1. Tính chất của gang xám và ảnh hưởng của các thành phần hĩa học
Gang xám là một trong những sản phẩm đúc, dùng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy. Từ gang xám người ta chế tạo ra nhiều chi tiết ơ tơ, máy kéo, đầu máy và các máy mĩc khác. Gang là hợp kim của sắt với hàm lượng các bon cao hơn 1,7%. Theo kết cấu, gang xám bao gồm phần lớn là sắt, trong đĩ một số ít các bon (khơng quá 0,8%) cĩ liên kết hĩa học với sắt (xêmentít) và graphit ở trạng thái tự do. Cơ tính của gang khơng những phụ thuộc vào thành phần hĩa học mà cịn bởi sự tương quan giữa số lượng liên kết hĩa học và các bon tự do.Thành phần liên kết hĩa học của các bon càng lớn thì độ cứng và độ bền càng cao. Độ bền của gang cịn phụ thuộc vào kích thước và hình dáng của mạng tinh thể graphit. Mức độ chứa các thành phần hĩa học của gang và tốc độ làm nguội khi gang chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn.
Thành phần của gang xám thơng thường ngoài sắt, các bon chiếm tỷ lệ từ 0,3 - 3,6% và các nguyên tố khác như silic, măngan, phốt pho và lưu huỳnh.
Cnsc.204
Silíc cĩ tác dụng thúc đẩy việc tạo thành các bon tự do, trong quá trình nguội của gang nĩ phân tích xêmentít thành pherit graphit. Trong các loại gang xám thơng thường hàm lượng silích dao động trong khoảng 2 - 3%.
Măngan cĩ tác dụng cản trở việc tạo thành graphit và thúc đẩy quá trình tạo gang trắng. Măngan chiếm khoảng 0,5 - 0,8%. Măngan cịn cĩ tác dụng làm trung hịa tác dụng của lưu huỳnh và kết hợp với lưu huỳnh thành liên kết hĩa học.
Lưu huỳnh cũng cĩ tác dụng ngăn cản việc tạo thành graphít, làm giảm độ bền cơ học và tăng độ giịn của gang khi bị đốt nĩng. Ngồi ra nĩ cịn giảm đặc tính chảy lỏng của gang, tăng độ co và thúc đẩy việc tạo thành các vết nứt. Trong gang lưu huỳnh chiếm khoảng 0,08 - 0,12%.
Phốt pho cĩ hàm lượng trung bình 0,3% tạo nên thể trung hịa phức tạp và được sinh ra trong thể tạp riêng. Phơtphit cùng tinh làm tăng độ cứng và độ chống mịn của gang đồng thời cũng làm tăng độ giịn. Ngược với lưu huỳnh, phốt pho làm tăng khả năng chảy lỏng của gang; trong các phơi đúc quan trọng bằng gang phốt pho chiếm tỷ lệ 0,2 - 0,3%. Gang dùng chế tạo các chi tiết cần độ chống mịn cao, lượng phốt pho chiếm 0,7 - 0,8%. Phốt pho hầu như khơng ảnh hưởng đến việc tạo thành graphít.
2. Ảnh hưởng của tốc độ làm nguội và ứng suất trong chi tiết gang đúc
Tốc độ làm nguội của gang ảnh hưởng rất lớn tới quá trình graphit hĩa gang nĩng chảy và tạo nên kết cấu của gang sau khi nguội.
Nếu tốc độ làm nguội nhanh thì quá trình graphit hĩa bị ngăn trở và kết quả gang bị biến trắng. Ngược lại nếu tốc độ làm nguội của gang nĩng chảy khơng nhanh quá thì graphit kịp thời xuất hiện với số lượng đáng kể.
Trong khi làm nguội gang nĩng chảy thì silic ảnh hưởng tới quá trình graphit hĩa.Nếu tăng lượng silic thì thậm chí với tốc độ làm nguội nhanh vẫn cĩ khả năng loại trừ hiện tượng biến trắng của gang.
Kết cấu gang trắng hoặc gang hĩa trắng (biến trắng) cĩ thể thay đổi được bằng cách gia cơng nhiệt. Nếu đốt nĩng gang đến 5000C thì trong thực tế khơng xảy ra graphit hĩa và trong khoảng nhiệt độ 650-7500 thì quá trình đĩ lại xảy ra một cách nhanh chĩng. Gang bị graphit rất nhanh khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn (cao hơn 7500C).
Trong quá trình đơng đặc của các chi tiết bằng gang đúc cĩ bề dày khác nhau, khi làm nguội các bộ phận đĩ khơng được làm nguội đồng đều và như vậy sẽ xuất hiện ứng suất bên trong khá lớn. Các ứng suất này cĩ khả năng làm chi tiết bị cong vênh và sinh ra vệt nứt.
