Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang không nhiễm từ hệ Mn-Ni dùng trong môi trường từ tính mạnh

Bộ công thơng
Tổng công ty thép việt nam - CTCP
Viện Luyện kim Đen
o0o








Báo cáo TổNG KếT
Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ
Tên đề tài:
Nghiờn cu cụng ngh ch to gang khụng nhim t h Mn Ni dựng
trong mụi trng t tớnh mnh
***************




Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép VN
Cơ quan chủ trì : Viện luyện kim đen
Chủ nhiệm đề tài : NGUYễN HồNG PHúC



Hà NộI, 01 2012

35

Bộ công thơng
Tổng công ty thép việt nam - CTCP
Viện Luyện kim Đen
o0o





Báo cáo TổNG KếT
Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ
Tên đề tài:
Nghiờn cu cụng ngh ch to gang khụng nhim t h Mn Ni dựng
trong mụi trng t tớnh mnh
***************

Cơ quan chủ trì
Viện luyện kim đen
Q.Viện trởng






Nguyễn Quang Dũng

Hà NộI, 01 - 2012

36
MỞ ĐẦU
Vật liệu có tính năng đặc biệt đã góp phần quan trọng trong việc hiện
đại hóa các ngành công nghiệp như: điện, y tế, ôtô, hàng không, quân
sự…Trong các loại vật liệu đặc biệt đó thì gang không nhiễm từ đã mang
đến những hiệu quả về kỹ thuật công nghệ và kinh tế trong việc triển khai
ứng dụng.
Hàng năm, các ngành công nghiệp sản xuất của nước ta đã s
ử dụng và
thay thế rất nhiều thiết bị chế tạo từ gang không nhiễm từ. Thiết bị, nguyên
liệu nhập khẩu từ nước ngoài dẫn đến tốn kém ngoại tệ, thời gian cũng như
việc không chủ động được trong gia công chế tạo. Tình hình nghiên cứu và
chế tạo vật liệu loại này trong nước còn hạn chế về chất lượng và hiệu quả
sử d
ụng. Chính vì vậy, năm 2011, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được
Bộ Công Thương giao nhiệm vụ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ
chế tạo gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni dùng trong môi trường từ tính
mạnh”.
Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất gang không
nhiễm từ hệ Mn - Ni mác S-NiMn 13-7 (theo tiêu chuẩn ISO 2892) bằng
nguyên liệu, thiết bị sẵn có trong nước. Chế tạ
o, dùng thử sản phẩm làm từ
gang nghiên cứu của đề tài là sàn thao tác của lò nấu thép trung tần, đánh giá
kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra khả năng áp dụng vào thực tiễn sản xuất.

Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, hợp tác, tạo điều kiện
thuận lợi của Vụ Khoa học công nghệ - Bộ Công Thương, các đơn vị trong
và ngoài Bộ trong quá trình thực hiện đề tài.

1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm về gang không nhiễm từ
Kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể, nghĩa là các pha kim loại được
sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian.
Electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại dễ mất liên kết với hạt
nhân của nguyên tử và trở thành electron tự do trong nền kim loại. Do bị mất
electron nên các nguyên tử trở thành ion dương. Như v
ậy, trong kim loại ở
các nút mạng là các ion dương, xung quanh ion dương là các electron tự do.
Điện tích âm của các electron tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng điện
tích dương của tất cả các ion, cho nên trong điều kiện bình thường kim loại
trung hòa về điện.
Ở nhiệt độ bình thường, các ion chỉ dao động trong vị trí cân bằng của
chúng còn các electron tự do thì có thể chuyển động trong khoảng không
gian giữa các ion. Trong quá trình chuyển động, các electron luôn b
ị ngăn
cản do va chạm với các ion ở nút mạng. Năng lượng của sự chuyển động có
hướng được chuyển một phần từ electron sang ion tạo thành năng lượng làm
các ion dao động quanh vị trí cân bằng. Sự va chạm liên tiếp làm tăng quá
trình chuyển động chính vì vậy kim loại có đặc tính lý học đặc trưng là dẫn
điện, dẫn nhiệt. Như vậy, khi kim loại được đặt trong từ trườ
ng mạnh, dưới
tác dụng của từ trường, các electron sẽ chuyển động theo hướng và tạo thành
dòng điện, đó là dòng Fuco. Điện năng của dòng Fuco chuyển thành nhiệt

năng làm kim loại tự nóng lên. Sự xuất hiện dòng Fuco ngoài việc tiêu tốn
năng lượng nó còn làm hư hỏng thiết bị, đặc biệt là động cơ điện và các vật
liệu làm việc trong môi trường từ trường mạnh.
Để
giải quyết vấn đề đảm bảo tuổi thọ cho thiết bị, an toàn cho con
người, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều loại vật liệu không nhiễm từ,
trong đó gang không nhiễm từ là vật liệu được ứng dụng rộng rãi.

