1 Bộ công THƯƠNG TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM Viện Luyện kim Đen Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển CÔNG NGHệ cấp bộ Tên đề tài: NGHIấN CU CễNG NGH SN XUT GANG BN NHIT H Fe Al THAY TH H Fe Cr- Ni DFGEDFGEDFGE Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép vN Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen Chủ nhiệm đề tài: LÊ VĂN NGUYÊN 6825 28/4/2008 Tháng 12/2007 2 MỤC LỤC MỤC LỤC TRANG MỞ ĐẦU 2 I. TỔNG QUAN 3 1. Tính chịu nhiệt 3 2. Tính bền nhiệt 7 2.1. Khái niệm về biến dạng dão 7 2.2. Dão trong vật liệu kim loại 8 3. Gang bền nhiệt 9 4. Gang nhôm (Fe-Al) 10 4.1. Vai trò của nhôm và silic 10 4.2. Các mác gang nhôm thường gặp 17 4.3. Lựa chọn mác gang nghiên cứu 20 II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 22 1. Nội dung nghiên cứu 22 2. Phương pháp nghiên cứu 22 III. NHỮNG KẾT QU Ả ĐẠT ĐƯỢC 24 1. Công nghệ nấu luyện 24 2. Công nghệ đúc 27 2.1. Xác định độ co của gang nhôm 28 2.2. Xác định độ chảy loãng 29 3 2.3. Vật liệu làm khuôn 30 2.4 Một số vấn đề liên quan khác đến công nghệ nấu luyện 30 2.5 Công nghệ nhiệt luyện gang nhôm 31 3. Các tính chất cơ học đạt được 32 4. Cấu trúc 32 5. Quá trình dùng thử sản phẩm 33 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 1. Kết luận 35 2. Kiến nghị 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 PHỤ LỤC 37 4 Danh sách những người thực hiện chính Họ và tên Học hàm, học vị chuyên môn Cơ quan công tác 1. Lê Văn Nguyên Ks Viện Luyện Kim Đen 2. Lê Quang Hiếu Th.s Viện Luyện Kim Đen 3. Nguyễn Thanh Bình Ks Viện Luyện Kim Đen 4. Trần Đình Hưng Ts Viện Luyện Kim Đen 5. Nguyễn Quang Dũng Th.s Viện Luyện Kim Đen 5 MỞ ĐẦU Gang bền nhiệt đã được nghiên cứu từ lâu, cùng với phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật khác, gang bền nhiệt cũng phát triển đa dạng và phong phú. Tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của môi trường làm việc mà sử dụng lựa chọn mác gang cho phù hợp, sao cho công nghệ sản xuất đơn giản, chất lượng sử dụng tốt, giá thành rẻ. Gang bền nhiệt ngày càng được sử dụng rộ ng rãi vì so với các loại vật liệu bền nhiệt khác loại gang này có khả năng chống rung cao, tính đúc tốt cho phép nhận được các chi tiết có hình dạng phức tạp. Do có khả năng bền nhiệt kết hợp với khả năng chống ăn mòn, chống mài mòn gang bền nhiệt được sử dụng nhiều trong ngàng cơ khí, công nghiệp hoá chất và dầu khí: trong ngành chế tạo tuôcbin khí, chế tạo các chi tiết trong máy diezen hiện đại, máy nén khí… Ở n ước ta gang bền nhiệt đã được sử dụng nhiều để làm sàn lò nung, sàn lò nhiệt luyện, các thiết bị trao đổi nhiệt…Các chi tiết đòi hỏi phải làm việc ở nhiệt độ cao hoặc vừa làm việc ở nhiệt độ cao vừa chịu ăn mòn, mài mòn hầu hết vẫn phải nhập ngoại. Để khác phục khó khăn khi phải nhập ngoại nhằm thay thế kịp thời phụ c vụ sản xuất, một số chi tiết đã được chế tạo trong nước, song hầu hết các mác gang này đều theo hệ Fe-Cr, Fe-Si, Fe-Cr-Ni. Ngoài các hệ này, các nước còn dùng hệ Fe-Al.Gang hệ Fe – Al (gọi tắt là gang nhôm) có nhiều ưu điểm nổi bật: có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao mà không bị nứt, không bị cong vênh, biến dạng. Gang nhôm ngoài khả năng bền nhiệt còn có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao. Đặc biệ t trong những năm gần đây khi mà giá Niken tăng cao, gang nhôm càng được chú ý và nghiên cứu kỹ càng hơn vì giá thành của nó thấp hơn sử dụng Niken rất nhiều. Đề tài “nghiên cứu công nghệ sản xuất gang bền nhiệt hệ Fe-Al thay thế hệ Fe- Cr-Ni” rõ ràng là đề tài vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa kinh tế cao. Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của vụ KHCN Bộ Công Thương, phòng KT Tồng Công ty thép Việ t Nam (VSC), Xí nghiệp 79 Tổng cục CNQP, Viện Luyện Kim Đen và các bạn đồng nghiệp. Nhân dịp này, ban chủ nhiêm đề tài xin trân thành cảm ơn! 6 I. TỔNG QUAN Gang bền nhiệt là loại vật liệu kim loại làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, có áp suất lớn và nhìn chung đều ở trong môi trường xâm thực. Để đảm bảo các chi tiết chế tạo từ gang bền nhiệt có tuổi thọ làm việc cao, loại gang này phải đảm bảo hai điều kiện: - Có tính chịu nhiệt cao (tính bền hoá ở nhiệt độ cao) - Có tính bền nhiệt cao (giữ được độ bền ở nhiệt độ cao trong thời gian dài dưới tác động của tải trọng làm việc). 1. Tính chịu nhiệt Đối với vật liệu kim loại nói chung, tính chịu nhiệt là khả năng chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao. Môi trường làm việc của kim loại bền nhiệt thường là không khí nóng, sản phẩm cháy của nhiên liệu chứa khí CO, H 2 S, O 2 , các loại ion của muối nóng chảy…Trong các môi trường phá huỷ này môi trường phá huỷ thường gặp nhất là môi trường ôxy. Vật liệu kim loại ở nhiệt độ cao bị oxy hoá. Sản phẩm của quá trình oxy hóa là các loại ôxyt: Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 . Các loại ôxyt Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO có cấu tạo mạng không khít chặt, lại không liên kết chặt với kim loại nền nên bị tách ra khỏi nền. Quá trình hình thành ôxýt và tách ra khỏi nền của ôxýt tiếp tục xẩy ra khi vẫn được cung cấp ôxy, cứ như vậy kim loại nền bị phá huỷ nhanh chóng. Cơ chế của quá trình oxy hoá được mô tả như sau: - Ở lớp bền mặt phân chia kim loại /oxyt có phản ứng: Me Æ Me n+ + ne - Ở lớp bề mặt phân chia oxyt/oxy có phản ứng: ½ O 2 Æ O hp + 2e Æ O 2- Phản ứng tổng hợp của cả quá trình sẽ là: Me n+ + m.n O 2 /2 Æ Mn n O m.n/2 Trong các phản ứng trên m, n là chỉ số và hoá trị của kim loại, O hp là oxy bị hấp phụ trên bề mặt kim loại. 7 Trong quá trình oxy hoá kim loại, một lớp màng oxýt rắn được tạo thành trên bề mặt. Quá trình ôxy hoá muốn tiếp tục thì O hp phải khuyếch tán qua lớp ôxýt mới hình thành đó để tiếp xúc trực tiếp với kim loại nền hoặc các ion kim loại từ nền khuyếch tán qua lớp oxýt này để tiếp xúc với O hp . Từ cơ chế ăn mòn trên đây ta thấy lớp oxyt tạo thành lúc ban đầu rất quan trọng, cấu trúc của lớp oxy, độ bền và độ phân tán cũng như kích thước hạt quyết định đến tính chịu nhiệt của kim loại nền. Cấu trúc, độ bền, độ phân tán và kích thước của các phần tử ôxýt phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó, tức là ngoài oxy nó phụ thuộc vào thành phần cấu tạ o nên hợp kim chịu nhiệt. Mỗi nguyên tố có trong thành phần hợp kim đều có ảnh hưởng nhất định đến việc tạo thành ôxyt, nhưng sự thể hiện