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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI QUÁCH TẤT BÁT NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GANG CẦU ADI (AUSTEMPERED DUCTILE IRON) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI QUÁCH TẤT BÁT NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO GANG CẦU ADI (AUSTEMPERED DUCTILE IRON) Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu vô Mã số: 62 52 90 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Hữu Dũng GS TSKH.Nguyễn Văn Thái Hà Nội – Năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình QUÁCH TẤT BÁT i LỜI CẢM ƠN Qua luận án Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình chu đáo GS-TSKH Nguyễn Văn Thái, PGS-TS Nguyễn Hữu Dũng, giúp đỡ thầy Bộ môn Vật liệu Công nghệ Đúc, giúp đỡ phịng thí nghiệm ngồi trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phịng KCS cơng 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, quan tâm giúp đỡ Ban Giám Hiệu tập thể giáo viên Khoa Luyện kim, Trường Cao đẳng Cơ khí – Luyện kim, tạo điều kiện thuận lợi Viện đào tạo sau đại học bạn đồng nghiệp Tác giả ii 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 PHẦN I: TỔNG QUAN Chương Gang cầu 1.1 Khái quát chung gang cầu 1.1.1 Tổ chức: 1.1.2 Tính chất cơng dụng gang cầu [5] 1.1.3 Các loại gang cầu [54] 1.1.4 Các nhân tố ảnh hưởng tới hình thành tổ chức tính chất gang cầu [71,81] 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 gang cầu đông đặc 19 1.3.2 Nâng cao tính gang cầu trạng thái đúc nguyên tố hợp kim hoá 19 Chương 25 Gang cầu đẳng nhiệt (Austempered Ductile Iron-ADI) 25 2.1 Khái quát chung gang cầu ADI 25 2.2 Nguyên lý công nghệ chế tạo gang cầu ADI 28 2.3 Động học trình chuyển biến tổ chức giữ đẳng nhiệt 32 2.3.1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit nguội (giản đồ T-T-T) thép tích 32 2.3.2 Quá trình austenit hóa 34 2.3.3 Quá trình giữ đẳng nhiệt nhiệt độ thấp 38 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới tính gang cầu ADI 41 2.4.1 Ảnh hưởng thành phần hoá học 41 2.4.2 Sự austenít hố gang cầu 42 2.4.3 Sự chuyển biến đẳng nhiệt gang cầu ADI 46 2.4.4 Cơ tính gang cầu ADI 52 2.5 Ứng dụng gang cầu ADI 54 PHẦN II THỰC NGHIỆM 60 Chương 60 Điều kiện 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 cấu trúc gang 62 3.3.2 Xây dựng GĐP độ giãn nở nung gang cầu nghiên cứu 64 3.3.3 Phương pháp xác định thay đổi thành phần, phân bố nguyên tố tính chất gang cầu austenít hóa chế độ khác 65 iii 3.3.4 Phương pháp nghiên cứu chuyển biến thành phần pha giữ đẳng nhiệt gang cầu 66 Chương 71 Kết nghiên cứu đánh giá 71 4.1 Thành phần, tổ chức tính gang cầu nghiên cứu trạng thái đúc 71 4.2 Giản đồ pha gang cầu đẳng nhiệt 72 4.3 Chuyển biến pha nâng nhiệt 73 4.4 Sự austenit hóa gang nhiệt độ cao 75 4.4.3 Xác định hàm lượng cacbon austenit 77 4.4.4 Tổ chức độ cứng gang sau tơi từ điều kiện austenit hóa khác 79 4.5 Quá trình chuyển biến đẳng nhiệt 81 4.5.1 Xác định nhiệt độ thời gian giữ đẳng nhiệt 81 4.5.2 Xác định vùng cửa sổ trình chế tạo gang cầu Ausferit 82 