2
Gang không nhiễm từ có cấu trúc austenit, ngoài các nguyên tố thông
thường trong gang ra, gang không nhiễm từ cần có hàm lượng Ni, Mn, Cu
với hàm lượng giữa các nguyên tố này phù hợp nhau [1].
Thành phần hóa học và các tính chất của gang không nhiễm từ được qui
định bởi các tính chất đặc biệt khi sử dụng chúng. Ví dụ với các chi tiết
trong thiết bị nâng hạ điện từ và các máy tuyển từ, chế độ làm việc là dòng
điện một chiều, tiêu hao điện n
ăng và sự tạo nhiệt do dòng Fuco là không
đáng kể. Còn trong máy biến thế, máy phát điện, các thiết bị cảm ứng cần
phải tạo ra mác cao hơn về chất lượng để giảm bằng mọi cách tổn thất điện
năng, đi liền với nó là sự tỏa nhiệt đốt nóng thiết bị.
Gang không nhiễm từ có hai đặc trưng cơ bản là điện trở suất và kh
ả
năng nhiễm từ. Khả năng nhiễm từ của nền kim loại có cấu trúc austenit là
thấp nhất. Để có được cấu trúc austenit người ta đưa thêm vào gang các
nguyên tố có xu hướng mở rộng vùng γ - Fe trong giản đồ pha. Các nguyên
tố này thường là Ni, Cu, Mn, N.
1.2.Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của gang không nhiễm
từ
1.2.1. Ảnh hưởng Niken
Niken có mạng lập phương diện tâm với thông số mạng là 3,51 A

o
, gần
giống cấu trúc Fe
γ
. Niken hòa tan trong sắt tạo ra dung dịch đặc Fe – Ni.
Giản đồ trạng thái của Ni được trình bày trong hình 1.
Niken nâng cao điểm A4 và giảm điểm A3 (điểm A4 là điểm tới hạn
chuyển Fe
γ
thành Fe
δ
khi nung nóng và ngược lại khi làm nguội; A3 là điểm
tới hạn bắt đầu tách ferit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan
ferit khi nung nóng). Ở nhiệt độ 1512
0
C chuyển biến ở điểm A4 được thay
thế bằng sự cân bằng 3 pha với bậc tự do bằng không. Trong trường hợp có

3
hàm lượng Ni đáng kể, sự chuyển biến γ thành α khi làm nguội diễn ra theo
kiểu mactensit, không có sự thay đổi nồng độ. Khi tồn tại trong gang hơn
20% Ni, cấu trúc nền kim loại đạt được tính chất austenit hoàn toàn.

Hình 1: Giản đồ trạng thái hệ Fe – Ni
1.2.2. Ảnh hưởng của Mangan
Mangan có 4 dạng thù hình α, β, γ, δ. Mn
γ
có mạng chính phương diện
tâm với thông số mạng 9,894 A
0

. Các thông số mạng của Mn
γ
và Fe
γ
có sự
khác nhau tương đối nhỏ nên Mn có khả năng hòa tan vô hạn vào Fe tạo ra
dung dịch đặc Fe – Mn. Giản đồ trạng thái Fe – Mn được trình bày trong
hình 2.




4

Hình 2: Giản đồ trạng thái Fe – Mn
Cũng như Ni, Mn là nguyên tố mở rộng vùng γ. Đối với cacbon, Mn tạo
thành cacbit dạng (Fe, Mn)
3
C có độ cứng cao. Một ưu việt nữa của Mn là nó
liên kết với lưu huỳnh tạo ra MnS rất bền vững. MnS bền vững làm giảm
được hiện tưởng bở nóng trong kim loại.
Hàm lượng Mn sử dụng trong gang không nhiễm từ có thể tới 13%,
thông dụng hơn cả là khoảng 5 – 7,5%. Ngoài Mn, hàm lượng Ni vẫn chiếm
tỷ lệ cao.
1.2.3 Ảnh hưởng của Cacbon
Hàm lượng cacbon trong gang không nhiễm từ tối đ
a là 3%. Để tạo ra
tính đúc tốt thực tế hàm lượng C có thể lớn hơn 3%. Tuy nhiên, lượng C
ngoài tạo ra cấu trúc austenit cần phải tồn tại dưới dạng graphit.

