Nghiên cứu chế tạo gang cầu song pha bằng phương pháp tôi đẳng nhiệt

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN











BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ


Tên đề tài:
“
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GANG CẦU SONG PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TÔI ĐẲNG NHIỆT
”

Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
Cơ quan chủ trì: VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
Chủ nhiệm đề tài: Ths. NGUYỄN QUANG DŨNG









HÀ NỘI, 11/2010
2
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC & PHÁT TRIỂN CẤP BỘ


Tên đề tài:
“
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GANG CẦU SONG PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TÔI ĐẲNG NHIỆT
”







VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG





Đinh Văn Tâm

HÀ NỘI, 11/2010

3

Danh sách những người thực hiện chính

STT Họ và tên Học hàm/
học vị
Đơn vị công tác
1 Nguyễn Quang Dũng Thạc sỹ Viện Luyện kim đen
2 Đinh Văn Tâm Thạc sỹ Viện Luyện kim đen
3 Phạm Thanh Sơn Thạc sỹ Viện Luyện kim đen
4 Nguyễn Hồng Phúc Kỹ sư Viện Luyện kim đen

4
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 5
1. TỔNG QUAN 7
1.1. Giới thiệu gang cầu 7
1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
gang cầu. 11
1.3. Công nghệ chế tạo gang cầu 15
1.4. Nhiệt luyện gang cầu 17
1.5. Lựa chọn mác gang cầu song pha 20
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21
2.1. Nội dung nghiên cứu 21
2.2. Phương pháp nghiên cứu 21
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 22
3.1. Công nghệ chế tạo gang cầu 22

3.1.1. Công ngh
ệ nấu luyện và biến tính gang cầu 22
3.1.2. Công nghệ đúc gang cầu 25
3.1.3. Công nghệ nhiệt luyện gang cầu song pha 25
3.2. Kết quả đạt được 27
3.2.1. Thành phần hoá học 27
3.2.2. Tính chất cơ lý 27
3.2.3. Cấu trúc pha 27
3.3. Chế tạo sản phẩm 31
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 32
4.1. Kết luận 32
4.2. Kiến nghị 32
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 33
6. PHỤ LỤC 34
5

MỞ ĐẦU

Thực hiện Nghị quyết Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ X của Đảng Cộng
sản Việt Nam về việc thực hiện cách mạng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước, ngành cơ khí đã có một bước tăng trưởng mạnh mẽ trong khi đó ngành
đúc vừa là ngành phụ trợ, vừa là bộ phận cấu thành của các ngành công nghiệp.
Ngành đúc là ngành chế tạo phôi và chi tiết cho hầu hết các ngành công
nghiệp; đặc biệt là các ngành giao thông vận tải, chế tạo máy, xây dựng, điện,
luyện kim, Có thể nói, ngành đúc là một trong các ngành công nghệ vật liệu gắn
liền với tất cả các ngành công nghiệp đã nêu và sự phát triển của nó gắn liện với
sự phát triển cả về số lượng và chất lượng do yêu cầu của các ngành này đề ra.
Ở các n
ước công nghiệp phát triển như CHLB Đức năm 2006, đã sản xuất
4,14 triệu tấn vật đúc bằng gang thép để dùng trong nước và 1,38 triệu tấn cho

xuất khẩu; trong đó tỷ phần gang thép đúc cung cấp cho các ngành kinh tế chủ
chốt trong nước như sau: Giao thông vận tải: 54,6%; Chế tạo máy: 23,8%; Xây
dựng: 4,8%; Khác: 16,9%.
Điều này cho thấy sự thay đổi không ngừng của các ngành công nghiệp
không chỉ làm gia tăng sản lượng mà còn làm thay đổi c
ơ cấu và chất lượng sản
phẩm đúc. Sự gia tăng sản lượng và chất lượng của ôtô và các phương tiện vận
chuyển trong ngành giao thông vận tải theo hướng bền hơn, nhanh hơn, nhẹ hơn,
êm hơn, rẻ hơn, đòi hỏi ngành đúc phải nghiên cứu và đưa ra các sản phẩm có
tính năng vượt trội bằng gang cầu có độ bền, dẻo cao và độ bền trong điề
u kiện
tải trọng va đập tốt như các chi tiết trong cụm gầm cầu sau bằng gang cầu ferit,
trục khuỷu, nhiều cặp bánh răng bằng gang cầu ausferit (ADI). Sự thay thế gang
cầu cho thép đúc và thép rèn trong trường hợp này đã bảo đảm cho quá trình sản
xuất đơn giản hơn, chi tiết nhẹ hơn chịu tải trọng động tốt hơn và rẻ hơn.
Để nâng cao chất lượng cơ lý tính c
ủa sản phẩm các nhà khoa học đã đưa ra
nhiều biện pháp như tiến hành hợp kim hoá thêm một số nguyên tố hợp kim, đưa
thêm chất biến tính, tiến hành nhiệt luyện sản phẩm sau khi chế tạo,
Bằng biện pháp nhiệt luyện, người ta đã nâng cao được các tính chất cơ lý
tính của gang cầu so với khi không tiến hành nhiệt luyện. Hiện nay, tại Việt
Nam chưa có cơ sở nào áp dụng biện pháp nhi
ệt luyện này. Để ứng dụng được
tiến bộ khoa học này vào trong thực tiễn sản xuất, nhằm giảm giá thành sản
phẩm, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công Thương chấp thuận
giao thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo gang cầu song pha bằng phương pháp
tôi đẳng nhiệt”.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ, sử dụng
nguyên vậ
t liệu và thiết bị trong nước chế tạo gang cầu song pha làm các chi tiết

sử dụng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải.
Qua một thời gian triển khai, đề tài đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu.
Trong báo cáo tổng kết đề tài chúng tôi xin trình bày các phần như sau:
6
- Mở đầu
- Tổng quan.
- Nội dung và phương pháp nghiên cứu.
- Kết quả đạt được.
- Kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.
- Phụ lục
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo
điều kiện của Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thương), Công ty TNHH
Xuất Nhập Khẩ
u Thiên Phát cùng các cơ quan trong cũng như ngoài Bộ. Nhân
dịp này, chúng tôi xin trân trọng cám ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó.

7
1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu gang cầu.
Gang là hợp kim của sắt (Fe) và một số nguyên tố hóa học khác như C, Si,
Mn, trong đó Fe chiếm thành phần chủ yếu, chiếm hơn 95% trọng lượng,
carbon từ 2,1-4,3% trọng lượng và silic chiếm từ 1-3%. Gang với thành phần
hóa học gần điểm cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 1150-1200
0
C,
thấp hơn 300
0
C so với sắt nguyên chất. Tùy theo dạng graphit trong gang, gang
được chia thành 4 loại cơ bản sau: gang trắng, gang xám, gang dẻo, gang cầu.
Gang trắng là loại gang cứng và giòn được dùng để luyện thép và gang biến
trắng là loại gang có carbon tồn tại ở dạng Fe
3
C, được hình thành do việc gang xám

