Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit" trình bày các nội dung chính sau: Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến các quá trình chuyển biến khi gia công nhiệt gang cầu ADI có tổ chức nền ferit và ausferit; Xây dựng “của sổ quá trình” nhằm hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện cho gang cầu đẳng nhiệt có tổ chức nền đa pha với hiệu quả kinh tế cao.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH TUẤN NÂNG CAO CƠ TÍNH TỔNG HỢP CỦA GANG CẦU BẰNG XỬ LÝ NHIỆT TẠO NỀN FERIT VÀ AUSFERIT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH TUẤN NÂNG CAO CƠ TÍNH TỔNG HỢP CỦA GANG CẦU BẰNG XỬ LÝ NHIỆT TẠO NỀN FERIT VÀ AUSFERIT Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN HỮU DŨNG 2. TS. NGUYỄN HỒNG HẢI Hà Nội – 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực, không vi phạm điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Các kết quả của luận án chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2022 Giáo hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS .Nguyễn Hữu Dũng TS. Nguyễn Hồng Hải Hoàng Anh Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Qua luận án này Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của PGS.TS Nguyễn Hữu Dũng, TS Nguyễn Hồng Hải, sự giúp đỡ của các thầy trong Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Đúc, sự giúp đỡ của phòng thí nghiệm trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm của Trung tâm Đo lường/Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng/Bộ Quốc phòng, cũng như sự quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi của phòng Đào tạo - trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các bạn đồng nghiệp. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành, sâu sắc tới Thủ trưởng đơn vị, các anh chị em đồng nghiệp tại Trung tâm Đo lường/Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng/Bộ Quốc phòng, đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi thục hiện luận án . Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã cổ vũ, động viên tôi hoàn thành bản luạn án này. Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2022 Tác giả Hoàng Anh Tuấn ii
MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4 1.1. Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI 4 1.2. Gang cầu có tổ chức ferit thứ cấp và ausferit 6 1.3. Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt 10 1.3.1. Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt trên thế giới 10 1.3.2. Tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt trong nước 13 1.4. Sự hình thành graphit cầu trong gang 15 1.5 Ảnh hƣởng của thành phần hóa học đến tính chất gang cầu 17 1.5.1. Carbon và silic 17 1.5.2. Mangan 17 1.5.3. Lưu huỳnh và phốt pho 18 1.5.4 .Nguyên tố cầu hóa 18 1.5.5. Các nguyên tố hợp kim hoá 19 1.56. Các nguyên tố hình thành cacbit và nguyên tố cản cầu 20 1.6. Tính chất và ứng dụng của gang cầu 20 1.6.1. Cơ tính gang cầu ADI nền đa pha 21 1.6.2. Lĩnh vực sử dụng gang cầu ADI nền đa pha 25 1.7. Các phƣơng pháp nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu 27 1.7.1. Nâng cao chất lượng cầu hoá 27 1.7.2. Hợp kim hoá 27 1.7.3. Kết hợp hợp kim hóa và nhiệt luyện 27 1.7.4. Các phương án nhiệt luyện 28 1.8. Chuyển pha trong gang cầu tôi đẳng nhiệt nền đa pha 30 1.8.1. Quá trình austenit hóa 30 iii
