3

Chương 1. VẬT LIỆU CHỊU LỬA

1.1. Mở đầu và phân loại

Vật liệu chịu lửa là loại vật liệu giữ nguyên các đặc tính hóa lý cho tới nhiệt độ 1580oC hoặc cao hơn. Công nghiệp chế tạo vật liệu chịu lửa là công nghiệp sản xuất các sản phẩm sử dụng ở nhiệt độ cao. Vật liệu chịu lửa được đùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như luyện kim, hoá chất, nhiệt điện sành, sứ, thủy tinh, sản xuất xi măng... Các vật liệu chịu lửa nhằm giới hạn không gian trong đó tiến hành quá trình công nghệ và giảm mất mát nhiệt của lò. Trong quá trình vận hành thiết bị người ta tìm mọi cách để tăng chất lượng gạch chịu lửa, kéo dài thời gian sử dụng gạch trong lò, góp phần tăng năng suất thiết bị, hạ thấp tiêu tốn nhiệt, tăng chất lượng và hạ giá thành sản phẩm.

Ngày nay để đáp ứng các đòi hỏi của tiến bộ kỹ thuật nhiều loại vật liệu mới đã ra đời, đó là các vật liệu siêu cao cấp dùng trong kĩ thuật máy bay siêu âm, tên lửa hiện đại, các vật liệu trong lò phản ứng hạt nhân, trong các con tàu vũ trụ...

Vật liệu chịu lửa được phân loại theo nhiều dấu hiệu khác nhau:

1) Theo bản chất hoá lí của nguyên liệu ban đầu vật liệu chịu lửa được chia thành 9 nhóm: silic, alumôsilicat, manhêdi, forstenit, spinen, đôlômi, cácbon, ziếccôn và vật liệu chịu lửa từ các ôxyt tinh khiết.

2) Theo độ chịu lửa vật liệu chịu lửa được chia thành 3 loại:

- Loại chịu lửa thường: độ chịu lửa từ 1580 đến 1770°C

- Loại cao lửa: độ chịu lửa từ 1770 đến 2000°C

- Loại rất cao: độ chịu lửa trên 2000°C

3) Theo hình dạng và kích thước, gồm các loại: loại thường khối hình hộp, gạch di hình, loại khối lớn...

4) Theo phương pháp tạo hình có sản phẩm nén dẻo, nén bán khô, sản phẩm đúc từ hồ và chất nóng chảy.

5) Theo đặc tính gia công nhiệt: có sản phẩm chịu lửa loại nung và loại không nung.

6) Theo đặc tính xốp chia sản phẩm ra loại đặc, loại thường và loại nhẹ. Để lựa chọn và sử dụng gạch chịu lửa một cách đúng đắn và có hiệu quả cần phải biết những tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa và điều kiện sử dụng chúng.

4

1.2. Các tính chất của vật liệu chịu lửa

Vật liệu chịu lửa là một loại vật liệu chịu được nhiệt độ cao hơn 1000°C trong một thời gian dài và không bị biến dạng khi có tải trọng cơ học.

1.2.1. Tính chất vật lí của vật liệu chịu lửa

1. Đặt tính cấu trúc của vật liệu chịu lửa

Đặc tính cấu trúc của sản phẩm chịu lửa có ảnh hưởng quyết định đến mọi tính chất của nó.

Xét về mặt cấu trúc, vật liệu chịu lửa là một tổng thể có kết hợp và sắp xếp xen kẽ lẫn nhau của ba pha: tinh thể, thủy tinh (vô định hình) và khí (lỗ xốp).

Bản chất hoá lí và số lượng mỗi pha hoàn toàn khác nhau.

Để nghiên cứu đặc tính cấu trúc của vật liệu chịu lửa người ta dùng các phương pháp hoá lí hiện đại như phân tích nhiệt, phân tích pha và cấu trúc nhiễu xạ rơnghen, bằng kính hiển vi phân cực, tính hiển vi điện tử và phương pháp phân tích thạch học.

2. Mật độ và cuờng độ ở nhiệt độ thường

a) Độ xốp: để tiện phân biệt và đánh giá độ xốp trong sản phẩm người ta chia các loại lỗ xốp ra 3 nhóm sau (hình 1-1).

- Lỗ xốp kín, nằm trong lòng sản phẩm, không cho các chất lỏng và khí thấm qua.

- Lỗ xốp hở, nằm trên bề mặt sản phẩm, chứa đầy chất lỏng hay khí nhưng không cho chúng thấm qua sản phẩm.

- Lỗ xốp dạng kênh, là loại lỗ hở hai đầu cho chất lỏng và khí thấm qua sản phẩm dễ dàng.

Khả năng thấm khí (hay lỏng) của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào kích thước và số lượng của dạng lỗ xốp dạng kênh và chênh lệch áp suất của khí (hay lỏng) ở hai đầu lỗ. Độ xốp được đánh giá bằng một thông số đặc trưng sau đây:

- Mật độ thực (khối lượng riêng ρt) g/cm3, là khối lượng của 1 cm3 vật

Hình 1.1: Các dạng lỗ xốp trong sản

phẩm chịu lửa

1. Lỗ xốp kín2. Lỗ xốp hở

3. Lỗ xốp dạng kênh

5

liệu không có lỗ xốp.

- Mật độ biểu kiến (khối lượng riêng biểu kiến ρt) g/cm3, là khối lượng của l cm3 vật liệu kể cả lỗ xốp.

- Độ xốp thực Wt, % là tỉ số của thể tích các lỗ xốp (cả lỗ hở và lỗ kín) với thể tích vật liệu.

- Độ xốp hở hay biểu kiến Wbk, % là tỉ số thể tích của các lổ hở chứa đầy nước khi đun sôi với thể tích của vật liệu,

- Độ xốp kín Wk, % là hiệu số giữa độ xốp thực và độ xốp biểu kiến:

Wk = Wt - Wbk

Nếu vật liệu bão hoà nước thì độ xốp biểu kiến được xác định bằng công thức:

a1- Khối lượng mẫu khô tuyệt đối, g;

a2- Khối lượng mẫu trên được bão hoà nước, g;

V - Thể tích mẫu, cm3.

- Độ hút nước là tỉ lệ giữa lượng nước hấp thụ với khối lượng của mẫu khô:

b) Độ thẩm khí k: độ thấm khí của sản phẩm chịu lửa phụ thuộc vào lượng lỗ xốp hở của chúng.

Độ thẩm khí là khả năng cho không khí hay khói lò qua sản phẩm ở điều kiện nào đó. Độ thẩm khí đặc trưng bằng hệ số thấm khí k, đơn vị của nó được rút ra từ biểu thức sau:

V - thể tích khí đi qua mẫu, lít;

F - diện tích khí thẩm qua, m2;

1 - chiều dày mẫu, m;

τ - thời gian không khí (khói lò) qua sản phẩm, h;

Pl - P2 chênh lệch áp suất ở hai đầu mẫu, mm H20

6

như vây.

Hệ số thẩm khí là lượng khí tính bằng lít đi qua mẫu có diện tích 1 m2, có chiều dày l m, trong thời gian 1 giờ khi chênh lệch áp suất là l mm H20.

Độ thẩm khí còn phụ thuộc vào nhiệt độ vì nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nhớt của khí. Nếu tăng nhiệt độ, độ nhớt η tăng, độ thẩm khí giảm. Quan hệ giữa độ thẩm khí và độ nhớt của chúng như sau:

Ngoài ra, độ thẩm khí còn phụ thuộc phương pháp sản xuất gạch. Độ thẩm khí của sản phẩm nén bán khô nhỏ hơn 10 - 30 lần so vói sản phẩm nén dẻo.

c) Cường độ nén: cường độ nén của sản phẩm ở nhiệt độ thường phụ thuộc vào thành phẩm sản phẩm, thành phần phối liệu, điều kiện nén và nhiệt độ nung. Qua chỉ tiêu cường độ nén có thể đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh và đơn giản, cũng như đánh giá cả quá trình kĩ thuật sản xuất. Đa số gạch chịu lửa có cường độ nén lớn hơn 25N/mm2.

Phương pháp tiêu chuẩn để xác định cường độ chịu nén đựa trên theo cường độ chịu nên của mẫu lập phương có cạnh từ 40 – 100 mm. Cường độ nén của đa số gạch chịu lửa tăng khi nhiệt độ tăng và đạt đến trị số cực đại ở 1000 - 1100°c. Tiếp tục tăng nhiệt độ; cường độ nén hạ thấp rất nhiều. Nguyên nhân của sự biến đổi này là do ở nhiệt độ đó xuất hiện biến dạng dẻo.

d) Cường độ chịu kéo, uốn xoắn: trong quá trình sử dụng gạch chịu lửa sẽ xuất hiện các loại ứng suất khác nhau như ứng suất kéo, ứng suất uốn, ứng suất trượt. Để đánh giá cường độ chịu kéo, uốn, xoắn lí tưởng nhất là xác định ở nhiệt độ làm việc của chúng, vì thế ít khi người ta xác định Cường độ chịu kéo, uốn xoắn và cũng không có phương pháp tiêu chuẩn nào để xác định các cường độ này.

Có thể nói rằng cường độ chịu uốn khoảng 2-3 lần nhỏ hơn và cường độ chịu nén khoảng 5-10 lần nhỏ hơn cường độ chịu nén.

3. Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt độ

a) Độ dẫn nhiệt: độ dẫn nhiệt của vật liệu đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt λ, W/mK. Độ dẫn nhiệt có ỹ nghĩa lớn khi xác đinh nhiệt tổn thất qua tường, vòm lò. Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của sản phẩm vì độ dẫn nhiệt cùng với nhiệt dãn nở là nguyên nhân gây ứng suất trong vật liệu.

7

Hình 1.2: Sự phụ thuộc của hê số dẫn nhiệt củamột số vật liệu chịu lửa vào nhiệt độ

1. Đinat: λ1 = 1,16 + 0.00064t;

2. Samôt: λ1 = 1,27 + 0,00064t;

3. Manhêdi: λ1 = 4,65 - 0,00175t;

4. Crômit: λ1 = 1,28 + 0,00040t;

5. Manhêdi - crômit: λ1 = 4,07 - 0,001 l0t;

6. Crôm - manhêdi: λ1 = 2,00-0,00035t;

7. Bêtông chịu lửa: λ1 = 1,45 - 0,00052t.

Khi nhiệt độ tăng độ dẫn nhiệt của vật liệu chịu lửa thường tăng. Tuy nhiên,một số vật liệu chịu lửa pha tinh thể nhiễu hoặc chứa tạp chất ít, khi tăng nhiệt độ hệ số dẫn nhiệt giảm (manhêdi, cacbonrun, corun) (hình 1.2)

Nếu độ xốp tăng, độ dẫn nhiệt giảm.

Nếu kích thước lỗ xốptăngvới các điều kiện khác như nhau, ở nhiệt độ cao độ dẫn nhiệt tăng lên rất nhiều.

Đa số vật liệu chịu lửa đều là loại dẫn nhiệt kém. Độ dẫn nhiệt của samốt, đinat khoảng 50 100 lần, nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của kim loại.

b) Nhiệt dung riêng: nhiệt dung riêng của vật liệu chịu lửa thường được biểu thị bằng nhiệt dung riêng đẳng áp Cp. Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ với mức độ chính xác đạt yêu cầu được xác định theo phương trình thực nghiêm sau:

8

Cp = C0 + at + bt2 + ...

và nhiệt dung riêng trung bình

trong đó Cp, a, b - là các hệ số thực nghiệm.

Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng trung bình vào nhiệt độ của một số vật liệu chịu lửa được thể hiện qua hình 1.3.

c) Độ dẫn nhiệt độ: độ dẫn nhiệt độ đặc trưng cho tốc độ thay đổi nhiệt độ trong chi tiết, cho quá trình truyền nhiệt và được đặc trưng bởi hệ số dẫn nhiệt độ a.

Hệ số dẫn nhiệt độ ảnh hưởng đến độ bền nhiệt nên nó là một trong những hệ số cơ bản để đánh giá độ bền nhiệt của vật liệu chịu lửa.

0 400 800 1200

t(0C)

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng trung bình

vào nhiệt độ của một số sản phẩm chịu lửa

9

d) Độ dẫn điện: nói chung các vật liệu chịu lửa ở nhiệt độ thấp đều là chất điện môi rất tốt. Nếu đốt nóng, khả năng dẫn điện tăng lên, ở 800 - 1000°Cnó trở thành vật dẫn điện.

- Tính chất điện của vật liệu chịu lửa được quyết định bởi bản chất của vật liệu.

- Giữa điện trở R của vật liệu chịu lửa và nhiệt độ được xác định như sau:

A, B – hằng số ứng với mỗi loại vật liệu.

Đặc trưng tính chất của vật liệu chịu lửa là điện trở và được đo bằng . Đa số vật liệu chịu lửa ở 10000C, điện trở dao động trong khoảng

104 105, ở 15000C hạ xuống còn 103 .

Tính chất vật lý của vật liệu chịu lửa cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Tính chất vật lý của vật liệu chịu lửa

Số TT

Tên vật liệu chịu lửa

ρ λ = λ0 + b*t Cp = C0 +a*t

λ0 b C0 a

Ký hiệu kg/m3 W/mK 10-

3W/mK2 kJ/kgK 10-3kJ/kgK2

1 2 3 4 5 6 7

1

Đinat DO 2430 1.07 0.84 1.04 0.25

DI 2420 1.16 0.64 0.874

DII 2400 0.93 0.64

DIII 2380 0.88 0.64

DIV 2350 0.81 0.64

2

Samot SI 1950 1.27 0.64 0.96 0.23

SII 1900 1.11 0.64 0.865 0.23

SIII 1850 0.84 0.64 0.85 0.23

SIV 1800 0.81 0.64 0.83 0.23

3 Manhedi MI 2700 4.65 -1.75 1.045 0.29

MII 2650 6.2 -2.7 1.04 0.29

10

4 Cromit 3050 1.28 0.4 0.837 0.29

5 Manhedi - Cromit

3000 4.07 -1.1 0.9 0.12

6 Crom - Manhedi 2800 2.00 -0.35 0.754 0.15

3000 2.8 -0.98 0.754 0.15

7 Forstenit 2400 1.535 -0.25 0.89 0.42

3000 3.3 -1.1 0.892 0.42

8 Spinen 3000 4.07 -1.1 0.775 0.3

9 Cacbitsilic

2000 5.7 -1.6 0.96 0.146

2100 5.2 -1.3 0.96 0.146

2000 16.8 -7.3 0.93 0.135

2500 21 -10.5 0.965 0.15

10 Gạch cacbon 23 0.35 0.8

1.2.2.Tính chất sử dụng của vật liệu chịu lửa

1. Độ chịu lửa

Độ chịu lửa của vật liệu là khả năng chống lại quá trình biến dạng khi chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao.

Độ chịu lửa là một trong những tính chất cơ bản để xác định khả năng sử dụng của vật liêu chịu lửa, phụ thuộc vào thành phần hoá học của vật liệu.

2. Độ bền nhiệt

Độ bền nhiệt là khả năng chống lại sự phá huỷ trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.

Nguyên nhân dẫn đến nứt vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là sự xuất hiện ứng suất bên trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và làm nguội. Trong quá trình nung nóng không đều trong vật liệu nên sẽ xuất hiện ứng suất trượt giữa các lớp vật liệu do dãn nở nhiệt không đều. Khi làm nguội, lớp bề mặt bị co lại nhưng bên trong nhiệt độ vẫn cao, do vậy vật liệu chịu lửa sẽ có ứng suất kéo và xuất hiện kẽ nứt ởcác mặt thẳng góc với bề mặt làm nguội.

Khả năng của vật liệu chịu lửa chống lại các ứng suất xuất hiện bên trong sản phẩm; phụ thuộc vào tính chất cơ học và tính chất đàn hồi của nó.

3. Độ bền cơ học

11

Một tính chất quan trọng của vật liệu chịu lửa là khả năng chống lại đồng thời tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Độ bền cơ học được đặc trưng bằng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 0,2 N/mm2, biểu thị khoảng mềm khi đó sản phẩm sẽ bị biến dạng dẻo.

Tải trọng thực tế khi làm việc thường nhỏ hơn tải trọng kiểm tra (0,2 N/mm2) nhiều. Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng là một chỉ tiêu rất quan trọng của vật liệu đặc trưng cho khả năng làm việc dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng. Chỉ tiêu này phản ánh đúng khả năng sử dụng hơn so với độ chịu lửa trong những điều kiện cụ thể.

4. Tính ổn định thể tích ở nhiệt độ cao

Vật liệu chịu lửa khi sử dụng thường phải chịu tác dụng nhiệt độ cao và lâu hơn nhiệt độ nung khi chế tạo ra chúng. Do vậy, khi làm việc sẽ có sự thay đổi thành phần pha, kết tinh lại và kết khối phụ. Do đó vật liệu sẽ có thể bị co hoặc nở phụ; hiện tượng đó làm sản phẩm biến đổi không thuận nghịch kích thước dài của chúng.

Ở nhiệt độ cao, phần lớn sản phẩm chịu lửa sẽ xít chặt lại do kết khối. Sự xít chặt này xảy ra do sự căng bề mặt của pha lỏng, gây nên hiện tượng sắp xếp lại và có sự sát nhập các hạt trong vật liệu. Khi duy trì lâu dài ở nhiệt độ cao, tinh thể lớn dần và sản phẩm trở nên xít chặt hơn. Hiện tượng co phụ sẽ làm xuất hiện kẽ nứt giữa mạch vữa và các viên gạch, bong vữa và dẫn đến hạ thấp độ bền xỉ, độ bền nhiệt của vật liệu chịu lửa. Tường và vòm lò sẽ bị lún xuống dần sẽ bị phá hủy.

5. Độ bền xỉ

Trong lò công nghiệp ở nhiệt độ cao vật liêu chịu lửa thường phải tiếp xúc với môi trường lỏng, môi trường khí và môi trường rắn. Môi trường lỏng tiếp xúc với gạch như xỉ nóng chảy, kim loại nóng chảy, thủy tinh lỏng, tro xỉ, nhiên liệu chảy lỏng.

Môi trường khí phá hoại chi tiết thường là sản phẩm cháy, nhiên liệu khí, khí co trong lò cao, khí cácbuahyđro trong lò cốc hoá... Các khí này thấm sâu vào các lỗ của gạch phá hoại hoặc hạ thấp độ bền của chúng.

Môi trường rắn tác dụng với gạch chịu lửa như bụi quặng, bụi phối liệu, bụi xỉ hoặc xỉ rắn hoặc tiếp xúc giữa hai loại vật liệu chịu lửa với nhau.

Xỉ phá hoại gạch chịu lửa có hai dạng: ăn mòn và xâm thực.

6.Dãn nở nhiệt

Các vật liệu chịu lửa khi đốt nóng thường bị giãn nở, sau khi làm nguội sẽ trở về thể tích ban đầu. Sự dãn nở do đốt nóng khác với hiện tượng dãn nở phụ do sự biến đổi thành phần pha và cấu tạo của vật liệu. Ứng suất

12

trong vật liệu hình thành do đốt nóng hoặc làm nguội nhanh; nó phụ thuộc vào độ dãn nở nhiệt. Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu được xác định bởi các chỉ tiêu sau:

Hệ số dãn nở nhiệt trung bình:

Hê số dãn nở nhiêt thực:

Hệ số dãn nở nhiệt tương đối:

Lt0- chiều dài mẫu ở 0°c hay ở nhiệt độ trong phòng, m;

Lt- chiều dài mẫu ở nhiệt độ đo, m;

dL/dt- biến đổi chiều dài theo nhiệt độ

1.3. Các loại vật liệu chịu lửa

Vật liệu chịu lửa là loại vật liệu dùng để xây lắp các lò và thiết bị công nghiệp làm việc ở nhiệt độ cao. Theo quy ước chung, vật liệu được gọi là vật liệu chịu lửa khi nó có độ chịu lửa lớn hơn 15800C, tức nhiệt độ tại đó mà khối vật liệu hình chóp không bị phá hủy. Ngoài ra nó còn phải đảm bảo độ bền cơ học và hóa học, ổn định về mặt kích thước để làm việc ổn định lâu dài trong từng điều kiện cụ thể của nhiệt độ cao và ăn mòn hóa học.

Các vật liệu chịu lửa quan trọng đều là vật liệu gốm.

1.3.1. Vật liêu Đinat (Silica)

Vật liệu silica có hàm lượng SiO2lớn hơn hoặc bằng 93%, được gọi là đinát, khoáng chính là tridimit và crisobalit được sản xuất từ nguyên liệu thiên nhiên có hàm lượng SiO2 cao (cát thạch anh, quarztzit, sa thạch) bằng phương pháp thiêu kết ở dạng bột. Đinát là loại gạch chịu lửa axít. Đặc tính đặc biệt của đinát là độ chịu lửa gần nhiệt độ nóng chảy của chúng.

1. Cơ sở hoá lí

a) Sự biến đổi thù hình của ôxyt silic: nguyên liệu chủ yếu để sản xuất đinat là các quặng quắc. Cấu tử chủ yếu tạo thành quắc là ôxyt silic ở dạng tinh thể hay dạng vô định hình. Ôxyt silic SiO2 không ngậm nước có 8

13

dạng thù hình: (α,β) quắc; (α,β,γ) triđimit; (α,β) cristôbalit và thủy tinh quắc. Dạng ổn định ở nhiệt độ cao nhất kí hiệu là α , sau đó đến β rồi đến γ

Hình 1.4: Sự phụ thuộc của hệ số dãn nở nhiệt a của các dạng thù hình của SiO2 vào nhiệt độ

Phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên là β quắc. β quắc thường ổn định ở nhiệt độ thường, β đốt nóng đến 5730C nó sẽ biến thành α quắc, α quắc không tổn tại trong thiên nhiên do nhiệt độ ổn định nằm trong khoảng 573 – 8700C. Ở nhiệt độ 8700C, αquắc chuyển rất chậm thành α triđimit, khi đốt nhanh đến nhiệt độ lớn hơn 16000C sẽ được silic nóng chảy. nhiệt độ tồn tại của α triđimit là 870 - 14700C do vậy trong thực tế không tồn tại ngoài tự nhiên. Khi làm nguội α sẽ biến thành β triđimit rồi biến thành γ triđimit. Trên 1470°C α chuyển chậm thành α cristôbalit. Nếu đốt nóng nhanh đến nhiệt độ cao hơn 16700C, α triđimit chuyển thành thuỷ tinh quắc, β triđimit chỉ là dạng trung gian do sự biến đổi rất nhanh của α triđimit. Phạm vi tồn tại của chúng từ 117-1630C. λ triđimit được tạo thành do sự biến đổi rất nhanh của β triđimit ở nhiệt độ 1170C, nó thường gặp ở các quặng núi lửa trong dạng hình tấm 6 góc.

SƠ ĐỒ BIẾN ĐỔI THÙ HÌNH CỦA SiO2

14

Các mũi tên nằm ngang chỉ chiều hướng biến đổi (sự biến đổi này tiến hành chậm) và chỉ thuận nghịch trong điều kiện đặc biệt. Các mũi tên dọc chỉ sự biến đổi nhanh khi đốt nóng và làm nguội. Điểm quan trọng trong kĩ thuật khi biến đổi đa hình của SiO2 là khi biến đổi thù hình có sự thay đổi khối lượng riêng và thể tích. Sự không ổn định thể tích là nguyên nhân chính làm sản phẩm có độ bền nhiệt thấp. Khi sự biến đổi thù hình càng nhanh, thể tích thay đổi càng nhiều, độ bền nhiệt càng thấp. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ số dãn nở nhiệt vào sự thay đổi thể tích của các dạng thù hình SIO2 được trình bày ở hình 1.4

b) Quá trình hoá lí trong sản xuất đinat: thực nghiệm cho thấy rằng trong tất cả các dạng thù hình của ôxyt silic SiO2, triđimit là tinh thể bền vững và ổn định nhất. Do đó trong sản xuất sản phẩm đinát cần tạo ra nhiều triđimit nhất. Sự biến đổi từ quắc sang triđimit rất khó khăn. Để thúc đẩy quá trình này cần thiết phải có chất khoáng hoá. Các chất khoáng hoá có thể là CaO, MgO, MnO, BaO, FeO, Fe2O3, A12O3... Để quá trình triđimit hoá tiến hành tốt nhất, pha lỏng cần có độ thấm ướt tốt. Với mục đích đó, trong quá trình sản xuất thường bổ sung phụ gia sắt và mangan vào phối liệu sản xuất đinát.

2. Nguyên liệu vật liệu:

Đinát được sản xuất từ các nguyên liệu chứa nhiều SiO2 như cát quắc, sa thạch, và quắc. Cát quắc là sản phẩm phân hủy của quặng núi chứa quắc như đá hoa cương do tác dụng của khí quyển, gió và sự biến đổi của nhiệt độ. Cát quắc qua nhiều thế kỷ được thấm ướt nước có chứa các tạp chất rất mịn như đất sét, vôi, thạch cao. Các tạp chất này liên kết các hạt lại tạo thành quặng rắn hơn gọi là sa thạch. Sa thạch xít đặc gọi là quawcszzit. Còn quắc thường gặp trong dạng mạch nhỏ , ở các lớp quắczít tinh thể.

3. Kỹ thuật sản xuất đinát

Phần chuẩn bị phối liệu có hai công đoạn: chuẩn bị quắc zit là cấu tử

β quắc β tridirrìit β cristobalit Thủy tinh quắc

117°

γtridimit

15

chủ yếu và chuẩn bị sữa vôi, sắt keo là chất khoáng kết dính.

a) Chuẩn bị quắc zit: để sản phẩm đồng nhất và có tính chất xác định phải đập rồi nghiền mịn quắc zit. Thành phần hạt có giá trị quyết định lên quá trình chuyển hóa của quắc, lên mật độ sản phẩm, độ tả của chúng khi nung và khi dùng vì vậy phải tìm thành phần hạt đảm bảo cấu trúc của sản phẩm sau khi nung thật chặt chẽ, hạn chế độ nở khi nung, sau khi nung có khối lượng riêng nhỏ và ít tả khi dùng. Thành phần hạt được đặc trưng bằng hệ số hạt. Hệ số hạt là tỉ lệ giữa phần trăn hạt nhỏ hơn 0.88mm và hạt lớn hơn 0.54mm

Nếu tăng hệ số hạt thì giảm hiện tượng tả và tăng độ xốp của sản phẩm. Cỡ hạt tốt nhất là: hạt lớn nhất không lớn hơn 3mm, hạt 0,5mm không lớn hơn 55 - 65%, hạt 0,088mm: 30 - 40%.

b) Chuẩn bị phụ gia khoáng hoá

* Vôi: Chất khoáng hoá trong sản xuất đinát là vôi ở dạng sữa. Vôi sữa làm tăng tính chất đóng khuôn của phối liệu, phân phối đều phụ gia, liên kết các hạt quắczit đã nghiền nhỏ, làm các viên bán thành phẩm có cường độ trước và sau khi sấy, xúc tiến chuyển hoá quắc trong quá trình nung, Để có vôi sữa phải thực hiện phản ứng sau:

CaCO3—> CaO + C02↑ - Q (CaO là vôi sống)

CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q (tôi vôi)

*Phụ gia sắt: Sắt hai (FeO) được dùng để hạ thấp nhiệt độ tạo thành chất nóng chảy. Thường dùng vảy sắt, xỉ nấu thép, mẫu pirít đã cháy. Độ hạt của chúng bằng 0,2mm. Để đảm bảo độ ẩm của phối liệu, phụ gia chứa sắt được nghiền mịn trong máy nghiền bi không dùng nước mà dùng vôi sữa. Sau đó dung dịch vôi sắt được khuấy liên tục để tránh lắng và tăng độ đồng nhất.

*Keo kết dính: tác dụng của keo làm quá trình liên kết trong khi nén phối liệu dễ dàng, tăng cường độ viên mộc trước và sau khi sấy. Thường dùng keo SSB là nước thải của quá trình sản xuất giấy. Để sản xuất đinát dùng 0,5-0,8% phụ gia SSB nằm ở dạng dung dịch.

c) Chuẩn bị phối liệu: phối liệu là hỗn hợp của các cấu tử quắczit, chất khoáng hoá, vôi, sắt, phụ gia keo kết dính... Các cấu tử của phối liệu đảm bảo có độ ẩm để đóng khuôn và phải trộn đều. Độ ẩm của phối liệu do sữa vôi sắt đem vào và dao động trong khoảng 4 - 6% tuỳ loại máy nén. Phối liệu được trộn trong máy trộn quả lăn.

d) Tạo hình, đóng khuôn sản phẩm: sản phẩm đinát được tạo hình

16

bằng phương pháp bán khô. Phối liệu nén đổ vào khuôn và được nén dưới áp suất 15N/mm2.

e) Sấy sản phẩm: mục đích sấy sản phẩm là loại trừ nước ra khỏi sản phẩm, kết tinh hydoxytcanxi, tăng cường độ cơ học của sản phẩm. Nhiệt độ sấy cao hơn 1000C. Sau khi sấy độ ẩm còn lại 1 - 1,5% cường độ viên mộc khi đó tăng lên 3 - 5 N/mm2.

Sấy trong lò Tuynen, lò buồng, thời gian sấy từ 4-16 giờ tùy loại sản phẩm.

g) Nung sản phẩm: Khi nung đinat sẽ xảy ra các quá trình sau:

- CaO và SiO2 tác dụng tạo ra Sillicat canxi. Sillicát canxi tạo thành dung dịch rắn với sillicát sắt. Khi đạt đến nhiệt độ cao chúng tạo thành chất nóng chảy giàu SiO2 từ chất nóng chảy này kết tinh tinh thể triđimit, khi làm nguôi chất nóng chảy này đông lại thành thủy tinh.

- Biến đổi thù hình của quắc thành triđimit và cristobalit.

- Dãn nở gạch đinát do biến đổi thù hình của quắc.

- Biến đổi cường độ cơ học của đinát.

Nhiệt độ nung cao nhất 1400°C. Tốc độ nung: từ nhiệt độ thường đến 1200°C: 20 - 25°C/h; Từ 1200 - 1350°C: 10°C/h; 1350 - 1460°C: 3 - 5°C/h. Duy trì ở nhiệt độ cực đại khoảng 40h.

Thời gian nung: lò Tuỵnen 70 - 85h; lò buồng đốt khí loại nhỏ: 135 - 215h, lò buồng lớn 270 - 360h.

- Làm nguội đinát: từ nhiệt độ cao đến 400 - 350°C làm nguội nhanh (có thể dùng quạt). Từ 300°C trở xuống phải làm nguội chậm do có sự biến đổi thù hình của đinát. Thời gian làm nguội: lò Tuynen: 50 - 60h; lò buồng nhỏ 136 - 215h, lò buồng lớn: 180 - 240h.

4. Tính chất của đinát

Đặc tính đặc biệt của đinát là khi đốt nóng chúng nở ra (khác với samốt khi đốt nóng chúng co lại), nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng là khá cao. Đinát rất bền vũng với xỉ axít, độ dẫn nhiệt cao hơn gạch samốt nhưng độ bền nhiệt lại kém gạch samốt.

a) Thành phần hoá học và tính chất lí học: đinát sử dụng ở lò Máctanh, lò thủy tinh, lò cốc, lò điện nấu thép... Tuỳ theo nơi sử dụng nó có yêu cầu về tính chất lí học và thành phần hoá học tương ứng (bảng 1.2).

Bảng 1.2: Thành phần hóa học và tính chất lý học của Đinát

17

Các chỉ tiêu Đinát để lót lò Mác tanh Đinát lót lò điện nấu thép

Đinát xây lò cốc

Đinát xây lò nấu thủy tinh

Loại đặc biệt

Loại I Loại II

% SiO2 ≤ 94.5 94.5 93 96 94 93

% Al2O3 ≥ 1.5 - - 1.5 - -

%CaO ≥ 2.8 - - 2 - -

Độ chịu lửa ≤

17100C 17100C 17100C 17200C 17000C 17100

C

Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng 0.2N/mm2.0

C ≤

1660 1650 1620 1650 1650 -

Độ xốp biểu kiến % ≥

23 23 25 22 23 22

Khối lượng riêng g/cm3 ≥

2.36 2.38 2.40 2.34 2.37 2.38

Gạch đinát nhiều silic mật độ cao để lót vòm lò Máctanh có hàm lượng SiO2: 97,5 - 98%, độ chịu lửa: 1735°C; độ xốp biểu kiến: 11 - 13%, cường độ chịu nén: 60° - 100 N/mm2, khối lượng riêng: 2,34 - 2,38 g/cm, độ thẩm khí 0,028 - 0,044.

b) Biến đổi thể tích khi thay đổi nhiệt độ.. Khi đốt nóng hay làm nguội đinát bị biến đổi thể tích do dãn nở nhiệt và biến đổi thù hình.

Ở 117° - 163°C: đinát dãn nở do sự biến đổi thù hình từ γ → β → αtriđimít;

180 - 270°C: đinát nở 0,4% do biến đổi từ β → crisotabalit

300 - 500°C: dãn nở do nhiệt;

18

500 - 600° C: đinát dãn nờ do β → αquắc;

600 - 1300°C: dãn nở do nhiệt 0,2%;

1300 - 1400°C: dãn nở 0,2 - 0,5% do sự biến đổi của quắc chưa chuvển hoá thành triđimit và cristobalit. Dãn nở của đinát tổng cộng đến1450°C (tuỳ mức độ chuyển hoá) có thể từ 1,4 - 2%.

Khi làm nguội thể tích của đinát giảm ít trong khoảng 1400 – 2500C, nhưng từ 2500 - 500C thể tích giảm nhiều hơn do sự biến đổi của cristobalit.

c) Độ bền nhiệt: độ bền nhiệt của đinát khi đốt nóng đến 850°C sau đó làm nguội trong nước không quá 2 - 3 lần. Sở dĩ thấp như vậy do sự biến đổi của cristobalit ở nhiệt độ thấp làm thay đổi thể tích đột ngột. Độ bền nhiệt phụ thuộc vào hệ số nở dài, thành phần khoáng, độ dẫn nhiệt, cường độ và môđun đàn hồi khi kéo và trượt. Độ dẫn nhiệt và cường độ nén lại phụ thuộc vào mật độ hay độ xốp của gạch đinát. Khi độ xốp trong khoảng 18 - 43%, ở nhiệt độ trung bình 6500C ta có sự phụ thuộc sau:

, W/mK

(W là độ xốp, λ: Hệ số dẫn nhiệt)

d) Độ bền xỉ: đinát là vật liệu chịu lửa axít. Ôxyt sắt, vôi và các kim loại khác tác dụng với silic trong đinát thành silicat dễ nóng chảy.

Trường hợp trong lò nung vôi gián đoạn, ở nhiệt độ 1100 - 11500C vôi và đinát tác dụng với nhau tạo thành silicatđicanxi, khi làm nguội, tường lò bị phá hoại mặc dù không có mặt pha lỏng, hoặc trong lò Máctanh các bụi nóng chảy có chứa Fe, MgO, CaO, MnO... tác dụng vói tường lò. Bụi phối liệu chứa kiềm phá hoại gạch đinát như trong lò thủy tinh.

Mức độ xỉ thấm sâu vào trong lò viên gạch để phá hoại gạch xác định bằng phương trình:

x - chiều sâu xỉ thấm vào gạch, m;

σ- Sức căng bề mặt của chất lỏng, N/m;

θ- góc thấm ướt của xỉ lỏng;

η- độ nhớt của chất lỏng, Ns/m2 ;

τ- thời gian thấm, s;

r - bán kính lỗ xốp, m.

19

Để giảm x phải giảm độ xốp, giảm kích thước lỗ xốp của sản phẩm.

Ở nhiệt độ 1500°C đinát không tác dụng với đa số gạch chịu lửa như crôm-manhêđi, cao alumin, crômit, forstenit mà chỉ phản ứng ít vói manhêdi và samôt.

Ở nhiệt độ 1600 - 1650°c đinát tác dụng mạnh với samốt, manhêđi và crôm-manhêdi.

Đinát đặc biệt bền vững đối với gạch crômit và cao alumin ngay cả ở nhiệt độ cao tới 1670°C. Lợi dụng tính chất đó có thể xây gạch đinát với hai loại gạch này ở vòm lò Máctanh hoặc xây lớp gạch ngăn cách giữa gạch đinát với những gạch phản ứng vói chúng bằng gạch crômit và cao alumin.

5. Sử dụng gạch đinát

Theo mục đích sử dụng, gạch dinat được phân loại theo ba loại: đinát dùng trong lò cốc hoá, lò luyện kim và lò thuỷ tinh tuỳ theo tính chất của chúng.

Theo hình dạng phân ra hai loại, loại thường và loại dị hình. Loại dị hình đơn giản thường dùng trong lò luyện kim, loại dị hình phức tạp dùng trong lò cốc và lò thuỷ tinh. Như trong lò cốc dùng tói 250 - 260 loại đinát có kích thước và hình dạng khác nhau. Xây lò cốc bằng gạch đinát tốt hơn nhiều nếu xây bằng gạch samốt vì đinát còn có tác dụng thúc đẩy quá trình cốc hóa. Đinát cũng hay được dùng để xây nóc, cũng như tường và vòm ở phần dưới lò Mác tanh, xây tường và nóc lò điện nấu thép loại nhỏ theo quá trình axít, xây lò phản xạ...

Gạch đinát sử dụng rộng rãi làm vòm lò vì nó không bị co khi dùng; và độ dãn nở của đinát đủ làm chặt các mạch xây, làm vòm lò vững chắc hơn, độ thẩm khí giảm đi nhiều.

Ngoài ra đinát còn được sử dụng để xây lò nồi và phần trên của lò bể nấu thuỷ tinh, làm đệm trong lò gió nóng, xây buồng hồi nhiệt, lò nung vôi, lò Tuynen...

6. Các loại đinát khác

a) Đinát nhiều silic mặt độ cao: do yêu cẩu sử dụng trong các lò nấu thép, để tăng chất lượng đinát chống lại tác dụng của xỉ sắt, giảm độ xốp, khắc phục hiện tượng tả ở nhiệt độ cao người ta sản xuất ra sản phẩm nhiều silic mật độ cao.

b) Đinát-crôm: để nâng cao độ bền xỉ, người ta sản xuất gạch đinát crôm bằng cách cho vào phối liệu một ít crômít (khoảng 30%). Cho Cr2O3 vào làm độ chịu lửa và độ bền xỉ tăng vì crômít làm giảm khả nãng thấm các chất nóng chảy silicat vào các lỗ của gạch.

20

c) Đinát-cácborun: để tăng độ bền nhiệt của đinát người ta cho phụ gia cácborun vào phối liệu (20 - 30%). Đinát-cácborun giảm độ giãn nở nhiệt tăng độ bền khi trượt, tăng độ đẫn nhiệt, cường độ chống bào mòn cao.

1.3.2. Sản phẩm họ aluminnosilicat

Tùy hàm lượng ôxyt nhôm trong sản phẩm mà họ này chia làm ba loại:

- Bán axit: A12O3+ TIO2< 30%

- Samốt: AlB2O3+ TiO2< 30 - 45%

- Cao alumin: A12O3+TiO2> 45%

1. Samốt

Samốt là loại vật liệu chịu lửa phổ biến nhất, chiếm đến 70% tổng số vật liệu chịu lửa. Sản xuất samốt từ đất sét hoặc cao lanh chịu lửa. Đất sét chịu lửa là các mảnh vỡ của quặng trầm tích, nó là các loại hyđtô aluminosilicat phân tán rất cao, hợp với nước, chúng cho ra một khối thể dẻo, duy trì được hình dáng sau khi sấy và có cường độ như đá sau khi nung. Khoáng chủ yếu trong cao lanh là caolinit (Ai2O3. 2SiO2. 2H2O).

b) Các loại sản phẩm samốt khác

* Sản phẩm samốt cao lanh: dùng cao lanh làm nguyên liệu ban đầu, tăng hàm lượng A12O3 đến 42 - 45% và giảm được tổng số các chất nóng chảy từ 5 - 6% xuống còn 2,5 - 3%. Kĩ thuật sản xuất samốt cao lanh cũng như kĩ thuật sản xuất samôt chỉ khác là nguyên liệu tinh khiết hơn, nhiệt độ nung thành và sản phẩm cao hơn.

Tính chất của samốt cao lanh và samốt thường được thể hiện ở bảng 1.3.

Bảng 1.3: Tính chất của samot cao lanh và samot thường

Loại sản phẩm

%Al2O3 Nhiệt độ nung 0C

Độ chịu lửa 0C

Tổng tạp chất

nóng chảy

Nhiệt độ biến dạng

Bắt đầu 40%

Sa mốt cao lanh

40 – 44 1450 – 1500

1750 – 1770

2.5 – 3 1500 1650

Sa mốt đất sét

38 – 40 1350 – 1420

1710 – 1750

5 – 6 1400 1600

21

Sản phẩm bán axit: sản phẩm bán axit là sản phẩm sản xuất từ đất sát bán axit cao lanh làm gầy bằng vật liệu quắc, chứa Al2O3 + TiO2 không quá 30%. Vật liệu quắc có thể dùng nguyên liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo. Tùy theo nguyên liệu sử dụng sẽ có sản phẩm quắc cao lanh hoặc quắc đất sét. Quắc cao lanh có độ chịu lửa không thấp hơn 17100C chứa gần 70% SiO2 (25%Al2O3), độ xốp cao (hơn 25%) và độ bền không cao.

Trong sản phẩm bán axít các hạt quắc nhỏ có ảnh hưởng tới đặc tính kết khối của sản phẩm khi nung. Ở nhiệt độ thấp (đến 1200°C) nó làm sản phẩm tả, xốp do sự dãn nở từ βSiO2sang αSiO2 và có thể bắt đầu chuyển thành cristobalit. Ở nhiệt độ cao hơn 1300 - 1350°C sản phẩm kết khối và xít đặc lại. Sự dãn nở của quắc ở nhiệt độ thấp sẽ được bù trừ bằng độ co của đất sét kết khối do đó thể tích ổn định.

Nhiệt độ bắt đầu biến dạng cao và thể tích ổn định là hai ưu điểm lớn của sản phẩm bán axít khiến nó được dùng nhiều hơn cả gạch samốt loại C. Gạch bán axít thường xây ở tường lò cốc hoá làm việc ởnhiệt độ thấp.

Sản phẩm bán axít với chất làm gày là quắc thiên nhiên dễ kiếm, rẻ hơn samốt, có thể thay thế cho gạch samốt C, phương pháp sản xuất giống như sản xuất gạch samốt C. Phương pháp sản xuất giống như sản xuất gạch samốt chỉ khác ở mức độ làm gầy phối liệu (tốt nhất là cho vào 10 - 20% samốt).

c) Tính chất và ứng dụng

* Độ chịu lửa: độ chịu lửa của samốt, samốt cao lanh, bán axít dao động trong khoảng 1580 – 1700 tuỳ theo thành phần hoá học và thành phần pha của sản phẩm.

Sản phẩm samốt theo độ chịu lửa chia làm bốn loại:

- Loại đặc biệt: độ chịu lửa 1750 - 1770oC;

- Samốt A: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1730°C;

- Samốt B: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1670°C;

- Samốt C: độ chịu lửa không nhỏ hơn 1610°C;

* Nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng: các nhân tố kĩ thuật ảnh hưởng chủ yếu lên nhiệt độ bắt đầu biến dạng và nhiệt độ biến dạng 40%. Nhân tố nào đảm bảo cấu trúc của vật liệu đặc hơn, bền vững hơn thì sẽ tăng nhiệt độ bắt đầu biến dạng và tăng một ít nhiệt độ biến dạng hoàn toàn 40%. Tăng nhiệt độ biến dạng cũng có thể khi các điều kiện khác như nhau thay phương pháp nén dẻo bằng phương pháp bán khô. Sản phẩm nung ở nhiệt độ dưới nhiệt độ kết khối, đất sét kết dính do còn co phụ nên hạ thấp nhiệt độ nhiệt độ bắt đầu biến dạng.

22

Sản phẩm samốt thường nhiệt độ bắt đầu biến dạng: 1250 - 14000C(độ bền nhiệt ứng với 850°C và làm nguội bằng nước). Độ bền nhiệt độ biến dang 40%: 500 - 16000C

Samôt cao lanh, nhiệt độ bắt đầu biến dạng: 1450 - 15500C, kết thúc biến dạng ở 1600 - 16500C

Bán axít: nhiệt độ nhiệt độ bắt đầu biến dạngcao hơn một ít so với samốt nhưng nhiệt độ biến dạng hoàn toàn lại thấp hơn samốt (1450 - 15500C).

* Ổn định thể tích: gạch, khi samốt dùng lâu trong lò nung nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nung, sẽ làm sản phẩm có độ co phụ. Nếu nhiệt độ nung quá cao, tường gạch samốt sẽ biến dạng, cường độ cơ học của chúng kém đi. Đại lượng co phụ phụ thuộc chủ yếu thành phần phối liệu sản xuất và nhiệt độ nung. Độ co phụ nhỏ nhất của sản phẩm dưới tải trọng khi độ chịu lửa và độ xốp như nhau là sản phẩm từ phôi liệu dẻo co lớn nhất - phối liệu bán khô nhiều samôt,phối liệu samốt thường nén bán khô nằm trung gian .

Sản phẩm bán axit khi sử dụng có mức độ co nhỏ hơn so với samốt và có một vài loại lại nở. Đó là ưu điểm lớn của sản phẩm bán axít so với gạch samốt. Muốn có sản phẩm bán axit có thể tích ổn định cần lựa chọn lượng và kích thước hạt quắc trong phối liệu..

*Độ bền nhiệt: sản phẩm samốt nói chung có độ bền nhiệt cao, đó là loại điển hình cho gạch chịu lửa họ aluminôsilicat. Tuy nhiên độ bền nhiệt của sản phẩm này dao động trong một khoảng lớn tùy thuộc vào thanh phần phối liệu, phương pháp nén, tạo hình, cấu trúc của sản phẩm. Độ bền nhiệt phụ thuộc vào phương pháp sản xuất như sản phẩm tạo hình bằng phương pháp dẻo có độ bền nhiệt 6 - 12, tạo hình bằng phương pháp bán khô: 7 - 50 (đốt nóng đến 13000C làm nguội bằng nước).

Nếu tăng hàm lượng samốt lên, độ bền nhiệt tăng. Ví dụ, sản phẩm có tỉ lệ samốt đất sét như sau:

Từ 40/606 đến 606/406 độ bền nhiệt: 10 – 15

90/10 độ bền nhiệt 150

(độ bền nhiệt ứng với 8500C và làm nguội bằng nước). Độ bền nhiệt của sản phẩm samốt không còn phụ thuộc vào độ xốp của sản phẩm mà phụ thuộc vào nhiệt độ nung chúng.

* Độ bền xỉ: Yếu tố quyết định nhất đến độ bền xỉ của sản phẩm samốt, bán axít là cấu trúc hạt và mật độ của chúng. Sản phẩm có lỗ, khe hở, vết nứt có nguy cơ xỉ thấm vào, ăn mòn nhanh. Ngược lại loại có cấu trúc hạt nhỏ, đặc có độ bền xỉ lớn. Ngoài ra độ bền xỉ còn phụ thuộc vào lượng lỗ xốp có trong sản phẩm. Tất cả những nhân tố kỹ thuật làm giảm độ xốp của sản

23

phẩm đều làm tăng độ bền xỉ của chúng.

Thành phần hóa học của sản phẩm khi Al2O3 trong khoảng 30 - 40% không làm ảnh hưởng đến độ bền xỉ. Khi Al2O3> 40% độ bền xỉ tăng. Gạch bán axít có độ bền xỉ cao đối với xỉ axít và kém với xỉ basic.

* Tiêu chuẩn gạch samốt và bán axít: tính chất cơ lí của sản phẩm samốt trình bày trong bảng 1-4.

Bảng 1.4: Tính chất cơ lý của sản phẩm samot

Các chỉ tiêu Loại A Loại B Loại C

Độ chịu lửa 0C ≤ 1730 1670 1610

Sức co phụ % ≥ 0.7 0.7 0.7

Ở nhiệt độ 1400 1350 1250

Nhiệt độ B.Đ, 0C ≤ 1300 - -

Cường độ chịu nén, N/mm2 ≤ 12.5 12.5 10.0

Độ xốp biểu kiến , % ≥ 30 30 -

Tính chất cơ lý của sản phẩm bán axit cho trong bảng 1-5.

Bảng 1.5: Tính chất cơ lý của sản phẩm bán axit

Các chỉ tiêu Loại A Loại B Loại C

Độ chịu lửa 0C ≤ 1710 1670 1610

Co và phụ % ≥ 0.5 0.5 1.0

Ở nhiệt độ 1400 1350 1250

Nhiệt độ B.Đ, 0C ≤ 1400 1300 -

Cường độ chịu nén, N/mm2 ≤ 10.0 10.0 10.0

* ứng dụng: samốt có độ bền nhiệt cao, độ chịu lửa đạt yêu cầu, độ bền xỉ lớn nhấ, là nguyên liệu sản xuất dễ kiếm nên nó là loại gạch dùng nhiều nhất về số lượng cũng như phạm vi sử dụng.

Trong sản xuất gang samốt dùng để xây lò cao (đáy lò, cổ lò), lò gió nóng, thùng đổ gang. Trong luyện thép samốt dùng để xây một số tường lò làm việc ở nhiệt độ cao lắm và các bộ phận của lò Máctanh.

