Bộ công thơng Viện khoa học và công nghệ Mỏ-Luyện kim BO CO đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển cấp bộ Đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lợng gang cầu pherit trong công nghệ chế tạo chi tiết tay quay van xuất khẩu Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Chiến Đồng chủ nhiệm: Nguyễn Hữu Dũng Cơ quan quản lý đề tài: Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim 6861 15/5/2008 Hà nội 2007 Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 1 các cơ quan phối hợp thực hiện 1. Đại học Bách khoa HN 2. Công ty Cơ khí Hà nội 3. Công ty cơ khí Đông anh Danh sách các cá nhân tham gia đề tài TT Họ và tên Nghề nghiệp Đơn vị 1 Nguyễn Văn Chiến Tiến sỹ Viện KHCN Mỏ Luyện kim 2 Nguyễn Hữu Dũng PGS TS Đại học Bách khoa HN 3 Nguyễn Hồng Hải ThS Đại học Bách khoa HN 4 Văn Ngọc Hồng Kỹ s Đại học KTCN Thái nguyên 5 Nguyễn Mạnh Đạt Kỹ s Viện KHCN Mỏ Luyện kim 6 Nguyễn Tuấn Kỹ s Viện KHCN Mỏ Luyện kim Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 2 mục lục Lời nói đầu Chơng 1. tổng quan về Gang cầu 1.1 Khái quát về gang cầu 9 1.1.1 Tổ chức gang cầu 9 1.1.2 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất 11 1.2 Các yếu tố ảnh hởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất gang cầu 11 1.2.1 Hình dạng graphit 12 1.2.2 Thành phần hóa học 12 1.2.3 Các phơng pháp nhiệt luyện gang cầu 16 1.2.4 ảnh hởng của tốc độ nguội 1.3 Tình hình sản xuất gang cầu ở trong nớc và nớc ngoài 18 Chơng 2. Công nghệ chế tạo gang cầu 2.1 Các phơng pháp chế tạo gang cầu 20 2.1.1 Phơng án các quá trình sạch 20 2.1.2 Phơng pháp có các quá trình hóa học 21 2.1.3 Một số công nghệ biến tính sử dụng Mg và hợp kim trung gian Mg. 22 2.2 Tác dụng của magiê khi làm chất biến tính cầu hóa 23 2.2.1 Khử khí và tinh luyện 23 2.2.2 Tác dụng khử lu huỳnh 24 2.2.3 Hàm lợng Mg d sau biến tính 27 2.2.4 Sự cháy hao của các nguyên tố khi biến tính. 28 2.3 Gang cầu pherit 29 Chơng 3. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu 3.1 Nội dung nghiên cứu 36 3.1.1 ảnh hởng của thành phần phối liệu đến việc hình Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 3 thành tổ chức pherit 36 3.1.2 ảnh hởng của hàm lợng cacbon, silic, mangan đến việc hình thành tổ chức pherit. 36 3.1.3 ảnh hởng của chiều dày thành vật đúc đến cơ tính gang cầu pherit trạng thái đúc. 37 3.1.4 Thiết kế công nghệ và đúc thử cho chi tiết van tay quay bằng công nghệ khuôn cát tơi. 38 3.2 Phơng pháp nghiên cứu 3.2.1 Thiết bị và nguyên liệu thí nghiệm 39 3.2.2 Qui trình công nghệ: 41 3.2.3 Các điều kiện ban đầu 43 3.2.4 Nhiệt luyện gang cầu 44 Chơng 4. Kết quả và thảo luận 4.1 Khảo sát và đánh giá thực tế công nghệ sản xuất gang cầu pherit 45 4.2 ảnh hởng của hàm lợng mangan đến tính chất gang cầu pherit trạng thái đúc 51 4.3 ảnh hởng của chiều dày thành vật đúc đến tính chất gang cầu trạng thái đúc 53 4.4 ảnh hởng của Cu đến tính chất gang cầu trạng thái đúc 56 4.5 ảnh hởng của đồng đến tính chất gang cầu sau nhiệt luyện 59 4.6 ảnh hởng của hàm lợng Mg d 61 4.7 áp dụng kết quả vào sản xuất 64 4.8 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm 68 Kết luận và kiến nghị 70 Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 4 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Tổ chức gang cầu nền ferit + peclit Hình 1.2 Độ bền và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm lợng Si và nền kim loại Hình 1.3 Hình dạng graphit và cơ tính của gang Hình 1.4 ảnh hởng của hàm lợng Mn đến cơ tính gang cầu Hình 1.5 ảnh hởng của lu huỳnh đến độ dãn dài của gang cầu Hình 1.6 Ngỡng giòn của gang cầu phụ thuộc vào hàm lợng photpho Hình 2.1 Phơng pháp biến tính a) nhúng và b) nồi autoclap Hình 2.2 Phơng pháp biến tính bằg dây nhồi. Hình 2.3 Phơng pháp biến tính trong thùng quay Hình 2.4 Phơng pháp biến tính liên tục trên dòng chảy Hình 2.5 Phơng pháp gầu Tundish Hình 2.6 Cân bằng Mg-S tại nhiệt độ 1500 0 C Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe Mg Hinh 2.8 nh hng ca t chc nn n dai va p ca gang cu pherit Hỡnh 2.9 ảnh hởng của Si tới tính chất của gang cầu pherít Hỡnh 2.10 nh hng ca hm lng P n dai va p ca gang cu pherit Hình 3.1 Mẫu thí nghiệm và xác định cơ tính Hình 4.1 Tổ chức kim loại của mẫu Hình 4.2 ảnh hởng của tỉ lệ C/Si đến cơ tính của gang cầu Hỡnh 4.3 Hm lng Mn v bn kộo ca gang cu Hỡnh 4.4 Hm lng Mn v dãn dài ca gang cu trạng thái đúc Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 5 Hỡnh 4.5 Chiều dày vật đúc v bn kộo ca gang cu trạng thái đúc Hình 4.6 Chiều dày vật đúc và độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc Hình 4.7 ảnh hởng của Cu đến độ bền kéo gang cầu trạng thái đúc Hình 4.8 ảnh hởng của Cu đến độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc Hình 4.9 Gang cầu 0,5% Cu trạng thái đúc Hình 4.10 ảnh hởng của Cu đến độ bền kéo gang cầu Hình 4.11 ảnh hởng của Cu đến độ dãn dài gang cầu Hình 4.12 Gang cầu 0,5% Cu sau nhiệt luyện Hình 4.13 ảnh hởng của hàm lợng Mg d đến độ bền Hình 4.14 ảnh hởng của hàm lợng Mg d đến độ dãn dài Hình 4.15 Công nghệ đúc tay quay bằng gang cầu pherit trạng thái đúc Hình 4.16 Bản vẽ chi tiết tay quay Hình 4.17 Chi tiết tay van Hình 4.18 Vật đúc chi tiết tay van Hình 4.19 Công nghệ đúc mũ sứ gang cầu Hình 4.20 Chi tiết đúc mũ sứ gang cầu Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 6 danh mục các bảng biểu Bảng 1.1 Tính chất của gang cầu hợp kim theo tiêu chuẩn DIN1693, Bảng 2.1 Sự thay đổi hàm lợng khí trong gang khi biến tính bằng FeSiMg5 Bảng 2 2 Khả năng khử S của các nguyên tố đất hiếm phụ thuộc vào nhiệt độ Bảng 2.3 Đặc tính chủ yếu của một số chất biến tính cầu hoá để sản xuất gang graphit cầu. Bảng 2.4 Thành phần một số loại chất biến tính cầu hoá chứa đất hiếm. Bảng 2.5 Tính chất của gang cầu pherit Bảng 2.6 Thành phần các nguyên tố thờng gặp trong gang cầu graphit . Bảng 4.1 Tính chất gang cầu không dùng gang thỏi trong mẻ liệu Bảng 4.2 Tính chất gang cầu khi dùng 20% gang thỏi trong mẻ liệu, hàm lợng Mn thấp. Bảng 4.3 Tính chất gang cầu khi dùng Cđl > 4,5% Bảng 4.4 Độ bền kéo và hàm lợng Mn trong gang cầu Bảng 4.5 Độ dãn dài và hàm lợng Mn trong gang cầu trạng thái đúc Bảng 4.6 Chiều dày vật đúc và Độ bền kéo trạng thái đúc Bảng 4.7 Chiều