bị làm nguội nhanh khiến gang bị biến trắng trở nên rất giòn và khó gia công cơ khí.
Gang xám: là loại gang có nguyên tố carbon chủ yếu tồn tại ở dạng graphit
tấm với nền graphit bố trí theo mạch thẳng. Mặt gãy của gang có màu xám là
đặc trưng của ferit và graphit tự do. Gang xám dễ nấu luyện, có nhiệt độ nóng
chảy thấp (1350
0
C) và không đòi hỏi khắt khe về kỹ thuật nấu luyện và thành
phần trong gang, nhưng gang xám dòn, khả năng chịu tải và chịu uốn nén kém.
Gang dẻo: là loại gang có graphít ở dạng quả bông được chế tạo bằng cách
ủ gang trắng trong một thời gian dài (khoảng vài ngày) ở nhiệt độ từ 850 – 1050
0
C để tạo thành một loại gang có tính dẻo cao. Đây là loại gang có độ bền cao,
được kế thừa những tính chất tốt vốn có của gang và được sử dụng để sản xuất
các sản phẩm cần có sự mềm đi của bề mặt của sản phẩm đúc để dễ dàng trong
việc gia công cơ khí. Tuy nhiên, gang dẻo cũng có nhược điểm do giá thành sản
xuất gang dẻo cao, khả
năng chịu nén kém.
Gang cầu: là loại gang có độ bền cao có graphit ở dạng cầu nhờ biến tính
bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm. Sau khi biến tính cầu
hoá, gang lỏng còn được biến tính lần hai bằng các nguyên tố graphit hoá như
FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang. Nhờ các chất biến tính mà gang lỏng
trở nên sạch các tạp chất như S và các loại khí, làm tăng tốc độ quá nguội cho
gang và tạo cho graphit phát triển chủ yếu theo h
ướng thẳng góc với bề mặt cơ
sở của tinh thể graphit. Do đó graphít kết tinh thành hình cầu.
Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống như gang xám song chỉ khác là
graphit của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim loại:
ferit, ferit-peclit và peclit. Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của
gang cầu so với gang xám. Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các
loại gang, bề

ngoài của gang cầu cũng có màu xám tối như gang xám nên khi
nhìn bề ngoài thì khó phân biệt hai loại gang này với nhau. Tuy nhiên, ta có thể
phân biệt gang cầu và gang xám qua dấu hiệu co ngót ở sản phẩm gang cầu hoặc
bằng cách gõ vào sản phẩm, sản phẩm gang cầu sẽ có tiếng kêu trong và thanh,
còn sản phẩm gang xám sẽ có tiếng kêu đục và trầm.
Thành phần hóa học và các tính chất cơ lý của các loại hợp kim đúc được
đưa ra trong bảng 1 và 2 sau đây.
8
Bảng 1: Thành phần hoá học của các loại gang
Loại gang Thành phần hoá học (%)
C Si Mn S P
Gang trắng 3,30-3,60 0,40-1,20 0,25-0,80 0,06-0,20 0,05-0,20
Gang xám 3,00-3,70 1,20-2,50 0,25-1,00 ≤0,12 0,05-0,10
Gang cầu 3,00-4,00 1,80-3,00 0,10-0,80 ≤0,03 ≤0,10
Gang dẻo 2,00-2,60 1,00-1,60 0,20-1,00 0,04-0,20 ≤0,20

Bảng 2: Tính chất cơ lý của các loại hợp kim đúc
STT Loại hợp kim Độ bền kéo
(MPa)
Giới hạn đàn
hồi (MPa)
Độ dẻo (%)
1 Gang xám grapit tấm 100 – 450 89 – 285 0,3 – 0,8
2 Gang cầu 350 – 900 220 – 600 2 – 22
3 Gang cầu ausferit 800 – 1200 500 – 850 4 – 10
4 Thép đúc 380 – 1200 200 – 1000 6 – 25
Trong các loại gang nêu trên, gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất do
graphit ở dạng thu gọn nhất (quả cầu tròn), ít chia cắt nền kim loại nhất, hầu như
không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền,
vì vậy gang cầu duy trì được 70-90% độ bền của nền kim loại, tức không thua

kém thép bao nhiêu và có thể thay thế được cho thép trong một vài trường hợp. .
Về thành phần hóa học, hàm lượ
ng C và Si phải cao để đảm bảo tổng thành
phần hoá học (%C+%Si) đạt tới 5-6%. Hàm lượng Si cũng không nên quá cao
(>3%) để khỏi ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gang. Không có hoặc không đáng
kể (<0,1-0,01%) các nguyên tố cản trở cầu hoá như Ti, Al, Sn, Pb, Zn, Bi và đặc
biệt là S. Hàm lượng S sau biến tính cầu hoá bằng Mg phải nhỏ hơn 0,03% thì
gang nhận được có dạng graphít cầu và hạn chế tạp chất do MgS tạo ra sẽ làm
giảm tính ch
ất cơ học của gang. Hàm lượng Mn chọn tuỳ thuộc vào loại gang
cầu, với gang cầu ferit ở trạng thái đúc, Mn nhỏ hơn 0,2%. Ở gang cầu peclit
chúng có thể lên tới 1%. Lượng P càng ít càng tốt vì P làm giảm tính dẻo dai của
gang cầu. Trong thành phần gang cầu cần có một lượng nhỏ các chất biến tính
Mg (0,04-0,08%) hoặc Ce. Có các nguyên tố nâng cao cơ tính như Ni (2%), Mn
(1%). Quá trình cầu hóa diễn ra chủ yếu là nhờ có các nguyên tố đất hiếm là Mg
và Ce.
V
ề cách ký hiệu các mác gang cầu:
Các nước đều đánh số các mác gang cầu theo giới hạn bền kéo tối thiểu theo
kG/mm
2
hay MPa. Đôi khi cũng còn thêm chỉ tiêu cơ tính thứ hai là giới hạn chảy
tối thiểu và nếu có chỉ tiêu thứ ba là độ giãn dài (δ%) tối thiểu thì thứ tự là σ
b
- σ
0,2
- δ. TCVN 1659-75 có quy định ký hiệu gang cầu bằng GC
xx-xx
(trong đó các
nhóm số lần lượt là giới hạn bền tối thiểu tính bằng kG/mm

2
và độ giãn dài tối
thiểu tính bằng %) giống như tiêu chuẩn của ГОСТ 7393-70 là BЧ
xx-xx
. Nhưng
9
theo ГОСТ 7393-85 có các mác BЧ40, BЧ50, BЧ60, BЧ70, BЧ80 chỉ ký hiệu
giới hạn bền.
Tiêu chuẩn ASTM có các loại 60-40-18, 65-45-12, 80-60-03, 100-70-03,
120-90-02 với ba cặp số đó lần lượt chỉ giá trị tối thiểu của σ
b
- σ
0,2
(ksi)

- δ (%).
(ở đây 1at = 14,223 psi)
Theo tiêu chuẩn JIS có các mác FCD370, FCD400, FCD450, FCD500,
FCD600, FCD700, FCD800 trong đó các số chỉ σ
b
(min) theo đơn vị MPa.
Mác gang cầu ferit BЧ40 với độ bền thấp, σ
b
≤ 400MPa, độ dẻo khá cao (δ
=15%) ít được dùng.
Mác gang cầu ferit-peclit BЧ50 với σ
b
trong khoảng 450-500MPa, có độ
dẻo trung bình, δ = 5-10%, được dùng làm các chi tiết thông thường thay thép
nói chung.

