Luận Văn Nghiên Cứu Công Nghệ Chế Tạo Điện Cực Bằng Hợp Kim Magiê Cho Bình Nước Nóng Lạnh.pdf

Microsoft Word Phandau Mg CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ LUYỆN KIM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BẰNG HỢP KIM MAGIÊ CHO[.]

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ CƠNG THƯƠNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MỎ - LUYỆN KIM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BẰNG HỢP KIM MAGIÊ CHO BÌNH NƯỚC NĨNG LẠNH Chủ nhiệm đề tài: KS Phạm Bá Kiêm 7356 19/5/2009 HÀ NỘI – 2008 céng hßa x hội chủ nghĩa việt nam Bộ công thơng Viện khoa học công nghệ Mỏ - Luyện kim BO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC BẰNG HỢP KIM MAGIÊ CHO BÌNH NƯỚC NÓNG LẠNH Chủ nhiệm đề tài: KS Phạm Bá Kiêm BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Nh÷ng ng−êi thùc hiÖn TT Họ tên Chức vụ Cơ quan Phạm Bá Kiêm Kỹ sư hoá Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim Lê Hồng Sơn Kỹ sư hoá Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim Nguyễn Minh Đạt Kỹ sư LK Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim Ngô Quyền Kỹ sư điện Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim Hoàng Văn Quân Kỹ sư LK Viện KH&CH Mỏ-Luyện kim Trịnh Văn Bạt KS Hội đúc luyện kim Hà Nội Tô Duy Phương TS Hội đúc luyện kim Hà Nội Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh MỤC LỤC Số hiệu Danh mục Tr Mở đầu Tổng quan Tình hình nghiên cứu sản xuất ngồi nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước Tổng quan sở lý thuyết Một số loại hợp kim magiê công nghiệp 1.2.1.1 Cấu trúc tính chất magiê 1.2.1.2 Các hợp kim magiê 1.2.1.2.1 Hợp kim đúc 1.2.1.2.2 Hợp kim magiê với nhôm kẽm Nấu luyện hợp kim magiê 13 1.2.2.1 Nấu luyện hợp kim magiê lò phản xạ 13 1.2.2.2 Nấu luyện hợp kim magiê lò cảm ứng tần số công nghiệp 13 1.2.2.3 Trợ dung 14 1.2.2.4 Nấu luyện hợp kim magiê lị chân khơng 14 1.2.3 Các phương pháp sản xuất đúc hợp kim magiê 14 1.2.3.1 Đúc khuôn vỏ cứng 16 1.2.3.2 Đúc chân không 16 Nhiệt luyện hợp kim magiê 17 Phương pháp nghiên cứu công tác chuẩn bị 20 2.1 Phương pháp nghiên cứu 20 2.2 Thiết bị vật tư nghiên cứu 20 2.2.1 Thiết bị nghiên cứu 20 2.2.2 Ngun liệu hóa chất 20 2.2.3 Cơng tác phân tích 21 2.2.4 Sơ đồ cơng nghệ 21 Nội dung kết nghiên cứu 22 Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim magiê 22 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nấu luyện đến cháy hao magiê 22 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến cháy magiê 23 Chương 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.4 Chương Chương 3.1 Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Nghiên cứu ảnh hưởng trợ dung trình nấu luyện 24 Nghiên cứu phương pháp đúc điện cực bình nóng lạnh hợp kim magiê 26 3.2.1 Nghiên cứu chế tạo khuôn kim loại 26 3.2.2 Nghiên cứu phương pháp đúc chân không 26 3.2.3 Khảo sát công nghệ nhiệt luyện hợp kim magiê 27 3.2.4 Nghiên cứu cấu trúc tế vi hợp kim nghiên cứu 27 3.3 Nhận xét chung kết nghiên cứu 28 3.4 Nghiên cứu thí nghiệm mẻ lớn 28 3.5 Qui trình cơng nghệ 31 Định hướng áp dụng kết nghiên cứu 32 Kết luận kiến nghị 33 Kết luận 33 Kiến nghị 33 Tài liệu tham khảo 34 Phụ lục 35 3.1.3 3.2 Chương Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh MỤC LỤC BẢNG VÀ HÌNH Số hiệu Danh mục Bảng Thành phần hóa học số hợp kim magiê CT TSUKUBA (Nhật) Bảng Thành phần hóa học ứng dụng hợp kim đúc magiê (Nga) 10 Bảng Tính chất học hợp kim magiê đúc nhiệt độ phòng nhiệt độ cao 15 Bảng Dạng nhiệt luyện, mục tiêu áp dụng hợp kim magiê 18 Bảng Chế độ nhiệt luyện vật đúc từ hợp kim magiê mơi trường khơng khí 19 Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ nấu luyện đến cháy hao magiê 22 Bảng Thành phần hợp kim nghiên cứu 23 Bảng Ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến cháy hao magiê 24 Bảng Ảnh hưởng trợ dung đến hiệu suất thu hồi hợp kim 25 Bảng 10 Hiệu suất đúc phụ thuộc vào nhiệt độ 26 Bảng 11 Dự tính khối lượng nguyên vật liệu cho sản phẩm 32 Hình Mặt cắt đảng nhiệt hệ Mg-Al-Zn 11 Hình Đường cong hòa tan đồng thời Al Zn Mg 11 Hình Ảnh hưởng nhơm đến tính chất học hợp kim đúc Mg-Al 12 Hình Ảnh hưởng Zn đến tính chất học hợp kim đúc Mg-Zn 12 Hình Sơ đồ đúc hút chân khơng 17 Hình Thiết bị lị điện trở lị cảm ứng chân khơng 20 Hình Sơ đồ cơng nghệ dự kiến 21 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ nấu luyện đến hiệu suất thu hồi magiê 23 Hình Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất thu hồi magiê 24 Hình 10 Ảnh hưởng trợ dung đến hiệu suất thu hồi hợp kim 25 Hình 11 Khn đúc kim loại 26 Hình 12 Ảnh hưởng nhiệt độ đúc đến hiệu suất đúc 26 Hình 13 Sơ đồ cơng nghệ sản xuất điện cực bình nóng lạnh hợp kim magiê 29 Hình 14 Ảnh chụp kim tương 30 Hình 18 Sản phẩm nghiên cứu 31 Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim Tr BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh MỞ ĐẦU Trong tự nhiên nước sinh hoạt chứa nhiều ion canxi Ca2+, đun nóng kết tủa canxi cacbonat CaCO3 đóng cặn Hiện tượng người ta gọi nước cứng Trong công nghiệp nồi hơi, nước làm mát thiết bị lò luyện kim xử lý làm ion canxi Ca2+ trước đưa vào sử dụng Trong sinh hoạt, nước cấp cho bình nóng lạnh phải xử lý làm nước khỏi ion canxi Ca2+ để khơng đóng cặn, nhằm tăng hiệu suất sử dụng nhiệt bảo vệ đốt cấp nhiệt Ứng dụng tính chất điện hố magiê Mg có khả hồ tan nước, thay ion canxi Ca2+ tạo thành magiê cacbonat MgCO3 hoà tan không kết tủa, người ta sản xuất điện cực hợp kim magiê (Mg, Al, Zn) để lắp vào bình nóng lạnh Ở Việt Nam, hàng năm sản xuất hàng chục vạn bình nóng lạnh cung cấp cho dân dụng xuất Điện cực hợp kim magiê nhập hồn tồn chưa có sở sản xuất, tiêu thụ hàng vạn tháng Đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nóng lạnh” Bộ Cơng Thương cho phép triển khai nghiên cứu theo hợp đồng số 117.08.RD/HĐ-KHCN ký ngày 31/01/2008 Kết nghiên cứu đề tài có ý nghĩa thực tiễn lớn, áp dụng vào sản xuất, thay hoàn toàn điện cực hợp kim magiê nhập Với mục đích sản xuất điện cực cho bình nước nóng lạnh hợp kim magiê, đề tài cần giải vấn đề sau: Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim hệ Mg-Al-Zn (7 ÷ 9% Al; 0,5 ÷ 1,5% Zn; cịn lại Mg): phương pháp nấu luyện, trợ dung, thành phần hợp kim, phương pháp đúc Nghiên cứu công nghệ đúc (Phương pháp đúc, nhiệt độ đúc, kết cấu khn đúc) Qui trình cơng nghệ chế tạo điện cực cho bình nóng lạnh Sản xuất thử số điện cực cho bình nóng lạnh Ф14 - L 210 Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi Ở nước ngồi có nhiều cơng trình nghiên cứu hợp kim magiê Các hợp kim sở magiê có tính chất học cao magiê tinh khiết Hợp kim magiê ứng dụng công nghiệp chế tạo máy, công nghiệp hàng khơng, cơng nghiệp ơtơ, cơng nghiệp hố học, công nghiệp luyện kim… Trong thực tế hợp kim magiê chia làm hai nhóm: + Hợp kim đúc: Sản xuất chi tiết đúc khác + Hợp kim gia