Sự austenit hóa gang cầu ở nhiệt độ cao

Việc nghiên cứu quá trình austenit hóa gang cầu là vấn đề rất quan trọng, đặc biệt là quá trình chế tạo gang cầu chất lượng cao, thí dụ là gang cầu ausferit.

Austenization of ductile iron at high temperature

Quách Tất Bát Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim Thái Nguyên Nguyễn Văn Thái, Nguyễn Hữu Dũng Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tóm tắt

    Đã nghiên cứu sự thay đổi thành phần hóa học trong tổ chức tế vi và tính chất của gang cầu ở nhiệt độ và thời gian austenit hóa khác nhau làm cơ sở để lựa chọn chế độ austenit hóa tối ưu cho từng công nghệ nhiệt luyện; đặc biệt, cho chế độ tôi đẳng nhiệt, nhằm chế tạo ra gang cầu có cơ tính theo yêu cầu.

Abstract

    The variation of chemical compositions and properties of the ductile iron during austenization was studied. It is essential to select a austenization process for conventional heat treatment methods, especially for the iso ther mal quenching, to obtain the ductile iron with required properties.

1. Đặt vấn đề

    Đã có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình austenit hóa đối với gang cầu trong quá trình nhiệt luyện /1,2,3,4,5/. Quá trình austenit hóa gang cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần hóa học của gang, chiều dày thành vật đúc, hình dạng, phân bố và kích thước graphít, tổ chức và sự thiên tích các nguyên tố trong nền kim loại ở trạng thái đúc, nhiệt độ và thời gian austenít hóa. Do vậy, việc nghiên cứu quá trình austenit hóa gang cầu là vấn đề rất quan trọng, đặc biệt là quá trình chế tạo gang cầu chất lượng cao, thí dụ là gang cầu ausferit.

2. Thực nghiệm

    Gang xám được nấu trong lò cảm ứng trung tần axít, dung tích 750kg/mẻ, biến tính cầu hóa bằng hợp kim trung gian VE08-099 theo phương pháp Sandwich. Thành phần hóa học (%) của gang cầu như sau:

    C=3,76; Si= 2,44; S = 0,015; P= 0,0056; Mn= 0,36; Ni= 0,89; Cr= 0,11; Mo= 0,12; Cu= 0,61; Mg= 0,036.

    Mẫu đúc thí nghiệm hình chữ Y theo tiêu chuẩn ASTM A439-83 đúc trong khuôn cát-sét. Mẫu dùng để nghiên cứu quá trình austenít hóa gang được cắt từ mấu Y có kích thước 25x25x20, sau đó nung ở các nhiệt độ 870, 900, 930°C với các thời gian giữ đẳng nhiệt 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120 phút. Mẫu được tôi trong nước lạnh có nhiệt độ không đổi 30°C. Dùng thiết bị phân tích quang phổ phát xạ để xác định thành phần hóa học của gang. Dạng graphít và tổ chức nền kim loại và được xác định trên kính hiển vi quang học Axiovert với phần mềm ImagPro plus, còn mức độ cầu hóa được xác định theo tiêu chuẩn ΓOCT 3443-77. Xây dựng giản đồ trạng thái mác gang nghiên cứu theo phương pháp Thermocalc dựa trên phần mềm IMAGE-PEOPLUS.

    Đã dùng phương pháp phân tích phổ EDX theo điểm và EDS theo đường để xác định thành phần và sự phân bố của các nguyên tố trong tổ chức nền (ở các điểm xác định và giữa hai hạt graphít cầu) của gang sau khi austenit hóa. Việc xác định độ cứng của gang được tiến hành theo phương pháp Rockwell trên thiết bị đo độ cứng TK-14-250- T41 và thiết bị JEOL-JSM6490, JED2300.

3. Kết quả và thảo luận

3.1 Mức độ cầu hóa graphít và tổ chức nền của gang cầu nghiên cứu

    Dạng, sự phân bố, mức độ cầu hóa của graphít cũng như thành phần tổ chức nền kim loại của gang được thể hiện trên hình 1.

