Nghiên cứu chế độ xử lý nhiệt thép nòng súng pháo 35CrNi3MoV

Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ XỬ LÍ NHIỆT THÉP NÒNG SÚNG PHÁO<br /> 35CrNi3MoV<br /> Đinh Bá Trụ (Học viện Kĩ thuật quân sự) - Đinh Văn Chiến(Trường ĐH Mỏ-Địa chất Hà Nội),<br /> Trần Đức Hưng ( Z179 Bộ Quốc phòng)<br /> <br /> Thép 35CrNi3MoV là một loại thép<br /> kết cấu hợp kim thấp độ bền cao, được sử<br /> dụng chế tạo các chi tiết chịu tải trọng lớn, tải<br /> xung đòi hỏi độ bền cao, tính dẻo tốt, như các<br /> trục chân vịt, trục khuỷu, trục chính các máy<br /> điện hoặc máy mỏ, đồng thời dùng chế tạo<br /> nòng súng pháo.<br /> Trong quá trình chế tạo, do chế độ nhiệt khi rèn và khi ủ, tôi và ram không thích hợp,<br /> như nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt không đúng, tổ chức tế vi của thép xuất hiện hạt không đều,<br /> hạt thô to xen lẫn các hạt nhỏ. Nguyên nhân hiện tượng hạt không đều và thô to, theo nhiều<br /> nghiên cứu của các nước, là do tính di truyền của hạt, một thuộc tính cố hữu của thép CrNiMoV<br /> và do hàm lượng Al và Mg dư trong quá trình nấu luyện và tinh luyện có tác dụng thúc đNy sự<br /> lớn lên của hạt khi nung ở nhiệt độ cao. Đối với các chi tiết dạng trục, khi rèn, hai đầu phôi chịu<br /> tác động của lực trong các điều kiện biến dạng và nhiệt độ khác nhau, nên kết tinh lại trong điều<br /> kiện khác nhau, dẫn đến độ lớn của hạt không đồng đều giữa hai đầu phôi. Do hạt to và không<br /> đều cục bộ, sự giảm các chỉ tiêu cơ tính, trong đó có độ dai va đập, không đồng đều trên một tiết<br /> diện sản phNm, trên các tiết diện khác nhau tại các đoạn đầu cuối của một trục, nên đối với nòng<br /> súng pháo cần kiểm định chất lượng tại các đoạn đầu cuối và kể cả kiểm tra tại phần giữa phôi.<br /> Từ thực tế sản xuất các chi tiết dạng trục to và dài, nhiều phế phNm đã xảy ra gây lãng phí và<br /> tăng giá thành sản phNm.<br /> <br /> Hình 1. Tổ chức kim tế vi sau khi điện xỉ, hạt thô to và không đều<br /> <br /> Mục tiêu nghiên cứu: Xác định chế độ nhiệt khi rèn và xử lí nhiệt phôi nòng súng pháo,<br /> khẳng định khả năng cung cấp phôi nòng cho quân đội. Cụ thể là: Nghiên cứu khẳng định chế<br /> độ công nghệ ủ đồng đều và khử khuyết tật điểm trắng; công nghệ tôi và ram.<br /> Phương pháp nghiên cứu: trên cơ sở phân tích lí thiết tiến hành thực nghiệm xác định tổ<br /> chức và tính chất của thép sau từng chặng công nghệ.<br /> 2. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu<br /> Các bước công nghệ: Xử lí nhiệt - Rèn – tôi và ram (nhiệt luyện hóa tốt)<br /> Phôi và thiết bị rèn: Đường kính ban đầu phôi Φ140, đường kính sản phNm Φ50, sử dụng<br /> công nghệ rèn tóp nóng 2 đầu búa.<br /> 78<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> Thiết bị nghiên cứu kim tương: Kính hiển vi quang học Axiovert 40MAT; Máy đô độ<br /> dai va đập RKR450 Đức; Máy thử kéo nén UH – 25; Kính hiển vi điện tử.<br /> a. Xử lí nhiệt sau khi nấu đúc và tinh luyện điện xỉ<br /> Sau khi điện xỉ, các thỏi kim loại được ủ đồng đều khử ứng suất và làm đồng đều hạt.<br /> Chế độ xử lí nhiệt<br /> - Ủ đồng đều T= 9100C<br /> 18 h Nguội theo lò<br /> 0<br /> - Thường hóa T= 850 C<br /> 1,5h Nguội trong KK<br /> Sau khi xử lí nhiệt, tổ chức kim loại tương đối đồng đều.<br /> <br /> Hình 2. Tổ chức tế vi sau xử lí nhiệt: a. ủ 9100C,18 h; Thường hoá 8500C,1,5h<br /> <br /> b. Xử lí nhiệt khi rèn vuốt<br /> Phạm vi nhiệt độ rèn T = 1250 ÷ 850oC. Rèn xong làm nguội trong thùng cát nóng.<br /> Chế độ nhiệt: Nung chậm trong lò, tốc độ nung phân theo các sau: bước 1. Nung chậm<br /> 500/h đến nhiệt độ 6500C, bước 2. nung 1000/h đến 8500C, bước 3. nung theo tốc độ lò đến<br /> 12500C, giữ nhiệt được tính theo kích thước phôi.<br /> Rèn xong làm nguội chậm trong hố cát nóng, sau 12 giờ mới bỏ ra nguội trong không khí.<br /> c. Xử lí nhiệt cuối cùng<br /> Ủ: T= 860~8800C, 2 h nguội cùng lò;<br /> Tôi: T = 870 ÷ 890oC, trong dầu.<br /> Ram: T = 450oC, 550oC, 650oC,<br /> Ủ có mục đích khử các khuyết tật về ứng suất và tổ chức sau rèn còn dư lại.<br /> Tôi cần sử dụng nhiệt độ cao để các nguyên tố hợp kim và các cacbit tan được trong Feα,<br /> tạo điều kiện hóa bền cho thép sau tôi.<br /> Đối với thép kết cấu sử dụng làm nòng pháo, vấn đề quan trọng phải ram ở nhiệt độ trên<br /> nhiệt độ làm việc. Vì vậy thường sử dụng ram ở 6500C.<br /> <br /> Hình 5.8. Các quy trình xử lí nhiệt<br /> <br /> 79<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> 3. Kết quả thực nghiệm<br /> Bảng 1. Kết quả nghiên cứu cơ tính<br /> Tên mẫu<br /> A1<br /> <br /> Ku, j/cm<br /> 99,7<br /> <br /> σ0.2 MPa<br /> 768.1<br /> <br /> σbm MPa<br /> 896,1<br /> <br /> δ, %<br /> 20,0<br /> <br /> ψ, %<br /> 64,8<br /> <br /> A2<br /> <br /> 105,7<br /> <br /> 749,8<br /> <br /> 892,5<br /> <br /> 20,0<br /> <br /> 62,8<br /> <br /> A3<br /> <br /> 97,0<br /> <br /> 753,4<br /> <br /> 894,4<br /> <br /> 20,0<br /> <br /> 66,0<br /> <br /> B3-1<br /> <br /> 139,3<br /> <br /> 715,5<br /> <br /> 795,0<br /> <br /> 23,3<br /> <br /> 69,1<br /> <br /> B3-2<br /> <br /> 136,8<br /> <br /> 735,8<br /> <br /> 817,1<br /> <br /> 16,7<br /> <br /> 64,0<br /> <br /> B3-3<br /> <br /> 129,2<br /> <br /> 739,2<br /> <br /> 821,4<br /> <br /> 20,0<br /> <br /> 67,0<br /> <br /> B5-1<br /> <br /> 183,0<br /> <br /> 766,8<br /> <br /> 895,1<br /> <br /> 26,7<br /> <br /> 67,0<br /> <br /> B5-2<br /> <br /> 163,6<br /> <br /> 705,8<br /> <br /> 872,6<br /> <br /> 23,3<br /> <br /> 69,1<br /> <br /> B5-3<br /> <br /> 140,8<br /> <br /> 725,1<br /> <br /> 979,1<br /> <br /> 23,3<br /> <br /> 67,3<br /> <br /> B5-4<br /> <br /> 47,0<br /> <br /> 1324,9<br /> <br /> 1474,0<br /> <br /> 16,7<br /> <br /> 51,9<br /> <br /> B5-5<br /> <br /> 48,6<br /> <br /> 1331,6<br /> <br /> 