Bộ công thơng
Tổng công ty thép việt nam
Viện Luyện kim Đen
o0o
Báo cáo TổNG KếT
Đề TàI NGHIÊN CứU KHOA HọC và phát triển CấP Bộ
Tên đề tài:
Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu
nhit v c tớnh cao
***************
Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép VN
Cơ quan chủ trì : Viện luyện kim đen
Chủ nhiệm đề tài : NGUYễN HồNG PHúC 7684
05/02/2010

Hà NộI, 12 - 2009

TI NGHIấN CU KHOA HC V PHT TRIN CP B

NGUYN HNG PHC
Vin Luyn kim en
1. THễNG TIN CHUNG
Tờn ti: Nghiờn cu cụng ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu
nhit v c tớnh cao
- Cấp giao đề tài :
Bộ Công Thơng
- Chủ nhiệm đề tài :
Nguyễn Hồng Phúc
- Cơ quan chủ trì :
Viện Luyện kim Đen
- Cơ quan chủ quản :
Tổng Công ty Thép Việt Nam
- Năm thực hiện :
2009
- Kinh phí :
180 triệu đồng
- Lĩnh vực nghiên cứu :
Luyện kim

Hng nm, cỏc ngnh cụng nghip sn xut ca nc ta ó s dng rt
nhiu thit b ch to t gang bn nhiờt. tng hiu qu sn xut v gim
chi phớ cho vic nhp khu thi
t b t nc ngoi, ti Nghiờn cu cụng
ngh ch to gang hp kim h Cr Al chu nhit v c tớnh cao nhm
xỏc nh c cụng ngh sn xut gang bn nhit, c tớnh cao mỏc 7X2
bng nguyờn liu, thit b sn cú trong nc v ỏp dng vo thc tin sn
xut.

7769 – 82 của Nga)
2,5
-
3,0
≤ 1,0
1,5
-
3,0
≤ 0,3 ≤ 0,12
1,5
-
3,0
5,5
-
9,0

Tính chất cơ lí
Sau khi thường hoá, tính chất cơ lí của gang tương đương với tiêu chuẩn
nước ngoài tương ứng.

Vật liệu
σ
k
Mpa
σ
b
Mpa
Độ cứng
HB
Gang nghiên cứu 133 180 264

Hàng năm, các ngành công nghiệp sản xuất của nước ta đã sử dụng và
thay thế rất nhiề
u thiết bị chế tạo từ gang bền nhiêt. Thiết bị, nguyên liệu
nhập khẩu từ nước ngoài dẫn đến tốn kém ngoại tệ, thời gian cũng như
việc không chủ động được trong gia công chế tạo. Chính vì vậy, năm
2009, Viện Luyện kim đen đã đề xuất và được Bộ Công thương giao
nhiệm vụ thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang hợ
p kim
hệ Cr – Al chịu nhiệt độ và cơ tính cao”.
Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất gang bền
nhiệt và cơ tính cao mác ЧЮ7X2 (theo tiêu chuẩn
гOCT 7769 – 82 của
Nga) bằng nguyên liệu, thiết bị sẵn có trong nước. Chế tạo, dùng thử sản
phẩm làm từ gang nghiên cứu của đề tài là ghi lò nhiệt luyện, đánh giá
kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra khả năng áp dụng vào thực tiễn sản xuất.
Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, hợp tác, tạo điều kiện
thuận lợi của Vụ Khoa học công nghệ
- Bộ Công thương, các đơn vị
trong và ngoài Bộ trong quá trình thực hiện đề tài. 1
1. TỔNG QUAN
Kim loại bền nhiệt là loại vật liệu có khả năng làm việc lâu dài trong

cứu tỉ mỉ.
1.1.1. Cơ chế của quá trình ôxy hoá
Quá trình ôxy hoá kim loại trong khí quyển gồm hai giai đ
oạn như sau
(hình 1).
Ở bề mặt phân chia kim loại/ôxýt có phản ứng:
Me Me
n+
+ ne
Ở bề mặt ôxýt/ôxy có phản ứng :
1/2O
2
O
hp
+2e O
2-
2
Phản ứng tổng thể là:
Me
n+
+ mn/2 .O
2
Me
n
O
mn/2


