Quy trình đúc gang xám: Từ vật liệu đến sản phẩm hoàn chỉnh

Gang xám là một trong những hợp kim kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều ngành công nghiệp nhờ sự kết hợp giữa chi phí sản xuất tương đối thấp và các đặc tính công nghệ ưu việt như tính dễ gia công. Đặc điểm nổi bật của gang xám là sự hiện diện của cacbon ở dạng graphit tự do, tạo nên màu xám đặc trưng trên bề mặt gãy của vật liệu.

Gang xám có nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng chịu nén tốt, khả năng giảm chấn tuyệt vời và chống mài mòn hiệu quả. Đặc biệt, tính đúc tốt của gang xám, bao gồm nhiệt độ nóng chảy thấp (1150°C đến 1350°C), độ chảy loãng cao và độ co ngót thấp khi đông đặc, cho phép sản xuất các chi tiết phức tạp với chi phí thấp hơn so với nhiều loại kim loại và hợp kim khác.

Quy trình công nghệ đúc gang xám

Quy trình công nghệ đúc gang xám là một chuỗi các công đoạn phức tạp, đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng của vật đúc cuối cùng.

1. Chuẩn bị nguyên vật liệu và tính toán mẻ liệu

Bước này là nền tảng, quyết định chất lượng vật đúc. Các nguyên liệu chính bao gồm:

• Gang thỏi (Pig iron): Cung cấp Fe và C chính, với hàm lượng C và Si tương đối cao.

• Thép phế (Steel scrap): Dùng để giảm hàm lượng C và cung cấp Fe.

• Hồi liệu (Return scrap/Foundry returns): Giúp tận dụng vật tư, giảm chi phí và ổn định thành phần hóa học.

• Fero hợp kim (Ferroalloys): Điều chỉnh chính xác hàm lượng các nguyên tố như Si (Ferrosilic) và Mn (Ferromangan).

• Chất biến tính/chất cấy (Inoculants): Các phụ gia đặc biệt (thường là FeSi chứa Sr, Ba, Zr, Al, Ca) được thêm vào gang lỏng để thúc đẩy tạo mầm graphit đồng đều, kiểm soát hình thái và kích thước graphit, giảm biến trắng và cải thiện cơ tính.

Yêu cầu chất lượng nguyên liệu đầu vào rất nghiêm ngặt: phải sạch, khô, không lẫn tạp chất có hại, và kích thước liệu phù hợp với loại lò nấu. Đặc biệt, cần kiểm soát chặt chẽ hàm lượng phốtpho (P) và lưu huỳnh (S) do chúng ảnh hưởng tiêu cực đến độ giòn và khả năng graphit hóa.

Tính toán phối liệu dựa trên nguyên tắc cân bằng vật chất, có tính đến sự cháy hao của các nguyên tố trong quá trình nấu luyện.

2. Nấu luyện gang xám

Mục tiêu là chuyển nguyên liệu rắn thành gang lỏng đạt yêu cầu về thành phần và nhiệt độ. Các loại lò nấu phổ biến:

• Lò đứng (Cupola furnace): Chi phí đầu tư thấp, năng suất cao, nhưng khó kiểm soát chính xác thành phần và nhiệt độ, phát sinh nhiều khí thải.

• Lò điện cảm ứng (Induction furnace): Khả năng kiểm soát thành phần và nhiệt độ rất tốt, ít ô nhiễm, linh hoạt với các loại liệu. Nhược điểm là chi phí đầu tư và vận hành cao.

• Lò chõ (Crucible furnace): Đơn giản, dùng cho quy mô nhỏ, chất lượng gang phụ thuộc kinh nghiệm.

Kiểm soát nhiệt độ gang lỏng (1250°C - 1450°C) và thành phần hóa học là cực kỳ quan trọng. Kỹ thuật cấy (inoculation) được áp dụng để tạo mầm graphit nhỏ mịn (Type A), ngăn ngừa biến trắng và cải thiện cơ tính. Liều lượng chất cấy thường là 0.2% - 0.5% khối lượng gang lỏng, và việc cấy càng gần thời điểm đông đặc càng tốt để tránh "hiệu ứng phai".

3. Chế tạo khuôn đúc và lõi

Khuôn đúc tạo hình dáng bên ngoài và lõi tạo các phần rỗng bên trong vật đúc.

• Khuôn cát tươi (Green sand molding): Phổ biến nhất, chi phí thấp, linh hoạt, nhưng độ bền thấp hơn khuôn khô.

• Khuôn cát khô (Dry sand molding): Khuôn được sấy khô để tăng độ bền, cho vật đúc chính xác và bề mặt tốt hơn, nhưng tốn thời gian và chi phí sấy.

• Khuôn kim loại (Permanent mold casting): Tái sử dụng nhiều lần, cho vật đúc độ chính xác và chất lượng bề mặt rất cao, cơ tính tốt, nhưng chi phí khuôn ban đầu rất cao và dễ bị biến trắng.

