intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Nghiên cứu giảm biến dạng trong quá trình nhiệt luyện thép SKD61 trong lò tôi chân không

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

15
lượt xem
2
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu giảm biến dạng trong quá trình nhiệt luyện thép SKD61 trong lò tôi chân không trình bày hiệu quả của việc kiểm soát tốc độ nguội trong lò chân không, giúp giảm biến dạng mà vẫn đảm bảo độ bền cho khuôn rèn nóng chế tạo từ thép SKD61.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu giảm biến dạng trong quá trình nhiệt luyện thép SKD61 trong lò tôi chân không

  1. Journal of Science and Technology of 2 Công trình nghiên cứu Nghiên cứu giảm biến dạng trong quá trình nhiệt luyện thép SKD61 trong lò tôi chân không A study on reducing distortion during heat treatment of steel SKD61 in the vacuum quenching furnace HOÀNG ANH TUẤN*, TRẦN NHƯ BIÊN, NGÔ BẢO TRUNG, ĐỒNG XUÂN THÁI Viện Công Nghệ, số 25 Vũ Ngọc Phan, Đống Đa, Hà Nội. *Email: hoanganhtuan@ritm.vn Ngày nhận bài: 26/4/2022, Ngày duyệt đăng: 6/8/2022 TÓM TẮT Sự biến dạng và thay đổi kích thước của các sản phẩm sau nhiệt luyện, đặc biệt là các sản phẩm có kích thước lớn, là không thể tránh khỏi. Đây cũng là nguyên nhân làm tăng chi phí gia công cũng như tỷ lệ phế phẩm. Bài báo này trình bày hiệu quả của việc kiểm soát tốc độ nguội trong lò chân không, giúp giảm biến dạng mà vẫn đảm bảo độ bền cho khuôn rèn nóng chế tạo từ thép SKD61. Kết quả nghiên cứu dựa trên cơ sở thực nghiệm mẫu có sẵn của Viện Công Nghệ, Bộ Công-Thương cho thấy quy trình công nghệ nhiệt luyện phù hợp là sự kết hợp của nguội chậm (để giảm biến dạng) ở vùng nhiệt độ cao trên 550 oC và nguội nhanh (để tăng cơ tính) với áp suất (5 ÷ 6) bar ở vùng nhiệt độ dưới 550 oC. Từ khóa: Giảm biến dạng, nhiệt luyện chân không, khuôn rèn nóng, thép SKD61. ABSTRACT Prevent distortion and size deviation completely after heat treatment, especially for large size object, is impos- sible. That means an increase of the finishing costs and the failure ratio. This paper presents the effect of control- ling the cooling rate by the vacuum furnace, which helps to reduce distortion for the hot-work tool steel SKD61 while ensuring strength properties. The obtained results with experimental products of Research Institute of Technology for Machinery, Minitry of Industry and Trade show that, the most suitabl heat treatment technology is a combina- tion of slow cooling (for reducing distortion) at high temperatures above 550 oC and fast cooling (for increasing mechanical properties) with a pressure of (5 ÷ 6) bar at temperatures below 550 oC. Keywords: Distortion reduction, vacuum heat treatment, hot working die, SKD61 steel. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ như chỉnh sửa kích thước, mài khuôn trước thấm. Hiện nay tại Việt Nam, khuôn kim loại chế tạo Điều này tạo ra xu hướng nghiên cứu và cải tiến từ thép dụng cụ, đặc biệt là từ thép SKD61 được kỹ thuật cho công nghệ nhiệt luyện theo hướng sản xuất ngày càng nhiều và thay thế dần các loại kiểm soát và giảm thiểu sai hỏng do sự thay đổi khuôn kim loại nhập khẩu. Tuy nhiên, khuôn kim kích thước và hình dạng khuôn sau quá trình nhiệt loại được sản xuất trong nước đang gặp phải các luyện mà vẫn đảm bảo yêu cầu cơ tính. Khuôn rèn vấn đề liên quan đến sự biến dạng khuôn sau nóng chế tạo từ thép SKD61 có yêu cầu độ cứng nhiệt luyện. Hiện tượng này đặc biệt nguy hiểm tại trong khoảng (44 ÷ 46) HRC và độ biến dạng nhỏ những vị trí có biên dạng mỏng, vì những sai lệch hơn 1,4 mm. Các nghiên cứu trước đã chỉ ra rằng, kích thước này thường không thể sửa chữa, phải làm nguội nhanh dẫn đến sự biến dạng lớn thậm loại bỏ chi tiết. Chế độ nhiệt luyện hợp lý sẽ cho chí là nứt sản phẩm [1]. Ngược lại, tốc độ nguội phép cắt giảm chi phí gia công tinh sau nhiệt luyện chậm có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Bảng 1. Thành phần hóa học của thép SKD61 C Si Mn P S Cr Mo V Fe 0,38 0,96 0,48 0,02 0,003 5,34 1,24 0,23 Còn lại _____________________________ Số 103 . tháng 8/2022 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI DOI: 10.52923/vmfs.jstm.82022.103.01
  2. Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 3 với việc giảm độ cứng và độ bền thép. Do đó, kiểm soát được quá trình nguội là chìa khóa để làm chủ công nghệ trong sản xuất và chế tạo khuôn rèn nóng. Thay đổi tốc độ nguội đã được chỉ ra trong những nghiên cứu trước đây [1, 2]. Tuy nhiên, việc áp dụng cho khuôn rèn nóng với kích thước lớn chưa được chú trọng, đặc biệt trong các nghiên cứu trong nước. Bài báo này sẽ trình bày hiệu quả của việc kiểm soát tốc độ nguội khi được tôi phân cấp trong lò chân không, giúp giảm biến dạng mà vẫn đảm bảo độ bền cho khuôn rèn nóng SKD61. Nhiệt luyện bằng lò tôi chân không sẽ giúp kiểm soát dễ dàng quá trình nguội bằng những công nghệ của thiết bị này. Từ đó lựa chọn được công nghệ nhiệt luyện tối ưu cho thép SKD61 làm khuôn rèn nóng. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Thành phần thép SKD61 và quy trình nhiệt luyện Hình 1. Quy trình nhiệt luyện Bảng 1 cho biết thành phần hóa học của thép SKD61 được kiểm tra bởi thiết bị phân tích quang phổ phát xạ (ARL 3460 OES Metals Analyzer, khiển bằng cách thay đổi áp suất khí N2 (từ 3 bar Thermo Fisher, Mỹ). Thành phần hóa học của mẫu đến 6 bar) đưa vào buồng lò nhiệt luyện chân thí nghiệm phù hợp với mác thép SKD61 theo tiêu không. Với áp suất 3 bar, tốc độ nguội trong lõi đo chuẩn Nhật Bản (JIS G-4404 SKD61) [3]. được đạt 11 oC/phút. Độ bền của thép SKD61 khi đạt được sự nhỏ Các quy trình nhiệt luyện được trình bày như mịn của pha mactensit hoặc bainit và kích thước trên hình 1. Trong đó, quy trình 1 (QT1), thay đổi hạt bằng cách làm chậm quá trình tích tụ cacbit ở tốc độ nguội trong vùng (1030 ÷ 550) oC, và giữ biên giới hạt, ngăn chặn sự sáp nhập cacbit