Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang hợp kim hệ Cr-Al chịu nhiệt độ và cơ tính cao

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 liệ

Bộ công thương 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 cứu cụng nghệ chế tạo gang hợp kim hệ Cr – Al chịu

nhiệt độ và cơ 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 thương 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 cứu cụng nghệ chế tạo gang hợp kim hệ Cr – Al chịu

nhiệt độ và cơ tớnh cao”

BÁO CÁO TểM TẮT

ĐỀ TÀI NGHIấN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CẤP BỘ

NGUYỄN HỒNG PHÚC

Viện Luyện kim đen

1 THễNG TIN CHUNG

Tờn đề tài: “Nghiờn cứu cụng nghệ chế tạo gang hợp kim hệ Cr – Al chịu

nhiệt độ và cơ tớnh cao”

- Cấp giao đề tài : Bộ Công Thương

- 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

Hàng năm, cỏc ngành cụng nghiệp sản xuất của nước ta đó sử dụng rất nhiều thiết bị chế tạo từ gang bền nhiờt Để tăng hiệu quả sản xuất và giảm

chi phớ cho việc nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài, đề tài “Nghiờn cứu cụng

nghệ chế tạo gang hợp kim hệ Cr – Al chịu nhiệt độ và cơ tớnh cao” nhằm

xỏc định được cụng nghệ sản xuất gang bền nhiệt, cơ tớnh cao mỏc ЧЮ7X2 bằng nguyờn liệu, thiết bị sẵn cú trong nước và ỏp dụng vào thực tiễn sản xuất

- Đó xỏc định được cỏc tớnh chất của gang bao gồm: tớnh chất hoỏ học, tớnh chất cơ lớ, cấu trỳc pha, khả năng bền nhiệt của gang

- Kết quả sử dụng sản phẩm đó khẳng định chất lượng của gang do đề tài chế tạo là rất tốt, tương đương với gang nước ngoài tương ứng

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

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 mặt 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 sẽ 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

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 nhiều 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 hợp 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 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 bền 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: CO2, SO2, H2S…) 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 Fe2O3, Fe3O4, 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 đoạn như sau (hình 1)

Ở bề mặt phân chia kim loại/ôxýt có phản ứng:

Me Men+ + ne

Ở bề mặt ôxýt/ôxy có phản ứng :

1/2O2 Ohp +2e O

2-Phản ứng tổng thể là:

Men+ + mn/2 O2 Men Omn/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 , Ohp

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 Ohp 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 O2- (hoặc S2-, Cl-…) Đối với sắt hoặc thép không hợp kim thì lớp màng ôxýt bao gồm các lớp Fe2O3, Fe3O3 và FeO Đối với thép hợp kim Cr – Ni thì đó là FeCrO3, FeCrNiO4, Cr2O3, FeNiO3, FeCr2O4. 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

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:

PO2 : 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: Al2O3, TiO2, SiO2 , V2O3, MnO, Cr2O3, MoO2,

WO2, FeO, Fe3O4, Fe2O3

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

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 – 400oC) 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:

Đồ thị của phương trình trên được biểu diễn trong hình 3:

Hình 3: Quá trình ôxy hoá logarit t

X2 = k3.t + k4

Trong đó: k3 , k4 là các hằng số không phụ thuộc vào thời gian

Đồ thị của quan hệ parabol được biểu diễn ở hình 4:

X

t

Hình 4 : Ôxy hoá parabol và tuyến tính Quy luật parabol của quá trình ôxy hoá biểu thị rằng tốc độ ôxy hoá bị giới hạn bởi tốc độ khuyếch tán của các ion O2- hay các ion kim loại Men+qua lớp màng ôxýt xít chặt Các kim loại Fe, Cu, Co bị ôxy hoá theo qui luật này

Phương trình tuyến tính

Sự ôxy hoá theo qui luật tuyến tính được biểu thị giữa sự tăng trọng lượng lớp màng trên đơn vị diện tích và thời gian bằng phương trình tuyến tính :

X = k5 t Với k5 là hằng số tuyến tính Trong điều kiện này, ôxy liên tục thâm nhập để ôxy hoá bề mặt kim loại vì lớp màng tạo ra của quá trình này tương đối xốp, không ngăn cản được sự khuếch tán của ôxy từ môi trường vào trong Vì vậy, khác với quá trình ôxy hoá parabol hay logarit, trong quá trình ôxy hoá tuyến tính thì tốc độ ôxy hoá là không đổi trong suốt quá trình, không phụ thuộc vào lượng khí hay kim loại đã tham gia phản ứng

