Mục tiêu trong nghiên cứu này là tìm ra được các thông số xử lý nhiệt cần thiết để áp dụng làm mềm gang trắng Cr cao về khoảng độ cứng thấp hơn nhằm bảo đảm thuận lợi cho quá trình gia công cắt gọt. Các mẫu gang được ủ mềm ở các điều kiện khác nhau bằng lò buồng điện trở.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 057-061 Công nghệ ủ mềm gang crôm cao để gia công cắt gọt Soft Annealing Technology of High Chromium White Cast Iron for Machinability Nguyễn Ngọc Minh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 24-5-2019; chấp nhận đăng: 27-9-2019 Tóm tắt Mục tiêu nghiên cứu tìm thơng số xử lý nhiệt cần thiết để áp dụng làm mềm gang trắng Cr cao khoảng độ cứng thấp nhằm bảo đảm thuận lợi cho q trình gia cơng cắt gọt Các mẫu gang ủ mềm điều kiện khác lò buồng điện trở Việc đánh giá chuyển pha vật liệu suốt trình ủ mềm thực việc sử dụng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét, nhiễu xạ X-ray thiết bị đo độ cứng tế vi Kết nghiên cứu chứng minh rằng: việc ủ mềm gang trắng Cr cao hồn tồn thực thông qua việc điều chỉnh mức độ phân bố cácbit thứ cấp Cr Feα Từ khóa: Gang trắng Cr cao, ủ mềm, gia công kim loại Abstract The objective of the present work is to establish the heat treating parameters necessary to impose high chromium white cast iron a lower range of hardness, acceptable to guarantee a reasonable machinability of the material Samples are soft annealing under different conditions by a resistor furnace Evaluation of the phase tranformations during soft annealing was carried out by using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and microhardness tester The results of this study have shown that soft annealing of high chromium white cast iron can be done by controlling the distribution of secondary chromium carbide on ferrite matrix Keywords: high chromium white cast iron, soft annealing, metal processing Mở đầu * tin có đơi bị xung đột thường phù hợp với thành phần riêng biệt định [6] Do đó, nghiên cứu này, tác giả tiến hành xây dựng quy trình ủ mềm áp dụng cho mác hợp kim có thành phần cụ thể Kết cho thấy, gang trắng Cr cao áp dụng quy trình ủ mềm thích hợp giảm độ cứng đáng kể 42 HRC, qua góp phần tạo thuận lợi cho trình cắt gọt Trong lĩnh vực làm việc chịu mài mòn, gang Cr cao sử dụng nhiều phạm vi như: làm cánh bơm bùn cơng nghiệp khai khống cơng nghiệp mỏ [1-8], sản xuất bi nghiền xi măng [2,5], số chi tiết hệ thống bơm công nghiệp vận chuyển sản xuất mía đường, sản xuất giấy [5,7,9] Với nhóm gang Cr cao, để làm việc điều kiện chịu mài mòn, chúng thường có hàm lượng lượng C từ 1.8% tới 3.6% lượng Cr dao động khoảng từ 12% tới 36% Ở mức độ thành phần hóa học nêu, tổ chức tế vi gang sau đúc bao gồm cácbít tinh thơ to, cứng tồn dạng dạng (CrFe)7C3, M7C3, (CrFe)23C6 (CrFe)6C kết hợp với tổ chức nhận làm cho độ cứng khối vật liệu cao, thường 52 HRC nên khó khăn việc tiến hành gia cơng cắt gọt cho chi tiết sau đúc [6,9] Để giải vấn đề này, công nghệ ủ mềm gang Cr cao sau đúc tiến hành nghiên cứu áp dụng Mặc dù có nhiều thơng tin công nghệ xử lý nhiệt ủ mềm áp dụng cho loại hợp kim Tuy nhiên, thông