Bộ công thơng Tổng công ty thép việt nam Viện Luyện kim Đen o0o Báo cáo TổNG KếT Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ Tên đề tài: Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu nhit v c tớnh cao *************** Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép VN Cơ quan chủ trì : Viện luyện kim đen Chủ nhiệm đề tài : NGUYễN HồNG PHúC 7684 05/02/2010 Hà NộI, 12 - 2009 Bộ công thơng Tổng công ty thép việt nam Viện Luyện kim Đen o0o Báo cáo TổNG KếT Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ Tên đề tài: Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu nhit v c tớnh cao *************** Cơ quan chủ trì Viện luyện kim đen Viện trởng Đinh Văn Tâm Hà NộI, 12 2009 BO CO TểM TT TI NGHIấN CU KHOA HC V PHT TRIN CP B NGUYN HNG PHC Vin Luyn kim en 1. THễNG TIN CHUNG Tờn ti: Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu nhit v c tớnh cao - Cấp giao đề tài : Bộ Công Thơng - Chủ nhiệm đề tài : Nguyễn Hồng Phúc - Cơ quan chủ trì : Viện Luyện kim Đen - Cơ quan chủ quản : Tổng Công ty Thép Việt Nam - Năm thực hiện : 2009 - Kinh phí : 180 triệu đồng - Lĩnh vực nghiên cứu : Luyện kim Hng nm, cỏc ngnh cụng nghip sn xut ca nc ta ó s dng rt nhiu thit b ch to t gang bn nhiờt. tng hiu qu sn xut v gim chi phớ cho vic nhp khu thi t b t nc ngoi, ti Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu nhit v c tớnh cao nhm xỏc nh c cụng ngh sn xut gang bn nhit, c tớnh cao mỏc 7X2 bng nguyờn liu, thit b sn cú trong nc v ỏp dng vo thc tin sn xut. 2. KT QU NI BT - ó la chn c mỏc gang 7X2 chu nhi t v c tớnh cao lm ghi lũ nhit luyn. - ó a ra thnh cụng c cụng ngh sn xut gang 7X2 bao gm : cụng ngh nu luyn, cụng ngh ỳc, cụng ngh nhit luyn bng ngun nguyờn liu v thit b sn cú trong nc. - ó xỏc nh c cỏc tớnh cht ca gang bao gm: tớnh cht hoỏ hc, tớnh cht c lớ, cu trỳc pha, kh nng bn nhit ca gang. - Kt qu s d ng sn phm ó khng nh cht lng ca gang do ti ch to l rt tt, tng ng vi gang nc ngoi tng ng. 1 Tính chất hoá học Sau khi nấu luyện, thành phần hoá học của gang nghiên cứu đạt tiêu chuẩn cho phép của mác gang nước ngoài tương ứng. Thành phần hoá học, % Mác gang C Mn Si P S Cr Al Gang nghiên cứu 2,84 0,84 1,77 0,25 0,11 2,47 6,86 Gang ЧЮ7X2 (гOCT 7769 – 82 của Nga) 2,5 - 3,0 ≤ 1,0 1,5 - 3,0 ≤ 0,3 ≤ 0,12 1,5 - 3,0 5,5 - 9,0 Tính chất cơ lí Sau khi thường hoá, tính chất cơ lí của gang tương đương với tiêu chuẩn nước ngoài tương ứng. Vật liệu σ k Mpa σ b Mpa Độ cứng HB Gang nghiên cứu 133 180 264 Gang ЧЮ7X2 (гOCT 7769 – 82 của Nga) ≥120 ≥170 254 - 294 Cấu trúc pha Cấu trúc kim tương chụp được cho thấy hạt của gang nhỏ mịn, graphit có dạng giống như gang giun đảm bảo cơ tính tốt và đồng đều. Chế tạo sản phẩm và dùng thử Ghi lò làm từ gang nghiên cứu đã được dùng thử tại lò nhiệt luyện của xí nghiệp cơ khí Z179 Bộ Quốc phòng từ tháng 8/2009, đến nay thấy rằng gang có khả năng chịu nhiệt cao, bề m ặt sản phẩm không có hiện tượng bong vẩy do bi ôxy hoá. Sản phẩm không bị cong vênh, nứt vỡ. 3. HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ ĐỊA CHỈ ÁP DỤNG Gang bền nhiệt mác ЧЮ7X2 do đề tài nghiên cứu và chế tạo ra có chất lượng tương đương với mác gang của nước ngoài tương ứng.Từ nguồn nguyên liệu và trang thiết bị hiện có, việc chủ động sản xuất được gang bền nhiệt s ẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao. Với năng lực của Viện Luyện kim đen, Viện có thể sản xuất được nhiều mặt hàng đúc từ gang bền nhiệt và sử dụng tốt trong các ngành công nghiệp nước nhà. 2 MỞ ĐẦU Hợp kim có tính năng đặc biệt là