Công nghệ ủ mềm áp dụng cho gang trắng Cr cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Công nghệ ủ mềm áp dụng cho gang trắng Cr cao tiến hành xây dựng quy trình ủ mềm cho một mác gang với thành phần cụ thể như trong bảng 1. Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy, độ cứng của gang trắng Cr cao có thể giảm được đáng kể so với độ cứng ban đầu nhờ điều chỉnh sự tiết pha cacbit thứ cấp trên nền gang trắng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ ủ mềm áp dụng cho gang trắng Cr cao

Journal of Science and Technology of 18 Công trình nghiên cứu Công nghệ ủ mềm áp dụng cho gang trắng Cr cao Soft annealing technology applied to high chromium white cast iron NGUYỄN NGỌC MINH1,* 1. Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hà Nội *Email: minh.nguyenngoc@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 24/2/2021, Ngày duyệt đăng: 6/4/2021 TÓM TẮT Gang trắng Cr cao là loại hợp kim được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn lớn. Tuy nhiên, quá trình gia công cắt gọt đối với loại hợp kim này thường gặp khó khăn do chúng có độ cứng khá cao. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là tìm ra các thông số và quy trình xử lý nhiệt thích hợp để có thể áp dụng làm mềm gang trắng Cr cao về khoảng độ cứng thấp hơn, nhằm đảm bảo thuận lợi cho quá trình gia công cắt. Trong nghiên cứu này, các mẫu gang được austenit hóa một phần và ủ mềm bằng lò buồng điện trở. Kính hiển vi quang học, thiết bị nhiễu xạ Rơnghen và kính hiển vi điện tử quét được sử dụng để quan sát và đánh giá tổ chức của mẫu trước và sau khi xử lý nhiệt. Máy đo độ cứng thô đại cũng được sử dụng để đánh giá mức độ biến đổi độ cứng của các mẫu. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng: điều chỉnh lại được kích thước hạt cacbit sơ cấp và tiết ra cacbit thứ cấp nhỏ mịn trong quá trình xử lý nhiệt có thể làm giảm độ cứng của gang trắng về vùng thích hợp cho gia công cắt gọt.. Từ khóa: Gang trắng Cr cao, ủ mềm, gia công cắt gọt. ABSTRACT High Cr white cast iron is an alloy widely used in the field of manufacturing parts working in conditions of high wear resistance. However, the machining process for this alloy is often difficult due to its high hardness. Therefore, the objective of this study is to find out the appropriate parameters of heat treatment process to be able for soft- ening of high Cr white cast iron with a lower hardness, ensuring the cutting process. In this study, the samples were austenitized partially and soft annealed in a resistance furnace. Optical microscope, X-ray diffractometer and field emission scanning electron microscope were used to observe and evaluate the microstructure of samples before and after heat treatment. The Rockwell hardness tester (RHT) is also used to evaluate hardness variation of sam- ples. Research results have shown that the change of primary carbide grain size and formation of secondary car- bides during heat treatment can reduce the hardness of white cast iron to the suitable range for machining. Keywords: High Cr cast iron, soft-annealing, machining process. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ [7-9]. Đặc trưng của tổ chức tế vi sau đúc loại Gang trắng Cr cao thường được quan tâm gang trắng Cr cao cũng thể hiện rất rõ vai trò của trong ứng dụng chế tạo các chi tiết làm việc cần nguyên tố Cr. Với hàm lượng lớn, Cr làm cho độ cứng cao để chịu mài mòn [1]. Các chi tiết xementit (Fe3C) kém ổn định và sẽ được thay thế thường gặp có thể kể đến như hàm nghiền trong bằng các loại cacbit khác như (CrFe)7C3, M7C3, máy nghiền quặng [2], trục cán [2-3], tấm lót trong (CrFe)23C6 hoặc (CrFe)6C [7,10, 11]. Các loại tang nghiền clanke [2, 4], cánh và thân bơm bùn cacbit trên hình thành sau đúc thường có dạng thô trong lĩnh vực khai khoáng [5-6]. Thành phần hóa to, độ cứng cao nên khi phân bố trên nền gang học đặc trưng của loại gang chịu mài mòn này, thường làm độ cứng của chi tiết rất lớn. Đối với ngoài hàm lượng các nguyên tố chính là cacbon các chi tiết sau đúc vẫn cần gia công cắt gọt cơ khí thường nằm trong khoảng 1,8 đến 3,6 % và hàm thì độ cứng trên được đánh giá là một trở ngại lượng Cr từ 11 đến 30 % thì một số nguyên tố hợp đáng lưu ý. Để khắc phục nhược điểm này của tổ kim khác như Mo, Ni, V, Nb,... tùy từng trường hợp chức gang trắng Cr sau đúc, nhiều quy trình xử lý cụ thể cũng sẽ được thêm vào để cải thiện cơ tính nhiệt nhằm làm giảm độ cứng cũng đã được thực _____________________________ Số 95 . tháng 4/2021 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI DOI: 10.52923/vmfs.jstm.42021.95.03
Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 19 hiện. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng: trước khi làm nguội để nhận tổ chức là mactensit. các quy trình xử lý nhiệt đã công bố chỉ áp dụng Việc làm giảm kích thước các hạt cacbit sơ cấp sẽ phù hợp đối với một số mác hợp kim có thành góp phần làm giảm độ cứng sau này của hợp kim. phần nhất định chứ không thể áp dụng cho toàn Bước tiếp theo trong quá trình xử lý nhiệt là ủ có bộ nhóm gang trắng Cr cao [10]. Vì lý do đó, trong kết hợp làm thăng giáng nhiệt độ. Mục đích chính nghiên cứu này đã tiến hành xây dựng quy trình ủ của quá trình ủ là kích thích sự tiết pha cacbit thứ mềm cho một mác gang với thành phần cụ thể cấp nhỏ mịn và phân hóa bớt nền mactensit tôi. như trong bảng 1. Các kết quả nghiên cứu đã cho Trong quá trình ủ này, một phần cacbon trong thấy, độ cứng của gang trắng Cr cao có thể giảm mactensit cũng sẽ được tiết ra để kết hợp với các được đáng kể so với độ cứng ban đầu nhờ điều nguyên tố hợp kim hình thành nên cacbit. Bên chỉnh sự tiết pha cacbit thứ cấp trên nền gang cạnh đó, nồng độ cácbon trong mactensit giảm trắng. cũng sẽ làm giảm thêm độ cứng của pha nền. Quá trình này được nung phân cấp trước tiên tại 650 2. THỰC NGHIỆM oC, đây là nhiệt độ tối thiểu để ổn định austenit Để thực hiện nghiên cứu này, mác gang Cr cao thường được biết đến đối với họ gang trắng Cr được sử dụng có thành phần hóa học như trong cao. Do vậy, giữ nhiệt tại 650 oC giúp cho austenit bảng 1. Gang sau đúc được cắt thành các khối dư còn lại sau tôi được phân hủy thuận lợi. Giai nhỏ với kích thước (110 x 110 x 110) mm và được đoạn nung tại 700 oC là quá trình tiết cacbit thứ để trong hộp thép không gỉ bảo vệ khi nung nóng cấp. Nhiệt độ trong giai đoạn này thường được theo các quy trình nhiệt luyện như trên hình 1. Quy lựa chọn ở vùng lân cận dưới AC1, nếu nhiệt độ trình được tiến hành qua 2 bước. Bước đầu tiên, quá cao sẽ dẫn đến hình thành austenit lại trong hợp kim được austenit hóa ở 970 oC. Mục đích tổ chức, qua đó tăng giới hạn hòa tan cacbon của giai đoạn này là để hòa tan một phần cacbit trong nền và làm giảm hiệu quả quá trình tiết sơ cấp hình thành sau đúc vào trong nền austenit cacbit thứ cấp. Nhiệt độ quá thấp sẽ phải kéo dài Bảng 1: Bảng thành phần hóa học của gang Cr cao Hình 1: Quy trình xử lý nhiệt ủ mềm gang trắng Cr cao TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 95 . tháng 4/2021
