Hoàn thiện công nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật liệu thép trắng chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất khẩu

Từ năm 2005 đến nay công ty đã cung cấp bánh công tác và phụ tùng bơm cho công ty liên doanh chế tạo bơm EBARA Hải Dương bằng thép không gỉ để chế tạo bơm xuất khẩu cho các nước trong kh

CÔNG TY CỔ PHẦN CƠ KHÍ HÒN GAI - VINACOMIN

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ ĐÚC, NHIỆT LUYỆN CHẾ TẠO BÁNH CÔNG TÁC VÀ PHỤ TÙNG BƠM BẰNG VẬT LIỆU THÉP TRẮNG CHẤT LƯỢNG CAO

PHỤC VỤ NGÀNH MỎ VÀ XUẤT KHẨU

CNĐT : VŨ HỮU BÌNH

9380

HÀ NỘI – 2012

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài 12

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở trong nước 13

1.2.3 Luận cứ về xuất xứ và tính cấp thiết của dự án 13

1.3 Khảo sát thực trạng và nhu cầu sử dụng bánh công tác, phụ tùng

bơm

14 1.3.1 Thực trạng sử dụng 14

1.4 Nghiên cứu thực trạng công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện các

sản phẩm bằng vật liệu thép không gỉ

17

1.5 Phân tích những vấn đề dự án cần giải quyết 18

1.5.1 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu 18

1.5.2 Nghiên cứu hoàn thiện QTCN vá các thông số kỹ thuật chế tạo

khuôn đúc, nấu luyện hợp kim và nhiệt luyện

18

1.5.3 Đào tạo công nghệ, ổn định chất lượng sản phẩm, chủng loại

sản phẩm và nâng cao khối lượng sản phẩm cần SXTN để khẳng định

công nghệ

19

Chương 2: Nghiên cứu lựa chọn vật liệu 21

2.1 Cơ sở lý thuyết về ăn mòn và bảo vệ vật liệu kim loại 21

2.1.1 Các dạng ăn mòn kim loại 21

2.1.2 Cơ chế của ăn mòn điện hoá 21

2.1.3.1 Tốc độ ăn mòn khối lượng 26

2.1.3.2 Tốc độ ăn mòn thâm nhập 26

2.1.4 Sự thụ động kim loại 28 2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn kim loại 28

2.1.5.1 Ảnh hưởng của bản chất kim loại 28

2.1.5.2 Ảnh hưởng của cấu trúc và thành phần của hợp kim 29

2.4 Lựa chọn vật liệu chể tạo bánh công tác và phụ tùng bơm nước 41

2.4.1 Căn cứ lựa chọn vật liệu 41

2.4.2 Lựa chọn vật liệu 41

Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của

thép không gỉ

44

3.3 Ảnh hưởng của công nghệ nhiệt luyện 46

Chương 4: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ đúc, công nghệ nhiệt

luyện

48

4.1 Nghiên cứu tổng thể công nghệ chế tạo 48

4.2.1 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác 50

4.2.1.1 Phân tích kết cấu bánh công tác các loại 50

4.2.1.2 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác loại trục ngang 51

4.2.1.3 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác loại trục đứng 64

4.2.2 Thiết kế công nghệ phụ tùng bơm 67 4.2.3 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác và phụ tùng bơm

4.3.1.2 Lựa chọn vật liệu và pha trộn hỗn hợp cát – nhựa 79

4.3.2 Nghiên cứu hỗn hợp sơn khuôn 83

4.3.3 Nghiên cứu QTCN chế tạo khuôn đúc 85 4.3.3.1 QTCN chế tạo khuôn đúc bánh công tác 86

4.3.3.2 QTCN chế tạo khuôn đúc phụ tùng bơm các loại 91

4.4 Nghiên cứu QTCN nấu luyện thép không gỉ chất lượng cao 96

4.4.1 Nghiên cứu lựa chọn nguyên vật liệu chính để nấu luyện 96

4.4.2 Lựa chọn thiết bị để nấu luyện 97 4.4.3 Công nghệ nấu luyện thép không gỉ chất lượng cao 98

4.4.3.1 Xác định tỷ lệ cháy hao các nguyên tố khi nấu luyện 98

4.4.3.2 Tính toán phối liệu để nấu luyện 99

4.4.3.3 QTCN nấu luyện thép SCS 13,SCS 14 trong lò cảm ứng

trung tần

101

4.5 Nghiên cứu QTCN nhiệt luyện thép không gỉ chất lượng cao 102

4.5.1 Nghiên cứu các yếu tố đặc trưng của quá trình nhiệt luyện 102

4.5.2 Thiết kế đồ gá cho nhiệt luyện 104

4.5.3 QTCN nhiệt luyện thép không gỉ SCS 13, SCS 14 104

Chương 5: Quá trình tổ chức sản xuất thử nghiệm 108

5.1 Năng lực triển khai và tác động đến môi trường khi thực hiện dự án 108

5.1.1 Năng lực triển khai và hoàn thiện công nghệ theo mục tiêu dự

án

108

5.1.2 Đánh giá tác động môi trường do việc triển khai dự án 111

5.2.1 Các yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm SXTN 111

5.2.1.2 Các yêu cầu về chất lượng sử dụng 112

Phụ lục 1: Các văn bản pháp lý

1 Quyết định về việc thực hiện đặt hàng thực hiện các nhiệm vụ khoa

học và công nghệ năm 2011, 2012 của Bộ Công Thương

2 Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công

nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số

10.11.SXTN/HĐ-KHCN ngày 12 tháng 6 năm 2011 giữa Bộ Công Thương và công ty

CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin

4 Biên bản nghiệm thu 02 đề tài nghiên cứu KHCN xuất xứ của dự án

Phụ lục 2: Bản vẽ chi tiết và bản vẽ thiết kế công nghệ đúc bánh công

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SXTN: Sản xuất thử nghiệm QTCN: Quy trình công nghệ NCKH: Nghiên cứu khoa học PACN: Phương án công nghệ DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Số lượng, chủng loại bơm nước TVN đang sử dụng tính đến năm 2010

