Bộ công thơng
Viện khoa học và công nghệ Mỏ-Luyện kim BO CO đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển cấp bộ Đề tài:

Nghiên cứu nâng cao chất lợng gang cầu pherit
trong công nghệ chế tạo chi tiết
tay quay van xuất khẩu Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Văn Chiến
Đồng chủ nhiệm: Nguyễn Hữu Dũng
Cơ quan quản lý đề tài: Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim


1 Nguyễn Văn Chiến Tiến sỹ Viện KHCN Mỏ Luyện kim
2 Nguyễn Hữu Dũng PGS TS Đại học Bách khoa HN
3 Nguyễn Hồng Hải ThS Đại học Bách khoa HN
4 Văn Ngọc Hồng Kỹ s Đại học KTCN Thái nguyên
5 Nguyễn Mạnh Đạt Kỹ s Viện KHCN Mỏ Luyện kim
6 Nguyễn Tuấn Kỹ s Viện KHCN Mỏ Luyện kim

Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
2

mục lục
Lời nói đầu
Chơng 1. tổng quan về Gang cầu
1.1 Khái quát về gang cầu 9
1.1.1 Tổ chức gang cầu 9
1.1.2 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất 11
1.2 Các yếu tố ảnh hởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất
gang cầu 11
1.2.1 Hình dạng graphit 12
1.2.2 Thành phần hóa học 12
1.2.3 Các phơng pháp nhiệt luyện gang cầu 16
1.2.4 ảnh hởng của tốc độ nguội
1.3 Tình hình sản xuất gang cầu ở trong nớc và nớc ngoài 18

Chơng 2. Công nghệ chế tạo gang cầu
2.1 Các phơng pháp chế tạo gang cầu 20
2.1.1 Phơng án các quá trình sạch 20
2.1.2 Phơng pháp có các quá trình hóa học 21
2.1.3 Một số công nghệ biến tính sử dụng Mg và hợp kim

pherit trạng thái đúc 51
4.3 ảnh hởng của chiều dày thành vật đúc đến tính chất gang
cầu trạng thái đúc 53
4.4 ảnh hởng của Cu đến tính chất gang cầu trạng thái đúc 56
4.5 ảnh hởng của đồng đến tính chất gang cầu sau nhiệt luyện 59
4.6 ảnh hởng của hàm lợng Mg d 61
4.7 áp dụng kết quả vào sản xuất 64
4.8 Tính toán sơ bộ giá thành sản phẩm 68

Kết luận và kiến nghị 70

Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
4Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Tổ chức gang cầu nền ferit + peclit
Hình 1.2 Độ bền và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm
lợng Si và nền kim loại
Hình 1.3 Hình dạng graphit và cơ tính của gang
Hình 1.4 ảnh hởng của hàm lợng Mn đến cơ tính gang
cầu
Hình 1.5 ảnh hởng của lu huỳnh đến độ dãn dài của gang
cầu
Hình 1.6 Ngỡng giòn của gang cầu phụ thuộc vào hàm

Hình 4.12 Gang cầu 0,5% Cu sau nhiệt luyện
Hình 4.13 ảnh hởng của hàm lợng Mg d đến độ bền
Hình 4.14 ảnh hởng của hàm lợng Mg d đến độ dãn dài
Hình 4.15 Công nghệ đúc tay quay bằng gang cầu pherit trạng thái đúc
Hình 4.16 Bản vẽ chi tiết tay quay
Hình 4.17 Chi tiết tay van
Hình 4.18 Vật đúc chi tiết tay van
Hình 4.19 Công nghệ đúc mũ sứ gang cầu
Hình 4.20 Chi tiết đúc mũ sứ gang cầu

Báo cáo kết quả nghiên cứu
Viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
6
danh mục các bảng biểu



