Nghiên cứu nâng cao chất lượng gang cầu pherit sử dụng trong công nghệ chế tạo chi tiết tay quay

Bộ công thơng
Viện khoa học và công nghệ Mỏ-Luyện kim








BO CO đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển cấp bộ


Đề tài:

Nghiên cứu nâng cao chất lợng gang cầu pherit
trong công nghệ chế tạo chi tiết
tay quay van xuất khẩu


Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Chiến
Đồng chủ nhiệm: Nguyễn Hữu Dũng
Cơ quan quản lý đề tài: Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim

6861
15/5/2008


Hà nội 2007


Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
1


các cơ quan phối hợp thực hiện

1.
Đại học Bách khoa HN
2. Công ty Cơ khí Hà nội
3.
Công ty cơ khí Đông anh



Danh sách các cá nhân tham gia đề tài

TT Họ và tên Nghề nghiệp Đơn vị

1 Nguyễn Văn Chiến Tiến sỹ Viện KHCN Mỏ Luyện kim
2 Nguyễn Hữu Dũng PGS TS Đại học Bách khoa HN
3 Nguyễn Hồng Hải ThS Đại học Bách khoa HN
4 Văn Ngọc Hồng Kỹ s Đại học KTCN Thái nguyên
5 Nguyễn Mạnh Đạt Kỹ s Viện KHCN Mỏ Luyện kim
6 Nguyễn Tuấn Kỹ s Viện KHCN Mỏ Luyện kim

Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
2

mục lục
Lời nói đầu
Chơng 1. tổng quan về Gang cầu
1.1 Khái quát về gang cầu 9
1.1.1 Tổ chức gang cầu 9
1.1.2 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất 11
1.2 Các yếu tố ảnh hởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất
gang cầu 11
1.2.1 Hình dạng graphit 12
1.2.2 Thành phần hóa học 12
1.2.3 Các phơng pháp nhiệt luyện gang cầu 16
1.2.4 ảnh hởng của tốc độ nguội
1.3 Tình hình sản xuất gang cầu ở trong nớc và nớc ngoài 18

Chơng 2. Công nghệ chế tạo gang cầu
2.1 Các phơng pháp chế tạo gang cầu 20
2.1.1 Phơng án các quá trình sạch 20
2.1.2 Phơng pháp có các quá trình hóa học 21
2.1.3 Một số công nghệ biến tính sử dụng Mg và hợp kim

trung gian Mg. 22
2.2 Tác dụng của magiê khi làm chất biến tính cầu hóa 23
2.2.1 Khử khí và tinh luyện 23
2.2.2 Tác dụng khử lu huỳnh 24
2.2.3 Hàm lợng Mg d sau biến tính 27
2.2.4 Sự cháy hao của các nguyên tố khi biến tính. 28
2.3 Gang cầu pherit 29
Chơng 3. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
3.1 Nội dung nghiên cứu 36
3.1.1 ảnh hởng của thành phần phối liệu đến việc hình
Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
3
thành tổ chức pherit 36
3.1.2 ảnh hởng của hàm lợng cacbon, silic, mangan đến
việc hình thành tổ chức pherit. 36
3.1.3 ảnh hởng của chiều dày thành vật đúc đến cơ tính
gang cầu pherit trạng thái đúc. 37
3.1.4 Thiết kế công nghệ và đúc thử cho chi tiết van tay
quay bằng công nghệ khuôn cát tơi. 38
3.2 Phơng pháp nghiên cứu
3.2.1 Thiết bị và nguyên liệu thí nghiệm 39
3.2.2 Qui trình công nghệ: 41
3.2.3 Các điều kiện ban đầu 43
3.2.4 Nhiệt luyện gang cầu 44

Chơng 4. Kết quả và thảo luận
4.1 Khảo sát và đánh giá thực tế công nghệ sản xuất gang cầu
pherit 45
4.2 ảnh hởng của hàm lợng mangan đến tính chất gang cầu

pherit trạng thái đúc 51
4.3 ảnh hởng của chiều dày thành vật đúc đến tính chất gang
cầu trạng thái đúc 53
4.4 ảnh hởng của Cu đến tính chất gang cầu trạng thái đúc 56
4.5 ảnh hởng của đồng đến tính chất gang cầu sau nhiệt luyện 59
4.6 ảnh hởng của hàm lợng Mg d 61
4.7 áp dụng kết quả vào sản xuất 64
4.8 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm 68

Kết luận và kiến nghị 70




Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
4


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Tổ chức gang cầu nền ferit + peclit
Hình 1.2 Độ bền và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm
lợng Si và nền kim loại
Hình 1.3 Hình dạng graphit và cơ tính của gang
Hình 1.4 ảnh hởng của hàm lợng Mn đến cơ tính gang
cầu
Hình 1.5 ảnh hởng của lu huỳnh đến độ dãn dài của gang
cầu
Hình 1.6 Ngỡng giòn của gang cầu phụ thuộc vào hàm

