Nghiên cứu công nghệ đúc hai lớp hệ hợp kim gang Cr26 - thép C25 để chế tạo chi tiết búa đập than cho các nhà máy nhiệt điện

1

VIỆN CÔNG NGHỆ



BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC HAI LỚP HỆ HỢP KIM GANG
CR26 - THÉP C25 ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT BÚA ĐẬP THAN
CHO CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

CNĐT : NGUYỄN VIỆT DŨNG




9604



HÀ NỘI – 2012
2

MỤC LỤC

NỘI DUNG TRANG
LỜI NÓI ĐẦU
5
1. TỔNG QUAN VỀ BÚA ĐẬP THAN HAI LỚP

1.1. Đặc điểm của búa đập than 8

1.2. Điều kiện làm việc
1.3. Thực trạng sử dụng
1.4. Nhu cầu sử dụng búa đập nghiền than trong các nhà máy nhiệt điện
1.5. Mục tiêu đề tài
8
9
10
11
2. CÔNG NGHỆ ĐÚC HAI LỚP
2.1. Tổng quan công nghệ đúc hai lớp

2.1.1. Ph
ương pháp đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim 12
2.1.2. Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp trong nước 13
2.1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp trên thế giới 14
2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp đúc nhiều lớp
2.2.1. Sự hình thành vùng chuyển tiếp giữa hai lớp tiếp xúc và
liên kết nhờ quá trình khuếch tán

15
2.2.2. Sự hình thành liên kết cơ 22
2.2.3. Sự hình thành liên kết nhờ lực bám dính bề m
ặt 24
3. VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÚA ĐẬP THAN
3.1.Vật liệu làm đầu búa

25
3.1.1. Tính chống mài mòn của gang Crom 25
3.1.2. Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới chất lượng của gang
3.2. Vật liệu làm đuôi búa

26
26
3.3. Khảo sát vật liệu trên mẫu búa nhập ngoại 27
4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÚC HAI LỚP

4.1. Đối tượng sản phẩm
4.2. Nghiên cứu đúc hai lớp ứng d
ụng trên búa đập than
28
30
4.2.1. Đúc hai lớp theo phương án lỏng + lỏng 30
4.2.2. Đúc hai lớp theo phương án rắn + lỏng 31
3

4.2.2.1. Đúc búa hai lớp với đuôi búa được nung nóng trước
4.2.2.2. Đúc búa hai lớp với đuôi búa được làm nóng bằng rót tràn
34
36
4.3 Quy trình công nghệ đúc búa đập than hai lớp
4.3.1. Tính toán thông số đúc
41
46
4.3.2. Làm khuôn 47
4.3.3. Trình tự nấu luyện
4.3.4. Dỡ khuôn và làm sạch vật đúc
49
50
5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
5.1 Hình thức búa hai lớp
5.2 Thành phần, kim tương và độ cứng tế vi

51
51
52
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGH
Ị
55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
56
PHỤ LỤC:
Bản vẽ thiết kế, bản vẽ công nghệ, giấy chứng nhận kiểm định sản phẩm,
sơ đồ công nghệ, biên bản khảo nghiệm…
57



4

Danh mục các bảng

STT Tên bảng Trang
1 Bảng 1. Một số sản phẩm chế tạo bằng công nghệ đúc bimetal 13
2
Bảng 2. Tỷ lệ thành phần các nguyên tố hợp kim tại các vùng
của cặp bimetal thép C25 - thép Cr12Mo
19
3
Bảng 3. Hệ số khuếch tán D
ЭΦ
của các nguyên tố
19

4 Bảng 4. Thành phần hóa học của búa nhập ngoại 27
5 Bảng 5. Các lần thử nghiệm đúc búa hai lớp 39
6
Bảng 6. Thành phần hóa học của búa nhập ngoại và búa chế tạo
tại Viện Công nghệ
53
7
Bảng 7. Độ cứng tế vi của búa nhập ngoại và búa đúc tại Viện
Công nghệ
53










5

Danh mục các hình vẽ
STT Tên hình vẽ Trang
1 Hình 1. Mẫu búa đập than
8
2
Hình 2. a) Đường cong phân bố đối với cặp bimetal 40Cr – Gang xám.
b) Cấu trúc của cặp bimetal thép C25 – Cr12Mo
18

3
Hình 3. Đồ thị I. Mối quan hệ của nhiệt độ rót, nhiệt độ nung phôi
và nhiệt độ bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp gang lỏng và rắn.
20
4
Hình 4. Đồ thị II. Mối liên hệ của nhiệt độ rót gang với thông số nhiệt độ lõi
thép, bề dày lớp tiếp xúc.
21
5 Hình 5. Vùng cùng tinh trong hệ Hợp kim Fe - C - Cr
25
6 Hình 6. Bản vẽ chi tiết búa đập than
29
7 Hình 7. Mẫu búa đập than đúc theo phương án lỏng + lỏng
31
8 Hình 8. Mẫu đúc đuôi búa
32
9 Hình 9. Bản vẽ chi tiết phần đuôi búa (pha rắn)
33
10
Hình 10. Thiết kế công nghệ đúc búa hai lớp với đuôi búa được nung nóng
trước
34
11 Hình 11. Khuyết tật rỗ nứt tại biên giới liên kết
35
12
Hình 12. Lưu trình công nghệ chế tạo búa hai lớp bằng phương án rắn + lỏng
rót tràn
36
13
Hình 13. Thiết kế công nghệ đúc búa hai lớp với phương án rắn + lỏng rót

