Nghiên cứu công nghệ đúc hai lớp hệ hợp kim gang Cr26 - thép C25 để chế tạo chi tiết búa đập than cho các nhà máy nhiệt điện

Cùng với sự phát triển công nghệ vật liệu, công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp hợp kim trên thế giới đã thu được nhiều thành tựu quan trọng, giải quyết nhiều vấn đề đặt ra trong ngành chế t

1

VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐÚC HAI LỚP HỆ HỢP KIM GANG CR26 - THÉP C25 ĐỂ CHẾ TẠO CHI TIẾT BÚA ĐẬP THAN

CHO CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

CNĐT : NGUYỄN VIỆT DŨNG

9604

HÀ NỘI – 2012

2

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN VỀ BÚA ĐẬP THAN HAI LỚP

1.2 Điều kiện làm việc

2.1 Tổng quan công nghệ đúc hai lớp

2.1.1 Phương pháp đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim 12

2.1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp trong nước 13

2.1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp trên thế giới 14

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp đúc nhiều lớp

2.2.1 Sự hình thành vùng chuyển tiếp giữa hai lớp tiếp xúc và

2.2.2 Sự hình thành liên kết cơ 22 2.2.3 Sự hình thành liên kết nhờ lực bám dính bề mặt 24

3 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÚA ĐẬP THAN

3.1.1 Tính chống mài mòn của gang Crom 25

3.1.2 Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới chất lượng của gang

3.2 Vật liệu làm đuôi búa

26

26 3.3 Khảo sát vật liệu trên mẫu búa nhập ngoại 27

4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÚC HAI LỚP

4.1 Đối tượng sản phẩm

4.2 Nghiên cứu đúc hai lớp ứng dụng trên búa đập than

28

30 4.2.1 Đúc hai lớp theo phương án lỏng + lỏng 30

4.2.2 Đúc hai lớp theo phương án rắn + lỏng 31

3

4.2.2.1 Đúc búa hai lớp với đuôi búa được nung nóng trước

4.2.2.2 Đúc búa hai lớp với đuôi búa được làm nóng bằng rót tràn

34

36 4.3 Quy trình công nghệ đúc búa đập than hai lớp

Bản vẽ thiết kế, bản vẽ công nghệ, giấy chứng nhận kiểm định sản phẩm,

sơ đồ công nghệ, biên bản khảo nghiệm…

57

4

Danh mục các bảng

1 Bảng 1 Một số sản phẩm chế tạo bằng công nghệ đúc bimetal 13

2 Bảng 2 Tỷ lệ thành phần các nguyên tố hợp kim tại các vùng

của cặp bimetal thép C25 - thép Cr12Mo 19

3 Bảng 3 Hệ số khuếch tán DЭΦ của các nguyên tố 19

4 Bảng 4 Thành phần hóa học của búa nhập ngoại 27

5 Bảng 5 Các lần thử nghiệm đúc búa hai lớp 39

6 Bảng 6 Thành phần hóa học của búa nhập ngoại và búa chế tạo

7 Bảng 7 Độ cứng tế vi của búa nhập ngoại và búa đúc tại Viện

5

Danh mục các hình vẽ

2 Hình 2 a) Đường cong phân bố đối với cặp bimetal 40Cr – Gang xám

b) Cấu trúc của cặp bimetal thép C25 – Cr12Mo 18

3 Hình 3 Đồ thị I Mối quan hệ của nhiệt độ rót, nhiệt độ nung phôi

4 Hình 4 Đồ thị II Mối liên hệ của nhiệt độ rót gang với thông số nhiệt độ lõi

10 Hình 10 Thiết kế công nghệ đúc búa hai lớp với đuôi búa được nung nóng

12 Hình 12 Lưu trình công nghệ chế tạo búa hai lớp bằng phương án rắn + lỏng

13 Hình 13 Thiết kế công nghệ đúc búa hai lớp với phương án rắn + lỏng rót

14 Hình 14 Lưu trình công nghệ chế tạo sản phẩm búa đập than hai lớp 43

20 Hình 20 Ảnh kim tương tại biên giới hai lớp của mẫu búa nhập ngoại - 200X 54

21 Hình 21 Ảnh kim tương tại biên giới hai lớp của mẫu búa đúc tại Viện -

6

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trên thế giới kỹ thuật đúc chi tiết, phụ tùng máy đang phát triển mạnh, song song với các ngành cán, rèn, dập Nhiều công trình nghiên cứu về các giải pháp công nghệ đã và đang được triển khai nhằm tìm ra những vật liệu mới và đưa vào ứng dụng có hiệu quả hơn trong ngành chế tạo máy Một trong những vật liệu mới phải kể đến là hợp kim đúc hai hoặc nhiều lớp (bi, tri-metal) Hợp kim đúc hai tập hợp được những tính chất cơ lý ưu việt và những đặc tính riêng biệt của từng vật liệu thành phần Nhờ đó, vật liệu đúc nhiều lớp cho phép sử dụng vật liệu một cách kinh tế, giảm được chi phí gia công, năng lượng, nhất là đối với loại hợp kim khó gia công

