Nghiên cứu chế tạo gang hợp kim độ bền cao mác GX 330NiCr42 làm đĩa nghiền phục vụ công nghiệp sản xuất giấy

Bộ công THƯƠNG
TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM
Viện Luyện kim Đen




Báo cáo tổng kết
đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển CÔNG
NGHệ cấp bộ
Tên đề tài:

NGHIấN CU CH TO GANG HP KIM BN CAO
MC GX330NiCr42 LM A NGHIN
PHC V CễNG NGHIP SN XUT GIY

DFGEDFGEDFGE

Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép vN
Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen
Chủ nhiệm đề tài: NGUYN VĂN SA







6829
27/4/2008
Tháng 12/2007

những ngời thực hiện chính

TT Họ và tên Học vị Đơn vị công tác
1
Nguyễn văn Sa
Tiến sĩ Viện Luyện kim Đen
2
Nguyễn văn Ngũ
Kĩ s Viện Luyện kim Đen
3
Nguyễn hồng Phúc
Kĩ s Viện Luyện kim Đen
4
Vũ Thái Sơn
Kĩ s Cty CP Giấy Hoàng Văn Thụ
5
Bùi Quang Sơn
Kĩ s Cty CP Giấy Hoàng Văn Thụ

2
Mục lục
Mở đầu 3
1. Tổng quan về gang hợp kim chịu mài mòn 5
1.1 Phân loại gang hợp kim chịu mài mòn 5
1.2 Gang trắng crôm niken (Ni-hard) 7
1.2.1 Tính chất vật lý của gang Ni-hard 9
1.2.2 Tính chất cơ học của gang Ni-hard 9
1.2.3 Đặc tính đúc của gang Ni-hard 10
1.2.4 Tính gia công của gang Ni-hard 10
1.2.5 Chế độ nhiệt luyện 10
1.2.6 Khả năng chịu mài mòn của gang Ni-hard 11
1.3 ảnh hởng các nguyên tố hợp kim đối với gang Ni-hard 13
1.3.1 ảnh hởng của niken 13
1.3.2 ảnh hởng của silic 14
1.3.3 ảnh hởng của crôm 14
1.3.4 ảnh hởng của mangan 14
1.3.5 ảnh hởng của đồng 14
1.3.6 ảnh hởng của molipđen 15
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 15
2. Nội dụng nghiên cứu và phuơng pháp thực nghiệm 17
2.1. Nội dung nghiên cứu 17
2.2. Phơng pháp nghiên cứu 17
3. Kết quả thực nghiệm 19
3.1 Công nghệ nấu luyện gang GX330NiCr42 19
3.2 Công nghệ đúc gang GX330NiCr42 21
3.2.1 Một số đặc điểm về công nghệ đúc 21
3.2.2 Lựa chọn công nghệ và thiết bị đúc 22
3.3. Công nghệ nhiệt luyện gang GX330NiCr42 23

3.3.1 ủ mềm gang GX330NiCr42 23
3.3.2 Tôi và ram gang GX330NiCr42 23
3.4 Các tính chất của gang GX330NiCr42 26
3.4.1 Thành phần hoá học 26
3.4.2 Tính chất cơ lý 26
3.4.3 Cấu trúc pha 26
3.4.4 Khả năng chịu mài mòn abrasive 28
3.5 Chế tạo sản phẩm và kết quả dùng thử 29
3.5.1 Chế tạo dao nghiền đĩa 39
3.5.2 Dùng thử và đánh giá chất lợng sản phẩm 39
4. Kết luận và kiến nghị 33
5.Tài liệu tham khảo 34
6. Phụ lục 35

3
Mở đầu
Trong công nghiệp sản xuất giấy, có nhiều chi tiết trong thiết bị dùng sơ chế
nguyên liệu thờng xuyên phải thay thế vì phải làm việc liên tục trong điều kiện
va đập, chịu mài mòn nh dao nghiền đĩa, quả lô khuấy trộn ở nớc ta, phần
lớn các cơ sở sản xuất giấy đợc lắp đặt thiết bị nớc ngoài, hoạt động đã nhiều
năm, thiết bị dự phòng không còn, do đó việc thay thế gặp nhiều khó khăn
Sau khi tìm hiểu tình hình ở một số cơ sở sản xuất lớn nh Công ty Giấy Bãi
Bằng, Công ty Giấy Hoàng Văn Thụ Chúng tôi nhận thấy dao nghiền đĩa là
một trong những chi tiết phải làm việc trong điều kiện chịu va đập và mài mòn,
nên cần thay thế liên tục. Hiện nay, dao nghiền đĩa đợc cung cấp từ nhiều
nguồn: nhập từ Trung Quốc, sản xuất trong nớc Tuy nhiên, vật liệu chế tạo
đều là gang xám không hợp kim, độ bền thấp, khả năng chịu mài mòn kém.
Từ thực tế trên, chúng tôi cho rằng nên chế tạo dao nghiền đĩa bằng gang
hợp kim chịu mài mòn. Trong nhóm gang hợp kim này, mác GX330NiCr42 theo
tiêu chuẩn DIN 1695-81 của Đức có nhiều đặc tính tốt, phù hợp cho việc chế tạo

các chi tiết chịu va đập và mài mòn nêu trên.
Viện Luyện kim Đen đã đề xuất và đợc Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công
Thơng) giao cho thực hiện đề tài Nghiên cứu chế tạo gang hợp kim độ bền
cao mác GX330NiCr42 làm đĩa nghiền phục vụ công nghiệp sản xuất giấy.
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 sau:
- Mở đầu
- Tổng quan về gang hợp kim chịu mài mòn abrasive.
- Phơng pháp nghiên cứu
- Kết quả đạt đợc
- Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục

4
Nhân dịp này, Ban chủ nhiệm đề tài xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và
chỉ đạo sát sao của Vụ Khoa học & Công nghệ- Bộ Công Thơng, sự hợp tác
giúp đỡ tận tình của Công ty Giấy Hoàng Văn Thụ Thái Nguyên, các cơ sở
nghiên cứu nh Trờng ĐHBK Hà Nội, Trung tâm Đo lờng Việt nam và một
cơ sở nghiên cứu khác đã giúp chúng tôi thực hiện thành công đề tài.



