Đề tài Nghiên cứu công nghệ sản xuất thép mác SAE4161 dùng để sản xuất dụng cụ y tế

ng thái ủ thép này có độ dẻo, độ dai cao song độ bền thấp. Vì vậy chúng rất dễ dập nguội. Nhìn chung các thép có hàm l−ợng C thấp có tính dập nguội khác nhau. Trong công nghệ chế tạo máy th−ờng gặp các chi tiết dập nguội, nói chung các thép có hàm l−ợng C thấp đều thoả mãn tính công nghệ này. Đặc điểm chung nữa của nhóm thép này là có tính gia công rất kém, tuy mềm song phoi quá dẻo, khó gẫy vụn, quấn lấy dao và bề mặt không nhẵn bóng. b, Thép có hàm l−ợng C trung bình, 0,30-0,50 %, hay thép hoá tốt (tôi + ram cao). Nhóm thép này so với nhóm thép trên ở trạng thái ủ có độ bền, độ cứng cao hơn; còn độ dẻo, độ dai tuy có giảm đi nh−ng vẫn tốt. Do đó các mác thép này vẫn đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của chi tiết máy chịu tải. Tuy nhiên để đạt đ−ợc độ bền đặc biệt là giới hạn chảy cao hơn mà vẫn bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai các thép này đ−ợc qua nhiệt luyện hoá tốt (tôi + ram cao), chính vì thế nhóm thép này đ−ợc gọi là thép hoá tốt. Thép hoá tốt tức là tôi và ram cao ở nhiệt độ ngay d−ới A1, để bảo đảm có tính dai cao hơn, tức là có độ gia công dẻo tốt hơn. Hoá tốt thép ta nhận đ−ợc cấu trúc hạt mịn hơn. Các tính chất cơ học: Độ dẫn nhiệt và dẫn điện của thép hoá tốt giảm dần theo chiều tăng của các thành phần hợp kim hoá trong thép. Tất cả các mác thép hoá tốt đều rất thuận lợi cho việc hàn d−ới áp lực. Các thép chế tạo máy hoá tốt đ−ợc chia làm nhiều nhóm: - Thép không hợp kim hoá (thép cácbon); - Thép hợp kim hoá có các nhóm: thép Mn-Si, thép Cr, thép Cr-Mo-V, thép Cr-Mo, thép Cr-Ni-Mo, thép Cr-Mn. 6 Trong tr−ờng hợp vừa chịu tải trọng tĩnh và va đập cao vừa cần chống mài mòn ở bề mặt làm việc, sau khi nhiệt luyện hoá tốt thép đ−ợc sử lý qua tôi bề mặt để có tính chống mài mòn t−ơng đối cao. So với nhóm thép trên nhóm thép này có tính dập nguội kém hơn. Tính hàn của nhóm thép này thấp do l−ợng C đã v−ợt quá 0,25%. Về tính gia công cắt gọt, nói chung thép này có −u việt hơn. Tuy cứng hơn song phoi thép dễ gãy làm cho cắt gọt đ−ợc dễ dàng hơn. Ngay ở trạng thái hoá tốt có độ cứng cao vào khoảng 250-265 HB tuy hơi khó cắt song lại tạo nên bề mặt bóng, nhẵn hơn rất thích hợp cho gia công tinh. Trong khuôn khổ của đề tài, chúng tôi chỉ chú trọng tới loại thép kết cấu hợp kim có hàm l−ợng các bon t−ơng đối cao, đặc biệt là hệ thép Cr-Mo. Cho thêm Mo vào thép Crôm làm cho thép nhỏ hạt, tăng độ thấm tôi, nâng cao độ bền và khắc phục khuynh h−ớng giòn ram và lớn lên của hạt khi nung nóng. Mo có ảnh h−ởng đặc biệt đến việc nâng cao tính chất của thép ở nhiệt độ cao. Thép đ−ợc dùng sau tôi và ram (đôi khi th−ờng hóa và ram) để làm các chi tiết quan trọng và cỡ lớn nh− các loại trục, các chi tiết của tuabin (rôto, trục, đĩa) cũng nh− các chi tiết kẹp chặt làm việc ở nhiệt độ cao. Do có độ bền và tính hàn tốt, thép Cr-Mo đ−ợc sử dụng rộng rãi để làm các chi tiết kết cấu hàn quan trọng . c, Thép có hàm l−ợng C t−ơng đối cao, 0,55-0,65%, hay thép đàn hồi. Nhóm thép này