Nghiên cứu công nghệ nấu luyện và đúc bằng phương pháp đúc ly tâm hợp đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

CộNG HòA X HộI CHủ NGHĩA VIệT-NAM
Bộ CÔNG THƯƠNG
VIệN KHOA HọC Và CÔNG NGHệ Mỏ - LUYệN KIM
VIMLUKI






BáO CáO TổNG KếT Dự án

NGHIÊN CứU CÔNG NGHệ NấU LUYệN Và ĐúC
BằNG PHƯƠNG PHáP ĐúC LY TÂM HợP ĐồNG
CuZn25Al16Mn3Fe3



Chủ nhiệm đề tài : KS. Nguyễn Minh Đạt







7692
05/02/2010

hà nội - 2009


ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
1
Nh÷ng ng−êi thùc hiÖn
TT
Họ và tên Chức vụ Cơ quan
1 Nguyễn Minh Đạt
KS LK Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
2 Nguyễn Tuấn
KS LK Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
3 Nguyễn Mạnh Nam
KS LK Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
4 Ngô Văn Quyền
KS Điện Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
5 Nguyễn Văn Thoan
KTV Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim
6 Văn Ngọc Hồng
ThS. Đúc
Trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên


ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

2
MỤC LỤC
Số hiệu Danh mục Tr
Mở đầu
5
Chương 1 Tổng quan
7
1.1
Tình hình nghiên cứu và sản xuất trong và ngoài nước.
7
1.1.1
Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước.
7
1.1.2
Tình hình nghiên cứu trong nước.
7
1.2
Một số vấn đề lý thuyết làm cơ sở nghiên cứu.
8
1.2.1
Hợp kim đồng kẽm và mác LCuZn25Al6Mn3Fe3
8
1.2.2
Công nghệ nấu luyện hợp kim
14
1.2.3
Phương pháp đúc li tâm
15
Chương 2 Phương pháp nghiên cứu và công tác chuẩn bị
21

2.1 Đối tượng nghiên cứu và mục tiêu cần đạt
21
2.2
Phương pháp nghiên cứu. 22
2.3
Thiết bị và vật tư nghiên cứu.
22
Chương 3
Nội dung nghiên cứu 25
3.1
Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ và quy trình nấu luyện hợp kim
đồng LcuZn25Al6Mn3Fe3
25
3.1.1
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện hợp kim đến sự hòa tan Fero
Fe-Mn và Fe
25
3.1.2
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện hợp kim đến sự cháy hao kim
loại kẽm và nhôm.
27
3.1.3
Tổng hợp kết quả nghiên cứu và công nghệ nấu luyện
28
3.2
Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ đúc li tâm hợp kim đồng
LCuZn25Al6Mn3Fe3
29
3.2.1
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến chất lượng sản phẩm

29
3.2.2
Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay đến chất lượng sản phẩm
30
3.2.3
Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày vật đúc khi đúc bằng phương pháp đúc
li tâm đến mức độ thiên tích
31
3.2.4
Tổng hợp kết quả nghiên cứu công nghệ đúc li tâm
33
3.3
Kiểm tra chất lượng sản phẩm
33
3.4
Áp dụng công nghệ nghiên cứu.
33
3.5
Định hướng áp dụng kết quả nghiên cứu 34
3.5.1
Đánh giá hiệu quả kinh tế
34
3.5.2
Hình thức áp dụng kết quả nghiên cứu
36

Kết luận và kiến nghị
37

Tài liệu tham khảo

39

Phụ lục
40
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
3
PHỤ LỤC BẢNG
Số hiệu Danh mục Tr
Bảng 1 Thành phần hóa học của LCuZn25Al6Mn3Fe3 8
Bảng 2 Hệ số tương đương K của Guinier 11
Bảng 3 Tính chất của một số latông đúc đặc biệt 13
Bảng 4 Những thông số đặc trưng của các nguyên tố tạo hợp kim 14
Bảng 5 Hàm lượng sắt và mangan có trong hợp kim 26
Bảng 6 Hàm lượng kẽm và nhôm có trong hợp kim 28
Bảng 7 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến chất lượng sản phẩm 30
Bảng 8 Ảnh hưởng của tốc độ quay đến chất lượng sản phẩm 31
Bảng 9 Ảnh hưởng của chiều dày vật đúc đến mức độ thiên tích 32
Bảng 10 Cơ tính của vật đúc 33
Bảng 11 Thành phần và cơ tính một số mác hợp kim đồng có cơ
tính cao đang được sử dụng tại Việt Nam
35

ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
4
PHỤ LỤC HÌNH
Số hiệu Danh mục Tr
Hình 1 Giản đồ pha Cu-Zn 9