dày vật đúc và Độ dãn dài gang cầu trạng thái đúc Bảng 4.8 ảnh hởng của Cu đến cơ tính gang cầu trạng thái đúc Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 7 Mở đầu Trong những năm gần đây, gang cầu đã trở thành một loại vật liệu rất quan trọng trong ngành chế tạo máy do những u việt của vật liệu nh: tính đúc tốt, tính chất cơ học cao, gía thành vừa phải. Bằng công nghệ biến tính và thay đổi thành phần vật liệu, có thể tạo ra những mác gang cầu thoả mãn nhiều nhu cầu của sản xuất và mở ra một viễn cảnh rất rộng lớn cho việc áp dụng gang cầu trong việc chế tạo chi tiết trong ngành ôtô, xây dựng, nông nghiệp, mỏ, quân sự và trong ngành đờng sắt mà trớc đây thờng chế tạo bằng phơng pháp rèn hoặc đúc thép. Tính chất gang cầu phụ thuộc vào cấu trúc nền, hình dạng, kích thớc và sự phân bố graphit trong gang. Nền và hạt graphit lại phụ thuộc vào thành phần hoá học của gang lỏng, phơng pháp khử lu huỳnh và phơng pháp tạo xỉ ở trong gầu rót nh thế nào, chúng còn phụ thuộc vào phơng pháp biến tính, khoảng thời gian giữa các sự kiện trên và cũng phụ thuộc vào hình dáng chi tiết đúc trong khuôn. Đối với gang cầu pherit trạng thái đúc, sự có mặt của các nguyên tố nh mangan và crôm là những nguyên tố có ảnh hởng rất mạnh đến tính chất cơ học của gang. Với lý do này thì thành phần của chúng phải đợc khống chế rất chặt chẽ. Mangan và crôm vào gang lỏng từ sắt thép vụn, gang và hồi liệu. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, sử dụng sắt thép vụn sao cho gang lỏng chứa ít hơn 0,1%Cr, hàm lợng Mn trong khoảng 0,2-0,3% thì chất lợng gang cầu sẽ dễ khống chế hơn. Trong sắt thép vụn hàm lợng mangan khá cao, đa số đều chứa đến 0,5% cho nên khống chế hàm lợng Mn là việc rất cần thiết. Lợng sắt thép vụn cần phải khống chế ở mức sao cho vật đúc chứa càng ít cacbit càng tốt. Điều này đặc biệt quan trọng trong công nghệ chế tạo gang cầu pherit. Cấu trúc graphit trong gang cầu chịu ảnh hởng của hàm lợng cacbon và cacbon đơng lợng cũng nh tỉ lệ C/Si. Nhiều thí nghiệm cũng đã chỉ ra rằng, thành phần mẻ liệu có ảnh hởng rất lớn đến tính chất của gang cầu pherit ở trạng thái đúc. Các nguyên tố phản cầu cần phải khống chế chặt chẽ Báo cáo kết quả nghiên cứu Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 8 là: Sn 0,01%; As 0,02%; (V+Mo) 0,01%; Cr 0,04%; Sn 0,02%; P0,05%. Mục đích của đề tài: ti ny nhằm giải quyết một số vấn đề sau đây: 1. ảnh hởng của thành phần phối liệu đến chất lợng gang cầu pherit trạng thái đúc. 2. ảnh hởng của hàm lợng mangan đến chất lợng gang cầu pherit trạng thái đúc 3. ảnh hởng của chiều dày thành vật đúc đến chất lợng gang cầu pherit trạng thái đúc. 4. Thiết lập đợc công nghệ sản xuất gang cầu pherit trạng thái đúc ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Khi đã giải quyết đợc các vấn đề nêu trên, đề tài sẽ góp phần vào việc hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về gang cầu pherit trạng thái đúc. Kết quả của đề tài giúp cho các cơ sở sản xuất đúc không bị động khi nhận các đơn hàng về gang cầu pherit. Khi kết quả của đề tài là ổn định, sẽ áp dụng để sản xuất chi tiết