Công nghệ chế tạo Giấy Cơ khí Sản xuất

Bộ công THƯƠNG
TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM
Viện Luyện kim Đen
--------------------



Báo cáo tổng kết
đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển CÔNG
NGHệ cấp bộ
Tên đề tài:

NGHIấN CU CH TO GANG HP KIM BN CAO
MC GX330NiCr42 LM A NGHIN
PHC V CễNG NGHIP SN XUT GIY

DFGEDFGEDFGE

Cơ quan chủ quản:

tổng công ty thép vN

Cơ quan chủ tr
ì:

Viện Luyện kim Đen

Chủ nhiệm đề tài:
NGUYN
VĂN SA

6829
27/4/2008
Tháng 12/2007









những ngời thực hiện chính

TT Họ và tên Học vị Đơn vị công tác
1
Nguyễn văn Sa
Tiến sĩ Viện Luyện kim Đen
2
Nguyễn văn Ngũ
Kĩ s Viện Luyện kim Đen
3
Nguyễn hồng Phúc
Kĩ s Viện Luyện kim Đen

4
Vũ Thái Sơn
Kĩ s Cty CP Giấy Hoàng Văn Thụ
5
Bùi Quang Sơn
Kĩ s Cty CP Giấy Hoàng Văn Thụ





2
Mục lục
Mở đầu 3
1. Tổng quan về gang hợp kim chịu mài mòn 5
1.1 Phân loại gang hợp kim chịu mài mòn 5
1.2 Gang trắng crôm niken (Ni-hard) 7
1.2.1 Tính chất vật lý của gang Ni-hard 9
1.2.2 Tính chất cơ học của gang Ni-hard 9
1.2.3 Đặc tính đúc của gang Ni-hard 10
1.2.4 Tính gia công của gang Ni-hard 10
1.2.5 Chế độ nhiệt luyện 10
1.2.6 Khả năng chịu mài mòn của gang Ni-hard 11
1.3 ảnh hởng các nguyên tố hợp kim đối với gang Ni-hard 13
1.3.1 ảnh hởng của niken 13
1.3.2 ảnh hởng của silic 14
1.3.3 ảnh hởng của crôm 14
1.3.4 ảnh hởng của mangan 14
1.3.5 ảnh hởng của đồng 14
1.3.6 ảnh hởng của molipđen 15

1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 15
2. Nội dụng nghiên cứu và phuơng pháp thực nghiệm 17
2.1. Nội dung nghiên cứu 17
2.2. Phơng pháp nghiên cứu 17
3. Kết quả thực nghiệm 19
3.1 Công nghệ nấu luyện gang GX330NiCr42 19
3.2 Công nghệ đúc gang GX330NiCr42 21
3.2.1 Một số đặc điểm về công nghệ đúc 21
3.2.2 Lựa chọn công nghệ và thiết bị đúc 22
3.3. Công nghệ nhiệt luyện gang GX330NiCr42 23
3.3.1 ủ mềm gang GX330NiCr42 23
3.3.2 Tôi và ram gang GX330NiCr42 23
3.4 Các tính chất của gang GX330NiCr42 26
3.4.1 Thành phần hoá học 26
3.4.2 Tính chất cơ lý 26
3.4.3 Cấu trúc pha 26
3.4.4 Khả năng chịu mài mòn abrasive 28
3.5 Chế tạo sản phẩm và kết quả dùng thử 29
3.5.1 Chế tạo dao nghiền đĩa 39
3.5.2 Dùng thử và đánh giá chất lợng sản phẩm 39
4. Kết luận và kiến nghị 33
5.Tài liệu tham khảo 34
6. Phụ lục 35