lợng photpho
Hình 2.1 Phơng pháp biến tính a) nhúng và b) nồi autoclap
Hình 2.2 Phơng pháp biến tính bằg dây nhồi.
Hình 2.3 Phơng pháp biến tính trong thùng quay
Hình 2.4 Phơng pháp biến tính liên tục trên dòng chảy
Hình 2.5 Phơng pháp gầu Tundish
Hình 2.6 Cân bằng Mg-S tại nhiệt độ 1500
0
C
Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe Mg
Hinh 2.8 nh hng ca t chc nn n dai va p ca
gang cu pherit
Hỡnh 2.9 ảnh hởng của Si tới tính chất của gang cầu pherít
Hỡnh 2.10 nh hng ca hm lng P n dai va p ca
gang cu pherit
Hình 3.1 Mẫu thí nghiệm và xác định cơ tính
Hình 4.1 Tổ chức kim loại của mẫu
Hình 4.2 ảnh hởng của tỉ lệ C/Si đến cơ tính của gang cầu
Hỡnh 4.3 Hm lng Mn v bn kộo ca gang cu
Hỡnh 4.4 Hm lng Mn v dãn dài ca gang cu trạng thái đúc
Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
5
Hỡnh 4.5 Chiều dày vật đúc v bn kộo ca gang cu trạng thái đúc
Hình 4.6 Chiều dày vật đúc và độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc
Hình 4.7 ảnh hởng của Cu đến độ bền kéo gang cầu trạng thái đúc
Hình 4.8 ảnh hởng của Cu đến độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc
Hình 4.9 Gang cầu 0,5% Cu trạng thái đúc
Hình 4.10 ảnh hởng của Cu đến độ bền kéo gang cầu
Hình 4.11 ảnh hởng của Cu đến độ dãn dài gang cầu

Hình 4.12 Gang cầu 0,5% Cu sau nhiệt luyện
Hình 4.13 ảnh hởng của hàm lợng Mg d đến độ bền
Hình 4.14 ảnh hởng của hàm lợng Mg d đến độ dãn dài
Hình 4.15 Công nghệ đúc tay quay bằng gang cầu pherit trạng thái đúc
Hình 4.16 Bản vẽ chi tiết tay quay
Hình 4.17 Chi tiết tay van
Hình 4.18 Vật đúc chi tiết tay van
Hình 4.19 Công nghệ đúc mũ sứ gang cầu
Hình 4.20 Chi tiết đúc mũ sứ gang cầu













Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
6



danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1 Tính chất của gang cầu hợp kim theo tiêu chuẩn DIN1693,
Bảng 2.1 Sự thay đổi hàm lợng khí trong gang khi biến tính bằng
FeSiMg5
Bảng 2 2 Khả năng khử S của các nguyên tố đất hiếm phụ thuộc vào
nhiệt độ
Bảng 2.3 Đặc tính chủ yếu của một số chất biến tính cầu hoá để sản
xuất gang graphit cầu.
Bảng 2.4 Thành phần một số loại chất biến tính cầu hoá chứa đất hiếm.
Bảng 2.5 Tính chất của gang cầu pherit
Bảng 2.6 Thành phần các nguyên tố thờng gặp trong gang cầu graphit .
Bảng 4.1 Tính chất gang cầu không dùng gang thỏi trong mẻ liệu
Bảng 4.2 Tính chất gang cầu khi dùng 20% gang thỏi trong mẻ liệu,
hàm lợng Mn thấp.
Bảng 4.3 Tính chất gang cầu khi dùng Cđl > 4,5%
Bảng 4.4 Độ bền kéo và hàm lợng Mn trong gang cầu
Bảng 4.5 Độ dãn dài và hàm lợng Mn trong gang cầu trạng thái đúc
Bảng 4.6 Chiều dày vật đúc và Độ bền kéo trạng thái đúc
Bảng 4.7 Chiều dày vật đúc và Độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc
Bảng 4.8 ảnh hởng của Cu đến cơ tính gang cầu trạng thái đúc






Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
7

Mở đầu

Trong những năm gần đây, gang cầu đã trở thành một loại vật liệu rất
quan trọng trong ngành chế tạo máy do những u việt của vật liệu nh: tính
đúc tốt, tính chất cơ học cao, gía thành vừa phải. Bằng công nghệ biến tính
và thay đổi thành phần vật liệu, có thể tạo ra những mác gang cầu thoả mãn
nhiều nhu cầu của sản xuất và mở ra một viễn cảnh rất rộng lớn cho việc áp
dụng gang cầu trong việc chế tạo chi tiết trong ngành ôtô, xây dựng, nông
nghiệp, mỏ, quân sự và trong ngành đờng sắt mà trớc đây thờng chế tạo
bằng phơng pháp rèn hoặc đúc thép.
Tính chất gang cầu phụ thuộc vào cấu trúc nền, hình dạng, kích thớc
và sự phân bố graphit trong gang. Nền và hạt graphit lại phụ thuộc vào thành
phần hoá học của gang lỏng, phơng pháp khử lu huỳnh và phơng pháp
tạo xỉ ở trong gầu rót nh thế nào, chúng còn phụ thuộc vào phơng pháp
biến tính, khoảng thời gian giữa các sự kiện trên và cũng phụ thuộc vào
hình dáng chi tiết đúc trong khuôn.
Đối với gang cầu pherit trạng thái đúc, sự có mặt của các nguyên tố
nh mangan và crôm là những nguyên tố có ảnh hởng rất mạnh đến tính
chất cơ học của gang. Với lý do này thì thành phần của chúng phải đợc
khống chế rất chặt chẽ. Mangan và crôm vào gang lỏng từ sắt thép vụn,
gang và hồi liệu. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, sử dụng sắt thép vụn sao
cho gang lỏng chứa ít hơn 0,1%Cr, hàm lợng Mn trong khoảng 0,2-0,3%
thì chất lợng gang cầu sẽ dễ khống chế hơn. Trong sắt thép vụn hàm lợng
mangan khá cao, đa số đều chứa đến 0,5% cho nên khống chế hàm lợng
Mn là việc rất cần thiết. Lợng sắt thép vụn cần phải khống chế ở mức sao
cho vật đúc chứa càng ít cacbit càng tốt. Điều này đặc biệt quan trọng trong
công nghệ chế tạo gang cầu pherit.
Cấu trúc graphit trong gang cầu chịu ảnh hởng của hàm lợng cacbon
và cacbon đơng lợng cũng nh tỉ lệ C/Si. Nhiều thí nghiệm cũng đã chỉ ra
rằng, thành phần mẻ liệu có ảnh hởng rất lớn đến tính chất của gang cầu
pherit ở trạng thái đúc. Các nguyên tố phản cầu cần phải khống chế chặt chẽ

Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
8
là: Sn 0,01%; As 0,02%; (V+Mo) 0,01%; Cr 0,04%; Sn 0,02%;
P0,05%.
Mục đích của đề tài: ti ny nhằm giải quyết một số vấn đề sau
đây:
1. ảnh hởng của thành phần phối liệu đến chất lợng gang cầu
pherit trạng thái đúc.
2. ảnh hởng của hàm lợng mangan đến chất lợng gang cầu pherit
trạng thái đúc
3. ảnh hởng của chiều dày thành vật đúc đến chất lợng gang cầu
pherit trạng thái đúc.
4. Thiết lập đợc công nghệ sản xuất gang cầu pherit trạng thái đúc

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Khi đã giải quyết đợc các vấn đề nêu trên, đề tài sẽ góp phần vào việc
hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về gang cầu pherit trạng thái đúc.
Kết quả của đề tài giúp cho các cơ sở sản xuất đúc không bị động khi
nhận các đơn hàng về gang cầu pherit. Khi kết quả của đề tài là ổn định, sẽ
áp dụng để sản xuất chi tiết tay quay bằng gang cầu dùng cho xuất khẩu.
Đề tài này cũng là cơ sở cho việc thực hiện một luận án Thạc sỹ về
ngành Khoa học và Công nghệ vật liệu.

Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
9
Chơng 1. Tổng quan về gang cầu
1.1 Khái quát về gang cầu:
Gang graphit cầu, gọi tắt là gang cầu, có cơ lý tính cao hơn hẳn gang xám
thờng. Gang cầu có độ bền cao, mô đun đàn hồi lớn và độ dẻo cao. Về cơ tính
có thể sánh ngang với thép cácbon nhng dễ đúc hơn nhiều, do đó gang cầu đợc
dùng thay thế thép làm những chi tiết quan trọng nh trục khỷu ô tô, biên, trục
cán. Chính vì vậy vấn đề cầu hoá graphit đã đợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
1.1.1 Tổ chức gang cầu:
Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit hình cầu và nền kim loại. Tổ chức nền
kim loại của gang cầu giống thép. Về cơ bản, ở trạng thái đúc, gang cầu có các
loại tổ chức nền: peclit, peclit+pherit và nền pherit. Các hạt graphit hình cầu
phân bố đều trên nền kim loại này. Hình 1.1 giới thiệu tổ chức của gang cầu
peclit+pherit
- Graphít ở dạng quả cầu tròn, hình dáng và kích thớc các hạt graphit cầu
quyết định độ bền kéo vàđộ dẻo rất cao của gang cầu so với gang xám.

Hình 1. 1: Tổ chức gang cầu nền ferit + peclit
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
10
- Có thể sử dụng các phơng pháp nhiệt luyện của thép cho gang cầu để
đạt đợc các tổ chức nền kim loại khác nhau. (Ví dụ: xoocbit, bainit,
mactenxit )
Tính chất của gang cầu cho các mẫu và vật đúc có thành dầy khác nhau,
ứng với tổ chức nền kim loại khác nhau đợc cho trong bảng 1.1.

Bảng 1.1 Tính chất của gang cầu hợp kim theo tiêu chuẩn DIN1693, phần I, mẫu lấy ở trạng
thái đúc [1].

Loại gang theo tiêu
chuẩn DIN 1693
Phần I
Độ dài va
chạm (mẫu
có vết khía),
đo ở 20
0
C

Giá trị
TB từ
3 mẫu
Giá
trị
Ký hiệu
Số liệu
vật liệu
Thành
dày vật
đúc
mm
Chiều
dày
mẫu
đúc
mm
Độ bền
kéo

R
m

min
N/mm
2
Giới
hạn
chảy
0,2%

R
p 0,2
min
N/mm
2

Độ
dãn
dài
A
5


%
min. j
Tổ
chức
(cơ
bản)
GGG-40,3 0.7043
30-60
60-200
40
70
390
370
250
240
15
12

14
12
11
19
Chủ
yếu là
pherit
GGG-40 0.7040
30-60
60 - 200
40
70
390
370
250
240
15
12
- -
Chủ
yếu là
pherit
GGG-50 0.7050
30-60
60 - 200
40
70
450
420
300

290
7
5
- F-P
GGG-60 0.7060
30-60
60 - 200
40
70
600
550
360
340
2
1
- - P-F
GGG-70 0.7070
30-60
60 - 200
40
70
700
650
400
380
2
1
- -
Chủ
yếu là

peclit





Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
11
1.1.2 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất gang cầu
Tổ chức gang cầu bao gồm hai thành viên chủ yếu là graphit cầu và nền
kim loại. Cùng dạng graphit, tổ chức nền kim loại của gang cầu có liên quan trực
tiếp với cơ tính và tính chất làm việc của gang. Mối quan hệ này đợc thể hiện
trên hình 1.2.














