KL 95new KL 69 qxd 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Gang trắng Cr cao thường được quan tâm trong ứng dụng chế tạo các chi tiết làm việc cần độ cứng cao để chịu mài mòn [1] Các chi tiết thường gặp có thể kể đến như hàm ng[.]
18 Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu Công nghệ ủ mềm áp dụng cho gang trắng Cr cao Soft annealing technology applied to high chromium white cast iron NGUYỄN NGỌC MINH1,* Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hà Nội *Email: minh.nguyenngoc@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 24/2/2021, Ngày duyệt đăng: 6/4/2021 TÓM TẮT Gang trắng Cr cao loại hợp kim ứng dụng nhiều lĩnh vực chế tạo chi tiết làm việc điều kiện chịu mài mòn lớn Tuy nhiên, q trình gia cơng cắt gọt loại hợp kim thường gặp khó khăn chúng có độ cứng cao Do đó, mục tiêu nghiên cứu tìm thơng số quy trình xử lý nhiệt thích hợp để áp dụng làm mềm gang trắng Cr cao khoảng độ cứng thấp hơn, nhằm đảm bảo thuận lợi cho q trình gia cơng cắt Trong nghiên cứu này, mẫu gang austenit hóa phần ủ mềm lị buồng điện trở Kính hiển vi quang học, thiết bị nhiễu xạ Rơnghen kính hiển vi điện tử quét sử dụng để quan sát đánh giá tổ chức mẫu trước sau xử lý nhiệt Máy đo độ cứng thô đại sử dụng để đánh giá mức độ biến đổi độ cứng mẫu Kết nghiên cứu rằng: điều chỉnh lại kích thước hạt cacbit sơ cấp tiết cacbit thứ cấp nhỏ mịn q trình xử lý nhiệt làm giảm độ cứng gang trắng vùng thích hợp cho gia cơng cắt gọt Từ khóa: Gang trắng Cr cao, ủ mềm, gia công cắt gọt ABSTRACT High Cr white cast iron is an alloy widely used in the field of manufacturing parts working in conditions of high wear resistance However, the machining process for this alloy is often difficult due to its high hardness Therefore, the objective of this study is to find out the appropriate parameters of heat treatment process to be able for softening of high Cr white cast iron with a lower hardness, ensuring the cutting process In this study, the samples were austenitized partially and soft annealed in a resistance furnace Optical microscope, X-ray diffractometer and field emission scanning electron microscope were used to observe and evaluate the microstructure of samples before and after heat treatment The Rockwell hardness tester (RHT) is also used to evaluate hardness variation of samples Research results have shown that the change of primary carbide grain size and formation of secondary carbides during heat treatment can reduce the hardness of white cast iron to the suitable range for machining Keywords: High Cr cast iron, soft-annealing, machining process ĐẶT VẤN ĐỀ Gang trắng Cr cao thường quan tâm ứng dụng chế tạo chi tiết làm việc cần độ cứng cao để chịu mài mòn [1] Các chi tiết thường gặp kể đến hàm nghiền máy nghiền quặng [2], trục cán [2-3], lót tang nghiền clanke [2, 4], cánh thân bơm bùn lĩnh vực khai khống [5-6] Thành phần hóa học đặc trưng loại gang chịu mài mòn này, ngồi hàm lượng ngun tố cacbon thường nằm khoảng 1,8 đến 3,6 % hàm lượng Cr từ 11 đến 30 % số nguyên tố hợp kim khác Mo, Ni, V, Nb, tùy trường hợp cụ thể thêm vào để cải thiện tính _ DOI: 10.52923/vmfs.jstm.42021.95.03 [7-9] Đặc trưng tổ chức tế vi sau đúc loại gang trắng Cr cao thể rõ vai trò nguyên tố Cr Với hàm lượng lớn, Cr làm cho xementit (Fe3C) ổn định thay loại cacbit khác (CrFe)7C3, M7C3, (CrFe)23C6 (CrFe)6C [7,10, 11] Các loại cacbit hình thành sau đúc thường có dạng thô to, độ cứng cao nên phân bố gang thường làm độ cứng chi tiết lớn Đối với chi tiết sau đúc cần gia cơng cắt gọt khí độ cứng đánh giá trở ngại đáng lưu ý Để