5
1.2.4 Ảnh hưởng của Silic
Hàm lượng Si được coi là tối đa khi nó đảm bảo cho C tạo thành
graphit hoàn toàn. Sự tăng lên quá mức của Si sẽ dẫn đến việc làm giảm độ
bền vững của austenit và tăng độ từ thẩm.
1.2.5.Ảnh hưởng của Phốt pho:
Phốt pho có thể cho phép cao hơn các mác gang thường để tăng tính
chảy lỏng của gang, nhưng nếu quá lớn thì cơ tính c
ủa gang sẽ giảm và tăng
độ từ thẩm.
1.2.6. Ảnh hưởng của Lưu huỳnh
Tương tự như P, S cũng có thể cao hơn mác gang thường một lượng
nhỏ, vì khi hàm lượng S nhiều cũng gây cho gang giảm độ bền cơ tính.
1.3. Tình hình sản xuất gang không nhiễm từ trên thế giới và trong
nước
Gang không nhiễm từ được nghiên cứu và sản xuất ở nhiều nước trên
th
ế giới có ngành công nghiệp luyện kim phát triển như Nga, Nhật, Mỹ .v.v.
Tính năng nổi bật của hệ gang này đã mang lại những hiệu quả kinh tế - kỹ
thuật trong các ngành công nghiệp: quân sự, cơ khí chế tạo, luyện kim, giao
thông vận tải, điện…Các nước trên đã đưa ra những tiêu chuẩn riêng: Nga
(ΓOCT 7769 –82), Nhật (JIS G5510 – 1987), Đức (DIN 1694 – 81), Anh
(BS 3468 – 1986), Mỹ (ASTM A 436 – 84). Chúng tôi có liệt kê các mác
gang không nhiễm từ theo tiêu chuẩn của các nước từ b
ảng 1 đến bảng 5.
Hiện nay ở Việt Nam, gang không nhiễm từ sử dụng trong môi trường
điện từ mạnh đã được ứng dụng nhiều trong ngành luyện kim, điện, cơ khí
chế tạo. Sản phẩm chế tạo từ gang không nhiễm từ rất đa dạng về chủng loại

như: các nắp đậy, vỏ máy, ống lót của máy ngắt dầu, vòng cách của biến th
ế
nguồn, các bộ phận rôto và stato, bánh đà trong các cuộn dây và thanh góp
của máy phát điện, các chi tiết của máy tuyển từ, các dụng cụ đo lường về

6
điện, vỏ các loại động cơ, dụng cụ thao tác trong khu vực có từ trường, bệ,
giá đỡ, sàn thao tác, nắp đậy các lò tần số.v.v. Tuy nhiên, các thiết bị trong
các lĩnh vực trên đều phải nhập ngoại nên không chủ động được trong việc
gia công chế tạo và làm tăng chi phí sản xuất. Trong nước, việc nghiên cứu,
sản xuất ứng dụng loại vật liệu này còn hạn chế. Chính vì vậy, việc nghiên
c
ứu thành công loại gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni có ý nghĩa thực tiễn
cao về mặt kinh tế.
Các mác gang không nhiễm từ thông dụng trên thế giới
Tiêu chuẩn Nga: ГOCT 7769 – 82
Bảng 1: Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn ГOCT 7769 – 82
Thành phần hóa học
Mác
C Si Mn P ≤ S ≤ Cr Ni Al Cu
ЧΓ8Д3
3,0-3,8 2,0-2,5 7-9 0,3 0,1 - 0,8-1,5 0,5-1 2,5-3,5
ЧН11Г7Ш
2,3- 3,0 1,8-2,5 5-8 0,08 0,03 1,5-2,5 10-12 - -
ЧГ15Д3Ш
2,5- 3,0 1,4-3,0 1,3-1,8 0,08 0,03 0,6-1,0 14-16 - 5-8
ЧH15Д7
2,2- 3, 0 2,0-2,5 0,5-1,6 0,3 0,1 1,5-3,0 14-16 - 5-8
ЧН19X3Ш
2,3- 3,0 1,8-2,5 1,3-1,6 0,1 0,03 1,5-3,0 - - -

ЧН20Д2Ш
1,8- 2,5 3,0-3,5 1,5-2,0 0,03 0,1 0,5-1,0 19-21 0,1-0,3 1,5-2
Tiêu chuẩn Nhật Bản: JIS G 5510 – 1987:
Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn Nhật Bản được chia thành 2 nhóm
gang theo thù hình graphit: nhóm có thù hình graphit dạng tấm và nhóm có
thù hình graphit dạng cầu. Nhóm có thù hình graphit dạng cầu có cơ tính tốt
hơn.




7
Bảng 2: Gang không nhiễm từ có graphit dạng cầu
Thành phần hóa học
Mác
C
≤
Si Mn Cr Ni
Cu
≤
FCDA NiMn137
3,0 2-3 6-7 ≤ 0,2 12-14 0,5
FCDA NiCr202
3,0 1,5-3,0 0,5-1,5 1,0-2,5 - 0,5
FCDA Ni22
3,0 1,0-3,0 1,5-2,5 ≤0,5 21-24 0,5
FCDA NiMn234
2,6 1,5-2,5 4,0-4,5 ≤0,2 22-24 -
FCDA Ni35
2,4 1,5-3,5 - ≤0,2 34-36 0,5