Mác gang cầu peclit BЧ60 với σ
b
trong khoảng 550-600MPa có độ dẻo nhất
định, δ = 2%, được dùng làm trục khuỷu, trục cán.
Mác gang cầu BЧ70, BЧ80 với σ
b
≥ 600MPa là loại gang cầu tôi đẳng nhiệt
ra bainit, được dùng làm các chi tiết quan trọng.
Thành phần hoá học, tính chất cơ lý tính của các mác gang cầu của các nước
công nghiệp trên thế giới được trình bày trong các bảng 3 - 8 sau đây:
Bảng 3: Thành phần hóa học (%) các mác gang cầu theo tiêu chuẩn Nga
(ГОСТ 7293-85).
Mác C Si Các nguyên tố khác
gang Chiều dày vật đúc /mm Mn P S Cr
≤ 50 50-100 ≥ 100 ≤ 50 50-100 ≥ 100 ≤ ≤ ≤
BЧ35 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,8-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,05
BЧ40 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,2-1,7 0,5-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,10
BЧ45 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,5-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,10
BЧ50 3,2-3,7 3,0-3,3 2,7-3,2 1,9-2,9 2,2-2,6 0,8-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,15
BЧ60 3,2-3,6 3,0-3,3 - 2,4-2,6 2,4-2,8 - 0,4-0,7 0,1 0,02 0,15
BЧ70 3,2-3,6 3,0-3,3 - 2,6-2,9 2,6-2,9 - 0,4-0,7 0,1 0,015 0,15
BЧ80 3,2-3,6 - - 2,6-2,9 - - 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15
BЧ100 3,2-3,6 - - 3,0-3,8 - - 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15
Bảng 4: Ký hiệu mác và cơ tính theo tiêu chuẩn Quốc tế (ISO 1083-1987)
Mác Độ bền kéo Độ bền chảy Độ giãn dài Độ cứng Tổ chức kim tương
g
an
g
σ
b

≥ /MPa σ ≥ /MPa δ ≥ (%) (HBS)
900-2 900 600 2 280-360 Bainit hoặc Mactensit ram
800-2 800 480 2 245-335 Peclit hoặc tổ chức ram
700-2 700 420 2 225-305 Peclit
600-3 600 370 3 190-270 Peclit + Ferit
500-7 500 320 7 170-230 Peclit + Ferit
450-10 450 320 10 160-210 Peclit + Ferit
400-15 400 250 15 130-180 Ferit
400-18 400 250 18 130-180 Ferit
350-22 350 220 22 ≤ 150 Ferit

10
Bảng 5: Thành phần hoá học các mác gang cầu theo tiêu chuẩn Nhật Bản
(JIS G 5502 (1995)
Mác gang Thành phần hoá học các nguyên tố (%)
C Si Mn P (≤) S (≤) Mg (≤)
FCD 350-22 ≤ 2,5 ≤ 2,7 ≤ 0,4 0,08 0,02 0,09
FCD 400-18 ≤ 2,5 ≤ 2,7 ≤ 0,4 0,08 0,02 0,09
FCD 450-10 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 500-7 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 600-3 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 700-2 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 800-2 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
Bảng 6: Thành phần hoá học các mác gang cầu tôi đẳng nhiệt theo tiêu
chuẩn Nhật Bản (JIS G 5503 (1995)
Mác
Thành phần hoá học các nguyên tố (%)
gang C Si Mn P (≤) S (≤) Cr Ni Mo Cu Ti Mg
FCAD 900-4
3,2-3,8 2,2-3,0 ≤ 0,7 0,05 0,05 ≤ 0,07 ≤ 3,0 ≤ 0,5 ≤ 1,5 ≤ 0,04 ≤ 0,06

FCAD 900-8
3,2-3,8 2,2-3,0 ≤ 0,7 0,05 0,05 ≤ 0,07 ≤ 3,0 ≤ 0,5 ≤ 1,5 ≤ 0,04 ≤ 0,06
FCAD 1000-5
3,2-3,8 2,2-3,0 ≤ 0,7 0,05 0,05 ≤ 0,07 ≤ 3,0 ≤ 0,5 ≤ 1,5 ≤ 0,04 ≤ 0,06
FCAD 1200-2
3,2-3,8 2,2-3,0 ≤ 0,7 0,05 0,05 ≤ 0,07 ≤ 3,0 ≤ 0,5 ≤ 1,5 ≤ 0,04 ≤ 0,06
FCAD 1400-1
3,2-3,8 2,0-3,0 ≤ 0,7 0,05 0,05 ≤ 0,07 ≤ 3,0 ≤ 0,5 ≤ 1,5 ≤ 0,04 ≤ 0,06
Bảng 7: Mác gang, cơ tính gang cầu theo tiêu chuẩn Anh (BS 2789-1995)
Mác gang Bền kéo Bền chảy Giãn dài Độ cứng Tổ chức nền
σ
b
≥ /MPa σ ≥ /MPa δ ≥ (%) (HBS)
900/2 900 600 2 302 - 359 Mactensit ram
800/2 800 480 2 248 - 352 Peclit ram
700/2 700 420 2 229 - 302 Peclit
600/3 600 370 3 192 - 269 Peclit / Ferit
500/7 500 320 7 170 - 241 Peclit / Ferit
450/10 450 320 10 160 - 221 Peclit / Ferit
420/12 420 270 12 ≤ 212 Ferit
400/18 400 250 18 ≤ 179 Ferit
400/18L20 400 250 18 ≤ 179 Ferit
350/22 350 220 22 ≤ 160 Ferit
35/22L40 350 220 22 ≤ 160 Ferit
Bảng 8: Mác gang và cơ tính gang cầu theo tiêu chuẩn Mỹ [ASTM A536-84
(1993)]
Mác gang Bền kéo Bền chảy Giãn dài
ANSI/ASTM UNS σ
b
≥ /MPa σ ≥ /MPa δ ≥ (%)

60-40-18 32800 414 276 18
65-45-12 33100 448 310 12
80-55-06 33800 552 379 6,0
100-70-03 34800 689 483 3,0
120-90-02 36200 827 621 2,0
Gang cầu đặc biệt

60-42-10 415 290 10
70-50-05 485 345 5,0
80-60-03 555 415 3,0
11
Công dụng của gang cầu:
Gang cầu chủ yếu được dùng làm các chi tiết vừa chịu tải trọng kéo và va
đập cao (như thép) đồng thời lại dễ tạo hình bằng phương pháp đúc. Chi tiết
quan trọng điển hình làm bằng gang cầu là trục khuỷu, đây là một chi tiết có
hình dạng phức tạp, chịu tải trọng lớn và va đập. Trong khi đó nếu làm bằng
thép (ví dụ C45) thì phải dùng các phôi thép lớn và phả
i qua công đoạn rèn ép
trên các máy ép lớn để tạo ra phôi gia công với lượng dư lớn, tốn công cắt, nếu
thay bằng gang cầu thiết bị sử dụng có phần đơn giản hơn tạo ra được vật đúc
gần với thành phẩm hơn do đó chi phí gia công thấp hơn. Hơn nữa sau khi cùng
tôi bề mặt, cổ trục khuỷu gang cầu có tính chống mài mòn cao hơn so với thép.
Các hãng xe hơi nổi tiếng đã dùng gang cầu trong động cơ xe du lịch và tải nhỏ.
Trong thời gian gần đây gang cầu với sản lượng khá lớn được dùng để chế
tạo ống nước (có đường kính lớn) dùng trong xây dựng cơ bản vì nó có ưu điểm
hơn so với các vật liệu thường dùng trước đây là gang xám và thép. Tuy gang
xám dễ chế tạo (nấu chảy, đúc, rẻ) song do cơ tính thấp không chịu đựng được
áp su
ất nước trong ống dẫn cao tới hàng chục at trong thời gian dài. Còn thép
khó đúc hơn do nhiệt độ chảy cao, co ngót lớn.

