Chương 1. Tổng quan nghiên cứu Chương 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận Kết luận và kiến nghị Danh mục các công trình đã công bố Tài liệu tham khảo Phụ lục 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.
Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI Gang cầu tôi đẳng nhiệt là loại gang có độ dẻo cao, được sản xuất bằng quá trình xử lý nhiệt gang cầu truyên thống, để tạo ra cấu trúc nền chủ yếu là các ferit hình kim nằm trên nền austenit giàu cácbon (còn được gọi là tổ chức ausferit). Công nghệ chế tạo gang ADI có thể tóm tắt như sau. - Gang xám thường được biến tính cầu hoá có mức độ cầu hoá khoảng 90 %. - Gang cầu được nung nóng và giữ đẳng nhiệt ở vùng austenit hoá trong khoảng từ 840 đến 960 oC, giữ đủ thời gian để bão hoà C trong pha austenit, nhận được tổ chức nền hoàn toàn austenit; sau đó làm nguội nhanh tới nhiệt độ dưới A1, giữ nhiệt trong thời gian thích hợp để austenit bão hoà cacbon chuyển biến thành ausfenit và làm nguội tới nhiệt độ phòng.
Sơ đồ tôi đẳng nhiệt gang cầu ADI với 2,4 %Si [1] 4 Sơ đồ tôi đẳng nhiệt gang cầu ADI được mô tả trên hình 1.1 Các chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt: - Tại điểm M, gang đã được austenit hoá hoàn toàn và giữ nhiệt một khoảng thời gian là MN - Sau đó, gang được làm nguội từ điểm N rất nhanh tới điểm P có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit và giữ đẳng nhiệt, sao cho không xuất hiện peclit hoặc ferit trong tổ chức nền kim loại. - Giai đoạn P-F là giai đoạn chuẩn bị (incubation) - Tại điểm F sẽ bắt đầu xảy ra sự chuyển biến pha. Giai đoạn FG gọi là phản ứng giai đoạn 1 của quá trình. Đầu tiên, austenit () bão hoà cacbon tiết ra ferit hình kim (Acicular ferrite-AF).
Cacbon dư sẽ khuếch tán vào austenit, làm austenit giàu C và trở nên ổn định hơn còn gọi là austenit cacbon cao (γHC): γ → AF + γHC (1.1) Tổ chức ferit hình kim trên nền austenit cacbon cao gọi là ausferit. - Tới điểm G: nồng độ bão hoà C trong austenit đã đủ lớn, hàm lượng C có thể đạt tới (1,8 đến 2,2) %, đẩy đường bắt đầu chuyển biến mactensit MS dần thấp hơn nhiệt độ phòng, cho nên có thể nói, austenit trở nên rất ổn định. Phản ứng giai đoạn 1 kết thúc. - Trong khoảng GH, không có phản ứng nào xảy ra.
Chỉ có quá trình ổn định và sắp xếp lại tổ chức, tổ chức hoàn toàn là ausferit. Vùng này còn có tên vùng “cửa sổ quá trình” (Process Window). Nếu tiếp tục kéo dài thời gian giữ đẳng nhiệt qua điểm H , phản ứng giai đoạn 2 sẽ xảy ra. Austenit cacbon cao tiết ra ferit và cacbit: γHC → ferit + cacbit() (1.2) Hỗn hợp hai pha ferit và cacbit- tấm mịn được gọi là tổ chức bainit.
Gang cầu cũng giống như thép hợp kim silic, có hai vùng chuyển biến bainit: bainit trên và bainit dưới. Khi nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt thấp sẽ cho tổ chức của gang ADI mịn hơn cho nên gang có độ bền cao nhưng độ dẻo dai giảm (bảng 1. Các mác gang ADI với nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt [2] Mác gang (Theo Din EN 1564) Nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt (0C) EN-GJS 800-8 370 tới 390 EN-GJS 1.000-5 350 tới 370 EN-GJS 1.200-2 320 tới 350 EN-GJS 1.400-1 280 tới 320 Gang cầu ADI có cơ tính tổng hợp cao, trong khi đó, tính đúc cũng như tính gia công cơ của gang cầu ADI tốt hơn nhiều so với thép. Do vậy, khi chọn gang cầu 5 ADI làm vật liệu để chế tạo các chi tiết thay thế cho thép thì giá thành sẽ giảm đi đáng kể.
