Chương 1. TỔNG QUAN VỀ GANG CẦU 1.1 Khái quát về gang cau: Gang graphit cầu, gọi tắt là gang cầu, có cơ lý tính cao hơn hẳn gang xám thường. 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 nhưng dễ đúc hơn nhiều, do đó gang cầu được dùng thay thế thép làm những chỉ tiết quan trọng như trục khuyu ô tô, biên, trục cán.
Chính vì vậy vấn đề cầu hoá graphit đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.1 Tổ chức gang cầu: Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit hình cầu và nên kim loại. Tổ chức nên 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.1 giới thiệu tổ chức của gang cầu peclit+pherit - Graphít ở dạng quả cầu tròn, hình dáng và kích thước các hạt graphit cầu quyết định độ bền kéo vàđộ dẻo rất cao của gang cầu so với gang xám.
I: Tổ chức gang câu nền ferit + peclit VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM 9 Báo cáo kết quả nghiên cứu - Có thể sử dụng các phương pháp nhiệt luyện của thép cho gang cầu để đạt được các tổ chức nền kim loại khác nhau. (Ví dụ: xoocbit, bainit, mactenxit.) Tính chất của gang cầu cho các mẫu va vật đúc có thành dây khác nhau, ứng với tổ chức nền kim loại khác nhau được cho trong bảng I.1 Tính chất của gang cầu hợp kim theo tiêu chuẩn DIN1693, phần I, mẫu lấy ở trạng thái đúc [1]. " toe Do dai vz Loại gang theo tiêu Độ bên | Giới | Do om (mẫu chuẩn DIN 1693 Chiêu ké hạn St rere p Thanh ` Su hả dãn | có vết khía), 2 Phan I wan day chay | aaj nn To day vat 3 02% | © đoở2C | chức đúc mau R„ R As |Gidti] Gis | (co Số liệu mm đúc min ea TBtừ | 2" | 4 Ky hiéu mm 3 min 3miu | tỈ ban) vat liéu N/mm % N/mm’ min. pherit Chủ 30-60 40 390 250 15 GGG-40 0.7040 - - yéu 1a 60 - 200 70 370 240 12 pherit 30-60 40 450 300 7 GGG-50 0.
peclit VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM 10 Báo cáo kết quả nghiên cứu 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 được thể hiện trên hình 1. ha 3 Te 0 — 2 3 a 5 %Si Hình 1.2 Độ bên và độ dãn dài của gang cầu phụ thuộc hàm lượng Sỉ và nên kim loại.
I- trạng thái đúc, 2- nền pherit; 3- nên peclit /2/ Như vậy, nhờ thay đổi tổ chức nền kim loại, hoàn toàn có thể chế tạo ra các mác gang khác nhau.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất gang cầu 1.1 Hình dạng graphit Graphit trong gang làm giảm diện tích chịu tải và làm mất tính liên tục của nền kim loại do đó làm giảm cơ tính của gang. Nếu coi graphit trong gang VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM 11 Báo cáo kết quả nghiên cứu như một lỗ hổng, ứng suất tập trung bên cạnh lỗ hổng phụ thuộc vào hình dạng và chiều dài graphit *’ va cing một tổ chức nền, tính chất gang cầu phụ thuộc hình dạng graphit được chỉ ra như trên hình 1. Cum hoa bông Hình cầu Tấm vụn Rm=500MPa: A5=6-7% Rm=600MPa; A5=11-12% Rm=350MPa; A5S=1-2% , Hinh 1.3 Hinh dang graphit va co tinh cua gang /3/ 1.2 Thanh phan héa hoc: C va Si: Cacbon tan rat ít trong sắt. Về mặt tổ chức nền thì càng ít cacbon, độ bền của gang càng cao.
Trong gang cầu, cacbon đương lượng thường 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 được tổ chức biến trắng. Thông qua điều chỉnh hàm lượng C có thể điều chỉnh được tổ chức nền gang. Tăng hàm lượng C tới giới hạn nhất định, tuy làm cho lượng graphit tăng cao hơn, nhưng 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 lượng Sĩ thay đổi từ 1% tới 4,5%. Để phòng tránh tổ chức biến trắng và giảm bớt lượng peclit trong tổ chức nên, cần giữ hàm lượng Si ở mức độ thích hợp, song Sỉ không nên quá cao vì khi Sĩ hòa tan nhiều vào pherit làm giảm tính dẻo của gang. Gang cầu thông thường chứa 3,3 -3,9%C; 2,0 - 2,5%Si. VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM 12 Báo cáo kết quả nghiên cứu Mn: Trong gang cầu, Mn thường thiên tích lớn, hàm lượng Mn trên biên giới các hạt thường cao hơn từ 3 - 4 lần trong hạt cùng tinh.