Để giảm ứng suất trong các chi tiết bằng gang người ta thường đốt nĩng tới nhiệt độ 400-5000C. Ở nhiệt độ này khơng làm thay đổi kết cấu kim loại trong gang, nhưng ứng suất bên trong được giảm đi nhiều. Kinh nghiệm cho thấy rằng ứng suất xảy ra trong quá trình đúc cĩ thể giảm tới 80% và hơn nữa nếu để phơi gang đĩ "già hĩa" ở nhiệt độ bình thường trong khoảng thời gian nửa năm hay một năm.
Đối với các chi tiết của đầu máy phần lớn khơng phải ủ ở nhiệt độ thấp hoặc cho thêm thời gian già tự nhiên. Các chi tiết này ngay trong quá trình sử dụng ứng suất được giảm đi rất lớn. Tuy vậy khi phục hồi chúng bằng phương pháp hàn và hàn
đắp, do bị đốt nĩng ở nhiệt độ cao, làm nguội nhanh, khơng đều, sẽ làm xuất hiện ứng suất cục bộ lớn. Vì vậy, việc khử ứng suất trong và sau khi hàn là việc rất quan trọng. Biện pháp chủ yếu khử ứng suất đối với các chi tiết gang là đốt nĩng chi tiết trước khi hàn. Thơng thường chi tiết đốt nĩng trước đến 3500C thì hiệu quả khử ứng suất tương đối rõ. Đốt nĩng trước tới 5500C và giữ chi tiết ở nhiệt độ này từ 3 - 4 giờ và hàn ngay ở nhiệt độ đĩ thì cĩ thể khử được hoàn tồn ứng suất bên trong.
Khi phục hồi bằng hàn và hàn đắp, tùy theo tầm quan trọng, đặc điểm và kết cấu của chi tiết ta cĩ thể dùng phương pháp hàn nĩng hoặc hàn nửa nĩng. Khi hàn nĩng, cĩ thể đốt nĩng toàn bộ chi tiết hay từng phần (cịn gọi là đốt nĩng cục bộ) chi tiết. Đối với các chi tiết phức tạp và quan trọng khĩ đốt nĩng cục bộ thì để giảm ứng suất bên trong trước khi hàn phải đốt nĩng toàn bộ với tốc độ đốt nĩng chậm và tốc độ làm nguội chậm.
3. Hàn các chi tiết bằng gang
Như các đặc điểm đã trình bày ở trên ta thấy gang là một loại vật liệu khĩ hàn vì trong gang xuất hiện các nội ứng suất lớn, gang bị biến trắng, trong trạng thái nĩng gang khơng cĩ tính dẻo và cĩ đặc tính chảy lỏng. Tính chảy loãng của gang làm cho nước kim loại của gang chảy tràn trên bề mặt chi tiết nhanh cho nên khĩ tạo thành những mối hàn đặc biệt khi hàn những chi tiết nằm ở vị trí thẳng đứng. Hàn gang cĩ thể chia ra hai loại: hàn nĩng và hàn nguội.
a. Hàn nĩng
Gọi là hàn nĩng vì chi tiết trước khi hàn đã được đốt nĩng tới nhiệt độ nào đĩ và được giữ ở nhiệt độ này trong suốt quá trình hàn. Nhờ đốt nĩng ở nhiệt độ cao tồn bộ (hay một vùng tương đối lớn) mà vùng được hàn sau đĩ được làm nguội từ từ cùng với toàn bộ chi tiết, tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình graphit hĩa của gang. Việc đốt nĩng cao và làm nguội từ từ cịn cĩ tác dụng khử ứng suất bên trong do quá trình hàn gây ra.
Nếu hàn nĩng bằng hơi thì vật liệu hàn nên dùng các que gang, cịn nếu hàn điện hồ quang thì cĩ thể dùng que gang hoặc thép cĩ thuốc bọc đặc biệt.
Quá trình cơng nghệ hàn gồm các nguyên cơng sau đây: đốt nĩng sơ bộ, hàn, làm nguội.
Đốt nĩng chi tiết trước khi hàn là một nguyên cơng chính ảnh hưởng đến chất lượng hàn, đốt nĩng là để đảm bảo cho các chi tiết giãn nở đều về mọi phía. Các chi tiết khơng lớn thì cĩ thể đốt nĩng bằng khí đốt, lị điện hoặc lị đốt bằng than gỗ. Đốt nĩng chi tiết cho phép tiến hành theo hai biện pháp sau đây: đầu tiên đốt nĩng chi tiết đến 200-2500C trong vịng 20 phút (tốc độ khoảng 6000C/giờ,) sau đĩ tiến hành đốt nĩng lần cuối tới nhiệt độ 7000C trong thời gian 20 - 25 phút.