tràn
37
14 Hình 14. Lưu trình công nghệ chế tạo sản phẩm búa đập than hai lớp
43
15 Hình 15. Khuôn trên búa đập than
48
16 Hình 16. Khuôn dưới búa đập than khi chưa ráp đuôi búa
48
17
Hình 17. Khuôn dưới búa đập than đã ráp đuôi búa
49
18 Hình 18 Búa đập than hai lớp
51
19
Hình 19. Bề mặt búa đập than hai lớp
52
20
Hình 20. Ảnh kim tương tại biên giới hai lớp của mẫu búa nhập ngoại - 200X
54
21
Hình 21. Ảnh kim tương tại biên giới hai lớp của mẫu búa đúc tại Viện -
200X

54

6

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay trên thế giới kỹ thuật đúc chi tiết, phụ tùng máy đang phát triển
mạnh, song song với các ngành cán, rèn, dập. Nhiều công trình nghiên cứu về các

giải pháp công nghệ đã và đang được triển khai nhằm tìm ra những vật liệu mới và
đưa vào ứng dụng có hiệu quả hơn trong ngành chế tạo máy. Một trong những vật
liệu mới phải kể đến là hợp kim đúc hai ho
ặc nhiều lớp (bi, tri-metal). Hợp kim đúc
hai tập hợp được những tính chất cơ lý ưu việt và những đặc tính riêng biệt của
từng vật liệu thành phần. Nhờ đó, vật liệu đúc nhiều lớp cho phép sử dụng vật liệu
một cách kinh tế, giảm được chi phí gia công, năng lượng, nhất là đối với loại hợp
kim khó gia công.
Cùng với sự phát triển công nghệ vật li
ệu, công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp
hợp kim trên thế giới đã thu được nhiều thành tựu quan trọng, giải quyết nhiều vấn
đề đặt ra trong ngành chế tạo máy. Công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp là vấn đề
khoa học công nghệ phức tạp và tổng hợp. Các nhà khoa học, vật liệu học trên thế
giới vẫn tiếp tục nghiên cứu để xây dựng và hoàn thiện quy trình công nghệ.
Công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp kim loại được áp dụng trong nhiều ngành
công nghiệp. Có thể kể đến một số chi tiết phụ tùng của máy bay, của công nghiệp
sản xuất xi măng, của ngành điện,… và những chi tiết làm việc trong môi trường
gia tốc cao, chịu mài mòn va đập. Búa đập than trong máy nghiền than là một chi
tiết làm việc trong môi trường có tính mài mòn cao, đòi hỏi đầu búa phải cứng để
chịu được mài mòn va đậ
p, trong khi đó phần thân búa lại phải dẻo dai để không bị
gãy trong quá trình làm việc. Vật liệu cứng và chịu mài mòn thường có xu hướng bị
giòn. Các vật liệu vừa cứng vừa bền có giá thành rất cao, nên chưa thể ứng dụng
phổ biến. Công nghệ đúc hai lớp hoặc nhiều lớp kim loại đang được đặt ra nhằm
giải quyết vấn đề này.
Tại Việt Nam, công nghệ đúc hai hoặ
c nhiều lớp kim loại mới chỉ được
nghiên cứu và ứng dụng trong giới hạn là những sản phẩm đơn chiếc hoặc số lượng
7

nhỏ với chất lượng không ổn định, độ bền chưa cao. Vì vậy Bộ Công Thương đã
cho phép Viện Công Nghệ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ đúc hai lớp hệ
hợp kim gang Cr26 – thép C25 để chế tạo búa đập than cho các nhà máy nhiệt
điện”. Nghiên cứu đề tài thành công sẽ đóng góp thiết thực vào kế hoạch phát triển
nghành đúc tại Việt Nam, tiến tới việc làm chủ
công nghệ, chủ động trong sản xuất,
tránh phụ thuộc vào nước ngoài.





















8

Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

− Nghiên cứu chế độ và môi trường làm việc, yêu cầu kĩ thuật của búa đập
than
− Nghiên cứu công nghệ đúc hai lớp hệ hợp kim gang Cr26 và thép C25, lựa
chọn phương pháp công nghệ đúc hai lớp phù hợp.
− Nghiên cứu liên kết của 2 lớp hợp kim gang Cr26 và thép C25
− Nghiên cứu, thiết kế công nghệ đúc búa đập than hai lớp.
− Chế tạo sản phẩm búa đập than hai lớp
− Lắp đặt và chạy khảo nghiệm sản phẩm búa tại cơ sở sản xuất.















9

1. TỔNG QUAN VỀ BÚA ĐẬP THAN HAI LỚP
1.1. Đặc điểm búa đập than

Búa đập than có cấu tạo hình khối chữ nhật, có hai tai để gắn vào tay trục
bằng chốt. Búa dùng để nghiền mịn than đá trước khi đưa vào đốt trong các nhà
máy nhiệt điện (hình 1).

