870 oC 900 oC 930 oC
3.5.3. Xác định cửa sổ của quá trình
Trong quá trình chế tạo ra gang cầu ADI nền đa pha, sau giai đoạn austenit hóa và ủ ở vùng 3 pha đề tạo ferit trước cùng tích, giai đoạn tiếp theo là quá trình hình thành tổ chức ausferit khi gang được tôi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp. Phản ứng giai đoạn I là phản ứng tiết pha: γ → kim ferit + γHC . Kết thúc phản ứng giai đoạn I là thời điểm austenit giàu cacbon rất ổn định. Phản ứng giai đoạn II là chuyển biến austenit cacbon cao (γHC) thành ferit hình kim và xementit. Nó xảy ra khi kéo dài thời gian tôi đẳng nhiệt vượt quá một giới hạn nào đó.
“Cửa sổ” của quá trình là miền thời gian và nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt để tạo ra gang cầu ADI có tổ chức nền chủ yếu là ausferit cho cơ tính tổng hợp cao nhất. “Cửa sổ” quá trình chính là khoảng thời gian kể từ khi kết thúc phản ứng giai đoạn I cho đến khi bắt đầu phản ứng của giai đoạn II.
Nếu kéo dài thời gian giữ đẳng nhiệt vượt quá vùng cửa sổ, thì xảy ra phản ứng giai đoạn II không mong muốn, đó là γHC → ferit + cacbit-ε (được gọi là tổ chức bainit).
Việc xác định vùng cửa số của quá trình chế tạo gang cầu ADI là vấn đề rất quan trọng, nó sẽ quyết định đến cơ tính (cơ tính tổng hợp tốt) và giá thành của chi tiết (thời gian nhiệt luyện hợp lý) khi được chế tạo bằng vật liệu gang cầu ADI.
“Cửa sổ” của quá trình thông thường được xác định bằng phương pháp đo giãn nở trong môi trường giữ đẳng nhiệt. Nguyên lý của phương pháp là, trong thời gian xảy ra phản ứng giai đoạn I, kích thước mẫu luôn tăng do có sự chuyển biến pha. Kết thúc giai đoạn I và trong vùng cửa sổ, không có chuyển biến pha, kích
thước mẫu ổn định. Tiếp tục kéo dài thời gian đẳng nhiệt, phản ứng giai đoạn II xảy ra và kích thước mẫu lại tăng.
Phần dưới đây mô tả vùng “c ửa sổ” quá trình trong gang cầu ADI nền đa pha khi austenit hóa ở 870, 900 và 900 oC trong 2 giờ; ủ vùng 3 pha ở 770 oC trong 2 giờ, sau đó tôi đẳng nhiệt. Kết quả đo giãn nở nhiệt tại các nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 280, 320, 360 và 400 oC cho trên các hình 2.13 và 3.22 đến hình 3.32.
Thời điểm kết thúc giai đoạn I và bắt đầu giai đoạn II được xác định trên các đường cong giãn nở ở các chế độ nhiệt luyện khác nhau cho trong bảng 4.10.
Hình 2.13. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý nhiệt 870 oC/2 h-770 oC/2 h-280 oC
Hình 3.22. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý nhiệt 870 oC/2 h-770 oC/2h-320 oC
Hình 3.23. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý nhiệt 870 oC/2 h-770 oC/2 h-360 oC
Hình 3.24. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
nhiệt 870 oC/2 h-770 oC/2 h-400 oC
Hình 3.25. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
Hình 3.26. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
nhiệt 900 oC/2 h-770 oC/2 h-320 oC
Hình 3.27. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
nhiệt 900 oC/2 h-770 oC/2 h-360 oC
Hình 3.28. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
nhiệt 900 oC/2 h-770 oC/2 h-400 oC
Hình 3.29. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
nhiệt 930 oC/2 h-770 oC/2 h-280 oC
Hình 3.30. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
nhiệt 930 oC/2 h-770 oC/2 h-320 oC
Hình 3.31. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý
Hình 3.32. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý nhiệt 930 oC/2 h- 770 oC/2 h-400 oC
Bảng 3.10. Thời gian kết thúc giai đoạn I và bắt đầu giai đoạn II khi thay đổi nhiệt độ austenit
hoá Nhiệt độ austenit hóa,oC 930 900 870
Từ bảng 3.10 cho thấy tăng nhiệt độ austenit hóa từ 870 oC, 900 oC, 930 oC, sẽ làm dịch chuyển thời gian kết thúc giai đoạn I sang phải (a1 → b1→ c1) có nghĩa là thời gian kết thúc giai đoạn I sẽ tăng, bởi vì %C trong austenit tăng, làm tăng độ thấm tôi cho gang cầu ausferit. Tương tự thời gian bắt đầu giai đoạn II cũng dịch sang phải (a2 → b2→ c2).
Từ kết quả trong bảng 3.10 đã xác định được vùng “cửa sổ” của quá trình chế tạo gang cầu ausferit ở nhiệt độ và thời gian giữ đẳng như hình 3.33.
Hình 3.33. Vùng “cửa sổ” quá trình trong gang cầu ADI nền đa pha. Đường cong a1 là thời điểm kết thúc giai đoạn I; a2 thời điểm bắt đầu phản ứng giai đoạn II của nhiệt độ austenit hóa 870 oC. Đường b1-kết thúc phản ứng giai đoạn I; b2- bắt đầu giai đoạn II của nhiệt độ austenit hóa 900 oC. Đường c1-kết thúc phản ứng giai đoạn I; c2- bắt đầu
giai đoạn II của nhiệt độ austenit hóa 930 oC
Qua hình 3.33 ta nhận thấy :
- Vùng “cửa sổ” hình thành tổ chức ausferit xảy ra trong khoảng rộng, điều đó cho phép xây dựng phương án công nghệ chế tạo gang cầu ausferit khá thuận lợi.
- Khi nhiệt độ tôi đẳng nhiệt thấp hoặc cao, vùng “cửa sổ” bị thu hẹp lại. Nếu nhiệt độ tôi đẳng nhiệt xuống quá thấp thì sẽ tạo thành mactensit, còn quá cao thì vùng cửa sổ sẽ bị đóng lại.
- Theo phương pháp đã nêu, có thể xác định vùng “cửa sổ” chế tạo gang cầu ausferit cho tất cả các chế độ austenit hóa khác nhau.
Giảm nhiệt độ austenit hoá, nồng độ cacbon trong austenit giảm theo, đồng thời làm tăng nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit Ms. Giảm nhiệt độ austenit hoá lại làm tăng tốc độ phản ứng giai đoạn I, các kim ferit trở nên mịn hơn và phân bố đồng đều hơn, tỷ phần thể tích của austenit dư sẽ giảm đi. Như vậy, giảm nhiệt độ austenit hoá, hệ nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng, phản ứng giai đoạn I kết thúc sớm hơn, điểm bắt đầu của cửa sổ quá trình sẽ dịch về phía thời gian ngắn hơn. (hình 3.33).
Khi nhiệt độ austenit hoá cao khoảng 930 oC, đường kính hạt austenit cỡ 28 µm. Khi tôi đẳng nhiệt, các mầm của kim ferit được hình thành trên biên giới hạt austenit. Khoảng cách giữa các kim ferit rất nhỏ, chỉ khoảng 1 đến 2 µm. Các nguyên tử C phải khuếch tán ra khỏi kim ferit với khoảng cách khuếch tán bằng chiều dày lớp kim ferit.
Giả thiết rằng, hệ số khuếch tán D được thể hiện qua công thức [102]. Tại nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 360 oC, hệ số khuếch tán D = 4,60.10-17 (m2/s)
Khoảng cách khuếch tán sau khoảng thời gian (t) sẽ là:
chiều dày kim ferit là 1 µm = 10-6 m, thời gian khuếch tán sẽ là: t = x2/4D = 5330 (s).
Như vậy để cho một kim ferit hình thành và phát triển hoàn chỉnh cần khoảng 5500 s, xấp xỉ 90 phút. Trong thức tế, quá trình hình thành và phát triển mầm của kim ferit cạnh tranh lẫn nhau, nên thời gian khuếch tán thực tế lớn hơn giá trị này một chút, như mô tả trên hình 3.34.
Kim Ferit
F
Gr
Af
Hình 3.34. Tổ chức gang sau khi austenit hoá ở 870 oC trong 2 h, giữ vùng tới hạn 770 oC trong 2 h , tôi đẳng nhiệt 360 oC 120 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)