Vai trò của các nguyên tố trong vật đúc và thứ tự bổ sung chúng

Trong quá trình sản xuất đúc, để điều chỉnh thành phần hóa học các nguyên tố về phạm vi yêu cầu, chúng ta cần bổ sung các nguyên tố hợp kim. Lượng mỗi nguyên tố được bổ sung vào vật đúc, thời điểm bổ sung và thứ tự bổ sung sẽ ảnh hưởng đến chất lượng vật đúc. Dưới đây, chúng ta sẽ phân tích một số nguyên tố thường dùng:

I. Vai trò của từng nguyên tố và nguyên tắc bổ sung

(1) Carbon (C)

Chức năng:

Tăng cường ma trận: C là nguyên tố chủ yếu tăng cường độ bền dung dịch rắn trong thép, tạo thành xementit (Fe₃C) với sắt nhằm nâng cao độ cứng và độ bền.

Kiểm soát quá trình đông đặc: Hàm lượng C cao sẽ làm giảm tính chảy loãng của thép lỏng và gia tăng xu hướng co ngót.

Nguyên tắc bổ sung: Hàm lượng cần được điều chỉnh theo tính năng mục tiêu (thường kiểm soát ở mức 0,15%–0,3% trong thép hợp kim thấp).

Rủi ro vượt mức: Khi C > 0,5%, độ dẻo dai giảm đáng kể và khả năng hàn xấu đi.

(2) Silic (Si)

Chức năng:

Chất khử oxy: Phản ứng ưu tiên với O để tạo thành SiO₂ nhằm làm sạch thép lỏng.

Tăng cường độ dung dịch rắn: Hòa tan trong ferit để tăng độ bền (độ bền kéo tăng khoảng 4 MPa cho mỗi 0,1% Si tăng thêm).

Nguyên tắc bổ sung: Bổ sung ở giai đoạn cuối của quá trình luyện kim (giai đoạn khử) nhằm tránh tổn thất do oxy hóa (ví dụ như hợp kim ferrosilic).

Rủi ro do hàm lượng quá cao: Hàm lượng được kiểm soát ở mức 0,2%–0,5%; nếu quá cao sẽ làm giảm độ dẻo dai.

(3) Mangan (Mn)

Chức năng:

Khử oxy và khử lưu huỳnh: Tạo MnO (khử oxy) với O và tạo MnS (khử lưu huỳnh) với S.

Cải thiện khả năng tôi: Làm chậm sự biến đổi pearlit và nâng cao khả năng tôi của martensit.

Nguyên tắc bổ sung: thêm theo từng mẻ trong giai đoạn oxy hóa (khử ôxy + khử lưu huỳnh), và thêm trong giai đoạn khử (nếu bị cháy).

Rủi ro do hàm lượng quá cao: hàm lượng được kiểm soát ở mức 0,8%–1,5%; nếu quá cao sẽ dễ dẫn đến hiện tượng giòn sau tôi.

(4) Phốt pho (P)

Chức năng:

Các nguyên tố có hại: hòa tan trong ferit, làm giảm độ dẻo và độ dai (xu hướng giòn ở nhiệt độ thấp).

Tăng cường độ bền do hòa tan rắn: một lượng nhỏ P có thể cải thiện độ bền, nhưng cần kiểm soát chặt chẽ hàm lượng. Không khuyến khích bổ sung thêm trong sản xuất lò cảm ứng tần số trung bình.

Nguyên tắc kiểm soát: cố gắng chọn nguyên liệu thô có hàm lượng phốt pho thấp (ví dụ như thép phế liệu) và tránh bổ sung thêm trong quá trình luyện kim.

Rủi ro do hàm lượng quá cao: hàm lượng phải nhỏ hơn 0,035% (đối với thép chất lượng cao yêu cầu nhỏ hơn 0,025%).

(5) Lưu huỳnh (S)

Chức năng:

Các nguyên tố có hại: tạo thành FeS với Fe, gây ra hiện tượng giòn nóng (nứt vỡ khi gia công ở nhiệt độ cao).