2 Bảng 2.1 Vật liệu kim loại và tính bền ăn mòn trong các môi trường khác nhau

3 Bảng 2.2 Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Mactenxit

4 Bảng 2.3 Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Ferit

5 Bảng 2.4 Thành phần hóa học của các thép không gỉ Cr-Ni với tổ chức Austenit

10 Bảng 2.9 Cơ lý tính của thép không gỉ SCS 13, SCS14 sau khi tôi nước ở 11300C

11 Bảng 4.1 Danh mục các chi tiết phụ tùng bơm 350x200 CKNM, 450 VZM

12 Bảng 4.2 Các thông số hệ thống rót vành mòn LYF 316

13 Bảng 4.3 Các thông số hệ thống rót bánh công tác 450 VZM

14 Bảng 4.4 Các thông số hệ thống rót vành mòn thân bơm 450 VZM

15 Bảng 4.5 Thời gian điền đầy của hệ thống

16 Bảng 4.6 Yêu cầu thành phần hóa học của thép phế liệu SUS 304, SUS 316 sử

dụng để nấu luyện hợp kim SCS 13, SCS 14

17 Bảng 4.7 Yêu cầu kỹ thuật vật tư chính để hợp kim hóa

18 Bảng 4.8 Hệ số cháy hao các nguyên tố khi nấu trong lò cảm ứng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

TT Tên hình vẽ,

đồ thị

Nội dung hình vẽ, đồ thị

1 Hình 2.1 Lớp điện tích kép khi nhúng thanh đồng vào dung dịch điện ly CuSO4

2 Hình 2.2 Giản đồ Sắt- Cacbon ứng dụng trong điều kiện thực tế đối với vật đúc

bằng thép Cacbon và thép hợp kim thấp

3 Hình 2.3 Giản đồ tổ chức tép Cr-Ni

4 Hình 2.4 Ảnh tổ chức thép không gỉ Austenit tiêu chuẩn

7 Hình 4.1 Sơ đồ QTCN chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm nước bằng vật liệu

thép không gỉ

8 Hình 4.2 Kết cấu bánh công tác miệng hút một phía và hai phía

9 Hình 4.3 Hình ảnh bộ mẫu bánh công tác

10 Hình 4.4 Phương án rót kim loại từ trên xuống

11 Hình 4.5 Phương án rót kim loại từ bên hông vào

12 Hình 4.6 Phương án rót kim loại từ bên hông vào thông qua đậu ngót ngầm

13 Hình 4.7 Phương án rót kim loại từ dưới lên

14 Hình 4.8 Sơ đồ vị trí vật đúc trong khuôn

15 Hình 4.9 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác trục ngang miệng hút hai phía

18 Hình 4.12 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác trục ngang miệng hút một phía

loại đơn giản

19 Hình 4.13 Hình ảnh bộ mẫu bánh công tác bơm nước trục đứng

20 Hình 4.14 Thiết kế công nghệ đúc bánh công tác nước trục đứng

21 Hình 4.15 Thiết kế công nghệ đúc vành mòn thân

22 Hình 4.16 Thiết kế công nghệ đúc chi tiết vành mòn, vành chắn nước

23 Hình 4.17 Thiết kế công nghệ đúc chi tiết bích ép túp

24 Hình 4.18 Biểu đồ gia nhiệt đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện

25 Hình 4.19 Công nghệ nhiệt luyện thép không gỉ có tổ chức Austennit

26 Hình 4.20 Biểu đồ gia nhiệt để nhiệt luyện bánh công tác và phụ tùng bơm bằng

thép không gỉ SCS 13, SCS 14

MỞ ĐẦU

Từ những năm 2000 các loại bơm nước sử dụng để bơm thoát nước phục

vụ cho khai thác mỏ chế tạo bằng gang hợp kim và hợp kim đồng có thời gian sử dụng rất thấp do bánh công tác và phụ tùng bơm bị ăn mòn trong quá trình làm việc Xuất phát từ tình hình trên các đơn vị khai thác mỏ đã nhập khẩu bơm nước bằng thép không gỉ để phục vụ cho sản xuất

Để cung cấp phụ tùng thay thế cho các bơm nước nhập khẩu cũng như chế tạo bơm nước trọn bộ, từ năm 2002 công ty CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin đã bước đầu nghiên cứu chế tạo các chi tiết của bơm nước bằng vật liệu chịu ăn mòn thay thế gang hợp kim và hợp kim đồng Từ năm 2005 đến nay công ty đã cung cấp bánh công tác và phụ tùng bơm cho công ty liên doanh chế tạo bơm EBARA Hải Dương bằng thép không gỉ để chế tạo bơm xuất khẩu cho các nước trong khu vực và nội địa.Tuy nhiên về mặt chất lượng đặc biệt là thời gian sử dụng còn có những hạn chế so với sản phẩm cùng loại chế tạo ở các nước có ngành công nghiệp phát triển Trước nhu cầu của khai thác mỏ, cũng như các ngành kinh tế khác và thị trường quốc tế cần thiết nâng cao chất lượng bánh công tác và phụ

tùng bơm Để đạt được mục tiêu đề ra cần thiết thực hiện dự án: Hoàn thiện công

nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật liệu thép trắng chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất khẩu

Dự án được hình thành xuất xứ từ 02 đề tài NCKH:

+ Đề tài nghiên cứu cấp Tổng Công ty Than Việt Nam năm 2000-2001: Nghiên cứu thiết kế chế tạo bánh công tác bơm 900 m3/h, 1250 m3/h chịu ăn mòn

a xít phục vụ khai thác mỏ, đã được hội đồng KHCN Tổng Công ty Than Việt Nam đánh giá nghiệm thu xếp loại đạt ngày 19 tháng 11 năm 2002

+ Đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2005: Nghiên cứu chế tạo chế tạo bơm nước 630 m3/h bằng thép không gỉ, đã được hội đồng KHCN Bộ Công Thương đánh giá nghiệm thu xếp loại xuất sắc ngày 24 tháng 3 năm 2006

- Đào tạo cán bộ công nghệ và công nhân kỹ thuật làm chủ các QTCN để

áp dụng kết quả của dự án vào sản xuất công nghiệp

Với năng lực đội ngũ cán bộ và công nhân kỹ thuật lành nghề cùng các thiết bị công nghệ tiên tiến được đầu tư dự án có tính khả thi cao để thực hiện các mục tiêu đã đề ra, khi áp dụng vào sản xuất sẽ mang lại hiệu quả kinh tế Công ty CP Cơ khí Hòn Gai -Vinacomin xin chân thành cảm ơn Bộ Công Thương, Vụ Khoa học Công nghệ - Bộ Công Thương, các công ty khai thác than: Cao Sơn, Cọc 6, Đèo Nai, công ty liên doanh chế tạo bơm EBARA Hải Dương đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và hợp tác để hoàn thành dự án

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG

1.1 THÔNG TIN CHUNG VỀ DỰ ÁN

- Tên Dự án: Hoàn thiện công nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và

phụ tùng bơm bằng vật liệu thép trắng chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất

khẩu

- Mã số: 10.11.SXTN/HĐ-KHCN

- Cấp quản lý: Bộ Công Thương

- Thời gian thực hiện: 24 tháng, từ tháng 1/2011 đến tháng 12/2012

- Tổng kinh phí thực hiện : 6000 triệu đồng

Trong đó từ Ngân sách sự nghiệp khoa học: 1800 triệu đồng

-Tổ chức chủ trì thực hiện Dự án: Công ty CP Cơ khí Hòn Gai – Vinacomin

Địa chỉ: Phường Hồng Gai- Thành phố Hạ Long- Quảng Ninh

Điện thoại: 033 3825841; Fax: 033 3823293

Email: cokhihongai@yahoo.com.vn

- Chủ nhiệm Dự án : KS Vũ Hữu Bình

Học vị: Kỹ sư

Chức vụ: Giám đốc

Tên tổ chức đang công tác: Công ty CP Cơ khí Hòn Gai – Vinacomin

Địa chỉ : Phường Hồng Gai- Thành phố Hạ Long- Quảng Ninh

Điện thoại: Tổ chức: 033 3825841

Email: cokhihongai@yahoo.com.vn

- Cơ quan phối hợp chính:

+ Công ty CP Than Cao Sơn – Vinacomin

+ Công ty LD chế tạo bơm EBARA Hải Dương

- Xuất xứ: Từ 02 đề tài nghiên cứu

+ Đề tài nghiên cứu cấp Tổng Công ty Than Việt nam năm 2000-2001: Nghiên cứu thiết kế chế tạo bánh công tác bơm 900 m3/h, 1250 m3/h chịu ăn mòn

a xít phục vụ khai thác mỏ, đã được hội đồng KHCN Tổng Công ty Than Việt Nam đánh giá nghiệm thu ngày 19 tháng 11 năm 2002 (xem biên bản đánh giá nghiệm thu kèm theo trong phụ lục 1)

+ Đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2005: Nghiên cứu chế tạo chế tạo bơm nước 630 m3/h bằng thép không gỉ, đã được hội đồng KHCN Bộ Công Thương đánh giá nghiệm thu ngày 24 tháng 3 năm 2006 (xem biên bản đánh giá nghiệm thu kèm theo trong phụ lục 1)

1.2 TỔNG QUAN 1.2.1 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở nước ngoài

Ở các nước có nền công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Mỹ, Nhật thì công nghệ chế tạo phụ tùng bơm nước, cũng như bơm nước trọn bộ bằng vật liệu thép không gỉ chịu ăn mòn đã được nghiên cứu cơ bản hoàn thiện và triển khai rộng rãi trong sản xuất Việc nghiên cứu lựa chọn vật liệu chịu ăn mòn để chế tạo phụ tùng bơm phù hợp với từng điều kiện cụ thể được tiêu chuẩn hóa trên cơ sở các phần mềm hỗ trợ lựa chọn vật liệu, như phần mềm CMS của Anh (Cambridge Material Selector) hoặc FUZZYMAT của Pháp … Công nghệ đúc, nhiệt luyện, gia công cơ khí được hoàn thiện và quá trình sản xuất được thực hiện bằng những thiết bị công nghệ, thiết bị kiểm tra tiên tiến đảm bảo tính ổn định chất lượng sản phẩm Một số sản phẩm của họ đã trở thành các thương hiệu nổi tiếng được sử dụng rộng rãi trên thế giới như các loại bơm nước do công ty

EBARA (Nhật Bản) chế tạo

1.2.2 Tình hình nghiên cứu và triển khai ở trong nước

Từ năm 2000 đến nay độ a xít trong môi trường nước tại các khai trường khai thác mỏ ngày càng tăng, các chi tiết của bơm nước chế tạo bằng gang hợp kim và hợp kim đồng bị ăn mòn nhanh không đáp ứng được yêu cầu sản xuất Xuất phát từ thực tế trên các đơn vị nghiên cứu và sản xuất cơ khí trong nước bước đầu đã chế tạo bơm nước cũng như phụ tùng bơm bằng vật liệu chống ăn mòn a xít phục vụ cho khai thác mỏ và các ngành kinh tế khác

Vật liệu để chế tạo các chi tiết của bơm nước cũng đã sử dụng thép không

gỉ nhưng thành phần hợp kim không ổn định Đa số các vật liệu chế tạo có thành phần Cacbon lớn hơn 0,15%, các thành phần hợp kim như Crôm, Ni ken không

ổn định Công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện cơ bản chưa được nghiên cứu hoàn thiện cùng với thiết bị công nghệ và kiểm tra chưa đồng bộ dẫn đến chất lượng sản phẩm còn có những hạn chế nhất định so với sản phẩm cùng loại nhập khẩu

1.2.3 Luận cứ về xuất xứ và tính cấp thiết của dự án

Sản lượng khai thác than của ngành than từ năm 2005 đến nay tăng đột biến nhiều so với các năm trước, khai trường khai thác ngày càng xuống sâu, địa chất các khai trường thay đổi đã dẫn đến nước ở các khai trường mỏ có độ a xít ngày càng cao ( pH =2,35-2,85) Các loại bơm chế tạo bằng gang hợp kim và hợp kim đồng quá trình làm việc bị phá hủy do ăn mòn dẫn đến thời gian sử dụng ngắn, không đáp ứng được yêu cầu sản xuất Xuất phát từ tình hình trên các đơn

vị khai thác than đã nhập khẩu bơm nước chế tạo bằng thép không gỉ chịu ăn mòn

để phục vụ sản xuất như bơm nước: 630m3/h, 320 m3/h, 280 m3/h, 1250m3/h

Để cung cấp phụ tùng thay thế cho các bơm nước nhập khẩu cũng như chế tạo bơm nước trọn bộ, từ năm 2002 công ty CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin đã bước đầu nghiên cứu chế tạo các chi tiết của bơm nước bằng vật liệu chịu ăn mòn

thay thế gang hợp kim và hợp kim đồng Tuy nhiên về mặt chất lượng đặc biệt là thời gian sử dụng chỉ tương đương 65- 70% so với sản phẩm cùng loại nhập khẩu

Để chủ động phục vụ sản xuất của ngành than cũng như các ngành kinh tế khác và xuất khẩu, tạo việc làm cho người lao động, giảm ngoại tệ nhập khẩu thì

cần thiết phải nâng cao chất lượng thông qua việc thực hiện dự án: Hoàn thiện

công nghệ đúc, nhiệt luyện chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật liệu thép không gỉ chất lượng cao phục vụ ngành mỏ và xuất khẩu

1.2.4 Mục tiêu của dự án:

- Nghiên cứu lựa chọn được vật liệu thép không gỉ chất lượng cao để chế

tạo bánh công tác và phụ tùng bơm

- Nghiên cứu hoàn thiện và làm chủ các QTCN, các thông số kỹ thuật của công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện để chế tạo 50 tấn sản phẩm phôi đúc bánh công tác và phụ tùng bơm bằng thép trắng có chất lượng tương đương nhập ngoại

- Đào tạo cán bộ công nghệ và công nhân kỹ thuật làm chủ các QTCN để

áp dụng kết quả của dự án vào sản xuất công nghiệp

1.3 KHẢO SÁT NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG

VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG BÁNH CÔNG TÁC VÀ PHỤ TÙNG BƠM 1.3.1 Thực trạng sử dụng

Ngành than đang sử dụng các loại bơm nước chủ yếu phục vụ cấp thoát nước cho các khai trường khai thác Trong quá trình sản xuất các khai trường khai thác ngày càng xuống sâu trong lòng đất, nước từ các mạch nước ngầm và nước mưa chảy vào moong Để khai thác than phải tiến hành bơm nước từ các moong chứa nước

Số liệu khảo sát độ a xít của nước tại các khai trường khai thác tháng 3/2010 như sau:

- Moong Trung Tâm- Công ty than Cao Sơn: pH= 2,7-2,85

- Moong Tả Ngạn- Công ty than Cọc 6: pH= 2,4- 2,5

- Moong vỉa 11- Công ty than Núi Béo: pH= 2,35-2,4

Trong quá trình làm việc các chi tiết của bơm trực tiếp tiếp xúc với nước bị

ăn mòn như: Bánh công tác, phụ tùng bơm khác Độ ăn mòn của các chi tiết phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và độ a xít của môi trường nước Do bị ăn mòn các chi tiết thay đổi kích thước so với ban đầu dẫn đến bơm hoạt động không đảm bảo được lưu lượng và chiều cao đẩy Trường hợp các chi tiết chế tạo bằng vật liệu có