Trong công nghiệp silicát dùng để xây lò nung đồ gốm, đổ sành sứ, lò nấu thuỷ tinh, lò nung xi măng, lò khí hoá, các buồng đốt...

Ngoài ra samốt còn dùng xây lò luyện cốc, các lò luyện kim màu, nồi hơi...

24

Theo thành phần hoá học samốt là loại sản phẩm trung tính và kiềm yếu do đó cho phép ta dùng xây lò tiếp xúc với xỉ axít hoặc xỉ bazơ. Thực tế, samốt chống sự tác dụng của xỉ axít rất tốt, nhưng chống sự tác dụng của bazơ kém hơn.

Gạch samốt A, dùng ở chỗ tiếp xúc trực tiếp với kim loại, xỉ, thủy tinh chảy lỏng, khi cần độ thẩm khí nhỏ như những dãy đầu của lò cao, thùng đúc thép, lò quay, lò khí hoá, hàng chân của vòm lò, tường tháp chưng luyện và lò múp.

Gạch samốt B, có thể dùng khi lò tiếp xúc trực tiếp với kim loại, xỉ, thủy tinh chảy lỏng, những bộ phận tường lò không làm việc ví dụ: dãy thứ hai, thứ ba của lò cao, lò đứng, lồ khí hoá, buồng đốt than củi...

Gạch smốt C, dùng trong các bộ phận không quan trọng của lò nung đồ gốm, tường ống khói...

Bảo quản sản phẩm samốt cần giữ khỏi bị ẩm gạch vì khi độ ẩm lớn, cường độ viên gạch bị hạ thấp nhiều.

2. Sản phẩm cao alumin

Cao alumin là loai sản phẩm chịu lửa có hàm lương Al2O3+ TiO2 lớn hơn 45%.

Vật liệu chịu lửa cao alumin có chất lượng cao, đáp ứng được yêu cầu tăng cường quá trinh nhiệt trong các lò, đảm bảo độ bền, chịu tải trọng cơ học và chịu tác dụng của môi trường khí ở nhiệt độ cao..., đã được sử dụng trong cả những điều kiện làm việc rất nặng nề mà samốt không thể chịu đựng nổi.

Tùy hàm lượng ôxyt nhôm có trong sản phẩm và người ta chia cao alumin ra 3 loại:

- Loại A: từ 45 - 50% AL2O3;

- Loại B: từ 60 - 75% A12O3;

- Loại C: > 75% A12O3.

Hàm lượng ôxyt nhôm không chỉ là chỉ tiêu để phân loại sản phẩm mà còn quyết định những tính chất cơ bản của sản phẩm cao alumin cũng như qua đó lựa chọn nguyên liệu và kĩ thuật thích hợp.

1.3.3 Vật liệu chịu lửa manhêdi

Vật liệu chịu lửa manhêdi là loại vật liệu chịu lửa kiềm tính điển hình, chứa khoáng periklaz (MgO) thường từ 80 - 85%. Độ chịu lửa của chúng cao hon 20000C (nhiệt độ nóng chảy của MgO nguyên chất 28000C), có độ bền lớn đối với tác dụng của xỉ bazo (ngay ở 16000C xỉ bazo, kim loại nóng chảy

25

cũng không có tác dụng với nó).

Vật liệu manhêđi có hai loại, loại bột và loại viên.

Loại viên để xây tường lò tiếp xúc với xỉ bazo nóng chảy và các cốc đổ thép. Loại bột để đặp nền lò luyện kim, làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm chứa manhêdi như gạch đôlômi, forstenit...

1.3.4.Vật liệu chịu lửa Forstenit

Forstenit là loại sản phẩm chủ yếu chứa khoáng forstenit 2MgO.SiO2 (đến 85%) và manhêdi ferit MgO. Fe2O3 (đến 15%).

Nguyên liệu để sản xuất gạch forsteni là manhêdi kết khối với các khoáng chứa silicat manhêdi như: ôlivin [(Mg, Fe)2SiO4 + tạp chất], serpentin [3(Mg, Fe)O. 4SiO2. H2O + tạp chất)]. Các tạp chất có hại trong nguyên liệu là CaO và A12O3.

Ứng dụngcủa gạch forstenit:

Gạch forstenit chủ yếu dùng làm đệm buồng hồi nhiệt của lò Máctanh thay cho đinat và samôt. Gạch này làm đệm cho cả hai buồng: buồng đốt nóng không khí và buồng đốt nóng nhiên liệu khí. Gạch I forstenit chống lại tác dụng của bụi xỉ nóng chảy rất tốt nên có thể tăng nhiệt độ đốt nóng đệm đến 1350 - 14000C do đó tăng đươc nhiệt độ lò, năng suất lò tăng. Gạch forstenit có độ bền đối với xỉ bazơ rất cao nên có thể thay thế gạch manhêdi, đặc biệt trong điều kiện tác dụng với xỉ sắt. Gạch forstenit còn dùng xây lò Máctanh, lò luyện kim màu, lò phản xạ nấu đồng. Gạch forstenit dùng rất tốt để xây vùng nung lò quay ximăng và lò nung manhêdi. Gạch forstenit ở nhiệt độ cao hơn 15000C không thể tiếp xúc với gạch samốt hay đinát được do chúng tạo thành hợp chất dễ nóng chảy.

1.3.5. Vật liệu chịu lửa nhóm spinen

Vật liệu chịu lửa họ spinen gồm crômit, crôm-manhêdi và spinen. Đó là loại vật liệu chịu lửa chủ yếu chứa các dạng khoáng spinen khác nhau. Spinen là nhóm hợp chất có công thức chung R2+O. R23+O, trong đó R2+ có thể là Mg, Fe, Zn, Mn, co, Ni, còn R3+ là Fe, Al, Cr, Mn. Ví dụ: Khoáng manheđi spinen MgO. Al2O3, manhêdi pherit MgO. Fe2O3, phericrômit FeO.CR2O3…

1. Vật liệu chịụ lửa crômit

Nguyên liệu chủ yếu là quặng crômit. Crômit là quặng mà thành phần khoáng là (Fe, Mg)O. (Cr2, Al2)O3 chiếm khoảng 80%.

Phụ gia là manhêdi bazơ (9%) và quặng đunit (6%). Trong crômit có lẫn serpentin là khoảng không chịu lửa cho nên phải có MgO để tạo ra forstenit chịu lửa cao. Để tăng lượng forstenit cần phải thêm quặng đunit.

26

Lượng MgO cho vào cũng nhằm biến Fe2O3 thành manhêdi ferit chịu lửa.

Đunit, manhêdi bazơ, crômit được nghiền mịn và trộn đều theo tỉ lệ hạt nhất định. Để tăng tính liên kết của phối liệu thêm 0,5% keo SBB. Áp suất tạo hình 60 N/mm2, nhiệt độ nung gạch crômit 1450 - 15500C. Duy trì nung ở nhiệt độ cực đại 6 giờ, thời gian nung tổng cộng 100 - 120 giờ,

Tính chất của sản phẩm crômit:

Cường độ nén, N/mm2: 30 - 70;

Độ xốp biểu kiến, %: 16 - 19;

Khối lượng thể tích, g/cm3: 3,0 - 3,1;

Độ chịu lửa, 0C: 1900;

Nhiệt độ B.Đ, 0C: 1570 - 1650;

Nhiệt độ phá huỷ, 0C: 1600 - 1690;

Độ bền nhiệt, lần: 94 - 16 (làm nguội bằng không khí);

Hệ số nở dài đến 15000C, 1/độ: 1,0. 10-5;

Co phụ ở 17000C trong một giờ, %: 1.

Gạch crômit là gạch trung tính, nó có thể tiếp xúc với gạch axit và bazơ ngay ở 17000C mà không tác dụng nào đáng kể.

Vì vậy gạch crômit để xây lớp ngăn cách giữa hai loại vật liệu trên. Tuy nhiên nó không tiếp xúc được với gạch samốt vì độ chịu lửa của hỗn hợp crômit với cao lanh sẽ bị hạ hấp.

Ngoài ra gạch crômit có thể dùng xây lò đốt nóng ở đó đòi hỏi độ bền xỉ cao.

2. Vật liệu chịu lửacrôm-manhêdi

Gạch crôm-manhêdi sản xuất từ quặng crômit và manhêdi kết khối loại tốt với tỉ lệ tốt nhất giữa crômit và manhêdi là 30/70 (đối với gạch crôm-manhêdi bền nhiệt) và 65/35 (đối với gạch có nhiệt độ biến dạng cao).

Toàn bộ phối liệu được nghiền nhỏ rồi trộn theo một tỉ lệ xác định, với thành phần hạt nhất đinh. Độ ẩm của phối liệu 3 -3,5%.

Để tăng độ liên kết cần thêm 1,2 - 1,5% keo SSB. Tạo hình dưới áp suất từ 80 - 100 N/mm2.

Sấy sản phẩm trong lò Tuynen ở nhiệt độ 1400C(nhiệt độ vào của tác nhân sấy) trong thời gian 30 giờ, đến độ ẩm cuối cùng 0,4%. Nung sản phẩm trong lò Tuynen, nhiệt độ nung cực đại không nhỏ hơn 15000C. Trong quá trình nung sẽ có phản ứng giữa MgO với Crômit và tạp chất trong crômit

27

thành hợp chất chịu lửa. Nhằm giảm sự tăng thể tích, khi nung sản phẩm crôm-manhêdi phải nung trong môi trường ôxyhoá.

Tính chất cơ bản của gạch crôm-manhêdi là thể tích ổn định ở nhiệt đô cao. Cường độ nén 20 - 40 N/mm2, khối lượng thể tích 2,85 g/cm3, độ xốp 23,3%, nhiệt độ B.Đ: 1450 - 15200C, nhiệt độ phá hủy: 1480 - 15500C, độ bền nhiệt 7 - 8 lần (làm nguội bằng nước) % MgO: 54,9; % Cr2O3:17,2; % Fe2O3: 13,5. Độ chịu lửa >2000. Gạch crôm-manhêdi dùng rộng rãi để xây vòm lò Mác tanh (nơi chịu dao động nhiệt độ nhiều), xây tường lò Máctanh (nơi không tiếp xúc với thép lỏng), xây lò điện nấu thép, lò nấu đồng, xây vùng nung lò quay nung ximăng rất tốt

Gạch Crôm-manhêdi bền nhiệt dùng để lót vòm lồ Máctanh. Độ chịu lửa 23400C, độ bền nhiệt ≥ 25 lần (làm nguội bằng nước), nhiệt độ B.Đ: ≥ 15000C, độ xốp ≤ 25%, % Cr2O3 < 8; % MgO ≥ 5,7. Độ dẫn nhiệt giảm khi nhiệt độ tăng.

Vòm,lò xây bằng gạch crôm - manhêhi tăng được nhiệt độ trong lò làm tăng năng suất lò, tiết kiệm vật liệu chịu lửa và nhiên liệu.

3.Vật liệu chịu lửa spinen

Vật liệu chịu lửa spinen là loại vật liệu chủ yếu là khoáng spinen MgO.Al2O3 khoảng 85%. Spinen trong thiên nhiên không gặp nhiều vì vậy nguyên liệu để sản xuất gạch spinen là manhêdi bazơ với ôxyt nhôm kĩ thuật theo tỉ lệ khối lượng 30/60 hoặc với bốc xít thì tỉ lê là 50/50.

SƠ ĐỒ SẢN XUẤT GẠCH SPINEN

Manhêdibazơ

Nghiền mịn

Dung dịch MgCl2

Ôxyt nhôm kỹ thuật

Nghiền mịn

Crômit

Nghiền mịn

Trộn, làm ẩm

Nén viên thô

Nung 1650oC

Đập, nghiền, sàng

Trộn phối liệu

Nén

Sấy

Nung 1650oC

Sản phẩm

28

Như vậy để sản xuất gạch spinen trước tiên phải sản xuất samốt hoặc clanhke spinen vì phối liệu khi nung co đến 20 - 24%. Các nguyên liệu trên được nghiền mịn, rồi trộn đều và làm ẩm đến 4% bằng dung dịch MgCl2 nồng độ 5%. Gạch spinen được nén dưới áp suất 50 - 60 N/mm2. Nung sản phẩm ở 1650°C trong 110 giờ. Thời gian làm nguội cũng 110 giờ. Tính chất của gạch spinen cho trong bảng 1-8.

Bảng 1.8: Tính chất gạch Spinen

Loại gạch

Cường độ nén N/mm2

Khối lượng riêng g/cm3

Độ xốp %

Nhiệt độ biến dạng 0C

Độ bền nhiệt

% Al2O3

% MgO

Bắt đầu

Phá hủy

Spinen kết khối

Từ oxyt nhôm

> 50 2.65-2.95

17-25

1600-1650

1600-1650

30-40 (KK)

65.4 26.7

Từ bốc xít

80-120 ≈ 3 18-22

1510-550

1570-640

4-5 (nước)

39.4 31.2

độ chịu lửa > 1900

Sản phẩm spinen bền vững với xỉ lò Máctanh, xỉ lò nấu thép. Ở 16000Cnó không tác dụng với gạch manhêdi và corun trên bề mặt. Với sản phẩm samốt ở 16000Cspinen tác dụng rất mạnh, đặc biệt cũng ở nhiệt độ này khi tiếp xúc với đinát. Spinen bị phá huỷ nhanh bởi sắt, quạng sắt và pherômangan. Khi đó ôxyt sắt Fe2O3 hấp thụ vào trong gạch làm gạch bở và giòn, cuối cùng bị phá huỷ.

1.3.6. Vật liệu chịu lửa đôlômi

Vật liệu đôlômi sản xuất từ đá đôlômít với thành phần khoáng chính là periklaz (MgO), ôxyt canxi và một số khoáng khác như: 3CaO. SiO2; 2CaO. SiO2; 4CaO. Al2O3. FeA; 3CaO. Al2O3 và 2CaO. Fe2O3 Sản phẩm đôlômi có hai loại: loại chứa vôi tự do và loại không chứa vôi tự do, chúng được sản xuất dưới dạng gạch và dạng bột.

1. Đôlômi luyện kim

- Loại không nung hay đôlômít sống.

- Loại nung hay đôlômít kết khối hay clanhke đôlômi.

29

a) Đôlômi luỵên kim không nung: quặng đôlômit là quặng kép của cácbônát manhê và cácbônát canxi CaMg(CO3)2, được đập nhỏ đến cỡ hạt 5 - 20mm, trong đó hạt nhỏ nhỏ hơn 5mm không quá 5%. Đôlômi luyện kim không nung có hai loại như sau:

Công dụng: chủ yếu được dùng để rải ở cửa nạp nguyên liệu của lò Máctanh và dùng để sửa chữa tường sau của lò.

b) Đôlômi luyện kim nung: được sản xuất bằng cách nung đôlômít đến nhiệt độ cao thành đôlômi kết khối hay clanhke đôlômi, sau đó đem đập nhỏ đến kích thước hạt yêu cầu. Để đôlômi kết khối hoàn toàn phải nung ở 1600 - 1700°C hoặc cao hơn. Sau khi nung xong đôlômi kết khối, nghiền nhỏ đến cỡ hạt 2- 20mm, 2 - 12mm và 12 - 20mm..

Đôlômikết khối cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

Các chỉ tiêu Loại 1 Loại 2

% MgO ≥ 32,5 29

% SiO2 ≤ 8,5 11

% R2O3 ≤ 8 10

Công dụng: đôlômi luyện kim nung được sử dụng để hàn vá lò nấu thép (lò Máctanh, lò điện) và để sản xuất gạch đôlômi chứa vôi tự do hoặc đầm tường lò chuyên nấu thép.

2. Gạch đôlômi

a) Gạch đôlômi ổn định (hay bên nước): là loại gạch trong đó tất cả ôxyt canxi của đôlômit liên kết hoàn toàn thành silicatđicanxi hoặc silicattricanxi.

Trong phối liệu để sản xuất clanhke đôlômi ổn định ngoài đôlômit ra còn có SiO2 dưới dạng quắczit hoặc Serpentin để nó liên kết CaO tự do thành silicat canxi và để ổn định các silicat caxni này người ta cho thêm P2O5 dưới dạng phốt phát vào. Từ clanhke đôlômi phối liệu được chuẩn bị theo cỡ hạt và thành phần nhất định rồi được tạo hình ở áp suất 50 - 60N/mm2, sấy ở 90 - 1800C trong 12 - 15 giờ từ độ ẩm 4% xuống còn 0,8%. Nung gạch

Thành phần % Loại 1 Loại 2

MgO ≥ 19 17

SiO2 ≤ 3,5 6

Ôxyi R2O3 4 3

30

đôlômi ở nhiệt độ 1450- 16000C trong lò Tuynen. Sơ đồ sản xuất gạch đôlômi như sau:

b) Gạch đôlômi chứa vôi tự do: gạch có chứa CaO tự do có ý nghĩa thực tế rất lớn, để chế tạo sản phẩm ở nhiệt độ cao. Trong sản phẩm này chỉ có một phần CaO liên kết với SiO2 thành silicat còn một phần nằm ởtrạng thái tự do. Vì có CaO tự do nên nó không bền nước vì vậy khi trộn phối liệu không dùng nước mà dùng dầu khí cốc hoá than là dầu antracen, nhựa đường hoặc bitum dầu hoả. Tỉ lệ dầu cốc trong phối liệu là 5%. Thành phần dầu: 60 - 70% nhựa đường, 30 - 40% antracen. Chuẩn bị phối liệu như sau: dầu kết dính hâm nóng đến 1100C, đôlômi kết khối sấy nóng đến 45 - 500Crồi trộn nóng với nhau trong máy trộn có bao nước nóng xung quanh, sau đó ép thành viên dưới áp suất 100N/mm2. Nung sản phẩm ở 1550 - 16000C. Để tránh hydrat hoá, sản phẩm làm nguội đến nhiệt độ còn nóng được nhúng vào trong dầu cốc tạo màng bảo vệ gạch.

Công dụng: bột đôlômi kết khối có chứa vôi tự do dùng để vá đáy lò máctanh, đặc biệt để sửa tường dốc của lò Máctanh, lò điện nấu thép theo quá trình bazơ, để rải cửa lò Máctanh.

Gạch và khối đôlômi nung của cả hai loại dùng để xây tường và phía dưới các nền lò nói trên, cũng như để xây lò nấu gang, nấu đồng. Các phối liệu đầm chứa đôlômi luyện kim để đầm đáy và tường lò chuyển tô mát, tường lò đứng, đáy và tường dốc lò Máctanh.

Người ta cũng có thể dùng loại sản phẩm manhêdi - đôlômi không nung gổm: 68 - 72% đôlômi, 28 - 32% bột manhêdi; 4,5 - 5,5% nhựa đường than đá; 0,8 - 1,2% dầu antracen (C4H10), nén dưới áp súất 95 - 105 N/mm2,để lót lò chuyển nấu thép ở nhiệt độ 1600 - 17000C rất tốt.

1.3.7. Vật liệu chịu lửa sản xuất theo phương pháp nấu chảy

Một số vật liệu gốm oxyt chịu lửa được chế tạo không theo phương pháp thiêu kết thông thường mà bằng phương pháp nấu chảy phối liệu trong lò điện hồ quang rồi đúc rót trong khuôn. Vật liệu thu được có tổ chức của gốm thô, độ sít chặt cao và với tỷ lệ pha vô định hình từ 1 đến 25%. Ngoài ra trong tổ chức thường có các rỗ khí tương đối lớn, phân bố không đều.

Vật liệu chịu lửa chế tạo theo phương pháp nấu chảy gồm có:

- corindong: 92-98%Al2O3

- coridong-mulit: 80%Al2O3 + 20%SiO2

- batđêlêit-coridong: 10-45%ZrO2 + 42-54%Al2O3 + 10-20%SiO2

- beta nhôm oxyt: β-Al2O3(Na2O.12Al2O3)

31

- crom oxyt-corindong: 60-80%Al2O3 + 10-30%Cr2O3

- magnesia: MgO

Vật liệu SiO2 nấu chảy cũng là một loại vật liệu chịu lửa quan trọng nhưng do có cấu trúc vô định hình nên đã trình bày ở trên. Đó là một loại thủy tinh thạch anh không trong suốt.

Các tính chất nổi bật của loại vật liệu chịu lửa sản xuất theo phương pháp nấu chảy là độ chịu lửa cao, độ bền cơ học cao (hơn 100MPa) và đặc biệt là độ bền chống ăn mòn, xâm thực cao. Chúng được sử dụng phổ biến để xây bề chứa lò nấu thủy tinh và nấu các chất nóng chảy khác.

Tính chất của một số vật liệu vô cơ đúc nóng chảy được trình bày ở bảng sau:

Bảng 1.9: Tính chất của một số vật liệu vô cơ đúc nóng chảy

STT Tính chất Thứ

nguyên Cotindong β-Al2O3

batđêlêit-coridong

crom oxyt-corindong

1

Khối lượng riêng

g/cm3 2.8-3.0 2.8-3.0 3.7-4.0 3.4-3.8

2 Độ xốp % 5-15 15-18 1-15 4-6

3

Điện trở suất ở 10000C

Ωcm 103 103/2 107/2 -

4

Nhiệt độ biến dạng 0.6% với tải trọng 0.2MPa

0C 1700 - 1950-2020

-

1.3.8. Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và silic cacbit

Các sản phẩm chịu lửa thuộc nhóm này là những loại vật liệu mà trong thành phần có chứa các bon. Loại gạch chịu lửa nhóm này gặp ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao sẽ bị ôxy hoá nhanh và cháy hoàn toàn (như gạch cácbon) hoặc ôxy hoá chậm (như gach cácborun). Đồng thời còn có loại gạch chịu lửa nằm trung gian giữa các loại trên như loại samốt - cácborm, samốt-graphit.

32

1. Gạch chịu lửa cacbon

Gạch chịu lửa cácbon sản xuất từ các nguồn nguyên liệu chứa cácbon nguyên chất nếu trong thành phần của nó hoàn toàn chỉ gồm cácbon và một lượng tạp chất nhò - Gạch các bon được chia làm ba loại:

- Gạch cácbon từ sản phẩm cốc hoá (gạch cốc hoá);

- Sản phẩm từ graphít nhân tạo (gạch graphít hoá);

- Sản phẩm từ graphít thiên nhiên (gạch gaphit).

a) gạch cacsbon từ sản phẩm cốc hóa

Nguyên liệu: thường dùng cốc than đá hoặc antraxit nhiệt phân và nhựa than đá. Sản phẩm nhiệt phân antraxit và cốc đóng vai trò chất làm gầy còn nhựa than đá là chất liên kết. Nhưa than đá có tính dẻo, dính, liên kết tốt các hạt vật liệu gầy và kết khối tốt gạch chịu lửa khi nung. Nếu mật độ của sản phẩm thấp thì phụ thêm vào phối liệu graphit

Thành phần của antraxit nhiệt phân và cốc yêu cầu:

- Hàm lượng tro không lớn hơn 5 - 12%;

- Hàm lượng lưu huỳnh không lớn hơn 1-5%.

Than cốc được nghiền nhỏ đến cỡ hạt không lớn hơn 0,2mm còn antxit nhiệt phân đến 5 - 10mm.

Phối liệu được trộn trong các máy được đốt nóng bằng hơi nước quá nhiệt và được đem tạo hình ở nhiệt độ 90 - 1000C dưới áp suất yêu cầu khoảng 30N/mm2.

Sản phẩm được nung trong lò gián đoạn hay lò buồng dùng nhiên liệu khí có bao nung bằng samốt. Các bao nung được chít kín để tránh không khí xâm nhập, nếu để hở sản phẩm sẽ bị rỗ xốp và bị cháy một phần. Đối với các sản phẩm lớn, khi nung phải bố trí các lớp đệm bằng cácbon và tốt nhất là nung trong môi trường khử mạnh.

Nhiệt độ nung phụ thuộc vào mức độ graphit hoá than cốc và thường dao động từ 1100 - 11500C, thời gian lưu ở nhiệt độ cực đại 20 - 30 giờ. Sản phẩm mộc được nung theo chế độ nâng nhiệt như sau:

nhiệt độ < 3500C: 3 - 4%/h;

từ 350 - 8000C: 15 - 10%/h;

>8000C: 15 - 20%/h;

Thời gian nung tuỳ thuộc từng loại sản phẩm và dao động từ 15 - 30 ngày.

33

Sản phẩm được làm nguội cùng với lò đến 40 - 600C thì có thể bắt đầu dỡ sản phẩm.

Sản phẩm cốc hóa chứa 85 - 92% cacsbon và nhỏ hơn 10% lưu huỳnh, hoàn toàn không bị nóng chảy và biến dạng ở nhiệt độ rất cao. Sản phẩm này có cường độ cơ học kém, dễ gia công, tính chất của nó cho trong bảng 1.10.

Bảng 1.10: Tính chất của sản phẩm cốc hóa và Graphit hóa

b) Sản phẩm graphit hoá: nguyên liêu để sản xuất sản phẩm graphit hóa là cốc dầu mỏ có độ tinh khiết cao. Cốc này được tạo thành khi cốc hoá cặn dầu mỏ từ quá trình crắc kinh dầu mỏ. Chất liên kết là cặn Pek của nhựa

Tính chất

Sản phẩm

Cốc hoá Graphit hoá

Hàm lượng các bon, %

Mât đô biểu kiến, g/cm3

>85 99

1,55-1.65 1,45-1,7

Đô xốp biểu kiến, % 15-20 15-30

Giới han bền khi nén, N/mm2 12-50 15-45

Hệ số dãn nở nhiệt (0°- 900°C). 10-6, 1/độ

Hệ sô' dẫn nhiệt (W/mK) 5,0-5,8 2,6

- ở 200C 0,014 0,359

- ở 5000C 0,0185 0,232

- ở15000C 0,023 0,058

Điện trở riêng 104, Ωcm

Nhiệt độ bắt đầu ôxy hoá, 0C 46-60 10-25

- trong không khí 375 450

- trong hơi nước 650 700

- trong khí CO2 750 900

34

than đá hoặc các chất liên kết tổng hợp như nhựa phênol phoócmal đêhyt hay rượu Phurinốp. Thành phẫn phối liệu là 75% cốc lầu mỏ và 25% chất liên kết. Trước khi chuẩn bị phối liệu, cốc dầu mỏ lược nung ở1200 - 13500C để tách ẩm và chất bốc. Quá trình graphit hoá được thực hiện trong lò điện trở một pha (về nguyên tắc tương tự như lò điện criptôn) ở nhiệt độ gần 25000C trong môi trường khử.

Sản phẩm graphít hoá khác hẳn về tính chất so với sản phẩm cốc hoá (xem bảng 1-10). Nó*có độ đẫn điện, đẫn nhiệt lớn và dễ dàng gia công cơ học. Quá trình graphit hoá làm tăng độ tinh khiết của vật liệu cácbon vì trong quá trình đó phần lớn các tạp chất đều đã bị bay hơi.

c) Sản phẩm graphit: sản phẩm graphit được sản xuất từ nguyên liệu là graphit thiên nhiên, chứa từ 5 - 30% tro. Graphit được làm giàu bằng phương pháp tuyển nổi, sau đó được tinh luyện nhiệt, điện tương tự như quá trình hoá nói trên - Các ôxyt kim loại được khử thành các bít rồi chúng tiếp tục bị phân huỷ hoặc bị bay hơi khi nâng cao nhiệt độ của lò. Do phải khử một lượng tro như vậy nên phải tiêu tốn một lượng lớn cácbon của graphit nguyên liệu và hiệu suất tạo sản phẩm nhỏ (60 - 70%). Vì vậy người ta ít dùng graphit thiên nhiên để sản xuất gạch chịu lửa cácbon.

d) Tính chất và ứng dụng: gạch chịu lửa cácbon được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Do trị số môđun đàn hổi nhỏ, hệ số dãn nở nhiệt độ, độ dẫn nhiệt cao nên độ bền nhiệt của vật liệu cao và ít có khả năng bị nứt vỡ khi sử dụng. Khi nâng cao nhiệt độ, độ bền cơ học của vật liệu chịu lửa cácbon tăng (trong khoảng nhiệt độ nhỏ hơn 24000C và gạch cácbon không bị thấm ướt bằng xỉ lỏng luyện kim dù thành phần xỉ như thế nào, do đó gạch cácbon không bị phá hủy do sự xâm thực hay ăn mòn của xỉ khi phục vụ. Đó là một đặc tính rất quý. Đáy và tường lò cao khi xây bằng gạch cácbon có thể sử dụng hơn 7 - 8 năm, nhưng do độ dẫn nhiệt của gạch lớn nên cần có thiết bị làm nguội đáy và vỏ lò.

Gạch các bon còn sử dụng rộng rãi trong luyện kim màu. Ngoài điện cực dùng trong công nghiệp luyện nhôm nó còn dùng để lót trong lò điện, lò nấu chì, antimoan và các kim loại màu khác, nó cũng dùng để lót lò sản xuất cácbuacanxi, ferôsilic (FeSi3) và các hợp kim ferô khác.

2. Sản phẩm samốt-graphit

Sản phẩm samốt-graphit là loại vật liệu sản xuất từ đất sét chịu lửa dẻo và graphit có phụ gia samốt hoặc không có.

Dùng graphit để sản xuất vật liệu chịu lửa nhờ những tính chất:

- Độ dẫn nhiệt lớn, ở nhiệt độ thường gấp 3 - 5 lần so với samốt;

- Hệ số nở dài nhỏ;

35

- Graphit không bị xỉ thấm ướt do đó độ bền xỉ cao;

- Có graphit độ dẻo của phối liệu tăng;

- Nhiệt độ nóng chảy của graphit cao 3850 ± 500C;

- Graphit cháy được đó là nhược điểm của chúng, nhưng quá trình cháy chậm. Nếu có đất sét thì đất này làm thành một màng bảo vệ ngăn ngừa quá trình cháy chúng.

Sản phẩm samốt-graphít dùng làm nồi nấu các kim loại màu vì chúng có độ dẫn nhiệt, độ bền nhiệt cao, cũng như dùng làm nồi chưng nấu thép, các nút và cốc, làm thùng rót đúc.

Các sản phẩm này nhờ có graphít nên chúng có độ dẫn nhiệt độ bền lớn, hệ số nở dài nhỏ, trong môi trường khử độ chịu lửa của nó cao vì thế tăng nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng.

a) Nồi nấu: để làm các nồi nấu kim loại người ta dùng đất sét, samốt và graphit. Graphit làm nồi nấu phải chịu đựng ôxyhóa và cháy mạnh hơn các nút nên hay loại graphit tinh thể co dãn được ở dạng vẩy thường được dùng vì nó có cường độ cháy kém. Độ thẩm khí của nồi rất nhỏ. Đất sét chịu lửa cần có độ dẻo cao, kết khối thấp và phải được nghiền mịn (0,5mm). Samốt phải dùng loại chịu lửa cao, đặc, không co và thật mịn (< 0,5mm).

Phối liệu tốt nhất là 20- 30% graphit. Nếu chứa quá nhiều graphit sẽ dẫn tới nhiều cácbon lẫn vào thép, nếu quá ít graphit thì độ dẫn nhiệt của thành nồi nấu nhỏ, do đó làm chậm quá trình nấu thép.

Phối liêu để sản xuất nồi nấu cần trộn kỹ, làm ẩm rồi ủ khoảng 15 - 20 ngày, sau đó lại trộn kỹ rồi đóng khuôn. Nồi nấu cần phải sấy rất chậm. Độ ẩm sau khi sấy không quá 2 - 3%. Nung nồi nấu: tốc độ nâng nhiệt đến 5000C là 15- 200C/h, đến 10000C là 40 - 500C/h.

Thời hạn sử dụng của nồi phụ thuộc vào chất lượng của chúng cũng như vào loại thép nấu chảy và dao động từ 5 - 80 mẻ. Trong quá trình dùng nồi bị ăn mòn do thép và xỉ, đặc biệt nếu xỉ chứa MnO.

Nồi nấu samốt - khi cùng chịu tác dụng của xỉ bazơ nồi graphit bền hơn so với nồi nấu samốt nhiều và loại nồi này ngăn ngừa được ảnh hưởng có hại của ôxy trong không khí ngấm qua tường nồi nấu vào kim loại vì những ôxy ngấm vào sẽ tác dụng với graphit.

Để ngăn ngừa nồi nấu samốt-graphit bị cháy nhanh, cần phủ lên nồi một lớp vữa đặc biệt là hỗn hợp bột quặng ziếccôn nung ở 15000C và 10% đất sét chịu lửa. Hỗn hợp bột đó nhào với thuỷ tinh lỏng, nồi samốt-graphit dễ bị hút ẩm do đó cần chú ý khi bảo quản và sử dụng.

b) Nút và cốc: các nút samốt-graphit có độ bền cao hơn nhiều so với

36

nút samốt thường. Chúng có độ bền nhiệt, bền hoá học cao, đặc biệt quan trọng khi đúc thép có chứa nhiều ôxyt mangan.

Nguyên liệu để sản xuất nút và cốc này là đất sét chịu lửa samốt và graphit. Phối liệu chuẩn bị cẩn thận như làm nồi nấu.

Các nút và cốc samốt-graphit phải thoả mãn các yêu cầu sau: %C ≤ 20, độ chịu lửa ≤ 17300C, độ xốp biểu kiến ≤ 23% (với nút) và 21% (với cốc); khối lượng thể tích 1,8 - 1,9 g/cm3, sức co phụ ở 13500C là 0,3 - 0,7%.

3. Sản phẩm samôt thấm than

Gạch chịu lửa thấm than này có thể làm theo hai phương pháp

- Thấm ướt sản phẩm samốt bằng nhựa hay nhựa đường than đá sau đó gia công nhiệt;

- Gia công nhiệt sản phẩm samốt trong dòng khí chứa ôxyt cácbon và cácbua hiđro (như khí lò cốc hoá).

Quá trình thấm cácbon có thể tiến hành trong bể đốt nóng đều đặc biệt. Gạch samốt được đặt trong vỏ thép và nhúng vào bể chứa nhựa đường nóng chảy, phần lớn bề mặt của nó được tiếp xúc với nhựa. Nhiệt độ của nhựa lúc nhúng gạch vào là 2000C, sau khi nhúng gạch vào, tăng nhiệt độ đến 3000C (nhiệt độ sôi của nhựa) và duy trì ở đó đến lúc thấm ướt hoàn toàn. Thời gian thấm 24 giờ. Gạch sau khi thấm nhựa xong tiếp tục được gia công nhiệt theo chế đô sau: nâng đến 700°C trong 24 giờ, duy trì ở 700°C trong 8 giờ sau đó làm nguội đến 1000C thì lấy sản phẩm ra.

Đặc tính của gạch samốt thường và gạch samốt thấm than cho trong bảng 1.11.

Bảng 1.11: Đặc tính gạch samot thường và samot thấm than

Loại gạch Độ bền

nhiệt

Cường độ

nén, N/mm2

Độ xốp biểu kiến

%

Độ chịu lửa °C

Nhiêt độ

biến dạng °C

Hàm lượng, %

C Chất bốc Al2O3 Fe2O3

37

không thấm than

Thấm than

14

41

50,1

77,5

15,4

6,1

1730

1730

1410

1460 4,69 2,45

42,02

41,39

1,30

1 33

Gạch thấm than dùng trong thùng rót dung tích 36 tấn được 36 - 41 mẻ trong khi gạch không thấm cácbon chỉ dùng được 14 mẻ.

Phương pháp thứ hai: gạch chịu lửa thấm than bằng cách gia công nhiệt trong dòng khí chứa CO và cácbua hiđrô trong 15 - 20 giờ, ở nhiệt độ 11500C. Khi đó trên thành lỗ của gạch là các hạt cácbon ở dạng graphit, còn khoảng không của lỗ lấp đầy cácbon vô định hình.

4. Gạch chịu lửa cacborun (SiC)

Gạch cácborun là loại gạch chịu lửa có chứa cácbua silic SiC với hàm lượng từ 20 - 99% còn lại là chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ.

a) Sản xuất cácborun: cácborun sản xuất từ hỗn hợp cát quắc sạch (> 98% SiO2) và than cốc giàu cácbon nghiền mịn, đem nung trong lò điện trở ở nhiệt độ 2000 - 22000C trong khoảng 26 - 36 giờ.

Phản ứng tạo thành cácborun tiến hành theo hai pha:

Si02 + 2C = Si (hơi) + 2CO

Si (hơi) + C = SiC

Hoặc: SiO2 + C = SiO +CO

SiO +C = Si(hơi) + CO

Si (hơi) +C = SiC

Quắc và cácbon bát đầu phản ứng ở gần 10000C, đến 1600 - 16500C tạo thành cácborun vô định hình. Nâng nhiệt độ đến 1900 - 20000C nhận được cácborun tinh thể. Tuy nhiên nếu nâng đến 23000C thì SiC bị phá huỷ theo phản ứng SiC = Si + C. ,

Thành phần khối lượng của phối liệu dao động trong khoảng sau

(%):

- Cát quắc, quắtzit: 44,5 - 59;

- Than angtraxit ít tro, cốc: 34 - 44;

- Mùncưa: 3 - 11;

- Muối ăn: 0,8.

Mùn cưa trong phối liệu làm cho sản phẩm có độ xốp cần thiết, xúc tiến

38

tạo khí trong phối liệu đặc biệt là CO. Muối ăn cho vào để loại trừ tạp chất như sắt, nhôm bằng cách tạo ra A1Cl3 và FeCl3bay đi.

b) Sản phẩn cácborun: sản phẩm chịu lửa cácborun được sản xuất trên cơ sở các chất liên kết khác nhau hoặc tổng hợp trực tiếp trong quá trình gia công nhiệt như: gạch chịu lửa cácbonrun trên cơ sở liên kết: Alumôsilicat, SiO2, nitrit, ôxynitric (còn gọi là sản phẩm tự liên kết) hoặc liên kết hợp nhiều hợp chất chứa sillic như SiỌ2, SiC, Si,N4,Si2ON2...

Sản phẩm SiC liên kết alumôsilicat: đất sét dùng ở dạng hồ với số lượng 3 - 20%. Trong phối liệu có thêm phụ gia keo SSB. Sản phẩm được tạo hình bằng cách đập, ép và được nung ở nhiệt độ 1350 - 14850C.

Sản phẩm SiC liên kết bằng SiO2: được sản xuất từ phối liệu chỉ chứa SiC với thành phần hạt xác định, chất hoá dẻo là keo SSB. Sản phẩm được nung ở 1350 - 14000C trong điều kiện tiếp xúc tốt với môi trường nung. Khi đó SiC bị ôxy hoá tạo SiO2 có khả năng liên kết các hạt SiC lại với nhau. SiO2 vừa liên kết các hạt SiC đồng thời lấp đầy các lỗ trong sản phẩm, tự nâng cao mật độ sản phẩm, không làm co sản phẩm khi nung. Sản phẩm có mật độ lớn nhất khi dùng 50 - 60% hạt thô và trung bình, 40 - 50% hạt mịn (kích thước < 0,025mm).

Bảng 1.12: Tính chất của một số vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit

và cacbit silic

STT Tính chất

Thứ nguyên

Graphit

Graphit-

samot

Samot với

75%SiC

Samot-corindo

ng 35%SiC

SiC (90%)

1 Khối lượng riêng

g/cm3 1.5 1.8-2.3 - - 2.5

2 Độ xốp % 15-25 25-35 20-25 25 18-24

3

Giới hạn bền nén

MPa 30-60 - 50 - 80-100

4

Hệ số dẫn nhiệt ở 10000C

W/m.K 4-15 6 - - 10-20

39

5

Nhiệt độ biến dạng 0.6% với tải trọng 0.2MPa

0C 2000 1350-1500

1560 1430 1700

1.3.9. Sản phẩm chịu lửa đặc biệt từ các ôxyt tinh khiết

Các sản phẩm chịu lửa đặc biệt chế tạo từ các ôxyt tinh khiết có độ

chịu lửa cao hơn 2000°C, bền trong môi trường kim loại lỏng, trong các môi

trường khí và chân không, có độ bền cơ học cao ở nhiệt độ làm việc, có độ

bền nhiệt tốt. Ngoài ra còn có những loại vật liệu có tính chất điện tốt, cách

nhiệt ở nhiệt độ cao, không hấp thụ các sóng vô tuyến xuyên qua chúng, hay

kìm hãm được các bức xạ nơtơrông trong các thiết bị hạt nhân nguyên tử...

Để sản xuất các sản phẩm chịu lửa đặc biệt này, các ôxyt sau khi đuợc

tinh chế, thường được nung sơ bộ (ở dạng bột hay ép thành viên với một số

phụ gia) nhằm ổn định các tính chất lí học, hoá học và các tính chất kĩ thuật

khác của nguyên liệu. Sau đó đem nghiền mịn trong các máy nghiền có tấm

lót để tránh lượng sắt mòn lẫn vào trong nguyên liệu. Các phụ gia trong phối

liệu phải được trộn rất cẩn thận ngay trong giải đoạn nghiền mịn.

Sản phẩm từ ôxyt chịu lửa cao được taọ hình theo nhiều phương pháp

khác nhau như ép bán khô, đúc rót, ép nhiệt, ép thuỷ tinh, đúc theo phương

pháp nhiệt dẻo...

Nhiệt độ nung sản phẩm từ 1600 - 26000C và cao hơn. Sản phẩm khi

nung bị co khá nhiều (12 - 20%) và thường nung trong các lò điện trở dây

vonfram hay môlíp đen, lò cảm ứng tần số cao, lò ngọn lửa đốt bằng nhiên

liệu khí và lỏng...

Các vật liệu gốm oxyt có nhiều ứng dụng quan trọng trong kỹ thuật:

Gốm corindong (α – Al2O3) với độ bền cơ, bền nhiệt và bền hóa rất cao

là một vật liệu quan trọng và đa năng nhất trong các loại gốm oxyt. Nó được

sử dụng làm vật liệu kết cấu cho các thiết bị làm việc ở nhiệt độ công nghiệp

cao nhất, làm chén và nồi nấu kim loại và thủy tinh, chi tiết máy cho công

nghiệp dệt, vật liệu cho công nghiệp điện, điện tử, vật liệu y tế (implants).

Gốm pericla (MgO) có tính năng nổi bật là nhiệt độ sử dụng rất cao và

40

điện trở ở nhiệt độ cao rất lớn. Gốm pericla là vật liệu kiềm tính. Môi trường

khí và chất nóng chảy có tính axit phá hoại mạnh gốm pericla ở nhiệt độ cao.

Gốm pericla được sử dụng làm chén, nồi nấu kim loại, nó cũng bền với các

muối clorit và florit nóng chảy.

Gốm ziếccon: Sản phẩm chịu lửa ziếccôn được chia làm hai loại theo

tính chất của nguyên liệu sản xuất; sản phẩm trên cơ sở điôxít ziếccôn

ZrO2 và sản phẩm trên cơ sở silicat ziếccôn ZrSiO4.

Nguyên liệu giàu ZrO2 sau khi đã được lằm giàu và loại bỏ các tạp chất chủ yếu là các tạp chất chứa ôxyt sắt (ôxyt sắt không lớn hơn 0,15%) được nghiền đến cỡ hạt l - 2mm để sản phẩm kết khối tốt khi nung và có mật độ cao nhất. Thông thường các ôxyt sắt được loại bỏ bằng cách gia công quặng ziếccôn đã nghiền mịn bằng HCl đậm đặc. Tốt hơn cả là nung sơ bộ ziếccôn ở 1550 - 16000C, tạp chất nóng chảy sẽ phân phối đều trong vật liệu sau đó hòa tan trong axít. Trong thành phần phối liệu thường có thêm phụ gia keo dính hữu cơ, keo này cùng vứi các tạp chất còn lại sẽ làm nhiệm vụ kết khối tốt khi nung. Áp suất ép được dùng để tạo hình 80 - 120 N/mm2 nhiệt độ nung sản phẩm ziếccôn khoảng 15500C.

Sản phẩm chịu lửa ziếccôn có cường độ chịu nén cao hơn l00N/mm2, khối lượng thể tích 3,1 - 3,4 g/cm3 độ xốp thực 12 - 16% độ chịu lửa cao hơn 20000C, nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng 0,2N/mm2: 1520 - 15700C, bị phá huỷ ở 16200Cvà cao hơn. Độ bền nhiệt của gạch lớn hơn 20 lần (khi làm nguội bằng không khí).

Gạch chịu lửa ziếccôn bền vững với tác dụng xâm thực của các muối clorít nóng chảy, phốt phát natri nóng chảy, xỉ của các lò tôi vôi, bể muối, nhưng bị phá huỷ khi tác dụng với muối, florat, anhyđryt phốt pho P2O5, thủy tinh nóng chảy, ôxyt sắt và xỉ của lò Máctanh. Còn xỉ axit và nhiên liệu trơ tác dụng không đáng kể đến gạch chịu lửa ziếccôn. Vật liệu chịu lửa ziếccôn không tác dụng với dòng thép nóng chảy vì vậy người ta dùng sản phẩm này để chế tạo các loại cốc và ống lót (đặt trong cốc) để đúc thép hên tục.

Sản phẩm từ ZrSiO4 tinh khiết dùng để sản xuất sứ ziếccôn, bugi ôtô có cường độ cơ học cao, bền nhiệt, bền hoá học, nó bền vững với men gốm, nên dùng để sản xuất các tấm lót xe goòng lò nung Tuynen rất tốt.

Bảng 1.13: Tính chất một số gốm oxyt

Số TT

Tính chất Thứ

nguyên

Gốm corindon

g (α-Al2O3)

Gốm pericla (MgO)

Gốm zieco

n (ZrO)

Gốm spinel

(MgO.Al2

O3)

41

1 Khối lượng riêng g/cm3 4.0 3.6 5.6 3.3

2 Modul đàn hồi E 103 MPa

400 350 200 3.3

3 Giới hạn bền nén MPa 2000-3000

800-1400

800-1600

2000

4 Giới hạn bền uốn MPa 250-400 1600 200 180

5 Hệ số giãn nở

nhiệt 10-7/K 100 150 20 60

6 Hệ số dẫn nhiệt W/m.K 12 40 2 6

7 Nhiệt độ sử dụng 0C 1900 2400 2300 1950

42

Chương 2. VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT

2.1. Đặc điểm vật liệu cách nhiệt

Để giảm tổn thất nhiệt qua tường lò ra môi trường xung quanh và nhiệt tổn thất do tích lũy bởi lớp gạch xây ( 24 - 45% lượng nhiệt cung cấp), để tiết kiệm nhiên liệu, tăng cường quá trình nhiệt trong lò, nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm, người ta dùng vật liệu chịu lửa cách nhiệt. Gạch chịu lửa cách nhiệt cần có khối lượng thể tích nhẹ (l - l,3 g/cm3) nghĩa là độ xốp của chúng cao, lỗ xốp cần có kích thước nhỏ.

2.2. Vật liệu chịu lửa cách nhiệt và phương pháp sản xuất

Có thể phân loại vật liệu chịu lửa cách nhiệt theo phương pháp sản xuất và theo nhiệt độ làm việc. Có hai phương pháp sản xuất gạch chịu lửa cách nhiệt:

- Phương pháp dùng phụ gia cháy ;

- Phương pháp tạo nhiều bọt khí nhỏ.

Theo nhiệt độ làm việc gạch chịu lửa cách nhiệt cũng có hai loại:

- Loại cách nhiệt trung bình: nhiệt độ làm việc 900 - 12000C.

- Loại cách nhiệt cao: nhiệt độ làm việc >12000C

Một số tính chất đặc trưng của vật liệu chịu lửa cách nhiệt chò trong bảng 2.1.

Bảng 2.1: Tính chất của vật liệu chịu lửa cách nhiệt

Các đặc tính Samốt và bán axit nhẹ Cao

lanh nhẹ

Đinát nhẹ

A – 1,3 B – 1,3 B – 1,0 B – 0,8 B – 0,4

Đô chịu lửa, °c ≥ 1750 1670 1670 1670 1670 1670 1670

Khối lượng riêng, g/cm3

1,3 1.3 1.0 0,8 0,4 1,3 1,2

Sức co phụ: ở nhiệt độ °C

1400 1350 1350 1250 1250 1400 -

% ≤ 1.0 1,0 1,0 1.0 1,0 1,0 -

Cường độ nén, N/mm2

≥

4,5 3,5 3,0 2,0 1,0 3,5 3,5

43

Độ dẫn nhiệt d 600°C, W/mK

0,7 0.7 0,58 0,46 0,23 0,7 0,7

Nhiệt độ sử dụng, °C ≤

1150- 1400

2.2.1. Phương pháp dùng phụ gia cháy

1. Gạch samốt nhẹ

Sơ đồ kĩ thuật gạch samốt nhẹ có khối lượng riêng 0,9 - 1 g/cm3 theo phương pháp này như sau:

Gạch cao lanh nhẹ

Gạch này được sản xuất theo phương pháp ép bán khô. Phụ gia cháy thường dùng cốc hay nantraxit với số lượng 35% và kích thước hạt < 3mm. Trong phối liệu lượng sa mốt xốp (nung cao lanh chứa 30-35% antraxit nhiệt luyện) 30% và 35% cao lanh nghiền. Đất sét đưa vào ở dạng hồ có chứa 1-1.5% (khối lượng phối liệu) keo SSB. Nhiệt độ nung cực đại 14000C. Đặc tính gạch: độ xốp thể tích 50-53%, cường độ nén 3-5.5N/mm2. Độ chịu lửa 1740-17500C, Nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng 0.1 N/mm2: 1330-13400C, độ dẫn nhiệt 0.7-0.92 W.mK. Độ bền nhiệt lớn (30 lần nhúng trước khi đốt nóng tới 9000C).

