TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Gang c ầu tôi đẳng nhiệ t AD
1.7. Các phƣơng pháp nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu
1.7.1. Nâng cao chất lƣợng cầu hoá
Chất lượng biến tính cầu hoá phụ thuộc vào các yếu tốsau đây:
- Loại chất biến tính được sử dụng: dùng Mg kim loại hay hợp kim trung gian. - Lượng dùng chất biến tính ( % so với kim loại lỏng)
- Nhiệt độ biến tính - Thời gian biến tính - Phương pháp biến tính.
Như vậy, để nhận được mức độ cầu hoá graphít cao, graphit phân bố đều, kích thước nhỏ, nền kim loại đồng đều, ít bị thiên tích, không bị rỗ xốp, tạp chất và không chứa khuyết tật đúc, cần phải kiểm soát được 5 yếu tố nói trên.
1.7.2. Hợp kim hoá
Các nguyên tố hợp kim có các tác dụng:
a) Làm thay đổi tỷ lệ ferit-peclit trong nền kim loại của gang, đồng thời làm tăng bền cho ferit và peclit. Các nguyên tố hợp kim làm tăng bền cho ferit là do làm xô lệch mạng tinh thể và tăng độ dẻo dai cho peclit do làm giảm khoảng cách giữa các tấm xêmentit và ferit (làm mịn hạt tinh thể peclit, hình 1.15 và 1.16). b) Với hàm lượng cao, các nguyên tố hợp kim có thể làm thay đổi tổ chức nền
gang cầu và thu được nền đặc biệt, ngay ở trạng thái đúc. Thí dụ, chế tạo gang cầu austenit trạng thái đúc bằng hợp kim hoá 18 % Ni.
c) Làm thay đổi các nhiệt độ chuyển biến khi nhiệt luyện.
1.7.3. Kết hợp hợp kim hóa và nhiệt luyện
Các nguyên tố hợp kim làm thay đổi các nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng và làm nguội gang nên việc phối hợp hợp kim hoá và nhiệt luyện là biện pháp rất có hiệu quảđểnâng cao cơ tính tổng hợp (độ bền, độ dẻo dai) của gang cầu (bảng 1.5).
Hinh 1.15. Tổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85 % peclít, khoảng cách giữa các tấm
xêmentít là 0,50 m, độ dẻo là 2,1 % [60]
Hinh1.16. Tổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85 % peclít, khoảng cách giữa các tấm xêmentít là 0,36 m, độ dẻo là 3,5 % (x300,tẩm
28
Bảng 1.7. Tính chất cơ học, hàm lượng nguyên tố hợp kim và chếđộ nhiệt luyện gang cầu hợp kim thấp [60].
Giới hạn bền, MPa
Giới hạn chảy
0,2 %, MPa Độ giãn dài,
% Hàm lƣợng nguyên tố HK, % Chếđộ nhiệt luyện 1060 620 5 2,8Ni N950 1055 690 4,5 2,5Ni 0,8Cu N900 1040 665 5 0,8Ni N950 1030 670 4,5 2,5Ni 0,7Cu N900 865 505 7 1,55Ni N900 770 480 9 1,3Cu 1,0Ni NT675 760 490 10,5 1,6Ni 0,4Cu 0,5Mn CC 700 490 9,5 1,75Ni NT650 620 450 13 2,5Ni 0,8Cu NT675
550 440 20 2,5Ni 0,2Mo 0,5Cu Fu
580 450 20,5 2,0Ni 0,2Mo 0,5Cu Fu
690 500 10,5 1,75Ni 0,85Cu E740
725 485 10,5 1,75Ni 1,0Cu E720
Việc thường hóa (N) gang cầu đã hợp kim hoá Cu-Ni, Cu hoặc Ni cho phép gang đạt độ bền rất cao, đồng thời bảo đảm tính dẻo luôn nằm giới hạn trên của các tiêu chuẩn vì tổ chức peclit tạo ra rất mịn. Bằng cách này, đã tạo ra một họ hợp kim đúc mới.
Quá trình ram gang cầu sau khi thường hóa (NT) sẽ làm giảm độ bền của gang nhưng đồng thời lại làm tăng đáng kể độ dẻo dai.
Ủ ferit hoá (F) gang cầu hợp kim ở nhiệt độ thấp hơn vùng (α + γ + graphit) cho phép đạt độ dẻo cực đại, mà vẫn giữ được độ bền tương đối cao; trong khi ủ ferit hoá hai cấp (E) lại phối hợp cơ tính của gang cầu tốt hơn.
