CộNG HòA X HộI CHủ NGHĩA VIệT-NAM
Bộ CÔNG THƯƠNG
VIệN KHOA HọC Và CÔNG NGHệ Mỏ - LUYệN KIM
VIMLUKI
BáO CáO TổNG KếT Dự án

NGHIÊN CứU CÔNG NGHệ NấU LUYệN Và ĐúC
BằNG PHƯƠNG PHáP ĐúC LY TÂM HợP ĐồNG
CuZn25Al16Mn3Fe3
Chủ nhiệm đề tài : KS. Nguyễn Minh Đạt

7692
05/02/2010
2
MỤC LỤC
Số hiệu Danh mục Tr
Mở đầu
5
Chương 1 Tổng quan
7
1.1
Tình hình nghiên cứu và sản xuất trong và ngoài nước.
7
1.1.1
Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước.
7
1.1.2
Tình hình nghiên cứu trong nước.
7
1.2
Một số vấn đề lý thuyết làm cơ sở nghiên cứu.
8
1.2.1
Hợp kim đồng kẽm và mác LCuZn25Al6Mn3Fe3
8
1.2.2
Công nghệ nấu luyện hợp kim
14
1.2.3
Phương pháp đúc li tâm
15
Chương 2 Phương pháp nghiên cứu và công tác chuẩn bị
21

29
3.2.2
Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quay đến chất lượng sản phẩm
30
3.2.3
Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày vật đúc khi đúc bằng phương pháp đúc
li tâm đến mức độ thiên tích
31
3.2.4
Tổng hợp kết quả nghiên cứu công nghệ đúc li tâm
33
3.3
Kiểm tra chất lượng sản phẩm
33
3.4
Áp dụng công nghệ nghiên cứu.
33
3.5
Định hướng áp dụng kết quả nghiên cứu 34
3.5.1
Đánh giá hiệu quả kinh tế
34
3.5.2
Hình thức áp dụng kết quả nghiên cứu
36

Kết luận và kiến nghị
37

Tài liệu tham khảo
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
4
PHỤ LỤC HÌNH
Số hiệu Danh mục Tr
Hình 1 Giản đồ pha Cu-Zn 9
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
5

MỞ ĐẦU
Trong sản xuất đúc kim loại và hợp kim đồng chịu mài mòn ( làm bạc,
thanh trượt ) ở nước ta đã có rất nhiều mác hợp kim được nghiên cứu và ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp đáp ứng được hầu hết các yêu cầu. Tuy nhiên
hiện nay có một số mác hợp kim mới được ứng dụng ở Việt Nam nhằm đáp ứng
một số yêu cầu đặc biệt củ
a ngành công nghiệp chế tạo máy. Một số công ty cơ
khí trong nước thời gian qua nhận sửa chữa một số thiết bị máy móc nhập ngoại
phục vụ chủ yếu trong ngành khai thác chế biến khoáng sản, thủy điện, cán thép
trong phần phải thay thế đó có loại bạc hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3 có cơ
tính đặc biệt cao với độ bền trên 700MPa, độ cứng trên 180HB. Đã có một số cơ

t cần thiết. Theo quyết định số 24/QĐ-BCT ngày 14 tháng 1 năm
2009, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ Luyện kim sẽ triển khai đề tài “Nghiên
cứu công nghệ nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng
CuZn25Al6Mn3Fe3” với mục tiêu:
• Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ và quy trình công nghệ nấu
luyện tạo mác CuZn25Al6Mn3Fe3.
• Nghiên cứu xác lập các thông số công nghệ và quy trình công nghệ đúc
bằng phương pháp
đúc li tâm.
• Chế thử sản phẩm và đánh giá chất lượng sản phẩm. ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SẢN XUẤT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài.
Các mác hợp kim đồng có cơ tính cao đã được nghiên cứu khá nhiều
nhằm đáp ứng một số yêu cầu đặc biệt mà các mác hợp kim thông dụng không
đáp ứng được. Mác hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3 cho độ bền rất cao, cao nhất
trong hệ hợp kim của đồng cùng với ưu thế về giá thành. Vì vậy mác hợp kim
dạng này ngày càng được ư
u tiên thay thế những mác hợp kim truyền thống. Ở
Nhật, Ý, Trung Quốc, … đã có các nghiên cứu về mác hợp kim này thể hiện khá
thống nhất trong các tiêu chuẩn mác hợp kim cũng như khả năng ứng dụng.
Theo đó ứng dụng chủ yếu của mác hợp kim trên là để chế tạo các chi tiết chịu
mài mòn trong các loại máy móc chịu tải nặng trong các ngành công nghiệp khai
khoáng, đóng tàu, thủy điện,