Gạch đinat nhẹ

Sản xuất theo phương pháp bán khô. Thành phần phối liệu gồm 60-70% khối lượng quăc zit tinh thể nghiền mịn đến kích thước hạt từ 0.008-

Đất sét

Đập nhỏ

Sấy thùng quay

Nghiền

Sàng

Phụ gia cháy

(mùn, linhin, than gỗ, mùn

cưa)

Sấy

Sàng

Trộn và làm ẩm

Nén, đóng khuôn sản

phẩm Sấy

Nung

Samốt

Đập thô

Nghiền

Sàng

Định

lượng

44

1mm; 30-35% khối lượng antraxit hay than cốc với độ hạt từ 0.088-2mm, chất liệu kết gồm 2% CaO và 1.0-1.2% keo SSB. Độ ẩm phối liệu 8-9%. Sản phẩm được nén, sấy khô và đưa vào lò nung trong môi trường oxy hóa mạnh ở nhiệt độ 1250-13000C. Nhiệt độ nung cực đại 1400-14300C. Giữ nhiệt độ cao trong 26 giờ.

Tính chất của gạch đinát nhẹ: khối lượng thể tích nhẹ; khối lượng thể tích 1-1.2g/cm3; độ xốp thể tích 47-54%; cường độ nén 4-7N/mm2; độ chịu lửa 1680-17000C, nhiệt độ bắt đầu biến dạng dưới tải trọng 0.1N/mm2 là 1600-16400C. Độ dẫn nhiệt 0.63-0.79W/mK. Dãn nở nhiệt đến 7000C là 1.14-1.39%.

2.2.2. Phương pháp tạo bọt khí

1. Phương pháp sử dụng chất tạo bọt

Phương pháp này để sản xuất sản phẩm có độ xốp lớn, các lỗ xốp này tạo thành các bọt như dạng tổ ong trong sản phẩm bằng cách cho vào phối liêu chất tạo bọt. Bọt là các cấu tử chủ yếu ảnh hưởng quyết định đến tính chất sản phẩm.

Samốt, đất sét, mùn cưa được hoà bằng nước đến lúc tạo thành hồ quánh, sau đó trộn với bọt đã được sản xuất trong thiết bị đặc biệt. Từ hồ đã bão hoà bọt, đúc sản phẩm trong khuôn sau đó đem sấy và nung.

2. Phương pháp hoá học

Chủ yếu dùng các phản ứng hóa học toả khí trong hồ để làm thành bọt khí trong sản phẩm.

Để sản xuất gạch samốt nhẹ theo phương pháp này với mật độ biểu kiến 0,7 - 0,8 g/cm3 dùng samốt nghiền mịn (< 0,2 mm) 5,6% đất sét chịu lửa mịn, 2,8% đôlômit nghiền và 5,6% thạch cao. Trong máy trộn chân vịt người ta đưa vào dung dịch H2SO4 2% với tỉ lệ 40% rồi đổ hỗn hợp khô vào. Khi đó sẽ xảy ra phản ứng tạo khí giữa đôlômit và H2SO4 theo phương trình:

MgCa(CO3)2 + 2H2SO4 = MgSO4 + CaSO4 + 2H2O + 2CO2↑

Dưới tác dụng của CO2 hồ sẽ được nở phồng lên, thể tích tăng hai lần. Để huyền phù chắc chắn trong thể tích mới người ta cho thêm thạch cao nửa nước (CaSO4. 1/2H2O). Thạch cao này khi biến thành thạch cao ngậm hai nước sẽ đóng rắn và kết thúc ở lúc khí tạo ra nhiều nhất trong huyền phù. Hồ được đổ vào các khuôn gỗ đến một nửa chiều cao khuôn. Trong khuôn phối liệu được nở phồng lên chiếm toàn bộ thể tích khuôn. Sau 10 - 15 phút khuôn được tháo ra, sản phẩm đem sấy và nung ở 1240 - 1300°C, rồi đem mài cưa cho đúng kích thước.

Phản ứng giữa đôlômit và H2SO4, sự đóng rắn thạch cao, tốc độ và thời

45

gian tiến hành cùng nhiệt độ phản ứng có giá trị quyết định đối với tính chất sản phẩm. Phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế.

2.2.3. Ứng dụng của gạch cách nhiệt

Gạch samốt nhẹ dùng trong lò nung, lò hấp, lò ủ, lò điện và các lò công nghiệp khác khi nhiệt độ làm việc không lớn lắm và để xây tường buồng đốt nồi hơi, ở các lớp vỏ cách nhiệt phía, ngoài.

Gạch đinát nhẹ dùng lót tường vòm, đáy lò khi lớp cách nhiệt không chịu bào mòn và va đập mạnh, không chịu được làm nguội nhanh bằng nước trong các nghành luyện kim, máy xây dụng, vật liệu chịu lửa, gốm sứ, thuỷ tinh.

Gạch cao lanh nhẹ để lót vòm và tường của các lò nung các thiết bị đốt nóng mà ở đấy không có xỉ tác dụng nhưng chịu dao động nhiệt độ lớn. Gạch nhẹ cao alumin sử dụng đến nhiệt độ 1550°c để xây các lớp cách nhiệt trong tường lò hay trong các buồng đốt của nồi hoà áp suất cao trên các tàu đi biển.

Trong lò chu kì để nung phôi rèn, nếu lót gạch đinát nhẹ sẽ giảm được mức tiêu tốn nhiên liệu khi đốt nóng lò đến 35%, còn để nung nóng một tấm kim loại đến 44%.

2.3. Vật liệu cách nhiệt vô cơ

2.3.1. Điatômit và trêpen

1. Điatômit và trêpen

Điatômit là một loại đá trầm tích tạo thành từ các phiến hoá thạch của rong biển điatômit đơn bào. Thành phần chủ yếu trong điatômit là ôxyt silic vô định hình (SiO2 = 70 - 90%). Điatômi chịu axit nhưng tan trong kiềm. Khối lượng riêng dao động từ 350 - 950 kg/m3. Hộ số dẫn nhiệt 0,081 - 1,16 W/mk (ở 20°C). Độ xốp 50 - 85%. Khi nung điatômit đến 600 - 700°C sẽ cháy các tạp chất hữu cơ.

Trêpen. Trêpen cũng là đá trầm tích tạo thành từ một phần ôxyt sylicôpan và phần lớn từ các phiến rong biển điatômit. Về thành phần hoá học và dạng bên ngoài điatômit và trêpen khác nhau rất ít. Thành phần cơ bản của trêpen cũng là ôxyt silic vô định hình (SiO2 = 73 - 86%). Khối lượng riêng 600 - 800 kg/m3. Hệ số dẫn nhiệt 0,145 W/mK (ở 20°C).

Điatômit và trêpen là các cấu tử cơ bản để sản xuất hàng loạt vật liệu cách nhiệt.

2.3.2. Amiăng

1. Amiăng

46

Amiăng là một loại khoáng có kết cấu sợi, có khả năng tách ra thành các sợi mềm, đàn hồi mỏng. Các khoáng này là hyđrôsilicat manhê và hydrôsilicat sắt - Amiăng chia làm hai nhóm: amiăng chrizotil và amiăng amfibol.

Amiăng chrizotil là khoáng nhóm secpentin có thành phần hoá học

SiO2 MgO A12O3 Fe2O3 FeO CaO H2O

42-45 39-42 0,3-0,8 0,6-1,8 0,05-0,5 0,77 12

Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào khối lượng riêng và có giá trị 0,09 - 0,26, W/mK ở 50°C. Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào khối lượng riêng và nhiệt độ trung bình theo biểu thức:

W/mk

Amiăng amfibol: khác đáng kể với amimăng chrizotil về thành phần hoá học và tính chất vật lí.

Si02 MgO AL2O3 Fe2O3 FeO CaO Na2O

47-59 3,9-31 0,1-7 0,4-15,7 2,0-36,6 0,5-17 0,2-6,5

Nhiệt độ nóng chảy 11500C, bền nhiệt ở 4000C. Có ưu điểm cơ bản so với amiăng chrizotil là có tính chịu axít.

2.3.3. Bông thuỷ tinh

Bông thuỷ tinh là loại vật liệu cách nhiệt bao gồm các sợi thuỷ tinh xếp đặt một cách vô trật tự, các sợi thuỷ tinh này nhận được từ thuỷ tinh nóng chảy. Nguyên liệu để sản xuất bông thuỷ tinh cũng như nguyên liệu để sản xuất thuỷ tinh (cát thạch anh, đá vôi, xôđa, đôlômit, sunphát...).

1. Bông thuỷ tinh từ sợi liên tục

Bao gồm các sợi thuỷ tinh mềm bố trí hỗn loạn, nhận được bằng cách kéo căng từ thủy tinh lông. Đường kính sợi ≤ 21μm, khối lượng riêng ρ ≤ 130kg/m3, hệ số dẫn nhiệt λ = 0,0394 + 0,000348ttb, bền ờ 4500C, độ bền axít cao.

Bông thuỷ tinh dùng cách nhiệt trên các ống dẫn, các trang bị của nhà máy điện, các lò công nghiệp, các lò sấy.

2. Bông thành phẩn cao lanh

Là vật liệu cũng bao gồm từ các sợi mỏng xếp đặt vô trật tự. Đường kính trung bình của sợi ≤ 4μm, khối lượng riêng ρ = 95 kg/m3, hệ số dẫn nhiệt ở 1000C: 0,052W/mk, ở 4000C: 0,116 W/mK. Nhiệt độ nóng chảy 17000C, nhiệt độ giới hạn sử dụng 11000C. Cách nhiệt bằng bông cao lanh có hiệu quả cao, dùng trong tuạbin khí, tuabin hơi.

97

47

2.3.4 Thủy tinh bọt

Thuỷ tinh bọt là vật liệu cách nhiệt nhận được bằng cách thiêu kết hỗn hợp bột thủy tinh với khí lò sinh khí. Phối liệu chứa 95 - 99% bột thuỷ tinh, 1 - 5% khí lò sinh khí. Đặc tính của thuỷ tinh bọt phụ thuộc vào thành phần hạt của bột, số lượng khí, nhiệt độ và thời gian quá trình thiêu kết. Tăng hàm lượng khí trong phối liệu làm tăng kích thước lỗ xốp. Tăng nhiệt độ thiêu kết làm giảm khối lượng riêng của thuỷ tinh bọt. Khối lượng riêng của thủy tinh bọt còn phụ thuộc vào thành phần hạt của bột thuỷ tinh và khí. Khối lượng riêng giảm cùng với việc giảm kích thước hạt, với sự tăng nhiệt độ, và tăng thời gian thiêu kết (ρ = 100 - 600kg/m3).

Hệ số dẫn nhiệt của thuỷ tinh bọt phụ thuộc vào khối lượng riêng và nhiệt độ, nó dao động từ 0,035 - 0,174 W/mK (ở 200C). Khi nhiệt độ tăng, hê số dẫn nhiệt tăng. Nhiệt dung riêng: 0,76kJ/kgK. Độ bền cơ học nén phụ thuộc vào khối lượng riêng và dao động từ 0,8 - 15N/mm2. Độ xốp 85 - 90%. Kích thước lỗ xốp dao động từ 0,l - 5mm. Thuỷ tinh bọt có tính chịu băng giá và tính chịu nhiệt cao.

Nhiệt độ giới hạn sử dụng 3000C.

2.4. Vật liệu cách nhiệt hữu cơ

2.4.1. Tấm cói

Chế tạo tấm cói bằng cách đặt cói sấy chín vào thiết bị ép, ép thân cây cói, đan cói đã được ép bằng chỉ mỏng (d = l,2 - 2mm) bằng máy đan tự động, xén đầu và cắt các tấm cói theo các kích thước sau:

240 - 280cm dài, 35 - 150cm rộng; 3 - 10cm dày. Độ ẩm của tấm cói yêu cầu không lớn hơn 18%. Giới hạn cường độ chịu uốn phụ thuộc vào mức độ ép chặt thường từ 0,5 - 1 N/mm2.

Tấm cói dễ bị mục nát khi bị ẩm ướt, dễ cháy, dễ hư hỏng do bị gặm nhấm. Có thể khắc phục bằng cách ngâm tẩm bằng thuốc phòng chống hay trát thuỷ tinh lỏng lên bề mặt.

2.4.2. Fibrôlit

Fibrôlit được chế tạo từ dăm bào và chất kết dính vô cơ. Các tấm fibrôlit chất lượng cao được chế tạo từ sợi gỗ bồ đề, gỗ thông ở dạng các băng hẹp, dài không dưới 400mm/rộng 5 - 7mm và dày 0,25 - 0,5mm với

Chiều dày tấm cói

cm

7 - 10

3 - 5

Khối lượng riêng,

kg/m3

175 - 200

200 - 250

Hệ số dẫn nhiệt λ

W/mK

0,046 - 0,07

0,07 - 0,092

48

chất kết dính và xi măng poóclăng. Quá trình chế tạo fibrôlit gồm các bước sau: chuẩn bị sợi gỗ, xử lí sợi gỗ bằng CaCl2 hoặc thuỷ tinh lỏng, nhào trộn sợi gỗ với xi măng, đổ khuôn và đầm chặt trong khuôn dưới áp suất 0,1 - 0,4 N/mm2 để cho cứng rắn và sấy khô các tâm. Tấm fibrôlit thường có kích thước dài 200 - 240cm, rộng 50 - 55cm, dày 2,5 - 10cm. Hệ số dẫn nhiệt của fibrôlit như sau:

Khối lượng riêng, kg/m3 λ ở 25 ± 50C W/mk

300 0,098 - 0,127

350 0,11 - 0,145

400 0,12 - 0,160

500 0,15-0,197

Fibrôlit dễ gia công cơ học, có thể cưa, khoan. Bể mặt fibrôlit sần sùi nên có khả năng dính kết tốt với lớp trát. Fibrôlitlà vật liệu khó cháy. Fibrôlit dùng làm tường ngăn và sàn trong điều kiện khô ráo.

2.4.3. Tấm cách nhiệt bằng sợi gỗ

Chế tạo bằng cách: cưa và bóc vỏ sơ bộ gỗ đầu thừa sau đó chặt trên máy chặt và nghiền. Sau khi nghiền nguyên liệu chuyển vào bể, ở đây tiến hành nhào trộn, đánh tơi và trộn với các phụ gia. Hỗn hợp được chuyển đến máy xeo. Sau khi xeo nguyên liệu được khử nước, làm chặt và cắt thành tấm. Các tấm này được ép và sấy khô. Các tấm cách nhiệt này dài 300cm, rộng 160cm. Khối lượng riêng dao động từ 150 - 1100 kg/m3, hộ số dẫn nhiệt λ = 0,046 - 0,092 W/mK. Các tấm sợi gỗ dùng làm tường cách nhiệt, trần, sàn, tường ngăn trong các công trình công nghiệp, dùng cho các bộ phận cách âm của phòng phát thanh, phòng hoà nhạc, rạp hát.

2. 4. 4. Tấ m vỏ bào

Tấm vỏ bào được chế tạo bằng cách ép nóng nguyên liệu có chứa trung bình từ 88 - 92% sợi hữu cơ (vỏ bào mỏng) và 8 - 12% nhựa tổng hợp. Tấm vỏ bào có nhiều lớp, hệ số dẫn nhiệt λ = 0,046 - 0,092W/mK, gia công cơ học dễ dàng.

Các tấm vỏ bào kinh tế hơn tán sợi gỗ bởi vì hơi và năng lượng điện tiêu thụ để sản xuất tấm vỏ bào giảm 2 lần và vốn đầu tư nhỏ.

2.4.5. Sản phẩm cách nhiệt bằng than bùn

Nguyên liệu chủ yếu là loại than bùn ít bị rữa, lấy từ lớp trên mặt đầm lầy, ở đó có chứa nhiều rêu thực vật, có cấu tạo nhiều sợi xốp - những tấm than bùn chế tạo bằng cách ép những sợi than bùn và gia công nhiệt các tấm. Các sợi dính kết lại vói nhau bằng chất nhựa do bản thân than bùn tiết ra

49

trong quá trình gia công nhiệt.

Kích thước tấm 100 x 50 x 3cm. Khối lượng riêng ρ= 1504 - 250 kg/m3. Hệ số dẫn nhiệt λ = 0,058 - 40,069 W/mK. Nhược điểm chủ yếu là có độ hút nước cao dẫn đến sự nở, vì vậy các tấm than bùn cần phải trát và phòng ngừa ẩm ướt. Ứng dụng: giữ nhiệt cho tường và mái nhà công nghiệp, các nhà lạnh cũng như để bảo ôn các đường ống khi nhiệt độ đến 100°C.

2.4.6. Nỉ xây dựng

Chế tạo nỉ xây dựng từ các loại len xấu của động vật với phụ gia là những sợi thực vật và keo tinh bột. Nỉ có dạng tấm, kích thước (100 - 200) x (50 - 200) x (l,5)cm. Khối lượng riêng ρ = l00 - 300 kg/m3. Hệ số dẫn nhiệt λ= 0,058 W/mK. Dùng nỉ để cách nhiệt các ống dẫn hơi, dẫn khí, dẫn nước, dẫn dầu. Nỉ có thể phối hợp với cáctông amiăng để làm lớp lót khi nhiệt độ đến 120 - 150°C. Nỉ còn dùng để cách nhiệt và cách âm dưới lớp trát.Để chống mối ni cần được tẩm dung dịch NaF sau đó sấy khô khi dùng.

50

Chương 3. VẬT LIỆU KIM LOẠI CHỊU NHIỆT

3.1. Khái niệm, phân loại gang và thép

3.1.1. Khái niệm, phân loại gang

Như đã biết từ trước, gang là hợp kim Fe - C với lượng cacbon vượt quá 2% (đúng ra là 2,14%, ứng với bên phải điểm E của giản đồ trạng thái Fe - C).

Hình 3.1: Giản đồ pha Fe-Fe3C

Cacbon là nguyên tố quan trọng trong gang. từ giản đồ trạng thái Fe - C thấy rõ ràng lượng cacbon cao, nhiệt độ nóng chảy của gang thấp hơn đáng kể so với thép, do vậy thực tế nấu chảy gang dễ thực hiện hơn so với thép. Thường không dùng gang > 5%C. Hai nguyên tố khác thường gặp trong gang với lượng khá lớn (từ 0,5 đến trên 2%) là Mn và Si. Đó là hai nguyên tố có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành graphit, cơ tính của gang. Trong các loại gang giới hạn của hai nguyên tố này thay đổi trong phạm vi tương đối rộng.

Photpho và lưu huỳnh là hai nguyên tố với lượng chứa ít khoảng 0,05 - 0,5%, trong đó lưu huỳnh là nguyên tố có hại đối với gang càng ít càng tốt.

Ngoài ra trong gang còn có thể có chứa một số nguyên tố khác như các nguyên tố hợp kim (Cr, Ni, Mo...), các nguyên tố biến tính (Mg, Ce...).

Theo tổ chức tế vi người ta phân chia ra các loại gang: gang trắng, gang xám, gang cầu, gang dẻo

51

Gang trắng là loại gang trong đó tất cả cacbon nằm ở dạng liên kết trong hợp chất Xementit Fe3C. Như vậy tổ chức tế vi của gang trắng hoàn toàn phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C luôn có chứa hỗn hợp cùng tinh Ledeburit.

Các gang xám, cầu, dẻo là loại gang trong đó phần lớn hay toàn bộ cacbon ở dạng tự do - graphit với các hình dạng khác nhau: tấm, cầu, cụm. Trong tổ chức không có Ledeburit, do đó tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C.

Tổ chức tế vi của gang có graphit còn phụ thuộc và tỷ lệ phân bố của cacbon ở pha graphit và Xementit. Người ta chia tổ chức của chúng ra hai phần: phần phi kim loại - graphit và nền kim loại gồm ferit và xementit. Khi tất cả cacbon ở dạng tự do thì nền kim loại của tổ chức chỉ gồm có ferit, còn khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức có thể là ferit - peclit, peclit hoặc peclit - xementit.

Chính do đặc điểm về tổ chức như vậy mà các loại gang có cơ tính và công dụng khác nhau. Để đạt được tổ chức tế vi quy định mỗi loại gang lại có thành phần nguyên tố khác nhau.

3.1.2. Khái niệm, phân loại thép

3.1.2.1. Thép cacbon

Thép C Là loại thép trong tổ chức tế vi không có Le, trong thành phần ngoài C và Fe còn có một số tạp chất là Mn,Si,P,S

Theo tổ chức tế vi (theo giản đồ trạng thái)

Theo cách này, thép được phân loại là:

-Thép trước cùng tích (trong tổ chức chỉ có P + F)

- Thép cùng tích (trong tổ chức chỉ có P)

- Thép sau cùng tích (trong tổ chức chỉ có P + XeII)

Phân loại theo công dụng

Thép cacbon chất lượng thường: là các loại thép dùng chế tạo các kết cấu với liên kết hàn là chủ yếu. (Ví dụ: Giàn, khung, vỏ tàu)

* Yêu cầu: - Tính hàn cao

- Tính dẻo đảm bảo

- Có cơ tính đủ theo yêu cầu kết cấu

Ký hiệu: - TCVN: CT 31; CT33...

Được chia làm 3 nhóm

52

Nhóm A: chỉ quy định cơ tính mà không quy định thành phần hóa học

Nhóm B: chỉ quy định thành phần hóa học mà không quy định cơ tính

Nhóm C: quy định cả cơ tính và thành phần hóa học

* Ứng dụng: Chủ yếu làm các kết cấu trong xây dựng như nhà xưởng, cầu cống, cốt thép bê tông. Cũng có thể sử dụng trong chế tạo máy để làm các chi tiết máy không quan trọng. TCVN5709-93 quy định các mác chuyên dùng làm các kết cấu thép trong xấy dựng gồm có: XCT34; XCT38; XCT42

Thép kết cấu: Được quy định chặt chẽ về thành phần hóa học dùng để sản xuất các chi tiết máy.

* Yêu cầu:

- Tính công nghệ cao (hàn, gia công áp lực, cắt, gọt)

- Cơ tính phải đảm bảo

-Thành phần C từ 0,10,65%

Ký hiệu:

-TCVN: C**( 000

0 cacbon TB)

Ví dụ: C40, C60; C35….

. Thép dụng cụ: Là loại thép có thành phần C từ 0,7 1,3%.

+ Công dụng: Dùng sản xuất các dụng cụ cắt, tốc độ thấp mà chủ yếu là dụng cụ cầm tay.

+ Chế độ nhiệt luyện: tôi + ram thấp (để thu được Mactenxít ram).

Ký hiệu:

-TCVN: CD**( 000

0 cacbon TB)

Ví dụ: CD70, CD80;CD80A

. Một số thép C có công dụng riêng

-Thép đường ray: là loại thép C chất lượng cao, cần có độ bền và tính chống mài mòn cao

-Dây thép: Có từ 0,10,9% C

- Thép dễ cắt (thép tự động) có hàm lượng phốt pho nhất định ,khi gia công cắt gọt để đảm bảo phoi dễ gãy.

3.1.2.2. Thép hợp kim

53

Thép hợp kim là loại thép trong thành phần hóa học ngoài Fe và C, các tạp chất thì còn có một số nguyên tố hợp kim

Nguyên tố hợp kim là các nguyên tố hoá học đưa vào thép với một hàm lượng xác định để tạo ra các tổ chức mới ưu việt hơn cho thép.

Giới hạn lượng chứa để từ đó phân chia ranh giới giữa tạp chất và nguyên tố hợp kim như sau:

Mn = 0,8 - 1,0% Si = 0,5 - 0,8% Cr = 0,2 - 0,8%

Ni = 0,2 - 0,6% W = 0,1 - 0,5% Mo = 0,05 - 0,2%

Ti > 0,1% , Cu > 0,1%, B > 0,02%

Phân loại thép hợp kim

Phân loại theo hàm lượng của nguyên tố hợp kim

%(NTHK) < 2,5% :thép hợp kim thấp

%(NTHK) trong khoảng (2,5 10%) :thép hợp kim trung bình

%(NTHK) > 10% :thép hợp kim cao

Theo nguyên tố hợp kim chính

Nguyên tố hợp kim chính là nguyên tố có hàm lượng lớn nhất và có tác dụng rõ rệt nhất. Mục đích của phương pháp này đánh giá khá chính xác về giá cả và xác định được phạm vi sử dụng của thép bao gồm: Thép crôm, thép mangan, thép niken, thép vonfram, thép crôm - niken.

Theo công dụng

Mục đích của phương pháp này nói rõ lĩnh vực tác dụng của thép hợp kim trong kỹ thuật bao gồm: Thép kết cấu hợp kim, thép dụng cụ hợp kim, thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép chịu mài mòn, thép có tính chất vật lý đặc biệt.

Phân loại theo tổ chức tế vi

Thường phân loại thép hợp kim theo tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng và sau khi thường hóa.

ở trạng thái cân bằng

Sau khi ủ, thép có tổ chức cân bằng ổn định, với lượng cacbon tăng dần theo tổ chức tế viđạt được lần lượt các loại thép sau:

1. Thép trước cùng tích ngoài peclit còn có các ferit tự do.

2. Thép cùng tích với tổ chức peclit

3. Thép sau cùng tích với tổ chức ngoài peclit ra còn có cacbit thứ hai.

54

4. Thép lêđêburit với tổ chức trong đó có cùng tinh lêđêburit.

Như đã biết các nguyên tố hợp kim làm giảm khả năng hòa tan cacbon của austenit, do vậy các thép trên sẽ hình thành với lượng cacbon thấp hơn so với thép cacbon.

5. Thép austenit với tổ chức thuần austenit là loại thép được hợp kim hóa bằng lượng lớn nguyên tố mở rộng vùng γ là Ni hoặc Mn.

6. Thép ferit với tổ chức thuần ferit, là loại thép được hợp kim hóa bằng lượng lớn nguyên tố mở rộng vùng là crom với hàm lượng cacbon rất thấp.

Hai thép sau cùng là loại không có chuyển biến pha khi nung núng và làm nguội.

Ngoài ra còn loại thép nửa ferit hay nửa austenit là loại chuyển biến γ ↔ xảy ra không hoàn toàn.

Công dụng của cách phân loại này là cho biết tổ chức tế vi của thép ở trạng thái ủ là trạng thái ổn định nhất ứng với độ bền, độ cứng thấp nhất, qua đó có thể xác định các tính chất của thép ở trạng thái ủ.

ở trạng thái thường hóa

Từ tổ chức sau khi làm nguội ngoài không khí tĩnh (thường hóa) các mẫu nhỏ (đường kính 25mm) có thể chia ra ba loại thép cơ bản sau:

1. Thép ferit là loại thép hợp kim thấp nên tính ổn định của austenit quá nguội chưa lớn lắm, do vậy với tốc độ nguội trong không khí tĩnh sẽ làm austenit phân hóa thành peclit (xoocbit, trôxtit) (hình vẽ 3.2a)

Mđ

Thời gian

Nh

iệt đ

ộ

00

Thép loại P

Mđ

Thời gian

Nh

iệt đ

ộ

00

Thép loại M

Mđ Thời gian

Nh

iệt đ

ộ

00

Thép loại austenit

a b c

Hình 3.2: Giản đồ phân hoá đẳng nhiệt của ba loại thép hợp kim

2. Thép mactenxit là loại thép hợp kim trung bình và cao, có tính ổn định của austenit quá nguội lớn đến mức khi làm nguội trong không khí tĩnh cũng đạt được tổ chức mactexit (hình vẽ b), thép này còn có tên là thép tự tôi.

55

3. Thép austenit là loại thép hợp kim cao với các nguyên tố Mn và Ni (thường có thêm Cr), có điểm bắt đầu chuyển biến Mactenxit nhỏ hơn 00C và do vậy khi làm nguội trong không khí không hạ được nhiệt độ chuyển biến mactenxit, vẫn giữ lại tổ chức austenit (hình vẽ c)

Công dụng của cách phân loại này là biết được tổ chức tế vi của thép hợp kim ở trạng thái cung cấp, tức ở trạng thái sau khi cán nóng rồi làm nguội trong không khí. Tuy tổ chức đạt được chỉ có tính chính xác tương đối (bởi vì tốc độ nguội còn phụ thuộc vào tiết diện của phôi thép, nên cùng một thép có thể có tổ chức khác nhau nếu tiết diện khác nhau), song qua đó có thể biết được tính chất chủ yếu của thép. Ví dụ, nếu là thép mactenxit thì rõ ràng là nó phải có tính thấm tôi rất cao, rất dễ đạt được cơ tính đồng đều trên toàn tiết diện, dễ tôi...

3.2. Thép và hợp kim đặc biệt

3.2.1. Thép không gỉ

* Khái niệm ăn mòn kim loại: ăn mòn là sự phá huỷ kim loại dưới tác dụng xâm thực của môi trường mà sản phẩm làm việc. Các chi tiết máy trong quá trình làm việc chủ yếu bị ăn mòn điện hóa

* Đặc điểm ăn mòn:

+ Xảy ra thường xuyên, liên tục với các sản phẩm kim loại

+ Chủ yếu phụ thuộc vào môi trường

+ ít chịu ảnh hưởng của tải trọng mà chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái ứng suất.

* Phân loại ăn mòn theo hình dạng tác dụng

+ ăn mòn đều: là quá trình ăn mòn xảy ra tương đối đều trên toàn bộ bề mặt của sản phẩm kim loại

+ ăn mòn điểm: xảy ra tập trung tại 1 số vị trí trên bề mặt sản phẩm

+ ăn mòn viền giới hạt: xảy ra mãnh liệt theo biên giới hạt

+ ăn mòn ứng suất: xảy ra mãnh liệt tại các vùng tập trung ứng suất

Nguyên lý chống ăn mòn của các loại thép

Nguyên lý chung để chế tạo thép chống ăn mòn điện hóa là:

- Làm thép có tổ chức một pha với thành phần đồng nhất: Nếu thép chỉ có một pha đồng nhất thì không tạo thành cặp pin được và do vậy nó có tính chống ăn mòn rất cao. Muốn thép có tổ chức một pha chỉ có cách là hợp kim hóa nó bằng những nguyên tố mở rộng vùng α hoặc γ để nhận được thép ferit hoặc austenit.

56

- Làm cho điện thế điện cực của hai pha ferit và cacbit (xementit) chênh lệch nhau ít, do đó dòng điện ăn mòn sinh ra nhỏ, tính chống ăn mòn của thép được nâng cao. Muốn vậy phải hợp kim hóa thép bằng lượng lớn nguyên tố hợp kim hòa tan vào ferit và có khả năng nâng cao điện thế điện cực của pha này lên giá trị gần bằng điện thế điện cực của pha cacbit.

Đặc điểm chung của các loại thép không gỉ

- Thành phần cacbon thấp. Thành phần cacbon càng thấp số lượng pha cacbit trong thép càng ít, dòng điện ăn mòn nhỏ, tính chống ăn mòn cao. Làm việc trong môi trường ăn mòn càng mạnh, lượng cacbon yêu cầu càng phải giảm thấp.

- Thành phần hợp kim cao. Mọi loại thép không gỉ đều chứa nhiều hơn 12% Cr và có thể còn có một lượng khá lớn các nguyên tố Ni, Mn, ngoài ra còn có thể có một lượng nhỏ Ti, Nb.

Các loại thép không gỉ

Thép không gỉ 2 pha

*Thép Máctenxit:

Thành phần của thép: %C từ 0,1- 0,4%C

NTHK chính là Cr với lượng chứa >12%Cr

Tổ chức gồm hai pha Ferit và Cacbit

- Tính chất: + Chống ăn mòn tốt trong môi trường không khí, nước sông , nước máy

+ Trong môi trường axit và bazơ chống ăn mòn kém do có tập trung ứng suất khi chuyển biến mactenxit (do có pha).

+ Đảm bảo tính dẻo

Các số hiệu điển hình: 12Cr13; 20Cr13; 30Cr13; 40Cr13

* Thép ferit bền axit

Hình 3.3: Ảnh hưởng Cr đến φo

25 12,5 37,5 %Cr

0

57

Nguyên tố hợp kim chính là Cr. Tùy theo hàm lượng Cr chia ra làm ba nhóm:

- Nhóm thép chứa tới 17%Cr như số hiệu 12Cr17, đó là số hiệu thép không gỉ ferit dùng nhiều nhất, vì nó có thể thay thế cho thép austenit trong những trường hợp có thể lại không chứaNi nên rẻ. Được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất HNO3, hóa thực phẩm, kiến trúc…. Nhược điểm duy nhất là khó hàn, tuy nhiên có thể khắc phục bằng cách hạ thấp hàm lượng cacbon hoặc cho thêm Ti như số hiệu 08Cr17Ti

- Nhóm thép chứa khoảng 24-27%Cr loại này chứa rất ít cacbon như 15Cr25Ti

- Nhóm thép chứa từ 27-30%Cr do có hàm lượng Cr cao nên chống oxy hóa được ở nhiệt độ cao như 15Cr28

Thép không gỉ 1 pha: là loại thép không gỉ mà tổ chức chỉ có 1 pha đồng nhất (thép không gỉ Crom-niken)

- Thành phần hoá học: %C < 0,1%,18%Cr, Ni 9-10%có tác dụng mở rộng vùng ,do đó tăng 0 của thép (cũng theo quy luật ứng suất)

Do Ni đắt tiền khó hợp kim hoá không dùng với số lượng quá lớn

- Tính chất:

+ Chống ăn mòn tốt trong mọi môi trường

+ Tính dẻo cao, dễ gia công áp lực

+ Cơ tính đảm bảo, có thể hóa bền bằng biến dạng dẻo.

+ Có thể xảy ra ăn mòn tinh giới hạt nên tính hàn không cao dễ xuất hiện ăn mòn tinh giới hạt mối hàn

+ Đắt tiền do có chứa nhiều Ni

+ Khó gia công cắt gọt do dẻo quánh, phoi khó gãy

Sản xuất các thiết bị chống ăn mòn cao.

Các số hiệu điển hình : 12Cr18Ni9, 04Cr18Ni10, 25Cr18Ni10Ti

3.2.2. Hợp kim có điện trở lớn để làm dây đốt nóng

+ Hợp kim Ni – Cr: Cr20Ni80 - Nimônich

Tổ chức: nền dung dịch rắn của Cr trong Ni

Pha phân tán: pha liên kết loại Cr - Ni chịu được nhiệt độ rất cao biến dạng 3000C, lớn dùng làm dây đốt cho các lò nung kim loại Q = I2Rt

58

Nhược điểm: Sau một thời gian làm việc bị dòn, không chịu được tải trọng va đập.

+ Hợp kim Co: chủ yếu là Co có hợp kim hoà tan bởi Ni, Cr, t0 làm việc ~ 14000C không ổn định hình dáng khi làm việc.

+ Hợp kim Mo

+ Hợp kim W hoặc W nguyên chất: có t0 làm việc cao nhất

+ Vật liệu chịu nhiệt phi kim loại: Dùng Si

Dùng dưới dạng SiC có lớn, T0 làm việc ~ 13000C dùng làm các thanh đốt cho lò nung kim loại công suất lớn.

3.3. Vật liệu ổn định nóng và bền nóng

3.3.1. Vật liệu ổn định nóng

Khả năng của kim loại chống lại tác động ăn mòn của khí ở nhiệt độ cao gọi là tính ổn định nóng.

Ăn mòn hóa học ở nhiệt độ cao:

Ăn mòn hóa học phát triển trong không khí khô hoặc chất lỏng không điện ly. Trong đa số các trường hợp, đó là các khí chứa oxy: không khí khô, khí chứa cacboniec, hơi nước khô và ôxy nguyên chất. Khi ăn mòn hóa học, bề mặt kim loại bị ôxy hóa.

Sự ôxy hóa bao gồm một số giai đoạn xảy ra kế tiếp. Giai đoạn đầu tiên là hấp thụ phần tử khí ôxy từ pha khí bởi các nguyên tử kim loại bề mặt. Khi hấp thụ sẽ tiết ra nhiệt do sự phân ly phân tử khí ôxy thành nguyên tử. Quá trình này kèm theo sự phân bố lại điện tử và ion hóa nguyên tử: nguyên tử kim loại bề mặt ôxy hóa – bị mất điện tử (1); nguyên tử ôxy hoàn nguyên nhận điện tử (2).

(1)

(2)

(3)

Quá trình ôxy hóa kết thúc bằng sự tương tác hóa học của các ion (3) với sự tạo ra trên bề mặt sản phẩm của phản ứng hóa học ở dạng kết tinh; nó cản trở sự ôxy hóa tiếp tục, nhờ đó có tác dụng bảo vệ.

Khả năng ôxy hóa tự xảy ra được quyết định bởi dấu của sự thay đổi thế nhiệt độ tiêu chuẩn của phản ứng (3) ở nhiệt độ đã cho (ái lực hóa học đối với ôxy) ∆G0T. Nếu ∆G0T< 0 thì sự ôxy hóa là có thể xảy ra.

59

Giá trị ∆G0T trình bày ở dưới chỉ ra rằng vàng và bạc ở 298o K không bị ôxy hóa. Trong các hợp kim chưa Crôm và niken, sự tạo ra ôxit Crôm có xác suất cao hơn cả:

Ôxit Au2O Ag2O NiO Cr2O3

∆G0298, kJ/mol +3 +1.2 -24.1 -40.5

Tốc độ ôxy hóa phụ thuộc vào tính chất bảo vệ của ôxit tạo thành trên bề mặt. Chỉ các ôxit sít chặt có hệ số thể tích φ1 nằm trong khoảng 1.0 ÷ 2.5 mới có tính chất bảo vệ.

Tính ổn định nóng của kim loại

Tính ổn định nóng của kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố bên ngoài và bên trong. Các yếu tố bên ngoài bao gồm nhiệt độ, thành phần môi trường khí, tốc độ chuyển động của nó, áp suất hơi riêng phần của chất ôxy hóa. Nâng cao nhiệt độ và tốc độ chuyển động pha khí, làm tăng tốc độ ôxy hóa. Sự thay đổi áp suất hơi riêng phần của ôxy gây ảnh hưởng phức tạp hơn.

Tăng áp suất hơi riêng phần của ôxy thúc đẩy quá trình ăn mòn các kim loại tạo thành ôxit xốp cũng như kim loại tạo thành ôxit sít chặt với sự dư thừa ôxy lớn. Sự có mặt hơi nước hoặc khí sunfua sẽ tăng cường ăn mòn sắt.

Thành phần hóa học, cấu trúc và độ sạch sẽ bề mặt gia công là các yếu tố bên trong. Thành phần hóa học của kim loại quyết định cấu trúc mạng tinh thể và tính bảo vệ của ôxit, có ảnh hưởng mạnh nhất. Bề mặt được đánh bóng bị ôxy hóa chậm hơn bởi vì ôxit phân bố đồng đều theo chiều dày màng và vì vậy móc dính bền vững với mặt kim loại.

Tính ổn định nóng của hợp kim

Yêu cầu cơ bản đối với tất cả các nguyên tố dùng để hợp kim hóa tăng độ ổn định nóng là ái lực hóa học với ôxy của chúng mạnh hơn kim loại cơ sở. Chỉ có như vậy, nguyên tố hợp kim mới có thể ảnh hưởng đến tính ổn định nóng. Do vậy các kim loại nhóm 5 như Au, Ag, Pt.

Tính ổn định nóng của thép hợp kim hóa thấp và hợp

Hình 3.4: Sơ đồ thay đổi nồng độ khuyết

tật ôxit khi hợp kim hóa

a)Với sự dư thừa ion kim loại; b) Với sự

thiếu hụt ion kim loại

60

kim được nâng cao do nguyên tố hợp kim B đi vào mạng ôxit của kim loại nền A làm giảm khuyết tật của mạng này. Ôxit hợp kim (AB)mOn được tạo thành. Các kim loại mà ôxit của chúng có dư thừa ion ở giữa các nút mạng (hình 3.4a), cần phải hợp kim hóa bằng các nguyên tố hóa trị cao. Để bảo tốn tính trung hòa điện sẽ phải xảy ra sự thay thế 3A2+=2B3+ và số các ion kim loại giữa các nút mạng giảm xuống. Các kim loại mà ôxit của chúng thiếu ion kim loại trong nút mạng (hình 3.4b) cần phải hợp kim hóa bằng các nguyên tố có hóa trị thấp. Lúc này xảy ra sự thay thế A2+=2B+ và số các nút trong cation giảm đi.

Tính ổn định nóng tốt của thép hợp kim hóa cao và hợp kim được giải thích bởi các nguyên tố hợp kim tạo ra ôxit của chính chúng BmOn có tính bảo vệ tốt hơn ôxit kim loại nền AmOn. Để tạo ra ôxit của mình, các nguyên tố hợp kim cần không chỉ có ái lực mạnh hơn ôxy mà khối lượng và độ linh động khuếch tán của chúng phải được đảm bảo đề tạo ra ôxit trên toàn bộ bề mặt ôxy hóa. Bản thân ôxit của nguyên tố hợp kim cần phải là loại sít chặt, không bị nứt, có độ dẫn điện nhỏ nhưng nhiệt độ thăng hoa cao và chảy phải cao, không tạo ra cùng tinh và pha riêng biệt dễ chảy.

Hợp kim titan hấp thụ ôxy mạnh hơn so với titan iođua vì thế màng ôxit bảo vệ trên bề mặt không được tạo thành và tính ổn định nóng của hợp kim titan không được cải thiện cả đối với các hợp kim α cũng như đối với hợp kim (α+β). Chỉ có thể nâng cao tính bền nóng bằng cách ứng dụng lớp phủ ổn định nóng.

Tính ổn định nóng của sắt và thép có thể được nâng cao bằng cách hợp kim hóa thêm Cr, Al và Si. Để hợp kim hóa thể tích hoặc bề mặt sắt và thép, phổ biến nhất là người ta sử dụng Cr với hàm lượng lên đến 30%. Cùng với sự tăng hàm lượng Cr trong thép, sự nâng cao nhiệt độ, kéo dài thời gian giữ khi nung, giảm bớt áp suất hơi riêng phần của chất ôxy hóa, hàm lượng Cr trong ôxit tăng lên. Các oxit sắt hợp kim được thay thế bằng oxit Cr, điều đó làm tăng thêm tính ổn định nóng. Thép cacbon thấp ứng với hàm lượng Cr cao có tổ chức một pha ferit. Trong quá trình làm việc lâu dài ở nhiệt độ cao, các tinh thể ferit phát triển, điều đó kéo theo sự giảm thiểu độ dai va đập. Để ngăn ngừa sự hóa giòn này, người ta hợp kim hóa thêm các nguyên tố phụ tạo cacbit (ví dụ titan). Cacbit gây cản trở sự phát triển của hạt ferit. Thành phần hóa học và tính chất của thép ổn định nóng được nêu trong bảng 3.1

Cần nhận thấy rằng, thép 08Cr17Mn và 15Cr25Mn thuộc loại ferit (trong tổ chức chủ yếu là ferit) không bền nóng, do đó chỉ sử dụng để làm chi tiết không chịu tải nặng và va đập. Tính chất trình bày trong bảng là trạng thái ủ. Hợp kim 20Cr23Ni18 và 20Cr25Ni20Si2 thuộc loại austenit, không chỉ ổn định nóng mà còn bền nóng. Tính chất của chúng được trình bày ở trạng thái tôi. Lĩnh vực ứng dụng của thép và hợp kim ổn định nóng chỉ ra trong bảng sau:

61

Bảng 3.1: Tính chất của thép và hợp kim ổn định nóng

Ký hiệu Thành phần khối lượng *, % Cơ tính

C Cr Ni Si Ti σB, MPa δ, %

08Cr17Ti 0.08 16-18

0.7 0.8 0.4-0.8

400 20

15Cr25Ti 0.15 24-27

0.8 1 0.75-0.8

450 20

20Cr23Ni18 0.2 22-25

17-20

1 - 500 35

20Cr25Ni20Si2 0.2 24-27

18-21

2-3 - 600 35

*Theo tiêu chuẩn Nga 5632-72

Trong thép, khác với Cr, hàm lượng Al và Si cần phải hạn chế vì các nguyên tố này làm giòn thép, làm xấu tính công nghệ khi gia công áp lực. Có thể loại bỏ nhược điểm này nếu chúng được hợp kim hóa đồng thời cùng với Cr hoặc được sử dụng để hợp kim hóa bề mặt. Thép ổn định nóng Cr13Al4 và Cr23Al5Ti được hợp kim hóa bằng Cr và Al cũng như hợp kim Cr20Ni80 được sử dụng như vật liệu có điện trở cao.

Tính ổn định nóng thấp của các kim loại khó chảy Mo, W, Ta, Nb tạo nên những khó khăn lớn khi sử dụng chúng với tư cách là vật liệu bền nóng. Ứng dụng chân không và môi trường bảo vệ khi gia công và sử dụng các kim loại khó cháy, gây nên những khó khăn kỹ thuật lớn trong một số trường hợp.

Hợp kim hóa thể tích các kim loại khó chảy không đưa tới sự nâng cao tính bền nóng mặc dù đối với độ ổn định nóng điều đó có thể là có hiệu quả. Có thể đạt được tính ổn định nóng cao bằng cách sử dụng lớp phủ khó chảy ổn định nóng

Bảng 3.2: Thép và hợp kim ổn định nóng dùng trong lò điện

Ký hiệu Nhiệt độ làm việc, 0C

Công dụng Bán thành phẩm

Cr18Al4 900-950 Dây nung lò điện Dây

Cr23Al5Ti 1350-1500

Thanh

Cr20NI80 1050-1100

62

15Cr25Ti 800-1000 Chi tiết lò điện, tải nhỏ Thanh

20Cr23Ni18 800-1000 Múp, tấm dẫn hướng, chi tiết quạt và băng chuyền, dàn con lăn

Cán hình

3.3.2 Vật liệu bền nóng

Chỉ tiêu bền nóng của vật liệu

Độ bền nóng là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng và phá hủy trong một thời gian dài ở nhiệt độ cao.

Độ bền nóng là một chỉ tiêu quan trọng để chọn vật liệu khi nhiệt độ làm việc của chi tiết vượt quá 0.3Tch. Rất nhiều chi tiết của thiết bị chạy bằng hơi nước hiện đại, lò luyện kim, động cơ đốt trong, tuabin và máy móc thiết bị khác nung nóng đến nhiệt độ cao chịu tải lớn. Điều kiện làm việc của chi tiết rất khác nhau; nhiệt độ thời gian chịu tải và độ lớn của ứng suất có ý nghĩa quyết định khi chọn vật liệu. Ví dụ: các thiết bị hơi nước làm việc hàng trăm ngàn giờ còn tên lửa thì chỉ làm việc vẻn vẹn có vài phút. Trong một số trường hợp nhiệt độ của các bộ phận chi tiết rất cao, gần tới nhiệt độ chảy của hợp kim, còn trong những trường hợp khác chỉ cao hơn 0.3Tch. Ở nhiệt độ cao, quá trình khuếch tán được thúc đẩy, tổ chức tế vi và cơ tính ban đầu của vật liệu giảm.

Sự nung nóng làm giảm yếu liên kết nguyên tử; ở nhiệt độ cao môđun đàn hồi, giới hạn bền, giới hạn chảy, độ cứng giảm đi. Nhiệt độ chảy của nền hợp kim càng thấp thì nhiệt độ làm việc của nó cũng càng thấp. (hình 3.5)

Hình 3.5: Sự phụ thuộc giới hạn chảy của kim loại vào nhiệt độ

1-Al; 2-Cu; 3-Ti; 4-Ta; 5-W

Hình 3.6: Đường cong rão

I-giai đoạn không ổn định; II-giai đoạn ổn định; III-giai đoạn phá hủy

63

Khi chịu tải lâu dài ở nhiệt độ cao, trạng thái của vật liệu quyết định bởi quá trình khuếch tán. Rão và tích thoát ứng suất là hiện tượng đặc trưng đối với những điều kiện ấy.

Rão là sự tăng biến dạng dẻo từ từ dưới tác động của ứng suất thấp hơn giới hạn chảy. Sự phụ thuộc của biến dạng vào thời gian đặt tải khi rão, trình bày trên hình 3.7. Đường cong rão bao gồm ba khu vực, mỗi một khu vực tương ứng với một thời kỳ rão xác định. Giai đoạn đầu tiên, còn gọi là rão không ổn định, được đặc trưng bởi sự suy giảm dần tốc độ biến dạng có trị số không đổi xác định. Giai đoạn thứ hai là rão ổn định, được đặc trưng bởi tốc độ biến dạng không đổi. Ở giai đoạn thứ ba, tốc độ biến dạng tăng liên tục đến thời điểm phá hủy. Giai đoạn thứ ba của rão thông thường không kéo dài và không cho phép xảy ra đối với các chi tiết, vì rằng trong trường hợp này không tránh khỏi sự phá hủy nhanh chóng.

Sự phát triển tương đối của mỗi giai đoạn rão phụ thuộc vào nhiệt độ và ứng suất. Với cùng một ứng suất, tăng nhiệt độ thử sẽ rút ngắn giai đoạn thứ hai và đẩy nhanh sự phá hủy (hình 3.7a). Khi nhiệt độ không đổi, tăng thêm ứng suất cũng gây ảnh hưởng tương tự (hình 3.7b).

Giới hạn chảy xác định khi thử nghiệm với thời gian ngắn không được xác định là chỉ tiêu bền nóng bởi vì nó không tính đến hành trạng vật liệu trong điều kiện chịu tải lâu dài. Chỉ tiêu độ bền nóng là giới hạn rão và giới hạn bền lâu.

Giới hạn rão là ứng suất mà dưới tác động của nó vật liệu bị biến dạng một lượng nhất định sau khoảng thời gian xác định ở một nhiệt độ cho trước. Trong ký hiệu giới hạn rão người ta chỉ rõ nhiệt độ, trị số biến dạng và thời gian sau đó nó xuất hiện. Ví dụ = 100Mpa có nghĩa là dưới

Hình 3.7: Sự phụ thuộc của rão vào nhiệt độ (a) và ứng suất (b)

t1< t2< t3< t4< t5< t6

σ1<σ2<σ 3<σ 4<σ 5<σ 6

64

tác dụng của ứng suất 100Mpa sau 100000 giờ ở 5500C trong vật liệu xuất hiện biến dạng dẻo 1%.

Giới hạn bền lâu là ứng suất gây nên phá hủy vật liệu ở nhiệt độ đã cho sau một thời gian xác định. Trong ký hiệu giới hạn bền lâu người ta chỉ rõ nhiệt độ và thời gian đến thời điểm phá hủy. Ví dụ = 130Mpa có nghĩa

là ở 6000C vật liệu chịu được ứng suất 130Mpa trong vòng 10.000 giờ. Giới hạn bền lâu đặc trưng cho sự thải bền của vật liệu trong quá trình chịu tải lâu dài ở nhiệt độ cao. Giới hạn bền lâu luôn luôn nhỏ hơn giới hạn bền xác định được khi thử với thời gian đặt tải ngắn ở cùng nhiệt độ.

Rão kim loại gây ra tích thoát ứng suất trong các chi tiết đã chịu tải trước. Khi làm việc ở nhiệt

Các nhóm vật liệu bền nóng cơ bản

Các thép bền nóng peclit, mactenxit và austenit về quy mô ứng dụng ở vùng 450 – 7000C chiếm vị trí đầu tiên. Thấp hơn 4500C hoàn toàn có thể sử dụng các thép kết cấu thông thường mà không nhất thiết phải chọn thép bền nóng.

Hợp kim bền nóng trên cơ sở nhôm, magie và titan nhẹ hơn thép, song bền nóng kém hơn và được sử dụng ở các nhiệt độ như sau (Bảng 3.3): hợp kim nhôm đến 300 – 3500C (trừ CAΠ có thể sử dụng ở nhiệt độ đến 500 – 5500C); hợp kim Mg đến 300 – 3500C; hợp kim Titan đến 500 – 6000C. Mặc dù giá thành khá cao, người ta vẫn phải sử dụng các hợp kim nêu trên ở những nơi không thể sử dụng các hợp kim bình thường cùng nền vì nhiệt độ làm việc cao cũng không thể dùng thép vì quá nặng.

Các hợp kim nền niken hoặc cooban có tính bền nóng cao hơn thép. Các hợp kim niken được ứng dụng ở nhiệt độ 700 – 10000C, còn hợp kim cô ban do đắt, hiếm không được sử dụng rộng rãi.

Vật liệu bền nóng cao, ứng dụng được ở nhiệt độ cao hơn10000C gồm các kim loại khó chảy và hợp kim của chúng, gốm trên cơ sở SiC và Si3N4, graphit.

Bảng 3.3: Độ bền nóng của các hợp kim trên cơ sở nhôm, magiê, titan

Hợp kim

Hàm lượng hợp kim (khối lượng) %

T ứng dụng thích hợp, 0C

T thử, 0C σ100, MPa

Trên cơ sở nhôm

Д20 6,3Cu; 0,6Mn; 0,15Ti

250-300 300 80

AК4-1 2,3Cu; 1,6Mg; 250-300 300 45

65

1,1Fe; 1,1Ni; <0,1Ti

CAΠ-1 6-9Al2O3 300-500 500 45

AД19 4,9Cu; 0,8Mn; 0,25Ti

250-300 300 65

AД33 5,8Cu; 0,8Mn; 1,0Ni; 0,2Zr; 0,2Ce

250-300 300 95

Trên cơ sở Magie

MA12 2,5-3,5Nd; 0,5Zr 150-200 200 ~100

MД11 2,5-4P3M; 0,7Zr; 0,5Zn

200-250 250 50

MД19 1,6-2,3Nd; 0,6Zn; 0,7Zr; 1,7Y

250-300 300 50

Trên cơ sở Titan

BT3-1 6Al; 2,5Mo; 0,5Fe; 0,25Si

350-400 400 800

BT6 6,25Al; 4V 400-450 - -

BT8 6,5Al; 3,3Mo; 0,3Si 450-500 500 500

BT9 6,5Al; 3,3Mo; 0,25Si; 1,6Zr

500-550 550 400

BT18 7,5Al; 11Zr; 0,7Mo; 1Nb; 0,3Si

550-600 600 700

Thép peclit: Các thép này được dùng để làm việc lâu dài ở nhiệt độ 450 – 5800C và sử dụng chủ yếu làm nồi hơi. Chỉ tiêu đánh giá độ bền nóng đối với chúng là giới hạn rão với mức biến dạng cho phép bằng 1% sau 104 hoặc 105 giờ. Độ bền nóng của thép peclit có được là nhờ sự lựa chọn thành phần hóa học hợp lý và tổ chức nhận được bằng gia công nhiệt luyện, gồm ferit hợp kim với các phần tử cacbit phân bố đồng đều. Thép bền nóng peclit thuộc loại cacbon thấp với hàm lượng cacbon từ 0.08 đến 0.15% (đôi khi hàm lượng cacbon nâng lên đến 0.2 – 0.3%) và không nhiều hơn 2 – 3% các nguyên tố tạo cacbit, trong đó quan trọng nhất là Mo, Cr và V (bảng 15-5) 12Cr1MoV, 25Cr2Mo1V.

Chế độ gia công nhiệt luyện tối ưu là thường hóa sau khi nung đến ~ 10000C và ram tiếp theo ở nhiệt độ 650 – 7500C trong vòng 2 – 3 giờ.

66

Đối với thép bền nóng peclit, sự ổn định của tổ chức và tính chất ban đầu đặc biệt quan trọng bởi vì các ống và những bộ phận chi tiết khác của các thiết bị năng lượng nhiệt chế tạo từ chúng được khai thác trong thời gian nhiều năm. Ở trạng thái ban đầu, một lượng chủ yếu của Mo nằm trong ferit, còn vanadi, crôm và cacbon nằm trong cacbit dạng MC.

Ở điều kiện sử dụng lâu dài, trong thép Peclit xảy ra sự thay đổi thành phần hóa học của ferit và cacbit; sự cầu hóa và phát triển các phần tử cacbit; sự graphit hóa – phân hủy cacbit và tạo thành graphit tự do.

Sự graphit hóa đặc biệt nguy hại bởi vì việc tạo ra graphit sẽ dẫn tới sự cố phá hủy. Cacbit MC ổn định chống lại graphit hóa mạnh nhất còn cacbit M3C kém ổn định nhất. Hợp kim hóa bằng vanadi, crom cũng như ram sau thường hóa làm tăng tính ổn định nhiệt của cacbit và ổn định hóa tính chất của vật liệu.

Thép peclit dẻo ở trạng thái nguội, gia công cắt gọt và hàn tạm được. Về độ dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt chúng gần giống thép kết cấu thông thường.

Thép chứa 0.12-0.15%C được sử dụng trong các thiết bị hơi nước để chế tạo ống của thiết bị hơi quá nhiệt, ống dẫn hơi và các chi tiết mà nhiệt độ làm việc củ chúng không vượt quá 570-5800C.

Thép peclit với hàm lượng C cao (0.25-0.30%) về độ bền nóng kém thép peclit với hàm lượng cacbon 0.12-0.15% và do đó nhiệt độ làm việc cực đại của chúng chỉ bằng 525-5650C. Từ những thép này người ta chế tạo các trục và các rôto rèn khuôn của tuabin hơi vận tải hoặc cố định, lò xo ống, các chi tiết kẹp. Thép peclit ứng dụng rộng rãi nhờ giá thành không cao, tính công nghệ và độ bền nóng tạm đủ.

Thép mactenxit: Thép này dùng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ 450-6000C và khác với thép peclit, nó có tính ổn định ôxy hóa cao trong khí quyển hơi nước hoặc các khí lò nung. So với thép peclit, độ bền nóng của thép mactenxit cao hơn chút ít. Chỉ tiêu đánh giá bền nóng của thép mactenxit là giới hạn rão với biến dạng cho phép là 0.1% sau 104 giờ hoặc 1% sau 105 giờ.

Người ta phân biệt hai nhóm thép mactenxit: nhóm có hàm lượng 10-12%Cr bổ sung thêm Mo, V, Nb, W với hàm lượng cacbon thấp, trong giới hạn 0.10-0.15% và nhóm có tên sincrom với hàm lượng 5-10%Cr, 2-3%Si và hàm lượng cacbon nâng cao đến 0.4%.

Nhóm thép thứ nhất được sử dụng ở trạng thái gia công nhiệt luyện. Gia công nhiệt luyện tối ưu bao gồm tôi hoặc thường hóa sau khi nung đến 950-11000C (để hòa tan cacbit) và ram ở 600-7400C. Tổ chức thép đã gia công nhiệt luyện là hỗn hợp cơ học của ferit hợp kim và cacbit nhỏ mịn đảm

67

bảo độ bền nóng cần thiết, khả năng chống ăn mòn và chống tích thoát ứng suất. Nhờ hàm lượng cao của các nguyên tố hợp kim, các thép này có độ thấm tôi lớn, ngay cả khi thường hóa (tới 12-200mm) và vì vậy so với thép peclit chúng tỏ ra thích hợp hơn để chế tạo các chi tiết có thiết diện lớn. Ứng với hàm lượng Cr (10-12%) và các nguyên tố ferit khác cao, còn với cacbon thì thấp, thép trở thành mactenxit-ferit. Khối lượng ferit không hóa bền khi nhiệt luyện không lớn, về tính chất bền nóng các thép mactenxit và mactenxit-ferit gần nhau. Chúng có thể làm việc lâu dài ở nhiệt độ đến 6000C. Các thép mactenxit nhóm này có những ứng dụng khác nhau trong tuabin hơi nước: từ chúng người ta chế tạo các đĩa, cánh, vành đai, màng chắn, roto, ống và các chi tiết kẹp.

Sincrôm đặc trưng bằng độ bền nóng cao trong môi trường khí thải khi cháy và được sử dụng chế tạo xupap động cơ đốt trong. Tính chất tối ưu của sincrôm đạt được khi tổ chức sau gia công là xoocbit. Chẳng hạn thép 40Cr10Si2Mo được tôi sau khi nung ở 10300C và ram tại nhiệt độ 720-7800C. Hàm lượng Cr và Si trong thép càng lớn, nhiệt độ làm việc của nó càng cao. Độ bền nóng của sincrôm cho phép ứng dụng nó ở nhiệt độ không vượt quá 600-6500C; ở những nhiệt điều kiện làm việc phức tạp hơn, xupap của những động cơ công suất lớn được chế tạo từ thép austenit. Sincrôm không chứa các nguyên tố hợp kim đắt hiếm và được ứng dụng không chỉ để chế tạo các súp-páp động cơ mà cả các chi tiết kẹp động cơ. Tính chất công nghệ của sincrôm kém hơn cả thép peclit. Đặc biệt quá trình hàn bị phức tạp hóa do đòi hỏi phải nung nóng trước và nhiệt luyện tiếp theo sau khi hàn.

Bảng 3.4: Tính chất của thép bền nóng và hợp kim niken

Vật liệu Phần trăm khối lượng trung bình của các nguyên tố hợp kim hiếm cơ bản, %

Nhiệt độ, 0C Tính chất bền nóng

Ký hiệu Nhóm

Làm việc cực đại

Bắt đầu ôxy hóa mạnh

σ1000

σ1/

100

000

0

Nhiệt độ thử, 0C

MPa

68

12Cr1MoV peclit 0,12C; 1,1Cr; 0,3Mo; 0,2V

570-585

600 150 84 560

25Cr2Mo1V

0,25C; 2,3Cr; 1Mo; 0,4V

520-560

600 160-220

70 550

15Cr5Mo mac Đến 0,15C; 5,2Cr; 0,5Mo

600 650 100 40 540

40Cr10Si2Mo

0,4C; 10Cr; 2,2Si; 0,8Mo

650 850 100 40 550

15Cr11MoV

0,15C; 11Cr; 0,7Mo; 0,3V

550-580

750 200 90 550

11Cr11Ni2W2MoV

0,11C; 11Cr; 1,7Ni; 1,8W; 0,4Mo; 0,25V

600 750 400* - 550

12Cr18Ni10Ti

aust 0,12C; 18Cr; 10Ni; 0,5Ti

600 850 80-100

30-40

660

45Cr15Ni15W2Mo

0,45C; 15Cr; 15Ni; 2,4W;0,3Mo

650 850 130 40 650

10Cr11Ni20Ti3

0,1C; 11Cr; 20Ni; 2,6Ti; 0,02B

700 850 400** - 700

CrNi77TiAlB

Hợp kim niken

0,07C; 20Cr; 2,6Ti; 0,8Al; 0,01B

750 1050 110-220

200***

750

CrNi55WMoTiCoAl

0,1C; 10Cr; 5Mo; 4,9W; 15Co; 4,5Al; 1,6Ti

950 1050 150***

*

130***

900

ЖC6К

0,17C; 11,5Cr; 4Mo; 5W; 5,5Al; 4,5Co; 2,7Ti; 0,02B

1050

1050 100***

* - 950

*σ100; **σ50; ***σ1/1000; ****σ1000;

69

Thép austenit về độ bền nóng cao hơn các thép peclit, mactenxit và được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn 6000C. Các nguyên tố hợp kim cơ bản gồm Cr, Ni. Tỷ lệ các nguyên tố này và sắt được chọn sao cho austenit tạo ra ổn định, không có xu hướng chuyển biến pha. Đôi khi người ta thay thế Ni bằng các nguyên tố tạo austenit khác như Mn, N2. Các nguyên tố tạo ferit như Mo, Nb, Ti, Al, W… được đưa vào nâng cao độ bền nóng; chúng tạo ra cacbit hoặc các pha trung gian. Hàm lượng cacbon trong thép austenit khoảng 0.1%, chỉ đôi khi mới nâng cao đến 0.4%.

Thép bền nóng austenit được chia thành các nhóm sau:

a) Thép một pha không hóa bền bằng nhiệt luyện;

b) Thép với sự hóa bền cacbit;

c) Thép với sự hóa bền bằng pha liên kim loại.

Thép một pha có tổ chức austenit đồng nhất, ổn định với một lượng không đáng kể cacbonnitrit titan hoặc niôbi (để ngăn ngừa ăn mòn biên giới). Tổ chức này nhận được sau khi tôi từ 1020 – 11000C. Thép nhóm này ứng dụng như vật liệu bền nóng trong lĩnh vực nhiệt năng (ví dụ 12Cr18Ni10Ti).

Độ bền nóng của thép một pha tăng lên nhờ biến cứng bởi vì nhiệt độ kết tinh lại của thép austenit cao (~10000C). Biện pháp khác để nâng cao độ bền nóng là tạo ra tổ chức đa cạnh hóa. Thép sau khi biến dạng dẻo với mức độ không lớn (dưới 20%), được nung nóng để sắp xếp lại lệch và tạo ra biên giới góc nhỏ trong hạt. Cả hai dạng gia công này chỉ ứng dụng đối với các chi tiết có hình dạng đơn giản nhất, ví dụ như các đĩa của tuabin.

Thép austenit với sự hóa bền bằng cacbit thường chứa một số nguyên tố tạo cacbit như W, Mo, Ti, Nb, V kể cả B để đảm bảo độ bền nóng cao nhất. Do hàm lượng các nguyên tố tạo ferit cao, hàm lượng của niken được nâng lên đến 15%. Tổ chức tối ưu nhận được sau tôi thành austenit từ 1100-11500C và hóa già tiếp theo ở 700-8000C để tiết ra cacbit.

Thép austenit với sự hóa bền bằng pha liên kim loại thuộc loại bền nóng cao nhất. Để nâng cao độ bền nóng của austenit trong thép, người ta hợp kim hóa bằng Cr, Mo, W, việc bổ sung Al, Ti, Nb và Ta là để tiết ra pha hóa bền dạng Ni3Al. Thép được hóa bền bằng tôi và hóa già. Ví dụ thép 10Cr11Ni20Ti3P được tôi từ 1100-11700C và hóa già ở 700-7500C trong vòng 15-20 giờ.

Thép austenit bị hóa giòn trong quá trình sử dụng do tiết ra các pha dư thừa theo biên giới hạt, đặc biệt là sau khi tạo ra pha σ giòn ở khoảng nhiệt độ 600-7500C. Hàm lượng Cr và Mo trong thép càng lớn lượng pha σ xuất hiện càng nhiều, sự hóa giòn càng mạnh. Để hòa tan pha σ đã tạo thành,

70

người ta tiến hành nhiệt luyện bổ sung sau một thời gian sử dụng để khử sự giòn hóa, khôi phục các tính chất ban đầu.

Thép austenit có độ dẻo cao, hàn tốt nhưng kém thép peclit về tính gia công áp lực và cắt gọt.

Các loại thép và hợp kim chịu nhiệt cơ bản

* Thép tuabin, nồi hơi

Hiện nay các nồi hơi của các nhà máy nhiệt điện thường hoạt động với các thông số: nhiệt độ hơi nước 5400C với áp suất 250at hoặc nhiệt độ 5600C với áp suất 160at. Sự hạn chế này không phải do kỹ thuậ mà do không có thép bền nóng tương đối rẻ để nồi hơi có thể làm việc lâu dài (hơn 100000h) ở nhiệt độ và áp suất cao hơn.

Về công dụng, các thép này chia làm hai nhóm: nhóm thép nồi hơi và thép bắt chặt.

Nhóm thép nồi hơi: Với nồi hơi áp suất tring bình và thấp (dưới 60at) với nhiệt độ làm việc không vượt quá 4500C có thể dùng thép cacbon thấp CT34, CT38, C15, C20. Các ống quá nung hơi, ống dẫn hơi làm việc ở nhiệt độ cao hơn 5400C phải dùng thép hợp kim cacbon thấp loại peclit như 12CrMo, 12CrMoV. Đuôi cánh tuốc bin hơi làm việc ở 540-5600C phải dùng thép hợp kim cao hơn như mactenxit, như 15Cr12WniMoV. 12Cr1315Cr11MoV. Các nồi hơi áp suất phải dùng thép austenit như 9Cr14Ni19W2NbB.

Nhóm thép bắt chặt: Loại thép này dùng để làm các chi tiết bắt chặt thiết bị nồi hơi tuoocbin như bulong, vít cấy....chúng có tác dụng làm kín mặt bích. Yêu cầu cơ bản là có giới hạn chảy cao. Thường dùng các mác sau: 30CrMo, 35CrNi3MoA, 38CrMoAlA, 25Cr2MoVA, 40CrNi2MoA

Nhiệt luyện: Các chi tiết nồi hơi (đặc biệt là đường ống) không thấm C và tôi. Sử dụng ở trạng thái thường hoá.

Các chi tiết tuabin có thể thấm C hoặc không nhưng phải tôi và ram.

Nhiệt độ làm việc ổn định lớn nhất: 680 7500C

* Thép xupáp xả:

Trong các động cơ đốt trong, supap xả là chi tiết làm việc trong các điều kiện nặng nhất: chịu tải trọng cao, chịu nhiệt độ cao tơi 650-7000C, bị ăn mòn và mài mòn trong sản phẩm cahys.

Để chế tạo các supap xả cho các động cơ oto máy kéo loại nhỏ và vừa, thường dùng thép Cr-Si như các số hiệu 40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo.

Để chế tạo xupap xả cho các động cơ công suất lớn hơn có thể dùng mác 30Cr13Ni7Si2 và tốt nhất là dùng thép bền nóng austenit với mác

71

45Cr14Ni14W2Mo do độ cứng thấp nên thép phải thấm N cạnh vát xupap được đắp bằng hợp kim stelit.

Xupap nạp có nhiệt độ làm việc không cao nên có thể chế tạo bằng thép 40CrNi

- Chế độ nhiệt luyện: Tôi + ram cao + tôi bề mặt bằng dòng tần số cao.

Hợp kim niken bền nóng. Các hợp kim này thông thường chứa 10-12%Cr và các nguyên tố khác như W, Mo, V, Co, Al, Ti, B…

Mo, W, Co, Cr hóa bền dung dịch rắn nền niken, Al và Ti tạo với niken pha giả ổn định γ’ với cùng tổ chức như dung dịch nền (LPTM), cacbon với khối lượng khoảng 0.1-0.15% tạo ra cacbit phân tán trên biên giới hạt.

Xử lý nhiệt hợp kim bao gồm tôi và hóa già. Các chi tiết được nung đến 1150-12500C để tạo dung dịch rắn đồng nhất và làm nguội trong không khí. Sau thời gian nguội, bên trong dung dịch rắn xảy ra sự phân bố lại các nguyên tử Al, Ti và tạo thành các vùng thể tích nhỏ giẩu các nguyên tố này. Khi hóa già trong các thể tích ấy xuất hiện những phần tử pha γ’ liền mạng với nền dung dịch rắn. Chu kỳ mạng các pha γ và γ’ khác nhau không đáng kể, khoảng 0.1%, vì vậy tổ chức giả ổn định được bảo tồn ở nhiệt độ cao trong vòng 20.000-30.000 giờ

Các phần tử pha γ’ có kích thước 20-40nm, còn khối lượng của nó phụ thuộc vào mức độ hợp kim hóa đạt tới 20-50%. Sự chuyển pha giả ổn định γ’ thành pha ổn định Ni3Ti cũng có nghĩa là sự biến mất của tính liền mạng, sự phát triển thô to của các phần tử pha thứ hai và sự mất mát đáng kể độ bền nóng.

Các hợp kim niken bền nóng được ứng dụng rộng rãi nhờ có độ bền, chịu ăn mòn và độ bền nóng cao. Ngoài công dụng cơ bản để chế tạo cánh và các chi tiết quan trọng khác như của động cơ tuabin khí hiện đại, các hợp kim này còn được ứng dụng để chế tạo khuôn và cối biến dạng kim loại. Những dụng cụ này thường dùng ở các nhiệt độ cao hơn 7500C và cực đại có thể đến 950-10000C. Trong các hợp kim bền nóng nhất chứa xấp xỉ 10% Cr, để bổ khuyết cho tính ổn định nóng, người ta thực hiện gia công hóa nhiệt luyện các chi tiết chẳng hạn thấm nhôm hoặc thấm đồng thời nhôm-crom. Biến dạng nóng và gia công cắt gọt các hợp kim niken bền nóng không dễ dàng. Cũng như thép austenit, các hợp kim này dẫn nhiệt kém nhưng giãn nở nhiệt đáng kể.

Kim loại và hợp kim khó chảy thường bao gồm những kim loại và hợp kim mà nhiệt độ nóng chảy của chúng cao hơn 17000C.

Các kim loại phân nhóm VA như V, Nb, Ta và các kim loại phân nhóm VIA như Cr, Mo, W được ứng dụng rộng rãi nhất. Các kim loại khó chảy có

72

liên kết nguyên tử bền vững, nhiệt độ nóng chảy cao, giãn nở nhiệt nhỏ, dẫn nhiệt kém và modun đàn hồi lớn.

Tuy vậy, ở nhiệt độ cao, tất cả các kim loại khó chảy quan trọng nhất (trừ Cr) bị ôxy hóa nhanh. Tính ổn định nóng thấp đó là nhược điểm của các kim loại khó chảy.

Xét tập hợp các tính chất công nghệ thì thấy rằng, kim loại và hợp kim khó chảy thuộc vật liệu khó gia công. Tất cả các dạng gia công nóng đều khó thực hiện hoặc do lực cản biến dạng dẻo lớn, hoặc do sự thiếu hụt độ dẻo công nghệ ở một số kim loại và hợp kim, hoặc do tạp chất xen kẽ. Để tránh tạp chất việc nung nóng và gia công phôi được tiến hành trong môi trường bảo vệ hoặc trong chân không và để làm điều đó người ta sử dụng các thiết bị chuyên dụng phức tạp và đắt hơn thông thường.

Kim loại khó chảy tương tác mạnh với tạp chất xen kẽ như oxy, nitơ, cacbon, các kim loại phân nhóm VA còn có tác dụng với cả hydro, dễ dàng tạo thành các hydrit.

Tạp chất xen kẽ làm giòn các kim loại khó chảy LPTK. Trong các kim loại sạch kỹ thuật cho phép chứa một vài phần vạn tạp chất. Bằng ấy tạp chất cũng đủ để kim loại sạch nhóm VIA trở thành giòn ở 250C. Ngưỡng nhiệt độ giòn nguội của vonfram nằm gần 3000C còn của Cr, Mo trong giới hạn 90-2500C phụ thuộc vào ký hiệu kim loại.

Do độ hòa tan các tạp chất xen kẽ tương đối lớn trong kim loại thuộc phân nhóm VA nên ứng với mức hàm lượng tạp chất cho phép, các kim loại sạch nhóm này vẫn giữ được độ dẻo và dai trong khoảng nhiệt độ từ 25 đến tận -1960C. Tăng thêm hàm lượng tạp chất, sẽ làm các kim loại này trở nên giòn. Chẳng hạn titan sẽ bị giòn sau một thời gian nung trong không khí ở nhiệt độ 400-6000C. Khi hàm lượng tạp chất xen kẽ vượt quá giới hạn hòa tan trong dung dịch rắn thì sự chuyển biến pha kết tinh lại sẽ làm tăng cường độ giòn của kim loại. Lượng tạp chất xen kẽ vượt quá giới hạn hòa tan, khi kết tinh lại sẽ được tiết ra ở dạng pha thứ hai giòn, thành từng lớp theo biên giới hạt. Nhược điểm này được thể hiện ở Mo và W với độ hòa tan các tạp chất xen kẽ thấp, khi gia công áp lực nóng trên nhiệt độ kết tinh lại hoặc khi hàn.

Cơ tính của kim loại khó chảy phụ thuộc vào phương pháp tạp chất và hàm lượng tạp chất. Nâng cao tính dẻo của W, Mo và Cr là một nhiệm vụ mang tính thời sự cấp bách. Bổ sung Ti, Zr cũng như nguyên tố đất hiếm là biện pháp cơ bản để nâng cao độ dẻo của kim loại khó chảy. Các chất bỏ thêm này tác dụng mạnh đối với tạp chất xen kẽ và kéo chúng ra khỏi dung dịch xen kẽ. Các phần tử hợp chất tạo thành không gây ảnh hưởng xấu đến tính dẻo. Hợp kim hóa Mo hoặc W bằng reeni sẽ hạ thấp đột ngột nhiệt độ

73

hóa giòn; các hợp kim W với reeni ở 250C khá dẻo. Tuy vậy, rêni là nguyên tố đất hiếm.

Sự biến cứng hạ thấp nhiệt độ hóa giòn do làm thay đổi tổ chức tế vi và đặc điểm tương tác của tạp chất với mạng tinh thể trong kim loại đã bị biến cứng. So với W, Mo sau ủ rất giòn, thì các dây và thanh từ chúng đã biến cứng với độ bền cao, không bị giòn ngay khi ở nhiệt độ 250C và đảm bảo đủ dẻo để có thể quấn và uốn dễ dàng khi chế tạo chi tiết.

Các hợp kim trên cơ sở kim loại khó chảy phân thành hai nhóm: các hợp kim với tổ chức dung dịch rắn và các hợp kim hóa bền bằng tôi và hóa già.

Các hợp kim nhóm một không hóa bền bằng nhiệt luyện, hàm lượng nguyên tố hợp kim (Ti, Zr, Nb, Mo, W, Ta, Rn) trong chúng được chọn sao cho làm tăng độ bền nhưng không làm giảm độ dẻo và các tính chất khác.

Các hợp kim nhóm hai chứa lượng cacbon và các nguyên tố tạo cacbit cao hơn. Khi hóa già các hợp kim nhóm này, pha cacbit hóa bền được tiết ra phía trong hạt. Hợp kim trên cơ sở V và Cr kém bền nóng nhất. Mặc dù vậy ở chặng nhiệt độ 800-10000C so với các hợp kim niken và sắt, hợp kim V trội hơn hẳn, còn các hợp kim trên nền Cr nhờ có tính ổn định nóng được ứng dụng đến tận nhiệt độ 1000-11000C.

Các hợp kim trên cơ sở Nb có thể làm việc ở nhiệt độ đến 13000C, còn khi làm việc trong thời gian ngắn có thể lên đến 15000C. Ưu điểm của chúng là khối lượng riêng không lớn.

Bảng 3.5: Cơ tính một số vật liệu bền nóng

Kim loại

ở 250C ở 10000C

σB σB δ ψ HB

σB σB δ,%

Mpa % MPa

Vanadi 200-220

100-150

25 75 80 60 30 33-40

Niobi 200-350

120-260

25-50

60-100

50-80 70 57 35-42

Tantan 200-400

180 50-70

95 90-125

120 57 43

Crom 270 190 0-3 0 90-100

25-85

- -

Molipden 800-900

420-450

10-15

- 150-170

175 110 70

74

Vonfram 600-1100

- 0 0 360-400

235 200 52

Ghi chú: 1. Các giá trị nêu cho kim loại sạch kỹ thuật ở trạng thái kết tinh lại

Cơ tính của vanadi được nêu cho nhiệt độ 10000C

Hợp kim trên cơ sở Mo có thể làm việc lên đến 1300-15000C, trên cơ sở Ta đến 20000C, còn trên cơ sở W đến 2000-22000C. Ở nhiệt độ khoảng 1900-20000C nhiều hợp kim trên cơ sở kim loại khó chảy bền nóng hơn W. Cao hơn khoảng nhiệt độ 2000-25000C, W nguyên chất là kim loại khó chảy nhất.

Vật liệu bền nóng phi kim loại.

Graphit và gốm chuyên dụng là những vật liệu phi kim loại quan trọng nhất được ứng dụng ở nhiệt độ trên 10000C. Trong các vật liệu này liên kết đồng hóa trị chiếm ưu thế, vì vậy chỉ khi nhiệt độ vượt quá 0.8Tch các tính chất bền nóng mới giảm đi nhanh chóng.

Graphit. Đó là một trong số vật liệu bền nóng cao, nhiều triển vọng. Đặc điểm hiếm có của graphit là sự tăng môđun đàn hồi và độ bền nóng khi nung nóng. Đến vùng 2200-24000C sự gia tăng độ bền của graphit đạt cực đại bằng khoảng 60% và giảm đi khi tiếp tục nâng nhiệt độ cao hơn. Graphit không nóng chảy, thăng hoa ở nhiệt độ ≈ 38000C. Khi nung, graphit ít giãn nở, dẫn nhiệt tốt, vì vậy nó ổn định chống va đập nhiệt. Graphit bị dão ở nhiệt độ cao hơn 17000C và ở 2300-29000C tốc độ rão của nó dưới ứng suất bằng 3-10Mpa, không lớn lắm. Nhược điểm lớn nhất của graphit là bị ôxy hóa ở; chỉ nung ở 520-5600C sau 24 giờ sự mất mát khối lượng đã lên tới 1%. Vì thế người ta phải bảo vệ bề mặt các chi tiết graphit bằng các lớp phủ.

Vật liệu gốm (ceramic) trên cơ sở SiC, Si3N4 và hệ Si-Al-O-N nhẹ, bền và chống mài mòn tốt. Với tư cách vật liệu kết cấu, gốm bắt đầu được ứng dụng trong động cơ đốt trong để chế tạo piston, nắp máy và các chi tiết chịu ứng suất nhiệt khác. Các chi tiết bằng gốm có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao (Si3N4 đến 15000C, SiC đến 18000C), bền vững chống ăn mòn, xói mòn, không sợ quá nhiệt và không cần làm nguội khi bảo vệ. So với graphit, gốm ít bị ôxy hóa hơn và bền hơn một vài lần. Gốm được chế tạo từ các nguyên liệu đầu vào rẻ. Nhược điểm của gốm chịu nhiệt độ cao là giòn, chống xốp trong quy trình công nghệ sản xuất phức tạp, và những khó khăn liên quan đến gia công chế tác chi tiết. Khác với gốm, graphit dễ dàng ép ở trạng thái nóng và gia công cắt gọt tốt.

75

Bảng 3.6: Cơ tính một số vật liệu bền nóng phi kim loại

Hợp kim

ở 250C σ100, MPa

σB σ0,2 δ, %

σB δ, %

MPa MPa

Trên cơ sở Nb

(4,1Mo; 0,7Zr; <0,08C)

800-900

620 4-5 240-260 - 130(ở 11000C)

(9,5Mo; 1,5Zr; 0,3C)

810 730 16 550 - 280(ở 11000C)

Trên cơ sở tantan

Ta + 10W 760 520-710

3.5 300-490 1,2 150(ở 12000C)

105* 30* 35(ở 16500C)

Trên cơ sở Cr

BX1И (khoảng 1Y)

270 190 3 80 - 24(ở 12000C)

BX2 (0,15Ti; 0,2V; 1Y)

350 240 3 250 30 65(ở 11000C)

BX4 (32Ni; 0,15Ti; 0,25V; 1,5W)

950 800 8 240** 12** -

Trên cơ sở Mo

BM1(0,4Ti; <0,01C)

800 600 10 340 15 80-90(ở 12000C)

BM3 (1,1Ti; 0,5Zr; 0,4C; 1,4Nb)

800-860

- 0.03 550 12 250-270(ở 13000C)

Mo+40Re 840 - 2-8 130*** - -

Trên cơ sở vonfram

W+27Re 1500 - 4 700 12*** 42(ở 16000C)

76

W+15Mo - - - 175 27***

* -

*ở 20000C; ** ở 10000C; *** ở 15000C; **** ở 16000C

3.4. Hợp kim màu

3.4.1. Hợp kim nhôm

Nhôm là kim loại có màu sáng bạc. Nó không có chuyển biến thù hình và được kết tinh ở mạng lập phương diện tâm với chu kỳ α = 0,4041 nm.

Nhôm có mật độ nhỏ, dẫn nhiệt và dẫn điện tốt độ dẻo và chống ăn mòn cao. Các tạp chất làm xấu đi tất cả các tính chất của nhôm

Các tạp chất thường xuyên có trong nhôm là Fe, Si, Cu, Zn, Ti. Tùy theo hàm lượng tạp chất người ta phân nhôm sơ cấp thành ba loại: nhôm có độ sạch đặc biệt A999 (<0,001% tạp chất), nhôm có độ sạch cao A995. A99. A97. A95 (0,005 0,05% tạp chất) và nhôm có độ sạch kỹ thuật A85. A8... (0,151% tạp chất). Nhôm kỹ thuật được sản Xuất ở dạng các bán thành phẩm biến dạng (tấm, hình, thanh v.v...) Các tính chất cơ học của nhôm phụ thuộc vào độ sạch và trạng thái của nó. Tăng hàm lượng tạp chất và biến dạng dẻo nâng cao độ bền và độ cứng của nhôm (Bảng 3.7).

Do độ bền thấp nên người ta dùng nhôm cho các chi tiết và phần tử kết cấu không chịu tải, khi đó người ta chỉ đòi hỏi ở vật liệu tính nhẹ, tính hàn, tính dẻo. Ví dụ, từ nhôm có thể sản xuất các khung, cánh cửa, ống dẫn, lá nhôm mỏng, xitec để chuyên chở dầu và các sản phẩm từ dầu, các thùng v.v... Nhờ có tính dẫn nhiệt cao nhôm được sử dụng làm các thiết bị trao đổi nhiệt trong các máy làm lạnh công nghiệp và tủ lạnh gia đình. Độ dẫn điện cao của nhôm cho nó khả năng ứng dụng rộng rãi để làm các tụ điện, dây dẫn, cáp, vành bánh xe v.v...

Bảng 3.7: Các tính chất cơ học của nhôm ủ khử biến cứnG cho nhôm được tiến hành ở 350-4000C

Mức

Tổng tạp

chất, %

Trạng thái B , MPa 0,2, MPa

, % HB

A995 0,005 Đúc 50 - 45 150

A5 0,5 Đúc 75 - 29 200

A0 1 Đúc 90 25 250

77

Biến dạng

và ủ 90 30 30 250

Biến dạng 140 100 12 320

Ủ khử biến cứng cho nhôm được tiến hành ở 350-4000C

Nhôm có khả năng phản xạ cao nên được sử dụng cho các đèn chiếu, các tấm phản xạ, màn hình của máy thu hình. Nhôm chịu gia công áp lực tốt, hàn khí và hàn tiếp xúc, nhưng tính cắt gọt kém. Độ co ngót khi đông đặc của nhôm lớn (6%). Nhiệt nóng chảy và nhiệt dung cao làm cho nhôm có khả năng nguội chậm từ trạng thái lỏng. Điều này cho phép cải thiện thỏi đúc nhôm và các hợp kim của nó bằng cách biến tính, tinh luyện và các thao tác công nghệ khác.

Đặc trưng và phân loại các hợp kim nhôm

Các hợp kim nhôm được đặc trưng bởi độ bền riêng cao, khả năng chống tải trọng quán tính và động, tính công nghệ tốt. Độ bền của hợp kim nhôm đạt 500700 MPa với mật độ không lớn hơn 2850 kg/m3. Theo độ bền riêng một số hợp kim nhôm (B/(ρg) = 23 km) gần bằng hay tương

đương thép độ bền cao ( B /(ρg) = 27 km). Phần lớn hợp kim nhôm có tính chống ăn mòn tốt (trừ các trường hợp kim với đồng), độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, tính công nghệ tốt ,(chịu gia công bằng áp lực, hàn điểm và đặc biệt hàn bằng nóng chảy, gia công cắt gọt về cơ bản tốt). Các hợp kim nhôm bền hơn hợp kim magiê và nhiều chất dẻo. Đa số hợp kim nhôm chịu ăn mòn tốt hơn hợp kim magiê và có tính ổn định hơn các chất dẻo.

Các nguyên tố hợp kim chủ yếu của nhôm là Cu, Mg, Si, Mn, Zn; ít phổ biến hơn là Li, Ni, Ti. Nhiều nguyên tố hợp kim tạo với nhôm các dung dịch rắn có độ hòa tan thay đổ và có hạn và các pha trung gian: CuAl2, Mg2Si v.v. (Hình 3.8). Điều này làm cho các hợp kim nhôm hóa bền được bằng nhiệt luyện gồm tôi từ vùng dung dịch rắn quá bão hòa và hoá già tự nhiên hoặc nhân tạo.

78

Các nguyên tố hợp kim, đặc biệt là các kim loại chuyển tiếp, nâng cao nhiệt độ kết tinh lại của nhôm (Hình 3.9). Khi kết tinh chúng tạo thành với nhôm các dung dịch rắn. Trong quá trình đồng đều hóa và gia công áp lực nóng, các dung dịch rắn phân hủy tạo ra các hạt pha liên kim loại nhỏ mịn phân tán. Các hạt này cản trở quá trình kết tinh lại và hóa bền hợp kim. Hiện tượng này được gọi là hóa bền tổ chức và được dùng cho các bán thành phẩm ép - hiệu ứng ép. Do nguyên nhân này mà một số hợp kim nhôm có nhiệt độ kết tinh lại cao hơn nhiệt độ tôi. Để loại bỏ ứng suất dư trong các bán thành phẩm (các chi tiết) bị biến cứng do gia công bằng áp lực nguội hay trong các vật đúc định hình, người ta tiến hành ủ thấp trong khoảng 150 300°C.

Độ bền kết cấu của hợp kim nhôm phụ thuộc vào tạp chất Fe và Si. Trong các hợp kim chúng tạo thành các pha không tan trong dung dịch rắn: FeAl3, α(Al, Fe, Si), P(A1, Fe, Si) v.v. Không phụ thuộc hình dáng (tấm, kim hay các dạng khác), các pha này giảm độ dẻo, độ dai phá hủy, bền chống phát triển vết nứt. Hợp kim hóa bằng mangan giảm ảnh hưởng có hại của các tạp chất vì mangan liên kết với tạp chất để tạo thành các pha bốn cấu tử α(Al, Fe, Si, Mn) có dạng sít chặt. Tuy nhiên, phương pháp hiệu quả hơn để nâng cao độ bền kết cấu là giảm hàm lượng tạp chất từ 0,50,7% xuống 0,l 0,3% (hợp kim sạch), đôi khi đến phần vạn (hợp kim có độ sạch cao). Các đặc trưng độ dẻo và độ dai phá hủy tăng đáng kể theo phương vuông góc với hướng biến dạng dẻo. Chẳng hạn, độ dai va đập của hợp kim Л16ч sau khi hóa già tự nhiên cao hơn 2 lần, độ giãn dài tương đối cao hơn 1,5 lần so với hợp kim Л16ч cũng sau nhiệt luyện như vậy. Đối với Л16ч hệ số K1c = 4346 MPa.ml/2, trong khi đối với Л16 nó bằng 3536 MPa.ml/2. Các hợp

Hình 3.8: Giản đồ pha nhôm – nguyên

tố hợp kim

A- Các hợp kim biến dạng; B –

các hợp kim đúc; I, II – tương ứng là

các hợp kim không hóa bền và hóa

bền được bằng nhiệt luyện

Hình 3.9: Ảnh hưởng của các

nguyên tố hợp kim đến nhiệt độ

kết tinh lại của nhôm

79

kim có độ sạch cao được đùng làm các chi tiết chịu tải quan trọng, chẳng hạn, các phần tử kết cấu chịu lực của các máy bay hành khách hay vận tải.

Các hợp kim nhôm được phân loại theo công nghệ chế tạo (biến dạng, đúc, thiêu kết), khả năng nhiệt luyện (hóa bền và không hóa bền bằng nhiệt luyện) và tính chất (Xem hình 3.8).

Các hợp kim nhôm biến dạng

Các hợp kim nhôm manhe, nhôm mangan (Bảng 3.8) thuộc loại hợp kim không hóa bền được bằng nhiệt luyện. Chúng có tính dẻo cao, tính hàn tốt và tính chống ăn mòn cao.

Các hợp kim AMц thuộc hệ Al-Mg. Tổ chức hợp kim AMц gồm dung dịch rắn α và pha tiết ra thứ hai MnAl6; pha này chuyển vào dung dịch rắn ở nhiệt độ cao. Khi có sắt MnAl6 tạo thành pha phức tạp (MnFe)Al6 thực tế không hòa tan trong nhôm nên hợp kim không hóa bền được bằng nhiệt luyện. Ở trạng thái ủ hợp kim có độ dẻo cao và độ bền thấp. Biến dạng dẻo hóa bền hợp kim gần hai lần.

Các hợp kim thuộc hệ Al-Mg. Magiê tạo với nhôm dung dịch rắn α, hàm lượng của nó ở nhiệt độ cao tăng từ 1,4 đến 17,4% do pha Mg2Al3 hòa tan. Tuy nhiên, các hợp kim chứa đến 7%Mg chỉ hóa bền không đáng kể khi nhiệt luyện. Do đó, hợp kim này được hóa bền bằng biến dạng dẻo và được dùng ở trạng thái đã biến cứng (AMMnН-80% biến cứng) và nửa biến cứng (AMMn -40% biến cứng). Tuy nhiên, hiệu quả biến cứng bị hạn chế vì độ dẻo của hợp kim thay đổi đột ngột, do đó người ta dùng chúng ở trạng thái ủ (AMMnM - mềm). Các hợp kim AMn và AMn được ủ ở 350420oC. Khi hàm lượng magiê tăng thì số lượng pha Mg2Al3 trong tổ chức hợp kim tăng, làm tăng độ bền từ 120 MPa đến 430 MPa còn độ giãn dài tương ứng giảm từ 28% xuống 16%. Ngoài ra hợp kim hóa bằng magiê gây ra xu hướng ôxy hóa trong thời gian nấu luyện, đúc và kết tinh, dẫn tới việc xuất hiện màng ôxyt trong tổ chức và giảm các tính chất cơ học. Do đó các hợp kim có hàm lượng magiê cao (AMMn6, AЛ27) được hợp kim hóa bằng berili để loại trừ xu hướng ôxy hóa. Sự làm thô hạt do berili gây nên được loại trừ bằng việc thêm titan hay ziriconi.

Các hợp kim AlMn và AMMn được sử dụng làm các chi tiết chịu vuốt sâu, hàn và cần tính chống ăn mòn cao (các ống dẫn Crăng dầu và các thùng chứa qua hàn).

80

Bảng 3.8: Thành phần hóa học và các tính chất cợ học của hợp kim nhôm biến

dạng (CT 47K4-74)

Hợp

kim

Thành phần các nguyên tố

(còn lại là nhôm), % Dạng bán thành phâm

Cơ tính

B 0.2 -1*

,% HB

Cu Mg Mn Nt. Khác MPa

AMц _ _ 1 + 1,6 - Tấm 130 50 55 20 300

AMMn" - 1,82,6 0,20,6 - Tấm 190 100 125 23 450

AMMn" - 5,86,8 0,50,8 0,020,l Tấm 340 170 - 20 700

Ti,

0,002

0,005Be

ДMn… 3,8+4,8 0,40,8 0,40,8 - Tấm 400 240 105 20 950

- Thanh ép

480 320 125 14 -

Л16… 3,8+4,9 1,21,8 0,30,9 - Tấm, 440 330 125 18 1050

Thanh ép

530 400 140 12 -

Л18… 2,23 0,20,5 - - Dây 300 170 95 24 700

B95…. 1,42 1,82,8 0,20,6 0,01+0,2 Tấm 540 470 150 10 1500

5 Cr, Thanh ép

600 560 150 8 1500

57 Zn

81

AК6.... 1,82,6 0,40,8 0,40,8 0,7 l,2Si Vật rèn

400 299 125 12 1000

AК8.... 3,94,8 0,40,8 0,41 0,61,2 Si Vật rèn

480 380 130 9 1350

* 1 Xác định trên cơ sở 5.106 chu kỳ

** Cơ tính sau khi ủ.

*** Cơ tính sau khi tôi và hóa già tự nhiên.

**** Cơ tính sau khi tôi và hóa già nhân tạo

Các hợp kim nhôm đúc

Thành phần hóa học và cơ tính của một số hợp kim nhôm đúc công nghiệp được dẫn ra trong bảng 3.9. Chúng được ký hiệu bởi các chữ cái AЛ, có nghĩa là các hợp kim nhôm đúc. Các hợp kim nhôm đúc được phân loại phổ biến nhất theo thành phần hóa học Al-Si, Al-Cu và Al-Mg).

Bảng 3.9: Thành phần hóa học (MNOCT 2685-75) và cơ tính của hợp kim nhôm đúc

Hợp kim

Hàm lượng các nguyên tố (còn lại là Al), %

Cơ tính

Chú thích

B 0,2

, %

HB

Si Mg Cu Mn NT khác

MPa

10-13

- - - - 130

180

20

80 26

500

500

Đúc khuôn cát

nt+biến tính

\JII 8-10,5

0,17-

0,3 -

0,2-

0,5 - 260 200 4 750

Đúc khuôn cát, biến tính

82

\JỈ9 6-8 0,2- - - - 220 110 2 500 Đúc áp lực

0,4 220,

160 3 750

Đúc khuôn cát(kim loại), tôi và hóa già

A.Ỉ.32 7,5- 0,3- 1-1,5

0,3-

0, l-0,3Ti

270 160 3 800 Đúc áp lực

8,5 0,5 0,5

17 - - 4-5 - - 260 200 3 700 Tồi và hóa

A.II9 - - 4,5-

5,3

0,6-1

0,15-,35Ti

360 250 3 1000 già

-nt~

VJỈ8 - 9,5-

11,5 - - - 320 - 11 - Tôi

\ .117 9,5-

11,5

0,05-,15Ti, 0,05-0,2Zr, 0,05-, 15Be

360 180 18 990 Tôi

Các hợp kim Al-Si (silumin) có tính đúc tốt nhất. Các tính chất của silumin như độ chảy loãng cao, co ngót ít, không có hay có xu hướng tạo vết nứt nóng rất ít và tính điền đầy tốt là do trong tổ chức của các hợp kim này có một lượng lớn cùng tinh. Trong các hợp kim hai cấu tử nhôm - silic cùng tinh gồm có dung dịch rắn và các tinh thể silic nguyên chất (Hình 3.10a),

83

trong silumin hợp kim ngoài cùng tinh hai cấu tử còn có cùng tinh ba cấu tử và cùng tinh phức tạp hơn.