ở trạng thái ủ đã khá cứng, bền; còn độ dẻo, độ dai t−ơng đối thấp, không thích hợp với các chi tiết máy nói chung. Tính chất nổi bật của nhóm thép này là có giới hạn đàn hồi cao nhất sau khi nhiệt luyện tôi + ram trung bình đạt độ cứng trong khoảng HRC 35-45 hay HB 350-450. Vì vậy công dụng chủ yếu của thép này là làm lò xo, nhíp cũng nh− các chi tiết có tính đàn hồi cao. Vì có độ bền đặc biệt là tính đàn hồi cao nên nhóm thép này rất khó dập nguội và th−ờng chỉ đ−ợc gia công nóng. Tính hàn của thép này kém. Tính gia công cắt gọt không cao. 1.2 ảnh h−ởng của các nguyên tố hợp kim lên tính chất của thép. 1.2.1 ảnh h−ởng của Cacbon. 7 Cacbon là nguyên tố mở rộng vùng γ, kìm hãm sự chuyển biến Mactenxit và do đó làm tăng độ ổn định của pha Austenit. Do có khả năng tạo thành Cácbit có độ cứng cao nên cacbon là nguyên tố tăng bền rất tốt. Khi tăng nhiệt độ thì khả năng tăng bền của cacbon giảm do có sự thay đổi cấu hình của cacbit. Nếu có các nguyên tố tạo cacbit mạnh trong hợp kim thì cacbon chủ yếu tập trung ở những vị trí hình thành cacbit, do đó khi tăng hàm l−ợng C sẽ làm thay đổi sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các pha dung dịch rắn và pha cacbit, dẫn đến làm nghèo dung dịch rắn và làm thay đổi tính chất của hợp kim. Cacbon làm giảm tính dẻo, giảm khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt và giảm tính hàn của hợp kim. Vì vậy hầu hết các loại thép hợp kim đều chứa cacbon ở l−ợng t−ơng đối ít, đặc biệt là đối với những loại thép làm việc trong môi tr−ờng xâm thực mạnh (các bon th−ờng ≤ 0,03%). 1.2.2 ảnh h−ởng của Crôm. Crôm là nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chống gỉ của thép không gỉ. Để bảo đảm tính chống gỉ trong môi tr−ờng xâm thực yếu và trong không khí ẩm, hàm l−ợng Crôm phải ≥12%. Hợp kim FeCr ở trạng thái rắn tạo ra một số dung dịch rắn γ, γ+α và α(xem hình 1) (1). Cr là nguyên tố mở rộng vùng Fe - α, với bất kỳ nồng độ Cr nào cũng có thể tạo ra tổ chức một pha của ferit, là dung dịch rắn giữa Fe- α và Cr. Hình 1 : Giản đồ trạng thái Fe- Cr (1) 8 ở hàm l−ợng 1 - 2% Cr hòa tan hoàn toàn trong sắt. do bán kính nguyên tử của Cr gần bằng của Fe nên trong mạng tinh thể Fe - α, các nguyên tử Cr nằm trong các nút mạng thay thế các nguyên tử Fe tạo nên dung dịch rắn thay thế có các tính cơ học cao hơn. Nguyên tố Cr còn nâng cao tính chống gỉ của thép. Đặc biệt khi hàm l−ợng Cr ≥12%. Khi hàm l−ợng Cr trong thép tăng lên 2% thì sẽ tạo ra các loại cacbit Crôm đặc biệt, có công thức hóa học là (Cr, Fe)7C3 . Loại cacbit này rất ổn định và chỉ hòa tan trong austenit khi nung ở 1040 ữ 10700C. Khi hàm l−ợng Cr từ 10 ữ 12% trở lên sẽ tạo thành loại cacbit phức tạp. Sự hình thành các loại cacbit này phụ thuộc vào hàm l−ợng crôm và cacbon (hình 2)(2). Nhờ có các loại cacbit này mà thép có độ cứng cao và chịu mài mòn tốt. Crôm ảnh h−ởng đến chuyển biến γ↔α , ảnh h−ởng đến nhiệt độ chuyển biến và điều kiện tiết cacbit từ dung dịch rắn. Hình 2. ảnh h−ởng của cacbon và Crôm lên sự tạo thành các bít 9 Ta đã biết rằng, khi trên bề mặt kim loại và