Nghiên cứu công nghệ cầu hoá gang chịu nhiệt nhằm nâng cao cơ tính của vật liệu- Viện luyện kim đen

Để nâng cao tính chịu nhiệt cũng như cơ tính của vật liệu, tiếp nối sự nghiên cứu về gang chịu nhiệt silic, việc tiếp tục nghiên cứu công nghệ cầu hóa gang chịu nhiệt silic là hợp lý nhằ

MỤC LỤC

Mở đầu 2

1 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 4

1.1 Tổng quan chung về gang cầu .4

1.1.1 Đặc điểm chung của gang cầu .4

1.1.2 Tính chất vật lý của gang cầu .4

1.1.3 Tính chất cơ lý của gang cầu .8

1.1.4 Tính công nghệ của gang cầu 10

1.1.5 Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất của gang cầu 12

1.2 Gang Si có grafit dạng cầu 15

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ chế tạo gang cầu 19

1.3.1 Tác dụng của các chất biến tính cầu hóa trong gang lỏng 19

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cầu hóa 20

1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 24

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1.Nội dung nghiên cứu 27

2.2 Phương pháp nghiên cứu 27

3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 29

3.1 Công nghệ chế tạo gang cầu silic RQTSi5 29

3.1.1 Công nghệ nấu luyện 29

3.1.2 Công nghệ đúc 34

3.1.3 Công nghệ nhiệt luyện 37

3.2 Các tính chất của gang nghiên cứu 38

3.2.1 Thành phần hoá học 38

3.2.2 Các tính chất cơ lý 38

3.2.3 Cấu trúc pha 39

3.3 Chế tạo và dùng thử sản phẩm 41

4 KẾT LUẬN 43

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

Mở đầu

Gang cầu là gang có grafit dạng cầu nên có độ bền cao và độ dẻo khá hơn hẳn so với gang xám thông thường Gang cầu được sử dụng trong công nghiệp như vật liệu kết cấu mới, có thể thay thế thép cacbon, gang dẻo và gang xám 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 gam đến các chi tiết rất lớn trọng lượng đến 150 tấn trong một vật đúc; các chi tiết thành dày (đến 1000mm); cũng như các chi tiết thành mỏng (2-5mm) Các chi tiết này được

sử dụng ở trạng thái đúc cũng như sau nhiệt luyện Khi gang cầu có độ bền kéo tương tự thép thì chúng có độ bền chảy cao hơn rất nhiều, điều này cho phép sử dụng chúng cho các chức năng đặc biệt quan trọng Mặt khác tính chất đúc của gang tốt hơn thép rất nhiều, đặc biệt là độ chảy loãng cao hơn rất nhiều và khuynh hướng đối với sự tạo thành nứt nóng là nhỏ nhất Độ chảy loãng của gang tốt cho phép đúc từ gang các chi tiết thành rất mỏng mà sự sản xuất các chi tiết như vậy từ thép là rất khó khăn Khuynh hướng tạo thành nứt nóng không lớn của gang rút gọn rất nhiều quy trình sản xuất vật đúc và giảm

rõ rệt phế phẩm về nứt nóng của chi tiết Sử dụng gang cầu độ bền cao thay thế thép cho phép làm giảm trọng lượng máy móc do trọng lượng riêng của gang nhỏ hơn (khoảng 8-10%) Trục cán, đế và khung máy cán, búa máy và máy dập, cánh của thiết bị dẫn hướng tuốc bin nước và một số chi tiết khác là những ví dụ đặc trưng về sự thay thế đúc thép bằng đúc từ gang cầu độ bền cao Ngoài ra còn sử dụng gang cầu để sản xuất các chi tiết làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao; đặc biệt là gang cầu được hợp kim hóa bằng silic (5-6%) hoặc là bằng nhôm (19-24%) Vì tất cả những ưu điểm vừa nêu ở trên mà người ta sử dụng ngày càng nhiều gang cầu thay thế cho gang xám và gang dẻo, thép rèn và thép đúc Do vậy mà sản lượng gang cầu ngày càng tăng

Ở nước ta gang cầu đã được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước trong Bộ Công nghiệp và một số trường Đại học Sau năm 1975, một số

cơ sở nghiên cứu như Viện Luyện kim đen, Viện Nghiên cứu mỏ và luyện kim, Viện Công nghệ, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có một số đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước và cấp Bộ nghiên cứu về gang cầu và chất biến tính cầu hóa Các đề tài đều tập trung nghiên cứu về vấn đề cầu hóa gang và áp

dụng vào các chi có tiết đặc thù khác nhau Trong giai đoạn hiện nay, nền công nghiệp nước ta xuất hiện nhu cầu chế tạo gang cầu thay thế phụ tùng nhập ngoại, thay thế thép và các vật liệu khác Trong ngành công nghiệp luyện kim và chế tạo cơ khí nhu cầu về vật liệu chịu nhiệt cũng tăng lên, đặc biệt là vật liệu thép và gang Để nâng cao tính chịu nhiệt cũng như cơ tính của vật liệu, tiếp nối sự nghiên cứu về gang chịu nhiệt silic, việc tiếp tục nghiên cứu công nghệ cầu hóa gang chịu nhiệt silic là hợp lý nhằm tạo ra sản phẩm có tính chịu nhiệt cao hơn, cơ tính tốt hơn với giá cả hợp lý, thỏa mãn yêu cầu trong nước là việc làm thiết thực và nên làm