khắc phục nhược điểm tổ chức gang trắng Cr sau đúc, nhiều quy trình xử lý nhiệt nhằm làm giảm độ cứng thực Số 95 tháng 4/2021 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu rằng: quy trình xử lý nhiệt cơng bố áp dụng phù hợp số mác hợp kim có thành phần định khơng thể áp dụng cho tồn nhóm gang trắng Cr cao [10] Vì lý đó, nghiên cứu tiến hành xây dựng quy trình ủ mềm cho mác gang với thành phần cụ thể bảng Các kết nghiên cứu cho thấy, độ cứng gang trắng Cr cao giảm đáng kể so với độ cứng ban đầu nhờ điều chỉnh tiết pha cacbit thứ cấp gang trắng THỰC NGHIỆM Để thực nghiên cứu này, mác gang Cr cao sử dụng có thành phần hóa học bảng Gang sau đúc cắt thành khối nhỏ với kích thước (110 x 110 x 110) mm để hộp thép khơng gỉ bảo vệ nung nóng theo quy trình nhiệt luyện hình Quy trình tiến hành qua bước Bước đầu tiên, hợp kim austenit hóa 970 oC Mục đích giai đoạn để hòa tan phần cacbit sơ cấp hình thành sau đúc vào austenit trước làm nguội để nhận tổ chức mactensit Việc làm giảm kích thước hạt cacbit sơ cấp góp phần làm giảm độ cứng sau hợp kim Bước trình xử lý nhiệt ủ có kết hợp làm thăng giáng nhiệt độ Mục đích q trình ủ kích thích tiết pha cacbit thứ cấp nhỏ mịn phân hóa bớt mactensit tơi Trong q trình ủ này, phần cacbon mactensit tiết để kết hợp với nguyên tố hợp kim hình thành nên cacbit Bên cạnh đó, nồng độ cácbon mactensit giảm làm giảm thêm độ cứng pha Quá trình nung phân cấp trước tiên 650 oC, nhiệt độ tối thiểu để ổn định austenit thường biết đến họ gang trắng Cr cao Do vậy, giữ nhiệt 650 oC giúp cho austenit dư lại sau phân hủy thuận lợi Giai đoạn nung 700 oC trình tiết cacbit thứ cấp Nhiệt độ giai đoạn thường lựa chọn vùng lân cận AC1, nhiệt độ cao dẫn đến hình thành austenit lại tổ chức, qua tăng giới hạn hịa tan cacbon làm giảm hiệu trình tiết cacbit thứ cấp Nhiệt độ thấp phải kéo dài Bảng 1: Bảng thành phần hóa học gang Cr cao Hình 1: Quy trình xử lý nhiệt ủ mềm gang trắng Cr cao TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Số 95 tháng 4/2021 19 20 Cơng trình nghiên cứu Journal of Science and Technology of Hình 2: Ảnh tổ chức tế vi với độ phóng đại 500 lần: (a) mẫu sau đúc; (b) mẫu sau tôi; (c) mẫu sau ủ mềm Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ Rơn ghen của: (a) mẫu sau đúc; (b) mẫu sau ủ mềm Số 95 tháng 4/2021 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu thời gian ủ, khơng đem lại hiệu cao Bên cạnh đó, giai đoạn sử dụng biện pháp phân cấp ba lần nhiệt độ 700 oC giúp kích thích trình sinh mầm hình thành cacbit thứ cấp nhanh hơn, góp phần làm giảm thời gian giai đoạn ủ Quá trình xử lý nhiệt thực lị điện trở có điều khiển (Nabertherm, model: N11/H) Các mẫu sau giai đoạn xử lý nhiệt kiểm tra độ cứng máy đo độ cứng Rockwell (Mitutoyo Digital Hardness Tester, model: ARK-600 810-218E) Kính hiển vi quang học (Axiovert, model: 25CA) kính hiển vi điện từ quét (JEOL, model: JEOL JSM-7600F) sử dụng để quan sát thay đổi tổ chức tế vi Thiết bị nhiễu xạ Rơn ghen (Bruker, model: D8Advance) sử dụng để khảo sát thay đổi thành phần pha tiết pha cacbit thứ cấp gang trạng thái khác KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quan sát tổ chức tế vi kính hiển vi quang học mẫu trước sau xử lý nhiệt thể hình Tổ chức tế vi quan sát hình 2a cho thấy: hợp kim sau đúc xuất cacbit sơ cấp (M7C3) thô to, austenit tổ chức tinh gồm cacbit (M7C3) phân bố austenit Sự tồn austenit nhiệt độ phòng xác định ảnh hưởng tỷ lệ Cr/C có mặt Ni, Mn, Si thành phần hợp kim yếu tố có tác dụng mở rộng vùng austenit [12-13] Trên hình 2b, tổ chức hợp 21 kim sau tơi cho thấy khơng cịn có tồn tổ chức tinh sau đúc mà cacbit sơ cấp chưa hòa tan hết phân bố mactensit Kết quan sát tổ chức tế vi mẫu sau xử lý nhiệt ủ mềm (hình 2c) cho thấy khơng cịn có diện austenit tổ chức ban đầu thay vào có tiết pha cacbit nhỏ mịn phân bố mactensit Ảnh hình 2c rõ kích thước hạt cacbit sơ cấp nhỏ so với tổ chức sau đúc hòa tan phần vào austenit trình nung austenit hóa 970 oC Để làm rõ vấn đề tiết pha thay đổi tổ chức mẫu trước sau nhiệt luyện ủ mềm, mẫu kiểm tra nhiễu xạ Rơnghen (hình 3) Với mẫu sau đúc hình 3a, nhiễu xạ Rơnghen tồn cacbit sơ cấp crơm (M7C3) có tổ chức khẳng định hình 2c, nơi mà chúng tương ứng hạt trắng thơ to, hình dạng đa cạnh đứng riêng biệt quan sát Bên cạnh đó, việc phân biệt hạt cacbit sơ cấp với tổ chức khác thể qua hình 4a Sự tương tác với chùm điện tử cho thấy cacbit sơ cấp lên hạt có màu tối sẫm, khác biệt hẳn so với austenit cacbit tinh có màu sáng Trong đó, austenit thành phần chủ yếu gang cho vạch nhiễu xạ với cường độ lớn Trên hình 3b, khơng cịn thấy vạch austenit, mà vạch mactensit Điều giải thích rằng, trình xử lý nhiệt theo quy trình hình 1, giai đoạn đầu, mẫu sau austenit hóa 970 oC nguội ngồi khơng khí Hình 4: Ảnh hiển vi điện tử quét: (a) mẫu sau đúc (x1000); (b) mẫu sau xử lý nhiệt ủ mềm (x500) TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Số 95 tháng 4/2021 22 Journal of Science and Technology of Cơng trình nghiên cứu kim kiểm chứng Các mẫu trước sau xử lý nhiệt kiểm tra độ cứng (HRC) Giá trị độ cứng mẫu xác định theo giá trị trung bình lần đo vị trí khác tiết diện mẫu thử Kết cho hình Hình 5: Độ cứng mẫu gang có chuyển biến từ austenit sang mactensit Cường độ vạch nhiễu xạ đặc trưng cho cacbit (M7C3) tăng lên đáng kể, chứng tỏ có tiết pha cacbit thứ cấp thực quy trình ủ sau Để quan sát làm rõ tiết cacbit, mẫu trước sau nhiệt luyện khảo sát kính hiển vi điện tử quét Kết thể hình Với mẫu sau đúc hình 4a, ảnh tổ chức cho thấy hạt cacbit sơ cấp thô to phân tán tổ chức tinh, austenit hạt lớn nằm bên cạnh tổ chức tinh Mẫu sau xử lý nhiệt (hình 4b) cho thấy pha cacbit thứ cấp tiết hạt màu sáng nhỏ mịn, phân bố mactensit Kết giúp khẳng định rằng, quy trình thực sơ đồ hình nêu hồn tồn áp dụng để tạo cacbit thứ cấp phân tán hợp kim Ảnh hưởng tổ chức đến độ cứng hợp Với mẫu sau đúc, độ cứng trung bình vào khoảng 51 HRC cao gây khó khăn đáng kể đến gia công cắt gọt Giá trị độ cứng phản ánh ảnh hưởng cacbit sơ cấp thơ to hình thành sau đúc Với mẫu sau austenit hóa 970 oC, giá trị độ cứng đạt lớn nhất, tổ chức ngồi cacbit sơ cấp chưa hòa tan hết austenit nung có mactensit với hàm lượng C cao hình thành làm tăng mạnh độ cứng gang sau giai đoạn austenit hóa Giá trị độ cứng đạt mẫu sau ủ khoảng 40 HRC cho thấy giá trị độ cứng giảm rõ rệt so với tổ chức mẫu cung cấp ban đầu Do vậy, khẳng định việc áp dụng quy trình xử lý nhiệt theo hình để điều chỉnh tổ chức hợp kim nhằm làm giảm độ cứng phù hợp KẾT LUẬN Gang trắng 22 %Cr hồn tồn làm giảm độ cứng nhờ thực quy trình xử lý nhiệt ủ mềm để điều tiết kích thước, phân bố cacbit (cacbit sơ cấp bị hòa tan bớt cacbit thứ cấp tiết nhỏ mịn) giảm bớt hàm lượng cácbon pha mactensit Với gang trắng có hàm lượng 22 %Cr, giá trị độ cứng giảm đến 11 HRC (mức độ chênh lệch độ cứng mẫu sau đúc mẫu sau ủ mềm) xử lý theo quy trình ủ mềm gồm giai đoạn: giai đoạn đầu thực austenit hóa 970 oC giữ nhiệt h nguội ngồi khơng khí, giai đoạn nung phân cấp 650 oC h trước tiến hành quy trình nung theo chế độ nung: 700 oC/1 h → 650 oC → 700 oC/1 h → 650 oC → 700 oC/1 h → khơng khí TÀI LIỆU TRÍCH DẪN E Karantzalis, A Lekatou, H Mavros; Microstructure and properties