Mangan là nguyên tố có tác dụng điều chỉnh tổ chức nền của gang. Do chất cầu hóa khử S tốt nên hàm lượng S trong gang còn lại rất thấp, nên chỉ có một bộ phận nhỏ Mn sẽ kết hợp với S còn đại bộ phận Mn hòa tan vào pherit làm tăng độ bên, giảm độ dẻo và độ dai của nền gang. Thông thường hàm lượng Mn trong gang cầu pherit nên giữ ở mức 0,2 - 0,4%, còn trong gang cầu peclit hàm lượng Mn là 0,4 - 0,6%. Rm(MPa) As(%) 600 20 ⁄ As su ky 500 14 HB 400 8 TC N \ — pL 0.4 Ảnh hưởng của hàm lượng Mn đến co tính gang câu /4/ S: Lưu huỳnh là nguyên tố có hại khi biến tính cầu hoá.
Bản thân lưu huỳnh làm giảm sức căng bề mặt của gang, hạn chế khả năng tiết ra graphit khi kết tỉnh. Bởi vậy, trong qua trình nấu gang cầu, cần hạn chế lưu huỳnh trong gang sao cho gang ra lò chỉ dưới 0,04%S. Mặt khác khi hàm lượng lưu huỳnh cao phải dùng nhiều Mg nên lượng MgS càng nhiều càng bất lợi vì MgS gây ra khuyết tật gọi là điểm đen trong gang cầu. Phương pháp biến tính liên tục trên dong chảy đòi hỏi hàm lượng S rất nhỏ như chỉ ra trên hình 1.
VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM 13 Báo cáo kết quả nghiên cứu A. (%) _ oe 08%, 20 “1 1¿50°C ©œo 129%⁄eV, | â—=a 0.5 Ảnh hưởng của lưu huỳnh đến độ dãn dài của gang câu /5/ Photpho: Photpho ngăn cản quá trình phân hủy peclit nên cần hết sức lưu ý khi ủ pherit hóa gang cầu. Hàm lượng photpho nhỏ không ảnh hưởng đáng kể tới tổ chức gang cầu. KW/cm? 0,3 008%P |; : Ss]! 0,2 |p : : ' 0,016% P Ol po Pop 0 “100 0 100 0C Hình 1.6 Ngưỡng giòn của gang câu phụ thuộc vào hàm lượng photpho 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;P + Fe) ở trên biên giới hạt VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM 14 Báo cáo kết quả nghiên cứu có điểm nóng chảy khoảng 1050°C, làm giảm tính dẻo dai của gang.
Đối với gang cầu pherit tác hại xuất hiện rất sớm làm cho nhiệt độ chuyển hoá dẻo giòn của gang được nâng cao. Do vậy, hàm lượng P trong gang cầu cần khống chế < 0,08%. Nguyên tố hợp kim: Mo: Molipden lam nhỏ kích thước các hạt graphit cầu, làm nhỏ tổ chức peclit và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền, qua đó làm tăng độ bên, độ cứng của gang. Nếu hàm lượng Mo vượt quá 2%, tổ chức nền gang có thể xuất hiện bainit.
MO là nguyên tố cacbit hóa yếu, làm thu hẹp vùng austenit và làm cản trở mạnh quá trình chuyển biến austenit, vì vậy rất dễ tạo ra tổ chức chuyển biến ở cấp bainit. Khi đưa 0,1%-0,3% Mo vào sẽ gây ra tác dụng pherit hóa, lúc đó làm mở rộng vùng pherit (vùng trắng bao quanh hạt graphit cầu) và làm giảm lượng peclit của tổ chức nên. Khi dùng với lượng cao hơn thì tác dụng đó không còn nữa và sự chuyển biến xảy ra theo chiều ngược lại, làm giảm pherit và dẫn tới tạo ra tổ chức bainit và mactenxit. Cu: Lam tăng quá trình graphit hóa của tổ chức cùng tỉnh 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 hưởng 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 hưởng nhiều đến graphit cầu. Còn nếu trong gang có chứa các nguyên tố cản trở cầu hóa thì chỉ cần I-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 lượng Cu cho vào càng phải ít. Ni: Niken thúc đẩy quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tỉnh, 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 nên. Gang cầu có hàm lượng Ni thấp cho tổ VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ-LUYỆN KIM 15 Báo cáo kết quả nghiên cứu chức nền peclit; hàm lượng Ni trung bình cho nền mactenxit; hàm lượng Ni cao cho nén là austenit. Ni là nguyên tố cản trở sự pherit hóa đồng thời có tác dụng ổn định peclit.
Do đó, NÑ¡ được dùng chủ yếu để điều chỉnh tỷ lệ tổ chức E 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 lưới cacbit xung quanh các hạt.
Khi làm nguội chậm, Cr cản trở quá trình pherit hóa. Để chắc chắn loại bỏ được tổ chức cacbit thì hàm lượng Cr không được vượt quá 0,05%. Dùng Cr trong gang cầu có thể làm tăng độ cứng nhưng lại làm giảm độ dai, độ dẻo của gang cầu. Zn: Là nguyên tố peclit hóa rất mạnh nên được dùng chủ yếu để sản xuất gang cầu peclit ở trạng thái đúc.
Nếu trong mẻ nấu có nhiều nguyên tố tạp chất cản trở cầu hóa thì không nên sử dụng nhiều kẽm.