Nhân dịp này chúng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới :

- Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công thương đã giao nhiệm vụ nghiên cứu và chỉ đạo sát sao trong suốt quá trình thực hiện đề tài

- Phân xưởng Thiêu kết, nhà máy Luyện gang, công ty cổ phần Gang thép Thái Nguyên đã cho phép và tạo điều kiện cho việc dùng thử sản phẩm

- Phân xưởng Luyện thép cũng như toàn thể cán bộ và công nhân viên Viện Luyện kim đen đã hết lòng ủng hộ và giúp đỡ đề tài hoàn thành nhiệm vụ được giao

1 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan chung về gang cầu

1.1.1 Đặc điểm chung của gang cầu

Đặc điểm nổi bật của gang cầu là rất đặc, hầu như grafit dạng cầu có tương quan bề mặt thể tích nhỏ nhất và mức độ vật đúc bị suy yếu tiết diện làm việc nhỏ nhất Ngoài ra graphit dạng cầu không phá hủy tính liên tục của nền như dạng tấm và hiệu ứng tập trung ứng suất nhỏ Do đó gang cầu là loại gang có độ bền và độ dai cao nhất, xấp xỉ tính chất của thép

Đặc điểm nổi bật thứ hai là gang cầu có khả năng thay đổi cấu trúc nền kim loại ở giới hạn rộng Khi chọn thành phần tương ứng của gang ban đầu,

sử dụng kỹ thuật sản xuất thích hợp và các phương pháp nhiệt luyện tương ứng có thể sản xuất gang cầu có cấu trúc nền kim loại khác nhau (peclit, peclit-ferit, ferit, xoocbit, mactenxit, austenit) và vì thế gang có các tính chất

Gang cầu có độ bền kéo, độ bền nén và uốn cao, giới hạn chảy biểu hiện

rõ ràng Độ dai va đập sau khi nhiệt luyện cao Tính đúc của gang cầu tương đối tốt (độ chảy loãng tốt, độ co ngót thẳng nhỏ, khuynh hướng tạo vết nứt nóng không lớn), tính gia công cơ tốt, có thể chịu hàn, cắt hơi, có độ chịu mài mòn cao, tính chịu ma sát tốt, chịu nhiệt cao (khi hợp kim hóa bằng nhôm hoặc silic)

1.1.2 Tính chất vật lý của gang cầu

Tỷ trọng Do sự có mặt của grafit nên tỷ trọng của gang nhỏ hơn nhiều

so với tỷ trọng của thép các bon (khoảng 8-10%) Khi gang cầu có cấu trúc xementit tự do tỷ trọng của chúng tương tự tỷ trọng của gang xám thường Khi

có mặt xementit trong cấu trúc, tỷ trọng của gang tăng lên và gần bằng tỷ

trọng của gang trắng Tỷ trọng của gang ở nhiệt độ phòng là 7,1-7,4g/cm3 Tỷ trọng của gang thay đổi phụ thuộc vào hàm lượng magie, cacbon và silic (bảng 1) cũng như cấu trúc nền kim loại

Bảng 1 Sự thay đổi tỷ trọng của gang phụ thuộc vào hàm lượng Si, C

0,034 7,214 0,075 7,371 0,085 7,392 0,117 7,452

B, Phụ thuộc vào hàm lượng cácbon 1,94 3,27

Hệ số nở nhiệt của gang Ở nhiệt độ từ 00C đến 2000C gang cầu có hệ

số nở nhiệt lớn hơn gang xám Ở nhiệt độ cao hơn thì hệ số nở nhiệt của chúng khác biệt không nhiều (bảng 2)

Bảng 2 Hệ số nở nhiệt của gang

Gang

-6

ở nhiệt độ

Độ dẫn nhiệt của gang cầu nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của gang xám, điều

này được giải thích bởi sự cắt mạch của grafit cầu lớn hơn sự cắt mạch của grafit tấm Độ dẫn nhiệt của gang phụ thuộc vào cấu trúc nền kim loại Ferit trong gang càng lớn, độ dẫn nhiệt của gang càng lớn Khi tăng lượng cấu trúc peclit độ dẫn nhiệt của gang giảm đi Độ dẫn nhiệt của gang còn phụ thuộc vào thành phần hóa học và nhiệt độ (bảng 3)

