Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang cầu chất lượng cao mác QT700-2 để làm má dẫn trong giá cán thép

2

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM - CTCP
VIỆN LUYỆN KIM ĐEN








BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN
CÔNG NGHỆ CẤP BỘ




Tên đề tài :
“Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang cầu chất lượng cao mác QT700-2
để làm má dẫn trong các giá cán thép”



VIỆN LUYỆN KIM ĐEN
VIỆN TRƯỞNG





Nguyễn Quang Dũng






Hà Nội, 2012
3

Danh sách những người thực hiện chính

Họ và tên
Học hàm, học vị
chuyên môn
Cơ quan công tác
1.Phạm Thị Minh Phượng Kỹ sư luyện kim Viện Luyện kim đen
2.Dư Công Thanh Kỹ sư luyện kim Viện Luyện kim đen
3.Lâm Mai Tuyên Kỹ sư Nhà máy cán thép Lưu Xá

4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5
1.TỔNG QUAN 6
1.1 Khái quát chung về gang cầu 6
1.1.1Tổ chức gang cầu 6
1.1.2 Tính chất và công dụng của gang cầu 7
1.1.3 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất 10
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất của gang cầu 11
1.2.1 Thành phần hóa học 11
1.2.2 Những nguyên tố cầu hóa 13
1.2.3 Những nguyên tố biến tính graphít hoá 14
1.2.4 Xử lý nhiệt gang cầu 15
1.3 Công nghệ chế tạo gang cầu 16
1.3.1 Biến tính cầu hoá gang 17
1.3.2 Tác dụng của chất biến tính cầu hoá trong gang lỏng 17
1.3.3 Các phương pháp biến tính gang lỏng bằng Mg và hợp kim Mg 19
1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cầu hóa 21
II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
2.1 Nội dung nghiên cứu 24
2.2 Phương pháp nghiên cứu 24
III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 25
3.1 Công nghệ nấu luyện 25
3.2 Công nghệ đúc 31
3.3 Gia công cơ khí 34
3.4 Các tính chất cơ lí 34
3.5 Cấu trúc tế vi 35
3.6 Chế tạo sản phẩm và dùng thử 37
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40
4.1 Kết luận 40
4.2 Kiến nghị 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 42







5

MỞ ĐẦU

Cùng với sự tăng trưởng của ngành thép, số lượng các nhà máy cán thép
trong nước cũng gia tăng không ngừng, các nhà máy công suất lớn, công nghệ
hiện đại đang dần được xây dựng và đưa vào sản xuất nhằm thay thế các nhà
máy có công nghệ lạc hậu. Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ và chế tạo một
số chi tiết, bộ phận đơn giản của thiết bị cán thép là cần thiết, nhằm giảm giá
thành cho dự án và dần làm chủ trong việc chế tạo các chi tiết thường xuyên
phải thay thế trong quá trình sản xuất sau này. Theo thống kê của Nhà máy
cán Công ty CP Thép Hòa Phát, Công ty Thép Miền Nam, … hàng năm phải
thay thế nhiều má dẫn hộp dẫn của giá cán thép (khoảng 10 tấn SP/năm).
Gang cầu được ứng dụng nhiều trong việc sản xuất, chế tạo các chi tiết
chịu lực lớn, chịu tải trọng va đập và mài mòn. Do hiệu quả kinh tế khi sản
xuất cũng như cơ tính và tính chất làm việc tốt mà người ta đã sử dụng gang
cầu thay thế ngày càng nhiều cho gang xám độ bền cao, gang dẻo, thép rèn và
thép đúc, do đó việc nghiên cứu công nghệ chế tạo gang cầu chất lượng cao
để làm má dẫn trong các giá cán thép là cấp thiết. Để góp phần phục vụ nhu
cầu trong nước, giảm thiểu nhập khẩu, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và
được Bộ Công Thương chấp nhận giao thực hiện đề tài: "Nghiên cứu công
nghệ sản xuất gang cầu chất lượng cao mác QT700-2 để làm má dẫn

trong các giá cán thép".
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ, sử dụng
nguyên vật liệu và thiết bị trong nước chế tạo gang cầu QT700-2 làm má dẫn
trong các giá cán thép.
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 như sau:
- Tổng quan.
- Nội dung và phương pháp nghiên cứu.
- Kết quả đạt được.
- Kết luận và kiến nghị.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ, tạo
điều kiện của Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Công Thương, Nhà máy cán
thép Lưu Xá, cùng một số cơ sở nghiên cứu khác. Nhân dịp này, chúng tôi
xin trân trọng cảm ơn về sự giúp đỡ và hợp tác đó.
6

1.TỔNG QUAN
1.1 Khái quát chung về gang cầu
1.1.1 Tổ chức gang cầu
Gang cầu là loại gang có độ bền cao do có graphit ở dạng cầu nhờ biến
tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm. Sau khi biến tính
cầu hoá, gang lỏng còn được biến tính lần hai bằng các nguyên tố graphit hoá
như FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang. Nhờ các chất biến tính mà gang
lỏng trở nên sạch các tạp chất như S và các loại khí, làm tăng tốc độ quá
nguội cho gang và tạo cho graphit phát triển chủ yếu theo hướng thẳng góc
với bề mặt cơ sở của tinh thể graphit. Do đó graphít kết tinh thành hình cầu.
- Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống như gang xám song chỉ khác là
graphit của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu, bao gồm ba loại nền kim
loại: ferit, ferit-peclit và peclit (hình 1,2,3). Gang cầu là loại gang có độ bền
cao nhất trong các loại gang, bề ngoài của gang cầu cũng có màu xám tối

như gang xám nên khi nhìn bề ngoài thì khó phân biệt hai loại gang này với
nhau. Tuy nhiên, ta có thể phân biệt gang cầu và gang xám qua dấu hiệu co
ngót ở sản phẩm gang cầu hoặc bằng cách gõ vào sản phẩm, sản phẩm gang
cầu sẽ có tiếng kêu trong và thanh, còn sản phẩm gang xám có tiếng kêu đục
và trầm.