thì không riêng rẽ vì trong đại đa số các trường hợp người ta thấy có sự oxy hóa chọn lọc, vì quá trình oxy hoá phụ thuộc nhiều yếu tố như vùng nhiệt độ mà nguyên tố đó có ái lực mạnh với oxy hơn các nguyên tố khác hoặc quá trình oxy hoá còn là quá trình làm nghèo nguyên tố này, tứ c là gián tiếp làm giàu nguyên tố khác. Có nhiều loại ôxyt tạo ra trên bề mặt hợp kim. Bảng 2 thống kê cấu trúc, tính chất và thông số mạng của các loại ôxyt thường gặp này. 8 Bảng 1 : Các ôxyt thường gặp và các tính chất của chúng Thông số Nhiệt độ Ôxyt Loại mạng tinh thể A α Nóng chảy Thiêu kết Sôi N/lượng giải phónng, Kcal Tỷ khối FeO Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 Fe 2 O 3 NiO CoO Co 3 O 4 Cr 2 O 3 CrO 3 Al2O 3 Al2O 3 TiO SiO 2 SiO 2 V 2 O 5 V 2 O 3 VO MoO 2 MoO 3 MnO 2 α γ γ α α α β γ Lập phương kiểu NaCl Spinel Mặt thoi kiểu Cr 2 O 3 Lập phương Lập phương kiểu NaCl - Nt - Spinel Mặt thoi, D5 Hình thoi Spinel Kiểu Cr 2 O 3 Lập phương kiểu NaCl Lục giác C 8 Lập phương Mặt thoi Kiểu Cr 2 O 3 Kiểu NaCl Đơn tinh thể Hình thoi Kiểu rutil 4.28 8,38 5,42 8,32 4,17 4,25 8,11 7,74 7,9 5,12 8,11 5,42 5,45 4,08 55 o 17 ’ 55 o 17 ’ 56 o 50 ’ 53 o 49 ’ 1377 1527 1565 1990 1810 *910 2257 1870 2050 1825 575 1710 650 1970 2050 - 795 510* 720 810 840 1260 1160 880 * * 2500 1700 1460 +129 146 +104 +96 +117 +115 +48 +180 +5.5 +261 +266 +208 +207 +61 +177 +211 +132 +90 +35 - 2,10 2,14 1,65 1,86 2,01 2,07 5,1 - 1,28 1,88 3,19 1,82 1,51 2,10 3,24 2,34 9 Từ bảng 1 ta thấy, mỗi loại oxyt có một nhiệt độ nóng chảy và một nhiệt độ thiêu kết riêng. Để có màng bảo vệ tốt, màng bảo vệ phải có nhiệt độ nóng chảy cao và có nhiệt độ thiêu kết cao. Rõ ràng Cr, Al , Si, Zr, Ni, …tạo ra màng oxyt có tính bảo vệ tốt. Các nguyên tố Cr, Al, Si, …ngoài việc tạo thành oxyt có nhiệt độ nóng chảy cao. Oxyt của các nguyên tố này còn không bị bay hơi ở nhiệt độ cao, có cấu trúc xít chặt và có liên kết ch ắc chắn nền kim loại. Vì vậy tốc độ oxy hoá của kim loại nền rất thấp. Tốc độ oxy hoá trong trường hợp này được biểu thị bằng phương trình: X 2 = K.t Trong đó: X- Độ dày màng ôxyt t- Thời gian K- Hằng số, có liên quan đến hệ số khuyếch tán. Hằng số K có thể được tính theo phương trình khuyếch tán: K = 2VDn Trong đó: D- Hệ số khuyếch tán V- Thể tích trung bình ion khuyếch tán trong màng ôxyt. W- Nồng độ ion khuyếch tán qua ranh giới giữa ôxyt và kim loại. Từ phương trình này ta thấy, quá trình ôxy hoá là quá trình khuyếch tán. Trong trường hợp khi bề mặt kim loại tạo nên màng ôxyt xốp có vết rạn nứt nghĩa là màng mỏng không tạo thành lớ p bảo vệ vững chắc cho kim loại khỏi ôxy hoá, khi đó tốc độ ôxy hoá được tính theo phương trình tuyến tính: X =K.t Khi nhiệt độ tăng lên, làm tăng tính linh động của ion kim loại và nguyên tử, kéo theo sự khuyếch tán ion kim loại qua màng ôxyt, nhưng đối với các hợp kim khác nhau, màng ôxy hoá ở nhiệt độ khác nhau cho cấu trúc, thành phần, độ bền ôxy hoá khác nhau, khả năng khuyếch tán cũng khác nhau. Lúc đó tốc độ ôxy hoá hay hằng số K trong phương trình X 2 = K.t phụ thuộc vào nhiệt độ. 10 Qua việc nghiên cứu các màng mỏng ôxyt của thép chịu nhiệt chứa Cr, Al, Si người ta xác định rằng ôxyt chịu nhiệt của các nguyên