Hình 1 và 2

    Từ đó, đã xác định: mức độ cầu hóa đạt >90%, tổ chức nền kim loại bao gồm 75% peclit và 25% ferít. Với mức độ cầu hóa >90% và tổ chức nền gồm 75% peclit thì quá trình hòa tan cacbon vào trong austenit tương đối thuận lợi vì quãng đường khuếch tán của cacbon từ các tấm cacbit trong peclít sẽ ngắn hơn so cacbon từ graphit khi tổ chức nền chủ yếu là ferit /1,2/.

3.2. Sự thiên tích các nguyên tố trong gang cầu sau khi austenit hóa ở 900°C với các thời gian giữ khác nhau

Hình 3 và 4

    Hình 2, 3 và 4 đã chỉ ra sự phân bố các nguyên tố trong tổ chức nền kim loại của gang giữa hai hạt graphít cầu khi austenít hóa gang ở 900°C, sau thời gian giữ nhiệt là 30, 60 và 90 phút. Mẫu thí nghiệm được làm nguội nhanh trong nước nên các nguyên tố hầu như không bị khuếch tán và giữ được trạng thái như khi austenít hóa.

    Từ các hình đã nêu cho thấy: sự phân bố các nguyên tố C, Si và các nguyên tố hợp kim như Cr, Mo, Ni, Cu tương đối đồng đều trong nền kim loại gang. Từ đó, có thể khẳng định thành phần hóa học gang đã chọn thích hợp cho quá trình chế tạo gang cầu có độ dẻo dai tốt như gang cầu ADI và có thể dùng phương pháp phân tích phổ EDS theo từng điểm để đánh giá thành phần tổ chức tế vi cho kết quả đáng tin cậy.

3.3 Sự thay đổi thành phần và tổ chức tế vi trong điều kiện nghiên cứu trên giản đồ trạng thái của gang

Hình 5. Giản đồ trạng thái của gang nghiên cứu

    Dựa vào giản đồ trạng thái (hình 5), không những có thể xác định được nhiệt độ austenít hóa thích hợp, thành phần pha và tổ chức tế vi trong gang mà còn có thể xác định chính xác %C ở các điểm tới hạn: hàm lượng C trong peclít là 0,51%, hàm lượng C bão hòa trong austenit ở các nhiêt 870°C, 900°C và 930°C tương ứng là 0,77, 0,86 và 0,93%.

    Với kết quả phân tích thành phần trong tổ chức nền kim loại bằng phương pháp phổ EDS theo điểm, cho phép xác định %C trung bình của các điểm ở nhiệt độ austenit hóa 870, 900, 930°C với thời gian 30, 45, 90 và 105 phút.

3.4. Sự thay đổi tổ chức tế vi và độ cứng của gang cầu sau tôi phụ thuộc vào điều kiện austenit hóa

    Sự thay đổi hàm lượng C theo nhiệt độ và thời gian austenít hóa được thể hiện trên hình 6.

Hình 6. Quan hệ giữa hàm lượng cácbon trong tổ chức nền với nhiệt độ và thời gian austenit hóa khác nhau

Hình 6. Tổ chức tế vi của gang cầu sau khi tôi, nhiệt độ austenit ở 900°C với thời gian giữ nhiệt khác nhau

    Khi tăng nhiệt độ austenít hóa, mức độ hòa tan cácbon vào austenit sẽ tăng nhanh hơn và giá trị C bão hòa austenít sẽ lớn hơn. Tăng thời gian giữ nhiệt ở cùng một nhiệt độ austenít hóa, mức độ hòa tan cácbon vào austenit sẽ tăng tới một giá trị bão hòa và sau đó không thay đổi nữa. Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian austenit tới tổ chức (hình 6) và tính chất của gang cầu (hình 7), đã tiến hành tôi mẫu ở các chế độ austenít hóa khác nhau. ở 900°C với thời gian austenit hóa 30 phút ta thấy trong lớp tổ chức máctenxít sau tôi còn khá nhiều ferít quanh graphít cầu là do %C trong austenit ban đầu quá thấp, sau đó đến 45 phút thì hầu như austenit đã chuyển sang tổ chức mactenxit, nếu giữ tới 90 phút thì lúc này lượng austenit dư sau tôi đã tăng bởi vì austenit bão hòa rất nhiều cacbon như hình 6 đã chỉ rõ, nên nó rất ổn định.

