Nghiên cứu công nghệ cầu hoá gang chịu nhiệt nhằm nâng cao cơ tính của vật liệu- Viện luyện kim đen

1

MỤC LỤC

Mở đầu 2
1. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 4
1.1 Tổng quan chung về gang cầu. 4
1.1.1 Đặc điểm chung của gang cầu. 4
1.1.2 Tính chất vật lý của gang cầu. 4
1.1.3 Tính chất cơ lý của gang cầu. 8
1.1.4 Tính công nghệ của gang cầu. 10
1.1.5 Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất của gang cầu. 12
1.2 Gang Si có grafit dạng cầu 15
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ chế tạo gang cầu 19
1.3.1 Tác dụng của các chất biến tính cầu hóa trong gang lỏng 19
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cầu hóa. 20
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu. 24
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 27
2.1.Nội dung nghiên cứu 27
2.2. Phương pháp nghiên cứu 27
3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 29
3.1. Công nghệ chế tạo gang cầu silic RQTSi5 29
3.1.1. Công nghệ nấu luyện. 29
3.1.2. Công nghệ đúc 34
3.1.3. Công nghệ nhiệt luyện 37
3.2 Các tính chất của gang nghiên cứu. 38
3.2.1. Thành phần hoá học 38
3.2.2. Các tính chất cơ lý 38
3.2.3 Cấu trúc pha 39
3.3 Chế tạo và dùng thử sản phẩm 41

4. KẾT LUẬN 43
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 44


2


Mở đầu

Gang cầu là gang có grafit dạng cầu nên có độ bền cao và độ dẻo khá
hơn hẳn so với gang xám thông thường. Gang cầu được sử dụng trong công
nghiệp như vật liệu kết cấu mới, có thể thay thế thép cacbon, gang dẻo và
gang xám. Đặc điểm quan trọng của gang thường cũng như gang cầu là chúng
được sử dụng để sản xuất các chi tiết nhỏ từ một vài trăm gam đến các chi tiết
rất lớn trọng lượng đến 150 tấn trong một vật đúc; các chi tiết thành dày (đến
1000mm); cũng như các chi tiết thành mỏng (2-5mm). Các chi tiết này được
sử dụng ở trạng thái đúc cũng như sau nhiệt luyện. Khi gang cầu có độ bền
kéo tương tự thép thì chúng có độ bền chảy cao hơn rất nhiều, điều này cho
phép sử dụng chúng cho các chức năng đặc biệt quan trọng. Mặt khác tính
chất đúc của gang tốt hơn thép rất nhiều, đặc biệt là độ chảy loãng cao hơn rất
nhiều và khuynh hướng đối với sự tạo thành nứt nóng là nhỏ nhất. Độ chảy
loãng của gang tốt cho phép đúc từ gang các chi tiết thành rất mỏng mà sự sản
xuất các chi tiết như vậy từ thép là rất khó khăn. Khuynh hướng tạo thành nứt
nóng không lớn của gang rút gọn rất nhiều quy trình sản xuất vật đúc và giảm
rõ rệt phế phẩm về nứt nóng của chi tiết. Sử dụng gang cầu độ bền cao thay
thế thép cho phép làm giảm trọng lượng máy móc do trọng lượng riêng của
gang nhỏ hơn (khoảng 8-10%). Trục cán, đế và khung máy cán, búa máy và
máy dập, cánh của thiết bị dẫn hướng tuốc bin nước và một số chi tiết khác là
những ví dụ đặc trưng về sự thay thế đúc thép bằng đúc từ gang cầu độ bền
cao. Ngoài ra còn sử dụng gang cầu để sản xuất các chi tiết làm việc trong

điều kiện nhiệt độ cao; đặc biệt là gang cầu được hợp kim hóa bằng silic (5-
6%) hoặc là bằng nhôm (19-24%). Vì tất cả những ưu điểm vừa nêu ở trên mà
người ta sử dụng ngày càng nhiều gang cầu thay thế cho gang xám và gang
dẻo, thép rèn và thép đúc. Do vậy mà sản lượng gang cầu ngày càng tăng.
Ở nước ta gang cầu đã được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ
trước trong Bộ Công nghiệp và một số trường Đại học. Sau năm 1975, một số
cơ sở nghiên cứu như Viện Luyện kim đen, Viện Nghiên cứu mỏ và luyện
kim, Viện Công nghệ, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có một số đề tài
nghiên cứu cấp Nhà nước và cấp Bộ nghiên cứu về gang cầu và chất biến tính
cầu hóa. Các đề tài đều tập trung nghiên cứu về vấn đề cầu hóa gang và áp

3

dụng vào các chi có tiết đặc thù khác nhau. Trong giai đoạn hiện nay, nền
công nghiệp nước ta xuất hiện nhu cầu chế tạo gang cầu thay thế phụ tùng
nhập ngoại, thay thế thép và các vật liệu khác. Trong ngành công nghiệp luyện
kim và chế tạo cơ khí nhu cầu về vật liệu chịu nhiệt cũng tăng lên, đặc biệt là
vật liệu thép và gang. Để nâng cao tính chịu nhiệt cũng như cơ tính của vật
liệu, tiếp nối sự nghiên cứu về gang chịu nhiệt silic, việc tiếp tục nghiên cứu
công nghệ cầu hóa gang chịu nhiệt silic là hợp lý nhằm tạo ra sản phẩm có
tính chịu nhiệt cao hơn, cơ tính tốt hơn với giá cả hợp lý, thỏa mãn yêu cầu
trong nước là việc làm thiết thực và nên làm.
Nhân dịp này chúng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới :
- Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công thương đã giao nhiệm vụ
nghiên cứu và chỉ đạo sát sao trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
- Phân xưởng Thiêu kết, nhà máy Luyện gang, công ty cổ phần Gang
thép Thái Nguyên đã cho phép và tạo điều kiện cho việc dùng thử
sản phẩm.
- Phân xưởng Luyện thép cũng như toàn thể cán bộ và công nhân viên
Viện Luyện kim đen đã hết lòng ủng hộ và giúp đỡ đề tài hoàn thành

nhiệm vụ được giao.

4


1. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
1.1 Tổng quan chung về gang cầu.
1.1.1 Đặc điểm chung của gang cầu.
Đặc điểm nổi bật của gang cầu là rất đặc, hầu như grafit dạng cầu có
tương quan bề mặt thể tích nhỏ nhất và mức độ vật đúc bị suy yếu tiết diện
làm việc nhỏ nhất. Ngoài ra graphit dạng cầu không phá hủy tính liên tục của
nền như dạng tấm và hiệu ứng tập trung ứng suất nhỏ. Do đó gang cầu là loại
gang có độ bền và độ dai cao nhất, xấp xỉ tính chất của thép.
Đặc điểm nổi bật thứ hai là gang cầu có khả năng thay đổi cấu trúc nền
kim loại ở giới hạn rộng. Khi chọn thành phần tương ứng của gang ban đầu,
sử dụng kỹ thuật sản xuất thích hợp và các phương pháp nhiệt luyện tương
ứng có thể sản xuất gang cầu có cấu trúc nền kim loại khác nhau (peclit,
peclit-ferit, ferit, xoocbit, mactenxit, austenit) và vì thế gang có các tính chất
cơ lý và mục đích sử dụng khác nhau.
Tùy thuộc vào cấu trúc nền khác nhau mà ta có được vật liệu có tính
chất cơ lý khác nhau. Như gang có cấu trúc peclit thì có độ bền kéo cao nhưng
độ dãn dài thấp, độ chịu mài mòn cao. Gang có cấu trúc ferit thì chỉ tiêu độ
dãn dài tương đối cao và độ bền kéo giảm đi chút ít. Dạng cầu của grafit và
khả năng thay đổi cấu trúc nền kim loại ở giới hạn rộng cho phép làm tăng độ
bền và tính năng sử dụng của gang lên rất nhiều.
Gang cầu có độ bền kéo, độ bền nén và uốn cao, giới hạn chảy biểu hiện
rõ ràng. Độ dai va đập sau khi nhiệt luyện cao. Tính đúc của gang cầu tương
đối tốt (độ chảy loãng tốt, độ co ngót thẳng nhỏ, khuynh hướng tạo vết nứt
nóng không lớn), tính gia công cơ tốt, có thể chịu hàn, cắt hơi, có độ chịu mài
mòn cao, tính chịu ma sát tốt, chịu nhiệt cao (khi hợp kim hóa bằng nhôm

