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.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Thời gian tôi đẳng nhiệt và hàm lượng austenit

   Hình 4 mô tả quan hệ giữa thời gian giữ đẳng nhiệt và hàm lượng austenit trong gang ở các nhiệt độ khác nhau. Các đường mô tả đều có điểm cực đại tại khoảng thời gian 2 giờ. Như vậy quá trình chuyển biến chia làm 2 cơ chế: cơ chế chuyển biến trước 2 giờ và cơ chế sau 2 giờ giữ nhiệt.

Hình 3. Khuôn đúc mẫu thử cơ tính

Hình 4. ảnh hưởng của thời gian tôi đẳng nhiệt tới lượng austenit trong gang

   Nếu thời gian giữ nhiệt nhỏ hơn 2 giờ, lượng austenit tăng cùng với thời gian. Điều này có thể giải thích là chuyển biến austenit không xảy ra hoàn toàn, vùng austenit có hàm lượng Si thấp và hàm lượng C cao, thí dụ như vùng nằm giữa các hạt graphit, sẽ không có chuyển biến, thành ferit- bainit trong khoảng thời gian chưa đủ dài, austen- it vẫn còn dư và tổ chức mactenxit vẫn tiếp tục hình thành, trong khi tiếp tục làm nguội từ nhiệt độ tôi xuống nhiệt độ môi trường. Nếu thời gian tôi đẳng nhiệt kéo dài hơn một chút, hàm lượng austenit tăng cùng thời gian đến giá trị 2 giờ thì dừng lại. Nếu thời gian tôi kéo dài trên 2 giờ thì lượng austenit dư sẽ giảm đi. Trong điều kiện này, austenit sẽ chuyển hết thành ferit-bainit và cacbit. Hàm lượng austenit dư giảm rõ rệt hơn cả khi nhiệt độ tôi đẳng nhiệt là 400°C. Việc tồn tại austenit dư sẽ có ảnh hưởng rất mạnh đến tính chất của ADI sẽ được trình bày ở phần sau đây.

3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đẳng nhiệt tới cơ tính, tổ chức của gang cầu

Hình 5. Nhiệt độ tôi đẳng nhiệt và giới hạn bền của gang cầu ADI Hình 7. ảnh hưởng của nhiệt độ đẳng nhiệt tới độ cứng của gang cầu ADI

Hình 6. Nhiệt độ tôi đẳng nhiệt và độ dãi dài của gang cầu ADI

   Các kết quả nghiên giới hạn cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đẳng nhiệt tới bền kéo; độ dãn dài và độ cứng của gang được minh hoạ trên hình 5, 6 và 7.

   Khi nhiệt độ đẳng nhiệt thấp hơn 480°C, giới hạn bền và độ dãn dài đều tăng cùng nhiệt độ. Điều này có thể giải thích qua ảnh tổ chức kim loại mà cụ thể là việc hình thành tổ chức ferit-bainit hình kim, một ít mactenxit và austenit dư. Cấu trúc ferit-bainit tấm mịn và lượng austenit dư thấp sẽ làm cho độ bền tăng. Khi nhiệt độ tôi đẳng nhiệt tăng lên, pha mactenxit sẽ dần biến mất và số lượng austenit dư sẽ tăng lên. Sự thay đổi này sẽ làm cho độ bền giảm đi. Độ dãn dài đạt giá trị cực đại ở 380°C cũng trùng hợp với số liệu trên hình 3, tức là đúng với giá trị lượng austenit dư là lớn nhất.

   Theo những kết quả đã trình bày trên, giá trị tối ưu của cửa sổ quá trình sẽ là: tôi đẳng nhiệt ở 380°C trong 2 giờ. Giới hạn bền sẽ đạt được xấp xỉ 950 MPa và độ dãn dài xấp xỉ 5 %. Các tính chất này cũng phù hợp với cấu trúc có chứa ferit-bainit dạng tấm và austenit dư chiếm khoảng 20%. So sánh các giá trị này với giá trị cửa sổ quá trình dùng Mo (độ bền 1300 MPa, dãn dài 3 %) mà không dùng Cu làm nguyên tố hợp kim, thấy rõ là, dùng Cu làm nguyên tố hợp kim sẽ làm giảm giới hạn nhưng lại cải thiện được độ dãn dài của gang ADI. Trong khoảng nhiệt độ 310°C đến 380°C thì giới hạn bền kéo và độ dãn dài đều tăng. Khi vượt quá 380°C đến 400°C thì giới hạn bền kéo và độ dãn dài đều giảm. Trong khi đó độ cứng của gang cầu giảm dần, quy luật này rất phù hợp với thực tế và các kết quả nghiên của các tác giả nước ngoài về công nghệ sản xuất gang cầu ADI. Rõ ràng tại nhiệt độ 380°C, thời gian 1,5 giờ đã đạt được chế độ tối ưu khi giới hạn bền kéo tăng đến 950 MPa, độ dãn dài cũng tăng và đạt 5%.

Hình 8. Tổ chức nền kim loại và graphit của gang cầu (T=400°C, thời gian 1,5 h)

   Cơ tính của gang cầu sau khi nhiệt luyện phụ thuộc vào nền kim loại. Trong vùng (310-400) °C. xẩy ra chuyển biến bainit. Tuy nhiên, ở đây tổ chức nhận được là ferit-bainit, ngoài ra còn có austenit dư chưa chuyển biến và thêm cacbit dư. Chính vì vậy mà cơ tính của gang cầu ADI rất khác nhau, nó phụ thuộc vào tổ chức các pha tồn tại sau khi nhiệt luyện.