này để chế tạo thành công mác hợp kim trên với chất lượng thay thế được hàng
ngoại nhập.
1.2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT LÀM CƠ SỞ NGHIÊN CỨU.
1.2.1. Hợp kim đồng kẽm và mác LCuZn25Al6Mn3Fe3
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1959-75 ký hiệu latông theo quy định sau: bắt
đầu bằng chữ L tiếp theo là Cu, Zn rồi ký hiệu các nguyên tố hợp kim. Hàm
lượng phần tră
m các nguyên tố viết sau ký hiệu tương ứng của nguyên tố ấy, đồng
còn lại. Ví dụ kí hiệu LCuZn25Al6Mn3Fe3 có nghĩa là latông chứa 25%Zn,
6%Al, 3%Mn, 3%Fe và còn lại là đồng. Tuy nhiên việc hiểu như trên là đơn giản
do các kim loại có trong hợp kim đều nằm trong khoảng cho phép. Theo tiêu
chuẩn của Trung Quốc thì mác hợp kim trên có thành phần như bảng 1.
Bảng 1. Thành phần hóa học của LCuZn25Al6Mn3Fe3 (Tiêu chuẩn của Trung Quốc)
Cu Al Fe Mn Tạp chất Zn
60-66 4,5-7 1,5-4 1,5-4 <3% Còn lại

Nói chung latông là một trong số các hợp kim màu có ứng dụng khá rộng
rãi trong ngành chế tạo máy hiện đại.
Đồng và kẽm tương tác với nhau theo giản đồ pha như trên hình 1. Giản
đồ này gồm năm phản ứng bao tinh, hình thành sáu pha α, β, γ, ε, δ và η. Tuy
nhiên do quy định của cơ tính và các tính chất khác, hàm lượng Zn trong các
latông công nghiệp không vượt quá 50%. Do vậy thành phần pha của chúng
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
9
thường chỉ gồm α, β và γ. Pha α là dung dịch rắn thay thế của kẽm trong đồng.
Độ hòa tan cực đại của kẽm trong α ở nhiệt độ thường đạt tới 39%. Khi tăng
nhiệt độ, biên giới vùng α co hẹp lại và tới 905
0

biến dạng hơn β. Pha γ hình thành trên cơ sở hợp chất điện tử Cu
5
Zn
8
. Vùng tồn
tại của pha này khá rộng từ 60 ÷ 70%Zn. Mạng tinh thể của γ là mạng lập
phương phức tạp. Đây là pha giòn.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
10
Latông phức tạp: Để tăng cường chất lượng latông, người ta sử dụng
nhiều giải pháp, trong đó hợp kim hóa là giải pháp hiệu quả hàng đầu. Các
nguyên tố hợp kim làm thay đổi tổ chức, nâng cao cơ tính, cải thiện tính chất
công nghệ và tăng khả năng chống ăn mòn. Để hợp kim hóa la tông, người ta
thường ứng dụng các nguyên tố sau: Al, Sn, Mn, Si, Mg, Fe, Pb. Khi tăng hàm
lượng của chúng, một số nguyên tố gây ả
nh hưởng tốt. Ví dụ: Zn, Al, Mn, Fe,
là nhóm các nguyên tố hòa tan vào đồng tạo dung dịch rắn thay thế. Khi đó gây
hóa bền đồng khá mạnh, trong khi vẫn giữ độ dẻo tương đối cao đến một nồng
độ xác định. Trên hình 2 nêu ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến cơ tính của
đồng
Hệ số K còn gọi là hệ số Guinier, có nghĩa là, cứ hợp kim hóa 1% nguyên
tố hợp kim i nào đó, sẽ gây ảnh hưởng trên giản đồ Cu-Zn tương đương K%
nguyên tố Zn.
Trong trường hợp tổng quát, khi latông chứa chiều nguyên tố, người ta
xác định hàm lượng Zn tương đương theo công thức sau:
X =
%100x
KCBA
KCA
ii
ii
∑
∑
++
+

Trong đó: X: Hàm lượng kẽm tương đương, %
A: Hàm lượng kẽm trong hợp kim
B: Hàm lượng đồng thực trong hợp kim
C
i
: Hàm lượng nguyên tố hợp kim i
K
i
: hệ số Guinier của nguyên tố hợp kim i
Như vậy với mác hợp kim LCuZn25Al6Mn3Fe3, theo bảng 3 ta có giá trị hằng
số K của Al bằng 6, của Fe bằng 0,9, của Mn bằng 0,5.
Áp dụng vào công thức 1 ta có:
X =
%7,50%100

