Nghiên cứu công nghệ cầu hóa gang chịu nhiệt, nâng cao cơ tính của ghi thiết
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.51 MB, 67 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------
VŨ ĐÌNH HUY
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CẦU HÓA GANG CHỊU NHIỆT, NÂNG
CAO CƠ TÍNH CỦA GHI THIẾT BỊ THIÊU KẾT
Chuyên ngành: Khoa học và Kỹ thuật vật liệu
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN THỊ THU HIỀN
Hà Nội – 2014
1
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, các kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một
công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 05 tháng 06 năm 2014
Tác giả
Vũ Đình Huy
2
Mục Lục
Trang
Lời cam đoan ………………………………………………………………………….i
Mục lục ………………………………………………………………………………..1
Danh mục hình ……………………………………………………………………….3
Danh mục bảng ……………………………………………………………………….5
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………6
PHẦN I. TỔNG QUAN ……………………………………………………………....7
1. Khái niệm và những ưu điểm của gang cầu ...…………………………………...7
2. Tình hình sản xuất gang cầu trên thế giới ...……………………………………..8
3. Thực trạng tình hình sản xuất và chất lượng gang cầu ở Việt Nam ...…………..8
PHẦN II. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ...…………………………………………10
1. Khái quát chung về gang cầu ...………………………………………………...10
1.1. Tổ chức tế vi của gang cầu ...…..……………………………………… ...10
1.2. Tính chất cơ lý của gang cầu ...………………………………………….. 11
2. Khái quát chung về gang chịu nhiệt ...………………………………………... 14
2.1. Khái niệm chung về gang chịu nhiệt ..…………………………………... 14
2.2. Gang silic có graphit dạng cầu ..…………………………………………..16
3. Lý thuyết quá trình biến tính cầu hóa gang ..…………………………………. 18
4. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức, tính chất của gang cầu ...…....20
4.1. Thành phần hóa học ...…………………………………………………… 20
4.1.1. Ảnh hưởng của Cacbon và silic……………………………………….. 20
4.1.2. Ảnh hưởng của Mangan ……………………………………………… 22
4.1.3. Ảnh hưởng của Photpho ……………………………………………… 23
4.1.4. Ảnh hưởng của lưu huỳnh ……………………………………………. 23
4.2. Chất biến tính ……………………………………………………………. 25
4.2.1. Tác dụng của chất biến tính trong cầu hóa gang lỏng ……………… ...26
4.2.2. Ảnh hưởng của loại và lượng chất biến tính tới quá trình cầu hóa.…....27
3
4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính ………………………………………...28
4.4. Ảnh hưởng của thời gian biến tính ……………………………………… 30
4.5. Ảnh hưởng của chiều dày thành vật đúc ………………………………….30
5. Các phương pháp biến tính gang lỏng bằng hợp kim trung gian của Mg ……..31
6. Các công nghệ chính tạo khuôn đúc gang cầu ……………………………… ..35
6.1. Công nghệ chế tạo khuôn bằng cát – đất sét ……………………………...36
6.2. Công nghệ chế tạo khuôn bằng cát – nước thủy tinh ….……………….…36
6.3. Công nghệ chế tạo khuôn bằng cát – nhựa ...………………………… … 38
6.3.1. Công nghệ khuôn cát nhựa đóng rắn nguội ...………………………… 38
6.3.2. Công nghệ khuôn cát nhựa đóng rắn nóng ...…………………………. 39
PHẦN III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM………………………………………41
1.
2.
3.
4.
Lựa chọn mác gang nghiên cứu………………………………………………...41
Nội dung nghiên cứu……………………………………………………………41
Thiết bị nghiên cứu……………………………………………………………..41
Kết quả nghiên cứu……………………………………………………………..44
4.1. Công nghệ chế tạo gang cầu silic………………………………………….44
4.1.1. Công nghệ nấu luyện……………………………………………….......44
4.1.2. Công nghệ đúc……………………………………………………….....51
4.2. Kết quả đạt được và thảo luận…………………………………………….54
4.3. Sản phẩm chế tạo của đề tài……………………………………………….62
KẾT LUẬN…………………………………………………………………………...64
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………...65
4
Danh mục hình
Hình 2.1. Tổ chức tế vi của gang cầu ………………………………………………...10
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa tổ chức nền kim loại với giới hạn chảy và độ dẻo của gang
cầu …………………………………………………………………………………….11
Hình 2.3. Sự phụ thuộc giữa độ bền, giới hạn chảy và độ cứng ……………………..14
Hình 2.4. Ảnh hưởng của thành phần cacbon đương lượng đến độ bền kéo và độ dãn
dài của gang cầu ………………………………………………………………………21
Hình 2.5. Đồ thì quan hệ giữa thành phần cacbon và silic tới mức độ cầu hóa ……...22
Hình 2.6. Quan hệ giữa %S trong gang và lượng chất biến tính Fe-Si-Ce …………..23
Hình 2.7. Tính chất cơ học của gang cầu sau biến tính phụ thuộc vào mức độ khử S
trong gang ……………………………………………………………………………..25
Hình 2.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính tới hiệu quả sử dụng chất biến tính và độ
bền của gang cầu ……………………………………………………………………...29
Hình 2.9. Biến tính bằng chụp nhấn ………………………………………………….31
Hình 2.10. Biến tính bằng dây nhồi …………………………………………………..32
Hình 2.11. Thùng biến tính thông thường …………………………………………....33
Hình 2.12. Thùng biến tính Sandwich ………………………………………………..34
Hình 2.13. Thùng biến tính Tundissh-cover ………………………………………….34
Hình 2.14. Thùng biến tính liên tục trên dòng chảy ………………………………... 35
Hình 3.1. Lò trung tần JP7-450 GGW-750 …………………………………………. 42
Hình 3.2. Máy phân tích quang phổ phát xạ Shimadzu PDA 7000 ………………… 43
Hình 3.3. Kính hiển vi quang học KHV Axioviert 40MAT ………………………….43
Hình 3.4. Nồi rót dùng để biến tính cầu hóa ………………………………...……… 48
Hình 3.5. Quá trình biến tính cầu hóa thực tế ………………………………………. 50
Hình 3.6. Kích thước của sản phẩm ………………………………………………… 52
Hình 3.7. Cách bố trí khuôn khi đúc rót …………………………………………….. 54
5
Hình 3.8. Kích thước mẫu đúc để xác định tính chất cơ lý và tổ chức tế vi ………….55
Hình 3.9. Kích thước mẫu để xác định độ bền kéo …………………………………. 56
Hình 3.10. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu gang cầu mẻ 1 sau đánh bóng (100x) ………. 57
Hình 3.11. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu gang cầu mẻ 1 sau tẩm thực (100x) …....57
Hình 3.12. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu gang cầu mẻ 1 (200x) ……………………….58
Hình 3.13. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu gang cầu mẻ 2 sau đánh bóng (100x) ………..60
Hình 3.14. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu gang cầu mẻ 2 sau tẩm thực (100x) ………….60
Hình 3.15. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu gang cầu mẻ 2 (200x) ………………………. 61
Hình 3.16. Sản phẩm ghi thiết bị thiêu kết ………………………………………….. 62
6
Danh mục bảng
Bảng 2.1. Sự thay đổi độ bền kéo của gang cầu phụ thuộc vào chiều dày vật đúc …..12
Bảng 2.2. Sự phụ thuộc giới hạn chảy của gang cầu vào chiều dày thành vật đúc …..13
Bảng 2.3. Thành phần hóa học gang chịu nhiệt (tiêu chuẩn GB 9437 – 88) …………16
Bảng 2.4. Khả năng chống gỉ của gang Si …………………………………………... 17
Bảng 2.5. Sự nở của gang Si khi giữ ở nhiệt độ cao trong 150h ……………………. 18
Bảng 2.6. Thành phần hóa học một số chất cầu hóa thường sử dụng ở Việt Nam …...28
Bảng 3.1. Tiêu chuẩn yêu cầu của mác gang nghiên cứu …………………………… 41
Bảng 3.2. Thành phần các nguyên liệu dùng để nấu luyện gang cầu Silic ………….. 45
Bảng 3.3. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim …………………………….... 45
Bảng 3.4. Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm …………………………………………. 46
Bảng 3.5. Thành phần hóa học mẫu của mẻ 1 ………………………………………. 55
Bảng 3.6. Kết quả thử cơ tính mẫu của mẻ 1 ………………………………………... 56
Bảng 3.7. Thành phần hóa học mẫu của mẻ 2 ………………………………………. 59
Bảng 3.8. Kết quả thử cơ tính mẫu của mẻ 2 ……………………………………… ...59
Bảng 3.9. Bảng so sánh mức tiêu hao ……...………………………………………... 63
7
MỞ ĐẦU
Trong thời kì hội nhập với nền kinh tế thế giới, nước ta đang tiến nhanh trên con
đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Các ngành công nghiệp như luyện kim, cơ khí
chế tạo máy,… đang phát triển mạnh trong khắp cả nước. Theo đà phát triển mạnh mẽ
của các ngành công nghiệp cũng như yêu cầu nâng cao chất lượng hàng hóa để đáp ứng
yêu cầu của thị trường thế giới thì nhu cầu sử dụng vật liệu có chất lượng cao với giá
thành cạnh tranh là rất lớn. Để đáp ứng được nhu cầu đó thì hiện nay việc sử dụng gang
cầu trong các ngành công nghiệp nói chung và ngành cơ khí chế tạo máy nói riêng
đang chiếm ưu thế. Gang cầu có độ dẻo và độ bền cao hơn hẳn gang xám, xấp xỉ độ
bền và độ dẻo của thép đúc, hơn nữa gang cầu lại có tính đúc tốt hơn thép, và trọng
lượng riêng của gang cầu nhỏ hơn của thép (khoảng 8 – 10%). Ngoài ra gang cầu có
hợp kim hóa các nguyên tố Silic, Nhôm, Crôm là vật liệu bền nhiệt được sử dụng làm
sàn lò, ghi lò trong các nhà máy xi măng, lò nhiệt luyện, hay trong các dây truyền thiêu
kết; hoặc làm nồi nấu hợp kim màu, các bộ phận trao đổi nhiệt, các chi tiết của nồi hơi
như thanh cách, thanh treo,…
Chính vì những lí do trên em lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu công nghệ cầu hóa
gang chịu nhiệt, nâng cao cơ tính của ghi thiết bị thiêu kết ”, với mong muốn xây dựng
được quy trình nấu luyện, cầu hóa tối ưu cho gang chịu nhiệt mác RQTSi5 để đạt được
thành phần hóa học, cơ tính theo tiêu chuẩn và đặc biệt là nâng cao mức độ cầu hóa.
