Kỹ thuật nấu luyện, đúc, nhiệt luyện gang cầu

Về nấu luyện: Có nhiều loại thiết bị nấu luyện được sử dụng để sản xuất gang cầu: lò đứng, lò cảm ứng, lò hồ quang, lò quay là các loại thường gặp nhất. Trong số các loại lò này, thông dụng nhất là lò cảm ứng. Trong thực tế, 97% phối liệu đưa vào lò nấu (phối liệu kim loại, các loại hợp kim sắt và chất tăng cácbon) được giữ lại trong kim loại lỏng cuối cùng. Do đó, việc xác định thành phần và tình trạng của tất cả các vật liệu trước khi đưa vào lò là vô cùng quan trọng. Lợi thế của việc sử dụng gang thỏi có độ thuần khiết cao, một sản phẩm đã được khẳng định về chất lượng, trở nên rõ ràng Về biến tính: - Gang lỏng trước khi biến tính có nhiệt độ vào khoảng 1450C. - Biến tính cầu hoá: đưa Mg hay Ce vào gang lỏng để hàm lượng chất biến tính còn lại trong thành phần gang phải trong giá trị xác định. - Chất khử S thông thường dùng là Na2CO3. - Biến tính graphit hoá bằng FeSi 75%, CaSi 75% để chống biến trắng

CHẾ TẠO GANG CẦU - ĐÚC, NHIỆT LUYỆN

1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu gang cầu

Gang là hợp kim của sắt (Fe) và một số nguyên tố hóa học khác như C, Si, Mn, trong đó Fe chiếm thành phần chủ yếu, chiếm hơn 95% trọng lượng, carbon từ 2,1-4,3% trọng lượng và silic chiếm từ 1-3% Gang với thành phần hóa học gần điểm cùng tinh có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 1150-1200 0C, thấp hơn 3000C so với sắt nguyên chất Tùy theo dạng graphit trong gang, gang được chia thành 4 loại cơ bản sau: gang trắng, gang xám, gang dẻo, gang cầu Gang trắng là loại gang cứng và giòn được dùng để luyện thép và gang biến trắng là loại gang có carbon tồn tại ở dạng Fe3C, được hình thành do việc gang xám bị làm nguội nhanh khiến gang bị biến trắng trở nên rất giòn và khó gia công cơ khí

Gang xám: là loại gang có nguyên tố carbon chủ yếu tồn tại ở dạng graphit tấm với nền graphit bố trí theo mạch thẳng Mặt gãy của gang có màu xám là đặc trưng của ferit và graphit tự do Gang xám dễ nấu luyện, có nhiệt độ nóng chảy thấp (1.350C) và không đòi hỏi khắt khe về kỹ thuật nấu luyện và thành phần trong gang, nhưng gang xám dòn, khả năng chịu tải và chịu uốn nén kém Gang dẻo: là loại ang

có graphít ở dạng quả bông được chế tạo bằng cách ủ gang trắng trong một thời gian dài (khoảng vài ngày) ở nhiệt độ từ 850 – 1050C để tạo thành một loại gang có tính dẻo cao Đây là loại gang có độ bền cao, được kế thừa những tính chất tốt vốn có của gang và được sử dụng để sản xuất các sản phẩm cần có sự mềm đi của bề mặt của sản phẩm đúc để dễ dàng trong việc gia công cơ khí Tuy nhiên, gang dẻo cũng có nhược điểm do giá thành sản xuất gang dẻo cao, khả năng chịu nén kém

Gang cầu: là loại gang có độ bền cao có graphit ở dạng cầu nhờ biến tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm Sau khi biến tính cầu hoá, gang lỏng còn được biến tính lần hai bằng các nguyên tố graphit hoá như FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang Nhờ các chất biến tính mà gang lỏng trở nên sạch các tạp chất như S và các loại khí, làm tăng tốc độ quá nguội cho gang và tạo cho graphit phát triển chủ yếu theo hướng thẳng góc với bề mặt cơ sở của tinh thể graphit Do đó graphít kết tinh thành hình cầu.Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống như gang xám song chỉ khác là graphit của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim loại: ferit, ferit-peclit và peclit Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của gang cầu so với gang xám Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các loại gang, bềngoài của gang cầu cũng có màu xám tối như gang xám nên khi nhìn bề ngoài thì khó phân biệt hai loại gang này với nhau Tuy nhiên, ta có thể phân biệt gang cầu và gang xám qua dấu hiệu co ngót ở sản phẩm gang cầu hoặc bằng cách gõ vào sản phẩm, sản phẩm gang cầu sẽ có tiếng kêu trong và thanh, còn sản phẩm gang xám sẽ có tiếng kêu đục và trầm