Vật liệu làm khuôn và lõi gồm cát (thạch anh, olivin) và chất kết dính (đất sét, nhựa Furan, nước thủy tinh, nhựa Phenol/Polyurethane). Lõi được tạo ra bằng các công nghệ như Hot box, Cold box, CO2-Nước thủy tinh hoặc tự cứng.

4. Rót gang và quá trình đông đặc

Đây là công đoạn then chốt, quyết định việc hình thành vật đúc và tiềm ẩn nhiều nguy cơ khuyết tật.

• Hệ thống rót, đậu ngót, đậu hơi: Thiết kế hợp lý để đưa kim loại lỏng vào khuôn êm ái, liên tục, ngăn chặn xỉ, đảm bảo tốc độ điền đầy tối ưu, và bù đắp co ngót trong quá trình đông đặc.

• Kiểm soát nhiệt độ và tốc độ rót: 

  • Nhiệt độ rót: Quá thấp gây thiếu hụt, đúc không ngấu; quá cao gây cháy cát, rỗ khí, co ngót và thô hạt.

  • Tốc độ rót: Quá chậm gây đông đặc sớm; quá nhanh gây xói mòn khuôn, cuốn khí/xỉ.

• Quá trình đông đặc và kết tinh: Gang lỏng nguội đi và đông đặc, graphit kết tinh từ pha lỏng hoặc từ sự phân hóa của austenit. Silic thúc đẩy graphit hóa, trong khi Mn và S cản trở.

• Ảnh hưởng của tốc độ nguội: 

  • Nguội chậm: Graphit hóa hoàn toàn, tấm graphit lớn, gang mềm nhưng độ bền thấp.

  • Nguội nhanh: Nguy cơ biến trắng (hình thành cementit), gang cứng, giòn, khó gia công.

5. Hoàn thiện và kiểm tra sản phẩm đúc

Sau khi đông đặc, vật đúc được phá khuôn, dỡ lõi, làm sạch sơ bộ, loại bỏ đậu rót, đậu ngót, bavia. Sau đó, làm sạch tinh bằng phun cát/bi và sơn phủ để bảo vệ.

Kiểm tra chất lượng bao gồm:

• Kiểm tra ngoại quan (VT): Phát hiện khuyết tật bề mặt.

• Kiểm tra kích thước: Đảm bảo dung sai.

• Phân tích thành phần hóa học: Đảm bảo đúng mác gang.

• Kiểm tra cấu trúc tế vi (Metallography): Đánh giá hình thái, kích thước, phân bố graphit và cấu trúc nền.

• Kiểm tra cơ tính: Thử độ bền kéo, uốn và độ cứng Brinell.

• Kiểm tra không phá hủy (NDT): Thẩm thấu lỏng (PT), hạt từ tính (MT), siêu âm (UT), chụp X-quang/Gamma (RT) để phát hiện khuyết tật bên trong và bề mặt.

Các khuyết tật đúc thường gặp và nguyên nhân:

• Sai hình dáng, kích thước, trọng lượng: Do khuôn, mẫu sai, lắp ráp không chính xác, hoặc rót thiếu/thừa kim loại.

• Khuyết tật bề mặt (cháy cát, lõm, khớp): Do chất lượng hỗn hợp làm khuôn, nhiệt độ rót quá cao.

• Nứt (nóng, nguội): Do ứng suất nhiệt, co ngót bị cản trở.

• Rỗ khí: Do khí trong khuôn không thoát kịp, vật liệu ẩm, hoặc nhiều khí hòa tan.

• Rỗ co, lõm co: Do co ngót thể tích không được bù đắp đủ kim loại lỏng.

• Lẫn tạp chất (xỉ, cát): Do lọc xỉ không tốt, xói mòn khuôn.

• Biến trắng: Do tốc độ nguội quá nhanh hoặc thành phần hóa học không phù hợp.

Một số vật đúc có thể cần xử lý nhiệt (ủ khử ứng suất, ủ mềm hóa, thường hóa) để cải thiện cơ tính hoặc giảm ứng suất bên trong.

Công nghệ đúc gang xám tiên tiến và giải pháp tối ưu hóa

Để nâng cao chất lượng và năng suất, ngành đúc gang xám không ngừng áp dụng các công nghệ mới:

• Đúc bằng khuôn mẫu tự hủy (Lost Foam Casting): Sử dụng mẫu xốp cháy để đúc các chi tiết phức tạp, thành mỏng, độ chính xác cao, giảm công đoạn làm lõi.

• Đúc gang xám thành mỏng: Yêu cầu gang lỏng có độ chảy loãng tốt, nhiệt độ rót cao, kiểm soát chặt chẽ thành phần hóa học (tăng C, Si), sử dụng chất cấy hiệu quả và thiết kế hệ thống rót tối ưu.

• Kỹ thuật biến tính (inoculation) tiên tiến: Sử dụng chất cấy FeSi phức tạp với các nguyên tố Sr, Ba, Zr, Al, Ce, La để tăng cường hiệu quả tạo mầm graphit và chống phai. Kỹ thuật cấy trong khuôn hoặc cấy vào dòng kim loại được ưa chuộng.