FeO. Đối với thép hợp kim Cr – Ni thì đó là FeCrO
3
, FeCrNiO
4
, Cr
2
O
3,
FeNiO
3,
FeCr
2
O
4.
Đối với các loại thép hợp kim đa nguyên tố thì quá trình
ôxy hoá diễn ra rất phức tạp.
1.1.2 Nhiệt động học của quá trình ôxy hoá
Lực thúc đẩy phản ứng kim loại – ôxy là sự thay đổi năng lượng tự do
do việc tạo ra ôxýt. Về mặt nhiệt động học, các ôxýt chỉ được tạo thành khi

3
áp suất của ôxy trong môi trường xung quanh lớn hơn áp suất phân huỷ
(disociation) của ôxýt trong sự cân bằng với kim loại. Sự thay đổi năng
lượng tự do tiêu chuẩn của quá trình tạo thành ôxýt được biểu thị như sau:
∆G
0
= R.T.lnP
O2
Ở đây
∆G

2
, FeO, Fe
3
O
4
, Fe
2
O
3. 4Hình 2: Năng lượng tự do của sự tạo thành các ôxýt kim loại.
1.1.3 Động học tạo màng ôxýt
Tốc độ của quá trình ôxy hoá kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
nhiệt độ, áp suất riêng phần của ôxy trong môi trường, chất lượng bề mặt và


Hình 3: Quá trình ôxy hoá logarit

t
X

Phương trình logarit thường đúng với các kim loại Al, Fe, Cu với lớp
ôxýt rất mỏng (khoảng 1000 A
0
).
Phương trình parabol
Ở nhiệt độ cao, nhiều kim loại bị ôxy hoá và tốc độ được biểu thị bằng
phương trình parabol:

6
X
2
= k
3
.t + k
4
Trong đó: k
3
, k
4
là các hằng số không phụ thuộc vào thời gian
Đồ thị của quan hệ parabol được biểu diễn ở hình 4:

X


không phụ thuộc vào lượng khí hay kim loại đã tham gia phản ứng.

7
Tổng hợp các phương trình tốc độ ôxy hoá
Trong thực tế, tốc độ của quá trình ôxy hoá không tuân theo chính xác
các phương trình nêu trên, tức là quá trình ôxy hoá có thể xảy ra theo nhiều
cơ chế, lúc đầu là cơ chế này là chủ yếu, lúc sau lại theo cơ chế kia là chủ
yếu. Như vậy, cơ chế xác định tốc độ của quá trình ôxy hoá thay đổi do sự
thay đổi bản chất của lớp màng và điều kiện xảy ra ôxy hoá, đặc biệ
t là nhiệt
độ và hàm lượng ôxy trong môi trường. Chẳng hạn, trong giai đoạn đầu ở
nhiệt độ thấp, tốc độ của quá trình ôxy hoá có thể tuân theo qui luật logarit
vì sự dịch chuyển các ion qua lớp màng còn thấp. Nhưng sau đó có thể lại
tuân theo qui luật parabol.
Khi đó động học của quá trình được biểu thị bằng phương trình :
X = k
1
(t +t
0
) + k
2
. t
1/2
Còn quá trình ôxy hoá giữa qui luật logarit và parabol thì được miêu tả
gần đúng bằng phương trình :
X
m
= k
m
. t + C

P
ôxýt
, P
Me
: khối lượng riêng của ôxýt và kim loại
A : nguyên tử lượng của kim loại
n : chỉ số của kim loại trong ôxýt
ε > 1 : màng có tính bảo vệ, đó là màng ôxýt của Cd, Al, Ti, Zn, Ni, Cu,
Cr, Si
ε < 1 : màng không có tính bảo vệ, đó là màng ôxýt của các kim loại
kiềm và kiềm thổ
ε >> 1 : màng có tính bảo vệ kém vì có ứng suất dư rất lớn
Như vậy, để tăng khả năng chống ôxy hoá cho thép ở nhiệt độ cao (tức
là tăng tính chịu nóng) ng
ười ta thường dùng các nguyên tố hợp kim Cr, Al
và Si. Các nguyên tố này khi bị ôxy hoá sẽ tạo ra các ôxýt tương ứng là
Cr
2
O
3
, Al
2
O
3
và SiO
2
. Các ôxýt này có cấu trúc mạng xít chặt, tạo ra màng
bảo vệ vững chắc trên bề mặt kim loại. Lượng Si và Al thường dùng phải
phù hợp với điều kiện làm việc và phải xét đến mối tương quan của các
nguyên tố khác cùng tồn tại trong hợp kim. Nếu nhiều hơn hàm lượng trên