công áp lực: Sản xuất lá, tấm, ống, cán hình, rèn … phương pháp gia cơng nguội Đa số hợp kim cơng nghiệp magiê có thêm Al, Zn, Mn Si Ứng dụng thực tế là: + Các hệ hợp kim bậc 2: Mg-Ce, Mg-Zn, Mg-Th + Các hệ hợp kim bậc 3: Mg-Al-Zn, Mg-Mn-Ce, Mg-Zn-Ce, Mg-Mn-Th + Các hệ hợp kim bậc 4: Mg-Mn-Th-Nd,… Hợp kim hệ bậc Mg-Al-Zn (ML3, ML4, ML5, ML6, ML7) hợp kim đúc magiê có độ bền cao ứng dụng rộng rãi công nghiệp Ở Nhật có mác hợp kim magiê AZ31B (Al 2,5 ÷ 3,5, Zn 0,7 ÷ 1,3%, cịn lại magiê), AZ63A, AZ81A, AZ91A, AZ91C, 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước Trong nước chưa có cơng trình cơng bố nghiên cứu cơng nghệ nấu luyện hợp kim magiê Các hợp kim magiê magiê kim loại phải nhập từ nước 1.2 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.2.1 Một số loại hợp kim magiê cơng nghiệp 1.2.1.1 Cấu trúc tính chất magiê Magiê kim loại có tỷ trọng nhỏ (1,74 g/cm3), chịu tải trọng gia công cắt tốt Magiê hợp kim magiê chịu ăn mòn thấp tự bốc cháy Để bảo vệ phải Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh dùng phương pháp đặc biệt: Tạo màng oxyt phủ bề mặt sơn phủ sơn hữu đặc biệt Dưới dẫn số thông số vật lý bản: Trọng lượng nguyên tử: 24,312 Tỷ trọng: 1,74 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (ToC): 651 Nhiệt độ sôi (ToC): 1103 Độ dẫn nhiệt (Cal/cm.giây độ nhiệt độ) 30oC: 0,3 100oC: 0,31 200oC: 0,33 Magiê đúc tương tự nhôm, đặc trưng cấu tạo tinh thể lớn Để nghiên cứu cấu trúc magiê hợp kim magiê tẩm thực dung dịch axit nitric HNO3 ÷ 4% rượu Tạp chất thông thường magiê nhôm, sắt, silic, natri, kali, đồng niken - Nhôm tạp chất đưa vào dung dịch rắn không gây ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc tính chất magiê - Sắt, natri, kali khơng hồ tan magiê trạng thái rắn, phát dạng tạp chất màu tối sẫm theo biên giới hạt - Silic tạo thành với magiê hợp chất hoá học phân bố theo biên giới hạt dạng tinh thể nhỏ mịn - Đồng niken không tan magiê trạng thái rắn khơng tạo thành hợp chất hố học với magiê Sắt, đồng, niken tạp chất có hại hợp kim magiê làm giảm tính bền ăn mịn - Berili, zirconi có tác dụng tốt magiê hợp kim magiê Khi thêm lượng nhỏ berili (0,005 ÷ 0,02%) có tác dụng tinh luyện làm giảm độ oxy hoá magiê trình nấu chảy đúc Zirconi làm nhỏ hạt magiê đúc, có khả nâng cao tính chất học bền ăn mịn Trong cơng trình cơng bố đưa vào 0,2 ÷ 0,3%Zr kích thước hạt magiê giảm 30 ÷ 40 lần Ở hàm lượng 0,5 ÷ 0,6% Zr kích thước hạt magiê giảm 80 ÷ 100 lần Nghiên cứu cấu trúc cho thấy hạt zirconi phân bố bên hạt magiê tương tự hợp chất TiAl3, TaAl3 hợp kim nhôm Zirconi làm tăng nhiều tính bền ăn mịn magiê nước biển tác dụng điện trường Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Magiê tinh khiết trạng thái đúc có tính chất học khơng cao σB = 10 ÷ 12Kg/mm2, σ0,2 = ÷ Kg/mm2, δ = ÷ 8%, φ = ÷ 10% Magiê có độ dẻo thấp nhiệt độ phịng, nâng cao nhiệt độ độ dẻo tăng Điều ứng dụng để cán gia công áp lực magiê hợp kim Magiê bền axit flohiđric, muối florua, xút, keroxin, benzen, dầu vơ Cịn hầu hết dung dịch axit, muối lại tác dụng mạnh với magiê phá huỷ nhanh 1.2.1.2 Các hợp kim magiê Các hợp kim magiê có tính chất học cao magiê tinh khiết (σB = 20 ÷ 36Kg/mm2, δ = ÷ 20) Hợp kim magiê ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác (Ngành bánh răng, bánh xe máy bay, vũ khí, phụ tùng ơtơ, thuốc nổ, pháo hoa ) Hợp kim magiê chia làm hai nhóm: - Hợp kim đúc: Để sản xuất chi tiết đúc khác - Hợp