Bảng 3 Ảnh hưởng của thành phần hóa học và nhiệt độ lên độ dẫn nhiệt của gang cầu

độ( 0 C)

Cấu trúc ferit 3,53 2,49 0,47 0,006 0,056 0,08 0,096 0,0910 0,0906 0,0902 0,0899 3,11 3,48 0,35 0,027 0,086 1,45 0,075 0,0821 0,0815 0,0809 0,0863 3,32 2,05 0,34 0,013 0,063 0,05 0,066 0,0929 0,0923 0,0917 0,0911

Cấu trúc peclit 3,22 2,44 0,42 0,013 0,063 1,35 0,056 0,0742 0,0734 0,0725 0,0718

Độ dẫn điện của gang và đại lượng ngược của chúng – điện trở phụ

thuộc vào dạng và sự phân bố của grafit, thành phần hóa học (bảng 4) và cấu trúc nền kim loại của gang

Bảng 4 Sự phụ thuộc độ dẫn điện của gang cầu vào thành phần hóa học

Tính chất từ Tính chất từ của gang được chia thành loại từ (loại có cấu

trúc peclit và ferit) và thuận từ (loại có cấu trúc austenit) Tính từ của gang phụ thuộc vào cấu trúc nền và phụ thuộc vào trạng thái của cacbon, ở dạng các bon tự do (dạng grafit) hay ở dạng liên kết (dạng xêmntit) Cường độ cảm ứng

từ ở gang cầu có cấu trúc nền peclit lớn hơn gang xám nhưng nhỏ hơn thép các bon thường, còn ở gang cầu có cấu trúc nền ferit thì lại cao hơn thép các

bon thông thường

Grafit làm giảm sự cảm ứng, vì làm giảm lượng kim loại sắt từ, mặt khác sự tách nền kim loại bởi grafit không từ tính lập nên điểm khử từ Ở dạng cầu tác dụng khử từ của grafit nhỏ hơn so với ở dạng tấm Lượng grafit tăng thì sự cảm ứng từ dư và độ thẩm từ lớn nhất giảm xuống

Gang cầu có cấu trúc ferit được sử dụng làm vật liệu từ mền Trong trường hợp này, hàm lượng phốt pho trong gang cầu phải thấp hơn 0,1% Khi tăng hàm lượng phốt pho đến 0,6% sẽ làm giảm độ thẩm từ và làm tăng chút ít lực kháng từ

1.1.3 Tính chất cơ lý của gang cầu

Dạng grafit cầu trong gang góp phần rất lớn làm tăng tính chất cơ học, bởi vì chúng làm giảm mức độ suy yếu tiết diện làm việc của vật đúc ở mức

độ nhỏ nhất, ngoài ra dạng cầu không biểu hiện sự tác dụng cắt lõm mạnh lên nền kim loại của gang và góp phần làm giảm mật độ ứng suất xung quang grafit Do đó gang cầu có cơbtính cao hơn rất nhiều so với gang có gafit tấm

Độ bền kéo của gang cầu phụ thuộc vào cấu trúc của nền kim loại , cấu

trúc này lại phụ thuộc vào thành phần hóa học, tốc độ làm nguội, và chế độ nhiệt luyện của gang

Ở trạng thái đúc độ bền của gang có cấu trúc peclit đạt được đến 600 – 700Mpa Khi tôi đẳng nhiệt cho phép đạt được độ bền kéo đến 1200Mpa Khi tăng chiều dày thành vật đúc giá trị độ bền kéo bị giảm xuống (bảng 5)

Bảng 5 Sự thay đổi độ bền của gang phụ thuộc vào chiều dày vật đúc

Chiều dày vật đúc

(mm)

Độ bền kéo (MPa) Gang có cấu trúc peclit Gang có cấu trúc ferit

Giới hạn chảy của gang cao hơn nhiều so với giới hạn chảy của thép

các bon Giới hạn chảy trung bình của gang cầu là 300 – 420Mpa, trong một

số trường hợp đạt đến 700Mpa, cao hơn nhiều so với thép Khi tăng chiều dày vật đúc, giá trị giới hạn chảy giảm (bảng 6) Tỷ lệ giới hạn chảy và độ bền kéo của gang là 0,75 - 0,80, trong khi đó ở thép là 0,55-0,61

Bảng 6 Sự phụ thuộc giới hạn chảy của gang vào chiều dày vật đúc

Độ giãn dài tương đối của gang ở trạng thái đúc là 1 – 3%, trong một

số trường hợp đạt 5 – 12%, còn sau khi ủ đạt 20 – 25% Khi hàm lượng P nhỏ hơn 0,1% 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 giá trị độ giãn dài

Độ cứng(HB) thay đổi phụ thuộc vào cấu trúc nền kim loại, gang có

cấu trúc ferit có độ cứng thấp nhất, đạt 156-207HB; còn gang có cấu trúc peclit đạt giá trị độ cứng cao hơn rất nhiều, đạt 187-268HB Gang trắng và gang biến trắng có gía trị độ cứng cao nhất Khi tăng nhiệt độ độ cứng của gang bị giảm đi nhiều Sự phụ thuộc giữa độ bền kéo, giới hạn chảy và độ cứng của gang được chỉ ra trên hình 1.