Thành phần hóa học và các tính chất cơ lý của các loại hợp kim đúc được đưa ra trong bảng 1 và 2 sau đây

Bảng 1: Thành phần hoá học của các loại gang

Gang trắng 3,30-3,60 0,40-1,20 0,25-0,80 0,06-0,20 0,05-0,20 Gang xám 3,00-3,70 1,20-2,50 0,25-1,00 ≤0,12 0,05-0,10 Gang cầu 3,00-4,00 1,80-3,00 0,10-0,80 ≤0,03 ≤0,10 Gang dẻo 2,00-2,60 1,00-1,60 0,20-1,00 0,04-0,20 ≤0,20 Bảng 2: Tính chất cơ lý của các loại hợp kim đúc

Loại hợp kim

Chi tiêu

Độ bền kéo

(MPa)

Giới hạn đàn

hồi (MPa)

Độ dẻo (%)

Gang xám grapit tấm 100 – 450 89 – 285 0,3 – 0,8

Gang cầu ausferit 800 – 1200 500 – 850 4 – 10

Trong các loại gang nêu trên, gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất do graphit

ở dạng thu gọn nhất (quả cầu tròn), ít chia cắt nền kim loại nhất, hầu như không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền, vì vậy gang cầu duy trì được 70-90% độ bền của nền kim loại, tức không thuakém thép bao nhiêu

và có thể thay thế được cho thép trong một vài trường hợp

Về thành phần hóa học, hàm lượng C và Si phải cao để đảm bảo tổng thành phần hoá học (%C+%Si) đạt tới 5-6% Hàm lượng Si cũng không nên quá cao (>3%) để khỏi ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gang Không có hoặc không đáng kể (<0,1-0,01%) các nguyên tố cản trở cầu hoá như Ti, Al, Sn, Pb, Zn, Bi và đặc biệt là S Hàm lượng

S sau biến tính cầu hoá bằng Mg phải nhỏ hơn 0,03% thì gang nhận được có dạng graphít cầu và hạn chế tạp chất do MgS tạo ra sẽ làm giảm tính chất cơ học của gang Hàm lượng Mn chọn tuỳ thuộc vào loại gang cầu, với gang cầu ferit ở trạng thái đúc,

Mn nhỏ hơn 0,2% Ở gang cầu peclit chúng có thể lên tới 1% Lượng P càng ít càng tốt vì P làm giảm tính dẻo dai của gang cầu Trong thành phần gang cầu cần có một lượng nhỏ các chất biến tính Mg (0,04-0,08%) hoặc Ce Có các nguyên tố nâng cao

cơ tính như Ni (2%), Mn (1%) Quá trình cầu hóa diễn ra chủ yếu là nhờ có các nguyên tố đất hiếm là Mg và Ce

Về cách ký hiệu các mác gang cầu:

Các nước đều đánh số các mác gang cầu theo giới hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 hay MPa Đôi khi cũng còn thêm chỉ tiêu cơ tính thứ hai là giới hạn chảy tối thiểu và nếu có chỉ tiêu thứ ba là độ giãn dài (δ%) tối thiểu thì thứ tự là σb-σ0,2

TCVN 1659-75 có quy định ký hiệu gang cầu bằng GCxx-xx (trong đó các nhóm

số lần lượt là giới hạn bền tối thiểu tính bằng kG/mm2và độ giãn dài tốithiểu tính bằng %) giống như tiêu chuẩn của ГОСТ 7393-70 là BЧxx-xx

Nhưng theo ГОСТ 7393-85 có các mác BЧ40, BЧ50, BЧ60, BЧ70, BЧ80 chỉ ký hiệu giới hạn bền

Tiêu chuẩn ASTM có các loại 60-40-18, 65-45-12, 80-60-03, 100-70-03, 120-90-02 với ba cặp số đó lần lượt chỉ giá trị tối thiểu của σb-σ0,2(ksi)

- δ (%) (ở đây 1at = 14,223 psi) Theo tiêu chuẩn JIS có các mác FCD370, FCD400, FCD450, FCD500,FCD600, FCD700, FCD800 trong đó các số chỉ σb(min) theo đơn vị MPa

Mác gang cầu ferit BЧ40 với độ bền thấp, σb≤ 400MPa, độ dẻo khá cao (δ

=15%) ít được dùng

Mác gang cầu ferit-peclit BЧ50 với σb trong khoảng 450-500MPa, có độ dẻo trung bình, δ = 5-10%, được dùng làm các chi tiết thông thường thay thépnói chung Mác gang cầu peclit BЧ60 với σb trong khoảng 550-600MPa có độ dẻo nhất định, δ = 2%, được dùng làm trục khuỷu, trục cán Mác gang cầu BЧ70, BЧ80 với σb≥ 600MPa là loại gang cầu tôi đẳng nhiệt ra bainit, được dùng làm các chi tiết quan trọng

Công dụng của gang cầu:

Gang cầu chủ yếu được dùng làm các chi tiết vừa chịu tải trọng kéo và va đập cao (như thép) đồng thời lại dễ tạo hình bằng phương pháp đúc Chi tiết quan trọng điển hình làm bằng gang cầu là trục khuỷu, đây là một chi tiết có hình dạng phức tạp, chịu tải trọng lớn và va đập Trong khi đó nếu làm bằng thép (ví dụ C45) thì phải dùng các phôi thép lớn và phải qua công đoạn rèn ép trên các máy ép lớn để tạo ra phôi gia công với lượng dư lớn, tốn công cắt, nếu thay bằng gang cầu thiết bị sử dụng

có phần đơn giản hơn tạo ra được vật đúc gần với thành phẩm hơn do đó chi phí gia công thấp hơn Hơn nữa sau khi cùng tôi bề mặt, cổ trục khuỷu gang cầu có tính chống mài mòn cao hơn so với thép Các hãng xe hơi nổi tiếng đã dùng gang cầu trong động cơ xe du lịch và tải nhỏ Trong thời gian gần đây gang cầu với sản lượng khá lớn được dùng để chế tạo ống nước (có đường kính lớn) dùng trong xây dựng cơ bản vì nó có ưu điểm hơn so với các vật liệu thường dùng trước đây là gang xám và thép Tuy gang xám dễ chế tạo (nấu chảy, đúc, rẻ) song do cơ tính thấp không chịu đựng được áp suất nước trong ống dẫn cao tới hàng chục at trong thời gian dài Còn thép khó đúc hơn do nhiệt độ chảy cao, co ngót lớn

1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim lên cấu trúc và tính chất của gang cầu

Lưu huỳnh: Sản xuất gang cầu yêu cầu thành phần lưu huỳnh thấp, thường nhỏ hơn 0,02% trong kim loại lỏng cơ sở và ở trong khoảng 0,008-0,015% trong kim loại

đã được xử lý Thành phần lưu huỳnh cao cần tỷ lệ hợp kim Mg nhiều hơn và yêu cầu phải thực hiện bước khử lưu huỳnh phức tạp Cần lưu ý rằng, trong một số trường hợp, ôxy tự do có tác động như lưu huỳnh: tạo xỉ, ngậm xỉ và tỷ lệ thu hồi Mg thấp.Xét về phối liệu, lưu huỳnh thường có nguồn gốc từ các chất tăng cácbon được

bổ sung khi thành phần phối liệu có một lượng lớn thép phế Thép phế có thành phần lưu huỳnh cao cũng là một nguồn làm tăng lưu huỳnh Do đó, sử dụng gang thỏi có

thành phần lưu huỳnh thấp để làm giảm nồng độ lưu huỳnh từ chất tăng cácbon và thép phế là điều cần thiết Ngoài ra, hạn chế sử dụng chất tăng cácbon bằng cách tăng tỷlệ gang thỏi có hàm lượng lưu huỳnh thấp thường có lợi cho chất lượng của sản phẩm đúc gang cầu cuối cùng

Silic: là một thành phần không thể thiếu được của gang cầu Tỷ lệ của nó trong vật đúc giao động từ 2% đến 6% cho một số mác gang cầu đặc biệt như gang chịu mài mòn hoặc gang chịu nhiệt Tuy nhiên, phần lớn sản phẩm gangcầu có tỷ lệ Si vào khoảng 2,0-3,0%, tuỳ thuộc vào môđun và ứng dụng của vật đúc Vì silic được đưa thêm vào trong trạng thái cầu hoá và biến tính nên người công nhân phải tính đến vấn

đề này khi kiểm tra thành phần hoá học của kim loại lỏng ban đầu trước khi cầu hóa Các nguồn tăng silic khác nhau trong quá trình nấu gang cầu bao gồm chất tạo mầm SiC hoặc FeSi, chất cầu hoá (FeSiMg), chất biến tính (FeSi 75) và trong nguyên liệu ban đầu