4.5.3 Xác định tỷ phần chuyển biến giai đoạn phản ứng I theo công thức Johnson-Mehl-Avrami 88 4.5.4 Động học trình chuyển biến đẳng nhiệt giai đoạn phản ứng I 89 4.5.5 Nghiên cứu thành phần pha trình giữ đẳng nhiệt gang cầu ADI 90 4.5.6 Cơ tính mác gang nghiên cứu trạng thái khác 99 Chương 101 Tổ chức, tính chất ứng dụng gang cầu ADI 101 5.1 Tổ chức gang cầu ADI 101 5.2 Tính chất gang cầu tơi đẳng nhiệt 104 5.3 Ứng dụng gang cầu ausferit thực tế 109 Các kết luận kiến nghị 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADI (Austemper Ductile Iron) = Gang cầu đẳng nhiệt WTO (World Trade Organization) = Tổ chức thương mại 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 thành viên F = Ferit P = Peclit C = cacbon NTĐH = Nguyên tố đất γC, γHC = Austenit cacbon cao γ = Austenit PAI, PAII, PAIII, PAIV, PAV, PAVI = Phương án I, II, III, IV, V, VI (FeS) = Sunfua sắt xỉ lỏng [FeS] = Sunfua sắt hợp kim lỏng Ms = Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit Mf = Nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactenxit Cđl = Các bon đương lượng v DANH MỤC CÁC BẢNG TT Nội dung Trang Bảng 1.1.Thành phần hóa học gang cầu 11 Bảng 1.2 Thành phần nguyên tố hợp kim sản xuất gang cầu 11 Bảng 1.3 Hàm lượng cacbon silic nên giới hạn với vật đúc có thành dày 12 Bảng 1.4a Thống kê tỷ lệ sử dụng phương pháp biến tính cầu hóa giới 18 Bảng 1.5 Tính chất học, hàm lượng nguyên tố hợp kim chế độ nhiệt luyện gang cầu hợp kim thấp 22 Bảng 2.1 So sánh tính vật liệu chế tạo trục khuỷu ôtô 26 Bảng 2.2 Thành phần gang cầu đẳng nhiệt tiêu chuẩn JIS cúa Nhật 29 Bảng 2.3 Thành phần gang cầu đẳng nhiệt theo tài liệu khác 29 Bảng 2.4 Tính chất mác gang cầu ADI 30 10 Bảng 2.5 Khoảng nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt để chế tạo mác gang cầu ADI theo tiêu chuẩn Din EN 1564 32 11 Bảng 2.6 Độ bền độ dẻo gang cầu ADI không hợp kim với 0,32%Mn gang cầu hợp kim với 0,32%Mn, 0,2% Mo, 1,0%Cu 0,75%Ni 54 12 Bảng 2.7 So sánh tính trục khuỷu chế tạo vật liệu khác 56 13 Bảng 3.1 Thành phần phối liệu nấu mác gang cầu thí nghiệm 61 14 Bảng 3.2 Kết đo giãn nở giữ đẳng nhiệt với mẫu gang cầu austenit hóa 9000C/90 phút giữ đẳng nhiệt 3600C 67 15 Bảng 4.1 Cơ tính mác gang cầu thí nghiệm trạng thái đúc 71 16 Bảng 4.2 Thành phần cacbon nhiệt độ số điểm tới hạn giản đồ pha mác gang cầu nghiên cứu 73 17 Bảng 4.3a Hàm lượng cacbon tổ chức kim loại điều kiện austenit hóa khác 78 18 Bảng 4.4 Thời gian bắt đầu kết thúc vùng cửa sổ công nghệ chế tạo gang cầu ausferit 85 19 Bảng 4.5 Nhiệt độ thời gian austenit hóa với thời gian kết thúc phản ứng giai đoạn I 87 20 Bảng 4.6 Quan hệ thời gian giữ nhiệt mức độ chuyển biến pha 89 vi 21 Bảng 4.7 Phần khối lượng austenit tổ chức gang cầu ausferit điều kiện austenit hóa khác 91 22 Bảng 4.8 Tỷ phần ferit austenit hình thành trình chuyển biến đẳng nhiệt gang cầu ADI (austenit hóa 9000C/90phút giữ đẳng nhiệt 3600C/40÷ 550 phút) 96 23 Bảng 4.9 Sự thay đổi độ dãn nở mẫu nghiên cứu với thành phần tổ chức ferit austenit phụ thuộc vào chế độ giữ đẳng nhiệt vùng cửa sổ (austenit hóa 9000C/90phút) 