1.8.1.1. Tạo mầm austenit 30 1.8.1.2. Sự lớn lên của mầm austenit 31 1.8.1.3. Hành vi của cacbon trong quá trình austenit hoá 33 1.8.2. Chuyển biến austenit thành ferit thứ cấp 37 1.8.3. Chuyển biến ausferit 41 1.8.3.1. Cơ chế chuyển biến 41 1.8.3.2. Độ hạt austenit và graphit 43 1.8.3.3. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 45 CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 2.1. Gang cầu ban đầu 47 2.2. Đánh giá tổ chức tế vi 48 2.3. Phƣơng pháp tính tỷ phần pha austenit sau phản ứng giai đoạn I 49 2.4. Xác định cơ tính và thành phần hoá học 50 2.5. Chế độ nhiệt luyện 52 2.6. Phƣơng pháp nghiên cứu chuyển biến và tỉ phần pha khi tôi đẳng 53 nhiệt CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 57 3.1. Thành phần, tổ chức của gang cầu ở trạng thái đúc 57 3.2. Xác định vùng nhiệt độ tới hạn 58 3.2.1. Xác định nhiệt độ tới hạn bằng giản đồ pha 58 3.2.2. Xác định vùng nhiệt độ tới hạn bằng phương pháp đo giãn nở 60 3.3. Quá trình austenit hóa và hàm lƣợng cacbon trong austenit 62 3.3.1. Nhiệt độ và thời gian austenite hóa 62 3.3.2. Hàm lượng cacbon trong austenit 62 3.4. Sự hình thành ferit thứ cấp. 70 3.5. Chuyển biến đẳng nhiệt (chuyển biến ausferit) 81 3.5.1. Xác định chế độ tôi đẳng nhiệt 81 3.5.2. Sự hình thành tổ chức ausferit trong gang cầu ADI nền đa pha 81 3.5.3. Xác định cửa sổ quá trình 86 3.5.4. Động học chuyển biến ở giai đoạn I 93 iv
3.5.5. Năng lượng hoạt hóa của chuyển biến ausferit 96 3.6. Tổ chức tế vi của gang cầu ADI nền đa pha 97 3.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ austenit hóa 98 3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ vùng ba pha 99 3.6.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 100 3.6.4. Ảnh hưởng của thời gian tôi đẳng nhiệt 101 3.7. Cơ tính của gang cầu ADI nền đa pha. 103 3.7.1. Độ cứng của gang cầu ADI nền đa pha 103 3.7.2. Độ bền của gang cầu ADI nền đa pha 106 KẾT LUẬN 119 KIẾN NGHỊ 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC 129 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADI (Austempered Ductile Iron) = Gang cầu tôi đẳng nhiệt WTO (World Trade Organization) = Tổ chức thương mại thế giới T- T –T (Transformation – Temperature – Time ) = chuyển biến – nhiệt độ - thời gian GĐP = Giản đồ pha HKTG = Hợp kim trung gian Công ty TNHH NN MTV = Công ty trách nhiệm hữu hạn nhà nước một thành viên F = Ferit P = Peclit Af = Ausferit C = Cacbon NTĐH = Nguyên tố đất hiếm γC, γHC = Austenit cacbon cao γ = Austenit PAI, PAII, PAIII, PAIV, PAV, PAVI = Phương án I, II, III, IV, V, VI (FeS) = Sunfua sắt trong xỉ lỏng [FeS] = Sunfua sắt trong hợp kim lỏng Ms = Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit Mf = Nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactensit Cđl = Cacbon đương lượng N = Thường hóa ở nhiệt độ đã cho vi
NT = Thường hóa và ram ở nhiệt độ đã cho Fu = Ủ ferit hóa CC = Từ 900 OC làm nguội có điều khiển E = Giữ tại vùng chuyển biến cùng tích ở nhiệt độ đã cho trong 2 giờ rồi làm nguội nhanh vii
DANH MỤC CÁC BẢNG TT DANH MỤC CÁC BẢNG TRANG 1 Bảng 1.1. Các mác gang ADI với nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt 5 Bảng 1.2. Kết quả phân tích tỷ phần các pha của gang cầu ADI và 2 11 ADI song pha 3 Bảng 1.3. Kết quả thử cơ tính của gang cầu ADI và ADI song pha 12 Bảng 1.4. Hàm lượng các nguyên tố biến tính trong hợp kim trung 4 19 gian Bảng 1.5. Cơ tính của gang cầu ADI song pha và các mác gang 5 21 cầu khác 6 Bảng 1.6. So sánh cơ tính của các loại gang khác nhau 25 Bảng 1.7. Tính chất cơ học, hàm lượng nguyên tố hợp kim và chế 7 28 độ nhiệt luyện gang cầu hợp kim thấp 8 Bảng 1.8. Hệ số khuếch tán của C trong austenit thép Ni 34 9 Bảng 3.1. Thành phần của gang cầu nghiên cứu 57 10 Bảng 3.2. Cơ tính của mẫu gang cầu nghiên cứu ở trạng thái đúc 58 Bảng 3.3. Thành phần cacbon và nhiệt độ tại một số điểm tới hạn 11 59 của mác gang nghiên cứu Bảng 3.4. Hàm lượng C trong austenit theo EDX, nung 930 oC 12 64 trong 120 phút 13 Bảng 3.5. Hàm lượng C trong austenit 65 14 Bảng 3.6. Khoảng cách khuếch tán của C trong austenit 67 15 Bảng 3.7. Hàm lượng C trong austenit tính theo 3 phương pháp 69 viii
Bảng 3.8. Tỷ phần ferit và mactensit theo nhiệt độ và thời gian giữ 16 78 nhiệt vùng 3 pha Bảng 3.9. Tỷ phần các pha theo nhiệt độ ủ vùng ba pha và thời 17 82 gian tôi đẳng nhiệt Bảng 3.10. Thời gian kết thúc giai đoạn I và bắt đầu giai đoạn II 18 91 khi thay đổi nhiệt độ austenit hoá Bảng 3.11. Hệ số thực nghiệm k và n tại mỗi mốc nhiệt độ tôi 19 95 đẳng nhiệt Bảng 3.12. Phương trình Johnson-Mehl-Avrami ở các nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 280 oC, 320 oC, 360 oC và 400 oC; cùng chế độ 20 95 austenit hoá ở 900 oC trong 2 giờ; giữ ở vùng ba pha 770 oC trong 2 giờ Bảng 3.13. Giá trị năng lượng hoạt chuyển biến ausferit của các 21 97 mác gang khác nhau 22 Bảng 3.14. Chiều dày kim ferit phụ thuộc nhiệt độ đẳng nhiệt 117 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ TRANG 1. Hình 1.1. Sơ đồ tôi đẳng nhiệt gang cầu ADI với 2,4 %Si 4 2. Hình 1.2. Ảnh hiển vi quang học của gang cầu có tổ chức ferit và ausferit 6 Hình 1.3. Mối quan hệ giữa độ bền kéo và độ giãn dài đến phá hủy của các 3. 7 loại gang cầu 4. Hình 1.4. Giản đồ pha hợp kim Fe- C- Si 9 5. Hình 1.5. Quan hệ giữa độ giãn nở của gang theo thời gian 14 Hình 1.6. Mô hình sự thay đổi tốc độ phát triển các mặt tinh thể graphit khi 6. 16 hấp thụ các nguyên tử lạ theo Herphurth Hình 1.7. Nguyên lý sự hình thành vùng cửa sổ khi giữ đẳng nhiệt và tác 7. 18 động của Mn tới quá trình 8. Hình 1.8. Quan hệ giữa độ bền kéo và nhiệt độ (T), thời gian đẳng nhiệt (t) 23 9. Hình 1.9. Độ dai va đập Kc, tỉ số (KIC/0,2) theo chiều dày 25 và 75 mm 24 10. Hình 1.10. Độ cứng và nhiệt độ vùng ba pha của gang cầu ADI nền đa pha 24 11. Hình 1.11. Tổ chức của gang cầu ADI song pha 815 oC-365/ 120 phút 24 12. Hình 1.12. Cơ tính và tỉ phần ausferit gang cầu ADI nền đa pha 25 13. Hình 1.13. Các chi tiết chế tạo bằng gang cầu ADI nền đa pha 26 14. Hình 1.14. Các chi tiết có thể chế tạo bằng gang cầu ADI nền đa pha 26 Hinh 1.15. Tổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85 % peclít, khoảng 15. 27 cách giữa các tấm xêmentít là 0,50 m, độ dẻo là 2,1 % x
