Nghiên cứu gang cầu ADI ứng dụng cho việc chế tạo trục khuỷu

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> NGHIÊN CỨU GANG CẦU ADI, ỨNG DỤNG CHO VIỆC CHẾ TẠO TRỤC KHUỶU<br /> Hoàng Minh Đức – Phạm Trường Tuấn – Lại Minh Dũng<br /> (Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam)<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Trên thế giới, gang cầu đã được phát triển ở mức độ rất cao, tạo ra được các loại gang<br /> cầu có tính năng tốt, người ta sử dụng các loại gang cầu để chế tạo các chi tiết máy quan trọng<br /> trong đó có hình dáng phức tạp như trục khuỷu, trục cam, bánh răng… Điển hình cho loại vật<br /> liệu đó là Gang cầu tôi đẳng nhiệt (ADI – Austempered Ductile Iron).<br /> Ở Việt Nam, gang cầu đã được nghiên cứu từ thập kỉ 70, nhưng do thiết bị công nghệ,<br /> cùng các thiết bị phụ trợ đồng bộ kèm theo không có hoặc không đủ cho nên các nghiên cứu chỉ<br /> mang tính lí thuyết mà ít có sự ứng dụng trong thực tế. Đến những năm gần đây, công nghiệp<br /> phát triển nên việc nghiên cứu được đầu tư mạnh, các đề tài nghiên cứu ứng dụng cho thực tế<br /> như: các chi tiết dân dụng nắp hố ga, ống nước hoặc các chi tiết cho lĩnh vực chế tạo động cơ<br /> như trục khuỷu, trục cam, và nhiều chi tiết khác… Đặc biệt là đề tài KC 05.02 do tổng Công ty<br /> Máy động lực và Máy nông nghiệp chủ trì đã nghiên cứu thành công quy trình nhiệt luyện gang<br /> cầu tôi đẳng nhiệt cho việc chế tạo trục khuỷu 6 xi lanh cho động cơ tăng áp 240 mã lực.<br /> Theo các nghiên cứu của thế giới, vật liệu này là sự kết hợp của cơ tính tốt, tỉ lệ độ bền<br /> lớn, độ dẻo dai tốt, tính chống mòn và chống mỏi được nâng cao so với gang cầu truyền thống.<br /> Đạt được bằng phương pháp tôi đẳng nhiệt, sản phNm tạo ra có cơ tính vượt trội so với gang cầu<br /> truyền thống, nhôm đúc, một vài loại thép đúc và thép rèn. Về giá thành giảm được ít nhất 30%<br /> chi phí chế tạo so với thép do lượng dư gia công ít. Công nghệ nhiệt luyện tạo ra tổ chức tế vi,<br /> với ứng suất tổ chức thấp, ứng suất nhiệt thấp, ít biến dạng, ít phế phNm. Theo các nhà thiết kế,<br /> vật liệu này là sự kết hợp tốt nhất của giá cả thấp, cơ tính tốt, độ bền cao, dẻo dai tốt, chống mài<br /> mòn và độ bền mỏi tốt.<br /> Có được các chỉ tiêu cơ tính cao của ADI như vậy, trước hết phải nói đến cấu trúc nền<br /> kim loại. Các giá trị cơ tính của ADI phụ thuộc vào tổ chức Pherit hình kim với Austenit ổn định<br /> có nồng độ các bon cao. Austenit trong ADI đạt được bằng cách thực hiện quá trình giữ đẳng<br /> nhiệt. Khi nhiệt động học ổn định với lượng Austenit ổn định cao có thể chịu được lực kéo quá<br /> giới hạn. Sự biến đổi này làm cho ADI chống mòn tốt, độ cứng và chịu ứng suất cao.<br /> Bảng 1. So sánh cơ tính của thép, gang và gang cầu tôi đẳng nhiệt.