97 24 Bảng 4.10 Cơ tính gang cầu trạng thái đúc chế độ sử lý nhiệt khác 99 25 Bảng 5.1 Độ cứng gang cầu ADI phụ thuộc vào chế độ giữ đẳng nhiệt austenit hóa 9000C 90 phút 107 26 Bảng 5.2 Bảng so sánh tiêu tính chế độ nghiên cứu tối ưu so với tiêu chuẩn ASTM A897-90 Bắc Mỹ 109 27 Bảng 5.3 Cơ tính bánh HS9 chế tạo gang cầu ausferit 111 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Nội dung Trang Hình 1.1 Ảnh tổ chức gang cầu peclit ferit Hình 1.2 Ảnh hưởng cacbon đương lượng đến độ bền kéo độ giãn dài gang cầu biến tính Ce 13 Hình 1.3 Quan hệ %S gang lượng chất biến tính Fe-Ce cần dùng 14 Hình 1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ biến tính cầu hóa tới hiệu suất thu hồi chất biến tính độ bền gang 15 Hình 1.5 Sự thay đổi hàm lượng Ce S theo thời gian giữ gang biến tính nhiệt độ 1400 – 14500C 16 Hình 1.6b Nồi biến tính Sandwich 18 Hình 1.7 Tổ chức kim loại gang cầu chứa 85%peclit, kích thước xementit 0,5μm, độ dẻo 2,1% (x300, tẩm thực mẫu mẫu HNO3) 20 Hình 1.8 Tổ chức kim loại gang cầu chứa 85%peclit, kích thước xementit 0,36μm, độ dẻo 3,5% (x300, tẩm thực mẫu mẫu HNO3) 20 10 Hình 1.9 Ảnh SEM bít tinh mơlipđen (x1490) 21 11 Hình 1.10 ảnh SEM cho thấy biến đổi graphit cầu nguyên tố khử cầu gây (x400) 21 12 Hình 1.11 Sơ đồ phương án nhiệt luyện gang cầu tính cao 23 13 Hình 2.1 Mối quan hệ tổ chức kim loại giới hạn chảy, độ dẻo gang cầu 25 14 Hình 2.2 So sánh tính gang cầu ADI gang cầu truyền thống 26 15 Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ chế tạo gang cầu ADI 28 16 Hình 2.4 Sơ đồ tơi đẳng nhiệt gang cầu ADI 31 17 Hình 2.5 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit thép tích (T-T-T) 33 18 Hình 2.6 Ảnh hưởng ngun tố khơng tạo cacbit tới dạng điểm đường cong chuyển biến đẳng nhiệt austenit 34 19 Hình 2.7 Ảnh hưởng nguyên tố tạo cacbit tới dạng điểm đường cong chuyển biến đẳng nhiệt austenit 34 20 Hình 2.8 Sự tạo thành mầm austenit 35 21 Hình 2.9 Nồng độ cacbon mặt tiếp xúc 36 22 Hình 2.10 Đường cong động học nung nóng đẳng nhiệt 37 viii 100 9600/90ph-2800/40ph 100 9600/90ph-3200/40ph 100 9600/90ph-3600/40ph 100 9600/90ph-4000/40ph Hình 5.1j: Tổ chức gang cầu tơi đẳng nhiệt chế độ: Austenít hóa 9600C giữ 90 phút; Giữ đẳng nhiệt 280; 320; 360 4000C với thời gian: 40 phút 100 9600/90ph-2800/60ph 100 9600/90ph-2800/80ph 100 9600/90ph-3200/60ph 100 9600/90ph-3200/80ph 100 100 9600/90ph-3600/80ph 9600/90ph-3600/60ph 100 9600/90ph-4000/60ph 100 9600/90ph-4000/80ph Hình 5.1k: Tổ chức gang cầu tơi đẳng nhiệt chế độ: Austenít hóa 9600C giữ 90 phút; Giữ đẳng nhiệt 280; 320; 360 4000C với thời gian: 60, 80 phút 100 9600/90ph-2800/100ph 100 9600/90ph -2800/120ph 100 9600/90ph-3200/100ph 100 9600/90ph-3200/120ph 100 9600/90ph-3600/100ph 100 9600/90ph-3600/120ph 100 9600/90ph-4000/100ph 100 9600/90ph-4000/120ph 5.1: Tính đẳng học gang cầu độ: ADIAustenít hóa 9600C giữ Hình 5.1l: Tổ chứcBảng gang cầu chất nhiệt chế 90 phút; Giữ đẳng nhiệt 280; 320; 360 4000C với thời gian: 100, 120 phút Bảng 5.2 Cơ tính gang cầu ADI với nhiệt độ austenit 8700C, 9000C, 9300C , 