Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu

Người ta cũng có thể dựa vào đặc tính và công dụng của gang mà phân chia thành các loại gang như: gang xám, gang cầu, gang có tính rèn, gang chịu mài mòn, gang chịu nhiệt, gang chống ăn

BỘ CÔNG THƯƠNG

TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM -CTCP

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Cơ quan chủ quản: TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM-CTCP

Cơ quan chủ trì : VIỆN LUYỆN KIM ĐEN Chủ nhiệm đề tài : PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG

BỘ CÔNG THƯƠNG

TỔNG CÔNG TY THÉP VIỆT NAM -CTCP

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

“Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim Silic

nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu”

VIỆN LUYỆN KIM ĐEN

Q VIỆN TRƯỞNG

Nguyễn Quang Dũng

MỞ ĐẦU 4

1.TỔNG QUAN CHUNG 5

1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt 5

1.2 Gang hợp kim silic 8

1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang 17

1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 21

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1.Nội dung nghiên cứu 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu: 22

3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 24

3.1 Công nghệ chế tạo gang silic RTSi5 24

3.1.1 Công nghệ nấu luyện 24

3.1.2 Công nghệ đúc 27

3.1.3 Công nghệ nhiệt luyện 30

3.2 Các tính chất của gang nghiên cứu 31

3.2.1 Thành phần hoá học 31

3.2.2 Các tính chất cơ lý 31

3.2.3 Cấu trúc pha 31

3.3 Chế tạo và dùng thử sản phẩm 33

4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36

4.1 Kết luận 36

4.2 Kiến nghị 36

5.TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

MỞ ĐẦU

Nước ta đang tiến nhanh trên con đường công nghiệp hoá, hiện đại hoá Các ngành công nghiệp như luyện kim, cơ khí chế tạo …đang phát triển mạnh trên khắp các địa phương trong cả nước.Theo đà phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp nhu cầu sử dụng vật liệu bền nhiệt làm ghi lò, sàn

lò, các nồi nấu hợp kim màu, các bộ phận trao đổi nhiệt, chi tiết động cơ, các chi tiết của nồi hơi như thanh cách, thanh treo….là rất lớn Chỉ riêng phân xưởng Thiêu kết của nhà máy luyện gang trực thuộc Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên hàng năm cần dùng vài chục tấn gang làm ghi lò thiêu kết Ngoài ra các nhà máy sản xuất xi măng, các nhà máy chế tạo cơ khí cũng cần hàng chục tấn gang bền nhiệt làm sàn lò, ghi lò nhiệt luyện Do vậy việc nghiên cứu và chế tạo các loại gang bền nhiệt phục vụ cho nhu cầu sản xuất

là việc rất nên làm Chính vì vậy năm 2011 Bộ Công thương giao cho Viện Luyện kim đen nghiên cứu và thực hiện đề tài : “Nghiên cứu công nghệ sản xuất gang hợp kim silic nhằm nâng cao tính chịu nhiệt của vật liệu.” với mục đích là thiết lập được công nghệ sản xuất gang hợp kim silic

để cho ra đời sản phẩm vừa có tính chịu nhiệt vừa có giá thành hạ đáp ứng được yêu cầu của thực tế sản xuất

Nhân dịp này chúng tôi cũng xin chân thành cám ơn sự chỉ đạo sát sao của Vụ Khoa học và công nghệ - Bộ Công thương, sự giúp đỡ rất tận tình của ban lãnh đạo, phòng Kỹ thuật, phân xưởng Thiêu kết nhà máy luyện Gang thuộc công ty cổ phần Gang thép Thái Nguyên, các cán bộ và nhân viên của Viện Luyện kim đen đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài được giao

1.TỔNG QUAN CHUNG

1.1 Khái niệm chung và phân loại gang chịu nhiệt

Gang thường và gang hợp kim được phân biệt với thép chủ yếu bằng hàm lượng cácbon Cácbon trong gang cao hơn trong thép rất nhiều, và dao động trong khoảng từ 2,6-3,6% Cácbon trong gang hoặc là hoàn toàn ở trạng thái tự do hoặc là một phần ở trang thái liên kết Ở trạng thái tự do C

có dạng grafit có cấu hình và kích thước khác nhau Còn trong thép tất cả cácbon nằm ở trạng thái liên kết hóa học – liên kết xementit