Tổng hợp các phương trình tốc độ ôxy hoá

Trong thực tế, tốc độ của quá trình ôxy hoá không tuân theo chính xác các phương trình nêu trên, tức là quá trình ôxy hoá có thể xảy ra theo nhiều

cơ chế, lúc đầu là cơ chế này là chủ yếu, lúc sau lại theo cơ chế kia là chủ yếu Như vậy, cơ chế xác định tốc độ của quá trình ôxy hoá thay đổi do sự thay đổi bản chất của lớp màng và điều kiện xảy ra ôxy hoá, đặc biệt là nhiệt

độ và hàm lượng ôxy trong môi trường Chẳng hạn, trong giai đoạn đầu ở nhiệt độ thấp, tốc độ của quá trình ôxy hoá có thể tuân theo qui luật logarit

vì sự dịch chuyển các ion qua lớp màng còn thấp Nhưng sau đó có thể lại tuân theo qui luật parabol

Khi đó động học của quá trình được biểu thị bằng phương trình :

X = k1(t +t0) + k2 t1/2Còn quá trình ôxy hoá giữa qui luật logarit và parabol thì được miêu tả gần đúng bằng phương trình :

Xm = km t + Cm

Ở đây m = 3 hay 4 tức là phương trình bậc 3 hay 4

Ở nhiệt độ cao, sự ôxy hoá thường kết hợp cả qui luật parabol và tuyến tính

X = kparabol .( t/α) - ktt

1.1.4 Màng bảo vệ và không bảo vệ

Như đã nêu ở phần trên, trong quá trình ôxy hoá kim loại, một lớp màng ôxýt sẽ được tạo ra trên bề mặt kim loại Sự ôxy hoá muốn xảy ra tiếp tục thì các ion ôxy phải khuyếch tán được qua lớp màng này để vào tiếp xúc

và phản ứng với kim loại để tạo ra ôxýt kim loại Như vậy, tuỳ theo đặc tính cấu trúc của lớp màng ôxýt này mà nó có tính chất bảo vệ (ngăn ngừa sự ôxy hoá tiếp theo) hay không có tính chất bảo vệ

Màng ôxýt bảo vệ phải có những tính chất sau :

- Phải xít chặt và bao phủ toàn bộ bề mặt kim loại

- Bền với tác động của môi trường

- Phải có sự bám dính tốt với kim loại nền

- Hệ số giãn nở của ôxýt phải gần với của kim loại

Khả năng bảo vệ của lớp màng ôxýt phụ thuộc vào tỉ số giữa thể tích riêng của ôxýt và của kim loại (gọi là tỉ số Pilling – Bedworth) :

Trong đó :

Môxýt : phân tử lượng của ôxýt

Pôxýt , PMe : khối lượng riêng của ôxýt và kim loại

A : nguyên tử lượng của kim loại

n : chỉ số của kim loại trong ôxýt

ε > 1 : màng có tính bảo vệ, đó là màng ôxýt của Cd, Al, Ti, Zn, Ni, Cu,

Cr, Si

ε < 1 : màng không có tính bảo vệ, đó là màng ôxýt của các kim loại kiềm và kiềm thổ

ε >> 1 : màng có tính bảo vệ kém vì có ứng suất dư rất lớn

Như vậy, để tăng khả năng chống ôxy hoá cho thép ở nhiệt độ cao (tức

là tăng tính chịu nóng) người ta thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al

và Si Các nguyên tố này khi bị ôxy hoá sẽ tạo ra các ôxýt tương ứng là

Cr2O3 , Al2O3 và SiO2 Các ôxýt này có cấu trúc mạng xít chặt, tạo ra màng bảo vệ vững chắc trên bề mặt kim loại Lượng Si và Al thường dùng phải phù hợp với điều kiện làm việc và phải xét đến mối tương quan của các nguyên tố khác cùng tồn tại trong hợp kim Nếu nhiều hơn hàm lượng trên thì lớp màng ôxýt sẽ dòn, dễ bị bong làm giảm khả năng bảo vệ Riêng Cr là nguyên tố hợp kim chống ôxy hoá quan trọng nhất trong các mác thép làm

việc ở nhiệt độ cao Nhiệt độ làm việc càng cao thì cần hàm lượng Cr trong thép càng cao Ví dụ để làm việc ở nhiệt độ 1000oC, thì hàm lượng Cr = 26% – 28% Tính chịu nóng không phụ thuộc vào cấu trúc thép (ferrit hay austenit) mà chỉ phụ thuộc vào thành phần hoá học, chủ yếu là hàm lượng

