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 1Hình 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

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.

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>