Hinh1.16. Tổ chức nền kim loại của gang cầu chứa 85 % peclít, khoảng cách 16. 27 giữa các tấm xêmentít là 0,36 m, độ dẻo là 3,5 % 17. Hình 1.17. Sơ đồ các phương án nhiệt luyện gang cầu cơ tính cao 30 18. Hình 1.18. Sự tạo thành của các mầm austenit (a. peclit hạt; b. peclit tấm) 31 19. Hình 1.19. Nồng độ cácbon ở các mặt tiếp xúc 32 20. Hình 1.20. Quan hệ giữa tỷ phần thể tích mactensit và thời gian austenit hóa 32 21. Hình 1.21. Quan hệ giữa kích thước hạt austenit và thời gian austenit hóa 32 Hinh 1.22. Đường cong bão hòa các bon trong austenit theo thời gian, nhiệt 22. 33 độ và đường kính của các hạt graphit cầu 23. Hình 1.23. Sự khuếch tán của cacbon trong hợp kim hàn 35 24. Hình 1.24. Hệ số khuếch tán và nồng độ cacbon 35 25. Hình 1.25. Tỷ phần pha của ferit và austenite phụ thuộc tốc độ nung 37 26. Hình 1.26. Sơ đồ quá trình austenit hóa của gang cầu 40 27. Hình 1.27. Trình tự chuyển hóa tổ chức theo quá trình tôi đẳng nhiệt 42 28. Hình 1.28. Sơ đồ ước tính thời gian khuếch tán C của các tấm ferit bainit 44 Hình 1.29. Biểu đồ sự phát triển của tổ chức tế vi trong quá trình chuyển hóa 29. 45 đẳng nhiệt bainit và minh họa cửa sổ của quá trình 30. Hình 2.1. Mẫu đúc và các loại mẫu thử dùng trong thí nghiệm 47 31. Hình 2.2. Giãn nở kế NETZSC-DIN 402PC 48 32. Hình 2.3. Kính hiển vi quang học Axio Obsever D1m. 48 33. Hình 2.4. Xác định tỷ phần pha bằng ảnh kim tương màu 50 34. Hình 2.5 Máy thử độ cứng AT200-DRTM 51 xi
35. Hình 2.6 Máy thử độ dai va đập WPM 51 36. Hình 2.7. Máy thử kéo nén TT-HW2-1000 51 37. Hình 2.8. Máy phân tích thành phần hóa học 51 38. Hình 2.9. Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F 51 39. Hình 2.10. Hệ thống lò nhiệt luyện phục vụ thí nghiệm 52 40. Hình 2.11. Sơ đồ quy trình nhiệt luyện gang cầu 53 41. Hình 2.12. Bộ thiết bị đo giãn nở nhiệt trong quá trình tôi đẳng nhiệt 54 42. Hình 2 .13. Độ giãn nở của gang theo thời gian 54 43. Hình 2.14. Thiết bị đo giãn nở của gang 55 44. Hình 2.15. Sự thay đổi chiều dài mẫu khi giữ đẳng nhiệt. 56 45. Hình 3.1. Tổ chức của gang ở trạng thái đúc 57 46. Hình 3.2. Giản đồ pha theo thermocalc của gang cầu nghiên cứu 58 47. Hình 3.3. Giản đồ minh họa độ giãn nở nhiệt của gang 61 48. Hình 3.4. Phổ phân tích nguyên tố EDX của mẫu austenit hoá ở 870 oC/2 h 63 49. Hình 3.5. Phổ phân tích nguyên tố EDX của mẫu austenit hoá ở 900 oC/2 h 63 50. Hình 3.6. Phổ phân tích nguyên tố EDX của mẫu austenit hoá ở 930 oC/2 h 64 51. Hình 3.7. Mô hình xác định hàm lượng C trong austenite. 64 Hình 3.8. Hàm lượng C trong austenite phụ thuộc nhiệt độ và thời gian 52. 65 austenite hóa 53. Hình 3.9. Quan hệ giữa ln(C/t) và 1/T của gang nghiên cứu. 69 54. Hình 3.10. Hàm lượng C trong austenit xác định bằng 3 phương pháp 70 xii