Hình 1. Mẫu búa đập than.
Các kích thước bao của búa: 115x115x176mm.
1.2. Điều kiện làm việc
Búa đập than trong máy nghiền than có nhiệm vụ nghiền nhỏ mịn các cục
than trước khi đưa vào đốt trong các nhà máy nhiệt điện. Môi trường làm việc của
búa rất khắc nghiệt do đầu búa phải va đập liên tục với than đá cứng lại có các cạnh
sắc. Vì vậy, đòi hỏi đầu búa phải cứng và chịu mài mòn cao. Đuôi búa lắ
p vào trục
quay nên khi làm việc đuôi búa chịu lực kéo văng lớn. Yêu cầu đối với đuôi búa
như vậy phải dẻo dai để không bị đứt, gẫy trong quá trình làm việc.
10

1.3. Thực trạng sử dụng
Búa đập nghiền than được các nhà máy nhiệt điện nhập ngoại có chất lượng
sử dụng ổn định và đáp ứng được yêu cầu sản xuất. Thời gian hoạt động trung bình
của một quả búa làm việc trong điều kiện của nhà máy Nhiệt điện Sơn Động là
2.000 giờ.
Búa đập nghiền than của các đơn vị sả
n xuất trong nước chế tạo có chất
lượng sử dụng thấp. Qua khảo sát tại nhà máy Nhiệt điện Sơn Động chúng tôi thấy
rằng:
- Búa đập do các đơn vị sản xuất trong nước thường bị gẫy tai và bị mòn rất
nhanh trong quá trình làm việc.
- Thời gian hoạt động trung bình của một quả búa nghiền 600÷800 giờ.
Do chất lượng hoạt động trung bình của búa đập nghiền than chế tạo trong
nước không đáp ứng được yêu cầu sản xuất nên nhà máy vẫn phải sử dụng hàng

nhập ngoại.
Tìm hiểu môi trường và điều kiện làm việc, chúng tôi thấy các nguyên nhân,
yếu tố quyết định độ bền của búa:
- Búa được chế tạo bằng vật liệu hai lớp: phía đầu búa dùng để đập thì cứng -
phía đuôi búa dùng để lắp thì dẻo.
- Búa có thành phần hợp kim phù hợp với đi
ều kiện làm việc chịu mài mòn
va đập, chà xát liên tục.
Như vậy, muốn đạt chất lượng cao cho búa, phải:
- Lựa chọn vật liệu đáp ứng được với điều kiện làm việc khắc nghiệt của búa
đập nghiền than.
- Tính toán nấu luyện hợp kim đạt thành phần hóa học chính xác.
- Thiết kế công nghệ đúc, và chế tạo khuôn chính xác để vật đúc không bị
khuyết tậ
t.

11

1.4. Nhu cầu sử dụng búa đập nghiền than trong các nhà máy nhiệt điện
Thực tế trong công nghiệp khai khoáng, cũng như các ngành chế biến, sản
xuất xi măng, nhiệt điện, hàng năm sử dụng rộng rãi và với khối lượng rất lớn
nhóm các phụ tùng chế tạo bằng vật liệu chịu mài mòn do ma sát và tác động va
đập cao như: Răng gầu xúc, búa đập than và đập đá từ thép mangan cao, tấm lót
máy nghi
ền bằng hợp kim Crôm cao. Khối lượng sử dụng hữu ích trên mỗi chi tiết
chiếm tới 20÷30%, còn lại trở thành phế liệu, sắt vụn. Nhiều cơ sở áp dụng phương
pháp hàn hồi phục, nhưng chất lượng và giá thành chưa thích ứng được với yêu cầu
(búa đập than, búa đập đá vôi).
Búa đập than trong máy nghiền than là một chi tiết làm việc trong môi
trường chịu mài mòn cao. Phần đầu búa đòi hỏi phải c

ứng và chịu mài mòn va đập,
trong khi đó phần đuôi búa lại phải dẻo dai để không bị gẫy trong quá trình làm
việc. Vật liệu cứng và chịu mài mòn va đập thường có xu hướng bị giòn. Các vật
liệu vừa cứng vừa bền có giá thành rất cao nên chưa được ứng dụng phổ biến. Nhu
cầu sử dụng các loại búa đập, đặc biệt là búa đập than là rất lớn. Nếu có công nghệ
bảo đảm ch
ất lượng và sản xuất mang tính công nghiệp cao sẽ đem lại lợi ích kinh
tế rất lớn, tiết kiệm đáng kể nguồn kim loại quý hiếm, tiết kiệm chi phí gia công,
tạo bước chuyển biến trong công nghệ vật liệu và chế tạo máy.
Các nhà máy nhiệt điện trong nước hiện nay đều được xây dựng bởi thiết kế
của các nước tiên tiến Nhật, Đức. Chi tiết thay thế cũ
ng được các nhà thầu cung cấp
và nhập khẩu về.
Số liệu khảo sát cho thấy tại các nhà máy nhiệt điện mỗi năm một tổ hợp
nghiền than cần 180 quả búa nghiền để thay thế. Trong nhà máy có từ 2 đến 10 tổ
hợp nghiền than tùy theo công suất thiết kế của nhà máy. Việt Nam có hàng trăm
cơ sở nhiệt điện, nhu cầu cung ứng cho một nhà máy mỗi năm là rất lớ
n, tương
đương với hàng tỷ Việt Nam đồng.

