Công nghệ chế tạo Giấy Cơ khí Sản xuất

Công nghệ chế tạo Giấy Cơ khí Sản xuất

Bộ công THƯƠNG

TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM Viện Luyện kim Đen

Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen

Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN SƯA

6829

27/4/2008

Tháng 12/2007

nh÷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

Mục 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

Mở đầu

Trong công nghiệp sản xuất giấy, có nhiều chi tiết trong thiết bị dùng sơ chế nguyên liệu thường xuyên phải thay thế vì phải làm việc liên tục trong điều kiện va đập, chịu mài mòn như dao nghiền đĩa, quả lô khuấy trộn ở nước ta, phần lớn các cơ sở sản xuất giấy được lắp đặt thiết bị nước ngoài, hoạt động đã nhiều năm, thiết bị dự phòng không còn, do đó việc thay thế gặp nhiều khó khăn

Sau khi tìm hiểu tình hình ở một số cơ sở sản xuất lớn như Công ty Giấy Bãi Bằng, Công ty Giấy Hoàng Văn Thụ … Chúng tôi nhận thấy dao nghiền đĩa là một trong những chi tiết phải làm việc trong điều kiện chịu va đập và mài mòn, nên cần thay thế liên tục Hiện nay, dao nghiền đĩa được cung cấp từ nhiều nguồn: nhập từ Trung Quốc, sản xuất trong nước Tuy nhiên, vật liệu chế tạo đều 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:

- Mở đầu

- Tổng quan về gang hợp kim chịu mài mòn abrasive - Phương pháp nghiên cứu

- Kết quả đạt được - Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo - Phụ lục

Nhân 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

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

Gang 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 %

Bảng 2 Thành phần hoá học của gang Nihard loại II (C thấp, độ bền cao)

độ 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 - 0,70,4 – 0,71,4 - 1,64,0 -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

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 - -

1.2.3 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

oC 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

Khả 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 0,030,06712 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

1.3.1 ảnh hưởng của niken:

Hàm lượng niken tăng cùng với kích thước mặt cắt hoặc thời gian làm nguội sẽ hạn chế việc chuyển đổi peclit Đối với vật đúc có chiều dày 38 - 50 mm hàm lượng niken 3,4 – 4,2 % là đủ để cản trở việc tạo thành peclit khi làm nguội khuôn Những tiết diện lớn hơn có thể cần hàm lượng niken đến 5,5 % để loại bỏ việc tạo thành peclit Điều quan trọng là làm sao có thể giới hạn hàm

1.3.3 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

1.3.4 ảnh hưởng của mangan

Mangan được giữ cực đại tới 0,8% ngay cả khi cho phép 1,3 % như trong tiêu chuẩn ASTM A532 Mangan làm tăng độ cứng, loại trừ sự tạo thành peclit Nó là chất ổn định austenit mạnh hơn so với niken và tăng cường lượng austenit dư cũng như làm độ cứng vật đúc thấp hơn Vì lý do trên hàm lượng mangan cao hơn là không mong muốn Khi tính toán hàm lượng niken cần thiết để loại bỏ pha peclit trong một sản phẩm đúc định sẵn, thì hàm lượng mangan có mặt phải 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

1.4 Lùa chän m¸c gang nghiªn cøu

Gang hîp kim chÞu va ®Ëp vµ chÞu mµi mßn nh− gang Ni-hard lµ lo¹i vËt liÖu ®−îc c¸c quèc gia cã nÒn c«ng nghiÖp luyÖn kim tiªn tiÕn nh− Mü, Nga, §øc, NhËt nghiªn cøu vµ ¸p dông vµo thùc tÕ s¶n xuÊt tõ rÊt sím Mét trong c¸c m¸c gang phæ biÕn lµ GX330NiCr42 theo tiªu chuÈn DIN1695-81 cña §øc Thµnh phÇn ho¸ häc cña gang GX330NiCr42 vµ mét sè m¸c kh¸c ®−îc nªu trong b¶ng 6