Nh vậy, nhờ thay đổi tổ chức nền kim loại, hoàn toàn có thể chế tạo ra

các mác gang khác nhau.
1.2 Các yếu tố ảnh hởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất gang cầu
1.2.1 Hình dạng graphit
Graphit trong gang làm giảm diện tích chịu tải và làm mất tính liên tục
của nền kim loại do đó làm giảm cơ tính của gang. Nếu coi graphit trong gang

Hình 1.2 Độ bền và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm
lợng Si và nền kim loại. 1- trạng thái đúc, 2- nền pherit; 3-
nền peclit /2/
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
12
nh một lỗ hổng, ứng suất tập trung bên cạnh lỗ hổng phụ thuộc vào hình dạng
và chiều dài graphit
/8/
và cùng một tổ chức nền, tính chất gang cầu phụ thuộc
hình dạng graphit đợc chỉ ra nh trên hình 1.3









1.2.2 Thành phần hóa học:
C và Si:
Cacbon tan rất ít trong sắt. Về mặt tổ chức nền thì càng ít cacbon,

độ bền của gang càng cao. Trong gang cầu, cacbon đơng lợng thờng khống
chế ứng với thành phần cùng tinh hoặc cao hơn một chút để tạo điều kiện thuận
lợi cho việc cầu hóa và tránh đợc tổ chức biến trắng. Thông qua điều chỉnh hàm
lợng C có thể điều chỉnh đợc tổ chức nền gang. Tăng hàm lợng C tới giới
hạn nhất định, tuy làm cho lợng graphit tăng cao hơn, nhng lại có lợi là làm
tăng độ dẻo và độ dai cho gang.
Silic tan trong sắt làm tăng độ cứng của pherit, kìm hãm quá trình tiết ra
peclit. Nền kim loại có thể thay đổi từ ledeburit thành hoàn toàn pherit khi hàm
lợng Si thay đổi từ 1% tới 4,5%. Để phòng tránh tổ chức biến trắng và giảm bớt
lợng peclit trong tổ chức nền, cần giữ hàm lợng Si ở mức độ thích hợp, song Si
không nên quá cao vì khi Si hòa tan nhiều vào pherit làm giảm tính dẻo của
gang. Gang cầu thông thờng chứa 3,3 -3,9%C; 2,0 - 2,5%Si.
Hình 1.3 Hình dạng graphit và cơ tính của gang /3/


Tấm vụn
Rm=350MPa; A5=1-2%

Hình cầu
Rm=600MPa; A5=11-12%


Cụm hoa bông
Rm=500MPa; A5=6-7%

Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
13
Mn: Trong gang cầu, Mn thờng thiên tích lớn, hàm lợng Mn trên biên

giới các hạt thờng cao hơn từ 3 - 4 lần trong hạt cùng tinh. Mangan l nguyên
tố có tác dụng điều chỉnh tổ chức nền của gang. Do chất cầu hóa khử S tốt nên
hàm lợng S trong gang còn lại rất thấp, nên chỉ có một bộ phận nhỏ Mn sẽ kết
hợp với S còn đại bộ phận Mn hòa tan vào pherit làm tăng độ bền, giảm độ dẻo
và độ dai của nền gang. Thông thờng hàm lợng Mn trong gang cầu pherit nên
giữ ở mức 0,2 - 0,4%, còn trong gang cầu peclit hàm lợng Mn là 0,4 - 0,6%.







S:
Lu huỳnh là nguyên tố có hại khi biến tính cầu hoá. Bản thân lu
huỳnh làm giảm sức căng bề mặt của gang, hạn chế khả năng tiết ra graphit khi
kết tinh. Bởi vậy, trong qua trình nấu gang cầu, cần hạn chế lu huỳnh trong
gang sao cho gang ra lò chỉ dới 0,04%S. Mặt khác khi hàm lợng lu huỳnh
cao phải dùng nhiều Mg nên lợng MgS càng nhiều càng bất lợi vì MgS gây ra
khuyết tật gọi là điểm đen trong gang cầu. Phơng pháp biến tính liên tục trên
dòng chảy đòi hỏi hàm lợng S rất nhỏ nh chỉ ra trên hình 1.5.

Hình 1.4 ảnh hởng của hàm lợng Mn đến cơ tính gang cầu /4/
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
14


Photpho:

Photpho ngăn cản quá trình phân hủy peclit nên cần hết sức lu ý khi ủ
pherit hóa gang cầu. Hàm lợng photpho nhỏ không ảnh hởng đáng kể tới tổ
chức gang cầu.








