Bộ công thơng
Tổng công ty thép việt nam - CTCP
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 khụng nhim t h Mn Ni dựng
trong mụi trng t tớnh mnh
***************

Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép VN
Cơ quan chủ trì : Viện luyện kim đen
Chủ nhiệm đề tài : NGUYễN HồNG PHúC
Hà NộI, 01 2012

35

Hà NộI, 01 - 2012

36
MỞ ĐẦU
Vật liệu có tính năng đặc biệt đã góp phần quan trọng trong việc hiện
đại hóa các ngành công nghiệp như: điện, y tế, ôtô, hàng không, quân
sự…Trong các loại vật liệu đặc biệt đó thì gang không nhiễm từ đã mang
đến những hiệu quả về kỹ thuật công nghệ và kinh tế trong việc triển khai
ứng dụng.
Hàng năm, các ngành công nghiệp sản xuất của nước ta đã s
ử dụng và
thay thế rất nhiều thiết bị chế tạo từ gang không nhiễm từ. 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. Tình hình nghiên cứu và
chế tạo vật liệu loại này trong nước còn hạn chế về chất lượng và hiệu quả
sử d
ụng. Chính vì vậy, năm 2011, 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 không nhiễm từ hệ Mn – Ni dùng trong môi trường từ tính
mạnh”.
Mục tiêu của đề tài là xác định được công nghệ sản xuất gang không
nhiễm từ hệ Mn - Ni mác S-NiMn 13-7 (theo tiêu chuẩn ISO 2892) bằng
nguyên liệu, thiết bị sẵn có trong nước. Chế tạ
o, dùng thử sản phẩm làm từ
gang nghiên cứu của đề tài là sàn thao tác của lò nấu thép trung tần, 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.

năng làm kim loại tự nóng lên. Sự xuất hiện dòng Fuco ngoài việc tiêu tốn
năng lượng nó còn làm hư hỏng thiết bị, đặc biệt là động cơ điện và các vật
liệu làm việc trong môi trường từ trường mạnh.
Để
giải quyết vấn đề đảm bảo tuổi thọ cho thiết bị, an toàn cho con
người, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều loại vật liệu không nhiễm từ,
trong đó gang không nhiễm từ là vật liệu được ứng dụng rộng rãi.

2
Gang không nhiễm từ có cấu trúc austenit, ngoài các nguyên tố thông
thường trong gang ra, gang không nhiễm từ cần có hàm lượng Ni, Mn, Cu
với hàm lượng giữa các nguyên tố này phù hợp nhau [1].
Thành phần hóa học và các tính chất của gang không nhiễm từ được qui
định bởi các tính chất đặc biệt khi sử dụng chúng. Ví dụ với các chi tiết
trong thiết bị nâng hạ điện từ và các máy tuyển từ, chế độ làm việc là dòng
điện một chiều, tiêu hao điện n
ăng và sự tạo nhiệt do dòng Fuco là không
đáng kể. Còn trong máy biến thế, máy phát điện, các thiết bị cảm ứng cần
phải tạo ra mác cao hơn về chất lượng để giảm bằng mọi cách tổn thất điện
năng, đi liền với nó là sự tỏa nhiệt đốt nóng thiết bị.
Gang không nhiễm từ có hai đặc trưng cơ bản là điện trở suất và kh
ả
năng nhiễm từ. Khả năng nhiễm từ của nền kim loại có cấu trúc austenit là
thấp nhất. Để có được cấu trúc austenit người ta đưa thêm vào gang các
nguyên tố có xu hướng mở rộng vùng γ - Fe trong giản đồ pha. Các nguyên
tố này thường là Ni, Cu, Mn, N.
1.2.Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của gang không nhiễm
từ
1.2.1. Ảnh hưởng Niken
Niken có mạng lập phương diện tâm với thông số mạng là 3,51 A

. Các thông số mạng của Mn
γ
và Fe
γ
có sự
khác nhau tương đối nhỏ nên Mn có khả năng hòa tan vô hạn vào Fe tạo ra
dung dịch đặc Fe – Mn. Giản đồ trạng thái Fe – Mn được trình bày trong
hình 2.