12

1.5. Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu chế tạo thành công búa đập nghiền than cung cấp cho nhà máy
điện, thay thế hàng nhập ngoại.
- Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo phù hợp với trang thiết bị công nghệ
hiện có tại Viện Công nghệ - Bộ Công Thương.
- Làm cơ sở để sau này mở dụng chế tạo sang các chi tiết khác nhằm giảm
thiểu chi phí và giá thành nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sử dụ
ng của sản phẩm.

13

2. CÔNG NGHỆ ĐÚC HAI LỚP
2.1. Tổng quan công nghệ đúc hai lớp
2.1.1. Phương pháp đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim
Đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim là sự liên kết chặt chẽ giữa hai hay
nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim có thành phần hóa học khác nhau trong vật đúc.
Đúc nhiều lớp kim loại hợp kim sẽ tạo ra những vật đúc có tính năng kỹ thuật m
ới,
đặc biệt là tính năng sử dụng. Nó tổng hợp được những ưu điểm cần thiết của mỗi

lớp kim loại, nên chi tiết sẽ có hiệu quả sử dụng cao nhất, chi phí thấp nhất. Vật
đúc tạo ra nhờ tính liên kết bề mặt kim loại, sự tổng hợp thành phần của nhiều lớp
kim loại đã nâng cao được cơ lý tính của chi tiết.
Có nhi
ều phương pháp đúc khác nhau nhằm đảm bảo sự liên kết vững chắc
của các lớp kim loại, hợp kim của sản phẩm đúc. Đối với đúc búa hai lớp đập than,
hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp công nghệ cơ bản:
- Phương pháp công nghệ của pha lỏng + pha rắn: nung phần kim loại, hợp
kim rắn tới nhiệt độ nhất định và rót kim loại lỏng vào khuôn có chứa pha rắn đ
ó.
Do ở nhiệt độ cao, trên bề mặt các lớp sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán các nguyên
tố giữa các pha lỏng và pha rắn tạo nên sự liên kết của các lớp kim loại.
- Phương pháp công nghệ của pha lỏng + lỏng: rót hai kim loại tại cùng một
thời điểm hoặc hai thời điểm khác nhau vào trong cùng một khuôn. Sự khuếch tán
giữa hai kim loại lỏng (nhưng không hòa tan ) sẽ tạo nên sự liên kết củ
a các lớp
kim loại trong khuôn.
Công nghệ hai lớp (bimetal) kim loại hay hợp kim là kết quả nghiên cứu sự
tiếp xúc nhau mà không hòa tan giữa các lớp kim loại, liên kết giữa pha lỏng – pha
rắn và pha lỏng – pha lỏng. Việc nghiên cứu thành công công nghệ đúc hai lớp, áp
dụng vào thực tiễn cho phép giảm chi phí vật liệu, giảm trọng lượng máy móc thiết
bị, giảm chi phí lao động. Bởi sản phẩm được chế tạo bằng phương pháp này sẽ
đáp
ứng tốt nhất các yêu cầu, các đặc tính của chi tiết máy. Công nghệ đúc hai hay
14

nhiều lớp hợp kim có thể tạo ra những chi tiết có hình dạng phức tạp. Đúc hai lớp
hợp kim cho phép nâng cao được cơ lý tính, độ bền, chống mài mòn cục bộ (vùng
chống mài mòn theo ý muốn), tránh được tính dòn và dễ vỡ của gang, hoặc của
nhóm các bít, tạo nên sự hiệu quả kinh tế của vật liệu, nâng cao tính chất công nghệ

của phôi và tạo ra những tính chất cơ lý mới cho chi tiết.
Một số
các sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ đúc nhiều lớp tại một số
xí nghiệp của Liên Xô cũ được tác giả Ephimob tổng kết theo ( bảng1). [1]
Bảng 1. Một số sản phẩm chế tạo bằng công nghệ đúc bimetal
Chế tạo hàng loạt Sản phẩm công nghệ bimetal Tiết kiệm kim loại
TT
Tên
sản phẩm
Vật liệu
Khối
lượng
(kg)
Bộ đôi
bimetal
Kim loại
cơ bản
Kim loại
của phần
làm việc
Thép-gang
HK(%)
theo khối
lượng
Thép
kết cấu
(kg)
1 Bánh lăn
Thép đúc
45

14,8
C45-
gang cầu
9,5 5,3 - 6,3÷8
2 Búa nghiền
than
Thép 45-
T-620
12,2 Thép 45-
ИЧX28
11,5 2,7 77 4,8÷5,4
3 Tay gầu xúc
Thép
ЭИ-256
87,4
Thép 45-
X12
53,4 34 61 153
Các sản phẩm đúc bimetal sử dụng thép kết cấu các bon trung bình cho phép
tiết kiệm được khoảng 60% nhu cầu đối với thép hợp kim cao ЭИ-256, Mn13,
Bk…v.v.
Theo các nghiên cứu, công nghệ đúc hai lớp có thể tiết kiệm hợp kim và kim
loại quý hiếm, tăng 1,5 ÷ 4 lần hệ số an toàn chi tiết, giảm 1,5 ÷ 2 lần năng lượng,
giảm chi phí cho phục vụ sản xuất, khấu hao thiết bị.
2.1.2. Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớ
p trong nước
Công nghệ đúc bimetal đã được mở ra bằng những đề tài nghiên cứu khoa
học và công nghệ, nhưng chủ yếu giới hạn ở sản phẩm đơn chiếc hoặc số lượng
15