tố này nằm ngay sát phía trong lớp gỉ, gắn bám trực tiếp bề mặt kim loại, còn lớp bề mặt kim loại nằm ở dưới lớp ôxyt thì bị ôxy hoá khi tiếp xúc với O hp . Với tác dụng hoá học của kim loại và môi trường khí tạo nên trên bề mặt kim loại chịu nhiệt lớp bảo vệ gồm cấu trúc của chính nó với cấu trúc kim loại. Mạng tinh thể kim loại vẫn tiếp tục được bảo toàn ngay khi kiến tạo mạng mới trong pha ôxyt. Lớp chuyển tiếp giữa màng ôxyt và nền kim loại đảm bảo độ bền cần thiết của mối liên k ết kim loại với ôxyt và đóng vai trò chủ yếu đối với khả năng chịu nhiệt của kim loại. Qua những kết quả nghiên cứu trên đây ta thấy, cho đến ngày nay các nguyên tố Cr, Al, Si…vẫn là các nguyên tố hợp kim chính tạo thành hợp kim chịu nhiệt. 2 Tính bền nhiệt Tính bền nhiệt của vật liệu là khả năng giữ được độ bền ở môi trường nhiệt độ cao trong điề u kiện tải trọng xác định. Trên thực tế, tính bền nhiệt được coi là khả năng làm việc lâu bền của vật liệu trong điều kiện có tải trọng và nhiệt độ cao. Như ta đã biết, khi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tỉ trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng d ẻo một cách chậm chạp gọi là dão (creep). Đó là sự nối tiếp nhau một cách liên tục của 2 quá trình ngược nhau: biến dạng dẻo gây ra hoá bền và kết tinh lại gây ra thải bền. Hiện tượng dão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi nhiệt độ làm việc cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì kim loại sẽ bị biến dạng dẻo và dẫn tới phá huỷ sau một thời gian nào đ ó. Để nâng cao tính bền nóng ta phi tìm cách chống lại hiện tượng biến dạng dão. [...]... NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 1 Nội dung nghiên cứu - Dựa trên tài liệu nghiên cứu của nước ngoài, kết hợp với việc khảo sát điều kiện làm việc thực tế ở một số nhà máy, xí nghiệp nghiên cứu tổng quan về tính chất, cấu trúc cơ bản của gang bền nhiệt, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến hệ gang Fe-Al - Nghiên cứu thiết lập quy trình công nghệ sản xuất mác gang lựa chọn gồm các khâu công nghệ. .. gồm các khâu công nghệ sau ; + Công nghệ nấu luyện + Công nghệ đúc + Công nghệ nhiệt luyện -Đánh giá chất lượng sản phẩm (thành phần hoá học, cơ tính, tính chất pha, tính chịu nhiệt) - Chế tạo sản phẩm dùng thử (theo yêu cầu của đơn vị dùng thử) để đánh giá chất lượng - Viết báo cáo tổng kết đề tài 2 Phương pháp nghiên cứu Những thông tin thu thập phục vụ cho việc nghiên cứu gồm có : - Các cơ sở lý thuyết... được công nghệ nấu luyện gang hợp kim nhôm theo thành phần hoá học đã lựa chọn 2 Công nghệ đúc Gang nhôm là loại gang hợp kim có tính đúc tốt, vì vậy những vấn đề chung của công nghệ đức như hòm khuôn, mộc mẫu, cát đúc, chế độ đầm khuôn, xấy khuôn, vị trí đặt đậu ngót, đậu ngót không có gì khác với công nghệ đúc gang thường mà các xưởng đúc đang tiến hành Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên. .. càng dễ cắt Hệ gang Fe - Al nếu hợp kim hoá thêm crôm ngoài khả năng bền nhiệt tăng khả năng chống ăn mòn hoá học cũng tăng Gang 7% Al và 3%Cr có độ bền hoá học ở nhiệt độ cao rất cao Loại gang chưa 4%Al và 2,5%Cr giảm không đáng kể 17 độ bền gia công Nói chung gang nhôm hợp kim hoá thêm crôm