Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang cầu ADI (AUSTEMPERED DUCTILE IRON)

Mở đầu trưởng không ngừng hàng năm của gang cầu vào khoảng từ 3 ÷5% làm thay đổi rất năm 2003, sản lượng gang cầu trên Thế giới đã đạt 21% trong tổng số tất cả các loại Sở dĩ gang cầu ph

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

(AUSTEMPERED DUCTILE IRON)

Hà Nội – Năm 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

(AUSTEMPERED DUCTILE IRON)

Chuyên ngành: Công ngh ệ vật liệu vô cơ

LỜI CAM ĐOAN

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

QUÁCH T ẤT BÁT

L ỜI CẢM ƠN

Qua luận án này Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của GS-TSKH Nguyễn Văn Thái, PGS-TS Nguyễn Hữu Dũng, sự giúp đỡ của các thầy trong Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Đúc, sự giúp đỡ

của phòng thí nghiệm trong và ngoài trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng KCS công ty TNHH MN MTV Điezen Sông Công, Công ty cổ phần

phụ tùng máy số I, Công ty cổ phần Luyện cán thép Gia sàng Thái Nguyên, cũng như sự quan tâm giúp đỡ của Ban Giám Hiệu cùng tập thể giáo viên Khoa Luyện kim, Trường Cao đẳng Cơ khí – Luyện kim, sự tạo điều kiện thuận lợi của Viện đào tạo sau đại học và các bạn đồng nghiệp

Tác gi ả

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

Mở đầu 1

PHẦN I: TỔNG QUAN 4

Chương 1 Gang cầu 4

1.1 Khái quát chung về gang cầu 4

1.1.1 Tổ chức: 4

1.1.2 Tính chất và công dụng của gang cầu [5] 5

1.1.3 Các loại gang cầu [54] 6

1.1.4 Các nhân tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất của gang cầu [71,81] 7

1.2 Công nghệ chế tạo gang cầu 12

1.2.1 Biến tính cầu hóa gang 12

1.2.2 Thiết bị biến tính cầu hóa: 17

1.3 Các biện pháp nâng cao chất lượng gang cầu 19

1.3.1 Điều chỉnh tổ chức của gang cầu khi đông đặc 19

1.3.2 Nâng cao cơ tính của gang cầu ở trạng thái đúc bằng các nguyên tố hợp kim hoá 19

Chương 2 25

Gang cầu tôi đẳng nhiệt (Austempered Ductile Iron-ADI) 25

2.1 Khái quát chung về gang cầu ADI 25

2.2 Nguyên lý công nghệ chế tạo gang cầu ADI 28

2.3 Động học quá trình chuyển biến tổ chức khi giữ đẳng nhiệt 32

2.3.1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của thép cùng tích 32

2.3.2 Quá trình austenit hóa 34

2.3.3 Quá trình giữ đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp 38

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới cơ tính của gang cầu ADI 41

2.4.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học 41

2.4.2 Sự austenít hoá của gang cầu 42

2.4.3 Sự chuyển biến khi tôi đẳng nhiệt của gang cầu ADI 46

2.4.4 Cơ tính của gang cầu ADI 52

2.5 Ứng dụng của gang cầu ADI 54

PHẦN II THỰC NGHIỆM 60

Chương 3 60

Điều kiện và phương pháp nghiên cứu 60

3.1 Sơ đồ nghiên cứu 60

3.2 Điều kiện nghiên cứu 61

3.3 Phương pháp nghiên cứu 62

3.3.1 Tổ chức và cấu trúc gang 62

3.3.2 Xây dựng GĐP và độ giãn nở khi nung của gang cầu nghiên cứu 64

3.3.3 Phương pháp xác định sự thay đổi về thành phần, phân bố các nguyên tố và tính chất của gang cầu được austenít hóa ở các chế độ khác nhau 65