[1]<br /> Độ bền chảy (MPa)<br /> Độ bền kéo (MPa)<br /> Giới hạn bền mỏi(MPa)<br /> Năng lượng va đập (J)<br /> Độ dãn dài (%)<br /> Độ cứng (HB)<br /> <br /> Thép<br /> 738<br /> 910<br /> 400<br /> 325<br /> 23.2<br /> 226 - 266<br /> <br /> Gang cầu truyền thống<br /> 538<br /> 903<br /> 324<br /> 75<br /> 10.8<br /> 262 - 277<br /> <br /> Gang cầu tôi đẳng nhiệt<br /> 827<br /> 1038<br /> 427<br /> 141<br /> 13.7<br /> 300<br /> <br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> 2.1. Lựa chọn thành phần<br /> Có thể nói lựa chọn được thành phần gang cầu là một bước rất quan trọng để tạo ra được<br /> gang cầu sau đúc có các cơ tính đạt được theo tiêu chuNn JIS của Nhật hay tiêu chuNn ASTM<br /> của Mĩ. Tổ chức của gang cầu trước khi tôi phải giống như gang cầu truyền thống (hình 1).<br /> 83<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> Bảng 2. Thành phần hóa học của gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI<br /> %C<br /> 3,4 - 3,6<br /> %Ni<br /> 1,0 - 1,5<br /> <br /> %Si<br /> 2,0 - 2,3<br /> %Cu<br /> ≤ 0,4<br /> <br /> %Mn<br /> ≤ 0,3<br /> %Cr<br /> ≤ 0,07<br /> <br /> %S<br /> <br /> ≤ 0,015<br /> %Mg<br /> <br /> ≤ 0,03<br /> <br /> %P<br /> <br /> ≤ 0,04<br /> %Ti<br /> <br /> ≤ 0,04<br /> <br /> Hình 1. Tổ chức gang cầu sau đúc<br /> <br /> - Graphit: Ở dạng cầu.<br /> - Nền: là hỗn hợp của 2 pha Péclit và<br /> Pherit.<br /> Péclit có mầu sẫm, còn Pherit có màu<br /> trắng bao quanh các Graphit cầu.<br /> Gang cầu đúc phải đảm bảo:<br /> - Cầu hóa đạt : Lớn hơn 80%<br /> - Số lượng cầu : ≥ 100 hạt/mm2<br /> Độ bền xấp xỉ 800 Mpa, độ cứng đạt được tương đương 220 HB, độ dẻo lớn hơn 2%, chỉ<br /> có đạt được yêu cầu về cơ tính như vậy thì quá trình tôi đẳng nhiệt mới đạt được cơ tính như<br /> mong muốn (tương đương theo tiêu chuNn của Nhật và Mĩ). Nhiệt luyện tiếp theo là bước quan<br /> trọng nhất của quá trình tạo ra ADI.<br /> 2.2. Phương pháp xây dựng giản đồ Thermo-Calc<br /> Chương trình Thermo-Calc được sử dụng để xây dựng giản đồ pha hai nguyên và đa<br /> nguyên trong điều kiện cân bằng, tạo cơ sở cho quá trình nghiên cứu sự hình thành của tổ chức<br /> của các hệ hợp kim khác nhau, ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến các hệ hợp kim khác<br /> nhau và ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến các quá trình chuyển pha trong vật liệu.<br /> 2.3. Phương pháp kiểm tra tổ chức tế vi<br /> Sử dụng kính hiển vi quang học để kiểm tra tổ chức của gang ADI trước và sau khi nhiệt luyện:<br /> - Graphit: kiểm tra kích thước, số lượng và mật độ phân bố.<br /> - Nền: kiểm tra sự có mặt của các pha và tỉ lệ các pha.<br /> 2.4. Phương pháp kiểm tra cơ tính<br /> 2.4.1. Kiểm tra độ cứng tế vi và độ cứng Brinen<br /> Trước khi kiểm tra mẫu phải chuNn bị mẫu (được cắt từ phôi đúc), mẫu được mài phẳng để<br /> kiểm tra độ cứng Brinen, còn để kiểm tra độ cứng tế vi mẫu cần phải được đánh bóng và tNm thực.<br /> 2.4.2. Kiểm tra độ bền kéo(σB), độ dãn dài(%)<br /> Mẫu thử kéo được cắt từ phôi đúc và được chế tạo theo tiêu chuNn ASTM - Mĩ. Thực<br /> hiện trên máy kéo 50 tấn của Nga.