Cho nên, làm chủ được công nghệ chế tạo gang cầu ADI, thì có thể chế tạo thiết bị được trên thị trường của các nước đang phát triển. Gang cầu peclit có thể đạt được giới hạn bền kéo ζb = (600 ÷ 800) MPa và độ giãn dài δ = (1 ÷ 5) %, gang cầu ferit có thể đạt được độ bền kéo ζb = (450 ÷ 500) MPa và độ giãn dài δ tới 25%. Đối với gang cầu truyền thống, muốn tăng độ dẻo thì độ bền của gang lại giảm, mặt khác muốn gang cầu có độ bền cao thì độ dẻo lại rất thấp. Bởi vậy, với chi tiết khi làm việc yêu cầu cả độ dẻo và độ bền thì gang cầu truyền thống không đáp ứng được.
Một giải pháp cũng khả thi là phải sử dụng vật liệu thép, sau đó xử lý nhiệt để nâng cao độ bền, tuy nhiên thép lại là vật liệu có tính đúc kém, do vậy giá thành khi chế tạo tăng lên khá nhiều. Gang cầu ADI đáp ứng được các yêu cầu nói trên, vì vậy gang cầu ADI là vật liệu có giá trị của hiện tại và tương lai trong công nghệ chế tạo máy. Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI có thể đạt giới hạn bền lớn nhất 1200 MPa và độ giãn dài (1 ÷ 5) %. Nếu độ bền đạt 1000 MPa thì độ giãn dài vẫn có thể đạt gần 5 %.
Đây là một ưu việt nổi trội của gang cầu ADI [3]. Gang cầu có tổ chức ferit thứ cấp và ausferit Hình 1. Ảnh hiển vi quang học của gang cầu có tổ chức ferit và ausferit (Chất tẩm thực 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O) [4] Gang cầu tôi đẳng nhiệt nền ferit và austenit (Austempered Ductile Iron with Dual Matrix), được chế tạo nhờ quá trình nhiệt luyện: austenit hóa một phần để tạo thành tổ chức ferit thứ cấp và austenit, sau đó là tôi đẳng nhiệt để austenit chuyển thành tổ chức ausferit (ferit hình kim trên nền austenit cacbon cao). Tổ chức cuối cùng của gang sẽ là ferit thứ cấp và ausferit.
Tổ chức này đảm bảo cho gang có cơ tính tổng hợp khá tốt: độ bền cao kết hợp độ dẻo cũng cao [5] (hình 1. Loại gang cầu ferit và austenit là sự lựa chọn thay thế khả thi để tạo ra hệ thống truyền động và cấu tạo khung gầm trong ngành công nghiệp quốc phòng và chế tạo máy móc tự động, vì nó có giới hạn chảy cao ( 380 ÷ 550) MPa, giới hạn bền kéo cao ( 500 ÷ 900) MPa, độ giãn dài tương đối ( 14 ÷ 20) %, độ bền va đập 6 ( 45 ÷ 55) J/cm2, tính chống chịu với các môi trường ăn mòn tốt, khả năng đúc và gia công tuyệt vời [6, 7, 8, 9]. Sự thay đổi về lượng ausferit được kiểm soát nhờ sử dụng nồng độ silic khác nhau trong gang và giữ nhiệt độ austenit hóa một phần luôn không đổi. Kết quả cho thấy gang cầu với nền ferit-ausferit có độ bền có thể ngang với độ bền của gang cầu tổ chức tế vi peclit, trong khi độ dẻo tương đương với các loại gang cầu ferit [10,11].