d
xẩy ra tức thời là không phụ thuộc vào thời gian. Điều này chỉ
đúng khi tốc độ biến dạng cao. Thực tế cho thấy luôn có một thành phần
biến dạng thay đổi theo thời gian, kể cả khi vật liệu chịu một tải trọng cố
định. Đó là biến dạng dão ε
dão
(t), có thể gồm biến dạng đàn hồi trễ và biến
dạng dẻo. Dão là một quá trình biến dạng thuận nghịch phụ thuộc vào thời
gian do tải trọng cố định gây ra. Tương tự, tích thoát ứng suất (relaxation) là

10
sự giảm ứng suất theo thời gian của ứng suất cần thiết để giữ cho biến dạng
không thay đổi.
Biến dạng khi chịu tải phụ thuộc vào thời gian theo phương trình:
ε (t) = ε
đh
+ ε
d
+ ε
dão
(t) + ε
tt
+ ε
dão
(t)
trong đó :
ε
tt
: biến dạng tức thời, bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo
Đối với kim loại ta có: ε (t) = t

0,5 T/T
nc
σ
*
/G
t
Dão Herring
-
Nabarro
Dão
đàn h
ồitrễ
Dão loga
Dão a
ndrade10
-3
10
-2
10
-5
10
-4
10
-6

(σ
*
là ứng suất tới hạn) được mô tả
bằng phương trình:
ε (t) = ε
đh
+ ε
dão
(t) = ε
đh
+ ε
0
{1 – exp(-t/τ)}
Trong đó số hạng thứ hai biểu thị biến dạng đàn hồi trễ ε
đht
. Bản chất
biến dạng đàn hồi trễ gắn liền với các quá trình vi mô khác nhau như sự
khuyếch tán các khuyết tật điểm, sự dao động của các đoạn lệch bị chốt hai
đầu, sự chảy tại các mặt phân cách (biên giới hạt, biên giới pha), chuyển
pha .v.v. tạo ra các biến dạng thuận nghịch.
Dão nhiệt độ thấp: bắt đầu xảy ra khi σ > σ
*,
nhiệt độ T ≤ 0,5 T
nc
và
tuân theo qui luật:
ε (t) = ε
đh
+ε
d


, nhiệt độ T≥ 0,5T
nc
và được mô tả
bằng phương trình
ε (t) = ε
đh
+ε
d
+ ε
dão
(t) = ε
tt
+ β.t
n
+ k.t
trong đó:
β: hệ số
k: hằng số
Trong phương trình nêu trên thì số hạng β.t
n
đặc trưng dão không ổn
định và tốc độ dão giảm dần theo thời gian. Số hạng k.t biểu thị dão ổn định,
tốc độ dão không thay đổi. Tốc độ biến dạng dão được tính bằng phương
trình sau:
ε (t) = dε(t)/dt = n β.t
n-1
+ k
Trong dão ở nhiệt độ cao thì cơ chế dão không ổn định cũng giống như
dão ở nhiệt độ thấp. Cơ chế dão ổn định xảy ra nhờ ba quá trình: hoạt động

Hình 7: Sơ đồ
dão khuyếch tán
: Nguyên tử
: Nút trống
σ
σ

L
1.2.3. Dão trong vật liệu kim loại
Đối với vật liệu kim loại, dão ổn định là quan trọng nhất, đặc biệt là đối
với các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao (động cơ phản lực), chịu ăn mòn (nhà