Hình 1 Sự phụ thuộc giữa độ bền kéo, giới hạn chảy và độ cứng

Độ dai va đập của gang cầu cao hơn gang xám, nhưng thấp hơn độ dai

va đập của thép Sau khi nhiệt luyện gang có cấu trúc ferit có độ dai va đập cao nhất Khi tăng hàm lượng phot pho, silic và mangan độ dai va đập giảm (hình 2)

Hình 2 Sự thay đổi độ dai va đập phụ thuộc vào hàm lượng Si, P,

Mn

1-Mẫu không khía; 2- Mẫu có khía

1.1.4 Tính công nghệ của gang cầu

Tính đúc của gang cầu khác biệt nhiều so với tính đúc của thép các bon, gang xám và gang dẻo

Độ chảy loãng của gang cầu tốt hơn gang có grafit tấm.Toàn bộ hợp

kim gang FeC có độ chảy loãng tốt nhất, điều đó cho phép đúc chi tiết thành

mỏng, hình dạng trạm trổ, mà đúc các chi tiết như vậy từ thép là rất khó khăn Ngoài ra, độ chảy loãng cao của gang góp phần làm cho vật đúc không có rỗ

co, xốp co, không rỗ khí và các khuyết tật đúc khác

Độ chảy loãng của gang phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ Tăng nhiệt độ

độ chảy loãng của gang tăng.Thành phần hóa học của gang cũng ảnh hưởng lên độ chảy loãng Độ chảy loãng nhỏ nhất có ở gang có thành phần trước cũng tinh Theo mức độ khi tăng C đương lượng độ chảy loãng của gang tăng

Độ chảy loãng lớn nhất có được ở gang có thành phần cùng tinh (Cэ =4,7%)

Độ co của gang xảy ra khi gang chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn trong

khuôn đúc, kết quả là hiện tượng co trong vật đúc có thể tạo thành rỗ, xốp, vết nứt lạnh và nứt nóng; ứng suất đúc, thậm chí có sự không tương ứng kích thước vật đúc đã cho theo bản vẽ Thể tích lõm co lớn nhất có ở gang cùng tinh, còn trong gang trước cùng tinh tạo thành xốp co trong nhiều trường hợp

Để tránh tạo thành các khuyết tật này cần thiết phải lựa chọn thành phần gang hợp lý và thiết lập quá trình kỹ thuật sản xuất vật đúc cần thiết, dự tính các biện pháp tương ứng; bảo đảm đúc được vật đúc chất lượng (sáng tạo sự hóa rắn định hướng, xác định đậu ngót v,v, )

Đặc điểm đặc trưng của gang là có sự nở trước co lớn, điều đó làm giảm tương đối nhiều khuynh hướng tạo vết nứt nóng trong vật đúc Đại lượng co thẳng của gang cầu thực tế khác biệt không nhiều so với co thẳng của gang có grafit tấm Bởi thế người ta chuẩn bị hòm khuôn và ruột sử dụng thước co cũng như đối với gang xám Đại lượng co thẳng được tính toán khi chuẩn bị mẫu, đối với gang cầu là 0,7-1% phụ thuộc vào mức độ hãm sự nở trước co và phần của co

Ứng suất đúc được tạo thành trong vật đúc do sự nguội từng phần riêng

hoặc là tiết diện của vật đúc không đồng đều và mức độ kìm hãm sự co thẳng không đồng nhất Đại lượng ứng suất này trong gang cầu lớn hơn tương đối so với đại lượng ứng suất trong vật đúc bằng gang xám Điều này được giải thích một cách cơ bản là gang cầu có giá trị mô đun đàn hồi cao hơn và độ dẫn nhiệt thấp hơn rất nhiều so với gang xám

Ứng suất đúc dư được tạo thành trong vật đúc sau khi chuyển gang từ vùng biến dạng dẻo thành vùng biến dạng đàn hồi, nếu sau khi chuyển thành vùng biến dạng đàn hồi gradien nhiệt độ trong phần mỏng và dầy của vật đúc

hoặc là theo tiết diện vật đúc không có, thì không xuất hiện ứng suất dư Tuy nhiên điều kiện như vậy thực tế không có khả năng thực hiện

Ứng suất dư xuất hiện trong vật đúc, còn được thay đổi dần dần do bị mất dần khi chuyển qua biến dạng dẻo Sự chuyển đổi biến dạng đàn hồi thành biến dạng dẻo kèm theo sự giảm mức độ ứng suất đúc Điều này được sử dụng