Tuy nhiên, phốt pho là nguyên tố dẽ bị thiên tích, nếu ở mức thiên tích
mạnh có thể làm xuất hiện cùng tinh hai nguyên (Fe
3
P + Fe) ở trên biên giới hạt

0,08% P
0,016% P

-100 0 100
0
C
KW/cm
2
0,3



0,2

0,1



0
Hình 1.6 Ngỡng giòn của gang cầu phụ thuộc vào hàm lợng photpho
Hình 1.5 ảnh hởng của lu huỳnh đến độ dãn dài của gang cầu /5/
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
15
có điểm nóng chảy khoảng 1050
o
C, làm giảm tính dẻo dai của gang. Đối với
gang cầu pherit tác hại xuất hiện rất sớm làm cho nhiệt độ chuyển hoá dẻo giòn
của gang đợc nâng cao. Do vậy, hàm lợng P trong gang cầu cần khống chế <
0,08%.
Nguyên tố hợp kim:
Mo
: Molipden làm nhỏ kích thớc các hạt graphit cầu, làm nhỏ tổ chức
peclit và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền, qua đó làm tăng độ bền, độ cứng của
gang. Nếu hàm lợng Mo vợt quá 2%, tổ chức nền gang có thể xuất hiện bainit.
MO là nguyên tố cacbit hóa yếu, làm thu hẹp vùng austenit và làm cản trở mạnh
quá trình chuyển biến austenit, vì vậy rất dễ tạo ra tổ chức chuyển biến ở cấp
bainit. Khi đa 0,1%-0,3% Mo vào sẽ gây ra tác dụng pherit hóa, lúc đó làm mở
rộng vùng pherit (vùng trắng bao quanh hạt graphit cầu) và làm giảm lợng
peclit của tổ chức nền. Khi dùng với lợng cao hơn thì tác dụng đó không còn

nữa và sự chuyển biến xảy ra theo chiều ngợc lại, làm giảm pherit và dẫn tới tạo
ra tổ chức bainit và mactenxit.
Cu:
Làm tăng quá trình graphit hóa của tổ chức cùng tinh và ngăn trở quá
trình graphit hóa của tổ chức cùng tích, cũng phần nào có tác dụng làm nhỏ các
hạt graphit cầu. Cu có tác dụng làm mịn tổ chức peclit và tăng khả năng xuất
hiện tổ chức peclit trong nền gang. Nói chung, ảnh hởng của Cu tới gang cầu có
nhiều điểm phức tạp và còn nhiều mâu thuẫn. Ví dụ: trong những loại gang rất ít
nguyên tố tạp chất có hại, khi biến tính bằng Mg thì 2-3% Cu cũng không có
ảnh hởng nhiều đến graphit cầu. Còn nếu trong gang có chứa các nguyên tố cản
trở cầu hóa thì chỉ cần 1-2% Cu thôi cũng đã làm xấu rõ rệt sự hình thành graphit
cầu. Chính vì vậy, khi nguyên tố cản trở graphit hóa càng nhiều thì lợng Cu cho
vào càng phải ít.
Ni:
Niken thúc đẩy quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tinh, ngăn
trở quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tích, làm nhỏ mịn tổ chức peclit
và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền. Gang cầu có hàm lợng Ni thấp cho tổ
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
16
chức nền peclit; hàm lợng Ni trung bình cho nền mactenxit; hàm lợng Ni cao
cho nền là austenit. Ni là nguyên tố cản trở sự pherit hóa đồng thời có tác dụng
ổn định peclit. Do đó, Ni đợc dùng chủ yếu để điều chỉnh tỷ lệ tổ chức F và P
trong vật đúc.
Ưu điểm của việc hợp kim hóa Ni cho gang biến tính bằng Mg là: có thể
tăng thời gian giữ gang sau biến tính, mà không gây mất tác dụng biến tính.
Cr
: Là nguyên tố cacbit hóa rất mạnh, rất dễ thiên tích. Khi kết tinh, Cr
bị thiên tích và tập trung ở tinh giới hạt, tạo ra một mạng lới cacbit xung quanh

các hạt. Khi làm nguội chậm, Cr cản trở quá trình pherit hóa. Để chắc chắn loại
bỏ đợc tổ chức cacbit thì hàm lợng Cr không đợc vợt quá 0,05%. Dùng Cr
trong gang cầu có thể làm tăng độ cứng nhng lại làm giảm độ dai, độ dẻo của
gang cầu.
Zn
: Là nguyên tố peclit hóa rất mạnh nên đợc dùng chủ yếu để sản xuất
gang cầu peclit ở trạng thái đúc. Nếu trong mẻ nấu có nhiều nguyên tố tạp chất
cản trở cầu hóa thì không nên sử dụng nhiều kẽm.
1.2.3 Các phơng pháp nhiệt luyện gang cầu.
Gang cầu có đặc điểm là có thể áp dụng các phơng pháp nhiệt luyện của
thép cho gang cầu. Nhờ các phơng pháp nhiệt luyện mà tính chất gang cầu có
thể thay đổi trong khoảng rất rộng.
Đối với gang xám, tính chất cơ học phụ thuộc đáng kể vào phơng thức
kết tinh của graphit, ít chịu ảnh hởng của tổ chức nền kim loại. Đối với gang
cầu thì hoàn toàn ngợc lại. Khi gang đã có 100% graphit tiết ra ở dạng cầu, tính
chất cơ học của gang vẫn có thể thay đổi đợc bằng cách thay đổi tổ chức nền
kim loại thông qua nhiệt luyện. Nếu ở trạng thái đúc, gang cha đạt đợc các
tính chất theo yêu cầu, ta có thể nhiệt luyện để đạt đợc các tính chất đó.
Ngoài các phơng pháp nhiệt luyện thông thờng giống nh thép, gang
cầu còn có hình thức nhiệt luyện khá đặc trng là phơng pháp tôi đẳng nhiệt
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
17
hay còn gọi là gang cầu ADI (Austempered Ductile Iron). Gang cầu ADI có tính
chất nh sau: độ bền Rm= 900-1200 MPa, độ dãn dài A5 = 10-20%
/6, 7/
.
1.2.4 ảnh hởng của tốc độ nguội
Về mặt kết cấu chi tiết, vật liệu tốt nhất là vật liệu có tính chất cơ học