Vật liệu phương thức thực nghiệm Trong nghiên cứu này, mẫu gang sau đúc mang kiểm tra thành phần hóa học kết có thể bảng Để thực quy trình xử lý nhiệt, mẫu thí nghiệm chia thành khối nhỏ kích thước 100x100x100mm nung lò buồng điện trở có điều khiển Mẫu đặt hộp kín thép khơng gỉ để bảo vệ bề mặt suốt trình xử lý nhiệt Các quy trình ủ mềm thực theo thông số bảng Các mẫu sau giai đoạn xử lý nhiệt mang kiểm tra độ cứng để đánh giá lựa chọn chế độ phù hợp Để đánh giá thay đổi tổ chức pha, nhiễu xạ X-ray áp dụng kính hiển vi quang học hiển vi điện tử quét với độ phân giải cao cho phép quan sát tiết cácbít thứ cấp thực * Địa liên hệ: Tel.: (+84) 972.231.280 Email: minh.nguyenngoc@hust.edu.vn 57 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 057-061 Bảng Thành phần hóa học gang Cr cao Nguyên tố Fe C Cr Mn Si W Ni % Khối lượng 62,51 2,55 29,21 0,74 1,70 0,44 2,36 Bảng Các thông số nhiệt luyện Loại mẫu Giai đoạn Giai đoạn o M1(*) M2(*) M3(**) Nung tới 970oC/7h/nguội ngồi khơng khí tĩnh Giai đoạn o Nung tới 520 C/3h/ Nung tới 950 C/1h/nguội xuống 810oC nguội ngồi khơng khí 1h/nguội xuống 610oC/2h/nguội tĩnh ngồi khơng khí tĩnh Nung tới 900oC/2h/nguội xuống 700oC/8h/nguội lò đến nhiệt độ phòng Nung tới 970oC/8h/nguội ngồi khơng khí tĩnh Nung tới 650oC/2h/nung lên 700oC/7h/ nguội ngồi khơng khí tĩnh Chú thích: (*) thử nghiệm chế độ theo công nghệ công bố [6,9]; (**) đề xuất quy trình Hình Biểu đồ so sánh độ cứng mẫu sau chế độ nhiệt luyện: M0 – mẫu sau đúc; M1, M2, M3 mẫu áp dụng chế độ xử lý bảng Kết thảo luận Kết đo độ cứng: Các mẫu trước sau xử lý nhiệt kiểm tra độ cứng thô đại với mũi đâm kim cương máy đo độ cứng Mitutoyo ATK-600 hãng Mitutoyo Kết kiểm tra độ cứng thô đại mẫu sau đúc mẫu sau xử lý nhiệt thể đồ thị hình cho thấy: giá trị độ cứng trung bình mẫu sau áp dụng quy trình (mẫu M3) cho kết giảm độ cứng lớn (~ 10,5HRC) Với quy trình áp dụng cho mẫu M1 M2, giá trị độ cứng có giảm Tuy nhiên mức độ giảm độ cứng thấp (3 3,8) HRC Do đó, thấy quy trình áp dụng cho mẫu M1 M2 không phù hợp với mác gang Cr cao có thành phần bảng chế độ áp dụng thành công cho mác hợp kim gang Cr cao với thành phần khác [6,9] (a) HR C Loại mẫu 58 Hình Kết đánh giá tổ chức mẫu đúc: (a) Ảnh tổ chức tế vi với độ phóng đại 500 lần; (b) Phân tích thành phần pha nhiễu xạ X-ray; (E – tổ chức tinh, C – cácbít sơ cấp, A – austenit) Tạp chí Khoa học Công nghệ 137 (2019) 057-061 Kết quan sát kính hiển vi quang học nhiễu xạ X-ray: việc quan sát đánh giá tổ chức tế vi mẫu hợp kim sau đúc (mẫu trước áp dụng quy trình xử lý nhiệt M3) thực kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA/6V 25W hãng Carl Zeiss Thiết bị nhiễu xạ X-ray thực máy X-ray Model D5005 hãng SIEMENS Kết thể hình 2a Từ kết quan sát ảnh hiển vi quang học cho thấy tổ chức tế vi gang Cr cao sau đúc bao gồm: tổ chức tinh (cácbít tinh Cr7C3 austenit), cácbít sơ cấp (Cr7C3) thô to austenit mẫu M3 bảng Mẫu sau xử lý nhiệt quan sát đánh giá tổ chức tế vi tiết pha Kết đánh giá thể hình Điều phù hợp kết công bố chứng minh rằng: với hàm lượng Cr cao trên, mẫu đúc khn cát có tốc độ nguội chậm tổ chức