hoặc silic).
1.1.2 Tính chất vật lý của gang cầu.
Tỷ trọng. Do sự có mặt của grafit nên tỷ trọng của gang nhỏ hơn nhiều
so với tỷ trọng của thép các bon (khoảng 8-10%). Khi gang cầu có cấu trúc
xementit tự do tỷ trọng của chúng tương tự tỷ trọng của gang xám thường. Khi
có mặt xementit trong cấu trúc, tỷ trọng của gang tăng lên và gần bằng tỷ

5

trọng của gang trắng. Tỷ trọng của gang ở nhiệt độ phòng là 7,1-7,4g/cm
3
. Tỷ
trọng của gang thay đổi phụ thuộc vào hàm lượng magie, cacbon và silic
(bảng 1) cũng như cấu trúc nền kim loại.
Bảng 1. Sự thay đổi tỷ trọng của gang phụ thuộc vào hàm lượng Si, C
và Mg dư.
Hàm lượng các nguyên tố (%) g/cm
3

C Si Mn C+1/3(Si+P)

P S Mg
A, Phụ thuộc vào hàm lượng Mg
3,1-3,35

2,7-3,0

0,6-0,7

- 0,07-0,1

0,009
0,015
- 6,81
0,034 7,214
0,075 7,371
0,085 7,392
0,117 7,452
B, Phụ thuộc vào hàm lượng cácbon
1,94 3,27
-
3,03
- -
0,074 7,381
2,70 3,37 3,82 0,055 7,351
2,96 3,28 4,05 0,066 7,349
3,35 3,35 4,45 0,067 7,200
3,60 3,28 4,69 0,060 7,061
C, Phụ thuộc vào hàm lượng Si
3,16 1,21
-
3,56
- -
0,045 7,441
3,12 2,00 3,78 0,050 7,411
3,23 2,57 4,09 0,058 7,353
3,16 2,89 4,12 0,068 7,344
2,92 3,71 4,16 0,067 7,15
2,96 4,40 4,30 0,064 7,061

Hệ số nở nhiệt của gang. Ở nhiệt độ từ 0
0
C đến 200
0C
gang cầu có hệ
số nở nhiệt lớn hơn gang xám. Ở nhiệt độ cao hơn thì hệ số nở nhiệt của chúng
khác biệt không nhiều (bảng 2).





6


Bảng 2. Hệ số nở nhiệt của gang.
Gang
Hàm lượng các nguyên tố (%)
a.10
-
6
ở
nhiệt độ
từ 0-
200
0C

C Si Mn P S Mg
Xám 3,79 3,06 0,6-0,9

0,05-
0,14
0,057 - 10,6
Cầu 3,62 3,11 0,49 0,037 0,10 0,054 11,4

Độ dẫn nhiệt của gang cầu nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của gang xám, điều
này được giải thích bởi sự cắt mạch của grafit cầu lớn hơn sự cắt mạch của
grafit tấm. Độ dẫn nhiệt của gang phụ thuộc vào cấu trúc nền kim loại. Ferit
trong gang càng lớn, độ dẫn nhiệt của gang càng lớn. Khi tăng lượng cấu trúc
peclit độ dẫn nhiệt của gang giảm đi. Độ dẫn nhiệt của gang còn phụ thuộc
vào thành phần hóa học và nhiệt độ (bảng 3).
Bảng 3. Ảnh hưởng của thành phần hóa học và nhiệt độ lên độ dẫn
nhiệt của gang cầu.
Hàm lượng nguyên tố (%) λ (Cal/cm.s.
0
C) ở nhiệt
độ(
0
C)
C Si Mn S P Ni Mg 100 200 300 400
Cấu trúc ferit
3,53

2,49

0,47

0,006

0,056

0,08

0,096

0,0910

0,0906

0,0902

0,0899

3,11

3,48

0,35

0,027

0,086

1,45

0,075

0,0821

0,0815

0,0809

0,0863

3,32

2,05

0,34

0,013

0,063

0,05

0,066

0,0929

0,0923

0,0917

0,0911

Cấu trúc peclit
3,22

2,44

0,42

0,013

0,063

1,35

0,056

0,0742

0,0734

0,0725

0,0718


Độ dẫn điện của gang và đại lượng ngược của chúng – điện trở phụ
thuộc vào dạng và sự phân bố của grafit, thành phần hóa học (bảng 4) và cấu
trúc nền kim loại của gang.

7

Bảng 4. Sự phụ thuộc độ dẫn điện của gang cầu vào thành phần hóa
học.
Hàm lượng các nguyên tố (%)

µΩ/cm

C Si Mn S P Ni Cu Mg Ce
3,6 2,33 0,84 0,011 0,042 - 2,2 - 0,045 59,0
4,08 2,85 0,64 0,012 0,034 - - - 0,064 66,5
3,04 2,40 0,25 0,014 0,022 0,72 - 0,055 - 50,8

Điện trở của gang cầu thấp hơn nhiều so với gang xám và cao hơn gang
rèn. Gang có cấu trúc nền peclit có điện trở cao hơn nhiều so với gang có cấu
trúc ferit. Điện trở riêng của gang cầu cũng như của hợp kim sắt – cacbon tăng
lên cùng với sự tăng nhiệt độ.
Tính chất từ. Tính chất từ của gang được chia thành loại từ (loại có cấu
trúc peclit và ferit) và thuận từ (loại có cấu trúc austenit). Tính từ của gang
phụ thuộc vào cấu trúc nền và phụ thuộc vào trạng thái của cacbon, ở dạng các
bon tự do (dạng grafit) hay ở dạng liên kết (dạng xêmntit). Cường độ cảm ứng
từ ở gang cầu có cấu trúc nền peclit lớn hơn gang xám nhưng nhỏ hơn thép
các bon thường, còn ở gang cầu có cấu trúc nền ferit thì lại cao hơn thép các
bon thông thường.
Grafit làm giảm sự cảm ứng, vì làm giảm lượng kim loại sắt từ, mặt
khác sự tách nền kim loại bởi grafit không từ tính lập nên điểm khử từ. Ở dạng
cầu tác dụng khử từ của grafit nhỏ hơn so với ở dạng tấm. Lượng grafit tăng
thì sự cảm ứng từ dư và độ thẩm từ lớn nhất giảm xuống.
Gang cầu có cấu trúc ferit được sử dụng làm vật liệu từ mền. Trong
trường hợp này, hàm lượng phốt pho trong gang cầu phải thấp hơn 0,1%. Khi
tăng hàm lượng phốt pho đến 0,6% sẽ làm giảm độ thẩm từ và làm tăng chút ít
lực kháng từ.