Hình 1: Tổ chức tế vi của gang cầu ferit Hình 2: Tổ chức tế vi của gang cầu peclit
7


Hình 3: Tổ chức tế vi của gang cầu ferit-peclit
1.1.2 Tính chất và công dụng của gang cầu
- Do graphít ở dạng hình cầu nên cơ tính gang cầu cao gần như thép (70-
90% cơ tính của thép).
- Gang cầu có độ bền mài mòn cao, hệ số ma sát bé, do đó nó được dùng
để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện ma sát ở áp suất cao và bôi
trơn khó khăn.
- Độ xít kín của gang cầu lớn hơn hẳn gang xám nên nó là vật liệu thích
hợp để chế tạo các chi tiết làm việc ở áp xuất cao như: động cơ diezen, bơm,
thiết bị thuỷ lực và khí nén.
- Khả năng chịu ăn mòn của gang cầu cao không nhỏ hơn gang xám và
cao hơn thép. Nhờ cacbon, khi bị ăn mòn, trên bề mặt gang cầu sẽ nhanh
chóng hình thành bộ khung graphít, giữa chúng có lớp oxít (hoặc hyđrít) liên
kết chặt chẽ với nền, cản trở quá trình ăn mòn tiếp theo.
- Độ bền nóng của gang cầu cao hơn gang xám do sự ôxy hoá ranh giới
hạt kém và sự trương nở được giảm bớt. Điều này thấy rõ ở nhiệt độ cao
khoảng 400-500
0
C hiện tượng trương nở và sự giảm cơ tính của gang cầu là

không đáng kể.
- Độ bền và độ dai va đập của gang cầu cao gần như thép, cao hơn gang
xám nhiều. Đồng thời qua sự thay đổi và điều chỉnh tổ chức nền kim loại mà
có thể điều chỉnh được tính chất của gang cầu trong phạm vi rộng.
- Nhờ có độ bền tổng hợp, tính ứng dụng cao mà các chi tiết bằng gang
cầu được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: các chi tiết máy cán
8

kéo, máy dập ép, thiết bị nghiền dập xử lý quặng, trục khuỷu, chi tiết làm
tuabin, bánh răng, xécmăng…Trong nhiều trường hợp gang cầu còn có thể
chế tạo thay thép đúc, thép dập, gang xám, gang dẻo và cho kết quả tốt hơn.
- Độ bền kéo và giới hạn chảy khá cao (σ
b
=400-800MPa, σ
0,2
=250-
600MPa).
- Độ dẻo và độ dai tuy có kém thép song cao hơn gang xám rất nhiều
(δ=2-15%, a
k
=300-600J/m
2
).
Thành phần hoá học, tính chất cơ lý tính của các mác gang cầu ở các
nước công nghiệp trên thế giới được trình bày trong các bảng 1 - 5 sau đây:
Bảng 1: Thành phần hóa học của một số mác gang cầu theo tiêu chuẩn Nga (ГОСТ 7293-85)[1]
Mác C (%) Si(%) Các nguyên tố khác(%)
gang Chiều dày vật đúc /mm Mn P S Cr
≤ 50 50-100 ≥ 100 ≤ 50 50-100

≥ 100 ≤ ≤ ≤
BЧ35 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,8-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,05
BЧ40 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,2-1,7 0,5-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,10
BЧ45 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,5-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,10
BЧ50 3,2-3,7 3,0-3,3 2,7-3,2 1,9-2,9 2,2-2,6 0,8-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,15
BЧ60 3,2-3,6 3,0-3,3 - 2,4-2,6 2,4-2,8 - 0,4-0,7 0,1 0,02 0,15
BЧ70 3,2-3,6 3,0-3,3 - 2,6-2,9 2,6-2,9 - 0,4-0,7 0,1 0,015 0,15
BЧ80 3,2-3,6 - - 2,6-2,9 - - 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15
BЧ100

3,2-3,6 - - 3,0-3,8 - - 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15
Bảng 2: Ký hiệu mác và cơ tính theo tiêu chuẩn Quốc tế (ISO 1083-1987)[1]
Mác
gang
Độ bền kéo
σ
b
≥ /MPa
Độ bền chảy
σ ≥ /MPa
Độ giãn dài
δ ≥ (%)
Độ cứng
(HBS)
Tổ chức kim tương
900-2 900 600 2 280-360 Bainit hoặc Mactensit ram
800-2 800 480 2 245-335 Peclit hoặc tổ chức ram
700-2 700 420 2 225-305 Peclit
600-3 600 370 3 190-270 Peclit + Ferit
500-7 500 320 7 170-230 Peclit + Ferit

450-10 450 320 10 160-210 Peclit + Ferit
400-15 400 250 15 130-180 Ferit
400-18 400 250 18 130-180 Ferit
350-22 350 220 22 ≤ 150 Ferit
9

Bảng 3: Thành phần hoá học các mác gang cầu tôi đẳng nhiệt theo tiêu chuẩn Nhật
Bản (JIS G 5503 (1995)[3]
Mác gang Thành phần hoá học các nguyên tố (%)
C Si Mn P (≤) S (≤) Mg (≤)
FCD 350-22 ≤ 2,5 ≤ 2,7 ≤ 0,4 0,08 0,02 0,09
FCD 400-18 ≤ 2,5 ≤ 2,7 ≤ 0,4 0,08 0,02 0,09
FCD 450-10 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 500-7 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 600-3 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 700-2 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09
FCD 800-2 ≤ 2,5 - - - 0,02 0,09