3.3.4 Phương pháp nghiên cứu chuyển biến và thành phần pha khi giữ đẳng nhiệt

gang cầu 66

Chương 4 71

Kết quả nghiên cứu và đánh giá 71

4.1 Thành phần, tổ chức và cơ tính của gang cầu nghiên cứu ở trạng thái đúc 71

4.2 Giản đồ pha của gang cầu tôi đẳng nhiệt 72

4.3 Chuyển biến pha khi nâng nhiệt 73

4.4 Sự austenit hóa gang ở nhiệt độ cao 75

4.4.3 Xác định hàm lượng cacbon trong austenit 77

4.4.4 Tổ chức và độ cứng của gang sau tôi từ các điều kiện austenit hóa khác nhau 79

4.5 Quá trình chuyển biến đẳng nhiệt 81

4.5.1 Xác định nhiệt độ và thời gian giữ đẳng nhiệt 81

4.5.2 Xác định vùng cửa sổ quá trình chế tạo gang cầu Ausferit 82

4.5.3 Xác định tỷ phần chuyển biến ở giai đoạn phản ứng I theo công thức Johnson-Mehl-Avrami 88

4.5.4 Động học quá trình chuyển biến đẳng nhiệt giai đoạn phản ứng I 89

4.5.5 Nghiên cứu thành phần pha trong quá trình giữ đẳng nhiệt gang cầu ADI 90

4.5.6 Cơ tính của mác gang nghiên cứu ở các trạng thái khác nhau 99

Chương 5 101

Tổ chức, tính chất và ứng dụng của gang cầu ADI 101

5.1 Tổ chức của gang cầu ADI 101

5.2 Tính chất của gang cầu tôi đẳng nhiệt 104

5.3 Ứng dụng gang cầu ausferit trong thực tế 109

Các kết luận và kiến nghị 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

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

gian

GĐP = Giản đồ pha

[FeS] = Sunfua sắt trong hợp kim lỏng

thành dày

Bảng 1.4a Thống kê tỷ lệ sử dụng các phương pháp biến tính cầu hóa

Bảng 1.5 Tính chất cơ học, hàm lượng nguyên tố hợp kim và chế độ

Bảng 2.3 Thành phần gang cầu tôi đẳng nhiệt theo các tài liệu khác

nhau

Bảng 2.4 Tính chất của các mác gang cầu ADI

0,75%Ni

khác nhau

C

Bảng 4.2 Thành phần cacbon và nhiệt độ tại một số điểm tới hạn trên

Bảng 4.3a Hàm lượng cacbon trong tổ chức nền kim loại ở điều kiện

austenit hóa khác nhau

chế tạo gang cầu ausferit

Bảng 4.7 Phần khối lượng austenit trong tổ chức gang cầu ausferit ở

điều kiện austenit hóa khác nhau

Bảng 4.8 Tỷ phần ferit và austenit hình thành trong quá trình chuyển

C/40÷ 550 phút)

C/90phút)

nhiệt khác nhau

C trong 90 phút

Bảng 5.3 Cơ tính của bánh răng HS9 chế tạo bằng gang cầu ausferit

giãn dài của gang cầu được biến tính bằng Ce

cần dùng

hồi chất biến tính và độ bền của gang

C

thước giữa các tấm xementit là 0,5μm, độ dẻo là 2,1% (x300, tẩm

Hình 1.8 Tổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85%peclit, kích

thước giữa các tấm xementit là 0,36μm, độ dẻo là 3,5% (x300, tẩm

tố khử cầu gây ra (x400)

độ dẻo của gang cầu

thống

Hình 2.4 Sơ đồ tôi đẳng nhiệt gang cầu ADI

tích (T-T-T)

điểm của đường cong khi chuyển biến đẳng nhiệt austenit

Hình 2.7 Ảnh hưởng của nguyên tố tạo cacbit tới dạng và các điểm

Hình 2.11 Đường cong động học khi nung nóng liện tục

gian

Hình 2.14 Mối quan hệ giữa đường kính hạt austenit với nhiệt độ

Hình 2.15 Mối quan hệ giữa kích thước trung bình hạt austenit với

bình austenit và chiều dài max của mactenxit

với điều kiện austenit hóa

và điều kiện austenit hóa trong gang cầu có kích thước graphit khác

nhau

và tác động của Mn tới quá trình

nhau và vùng nhiệt độ tạo ra các mác gang theo tiêu chuẩn DIN

kim

Hình 2.28 Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ giữ đẳng nhiệt tới

độ bền và độ dẻo của gang

Hình 2.29 Độ bền và độ cứng của gang cầu ADI phụ thuộc vào nhiệt

độ chuyển biến đẳng nhiệt và nhiệt độ austenit hóa

Hình 2.31 Một số tính năng nổi trội của trục khuỷu Daimler chrysler

Hình 2.33 Dầm đỡ bánh otô hạng nặng bằng gang cầu ADI

Hình 3.5 Lò nung L9/13/B180 Nabertherm

Hình 3.7 Sơ đồ thí nghiệm đo giãn nở của gang khi giữ đẳng nhiệt

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý đo giãn nở khi giữ đẳng nhiệt

Hình 3.10: a Thiết bị thử kéo 809Axial/Torsional test syste; b Thiết

Hình 3.11 Giao diện của phần mềm ghi lại sự thay đổi kích thước

Hình 4.1 Mức độ cầu hóa graphit và tổ chức nền

Hình 4.3 Tổ chức ban đầu của gang trước khi nâng nhiệt

C

Hình 4.10 Độ cứng của gang cầu sau các chế độ tôi khác nhau

Hình 4.13 Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt

Hình 4.14 Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt

Hình 4.15 Vùng cửa sổ của mác gang cầu ADI nghiên cứu

Hình 4.19 Quan hệ giữa hàm ln(ln(1/(1-f))) và ln(t)

nghiên cứu

Hình 4.27 Tổ chức tế vi của gang cầu ở các trạng thái khác nhau

C/90 phút và chế độ giữ đẳng nhiệt khác nhau

C/90phút với chế độ giữ đẳng nhiệt khác nhau

Hình 5.5 Quy trình công nghệ chế tạo bánh răng HS9 bằng gang cầu

Mở đầu

trưởng không ngừng hàng năm của gang cầu vào khoảng từ 3 ÷5% làm thay đổi rất

năm 2003, sản lượng gang cầu trên Thế giới đã đạt 21% trong tổng số tất cả các loại

