TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1.Gang cầu tôi đẳng nhiệt AD
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 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 (γ) 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
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 2 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(ε)
Hỗn hợp hai pha ferit và cacbit-ε 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 1.1).
Bảng 1.1.Các mác gang ADI với nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt [2]
EN-GJS 1.000-5 EN-GJS
EN-GJS
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].