B¶ng 6 : Thµnh phÇn ho¸ häc cña m¸c gang GX330NiCr42 vµ t−¬ng øng

Thµnh phÇn ho¸ häc (%) M¸c gang

A352/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

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:

• Công nghệ nấu luyện, • Công nghệ đúc,

• Công nghệ nhiệt luyện 4) Đánh giá chất lượng vật liệu:

- Sử dụng lò cảm ứng trung tần 300 kg/mẻ để thực hiện công nghệ nấu luyện, khuôn mẫu sản phẩm, hòm khuôn, máy trộn hỗn hợp làm khuôn để thực hiện công nghệ đúc, sử dụng các loại lò nung các loại để thực hiện công nghệ nhiệt luyện

- Sử dụng phương pháp phân tích hoá học truyền thống và thiết bị phân tích quang phổ ARL 3460 của hãng FISONS, Thuỵ Sỹ để xác định thành phần hoá học của nguyên liệu và sản phẩm gang nấu luyện

- Sử dụng máy kéo vạn năng YMM-50, máy kéo WE60 của Trung Quốc, máy đo độ cứng TK2M và máy đo độ cứng cầm tay Computest của Thuỵ Sỹ để xác định cơ tính của gang

- Sử dụng kính hiển vi quang học Axiovert (CHLB Đức) để nghiên cứu tổ chức tế vi và cấu trúc pha

- Sử dụng thiết bị Pin on disc TRIBOtester để xác định khả năng chịu mài mòn

3 Kết quả thực nghiệm

3.1 Công nghệ nấu luyện gang GX330NiCr42

Trong thành phần hoá học của gang GX330NiCr42 có nhiều nguyên tố hợp kim hoá tham gia như Cr = 1,4 ữ 2,4%; Ni = 3,,3ữ5 %; Mo : 0,5-1,0 % Các nguyên tố hợp kim hoá đưa vào đều có những ảnh hưởng nhất định đến tính chất của gang Do đó, việc nấu luyện gang và hợp kim hoá không thể thực hiện trong các thiết bị luyện gang thông thường mà phải luyện trong các thiết bị chuyên dùng Việc sử dụng lò tần số cũng là một giải pháp có hiệu quả để luyện loại gang hợp kim nêu trên

Với quy mô đề tài yêu cầu, chúng tôi sử dụng lò trung tần công suất 300 kg/mẻ Nguyên liệu để nấu luyện là gang thỏi, gang lốc máy, các loại ferô có sẵn trong nước Trong việc sử dụng lò cảm ứng để nấu luyện, thì việc tính toán phối liệu chính xác là yếu tố quan trọng Để thực hiện tốt việc này, các nguyên liệu đầu cần biết rõ thành phần hoá học, sau đó tiến hành chọn lọc và phân loại Nếu nguyên liệu gồm nhiều chủng loại khác nhau, cần thực hiện nấu cô nguyên liệu và từ kết quả thành phần hoá học của mẻ nấu cô, việc tính toán phối liệu các mẻ luyện chính thức sẽ đạt được kết quả chính xác hơn rất nhiều Thành phần hoá học của các nguyên liệu được trình bày trong bảng 7

Bảng 7: Thành phần hoá học các nguyên liệu dùng để luyện gang hợp kim

Thành phần hoá học Nguyên liệu

C Mn Si Cr Ni Mo P S Gang thỏi 3,85 0,45 0,85 0,052 0,045Gang lốc máy 3,43 0,50 1,20 0,08 0,062 0,048

FeCr (C cao) 7,45 62,50

Niken kim loại 99,56

Phế inox 316 L 0,06 1,45 0,56 17,8 13,64 2,45 0,021 0,018Phế HK cao Ni 0,08 1,42 0,82 18,85 76,42 0,021 0,016