Người ta có thể phân loại gang theo đặc điểm cấu trúc Theo cách chia này gang được phân chia thành gang ferít, trong ferít không có cacbon liên kết (xementit); thành ferít – peclít, trong đó cacbon liên kết nhỏ hơn 0,8% và thành peclít - xementit, trong đó cacbon liên kết lớn hơn 0,8% Người ta cũng có thể dựa vào đặc tính và công dụng của gang mà phân chia thành các loại gang như: gang xám, gang cầu, gang có tính rèn, gang chịu mài mòn, gang chịu nhiệt, gang chống ăn mòn…

Gang chịu nhiệt đặc trưng cho khả năng kim loại chống lại sự nở ra (không lớn hơn 0,2%) và khả năng tạo vảy (không lớn hơn 0,5 g/m2h) ở nhiệt độ đã cho làm việc trong thời gian 150 h (1)

Sự chống lại sự oxy hóa của gang cũng như thép, được quy ước bằng

sự tạo thành trên bề mặt kim loại lớp màng oxit bảo vệ bền vững Khả năng tạo thành lớp màng này liên quan đến áp suất phân ly của các oxyt, nếu áp suất phân ly cao hơn áp suất riêng của oxy trong không khí, sự oxy hóa không xảy ra (kim loại sạch), khi nào áp suất phân ly của oxit nhỏ hơn áp suất riêng phần của oxy trong không khí, và oxit tạo thành không dễ bay hơi thì kim loại được bọc (phủ) một lớp màng oxit Các oxit của các nguyên tố như Fe, Ni, Cr, Al và Si có áp suất phân ly thấp, kể cả ở nhiệt độ cao Các

hợp kim, có các nguyên tố đã nêu trên tham gia vào thành phần, thường xuyên được phủ lớp màng oxit

Tính chất vật lý của lớp màng oxit đóng vai trò chủ yếu trong quá trình oxy hóa kim loại và hợp kim Đồng thời độ bền bám chắc của oxit với kim loại và khuynh hướng bao phủ bề mặt mẫu vật của màng oxit có ý nghĩa rất lớn Al, Si và Cr được đưa vào gang, tùy thuộc vào hàm lượng của chúng

mà góp phần tạo thành oxit sắt – kiểu Spinen (khoáng vật) hoặc là tạo thành oxit tinh khiết trên nền riêng (gốc riêng); có mạng tinh thể chắc bền, do đó chịu được nhiệt độ cao Các oxit nhôm, crôm và silic được tạo thành trước tiên trên bề mặt chi tiết, thực tế không thay đổi và bảo vệ vững chắc kim loại khỏi sự oxy hóa tiếp theo ở nhiệt độ cao

Gang, đặc biệt là gang không hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao, ngoài

sự oxy hóa còn có sự xuất hiện hiện tượng nở ra, ảnh hưởng của hiện tượng này là xuất hiện sự tăng không thuận nghịch kích thước (thể tích) của chi tiết Nguyên nhân chủ yếu nhất gây nên sự trương nở của gang được đưa ra sau đây :

Sự phân hủy cấu trúc - xementit tecti tự do và sự gom góp (tích tụ) các khuyết tật trong vật liệu, được biểu hiện bằng sự hòa tan kế tiếp nhau và sự tách grafit trong chúng (vật liệu) khi thay đổi nhiệt độ luân phiên

Trước tiên các pha khác nhau lần lượt chuyển hóa và oxy hóa thành phần gang

Đại lượng trương nở nhiệt do sự phân hủy xementit có thể ước tính theo công thức lý thuyết:

∆v = (3MFe ρFe + MC ρC) – MFe3C ρFe3C

ở đây : ∆v – Lượng tăng thể tích

M – trọng lượng phân tử

Như vậy để tăng khả năng chống lại sự oxy hoá, tăng tính chịu nhiệt của vật liệu, người ta thường đưa vào gang các nguyên tố tạo ra các oxit bền vững và bám chắc vào bề mặt kim loại nền như Cr, Si, Al….Tuỳ theo nguyên tố hợp kim hoá đưa vào mà người ta phân loại gang chịu nhiệt thành các nhóm:

- Nhóm gang crôm

- Nhóm gang silic

- Nhóm gang nhôm

- Nhóm gang silic – nhôm

- Nhóm gang silic – molipđen

Thành phần hoá học của gang chịu nhiệt được đưa ra ở bảng 1

Bảng 1: Thành phần hóa học gang chịu nhiệt (GB 9437-88) (2)

Hàm lượng nguyên tố (%) Mác gang

1.2 Gang hợp kim silic

Hàm lượng Si trong gang xám thường nằm trong khoảng từ 1,5÷3,0%; còn trong gang được hợp kim hóa bằng Si, hàm lượng Si có thể đến 30% Độ hòa tan Si lớn nhất trong Fe-Si ở 1200C là 18%, ở nhiệt độ phòng 14% Khi hàm lượng Si cao trong hệ Fe-Si tồn tại một vài hợp chất : FeSi (33,3% Si),

Fe3Si2 (25,1% Si), Fe2Si (55,668% Si)

Si liên quan đến số các nguyên tố hoạt động nhất ảnh hưởng lên quá trình grafit hóa Khi tăng hàm lượng Si trong gang thì sẽ làm giảm lượng peclit và làm tăng lượng ferit Khi hàm lượng Si trong gang lớn hơn 5% nền kim loại của gang trở thành hoàn toàn là ferit Si có khả năng tạo thành màng oxit bền vững, bao gồm oxit sắt và silic, làm tăng độ chịu nhiệt của gang lên rất nhiều

Độ cứng của gang Si không cao nên thoả mãn yêu cầu xử lý vật liệu đúc bằng cắt gọt

Gang có grafit dạng tấm có cấu trúc ferit Sự hợp kim hóa chúng bằng các nguyên tố tạo cacbit dẫn đến xuất hiện peclit trong cấu trúc; lượng peclit không nhiều khi hợp kim hóa crôm từ 0,5-0,7% và là 10-15% Tuy nhiên khi Cr=1,3% ferit hầu như hoàn toàn biến mất và nền kim loại trở nên chủ yếu là peclit Nếu tiép tục tăng hàm lượng Cr trong gang sẽ dẫn đến xuất hiện cấu trúc xementit tự do

Tính chất cơ lý của gang silic thấp hơn rất nhiều tính chất cơ lý của gang xám kể cả ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thường (bảng 2)

Bảng 2 : Tính chất cơ lý và độ cứng của gang Si

Khi hàm lượng Si cao hơn 0,5% độ bền của gang có grafit tấm giảm đi

và ở 7,1% là 5,4 KG/mm2 ở 200C và 0,75 KG/mm2 ở 8000C (hình 1.)

Hình 1 Sự thay đổi giới hạn bền của gang phụ thuộc vào hàm lượng Si

1- Gang có grafit cầu

Sự thay đổi tính chống gỉ của gang phụ thuộc vào hàm lượng Si có trong chúng được đưa ra trên hình 3

Sự trương nở nhiệt của gang Si có grafit tấm ở 9000C biến đổi phụ thuộc vào hàm lượng Si từ 0,2-0,85%, và nhỏ hơn 5 lần sự trương nở nhiệt của gang xám ở cùng nhiệt độ (bảng 4)

Gang silic chứa đến 2,17% Cr ở 9000C, có sự trương nở nhiệt lớn hơn

so với gang silic không hợp kim hóa bằng Cr

Sự biến tính gang bằng FeSi 75% không hợp lý, bởi vì grafit được lan rộng (mở ra) trong gang, còn trong trường hợp hợp kim hóa bằng Cr sự biến tính làm giảm độ bền bởi crôm làm tăng xêmentit peclit ở nhiệt độ cao