Trong những năm gần đây, gang cầu đã trở thành một loại vật liệu rất
quan trọng trong ngành chế tạo máy do những u việt của vật liệu nh: tính
đúc tốt, tính chất cơ học cao, gía thành vừa phải. Bằng công nghệ biến tính
và thay đổi thành phần vật liệu, có thể tạo ra những mác gang cầu thoả mãn
nhiều nhu cầu của sản xuất và mở ra một viễn cảnh rất rộng lớn cho việc áp
dụng gang cầu trong việc chế tạo chi tiết trong ngành ôtô, xây dựng, nông
nghiệp, mỏ, quân sự và trong ngành đờng sắt mà trớc đây thờng chế tạo
bằng phơng pháp rèn hoặc đúc thép.
Tính chất gang cầu phụ thuộc vào cấu trúc nền, hình dạng, kích thớc
và sự phân bố graphit trong gang. Nền và hạt graphit lại phụ thuộc vào thành
phần hoá học của gang lỏng, phơng pháp khử lu huỳnh và phơng pháp
tạo xỉ ở trong gầu rót nh thế nào, chúng còn phụ thuộc vào phơng pháp
biến tính, khoảng thời gian giữa các sự kiện trên và cũng phụ thuộc vào
hình dáng chi tiết đúc trong khuôn.
Đối với gang cầu pherit trạng thái đúc, sự có mặt của các nguyên tố
nh mangan và crôm là những nguyên tố có ảnh hởng rất mạnh đến tính
chất cơ học của gang. Với lý do này thì thành phần của chúng phải đợc
khống chế rất chặt chẽ. Mangan và crôm vào gang lỏng từ sắt thép vụn,
gang và hồi liệu. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, sử dụng sắt thép vụn sao
cho gang lỏng chứa ít hơn 0,1%Cr, hàm lợng Mn trong khoảng 0,2-0,3%
thì chất lợng gang cầu sẽ dễ khống chế hơn. Trong sắt thép vụn hàm lợng
mangan khá cao, đa số đều chứa đến 0,5% cho nên khống chế hàm lợng
Mn là việc rất cần thiết. Lợng sắt thép vụn cần phải khống chế ở mức sao
cho vật đúc chứa càng ít cacbit càng tốt. Điều này đặc biệt quan trọng trong
công nghệ chế tạo gang cầu pherit.
Cấu trúc graphit trong gang cầu chịu ảnh hởng của hàm lợng cacbon
và cacbon đơng lợng cũng nh tỉ lệ C/Si. Nhiều thí nghiệm cũng đã chỉ ra
rằng, thành phần mẻ liệu có ảnh hởng rất lớn đến tính chất của gang cầu
pherit ở trạng thái đúc. Các nguyên tố phản cầu cần phải khống chế chặt chẽ

Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
9
Chơng 1. Tổng quan về gang cầu
1.1 Khái quát về gang cầu:
Gang graphit cầu, gọi tắt là gang cầu, có cơ lý tính cao hơn hẳn gang xám
thờng. Gang cầu có độ bền cao, mô đun đàn hồi lớn và độ dẻo cao. Về cơ tính
có thể sánh ngang với thép cácbon nhng dễ đúc hơn nhiều, do đó gang cầu đợc
dùng thay thế thép làm những chi tiết quan trọng nh trục khỷu ô tô, biên, trục
cán. Chính vì vậy vấn đề cầu hoá graphit đã đợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
1.1.1 Tổ chức gang cầu:
Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit hình cầu và nền kim loại. Tổ chức nền
kim loại của gang cầu giống thép. Về cơ bản, ở trạng thái đúc, gang cầu có các
loại tổ chức nền: peclit, peclit+pherit và nền pherit. Các hạt graphit hình cầu
phân bố đều trên nền kim loại này. Hình 1.1 giới thiệu tổ chức của gang cầu
peclit+pherit
- Graphít ở dạng quả cầu tròn, hình dáng và kích thớc các hạt graphit cầu
quyết định độ bền kéo vàđộ dẻo rất cao của gang cầu so với gang xám.
Giá trị
TB từ
3 mẫu
Giá
trị
Ký hiệu
Số liệu
vật liệu
Thành
dày vật
đúc
mm
Chiều
dày
mẫu
đúc
mm
Độ bền
kéo

R
m

min
N/mm
2
Giới
hạn
chảy
0,2%

14
12
11
19
Chủ
yếu là
pherit
GGG-40 0.7040
30-60
60 - 200
40
70
390
370
250
240
15
12
- -
Chủ
yếu là
pherit
GGG-50 0.7050
30-60
60 - 200
40
70
450
420
300

peclit Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
11
1.1.2 Mối quan hệ giữa tổ chức và tính chất gang cầu
Tổ chức gang cầu bao gồm hai thành viên chủ yếu là graphit cầu và nền
kim loại. Cùng dạng graphit, tổ chức nền kim loại của gang cầu có liên quan trực
tiếp với cơ tính và tính chất làm việc của gang. Mối quan hệ này đợc thể hiện
trên hình 1.2. Nh vậy, nhờ thay đổi tổ chức nền kim loại, hoàn toàn có thể chế tạo ra