nhỏ, chất lượng không ổn định, độ bền trong sử dụng chưa cao và cũng chủ yếu là
bộ đôi hợp kim sắt + hợp kim mầu.
Viện Công nghệ thuộc bộ Quốc phòng đã nhiều năm nghiên cứu bạc đồng
chì bằng phương pháp đúc, ép và thiêu kết kim loại bột. Ngoài ra Viện đã nghiên
cứu chế tạo dao thái bằng phương pháp hàn nổ. Nhưng các công trình đều dừng l
ại
ở các sản phẩm thí nghiệm hoặc chỉ mới tạo ra các sản phẩm của đề tài.
Nhà máy Điêzen Sông Công đã đúc bạc thép + hợp kim đồng chì bằng
phương pháp đúc nhúng.
Một số cơ sở khác đã nghiên cứu và đúc thử loại sản phẩm với các công
nghệ khác nhau: đúc nhúng, đúc ly tâm, đúc trong khuôn kim loại, phương pháp
hàn nổ. Những vướng mắc lớn nhất mà công nghệ đúc bimetal là tính bám dính,
thiên tích, độ bền trong sử dụng không đều nhau.
Cho đến nay, công nghệ đúc bimetal ở trong nước còn chưa có nhiều nghiên
cứu áp dụng thực tiễn. Riêng đúc bimetal từ các hợp kim đen như dạng búa hai lớp
thì hầu như không có cơ sở nào nghiên cứu, chế tạo.
2.1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp trên thế giới
Từ những năm 35, 45 của thế kỷ trước, thế giới đã nghiên cứ
u và cho sản
xuất ra nhiều sản phẩm đúc bimetal, tiêu biểu là bộ đôi thép cacbon và hợp kim
đồng để làm bạc cho các vũ khí phục vụ trong chiến tranh thế giới thứ hai. Đã xuất
hiện những dây truyền hiện đại chuyên đúc sản phẩm bạc bằng vật liệu bimetal
(nhà máy ô tô Zil Liên Xô cũ).
Những năm 70 của thế kỷ XX tại Liên Xô cũ và Châu Âu đã xuất hiện dây
chuyền cán băng bằ
ng vật liệu thép các bon - hợp kim đồng và những bộ đôi khác
là sắt – kim loại mầu. Trong đó có nhà máy ô tô hạng nặng Bela của Nga, hãng
Peugot của Pháp.
Những năm 80 của thế kỷ XX, một Trung tâm khoa học chuyên về đúc đã
bắt tay vào nghiên cứu và xây dựng lý thuyết cơ bản về kim loại học, bản chất hiện

16

tượng khuếch tán nguyên tử giữa hai hay nhiều hợp kim khác nhau, hiện tượng lý
nhiệt, động lực học của quá trình hình thành phôi đúc hai hay nhiều lớp hợp kim
khác nhau. Đặc biệt là các hợp kim trên nền sắt, xây dựng quy trình công nghệ đúc
sản phẩm, lý thuyết về chọn bộ đôi cho đúc bimetal [2]. Điển hình là những bộ đôi
sau đây:
Thép đúc 40Cr – Gang xám
Thép đúc C25 – Gang 280Cr28Ni4
Thép đúc C25 – Thép Cr12Mo
Thép đúc C25 – Thép đúc M13
Nhữ
ng sản phẩm và vật liệu chọn bộ đôi như trên đã được sử dụng có hiệu
quả trong các ngành chế tạo máy, công nghiệp luyện kim, năng lượng, công nghiệp
mía đường cũng như những ngành công nghiệp khác.
Giải pháp công nghệ mà các nước sử dụng là chọn kim loại làm cốt là thép
cac bon kết cấu, được chế tạo bán sản phẩm hoặc chi tiết, sau đó làm sạch bề mặt,
bả
o vệ bề mặt đó khỏi sự ô xy hóa ở nhiệt độ cao trong quá trình nung. Tiếp theo là
nấu kim loại hợp kim với thành phần theo ý muốn rồi rót vào khuôn, để nguội cùng
khuôn, lấy ra kiểm tra chất lượng bám dính và cho di gia công thành sản phẩm
hoàn chỉnh.
Ngoài ra cũng có công nghệ đúc nhúng, hoặc đúc ly tâm. Đúc hai hay nhiều
lớp kim loại lỏng khác nhau kết hợp cùng lúc, hoặc theo thứ tự rót kim loại lỏng
vào một khuôn cho sản phẩm bimetal.
2.2. Cơ
sở lý thuyết của phương pháp đúc nhiều lớp
2.2.1. Sự hình thành vùng chuyển tiếp giữa hai lớp tiếp xúc và liên kết nhờ quá
trình khuếch tán
Một phần chi tiết (pha rắn) được đặt sẵn trong khuôn đúc, khi rót kim loại

lỏng xảy ra liên kết thành thể thống nhất. Hiện tượng trên có thể giải thích là kết
quả của lực liên kết cơ học, lực bám dính, lực liên kết nguyên tử và quá trình
17

