Tài liệu Nghiên cứu nâng cao chất lượng gang cầu pherit trong công nghệ chế tạo chi tiết tay quay van xuất khẩu

Bé c«ng th−¬ng ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ Má-LuyÖn kim BÁO CÁO ®Ò tµi nghiªn cøu khoa häc vµ ph¸t triÓn cÊp bé §Ò tµi: Nghiªn cøu n©ng cao chÊt l−îng gang cÇu pherit trong c«ng nghÖ chÕ t¹o chi tiÕt tay quay van xuÊt khÈu Chñ nhiÖm ®Ò tµi: NguyÔn V¨n ChiÕn §ång chñ nhiÖm: NguyÔn H÷u Dòng C¬ quan qu¶n lý ®Ò tµi: ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ Má-LuyÖn kim 6861 15/5/2008 Hµ néi 2007 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu c¸c c¬ quan phèi hîp thùc hiÖn 1. §¹i häc B¸ch khoa HN 2. C«ng ty C¬ khÝ Hµ néi 3. C«ng ty c¬ khÝ §«ng anh Danh s¸ch c¸c c¸ nh©n tham gia ®Ò tµi TT Hä vµ tªn NghÒ nghiÖp §¬n vÞ 1 NguyÔn V¨n ChiÕn TiÕn sü ViÖn KHCN Má LuyÖn kim 2 NguyÔn H÷u Dòng PGS TS §¹i häc B¸ch khoa HN 3 NguyÔn Hång H¶i ThS §¹i häc B¸ch khoa HN 4 V¨n Ngäc Hång Kü s− §¹i häc KTCN Th¸i nguyªn 5 NguyÔn M¹nh §¹t Kü s− ViÖn KHCN Má LuyÖn kim 6 NguyÔn TuÊn Kü s− ViÖn KHCN Má LuyÖn kim ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 1 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu môc lôc Lêi nãi ®Çu Ch−¬ng 1. tæng quan vÒ Gang cÇu 1.1 Kh¸i qu¸t vÒ gang cÇu ............................................................................. 9 1.1.1 Tæ chøc gang cÇu.......................................................................... 9 1.1.2 Mèi quan hÖ gi÷a tæ chøc vµ tÝnh chÊt ................................... 11 1.2 C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi sù h×nh thµnh tæ chøc vµ tÝnh chÊt gang cÇu............................................................................................... 11 1.2.1 H×nh d¹ng graphit ....................................................................... 12 1.2.2 Thµnh phÇn hãa häc.................................................................... 12 1.2.3 C¸c ph−¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn gang cÇu...................................... 16 1.2.4 ¶nh h−ëng cña tèc ®é nguéi............................................................ 1.3 T×nh h×nh s¶n xuÊt gang cÇu ë trong n−íc vµ n−íc ngoµi.................... 18 Ch−¬ng 2. C«ng nghÖ chÕ t¹o gang cÇu 2.1 C¸c ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o gang cÇu ....................................................... 20 2.1.1 Ph−¬ng ¸n c¸c qu¸ tr×nh s¹ch ..................................................... 20 2.1.2 Ph−¬ng ph¸p cã c¸c qu¸ tr×nh hãa häc ....................................... 21 2.1.3 Mét sè c«ng nghÖ biÕn tÝnh sö dông Mg vµ hîp kim trung gian Mg. ..................................................................................... 22 2.2 T¸c dông cña magiª khi lµm chÊt biÕn tÝnh cÇu hãa ........................... 23 2.2.1 Khö khÝ vµ tinh luyÖn ................................................................ 23 2.2.2 T¸c dông khö l−u huúnh............................................................ 24 2.2.3 Hµm l−îng Mg d− sau biÕn tÝnh ................................................ 27 2.2.4 Sù ch¸y hao cña c¸c nguyªn tè khi biÕn tÝnh. ........................... 28 2.3 Gang cÇu pherit ................................................................................... 29 Ch−¬ng 3. Néi dung vµ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 3.1 Néi dung nghiªn cøu ............................................................................. 