Journal of Science and Technology of 20 Công trình nghiên cứu Hình 2: Ảnh tổ chức tế vi với độ phóng đại 500 lần: (a) mẫu sau đúc; (b) mẫu sau tôi; (c) mẫu sau ủ mềm Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ Rơn ghen của: (a) mẫu sau đúc; (b) mẫu sau ủ mềm Số 95 . tháng 4/2021 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 21 thời gian ủ, do vậy không đem lại hiệu quả cao. kim sau tôi cho thấy không còn có sự tồn tại của Bên cạnh đó, giai đoạn này còn sử dụng biện tổ chức cùng tinh như sau đúc mà chỉ còn cacbit pháp phân cấp ba lần ở nhiệt độ 700 oC giúp kích sơ cấp chưa hòa tan hết phân bố trên nền thích các quá trình sinh mầm và hình thành cacbit mactensit. Kết quả quan sát tổ chức tế vi của mẫu thứ cấp nhanh hơn, góp phần làm giảm thời gian sau xử lý nhiệt ủ mềm (hình 2c) đã cho thấy không của giai đoạn ủ. còn có sự hiện diện của austenit như tổ chức ban Quá trình xử lý nhiệt được thực hiện trong lò đầu và thay vào đó là có sự tiết pha cacbit nhỏ mịn điện trở có điều khiển (Nabertherm, model: phân bố trên nền mactensit. Ảnh trên hình 2c cũng N11/H). Các mẫu sau mỗi giai đoạn xử lý nhiệt chỉ rõ kích thước các hạt cacbit sơ cấp nhỏ hơn so đều được kiểm tra độ cứng trên máy đo độ cứng với tổ chức sau đúc do đã được hòa tan một phần Rockwell (Mitutoyo Digital Hardness Tester, vào austenit trong quá trình nung austenit hóa tại model: ARK-600 810-218E). Kính hiển vi quang 970 oC. Để làm rõ hơn vấn đề tiết pha và thay đổi học (Axiovert, model: 25CA) và kính hiển vi điện tổ chức của mẫu trước và sau khi nhiệt luyện ủ từ quét (JEOL, model: JEOL JSM-7600F) được sử mềm, các mẫu cũng được kiểm tra bằng nhiễu xạ dụng để quan sát sự thay đổi tổ chức tế vi. Thiết Rơnghen (hình 3). Với mẫu sau đúc trên hình 3a, bị nhiễu xạ Rơn ghen (Bruker, model: D8- nhiễu xạ Rơnghen đã chỉ ra sự tồn tại của cacbit Advance) được sử dụng để khảo sát sự thay đổi sơ cấp crôm (M7C3) có trong tổ chức như khẳng thành phần pha hoặc sự tiết pha cacbit thứ cấp định trong hình 2c, nơi mà ở đó chúng tương ứng của gang ở các trạng thái khác nhau là những hạt trắng thô to, hình dạng đa cạnh và đứng riêng biệt như quan sát được. Bên cạnh đó, 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN việc phân biệt các hạt cacbit sơ cấp với các tổ Kết quả quan sát tổ chức tế vi trên kính hiển vi chức khác cũng đã được thể hiện qua hình 4a. Sự quang học của các mẫu trước và sau xử lý nhiệt tương tác với chùm điện tử cho thấy cacbit sơ cấp được thể hiện như trên hình 2. Tổ chức tế vi quan hiện lên là các hạt có màu tối sẫm, khác biệt hẳn sát trên hình 2a cho thấy: hợp kim sau đúc xuất so với nền austenit và cacbit cùng tinh có màu hiện cacbit sơ cấp (M7C3) thô to, austenit và tổ sáng hơn. Trong khi đó, austenit thành phần chủ chức cùng tinh gồm cacbit (M7C3) phân bố trên yếu của gang cho các vạch nhiễu xạ với cường độ nền austenit. Sự tồn tại của austenit ở nhiệt độ lớn. Trên hình 3b, không còn thấy vạch của phòng được xác định là do ảnh hưởng của tỷ lệ austenit, mà là các vạch của mactensit. Điều này Cr/C và sự có mặt của Ni, Mn, Si trong thành phần có thể giải thích rằng, quá trình xử lý nhiệt theo hợp kim là các yếu tố có tác dụng mở rộng vùng quy trình trên hình 1, ở giai đoạn đầu, mẫu sau khi austenit [12-13]. Trên hình 2b, tổ chức của hợp austenit hóa ở 970 oC và nguội ngoài không khí đã Hình 4: Ảnh hiển vi điện tử quét: (a) mẫu sau đúc (x1000); (b) mẫu sau xử lý nhiệt ủ mềm (x500) TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 95 . tháng 4/2021
Journal of Science and Technology of 22 Công trình nghiên cứu kim cũng đã được kiểm chứng. Các mẫu trước và sau khi xử lý nhiệt đều được kiểm tra độ cứng (HRC). Giá trị độ cứng mỗi mẫu đều được xác định theo giá trị trung bình của 6 lần đo tại các vị trí khác nhau trên tiết diện mẫu thử. Kết quả cho trên hình 5. Với mẫu sau đúc, độ cứng trung bình vào khoảng 51 HRC là khá cao và gây khó khăn đáng kể đến gia công cắt gọt. Giá trị độ cứng này phản ánh sự ảnh hưởng của cacbit sơ cấp thô to hình thành sau đúc. Với mẫu sau austenit hóa tại 970 oC, giá trị độ cứng đạt được lớn nhất, vì trong tổ chức ngoài cacbit sơ cấp chưa hòa tan hết trong austenit khi nung còn có mactensit với hàm lượng C cao được hình thành đã làm tăng mạnh độ cứng của gang sau giai đoạn austenit hóa. Giá trị độ cứng đạt được trên mẫu sau ủ khoảng 40 HRC cho thấy giá trị độ cứng đã giảm đi rõ rệt so với tổ Hình 5: Độ cứng của các mẫu gang chức của mẫu cung cấp ban đầu. Do vậy, có thể khẳng định việc áp dụng quy trình xử lý nhiệt theo có chuyển biến từ austenit sang mactensit. Cường hình 1 để điều chỉnh tổ chức hợp kim nhằm làm độ các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho cacbit (M7C3) giảm độ cứng là phù hợp. cũng đã tăng lên đáng kể, chứng tỏ đã có sự tiết pha cacbit thứ cấp khi thực hiện quy trình ủ tiếp 4. KẾT LUẬN theo sau đó. Gang trắng 22 %Cr hoàn toàn có thể làm giảm Để quan sát và làm rõ hơn về sự tiết ra cacbit, độ cứng nhờ thực hiện quy trình xử lý nhiệt ủ mềm các mẫu trước và sau khi nhiệt luyện cũng được để điều tiết kích thước, sự phân bố cacbit (cacbit khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét. Kết quả sơ cấp bị hòa tan bớt và cacbit thứ cấp tiết ra nhỏ như thể hiện trên hình 4. Với mẫu sau đúc trên mịn) và giảm bớt hàm lượng cácbon trong pha hình 4a, ảnh tổ chức cũng cho thấy các hạt cacbit nền mactensit. sơ cấp thô to phân tán trên tổ chức cùng tinh, Với gang trắng có hàm lượng 22 %Cr, giá trị độ trong khi austenit là các hạt lớn nằm bên cạnh tổ cứng có thể giảm đến 11 HRC (mức độ chênh lệch chức cùng tinh. Mẫu sau xử lý nhiệt (hình 4b) cho độ cứng giữa mẫu sau đúc và mẫu sau ủ mềm) thấy các pha cacbit thứ cấp được tiết ra là các hạt nếu được xử lý theo quy trình ủ mềm gồm 2 giai màu sáng nhỏ mịn, phân bố đều trên nền đoạn: giai đoạn đầu thực hiện austenit hóa ở 970 mactensit. Kết quả này giúp khẳng định rằng, quy oC giữ nhiệt 4 h và nguội ngoài không khí, giai trình thực hiện như sơ đồ hình 1 đã nêu hoàn toàn đoạn 2 sẽ nung phân cấp tại 650 oC trong 2 h có thể áp dụng để tạo ra cacbit thứ cấp phân tán trước khi tiến hành quy trình nung theo chế độ trên nền hợp kim. nung: 700 oC/1 h → 650 oC → 700 oC/1 h → 650 oC → 700 oC/1 