3.3. Ảnh hưởng của thời gian giữ đẳng nhiệt tới cơ tính, tổ chức của gang cầu

   Các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đẳng nhiệt tới cơ tính, của gang cầu được thể hiện trên hình 9; hình 10 và hình 11.

Hình 9. Thời gian giữ đẳng nhiệt và giới hạn bền kéo của gang cầu ADI

Hình 10. Thời gian giữ đẳng nhiệt và độ dãn dài của gang cầu

Hình 11. Thời giữ đẳng nhiệt và độ cứng của gang cầu ADI

   Rất dễ nhận thấy là sự tiết pha cacbit đều đi kèm với chuyển biến thành ferit-bainit ở nhiệt độ tôi thấp. Khoảng thời gian tôi đẳng nhiệt có ảnh hưởng mạnh nhất đến độ dãn dài thông qua quá trình hình thành austenit dư. Trên hình 9, khi thời gian tôi đẳng nhiệt nhỏ hơn 2 giờ, lượng austenit dư tăng theo thời gian, có nghĩa là, độ dãn dài cũng tăng theo thời gian. Khi thời gian tôi kéo dài hơn 2 giờ, lượng austenit dư giảm đi và đã có một phần chuyển thành ferit-bainit và bởi vậy độ dãn dài cũng giảm theo thời gian tôi.

3.4. Nhận xét

   Qua nghiên cứu ảnh hướng của thời gian giữ đẳng nhiệt tới cơ tính, tổ chức của gang trên đây thấy rằng:

   Khi thời gian giữ đẳng nhiệt tăng từ 1h đến 2h thì giới hạn bền kéo và độ dãn dài đều tăng, thời gian tôi đẳng nhiệt 2 giờ có thể đạt được các giá trị: độ bền σ_b = 975 MPa, độ dãn dài δ = 6 %: phù hợp với quy luật khi thay đổi nhiệt độ đẳng nhiệt, trong khi ấy độ cứng của gang cầu lại giảm phù hợp với thực tế.

   Ở đây có thể nhận thấy tại thời gian giữ đẳng nhiệt 2 giờ, nhiệt độ 380°C là điểm tối ưu. Tuy nhiên, giá trị này chỉ đúng với gang cầu ADI dùng Cu làm nguyên tố hợp kim.

   Do vậy, khi xem xét chế độ nhiệt luyện (ảnh hường của thời gian giữ đẳng nhiệt tới cơ tính, tổ chức của gang cầu), cần nghiên cứu tiếp ảnh hưởng của hàm lượng Cu đến cửa sô cua quá trình.

Hình 12. Tổ chức nền kim loại và graphit (T=360°C, thời gian - 1,5h)

   Cơ tính của gang cầu sau khi nhiệt luyện phụ thuộc vào nền kim loại. Nghiên cứu bán chất của quá trình nhiệt luyện là nghiên cứu động học của quá trình (nhiệt độ và thời gian). ứng với mỗi một cực độ nhiệt luyện tức là nhiệt độ và thời gian khác nhau ta sẽ nhận được các tổ chức pha khác nhau (tỷ lệ % pha khác nhau). Vì vậy mà cơ tính của gang cầu cũng khác nhau.

4. Kết luận

   Từ những kết quả nghiên cứu về gang cầu ADI chứa 0,40 % Cu, có thể rút ra những kết luận sau đây:

   Cấu trúc ở trạng thái đúc của gang dùng thí nghiệm chủ yếu là peclit (trên 70%), mức độ cầu hoá đạt trên 90 %.

   - Độ bền, độ dãn dài và độ cứng của gang phụ thuộc vào lượng ferit-bainit và austenit dư trong gang, những thông số này lại phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ tôi đẳng nhiệt.

   - Độ bền, độ dãn dài và độ cứng của gang phụ thuộc vào lượng ferit-bainit và austenit dư trong gang, những thông số này lại phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ tôi đẳng nhiệt.

   - Đối với gang chứa 0,40 % Cu, cửa sổ quá trình được thiết lập là nhiệt độ tôi 380°C, thời gian 2 giờ. Cấu trúc đạt được là ferit-bainit, austenit dư và một ít mactcxit. Giới hạn bền kéo cực đại đạt được là 975 MPa, độ dãn dài xấp xỉ 6 %.

   - Dùng Cu là nguyên tố hợp kim có thể cải thiện được độ dãn dài nhưng lại làm giảm độ bền của gang AOI so với khi dùng Mo là nguyên tố hợp kim.

[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]

1. Nguyễn Hữu Dũng, Lý thuyết các quá trình đúc, NXB KHKT, 2001, tr. 300
2. Nguyễn Văn Thái, Báo cáo chuyên đề về gang ADI, ĐHBKHN, 2005
3. R.C Thomson, Modelling microsostructural evalution and mechanical properties of austempered ductile iron, http://www.google.com
4. P. J. J, Low temperature impact test in austempered ductile iron and other spheroidal graphite calst iron struc- ture, http://www.google.com
5. Hoàng Trung Thông, Đồ án tốt nghiệp kỹ sư, ĐHBK Hà Nội, 2005

[/symple_box][symple_clear_floats]