3
Mở đầu
Trong công nghiệp sản xuất giấy, có nhiều chi tiết trong thiết bị dùng sơ chế
nguyên liệu thờng xuyên phải thay thế vì phải làm việc liên tục trong điều kiện
va đập, chịu mài mòn nh dao nghiền đĩa, quả lô khuấy trộn... ở nớc ta, phần
lớn các cơ sở sản xuất giấy đợc lắp đặt thiết bị nớc ngoài, hoạt động đã nhiều

năm, thiết bị dự phòng không còn, do đó việc thay thế gặp nhiều khó khăn...
Sau khi tìm hiểu tình hình ở một số cơ sở sản xuất lớn nh Công ty Giấy Bãi
Bằng, Công ty Giấy Hoàng Văn Thụ Chúng tôi nhận thấy dao nghiền đĩa là
một trong những chi tiết phải làm việc trong điều kiện chịu va đập và mài mòn,
nên cần thay thế liên tục. Hiện nay, dao nghiền đĩa đợc cung cấp từ nhiều
nguồn: nhập từ Trung Quốc, sản xuất trong nớc... Tuy nhiên, vật liệu chế tạo
đều là gang xám không hợp kim, độ bền thấp, khả năng chịu mài mòn kém.
Từ thực tế trên, chúng tôi cho rằng nên chế tạo dao nghiền đĩa bằng gang
hợp kim chịu mài mòn. Trong nhóm gang hợp kim này, mác GX330NiCr42 theo
tiêu chuẩn DIN 1695-81 của Đức có nhiều đặc tính tốt, phù hợp cho việc chế tạo
các chi tiết chịu va đập và mài mòn nêu trên.
Viện Luyện kim Đen đã đề xuất và đợc Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công
Thơng) giao cho thực hiện đề tài Nghiên cứu chế tạo gang hợp kim độ bền
cao mác GX330NiCr42 làm đĩa nghiền phục vụ công nghiệp sản xuất giấy.
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 sau:
- Mở đầu
- Tổng quan về gang hợp kim chịu mài mòn abrasive.
- Phơng pháp nghiên cứu
- Kết quả đạt đợc
- Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục

4
Nhân dịp này, Ban chủ nhiệm đề tài xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và
chỉ đạo sát sao của Vụ Khoa học & Công nghệ- Bộ Công Thơng, sự hợp tác
giúp đỡ tận tình của Công ty Giấy Hoàng Văn Thụ Thái Nguyên, các cơ sở
nghiên cứu nh Trờng ĐHBK Hà Nội, Trung tâm Đo lờng Việt nam và một
cơ sở nghiên cứu khác đã giúp chúng tôi thực hiện thành công đề tài.

5
1.Tổng quan về Gang chịu mài mòn
1.1 Phân loại gang chịu mài mòn
Khả năng chịu mài mòn của gang khi chịu tác động mài abrasive tuỳ
thuộc vào tổ chức tế vi (vi độ cứng, hình dạng, sự tác dụng tơng hỗ cũng nh số
lợng cấu trúc hợp thành). Thành phần tổ chức cơ bản của gang đợc sắp xếp
theo chiều tăng của vi độ cứng với trật tự sau: graphit, ferit, peclit, austenit,
mactensit, xementit, xementit hợp kim, các cacbid của crôm, wolfram, vanađi
và của các nguyên tố khác, các borid. Khả năng chịu mài mòn phụ thuộc rất
phức tạp vào số lợng cũng nh sự phân bố của các pha rắn, giòn so với kim loại
nền có tính mềm và dẻo. Kim loại nền phải là giá đỡ vững chắc cho các độ cứng
thành phần nhằm ngăn ngừa sự phá huỷ giòn.
Có nhiều loại gang chịu mài mòn khác nhau đợc đem vào sử dụng trong
điều kiện làm việc có tác động mài mòn. Theo cấu trúc và thành phần hoá học có
thể phân chia gang chịu mài mòn thành các nhóm sau:
- Gang xám hợp kim
- Gang biến trắng hợp kim
Gang trắng hợp kim bao gồm:
+ Gang trắng hợp kim thấp,
+ Gang niken - crôm (Ni-hard),
+ Gang hợp kim cao crôm.
Gang hợp kim cao là nhóm vật liệu quan trọng của mà sản phẩm của chúng
cần đợc quan tâm đặc biệt so với loại gang thông thờng. Trong gang hợp kim
cao, hàm lợng các nguyên tố hợp kim hoá trên 4%, do vậy không thể nấu luyện
chúng đạt thành phần tiêu chuẩn chỉ bằng cách hợp kim hoá ngay tại gầu rót.
Chúng thờng đợc sản xuất ở các cơ sở có trang bị máy móc đặc biệt chỉ dùng
riêng để nấu luyện loại gang này.