Em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ, đóng góp của các thầy cô trong bộ môn.
Đặc biệt là TS.Trần Thị Thu Hiền đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình làm
luận văn. Tôi cũng xin cám ơn lãnh đạo Viện Luyện kim đen đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi trong quá trình thực nghiệm của đề tài. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đề
tài, em không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, do đó rất mong có được những
góp ý quý báu của các thầy cô.
8
PHẦN I. TỔNG QUAN
1. Khái niệm và những ƣu điểm của gang cầu
Gang cầu là gang có tổ chức graphit ở dạng hình cầu, bề mặt nhẵn. Vì graphit ở
dạng cầu là dạng thu gọn nhất, ít chia cắt nền kim loại và không có đầu nhọn để tập
trung ứng suất như graphit dạng tấm của gang xám nên độ bền của gang cầu cao hơn
hẳn so với độ bền của gang xám, và xấp xỉ bằng của thép (khoảng 70 – 90% độ bền của
thép).
Các đặc điểm về cơ tính của gang cầu:
-
Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy cao, trong khoảng 400 – 1000MPa tức là
tương đương với thép cacbon thông thường như CT38 hay C45.
-
Có độ dẻo và độ dai tương đối cao: độ dẻo = 5-15%; độ dai va đập ak = 300600KJ/m2, tuy có kém so với thép nhưng cao hơn gang xám rất nhiều. Do vậy
gang cầu ít bị phá hủy giòn.
-
Độ cứng vừa phải ( ~ 200HB ) nên dễ gia công cắt gọt.
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 gram đến các chi tiết rất lớn có trọng
lượng 150 tấn trong 1 vật đúc; các chi tiết thành dày (đến 1000mm) , cũng như các chi
tiết thành mỏng (đến 2 – 5mm). Mặt khác, độ chảy loãng của gang cầu cao hơn của
thép, nhiệt độ đông đặc của gang cầu thấp hơn của thép nên tính đúc của gang tốt hơn
của thép rất nhiều và cho phép việc đúc từ gang cầu các chi tiết thành mỏng dễ dàng
hơn nhiều so với đúc từ thép.
Ngoài ra do trọng lượng riêng của gang cầu nhỏ hơn trọng lượng riêng của thép
(khoảng 8 – 10%) nên người ta có thể sử dụng gang cầu độ bền cao thay thế cho thép
để làm giảm trọng lượng của máy móc. Ví dụ đặc trưng về sự thay thế thép đúc bằng
gang cầu độ bền cao như: trục cán, đế và khung máy cán, búa máy, máy dập,…Để sản
9
xuất các chi tiết làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, người ta cũng sử dụng vật liệu là
gang cầu hợp kim hóa bằng Silic, Nhôm hoặc Crôm.
Về giá thành sản xuất, theo nghiên cứu ở Liên Xô trước đây, nếu lấy giá thành sản
xuất gang xám gaphit tấm là 100% thì giá thành sản xuất gang xám biến tính là 110%,
gang cầu là 130%, thép rèn là 226%, và thép đúc là 252%. Như vậy giá thành sản xuất
gang cầu là rẻ đối với chất lượng mà nó đạt được.[1]
Do những tính chất ưu việt về chất lượng và công nghệ, cũng như hiệu quả kinh tế
mà gang cầu là loại vật liệu đang được ưu tiên phát triển.