Bảng 4: Thành phần hóa học của gang cầu theo tiêu chuẩn Trung Quốc (GB 1348-88)[2]
Mác Thành phần hoá học các nguyên tố (%)
gang C Si Mn P (≤) S (≤) Mg RE Mo Cu
QT400-18 3,6-3,8 2,3-2,7 ≤ 0,5 0,08 0,025 0,03-0,05 0,02-0,03
QT400-15 3,5-3,6 3,0-3,2 ≤ 0,5 0,07 0,02 0,04 0,02
QT450-10 3,4-3,9 2,7-3,0 0,2-0,5 0,07 0,03 0,06-0,10 0,03-0,10
QT500-7 3,6-3,8 2,5-2,9 ≤ 0,6 0,08 0,025 0,03-0,05 0,03-0,05
QT600-3 3,6-3,8 2,0-2,4 0,5-0,7 0,08 0,025 0,035-0,05 0,025-0,045
QT700-2 3,7-4,0 2,3-2,6 0,5-0,8 0,08 0,02 0,035-0,065 0,035-0,065 0,15-0,4 0,4-0,8
QT800-2 3,7-4,0 2,5 ≤ 0,5 0,07 0,023 - - 0,39 0,82
QT900-2 3,5-3,7 2,7-3,5 ≤ 0,5 0,08 0,025 0,03-0,05 0,025-0,045 0,15-0,25 0,5-0,7

Bảng 5: Ký hiệu và cơ tính của gang cầu theo tiêu chuẩn Trung Quốc (GB 1348-88)
Mác gang Bền kéo Bền chảy Giãn dài Độ cứng Tổ chức nền
σ
b
≥ /MPa

σ ≥ /MPa δ ≥ (%) (HBS)
QT400-18 400 250 18 130-180 Ferit
QT400-15 400 250 15 130-180 Ferit
QT450-10 450 310 10 160-210 Ferit
QT500-7 500 320 7 170-230 Peclit + Ferit
QT600-3 600 370 3 190-270 Peclit + Ferit
QT700-2 700 420 2 225-305 Peclit
QT800-2 800 480 2 245-335 Peclit hoặc tổ chức ram
QT900-2 900 600 2 ≤ 179 Bailit hoặc mactensit ram
10

1.1.3 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất
Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit cầu và nền kim loại. Khi số lượng
graphit cầu thay đổi (hình 4) làm cho tổ chức thay đổi, điều này ảnh hưởng tới
tính chất của gang cầu. Bên cạnh đó, cùng dạng graphit, tổ chức nền của gang
cầu có liên quan trực tiếp tới cơ tính và tính chất làm việc của gang. Môi quan hệ
này được thể hiện trên hình 5.


Hình 4: Cấu trúc của gang cầu khi mức độ cầu hóa thay đổi.
(a) 99% cầu. (b) 80% cầu. (c) 50% cầu.


Hình 5: Mối quan hệ giữa độ bền và hàm lượng peclit [9].

11

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất của gang cầu
1.2.1 Thành phần hóa học
- Nguyên tố C
Hàm lượng cacbon trong gang cầu thường từ 3.4 - 3.9%, phụ thuộc vào
hàm lượng silic. Nếu trên phạm vi này dẫn tới sự nguy cơ nổi graphit, đặc
biệt là đối với vật đúc lớn và làm tăng sự giãn nở vật đúc trong quá trình
đông đặc. Nếu hàm lượng cacbon dưới phạm vi này, dẫn tới sự thiếu hàm
lượng cacbon, sẽ xuất hiện cacbit, đặc biệt đối với vật đúc thành mỏng.
- Nguyên tố Si
Silic là một thành phần không thể thiếu được của gang cầu. Tỷ lệ của nó
trong vật đúc giao động từ 2% đến 6% cho một số mác gang cầu đặc biệt như
gang chịu mài mòn hoặc gang chịu nhiệt. Tuy nhiên, phần lớn sản phẩm
gang cầu có tỷ lệ Si vào khoảng 2,0-3,0%, tuỳ thuộc vào môđun và ứng dụng
của vật đúc.
Vì silic được đưa thêm vào trong trạng thái cầu hoá và biến tính nên
người công nhân phải tính đến vấn đề này khi kiểm tra thành phần hoá học
của kim loại lỏng ban đầu trước khi cầu hóa. Các nguồn tăng silic khác nhau
trong quá trình nấu gang cầu bao gồm chất tạo mầm SiC hoặc FeSi, chất cầu
hoá (FeSiMg), chất biến tính (FeSi 75) và trong nguyên liệu ban đầu.
- Nguyên tố Mn:
Về mặt tổ chức kim loại, mangan là một nguyên tố peclit hóa. do đó hàm
lượng mangan cần dưới 0,3% cho sản xuất gang ferit, thậm chí dưới 0,2% cho
một số ứng dụng quan trọng. Để có tổ chức peclit hoàn toàn, cần thiết phải đạt
được hàm lượng Mn trên 0,5%
- Nguyên tố S: hàm lượng lưu huỳnh trong gang cầu càng thấp càng tốt,
vì khi đưa Mg và các nguyên tố đất hiếm vào nước gang, đầu tiên chúng thực
hiện việc khử lưu huỳnh, sau đó mới gây tác dụng cầu hoá graphít. Hàm
lượng S trong gang trước cầu hoá thông thường ở mức <0,05%, tốt nhất nên

khống chế S≤0,03%.
- Phốt pho: Phốt pho dễ thiên tích, ở hàm lượng nhất định có thể xuất
hiện cùng tinh phốt pho trên biên giới hạn, làm giảm tính dẻo, dai của gang.
12

