Đề tài Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang bền nhiệt hệ fe – al thay thế hệ fe – cr- Ni

1 Bé c«ng TH¦¥NG TæNG C¤NG TY THÐP VIÖT NAM ViÖn LuyÖn kim §en -------------------- B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc vµ ph¸t triÓn C¤NG NGHÖ cÊp bé Tªn ®Ò tµi: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GANG BỀN NHIỆT HỆ Fe – Al THAY THẾ HỆ Fe – Cr- Ni” DFGEDFGEDFGE C¬ quan chñ qu¶n: tæng c«ng ty thÐp vN C¬ quan chñ tr×: ViÖn LuyÖn kim §en Chñ nhiÖm ®Ò tµi: L£ V¡N NGUY£N 6825 28/4/2008 Th¸ng 12/2007 2 MỤC LỤC MỤC LỤC TRANG MỞ ĐẦU 2 I. TỔNG QUAN 3 1. Tính chịu nhiệt 3 2. Tính bền nhiệt 7 2.1. Khái niệm về biến dạng dão 7 2.2. Dão trong vật liệu kim loại 8 3. Gang bền nhiệt 9 4. Gang nhôm (Fe-Al) 10 4.1. Vai trò của nhôm và silic 10 4.2. Các mác gang nhôm thường gặp 17 4.3. Lựa chọn mác gang nghiên cứu 20 II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 22 1. Nội dung nghiên cứu 22 2. Phương pháp nghiên cứu 22 III. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 24 1. Công nghệ nấu luyện 24 2. Công nghệ đúc 27 2.1. Xác định độ co của gang nhôm 28 2.2. Xác định độ chảy loãng 29 3 2.3. Vật liệu làm khuôn 30 2.4 Một số vấn đề liên quan khác đến công nghệ nấu luyện 30 2.5 Công nghệ nhiệt luyện gang nhôm 31 3. Các tính chất cơ học đạt được 32 4. Cấu trúc 32 5. Quá trình dùng thử sản phẩm 33 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 1. Kết luận 35 2. Kiến nghị 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 PHỤ LỤC 37 4 Danh sách những người thực hiện chính Họ và tên Học hàm, học vị chuyên môn Cơ quan công tác 1. Lê Văn Nguyên Ks Viện Luyện Kim Đen 2. Lê Quang Hiếu Th.s Viện Luyện Kim Đen 3. Nguyễn Thanh Bình Ks Viện Luyện Kim Đen 4. Trần Đình Hưng Ts Viện Luyện Kim Đen 5. Nguyễn Quang Dũng Th.s Viện Luyện Kim Đen 5 MỞ ĐẦU Gang bền nhiệt đã được nghiên cứu từ lâu, cùng với phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật khác, gang bền nhiệt cũng phát triển đa dạng và phong phú. Tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của môi trường làm việc mà sử dụng lựa chọn mác gang cho phù hợp, sao cho công nghệ sản xuất đơn giản, chất lượng sử dụng tốt, giá thành rẻ. Gang bền nhiệt ngày càng được sử dụng rộng rãi vì so với các loại vật liệu bền nhiệt khác loại gang này có khả năng chống rung cao, tính đúc tốt cho phép nhận được các chi tiết có hình dạng phức tạp. Do có khả năng bền nhiệt kết hợp với khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn gang bền nhiệt được sử dụng nhiều trong ngàng cơ khí, công nghiệp hoá chất và dầu khí: trong ngành chế tạo tuôcbin khí, chế tạo các chi tiết trong máy diezen hiện đại, máy nén khí… Ở nước ta gang bền nhiệt đã được sử dụng nhiều để làm sàn lò nung, sàn lò nhiệt luyện, các thiết bị trao đổi nhiệt…Các chi tiết đòi hỏi phải làm việc ở nhiệt độ cao hoặc vừa làm việc ở nhiệt độ cao vừa chịu ăn mòn, mài mòn hầu hết vẫn phải nhập ngoại. Để khác phục khó khăn khi phải nhập ngoại nhằm thay thế kịp thời phục vụ sản xuất, một số chi tiết đã được chế tạo trong nước, song hầu hết các mác gang này đều theo hệ Fe-Cr, Fe-Si, Fe-Cr-Ni. Ngoài các hệ này, các nước còn dùng hệ Fe-Al.Gang hệ Fe – Al (gọi tắt là gang nhôm) có nhiều ưu điểm nổi bật: có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao mà không bị nứt, không bị cong vênh, biến dạng. Gang nhôm ngoài khả năng bền nhiệt còn có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao. Đặc biệt trong những năm gần đây khi mà giá Niken tăng cao, gang nhôm càng được chú ý và nghiên cứu kỹ càng hơn vì giá thành của nó thấp hơn sử dụng Niken rất nhiều. Đề tài “nghiên cứu công nghệ sản xuất gang bền nhiệt hệ Fe-Al thay thế hệ Fe- Cr-Ni” rõ ràng là đề tài vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa kinh tế cao. Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của vụ KHCN Bộ Công Thương, phòng KT Tồng Công ty thép Việt Nam (VSC), Xí nghiệp 79 Tổng cục CNQP, Viện Luyện Kim Đen và các bạn đồng nghiệp. Nhân dịp này, ban chủ nhiêm đề tài xin trân thành cảm ơn! 6 I. TỔNG QUAN Gang bền nhiệt là loại vật liệu kim loại làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, có áp suất lớn và nhìn chung đều ở trong môi trường xâm thực. Để đảm bảo các chi tiết chế tạo từ gang bền nhiệt có tuổi thọ làm việc cao, loại gang này phải đảm bảo hai điều kiện: - Có tính chịu nhiệt cao (tính bền hoá ở nhiệt độ cao) - Có tính bền nhiệt cao (giữ được độ bền ở nhiệt độ cao trong thời gian dài dưới tác động của tải trọng làm việc). 