Cùng với sự phát triển công nghệ vật liệu, công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp hợp kim trên thế giới đã thu được nhiều thành tựu quan trọng, giải quyết nhiều vấn

đề đặt ra trong ngành chế tạo máy Công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp là vấn đề khoa học công nghệ phức tạp và tổng hợp Các nhà khoa học, vật liệu học trên thế giới vẫn tiếp tục nghiên cứu để xây dựng và hoàn thiện quy trình công nghệ

Công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp kim loại được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp Có thể kể đến một số chi tiết phụ tùng của máy bay, của công nghiệp sản xuất xi măng, của ngành điện,… và những chi tiết làm việc trong môi trường gia tốc cao, chịu mài mòn va đập Búa đập than trong máy nghiền than là một chi tiết làm việc trong môi trường có tính mài mòn cao, đòi hỏi đầu búa phải cứng để chịu được mài mòn va đập, trong khi đó phần thân búa lại phải dẻo dai để không bị gãy trong quá trình làm việc Vật liệu cứng và chịu mài mòn thường có xu hướng bị giòn Các vật liệu vừa cứng vừa bền có giá thành rất cao, nên chưa thể ứng dụng phổ biến Công nghệ đúc hai lớp hoặc nhiều lớp kim loại đang được đặt ra nhằm giải quyết vấn đề này

Tại Việt Nam, công nghệ đúc hai hoặc nhiều lớp kim loại mới chỉ được nghiên cứu và ứng dụng trong giới hạn là những sản phẩm đơn chiếc hoặc số lượng

7

nhỏ với chất lượng không ổn định, độ bền chưa cao Vì vậy Bộ Công Thương đã

cho phép Viện Công Nghệ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ đúc hai lớp hệ hợp kim gang Cr26 – thép C25 để chế tạo búa đập than cho các nhà máy nhiệt điện” Nghiên cứu đề tài thành công sẽ đóng góp thiết thực vào kế hoạch phát triển

nghành đúc tại Việt Nam, tiến tới việc làm chủ công nghệ, chủ động trong sản xuất, tránh phụ thuộc vào nước ngoài

8

Tóm tắt nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

− Nghiên cứu chế độ và môi trường làm việc, yêu cầu kĩ thuật của búa đập than

− Nghiên cứu công nghệ đúc hai lớp hệ hợp kim gang Cr26 và thép C25, lựa chọn phương pháp công nghệ đúc hai lớp phù hợp

− Nghiên cứu liên kết của 2 lớp hợp kim gang Cr26 và thép C25

− Nghiên cứu, thiết kế công nghệ đúc búa đập than hai lớp

− Chế tạo sản phẩm búa đập than hai lớp

− Lắp đặt và chạy khảo nghiệm sản phẩm búa tại cơ sở sản xuất

9

1 TỔNG QUAN VỀ BÚA ĐẬP THAN HAI LỚP

1.1 Đặc điểm búa đập than

Búa đập than có cấu tạo hình khối chữ nhật, có hai tai để gắn vào tay trục bằng chốt Búa dùng để nghiền mịn than đá trước khi đưa vào đốt trong các nhà máy nhiệt điện (hình 1)

Hình 1 Mẫu búa đập than

Các kích thước bao của búa: 115x115x176mm

1.2 Điều kiện làm việc

Búa đập than trong máy nghiền than có nhiệm vụ nghiền nhỏ mịn các cục than trước khi đưa vào đốt trong các nhà máy nhiệt điện Môi trường làm việc của búa rất khắc nghiệt do đầu búa phải va đập liên tục với than đá cứng lại có các cạnh sắc Vì vậy, đòi hỏi đầu búa phải cứng và chịu mài mòn cao Đuôi búa lắp vào trục quay nên khi làm việc đuôi búa chịu lực kéo văng lớn Yêu cầu đối với đuôi búa như vậy phải dẻo dai để không bị đứt, gẫy trong quá trình làm việc

10

1.3 Thực trạng sử dụng

Búa đập nghiền than được các nhà máy nhiệt điện nhập ngoại có chất lượng

sử dụng ổn định và đáp ứng được yêu cầu sản xuất Thời gian hoạt động trung bình của một quả búa làm việc trong điều kiện của nhà máy Nhiệt điện Sơn Động là 2.000 giờ

Búa đập nghiền than của các đơn vị sản xuất trong nước chế tạo có chất lượng sử dụng thấp Qua khảo sát tại nhà máy Nhiệt điện Sơn Động chúng tôi thấy rằng:

- Búa đập do các đơn vị sản xuất trong nước thường bị gẫy tai và bị mòn rất nhanh trong quá trình làm việc

- Thời gian hoạt động trung bình của một quả búa nghiền 600÷800 giờ

Do chất lượng hoạt động trung bình của búa đập nghiền than chế tạo trong nước không đáp ứng được yêu cầu sản xuất nên nhà máy vẫn phải sử dụng hàng nhập ngoại

