1
Bộ công THƯƠNG
TổNG CÔNG TY THéP VIệT NAM
Viện Luyện kim Đen Báo cáo tổng kết
đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển CÔNG
NGHệ cấp bộ
Tên đề tài:

NGHIấN CU CễNG NGH SN XUT GANG BN NHIT H
Fe Al THAY TH H Fe Cr- Ni

DFGEDFGEDFGE

Cơ quan chủ quản: tổng công ty thép vN
Cơ quan chủ trì: Viện Luyện kim Đen
Chủ nhiệm đề tài: LÊ VĂN NGUYÊN

6825

2.2. Xác định độ chảy loãng 29

3
2.3. Vật liệu làm khuôn 30
2.4 Một số vấn đề liên quan khác đến công nghệ nấu luyện 30
2.5 Công nghệ nhiệt luyện gang nhôm 31
3. Các tính chất cơ học đạt được 32
4. Cấu trúc 32
5. Quá trình dùng thử sản phẩm 33
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35
1. Kết luận 35
2. Kiến nghị 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO 36
PHỤ LỤC 37 4
Danh sách những người thực hiện chính

được các chi tiết có hình dạng phức tạp. Do có khả năng bền nhiệt kết hợp với khả
năng chống ăn mòn, chống mài mòn gang bền nhiệt được sử dụng nhiều trong
ngàng cơ khí, công nghiệp hoá chất và dầu khí: trong ngành chế tạo tuôcbin khí,
chế tạo các chi tiết trong máy diezen hiện đại, máy nén khí…
Ở n
ước ta gang bền nhiệt đã được sử dụng nhiều để làm sàn lò nung, sàn lò
nhiệt luyện, các thiết bị trao đổi nhiệt…Các chi tiết đòi hỏi phải làm việc ở nhiệt độ
cao hoặc vừa làm việc ở nhiệt độ cao vừa chịu ăn mòn, mài mòn hầu hết vẫn phải
nhập ngoại. Để khác phục khó khăn khi phải nhập ngoại nhằm thay thế kịp thời
phụ
c vụ sản xuất, một số chi tiết đã được chế tạo trong nước, song hầu hết các mác
gang này đều theo hệ Fe-Cr, Fe-Si, Fe-Cr-Ni.
Ngoài các hệ này, các nước còn dùng hệ Fe-Al.Gang hệ Fe – Al (gọi tắt là
gang nhôm) có nhiều ưu điểm nổi bật: có khả năng làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao
mà không bị nứt, không bị cong vênh, biến dạng. Gang nhôm ngoài khả năng bền
nhiệt còn có khả năng chống ăn mòn và mài mòn cao. Đặc biệ
t trong những năm
gần đây khi mà giá Niken tăng cao, gang nhôm càng được chú ý và nghiên cứu kỹ
càng hơn vì giá thành của nó thấp hơn sử dụng Niken rất nhiều.
Đề tài “nghiên cứu công nghệ sản xuất gang bền nhiệt hệ Fe-Al thay thế hệ Fe-
Cr-Ni” rõ ràng là đề tài vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa kinh tế cao.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình
của vụ KHCN Bộ Công Thương, phòng KT Tồng Công ty thép Việ
t Nam (VSC),
Xí nghiệp 79 Tổng cục CNQP, Viện Luyện Kim Đen và các bạn đồng nghiệp.
Nhân dịp này, ban chủ nhiêm đề tài xin trân thành cảm ơn!
6