Hình 3.11. Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tôi trong nước: Austenít 55. 72 hóa 900 oC giữ 2 h; Nung xuống 750 oC thời gian: 30, 90, 120 phút Hình 3.12. Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước 56. 73 ở chế độ: Austenít hóa 900 oC/2 h; Nung 760 oC thời gian: 30, 90, 120 phút Hình 3.13. Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước 57. 74 ở chế độ: Austenít hóa 900 oC/2 h; Nung 770 oC thời gian: 30, 90, 120 phút Hình 3.14. Tổ chức của gang cầu và biểu đồ tỷ phần pha khi tôi trong nước 58. 75 ở chế độ: Austenít hóa 900 oC/2 h; Nung 780 oC thời gian: 30, 90, 120 phút Hình 3.15. Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tôi trong nước ở chế 59. 76 độ: Austenít hóa 900 oC/2 h; Nung 790 oC thời gian: 30, 90, 120 phút Hình 3.16. Tổ chức của gang cầu và tỷ phần pha khi tôi trong nước ở chế 60. 77 độ: Austenít hóa 900 oC/2 h; Nung 800 oC thời gian: 30, 90, 120 phút Hình 3.17. Tỉ phần pha ferit thứ cấp phụ nhiệt độ vùng ba pha ở nhiệt độ 61. 79 austenit hóa khác nhau. 870, 900 và 930 oC Hình 3.18. Tỷ phần pha pherit thứ cấp phụ thuộc nhiệt độ và thời gian giữ 62. 80 nhiệt vùng ba pha. Austenit hóa 900 oC/2 giờ, giữ nhiệt 30, 90, 120 phút Hình 3.19. Tổ chức của gang ADI, austenite hóa ở 900 oC/2 giờ, nhiệt độ 63. 80 vùng tới hạn (760 đến 790) oC/2 h, tôi đẳng nhiệt 360 oC /2 h Hình 3.20. Tỷ phần pha và nhiệt độ vùng ba pha. Austenít hóa 900 oC/2 h; ủ 64. ở vùng ba pha trong 2h; tôi đẳng nhiệt 360 oC, a - 30 phút, b – 60 phút, c – 84 90 phút, d – 120 phút Hình 3.21. Thay đổi tỷ phần pha khi tôi đẳng nhiệt. Nhiệt độ austenit hóa 65. 900 oC/2 giờ. Nhiệt độ vùng 3 pha: a-760 oC; b-770 oC; c-780 oC và d-790 86 o o C, thời gian 2 giờ. Tôi đẳng nhiệt 360 C với thời gian khác nhau Hình 3.22. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 66. 87 nhiệt 870 oC/2 h-770 oC/2 h-320 oC xiii
Hình 3.23. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 67. 88 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 68. 88 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 69. 88 nhiệt 900 oC/2 h-770 oC/2 h-280 oC Hình 3.26. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 70. 89 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 71. 89 nhiệt 900 oC/2h-770 oC/2 h-360 oC Hình 3.28. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 72. 89 nhiệt 900 oC/2h-770 oC/2 h-400 oC Hình 3.29. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 73. 90 nhiệt 930 oC/2h-770 oC/2 h-280 oC Hình 3.30. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 74. 90 nhiệt 920 oC/2h-770 oC/2 h-320 oC Hình 3.31. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 75. 90 nhiệt 930 oC/2h-770 oC/2 h-360 oC Hình 3.32. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt. Xử lý 76. 91 nhiệt 930 oC/2h-770 oC/2 h-400 oC 77. Hình 3.33. Vùng “cửa sổ” quá trình trong gang cầu ADI nền đa pha 92 Hình 3.34. Tổ chức gang sau khi austenit hoá ở 870 oC trong 2 h, giữ vùng 78. 93 tới hạn 770 oC trong 2 h , tôi đẳng nhiệt 360 oC 120 phút 79. Hình 3.35. Quan hệ giữa tỷ phần pha ausferite và thời gian 94 80. Hình 3.36. Phụ thuộc nhiệt độ của k 95 xiv
