Trong nhóm gang hợp kim này, mác GX330NiCr42 theo tiêu chuẩn DIN 1695-81 của Đức có nhiều đặc tính tốt, phù hợp cho việc chế tạo các chi tiết chịu va đập và mài mòn nêu trên.. 1.Tổng qua
Trang 1Bộ 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 CỨU CHẾ TẠO GANG HỢP KIM ĐỘ BỀN CAO
MÁC GX330NiCr42 LÀM ĐĨA NGHIỀN PHỤC VỤ CễNG NGHIỆP SẢN XUẤT GIẤY”
DFGEDFGEDFGE
Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép vN
Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen
Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN SƯA
6829
27/4/2008
Tháng 12/2007
Trang 2nh÷ng ng−êi thùc hiÖn chÝnh
TT Hä vµ tªn Häc vÞ §¬n vÞ c«ng t¸c
1 NguyÔn v¨n S−a TiÕn sÜ ViÖn LuyÖn kim §en
2 NguyÔn v¨n Ngò KÜ s− ViÖn LuyÖn kim §en
3 NguyÔn hång Phóc KÜ s− ViÖn LuyÖn kim §en
4 Vò Th¸i S¬n KÜ s− Cty CP GiÊy Hoµng V¨n Thô
5 Bïi Quang S¬n KÜ s− Cty CP GiÊy Hoµng V¨n Thô
Trang 3Mục lục
Mở đầu 3
1 Tổng quan về gang hợp kim chịu mài mòn 5
1.1 Phân loại gang hợp kim chịu mài mòn 5
1.2 Gang trắng crôm –niken (Ni-hard) 7
1.2.1 Tính chất vật lý của gang Ni-hard 9
1.2.2 Tính chất cơ học của gang Ni-hard 9
1.2.3 Đặc tính đúc của gang Ni-hard 10
1.2.4 Tính gia công của gang Ni-hard 10
1.2.6 Khả năng chịu mài mòn của gang Ni-hard 11
1.3 ảnh hưởng các nguyên tố hợp kim đối với gang Ni-hard 13
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu 15
2 Nội dụng nghiên cứu và phuơng pháp thực nghiệm 17
3.3.2 Tôi và ram gang GX330NiCr42 23
3.4 Các tính chất của gang GX330NiCr42 26
Trang 4đều là gang xám không hợp kim, độ bền thấp, khả năng chịu mài mòn kém
Từ thực tế trên, chúng tôi cho rằng nên chế tạo dao nghiền đĩa bằng gang hợp kim chịu mài mòn Trong nhóm gang hợp kim này, mác GX330NiCr42 theo tiêu chuẩn DIN 1695-81 của Đức có nhiều đặc tính tốt, phù hợp cho việc chế tạo các chi tiết chịu va đập và mài mòn nêu trên
Viện Luyện kim Đen đã đề xuất và được Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công Thương) giao cho thực hiện đề tài “ Nghiên cứu chế tạo gang hợp kim độ bền cao mác GX330NiCr42 làm đĩa nghiền phục vụ công nghiệp sản xuất giấy” Qua một thời gian triển khai, đề tài đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu Trong báo cáo tổng kết đề tài chúng tôi xin trình bày các phần sau:
Trang 5Nhân dịp này, Ban chủ nhiệm đề tài xin chân thành cảm ơn sự quan tâm và chỉ đạo sát sao của Vụ Khoa học & Công nghệ- Bộ Công Thương, sự hợp tác giúp đỡ tận tình của Công ty Giấy Hoàng Văn Thụ Thái Nguyên, các cơ sở nghiên cứu như Trường ĐHBK Hà Nội, Trung tâm Đo lường Việt nam và một cơ sở nghiên cứu khác đã giúp chúng tôi thực hiện thành công đề tài
Trang 61.Tổng quan về Gang chịu mài mòn
1.1 Phân loại gang chịu mài mòn
Khả năng chịu mài mòn của gang khi chịu tác động mài abrasive tuỳ thuộc vào tổ chức tế vi (vi độ cứng, hình dạng, sự tác dụng tương hỗ cũng như số lượng cấu trúc hợp thành) Thành phần tổ chức cơ bản của gang được sắp xếp theo chiều tăng của vi độ cứng với trật tự sau: graphit, ferit, peclit, austenit, mactensit, xementit, xementit hợp kim, các cacbid của crôm, wolfram, vanađi