độ bền của gang càng cao. Trong gang cầu, cacbon đơng lợng thờng khống
chế ứng với thành phần cùng tinh hoặc cao hơn một chút để tạo điều kiện thuận
lợi cho việc cầu hóa và tránh đợc tổ chức biến trắng. Thông qua điều chỉnh hàm
lợng C có thể điều chỉnh đợc tổ chức nền gang. Tăng hàm lợng C tới giới
hạn nhất định, tuy làm cho lợng graphit tăng cao hơn, nhng lại có lợi là làm
tăng độ dẻo và độ dai cho gang.
Silic tan trong sắt làm tăng độ cứng của pherit, kìm hãm quá trình tiết ra
peclit. Nền kim loại có thể thay đổi từ ledeburit thành hoàn toàn pherit khi hàm
lợng Si thay đổi từ 1% tới 4,5%. Để phòng tránh tổ chức biến trắng và giảm bớt
lợng peclit trong tổ chức nền, cần giữ hàm lợng Si ở mức độ thích hợp, song Si
không nên quá cao vì khi Si hòa tan nhiều vào pherit làm giảm tính dẻo của
gang. Gang cầu thông thờng chứa 3,3 -3,9%C; 2,0 - 2,5%Si.
Hình 1.3 Hình dạng graphit và cơ tính của gang /3/Tấm vụn
Rm=350MPa; A5=1-2%

Hình cầu
Rm=600MPa; A5=11-12%Cụm hoa bông
Rm=500MPa; A5=6-7%

Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
13
Mn: Trong gang cầu, Mn thờng thiên tích lớn, hàm lợng Mn trên biên


Photpho ngăn cản quá trình phân hủy peclit nên cần hết sức lu ý khi ủ
pherit hóa gang cầu. Hàm lợng photpho nhỏ không ảnh hởng đáng kể tới tổ
chức gang cầu. Tuy nhiên, phốt pho là nguyên tố dẽ bị thiên tích, nếu ở mức thiên tích
mạnh có thể làm xuất hiện cùng tinh hai nguyên (Fe
3
P + Fe) ở trên biên giới hạt

0,08% P
0,016% P

-100 0 100
0
C
KW/cm
2
0,3
0,2

nữa và sự chuyển biến xảy ra theo chiều ngợc lại, làm giảm pherit và dẫn tới tạo
ra tổ chức bainit và mactenxit.
Cu:
Làm tăng quá trình graphit hóa của tổ chức cùng tinh và ngăn trở quá
trình graphit hóa của tổ chức cùng tích, cũng phần nào có tác dụng làm nhỏ các
hạt graphit cầu. Cu có tác dụng làm mịn tổ chức peclit và tăng khả năng xuất
hiện tổ chức peclit trong nền gang. Nói chung, ảnh hởng của Cu tới gang cầu có
nhiều điểm phức tạp và còn nhiều mâu thuẫn. Ví dụ: trong những loại gang rất ít
nguyên tố tạp chất có hại, khi biến tính bằng Mg thì 2-3% Cu cũng không có
ảnh hởng nhiều đến graphit cầu. Còn nếu trong gang có chứa các nguyên tố cản
trở cầu hóa thì chỉ cần 1-2% Cu thôi cũng đã làm xấu rõ rệt sự hình thành graphit
cầu. Chính vì vậy, khi nguyên tố cản trở graphit hóa càng nhiều thì lợng Cu cho
vào càng phải ít.
Ni:
Niken thúc đẩy quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tinh, ngăn
trở quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tích, làm nhỏ mịn tổ chức peclit
và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền. Gang cầu có hàm lợng Ni thấp cho tổ
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
16
chức nền peclit; hàm lợng Ni trung bình cho nền mactenxit; hàm lợng Ni cao
cho nền là austenit. Ni là nguyên tố cản trở sự pherit hóa đồng thời có tác dụng
ổn định peclit. Do đó, Ni đợc dùng chủ yếu để điều chỉnh tỷ lệ tổ chức F và P
trong vật đúc.
Ưu điểm của việc hợp kim hóa Ni cho gang biến tính bằng Mg là: có thể
tăng thời gian giữ gang sau biến tính, mà không gây mất tác dụng biến tính.
Cr
: Là nguyên tố cacbit hóa rất mạnh, rất dễ thiên tích. Khi kết tinh, Cr
bị thiên tích và tập trung ở tinh giới hạt, tạo ra một mạng lới cacbit xung quanh