Sở dĩ gang cầu phát triển nhanh như vậy là do có cơ tính cao, với tổ chức tế

và gang xám độ bền cao trong điều kiện nhất định

Muốn nâng cao chất lượng gang cầu cần biến tính cầu hóa và graphit hóa,

tật đúc Một phương pháp khác nhằm nâng cao chất lượng gang cầu là tạo ra tổ

tạo ra các tổ chức nền kim loại như mong muốn, bảo đảm cho gang có độ bền, độ

điều khiển Vì vậy, việc “Nghiên cứu công nghệ chế tạo gang cầu ADI” là nhiệm vụ

Tính c ấp thiết của đề tài

Nghị quyết X của TW Đảng nêu rõ “… đến năm 2020 nước ta cơ bản trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại”, đòi hỏi Việt Nam phải thay đổi cơ

khoa học, công nghệ Gang cầu ADI là vật liệu tiên tiến, việc ra đời của nó cho

hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao Việc nghiên cứu sản xuất gang cầu ADI có tính cấp thiết rõ rệt

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

quan hệ giữa hai quá trình, cho phép làm sáng tỏ hơn lý thuyết tôi đẳng nhiệt gang

chính xác và ổn định quy trình công nghệ để chế tạo các mác gang cầu ausferit có tính năng làm việc khác nhau Việc chế tạo thử các cặp bánh răng bằng gang cầu

M ục đích nghiên cứu

Xây dựng cơ sở lý thuyết và quy trình công nghệ để chế tạo các chi tiết bằng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đã chọn và chế tạo gang cầu /%/: C= 3,5÷3,8; Si= 2,4÷2,6; S< 0,03; P< 0,03; Mn= 0,3÷0,42; Ni= 0,8÷1,5; Cr< 0,2; Mo< 0,2; Cu= 0,5÷1,0; Mg= 0,03÷0,04; còn

trên thế giới

.Phương pháp nghiên cứu

Đã sử dụng nhiều phương pháp hiện đại để nghiên cứu như sự hình thành và

Rơn ghen định lượng, phương pháp dãn nở nhiệt; Phân tích thành phần mác gang

đường bằng EDX; Kiểm tra cơ tính bằng thiết bị đo độ cứng Rockwell, Brinell, độ

N ội dung nghiên cứu

Phần I Tổng quan

Chương 1: Gang cầu

Chương 2: Gang cầu ADI

Phần II Thực Nghiệm

Chương 3: Điều kiện và phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Các kết quả nghiên cứu và đánh giá

Chương 5: Tổ chức, tính chất và ứng dụng gang cầu ADI

Các đóng góp mới của luận án:

- Quá trình austenit hóa ở nhiệt độ cao và chuyển biến đẳng nhiệt của gang cầu ADI, đặc biệt sự hình thành vùng “cửa sổ ausferit”, cũng như mối quan hệ giữa 2 giai đoạn này

- Trên cơ sở lý thuyết, xác định quy trình chế tạo gang cầu ausferit có tính năng theo

PHẦN I: TỔNG QUAN Chương 1 Gang cầu

Gang cầu có tốc độ phát triển rất mạnh mẽ Tới năm 2003, sản lượng gang

dạng cầu, do vậy tránh được sự tập trung ứng suất khi có ngoại lực tác dụng Gang

và gang xám độ bền cao trong điều kiện làm việc nhất định

Đỉnh cao của nhóm các loại gang cầu là gang cầu ADI, do sự kết hợp hài hòa giữa các chỉ tiêu cơ tính, tạo cho hợp kim có cơ tính tổng hợp tối ưu, có thể dùng để

Mục đích cơ bản của chương 1 là:

Trên cơ sở những hiểu biết về vật liệu và công nghệ chế tạo gang cầu, có thể

1.1 Khái quát chung về gang cầu

1 1.1 Tổ chức:

Hình 1.1 Ảnh tổ chức gang cầu ferit và peclit x500 [79]

Tổ chức của gang cầu bao gồm graphit dạng cầu và nền kim loại

Graphit ở dạng cầu tròn, đây là dạng thu gọn nhất của graphit, ít chia cắt nền

Đó chính là yếu tố làm cho gang có độ bền và độ dẻo cao Độ bền của gang cầu có

cao hơn nhiều so với gang xám

graphit hình cầu Ở trạng thái đúc, nền gang cầu có thể có các loại tổ chức là: F, F+P, P

được các tổ chức nền kim loại khác nhau (ví dụ: xoocbit, bainit, mactenxit )

1.1.2 Tính chất và công dụng của gang cầu [5]

90% cơ tính của thép)

được dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện ma sát ở áp suất cao và

bôi trơn khó khăn

chế tạo các chi tiết làm việc ở áp suất cao như: động cơ điezen, máy bơm, thiết bị

thép cacbon, khi bị ăn mòn trên bề mặt gang cầu sẽ nhanh chóng hình thành lớp

Độ bền nóng của gang cầu cao hơn gang xám do sự oxy hóa ranh giới hạt kém và sự trương nở được giảm bớt Điều này thấy rõ ở nhiệt độ cao khoảng 400÷

