(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit

(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit(Luận án tiến sĩ) Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG ANH TUẤN

NÂNG CAO CƠ TÍNH TỔNG HỢP CỦA GANG CẦU BẰNG XỬ LÝ NHIỆT TẠO NỀN FERIT VÀ AUSFERIT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG ANH TUẤN

NÂNG CAO CƠ TÍNH TỔNG HỢP CỦA GANG CẦU BẰNG XỬ LÝ NHIỆT TẠO NỀN FERIT VÀ AUSFERIT

Ngành: Kỹ thuật vật liệu

Mã số: 9520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS NGUYỄN HỮU DŨNG

2 TS NGUYỄN HỒNG HẢI

Hà Nội – 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, không vi phạm điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Các kết quả của luận

án chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2022

Giáo hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

PGS TS Nguyễn Hữu Dũng TS Nguyễn Hồng Hải Hoàng Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Qua luận án này Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của PGS.TS Nguyễn Hữu Dũng, TS Nguyễn Hồng Hải, sự giúp đỡ của các thầy trong Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Đúc, sự giúp đỡ của phòng thí nghiệm trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm của Trung tâm Đo lường/Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng/Bộ Quốc phòng, cũng như sự quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi của phòng Đào tạo - trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các bạn đồng nghiệp Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành, sâu sắc tới Thủ trưởng đơn vị, các anh chị em đồng nghiệp tại Trung tâm Đo lường/Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng/Bộ Quốc phòng, đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi thục hiện luận án

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã

cổ vũ, động viên tôi hoàn thành bản luạn án này

1.3.1 Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt trên thế giới 10 1.3.2 Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt trong nước 13

1.5 Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất gang cầu 17

1.56 Các nguyên tố hình thành cacbit và nguyên tố cản cầu 20

1.7 Các phương pháp nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu 27

1.8 Chuyển pha trong gang cầu tôi đẳng nhiệt nền đa pha 30

1.8.1.1 Tạo mầm austenit 30

1.8.1.3 Hành vi của cacbon trong quá trình austenit hoá 33 1.8.2 Chuyển biến austenit thành ferit thứ cấp 37

1.8.3.3 Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 45

3.1 Thành phần, tổ chức của gang cầu ở trạng thái đúc 57

3.2.1 Xác định nhiệt độ tới hạn bằng giản đồ pha 58 3.2.2 Xác định vùng nhiệt độ tới hạn bằng phương pháp đo giãn nở 60

3.3 Quá trình austenit hóa và hàm lƣợng cacbon trong austenit 62

3.5.5 Năng lượng hoạt hóa của chuyển biến ausferit 96

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADI (Austempered Ductile Iron) = Gang cầu tôi đẳng nhiệt

WTO (World Trade Organization) = Tổ chức thương mại thế giới

T- T –T (Transformation – Temperature – Time ) = chuyển biến – nhiệt độ - thời gian

GĐP = Giản đồ pha

HKTG = Hợp kim trung gian

Công ty TNHH NN MTV = Công ty trách nhiệm hữu hạn nhà nước một thành viên

PAI, PAII, PAIII, PAIV, PAV, PAVI = Phương án I, II, III, IV, V, VI

(FeS) = Sunfua sắt trong xỉ lỏng

[FeS] = Sunfua sắt trong hợp kim lỏng

Ms = Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit

Mf = Nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactensit

Cđl = Cacbon đương lượng

N = Thường hóa ở nhiệt độ đã cho

NT = Thường hóa và ram ở nhiệt độ đã cho

Fu = Ủ ferit hóa

CC = Từ 900 OC làm nguội có điều khiển

E = Giữ tại vùng chuyển biến cùng tích ở nhiệt độ đã cho trong 2 giờ rồi làm nguội nhanh

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Các mác gang ADI với nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt 5