Với gang cầu ferit, tác hại của P biểu hiện càng mạnh, vì chúng làm chuyển
hoá ngưỡng cửa giòn của gang lên vùng nhiệt độ cao. Thông thường cần
khống chế hàm lượng P trong gang cầu ≤0,08%.
- Mo: Làm nhỏ kích thước các hạt graphít 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 lượng Mo vượt quá 2%, tổ chức nền gang có xuất hiện bainit. Mo
nguyên tố các bít hoá yếu, làm thu hẹp austenit và cản trở mạnh quá trình
chuyển biến austenit, vì vậy rất dễ tạo ra tổ chức chuyển biến ở cấp bainit.
Khi đưa 0,1-0,3%Mo vào sẽ gây ra tác dụng ferit hoá, lúc đó làm mở rộng
vùng ferit (vùng trắng bao quanh hạt graphit cầu) và làm giảm lượng peclit
của tổ chức nền. Khi dùng với lượng cao hơn thì tác dụng đó không còn nữa
và sự chuyển biến xảy ra theo chiều ngược lại, làm giảm ferit và dẫn tới tạo ra
tổ chức bainit và mactenxit.
- Cu: Đồng có tác dụng làm mịn tổ chức peclit và tăng khả năng xuất hiện
tổ chức peclit trong nền gang. Nó làm tăng giới hạn chảy, giới hạn bền và độ
cứng nhưng không gây ra hiện tượng giòn. Trong loại gang cầu peclit, hàm
lượng đồng từ 0,4-0,8%. Hình 6 thể hiện ảnh hưởng của đồng đến tính chất của
gang cầu [12].





13

Hình 6: ảnh hưởng của hàm lượng Cu đến tính chất của gang cầu
1.2.2 Những nguyên tố cầu hóa
- Mg: đây là nguyên tố cầu hoá chủ yếu, nó làm cho graphít được kết tinh
từ gang lỏng có dạng hình cầu. Manhê trong nước gang dễ dàng kết hợp với
oxy và lưu huỳnh tạo thành MgO và MgS, gây hiệu quả khử O và S trong
gang. Mg còn có tác dụng làm nước gang sôi mạnh; do đó, có tác dụng khử
khí H, N và tạp chất. Manhê hoà tan trong dung dịch rắn của sắt rất ít, lượng
Mg còn lưu lại trong gang cầu chỉ xấp xỉ 0,03% (hình 7), thông thường chỉ
tiêu đặt ra khi đúc hàm lượng Mg là 0,035-0,045%. Nhưng khi hàm lượng Mg
trên 0,045% sẽ làm tăng xu hướng co ngót vật đúc.

14


Hình 7: Ảnh hưởng của hàm lượng Mg tới hình dạng graphite [10]

- Nguyên tố đất hiếm: là các nguyên tố làm cầu hoá graphít. Trong nước
gang, nó có tác dụng kìm hãm sự tiết graphít I và có tác dụng khử O, H và N.
Các nguyên tố Ce và Y(Ytri) có tác dụng cầu hoá tương đối tốt. Các nguyên
tố đất hiếm có ái lực với S mạnh hơn Mg, cho nên nó có ưu tiên kết hợp với S
trong nước gang, bảo đảm lượng dư Mg dành cho cầu hoá tăng. Hợp chất lưu
huỳnh và oxy với đất hiếm có dạng hạt rất nhỏ trở thành mầm ký sinh cho
graphít cầu hoá, làm cho các hạt graphít dạng cầu tiết ra kích thước nhỏ, phân
bố đều đặn hơn. Lượng dư của nguyên tố đất hiếm trong gang không được
quá nhiều, nếu không sẽ làm cho mức độ graphít kém đi. Thông thường hàm
lượng nguyên tố đất hiếm còn lại trong gang cầu ở mức 0,02-0,04%.
1.2.3 Những nguyên tố biến tính graphít hoá
- Si: là nguyên tố biến tính graphít hoá cơ bản của gang cầu. Tác dụng
của Si là trung hoà tác dụng biến trắng của các nguyên tố biến tính cầu hoá,

đồng thời Si cũng có tác dụng làm graphít cầu tốt hơn và hạt nhỏ hơn; do đó,
nâng cao độ dẻo, độ dai của gang.
- Ca, Al, Mo: các nguyên tố này phối hợp với Si tạo thành chất biến tính
phức hợp đạt hiệu quả tốt hơn, làm cho thời gian tác dụng của chất biến tính
kéo dài. Đồng thời chúng có tác dụng làm tăng tỷ lệ hấp thụ nguyên tố cầu
15

hoá của nước gang đồng đều, làm giảm độ nhạy cảm chiều dày thành vật đúc
và tăng độ dai của gang.
1.2.4 Xử lý nhiệt gang cầu
Trong các chi tiết đúc từ gang luôn luôn có ứng suất đúc xuất hiện do
từng phần của chúng được làm nguội với tốc độ khác nhau. Về nguyên tắc
thông qua thành phần hóa học của gang cầu để khống chế tổ chức nền; song
còn nhiều yếu tố ảnh hưởng như hình dạng, kích thước vật đúc và các yếu tố
công nghệ khác nên tổ chức nền kim loại của gang có thể không đạt được như
ý muốn. Vì vậy, cần xử lý nhiệt luyện để cải thiện tổ chức nền, giảm ứng suất
trong vật đúc:
Ủ gang cầu:
- Ủ gang cầu nhiệt độ cao: vật đúc gang có thể bị biến trắng một phần,
muốn xêmentit tự do phân rã thành graphit phải ủ nhiệt độ cao: nung tới nhiệt
độ Ac
f
1
+(70-90)
0
C tiến hành graphit hóa giai đoạn I, giữ nhiệt ở thời gian 2-
4h để xêmentit phân rã hoàn toàn. Sau đó để nguội chậm theo lò để tiến hành
graphit hóa giai đoạn trung gian. Nếu muốn gang có tổ chức nền là peclit thì
cho phôi nguội theo lò tới 600
0