2. Tình hình sản xuất gang cầu trên thế giới
Với 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 dẻo, thép rèn và thép
đúc. Do vậy sự tăng trưởng không ngừng hàng năm của gang cầu trên thế giới vào
khoảng từ 3-5% làm thay đổi rất nhiều về cơ cấu sử dụng vật liệu, đặc biệt ở các nước
công nghiệp phát triển. Tỷ lệ sử dụng vật đúc bằng gang cầu so với tổng sản lượng vật
đúc tăng từ năm 1973 tới năm 2003 ở Mỹ từ 10,3% lên 31,7%, ở Nhật từ 16,3% lên
31,6%, ở Pháp từ 17,8% lên 43,4%. Năm 2003 sản lượng gang cầu so với tổng sản
lượng vật đúc ở Đức là 34,8%, Hà Lan là 47,3%, Áo là 45,6%, Trung Quốc là 24%,
Hàn Quốc là 30,2% và Đài Loan là 17,5%. Như vậy, gang cầu là một trong những vật
liệu có sự tăng trưởng vượt bậc, đặc biệt ở các nước công nghiệp phát triển.[2]
Việc nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ, thiết bị công nghệ chế tạo gang cầu trên
thế giới phát triển rất nhanh, và gang cầu được sản xuất ở các nước công nghiệp phát
triển đã đạt được các chỉ tiêu cơ lý tính phù hợp với yêu cầu sử dụng. Do vậy, gang cầu
là vật liệu hiện nay đang chiếm ưu thế trong công nghiệp chế tạo máy.
3. Thực trạng tình hình sản xuất và chất lƣợng gang cầu ở Việt Nam
10
Ở nước ta, gang cầu được nghiên cứu và chế tạo từ lâu ở một số cơ sở nghiên cứu
như Viện Luyện kim đen, Viện Công nghệ, Viện Công nghệ Bộ quốc phòng, Đai học
Bách khoa Hà nội nhưng việc nghiên cứu và chế tạo ở quy mô nhỏ. Gang cầu mới xâm
nhập vào sản xuất trong khoảng 20 năm gần đây, nhưng chủ yếu là đúc các chi tiết
bằng gang cầu mác thấp như: Ống nước gang cầu và các phụ kiện được đúc tại Công ty
cổ phần đúc Tân Long – Hải phòng, với sản lượng 6000 tấn/năm; Công ty cơ khí Mai
động – Hà nội, sản lượng 15.000 tấn/năm; Công ty Đại Việt – Đồng nai, với sản lượng
10.000 tấn/năm; Công ty TNHH NNMTV Điezen Sông công – Thái nguyên đúc một
số chi tiết của động cơ đốt trong bằng gang cầu; Nhà máy đúc gang cầu Thiên phát –
Bắc ninh, chủ yếu là đúc nắp cống thoát nước bằng gang cầu.[2]
Hiện nay, các cơ sở sản xuất gang cầu trong cả nước đều có phương pháp sản xuất
riêng mang tính độc quyền mà chưa có công nghệ nấu luyện và cầu hóa tối ưu chung.
Do đó, chất lượng của gang cầu nói chung còn thấp và chưa ổn định, nên chưa thể cạnh
tranh và đáp ứng được thị trường thế giới. Vì vậy, việc nghiên cứu để chủ động về mặt
công nghệ đảm bảo ổn định chất lượng của gang cầu là rất cần thiết. Khi chất lượng
gang cầu được kiểm soát thì cho phép chúng ta sản xuất các vật đúc bằng gang cầu có
chất lượng đáp ứng được yêu cầu công nghệ chế tạo máy, và phù hợp với xu hướng
chung của thế giới là gang cầu thay thế một phần cho gang dẻo, thép rèn và thép đúc.
11
PHẦN II. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
1. Khái quát chung về gang cầu
1.1 Tổ chức tế vi của gang cầu
Tổ chức nền kim loại là Ferit+Ausenit
Tổ chức nền kim loại là Ferit+Peclit
Hình 2.1. Tổ chức tế vi của gang cầu
Tổ chức tế vi của gang cầu bao gồm graphit dạng cầu và nền kim loại:
-
Graphit dạng cầu tròn, bề mặt nhẵn là dạng thu gọn nhất, ít chia cắt nền kim loại
và không có đầu nhọn để tập trung ứng suất như graphit dạng tấm, phiến, chính
vì điều đó mà gang cầu có độ bền kéo cao hơn rất nhiều so với gang xám.