2 Bảng 1.2 Kết quả phân tích tỷ phần các pha của gang cầu ADI và

3 Bảng 1.3 Kết quả thử cơ tính của gang cầu ADI và ADI song pha 12

4 Bảng 1.4 Hàm lượng các nguyên tố biến tính trong hợp kim trung gian 19

5 Bảng 1.5 Cơ tính của gang cầu ADI song pha và các mác gang

6 Bảng 1.6 So sánh cơ tính của các loại gang khác nhau 25

7 Bảng 1.7 Tính chất cơ học, hàm lượng nguyên tố hợp kim và chế độ nhiệt luyện gang cầu hợp kim thấp 28

8 Bảng 1.8 Hệ số khuếch tán của C trong austenit thép Ni 34

10 Bảng 3.2 Cơ tính của mẫu gang cầu nghiên cứu ở trạng thái đúc 58

11 Bảng 3.3 Thành phần cacbon và nhiệt độ tại một số điểm tới hạn

12 Bảng 3.4 Hàm lượng C trong austenit theo EDX, nung 930

o C

14 Bảng 3.6 Khoảng cách khuếch tán của C trong austenit 67

15 Bảng 3.7 Hàm lượng C trong austenit tính theo 3 phương pháp 69

16 Bảng 3.8 Tỷ phần ferit và mactensit theo nhiệt độ và thời gian giữ

17 Bảng 3.9 Tỷ phần các pha theo nhiệt độ ủ vùng ba pha và thời gian tôi đẳng nhiệt 82

18 Bảng 3.10 Thời gian kết thúc giai đoạn I và bắt đầu giai đoạn II khi thay đổi nhiệt độ austenit hoá 91

19 Bảng 3.11 Hệ số thực nghiệm k và n tại mỗi mốc nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 95

20

Bảng 3.12 Phương trình Johnson-Mehl-Avrami ở các nhiệt độ tôi

đẳng nhiệt 280 o

C, 320 o C, 360 o C và 400 o C; cùng chế độ austenit hoá ở 900 o C trong 2 giờ; giữ ở vùng ba pha 770 o C

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1 Sơ đồ tôi đẳng nhiệt gang cầu ADI với 2,4 %Si 4

2 Hình 1.2 Ảnh hiển vi quang học của gang cầu có tổ chức ferit và ausferit 6

3 Hình 1.3 Mối quan hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài đến phá hủy của các

5 Hình 1.5 Quan hệ giữa độ giãn nở của gang theo thời gian 14

6 Hình 1.6 Mô hình sự thay đổi tốc độ phát triển các mặt tinh thể graphit khi

7 Hình 1.7 Nguyên lý sự hình thành vùng cửa sổ khi giữ đẳng nhiệt và tác

8 Hình 1.8 Quan hệ giữa độ bền kéo và nhiệt độ (T), thời gian đẳng nhiệt (t) 23

9 Hình 1.9 Độ dai va đập Kc, tỉ số (K IC /0,2 ) theo chiều dày 25 và 75 mm 24

10 Hình 1.10 Độ cứng và nhiệt độ vùng ba pha của gang cầu ADI nền đa pha 24

11 Hình 1.11 Tổ chức của gang cầu ADI song pha 815 o C-365/ 120 phút 24

12 Hình 1.12 Cơ tính và tỉ phần ausferit gang cầu ADI nền đa pha 25

13 Hình 1.13 Các chi tiết chế tạo bằng gang cầu ADI nền đa pha 26

14 Hình 1.14 Các chi tiết có thể chế tạo bằng gang cầu ADI nền đa pha 26

15 Hinh 1.15 Tổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85 % peclít, khoảng

16

Hinh1.16 Tổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85 % peclít, khoảng cách