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

Độ bền và độ dai va đập của gang cầu cao gần như thép, cao hơn gang xám

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

môdun đàn hồi E khá cao, độ dẫn nhiệt bé

bằng gang cầu được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: các chi tiết máy

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

Theo [5] cơ tính của gang cầu có thể đạt các chỉ tiêu sau:

1 1.3 Các loại gang cầu [54]

điểm cơ tính của gang là độ bền thấp, độ dẻo và độ dai cao nhưng kém hơn gang dẻo cùng loại, độ bền mỏi tương tự gang rèn Công dụng điển hình của gang cầu ferit là đúc vỏ cầu sau ôtô

Đây là loại gang cầu có lượng peclit chiếm trên 80% tổ chức nền ở trạng thái

C45Đ, nhưng đối với mẫu có vai, có lỗ thì gang cầu cao hơn thép C45Đ Độ dai va đập của gang cầu thấp hơn so với thép C45Đ Thông thường nếu chi tiết máy có vai

hoặc lỗ thì chế tạo bằng gang cầu peclit là thích hợp hơn Những chi tiết điển hình được đúc bằng gang cầu peclit là trục khuỷu ô tô và máy kéo

Nó có độ bền cao, độ cứng cao, giới hạn bền mỏi cao và độ dai va đập tốt Loại gang này dùng để chế tạo những chi tiết chịu mài mòn, chịu tải trọng thay đổi, ví dụ: bánh răng hộp giảm tốc tải trọng lớn

chức này, vật đúc gang cầu được nung austenit hóa ở nhiệt độ cao, sau đó tôi đẳng

có độ dẻo cao, độ dai cao, độ bền cao, tức là cơ tính tổng hợp cao Và giữ được tính chất này ở ngay nhiệt độ thấp Bởi vì, tổ chức austenit này ở điều kiện nhiệt độ thấp

1 1.4 Các nhân tố ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức và tính chất của gang cầu [71,81]

a) C và Si: Tổng lượng C + Si quyết định sự tạo thành graphit trong gang

Còn khi C + Si > 6,0% cho gang xám nền ferit Bình thường, nhận được graphit

Cacbon đương lượng của gang cầu thường khống chế ứng với thành phần

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 cho việc nâng cao độ dẻo và độ dai do phòng

3,6 ÷ 3,9% C, 2,0÷ 2,5%Si

b) Mn: Trong gang cầu, Mn là nguyên tố cacbit và peclit hóa Mn thường bị thiên tích, hàm lượng Mn trên biên giới các hạt cùng tinh thường cao hơn từ 3÷ 4

hàm lượng S trong gang còn lại rất thấp, nên chỉ có một lượng nhỏ Mn sẽ kết hợp với S, do vậy phần lớn Mn hòa tan vào ferit làm tăng độ bền, giảm độ dẻo và độ dai

c).S: Hàm lượng lưu huỳnh trong gang cầu càng thấp càng tốt, vì làm giảm lượng chất biến tính cầu hóa Khi Mg và nguyên tố đất hiếm cho vào gang lỏng, đầu

khác S còn làm giảm tính chảy loãng của gang Hàm lượng S trong gang trước cầu hóa thông thường giữ ở mức < 0,05%, tốt nhất nên khống chế S ≤ 0,03%

d) P: Phốt pho dễ thiên tích, %P hơi cao là nguyên nhân làm xuất hiện cùng tinh phốt phít trên biên giới hạt, làm giảm tính dẻo, dai của gang Tác hại của phốt

vùng nhiệt độ cao Thông thường cần khống chế hàm lượng phốt pho trong gang

e) Nguyên t ố hợp kim:

Mo: Là nguyên tố cacbit hóa mạnh khi %Mo > 0,2 ÷0,3% và tăng tỷ lệ ferit

đạt 0,1÷0,3% Mo làm mịn tổ chức peclit và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức nền, qua

đó làm tăng độ bền, độ cứng của gang Nếu hàm lượng Mo vượt quá 2%, tổ chức

Mo làm tăng tính ổn định của austenit, là nguyên tố đẩy đường “C” sang phải mạnh nhất và làm tăng độ thấm tôi Để có tổ chức không có cacbit, trong gang cầu ADI hàm lượng Mo được khống chế < 0,2%

tăng lượng peclit trong nền gang Nói chung, ảnh hưởng của Cu tới gang cầu có nhiều điểm phức tạp và còn nhiều mâu thuẫn Ví dụ: Trong những mác gang chứa

hưởng nhiều đến graphit cầu Còn nếu trong gang có chứa các nguyên tố cản trở cầu hóa thì chỉ cần 1-2% Cu thôi cũng đã làm xấu đi rõ rệt sự hình thành graphit cầu

peclit trong tổ chức nền Gang cầu có hàm lượng Ni thấp cho tổ chức nền peclit; hàm lượng Ni trung bình cho nền mactenxit; hàm lượng Ni cao cho nền austenit Là

chuyển dịch về phía kéo dài thời gian nguội Lượng Ni cao sẽ cho tổ chức bainit

được dùng chủ yếu để điều chỉnh tỷ lệ tổ chức F và P trong vật đúc

+ Ưu điểm của việc hợp kim hóa Ni cho gang biến tính bằng Mg ở chỗ có

tính để lâu thì khả năng biến tính sẽ mất đi

Cr: Là nguyên tố cacbit hóa trung bình, rất dễ thiên tích Khi kết tinh, Cr

nguội chậm, nếu cho Cr vào mở rộng vùng ferit Để chắc chắn loại bỏ được tổ chức cacbit thì hàm lượng Cr không được vượt quá 0,15% Dùng Cr trong gang cầu có

