870 oC 900oC 930 oC
3.4. Sự hình thành ferit thứ cấp
Một trong những chuyển biến pha rắn quan trọng trong hợp kim hệ sắt là chuyển biến austenit () ferit (). Chuyển biến này xảy ra cách: Nếu độ linh động các nguyên tử Fe đủ lớn, liên kết giữa các nguyên tử Fe trong austenit sẽ bị phá vỡ, các nguyên tử này sẽ tái cấu trúc để hình thành ferit. Trong trường hợp này, các nguyên tử Fe nhảy qua mặt phân cách sản phẩm/pha mẹ để tái cấu trúc, như vậy chuyển biến austenit ferit cùng với q trình khuếch tán của C cịn phụ thuộc vào
sự dịch chuyển của các nguyên tử Fe với khoảng cách lớn hơn khoảng cách nguyên tử.
Làm nguội gang từ nhiệt độ austenit hóa hồn tồn (trên 870 oC) xuống nhiệt độ vùng 3 pha và giữ nhiệt, sẽ xảy ra chuyển pha austenit ferit thứ cấp. Về lý thuyết, tỷ phần pha ferit có thể tính được nhờ qui tắc địn bẩy quen thuộc. Luận án này dùng phương pháp xác định trực tiếp tỷ phần pha ferit thứ cấp. Nội dung của phương pháp là, nung gang cầu lên nhiệt độ austenit hóa hồn tồn sau đó chuyển nhanh xuống vùng nhiệt độ 3 pha và giữ nhiệt trong khoảng thời gian vừa đủ để hệ đạt trạng thái cân bằng rồi làm nguội trong nước. Khi nguội trong nước, pha ferit khơng chuyển biến, chỉ có austenit sẽ chuyển thành mactensit. Khi đó, tổ chức của gang chỉ có ferit thứ cấp + mactensit + graphit. Xác định tỷ phần pha bằng phương pháp kim tương so màu.
Đã nghiên cứu tổ chức và thành phần pha của gang ở các chế độ như sau: Ba nhiệt độ austenit hóa là 870; 900 và 930 oC
Tại mỗi nhiệt độ austenit hóa sẽ xác định tổ chức và thành phần pha nền ở các nhiệt độ vùng 3 pha: 750, 760; 770; 780; 790 và 800 oC trong khoảng thời gian khác nhau. Các thí nghiệm và kết quả phân tích được cho trên các hình từ 3.11 đến hình 3.16 và bảng 3.8.
Hình 3.11 cho thấy, tại nhiệt độ nung 750 oC, tổ chức nền kim loại hầu hết là ferit thứ cấp sau khi giữ nhiệt 90 phút. Trường hợp này tương tự như cơng nghệ ủ ferit hóa nhiệt độ cao (cao hơn nhiệt độ A1). Về nguyên lý, chuyển biến austenit
thành ferit là sự sắp xếp lại cấu trúc từ mạng lập phương tâm mặt thành lập phương tâm khối, sau đó, phân bố các nguyên tử C từ ferit sang austenit theo cơ chế khuếch tán. C hòa tan trong gang theo kiểu dung dịch rắn xen kẽ, lại phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc tinh thể của pha mẹ - pha sắt Fe. Độ hòa tan của C trong ferit rất thấp so với độ hòa tan trong austenit. Điều này làm cho các nguyên tử C phải khuếch tán một quãng đường khá dài và khá nhiều trong quá trình chuyển biến. Bởi vậy, ở nhiệt độ ủ thấp, thời gian để hệ đạt trạng thái ổn định đòi hỏi phải dài hơn. Kết quả trên bảng 3.8 chỉ rõ, ở nhiệt độ ủ 750 oC, phải mất trên 90 phút, toàn bộ austenit mới chuyển thành ferit.
750 oC/30 phút – Tỷ phần α = 98,4 % 750 oC/90 phút – Tỷ phần α = 100 %
750 oC/120 phút – Tỷ phần α = 100 %
Hình 3.11. Tổ chức của gang cầu đã tẩm thực và tỷ phần pha khi tôi trong nước:
Austenít hóa 900 oC giữ 2 h; Nung xuống 750 oC thời gian: 30, 90 và 120 phút.
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
0%20% 20% 40% 60% 80% 100% 30 90 120 98.40 100.00 100.00 1.6 0 0
Thời gian giữ nhiệt, phút
Tăng nhiệt độ ủ vùng 3 pha, tỷ phần pha ferit thứ cấp giảm đi và tổ chức hồn tồn khơng có ferit khi nhiệt độ ủ 800 oC ở vùng 3 pha (hình 3.16). Nhiệt độ 800 oC là nhiệt độ bắt đầu bước vào vùng austenit hóa của gang cầu nghiên cứu.