-
Tổ chức nền kim loại của gang cầu cũng giống tổ chức nền của thép. Ở trạng
thái đúc gang cầu có các loại tổ chức nền như: peclit, ferit, peclit và ferit, peclit
và xementit,… Bằng phương pháp nhiệt luyện gang cầu có thể đạt được các tổ
chức nền kim loại khác nhau như: xoocbit, mactenxit, bainit,…
12
1.2 Tính chất cơ lý của gang cầu
Độ bền
Độ bền kéo của gang cầu phụ thuộc vào tổ chức nền kim loại, mà tổ chức nền kim
loại phụ thuộc vào thành phần hóa học, tốc độ làm nguội và chế độ nhiệt luyện. Do vậy
có thể thông qua việc thay đổi, điều chỉnh tổ chức nền kim loại mà điều chỉnh được cơ
tính, tính chất của gang cầu trong phạm vi rộng. Mối quan hệ này được thể hiện trên
hình 2.2.[3]
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa tổ chức nền kim loại với giới hạn chảy và độ dẻo của
gang cầu[3]
Giới hạn bền kéo của gang cầu: Rm = 400 – 1000 Mpa. Ở trạng thái đúc, độ bền
kéo của gang cầu có tổ chức nền peclit đạt được đến 600 – 700 MPa. Khi tôi đẳng nhiệt
cho phép đạt được độ bền kéo đến 1200MPa. Độ bền kéo của vật đúc bằng gang cầu
còn phụ thuộc vào chiều dày thành vật đúc, cụ thể là khi chiều dày thành vật đúc tăng
lên thì độ bền kéo bị giảm xuống ( như trong bảng 2.1).
13
Bảng 2.1. Sự thay đổi độ bền kéo của gang cầu phụ thuộc vào chiều dày vật đúc[4]
Chiều dày thành vật đúc
(mm)
Độ bền kéo (MPa)
Gang có tổ chức peclit
Gang có tổ chức ferit
25
612
524
50
570
504
100
496
357
150
458
317
200
430
288
Độ bền nén của gang cầu là gần 2000MPa, tức là cao gấp 2 lần so với độ bền nén
của gang xám. Độ bền uốn của gang cầu là 600 – 1100MPa cũng cao hơn rất nhiều so
với gang xám. Chỉ tiêu độ võng của gang cầu dao động trong khoảng 4-30 mm tùy
thuộc vào độ dẻo của gang. Độ bền xoắn của gang cầu tổ chức ferit là xấp xỉ 420MPa,
với gang cầu tổ chức peclit là 600 – 700MPa.
Giới hạn chảy
Giới hạn chảy của gang cầu cao hơn nhiều so với giới hạn chảy của thép cacbon.
Giới hạn chảy trung bình của gang cầu là 300 – 420MPa, một số trường hợp đạt đến
700MPa. Tỉ lệ giới hạn chảy và độ bền kéo của gang cầu là 0,75 – 0,80, trong khi đó
của thép là 0,55 – 0,61. Ngoài ra, việc tăng chiều dày của vật đúc bằng gang cầu làm
giảm giới hạn chảy, như trong bảng 2.2 .
14
Bảng 2.2. Sự phụ thuộc giới hạn chảy của gang cầu vào chiều dày thành vật đúc[4]
Chiều dày thành vật đúc
Giới hạn chảy (MPa)
(mm)
Gang có tổ chức peclit
Gang có tổ chức ferit
25
474
370
50
471
366
100
444
281
150
419
265
200
415
220
Độ giãn dài tương đối
Độ giãn dài tương đối của gang cầu ở trạng thái đúc là 5 – 12%, còn sau khi ủ đạt
được 20 – 25%. Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới độ giãn dài tưởng
đối của gang cầu là hàm lượng P trong gang. Khi hàm lượng P nhỏ hơn 0,1% thì 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 độ giãn dài của gang cầu.
Độ cứng
Độ cứng của gang cầu phụ thuộc vào tổ chức nền kim loại, gang cầu tổ chức ferit
có độ cứng thấp nhất, đạt khoảng 156 – 207HB, còn gang cầu tổ chức peclit có độ cứng
cao hơn rất nhiều, đạt khoảng 187 – 268HB. Quan hệ giữa độ bền kéo, giới hạn chảy
và độ cứng của gang cầu được chỉ ra như trong hình 2.3.
15
Hình 2.3. Sự phụ thuộc giữa độ bền, giới hạn chảy và độ cứng[3]
2. Khái quát chung về gang chịu nhiệt
2.1 Khái niệm chung về gang chịu nhiệt [5]
Khả năng chịu nhiệt của gang được đặc trưng bởi khả năng chống lại sự nở ra
(không lớn hơn 0,2%) và sự tạo vảy (không lớn hơn 0,5g/m2h) ở nhiệt độ làm việc đã
cho trong thời gian 150h.
16
Sự chống lại quá trình oxy hóa của gang, hay thép chính là sự tạo thành trên bề
mặt của nó lớp màng oxit bảo vệ bền vững. Khả năng tạo thành lớp màng này liên quan
đến áp suất phân ly của các oxit, nếu áp suất phân ly của oxit cao hơn áp suất riêng
phần của oxy trong không khí thì sự oxy hóa không xảy ra (kim loại sạch), khi áp suất
phân ly của oxit nhỏ hơn áp suất riêng phần của oxy trong không khí và oxit tạo thành
không dễ bay hơi thì trên bề mặt kim loại được phủ một lớp màng oxit. Tính chất vật lý
của lớp màng oxit đóng vai trò chủ yếu trong quá trình oxy hóa kim loại và hợp kim.