1. Tính chịu nhiệt Đối với vật liệu kim loại nói chung, tính chịu nhiệt là khả năng chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao. Môi trường làm việc của kim loại bền nhiệt thường là không khí nóng, sản phẩm cháy của nhiên liệu chứa khí CO, H2S, O2, các loại ion của muối nóng chảy…Trong các môi trường phá huỷ này môi trường phá huỷ thường gặp nhất là môi trường ôxy. Vật liệu kim loại ở nhiệt độ cao bị oxy hoá. Sản phẩm của quá trình oxy hóa là các loại ôxyt: Fe2O3, Fe3O4, FeO, Cr2O3, Al2O3. Các loại ôxyt Fe2O3, Fe3O4, FeO có cấu tạo mạng không khít chặt, lại không liên kết chặt với kim loại nền nên bị tách ra khỏi nền. Quá trình hình thành ôxýt và tách ra khỏi nền của ôxýt tiếp tục xẩy ra khi vẫn được cung cấp ôxy, cứ như vậy kim loại nền bị phá huỷ nhanh chóng. Cơ chế của quá trình oxy hoá được mô tả như sau: - Ở lớp bền mặt phân chia kim loại /oxyt có phản ứng: Me Æ Men+ + ne - Ở lớp bề mặt phân chia oxyt/oxy có phản ứng: ½ O2 Æ Ohp + 2e Æ O2- Phản ứng tổng hợp của cả quá trình sẽ là: Men+ + m.n O2/2 Æ MnnOm.n/2 Trong các phản ứng trên m, n là chỉ số và hoá trị của kim loại, Ohp là oxy bị hấp phụ trên bề mặt kim loại. 7 Trong quá trình oxy hoá kim loại, một lớp màng oxýt rắn được tạo thành trên bề mặt. Quá trình ôxy hoá muốn tiếp tục thì Ohp phải khuyếch tán qua lớp ôxýt mới hình thành đó để tiếp xúc trực tiếp với kim loại nền hoặc các ion kim loại từ nền khuyếch tán qua lớp oxýt này để tiếp xúc với Ohp. Từ cơ chế ăn mòn trên đây ta thấy lớp oxyt tạo thành lúc ban đầu rất quan trọng, cấu trúc của lớp oxy, độ bền và độ phân tán cũng như kích thước hạt quyết định đến tính chịu nhiệt của kim loại nền. Cấu trúc, độ bền, độ phân tán và kích thước của các phần tử ôxýt phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó, tức là ngoài oxy nó phụ thuộc vào thành phần cấu tạo nên hợp kim chịu nhiệt. Mỗi nguyên tố có trong thành phần hợp kim đều có ảnh hưởng nhất định đến việc tạo thành ôxyt, nhưng sự thể hiện thì không riêng rẽ vì trong đại đa số các trường hợp người ta thấy có sự oxy hóa chọn lọc, vì quá trình oxy hoá phụ thuộc nhiều yếu tố như vùng nhiệt độ mà nguyên tố đó có ái lực mạnh với oxy hơn các nguyên tố khác hoặc quá trình oxy hoá còn là quá trình làm nghèo nguyên tố này, tức là gián tiếp làm giàu nguyên tố khác. Có nhiều loại ôxyt tạo ra trên bề mặt hợp kim. Bảng 2 thống kê cấu trúc, tính chất và thông số mạng của các loại ôxyt thường gặp này. 8 Bảng 1 : Các ôxyt thường gặp và các tính chất của chúng Thông số Nhiệt độ Ôxyt Loại mạng tinh thể A α Nóng chảy Thiêu kết Sôi N /lư ợn g gi ải ph ón ng , K ca l Tỷ k hố i FeO Fe3O4 Fe2O3 Fe2O3 NiO CoO Co3O4 Cr2O3 CrO3 Al2O3 Al2O3 TiO SiO2 SiO2 V2O5 V2O3 VO MoO2 MoO3 MnO2 α γ γ α α α β γ Lập phương kiểu NaCl Spinel Mặt thoi kiểu Cr2O3 Lập phương Lập phương kiểu NaCl - Nt - Spinel Mặt thoi, D5 Hình thoi Spinel Kiểu Cr2O3 Lập phương kiểu NaCl Lục giác C8 Lập phương Mặt thoi Kiểu Cr2O3 Kiểu NaCl Đơn tinh thể Hình thoi Kiểu rutil 4.28 8,38 5,42 8,32 4,17 4,25 8,11 7,74 7,9 5,12 8,11 5,42 5,45 4,08 55o17’ 55o17’ 56o50’ 53o49’ 1377 1527 1565 1990 1810 *910 2257 1870 2050 1825 575 1710 650 1970 2050 - 795 510* 720 810 840 1260 1160 880 * * 2500 1700 1460 +129 146 +104 +96 +117 +115 +48 +180 +5.5 +261 +266 +208 +207 +61 +177 +211 +132 +90 +35 - 2,10 2,14 1,65 1,86 2,01 2,07 5,1 - 1,28 1,88 3,19 1,82 1,51 2,10 3,24 2,34 9 Từ bảng 1 ta thấy, mỗi loại oxyt có một nhiệt độ nóng chảy và một nhiệt độ thiêu kết riêng. Để có màng bảo vệ tốt, màng bảo vệ phải có nhiệt độ nóng chảy cao và có nhiệt độ thiêu kết cao. Rõ ràng Cr, Al , Si, Zr, Ni, …tạo ra màng oxyt có tính bảo vệ tốt. Các nguyên tố Cr, Al, Si, …ngoài việc tạo thành oxyt có nhiệt độ nóng chảy cao. Oxyt của các nguyên tố này còn không bị bay hơi ở nhiệt độ cao, có cấu trúc xít chặt và có liên kết chắc chắn nền kim loại. Vì vậy tốc độ oxy hoá của kim loại nền rất thấp. Tốc độ oxy hoá trong trường hợp này được biểu thị bằng phương trình: X2 = K.t Trong đó: X- Độ dày màng ôxyt t- Thời gian K- Hằng số, có liên quan đến hệ số khuyếch tán. Hằng số K có thể được tính theo phương trình khuyếch tán: K = 2VDn Trong đó: D- Hệ số khuyếch tán V- Thể tích trung bình ion khuyếch tán trong màng ôxyt. W- Nồng độ ion khuyếch tán qua ranh giới giữa ôxyt và kim loại. Từ phương trình này ta thấy, quá trình ôxy hoá là quá trình khuyếch tán. Trong trường hợp khi bề mặt kim loại tạo nên màng ôxyt xốp có vết rạn nứt nghĩa là màng mỏng không tạo thành lớp bảo vệ vững chắc cho kim loại khỏi ôxy hoá, khi đó tốc độ ôxy hoá được tính theo phương trình tuyến tính: X =K.t Khi nhiệt độ tăng lên, làm tăng tính linh động của ion kim loại và nguyên tử, kéo theo sự khuyếch tán ion kim loại qua màng ôxyt, nhưng đối với các hợp kim khác nhau, màng ôxy hoá ở nhiệt độ khác nhau cho cấu trúc, thành phần, độ bền ôxy hoá khác nhau, khả năng khuyếch tán cũng khác nhau. Lúc đó tốc độ ôxy hoá hay hằng số K trong phương trình X2= K.t phụ thuộc vào nhiệt độ. 10 Qua việc nghiên cứu các màng mỏng ôxyt của thép chịu nhiệt chứa Cr, Al, Si người ta xác định rằng ôxyt chịu nhiệt của các nguyên tố này nằm ngay sát phía trong lớp gỉ, gắn bám trực tiếp bề mặt kim loại, còn lớp bề mặt kim loại nằm ở dưới lớp ôxyt thì bị ôxy hoá khi tiếp xúc với Ohp . Với tác dụng hoá học của kim loại và môi trường khí tạo nên trên bề mặt kim loại chịu nhiệt lớp bảo vệ gồm cấu trúc của chính nó với cấu trúc kim loại. Mạng tinh thể kim loại vẫn tiếp tục được bảo toàn ngay khi kiến tạo mạng mới trong pha ôxyt. Lớp chuyển tiếp giữa màng ôxyt và nền kim loại đảm bảo độ bền cần thiết của mối liên kết kim loại với ôxyt và đóng vai trò chủ yếu đối với khả năng chịu nhiệt của kim loại. Qua những kết quả nghiên cứu trên đây ta thấy, cho đến ngày nay các nguyên tố Cr, Al, Si…vẫn là các nguyên tố hợp kim chính tạo thành hợp kim chịu nhiệt. 