4

Hình 2: Giản đồ trạng thái Fe – Mn
Cũng như Ni, Mn là nguyên tố mở rộng vùng γ. Đối với cacbon, Mn tạo
thành cacbit dạng (Fe, Mn)
3
C có độ cứng cao. Một ưu việt nữa của Mn là nó
liên kết với lưu huỳnh tạo ra MnS rất bền vững. MnS bền vững làm giảm
được hiện tưởng bở nóng trong kim loại.
Hàm lượng Mn sử dụng trong gang không nhiễm từ có thể tới 13%,
thông dụng hơn cả là khoảng 5 – 7,5%. Ngoài Mn, hàm lượng Ni vẫn chiếm
tỷ lệ cao.
1.2.3 Ảnh hưởng của Cacbon
Hàm lượng cacbon trong gang không nhiễm từ tối đ
a là 3%. Để tạo ra
tính đúc tốt thực tế hàm lượng C có thể lớn hơn 3%. Tuy nhiên, lượng C
ngoài tạo ra cấu trúc austenit cần phải tồn tại dưới dạng graphit.


như: các nắp đậy, vỏ máy, ống lót của máy ngắt dầu, vòng cách của biến th
ế
nguồn, các bộ phận rôto và stato, bánh đà trong các cuộn dây và thanh góp
của máy phát điện, các chi tiết của máy tuyển từ, các dụng cụ đo lường về

6
điện, vỏ các loại động cơ, dụng cụ thao tác trong khu vực có từ trường, bệ,
giá đỡ, sàn thao tác, nắp đậy các lò tần số.v.v. Tuy nhiên, các thiết bị trong
các lĩnh vực trên đều phải nhập ngoại nên không chủ động được trong việc
gia công chế tạo và làm tăng chi phí sản xuất. Trong nước, việc nghiên cứu,
sản xuất ứng dụng loại vật liệu này còn hạn chế. Chính vì vậy, việc nghiên
c
ứu thành công loại gang không nhiễm từ hệ Mn – Ni có ý nghĩa thực tiễn
cao về mặt kinh tế.
Các mác gang không nhiễm từ thông dụng trên thế giới
Tiêu chuẩn Nga: ГOCT 7769 – 82
Bảng 1: Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn ГOCT 7769 – 82
Thành phần hóa học
Mác
C Si Mn P ≤ S ≤ Cr Ni Al Cu
ЧΓ8Д3
3,0-3,8 2,0-2,5 7-9 0,3 0,1 - 0,8-1,5 0,5-1 2,5-3,5
ЧН11Г7Ш
2,3- 3,0 1,8-2,5 5-8 0,08 0,03 1,5-2,5 10-12 - -
ЧГ15Д3Ш
2,5- 3,0 1,4-3,0 1,3-1,8 0,08 0,03 0,6-1,0 14-16 - 5-8
ЧH15Д7
2,2- 3, 0 2,0-2,5 0,5-1,6 0,3 0,1 1,5-3,0 14-16 - 5-8
ЧН19X3Ш
2,3- 3,0 1,8-2,5 1,3-1,6 0,1 0,03 1,5-3,0 - - -

FCDA NiSiCr3553
2,0 4-6 - 1,5-2,5 34-36 -
Tiêu chuẩn Mỹ: ASTM
Bảng 3: Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn ASTM
Thành phần hóa học
ASTM
C ≤ Si Mn Cr Ni P ≤ Khác
D-2
3,0 1,5-3,0 0,7-1,25 1,75-2,75 18-22 0,08 Mo = 0,7-1
D-2B
3,0 1,5-3 0,7-1,25 2,75-4 18-22 0,08
D-2C
2,9 1,0-3,0 1,8-2,4 ≤0,5 21-24 0,08
D-3
2,6 1,0-2,8 ≤1,0 2,3-3,5 28-32 0,08 Mo = 0,7-1
D-3A
2,6 1,0-2,8 ≤1,0 1,0-1,5 28-32 0,08
D-4
2,6 5,0-6,0 ≤1,0 4,5-5,5 28-32 0,08
D-5
2,4 1,0-2,8 ≤1,0 ≤0,1 34-36 0,08
D-5B
2,4 1,0-2,8 ≤1,0 2,0-3,0 34-36 0,08
D-5S
2,3 4,9-5,5 ≤1,0 1,75-2,0 34-37 0,08
Tiêu chuẩn Anh : BS 3468 – 1986
Gang không nhiễm từ tiêu chuẩn Anh chia làm 2 loại: loại graphit dạng
tấm và graphit dạng cầu. Loại graphit dạng cầu có cơ tính tốt hơn.