Hình 3 Sự thay đổi độ chống gỉ của gang phụ thuộc vào hàm lượng silic

Bảng 3 : Khả năng chống gỉ của gang Si

Thành phần hóa học

Sự tăng trọng lượng (g/m 2 h)

ở nhiệt độ ( 0 C)

A Với grafit tấm 3,44 1,82 0,42 - 0,10 0,21 18,2 37,1

Thành phần hóa học

Sự tăng chiều dài (%) ở nhiệt độ ( 0 C)

A Với grafit tấm 3,44 1,82 0,42 - 0,10 0,21 4,50 4,15

Bảng 5 : Sự nở của gang Si có cấu trúc nền khác nhau

Hàm lượng các nguyên tố,

%

C Si Mn Cr

Cấu trúc ở trạng thái đúc

Sự tăng chiều dài (%) sau khi giữ 150

Sự trương nở nhiệt của gang được hợp kim hóa bằng Cr ở 1000 0C cao hơn sự trương nở nhiệt của gang không chứa Cr Sự tăng hàm lượng peclit trong cấu trúc đúc là nguyên nhân tăng sự trương nở nhiệt của gang hợp kim

Vì thế sự hợp kim hóa gang silic bằng các nguyên tố tạo cácbit để làm tăng tính chất của chúng phải trong giới hạn hợp lý, mà ở giới hạn này chúng không dẫn đến sự tăng quá mức hàm lượng peclit (không lớn hơn 30%) trong cấu trúc đúc Do vậy để vừa có được khả năng chống lại sự oxy hoá ở nhiệt độ cao lại vừa có được hệ số trương nở nhiệt của gang ở mức hợp lý, người ta thường khống chế hàm lượng crôm trong gang silic nhỏ hơn 1,3%

Độ chịu nhiệt cao của gang silic được giải thích tương đối bằng ảnh hưởng của silic lên sự hình thành cấu trúc nền kim loại của gang và sự tạo thành màng oxit bảo vệ bề mặt chi tiết Cấu trúc của gang silic có grafit tấm không chịu sự biến đổi khoảng 9000C Ở gang có hàm lượng silic cao hơn nhiều thì tính ổn định của cấu trúc được bảo toàn cho đến nhiệt độ nóng chảy Silic chứa trong gang ở lượng 5-6%, góp phần tạo thành oxit kiểu Spinen có mạng tinh thể bền chặt, phòng ngừa (bảo vệ) kim loại khỏi sự oxy hóa khuyếch tán, các số liệu phân tích cấu trúc rơngen gỉ sắt của gang Si đã chứng nhận về điều này, được đưa ra trong bảng 6

Các số liệu về độ chảy lỏng của gang silic được diễn ra ở bảng 7

Theo số liệu của công trình đã nghiên cứu, gang Si có grafit tấm có độ

chảy lỏng rất cao, vượt quá độ chẩy lỏng của gang xám Nếu như chiều dài

rãnh xoắn, đúc bằng gang xám ở 1280-13000C là 320 mm thì chiều dài rãnh

xoắn đúc bằng gang silic ở điều kiện như vậy là 380-420 mm

Các công trình nghiên cứu cũng chỉ ra rằng gang có mức otecti 1-1,1%

Chiều dài rãnh xoắn (mm)

A Gang có grafit tấm 3,23 5,10 0,08 0,018 0,24 0,048 1340 1000 2,68 5,94 0,89 0,16 0,22 0,061 1345 690 3,12 5,24 0,09 Vết 0,25 0,039 - 1320 540 3,23 4,90 0,70 0,084 0,26 0,037 1325 480

Các kết quả xác định khuynh hướng của gang silic đối với sự co ngót

được dẫn ra trong bảng 8 Gang silic được hợp kim hóa bằng crôm với hàm

lượng từ 1,2-1,3% có độ co ngót lớn nhất

Bảng 8 : Độ co ngót thể tích của gang silic

Hàm lượng các nguyên tố (%)

C Si Mn Cr P S Mg

Độ co ngót (%)