Zn: Là nguyên tố peclit hóa rất mạnh, do đó, nó được dùng chủ yếu để sản

f) Nguyên t ố cầu hóa:

gang lỏng có dạng hình cầu, nó có tác dụng kiềm chế mạnh mẽ sự tiết graphit I và tăng hàm lượng cacbon của điểm cùng tinh Mg trong gang lỏng dễ dàng kết hợp

trong gang Mg còn có tác dụng làm gang lỏng sôi mạnh, do đó có tác dụng khử hyđrô, nitơ và tạp chất Mg hòa tan trong dung dịch rắn của sắt rất ít, lượng Mg còn lưu lại trong gang cầu chỉ vào khoảng 0,03 ÷ 0,08% Nếu Mg < 0,03% graphit ở

g) Nguyên t ố đất hiếm: Là những nguyên tố cầu hóa graphit Trong gang

hiếm có ái lực với S mạnh hơn Mg, cho nên nó ưu tiên kết hợp với S trong gang

với đất hiếm có dạng hạt rất nhỏ trở thành mầm ký sinh cho graphit cầu, làm cho

độ cầu hóa graphit kém đi Thông thường hàm lượng nguyên tố đất hiếm còn lại

h) Nh ững nguyên tố cản trở quá trình cầu hóa graphit: gồm Ti, As, Sn,

Sb, Pb, Bi, Al

k) Nh ững nguyên tố biến tính graphit hóa:

Si là phòng tránh nguy cơ gang bị biến trắng bởi tác dụng của các nguyên tố biến

hơn, do đó nâng cao độ dẻo, dộ dai của gang Ngược lại, Si lại hòa tan vào ferit làm

Ca, Al, Sr: Các nguyên tố biến này phối hợp với Si tạo thành chất biến tính phức hợp đạt hiệu quả càng tốt, làm cho thời gian tác dụng của chất biến tính kéo dài, đồng thời có tác dụng làm tăng tỷ lệ hấp thụ nguyên tố cầu hóa của gang lỏng,

nhạy cảm chiều dày thành vật đúc và tăng độ dai của gang

Trước hết phải căn cứ vào yêu cầu về cơ tính của chi tiết cần chế tạo mà ta lựa chọn mác gang cầu cho phù hợp Khi lựa chọn thành phần, đầu tiên phải quan tâm đến giới hạn các nguyên tố có hại cho quá trình cầu hóa và quá trình xử lý nhiệt

chính tác động đến cơ tính do sự chuyển biến cấu trúc tế vi Để chọn thành phần

Tùy theo tổ chức và tính chất của gang cầu cần để chế tạo ra gang cầu ADI,

Bảng 1.1.Thành phần hóa học của gang cầu [58]

Ferit ở trạng thái đúc

hay ủ < 4,00 < 2,5 < 0,2 <0,05 <0,01 0,03 ÷ 0,06 Ferit / Peclit ở trạng

thái đúc hay ủ < 4,00 1,7 ÷ 2,8 < 0,3 < 0,1 <0,01 0,03÷0,06 Peclit ở trạng thái đúc

hay thường hóa < 4,00 1,7 ÷ 2,8 0,5÷0,25 <0,1 0,01 0,03÷0,06

(*): Tùy theo chiều dày thành vật đúc

Bảng 1.2 Thành phần các nguyên tố khi sản xuất gang cầu [61]

≤ 0,6% với gang cầu peclit ở trạng thái đúc

%S Nên ≤ 0,02% khi biến tính bằng phương pháp nhúng

chìm hay Konverter, cũng có thể cao hơn giới hạn này

≤ 0,001%

Ở vật đúc thành dày, C và Si cao có thể dẫn tới làm xấu dạng graphit (bị thô và vỡ) Vì vậy, việc chọn C và Si nên tuân theo bảng 1.2 và bảng 1.3:

Bảng 1.3 Hàm lượng C và Si nên giới hạn cho gang cầu có thành dày khác nhau [61]

1 2 Công nghệ chế tạo gang cầu

hóa gang lỏng Có thể dùng Mg là chất cầu hóa song thao tác công nghệ phức tạp,

1 2.1 Biến tính cầu hóa gang

ở dạng cầu đặc chắc, nên lượng graphit trong gang hơi cao không ảnh hưởng xấu đến chất lượng của gang Vì vậy, để sản xuất gang cầu thường sử dụng gang có

Trong đó:

Ảnh hưởng của Cđl đến cơ tính của gang cầu được đưa ra trên hình 1.2 Từ

lượng của gang cầu biến tính bằng đất hiếm được dùng trong khoảng 4,3 ÷ 4,6%; còn khi biến tính bằng chất biến tính chứa Mg tới 4,3%

Lưu huỳnh là tạp chất rất có hại khi sản xuất gang cầu Trong gang và thép lưu huỳnh thường tồn tại ở dạng FeS, MnS và có thể tồn tại ở dạng tự do Lưu

năng lượng bề mặt hình lăng trụ, làm giảm tốc độ phát triển của bề mặt này và lớn hơn rất nhiều bề mặt cơ sở Kết quả là graphit phát triển thành dạng tấm

được biến tính bằng Mg mới làm cho graphit ở dạng cầu

Hàm lượng S càng tăng thì lượng chất biến tính cần để cầu hóa càng tăng Lượng chất biến tính cần khử S có thể tính theo công thức sau:

Hình 1.2 Ảnh hưởng của các bon đương lượng đến độ bền kéo và độ dãn dài

c ủa gang cầu được biến tính bằng Ce [18]

Trong đó:

trong gang và lượng chất biến tính cần dùng theo quan hệ tuyến tính hoặc gần tuyến tính, theo hình 1.3 [1, 50]

Hàm lượng S càng giảm, mức độ cầu hóa graphit càng tăng, tính chất cơ học của gang cầu càng được cải thiện

lượng tiêu hao chất biến tính lớn để cầu hóa từ đó làm giảm các chỉ tiêu, tính chất

cơ học của gang, đặt biệt là độ dẻo Bởi vì, những nguyên tố biến tính cầu hóa là

Nhiệt độ biến tính có vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sử

liên quan đến sự hòa tan và làm đồng đều chất biến tính cũng như khả năng cháy

Hình 1.3 Quan h ệ giữa %S trong gang và lượng chất biến tính Fe-Ce cần dùng

được gang cầu, hệ số sử dụng Ce cao (vùng II) Tiếp tục tăng nhiệt độ biến tính (

Giữ gang lỏng sau khi biến tính sẽ dẫn tới giảm hàm lượng chất biến tính dư trong gang và làm tăng hàm lượng S, kết quả là làm giảm chất lượng cầu hóa, thậm

Lượng Mg dư thay đổi theo thời gian được tính bằng công thức sau [73]:

Trong đó :

t - thời gian giữ gang sau biến tính (phút )

Hình 1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính cầu hóa tới hiệu suất thu hồi

ch ất biến tính và độ bền của gang [18]

Vì vậy, khi giữ gang cầu sau biến tính đến 5 phút còn nhận được graphít cầu, khi giữ tới 20 phút graphít trở thành dạng giun, còn giữ tới 30 phút sẽ nhận được

Có những giả thuyết còn cho rằng: Giữ gang đã được biến tính bằng Ce sẽ

3

23

12

13

2

3 2

Ở trên bề mặt gang lỏng với không khí, tùy theo điều kiện nhiệt độ giữ gang

tăng lên, vì vậy sau khi biến tính 1÷2 phút nên rót ngay vào khuôn

của vật đúc Thành càng dày thì gang tồn tại ở trạng thái lỏng càng lâu Điều đó ảnh hưởng tương tự như việc giữ gang lỏng sau biến tính

Hình 1.5 S ự thay đổi hàm lượng Ce và S theo thời gian khi giữ gang đã biến tính ở

1400 và 1450 0 C

Mặt khác, khi chiều dày vật đúc tăng thì graphit càng thô, càng xấu [74, 76, 52, 53] Lượng Mg dư được tính theo công thức sau :

Trong đó :

Trong đó :

ảnh hưởng đến sự tạo ra các loại tổ chức nền kim loại.Tăng chiều dày vật đúc, gang

có khuynh hướng kết tinh theo hệ cân bằng và trong tổ chức nền kim loại chủ yếu là ferit

1.2.2 Thiết bị biến tính cầu hóa:

Để cầu hóa graphít cho gang, phải biến tính gang lỏng bằng chất biến tính cầu hóa như Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm, các nguyên tố này có ái lực hóa

cháy và bay hơi rất mạnh Vì vậy, hiệu suất thu hồi Mg khi biến tính thấp và không

ổn định, gây khó khăn lớn cho công nghệ biến tính cầu hóa gang

Để giải quyết điều đó, thiết bị biến tính cầu hóa đóng vai trò quan trọng để nâng cao và ổn định hiệu suất sử dụng chất biến tính cầu hóa Đây là một trong các

đã tìm ra nhiều loại thiết bị biến tính khác nhau để biến tính cầu hóa bằng Mg và

là phương pháp Sandwich (biến tính trong gầu, có hố chứa chất biến tính), còn phương pháp biến tính bằng Mg nguyên chất thông dụng nhất là phương pháp

[54,55,56,57] và tổng hợp về một vài chỉ tiêu cơ bản của các phương pháp biến tính

đã nêu được cho trong bảng 1.4 c [11] trong phụ lục

1.2.3 S ự tồn tại của các nguyên tố cầu hóa để duy trì graphít ở dạng

c ầu

bằng Mg thì hàm lượng Mg dư trong gang 0,03÷0,08%, khi biến tính bằng đất hiếm

0,08÷0,15% [51]