Hình 7. Quan hệ giữa độ cứng với nhiệt độ, thời gian austenit hóa của mẫu sau tôi trong nước

    Qua hình 7 thấy: với mỗi nhiệt độ austenit hóa, khi tăng thời gian giữ, độ cứng của gang sau tôi đều qua một điểm cực đại. Điều đó là do: tăng thời gian giữ khi austenit hóa, %C trong austenit càng tăng, làm mất tổ chức fe rít quanh graphít cầu, kết quả là độ cứng của gang sau tôi đạt giá trị tối đa; Tiếp tục tăng thời gian giữ, lượng C hòa tan trong austenit càng tăng, austenit trở nên bền vững hơn và lượng austenit dư sau tôi càng tăng; hậu quả là độ cứng sau tôi giảm đi. Càng tăng nhiệt độ austenit hóa, điểm cực đại càng dịch chuyển về phía thời gian thấp hơn và giá trị tuyệt đối về độ cứng càng thấp. Nguyên nhân là do: vai trò làm tăng độ hòa tan C vào austenit và làm thô hạt tinh thể này của nhiệt độ mạnh hơn rất nhiều thời gian giữ nhiệt. Hậu quả là độ cứng của gang giảm khi tăng nhiệt độ và thời gian giữ quá dài /1,2/.

    Thí nghiệm cho thấy ở nhiệt độ 870°C thì tới 90 phút mới cho độ cứng cao nhất (59,5HRC); còn ở nhiệt độ 900°C thì chỉ cần 45 phút đã cho độ cứng cao nhất (59 HRC); còn ở nhiệt độ 930°C thì chỉ cần 30 phút đã cho độ cứng cao nhất (57,8HRC).

4. Kết luận

    Với thành phần hóa học và tổ chức ban đầu ở trạng thái đúc của gang cầu nghiên cứu, sau khi austenít hóa ở nhiệt độ và thời gian xác định, sự thiên tích các nguyên tố trong nền kim loại của gang rất ít. Điều này rất lợi cho việc sản xuất gang cầu có độ bền cao, đồng thời đạt độ dẻo dai tốt. ở mỗi nhiệt độ xác định, khi tăng thời gian austenít hóa, lượng C hòa tan trong austenit sẽ đạt giá trị bão hòa và sau đó không đổi; tương ứng, nền kim loại sau tôi chuyển từ mactenxít và ferít qua mactenxít tới mactenxít và austenit dư.

    Thời gian chuyển biến này càng ngắn khi tăng nhiệt độ austenit hóa. Sự thay đổi độ cứng của gang cầu sau khi tôi phụ thuộc tương tự vào nhiệt độ và thời gian austenít hóa: tăng thời gian austenít hóa độ cứng của gang tăng qua điểm cực đại; tăng nhiệt độ austenít hóa, điểm cự đại này sẽ chuyển dịch về phía thời gian ngắn hơn.

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

Tài liệu trích dẫn

1. K. Herfurth, Giesserei-Praxis 4(2007), S.99-106
2. T.N. Rouns, D.J. Moore, AFS Trans. 94(1986), p.255-264
3. K. Rửhrig, W. Fairhurst, Giesserei- Verlag, Dỹsseldorf, 1979
4. Tạ Văn Thất, Công nghệ nhiệt luyện, nxb ĐH & THCN, 1983.
5. Nguyen Van Thai, Untersuchungen zur Herstellung von hochfesten Gusseisen mit Kugelgraphit. Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingeneura an TU Berg-akademie Freiberg, 1979.

[/symple_box][symple_clear_floats]