36 3.1.1 ¶nh h−ëng cña thµnh phÇn phèi liÖu ®Õn viÖc h×nh ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 2 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu thµnh tæ chøc pherit................................................................... 36 3.1.2 ¶nh h−ëng cña hµm l−îng cacbon, silic, mangan ®Õn viÖc h×nh thµnh tæ chøc pherit. .................................................. 36 3.1.3 ¶nh h−ëng cña chiÒu dµy thµnh vËt ®óc ®Õn c¬ tÝnh gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc. .................................................. 37 3.1.4 ThiÕt kÕ c«ng nghÖ vµ ®óc thö cho chi tiÕt van tay quay b»ng c«ng nghÖ khu«n c¸t t−¬i. ....................................... 38 3.2 Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 3.2.1 ThiÕt bÞ vµ nguyªn liÖu thÝ nghiÖm............................................. 39 3.2.2 Qui tr×nh c«ng nghÖ:................................................................... 41 3.2.3 C¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu ................ 43 3.2.4 NhiÖt luyÖn gang cÇu. ................................................................. 44 Ch−¬ng 4. KÕt qu¶ vµ th¶o luËn 4.1 Kh¶o s¸t vµ ®¸nh gi¸ thùc tÕ c«ng nghÖ s¶n xuÊt gang cÇu pherit.................................................................................................... 45 4.2 ¶nh h−ëng cña hµm l−îng mangan ®Õn tÝnh chÊt gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc............................................................................. 51 4.3 ¶nh h−ëng cña chiÒu dµy thµnh vËt ®óc ®Õn tÝnh chÊt gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc ................................................................................ 53 4.4 ¶nh h−ëng cña Cu ®Õn tÝnh chÊt gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc ................... 56 4.5 ¶nh h−ëng cña ®ång ®Õn tÝnh chÊt gang cÇu sau nhiÖt luyÖn............... 59 4.6 ¶nh h−ëng cña hµm l−îng Mg d−......................................................... 61 4.7 ¸p dông kÕt qu¶ vµo s¶n xuÊt ............................................................... 64 4.8 TÝnh to¸n s¬ bé gi¸ thµnh s¶n phÈm...................................................... 68 KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ ..................................................................... 70 ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 3 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ H×nh 1.1 Tæ chøc gang cÇu nÒn ferit + peclit H×nh 1.2 §é bÒn vµ ®é d·n dµi cña gang cÇu phô thuéc hµm l−îng Si vµ nÒn kim lo¹i H×nh 1.3 H×nh d¹ng graphit vµ c¬ tÝnh cña gang H×nh 1.4 ¶nh h−ëng cña hµm l−îng Mn ®Õn c¬ tÝnh gang cÇu H×nh 1.5 ¶nh h−ëng cña l−u huúnh ®Õn ®é d·n dµi cña gang cÇu H×nh 1.6 Ng−ìng gißn cña gang cÇu phô thuéc vµo hµm l−îng photpho H×nh 2.1 Ph−¬ng ph¸p biÕn tÝnh a) nhóng vµ b) nåi autoclap H×nh 2.2 Ph−¬ng ph¸p biÕn tÝnh b»g d©y nhåi. H×nh 2.3 Ph−¬ng ph¸p biÕn tÝnh trong thïng quay H×nh 2.4 Ph−¬ng ph¸p biÕn tÝnh liªn tôc trªn dßng ch¶y H×nh 2.5 Ph−¬ng ph¸p gÇu Tundish H×nh 2.6 C©n b»ng Mg-S t¹i nhiÖt ®é 15000C H×nh 2.7 Gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe – Mg Hinh 2.8 Ảnh hưởng của tổ chức nền đến độ dai va đập của gang cầu pherit Hình 2.9 ¶nh h−ëng cña Si tíi tÝnh chÊt cña gang cÇu pherÝt Hình 2.10 Ảnh hưởng của hàm lượng P đến độ dai va đập của gang cầu pherit H×nh 3.1 MÉu thÝ nghiÖm vµ x¸c ®Þnh c¬ tÝnh H×nh 4.1 Tæ chøc kim lo¹i cña mÉu H×nh 4.2 ¶nh h−ëng cña tØ lÖ C/Si ®Õn c¬ tÝnh cña gang cÇu Hình 4.3 Hàm lượng Mn và độ bền kéo của gang cầu Hình 4.4 Hàm lượng Mn và độ d·n dµi của gang cầu tr¹ng th¸i ®óc ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 4 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu Hình 4.5 ChiÒu dµy vËt ®óc và độ bền kéo của gang cầu tr¹ng th¸i ®óc H×nh 4.6 ChiÒu dµy vËt ®óc vµ ®é d·n dµi gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc H×nh 4.7 ¶nh h−ëng cña Cu ®Õn ®é bÒn kÐo gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc H×nh 4.8 ¶nh h−ëng cña Cu ®Õn ®é d·n dµi gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc H×nh 4.9 Gang cÇu 0,5% Cu tr¹ng th¸i ®óc H×nh 4.10 ¶nh h−ëng cña Cu ®Õn ®é bÒn kÐo gang cÇu H×nh 4.11 ¶nh h−ëng cña Cu ®Õn ®é d·n dµi gang cÇu H×nh 4.12 Gang cÇu 0,5% Cu sau nhiÖt luyÖn H×nh 4.13 ¶nh h−ëng cña hµm l−îng Mg d− ®Õn ®é bÒn H×nh 4.14 ¶nh h−ëng cña hµm l−îng Mg d− ®Õn ®é d·n dµi H×nh 4.15 C«ng nghÖ ®óc tay quay b»ng gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc H×nh 4.16 B¶n vÏ chi tiÕt tay quay H×nh 4.17 Chi tiÕt tay van H×nh 4.18 VËt ®óc chi tiÕt tay van H×nh 4.19 C«ng nghÖ ®óc mò sø gang cÇu H×nh 4.20 Chi tiÕt ®óc mò sø gang cÇu ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 5 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu danh môc c¸c b¶ng biÓu B¶ng 1.1 TÝnh chÊt cña gang cÇu hîp kim theo tiªu chuÈn DIN1693, B¶ng 2.1 Sù thay ®æi hµm l−îng khÝ trong gang khi biÕn tÝnh b»ng FeSiMg5 B¶ng 2 2 Kh¶ n¨ng khö S cña c¸c nguyªn tè ®Êt hiÕm phô thuéc vµo nhiÖt ®é B¶ng 2.3 §Æc tÝnh chñ yÕu cña mét sè chÊt biÕn tÝnh cÇu ho¸ ®Ó s¶n xuÊt gang graphit cÇu. B¶ng 2.4 Thµnh phÇn mét sè lo¹i chÊt biÕn tÝnh cÇu ho¸ chøa ®Êt hiÕm. B¶ng 2.5 TÝnh chÊt cña gang cÇu pherit B¶ng 2.6 Thµnh phÇn c¸c nguyªn tè th−êng gÆp trong gang cÇu graphit . B¶ng 4.1 TÝnh chÊt gang cÇu kh«ng dïng gang thái trong mÎ liÖu B¶ng 4.2 TÝnh chÊt gang cÇu khi dïng 20% gang thái trong mÎ liÖu, hµm l−îng Mn thÊp. B¶ng 4.3 TÝnh chÊt gang cÇu khi dïng C®l > 4,5% B¶ng 4.4 §é bÒn kÐo vµ hµm l−îng Mn trong gang cÇu B¶ng 4.5 §é d·n dµi vµ hµm l−îng Mn trong gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc B¶ng 4.6 ChiÒu dµy vËt ®óc vµ §é bÒn kÐo tr¹ng th¸i ®óc B¶ng 4.7 ChiÒu dµy vËt ®óc vµ §é d·n dµi gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc B¶ng 4.8 ¶nh h−ëng cña Cu ®Õn c¬ tÝnh gang cÇu tr¹ng th¸i ®óc ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 6 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu Më ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, gang cÇu ®· trë thµnh mét lo¹i vËt liÖu rÊt quan träng trong ngµnh chÕ t¹o m¸y do nh÷ng −u viÖt cña vËt liÖu nh−: tÝnh ®óc tèt, tÝnh chÊt c¬ häc cao, gÝa thµnh võa ph¶i. B»ng c«ng nghÖ biÕn tÝnh vµ thay ®æi thµnh phÇn vËt liÖu, cã thÓ t¹o ra nh÷ng m¸c gang cÇu tho¶ m·n nhiÒu nhu cÇu cña s¶n xuÊt vµ më ra mét viÔn c¶nh rÊt réng lín cho viÖc ¸p dông gang cÇu trong viÖc chÕ t¹o chi tiÕt trong ngµnh «t«, x©y dùng, n«ng nghiÖp, má, qu©n sù vµ trong ngµnh ®−êng s¾t.. mµ tr−íc ®©y th−êng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p rÌn hoÆc ®óc thÐp. TÝnh chÊt gang cÇu phô thuéc vµo cÊu tróc nÒn, h×nh d¹ng, kÝch th−íc vµ sù ph©n bè graphit trong gang. NÒn vµ h¹t graphit l¹i phô thuéc vµo thµnh phÇn ho¸ häc cña gang láng, ph−¬ng ph¸p khö l−u huúnh vµ ph−¬ng ph¸p t¹o xØ ë trong gÇu rãt nh− thÕ nµo, chóng cßn phô thuéc vµo ph−¬ng ph¸p biÕn tÝnh, kho¶ng thêi gian gi÷a c¸c sù kiÖn trªn vµ còng phô thuéc vµo h×nh d¸ng chi tiÕt ®óc trong khu«n. §èi víi gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc, sù cã mÆt cña c¸c nguyªn tè nh− mangan vµ cr«m lµ nh÷ng nguyªn tè cã ¶nh h−ëng rÊt m¹nh ®Õn tÝnh chÊt c¬ häc cña