hợp kim tạo đ−ợc một lớp màng oxít có khả năng ngăn ngừa không cho các ion thấm qua và bám chặt vào kim loại nền. Chính lớp màng này đã ngăn cản sự oxy hoá tiếp theo, tạo cho kim loại và hợp kim ở vào trạng thái thụ động. Đó là lớp màng thụ động. Khả năng chống gỉ của hợp kim phụ thuộc vào tính chất vật ly và hoá học của lớp màng bảo vệ này. Trong các nguyên tố hợp kim thì crôm có vai trò quan trọng trong việc làm bền vững lớp màng thụ động, vì nó có ái lực hoá học với oxy cao hơn sắt. 1.2.3 ảnh h−ởng của Mo Molipdden cú dạng lập phương thể tõm, thụng số mạng 3.14Ao, thụng số mạng của Mo lớn hơn thụng số mạng của sắt nhiều, do đú cản trở sự hỡnh thành một loạt cỏc dung dịch đặc liờn tục. Hợp kim húa thờm molipđen vào thộp cú hàm lượng cỏc bon trung bỡnh làm cho thộp cú cấu trỳc nhỏ hạt, tăng độ thấm tụi, làm tăng độ bền, khắc phục khuynh hướng giũn ram và lớn lờn của hạt khi nung núng. Khi hàm lượng molipđen là 3,5 thỡ nú làm cho vựng γ khộp kớn hoàn toàn. Độ hũa tan của molipden trong sắt ở 20oC xấp xỉ 6%, cũn ở 14500C là 38% (hỡnh 3). Đụi với hệ hợp kim Fe-Mo thỡ sự chờnh lệch độ hũa tan ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao nhiều như vậy cho phộp tụi cú kốm theo húa già tiếp theo. Do húa già cỏc tinh thể của hợp chất liờn kim loại Fe3Mo2 (Molipdenit) thoỏt ra khỏi dung dich đặc quỏ bóo hũa làm thay đổi tớnh chất của nú đi rất nhiờu. Molipđen là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh. Cacbit molipđen có tính ổn định cao, khó hòa tan vào austenit khi nung. Molipđen còn làm tăng mạnh độ thấm tôi của thép, cải thiện tính chống ram, do Mo tạo ra độ cứng thứ cấp khi ram (do tạo thành Mo2C ), làm giảm sự nhạy cảm đối với hiện t−ợng dòn ram. Trong thép làm dụng cụ y tế, Mo làm tăng độ thấm tôi, tăng độ cứng, tăng tính chống gỉ và tăng tính chống mài mòn. Hàm l−ợng Mo trong thép này nằm trong khoảng 0,25 ữ 0,75. 10 Hình 3. Giản đồ trạng thái Fe – Mo. 1.2.4 ảnh h−ởng của Si Si làm tăng nhiệt độ AC3 lên 70 ữ 900C, làm hạ tốc độ tôi tới hạn. Sự chuyển biến γ→α xảy ra ở trong thép chứa 0,36%Si ở 2150C, trong thép chứa 1,2%Si ở 1900C. Hàm l−ợng Si trong thép tăng làm giảm độ bền sau tôi ở nhiệt độ cao. Đối với thép có hàm l−ợng Si càng cao, độ dai va đập sau ram ở 7000C càng giảm, thép có 1,2%Si độ dai va đập giảm đến 5,5kg.m/cm2, thép có 1,95%Si độ dai va đập giảm đến 1,3kg.m/cm2 . Sự giảm độ dai va đập ở 7000C liên quan đến sự tạo thành Silicua . Khi tăng hàm l−ợng Si, độ bền ăn mòn trong axit nitric bị giảm nhiều. 1.2.5 ảnh h−ởng của Mn. Mn làm tăng độ dai va đập của thép. Khi hàm l−ợng Mn trong thép cao, độ bền trong axit HNO3 xấu đi rất nhiều, nh−ng lại tăng lên rất nhiều trong axit Photphoric. Mn là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng γ. Đối với C, Mn cũng tạo thành cacbit dạng (Mn, Fe)3C . Cacbit mangan dễ hòa tan vào dung dịch rắn và cũng dễ tiết ra từ dung dịch rắn khi ram. Mn làm tăng mạnh độ cứng và độ bền của ferit. Mn cũng làm tăng mạnh độ cứng của austenit. Khi nung để tôi hợp kim chứa C cao thì cacbit mangan dễ hòa tan vào austenit, độ bão hòa Mn trong dung dịch 11 rắn tăng lên. Do đó sự phân hủy austenit khi làm nguội thép Fe- Cr-C chứa 1%Mn xảy ra rất chậm. Tốc độ làm nguội khi tôi nhỏ tính thấm tôi cao, nên có thể tôi trong môi tr−ờng yếu (nh− dầu). Ưu điểm của thép chứa Mn là giảm chiều h−ớng biến dạng và tăng tính thấm tôi. 1.3 Lựa chọn mác thép làm dụng cụ phẫu thuật Những yêu cầu đối với dụng cụ phẫu thuật: - Không gây ra các yếu tố độc hại cho cơ thể ng−ời. - Phải bền trong môi tr−ờng ăn mòn và xâm thực đặc biệt. - Phải bảo đảm tính chất cơ lý: + Phải bảo đảm đủ độ cứng và độ bền cơ học để chống đ−ợc sự cọ sát mài mòn và chịu đ−ợc lực kéo nén. + Không bị thay đổi tính chất vật liệu khi khử trùng ở nhiệt độ cao. + Có khả năng gia công cơ khí thành các chi tiết có hình dạng khác nhau. Vì vậy các dụng cụ phẫu thuật phải đ−ợc chế tạo từ một loại vật liệu có độ bền cao, độ cứng cao, độ đàn hồi tốt, có khả năng chịu mài mòn, gia công tạo hình, gia công cơ khí và gia công nhiệt tốt. Thép hợp kim Cr tr−ớc cùng tích thỏa mãn các yêu cầu trên. Thép này có hàm l−ợng C cao (0,56-0,64%), bảo đảm sau tôi thép có độ cứng và tính chịu mài mòn cao. L−ợng Cr phải đủ lớn để bảo đảm độ thấm tôi tốt và đủ tạo ra một l−ợng cacbit để đảm bảo độ cứng và tính chịu mài mòn cao. Để nâng cao tính chống gỉ, ng−ời ta còn hợp kim hóa thêm Ni, Mo, Cu…Ngoài ra đối với dụng cụ y tế đ−ợc chế tạo không phải bằng thép không gỉ thì cần tiến hành mạ ni ken để tăng khả năng chống gỉ của dụng cụ. Điều quan trọng là thép phải sạch các tạp chất phi kim (S, P nên nhỏ hơn 0,025 để không tạo ra các điểm mềm làm giảm khả năng làm việc của dụng cụ y tế). Dựa vào điều kiện thực tế và các phân tích nêu trên, chúng tôi lựa chọn mác thép SAE 4161 để làm dụng cụ phẫu thuật. Mác thép này có hàm l−ợng cacbon đủ lớn (0,56- 0,62%), Cr: 0,6-0,9; Mo: 0,15-0,30 bảo đảm thoả mãn các yêu cầu về vật liệu chế tạo dụng cụ phẫu thuật, nhất là đối với dụng cụ dùng để đục x−ơng, dao mổ. Thành phần hoá học và tính chất cơ l ý của thép SAE4161 và các mác thép t−ơng đ−ơng đ−ợc nêu trong bảng 1 và 2.(3) Bảng1: Thành phần hoá học của thép SAE4161 và các mác thép t−ơng đ−ơng 12 Thành phần hoá học (%) Mác C Si Mn P S Cr Mo 50CrMo4 ISO 683 118:1996 0,46- 0,54 0,10- 0,40 0,50- 0,80 ≤0,035 ≤0,035 0,90- 1,20 0,15- 0,30 SAE4161 (Mỹ) 0.56- 0.64 0.15- 0.35 0.75- 1.00 ≤0,035 ≤0,04 0.70- 0.90 0.25- 0.35 42CrMo GB 3077-88 (Trung Quốc) 0,30- 0,45 0,17- 0,37 0,50- 0,80 ≤0,035 ≤0,035 0,90- 1,20 0,15- 0,25 50CrMo4 (số hiệu 1.7228) (Đức) 0,46- 0,54 ≤0,40 0,50- 0,80 ≤0,035 ≤0,035 0,90- 1,20 0,15- 0,30 Bảng 2: Tính chất cơ lý của thép SAE4161 Mác σb (MPa) σch (MPa) δ (%) Akv (J.cm2) độ cứng sau ủ (HRs) SAE4161 1100-1300 ≥900 ≥9 ≥30 ≥248 13 2. Nội dung và ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu, lựa chọn mác thép thích hợp để chế tạo dụng cụ phẫu thuật - Xác lập quy trình công nghệ chế tạo thép SAE4161 gồm các b−ớc: • Công nghệ nấu luyện • Công nghệ tinh luyện • Công nghệ rèn • Công nghệ nhiệt luyện - Xác định các tính chất: Độ bền, độ cứng, thành phần hoá học, cấu trúc của vật liệu. - Từ mác thép nghiên cứu chế tạo đ−ợc một số bộ dụng cụ phẫu thuật. Dùng thử sản phẩm để đánh giá chất l−ợng. - Báo cáo tổng kết đề tài. 2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu: - Dựa trên tiêu chuẩn trong n−ớc và các tiêu chuẩn n−ớc ngoài khác để lựa chọn mác thép phù hợp cho việc chế tạo dụng cụ phẫu thuật. - Sử dụng lò trung tần Radyne, (Anh) để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện, lò GH100 có công suất 100KVA để tinh luyện thép. - Nung phôi bằng lò phản xạ, rèn bằng búa 400kg và búa 150kg tại công ty cơ khí 79. Nhiệt luyện mẫu thí nghiệm bằng lò dây điện trở CΗOΛ-1,6.2,5.I/II- MIY.4.2 của Viện Luyện Kim Đen - Sử dụng ph−ơng pháp hoá học và quang phổ phát xạ (máy quang phổ ARL 3460, Thuỵ sĩ) để xác định thành phần hoá học. Sử dụng các thiết bị thử hiện đại của các cơ sở nghiên cứu để xác định độ cứng (máy đo độ cứng HPO 250 và TK 2M , Liên xô cũ). Để xác định cấu trúc của thép sử dụng kính hiển vi AXIOVERT, Đức. 14 3. kết quả đạt đ−ợc 3.1 Công nghệ sản xuất thép SAE4161 Thành phần hoá học (%) của thép SAE4161 nh− sau: C: 0.56-0.64; Si: 0.15 -0.35: Mn : 0.75 -1.00; Cr : 0.70 – 0.90; Mo: 0.25 -0.35; P ≤0,035 ; S ≤0,04. Tính chất cơ lí tính của thép SAE4161 nh− sau: Giới hạn bền: 1100 -1300 MPa, giới hạn chảy : 900MPa (min); độ dãn dài : 9%(min); độ dai va đập : 30J.cm-2 (min); độ cứng sau ủ: 248HBs(min). 3.1.1 Công nghệ nấu luyện. Thép SAE4161 là thép có hàm l−ợng C t−ơng đối cao (từ 0.56-0.64), việc đ−a cácbon vào thép cần đặc biệt chú ý. Vì đây là nguyên tố rất dễ cháy hao. Có thể sử dụng than grafit để nâng cao hàm l−ợng các bon, hoặc là sử dụng các loại thép phế có hàm l−ợng C cao. Đề tài đã lựa chọn các nguyên liệu nh− trong bảng 3, dựa vào hệ số cháy hao thực tế của Viện Luyện kim đen (bảng 4) nhóm đề tài đã tính toán phối liệu mẻ nấu số 1 nh− trong bảng 5: Bảng 3: Thành phần các nguyên liệu chính dùng để luyện thép SAE4161 Thành phần hoá học Nguyên liệu C Mn Si Cr Ni Mo 1) Phế thép Ct3 0.27 0.51 0.23 - - - 2) Phế thép C50 0.55 0.79 0.24 - - - 3)FeMn 1.0 80.0 - - - 4) FeCr (C Cao) 7.8 - 63.0 5) FeSi (75) 0.70 - 70.0 - - 6) FeMo 55.0 7) Thép phế Cr17 0.70 0.85 0.90 17.0 - - 15 Bảng 4. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, % Si 6 ữ 10 Mn 4 ữ 6 Cr 2 ữ 3 C dạng grafit 30 – 35 Mo 2 - 3 Bảng 5: Phối liệu mẻ 1 (tính bằng kg) TT Nguyên liệu Mẻ1 1 Phế thép CT3 247.0 2 Phế thép C50 - 3 FeMn 1.5 4 FeSi 0.5 5 FeMo 1.40 6 FeCr các bon cao 3.65 7 Phế thép Cr17 - 8 Than grafit 1.20 7 Al kim loại 0.5 Cộng 255.75 Quy trình nấu luyện đ−ợc tiến hành nh− sau: • Thứ tự xếp liệu: Cho chất tạo xỉ (CaO + CaF2 = 2 : 1 ) (1% mẻ liệu) đã đ−ợc xấy khô ở 200oC, xếp một l−ợt thép phế, FeCr các bon cao, FeMo (đã đ−ợc sấy khô), than graphít đ−ợc cho vào hộp sắt và xếp vào giữa lò, sau đó tiếp tục xếp thép phế. 16 • Đóng điện, chạy 60% công suất trong 6 – 8 phút. Sau đó từ từ nâng lên cực đại. Khi liệu ở d−ới nồi đã chảy thì chọc liệu và cho thêm liệu mới đến hết mẻ liệu. • Sau khi liệu chảy hoàn toàn, vớt hết xỉ cũ và tạo xỉ mới. Xỉ cần có độ kiềm lớn hơn hoặc bằng 