độ chịu ăn mòn kém, tổ chức kim loại không xít chặt xảy ra hiện tượng ăn mòn tinh thể làm cho cơ tính vật liệu giảm xuống đột ngột Chi tiết bị phá hủy dẫn đến bơm sử dụng với thời gian ngắn, không đáp ứng yêu cầu sản xuất

Các chi tiết bơm nước 1250 m3/h bằng hợp kim đồng sử dụng với thời gian 550h bị phá hủy do ăn mòn trong môi trường nước moong Tả Ngạn (pH = 2,7)

Bánh công tác và phụ tùng bơm các đơn vị khai thác mỏ nhập khẩu của các nước có ngành công nghiệp phát triển chế tạo bằng thép không gỉ có chất lượng

sử dụng ổn định với thời gian hoạt động trung bình 3000 h mới phải thay thế Sản phẩm cùng loại nhập khẩu từ Trung Quốc chất lượng chưa ổn định và có thời gian sử dụng khoảng 1800- 2300 h

Để cung cấp phụ tùng thay thế cho các bơm nước nhập khẩu cũng như chế tạo bơm nước trọn bộ, từ năm 2002 công ty CP Cơ khí Hòn Gai- Vinacomin đã bước đầu nghiên cứu chế tạo các chi tiết của bơm nước bằng vật liệu chịu ăn mòn thay thế gang hợp kim và hợp kim đồng Tuy nhiên về mặt chất lượng so với sản phẩm cùng loại nhập khẩu chưa ổn định, thời gian sử dụng từ 1900-2100h ( 65-

70%) so với sản phẩm cùng loại nhập khẩu

Công ty than Mông

Với số lượng các loại bơm trên chỉ tính riêng việc chế tạo phụ tùng cho

thay thế hàng năm cần khoảng 35 tấn sản phẩm Để phục vụ sản xuất mỗi năm

ngành than nhập khẩu khoảng 50 bơm nước trọn bộ các loại với tổng trọng lượng

ước tính 40 tấn sản phẩm

Năm 2010 công ty liên doanh chế tạo bơm EBARA Hải Dương bước đầu đặt hàng chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng thép không gỉ chất lượng cao với số lượng sản phẩm 15 tấn Dự kiến từ năm 2011 trung bình hàng năm sẽ đặt hàng chế tạo 30-35 tấn sản phẩm bánh công tác và phụ tùng bơm để xuất khẩu sang các thị trường Nhật Bản, Malaysia, Thái Lan và Singapore phục vụ các ngành công nghiệp, thuỷ lợi và dân sinh

Các ngành kinh tế khác như sản xuất xi măng, sản xuất điện có nhu cầu hàng năm khoảng 15-20 tấn sản phẩm bằng vật liệu thép không gỉ chất lượng cao

Như vậy hàng năm cần có 120-150 tấn sản phẩm bánh công tác, phụ tùng bơm và các sản phẩm khác bằng thép không gỉ chất lượng cao cung cấp cho các đơn vị khai thác mỏ, các ngành kinh tế khác và xuất khẩu

1.4 NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG CÔNG NGHỆ ĐÚC, CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN CÁC SẢN PHẨM BẰNG VẬT LIỆU THÉP KHÔNG GỈ

Từ năm 2002 đến nay công ty CP Cơ khí Hòn Gai - Vinacomin đã tiến hành nghiên cứu và triển khai chế tạo các sản phẩm bằng thép không gỉ cung cấp cho ngành khai thác mỏ và xuất khẩu Thực trạng công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện còn có những tồn tại ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như sau:

- Vật liệu chế tạo bánh công tác, phụ tùng bơm nước mới chỉ sử dụng thép không gỉ 17X18H9T, 12X18H9 (tiêu chuẩn Nga) Trong quá trình sản xuất công đoạn nấu luyện và nhiệt luyện hợp kim chưa ổn định thành phần hợp kim và tổ chức kim loại Đặc biệt thành phần Cacbon nhiều mẻ nấu vượt giới hạn của mác hợp kim

- Công nghệ chế tạo mẫu, khuôn đúc còn có những hạn chế dẫn đến lượng

dư gia công cơ khí lớn, độ chính xác vật đúc không cao đặc biệt các kích thước

không qua gia công cơ khí như chiều dày lá cánh, đường kính trong cổ moay ơ của cánh bơm, bề mặt vật đúc không nhẵn, rỗ và cháy dính cát, rỗ khí, co ngót

1.5 PHÂN TÍCH NHỮNG VẤN ĐỀ DỰ ÁN CẦN GIẢI QUYẾT

Như đã nghiên cứu thực trạng công nghệ đúc, công nghệ nhiệt luyện các sản phẩm bánh công tác và phụ tùng bơm bằng vật liệu thép không gỉ cần phân tích những công việc dự án cần thực hiện

1.5.1 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu: Như đã nghiên cứu bánh công tác và phụ

tùng bơm làm việc trong các môi trường nước có tính chất ăn mòn khác nhau: nước biển, nước ngọt tại các sông hồ, nước thải các khu công nghiệp, nước mang tính a xít tại các khai trường khai thác mỏ Do vậy vật liệu chế tạo phải có tính chịu ăn mòn cao và sử dụng đa dạng trong các môi trường khác nhau Trong các năm từ 2002-2005 công ty CP Cơ khí Hòn Gai đã nghiên cứu và chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng thép không gỉ 17X18H9T, 12X18H9 (tiêu chuẩn Nga) Để đạt chất lượng tương đương sản phẩm cùng loại nhập khẩu cần nghiên cứu bản chất của sự ăn mòn kim loại tìm ra đặc tính chung của thép chịu ăn mòn

để từ đó lựa chọn vật liệu có độ chịu ăn mòn cao hơn vật liệu đã sử dụng Năm

2010 công ty đã phát triển nghiên cứu và hoàn thiện việc chế tạo bánh công tác, phụ tùng bơm trên cơ sở thép không gỉ SCS 13, SCS 14 theo tiêu chuẩn Nhật Bản

1.5.2 Nghiên cứu hoàn thiện QTCN và các thông số kỹ thuật

Ngoài yếu tố vật liệu chế tạo, công nghệ chế tạo quyết định đến chất lượng của sản phẩm Như đã nghiên cứu các tồn tại công nghệ ảnh hưởng đến chất

lượng cần hoàn thiện như sau:

- Công nghệ đúc: Thiết kế công nghệ đúc quyết định rất lớn đến chất lượng phôi đúc Thực trạng thiết kế công nghệ chưa hoàn thiện về việc bố trí hệ thống ngót, vật làm nguội dẫn đến vật đúc còn có khuyết tật như co ngót, nứt, rỗ cát, rỗ

khí

Bánh công tác có nhiều chủng loại dẫn đến kết cấu khác nhau, do vậy phải

có thiết kế công nghệ đúc phù hợp cho từng chủng loại Mẫu và hộp thao chưa đảm bảo độ chính xác kích thước vật đúc, đặc biệt các kích thước không qua gia công cơ khí như chiều dày lá cánh, đường kính trong cổ moay ơ của cánh bơm

Công nghệ chế tạo khuôn đúc: Dự án cần hoàn thiện công nghệ chế tạo khuôn đúc để nâng cao chất lượng bề mặt vật đúc, giảm các khuyết tật đúc, đảm bảo độ chính xác vật đúc Bằng các biện pháp như: Nghiên cứu lựa chọn hỗn hợp làm khuôn và sơn khuôn để chế tạo khuôn đúc, công nghệ chế tạo khuôn, công nghệ sấy khuôn