Tìm hiểu môi trường và điều kiện làm việc, chúng tôi thấy các nguyên nhân, yếu tố quyết định độ bền của búa:

- Búa được chế tạo bằng vật liệu hai lớp: phía đầu búa dùng để đập thì cứng - phía đuôi búa dùng để lắp thì dẻo

- Búa có thành phần hợp kim phù hợp với điều kiện làm việc chịu mài mòn

va đập, chà xát liên tục

Như vậy, muốn đạt chất lượng cao cho búa, phải:

- Lựa chọn vật liệu đáp ứng được với điều kiện làm việc khắc nghiệt của búa đập nghiền than

- Tính toán nấu luyện hợp kim đạt thành phần hóa học chính xác

- Thiết kế công nghệ đúc, và chế tạo khuôn chính xác để vật đúc không bị khuyết tật

11

1.4 Nhu cầu sử dụng búa đập nghiền than trong các nhà máy nhiệt điện

Thực tế trong công nghiệp khai khoáng, cũng như các ngành chế biến, sản xuất xi măng, nhiệt điện, hàng năm sử dụng rộng rãi và với khối lượng rất lớn nhóm các phụ tùng chế tạo bằng vật liệu chịu mài mòn do ma sát và tác động va đập cao như: Răng gầu xúc, búa đập than và đập đá từ thép mangan cao, tấm lót máy nghiền bằng hợp kim Crôm cao Khối lượng sử dụng hữu ích trên mỗi chi tiết chiếm tới 20÷30%, còn lại trở thành phế liệu, sắt vụn Nhiều cơ sở áp dụng phương pháp hàn hồi phục, nhưng chất lượng và giá thành chưa thích ứng được với yêu cầu (búa đập than, búa đập đá vôi)

Búa đập than trong máy nghiền than là một chi tiết làm việc trong môi trường chịu mài mòn cao Phần đầu búa đòi hỏi phải cứng và chịu mài mòn va đập, trong khi đó phần đuôi búa lại phải dẻo dai để không bị gẫy trong quá trình làm việc Vật liệu cứng và chịu mài mòn va đập thường có xu hướng bị giòn Các vật liệu vừa cứng vừa bền có giá thành rất cao nên chưa được ứng dụng phổ biến Nhu cầu sử dụng các loại búa đập, đặc biệt là búa đập than là rất lớn Nếu có công nghệ bảo đảm chất lượng và sản xuất mang tính công nghiệp cao sẽ đem lại lợi ích kinh

tế rất lớn, tiết kiệm đáng kể nguồn kim loại quý hiếm, tiết kiệm chi phí gia công, tạo bước chuyển biến trong công nghệ vật liệu và chế tạo máy

Các nhà máy nhiệt điện trong nước hiện nay đều được xây dựng bởi thiết kế của các nước tiên tiến Nhật, Đức Chi tiết thay thế cũng được các nhà thầu cung cấp

và nhập khẩu về

Số liệu khảo sát cho thấy tại các nhà máy nhiệt điện mỗi năm một tổ hợp nghiền than cần 180 quả búa nghiền để thay thế Trong nhà máy có từ 2 đến 10 tổ hợp nghiền than tùy theo công suất thiết kế của nhà máy Việt Nam có hàng trăm

cơ sở nhiệt điện, nhu cầu cung ứng cho một nhà máy mỗi năm là rất lớn, tương đương với hàng tỷ Việt Nam đồng

13

2 CÔNG NGHỆ ĐÚC HAI LỚP

2.1 Tổng quan công nghệ đúc hai lớp

2.1.1 Phương pháp đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim

Đúc nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim là sự liên kết chặt chẽ giữa hai hay nhiều lớp kim loại hoặc hợp kim có thành phần hóa học khác nhau trong vật đúc Đúc nhiều lớp kim loại hợp kim sẽ tạo ra những vật đúc có tính năng kỹ thuật mới, đặc biệt là tính năng sử dụng Nó tổng hợp được những ưu điểm cần thiết của mỗi lớp kim loại, nên chi tiết sẽ có hiệu quả sử dụng cao nhất, chi phí thấp nhất Vật đúc tạo ra nhờ tính liên kết bề mặt kim loại, sự tổng hợp thành phần của nhiều lớp kim loại đã nâng cao được cơ lý tính của chi tiết

Có nhiều phương pháp đúc khác nhau nhằm đảm bảo sự liên kết vững chắc của các lớp kim loại, hợp kim của sản phẩm đúc Đối với đúc búa hai lớp đập than, hiện nay chủ yếu dùng hai phương pháp công nghệ cơ bản:

- Phương pháp công nghệ của pha lỏng + pha rắn: nung phần kim loại, hợp kim rắn tới nhiệt độ nhất định và rót kim loại lỏng vào khuôn có chứa pha rắn đó

Do ở nhiệt độ cao, trên bề mặt các lớp sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán các nguyên

tố giữa các pha lỏng và pha rắn tạo nên sự liên kết của các lớp kim loại

- Phương pháp công nghệ của pha lỏng + lỏng: rót hai kim loại tại cùng một thời điểm hoặc hai thời điểm khác nhau vào trong cùng một khuôn Sự khuếch tán giữa hai kim loại lỏng (nhưng không hòa tan ) sẽ tạo nên sự liên kết của các lớp kim loại trong khuôn

Công nghệ hai lớp (bimetal) kim loại hay hợp kim là kết quả nghiên cứu sự tiếp xúc nhau mà không hòa tan giữa các lớp kim loại, liên kết giữa pha lỏng – pha rắn và pha lỏng – pha lỏng Việc nghiên cứu thành công công nghệ đúc hai lớp, áp dụng vào thực tiễn cho phép giảm chi phí vật liệu, giảm trọng lượng máy móc thiết

bị, giảm chi phí lao động Bởi sản phẩm được chế tạo bằng phương pháp này sẽ đáp ứng tốt nhất các yêu cầu, các đặc tính của chi tiết máy Công nghệ đúc hai hay

14

nhiều lớp hợp kim có thể tạo ra những chi tiết có hình dạng phức tạp Đúc hai lớp

hợp kim cho phép nâng cao được cơ lý tính, độ bền, chống mài mòn cục bộ (vùng

chống mài mòn theo ý muốn), tránh được tính dòn và dễ vỡ của gang, hoặc của

nhóm các bít, tạo nên sự hiệu quả kinh tế của vật liệu, nâng cao tính chất công nghệ

của phôi và tạo ra những tính chất cơ lý mới cho chi tiết

Một số các sản phẩm được chế tạo bằng công nghệ đúc nhiều lớp tại một số

xí nghiệp của Liên Xô cũ được tác giả Ephimob tổng kết theo ( bảng1) [1]

Bảng 1 Một số sản phẩm chế tạo bằng công nghệ đúc bimetal

Chế tạo hàng loạt Sản phẩm công nghệ bimetal Tiết kiệm kim loại

TT Tên

sản phẩm Vật liệu

Khối lượng (kg)

Bộ đôi bimetal

Kim loại

cơ bản

Kim loại của phần làm việc

Thép-gang HK(%) theo khối lượng

Thép kết cấu (kg)

Các sản phẩm đúc bimetal sử dụng thép kết cấu các bon trung bình cho phép

tiết kiệm được khoảng 60% nhu cầu đối với thép hợp kim cao ЭИ-256, Mn13, Bk…v.v

Theo các nghiên cứu, công nghệ đúc hai lớp có thể tiết kiệm hợp kim và kim

loại quý hiếm, tăng 1,5 ÷ 4 lần hệ số an toàn chi tiết, giảm 1,5 ÷ 2 lần năng lượng,

giảm chi phí cho phục vụ sản xuất, khấu hao thiết bị

2.1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp trong nước

Công nghệ đúc bimetal đã được mở ra bằng những đề tài nghiên cứu khoa

học và công nghệ, nhưng chủ yếu giới hạn ở sản phẩm đơn chiếc hoặc số lượng

15

nhỏ, chất lượng không ổn định, độ bền trong sử dụng chưa cao và cũng chủ yếu là

bộ đôi hợp kim sắt + hợp kim mầu

Viện Công nghệ thuộc bộ Quốc phòng đã nhiều năm nghiên cứu bạc đồng chì bằng phương pháp đúc, ép và thiêu kết kim loại bột Ngoài ra Viện đã nghiên cứu chế tạo dao thái bằng phương pháp hàn nổ Nhưng các công trình đều dừng lại

ở các sản phẩm thí nghiệm hoặc chỉ mới tạo ra các sản phẩm của đề tài

Nhà máy Điêzen Sông Công đã đúc bạc thép + hợp kim đồng chì bằng phương pháp đúc nhúng

Một số cơ sở khác đã nghiên cứu và đúc thử loại sản phẩm với các công nghệ khác nhau: đúc nhúng, đúc ly tâm, đúc trong khuôn kim loại, phương pháp hàn nổ Những vướng mắc lớn nhất mà công nghệ đúc bimetal là tính bám dính, thiên tích, độ bền trong sử dụng không đều nhau

Cho đến nay, công nghệ đúc bimetal ở trong nước còn chưa có nhiều nghiên cứu áp dụng thực tiễn Riêng đúc bimetal từ các hợp kim đen như dạng búa hai lớp thì hầu như không có cơ sở nào nghiên cứu, chế tạo

2.1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ đúc nhiều lớp trên thế giới

Từ những năm 35, 45 của thế kỷ trước, thế giới đã nghiên cứu và cho sản xuất ra nhiều sản phẩm đúc bimetal, tiêu biểu là bộ đôi thép cacbon và hợp kim đồng để làm bạc cho các vũ khí phục vụ trong chiến tranh thế giới thứ hai Đã xuất hiện những dây truyền hiện đại chuyên đúc sản phẩm bạc bằng vật liệu bimetal (nhà máy ô tô Zil Liên Xô cũ)