2 Tính bền nhiệt Tính bền nhiệt của vật liệu là khả năng giữ được độ bền ở môi trường nhiệt độ cao trong điều kiện tải trọng xác định. Trên thực tế, tính bền nhiệt được coi là khả năng làm việc lâu bền của vật liệu trong điều kiện có tải trọng và nhiệt độ cao. Như ta đã biết, khi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tỉ trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp gọi là dão (creep). Đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của 2 quá trình ngược nhau: biến dạng dẻo gây ra hoá bền và kết tinh lại gây ra thải bền. Hiện tượng dão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi nhiệt độ làm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì kim loại sẽ bị biến dạng dẻo và dẫn tới phá huỷ sau một thời gian nào đó. Để nâng cao tính bền nóng ta phi tìm cách chống lại hiện tượng biến dạng dão. 11 2.1 Khái niệm về biến dạng dão Biến dạng dão là quá trình biến dạng thuận nghịch phụ thuộc vào thời gian do ti trọng cố định gây ra. Biến dạng dão εdão(t) gồm biến dạng đàn hồi trễ và biến dạng dẻo. Biến dạng dão có 3 giai đoạn: + Dão sơ cấp (dão chuyển tiếp) đặc trưng bằng quá trình các lệch được hoạt nhiệt cắt nhau, tạo hoá bền chủ yếu nhờ các bậc lệch và cấu trúc lệch ổn định, quá trình thi bền không đáng kể. + Dão thứ cấp (dão ổn định) thể hiện sự cân bằng động học giữa hoá bền và thi bền nhờ giải toả các tập hợp lệch bền chướng ngại bằng các chuyển động hoạt nhiệt của lệch như leo, trượt ngang. Cấu trúc lệch không thay đổi, dẫn đến được đa cạnh hoá hoặc kết tinh lại tuỳ theo năng lượng khuyết tật xếp lớn hay nhỏ. + Dão nhanh dần bắt đầu khi quá trình thi bền chiếm ưu thế. Biên hạt có thể trượt, các vết nứt được hình thành ở đó, mẫu co thắt và phá huỷ theo biên hạt. 2.2 Dão trong vật liệu kim loại Đối với vật liệu kim loại, dão ổn định là quan trọng nhất, đặc biệt là đối với các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao (động cơ phản lực), môi trường ăn mòn ( nhà máy nhiệt điện, các lò nung công nghiệp) môi trường bức xạ (nhà máy điện hạt nhân)... Hai yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến dão là nhiệt độ và ứng suất. Khi tăng một trong hai yếu tố hay tăng cả hai thì tốc độ dão thứ cấp tăng và tuổi thọ chi tiết gỉam. Độ bền dão chính là chỉ số của tính bền nhiệt của vật liệu. Muốn nâng cao độ bền nhiệt, phải chống dão ở nhiệt độ cao tức là phải tạo ra cấu trúc có khả năng chống lại có hiệu qủa sự chuyển động của lệch (lêch trượt và lệch leo) cũng như sự xê dịch biên giới hạt và nó ít thay đổi ở nhiệt độ đó. Thép có cấu trúc austenit đáp ứng được yêu cầu trên. Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao. Khi có cùng nhiệt độ nóng chảy, kim loại có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn sẽ có tính bền nóng cao hơn. Tổ chức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng. Thép có tổ 12 chức austenit có tính bền nóng cao hơn thép có tổ chức ferit do austenit có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn. ở nhiệt độ cao, biên giới hạt kém bền so với bên trong hạt, quá trình biến dạng dão dẫn tới phá huỷ thường xảy ra trước tiên ở biên giới hạt. Do vậy, cấu trúc hạt càng nhỏ (tức là biên giới hạt càng nhiều) thì tính bền nhiệt càng kém. Đối với vật liệu kim loại để chống lại hiện tượng dão, người ta thường đưa vào vật liệu các nguyên tố hợp kim như: Mo, W, Nb, Ti, Si, Al… 3. Gang bền nhiệt Gang bền nhiệt là một phần quan trọng trong vật liệu kim loại bền nhiệt. Trong quá trình xây dựng tiêu chuẩn về gang bền nhiệt đều dựa vào thành phần hóa học và yêu cầu kỹ thuật làm cơ sở. Các tiêu chuẩn về gang bền nhiệt hiện nay chúng ta thường gặp là tiêu chuẩn Nga (ΓOCT 7769-82), tiêu chuẩn Trung Quốc (GB 9437- 88), tiêu chuẩn Cộng hoà Liên Bang Đức (DIN 1694-81), tiêu chuẩn Pháp (NF A 32-301), tiêu chuẩn của Nhật (JIS G5510 (1987) và tiêu chuẩn Quốc tế (ISO 2892). Nhìn chung nước đều xếp gang bền nhiệt theo các nhóm: - Nhóm gang Crôm - Nhóm gang Silic - Nhóm gang Niken - Nhóm gang Nhôm Trong các nhóm này nguyên tố hợp kim có hàm lượng cao nhất đại diện cho tên nhóm. Để phát huy tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất cơ lý của gang như độ bền cơ học, khả năng chịu ăn mòn, khả năng chịu nhiệt, trong các nhóm gang cơ bản trên người ta đã đưa thêm vào nhiều nguyên tố hợp kim khác với mức hàm lượng thấp hơn. Điều này tạo ra các nhóm gang mới nhiều nguyên tố hợp kim tương ứng: - Nhóm Crôm-Niken - Nhóm Nhôm-Silic 13 - Nhóm Crôm-Niken-Đồng - Nhóm Nhôm-Silíc-Crôm Từ sự phân loại ở trên ta thấy trong các mác gang bền nhiệt, mác gang nào được hợp kim hoá nhiều nguyên tố hợp kim sẽ có độ bền cơ học và độ bền nhiệt cao hơn. Song, cùng với sự tăng lên của các nguyên tố hợp kim, giá thành sản phẩm cũng tăng cao hơn. Nhóm gang Fe-Al là nhóm gang bền nhiệt có giá thành thấp hơn các nhóm khác mà độ bền nhiệt vẫn đảm bảo yêu cầu sử dụng. Vì vậy nó đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. 