Bài báo này đề cập đến chế độ xử lý nhiệt để tạo ra các dạng tổ chức tế vi khác nhau với cơ tính khác nhau của gang cầu ADI.
AUS-FERITE structure in austempering ductile iron (ADI)
Phùng Thị Tố Hằng
ĐH Bách khoa Hà Nội
Lại Minh Dũng
Tổng công ty Máy động lực và máy nông nghiệp VN
TÓM TẮT
Gang cầu ADI với cơ tính có thể điều chỉnh trong một phạm vi rộng, với tính đúc tốt, có độ bền cao kết hợp với độ dẻo cao, là vật liệu lý tưởng hiện nay để chế tạo trục khuỷu trong động cơ ôtô có tải trọng lớn. Các tính chất trên có được nhờ phương pháp nhiệt luyện đặc biệt tạo ra tổ chức aus-ferit: tổ chức kết hợp giữa austenit ổn định với ferit dạng kim (vitmanstet) hoặc hỗn hợp ferit dạng kim và ferit đa cạnh nhỏ mịn. Bài báo này đề cập đến quan hệ giữa 2 dạng tổ chức này với cơ tính của nó đáp ứng điều kiện làm việc của chi tiết như trục khuỷu của động cơ ôtô.
ABSTRACT
Austempering Ductile Iron (ADI) has mechanical properties which can change in a wide range. This material combining good castability highstrength and plasticity is recently an exellent material for crankshaft of high loading automobile. There properties of ADI are avaiable due to special heat treatting for Aus-ferrite microstructure: a com- bination between stable Austenite and needle Feritte or between stable Austenite and mix of needle Feritte and polygonal fine Feritte (Widmanstandten) or betwen austenite and mixture of feritte. In this paper the relationship between these two types of microstructure, and its related mechanical properties, according to working conditons of automobile crankshaft will be discussed.
1. Mở đầu
Gang cầu ADI được nghiên cứu và ứng dụng nhiều ở một số nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Đức, Nhật bản trong lĩnh vực ôtô làm các chi tiết chịu mỏi cao, có hình dạng phức tạp như trục khuỷu, càng treo, bánh răng pha phối khí động cơ [4] [5]… Cơ tính của ADI được quyết định trước hết bởi nền kim loại. Nền của gang cầu thông thường là hỗn hợp peclit và ferit, sau nhiệt luyện nhận được tổ chức mactenxit ram làm tăng khả năng chống mài mòn nhưng kém dẻo dai, đồng thời biến dạng lớn, không thích hợp cho những chi tiết có hình dạng phức tạp, làm việc trong điều kiện chịu va đập. Để cải thiện cơ tính, gang cầu truyền thống thường nhiệt luyện để nhận được tổ chức bainit, tổ chức này là hỗn hợp của ferit kim với cacbít nhỏ mịn có độ dẻo cao, biến dạng nhỏ, nhưng vẫn chưa đáp ứng được cơ tính của các chi tiết làm việc trong điều kiện mài mòn, va đập và chịu tải lớn.
Việc ra đời của gang cầu ADI, với chế độ xử lý nhiệt đặc biệt đã tạo ra tổ chức hỗn hợp giữa austenit ổn định với ferit dạng kim hoặc tấm đã tạo ra cơ tính tuyệt vời cho loại gang này. Để có tổ chức này, gang cầu ADI phải được hợp kim hoá thêm các nguyên tố tăng tính ổn định các tổ chức tế vi mong muốn. Thông thường loại gang này được hợp kim hoá thêm Ni ((2%), Cu ((0,4%), trong đó Ni được đặc biệt chú ý. Đó là nguyên tố làm tăng tính ổn định của austenit, hoá bền ferit, làm đường cong chữ “C” dịch sang phải, làm giảm tốc độ nguội tới hạn và hạ thấp điểm chuyển biến máctenxit. Các đặc điểm này giúp cho gang ADI khi xử lý nhiệt có thể giữ đẳng nhiệt trong một thời gian dài ở vùng trên nhiệt độ chuyển biến mactenxit, một phần austenit chuyển biến thành ferit và phần austenit còn lại được ổn định. Đồng là nguyên tố làm tăng khả năng graphit hoá, tăng độ chảy loãng, giảm độ co ngót khi đúc, đồng còn làm tăng môđun đàn hồi, giảm tính giòn của cácbit, tăng tính cắt gọt và độ bền, mặc dù hàm lượng của đồng trong gang ADI không lớn. Điều chỉnh chế độ nhiệt luyện để có được tổ chức tế vi aus-ferit với tỷ lệ nhất định của 2 pha, với hình dạng khác nhau của ferit là mục tiêu để có được cơ tính đặc biệt của ADI. Bài báo này đề cập đến chế độ xử lý nhiệt để tạo ra các dạng tổ chức tế vi khác nhau với cơ tính khác nhau của gang cầu ADI.
2. Thực nghiệm
Các nghiên cứu được thực hiện trên gang cầu sau khi đúc được kiểm tra thành phần hoá học như nêu trong bảng 1(1) [7]. Độ bền phải đạt trên 800MPa, độ dẻo trên 2%, độ cứng từ (190- 230)HB, mức độ cầu hoá phải đạt trên 80%, đường kính cầu (25-60) μm, tổ chức tế vi phải đảm bảo tỷ lệ ferit/peclit thích hợp, không tồn tại cácbit và xementit. Mẫu nghiên cứu tổ chức tế vi và độ cứng có kích thước 20x20x30mm; các mẫu thử kéo, mỏi được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM của Mỹ. Sau đó các mẫu ADI được tôi đẳng nhiệt theo hai chế độ khác nhau (chế độ 1 và 2). Nghiên cứu sự phụ thuộc của tổ chức tế vi của gang cầu ADI vào chế độ nhiệt (nhiệt độ và thời gian giữ đẳng nhiệt) cho phép đánh giá hiệu quả của chế độ đẳng nhiệt đối với cơ tính của ADI .
Chế độ nhiệt luyện 1: Austenít hoá ở (880- 900) °C, τgiữ = 30 phút, quá nguội trong muối nóng chảy ở 320°C, giữ nhiệt với các thời gian khác nhau, sau đó làm nguội ngoài không khí.
Hình 1. Giản đồ pha của ADI với 1,5% Ni