Nhiệt độ rót ( 0 C)

Đại lượng co ngót thẳng của gang Si có grafit tấm bằng đại lượng co

ngót thẳng của gang xám có grafit tấm và là 1,0-1,25% Độ co ngót thẳng

của gang Si được hợp kim hóa bằng Cr cao hơn độ co ngót của gang Si

không hợp kim hóa chút ít (1,4-1,45%)

1.3 Công nghệ xử lý nhiệt gang

Trong các chi tiết đúc từ gang luôn luôn có ứng suất đúc xuất hiện do

từng phần của chúng được làm nguội với tốc độ khác nhau Điều này đặc

biệt rõ rệt trong các chi tiết cấu trúc phức tạp, cùng với sự chuyển biến đột

ngột từ một kích thước (cấu hình)…Tốc độ làm lạnh khác nhau dẫn đến cấu

trúc các chi tiết trở lên không đồng nhất (nhiều pha) Thể tích riêng và tỷ

trọng của gang phụ thuộc vào cấu trúc của chúng Nếu chấp nhận thể tích

riêng của peclit là đơn vị thì ở xoocbit chúng sẽ lớn hơn đơn vị, ở trustit

(peclit cục mịn) cũng lớn hơn, còn mactenxit lớn hơn so với trustit Độ

không đồng nhất của cấu trúc gang và độ không đồng nhất của thể tích riêng

gây nên ứng suất trong vật đúc, ứng suất này xuất hiện trong quá trình làm

nguội chúng ở trạng thái rắn

Cấu trúc xoocbit, trustit, mactensit không bền và cũng dần dần chuyển thành cấu trúc bền – peclit Sự chuyển đổi cấu trúc mảnh, dải thành peclit thô kèm theo sự biến mất ứng suất trong Hình dạng và kích thước của chi tiết bị thay đổi nên xảy ra sự cong vênh Bởi thế để loại trừ sự cong vênh và làm tăng tính chất cơ lý của các chi tiết gang, đúc từ gang người ta tiến hành nhiệt luyện

Người ta tiến hành ủ, tôi, ram và xử lý nhiệt hóa học gang thông thường Sự ủ các chi tiết bằng gang thường được tiến hành ở nhiệt độ cao và thấp hơn A1 Ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1 được gọi bằng sự hóa già, ram cao hoặc là ủ để khử ứng suất

Gang thường được ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1, để khử ứng suất trong, cấu trúc dải mảnh chuyển thành thô - pec lít, ở nhiệt độ 600 0C và cao hơn bắt đầu xảy ra quá trình phân hủy xementit, kích thước hạt không thay đổi

Khi làm nguội cấu trúc pha trong gang không bị thay đổi

Ủ ở nhiệt độ thấp hơn A1được sử dụng đối với đế máy, khung và các chi tiết khác có kích thước lớn với mục đích làm ổn định kích thước và hình dạng Người ta sử dụng ủ ở nhiệt độ cao hơn A3 đối với gang ferit và ferit-peclit Ủ ở nhiệt độ cao hơn A1 (A3) được sử dụng đối với các chi tiết nhỏ và trọng lượng trung bình, khi đốt nóng đến AC1, ứng suất trong được khử bỏ, cấu trúc mảnh chuyển thành peclít, ở nhiệt độ AC1 xảy ra sự chuyển hóa peclit thành austenit Trong gang ferit – peclit từ AC1 đến AC3 fetit hòa tan trong austenit Trong gang peclit quá trình thay đổi pha kết thúc ở điểm AC1 Trong gang peclit – xementit từ AC1 đến ACcm xảy ra quá trình hòa tan xementit trong austenit Khi nhiệt độ cao hơn AC1, AC3, ACcm trong thời gian gữi xảy ra quá trình hòa tan cácbon trong austenit, cácbon thâm nhập vào gang từ grafit