- Công nghệ nấu luyện hợp kim: Nghiên cứu lựa chọn thành phần nguyên vật liệu đầu vào hiện có sẵn trong nước để nấu luyện hợp kim đạt thành phần theo yêu cầu và đảm bảo hiệu quả kinh tế Nghiên cứu hoàn thiện QTCN nấu luyện bằng các thiết bị công nghệ hiện có

- Công nghệ nhiệt luyện: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện để hợp kim đạt tổ chức theo yêu cầu đề ra

Trong quá trình SXTN cùng với việc hoàn thiện QTCN phải thực hiện hoàn thiện các thông số kỹ thuật của công nghệ đúc và công nghệ nhiệt luyện để

có công nghệ tối ưu chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng thép không gỉ chất lượng cao

1.5.3 Đào tạo công nghệ, ổn định chất lượng sản phẩm, chủng loại sản phẩm

và nâng cao khối lượng sản phẩm cần SXTN để khẳng định công nghệ

Trong quá trình SXTN, song song với việc hoàn thiện công nghệ phải thực hiện đào tạo cán bộ công nghệ và công nhân vận hành nhằm nắm vững, làm chủ quy trình công nghệ và các thông số kỹ thuật chế tạo bánh công tác và phụ tùng bơm bằng thép không gỉ chất lượng cao được nêu tại chương 4 Bên cạnh đó việc

ổn định chất lượng sản phẩm, chủng loại sản phẩm và nâng cao khối lượng sản phẩm cần SXTN để khẳng định công nghệ là yêu cầu cần thiết để cán bộ công nghệ có cơ sở quản lý công nghệ và định hướng đúng khi áp dụng các kết quả đã đạt được vào sản xuất quy mô công nghiệp

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VẬT LIỆU

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ

VẬT LIỆU KIM LOẠI

Để có cơ sở lựa chọn vật liệu chế tạo bơm nước và phụ tùng bơm nước có khả năng chống lại sự ăn mòn của môi trường nước mang tính a xít cao tại các đơn vị khai thác than cũng như các môi trường khác người làm công nghệ cần nghiên cứu cụ thể các vấn đề như: các dạng ăn mòn kim loại, cơ chế ăn mòn, tốc

độ ăn mòn, sự thụ động kim loại, các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn kim

loại

2.1.1 Các dạng ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ bề mặt kim loại do tác dụng hoá học của môi trường bao quanh Có hai loại ăn mòn: Ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hóa

- Ăn mòn hoá học: Ăn mòn hoá học là sự phá huỷ do tác dụng hoá học

trực tiếp giữa kim loại và môi trường xung quanh, không có phát sinh dòng điện Loại ăn mòn này chỉ xảy ra trong môi trường không điện ly, ít gặp trong thực tế

Sự ôxy hoá thép khi nung nóng là ví dụ điển hình về sự ăn mòn hoá học

- Ăn mòn điện hoá: Ăn mòn điện hoá là loại ăn mòn rất phổ biến, xảy ra

trong môi trường điện ly với các đặc điểm là có phát sinh dòng điện Kim loại bị

gỉ, hỏng khi để trong các môi trường không khí, nước, a xít, bazơ, dung dịch muối đều do tác dụng của loại ăn mòn này

2.1.2 Cơ chế của ăn mòn điện hóa

Khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện ly các Ion của môi trường sẽ tác dụng với Ion của kim loại, dưới tác dụng này các Ion kim loại bị chuyển vào

dung dịch điện ly và để lại trong kim loại những điện tử thừa Kim loại trở lên

điện tích âm, và dung dịch điện ly điện tích dương, trên miền ranh giới giữa

chúng tạo ra lớp điện tích kép và có điện thế nhất định gọi là thế điện cực Hình

2.1 trình bày lớp điện tích kép đó khi nhúng thanh đồng vào dung dịch CuSO4

Cu

+

+ + CuS04

+

Hình 2.1: Lớp điện tích kép khi nhúng thanh đồng vào dung dịch điện ly

CuSO4

Giá trị điện thế điện cực của một số kim loại bằng cách so sánh với điện

thế điện cực của Hyđrô trong dung dịch muối Sunphat như sau:

- 0,44 - 0,29 - 0,23 0 + 334 + 0,8 +1,35

Khi nhúng hai thanh kim loại có điện thế điện cực khác nhau vào cùng

một dung dịch điện ly và nối chúng bằng một dây dẫn thấy có xuất hiện dòng

điện, trong đó kim loại có điện thế điện cực thấp hơn là a nốt và sẽ bị hoà tan vào

-

-

-

-

dung dịch Ví dụ hai thanh Cu và Fe cùng bị nhúng vào dung dịch muối ăn thì chỉ có Fe bị ăn mòn

Như đã biết các vật liệu kim loại thường dùng trong công nghiệp rất không sạch và gồm có nhiều pha, những pha này có điện thế điện cực khác nhau ở trong cùng một môi trường điện ly, do vậy rất dễ bị ăn mòn (hoà tan) điện hoá Ví dụ loại vật liệu kim loại thông dụng nhất: Thép Cacbon Các thép Cacbon luôn gồm

2 pha là Ferit và Xementit, trong đó Ferit gần như là sắt nguyên chất có điện thế điện cực âm, còn Xementit có điện thế điện cực là dương Trong dung dịch điện

ly giữa Ferit và Xementit do có điện thế điện cực khác nhau sẽ tạo nên cặp pin, ở đây Ferit là a nốt và bị hoà tan Trong thanh thép có vô vàn các phần tử Ferit và Xementit, từng cặp của chúng sẽ tạo nên pin có kích thước rất nhỏ và gọi là pin

tế vi Sự xuất hiện của vô vàn các cặp pin tế vi đó là nguyên nhân của sự ăn mòn điện hoá ở thép Cacbon

Nguyên nhân của thép Cacbon bị gỉ trong không khí cũng như vậy Không khí luôn chứa hơi nước nên trên bề mặt có màng nước rất mỏng, khí CO2 và các khí khác do công nghiệp thải ra SO2, H2S hoà tan vào nước tạo nên dung dịch a xít: H2CO3, H2SO3, làm màng nước trở thành dung dịch điện ly

Ăn mòn điện hóa của kim loại gồm ba quá trình cơ bản: Quá trình a nốt, quá trình ca tốt và quá trình dẫn điện

- Qúa trình a nốt: Là quá trình oxy hóa điện hóa, trong đó kim loại

chuyển vào dung dịch dưới dạng ion và giải phóng điện tử, kim loại bị ăn mòn theo phản ứng:

Me → Men+ + ne Điện thế điện cực cân bằng quá trình a nốt:

EACB = EMeCB = EMe0 + (RT/nF) ln(aMen+) Trong đó:

R: Hằng số khí, R= 8,31441J/mol.K;

T: Nhiệt độ tuyệt đối (K);

F: Hằng số Faraday, F= 96500C/mol;

aMen+: Hoạt độ của ion Men+trong dung dịch điện ly;