hợp tốc độ nguội 6 bar không đổi ở vùng dưới 550 oC. kim nhỏ mịn (như MC và M2C) đồng thời giảm Quy trình 2 (QT2), giữ tốc độ nguội không đổi 4 kích thước cacbit sơ cấp [4]. Các yếu tố trên bị bar ở vùng (1030 ÷ 550) oC và thay đổi tốc độ ảnh hưởng bởi tốc độ nguội khi tôi. Theo giản đồ nguội ở vùng dưới 550 oC. Mẫu nghiên cứu gồm CCT của thép SKD61, ảnh hưởng đến độ cứng hai loại: mẫu nhỏ (kích thước 55x10x10 mm), mẫu (có tổ chức peclit) được hình thành ở vùng nhiệt lớn (kích thước 505x495x200 mm). Các mẫu nhỏ độ trên (500 ÷ 600) oC [4]. Trong khi đó, ảnh được thực hiện ở quy mô thí nghiệm với mục đích hưởng đến độ bền (có tổ chức bainit) được hình tìm ra quy trình tối ưu đảm bảo yêu cầu về cơ tính thành ở khoảng nhiệt độ dưới (500 ÷ 600) �C với và áp dụng cho mẫu lớn thực tế (hình 2). Do kích tốc độ nguội đủ chậm. Tốc độ nguội đủ nhanh trên thước mẫu lớn nên cần gia công thêm ”lỗ đặt can (500 ÷ 600) oC không ảnh hưởng nhiều đến độ nhiệt” để kiểm soát tính đồng đều nhiệt trên toàn cứng. Tuy nhiên, trong giai đoạn này, thép SKD61 bộ mẫu và “lỗ vít nâng tải” để bắt vít vận chuyển rất nhạy cảm với sự biến dạng như trong kết quả mẫu bằng cần cẩu. Lò được hút chân không mô phỏng của nhóm nghiên cứu. Do đó, nhiệt độ xuống áp suất 8÷10-2 mbar và giữ áp suất 1,5 bar 550 oC được chọn để tôi phân cấp thép SKD61 trong môi trường khí N2 khi mẫu được nung phân trong nghiên cứu này. Theo giản đồ CCT, khi được cấp từ 25 đến 850 oC. Ở giai đoạn (850 ÷ 1030) o nguội liên tục với tốc độ nguội 6,6 oC/phút trong C và austenit hóa ở 1030 oC, mẫu được nung vùng nhiệt độ (1030 ÷ 500) oC, thép SKD61 có tổ trong môi trường chân không với áp suất 8÷10-2 chức bainit và độ cứng tương ứng đạt 49,9 HRC mbar. [4], phù hợp yêu cầu về cơ tính của khuôn. Trong Tốc độ quạt được duy trì giống nhau là 3000 nghiên cứu này, tốc độ nguội khi tôi được điểu vòng/phút cho tất cả các thí nghiệm. Sau tôi, độ TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 103 . tháng 8/2022
  3. Journal of Science and Technology of 4 Công trình nghiên cứu Hình 2. Bản vẽ và mẫu thực tế cứng của thép SKD61 thông thường đạt (53 ÷ 55) HRC [5]. Tuy nhiên, để phù hợp với mục đích sử dụng và yêu cầu của khuôn rèn nóng, các mẫu được ram với 1 quy trình đồng nhất: ram 3 lần ở nhiệt độ 580, 590 và 560 oC với thời gian tương ứng là (6,5 ÷ 7) giờ. Các thí nghiệm được thực hiện trên thiết bị tôi chân không đơn buồng (Turbo2 Treater M, IPSEN, Đức). Để có số liệu đối chứng, một số mẫu nhỏ được tôi trong dầu bằng lò nung thí nghiệm (Barnstead/Thermolyne, Mỹ). Hình 3. Vị trí đo sự biến dạng của mẫu thực tế 2.2. Kiểm tra sự thay đổi kích thước, tổ chức tế vi và cơ tính 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các mẫu nhỏ được đo độ cứng bằng thiết bị 3.1. Cơ tính đo độ cứng FM - 700e (Future-Tech, Nhật Bản) Tuổi thọ của khuôn rèn nóng được quyết định với sai số ± 0,5 HRC. Đối với mẫu lớn, kết quả độ bởi cơ tính đặc biệt là độ cứng