C cho ra lò nguội trong không khí. Nếu muốn
được gang có tổ chức nền là ferit, thì phôi nguội theo lò tới nhiệt độ cao hơn
Ar
S
1
600
0
C cho ra lò nguộ trong không khí. Chú ý, sau khi ra lò cần bảo đảm
nguội tương đối nhanh để tránh xảy ra giòn nguội ngay từ khâu đúc.
- Ủ graphit hóa nhiệt độ thấp: nếu như trong tổ chức gang cầu đúc chỉ có
tổ chức nền peclit và ferit, muốn gang có tổ chức nền là ferit để tính dẻo và dai
cao hơn thì chỉ cần ủ nhiệt độ thấp, nung phôi gang tới nhiệt độ gần A
s
c
1
là
730-780
0
C thực hiện graphit hóa giai đoạn II với thời gian giữ nhiệt 3-6 giờ.
- Ủ khử ứng suất: ở nhiệt độ 560
0
C trong thời gian 1giờ và tăng thêm 1
giờ cho mỗi thành dày 25mm.
Thường hóa gang cầu:
- Thường hóa nhiệt độ cao:Đây là quá trình austenit hóa hoàn toàn. Mục
đích nhằm tăng số lương peclit trong tổ chức nền và làm nhỏ mịn tổ chức
peclit; qua đó làm tăng độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn, đồng thời cũng
16

có tác dụng khử bỏ một phần nhỏ xêmentit tự do. Nhiệt độ nung thường hóa là

A
f
c
1
+(50-70)
0
C, sau khi austenit hóa cho phôi đúc được làm nguội trong quạt
gió hoặc nguội bằng nước phun mù.
- Thường hóa nhiệt độ thấp: đây là dạng thường hóa với quá trình
austenite hóa một phần. Vật đúc sau khi thường hóa ở nhiệt độ thấp, tổ chức
nền thu được gồm peclit nhỏ mịn và một ít ferit. Một lượng nhỏ ferit có tác
dụng cải thiện độ dẻo, độ dai của gang.
Gang cầu có khuynh hướng quá nguội lớn, tính dẫn nhiệt kém, sau khi
thường hóa tồn tại nội ứng suất lớn, bởi vậy nên phải ủ khử ứng suất sau.
Tôi và ram
Đối với vật đúc yêu cầu cơ tính tổng hợp cao cần tiến hành tôi và ram.
Nhiệt độ nung tôi thường chọn A
f
c
1
+(30-50)
0
C, tổ chức sau tôi là mactensit
hình kim. Do gang cầu dẫn nhiệt kém, nên thường tôi trong dầu. Nhiệt độ ram
được chọn theo yêu cầu cơ tính cần đạt.
(Các nhiệt độ tới hạn của gang cầu thông thường như sau: A
s
c
1
=780-790

0
C; A
f
c
1
=840-850
0
C; A
s
r
1
=805-810
0
C; A
f
r
1
=725-730
0
C)[5].
1.3 Công nghệ chế tạo gang cầu
Gang cầu là gang có graphít dạng cầu. Graphít hình cầu ít gây phá huỷ
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 tính chất của thép. Nó được áp dụng
rộng rãi để chế tạo những chi tiết quan trọng như: trục khuỷu, trục cam, tay
biên, bánh răng, hộp giảm tốc, mắt xích máy kéo…
Vấn đề mấu chốt trong sản xuất gang cầu là hiệu quả xử lý cầu hoá nước
gang. Người ta có thể dùng Mg làm chất cầu hoá song thao tác công nghệ
phức tạp, chất lượng không ổn định. Do đó người ta có thể dùng hỗn hợp đất
hiếm và Mg làm chất cầu hoá và cải tiến công nghệ xử lý cầu hoá đã làm cho

sản xuất gang cầu có bước phát triển mạnh.


17

1.3.1 Biến tính cầu hoá gang
Có rất nhiều công trình nghiên cứu làm sáng tỏ lý thuyết cầu hoá graphít
trong gang khi kết tinh cả trong trạng thái lỏng, cả trong trạng thái đặc. Hiện
nay có thể chia làm 15 loại quan điểm khác nhau. Theo các quan điểm này,
việc hình thành graphít cầu khi biến tính gang bằng Mg và các nguyên tố đất
hiếm là do các nguyên nhân sau:
- Phân hoá Fe
3
C ở trạng thái rắn
- Sự thay thế tâm mầm SiO
2
mạng tứ diện bằng tâm mầm MgO có mạng
tinh thể lập phương.
- Do sự hấp phụ Mg hay khí Mg trên nền graphít mà graphít phát triển
thành dạng cầu.
- Do sự phân huỷ austenit quá bão hoà
- Do sự tinh luyện gang lỏng sạch oxy, lưu huỳnh và các tạp chất khác.
- Tăng độ quá nguội cho gang lỏng.
- Do sự phân hóa silic trong gang.
- Do sự phân hóa cacbit magie.
- Do sự khuếch tán của các nguyên tử sắt trong gang khi kết tinh.
- Kết quả của sự căng sức căng bề mặt cho gang.
- Do quá trình tách rời của các graphit hình kim.
- Do sự khuếch tán của cacbon vào trong các bọt khí tế vi.
- Ở gang cùng tinh, graphit bị lớp vỏ austenit bao bọc, sự kết tinh graphit

nhờ cacbon khuếch tán qua lớp austenit này, do đó trở thành hình cầu,
- Sự tạo thành graphit cầu được xác định chủ yếu bằng điều kiện kết tinh
của nó. Quá trình tạo mầm do khuếch tán cacbon qua các màng và sự phát
triển dẫn tới hình cầu.
- Sự biến đổi graphit từ dạng tấm sang dạng cầu và ngược lại được quyết
định bằng tỷ lệ giữa tốc độ phát triển của mặt cơ sở (0001) và mặt lăng trụ
(1010) của tinh thể graphit khi kết tinh.
1.3.2 Tác dụng của chất biến tính cầu hoá trong gang lỏng
- Tác dụng khử oxy và khử khí của các nguyên tố cầu hoá trong gang
18

Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm có ái lực hoá học mạnh với năng
lượng tự do tiêu chuẩn tạo ra oxít của các nguyên tố đạt giá trị âm hơn.
Hàm lượng ôxy trong gang thường nhỏ hơn S. Do đó thông thường Ce
trong gang tác dụng với S và sau đó mới tác dụng với ôxy.
Các nguyên tố đất hiếm trong gang cũng tạo ra một hợp chất khác như:
silisit, cacbit, phốtphít, nitơrít,…rất bền vững và khó chảy.
Tỷ trọng ôxít của các đất hiếm khá lớn nên khó nổi lên xỉ, làm mầm kết
tinh graphít cầu.
- Tác dụng khử S của các nguyên tố cầu hoá graphít trong gang
Mg và các nguyên tố đất hiếm có khả năng khử S rất mạnh. Khi tác dụng
với S, chúng tạo ra các loại sunphit MgS, Ce
2
S
3
, CeS, Ce
4
S
4
. Hàm lượng S

sau khi biến tính có thể giảm xuống 0,02-0,01%. Liên kết hóa học của Ce và
S mạnh hơn Mg, nhưng mức độ khử thấp hơn. Sản phẩm của việc khử tạp
chất trong gang được biến tính bằng Mg là các loại sunphit. Sunphit magiê
nhẹ (tỷ trọng 2,37g/cm
3
) sẽ đi vào xỉ nếu gang lỏng có nhiệt độ cao. Sunphit
đất hiếm có tỷ trọng lớn hơn (tỷ trọng của CeS là 5,97g/cm
3
); của LaS là
5,86g/cm
3
). Mặt khác, phản ứng tạo sunphit của các nguyên tố đất hiếm là
phản ứng tỏa nhiệt, làm tăng nhiệt độ của gang, giảm độ nhớt của kim loại
nên sự nổi tạp chất sunphit cũng thuận lợi. Nếu giữ lâu gang lỏng sau khi biến
tính cầu hóa, lượng S trong gang tăng lên là do sunphit đất hiếm đã tác dụng
với ôxy ở bề mặt gang lỏng theo phản ứng:
2/3CeS+1/2O
2
=1/3Ce
2
O
3
+2/3S+ΔZ
0
.
ΔZ
0
=77250+21,8T Cal/mol
Và hằng số cân bằng K
p

= ΔZ
0
/4,575T
Kết quả là %S trong gang tăng và %Ce giảm.
- Sự cháy hao của các nguyên tố cầu hoá khi biến tính
Các nguyên tố dùng để biến tính cầu hoá thường bị cháy hao trong quá
trình biến tính. Đặc biệt là Mg có nhiệt độ 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
19

rất mạnh. Tuỳ theo điều kiện biến tính (thiết bị chất biến tính, nhiệt độ gang
lỏng, thời gian biến tính…) mà hiệu suất thu hồi của nó rất khác.
Đối với chất biến tính đất hiếm, do nhiệt độ chảy lớn (T
c
của Ce là
793
0
C, của La là 850-920
0
C) và đặc biệt là nhiệt độ sôi cao (T sôi của Ce là
2417-2690
0
C của Là 2000-4515
0
C) nên ít cháy hơn, không có sự sôi và bắn
toé, do đó hiệu quả sử dụng của nó lớn hơn nhiều.

- Sự tồn tại của các nguyên tố cầu hoá để duy trì graphít ở dạng cầu
Muốn duy trì được gang có graphít dạng cầu thì sau khi biến tính, các
chất biến tính còn phải giữ được một lượng nhỏ trong gang.
Khi biến tính bằng Mg thì hàm lượng Mg dư trong gang 0,03-0,08%, khi
biến tính bằng đất hiếm thì % Ce=0,15-0,19%. Còn khi biến tính phối hợp Mg
và đất hiếm thì % Mg
dư
=0,02% và lượng đất hiếm dư là 0,08-0,15%.
1.3.3 Các phương pháp biến tính gang lỏng bằng Mg và hợp kim Mg.
- Phương pháp Sandwich
Phương pháp này dựa trên nguyên lý nồi rót hở, tức nồi rót có hố dưới
đáy để chứa chất biến tính cầu hóa. Nồi cầu hóa có chiều cao khoảng 1.5-2
đường kính đáy. Chất cầu hóa được cho xuống hố cầu hóa, trên được phủ
một lớp sắt thép vụn, sau đó đổ gang lỏng vào nồi cầu hoá, chú ý tránh đổ
gang trực tiếp vào hố cầu hoá. Phương pháp này cho hiệu suất thu hồi không
cao từ 35-50%, nhưng chi phí cho thiết bị ít. Hình 8 thể hiện sơ đồ phương
pháp Sanwich.
20


Hình 8: Sơ đồ phương pháp Sandwich

- Phương pháp Tundish:
Phương pháp Tundish được phát triển vào cuối thập niên 70 thế kỷ 20,
được cải tiến dựa trên nguyên lý của phương pháp Sanwich. Nồi biết tính có
cấu tạo kín, nên trong quá trình biến tính rất ít lượng khói tạo ra và hiệu suất
thu hồi Mg sẽ cao hơn khoảng 45-60%. Sơ đồ phương pháp Tundish thể hiện
trên hình 9.