760 oC/30 phút – Tỷ phần α = 58,6 % 760 oC/90 phút – Tỷ phần α = 66,2 %
760 oC/120 phút – Tỷ phần α = 73,7 %
Hình 3.12. Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước ở chế độ:
Austenít hóa 900 oC/2h; ủ 760 oC thời gian: 30, 90 và 120 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
0% 20% 40% 60% 80% 100% 30 90 120 58.60 66.20 73.70 41.4 33.8 26.3
Thời gian giữ nhiệt, phút
770 oC/30 phút – Tỷ phần α = 48,5 % 770 o
C/90 phút – Tỷ phần α = 55,2 %
770 oC/120 phút – Tỷ phần α = 61,3%
Hình 3.13. Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước ở chế độ:
Austenít hóa 900 oC/2 h; Nung xuống 770 oC thời gian: 30, 90 và 120 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
0%20% 20% 40% 60% 80% 100% 30 90 120 48.50 55.20 61.30 51.5 44.8 38.7
Thời gian giữ nhiệt, phút
780 oC/30 phút – Tỷ phần α = 30,6 % 780 oC/90 phút – Tỷ phần α = 35,5 %
780 oC/120 phút – Tỷ phần α = 40,6 %
Hình 3.14. Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tơi trong nước ở chế độ:
Austenít hóa 900 oC/2 h; Nung xuống 780 oC thời gian: 30, 90 và 120 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
0%20% 20% 40% 60% 80% 100% 30 90 120 30.60 35.50 40.60 69.4 64.5 59.4
Thời gian giữ nhiệt, phút
790 oC/30 phút – Tỷ phần α = 11,3 % 790 o
C /90 phút – Tỷ phần α = 13,4 %
790 oC /120 phút – Tỷ phần α = 15,3 %
Hình 3.15. Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tơi trong nước ở chế độ: Austenít hóa
900 oC/2 h; Nung xuống 790 oC thời gian: 30, 90 và 120 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
0%20% 20% 40% 60% 80% 100% 30 90 120 11.30 13.40 15.30 88.7 86.6 84.7
Thời gian giữ nhiệt, phút
800 oC/30 phút – Tỷ phần α = 0 % 800 oC/90 phút – Tỷ phần α = 0 %
800 oC/120 phút – Tỷ phần α = 0 %
Hình 3.16. Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tơi trong nước ở chế độ: Austenít hóa 900
o
C/2 h; Nung xuống 800 oC thời gian: 30, 90 và 120 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
0%20% 20% 40% 60% 80% 100% 30 90 120 0 0 0 100 100 100
Thời gian giữ nhiệt, phút
Bảng 3.8. Tỷ phần ferit và mactensit theo nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt vùng 3 pha Nhiệt độ austenit hóa, oC Thời gian austenit hóa, phút Nhiệt độ vùng 3 pha, oC Thời gian, Phút Tỷ phần pha, % Ferit Mactensit 870 120 760 120 74,6 25,4 770 65,2 34,8 780 45,2 54,8 790 17,3 82,7 900 120 750 30 98,4 1,6 90 100 0 120 100 0 760 30 58,6 41,4 90 66,2 33,8 120 73,7 26,3 770 30 48,5 51,5 90 55,2 44,8 120 61,3 38,7 780 30 30,6 69,4 90 35,5 64,5 120 40,6 59,4 790 30 11,3 88,7 90 13,4 86,6 120 15,3 84,7 800 30 0 100 90 0 100 120 0 100 930 120 760 120 59,0 41,0 770 47,7 52,3 780 25,9 74,1 790 12,3 87,7
Theo kết quả của bảng 3.8, xác định được vùng nhiệt độ austenit hóa một phần (++graphit) theo kết quả thực nghiệm là từ 750 đến 800 o
C. Tại 800 oC tổ chức nền thu được hoàn toàn là mactensit, khi hạ xuống nhiệt độ 780 oC ferit bắt đầu được tiết ra nhiều hơn. Khi nung 750 o
C không thấy sự xuất hiện của mactensit. Kết quả này phù hợp với kết quả đo giãn nở nhiệt, cho thấy ở điều kiện thực tế sai khác rất là nhỏ.
Khi nung vùng nhiệt độ austenit hóa một phần (++graphit), ở nhiệt độ càng cao thì lượng ferit tiết ra càng ít. Để q trình austenit tiết ra ferit xảy ra hoàn tồn địi hỏi phải giữ nhiệt ở thời gian nhất định đủ để các nguyên tử C khuếch tán ra khỏi austenit. Khi thời gian giữ nhiệt tăng hàm lượng ferit tiết ra cũng tăng và sẽ đạt tới một trạng thái cân bằng.
Hàm lượng ferit được tiết ra trong vùng nhiệt độ tới hạn có ý nghĩa rất quan trọng, quyết định cơ tính của gang. Hàm lượng ferit càng nhiều gang càng dẻo đồng thời độ bền và độ cứng của gang sẽ giảm. Do đó, dựa theo u cầu về cơ tính mà lựa chọn quy trình cơng nghệ nhiệt luyện phù hợp.