Ưu điểm chung của gang cầu là tuy độ dai va đập thấp hơn thép, nhưng có ngưỡng nhiệt độ giòn thấp hơn, nên ở nhiệt độphòng độ chịu giòn và độdai va đập cũng bằng và thậm chí còn tốt hơn thép.
1.7.4. Các phƣơng án nhiệt luyện
Gang cầu có tổ chức là các hạt graphit hình cầu nằm trên nền kim loại giống như thép, cho nên gang cầu có thể nhiệt luyện được như thép.
29
Các nguyên công nhiệt luyện đƣợc áp dụng đó là:
- Ủ ferit hoá (F). Nung gang cầu hợp kim lên nhiệt độ thấp hơn vùng ba pha (α + γ + graphit) rồi nguội cùng lò. Gang sẽđạt được độ dẻo cực đại, trong khi vẫn giữ được độ bền tương đối cao; gang cầu ủ ferit hoá hai cấp (E) sẽ có cơ tính tổng hợp tốt hơn.
- Thường hoá (N). Thường hóa gang cầu hợp kim hoá Cu-Ni, Cu hoặc Ni cho phép gang đạt độ bền rất cao, đồng thời bảo đảm tính dẻo luôn nằm giới hạn trên của các tiêu chuẩn vì tổ chức peclit tạo ra rất mịn.
- Ram sau thường hoá (NT) sẽ làm giảm độ bền của gang nhưng đồng thời lại làm tăng đáng kểđộ dẻo dai.
Gang cầu tuy độdai va đập thấp hơn thép, nhưng lại có ngưỡng nhiệt độ giòn thấp hơn, nên ở nhiệt độ phòng độ chịu giòn và độ dai va đập cũng bằng và thậm chí còn tốt hơn thép.
Các phƣơng án nhiệt luyện hóa tốt và tôi đẳng nhiệt:
Để thay đổi tổ chức nền kim loại, từ đó tạo ra gang cầu có độ bền, độ dẻo phù hợp với yêu cầu của chi tiết, thường sử dụng phương án công nghệ nhiệt luyện như hình 1.16. Trong đó, vùng nhiệt độ giữa A1-2, A1-1là vùng 3 pha (γ +α +graphit) trên giản đồ pha do ảnh hưởng của Si và nguyên tố hợp kim khác có trong gang.
- PA1 là phương án tôi + ram: ban đầu, gang cầu được giữ ở vùng nhiệt độ austenit hóa với khoảng thời gian giữ vừa đủđể bão hoà C trong austenit.
- PA2 là giữ nhiệt ở vùng ba pha austenit-ferit-graphit (giữa khoảng nhiệt độ A1,1 và A1,2) đủ thời gian để đạt được trạng thái cân bằng, gang được làm nguội nhanh trong nước hoặc dầu, xuống nhiệt độ thường, austenit chuyển thành mactensit. Như vậy, tổ chức nền kim loại theo PA1 sau tôi là mactensit, theo PA2 là ferit-mactensit. Tiếp theo gang được ram ở các nhiệt độ khác nhau để chuyển mactensit thành xoocbit ram hoặc mactensit ram, tùy vào nhiệt độ ram.
Đối với gang cầu, nền gang giống nhƣ nền thép nên có thể áp dụng các chếđộ tôi đẳng nhiệt nhƣ sau:
- PA3: Trước hết, gang được austenit hoá hoàn toàn, sau đó, cho chuyển biến đẳng nhiệt hoàn toàn. Nếu thời gian đủ dài, tổ chức cuối cùng của gang cầu là tổ chức bainit.
- PA4: Bước một, austenit hoá không hoàn toàn, sau đó chuyển biến đẳng nhiệt hoàn toàn. Tổ chức cuối cùng nhận được là ferit và bainit
- PA5: Austenit hoá hoàn toàn và chuyển biến đẳng nhiệt không hoàn toàn. Khi giữđẳng nhiệt với thời gian đủđể hình thành tổ chức ferit hình kim và austenit quá bão hòa cacbon tới 1,8 đến 2,2 % được gọi là tổ chức ausferit. Tổ chức nền của gang cầu sau nhiệt luyện chủ yếu là ausferit.
- PA6: Trước hết, austenit hoá không hoàn toàn, sau đó chuyển biến đẳng nhiệt không hoàn toàn. Tổ chức cuối cùng là ferit và ausferit.
30 Trong tổ chức nền kim loại các phương án PA4 và PA6, ngoài các tổ chức