Latông đúc có những ưu điểm sau:
- Xu hướng bão hòa khí nhỏ, do vậy mật độ thỏi đúc cao. Điều này liên
quan đến hiện tượng kẽm thoát ra từ kim loại lỏng, tạo thành màng hơi có tính
đàn hồi, cản trở các loại khí thâm nhập từ ngoài vào.
- Xu hướng thiên tích của latông đúc nhỏ.
- Độ ch
ảy loãng khi rót khuôn lớn, do vậy vật đúc ít bị rỗ xốp phân tán mà
có lõm co tập trung.
- Cơ tính, tính chống mài mòn khá cao.
Tuy vậy latông đúc có một số nhược điểm sau:
- Khi nấu luyện, đặc biệt trong latông phức tạp, lượng kẽm bị cháy hao cao
- Co ngót lớn
- Xu hướng nhạy cảm nứt mùa lớn.
Tính chất của một số latông đúc đặc biệt được trình bày trong bảng 3.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
13
Hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3: Đây là hợp kim đa nguyên có nhiều điểm
tương đồng về cấu trúc thành phần pha, tuy nhiên hợp kim này được biết đến với
Bảng 3. Tính chất của một số latông đúc đặc biệt.
Ký hiệu hợp kim Loại
khuôn
Cơ tính
Trung Quốc Việt Nam Khuôn
đất (KĐ)
Khuôn
kim loại
( KL )
σ

390
12
12
78
88
ZCuZn40Mn2 LCuZn40Mn2 KĐ
KL
345
390
18
18
98
108
ZCuZn40Pb2 LCuZn40Pb2 KĐ
KL
220
280
15
20
78
88
ZCuZn16Si4 LCuZn16Si4 KĐ
KL
345
390
15
20
88
98


ủa các nguyên tố tạo hợp kim
Nguyên tố Nhiệt độ chảy,
0
C
Nhiệt độ sôi,
0
C
Tỷ trọng
g/cm
3

Đường kính
nguyên tử, µm
Cu 1083 2540 8,94 0,128
Zn 419 907 7,13 0,139
Al 660 2520 2,698 0,143
Fe 1530 2872 7,86 0,126
Mn 1245 2119 7,46 0,130
Fe-Mn78% 1340 - - -
Khi nấu luyện để có được mác hợp kim đúng thành phần, cháy hao ít cần
tuân thủ theo nguyên tắc sau:
- Kim loại nền nấu chảy trước.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
15
- Các nguyên tố hợp kim hóa đưa vào theo thứ tự: nguyên tố khó chảy đưa
vào trước, dễ chảy sau.
- Khi nhiệt độ chảy và tỷ trọng của kim loại nền và kim loại hợp kim hóa
quá trênh lệch thì phải sử dụng hợp kim trung gian kim loại nền – kim loại hợp

16
chất của kim loại được cải thiện đáng kể. Bản chất của hiện tượng tác dụng lực
lên chất lỏng quay có thể hình dung như sau:
Một vật có khối lượng m, quay với tốc độ góc ω và bán kính quay r, sẽ
chịu một lực ly tâm:
F
lt
= mω
2
r
Lực ly tâm có giá trị lớn hơn lực trọng trường (F
tt
= mg) một số K lần:

tt
lt
F
F
=
mg
r
2
m
ω
=
g
r
2
ω
=K

Hình 4. Đúc ly tâm trục quay thẳng đứng và trục quay nằm ngang.
đứng và máy có trục quay nằm ngang. Với máy có trục quay thẳng đứng, hình
dáng mặt thoáng kim loại có dạng parabol tròn xoay nên phía dưới dày hơn phía
trên, vật đúc càng dài, sự trênh lệch về chiều dày càng lớn. Phần dày ở phía dưới
vật đúc thường đông đặc sau nên rất dễ bị rỗ co. Mặt khác, khi vật đúc càng dài,
chiều cao cột áp rót càng l
ớn, kim loại càng bị bắn toé, xói mòn khuôn càng
mạnh. Do đó máy đúc có trục thẳng đứng chỉ nên dùng để đúc các chi tiết đặc,
đường kính lớn hơn chiều cao hoặc những vật đúc không có dạng tròn xoay, trên
thực tế đã có máy đúc trục quay thẳng đứng đúc được các chi tiết có đường kính
lên đến gần 2000mm. Với loại máy đúc có trục quay nằm ngang, khi đúc vật đúc
có thành mỏng mặt thoáng thường ở
dạng phẳng, vật đúc càng dày do sự đông
đặc có hướng nên mặt thoáng có chiều hướng lõm co dạng phễu nên có thể
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
18