Những năm 70 của thế kỷ XX tại Liên Xô cũ và Châu Âu đã xuất hiện dây chuyền cán băng bằng vật liệu thép các bon - hợp kim đồng và những bộ đôi khác

là sắt – kim loại mầu Trong đó có nhà máy ô tô hạng nặng Bela của Nga, hãng Peugot của Pháp

Những năm 80 của thế kỷ XX, một Trung tâm khoa học chuyên về đúc đã bắt tay vào nghiên cứu và xây dựng lý thuyết cơ bản về kim loại học, bản chất hiện

16

tượng khuếch tán nguyên tử giữa hai hay nhiều hợp kim khác nhau, hiện tượng lý nhiệt, động lực học của quá trình hình thành phôi đúc hai hay nhiều lớp hợp kim khác nhau Đặc biệt là các hợp kim trên nền sắt, xây dựng quy trình công nghệ đúc sản phẩm, lý thuyết về chọn bộ đôi cho đúc bimetal [2] Điển hình là những bộ đôi sau đây:

Giải pháp công nghệ mà các nước sử dụng là chọn kim loại làm cốt là thép cac bon kết cấu, được chế tạo bán sản phẩm hoặc chi tiết, sau đó làm sạch bề mặt, bảo vệ bề mặt đó khỏi sự ô xy hóa ở nhiệt độ cao trong quá trình nung Tiếp theo là nấu kim loại hợp kim với thành phần theo ý muốn rồi rót vào khuôn, để nguội cùng khuôn, lấy ra kiểm tra chất lượng bám dính và cho di gia công thành sản phẩm hoàn chỉnh

Ngoài ra cũng có công nghệ đúc nhúng, hoặc đúc ly tâm Đúc hai hay nhiều lớp kim loại lỏng khác nhau kết hợp cùng lúc, hoặc theo thứ tự rót kim loại lỏng vào một khuôn cho sản phẩm bimetal

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp đúc nhiều lớp

2.2.1 Sự hình thành vùng chuyển tiếp giữa hai lớp tiếp xúc và liên kết nhờ quá trình khuếch tán

Một phần chi tiết (pha rắn) được đặt sẵn trong khuôn đúc, khi rót kim loại lỏng xảy ra liên kết thành thể thống nhất Hiện tượng trên có thể giải thích là kết quả của lực liên kết cơ học, lực bám dính, lực liên kết nguyên tử và quá trình

Viện Vật lý các kim loại và hợp kim đã kết hợp cùng Viện hàn Paton (thành phố Kiép – Ucraina ) [3] nghiên cứu các tính chất hóa lý của hệ thống trợ dung và

đã đưa ra các thành phần trợ dung tổng hợp có hiệu quả cao Đó là trợ dung có nhiệt độ cùng tinh gần giống như của hợp kim trên cơ sở tổng hợp của muối Borát (Na2B4O7.10H2O) và axít Boríc (H2B4O7 ) với các thành phần hoạt hóa phụ khác Loại trợ dung tổng hợp này có độ hòa tan các oxít kim loại cao, không bị phân hủy

ở nhiệt độ 1000 ÷ 11000C, tăng mật độ của các ion trong cấu trúc Chiều dày lớp màng phủ trợ dung ở nhiệt độ 1000 ÷ 11000C khoảng 0,4 ÷ 0,6mm Khi độ nhớt là

4 ÷ 6 Pa.c, sức căng bề mặt 200 ÷ 210 Mdj/m2 và tỷ trọng 2,0 ÷ 2,2 g/cm3 Góc bám tại bề mặt làm việc trong khoảng (15 ÷ 20)0 Lớp trợ dung phủ này hoàn toàn cho phép bảo vệ nung mặt kim loại có nền sắt trong môi trường bình thường của không khí, tạo điều kiện cho quá trình liên kết khuếch tán giữa kim loại lỏng và kim loại rắn Lớp trợ dung bảo vệ tốt bề mặt kể cả trong trường hợp nhiệt độ nung

có thể cao hơn nhiệt độ nóng chảy một chút, chúng có thể đóng vai trò trung hòa các oxít Đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho qúa trình tinh luyện của xỉ gồm nhiều thành phần oxít

Khi rót kim loại lỏng vào kim loại rắn, hiện tượng khuếch tán bão hòa bề mặt thường xuyên cản trở qúa trình hòa tan Khi đạt được mật độ nhất định của các nguyên tố hợp kim sẽ xảy ra hiện tượng nóng chảy bề mặt Theo định luật Nersta đưa vào khái niệm lớp biên giới bão hòa, trong đó đạt được độ đậm đặc lớn nhất

d – chiều dày của lớp tại biên giới 2 lớp

CA – mức độ kim loại hòa tan tại lớp gần biên giới với kim loại lỏng

D – hệ số khuếch tán Trên biên giới của hai lớp kim loại còn có thể xuất hiện một hiệu điện thế

∆U, do những hiện tượng cảm ứng nhiệt điện tử hoặc ion hóa các nguyên tử khuếch tán