gang. Víi lý do nµy th× thµnh phÇn cña chóng ph¶i ®−îc khèng chÕ rÊt chÆt chÏ. Mangan vµ cr«m vµo gang láng tõ s¾t thÐp vôn, gang vµ håi liÖu. C¸c thÝ nghiÖm ®· chØ ra r»ng, sö dông s¾t thÐp vôn sao cho gang láng chøa Ýt h¬n 0,1%Cr, hµm l−îng Mn trong kho¶ng 0,2-0,3% th× chÊt l−îng gang cÇu sÏ dÔ khèng chÕ h¬n. Trong s¾t thÐp vôn hµm l−îng mangan kh¸ cao, ®a sè ®Òu chøa ®Õn 0,5% cho nªn khèng chÕ hµm l−îng Mn lµ viÖc rÊt cÇn thiÕt. L−îng s¾t thÐp vôn cÇn ph¶i khèng chÕ ë møc sao cho vËt ®óc chøa cµng Ýt cacbit cµng tèt. §iÒu nµy ®Æc biÖt quan träng trong c«ng nghÖ chÕ t¹o gang cÇu pherit. CÊu tróc graphit trong gang cÇu chÞu ¶nh h−ëng cña hµm l−îng cacbon vµ cacbon ®−¬ng l−îng còng nh− tØ lÖ C/Si. NhiÒu thÝ nghiÖm còng ®· chØ ra r»ng, thµnh phÇn mÎ liÖu cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn tÝnh chÊt cña gang cÇu pherit ë tr¹ng th¸i ®óc. C¸c nguyªn tè ph¶n cÇu cÇn ph¶i khèng chÕ chÆt chÏ ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 7 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu lµ: Sn ≤ 0,01%; As ≤ 0,02%; (V+Mo)≤ 0,01%; Cr≤ 0,04%; Sn≤ 0,02%; P≤0,05%. Môc ®Ých cña ®Ò tµi: Đề tài này nh»m gi¶i quyÕt mét sè vÊn ®Ò sau ®©y: 1. ¶nh h−ëng cña thµnh phÇn phèi liÖu ®Õn chÊt l−îng gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc. 2. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng mangan ®Õn chÊt l−îng gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc 3. ¶nh h−ëng cña chiÒu dµy thµnh vËt ®óc ®Õn chÊt l−îng gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc. 4. ThiÕt lËp ®−îc c«ng nghÖ s¶n xuÊt gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn cña ®Ò tµi: Khi ®· gi¶i quyÕt ®−îc c¸c vÊn ®Ò nªu trªn, ®Ò tµi sÏ gãp phÇn vµo viÖc hoµn chØnh c¬ së lý thuyÕt vÒ gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc. KÕt qu¶ cña ®Ò tµi gióp cho c¸c c¬ së s¶n xuÊt ®óc kh«ng bÞ ®éng khi nhËn c¸c ®¬n hµng vÒ gang cÇu pherit. Khi kÕt qu¶ cña ®Ò tµi lµ æn ®Þnh, sÏ ¸p dông ®Ó s¶n xuÊt chi tiÕt tay quay b»ng gang cÇu dïng cho xuÊt khÈu. §Ò tµi nµy còng lµ c¬ së cho viÖc thùc hiÖn mét luËn ¸n Th¹c sü vÒ ngµnh Khoa häc vµ C«ng nghÖ vËt liÖu. ViÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 8 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu Ch−¬ng 1. Tæng quan vÒ gang cÇu 1.1 Kh¸i qu¸t vÒ gang cÇu: Gang graphit cÇu, gäi t¾t lµ gang cÇu, cã c¬ lý tÝnh cao h¬n h¼n gang x¸m th−êng. Gang cÇu cã ®é bÒn cao, m« ®un ®µn håi lín vµ ®é dÎo cao. VÒ c¬ tÝnh cã thÓ s¸nh ngang víi thÐp c¸cbon nh−ng dÔ ®óc h¬n nhiÒu, do ®ã gang cÇu ®−îc dïng thay thÕ thÐp lµm nh÷ng chi tiÕt quan träng nh− trôc kh−ûu « t«, biªn, trôc c¸n. ChÝnh v× vËy vÊn ®Ò cÇu ho¸ graphit ®· ®−îc nhiÒu nhµ nghiªn cøu quan t©m. 1.1.1 Tæ chøc gang cÇu: Tæ chøc cña gang cÇu bao gåm graphit h×nh cÇu vµ nÒn kim lo¹i. Tæ chøc nÒn kim lo¹i cña gang cÇu gièng thÐp. VÒ c¬ b¶n, ë tr¹ng th¸i ®óc, gang cÇu cã c¸c lo¹i tæ chøc nÒn: peclit, peclit+pherit vµ nÒn pherit. C¸c h¹t graphit h×nh cÇu ph©n bè ®Òu trªn nÒn kim lo¹i nµy. H×nh 1.1 giíi thiÖu tæ chøc cña gang cÇu peclit+pherit - GraphÝt ë d¹ng qu¶ cÇu trßn, h×nh d¸ng vµ kÝch th−íc c¸c h¹t graphit cÇu quyÕt ®Þnh ®é bÒn kÐo vµ®é dÎo rÊt cao cña gang cÇu so víi gang x¸m. H×nh 1. 