<br /> 2.4.3. Kiểm tra độ bền mỏi<br /> Trục khuỷu là chi tiết chịu lực phức tạp, do tác dụng của lực khí thể, lực quán tính<br /> chuyển động tịnh tiến, lực quán tính li tâm ở các xi lanh khác nhau lên trục khuỷu. Các lực và<br /> 84<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> mômen tác dụng này thay đổi theo chu kì tác dụng của động cơ gây nên các dao động uốn và<br /> xoắn dọc trục. Kết quả tác dụng của các lực và mômen kể trên làm cho trục khuỷu bị mỏi. Các<br /> kết quả thống kê cho thấy phần lớn trục khuỷu bị gãy do mỏi ở những nơi tập trung ứng suất<br /> như góc lượn, chốt khuỷu. Vì vậy, phải nghiên cứu khả năng chịu mỏi của vật liệu ADI. Mẫu<br /> ADI được thử trên máy mỏi МУИ 6000 của Nga. Mẫu được chế tạo theo tiêu chuNn của máy và<br /> chạy theo nguyên tắc tải đối xứng.<br /> Ứng suất tại điểm A được tính như sau:<br /> M .Z<br /> M .r<br /> 2<br /> =<br /> . cos ϖ t (KG/mm )<br /> Jy<br /> Jy<br /> <br /> M: Mô men uốn r tiết diện quan sát<br /> Jy: Mômen quán tính tiết diện ngang của<br /> trục tung đối với trục trung hòa.<br /> I: Khoảng cách từ điểm theo dõi đến trục<br /> trung hòa ( Z = r.cosϕ = r.cosωt ).<br /> ϕ: Góc xoay của điểm A so với ban đầu.<br /> Ứng suất lớn nhất trong trường hợp cosϕ=1 hoặc cosωt = 1 tức là ϕ=0 hay ϕ=180o hay<br /> ωt=nKπ.<br /> σ<br /> <br /> A<br /> <br /> =<br /> <br /> F =<br /> <br /> πd<br /> <br /> 2<br /> <br /> 4<br /> πd 4<br /> J =<br /> ≈ 0 ,5 d<br /> 64<br /> 3<br /> πd<br /> W =<br /> ≈ 0 ,1 d<br /> 32<br /> d<br /> i =<br /> 4<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br />  ⇒ σ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> −1<br /> <br /> =<br /> <br /> P . l . r . 64<br /> ( KG<br /> π .d 4<br /> <br /> / mm<br /> <br /> 2<br /> <br /> )<br /> <br /> Trong đó:<br /> P: lực tải treo và tải phụ trên máy<br /> l: khoảng cách từ điểm đặt lực đến ổ<br /> r: Bán kính mẫu thử<br /> d: Đường kính mẫu thử<br /> 4<br /> Trong đó lực đặt được tính theo công thức: P = σ − 1 .π .d ( KG )<br /> <br /> l .r . 64<br /> <br /> 2.5. Các thiết bị phục vụ nghiên cứu<br /> - Thiết bị đo độ cứng gồm: Máy đo độ cứng HPO 250 kiểm tra độ cứng Brinen và máy<br /> đo độ cứng tế vi Struers Duramin và ПМТ3.<br /> - Thiết bị thử mỏi МУИ 6000<br /> - Thiết bị hiển vi quang học Axiovert-100<br /> - Thiết bị nhiệt luyện<br /> + Thiết bị nung austenit hóa: lò buồng điện trở, nhiệt độ nung tối đa 1300oC, kích<br /> thước làm việc: 150x200x300 mm.<br /> + Thiết bị nung đẳng nhiệt: Lò điện có công suất 4,6 KW, kích thước làm việc: φ170x350<br /> mm, nhiệt độ làm việc của lò: 550oC, hỗn hợp muối: NaNO3 + KNO3.<br /> 85<br /> <br /> Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008<br /> <br /> Hình 2 . Sơ đồ đặt tải<br /> <br /> 3. Kết quả nghiên cứu<br /> 3.1. Xây dựng giản đồ pha<br /> Tính chất của hợp kim phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết chúng được xác định bởi<br /> thành phần pha và tỉ phần các pha. Điều đó có thể biết nếu phân tích thành phần pha và tỉ phần<br /> các pha. Giản đồ trạng thái cho ta biết được sự tồn tại của các pha cũng như thành phần của<br /> chúng tại các nhiệt độ, thành phần của chúng tại nhiệt độ, thành phần của cấu tử cần xác định,<br /> có thể xác định nhiệt độ rót thích hợp để đúc gang cầu.