Đồng thời độ bền bám chắc của oxit với kim loại và khuynh hướng bao phủ bề mặt
mẫu vật của màng oxit có ý nghĩa rất lớn trong việc chống lại sự oxy hóa.
Người ta thường đưa vào gang các nguyên tố có oxit bền vững và bám chắc vào
bề mặt kim loại nền như Cr, Al, Si, tùy theo hàm lượng của chúng mà góp phần tạo
thành oxit sắt – kiểu Spinen (khoáng vật) hoặc tạo thành oxit tinh khiết trên nền riêng,
có mạng tinh thể chắc bền nên chịu được nhiệt độ cao.
Khi làm việc ở nhiệt độ cao, ngoài sự oxy hóa còn xuất hiện hiện tượng nở ra, ảnh
hưởng của hiện tượng này là xuất hiện sự tăng không thuận nghịch kích thước của chi
tiết. Nguyên nhân chủ yếu gây nên sự trương nở của gang là do sự phân hủy cấu trúc
xementit tecti tự do và sự tích tụ các khuyết tật trong gang, được biểu hiện bằng sự hòa
tan kế tiếp nhau và sự tách graphit trong gang khi thay đổi nhiệt độ luân phiên.
Tùy theo nguyên tố hợp kim hóa được đưa vào mà người ta phân loại gang chịu
nhiệt thành các nhóm:
-
Nhóm gang crôm
-
Nhóm gang silic
-
Nhóm gang nhôm
-
Nhóm gang silic – nhôm
-
Nhóm gang silic – molipden
17
Thành phần hóa học của một số mác gang chịu nhiệt được đưa ra trong bảng 2.3.
Bảng 2.3. Thành phần hóa học gang chịu nhiệt (tiêu chuẩn GB 9437 – 88)
Hàm lƣợng nguyên tố (%)
Mác gang
C
Si
Mn
P
S
Cr
Al
RTCr
3,0-3,8
1,5-2,5
1,0
0,20
0,12
0,5-1,0
-
RTCr2
3,0-3,8
2,0-3,0
1,0
0,20
0,12
>1,0-2,0
-
RTCr16
1,6-2,4
1,5-2,2
1,0
0,10
0,05
15,0-18,0
-
RTSi5
2,4-3,2
4,5-5,5
0,8
0,20
0,12
0,5-1,0
-
RQTSi4
2,4-3,2
3,5-4,5
0,7
0,10
0,03
-
-
RQTSi5
2,3-3,2
4,5-5,5
0,7
0,10
0,03
-
-
RQTAl4Si4
2,5-3,0
3,5-4,5
0,5
0,10
0,02
-
4,0-5,0
RQTAl5Si5
2,3-2,8
4,5-5,2
0,5
0,10
0,02
-
5,0-5,8
RQTAl22
1,6-2,2
1,0-2,0
0,7
0,10
0,03
-
20,0-24,0
2.2 Gang silic có graphit dạng cầu
Gang Si có graphit dạng cầu có tính chịu nhiệt cao hơn nhiều so với gang Si có
graphit dạng tấm.
Về tính chất chống oxy hóa, trong cùng điều kiện làm việc thì tính chất chống gỉ
của gang có graphit dạng tấm thấp hơn nhiều so với gang có graphit dạng cầu vì quá
trình oxy hóa diễn ra ở gang có graphit cầu khắc biệt so với quá trình oxy hóa diễn ra ở
gang có graphit tấm. Ở gang cầu, màng oxit được tạo thành trước tiên trên bề mặt chi
tiết là bền hơn vì nó liên tục trên toàn bộ bề mặt. Sự cách ly hoàn toàn của tạp chất
18
graphit 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 diễn ra theo cơ chế khuếch tán tinh khiết. Trong khi đó ở gang tấm,
cùng với quá trình khuếch tán, sự oxy hóa xảy ra thường xuyên và quá trình tương tác
hóa học xảy ra trực tiếp giữa kim loại với oxy khí quyển được thấm sâu vào kim loại
theo tạp chất graphit tấm. Sự khác nhau về khả năng chống gỉ giữa gang Si có graphit
dạng cầu và gang Si có graphit dạng tấm được thể hiện trong bảng 2.4.
Bảng 2.4. Khả năng chống gỉ của gang Si
Sự tăng trọng
lƣợng(g/m2h)
Thành phần hóa học
ở nhiệt độ (oC)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mg
900
1000
Gang Si có graphit dạng tấm
3,44
1,82
0,42
-
0,10
0,21
-
18,2
37,1
2,56
5,40
0,71
0,14
0,048
-
-
8,66
20,44
2,61
5,09
0,54
0,14
0,083
0,16
-
3,56
19,90
2,91
5,82
0,69
0,15
0,066
-
-
6,99
-
Gang Si có graphit dạng 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
-
015
0,09
0,44
2,75
5,01
0,83
0,17
0,004
-
0,174
0,36
1,07
2,58
5,79
0,82
0,22
0,007
1,43
0,187
0,03
0,06
2,75
5,03
0,70
0,23
0,005
0,63
0,16
0,01
0,68
19
Sự nở ra của gang Si có graphit dạng cầu ở 900oC hầu như không xảy ra, ở
1000oC mới có biểu hiện của sự nở ra. Sự nở ra của gang Si tăng lên khi được hợp kim
hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit. So sánh về sự nở ra giữa gang có graphit dạng tấm
và gang có graphit dạng cầu được thể hiện trong bảng 2.5.