hòan toàn giống nhau trên toàn bộ thiết diện. Gang xám là loại vật liệu rất nhạy
cảm với chiều dày thành vật đúc. Tính chất gang cầu ít phụ thuộc vào chiều dày
thành vật đúc. Rót gang cầu có cùng hàm lợng mangan vào mẫu bậc trong
khuôn cát và khuôn kim loại, độ cứng của chúng khác nhau không nhiều
/8/
. Gang
cầu cũng có thể đúc trong khuôn kim loại
/8,,10,11/
, nhng cần chú ý vài điểm sau
đây:
- Trong tổ chức gang có chứa nhiều xementit làm tăng độ cứng, giảm độ
dẻo và giảm tính gia công của vật liệu
- Nâng cao tốc độ nguội làm tăng số lợng hạt graphit và kích thớc hạt
graphit giảm đi
- Tăng tốc độ nguội, lợng peclit tấm giảm đi, lợng pherit cũng giảm và
lợng pherit xung quanh hạt graphit cũng bị mất dần.
- Bắt buộc phải nhiệt luyện (ủ) gang cầu đúc trong khuôn kim loại, nếu
không nhiệt luyện, không thể gia công cơ đợc. Không thể hạn chế hiện
tợng này bằng việc lựa chọn thành phần hóa học và ngay cả việc nâng
cao hàm lợng silíc trong gang.

1.3 Tình hình sản xuất gang cầu ở trong nớc và nớc ngoài.
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nớc ngoài.
Gang cầu đã trở thành một loại vật liệu tiên tiến dần dần thay thế cho thép
trong một số lĩnh vực. Khi vào trang web http//www.google.com, có thể xem
lớt hàng trăm công trình về gang cầu. Các công trình đã công bố của các tác giả
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
18

nớc ngoài tập trung nhiều về gang cầu ADI (Austempering Ductile Iron)
/1,2,3/
và
tập trung nghiên cứu đi đến hạn chế các khuyết tật khi đúc gang cầu
/4/
.
Gang cầu pherit mác FCD450-12 (theo tiêu chuẩn Mỹ) cũng đợc nghiên
cứu sử dụng nhiều cho các chi tiết làm việc chịu ứng suất kéo, trong đó còn
nghiên cứu gang cầu pherit dùng để làm vật liệu đúc liên tục nằm ngang
/5/
.
Gang cầu pherit cũng đã đợc nghiên cứu nhiều ở Tiệp khắc cũ từ những năm
90 của thế kỉ trớc
/6,7,8/
. Để nhận đợc tổ chức pherit, ngời ta dùng 2 công
nghệ: pherit trạng thái đúc và pherit sau nhiệt luyện. Ngoài việc chế tạo gang cầu
có nền pherit đơn thuần, ngời ta còn tiến hành hợp kim hoá thấp để nhận đợc
các tính năng đặc biệt khác, thí dụ, khi dùng 1-1,5% Cu thì gang cầu vẫn có độ
dãn dài nhỏ nhất là 12- 25%.
ở Liên xô cũ, theo tạp chí
việc nghiên cứu gang cầu
pherit cũng đợc tiến hành từ rất sớm. Phần lớn các công trình đã công bố cũng
đề cập đến hai công nghệ: gang cầu pherit trạng thái đúc và pherit sau nhiệt
luyện. Trong đó công nghệ sản xuất gang cầu pherit nhiệt luyện đợc dùng nhiều
hơn do tính đơn giản về công nghệ
/9,10,11,12/
.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nớc
Từ những năm 70 của thế kỉ trớc, đã có nhóm nhà khoa học Việt nam
nghiên cứu sản xuất gang cầu peclit là trục khuỷu phục vụ Quân đội với đề tài:

Sản xuất gang cầu từ gang lò đứng.
Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc về gang cầu : Sử dụng đất hiếm để sản xuất
gang cầu (mã số 24.02.04.11);
Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc : Nâng cao chất lợng sản phẩm đúc bằng
phơng pháp biến tính hợp kim hoá sử dụng đất hiếm VN, (mã số
24A.01.02) đều nghiên cứu về gang cầu peclit.
Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc: Nghiên cứu công nghệ đúc các chi tiết
máy đặc biệt bằng gang cầu cờng độ cao, gang hợp kim, mã số KC 05-05
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
19
Đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu dùng vật liệu mới để nâng cao chất lợng bộ nổ
cho các loại máy động lực và máy nông nhiệp, B2002-28-55
Đề tài cấp bộ: Nghiên cứu gang cầu ủ đẳng nhiệt (Tổng CT Máy và động
lực.2004).
Một số đề tài cấp Bộ và cấp Thành phố nh: Công nghệ sản xuất trục khuỷu
của công ty thép miền Nam, công ty Cơ khí Đông anh, công ty Cơ khí Hà nội,
Công ty Diezen Sông Công cũng đều là công nghệ gang cầu peclit.
Đã có một vài nơi sản xuất gang cầu pherit nhng cha thấy công bố kết quả
nghiên cứu và sản xuất của mình. Trên các tạp chí chuyên ngành và thông báo
khoa học đợc lu trữ tại th viện ĐHBK HN và Trung tâm Thông tin KHKT
TW trong khong 10 năm lại đây không thấy công trình nào công bố về gang
cầu pherit nói chung và gang cầu pherit trạng thái đúc nói riêng.
Bởi vậy việc nghiên cứu chế tạo ổn định và sử dụng gang cầu pherit trong
giai đoạn hiện nay là rất cần thiết

Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
20
Chơng 2. Công nghệ chế tạo gang cầu
2.1 Các phơng pháp chế tạo gang cầu
Trong những năm qua, việc chế tạo gang cầu đều dựa trên cơ sở biến tính
gang xám bằng magiê sạch, hợp kim trung gian trên cơ sở magiê và đất hiếm.
Các công trình đều nhằm mục đích: tìm ra phơng pháp làm thế nào để nhận
đợc graphit cầu một cách chắc chắn nhất; làm thế nào để đảm bảo an tòan cho
quá trình sản xuất và làm thế nào đạt đợc hiệu quả chất biến tính cao nhất.
Theo quan điểm nhiệt động học, bản chất quá trình biến tính cầu hóa là
các quá trình hóa lý, trong đó quá trình nào, hóa học hay lý học, là quá trình
quyết định. Nói chung, có thể chia các phơng pháp biến tính thành hai phơng
án: phơng án các quá trình sạch và phơng án các quá trình hóa học
/12/
.
2.1.1 Phơng án các quá trình sạch
Các điều kiện biến tính trong quá trình này rất chặt chẽ nhất là các điều
kiện luyện kim. Khi đã đạt đợc các điều kiện này, chất biến tính chỉ còn thực
hiện một chức năng duy nhất là cầu hóa khi graphit kết tinh, có nghĩa là, gang
xám biến tính phải có hàm lợng lu huỳnh, oxy và các nguyên tố phản cầu ở

mức tối thiểu. Thí dụ, khi biến tính trong khuôn với gang có hàm lợng S ban
đầu 0,005% đã nhận đợc gang có mức độ cầu hóa trên 90% nhng hàm lợng
Mg d chỉ 0,026%
/13,14/
. Kết quả tơng tự cũng đợc công bố ở công trình /15/.
Để đạt đợc các điều kiện chặt chẽ nói trên, phải dùng phơng pháp nấu
luyện tổng hợp (luyện gang từ sắt thép vụn, sau đó bổ sung cacbon và các
nguyên tố khác bằng phero). Thí dụ, dùng lò hồ quang bazơ để nấu luyện. Trong
lò hồ quang có thể khử P và S xuống đến mức rất thấp, thấp đến mức, phản ứng
giữa Mg và S không thể xảy ra.
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
21
Phơng pháp nấu luyện nữa là phơng pháp bán tổng hợp: sử dụng thành
phần phối liệu thích hợp (gang thỏi có chất lợng cao), nấu phối hợp lò hồ quang
và lò điện cảm ứng.
Việc lựa chọn phơng án quá trình sạch không chỉ phụ thuộc vào các chỉ
tiêu kỹ thuật mà còn phải cân nhắc rất kỹ càng về mặt hiệu quả kinh tế. Công
nghệ này chỉ phù hợp cho phơng pháp biến tính trong gầu điều chỉnh đợc, thí
dụ nh phơng pháp nhúng, phơng páp rót đổ, phơng pháp biến tính trên dòng
chảy, biến tính trong khuôn
2.1.2 Phơng pháp có các quá trình hóa học
Đối với phơng pháp này, không cần cân nhắc kỹ càng về các điều kiện
luyện kim bởi vì, trong quá trình biến tính, các chất biến tính sẽ phản ứng với các
nguyên tố có mặt trong kim loại lỏng đồng thời với các quá trình khử ôxy, khử
lu huỳnh và tinh luyện kim loại lỏng. Điều này có nghĩa là, chất biến tính sẽ
thực hiện đồng thời hai chức năng: biến tính cầu hóa và tinh luyện kim loại lỏng.
Bởi vậy, cần phải cho chất biến tính vào gang lỏng một lợng đủ lớn để thực hiện
hai chức năng trên. Thí dụ, khi biến tính cầu hóa bằng Mg, ngoài lợng Mg bay

hơi và tác dụng với oxy và lu huỳnh, phải có một lợng Mg d đủ lớn (0,04-
0,07%) để phát huy tác dụng cầu hóa. Phơng án biến tính này có thể dùng gang
lỏng ban đầu có hàm lợng S lên đến 0,1%
/12/
. Tất nhiên, hàm lợng S ban đầu
càng thấp, tính ổn định của quá trình sản xuất gang cầu càng cao.
Khi sản xuất gang cầu từ gang ban đầu có hàm lợng S cao, tác giả /14/ đã
dùng phơng pháp nấu kép: trớc hết khử lu huỳnh sơ bộ trong lò cảm ứng, sau
đó biến tính trong gầu. Kết quả chỉ ra rằng, hàm lợng lu huỳnh giảm đi 1,5
lần và gang cầu có cơ tính khá cao: Rm = 529-720 MPa; A
5
=5,2-18%.
Bằng phơng pháp khử lu huỳnh sơ bộ ngòai lò, nâng nhiệt trong lò cảm
ứng rồi biến tính cầu hóa, tác giả /5/ cũng đã chế tạo đợc gang cầu với mức độ
cầu hóa trên 90%.
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
22
Tác giả /16/ sử dụng công nghệ xử lý kép để biến tính gang cầu trong
khuôn: dùng 0,2% FeCe tinh luyện gang trong gầu, sau đó biến tính trong khuôn
và đã chỉ ra rằng: nếu giải quyết triệt để đợc vấn đề tinh luyện gang ban đầu, có
thể triển khai công nghệ này ở qui mô sản xuất lớn.
Tóm lại, hiện nay có khoảng 60 phơng pháp biến tính gang cầu
/17/
. Mỗi
phơng pháp có những thuận lợi và khó khăn riêng. Việc sử dụng phơng pháp
ny hay phơng pháp kia hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện có sẵn trong phân
xởng sản xuất và trình độ chuyên môn của đội ngũ cán bộ kỹ thuật.
2.1.3 Một số công nghệ biến tính sử dụng Mg và hợp kim trung gian Mg.