FCDA NiSiCr3553
2,0 4-6 - 1,5-2,5 34-36 -
Tiêu chuẩn Mỹ: ASTM
Bảng 3: Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn ASTM
Thành phần hóa học
ASTM
C ≤ Si Mn Cr Ni P ≤ Khác
D-2
3,0 1,5-3,0 0,7-1,25 1,75-2,75 18-22 0,08 Mo = 0,7-1
D-2B
3,0 1,5-3 0,7-1,25 2,75-4 18-22 0,08
D-2C
2,9 1,0-3,0 1,8-2,4 ≤0,5 21-24 0,08
D-3
2,6 1,0-2,8 ≤1,0 2,3-3,5 28-32 0,08 Mo = 0,7-1
D-3A
2,6 1,0-2,8 ≤1,0 1,0-1,5 28-32 0,08
D-4
2,6 5,0-6,0 ≤1,0 4,5-5,5 28-32 0,08
D-5
2,4 1,0-2,8 ≤1,0 ≤0,1 34-36 0,08
D-5B
2,4 1,0-2,8 ≤1,0 2,0-3,0 34-36 0,08
D-5S
2,3 4,9-5,5 ≤1,0 1,75-2,0 34-37 0,08
Tiêu chuẩn Anh : BS 3468 – 1986
Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn Anh chia làm 2 loại: loại graphit dạng
tấm và graphit dạng cầu. Loại graphit dạng cầu có cơ tính tốt hơn.

8

Bảng 4: Gang không nhiễm từ có graphit dạng tấm và cầu
Thành phần hóa học
Loại Mác
C ≤ Si Mn Ni Cu Cr Mg Nb P ≤
F1
3,0 1,5-2,8 0,5-1,5 13,5-17,5 5,5-7,5 1,0-2,5 - - 0,2
Graphit
tấm
F2
3,0 1,5-2,8 0,5-1,5 18-22,5 ≤0,5 1,5-2,5 - - 0,2
S2
3,0 1,5-2,8 0,5-1,5 18-22 ≤0,5 1,5-2,5 - - 0,08
S2W
3,0 1,5-2,2 0,5-1,5 18-22 ≤0,5 1,5-2,2 0,06 0,12 -0,2 0,05
Graphit
cầu
S3S
2,2 4,8-5,4 1,0-2,0 34-36 ≤0,5 1,5-2,5 - - 0,08
Tiêu chuẩn ISO: ISO 2892
Tiêu chuẩn ISO 2892 cũng chia thành hai nhóm: nhóm cấu trúc graphit
dạng tấm và graphit dạng cầu:
Bảng 5: Gang không nhiễm từ có graphit dạng cầu và tấm
Thành phần hóa học
Mác
C ≤ Si Mn Cr Ni Cu
Graphit dạng tấm
L-NiMn37
3,0 1,5-3,0 6,0-7,0 ≤ 0,2 12-14
≤0,5
L-NiCuCr1562

3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 1,0-2,5 13,5-17,5 5,5-7,5
L-NiCuCr1563
3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 2,5-3,5 13,5-17,5 5,5-7,5
L-NiCr202
3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 1,0-2,5 18-22
≤0,5
L-NiCr203
3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 2,5-3,5 18-22
≤0,5
L-NiSiCr2053
2,5 4,5-5,5 0,5-1,5 1,5-4,5 18-22
≤0,5
Graphit dạng cầu
S-NiMn137
3,0 2,0-3,0 6-7 ≤0,2 12-14
≤0,5
S-NiCr202
3,0 1,0-3 0,5-1,5 1,0-2,5 18-22
≤0,5
S-NiCr203
3,0 1,5-3 0,5-1,5 2,5-3,5 18-22
≤0,5
S-NiSiCr2052
3,0 4,5-5,5 0,5-1,5 1,0-2,5 18-22
≤0,5

9
S-Ni22
3,0 1,0-3,0 1,5-2,5 ≤0,5 21-24
≤0,5

S-NiMn234
2,6 1,5-2,5 4,0-4,5 ≤0,2 21-24
≤0,5
S-NiCr301
2,6 1,5-3,0 0,5-1,5 1,0-1,5 28-32
≤0,5
S-Ni35
2,4 1,5-3,0 0,5-1,5 ≤0,2 34-36
≤0,5
Từ tiêu chuẩn của các nước ta nhận thấy gang không nhiễm từ có nhiều
mác khác nhau, thành phần hợp kim trong gang có hàm lượng cũng phức
tạp. Do vậy căn cứ vào điều kiện sử dụng mà lựa chọn mác gang cho phù
hợp.
1.4. Lựa chọn mác gang nghiên cứu
Như phần trên đã trình bày, khi kim loại được đặt trong từ trường
mạnh, dưới tác dụng của từ trường, các electron sẽ chuyển động theo hướng
và tạo thành dòng điện, đó là dòng Fuco. Điện năng của dòng Fuco chuyển
thành nhiệt năng làm kim loại tự nóng lên. Sự xuất hiện dòng Fuco ngoài
việc tiêu tốn năng lượng còn làm hỏng thiết bị, đặc biệt là động cơ điện và
các vật liệu làm việc trong môi trường từ trường mạnh.
Trong khuôn khổ của đề tài, sản phẩm khảo nghiệm là sàn thao tác của
lò trung tần luyện thép. Trong quá trình luyện thép, dướ
i tác dụng của từ
trường, sàn thao tác là thiết bị chịu ảnh hưởng rất lớn của từ tính. Mặt khác
đây là nơi người công nhân đứng để thực hiện các công đoạn của qui trình
luyện thép. Chính vì vậy, để bảo đảm tiết kiệm điện năng, an toàn cho con
người và thiết bị đòi hỏi sàn phải dùng vật liệu không nhiễm từ tính.
Trong các loại vật liệu không nhiễm t
ừ dùng để làm sàn thao tác thì
gang hệ Mn – Ni có nhiều ưu điểm nổi bật: chống nhiễm từ tốt, cơ tính tốt