1: Tæ chøc gang cÇu nÒn ferit + peclit viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 9 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu - Cã thÓ sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn cña thÐp cho gang cÇu ®Ó ®¹t ®−îc c¸c tæ chøc nÒn kim lo¹i kh¸c nhau. (VÝ dô: xoocbit, bainit, mactenxit...) TÝnh chÊt cña gang cÇu cho c¸c mÉu vµ vËt ®óc cã thµnh dÇy kh¸c nhau, øng víi tæ chøc nÒn kim lo¹i kh¸c nhau ®−îc cho trong b¶ng 1.1. B¶ng 1.1 TÝnh chÊt cña gang cÇu hîp kim theo tiªu chuÈn DIN1693, phÇn I, mÉu lÊy ë tr¹ng th¸i ®óc [1]. Lo¹i gang theo tiªu chuÈn DIN 1693 PhÇn I Ký hiÖu GGG-40,3 GGG-40 Sè liÖu vËt liÖu 0.7043 0.7040 GGG-50 0.7050 GGG-60 0.7060 GGG-70 Thµnh dµy vËt ®óc mm 0.7070 ChiÒu dµy mÉu ®óc mm Rm min Giíi h¹n ch¶y 0,2% Rp 0,2 min N/mm2 N/mm2 §é bÒn kÐo §é dµi va §é ch¹m (mÉu d·n cã vÕt khÝa), dµi ®o ë 200C A5 Gi¸ trÞ Gi¸ TB tõ trÞ % 3 mÉu min. j 30-60 40 390 250 15 14 11 60-200 70 370 240 12 12 19 30-60 40 390 250 15 60 - 200 70 370 240 12 30-60 40 450 300 7 60 - 200 70 420 290 5 30-60 40 600 360 2 60 - 200 70 550 340 1 30-60 40 700 400 2 60 - 200 70 650 380 1 viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim Tæ chøc (c¬ b¶n) Chñ yÕu lµ pherit Chñ - - yÕu lµ pherit - - F-P - P-F Chñ - - yÕu lµ peclit 10 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu 1.1.2 Mèi quan hÖ gi÷a tæ chøc vµ tÝnh chÊt gang cÇu Tæ chøc gang cÇu bao gåm hai thµnh viªn chñ yÕu lµ graphit cÇu vµ nÒn kim lo¹i. Cïng d¹ng graphit, tæ chøc nÒn kim lo¹i cña gang cÇu cã liªn quan trùc tiÕp víi c¬ tÝnh vµ tÝnh chÊt lµm viÖc cña gang. Mèi quan hÖ nµy ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.2. H×nh 1.2 §é bÒn vµ ®é d·n dµi cña gang cÇu phô thuéc hµm l−îng Si vµ nÒn kim lo¹i. 1- tr¹ng th¸i ®óc, 2- nÒn pherit; 3nÒn peclit /2/ Nh− vËy, nhê thay ®æi tæ chøc nÒn kim lo¹i, hoµn toµn cã thÓ chÕ t¹o ra c¸c m¸c gang kh¸c nhau. 1.2 C¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi sù h×nh thµnh tæ chøc vµ tÝnh chÊt gang cÇu 1.2.1 H×nh d¹ng graphit Graphit trong gang lµm gi¶m diÖn tÝch chÞu t¶i vµ lµm mÊt tÝnh liªn tôc cña nÒn kim lo¹i do ®ã lµm gi¶m c¬ tÝnh cña gang. NÕu coi graphit trong gang viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 11 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu nh− mét lç hæng, øng suÊt tËp trung bªn c¹nh lç hæng phô thuéc vµo h×nh d¹ng vµ chiÒu dµi graphit /8/ vµ cïng mét tæ chøc nÒn, tÝnh chÊt gang cÇu phô thuéc h×nh d¹ng graphit ®−îc chØ ra nh− trªn h×nh 1.3 TÊm vôn Rm=350MPa; A5=1-2% Côm hoa b«ng Rm=500MPa; A5=6-7% H×nh cÇu Rm=600MPa; A5=11-12% H×nh 1.3 H×nh d¹ng graphit vµ c¬ tÝnh cña gang /3/ 1.2.2 Thµnh phÇn hãa häc: C vµ Si: Cacbon tan rÊt Ýt trong s¾t. VÒ mÆt tæ chøc nÒn th× cµng Ýt cacbon, ®é bÒn cña gang cµng cao. Trong gang cÇu, cacbon ®−¬ng l−îng th−êng khèng chÕ øng víi thµnh phÇn cïng tinh hoÆc cao h¬n mét chót ®Ó t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho viÖc cÇu hãa vµ tr¸nh ®−îc tæ chøc biÕn tr¾ng. Th«ng qua ®iÒu chØnh hµm l−îng C cã thÓ ®iÒu chØnh ®−îc tæ chøc nÒn gang. T¨ng hµm l−îng C tíi giíi h¹n nhÊt ®Þnh, tuy lµm cho l−îng graphit t¨ng cao h¬n, nh−ng l¹i cã lîi lµ lµm t¨ng ®é dÎo vµ ®é dai cho gang. Silic tan trong s¾t lµm t¨ng ®é cøng cña pherit, k×m h·m qu¸ tr×nh tiÕt ra peclit. NÒn kim lo¹i cã thÓ thay ®æi tõ ledeburit thµnh hoµn toµn pherit khi hµm l−îng Si thay ®æi tõ 1% tíi 4,5%. §Ó phßng tr¸nh tæ chøc biÕn tr¾ng vµ gi¶m bít l−îng peclit trong tæ chøc nÒn, cÇn gi÷ hµm l−îng Si ë møc ®é thÝch hîp, song Si kh«ng nªn qu¸ cao v× khi Si hßa tan nhiÒu vµo pherit lµm gi¶m tÝnh dÎo cña gang. Gang cÇu th«ng th−êng chøa 3,3 -3,9%C; 2,0 - 2,5%Si. viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 12 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu Mn: Trong gang cÇu, Mn th−êng thiªn tÝch lín, hµm l−îng Mn trªn biªn giíi c¸c h¹t th−êng cao h¬n tõ 3 - 4 lÇn