loại vật liệu cần thiết và quan trọng trong các ngành công nghiệp như điện, y tế, ôtô, hàng không, quân sự…Trong các loại hợp kim đặc biệt đó thì gang bền nhiệt đã mang đến những ứng dụng to lớn trong hoạt động sản xuất. Hàng năm, các ngành công nghiệp sản xuất của nước ta đã sử dụng và thay thế rất nhiề u thiết bị chế tạo từ gang bền nhiêt. Thiết bị, nguyên liệu nhập khẩu từ nước ngoài dẫn đến tốn kém ngoại tệ, thời gian cũng như việc không chủ động được trong gia công chế tạo. Chính vì vậy, năm 2009, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công thương giao nhiệm vụ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang hợ p kim hệ Cr – Al chịu nhiệt độ và cơ tính cao”. Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất gang bền nhiệt và cơ tính cao mác ЧЮ7X2 (theo tiêu chuẩn гOCT 7769 – 82 của Nga) bằng nguyên liệu, thiết bị sẵn có trong nước. Chế tạo, dùng thử sản phẩm làm từ gang nghiên cứu của đề tài là ghi lò nhiệt luyện, đánh giá kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra khả năng áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, hợp tác, tạo điều kiện thuận lợi của Vụ Khoa học công nghệ - Bộ Công thương, các đơn vị trong và ngoài Bộ trong quá trình thực hiện đề tài. 1 1. TỔNG QUAN Kim loại bền nhiệt là loại vật liệu có khả năng làm việc lâu dài trong điều kiện: nhiệt độ cao, tải trọng lớn . Để các chi tiết chế tạo từ kim loại đảm bảo được tuổi thọ cao trong các môi trường làm việc trên, vật liệu chế tạo ra chúng phải có những yêu cầu sau: Có tính ổn định nóng (tính bền hoá ở nhiệt độ cao) và có tính bền nóng (giữ được độ b ền cơ học ở nhiệt độ cao) 1.1. Tính ổn định nóng Tính ổn định nóng (hay tính chịu nóng) là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ của môi trường ở nhiệt độ cao (không khí nóng, sản phẩm cháy của nhiên liệu có chứa các khí có hại như: CO 2 , SO 2 , H 2 S…). Trong các dạng phá huỷ này thì dạng phá huỷ nguy hiểm và thường gặp nhất là sự ôxy hoá ở nhiệt độ cao, tức là sự tạo thành các vảy ôxýt kim loại. Đối với trường hợp cụ thể là thép và gang, lớp vảy ôxýt đó là Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, trong đó chủ yếu là FeO có cấu tạo mạng không sít chặt, quá trình ôxy hoá ở nhiệt độ cao phát triển thuận lợi làm cho thép và gang bị phá huỷ rất nhanh. Cơ chế, nhiệt động học và động học của quá trình ôxy hoá ở nhiệt độ cao, các biện pháp ức chế quá trình này là một vấn đề phức tạp đã được nghiên cứu tỉ mỉ. 1.1.1. Cơ chế của quá trình ôxy hoá Quá trình ôxy hoá kim loại trong khí quyển gồm hai giai đ oạn như sau (hình 1). Ở bề mặt phân chia kim loại/ôxýt có phản ứng: Me Me n+ + ne Ở bề mặt ôxýt/ôxy có phản ứng : 1/2O 2 O hp +2e O 2- 2 Phản ứng tổng thể là: Me n+ + mn/2 .O 2 Me n O mn/2 Hình 1: Sơ đồ ôxy hoá kim loại Trong các phương trình trên m, n là chỉ số và hoá trị của kim loại , O hp là ôxy bị hấp phụ trên bề mặt kim loại. Trong quá trình ôxy hoá, một lớp màng ôxýt rắn (sản phẩm của quá trình ôxy hoá) được tạo thành trên bề mặt kim loại. Quá trình ôxy hoá muốn tiếp tục thì O hp phải khuyếch tán từ khí quyển ngoài qua lớp màng ôxýt vào nền kim loại, hoặc các ion kim loại khuyếch tán từ nền kim loại qua lớp ôxýt để ra ngoài bề mặt gặp ôxy của khí quyển đã được hấp phụ lên bề mặt. Thực nghiệm cũng như tính toán lí thuyết cho thấy rằng trong lớp màng ôxýt thì các ion kim loại dễ khuyếch tán hơn các ion O 2- (hoặc S 2- , Cl - …). Đối với sắt hoặc thép không hợp kim thì lớp màng ôxýt bao gồm các lớp Fe 2 O 3, Fe 3 O 3 và FeO. Đối với