vừa có độ bền cao vừa có khả năng chống ăn mòn hoá học cao ở khoảng nhiệt độ 9000C vì thế có thể thay thế được... [2] 2.5 Công nghệ nhiệt luyện gang nhôm Khác với thép, các chi tiết chế tạo gang thường là các chi tiết không qua gia công biến dạng Hơn nữa một số mác gang còn có khả năng tự tôi hơn trong môi trường thiên nhiên Chính vì điều đó, vấn đề nhiệt luyện gang thường không theo qui trình đầy đủ như đối với thép chế tạo Song, tuỳ từng mục đích cụ thể gang cũng đựơc nhiệt luyện theo các bước công nghệ khác... cấu trúc và đến đặc tính chịu nhiệt của gang được đưa ra trên hình 2 14 Hình 2: Quan hệ giữa hàm lượng nhôm và cacbon đến khả năng chịu nhiệt của gang 1- Khả năng bền nhiệt đến 7000C 2- Khả năng bền nhiệt và chịu mài mòn đến 9000C 3- Khả năng bền nhiệt đến 11000C Đường A-B là đường cùng tinh Từ hình 2 ta thấy gang chứa 5% nhôm trở lên đã có khả năng chịu nhiệt và có độ bền khá tốt Với hàm lượng Al:... 4.3 Lựa chọn mác gang nghiên cứu Như phần trên đã trình bày, gang nhôm có nhiều ưu điểm nổi bật so với nhiều loại gang hợp kim bền nhiệt khác Khối lượng riêng nhẹ hơn, thậm chí dưới 6,0.103kg/m3 (đối với gang hợp kim nhôm hàm lượng nhôm lên 19-25% khối lượng riêng chỉ còn 5,5.103-6,0.103kg/m3) Tính bền nhiệt của gang nhôm ở nhiệt độ cao rất cao Dưới tải trọng làm việc bình thường gang nhôm thấp có... và FeCr) Rõ ràng, nếu sản phẩm xuất một khối lượng dù không lớn lắm loại gang bền nhiệt ЧЮ6C5 cũng sẽ tiết kiệm được khối lượng không nhỏ tiền chi phí cho vật tư so với sản xuất loại gang ЧH19X3Ш Với những phân tích trên chúng tôi lựa chọn mác gang ЧЮ6C5 để tiến hành nghiên cứu Mác gang ЧЮ6C5 có thành phần hóa học và cơ tính như trong bảng 5 Bảng 5 : Thành phần hoá học và cơ tính gang ЧЮ6C5 Thành phần... đến độ cứng, giới hạn bền kéo và bền uốn của gang Sự thay đổi độ cứng của gang theo hàm lượng silic và 18 nhôm được trình bày trong hình 6 và sự thay đổi giới hạn bền kéo và bền uốn được trình bày trong hình 7 Hình 6: Sự thay đổi độ cứng của gang theo hàm lượng Si và Al Hình 7: Sự thay đổi giới hạn kéo và uốn của gang theo hàm lượng Si và Al Từ những phân tích trên ta thấy rõ trong gang nhôm vai trò của... nguyên tố hợp kim, giá thành sản phẩm cũng tăng cao hơn Nhóm gang Fe-Al là nhóm gang bền nhiệt có giá thành thấp hơn các nhóm khác mà độ bền nhiệt vẫn đảm bảo yêu cầu sử dụng Vì vậy nó đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới 4 Gang nhôm (Fe-Al) 4.1 Vai trò của nhôm và silic Nét đặc biệt của hệ cân bằng Fe-Al là việc tạo thành trong dung dịch rắn của hợp kim, các hợp chất liên kim . tăng cao, gang nhôm càng được chú ý và nghiên cứu kỹ càng hơn vì giá thành của nó thấp hơn sử dụng Niken rất nhiều. Đề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất gang bền nhiệt hệ Fe-Al thay thế hệ Fe- Cr-Ni”. chọn mác gang cho phù hợp, sao cho công nghệ sản xuất đơn giản, chất lượng sử dụng tốt, giá thành rẻ. Gang bền nhiệt ngày càng được sử dụng rộ ng rãi vì so với các loại vật liệu bền nhiệt khác. nhằm thay thế kịp thời phụ c vụ sản xuất, một số chi tiết đã được chế tạo trong nước, song hầu hết các mác gang này đều theo hệ Fe-Cr, Fe-Si, Fe-Cr-Ni. Ngoài các hệ này, các nước còn dùng hệ Fe-Al. Gang