trình tinh luyện thép lỏng trong lò cao tần chân không. - Đã khẳng định vai trò làm nhỏ hạt ferit trong quá trình ủ thép ULC khi hợp kim hóa bằng Ti và Nb. Tỷ phần kết tinh lại của thép ULC khi ủ ở 600oC cũng đã đƣợc tính toán dựa trên mô hình JMAK. 2) Ý ng ĩ t ực tiễn Đã đƣa ra ảnh hƣởng của điều kiện nhiệt độ ủ đến cơ tính và tổ chức tế vi của thép ULC, góp phần sử dụng hiệu quả thép ULC trong điều kiện thực tế của các doanh nghiệp cơ khí chế tạo trong nƣớc sử dụng thép ULC. Gợi mở về hƣớng ứng 10
dụng tinh luyện thép chân không để khử sâu C và sản xuất các loại thép chất lƣợng cao trong ngành thép Việt Nam. 5. Tính mới của luận án - Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nấu luyện thành công thép ULC có hàm lƣợng C nhỏ hơn 0,005 % (tƣơng đƣơng 50 ppm) trong các thiết bị nấu chảy chân không; xác định tổ chức tế vi và cơ tính của thép ULC sau quá trình cán nguội và ủ. - Đã nghiên cứu khử sâu C trong thép lỏng khi tiến hành tinh luyện chân không. Thép ULC đƣợc cán nguội và ủ ở chế độ phù hợp để đạt đƣợc cơ tính đáp ứng cho các ứng dụng thực tế. - Đã sử dụng phƣơng pháp nhiễu xạ điện tử tán xạ ngƣợc (EBSD) để xác định cấu trúc tinh thể và hình thái của pha ferit trong thép ULC. 6. Bố cục của luận án - Mở đầu - Chƣơng 1. Tổng quan về thép ULC - Chƣơng 2. Phƣơng pháp nghiên cứu và thực nghiệm - Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận - Kết luận và kiến nghị - Danh mục các công trình đã công bố của luận án - Tài liệu tham khảo 11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÉP ULC 1.1. Thành phần hóa học, cơ tính và tổ chức tế vi Theo thời gian, hàm lƣợng C trong thép ULC ngày càng giảm và hiện nay các nhà sản xuất khống chế hàm lƣợng C nhỏ hơn 0,006 %. Để tăng độ bền của thép ULC, một lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim (Mn, Si,...), và nguyên tố hợp kim vi lƣợng (Nb, Ti,...) đƣợc cho vào thép ULC. Bảng 1.1 là thành phần hóa học và cơ tính của một số mác thép ULC của các hãng sản xuất thép lớn trên thế giới nhƣ POSCO (Hàn Quốc), JFE (Nhật Bản) và ArcelorMittal (có nhiều công ty thành viên ở Mỹ, châu Âu,...) đang đƣợc sử dụng trên thế giới. Bảng 1.1 Một số má t p ULC đ ng sử dụng trên th giới [9-11] Thành phần hóa học (%) Cơ tính sau ủ TT Ký hiệu Rp Cmax Mnmax Simax Rm (MPa) A (%) (MPa) 1 S-EDDQ 0,0060 0,30 0,12  260 120÷160  47 2 H-EDDQ 0,0060 0,25 0,12  260 110÷150  49 3 340BH 0,0020 0,65 0,03  340 195÷265  32 4 180YB 0,0024 0,20 0,05  270 180÷240  40 5 210YB 0,0030 0,20 0,09  340 210÷270  38 6 240YB 0,0030 0,20 0,09  340 240÷300  36 7 270YB 0,0030 0,20 0,09  390 250÷330  36 8 340E 0,0020 0,80 0,08  340  185  34 9 390E 0,0050 1,0 0,03  390  215  30 10 440E 0,0070 0,70 0,40  440  235  26 11 340ES 0,0050 1,40 0,04  340  180  35 12 180YE 0,0020 0,80 0,08  340  180  34 13 210YE 0,0020 0,80 0,08  340  210  34 14 260YE 0,0050 1,0 0,03  390  260  30 15 CPE1D1 (JFE) 0,0012 0,29 0,01  270 115÷135 39÷47 16 CPE1D2 (JFE) 0,0015 0,25 0,01  275 - 39÷46 17 CPE2P (JFE) 0,0030 0,25 0,01 - 115÷135 30÷40 18 CPE2E (JFE) 