Hình 2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến cơ tính của
Latông
10
Hình 3 Tổ chức tế vi hợp kim đa nguyên LCuZn25Al6Mn3Fe3 14
Hình 4 Đúc liên tục trục quay thẳng đứng và trục quay nằm ngang 17
Hình 5 Sơ đồ hợp lý điều khiển tốc độ quay 19
Hình 6 Lò cảm ứng 100 kg/mẻ 22
Hình 7 Lò cảm ứng 300 kg/mẻ 22
Hình 8 Máy đúc li tâm 22
Hình 9 Sơ đồ công nghệ dự kiến 23
Hình 10 Nấu luyện thí nghiệm hợp kim nghiên cứu 25
Hình 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện đến thành phần Fe, Mn 26
Hình 12 Ảnh hưởng của nhiệt độ nấu luyện đến thành phần Al, Zn 28
Hình 13 Thí nghiệm đúc li tâm 30

ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
5

MỞ ĐẦU
Trong sản xuất đúc kim loại và hợp kim đồng chịu mài mòn ( làm bạc,
thanh trượt ) ở nước ta đã có rất nhiều mác hợp kim được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp đáp ứng được hầu hết các yêu cầu. Tuy nhiên
hiện nay có một số mác hợp kim mới được ứng dụng ở Việt Nam nhằm đáp ứng
một số yêu cầu đặc biệt củ
a ngành công nghiệp chế tạo máy. Một số công ty cơ
khí trong nước thời gian qua nhận sửa chữa một số thiết bị máy móc nhập ngoại
phục vụ chủ yếu trong ngành khai thác chế biến khoáng sản, thủy điện, cán thép
trong phần phải thay thế đó có loại bạc hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3 có cơ
tính đặc biệt cao với độ bền trên 700MPa, độ cứng trên 180HB. Đã có một số cơ

sở
trong nước đúc thử nghiệm mác hợp kim trên, tuy nhiên đến nay chưa có cơ
sở nào công bố kết quả thử nghiệm và chưa đưa ra được sản phẩm mác hợp kim
trên tương đương tiêu chuẩn. Do các vấn đề bí quyết công nghệ nên chúng ta
chưa có được một công nghệ hoàn chỉnh để sản xuất loại mác hợp kim trên.
Việc sản xuất các loại phôi bạc từ mác hợp kim trên không chỉ khó khăn
trong công nghệ luyệ
n mà trong công nghệ đúc chúng ta chưa mạnh dạn sử dụng
các phương pháp đúc mới ở Việt Nam hay còn hạn chế được áp dụng như đúc
bán liên tục, đúc mẫu tự thiêu, đúc ly tâm. Trong số các phương pháp đúc trên
phương pháp đúc ly tâm có ưu điểm đơn giản, rẻ tiền đặc biệt phù hợp để đúc
các chi tiết dạng tròn xoay như bạc đồng dạng ống. Với ph
ương pháp đúc ly tâm
có thể cho chất lượng vật đúc cao, đồng đều. Đây là phương pháp có hiệu suất
thu hồi kim loại lỏng đạt ~ 100%. Ứng dụng thành công phương pháp đúc ly
tâm cùng với công nghệ nấu luyện tạo mác hợp kim tốt sản xuất các loại bạc
đồng cho chất lượng cao sẽ mở ra một hướng đi mới cho ngành đúc hợp kim
màu phục vụ các nhu cầu trong nước trong thời kỳ
cạnh tranh về chất lượng như
hiện nay.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
6
Mặt khác sản xuất đúc vẫn được coi là công việc nặng nhọc, độc hại. Vì
vậy áp dụng cơ khí hoá trong khâu đúc luôn được quan tâm đặc biệt. Có được
phương pháp hợp lý thì sẽ giúp sản xuất đúc đơn giản, hiệu quả hơn.
Với tính hiệu quả và tình hình thực tiễn đã nêu ở trên, việc nghiên cứu
hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3 và đưa công nghệ đúc ly tâm vào sản xuất ở Việt
Nam là rấ

t cần thiết. Theo quyết định số 24/QĐ-BCT ngày 14 tháng 1 năm
2009, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ Luyện kim sẽ triển khai đề tài “Nghiên
cứu công nghệ nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng
CuZn25Al6Mn3Fe3” với mục tiêu:
• Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ và quy trình công nghệ nấu
luyện tạo mác CuZn25Al6Mn3Fe3.
• Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ và quy trình công nghệ đúc
bằng phương pháp
đúc li tâm.
• Chế thử sản phẩm và đánh giá chất lượng sản phẩm.


ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài.
Các mác hợp kim đồng có cơ tính cao đã được nghiên cứu khá nhiều
nhằm đáp ứng một số yêu cầu đặc biệt mà các mác hợp kim thông dụng không
đáp ứng được. Mác hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3 cho độ bền rất cao, cao nhất
trong hệ hợp kim của đồng cùng với ưu thế về giá thành. Vì vậy mác hợp kim
dạng này ngày càng được ư
u tiên thay thế những mác hợp kim truyền thống. Ở
Nhật, Ý, Trung Quốc, … đã có các nghiên cứu về mác hợp kim này thể hiện khá
thống nhất trong các tiêu chuẩn mác hợp kim cũng như khả năng ứng dụng.
Theo đó ứng dụng chủ yếu của mác hợp kim trên là để chế tạo các chi tiết chịu
mài mòn trong các loại máy móc chịu tải nặng trong các ngành công nghiệp khai
khoáng, đóng tàu, thủy điện,