tay quay bằng gang cầu dùng cho xuất khẩu. Đề tài này cũng là cơ sở cho việc thực hiện một luận án Thạc sỹ về ngành Khoa học và Công nghệ vật liệu. Báo cáo kết quả nghiên cứu viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 9 Chơng 1. Tổng quan về gang cầu 1.1 Khái quát về gang cầu: Gang graphit cầu, gọi tắt là gang cầu, có cơ lý tính cao hơn hẳn gang xám thờng. Gang cầu có độ bền cao, mô đun đàn hồi lớn và độ dẻo cao. Về cơ tính có thể sánh ngang với thép cácbon nhng dễ đúc hơn nhiều, do đó gang cầu đợc dùng thay thế thép làm những chi tiết quan trọng nh trục khỷu ô tô, biên, trục cán. Chính vì vậy vấn đề cầu hoá graphit đã đợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. 1.1.1 Tổ chức gang cầu: Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit hình cầu và nền kim loại. Tổ chức nền kim loại của gang cầu giống thép. Về cơ bản, ở trạng thái đúc, gang cầu có các loại tổ chức nền: peclit, peclit+pherit và nền pherit. Các hạt graphit hình cầu phân bố đều trên nền kim loại này. Hình 1.1 giới thiệu tổ chức của gang cầu peclit+pherit - Graphít ở dạng quả cầu tròn, hình dáng và kích thớc các hạt graphit cầu quyết định độ bền kéo vàđộ dẻo rất cao của gang cầu so với gang xám. Hình 1. 1: Tổ chức gang cầu nền ferit + peclit [...]... tin KHKT TW trong khong 10 năm lại đây không thấy công trình nào công bố về gang cầu pherit nói chung và gang cầu pherit trạng thái đúc nói riêng Bởi vậy việc nghiên cứu chế tạo ổn định và sử dụng gang cầu pherit trong giai đoạn hiện nay là rất cần thiết viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 19 Báo cáo kết quả nghiên cứu Chơng 2 Công nghệ chế tạo gang cầu 2.1 Các phơng pháp chế tạo gang cầu Trong những... phơng pháp biến tính hợp kim hoá sử dụng đất hiếm VN, (mã số 24A.01.02) đều nghiên cứu về gang cầu peclit Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc: Nghiên cứu công nghệ đúc các chi tiết máy đặc biệt bằng gang cầu cờng độ cao, gang hợp kim, mã số KC 05-05 viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 18 Báo cáo kết quả nghiên cứu Đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu dùng vật liệu mới để nâng cao chất lợng bộ nổ cho các loại máy động... gang cầu Các công trình đã công bố của các tác giả viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 17 Báo cáo kết quả nghiên cứu nớc ngoài tập trung nhiều về gang cầu ADI (Austempering Ductile Iron)/1,2,3/ và tập trung nghiên cứu đi đến hạn chế các khuyết tật khi đúc gang cầu /4/ Gang cầu pherit mác FCD450-12 (theo tiêu chuẩn Mỹ) cũng đợc nghiên cứu sử dụng nhiều cho các chi tiết làm việc chịu ứng suất kéo, trong. .. thì gang cầu vẫn có độ dãn dài nhỏ nhất là 12- 25% ở Liên xô cũ, theo tạp chí việc nghiên cứu gang cầu pherit cũng đợc tiến hành từ rất sớm Phần lớn các công trình đã công bố cũng đề cập đến hai công nghệ: gang cầu pherit trạng thái đúc và pherit sau nhiệt luyện Trong đó công nghệ sản xuất gang cầu pherit nhiệt luyện đợc dùng nhiều hơn do tính đơn giản về công nghệ /9,10,11,12/ 1.3.2 Tình hình nghiên. .. nghiên cứu trong nớc Từ những năm 70 của thế kỉ trớc, đã có nhóm nhà khoa