EMe0: Điện thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại ứng với dung dịch

có hoạt độ (aMen+) = 1

- Qúa trình ca tốt: Là quá trình khử điện hóa, trong đó các chất oxy hóa

(Ox) nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra

Ox + ne → Red Trong đó: Ox là dạng chất oxy hóa (thường là H+ hoặc O2); Red là dạng chất khử

+ Nếu dạng chất oxy hóa là H+ thì quá trình ca tốt xảy ra như sau:

Trong đó: n’= n’’+ n’’’

Trong quá trình dẫn điện, các điện tử do kim loại bị ăn mòn giải phóng ra

sẽ di chuyển từ nơi có phản ứng a nốt tới nơi có phản ứng ca tốt, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch Như vậy khi kim loại bị ăn mòn sẽ xuất hiện vùng ca tốt

có điện thế điện cực khác nhau Từ đó có thể thấy có hai phương pháp làm thép

có tính chống ăn mòn điện hoá cao là:

- Làm cho thép có tổ chức một pha với thành phần đồng nhất Nếu thép chỉ gồm một pha đồng nhất thì không tạo thành cặp pin được và do vậy nó có tính chống ăn mòn rất cao Muốn thép có tổ chức một pha thì chỉ có cách là hợp kim hoá nó bằng cách mở rộng vùng α hoặc γ (Giản đồ trạng thái Fe-C Hình 2.2)

để nhận được thép Ferit hoặc Austenit

- Làm cho điện thế điện cực của 2 pha Ferit và Cacbit (Xêmentit) chênh lệch nhau ít, do đó dòng điện sinh ra nhỏ, tính chống ăn mòn của thép được nâng cao Muốn vậy phải hợp kim hoá thép bằng lượng lớn nguyên tố hợp kim hoà tan vào Ferit và có khả năng nâng cao điện thế điện cực của pha này lên giá trị gần bằng điện thế điện cực của pha Cacbit

Tương ứng với hai phương pháp trên là hai loại thép không gỉ khác nhau loại 1 pha và loại 2 pha

Từ đó có thể rút ra đặc tính chung của các loại thép không gỉ là:

- Thành phần Cacbon thấp Thành phần Cacbon càng thấp, số lượng pha Cacbit trong thộp càng ớt, tớnh chống ăn mũn càng cao Làm việc trong mụi trường ăn mũn càng mạnh, lượng Cacbon yờu cầu càng phải giảm thấp

- Thành phần hợp kim cao Mọi loại thộp khụng gỉ đều chứa nhiều hơn 12% Cr và cú thể cũn cú một lượng khỏ lớn Ni, Mn, ngoài ra cũn cú thể cú một lượng nhỏ Ti, Nb

Đuờng giản đồ thực tế ứng dụng cho vật đúc

Hình 2.2: Giản đồ Sắt - Cacbon ứng dụng trong điều kiện thực tế

đối với vật đúc bằng thép cacbon và thép hợp kim thấp

0

Đuờng giản đồ bình thuờng

0 0

0 0

2.1.3.1 Tốc độ ăn mòn khối lượng ( P Kh.l )

Tốc độ ăn mòn khối lượng được xem là khối lượng kim loại bị mất do ăn mòn tính trên một đơn vị diện tích bề mặt, trong một đơn vị thời gian:

PKh.l = (m1 – m2)/S.t Trong đó:

m1, m2 là khối lượng mẫu kim loại trước và sau khi bị ăn mòn, g;

S là diện tích bề mặt kim loại, cm2;

t là thời gian, ngày;

1 Nhóm các kim loại có Ptn < 0,125 mm/năm được coi là rất bền ăn mòn

2 Nhóm các kim loại có 0,125<Ptn < 1,25 mm/ năm được coi là kim loại bền

Độ bền của vật liệu dưới tác động của môi trường còn được phân thành 5 loại, ký hiệu là A, B, C, D, E theo thứ tự độ bền ăn mòn giảm dần trong một môi trường cụ thể

Người làm công nghệ có thể dựa trên bảng phân loại độ bền của vật liệu dưới tác động của các môi trường khác nhau để lựa chọn vật liệu thích hợp có tác dụng chống ăn mòn và phù hợp với khả năng công nghệ hiện có

…Đây cũng là một yếu tố quan trọng để lựa chọn vật liệu có tác dụng chịu ăn mòn

2.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn kim loại

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn kim loại, ở phạm vi dự

án này chủ yếu nghiên cứu các yếu tố cơ bản làm cơ sở lựa chọn vật liệu chịu ăn mòn a xít như: Ảnh hưởng của bản chất kim loại, cấu trúc và thành phần hợp kim, ảnh hưởng của độ pH trong môi trường

2.1.5.1 Ảnh hưởng của bản chất kim loại

Điện thế cân bằng và điện thế ăn mòn: Về mặt nhiệt động học, khả năng bị

ăn mòn của một kim loại được xem xét thông qua thế điện cực cân bằng Tương quan giữa điện thế cân bằng ECCB của quá trình ca tốt và EACB của quá trình a nốt

sẽ cho biết kim loại có khả năng bị ăn mòn trong môi trường hay không Nếu

EACB < ECCBtức kim loại bị ăn mòn

Trừ một số ít kim loại rất bền ăn mòn như Ag, Pt, Au, còn hầu hết các kim loại khác đều có thể bị ăn mòn trong môi trường nước có hòa tan ôxy

2.1.5.2 Ảnh hưởng của cấu trúc và thành phần của hợp kim

Vật liệu kim loại sử dụng trong các ngành kinh tế thường dưới dạng hợp kim, do đó đặc điểm của hợp kim ảnh hưởng lớn tới quá trình ăn mòn

- Những hợp kim nhiều pha nói chung kém bền ăn mòn vì các pha thường

có thế điện cực khác nhau, do đó sẽ hình thành các pin galvanic

- Các hợp kim một pha là dung dịch rắn thường bền với ăn mòn hơn

- Khi cho thêm vào hợp kim những nguyên tố có thế điện cực cao sẽ làm cho điện thế của hợp kim dịch chuyển về phía dương hơn và do đó làm cho hợp kim có tính bền nhiệt động với ăn mòn tốt hơn Các nguyên tố có khả năng tạo thành lớp thụ động trên bề mặt thường làm cho hợp kim bền ăn mòn hơn Cơ chế tác động của các nguyên tố thụ động ăn mòn cũng rất đa dạng Trong hợp kim, các nguyên tố có tính thụ động tốt sẽ làm cho hợp kim cũng có tính thụ động tốt lên Ví dụ: Với thép, các nguyên tố có ảnh hưởng lớn tới quá trình ăn mòn là Fe,

Cr, Ni Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Cr là nguyên tố tạo thụ động tốt nhất Khi thép được hợp kim hóa bằng Cr với hàm lượng Cr khác nhau, hàm lượng Cr càng cao thì điện thế khởi đầu thụ động càng nhỏ và vùng thụ động càng rộng, càng rõ nét, tác dụng chống ăn mòn càng cao Cr là nguyên tố tác dụng tăng độ bền ăn mòn cho thép, khi tăng hàm hàm lượng Cr trong thép thì tốc độ ăn mòn giảm