Phương pháp đúc ly tâm
được áp dụng khá phổ biến trong sản xuất đúc,
đặc biệt khi chế tạo các phôi đúc dạng ống tròn cho chất lượng cao. Trong sản
xuất ống gang cầu thì đúc ly tâm luôn được coi trọng nhất, trong sản xuất các loại
bạc chịu mài mòn bằng hợp kim màu để đảm bảo chất lượng tốt nhất thì phương
pháp đúc li tâm được áp dụng nhiều hơn cả.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước.
Ở nước ta các mác hợp kim đồng thông thường đã được nghiên cứu khá
nhiều, được đề cập trong nhiều lĩnh vực như sản xuất các chi tiết cơ khí, thiết bị
điện, đồ nội thất, đồ thờ cúng, đến sản xuất các loại vỏ liều đạn phục vụ trong
công nghiệp quốc phòng, trong công nghiệp chế tạo các loại van chịu áp lực cao,
các loại ống đồng. Tuy nhiên m
ới chỉ dừng lại ở loại mác hợp kim đồng thông
dụng cơ tính không cao, chưa thể đáp ứng được một số yêu cầu cơ tính đặc biệt.
Phương pháp đúc ly tâm đã được ứng dụng khá rộng rãi trong sản xuất
đúc. Một số kết quả được thực hiện: Viện Luyện kim đen đã đúc ly tâm thép hợp
kim để chế tạo sản phẩ
m có đường kính ngoài 460mm, dài 730mm. Nhà máy
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
8
Z127 đã đúc ly tâm thép hợp kim để chế tạo sản phẩm đường kính 300mm dài
2000mm.
Trong nhu cầu hội nhập hiện nay, có rất nhiều đơn đặt hàng chế tạo các
loại hợp kim có cơ tính đặc biệt trong đó có mác hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3
để làm bạc chịu mài mòn. Tuy nhiên tại các cơ sở đúc chưa có đơn vị nào đúc
thành công loại mác hợp kim trên cho cơ tính tương đương tiêu chuẩn mác ngoại
nhập cả. Vì vậy c
ần thiết phải có một nghiên cứu hoàn chỉnh về loại hợp kim

này để chế tạo thành công mác hợp kim trên với chất lượng thay thế được hàng
ngoại nhập.
1.2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT LÀM CƠ SỞ NGHIÊN CỨU.
1.2.1. Hợp kim đồng kẽm và mác LCuZn25Al6Mn3Fe3
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1959-75 ký hiệu latông theo quy định sau: bắt
đầu bằng chữ L tiếp theo là Cu, Zn rồi ký hiệu các nguyên tố hợp kim. Hàm
lượng phần tră
m các nguyên tố viết sau ký hiệu tương ứng của nguyên tố ấy, đồng
còn lại. Ví dụ kí hiệu LCuZn25Al6Mn3Fe3 có nghĩa là latông chứa 25%Zn,
6%Al, 3%Mn, 3%Fe và còn lại là đồng. Tuy nhiên việc hiểu như trên là đơn giản
do các kim loại có trong hợp kim đều nằm trong khoảng cho phép. Theo tiêu
chuẩn của Trung Quốc thì mác hợp kim trên có thành phần như bảng 1.
Bảng 1. Thành phần hóa học của LCuZn25Al6Mn3Fe3 (Tiêu chuẩn của Trung Quốc)
Cu Al Fe Mn Tạp chất Zn
60-66 4,5-7 1,5-4 1,5-4 <3% Còn lại

Nói chung latông là một trong số các hợp kim màu có ứng dụng khá rộng
rãi trong ngành chế tạo máy hiện đại.
Đồng và kẽm tương tác với nhau theo giản đồ pha như trên hình 1. Giản
đồ này gồm năm phản ứng bao tinh, hình thành sáu pha α, β, γ, ε, δ và η. Tuy
nhiên do quy định của cơ tính và các tính chất khác, hàm lượng Zn trong các
latông công nghiệp không vượt quá 50%. Do vậy thành phần pha của chúng
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
9
thường chỉ gồm α, β và γ. Pha α là dung dịch rắn thay thế của kẽm trong đồng.
Độ hòa tan cực đại của kẽm trong α ở nhiệt độ thường đạt tới 39%. Khi tăng
nhiệt độ, biên giới vùng α co hẹp lại và tới 905
0

C hàm lượng Zn trong α chỉ còn
32,5%. Pha α có độ dẻo cao, chịu áp lực gia công áp lực nóng hoặc nguội đều
tốt.