Hình 1.6 a

N ồi biến tính Sandwich

1.3 Các biện pháp nâng cao chất lượng gang cầu

kim loại gang Trong khi đó, chất lượng cầu hóa phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian,

tố hợp kim, quá trình kết tinh và quá trình nhiệt luyện Như vậy, muốn nâng cao

đồng đều, ít bị thiên tích, không bị rỗ xốp, tạp chất và không chứa khuyết tật đúc

đồng, niken, môlípđen, hoặc tiến hành sử lý nhiệt có điều khiển để tạo ra các tổ

làm tăng tính thấm tôi cho gang cầu

1.3 1 Điều chỉnh tổ chức của gang cầu khi đông đặc

đúc phụ thuộc:

- Số lượng, kích thước và sự phân bố tổ chức nền kim loại;

chất phi kim

1.3.2 Nâng cao cơ tính của gang cầu ở trạng thái đúc bằng các

n guyên tố hợp kim hoá

Nguyên tố hợp kim làm thay đổi tỷ lệ ferit-peclit trong nền kim loại của gang, đồng thời làm tăng bền cho ferit và peclit Các nguyên tố hợp kim làm tăng

giảm khoảng cách giữa các tấm xêmentit và ferit (làm mịn hạt tinh thể peclit)

- Giá trị peclit hoá đương lượng (Px) được tính theo công thức sau:[71]

+ 333Bi + 20,1 As + 9,6 Cr + 71,7 Sb (1.8)

Từ đây có thể điều chỉnh được tỷ lệ giữa F và P phù hợp với cơ tính của vật liệu chế tạo theo yêu cầu hay tăng tỷ lệ peclit trong nền để thuận lợi cho quá trình austenit hóa trong quá trình chế tạo gang cầu ADI

Các nguyên tố hợp kim như đồng, niken làm thay đổi tỷ lệ ferit-peclit trong

- Làm thay đổi động học của quá trình chuyển biến cùng tích

Do vậy, cần phải khống chế ngay từ khi nấu luyện và biến tính cũng như điều chỉnh quá trình đông đặc để tạo ra vật đúc gang cầu như mong muốn

- Số lượng graphit cầu quá ít, kích thước của chúng quá lớn;

- Sự phá vỡ dạng graphít cầu

Hinh 1.7 T ổ chức nền kim loại của gang cầu

chứa 85% peclít, khoảng cách giữa các tấm

xêmentít là 0,50µ m, độ dẻo là 2,1% (x300,tẩm

th ực HNO 3 ) [62]

Hinh1.8: T ổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85% peclít, khoảng cách giữa các tấm xêmentít là 0,36µ m, độ dẻo là 3,5% (x300,tẩm

th ực HNO 3 )[62]

Ví dụ khuyết tật về cấu trúc của vật đúc gang cầu thường gặp như: Khuyết tật do cacbit ở biên giới hạt kim loại thể hiện trên hình 1.9 và khuyết tật do các nguyên tố

1.3.3 M ột số phương pháp nhiệt luyện nhằm nâng cao cơ tính tổng

h ợp của gang cầu

Phối hợp hợp kim hoá và nhiệt luyện là biện pháp rất có hiệu quả để nâng cao cơ tính tổng hợp (độ bền, độ dẻo dai) của gang cầu

- Việc thường hóa (N) gang cầu đã hợp kim hoá Cu-Ni, Cu hoặc Ni cho phép gang đạt độ bền rất cao, đồng thời bảo đảm tính dẻo luôn nằm giới hạn trên của các tiêu chuẩn vì tổ chức peclit tạo ra rất mịn Bằng cách này, đã tạo ra một họ hợp kim đúc

nhưng đồng thời lại làm tăng đáng kể độ dẻo dai

phép đạt độ dẻo cực đại, trong khi vẫn giữ được độ bền tương đối cao; trong khi ủ ferit hoá hai cấp (E) lại cho phối hợp cơ tính của gang cầu tốt hơn

Ưu điểm chung của gang cầu là tuy độ dai va đập thấp hơn thép, nhưng có ngưỡng

cũng bằng và thậm chí còn tốt hơn thép

Hình 1.9: Ảnh SEM của cacbit cùng tinh

môlípđen (x1490) [62] Hình 1.10: c ầu do các nguyên tố khử cầu gây ra (x400)[62] Ảnh SEM cho thấy sự biến đổi graphit

Bảng 1.5 Tính chất cơ học, hàm lượng nguyên tố hợp kim

và ch ế độ nhiệt luyện gang cầu hợp kim thấp [62]

Độ bền

/MPa/

Gi ới hạn chảy 0,2%

/MPa/

Độ dãn dài /%/

Hàm lượng nguyên tố

HK /%/

Ch ế độ nhiệt luyện

1.3.3.2 Các phương án nhiệt luyện hóa tốt và tôi đẳng nhiệt

Để thay đổi tổ chức nền kim loại, từ đó tạo ra gang cầu có độ bền, độ dẻo phù hợp với yêu cầu của chi tiết, thường sử dụng phương án công nghệ nhiệt luyện