5
1.Tổng quan về Gang chịu mài mòn
1.1 Phân loại gang chịu mài mòn
Khả năng chịu mài mòn của gang khi chịu tác động mài abrasive tuỳ
thuộc vào tổ chức tế vi (vi độ cứng, hình dạng, sự tác dụng tơng hỗ cũng nh số
lợng cấu trúc hợp thành). Thành phần tổ chức cơ bản của gang đợc sắp xếp
theo chiều tăng của vi độ cứng với trật tự sau: graphit, ferit, peclit, austenit,

mactensit, xementit, xementit hợp kim, các cacbid của crôm, wolfram, vanađi
và của các nguyên tố khác, các borid. Khả năng chịu mài mòn phụ thuộc rất
phức tạp vào số lợng cũng nh sự phân bố của các pha rắn, giòn so với kim loại
nền có tính mềm và dẻo. Kim loại nền phải là giá đỡ vững chắc cho các độ cứng
thành phần nhằm ngăn ngừa sự phá huỷ giòn.
Có nhiều loại gang chịu mài mòn khác nhau đợc đem vào sử dụng trong
điều kiện làm việc có tác động mài mòn. Theo cấu trúc và thành phần hoá học có
thể phân chia gang chịu mài mòn thành các nhóm sau:
- Gang xám hợp kim
- Gang biến trắng hợp kim
Gang trắng hợp kim bao gồm:
+ Gang trắng hợp kim thấp,
+ Gang niken - crôm (Ni-hard),
+ Gang hợp kim cao crôm.
Gang hợp kim cao là nhóm vật liệu quan trọng của mà sản phẩm của chúng
cần đợc quan tâm đặc biệt so với loại gang thông thờng. Trong gang hợp kim
cao, hàm lợng các nguyên tố hợp kim hoá trên 4%, do vậy không thể nấu luyện
chúng đạt thành phần tiêu chuẩn chỉ bằng cách hợp kim hoá ngay tại gầu rót.
Chúng thờng đợc sản xuất ở các cơ sở có trang bị máy móc đặc biệt chỉ dùng
riêng để nấu luyện loại gang này.

6
Gang hợp kim là loại gang chủ yếu dùng làm vật liệu chịu mài mòn và đúc
thành những chi tiết cần thiết trong việc chế tạo máy đập, nghiền và nhiều loại
dụng cụ chịu mài mòn khác.
Trong gang trắng hợp kim cao, lợng Cr cao làm tăng khả năng chịu ăn
mòn của gang. Phần thể tích lớn của kim loại nền và cácbid cùng tinh trong tổ
chức tế vi sẽ tạo nên độ cứng lớn cần thiết cho tác động va đập, nghiền nhỏ các
vật liệu khác. Trong gang này, pha cácbid gắn chắc trên nền kim loại và biến đổi
tuỳ thuộc vào hàm lợng hợp kim đa vào. Quá trình nhiệt luyện sẽ tạo ra sự

cân bằng đặc biệt giữa khả năng chịu mài mòn và tính dẻo cần thiết cho khả
năng liên tục chịu va đập .
Trong khi vật đúc từ gang trắng hợp kim thấp có hàm lợng hợp kim dới
4%, độ cứng chỉ trong khoảng 350 550 HB trong khi gang hợp kim cao có dải
độ cứng từ 450 800 HB.
Tiêu chuẩn ASTM A552 đa ra thành phần và độ cứng của nhiều mác gang
trắng chịu mài mòn. Rất nhiều vật đúc đợc chế tạo theo mác gang của tiêu
chuẩn này.
Tuy nhiên một số lợng lớn vật đúc đợc sản xuất có sự thay đổi về thành
phần hoá học tuỳ theo từng ứng dụng riêng. Điều cần nói là các chuyên gia thiết
kế, kỹ s luyện kim và thợ đúc cần hợp tác với nhau để đa ra đợc các mác
gang có thành phần, phơng pháp nhiệt luyện và quy trình đúc hợp lý cho từng
ứng dụng đặc biệt.
Gang trắng hợp kim cao đợc phân ra các nhóm chính nh sau:
- Gang niken-crôm (Ni-hard) : Chứa 3-5 % Ni và 1-4 % Cr , Ngoài ra có
một loại hợp kim với thành phần biến đổi, chứa 7-11 % Cr.
- Gang crôm molipđen: Chứa 11-23 % Cr và đến 3 % Mo, thông thờng
nó đợc hợp kim hoá với niken và đồng.
- Gang cao crôm: hàm lợng Cr từ 25-28 % và chứa các nguyên tố hợp kim
hoá khác nh Mo hoặc Ni tới 1,5 %.


8
Bảng 1. Thành phần hoá học của gang Ni-hard loại IA (C cao, chịu mài mòn lớn)
Chiều dày vật đúc (mm)
Khuôn cát Khuôn kim loi
12 25 50 75 100 12 25 50 75 100

Nguyên tố
Thành phần hoá học (%)
C 3,2 - 3,6 3,2 3,6
Si 0,7 0,6 0,5 0,4 0,4 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
Mn 0,3 0,5 0,3 0,5
Ni 3,8 4,0 4,2 4,5 4,8 3,3 3,6 4,0 4,4 4,7
Cr 1,6 1,8 2,0 2,2 2,5 1,5 1,7 1,9 2,2 2,5
Trong điều kiện va đập liên tục, hợp kim loại IB (Ni-Hard 2) là thích hợp vì
chúng có ít cacbon hơn và độ dẻo cao hơn. Một mác đặc biệt khác, loại I C đã
đợc tạo ra để sản xuất bi, đạn nghiền. ở đây thành phần hợp kim crôm niken
đợc điều chỉnh thích hợp cho phơng pháp đúc nhiệt luyện cũng nh công
nghệ đúc đặc biệt bằng cát (xem bảng 2).