Hình 1. Giản đồ pha Cu-Zn.
Pha β là hợp chất điện tử ứng với công thức CuZn. Vùng tồn tại của nó ở
nhiệt độ thường từ 45 ÷ 49%Zn. Khi tăng nhiệt độ, vùng β mở rộng ra. Ở nhiệt
độ 838
0
C, chiều rộng của vùng này kéo dài từ 37 ÷ 57%Zn. Pha β có mạng lập
phương tâm khối. Ở nhiệt độ thấp hơn 468 ÷ 454
0
C, pha β có cấu trúc trật tự
hóa. Để chỉ trạng thái trật tự hóa, người ta ký hiệu là β
’
. Pha β
’
kém dẻo và khó

biến dạng hơn β. Pha γ hình thành trên cơ sở hợp chất điện tử Cu
5
Zn
8
. Vùng tồn
tại của pha này khá rộng từ 60 ÷ 70%Zn. Mạng tinh thể của γ là mạng lập
phương phức tạp. Đây là pha giòn.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
10
Latông phức tạp: Để tăng cường chất lượng latông, người ta sử dụng
nhiều giải pháp, trong đó hợp kim hóa là giải pháp hiệu quả hàng đầu. Các
nguyên tố hợp kim làm thay đổi tổ chức, nâng cao cơ tính, cải thiện tính chất
công nghệ và tăng khả năng chống ăn mòn. Để hợp kim hóa la tông, người ta
thường ứng dụng các nguyên tố sau: Al, Sn, Mn, Si, Mg, Fe, Pb. Khi tăng hàm
lượng của chúng, một số nguyên tố gây ả
nh hưởng tốt. Ví dụ: Zn, Al, Mn, Fe,
là nhóm các nguyên tố hòa tan vào đồng tạo dung dịch rắn thay thế. Khi đó gây
hóa bền đồng khá mạnh, trong khi vẫn giữ độ dẻo tương đối cao đến một nồng
độ xác định. Trên hình 2 nêu ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến cơ tính của
đồng

Hàm lượng các nguyên tố hợp kim hóa, %
Hình 2.Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đế
n cơ tính của latông
Các nguyên tố hợp kim tạo với đồng giản đồ pha tương tự giống nhau xét
từ phía đồng. Khi đưa các nguyên tố này vào trong hệ thống hai cấu tử Cu-Zn,
ảnh hưởng của chúng đến tổ chức hợp kim tương tự như kẽm.
Độ
Bền
Độ
dẻo
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
11
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng, người ta quy đổi hàm lượng
nguyên tố hợp kim sang hàm lượng kẽm tương đương. Dựa vào giá trị hàm
lượng kẽm tương tương, người ta có thể xác định tổ chức latông phức tạp trên
giản đồ pha hai cấu tử Cu-Zn.
Guinier đã tiến hành xác định các hệ số tương đương K, giá trị của chúng
được trình bày trong bảng 2.
Bảng 2. Hệ số tươ
ng đương K của Guinier.
Nguyên tố Si Al Sn Mg Cd Pb Fe Mn Ni
K 10 6 2 2 1 1 0,9 0,5 -1,3

Hệ số K còn gọi là hệ số Guinier, có nghĩa là, cứ hợp kim hóa 1% nguyên
tố hợp kim i nào đó, sẽ gây ảnh hưởng trên giản đồ Cu-Zn tương đương K%
nguyên tố Zn.
Trong trường hợp tổng quát, khi latông chứa chiều nguyên tố, người ta
xác định hàm lượng Zn tương đương theo công thức sau:
X =
%100x
KCBA
KCA
ii
ii
∑
∑
++
+

Trong đó: X: Hàm lượng kẽm tương đương, %
A: Hàm lượng kẽm trong hợp kim
B: Hàm lượng đồng thực trong hợp kim
C
i
: Hàm lượng nguyên tố hợp kim i
K
i
: hệ số Guinier của nguyên tố hợp kim i
Như vậy với mác hợp kim LCuZn25Al6Mn3Fe3, theo bảng 3 ta có giá trị hằng
số K của Al bằng 6, của Fe bằng 0,9, của Mn bằng 0,5.
Áp dụng vào công thức 1 ta có:
X =
%7,50%100

3.5,03.9,06.62563
3.5,03.9,06.625
=
++++
+
+
+
x
Tổ chức của hợp kim LCuZn25Al6Mn3Fe3 sẽ gồm hai pha α và β.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
12
Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim trong latông nghiên cứu
Nhôm chủ yếu tồn tại ở dạng hòa tan trong dung dịch rắn α. Khi ấy nó
làm tăng độ bền và độ cứng của hợp kim khá mạnh. Mặt khác, khi hợp kim hóa
thêm nhôm, trên bề mặt la tông hình thành lớp oxyt có tính bảo vệ tốt, nâng cao
khả năng chống ăn mòn. Khi nâng hàm lượng nhôm lên trên 4% trong la tông
xuất hiện pha β, γ làm độ giòn tăng lên.
Mangan hòa tan vô hạn vào đồng. Hệ số Guinier c
ủa Man gan nhỏ, nên
ảnh hưởng của nó đến tổ chức latông là không đáng kể. Mn nâng cao khả năng
chịu ăn mòn của la tông trong nước biển và hơi quá nhiệt, tăng độ dai va đập
trong chi tiết chịu tải trọng nặng.
Fe trong hệ la tông phức tạp nó có tác dụng biến tính làm nhỏ hạt.
Theo đặc điểm ứng dụng và tính chất công nghệ, người ta chia latông
phức tạp thành latông biến dạng và latông đúc.
Latông đ
úc hiện nay được ứng dụng khá rộng rãi. Từ những hợp kim này,
người ta đúc thỏi và các chi tiết khác nhau.

