Việc nghiên cứu xác định “vùng cửa sổ” trong công nghệ chế tạo gang cầu ADI là rất cần thiết… Continue reading Xác định “Vùng cửa sổ” trong công nghệ chế tạo gang cầu Austempered ductile Iron (ADI) bằng phương pháp giãn nở nhiệt
59
Tag: gang cầu ADI
53
Gang cầu tôi đang nhiệt (ADI) chứa hàm lượng silic cao
Bài báo này giới thiệu một phương pháp chế tạo gang cầu tôi đẳng nhiệt (ADI) có tổ chức song pha.
Continue reading Gang cầu tôi đang nhiệt (ADI) chứa hàm lượng silic cao
21
Tổ chức AUS-FERIT trong gang cầu 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.
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
13
Gang cầu tôi đẳng nhiệt sử dụng đồng làm nguyên tố hợp kim
Gang cầu ủ đẳng nhiệt đã chứng tỏ là một vật liệu có những tính chất tuyệt vời: độ bền cao, độ dai và dãn dài tốt đồng thời với tính chịu mài mòn và khả năng gia công cơ. Những tính chất trên có thể đạt được bằng cách nhiệt luyện thích hợp.
Austempered ductile iron (ADI) alloyed with copper
Nguyễn Hữu Dũng
Khoa khoa học và công nghệ vật liệu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội
TÓM TẮT
Gang cầu tôi đẳng nhiệt là một vật liệu có độ bền và độ dẻo dai cao, kết hợp với tính chóng mài mòn và khả năng gia công tốt. Chế độ nhiệt luyện thích hợp sẽ tạo một tổ chức tế vi tối ưu cho mỗi thành phần của gang. Trong bài này sẽ giới thiệu kết quả xử lý nhiệt gang cầu hợp kim hoá bằng 0,33% Cu. Kết quả cho thấy độ bền, độ dãn dài và độ cứng của gang phụ thuộc vào lượng bainit-ferit và austenit dư. Trên cơ sở đó đã thiết lập chế độ xử lý thích hợp của cửa sổ quá trình là: ủ ở (380-400) °C trong (1,5-2)h. Cơ tính của gang đạt được là: giới hạn bền 970 MPa, độ dãn dài 6%.
ABSTRACT
Austempered ductile iron (ADI) is an excellent material as it possesses attractive properties: high strength, duc- tility, toughness which are combined with good wear resistance and machinability. These properties can be achieved upon adequate heat treatment which creates the optimal microstructure for a given chemical composi- tion. This paper presents some results of austempering ADI alloyed with 0,33% Cu for a range of time and tem- perature. The results show that the strength, elongation and hardness of ADI depend on the amount of bainite-fer- rite and retained austenite amount. Based on theses results, an optimal processing window was established: austempering time is (1,5-2,0) hours, austempering temperature (380-400) °C. Mechanical properties of ADI: strength 970 MPa, elongation 6%.
1. Đặt vấn đề
Gang cầu ủ đẳng nhiệt đã chứng tỏ là một vật liệu có những tính chất tuyệt vời: độ bền cao, độ dai và dãn dài tốt đồng thời với tính chịu mài mòn và khả năng gia công cơ. Những tính chất trên có thể đạt được bằng cách nhiệt luyện thích hợp. Chế độ nhiệt luyện thích hợp sẽ cho một cấu trúc tối ưu với mỗi thành phần của gang cầu. Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu ủ đẳng nhiệt gang cầu có chứa 0,33% Cu phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ tôi đẳng nhiệt. Các kết quả đã chỉ ra rằng, độ bền, độ dãn dài và độ cứng của gang cầu phụ thuộc vào lượng ferit-bainit và lượng austenit dư trong gang. Dựa vào các số liệu trên, đã dự đoán được cửa sổ của quá trình tối ưu.