17 Hình 1.17 Sơ đồ các phương án nhiệt luyện gang cầu cơ tính cao 30

18 Hình 1.18 Sự tạo thành của các mầm austenit (a peclit hạt; b peclit tấm) 31

20 Hình 1.20 Quan hệ giữa tỷ phần thể tích mactensit và thời gian austenit hóa 32

21 Hình 1.21 Quan hệ giữa kích thước hạt austenit và thời gian austenit hóa 32

22 Hinh 1.22 Đường cong bão hòa các bon trong austenit theo thời gian, nhiệt

23 Hình 1.23 Sự khuếch tán của cacbon trong hợp kim hàn 35

25 Hình 1.25 Tỷ phần pha của ferit và austenite phụ thuộc tốc độ nung 37

26 Hình 1.26 Sơ đồ quá trình austenit hóa của gang cầu 40

27 Hình 1.27 Trình tự chuyển hóa tổ chức theo quá trình tôi đẳng nhiệt 42

28 Hình 1.28 Sơ đồ ước tính thời gian khuếch tán C của các tấm ferit bainit 44

29 Hình 1.29 Biểu đồ sự phát triển của tổ chức tế vi trong quá trình chuyển hóa

30 Hình 2.1 Mẫu đúc và các loại mẫu thử dùng trong thí nghiệm 47

33 Hình 2.4 Xác định tỷ phần pha bằng ảnh kim tương màu 50

35 Hình 2.6 Máy thử độ dai va đập WPM 51

38 Hình 2.9 Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F 51

39 Hình 2.10 Hệ thống lò nhiệt luyện phục vụ thí nghiệm 52

41 Hình 2.12 Bộ thiết bị đo giãn nở nhiệt trong quá trình tôi đẳng nhiệt 54

44 Hình 2.15 Sự thay đổi chiều dài mẫu khi giữ đẳng nhiệt 56

46 Hình 3.2 Giản đồ pha theo thermocalc của gang cầu nghiên cứu 58

47 Hình 3.3 Giản đồ minh họa độ giãn nở nhiệt của gang 61

48 Hình 3.4 Phổ phân tích nguyên tố EDX của mẫu austenit hoá ở 870 o C/2 h 63

49 Hình 3.5 Phổ phân tích nguyên tố EDX của mẫu austenit hoá ở 900 o C/2 h 63

50 Hình 3.6 Phổ phân tích nguyên tố EDX của mẫu austenit hoá ở 930 o C/2 h 64

51 Hình 3.7 Mô hình xác định hàm lượng C trong austenite 64

52 Hình 3.8 Hàm lượng C trong austenite phụ thuộc nhiệt độ và thời gian

53 Hình 3.9 Quan hệ giữa ln(C/t) và 1/T của gang nghiên cứu 69

54 Hình 3.10 Hàm lượng C trong austenit xác định bằng 3 phương pháp 70

55 Hình 3.11 Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tôi trong nước: Austenít

hóa 900 o C giữ 2 h; Nung xuống 750 o C thời gian: 30, 90, 120 phút 72

56 Hình 3.12 Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước

ở chế độ: Austenít hóa 900 o

C/2 h; Nung 760 o C thời gian: 30, 90, 120 phút 73

57 Hình 3.13 Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước

ở chế độ: Austenít hóa 900 o

C/2 h; Nung 770 o C thời gian: 30, 90, 120 phút 74

58 Hình 3.14 Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước

ở chế độ: Austenít hóa 900 o

C/2 h; Nung 780 o C thời gian: 30, 90, 120 phút 75

59 Hình 3.15 Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tôi trong nước ở chế

độ: Austenít hóa 900 o

60 Hình 3.16 Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tôi trong nước ở chế

độ: Austenít hóa 900 o

61 Hình 3.17 Tỉ phần pha ferit thứ cấp phụ nhiệt độ vùng ba pha ở nhiệt độ

62 Hình 3.18 Tỷ phần pha pherit thứ cấp phụ thuộc nhiệt độ và thời gian giữ

nhiệt vùng ba pha Austenit hóa 900 o C/2 giờ, giữ nhiệt 30, 90, 120 phút 80

63 Hình 3.19 Tổ chức của gang ADI, austenite hóa ở 900

o

C/2 giờ, nhiệt độ vùng tới hạn (760 đến 790) o C/2 h, tôi đẳng nhiệt 360 o

64

Hình 3.20 Tỷ phần pha và nhiệt độ vùng ba pha Austenít hóa 900 o C/2 h; ủ

ở vùng ba pha trong 2h; tôi đẳng nhiệt 360 o

C, a - 30 phút, b – 60 phút, c –

90 phút, d – 120 phút

84

65

Hình 3.21 Thay đổi tỷ phần pha khi tôi đẳng nhiệt Nhiệt độ austenit hóa

900 o C/2 giờ Nhiệt độ vùng 3 pha: a-760 o C; b-770 o C; c-780 o C và d-790

Graphit hình cầu là dạng thu gọn nhất, nền kim loại bị chia cắt ít nhất và không có những vị trí tập trung ứng suất, do vậy, cơ tính của nền gang cao cao hơn gang xám rất nhiều