và độ dai va đập cứng được kiểm tra bằng máy đo độ cứng cầm với yêu cầu tương ứng là (44 ÷ 46) HRC và (30 ÷ tay (Hardness tester, Dynarock II - Đức). Các giá 50) J/cm2. Kết quả ảnh hưởng của tốc độ nguội trị độ cứng trung bình cho mỗi vùng vị trí của mẫu đến độ cứng và độ dai va đập của 2 quy trình nhiệt gồm mép ngoài và giữa mẫu sau khi đo ở 3 vị trí luyện được trình bày trên hình 4; (a) thay đổi tốc khác nhau trên mỗi vùng. Độ dai va đập được đo độ nguội ở vùng nhiệt độ cao trên 550 oC - QT1 và bằng thiết bị MK-30A, Nga. Nghiên cứu thay đổi (b) thay đổi tốc độ nguội ở vùng nhiệt độ thấp dưới tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học 550 oC - QT2. Có thể thấy rằng, không có nhiều (Optiphot-100, Nikon, Nhật Bản). Kiểm tra sự biến sự khác biệt về độ cứng trong cả 2 quy trình nhiệt dạng của khuôn trên bàn map Vertex bằng thước luyện. Tuy nhiên, khi được nguội nhanh ở vùng đo điện tử Mitutoyo. Các vị trí đo (A ÷ F) được ký nhiệt độ cao trên 550 oC, độ dai va đập nằm trong hiệu bằng dấu (+) thể hiện như trên hình 3. Sự vùng từ có giá trị cao (40 ÷ 60) J/cm2. So sánh với biến dạng về kích thước và hình dạng được tính nguội trong dầu chênh lệch độ dai va đập khoảng toán theo sự thay đổi kích thước bằng cách sử (8 ÷ 10) J/cm2. Trong khi đó, trong vùng nhiệt độ dụng công thức (1). thấp dưới 550 oC, độ dai va đập có giá trị thấp (20 Giá trị biến dạng (mm) = Giá trị cuối cùng ÷ 40) J/cm2 với sự chênh lệch tối đa là (38 ÷ 40) (mm) - Giá trị ban đầu (mm) (1) J/cm2 khi so với nguội trong dầu. Số 103 . tháng 8/2022 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
  4. Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 5 Hình 4. Ảnh hưởng của tốc độ nguội đến độ cứng và độ dai va đập, (a) thay đổi tốc độ nguội ở vùng nhiệt độ cao trên 550 oC, (b) thay đổi tốc độ nguội ở vùng nhiệt độ thấp dưới 550 oC. Hình 5. So sánh kết quả độ cứng mẫu lớn với tốc độ nguội 3 và 6 bar từ 1030 oC đến 550 oC: (a) QT1-3bar + QT2-5bar, (b) QT1-4bar + QT2-5bar và (c) QT1-6bar + QT2-5bar. Sự chênh lệch cũng được thể hiện giữa các tốc dạng của mẫu lớn sẽ được thực hiện ở vùng nhiệt độ nguội khác nhau trong vùng nhiệt độ thấp hơn độ cao (1030 ÷ 550) oC mà không ảnh hưởng 550 oC, độ dai va đập giảm đi đáng kể khi tốc độ nhiều đến cơ tính của khuôn. nguội giảm. Có thể thấy rằng, cơ tính của mẫu chế Hình 5 trình bày kết quả so sánh độ cứng của tạo bằng thép SKD61 - đặc biệt là độ dai va đập - mẫu lớn khi nguội kết hợp hai quá trình nguội gồm quyết định bởi tốc độ nguội trong vùng nhiệt độ thay đổi tốc độ ở vùng nhiệt độ cao từ (1030 ÷ thấp dưới 550 oC. Do đó, việc kiểm soát sự biến 550) oC và cố định tốc độ nguội (QT2-5bar) ở vùng TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 103 . tháng 8/2022