kim gia công: Để sản xuất lá, ống, hình gia cơng nóng, gia công nguội 1.2.1.2.1 Hợp kim đúc Đa số hợp kim đúc magiê ứng dụng công nghiệp hợp kim magiê với nhôm, kẽm, mangan silic Gần sử dụng số hợp kim bậc 2: Mg-Ce, Mg-Zn, Mg-Th Các hợp kim bậc bậc như: Mg-Mn-Ce, Mg-Zn-Ce, Mg-Mn-Th, Mg-Mn-Th-Nd v.v Thành phần hợp kim đúc công nghiệp phổ biến nêu bảng bảng Bảng 1: Thành phần hoá học số hợp kim magiê CT khuôn đúc TSUKUBA Ký hiệu Thành phần hoá học (%) Al Mg Nhiệt luyện δB (Kg/mm2) δ (%) JIS 20,3 28,0 28,0 12 12 MC1 Mn Zn AZ63A 5,2-6,7 0,15 2,5-3,5 AZ81A 7,0-8,0 0,13 0,4-1,0 F,T4 T5,T6 T4 AZ91A 8,3-9,7 0,13 0,4-1,0 F 23,0 AZ91C 8,1-9,3 0,13 0,4-1,0 F T4 T6 16,8 28,0 28,0 11 MC2 Đối với hợp kim đúc magiê với nhôm yêu cầu điều kiện đúc đặc biệt Nấu luyện chén sắt, bảo vệ trợ dung dễ nóng chảy, đúc khn có Viện Khoa học Cơng nghệ Mỏ-Luyện kim BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÔNG TÁC CHUẨN BỊ 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Từ thông tin thu thập được, nghiên cứu tổng quan lý thuyết hợp kim magiê, phương pháp nấu luyện, đúc, nhiệt luyện, cấu trúc chi tiết sản phẩm điện cực bình nóng lạnh, xác định bước công nghệ Nghiên cứu thực nghiệm nấu luyện hợp kim magiê có thành phần theo nghiên cứu lý thuyết lựa chọn Nghiên cứu thiết kế khuôn đúc, chế tạo khuôn kim loại Nghiên cứu chọn phương pháp đúc hợp lý để đúc hợp kim magiê 2.2 THIẾT BỊ VÀ VẬT TƯ NGHIÊN CỨU 2.2.1 Thiết bị nghiên cứu - Lị nấu luyện điện trở có nhiệt độ đến ToC = 900oC - Hệ thống đúc chân không 5.10-2 mm Hg - Lị cảm ứng chân khơng Kg/mẻ, độ chân khơng 1.10-2 mm Hg Hình 6: Thiết bị lị điện trở lị cảm ứng chân khơng - Khuôn kim loại - Nồi nấu luyện 2.2.2 Nguyên liệu hoá chất - Magiê kim loại mác MГ90 99,9% Mg - Kẽm kim loại 99,99% Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 20 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh - Nhơm kim loại A7 99,7% - Các loại trợ dung (NaCl-KCl, cacnalit, CaF2) - Các khí bảo vệ (Argon) 2.2.3 Cơng tác phân tích Phân tích thành phần hố học đối tượng nghiên cứu, sản phẩm nghiên cứu: Al, Mg, Zn, Mn, Fe, Si, Cu… phân tích cấu trúc hợp kim magiê nghiên cứu với khoảng 100 tiêu trung tâm phân tích Viện KH&CN MỏLuyện kim quan ngồi 2.2.4 Sơ đồ cơng nghệ Sơ đồ cơng nghệ dự kiến đưa hình Mg Zn Al Mn Phối liệu Nấu luyện Chế tạo khuôn Đúc chân khơng Lắp ráp khn Tháo khn xử lý khí Sản phẩm điện cực Hình 7: Sơ đồ cơng nghệ dự kiến Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 21 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ NẤU LUYỆN HỢP KIM MAGIÊ Qua nghiên cứu tổng quan phân tích mẫu hợp kim bình nóng lạnh thị trường (Mg 91,14%, Al 7,30%, Zn 0,68%) chọn mác hợp kim nấu luyện MЛ5 (Al 7,50 ÷ 9,00%, Zn 0,20 ÷ 0,80%, Mn 0,15 ÷ 0,50%, lại Mg) MЛ6 (ΓOCT 2856-68) tương đương mác AZ81 (Al 7,00 ÷ 8,00%, Zn 0,40 ÷ 1,00%, Mn 0,13 ÷ 0,15%, cịn lại Mg) JIS-MC1 Dự kiến hợp kim nghiên cứu có thành phần sau: Al 7,00 ÷ 8,00%, Zn 0,40 ÷ 0,80%, Mn 0,5%, Mg 90,00 ÷ 93,00% Do magiê ngun tố có lực lớn với oxy, khoảng 500oC tự bốc cháy, nên chọn phương pháp nấu luyện đúc chân không Phối liệu lấy: 92,85%Mg, 6,00%Al, 1,00%Zn, 0,15%Mn 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nấu luyện đến cháy hao magiê Điều kiện thí nghiệm: Nấu luyện lị cảm ứng chân khơng với thơng số sau: + Chân không đạt 10-2 mm Hg + U = 10 ÷ 100 V + I = 100 A + P = Kw Khối lượng mẻ nấu 200 g với phối liệu gồm 186 g Mg, 14 g