1.5 Ảnh hưởng của thành phần hoá học đến tính chất gang cầu 1.5.1 Cacbon và Silic

Cacbon tan rất ít trong sắt Về mặt tổ chức nền thì càng ít cacbon, độ bền của gang càng cao Trong gang cầu, cacbon đương lượng thường được khống chế ứng với thành phần cùng tinh hoặc cao hơn một chút để tạo điều kiện thuận lợi cho việc cầu hóa và tránh được tổ chức biến trắng Thông qua điều chỉnh hàm lượng C có thể điều chỉnh được tổ chức nền gang Tăng hàm lượng C tới giới hạn nhất định, tuy làm cho lượng graphit tăng cao hơn, nhưng lại có lợi là làm tăng độ dẻo và độ dai cho gang [44, 45, 46, 47, 48]

Silic tan trong sắt làm tăng độ cứng của ferit, kìm hãm quá trình tiết ra peclit Nền kim loại có thể thay đổi từ ledeburit thành hoàn toàn ferit khi hàm lượng Si thay đổi từ 1 tới 4,5% Để phòng tránh tổ chức biến trắng và giảm bớt lượng peclit trong tổ chức nền, cần giữ hàm lượng Si ở mức độ thích hợp, song Si không nên quá cao vì khi Si hòa tan nhiều vào ferit làm giảm tính dẻo của gang, gang cầu thông thường chứa 3,3 đến 3,9 %C; 2,0 đến 2,5 % Si [44, 45, 46, 47, 48]

1.5.2 Mangan

Mangan được thêm vào gang cầu chủ yếu để làm tăng khả năng thấm tôi trong điều kiện ở dạng đúc Mangan thúc đẩy sự hình thành cacbit của sắt và có thể thay thế một phần Fe trong cacbit Fe3C để tạo thành cacbit thay thế, thường là (FeMn)C Mangan là chất ổn định austenit tốt vì nó dịch chuyển đường cong peclit ban đầu trong biểu đồ TTT sang phía bên phải, làm cho quá trình nguội austenit chậm hơn Nhưng cần chú ý rằng, mangan hoà tan nhiều và làm ổn định pha austenit Hàm lượng Mn đủ cao để tạo thành tổ chức austenit ngay ở trạng thái đúc Trong gang xám thường, Mn được dùng làm nguyên tố kiểm soát tỷ phần pha peclit trong gang Thông thường hàm lượng Mn trong gang cầu ferit nên giữ ở mức thấp 0,2 đến 0,4 %, còn trong gang cầu peclit hàm lượng Mn là 0,4 đến 0,6 % [44, 45,

46, 47, 48]

Mn là nguyên tố gây ảnh hưởng quan trọng tới sự hình thành tổ chức của gang cầu ausferit Khi tăng hàm lượng Mn, vùng cửa sổ sẽ bị thu hẹp và sẽ bị biến mất khi đạt một giá trị xác định (hình 1.7)

Với hàm lượng Mn bằng 0,67 %, không thể sản xuất được các mác gang có

độ dẻo như EN-GJS-1000-5 (hình 1.7), cũng như mác theo tiêu chuẩn ASTM

A897-90 (850-550-10) gang cầu ausferit có độ dẻo cao Vì Mn trong gang thiên tích rất mạnh Nguyên tố này sẽ tập trung ở biên giới hạt tinh thể làm gang giòn làm giảm

độ dẻo, đặc biệt đối với vật đúc thành dày Ví dụ: hàm lượng trung bình của Mn trong gang là 0,42 %, mặc dù đã biến tính graphít hoá bằng FeSi, lượng Mn ở biên giới hạt tinh thể lên tới tới 0,6 %, trong khi đó ở tâm hạt gần graphít cầu chỉ có 0,3