Kiểm soát sự tồn tại của tạp chất: cần kết hợp với Mn để tạo ra MnS (giảm tác hại).

Nguyên lý kiểm soát: khử lưu huỳnh bằng cách bổ sung Mn (tỷ lệ Mn:S khuyến nghị là 2:1~3:1).

Rủi ro khi bổ sung quá mức: hàm lượng cần nhỏ hơn 0,035% (thép đặc chủng <0,02%).

(6) Crom (Cr)

Chức năng:

Cải thiện khả năng tôi: làm chậm quá trình phân hủy austenit và tăng độ cứng của martensit.

Khả năng chống ăn mòn: hình thành màng oxit Cr₂O₃ dày đặc (ví dụ như thép không gỉ).

Làm mịn hạt: ức chế sự phát triển của hạt austenit.

Nguyên tắc bổ sung: thêm trong giai đoạn nóng chảy (yêu cầu nhiệt độ nóng chảy cao, hòa tan ở nhiệt độ cao). Hàm lượng thường là 0,5%~2,0% (điều chỉnh theo yêu cầu về khả năng chống ăn mòn hoặc chống mài mòn). mòn).

(7) Molypden (Mo)

Chức năng:

Làm mịn hạt: ức chế hiện tượng thô hóa hạt austenit và cải thiện độ dẻo dai.

Độ ổn định ở nhiệt độ cao: cải thiện độ cứng đỏ và khả năng chống biến dạng dẻo (creep).

Tăng cường độ bền do hòa tan rắn: nâng cao độ bền của pha nền.

Nguyên tắc bổ sung: thêm vào trong giai đoạn nóng chảy (tương tự như Cr) nhằm tránh bay hơi ở nhiệt độ cao. Hàm lượng thường nằm trong khoảng 0,1%–0,3% (cao hơn đối với thép chứa molypden cao).

iI. Tương tác giữa các nguyên tố

(1) Hiệu ứng cộng hưởng giữa C và Si/Mn

Cân bằng khử oxy: Si khử oxy trước, Mn hỗ trợ khử lưu huỳnh; tuy nhiên, nếu hàm lượng Si quá cao sẽ ức chế hiệu quả khử lưu huỳnh của Mn.

Ảnh hưởng đến chuyển biến pha: Khi hàm lượng C cao, Mn có thể làm chậm quá trình chuyển biến pearlit, dẫn đến tăng lượng austenit dư.

(2) Hiệu ứng bổ sung giữa Cr và Mo

Cộng dồn khả năng tôi sâu: Cr và Mo cùng nhau cải thiện khả năng tôi sâu, thích hợp cho thép độ bền cao (ví dụ như thép HSLA).

Hiệu ứng cộng hưởng về khả năng chống ăn mòn: Cr tạo thành màng thụ động, còn Mo nâng cao khả năng chống ăn mòn điểm (ví dụ như sự kết hợp Cr-Mo trong thép không gỉ).

(3) Hiệu ứng cộng hưởng gây hại của P và S

Độ giòn ở nhiệt độ thấp: P làm trầm trọng thêm hiện tượng giòn lạnh, còn S gây ra hiện tượng giòn nóng. Nguy cơ này cần được giảm thiểu thông qua việc kiểm soát hàm lượng Mn và quy trình sản xuất.

iII. Khả năng thích ứng của quy trình luyện kim bằng lò tôi tần số trung bình

(1) Tối ưu hóa thứ tự bổ sung nguyên tố

Giai đoạn nấu chảy: Bổ sung các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao như Cr và Mo để đảm bảo hòa tan hoàn toàn.

Giai đoạn oxy hóa: Bổ sung Mn từng phần (để khử oxy và khử lưu huỳnh). Đối với các sản phẩm yêu cầu cao, có thể sử dụng công nghệ thổi oxy, nhưng lượng oxy thổi vào cần được kiểm soát nhằm tránh quá trình oxy hóa quá mức.

Giai đoạn khử: Bổ sung Si (khử oxy cuối cùng) và bổ sung thêm Mn (nếu bị cháy mất).