8

1.1.3 Tính chất cơ lý của gang cầu.
Dạng grafit cầu trong gang góp phần rất lớn làm tăng tính chất cơ học,
bởi vì chúng làm giảm mức độ suy yếu tiết diện làm việc của vật đúc ở mức
độ nhỏ nhất, ngoài ra dạng cầu không biểu hiện sự tác dụng cắt lõm mạnh lên
nền kim loại của gang và góp phần làm giảm mật độ ứng suất xung quang
grafit. Do đó gang cầu có cơbtính cao hơn rất nhiều so với gang có gafit tấm.
Độ bền kéo của gang cầu phụ thuộc vào cấu trúc của nền kim loại , cấu
trúc này lại phụ thuộc vào thành phần hóa học, tốc độ làm nguội, và chế độ
nhiệt luyện của gang.
Ở trạng thái đúc độ bền của gang có cấu trúc peclit đạt được đến 600 –
700Mpa. Khi tôi đẳng nhiệt cho phép đạt được độ bền kéo đến 1200Mpa. Khi
tăng chiều dày thành vật đúc giá trị độ bền kéo bị giảm xuống (bảng 5)
Bảng 5. Sự thay đổi độ bền của gang phụ thuộc vào chiều dày vật
đúc.
Chiều dày vật đúc
(mm)
Độ bền kéo (MPa)
Gang có cấu trúc peclit Gang có cấu trúc ferit

25 612 524
50 570 504
100 496 357
150 458 317
200 430 288

Đặc điểm nổi bật của gang cầu là độ bền kéo không thay đổi theo chiều
cao và tiết diện vật đúc, đây là điểm khác biệt thuận lợi của chúng với gang
xám và với thép. Độ bền nén của gang cầu là gần 2000 Mpa tức là cao hơn

gang xám gần 2 lần. Bởi thế người ta sử dụng chúng rộng rãi để sản xuất các
chi tiết làm việc trong điều kiện chịu nén. Độ bền uốn của gang là 600-
1100Mpa, cao hơn hai lần so với gang xám. Còn chỉ tiêu độ võng dao động từ
4-30mm, giới hạn dưới ứng với gang có độ dẻo thấp, còn giới hạn cao ứng với
gang có độ dẻo cao. Độ bền xoắn ở gang có cấu trúc ferit là xấp xỉ 420Mpa,
với gang có cấu trúc peclit là gần 600-700Mpa.
Giới hạn chảy của gang cao hơn nhiều so với giới hạn chảy của thép
các bon. Giới hạn chảy trung bình của gang cầu là 300 – 420Mpa, trong một

9

số trường hợp đạt đến 700Mpa, cao hơn nhiều so với thép. Khi tăng chiều dày
vật đúc, giá trị giới hạn chảy giảm (bảng 6). Tỷ lệ giới hạn chảy và độ bền kéo
của gang là 0,75 - 0,80, trong khi đó ở thép là 0,55-0,61.
Bảng 6. Sự phụ thuộc giới hạn chảy của gang vào chiều dày vật đúc.

Chiều dày vật đúc
(mm)
Giới hạn chảy (MPa)
Gang có cấu trúc Peclit Gang có cấu trúc ferit
25 474 370
50 471 366
100 444 281
150 419 265
250 415 220

Độ giãn dài tương đối của gang ở trạng thái đúc là 1 – 3%, trong một
số trường hợp đạt 5 – 12%, còn sau khi ủ đạt 20 – 25%. Khi hàm lượng P nhỏ
hơn 0,1% độ giãn dài có giá trị lớn nhất, khi hàm lượng P cao hơn 0,15%
trong gang sẽ tạo thành cùng tinh photphit giòn làm giảm giá trị độ giãn dài.

Độ cứng(HB) thay đổi phụ thuộc vào cấu trúc nền kim loại, gang có
cấu trúc ferit có độ cứng thấp nhất, đạt 156-207HB; còn gang có cấu trúc
peclit đạt giá trị độ cứng cao hơn rất nhiều, đạt 187-268HB. Gang trắng và
gang biến trắng có gía trị độ cứng cao nhất. Khi tăng nhiệt độ độ cứng của
gang bị giảm đi nhiều. Sự phụ thuộc giữa độ bền kéo, giới hạn chảy và độ
cứng của gang được chỉ ra trên hình 1.

10


Hình 1. Sự phụ thuộc giữa độ bền kéo, giới hạn chảy và độ cứng.
Độ dai va đập của gang cầu cao hơn gang xám, nhưng thấp hơn độ dai
va đập của thép. Sau khi nhiệt luyện gang có cấu trúc ferit có độ dai va đập
cao nhất. Khi tăng hàm lượng phot pho, silic và mangan độ dai va đập giảm
(hình 2).

Hình 2. Sự thay đổi độ dai va đập phụ thuộc vào hàm lượng Si, P,
Mn.
1-Mẫu không khía; 2- Mẫu có khía.
1.1.4 Tính công nghệ của gang cầu.
Tính đúc của gang cầu khác biệt nhiều so với tính đúc của thép các bon,
gang xám và gang dẻo.
Độ chảy loãng của gang cầu tốt hơn gang có grafit tấm.Toàn bộ hợp
kim gang FeC có độ chảy loãng tốt nhất, điều đó cho phép đúc chi tiết thành

11

mỏng, hình dạng trạm trổ, mà đúc các chi tiết như vậy từ thép là rất khó khăn.
Ngoài ra, độ chảy loãng cao của gang góp phần làm cho vật đúc không có rỗ
co, xốp co, không rỗ khí và các khuyết tật đúc khác.

Độ chảy loãng của gang phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Tăng nhiệt độ
độ chảy loãng của gang tăng.Thành phần hóa học của gang cũng ảnh hưởng
lên độ chảy loãng. Độ chảy loãng nhỏ nhất có ở gang có thành phần trước
cũng tinh. Theo mức độ khi tăng C đương lượng độ chảy loãng của gang tăng.
Độ chảy loãng lớn nhất có được ở gang có thành phần cùng tinh (Cэ =4,7%).
Độ co của gang xảy ra khi gang chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn trong
khuôn đúc, kết quả là hiện tượng co trong vật đúc có thể tạo thành rỗ, xốp, vết
nứt lạnh và nứt nóng; ứng suất đúc, thậm chí có sự không tương ứng kích
thước vật đúc đã cho theo bản vẽ. Thể tích lõm co lớn nhất có ở gang cùng
tinh, còn trong gang trước cùng tinh tạo thành xốp co trong nhiều trường hợp.
Để tránh tạo thành các khuyết tật này cần thiết phải lựa chọn thành phần gang
hợp lý và thiết lập quá trình kỹ thuật sản xuất vật đúc cần thiết, dự tính các
biện pháp tương ứng; bảo đảm đúc được vật đúc chất lượng (sáng tạo sự hóa
rắn định hướng, xác định đậu ngót v,v, ).
Đặc điểm đặc trưng của gang là có sự nở trước co lớn, điều đó làm giảm
tương đối nhiều khuynh hướng tạo vết nứt nóng trong vật đúc. Đại lượng co
thẳng của gang cầu thực tế khác biệt không nhiều so với co thẳng của gang có
grafit tấm. Bởi thế người ta chuẩn bị hòm khuôn và ruột sử dụng thước co
cũng như đối với gang xám. Đại lượng co thẳng được tính toán khi chuẩn bị
mẫu, đối với gang cầu là 0,7-1% phụ thuộc vào mức độ hãm sự nở trước co và
phần của co.
Ứng suất đúc được tạo thành trong vật đúc do sự nguội từng phần riêng
hoặc là tiết diện của vật đúc không đồng đều và mức độ kìm hãm sự co thẳng
không đồng nhất. Đại lượng ứng suất này trong gang cầu lớn hơn tương đối so
với đại lượng ứng suất trong vật đúc bằng gang xám. Điều này được giải thích
một cách cơ bản là gang cầu có giá trị mô đun đàn hồi cao hơn và độ dẫn nhiệt
thấp hơn rất nhiều so với gang xám.
Ứng suất đúc dư được tạo thành trong vật đúc sau khi chuyển gang từ
vùng biến dạng dẻo thành vùng biến dạng đàn hồi, nếu sau khi chuyển thành
vùng biến dạng đàn hồi gradien nhiệt độ trong phần mỏng và dầy của vật đúc