Hình 9: Phương pháp TUNDISH



21

- Phương pháp Konverter
Trong phương pháp này, nồi biến tính có hình lăng trụ, trong quá trình
biến tính sẽ giảm tổn thất nhiệt và hiệu quả thu hồi Mg cao, lên tới 75-98%.
Do đó nhiệt độ biết tính có thể thấp hơn 30-100
0
C và tỷ lệ sử dụng hợp kim
Mg ít hơn. Như chi phí cho thiết bị cao, nên thích hợp cho sản xuất lớn. Hình
10 thể hiện sơ đồ phương pháp Konverter [10].


Hình 10: Sơ đồ phương pháp Konvertor

Tại Việt Nam do sản lượng gang cầu chưa nhiều, các cơ sở sản xuất và
nghiên cứu chưa có điều kiện chuyên môn hóa việc biến tính nên hầu hết đều
sử dụng phương pháp biến tính Sandwich, tức là dùng nồi rót hở có hố dưới
đáy để chứa chất biến tính cầu hóa.
1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cầu hóa
- Ảnh hưởng của các bon đương lượng
Gang cầu thường có khuynh hướng biến trắng do phải biến tính gang bằng
các nguyên tố các bít hóa như Ce, Mg, các nguyên tố đất hiếm. Mặt khác, do
graphits ở dạng cầu đặc chắc, nên lượng graphit trong gang hơi cao không ảnh
hưởng xấu đến chất lượng của gang. Vì vậy, để sản xuất gang cầu thường sử
dụng gang có thành phần sau cùng tinh.
C

dl
=C
t
+1/3(Si+P)≥4,3
22

Trong đó: C
dl
-Thành phần các bon đương lượng của gang (%)
C
t
- Hàm lượng các bon tổng cộng có trong gang (%)
Si,P - Hàm lượng silic và phốt pho trong gang (%)
- Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh
Lưu huỳnh là tạp chất rất có hại khi sản xuất gang cầu. Trong gang,
thép, lưu huỳnh thường tồn tại ở dạng FeS, MnS và có thể tồn tại ở dạng tự
do. Khi biến tính gang bằng nguyên tố cầu hóa, các chất cầu hóa sẽ tác dụng
với S thành hợp chất nên hàm lượng S sẽ giảm đi. Chỉ khi nào %S≤0,03% thì
gang được biến tính bằng Mg mới có graphit ở dạng cầu.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính
Nhiệt độ biến tính có vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử
dụng chất biến tính và do đó ảnh hưởng đến chất lượng của gang cầu. Điều đó
có liên quan đến sự hòa tan đồng đều chất biến tính cũng như khả năng cháy
hao chất biến tính.
- Ảnh hưởng của thời gian biến tính
Giữ gang lỏng sau khi biến tính sẽ dẫn tới làm giảm chất lượng biến tính
dư trong gang và làm tăng hàm lượng S, kết quả là giảm chất lượng cầu hóa,
thậm chí làm chuyển graphit dạng cầu thành dạng tấm. Lượng Mg dư thay đổi
theo thời gian được tính bằng công thức: Mg
t

=Mg
0
e
-kt

Trong đó: Mg
t
- hàm lượng Mg dư tại thời điểm t sau biến tính (%)
Mg
0
- hàm lượng Mg dư tại thời điểm t=0 sau biến tính (%)
t - thời điểm giữ gang sau biến tính (phút)
k - hệ số (0,09)
Vì vậy, khi giữ gang cầu sau biến tính đến 5 phút còn nhận được graphit
cầu, khi giữ tới 20 phút graphit thành dạng giun, còn tới 30 phút sẽ nhận được
graphit dạng tấm.
- Ảnh hưởng của chiều dày vật đúc
Thành dày của vật đúc có ảnh hưởng quyết định tới tốc độ đông đặc và
tốc độ nguội của vật đúc. Thành dày thì gang tồn tại ở trạng thái lỏng càng
lâu. Điều đó ảnh hưởng tương tự như việc giữ gang lỏng sau biến tính.
23

Mặt khác, càng tăng chiều dày vật đúc thì graphits càng thô và càng xấu,
dẫn đến làm giảm độ bền, độ giãn dài của vật đúc của vật đúc (hình 11).
Lượng Mg dư được tính theo công thức sau:
Mg
dư
=0,008(C+Si) + 0,00015e
Trong đó: C,Si - hàm lượng C và Si trong gang (%)
e – chiều dày thành vật đúc

Lượng đất hiếm còn dư trong gang (R
dư
) có quan hệ chiều dày vật đúc
như sau: R
dư
=[0,05ln(δ/10)R
10

Trong đó: δ – chiều dày thành vật đúc
R
10
– hàm lượng đất hiếm dư khi chiều dày mẫu 10(mm)

Hình 11: Ảnh hưởng của kích thước mặt cắt đúc đến tính chất của gang cầu




24

II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
Đề tài sẽ tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu lựa chọn mác gang cầu phù hợp để chế tạo má dẫn;
- Nghiên cứu xác định công nghệ gang cầu QT700-2 gồm các khâu:
 Công nghệ nấu luyện gang
 Công nghệ biến tính gang cầu
 Công nghệ đúc gang cầu
 Công nghệ gia công cơ khí
- Đánh giá chất lượng vật liệu: thành phần hoá học, tính chất cơ lý, cấu trúc

- Chế tạo 5 bộ má dẫn, tiến hành dùng thử và đánh giá chất lượng cũng
như khả năng sử dụng.
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy chính xác cao, đề tài đã sử
dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu như sau :
- Dựa trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, tiêu chuẩn về gang cầu và điều
kiện làm việc của má dẫn để lựa chọn mác gang nghiên cứu.
- Sử dụng lò trung tần 300kg để nghiên cứu xác định công nghệ nấu
luyện.
- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và phương pháp
phân tích quang phổ trên thiết bị ARL 3460-OES để xác định thành
phần hoá học của gang.
- Sử dụng máy kéo nén vạn năng để xác định các tính chất cơ lý của
gang nghiên cứu.
- Sử dụng máy đo độ cứng theo tiêu chuẩn TCVN 256-1.
- Sử dụng kính hiển vi quang học để nghiên cứu tổ chức tế vi của gang.