hơn so với nhiều loại gang không nhiễm từ hệ khác, dễ nấu luyện và phù
hợp với công nghệ đúc hiện nay Viện đang áp dụng.
Từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến gang không nhiễm từ, yêu
cầu của thực tiễn và những đặc tính có l
ợi của gang hệ Mn - Ni chúng tôi đã

10
chọn mác gang S-NiMn 13-7 (theo tiêu chuẩn ISO 2892) để làm gang
nghiên cứu.
Bảng 6: Thành phần hoá học của gang S-NiMn 13-7
Thành phần hoá học
Mác gang
C Mn Si P Cu Cr Ni
S-NiMn 13-7
≤ 3,0
6,0-7,0 2,0-3,0
≤ 0,08 ≤ 0,5 ≤ 0,2
12,0-14,0

Tính chất cơ lý của gang S-NiMn 13-7 sau nhiệt luyện theo tiêu chuẩn
ISO 2892 như sau:
- Độ bền kéo : σ
k
= 390-460 Mpa
- Giới hạn chảy qui ước : R
0,2
= 210-260 Mpa
- Độ cứng : 130-170 HBS
- Độ giãn dài : 15-25 %
Từ bảng 6 chúng tôi nhận thấy gang S-NiMn 13-7 có hàm lượng C

trung bình, Ni có hàm lượng cao, với lượng hợp kim hóa như trên đảm bảo
cho gang có sự chuyển biến austenit trong cấu trúc, tạo khả năng chống
nhiễm từ tốt đồng thời tính chất cơ lý được cải thiện rất nhiều.
So với các mác gang hệ Ni – Mn khác, gang S-NiMn 13-7 có độ bền
cao hơn, phù hợp cho việc đúc các tấm mỏng có diện tích b
ề mặt lớn và chịu
tác động của tải trọng lên bề mặt. Do vậy việc lựa chọn mác gang S-NiMn
13-7 để đúc tấm sàn lò trung tần là hoàn toàn phù hợp.







11
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm :
- Nghiên cứu tổng quan về gang không nhiễm từ hệ Mn - Ni trên cơ sở
các tài liệu, tiêu chuẩn trong và ngoài nước;
- Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất gang không nhiễm từ mác S-
NiMn 13-7 bao gồm các khâu :
+ Công nghệ luyện gang
+ Công nghệ đúc
+ Công nghệ nhiệt luyện
- Đánh giá chất lượng gang: thành phần hoá học, độ
bền, độ cứng, khả
năng chống nhiễm từ trong môi trường từ tính mạnh, tổ chức tế vi và cấu
trúc pha.

- Chế tạo 05 bộ sàn thao tác lò nấu thép trung tần làm từ gang nghiên
cứu để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng của vật liệu.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy và chính xác cao, đề tài
đ
ã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau:
- Trên cơ sở phân tích các điều kiện làm việc của sàn thao tác lò luyện
thép trung tần và tham khảo các tài liệu, tiêu chuẩn về gang không nhiễm từ
của các nước tiên tiến để lựa chọn mác gang nghiên cứu.
- Sử dụng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ nghiên cứu xác định công
nghệ luyện gang.
- Sử dụng công nghệ đúc bằng khuôn cát đông c
ứng nhanh bao gồm:
cát thạch anh + nước thuỷ tinh + khí CO
2
để nghiên cứu công nghệ đúc.
- Các loại lò tôi, ram nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện.

12
- Sử dụng thiết bị quang phổ phát xạ Spectrolab, máy quang phổ 7552,
phương pháp phân tích hoá học truyền thống để phân tích thành phần hoá
học.
- Sử dụng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 xác định độ bền, máy đo
độ cứng HPO 250 để đo độ cứng.
- Dùng kính hiển vi quang học NEOPHOT nghiên cứu tổ chức tế vi và
cấu trúc pha của gang.
- Chất lượng sản phẩm được đánh giá qua thời gian s
ử dụng thực tế tại
cơ sở khảo nghiệm.