Quá trình nhiệt luyện gang cầu ADI được chia làm 2 giai đoạn (hình 1). Kết thúc của giai đoạn 1 tương ứng với thời điểm mà lượng ferit-bainit và quá trình làm giàu austenit đạt giá trị cực đại. Kết thúc giai đoạn 2 tương ứng với điểm bắt đầu tiết ra cacbit. Khoảng thời gian giữa 2 giai đoạn trên gọi là cửa sổ của quá trình (window of processing). Trong khoảng thời gian này, hình thái học, thành phần hoá học của ferit-bainit và cấu trúc austenit ổn định và sự thay đổi hầu như không đáng kể. Việc mở rộng vùng cửa sổ này phụ thuộc vào nhiều yêu tố như thành phần hoá học, kiểu thiên tích, nhiệt độ austenit hoá và nhiệt độ tôi.
Mangan là nguyên tố có ảnh hưởng mạnh đến cửa sổ quá trình. Nếu hàm lượng Mn cao có thể làm thu hẹp và thậm chí là thủ tiêu vùng cửa sổ này do mangan làm cho giai đoạn 1 và 2 chồng lên nhau. Cửa sổ của quá trình hẹp có nghĩa là gang rất khó có thể đạt được tính chất cơ học cao do việc chồng lấn của hai giai đoạn nói trên. Mactenxit sẽ xuất hiện ỏ vùng austenit nghèo cacbon, cacbit xuất hiện ở vùng có giai đoạn 2 xảy ra sớm hơn do có hiện tượng thiên tích.
Hình 1. Cửa sổ quá trình luyện gang ADI
Tính chất cơ học của gang cầu ADI phụ thuộc vào cấu trúc sau nhiệt luyện của gang. Cấu trúc này lại là hàm số của thời hạn và nhiệt độ của quá trình. Đã có nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào xem xét ảnh hưởng cua thành phần hoá học các nguyên tố hợp kim đến cấu trúc, tính chất và hiệu ứng nhiệt luyện của gang ADI. Trong số các nguyên tố có ảnh hưởng mạnh đến cấu trúc của gang phải kể đến môlipđen và đồng. Các nguyên tố này đều làm mở rộng vùng austenit của giản đồ trạng thái: một mặt nâng cao tốc độ chuyển biến trong quá trình nung, đồng thời cũng nâng cao hàm lượng cacbon trong nền hợp kim. Mặt khác, trong quá trình tôi tiếp theo, chúng còn có thể kiềm chế việc hình thành cacbit. Môlípđen là nguyên tố rất đắt, bởi vậy việc nghiên cứu thay thế Mo bằng các nguyên tố khác, thí dụ Cu là vấn đề vô cùng cần thiết đối với Việt Nam.
2. Thực Nghiệm
Hình 2. Qui trình chế tạo gang ADI
Dùng phối liệu là gang thỏi Canada, hồi liệu, thép vụn, ferô-cacbon và các loại ferô khác. Thiết bị nấu là lò cảm ứng cao tần dung tích 1000 kg. Hợp kim trung gian FeSiMg5 dùng 2,0% so với gang lỏng.
Biến tính dùng
C=4,329%; Si=2,753%; Mn=0,117%,
p=0,029%; S=0,013%; Cr=0,036%;
Ni=0,067%; Cu=0,33%; Mg=0,066%.
Gang lỏng được rót vào khuôn để đúc mẫu thử cơ tính (hình 3), sau đó gia công thành mẫu thử bền kéo tiêu chuẩn hình chữ I. Các mẫu thử cơ tính sau đó được ủ austenit hoá ở 900°C trong khoảng thời gian 2 giờ rồi chuyển nhanh sang bể muối ở các nhiệt độ 300; 350; 380 và 400°C và duy trì ở các nhiệt độ đó trong khoảng thời gian 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 và 4,0 giờ. Sau đó làm nguội xuống nhiệt độ phòng (hình 2).
Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng gang cầu là giới hạn bền kéo, độ dãn dài, độ cứng và lượng austenit dư trong tổ chức kim loại.