hòan toàn giống nhau trên toàn bộ thiết diện. Gang xám là loại vật liệu rất nhạy
cảm với chiều dày thành vật đúc. Tính chất gang cầu ít phụ thuộc vào chiều dày
thành vật đúc. Rót gang cầu có cùng hàm lợng mangan vào mẫu bậc trong
khuôn cát và khuôn kim loại, độ cứng của chúng khác nhau không nhiều
/8/
. Gang
cầu cũng có thể đúc trong khuôn kim loại
/8,,10,11/
, nhng cần chú ý vài điểm sau
đây:
- Trong tổ chức gang có chứa nhiều xementit làm tăng độ cứng, giảm độ
dẻo và giảm tính gia công của vật liệu
- Nâng cao tốc độ nguội làm tăng số lợng hạt graphit và kích thớc hạt
graphit giảm đi
- Tăng tốc độ nguội, lợng peclit tấm giảm đi, lợng pherit cũng giảm và
lợng pherit xung quanh hạt graphit cũng bị mất dần.
- Bắt buộc phải nhiệt luyện (ủ) gang cầu đúc trong khuôn kim loại, nếu
không nhiệt luyện, không thể gia công cơ đợc. Không thể hạn chế hiện
tợng này bằng việc lựa chọn thành phần hóa học và ngay cả việc nâng
cao hàm lợng silíc trong gang.

1.3 Tình hình sản xuất gang cầu ở trong nớc và nớc ngoài.
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nớc ngoài.
Gang cầu đã trở thành một loại vật liệu tiên tiến dần dần thay thế cho thép
trong một số lĩnh vực. Khi vào trang web http//www.google.com, có thể xem
lớt hàng trăm công trình về gang cầu. Các công trình đã công bố của các tác giả
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
18

Sản xuất gang cầu từ gang lò đứng.
Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc về gang cầu : Sử dụng đất hiếm để sản xuất
gang cầu (mã số 24.02.04.11);
Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc : Nâng cao chất lợng sản phẩm đúc bằng
phơng pháp biến tính hợp kim hoá sử dụng đất hiếm VN, (mã số
24A.01.02) đều nghiên cứu về gang cầu peclit.
Đề tài nghiên cứu cấp nhà nớc: Nghiên cứu công nghệ đúc các chi tiết
máy đặc biệt bằng gang cầu cờng độ cao, gang hợp kim, mã số KC 05-05
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
19
Đề tài cấp Bộ: Nghiên cứu dùng vật liệu mới để nâng cao chất lợng bộ nổ
cho các loại máy động lực và máy nông nhiệp, B2002-28-55
Đề tài cấp bộ: Nghiên cứu gang cầu ủ đẳng nhiệt (Tổng CT Máy và động
lực.2004).
Một số đề tài cấp Bộ và cấp Thành phố nh: Công nghệ sản xuất trục khuỷu
của công ty thép miền Nam, công ty Cơ khí Đông anh, công ty Cơ khí Hà nội,
Công ty Diezen Sông Công cũng đều là công nghệ gang cầu peclit.
Đã có một vài nơi sản xuất gang cầu pherit nhng cha thấy công bố kết quả
nghiên cứu và sản xuất của mình. Trên các tạp chí chuyên ngành và thông báo
khoa học đợc lu trữ tại th viện ĐHBK HN và Trung tâm Thông tin KHKT
TW trong khong 10 năm lại đây không thấy công trình nào công bố về gang
cầu pherit nói chung và gang cầu pherit trạng thái đúc nói riêng.
Bởi vậy việc nghiên cứu chế tạo ổn định và sử dụng gang cầu pherit trong
giai đoạn hiện nay là rất cần thiết