2.1.5.3 Ảnh hưởng của độ pH

Thế điện cực cân bằng của môi trường theo mục 2.1.2 là một hàm phụ thuộc vào độ pH Do vậy khi pH thay đổi sẽ làm thay đổi thế điện cực cân bằng

catốt dẫn tới ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn vật liệu kim loại đặt trong môi trường Chỉ số pH của dung dịch nước tại các moong vỉa khai thác than và các môi trường khác là yếu tố quan trọng để làm cơ sở lựa chọn vật liệu chế tạo bơm nước có tác dụng chịu ăn mòn

2.2.CÁC QUY TẮC CHUNG KHI CHỌN KIM LOẠI

Ngoài việc thiết kế kết cấu hợp lý, việc lựa chọn vật liệu thích hợp cho từng môi trường cũng rất quan trọng Ở nước ta, việc lựa chọn vật liệu trước nay mới chỉ quan tâm chủ yếu tới các tính chất cơ học của vật liệu Các tính chất hóa học: Ăn mòn, tính tương thích sinh học của vật liệu với môi trường, các tính chất vật lý, tính công nghệ, khả năng tái sinh, giá thành sản phẩm còn chưa được xem xét một cách tổng hợp và đầy đủ, do vậy hiệu quả sử dụng vật liệu còn thấp Ở các nước công nghiệp phát triển như Anh, Pháp, Hoa Kỳ, Nhật Bản… việc lựa chọn vật liệu được tiêu chuẩn hóa trên cơ sở các phần mềm hỗ trợ lựa chọn vật liệu, ví dụ: phần mềm CMS của Anh (Cambridge Material Selector) hoặc FUZZYMAT của Pháp …

Thông thường, một vật liệu kim loại bền ăn mòn trong môi trường nào là

do bản chất ôxit hình thành trên bề mặt vật liệu quyết định Theo bản chất ôxit hình thành trên bề mặt kim loại ta có thể chia kim loại thành bốn nhóm:

- Các kim loại có ôxit lưỡng tính: Al, Zn, Pb, Sn sẽ không bền ăn mòn trong cả a xít và kiềm Tốc độ ăn mòn của các kim loại này phụ thuộc vào pH của dung dịch

- Các kim loại có ôxit mang tính kiềm như: Ni, Co, Cu, Fe sẽ bền ăn mòn trong môi trường kiềm

- Các kim loại có có oxit mang tính a xít như: Cr, Si sẽ bền ăn mòn trong môi trường a xít, đặc biệt là a xít có ôxy như HNO3

Người ta đã đúc rút ra một số quy tắc chung sau đây:

- Trong môi trường khử hoặc oxy hóa yếu, ví dụ như trong môi trường kiềm, trong dung dịch không có ôxy hòa tan thì nên sử dụng Niken hoặc hợp kim đồng

- Trong môi trường ôxy hóa nên sử dụng các hợp kim chứa Cr

- Trong môi trường ôxy hóa cực mạnh nên dùng Titan và hợp kim Titan Việc lựa chọn vật liệu kim loại thích hợp cho môi trường ăn mòn, đặc biệt

là vật liệu trên cơ sở hợp kim hệ sắt và thép không gỉ có thể tham khảo tại bảng 2.1 Khi lựa chọn vật liệu cho một thiết kế, ở đó đã chỉ rõ ăn mòn chiếm vị trí quan trọng, phải căn cứ vào sổ tay các nhà chế tạo vật liệu, độ bền ăn mòn và giá thành của kim loại để lựa chọn cho thích hợp nhất

Bảng 2.1: Vật liệu kim loại và tính bền ăn mòn trong các môi trường khác nhau

A- Rất bền ăn mòn; B- Khá bền ăn mòn; C- Bền ăn mòn; D- Kém bền ăn mòn; E- Rất kém bền ăn mòn

Đặc điểm của môi trường

STT Vật liệu

Cháy Nước

ngọt

Dung môi hữu

cơ

Ôxy hoá

>500 o C

Nước biển

Axit mạnh

Kiềm mạnh

Tia cực tím

Mài mòn

Axit yếu

Kiềm yếu

11 Gang dẻo tâm trắng A B A B C D C A A B A

2.3.CÁC LOẠI THÉP CHỐNG ĂN MÒN

Muốn cho vật liệu chịu được ăn mòn tốt, một trong những giải pháp là hợp kim hóa vật liệu để hoặc là tạo ra một tổ chức đồng nhất, không có sự chênh lệch về điện thế giữa các pha hoặc là tạo ra lớp ôxit chắc đặc và có độ bám dính cao, chống lại tác dụng ôxy hóa khử của môi trường Trong số 16 đến 18 nguyên tố được sử dụng trong các loại thép không gỉ được chia làm hai nhóm, tùy theo ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc của thép: Các nguyên

tố ổn định cấu trúc Austenit và các nguyên tố ổn định Ferit

Các nguyên tố ổn định γ đặc trưng bằng hàm lượng Niken tương đương Ntđ :

Ntđ = Ni + 30C+0,5Mn Các nguyên tố ổn định α đặc trưng bằng hàm lượng Crôm tương đương Crtđ :

Crtđ = Cr + Mo + 1,5Si + 0,5Nb Trong đó: Ni, C, Mn, Cr, Mo, Si, Nb lần lượt là hàm lượng các nguyên tố có ảnh hưởng chính, quyết định cấu trúc, tính chất không gỉ của thép Hình 2.3 trình bày ảnh hưởng chung của các nguyên tố đến các vùng cấu trúc của thép không gỉ Cr – Ni

Qua giản đồ ta nhận thấy khả năng hình thành ba nhóm thép chính có cấu trúc một pha là điển hình là: Thép không gỉ Macstenxit, thép không gỉ Ferit và thép không gỉ Austenit

2.3.1 Thép không gỉ Mactenxit: Là loại thép không gỉ bền ăn mòn trong

không khí, nước ngọt Do có hàm lượng Cr (12,5 – 13%) đủ để thụ động trong a xít oxy hóa nên thép không gỉ loại này bền ăn mòn trong a xít HNO3, nhưng không bền trong các loại a xít khác Thép có hàm lượng cacbon cao

do đó độ bền cao, giá thành rẻ Tuy nhiên khi làm nguội hiện tượng tiết cacbit Crôm làm thép nghèo Crôm đi, khả năng chống ăn mòn xấu đi, đặc biệt là hiện tượng ăn mòn tinh giới Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Mactenxit điển hình được thể hiện tại Bảng 2.2