81. Hình 3.37. Phụ thuộc nhiệt độ của n 95 82. Hình 3.38. Quan hệ giữa tốc độ chuyển biến ln(df/dt) và nhiệt độ (1/T) 96 Hình 3.39. Tổ chức của gang cầu austenit hóa ở 870, 900, 930 oC trong 2 83. giờ; ủ trong vùng ba pha nhiệt độ 770 oC trong 2 giờ. Tôi đẳng nhiệt 360 oC 99 trong 2 giờ Hình 3.40. Tổ chúc gang cầu tôi đẳng nhiệt. austenit hóa 900 oC/2 h; ủ vùng 84. 101 3 pha 770 oC/2 h; tôi đẳng nhiệt ở 280 đến 400 oC/2 h. Hình 3.41. Tổ chức gang cầu ADI nền đa pha. Austenít hóa 900 oC/ 2h; ủ 85. 102 nhiệt độ 770 oC/ 2h; Tôi đẳng nhiệt 360 oC Hình 3.42 Tổ chức gang ADI song pha, austenit hóa 930 oC/2 giờ; nung 86. 103 vùng 3 pha 770 oC/2 giờ, tôi đẳng nhiệt 360 oC/60 phút. Hình 3.43. Độ cứng gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc nhiệt độ austenit 87. 104 hóa và thời gian tôi đẳng nhiêt Hình 3.44. Độ cứng gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc vào tỷ phần ferit 88. thứ cấp tại các nhiệt độ austenit hóa khác nhau_870 – 900 – 930 oC/2 h – 104 770 oC/2 h - 360 oC/2 h Hình 3.45. Độ cứng gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc nhiệt độ vùng 3 pha 89. 105 và thời gian tôi đẳng nhiêt Hình 3.46. Độ cứng gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc tỷ phần pha ferit và 90. 106 nhiệt độ ủ vùng 3 pha_900 oC/2 h-(760-770-780-790 oC)/2 h-360 oC/2 h Hình 3.47. Sự phụ thuộc của độ bền kéo vào thời gian tôi đẳng nhiệt và nhiệt 91. 107 độ austenit hóa Hình 3.48. Sự phụ thuộc của độ bền kéo vào tỷ phần ferit thứ cấp khi thay 92. 107 đổi nhiệt độ austenit hóa_890 - 900 - 930 oC/2 h - 770 oC/2 h - 360 oC/2 h 93. Hình 3.49. Sự phụ thuộc của độ bền kéo vào thời gian tôi đẳng nhiệt và vùng 108 xv
nhiệt độ vùng 3 pha Hình 3.50. Sự phụ thuộc của độ bền kéo vào tỷ phần pha ferit thứ cấp và 94. 109 nhiệt độ vùng 3 pha_900 oC/2 h-(760-770-780-790 oC)/2 h - 360 oC/2 h Hình 3.51. Độ dai va đập của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc nhiệt độ 95. 110 austenit hóa và thời gian tôi đẳng nhiệt Hình 3.52. Độ dai va đập của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc vào tỷ 96. phần ferit thứ cấp và nhiệt độ austenit hóa_890 - 900 - 930 oC/2 h - 770 oC/2 110 h - 360 oC/2 h Hình 3.53. Độ dai va đập của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc nhiệt độ ủ 97. 111 vùng ba pha và thời gian tôi đẳng nhiệt Hình 3.54. Độ dai va đập của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc vào tỷ 98. phần pha ferit và nhiệt độ ủ vùng ba pha_900 oC/2 h-(760-770-780-790 111 o o C)/2 h-360 C/2 h Hình 3.55. Độ giãn dài phụ thuộc nhiệt độ austenit hóa và thời gian tôi đẳng 99. 112 nhiệt Hình 3.56. Độ giãn dài của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc vào tỷ phần 100. pha ferit và nhiệt độ austenit hóa _890 - 900 - 930 oC/2 h - 770 oC/2 h - 360 113 o C/2 h Hình 3.57. Độ giãn dài phụ thuộc nhiệt độ ủ vùng ba pha và thời gian tôi 101. 113 đẳng nhiệt Hình 3.58. Độ giãn dài của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc vào tỷ phần 102. pha ferit và nhiệt độ ủ vùng ba pha_900 oC/2 h-(760-770-780-790 oC)/2 h- 114 360 oC/2 h Hình 3.59. Đường cong ứng suất-biến dạng của gang cầu ADI nền đa pha. 103. 114 austenit hóa 900 oC/2 h; ủ vùng ba pha 760 oC/2 h; tôi đẳng nhiệt 360 oC/2 h 104. Hình 3.60. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM gang cầu ADI nền đa pha. Austenit 117 xvi
hóa 900 oC/2 h; ủ vùng ba pha 770 oC/2 h; tôi đẳng nhiệt 320 oC/2 h Hình 3.61. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM gang cầu ADI nền đa pha. Austenit 105. 117 hóa 900 oC/2 h; ủ vùng ba pha 770 oC/2 h; tôi đẳng nhiệt 360 oC/2 h Hình 3.62. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM gang cầu ADI nền đa pha. Austenit 106. 118 hóa 900 oC/2 h; ủ vùng ba pha 770 oC/2 h; tôi đẳng nhiệt 400 oC/2 h xvii