Một quá trình đóng vai trò quan trọng là cần nghiên cứu trạng thái ứng suất nhiệt của vật đúc bimetal, trong đó có mối quan hệ tới việc lựa chọn cặp kim loại sẽ đúc bimetal để đảm bảo tốt cho quá trình khuếch tán, tối ưu hóa công nghệ chế tạo

để đạt được hiệu quả sử dụng cao nhất

Giáo sư tiến sĩ KOSKENKO (Viện vật lý công nghệ kim loại và hợp kim – Ucraina ) đã nghiên cứu rất kỹ hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán của cặp bimetal thép C25 – thép X12M trên các thiết bị phân tích hiện đại

Ông đã giới thiệu kết quả sự phân bố các nguyên tố hợp kim và cấu trúc của các khu vực trong vùng khuếch tán của kim loại lỏng và rắn trong vật đúc bimetal (hình 2) [2]

Các vùng trên hình

Vùng I: - Nền kim loại cơ bản đã có một số kim loại lỏng thẩm thấu tới

Vùng II: - Vùng giáp biên với kim loại cơ bản, ở đây có hiện tượng hòa tan nền kim loại cơ bản và thẩm thấu, khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại lỏng và kim loại rắn

Vùng III: - Có cấu trúc và thành phần của kim loại phần làm việc của chi tiết

bimetal

19

Hình 2 a) Đường cong phân bố đối với cặp bimetal 40Cr – Gang xám

b) Cấu trúc của cặp bimetal thép C25 – Cr12Mo

Nghiên cứu thành phần các pha lỏng và rắn và tại vùng biên giới giữa 2 pha,

ông đã thu được kết quả nêu tại bảng 2

Qua bảng kết quả trên ta thấy tại vùng biên giới giữa 2 pha lỏng và rắn đã có hiện tượng khuếch tán các nguyên tố hợp kim của kim loại lỏng vào kim loại rắn Nguyên tố khuếch tán được nhiều nhất là Cr, sau đó là Si, C và Mo

Vùng Cr, Mn Vùng Cu, Si a)

b)

20

Bảng 2 Tỷ lệ thành phần các nguyên tố hợp kim tại các vùng của cặp bimetal thép C25 – thép Cr12Mo [4]

Vùng biên giới hai kim loại

(II) (lấy từ phía thép Cr12Mo,

chưa có các bít)

1,4 1,5 7 0,7 88,8 0,1 0,4

3 Vùng thép péclít Cr12Mo (III) 2,6 1,7 12,4 0,7 81,5 0,1 0,9 Giới thiệu hệ số khuếch tán của một số nguyên tố thường được hợp kim trong thép

Bảng 3 Hệ số khuếch tán D ЭΦ của các nguyên tố [2]

Bộ đôi bimetal Nguyên tố

Ghi chú: khoảng nhiệt độ khuếch tán 1400÷1420 0 C, 1250 0 C

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng những quy luật phụ thuộc giữa nhiệt độ nung, nhiệt độ rót của hai thành phần lỏng + rắn (gang + thép) là chi tiết cấy và bề dày vùng tiếp xúc được tạo nên

21

Đồ thị I: Mối quan hệ của nhiệt độ rót, nhiệt độ nung phôi và nhiệt độ bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp gang lỏng và rắn Người ta nhận thấy rằng khi tăng nhiệt độ nung của pha rắn có thể giảm được nhiệt độ quá nhiệt trước khi rót của kim loại lỏng vẫn có thể đảm bảo bề mặt tiếp xúc có nhiệt độ đảm bảo cho sự khuếch tán (1130 ÷1160OC) ( hình 3)

Hướng tăng nhiệt độ nung pha rắn

Hình 3 Đồ thị I Mối quan hệ của nhiệt độ rót, nhiệt độ nung phôi

và nhiệt độ bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp gang lỏng và rắn

22

Đồ thị II: Khi nghiên cứu các thông số nhiệt độ lõi thép, bề dày lớp tiếp xúc

và nhiệt độ rót người ta đã vẽ được đồ thị trên phụ thuộc vào nhiệt độ rót gang lỏng Đồ thị cho thấy rằng bề dày lớp tiếp xúc của kim loại tăng tỷ lệ thuận với sự gia tăng của nhiệt độ lõi thép và nhiệt độ rót (hình 4)

Hình 4 Đồ thị II Mối liên hệ của nhiệt độ rót gang

với thông số nhiệt độ lõi thép, bề dày lớp tiếp xúc

Hướng tăng nhiệt

độ

23

Không thể đạt được sự hình thành vùng tiếp xúc nếu bản chất biên độ dao động của nguyên tử thuộc hai thành phần nhỏ hơn khoảng cách giữa hai chi tiết khi tiếp xúc…Sự di chuyển của các bon từ gang vào thép ở trạng thái nung có thể theo quy luật sau: Trên bề mặt chi tiết bằng thép cấy bão hòa các nguyên tử các bon từ gang lỏng rót vào Một phần bề mặt chi tiết thép bị tan Chính nhờ hiện tượng tan

bề mặt chi tiết thép mà xuất hiện hiện tượng khuếch tán nguyên tử các bon từ gang sang thép, đồng thời trong điều kiện trên cũng khuếch tán các nguyên tố khác như:

Do quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển, chi tiết được

sử dụng công nghệ đúc hai hay nhiều lớp được sử dụng rộng rãi Việc nghiên cứu

mở rộng quy mô công nghệ đúc hai hay nhiều lớp là nhiệm vụ quan trọng do đó yêu cầu công nghệ cần có những nghiên cứu cơ bản Trong đó phải nghiên cứu các hiện tượng thủy động học xảy ra trong vật đúc, các hiện tượng giữa hoặc trên bề mặt các pha, trạng thái ứng suất nhiệt

Các điều kiện thủy động học để hình thành các chi tiết theo công nghệ đúc nhiều lớp được xác định bằng các định luật chuyển động của kim loại lỏng trong các phần mỏng với tính toán có sự chuyển biến pha, tuân thủ theo phương trình nhiệt [5]:

2 1 1

2 ln

Nus F G

T T C

T Tφ

λ δ

∆

−

Trong đó:

∆G: Khối lượng kim loại qua tiết diện ∆F

T1: Nhiệt độ rót ban đầu

24

T2 : Nhiệt độ dòng chảy

Tφ : Nhiệt độ của khuôn

δ : Chiều dày lớp cần rót Nus : Hệ số không đơn vị ∼1

C : Nhiệt dung

λ : Độ dẫn điện Công thức cho thấy khi thay đổi đại lượng hệ số trao đổi nhiệt Nus Ví dụ có thể cho một tác dụng nhiệt bên ngoài hoặc tác động của từ trường thì có thể đẩy nhanh quá trình hình thành vật đúc bimetal Do đó có thể tìm ra những biện pháp công nghệ hữu hiệu khi chế tạo vật đúc bimetal

Người ta thấy rằng lực căng bề mặt cũng đóng vai trò đáng kể trong việc hình thành vật đúc có nhiều lớp Khi trợ dung có hoạt tính cao có thể làm giảm sức căng bề mặt giữa kim loại lỏng và trợ dung (σPL), làm tăng sức căng bề mặt trên biên giới giữa vật rắn và trợ dung(σPR), do đó tăng khả năng bám dính của kim loại lỏng trên bề mặt pha rắn và từ đó có thể viết phương trình :

d K dk

=

và

2 2

d K dk

Một yếu tố hết sức quan trọng nữa là trạng thái điền đầy khuôn khi rót kim loại lỏng vào khuôn Trong đó các yếu tố đóng vai trò quan trọng là độ sạch của bề mặt tiếp xúc, trợ dung bảo vệ phôi, thời gian nung phôi và nhiệt độ nung phôi, nhiệt

độ kim loại lỏng khi rót khuôn

d1 dk d2

26

3 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÚA ĐẬP THAN

3.1.Vật liệu làm đầu búa

Đầu búa là phần trực tiếp va đập với than đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có độ cứng cao và chịu mài mòn va đập Có rất nhiều vật liệu chịu mài mòn tốt như một

số thép hợp kim cao với V, W, Mo, Cr, Mn Tuy nhiên đối với môi trường đập than trong các nhà máy nhiệt điện thì gang crom là vật liệu phù hợp hơn bởi những yếu tố sau: giá thành gang crom thấp hơn thép hợp kim cao; công nghệ đúc gang crom thuận lợi hơn so với một số loại thép hợp kim chịu mài mòn; độ cứng của gang crom lại cao tương đương với độ

cứng của một số loại thép, lên đến

60HRC Do đó phần đầu búa đập than

làm bằng gang crom là hợp lý

3.1.1 Tính chống mài mòn của gang

Crôm

Hiện nay phần lớn các chi tiết

làm việc trong điều kiện ăn mòn, mài

mòn đều được chế tạo bằng gang

Crom Hàm lượng Crom trong gang

nằm trong khoảng 12 ÷35 %

Trong hợp kim Fe-C, crom được

phân bố trong dung dịch rắn và các bít

Các bít được hình thành tùy thuộc hàm

lượng các bon Chất lượng của gang

hoàn toàn phụ thuộc vào pha nền và

loại hạt các bít nào được tạo ra trong

quá trình kết tinh.Trong dung dịch rắn, crom hòa tan và hình thành các pha α và γ

27

biến thể Các bít crom có thành phần dao động trong khoản rộng từ M3C (chứa 15%Cr); M7C3 (chứa 36% Cr) đến M23C6 (chứa 70% Cr) Khi hàm lượng cao, Crom còn hòa tan trong Xementit để hình thành xementi hợp kim Gang Crom cùng tinh có khả năng chịu mài mòn tốt hơn cả vì tổ chức của nó bao gồm (austenit + Cr7C3) Pha cứng Cr7C3 là pha quyết định tính chịu mòn của gang [7] Việc chọn thành phần của gang Crom có thể dựa vào hình 5

3.1.2 Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới chất lượng của gang