- Phương án I và II (PA.I và PA.II) là phương án tôi + ram: PA.I gang cầu được giữ

ở vùng nhiệt độ austenit hóa, sau thời gian giữ nhất định để bão hoà C trong austenit

đủ thời gian để đạt được trạng thái cân bằng, gang được làm nguội nhanh trong nước hoặc dầu xuống nhiệt độ thường để chuyển biến tổ chức từ austenit thành mactenxit Như vậy, tổ chức nền kim loại theo PA.I sau tôi là mactenxit, theo PA.II

- Từ PA.III tới PA.VI là các chế độ tôi đẳng nhiệt như sau:

+ PA.IV: austenit hoá không hoàn toàn và chuyển biến đẳng nhiệt hoàn toàn, tổ

Khi giữ đẳng nhiệt với thời gian đủ để hình thành tổ chức ferit hình kim và austenit

+ PA.VI: austenit hoá không hoàn toàn và chuyển biến đẳng nhiệt không hoàn toàn,

Hình 1.11 Sơ đồ các phương án nhiệt luyện gang cầu cơ tính cao [63]

PA III được dùng để chế tạo gang cầu bainit và PA.V để tạo gang cầu ausferit

Trong tổ chức nền kim loại các phương án PA.IV và PA.VI, ngoài các tổ

bền của gang Điều này cũng gây khó khăn cho quá trình hình thành tổ chức ausferit

Qua chương 1, có thể rút ra một số nhận xét sau:

đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao

Để nâng cao cơ tính của gang cầu phải nâng cao chất lượng cầu hóa gang điều khiển quá trình đông đặc và có thể sử dụng các biện pháp nhiệt luyện để cải thiện tổ chức

- Muốn nâng cao cơ tính tổng hợp, đặc biệt tính dẻo cho gang cầu, ngoài các yêu

/%/: 3,6 ÷ 3,8C; 2,1 ÷ 2,5Si; 0,2 ÷0,5Mn; ≤ 0,015S; ≤ 0,015P

và phương pháp biến tính cầu hóa nên dùng phương pháp Sandwich với HKTG

đẳng nhiệt PA.III sẽ cho tổ chức bainit, đặc biệt PA.V cho tổ chức ausferit là phương án có hiệu quả cao nhất

Chương 2

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

Mục đích: Tổng quan những thành tựu nghiên cứu và sản xuất gang cầu ADI

2.1 Khái quát chung về gang cầu ADI

- Austempered Ductile Iron: là loại gang có độ dẻo, được sản xuất bằng quá trình xử

austenit giàu các bon

Gang cầu ausferit được thống nhất định tiêu chuẩn ở châu Âu là EN 1564 và ở Bắc

ứng với tổ chức bainit và nhánh có độ dẻo cao hơn ứng với tổ chức ausferit của

Hình 2.1 M ối quan hệ giữa tổ chức nền kim loại với giới hạn chảy và độ

d ẻo của gang cầu [62]

Gang cầu ADI có cơ tính tổng hợp cao hơn nhiều so với vật liệu cùng nhóm cùng thành phần, nhưng chỉ khác về cấu trúc nền kim loại Điều này được đưa ra trên hình 2.2

lí nhiệt để tạo ra 2 tổ chức khác nhau: Mactenxit ram và Peclit + Ferit Gang cầu ADI cho độ bền gấp 2 lần

Bảng 2.1 So sánh cơ tính của các vật liệu chế tạo trục khuỷu ôtô [21]

Hình 2.2 Bi ểu đồ so sánh cơ tính giữa gang cầu ADI và gang cầu truyền thống [26 ]

ADI Mactenxit ram Peclit + Ferrit

Công nghệ sản xuất gang cầu ADI đã được nghiên cứu và ứng dụng để chế tạo các chi tiết như: bánh răng, trục khuỷu ở một số nước Anh, Mỹ, Nhật

Anh cho động cơ 6 xilanh nặng 29,5kg được đưa ra thị trường từ năm 1999 ở Anh

và Nhật Vì, có cơ tính tổng hợp rất cao, cho nên gang cầu ADI còn được gọi là vật

bằng gang cầu ADI so với các vật liệu khác

thiết, đặc biệt có cơ tính tổng hợp cao Vì vậy, gang cầu ADI là chìa khóa cho sự

Mục đích của công nghệ sản xất gang cầu ADI

như tính gia công cơ của gang cầu ADI tốt hơn nhiều so với vật liệu bằng thép Do

đi đáng kể Cho nên, làm chủ được công nghệ chế tạo gang cầu ADI, thì chúng ta có

và độ dãn dài δ tới 25% Như vậy, gang cầu muốn tăng độ dẻo thì độ bền của gang

lúc này chúng ta phải sử dụng vật liệu thép, sau đó xử lý nhiệt để nâng cao độ bền,

Bản chất của công nghệ chế tạo gang cầu ADI

Gang cầu ADI là kết quả của quá trình xử lý nhiệt có điều khiển để chuyển