4. Gang nhôm (Fe-Al) 4.1 Vai trò của nhôm và silic Nét đặc biệt của hệ cân bằng Fe-Al là việc tạo thành trong dung dịch rắn của hợp kim, các hợp chất liên kim FeAl3, Fe2Al5, FeAl2 và cả FeAl, Fe3Al. Các hợp chất này có tính chất hoá lý khác biệt nhau. Nhôm cũng tương tự như Si, Cr là có khả năng thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α. Ở trạng thái lỏng, Al và Fe hoà tan vào nhau vô hạn, còn ở trạng thái rắn độ hoà tan giảm xuống, độ hoà tan cực đại ở 12320C chỉ còn 34,5%. Hợp kim hệ Fe-Al là hệ hợp kim nhiều pha. Ngoài pha γ và α còn có thêm 3 pha khác với các bon đó là pha ε, các bít nhôm Al4C2 và graphit. Pha ε được nhận biết qua sự chuyển biến của pha Fe3Al. Sau khi hình thành pha Fe3Al, một số tinh thể có cấu trúc mạng khác biệt hấp thụ thêm các bon mà thành. Sau khi hình thành pha ε có dạng Fe3AlCx, đây là pha có độ cứng rất cao. Khi hàm lượng nhôm đạt đến 10%, một phần có khi toàn bộ các bon nằm ở dạng graphít. Điều này nói lên ảnh hưởng rõ rệt của nhôm đến tính chất của hợp kim gang nhôm. Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến quá trình graphít hoá và cấu trúc cơ bản của gang được đưa ra trên hình 1. 14 Hình 1: Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến quá trình graphít hoá và cấu trúc của gang 1- Ferit + Peclit + Graphit 2- Ferit + cacbit (pha ε, Fe3AlCx) 3- Ferit + Graphit 4- Ferit + Cacbit + (Al4C3) Cr/Cn là tỉ số hàm lượng graphit/ hàm lượng các bon tổng Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm cũng như của cacbon đến cấu trúc và đến đặc tính chịu nhiệt của gang được đưa ra trên hình 2. 15 Hình 2: Quan hệ giữa hàm lượng nhôm và cacbon đến khả năng chịu nhiệt của gang 1- Khả năng bền nhiệt đến 7000C 2- Khả năng bền nhiệt và chịu mài mòn đến 9000C 3- Khả năng bền nhiệt đến 11000C Đường A-B là đường cùng tinh Từ hình 2 ta thấy gang chứa 5% nhôm trở lên đã có khả năng chịu nhiệt và có độ bền khá tốt. Với hàm lượng Al: 10-18% tạo ra cacbit phức tạp dạng Fe3AlCx. Gang loại này có mặt gẫy mầu trắng, rất cứng khó gia công cắt gọt, cho nên gang loại này chỉ dùng để đúc các chi tiết không qua gia công. Hợp kim Fe-Al khi có hàm lượng Al cao mà hàm lượng cacbon lại thấp có xu hướng bị phân huỷ dưới tác dụng của hơi nước. Điều này phù hợp với phương trình phân huỷ Al4C3. Al4C3 + 12H2O Æ 4Al(OH)3 + 3CH4↑ Thực tế cho thấy hợp kim Fe – Al chứa Al4C3 thời kỳ đầu có độ cứng và tính giòn cao, sau khoảng 48giờ bắt đầu suất hiện hiện tượng bở. 16 Độ bền kéo (σb) của hợp kim Fe - Al dao động trong khoảng 65-70KN/mm2 với các bon ở dạng graphit hình cầu, lớn hơn nhiều khi graphit ở dạng tấm. Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến cơ tính và phạm vi sử dụng của gang nhôm được thể hiện trên hình 3. Hình 3: Sự phụ thuộc của cơ tính (a) và đặc tính sử dụng (b) của gang nhôm phụ thuộc vào hàm lượng nhôm (Cr hàm lượng graphit) 1- Tính gia công 2- Tính chống oxy hoá ở 10000C trong 60giờ Khi hàm lượng cacbon và silic thấp (dưới 0,5%) độ cứng của gang nhôm giảm, điều này thể hiện rõ trong hình 4. 17 Hình 4: Ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon Silic đến độ cứng của Gang – Nhôm Ghi chú: hình 4 là kết quả nghiên cứu đối với gang 19-21%Al. Thí nghiệm đã chứng minh được rằng mác gang này khi tăng hàm lượng Silic lên trên 0,5% độ cứng sẽ tăng lên rõ rệt [1]. Sự sai lệch không đáng kể của Al, Si, C so với thành phần tiêu chuẩn không làm giảm khả năng chịu nhiệt nhưng nó ảnh hưởng đến độ cứng và tính gia công. Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến tính gia công của gang đúc được miêu tả qua tốc độ cắt phôi. Khi hàm lượng nhôm trong gang từ 12-14% , tốc độ cắt không vượt quá 13m/phút, còn trong điều kiện các thành phần khác như nhau mà hàm lượng nhôm là 20-22% tốc độ cắt đạt đến 65% m/phút nghĩa là lớn gấp 5lần. Điều này chứng tỏ độ cứng của gang nhôm liên quan đến nhiều yếu tố như hàm lượng các nguyên tố, chủng loại các nguyên tố và kết cấu của graphít. Riêng về điều kiện cắt gọt, nhôm càng cao càng dễ cắt. Hệ gang Fe - Al nếu hợp kim hoá thêm crôm ngoài khả năng bền nhiệt tăng khả năng chống ăn mòn hoá học cũng tăng. Gang 7% Al và 3%Cr có độ bền hoá học ở nhiệt độ cao rất cao. Loại gang chưa 4%Al và 2,5%Cr giảm không đáng kể 18 độ bền gia công. Nói chung gang nhôm hợp kim hoá thêm crôm vừa có độ bền cao vừa có khả năng chống ăn mòn hoá học cao ở khoảng nhiệt độ 9000C vì thế có thể thay thế được nhiều hợp kim crôm quý hiếm đắt tiền để chế tạo thiết bị chưng cất lưu huỳnh, sản xuất một số loại muối sunfat. Silic ngoài khả năng làm tăng độ bền nhiệt còn làm thay đổi độ cứng của gang nhôm. Ảnh hưởng của Silic đến khả năng gia công cắt gọt của gang nhôm được trình bày trong hình 5. Hình 5: Ảnh hưởng của Silic đến khả năng cắt gọt của gang Nhôm Ghi chú: 1- Si: 0,53% 2- Si: 0,65% 3- Si: 0,70% 4- Si: 1,25% Ngoài ra silic kết hợp với nhôm làm thay đổi rõ rệt đến độ cứng, giới hạn bền kéo và bền uốn của gang. Sự thay đổi độ cứng của gang theo hàm lượng silic và 19 nhôm được trình bày trong hình 6 và sự thay đổi giới hạn bền kéo và bền uốn được trình bày trong hình 7. Hình 6: Sự thay đổi độ cứng của gang theo hàm lượng Si và Al Hình 7: Sự thay đổi giới hạn kéo và uốn của gang theo hàm lượng Si và Al. Từ những phân tích trên ta thấy rõ trong gang nhôm vai trò của Si là rất quan trọng. Chính vì điều này mà hệ gang Fe – Al luôn tồn tại Si với lượng thích hợp. 20 4.2 Các mác gang nhôm thường gặp Có rất nhiều mác gang nhôm, sau đây là một số mác gang thường gặp: - Gang hợp kim nhôm thấp có thành phần hoá học và cơ tính như trong bảng 2. Bảng 2: Thành phần hoá học và cơ tính gang hợp kim nhôm thấp Thành phần hoá học, % Cơ tính ở nhiệt độ, 0C 20 500 700 800 σb σu C Si Mn S P Al Kg/mm2 δb Kg/ mm2 δ % δ Kg/ mm2 δ % Phương pháp công nghệ 3,03 2,7 0,65 0,014 0,07 6,42 9 11 9 - 3,8 1,4 2,81 2,11 0,54 0,001 0,059 6,14 20 30 7 5 3,5 8,2 Gang lò điện 2,75 2,39 0,57 0,001 0,059 6,02 29 48 13 7,5 5,5 15 Gang lò cao biến tính bởi Mg - Gang hợp kim nhôm cao Gang hợp kim nhôm cao có thành phần hóa học và cơ tính như trong bảng 3. 