Cr Hai loại thép ferrit (Cr cao) và austenit (loại Cr – Ni) nếu có cùng hàm lượng Cr thì khả năng chịu nhiệt là tương đương nhau

1.2 Tính bền nóng

Tính bền nóng là khả năng của kim loại chịu được tải trọng (tức là giữ được độ bền) ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài Như ta đã biết, khi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tải trọng không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong một thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến dạng dẻo một cách chậm chạp được 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 đó Để nâng cao tính bền nóng ta phải tìm cách chống lại hiện tượng dão

1.2.1 Mô tả và phân loại dão

Khi đặt tải thử kéo thì biến dạng gồm biến dạng đàn hồi εđh và biến dạng dẻo εd xẩy ra tức thời là không phụ thuộc vào thời gian Điều này chỉ đúng khi tốc độ biến dạng cao Thực tế cho thấy luôn có một thành phần biến dạng thay đổi theo thời gian, kể cả khi vật liệu chịu một tải trọng cố định Đó là biến dạng dão εdão (t), có thể gồm biến dạng đàn hồi trễ và biến dạng dẻo Dão là một quá trình biến dạng thuận nghịch phụ thuộc vào thời gian do tải trọng cố định gây ra Tương tự, tích thoát ứng suất (relaxation) là

sự giảm ứng suất theo thời gian của ứng suất cần thiết để giữ cho biến dạng không thay đổi

Biến dạng khi chịu tải phụ thuộc vào thời gian theo phương trình:

ε (t) = εđh + εd + εdão (t) + εtt + εdão (t) trong đó :

εtt : biến dạng tức thời, bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Đối với kim loại ta có: ε (t) = tm

Quan hệ ε (t) = tm được biểu thị trên hình 5

Hình 5: Đường cong dão ε (t) ở nhiệt độ và ứng suất khác nhau

Trên hình 5 ta thấy đường cong dão ε (t) có 3 giai đoạn:

Giai đoạn I: dão sơ cấp với m < 1: tốc độ dão giảm dần theo thời gian Giai đoạn II: dão thứ cấp với m = 1: tốc độ dão không thay đổi

Giai đoạn III: dão nhanh dần m>1: tốc độ dão nhanh dần theo thời gian Dão sơ cấp (dão chuyển tiếp): đặc trưng bằng quá trình các lệch được hoạt nhiệt cắt nhau, tạo hoá bền chủ yếu nhờ các bậc lệch và cấu trúc lệch ổn định, quá trình thải bền không đáng kể

Dão thứ cấp (dão ổn định): Thể hiện sự cân bằng động học giữa hoá bền

và thải bền nhờ giải toả các tập hợp lệch bền chướng ngại bằng các chuyển

động hoạt nhiệt của lệch như: leo, trượt ngang Cấu trúc lệch không thay đổi (phụ thuộc vào ứng suất, không phụ thuộc vào nhiệt độ), dẫn đến cấu trúc được đa cạnh hoá kết tinh lại tuỳ theo năng lượng khuyết tật xếp lớn hay nhỏ

Dão nhanh dần bắt đầu khi quá trình thải bền chiếm ưu thế Biên hạt có thể trượt, các vết nứt được hình thành ở đó, mẫu co thắt và phá huỷ theo biên hạt Có 4 loại dão tuỳ thuộc vào điều kiện thử (hình 6)

Hình 6: Giản đồ phân loại dão

- Dão loga (dão nhiệt độ thấp): chỉ có giai đoạn I, chỉ có lệch trượt

- Dão Andrade (dão nhiệt độ cao): có cả 3 giai đoạn, có lệch leo

- Dão đàn hồi trễ: khi σ < σ*

- Dão Herring – Nabarro: là trường hợp đặc biệt của dão andrade chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao, thường gọi là dão khuyếch tán

Thông thường kiểm tra dão thường xác định hai đại lượng : giới hạn dão và độ bền dão Độ bền dão là ứng suất gây phá huỷ dão sau một thời gian cho trước (ví dụ sau 1000 h là σb/1000 = 170 MPa) Giới hạn dão là

ứng suất cần thiết để có độ biến dạng xác định (ví dụ 0,2%) sau một thời gian cho trước (ví dụ 1000h) là σ02/1000 = 100Mpa Thông thường chọn độ biến dạng 0,2% và 1%, còn thời gian có thể đến 105h Độ bền dão và giới hạn dão là các đại lượng đánh giá độ bền nóng của vật liệu