13
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1. Công nghệ sản xuất gang S-NiMn 13-7
3.1.1. Công nghệ luyện gang
Gang S – NiMn 13-7 để đạt được cơ tính cao cần phải cầu hoá. Gang
cầu được chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng). Vì vậy cần chú trọng
đặc biệt vào qui trình công nghệ nấu luyện.
Về thiết bị nấu luyện gang cầu có thể dùng lò đứng, lò cảm ứng, lò hồ
quang, lò quay. Trong điều kiện c
ủa Viện Luyện kim đen, chúng tôi chọn lò
cảm ứng 750 kg của Trung Quốc để nấu luyện.
Trong quá trình biến tính từ gang xám sang gang cầu cần chú ý đến qui

trình biến tính như sau:
- 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 cho phép.
- Chất khử S là Na
2
CO
3

- Biến tính graphít 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 thước
10x10x10mm cho vào nồi biến tính đáy có tấm thép đậy. Nồi được sấy nóng
đỏ. Tiếp theo đến FeSi 75% hoặc hạt CaSi có cỡ hạt 1 mm. Trên cùng được
phủ một lớp tro dày 10 mm đã được lèn chặt.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 lấy nốt 1/3 lượng gang lỏng
còn lại và tiến hành chống biến trắng bằng FeSi 75% hoặc CaSi (dạng bột).
Dùng que thép đã được sấy nóng quấy đều ở nồi biến tính rồi mang đi rót.
Thời gian biến tính không quá 20 phút. Qua thời gian này hiệu qủa
không còn nữa.

14
Sau khi biến tính xong có thể tiến hành thử xem cách 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 sẫm là gang chưa được cầu hoá.

Tỷ lệ sử dụng chất biến tính dùng cho 100 kg gang lỏng theo kinh
nghiệm như sau:
+ FeSi 75% dạng bột: 0,6 kg
+ CaSi 75% dạng bột: 0,5 kg
+ FeMg – đất hiếm ( c
ỡ cục 10x10x10): 1 – 1,3 kg
Thành phần kim loại lỏng cũng quyết định đến chất cầu hoá cần dùng.
Thành phần S càng cao chất cầu hoá càng nhiều. Hàm lượng Si trong hợp
kim Mg càng cao thì thành phần Si trong kim loại trước khi cầu hoá cần phải
thấp tương ứng. 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.
Gang S-NiMn 13-7 là gang có hàm lượng C trung bình, Ni cao, các
nguyên tố hợp kim còn lại trong gang có hàm lượng nhỏ (thành ph
ần hoá
học như trong bảng 6). Từ thành phần hoá học của mác gang, trong điều
kiện thiết bị của nước ta cũng như nguồn nguyên vật liệu có sẵn trong nước
thì việc đưa ra được qui trình công nghệ hợp lí để nấu luyện mác gang này
hoàn toàn có thể thực hiện được.
Trên cơ sở về thành phần hoá học của mác gang và đặc tính của thiết bị
công nghệ, đề tài đã sử
dụng các loại nguyên liệu để nấu luyện như trong
bảng 7:





15
Bảng 7: Thành phần hoá học của nguyên liệu dùng cho nấu luyện, (%)
TT Nguyên liệu C Si Mn Ni P S

1 Gang phế 2,7 1,4 0,6 - 0,073 0,11
2 Ni kim loại 95
3 FeSi 1 75
4 FeMn 6 62
5 Graphit 95
6 Hồi liệu 2.74 2.3 6.6 13.3 0.074 0.14

Để đảm bảo sự chính xác thành phần hoá học của mác gang nghiên
cứu, trong cách tính phối liệu chúng tôi có sử dụng đến số liệu thống kê về
hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim trong lò cảm ứng trung tần và
kinh nghiệm nấu luyện thép hợp kim của Viện Luyện kim đen cũng như các
tài liệu có giá trị khoa học khác. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
khi nấu luyện trong lò cảm ứng trung tầ
n được nêu trong bảng 8.
Bảng 8: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %
1 Mn 3 – 6
2 Si 6 – 10
3 C 6 – 10
4 Ni
∼1

Dựa vào thành phần hoá học nguyên liệu (bảng 7), hệ số cháy hao của
các nguyên tố hợp kim (bảng 8) chúng tôi đã phối liệu cho nhiều mẻ nấu thí
nghiệm với các thành phần nguyên liệu đầu vào khác nhau để đảm bảo tính

16
đa dang của nguyên liệu đầu vào khi tiến hành sản xuất thực tế. Dữ liệu của
các mẻ nấu được cho trong bảng 9.
Bảng 9: Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg

TT Nguyên liệu Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3
1 Gang phế 300 100 -
2 Gang hồi liệu - 240 400
3 Ni 56.56 32 3.76
4 FeSi 6 4 1.2
5 FeMn 41 22 2.1
6 Grafít 0.9 1.5 0.84
7 Tổng cộng 404.46 459 407.87
Quy trình nấu luyện :
Quy trình nấu luyện gang S-NiMn 13-7 trong lò cảm ứng trung tần 750
kg/mẻ từ các nguyên liệu trên như sau :
- Xếp liệu gồm gang phế, gang hồi liệu, Ni kim loại, graphit vào lò sao
cho liệu được xếp chặt nhất
- Đóng điện cho lò hoạt động, sau đó tăng dần công suất lò để nấu chảy
mẻ liệu. Chú ý dùng que chọc lò để tránh hiện tượng treo liệu.
- Khi liệu đã chảy hoàn toàn, v
ớt xỉ đầu và tạo xỉ mới bằng hỗn hợp
CaO- CaF
2
.
- Kiểm tra thành phần hoá học của mẫu phân tích nếu thấy hàm lượng
C và Si đạt yêu cầu thì tiến hành tăng nhiệt lên 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.