% Mặt khác Mn là nguyên tố tạo cacbit, vì vậy, Mn nên giới hạn ở mức 0,3 % và càng thấp càng tốt

Hình 1.7 Nguyên lý sự hình thành vùng cửa sổ khi giữ đẳng nhiệt và tác động của

Mn tới quá trình [20]

1.5.3 Lưu huỳnh và phốt pho

Lưu huỳnh tồn tại trong gang chủ yếu dưới dạng sun phit FeS Lưu huỳnh là nguyên tố có hại khi biến tính cầu hoá Bản thân lưu huỳnh làm giảm sức căng bề mặt của gang, hạn chế khả năng tiết ra graphit khi kết tinh Lưu huỳnh có ái lực rất mạnh với magie, dẫn tới sự hình thành magie sunfua bền, làm giảm độ bền và độ dẻo của gang Nên, để ngăn cản sự tiêu thụ quá mức các chất biến tính, nồng độ lưu huỳnh luôn giữ ở mức ổn định thấp, thí dụ, hàm lượng S < 0,02 % khi biến tính bằng FeSiMg nhưng có thể cao hơn khi biến tính bằng Mg kim loại [44, 45, 46, 47, 48]

Phốt pho có thể có ảnh hưởng xấu tới đặc tính cơ học Phốt pho là nguyên tố

dễ bị thiên tích và thúc đẩy quá trình peclit hoá trong gang đúc và có thể tạo ra sản phẩm Fe-P Ở mức thiên tích mạnh có thể làm xuất hiện cùng tinh hai nguyên (Fe3P+Fe) ở trên biên giới hạt có điểm nóng chảy khoảng 1050 oC, làm giảm tính dẻo dai của gang Tăng nồng độ phốt pho vượt quá 0,03 % có thể gây ra sự hóa giòn nghiêm trọng vì sự phân bố pha giàu phốt pho trong vùng năng lượng cao như biên hạt và biên graphit [44, 45, 46, 47, 48]

1.5.4 Nguyên tố cầu hóa

Magie là nguyên tố cầu hóa cơ bản dẫn tới sự hình thành graphit hình cầu Hơn nữa, magie cũng là chất khử oxy rất mạnh của quá trình nấu chảy Magiê có điểm nóng chảy thấp 638 o

C nhiệt độ sôi 1105 oC, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ biến tính gang lỏng nên Mg bị cháy hao mạnh Bởi vậy, biến tính bằng Mg kim loại

là rất khó khăn vì Mg dễ bay hơi cũng như nổi trên mặt thoáng của gang lỏng, làm tăng lượng mất mát chất biến tính Để khắc phục hiện tượng này, người ta đã dùng hợp kim trung gian FeSiMg làm chất biến tính [44, 45, 46, 47, 48]

Ceri, lantan và các nguyên tố đất hiếm khác cũng có thể được dùng làm nguyên tố biến tính cầu hoá Đối với các chất biến tính là đất hiếm và hỗn hợp của

Mg đất hiếm, do nhiệt độ chảy cao hơn (khoảng 800 o

C) và nhiệt độ sôi rất cao nên khả năng cháy hao ít hơn [44, 45, 46, 47, 48] Thành phần một số chất biến tính cho trên bảng 1.2

Bảng 1.4 Hàm lượng các nguyên tố biến tính trong hợp kim trung gian

1.5.5 Các nguyên tố hợp kim hoá

Đồng: Là chất giúp cải thiện peclit và không có xu hướng hình thành cacbit

Do đó, ở gang cầu peclit, đồng giúp cải thiện đặc tính cơ học hiệu quả hơn mangan

Nó dẫn đến sự hình thành peclit mịn hơn nhằm cải thiện độ cứng và độ bền của gang trạng thái đúc Nhược điểm duy nhất của đồng, đó là chi phí cao [44, 45, 46,

47, 48]