thép hợp kim Cr – Ni thì đó là FeCrO 3 , FeCrNiO 4 , Cr 2 O 3, FeNiO 3, FeCr 2 O 4. Đối với các loại thép hợp kim đa nguyên tố thì quá trình ôxy hoá diễn ra rất phức tạp. 1.1.2 Nhiệt động học của quá trình ôxy hoá Lực thúc đẩy phản ứng kim loại – ôxy là sự thay đổi năng lượng tự do do việc tạo ra ôxýt. Về mặt nhiệt động học, các ôxýt chỉ được tạo thành khi 3 áp suất của ôxy trong môi trường xung quanh lớn hơn áp suất phân huỷ (disociation) của ôxýt trong sự cân bằng với kim loại. Sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn của quá trình tạo thành ôxýt được biểu thị như sau: ∆G 0 = R.T.lnP O2 Ở đây ∆G 0 : là sự thay đổi năng lượng tự do R: hằng số Bolzman T : Nhiệt độ Kenvin P O2 : áp suất riêng của ôxy trong môi trường. Sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn của sự tạo thành các ôxýt kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ được thể hiện ở hình 2. Từ hình 2 ta thấy độ ổn định của các ôxýt kim loại thường gặp trong các loại thép hợp kim được xếp theo thứ tự giảm dần như sau: Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , V 2 O 3 , MnO, Cr 2 O 3, MoO 2 , WO 2 , FeO, Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3. 4 Hình 2: Năng lượng tự do của sự tạo thành các ôxýt kim loại. 1.1.3 Động học tạo màng ôxýt Tốc độ của quá trình ôxy hoá kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất riêng phần của ôxy trong môi trường, chất lượng bề mặt và quá trình gia công trước đó của kim loại…Việc biểu hiện tốc độ của từng quá trình ôxy hoá bằng các phương trình toán học chính xác là việc rất khó 5 khăn. Vì vậy người ta thường đơn giản hoá quá trình ôxy hoá hoặc chỉ chú ý tới cơ chế mà chúng chiếm vai trò chủ yếu trong quá trình ôxy hoá. Phương trình biểu thị tốc độ ôxy hoá phổ biến nhất là phương trình logarit, parabol và tuyến tính. Phương trình logarit Đối với quá trình ôxy hoá nhiều kim loại ở nhiệt độ thấp (thông thường ở nhiệt độ thấp hơn 300 – 400 o C) thì phản ứng xảy ra ban đầu tương đối nhanh, sau đó tốc độ giảm dần đến không đổi. Động học của quá trình ôxy hoá như vậy có thể miêu tả bằng phương trình logarit: X = k t . log(t+t 0 ) + k 2 Trong đó: X: lượng ôxy thấm qua một đơn vị bề mặt kim loại bị ôxy hoá hay lượng kim loại bị ôxy hoá t : thời gian; k: hằng số Đồ thị của phương trình trên được biểu diễn trong hình 3: Hình 3: Quá trình ôxy hoá logarit t X Phương trình logarit thường đúng với các kim loại Al, Fe, Cu với lớp ôxýt rất mỏng (khoảng 1000 A 0 ). Phương trình parabol Ở nhiệt độ cao, nhiều kim loại bị ôxy hoá và tốc độ được biểu thị bằng phương trình parabol: 6 [...]... Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm : - Nghiên cứu tổng quan về gang bền nhiệt trên cơ sở các tài liệu, tiêu chuẩn trong và ngoài nước; - Nghiên cứu xác định công nghệ sản xuất gang bền nhiệt mác ЧЮ7X2 bao gồm các khâu : + Công nghệ luyện gang + Công nghệ đúc + Công nghệ nhiệt luyện - Đánh giá chất lượng gang: thành phần hoá học, độ bền, độ cứng, khả năng chịu mòn trong môi trường nhiệt độ cao, tổ... các mác gang bền nhiệt, mác gang nào được hợp kim hoá thêm nhiều nguyên tố hợp kim sẽ có độ bền cơ học và độ bền nhiệt cao hơn Song, cùng với sự tăng lên của các nguyên tố hợp kim, giá thành sản phẩm cũng tăng cao hơn 1.3.