of high chromium cast irons: effect of heat treatments and alloying additions, International Journal of Cast Metals Research, Vol 22, Issue 6, 2009, pp 448-456; doi: 10.1179/174313309X436637 M Ngqase, X Pan; An Overview on Types of White Cast Irons and High Chromium White Cast Irons, Journal of Physics: Conference Series, Vol 1495, 2020; doi: 10.1088/1742-6596/1495/1/012023 Z H Guo, F R Xiao, S L Lu, H Y Li, B Liao; Effects of Heat-Treatment on the Microstructure and Wear Resistance of a High-Chromium Cast Iron for Rolls, Advances in Materials Science and Engineering, Vol 2016, 2016, pp1-7; doi: 10.1155/2016/9807685 Số 95 tháng 4/2021 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 23 I Kuntadi, U Sumirat, E Permana; The Development of Material Grinding Ball in Ballmill Made of White Cast Iron and Applied to Cement Plants, Advances in Social Science, Education and Humanities Research, Vol 520, 2021, pp 44-47 V Marimuthu, K Kannoorpatti; Corrosion Behaviour of High-Chromium White Iron Hardfacing Alloys in an Alkaline Solution, J Bio Tribo Corros., Vol 2, Issue 26, 2016, pp 1-14; doi: 10.1007/s40735-016-0056-x L Xu, S Wei, J Li, G Zhang, X Ma; Microstructure and Corrosive Wear Property of Super High Chromium Cast Iron (SHCCI), Advanced Materials Research, Vol 228-229, 2011, pp 905-908; doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.228-229.905 F Nurjaman, S Sumardi, A Shofi, M Aryati, B Suharno; Effect of molybdenum, vanadium, boron on mechanical properties of high chromium white cast iron in as-cast condition, International Symposium on Frontier of Applied Physics (ISFAP) 2015, pp 020005-1-020005-6; doi: 10.1063/1.4941614 C G Oliveira, I P Pinheiro; Effect of Niobium on the Microstructure of High Chromium White Cast Iron, Mater Res Soc Symp Proc., Vol 1816, 2016; doi: 10.1063/1.4941614 J Liu, S Li, Y Man; Wear resistance of M-hard and high-chromium cast iron re-evaluated, Wear, Vol 166, Issue 1, 1993, pp 37-40; doi: 10.1016/0043-1648(93)90276-R 10 D Kopyciński, E Guzik, D Siekaniec, A Szczęsny; Analysis of the High Chromium Cast Iron Microstructure after the Heat Treatment, Archives of Foundry Engineering, Vol 14, Issue 3, 2014, pp 43-46; doi: 10.2478/afe-20140059 11 P Amorim, H Santos, J Santos, S Coimbra, C Sá; Soft Annealing of High Chromium White Cast Iron, Materials Science Forum Vols 455-456, 2004, pp 290-294; doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.455-456.290 12 K A Aziz, M E Shennawy, A A Omar; Microstructural Characteristics and Mechanical Properties of Heat Treated High-Cr White Cast Iron Alloys, International Journal of Applied Engineering Research, Vol 12, Issue 14, 2017, pp 4675-4686 13 G Niu, Y Sui, H.Zeng, H He, Y Jiang, M Zhou; Effect of centrifugal casting temperature on the microstructure andproperties of ZTAP/HCCI matrix composites, Mater Res Express, Vol 8, 2021; doi: 10.1088/20531591/abe012 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI Số 95 tháng 4/2021 ... nhiệt cơng bố áp dụng phù hợp số mác hợp kim có thành phần định khơng thể áp dụng cho tồn nhóm gang trắng Cr cao [10] Vì lý đó, nghiên cứu tiến hành xây dựng quy trình ủ mềm cho mác gang với thành... nghiên cứu cho thấy, độ cứng gang trắng Cr cao giảm đáng kể so với độ cứng ban đầu nhờ điều chỉnh tiết pha cacbit thứ cấp gang trắng THỰC NGHIỆM Để thực nghiên cứu này, mác gang Cr cao sử dụng có... việc áp dụng quy trình xử lý nhiệt theo hình để điều chỉnh tổ chức hợp kim nhằm làm giảm độ cứng phù hợp KẾT LUẬN Gang trắng 22 %Cr hồn tồn làm giảm độ cứng nhờ thực quy trình xử lý nhiệt ủ mềm