để làm giảm ứng suất đúc trong vật đúc bằng cách sử dụng nhiệt luyện đến nhiệt độ chuyển biến dạng đàn hồi thành dẻo Nhiệt độ đốt nóng vật đúc càng cao càng chuyển hoàn toàn biến dạng đàn hồi thành dẻo và càng hạ thấp ứng suất ở điều kiện nếu sự làm lạnh vật đúc sau đó xảy ra chậm và đều đặn, tức là khi đó không xuất hiện ứng suất mới Để làm mất ứng suất đúc trong vật đúc bằng gang nhiệt độ đốt nóng cao nhất không cần phải vượt quá 6000C, bởi vì khi đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn trong gang có thể xảy ra sự thay đổi cấu trúc, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi tính chất của gang Sự giữ ở nhiệt độ cao nhất được tiến hành trong khoảng 2-8h, phụ thuộc vào chiều dày thành vật đúc; sự làm nguội vật đúc chủ yếu với tốc độ 300C/h để tránh sự tạo thành ứng suất mới

Khả năng gia công của gang phụ thuộc vào độ bền và độ cứng của gang, tức là cũng phụ thuộc vào cấu trúc nền kim loại Gang có cấu trúc ferit có độ bền thấp nhất, tương ứng là độ cứng thấp nhất và tính gia công tốt nhất

1.1.5 Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất của gang cầu

Các nguyên tố hóa học thể hiện ảnh hưởng lên tính chất cơ lý, ngoài các nguyên tố cầu hóa (Mg, Ce, v.v…) ra còn có các nguyên tố : C, Si, Mn, P, S

Ảnh hưởng của cacbon Hàm lượng C cao trong gang cầu làm giảm

nhẹ tương đối quá trình nấu chảy gang trong lò nấu gang và cải thiện tính chất đúc của gang Để điều chế grafit cầu và tính chất cơ lý cao hàm lượng C trong gang cần phải là giới hạn 3,2-3,6 % Ảnh hưởng hàm lượng C lên tính chất cơ

lý của gang cầu được nghiên cứu trên gang có hàm lượng C thay đổi trong giới hạn 4,05-2,67 % sau ủ Hàm lượng các nguyên tố còn lại dao động trong khoảng (%) : Si : 1,85-1,95; Mn : 0,38-0,53; S : 0,008-0,029; P : 0,013-0,024;

Ni : 0,63-0,74; Mg : 0,043-0,078 Sự giảm hàm lượng C từ 4,05 đến 2,67% sẽ dẫn đến sự tăng бb và бch khoảng chừng 3 kG/mm2 và độ cứng khoảng chừng

10 đơn vị Chỉ tiêu độ dai va đập ở mẫu kiểu chapin, được cắt từ phôi 45mm, tăng từ 1,8 đến 2,3 kGm, còn ở mẫu cắt từ phôi 12-mm, thì thấp hơn nhiều Sự

tăng hàm lượng C dẫn đến tăng chút ít nhiệt độ tới hạn chuyển lên thành trạng thái giòn

Có thể có được độ dãn dài là 16% khi hàm lượng Si 4% và hàm lượng C cao, nếu cấu trúc là gần 100% ferit Còn khi tiếp tục tăng hàm lượng Si đại lượng độ giãn dài giảm xuống do xuất hiện ferit giòn

Ảnh hưởng của Si Silic biểu hiện ảnh hưởng lên cấu trúc cũng như

tính chất cơ lý của gang Ảnh hưởng của Si lên tính chất cơ lý của gang được biểu hiện ở một khuynh hướng là làm giảm giới hạn bền kéo, bởi vì Si là nguyên tố grafit hóa làm giảm peclit trong nền kim loại, còn khuynh hướng khác, Si hòa tan trong ferit và làm tăng độ bền của chúng

Khi tăng hàm lượng Si từ 2,0 - 4,5% độ bền kéo tăng, còn khi tăng hàm lượng Si lên nữa ngược lại làm giảm độ bền kéo, điều này liên quan đến sự giảm lượng peclit Đại lượng độ giãn dài tương đối khi đó giảm từ 25-1%

Khi hàm lượng Si ở trong khoảng 2,0-3,5% gang có độ dai va đập cao nhất, còn khi hàm lượng Si lớn hơn độ dai va đập bị giảm xuống đến khi hàm lượng Si là 5,5% độ dai va đập còn đến 1,0 KGm/cm2 Hàm lượng Si giảm dẫn đến xuất hiện chai đặc biệt trong đúc thành mỏng, và sự tăng độ cứng của gang liên quan đến sự tạo thành xementit

Khi tăng hàm lượng Si từ 2,13 đến 3,5% đại lượng độ cứng giảm từ 214→163 HB, còn khi tăng nữa – độ cứng tăng, đạt 293 HB khi Si 6,06%