MỞ ĐẦU Nâng cao chất lượng sản phẩm đồng nghĩa với nâng cao tuổi thọ của chi tiết máy, luôn luôn là yêu cầu cấp thiết của nền công nghiệp, nhất là công nghiệp Quốc phòng và nhiều các lĩnh vực đặc biệt khác. Gang cầu là loại gang có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại gang khác, trong nhiều trường hợp, gang cầu thay thế được cho thép và một số vật liệu khác. Việc nâng cao chất lượng các sản phẩm bằng gang cầu đã được thế giới đề cập đến từ nửa đầu thế kỷ trước, đến nay đã phát triển rất mạnh mẽ và có nhiều hướng khác nhau. Những hướng phát triển này đã tạo ra những vật liệu mới từ gang cầu có được những tính chất đặc biệt, nổi trội và hơn hẳn gang cầu truyền thống, thậm chí, có cả những tính chất mà cả các vật liệu khác không có được. Trong nhiều thập kỷ gần đây hướng tạo ra vật liệu mới từ gang cầu bằng phương pháp xử lý nhiệt có điều khiển để tạo ra tổ chức mới, nhiều pha theo ý muốn, làm cho sản phẩm có tính chất đặc biệt hơn hẳn vật liệu ban đầu và đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Bằng phương pháp tôi đẳng nhiệt, đã chế tạo được loại gang có thể đạt giới hạn bền kéo đến 1200 MPa nhưng độ giãn dài vẫn đạt 1 đến 5 %. Gang này có tên gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI (Austempered Ductile Iron). Gang cầu tôi đẳng nhiệt có chứa tổ chức nền là các ferit hình kim nằm xen kẽ trên nền austenit cacbon cao hay còn gọi là tổ chức ausferit. Trong thực tế, một số chi tiết gang đòi hỏi độ bền vừa phải nhưng độ giãn dài lại cao. Có nhiều giải pháp, một trong các giải pháp là giảm độ bền và tăng độ dãn dài của gang ADI bằng cách tăng hàm lượng pha ferit trước cùng tích trong gang ADI. Từ đó, xuất hiện loại gang mới, gang ADI có tổ chức nền đa pha. Gang cầu tôi đẳng nhiệt có tổ chức nền đa pha thể hiện sự kết hợp rất tốt giũa độ bền và độ dãn dài: độ bền cao, tương đương thép nhiệt luyện, nhưng độ dẻo cũng khá tốt 10 đến 20 %. Đó chính là tiêu chí của luận án Tiến sĩ kỹ thuật “Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit”. Tính cấp thiết của đề tài: Nâng cao chất lượng sàn phẩm và tạo ra các vật liêu có tính chất mới nhằm làm giảm giá thành trong sản xuất công nghiệp, đồng thời giảm ngoại tệ để nhập khẩu các sản phẩm cho đất nước luôn là yêu cầu hàng đầu được đặt ra trong kế hoạch đầu tư và sản xuất công nghiệp, đặc biệt là sản xuất Quốc phòng và các ngành yêu cầu khắt khe về tiêu chuẩn sử dụng sản phẩm. Việc nghiên cứu phương pháp gia công nhiệt để chế tạo gang cầu có tổ chức mới đạt cơ tính tổng hợp cao ứng dụng trong công nghiệp luôn được ưu tiên hàng đầu. Mục đích nghiên cứu - Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến các quá trình chuyển biến khi gia công nhiệt gang cầu ADI có tổ chức nền ferit và ausferit. Qua đó, kiểm soát được tỷ phần pha ferit thứ cấp và tính chất cơ học của gang cầu. - Xây dựng “của sổ quá trình” nhằm hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện cho gang cầu đẳng nhiệt có tổ chức nền đa pha với hiệu quả kinh tế cao. 1