h → không khí. Ảnh hưởng của tổ chức đến độ cứng của hợp TÀI LIỆU TRÍCH DẪN 1. E. Karantzalis, A. Lekatou, H. Mavros; Microstructure and properties of high chromium cast irons: effect of heat treatments and alloying additions, International Journal of Cast Metals Research, Vol 22, Issue 6, 2009, pp 448-456; doi: 10.1179/174313309X436637 2. M. Ngqase, X. Pan; An Overview on Types of White Cast Irons and High Chromium White Cast Irons, Journal of Physics: Conference Series, Vol 1495, 2020; doi: 10.1088/1742-6596/1495/1/012023 3. Z. H. Guo, F. R Xiao, S. L. Lu, H. Y. Li, B. Liao; Effects of Heat-Treatment on the Microstructure and Wear Resistance of a High-Chromium Cast Iron for Rolls, Advances in Materials Science and Engineering, Vol 2016, 2016, pp1-7; doi: 10.1155/2016/9807685 Số 95 . tháng 4/2021 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
Journal of Science and Technology of Công trình nghiên cứu 23 4. I. Kuntadi, U. Sumirat, E. Permana; The Development of Material Grinding Ball in Ballmill Made of White Cast Iron and Applied to Cement Plants, Advances in Social Science, Education and Humanities Research, Vol 520, 2021, pp 44-47 5. V. Marimuthu, K. Kannoorpatti; Corrosion Behaviour of High-Chromium White Iron Hardfacing Alloys in an Alkaline Solution, J Bio Tribo Corros., Vol 2, Issue 26, 2016, pp 1-14; doi: 10.1007/s40735-016-0056-x 6. L. Xu, S. Wei, J. Li, G. Zhang, X. Ma; Microstructure and Corrosive Wear Property of Super High Chromium Cast Iron (SHCCI), Advanced Materials Research, Vol 228-229, 2011, pp 905-908; doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.228-229.905 7. F. Nurjaman, S. Sumardi, A. Shofi, M. Aryati, B. Suharno; Effect of molybdenum, vanadium, boron on mechanical properties of high chromium white cast iron in as-cast condition, International Symposium on Frontier of Applied Physics (ISFAP) 2015, pp 020005-1-020005-6; doi: 10.1063/1.4941614 8. C. G. Oliveira, I. P. Pinheiro; Effect of Niobium on the Microstructure of High Chromium White Cast Iron, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Vol 1816, 2016; doi: 10.1063/1.4941614 9. J. Liu, S. Li, Y. Man; Wear resistance of M-hard 4 and high-chromium cast iron re-evaluated, Wear, Vol 166, Issue 1, 1993, pp 37-40; doi: 10.1016/0043-1648(93)90276-R 10. D. Kopyciński, E. Guzik, D. Siekaniec, A. Szczęsny; Analysis of the High Chromium Cast Iron Microstructure after the Heat Treatment, Archives of Foundry Engineering, Vol 14, Issue 3, 2014, pp 43-46; doi: 10.2478/afe-2014- 0059 11. P. Amorim, H. Santos, J. Santos, S. Coimbra, C. Sá; Soft Annealing of High Chromium White Cast Iron, Materials Science Forum Vols. 455-456, 2004, pp 290-294; doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.455-456.290 12. K. A. Aziz, M. E. Shennawy, A. A. Omar; Microstructural Characteristics and Mechanical Properties of Heat Treated High-Cr White Cast Iron Alloys, International Journal of Applied Engineering Research, Vol 12, Issue 14, 2017, pp 4675-4686 13. G. Niu, Y. Sui, H.Zeng, H. He, Y. Jiang, M. Zhou; Effect of centrifugal casting temperature on the microstruc- ture andproperties of ZTAP/HCCI matrix composites, Mater. Res. Express, Vol 8, 2021; doi: 10.1088/2053- 1591/abe012 TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 95 . tháng 4/2021