2. • Cho ferrosilic75, ferromangan, sau 2-3 phút cho dây nhôm kim loại (1kg/tấn).Nhiệt độ ra thép 1620 oC. Rót thép vào nồi rót đã đ−ợc xấy khô tới nhiệt độ 800-900 oC và có sẵn phoi nhôm kim loại (1kg/tấn) để khử ôxy trong thép lỏng. • Rót thép từ nồi rót vào khuôn có φ60mm để tạo phôi điện xỉ. • Tiến hành lấy mẫu phân tích thành phần hoá học của mẻ luyện, kết quả đ−ợc nêu trong bảng 8. Từ kết quả phân tích chúng tôi nhận thấy thành phần hóa học của mẻ luyện đã đạt tiêu chí đề ra, nh−ng để tận dụng thép phế chúng tôi tiến hành luyện tiếp mẻ số 2, tận dụng tối đa hàm l−ợng crôm có sẵn trong thép phế. Phối liệu mẻ số 2 và thành phần hoá học đ−ợc ghi ở bảng 6 và bảng 8. Bảng 6: Phối liệu mẻ nấu số 2(tính bằng kg) TT Nguyên liệu Mẻ 2 1 Phế thép CT3 233 2 Phế thép C50 - 3 FeMn 1.5 4 FeSi 0.5 5 FeMo 1.35 6 FeCr các bon cao - 7 Phế thép Cr17 14.0 8 Than grafit 1.20 7 Al kim loại 0.5 Cộng 251.75 17 Vì nhiều l ý do, có thể do thành phần thép phế ch−a thật đồng đều nên thành phần hoá học của mẻ số 2 ch−a đạt, hàm l−ợng C trong thép còn thấp hơn thành phần cho phép. Chúng tôi quyết định luyện mẻ số 3 sử dụng l−ợng thép phế có hàm l−ợng các bon cao hơn. Phối liệu mẻ số 3 đ−ợc ghi ở bảng 7, thành phần hoá học các mẻ luyện đ−ợc ghi ở bảng 8. Bảng 7: Phối liệu mẻ nấu số 3 (tính bằng kg) TT Nguyên liệu Mẻ 3 1 Phế thép CT3 - 2 Phế thép C50 239.0 3 FeMn 1.0 4 FeSi 0.5 5 FeMo 1.30 6 FeCr các bon cao - 7 Phế thép Cr17 14.0 8 Than grafit 0.7 7 Al kim loại 0.5 Cộng 257.0 Bảng 8: Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm Thành phần hoá học Mẻ C Mn Si Cr Mo P S 1 0.58 0.75 0.17 0.91 0.33 0.017 0.02 2 0.50 0.78 0.2 0.90 0.30 0.018 0.019 3 0.59 0.80 0.35 0.92 0.29 0.02 0.02 3* 0.56 0.74 0.37 0.90 0.30 0.018 0.016 18 Thành phần hoá học của mác thép đ−ợc tiến hành phân tích tại phòng thí nghiệm Viện Luyện kim đen. Ngoài ra, chúng tôi còn kiểm tra tại Viện Công nghệ, kết quả phân tích đ−ợc thể hiện trên bảng 8 (phần 3*). Từ các kết quả phân tích nhận đ−ợc, chúng tôi thấy rằng tiến hành nấu luyện với 2 cách phối liệu khác nhau vẫn có đ−ợc mác thép đạt yêu cầu đề ra. Nh− vậy tận dụng các phế liệu thép sẽ đ−a lại nhiều lợi ích về kinh tế mà các yêu cầu đối với mác thép vẫn đảm bảo. Tuy nhiên cần phải chọn lọc và phân tích chính xác thành phần hoá học của nguyên liệu ban đầu. 3.1.2 Công nghệ tinh luyện Để bảo đảm yêu cầu đối với thép làm dụng cụ phẫu thuật, thép phải có hàm l−ợng phốt pho, l−u huỳnh thấp, phải sạch khí, hàm l−ợng ôxy, nitơ và hyđrô phải thấp hơn giới hạn cho phép. Cấu trúc thỏi đúc phải là cấu trúc hạt mịn và đồng đều, dựa vào điều kiện thực tế chúng tôi tiến hành tinh luyện thép trên thiết bị tinh luyện điện xỉ công suất 100 KVA của Viện Luyện kim đen. Các thông số kỹ thuật cơ bản lò GH100 và chế độ tinh luyện nh− sau: 1. Công xuất biến thế 100KVA 2. Điện áp sơ cấp 45 – 48V 3. C−ờng độ dòng 1400-1500A 4. Đ−ờng kính điện cực ∅60mm 5. Tiêu hao n−ớc làm lạnh (Min) 5m3/giờ 6. Tốc độ chuyển dịch điện cực 33-35 mm/phút 7. Chiều dài làm việc của điện cực 2000mm 8. Xỉ tinh luyện ANF-6 9. Tiêu hao