8

3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 1,0-2,5 13,5-17,5 5,5-7,5
L-NiCuCr1563
3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 2,5-3,5 13,5-17,5 5,5-7,5
L-NiCr202
3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 1,0-2,5 18-22
≤0,5
L-NiCr203
3,0 1,0-2,8 0,5-1,5 2,5-3,5 18-22
≤0,5
L-NiSiCr2053
2,5 4,5-5,5 0,5-1,5 1,5-4,5 18-22
≤0,5
Graphit dạng cầu
S-NiMn137
3,0 2,0-3,0 6-7 ≤0,2 12-14
≤0,5
S-NiCr202
3,0 1,0-3 0,5-1,5 1,0-2,5 18-22
≤0,5
S-NiCr203
3,0 1,5-3 0,5-1,5 2,5-3,5 18-22
≤0,5
S-NiSiCr2052
3,0 4,5-5,5 0,5-1,5 1,0-2,5 18-22
≤0,5

9
S-Ni22
3,0 1,0-3,0 1,5-2,5 ≤0,5 21-24
≤0,5

hơn so với nhiều loại gang không nhiễm từ hệ khác, dễ nấu luyện và phù
hợp với công nghệ đúc hiện nay Viện đang áp dụng.
Từ việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến gang không nhiễm từ, yêu
cầu của thực tiễn và những đặc tính có l
ợi của gang hệ Mn - Ni chúng tôi đã

10
chọn mác gang S-NiMn 13-7 (theo tiêu chuẩn ISO 2892) để làm gang
nghiên cứu.
Bảng 6: Thành phần hoá học của gang S-NiMn 13-7
Thành phần hoá học
Mác gang
C Mn Si P Cu Cr Ni
S-NiMn 13-7
≤ 3,0
6,0-7,0 2,0-3,0
≤ 0,08 ≤ 0,5 ≤ 0,2
12,0-14,0

Tính chất cơ lý của gang S-NiMn 13-7 sau nhiệt luyện theo tiêu chuẩn
ISO 2892 như sau:
- Độ bền kéo : σ
k
= 390-460 Mpa
- Giới hạn chảy qui ước : R
0,2
= 210-260 Mpa
- Độ cứng : 130-170 HBS
- Độ giãn dài : 15-25 %
Từ bảng 6 chúng tôi nhận thấy gang S-NiMn 13-7 có hàm lượng C

- Chế tạo 05 bộ sàn thao tác lò nấu thép trung tần làm từ gang nghiên
cứu để đánh giá chất lượng cũng như khả năng sử dụng của vật liệu.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu có độ tin cậy và chính xác cao, đề tài
đ
ã sử dụng các phương pháp và thiết bị nghiên cứu sau:
- Trên cơ sở phân tích các điều kiện làm việc của sàn thao tác lò luyện
thép trung tần và tham khảo các tài liệu, tiêu chuẩn về gang không nhiễm từ
của các nước tiên tiến để lựa chọn mác gang nghiên cứu.
- Sử dụng lò cảm ứng trung tần 750 kg/mẻ nghiên cứu xác định công
nghệ luyện gang.
- Sử dụng công nghệ đúc bằng khuôn cát đông c
ứng nhanh bao gồm:
cát thạch anh + nước thuỷ tinh + khí CO
2
để nghiên cứu công nghệ đúc.
- Các loại lò tôi, ram nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện.

12
- Sử dụng thiết bị quang phổ phát xạ Spectrolab, máy quang phổ 7552,
phương pháp phân tích hoá học truyền thống để phân tích thành phần hoá
học.
- Sử dụng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 xác định độ bền, máy đo
độ cứng HPO 250 để đo độ cứng.
- Dùng kính hiển vi quang học NEOPHOT nghiên cứu tổ chức tế vi và
cấu trúc pha của gang.
- Chất lượng sản phẩm được đánh giá qua thời gian s
ử dụng thực tế tại
cơ sở khảo nghiệm.


trình biến tính như sau:
- Gang lỏng trước khi biến tính có nhiệt độ vào khoảng 1450
0
C
- Biến tính cầu hoá: Đưa Mg hay Ce vào gang lỏng để hàm lượng chất
biến tính còn lại trong thành phần gang phải trong giá trị cho phép.
- Chất khử S là Na
2
CO
3