21 Bảng 3: Thành phần hóa học và cơ tính gang nhôm hợp kim cao Thành phần hóa học, % Cơ tính σb σu Cl Si Mn Al Kg/mm2 ak kg/mm2 HB Cấu trúc graphit dạng tấm 2,08 1,55 0,60 20,8 11 1,69 1,05 0,07 19,8 8,5 14 269 2,01 0,26 0,24 23,5 12,8 2,12 2,15 0,26 19,8 12,5 18 285 Cấu trúc graphit dạng cầu 1,77 1,64 0,69 23,9 35,0 42 0,75 319 1,57 1,87 0,69 19,55 37,0 47 0,6 360 1,70 1,75 0,59 23,42 32,1 43 0,6 366 1,56 1,80 0,61 24,3 34,4 40 0,6 373 1,75 1,66 0,56 22,6 34,6 37 - 357 1,97 1,53 0,30 19,7 32,0 41 - - 22 - Gang hợp kim nhôm có thêm Si và Cr Bảng 4: Thành phần hóa học và cơ tính của gang hợp kim nhôm có thêm Si và Cr Thành phần hoá học, % Mn P S Loại gang C Si Không lớn hơn Al Cr Gang Al-Si 1.8-2.4 4.5-6.0 0.8 0.3 0.15 5.5-7.0 - 2.6-3.0 1.5-3.0 0.12 5.0-7.0 1.3-3.5 2.5-2.8 6.0-8.0 0.5-1.5 Gang Al-Cr 0.5-3.0 1.0 0.5 0.10 7.0-9.0 1.5-3.5 Cơ tính σb σu Loại gang Kg/mm2 HB f cm 11-18 23-28 240-300 1-3 7.2 1.4 Gang Al-Si 12-16 18-22 240-280 6.8-7.0 1.2 10-14 16-20 260-300 2 6.7-6.9 1.3 Gang Al-Cr 8-12 12-18 280-320 1 6.7-6.8 1.6 Qua số liệu các bảng 2,3,4 ta thấy rõ về khả năng ứng dụng rộng rãi và quá trình phát triển mạnh mẽ của gang nhôm. Việc thêm nguyên tố vi lượng đã cho thấy có nhiều ảnh hưởng tốt đối với gang nhôm. Hình 8 nêu rõ ảnh hưởng của một số nguyên tố vi lượng đến tính dẻo của hợp kim Fe – Al. 23 Hình 8: Ảnh hưởng của một số nguyên tố vi lượng đến tính dẻo của hợp kim Fe – Al 4.3. Lựa chọn mác gang nghiên cứu Như phần trên đã trình bày, gang nhôm có nhiều ưu điểm nổi bật so với nhiều loại gang hợp kim bền nhiệt khác. Khối lượng riêng nhẹ hơn, thậm chí dưới 6,0.103kg/m3 (đối với gang hợp kim nhôm hàm lượng nhôm lên 19-25% khối lượng riêng chỉ còn 5,5.103-6,0.103kg/m3). Tính bền nhiệt của gang nhôm ở nhiệt độ cao rất cao. Dưới tải trọng làm việc bình thường gang nhôm thấp có thể làm việc lâu dài trong môi trường nhiệt độ 850- 9000C, gang nhôm hợp kim hóa thêm Silic hoặc Crôm có thể làm việc lâu dài ở 950-10000C còn gang nhôm cao có cấu trúc các bít (gang Piroferal) có thể làm việc lâu dài ở nhiệt độ 1200-12500C. Ưu việt hơn nữa là gang nhôm có khả năng chống lại sự ăn mòn trong môi trường như môi trường hàm lượng oxy cao, môi trường khí và hợp chất lưu huỳnh, nitơ và hợp chất của nitơ. Ngoài ưu điểm về cơ lý tính, gang nhôm rẻ hơn nhiều so với nhóm gang bền nhiệt hệ Fe-Ni-Cr . 24 Từ thành phần của 2 mác gang có độ bền nhiệt, độ cứng, khả năng chịu ăn mòn và mài mòn gần tương đương nhau là mác ЧЮ6C5 và mác ЧH19X3Ш trong tiêu chuẩn ГOCT 7769-82 ta có thể sơ bộ tính toán được sự sai khác về giá thành của hai mác gang trên. Giả thiết các chi phí khác là như nhau, giá nguyên liệu chi phí cho 1000kg gang ЧЮ6C5 và1000kg ЧH19X3Ш chênh nhau khoảng 90,0 triệu đồng. (Bài tính với giá vật tư hiện thời là 28.000đ/kg silic, 40.000đ/kg nhôm, 500.000đ/kg niken và 70.000đ/kg crôm.. Giá Silic và Crôm là giá quy đổi từ giá FeSi và FeCr). Rõ ràng, nếu sản phẩm xuất một khối lượng dù không lớn lắm loại gang bền nhiệt ЧЮ6C5 cũng sẽ tiết kiệm được khối lượng không nhỏ tiền chi phí cho vật tư so với sản xuất loại gang ЧH19X3Ш. Với những phân tích trên chúng tôi lựa chọn mác gang ЧЮ6C5 để tiến hành nghiên cứu. Mác gang ЧЮ6C5 có thành phần hóa học và cơ tính như trong bảng 5 Bảng 5 : Thành phần hoá học và cơ tính gang ЧЮ6C5 Thành phần hoá học, % Cơ tính C Si Mn P S Cr Al σb ,MPa σk,MPa HB 1.8 - 2.4 4.5 - 6 0.8 0.3 0.12 - 5.5 - 7.0 235 - 240 118 - 120 240 - 300 25 II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 1 Nội dung nghiên cứu - Dựa trên tài liệu nghiên cứu của nước ngoài, kết hợp với việc khảo sát điều kiện làm việc thực tế ở một số nhà máy, xí nghiệp nghiên cứu tổng quan về tính chất, cấu trúc cơ bản của gang bền nhiệt, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến hệ gang Fe-Al. - Nghiên cứu thiết lập quy trình công nghệ sản xuất mác gang lựa chọn gồm các khâu công nghệ sau ; + Công nghệ nấu luyện + Công nghệ đúc + Công nghệ nhiệt luyện -Đánh giá chất lượng sản phẩm (thành phần hoá học, cơ tính, tính chất pha, tính chịu nhiệt). - Chế tạo sản phẩm dùng thử (theo yêu cầu của đơn vị dùng thử) để đánh giá chất lượng. - Viết báo cáo tổng kết đề tài 2. Phương pháp nghiên cứu Những thông tin thu thập phục vụ cho việc nghiên cứu gồm có : - Các cơ sở lý thuyết liên quan đến quá trình luyện gang nhôm như các thông số về công nghệ, vai trò các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của gang như : độ cứng, tính dẻo, khả năng bền nhiệt, khả năng chống ăn mòn và mài mòn… - Những thành tựu đã đạt được của đồng nghiệp trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài trong các tiêu chuẩn, các công trình, các tạp chí đã xuất bản. Từ các thông tin trên ta tìm được các giải pháp để thực hiện đề tài. Những thiết bị sử dụng trong quá trình nghiên cứu : - Thiết bị phân tích : thực hiện phương