Bảng 2. Thành phần hoá học của gang Nihard loại II (C thấp, độ bền cao).

Chiều dày vật đúc (mm)
Khuôn cát Khuôn kim loi
12 25 50 75 100 12 25 50 75 100


Nguyên tố
Thành phần hoá học (%)
C 2,7 - 3,2 2,7 -3,2
Si 0,9 0,7 0,6 0,5 0,4 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5
Mn 0,3 0,5 0,3 0,5
Ni 4,0 4,2 4,5 4,8 5,0 3,5 3,8 4,2 4,5 4,8
Cr 1,5 1,7 1,9 2,2 2,5 1,4 1,6 1,8 2,0 2,3
- Hợp kim loại ID (Ni-hard 4) là loại gang niken - crôm biến đổi, nó chứa
hàm lợng crôm cao hơn, trong khoảng từ 7 11% và hàm lợng niken tăng dần
theo trong khoảng 5 7%. Cacbon thay đổi tuỳ theo tính chất yêu cầu cho điều

kiện làm việc. Hàm lợng cacbon trong khoảng 3,2 3,6 % đợc quy định khi

9
độ bền chịu mài mòn đợc yêu cầu lớn nhất. Còn khi khả năng chịu va đập đợc
u tiên thì hàm lợng cacbon phải đợc khống chế trong khoảng 2,7 3,2 %
(Bảng 3)
Bảng 3. Thành phần hoá học của gang Ni-Hard có ứng dụng đặc biệt

Thành phần hoá học (%)

Mác gang
C Si Mn Cr Ni Mo S P
Tip III
1,0-1,6 0,4 - 0,7 0,4 0,7 1,4 - 1,6 4,0 -4,75 -
0,05 0,05
HK 3-2-1
3,3 - 3,6 0,3 - 0,6 0,5 0,8 1,5 - 2,0 2,75 -3,75 0,7 1,1
0,15 0,40
Ni-Hard4
2,6 - 3,2 1,7 - 2,0 0,4 0,6 7,5 - 9,0 5,5 -6,5 -
0,15 0,40
1.2.1 Tính chất vật lý của gang Ni-hard
- Tỷ trọng : 7,6 ữ 7,8 g/cm
3

- Hệ số dãn nở vì nhiệt
10 -100
o
C : 4,5 ữ 5,0 .10
-6

10 -260
o
C : 6,3 ữ 6,6 .10
-6

10 -430
o
C : 6,8 ữ 7,1 .10
-6

- Điện trở suất ở 25
o
C : 80 à.cm.
- Modul đàn hồi : (16,8 ữ 19,6).10
3
kG/mm
2
1.2.2 Tính chất cơ học của gang Ni-hard
Nhờ sự hợp kim hoá bằng niken mà chúng có các đặc tính tơng ứng vợt
trội so với gang trắng không hợp kim. Độ cứng cao đi đôi với việc giảm trị số
giới hạn bền khi uốn và kéo. Các chi tiết chế tạo từ gang Ni-hard cần đợc sử
dụng trong các điều kiện chịu va đập và có tải trọng.
Bảng 4 . Tính chất cơ học của gang Nihard

B
HB

U

Loại gang Phơng pháp làm khuôn
kG/mm
2

Độ võng f khi
uốn tính bằng
mm
I
- Cát
- Kim loi
28-35
35-42
550-650
600-725
48-60
54-82
2,0 2,8
II
- Cát
- Kim loi
32-38
42-52
525-625
575-675
54-66
66-85
2,5 3,0
III
- Cát
- Sau nhiệt luyện

-
325-375
400-600
- -
HK 3-2-1 - Cát - 550-650 - -

10
1.2.3 Đặc tính đúc của gang Ni-hard
- Độ chảy loãng của gang Ni-hard thấp hơn một chút so với gang xám.
- Độ co ngót: trong khoảng 2-2,15 %
Đậu ngót và đậu hơi cần phải dễ loại bỏ, việc cắt bằng hàn hơi là không
nên vì dễ tạo thành vết nứt. Các chi tiết từ gang Ni-hard có xu thế xuất hiện vết
nứt khi gặp nóng lạnh đột ngột, nhạy cảm do co ngót ngoài và dãn nở nhiệt (ứng
suất nhiệt).
Những đặc điểm này cần đợc các nhà thiết kế nghiên cứu kỹ cấu hình vật
đúc, trớc hết là các vật đúc từ gang Ni-had, cần lu ý nhiều đến đặc tính công
nghệ của nó. Tốt nhất là đúc bằng khuôn kim loại, nhng điều muốn nhấn mạnh
là cấu hình vật đúc cần đợc thực hiện nghiêm ngặt về mọi yêu cầu, đảm bảo
việc đông cứng có định hớng. Các chi tiết làm tấm lót hoặc trục cán thờng
đợc chế tạo hai lớp. Lớp bề mặt làm việc bằng gang Ni-hard, mặt đệm dới hay
lõi trục bằng gang xám hợp kim hay gang cầu.
1.2.4 Tính gia công của gang Ni-hard
Các vật đúc từ gang Ni-hard không thể gia công bằng dụng cụ cắt gọt mà
chỉ nên hoàn thiện bằng phơng pháp mài. Nếu việc gia công là bắt buộc, thì ở
nơi cần gia công cơ khí của vật đúc, nên bổ sung bằng cách đúc phụ thêm gang
xám hay thép cacbon. Điều này rất có lợi khi thiết kế các chi tiết từ gang chịu
mài mòn hợp kim hoá cao.
1.2.5 Chế độ nhiệt luyện
Chế độ nhiệt luyện vật đúc từ gang Ni-hard có mục đích là loại bỏ ứng suất
và giảm nhỏ lợng austenit d.