Quá trình hàn cĩ thể tiến hành trong một chu kỳ khi mà nhiệt độ chi tiết chưa giảm xuống dưới 350-4000C. Để bảo vệ cho chi tiết khỏi nguội nhanh và nguội khơng đều thì sau khi đốt nĩng chi tiết người ta ủ trong cát, tro hoặc bọc bằng bộ điều nhiệt chế tạo bằng thép tấm cĩ bọc amiăng chỉ để hở chỗ cán hàn. Ngồi ra sau khi hàn cũng cĩ thể lại phải đốt chi tiết đến 650-7000C sau đĩ làm nguội từ từ để loại trừ ứng suất bên trong.
Cnsc.206
Hàn hơi cho gang thì dùng ngọn lửa trung hịa với lượng dư axêtylen khơng lớn. Muốn đạt được phẩm chất tốt nên dùng các que gang cĩ thành phần hĩa học sau đây (bảng 4.5).
Bảng 4.5. Thành phần hĩa học các que hàn gang Thành phần hĩa học, % Lưu huỳnh S Phơt pho P Crơm Cr Niken Ni Mã hiệu que hàn Cácbon C Silic S Măngan Mn Khơng quá Ứng dụng A 3-3,6 3-3,5 0,5-0,8 0,08 0,2-0,5 0,05 0,03 Hàn nĩng B 3-3,6 3,6-4,8 0,5-0,8 0,08 0,3-0,5 0,05 0,03 Hàn nĩng và hàn nguội Chất trợ dung thường là burax hay hỗn hợp gồm 50% burax, 47% bicácbênát và 3% silic oxyt.
Sau khi hàn xong cần ủ chi tiết trong thời gian 10 - 12 phút ở nhiệt độ 600- 6500C và sau đĩ làm nguội chậm đều bằng cách phủ cát, tro hay ủ trong lị.
Dùng que hàn gang với lớp thiếc đã kê ở bảng trên nhằm tạo xỉ trên bề mặt mối hàn và ngăn chặn cho măngan khỏi bị cháy hoàn tồn, mối hàn nhận được sẽ là mối hàn mềm.
Để hàn nĩng các chi tiết bằng gang địi hỏi phải cĩ đầy đủ thiết bị như: lị xo, nhiệt luyện, nhiệt kế, v.v... Do đĩ, phương pháp này chỉ nên dùng ở những trường hợp cần thiết khi yêu cầu lớp kim loại hàn giống như kim loại chính về mọi tính chất. Bằng phương pháp này cĩ thể hàn các ổ đặt xupáp bị mịn trên nắp động cơ bằng gang (chú ý là hàn hơi) hoặc hàn các vết nứt trong thành vỏ giữa hai xylanh hoặc ở các vị trí cách các ổ đỡ xupáp một khoảng nhỏ nào đĩ.
b. Hàn nguội
Sở dĩ gọi là hàn nguội vì trước khi hàn chi tiết khơng được đốt nĩng sơ bộ. Khi đĩ kim loại ở vùng hàn được làm nguội rất nhanh hạn chế quá trình graphít hĩa của gang cho nên sinh ra hiện tượng hĩa trắng và tơi trong mối hàn, làm tăng ứng suất bên trong và cĩ khả năng sinh ra vết nứt. Vì vậy, phải cĩ phương pháp hạn chế nào đĩ cĩ thể loại trừ hoặc hạn chế các hiện tượng trên. Đĩ là điều rất quan trọng vì rằng hàn nguội là phương pháp cĩ nhiều ưu điểm so với phương pháp hàn nĩng, năng suất cao. Dùng phương pháp này cĩ thể phục hồi những chi tiết cỡ lớn bằng gang xám mà việc đốt nĩng chúng tương đối khĩ khăn như thân máy, giá xe, v.v...
Hàn nguội cho gang thường được thực hiện bằng phương pháp điện hồ quang với các que hàn bằng thép, gang, kim loại màu (ni ken, đồng thau, đồng đỏ), bột kim loại hoặc bằng chùm que.
Để tránh cho cấu trúc mối hàn khỏi bị giịn và biến trắng, nên tiến hành hàn với mối hàn rộng và ngắn, cĩ chiều dài khoảng 40-50mm.
Để khử cấu trúc giịn tạo ra trong mối hàn cần phải tiến hành ủ sau đĩ làm nguội từ từ. Cịn để giảm ứng suất dư trong mối hàn, tăng độ đậm đặc của kim loại mối hàn, giảm độ biến trắng của gang cần tiến hành như sau: lớp kim loại hàn thứ nhất được hàn đắp với tốc độ lớn bằng que hàn cĩ đường kính 3mm ở cường độ dịng điện cao. Để tránh tập trung nhiệt ở một chỗ khi hàn phải lắc que hàn hoặc phải nghỉ ngắt quãng. Trước khi mối hàn thứ nhất đơng đặc thì phủ lên nĩ một lớp thứ hai bằng những mối hàn ngang. Nếu lớp hàn thứ nhất bị xếp rõ thì các lớp sau cũng sẽ tương đối đậm đặc.