Al, g Zn, 0,3 g Mn, thời gian nấu luyện 20 phút Khảo sát nhiệt độ nấu luyện từ 700oC đến 900oC Các kết thí nghiệm đưa bảng hình Bảng 6: Ảnh hưởng nhiệt độ nấu luyện đến cháy hao magiê Nhiệt độ (ToC) 700 Hàm lượng Mg (%) 92,60 Hiệu suất thu hồi Mg (%) 94,59 750 92,14 93,92 800 91,34 92,81 850 90,58 91,55 900 89,03 89,26 TT Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 22 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Hình 8: Ảnh hưởng nhiệt độ nấu luyện đến hiệu suất thu hồi magiê Hiệu suất (%) 97 95 93 91 89 87 85 650 750 850 950 o Nhiệt độ (T C) Bảng 7: Thành phần hóa học hợp kim nghiên cứu TT Thành phần (%) Mg Al Zn Mn 92,60 6,23 0,90 0,13 92,14 6,75 0,83 - 91,34 7,26 0,75 - 90,58 7,38 0,64 - 89,03 7,80 0,55 - Từ kết thí nghiệm chọn nhiệt độ nấu hợp lý 750oC 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến cháy hao magiê Điều kiện thí nghiệm: Nấu luyện lị cảm ứng chân không với thông số sau: + Chân không đạt 10-2 mm Hg + U = 10 ÷ 100 V + I = 100 A, P = Kw + Nhiệt độ nấu luyện 750oC + Khảo sát thời gian nấu luyện thay đổi từ 16 phút đến 24 phút Kết thí nghiệm trình bày bảng hình Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 23 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Bảng 8: Ảnh hưởng thời gian nấu luyện đến cháy hao magiê Thời gian nấu luyện (Phút) 16 Hàm lượng Mg (%) 92,70 Hiệu suất thu hồi Mg (%) 94,44 18 92,05 93,53 20 91,73 92,71 22 90,80 90,80 24 89,36 88,40 TT Hình 9: Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất thu hồi magiê 95 Hiệu suất (% ) 94 93 92 91 90 89 88 14 19 24 29 Thời gian (Phút) Thực nghiệm cho thấy nấu luyện hợp kim magiê điều kiện chân không cho hiệu suất thu hồi cao, magiê không bị cháy hao mà bị hao hụt bay Nhiệt độ nấu luyện chọn 750oC, thời gian nấu luyện 16 phút với chế độ lò U = 100 V, I = 100 A, P = Kw cho hiệu suất thu hồi magiê cao đạt 93,00% ÷ 94,50% Thành phần hóa học hợp kim nghiên cứu tương đương mác ML5 (ΓOCT 2856-68) 3.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng trợ dung trình nấu luyện Trong q trình nấu luyện hợp kim magiê mơi trường khơng khí sử dụng trợ dung bảo vệ NaCl-KCl, NaCl-MgCl2, KCl-MgCl2, cacnalit Do hệ trợ dung có MgCl2 nấu luyện có nhiều khói, nhiễm mơi trường nên chọn hệ NaCl-KCl 50-50 có nhiệt độ nóng chảy 657oC, tỷ trọng 2,1 g/cm3 Tiến hành thí nghiệm với khối lượng mẻ nấu Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 24 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh 200g, tỷ lệ phối liệu trên, nhiệt độ nấu 750oC, thời gian nấu luyện 16 phút Lượng trợ dung thay đổi từ 50 g đến 150 g tương ứng 25% đến 75% Các kết thí nghiệm đưa bảng hình 10 Bảng 9: Ảnh hưởng trợ dung đến hiệu suất thu hồi hợp kim Tỷ lệ trợ dung (%) 25,0 Lượng hợp kim thu (g) 170,0 Hiệu suất (%) 85,0 37,5 175,0 87,5 50,0 184,0 92,0 62,5 183,0 91,5 75,0 183,5 91,25 TT Hiệu suất (%) Hình 10: Ảnh hưởng trợ dung đến hiệu suất thu hồi hợp kim 93 92 91 90 89 88 87 86 85 84 20 40 60 80 Hàm lượng trợ dung (%) Kết thí nghiệm sử dụng trợ dung cho thấy thao tác nấu luyện khó khăn, hiệu suất thu hồi đạt thấp nấu luyện chân không Khi nấu luyện chân không lượng hợp kim thu cao với hiệu suất đạt 95,0%, nấu luyện có trợ dung an tồn, khơng cháy sáng hiệu suất thu hồi hợp kim đạt 91,0 ÷ 92,0% Mặt khác trình nấu luyện, trợ dung bay có khói nên cần phải có quạt hút xử lý khói bụi Do tính chất đúc hợp kim magiê, yêu cầu phải đúc chân không nên lựa chọn