-d
td
Đường kính trong của vật đúc, cm
Nhiệt độ và tốc độ rót kim loại
Đây là hai thông số cũng rất quan trọng trong công nghệ đúc li tâm. Nhiệt
độ rót ảnh hưởng đến độ thiên tích của vật đúc, ở nhiệt độ càng cao độ nhớt kim
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
19
loại lỏng càng nhỏ do đó các hạt có khối lượng riêng khác nhau có cơ hội thiên
tích mạnh hơn do đó cần khống chế nhiệt độ rót. Tốc độ rót có ảnh hưởng đến
chất lượng bề mặt ngoài vật đúc, đến tốc độ chảy dọc khuôn, sự điền đầy khuôn
Hình 5. Sơ đồ hợp lý điều khiển tốc độ quay.
và c
ường độ dịch chuyển tương đối của các lớp kim loại lỏng. Tốc độ rót hợp lý
là tốc độ đảm bảo sao cho chiều dày lớp vỏ đông đặc nhỏ hơn chiều dày lớp kim
loại đang rót.
Sơn phủ khuôn đúc li tâm
Ý nghĩa của lớp sơn phủ bảo vệ trong công nghệ đúc li tâm cũng giống

Thời gian t
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
20
Những hợp kim có khoảng đông rộng như đồng thanh thiếc, có khuynh
hướng rỗ khí ngay cả khi không dùng lớp sơn khuôn. Do đó trong trường hợp
này dùng sơn khuôn chỉ có tác dụng đơn thuần là làm thay đổi tốc độ nguội của
vật đúc.
Khuôn đúc li tâm
Khuôn đúc li tâm trong đúc bạc đồng đơn giản chỉ là loại khuôn bằng
gang đúc, hoặc ống thép được gia công cơ khí tạo thành dạng trụ tròn với
đường
kính trong bằng với kích thước ngoài của vật đúc. Khuôn đúc thường được tiện
côn và sơn khuôn đầy đủ nhằm loại bỏ hiện tượng dính khuôn và dễ lấy vật đúc.
Phương pháp lấy vật đúc ra khỏi khuôn
Với vật đúc nhỏ, chiều dài không lớn và sản xuất nhỏ thông thường sau
khi đúc sẽ để nguội tự nhiên vật đúc tự tách khỏi khuôn dễ dàng l
ấy ra khỏi
khuôn đúc. Với vật đúc có chiều dài lớn hoặc cần cơ khí hóa thì máy đúc cần có
cơ cấu kéo phôi, đó là dùng thủy lực hoặc dùng cơ cấu ngàm.
Các dạng khuyết tật khi đúc li tâm thường gặp
Nứt dọc chi tiết, rỗ khí, xốp co, xếp lớp hoặc không liền, thiên tích.


: 117/93 mm dài 400mm. - Phôi bạc đồng có kích thước
φ
ngoài
/φ
trong
: 155/50 mm dài 170mm.
ĐCKT: NC CN nấu luyện và đúc bằng phương pháp ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3

Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
22
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Thông tin từ các tài liệu tham khảo được, qua nghiên cứu tổng quan lý
thuyết về hợp kim đồng hệ kẽm, công nghệ nấu luyện và phương pháp đúc li
tâm, sẽ tiến hành các thí nghiệm nấu đúc tạo mác hợp kim và ứng dụng đúc li
tâm để cho chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu.
2.3. THIẾT BỊ VÀ VẬT TƯ NGHIÊN CỨU.
2.3.1. Thiết bị nghiên cứu.
- Lò cảm ứng trung tầ

- Nhôm kim loại tương đương mác A7.
Al Fe Si Cu Zn Ti tổng tạp
99,7 0,16 0,16 0,01 0,05 0,02 0,3
- Thép các bon thấp CT3.
C Mn Si Fe
0,14 - 0,22 0,4 - 0,65 0,12 - 0,3 còn lại
- Kẽm kim loại tương đương mác Ц2.
Zn Pb Fe Cd Cu Sn
Tổng tạp
chất
98,7 1,0 0,05 0,2 0,005 0,002 1,3

- Fero Fe-Mn cacbon thấp với hàm lượng Mn đạt 78%, Fe còn lại.
2.3.3. Sơ đồ công nghệ dự kiến.
Hình 9. Sơ đồ công nghệ dự
kiến.
2.2.4. Công tác phân tích.
Phân tích thành phần hoá học hợp kim CuZn25Al6Mn3Fe3
Đúc rót trên hệ thống
đúc li tâm
Sản phẩm bạc dạng ống