pháp và thiết bị phân tích hoá học cổ điển của phòng nghiên cứu Viện Luyện kim đen để phân tích các nguyên tố C, Mn, 26 Si, Cr, Ni, CaF, TiO2, Al2O3…Trên các thiết bị phân tích này chúng tôi đã phân tích các nguyên liệu trước khi nấu luyện và đánh giá kết quả sơ bộ thành phần mẻ gang nấu luyện được. - Thiêt bị nhiệt luyện : +tiến hành nhiệt luyện đối với các mẫu thử cơ tính và cấu trúc nên chỉ sử dụng các loại lò nung trong phòng thí nghiệm như lò chân không, lò nung thanh C-Si. + Thiết bị kiểm tra cơ tính : xác định độ bền kéo trên máy kéo nén vạn năng WE 15/60. Thử độ cứng trên máy đo độ cứng TK2M, HPO250 và máy đo độ cứng cầm tay Computest. + Quy trình kiểm tra độ bền kéo, độ cứng đều thực hiện theo TCVN 197:2002 ; TCVN 256-1 : 2007. -Kiểm tra cấu trúc của gang : cấu trúc của gang được kiểm tra trên kính hiển vi quang học AXIOVERT… Ngoài các thiết bị kiểm tra chất lượng vật liệu như đã kể ở trên, sản phẩm của đề tài được đánh giá qua thời gian dùng thử trên lò nung phôi có nhiệt độ làm việc 950-10000C. 27 III. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 1 Công nghệ nấu luyện Việc lựa chọn lò tần số để nấu luyện đòi hỏi bước chuẩn bị nguyên liệu và tính toán phối liệu phải rất chính xác. Nguyên liệu thì hầu hết là nguyên liệu sẵn có trong nước, mặc dù đã biết nguồn gốc song vẫn phải phân tích kiểm tra để biết chính xác về thành phần hóa học sau đó tiến hành phân loại và làm sạch, loại bỏ tạp chất. trong các loại nguyên liệu, gang phế chiếm một tỷ trọng lớn, nếu là gang phế thu hồi từ nhiều nguồn thì trước hết phải nấu cô thành một loại, sau đó phân tích thành phần hoá học tức là coi sản phẩm nấu cô là một loại nguyên liệu, làm như vậy mẻ nấu luyện chính thức mới đạt kết quả tốt. Trong quá trình nghiên cứu thấy rõ hệ gang Fe-Al có đặc điểm nổi bật về công nghệ nấu luyện là tỷ trọng của gang lớn hơn nhiều so với nhôm vì vậy việc hoà tan nhôm vào gang lỏng là khó và phức tạp. Mặt khác ở nhiệt độ cao trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp với oxy, phản ứng cháy của nhôm với ôxy xẩy ra mãnh liệt vì vậy bảo vệ nhôm không bị cháy hao nhiều, hoà tan dễ dàng vào gang lỏng là vấn đề cần nghiên cứu. Qua nhiều tài liệu cũng như lần nấu thử đề tài đã giải quyết được vấn đề này, tạo ra công nghệ nấu phù hợp. Trước khi nấu luyện cần : - Phân tích thành phần mẻ liệu : Thành phần hoá học trung bình các loại nguyên liệu được trình bày trong bảng 6 28 Bảng 6 : Thành phần hoá học các nguyên tử phối liệu Thành phần hoá học, % Tên cấu tử C Si Mn P S Cr Ni Al Mg 1 Thép phế CT3 0.18 0.19 0.48 0.021 0.016 - - - - 2 Gang xám sau xử lí nấu cô 3.4 1.9 0.5 0.3 0.1 - - - - 3 FeSi75 0.2 0.75 - - - - - - - 4 Nhôm kim loại - - - - - - - 98.5 - 5 Nhôm magiê - - - - - - - 96.5 2 6 Fe – Mn 1.0 - 81.0 - - - - - - - Xác định hệ số tiêu hao : Để tính toán phối liệu cho mẻ nấu thí nghiệm, đề tài đã sử dụng các số liệu thống kê về hệ số cháy hao của các nguyên tố C, Si, Mn, Al trong lò cảm ứng trung tần và kinh nghiệm thao tác nạp liệu nhiều năm của Viện Luyện kim đen. Hệ số cháy hao các nguyên tố xác định cho quá trình thí nghiệm đề tài này như trong bảng 7. Bảng 7 : Hệ số cháy hao các nguyên tố hoá học Nguyên tố Hệ số cháy hao,% C 6-10 Si 6-12 Mn 8-10 Al 10-15 Căn cứ thành phần hoá học của gang ЧЮ6C5 ở bảng 5, thành phần các cấu tử nguyên liệu ở bảng 6 và hệ số cháy hao các nguyên tố như trong bảng 7, đề tài đã tiến hành nấu 3 mẻ thí nghiệm, theo tỷ lệ phối liệu như trong bảng 8. 29 Bảng 8 : Tỷ lệ phối liệu trong các mẻ nấu luyện thí nghiệm TT Loại nguyên liệu Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3 1 Gang xám 115 120 115 2 Phế thép CT3 85 80 85 3 FeiSi75 14 14 12 4 Nhôm kim loại 9 10 12 5 Nhôm manhê 2 2 2 6 FeMn 2 2 2 - Quá trình nấu luyện tiến hành như sau : Chuẩn bị nguyên vật liệu : Nguyên liệu sau khi nhận về xưởng phải loại bỏ chất lẫn. Kiểm tra thành phần hoá học các nguyên tố sau : C, Si, P, S, Mn, Cr. Sau phân tích xác định hàm lượng trung bình mỗi loại. + FeMn : phân tích hàm lượng các nguyên tố C, Mn, Si, P, S. + FeSi : Phân tích hàm lượng các nguyên tố C, Si, P, S + Al : phân tích hàm lượng nguyên tố Al. + Vôi sống : Không phải phân tich, nếu dùng đá vôi thì phân tích CaCo3, Al + Các chất khử lưu huỳnh ngoài lò là loại sạch, tinh khiết Nấu luyện: + Chuẩn bị lò : Làm sạch lò, trước khi nấu luyện như : + Kiểm tra chất lượng tường lò, kiểm tra hệ thống điện, kiểm tra hệ thống nâng hạ, kiểm tra hệ thống cấp thoát nước làm lạnh. Trình tự nạp liệu : Lót lò bằng vôi nung (dạng cục), khối lượng 5 – 6% khối lượng mẻ nấu. Xếp thép phế, gang nguyên liệu thành một lớp dày 300 – 400 mm rồi xếp nguyên liệu gang xen kẽ với FeMn sao cho chiều cao tổng lớp liệu đến khoảng 2/3 chiều cao vong cảm. Liệu phải xếp sít chặt, chiều dài liệu dọc theo chiều sâu nồi lò. Số liệu còn lại sẽ bỏ vào trong quá trình nấu luyện. 