Latông đúc có những ưu điểm sau:
- Xu hướng bão hòa khí nhỏ, do vậy mật độ thỏi đúc cao. Điều này liên
quan đến hiện tượng kẽm thoát ra từ kim loại lỏng, tạo thành màng hơi có tính
đàn hồi, cản trở các loại khí thâm nhập từ ngoài vào.
- Xu hướng thiên tích của latông đúc nhỏ.
- Độ ch
ảy loãng khi rót khuôn lớn, do vậy vật đúc ít bị rỗ xốp phân tán mà
có lõm co tập trung.
- Cơ tính, tính chống mài mòn khá cao.
Tuy vậy latông đúc có một số nhược điểm sau:
- Khi nấu luyện, đặc biệt trong latông phức tạp, lượng kẽm bị cháy hao cao
- Co ngót lớn
- Xu hướng nhạy cảm nứt mùa lớn.
Tính chất của một số latông đúc đặc biệt được trình bày trong bảng 3.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
13
Hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3: Đây là hợp kim đa nguyên có nhiều điểm
tương đồng về cấu trúc thành phần pha, tuy nhiên hợp kim này được biết đến với
Bảng 3. Tính chất của một số latông đúc đặc biệt.
Ký hiệu hợp kim Loại
khuôn
Cơ tính
Trung Quốc Việt Nam Khuôn
đất (KĐ)
Khuôn
kim loại
( KL )
σ

b
MPa
% HB
ZCuZn38 LCuZn38 KĐ
KL
295
295
30
30
59
68
ZCuZn25Al6Mn3Fe3 LCuZn25Al6Mn3Fe3 KĐ
KL
725
740
10
7
>157
>166
ZCuZn26Al4Mn3Fe3 LCuZn26Al4Mn3Fe3 KĐ
KL
600
600
18
18
117
127
ZCuZn31Al2 LCuZn31Al2 KĐ
KL
295

390
12
12
78
88
ZCuZn40Mn2 LCuZn40Mn2 KĐ
KL
345
390
18
18
98
108
ZCuZn40Pb2 LCuZn40Pb2 KĐ
KL
220
280
15
20
78
88
ZCuZn16Si4 LCuZn16Si4 KĐ
KL
345
390
15
20
88
98

một số ưu điểm mà không một hợp kim đồng nào có được: độ bền đạt cao nhất
trong các loại hợp kim đồng, có độ bền chảy và độ cứng rất cao, lại có độ dẻo
khá lớn nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: ngành đóng tàu biển, bạc thủy
điện, thanh trượt chịu mài mòn với tải trọng cực lớn dùng trong công nghiệp
khai khoáng,
Ảnh tổ
chức tế vi của hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3 được thể hiện trên
hình 3. Trên ảnh thể hiện tổ chức tế vi bao gồm các pha α (mầu trắng), nền pha
β, hạt đen mầu tối là pha đồng giầu sắt.

ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
14








Độ phóng đại 100x Độ phóng đại 200x
Hình 3. Tổ chức tế vi hợp kim đa nguyên CuZn25Al6Mn3Fe3
1.2.2. Công nghệ nấu luyện hợp kim LCuZn25Al6Mn3Fe3
Trong thành phần hợp kim LCuZn25Al6Fe3Mn3 ngoài đồng là kim loại
nền còn có các nguyên tố hợp kim hóa: Zn, Al, Fe, Mn.
Để xác định được công nghệ nấu luyện cần phải biết một số thông số đặc
trưng của các nguyên tố tạo nên hợp kim này.
Bảng 4. Những thông số đặc trưng c

ủa các nguyên tố tạo hợp kim
Nguyên tố Nhiệt độ chảy,
0
C
Nhiệt độ sôi,
0
C
Tỷ trọng
g/cm
3

Đường kính
nguyên tử, µm
Cu 1083 2540 8,94 0,128
Zn 419 907 7,13 0,139
Al 660 2520 2,698 0,143
Fe 1530 2872 7,86 0,126
Mn 1245 2119 7,46 0,130
Fe-Mn78% 1340 - - -
Khi nấu luyện để có được mác hợp kim đúng thành phần, cháy hao ít cần
tuân thủ theo nguyên tắc sau:
- Kim loại nền nấu chảy trước.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
15
- Các nguyên tố hợp kim hóa đưa vào theo thứ tự: nguyên tố khó chảy đưa
vào trước, dễ chảy sau.
- Khi nhiệt độ chảy và tỷ trọng của kim loại nền và kim loại hợp kim hóa
quá trênh lệch thì phải sử dụng hợp kim trung gian kim loại nền – kim loại hợp