Độ cứng tế vi của ferit tăng cùng với sự tăng hàm lượng Si, đặc biệt tương đối lớn ở trong khoảng : 4,13-6,06% Si, còn độ cứng tế vi của peclit giảm từ 520-530 KG/mm2 (ở 2,13-2,7%C) đến 351-363 KG/mm2

Độ cứng tế vi của cùng tinh fotfit là 1168-1348 KG/mm2, còn độ cứng

tế vi của grafit 57-119 KG/mm2.Khi hàm lượng Si đến 4,13%, ủ ở nhiệt độ cao đẫn đến hạ thấp độ cứng tế vi ferit Ở hàm lượng Si đã cho, độ cứng của gang cầu càng cao hàm lượng C trong gang càng thấp

Hàm lượng peclit trong cấu trúc nền kim loại tăng cùng với sự giảm hàm lượng Si Lượng ferit tăng cùng với sự tăng hàm lượng Si và xảy ra sự giảm độ bền của gang Thực tế sự điều chỉnh hàm lượng ferit trong nền kim loại của gang ở trạng thái đúc được thực hiện bằng cách chọn hàm lượng Si trong gang ở nguyên liệu ban đầu

Điều chế tăng bền gang cầu ferit ở trang thái đúc có độ dãn dài tương đối cao (5% và >) có thể được dảm bảo khi hàm lượng Si 3-3,3%; Mn : 0,3-0,5%; P : 0,05-0.1%, tức là khi sử dụng gang ban đầu chất lượng cao, hàm lượng P và Mn thấp Cần phải như vậy, vì khi tăng hàm lượng Si lớn hơn 3,3% (khi hàm lượng P và Mn thông thường) tạo điều kiện xuất hiện tính dòn trong gang cầu

Ảnh hưởng của Mn Mn ảnh hưởng lên cấu trúc nền kim loại và tính

chất cơ lý của gang là khi tăng hàm lượng Mn, làm giảm lượng ferit và làm tăng lượng peclit, tương ứng với điều này là làm tăng giới hạn bền kéo và làm giảm độ giãn dài

Để chế tạo gang có tính chất dẻo cao, hàm lượng Mn không được vượt quá 0,4% Khi đúc các chi tiết lớn bằng gang cầu hàm lượng Mn yêu cầu trong giới hạn 0,6-0,8%

Với mục đích làm tăng độ chịu mài mòn của gang, hàm lượng Mn đôi khi được tăng đến 1-1,3% Sự phân bố Mn theo chiều cao và tiết diện vật đúc

Ảnh hưởng của lưu huỳnh S ảnh hưởng chủ yếu lên dạng tạp chất

grafit và lên tính chất cơ lý của gang Hàm lượng S trong gang ban đầu càng cao sự điều chế hoàn toàn grafit cầu và tính chất cơ lý cao của gang càng khó khăn

Khi chế tạo gang cầu bằng Mg và Ce, cả 2 nguyên tố này trước hết kết hợp với S, trong kết quả này dễ dàng xảy ra sự khử S của gang (đến 0,03%)

Sự phân bố S theo chiều cao và tiết diện vật đúc lớn tương đối đều đặn Điều này được xác nhận bằng phương pháp phân tích hóa học cũng như bằng dấu ấn S Hàm lượng S tăng được quan sát ở phần bề mặt (đậu ngót) của vật đúc Như thí dụ trong vật đúc hình trụ hàm lượng S tăng (áng chừng 10 lần) đã được xác nhận trong đậu ngót ở khoảng cách 2000 mm từ dưới cùng của vật đúc

Ảnh hưởng của magiê và ceri Để điều chế grafit dạng cầu cần thiết

xác định hàm lượng còn lại của các nguyên tố cầu hóa Hàm lượng Mg còn lại cần phải không được thấp hơn 0,03%, còn hàm lượng Ce còn lại không được thấp hơn 0,02% Khi hàm lượng thấp hơn nhiều thường một phần grafit kết tinh thành cầu (Mg, Ce), còn một phần (hoặc là toàn bộ) thành dạng tấm, do

đó tính chất cơ lý của gang giảm đi Khi hàm lượng Mg (hoặc là Ce) còn lại cao hơn trong cấu trúc của gang xuất hiện xementit và bởi thế tính chất cơ lý của gang giảm tương đối nhiều Hàm lượng còn lại tối ưu là 0,04-0,08%.[1]

Sự phân bố Mg theo chiều cao và tiết diện vật đúc là không đều

1.2 Gang Si có grafit dạng cầu [1]

Gang Si có grafit dạng cầu được phân biệt với gang có grafit dạng tấm bởi giá trị tính chất cơ lý và tính chịu nhiệt cao hơn rất nhiều (bảng 7)