- Biến tính graphít hoá bằng FeSi 75% , CaSi 75% để chống biến trắng
Cách tiến hành biến tính:
Hợp kim trung gian Mg – đất hiếm được đập nhỏ có kích thước
10x10x10mm cho vào nồi biến tính đáy có tấm thép đậy. Nồi được sấy nóng
đỏ. Tiếp theo đến FeSi 75% hoặc hạt CaSi có cỡ hạt 1 mm. Trên cùng được
phủ một lớp tro dày 10 mm đã được lèn chặt.Tiến hành rót 2/3 lượng gang
lỏng cần biến tính vào nồi biến tính. Để 3 – 5 phút cho sôi (nhằm
để các
nguyên tố biến tính đi vào gang lỏng ) sau đó lấy nốt 1/3 lượng gang lỏng
còn lại và tiến hành chống biến trắng bằng FeSi 75% hoặc CaSi (dạng bột).
Dùng que thép đã được sấy nóng quấy đều ở nồi biến tính rồi mang đi rót.
Thời gian biến tính không quá 20 phút. Qua thời gian này hiệu qủa
không còn nữa.

14
Sau khi biến tính xong có thể tiến hành thử xem cách biến tính được
chưa bằng cách đập gãy mẫu thử, nếu thấy tổ chức kim loại mịn chặt màu
trắng xám và có mùi đất đèn là gang đã được cầu hoá. Nếu mặt gãy có hạt
thô to, màu xám sẫm là gang chưa được cầu hoá.

1 Gang phế 2,7 1,4 0,6 - 0,073 0,11
2 Ni kim loại 95
3 FeSi 1 75
4 FeMn 6 62
5 Graphit 95
6 Hồi liệu 2.74 2.3 6.6 13.3 0.074 0.14

Để đảm bảo sự chính xác thành phần hoá học của mác gang nghiên
cứu, trong cách tính phối liệu chúng tôi có sử dụng đến số liệu thống kê về
hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim trong lò cảm ứng trung tần và
kinh nghiệm nấu luyện thép hợp kim của Viện Luyện kim đen cũng như các
tài liệu có giá trị khoa học khác. Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
khi nấu luyện trong lò cảm ứng trung tầ
n được nêu trong bảng 8.
Bảng 8: Hệ số cháy hao của các nguyên tố hợp kim
TT Nguyên tố hợp kim Hệ số cháy hao, %
1 Mn 3 – 6
2 Si 6 – 10
3 C 6 – 10
4 Ni
∼1

Dựa vào thành phần hoá học nguyên liệu (bảng 7), hệ số cháy hao của
các nguyên tố hợp kim (bảng 8) chúng tôi đã phối liệu cho nhiều mẻ nấu thí
nghiệm với các thành phần nguyên liệu đầu vào khác nhau để đảm bảo tính

16
đa dang của nguyên liệu đầu vào khi tiến hành sản xuất thực tế. Dữ liệu của
các mẻ nấu được cho trong bảng 9.
Bảng 9: Phối liệu các mẻ nấu thí nghiệm, kg

cho gang lỏng.
- Tiến hành đưa chất biến tính vào đáy nồi rót và đậy bên trên chất biến
tính bằng tấm thép nhằm chống phun bắn mạnh khi gang lỏng xói trực tiếp
vào chất biến tính.
- Tiến hành rót gang lỏng vào nồi rót (ban đầu rót nhẹ sau khi được một
lớp gang lỏng sẽ tăng tốc độ rót), đồng thời tạo một lớp xỉ mới bảo vệ bề
mặt gang lỏng gồm cát SiO
2
và bột than cốc.
- Để hạn chế quá trình biến trắng ở tâm của mẫu đúc, tăng khả năng
biến tính graphít hóa và tạo lớp che phủ trên bề mặt chất biến tính cầu hoá,
cho thêm một lượng bột FeSi 75 trên bề mặt lớp gang lỏng với lượng 0,3%
trọng lượng mẻ nấu.
- Sau khi chất biến tính phản ứng mãnh liệt, tiến hành khuấy đảo bằng
que thép và rót vào khuôn đúc. Thời gian rót gang sau khi c
ầu hoá phải nhỏ
hơn 20 phút, nếu lâu hơn sẽ giảm mức độ cầu hoá của vật đúc.
- Lấy mẫu khi rót gang để phân tích thành phần hoá học.
Đề tài đã tiến hành nấu thí nghiệm 3 mẻ theo phối liệu được nêu trong
bảng 9. Kết quả của 3 mẻ nấu thí nghiệm được phân tích bằng phương pháp
hoá học cổ điển tại Viện Luyện kim đen và phân tích bằng máy quang phổ

phát xạ SpectroLab ở Viện Công nghệ - Bộ Quốc Phòng. Kết quả được nêu
trong bảng 10.