và của các nguyên tố khác, các borid Khả năng chịu mài mòn phụ thuộc rất phức tạp vào số lượng cũng như sự phân bố của các pha rắn, giòn so với kim loại nền có tính mềm và dẻo Kim loại nền phải là giá đỡ vững chắc cho các độ cứng thành phần nhằm ngăn ngừa sự phá huỷ giòn
Có nhiều loại gang chịu mài mòn khác nhau được đem vào sử dụng trong
điều kiện làm việc có tác động mài mòn Theo cấu trúc và thành phần hoá học có thể phân chia gang chịu mài mòn thành các nhóm sau:
- Gang xám hợp kim
- Gang biến trắng hợp kim Gang trắng hợp kim bao gồm:
+ Gang trắng hợp kim thấp,
+ Gang niken - crôm (Ni-hard),
+ Gang hợp kim cao crôm
Gang hợp kim cao là nhóm vật liệu quan trọng của mà sản phẩm của chúng cần được quan tâm đặc biệt so với loại gang thông thường Trong gang hợp kim cao, hàm lượng các nguyên tố hợp kim hoá trên 4%, do vậy không thể nấu luyện chúng đạt thành phần tiêu chuẩn chỉ bằng cách hợp kim hoá ngay tại gầu rót Chúng thường được sản xuất ở các cơ sở có trang bị máy móc đặc biệt chỉ dùng riêng để nấu luyện loại gang này
Trang 7Gang hợp kim là loại gang chủ yếu dùng làm vật liệu chịu mài mòn và đúc thành những chi tiết cần thiết trong việc chế tạo máy đập, nghiền và nhiều loại dụng cụ chịu mài mòn khác
Trong gang trắng hợp kim cao, lượng Cr cao làm tăng khả năng chịu ăn mòn của gang Phần thể tích lớn của kim loại nền và cácbid cùng tinh trong tổ chức tế vi sẽ tạo nên độ cứng lớn cần thiết cho tác động va đập, nghiền nhỏ các vật liệu khác Trong gang này, pha cácbid gắn chắc trên nền kim loại và biến đổi tuỳ thuộc vào hàm lượng hợp kim đưa vào Quá trình nhiệt luyện sẽ tạo ra sự cân bằng đặc biệt giữa khả năng chịu mài mòn và tính dẻo cần thiết cho khả năng liên tục chịu va đập
Trong khi vật đúc từ gang trắng hợp kim thấp có hàm lượng hợp kim dưới 4%, độ cứng chỉ trong khoảng 350 – 550 HB trong khi gang hợp kim cao có dải
độ cứng từ 450 – 800 HB
Tiêu chuẩn ASTM A552 đưa ra thành phần và độ cứng của nhiều mác gang trắng chịu mài mòn Rất nhiều vật đúc được chế tạo theo mác gang của tiêu chuẩn này
Tuy nhiên một số lượng lớn vật đúc được sản xuất có sự thay đổi về thành phần hoá học tuỳ theo từng ứng dụng riêng Điều cần nói là các chuyên gia thiết
kế, kỹ sư luyện kim và thợ đúc cần hợp tác với nhau để đưa ra được các mác gang có thành phần, phương pháp nhiệt luyện và quy trình đúc hợp lý cho từng ứng dụng đặc biệt
Gang trắng hợp kim cao được phân ra các nhóm chính như sau:
- Gang niken-crôm (Ni-hard) : Chứa 3-5 % Ni và 1-4 % Cr , Ngoài ra có một loại hợp kim với thành phần biến đổi, chứa 7-11 % Cr
- Gang crôm – molipđen: Chứa 11-23 % Cr và đến 3 % Mo, thông thường
nó được hợp kim hoá với niken và đồng
- Gang cao crôm: hàm lượng Cr từ 25-28 % và chứa các nguyên tố hợp kim hoá khác như Mo hoặc Ni tới 1,5 %
Trang 9Bảng 1 Thành phần hoá học của gang Ni-hard loại IA (C cao, chịu mài mòn lớn)
Chiều dày vật đúc (mm) Khuôn cát Khuôn kim loại
12 25 50 75 100 12 25 50 75 100 Nguyên tố
được tạo ra để sản xuất bi, đạn nghiền ở đây thành phần hợp kim crôm – niken