1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của
gang cầu.
Lưu huỳnh:
Sản xuất gang cầu yêu cầu thành phần lưu huỳnh thấp, thường nhỏ hơn
0,02% trong kim loại lỏng cơ sở và ở trong khoảng 0,008-0,015% trong kim loại
đã được xử lý. Thành phần lưu huỳ
nh cao cần tỷ lệ hợp kim Mg nhiều hơn và
yêu cầu phải thực hiện bước khử lưu huỳnh phức tạp. Cần lưu ý rằng, trong một
số trường hợp, ôxy tự do có tác động như lưu huỳnh: tạo xỉ, ngậm xỉ và tỷ lệ thu
hồi Mg thấp.
Xét về phối liệu, lưu huỳnh thường có nguồn gốc từ các chất tăng cácbon
được b
ổ sung khi thành phần phối liệu có một lượng lớn thép phế. Thép phế có
thành phần lưu huỳnh cao cũng là một nguồn làm tăng lưu huỳnh. Do đó, sử
dụng gang thỏi có thành phần lưu huỳnh thấp để làm giảm nồng độ lưu huỳnh từ
chất tăng cácbon và thép phế là điều cần thiết. Ngoài ra, hạn chế sử dụng chất
tăng cácbon bằng cách tăng tỷ
lệ gang thỏi có hàm lượng lưu huỳnh thấp thường
có lợi cho chất lượng của sản phẩm đúc gang cầu cuối cùng.
Silic:
Silic là một thành phần không thể thiếu được của gang cầu. Tỷ lệ của nó
trong vật đúc giao động từ 2% đến 6% cho một số mác gang cầu đặc biệt như
gang chịu mài mòn hoặc gang chịu nhiệt. Tuy nhiên, phần lớn sản phẩm gang
cầu có tỷ l
ệ Si vào khoảng 2,0-3,0%, tuỳ thuộc vào môđun và ứng dụng của vật
đúc.
Vì silic được đưa thêm vào trong trạng thái cầu hoá và biến tính nên người
công nhân phải tính đến vấn đề này khi kiểm tra thành phần hoá học của kim
12
loại lỏng ban đầu trước khi cầu hóa. Các nguồn tăng silic khác nhau trong quá

trình nấu gang cầu bao gồm chất tạo mầm SiC hoặc FeSi, chất cầu hoá
(FeSiMg), chất biến tính (FeSi 75) và trong nguyên liệu ban đầu.
Phốt pho:
Mặc dù có tác dụng thúc đẩy việc hình thành graphit nhưng phốtpho lại
được phân loại là một nguyên tố có hại trong gang cầu. Khi vượt quá một nồng
độ nhất định (khả năng tan của phốtpho trong gang là 0,1%), phốtpho sẽ tác
dụ
ng với sắt tạo thành Fe
3
P là một chất gây giòn gang. Sự thiên tích, xảy ra khi
vật đúc đông cứng chậm (ví dụ trong vật đúc có kích thước dầy) hoặc với lượng
hạt cầu thấp, làm tăng hiện tượng này. Mặc dù sự có mặt của Fe
3
P kết tủa ở vỏ
phân tử đôi khi không quan sát được nếu hàm lượng phôtpho thấp (P < 0,07%)
nhưng có thể chứng minh được cơ tính của vật đúc bị giảm sút, thậm chí cả
trong các sản phẩm đúc ferit hoàn toàn.
Mangan:
Mangan là một nguyên tố làm tăng peclit, do đó hàm lượng mangan cần
dưới 0,3% cho sản xuất gang ferit, thậm chí dưới 0,2% cho một số ứng dụng
quan trọng.
Để có tổ chức peclit hoàn toàn, cần thiết phả
i đạt được hàm lượng Mn trên
0,5%. Tuy nhiên, ở mức cao như vậy thường dẫn đến việc hình thành cácbit liên
phân tử. Do đó, để sản xuất các vật đúc peclit, thông thường hàm lượng Mn được
giữ ở mức tối đa 0,3% và bổ sung thêm Cu (trong một số trường hợp đặc biệt là
Sn) để làm tăng peclit. Đồng làm tăng graphit trong khi Mn làm tăng cacbit. Hơn
nữa, đồng làm tăng peclit hiệu quả hơn Mn gấp 10 lần. Cũ
ng như phốtpho,
mangan được đưa vào vật đúc gang cầu từ phối liệu, chủ yếu từ thép phế.

Các nguyên tố khác:
Cácbon là thành phần hợp kim chính trong gang cầu. Trong quá trình đông
đặc, nó kết tủa thành các hạt graphit tròn trong nhân phân tử nhờ các quá trình
biến tính. Thành phần cácbon cần phải cao hơn 3,3% (tuỳ thuộc vào độ dày của
vật đúc), nhưng phải thấp hơn 3,8% để tránh graphit nổi hoặc các khuyết tật liên
quan đến graphit khác. Mộ
t nguyên tắc hữu ích là điều chỉnh thành phần của C
và Si để đạt được giá trị cácbon đương lượng gần với thành phần cùng tinh.
Bảng 2 đưa ra thành phần tương ứng với các mác gang cầu và độ dày vật đúc
khác nhau. Cách tốt nhất để đạt được thành phần cácbon mong muốn là sử dụng
một số lượng hợp lý gang thỏi thuần khiết.
Niken, môlipđen và đôi khi cả crôm được cho thêm vào để đạ
t được tiêu
chuẩn kỹ thuật yêu cầu. Trong mọi trường hợp, các nguyên tố này cần phải được
kiểm soát cẩn thận (chi phí và khả năng nhiễm bẩn tiềm ẩn đối với các mác gang
cầu khác) và hồi phế của các loại gang cầu này cần phải được cất giữ riêng.
Các nguyên tố dư:
Gang cầu rất nhạy cảm với rất nhiều nguyên tố cho dù thành phần của
chúng trong hợp kim là r
ất thấp. Chúng thường tạo ra peclit hoặc cácbit hoặc các
13
dạng graphit bị phân huỷ. Các xưởng đúc cần phải xử lý nhiệt hoặc phần lớn là
loại bỏ các vật đúc có các nguyên tố cản trở sự cầu hoá. Các chi phí này có thể
được loại bỏ bằng cách lựa chọn các phối liệu đầu vào chất lượng cao và kiểm
soát quy trình sản xuất hiệu quả. Bảng 9 liệt kê các nguyên tố hoá học thường
thấy, các nồng độ giới hạn và ngu
ồn gốc xuất phát. Cần phải lưu ý rằng rất nhiều
trong số các nguyên tố này xuất phát từ thép phế hoặc gang thỏi chất lượng thấp.
Do đó, việc sử dụng gang thỏi thuần khiết là một nhu cầu thiết yếu của sản xuất
gang cầu chất lượng cao.

Bảng 9: Tóm tắt tác động và giới hạn thành phần của các nguyên tố dư đối với cơ tính và tổ chức của gang cầu
Các tác nhân
tạo peclit
Các tác nhân tạo
cácbít
Tác nhân
phân huỷ
graphit

Tác động

Nguồn vào
Gang
ferit
Gang
peclit
Gang
ferit
Gang
peclit
Nhôm 0,03 Tạo thành graphit dạng que, có thể được kiểm soát bằng cách bổ sung
Ce,tăng rỗ khí hydro.
Hợp kim sắt, thép phế, hợp
kim cầu hoá và biến tính

Atimoon

0,003

0,02

0,003
Tích tụ tại bề mặt của hạt cầu, phản ứng với Mg làm giảm tác dụng
của Mg, có thể kiểm soát bằng cách bổ sung Ce, ngăn cản sự hình
thành ferit.
Thép phế và thép tráng men
Asen 0,01 0,05 0,01 Việc tạo graphit dạng phiến có thể được kiểm soát bằng cách bổ sung
Ce.
Thép phế
Bistmut 0,002 Nhân tố tạo graphít dạng lưới, tác động này có thể được kiểm soát
bằng cách bổ sung Ce.
Vòng bi, khuôn, sơn ruột và
chất biến tính