<br /> <br /> Hình 3. Giản đồ pha của ADI<br /> <br /> 86<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4(48) Tập 2/N¨m 2008<br /> <br /> Output from POLI-3, equilibrium number = 1<br /> Conditions:<br /> T = 1050, P=100000, N=1, W(C) = 3.5E – 2, W(SI)=2E-2, W(NI)=1.2E-2<br /> DEGREES OF FREEDOM 0<br /> Temperature 1050.00, Pressure 1.000000E+05<br /> Number of moles of components 1.00000E+00, Mass 4.86928E+01<br /> Total Gibbs energy -4.50238E+04, Enthalpy 2.13984E+04, Volume 6.68456E-06<br /> Component<br /> C<br /> FE<br /> Ni<br /> SI<br /> <br /> Moles<br /> 1.4189E-01<br /> 8.1348E-01<br /> 9.9559E-03<br /> 3.4675E-02<br /> <br /> W-Fraction<br /> 3.5000E-02<br /> 9.3300E-01<br /> 1.2000E-02<br /> 2.0000E-02<br /> <br /> Activity<br /> 2.0824E-01<br /> 4.1656E-03<br /> 9.1525E-05<br /> 8.7595E-09<br /> <br /> Potential<br /> -1.3477E+04<br /> -4.5227E+04<br /> -7.9867E+04<br /> -1.5935E+05<br /> <br /> Ref.state<br /> SER<br /> SER<br /> SER<br /> SER<br /> <br /> BCC_A2#1<br /> Status ENTERED Driving force 0.0000E+00<br /> Number of moles 5.7002E-01, Mass 3.1119E+01<br /> Mole fractions:<br /> FE 9.68451E-01 SI 2.30849E-02 NI 8.31220E-03 C 1.52145E-04<br /> FCC_A1#1<br /> Status ENTERED Driving force 0.0000E+00<br /> Number of moles 2.9591E-01, Mass 1.5963E+01<br /> Mole fractions:<br /> FE 9.58005E-01 SI 1.03995E-02 NI 1.60037E-02 C 5.59170E-03<br /> GRAPHITE#1<br /> Status ENTERED Driving force 0.0000E+00<br /> Number of moles 1.3406E-01, Mass 1.6102E+00<br /> Mole fractions:<br /> C 1.00000E+00 SI 0.0000E+00 NI 0.0000E+00 FE 0.0000E+00<br /> Xác định % các pha theo trọng lượng tương ứng với hàm lượng Niken là 1,2% tại nhiệt<br /> o<br /> độ 777 C.<br /> - % Ferit (BCC_A2#1) theo trọng lượng:<br /> % Ferit =<br /> <br /> 31 .119<br /> .100 % = 63 .92 %<br /> 48 .6928<br /> <br /> - % Austenit (FCC_A1#1) theo trọng lượng:<br /> % Austenit =<br /> <br /> 15 .963<br /> .100 % = 32 .78 %<br /> 48 .6928<br /> <br /> - % Graphit theo trọng lượng:<br /> 1.6102<br /> .100% = 3.3%<br /> 48.6928<br /> Các nguyên tố trong gang đều có những tác dụng khác nhau, quyết định đến cơ tính và tổ<br /> chức của gang. Trong đó, các nguyên tố ảnh hưởng mạnh đến cơ tính và tổ chức của gang cầu là<br /> Cácbon, Silic và Niken sẽ được đưa vào nghiên cứu. Lựa chọn %C tương đương 3,5% và %Si là<br /> 2,0%, %Ni là 1,2% là thông số đầu vào. Khi xây dựng giản đồ pha, Niken có ảnh hưởng nhất định<br /> đến sự hình thành các pha tại một số vùng. Tại nhiệt độ 741oC đến nhiệt độ 782oC xuất hiện vùng<br /> tồn tại của các pha (α + γ + Gr).<br /> %Graphit =<br /> <br /> 3.2. Ảnh hưởng của chế độ đẳng nhiệt đến cơ tính và tổ chức<br /> Từ giản đồ Thermo-calc, xây dựng được quy trình nhiệt luyện đẳng nhiệt như sau:<br /> <br /> 87<br /> <br />