Hình 3.10: Tổ chức tế vi của hợp kim Al-Si cùng tinh trước và sau biến tính

a ) Trước khi biến tính; b) Sau khi biến tính

Các hợp kim bột

Các hợp kim nhận được bằng cách kết khối các hạt đã được đúc với tốc độ kết tinh siêu cao được gọi là các hợp kim bột. Các hạt thu được khi

kết tinh trong điều kiện tốe độ nguội 3 910 10 0C/gy. Tốc độ nguôi như vậy

đạt được bằng các phương pháp khác nhau, chẳng hạn, bằng cách phun kim loại lỏng bằng dòng khí trơ sạch, tùy theo áp suất khí và điều kiện kết tinh đường kính bột dao động từ một vài micromet đến vài milimet. Các bột và do đó các bán thành phẩm (các chi tiết) có tổ chức rất nhỏ mịn và sự thiên tích dễ dàng bị loại bỏ. Nhưng ưu điểm đặc biệt lớn của các hợp kim bột là trạng thái giả ổn định. Khi kết tinh với tốc độ nguội cao, nhận được dung dịch rắn quá bão hòa với hàm lượng cao gấp 2,5÷5 lần so với độ hòa tan giới hạn của các cấu tử ở điều kiện cân bằng. Các dung dịch rắn như vậy được gọi là dung dịch rắn quá bão hòa dị thường. Mức độ quá bão hòa tăng ứng với vị trí kim loại trong dãy Cr, V, Mn, Ti, Zr.

Trong quá trình ép nóng hợp kim (400÷450°C) các hạt phân tán của pha trung gian Al6Mn, Al7Cr, Al3Zr...) được tiết ra khỏi dung dịch rắn quá bão hòa và chúng nâng cao nhiệt độ kết tinh lại tăng độ bền ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao.

Các hợp kim bột của nhôm với các nguyên tố thực tế không tan trong nhôm ở điều kiện cân bằng và có mật độ khác nhôm, có ý nghĩa lớn. Các hợp kim như thế có cấu trúc dị thể bao gồm nền nhôm với các hạt pha thứ hai phân bố đều đặn (do tốc độ kết tinh cao). Trong các hợp kim được hợp kim hóa bằng các kim loại tương đối khó nóng chảy (Fe, Ni, Co), các pha liên kim loại sẽ là các pha như thế. Chúng hóa bền hợp kim rấthiệu quả. Trong các hợp kim có những kim loại dễ nóng chảy như Sn, Pb, trong nhôm sẽ có các hạt phân tán của các kim loại sạch tương ứng là Sn, Pb. Các hợp kim này có tính chống ma sát tốt. Các hợp kim nhôm biến dạng tiêu chuẩn UIS 16) ở dạng hạt có hiệu ứng hóa bền bổ sung do có các hạt phân tán của pha liên

84

Hình 3.11: Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim

đến cơ tính của hợp kim đồng

kim loại của các kim loại chuyển tiếp và các pha không tan. Khi nâng cao hàm lượng kim loại chuyển tiếp độ bền σB đạt 800 MPa.

3.4.2. Hợp kim đồng

Đồng là kim loại có màu đỏ; mạng tinh thể LPDT với thông số mạng a = 0,3608 nm, không có chuyển biến thù hình. Đồng có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với sắt, nhưng có khối lượng riêng (mật độ) cao hơn.

Đồng có tính công nghệ tốt. Nó có thể cán thành các dải, tấm mỏng. Từ đồng có thể chế tạo được những sợi dây mảnh, đồng dễ đánh bóng và dễ hàn.

Đồng được đặc trưng bằng tính dẫn nhiệt và dẫn điện,cao, tính dẻo cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Tạp chất làm giảm tất cả các tính chất này. Theo MNOCT 8510-78 (Tiêu chuẩn hợp kim đồng của Nga), tùy thuộc vào hàm lượng tạp chất, đồng được phân thành, các mác sau: M00 (1010,1010%Cu), M0 (1010,107 %Cu), M1 (1010,10 %Cu), M2 (1010,7 %Cu), M3 (1010,5 %Cu). Các tạp chất hay gặp nhất trong đồng được chia thành ba nhóm sau:

1. Các nguyên tố Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag khi hòa tan vào đồng nâng cao độ bền và độ cứng của đồng (Hình 3.11) và được sử dụng để hợp kim hóa hợp kim trên cơ sở đồng.

2. Các nguyên tố Pb và Bi không hòa tan vào đồng, làm xấu cơ tính của đồng và hợp kim một pha của nó. Khi tạo thành cung tinh dễ chảy (tương ứng với nhiệt độ 326 và 270°C), nằm trên biên giới hạt của pha nền, nó gây ra sự bở nóng.

Hơn nữa tác hại của Bi được phát hiện khi hàm lượng của nó chỉ khoảng 0,001%, do độ hòa tan của nó bị giới hạn ở 0,001%. Tác hại của chì cũng thể hiện ngay khi hàm lượng rất nhỏ (<0,04%). Bismut là kim loại giòn, hóa giòn đồng và hợp kim đồng. Chì có độ bền thấp, làm giảm độ bền của

85

hợp kim đồng, tuy nhiên, do độ dẻo cao nên nó không làm giòn hợp kim đồng. Ngoài ra, chì ảnh hưởng tốt đối với tính bôi trơn và tính gia công cắt của hợp kim đồng, bởi vậy được sử dụng để hợp kim hóa hợp kim hai pha của đồng.

3. Các tạp chất không hòa tan O, S, Se, Ti có mặt trong đồng và hợp kim đồng dưới dạng các pha trung gian (ví dụ Cu2O, Cu2,S), chúng tạo thành với đồng cùng tinh với nhiệt độ nóng chảy cao và không gây ra hiện tượng bở nóng. Khi ủ đồng trong hiđrô, ôxy gây ra hiện tượng "bệnh hiđrô", có thể dẫn tới phá hủy kim loại khi gia công áp lực hay khi vận hành chi tiết.

Bảng 3.10: Cơ tính của của đồng kỹ thuật M1

Trạng thái của đồng MPa σ0,2,MPa , % ,% HB,

MPa

KCU

MJ/m2

Đúc 160 35 25 - 400 -

Biến dạng1 450 400 3 35 1250 -

Ủ 220 75 50 75 550 1,2 +1,8

Cơ tính của đồng phụ thuộc chủ yếu vào thành phần của nó (Bảng 3.10) và ở mức độ ít hơn vào hàm lượng tạp chất.

Độ dẻo cao của đồng nguyên chất sau khi ủ được giải thích là do (mạng tinh thể) có nhiều mặt trượt. Trượt xảy ra chủ yếu theo các mặt {111} và theo phương <110>.

Biến dạng dẻo nguội (đạt đến 100% và hơn) làm tăng độ bền, độ cứng, giới hạn đàn hồi của đồng, nhưng làm giảm độ dẻo và độ dẫn điện. Khi biến dạng dẻo xuất hiện textua, gây ra sự dị hướng đối với cơ tính của đồng, ủ để giảm biến cứng được tiến hành ở nhiệt độ 550600°C trong môi trường hoàn nguyên, vì đồng dễ bị ôxy hóa khi nung, về độ dẫn nhiệt và dẫn điện, đồng chiếm vị trí thứ hai sau bạc. Nó được dùng làm dây dẫn điện các bộ phận tản nhiệt khác nhau, khuôn đúc thỏi được làm nguội bằng nước, máng, thiết bị kết tinh.

1 Tính chất của dây bị biến dạng 100%

86

Nhược điểm của đồng: mật độ cao, tính gia công cắt gọt kém và độ chảy loãng thấp.

Những đặc tính chung và phân loại hợp kim đồng

Ngoài những đặc tính tốt của đồng (dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, bền chống ăn mòn...), hợp kim đồng còn có cơ tính, tính công nghệ và tính bôi trơn tốt.

Để hợp kim hóa cho hợp kim đồng, người ta sử dụng chủ yếu các nguyên tố hòa tan vào đồng như Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Trong khi nâng cao độ bền của hợp kim đồng, các nguyên tố hợp kim không làm giảm mà một số nguyên tố (Zn, Sn, Al) thậm chí còn làm tăng độ dẻo. Độ dẻo cao là một đặc điểm riêng biệt của hợp kim đồng. Độ giãn dài tương đối của một số hợp kim đồng một pha đạt tái 65%. Về độ bền, hợp kim đồng thua thép. Giới hạn bền của phần lớn hợp kim đồng nằm trong khoảng 300500 MPa, tương đương với thép cacbon thấp không hợp kim ở trạng thái thường hóa. Chỉ có giới hạn bền của brông berilli là cao nhất sau khi tôi và hóa già, nằm ở mức tương đương với thép hợp kim cacbon trung bình sau nhiệt luyện hóa tốt (σB = 11002000 MPa).

Theo tính công nghệ, hợp kim đồng được chia thành hợp kim biến dạng (gia công bằng áp lực) và hợp kim đúc; theo khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện: có loại hóa bền được và không hóa bền được bằng nhiệt luyện. Theo thành phần hóa học: hợp kim đồng được chia thành hai nhóm cơ bản: latông (đồng thau) và brông (đồng thanh).

Latông (đồng thau) là hợp kim của đồng với kẽm. Nó gồm latông đơn giản (hai cấu tử) và latông phức tạp (nhiều cấu tử, hay latông hợp kim). Latông với hàm lượng 100 %Cu và nhiều hơn được gọi là tompac, với 8085 %Cu được gọi là nửa tompac. Brông (đồng thanh) là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác trừ kẽm. Tên của brông được gọi theo nguyên tố hợp kim chính. Như brông thiếc, brông nhôm, brông berili, brông silic... Trong brông có thể có cả kẽm với tư cách nguyên tố hợp kim phụ.

Latong

Đồng và kẽm tạo ra dung dịch rắn với hàm lượng giới hạn của kẽm là 310% (Hình 3.12a). Khi hàm lượng kẽm lớn hơn, tạo ra hợp chất điện tử CuZn (pha β) với mạng tinh thể LPTK. ở nhiệt độ 4544680C (đường đứt nét trên giản đồ hai cấu tử) quá trình trật tự hóa pha β bắt đầu xảy ra, làm tăng đáng kể độ cứng và tính giòn của nó. Khác với trạng thái cân bằng, pha β xuất hiện trong tổ chức của latông khi hàm lượng kẽm khoảng 30%. Tương ứng với sự thay đổi tổ chức, cơ tính của latông cũng thay đổi theo (Hình 3.12b). Khi latông có tổ chức dung dịch rắn α, tăng hàm lượng kẽm sẽ làm tăng độ bền và độ dẻo. Sự xuất hiện pha β kèm theo sự giảm mạnh của

87

độ dẻo, còn độ bền tiếp tục tăng khi hàm lượng kẽm tăng đến 45%, lúc đó latông nằm ở trạng thái hai pha. Khi latông chuyển sang trạng thái một pha P' thì độ bền giảm mạnh. Trong thực tế chỉ sử dụng latông chứa dưới 45%Zn vì hợp kim với hàm lượng kẽm lớn hóm có tính giòn cao. Thành phần hóa học của một số íàtông công nghiệp (MNOCT 15527-70, MNOCT 17711-80) và cơ tính của chúng được trình bày trong bảng 3.11

Bảng 3.11: Tính chất của latông công nghiệp sau gia công bằng biến dạng (MNOCT 15527-70)

Mác latông Thành phần, % B

MPa

0,2,

MPa ,%

HB, MPa

Cu Ng. tố khác

Л1100 88101 - 260 120 45 530

Л68 6770 - 320 101 55 550

Л63 6265 - 330 110 50 560

Л60 51062 - 380 160 25 770

ЛA77-2 76710 1,752,5 AL 400 140 55 600

ЛAH510-3-2

5760 2,53,5 Al, 23 Ni

380 300 50 750

Hình 3.12: Giản đồ pha Cu-Zn (a) và ảnh hưởng của kẽm đến cơ tính của

đồng (b)

88

ЛH65-3 6467 56,5 Ni 400 170 65 600

ЛЖMц510-1-1

5760 0,10,4 Al,0,61,2 Fe,

450 170 50 880

0,50,8 Mn, 0,3-0,7 Sn

ЛMц58-2 5760 l2 Mn 400 160 40 850

ЛO70-1 61071 11,5 Sn 350 100 60 600

ЛC510-1 5760 0,8 l,10 Pb 400 140 45 1000

Latông hai cấu tử được chia thành hai nhóm:

1) Latông một pha với tổ chức dung dịch rắn a (Hình 3.13a).

2) Latông hai pha với tổ chức (a + P) (Hình 3.13b).

Do tính dẻo cao, latông một pha chịu gia công biến dạng nguội tốt, làm cho độ bền và độ cứng tăng đáng kể. Ủ kết tinh lại được tiến hành ở nhiệt độ 600700°C.

Nâng cao hàm lượng kẽm làm giảm giá thành latông, cải thiện khả năng gia công cắt gọt và tăng khả năng chống mài mòn, tuy nhiên, độ dẫn nhiệt và dẫn điện của latông bị giảm, còn khoảng 2050 % so với đồng nguyên chất.

Các tạp chất nâng cao độ cứng và làm giảm độ dẻo của latông. Đặc biệt là chì và bismut, chúng gây ra tính bở nóng cho latông một pha. Bởi vậy latông một pha về cơ bản được sản xuất dưới dạng các bán thành phẩm bằng biến dạng nguội: băng, dây, tấm, để từ đó chế tạo ra các chi tiết bằng

Hình 3.13. Tổ chức tế vi của latông a) Loại một pha

; b) Loại hai pha (phần màu tối là β, màu sáng là pha α)

89

dập vuốt sâu (ống tản nhiệt, vỏ đạn, hộp, ống dẫn), và các chi tiết đòi hỏi có độ cứng thấp khi vận hành (vòng đệm, bạc lót, vành đệm kín... ).

Trong latông hai pha, do chuyển biến α ↔β nên các pha cùng tinh dễ chảy không nằm ở biên hạt, mà nằm sâu trong hạt dung dịch rắn, không ảnh hưởng đến khả biến dạng nóng của chúng. Đôi khi người ta cho thêm chì để cải thiện tính gia công cắt gọt và nâng cao tính bôi trơn. Do tính dẻo kém ở nhiệt độ thấp, các latông hai pha được sản xuất dưới dạng các bán thành phẩm bằng phương pháp biến dạng nóng: tấm, thanh, ống, vật rèn. Từ đó chế tạo ra bạc lót, đai ốc, bộ ống nối chữ T, ống lồng, các chi tiết dẫn điện của thiết bị điện...

Do khoảng nhiệt độ kết tinh nhỏ, latông hai pha ít có khuynh hướng bị thiên tích nhánh cây, độ chảy loãng cao, xốp co nhỏ, và tính điền kín khuôn tốt. Nhưng mặc dầu vậy, nó thực tế không được dùng để đúc hình, vì có lõm co tập trung tương đối lớn. Nhược điểm này có ở latông hợp kim với mức độ nhẹ hơn.

Latông hợp kim được dùng cả đối với các bán thành phẩm biến dạng cũng như dưới dạng các sản phẩm đúc hình. Latông đúc, về nguyên tắc, chứa nhiều kẽm và các nguyên tố 'hợp kim hơn.

Để hợp kim hóa latông, ngoài chì, người ta còn dùng Al, Fe, Ni, Sn, Si. Những nguyên tố này nâng cao khả năng chống ăn mòn của latông. Bởi vậy latông hợp kim được sử dụng rộng rãi trong ngành đóng tầu sông, tầu biển (các ống ngưng tụ, ống điều áp và các chi tiết khác). Latông pha thiếc được gọi là "latông của biển".

Nhôm nâng cao độ bền, độ cứng cho latông. Trong thực tế sử dụng latông có tới 4% nhôm (ЛA77-2), chúng có tổ chức một pha, chịu gia công áp lực tốt. Latông nhôm có thêm niken, sắt, mangan, silic có độ hòa tan thay đổi trong dung dịch rắn α, điều này cho phép hóa bền các latông này bằng tôi và hóa già. Giới hạn bền sau khi gia công như vậy đạt tới 700 MPa. Độ dẻo tốt ở trạng thái biến cứng nguội chó phép hóa bền bổ sung hợp kim bằng biến dạng dẻo (trưóc khi hóa già). Gia công theo sơ đồ "tôi + biến dạng dẻo + hóa già" bảo đảm nâng cao giới hạn bền đến 1000 MPa.

Silic cải thiện tính chảy loãng, tính hàn và khả năng biến dạng nóng và nguội của latông. Latông silic được đặc trưng bởi độ bền, độ dẻo, độ dai cao không chỉ ở 2025°C mà cả ở nhiệt độ thấp (dưới -183°C). Khi hợp kim hóa latông để nhận được tổ chức một pha, lượng silic cho thêm không lớn (ЛК80=3). Những latông này dùng để chế tạo phụ tùng, các chi tiết của dụng cụ đo, đóng tầu và chế tạo máy nói chung. Niken nâng cao độ hòa tan của kẽm trong đồng và cải thiện cơ tính của latông. Latông niken (ví dụ: ЛH65-5) có tính gia công áp lực tốt ở cả trạng thái nóng và nguội.

90

BRONG

Brông thiếc.

Từ giản đồ pha Cu-Sn thấy rằng độ hòa tan lớn nhất của thiếc trong đồng là 15,8% (Hình 3.14a). Các hợp kim của hệ này được đặc trưng bởi khuynh hướng kết tinh không cân bằng, do vậy trong điều kiện làm nguội thực tế, vùng dung dịch rắn α bị thu hẹp đáng kể, hàm lượng của nó thực tế không thạy đổi khi giảm nhiệt độ, không xảy ra chuyển biến cùng tích của pha δ (Xem đường gạch rời nét trên giản đồ) và khi hàm lượng thiếc lớn hơn 58%, trong tổ chức của hợp kim có tổ chức cùng tích (α + δ ) , ở đây pha δ là pha điện tử Cu31Sn8 với mạng tinh thể lập phương phức tạp (Hình 3.14b), có tính cứng và giòn cao. Sự xuất hiện của pha δ trong tổ chức của brông làm giảm mạnh độ dai và độ dẻo của chúng (Hình 3.14b). Bởi vậy, mặc dầu để nâng cao độ bền khi gia công áp lực, hàm lượng thiếc có thể tăng đến 25%, nhưng chỉ có brông chứa dưới 10 %Sn mới có ý nghĩa thực tiễn. Brông thiếc thuần ít được sử dụng vì đắt. Hơn nữa khoảng nhiệt độ kết tinh rộng gây ra khuynh hướng thiên tích nhánh cây lớn, độ chảy loãng thấp, rỗ co phân tán, vì vậy tính điền đầy khuôn của hợp kim không cao.

Brông thiếc được hợp kim hóa bằng Zn, Pb, Ni, P. Để tiết kiệm người ta cho thêm vào từ 2 đến 15% Zn để thay thế thiếc đắt tiền. Với hàm lượng như vậy, kẽm hòa tan hoàn toàn vào dung dịch rắn α và nâng cao cơ tính. Trong khi làm giảm khoảng kết tinh của brông thiếc, kẽm cải thiện tính chảy loãng và mật độ vật đúc, khả năng hàn và hàn vảy của hợp kim. Chì nâng cao

Hình 3.14: Giản đồ pha Cu-Sn (a) và ảnh hưởng của

thiếc đến cơ tính của đồng (b)

91

tinh bôi trơn và cải thiện tính gia công cắt gọt của brông thiếc. Phôtpho là chất khử ôxy của brông thiếc, nâng cao tính chảy loãng của hợp kim, khả năng chống mài mòn được cải thiện là nhờ pha cứng Cu3P. Ngoài ra, nó nâng cao giới hạn bền, giới hạn đàn hồi và giới hạn mỏi của brông. Niken có khả năng làm nhỏ tổ chức và nâng cao cơ tính.

Brông chịu gia công cắt gọt, hàn vảy tốt, nhưng hàn hơi kém.

Trong số các hợp kim đồng thì brông thiếc có độ co ngót khi đúc thấp nhất (0,8% khi đúc khuôn cát, 1,4% khi đúc khuôn kim loại), bởi vậy nó được dùng cho các vật đúc hình phức tạp. Brông đúc hai cấu tử hợp kim thấp chứa 10% Sn. Để giảm giá brông thiếc, hàm lượng thiếc trong một số brông đúc tiêu chuẩn giảm đến 36%. Một lượng lớn kẽm và chì nâng cao tính chảy loãng, cải thiện mật độ vật đúc, tính bôi trơn và khả năng gia công cắt gọt. Brông thiếc hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu đối với tổ chức của hợp kim ít ma sát. Độ bền chống ăn mòn cao trong khí quyển, nước sông, nước biển tạo khả năng ứng dụng rộng rãi brông đúc để làm các chi tiết dẫn hơi làm việc dưới áp suất. Rỗ xốp phân tán không ảnh hưởng xấu đến khả năng làm việc do ở trên bề mặt của vật đúc có vùng tổ chức hạt nhỏ, có mật độ cao. Với sự hoàn thiện của công nghệ có thể nhận được các vật đúc chịu áp lực đến 30 MPa.

Brông biến dạng chứa dưới 610%Sn (Bảng 3.12). Ở trạng thái cân bằng nó có tổ chức một pha dung dịch rắn α (Xem hình 3.14a). Trong điều kiện kết tinh không cân bằng, một lượng nhỏ pha δ có thể tạo ra cùng với dung dịch rắn. Để khử bỏ thiên tích nhánh cây và san bằng thành phần hóa học, cải thiện tính gia công áp lực phải ủ khuếch tán ở 700-750oC-Khi biến dạng dẻo nguội, brông phải qua ủ trung gian ở 500-700oC. Brông biến dạng được đặc trưng bởi tính dẻo tốt và độ bền cao hơn so với brông đúc.

Bảng 3.12: Thành phần hóa học và cơ tính của brông thiếc

Mác brông

Hàm lượng các nguyên tố (còn lại là Cu), % .

Cơ tính

Sn Pb Zn Ng.tố khác E,

GPa

σB,

MPa

σ0,2,

MPa

δ,

%

HB, MPa

Brông biến dạng (MNOCT 5017-74)

БpOФ 6,5-0,15 6÷7 - 0,1÷0,25 P

110 400 250 65 700

БpOФ6.5-0,4 6÷7 - 0,26÷0,4 P

112 400 250 604÷7

800

0,1÷0,2 Ni 0

92

БpOФ 4-0,25 3,5÷4 - - 0,2÷0,3 P 100 340 - 52 650

БpOЦ4-3 3,5÷4 - 2,7÷3,3

85 350 65 40 600

БpOЦ4-4-2,5 3÷5 1,5÷3,5

3÷5 - 75 350 130 40 600

Brông đúc (MNOCT 613-710)

БpO3Ц7C5H11 2,5÷4 3÷6 64÷10,

5 0,5÷2 Ni 100 210 70 5 600

БpO3Ц12C5 2÷3,5 3÷6 8÷15 - - 210 - 3 600

БpO4Ц4C17 3,5÷5,

5 14÷2

0 2÷6 - - 150 - 5 600

БpO5Ц5C5 4÷6 4÷6 4÷6 1000 180 100 4 600

БpO10Ц2 10÷1

1 - 1÷3 100 250 180 10 600

БpO10Ф 10÷1

1 - - 0,4-1,1 P 80 200 140 7 800

Cùng với tính dẫn điện, độ bền chống ăn mòn và tính bôi trơn tốt, brông biến dạng có tính đàn hồi và độ bền mỏi cao. Chúng được dùng để chế tạo các lò xo và nhíp trong cơ khí chính xác, kỹ thuật điện, chế tạo máy móc hóa chất và các lĩnh vực khác của công nghiệp.

Brông nhôm. có ưu điểm hơn so với brông thiếc là giá thấp hơn, cơ tính và một số tính công nghệ cao hơn. Ví dụ, khoảng kết tinh nhỏ bảo đảm bảo tính chảy loãng cao, lõm co tập trung và tính điền đầy khuôn tốt, khuynh hướng thiên tích nhánh cây nhỏ. Tuy nhiên, do co ngót lớn nên đôi khi khó đúc các vật đúc có hình dạng phức tạp.

Hình 3.15: Giản đồ pha Cu-Al (a) và ảnh hưởng của

nhôm đến cơ tính (b)

93

Đồng với nhôm tạo thành dung dịch rắn α (Hình 3.15), Độ hòa tan của nhôm trong đồng khi hạ nhiệt độ từ 1035 đến 565oC tăng từ 7,4 đến 10,4 %. Ở 5650C pha β có chuyển biến cùng tích: β →α+ ɣ2; ɣ2 là pha trung gian có thành phần thay đổi với mạng tinh thể lập phương phức tạp.

Với tốc độ nguội thực tế, khác với trạng thái cân bằng, cùng tích xuất hiện trong tổ chức của hợp kim với hàm lượng 68 %Al; Sự có mặt của cùng tích làm giảm mạnh độ dẻo của brông nhôm. Khi tăng hàm lượng nhôm đến 45% , cùng với độ bền, độ cứng cả độ dẻo cũng tăng, sau đó độ dẻo giảm mạnh, còn độ bền tiếp tục tăng cho tới hàm lượng nhôm tăng đến 10 l1% (Hinh 3.15b). Brông một pha có độ dẻo tốt, thuộc loại brông biến dạng, có sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền (σB= 400450 MPa) và độ dẻo (δ = 60%). Brông hai pha được sản xuất dưới dạng các bán thành phẩm biến dạng, cũng được dùng để đúc hình. Khi có mặt nhiều cùng tích, brông không được biến dạng nguội mà phải biến dạng nóng. Brông hai pha có đặc trưng là độ bền cao (σB= 600 MPa) và độ cứng cao (HB > 1000 MPa). Chúng có thể được hóa bền bằng nhiệt luyện. Khi nguội nhanh (tôi) pha β không có chuyển biến cùng tích mà chuyển biến mactenxit.

Nhược điểm của brông nhôm hai pha là ngoài độ co ngót lớn, chúng có khuynh hướng hòa tan nhiều khí và bị ôxy hóa khi nấu luyện, tạo ra tổ chức hạt tinh thể hình que thô, khó hàn vảy. Những nhược điểm này hoàn toàn khắc phục được nhờ hợp kim hóa brông nhôm bằng sắt, niken, mangan.

Pha α của brông nhôm có thể hòa tan đến 4% sắt, khi hàm lượng sắt lớn hơn tạo ra vật lẫn Al3Fe. Hợp kim hóa thêm bằng niken và mangan có thể làm xuất hiện hợp chất này với hàm lượng sắt thấp hơn. Sắt có tác dụng biến tính đối với tổ chức của brông nhôm, nâng cao độ bền, độ cứng và tính bôi trơn, giảm khuynh hướng hóa giòn của brông hai pha do làm chậm sự phân hủy cùng tích của pha β và chia nhỏ pha γ2 (được hình thành do kết quả của sự phân hủy). Độ dẻo tốt nhất của brông nhôm-sắt (ví dụ Cu-10%Al, 4% Fe-4) có được sau khi nhiệt luyện, do ngăn cản một phần hay toàn bộ chuyển biến cùng tích của pha β (thường hóa ở 6007000C hoặc tôi từ 1050oC). Ram brông đã tôi ở 250300oC pha β phân hủy, tạo thành cùng tích hạt nhỏ phân tán (α +ɣ2) và nâng cao độ cứng (HB = 175180 MPa).

Niken cải thiện tính công nghệ và cơ tính của brông nhôm-sắt ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao. Ngoài ra niken có tạo khả năng thu hẹp mạnh vùng dung dịch rắn α khi giảm nhiệt độ. Điều đó làm cho brông được hợp kim hóa bằng sắt và niken (Cu-10%Ni4%Fe) có khả năng hóa bền sau khi tôi và hóa già. Ví dụ ở trạng thái ủ (mềm) Cu-10%Ni4%Fe có cơ tính như sau: σB = 650 MPa; δ = 35%; HB = 140 l60 MPa. Sau khi tôi từ 1080oC và hóa già ở 400oC trong 2 giờ độ cứng tăng lên đến HB = 400 MPa. Từ brông nhôm-sắt chế tạo ra các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn nặng và ở nhiệt

94

độ cao (400500oC): phần góc lượn của van, cần dẫn hướng van xả, các chi tiết máy bơm, tuabin, bánh răng... Dùng mangan rẻ tiền thay thế niken, tạo ra brông nhôm-sắt-mangan (Cu-3% Mn 4%Fe) có cơ tính, tính chống ăn mòn cao và tính công nghệ tốt.

Hình 3.16: a)Tổ chức Đồng thanh thiếc phốt pho trạng thái ủ

b)Tổ chức Đồng thanh nhôm nguội nhanh

Brông silic. Được đặc trưng bởi cơ tính, tính đàn hồi và tính bôi trơn tốt.

Brông silic chứa đến 3 %Si. Khi tăng hàm lượng silic lớn hơn 3% trong tổ chức của hợp kim xuất hiện pha ɣ cứng và giòn. Tổ chức một pha dung dịch rắn bảo đảm brông silic có độ dẻo cao và gia công áp lực tốt. Chúng hàn và hàn vảy tốt, tính gia công cắt gọt đạt yêu cầu. Tính đúc của brông silic kém hơn so với brông thiếc, brông nhôm và latông.

Brông silic được sản xuất dưới dạng tấm băng, thanh, dây. Chúng rất ít khi được dùng để đúc hình. Người ta dùng brông silic thay thế cho brông thiếc đắt tiền hơn để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn cũng như thay thế brông berili để chế tạo lò xo, màng mỏng và các chi tiết đàn hồi khác cho thiết bị, dụng cụ đo làm việc trong nước sông, nước biển.

3.4.3. Hợp kim Titan

Tính chất của titan

Titan là kim loại màu xám, có hai thù hình. Thù hình nhiệt độ thấp, α-Ti, tồn tại dưới 882°C, có kiểu mạng lục giác xếp chặt với các chu kì mạng: a= 0,296 nm và c= 0,472 nm. Thù hình nhiệt độ cao, β-Ti, có kiểu mạng lập phương thể tâm với chu kì mạng: a = 0,332 nm(ở 900°C).

Chuyển biến thù hình (882°C) khi làm nguội chậm, xảy ra theo cơ chế bình thường tạo ra tổ chức dạng khối đa cạnh (Hình 3.18a), còn khi làm nguội nhanh lại xảy ra theo cơ chế chuyển biến mactenxit, tổ chức tạo thành có dạng hình kim (Hình 3.18b).

95

Hình 3.17: Tổ chức tế vi hợp kim Ti-6Al-4V, a) Sau khi ủ; b) Sau khi rèn và tôi

Phương pháp công nghiệp để sản xuất titan gồm làm giàu quặng titan, tiếp theo dùng kim loại magiê hoàn nguyên titan tetra-clorua vừa tạo thành. Để tạo ra titan nguyên khối, người ta nghiền titan xốp thành bột rồi ép lại và thiêu kết hoặc luyện chảy trong lò hồ quang chân không hoặc chứa môi trường khí trơ.

Để giảm thiểu lượng tạp chất và phân bố chúng đều hơn theo tiết diện thỏi đúc, cần phải tiến hành luyện hai đến ba lần, sử dụng ziriconi hoặc bo để biến tính làm nhỏ tổ chức hạt thô, đặc trưng đối với các thỏi titan đúc.

Môđun đàn hồi của titan thấp, khoảng hai lần nhỏ hơn so với sắt và niken, đã gây cản trở cho việc chế tạo các kết cấu cứng vững.

Kết hợp tốt giữa độ bền và độ dẻo là nét đặc trưng về cơ tính của titan (Bảng 3.13).

Độ dẻo cao của titan iôđua so với các kim loại khác có cùng kiểu mạng lục giác (Zn, Cd, Mg) được giải thích bởi sự có mặt của một số lượng lớn các hệ trượt và song tinh do tỉ lệ c/a= 1,587 nhỏ. Ngoài các mặt cơ sở (1000), trong titan trượt cũng xảy ra theo các mặt (1010) (mặt lăng trụ) và mặt (1011) (mặt chóp), còn song tinh thì xảy ra theo các mặt (1011), (111), (111) v.v...

Cơ tính của titan phụ thuộc vào sự có mặt của các tạp chất, đặc biệt là hiđrô, ôxy, nitơ, cacbon, chúng tạo thành dung dịch rắn xen kẽ trong titan và các pha trung gian: titan hiđrit, nitrit, ôxytt và cacbit.

Hình 3.18: Sự phụ thuộc của cơ tính titan vào hàm lượng tạp chất

96

Một lượng nhỏ hiđrô, nitơ, cacbon nâng cao độ cứng, độ bền tức thời và giới hạn chảy, trong khi đó lại làm giảm đáng kể độ dẻo (Hình 3.18), độ bền ăn mòn, làm xấu tính hàn và tính rèn dập. Do vậy, hàm lượng các tạp chất này trong titan cần phải hạn chế ở mức phần vận, đôi khi ở mức phần mười vạn. Sắt và silic cũng gây ảnh hưởng tương tự nhưng ở mức độ nhỏ hơn. Hiđrô là tạp chất có hại trong titan. Khi có mặt, dù với khối lượng rất không đáng kể, hiđrô vần được tiết ra ở dạng các tấm hyđrua giòn, mỏng ở biên giới hạt, điều đó gây nên xu hướng biến giòn đáng kể đối với titan. Tính giòn hiđrô đặc biệt nguy hiểm trong các kết cấu hàn do trong chúng tồn tại nội ứng suất. Hàm lượng hiđrô trong titan cho phép ở mức giới hạn từ 0,008% đến 0,011%.

Bảng 3.13: Cơ tính của titan iôđua và titan kĩ thuật

Than Tạp chất B 0,2

HB

MPa %

BT1-0 0,3 450600 380500 2025 50 2070

Iôđua 0,093 250300 100150 5060 7080 1100

Khi nâng nhiệt độ đến 250°C, giới hạn bền của titan giảm xuống khoảng hai lần. Titan có xu hướng phân hủy, thậm chí ngay ở nhiệt độ 20÷250C. Giới hạn rão của titan bằng khoảng 60% giới hạn chảy. Các tạp chất nitơ, ôxy và biến dạng dẻo nâng cao sức bền chống rão. Titan có độ bền và độ bền riêng cao không chỉ ở 20÷250C mà còn ở nhiệt độ rất thấp. Độ bền tức của titan ở nhiệt độ heli lỏng bằng 1150 MPa. Lúc này nếu như hàm lượng hiđrô nhỏ (<0,002%), titan sẽ có độ dẻo cao (độ giăn dài tương đối 15÷20%).

Biến dạng dẻo làm tăng đáng kể độ bền của titan (Hình 3.18). Biến dạng khoảng 60÷70% làm độ bền tăng lên hầu như gấp đôi. Để khử biến cứng, người ta tiến hành ủ kết tinh lại ở nhiệt độ 650÷7500C.

Nâng cao nhiệt độ làm cho titan hấp thụ khí mạnh: bắt đầu từ 50÷900C là khí hiđrô, cao hơn 400÷5000C - ôxy, trên 600÷7000C - nitơ, CO và C02. Do hoạt tính hóa học cao khi ở trạng thái hóa lỏng, nên việc nấu luyện hoặc hàn hồ quang titan đòi hỏi phải dùng môi trường chân không hoặc khí trơ. Nhờ khả năng hấp thụ khí khi bị nung nóng, titan được ứng dụng làm vật liệu hấp thụ khí trong công nghiệp rađiô-điện tử để nâng cao độ chân không bên trong đèn điện tử.

Titan kĩ thuật có thể dễ dàng chịu gia công biến dạng dẻo. Từ titan người ta chế tạo các bán thành phẩm cán, ép như tấm, ống, dây, vật rèn... Có

97

thể hàn titan bằng các công nghệ hàn agon hoặc hàn điểm rất tốt. Cả độ bền và độ dẻo của mối hàn đều giữ được khá cao. So với nền, độ bền mố hàn đạt cỡ 90%.

Titan chịu gia công cắt gọt kém vì gây dính dao và làm dao cắt mòn nhanh. Để gia công titan cần dùng dụng cụ cắt gọt bằng thép gió hoặc hợp kim cứng, tốc độ cắt chậm lượng ăn dao và chiều sâu cắt lớn, làm nguội nhanh. Titan còn có nhược điểm là tính chống mài mòn thấp.

Hợp kim titan công nghiệp

So với titan kỹ thuật, hợp kim titan có độ bền ở 204÷250°C cũng như ở vùng nhiệt độ cao hơn, trong khi vẫn duy trì được độ dẻo đủ tốt, độ chống ăn mòn cao và mật độ ,(khối lượng riêng) nhỏ. So với berili, chúng dẻo hơn, tính công nghệ tốt hơn, rẻ hơn và không nguy hiểm đối với sức khoẻ con người khi gia công. So với các hợp kim nhôm và hợp kim magiê, hợp kim titan có độ bền riêng, độ bền nóng và tĩnh ổn định chống ăn mòn cao hơn. Vì thế, các hợp kim titan được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không, kỹ thuật tên lửa, đóng tàu, các lĩnh vực công nghiệp hóa chất cũng như các lĩnh vực công nghiệp khác.

Hợp kim titan được sử dụng chúng để làm vỏ máy bay siêu âm, chế tạo các chi tiết kết cấu của động cơ tên lửa, động cơ máy bay (các đĩa và cánh máy nén, các chi tiết lỗ gió...), thân các động cơ tên lửa 2 và 3 tầng, bình chứa khí nén hoặc khí hóa lỏng, vỏ tàu thủy hoặc tàu ngầm.

Hợp kim titan được phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo công nghệ chế tạo, hợp kim titan được chia thành hợp kim biến dạng, hợp kim đúc, còn theo cơ tính, được chia thành hợp kim có độ bền bình thường độ bền cao, hợp kim bền nóng, hợp kim có độ dẻo cao. Theo khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện, chúng được chia thành các hợp kim có thể và không thể tăng bền bằng nhiệt luyện, còn theo tổ chức sau khi ủ, được chia thành các hợp kim titan a, hợp kim titan giả α (pseudo-Alpha), hợp kim titan (α+β), hợp kim titan β và hợp kim titan giả β (pseudo-beta).

Hợp kim ti tan biến dạng

Thành phần hóa học tổ chức và cơ tính của các hợp kim phổ biến nhất được trình bày trong bảng 3.14

Thuộc về nhóm hợp kim có tổ chức α gồm: hợp kim titan với nhôm (BT5), cũng như các hợp kim titan với nhôm có bổ sung thêm thiếc hoặc ziriconi (BT5-1). Các hợp kim này có độ bền trung bình ở 200C và đặc trưng bởi cơ tính cao ở vùng nhiệt độ rất thấp (nhiệt độ âm) hoặc nhiệt độ cao (450÷5000C). Chúng có tính hàn tốt và giữ được sự ổn định của các tính chất

98

ở nhiệt độ cao. Độ bền mối hàn bằng khoảng 90% độ bền của hợp kim đơợc hàn. Tính gia công cắt gọt trung bình.

Nhược điểm của các hợp kim này là: không có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện, độ dẻo công nghệ thấp. Các hợp kim với thiếc có tính công nghệ tốt hơn, song so với các hợp kim titan α khác, chúng đắt nhất. Các hợp kim này được cán, rèn và dập nóng. Sản phẩm thương mại thường ở dạng thỏi, vật cán hình, thành phẩm rèn, ống và dây. Hợp kim được ứng dụng để chế tạo các chi tiết làm việc trong một chặng nhiệt độ rộng, từ nhiệt độ âm đến 450°C (BT5) hoặc 500°C (BT5-1). Trong các hợp kim giả a, tổ chức chủ yếu là pha α, với một lượng nhỏ pha β (khoảng l÷5%) do được hợp kim bổ sung một số chất ổn định β như Mn, V, Nb, Mo...

Bảng 3.14: Thành phần hóa học (TOCT 19807-74), tổ chức, cơ tính của một số hợp kim titan

Hợp

kim

Hàm lượng của nguyên tố % Tổ chức

Cơ tính

Al V Mo Ng. tố khác B

0.2 , %

MPa

BT5 4,36

,2 - - -

Hợp kim

700950

660

850 1015

BT5-1 4 6 - - 23 Sn

OT4-1 12,5 _ - 0/72

Mn

Hợp kim

giả

600750

470-650

2040

OT4 3,55 - - 0,82

Mn

700900

550

650 1120

BT20 5,57

,0 0,8

2,3 0,5

1,8 1,42,

5 Zr

950150

850

1000 8

BT6* 5,36

,8 3,5

5,3 - -

1100

150

1000105

0 1416

BT14* 3,56

,3 0,8

1,9 2,5

3,8 -

Hợp kim

1150

1400

1080110

0 610

99

BT16* 1,63

,8 4,0

5,0 4,5

5,5

1150

1450

1100110

0 416

BT22* 4,85

,2 4,5

5,5 4,5

5,5

0,81,2 Cr

0,81,2 Fe

1100

250 9

*Tính chất của các hợp kim này được trình bày ứng với trạng thái sau tôi và hóa già của các hợp kim còn lại ở trạng thái ủ. Nhờ có mặt pha β nên các hợp kim này trong khi vẫn bảo tồn những ưu điểm của hợp kim α lại có được tính dẻo công nghệ cao.

100

Chương 4.ĐẶC ĐIỂM VẬT LIỆU CHỊU LẠNH

4.1. Đặc điểm làm việc và yêu cầu của vật liệu chịu lạnh

Những vật liệu giữ được đủ độ dai ở nhiệt độ thấp từ 0÷ -2690C (273÷4K) được gọi là vật liệu chịu lạnh.

Các kết cấu thép (nền đường sắt, ống dẫn dầu khí, cầu cống…) các máy xây dựng, ô tô, toa tầu ở các vùng phía bắc nước Nga, có nhiệt độ lạnh của khí hậu (-600C); vỏ máy bay, các chi tiết tên lửa và thiết bị vũ trụ bị lạnh đến nhiệt độ ôxy lỏng (-1830C); các thiết bị chuyên dụng của vật lý nhiệt độ thấp, các chi tiết, bộ phận và ống dẫn trong kỹ thuật máy lạnh và nhiệt độ âm được dùng để tạo ra, bảo quản và vận chuyển khí nén, bị lạnh đến tận nhiệt độ heli lỏng (-2690C)… Tất cả chúng đều bị tác động của nhiệt độ thấp.

Các chỉ tiêu đánh giá vật liệu chịu lạnh

Hạ thấp nhiệt độ sử dụng kèm theo sự tăng độ bền dưới tải trọng thay đổi theo chu kỳ, sự giảm bớt độ dẻo và dai, sự nâng cao khuynh hướng phá hủy giòn. Yêu cầu quan trọng nhất quyết định khả năng làm việc của vật liệu ở nhiệt độ thấp đó là không bị giòn nguội. Giòn nguội là tính chất của vật liệu bị mất độ dai và bị phá hủy giòn khi hạ nhiệt độ. Tính giòn nguội đặc trưng cho sắt, thép, các kim loại và hợp kim có mạng LPTK và LGXC. Độ giòn nguội của các vật liệu này được đánh giá bằng ngưỡng nhiệt độ giòn nguội T50. Để vật liệu làm việc an toàn cần phải đảm bảo dự trữ một lượng độ dai theo nhiệt độ. Có thể đạt được điều này khi ngưỡng nhiệt độ giòn nguội ở thấp hơn nhiệt độ sử dụng nó. Trị số cần thiết của lượng dữ trữ độ dai theo nhiệt độ phụ thuộc vào các

Hình 4.1: Sự phụ thuộc của độ dai va đập (a)

và giới hạn chảy (b) ở vật liệu kết cấu vào

nhiệt độ

1- Thép 12Cr18Ni10Ti, tôi trong nước

từ 11000C ; 2- thép 0Ni9 tôi trong nước từ

9800C, ram ở 6000C; 3- hợp kim BT5-1 ủ ở

7500C; 4- thép03Cr9Co14Ni6W3Ti tôi trong

không khí từ 9500C, hóa già; 5- hợp kim AMr5

ủ ở 4000C

101

yếu tố gây ảnh hưởng đến xu hướng phá hủy giòn (sự có mặt của tập trung ứng suất, tốc độ tải, kích thước chi tiết). Lượng dữ trữ độ dai theo nhiệt độ càng lớn, nguy cơ phá hủy giòn càng nhỏ, tính an toàn của việc sử dụng vật liệu càng cao.

Kim loại và hợp kim với cấu trúc mạng LGXC, kể cả titan và hợp kim của titan với kiểu mạng LGXC, không có ngưỡng giòn nguội; khi làm nguội độ dai va đập của chúng giảm liên tục. Độ chịu lạnh của các vật liệu này được đánh giá bằng nhiệt độ, tại đó độ dai va đập không nhỏ hơn 0.3MJ/m2 (TKCV

= 0.3) (hình 4.1).

Ngoài chỉ tiêu độ chịu lạnh (T50 và TKCV-0.30), để làm cơ sở cho lựa chọn vật liệu còn có các chỉ tiêu bền (σB, σ0.2), các tính chất vật lý và công nghệ, tính tương hợp với môi trường xung quanh, giá thành. Chỉ tiêu quan trọng để đánh giá tính chịu lạnh là K1C, đó là độ dai phá hủy trong điều kiện biến dạng phẳng. Tuy nhiên, việc không đủ các số liệu về giá trị K1C ở nhiệt độ thấp đã hạn chế sử dụng nó để lựa chọn vật liệu.

Trong số các tính chất vật lý của vật liệu, thì giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung là quan trọng nhất. Giãn nở nhiệt càng nhỏ thì ứng suất nhiệt trong các chi tiết và kết cấu khi nhiệt độ thay đổi theo chu kỳ càng nhỏ. Sự trở lạnh nhanh chóng trong chu kỳ thay đổi nhiệt ở vật liệu phụ thuộc vào nhiệt dung và độ dẫn nhiệt. Ở nhiệt độ đặc biệt thấp, bắt đầu từ nhiệt độ nitơ lỏng (-1960C), độ dẫn nhiệt và nhiệt dung giảm đi trên 10 lần. Sự thay đổi các tính chất này ảnh hưởng đến sự trở lạnh trong chu kỳ nhiệt ở vật liệu không như nhau. Nhiệt dung càng nhỏ và độ dẫn nhiệt càng lớn thì các thiết bị lạnh càng dễ dàng trở lạnh và nhanh chóng vào chế độ dừng.

Tính chất công nghệ quan trọng nhất là độ dẻo và tính hàn. Người ta ứng dụng hàn rất rộng rãi để sản xuất các kết cấu và thiết bị lạnh kín. Độ dẻo rất cần thiết để chế tạo các tấm mỏng và các chi tiết thành mỏng, mà xu hướng phá hủy giòn của các chi tiết loại này nhỏ hơn các chi tiết dày. Sự tương hợp với môi trường xung quanh quyết định bởi sự tương tác của vật liệu xung quanh quyết định bởi sự tương tác của vật liệu với ôxy và hiđro – các môi trường phổ biến nhất trong kỹ thuật lạnh (nhiệt độ âm). Khi tiếp xúc với ôxy vật liệu có thể bốc cháy (titan, nhôm và hợp kim của chúng). Hydro hòa tan trong rất nhiều kim loại và gây nên sự giòn hóa các thép với nền ferit (mạng LPTK) và hợp kim trên cơ sở titan.

Các nhóm vật liệu chịu lạnh cơ bản gồm thép cacbon thấp với mạng LPTK và LPDT, nhôm và hợp kim của nó (AMЦ, AMГ, AMГ5…), titan và hợp kim titan (BT1, BT5, OT4…) một vài chất dẻo (chất dẻo chứa flo: teflon-4, polyamid, polystriol rỗ, polyuretan). Thép hóa tốt hàm lượng cacbon trung bình cũng như thép hóa già mactenxit, được sử dụng hạn chế để làm các chi tiết riêng biệt của thiết bị lạnh khi có yêu cầu nâng cao độ cứng, độ bền.

102

4.2. Vật liệu kim loại chịu lạnh

Thép chịu lạnh. Các thép được ứng dụng trong kỹ thuật lạnh có mạng tinh thể kiểu LPTK và LPTM.

Thép có mạng LPTK được sử dụng chủ yếu ở các

nhiệt độ lạnh trong khí hậu tự nhiên. Giới hạn nhiệt độ sử dụng của chúng là ngưỡng giòn nguội. Đại lượng này đối với thép là khoảng từ 0 đến -600C, phụ thuộc vào chất lượng luyện kim. Các biện pháp được xem là hiệu quả để làm giảm ngưỡng giòn nguội, nâng cao độ an toàn khi làm việc gồm: giảm thấp hàm lượng cacbon, tạo ra tổ chức hạt nhỏ (kích thước hạt khoảng 10-20µm), giảm thiểu hàm lượng các tạp chất hại và trung hòa chúng bằng cách bổ sung thêm kim loại đất hiếm và các nguyên tố vanadi, niobi, titan, hợp kim hóa bằng niken và ứng dụng hóa bền nhiệt luyện.

Thép cacbon thấp được ứng dụng chủ yếu bởi vì cùng với sự tăng lên của hàm lượng cacbon, ngưỡng giòn nguội tăng lên và tính hàn xấu đi.

Thép chất lượng thường – lặng, nửa lặng và sôi (bảng 4.1), được ứng dụng để làm các chi tiết khác nhau kể cả các bình làm việc dưới áp lực. Nhiệt độ làm việc cực tiểu của các thép này khi không được gia công đặc biệt để phục vụ ở nhiệt độ thấp, giới hạn dưới ở -200C (bảng 4.1) nhưng của các thép sôi thì ở trong khoảng 0 đến -100C bởi vì ngưỡng giòn nguội của chúng so với thép lặng cùng loại cao hơn khoảng 10 đến 200C. Có thể hạ thấp nhiệt độ sử dụng cho đến -500C của các thép giá rẻ, bằng cách áp dụng một tập hợp các biện pháp bao gồm cải tiến chất lượng luyện kim, làm nhỏ hạt và hợp kim hóa vi lượng (Bảng 13.8). Mặc dầu khi đó giá thành thép nâng lên nhưng dẫu sao nó vẫn hạ hơn giá thành các thép hợp kim. Khi sử dụng thép ở các nhiệt độ dưới 00C cần hoàn thiện kết cấu chi tiết – loại trừ các tập trung ứng suất nguy hiểm, sử dụng các chi tiết thành mỏng trong đó sự biến dạng nhiệt được thực hiện dễ dàng. Đối với các kết cấu lớn – dùng thép hàn hợp kim hóa thấp độ bền cao 09Mn2Si, 15Mn2AlV… Ngoài thép hợp kim hóa thấp người ta còn sử dụng thép hóa tốt hàm lượng cacbon trung bình và thép lò xo (45, 40Cr, 65Mn, 60Si2A). Nhiệt độ làm việc cực tiểu của chúng được xác định là -500C.