Trong gang cầu đẳng nhiệt ferit và ausferit, công đoạn austenit hóa một phần có ảnh hưởng rất mạnh tới các đặc tính cơ học vì nó kiểm soát tỷ phần ferit thứ cấp và ausferit trong tổ chức tế vi cuối cùng. Giai đoạn tôi đẳng nhiệt không có ảnh hưởng mạnh đến tính chất cơ học của loại gang cầu này như đối với gang ADI thông thường [9, 12, 13]. Tuy nhiên, việc giải thích cơ chế của phản ứng bainit trong gang cầu ferit và austenit dựa vào các nghiên cứu với ADI thông thường cũng rất cần thiết. Mối quan hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài đến phá hủy của các loại gang cầu [14] Gang cầu ferit và ausferit có quan hệ ứng suất - biến dạng khác hẳn so với các gang cầu ferit, gang cầu peclit và gang cầu được tôi đẳng nhiệt ADI.3 so sánh mối liên hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài của các loại gang cầu.
So với gang cầu ferit, gang cầu tôi đẳng nhiệt ferit và austenit gần như gấp đôi về độ bền, giới hạn chảy nhưng có độ giãn dài tương tự nhau. So với gang cầu peclit, gang cầu đẳng nhiệt ferit+ausferit có độ bền, giới hạn chảy cao hơn 1 chút và độ giãn dài cao gấp 2 lần. So với gang cầu tôi đẳng nhiệt thông thường (ADI), gang cầu tôi đẳng nhiệt có tổ chức nền ferit và ausferit có độ bền, giới hạn chảy thấp hơn nhưng độ giãn dài tương đối cao gần như gấp đôi [14]. Các tác giả chứng minh rằng, (1) độ cứng tăng khi nhiệt độ austenit hóa tăng, (2) độ cứng và giới hạn chảy có liên quan tuyến tính với nhau, có nghĩa là, khi độ cứng tăng thì giới hạn chảy tăng, (3) nhiệt độ tôi đẳng nhiệt có ít ảnh hưởng tới các đặc tính cơ học, nhưng nó được kiểm soát chủ yếu bởi quá trình austenit hóa một 7 phần của quá trình nhiệt luyện, và (4) quá trình austenit hóa và sau đó là tôi đẳng nhiệt tạo ra loại vật liệu có khả năng gia công tốt hơn, tuổi thọ tốt hơn và tính chống chịu với các môi trường ăn mòn tốt hơn rất nhiều so với ADI thông thường [13, 14, 15].
ADI thông thường được tạo ra bằng quá trình austenit hóa hoàn toàn, sau đó là tôi đẳng nhiệt. Giai đoạn đầu, phản ứng giai đoạn 1, bao gồm quá trình tạo mầm và phát triển mầm ferit. Độ hòa tan thấp của cacbon trong ferit, đồng thời nồng độ silic cao đã làm trì hoãn quá trình tạo cacbit. Khi quá trình bị dừng ở cuối giai đoạn này, austenit có thể có nồng độ cacbon đủ cao để ổn định sau quá trình tôi tới nhiệt độ phòng, điều đó dẫn đến sự hình thành tập hợp ferit và austenit ổn định gọi là ausferit.
Nếu dừng quá trình ở cuối giai đoạn 1, gang sẽ có tính chất cơ học tốt nhất. Giai đoạn thứ 2 của quá trình bắt đầu với sự tạo cacbit, sau đó là sự phát triển các tấm ferit [16, 17, 18, 19]. Hình thái học ausferit phụ thuộc vào nhiệt độ tôi đẳng nhiệt. Ở nhiệt độ tôi đẳng nhiệt cao, động lực cho phản ứng khá thấp và sự khuếch tán cacbon khá cao dẫn đến tỷ phần pha ferit hình kim nhỏ hơn và tỷ phần theo thể tích của austenit lớn hơn.
Ở nhiệt độ thấp, động lực cho phản ứng khá cao và sự khuếch tán cacbon khá chậm và sau đó có nhiều ferit hình kim hơn và ferit hình kim mịn hơn được hình thành [18]. Các nguyên tố hoá học có trong thành phần gang đều có ảnh hưởng đến quá trình chuyển biến. Silic làm trì hoãn quá trình tạo cacbit, nghĩa là mở rộng cửa sổ quá trình ADI. Các nguyên tố hợp kim như là mangan và niken cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất ADI thông thường.