Phốt pho: Mặc dù có tác dụng thúc đẩy việc hình thành graphit nhưng phốtpho lại được phân loại là một nguyên tố có hại trong gang cầu Khi vượt quá một nồngđộ nhất định (khả năng tan của phốtpho trong gang là 0,1%), phốtpho sẽ tác dụng với sắt tạo thành Fe3P là một chất gây giòn gang Sự thiên tích, xảy ra khi vật đúc đông cứng chậm (ví dụ trong vật đúc có kích thước dầy) hoặc với lượng hạt cầu thấp, làm tăng hiện tượng này Mặc dù sự có mặt của Fe3P kết tủa ở vỏ phân tử đôi khi không quan sát được nếu hàm lượng phôtpho thấp (P < 0,07%) nhưng có thể chứng minh được cơ tính của vật đúc bị giảm sút, thậm chí cả trong các sản phẩm đúc ferit hoàn toàn

Mangan: Mangan là một nguyên tố làm tăng peclit, do đó hàm lượng mangan cần dưới 0,3% cho sản xuất gang ferit, thậm chí dưới 0,2% cho một số ứng dụng quan trọng Để có tổ chức peclit hoàn toàn, cần thiết phải đạt được hàm lượng Mn trên0,5% Tuy nhiên, ở mức cao như vậy thường dẫn đến việc hình thành cácbit liênphân tử Do đó, để sản xuất các vật đúc peclit, thông thường hàm lượng Mn được giữ ở mức tối đa 0,3% và bổ sung thêm Cu (trong một số trường hợp đặc biệt là Sn)

để làm tăng peclit Đồng làm tăng graphit trong khi Mn làm tăng cacbit Hơn nữa, đồng làm tăng peclit hiệu quả hơn Mn gấp 10 lần Cũng như phốtpho, mangan được đưa vào vật đúc gang cầu từ phối liệu, chủ yếu từ thép phế

Các nguyên tố khác: Cácbon là thành phần hợp kim chính trong gang cầu Trong quá trình đông đặc, nó kết tủa thành các hạt graphit tròn trong nhân phân tử nhờ các quá trình biến tính Thành phần cácbon cần phải cao hơn 3,3% (tuỳ thuộc vào độ dày của vật đúc), nhưng phải thấp hơn 3,8% để tránh graphit nổi hoặc các khuyết tật liên quan đến graphit khác Một nguyên tắc hữu ích là điều chỉnh thành phần của C và Si

để đạt được giá trị cácbon đương lượng gần với thành phần cùng tinh Bảng 2 đưa ra thành phần tương ứng với các mác gang cầu và độ dày vật đúc khác nhau Cách tốt nhất để đạt được thành phần cácbon mong muốn là sử dụng một số lượng hợp lý gang thỏi thuần khiết Niken, môlipđen và đôi khi cả crôm được cho thêm vào để đạt được

tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu Trong mọi trường hợp, các nguyên tố này cần phải được kiểm soát cẩn thận (chi phí và khả năng nhiễm bẩn tiềm ẩn đối với các mác gang cầu khác) và hồi phế của các loại gang cầu này cần phải được cất giữ riêng

Các nguyên tố dư: Gang cầu rất nhạy cảm với rất nhiều nguyên tố cho dù thành phần của chúng trong hợp kim là rất thấp Chúng thường tạo ra peclit hoặc cácbit hoặc các dạng graphit bị phân huỷ Các xưởng đúc cần phải xử lý nhiệt hoặc phần lớn

là loại bỏ các vật đúc có các nguyên tố cản trở sự cầu hoá Các chi phí này có thể được loại bỏ bằng cách lựa chọn các phối liệu đầu vào chất lượng cao và kiểm soát quy trình sản uất hiệu quả Bảng 9 liệt kê các nguyên tố hoá học thường thấy, các nồng độ giới hạn và nguồn gốc xuất phát Cần phải lưu ý rằng rất nhiều trong số các nguyên tố này xuất phát từ thép phế hoặc gang thỏi chất lượng thấp Do đó, việc sử dụng gang thỏi thuần khiết là một nhu cầu thiết yếu của sản xuất gang cầu chất lượng cao

Gang cầu được chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng) nên về cơ bản thành phần của chúng giống nhau (C+Si cao) song cũng có nét khác biệt để làmcho biến tính tạo ra graphit cầu được thuận lợi

- (C+Si) cao hơn

- P, đặc biệt là S thấp hơn (<0,03%) do S kết hợp với Mg thành MgS làm xấu cơ tính và tổn hao chất biến tính

- Không có hay có rất ít nguyên tố cản trở cầu hoá như Ti, Al, Sn, Zn, Bi

- Hợp kim hoá bằng Ni (<2%), Mn (<1%) để nâng cao hiệu quả của tôi, ram Thành phần hoá học của phối liệu ảnh hưởng lớn tới thành phần cuối cùng của gang cầu Độ nhạy cảm của tổ chức tế vi và đặc tính cơ lý của gang cầu đối với thành phần hoá học đặt ra những yêu cầu nhất định về thành phần kim loại cơ sở cũng như các nguyên tố dư Hơn nữa, thành phần của phối liệu phải được tính đến thành phần tăng thêm từ các hợp kim được đưa vào trong quá trình cầu hoá và biến tính

Về nấu luyện:

Có nhiều loại thiết bị nấu luyện được sử dụng để sản xuất gang cầu: lò đứng, lò cảm ứng, lò hồ quang, lò quay là các loại thường gặp nhất Trong số các loại lò này, thông dụng nhất là lò cảm ứng

Trong thực tế, 97% phối liệu đưa vào lò nấu (phối liệu kim loại, các loại hợp kim sắt và chất tăng cácbon) được giữ lại trong kim loại lỏng cuối cùng Do đó, việc xác định thành phần và tình trạng của tất cả các vật liệu trước khi đưa vào lò là vô cùng quan trọng Lợi thế của việc sử dụng gang thỏi có độ thuần khiết cao, một sản phẩm

đã được khẳng định về chất lượng, trở nên rõ ràng

Về biến tính:

- Gang lỏng trước khi biến tính có nhiệt độ vào khoảng 1450C

- Biến tính cầu hoá: đưa Mg hay Ce vào gang lỏng để hàm lượng chất biến tính còn lại trong thành phần gang phải trong giá trị xác định

- Chất khử S thông thường dùng là Na2CO3

- Biến tính graphit hoá bằng FeSi 75%, CaSi 75% để chống biến trắng

Cách tiến hành biến tính

Hợp kim trung gian Mg-đất hiếm được đập nhỏ có kích cỡ 10x10x10mm cho vào nồi biến tính đáy có tấm thép đậy Nồi được sấy nóng đỏ Tiếp theo đến FeSi 75% hoặc CaSi có cỡ hạt 1mm Trên cùng được phủ một lớp tro dày 10mm đã được lèn chặt

Tiến hành rót 2/3 lượng gang lỏng cần biến tính vào nồi biến tính Để 3-5 phút cho sôi (nhằm để các nguyên tố biến tính đi vào gang lỏng) sau đó tiến hành lấy nốt 1/3 lượng gang lỏng còn lại và tiến hành chống biến trắng bằng FeSi 75% hoặc bằng CaSi (dạng bột) Dùng que thép đã được sấy nóng quấy đều ở nồi biến tính rồi mang

đi rót

Thời gian từ khi biến tính đến khi rót xong không quá 20 phút Quá thời gian này, hiệu quả biến tính sẽ không còn nữa Sau khi biến tính xong có thể tiến hành thử xem cách thức biến tính được chưa bằng cách đập gãy mẫu thử, nếu thấy tổ chức kim loại mịn chặt màu trắng xám và có mùi đất đèn là gang đã được cầu hoá Nếu mặt gãy

có hạt thô to, màu xám xẫm là gang chưa được cầu hoá

Bảng 10 sau đây sẽ liệt kê một số loại hợp kim thường dùng để cầu hóa, phổ biến nhất là FeSiMg Hàm lượng Mg trong hợp kim càng cao, mức độ phản ứng khi hợp kim tiếp xúc với gang lỏng càng mạnh, số lượng xỉ tạo thành càng lớn và khả năng thu hồi Mg càng thấp

Bảng 10: Thành phần của các hợp kim cầu hóa có thành phần silic chủ yếu

Tỷ lệ sử dụng chất biến tính dùng cho 100 kg gang lỏng theo kinh nghiệm như sau: FeSi 75 dạng bột 1mm): 0,6kg; CaSi 75 (dạng bột 1mm): 0,5kg; Ferô Mg-đất hiếm (cỡ cục 10x10x10): 1-1,3kg.Thành phần kim loại lỏng cũng quyết định đến