khuếch tán tạo thành vùng tiếp xúc. Hình thành vật đúc nhiều lớp là quá trình công
nghệ phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Trong đó có nhiệt độ nung phôi rắn
và rót kim loại lỏng, sự lựa chọn hợp lý bộ đôi hợp kim, công nghệ nung phôi rắn,
công nghệ làm sạch bề mặt tiếp xúc… Một phần rất quan trọng là lựa chọn thành
phần trợ dung tổng hợp tối
ưu, có thể bảo vệ được bề mặt ngay cả khi ở nhiệt độ
nung cao. Đồng thời cũng là chất tạo nên quá trình tinh luyện, làm sạch bề mặt khỏi
các oxít. Điều này cho phép mở rộng khả năng ứng dụng những phương pháp tác
dụng lý hóa cho quá trình đúc liên tục bằng công nghệ đúc nhiều lớp.
Viện Vật lý các kim loại và hợp kim đã kết hợp cùng Viện hàn Paton (thành
phố Kiép – Ucraina ) [3] nghiên c
ứu các tính chất hóa lý của hệ thống trợ dung và
đã đưa ra các thành phần trợ dung tổng hợp có hiệu quả cao. Đó là trợ dung có
nhiệt độ cùng tinh gần giống như của hợp kim trên cơ sở tổng hợp của muối Borát
(Na
2
B
4
O
7
.10H
2
O) và axít Boríc (H
2
B
4

O
7
) với các thành phần hoạt hóa phụ khác.
Loại trợ dung tổng hợp này có độ hòa tan các oxít kim loại cao, không bị phân hủy
ở nhiệt độ 1000 ÷ 1100
0
C, tăng mật độ của các ion trong cấu trúc. Chiều dày lớp
màng phủ trợ dung ở nhiệt độ 1000 ÷ 1100
0
C khoảng 0,4 ÷ 0,6mm. Khi độ nhớt là
4 ÷ 6 Pa.c, sức căng bề mặt 200 ÷ 210 Mdj/m
2
và tỷ trọng 2,0 ÷ 2,2 g/cm
3
. Góc
bám tại bề mặt làm việc trong khoảng (15 ÷ 20)
0
. Lớp trợ dung phủ này hoàn toàn
cho phép bảo vệ nung mặt kim loại có nền sắt trong môi trường bình thường của
không khí, tạo điều kiện cho quá trình liên kết khuếch tán giữa kim loại lỏng và
kim loại rắn. Lớp trợ dung bảo vệ tốt bề mặt kể cả trong trường hợp nhiệt độ nung
có thể cao hơn nhiệt độ nóng chảy một chút, chúng có thể đóng vai trò trung hòa
các oxít. Đồng thời tạo đ
iều kiện thuận lợi cho qúa trình tinh luyện của xỉ gồm
nhiều thành phần oxít.
Khi rót kim loại lỏng vào kim loại rắn, hiện tượng khuếch tán bão hòa bề mặt
thường xuyên cản trở qúa trình hòa tan. Khi đạt được mật độ nhất định của các
nguyên tố hợp kim sẽ xảy ra hiện tượng nóng chảy bề mặt. Theo định luật Nersta
đưa vào khái niệm lớp biên giới bão hòa, trong đó đạt được độ
đậm đặc lớn nhất

18

của kim loại hòa tan C
A
trong kim loại lỏng ‘B’. Như vậy độ hòa tan của kim loại
viết như sau :

4
AA
CC
JD
d
−
∆=
(2.1)
Trong đó:
d – chiều dày của lớp tại biên giới 2 lớp
CA – mức độ kim loại hòa tan tại lớp gần biên giới với kim loại lỏng
D – hệ số khuếch tán
Trên biên giới của hai lớp kim loại còn có thể xuất hiện một hiệu điện thế
∆U, do những hiện tượng cảm ứng nhiệt điện tử hoặc ion hóa các nguyên tử khuếch
tán.
Một quá trình đ
óng vai trò quan trọng là cần nghiên cứu trạng thái ứng suất
nhiệt của vật đúc bimetal, trong đó có mối quan hệ tới việc lựa chọn cặp kim loại sẽ
đúc bimetal để đảm bảo tốt cho quá trình khuếch tán, tối ưu hóa công nghệ chế tạo
để đạt được hiệu quả sử dụng cao nhất.
Giáo sư tiến sĩ KOSKENKO (Viện vật lý công nghệ kim loại và hợp kim –
Ucraina ) đã nghiên cứ
u rất kỹ hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán của cặp bimetal

thép C25 – thép X12M trên các thiết bị phân tích hiện đại.
Ông đã giới thiệu kết quả sự phân bố các nguyên tố hợp kim và cấu trúc của
các khu vực trong vùng khuếch tán của kim loại lỏng và rắn trong vật đúc bimetal
(hình 2) [2].
Các vùng trên hình
Vùng I: - Nền kim loại cơ bản đã có một số kim loại lỏng thẩm thấu tới.
Vùng II: - Vùng giáp biên với kim loại c
ơ bản, ở đây có hiện tượng hòa tan
nền kim loại cơ bản và thẩm thấu, khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại
lỏng và kim loại rắn.
Vùng III: - Có cấu trúc và thành phần của kim loại phần làm việc của chi tiết
bimetal.
19





Hình 2. a) Đường cong phân bố đối với cặp bimetal 40Cr – Gang xám.
b) Cấu trúc của cặp bimetal thép C25 – Cr12Mo
Nghiên cứu thành phần các pha lỏng và rắn và tại vùng biên giới giữa 2 pha,
ông đã thu được kết quả nêu tại bảng 2.
Qua bảng kết quả trên ta thấy tại vùng biên giới giữa 2 pha lỏng và rắn đã có
hiện tượng khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại lỏng vào kim loại rắn.
Nguyên tố khu
ếch tán được nhiều nhất là Cr, sau đó là Si, C và Mo.