6
Gang hợp kim là loại gang chủ yếu dùng làm vật liệu chịu mài mòn và đúc
thành những chi tiết cần thiết trong việc chế tạo máy đập, nghiền và nhiều loại
dụng cụ chịu mài mòn khác.
Trong gang trắng hợp kim cao, lợng Cr cao làm tăng khả năng chịu ăn
mòn của gang. Phần thể tích lớn của kim loại nền và cácbid cùng tinh trong tổ
chức tế vi sẽ tạo nên độ cứng lớn cần thiết cho tác động va đập, nghiền nhỏ các
vật liệu khác. Trong gang này, pha cácbid gắn chắc trên nền kim loại và biến đổi
tuỳ thuộc vào hàm lợng hợp kim đa vào. Quá trình nhiệt luyện sẽ tạo ra sự
cân bằng đặc biệt giữa khả năng chịu mài mòn và tính dẻo cần thiết cho khả
năng liên tục chịu va đập .
Trong khi vật đúc từ gang trắng hợp kim thấp có hàm lợng hợp kim dới
4%, độ cứng chỉ trong khoảng 350 550 HB trong khi gang hợp kim cao có dải
độ cứng từ 450 800 HB.
Tiêu chuẩn ASTM A552 đa ra thành phần và độ cứng của nhiều mác gang
trắng chịu mài mòn. Rất nhiều vật đúc đợc chế tạo theo mác gang của tiêu
chuẩn này.
Tuy nhiên một số lợng lớn vật đúc đợc sản xuất có sự thay đổi về thành
phần hoá học tuỳ theo từng ứng dụng riêng. Điều cần nói là các chuyên gia thiết
kế, kỹ s luyện kim và thợ đúc cần hợp tác với nhau để đa ra đợc các mác
gang có thành phần, phơng pháp nhiệt luyện và quy trình đúc hợp lý cho từng
ứng dụng đặc biệt.
Gang trắng hợp kim cao đợc phân ra các nhóm chính nh sau:
- Gang niken-crôm (Ni-hard) : Chứa 3-5 % Ni và 1-4 % Cr , Ngoài ra có
một loại hợp kim với thành phần biến đổi, chứa 7-11 % Cr.
- Gang crôm molipđen: Chứa 11-23 % Cr và đến 3 % Mo, thông thờng
nó đợc hợp kim hoá với niken và đồng.
- Gang cao crôm: hàm lợng Cr từ 25-28 % và chứa các nguyên tố hợp kim
hoá khác nh Mo hoặc Ni tới 1,5 %.

8
Bảng 1. Thành phần hoá học của gang Ni-hard loại IA (C cao, chịu mài mòn lớn)
Chiều dày vật đúc (mm)
Khuôn cát Khuôn kim loi
12 25 50 75 100 12 25 50 75 100


Nguyên tố
Thành phần hoá học (%)
C 3,2 - 3,6 3,2 3,6
Si 0,7 0,6 0,5 0,4 0,4 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
Mn 0,3 0,5 0,3 0,5
Ni 3,8 4,0 4,2 4,5 4,8 3,3 3,6 4,0 4,4 4,7
Cr 1,6 1,8 2,0 2,2 2,5 1,5 1,7 1,9 2,2 2,5
Trong điều kiện va đập liên tục, hợp kim loại IB (Ni-Hard 2) là thích hợp vì
chúng có ít cacbon hơn và độ dẻo cao hơn. Một mác đặc biệt khác, loại I C đã
đợc tạo ra để sản xuất bi, đạn nghiền. ở đây thành phần hợp kim crôm niken
đợc điều chỉnh thích hợp cho phơng pháp đúc nhiệt luyện cũng nh công
nghệ đúc đặc biệt bằng cát (xem bảng 2).