O
3
, Al
2
O
3
. Các loại ôxyt Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
, FeO có
cấu tạo mạng không khít chặt, lại không liên kết chặt với kim loại nền nên bị tách
ra khỏi nền. Quá trình hình thành ôxýt và tách ra khỏi nền của ôxýt tiếp tục xẩy ra
khi vẫn được cung cấp ôxy, cứ như vậy kim loại nền bị phá huỷ nhanh chóng.
Cơ chế của quá trình oxy hoá được mô tả như sau:
- Ở lớp bền mặt phân chia kim loại /oxyt có phản ứng:
Me Æ Me
n+
+ ne
- Ở lớp bề mặt phân chia oxyt/oxy có phản ứng:
½ O
2
Æ O
hp
+ 2e Æ O
2-

tạ
o nên hợp kim chịu nhiệt. Mỗi nguyên tố có trong thành phần hợp kim đều có ảnh
hưởng nhất định đến việc tạo thành ôxyt, nhưng sự thể hiện thì không riêng rẽ vì
trong đại đa số các trường hợp người ta thấy có sự oxy hóa chọn lọc, vì quá trình
oxy hoá phụ thuộc nhiều yếu tố như vùng nhiệt độ mà nguyên tố đó có ái lực mạnh
với oxy hơn các nguyên tố khác hoặc quá trình oxy hoá còn là quá trình làm nghèo
nguyên tố này, tứ
c là gián tiếp làm giàu nguyên tố khác.
Có nhiều loại ôxyt tạo ra trên bề mặt hợp kim. Bảng 2 thống kê cấu trúc, tính
chất và thông số mạng của các loại ôxyt thường gặp này.

8
Bảng 1 : Các ôxyt thường gặp và các tính chất của chúng
Thông số Nhiệt độ

Ôxyt

Loại mạng tinh
thể

A


CoO
Co
3
O
4Cr
2
O
3

CrO
3

Al2O
3Al2O
3

TiO

SiO
2

SiO
2
γ

α
α

α
β γ
Lập phương kiểu
NaCl
Spinel
Mặt thoi kiểu
Cr
2
O
3

Lập phương
Lập phương kiểu
NaCl


8,38
5,42

8,32
4,17

4,25
8,11

7,74

7,9

5,12
8,11 5,42

5,45
4,08
55
o


15271565
1990

1810
*910

2257
1870
20501825

575
1710
650
1970
2050
-
795
510*
720

810
2500

1700
1460 +129

146
+104

+96
+117

+115
+48

+180
+5.5
+261



3,19
1,82
1,51
2,10
3,24
2,349
Từ bảng 1 ta thấy, mỗi loại oxyt có một nhiệt độ nóng chảy và một nhiệt độ
thiêu kết riêng. Để có màng bảo vệ tốt, màng bảo vệ phải có nhiệt độ nóng chảy
cao và có nhiệt độ thiêu kết cao.
Rõ ràng Cr, Al , Si, Zr, Ni, …tạo ra màng oxyt có tính bảo vệ tốt.
Các nguyên tố Cr, Al, Si, …ngoài việc tạo thành oxyt có nhiệt độ nóng chảy
cao. Oxyt của các nguyên tố này còn không bị bay hơi ở nhiệt độ cao, có cấu trúc
xít chặt và có liên kết ch
ắc chắn nền kim loại. Vì vậy tốc độ oxy hoá của kim loại
nền rất thấp. Tốc độ oxy hoá trong trường hợp này được biểu thị bằng phương
trình:
X
2
= K.t
Trong đó: X- Độ dày màng ôxyt
t- Thời gian
K- Hằng số, có liên quan đến hệ số khuyếch tán.
Hằng số K có thể được tính theo phương trình khuyếch tán:
K = 2VDn
Trong đó: D- Hệ số khuyếch tán
V- Thể tích trung bình ion khuyếch tán trong màng ôxyt.