15
máy nhiệt điện, các lò nung công nghiệp), chịu bức xạ (nhà máy điện hạt
nhân)…Hai yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến dão là nhiệt độ và ứng suất. Khi
tăng một trong hai yếu tố hay tăng cả hai thì tốc độ dão ổn định tăng và tuổi
thọ chi tiết giảm. Độ bền dão chính là chỉ số của tính bền nóng của vật liệu.
Muốn nâng cao độ bền nóng ph
ải chống dão ở nhiệt độ cao tức là phải tạo ra
cấu trúc có khả năng chống lại có hiệu quả sự chuyển động của lệch (lệch
trượt và lệch leo) cũng như sự xê dịch biên giới hạt và nó ít thay đổi ở nhiệt
độ đó.
Kim loại có nhiệt độ nóng chảy càng cao thì có tính bền nóng càng cao.
Khi có cùng nhiệt độ nóng chảy, kim loại có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn sẽ

gang như độ bền cơ học, khả năng chịu ăn mòn, khả năng chịu nhiệt. Trong
các nhóm gang cơ bản trên ng
ười ta đã đưa thêm vào nhiều nguyên tố hợp
kim khác với mức hàm lượng thấp hơn. Điều này tạo ra các nhóm gang mới
nhiều nguyên tố hợp kim tương ứng:
- Nhóm Cr - Ni
- Nhóm Al - Si
- Nhóm Cr – Ni - Cu
- Nhóm Al – Si – Cr
Từ sự phân loại ở trên ta thấy trong các mác gang bền nhiệt, mác gang
nào được hợp kim hoá thêm nhiều nguyên tố hợp kim sẽ có độ bền cơ học và
độ bền nhiệt cao hơn. Song, cùng với sự tăng lên của các nguyên tố hợp kim,
giá thành sản phẩm cũng tăng cao hơn.
1.3.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến gang bền nhiệt
Nét đặc biệt của hệ cân bằng Fe – Al là việc tạo thành trong dung dịch
rắn của hợp kim các hợp chất liên kim FeAl
3
, Fe
2
Al
5
, FeAl
2
, FeAl, Fe
3
Al.
Các hợp chất này có tính chất hoá lí khác nhau.

17
Nhôm có khả năng thu hẹp vùng γ và mở rộng vùng α. Ở trạng thái

3
AlC
x
)
3 – Ferrit – Graphít

18
4 – Ferrit – Cácbít + (Al
4
C
3
)
Cr/Cn là tỉ số hàm lượng graphít/ hàm lượng các bon tổng
Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm cũng như các bon đến cấu trúc và đến
đặc tính chịu nhiệt của gang được nêu trên hình 9.

Hình 9: Quan hệ giữa hàm lượng nhôm và cácbon đến khả năng chịu nhiệt
của gang
1. Khả năng bền nhiệt đến 700
0
C
2. Khả năng bền nhiệt và chịu mài mòn đến 900
0
C
3. Khả năng bền nhiệt đến 1100
0
C
AB: là đường cùng tinh
Từ hình 9 ta thấy gang chứa 5% Al trở lên đã có khả năng chịu nhiệt và có
độ bền khá tốt. Với hàm lượng Al = 10 – 18% tạo ra các bít phức tạp dạng

KN/mm
2
với các bon và ở dạng graphít hình cầu, lớn hơn nhiếu khi ở dạng
graphít tấm.
Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến cơ tính và phạm vi sử dụng của
gang nhôm được thể hiện trên hình 10.

Hình 10: Sự phụ thuộc của cơ tính (a) và đặc tính sử dụng (b) của gang
nhôm phụ thuộc vào hàm lượng nhôm (C
r
hàm lượng graphít)
1- Tính gia công
2- Tính chống ôxy hoá ở 1000
0
C trong 60 h

20
Khi hàm lượng các bon và silic thấp (dưới 0,5%) độ cứng của gang
nhôm giảm, điều này thể hiện rõ ràng trên hình 11.

Hình 11: Ảnh hưởng của hàm lượng cácbon silic đến độ cứng
của gang nhôm
Ghi chú: Hình 11 là kết quả nghiên cứu đối với gang 19 – 21% Al. Thí
nghiệm đã chứng minh được rằng mác gang này khi tăng hàm lượng Si lên
0,5% độ cứng sẽ tăng lên rõ dệt [1].
Sự sai lệch đáng kể của Al, Si, C so với thành phần tiêu chuẩn không
làm giảm khả năng chịu nhiệt, nhưng nó ảnh hưởng đến độ cứng và tính gia
công. Ảnh hưởng c
ủa hàm lượng Al đến tính gia công của gang đúc được
miêu tả qua tốc độ cắt phôi. Khi hàm lượng Al trong gang từ 12- 14%, tốc