Bảng 2.5. Sự nở của gang Si khi giữ ở nhiệt độ cao trong 150h
Sự tăng chiều
dài (%) ở
Thành phần hóa học
nhiệt độ (oC)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mg
900
1000
Gang Si có graphit dạng tấm
3,44
1,82
0,42
-
0,10
0,21
-
4,5
4,15
2,56
5,40
0,71
0,14
0,048
-
-
0,20
0,60
2,61
5,09
0,54
0,14
0,083
0,16
-
0,85
1,00
2,89
5,61
-
0,24
-
1,26
-
1,0
1,9
2,53
5,02
0,72
0,31
0,004
0,66
-
2,3
-
Gang Si có graphit dạng cầu
2,42
5,85
0,87
0,14
0,003
-
015
-
0,03
2,75
5,01
0,83
0,17
0,004
-
0,17
0,04
0,65
2,58
5,79
0,82
0,22
0,007
1,43
0,18
0,06
1,56
2,75
5,03
0,70
0,23
0,005
0,63
0,16
0,07
0,88
3. Lý thuyết quá trình biến tính cầu hóa gang [1],[6]
Đã có nhiều nghiên cứu để làm sáng tỏ lý thuyết cầu hóa graphit trong gang cầu
khi kết tinh, cả trong trạng thái lỏng và cả trong trạng thái đặc, nhưng chưa đi đến một
20
lý thuyết chung nào. Hiện nay, có thể chia làm 15 loại quan điểm khác nhau về sự hình
thành gaphit cầu khi tiến hành biến tính gang lỏng bằng Mg và các nguyên tố đất hiếm
như sau:
-
Phân hóa Fe3C ở trạng thái rắn.
-
Sự thay thế tâm mầm SiO2 trong mạng tứ diện bằng tâm mầm MgO có mạng tinh
thể lập phương.
-
Do sự hấp phụ Mg hay khí Mg trên nền graphit mà graphit phát triển thành dạng
cầu.
-
Do sự phân hủy austenit quá bão hòa.
-
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 lỏng.
-
Do sự phân hóa cacbit magiê.
-
Do sự khuếch tán của ngyên tử sắt trong gang khi kết tinh.
-
Kết quả của sự tăng 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
graphit cầu.
21
-
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.
Hiện nay khi nói đến dạng graphit là kết quả của bản chất sự phát triển của tinh
thể, có 2 quan điểm như sau:
-
Định luật Gibbs – Curie – Wulf: Bề mặt của tinh thể có năng lượng bề mặt lớn sẽ
dịch chuyển chậm theo hướng song song với mặt phẳng ấy.
-
Định luật Bravais: Mặt phẳng tinh thể chứa mật độ nguyên tử lớn nhất có năng
lượng cực tiểu sẽ phát triển càng chậm trên hướng thẳng góc với nó. Quan điểm
này chỉ có giá trị cho sự kết tinh ở điều kiện cân bằng.
4. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự hình thành tổ chức, tính chất của gang cầu
4.1 Thành phần hóa học
4.1.1 Ảnh hưởng của Cacbon và Silic:
Gang cầu thường có khuynh hướng biến trắng bởi vì để có graphit cầu thường
phải biến tính gang xám bằng các nguyên tố như Ce, Mg và các nguyên tố đất hiếm mà
các nguyên tố này có khả năng tạo cacbit rất mạnh. Mặt khác do graphit hình cầu đặc
chắc, nên lượng graphit tự do hơi cao ít ảnh hưởng xấu đến chất lượng của gang cầu.
Vì vậy, để sản xuất gang cầu thì gang lỏng phải có thành phần Cdl bằng hoặc lớn hơn
thành phần cùng tinh, để đạt được mức độ cùng tinh cao (Sc = 0,98 ÷ 1) , % cácbon
đương lượng và mức độ cùng tinh được xác định theo công thức sau:
C dl Ct
Sc
1
Si P 4,3%
3
C
4,3 0,3( Si P )
Trong đó: Cdl - thành phần cacbon đương lượng của gang;
22
Ct - hàm lượng cacbon nguyên tử có trong gang;
Si, P- hàm lượng Si, P có trong gang;
Sc - mức độ cùng tinh.