trong h¹t cïng tinh. Mangan là nguyªn tè cã t¸c dông ®iÒu chØnh tæ chøc nÒn cña gang. Do chÊt cÇu hãa khö S tèt nªn hµm l−îng S trong gang cßn l¹i rÊt thÊp, nªn chØ cã mét bé phËn nhá Mn sÏ kÕt hîp víi S cßn ®¹i bé phËn Mn hßa tan vµo pherit lµm t¨ng ®é bÒn, gi¶m ®é dÎo vµ ®é dai cña nÒn gang. Th«ng th−êng hµm l−îng Mn trong gang cÇu pherit nªn gi÷ ë møc 0,2 - 0,4%, cßn trong gang cÇu peclit hµm l−îng Mn lµ 0,4 - 0,6%. H×nh 1.4 ¶nh h−ëng cña hµm l−îng Mn ®Õn c¬ tÝnh gang cÇu /4/ S: L−u huúnh lµ nguyªn tè cã h¹i khi biÕn tÝnh cÇu ho¸. B¶n th©n l−u huúnh lµm gi¶m søc c¨ng bÒ mÆt cña gang, h¹n chÕ kh¶ n¨ng tiÕt ra graphit khi kÕt tinh. Bëi vËy, trong qua tr×nh nÊu gang cÇu, cÇn h¹n chÕ l−u huúnh trong gang sao cho gang ra lß chØ d−íi 0,04%S. MÆt kh¸c khi hµm l−îng l−u huúnh cao ph¶i dïng nhiÒu Mg nªn l−îng MgS cµng nhiÒu cµng bÊt lîi v× MgS g©y ra khuyÕt tËt gäi lµ ®iÓm ®en trong gang cÇu. Ph−¬ng ph¸p biÕn tÝnh liªn tôc trªn dßng ch¶y ®ßi hái hµm l−îng S rÊt nhá nh− chØ ra trªn h×nh 1.5. viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 13 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu H×nh 1.5 ¶nh h−ëng cña l−u huúnh ®Õn ®é d·n dµi cña gang cÇu /5/ Photpho: Photpho ng¨n c¶n qu¸ tr×nh ph©n hñy peclit nªn cÇn hÕt søc l−u ý khi ñ pherit hãa gang cÇu. Hµm l−îng photpho nhá kh«ng ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ tíi tæ chøc gang cÇu. KW/cm2 0,3 0,08% P 0,2 0,016% P 0,1 0 -100 0 100 0 C H×nh 1.6 Ng−ìng gißn cña gang cÇu phô thuéc vµo hµm l−îng photpho Tuy nhiªn, phèt pho lµ nguyªn tè dÏ bÞ thiªn tÝch, nÕu ë møc thiªn tÝch m¹nh cã thÓ lµm xuÊt hiÖn cïng tinh hai nguyªn (Fe3P + Fe) ë trªn biªn giíi h¹t viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 14 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu cã ®iÓm nãng ch¶y kho¶ng 1050oC, lµm gi¶m tÝnh dÎo dai cña gang. §èi víi gang cÇu pherit t¸c h¹i xuÊt hiÖn rÊt sím lµm cho nhiÖt ®é chuyÓn ho¸ dÎo gißn cña gang ®−îc n©ng cao. Do vËy, hµm l−îng P trong gang cÇu cÇn khèng chÕ < 0,08%. Nguyªn tè hîp kim: Mo: Molipden lµm nhá kÝch th−íc c¸c h¹t graphit cÇu, lµm nhá tæ chøc peclit vµ t¨ng tû lÖ peclit trong tæ chøc nÒn, qua ®ã lµm t¨ng ®é bÒn, ®é cøng cña gang. NÕu hµm l−îng Mo v−ît qu¸ 2%, tæ chøc nÒn gang cã thÓ xuÊt hiÖn bainit. MO lµ nguyªn tè cacbit hãa yÕu, lµm thu hÑp vïng austenit vµ lµm c¶n trë m¹nh qu¸ tr×nh chuyÓn biÕn austenit, v× vËy rÊt dÔ t¹o ra tæ chøc chuyÓn biÕn ë cÊp bainit. Khi ®−a 0,1%-0,3% Mo vµo sÏ g©y ra t¸c dông pherit hãa, lóc ®ã lµm më réng vïng pherit (vïng tr¾ng bao quanh h¹t graphit cÇu) vµ lµm gi¶m l−îng peclit cña tæ chøc nÒn. Khi dïng víi l−îng cao h¬n th× t¸c dông ®ã kh«ng cßn n÷a vµ sù chuyÓn biÕn x¶y ra theo chiÒu ng−îc l¹i, lµm gi¶m pherit vµ dÉn tíi t¹o ra tæ chøc bainit vµ mactenxit. Cu: Lµm t¨ng qu¸ tr×nh graphit hãa cña tæ chøc cïng tinh vµ ng¨n trë qu¸ tr×nh graphit hãa cña tæ chøc cïng tÝch, còng phÇn nµo cã t¸c dông lµm nhá c¸c h¹t graphit cÇu. Cu cã t¸c dông lµm mÞn tæ chøc peclit vµ t¨ng kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn tæ chøc peclit trong nÒn gang. Nãi chung, ¶nh h−ëng cña Cu tíi gang cÇu cã nhiÒu ®iÓm phøc t¹p vµ cßn nhiÒu m©u thuÉn. VÝ dô: trong nh÷ng lo¹i gang rÊt Ýt nguyªn tè t¹p chÊt cã h¹i, khi biÕn tÝnh b»ng Mg th× 2-3% Cu còng kh«ng cã ¶nh h−ëng nhiÒu ®Õn graphit cÇu. Cßn nÕu trong gang cã chøa c¸c nguyªn tè c¶n trë cÇu hãa th× chØ cÇn 1-2% Cu th«i còng ®· lµm xÊu râ rÖt sù h×nh thµnh graphit cÇu. ChÝnh v× vËy, khi nguyªn tè c¶n trë graphit hãa cµng nhiÒu th× l−îng Cu cho vµo cµng ph¶i Ýt. Ni: Niken thóc ®Èy qu¸ tr×nh graphit hãa khi chuyÓn biÕn cïng tinh, ng¨n trë qu¸ tr×nh graphit hãa khi chuyÓn biÕn cïng tÝch, lµm nhá mÞn tæ chøc peclit vµ t¨ng tû lÖ peclit trong tæ chøc nÒn. Gang cÇu cã hµm l−îng Ni thÊp cho tæ viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 15 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu chøc nÒn peclit; hµm l−îng Ni trung b×nh cho nÒn mactenxit; hµm l−îng Ni cao cho nÒn lµ austenit. Ni lµ nguyªn tè c¶n trë sù pherit hãa ®ång thêi cã t¸c dông æn ®Þnh peclit. Do ®ã, Ni ®−îc dïng chñ yÕu ®Ó ®iÒu chØnh tû lÖ tæ chøc F vµ P trong vËt ®óc. ¦u ®iÓm cña viÖc hîp kim hãa Ni cho gang biÕn tÝnh b»ng Mg lµ: cã thÓ t¨ng thêi gian gi÷ gang sau biÕn tÝnh, mµ kh«ng g©y mÊt t¸c dông biÕn tÝnh. Cr: Lµ nguyªn tè cacbit hãa rÊt m¹nh, rÊt dÔ thiªn tÝch. Khi kÕt tinh, Cr bÞ thiªn tÝch vµ tËp trung ë tinh giíi h¹t, t¹o ra mét m¹ng l−íi cacbit xung quanh c¸c h¹t. Khi lµm nguéi chËm, Cr c¶n trë qu¸ tr×nh pherit hãa. §Ó ch¾c ch¾n lo¹i bá ®−îc tæ chøc cacbit th× hµm l−îng Cr kh«ng ®−îc v−ît qu¸ 0,05%. Dïng Cr trong gang cÇu cã thÓ lµm t¨ng ®é cøng nh−ng l¹i lµm gi¶m ®é dai, ®é dÎo cña gang cÇu. Zn: Lµ nguyªn tè peclit hãa rÊt m¹nh nªn ®−îc dïng chñ yÕu ®Ó s¶n xuÊt gang cÇu peclit ë tr¹ng th¸i ®óc. NÕu trong mÎ nÊu cã nhiÒu nguyªn tè t¹p chÊt c¶n trë cÇu hãa th× kh«ng nªn sö dông nhiÒu kÏm. 1.2.3 C¸c ph−¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn gang cÇu. Gang cÇu cã ®Æc ®iÓm lµ cã thÓ ¸p dông c¸c ph−¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn cña thÐp cho gang cÇu. Nhê c¸c ph−¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn mµ tÝnh chÊt gang cÇu cã thÓ thay ®æi trong kho¶ng rÊt réng. §èi víi gang x¸m, tÝnh chÊt c¬ häc phô thuéc ®¸ng kÓ vµo ph−¬ng thøc kÕt tinh cña graphit, Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña tæ chøc nÒn kim lo¹i. §èi víi gang cÇu th× hoµn toµn ng−îc l¹i. Khi gang ®· cã 100% graphit tiÕt ra ë d¹ng cÇu, tÝnh chÊt c¬ häc cña gang vÉn cã thÓ thay ®æi ®−îc b»ng c¸ch thay ®æi tæ chøc nÒn kim lo¹i th«ng qua nhiÖt luyÖn. NÕu ë tr¹ng th¸i ®óc, gang ch−a ®¹t ®−îc c¸c tÝnh chÊt theo yªu cÇu, ta cã thÓ nhiÖt luyÖn ®Ó ®¹t ®−îc c¸c tÝnh chÊt ®ã. Ngoµi c¸c ph−¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn th«ng th−êng gièng nh− thÐp, gang cÇu cßn cã h×nh thøc nhiÖt luyÖn kh¸ ®Æc tr−ng lµ ph−¬ng ph¸p t«i ®¼ng nhiÖt viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 16 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu hay cßn gäi lµ gang cÇu ADI (Austempered Ductile Iron). Gang cÇu ADI cã tÝnh chÊt nh− sau: ®é bÒn Rm= 900-1200 MPa, ®é d·n dµi A5 = 10-20% /6, 7/. 1.2.4 ¶nh h−ëng cña tèc ®é nguéi VÒ mÆt kÕt cÊu chi tiÕt, vËt liÖu tèt nhÊt lµ vËt liÖu cã tÝnh chÊt c¬ häc hßan toµn gièng nhau trªn toµn bé thiÕt diÖn. Gang x¸m lµ lo¹i vËt liÖu rÊt nh¹y c¶m víi chiÒu dµy thµnh vËt ®óc. TÝnh chÊt gang cÇu Ýt phô thuéc vµo chiÒu dµy thµnh vËt ®óc. Rãt gang cÇu cã cïng hµm l−îng mangan vµo mÉu bËc trong khu«n c¸t vµ khu«n kim lo¹i, ®é cøng cña chóng kh¸c nhau kh«ng nhiÒu/8/. Gang cÇu còng cã thÓ ®óc trong khu«n kim lo¹i /8,,10,11/ , nh−ng cÇn chó ý vµi ®iÓm sau ®©y: - Trong tæ chøc gang cã chøa nhiÒu xementit lµm t¨ng ®é cøng, gi¶m ®é dÎo vµ gi¶m tÝnh gia c«ng cña vËt liÖu - N©ng cao tèc ®é nguéi lµm t¨ng sè l−îng h¹t graphit vµ kÝch th−íc h¹t graphit gi¶m ®i - T¨ng tèc ®é nguéi, l−îng peclit tÊm gi¶m ®i, l−îng pherit còng gi¶m vµ l−îng pherit xung quanh h¹t graphit còng bÞ mÊt dÇn. - B¾t buéc ph¶i nhiÖt luyÖn (ñ) gang cÇu ®óc trong khu«n kim lo¹i, nÕu kh«ng nhiÖt luyÖn, kh«ng thÓ gia c«ng c¬ ®−îc. Kh«ng thÓ h¹n chÕ hiÖn t−îng nµy b»ng viÖc lùa chän thµnh phÇn hãa häc vµ ngay c¶ viÖc n©ng cao hµm l−îng silÝc trong gang. 1.3 T×nh h×nh s¶n xuÊt gang cÇu ë trong n−íc vµ n−íc ngoµi. 