Thiếc: Cũng có có đặc điểm giống như đồng Điểm khác biệt là, thiếc vượt

quá 0,1 % có thể phân bố dọc biên hạt và gây ra hiện tượng hóa giòn [44, 45, 46,

47, 48]

Niken: Cũng là chất ổn định austenit rất tốt, nếu hàm lượng Ni cao trên 12 %

gang sẽ có nền austenit hoàn toàn ở trạng thái đúc Trong tỷ lệ nhỏ hơn (tới 4 %), niken cải thiện khả năng thấm tôi Nếu nhiệt luyện phù hợp, như quá trình austenit hóa xen kẽ, sau đó là tôi đẳng nhiệt, thì hợp kim chứa niken có thể có nền ferit-austenit [44, 45, 46, 47, 48]

Crom: Là nguyên tố cacbit hóa rất mạnh, rất dễ thiên tích Khi kết tinh, crom

bị thiên tích và tập trung ở tinh giới hạt, tạo ra một mạng lưới cacbit xung quanh các hạt Khi làm nguội chậm, Cr cản trở quá trình ferit hóa Để chắc chắn loại bỏ được

tổ chức cacbit thì hàm lượng Cr không được vượt quá 0,05 % Dùng Cr trong gang cầu có thể làm tăng độ cứng nhưng lại làm giảm độ dai, độ dẻo của gang cầu [44,

45, 46, 47, 48]

Molipden: Làm nhỏ kích thước các hạt graphit cầu, làm nhỏ tổ chức peclit

và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền, qua đó làm tăng độ bền, độ cứng của gang Hàm lượng 0,1 đến 0,3 % Mo sẽ gây ra tác dụng ferit hóa, lúc đó làm mở rộng vùng ferit Nếu hàm lượng Mo vượt quá 2 %, tổ chức nền gang có thể xuất hiện bainit Mo

là nguyên tố cacbit hóa yếu, làm thu hẹp vùng austenit và làm cản trở mạnh quá trình chuyển biến austenit, vì vậy rất dễ tạo ra tổ chức chuyển biến ở cấp bainit Molipden có ảnh hưởng đến độ thấm tôi tương tự như niken, đồng Ngoài niken, thì molipden cũng làm chậm sự hình thành peclit trong nền dưới dạng đúc hoặc nền tôi đẳng nhiệt [44, 45, 46, 47, 48]

1.5.6 Các nguyên tố hình thành cacbit và nguyên tố cản cầu

Sự hình thành cacbit trong nền rất có hại cho đặc tính cơ học của gang cầu Bởi vậy, các nguyên tố hình thành cacbit như crom, vanadi, bo, telua, v.v… luôn được giữ ở mức tối thiểu Gang cầu có chứa các nguyên tố cản cầu như bitmut, nhôm, chì, asen, atimon, nito, lưu huỳnh, v.v… thì tổng số hạt graphit sẽ giảm và hình thái học của graphit sẽ bị xấu đi, graphit có thể chuyển thành dạng tấm, cacbit

cỡ lớn có thể hình thành, làm suy giảm tính chất cơ học của gang cầu Ảnh hưởng của chì Pb có thể bị trung hòa bằng cách thêm các nguyên tố đất hiếm [2] Các nguyên tố khác có ảnh hưởng lâu dài hơn tới đặc tính của vật liệu và chúng có tính

di truyền

1.6 Tính chất và ứng dụng của gang cầu

Trong gang cầu, graphit ở dạng hình cầu tròn nên cơ tính gang cầu cao gần như thép 70 đến 90 % cơ tính của thép Gang cầu có khả năng chống mài mòn cao,

hệ số ma sát nhỏ, do đó có thể được dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều

kiện ma sát ở áp suất cao và bôi trơn khó khăn

Mật độ của gang cầu lớn hơn hẳn gang xám nên nó là vật liệu thích hợp để chế tạo các chi tiết làm việc ở áp suất cao như: động cơ điezen, máy bơm, thiết bị

thủy lực và khí nén

Tính bền ăn mòn của gang cầu rất cao không nhỏ hơn gang xám và cao hơn

thép cacbon, khi bị ăn mòn trên bề mặt gang cầu sẽ nhanh chóng hình thành lớp oxyt liên kết chặt chẽ với nền cản trở quá trình ăn mòn tiếp theo