Việc ram mactensit vật đúc và chuyển hoá austenit d thành bainit hay
mactensit khi nhiệt luyện là loại trừ những thay đổi mạnh về thể tích austenit
trong quá trình vận hành và cải thiện các chỉ tiêu về độ mỏi của chi tiết gang Ni-
hard, đặc biệt là làm việc trong điều kiện va đập có tải trọng ví dụ nh cối nghiền
bi . Với mục đích này ngời ta dùng nhiệt luyện đơn giản: ram ở 250-275
o
C
trong khoảng 4-6 giờ hay nhiệt luyện kép các chi tiết chịu va đập nặng : nung tới
475
o
C hay 700-780
o
C trong 4 giờ làm nguội ngoài không khí và ram thấp ở 275

11
o
C trong 4 giờ. Gang Ni-hard-4 có thể nhiệt luyện ở 750
o
C trong 8 giờ và làm
nguội ngoài không khí.
1.2.6 Khả năng chịu mài mòn của gang Ni-hard
Khái niệm về khả năng chịu mài abrasive
- Cơ chế mài abrasive
Đối với phần lớn các hệ tribology, những cơ chế mài chính không tồn tại
riêng lẻ mà có thể xuất hiện đồng thời . Trong các cơ chế mài thì quá trình mài
abrasive chiếm vị trí quan trọng nhất. Hơn một nửa số lợng chi tiết máy và phụ
tùng hỏng hóc là do mài abrasive gây ra. Có 4 cơ chế mài vi mô dẫn đến sự tổn
hao khối lợng trong hệ mài abrasive là: Biến dạng vi mô bề mặt mài, gẫy vi mô
bề mặt, cắt vi mô bề mặt, mỏi vi mô bề mặt. Các cơ chế mài vi mô abrasive đợc
mô tả trong hình 2 .

Hai cơ chế biến dạng vi mô và cắt vi mô thờng đi đôi với nhau và đợc gọi
theo một khái niệm khác là bào rãnh vi mô.
Đối với những loại vật liệu mềm và có khả năng biến dạng dẻo lớn, quá
trình bào rãnh vi mô sẽ làm biến dạng một phần vật liệu trong khu vực rãnh bào
sang hai bên thành rãnh và hất phần vật liệu còn lại ra khỏi bề mặt chi tiết bị
mài. Tỷ lệ giữa phần vật liệu biến dạng và phần bị bào đi phụ thuộc vào kích
thớc hạt mài và bản chất vật liệu bị mài.
Những loại vật liệu giòn, khi mài sẽ xảy ra hiện tợng nứt tế vi bề mặt, nếu
ứng suất bề mặt sinh ra do mài mòn lớn hơn giới hạn bền của vật liệu thì vết nứt
sẽ phát triển và lan truyền. Khi các vết nứt bề mặt liên kết với nhau sẽ dẫn đến
bong bề mặt và làm giảm khối lợng chi tiết bị mài. Quá trình này đợc gọi là cơ
chế gẫy vi mô. Kết quả nhiều đề tài nghiên cứu và thí nghiệm về mài abrasive
cho thấy, quá trình biến dạng dẻo lớp vật liệu bề mặt và gẫy vi mô thờng xảy ra
đồng thời. Đối với vật liệu đa pha (không đồng nhất), các cơ chế mài vi mô tham
gia đồng thời vào quá trình mài. Trong khi những phần mềm (vật liệu nền) có tổ
chức bề mặt bị bào rãnh vi mô thì ở những phần cứng (pha giòn) sẽ xảy ra quá
trình gẫy vi mô. Những pha cứng có tác dụng tăng độ cứng tổng thể của vật liệu
nhng lại làm giảm độ dai. ảnh hởng tổng hợp của pha cứng đối với khả năng

13
Khả năng chịu mài mòn cao của gang Ni-hard trong điều kiện có tác động
mài mòn đợc lý giải bởi có một lợng lớn crôm hợp kim hoá dới dạng
xementit (Fe,Cr)
3
C có vi độ cứng HV 950-1100 kG/mm
2
và nền mactensit-
austenit cũng không thua kém cacbid về vi độ cứng (HV 670-840 kG/mm
2

).
trong điều kiện mài mòn ớt, hệ số mài mòn tơng đối của gang Ni-hard so với
thép CT20 là 5,0-5,7. ngời ta đã thiết lập đợc bảng so sánh độ bền chịu mài
mòn của gang Ni-hard và của gang hợp kim khác (bảng 5 )
Bảng 5 : Tốc độ mài mòn của gang Ni-hard và loại gang hợp kim khác
Thành phần hoá học
Độ mài mòn tơng đối



Mác gang
C Si Mn Cr Ni Mo S P

HB
Lớp lót rãnh tháo
quạng và máng
Lớp trong cùng
máy nghiền bi

Đầu máy phân
loại
Cánh quạt máy
tuyển nổi
Peclit 3,3 0,5 0,5 1,0 - 444 100 100 100 100
Ni-hard 3,2 0,5 0,6 2,0 4,5 - 0,12 0,2 601 - 55 80 -
Mactensit
cao Cr
- - - 27 - 0,5 - - 653 70 49 48 27
Cr15M3 2,75 0,7 0,7 15,0 - 3,0 0,03 0,06 712 51 44 41 -
Việc kiểm tra vật đúc gang Ni-hard có thể dùng mắt thờng nhng việc

kiểm tra tổ chức tế vi cũng cần thiết. Khi đạt đợc thành phần yêu cầu và chế độ
nhiệt luyện đảm bảo, trong tổ chức tế vi không còn graphit, lợng austenit d
phải ở giới hạn thấp nhất và độ cứng sau nhiệt luyện phải đạt các gía trị nh nêu
trong bảng 4.
1.3 ảnh hởng của nguyên tố hợp kim đối với gang Ni-hard
1.3.1 ảnh hởng của niken:
Hàm lợng niken tăng cùng với kích thớc mặt cắt hoặc thời gian làm
nguội sẽ hạn chế việc chuyển đổi peclit. Đối với vật đúc có chiều dày 38 - 50
mm hàm lợng niken 3,4 4,2 % là đủ để cản trở việc tạo thành peclit khi làm
nguội khuôn. Những tiết diện lớn hơn có thể cần hàm lợng niken đến 5,5 % để
loại bỏ việc tạo thành peclit. Điều quan trọng là làm sao có thể giới hạn hàm