Qua những kết quả nghiên cứu trên đây ta thấy, cho đến ngày nay các nguyên
tố Cr, Al, Si…vẫn là các nguyên tố hợp kim chính tạo thành hợp kim chịu nhiệt.
2 Tính bền nhiệt
Tính bền nhiệt của vật liệu là khả năng giữ được độ bền ở môi trường nhiệt độ
cao trong điề
u kiện tải trọng xác định. Trên thực tế, tính bền nhiệt được coi là khả
năng làm việc lâu bền của vật liệu trong điều kiện có tải trọng và nhiệt độ cao.
Như ta đã biết, khi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của tỉ trọng
không đổi và thấp hơn giới hạn chảy trong thời gian dài thì kim loại vẫn bị biến
dạng d
ẻo một cách chậm chạp gọi là dão (creep). Đó là sự nối tiếp nhau một cách
liên tục của 2 quá trình ngược nhau: biến dạng dẻo gây ra hoá bền và kết tinh lại
gây ra thải bền. Hiện tượng dão trở nên đặc biệt nguy hiểm khi nhiệt độ làm việc
cao hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại vì kim loại sẽ bị biến dạng dẻo và dẫn tới
phá huỷ sau một thời gian nào đ
ó. Để nâng cao tính bền nóng ta phi tìm cách chống
lại hiện tượng biến dạng dão.

11
2.1 Khái niệm về biến dạng dão
Biến dạng dão là quá trình biến dạng thuận nghịch phụ thuộc vào thời gian do
ti trọng cố định gây ra. Biến dạng dão ε
dão
(t) gồm biến dạng đàn hồi trễ và biến
dạng dẻo. Biến dạng dão có 3 giai đoạn:
+ Dão sơ cấp (dão chuyển tiếp) đặc trưng bằng quá trình các lệch được hoạt
nhiệt cắt nhau, tạo hoá bền chủ yếu nhờ các bậc lệch và cấu trúc lệch ổn định, quá

ở nhiệt độ cao, biên giới hạt kém bền so với bên trong hạt, quá trình biến dạng
dão dẫn tới phá huỷ thường xảy ra trước tiên ở biên giới hạt. Do vậy, cấu trúc hạt
càng nhỏ (tức là biên giới hạt càng nhiều) thì tính bền nhiệt càng kém.
Đối với vật liệu kim loại để chống lại hiệ
n tượng dão, người ta thường đưa vào
vật liệu các nguyên tố hợp kim như: Mo, W, Nb, Ti, Si, Al…
3. Gang bền nhiệt
Gang bền nhiệt là một phần quan trọng trong vật liệu kim loại bền nhiệt. Trong
quá trình xây dựng tiêu chuẩn về gang bền nhiệt đều dựa vào thành phần hóa học
và yêu cầu kỹ thuật làm cơ sở. Các tiêu chuẩn về gang bền nhiệt hiện nay chúng ta
thường gặp là tiêu chuẩn Nga (ΓOCT 7769-82), tiêu chuẩn Trung Quốc (GB 9437-
88), tiêu chuẩ
n Cộng hoà Liên Bang Đức (DIN 1694-81), tiêu chuẩn Pháp (NF A
32-301), tiêu chuẩn của Nhật (JIS G5510 (1987) và tiêu chuẩn Quốc tế (ISO 2892).
Nhìn chung nước đều xếp gang bền nhiệt theo các nhóm:
- Nhóm gang Crôm
- Nhóm gang Silic
- Nhóm gang Niken
- Nhóm gang Nhôm
Trong các nhóm này nguyên tố hợp kim có hàm lượng cao nhất đại diện cho
tên nhóm.
Để phát huy tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất cơ lý của gang
như độ bền cơ học, khả năng chịu ăn mòn, khả năng chịu nhiệ
t, trong các nhóm
gang cơ bản trên người 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 Crôm-Niken
- Nhóm Nhôm-Silic