12

hoặc là theo tiết diện vật đúc không có, thì không xuất hiện ứng suất dư. Tuy
nhiên điều kiện như vậy thực tế không có khả năng thực hiện.
Ứng suất dư xuất hiện trong vật đúc, còn được thay đổi dần dần do bị
mất dần khi chuyển qua biến dạng dẻo. Sự chuyển đổi biến dạng đàn hồi thành
biến dạng dẻo kèm theo sự giảm mức độ ứng suất đúc. Điều này được sử dụng
để làm giảm ứng suất đúc trong vật đúc bằng cách sử dụng nhiệt luyện đến
nhiệt độ chuyển biến dạng đàn hồi thành dẻo. Nhiệt độ đốt nóng vật đúc càng
cao càng chuyển hoàn toàn biến dạng đàn hồi thành dẻo và càng hạ thấp ứng
suất ở điều kiện nếu sự làm lạnh vật đúc sau đó xảy ra chậm và đều đặn, tức là
khi đó không xuất hiện ứng suất mới. Để làm mất ứng suất đúc trong vật đúc
bằng gang nhiệt độ đốt nóng cao nhất không cần phải vượt quá 600
0
C, bởi vì
khi đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn trong gang có thể xảy ra sự thay đổi cấu
trúc, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi tính chất của gang. Sự giữ ở nhiệt độ
cao nhất được tiến hành trong khoảng 2-8h, phụ thuộc vào chiều dày thành vật
đúc; sự làm nguội vật đúc chủ yếu với tốc độ 30
0
C/h để tránh sự tạo thành ứng
suất mới.
Khả năng gia công của gang phụ thuộc vào độ bền và độ cứng của gang,
tức là cũng phụ thuộc vào cấu trúc nền kim loại. Gang có cấu trúc ferit có độ
bền thấp nhất, tương ứng là độ cứng thấp nhất và tính gia công tốt nhất.
1.1.5 Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất của gang cầu.
Các nguyên tố hóa học thể hiện ảnh hưởng lên tính chất cơ lý, ngoài các
nguyên tố cầu hóa (Mg, Ce, v.v…) ra còn có các nguyên tố : C, Si, Mn, P, S.
Ảnh hưởng của cacbon. Hàm lượng C cao trong gang cầu làm giảm

nhẹ tương đối quá trình nấu chảy gang trong lò nấu gang và cải thiện tính chất
đúc của gang. Để điều chế grafit cầu và tính chất cơ lý cao hàm lượng C trong
gang cần phải là giới hạn 3,2-3,6 %. Ảnh hưởng hàm lượng C lên tính chất cơ
lý của gang cầu được nghiên cứu trên gang có hàm lượng C thay đổi trong
giới hạn 4,05-2,67 % sau ủ. Hàm lượng các nguyên tố còn lại dao động trong
khoảng (%) : Si : 1,85-1,95; Mn : 0,38-0,53; S : 0,008-0,029; P : 0,013-0,024;
Ni : 0,63-0,74; Mg : 0,043-0,078. Sự giảm hàm lượng C từ 4,05 đến 2,67% sẽ
dẫn đến sự tăng б
b
và б
ch
khoảng chừng 3 kG/mm
2
và độ cứng khoảng chừng
10 đơn vị. Chỉ tiêu độ dai va đập ở mẫu kiểu chapin, được cắt từ phôi 45mm,
tăng từ 1,8 đến 2,3 kGm, còn ở mẫu cắt từ phôi 12-mm, thì thấp hơn nhiều. Sự

13

tăng hàm lượng C dẫn đến tăng chút ít nhiệt độ tới hạn chuyển lên thành trạng
thái giòn.
Có thể có được độ dãn dài là 16% khi hàm lượng Si 4% và hàm lượng C
cao, nếu cấu trúc là gần 100% ferit. Còn khi tiếp tục tăng hàm lượng Si đại
lượng độ giãn dài giảm xuống do xuất hiện ferit giòn.
Ảnh hưởng của Si. Silic biểu hiện ảnh hưởng lên cấu trúc cũng như
tính chất cơ lý của gang. Ảnh hưởng của Si lên tính chất cơ lý của gang được
biểu hiện ở một khuynh hướng là làm giảm giới hạn bền kéo, bởi vì Si là
nguyên tố grafit hóa làm giảm peclit trong nền kim loại, còn khuynh hướng
khác, Si hòa tan trong ferit và làm tăng độ bền của chúng.
Khi tăng hàm lượng Si từ 2,0 - 4,5% độ bền kéo tăng, còn khi tăng hàm

lượng Si lên nữa ngược lại làm giảm độ bền kéo, điều này liên quan đến sự
giảm lượng peclit. Đại lượng độ giãn dài tương đối khi đó giảm từ 25-1%.
Khi hàm lượng Si ở trong khoảng 2,0-3,5% gang có độ dai va đập cao
nhất, còn khi hàm lượng Si lớn hơn độ dai va đập bị giảm xuống đến khi hàm
lượng Si là 5,5% độ dai va đập còn đến 1,0 KGm/cm
2
. Hàm lượng Si giảm
dẫn đến xuất hiện chai đặc biệt trong đúc thành mỏng, và sự tăng độ cứng của
gang liên quan đến sự tạo thành xementit.
Khi tăng hàm lượng Si từ 2,13 đến 3,5% đại lượng độ cứng giảm từ
214→163 HB, còn khi tăng nữa – độ cứng tăng, đạt 293 HB khi Si 6,06%.
Độ cứng tế vi của ferit tăng cùng với sự tăng hàm lượng Si, đặc biệt
tương đối lớn ở trong khoảng : 4,13-6,06% Si, còn độ cứng tế vi của peclit
giảm từ 520-530 KG/mm
2
(ở 2,13-2,7%C) đến 351-363 KG/mm
2
.
Độ cứng tế vi của cùng tinh fotfit là 1168-1348 KG/mm
2
, còn độ cứng
tế vi của grafit 57-119 KG/mm
2
.Khi hàm lượng Si đến 4,13%, ủ ở nhiệt độ cao
đẫn đến hạ thấp độ cứng tế vi ferit. Ở hàm lượng Si đã cho, độ cứng của gang
cầu càng cao hàm lượng C trong gang càng thấp.
Hàm lượng peclit trong cấu trúc nền kim loại tăng cùng với sự giảm
hàm lượng Si. Lượng ferit tăng cùng với sự tăng hàm lượng Si và xảy ra sự
giảm độ bền của gang. Thực tế sự điều chỉnh hàm lượng ferit trong nền kim
loại của gang ở trạng thái đúc được thực hiện bằng cách chọn hàm lượng Si

trong gang ở nguyên liệu ban đầu.