Độ bền nóng của gang cầu cao hơn gang xám do sự oxy hóa ranh giới hạt kém và độ trương nở nhỏ Điều này thấy rõ ở nhiệt độ cao khoảng 400 đến 500 oC,

hiện tượng trương nở và cơ tính của gang cầu giảm không đáng kể

Độ chảy loãng của gang cầu cao hơn gang xám mác cao, gang trắng và cao hơn nhiều so với thép, do đó các chi tiết đúc bằng gang cầu có thể đạt được thành

Tuy nhiên khi đúc gang cầu cần lưu ý là quá trình co ngót của gang cầu ở trạng thái lỏng và kết tinh xảy ra mãnh liệt hơn gang xám, đó là nguyên nhân làm cho gang cầu có xu hướng tạo rỗ ngót mạnh Mặt khác, ứng suất đúc trong gang cầu lớn hơn so với gang xám vì gang cầu có môdun đàn hồi E khá cao, độ dẫn nhiệt

nhỏ

Nhờ có độ bền tổng hợp, tính công nghệ, tính sử dụng cao mà các chi tiết bằng gang cầu được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: các chi tiết máy cán kéo, máy dập ép, thiết bị đập nghiền xử lý quặng, trục khuỷu, chi tiết làm tuabin, bánh răng, secmăng Trong nhiều trường hợp gang cầu còn có thể chế tạo thay thép đúc, thép dập, gang xám, gang dẻo và cho kết quả tốt hơn

1.6.1 Cơ tính gang cầu ADI nền đa pha

Trong gang cầu ADI song pha, lớp ferit bao quanh hạt graphit là pha có tác dụng chống lại sự xuất hiện vết nứt ban đầu, làm cho giới hạn đàn hồi, độ bền kéo

và độ cứng tăng cùng tỷ phần ausferit Cấu trúc bao gồm 80 % ferit + 20 % ausferit

có độ bền mỏi tăng 25 % so với gang cầu nền ferit Tăng tỷ phần ausferit cũng làm tăng khả năng chống mỏi, một lượng nhỏ ausferit (20 %) cũng cải thiện giới hạn chịu đựng mỏi lên chừng 25 % Nói chung, khi tăng tỷ phần ausferit, giới hạn bền kéo, giới hạn bền uốn và độ dai va đập đều tăng nhưng độ giãn dài lại giảm Tuy nhiên, lượng tăng các giá trị nói trên đè khá nhỏ, tất cả gang cầu ADI song pha đều duy trì được khả năng biến dạng thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM A 356

Tổ chức chứa 20 % ausferit đều có tính chất cơ học tăng và giảm độ giãn dài cho đến khi xuất hiện vết nứt Gang này cũng có tỉ lệ (KIC/0,2) nhỏ nhất so với các mác gang nghiên cứu Gang cầu ADI nền đa pha có khoảng giao động tính chất cơ học rất rộng phụ thuộc vào tỷ phần pha trong gang Bởi vậy, gang cầu ADI song pha có thể thay thế cho nhiều vật liệu truyền thống vì nó tổ hợp được các tính ưu việt của các tính chất của vật liệu [49] (bảng 1.3)

Bảng 1.5 Cơ tính của gang cầu ADI song pha và các mác gang cầu khác [49]

Tác giả dùng công nghệ nhiệt luyện hai bước: austenit hóa hoàn toàn; tôi thành mactensit tiếp theo là tôi đẳng nhiệt ở trong các môi trường tôi có hệ số dẫn nhiệt khác nhau, và thấy rằng, môi trường tôi đẳng nhiệt có ảnh hưởng rất mạnh đến chiều dày lớp màng dính bám trên bề mặt bi nghiền, ảnh hưởng đến trường nhiệt độ trong bi nghiền, gây ra sự chuyển biến cấu trúc từ mactensit và ausferit dưới thành