17
- 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 bắn 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 graphít hóa 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 rót vào khuôn đúc. Thời gian rót gang sau khi c
ầu hoá phải nhỏ
hơn 20 phút, nếu lâu hơn sẽ giảm mức độ cầu hoá của vật đúc.
- Lấy mẫu khi rót gang để phân tích thành phần hoá học.
Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ theo phối liệu được nêu trong
bảng 9. Kết quả của 3 mẻ nấu thí nghiệm được phân tích bằng phương pháp
hoá học cổ điển tại Viện Luyện kim đen và phân tích bằng máy quang phổ

phát xạ SpectroLab ở Viện Công nghệ - Bộ Quốc Phòng. Kết quả được nêu
trong bảng 10.




18
Bảng 10: Thành phần hoá học của gang sau khi nấu luyện, %

Thành phần hoá học, %
Mẻ
C Mn Si P Ni
1 2,72 6,6 2,4 0,074 13,6
2 2,74 6,4 2,5 0,077 13,2
3 2,77 6,1 2,2 0.075 13.3
Tiêu chuẩn mác gang S-NiMn 13-7 của ISO 2892: C ≤ 3,0 ; Mn = 6,0-7,0;
Si = 2,0-3,0 ; P
≤
0,08; Ni = 12,0 – 14,0
Qua kết quả thể hiện ở bảng 10 ta thấy các mẻ nấu thí nghiệm đều đạt
yêu cầu về thành phần hoá học của mác gang. Hàm lượng các nguyên tố
nằm trong giới hạn cho phép. Các tạp chất như P có hàm lượng thấp đảm
bảo cho gang có độ sạch cao. Với hàm lượng các nguyên tố trong gang như
trên, đảm bảo cho gang có chuyển biến pha austenit hoàn toàn, tạo ra khả
năng chống nhiễm từ cho vật đúc t
ốt.
3.1.2. Công nghệ đúc gang
Gang hệ Mn - Ni là loại gang hợp kim có tính đúc tốt, vì vậy những vấn
đề chung của công nghệ đúc như hòm khuôn, mộc mẫu, cát đúc, chế độ đầm
khuôn, sấy khuôn, vị trí đặt đậu ngót, đậu rót không có gì khác với công
nghệ đúc gang thường mà Viện và các xưởng đúc đang tiến hành. Trong
phạm vi đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu những đặc trưng riêng
của gang hệ Mn - Ni đó là :
- Độ
co của vật liệu.
- Tính chảy loãng
- Nhiệt độ rót.

19
3.1.2.1 Xác định độ co của gang nghiên cứu
“Co” là hiện tượng thu nhỏ kích thước của kim loại, khi chuyển từ trạng
thái lỏng sang trạng thái rắn.
“Co” được coi là một trong những thông số quan trọng liên quan đến
quá trình đúc vì vật liệu có độ co càng lớn càng khó đúc, càng dễ bị nứt,
cong vênh và thiếu hụt kích thước, không điền đầy.
Mỗi loại vật liệu có độ co khác nhau và trong cùng một vật liệu tuỳ theo
kích th
ước, bề dày thành vật đúc độ co cũng khác nhau.
Để dễ ứng dụng trong thực tế sản xuất, độ co của vật đúc được xác định
bằng hai thông số chung là co thể tích và co tuyến tính.
Co thể tích: độ co thể tích là tỷ lệ % giữa thể tích kim loại lỏng điền
đầy và thể tích kim loại lỏng đó sau khi kết tinh thành thể rắn ở nhiệt độ
thường. Nếu kí hi
ệu ε
tt
là độ co thể tích thì:
ε
tt
=(V
kll
-v
vđ
).100%/v
vđ
Việc xác định độ co thể tích của một mác kim loại được thực hiện bằng
“mẫu đo thể tích” thể hiện ở hình 3.