30 Đóng điện : Lúc đầu để công suất 50 – 60% công suất lò, sau tăng dần lên 100% công suất. Liệu bắt đầu chảy, dùng que chọc lò chọc cho liệu tụt dần xuống, liệu tụt đến đâu thì bổ xung số liệu còn lại cho đến hết mẻ liệu. Khi liệu chảy hoàn toàn, vớt xỉ đầu và tạo xỉ mới bằng hỗn hợp CaO- CaF2. Vớt xỉ lần 2, nhúng nhôm dần dần vào hỗn hợp kim loại lỏng. Nhôm thỏi chảy hết, dùng que gỗ khuấy trộn sơ bộ sau đó cho 2/3 FeSi vào lò. Nâng nhiệt lên 1500 – 1550oC khoảng 10 phút để đồng đều nhôm. Cho nốt FeSi còn lại vào thùng rót đã sấy nóng đỏ, rót gang vào thùng rót. Tiếp tục khuấy kĩ bằng que gỗ, rót gang nhôm lỏng vào khuôn đúc. Kết quả phân tích thành phần hoá học 3 mẻ nấu được trình bày trong bảng 9. Bảng 9 : Thành phần hoá học của các mẻ thí nghiệm Thành phần hóa học,% Mẻ số C Mn Si S P Al 1 2.45 0.7 6.35 0.08 0.12 5.2 2 2.35 0.65 6.5 0.075 0.10 5.8 3 2.3 0.72 5.93 0.08 0.10 6.24 Mẫu so sánh 1.8-2.4 ≤0.8 4.5-6.0 ≤0.12 ≤0.3 5.5-7.0 Kết quả phân tích các mẻ nấu luyện trên đây chứng tỏ đã xác định được công nghệ nấu luyện gang hợp kim nhôm theo thành phần hoá học đã lựa chọn. 2 Công nghệ đúc Gang nhôm là loại gang hợp kim có tính đúc tốt, vì vậy những vấn đề chung của công nghệ đức như hòm khuôn, mộc mẫu, cát đúc, chế độ đầm khuôn, xấy khuôn, vị trí đặt đậu ngót, đậu ngót không có gì khác với công nghệ đúc gang thường mà các xưởng đúc đang tiến hành. Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu những đặc trưng riêng của gang phi từ đó là : - Độ co của vật liệu. - Tính chảy loãng 31 - Nhiệt độ rót. - Một số vấn đề liên quan khác. 2.1 Xác định độ co của gang nhôm “Co” là hiện tượng thu nhỏ kích thước của kim loại, khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. “Co” được coi là một trong những thông số quan trọng liên quan đến quá trình đúc vì vật liệu có độ co càng lớn càng khó đúc, càng dễ bị nứt, cong vênh và thiết hụt kích thước. Không điền đầy. Quá trình co của vật liệu kim loại có thể chia làm ba giai đoạn: -Co ở trạng thái lỏng -Co ở trạng thái đông đặc -Co ở trạng thái rắn Co ở trạng thái lỏng là quá trình co từ khi kim loại lỏng được rót vào khuôn đến khi kim loại bắt đầu kết tinh. Co ở trạng thái đông đặc là quá trình co từ khi bắt đầu kết tinh đến khi kết tinh hoàn toàn. Co ở trạng thái rắn là quá trình co từ khi kim loại kết tinh xong đến nhiệt độ thường Mỗi loại vật liệu có độ co khác nhau và trong cùng một vật liệu tuỳ theo kích thước, bề dày thành vật đúc độ co cũng khác nhau. Để dễ ứng dụng trong thực tế sản xuất, độ co của vật đúc được xác định bằng hai thông số chung là co thể tích và co tuyến tính. Co thể tích: độ co thể tích là tỷ lệ % giữa thể tích kim loại lỏng điền đầy và thể tích kim loại lỏng đó sau khi kết tinh thành thể rắn ở nhiệt độ thường. Nếu kí hiệu εtt là độ co thể tích thì: εtt=(Vkll-vvđ).100%/vvđ Việc xác định độ co thể tích của một mác kim loại được thực hiện bằng “mẫu đo thể tích” thể hiện ở hình 9 32 Hình 9: Mẫu đo độ co thể tích kim loại Trong công thức xác định độ co thể tích ở trên, Vkll là thể tích kim loại lỏng, Vvđ là thể tích kim loại sau khi kết tinh thành thể rắn ở nhiệt độ thường. Đối với gang nhôm, độ co thể tích εtt phụ thuộc nhiều vào hàm lượng nhôm. Hàm lượng nhôm càng cao, εtt càng lớn. Với hàm lượng nhôm 5-10%, εtt khoảng 1,05-1,1%. Co tuyến tính: độ co tuyến tính của kim loại khi không bị cản trở được gọi là “co tự do”còn khi bị cản trở gọi là “co bị cản”. Trong thực tế để dễ xác định mức co ngót tuyến tính người ta dùng công thức: εtt=(Lmđ-Lvđ).100%/Lvđ Trong đó Lmđ: chiều dài mẫu đúc Lvđ: chiều dài vật đúc Đối với gang nhôm thấp ε = 1,5-1,8%, đối với gang nhôm cao ε = 2,4-2,6%. 2.2 Xác định độ chảy loãng Độ chảy loãng là khả năng điền đầy khuôn của kim loại lỏng trong quá trình đúc. Độ chảy loãng được xác định bằng mẫu “mẫu đo”. Độ chảy loãng của kim loại ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào thành phần hoá học của kim loại đó, ngoài ra còn phụ thuộc vào điều kiện đúc như nhiệt độ rót, vật liệu làm khuôn, hình dạng phức tạp 33 của chi tiết đúc. Các tài liệu nghiên cứu cho thấy độ chảy loãng của gang nhôm hợp kim thấp thực tế ít khác biệt so với độ chảy loãng của gang xám, cho nên gang nhôm có đủ điều kiện để tạo ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp. Tuy nhiên trong quá trình sản xuất phải lưu ý rằng, khi tăng hàm lượng nhôm lên, tính chảy loãng của gang nhôm giảm đi. Vì vậy, với chi tiết đúc đòi hỏi hàm lượng nhôm cao phải sử dụng thêm chất biến tính FCM với lượng vừa đủ và đặc biệt nhiệt độ rót phải cao hơn mức bình thường 150-2000C. 2.3 Vật liệu làm khuôn Để tránh sự cản trở của gang lỏng trong quá trình điền đầy khuôn, chúng tôi đã sử dụng vật liệu làm khuôn độ hạt nhỏ và sử dụng công nghệ khuôn đông cứng nhanh. Tuy nhiên tuỳ theo phương pháp biến cứng, độ bền của hỗn hợp cát- nước thuỷ tinh có khác nhau. Các phản ứng cơ bản khi thổi CO2 để đông cứng nhanh như sau: Na2Si2O6+2H2O↔H2Si2O6+2NaOH 2NaOH+2CO2↔2NaHCO3 Na2Si2O6+2H2O+2CO2↔H2Si2O6+2NaHCO3 Độ bền khuôn khi sử dụng nước thuỷ tinh phụ thuộc vào môđun và tỷ trọng của nước thuỷ tinh. Khi môđun càng thấp thì tính dẻo giữ được càng lâu và để cho độ bền hỗn hợp làm khuôn ở trạng thái khô cao hơn, trong hỗn hợp cát+nước thuỷ tinh có cho thêm dung dịch NaOH tỷ lệ 0,5%, nồng độ 25%. 2.4 Một số vấn đề liên quan khác đến công nghệ nấu luyện Khi nhúng nhôm, nhiệt độ gang lỏng giảm nhanh do mất nhiệt làm nóng chảy nhôm. Khi luyện gang nhôm với hàm lượng thấp, nhiệt lượng làm nóng chảy nhôm không lớn. Vì vậy tốc độ nhúng nhôm có thể tiến hành liên tục và với lượng nhúng tương đối lớn. Song khi luyện gang nhôm với hàm lượng nhôm cao tốc độ nhúng nhôm phải khống chế phù hợp, thậm chí còn ngừng đợi nhiệt độ kim loại lỏng tăng lên mới tiếp tục nhúng. 