1.3.1 T×nh h×nh nghiªn cøu ë n−íc ngoµi. Gang cÇu ®· trë thµnh mét lo¹i vËt liÖu tiªn tiÕn dÇn dÇn thay thÕ cho thÐp trong mét sè lÜnh vùc. Khi vµo trang web http//www.google.com, cã thÓ xem l−ít hµng tr¨m c«ng tr×nh vÒ gang cÇu. C¸c c«ng tr×nh ®· c«ng bè cña c¸c t¸c gi¶ viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 17 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu n−íc ngoµi tËp trung nhiÒu vÒ gang cÇu ADI (Austempering Ductile Iron)/1,2,3/ vµ tËp trung nghiªn cøu ®i ®Õn h¹n chÕ c¸c khuyÕt tËt khi ®óc gang cÇu /4/. Gang cÇu pherit m¸c FCD450-12 (theo tiªu chuÈn Mü) còng ®−îc nghiªn cøu sö dông nhiÒu cho c¸c chi tiÕt lµm viÖc chÞu øng suÊt kÐo, trong ®ã cßn nghiªn cøu gang cÇu pherit dïng ®Ó lµm vËt liÖu ®óc liªn tôc n»m ngang /5/. Gang cÇu pherit còng ®· ®−îc nghiªn cøu nhiÒu ë TiÖp kh¾c cò tõ nh÷ng n¨m 90 cña thÕ kØ tr−íc /6,7,8/ . §Ó nhËn ®−îc tæ chøc pherit, ng−êi ta dïng 2 c«ng nghÖ: pherit tr¹ng th¸i ®óc vµ pherit sau nhiÖt luyÖn. Ngoµi viÖc chÕ t¹o gang cÇu cã nÒn pherit ®¬n thuÇn, ng−êi ta cßn tiÕn hµnh hîp kim ho¸ thÊp ®Ó nhËn ®−îc c¸c tÝnh n¨ng ®Æc biÖt kh¸c, thÝ dô, khi dïng 1-1,5% Cu th× gang cÇu vÉn cã ®é d·n dµi nhá nhÊt lµ 12- 25%. ë Liªn x« cò, theo t¹p chÝ ПроизводствоЛитейное viÖc nghiªn cøu gang cÇu pherit còng ®−îc tiÕn hµnh tõ rÊt sím. PhÇn lín c¸c c«ng tr×nh ®· c«ng bè còng ®Ò cËp ®Õn hai c«ng nghÖ: gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc vµ pherit sau nhiÖt luyÖn. Trong ®ã c«ng nghÖ s¶n xuÊt gang cÇu pherit nhiÖt luyÖn ®−îc dïng nhiÒu h¬n do tÝnh ®¬n gi¶n vÒ c«ng nghÖ /9,10,11,12/. 1.3.2 T×nh h×nh nghiªn cøu trong n−íc Tõ nh÷ng n¨m 70 cña thÕ kØ tr−íc, ®· cã nhãm nhµ khoa häc ViÖt nam nghiªn cøu s¶n xuÊt gang cÇu peclit lµ trôc khuûu phôc vô Qu©n ®éi víi ®Ò tµi: S¶n xuÊt gang cÇu tõ gang lß ®øng. §Ò tµi nghiªn cøu cÊp nhµ n−íc vÒ gang cÇu : Sö dông ®Êt hiÕm ®Ó s¶n xuÊt gang cÇu (m· sè 24.02.04.11); §Ò tµi nghiªn cøu cÊp nhµ n−íc : N©ng cao chÊt l−îng s¶n phÈm ®óc b»ng ph−¬ng ph¸p biÕn tÝnh hîp kim ho¸ sö dông ®Êt hiÕm VN, (m· sè 24A.01.02) ®Òu nghiªn cøu vÒ gang cÇu peclit. §Ò tµi nghiªn cøu cÊp nhµ n−íc: Nghiªn cøu c«ng nghÖ ®óc c¸c chi tiÕt m¸y ®Æc biÖt b»ng gang cÇu c−êng ®é cao, gang hîp kim, m· sè KC 05-05 viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 18 B¸o c¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu §Ò tµi cÊp Bé: Nghiªn cøu dïng vËt liÖu míi ®Ó n©ng cao chÊt l−îng bé næ cho c¸c lo¹i m¸y ®éng lùc vµ m¸y n«ng nhiÖp, B2002-28-55 §Ò tµi cÊp bé: Nghiªn cøu gang cÇu ñ ®¼ng nhiÖt (Tæng CT M¸y vµ ®éng lùc.2004). Mét sè ®Ò tµi cÊp Bé vµ cÊp Thµnh phè nh−: C«ng nghÖ s¶n xuÊt trôc khuûu cña c«ng ty thÐp miÒn Nam, c«ng ty C¬ khÝ §«ng anh, c«ng ty C¬ khÝ Hµ néi, C«ng ty Diezen S«ng C«ng còng ®Òu lµ c«ng nghÖ gang cÇu peclit. §· cã mét vµi n¬i s¶n xuÊt gang cÇu pherit nh−ng ch−a thÊy c«ng bè kÕt qu¶ nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt cña m×nh. Trªn c¸c t¹p chÝ chuyªn ngµnh vµ th«ng b¸o khoa häc ®−îc l−u tr÷ t¹i th− viÖn §HBK HN vµ Trung t©m Th«ng tin KHKT TW trong khoảng 10 n¨m l¹i ®©y kh«ng thÊy c«ng tr×nh nµo c«ng bè vÒ gang cÇu pherit nãi chung vµ gang cÇu pherit tr¹ng th¸i ®óc nãi riªng. Bëi vËy viÖc nghiªn cøu chÕ t¹o æn ®Þnh vµ sö dông gang cÇu pherit trong giai ®o¹n hiÖn nay lµ rÊt cÇn thiÕt viÖn khoa häc c«ng nghÖ má-luyÖn kim 19