14
lợng niken đến khoảng cần thiết để khống chế peclit. Việc d thừa niken sẽ làm
tăng lợng austenit d và độ cứng giảm thấp hơn.
1.3.2 ảnh hởng của silic
Silic rất cần thiết vì hai lý do: Một lợng tối thiểu silic cần thiết để tăng
cờng tính chảy loãng của mẻ luyện và tạo ra xỉ lỏng, nhng một điều quan
trọng không kém là tác dụng của nó tới độ cứng của vật đúc. Hàm lợng của
silic tăng lên khoảng từ 1 1,5 % sẽ thấy ngay sự tăng số lợng mactensit và kết
quả là tăng độ cứng của hợp kim. Việc thêm ferô-silic vào sau cùng (0,2% khi
dùng loại FeSi75) đã cho thấy độ dẻo tăng lên. Điều cần ghi nhớ là với hàm
lợng silic cao hơn sẽ thúc đẩy việc tạo thành peclit và yêu cầu cần phải tăng
niken.
1.3.3 ảnh hởng của crôm
Crôm là nguyên tố đầu tiên đợc cho vào để bù đắp tác dụng graphit hoá
của niken và silic trong hợp kim dạng A, B và C với hàm lợng Cr khoảng 1,4-
3,5%.
Hàm lợng crôm cần phải tăng thêm cùng với việc tăng kích thớc mặt cắt.
ở hợp kim type D, hàm lợng crôm trong khoảng 7-11 % (điển hình 9%) để tạo

ra cacbid cùng tinh với dạng cacbid crôm M
7
C
3
, loại này rắn hơn và có ảnh
hởng không lớn đối với độ dai.
1.3.4 ảnh hởng của mangan
Mangan đợc giữ cực đại tới 0,8% ngay cả khi cho phép 1,3 % nh trong
tiêu chuẩn ASTM A532. Mangan làm tăng độ cứng, loại trừ sự tạo thành peclit.
Nó là chất ổn định austenit mạnh hơn so với niken và tăng cờng lợng austenit
d cũng nh làm độ cứng vật đúc thấp hơn. Vì lý do trên hàm lợng mangan cao
hơn là không mong muốn. Khi tính toán hàm lợng niken cần thiết để loại bỏ
pha peclit trong một sản phẩm đúc định sẵn, thì hàm lợng mangan có mặt phải
là một hệ số phụ thuộc.
1.3.5 ảnh hởng của đồng
Đồng làm tăng độ cứng cũng nh duy trì đợc pha austenit, do đó phải
khống chế nó vì cùng nguyên nhân đó mà phải hạn chế mangan. Đồng phải

15
đợc xem nh chất thay thế niken và nó phải đợc tính vào lợng niken cần thiêt
để hạn chế peclit, nó làm giảm lợng niken yêu cầu đó.
1.3.6 ảnh hởng của molipđen
Molipđen là một tác nhân tăng độ cứng trong các loại gang hợp kim này và
nó đợc dùng trong vật đúc có tiết diện lớn để làm tăng thêm độ cứng và hạn chế
peclit.
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu
Gang hợp kim chịu va đập và chịu mài mòn nh gang Ni-hard là loại vật
liệu đợc các quốc gia có nền công nghiệp luyện kim tiên tiến nh Mỹ, Nga,
Đức, Nhật nghiên cứu và áp dụng vào thực tế sản xuất từ rất sớm. Một trong
các mác gang phổ biến là GX330NiCr42 theo tiêu chuẩn DIN1695-81 của Đức.

Thành phần hoá học của gang GX330NiCr42 và một số mác khác đợc nêu
trong bảng 6
Bảng 6 : Thành phần hoá học của mác gang GX330NiCr42 và tơng ứng
Thành phần hoá học (%)


Mác gang
C Si Mn Cr Ni Mo S P
GX330NiCr42
DIN1695-81

3,0 - 3,6 0,2 - 0,8 0,3 - 0,7 1,4 - 2,4 3,3 5,0
0,5 0,05 0,05
KmTBNi4Cr2-GT
GB8491-78
3,2 - 3,6 0,3 - 0,8 0,3 - 0,8 2,0 - 3,0 3,0 5,0 0 - 1,0
0,10 0,10
1ANi-Cr-HC
A352/A352M-93a
2,8 - 3,6
0,8 2,0
1,4 - 4,0 3,3 5,0
1,0 0,30 0,15
FBNi4Cr2HC
NF A32-401

3,2 - 3,6 0,2 - 0,8 0,3 - 0,7 1,5 - 2,5 3,0 5,0 0 - 1,0 - -
14-0513-0
SS14
3,2 - 3,6 0,3 - 0,6 0,3 - 0,6 1,5 - 2,5 3,0 5,5 0 - 1,0

0,30 0,15

Mác gang GX330NiCr42 tơng đơng với mác KmTBNi4Cr2-GT theo tiêu
chuẩn GB8491-78 của Trung Quốc, mác 1ANi-Cr-HC theo tiêu chuẩn ASTM

16
A352/A352M-93a của Mỹ, mác FBNi4Cr2HC theo tiêu chuẩn NF A32-401
(1988) của Pháp, mác 0513-00 theo tiêu chuẩn SS14 của Thuỵ Điển
Tính chất cơ học của gang hợp kim mác GX330NiCr42 và các mác gang
nêu trên đều tơng tự nh nhau và có giá trị nh sau:
+ Độ bền kéo 280 350 Mpa,
+ Độ cứng sau tôi, ram đạt 520 - 580 HV.
Với đặc tính nêu trên, đề tài chọn mác gang hợp kim GX330NiCr42 làm đối
tợng nghiên cứu vì nó đại diện cho nhóm gang chịu mài mòn Ni-hard. Đề tài sẽ
tiến hành nghiên cứu xác định công nghệ chế tạo và dựa trên trang thiết bị sẵn có
của Viện Luyện kim Đen cũng nh của các cơ sở phối hợp, thực hiện việc nấu
luyện và chế tạo sản phẩm. Đồng thời, tiến hành phân tích, kiểm tra và đánh giá
các đặc tính của vật liệu .