tế vi, ngồi tổ chức tinh có chứa cácbít phân bố austenit lượng lớn cácbít sơ cấp thô to xuất tồn [3,6] Việc pha austenit tồn nhiệt độ phòng sau đúc cho ảnh hưởng Ni Si hai nguyên tố có hàm lượng cao biết đến nguyên tố làm mở rộng vùng austenit Xác nhận tồn pha làm rõ nhiễu xạ X-ray thực mẫu sau đúc cho kết hình 2b Kết cho thấy: cácbít Cr tồn chủ yếu dạng Cr7C3 pha hợp kim austenit Như thấy rằng: cấu trúc tế vi hợp kim bao gồm hạt cácbít Cr thơ to phân bố pha austenit có độ dẻo cao lại có độ cứng cao sau đúc Kết cho phép nhận định: giá trị độ cứng cao mẫu sau đúc có ảnh hưởng hạt cácbít Cr thơ to phân bố tổ chức tinh austenit Do đó, biện pháp để giảm độ cứng cho hợp kim sau đúc điều chỉnh lại kích thước hạt cácbít Cr tiết nhỏ mịn Để thực điều này, tác giả tiến hành xử lý nhiệt theo quy trình (a) Hình Kết đánh giá tổ chức mẫu M3 sau xử lý nhiệt: (a) Ảnh tổ chức tế vi với độ phóng đại 500 lần; (b) Phân tích thành phần pha nhiễu xạ Xray; (C – cácbít sơ cấp) Austenit Cr7C3 Cr7C3 Cácbít thứ cấp nhỏ mịn Cr7C3 Cr7C3 Austenit (b) (a) Hình Ảnh hiển vi điện tử quét: (a) mẫu sau đúc; (b) mẫu sau xử lý nhiệt theo chế độ M3 59 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 057-061 Với quy trình thực mẫu M3 Để đẩy nhanh q trình tiết cácbít thứ cấp phân tán nền, trước tiên giai đoạn đầu tạo dung dịch rắn q bão hòa có tác dụng làm cho tổ chức ổn định trước Để làm điều này, mẫu nung lên trạng thái austenit nhằm mục đích hòa tan phần cácbít hợp kim thơ to ban đầu vào austenit Trong nghiên cứu này, nhiệt độ austenit hóa thực 970oC, giữ nhiệt sau làm nguội ngồi khơng khí tĩnh Giai đoạn ổn định tiết cácbít thực qua bước gồm: giữ nhiệt độ 650oC để phân hủy astenit dư sau mẫu nung lên 700oC nhiệt để tiết cácbít thứ cấp nhỏ mịn Đối với hợp kim gang Cr cao, nhiệt độ tối thiểu để ổn định austenit khoảng 650oC Do đó, việc giữ nhiệt bước đầu vùng nhiệt độ giúp austenit dư phân hủy thuận lợi Nếu xử lý nhiệt độ thấp hơn, trình phân hủy austenit đòi hỏi thời gian phải kéo dài khơng mong muốn Sau nung nhiệt 650oC, trình tiết cácbít thứ cấp khuyến khích tiến hành vùng nhiệt độ gần điểm Ac1 tốt Nếu nhiệt độ thấp làm chậm q trình tiết cácbít nên thời gian giữ nhiệt phải dài Trong nung nhiệt độ cao (trên Ac1), xuất xuất austenit vùng nung nhiệt độ Ac1 làm tăng giới hạn hòa tan cácbon pha dẫn đến hệ giảm khả tiết cácbít thứ cấp mong muốn Vì lý đó, trường hợp này, hợp kim xử lý nhiệt độ 700oC Như khẳng định mục tiêu đặt ban đầu sử dụng quy trình nhiệt luyện theo đề xuất để điều chỉnh lại phân bố cácbít tổ chức, qua hạ thấp độ cứng mẫu sau đúc hoàn toàn phù hợp Kết luận - Gang trắng với hàm lượng Cr cao (~29%Cr) thực ủ mềm nhờ điều chỉnh mức độ phân bố cácbit thứ cấp Cr Ferit - Mức độ giảm độ cứng đạt 10HRC sau đúc gang ủ mềm theo quy trình hai giai đoạn gồm: giai đoạn thực austenit hóa 970oC 8h nguội ngồi khơng khí, giai đoạn ủ 650oC 2h nung lên 700oC nguội khơng khí Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) đề tài mã số T2018PC-090 Tài liệu tham khảo Trên hình 3a, mẫu sau xử lý nhiệt cho thấy có phân bố lại tổ chức mẫu Các hạt cácbít sơ cấp thơ to sinh