Tất cả các quá trình xảy ra khi đốt nóng sẽ xảy ra theo hướng ngược lại khi làm nguội gang đã ủ Khi làm nguội chậm cacbon từ grafit được tách

ra khỏi austenit Sau đó hoặc ferit hoặc là xemetit (cacbit) được tách ra từ austenit Sự làm nguội sau ủ thông thường được tiến hành cùng với lò Các chi tiết để ủ cần thiết xếp vào lò sao cho mỗi mét thể tích đặt được từ 1-2,5 tấn khối lượng chi tiết, phụ thuộc vào công suất lò

Thời gian giữ nhiệt như đối với ủ thép, tuỳ vào kích thước và hình dạng vật ủ, thông thường giữ từ ¼ đến 1/5 thời gian đốt nóng

Người ta sử dụng thường hóa các chi tiết đúc từ gang để làm tăng độ bền của chúng Bằng thường hóa người ta làm tăng độ bền của pitông, xi lanh, bánh trong pitông v.v… Chế độ đốt nóng và giữ nhiệt cũng như đối với

ủ hoàn toàn, sau đó làm nguội ngoài không khí

Điểm Ar1, tương ứng với sự chuyển biến austenit→peclit Thấp hơn điểm Ar1, sự thay đổi cấu trúc và pha trong gang không xảy ra

Khi tăng tốc độ làm nguội có thể có xoocbit thay cho peclit

Khi rót gang vào khuôn kim loại, do sự làm lạnh nhanh của gang lỏng,

ở lớp bề mặt của chi tiết tạo thành chai (gang trắng), chúng có độ cứng rất lớn, gia công cắt gọt xấu; bản chất của sự biến trắng là hàm lượng xenmetit tăng cao ở bề mặt chi tiết bị biến trắng

Sự ủ để làm mất sự chai (ủ grafit hóa) được tiến hành ở nhiệt độ cao (900- 10000C) Thời gian ủ gang để làm mất độ chai phụ thuộc vào đặc tính của chai Sự chai có vùng nhỏ và không sâu cần thời gian ủ ít hơn so với chai rộng và sâu

Người ta tiến hành tôi gang để làm tăng độ bền, độ cứng và độ chịu mòn Người ta xác định thời gian nung tuỳ theo từng loại hình dạng và kích thước của vật liệu cũng như tuỳ theo từng loại lò và thường tăng lên 10-20%

so với tính toán Với chi tiết gang kích thước nhỏ môi trường làm nguội có thể là nước hoặc dầu được nung nóng (dầu được nung nóng có độ làm nguội lớn hơn so với dầu không nung nóng), còn đối với chi tiết có kích thước lớn môi trường làm nguội là nước Khi tôi trong dầu tốc độ nguội sẽ nhỏ hơn tới hạn (điểm chuyển), tuy nhiên dầu làm giảm khả năng tạo thành vết nứt

Người ta chọn nhiệt độ tôi phụ thuộc vào lượng cácbon liên kết trong gang Khi lượng cácbon liên kết trong gang nhỏ nhiệt độ tôi sẽ cao hơn, khi lượng cácbon liên kết lớn thì nhiệt độ tôi sẽ thấp

Các gang chịu tôi chỉ ở trạng thái đã ủ Khi đốt nóng đến Ac1 sự thay đổi cấu trúc và pha trong gang không được quan sát

Ở Ac1 và cao hơn xảy ra các quá trình cũng như khi đốt nóng để ủ Khi tốc độ làm nguội bằng hoặc cao hơn tốc độ tôi tới hạn austenit của gang được quá nguội đến điểm Mн, quá trình chuyển biến austenit thành máctenxit được thực hiện Sự chuyển biến hoàn toàn austenit→ máctenxit phụ thuộc trước hết vào hàm lượng cácbon trong austenit

Hàm lượng cácbon trong austenit phụ thuộc vào lượng cácbon liên kết trong gang cũng như grafit Ngoài ra, sự chuyển biến hoàn toàn anstenit→ máctenxit cũng như trong thép, sẽ phụ thuộc vào sự dừng nhiệt độ giữa điểm

Khi ram ở 380-4000C độ cứng giảm đến HB=330-390, khi ram ở

650-6700C độ cứng giảm đến bằng ban đầu