Vùng Cr, Mn
Vùng Cu, Si
a)

b)
I II III
I II III
20

Bảng 2. Tỷ lệ thành phần các nguyên tố hợp kim
tại các vùng của cặp bimetal thép C25 – thép Cr12Mo [4].
Thành phần (% theo trọng lượng)
TT Vùng nghiên cứu
C Si Cr Mn Fe Ni Mo
1 Vùng kim loại nền C25 (I) 0,3 0,25 0,3 0,5 98,8 0,1 0,0
2
Vùng biên giới hai kim loại
(II) (lấy từ phía thép Cr12Mo,
chưa có các bít)
1,4 1,5 7 0,7 88,8 0,1 0,4
3 Vùng thép péclít Cr12Mo (III) 2,6 1,7 12,4 0,7 81,5 0,1 0,9
Giới thiệu hệ số khuếch tán của một số nguyên tố thường được hợp kim
trong thép.
Bảng 3. Hệ số khuếch tán D
Э
Φ
của các nguyên tố [2]
Bộ đôi bimetal
Nguyên tố
khuếch tán
D
ЭΦ
cm
2

/s
Độ thấm sâu trong
thời gian 100s, mkm
Thép 20 Cr 1*10
-10
4
Thép Cr12 Si 5*10
-10
10
Mn 3,5*10
-10
-
Thép 25 Cr (1,2÷1,5)*10
-10
1÷3
Gang Cr28Ni2 Si 2,5*10
-10
5
Mn (4,0÷4,5)*10
-10
10
Thép 25 Si 4*10
-10
10
Gang Mn 6*10
-10
10

Ghi chú: khoảng nhiệt độ khuếch tán 1400÷1420
0

C, 1250
0
C
Các nhà nghiên cứu đã xây dựng những quy luật phụ thuộc giữa nhiệt độ
nung, nhiệt độ rót của hai thành phần lỏng + rắn (gang + thép) là chi tiết cấy và bề
dày vùng tiếp xúc được tạo nên.
21

Đồ thị I: Mối quan hệ của nhiệt độ rót, nhiệt độ nung phôi và nhiệt độ bề mặt
tiếp xúc giữa hai lớp gang lỏng và rắn. Người ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ
nung của pha rắn có thể giảm được nhiệt độ quá nhiệt trước khi rót của kim loại
lỏng vẫn có thể đảm bảo bề mặt tiếp xúc có nhiệt độ đảm bả
o cho sự khuếch tán
(1130 ÷1160
O
C) ( hình 3).


Hướng tăng nhiệt độ
nung pha rắn
Hình 3. Đồ thị I. Mối quan hệ của nhiệt độ rót, nhiệt độ nung phôi
và nhiệt độ bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp gang lỏng và rắn.
22

Đồ thị II: Khi nghiên cứu các thông số nhiệt độ lõi thép, bề dày lớp tiếp xúc
và nhiệt độ rót người ta đã vẽ được đồ thị trên phụ thuộc vào nhiệt độ rót gang
lỏng. Đồ thị cho thấy rằng bề dày lớp tiếp xúc của kim loại tăng tỷ lệ thuận với sự
gia tăng của nhiệt độ lõi thép và nhiệt độ rót (hình 4).

Hình 4. Đồ thị II. Mối liên hệ của nhiệt độ rót gang

với thông số nhiệt độ lõi thép, bề dày lớp tiếp xúc.

Hướng
tăng
nhiệt
độ
23

Không thể đạt được sự hình thành vùng tiếp xúc nếu bản chất biên độ dao
động của nguyên tử thuộc hai thành phần nhỏ hơn khoảng cách giữa hai chi tiết khi
tiếp xúc…Sự di chuyển của các bon từ gang vào thép ở trạng thái nung có thể theo
quy luật sau: Trên bề mặt chi tiết bằng thép cấy bão hòa các nguyên tử các bon từ
gang lỏng rót vào. Một phần bề mặt chi tiết thép bị tan. Chính nhờ hiện tượng tan
bề mặt chi ti
ết thép mà xuất hiện hiện tượng khuếch tán nguyên tử các bon từ gang
sang thép, đồng thời trong điều kiện trên cũng khuếch tán các nguyên tố khác như:
Mn, Si, Cr,Mo.
Như vậy, công nghệ đúc hai hay nhiều lớp thực chất là mối liên kết và tạo
lớp tiếp xúc hình thành trên các nguyên lý tổng hợp các lực liên kết nguyên tử và
sự thẩm thấu, khuếch tán giữa các lớp hợp kim.
2.2.2. Sự hình thành liên kết cơ
Do quá trình công nghiệp hóa hiện
đại hóa ngày càng phát triển, chi tiết được
sử dụng công nghệ đúc hai hay nhiều lớp được sử dụng rộng rãi. Việc nghiên cứu
mở rộng quy mô công nghệ đúc hai hay nhiều lớp là nhiệm vụ quan trọng do đó
yêu cầu công nghệ cần có những nghiên cứu cơ bản. Trong đó phải nghiên cứu các
hiện tượng thủy động học xảy ra trong vật đúc, các hiện tượng giữa hoặc trên bề