14

Điều chế tăng bền gang cầu ferit ở trang thái đúc có độ dãn dài tương
đối cao (5% và >) có thể được dảm bảo khi hàm lượng Si 3-3,3%; Mn : 0,3-
0,5%; P : 0,05-0.1%, tức là khi sử dụng gang ban đầu chất lượng cao, hàm
lượng P và Mn thấp. Cần phải như vậy, vì khi tăng hàm lượng Si lớn hơn
3,3% (khi hàm lượng P và Mn thông thường) tạo điều kiện xuất hiện tính dòn
trong gang cầu.
Ảnh hưởng của Mn. Mn ảnh hưởng lên cấu trúc nền kim loại và tính
chất cơ lý của gang là khi tăng hàm lượng Mn, làm giảm lượng ferit và làm
tăng lượng peclit, tương ứng với điều này là làm tăng giới hạn bền kéo và làm
giảm độ giãn dài.
Để chế tạo gang có tính chất dẻo cao, hàm lượng Mn không được vượt
quá 0,4%. Khi đúc các chi tiết lớn bằng gang cầu hàm lượng Mn yêu cầu trong
giới hạn 0,6-0,8%.
Với mục đích làm tăng độ chịu mài mòn của gang, hàm lượng Mn đôi
khi được tăng đến 1-1,3%. Sự phân bố Mn theo chiều cao và tiết diện vật đúc
là đều đặn.
Hàm lượng Mn trong gang cầu giảm so với gang có grafit tấm cho phép
sản xuất được gang có tính chất dẻo cao hơn nhiều khi ủ ở chu kỳ ngắn.
Ảnh hưởng của phốt pho. P thể hiện ảnh hưởng chủ yếu lên cấu trúc và
tính chất của gang.
Để chế tạo gang có tính chất dẻo cao hàm lượng P không được vượt quá
0,08%, trong trường hợp ngược lại trong cấu trúc của gang tạo thành lượng
lớn otecti phoplit 3 lớp, có độ cứng và độ giòn cao, do đó tính chất dẻo giảm
xuống nhiều. Để điều chế gang có độ dãn dài cao, hàm lượng P có thể vượt
quá đến 0,12-0,15%.
Ảnh hưởng của lưu huỳnh. S ảnh hưởng chủ yếu lên dạng tạp chất

grafit và lên tính chất cơ lý của gang. Hàm lượng S trong gang ban đầu càng
cao sự điều chế hoàn toàn grafit cầu và tính chất cơ lý cao của gang càng khó
khăn.
Khi chế tạo gang cầu bằng Mg và Ce, cả 2 nguyên tố này trước hết kết
hợp với S, trong kết quả này dễ dàng xảy ra sự khử S của gang (đến 0,03%).

15

Sự phân bố S theo chiều cao và tiết diện vật đúc lớn tương đối đều đặn.
Điều này được xác nhận bằng phương pháp phân tích hóa học cũng như bằng
dấu ấn S. Hàm lượng S tăng được quan sát ở phần bề mặt (đậu ngót) của vật
đúc. Như thí dụ trong vật đúc hình trụ hàm lượng S tăng (áng chừng 10 lần) đã
được xác nhận trong đậu ngót ở khoảng cách 2000 mm từ dưới cùng của vật
đúc.
Ảnh hưởng của magiê và ceri. Để điều chế grafit dạng cầu cần thiết
xác định hàm lượng còn lại của các nguyên tố cầu hóa. Hàm lượng Mg còn lại
cần phải không được thấp hơn 0,03%, còn hàm lượng Ce còn lại không được
thấp hơn 0,02%. Khi hàm lượng thấp hơn nhiều thường một phần grafit kết
tinh thành cầu (Mg, Ce), còn một phần (hoặc là toàn bộ) thành dạng tấm, do
đó tính chất cơ lý của gang giảm đi. Khi hàm lượng Mg (hoặc là Ce) còn lại
cao hơn trong cấu trúc của gang xuất hiện xementit và bởi thế tính chất cơ lý
của gang giảm tương đối nhiều. Hàm lượng còn lại tối ưu là 0,04-0,08%.[1]
Sự phân bố Mg theo chiều cao và tiết diện vật đúc là không đều.
1.2 Gang Si có grafit dạng cầu [1]
Gang Si có grafit dạng cầu được phân biệt với gang có grafit dạng tấm
bởi giá trị tính chất cơ lý và tính chịu nhiệt cao hơn rất nhiều (bảng 7).

16

Bảng 7 : Tính chất cơ lý và độ cứng của gang Si

Thành phần hóa học
б
в

kG/mm
2

ở 20
0
C

HB
б
в

kG/mm
2

ở 800
0
C

δ
%
ψ
%
C Si Mn P S Cr
A. Với grafit tấm
2,55 5,40 0,71 0,14 0,48 11,2 155 1,5
2,87 5,90 0,74 0,64 - 9,2 131 0,7
2,91 5,85 0,69 0,15 0,66 7,5 - 0,6
2,68 6,04 0,85 0,22 0,06 0,16 7,05 121 0,83
2,89 5,61 0,80 0,24 - 1,26 8,6 187-207

1,43
B. Với grafit cầu

2,36 7,07 0,60 0,15 0,012

12,5 285-321

- - -
2,62 6,23 0,89 0,22 0,21 23,7 285-321

3,7 34,4


2,62 5,85 0,87 0,14 0,003

- 23,1 285-321

4,8 29,1

62,7

3,02 5,21 0,60 0,13 0,006

0,20 51,9 285 3,9 42,9

63,3

2,82 5,04 0,55 0,16 0,011

0,09 56,9 255-289

3,0 45,8

65,5

2,75 5,03 0,7 0,23 0,085

0,63 28,7 255-285

4,5 36,2

54,4

2,58 5,79 0,82 0,22 0,007

1,43 21,0 363 5,7 39,0

44,4


Độ co ngót thể tích (xem bảng 8) ở gang có grafit dạng cầu cao hơn rất
nhiều so với gang silic không được biến tính bằng Mg.









17

Bảng 8 : Độ co ngót thể tích của gang silic
hàm lượng các nguyên tố (%)
Độ co
ngót
(%)
Nhiệt độ
rót (
0
C)
C Si Mn Cr P S Mg
A. Gang có grafit tấm

3,23

4,90 0,8 0,081 0,24 0,037 0,74 1320
3,12

5,24 0,69 0,041 0,25 0,039 - 1,05 1330
2,80

5,90 0,70 0,99 0,14 0,099 0,75 1260
2,80

5,90 0,70 1,24 0,24 0,099 1,45 1375
2,92

5,66 0,68 1,33 0,12 0,066 3,00 1375
B.Gang có grafit cầu
2,80

5,02 0,90 0,19 0,002 0,17 6,0 1250
2,60

6,00 0,70 0,14 0,009 0,08 5,0 1260

Gang Si có grafit dạng cầu sau khi giữ lâu dài (500 h) ở 900
0
C có sự
giảm rất lớn giới hạn bền là 9% so với ban đầu, trong thời gian như vậy, gang
Si có grafit tấm là 27%.
Giá trị hệ số nở dài ở gang có grafit dạng tấm và cầu là gần tương
đương nhau. Khuynh hướng tạo gỉ của gang Si có grafit dạng cầu nhỏ hơn một

vài lần so với gang có grafit dạng tấm (xem bảng 9).