Dão nhiệt độ thấp: bắt đầu xảy ra khi σ > σ*, nhiệt độ T ≤ 0,5 Tnc và tuân theo qui luật:

do hoá bền tạo ra vì sợ biến dạng dẻo tiếp theo Do sự thăng giáng tăng theo thời gian nên biến dạng cũng tăng, gây ra hoá bền tiếp và kết quả là tốc độ

dão giảm dần theo thời gian Dão loga cần được khống chế đối với các chi tiết cần độ chính xác cao về kích thước và chịu tải tĩnh lớn Các vật liệu chế tạo chúng cần được nhiệt luyện thích hợp để hoá bền có hiệu quả cao hơn

Dão nhiệt độ cao: xảy ra khi σ ≥ σ*, nhiệt độ T≥ 0,5Tnc và được mô tả bằng phương trình

ε (t) = εđh +εd + εdão (t) = εtt + β.tn + k.t trong đó:

β: hệ số

k: hằng số

Trong phương trình nêu trên thì số hạng β.tn đặc trưng dão không ổn định và tốc độ dão giảm dần theo thời gian Số hạng k.t biểu thị dão ổn định, tốc độ dão không thay đổi Tốc độ biến dạng dão được tính bằng phương trình sau:

ε (t) = dε(t)/dt = n β.tn-1 + k Trong dão ở nhiệt độ cao thì cơ chế dão không ổn định cũng giống như dão ở nhiệt độ thấp Cơ chế dão ổn định xảy ra nhờ ba quá trình: hoạt động của nguồn lệch tạo lệch di động, lệch chuyển động cho đến khi tạo ra các tập hợp bên chướng ngại (hoá bền) và sự phân phối lại lệch nhờ quá trình hồi phục động học (thải bền) Ba quá trình này tạo một vòng kín nhờ hoạt nhiệt làm tốc độ dão không thay đổi Dão nhanh dần xảy ra nhanh, kèm theo biến dạng dẻo dẫn đến phá huỷ biên giới hạt Quá trình phá huỷ gồm hai giai đoạn: tạo lỗ trống theo biên giới hạt và các lỗ trống này tập hợp lại thành các vết nứt, đặc biệt ở biên giới có tập trung ứng suất cao khi gặp các mặt trượt của lệch Vì vậy để phòng phá huỷ dão cần tìm cách cản trở trượt biên hạt, giảm tập trung ứng suất

Dão khuyếch tán: chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao (T>> 0,5Tnc), trong các vật liệu hạt nhỏ và kích thước bé Tốc độ dão phụ thuộc tuyến tính vào ứng suất bên ngoài và được tính bằng sự thay đổi thể tích theo thời gian trong một đơn vị thể tích mẫu:

1.2.3 Dão trong vật liệu kim loại

Đối với vật liệu kim loại, dão ổn định là quan trọng nhất, đặc biệt là đối với các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao (động cơ phản lực), chịu ăn mòn (nhà

máy nhiệt điện, các lò nung công nghiệp), chịu bức xạ (nhà máy điện hạt nhân)…Hai yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến dão là nhiệt độ và ứng suất Khi tăng một trong hai yếu tố hay tăng cả hai thì tốc độ dão ổn định tăng và tuổi thọ chi tiết 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

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 , FeAl2 , FeAl, Fe3Al Các hợp chất này có tính chất hoá lí khác nhau

Nhôm có khả năng thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α Ở trạng thái lỏng, Al và Fe hoà tan vào nhau vô hạn, còn ở trạng thái rắn độ hoà tan giảm xuống, độ hoà tan cực đại ở 12320C chỉ còn 34,5%

Hợp kim hệ Fe – Al là hệ hợp kim nhiều pha Ngoài pha γ và α còn có thêm ba pha khác với các bon đó là pha ε, các bít nhôm Al4C3 và graphít Pha ε được nhận biết qua sự chuyển biến của pha Fe3Al Sau khi hình thành pha Fe3Al, một số tinh thể có cấu trúc mạng khác biệt hấp thụ thêm các bon

mà thành Sau khi hình thành pha ε có dạng Fe3AlCx, đây là pha có độ cứng rất cao Khi hàm lượng nhôm đạt đến 10%, một phần có khi toàn bộ các bon nằm ở dạng graphít Điều này nói lên ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến quá trình graphít hoá và cấu trúc cơ bản của gang Ảnh hưởng được thể hiện trên hình 8

Hình 8: Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến qúa trình graphít hoá và cấu

trúc của gang

1 – Ferrit – Peclit – Graphit

2 – Ferrit – Cácbít (pha ε , Fe3AlCx)

3 – Ferrit – Graphít

4 – Ferrit – Cácbít + (Al4C3)