Bảng 2. Thành phần hoá học của gang Nihard loại II (C thấp, độ bền cao).

Chiều dày vật đúc (mm)
Khuôn cát Khuôn kim loi
12 25 50 75 100 12 25 50 75 100

Nguyên tố
Thành phần hoá học (%)
C 2,7 - 3,2 2,7 -3,2
Si 0,9 0,7 0,6 0,5 0,4 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5
Mn 0,3 0,5 0,3 0,5
Ni 4,0 4,2 4,5 4,8 5,0 3,5 3,8 4,2 4,5 4,8
Cr 1,5 1,7 1,9 2,2 2,5 1,4 1,6 1,8 2,0 2,3
- Hợp kim loại ID (Ni-hard 4) là loại gang niken - crôm biến đổi, nó chứa
hàm lợng crôm cao hơn, trong khoảng từ 7 11% và hàm lợng niken tăng dần
theo trong khoảng 5 7%. Cacbon thay đổi tuỳ theo tính chất yêu cầu cho điều
kiện làm việc. Hàm lợng cacbon trong khoảng 3,2 3,6 % đợc quy định khi

9
độ bền chịu mài mòn đợc yêu cầu lớn nhất. Còn khi khả năng chịu va đập đợc
u tiên thì hàm lợng cacbon phải đợc khống chế trong khoảng 2,7 3,2 %
(Bảng 3)
Bảng 3. Thành phần hoá học của gang Ni-Hard có ứng dụng đặc biệt

Thành phần hoá học (%)

Mác gang
C Si Mn Cr Ni Mo S P
Tip III
1,0-1,6 0,4 - 0,7 0,4 0,7 1,4 - 1,6 4,0 -4,75 -
0,05 0,05
HK 3-2-1
3,3 - 3,6 0,3 - 0,6 0,5 0,8 1,5 - 2,0 2,75 -3,75 0,7 1,1
0,15 0,40
Ni-Hard4
2,6 - 3,2 1,7 - 2,0 0,4 0,6 7,5 - 9,0 5,5 -6,5 -

0,15 0,40
1.2.1 Tính chất vật lý của gang Ni-hard
- Tỷ trọng : 7,6 ữ 7,8 g/cm
3

- Hệ số dãn nở vì nhiệt
10 -100
o
C : 4,5 ữ 5,0 .10
-6

10 -260
o
C : 6,3 ữ 6,6 .10
-6

10 -430
o
C : 6,8 ữ 7,1 .10
-6

- Điện trở suất ở 25
o
C : 80 à.cm.
- Modul đàn hồi : (16,8 ữ 19,6).10
3
kG/mm
2
1.2.2 Tính chất cơ học của gang Ni-hard
Nhờ sự hợp kim hoá bằng niken mà chúng có các đặc tính tơng ứng vợt

trội so với gang trắng không hợp kim. Độ cứng cao đi đôi với việc giảm trị số
giới hạn bền khi uốn và kéo. Các chi tiết chế tạo từ gang Ni-hard cần đợc sử
dụng trong các điều kiện chịu va đập và có tải trọng.
Bảng 4 . Tính chất cơ học của gang Nihard

B
HB

U

Loại gang Phơng pháp làm khuôn
kG/mm
2

Độ võng f khi
uốn tính bằng
mm
I
- Cát
- Kim loi
28-35
35-42
550-650
600-725
48-60
54-82
2,0 2,8
II
- Cát
- Kim loi

32-38
42-52
525-625
575-675
54-66
66-85
2,5 3,0
III
- Cát
- Sau nhiệt luyện
-
325-375
400-600
- -
HK 3-2-1 - Cát - 550-650 - -