mặt các pha, trạng thái ứng suất nhiệt.
Các điều kiện thủy động học để hình thành các chi tiết theo công nghệ đúc

nhiều lớp được xác định bằng các định luật chuyển động của kim loại lỏng trong
các phần mỏng với tính toán có sự chuyển biến pha, tuân thủ theo phương trình
nhiệt [5]:
21
1
2
ln
Nus F
G
TT
C
TT
φ
λ
δ
∆
∆=
−
−

Trong đó:
∆G: Khối lượng kim loại qua tiết diện ∆F
T
1
: Nhiệt độ rót ban đầu

24

T
2

: Nhiệt độ dòng chảy
T
φ
: Nhiệt độ của khuôn
δ : Chiều dày lớp cần rót
Nus : Hệ số không đơn vị ∼1
C : Nhiệt dung
λ : Độ dẫn điện
Công thức cho thấy khi thay đổi đại lượng hệ số trao đổi nhiệt Nus. Ví dụ có
thể cho một tác dụng nhiệt bên ngoài hoặc tác động của từ trường thì có thể đẩy
nhanh quá trình hình thành vật đúc bimetal. Do đó có thể tìm ra những biện pháp
công nghệ hữu hi
ệu khi chế tạo vật đúc bimetal.
Người ta thấy rằng lực căng bề mặt cũng đóng vai trò đáng kể trong việc
hình thành vật đúc có nhiều lớp. Khi trợ dung có hoạt tính cao có thể làm giảm sức
căng bề mặt giữa kim loại lỏng và trợ dung (σ
PL
), làm tăng sức căng bề mặt trên
biên giới giữa vật rắn và trợ dung(σ
PR
), do đó tăng khả năng bám dính của kim loại
lỏng trên bề mặt pha rắn và từ đó có thể viết phương trình :
os
P
RLR
PL
C
σ
σ
θ

σ
−
=

Trong đó :
θ : Góc bám dính
σ
LR
: Sức căng bề mặt trên biên giới vật rắn và kim loại lỏng
Nếu chỉ có liên kết cơ là trong trường hợp kim loại lỏng không bám dính
chặt toàn bề mặt chi tiết trạng thái rắn, giữa chúng không xẩy ra bất kỳ phản ứng
hóa học nào. Để sinh ra lực liên kết cơ học, chi tiết rắn (vật cấy) khi được rót kim
loại lỏng, trong quá trình đông đặc phải tạo ra sự co ngót, nhờ s
ự co ngót sinh ra
lực ép theo phương thẳng đứng tới bề mặt vật cấy (PN), xét vật thể hình trụ đặc
hoặc hình trụ rỗng có thể dùng công thức sau đây :
25

22
11
22
11 21
11 11
11
dk
PN
KK
EK EK
δ
µ

µ
=
⎛⎞⎡⎤
++
−+ −
⎜⎟
⎢⎥
−−
⎝⎠⎣⎦

Trong đó :
δ : Đại lượng ngót
dk : Đường kính ngoài chi tiết cấy
d1 : đường kính trong vật đúc bao bọc
1
1
d
K
dk
=
và
2
2
d
K
dk
=

K
1

và K
2
tỷ lệ chiều dày (d
1
: đường kính trong chi tiết cấy ; d
2
: đường kính
ngoài của vật đúc) theo hình vẽ trên.
E
1
và E
2
: hệ số đàn hồi giữa chi tiết cấy dạng cứng và phần hợp kim loại lỏng
được rót
µ
1
và µ
2
: hệ số Poan xơ
Để phần rắn của chi tiết và hợp kim loại lỏng gắn chặt vào nhau, nếu chỉ liên
kết cơ thuần túy, người ta chế tạo vật cấy hình trụ tạo ren hoặc khứa rãnh.
Liên kết này tương đối bền chặt nhờ liên kết cơ, và lực ngót bao chặt.
2.2.3. Sự hình thành liên kết nhờ lực bám dính bề mặt
Trong sự hình thành liên kết chặt giữa chi tiế
t cấy và kim loại lỏng lực miết
bám dính nhờ sức căng bề mặt đóng vai trò hết sức quan trọng.
Lực này phụ thuộc vào bản chất hai kim loại, môi trường hình thành liên kết.
Chính vì vậy mà muốn có liên kết chặt nhờ lực bám dính, chú ý chọn hoặc thay đổi
một trong hai loại kim loại thành phần.
Một yếu tố hết sức quan trọng nữa là trạng thái điền đầy khuôn khi rót kim

loại l
ỏng vào khuôn. Trong đó các yếu tố đóng vai trò quan trọng là độ sạch của bề
mặt tiếp xúc, trợ dung bảo vệ phôi, thời gian nung phôi và nhiệt độ nung phôi, nhiệt
độ kim loại lỏng khi rót khuôn.
d1
dk
d2