18

Bảng 9 : Khả năng chống gỉ của gang Si

Thành phần hóa học
Sự tăng trọng
lượng (g/m
2
.h)
ở nhiệt độ (
0
C)

C Si Mn P S Cr Mg 900 1000
A. Với grafit tấm
3,44 1,82 0,42 - 0,10 0,21 18,2 37,1
2,56 5,40 0,71
0,14
0,48 - 8,66 20,44
2,61 5,09 0,54 0,083 0,16 3,56 19,90

2,87 5,90 0,74 0,064 7,02
2,91 5,82 0,69 0,15 0,066 6,99 -
2,89 5,61 - 0,24 - 1,26 3,3 13,1
2,53 5,02 0,72 0,32 0,004 0,66 - 18,76
2,82 5,61 0,53 0,18 0,044 0,48 7,6
-
2,86 5,46 0,44
0,066
2,17 0,99
2,88 6,00 0,61 0,10 1,26 0,86
2,92 5,66 0,60 0,12 1,33 0,8
B. Với grafit cầu
2,62 6,23 0,89 0,22 0,021
-
0,088 0,04 0,3
2,42 5,85 0,87 0,14 0,003 0,15 0,09 0,44
2,75 5,01 0,83 0,17 0,004 0,174 0,36 1,07
2,53 6,40 0,56 0,20 0,05 0,09 0,081 0,188
3,02 5,21 0,60 0,13 0,006 0,24 0,189 - -
2,63 5,81 0,42 0,26 0,002 0,060 0,058 0,042
2,58 5,79 0,82 0,22 0,07 1,43 0,187 0,03 0,06
2,75 5,03 0,70 0,23 0,05 0,63 0,168 0,01 0,68

Quá trình oxy hóa của gang Si có grafit dạng cầu khác biệt với sự oxy
hóa của gang có grafit dạng tấm, bởi vì màng oxyt được tạo thành trước tiên

19

trên bề mặt chi tiết từ gang Si có grafit cầu là bền, không phá hủy tính liên tục
trên toàn bộ bề mặt mẫu. Sự cách ly hoàn toàn của tạp chất grafit dạng cầu

trong nền kim loại làm ngừng hoàn toàn sự tham gia của oxy hóa khí quyển
trong gang.
Sau khi tạo thành màng oxit mỏng để tiếp tục quá trình oxy hóa cần
thiết phải để các nguyên tử kim loại và oxy được thấm qua chúng, tức là các
quá trình oxy hóa tiếp theo trở nên sự khuyếch tán tinh khiết. Trong khi đó
như ở gang có grafit tấm, cùng với quá trình khuyếch tán, sự oxy hóa xảy ra
thường xuyên và quá trình tương tác hóa học trực tiếp của kim loại với môi
trường oxy hóa được thấm sâu vào kim loại theo tạp chất grafit tấm. Tính chất
chống gỉ của gang có grafit dạng tấm trong cùng điều kiện thấp hơn rất nhiều
so với gang có grafit dạng cầu.
Sự nở của gang Si có grafit cầu ở 900
0
C thực tế coi như không xảy ra. Ở
1000
0
C gang Si có grafit cầu mới biểu hiện sự nở. Sự nở của gang Si tăng lên
khi được hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit.
Người ta sử dụng gang Si để sản xuất các chi tiết chính khác nhau, làm
việc trong điều kiện nhiệt độ cao. Gang có grafit tấm – để làm việc đến nhiệt
độ 800
0
C, còn gang có grafit cầu – đến 900
0
C.
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ chế tạo gang cầu
Gang cầu là gang có grafit dạng cầu, grafit hình cầu ít gây phá hủy tính
liên tục của nền, hiệu ứng tập trung ứng suất nhỏ, do đó gang cầu là loại gang
có độ bền và độ dai cao nhất, xấp xỉ giá trị của thép. Vấn đề quan trọng trong
sản xuất gang cầu là hiệu quả xử lý cầu hóa nước gang. Trước đây người ta
dùng Mg làm chất cầu hóa, song chất lượng gang không ổn định, thao tác

phức tạp. Ngày nay người ta dùng hỗn hợp đất hiếm và Mg làm chất cầu hóa
và chất tạo mầm là FeSi75 đã làm cho cho sản xuất gang cầu có bước phát
triển mạnh, do giá thành gang cầu giảm xuống nhiều.
1.3.1 Tác dụng của các chất biến tính cầu hóa trong gang lỏng
- Tác dụng khử oxy và khử khí của các nguyên tố cầu hóa trong gang. Ở
1200-1800
0
C, Ca,Ce, La có ái lực hóa học với oxy mạnh nhất, sau đến Mg, C,
Si, Mn, Fe và Na. Theo nhiều nghiên cứu thì tác dụng khử oxy của đất hiếm
khi dùng lượng chất biến tính là 0,5% trọng lượng gang lỏng cũng cho kết

20

quả.Thông thường Ce trong gang tác dụng với S trước sau đó mới tác dụng
với oxy. Nhiệt độ càng tăng khả năng khử oxy của đất hiếm giảm dần. Các
nguyên tố đất hiếm trong gang cũng tạo các hợp chất khác như silisit, cacsbit,
phootsphit, nitơrit…bền vững và khó chảy.
- Tác dụng khử S của các nguyên tố cầu hóa trong gang. Mg và các
nguyên tố đất hiếm khi tác dụng với S tạo ra các loại sunphit MgS,Ce
2
S
3
, CeS,
Ce
4
S
4
, do đó có tác dụng khử S rất mạnh. Khi tăng nhiệt độ, hiệu suất khử S
của các nguyên tố đất hiếm tăng lên (đến 75%). Hàm lượng S sau biến tính có
thể giảm xuống 0,01%. Phản ứng tạo sunphit của các nguyên tố đất hiếm là

phản ứng tỏa nhiệt, làm tăng nhiệt độ của gang và làm giảm độ nhớt của gang
lỏng nên sự nổi tạp chất suaphit cũng thuận lợi, tạo điều kiện cho các sunphit
đi vào xỉ. Nếu giữ gang lỏng lâu sau biến tính cầu hóa, lượng S tăng lên do
sunphit đất hiếm tác dụng với oxy ở bề mặt gang lỏng. Kết quả là hàm lượng S
trong gang sẽ tăng lên và hàm lượng đất hiếm (Ce) sẽ giảm đi.
- Sự tồn tại của các nguyên tố cầu hóa để duy trì grafit dạng cầu. Các
nguyên tố dùng để biến tính cầu hóa thường bị cháy hao trong quá trình biến
tính. Đặc biệt là Mg có nhiệt độ nóng chảy thấp (651
0
C), nhiệt độ sôi không
cao (1120
0
C) (thấp hơn nhiệt độ gang lỏng khi biến tính) nên bị cháy hao rất
mạnh. Tùy vào điều kiện biến tính như thiết bị biến tính, nhiệt độ gang lỏng,
thời gian biến tính mà hiệu suất thu hồi Mg rất khác nhau. Với các chất biến
tính đất hiếm do có nhiệt độ nóng chảy lớn (T
nc
của Ce là 793
0
C, của La là
920
0
C) và nhiệt độ sôi cao (T
s
của Ce là 2417
0
C) nên ít cháy hơn, không có sự
sôi à bắn tóe nên hiệu quả sử dụng của nó cao hơn nhiều. Để duy trì được
gang có grafit dạng cầu thì sau khi biến tính, các chất biến tính còn phải được
giữ một lượng ở trong gang. Khi biến tính bằng Mg thì lượng Mg dư trong