Hình 4.2: Sự phụ thuộc của ngưỡng

giòn nguội T50 của thép Ni với 0.05%C

vào hàm lượng Ni

103

Bảng 4.1: Khoảng nhiệt độ ứng dụng của các vật liệu kết cấu

Ký hiệu

Nhiệt độ làm việc an toàn giới hạn của vật liệu, 0C

Không có gia công phụ

Sau khi cải thiện độ chịu lạnh

Thép cacbon

Chất lượng thường -20 -50

Chất lượng -30 -60

Thép hợp kim thấp 09Mn2Si -40 -60

Thép niken

Với 6%Ni (0Ni6) -100 -150

Với 9%Ni (0Ni9) -150 -196

Thép hóa già mactenxit 03Cr9Co15Ni16W3Ti

-196 -253

Thép austenit Cr-Mn 03Cr13AMn19 -130 -196

Thép austenit Cr-Ni 12Cr18Ni10Ti -253 -269

Hợp kim inva 36Ni -269 -269

Hợp kim nhôm AД1, AMЦ -269 -269

Hợp kim nhôm – Mg (Amr1 ; Amr5) -253 -269

Đura (Д16) -196 -253

Hợp kim nhôm bền cao (B95) -196 -253

Hợp kim titan BT5-1 -253 -269

Hợp kim titan BT3-1 -196 -253

Đồng và hợp kim đồng

M1p, M2p, M3p -269 -269

ƂpAЖH10-4-4 -196 -253

Д63; ДЖMЦ59-1-1 -253 -269

ƂpƂ2 -269 -269

104

Thép có Niken chịu lạnh tốt hơn; các thép 12CrNi3A và 18Cr2Ni4MoAl sau hóa bền nhiệt luyện được sử dụng ở -1960C.

Thép niken ONi6 và ONi9 với hàm lượng cacbon không cao hơn 0.05% được sử dụng ở trạng thái hóa tốt (tôi hoặc thường hóa ở 830 – 9000C và ram ở 6000C). Các thép có tổ chức hạt nhỏ dai, dẻo và hàn tốt. So với các thép austenite chúng bền hơn, dẫn nhiệt tốt hơn và rẻ hơn gần hai lần. Độ giãn nở nhiệt của thépniken cũng nhỏ hơn. Thép này chuyên dùng để chế tạo tau chuyên chở khí nén. Sự bền vững chống ăn mòn khí quyển là nhược điểm của thép niken.

Thép austenite với mạng lập phương diện tâm bảo tồn được dộ dẻo và dai ở dưới -1960C. Sự chuyển austenite thành martensite ở nhiệt độ thấp là không mong muốn: kích thước chi tiết tăng lên, xuất hiện xu hướng phá hủy giòn. Sự ổn định của austenite được đảm bảo bởi sự nâng cao trên 15% hàm lượng các nguyên tố tạo nên austenite (Ni,N,Mn).

Nhược điểm của thép austenite là giới hạn chảy thấp. Cùng với các thép 12Cr18Ni10Ti người ta còn sử dụng các thép Cr-Mn bền hơn (03Cr13AlMn19) và các thép hóa bền phân tán đặc biệt. (10Cr11Ni23Ti3MP; 10Cr11Ni20Ti3P).

Invar 36Ni (36%Ni, còn lại Fe) có sự giãn nở nhỏ và cấu trúc lập phương tâm mặt ổn định. Ứng suất nhiệt xuất hiện khi thay đổi nhiệt trong các chi tiết chế tạo từ invar rất nhỏ, do vậy các kết cấu trong trường hợp này không cần bù trừ biến dạng. Việc sử dụng invar bị hạn chế bởi tính bền vững ăn mòn không đủ và giá thành cao.

Thép hóa già Martensite (xem bảng 4.1) được sử dụng làm các chi tiết máy lạnh (ổ chặn, trục, xupap…) khi cần độ bền và độ cứng cao.

Hợp kim chịu lạnh

Nhôm và hợp kim nhôm do không có ngưỡng giòn nguội nên dai ở khoảng nhiệt độ -253 đến -2690C. Khi làm nguội, σB của chúng tăng lên khoảng 35-60%, σ0.2 lên khoảng 15-25%, còn độ dai va đập giảm liên tục xuống đến 0.5-0.2MJ/m2. Độ dai phá hủy, K1C thực tế không giảm đi và điều này có nghĩa là hợp kim nhôm, khi làm lạnh, ít nhạy cảm với các vết nứt so với ở 250C. Do sự giãn nở nhiệt lớn (độ dẫn nhiệt tương đối cao) nên không tránh khỏi sự phát sinh ứng suất nhiệt đáng kể trong các chi tiết kẹp chặt từ nhôm. Để giảm bớt ứng suất này, người ta hoặc là sử dụng bộ bì trừ biến dạng hoặc sử dụng vật liệu có độ dẫn nhiệt nhỏ ví dụ thép austenite và chất dẻo khi chế tạo các chi tiết cá biệt (chẳng hạn các cửa thiết bị điều lạnh). Ở khoảng nhiệt độ thấp (từ -253 đến -2690C) thường người ta sử dụng các nhôm và hợp kim nhôm hàn không hóa bền bằng nhiệt luyện như AMЦ, AMГ2 và AMГ5. Để chế tạo các chi tiết không hàn làm việc ở nhiệt độ -2530C người ta sử dụng các hợp kim hóa bền nhiệt luyện như Д16, AК6 và AК8 cũng như hợp kim đúc AЛ2, AЛ9.

105

Titan và hợp kim của nó không bị giòn ở vùng nhiệt độ từ -196 đến -2690C (bảng 4.1) và nhờ có độ bền riêng cao nên được sử dụng trong kỹ thuật vũ trụ. Titan sạch kỹ thuật và các hợp kim một pha BT5-1, OT4 được ứng dụng rộng rãi. Chúng dẻo, dễ hàn và sau khi hàn không đòi hỏi nhiệt luyện mối hàn. Các hợp kim bền hơn nhưng kém dẻo hơn như BT3-1 và BT6 với tổ chức hai pha (α+β) được sử dụng ở nhiệt độ đến -1960C. Tính hàn của chúng kém hơn các hợp kim môt pha và mối hàn nhất thiết phải ủ

Đồng và hợp kim của nó (latong va brong) dẻo không có ngưỡng giòn nguội. Ngoài ra, độ dai phá hủy của chúng tăng lên khi làm lạnh. Chúng được ứng dụng để làm các kết cấu ống, chi tiết kẹp, các vỏ hàn làm việc ở nhiệt độ -2690C. Do giá thành cao hơn nhôm, đồng và hợp kim của nó càng ngày càng được thay thế bằng hợp kim nhôm.

SốTT Vật liệu

Độ bền dẻo va đập, Nm/cm2, của kim loại ở

nhiệt đô khác nhau, °c

20 -80 -120 -196 -253

1

a) Kim loại đen - Thép xây

dựng và thép tôi thấm

cácbon

100-200 0,3-1,5 0,2-0,5

2 - Thép niken 5% 130 110 70 - -

3 -Thép niken 36% 170 100 80 40-80

4 - Thép hơp kim cao austênit

X8GniTi 18.10 200-250 - -

150-

200 140- 160

5 b) Kim loại mầu -Đồng 140-180 150-200 160-

205 _

6 - Đồng thau CuZn37 125 142 - 155 -

7 - Hơp kim đồng niken sắt

(ÔiNiìOFe) 192 190 - 195 195

8 - Đồng bạch (Hợp kim

đồng niken kẽm

CuNi31Znl4

110 115 120 _

9 -Nhôm (AI 99,5) 40 52 - 60 -

Bảng 4.2: Độ dai va đập của một số vật liệu kim loại ở nhiệt độ thấp

106

10 - Hợp kim nhôm

manhê(AlMg,) 100 110 - 100 -

11 -Kẽm 60 3,5 - -

12 -Chì 24 - - 38 45

(ở

-183°c

Bảng 4.2 giới thiệu độ bền dẻo va đập của một số thép kim loại đen và kim loại mầu ở các nhiệt độ khác nhau.

Đối với các nhà thiết kế và sử dụng vật liệu lạnh, nhiệt độ làm việc cho phép của vật liệu đối với từng loại tải là một đại lượng rất có ý nghĩa. Nó trả lời nhanh chóng đâu là giới hạn nhiệt độ ứng dụng của vật liệu đó. Các tài liệu tham khảo đưa ra các giới hạn có độ sai lệch khá lớn. Nói chung giới hạn nhiệt độ ứng đụng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như phụ thuộc vào kiểu mạng tinh thể, thành phần hoá học, phương pháp sản xuất, phương pháp xử ỉí nhiệt của vật liệu cũng như tính chất và độ lớn của tải đối với vật liệu. Vì vậy sự sai lệch của các số liệu là đương nhiên, vì ngay cả những số liệu về tính chất vật lí cũng sai lệch nhau.

Bảng 4.3 tập hợp một vài số liệu về giới hạn nhiệt độ ứng dụng của một số vật liệu ở hai tải tĩnh và động.

Bảng 4.3: Nhiệt độ ứng dụng cho phép một số vật liệu ở loại tải động và tĩnh

Vật liệu

Giới hạn nhiệt độ úng dụng, 0C ở loại tải

động tĩnh

Gang xám

Không sử dụng

được -30

Thép đúc (không phải là hợp kim) Không sử dụng

được

-30 – (-70*)

Thép đúc austenite crom niken -160 -180 - (-200)

Đồng đúc -160 -180 – (-200)

Nhôm đúc -20

-40 - (-120*)

107

thép không hàn theo TGL 9413 (St

35, 45b, 52-3)

Thép xây đựng nhóm 3' theo TGL

7960 (St34 34, 42, 52-3)

Nhôm tinh khiết (99,5%)

Các hợp kim nhôm, đổng

-10 – (-20) -30 – (-100*)

Các hợp kim của đổng (đổng thau,

đồng thau niken sất, đồng thau

niken kẽm)

Các hợp kim niken; niken;

Các thép austenit crom niken, hoặc

crôm mangan

Không hạn chế

nhiệt độ

Không hạn chế

nhiệt độ

(*) Tuỳ theo độ bền dẻo va đập

Các loại thép đúc austenit, ống thép không hàn, thép xây dựng nhóm 3 ở loại tải tĩnh có giới hạn nhiệt độ ứng dụng thay đổi. Giới hạn đó cao hay thấp còn tuỳ thuộc vào độ bền dẻo va đập của vật liệu, Độ bền dẻo va đập ở mẫu thử ngang ít nhất phải đạt 30 Nm/cm2. Ngoài ra cũng còn cần lưu ý đến chiều dầy vách thiết bị.

4.3. Vật liệu chịu lạnh phi kim loại

Chúng có độ bền, độ dai va đập thấp hơn kim loại.

Vật liệu phi kim được sử dụng để chế tạo lớp cách nhiệt cũng như các chi tiết và bộ phận cá biệt của kết cấu. Để làm lớp cách nhiệt người ta sử dụng polystirol hoặc polyuretan sủi bọt có độ dẫn nhiệt đặc biệt thấp [λ = 0.3-0.05 w/(m.0C)]. Đối với các chi tiết và bộ phận kết cấu người ta dùng chất dẻo nhồi sợi thủy tinh (polyamid, polycacbonnat). Để làm cái hãm chuyển động (phanh) người ta dùng teflon-4 (đến -2690C), cao su (đến -700C).

Môi chất lạnh amoniac và các môi chất vô cơ khác hầu như không tác động và ăn mòn các vật liệu phi kim loại chế tạo máy. Nhưng chỉ sử dụng các vật liệu phi kim loại trong vòng tuần hoàn môi chất lạnh là freôn cần đặc biệt thận trọng. Các freôn có thể hoà tan và làm trương phồng các đệm kín và các vật liệu cách điộn hữu cơ. Những vật liệu vô cơ tự nhiên như thuỷ tinh, gốm và amiăng (asbest) thường được trộn với các chất có tính đàm hồi để làm đệm kín. Bảng 4.4 giới thiệu độ trương phổng cùa các chất đàn hồi trong các môi chất hyđrô cácbon gốc halogen (các môi chất lanh freôn) và khả năng ứng dụng của chúng. Trong vòng tuần hoàn của mỗi chất.lạnh cồn

108

có thêm dầu bồi trơn và các sản phẩm thứ cấp. Theo các kết quả thử nghiệm, dầu và các sả« phẩm thứ cấp tác động làm cho sự ăn mòn nhanh hơn và các phản ứng phá huỷ vật liệu hữu cơ xẩy ra phát triển với tốc độ lớn hơn.

Bảng 4.4: Độ trương phồng của một số vật liệu đàn hồi trong môi chất lạnh hydro cacbon gốc Halogen (Freon)

Môi chất lạnh

Cao su tư

nhiên (0)

Cao su tổng hợp

Ghi chú

Kí hiệu Công thức

hoá hoc (1) (2) (3)

R40 CH3Cl 26 22 35 20 0

R30 CH2Cl2 34 37 52 26 0

R20 CHCl3 45 43 54 32 0

R10 CCl4 43 35 11 31 0

R21 CHCL2F 34 28 48 49 0

R22 CHCIF2 6 25 26 4 1

R23 CHF3 1 0 2 0,5 2

RI 1 CCl2F 23 17 6 21 1

.R12 CC12F2 6 0 2 3 2

R13 CCIF3 1 0 1 0,5 2

R13B1 CBrF3 1 2 1 1 2

R113 C2CL3F3 17 3 1 9 1

R114 C2CL2F4 2 0 0 1,5 2

R115 C2CIF5 0 0 0 0 2

(1)Cao su tổng hợp trùng hợp tìr 2 clobiitadien (neopren và cloropen)

(2) Cao su tổng hợp trùng hợp tìr butadien và acrylnitril (Perbunan Buna N)

(3) Cao su tổng hợp trùng hợp từ butadien và acrylnitrit (Buna S)

109

(0).hoàn toàn không phù hợp

1. ít phù hợp và hạn chế, ví dụ R22 không phù hợp với cao su tổng hợp 2 hoặc R11 không phù hợp vch (0), (1) và (3), R113 sử dụng hạn chế với (0).

2.Thích hợp, có thể sử dụng được.

Nói chung độ trương phồng < 10 là phù hợp

< 20 và >10 hạn chế sử dụng

và > 20 không phù hợp, không thể sử dụng được.

Nhiều thử nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu sự ăn mòn, sự hoà tan và sự trương phổng của các vật liệu đàn hổi trong các mỏi chất lạnh íreôn. Đồng thời, sự tác động của dầu bôi trơn, của các sản phẩm thứ cấp trong vòng tuần hoàn và sự tác động nhiều thành phần trong vòng tuần hoàn cũng được xem xét và nghiên cứu. Vì ngoài dầu và môi chất lạnh còn có cả ẩm, không khí, các bụi bẩn, cặn bẩn các vẩy hàn, ôxyt kim loại... Các chất này có thể tạo ra phản ứng khác nhau hoặc làm chất xúc tác để tạo ra các chất ăn mòn cũng như các sân phẩm có hại khác. Hình 4.3 mô tả mô hình đơn giản các phản ứng có thể xảy ra trong vòng tuần hoàn môi chất lạnh.

Hình 4.3: Mô hình đơn giản các phàn ứng có thể xảy ra trong vòng tuần hoàn môị chất lạnh

Những chất có hại cho hệ thống lạnh cần được thải ra khỏi vòng tuần hoàn môi chất lạnh, ở các hệ thống lạnh trung bình và lớn, dầu bôi trơn có

110

thể được định kì thay thế, các khí không ngưng cò thể được xả định kì ra khỏi hệ thống, các trục trặc về môi chất cũng dễ dàng được điều chỉnh sửa chữa nhưng ở hệ thống lạnh km, những cồng tác bảo dưỡng tương tự không thể thực hiện được. Chính vì vậy việc làm sạch hệ thống lạnh kín được đặc biệt coi họng. Chất lượng môi chất lạnh và dầu bôi tron nạp vào hệ thống kín cũng cần có chất lượng tốt nhất để hạn chế mọi phản ứng có hại cho hệ thống. Bảng 4.5 giới thiệu sự thích ứng của một số vật liệu chất dẻo với môi chất feron.

Tính chất vật lí và cơ học

Giống như các vật liệu kim loại, tính chất vật lí và cơ học của vật liệu phi kim loại cũng phụ thuộc ít hoặc nhiều vào nhiệt độ tuỳ theo từng loại vật liệu. Tính chất cơ lí của thủy tinh và gốm hầu như phụ thuộc rất ít vào nhiệt độ. Độ dãn nở nhiệt của hai vật liệu trên cũng rất nhỏ. Độ bền phá huỷ, độ bền uốn phụ thuộc vào nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường đến -40°c đã được nghiên cứu kĩ. Các kết quả cho thấy chúng tăng khi nhiệt độ giảm, và phụ thuộc nhiều vào tốc độ biến dạng. Độ bền phá hủy tăng gấp 2 khi hạ nhiệt độ từ 20°c xuống — 190°c. Cần thận trọng khi đưa vật thử hở lại nhiệt độ thường. Tốc độ tăng nhiệt độ không được quá lớn. Thủy tinh được dùng làm các chi tiết trong chế tạo máy đặc biệt làm mắt dầu, mắt ga, mức lỏng kế và các chi tiết không clụu va đập. Thủy tinh cũng có thể làm ổ trượt nếu đạt độ biến dạng nhỏ cho phép.

Những loại vật có nguồn gốc hữu cơ đều có các trị số về độ bền nhỏ trừ loại chất dẻo gia cứng bằng sợi thủy tinh và một vài loại chất dẻo rắn được sử dụng trong kĩ thuật cryô. Tuy nhiên những tính chất về độ bền cơ học đối với vật liệu chất dẻo cũng không có ý nghĩa quan trọng như đối vói các vật liệu kim loại. Nói chung, độ bền kéo. nén và uốn của chất dẻo tăng khi nhiệt độ giảm, trong khi độ bền dẻo va đập giảm. Tuy nhiên tính chất của các loại chất dẻo mềm, chất dẻo cứng và các vật liệu đàn hồi cũng có nhiều điểm khác nhau. Băt đầu từ nhiệt độ-20... -30°c, độ dẻo giảm đáng kể và thay vào đó là độ cứng và độ giòn. Các vật liệu đàn hồi khi giảm đến một nhiệt độ nào đó có thể nghiền nhỏ hoặc có thể gia công cơ khí. Một thử nghiệm có tính chất giới thiệu rất quen thuộc là nhúng các vật đàn hồi như cao su, phớt, len... vào không khí lỏng hoặc nitơ lỏng đang sôi, các vật liệu này sẽ hoá cứng và giòn như thuỷ tinh. Tính chất “giòn lạnh” phụ thuộc vào nhiệt độ là một trong những tính chất quan trọng của vật liệu đàn hổi. Kiêng các loại chất dẻo flour là có tính đàn hổi tương đối ổn định và ít phụ thuộc vào nhiệt độ khi nhiệt độ giảm. Các chất dẻo loại này bởi vậy có độ đàn hồi lớn nhất và các tính chất cơ học cũng tương đối ổn định nhất so với các vật liệu chất dẻo khác.

111

Bảng 4.5: Tính chất của một số vật liệu chất dẻo đối với môi chất lạnh Freôn

TT Vật liệu chất dẻo Một vài tính chất feron

1

PolytêraíIoêtylen

(PTFE) Nói chung có đặc tính chống ăn mòn tốt; phù hợp

tốt; bị chẩy ở tải nén lớn.

2 Polyvinyl clorit

(PVC)

Tính chất có khác nhau tùy từng loại nhimg nói

chung khồng bền (không phù hợp) với môi trường

freon.

3 Polyêtylen (PE) Bị trương phồng và bị hòa tan từng phần.

4 Polypropylen (PP)

Bị trương phồng; không phù hợp;

Giống như PE và PVC, bị ãn mòn đặc biệt ở nhiệt

độ cao.

5 Polyamit

Nói chung là phù hợp; Có thể bị biến giòn; Khả

năng giữ đúng kích thước tốt.

6 Polyimit Phù hợp tốt.

7 Polystryrol (PS) Không phù hợp.

8 Polyaciylnitril Phù hợp.

9 Polyurethan (PU) Cần thận trọng; còn nhiều vấn đề phải tiếp tục

nghiên cứu.

10 Polycarbonat Bền, không bị freon ân mòn.

11 Polymethylmethacryl

at

Không bền; bị hóa giòn; bị môi chất R22 hòa tan.

12

Nhựa êpoxì

Tùy theo từng loại; phần lớn là phù hợp; Khả năng

giữ đúng kích thước tốt.

13 Polyeste I Bền, khổng bị freôn ẫn mòn.

Khối lượng riêng của vật liệu chất dẻo nhỏ hơn nhiều so với kim loại.

112

Khối lượng riêng của polyêtylen là 0,93; PVC 1,35; PTFE 2,1, cao su tổng hợp Buna 0,92... 1,4 g/cm3 nhỏ hơn của nhôm 2,7; sắt 7,86; đồng 8,93 g/cm3.

Hệ số dãn nở nhiệt của các vật liệu chất dẻo ngược lại lốn hơn của kim loại. Các giá trị nằm trong khoảng từ 0,07.10~3 đến 0,24.10~3 1/K ở nhiệt độ 0... 100°c. Như vậy, ví dụ sự co ngót tương đối khi hạ từ nhiệt độ môi trường đến 4K sẽ là 2,4% đối vói polyêtylen, 2,1% đối với PTFE. Nghĩa là, các trị số đó lớn hơn của kim loại khoảng 7.. .8 lần. Nếu sử dụng chất dẻo kết hợp với kim loại ở nhiệt độ thấp cần chú ý đên sự co ngót khác nhau giữa hai vật liệu có thể dẫn đến bị rò hở và phá hủy.

Các giá trị hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng của một số vật liệu phi kim loại đã biểu diễn ờ hình 5-5 và 5-6. Hệ số đẫn nhiệt của vật liệu chất dẻo chỉ nằm trong khoảng 0,15...0,5 W/(mK), bằng ỉ/100 đến 1/1000 hệ số dẫn nhiệt trung bình của kim loại. Với hệ số dẫn nhiệt nhỏ như vậy, các vật liệu chất dẻo thích ứng rất tốt đối với kỹ thuật cryô, vì hệ số dẫn nhiệt càng bé, tổn thất lạnh do nhiệt từ môi trường thẩm lậu vào càng nhỏ. Tuy nhiên các thiết bị cryố còn đòi hỏi những tính chất khác như độ bền cơ học các loại. Để đáp ứng đòi hỏi về độ bền, người ta đã chế tạo được loại chất dẻo độn sợi thuỷ tinh. Chất dẻo độn sợi thuỷ tinh có độ bền cơ học cao, hệ số dẫn nhiệt nhỏ, khối lượng riêng nhỏ hơn kim loại được sử dụng để chế tạo các loại bình chứa hoặc các chi tiết của bình chứa các chất lỏng cryô ỏ' áp suất khí quyển và ở nhiệt độ thấp (ví dụ, nitơ lỏng ở -196°C). Ngày nay một số kim loại chất dèo độn sợi kim loại được nghiên cứu chế tạo và sử dụng vào mục đích này.

Tóm lại vật liệu phi kim loại ứng dụng trong hệ thống lạnh cần được nghiên cứu và thử nghiệm về tính chất vật lí, hoá học và cơ học, về sự phụ thuộc nhiệt độ của các tính chất đó trong vòng tuần hoàn của môi chất lạnh, dầu bôi trơn và các sản phẩm phụ, đặc biệt là môi chất lạnh freôn. Các vật liệu chất dẻo có khả năng chống ãn mòn tốt nhưng cần đặc biệt chú ý đến tính lão hoá nhanh và độ mài mòn lớn của chúng.

113

Chương 5.VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT LẠNH

5.1. Đại cương

Do tính chất đặc biệt của cách nhiệt lạnh, ở chương này, ngoài vật liệu cách nhiệt lạnh chúng tôi giới thiệu cả các vật liệu xây dựng, vật liệu cách ẩm, phương pháp và cấu trúc cách nhiệt lạnh.

Những không gian và hệ thống cần duy trì nhiệt độ khác với môi trường chung quanh cần được cách nhiệt. Cách nhiệt để bảo vệ môi trường có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bẽn ngoài gọi là cách nhiệt lạnh.

Luôn luôn có một dòng nhiệt chuyển động từ môi trường có nhiệt độ cao đến môi trường có nhiệt độ thấp qua vách cách nhiệt.

Riêng đối với cách nhiệt lạnh, ngoài dòng nhiệt còn có một dòng ẩm (hơi nước) chuyển động từ ngoài môi trường có nhiệt độ cao vào trong phòng lạnh.

Vì vậy cách nhiệt lạnh có hai nhiệm vụ chính:

Hạn chế đến mức tối ưu (kinh tế nhất) dòng điện thẩm thấu qua vách bao che cách nhiệt từ ngoài vào phòng lạnh.

Tránh ngưng- ẩm trên bề mặt cũng như bên trong vách cách nhiệt vì độ ẩm quyết định tuổi thọ và hiệu quả cách nhiệt

Vật liệu cách nhiệt thường là những vật liệu đắt tiền. Đối với các kho bảo quản lạnh đông từ -10 đến - 40°c chi phí cách nhiệt chiếm đến 25... 40% tổng giá thành công trình. Cách nhiệt dầy, đầu tư ban đầu tăng nhưng công suất lạnh cần thiết giảm, chi phí vận hành nhỏ. Ngược lại, cách nhiệt mỏng chi phí ban đầu nhỏ nhưng công suất lạnh cần thiết tăng và chi phí vận hành cũng tăng. Chiều dày cách nhiệt tối ưu là chiều dày cách nhiệt dẫn đến tổng chi phí cho một đơn vị lạnh là nhỏ nhất.

Ta có thể đánh giá được ý nghĩa của cách nhiệt lạnh qua môt phép tính thô sau đây: dòng nhiệt thẩm thấu qua vách vào buồng lanh tỉ lộ thuận với hiệu nhiệt độ hai bên vách:

qv « At = Tu-T0‘ (qv- dòng nhiệt thẩm thấu vào phòng tính theo mỗi đơn vị thể tích, Tu - nhiệt độ môi trường và T*- nhiệt độ buồng lạnh). Để giữ được nhiệt độ trong phòng lạnh phải dùng một máy lạnh để thải hết dòng nhiệt độ đó ra ngoài. Nhiệt độ càng thấp, tiêu tôh năng lượng cho một đơn vị lạnh càng tăng. Từ khoảng +10°c đến -100°c tỉ số năng lượng tiêu tốn (công nén) và năng suất lạnh 1/90 = 1 Ịe tỉ lệ thuận với CAt2. Như vậy qvỊs = lv tỉ lệ thuận với At3. Công nén riêng cho mỗi đon vị thể tích buồng lạnh ly sẽ tăng theo số mũ lập phương của hiệu nhiệt độ. Nghĩa là nếu At tăng gấp đôi thì công nén yêu cầu của máy lạnh tăng gâp 8 lần với cùng các điều kiện ban

114

đầu. Trong nhiều trường hợp cách nhiệt, số lượng vật liệu cách nhiệt không thể bù được cho chất lượng vật liệu cách nhiệt.

Ngoài ra, vật liệu cách nhiệt là những vật liêu đắt tiền. Như đã nói đối với các kho bảo quản lạnh đông từ -10 đến -40°C chi phí cho cách nhiệt chiếm đến 25... 40% tổng giá thành công trình. Chính vì vậy chọn được chiều dầy cách nhiệt hợp lí (tối ưu) là rất quan trọng.

5.2. Một số phương pháp cách nhiệt lạnh

5.2.1. Cách nhiệt bằng bọtxôp

Các loại bọt xốp nhân tạo như polystừol PS (strirôpo), polyuréthane PU và tự nhiên như cây nút chai (lie), bấc... Hiệu quả cách nhiệt chủ yếu nhờ các gian không khí rất nhỏ (ở một vài vật liệu không khí có thể được thay bằng các loại khí khác như Ri 1, RI 14b, eyđopentan). Các vật liệu này được chuẩn bị ở dạng tấm hoặc dạng profil cách nhiệt ống hoặc theo các khuôn mẫu đặc biột tuỳ theo nhu cầu sử dụng. Phương pháp cách nhiệt này ứng dụng cho tất cả các nhu cầu cách nhiệt lanh từ +10°c đến - 80°c. Polyuréthane còn có một ưu điểm đặc biột khác là có thể phun' trực tiếp bọt lỏng vào trong vách cách nhiệt ngay tại nơi thi công. Trong khi cách nhiệt cần đặc biệt chú ý điền đầy vật liệu cách nhiệt vào vách cách nhiệt, không để các khoảng trống, hở không có vật liêu. Chú ý thứ hai là phải tránh Các cầu nhiệt do các kết cấu chịu lực gây ra. Cách nhiệt trần và nền cũng đòi hỏi hết sức thận trọng. Trần yêu cầu không có cầu nhiệt, không đọng ẩm. Nền đất dưới lớp cách nhiệt không bị đóng băng. Băng tạo thành lớp dưóã cách nhiệt có thể phá vỡ lớp cách nhiệt và toàn bộ cấu trúc nền bên trên vì băng có thể tích riêng lớn. Phương pháp cách nhiệt này có thể ứng dụng rất tốt cho các đường ống, các bình bay hơi ống vỏ, các bình trung gian, chứa hạ áp, tách lỏng..., những vấn đề cách ẩm phải thật hoàn hảo vì phía lạnh đã hoàn toàn không thấm ẩm.

Cách nhiệt bằng điển đẩy, nhét đầy

Phương pháp này đặc biệt thuận lợi trong trường hợp vách cách nhiệt không phẳng hoặc không có hình dáng cố định. Ví dụ, các vách cách nhiệt giữa các thiết bị tách không khí lỏng có thể đổ đầy các bột cách nhiệt. Trong cấc thiết bị sản xuất ôxy do có nguy cơ cháy nổ nên không sử dụng các chất cách nhiệt hữu cơ. Các chất cách nhiệt dùng ở đây thường là các loại bột đá tự nhiên như perỉit, aerosil, porosil mà thành phần chủ yếu là ôxyt sillic, ôxyt nhôm, sắt, manhê... Những hạt cách nhiệt loại này có kích thước từ 0,3 đến 3mm, có các nhu cầu trúc rỗng kiểu mao mạch nhưng lại không có tính chất hấp thụ.

Vì trong cách nhiệt các thiết bị tách không khí lỏng có thể bị đọng không khí lỏng do ngưng tụ không khí nên các không gian nhét đầy hoặc

115

điền'đầy chất cách nhiệt được thổi sạch bằng nitơ.

5.1.2. Phương pháp cách nhiệt lạnh chân không

Hiệu qua cách nhiệt của các vật liệu là do những lỗ nhỏ li ti chứa không khí, do đó hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt bao giờ cũng lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của không khí. Chỉ trừ trường hợp những lỗ nhỏ li ti đó không chứa không khí mà ngậm một loại khí khác có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hơn không khí thì vật liệu cách nhiệt đó mới có khả năng có hệ số dẫn nhiệt vượt qua giới hạn của không khí. Đó là trường hợp polyurethane. Hệ số dẫn nhiệt của polyurethane đạt tcd 0,022W/mK trong khi của không khí là 0,025W/mK ở nhiệt độ 0°c. Áp suất của khí ngậm trong các lỗ nhỏ liti của vật liệu càng nhỏ thì hệ số dẫn nhiệt cũng càng nhỏ. Và chân không là môi trường cách nhiệt lí tưởng. Đặc biệt khi cách nhiệt ở nhiệt đô rất thấp (từ 82K trở xuống) nhất thiết phải cách nhiệt chân không vì khi đó không khí đã hoá lỏng hoàn toàn.

Vì những lí do đó, ở từng ừường hợp ứng dựng cụ thể, người ta sử dụng phương pháp cách nhiệt chân không. Cách nhiệt chân không có thể là cách nhiệt chân không một lớp hoặc nhiều lóp, có hoặc không có bột điền đầy. Khi có bột điền đầy (ví dụ bột đá perlit) người ta còn sử dụng thêm một chất hấp thụ đặc biệt trộn lẫn vào đổ hấp thụ các loại khí còn sót lại. Các đường ống, các bể chứa, thùng chứa sẽ có 2 vỏ, nhiều lớp vỏ và có thể có chất bột điền đầy, Hiện nay cách nhiệt chân không nhiều lớp được coi là loại siêu cách nhiệt, vì nó đảm bảo hộ số dẫn nhiệt rất nhỏ. Đối vcd các bình chứa các chất lỏng sôi ở nhiệt độ rất thấp như hẽli và hyđrô còn được bố trí thêm vỏ che bức xạ. Bảng 5.1 giới thiệu đặc tính cách nhiệt và phạm vi nhiệt độ ứng dụng của từng phương pháp cách nhiệt.

Bảng 5.1: Hệ số dẫn nhiệt và phạm vi nhiệt độ ứng dụng của một số loại cách nhiệt

Kiểu cách nhiệt Hệ số dẫn nhiêt X

W/m.K

Phạm vi nhiệt độ ứng dụng Hiệu nhiẽt đô

từ/đến

Các loại xốp, bột sợi ờ áp suất khí quyển

0,015-0,04 100-300K

Cách nhiệt chân không

điền đầy bằng bột * 0,0005-0,01 20-300K

- Bột perìit p « 5Pa 0,001- 0,01 300/80-20K

116

- Bột ôxyt kim loại 0,0005-0,002

- Bi thủy tinh 0,0015 300/80K

p « 0,0015 Pa 0,0003 300/20K

Cách nhiệt chân không nhiểu lớp p ss 0,01 Pa

0,00005- 0,0005

300/80-20K

* Đối vói cách nhiệt chân không có điền đầy cần phải đạt được độ chân không khoảng lPa (l,33Pa - O.OlTorr). ở độ chân không thấp hơn nữa, hệ số dẫn nhiệt cũng không giảm được bao nhiêu. Ngược lại, ở cách nhiệt chân không nhiều lởp, độ chân không ít nhất phải đạt 0,0 lPa (0,0001 Toư).

5.3. Các tính chất của vật liệu cách nhiệt

Các yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt lạnh

Do tính chất đặc biệt của cách nhiệt lạnh, các vật liộu đồi hỏi phải có các tính chất sau đây:

- Có hệ số dẫn nhiệt nhỏ hoặc trở nhiệt lớn;

- Không hút nước hoặc độ hút nước nhỏ;

- Có độ trở thấm ẩm cao;

- Có độ bền cơ học đủ lớn, dẻo dai trơ với băng giá;

- Có hình dáng hình học cố định;

- Có khối lượng riêng nhỏ;

- Không cháy;

- Không có phản ứng và tác động với các hoá chất;

- Không bắt mùi và không có mùi lạ;

- Không ăn mòn và tác động gây ân mồn bề mặt kim loại của bề mặt cách nhiệt;

- Không phát triển kí sinh trùng, nấm mốc, vi trùng;

- Không bị các loài gặm nhấm phá hoại;

- Tuổi thọ của vật liệu cách nhiệt phải bền lâu, không bị lão hoá, thối, hỏng, mục;

- Phải rẻ tiền, dễ kiếm, dễ gia công chế biến, thuận tiện cho việc vận chuyển, lắp ráp, sửa chữa, có độ tin cậy cao, không đoi hoi sự bảo dưỡng đặc biệt.

Vật liệu cách nhiệt đáp ứng nhu cầu trên được coi là vật liệu cách nhiệt lý tưởng. Thực tế khống có vật liệu cách nhiệt lý tưởng mà chỉ có những vật liệu có các ưu va nhược điểm nhất định. Chính vì lý do đó, cần

117

phải chọn được vật liệu cách nhiệt với từng trường hợp ứng dụng cụ thể. Các vật liệu này phải phát huy được các ưu điểm và hạn chế được nhược điểm theo ý đồ của người thiết kế.

Hệ số dẫn nhiệt là thông số quan trọng nhất của vật liệu cách nhiệt, trong khi nhiệt dung riêng và khả năng dẫn nhiệt độ hầu như không có ý nghĩa, bởi vì vách .cách nhiệt được coi là dòng nhiệt ổn định truyền từ ngoài vào phòng.

Hệ số dẫn nhiệt là tiêu chuẩn số một để đánh giá chất lượng chất cách nhiệt. Vật liệu cách nhiệt chính được sử dụng hiện nay là các phi kim loại hữu cơ và vô cơ. Bảng 6.2 giới thiệu phạm vi cùa hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu, số liệu của kim loại để tiện so sánh.

Nhưng hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt không phải cố định mấ thay đổi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau. Các yếu tố chính là:

- Khối lượng riêng;

- Cấu trúc của bọt xốp (kiểu, độ lớn, cách sắp xếp các lỗ chứa khí, thành phần và cấu tạo của phần rắn và mối quan hệ của chúng);

- Nhiệt độ;

- Áp suất và chất khí ngậm trong lỗ xốp;

- Độ ẩm và độ khuyếch tán hơi nước và không khí vào vật liệu trong thời gian sử dụng.

Bảng 5.2: Phạm vi giá trị hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu

Loại vật liệu L, W/(m.K) ở 20°c

Kim loại 10 - 400

Các loại đá 2 - 6

Vật liệu xây đựng 0,17 - 3

Vật liệu chất dẻo 0,15 - 0,5

Vật liệu cách nhiệt 0,025 - 0,15

Không khí (p = 0,1 MPa) 0,025

Nước 0.6

Nước đá 2,2

Các vật liệu xây dựng và cách nhiệt bao giờ cũng có những lỗ nhỏ chứa không khí (vật liệu xốp), độ xốp càng cao, khối lượng riêng càng nhỏ và hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ.

Hình 5.1 biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào khối lượng

118

riêng của vật ĩỉệu xằy dựng vô cơ ở trạng thái khô. Đối với các vật liệu xây dựng hữu cơ các số liệu cũng tương tự, sai số giữa các vật liệu khác nhau không đáng kể.

Hình 5.1: Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào khối lượng riêng vật liệu xây dựng khô vô cơ (giá trị trung binh)

Lý do là tính chất giống nhau của không khí ngậm trong các lỗ xốp của vật liệu. Tuy nhiên nếu muốn dự đoán hệ số dẫn nhiệt của loại vật liệu nào đó với sai số có thể chấp nhận được, cần phải xác định được cả các yếu tố ảnh hưởng khác của thành phần rắn như nguyên liệu, phương pháp gia công. Ngay cả một vật liệu xây dựng hoặc cách nhiệt của hãng này có thể có hệ số dẫn nhiệt tốt hơn của hãng sản xuất khác.

Độ lớn của các lỗ xốp chứa khí có ảnh hưởng lớn đến hệ số dẫn nhiệt của vật liêu xốp. Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp ta hiêu là hệ số dẫn nhiệt tương đương vì nó gồm cả thành phần đối lưu nhiệt trong các lỗ ngậm khí, bức xạ nhiệt qua thành của lỗ xốp.

Lỗ xốp càng lớn, hiệu nhiệt độ giữa hai vách xốp càng cao thành phần truyền nhiệt càng lớn. Sự đối lưu của khí trong lỗ xốp càng dễ dàng và thành phần truyền nhiệt bằng đối lưu cũng lớn lên. Bảng 5.3 giới thiệu hệ số dẫn nhiệt tương đương của không khí phụ thuộc vào các cỡ bọt khác nhau ở 0°C. Khi tăng đường kính của lỗ xốp từ Omm đến lOmm hệ số dẫn nhiệt tăng lên đến 3 lần.

Bảng 5.3: Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt tương đương của không khí ở 00C vào kích thước lỗ xốp

Đưòng kính bọt xốp; mm Hệ số dẫn nhiệt W/(mK)

0 0,025

0,5 0,027 .

119

1,0 0,033

5,0 0,050

10,0 0,077

Dạng của lỗ xốp cũng có ảnh hưởng lớn tới hộ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp. Nói chung các vật liệu dạng tấm như polystừol, polyurethane, các vật liệu xây dựng đều có lỗ xốp dạng cầu. Nói đến dạng lỗ xốp ở đây chủ yếu để chỉ các vật liệu cách nhiệt dạng scd như bông thủy tinh, bông khoáng... và cách bố trí chúng trong cơ cấu cách nhiệt. Khi bố trí sợi dọc theo phương truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt cùa vật liệu có thể tâng gấp hai lần, hoặc hơn so với cách bố trí sợi vuông góc với phương dòng nhiệt. Bảng 5.4, giới thiệu hệ số dẫn nhiệt của một số vật liệu dạng sợi khi bố trí vuông góc và song song với hướng đi của dòng nhiệt. Với cùng khối lượng riêng, khi sắp xếp sợi theo hướng vuông góc với dòng nhiệt, hệ số dẫn nhiệt giảm đáng kể, có khi chỉ còn khoảng một nửa.

Bảng 5.4: Sự phụ thuộc cách bố trị sợi do với hướng dòng nhiệt

Vật liệu Cách bô' trí Khối lượng riêng Hệ số dẫn nhiệt

Sơi lanh Vuông góc 79 kg/m3 0,0339 W/(m.K)

W/(m.K) Song song 79 0,0760

Sơi lanh Vuông góc 155 0,0374

Song song 154 0,118

Bông thủy tinh Vuông góc 160 0,0371

Song song 160 0,0791

Sơi nỉ

Vuông góc 186 0,0371

Song song 1 180 0,0568

Hê số dẫn nhiệt của các loại vật liệu xây dựng và cách nhiệt tăng khi nhiệt độ tăng. Bản thân vật liệu và cả các lỗ xốp ngậm 1 đéu co tính chất chúng đó Nhiều công trình công bô đă tìm các mô hình toán học để mô tả sự ảnh hưởng của nhiệt độ. Trong phạm vi nhiệt độ môi trường đến -800C sự ảnh hưởng này hầu như không có ý nghĩa. Bàng 5.5 giới thiệu độ tăng hệ số dẫn nhiệt của một vài vật liệu khi nhiệt độ tăng.

120

Bảng 5.5: Độ tăng hệ số dẫn nhiệt của một vài vật liệu cách nhiệt hữu cơ,

Loại vật liệu Cỡ lỗ xốp

Độ tăng dẫn nhiệt cho độ tăng nhiệt độ

10K; w/(m, K)

Tấm sơi Mịn 0,001... 0,003

Tấm bấc (lie) Mịn 0,001... 0,002

Tấm đêm sợi Thô hơn 0,002... 0,004

Tấm bông gỗ 1 Thô 0,006... 0,012

Hình 5.2: Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhíệt vào nhiệt độ cùa một số

vật liệu cách nhiệt cơ bản

1. Bọt polyurethane ; 2. Bọt polystirol; 3. Hạt peclít; 4. Bông xỉ; 5.Thủy tinh bọt

Hình 5.2 biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dẫn nhiệt cùa một số vật liệu cách nhiệt quan trọng nhất. Hệ số dẫn nhiệt cỏa không khí thường được coi là giá trị giới hạn đối với các vật liệu cách nhiệt.

Các vật liệu polytirol, perlit, bông xỉ, thủy tinh bọt ngậm không khí trong các lỗ xốp nên hệ số dẫn nhiệt của chúng bao giờ cũng lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của không khí. Riêng bọt polyrethane ngâm khí R11 nên hệ số dẫn nhiệt của nó có thể nhỏ hơn hệ số dẫn nhiệt của không khí (ở khoảng nhiệt

121

độ trên dưới 0°C).

Tuy nhiên đường cong của polyurethane có một cực tiểu ở khoảng 0°c và cực đại ở -40°c rất đặc biệt.

Ảnh hưởng của cấu trúc phần rắn

Một vật liệu xốp có thể coi là gồm hai thành 'phẫn: phần rắn (phần xương) và phần lỗ xốp chứa khí. Phần rắn của vật liệu có thể chế tạo bằng hai phương pháp. Trước hết các hạt vật liệu có thể được đính kết với nhau bằng các chẩt kết dính ở các điểm tiếp xúc, sau nữa vật liệu có thể được thổi khí khi ở trạng thái lỏng; khí tạo thành các bọt có kích cỡ tương đối không đồng đều trong vật liệu, sau đó vật liệu được làm đông cứng lại. Trường hợp dưới, do cấu tạo của xương vật liệu được bù đầy vào không gian giữa các lỗ xốp bọt khí hình cầu nên hệ số cách nhiệt lán hơn và độ bền cơ học cũng lớn hơn.

Ảnh hưởng của độ ẩm

Trong thực tế cách nhiệt lạnh, ẩm được coi là kẻ thù nguy hiểm. Khi bị nhiễm ẩm, hệ số dẫn nhiệt tăng nhanh chóng, vật liệu mất khảnăng cách nhiệt. Do đó độ chênh lệch nhiệt độ từ môi trường vào buồng lạnh, luôn có hiện tượng khuếch tán hơi nước ở không khí môi trường vào cách nhiệt để vào buồng lạnh. Đây cũng là khác biệt cơ bản giữa cách nhiệt nóng và cách nhiệt lạnh. Độ ẩm của tường cách nhiệt lạnh là yếu tố quan trọng nhất quyết định tuổi thọ, độ bền lâu, hiệu quà cách nhiệt lạnh và tính kinh tế của toàn bộ công trình Để tránh vật liệu cách nhiệt nhiễm ẩm phải chọn vật liệu có trở thấrn âm lớn. Nếu trở thấm ẩm của vật liệu khồng đù lớn nhất thiết phải có cách ẩm đi đôi với cách nhiệt.

Ảnh hưởng của áp suất khí

Áp suất của chất khí ngậm trong các lỗ xốp vật liệu càng nhò thì hệ số dẫn nhiệt càng nhỏ. Chân không có khả năng cách nhiệvtốt nhất, nhưng khó thực hiện đối với các vật liệu cách nhiệt vì ẩm không khí luôn luôn khuyếch tán vào vật liệu.

Chỉ có thể thực hiện chân không trong các bình 2 vỏ hoặc nhiề vỏ như phích

Hình 5.3: Sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt vào áp suất của không khí

122

Hình 5.4: Độ ẩm cân bằng nhiệt

của tấm giấy bồi

nước, phích đá, các bình cryô..., chịu được áp lực không khí và chống được khuyếch tán hơi nước và không khí. Hình 5.3 giới thiệu ảnh hưởng cùa áp suất đến hệ số dẫn nhiệt. Khoảng thay đổi giá từ X (diện tích có gạch chéo) trên hình bao quát hầu như toàn bộ các vật liệu cách nhiệt lạnh khác nhau với các cách bố trí vàxếp đặt khác nhau. Giá trị dọc bên

phải của hình X - 0,02... 0,05 W/(m.K) là hệ số dẫn nhiệt của hầu hết các vật liệu cách nhiệt lạnh ở áp suất khí quyển như các tấm xốp bằng polistyrol, polyurethane, lie, cách nhiệt cho vào vách phẳng và cho đường ống, các loại bông để nhét đầy và các loại vật liệu dạng bột để điển đầy. Giới hạn nhiệt độ là khoảng -1900Cvì khi đó không khí đã ngưng tụ thành lỏng. Ở nhiệt độ này cách nhiệt được coi là cách nhiệt chân khồng. Cách nhiệt chân không hoàn hảo nhất có hệ số dẫn nhiệt chĩ bằng khoảng 1% giá trị ở áp suất khí quyển. Tuy vậy áp suất hiệu quả nằm trongphạm vi từ 0,1 đến lPa vì dưới áp suất này Ả giảm hầu như không đáng kể.

Tính chất của vật liệu đối với độ ẩm và độ khuếch tán ẩm.

Các hiện tượng nhiễm ẩm của vật liệu xây dựng và cách nhiệt có thể cắt nghĩa qua:

- Độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt của vật liệu;

- Độ hút ẩm bằng mao dẫn;

- Độ khuyếch tán qua vật líèu,

Không phải tất cả các vật liệu đều có cả 3 tính chất đó. Có những vật liệu chi có 2 hoặc chỉ có 1 trong sô' 3 tính chất trên. Ngày nay người ta đã chế tạo được các vật liệu cách nhiệt không có 3 tính chất đã nêu hoặc các tính chất đó biểu hiện không đáng kể.

Độ ẩm cân bằng của vật liệu

Ở một nhiệt độ và độ ẩm không khí nhất .định, mỗi vật liệu có chứa một lượng ẩm xác định gọi là độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt của vật liệu. Hình 5.4 giới thiệu độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt của tấm giấy bồi làm ví dụ. Ở độ ẩm không khí ẹ = 0% độ ẩm vật liệu là 0% và ọ = 100%, độ ẩm vật liệu đạt 35%. Nối giữa 2 điểm này là 2 đường cong, Đường cong bên ừái là đường cân bằng của vật liệu đang khô bị làm ẩm và ngược lại đườhg cong bên phải

123

là đường cân bằng của vật liệu đang ẩm được làm khô.