0,0020 0,25 0,01  275 100÷120 43÷51 19 JIS G0555 0,0030 0,75 0,21  350  230  30 CS230 20 0,004 0,40 0,03 270÷370 140÷260 > 32 (ArcelorMittal) Các nguyên tố hợp kim đƣợc đƣa vào thép ULC để nâng cao độ bền và tăng tính dập sâu của thép. Việc cải thiện cơ tính là do các nguyên tố hợp kim ảnh hƣởng đến pha ferit, độ phân tán của pha cacbit (hoặc nitrit) và kích thƣớc hạt khi nung nóng. Trong thép ULC, ferit là pha quyết định phần lớn đến tính chất của thép. Các nguyên tố hợp kim khi hòa tan vào ferit sẽ hóa bền pha này và góp phần nâng cao độ cứng của pha ferit sau khi làm nguội chậm (ủ kết tinh lại) là Si, Mn,… Những nguyên tố này có mạng tinh thể khác với mạng của Fe-. Khi hóa bền pha ferit sẽ 12
ảnh hƣởng đến tính dẻo của thép ULC nên các loại thép ULC thƣờng chứa một lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim, trong trƣờng hợp yêu cầu về độ bền cao thì hàm lƣợng Mn có thể lớn hơn 1%. Về cơ bản, vai trò của các nguyên tố hợp kim trong thép ULC nhƣ sau: - Mn: khi hòa tan vào Fe sẽ mở rộng vùng tồn tại của Fe- và hạ thấp nhiệt độ chuyển biến của Fe-  Fe-. Trong thép ULC, Mn là nguyên tố hòa tan vào pha ferit và hóa bền cho pha này, do đó nâng cao đáng kể giới hạn chảy. Nếu hàm lƣợng cao sẽ làm giảm tính dẻo của thép và có xu hƣớng tạo cacbit nên ảnh hƣởng không tốt đến tính dập sâu của thép ULC. Ngoài ra, Mn cũng góp phần làm nhỏ hạt ferit nhƣng tác dụng không nhiều; thƣờng phải đƣa vào cùng với các nguyên tố tạo cacbit mạnh nhƣ Ti. - Si: khi hòa tan vào Fe lại thu hẹp vùng ổn định của Fe- và nâng cao nhiệt độ của chuyển biến pha Fe-  Fe-. Si là nguyên tố không tạo cacbit, nâng cao mạnh giới hạn chảy, giảm độ dai và nâng cao ngƣỡng giòn nguội khi hàm lƣợng cao hơn 1%. Trong thép ULC, hàm lƣợng Si thƣờng nhỏ hơn 0,3% và thấp hơn 0,1% nếu yêu cầu cao về tính dập sâu. - Ti và Nb: là các nguyên tố tạo cacbit mạnh, chúng đƣợc đƣa vào để làm nhỏ hạt khi ủ thép ULC. Việc hợp kim hóa thêm 2 nguyên tố này sẽ có xu hƣớng tạo thành cacbit (TiC hoặc NbC) và nitrit (TiN) có vai trò nhƣ các chốt chặn sự dịch chuyển của biên hạt (làm nhỏ hạt) trong quá trình ủ và ngăn chuyển động của lệch (tăng bền) trong quá trình biến dạng. Thực tế cho thấy không nên sử dụng 2 nguyên tố này với hàm lƣợng cao hơn 0,1 % vì sẽ tạo ra các cacbit kích thƣớc lớn khó hòa tan khi nung và phân bố theo biên hạt, kết quả làm giảm tính dẻo của thép ULC. Đối với thép ULC, việc ổn định C và N chủ yếu là nhờ vào một lƣợng nhỏ nguyên tố hợp kim Ti và/hoặc Nb. Nhờ tác dụng này, cấu trúc tinh thể của thép ULC cũng đƣợc cải thiện theo hƣớng có lợi cho khả năng dập sâu mà không ảnh hƣởng đến giới hạn chảy và đặc tính hóa già của vật liệu. Tuy nhiên, các công đoạn xử lý thép ULC sau khi cán cũng rất quan trọng khi hợp kim hóa với một lƣợng nhỏ Ti và/hoặc Nb. Ti là nguyên tố có ái lực hóa học mạnh với các nguyên tố nhƣ O, N, S, C và P. Vì vậy, hàm lƣợng Mn cũng cần đƣợc tính toán để kết hợp với lƣợng S còn lại trong thép. Khi hợp kim hóa bằng Ti, TiN và TiC sẽ hình thành trong quá trình đông đặc, và