đại cương vật liệu kim loại nêu lên những vấn đề cơ bản nhất phục vụ cho quá trình nghiên cứu
MSE 441 C«ng nghÖ vËt liÖu HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Classification of materials: Metals: Các nguyên tử xếp theo trật tự chặt chẽ Ceramics: Gốm kết cấu (high temperature loading bearing), Vật liệu chịu lửa (corrosion resistant, insulating), Sứ trắng (e.g porcelains), Thủy tinh, Gốm điện (Capacitors, Insulators, tranducers, etc.) Gốm liên kết hóa học (e.g cement and concrete) Polymers: Chất dẻo, tinh thể lỏng… Semi-conductors: (Si, Ge…) (GaAs, InP…) Composites: Vật liệu tổ hợp kim loại, polyme, gốm Biomaterials HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Nanoscale materials MSE 441 HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Để có tính chất mong muốn, vật liệu cần có cấu trúc thích hợp Thuộc tính lại phụ thuộc vào cấu trúc Kỹ thuật (Processing) tạo thay đổi cấu trúc How you decide what materials to use? Lựa chọn ứng dụng⇒ thuộc tính cần thiết (Cơ, điện, nhiệt, từ, quang) Thuộc tính ⇒ Vật liệu cần thiết (kiểu, cấu trúc thành phần) Vật liệu ⇒ Kỹ thuật cần thiết (thay đổi cấu trúc hình dangsmong muốn: thông qua đúc, nhiệt luyện, hàn, thiêu kết, gia công c ơ…) MSE 441 Sơ lược gia công kim loại • Luyện kim • Đông đặc hình thành vật đúc • Gia công áp lực • Luyện kim bột • Hàn • Ăn mòn • Vật liệu tổ hợp HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Giáo trình William D Callister, Jr Materials Science and Engineering an Introduction, Wiley.com (2006) Mikell.P Groover Fundamentals of Modern Manufacturing John Wiley and Sons, Inc (2007) N.H.D Metals Processing Ng V Thai …Đại cương CNVL Notebook MSE 441 Chapter Luyện kim 1.0 Giới thiệu • Luyện kim lĩnh vực khoa học công nghệ dùng để tách kim loại từ loại khoáng vật chứa KL • bước quan trọng: • Khai khoáng • xử lý quặng ( làm giàu) • Khử quặng để thu KL nguyên chất •Tinh luyện •Phối liệu để SX hợp kim HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 1.1 HỎA LUYỆN Là lĩnh vực luyện kim, trình có s d ụng ph ản ứng hóa học ởởnhiệt độ cao đểởtách tinh luyện kim loại nhóm sắắ t không sắt từ quặng khoáng chúng Sản phẩm vật liệu thô Hai giai đoạ n bả n lafd nấu chảy thổi luyện HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Các trình hỏa luyện bao gồm: Chuẩn bị, Khử, Oxy hóa Tinh luyện kim loại HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Electric arc furnace, - can use steel scrap -> - high current, high T (≈1800˚C) -> - chemistry control in stages i/ selective oxidation (as in BOF) ii/ addition of alloying elements (ladle steelmaking) MSE 441 HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Composition of iron and steel HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Oxidation C + O2 = CO Si + O = SiO + Q 2 Mn + O = MnO + Q 2P+5FeO+4CaO=5Fe+4CaO.P2O5- Q4 Nguồn oxi hóa oxy nguyên chất quặng sắt FeO: Si + FeO = SiO +Fe HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Oxidation Nguồn oxi hóa oxy nguyên chất quặng s FeO: Si + FeO = SiO2 +Fe C + FeO = Fe + CO Mn + FeO = Fe + MnO 2P+5FeO+4CaO=5Fe+4CaO.P2O5+Q4 Điều kiện khử P HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Oxidation Khử lưu huỳnh: FeS + CaO = CaS + FeO – Q Điều kiện khử S: Lượng FeO xỉ thấp Độ bazơ xỉ cao, Nhiệt độ xỉ cao HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Bất kỳ lượng nhỏ oxy lại thép đông dặc kết hợp với C để tạo thành bọt khí CO Thép có chất lượng thép không chứa Oxy Khử oxy cho thép: dùng nguyên tố có lực với O2 mạnh lực Fe O2 ( nguyên lý Elingham) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Chất khử oxy (ferro-manganese, ferro-silicon, aluminium) s ẽ loại b ỏ oxit sắt hòa tan hình thành loại oxit khác không tan kim lo ại, sau bị loại bỏ qua xỉ : 2Al + 3FeO (soluble) = 3Fe + Al O (solid) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 I.4 Refining Process to remove impurities • khí hòa tan • nguyên tử tạp chất thép • hạt rắn (oxides) Làm đồng thành phần hóa học Khử khí key: Giảm áp suất riêng phần khí Phương pháp thông thường: Chân không Dùng khí trơ: Ar, N2 Với O2: dùng nguyên tố có lực mạnh HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 Khử khí chân không Quá trình Dortmund-Horder: vac vac Khử khí khí trơ vacuum argon HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Để khử S cho thép, thổi hợp chất chứa Ca dạng bột dùng xỉ có độ bazơ cao Có thể đưa số kim loại để liên kết với S thành tạp chất hại (Mn) sulfít cứng dạng vụn (Ti, Zr, Ce…) Hiệu khử S thường gắn liền với khử ô-xy, nên chất khử ô-xy đồng thời gây tác dụng khử S tốt MSE 441 Gas-Metal equilibrium H (g) 2H (in solution) H a a K= p H 2in liquid = hydrogen activity H p = hydrogen partial pressure H2 K = equilibrium constant Sievert’s law : [H] ~ p 1/2 H2 HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MSE 441 I.4.b Particle removal Stokes’ law g ∆ρ d V= 18 Ω µ V = velocity of particle (cm/s) g = acceleration due to gravity (cm/s2) ∆ρ = density particle - density liquid (g/cm3) d = diameter of particle (cm) Ω = shape factor (unity for sphere) (dimensionless) µ = dynamic viscosity of liquid (g.cm-1/s) HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Luyện điện xỉ