9600C 90 phút nhiệt độ giữ đẳng nhiệt (280, 320, 360, 400)0C với thời gian (40, 60, 80, 100, 120, 140) phút Austenít hóa: C/ph 870 / 90 870 / 90 870 / 90 870 / 90 900 / 90 900 / 90 900 / 90 900 / 90 930 / 90 930 / 90 930 / 90 930 / 90 960 / 90 960 / 90 960 / 90 960 / 90 Giữ đẳng nhiệt : C 280 320 360 400 280 320 360 400 280 320 360 400 280 320 360 400 Độ bền kéo: σb /MPa/ Tại thời gian giữ đẳng nhiệt, (phút) 40 60 80 100 120 140 999 884 926 729 1087 1222 955 804 910 981 803 879 917 927 890 925 944 979 950 752 1191 1252 1027 845 1160 1112 870 862 1058 980 926 927 1048 932 949 811 1336 1291 1050 845 1279 1140 970 797 1150 1052 927 927 1086 1000 972 882 1296 1315 1040 873 1398 1279 960 859 1287 1128 930 930 1171 1099 1122 902 1387 1343 1084 900 1426 1279 984 873 1340 1271 955 940 1170 1099 1120 902 1385 1343 1084 900 1424 1279 984 873 1340 1270 952 940 40 Độ dẻo: δ /%/ Tại thời gian giữ đẳng nhiệt, (phút) 60 80 100 120 140 1,6 1,8 1,9 3,1 3,8 3,0 3,0 1,9 1,9 2,7 3,0 1,7 2,8 3,4 3,5 1,5 2,0 2,4 2,5 3,0 3,7 3,4 3,7 4,0 3,9 3,5 4,1 2,7 3,4 3,8 4,6 2,1 4,2 7,2 5,4 4,8 5,9 9,5 4,5 5,6 5,9 5,9 5,9 3,4 4,7 4,7 4,7 2,2 2,3 2,8 2,3 3,2 3,9 3,8 3,3 3,9 4,0 5,0 4,0 2,5 3,8 4,4 4,7 1,8 2,9 3,7 3,9 4,5 4,8 5,9 4,0 4,2 5,9 5,6 4,0 2,9 4,6 4,6 4,6 Hình 5.2e Biểu đồ quan hệ độ bền kéo thời gian giữ đẳng nhiệt (austenit hóa 8700C/90phut - nhiệt độ tơi đẳng nhiệt 280,320, 360, 4000C) 2,2 4,2 7,2 5,5 4,9 5,9 9,5 4,5 5,6 5,9 5,9 5,9 3,4 4,7 4,7 4,8 Hình 5.2f Biểu đồ quan hệ độ dẻo thời gian giữ đẳng nhiệt ((austenit hóa 9600C/90phut - nhiệt độ tơi đẳng nhiệt 280,320, 360, 4000C) Hình 5.2i Biểu đồ quan hệ độ dẻo thời gian giữ đẳng nhiệt (austenit hóa 8700C/90phut - nhiệt độ tơi đẳng nhiệt 280,320, 360, 4000C) Hình 5.2k Biểu đồ quan hệ độ bền kéo thời gian giữ đẳng nhiệt ((austenit hóa 9600C/90phut - nhiệt độ tơi đẳng nhiệt 280,320, 360, DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Quách Tất Bát, Nguyễn Văn Thái, Nguyễn Hữu Dũng (2008), Nghiên cứu tổ chức tính chất vật đúc gang cầu thành dày, Tạp chí Khoa học cơng nghệ kim loại số 18, 6/2008, Tr 33-36 Quách Tất Bát, Nguyễn Văn Thái, Nguyễn Hữu Dũng (2010), Sự austenit hóa gang cầu nhiệt độ cao,Tạp chí Khoa học cơng nghệ kim loại số 33, 12/2010,Tr 26-30 Quách Tất Bát, Nguyễn Văn Thái, Nguyễn Hữu Dũng (2011), Xác định tỷ phần pha austenit gang cầu đẳng nhiệt (Austempered Ductile Iron – ADI),Tạp chí Khoa học cơng nghệ kim loại số 39, 12/2011, Tr.28-30 ... thành chế tạo tăng lên nhiều Gang cầu ADI tổng hòa đáp ứng u cầu nói trên, gang cầu ADI vật liệu sáng giá tương lai công nghệ chế tạo máy Bản chất công nghệ chế tạo gang cầu ADI Gang cầu ADI kết... cầu 25 14 Hình 2.2 So sánh tính gang cầu ADI gang cầu truyền thống 26 15 Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ chế tạo gang cầu ADI 28 16 Hình 2.4 Sơ đồ tơi đẳng nhiệt gang cầu ADI 31 17 Hình 2.5 Giản đồ chuyển... chất gang mà cịn đóng vai trị quan trọng làm tăng tính thấm tơi cho gang cầu Công nghệ chế tạo gang cầu ADI công nghệ tiên tiến q trình xử lý nhiệt có điều khiển Vì vậy, việc ? ?Nghiên cứu cơng nghệ