kim hóa.
- Khi hàm lượng kim loại hợp kim hóa trong hợp kim cần nấu quá nhỏ
cũng phải đưa vào dưới dạng hợp kim trung gian.
Trong thành phần hợp kim nghiên cứu có khoả
ng 3%Mn và 3%Fe, Mn ở
dạng kim loại sạch có giá rất đắt còn Ferô Fe – Mn rất rẻ ( giá thành khác nhau >
5 lần ) vì vậy khi nấu luyện không sử dụng kim loại Mn nguyên chất mà sử dụng
Ferô Fe-Mn. Trong thực tế chỉ có loại ferô Fe-Mn với hàm lượng %Mn ≥ 78%,
do vậy khi tạo mác cần phải lưu ý đến sắt có sẵn.
Theo các nguyên tắc trên cần phải đưa nhôm và kẽm vào hợp kim ở dạng
hợp kim trung gian, tuy nhiên ở đây nhôm tuy có tỷ trọng thấp nh
ất nhưng nhiệt
độ sôi lại cao, nên cháy hao sẽ không lớn có thể đưa trực tiếp nhôm sạch vào
nhưng để đảm bảo sự đồng đều khi nấu luyện cần khuấy kỹ. Đối với kẽm tuy
nhiệt độ chảy và nhiệt độ sôi thấp nhưng hàm lượng trong hợp kim lớn ~ 25%
nên có thể đưa vào hợp kim ở dạng kim loại sạch, đưa vào sau cùng sau khi đã
hạ nhiệt hợ
p kim lỏng và có lớp che phủ tốt.
Như vậy trình tự đưa các nguyên tố hợp kim hóa vào đồng lỏng theo trình
tự sau: Fe, Fero Fe-Mn, Al, Zn.
Trợ dung che phủ là than củi.
1.2.3. Phương pháp đúc ly tâm.
Đúc ly tâm là công nghệ đúc rót kim loại lỏng vào khuôn đang quay, trục
quay có thể là thẳng đứng, hoặc trục quay nằm ngang. Trong suốt quá trình rót
và đông đặc, kim loại lỏng luôn ở trạng thái chuyển động và phải chịu tác dụng
của lực ly tâm tác dụng lên các chấ
t điểm đang quay. Bởi vậy, tổ chức và tính
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim

16
chất của kim loại được cải thiện đáng kể. Bản chất của hiện tượng tác dụng lực
lên chất lỏng quay có thể hình dung như sau:
Một vật có khối lượng m, quay với tốc độ góc ω và bán kính quay r, sẽ
chịu một lực ly tâm:
F
lt
= mω
2
r
Lực ly tâm có giá trị lớn hơn lực trọng trường (F
tt
= mg) một số K lần:

tt
lt
F
F
=
mg
r
2
m
ω
=
g
r
2
ω
=K

K gọi là hệ số trọng trường, nó đặc trưng cho sự thay đổi các điều kiện vật
lý khi đúc ly tâm so với các phương pháp đúc khác.
Thuật ngữ đúc ly tâm đang dùng hiện nay là thuật ngữ chỉ ra phương pháp
đúc các chi tiết dạng hình trụ tròn xoay, có lỗ hổng xuyên tâm (Hình 4). Khi
đúc, kim loại lỏng được rót vào khuôn đang quay xung quanh trục của mình,
bám chặt lấy thành khuôn và ở đó cho đến khi đông đặc hoàn toàn. Kích thước
lỗ
rỗng xuyên tâm vật đúc xác định nhờ lượng kim loại lỏng rót vào khuôn.
Phương pháp đúc này không phải dùng ruột nhưng vẫn tạo được lỗ rỗng bên
trong vật đúc. Phương pháp này không dùng hệ thống rót, ngót, hơi nên hiệu
suất sử dụng kim loại lỏng ~ 100%. Kim loại kết tinh có hướng từ ngoài vào tâm
vật đúc.
Tuy nhiên phương pháp đúc này cũng có những nhược điểm:
+ Rất dễ thiên tích những phần t
ử có trọng lượng riêng khác nhau.
+ Phải định lượng kim loại lỏng để có kích thước mặt thoáng chính xác.
+ Bề mặt thoáng có chứa nhiều vật lẫn phi kim.
Do những đặc điểm trên mà đúc li tâm thường được sử dụng để đúc các
chi tiết dạng tròn xoay như bạc hoặc ống.
Công nghệ đúc ly tâm.
Vị trí trục quay
Trong công nghệ đúc ly tâm, có hai loại máy đúc, máy có trục quay thẳng
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
17

Hình 4. Đúc ly tâm trục quay thẳng đứng và trục quay nằm ngang.
đứng và máy có trục quay nằm ngang. Với máy có trục quay thẳng đứng, hình
dáng mặt thoáng kim loại có dạng parabol tròn xoay nên phía dưới dày hơn phía
trên, vật đúc càng dài, sự trênh lệch về chiều dày càng lớn. Phần dày ở phía dưới
vật đúc thường đông đặc sau nên rất dễ bị rỗ co. Mặt khác, khi vật đúc càng dài,
chiều cao cột áp rót càng l
ớn, kim loại càng bị bắn toé, xói mòn khuôn càng
mạnh. Do đó máy đúc có trục thẳng đứng chỉ nên dùng để đúc các chi tiết đặc,
đường kính lớn hơn chiều cao hoặc những vật đúc không có dạng tròn xoay, trên
thực tế đã có máy đúc trục quay thẳng đứng đúc được các chi tiết có đường kính
lên đến gần 2000mm. Với loại máy đúc có trục quay nằm ngang, khi đúc vật đúc
có thành mỏng mặt thoáng thường ở
dạng phẳng, vật đúc càng dày do sự đông
đặc có hướng nên mặt thoáng có chiều hướng lõm co dạng phễu nên có thể
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
18