được điều chỉnh thích hợp cho phương pháp đúc – nhiệt luyện cũng như công nghệ đúc đặc biệt bằng cát (xem bảng 2)
Bảng 2 Thành phần hoá học của gang Nihard loại II (C thấp, độ bền cao)
Chiều dày vật đúc (mm) Khuôn cát Khuôn kim loại
Trang 10độ bền chịu mài mòn được yêu cầu lớn nhất Còn khi khả năng chịu va đập được
ưu tiên thì hàm lượng cacbon phải được khống chế trong khoảng 2,7 – 3,2 % (Bảng 3)
Bảng 3 Thành phần hoá học của gang Ni-Hard có ứng dụng đặc biệt
Thành phần hoá học (%) Mác gang
C Si Mn Cr Ni Mo S P Tip III 1,0-1,6 0,4 - 0,7 0,4 – 0,7 1,4 - 1,6 4,0 -4,75 - ≤0,05 ≤0,05
1.2.2 Tính chất cơ học của gang Ni-hard
Nhờ sự hợp kim hoá bằng niken mà chúng có các đặc tính tương ứng vượt trội so với gang trắng không hợp kim Độ cứng cao đi đôi với việc giảm trị số giới hạn bền khi uốn và kéo Các chi tiết chế tạo từ gang Ni-hard cần được sử dụng trong các điều kiện chịu va đập và có tải trọng
Bảng 4 Tính chất cơ học của gang Nihard
σB HB σU
Loại gang Phương pháp làm khuôn
kG/mm 2
Độ võng f khi uốn tính bằng
mm
I - Cát
- Kim loại
28-35 35-42
550-650 600-725
48-60 54-82 2,0 – 2,8
II - Cát
- Kim loại
32-38 42-52
525-625 575-675
54-66 66-85 2,5 – 3,0 III - Cát
- Sau nhiệt luyện -
325-375
HK 3-2-1 - Cát - 550-650 - -
Trang 111.2.3 Đặc tính đúc của gang Ni-hard
- Độ chảy loãng của gang Ni-hard thấp hơn một chút so với gang xám
- Độ co ngót: trong khoảng 2-2,15 %
Đậu ngót và đậu hơi cần phải dễ loại bỏ, việc cắt bằng hàn hơi là không nên vì dễ tạo thành vết nứt Các chi tiết từ gang Ni-hard có xu thế xuất hiện vết nứt khi gặp nóng lạnh đột ngột, nhạy cảm do co ngót ngoài và dãn nở nhiệt (ứng suất nhiệt)
Những đặc điểm này cần được các nhà thiết kế nghiên cứu kỹ cấu hình vật
đúc, trước hết là các vật đúc từ gang Ni-had, cần lưu ý nhiều đến đặc tính công nghệ của nó Tốt nhất là đúc bằng khuôn kim loại, nhưng điều muốn nhấn mạnh
là cấu hình vật đúc cần được thực hiện nghiêm ngặt về mọi yêu cầu, đảm bảo việc đông cứng có định hướng Các chi tiết làm tấm lót hoặc trục cán thường
được chế tạo hai lớp Lớp bề mặt làm việc bằng gang Ni-hard, mặt đệm dưới hay lõi trục bằng gang xám hợp kim hay gang cầu
1.2.4 Tính gia công của gang Ni-hard
Các vật đúc từ gang Ni-hard không thể gia công bằng dụng cụ cắt gọt mà chỉ nên hoàn thiện bằng phương pháp mài Nếu việc gia công là bắt buộc, thì ở nơi cần gia công cơ khí của vật đúc, nên bổ sung bằng cách đúc phụ thêm gang xám hay thép cacbon Điều này rất có lợi khi thiết kế các chi tiết từ gang chịu mài mòn hợp kim hoá cao
bi Với mục đích này người ta dùng nhiệt luyện đơn giản: ram ở 250-275 oC trong khoảng 4-6 giờ hay nhiệt luyện kép các chi tiết chịu va đập nặng : nung tới
475 oC hay 700-780 oC trong 4 giờ làm nguội ngoài không khí và ram thấp ở 275
Trang 12oC trong 4 giờ Gang Ni-hard-4 có thể nhiệt luyện ở 750 oC trong 8 giờ và làm nguội ngoài không khí
1.2.6 Khả năng chịu mài mòn của gang Ni-hard
Khái niệm về khả năng chịu mài abrasive
- Cơ chế mài abrasive