xỉ ANF-6 50- 60 kg/tấn sản phẩm 10, Kích th−ớc thỏi thép ∅110x350-400 Chúng tôi chọn hệ xỉ tinh luyện là loại ANF-6 (70% CaF2 + 30%Al2O3) là loại xỉ dễ kiếm, rẻ tiền và khử S tốt. Xỉ cần đ−ợc xấy khô tr−ớc khi dùng. Quy trình tinh luyện đ−ợc tiến hành nh− sau: - Kiểm tra hộp kết tinh: mặt trong hộp phải sạch, hộp phải kín n−ớc 19 - Cho l−ợng xỉ cần thiết cho một thỏi (2 – 2,5kg cho 1 thỏi 40 – 50 kg) vào hộp kết tinh. Hạ điện cực từ từ xuống sao cho tạo đ−ợc hồ quang làm nóng chảy xỉ rắn tạo thành bể xỉ lỏng. Cho điện cực nhúng vào bể xỉ lỏng với độ sâu và chế độ điện hợp lý để tạo ra các giọt kim loại lỏng ở đầu điện cực. Giọt kim loại này lớn dần và d−ới tác dụng của trong lực sẽ tách khỏi đầu điện cực đi qua lớp xỉ lỏng rồi lắng xuống đáy hộp kết tinh tạo thành bể kim loại lỏng. Khi đi qua lớp xỉ lỏng giọt kim loại sẽ đ−ợc tinh luyện theo các phản ứng t−ơng tác giữa kim loại lỏng và xỉ lỏng. D−ới tác dụng làm nguội nhanh của dòng n−ớc chảy quanh hộp kết tinh bể kim loại lỏng kết tinh thành thỏi điện xỉ theo h−ớng từ d−ới lên. Do kim loại lỏng kết tinh d−ới lớp xỉ bảo vệ nên rất sạch khí và đ−ợc làm nguội nhanh nên thỏi điện xỉ có cấu trúc hạt mịn, thuận lợi cho khâu rèn tiếp theo. Các thỏi thép sau điện xỉ đều đạt chất l−ợng tốt: dóc xỉ, không bị co lõm, kích th−ớc đồng đều, bề mặt sáng bóng. Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm sau điện xỉ đ−ợc nêu trong bảng 9: Bảng 9: Thành phần hoá học của thép sau điện xỉ Thành phần hoá học Mẻ C Mn Si Cr Mo P S 1 0.58 0.75 0.18 0.91 0.33 0.017 0.018 3 0.59 0.79 0.35 0.92 0.28 0.02 0.017 3.1.3 Công nghệ rèn. Rèn thép nhằm mục đích tạo hình dáng cần thiết, khử độ lớn của hạt, khử các bọt khí, lỗ kim, vết nứt và các khuyết tật khác trong thép đúc; cải thiện tổ chức và cơ tính. Nhiệt độ bắt đầu rèn: là nhiệt độ bảo đảm cho sự hòa tan hoàn toàn l−ợng cacbit vào nền austenit mà vẫn không có sự phát triển mạnh về kích th−ớc hạt. Đối với thép SAE4161, nhiệt độ bắt đầu rèn là 10500C. Để bảo đảm nhiệt độ phôi rèn đồng đều, đối với kích th−ớc của thép nghiên cứu cần giữ ở nhiệt độ rèn từ 1-2giờ. 20 Nhiệt độ kết thúc rèn: là nhiệt độ tại đó thép vẫn còn đủ tính dẻo cần thiết cho thao tác rèn, không tạo ra vết nứt tế vi. Đối với thép SAE4161, nhiệt độ kết thúc rèn là 8500C. Biến dạng khi rèn: thép SAE4161 đ−ợc rèn trong khoảng nhiệt độ 10500C ữ 8500C. ở giai đoạn đầu cần biến dạng từ từ và khi rèn phải liên tục chuyển vị trí để tránh tạo ra vết nứt. Ngừng rèn khi nhiệt độ xuống d−ới 8500C. Quy trình rèn thép SAE4161 đ−ợc thực hiện nh− sau: Các thỏi thép điện xỉ Φ110 sau ủ đ−ợc tiện hết lớp vỏ ôxit xuống còn Φ104 - Φ107, c−a bỏ một đoạn l = 50 – 60mm (phần đầu của thỏi điện xỉ) để loại bỏ hết phần rỗ , xốp. Sau đó xếp các thỏi thép vào giữa lò, tốc độ nâng nhiệt khi nung nóng là 100-1500C/h, giữ ở nhiệt độ rèn 1-2 giờ. Nhiệt độ rèn là 10000C - 10500C, nhiệt độ kết thúc rèn: 8500C. Các b−ớc rèn: Rèn b−ớc 1: Rèn đạt vuông 40. Rèn b−ớc 2: Rèn đạt xuống vuông 30→ vuông 20 (Rèn phôi φ25 x 250 để chế tạo mẫu thí nghiệm) 3.1.4 Công nghệ nhiệt luyện