18
Bảng 10: Thành phần hoá học của gang sau khi nấu luyện, %


19
3.1.2.1 Xác định độ co của gang nghiên cứu
“Co” là hiện tượng thu nhỏ kích thước của kim loại, khi chuyển từ trạng
thái lỏng sang trạng thái rắn.
“Co” được coi là một trong những thông số quan trọng liên quan đến
quá trình đúc vì vật liệu có độ co càng lớn càng khó đúc, càng dễ bị nứt,
cong vênh và thiếu hụt kích thước, không điền đầy.
Mỗi loại vật liệu có độ co khác nhau và trong cùng một vật liệu tuỳ theo
kích th
ước, bề dày thành vật đúc độ co cũng khác nhau.
Để dễ ứng dụng trong thực tế sản xuất, độ co của vật đúc được xác định
bằng hai thông số chung là co thể tích và co tuyến tính.
Co thể tích: độ co thể tích là tỷ lệ % giữa thể tích kim loại lỏng điền
đầy và thể tích kim loại lỏng đó sau khi kết tinh thành thể rắn ở nhiệt độ
thường. Nếu kí hi
ệu ε
tt
là độ co thể tích thì:
ε
tt
=(V
kll
-v
vđ
).100%/v
vđ
Việc xác định độ co thể tích của một mác kim loại được thực hiện bằng
“mẫu đo thể tích” thể hiện ở hình 3.


vđ
: chiều dài vật đúc
Trong đề tài này, từ lí thuyết và kinh nghiệm lâu năm của Viện Luyện
kim đen chúng tôi chọn ε
tt
= 1,35 %.
3.1.2.2 Xác định độ chảy loãng
Độ chảy loãng là khả năng điền đầy khuôn của kim loại lỏng trong quá
trình đúc. Độ chảy loãng được xác định bằng mẫu gọi là “mẫu đo”. Độ chảy
loãng của kim loại ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào thành phần hoá học của kim
loại đó, ngoài ra còn phụ thuộc vào điều kiện đúc như nhiệt độ rót, vật liệ
u
làm khuôn, hình dạng phức tạp của chi tiết đúc. Các tài liệu nghiên cứu cho
thấy độ chảy loãng của gang không nhiễm từ hệ Mn - Ni thực tế có độ chảy
loãng cao hơn của gang xám thông thường, do trong gang có hàm lượng Mn
cao Mn = 6,0 – 7,0 % , Mn chính là nguyên tố có khả năng đặc biệt làm tăng
độ chảy loãng (hình 4), cho nên gang không nhiễm từ có đủ điều kiện để tạo
ra các loại sản phẩm có hình dạng phức tạp.

21

Hình 4: Ảnh hưởng của hàm lượng Mn đến độ chảy loãng của gang
3.1.2.3 Xác định nhiệt độ rót
Gang không nhiễm từ nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ 1350
0
C [3]. Loại
gang này có độ chảy loãng tốt nên nhiệt độ rót không cần phải cao. Theo
kinh nghiệm rút ra qua các lần thí nghiệm nhiệt độ rót thích hợp nhất cho
mác gang này nằm trong khoảng T
rót

điều kiện chưa khống chế được nên còn lẫn một lượng nhỏ mactenxit hoặc
austenit không bền vững, cũng có thể xuấ
t hiện sự tích tụ của một số cacbit
nhiễm từ làm ảnh hưởng đến chất lượng của gang. Để khắc phục hiện tượng
này, các sản phẩm gang không nhiễm từ trước khi đưa vào sử dụng thường
phải thông qua nhiệt luyện. Quá trình nhiệt luyện này được gọi là austenit
hóa.
Austenit hóa là quá trình nhiệt luyện cho phép ta nhận được tổ chức
austenit khi nung nóng và làm nguội tiếp theo mà không phụ thuộc vào tốc
độ làm ngu
ội của quá trình. Như vậy austenit hóa được thực hiện bằng cách
nung nóng kim loại đến một nhiệt độ nhất định (tùy thuộc vào thành phần
hóa học của gang) rồi làm nguội trong môi trường dầu hoặc nước. Thực hiện
quá trình austenit hóa ngoài việc nhận được tổ chức austenit ra, một số
cacbit tích tụ trong quá trình đúc cũng được hòa tan vào dung dịch đặc
austenit [6].

23