p = 5 at.
thanh
nhấn
nắp
chụ
p



Hình 2.1 Phơng pháp biến tính a) nhúng và b) nồi autoclap
a)
b)


Hình 2.2 Phơng pháp biến tính bằg dây nhồi.
1. Trục quay đẩy dây vào kim loại lỏng

2. Đồng hồ đo chiều dài dây

Hình 2.3 Phơng pháp biến tính
trong thùng quay

Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
23







Trong các phơng pháp biến tính nói trên, phơng pháp biến tính liên tục
trên dòng chảy (hình 2.4) đang đợc sử dụng để biến tính gang cầu có hàm
lợng S ban đầu nhỏ. Hiệu suất sử dụng chất biến tính có thể đạt 60-70%.
Nguyên lý của phơng pháp là: Chất biến tính đợc phân phối và định lợng từ
thùng phân phối rồi rơi xuống hốc chứa. Khi chảy qua hốc chứa, gang lỏng sẽ
lấy dần chất biến tính và hòa tan chúng. Mức độ hòa tan tùy thuộc vào tốc độ rót,
diện tích buồng phản ứng và nhiệt độ rót. Các phản ứng sẽ tiếp tục xảy ra trong
buồng phản ứng. Kim loại lỏng đã biến tính chảy xuống gầu rót, tiếp tục đợc
xáo trộn và làm đồng đều thành phần ở đây.
2.2 Tác dụng của magiê khi làm chất biến tính cầu hóa
2.2.1 Khử khí và tinh luyện
Gang lỏng thờng hòa tan các chất khí: O
2
, N

2
, H
2
, CH
4
, CO
2
và CO. Các
loại khí đó sẽ tạo thành áp suất khí chung P
khí
trong gang lỏng:
P
khí
= P
O2
+ P
CO2
+ P
H2
+ P
CO
+ P
N2
Vì H
2
và N
2
không có ảnh hởng đến hằng số cân bằng đến phản ứng khử
gang khi biến tính nên có thể bỏ qua :
P

khí
= P
O2
+ P
CO2
+ P
CO
Trong điều kiện bình thờng áp lực khí cân bằng với áp lực của không khí
P
at.
trên bề mặt kim loại lỏng và cột áp kim loại P
kl
:


Hình 2.5 Phơng pháp gầu Tundish
Hố chứa
chất biến
tính
Buồng
phản ứng


Hình 2.4 Phơng pháp biến tính liên tục
trên dòng chảyquay

Chất biến
tính
Rót gang
lỏn

g
Thùng phân phối
chất biến tính
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
24
P
khí
= P
at.
+ P
kl

Khi cho Mg vào gang lỏng để biến tính, điều kiện cân bằng này thay đổi
vì Mg bốc hơi mạnh. Magiê có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ bay hơi thấp
(638
0
C và 1105
0
C tơng ứng). Khi biến tính gang ở 1450 - 1500
0
C thì áp lực khí
có thể tăng lên đến 15 - 20 atm.
Có thể coi P
khí
= P
Mg
bởi vì P
Mg

lớn hơn rất nhiều so với các khí khác. áp
suất bão hòa của Mg đợc tính theo công thức sau:

C
RT
H
P
+


=
0
10

Trong đó: T - nhiệt độ ; H- nhiệt độ hoá hơi; C - hằng số tích phân
Đồng thời với các phản ứng khử oxy và khử lu huỳnh, các sản phẩm khử
là các loại khí còn có tác dụng tinh luyện các tạp chất và khí khác, cho nên,
lợng khí trong gang sẽ giảm đi nhiều. Số liệu cho trên bảng 2.1.

Bảng 2.1 Sự thay đổi hàm lợng khí trong gang khi biến tính bằng FeSiMg5
Hàm lợng khí trong gang lỏng
khí
Trớc biến tính Sau biến tính
Hiệu suất
khử %
Lợng khí chung (cm
3
/100
g
,

gang lỏng)
5,4 31,5 2 2,5 50 65
Hydro (cm
3
/100g, gang lỏng) 2,5 10,4 0,9 5,2 25 50
ôxy, (%)
0,003 0,023 0,001 0,007 30 80
Nitơ, (%) 0,001 0,006 0,0005 0,0028 15 55

2.2.2 Tác dụng khử lu huỳnh
Magiê và đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm là những nguyên tố có ái lực
hoá học rất mạnh với lu huỳnh. Khi đa vào gang lỏng, trớc hết các nguyên tố
này nó sẽ tác dụng với lu hùynh tạo thành các hợp chất nh: MgS, CeS, Ce
2
S
3
.
Trong gang lỏng, Mg có khả năng tác dụng với S theo phản ứng sau:
/ Mg / + / S / = (MgS) G
o
= -543 000 + 239,8 T