  5. Journal of Science and Technology of 6 Công trình nghiên cứu Hình 6. Mối quan hệ độ cứng và độ dai va đập của mẫu lớn với tốc độ nguội 3 và 6 bar ở vùng nhiệt độ cao trên 550 oC Hình 7. Ảnh hưởng của tốc độ nguội trong vùng nhiệt độ cao trên 550 oC đến sự thay đổi kích thước tương đối của mẫu lớn nhiệt độ thấp dưới 550 �C: (a) QT1-3bar + QT2- đều khi tôi ở áp suất thấp 3 bar với độ dai va đập 5bar, (b) QT1-4bar + QT2-5bar, và (c) QT1-6bar + đạt (30 ÷ 40) J/cm2 ở vị trí H (hình 6). QT2-5bar. Mặc dù, mối quan hệ giữa độ cứng và Tuy nhiên, kết quả độ cứng cho thấy sự tương độ dai va đập cho thấy sự phân bổ không đồng tự mẫu nhỏ với độ cứng trung bình 44,2 ÷ 44,6 Số 103 . tháng 8/2022 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
  6. Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 7 Hình 8. Ảnh tổ chức tế vi sau ram của mẫu lớn nhiệt luyện theo quy trình nguội (a) QT1-3bar + QT2- 5bar và (b) QT1-6bar + QT2-5bar HRC, đạt yêu cầu cơ tính của khuôn (hình 6). Vị 3.3. Tổ chức tế vi trí còn lại độ dai va đập tương tự như khi tôi ở áp Tổ chức tế vi của mẫu nhiệt luyện theo hai quy suất 6 bar. trình kết hợp được trình bày trên hình 8. Biên giới 3.2. Độ biến dạng hạt austenit ban đầu chỉ có thể được quan sát rõ Ngoài các cơ chế gây biến dạng của quá trình ràng ở trạng thái tôi [9, 10]. Tuy nhiên, vẫn có thể nhiệt luyện như ứng suất dư và sự giãn nở nhiệt quan sát thấy rõ ràng tổ chức gồm: biên giới hạt do thay đổi gradien nhiệt đã được khắc phục austenit, mactensit và cacbit bị kết tủa xung quanh trong quá trình nung tôi phân cấp [6, 7] thì chuyển biên giới hạt do nguội chậm hơn khi áp suất tôi ở pha là một trong những cơ chế gây biến dạng cơ 3 bar (hình 8a). Khi được nguội nhanh (ở áp suất bản trong quá trình nhiệt luyện [8]. Hơn nữa, sự tôi 6 bar) biên giới hạt austenit không còn rõ ràng, biến dạng của thép SKD61 còn bị ảnh hưởng rất như được thấy trên hình 8b. Mặc dù vậy, vẫn tìm lớn bởi tốc độ nguội [9]. Chuyển biến mactensit thấy sự tương đồng về hình thái giữa hai tổ chức càng nhiều, cacbit thứ cấp tiết ra càng nhiều tế vi của hai quy trình nhiệt luyện. Kích thước hạt khiến cho thể tích sau tôi càng tăng [10]. Ảnh trung bình đạt (7 ÷ 10) mm khi được nguội nhanh hưởng của austenit dư đến biến dạng cũng được ở 6 bar nhỏ hơn khi nguội chậm ở 3 bar - với kích tìm thấy trong tổ chức tế vi của thép hợp kim thấp thước hạt đạt (10 ÷ 16) mm. Điều này có ảnh độ bền cao sau nhiệt luyện với hàm lượng cacbon hưởng trực tiếp đến cơ tính của sản phẩm như đã trung bình (0,40 %) hoặc cao hơn. Kết quả độ trình bày ở trên. biến dạng của mẫu lớn khi nguội ở áp suất 3, 4 và 4. KẾT LUẬN 6 bar trong khoảng nhiệt độ cao (1030 ÷ 550) oC Kết quả nghiên cứu đã giảm biến dạng dưới được trình bày như trong hình 7. Khi nguội ở áp mức cho phép 1,4 mm của khuôn rèn nóng được suất cao 6 bar, độ biến dạng tuyệt đối lớn nhất đạt thực hiện bằng lò chân không là sự kết hợp của 1,6 và 1,45 mm. Độ biến dạng giảm còn 0,4; 0,6 cả hai quá trình nguội trong cùng một quy trình và 0,7; 0,9 mm khi nguội với áp suất thấp 3 và 4 tôi: nguội chậm ở vùng nhiệt độ cao trên 550 oC bar tương ứng tại cùng