Bảng 5.6 giới thiệu độ ẩm cân bằng của một số vật liệu. Bảng 5.6: Độ ẩm cân bằng của một số vật liệu ở nhiệt độ từ 0 đến 200C

Độ hút ẩm mao dẫn

Độ hút ẩm mao dẫn là độ hút ẩm phụ thuộc vào cấu trúc mao mạch của vật liệu. Đối với vật liệu xây dựng độ hút ẩm mao đẫn càng lớn càng tốt vì khi đó độ chứa ẩm trong vật liệu là đồng đều và khả năng khuy ếch tán ẩm từ trong ruột vách vào không khí là thuận lợi.

Ngược lại, đối với vật liệu cách nhiệt thì độ hút ẩm mao dản càng lớn

Vật liệu

Khối lượng Riêng

kg/cm3

Lượng ẩm (thủy phần) % trọng lượng ở các độ ẩm không khí khác

nhau %

30 60 90 100

GỖ 6,2 10,3 17,9 31,0

Lie 162 2,8 5,3 9,5 18,5

Iporka 14 1,2 2,0 4,4 35.0

Troporit (nhựa phênol) 74 1,3 2,0 4,5 21.6

5,0 Bông khoáng để rời 147 dưới 10

Bỗng khoáng ép với bitum 402 dưới 10 3,0

Đệm cỏ 80 - 26 - 104

Đệm xơ dừa 120 - 15 - 34

Tấm xơ gỗ. bình thường 223 7,0 11,0 18,5 32

Tâm xơ gỗ, ép 337 5,5 9,5 14 30

Tấm xơ gổ ép cứng 900 4.2 7,3 11,5 17

Tấm xơ gỗ liên kết bằng 350 - 450 4,7 8,7 14,2 29

ximăng và manhezit Tấm giấy bối

4,8 8,0 15,2 35

124

càng tốt. Trường hợp bao che cho cách nhiệt bị hỏng hoặc xẩy ra hiện tượng đọng sương trên bề mặt cách nhiệt, nếu vật liệu có độ hút ẩm mao dẫn nhỏ thì vách cách nhiệt khó bị thấm ẩm lâu hơn, lâu bị “ướt sung” hơn. Có nhiều cách xác định độ thấm ẩm mao dẫn nhưng đon giản nhất là xác định chiều cao thấm ẩm mao dẫn. Theo cách này, các vật liệu được cắtnhành tấm hoặc thanh, nhúng thẳng đứng một đầu xuống dưới bề mặt thoáng của nước, Chiều cao của lớp vật liệu bị thấm ướt tính từ bề mặt thoáng của nước lên sẽ là chiều cao thấm ẩm mao dẫn.

Bảng 5.7: Chiều cao thấm ẩm mao dẫn của một số vật liệu cách nhiệt ở 200C

Vật liệu Khối lượng riêng kg/m3

Chiều cao thấm ẩm mao dẫn, cm

* Các tấm bọt xốp nhân tạo

8,5-15

9...12 Iporka

5-7,5

Tropori 69—99

0 Styrôpo (polystirol) 30-66

* Các tấm bông khoáng 0,5-2.5

Có trôn bitum 360-395

trên 30

Không trộn bítum 221-312

0 * Thủy tinh bọt 149

* Tấm mùn cưa trộn nhựa dính 229-312 trên 30

* Tấm bông gỗ, kết dính bằng manhêát

355 trên 30

Đối với các Vật liệu cách nhiệt, sự hút ẩm mao dẫn không đóng vai trò quan trọng, bỏi vậy người ta có thể đánh giá các quá trình nhiễm ẩm vách cách nhiệt lạnh chỉ qua độ ẩm cân bằng đẳng nhiệt và độ khuyếch tán ẩm. Tuy nhiên một vật liệu cách nhiệt lạnh chỉ được đánh giá là tốt nếu chiều cao thấm ẩm mao dẫn không được lớn hơn 5cm.

Độ khuếch tán ẩm qua vật íiệu cách nhiệt

Phẩn lớn các vật liệu cách nhiệt lạnh đéu có tính để cho ẩm khuyếch

125

tán qua. Nếu áp suất riêng phần hơi nước ở hai phía vách cách nhiệt khác nhau, sẽ có một dòng hơi nước (ẩm) khuyếch tán từ phía có áp suất riêng phần cao sang phía có áp suất riêng phẩn thấp. Xm sẽ đọng lại trong vách cách nhiệt nếu lượng ẩm đi vào từ phía nóng lớn hơn lượng ẩm đi ra vào phòng lạnh. Trường hợp phía lạnh hoàn toàn khống thấm ẩm (cách nhiệt đường ống, bình chứa...) phải hết sức thận trọng trong việc cách ẩm phía ngoài.

Có nhiều phương pháp tính toán phương trình khuếch tán ẩm. Phương pháp của KRISCHER sử dụng hệ số trở ẩm của vật liệu. Hệ số trở ẩm là tỉ số trở ẩm của vật liệu trở nên ẩm của một lớp không khí có cùng chiều dày. Bởi vậy hệ số trở ẩm là một đại lượng không thứ nguyên và hệ số trở ẩm của không khí bằng 1. Hệ số trở ẩm của vật liệu không cố định mà thay đổi phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc và khối lượng riêng của vật liệu. Ví dụ gỗ thông, khối lượng riêng khoảng 400 kg/m3, độ ẩm từ 4 đến 8% khối lượng, hệ số trở ẩm giảm từ 230 xuống còn 110. Gỗ sổi, khối lượng riêng 600 kg/m3 khí độ ẩm tăng từ 10% đến 50% khối lượng, hệ số trờ ẩm giảm từ 70 xuống 1,9. Gạch đỏ, khối lượng riêng tàng từ 1400 đến 1900 kg/m\ hệ số trở ẩm cũng tăng từ 5 đến 10. Các vật liệu bê tông, vữa, đá vôi nếu khối lượng riêng tăng từ 1250 đến 2300kg/m3 hệ số trở ẩm cũng tảng từ 5,5 đến 30.

Một số tính chất khác

Gây nấm mốc và các ioại kí sinh trùng

Các vật liệu cách nhiệt cần'được thử nghiệm về khả năng chống gây nấm mốc và các loại kí sinh trùng vì nấm mốc và kí sinh trùng không những làm giảm nhanh chóng tuổi thọ của vật liệu cách nhiệt mà còn tạo mùi lạ có thể làm hỏng hoặc ảnh hưởng rất xấu đến các sản phẩm bảo quản. Hầu như tất cả các loại cách nhiệt hữu cơ như bấc lie, tấm giấy, gỗ, mùn cưa, trấu, xơ dừa... đều có nguy cơ gây nấm mốc và kí sinh trùng cao. Riêng các vật liệu vô cơ như bông thủy tinh, bông khoáng, bông xỉ và các vật liệu hữu cơ nhân tạo nhự polytstirol, polyurethane, polycìovinyl... không bị nấm mốc và kí sinh trùng phá hoại. Nước ta có khí hậu nóng ẩm, đó là điều kiện thuận lợi cho nấm mốc và kí sinh trùng phát triển. Bed vậy cần đặc biệt thận trọng khi sử dụng các yật liệu địa phương như trấu xơ dừa làm vật liệu cách nhiệt. Ngoài ra các vật liệu này cũng bị mối, mọt phá hoại nghiêm trọng.

Tính đễ bắt lửa và dễ cháy

Tính dễ bắt lửa và dễ cháy là một trong những tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá vật liệu cách nhiệt. Những vụ hoả hoạn nhà lạnh đã gây nhiều thiệt hại thế nhưng người ta vẫn coi nhẹ tiêu chuẩn này. Các vật liệu lí tưởng là các vật liệu không cháy khống bắt lửa như bông thuỷ tinh, thủy tinh bọt, bông khoáng, các loại bột đá và các vật liệu cách nhiệt vô cơ khác. Các vật'

126

liệu hữu cơ như bấc lie, trấu, gỗ, xơ dừa, mùn cưa, than bùn... trộn với chất kết dính là nhựa hoặc bitum đều là các chất rất dễ cháy. Những chất hữu cơ nhân tạo như polystirol, polyurethane, polyclovinyl... càng có khả nãng bắt lửa cao hơn. Các biện pháp chôhg cháy và chống bắt lửa hiộu quả nhất hiện nay là phủ bề mặt bằng các vật liệu không cháy, ví dụ phủ bề mặt cách nhiệt bằng các lớp bêtông bọt dấy 2s-3cm hoặc một lớp vữa vài ba cm.

Tính tạo mùi lạ và bắt mùi lạ

Đây cũng là tính chất quan trọng vì phần lớn các kho lạnh dùng để chứa thực phẩm. Vật liệu cách nhiệt không được tạo ra các mùi lạ hoặc bắt mùi làm ảnh hưởng đến chất lượng bảo quản, bởi vì do tính chất khuếch tán ẩm qua vách cách nhiệt, hơi nước từ vách luôn khuếch tán vào phòng. Để tránh hiện tượng ngưng ẩm ở phía trong vách phải có hệ số trở ẩm nhỏ do vậy không được sử dụng các lớp cách ẩm phía trong buồng lạnh. Một số các chất kết dính có mùi như phenol, kresol, naphtalin cần phải tẩy hết mùi trước khi đưa vào kết cấu cách nhiệt. Không được sử dụng hắc ín làm chất kết dính, Với các loại vữa vôi, xi măng hoặc vữa vôi có thể sử dụng nhưng cần lưu ý phải khô và vôi phải liên kết với vữa trước khi đưa thực phẩm vào buồng bảo quản

Tính ổn định thể tích

Các vật liệu cách nhiệt cần phải ổn định thể tích, không phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ. Khi độ ẩm thay đổi, vật liệu không được trương phồng hoặc teo lại gây hư hỏng cho lớp vữa trát ngoài hoặc gây kẽ hở cho các cầu nhiệt. Khi nhiệt độ giảm, vật liệu cũng không bị co ngót làm đứt mạch cách nhiệt.

Tính dễ gia công

Tính đễ gia công cũng là một tiêu chuẩn đánh giá vật liệu cách nhiệt. Tuy nhiên tính chất này không quan trọng. Thường thường các vật liệu có khối lượng riêng nhỏ thì dễ gia công nhung khi đó độ bền cơ học của vật liệu lại thấp. Các vật liệu có độ bền cơ học không đảm bảo phải cố định trong các vỏ cứng như các tấm bọt nhựa nhân tạo iporka, hoặc bọt Polyurethan. Bằng lớp vỏ cách ẩm là tôn mỏng, Polyurethan đổng thời chống được cả sự khuyếch tán ẩm vào vật liệu. Thủy tinh bọt tuy có độ trở ẩm rất lốn và độ bền cơ học cao nhưng bề mặt quá nhẫn gây trở ngại cho việc bám dính vữa, giảm khả năng ứng dụng rộng rãi.

5.4. Một số vật liệu xây dựng thông dụng

5.4.1. Vật liệu xây dựng

Tất cả các loại vật ỉiộu xây dựng đều có thể sử dụng để xây dựng tường buồng lạnh. Phần lớn các kho lạnh được xây dựng bằng bêtông cốt thép và

127

gạch hoặc chỉ bằng gạch đỏ. Ngày nay nhiều kho lạnh đến hàng ngàn tấn được xây dựng bằng các tấm lắp ghép, cách nhiệt bằng Polyurethane.

Bảng 5.8:Giới thiệu một số thông số vật lý của vật liệu xây dựng

Vật liệu Khối lượng

riêng ρkg/m3

Hệ số dẫn nhiệt λ

W/(mK)

Hệ số khuyếch tán ẩm μg/(mh

MPa)

Vật liệu amiăng

Tâm và bản ximăng amiăng 1900 0,35 26,3

Tấm cách nhiệt ximãng amiăng 500 0,13 391

Tấm cách nhiệt ximãng amiăng 300 0,09

Bêtông

Bêtông cốt thép 2400 1,55 30

Bêtôngđá dàm 2200 1,28 45

Bê tông gạch vỡ 1800 0,87 68

Bêtông xỉ 1500 0,70 90

Bêtông xỉ 1200 0,52 105

Bêtông xỉ 1000 0,41 135

Bêtông bọt hấp hơi nóng

1000 0,40 75

800 0,29 - 105

600 0,21 128

400 0,15 203

Bêtông bọt silicát hấp hơi nóng

800 0,29 184

600 0,21 214

400 0,15 244

Vật liệu thạch cao

128

5.4.2. Vật liệu cách nhiệt

Vật liệu cách nhiệt thường là các vật liệu vô cơ và hữu cơ tự nhiên. Các vật liệu gốc vô cơ thường được gia công trực tiếp thành các vật liệu cách nhiệt như các loại bông khoáng khác nhau (bông thủy tinh, bông đá, bông xỉ) sản xuất trực tiếp từ sự nung chẩy các silicát, hạt perlit sản xuất bằng xử lí nhiệt các loại đá tự nhiên (70... 75% Si02)đã nghiền nhỏ, các loại thủy tinh bọt, các sợi amiãng, các loại nỉ sành. Ngoài các hạt perlit, người ta còn sử dụng các loại bột tương tự trong cách nhiệt bằng điền đầy. Nhờ các bản nhôm mỏng người ta tạo ra phương pháp cách nhiệt nhiều lớp trong việc lắp ráp. Các nguyên liệu chủ yếu để chế tạo bọt xốp &eh nhiệt là Polystyrol, polyurethane, polyêtylen, polyvinylclorit, r| phênol và urê - phormadehyt. Các bọt xốp từ nhựa urê-phorma den hầu như không còn được ứng dụng

Tấm và miếng thạch cao nguyên chất 1100 0,41 105

Bêtông thạch cao xỉ lò 1000 0,37 150

Vát liêu đất và vật liệu nhét đầy

Đất sét nén chãt và gạch đất sét 2000 0,93 98

Gạch mộc 1600 0,70 173

Đất phong hoá dưới công trinh 1800 1,16

Cát khô làm vat liệu nhét dầy 1600 0,58 165

Vât liêu nhét đầy bằng đất phong hoá

khô 1400 0,52 188

Đất silicát dùng để nhét dáy 600 0,17 301

Tấm cách nhiệt bằng than bùn 225 0,07 188

Mảng gạch xây đặc

Gạch thông thường xây với vữa

nặn<* 1800 0 81 105

Gạch thông thường xây với vữa nhẹ

(=1400) 1700

0,76

0,87 48

Gạch silicat xày với vữa vừa năng 1900 105

Gạch rỗng (p= 1300) xây với vữa

nhẹ {p- 1400) 1350 0,58 150

Gạch nhiều lổ xây với vữa nặng 1300 0,52

129

trong cách nhiệt lạnh vì trở ẩ; quá nhò và độ hút ẩm cân bằng đoạn nhiệt quá lớn.

Hai loại bọt xốp cách nhiệt quan trọng nhất hiện nay là bọt xốp polyStyrol và Polyurethan. Chúng được sử dụng rộng rãi trong khoảng nhiệt độ từ +30°c đến -170°C. Bọt xốp Polystyrol (còn gọi là stryrôpo) sản xuất trong thiết bị tĩnh, tạo bọt bằng chất tạo bọt hoặc bằng xử lí nhiệt ở khoảng 100°C). Bọt Polystyrol chia làm hai loại theo các phương pháp sản xuất khác nhau: bọt xếp dạng trục và bọt dạng hạt. Độ bền nén khá cao, đạt 0,1-0,2 N/mm2. Nhiệt độ giới hạn trên là 70°c. Không được sử dụng cách nhiệt cho nhiệt độ cao hơn 70°c. Thông thường bọt xốp polystyrol là dễ cháy. Tuy nhiên có thể cho thêm các phụ gia để chế tạo ra các loại bọt xốp polyStyrol khó cháy hơn.

Bọt Polyurethan có một ưu điểm rất lớn là có thể tạo bọt không cần gia nhiệt và không cần áp suất. Các lỗ rỗng, các không gian giới hạn bởi các tấm cách ẩm, các không gian giữa hai vỏ.... dễ dàng được tạo bọt Polyurethane điên đầy. Với Polyurethan ngưcd ta áp dụng phương pháp cách nhiệt rất kinh tế vởi hiệu quả cách nhiệt cao trong dây truyền sản xuất tủ lanh, các loại buồng lạnh lắp ghép vái các tấm hoăc đơn vị cách nhiệt tiêu chuẩn. Ngay cả trong cách nhiệt các đường ống, các thiết bị và các bình, Polyurethane cũng

tỏ ra có ưu điểm hơn hẳn các loại bọt xốp khác. Ngày nay thường sử dụng R11

làm chất tạo bọt cho Polyurethane R 1 1 ở l ạ i t r o n g c ấ u t rú c b ọ t và n h ờ

t rở nh i ệ t c ao của R 11 n ên h ệ số d ẫn nh i ệ t củ a b ọ t

p o l yu r e t h an e cũn g r ấ t t h ấ p .

130

Bảng 5.9 giới thiệu một số thông số của các vật liệu cách nhiệt cơ bản, xem trên bảng 5.8 và hình 5.2

Bảng 5.9: Thông số của một số vật liệu cách nhiệt cơ bản

Vật liệu cách nhiệt

Khối lượng riêng ρkg/m3

Hệ số dẫn nhiệt

λW/mK

Hệ số trở

ẩm(1)μ

Độ bền nén σD

N/cm2

Nhiệt độ ứng

dụng

tmax 0C

Bọt xốp polystyrol 10-60 0.03-0.04 40-150 10-25 80

Bọt xốp polyurethane(2) 30-50 0.023-0.03 30-60 15-30 120

Bọt xốp nhựa ure(3) 10-15 0.035 1.5-3.5 1 120

Bọt xốp PVC 40-60 0.03-0.04 150-300 30-50 70

Bọt xốp polyetylen 35 0.033 3000 25-35 110

Bọt xốp nhựa phenol 30-60 0.035-0.04 30-50 20-40 150

Thủy tinh bọt 130-150 0.05-0.06 ∞ 70 430

Bấc lie(4) 150-350 0.04-0.05 3-20 20 100

Các vật liệu sợi khoáng 20-250 0.035-0.05 1-7

Các vật liệu dạng bột:

- Perlit 35-100 0.03-0.05

- Aerosll 60-80 0.023-0.03

Vật liệu cách nhiệt nhiều lớp:

- Alfol 1-8 0.035-0.05 550

- Vellit (tấm giấy song nhiều lớp)

40-100 0.04-0.06 60 80

1) Hệ số trở ẩm khuếch tán là tỉ số trở ẩm khuếch tán của vật liệu trên trở ẩm khuếch tán của không khí đứng im cùng chiều dày. μ = ∞ vật liệu hoàn toàn không khuếch tán ẩm;

2) Chất tạo bọt là R11;

3) Vật liệu piatherm;

4) Tấm bấc lie nổ bằng gia nhiệt và Hên kết bằng nhựa kết dính hoặc bitum.

131

5.4.3. Vật liệu cách ẩm

Do có hiện tượng ngưng đọng ẩm trong vách cách nhiệt lạnh nên phải có các lớp cách hơi ẩm để tăng trở ẩm cho vật liệu, trường hạp vầt liệu không đủ độ trở thấm ẩm.

Vật liệu cách ẩm cũng có các yêu cầu sau:

- Có trở ẩm lớn hoặc có hệ số thấm ẩm nhỏ;

- Không ngậm nước;

- Phải bền nhiệt, không bị cứng, giòn, lão hoá ở nhiệt độ thấp vèt bịmềm hoặc nóng chảy ờ nhiệt độ cao;

- Không có mùi lạ, không độc, khồng ảnh hưởng tới thực phẩm và sản phẩm bảo quản;

- Không gây ăn mòn và tác dụng hóa học với các vật liệu cách nhiệt và xây dựng

- Phải rẻ tiền và dễ kiếm.

Vật liệu cách ẩm chủ yếu hiện nay là bitum. Trong kĩ thuật sử dụng 3-4 mác bitum BH-3, BH-4, BH-5 và BH-5K (Nga). Hộ số dẫn nhiệt từ 0,30.. .0,35 W/(mK).

Người ta trát bitum nóng chảy lên bề mặt vài lớp dày từ 1.. ,5mm. Bitum thường nóng chảy ở 90°c nhưng thường phải đốt lên đến 160...170°c và phải giữ nhiệt độ suốt quá trình thao tác. Cũng có thể hoà bitum vào xăng hoặc benzol, nhờ vậy có thể cơ giới hoá được quá trình. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là tốn dung môi và nguy hiểm dễ cháy. Không được pha xăng và benzol vào bitum có nhiệt độ lớn hơn 80°c. Phương pháp' tốt nhất là tạo nhũ tương trong thùng quay tốc độ cao (50% bitum, 48% nước, 2% phụ gia xà phòng và đất sét), sau đó bắn vẩy hoặc phun lên tường, nước bay hod để lại một ỉớp bằng phằng. Nếu chưa đủ chiều dầy có thể phun nhiều lần nhưng phải đợi lớp trước khô hết mới được phun lóp sau. Để tránh rạn nứt có thể pha thêm 10% cao su tự nhiên để tạo màng. Bảng 5.10 giới thiệu một số vật liệu cách ẩm và thông số chính. Ngoài bitum, một số vật liệu khác cũng được sử dụng để ngăn ẩm như giấy nhôm, màng polyetylen, màng PVC, giấy dầu... Trong các buồng lạnh lắp ghép, các tấm lợp bằng tôn được sử dụng là vỏ tấm cách nhiêt Polyurethan đồng thời làm tấm cách ẩm. Bảng 5.11 giới thiệu các thông số của các mác bitum của Nga.

Bảng 5.10: Một số vật liệu cách ẩm

Vật liệu cách ẩm Hệ sô' khuếch tán ẩm. g/(mh MPa)

Giấy nhôm 0,0054

132

Bìtum 0,86

Hydrozol 11,38

Pergamin 1,20

Màng polyêtylen 0,0018

Giấy dầu 1,35

Bảng 5.11: Đặc tính kỹ thuật của một số mác Bitum

Đặc tính

Mác bitum

BH -3 BH -4 BH-5 BH-5K

Nhiệt độ nóng chảy, °c

45 70 90 90

Nhiệt độ bắt cháy, °c 200 230 230 230

Khối lượng riêng, kg/m1

1000 1000 1000 1000

5.5. Các phương pháp cách ẩm

Qua nghiên cứu cách nhiệt ở nhiều kho lạnh người ta phát hiện ra rằng hiện tượng đọng ẩm trong cơ cấu cách nhiệt là rất phổ biến. Có tình trạng khi khoan phía dưới tường thấy nước chảy ra nhiều vì cách nhiệt đã hoàn toàn bị ướt sũng. Vì vậy các biện pháp chống nhiễn ẩm cho cách nhiệt là rất quan trọng, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng và ẩm của Việt Nam.

Nói chung có 5 phương pháp chống nhiễm ẩm cho cách nhiệt như sau:

- Sử dụng các lớp cách ẩm cùng với cách nhiệt;

- Nâng cao hệ số trở ẩm của vật liệu cách nhiệt;

- Sử dụng các lớp vữa có độ khuếch tán ẩm lớp phía trong phòng lạnh;

- Tạo áp suất dương trong phòng lạnh, qua đó có thể tạo ra một dòng không khí đi qua vách ngược chiều vói độ giáng phân áp suất hơi nước;

- Tác động nhân tạo vào áp suất riêng phần hơi nước trên bề mặt lạnh của vách cách nhiệt.

Tuy vậy, chỉ ba phương pháp đầu có ý nghĩa thực tiễn hơn cả.

Hình 5.5 biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ tx, áp suất riêng hơi nước px

133

và áp suất hơn nước bão hoà px’’ phụ thuộc vào độ dầy Xcủa vách cách nhiệt tx, px và px’’ được xác định qua độ chênh nhiệt độ hai bên vách và các thông số vật lí của vách cũng như môi trường hai bên vách. tx và px là đường thẳng (hàm tuyến tính) và px’’ là hàm mũ.

Hình 5.5: Biến thiên áp suất và nhiệt độ trong vách

Có hai trường hợp có thể xảy ra:

- Hai đường pxvà px’’ không cắt nhau, px nằm dưới px’’ trong vách cách nhiệt không có vùng ngưng đọng ẩm.

- Hai đường pxvà px’’cắt nhau ờ hai điểm. Trong vách cách nhiệt xẩy ra hiện tượng ngưng đọng ẩm do áp suất riêng phần px cao hơn áp suất bão hoà px’’. Đường áp suất hơi thực nằm giữa hai đường px’’(đường liền trên hình 5.5).

Để tránh hiện tượng đọng sương trong vách cách nhiệt phải áp dụng cầc biện pháp để xây tường px xuống dưới không cắt px’’ hoặc để iượng ẩm khuếch tán từ phía nóng vào vách nhỏ hơn lượng ẩm khuếch tán từ vách vào phòng lạnh. Sau đây là ba phương pháp chính chống nhiễm ẩm cho cách nhiệt lạnh...

Sử dụng lớp cách ẩm

Từ lâu người ta đã sử dụng lớp cách ẩm với hiệu quả rất cao. Tuy nhiên lớp cách ẩm chỉ được phép bố trí ở phía nóng. Nếu bố trí lớp cách ẩm ở phía lạnh nguy cơ ngưng đọng ẩm trong cách nhiệt lại tăng lên nhiều lần.

134

Hình 5.6. Hiệu quả cách ẩm

a) Không có lớp cách ẩm; b) Lớp cách ẩm bố trí phía nóng

c)Lớp cách ẩm bố trí phía lạnh

Hình 5.6 mô tả sự biến thiên của các đường pxvà px’’cho ba trường hợp.

- Vách cách nhiệt không có lớp cách ẩm, trong lớp cách nhiệt có xảy ra ngưng ẩm ở phần hai đường pxvà px’’ cắt nhau, px lớn hơn px’’(hình 5.6a).

- Vách cách nhiệt được phết một lớp cách ẩm ở phía trái (phía môi trường nóng). Đường áp suất hơi bão hoà giữ nguyên vị trí như a nhưng đường áp suất hơi px là một đường gấp khúc. Đoạn px trong vách cách nhiệt bị đẩy xuống dưới đường px’’. Hai đường pxvà px’’không cắt nhau, trong vách không xảy ra hiện tượng ngưng đọng ẩm (hình 5. 6b).

- Lớp cách ẩm được bố trí phía bên phải (phía môi trường lạnh) pxcũng là đường gấp khúc nhung úp xuống làm cho hai điểm cắt với px’’lớn hơn so với a. Hiệu px - px’’rất lớn. Hiện tượng ngưng đọng ẩm trong cơ cấu cách nhiệt còn nguy hiểm hơn là không có cách ẩm (trường hợp a). Đây cũng chính là trường hợp ẩm khuếch tán từ môi trường nóng vào rất mạnh nhưng không tiếp tục đi vào buồng lạnh được mà tích tụ lại trong cơ cấu cách nhiệt.

Như vậy, chỉ bố trí lớp cách ẩm phía nóng vách cách nhiệt. Trường hợp phía lạnh không thấm ẩm (đường ống lạnh, thiết bị như bình chứa hạ áp, bình tách lỏng), việc phủ lớp cách ẩm tích tụ dần theo thời gian trong cách nhiệt đường ống và thiết bị.

Tăng hệ số trở kháng khuếch tán ẩm của vật liệu

Cách vật liệu cách nhiệt có thể được trộn đều vói các loại nhựa kết dính hoặc bitum kết dính để tăng trở kháng khuếch tán ẩm. Lượng ẩm khuếch tán từ không khí hoặc bê mặt nóng của cách nhiệt sẽ giảm xuống

135

Hình 5.7: Đường cong áp suất hơi

với lớp vữa trát ít thấm ẩm px1 và

với lớp vữa có độ khuếch tán ẩm

lớn px2 (đường chấm)

nhanh chóng trong khi lượng ẩm khuếch tán từ vách cách nhỉệt vào phòng lạnh giảm với tỉ lệ nhỏ hơn. Người ta đạt được yêu cầu lượng ẩm khuyếch tán từ vách vào phòng lạnh lớn hơn hoặc bằng lượng ẩm khuyếch tán từ"môi trường nóng vào vách. Như vậy, sẽ không còn ẩm ngưng tụ trong vách.

Sử dụng lớp vữa trát phía trong buồng lạnh có độ khuếch tán ẩm lớn

Thực ra đây cũng là một bước tiếp theo của kết luận: không được cách ẩm phía lạnh (hình 5.6c). Nhiều người đã sử dụng vữa ximăng để trát phía trong phòng lạnh. Lớp vữa đó có tác dụng giống như một lớp cách ẩm. Thế nhưng muốn tránh ngưng đọng ẩm, lớp vữa trát phía trong cần phải để cho ẩm dễ dàng khuếch tán từ cơ cấu cách nhiệt vào phòng lạnh. Hình 5.7 mô tả các đường cong áp suất hơi trong một vách kho lạnh gồm tường gạch đỏ có trở kháng khuếch tán ẩm cao với lớp cách nhiệt và lớp vữa trát trong cùng. Nếu sử dụng lớp vữa ximăng ít thấm ẩm, đường áp suất hơi sẽ là Px1 cắt đường cong áp suất hơi bão hoà, nghĩa là có ngưng ẩm trong kết cấu cách nhiệt, nhưng nếu sử dụng lớp vữa trát xốp, có độ khuếch tán ẩm cao thì đường áp suất hơi sẽ là Px2; Px2 không cắt px, như vậy không xảy ra hiện tượng ngưng động ẩm trong vách cách nhiệt.

5.6. Cấu trúc cách nhiệt và độ dày cách nhiệt

5.6.1. Cấu trúc cách nhiệt

Cấu trúc cách nhiệt phải đảm bảo:

- Có độ vững chắc và bền vững cao, chống được va đập, rạn nứt;

- Có trở thấm ẩm cao, lớp cách ẩm bố trí ở phía nóng, tránh ngưng đọng ẩm trong cách nhiệt; khuếch tán ẩm từ phía vách cách nhiệt vào buồng lạnh;

- Cấu trúc cách nhiệt phải tránh các cầu nhiệt do các kết cấuchịu lực gây ra như các xà ngang, các cột bêtông các vách ngăn, sàn chịu lực...

136

Trần: có thể ốp cách nhiệt trực tiếp lên trần bêtông cốt thép khi đó phải bố trí các râu bằng dây thép Ф 3,2-3,5mm để neo giữ các tấm cách nhiệt. Các lóp thứ tự từ trên xuống như sau: bê tông cốt thép, bitum chống ẩm, giấy dầu, lớp styropo được dán lên giấy dầu, sau đó là lớp lưới mắt cáo và cuối cùng là lớp vữa trát. Để giữ lớp cách nhiệt phải . dùng gỗ hoặc dây thépФ6-8 chăng và dùng râu dây thép neo giữ. Cáctrần lửng có thể dùng gỗ làm xà sau đó bố trí cách nhiệt và trát vữa hai phía trên và dưới.

Tường: từ ngoài vào là các lớp vữa trát ngoài, tường gạch, lớp chống ẩm bitum và giấy dầu, lớp cách nhiệt styropo, lớp lưới mắt cáo và lóp vữa trát. Có thể thay lớp lưới mắt cáo bằng một lóp tường gạch vỉa sau đó trát vữa. Tường mới xây không cần râu dây thép nhưng tường cũ cần có râu để đảm bảo an toàn không bị long lớp cách nhiệt và cách ẩm, các tường ngăn cách nhiệt phía lạnh. Các tường ngăn có móng cho các phòng có cùng nhiệt độ vẫn phải cách nhiệt chiều cao một mét để tránh cầu nhiệt từ cả bốn phía. Các cột chịu lực, các xàchịu lực cũng phải có cách nhiệt chung quanh cao Im từ hai đầu để tránh cầu nhiệt.

Nền: về nguyên tắc tất cả các nền buồng lạnh đều phải cách nhiệt.Độ dày cách nhiệt có thể bằng 0,5... 1 lần chiều dầy cách nhiệt tường.

Từ dưới lên là các lóp: bêtông, gạch vỡ, bítum và giấy dầu cách ẩm, bêtông xỉ, lớp cách nhiệt stỵrôpo, lớp tráng ximãng, gạch men.

Nếu nền chịu lực phải đổ một lóp bêtông cốt thép và có gân chịu lực truyền cho lớp bêtông xỉ phía dưới. Gân chịu lực có thể là gạch đỏ vỉa hoặc gỗ lim. Trường hợp buồng lạnh có nhiệt ĐỘ thấp từ 5°C đến 40°c phải có thông thoáng phía dưới kiểu Tunen hoặc phải bố trí dây điện trở sưởi ấm tránh đóng băng nền đất, vì nền đóng băng sẽ trương nở và phá hủy là cho nền và tường kho lạnh bị nứt vỡ.

5.6.2. Độ dày cách nhiệt

Độ dày cách nhiệt là một bài toán tối ưu vế kinh tế nhưng độ dầy cách nhiệt cần đảm bảo đủ lớn để khồng bị đọng sương ở vách ngoài. Độ dầy cách nhiệt vì vậy phụ thuộc vào nhiều yếu tố và thường tính qua công thức tính hệ số truyền nhiệt k.

137

Hình 5.8: Độ dầy cách nhiệt định hướng tối ưu

1. Phòng lạnh và lạnh đông, vật liệu cách nhiệt làbọt xốp Polystyrol

X = 0,036 W/mK;

2. Phòng lạnh và lạnh đông, vật liệu cách nhiệt là bọt xốp Polystyrol X = 0,031 W/mK;

3. Đường ống chất tải lạnh dj = lOOmm với X) = 0,025 W/mK;

V- độ dầy cách nhiệt của tủ lạnh, tủ đông, vật liệu cách nhiệt Polyurethan X= 0,025 W/Mk

Hình 5.8 giới thiệu độ dày cách nhiệt định hướng cho các vách cách nhiệt của các buồng lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ bên trong buồng (đường 1 và 2) và độ dầy cách nhiệt cho ống dẫn chất tải lạnh (đường 3). Hình 6-8 không đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ bèn ngoài, ở CHLB Đức cũ độ đầy cách nhiệt tối ưu phụ thuộc nhiệt độ bên ngoài và trong phòng được cho ở bảng 5.12. Tùy theo giá thành một đơn vị lạnh và thời gian khấu hao tác giả còn đề nghị tăng độ dầy cách nhiệt lên 20%.

Bảng 5.12: Chiều dày cách nhiệt tối ưu đối với các phòng lạnh và phòng đông lạnh

NHIỆT ĐỘ BUỒNG

LẠNH°C

ĐỘ DÀY CÁCH NHIỆT ĐỐI VỚI NHIỆT ĐỘ BÊN NGOÀI LÀ

10°C(1)

20°C (2)

+10 0CM 12 CM

+5 8 CM 16 CM

0 12 CM 18 CM

- 5 16 CM 20 CM

138

-10 18 CM 22 CM

-15 20 CM 24 CM

-20 22 CM 26 CM

-25 24 CM 28 CM

-30- CM CM

(1) Nhiệt độ trung bình trong năm ở ngoài trời.

(2) Nhiệt độ ước tính cho các phòng lạnh nẳm giữa các phòng được sưởi ấm trong mùa đông,

139

Chương 6. VẬT LIỆU HÚT ẨM

6.1. Đại cương

Trong các hệ thống lạnh amoniắc và ữeôn, ẩm (nước) lẫn trong vồng tuần hoàn môi chất lạnh có nhiều tác hại nghiêm trọng như:

-Tác dụng với dầu bôi trơn tạo ra các a xít vô cơ, các keo dầu và bùn, làm lão hóa dầu;

- Kết hợp với môi chất lạnh tạo ra các khí lạ, axít do phân hủy môi chất và thủy phân, cản trở trao đổi nhiệt;

- Kết hợp với vật liệu chế tạo máy, cặn bẩn kim loại vô cơ và hữu cơ tạo ra các liên kết ôxy hoá, ăn mòn và phá hủy các chi tiết máy và thiết bị;

- Do hoà tan hoàn toàn trong môi chất (amoniắc) nên làm tâng nhiệt độ bay hơi, giảm năng suất lạnh, tiêu tốn năng lượng cao hơn;

- Do không hoà tan trong môi chất (freôn) nên gây tắc ẩm cho bộ phận tiết lưu (van tiết lưu và ống mao (ống kapile). Tắc ẩm là hiện tượng tắc bộ phận tiết lưu do ẩm trong hệ thôhg đóng băng, bám vào các cửa van làm tắc một phần hoặc hoàn toàn cửa thoát môi chất, làm ngừng trệ vòng tuần hoàn môi chất lạnh. Nước đóng thành băng ở cửa van do nhiệt độ giảm đột ngột xuống dưới 0°c khi môi chất lẫn nước đi qua tiết diện tiết lưu. Người ta đã chứng minh rằng, trong tủ lạnh gia đình, chỉ cần 15 mg hơi ẩm còn sót lại trong hệ thống đã có thể gây tắc ẩm hoàn toàn cho tủ lạnh.

Do tác hại nhiều mặt của hơi ẩm trong hệ thống lạnh nên người ta đã để ra nhiểu biện pháp loại trờ sự có mặt ẩm trong vòng tuần hoàn môi chất lạnh như:

- Sấy khô nghiêm ngặt các chi tiết máy và thiết bị trước khi lắp ráp mới hoặc sau chu kì bảo dưỡng, sửa chữa;

- Hạn chế độ ẩm tối thiểu trong môi chất lạnh, đối với amoniắc không vượt quá 0,2% khối lượng, đối với frêôn công nghiệp không vượt quá 25 phần triệu, và đối với freôn nạp tủ lạnh và máy lạnh kín không quá 6 phần triệu khối lượng;

- Sấy chân không nhiều giờ trước khi nạp ga vào hệ thôhg lạnh;

- Sử dụng phin sấy lắp trên vòng tuần hoàn môi chất đường lỏng và đường hơi. Phin sấy đường lỏng lắp trước bộ phận tiết lưu và phin sấy đường hcù thưòng lắp sau dàn bay hơi theo chiều chuyển động của môi chất lạnh.

Phin sấy là một ống hình hụ, bên trong chứa các hạt chất rắn có tính chất hấp thụ, hấp phụ và giữ lại ẩm cũng như các chất có hại cho hệ thống

140

lạnh như một số axít và khí lạ. Phin có hai đầu nối cho môi chất lạnh đi qua. Phin sấy nhiêu khi kết hợp với phin lọc gọi là phin sấy ỉọc, khi đó phin được bố trí thêm các loại lưới đồng, dạ, len, nỉ... để giữ lại các vật lạ như cát, bụi, gỉ, sắt, vẩy hàn trong vòng tuần hoàn môi chất lạnh, tránh hỏng hóc cho máy nén và tránh tắc các cửa thoát của van và đường ống.

Phin sấy là một thiết bị phụ trong hệ thống lạnh nhưng nó lại rất quan ưọng, đảm bảo cho hệ thống hoạt động bình thường với độ tin cậy cao và tuổi thọ cao.

6.2. Các vật liệu hút ẩm chính

6.2.1. Nhiệm vụ của vật liệu hút ẩm

Vật liệu hút ẩm trong hệ thống lạnh có các nhiệm vụ chính sau:

- Hút ẩm và giữ lại các axít, các chất lạ có hại sinh ra trong quá trình vận hành máy lạnh, “sấy khô” môi chất lạnh, loại trừ tác hại của ẩm trong hệ thống lạnh có thể gây ra cho dầu bôi trơn và chi tiết máy cũng như thiết bị.

- Chống tắc ẩm trong hệ thống lạnh Freon

6.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu hút ẩm

Căn cứ vào chức năng của vật liệu hút ẩm trong hệ thống lạnh, các vật liệu hút ẩm phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Có khả năng hút ẩm cao tính theo lượng ẩm hút được trên một đơn vị khối lượng ngay ờ áp suất riêng hơi nước thấp;

- Có khả năng hút được các loại axít và khí lạ có hại sinh ra tro.ng quá trình vận hành hệ thống lạnh;

- Khả năng hút ẩm và các sản phẩm có hại không phụ thuộc vào nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ vận hành;

- Có khả năng tái sinh dễ dàng nhờ nhiệt hoặc hoá chất;

- Không tác dụng với môi chất lạnh, dầu bôi trơn, ẩm và các sản phẩm phụ cũng như vật liệu chế tạo máy vô cơ và hữu cơ để tạo ra các hoá chất có hại khác;

- Không làm chất xúc tác cho các phản ứng có hại trong hệ thống lạnh;

- Có hình dáng cố định, không bị tơi rã cuốn theo môi chất lạnh làm tắc bộ phận tiết lưu và các đường ống;

- Rẻ tiền, dễ kiếm.

Trong thực tế không có vật liệu hút ẩm lí tường. Người ta phải chọn các vật liệu hút ẩm cho từng trường hợp ứng dụng để phát huy được các ưu

141

điểm và hạn chế được các nhược điểm của chúng.

6.2.3. Nguyên tắc hút ẩm

Tác dụng hút ẩm dựa trên ba nguyên tắc chủ yếu sau:

- Liên kết cơ học vói ẩm gọi là quá trình hấp phụ ẩm;

- Liên kết hoá học vói hơi nước tạo ra các tinh thể ngậm nước hoặc các hyđrat gọi là quá trình hấp thụ;

- Phản ứng hoá học vối nước tạo ra các chất mởi.

Bảng 6.1 giới thiệu một số vật liệu hút ẩm dựa trên ba nguyên tắc hút ẩm đã nêu, khả nâng và phạm vi ứng dụng của nó trong kĩ thuật lạnh.

6.2.4. Các vật liệu hút ẩm dựa trên liên kết cơ học

Sử dụng chủ yếu trong hệ thống lạnh gổm Silicagel SÍ02, đất sét hoạt tính A1203 và các loại rây phân từ zeölit gồm zelöit silicat nhôm kali na tri, canxi...

Khả năng hấp phụ ẩm của các vật liệu hút ẩm này phụ thuộc vào lực hút trên bề mặt vật liệu, diện tích bề mặt, số lượng và kích thước các lỗ nhỏ liti trên bề mặt vật liệu cũng như áp suất riêng phần hơi nước. Ngoài nước (hơi ẩm), một số chất hút ẩm loại này (zeölit theo các bằng phát minh của Mỹ và CHDC Đức cũ) còn có khả năng hút được cả các loại tạp chất có hại như các axít, bazơ hình thành trong vòng tuần hoàn môi chất khi vận hành hệ thống lạnh.

Bảng 6.1: Phân loại vật liệu hút ẩm

STT Nguyên tắc

hút ẩm

Kí hiệu hút ẩm,

Thành phần hoá học Phạm vi ứng dụng ghi chú

1 Hấp phụ (liên

kết cơ học)

Silicagel SiO2

Đất sét hoạt tính

A1203

Rây phần tử, zêôỉit

(silicat nhôm kali,

natri và canxi)

Nói chung sử dụng được cho tất

cả các loại môi chất lạnh, đặt trên

đường lòng và đường hơi.

142

Hình 6.1: Lượng nước hấp thụ phụ thuộc vào áp suất riêng phẩn hơi nước

2

Hấp thụ (tạo

tinh thể ngậm

nước v-à các

hydrat)

Sunphat canxi CaS04

Clorua canxi CaCl2

Perclorat manhê

Mg(ClO4)2

Hạn chế sử dụng. Ví dụ CaCl2

không thích hợp với môi chất

lạnh, dặc biệt không đặt ờ đường

lỏng, chỉ có CaS04 còn có thể ứng

dụng được.

3

Phần ứng hoá

học (Tạo axít

và bazơ)

ôxyt canxi CaO (vôi

sống) ồxyt bari BaO

Pentôxít phốt pho

P2Os

Về nguyên tắc chỉ dùng trên

đường hơi, P2Ojkhông thích hợp

cho NH3 cả trên đường hơi.

Tuy hiệu quả hút ẩm rất tốt song

do các chất hoá học tạo ra không

nên sử dụng trong hệ thống lạnh.

1

Diện tích bề mặt của vật liệu là tổng diện tích bên trong của các lỗ nhỏ liti trong vật liệu. Những lỗ nhỏ li ti này có kích thước lớn hơn phân tử nước chút ít nên có khả năng giữ các phân tử nước lại nhờ lực liên kết nhưng lại để cho môi chất lạnh, đầu bôi trơn có kích thước phân tử lớn hơn đi qua một cách dễ dàng. Ví dụ, các lỗ nhỏ liti của zeölit dùng trong hệ thống lạnh làm chất hút ẩm có đường kính đồng đều khoảng 4 Å (1Å= 10-10m = 0,lmm), có thể hấp phụ các phân tử nước (đưòng kính phân tử 2,7Å), khí cácbônic (đường kính phân tủ 2,8Å nitơ (3,0Å) và clo (3,5Å). Các môi chất lạnh amoniắc, Ễreôn và dầu bôi trơn đều có đường kính phân tử lớn hơn 4Å nên không bị hấp phụ.

Nguyên nhân cơ bản của sự hấp phụ là lực liên kết tác động lẫn nhau giữa các phân tủ, bởi vậy năng lượng bề mặt của vật rắn cũng đóng vai trò quan trọng như trường lực riêng không đồng nhất bề mặt thực và mômen lưỡng cực của chất bị hấp thụ. Một ảnh hưởng khác tới khả năng hấp phụ là tỉ số giữa áp suất riêng phần hơi nước trong hệ thống trên áp suất bão hoà. Đây là yêu cầu quan trọng đối với chất hút ẩm. Chất hút ẩm phải hút được ẩm còn sót lại trong hệ thống với khối lượng rất nhỏ nghĩa là ở áp suất riêng phần hơi nước rất nhỏ trong hệ thống. Hình 6.1 biểu diễn khả năng hấp phụ ẩm của ba loại vật liệu

143

hút ẩm phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước trong hệ thống. Đất sét hoạt tính có sự hấp phụ hơi ẩm tương đối ổn định rất ít phụ thuộc vào áp suất riêng hơi nước. Silicagel có sự phụ thuộc lớn hơn nhưng khả năng hấp thụ gần ngang nhau. Riêng khả năng hấp thụ của zêôlit 4 Ả lớn hơn Silicagel và đất sét hoạt tính khoảng 4 đến 5 lần.

Áp suất riêng phần hơi nước có ảnh hưỏng đặc biệt đến khả năng hấp phụ ở phạm vi rất thấp từ 0 đến 50 Pa. Nhiệt độ cũng ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ. Silicagel giảm khả năng hấp phụ đáng kể ngay ở nhiệt độ từ 40 đến 50°C, vì vậy phin sấy Silicagel không đặt ở gần các thiết bị có nhiệt độ cao như máy nén, dàn ngưng tụ, bình chứa cao áp. Tái sinh Silicagel ở nhiệt độ 120 đến 200°Ctrong vòng 12h. Khả năng hấp phụ của zêôlit ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Zeölit vẫn có khả năng hấp phụ tốt ở nhiệt độ 50 đến 60°C, nên phin sấy zeôlít có thể đặt bất kì chỗ nào trong hệ thống lạnh. Tái sinh zeölit ở nhiệt độ từ420°Cđến 500°C. Tuy nhiên theo nhiều kết quả nghiên cứu, các hạt Silicagel và zeölit đã sử dụng trong hệ thống lạnh, lấy ra khi bảo dưỡng, sửa chữa hầu như không thể tái sinh vì đã bị bám bẩn và bị một màng dầu bao phủ. Mọi cố gắng tái sinhbằng cách gia nhiệt chỉ gây thêm trục trặc cho hệ thống vì sự phân rã của chúng. Sau khi tái sinh các hạt này còn có tính kị nước (không hấp phụ nước nữa) rất đặc biệt.

Tuy nhiên người ta cũng có thể dùng các loại hoá chất để tẩy rửa và tái sinh được các hạt đã sử dụng trong hệ thống lạnh nhưng phương pháp này tỏ ra không kinh tê' vì tốn hoá chất, giá thành cao hơn cả các hạt mới.

Do có khả năng hấp phụ nước lớn, do khả năng hấp phụ ít phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ nên zeồlit càng ngày có ý nghĩa quan trọng trong kĩ thuật lạnh. Hiện nay, người ta đã chế tạo được rất nhiều loại zeölit khác nhau, điện tích bề mặt rất lớn đạt tói 800m2/gam vói các kích thước lỗ liti hoàn toàn thống nhất. Zeölit dùng trong kĩ thuật lạnh có công thức Nal2(A102)12(Si02)12 kí hiệu là 4A hoặc A4, đường kính lổ đồng nhất là 4 Å, đặc biệt dùng cho các hộ thôhg lanh freön R12 và R22, lắp đặt trên đường lỏng sau bình chứa và trước tiết lưu. Khi thay thế Na bằng K (kali) hoặc Ca (canxi) có thể chế tạo được các zeölit đường kính lỗ từ 3 đến 9 Å. Theo đăng kí phát minh của CHDC Đức cũ, zeölit AR, đường kính lỗ 3 Å có khả năng hút ẩm tốt hơn loại 4 Å trong các hệ thống lạnh R22.

Silicagel là Si02 ở dạng xốp không định hình, kích thước lỗ không cố định, diện tích bề mặt đạt tới 500m2/gam. Đất sét hoạt tính còn có khả nãng hút bazơ, axít và các chất lạ hình thành trong quá hình vận hành máy lạnh như C02, NH3, S02, H2S và hyđrôcácbon.

Hiện nay người ta đang nghiên cứu sử dụng các loại phin lọc kết họp 2 hoặc nhiều loại vật liệu hút ẩm khác nhau để đạt được các yêu cầu loại trừ nhiều loại chất lạ có hại trong hệ thống lạnh.