Bo

0,0006

0,002

0,003
Cácbua bo chống lại tôi nhiệt luyện, cô lập các khu vực gian bào,
tương tác với tác dụng làm tăng peclit của đồng (giới hạn 0,0006%)
Trong một số loại gang thỏi
fero silic, thép phế, SiC, vật
liệu chịu lửa
Cát đi mi 0,002 Tạo graphit dạng tấm Bulông, ốc vít mạ
Crôm 0,05 0,05 Nhân tố làm tăng peclit, làm chậm quá trình tôi nhiệt luyện , giảm
khoảng cách giữa nhiệt độ ổn định và nhiệt độ cùng tinh kém ổn định
Thép phế, gang thỏi

Chì 0,002 Phá huỷ graphit, tác động này có thể được kiểm soát bằng cách bổ
sung Ce
Thép sơn, thân ôtô hàn,
bánh xe thép
Telua 0,002 0,002 Làm giảm rỗ khí, phản ứng với Mg tạo thành gang trắng, phá huỷ hình
dạng graphit
Thép phế, sơn khuôn
Thiếc 0,01 0,08 0,08 Tích tụ tại bề mặt của hạt cầu và ngăn cản sự tạo thành ferit, làm giảm
sự khuyếch tán cácbon, làm giảm nhiệt độ cùng tinh
Vật liệu hàn, thép phế, hợp
kim loại màu

Titan

0,01

0,08

0,08
Tạo thành graphít dạng nến hoặc dạng que, số lượng nhỏ làm giảm độ
nhạy đối với việc tạo thành graphit dạng bông, giảm khoảng cách giữa
nhiệt độ ổn định và nhiệt độ cùng tinh kém ổn định và nhiệt độ cùng
tinh kém ổn định làm tăng rỗ khí hydro khi xuất hiện Al
Gang thỏi, một số hợp kim
sắt, phế liệu của thép kế
t
cấu, tráng men.
Vanadi 0,03 0,04 Cácbua chống lại việc tôi nhiệt luyện, giảm khoảng cách giữa nhiệt độ
ổn định và nhiệt độ cùng tinh kém ổn định
Thép phế, gang thỏi

Zircôni 0,1 Tạo thành graphit dạng que
1.3. Công nghệ chế tạo gang cầu
Về phối liệu
:
Gang cầu được chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng) nên về cơ bản
thành phần của chúng giống nhau (C+Si cao) song cũng có nét khác biệt để làm
cho biến tính tạo ra graphit cầu được thuận lợi.
- (C+Si) cao hơn
- P, đặc biệt là S thấp hơn (<0,03%) do S kết hợp với Mg thành MgS làm
xấu cơ tính và tổn hao chất biến tính.
- Không có hay có rất ít nguyên tố cản trở cầu hoá như Ti, Al, Sn, Zn, Bi.
- Hợp kim hoá b
ằng Ni (<2%), Mn (<1%) để nâng cao hiệu quả của tôi,
ram.
Thành phần hoá học của phối liệu ảnh hưởng lớn tới thành phần cuối cùng
của gang cầu. Độ nhạy cảm của tổ chức tế vi và đặc tính cơ lý của gang cầu đối
với thành phần hoá học đặt ra những yêu cầu nhất định về thành phần kim loại
cơ sở cũng như các nguyên tố dư. Hơn n
ữa, thành phần của phối liệu phải được
tính đến thành phần tăng thêm từ các hợp kim được đưa vào trong quá trình cầu
hoá và biến tính.
Về nấu luyện:

Có nhiều loại thiết bị nấu luyện được sử dụng để sản xuất gang cầu: lò
đứng, lò cảm ứng, lò hồ quang, lò quay là các loại thường gặp nhất. Trong số
các loại lò này, thông dụng nhất là lò cảm ứng.
Trong thực tế, 97% phối liệu đưa vào lò nấu (phối liệu kim loại, các loại
hợp kim sắt và chất tăng cácbon) được giữ lại trong kim loại lỏng cuối cùng. Do
đó, vi
ệc xác định thành phần và tình trạng của tất cả các vật liệu trước khi đưa

vào lò là vô cùng quan trọng. Lợi thế của việc sử dụng gang thỏi có độ thuần
khiết cao, một sản phẩm đã được khẳng định về chất lượng, trở nên rõ ràng
Về biến tính:

- Gang lỏng trước khi biến tính có nhiệt độ vào khoảng 1450
0
C.
- Biến tính cầu hoá: đưa Mg hay Ce vào gang lỏng để hàm lượng chất biến
tính còn lại trong thành phần gang phải trong giá trị xác định.
- Chất khử S thông thường dùng là Na
2
CO
3
.
- Biến tính graphit hoá bằng FeSi 75%, CaSi 75% để chống biến trắng
Cách tiến hành biến tính
Hợp kim trung gian Mg-đất hiếm được đập nhỏ có kích cỡ 10x10x10mm
cho vào nồi biến tính đáy có tấm thép đậy. Nồi được sấy nóng đỏ. Tiếp theo đến
FeSi 75% hoặc CaSi có cỡ hạt 1mm. Trên cùng được phủ một lớp tro dày 10mm
đã được lèn chặt.
16
Tiến hành rót 2/3 lượng gang lỏng cần biến tính vào nồi biến tính. Để 3-5
phút cho sôi (nhằm để các nguyên tố biến tính đi vào gang lỏng) sau đó tiến
hành lấy nốt 1/3 lượng gang lỏng còn lại và tiến hành chống biến trắng bằng
FeSi 75% hoặc bằng CaSi (dạng bột). Dùng que thép đã được sấy nóng quấy đều
ở nồi biến tính rồi mang đi rót.
Thời gian từ khi biến tính đến khi rót xong không quá 20 phút. Quá thời
gian này, hiệu quả bi
ến tính sẽ không còn nữa.
Sau khi biến tính xong có thể tiến hành thử xem cách thức biến tính được

chưa bằng cách đập gãy mẫu thử, nếu thấy tổ chức kim loại mịn chặt màu trắng
xám và có mùi đất đèn là gang đã được cầu hoá. Nếu mặt gãy có hạt thô to, màu
xám xẫm là gang chưa được cầu hoá.
Bảng 10 sau đây sẽ liệt kê một số loại hợp kim thường dùng để cầu hóa,
phổ biế
n nhất là FeSiMg. Hàm lượng Mg trong hợp kim càng cao, mức độ phản
ứng khi hợp kim tiếp xúc với gang lỏng càng mạnh, số lượng xỉ tạo thành càng
lớn và khả năng thu hồi Mg càng thấp.
Bảng 10: Thành phần của các hợp kim cầu hóa có thành phần silic chủ yếu
Thành phần hóa học của FeSiMg (%) Cách sử
dụng
Mg Ce Ba R.E Si Ca Al La Fe
2,8 1,2 3,1 3 48 - 1,0 3,1 còn lại
Trong khuôn
3,0 - - - 46 1,0 1,0 - còn lại
3,0 0,4 - 1 46 1,0 1,0 - còn lại
3,0 1,75 - 2,2 46 1,0 1,0 - còn lại
5,5 - - - 46 1,0-3 1,0 - còn lại
Trong gầu,
thùng rót
trung gian,
gầu quay, cầu
hóa tại dòng.
5,5 0,4 - 0,75 46 1,0-3 1,0 - còn lại
5,5 0,9 - 1,8 46 1,0-3 1,0 - còn lại
8,0 - - - 50 10,0 1,0 - còn lại
9,0 - - - 46 1,25 1,0 - còn lại
9,0 0,35 - 1,0 46 1,25 1,0 - còn lại
9,0 0,60 - 1,0 46 1,25 1,0 - còn lại
9,0 - - 5,0 46 1,25 1,0 - còn lại

Tỷ lệ sử dụng chất biến tính dùng cho 100 kg gang lỏng theo kinh nghiệm
như sau: FeSi 75 (dạng bột 1mm): 0,6kg; CaSi 75 (dạng bột 1mm): 0,5kg; Ferô
Mg-đất hiếm (cỡ cục 10x10x10): 1-1,3kg.
Thành phần kim loại lỏng cũng quyết định đến lượng chất cầu hóa cần
dùng. Thành phần S trong kim loại càng cao, chất cầu hóa càng nhiều, kết quả là
lượng xỉ phải loại bỏ trước khi rót cũng tăng lên. Ngược lại, hàm lượng Si trong
hợp kim Mg càng cao thì thành ph
ần Si trong kim loại trước khi cầu hóa cần
phải thấp tương ứng. Cũng cần lưu ý hàm lượng Al trong hợp chất biến tính cần
phải khống chế để tránh rỗ khí do quá nhiều Al trong thành phần.
Quy trình công nghệ sản xuất gang cầu được trình bày trong hình vẽ số 1 sau.
17

Hình 1: Quy trình sản xuất gang cầu

1.4. Nhiệt luyện gang cầu song pha
Gang cầu tôi đẳng nhiệt là vật liệu kết hợp những ưu việt cả về độ bền và
độ dai cũng như tính năng sử dụng. Sau khi tôi đẳng nhiệt với gang có thành
phần thích hợp, tổ chức kim loại sẽ có tổ chức ausferit. Về cơ b
ản, gang cầu ban
đầu phải có độ thấm tôi cao để khi nhiệt luyện sẽ có chuyển biến pha xảy ra trên
toàn bộ thiết diện vật đúc. Để đảm bảo gang có độ thấm tôi tốt, thường phải hợp
kim hoá thêm một số nguyên tố hợp kim như Cr, Ni, Mo với hàm lượng thấp.
Bằng cách thay đổi tỷ lệ thành phần pha có mặt trong tổ chức của gang cầu
tôi đẳng nhiệt, có thể thu đượ
c rất nhiều thuộc tính quý báu mà gang cầu bình
thường không có được. Cấu trúc của gang cầu trước hết phụ thuộc vào thành
Nguyên liệu (gang thỏi thuần khiết, hồi phế gang
cầu, thép phế, các loại phero, chất tăng cácbon)
Nấu luyện
Cầu hoá
Biến tính
Làm nguội và phá khuôn
Làm sạch và kiểm soát
Sản phẩm cho các công
đo
ạ
n tiế

p
sau
Sản phẩm
Chất cầu hóa
Chất biến tính
18
phần hoá học và các thông số chính xác của 4 giai đoạn của quá trình chế tạo
gang. Quá trình chế tạo gang cầu tôi đẳng nhiệt bao gồm:
- Chế tạo vật đúc gang cầu có thành phần thích hợp và dễ thấm tôi
- Nung austenit hoá ở nhiệt độ 860-950
0
C trong thời gian 2 giờ.
- Tôi tiếp theo đến nhiệt độ phù hợp với giai đoạn cuối cùng (thông thường
260-400
0
C)
- Tôi đẳng nhiệt để một phần hoặc toàn bộ austenit chuyển thành pha khác
trước khi làm nguội tiếp tục xuống đến nhiệt độ phòng trong thời gian
khoảng 2 giờ.
Mục đích của giai đoạn austenit hoá là làm cho toàn bộ carbon tự do hoà
tan vào trong austenit để tạo thành austenit quá bão hoà. Trong giai đoạn nung
austenit hoá, thời gian nung và nhiệt độ nung là những thông số quyết định trong
việc xác định hàm lượng carbon trong nền austenit đối với chuyển biến cơ
bản là
sự hoà tan của carbon vào austenit. Đối với mỗi thành phần gang khác nhau,
hàm lượng carbon trong austenit sẽ đạt được giá trị không đổi sau một thời gian
và nhiệt độ nung nhất định.
Việc tôi đẳng nhiệt, bổ sung cho quá trình austenit hoá có ý nghĩa quan
trọng trong việc xác định cấu trúc chính xác sẽ được hình thành và bản thân nó
cũng xảy ra trong nhiều giai đoạn. Trong giai đoạn ban đầu của quá trình tôi

đẳng nhiệt, austenit giả ổn định sẽ chuyể
n thành hỗn hợp của ferit bainit và
austenit carbon cao. Nhiệt độ của quá trình tôi đẳng nhiệt phải chính xác và có
ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc ferit bainit: ở nhiệt độ tôi cao, bainit sẽ là cácbit tự
do, trong khi đó ở nhiệt độ tôi thấp hơn, chuyển biến bainit có thể kèm theo việc
tiết pha cácbit, việc đó dẫn đến kết quả là sẽ thu được hỗn hợp của ferit bainit,
cácbit và austenit carbon cao. Austenit carbon cao cuối cùng sẽ phân huỷ thành
hỗn hợp của cácbit và ferit
ổn định hơn về mặt nhiệt động học khi xử lý nhiệt
kéo dài.
Thông thường người ta có hai cách tôi đẳng nhiệt gang cầu: theo một giai
đoạn tức là nung gang cầu đến nhiệt độ austenit hoá, làm nguội đến nhiệt độ
nhất định và duy trì tại nhiệt độ đó một thời gian sau đó làm nguội ngoài không
khí (Hình vẽ 2) và theo hai giai đoạn tức là nung gang cầu đến nhiệt độ austenit
hoá, làm nguội đến nhiệt
độ tôi đẳng nhiệt thứ nhất và giữ trong thời gian vài
phút sau đó tăng nhiệt độ lên tôi thứ hai và giữ tại đây một thời gian sau đó làm
nguội ngoài không khí (Hình vẽ 3).








19

Hình 2: Sơ đồ của quá trình tôi đẳng nhiệt (một bước) thông thường.









Hình 3: Sơ đồ của quá trình tôi đẳng nhiệt (hai bước) thông thường.




Ở đây:
A – B: Nung nóng lên đến nhiệt độ
austenit
B – C: Giữ tại nhiệt độ austenit (thông
thường 2 giờ)
C – D: Làm nguội đến nhiệt độ tôi đẳng
nhiệt austenit
D – E: Giữ ở nhiệt độ tôi đẳng nhiệt
austenit (thông thường trong
khoảng 2-4 giờ)
E – F: Làm nguội ngoài không khí đến
nhiệt độ phòng.