Bảng 2.2: Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Mactenxit

TCVN Hoa

Kỳ

Thép không gỉ Mactenxit 12Cr13 403 Fe- < 0,12C-13Cr

15Cr13 410 Fe- < 0,15C-12,5Cr

15Cr13 420 Fe- > 0,15C-13Cr

Đồ trang sức, ốc vít, chi tiết chịu nhiệt dưới 450oC 30Cr13 - Fe- > 0,3C-13Cr

80Cr17 440B Fe-( 0,75-0,95)C-17Cr-0,75Mo

Lò xo không gỉ, dụng cụ đo, dụng cụ mổ, xupap xả

2.3.2 Thép không gỉ Ferit: Thép không gỉ Ferit được chia thành ba nhóm

theo hàm lượng Crôm

- Nhóm thép chứa khoảng 13%Cr, mác 08Cr13 (tương đương mác

405 của Hoa Kỳ) loại này chứa ít cacbon (<0,08%) và thường có thêm một

lượng nhỏ Al ( 0,2%) để ổn định cấu trúc Ferit khi nung Do đó khi hàn thép

này không bị biến đổi cấu trúc và nứt Thép không gỉ Ferit được sử dụng chủ

yếu trong công nghiệp dầu mỏ và các kết cấu hàn

- Nhóm thép thứ 2 chứa khoảng 17%Cr như các mác thép: 12Cr17 ( tương đương với mác 430 của Hoa Kỳ) Nhóm thép này bền ăn mòn trong a

xít HNO3, trong thực phẩm, trong nước ngọt và trong môi trường khí quyển

Loại thép này được dùng thay thế cho thép không gỉ Austenit vì rẻ tiền hơn

Nhược điểm chính của loại thép này là có chuyển biến pha khi hàn làm cho

chi tiết dễ bị phá huỷ mỏi Để khắc phục nhược điểm này các nhà sản xuất

đã cho thêm Titan ( 0,8%) để ngăn ngừa tiết Cacbit Crôm gây nên ăn mòn

tinh giới hạt (mác thép 08Cr17Ti)

- Nhóm thứ 3 là các mác thép có hàm lượng Crôm từ 20 đến 30% Vì chứa nhiều Crôm nên các mác thép này rất bền oxy hoá ở nhiệt cao (chịu

được oxy hoá ở các nhiệt độ tới 800oC đến 900oC) Các loại thép này bền ăn

mòn lỗ hơn hai loại trên vì hàm lượng Crôm cao hơn Để cải thiện tính hàn

người ta có thể cho thêm titan ( 0,8%), hoặc cho thêm Môlipđen ( 2%), Nitơ

( 0,25%) để cải thiện tính bền ăn mòn lỗ trong môi trường nước biển

Nói chung thép không gỉ Ferit có giới hạn đàn hồi cao hơn thép không

gỉ Austenit, vì mức độ hoá bền biến dạng thấp hơn cho nên thích hợp cho

các công nghệ cán, kéo, dập, gò, uốn thành sản phẩm Kết cấu bằng thép

không gỉ Ferit có thể làm việc trong môi trường nước biển, trong môi trường

a xít Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Ferit điển hình

được thể hiện tại bảng 2.3

Bảng 2.3: Thành phần và công dụng một số mác thép không gỉ Ferit

TCVN Hoa

Kỳ

Thép không gỉ Ferit 08Cr13 405 Fe- < 0,08C-13Cr

08Cr13Al 405 Fe- < 0,08C-13Cr-0,2Al

12Cr17 430 Fe- < 0,12C-17Cr

08Cr17Ti Fe- < 0,08C-17Cr-0,8Ti

Có thể hàn, công nghiệp dầu

mỏ, bể chứa HNO3, thùng đựng thực phẩm, dùng trong kiến trúc có titan chống ăn mòn tinh giới

2.3.3 Thép không gỉ Austenit: Thép không gỉ Crôm - Niken có thành phần

17-19%Cr; 7-12% Ni với tổ chức một pha Austenit có những đặc điểm sau:

- Tính chống ăn mòn cao: Hoàn toàn ổn định trong nước sông, nước biển, hơi nước bão hoà, trong các dung dịch muối Trong các dung dịch a xít chúng có tính chống ăn mòn khá cao: Bền ăn mòn trong a xít HNO3 với mọi nồng độ và nhiệt độ, bền ăn mòn trong a xít H2SO4 nguội và HCl loãng

- Tính công nghệ tốt: Các thép không gỉ Crôm- Niken có tính dẻo cao (δ=60%, Ψ=60%) dễ cán, dập, gò ở trạng thái nguội Dễ gia công cắt gọt

- Cơ tính bảo đảm: Ở trạng thái ủ các thép không gỉ Crôm - Niken có

cơ tính tương đối thấp (σk=750 N/mm2, (σ0,2=250 N/mm2) nhưng ở trạng thái biến cứng sau khi biến cứng có thể đạt được độ cứng rất cao (σk=1000 N/mm2, σ0,2=750 N/mm2) Vì vậy cơ tính của thép hoàn toàn đảm bảo các yêu cầu chịu tải của các chi tiết máy Sự tăng độ bền bằng cách biến cứng là

do phần lớn Austenit ở phần bị biến dạng dẻo chuyển thành Mactenxit Cũng chính do nguyên nhân này thép bị biến cứng nhanh sau mỗi lần biến dạng

Do các ưu điểm trên, thép không gỉ Austenit được dùng phổ biến trong công nghiệp hoá học, đặc biệt trong công nghiệp sản xuất a xít, công nghiệp hoá dầu và thực phẩm

Nhược điểm của thép không gỉ Austenit là bị ăn mòn lỗ trong nước biển và trong các dung dịch muối clo, bị ăn mòn tinh giới khi hàn hoặc khi làm việc lâu dài ở 400 đến 800oC, bị ăn mòn ứng suất và bị phá huỷ mỏi Để khắc phục nhược điểm trên phải chọn đúng loại thép không gỉ Ví dụ, chống

ăn mòn lỗ: Mác 08Cr17Ni12Mo2 và 03Cr17Ni13Mo2 (mác 316 và 316L ); chống ăn mòn tinh giới và ăn mòn ứng suất: Mác 08Cr18Ni11NbTa (mác 347) Thành phần hoá học của các mác thép không gỉ Austenit của Nga, Mỹ, Đức, Nhật theo bảng 2.4, 2.5, 2.6, 2.7

Bảng 2.4:: Thành phần hóa học của các thép không gỉ Cr-Ni với tổ chức

Austenit (ΓOCT 5632 – 72) Thành phần các nguyên tố (%)

Số hiệu

12X18H9 0,12 17-19 8-10 - 2,0 0,8 0,035 0,02 17X18H9T 0,13-

0,21

17-19 8-10 - 2,0 0,8 0,035 0,02

04X18H10 0,04 17-19 9 -11 - 2,0 0,8 0,035 0,02 08X18H10 0,08 17-19 9 -11 - 2,0 0,8 0,035 0,02 08X18H10T 0,08 17-19 9 -11 0,7 2,0 0,8 0,035 0,02 12X18H10T 0,12 17-19 9 -11 0,8 2,0 0,8 0,035 0,02

Bảng 2.5: Thành phần hóa học thép không gỉ với tổ chức Austenit

của Mỹ theo AISI Thành phần các nguyên tố (%)

0,25

15,5

14,-1,0 16,5-18 1-1,75 0,06 0,03 N:

0,32-0,4 S30100 0,15 2,0 1,0 16-18 6-8 0,045 0,03

S30200 0,15 2,0 1,0 17-19 8-10 0,045 0,03

S30215 0,15 2,0 2-3 17-19 8-10 0,045 0,03

S30300 0,15 2,0 1,0 17-19 8-10 0,2 0,03 Mo: 0,06 S30323 0,15 2,0 1,0 17-19 8-10 0,2 0,03 Se:

0,15max S30400 0,08 2,0 1,0 18-20 8-10,5 0,045 0,03

S30500 0,12 2,0 1,0 17-19 10,5-13 0,045 0,03

S30800 0,08 2,0 1,0 19-21 10-12 0,045 0,03

S30900 0,2 2,0 1,0 22-24 12-15 0,045 0,03

S31000 0,25 2,0 1,0 24-26 19-22 0,045 0,03