Ta có biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa độ bền kéo, độ dãn dài với thành phần
cacbon đương lượng như sau:
Độ bền kéo
40
[daN/mm2]
Độ dãn
dài
[%]
bk
2
20
1
0
4,0
4,2
4,4
4,8
0
Cdl [%]
Hình 2.4. Ảnh hƣởng của thành phần cacbon đƣơng lƣợng đến độ bền kéo và độ
dãn dài của gang cầu[7]
Khi tăng %Cdl trong gang sẽ làm tăng độ dẻo và độ dai cho gang, còn độ bền giảm
xuống khi qua một giá trị cực đại. Do vậy %Cdl của gang đem biến tính nên nằm trong
khoảng 4,3 – 4,6%.
Để tránh tổ chức biến trắng và giảm bớt lượng peclit trong tổ chức nền, cần giữ
hàm lượng Si ở mức độ thích hợp. Để nâng cao hiệu quả của quá trình cầu hóa ta có thể
chọn thành phần của cacbon và silic theo đồ thị sau:
23
%Si
3,5
III
B
3,0
II
I
A
2,5
3,4
IV
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4,0 %C
Hình 2.5. Đồ thì quan hệ giữa thành phần cacbon và silic tới mức độ cầu hóa[8]
Đường A – Cdl = 3,9; đường B – Cdl = 4,55
I: khu vực đảm bảo quá trình cầu hóa là tối ưu nhất;
II: khu vực tạo ra co ngót lớn;
III: khu vực tạo ra phấn graphit;
IV: khu vực xuất hiện quá trình biến trắng.
4.1.2 Ảnh hưởng của Mangan:
Trong gang cầu, Mn thường tạo khả năng thiên tích lớn, hàm lượng Mn tập trung
ở biên giới hạt so với bên trong các hạt thường cao hơn từ 3-4 lần. Mn làm cho tổ chức
peclit dễ hình thành ở biên giới hạt. Do chất cầu hoá có khả năng khử S rất mạnh, làm
cho hàm lượng S trong gang còn lại rất thấp, do vậy chỉ có một lượng nhỏ Mn kết hợp
với S, còn lại Mn kết hợp với C tạo thành Mn3C hoà tan vào ferit làm tăng độ bền,
giảm độ dẻo dai của tổ chức nền. Nếu Mn > 1,5% thì nó sẽ cản trở quá trình graphit
24
hoá, làm gang dễ bị biến trắng. Mangan được dùng là nguyên tố để điều chỉnh tổ chức
nền kim loại cho gang: [9]
Mn < 0,2% cho tổ chức nền kim loại là ferit
Mn = 0,2 ÷ 0,4% cho tổ chức nền kim loại là ferit + peclit
Mn > 0,4 cho tổ chức nền kim loại là peclit
4.1.3 Ảnh hưởng của Photpho :
Phôtpho là nguyên tố dễ bị thiên tích, khi bị thiên tích mạnh xuất hiện cùng tinh
hai nguyên (Fe3P + Fe) ở biên giới hạt có điểm nóng chảy khoảng 10500C, làm giảm
tính dẻo của gang. Cùng tinh này có dạng lưới sẽ có tác dụng chống mài mòn rất tốt.
Phốt phít là pha có độ cứng cao nhưng rất dòn, do vậy chỉ có lợi khi gang chịu mài
mòn. Mặt khác phốt pho làm tăng độ chảy loãng của gang làm tăng khả năng điền đầy
khuôn khi đúc rót. Nhưng phốt pho là nguyên nhân ngăn cản sự phân huỷ peclit, đặc
biệt khi ủ ferit hoá gang cầu. Hàm lượng P < 0,1% thì không ảnh hưởng rõ rệt đến cấu
trúc của gang cầu, vượt quá giá trị trên độ dãn dài của gang giảm đi rất mạnh. Vì vậy,
tuy P là nguyên tố góp phần tạo lên giá trị cùng tinh lớn nhưng người ta thường khống
chế P khoảng 0,08% đối với gang cầu.
4.1.4 Ảnh hưởng của Lưu huỳnh:
Lưu huỳnh là nguyên tố có hại cho hợp kim, nó là nguyên tố á kim không tan
trong Feα và Feγ, tan trong Feδ. Lưu huỳnh có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ khuếch tán
cacbon khi graphit hoá. Bởi vì khi hàm lượng lưu huỳnh cao sẽ tạo thành tổ chức cùng
tinh Fe-FeS tập trung ở biên giới hạt có nhiệt độ chảy 11930C, còn đối với cùng tinh
30,9% S và 69,1% Fe thì có nhiệt độ chảy chỉ có 9850C. Vì vậy, khi chi tiết làm việc ở
nhiệt độ cao dễ gây ra hiện tượng nứt, thường gọi là nứt nóng. Mặt khác nó còn ngăn
cản quá trình khuếch tán của cacbon. Đối với gang S còn tồn tại ở dạng hợp chất MnS,
hợp chất này cũng làm giảm cơ tính của gang.
25