phụ thuộc vào hàm lƣợng S, Ti và Mn thì có thể tạo thành TiS. Đối với thép ULC có chứa Nb, phức chất Nb(CN) có xu hƣớng tạo thành trong quá trình đông đặc và ủ Nhƣ vậy, để đảm bảo tối ƣu giữa độ bền và tính dập sâu của thép ULC cần điều chỉnh lƣợng nguyên tố hợp kim Mn, Si, Ti, Nb,… phải hợp lý. Ngoài ra, việc hợp kim hóa thêm Nb hoặc Ti còn phụ thuộc vào công nghệ luyện thép để đạt đƣợc hiệu quả thu hồi cao nhất và không gây ra các sự cố trong quá trình đúc liên tục. Theo giản đồ Fe-C (hình 1.1), tổ chức tế vi của thép ULC là thuần ferit. Tổ chức tế vi đặc trƣng của loại thép này sau cán và ủ kết tinh lại nhƣ trong hình 1.2. Để hạn chế sự lớn lên của hạt trong quá trình ủ, một số nguyên tố hợp kim nhƣ Ti, Nb đƣợc cho vào thép ULC. Thực tế sản xuất và sử dụng thép ULC đã cho thấy độ bền và tính dập sâu của thép ULC bị ảnh hƣởng nhiều bởi kích thƣớc hạt của thép sau quá trình xử lý nhiệt. Do đó, khống chế kích thƣớc hạt nhỏ mịn cũng là nghiên cứu đƣợc nhiều ngƣời quan tâm. 13
Hình 1.1 Giản đồ pha Fe-C Tổ chức tế vi là thuần ferit nên cơ tính điển hình của thép ULC nhƣ sau: giới hạn chảy (Rp = 100÷310 MPa), giới hạn bền (Rm = 140÷450 MPa) và độ giãn dài (A = 25÷50%) [5,12]. Để tăng độ bền và khống chế cơ tính theo yêu cầu, ngƣời ta phải sử dụng các biện pháp khác nhƣ điều chỉnh thành phần các nguyên tố hợp kim, thay đổi chế độ gia công biến dạng (cán nguội, cán nóng,...) hoặc xử lý nhiệt. Hình 1.2 Tổ chức t vi điển hình của thép ULC (%C = 0,0021) [13] Thông thƣờng, tăng độ bền của thép ULC sẽ làm giảm tính dập sâu; do đó, việc tối ƣu hóa đƣợc hai tính chất này là mấu chốt trong công nghệ sản xuất và sử dụng hiệu quả loại thép này trong thực tế. Tính chịu ăn mòn kém ở môi trƣờng khí quyển là nhƣợc điểm chính của loại thép ULC, nhƣng các công nghệ phun phủ bề mặt đã loại bỏ hoàn toàn lo ngại về vấn đề này; kết quả là thép ULC ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp. Bảng 1.2 và hình 1.3 cho biết cơ tính và khả năng dập sâu của thép ULC (mác CS230 có thành phần hóa học nhƣ trong 14
bảng 1.1) so với hợp kim Al-Mg (loại A 5000); theo đó, thép các bon siêu thấp CS230 có độ giãn dài và độ dập sâu tốt hơn nhƣng vẫn có giới hạn chảy cao hơn hợp kim Al-Mg. Bảng 1.2. So sán ơ tín ủ t p ULC và ợp kim n ôm [11] Độ dày (mm) Giới hạn chảy Độ giãn dài Độ dập sâu (MPa) (%) Hợp kim Al 0,190÷0,240  200 8 Đạt tiêu chuẩn Thép ULC 0,170 230 > 35 Tốt hơn Hình 1.3 So sánh khả năng dập sâu của thép ULC và hợp kim nhôm [11] 1.2. Công nghệ nấu luyện và tinh luyện Trên thế giới, thép ULC đƣợc nấu luyện theo công nghệ lò thổi ôxy và sau đó là tinh luyện ngoài lò bằng các thiết bị chân không. Lƣu trình công nghệ sản xuất thép ULC đƣợc mô tả trong hình 1.4. Hình 1.4 Lưu trìn ông ng ệ sản xuất thép ULC 15