nấu luyện chân không hợp lý Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 25 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh 3.2 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐÚC ĐIỆN CỰC BÌNH NĨNG LẠNH BẰNG HỢP KIM MAGIÊ 3.2.1 Nghiên cứu chế tạo khuôn kim loại Thiết kế chế tạo khuôn: Khuôn đúc chế tạo khuôn đơn đúc điện cực để đúc lị cảm ứng chân khơng (Hình 12) khn kép đúc nhiều điện cực (Hình 13) Thành khn dày 10 mm, dài 250 mm, Φ14 mm có ốc gắn đáy khn Hình 11 : Khn đúc kim loại 3.2.2 Nghiên cứu phương pháp đúc chân không Nấu luyện lị cảm ứng chân khơng với thơng số sau: + Chân không đạt 10-2 mm Hg + U = 10 ÷ 100 V + I = 100 A, P = Kw Hình 12: Ảnh hưởng nhiệt độ đúc đến hiệu suất đúc + Nhiệt độ nấu luyện 750oC + Thời gian nấu luyện 16 phút + Khảo sát nhiệt độ đúc từ 650oC đến 750oC thuộc vào nhiệt độ đúc Nhiệt độ TT đúc (ToC) 650 Mức độ điền đầy khuôn (%) 60 700 65 750 70 Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 70 H i ệ u s u ấ t (% ) Bảng 10: Hiệu suất đúc phụ 72 68 66 64 62 60 58 640 660 680 700 720 740 760 o Nhiệt độ (T C) 26 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Kết nghiên cứu đưa bảng 10 hình 12 Kết nghiên cứu cho thấy nấu luyện hợp kim magiê nhiệt độ từ 750oC ÷ 800oC cho kết tốt Vì khảo sát nhiệt độ đúc từ 650oC ÷ 750oC, nhiệt độ khn 80oC ÷ 100oC Lượng hợp kim nấu luyện, rót khuôn lần cho thấy hiệu suất đúc đạt 65 ÷ 70% Các kết thí nghiệm nhiệt độ đúc tốt 700oC ÷ 750oC Điều phù hợp với thông tin công bố tài liệu tham khảo [4] 3.2.3 Khảo sát cơng nghệ nhiệt luyện hợp kim magiê Tính chất lý tính hợp kim hệ Mg-Al-Zn-Mn phụ thuộc đáng kể vào chiều dày, tiết diện vật đúc thành phần hóa học hợp kim Ví dụ hợp kim MЛ3 khoảng nhiệt độ kết tinh nhỏ nên khuynh hướng giảm độ bền phụ thuộc vào độ dầy vật đúc nhỏ so với hợp kim MЛ4, MЛ5 Hợp kim nghiên cứu có thành phần hóa học 7,5 ÷ 9,0%Al, 0,2 ÷ 0,8%Zn, 0,15 ÷ 0,5%Mn, cịn lại Mg tương ứng với MЛ5 Nhóm thực đề tài chọn chế độ nhiệt luyện T4, nhiệt độ ủ 360oC, thời gian giữ 180 phút ủ hai giai đoạn - Giai đoạn 1: Nhiệt độ 360oC, thời gian 180 phút - Giai đoạn 2: Nhiệt độ 420oC, thời gian giữ 24 làm nguội mơi trường khơng khí σB trạng thái đúc 16 Kg/mm2, sau nhiệt luyện σB = 22 Kg/mm2, độ cứng hợp kim (HB) khơng nhiệt luyện 50 ÷ 55, sau nhiệt luyện 65 ÷ 80 Kết nghiên cứu cho thấy hợp kim hệ Mg-Al-Zn-Mn cụ thể mác MЛ5 nhiệt luyện theo chế độ T4, tính chất tính thay đổi đáng kể, độ bền kéo tăng khoảng 1,5 lần, độ cứng tăng lên từ 1,2 đến 1,4 lần 3.2.4 Nghiên cứu cấu trúc tế vi hợp kim nghiên cứu Mác hợp kim Mg-Al-Zn-Mn nghiên cứu tương đương mác MЛ5 (Hoặc mác AZ81A-Nhật) Ảnh chụp kim tương mẫu hợp kim nghiên cứu tiến hành thiết bị Axiovert 40MAT phịng phân tích kim tương – Viện Khoa học Vật liệu – Viện KH&CN Việt Nam Các mẫu chụp cho thấy cấu trúc tế vi gồm tinh thể hạt magiê kích thước từ 50 đến 150 µm, đa số cỏc ht t 50 ữ 100 àm Cỏc mu 11, mẫu 14 hạt tinh thể nhỏ mịn, đồng Hợp kim tồn dang dung dịch rắn α tinh thể magiê Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 27 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Các hợp chất γ (Mg4Al3) nằm biên giới hạt có mầu nâu tối Ở vùng giàu kẽm xuất pha T (Mg3AL2Zn2) Trên hình 20 cho thấy mẫu M11 M 14 có nhiệt luyện tinh thể magiê nhỏ mịn, đồng đều, Mẫu M13 không nhiệt luyện tinh thể magiê lớn Kết đo độ cứng cho thấy nhiệt luyện độ cứng tăng 1,2 đến 1,4 lần Từ kết nghiên cứu