Hình 3: Mẫu đo độ co thể tích kim loại

20
Trong công thức xác định độ co thể tích ở trên, V
kll
là thể tích kim loại
lỏng, V
vđ
là thể tích kim loại sau khi kết tinh thành thể rắn ở nhiệt độ
thường.
Đối với gang không nhiễm từ, độ co thể tích ε
tht
= 8 -11 %. Trong đề tài
chọn ε
tht
= 9 %.
Co tuyến tính: độ co tuyến tính của kim loại khi không bị cản trở được
gọi là “co tự do”còn khi bị cản trở gọi là “co bị cản”. Trong thực tế để dễ
xác định mức co ngót tuyến tính người ta dùng công thức:
ε
tt
= (L
mđ
- L
vđ
).100 % / L
vđ
Trong đó : L
mđ
: chiều dài mẫu đúc, L

vđ
: chiều dài vật đúc
Trong đề tài này, từ lí thuyết và kinh nghiệm lâu năm của Viện Luyện
kim đen chúng tôi chọn ε
tt
= 1,35 %.
3.1.2.2 Xác định độ chảy loãng
Độ chảy loãng là khả năng điền đầy khuôn của kim loại lỏng trong quá
trình đúc. Độ chảy loãng được xác định bằng mẫu gọi là “mẫu đo”. Độ chảy
loãng của kim loại ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào thành phần hoá học của kim
loại đó, ngoài ra còn phụ thuộc vào điều kiện đúc như nhiệt độ rót, vật liệ
u
làm khuôn, hình dạng phức tạp của chi tiết đúc. Các tài liệu nghiên cứu cho
thấy độ chảy loãng của gang không nhiễm từ hệ Mn - Ni thực tế có độ chảy
loãng cao hơn của gang xám thông thường, do trong gang có hàm lượng Mn
cao Mn = 6,0 – 7,0 % , Mn chính là nguyên tố có khả năng đặc biệt làm tăng
độ chảy loãng (hình 4), cho nên gang không nhiễm từ có đủ điều kiện để tạo
ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp.

21

Hình 4: Ảnh hưởng của hàm lượng Mn đến độ chảy loãng của gang
3.1.2.3 Xác định nhiệt độ rót
Gang không nhiễm từ nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ 1350
0
C [3]. Loại
gang này có độ chảy loãng tốt nên nhiệt độ rót không cần phải cao. Theo
kinh nghiệm rút ra qua các lần thí nghiệm nhiệt độ rót thích hợp nhất cho
mác gang này nằm trong khoảng T
rót

= 1450
0
C - 1500
0
C.
3.1.2.4 Vật liệu làm khuôn
Trong quá trình đúc, để gang lỏng điền đầy khuôn tối ưu nhất, chúng tôi
đã sử dụng vật liệu làm khuôn độ hạt nhỏ và sử dụng công nghệ khuôn đông
cứng nhanh như sau:
Hỗn hợp làm khuôn: cát (thạch anh) + nước thuỷ tinh + khí CO
2
Tuy nhiên tuỳ theo phương pháp biến cứng, độ bền của hỗn hợp cát-
nước thuỷ tinh có khác nhau. Độ bền khuôn khi sử dụng nước thuỷ tinh phụ
thuộc vào môđun và tỷ trọng của nước thuỷ tinh. Khi môđun càng thấp thì
tính dẻo giữ được càng lâu và để cho độ bền hỗn hợp làm khuôn ở trạng thái

22
khô cao hơn, trong hỗn hợp cát + nước thuỷ tinh có cho thêm dung dịch
NaOH tỷ lệ 0,5%, nồng độ 25%.
3.1.3 Công nghệ nhiệt luyện
Khác với thép, các chi tiết chế tạo gang thường là các chi tiết không qua
gia công biến dạng. Hơn nữa một số mác gang có thể tự thường hoá trong
môi trường tự nhiên. Chính vì điều đó, vấn đề nhiệt luyện gang thường
không theo qui trình đầy đủ như đối với thép chế tạo. Song, tuỳ từ
ng mục
đích cụ thể gang cũng đựơc nhiệt luyện theo các bước công nghệ khác nhau.
Như phần trên đã trình bày, gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni phải có
nền kim loại austenit. Tỷ lệ austenit càng cao thì khả năng chống nhiễm từ
càng cao. Mác gang nghiên cứu với hàm lượng Mn = 6,0 – 7,0%. Ni = 12,0
– 14,0% là mác gang có nền austenit. Tuy nhiên, trong quá trình kết tinh do

điều kiện chưa khống chế được nên còn lẫn một lượng nhỏ mactenxit hoặc
austenit không bền vững, cũng có thể xuấ
t hiện sự tích tụ của một số cacbit
nhiễm từ làm ảnh hưởng đến chất lượng của gang. Để khắc phục hiện tượng
này, các sản phẩm gang không nhiễm từ trước khi đưa vào sử dụng thường
phải thông qua nhiệt luyện. Quá trình nhiệt luyện này được gọi là austenit
hóa.
Austenit hóa là quá trình nhiệt luyện cho phép ta nhận được tổ chức
austenit khi nung nóng và làm nguội tiếp theo mà không phụ thuộc vào tốc
độ làm ngu
ội của quá trình. Như vậy austenit hóa được thực hiện bằng cách
nung nóng kim loại đến một nhiệt độ nhất định (tùy thuộc vào thành phần
hóa học của gang) rồi làm nguội trong môi trường dầu hoặc nước. Thực hiện
quá trình austenit hóa ngoài việc nhận được tổ chức austenit ra, một số
cacbit tích tụ trong quá trình đúc cũng được hòa tan vào dung dịch đặc
austenit [6].

23