Trong công nghệ sản xuất các loại thép chất lƣợng cao và thép ULC, tinh luyện thép lỏng trong chân không có vai trò quan trọng. Phƣơng pháp này xuất phát từ mục đích nhằm làm giảm hàm lƣợng [H] trong khi đúc các thỏi thép lớn để rèn. Nếu hàm lƣợng [H] trong thép quá lớn, chúng dễ tạo ra các đốm trắng và đây chính là nguyên nhân gây hỏng sản phẩm khi gia công áp lực. Từ mục đích này, phƣơng pháp chân không đã đƣợc phát triển và ứng dụng để giải quyết những yêu cầu sau: - Giảm hàm lƣợng khí hòa tan trong thép nhƣ [H], [N], [O], … - Giảm hàm lƣợng C trong thép lỏng đến giới hạn rất thấp. - Hợp kim hóa với hệ số thu hồi nguyên tố hợp kim rất cao. - Khử S bằng xỉ. Tinh luyện chân không dựa trên nguyên tắc tách từng phần thép lỏng từ thùng chứa dẫn vào thiết bị chân không để tinh luyện. Có hai phƣơng pháp tinh luyện thép lỏng trong thực tế sản xuất là phƣơng pháp DH (Dortmund - Horder - Hiettenumion) và phƣơng pháp RH (Ruhrstahl Heraeus). Đối với thép ULC, phƣơng pháp tinh luyện chân không tuần hoàn khử khí (RH) thƣờng đƣợc sử dụng để giảm hàm lƣợng C xuống dƣới 50 ppm ( 0,005 %), đồng thời khử sâu các tạp chất khí hòa tan nhƣ ôxy (O) và nitơ (N). Thực tế đã cho thấy rằng tinh luyện thép lỏng trong chân không có thể khử đƣợc C, O và N xuống giá trị rất thấp và nâng cao cơ tính của sản phẩm thép. Hình 1.5 cho thấy khả năng khử C và một số tạp chất thay đổi theo thời gian ở các nhà máy thép Nhật Bản. Hình 1.5 Hàm lượng t p ất trong t p ó t ể đ t đượ [14] Hình 1.6 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của phƣơng pháp tinh luyện RH và khử khí trong buồng chân không (vacuum degassing – VD). Nghiên cứu của J. Liu và các cộng sự đã cho thấy rằng, các công ty sản xuất thép thép ULC của Nhật cần phải tiến hành tinh luyện thép lỏng bằng phƣơng pháp RH trong khoảng thời gian từ 1025 phút để giảm đƣợc hàm lƣợng C trong thép xuống tƣơng ứng là 3010 ppm [15]. Thực tế đã cho thấy rằng tinh luyện thép lỏng bằng phƣơng pháp RH hoặc phƣơng pháp VD có thể khử đƣợc C xuống hàm lƣợng siêu thấp [16]. Nhƣng do 16
dung lƣợng thép của thùng tinh luyện lớn và nhiệt độ cao nên muốn khử C tới giá trị siêu thấp thì phƣơng pháp VD cần thời gian kéo dài và nhiệt độ cao; dẫn đến tăng chi phí sản xuất và giảm tuổi thọ của lớp vật liệu chịu lửa bên trong thùng tinh luyện. Các phƣơng pháp tinh luyện chân không có giá thành cao và thiết bị phức tạp, thêm vào đó tốc độ khử các bon trong thép lỏng và hiệu quả tinh luyện chân không ảnh hƣởng đến quá trình công nghệ và giá thành sản phẩm, và đó là quan tâm chủ yếu trong thực tế sản xuất. Hình 1.6 P ương p áp RH và VD trong tin luyện thép ULC [17] Lúc mới ra đời, các phƣơng pháp tinh luyện chân không chỉ có nhiệm vụ khử khí nhƣng sau đó còn phải thực hiện thêm các chức năng khác nhƣ khử S, khử C, gia nhiệt, hợp kim hóa, đồng đều thành phần và nhiệt độ; nhờ vậy làm tăng độ sạch của thép và biến tính tạp chất. Nhật Bản đƣợc coi là quốc gia phát triển mạnh mẽ về tinh luyện thép ngoài lò trong chân không, có thể tóm tắt sự hình thành và phát triển công nghệ này qua các giai đoạn sau đây [18]. 1) Năm 1960 – 1970 Bắt đầu xây dựng lò tinh luyện thép chân không. Ban đầu, phƣơng pháp DH đƣợc áp dụng với lò 70 tấn tại Nhà máy Yawata vào năm 1961, và sau đó tăng lên 180 tấn tại Nhà máy Yawata năm 1969. Phƣơng pháp RH đƣợc áp dụng với dung lƣợng lò 100 tấn (tại nhà máy Hirohata năm 1963). Sau đó là phƣơng pháp tinh luyện thép không gỉ RH-OB đƣợc áp dụng tại Nhà máy Muroran vào năm 1972. 