10
1.2.3 Đặc tính đúc của gang Ni-hard
- Độ chảy loãng của gang Ni-hard thấp hơn một chút so với gang xám.
- Độ co ngót: trong khoảng 2-2,15 %
Đậu ngót và đậu hơi cần phải dễ loại bỏ, việc cắt bằng hàn hơi là không
nên vì dễ tạo thành vết nứt. Các chi tiết từ gang Ni-hard có xu thế xuất hiện vết
nứt khi gặp nóng lạnh đột ngột, nhạy cảm do co ngót ngoài và dãn nở nhiệt (ứng
suất nhiệt).
Những đặc điểm này cần đợc các nhà thiết kế nghiên cứu kỹ cấu hình vật
đúc, trớc hết là các vật đúc từ gang Ni-had, cần lu ý nhiều đến đặc tính công
nghệ của nó. Tốt nhất là đúc bằng khuôn kim loại, nhng điều muốn nhấn mạnh
là cấu hình vật đúc cần đợc thực hiện nghiêm ngặt về mọi yêu cầu, đảm bảo
việc đông cứng có định hớng. Các chi tiết làm tấm lót hoặc trục cán thờng
đợc chế tạo hai lớp. Lớp bề mặt làm việc bằng gang Ni-hard, mặt đệm dới hay

lõi trục bằng gang xám hợp kim hay gang cầu.
1.2.4 Tính gia công của gang Ni-hard
Các vật đúc từ gang Ni-hard không thể gia công bằng dụng cụ cắt gọt mà
chỉ nên hoàn thiện bằng phơng pháp mài. Nếu việc gia công là bắt buộc, thì ở
nơi cần gia công cơ khí của vật đúc, nên bổ sung bằng cách đúc phụ thêm gang
xám hay thép cacbon. Điều này rất có lợi khi thiết kế các chi tiết từ gang chịu
mài mòn hợp kim hoá cao.
1.2.5 Chế độ nhiệt luyện
Chế độ nhiệt luyện vật đúc từ gang Ni-hard có mục đích là loại bỏ ứng suất
và giảm nhỏ lợng austenit d.
Việc ram mactensit vật đúc và chuyển hoá austenit d thành bainit hay
mactensit khi nhiệt luyện là loại trừ những thay đổi mạnh về thể tích austenit
trong quá trình vận hành và cải thiện các chỉ tiêu về độ mỏi của chi tiết gang Ni-
hard, đặc biệt là làm việc trong điều kiện va đập có tải trọng ví dụ nh cối nghiền
bi . Với mục đích này ngời ta dùng nhiệt luyện đơn giản: ram ở 250-275
o
C
trong khoảng 4-6 giờ hay nhiệt luyện kép các chi tiết chịu va đập nặng : nung tới
475
o
C hay 700-780
o
C trong 4 giờ làm nguội ngoài không khí và ram thấp ở 275

11
o
C trong 4 giờ. Gang Ni-hard-4 có thể nhiệt luyện ở 750
o
C trong 8 giờ và làm
nguội ngoài không khí.

1.2.6 Khả năng chịu mài mòn của gang Ni-hard
Khái niệm về khả năng chịu mài abrasive
- Cơ chế mài abrasive
Đối với phần lớn các hệ tribology, những cơ chế mài chính không tồn tại
riêng lẻ mà có thể xuất hiện đồng thời . Trong các cơ chế mài thì quá trình mài
abrasive chiếm vị trí quan trọng nhất. Hơn một nửa số lợng chi tiết máy và phụ
tùng hỏng hóc là do mài abrasive gây ra. Có 4 cơ chế mài vi mô dẫn đến sự tổn
hao khối lợng trong hệ mài abrasive là: Biến dạng vi mô bề mặt mài, gẫy vi mô
bề mặt, cắt vi mô bề mặt, mỏi vi mô bề mặt. Các cơ chế mài vi mô abrasive đợc
mô tả trong hình 2 .
Hai cơ chế biến dạng vi mô và cắt vi mô thờng đi đôi với nhau và đợc gọi
theo một khái niệm khác là bào rãnh vi mô.
Đối với những loại vật liệu mềm và có khả năng biến dạng dẻo lớn, quá
trình bào rãnh vi mô sẽ làm biến dạng một phần vật liệu trong khu vực rãnh bào
sang hai bên thành rãnh và hất phần vật liệu còn lại ra khỏi bề mặt chi tiết bị
mài. Tỷ lệ giữa phần vật liệu biến dạng và phần bị bào đi phụ thuộc vào kích
thớc hạt mài và bản chất vật liệu bị mài.
Những loại vật liệu giòn, khi mài sẽ xảy ra hiện tợng nứt tế vi bề mặt, nếu
ứng suất bề mặt sinh ra do mài mòn lớn hơn giới hạn bền của vật liệu thì vết nứt
sẽ phát triển và lan truyền. Khi các vết nứt bề mặt liên kết với nhau sẽ dẫn đến
bong bề mặt và làm giảm khối lợng chi tiết bị mài. Quá trình này đợc gọi là cơ
chế gẫy vi mô. Kết quả nhiều đề tài nghiên cứu và thí nghiệm về mài abrasive
cho thấy, quá trình biến dạng dẻo lớp vật liệu bề mặt và gẫy vi mô thờng xảy ra
đồng thời. Đối với vật liệu đa pha (không đồng nhất), các cơ chế mài vi mô tham
gia đồng thời vào quá trình mài. Trong khi những phần mềm (vật liệu nền) có tổ
chức bề mặt bị bào rãnh vi mô thì ở những phần cứng (pha giòn) sẽ xảy ra quá
trình gẫy vi mô. Những pha cứng có tác dụng tăng độ cứng tổng thể của vật liệu
nhng lại làm giảm độ dai. ảnh hởng tổng hợp của pha cứng đối với khả năng