Đối với phần lớn các hệ tribology, những cơ chế mài chính không tồn tại riêng lẻ mà có thể xuất hiện đồng thời Trong các cơ chế mài thì quá trình mài abrasive chiếm vị trí quan trọng nhất Hơn một nửa số lượng chi tiết máy và phụ tùng hỏng hóc là do mài abrasive gây ra Có 4 cơ chế mài vi mô dẫn đến sự tổn hao khối lượng trong hệ mài abrasive là: Biến dạng vi mô bề mặt mài, gẫy vi mô
bề mặt, cắt vi mô bề mặt, mỏi vi mô bề mặt Các cơ chế mài vi mô abrasive được mô tả trong hình 2
Hai cơ chế biến dạng vi mô và cắt vi mô thường đi đôi với nhau và được gọi theo một khái niệm khác là bào rãnh vi mô
Đối với những loại vật liệu mềm và có khả năng biến dạng dẻo lớn, quá trình bào rãnh vi mô sẽ làm biến dạng một phần vật liệu trong khu vực rãnh bào sang hai bên thành rãnh và hất phần vật liệu còn lại ra khỏi bề mặt chi tiết bị mài Tỷ lệ giữa phần vật liệu biến dạng và phần bị bào đi phụ thuộc vào kích thước hạt mài và bản chất vật liệu bị mài
Những loại vật liệu giòn, khi mài sẽ xảy ra hiện tượng nứt tế vi bề mặt, nếu ứng suất bề mặt sinh ra do mài mòn lớn hơn giới hạn bền của vật liệu thì vết nứt
sẽ phát triển và lan truyền Khi các vết nứt bề mặt liên kết với nhau sẽ dẫn đến bong bề mặt và làm giảm khối lượng chi tiết bị mài Quá trình này được gọi là cơ chế gẫy vi mô Kết quả nhiều đề tài nghiên cứu và thí nghiệm về mài abrasive cho thấy, quá trình biến dạng dẻo lớp vật liệu bề mặt và gẫy vi mô thường xảy ra
đồng thời Đối với vật liệu đa pha (không đồng nhất), các cơ chế mài vi mô tham gia đồng thời vào quá trình mài Trong khi những phần mềm (vật liệu nền) có tổ chức bề mặt bị bào rãnh vi mô thì ở những phần cứng (pha giòn) sẽ xảy ra quá trình gẫy vi mô Những pha cứng có tác dụng tăng độ cứng tổng thể của vật liệu nhưng lại làm giảm độ dai ảnh hưởng tổng hợp của pha cứng đối với khả năng
Trang 14Khả năng chịu mài mòn cao của gang Ni-hard trong điều kiện có tác động mài mòn được lý giải bởi có một lượng lớn crôm hợp kim hoá dưới dạng xementit (Fe,Cr)3C có vi độ cứng HV 950-1100 kG/mm2 và nền mactensit-austenit cũng không thua kém cacbid về vi độ cứng (HV 670-840 kG/mm2) trong điều kiện mài mòn ướt, hệ số mài mòn tương đối của gang Ni-hard so với thép CT20 là 5,0-5,7 người ta đã thiết lập được bảng so sánh độ bền chịu mài mòn của gang Ni-hard và của gang hợp kim khác (bảng 5 )
Bảng 5 : Tốc độ mài mòn của gang Ni-hard và loại gang hợp kim khác
Thành phần hoá học Độ mài mòn tương đối Mác gang C Si Mn Cr Ni Mo S P HB
cao Cr - - - 27 - 0,5 - - 653 70 49 48 27 Cr15M3 2,75 0,7 0,7 15,0 - 3,0 0,03 0,06 712 51 44 41 - Việc kiểm tra vật đúc gang Ni-hard có thể dùng mắt thường nhưng việc kiểm tra tổ chức tế vi cũng cần thiết Khi đạt được thành phần yêu cầu và chế độ nhiệt luyện đảm bảo, trong tổ chức tế vi không còn graphit, lượng austenit dư phải ở giới hạn thấp nhất và độ cứng sau nhiệt luyện phải đạt các gía trị như nêu trong bảng 4
1.3 ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đối với gang Ni-hard
Trang 151.3.3 ảnh hưởng của crôm
Crôm là nguyên tố đầu tiên được cho vào để bù đắp tác dụng graphit hoá của niken và silic trong hợp kim dạng A, B và C với hàm lượng Cr khoảng 1,4-3,5%
Hàm lượng crôm cần phải tăng thêm cùng với việc tăng kích thước mặt cắt