17
2. Nội dụng nghiên cứu và phuơng pháp thực nghiệm
2.1. Nội dung nghiên cứu
Dựa trên tiêu chuẩn DIN 1695-81 của Đức và các tiêu chuẩn nớc ngoài khác
để lựa chọn mác gang hợp kim phù hợp cho việc chế tạo các chi tiết độ bền cao,
chịu mài mòn ứng dụng trong các ngành gia công vật liệu.
1) Xây dựng đề cơng kế hoạch nghiên cứu: tổng quát và chi tiết.
2) Nghiên cứu các tài liệu về : công nghệ chế tạo, ứng dụng của gang và sản
phẩm dự kiến chế tạo, tiêu chuẩn vật liệu và tiêu chuẩn sản phẩm. Xây dựng báo
cáo tổng quan.
3) Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thiết bị để chế tạo mác gang hợp

kim GX330NiCr42 theo tiêu chuẩn DIN 1695-81. Dựa trên cơ sở vật chất, thiết
bị sẵn có tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định công nghệ gồm các
khâu:
Công nghệ nấu luyện,
Công nghệ đúc,
Công nghệ nhiệt luyện.
4) Đánh giá chất lợng vật liệu:
Thành phần hoá học
Tính chất cơ lý: Độ bền kéo, độ cứng, uốn
Khả năng chịu mài mòn
Cấu trúc pha.
5) Chế tạo thử 6-8 dao nghiền đĩa có chất lợng tốt. Xây dựng kế hoạch và và
tổ chức dùng thử tại một sản xuất. Theo dõi và đánh giá kết quả thử nghiệm và
khả năng sử dụng.
2.2. Phơng pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy chính xác cao, đề tài đã sử
dụng các phơng pháp và thiết bị nghiên cứu nh sau:
- Trên cơ sở tìm hiểu thực tế
sản xuất và các tài liệu trong và ngoài nớc về
gang chịu mài mòn, phân tích điều kiện làm việc của dao đĩa nghiền để lựa chọn
mác thép nghiên cứu.

18
- Sử dụng lò cảm ứng trung tần 300 kg/mẻ để thực hiện công nghệ nấu
luyện, khuôn mẫu sản phẩm, hòm khuôn, máy trộn hỗn hợp làm khuôn để thực
hiện công nghệ đúc, sử dụng các loại lò nung các loại để thực hiện công nghệ
nhiệt luyện
- Sử dụng phơng pháp phân tích hoá học truyền thống và thiết bị phân tích
quang phổ ARL 3460 của hãng FISONS, Thuỵ Sỹ để xác định thành phần hoá
học của nguyên liệu và sản phẩm gang nấu luyện

- Sử dụng máy kéo vạn năng YMM-50, máy kéo WE60 của Trung Quốc,
máy đo độ cứng TK2M và máy đo độ cứng cầm tay Computest của Thuỵ Sỹ để
xác định cơ tính của gang.
- Sử dụng kính hiển vi quang học Axiovert (CHLB Đức) để nghiên cứu
tổ chức tế vi và cấu trúc pha.
- Sử dụng thiết bị Pin on disc TRIBOtester để xác định khả năng chịu mài
mòn.



19
3. Kết quả thực nghiệm
3.1. Công nghệ nấu luyện gang GX330NiCr42
Trong thành phần hoá học của gang GX330NiCr42 có nhiều nguyên tố
hợp kim hoá tham gia nh Cr = 1,4 ữ 2,4%; Ni = 3,,3ữ5 %; Mo : 0,5-1,0 % .
Các nguyên tố hợp kim hoá đa vào đều có những ảnh hởng nhất định đến
tính chất của gang. Do đó, việc nấu luyện gang và hợp kim hoá không thể thực
hiện trong các thiết bị luyện gang thông thờng mà phải luyện trong các thiết bị
chuyên dùng. Việc sử dụng lò tần số cũng là một giải pháp có hiệu quả để luyện
loại gang hợp kim nêu trên.
Với quy mô đề tài yêu cầu, chúng tôi sử dụng lò trung tần công suất 300
kg/mẻ. Nguyên liệu để nấu luyện là gang thỏi, gang lốc máy, các loại ferô có
sẵn trong nớc. Trong việc sử dụng lò cảm ứng để nấu luyện, thì việc tính toán
phối liệu chính xác là yếu tố quan trọng. Để thực hiện tốt việc này, các nguyên
liệu đầu cần biết rõ thành phần hoá học, sau đó tiến hành chọn lọc và phân loại.
Nếu nguyên liệu gồm nhiều chủng loại khác nhau, cần thực hiện nấu cô nguyên
liệu và từ kết quả thành phần hoá học của mẻ nấu cô, việc tính toán phối liệu
các mẻ luyện chính thức sẽ đạt đợc kết quả chính xác hơn rất nhiều. Thành
phần hoá học của các nguyên liệu đợc trình bày trong bảng 7 .
Bảng 7: Thành phần hoá học các nguyên liệu dùng để luyện gang hợp kim

Thành phần hoá học

Nguyên liệu
C Mn Si Cr Ni Mo P S
Gang thỏi 3,85 0,45 0,85 0,052 0,045
Gang lốc máy 3,43 0,50 1,20 0,08 0,062 0,048
FeMo 0,20 58,6
FeCr (C cao) 7,45 62,50
Niken kim loại 99,56
Phế inox 316 L 0,06 1,45 0,56 17,8 13,64 2,45 0,021 0,018
Phế HK cao Ni 0,08 1,42 0,82 18,85 76,42 0,021 0,016