* Các bon là nguyên tố làm giảm khả năng chịu nhiệt của gang ở nhiệt độ cao Đường lỏng giảm từ 14000C xuống 13500C khi lượng C tăng từ 1,5 lên 2% Hàm lượng C tỉ lệ với Cr còn quyết định lượng các bít hình thành trên trong tổ chức, quyết định độ chịu mài mòn

* Crom là nguyên tố quyết định sự chịu mài mòn của gang Tùy theo môi trường làm việc của chi tiết mà ta dùng hàm lương Crom khác nhau trong khoảng 12÷35%

* Silic có ảnh hưởng tới tính chịu nhiệt của gang Tuy nhiên silic làm cho gang crom dễ bị nứt, nên thành phần cũng không được vượt quá 3%

* Hàm lượng Mn trên 1% sẽ làm gang crom dễ bị nứt nóng và tăng độ nhạy cảm va đập nhiệt và làm giảm tính đúc của gang

* Niken hóa sẽ làm tăng cơ tính, độ chịu nhiệt, và điện trở tăng một cách đáng kể Lượng Ni chỉ sử dụng trong khoảng 1÷4% tùy theo hàm lượng Cr

*Molibdel là nguyên tố làm nhỏ mịn hạt, làm nhỏ mịn tổ chức, tăng độ bền

độ dai va đập, tăng độ cứng của gang [8], [9]

3.2 Vật liệu làm đuôi búa

Đuôi búa là phần không tiếp xúc với than, được lắp ráp với tay búa trên trục quay Đuôi búa chịu lực văng trong quá trình hoạt động, đòi hỏi vật liệu chế tạo phải dẻo dai để không bị gẫy vỡ trong quá trình làm việc Búa đập than khi mòn gần đến phần đuôi búa thì được thay thế, do đó vật liệu chế tạo đuôi búa được làm

28

bằng vật liệu có giá thành thấp hơn đầu búa nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu làm việc của chi tiết Thép đúc C25 làm đuôi búa là vật liệu có giá thành thấp hơn gang crom 26 nhiều mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu trên

3.3 Khảo sát vật liệu trên mẫu búa nhập ngoại

Mẫu búa sau khi được lấy tại nhà máy nhiệt điện Sơn Động mang về phân tích tại Phòng thí nghiệm kiểm định vật liệu - Viện Công nghệ Kết quả cho thấy búa được chế tạo bằng vật liệu hai lớp có thành phần như sau (bảng 4):

Bảng 4 Thành phần hóa học của búa nhập ngoại

Thành phần hóa học,%

Mẫu búa

C Si Mn Cr Mo P S Đuôi búa 0,31 0,29 0,49 0,78 - 0,022 0,03 Mẫu nhập

ngoại Đầu búa 2,79 0,41 0,57 23,58 1,58 0,02 0,015

Ở đây ta thấy búa được chế tạo bằng vật liệu hai lớp kết hợp giữa thép và gang chịu mài mòn để tận dụng tính ưu việt của từng loại vật liệu, đồng thời để phù hợp với yêu cầu làm việc của từng phần búa

Phần đuôi búa được làm bằng thép C25 có độ dẻo dai, chịu được lực văng tốt hơn gang crom Vật liệu thép C25 sẽ đảm bảo búa không bị gãy, đứt trong qua trình làm việc

Phần đầu búa là phần trực tiếp va đập với than, đòi hỏi độ chịu mài mòn cao được làm bằng hợp kim gang Cr Gang crom cứng, giúp đầu búa ít bị mài mòn khi làm việc

Qua phân tích thành phần vật liệu chế tạo búa đập than nhập ngoại ta thấy phần đầu búa làm bằng hợp kim gang Cr được bổ sung thêm Mo là nguyên tố làm nhỏ mịn tổ chức kim loại, tăng độ bền và độ dai va đập

Theo kinh nghiệm sử dụng và yêu cầu của Nhà máy, Viện Công nghệ đã đưa thêm nguyên tố Mo vào gang Cr26 làm đầu búa đập than

Búa đập than (hình 6) có một số đặt điểm sau:

- Kích thước bao: 115x115 / 118x115mm, cao 176mm

- Khối lượng: 14kg

- Chi tiết dùng ở dạng thô, không cần gia công

- Chi tiết khá dày về mặt đúc, không đồng đều, chỗ dày nhất lên đến 120mm Búa phải đảm bảo không bị co ngót, nứt, rỗ

Chế tạo búa đập than liên quan đến nhiều lĩnh vực công nghệ như: Thiết kế công nghệ đúc, chế tạo khuôn, nấu luyện Để đạt được kết quả cao thì quy trình công nghệ phải thỏa mãn các yêu cầu:

- Đảm bảo độ chính xác kích thước hình học của chi tiết

- Đảm bảo yêu cầu về sự liên kết giữa hai lớp kim loại

- Đảm bảo yêu cầu đúng thành phần hóa học của vật liệu

- Công nghệ chế tạo phải phù hợp với thiết bị công nghệ hiện có

- Đảm bảo năng suất lao động, giá thành sản phẩm

30

Hình 6 Bản vẽ chi tiết búa đập than