0
C chỉ còn 34,5%.
Hợp kim hệ Fe-Al là hệ hợp kim nhiều pha. Ngoài pha γ và α còn có thêm 3
pha khác với các bon đó là pha ε, các bít nhôm Al
4
C
2
và graphit. Pha ε được nhận
biết qua sự chuyển biến của pha Fe
3
Al. Sau khi hình thành pha Fe
3
Al, một số tinh
thể có cấu trúc mạng khác biệt hấp thụ thêm các bon mà thành. Sau khi hình thành
pha ε có dạng Fe
3
AlC
x
, đây là pha có độ cứng rất cao. Khi hàm lượng nhôm đạt đến
10%, một phần có khi toàn bộ các bon nằm ở dạng graphít. Điều này nói lên ảnh
hưởng rõ rệt của nhôm đến tính chất của hợp kim gang nhôm. Ảnh hưởng của hàm
lượng nhôm đến quá trình graphít hoá và cấu trúc cơ bản của gang được đưa ra trên
hình 1. 14

Hình 1: Ảnh hưởng của hàm lượng nhôm đến quá trình graphít hoá
và cấu trúc của gang
1- Ferit + Peclit + Graphit

3- Khả năng bền nhiệt đến 1100
0
C
Đường A-B là đường cùng tinh
Từ hình 2 ta thấy gang chứa 5% nhôm trở lên đã có khả năng chịu nhiệt và có
độ bền khá tốt. Với hàm lượng Al: 10-18% tạo ra cacbit phức tạp dạng Fe
3
AlC
x
.
Gang loại này có mặt gẫy mầu trắng, rất cứng khó gia công cắt gọt, cho nên gang
loại này chỉ dùng để đúc các chi tiết không qua gia công.
Hợp kim Fe-Al khi có hàm lượng Al cao mà hàm lượng cacbon lại thấp có xu
hướng bị phân huỷ dưới tác dụng của hơi nước. Điều này phù hợp với phương trình
phân huỷ Al
4
C
3
.
Al
4
C
3
+ 12H
2
O Æ 4Al(OH)
3
+ 3CH
4
↑ 17

Hình 4: Ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon Silic
đến độ cứng của Gang – Nhôm
Ghi chú: hình 4 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 Silic lên trên 0,5% độ
cứng sẽ tăng lên rõ rệt [1].
Sự sai lệch không 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 h
ưởng của hàm lượng nhôm đến tính gia công của gang đúc được miêu tả qua
tốc độ cắt phôi. Khi hàm lượng nhôm trong gang từ 12-14% , tốc độ cắt không vượt
quá 13m/phút, còn trong điều kiện các thành phần khác như nhau mà hàm lượng
nhôm là 20-22% tốc độ cắt đạt đến 65% m/phút nghĩa là lớn gấp 5lần. Điều này
chứng tỏ độ cứng của gang nhôm liên quan đến nhiều yếu tố như hàm lượng các
nguyên tố, chủng loại các nguyên t
ố và kết cấu của graphít. Riêng về điều kiện cắt
gọt, nhôm càng cao càng dễ cắt.
Hệ gang Fe - Al nếu hợp kim hoá thêm crôm ngoài khả năng bền nhiệt tăng
khả năng chống ăn mòn hoá học cũng tăng. Gang 7% Al và 3%Cr có độ bền hoá
học ở nhiệt độ cao rất cao. Loại gang chưa 4%Al và 2,5%Cr giảm không đáng kể

18
độ bền gia công. Nói chung gang nhôm hợp kim hoá thêm crôm vừa có độ bền cao
vừa có khả năng chống ăn mòn hoá học cao ở khoảng nhiệt độ 900
0

Có rất nhiều mác gang nhôm, sau đây là một số mác gang thường gặp:
- Gang hợp kim nhôm thấp có thành phần hoá học và cơ tính như trong bảng 2.