Ở đây:
A – B: Nung nóng đến nhiệt độ austenit

B – C: Giữ nhiệt tại nhiệt độ austenit
(khoảng 2 giờ)
C – D: Làm nguội đến nhiệt độ tôi đẳng
nhiệt thứ nhất.
D – E: Giữ tại nhiệt độ tôi đẳng nhiệt
thứ nhất (khoảng vài phút cho
đến khi việc tạo mầm hoàn
thành)
E – F: Tăng nhiệt độ ngay lập tức lên
nhiệt độ tôi thứ hai
F – G: Giữ tại nhiệt độ tôi austenit thứ
hai (thông th
ường khoảng 2 giờ)
G – H: Làm nguội ngoài không khí đến
nhiệt độ phòng
20
1.5. Lựa chọn mác gang cầu song pha.
Qua nghiên cứu tài liệu trong nước và nước ngoài, thấy rằng để nhận được
tổ chức gang cầu song pha bằng phương pháp tôi đẳng nhiệt có các tính chất cơ
lý tính cao hơn nhiều so với gang cầu thông thường cần có thành phần hoá học
như trong bảng 11 dưới đây.
Bảng 11: Thành phần hoá học các mác gang cầu nghiên cứu
Mác
Thành phần hoá học các nguyên tố (%)
gang C Si Mn P (≤) S (≤) Cr Ni Mo Cu Ti Mg
Mác gang
nghiên cứu
3,2-3,8 2,2-3,0 ≤ 0,7 0,05 0,05 - ≤ 3,0 - ≤ 1,5 - ≤ 0,06
FCAD 900-4
3,2-3,8 2,2-3,0 ≤ 0,7 0,05 0,05 ≤ 0,07 ≤ 3,0 ≤ 0,5 ≤ 1,5 ≤ 0,04 ≤ 0,06

Chế độ nhiệt luyện gang cầu như sau:
- Chế độ ủ: 650-750
0
C. Thời gian tiến hành ủ: 1-2 giờ.
- Chế độ tôi đẳng nhiệt:
Nhiệt độ nung austenit hoá: 860-950
0
C. Thời gian giữ nhiệt: 2 giờ.
Nhiệt độ tôi: 260-400
0
C. Thời gian giữ nhiệt: 2 giờ, môi trường tôi là muối.
Cấu trúc của gang cầu song pha sau khi nhiệt luyện là austenit và ferit.
Tính chất cơ lý tính của gang cầu được nêu trong bảng 12 dưới đây.
Bảng 12: Các tính chất cơ lý của gang cầu nghiên cứu

Mác gang
Giới hạn bền
kéo (σ
b
≥)
MPa
Giới hạn bền
chảy (σ
0,2
≥)
MPa
Độ giãn
dài (δ ≥)
%
Độ cứng

(HBS)
Mác gang nghiên cứu 900 600 10 277-352



21
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu lựa chọn mác gang cầu song pha phù hợp để chế tạo trục
động cơ;
- Nghiên cứu xác định công nghệ gang cầu song pha bao gồm các khâu:
Công nghệ nấu luyện gang
Công nghệ biến tính gang cầu
Công nghệ đúc gang cầu
Công nghệ nhiệt luyện gang cầu
- Đánh giá chất lượ
ng vật liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lý, cấu trúc
- Chế tạo 30 chi tiết trục truyền bánh xe côn, tiến hành dùng thử và đánh
giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng.

2.2. Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy cao, đề tài đã sử dụng các phương
pháp và thiết bị nghiên cứu sau:
- Dựa trên cơ sở nghiên cứu các tài li
ệu, tiêu chuẩn về gang cầu và điều
kiện làm việc của trục động cơ để lựa chọn mác gang nghiên cứu.
- Sử dụng lò trung tần 750kg để nghiên cứu xác định công nghệ nấu luyện.
- Sử dụng lò nung bằng dây điện trở để xác định công nghệ nhiệt luyện

gang cầu song pha.
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp
phân tích quang phổ
trên thiết bị ARL 3460-OES để xác định thành phần
hoá học của gang.
- Sử dụng máy kéo nén để xác định các tính chất cơ lý của gang nghiên
cứu.
- Sử dụng máy đo độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 256-1.
- Sử dụng kính hiển vi quang học để nghiên cứu tổ chức tế vi của gang.




22
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

3.1. Công nghệ chế tạo gang cầu song pha
Sau khi nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn trong nước cũng như trên thế
giới, đề tài đã đi theo hướng công nghệ nấu luyện gang cầu trong lò cảm ứng,
tiến hành biến tính gang cầu, nhiệt luyện gang cầu và chế tạo sản phẩm là các
trục động cơ. Sau đây là các kết quả đạt được trong quá trình tiến hành thí
nghi
ệm.
3.1.1. Công nghệ nấu luyện và biến tính gang cầu
Thành phần hoá học của gang cầu trong quá trình nghiên cứu này như sau:
C = 3,2 - 3,8%; Si = 2,2 - 3,0%; Mn ≤ 0,7%; P ≤ 0,05%; S ≤ 0,05%; Ni ≤ 3,0%;
Cu ≤ 1,5%; Mg ≤ 0,06%.
Ở các nước phát triển, gang cầu có thể được nấu luyện bằng nhiều loại lò
như lò đứng, lò quay, lò cảm ứng, lò điện hồ quang. Tuy nhiên phổ thông và dễ
dàng điều khiển quá trình nấu luyện vẫn là nấu bằng lò cảm ứ

ng. Trong khuôn
khổ thí nghiệm của đề tài, chúng tôi cũng chọn lò cảm ứng trung tần với dung
lượng 750kg của Trung Quốc để nghiên cứu xác định công nghệ luyện gang cầu.
Trên cơ sở yêu cầu về thành phần hoá học của mác gang và các đặc tính của
thiết bị công nghệ, đề tài đã sử dụng các loại nguyên liệu dễ kiếm tìm như sau:
Gang Cao Bằng
Phế thép CT3
Ferô silic (FeSi)
Các kim loại nguyên chất Ni, Cu
Hợp kim silico CaSi
Chấ
t biến tính cầu hoá
Thành phần hoá học của các loại nguyên liệu được nêu trong bảng 13.
Bảng 13: Thành phần hoá học của nguyên liệu
TT Nguyên liệu Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
C Mn Si Ni Cu Ca Mg Ce
1 Gang Cao Bằng 4,5 0,8 2,2
2 Phế thép CT3 0,2 0,46 0,2
3 FeSi 75
4 CaSi 25 45
5 Graphit bột 99
6 Ni kim loại 99,0
7 Đồng đỏ 98,5
8 Chất biến tính 45 0,8 5 1,0
Để tính toán phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng các số
liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Mn, Si và chất biến tính
23
trong lò cảm ứng trung tần và kinh nghiệm nấu luyện của Viện Luyện kim đen
cũng như tham khảo các tài liệu khác để đưa ra số liệu tham khảo.
Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim khi nấu luyện trong lò cảm ứng

trung tần được nêu trong bảng 14.
Bảng 14: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao (%)
1 C 10 - 15
2 Si 10 - 15
3 Mn 8 - 10
4 Ni 2 - 3
5 Cu 1 - 2
Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu (bảng 13), hệ số cháy hao của
các nguyên tố hợp kim (bảng 14) và kinh nghiệm thực tế nhiều năm, chúng tôi
đã tính toán phối liệu cho mẻ nấu thí nghiệm như nêu trong bảng 15.
Bảng 15: Thành phần phối liệu thí nghiệm (kg)
STT Tên nguyên liệu Mẻ số 1 Mẻ số 2
1 Gang Cao Bằng 200 150
2 Phế thép CT3 530 580
3 FeSi 17 18
4 CaSi 4 4
5 Ni kim loại 14 14
6 Đồng đỏ 6 6
7
Chất tăng cácbon (graphit) 21 22
8 Chất cầu hoá biến tính 10 10
Tổng cộng
802 804
Quá trình nấu luyện gang cầu trong lò cảm ứng trung tần được tiến hành
như sau:
- Tiến hành xếp liệu: trước tiên xếp liệu nhỏ xuống dưới đáy lò, xếp gang
thỏi lò cao xen với thép vụn và Ni kim loại làm sao đạt được độ xít cao
nhất nhằm tăng khả năng nấu chảy của lò.
- Tiến hành đóng điện để bắt đầu quá trình nấu luyện. Trong khi nấu luyệ