sau đúc có giảm kích thước rõ rệt cácbít thứ cấp phân bố nhỏ mịn tiết ferit hợp kim Kết nhiễu xạ X-ray hình 3b xác nhận rằng: cácbít thứ cấp tiết trường hợp Cr7C3 hợp kim kết phân hóa dung dịch rắn austenit bão hòa ngun tố cho phép tiết cácbít thứ cấp ferit [8] Kết quan sát kính hiển vi điện tử quét (SEM): để quan sát rõ tiết cácbít thứ cấp sau xử lý nhiệt Các mẫu sau đúc sau xử lý mang quan sát tổ chức kính hiển vi điện tử quét Model JSM 7600F hãng Oxford Instrument Kết thể hình Ở mức độ phóng đại cao hơn, kết chụp ảnh SEM mẫu sau đúc hình 4a cho thấy có tồn cácbít Cr sơ cấp austenit Trong đó, với mong muốn tiết cácbít Cr thứ cấp phân bố nhỏ mịn, mẫu tiến hành theo quy trình đề xuất bảng Kết chụp ảnh SEM mẫu M3 hình 4b thực theo quy trình chứng minh tiết cácbít thứ cấp (hạt mịn màu sáng) phân bố nhỏ mịn ferit 60 [1] Hua Chen, Zhang Ling, Wang Sheng Ming, Microstructure Refinement of Hypereutectic High Chromium Cast Iron with Electric Current Pulse, Advanced Materials Research, Vols 690-693, pp 147-152 [2] S Imurai, Ch Thanachayanont, J.T.h Pearce, T Chairuangsri, Microstructure and erosion-corrosion behaviour of as-cast high chromium white irons containing molybdenum in aqueous sulfuric-acid slurry, Archives of Metallurgy and Materials, Volume 60, Issue 2, pp 919-923 [3] Mirjana Filipovic, Zeljko Kamberovic, Marija Korac, Solidification of High Chromium White Cast Iron Alloyed with Vanadium, Materials Transactions, Vol 52, No (2011) pp 386-390 [4] Studnicki, J Kilarski, M Przybył, J Suchoń, D Bartocha, Wear resistance of chromium cast iron – research and application, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Volume 16 Issue 1-2 May-June 2006, pp 63-73 [5] Zhang Zhiguo, Yang Chengkai, Zhang Peng, Li Wei, Microstructure and wear resistance of high chromium cast iron containing niobium, Research & Development, China Foundry, Vol 11, No 3-May 2015, pp 179-184 [6] 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 [7] E Zumelzu, O Opitz, C Cabezas, High-chromium (2234 percent) Cast Iron Alloys and Their Simulated Behaviour at the Sugar Industry, Journal of Tạp chí Khoa học Công nghệ 137 (2019) 057-061 Sciencetific & Industrial Research, Vol 62, June 2003, pp 583-588 [8] International Journal of Cast Metals Research, Vol 22, No pp 448-456 E Karantzalis, A Lekatou, H Mavros, Microstructure and properties of high chromium cast irons: effect of heat treatments and alloying additions, [9] 61 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 ... Mức độ giảm độ cứng đạt 10HRC sau đúc gang ủ mềm theo quy trình hai giai đoạn gồm: giai đoạn thực austenit hóa 970oC 8h nguội ngồi khơng khí, giai đoạn ủ 650oC 2h nung lên 700oC nguội ngồi khơng... khí tĩnh Giai đoạn ổn định tiết cácbít thực qua bước gồm: giữ nhiệt độ 650oC để phân hủy astenit dư sau mẫu nung lên 700oC nhiệt để tiết cácbít thứ cấp nhỏ mịn Đối với hợp kim gang Cr cao, nhiệt... Cơng nghệ 137 (2019) 057-061 Bảng Thành phần hóa học gang Cr cao Nguyên tố Fe C Cr Mn Si W Ni % Khối lượng 62,51 2,55 29,21 0,74 1,70 0,44 2,36 Bảng Các thông số nhiệt luyện Loại mẫu Giai đoạn Giai