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 tr
ì:

Viện Luyện kim Đen

Chủ nhiệm đề tài:


II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC
NGHIỆM
22
1. Nội dung nghiên cứu 22
2. Phương pháp nghiên cứu 22
III. NHỮNG KẾT QU
Ả ĐẠT ĐƯỢC 24
1. Công nghệ nấu luyện 24
2. Công nghệ đúc 27
2.1. Xác định độ co của gang nhôm 28
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

5
MỞ ĐẦU
Gang bền nhiệt đã được nghiên cứu từ lâu, cùng với phát triển của các ngành
khoa học kỹ thuật khác, gang bền nhiệt cũng phát triển đa dạng và phong phú.
Tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể của môi trường làm việc mà sử dụng lựa chọn
mác gang cho phù hợp, sao cho công nghệ sản xuất đơn giản, chất lượng sử dụng
tốt, giá thành rẻ.
Gang bền nhiệt ngày càng được sử dụng rộ
ng rãi vì so với các loại vật liệu bền
nhiệt khác loại gang này có khả năng chống rung cao, tính đúc tốt cho phép nhận
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-

các loại ôxyt: Fe
2
O
3
, Fe
3
O
4
, FeO, Cr
2
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:

phải khuyếch tán qua lớp ôxýt mới
hình thành đó để tiếp xúc trực tiếp với kim loại nền hoặc các ion kim loại từ nền
khuyếch tán qua lớp oxýt này để tiếp xúc với O
hp
. Từ cơ chế ăn mòn trên đây ta
thấy lớp oxyt tạo thành lúc ban đầu rất quan trọng, cấu trúc của lớp oxy, độ bền và
độ phân tán cũng như kích thước hạt quyết định đến tính chịu nhiệt của kim loại
nền.
Cấu trúc, độ bền, độ phân tán và kích thước của các phần tử ôxýt phụ thuộc
vào thành phần hoá học của nó, tức là ngoài oxy nó phụ thuộc vào thành phần cấu
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.


O
3Fe
2
O
3

NiO

CoO
Co
3
O
4Cr
2
O
3

CrO
3

Al2O
3

α γ

γ

α
α

α
β γ
Lập phương kiểu
NaCl

2
O
3

Kiểu NaCl
Đơn tinh thể
Hình thoi
Kiểu rutil

4.28

8,38
5,42

8,32
4,17

4,25
8,11

7,74

7,9

5,12
8,11 5,42


56
o
50
’

53
o
49
’
1377

15271565
1990

1810
*910

2257
1870
20501825

575
1710
650 * 2500

1700
1460 +129

146
+104


2,01

2,07
5,1
-

1,281,88

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:

hp
.
Với tác dụng hoá học của kim loại và môi trường khí tạo nên trên bề mặt kim
loại chịu nhiệt lớp bảo vệ gồm cấu trúc của chính nó với cấu trúc kim loại. Mạng
tinh thể kim loại vẫn tiếp tục được bảo toàn ngay khi kiến tạo mạng mới trong pha
ôxyt.
Lớp chuyển tiếp giữa màng ôxyt và nền kim loại đảm bảo độ bền cần thiết của
mối liên k
ết kim loại với ôxyt và đóng vai trò chủ yếu đối với khả năng chịu nhiệt
của kim loại.
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.

xê dịch biên giới hạt và nó ít thay đổi ở nhiệt độ đó. Thép có cấu trúc austenit đáp
ứng được yêu cầu trên.
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 có tính bền
nóng cao hơn. Tổ ch
ức của hợp kim cũng ảnh hưởng đến tính bền nóng. Thép có tổ

12
chức austenit có tính bền nóng cao hơn thép có tổ chức ferit do austenit có nhiệt độ
kết tinh lại cao hơn.
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

, FeAl
2
và cả FeAl, Fe
3
Al. Các hợp
chất này có tính chất hoá lý khác biệt nhau.
Nhôm cũng tương tự như Si, Cr là có khả năng thu hẹp vùng γ và mở rộng
vùng α.
Ở trạng thái lỏng, Al và Fe hoà tan vào nhau vô hạn, còn ở trạng thái rắn độ
hoà tan giảm xuống, độ hoà tan cực đại ở 1232
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

15

Hình 2: Quan hệ giữa hàm lượng nhôm và cacbon 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
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