đường kính trong vật đúc không đạt như tính toán ban đầu, với vật đúc có đường
kính lớn việc thiết kế máy đúc gặp khá nhiều khó khăn nên thực tế không có các
máy đúc đường kính lớn dạng nằm ngang . Máy đúc dạng này được áp dụng khá
phổ biến đặc biệt trong đúc các ống dài, thành mỏng, đường kính vật đúc lên
đến 650mm. Chất lượng vật đúc theo phương pháp đúc li tâm phụ thuộc vào các
thông số
chính sau: tốc độ quay khuôn, nhiệt độ và tốc độ rót kim loại lỏng, chất
sơn khuôn, khuôn đúc.
Tốc độ quay của khuôn
Tốc độ quay là thông số quan trọng nhất trong công nghệ đúc li tâm. Tốc độ
quay quá lớn dễ làm cho vật đúc bị nứt dọc và thiên tích các nguyên tố hợp kim.
Thông thường tốc độ quay hợp lý nhất được xác định theo công thức sau:
n = 0,705
D
K

trong đó: n tốc độ quay m/ph,
D đường kính vật đúc, m
K hệ số trọng trường K=90-120
Trên hình 5 đưa ra sơ đồ hợp lý về điều khiển tốc độ quay khi đúc li tâm.
Đối với một chi tiết cụ thể tốc độ này được xác định gần đúng bằng công thức
sau:
N = 5520/(γ.d
td
)
1/2

Trong đó:
- γ- tỉ trọng của vật đúc, g/cm
3

-d
td
Đường kính trong của vật đúc, cm
Nhiệt độ và tốc độ rót kim loại
Đây là hai thông số cũng rất quan trọng trong công nghệ đúc li tâm. Nhiệt
độ rót ảnh hưởng đến độ thiên tích của vật đúc, ở nhiệt độ càng cao độ nhớt kim
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
19
loại lỏng càng nhỏ do đó các hạt có khối lượng riêng khác nhau có cơ hội thiên
tích mạnh hơn do đó cần khống chế nhiệt độ rót. Tốc độ rót có ảnh hưởng đến
chất lượng bề mặt ngoài vật đúc, đến tốc độ chảy dọc khuôn, sự điền đầy khuôn









Hình 5. Sơ đồ hợp lý điều khiển tốc độ quay.
và c
ường độ dịch chuyển tương đối của các lớp kim loại lỏng. Tốc độ rót hợp lý
là tốc độ đảm bảo sao cho chiều dày lớp vỏ đông đặc nhỏ hơn chiều dày lớp kim
loại đang rót.
Sơn phủ khuôn đúc li tâm
Ý nghĩa của lớp sơn phủ bảo vệ trong công nghệ đúc li tâm cũng giống

như trong đúc khuôn kim loại đều nhằm mục
đích nâng cao tính ổn định và tuổi
thọ của khuôn nhờ vào việc làm giảm tốc độ nguội và độ quá nhiệt khuôn trong
khi đúc, làm cho quá trình điền đầy khuôn xảy ra tốt hơn, không có các khuyết
tật đúc, tạo cho bề mặt vật đúc một hình dáng và kích thước theo yêu cầu.
Đối với hơp kim đồng có khoảng đông hẹp, thí dụ đồng thanh nhôm, đồng
thau, có thể sử dụng chất sơn khuôn giống nh
ư đúc gang: Sử dụng loại vật liệu
chịu nhiệt có độ chịu nhiệt trung bình như thạch anh, graphit, amiăng, thí dụ là
sơn amiăng - bentonit bao gồm 4 ÷ 5 phần amiăng; 1 ÷ 2 phần bentonit, nước
vừa đủ để có tỷ trọng 1,2 ÷ 1,22g/cm
3
.
t
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6