Bảng 7 : Tính chất cơ lý và độ cứng của gang Si

Độ co ngót thể tích (xem bảng 8) ở gang có grafit dạng cầu cao hơn rất nhiều so với gang silic không được biến tính bằng Mg

Bảng 8 : Độ co ngót thể tích của gang silic

ngót (%)

Nhiệt độ rót ( 0 C)

Bảng 9 : Khả năng chống gỉ của gang Si

Thành phần hóa học

Sự tăng trọng lượng (g/m 2 h)

trên bề mặt chi tiết từ gang Si có grafit cầu là bền, không phá hủy tính liên tục trên toàn bộ bề mặt mẫu Sự cách ly hoàn toàn của tạp chất grafit 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 trở nên sự khuyếch tán tinh khiết Trong khi đó như ở gang có grafit tấm, cùng với quá trình khuyếch tán, sự oxy hóa xảy ra thường xuyên và quá trình tương tác hóa học trực tiếp của kim loại với môi trường oxy hóa được thấm sâu vào kim loại theo tạp chất grafit tấm Tính chất chống gỉ của gang có grafit dạng tấm trong cùng điều kiện thấp hơn rất nhiều

so với gang có grafit dạng cầu

Sự nở của gang Si có grafit cầu ở 9000C thực tế coi như không xảy ra Ở

10000C gang Si có grafit cầu mới biểu hiện sự nở Sự nở của gang Si tăng lên khi được hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit

Người ta sử dụng gang Si để sản xuất các chi tiết chính khác nhau, làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao Gang có grafit tấm – để làm việc đến nhiệt

độ 8000C, còn gang có grafit cầu – đến 9000C

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến công nghệ chế tạo gang cầu

Gang cầu là gang có grafit dạng cầu, grafit hình cầu ít gây phá hủy tính liên tục của nền, hiệu ứng tập trung ứng suất nhỏ, do đó gang cầu là loại gang

có độ bền và độ dai cao nhất, xấp xỉ giá trị của thép Vấn đề quan trọng trong sản xuất gang cầu là hiệu quả xử lý cầu hóa nước gang Trước đây người ta dùng Mg làm chất cầu hóa, song chất lượng gang không ổn định, thao tác phức tạp Ngày nay người ta dùng hỗn hợp đất hiếm và Mg làm chất cầu hóa

và chất tạo mầm là FeSi75 đã làm cho cho sản xuất gang cầu có bước phát triển mạnh, do giá thành gang cầu giảm xuống nhiều

1.3.1 Tác dụng của các chất biến tính cầu hóa trong gang lỏng

- Tác dụng khử oxy và khử khí của các nguyên tố cầu hóa trong gang Ở 1200-18000C, Ca,Ce, La có ái lực hóa học với oxy mạnh nhất, sau đến Mg, C,

Si, Mn, Fe và Na Theo nhiều nghiên cứu thì tác dụng khử oxy của đất hiếm khi dùng lượng chất biến tính là 0,5% trọng lượng gang lỏng cũng cho kết

quả.Thông thường Ce trong gang tác dụng với S trước sau đó mới tác dụng với oxy Nhiệt độ càng tăng khả năng khử oxy của đất hiếm giảm dần Các nguyên tố đất hiếm trong gang cũng tạo các hợp chất khác như silisit, cacsbit, phootsphit, nitơrit…bền vững và khó chảy

- Tác dụng khử S của các nguyên tố cầu hóa trong gang Mg và các nguyên tố đất hiếm khi tác dụng với S tạo ra các loại sunphit MgS,Ce2S3, CeS,

Ce4S4, do đó có tác dụng khử S rất mạnh Khi tăng nhiệt độ, hiệu suất khử S của các nguyên tố đất hiếm tăng lên (đến 75%) Hàm lượng S sau biến tính có thể giảm xuống 0,01% Phản ứng tạo sunphit của các nguyên tố đất hiếm là phản ứng tỏa nhiệt, làm tăng nhiệt độ của gang và làm giảm độ nhớt của gang lỏng nên sự nổi tạp chất suaphit cũng thuận lợi, tạo điều kiện cho các sunphit

đi vào xỉ Nếu giữ gang lỏng lâu sau biến tính cầu hóa, lượng S tăng lên do sunphit đất hiếm tác dụng với oxy ở bề mặt gang lỏng Kết quả là hàm lượng S trong gang sẽ tăng lên và hàm lượng đất hiếm (Ce) sẽ giảm đi

- Sự tồn tại của các nguyên tố cầu hóa để duy trì grafit dạng cầu Các nguyên tố dùng để biến tính cầu hóa thường bị cháy hao trong quá trình biến tính Đặc biệt là Mg có nhiệt độ nóng chảy thấp (6510C), nhiệt độ sôi không cao (11200C) (thấp hơn nhiệt độ gang lỏng khi biến tính) nên bị cháy hao rất mạnh Tùy vào điều kiện biến tính như thiết bị biến tính, nhiệt độ gang lỏng, thời gian biến tính mà hiệu suất thu hồi Mg rất khác nhau Với các chất biến tính đất hiếm do có nhiệt độ nóng chảy lớn (Tnc của Ce là 7930C, của La là