2) S u năm 1970 Mở rộng quy mô lò tinh luyện chân không trên khắp thế giới. Phƣơng pháp RH đƣợc áp dụng với lò 350 tấn tại Nhà máy Oita và áp dụng thổi ôxy từ phía dƣới đáy lò (RH-OB), bắt đầu áp dụng phƣơng pháp tinh luyện RH sử dụng phun khí argon 2 giai đoạn qua ống phun nhúng chìm trong thép lỏng – xem hình 1.7. 3) Từ năm 1980 Mở rộng các tính năng tinh luyện tại Nhà máy Oita vào năm 1980. Phƣơng pháp RH khử S bằng cách cho thêm chất làm loãng xỉ/chất khử S vào lò tinh luyện, áp dụng quy trình xử lý tự động hoàn toàn. Tăng cƣờng tỉ lệ tuần hoàn khép kín của thép lỏng và tiếp tục phát triển phƣơng pháp RH-PB (tại Nhà máy thép Nagoya năm 17
1986). Đồng thời, năm 1986 cũng bắt đầu áp dụng phƣơng pháp V-KIP tại Nhà máy thép Kimitsu. Hình 1.7 P ương p áp tin luyện RH-OB và VOD [19] Tập đoàn Thép NKK của Nhật Bản đã liên tục phát triển công nghệ luyện thép ULC mới nhằm thỏa mãn các nhu cầu đa dạng về thép của xã hội. Các công nghệ tiên tiến, dẫn đầu thế giới về luyện thép đƣợc phát triển và áp dụng vào thực tiễn đã giảm rõ rệt lƣợng xỉ tạo ra bằng cách khử phốt pho hiệu quả trong quá trình tinh luyện thép lỏng trong chân không; kiểm soát chất lƣợng thép cực kỳ hiệu quả và tốc độ đúc liên tục nhanh và sự phát triển của các sản phẩm phụ hữu ích từ xỉ luyện thép. Các công nghệ này là tiền đề cho sự ra đời của Công ty Thép JFE, dựa trên những thành tựa đã đạt đƣợc trong quá khứ, JFE tiếp tục nâng tầm các phát minh công nghệ luyện thép để đáp ứng các nhu cầu thay đổi và ngày càng khắt khe của xã hội [19]. Công ty JFE (Nhật Bản) đã có phƣơng pháp tinh luyện tuần hoàn khử khí chân không kết hợp thổi bột khử (RH-PB). Từ phía dƣới buồng chân không RH, bột khử đƣợc phun vào thép lỏng đang tuần hoàn để khử phốt pho, lƣu huỳnh hoặc khử ôxy. Đồng thời, Công ty cũng đã phát triển phƣơng pháp tinh luyện RH bằng cách kết hợp phun bột vào thùng thép RH – LIRP (Ladle Injection Refining Process). Bột đƣợc phun từ đáy thùng vào trong thùng thép lỏng, sau đó bột khử sẽ đi theo dòng thép vào buồng chân không để tinh luyện làm sạch thép lỏng, giảm tổng lƣợng tạp chất trong thép và khống chế tạp chất một cách hiệu quả. Phƣơng pháp tinh luyện trong chân không đã giúp sản xuất thành công loại thép các bon siêu thấp có hàm lƣợng C < 10 ppm nhờ quá trình khử C trong vòng 15 phút. Khi các thông số chính của phản ứng khử C trong quá trình tinh luyện chân không RH đƣợc đƣa vào xử lý bằng mô hình thực nghiệm, kết quả thu đƣợc sẽ tạo ra các cải tiến trong quy trình vận hành của phƣơng pháp tinh luyện chân không này. Nhờ đó, việc sản xuất quy mô lớn thép ULC rất khả quan với hàm lƣợng C đạt 10 ppm hay thấp hơn bằng phƣơng pháp tinh luyện RH. Theo dự báo, nhu cầu về thép ULC sẽ tăng lên và yêu cầu chất lƣợng của loại thép ngày càng cao hơn. Vì vậy, sẽ dẫn đến các nghiên cứu nhằm đảm bảo cho việc tăng năng suất bằng cách 18