Số
vòng
quay
n

Thời gian t
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
20
Những hợp kim có khoảng đông rộng như đồng thanh thiếc, có khuynh
hướng rỗ khí ngay cả khi không dùng lớp sơn khuôn. Do đó trong trường hợp
này dùng sơn khuôn chỉ có tác dụng đơn thuần là làm thay đổi tốc độ nguội của
vật đúc.
Khuôn đúc li tâm
Khuôn đúc li tâm trong đúc bạc đồng đơn giản chỉ là loại khuôn bằng
gang đúc, hoặc ống thép được gia công cơ khí tạo thành dạng trụ tròn với
đường
kính trong bằng với kích thước ngoài của vật đúc. Khuôn đúc thường được tiện
côn và sơn khuôn đầy đủ nhằm loại bỏ hiện tượng dính khuôn và dễ lấy vật đúc.
Phương pháp lấy vật đúc ra khỏi khuôn
Với vật đúc nhỏ, chiều dài không lớn và sản xuất nhỏ thông thường sau
khi đúc sẽ để nguội tự nhiên vật đúc tự tách khỏi khuôn dễ dàng l
ấy ra khỏi
khuôn đúc. Với vật đúc có chiều dài lớn hoặc cần cơ khí hóa thì máy đúc cần có
cơ cấu kéo phôi, đó là dùng thủy lực hoặc dùng cơ cấu ngàm.
Các dạng khuyết tật khi đúc li tâm thường gặp
Nứt dọc chi tiết, rỗ khí, xốp co, xếp lớp hoặc không liền, thiên tích.

ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
21
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC CHUẨN BỊ
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ MỤC TIÊU CẦN ĐẠT.
Trong sản xuất đúc các chi tiết chịu mài mòn bằng hợp kim đồng tại xưởng
đúc thuộc Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim thường đáp ứng tốt các loại mác hợp kim
đồng thông dụng và thường áp dụng các phương pháp đúc truyền thống như đúc
trong khuôn cát nước thủy tinh hoặc đúc trong khuôn kim loại. Vớ
i các mác hợp kim
mới như mác hợp kim trên thì chưa có điều kiện nghiên cứu sâu mặt khác chưa áp
dụng phổ biến các phương pháp đúc mới như đúc li tâm nên chất lượng vật đúc
thường không ổn định.
Thành phần hợp kim cần đạt:
Cu Al Fe Mn Tạp chất Zn
60-66 4,5-7 1,5-4 1,5-4 <3% Còn lại
Cơ tính : Sản phẩm đúc từ mác hợp kim trên có độ bền >700 MPa, độ cứng >
180HB, độ dẻo 10%.
Dạng sản phẩm:
- Phôi bạc có kích thước
φ
ngoài
/φ
trong

: 117/93 mm dài 400mm.





- Phôi bạc đồng có kích thước
φ
ngoài
/φ
trong
: 155/50 mm dài 170mm.






ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
22
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Thông tin từ các tài liệu tham khảo được, qua nghiên cứu tổng quan lý
thuyết về hợp kim đồng hệ kẽm, công nghệ nấu luyện và phương pháp đúc li
tâm, sẽ tiến hành các thí nghiệm nấu đúc tạo mác hợp kim và ứng dụng đúc li
tâm để cho chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu.
2.3. THIẾT BỊ VÀ VẬT TƯ NGHIÊN CỨU.
2.3.1. Thiết bị nghiên cứu.
- Lò cảm ứng trung tầ

n 100kg và 250 Kg/mẻ.
- Máy đúc li tâm và hệ thống khuôn đúc.
- Can nhiệt đo nhiệt độ.








Hình 6. Lò cảm ứng 100kg/mẻ Hình 7. Lò cảm ứng 300kg/mẻ









Hình 8. Máy đúc li tâm
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
23
2.3.2. Nguyên liệu và hoá chất.
- Đồng kim loại tương đương mác M2.
Cu Bi Sn As Fe Ni Pb Sn S O tổng tạp
99,7 0,002 0,005 0,01 0,05 0,2 0,01 0,05 0,01 0,07 0,3

- Nhôm kim loại tương đương mác A7.
Al Fe Si Cu Zn Ti tổng tạp
99,7 0,16 0,16 0,01 0,05 0,02 0,3
- Thép các bon thấp CT3.
C Mn Si Fe
0,14 - 0,22 0,4 - 0,65 0,12 - 0,3 còn lại
- Kẽm kim loại tương đương mác Ц2.
Zn Pb Fe Cd Cu Sn
Tổng tạp
chất
98,7 1,0 0,05 0,2 0,005 0,002 1,3

- Fero Fe-Mn cacbon thấp với hàm lượng Mn đạt 78%, Fe còn lại.
2.3.3. Sơ đồ công nghệ dự kiến.









Hình 9. Sơ đồ công nghệ dự
kiến.
2.2.4. Công tác phân tích.
Phân tích thành phần hoá học hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3
Đúc rót trên hệ thống
đúc li tâm
Sản phẩm bạc dạng ống

Kiểm định chất
lượng sản phẩm
Nguyên liệu đầu vào là các kim
loại Cu, Zn, Al, FeMn, Fe
Nấu luyện hợp kim
LCuZn25Al6Mn3Fe3
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
24
Đo cơ lý tính: độ bền, độ dẻo, độ cứng một số vật mẫu lấy từ sản phẩm
đúc từ các phương pháp đúc khác nhau: Đúc trong khuôn cát, trong khuôn kim
loại và đúc bằng phương pháp đúc li tâm.
Kiểm tra siêu âm, soi tổ chức tế vi, đo độ hạt hợp kim đúc bằng phương
pháp đúc li tâm và trong khuôn kim loại.