25

III. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
3.1 Công nghệ nấu luyện
Thành phần hoá học của gang cầu trong quá trình nghiên cứu đề tài như
sau: C = 3,7 – 4,0%, Si = 2,3 - 2,6%, Mn = 0,5 - 0,8%, Mo=0,15-0,40%,
Cu=0,4-0,8%, P  0,080%, S  0,02%, Mg = 0,035 - 0,065%, RE=0,035 -
0,065%.
Ở các nước phát triển, gang cầu có thể được nấu luyện bằng nhiều loại lò
như lò đứng, lò quay, lò cảm ứng, lò điện hồ quang. Tuy nhiên phổ thông và

dễ dàng điều khiển quá trình nấu luyện vẫn là nấu bằng lò cảm ứng. Trong
khuôn khổ thí nghiệm của đề tài, chúng tôi cũng chọn lò cảm ứng trung tần
với dung lượng 300kg của Trung Quốc để nghiên cứu xác định công nghệ
luyện gang cầu.
- Chuẩn bị liệu:
Vật liệu dùng để nấu luyện gang cầu đa dạng về chủng loại, nhưng phải
có nguồn gốc rõ ràng, có thành phần hóa học thích hợp, không lẫn dầu mỡ đất
cát. Hiện nay, trên thị trường thép phế dễ kiếm hơn gang phế, đồng thời giá
thành cũng hạ hơn và hàm lượng lưu huỳnh trong thép phế thấp nên chúng tôi
chọn thép phế để tính toán phối liệu, cụ thể đề tài đã sử dụng các loại nguyên
liệu như sau:
Nguyên liệu ban đầu: thép phế, gang hồi liệu, các loại ferrô hợp kim
FeMo, FeMn, FeSi, Cu kim loại và graphit.
Chất biến tính: Các chất biến tính cầu hóa khi sử dụng được xác định
theo lượng cần thiết để hóa hợp với lưu huỳnh, các bon, chất khí, lượng phần
trăm manhê dư ở trong gang và hiệu suất tác dụng (A). Theo các khoản tiêu
hao chủ yếu thì lượng mage được tính theo công thức sau:
%Mg =
A
SSMg
du
)(76,0
21



Trong đó: Mg
dư
: hàm lượng manhê còn lại trong gang
S

1
và S
2
: hàm lượng S ban đầu và S còn dư lại
A: hiệu suất tác dụng
26

Khi lượng manhê không đủ thì sẽ tạo thành grafit lẫn lộn (cầu hóa và
không cầu hóa), còn khi quá thừa mage thì gang bị trắng từng phần hoặc toàn
bộ và trong vật đúc có khuyết tật đúc.
Hiệu suất tác dụng phụ thuộc vào lượng cháy hao manhê không những
được quyết định bởi dạng và phương pháp cho chất biến tính vào gang 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.
Chất biến tính gang được sấy kỹ, đập vụn với kích thước cỡ cục
10x10x10mm, sau đó cân đong chính xác theo từng mẻ biến tính. Sau đây sẽ
liệt kê một số loại hợp kim thường dùng để cầu hóa, phổ biến nhất là FeSiMg
(bảng 6).
Bảng 6: Thành phần của các hợp kim cầu hóa có thành phần silic chủ yếu[4]
Thành phần hóa học của FeSiMg (%)
Mg Ce Ba R.E Si Ca Al La Fe
Ứng dụng
chính
2,8 1,2 3,1 3 48 - 1,0 3,1 còn lại
3,0 - - - 46 1,0 1,0 - còn lại
3,0 0,4 - 1 46 1,0 1,0 - còn lại
3,0 1,75 - 2,2 46 1,0 1,0 - còn lại

Trong khuôn
5,5 - - - 46 1,0-3 1,0 - còn lại

5,5 0,4 - 0,75 46 1,0-3 1,0 - còn lại
5,5 0,9 - 1,8 46 1,0-3 1,0 - còn lại
8,0 - - - 50 10,0 1,0 - còn lại
9,0 - - - 46 1,25 1,0 - còn lại
9,0 0,35 - 1,0 46 1,25 1,0 - còn lại
9,0 0,60 - 1,0 46 1,25 1,0 - còn lại
9,0 - - 5,0 46 1,25 1,0 - còn lại

Trong gầu,
thùng rót trung
gian, gầu quay,
cầu hóa tại
dòng.

- Thành phần hoá học của nguyên liệu sử dụng được nêu trong bảng 7.
Bảng 7: Thành phần hoá học của các nguyên liệu,%
Nguyên liệu C Mn Si Mo Cu S P
Phế CT3 0,18 0,39 0,35 - - 0,018 0,019
Hồi liệu 3,79 0,54 2,40 0,25 0,56 0,005 0,02
FeMo 50
FeSi75 0,72 70,0
FeMn 1,0 80,0
Cu 98,5
Graphit 98,2
Chất biến tính

Mg=5,5, đất hiếm=1,8, Si=45, Ca=1,6