20
Để tính phối liệu mẻ luyện, chúng tôi sử dụng bảng hệ số cháy hao các
nguyên tố hợp kim (bảng 8). ở đây, hệ số cháy hao các nguyên tố hợp kim hoá
khi nấu luyện bằng lò cảm ứng đợc xây dựng dựa trên số liệu thống kê tại
Xởng Thép - Rèn -Viện Luyện kim Đen và một số cơ sở khác.
Bảng 8: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %
Si
6 ữ 10
Mn
3 ữ 6
Cr
2 ữ 3
Ni
1
Mo
1 ữ 2

C 6 10

Dựa vào thành phần hoá học của nguyên liệu đầu vào (bảng 7), hệ số cháy hao
các nguyên tố hợp kim (bảng 8), chúng tôi đã tính toán phối liệu cho 3 mẻ luyện,
mỗi mẻ có khối lợng 300 kg với nguyên liệu đầu vào khác nhau (bảng 9).
Bảng 9: Phối liệu các mẻ nấu (tính bằng kg)
TT Nguyên liệu Mẻ1 Mẻ 2 Mẻ 3
1 Gang thỏi 100,0 275,0 140,0
2 Niken kim loại 4,5 13,5
3 FeMo 2,20 2,0
4 FeCr (C cao) 9,8 3,6
5 Gang lốc máy 156,0 140,0
6 Phế thép 316 L 40,3
7 Phế HK cao Ni 18,0
Cộng 300,8 300,5 303,6


21
Quy trình thao tác nấu luyện nh sau:
+ Xếp liệu : Cho chất tạo xỉ (hỗn hợp CaO+CaF
2
đã nghiền nhỏ và sấy
khô) vào lót đáy lò, tiếp theo xếp Fe-Cr, Fe-Mo, Ni kim loại, phế inox 316L và
gang các loại.
+ Đóng điện cho lò hoạt động, nâng dần công suất để nung chảy mẻ liệu.
Khi kim loại đã nóng chảy hoàn toàn thì vớt xỉ ra và cho chất tạo xỉ mới vào.
+ Khi xỉ chảy hết, nhiệt độ nớc gang 1450-1480
o
C để lặng nớc gang
5ữ7 phút, vớt hết xỉ và rót gang vào nồi rót dới đáy đã có sẵn nhôm kim loại ở

dạng vụn nhỏ (0,4-0,6 kg cho mẻ 300 kg).
+ Rót gang vào khuôn đúc đã chuẩn bị sẵn.
+ Lấy mẫu phân tích : Mỗi mẻ gang lấy 2 mẫu đúc: bắt đầu rót và giữa
mẻ. Kết quả phân tích thành phần hoá học của 3 mẻ thí nghiệm tại Phòng Phân
tích hoá Viện Luyện kim Đen đợc trình bày trong bảng 10
Bảng 10: Thành phần hoá học của các mẻ gang GX330NiCr42
Thành phần hoá học

Mẻ
C Mn Si Cr Ni Mo P S
1 3,09 0,65 0,92 2,36 3,3 0,35 0,039 0,044
2 3,32 0,58 0,72 1,96 4,3 0,42 0,043 0,041
3 3,45 0,61 0,79 1,86 4,5 0,39 0,050 0,048

3.2 Công nghệ đúc gang GX330NiCr42 .
3.2.1 Một số đặc điểm về tính đúc của gang hợp kim GX330NiCr42
Gang hợp kim GX330NiCr42 có nhiều tính chất đặc biệt. Do đó công
nghệ đúc loại gang này có nhiều điểm cần chú ý:
- Độ co ngót 1,9-2,5 %, ứng suất bề mặt lớn, dễ gây nứt.
- Chi tiết đúc tự tôi trong quá trình làm nguội, nếu tốc độ làm nguội chậm,
cơ tính giảm (độ mài mòn giảm)

22
- Hạn chế gia công sản phẩm đúc bằng lỡi cắt hay hàn mà chỉ nên mài
nhẵn.
Với yêu cầu đó, khuôn mẫu và quy trình đúc phải đợc thực hiện chặt chẽ.
3.2.2 Lựa chọn công nghệ và thiết bị đúc
Dao nghiền đĩa, một chi tiết không lớn, nhng có cấu hình phức tạp (bề mặt
gồm nhiều răng, rãnh nhỏ và sâu ). Do đó việc chế tạo mẫu đúc tơng đối phức
tạp vì các chi tiết nhỏ và cần có độ chính xác cao. Mẫu phải đợc chế tạo chính

xác và nhẵn bóng để khi chi tiết đúc xong có thể giảm tối thiểu công việc hoàn
thiện bằng gia công cắt.
Chúng tôi đã chế tạo 2 bộ khuôn dao đĩa nghiền (theo thiết kế thì một bộ
đĩa dao có 2 chiếc: một có răng theo chiều kim đồng hồ, một có răng ngợc lại).
Từ những đặc điểm về tính đúc của gang hợp kim GX330NiCr42 và hình
dạng phức tạp của chi tiết đúc, chúng tôi chọn công nghệ đúc sử dụng khuôn cát
đông cứng nhanh nh sau:
1) Hỗn hợp làm khuôn: Cát + nớc thuỷ tinh + khí CO
2
.
Với hỗn hợp này, khuôn có độ vững chắc tốt, chịu đợc các tác động của
tác dụng cơ học, nhiệt học, lý học, hoá học do các tác động từ bên ngoài trong
quá trình làm khuôn, đúc rót. Sử dụng hỗn hợp sơn khuôn (graphit + nhựa thông
và cồn công nghiệp) để đảm bảo sản phẩm đúc đợc chính xác.
2) Nhiệt độ rót:
Nhiệt độ rót có ảnh hởng rất lớn đến độ lớn của rỗ co vì độ co trớc khi
đông đặc phụ thuộc vào nhiệt độ rót. Kim loại nếu rót ở nhiệt độ cao thì sẽ co
nhiều trong khuôn đúc, nếu rót ở nhiệt độ thấp thì trớc khi rót vào khuôn nó đã
co lại phần nào, do đó độ co của nó ở trong khuôn sẽ ít hơn một lợng bằng
lợng đã co trớc khi rót. Đối với gang hợp kim GX330NiCr42, chúng tôi nhận
thấy nhiệt độ rót thích hợp là: 1420
o
C.
3) Phơng pháp rót:
Đề tài lựa chọn phơng pháp đúc rót xi-phông . Nh chúng ta đã biết, rỗ
co bao giờ cũng sinh ra ở nơi mà kim loại đông đặc sau cùng. Khi đúc nếu rót
đùn từ dới lên thì kim loại lỏng nằm phía dới sẽ đông đặc sau cùng và rỗ co
đợc tạo ra ở phía đó. Để khắc phục hiện tợng này, phơng pháp thờng dùng
là đậu ngót.