13
Khả năng chịu mài mòn cao của gang Ni-hard trong điều kiện có tác động
mài mòn đợc lý giải bởi có một lợng lớn crôm hợp kim hoá dới dạng
xementit (Fe,Cr)
3
C có vi độ cứng HV 950-1100 kG/mm
2
và nền mactensit-
austenit cũng không thua kém cacbid về vi độ cứng (HV 670-840 kG/mm
2
).
trong điều kiện mài mòn ớt, hệ số mài mòn tơng đối của gang Ni-hard so với
thép CT20 là 5,0-5,7. ngời ta đã thiết lập đợc bảng so sánh độ bền chịu mài
mòn của gang Ni-hard và của gang hợp kim khác (bảng 5 )
Bảng 5 : Tốc độ mài mòn của gang Ni-hard và loại gang hợp kim khác
Thành phần hoá học
Độ mài mòn tơng đối



Mác gang
C Si Mn Cr Ni Mo S P

HB
Lớp lót rãnh tháo
quạng và máng
Lớp trong cùng
máy nghiền bi

Đầu máy phân

loại
Cánh quạt máy
tuyển nổi
Peclit 3,3 0,5 0,5 1,0 - 444 100 100 100 100
Ni-hard 3,2 0,5 0,6 2,0 4,5 - 0,12 0,2 601 - 55 80 -
Mactensit
cao Cr
- - - 27 - 0,5 - - 653 70 49 48 27
Cr15M3 2,75 0,7 0,7 15,0 - 3,0 0,03 0,06 712 51 44 41 -
Việc kiểm tra vật đúc gang Ni-hard có thể dùng mắt thờng nhng việc
kiểm tra tổ chức tế vi cũng cần thiết. Khi đạt đợc thành phần yêu cầu và chế độ
nhiệt luyện đảm bảo, trong tổ chức tế vi không còn graphit, lợng austenit d
phải ở giới hạn thấp nhất và độ cứng sau nhiệt luyện phải đạt các gía trị nh nêu
trong bảng 4.
1.3 ảnh hởng của nguyên tố hợp kim đối với gang Ni-hard
1.3.1 ảnh hởng của niken:
Hàm lợng niken tăng cùng với kích thớc mặt cắt hoặc thời gian làm
nguội sẽ hạn chế việc chuyển đổi peclit. Đối với vật đúc có chiều dày 38 - 50
mm hàm lợng niken 3,4 4,2 % là đủ để cản trở việc tạo thành peclit khi làm
nguội khuôn. Những tiết diện lớn hơn có thể cần hàm lợng niken đến 5,5 % để
loại bỏ việc tạo thành peclit. Điều quan trọng là làm sao có thể giới hạn hàm