1480,0<br /> <br /> 13,3<br /> <br /> 49,6<br /> <br /> B5-6<br /> <br /> 51,6<br /> <br /> 1297,1<br /> <br /> 1440,8<br /> <br /> 16,7<br /> <br /> 48,0<br /> <br /> B5-7<br /> <br /> 68,7<br /> <br /> 1225,5<br /> <br /> 1363,5<br /> <br /> 16,7<br /> <br /> 55,6<br /> <br /> B5-8<br /> <br /> 87,1<br /> <br /> 1150,1<br /> <br /> 1280,7<br /> <br /> 13,3<br /> <br /> 59,0<br /> <br /> B5-9<br /> <br /> 68,8<br /> <br /> 1199,9<br /> <br /> 1333,5<br /> <br /> 16,7<br /> <br /> 56,9<br /> <br /> B5-10<br /> <br /> 165<br /> <br /> 963,6<br /> <br /> 1053,8<br /> <br /> 18,3<br /> <br /> 66,6<br /> <br /> B5-11<br /> <br /> 197,8<br /> <br /> 954,8<br /> <br /> 1047,2<br /> <br /> 18,3<br /> <br /> 67,1<br /> <br /> B5-12<br /> <br /> 170,6<br /> <br /> 962,5<br /> <br /> 1045,9<br /> <br /> 18,3<br /> <br /> 67,3<br /> <br /> 2<br /> <br /> Bảng 5.2.Kết quả thử cơ tính sau gia công, giá trị trung bình<br /> Độ co thắt, %<br /> <br /> Độ dai va đập, J/cm2<br /> <br /> GH chảy, MPa<br /> <br /> GH bền, MPa<br /> <br /> Độ dãn dài, %<br /> <br /> Ban đầu<br /> <br /> 757<br /> <br /> 895<br /> <br /> 20.0<br /> <br /> 65.0<br /> <br /> 101.0<br /> <br /> Sau vuốt<br /> <br /> 729<br /> <br /> 811<br /> <br /> 20.0<br /> <br /> 67.0<br /> <br /> 135.1<br /> <br /> Sau tóp chưa NL<br /> <br /> 732<br /> <br /> 915<br /> <br /> 24.3<br /> <br /> 67.7<br /> <br /> 162.6<br /> <br /> Sau tóp, T+R450<br /> <br /> 1318<br /> <br /> 1465<br /> <br /> 15.7<br /> <br /> 50.0<br /> <br /> 49.0<br /> <br /> Sau tóp, T+R550<br /> <br /> 1192<br /> <br /> 1326<br /> <br /> 15.7<br /> <br /> 58.3<br /> <br /> 74.9<br /> <br /> Sau tóp, T+R650<br /> <br /> 961<br /> <br /> 1049<br /> <br /> 18.3<br /> <br /> 67.1<br /> <br /> 77.8<br /> <br /> Phân tích kết quả cơ tính<br /> - Cơ tính của thép phôi ban đầu Φ140 so với phôi sau vuốt Φ100 và sau rèn tóp chưa<br /> nhiệt luyện, không có thay đổi lớn. Có nghĩa là, trong điều kiện thường hóa, tác dụng của rèn<br /> vuốt với tỉ số rèn cao, chưa làm thay đổi cơ bản các giá trị cơ tính của vật liệu. Như vậy, việc<br /> rèn tóp chủ yếu tác dụng thu nhỏ đường kính sản phNm theo yêu cầu của phôi.<br /> - Cơ tính của thép sau tóp và tôi – ram có thay đổi rõ rệt. Khi ram ở nhiệt độ 4500C, giá<br /> trị độ bền và giới hạn chảy cao. Nhưng độ dai va đập thấp. Khi tăng nhiệt độ ram, các chỉ tiêu<br /> bền giảm. Xét về giá trị khi ram ở nhiệt độ 6500C giới hạn đàn hồi cũng đạt đến 1000MPa. Đặc<br /> biệt nhận thấy, khi ram ở nhiệt độ cao, độ co thắt và độ dai va đập tăng. Có nghĩa, khi ram cao,<br /> được các tổ chứ kim tương nhỏ mịn, làm cho tính dẻo của thép cải thiện.<br /> 80<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> Kết quả phân tích kim tương<br /> <br /> Ảnh 9. Mẫu 1 t=m thực Klem (mầu)- 100x.<br /> Pha ferit màu xanh.<br /> <br /> Ảnh 10. Mẫu 1 t=m thực Klem (mầu)<br /> Pha ferit nhuộm màu xanh.