Nhiệt luyện là quá trình thay đổi cấu tạo bên trong của kim loại (hoặc hợp kim) khi nhiệt độ thay đổi. Do đó tính chất của kim loại cũng thay đổi. Dựa vào chuyển biến xẩy ra khi nung nóng thép đến nhiệt độ xác định , giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ khác nhau mà ng−ời ta chia thành các loại nhiệt luyện khác nhau nh− sau: ủ, th−ờng hóa, tôi, ram, hóa già, gia công lạnh. 3.1.4.1 Công nghệ ủ ủ là quá trình nhiệt luyện để nhận đ−ợc tổ chức cân bằng(ổn định)của sự phân hóa ostenit theo thời gian làm nguội từ nhiệt độ nung nóng nhất địnhtrong khoảng chuyển biến hay lớn hơn. ủ đ−ợc thực hiện bằng cách nung nóng chi tiết thép đến nhiệt độ nhỏ hay lớn hơn khoảng chuyển biến. Gữi ở nhiệt độ này và làm nguội tiếp theo với tốc độ cho tr−ớc. Trong quá trình ủ sẽ làm thay đổi tính phân tán của các pha, thay đổi hình dạng và kích th−ớc của hạt, kết quả là đ−ợc tổ chức cân bằng, độ 21 cứng giảm đi, độ dẻo và độ dai tăng lên. ủ th−ờng sử dụng cho các vật đúc, vật cán và vật rèn. Mục đích của ủ là khử bỏ ứng suất bên trong, các thiên tích gia công cắt gọt, loại bỏ sự không đồng nhất về tổ chức, chuẩn bị tổ chức cho việc gia công tiếp theo. Đặc biệt đối với các loại thép dùng làm dụng cụ y tế thì yêu cầu về chất l−ợng càng khắt khe hơn. Do đó các thỏi thép sau điện xỉ tr−ớc khi rèn phải đ−ợc tiện bóc vỏ để loại bỏ hết lớp vỏ oxit, vết nứt. Thép SAE4161 rất nhạy với ứng suất nhiệt nên sau khi đúc điện xỉ, thép có độ cứng cao. Tr−ớc khi tiện vỏ ta phải tiến hành ủ thép để có đ−ợc cấu trúc peclit hạt đồng đều, độ cứng vừa phải việc gia công thép mới thực hiện đ−ợc dễ dàng. Thông th−ờng nhiệt độ ủ thép thấp hơn điểm AC1 . Khi ủ Cacbon của cacbit hòa tan, khuếch tán và kết tinh tạo ra các hạt cacbit dạng cầu, có năng l−ợng bề mặt thấp nên tạo ra trạng thái ổn định hơn. Tốc độ quá trình cầu hóa phụ thuộc vào nhiệt độ ủ. Nhiệt độ ủ càng cao thì quá trình cầu hóa xảy ra càng nhanh. Vì vậy ủ cầu hóa th−ờng ở gần nhiệt độ AC1 . Do đó ủ thép hợp kim tr−ớc cùng tích nh− thép SAE4161phải tiến hành gần điểm AC1, tức là ở nhiệt độ khoảng 720ữ7300C . Nếu ủ ở nhiệt độ cao hơn thì hầu hết cacbit sẽ hòa tan vào austenit và khi làm nguội sẽ tạo thành cacbit tấm là điều rất cần phải tránh. Thời gian giữ nhiệt: Khi nung đạt nhiệt độ ủ (720ữ7300C) phải giữ nhiệt một thời gian để bảo đảm các quá trình chuyển biến α→γ, khuếch tán C và Cr vào γ… Đối với kích th−ớc thỏi đúc điện xỉ, thời gian giữ nhiệt là 3-4 giờ. Tốc độ làm nguội: Hình dạng cacbit sau ủ phụ thuộc vào trạng thái của dung dịch rắn và nhiệt độ ủ. Độ phân tán của cacbit lại phụ thuộc vào tốc độ làm nguội. Khi làm nguội với tốc độ lớn (200ữ3000C/h) sẽ tạo ra một l−ợng lớn các hạt cacbit nhỏ mịn do không đủ thời gian để khuếch tán C và Cr, cấu trúc các hạt nhỏ mịn sẽ tạo ra vật liệu có độ cứng và độ bền cao, khó gia công cơ khí. Vì vậy khi ủ cần làm nguội chậm để C, Cr có đủ thời gian khuếch tán tạo ra các hạt cacbit hình cầu có kích th−ớc vừa phải làm giảm độ cứng. Tốc độ làm nguội từ 700C – 800C/h, đến 6000C để nguội theo lò. Dựa 22 vào phân tích nh−