cấu trúc tế vi hợp kim magiê, cho thấy hợp kim đúc thành phần chọn nên tiến hành nhiệt luyện theo chế độ T4 3.3 NHẬN XÉT CHUNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Qua bước thí nghiệm nghiên cứu nấu luyện hợp kim magiê hệ Mg-AlZn-Mn, nghiên cứu phương pháp đúc, nhiệt luyện đưa nhận xét chung sau: • Nhiệt độ nấu luyện hợp kim hệ hệ Mg-Al-Zn-Mn nờn tin hnh 750oC ữ 800oC ã Nhit ỳc nờn tin hnh 720oC ữ 750oC ã Nu luyện hợp kim đúc tiến hành thiết bị chân khơng • Đúc khn kim loại • Mác hợp kim chọn: 7,0 ÷ 9,0%Al, 0,5 ÷ 0,8%Zn, 0,15 ÷ 0,5%Mn, lại Mg tương đương mác ML5 (Nga) AZ81A (Nhật) • Chế độ nhiệt luyện T4: Nhiệt luyện hai giai đoạn ¾ Nung ủ 360oC gi ắ Nung 420oC 21 ữ 25 ¾ Để nguội mơi trường khơng khí 3.4 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM MẺ LỚN Từ kết nghiên cứu đưa mục 3.3 áp dụng thí nghiệm mẻ lớn Do điều kiện thiết bị chân không qui mơ phịng thí nghiệm dung tích lít nên thí nghiệm tiến hành nấu luyện lị điện trở Kg/mẻ, khuôn Đã đúc thử loạt sản phẩm điều kiện: - Nấu luyện 750oC ÷ 800oC - Thời gian nấu luyện 30 phút - Nhiệt độ đúc 750oC - Hiệu suất đúc trung bình đạt 65,0 ÷ 70,0% Sản phẩm điện cực đạt yêu cầu, mặt hợp kim nhẵn có độ bóng đẹp, không rỗ Thành phần hợp kim đạt tiêu chuẩn tương đương mác MЛ5 (AZ81-MC2 JSC) Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 28 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh có thành phần hóa học sau: Al : 7,0 ÷ 8,0% ; Zn: 0,5 ÷ 0,8% ; Mn: 0,12 ÷ 0,15% ; Mg: 91,5 ÷ 93,0% Điện cực đo độ cứng chụp ảnh cấu trúc tế vi Kết hình 14 Từ kết phân tích cho thấy độ cứng hợp kim từ 55 ÷ 85HB tương ứng với độ cứng hợp kim công bố tài liệu tương đương mẫu hợp kim điện cực thị trường (65HB) Ảnh cấu trúc tế vi cho thấy tinh thể đều, cấu trúc mịn pha α hợp chất Mg4AL3, T(Mg3Al2Zn2) xuất tạp chất biên giới hạt có màu tối Trong hợp kim Al-Mg-Zn phân tích cấu trúc có pha α tinh thể magiê, pha γ(Mg4Al3) T(Mg3Al2Zn2) vùng giàu kẽm (Hình 14) Từ kết nghiên cứu đưa sơ đồ công nghệ sản xuất điện cực binh nóng lạnh hợp kim magiê (Hình 13) Zn Mg Al Mn Phối liệu Nấu luyện chân không Hồi liệu Đúc chân không Lắp ráp khn Tháo khn gia cơng khí Nhiệt luyện Sản phẩm điện cực Hình 13: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất điện cực bình nóng lạnh hợp kim magiê Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 29 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh M11 X200 khơng tẩm thực M13.X200 vùng có tẩm thực M14 X200 có tẩm thực M11 X200 có tẩm thực M13 X200 vùng có tẩm thực M14 X200 khơng tẩm thực Hình 14: Ảnh chụp kim tương Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 30 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh Hình 15: Sản phẩm nghiên cứu 3.5 QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ NẤU LUYỆN HỢP KIM MAGIÊ Al-Zn-Mn - Chuẩn bị nguyên liệu: Sử dụng kim loại Mg 99,9%, Al 99,99%, Zn 99,99%, hợp kim trung gian Al-10Mn chén nấu luyện - Thiết bị nấu luyện: Sử dụng lò điện trở nhiệt độ 1000oC, thiết bị đúc chân khơng có độ chân khơng 10-2 mmHg - Thiết bị đúc khuôn đúc: Bơm rót trực tiếp vào khn mơi trường chân khơng - Các bước tiến hành sau: + Tính toán phối liệu theo yêu cầu, cân đong cấu tử Sau nạp liệu vào lị (Chuẩn bị khn, lắp ráp khuôn theo yêu cầu vật đúc cho vào lị, chỉnh khn, đóng kín hút chân khơng), sau hút chân khơng đến chân khơng đạt u cầu, nhiệt độ lị đạt 750oC ÷ 850oC thời gian 20 phút sau hạ nhiệt