<br /> <br /> Mẫu sau tóp trước tôi – ram<br /> <br /> Ảnh 21. Mẫu 2 t=m thực Klem (mầu)<br /> 100x. Pha ferit xanh.200x.<br /> <br /> Ảnh 22. Mẫu 2 t=m thực Klem (mầu)<br /> Pha ferit xanh.<br /> <br /> Tôi Ram 450<br /> <br /> Ảnh 39. Mẫu 4 t=m thực 4% Picral+ 2% Nital- 200x.<br /> Cấu trúc mịn hơn nhiều, không thấy ferit dạng kim.<br /> Tổ chức tế vi có thể là mactensit ram.<br /> <br /> Ảnh 40. Mẫu 4 t=m thực<br /> 4% Picral+ 2% Nital- 200x- DIC.<br /> <br /> Tôi ram 650<br /> <br /> Ảnh 65. Mẫu 6 t=m thực Klem (mầu)- 100x.<br /> <br /> Ảnh 66. Mẫu 6 t=m thực Klem (mầu)- 200x.<br /> <br /> 81<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> Ảnh hiển vi điện tử<br /> <br /> Kết luận<br /> Độ hạt lớn và không đồng đều sinh ra do tính di truyền của thép, do hàm lượng Al, Mg<br /> dư, và do chế độ nhiệt khi rèn gây chất lượng thép kém nhất là đối với các chi tiết dạng trục dài<br /> như nòng pháo. Khuyết tật này cần được sử dụng công nghệ nhiệt luyện để khử.<br /> Quy trình công nghệ đã thực hiện và đem lại kết quả tốt, tổ chức kim loại tương đối đồng<br /> đều theo tiết diện và đồng đều trên chiều dài, chất lượng về cơ tính đáp ứng yêu cầu.<br /> Quy trình công nghệ đã được ứng dụng cho công nghệ tạo phôi nòng súng
<br /> Tóm tắt<br /> Thép kết cấu hợp kim độ bền cao hợp kim hóa bằng Cr-Ni-Mo-V và xử lí nhiệt tôi-ram<br /> được sử dụng rộng rãi để chế tạo các chi tiết máy chịu tải lớn và trong chế tạo nòng súng pháo.<br /> Loại thép này thường xuất hiện các hạt tinh thể lớn sau ủ, và tôi-ram do tính di truyền cấu trúc.<br /> Do đó, cơ tính của chúng giảm. Báo cáo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của xử lí nhiệt<br /> đến tổ chức tế vi và tính chất của thép 35CrNi3MoV. Kết quả nghiên cứu cho thấy, sau khi sử<br /> dụng các quy trình công nghệ tổng hợp về xử lí nhiệt, có thể thu được tổ chức hạt đồng đều và<br /> nhỏ mịn, đồng thời cho các chỉ tiêu cơ tính cao, như độ bền cao, độ cứng và tính dẻo tốt. Các<br /> quy trình công nghệ xử lí nhiệt có thể áp dụng cho xử lí nhiệt các chi tiết lớn như các loại trục<br /> trong các máy điện và máy mỏ.<br /> Tài liệu tham khảo<br /> [1]. Đinh Bá Trụ, Trần Đức Hưng (2005), “ Đặc điểm Thép nòng pháo và vấn đề công nghệ xử lí<br /> nhiệt ”, Tạp chí Cơ khí.<br /> [2]. М. Л. Бертнштейн и А. Г. Рахштадт, (1995),<br /> обработка, Справочник, М, Металлургия.<br /> <br /> Металловедение и Термическая<br /> <br /> [3]. В.П. Левченко, В.В. Кубaчек, В.А. Гольцов и др (1975). Влияние микролегировaния<br /> гидридообрaзующими элементaми нa флокеночувствительность стaли 34ХНМ. Изв. вузов, Чернaя<br /> метaллургия. - №10. - C.116-119.<br /> [4]. Т.К.Сергеева, Н.А.Башнин, В.М.Иванова и др (1996). Поведение водорода в стали<br /> 38ХН3МФА при разных схемах противофлокенной термической обработки. Изв. РАН, Металлы. .<br /> - №1. - С.74-79.<br /> <br /> 82<br /> <br />