9200C) và nhiệt độ sôi cao (Tscủa Ce là 24170C) nên ít cháy hơn, không có sự sôi à bắn tóe nên hiệu quả sử dụng của nó cao hơn nhiều Để duy trì được gang có grafit dạng cầu thì sau khi biến tính, các chất biến tính còn phải được giữ một lượng ở trong gang Khi biến tính bằng Mg thì lượng Mg dư trong gang là 0,03 – 0,08%, khi biến tính bằng đất hiếm thì lượng Ce còn lại là 0,15-0,19% Còn khi biến tính phối hợp Mg và đất hiếm thì lượng Mg còn lại là 0,02% và lượng đất hiếm là 0,08 – 0,15%

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cầu hóa

- Ảnh hưởng của cacbon đương lượng Gang cầu thường có khuynh

hướng biến trắng do phải biến tính gang bằng các nguyên tố cacbit hóa như

Ce, Mg, các nguyên tố đất hiếm Mặt khác, do grafit ở dạng cầu đặc chắc, nên lượng grafit trong gang hơi cao không ảnh hưởng xấu đến chất lượng của gang Để sản xuất gang cầu thường sử dụng gang có thành phần sau cùng tinh

Cđl= Ct + 1/3 (Si + P)≥4,3 [2]

Trong đó : Cđl – thành phần cacbon đương lượng của gang (%)

Ct – Hàm lượng cacbon tổng cộng có trong gang (%)

Si, P – Hàm lượng Si lic và Phốt pho có trong gang (%) Thành phần gang đem biến tính phải có cacbon đương lượng trong giới hạn 4,3 4,6% và hàm lượng S phải dưới 0,05%

- Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh

Lưu huỳnh là tạp chất có hại khi sản xuất gang cầu Trong gang, thép, lưu huỳnh tồn tại ở dạng FeS, MnS và có thể tồn tại ở dạng tự do Lưu huỳnh hấp phụ chọn lọc lên bề mặt lăng trụ của tinh thể grafit, làm giảm năng lượng

bề mặt của lăng trụ và do đó làm tăng tốc độ phát triển của bề mặt này lớn hơn rất nhiều bề mặt cơ sở Kết quả là grafit phát triển thành dạng tấm

Khi biến tính gang bằng nguyên tố cầu hóa, các chất cầu hóa sẽ tác dụng với lưu huỳnh nên hàm lượng lưu huỳnh sẽ giảm đi Chỉ khi nào hàm lượng lưu huỳnh ≤0,03% thì gang được biến tính bằng Mg mới có giá trị ở dạng cầu

Hàm lượng lưu huỳnh càng tăng thì lượng chất biến tính cần để cầu hóa càng tăng Lượng chất biến tính cần khử lưu huỳnh có thể tính theo công thức sau :

Mgs =0,75 (Sđ – Ss)

Ces =4,15 (Sđ – Ss)

Trong đó : Mgs, Ces – lượng Mg, Ce cần để khử lưu huỳnh (%)

Sđ, Ss – hàm lượng lưu huỳnh trước và sau khi khử (%)

Hàm lượng lưu huỳnh trong gang trước biến tính càng giảm, mức độ cầu hóa và tính chất cơ học của gang cầu càng được cải thiện Hàm lượng lưu huỳnh trong gang trước biến tính cầu hóa nên trong giới hạn ≤0,02-0,03%

- Ảnh hưởng của loại và lượng chất biến tính :

Hiện nay có hai khuynh hướng sử dụng phối hợp hai loại chất biến tính đất hiếm – magiê

- Dùng Ce và các nguyên tố đất hiếm là cơ bản có thêm một lượng nhỏ

Mg(%) = [(0,04 - 0,1) + 0,76(S1 – S2)]/A [2]

Trong đó : S1 và S2 – hàm lượng S ban đầu và S còn dư lại

0,04 – 0,1 lượng Mg dư tùy thuộc vào chiều dày thành vật đúc

Khi lượng Mg không đủ thì sẽ tạo thành grafit lẫn lộn (cầu và tấm), khi quá thừa Mg thì gang bị trắng từng phần hoặc toàn bộ và vật đúc có khuyết tật đúc

Hiệu xuất tác dụng phụ thuộc vào lượng cháy hao Mg không những được quyết định bởi dạng và phương pháp cho chất biến tính vào mà còn được quyết định bởi nhiệt độ của gang, thời gian của phản ứng, và thời gian giữ kim loại sau khi xử lý

Thành phần một số hợp kim biến tính cầu hóa mà các cơ sở sản xuất ở Việt Nam thường sử dụng được nêu ở bảng 10