độ xuống 700oC ÷ 720oC để tiến hành đúc (Rót khn trực tiếp dùng bơm để bơm kim loại lỏng) + Sau đúc khoảng 30 phút, đưa khuôn lấy sản phẩm, để nguội gia cơng khí để sản phẩm tinh Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 31 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh CHƯƠNG 4: ĐỊNH HƯỚNG ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Để sản xuất điện cực bình nóng lạnh hợp kim magiê tốt nấu luyện môi trường chân không Để hạn chế bay kim loại tiến hành mơi trường khí trơ Cần phải thiết kế lị chân khơng dung tích 10 ÷ 20 Kg hợp kim magiê/mẻ tương đương 50 ÷ 80 Kg thép/mẻ, độ chân khơng 10-2 mmHg Rót đúc chân khơng, khn đúc 100 ÷ 200 đặt buồng chân khơng Ước tính đầu tư khơng lớn khoảng 200 triệu đồng, sản xuất 10.000 ÷ 20.000 điện cực/tháng khoảng 100.000 cái/năm Bảng 11: Dự tính khối lượng nguyên vật liệu cho sản phẩm TT Nguyên vật liệu Đơn vị Số tính lượng g 63 Đơn giá Thành tiền (đ) (đ) 80 5.040 Mg Al g 40 240 Zn g 0,7 20 14 Al-Mn10 g 3,0 75 225 Cộng 5.519 Hiệu suất nấu luyện đúc đạt 65% x 1,5lần 8.500 Với giá bán điện cực thị trường 25.000đ/chiếc, giá thành tạm tính 15.000đ/chiếc cho thấy sản xuất điện cực bình nóng lạnh hợp kim magiê có chi phí đầu tư thấp, giá thành rẻ, sản xuất có hiệu kinh tế cao Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 32 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu phịng thí nghiệm nấu luyện hợp kim magiê đúc thử điện cực cho bình nóng lạnh rút kết luận sau: Đã tiến hành nghiên cứu nấu luyện hợp kim Mg-Al-Zn-Mn lò điện trở chân khơng lị điện trở mơi trường khơng khí có trợ dung bảo vệ, đúc hợp kim magiê điều kiện chân không Hợp kim magiê mác MЛ5 (Tương đương AZ81-MC2-JSC) có hàm lượng Al ÷ 8%, Zn 0,5 ÷ 1,0%, Mn 0,15% cịn lại magiê có hiệu nấu đúc phương pháp chân không Đối với sản phẩm điện cực cho bình nóng lạnh hợp kim Mg-AlZn-Mn nên nấu luyện chân không đúc chân không cho hiệi kinh tế cao phương pháp nấu luyện dùng muối bảo vệ đúc chân không Hợp kim magiê nấu luyện chân không đạt khoảng hiệu suất thực thu 95,0%, hiệu suất đúc đạt 65,0 ÷ 70,0% Khi nấu luyện mơi trường khơng khí sử dụng trợ dung bảo vệ đúc chân không cho hiệu suất thực thu đạt 92,0% Kết nghiên cứu cho thấy nên chọn hướng nấu luyện đúc chân không Hợp kim magiê mác MЛ5 (Tương đương AZ81-MC2-JSC) nước nóng nhiệt độ 80oC ÷ 90oC, độ ăn mịn khoảng 0,07 g/24 Đã sơ tính tốn tiêu tiêu hao nguyên vật liệu cho thấy kết nghiên cứu đề tài áp dụng vào sản xuất có hiệu kinh tế Qua kết nghiên cứu đưa sơ đồ cơng nghệ hình 13 qui trình cơng nghệ nâu luyện đúc sản phẩm từ hợp kim Mg-Al-Zn-Mn KIẾN NGHỊ Đề nghị đầu tư thiết bị, nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ sản xuất thử nghiệm để sản xuất ổn định sản phẩm điện cực đưa thị trường Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 33 BCTK: Nghiên cứu công nghệ chế tạo điện cực hợp kim magiê cho bình nước nóng lạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật đúc- NXB Thanh niên-HN- 2000 Phạm Quang Lộc Мальцев М В Металлография промышленных цветных металлов и сплавов Металлургия МОСКВА 1970 3.А.П.Смирягин Промышленные цветные металлы и сплавы “Металлургия” Москва 1974 Б.А.Арбузов ; Н.А.Аристова Цветное литье легкие сплавы Издательство “МАШИНОСТРОЕНИЕ” М.1966 Handbook K Vol 1: Fundamentals and meterials Edited by Dr.Eng Catrin Kammaer Aluminium-verlag marketing& Kommunikation GmbH-1999 Viện Khoa học Công nghệ Mỏ-Luyện kim 34