34 Quá trình nhôm chảy lỏng hoà tan vào gang lỏng tương đối chậm chạp, vì thế dễ gây nên hiện tượng thiên tích. Để tránh hiện tượng thiên tích cần sự khuấy trộn mạnh trước khi đúc rót. Lò tần số ưu việt hơn các dạng lò luyện phổ thông khác là có khả năng khuấy trộn, nhưng sự khuấy trộn này vẫn cần thiết phải khuấy trộn hỗ trợ thêm [2] 2.5 Công nghệ nhiệt luyện gang nhôm Khác với thép, các chi tiết chế tạo gang thường là các chi tiết không qua gia công biến dạng. Hơn nữa một số mác gang còn có khả năng tự tôi hơn trong môi trường thiên nhiên. Chính vì điều đó, vấn đề nhiệt luyện gang thường không theo qui trình đầy đủ như đối với thép chế tạo. Song, tuỳ từng mục đích cụ thể gang cũng đựơc nhiệt luyện theo các bước công nghệ khác nhau. Một số bước công nghệ nhiệt luyện điển hình là: - Ủ graphít hoá: mục đích ủ graphít hoá là làm giảm độ cứng, thường được sử dụng với các loại gang hợp kim, gang có hàm lượng Silic cao. - Thường hoa: mục đích là làm tăng độ cứng. Được sử dụng cho các mác gang chống mài mòn như gang crôm, gang có hàm lượng nhôm thấp, niken thấp. - Ram sau đúc: mục đích để khử ứng suất đối với các chi tiết đúc. Có kích thước lớn hay có chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều dày, chiều rộng. - Austenit hoá: mục đích là đưa toàn bộ cấu trúc của gang về cấu trúc Austenit. Austenit hoá thường được sử dụng với gang phi từ. Đối với mác gang nghiên cứu, các mẫu thử được thường hoá trong phong thí nghiệm để nâng cao độ cứng. Quá trình nhiệt luyện có thể tóm tắt như sau: - Nâng nhiệt với tốc độ chậm từ 150 - 200oC/h - Giữ nhiệt ở 830oC trong 2h - Làm nguội ngoài không khí 35 3. Các tính chất cơ học đạt được Các mẫu thử kéo được gia công theo TCVN 197:2002 và các mẫu thử độ cứng gia công theo TCVN 256 - 1: 2007. Các kết quả trình bày trong bảng 9 là kết quả trung bình của nhiều lần đo trên một mẫu đo. Bảng 9: kết quả đo độ bền kéo, đô cứng của gang nghiên cứu Mẫu đo 1 2 3 4 TB Mẫu so sánh (GOCT 7769 – 82) Độ bền kéo, MPa 165 167 169 166 166.75 ≥120 Độ bền uốn, MPa 236 239 238 241 238 ≥230 Độ cứng , HB 306 302 309 307 306 ≥294 Kết quả kiểm tra tính chất cơ học của gang nghiên cứu đã được thử đối chứng tại Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng. Kết quả thử đối chứng phù hợp với kết quả đo liệt kê trong bảng 9 (xem phần phụ lục). 4. Cấu trúc Hợp kim hệ Fe – Al – C là hợp kim nhiều pha, có hai pha cơ bản là ferrit và peclit. Ngoài ra còn có các pha khác chứa các bon như graphít, cácbít Al4C2 và pha ε ( FeAlCx). Khi tăng hàm lượng nhôm lên pha peclit giảm còn ferrit tăng lên, tương tự như pha ferrit tỷ lệ graphit cũng tăng. Trong trường hợp có thêm các nguyên tố hợp kim có thêm các pha cácbít hợp kim mới [3]. Gang nhôm ЧЮ6C5 có cấu trúc cụ thể như hình 10. 36 Hình 10: Cấu trúc gang nhôm (x 500) Từ hình 10 ta thấy hạt của gang nhỏ mịn, graphit có dạng giống như gang giun. Gang có cấu trúc như hình 10 đảm bảo cơ tính tốt và đồng đều. 5. Quá trình dùng thử sản phảm Gang nhôm đã được thử tại lò nung phôi của xí nghiệp cơ khí 79 Bộ Quốc phòng từ từ tháng 8/2007 đến nay. Theo dõi quá trình làm việc ban chủ nhiệm đề tài và tổ theo dõi Xí nghiệp Z179 đều có chung nhận xét: - Gang có khả năng chịu nhiệt cao - Gang có độ bền nhiệt cao vì suốt thời gian làm việc ở môi trường nhiệt độ cao vừa chịu tải trọng lớn mà chi tiết không bị cong vênh, nứt vỡ. - Bề mặt chi tiết lúc đầu có mầu xám xanh, đến nay chuyển dần sang mầu vàng nhạt, không có hiện tượng bị oxy hoá. Điều nay khẳng định chất lượng gang tốt. 37 Hình 11: Ảnh ghi lò nhiệt luyện 38 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận - Đã xác lập được công nghệ sản xuất gang bền nhiệt hệ Fe – Al mác ЧЮ6C5 từ khâu nấu luyện, đúc nhiệt luyện bằng nguồn vật tư và thiết bị có sẵn trong nước. Điểm nổi bật trong công nghệ luyện gang Fe - Al là điều khiển được quá trình hoà tan nhôm vào sắt lỏng và chống thiên tích nhôm trong quá trình kết tinh. - Gang nghiên cứu đã có các tính chất cơ lí, cấu trúc tương đương mác so sánh của Nga theo ΓΟCT 7769- 82 và TCVN 514 – 91. - Kết quả sử dụng sàn lò nhiệt luyện khẳng định thêm chất lượng gang nghiên cứu là đạt các chỉ tiêu đề ra, có thể sử dụng tốt trong sản xuất. 2. Kiến nghị Hiện nay nhu cầu thị trường còn đòi hỏi các chi tiết gang nhôm với hàm lượng nhôm > 20% làm việc ở nhiệt độ trên 1150oC. Đây là vấn đề cần được nghiên cứu tiếp. Viện đề nghị nhà nước tiếp tục hỗ trợ nguồn kinh phí để giải quyết tốt vấn đề trên. Hơn nữa đề nghị nhà nước hỗ trợ nguồn kinh phí đề xây dựng phòng thí nghiệm nghiên cứu các tính chất liên quan đến vật liệu kim loại nói chung 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. ALESANDROV N.N; VUSOKOZAROSTOIKI ALUMINNHE ZHUGUN-SUTEIN; VUP 1981 2. KEIZ C.L; VANGORI K.P ALUMINIE ZHUGUNE ISTALI METANLURGIZDAT. 1997 3. ZHUJING HAN LUHEJIN-ZEJIN BU.BEIJING 1998 4. Bùi Văn Mưu, Nguyễn Văn Hiền, Nguyễn Kế Bính, Trương Ngọc Thận (2006) : Lý thuyết các quá trình luyện kim-NXB khoa học- Kỹ thuật. 5. Lê Công Dưỡng (1986) kim loại học và nhiệt luyện-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.