144

- Các chất hấp thụ

Các chất hấp thụ chờ ẩm nhờ liên kết hoá học tạo các tinh thể ngậm nước hoặc các hyđrat như sufat canxi CaS04, Clorua canxi CaCl2 hoặc perelorat manhê Mg(004)2 ít có ý nghĩa trong kĩ thuật lạnh. Nên hạn chế sử dụng các chất hấp thụ này đặc biệt clorua canxi không phù hợp với các môi chất lạnh. Nếu sử dụng không được bố trí trẽn đường lỏng.

- Các chất phản ứng hóa học với nước

Các chất phản ứng hoá học với nước để tạo ra các hoá chất mới tuy có hiệu quả khử ẩm rất cao nhưng nhất thiết không nên sử dụng trong hệ thống lạnh. Các vật liệu hút ẩm loại này như Ôxyt canxi CaO (vôi sống), ôxyt barí, penôxit phốt pho p205 bố trí trong hệ thống lạnh có thể tạo ra các loại axít và bazợ gây ăn mòn thiết bị, làm lão hoá và phá hủy đầu bôi trơn, phá hủy sơn cách điện làm chập mạch cuộn dây

145

Hình 7.1: Độ bền riêng và môđun đàn hồi

riêng của một số vật liệu thông thường và

compozit chứa 50% thể tích cốt sợi

1- nhôm; 2- titan và thép; 3- titan cốt hóa

bằng sợi berili; 4- titan cốt hóa bằng sợi SiC;

5- titan cốt hóa bằng sợi bo; 6- nhôm cốt

hóa bằng sợi bo; 7- nhựa êpoxi cốt hóa bằng

sợi graphit; 8- nhựa ẽpoxi cốt hóa bằng sợi

bo

Chương 7.VẬT LIỆU COMPOZIT

7.1. Khái niệm và phân loại

Vật liệu compozit là loại vật liệu được cấu thành từ nhiều loại vật liệu thành phần, khác nhau về bản chất, tổ chức, tính chất, không hòa tan hoặc hòa tan rất ít vào nhau, phân cách nhau bằng ranh giới rõ rệt, được kết hợp theo thiết kế, thực hiện bằng các giải pháp kỹ thuật, nhằm phát huy các ưu điểm và hạn chế nhược điểm của từng loại vật liệu riêng biệt.

Về chỉ tiêu độ bền riêng, môđun đàn hồi riêng, độ bền nóng, độ bền mỏi cũng như nhiều tính chất khác, vật liệu compozit (VLC) cao hơn đáng kể so với các hợp kim kết cấu đã biết (Hình 7.1). Mức độ tổ hợp đặt ra của các tính chất được thiết kế trước và thực hiện trong quá trình chế tạo vật liệu. Đồng thời người ta tạo cho vật liệu, theo khả năng có thể được, một hình dạng tối đa gần với hình dạng của chi tiết hoàn chỉnh và cả các bộ phận riêng biệt của kết cấu.

Nguyên tắc tạo ra compozit được “vay mượn” ở tự nhiên. Compozit tự nhiên như thân và cành của thực vật, xương người, xương các động vật vv..., trong cây, các sợi xenlulô được kết dính lại bằng chất lignin dẻo, còn trong xương thì các sợi bền mảnh của muối phôtphat được liên kết lại bằng colagen.

Tính chất của compozit về cơ bản phụ thuộc vào tính chất cơ lý của các thành phần và độ bền liên kết giữa chúng. Đặc điểm nổi bật của compozit là những ưu điểm của vầt liệu thành phần được phát huy, còn những nhược điểm của chúng thì bị hạn chế bớt. Cùng với điều đó, compozit còn có các tính chất mà những vật liệu thành phần khi đứng tách riêng không có. Để tối ưu hóa tính chất của compozit, các vật liệu thành phần được chọn sao cho chúng có các tính chất rất khác nhau nhưng lại bổ sung cho nhau.

146

Hình 7-2: Sơ đồ vật liệu compazit đa nền

(a) và vật liệu compozit đa cốt (b)

Nền của compozit có thể là kim loại hoặc hợp kim (compozit nền kim loại), cũng có thể là polyme, vật liệu cacbon hoặc gốm (ceramic) (compozit nền phi kim loại).

Nền có chức năng liên kết khối compozit và tạo hình dạng cho nó. Chế độ công nghệ tạo ra compozit, các đặc tính ứng dụng quan trọng như nhiệt độ làm việc, độ bền chống mỏi, khả năng bảo vệ chống tác dụng của môi trường quanh. Khối lượng và độ bền riêng của compozit phụ thuộc đáng kể vào tính chất của nền.

Vật liệu compozit với nền phức tạp được gọi là compozit đa nền, bao gồm các lớp kế tiếp nhau (hai hoặc nhiều hơn) có thành phần hóa học khác nhau.

Compozit đa nền (Hình 7.2a) được đặc trưng bởi một tập hợp rộng rãi các tính chất có lợi. Ví dụ, sử dụng titan làm nền cùng với nhôm sẽ làm tăng độ bền vật liệu theo phương vuông góc với trục sợi. Lớp nhôm trong nền lại có tác dụng làm giảm khối lượng riêng của compozit.

Trong nền, phần vật liệu còn lại (gọi là cốt, chất nhồi; chất độn) sẽ được phân bố đều. Vì cốt đóng vai trò chủ yếu trong việc hóa bền compozit nên thường được gọi là pha hóa bền. Pha hóa bền cần phải có độ bền, độ cứng cao, môđun đàn hồi lớn. So với nền, các tính chất này của pha hóa bền cao hơn đáng kể. Khi môđun đàn hồi và giới hạn bền của pha hóa bền tăng, cơ tính của compozit cũng

tăng song không đạt được độ lớn như của pha hóa bền. Pha hóa bền còn được gọi là cốt. Đây là một khái niệm rộng hơn so với khái niệm "chất hóa bền". Nó không cụ thể hóa vai trò cốt và do đó cho thấy cốt được đưa vào nền để làm thay đổi không chỉ độ bền mà cả các tính chất khác.

Tính chất của compozit phụ thuộc cả vào hình dạng, kích thước, khối lượng và đặc điểm phân bố của cốt (sơ đồ cốt hóa).

Theo hình dạng của cốt người ta phân chúng thành ba nhóm cơ bản, không chiều (1), một chiều (2), hai chiều (3).

Cốt không chiều có kích thước rất nhỏ cùng bậc theo cả ba chiều đo (cốt hạt).

147

Cốt một chiều có kích thước nhỏ theo hai chiều đo và rất dài theo chiều còn lại (cốt sợi).

Cốt hai chiều có kích thước lớn tương đương kích thước vật liệu compozit theo hai chiều đo và chiều thứ ba còn lại rất nhỏ (cốt tấm hay là vải).

7.2. Các phương pháp hóa bền

Theo hình dạng cốt, người ta phân các vật liệu compozit thành compozit hóa bền phân tán và compozit sợi.

Compozit hóa bền phân tán là vật liệu compozit được hóa bền bằng cốt không chiều. Thuộc nhóm compozit sợi là các vật liệu compozit được hóa bền bằng các cốt một chiều hoặc là đồng thời bằng cả cốt một chiều và hai chiều.

Theo sơ đồ cốt hóa người ta phân các compozit thành ba nhóm : cốt hóa một chiều, cốt hóa hai chiều và cốt hóa ba chiều.

Để cốt hóa một chiều người ta dùng cốt hạt hoặc cốt sợi. Các cốt hạt được phân bố sao

cho khoảng cách giữa chúng theo một trục (ví dụ theo trục X) nhỏ hơn đáng kể so với hai trục kia. Trong trường hợp này hàm lượng thể tích của cốt chiếm khoảng 15%. Cốt sợi phân bố song song với nhau.

Khi cốt hóa hai chiều người ta dùng chất nhồi không chiều, một chiều và hai chiều. Cốt sợi và cốt hạt được phân bố trong các mặt song song với nhau. Khoảng cách giữa các cốt trong giới hạn mặt khá nhỏ so với khoảng cách giữa các mặt. Với sự phân bố như vậy, hàm lượng cốt hạt có thể đạt tới 1616%. Trong cùng một mặt, cốt sợi nằm song song với nhau còn giữa các mặt khác nhau thì chúng tạo thành những góc khác nhau. Cốt mặt luôn được phân bố song song với nhau.

Khi cốt hóa ba chiều sẽ không có phương nào ưu tiên trong sự sắp xếp cốt. Trong trường hợp này người ta sử dụng cốt hạt và cốt sợi. Khoảng cách giữa các phần tử cốt hạt là cùng một bậc. Trường hợp này, hàm lượng thể tích của nó có thể vượt quá 1616%. Cốt sợi được sắp xếp trong ba mặt phẳng vuông góc với nhau.

Để mở rộng sự tổng hợp các tính chất hoặc cường hóa một tính chất nào đó khi cốt hóa vật liệu compozit, người ta sử dụng đồng thời các loại cốt với hình dạng khác nhau. Ví dụ để tăng thêm độ bền liên kết giữa các cốt sợi (sợi thủy tinh hoặc cacbon) với nền polyme, người ta đưa thêm vào nền các cốt hạt (các hạt amian, silic cacbua...). Cũng với mục đích đó có thể sử dụng

Hình 7.3: Sơ đồ cốt hóa

148

các cốt đồng hình nhưng khác loại. Chẳng hạn để nâng cao môđun đàn hồi của compozit nền polyme cốt sợi thủy tinh, có thể đưa thêm vào các sợi bo.

Vật liệu compozit chứa hai loại cốt khác nhau hoặc nhiều hơn được gọi là compozit đa cốt.

7.3. Lựa chọn và ứng dụng vật liệu compozit

7.3.1 Vật liệu compozit hóa bền phân tán

Tổ chức và tính chất

Trong loại compozit này, các phần tử kích thước nhỏ của các pha khó chảy như ôxytt, nitrua, borua, cacbua (AlO3, Si02,, BN, SiC... ) được dùng làm cốt. Ưu điểm của các hợp chất khó chảy là môđun đàn hồi cao, khối lượng riêng nhỏ, tác dụng yếu với vật liệu nền; còn của các chất như các ôxytt nhôm, ôxytt silic, là các chất phổ biến trong thiên nhiên và giá thành của các nguyên tố tạo nên chúng khá rẻ.

Chế tạo

Vật liệu compozit hóa bền phân tán được chế tạo chủ yếu bằng phương pháp luyện kim bột, tuy vậy cũng có thể có các phương pháp khác, ví dụ đưa trực tiếp hạt cốt vào kim loại, hợp kim lỏng trước khi rót đúc. Trường hợp này, để làm sạch tạp chất dầu mỡ hoặc các chất dây bẩn khác, nhằm cải thiện độ dính bám kim loại lỏng trên mặt hạt cốt và sự phân bố cốt đồng đều trong nền, người ta ứng dụng phương pháp gia công kim loại lỏng bằng siêu âm.

Trong compozit hóa bền phân tán, nền tiếp nhận phần lớn tải trọng, còn các phần tử cốt phân tán kìm hãm sự chuyển động của lệch khi đặt tải, ngăn cản sự phát triển của biến dạng dẻo. Tác dụng hãm lệch này càng lớn thì độ bền càng cao. Vì vậy, độ bền phụ thuộc cả vào tổ chức lệch hình thành trong quá trình biến dạng dẻo khi chế tạo chi tiết từ vật liệu compozit. Ngoài ra, các hạt cốt còn có tác dụng hóa bền gián tiếp, khi tạo nên tổ chức với sự không đồng trục rất lớn của các hạt (dạng thớ). Tổ chức này tạo thành khi kết hợp biến dạng dẻo với ủ. Lúc này các hạt cốt phân tán sẽ cản trở một phần hoặc hoàn toàn quá trình kết tinh lại.

Giá trị độ bền đạt được phụ thuộc vào hàm lượng thể tích cốt hạt, mức độ phân bố đồng đều, độ phân tán và khoảng cách giữa các hạt cốt. Theo công thức Orowan, sự chống xê dịch tăng lên khi khoảng cách giữa các hạt giảm đi:

= Gb/1

ở đây, G - môđun trượt; b - khoảng cách giữa các nguyên tử; l - khoảng cách giữa các hạt cốt.

149

Sự hóa bền cao có thể đạt được khi kích thước các hạt nằm trong giới hạn 0,010,1 μm và khoảng cách giữa chúng bằng 0,050,5 μm. Hàm lượng thể tích hạt cốt phụ thuộc vào sơ đồ cốt hóa (xem phần trên).

Ưu điểm của compozit hóa bền phân tán so với compozit cốt sợi là nó có tính đẳng hướng về tính chất . Các vật liệu compozit nền nhôm cốt hạt có ứng dụng công nghiệp như bột nhôm thiêu kết (CAП) hoặc compozit nền niken hóa bền bằng các phần tử ôxytt thôri, ytri, hafini... thuộc nhóm compozit hóa bền phân tán.

Compozit hóa bền phân tán trên cơ sở nhôm.

Vật liệu CAП (theo ký hiệu của Nga, ΓOCT 11069-74) đặc trưng bởi giá trị cao của các đại lượng như độ bền, độ bền nóng, ổn định chống ăn mòn và khả năng ổn định nhiệt của các tính chất.

CAП bao gồm nhôm và ôxytt nhôm. Người ta chế tạo CAП bằng cách tạo hình lần lượt, thiêu kết và ép bột nhôm đã bị ôxy hóa bề mặt. Vật liệu ban đầu khi chế tạo bột chính là bột thô nhận được bằng cách hóa bụi nhôm A6 (ΓOCT 11069-74) chảy lỏng. Bột này được nghiền trong máy nghiền bi có khí bảo vệ là nitơ trộn lẫn 23% ôxy và 0,25 1,2% axit stearin. Ôxy đưa vào để ôxy hóa bề mặt bột vừa tạo thành còn stearin để làm dễ dàng quá trình trượt và cản trở sự vón kết bột. Bột tạo thành có dạng vảy, chiều dầy cỡ nhỏ hơn 1 µm. Chiều dài và rộng của các phần tử bột thường xấp xỉ như nhau. Độ lớn của chứng phụ thuộc vào thời gian nghiền. Chiều dày màng ôxytt trên mặt bột bằng khoảng 0,01µm. Thời gian nghiền càng dài, kích thước bột càng nhỏ, bề mặt bột tổng cộng càng lớn và do vậy hàm lượng ôxyt nhôm càng cao. Ví dụ bột ký hiệu AПC-1 có kích thước hạt từ 3050µm chứa 68 %Al203; còn bột ký hiệu AПC2 có kích thước hạt 1016 μm chứa 912 %A1203. Ở Liên Xô (trước đây) người ta đã làm chủ công nghệ chế tạo 4 loại bột nhôm và tương ứng 4 loại vật liệu AПC.

Tổ chức CAП gồm nền nhôm với các phân tử Al2O3 phân bố đồng đều. Tăng hàm lượng Al2O3 sẽ kéo theo sự tăng độ bền, độ cứng, độ bền nóng của CAП và sự giảm độ dẻo của nó. Độ bền cao của AПC được giải thích bởi độ phân tán lớn của pha ôxytt và khoảng cách nhỏ giữa các phần tử của pha này. Tính không hòa tan trong nhôm và không kết tụ các phần tử Al2O3 phân tán đảm bảo sự ổn định của tổ chức và độ bền lớn ở vùng nhiệt độ đến 500°C.

150

Bảng 7.1: Cơ tính của CAП

Vật liệu Al2O3

%

σb,

MPa

σb/(ρg).

km

0,2

MPa

%

E

GPa

E(ρg),

103 km

CAП -1 68 300 11 220 7 67 2,1

CAП -2 912 350 16 280 5 71 2,6

CAП -3 1617 400 16 320 3 76 2,8

CAП -4 1822 450 17 370 1,5 80 2,9

CAП chịu gia công biến dạng nóng tốt, biến dạng nguội kém, có tính gia công cắt gọt tốt, có thể hàn tiếp xúc hoặc hàn hồ quang-agon tương đối dễ dàng. Hiện nay, chủ yếu người ta dùng CAП-1, CAП-2 và CAП-3 để chế tạo hầu hết các dạng bán thành phẩm như tấm, thanh hình, phôi dập, ống, phôi mỏng. CAП được dùng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ 3005000C khi yêu cầu chúng có độ bền riêng cao, ổn định chống ăn mòn (đỉnh piston, cánh máy nén, cánh quạt gió và tuabin trong công nghiệp hóa chất và hóa dầu, bình ngưng tụ, nền quấn biến thế trong kỹ thuật điện).

Hợp kim nhôm thiêu kết (CAC) được chế tạo bằng cùng một công nghệ như chế tạo CAП, từ bột nhận được bằng phương pháp hóa bụi hợp kim có thành phần đã cho.

Các hợp kim với hệ số giăn nở nhiệt thấp xấp xỉ thép, môđun đàn hồi cao, rất có giá trị thực tiễn. Chẳng hạn CAC với thành phần gồm 2530%Si, 57%Ni, còn lại là Al có = (14,516,5). 10-6 l/°C, E = 100 GPa. Các hợp kim này sẽ thay thế thép quá nặng để chế tạo các chi tiết trong các dụng cụ, thiết bị. Cơ tính của CAC đặc trưng bởi độ bền, độ cứng khá cao ( B = 260

MPa; HB =1200) và độ dẻo thấp ( = 1,51%). Ưu điểm của hợp kim nhôm thiêu kết so với hợp kim bình thường cùng thành phần hóa học là không có các khuyết tật đúc (thiên tích, vật lẫn xỉ... ) và sự hiện hữu tổ chức hạt nhỏ với sự phân bố đồng đều các pha.

Vật liệu compozit hóa bền phân tán nền niken

Để làm nền người ta dùng niken và hợp kim niken chứa 20%X với tổ chức dung dịch rắn. Hợp kim trên Cơ sở X-Ni có độ bền nóng rất cao. Để làm

151

cốt đối với trường hợp này người ta dùng các bột ôxytt thôri, hafini... Giới hạn bén phụ thuộc vào hàm lượng thể tích pha hóa bền, thay đổi theo đường cong có cực đại.

Giới hạn bền cực đại đạt được khi hợp kim chứa 3,54% Hf02; lúc đó sẽ có σB= 750850 MPa; σB/(pg) = 910 km; δ = 812%. Hợp kim hóa nền niken bằng các nguyên tố có độ hòa tan thay đổi trong niken như W, Ti, Al, sẽ hóa bền vật liệu đáng kể do biến cứng phân tán nên xảy ra trong quá trình làm nguội từ nhiệt độ thiêu kết. Phương pháp tạo ra hợp kim này khá phức tạp. Người ta tiến hành trộn bột xôm và bột nguyên tố hợp kim với bột niken đã chuẩn bị trước (bằng phương pháp tách lắng hóa học) có chứa bột nhỏ mịn của ôxyt hafini hoặc ôxytt các kim loại khác. Sau khi ép nguội hỗn hợp bột người ta tiến hành ép chảy các phôi tạo thành.

7.3.2 Vật liệu compozit cốt sợi

Tổ chức và tính chất

Trong vật liệu compozit cốt sợi, để làm cốt người ta dùng các sợi hoặc các râu đo tinh thể của các nguyên tố tinh khiết hoặc các hợp chất khó chảy (B, C, A1203, SiC...) hoặc các dây từ kim loại hoặc hợp kim (Mo, W, Be, thép độ bền cao...). Các sợi cốt có thể là loại dài (liên tục) hoặc loại ngắn (gián đoạn) với đường kính từ một vài phần đến hàng trâm mixomet.

Khi hóa bền bằng cốt sợi có chiều dài hữu hạn, tải trọng được truyền sang cốt thông qua nền nhờ ứng suất tiếp. Trong trường hợp liên kết bền vững giữa cốt và nền (không có sự trượt tướng đối) tải trọng đặt lên cốt khi kéo bằng τπdl , ở đây - ứng suất τ tiếp Xuất hiện trong nền ở vị trí tiếp Xúc với cốt; d - đường kính cốt; l - chiều dài cốt.

Khi chiều dài sợi cốt tăng lên, ứng suất xuất hiện trong sợi tăng lên. ứng với giá trị chiều dài xác định gọi là độ dài tới hạn, ứng suất đạt tới giá trị cực đại. Giá trị này không đổi khi chiều dài sợi cốt tiếp tục tăng.

Độ dài tới hạn, lth được xác định từ điều kiện cân bằng giữa ứng lực trong nền tại mặt tiếp Xúc với sợi và trong sợi, có tính đến sự phân bố đối Xứng của ứng suất trong sợi cốt:

τπdlth /2=σBπd2/4

lth = σBd /(2τ)

lth/d= σB /(2τ)

Các tính toán lý thuyết đã được khẳng định bằng thực tế, rằng sợi cốt càng mảnh và dài, chính xác hơn là tỷ số giữa chiều dài với đường kính cốt càng lớn, mức độ hóa bền (σBVLC / σBS ) của vật liệu compozit càng cao. Đối với các compozit nền kim loại, để làm nền người ta sử dụng nhôm,

152

magiê, titan, niken và hợp kim trên cơ sở niken bền nóng; còn đối với compozit nền phi kim loại, để làm nền người ta dùng polyme, vật liệu gốm và vật liệu cacbon.

Tính chất của vật liệu compozit phụ thuộc mạnh vào sơ đồ cốt hóa. Do sự khác nhau đáng kể về tính chất giữa sợi và nền, nên cốt hóa một chiểu sẽ tạo ra tính dị hướng của cơ - lý tính. Khi kéo, giới hạn bền và môđun đàn hồi của mẫu compozit sẽ đạt giá trị cực đại theo phương dọc sợi cốt và cực tiêu theo phương vuông góc. Ví dụ compozit với nền bằng nhôm kỹ thuật mác AД I, hóa bền bằng sợi bo, theo phương dọc sợi, độ bền đạt giá trị σB 1000÷1200 MPa, còn theo phương vuông góc chỉ bằng 60÷90 MPa. Sự dị hướng của các tính chất không quan sát thấy khi cốt hóa hai chiều với các sợi phân bố vuông góc nhau (Hình 16-22).

Tuy vậy, so với cốt hóa một chiều, độ bền dọc theo trục sợi giảm đi khoảng ba lần, từ 1000 ống 350 MPa . Các chỉ tiêu cơ tính khi nén và Xê dịch vẫn giữ ở mức thấp. Khi tải ứng suất kéo dọc sợi mẫu compozit, các sợi cốt độ bền cao sẽ tiếp nhận hầu hết tải trọng, còn nền đóng vai trò truyền ứng lực. Tỷ lệ giữa tải do cốt chịu (Ps) và do nền chịu (Pn) được biểu thị qua ứng suất Xuất hiện trong chúng, tương ứng ký hiệu là σs và σn:

Ps/Pn = σsVs / [σn( l-Vs)] ở đây Vs - thể tích cốt sợi.

Theo định luật Hooke ứng suất có thể được biểu diễn qua môđun đàn hồi. Khi đó

Ps/Pn = EsεsVs / [Enεn (l-Vs)].

Khi liên kết giữa cốt và nền bền vững (không có sự trượt tương đối) thì tại thời điểm đặt tải, mức biến dạng của chúng như nhau, tức là εs = εn. Do đó:

Ps/\Pn = EsVs / [En( 1-Vs)]

Điều này có nghĩa môđun đàn hổi cốt sợi Es càng cao và thể tích của nó càng lớn thì chúng sẽ tiếp nhận tải trọng đặt vào ở mức độ càng lớn.

Hàm lượng thể tích cốt sợi dao động trong giới hạn rộng từ một vài đơn vị đến 80÷90%. Trong loại compozit cốt sợi dài định hướng, hàm lượng cốt thường chiếm khoảng 60÷80%. Đối với loại cốt sợi ngắn và râu đơn tinh thể, khi phân bố ngẫu nhiên, hàm lượng của chúng chỉ hạn chế khoảng 20÷30%,vì rằng sự khác nhau về chiều dài và đường kính của chúng gây khó khăn cho công nghệ khi phải tạo ra vật liệu có cấu trúc sít chặt.

Môđun đàn hồi của vật liệu compozit được tính toán tương đối tin cậy, Xuất phát từ các tính chất, hàm lượng thể tích của cốt và nền:

EVLC = EsVs+En (1-Vs)

153

Ví dụ môđun đàn hồi của compozit nền nhôm (E=70 GPa) được hóa bền bằng 50% thể tích sợi bo (E=420 GPa), bằng 70. 0,5 + 420. 0,5 = 245 GPa; giá trị này hoàn toàn phù hợp với môđun đàn hồi của compozit thực tế mac BКA-1 (E = 240 GPa, bảng 16-4). Độ bền tức thời của compozit thay đổi phụ thuộc vào hàm lượng thể tích cốt cũng theo quy luật cộng được.

Trường hợp ngoại lệ là các hợp kim chứa lượng cốt rất nhỏ (< 5%) hoặc quá lớn (> 80%). Giới hạn bền của compozit được tính theo công thức :

σBVLC = σB . Vs + σBn (1-Vs)

ở đây σBs và σBn tương ứng với giới hạn bền của cốt sợi và nền.

Giá trị nhỏ của độ bền và môđun đàn hồi của compozit theo chiều vuông góc với phương sợi cốt khi kéo, khi nén và xê dịch được giải thích là trong các trường hợp này chúng được xác định bởi tính chất của nền. Nền đóng vai trò rất lớn trong trường hợp pha hủy mỏi, bởi vì hiện tượng này bắt đầu từ nền. Tổ chức dị thể, các bề mặt phân cách giữa cốt và nền làm cản trở sự phát triển vết nứt theo phương vuông góc với trục cốt sợi. Đo vậy compozit đặc trưng bởi giời hạn mỏi cao. Chính vì thế, về mặt độ bền mỏi, compozit nền nhôm lớn hơn khoảng 3÷4 lần so với các hợp kim nhôm tốt nhất.

Khi chế tạo chi tiết bằng compozit sợi, cốt được định hướng sao cho có thể sử dụng có lợi nhất để các tính chất của chúng phù hợp với tải trọng tác dụng lên kết cấu.

Độ bền compozit phụ thuộc nhiều vào độ bền liên kết giữa cốt và nền. Để nâng cao chất lượng liên kết, cần thiết phải đảm bảo sự tiếp xúc tốt trên toàn biên giới (không dây bẩn, không chứa tạp chất khí hoặc các vật lẫn khác). Vật liệu compozit về cơ bản thuộc hệ không cân bằng nhiệt động học, đó là nguyên nhân chính gây nên khuếch tán, phản ứng hóa học ở biên giới giữa cốt và nền. Các quá trình này xảy ra khi chế tạo và cả khi sử dụng vật liệu compozit. Một sự tương tác nào đó giữa nền và cốt là cần thiết để đảm bảo mối liên kết bền vững giữa chúng và đảm bảo sự truyền tải. Đối với vật liệu compozit nền kim loại, liên kết bền vững giữa cốt và nền được thực hiện nhờ sự tương tác giữa chúng, tạo nên một lớp rất móng pha liên kim loại (l÷2 μm).

154

Bảng 7.2: Cơ tính của vật liệu compozit nền kim loại cốt hóa một chiều

Compozit Nền

Cốt

ρ. t/m3

σb/(ρg),km

E, GPa

E/

(ρg).

10-3km

σb>

MPa

(20 °C)

σ-1.

MPa

(107 chu kì) Vật

liệu Hàm

lượng, %

BКA-l AL Sợi B 50 2,65 45 240 9 1200 600

ЬКУ-1 “ Sợi C 30÷40 2,2÷2,

3 42 270 12

900÷1000

200

КAC-l “ Dây thép

40 4,8 33 120 2 1600 350

BКM-3 Mg Sợi B 45 2,2 57 200 9 1250 -

_ Mg Sợi C 30÷40 1,8 42 160÷160

8 700÷80

0 -

Nếu giữa cốt và nền hoàn toàn không tương tác, người ta sẽ tạo trên bề mặt sợi một lớp phủ đặc biệt để đảm bảo cho sự tương tác này, nhưng chiều dày lốp tạo thành này phải rất mỏng. Liên kết giữa các thành phần trong compozit nền phi kim loại được thực hiện nhờ lực dính bám (Xem mục "compozit nền phi kim loại").

Các sợi cốt bền như bo, cacbon, ceramic có sự bám dính với nền kém. Việc cải thiện liên kết có thể đạt được nhờ gia công tẩm thực cốt sợi bằng kỹ thuật gọi là cấy râu. Cấy râu là kỹ thuật cấy đơn tinh thể silic cacbua lên bề mặt các sợi bo, cacbon và các sợi khác theo phương vuông góc với chiều dài của chúng. Những sợi bo "Xù lông" tạo thành như vậy được gọi là sợi bo nhỏ. Kỹ thuật cấy râu tạo khả năng nâng cao sự chống trượt, môđun đàn hồi, độ bền khi nén và không làm giảm các tính chất sợi cốt theo chiều dọc trục. Chẳng hạn viêc tăng hàm lượng thể tích râu đơn tinh thể lên khoảng 4÷8% sẽ nâng cao độ bền xê dịch lên gấp 1,5÷2 lần, môđun đàn hồi và độ bền khi nén - lên 40÷50%. Trên bề mặt ranh giới nền - cốt không nên để xảy ra các phản ứng hóa học, điều đó sẽ làm hỏng sợi cốt, dẫn tới làm xấu tính chất của chúng cũng như tính chất của compozit.

155

Khi xảy ra tương tác giữa nền và cốt mạnh, giới hạn bền của sợi cốt và của cả mẫu compozit giảm xuống đáng kể. Ví dụ, giới hạn bền của cốt sợi silic cacbua trong compozit nền titan, do tương tác mạnh giữa nền và cốt, đã giảm từ 320 ống 210 MPa, điều đó kéo theo sự giảm giới hạn bền của compozit này xuống khoảng 30%. Để hạn chế sự tương tác này người ta có thể ứng dụng các phương pháp như hợp kim hóa nền và cốt, phủ bảo vệ sợi cốt, hoặc các phương pháp chế tạo compozit ở nhiệt độ thấp với tốc độ nhanh.

Ngoài ra, độ bền kết nối giữa nền và cốt còn phụ thuộc vào sự tương thích cơ học của chúng, mà đặc tính này lại chịu ảnh hưởng bởi sự chênh lệch về tính dẻo, hệ số Poisson, hệ số giăn nở nhiệt và môđun đàn hồi. Sự không tương thích cơ học làm xuất hiện ứng suất dư trên biên giới nền - cốt, khi đạt trị số xác định nó sẽ phá hủy liên kết cốt - nền.

Dạng và tính chất của chất hóa bền

Cơ - lý tính của sợi cốt và râu đơn tinh thể trình bày trong bảng 7.3.

Bảng 7.3: Tính chất sợi cốt và râu đơn tinh thể

Vật liệu Nhiệt độ

chảy hoặchóa mềm, °c

ρ,

t/m3

σB,

MPa

σB/(ρg),

km E,MPa

Đường kính

sợi trung bình, μm

Cacbon hay Gr

3650 1,6÷2 1687÷3374

110÷210 216÷677 5,8÷7,6

B nền vonfram

2300 2,63 2707÷4060

110÷160 373÷402 102-142

Sợi B nhỏ nền W

2300 2,77 2707÷4060

100÷160 373÷412 104

SiC nền W 2200 3,35÷3,46

2236÷3893

67÷120 492÷471 102

A1203 2040 3,14 2030 66 169 3

Thủytinh

2,5 4482 183 89,3

156

Berili 1284 1,85 686÷981 38÷54 295 125÷1600

Vonfram 3410 19,3 1657÷3207

9÷17 420 51÷1270

Thép BHC9 7,8 3800 48 200 160

Râu đơn tinh thể

Safia, A1,03 2040* 3,96 4021÷2363416

100÷620 402÷1010 0,51÷11

Silic cacbua 2690* 3,22 533÷40600 440÷1620

441÷1010 0,51÷11

Trong số các cốt sợi kim loại, dây thép rẻ tiền, có tính công nghệ tốt, được sử dụng khá rộng rãi. Hiện nay, về cơ bản, người ta ứng dụng cốt sợi từ thép không gỉ loại austenit austenit-mactenxit hoặc mactenxit. Mửc độ biến dạng dẻo lớn khi chế tạo sợi sẽ tặo cho chúng mật độ khuyết tật cấu trúc cao và các chỉ tiêu bền cao. Ví dụ dây thép BI1C9 (18X16 H5ALVI3) với đường kính 0,16÷0,3 ram có σB = 3500÷4000 MPa. Nhiệt độ kết tinh lại eao đảm bảo cho các sợi thép, đặc biệt là các sai từ thệp lbại austenit, một độ bền lớn ở nhiệt độ cao.

Khi chế tạo compozit nền nhôm cốt hóa bằng sợi thép, nhiệt độ không được vượt quá 550°C để tránh sự tương tác mạnh giữa cốt và nền. Người ta chế tạo compozit bằng hàn nổ, cán trong chân không, thiêu kết khuếch tán. Để có được sự liên kết bền vững giữa nền và cốt khi sử dụng phương pháp pha rắn, cần thiết phải làm sạch bề mặt tiếp Xúc, phá hủy màng ôxyt.

Các sợi từ kim loại khó chảy (Mo, W, Ta) có độ bền nóng rất cao. Độ bền cao của các sợi này được duy trì đến tận 1200÷16000C, vì thế người ta ứng dụng chúng để cốt hóa các nền bền nóng. Điều đó sẽ nâng cao nhiệt độ làm việc và tuổi thọ các chi tiết từ hợp kim bền nóng. Nhược điểm của các sợi cốt từ kim loại khó chảy là khối lượng riêng của chúng cao.

Các sợi từ berili sẽ có độ bền riêng lớn và khối lượng rièng nhỏ. Cơ tính của sợi phụ thuộc mạnh vào chất lượng bề mặt của nó. Người ta chế tạo dây berili bằng cách ép đùn phôi đúc hoặc phôi bột được bọc ngoài. Niken là vật liệu làm vỏ bọc tốt nhất. Sau khi kéo sợi, người ta khử lớp vỏ bọc và để cải thiện chất lượng, bề mặt dây được đánh bóng điện hóa. Trường hợp kéo sợi để làm cốt trong compozit, người ta sử dụng vật liệu nền làm vỏ bọc và lúc này các nguyên công tẩm thực, đánh bóng dây có thể bỏ qua. Nhiệt độ

157

kết tinh lại cao (700°C) là một tính chất quý của dây berili đã bị biến dạng với mức độ lớn. Hợp lý nhất là sử dụng dây berili để cốt hóa các nền có khối lượng riêng nhỏ, chẳng hạn hợp kim nhôm, magiê .và titan.

Sợi bo được sử dụng rộng rãi để cốt hóa nền kim loại và nền polyme. Chúng có độ bền và độ cứng cao, hướng phá hủy khi nâng cao nhiệt độ nhỏ. Người ta chế tạo sợi bo bằng cách phân giải bo clorua và bromua trong môi trường khí hiđrô:

2BCl3 + 3H2 → 2B + 6HCl

Bo phân giải ở thể khí, được lắng tụ tiếp theo trên sợi vonfram mảnh (d ≈ 12μm) đã được nung nóng. Do tương tác giữa bo và vonfram lồi các sợi bo sẽ bao gồm các voníram borit với thành phần khác nhau: WB, W2B5, WB5. Khi tiếp tục nung nóng, trong thành phần dây về cơ bản chỉ còn lại WB4. Sợi bo tạo thành bằng phương pháp này có d = 70÷200μm.

Độ bền ở nền sợi thấp hơn độ bền của toàn sợi nói chung, ở vùng nền xuất hiện ứng suất kéo. Điều này làm xuất hiện ứng suất dư và hình thành vết nứt hướng kính. Với khối lượng riêng nhỏ, sợi bo có độ bền và môđun đàn hồi cao. Độ bền cao của sợi bo được giải thích bằng cấu trúc tinh thể nhỏ mịn của nó. Tổ chức bề mặt gây ảnh hưởng lớn đến độ bền học với nền nhôm. Để nâng cao độ bền nổng, ngăn ngừa tương tác hóa học với nền, sợi bo thường đượe phủ một lớp bề mặt mỏng 3÷5 mm từ silic cacbua, bo cacbua hoặc nitrua.

Hiện nay, cùng với các sợi bo thuần túy, người ta còn sản xuất các sợi bo được bện với sợi thủy tinh.

Sợi phối hợp kiểu này có tính ổn định cao. Nhược điểm cơ bản của sợi bo là giá thành cao. Người ta có thể hạ giá thành bằng cách tăng thêm đường kính và thay thế sợi mầm vonfram bằng sợi cacbon.

Sợi cacbon môđun cao có độ bền, độ bền riêng lớn và tính ổn định nhiệt của các chỉ tiêu cơ tính. Chúng được chế tạo bằng gia công nhiệt các sợi hữu cơ tổng hợp ở nhiệt độ cao trong mồi trường khí trơ. Phụ thuộc sản phẩm ban đầu, sợi cacbon có các dạng sau: sợi mảnh, dải bện, vải, băng, phớt. Sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất sợi cacbon là các sợi viscô, polyaxilinitril (HAII). Khi nung nóng, sợi hữu cơ tổng hợp phân giải với sự tạo ra các lớp cacbon dạng dải có cấu trúc lục giác gọi là và sợi (mixofibril). Các nhóm vi sợi định hướng giống nhau, ngăn cách nhau bằng các khe hẹp, tạo thành sợi mảnh (fibril). Kích thước theo chiều ngang các sợi mảnh nằm trong một giới hạn rộng, từ một vài phần mười đến phần trăm mixomet. Mỗi sợi cacbon bao gồm hàng nghìn sợi mảnh. Tổ chức sợi cacbon, đặc biệt là sự phân bố tương hỗ của các sợi mảnh, mức độ định hướng của chung phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu: thành phần của cao phân tử, mức độ kéo

158

vuốt, công nghệ tạo ra chúng... Do đó, sợi cacbon tạo thành từ các sợi tổng hợp khác nhau có tính chất khác nhau và ngay cả tương quan giữa độ bền với môđun đàn hồi cũng khác nhau.

Tổ chức và tính chất của sợi cacbon phụ thuộc khá mạnh vào nhiệt độ gia công nhiệt luyện các sợi tổng hợp. Ngoài ra, sự có mặt của các khuyết tật như lỗ hổng, vết nứt cũng ảnh hưởng rất mạnh đến độ bền của sợi. Trị số của đại lượng này giảm đáng kể nếu như kích thước các khuyết tật vượt quá 0,05µm. Khi nung nóng trong không khí quá 4500C, sợi cacbon bị ôxy hóa, còn trong môi trường hoàn nguyên hoặc trung tính, các chỉ tiêu cơ tính của nó giữ được đến tận 22000C.

Những ưu điểm khác của sợi cacbon cần phải kể đến là độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, tính ổn định chống ăn mòn tốt, có khả năng ổn định chốiig sốc nhiệt, hệ số giăn nở nhiệt nhỏ. Các nhược điểm của sợi này là độ dính ướt kém đối với các vật liệu làm nền ở trạng thái nóng chảy. Để cải thiện độ dính ướt, giảm bớt sự tương tác hóa học với nền, người ta tiến hành phủ bọc sợi. Kết qựả nghiên cứu chỉ ra rằng, sự tiếp Xúc .với nền nhôm trở nên tốt hơn khi bề mặt sợi cacbon được phủ lớp titan cacbit hoặc ziriconi cacbit.

Sợi gốm ôxyt, nitrua, cacbit được đặc trưng bởi độ cứng, độ bền, môđun đàn hồi cao, khối lượng riêng không lớn và tính ổn định nhiệt cao.

Từ bảng 7.3 thấy rằng các râu đơn tinh thể có độ bền và tính cứng vững đặc biệt cao. Độ bền đặc biệt cao này được giải thích bởi cấu trúc hoàn thiện của nó với mật độ lệch rất nhỏ. Người ta đã chứng minh rằng sự tăng trường của các râu tinh thể trong quá trình nuôi đơn tinh thể A12O3 và SiO2 là do sự có mặt trong những đơn tinh thể đó một lệch xoắn duy nhất nằm dọc theo trục lớn lên của tinh thể.

Sợi thủy tinh được đặc trưng bởi sự tổng hợp độ bền cao (30005000 MPa), tính ổn định nhiệt và cách điện lớn, độ dẫn nhiệt nhỏ và chống ăn mòn tốí Người ta chế tạo sợi thủy tinh bằng cách nén ép thủy tinh lỏng qua phễu lọc đặc biệt, hoặc kéo sợi từ pha lỏng. Hai dạng sợi thủy tinh được chế tạo là sợi dài liên tục, đường kính 3100 μm, chiều dài đến 20 km hoặc hơn nữa và sợi cắt (stapel) đường kính 0,520 μm, chiều dài 0,010,5 m.

Sợi cắt được sử dụng để chế tạo vật liệu kết cấu với tính chất đồng nhất và các vật liệu cách âm, cách nhiệt. Còn sợi dài, về cơ bản, được dùng chế tạo các compozit độ bền cao, nền phi kim loại. Các sợi dài liên tục hiện tại đang được sẳn xuất với tiết diện ngang hình vuông, hình chữ nhật, hình sau cạnh, nâng cao độ bền, độ cứng vững của compozit nhờ sự sắp xếp định vị bền chắc hơn trong vật liệu.

159

Ứng dụng các sợi hình, rỗng làm giảm khối lượng riêng, nâng cao độ cứng vững khi uốn, độ bền khi nén của vật liệu compozit. Ngoài ra các tính chất cách cản của chủng cũng được cải thiện.

160

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tiếng Việt

1 Lê Công Dưỡng (chủ biên), Vật liệu học; Nhà xuất bản KHKT– 2000

2 2 B.N.ARZAMAXOV (Người dịch: Nguyễn Khắc Cường, Đỗ Minh

Nghiệp, Chu Thiên Trường, Nguyễn Khắc Xương)Vật liệu học; Nhà

xuất bản Giáo dục-2000

3 Nguyễn Đức Lợi (chủ biên), Vũ Diễm Hương, Nguyễn Khắc Xương,

Vật liệu kỹ thuật nhiệt lạnh, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội - 2012

4 Lê Thị Chiều, Vật liệu kim loại kỹ thuật, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà

Nội – 2015.

5 Lê Thị Chiều, Nguyễn Dương Nam; Vật liệu sử dụng trong tàu thủy;

Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội – 2013

6 Nguyễn Đăng Hưng, Kỹ thuật sản xuất vật liệu chịu lửa, Nhà xuất bản

Giáo dục, 1996.

7 Trần Văn Địch, Ngô Tri Phúc, Sổ tay tra cứu mác thép thế giới; Nhà

xuất bản khoa học - kỹ thuật, 2002

I. Tiếng Anh

8 William D, Callister.JR; Materials Science and Engineering; John

Wiley & sons; JNC. 1990

9 Yu.M.Lakhtin (Translated from Russian by Nicholá Weinstein)

Engineering physical metallurgy and heat-treatment; Mir publishers.

Moscow - 1977

10 www.key-to-steel.com

11 ASM Metals Handbook Volum 3 , 2004 Phase Diagram

12 Metals Handbook Vol 9: Metallography and microstructure. p. 627-

643

161

MỤC LỤC

Chương 1. VẬT LIỆU CHỊU LỬA ............................................................................... 3

1.1. Mở đầu và phân loại ........................................................................................ 3

1.2. Các tính chất của vật liệu chịu lửa .............................................................. 4

1.2.1. Tính chất vật lí của vật liệu chịu lửa .................................................. 4

1.2.2.Tính chất sử dụng của vật liệu chịu lửa .......................................... 10

1.3. Các loại vật liệu chịu lửa .............................................................................. 12

1.3.1. Vật liêu Đinat (Silica) ............................................................................ 12

1.3.2. Sản phẩm họ aluminnosilicat ............................................................. 20

1.3.4.Vật liệu chịu lửa Forstenit .................................................................... 25

1.3.5. Vật liệu chịu lửa nhóm spinen ........................................................... 25

1.3.6. Vật liệu chịu lửa đôlômi ....................................................................... 28

1.3.7. Vật liệu chịu lửa sản xuất theo phương pháp nấu chảy ........... 30

1.3.8. Vật liệu chịu lửa trên cơ sở graphit và silic cacbit ..................... 31

1.3.9. Sản phẩm chịu lửa đặc biệt từ các ôxyt tinh khiết ..................... 39

Chương 2. VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT ....................................................................... 42

2.1. Đặc điểm vật liệu cách nhiệt ....................................................................... 42

2.2. Vật liệu chịu lửa cách nhiệt và phương pháp sản xuất ..................... 42

2.2.1. Phương pháp dùng phụ gia cháy ...................................................... 43

2.2.2. Phương pháp tạo bọt khí ..................................................................... 44

2.3. Vật liệu cách nhiệt vô cơ .............................................................................. 45

2.3.1. Điatômit và trêpen ................................................................................. 45

2.3.2. Amiăng ........................................................................................................ 45

2.4. Vật liệu cách nhiệt hữu cơ ........................................................................... 47

2.4.1. Tấm cói ....................................................................................................... 47

2.4.2. Fibrôlit ........................................................................................................ 47

2.4.3. Tấm cách nhiệt bằng sợi gỗ ................................................................ 48

2. 4. 4. Tấ m vỏ bào .................................................................................................... 48

162

2.4.5. Sản phẩm cách nhiệt bằng than bùn ............................................... 48

Chương 3. VẬT LIỆU KIM LOẠI CHỊU NHIỆT.................................................... 50

3.1. Khái niệm, phân loại gang và thép ........................................................... 50

3.1.1. Khái niệm, phân loại gang ................................................................... 50

3.1.2. Khái niệm, phân loại thép .................................................................... 51

3.2. Thép và hợp kim đặc biệt ............................................................................ 55

3.2.1. Thép không gỉ........................................................................................... 55

3.2.2. Hợp kim có điện trở lớn để làm dây đốt nóng ............................. 57

3.3. Vật liệu ổn định nóng và bền nóng .......................................................... 58

3.3.1. Vật liệu ổn định nóng ............................................................................ 58

3.3.2 Vật liệu bền nóng ......................................................................................... 62

3.4. Hợp kim màu .................................................................................................... 76

3.4.1. Hợp kim nhôm ......................................................................................... 76

3.4.2. Hợp kim đồng ........................................................................................... 84

3.4.3. Hợp kim Titan .......................................................................................... 94

Chương 4.ĐẶC ĐIỂM VẬT LIỆU CHỊU LẠNH .................................................. 100

4.1. Đặc điểm làm việc và yêu cầu của vật liệu chịu lạnh ...................... 100

4.2. Vật liệu kim loại chịu lạnh ........................................................................ 102

4.3. Vật liệu chịu lạnh phi kim loại ............................................................ 107

Tính chất vật lí và cơ học .............................................................................. 110

Chương 5.VẬT LIỆU CÁCH NHIỆT LẠNH ........................................................ 113

5.1. Đại cương ........................................................................................................ 113

5.2. Một số phương pháp cách nhiệt lạnh................................................... 114

5.2.1. Cách nhiệt bằng bọtxôp ..................................................................... 114

Cách nhiệt bằng điển đẩy, nhét đầy .......................................................... 114

5.1.2. Phương pháp cách nhiệt lạnh chân không ................................. 115

5.3. Các tính chất của vật liệu cách nhiệt .................................................... 116

Các yêu cầu đối với vật liệu cách nhiệt lạnh .......................................... 116

Độ khuếch tán ẩm qua vật íiệu cách nhiệt .................................................. 124

Một số tính chất khác ..................................................................................... 125

Gây nấm mốc và các ioại kí sinh trùng ......................................................... 125

163

5.4. Một số vật liệu xây dựng thông dụng ................................................... 126

5.4.1. Vật liệu xây dựng ................................................................................. 126

5.4.2. Vật liệu cách nhiệt ............................................................................... 128

5.4.3. Vật liệu cách ẩm ................................................................................... 131

5.5. Các phương pháp cách ẩm ....................................................................... 132

Sử dụng lớp cách ẩm ........................................................................................... 133

Tăng hệ số trở kháng khuếch tán ẩm của vật liệu ................................... 134

Sử dụng lớp vữa trát phía trong buồng lạnh có độ khuếch tán ẩm lớn135

5.6. Cấu trúc cách nhiệt và độ dày cách nhiệt ........................................... 135

5.6.1. Cấu trúc cách nhiệt .............................................................................. 135

5.6.2. Độ dày cách nhiệt................................................................................. 136

Chương 6. VẬT LIỆU HÚT ẨM ............................................................................. 139

6.1. Đại cương ........................................................................................................ 139

6.2. Các vật liệu hút ẩm chính .......................................................................... 140

6.2.1. Nhiệm vụ của vật liệu hút ẩm.......................................................... 140

6.2.2. Yêu cầu đối với vật liệu hút ẩm ...................................................... 140

6.2.3. Nguyên tắc hút ẩm............................................................................... 141

6.2.4. Các vật liệu hút ẩm dựa trên liên kết cơ học ............................. 141

- Các chất hấp thụ ........................................................................................... 144

- Các chất phản ứng hóa học với nước ................................................... 144

Chương 7.VẬT LIỆU COMPOZIT ......................................................................... 145

7.1. Khái niệm và phân loại .............................................................................. 145

7.2. Các phương pháp hóa bền ........................................................................ 147

7.3. Lựa chọn và ứng dụng vật liệu compozit ............................................ 148

7.3.1 Vật liệu compozit hóa bền phân tán .............................................. 148

7.3.2 Vật liệu compozit cốt sợi.................................................................... 151

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 160