vị trí C và D (hình 7). Như với áp suất khí (3 ÷ 4) bar, và nguội nhanh vùng vậy, khi nguội ở áp suất thấp, sự biến dạng của nhiệt độ thấp dưới 550 oC với áp suất lớn hơn 5 khuôn giảm bớt so với yêu cầu thiết kế ban đầu bar. Không có sự khác biệt lớn của hình thái tổ (1,4 mm) với các thuộc tính chức năng khác chức tế vi của thép ở hai quy trình nhiệt luyện. Kết không có thay đổi đáng kể. Điều này có ý nghĩa quả cơ tính đạt yêu cầu của khuôn rèn nóng với lớn trong việc giảm biến dạng, sai hỏng của sản độ cứng trung bình (44 ÷ 46) HRC và độ dai va phẩm sau nhiệt luyện. đập đạt (30 o 50) J/cm2. TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 103 . tháng 8/2022
  7. Journal of Science and Technology of 8 Công trình nghiên cứu TÀI LIỆU TRÍCH DẪN 1. M. F. G. Ramirez, J. W. C. Hernández, D. H. Ladino, M. Masoumi, and H. Goldenstein; Effects of different cooling rates on the microstructure, crystallographic features, and hydrogen induced cracking of API X80 pipeline steel, Journal of Materials Research and Technology, vol. 14, 2021, pp. 1848–1861. 2. Thi Xuan Tran, Xuan Phuong Nguyen, Duong Nam Nguyen, Dinh Toai Vu, Minh Quang Chau, Osamah Ibrahim Khalaf, Anh Tuan Hoang; Effect of poly-alkylene-glycol quenchant on the distortion, hardness, and microstructure of 65Mn steel, Computers - Materials and Continua, vol. 67, 2021, no. 3, pp. 3249–3264. 3. JIS G 4404: 2015, Alloy tool steels (Foreign Standard), Japanese Industrial Standards, 2015. 4. T. Okuno; Effect of microstructure on the toughness of hot work tool steels, Aisi H13, H10, and H19, Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, vol. 27, 1987, no. 1, pp. 51–59. 5. J. Zhou, D. Shen Ma, H. Xiao Chi, Z. Zhi Chen, and X. Yang Li; Microstructure and properties of hot working die steel H13MOD, Journal of Iron and Steel Research International, vol. 20, 2013, no. 9, pp. 117–125. 6. G. E. Totten; Steel Heat Treatment Handbook: metallurgy and technologies, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 2007. 7. Domenic A. Canonico; Stress - relief in heat treating of steel, in ASM Handbook, Vol. 4, ASM International, vol. 4, 1991. 8. T. Sonar, S. Lomte, C. Gogte, and V. Balasubramanian; Minimization of distortion in heat treated AISI D2 tool steel: Mechanism and distortion analysis, Procedia Manufacturing, vol. 20, 2018, pp. 113–118. 9. S. H. Yeh, L. H. Chiu, Y. T. Pan, and S. C. Lin; Relative dimensional change evaluation of vacuum heat-treat- ed JIS SKD61 hot-work tool steels, Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 23, 2014, pp. 2075–2082. 10. Prudente W. R., Jefferson Fabrício C. Lins, Siqueira R. P., Priscila S. N. Mendes, Rodrigo E. Pereira; Microstructural evolution under tempering heat treatment in AISI H13 hot-work tool steel, International Journal of Engineering Research and Applications, vol. 07, 2017, pp. 67–71. Số 103 . tháng 8/2022 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2