Cr/Cn là tỉ số hàm lượng graphít/ hàm lượng các bon tổng

Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm cũng như các bon đến 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 bít phức tạp dạng

Fe3AlCx Gang loại này có mặt gẫy mầu trắng, rất cứng nên khó gia công cắt gọt, vì vậy gang loại này dùng để đúc các chi tiết không qua gia công

Hợp kim Fe – Al khi có hàm lượng Al cao mà hàm lượng các bon lại thấp,

có xu hướng bị phân huỷ dưới tác dụng của hơi nước Điều này phù hợp với phương trình phân huỷ:

Al4C3 + 12H2O 4Al(OH)3 + 3CH4 Thực tế cho thấy, hợp kim Fe – Al chứa Al4C3 thời kì đầu có độ cứng và tính giòn cao, sau khoảng 48 giờ bắt đầu xuất hiện hiện tượng bở

Độ bền kéo (σb) của hợp kim Fe – Al dao động trong khoảng 65 – 75 KN/mm2 với các bon và ở dạng graphít hình cầu, lớn hơn nhiếu khi ở dạng graphít tấm

Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến cơ tính và phạm vi sử dụng của gang nhôm được thể hiện trên hình 10

Hình 10: Sự phụ thuộc của cơ tính (a) và đặc tính sử dụng (b) của gang nhôm phụ thuộc vào hàm lượng nhôm (Cr hàm lượng graphít)

1- Tính gia công

2- Tính chống ôxy hoá ở 10000C trong 60 h

Khi hàm lượng các bon và silic thấp (dưới 0,5%) độ cứng của gang nhôm giảm, điều này thể hiện rõ ràng trên hình 11

Hình 11: Ảnh hưởng của hàm lượng cácbon silic đến độ cứng

của gang nhôm Ghi chú: Hình 11 là kết quả nghiên cứu đối với gang 19 – 21% Al Thí nghiệm đã chứng minh được rằng mác gang này khi tăng hàm lượng Si lên 0,5% độ cứng sẽ tăng lên rõ dệt [1]

Sự sai lệch đáng kể của Al, Si, C so với thành phần tiêu chuẩn không làm giảm khả năng chịu nhiệt, nhưng nó ảnh hưởng đến độ cứng và tính gia công Ảnh hưởng của hàm lượng Al đến tính gia công của gang đúc được miêu tả qua tốc độ cắt phôi Khi hàm lượng Al trong gang từ 12- 14%, tốc

độ cắt không vượt quá 13m/phút, còn trong điều kiện các thành phần khác như nhau mà hàm lượng nhôm là 20 – 22% tốc độ cắt đạt đến 65m/phút nghĩa là lớn gấp 5 lần Điều này chứng tỏ độ cứng của gang nhôm liên quan đến nhiều yếu tố như hàm lượng các nguyên tố, chủng loại các nguyên tố và kết cấu graphít Riêng điều kiện cắt gọt, nhôm càng cao càng dễ cắt

Hệ gang Fe – Al nếu hợp kim hoá thêm Cr, 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 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 cắt gọt của gang nhôm được trình bày trong hình 12

Hình 12: Ảnh hưởng của Si đến khả năng cắt gọt của gang nhôm

Trong đó:

1 - Si = 0,53% ; 2 – Si = 0,65% ; 3 – Si = 0,7% ; 4 – Si = 1,25% Ngoài ra Si kết hợp với Al làm thay đổi rõ rệt đến độ cứng, giới hạn bền kéo và bền uốn của gang Sự thay đổi độ cứng của gang theo hàm lượng Si

và Al được trình bày trong hình 13 và sự thay đổi giới hạn bền kéo và bền uốn được trình bày trong hình 14

Hình 13: Sự thay đổi độ cứng của gang theo hàm lượng Si và Al

Hình 14: 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 Si là rất quan trọng Chính vì điều này mà hệ gang Fe – Al luôn tồn tại với lượng Al

thích hợp

1.3.2 Các mác gang nhôm thường gặp

Trong các tiêu chuẩn của các nước trên thế giới, có rất nhiều mác gang nhôm đã được tiêu chuẩn hoá Ở báo cáo này chúng tôi đưa ra một số mác gang thường gặp để tham khảo

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

Thành phần hoá học, % Cơ tính ở nhiệt độ, 0 C

3,03 2,7 0,65 0,014 0,07 6,42 9 11 9 - 3,8 1,4

2,81 2,11 0,54 0,001 0,059 6,14 20 30 7 5 3,5 8,2

Gang lò điện

2,75 2,39 0,57 0,001 0,059 6,02 29 48 13 7,5 5,5 15

Gang lò cao biến tính bởi Mg