gang là 0,03 – 0,08%, khi biến tính bằng đất hiếm thì lượng Ce còn lại là 0,15-
0,19%. Còn khi biến tính phối hợp Mg và đất hiếm thì lượng Mg còn lại là
0,02% và lượng đất hiếm là 0,08 – 0,15%.
1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cầu hóa.
- Ảnh hưởng của cacbon đương lượng. Gang cầu thường có khuynh
hướng biến trắng do phải biến tính gang bằng các nguyên tố cacbit hóa như
Ce, Mg, các nguyên tố đất hiếm. Mặt khác, do grafit ở dạng cầu đặc chắc, nên
lượng grafit trong gang hơi cao không ảnh hưởng xấu đến chất lượng của
gang. Để sản xuất gang cầu thường sử dụng gang có thành phần sau cùng tinh.

21

C
đl
= C
t
+ 1/3 (Si + P)≥4,3 [2]
Trong đó : C
đl
– thành phần cacbon đương lượng của gang (%).
C
t
– Hàm lượng cacbon tổng cộng có trong gang (%).
Si, P – Hàm lượng Si lic và Phốt pho có trong gang (%).
Thành phần gang đem biến tính phải có cacbon đương lượng trong giới
hạn 4,3 4,6% và hàm lượng S phải dưới 0,05%.
- Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh.
Lưu huỳnh là tạp chất có hại khi sản xuất gang cầu. Trong gang, thép,
lưu huỳnh tồn tại ở dạng FeS, MnS và có thể tồn tại ở dạng tự do. Lưu huỳnh
hấp phụ chọn lọc lên bề mặt lăng trụ của tinh thể grafit, làm giảm năng lượng

bề mặt của lăng trụ và do đó làm tăng tốc độ phát triển của bề mặt này lớn hơn
rất nhiều bề mặt cơ sở. Kết quả là grafit phát triển thành dạng tấm.
Khi biến tính gang bằng nguyên tố cầu hóa, các chất cầu hóa sẽ tác
dụng với lưu huỳnh nên hàm lượng lưu huỳnh sẽ giảm đi. Chỉ khi nào hàm
lượng lưu huỳnh ≤0,03% thì gang được biến tính bằng Mg mới có giá trị ở
dạng cầu.
Hàm lượng lưu huỳnh càng tăng thì lượng chất biến tính cần để cầu hóa
càng tăng. Lượng chất biến tính cần khử lưu huỳnh có thể tính theo công thức
sau :
Mg
s
=0,75 (S
đ
– S
s
).
Ce
s
=4,15 (S
đ
– S
s
).
Trong đó : Mg
s
, Ce
s
– lượng Mg, Ce cần để khử lưu huỳnh (%).
S
đ

, S
s
– hàm lượng lưu huỳnh trước và sau khi khử (%).
Hàm lượng lưu huỳnh trong gang trước biến tính càng giảm, mức độ
cầu hóa và tính chất cơ học của gang cầu càng được cải thiện. Hàm lượng lưu
huỳnh trong gang trước biến tính cầu hóa nên trong giới hạn ≤0,02-0,03%.
- Ảnh hưởng của loại và lượng chất biến tính :

22

Hiện nay có hai khuynh hướng sử dụng phối hợp hai loại chất biến tính
đất hiếm – magiê.
- Dùng Ce và các nguyên tố đất hiếm là cơ bản có thêm một lượng nhỏ
Mg.
- Dùng Mg là nguyên tố biến tính cầu hóa chủ yếu có thêm lượng nhỏ
Ce và các nguyên tố đất hiếm.
Chất biến tính chủ yếu là Ce và các nguyên tố đất hiếm nếu được đưa
vào một lượng nhỏ Mg ≤ 7% sẽ bảo đảm mức độ cầu hóa và hiệu quả sử dụng
chất biến tính cao. Lượng chất biến tính (%) Mg cần thiết bảo đảm để nhận
được gang có grafit dạng cầu phụ thuộc vào thành phần cũng như hàm lượng
lưu huỳnh đã được khử, chiều dày của vật đúc, lượng Mg dư, hiệu suất tác
dụng (A) được thể hiện qua công thức sau :
Mg(%) = [(0,04 - 0,1) + 0,76(S
1
– S
2
)]/A. [2]
Trong đó : S
1
và S

2
– hàm lượng S ban đầu và S còn dư lại.
0,04 – 0,1 lượng Mg dư tùy thuộc vào chiều dày thành vật
đúc.
Khi lượng Mg không đủ thì sẽ tạo thành grafit lẫn lộn (cầu và tấm), khi
quá thừa Mg thì gang bị trắng từng phần hoặc toàn bộ và vật đúc có khuyết tật
đúc.
Hiệu xuất tác dụng phụ thuộc vào lượng cháy hao Mg không những
được quyết định bởi dạng và phương pháp cho chất biến tính vào mà còn được
quyết định bởi nhiệt độ của gang, thời gian của phản ứng, và thời gian giữ kim
loại sau khi xử lý.
Thành phần một số hợp kim biến tính cầu hóa mà các cơ sở sản xuất ở Việt
Nam thường sử dụng được nêu ở bảng 10.




23

Bảng 10. Thành phần hóa học các chất cầu hóa thường sử dụng ở Việt
nam.
Nước
sản xuất

Ký hiệu Thành phần hóa học ( %)
Mg Ce Ca Si Al Fe
Đài
Loan
KC-5
5,5 1,8 – 2,2

1,5 – 2,0

42 - 47 1,2 – 1,5

Còn lại
Đài
Loan
KC-8
7,0-9,0 3,5 – 4,0

2,0 – 2,5

45 – 50

- Còn lại
Nhật
Bản
OGRE4,5
4,5 1,5 1,5 45 - Còn lại
Nhật
Bản
OGRE8,0
9,0 2,5 3,0 45 - Còn lại
Trung
Quốc
FeSiMg
6
RE
3

5,0 – 7,0

2,0 – 4,0

2,0 – 3,0

≤ 44 - Còn lại

- Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian biến tính.
Nhiệt độ biến tính có vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu xuất sử
dụng chất biến tính. Điều này liên quan đến sự hòa tan đồng đều chất biến tính cũng
như khả năng cháy hao chất biến tính. Khi nhiệt độ biến tính thấp ( 1370
0
C) chất
biến tính chưa hòa tan hết, gang không được cầu hóa. Khi tăng nhiệt độ biến tính
(1380 – 1510
0
C) đã nhận được gang cầu, hệ số sử dụng Ce cao, tiếp tục tăng nhiệt
độ biến tính ( 1520
0
C) hệ số sử dụng Ce giảm do Ce bị cháy hao mạnh.
Giữ gang lỏng lâu sau khi biến tính sẽ dẫn đến làm giảm hàm lượng chất biến
tính dư trong gang và làm tăng hàm lượng S, kết quả là làm giảm chất lượng cầu
hóa, thâm chí chuyển grafit dạng cầu thành dạng tấm. Các kết quả thực nghiệm đã
chỉ ra rằng, khi giữ gang cầu sau biến tính 5 phút còn nhận được grafit dạng cầu, khi
giữ tới 20 phút grafit trở thành dạng giun, còn tới 30 phút sẽ nhận được grafit dạng
tấm. Ở trên bề mặt gang lỏng với không khí, tùy theo điều kiện nhiệt độ giữ gang
lỏng mà lượng Ce bị giảm đi đáng kể và lượng S sau một thời gian lại tăng lên ; vì
vậy sau khi biến tính 1 – 2 phút nên rót ngay vào khuôn.