Bảng 2: Thành phần hoá học và cơ tính gang hợp kim nhôm thấp
Thành phần hoá học, % Cơ tính ở nhiệt độ,
0
C
20 500 700 800
σ
b
σ
u

C Si Mn S P Al
Kg/mm
2

δ
b
Kg/
mm
2

δ
%
δ
Kg/
mm
2


σ
u
Cl Si Mn Al
Kg/mm
2
a
k

kg/mm
2
HB
Cấu trúc graphit dạng tấm
2,08 1,55 0,60 20,8 11
1,69 1,05 0,07 19,8 8,5
14 269
2,01 0,26 0,24 23,5 12,8
2,12 2,15 0,26 19,8 12,5
18

285
Cấu trúc graphit dạng cầu
1,77 1,64 0,69 23,9 35,0 42 0,75 319
1,57 1,87 0,69 19,55 37,0 47 0,6 360
1,70 1,75 0,59 23,42 32,1 43 0,6 366
1,56 1,80 0,61 24,3 34,4 40 0,6 373
1,75 1,66 0,56 22,6 34,6 37 - 357
1,97 1,53 0,30 19,7 32,0 41 - -

2

HB
f
cm

11-18 23-28 240-300 1-3 7.2 1.4 Gang
Al-Si
12-16 18-22 240-280 6.8-7.0 1.2
10-14 16-20 260-300
2
6.7-6.9 1.3 Gang
Al-Cr
8-12 12-18 280-320 1 6.7-6.8 1.6

Qua số liệu các bảng 2,3,4 ta thấy rõ về khả năng ứng dụng rộng rãi và quá
trình phát triển mạnh mẽ của gang nhôm.
Việc thêm nguyên tố vi lượng đã cho thấy có nhiều ảnh hưởng tốt đối với gang
nhôm. Hình 8 nêu rõ ảnh hưởng của một số nguyên tố vi lượng đến tính dẻo của
hợp kim Fe – Al. 23

Hình 8: Ảnh hưởng của một số nguyên tố vi lượng đến tính dẻo
của hợp kim Fe – Al
4.3. Lựa chọn mác gang nghiên cứu
Như phần trên đã trình bày, gang nhôm có nhiều ưu điểm nổi bật so với nhiều
loại gang hợp kim bền nhiệt khác. Khối lượng riêng nhẹ hơn, thậm chí dưới
6,0.10

mòn và mài mòn gần tương đương nhau là mác ЧЮ6C5 và mác ЧH19X3Ш trong
tiêu chuẩn ГOCT 7769-82 ta có thể sơ bộ tính toán được sự sai khác về giá thành
của hai mác gang trên. Giả thiết các chi phí khác là như nhau, giá nguyên liệu chi
phí cho 1000kg gang ЧЮ6C5 và1000kg ЧH19X3Ш chênh nhau khoảng 90,0 triệu
đồng.
(Bài tính với giá vật tư hiện thời là 28.000đ/kg silic, 40.000đ/kg nhôm,
500.000đ/kg niken và 70.000
đ/kg crôm Giá Silic và Crôm là giá quy đổi từ giá
FeSi và FeCr).
Rõ ràng, nếu sản phẩm xuất một khối lượng dù không lớn lắm loại gang bền
nhiệt ЧЮ6C5 cũng sẽ tiết kiệm được khối lượng không nhỏ tiền chi phí cho vật tư
so với sản xuất loại gang ЧH19X3Ш.
Với những phân tích trên chúng tôi lựa chọn mác gang ЧЮ6C5 để tiến hành
nghiên cứu.
Mác gang ЧЮ6C5 có thành phần hóa học và cơ tính như trong bảng 5

Bảng 5 : Thành phần hoá học và cơ tính gang ЧЮ6C5
Thành phần hoá học, % Cơ tính
C Si Mn P S Cr Al σ
b ,
MPa σ
k,
MPa

HB
1.8 - 2.4 4.5 - 6 0.8 0.3 0.12 - 5.5 - 7.0 235 - 240 118 - 120 240 - 300


Những thiết bị sử dụng trong quá trình nghiên cứu :
- Thiết bị phân tích : thực hiện phương pháp và thiết bị phân tích hoá học cổ
điển của phòng nghiên cứu Viện Luyện kim đen để phân tích các nguyên tố C, Mn,