n,
dùng que chọc lò để đẩy liệu xuống tránh hiện tượng treo liệu và cho tiếp
thêm lượng đồng đỏ đã tính toán. Khi mẻ liệu đã nóng chảy hoàn toàn thì
tiến hành nâng nhiệt để tạo điều kiện gạt lớp xỉ đầu sau đó cho FeSi 75
theo thành phần đã tính của mẻ liệu và tiến hành tạo xỉ bazơ để tiến hành
khử S. Thành phần chất tạo xỉ bao gồm CaO/CaF
2
= 3/1 với khối lượng
2% mẻ liệu.
24
- Khi lớp xỉ này chảy hết cần tiến hành khuấy đảo nhằm tăng sự tiếp xúc
giữa gang lỏng và xỉ lỏng để quá trình khử S triệt để. Cùng với quá trình
này, ta tiến hành kiểm tra thành phần hoá học qua mẫu phân tích hoá
trước lò. Nếu đạt thành phần C = 3,5-3,8% và Si = 1,2-1,4% thì tiến hành
tăng nhiệt theo yêu cầu (1480
0
C) và tiến hành ra gang lỏng vào nồi rót
chú ý cho xỉ chảy lẫn với gang lỏng để nâng cao hiệu quả khử S
- Sau khi rót hết gang lỏng trong lò, tiến hành loại bỏ hết xỉ trên bề mặt nồi
rót để khử S tiến hành rót gang lỏng trở lại vào lò nấu, tăng nhiệt thêm
cho gang lỏng.
- Tiến hành đưa chất biến tính vào đáy nồi rót và đậy bên trên chất biến tính
bằng tấm thép nhằm chống phun b
ắn mạnh khi gang lỏng xói trực tiếp vào
chất biến tính.
- Tiến hành rót gang lỏng vào nồi rót (ban đầu rót nhẹ sau khi được một lớp
gang lỏng sẽ tăng tốc độ rót), đồng thời tạo một lớp xỉ mới bảo vệ bề mặt
gang lỏng gồm cát SiO
2
và bột than cốc.

- Để hạn chế quá trình biến trắng ở tâm của mẫu đúc, tăng khả năng biến
tính graphit hoá và tạo lớp che phủ trên bề mặt chất biến tính cầu hoá, cho
thêm một lượng bột FeSi 75 trên bề mặt lớp gang lỏng với lượng 0,3%
trọng lượng mẻ nấu.
- Sau khi chất biến tính phản ứng mãnh liệt, tiến hành khuấy đảo bằng que
thép và tiế
n hành rót vào khuôn đúc đã chuẩn bị sẵn. Có thể tiến hành
chuyển từ nồi rót lớn sang các nồi rót bé hơn để giảm thời gian rót gang
lỏng. Thời gian rót gang sau khi cầu hoá phải nhỏ hơn 20 phút. Nếu lâu
hơn sẽ giảm mức độ cầu hoá của vật đúc.
- Quá trình lấy mẫu phân tích thành phần hoá học, mẫu thử cơ lý tính, mẫu
thử cấu trúc được tiến hành khi rót được một nử
a gầu rót và theo các quy
định tiêu chuẩn lấy mẫu thử.
Kết quả phân tích thành phần hoá học của các mẻ nấu thí nghiệm được nêu
trong bảng 16.
Bảng 16: Thành phần hoá học của mẻ nấu thí nghiệm
Ký hiệu mẫu Thành phần hóa học của các nguyên tố (%)
C Mn Si S P Ni Cu Mg
Mẻ số 1
3,7 0,37 2,85 0,003 0,006 1,70 0,65 0,035
Mẻ số 2
3,65 0,41 2,65 0,005 0,007 1,65 0,70 0,038
Thành phần
tiêu chuẩn

3,2-3,8 ≤ 0,7 2,2-3,0 ≤ 0,05 ≤ 0,05 ≤ 3,0 ≤ 1,5 ≤ 0,06
Qua các số liệu trong bảng 16, ta thấy mẻ nấu thí nghiệm đã đạt yêu cầu về
thành phần hoá học. Thành phần hóa học của các nguyên tố hóa học đều nằm
trong giới hạn cho phép. Thành phần hai nguyên tố C và Si nằm ở giới hạn trên

25
của yêu cầu mác thép. Thành phần của chất biến tính cầu hoá Mg nằm trong giới
hạn cho phép yêu cầu. Thành phần hai tạp chất P và S đều thấp hơn giới hạn gần
chục lần chứng tỏ quy trình lựa chọn, chuẩn bị liệu và nấu luyện đều hợp lý.
3.1.2. Công nghệ đúc gang cầu
Để đúc được gang cầu, cần lưu ý đến tính đúc của gang cầu. Gang cầu có
độ co dài t
ừ 1,5-2,0 %, khi có biến tính chống trắng bằng FeSi thì hệ số co giảm
chỉ còn 1,0-1,2%. Trong quá trình kết tinh, gang cầu có quá trình giãn nở trước
co lớn hơn nhiều so với gang xám nên ít bị nứt nóng nhưng lại rất dễ bị nứt
nguội do phía bên trong vật đúc có giãn nở nhưng phía bên ngoài lại có hiện
tượng co.
Gang cầu dễ tạo thành lõm co và xốp co bởi vậy, khi thiết kế công nghệ
đúc phải tính đến việc bổ ngót cho vật
đúc. Có thể dùng phương pháp bổ ngót
trực tiếp hoặc đậu ngót bên sườn, nhưng phương pháp bổ ngót bên sườn nên ưu
tiên áp dụng do việc dễ dàng khống chế được quá trình tăng thể tính do dãn nở
graphit hoá.
Trong việc tính toán đậu ngót nói riêng và tính toán quá trình đông đặc nói
chung, môđun đông đặc là khái niệm được dùng để thay thế cho chiều dày đông
đặc. Môđun đông đặc M là tỷ số giữa thể tích và diện tích bề mặt vậ
t đúc. Dựa
vào chỉ số môđun đông đặc có thể tính được đường kính chân đậu ngót và tiết
diện của cổ đậu ngót.
Ngoài ra cần tính toán hệ thống rót cho quá trình đúc, bởi vì hệ thống rót có
nhiệm vụ bổ sung kim loại cho vật đúc và đậu ngót trong suốt quá trình kết tinh
sơ cấp cho đến khi bắt đầu kết tinh cùng tinh. Thông thường chiều dài rãnh dẫn
phải bằng 4 đến 5 lần kích thước nhỏ nh
ất của rãnh dẫn.

3.1.3. Công nghệ nhiệt luyện
Để đảm bảo cơ tính cao thì gang cầu bắt buộc phải được nhiệt luyện bằng
phương pháp tôi đẳng nhiệt.
Ủ mềm là công nghệ nung chi tiết đến nhiệt độ thấp hơn Ac
1
, giữ một thời
gian nhất định tuỳ theo kích thước sản phẩm để đồng đều nhiệt trong toàn bộ chi
tiết rồi tiến hành làm nguội chậm với tốc độ nhất định.
Khâu nhiệt luyện cuối cùng bao gồm nguyên công tôi và ram đẳng nhiệt để
quyết định các tính chất của gang ở trạng thái sử dụng. Nhiệt độ nung tôi của
gang cầu trong khoảng 871-982
0
C với thời gian nung bảo đảm 2 giờ.
Sau đó tiến hành tôi chi tiết trong bể muối ở nhiệt độ 260-400
0
C trong
khoảng thời gian từ 2h – 4h sau đó làm nguội ngoài không khí đến nhiệt độ
phòng. Cấu trúc của gang cầu sau khi tôi đẳng nhiệt là austenit và ferit.