- Ảnh hưởng của chiều dày thành vật đúc.
Thành dày vật đúc có ảnh hưởng quyết định tới tốc độ đông đặc và tốc độ
nguội của vật đúc. Thành càng dày thì gang tồn tại ở trạng thái lỏng càng lâu, điều
này cũng ảnh hưởng tương tự như giữ gang lỏng sau biến tính. Chiều dày vật đúc
càng tăng thì grafit càng thô và càng xấu.

24

Lượng Mg dư được tính theo công thức sau :
Mg
dư
= 0,008 (C + Si) + 0,00015e [3].
Trong đó : C,Si – hàm lượng C, Si có trong gang (%).
e – chiều dày thành vật đúc (mm).
Chiều dày vật đúc không những ảnh hưởng đến sự hình thành grafit cầu mà
còn ảnh hưởng đến sự tạo ra các tổ chức nền kim loại. Tăng chiều dày vật đúc gang
có khuynh hướng kết tinh theo hệ ổn định mà trong tổ chức nền kim loại dễ tạo ra tổ
chức ferit.
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu.
Ứng dụng của gang cầu. Gang cầu được sử dụng trong công nghiệp
như vật liệu kết cấu mới, có thể thay thế thép cacbon, gang dẻo và gang xám.
Chúng được sử dụng để sản xuất các chi tiết nhỏ trọng lượng từ một vài trăm
gam (thí dụ vòng pít tông) cũng như các chi tiết rất lớn trọng lượng đến 150 T
trong một vật đúc (thí dụ đe búa rèn, đế máy và khung của máy dập và máy
cán); các chi tiết thành dày (đến 1000 mm); cũng như chi tiết thành mỏng (3-5
mm). Các chi tiết được sử dụng ở trạng thái đúc cũng như sau nhiệt luyện. Các
trục khuỷu để chạy động cơ của ô tô và máy nông nghiệp là thí dụ đặc trưng
về sự sử dụng gang cầu thay thế cho vật rèn thép. Các trục khuỷu được sản
xuất từ gang cầu, không chỉ rẻ hơn rèn thép mà còn tuyệt vời về chất lượng sử
dụng (độ bền của chúng cao hơn độ bền của trục rèn từ thép).

Khi gang có các chỉ tiêu tương tự với thép về độ bền kéo, thì gang có
giới hạn chảy cao hơn nhiều điều này cho phép sử dụng chúng trong các chức
năng đặc biệt quan trọng.
Sự thay thế đúc thép bằng đúc gang độ bền cao thuận lợi chứng tỏ rằng
gang độ bền cao, ở các chỉ tiêu tính chất cơ lý tương tự, có tính chất đúc tốt
hơn nhiều, trong đó thì độ chảy loãng (cao hơn rất nhiều) và khuynh hướng
đối với sự tạo thành nứt nóng nhỏ nhất. Độ chảy loãng của gang tốt cho phép
đúc các chi tiết thành rất mỏng từ chúng mà sự sản xuất các chi tiết như vậy từ
thép là rất khó khăn. Khuynh hướng tạo thành nứt nóng không lớn của gang
rút gọn rất nhiều kỹ thuật sản xuất vật đúc và làm giảm rõ rệt phế phẩm về nứt
nóng của khuyết tật.

25

Nhiệt độ nóng chảy của gang thấp hơn thép rất nhiều làm giảm nhẹ rất
nhiều kỹ thuật nấu, bởi vì không yêu cầu vật liệu chịu lửa bền nhiệt cao đối
với lò và vật liệu làm khuôn chịu nhiệt cao.
Gang cầu được sử dụng thay cho gang có grafit tấm khi mà sự thay thế
này dẫn đến sự tăng thời hạn sử dụng chi tiết hoặc là dẫn đến sự tiết kiệm rất
lớn kim loại và làm giảm trọng lượng máy. Trục cán, các khuôn đúc thỏi và
ống là thí dụ đặc trưng sự thay thế thành công gang có grafit tấm bằng gang
cầu. Ở kết quả sự thay thế này độ bền của trục cán tăng 2-4 lần, độ bền khuôn
đúc thỏi tăng 2-3 lần. Còn trọng lượng ống giảm 20-30%.
Yêu cầu độ bền ở điều kiện tác dụng nhiệt độ và sự nguội không đều,
tạo điều kiện để phát triển ứng suất nhiệt; độ bền cao, độ dẻo và độ bền chống
lại sự trương nở và sự tạo thành vết nứt là yêu cầu cơ bản đưa ra đối với khuôn
đúc thép.Do khuôn đúc gang xám không đạt được độ bền, tiêu hao khuôn rất
cao, từ 12-22 kg trên 1 tấn thép. Các khuôn hư hỏng do xuất hiện vết nứt dọc
và tạo thành lưới. Gang cầu độ bền cao thỏa mãn yêu cầu cơ bản đối với
khuôn đúc là vật liệu thích hợp nhất để sản xuất khuôn đúc. Gang này có độ

bền cao, độ dẻo cao (gang có cấu trúc ferit), khuynh hướng đối với sự tạo
thành vết nứt nhỏ và tính chảy loãng tốt. Các tính chất vừa liệt kê của gang
cầu cho phép sử dụng chúng thành công để sản xuất các khuôn đúc lớn, trọng
lượng đến 3 tấn. Độ bền của khuôn này cao hơn 2-3 lần của khuôn bằng gang
xám thông thường.
Lựa chọn mác gang nghiên cứu. Sử dụng gang cầu để sản xuất các chi
tiết làm việc trong điều kiện tác dụng nhiệt độ cao; đó là gang cầu bền nhiệt
được hợp kim hóa bằng Si (5-6%Si) hoặc là bằng nhôm (19-24% Aℓ), dùng để
sản xuất các chi tiết làm việc trong điều kiện tác dụng nhiệt độ cao hơn so với
gang hợp kim không được cầu hóa, nhằm nâng cao tính năng và tuổi thọ của
chi tiết. Chính vì những tính năng ưu việt vừa kể trên của gang cầu mà đề tài
đã chọn mác gang cầu RQTSi5 (bảng 11) làm đối tượng nghiên cứu, nhằm sản
xuất được vật liệu có tính chịu nhiệt cao hơn, giá thành phải chăng, góp phần
tăng năng xuất lao động, nâng cao hiệu quả kinh tế.