ở hợp kim type D, hàm lượng crôm trong khoảng 7-11 % (điển hình 9%) để tạo
ra cacbid cùng tinh với dạng cacbid crôm M7C3, loại này rắn hơn và có ảnh hưởng không lớn đối với độ dai
là một hệ số phụ thuộc
1.3.5 ảnh hưởng của đồng
Đồng làm tăng độ cứng cũng như duy trì được pha austenit, do đó phải khống chế nó vì cùng nguyên nhân đó mà phải hạn chế mangan Đồng phải
Trang 16được xem như chất thay thế niken và nó phải được tính vào lượng niken cần thiêt
để hạn chế peclit, nó làm giảm lượng niken yêu cầu đó
1.3.6 ảnh hưởng của molipđen
Molipđen là một tác nhân tăng độ cứng trong các loại gang hợp kim này và
nó được dùng trong vật đúc có tiết diện lớn để làm tăng thêm độ cứng và hạn chế
peclit
1.4 Lựa chọn mác gang nghiên cứu
Gang hợp kim chịu va đập và chịu mài mòn như gang Ni-hard là loại vật
liệu được các quốc gia có nền công nghiệp luyện kim tiên tiến như Mỹ, Nga,
Đức, Nhật nghiên cứu và áp dụng vào thực tế sản xuất từ rất sớm Một trong
các mác gang phổ biến là GX330NiCr42 theo tiêu chuẩn DIN1695-81 của Đức
Thành phần hoá học của gang GX330NiCr42 và một số mác khác được nêu
trong bảng 6
Bảng 6 : Thành phần hoá học của mác gang GX330NiCr42 và tương ứng
Thành phần hoá học (%) Mác gang
Mác gang GX330NiCr42 tương đương với mác KmTBNi4Cr2-GT theo tiêu
chuẩn GB8491-78 của Trung Quốc, mác 1ANi-Cr-HC theo tiêu chuẩn ASTM
Trang 17A352/A352M-93a của Mỹ, mác FBNi4Cr2HC theo tiêu chuẩn NF A32-401 (1988) của Pháp, mác 0513-00 theo tiêu chuẩn SS14 của Thuỵ Điển
Tính chất cơ học của gang hợp kim mác GX330NiCr42 và các mác gang
nêu trên đều tương tự như nhau và có giá trị như sau:
+ Độ bền kéo 280 – 350 Mpa,
+ Độ cứng sau tôi, ram đạt 520 - 580 HV
Với đặc tính nêu trên, đề tài chọn mác gang hợp kim GX330NiCr42 làm đối tượng nghiên cứu vì nó đại diện cho nhóm gang chịu mài mòn Ni-hard Đề tài sẽ tiến hành nghiên cứu xác định công nghệ chế tạo và dựa trên trang thiết bị sẵn có của Viện Luyện kim Đen cũng như của các cơ sở phối hợp, thực hiện việc nấu luyện và chế tạo sản phẩm Đồng thời, tiến hành phân tích, kiểm tra và đánh giá
các đặc tính của vật liệu
Trang 182 Nội dụng nghiên cứu và phuơng pháp thực nghiệm 2.1 Nội dung nghiên cứu
Dựa trên tiêu chuẩn DIN 1695-81 của Đức và các tiêu chuẩn nước ngoài khác
để lựa chọn mác gang hợp kim phù hợp cho việc chế tạo các chi tiết độ bền cao, chịu mài mòn ứng dụng trong các ngành gia công vật liệu
1) Xây dựng đề cương kế hoạch nghiên cứu: tổng quát và chi tiết
2) Nghiên cứu các tài liệu về : công nghệ chế tạo, ứng dụng của gang và sản phẩm dự kiến chế tạo, tiêu chuẩn vật liệu và tiêu chuẩn sản phẩm Xây dựng báo cáo tổng quan
3) Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ, thiết bị để chế tạo mác gang hợp kim GX330NiCr42 theo tiêu chuẩn DIN 1695-81 Dựa trên cơ sở vật chất, thiết
bị sẵn có tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định công nghệ gồm các khâu:
5) Chế tạo thử 6-8 dao nghiền đĩa có chất lượng tốt Xây dựng kế hoạch và và
tổ chức dùng thử tại một sản xuất Theo dõi và đánh giá kết quả thử nghiệm và khả năng sử dụng