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến gang bền nhiệt 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 FeAl3 , Fe2Al5... số mác gang thường gặp để tham khảo 23 1.3.2.1 .Gang hợp kim nhôm thấp Gang hợp kim nhôm thấp có thành phần hoá học và cơ tính như trong bảng 1 Bảng 1: Thành phần hoá học và cơ tính gang hợp kim nhôm thấp Cơ tính ở nhiệt độ, 0C Thành phần hoá học, % Phương 20 500 700 800 pháp σb C Si Mn S P σu Kg / 2 2 0,65 0,014 0,07 6,42 9 11 9 δb δ công % nghệ Kg / % mm Mm 2,7 δ Al Kg / 3,03 δb 2 mm - 3,8 1,4 Gang. .. khảo các tài liệu, tiêu chuẩn về gang bền nhiệt của các nước tiên tiến để lựa chọn mác gang nghiên cứu - Sử dụng lò cảm ứng trung tần 500 kg/mẻ nghiên cứu xác định công nghệ luyện gang - Sử dụng công nghệ đúc bằng khuôn cát đông cứng nhanh bao gồm: cát thạch anh + nước thuỷ tinh + khí CO2 để nghiên cứu công nghệ đúc - Các loại lò tôi, ram nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện 30 - Sử dụng thiết bị quang phổ... độ cao rất cao Loại gang chứa 4%Al và 2,5% Cr giảm không đáng kể độ bền gia công Nói chung gang nhôm hợp kim hoá thêm Cr vừa có độ bền cao vừa có khả năng chống ăn mòn hoá học cao ở nhiệt độ 9000C Vì thế có thể thay thế được nhiều hợp kim crôm qúi hiếm đắt tiền để chế tạo chi tiết Silic ngoài khả năng làm tăng độ bền nhiệt còn làm thay đổi độ cứng của gang nhôm Ảnh hưởng của silic đến khả năng gia công. .. 1,4 Gang lò điện 2,81 2,11 0,54 0,001 0,059 6,14 20 30 7 5 3,5 8,2 Gang lò cao 2,75 2,39 0,57 0,001 0,059 6,02 29 48 13 7,5 5,5 15 biến tính bởi Mg 24 1.3.2.2 Gang hợp kim nhôm cao Gang hợp kim nhôm cao có thành phần hóa học và cơ tính như trong bảng 2 Bảng 2: Thành phần hóa học và cơ tính gang nhôm hợp kim cao Thành phần hóa học, % Cơ tính σb C Si Mn σu ak Al 2 Kg/mm 2 HB kg/mm Cấu trúc graphit dạng... giảm Độ bền dão chính là chỉ số của tính bền nóng của vật liệu Muốn nâng cao độ bền nóng phải chống dão ở nhiệt độ cao tức là phải tạo ra cấu trúc có khả năng chống lại có hiệu quả sự chuyển động của lệch (lệch trượt và lệch leo) cũng như sự xê dịch biên giới hạt và nó ít thay đổi ở nhiệt độ đó Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao Khi có cùng nhiệt độ nóng chảy, kim. .. lượng đến độ bền và độ cứng của hợp kim Fe – Al 1.4 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 1925% khối lượng riêng chỉ còn 5,5.103 - 6,0.103 kg/m3) Tính bền nhiệt của gang nhôm ở nhiệt độ cao rất cao Dưới tải... vi và cấu trúc pha - Chế tạo 300kg ghi lò nhiệt luyện làm từ gang nghiên cứu để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng của vật liệu 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy và chính xác cao, đề tài đã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau : - Trên cơ sở phân tích các điều kiện làm việc của ghi lò nhiệt luyện và tham khảo các tài liệu, tiêu chuẩn về gang. .. cấu trúc và đến đặc tính chịu nhiệt của gang được nêu trên hình 9 Hình 9: Quan hệ giữa hàm lượng nhôm và cácbon 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 AB: là đường cùng tinh Từ hình 9 ta thấy gang chứa 5% Al trở lên đã có khả năng chịu nhiệt và có độ bền khá tốt Với hàm lượng Al = 10 – 18% tạo ra các . 2009, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công thương giao nhiệm vụ thực hiện đề tài Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang hợ p kim hệ Cr – Al chịu nhiệt độ và cơ tính cao . Mục tiêu của. (tính bền hoá ở nhiệt độ cao) và có tính bền nóng (giữ được độ b ền cơ học ở nhiệt độ cao) 1.1. Tính ổn định nóng Tính ổn định nóng (hay tính chịu nóng) là khả năng của kim loại và hợp kim. ôxy hoá ở nhiệt độ cao phát triển thuận lợi làm cho thép và gang bị phá huỷ rất nhanh. Cơ chế, nhiệt động học và động học của quá trình ôxy hoá ở nhiệt độ cao, các biện pháp ức chế quá trình