23
Đề tài đã thực hiện đúc theo công nghệ nêu trên và đã đúc thành công dao
nghiền đĩa bằng gang GX330NiCr42. Sau khi sản phẩm đợc làm sạch, qua kiểm
tra sơ bộ bằng mắt thờng, chúng tôi đã chọn 6 dao nghiền đĩa có chất lợng tốt
nhất. Các dao nghiền đĩa này đợc gia công hoàn thiện và nhiệt luyện để đạt các
chỉ tiêu mà cơ sở sản xuất nêu ra.
3.3 Công nghệ nhiệt luyện gang GX330NiCr42

3.3.1 ủ mềm gang GX330NiCr42
Cấu trúc của gang GX330NiCr42 sau két tinh và nguội chậm trong khuôn
cát bao gồm cacbid, peclit, mactensit và austenit d với độ cứng cao 45-52 HRC.
Để có thể gia công cắt gọt (mặc dù rất hãn hữu),
sản phẩm cần đợc ủ mềm để hạ
độ cứng xuống còn 30-34 HRC. Bản chất của quá trình ủ mềm của gang Ni-hard
là thay đổi nền austenit-mactensit thành nền peclit.
Quá trình ủ mềm thực hiện nh sau:
Sản phẩm gang GX330NiCr42 đợc cho vào lò từ nhiệt độ phòng và nâng
nhiệt chậm, khi đạt 950 980
o
C giữ đẳng nhiệt trong thời gian 4-6 giờ. Sau đó
làm nguội chậm theo lò (15
o
C/h) đến 800
o
C, tại nhiệt độ này giữ trong 5-12 giờ
và sau đó làm nguội chậm theo lò.
3.3.2 Tôi, ram gang hợp kim GX330NiCr42
Mục đích của quá trình tôi là biến đổi nền austenit-mactensit-peclit thành
nền mactensit có độ cứng cao, đảm bảo cơ tính và khả năng chịu mài mòn của
vật liệu.

Công nghệ và chất lợng tôi phụ thuộc vào tính ổn định austenit trong nền
vật liệu. tính ổn định austenit lại phụ thuộc vào lợng cacbon hoà tan . Khi nung
nóng chi tiết có austenit d, từ austenit sẽ tiết ra cacbid thứ cấp và qua đó lợng
cacbon hoà tan trong austenit giảm. Sự nghèo hoá cacbon trong austenit sẽ làm
giảm tính ổn định của austenit và tăng nhiệt độ bắt đầu cũng nh kết thúc
chuyển biến mactensit.
Khả năng hoà tan cacbon trong austenit phụ thuộc vào nhiệt độ austenit
hoá. Nhiệt độ chuyển biến mactensit chủ yếu phụ thuộc vào hàm lợng cacbon
trong austenit. Nh vậy với một loại vật liệu nhất định sẽ có một nhiệt độ tôi tối
u. Nừu nhiệt độ tôi thấp hơn nhiệt độ tôi tối u thì lợng cacbid tiết ra sẽ nhiều

24
hơn và tính ổn đinh austenit sẽ giảm đi. Điều này sẽ tạo điều kiện thuận tiện cho
quá trình chuyển biến mactensit nhng độ cứng của mactensit loại này lại thấp vì
lợng cacbon hoà tan trong austenit thấp hơn. nếu nhiệt độ tôi cao hơn nhiệt độ
tôi tối u thì lợng mactensit tạo ra trong quá trình tôi ít hơn và trong tổ chức khi
tôi có austenit d. Tuy vậy độ cứng mactensit này lại cao hơn. Vì vậy, việc tối u
hoá nhiệt độ tôi, tốc độ nung , thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội là những
vấn đề liên quan tới kỹ thuật, kinh tế cũng nh tình trạng thiết bị hiện có.
Sản phẩm gang crôm-niken cần đợc nhiệt luyện khử ứng suất bề mặt bởi
vì nó đợc chế tạo theo một cách đặc biệt, ở thể đúc chúng có tổ chức mactensit.
Việc ram đợc thực hiện trong khoảng 250-300
o
C trong vòng 4h. Điều này
giúp ổn định mactensit và loại bỏ đợc một số chuyển đổi ứng suất và làm tăng
độ bền cũng nh độ dai va đập khoảng 50-80%. một lợng nhỏ mactensit có thể
đợc tạo thành khi làm nguội từ nhiệt độ này. Việc nhiệt luyện này không làm
giảm độ cứng hoặc khả năng chịu mài mòn của vật liệu.
Trong quá trình nhiệt luyện bất kỳ một loại gang Ni-hard nào, điều cần chú
ý là tránh tạo ra vết nứt do sốc nhiệt, do đó không bao giờ đợc đặt vật đúc vào

trong lò còn đang nóng hoặc nung nóng hay làm nguội quá nhanh. Vật đúc với
hình dáng phức tạp và quá mỏng rất dễ nứt vỡ.
Quá trình tôi gang GX330NiCr42 đợc miêu tả trong hình 2 .
+ Nhiệt độ tôi : 860-880
o
C
+Thời gian đẳng nhiệt : 2- 4 giờ
+ Môi trờng tôi : không khí
Quá trình ram gang GX330NiCr42 đợc miêu tả trong hình 3
+ Nhiệt độ : 250-300
o
C
+ Thời gian đẳng nhiệt : 4 -6 giờ
+ Môi trờng làm nguội : Không khí