mức tối thiểu. Thí dụ, khi biến tính trong khuôn với gang có hàm lợng S ban
đầu 0,005% đã nhận đợc gang có mức độ cầu hóa trên 90% nhng hàm lợng
Mg d chỉ 0,026%
/13,14/
. Kết quả tơng tự cũng đợc công bố ở công trình /15/.
Để đạt đợc các điều kiện chặt chẽ nói trên, phải dùng phơng pháp nấu
luyện tổng hợp (luyện gang từ sắt thép vụn, sau đó bổ sung cacbon và các
nguyên tố khác bằng phero). Thí dụ, dùng lò hồ quang bazơ để nấu luyện. Trong
lò hồ quang có thể khử P và S xuống đến mức rất thấp, thấp đến mức, phản ứng
giữa Mg và S không thể xảy ra.
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
21
Phơng pháp nấu luyện nữa là phơng pháp bán tổng hợp: sử dụng thành
phần phối liệu thích hợp (gang thỏi có chất lợng cao), nấu phối hợp lò hồ quang
và lò điện cảm ứng.
Việc lựa chọn phơng án quá trình sạch không chỉ phụ thuộc vào các chỉ
tiêu kỹ thuật mà còn phải cân nhắc rất kỹ càng về mặt hiệu quả kinh tế. Công
nghệ này chỉ phù hợp cho phơng pháp biến tính trong gầu điều chỉnh đợc, thí
dụ nh phơng pháp nhúng, phơng páp rót đổ, phơng pháp biến tính trên dòng
chảy, biến tính trong khuôn
2.1.2 Phơng pháp có các quá trình hóa học
Đối với phơng pháp này, không cần cân nhắc kỹ càng về các điều kiện
luyện kim bởi vì, trong quá trình biến tính, các chất biến tính sẽ phản ứng với các
nguyên tố có mặt trong kim loại lỏng đồng thời với các quá trình khử ôxy, khử
lu huỳnh và tinh luyện kim loại lỏng. Điều này có nghĩa là, chất biến tính sẽ
thực hiện đồng thời hai chức năng: biến tính cầu hóa và tinh luyện kim loại lỏng.
Bởi vậy, cần phải cho chất biến tính vào gang lỏng một lợng đủ lớn để thực hiện
hai chức năng trên. Thí dụ, khi biến tính cầu hóa bằng Mg, ngoài lợng Mg bay
p = 5 at.
thanh
nhấn
nắp
chụ
p
Hình 2.1 Phơng pháp biến tính a) nhúng và b) nồi autoclap
a)
b) Hình 2.2 Phơng pháp biến tính bằg dây nhồi.
1. Trục quay đẩy dây vào kim loại lỏng

2
, H
2
, CH
4
, CO
2
và CO. Các
loại khí đó sẽ tạo thành áp suất khí chung P
khí
trong gang lỏng:
P
khí
= P
O2
+ P
CO2
+ P
H2
+ P
CO
+ P
N2
Vì H
2
và N
2
không có ảnh hởng đến hằng số cân bằng đến phản ứng khử
gang khi biến tính nên có thể bỏ qua :
P

g
Thùng phân phối
chất biến tính
Báo cáo kết quả nghiên cứu

viện khoa học công nghệ mỏ-luyện kim
24
P
khí
= P
at.
+ P
kl

Khi cho Mg vào gang lỏng để biến tính, điều kiện cân bằng này thay đổi
vì Mg bốc hơi mạnh. Magiê có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ bay hơi thấp
(638
0
C và 1105
0
C tơng ứng). Khi biến tính gang ở 1450 - 1500
0
C thì áp lực khí
có thể tăng lên đến 15 - 20 atm.
Có thể coi P
khí
= P
Mg
bởi vì P
Mg

gang lỏng)
5,4 31,5 2 2,5 50 65
Hydro (cm
3
/100g, gang lỏng) 2,5 10,4 0,9 5,2 25 50
ôxy, (%)
0,003 0,023 0,001 0,007 30 80
Nitơ, (%) 0,001 0,006 0,0005 0,0028 15 55

2.2.2 Tác dụng khử lu huỳnh
Magiê và đặc biệt là các nguyên tố đất hiếm là những nguyên tố có ái lực
hoá học rất mạnh với lu huỳnh. Khi đa vào gang lỏng, trớc hết các nguyên tố
này nó sẽ tác dụng với lu hùynh tạo thành các hợp chất nh: MgS, CeS, Ce
2
S
3
.
Trong gang lỏng, Mg có khả năng tác dụng với S theo phản ứng sau:
/ Mg / + / S / = (MgS) G
o
= -543 000 + 239,8 T