học Việt nam nghiên cứu sản xuất gang cầu peclit là trục khuỷu phục vụ Quân đội với đề tài: Sản xuất gang cầu từ gang lò đứng Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc về gang cầu : Sử dụng đất hiếm để sản xuất gang cầu (mã số 24.02.04.11); Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc : Nâng cao chất lợng sản phẩm đúc bằng phơng pháp biến tính hợp kim hoá sử. .. B2002-28-55 Đề tài cấp bộ: Nghiên cứu gang cầu ủ đẳng nhiệt (Tổng CT Máy và động lực.2004) Một số đề tài cấp Bộ và cấp Thành phố nh: Công nghệ sản xuất trục khuỷu của công ty thép miền Nam, công ty Cơ khí Đông anh, công ty Cơ khí Hà nội, Công ty Diezen Sông Công cũng đều là công nghệ gang cầu peclit Đã có một vài nơi sản xuất gang cầu pherit nhng cha thấy công bố kết quả nghiên cứu và sản xuất của mình... tiết làm việc chịu ứng suất kéo, trong đó còn nghiên cứu gang cầu pherit dùng để làm vật liệu đúc liên tục nằm ngang /5/ Gang cầu pherit cũng đã đợc nghiên cứu nhiều ở Tiệp khắc cũ từ những năm 90 của thế kỉ trớc /6,7,8/ Để nhận đợc tổ chức pherit, ngời ta dùng 2 công nghệ: pherit trạng thái đúc và pherit sau nhiệt luyện Ngoài việc chế tạo gang cầu có nền pherit đơn thuần, ngời ta còn tiến hành hợp... nhiều vào pherit làm giảm tính dẻo của gang Gang cầu thông thờng chứa 3,3 -3,9%C; 2,0 - 2,5%Si viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim 12 Báo cáo kết quả nghiên cứu Mn: Trong gang cầu, Mn thờng thiên tích lớn, hàm lợng Mn trên biên giới các hạt thờng cao hơn từ 3 - 4 lần trong hạt cùng tinh Mangan l nguyên tố có tác dụng điều chỉnh tổ chức nền của gang Do chất cầu hóa khử S tốt nên hàm lợng S trong gang còn... 2.3 Gang cầu pherit Gang này ở trạng thái đúc hoặc sau khi ủ có tổ chức nền là pherit chi m tới 80% trở lên, ngoài ra, trong thành phần tổ chức còn chứa một lợng nhỏ peclit Đặc điểm cơ tính của gang là độ bền cao (ngang với thép), độ dẻo và độ dai kém hơn gang dẻo cùng loại, độ bền mỏi tơng tự gang rèn Công dụng điển hình của gang cầu graphit là đúc vỏ cầu sau ô tô, các chi tiết đỡ mũ sứ trong đờng dây... dẫn điện Nhiều công trình đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa lợng peclit với cơ tính của gang cầu pherit: Tăng lợng pherit trong gang (tơng ứng với việc giảm lợng peclit), độ bền và độ dẻo của gang cầu giảm đi; trong khi đó, độ dẻo của chúng lại tăng một cách rõ rệt Gang cầu pherit theo tiêu chuyển DIN 1693 có thể đạt đợc các tính chất cơ học nh bảng 2.4 Bảng 2.4 Tính chất của gang cầu pherit GGG-40 Thành . Công nghệ đúc tay quay bằng gang cầu pherit trạng thái đúc Hình 4.16 Bản vẽ chi tiết tay quay Hình 4.17 Chi tiết tay van Hình 4.18 Vật đúc chi tiết tay van Hình 4.19 Công nghệ đúc mũ sứ gang. hoá sử dụng đất hiếm VN, (mã số 24A.01.02) đều nghiên cứu về gang cầu peclit. Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc: Nghiên cứu công nghệ đúc các chi tiết máy đặc biệt bằng gang cầu cờng độ cao, gang. TW trong khong 10 năm lại đây không thấy công trình nào công bố về gang cầu pherit nói chung và gang cầu pherit trạng thái đúc nói riêng. Bởi vậy việc nghiên cứu chế tạo ổn định và sử dụng gang