Trong quá trình nung và giữ nhiệt austenit hóa, nhiệt độ tăng sẽ là tăng hàm lượng cacbon trong austenit. Hàm lượng C thay đổi theo đường Acm trên hình 3.2. Nhiệt độ ausstenit hóa càng cao, hàm lượng C trong austenit càng cao, austenit càng ổn định và càng khó chuyển thành ferit trong q trình nung ở vùng ba pha.
Nguồn C để bão hoà austenit là graphit cầu và cacbit trong peclit. Kích thước hạt graphit càng lớn, có nghĩa là khoảng cách giữa chúng càng lớn thì quãng đường khuếch tán C từ graphit vào nền kim loại càng dài, do đó thời gian đạt trạng thái bão hoà C trong austenit tới trạng thái cân bằng của giản đồ trạng thái Fe-Si-C càng tăng. Trong gang cầu peclit, sự hoà tan và khuếch tán C từ các tấm cacbit trong peclit xảy ra trong đoạn đường ngắn hơn, cho nên sự bão hoà C trong austenit xảy ra nhanh hơn. Như vậy, nâng cao nhiệt độ austenit hóa sẽ làm tăng hàm lượng C trong austenit, austenit càng ổn định và càng khó chuyển thành ferit, tỷ phần pha ferit sẽ giảm đi (hình 3.17). Các thí nghiệm đã chứng tỏ, thời gian austenit hóa 2 giờ là đủ để bão hòa C trong austenit.
Tỷ phần pha ferit thứ cấp phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt ở vùng ba pha như trên hình 3.17 và 3.18. Tại nhiệt độ 750 oC, nhiệt độ cận dưới của vùng ba pha, tổ chức kim loại 100 % là ferit thứ cấp. Trường hợp này tương tự như ủ ferit nhiệt độ cao.
Hình 3.17. Tỷ phần pha ferit thứ cấp phụ nhiệt độ vùng ba pha ở nhiệt độ austenit hóa
khác nhau. 870, 900 và 930 oC.
Hình 3.19. Tổ chức của gang ADI, austenit hóa ở 900 oC/2 giờ, nhiệt độ vùng tới hạn (760 đến 790) o
C/2 giờ, tôi đẳng nhiệt 360 oC /2 h
Khi nhiệt độ ủ vùng ba pha tăng đến 800 oC, tổ chức kim loại hoàn toàn là austenit. Tăng thời gian giữ nhiệt vùng ba pha, tỷ phần ferit thứ cấp tăng theo. Tăng thời gian giữ nhiệt vùng 3 pha từ 30 phút lên 120 phút, tỷ phần pha ferit chỉ tăng nhiều nhất là 15,1 % (tại 760 oC). Nhiệt độ vùng ba pha thay đổi từ cận dưới (750
oC) đến nhiệt độ giới hạn trên (800 o
C), tổ chức nền chuyển từ 100 % ferit thành 100 % austenit. Như vậy, hồn tồn có thể điều chỉnh tỷ phần pha ferit thứ cấp trong nền gang ADI bằng cách kiểm soát nhiệt độ ủ vùng ba pha.
Hình 3.18. Tỷ phần pha ferit thứ cấp phụ thuộc nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt vùng ba pha.
Austenit hóa 900 oC/2 giờ giữ nhiệt 30, 90 và 120 phút.
F Gr Gr Af F Gr Af F Gr Af F Gr Af
Hình 3.19 mơ tả sự khác biệt về cấu trúc nền gang ADI sau khi austenit hóa hồn tồn ở 900 oC, ủ ở vùng ba pha nhiệt độ khác nhau trong thời gian 2 giờ, sau đó tơi đẳng nhiệt ở 360 o
C trong 2 giờ.
Nung và giữ nhiệt ở 900 oC, gang đã bị austenit hóa hồn toàn. Giữ nhiệt trong vùng ba pha, khoảng thời gian giống nhau 2 giờ, tại các nhiệt độ khác nhau, tỷ phần pha ferit thay đổi từ 73,7 % đến 15,3 %. Tôi đẳng nhiệt ở nhiệt độ 360 oC với thời gian 2 giờ, đã đủ để austenit dư bão hịa C và nó khơng cịn khả năng chuyển thành mactensit. Tổ chức gang không chứa mactensit, mà lúc này là ausferit.
Tóm lại, bằng cách kiểm soát nhiệt độ vùng 3 pha, hồn tồn có thể kiểm sốt được tỷ phần ferit thứ cấp trong gang cầu ADI song pha, và do đó, kiểm sốt được cơ tính của gang. Tuy nhiên, cơ tính tổng hợp của gang (độ bền cao và độ dẻo cũng cao) ngoài tỷ phần pha còn phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc của tổ chức ausferit, sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo.