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

Có được các chỉ tiêu cơ tính cao của ADI như vậy, trước hết phải nói đến cấu trúc nền kim loại. Các giá trị cơ tính của ADI phụ thuộc vào tổ chức Pherit hình kim với Austenit ổn định có nồng độ các bon cao. Austenit trong ADI đạt được bằng cách thực hiện quá trình giữ đẳng nhiệt. Khi nhiệt động học ổn định với lượng Austenit ổn định cao có thể chịu được lực kéo quá giới hạn. Sự biến đổi này làm cho ADI chống mòn tốt, độ cứng và chịu ứng suất cao.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 NGHIÊN CỨU GANG CẦU ADI, ỨNG DỤNG CHO VIỆC CHẾ TẠO TRỤC KHUỶU Hoàng Minh Đức – Phạm Trường Tuấn – Lại Minh Dũng (Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam) 1. Giới thiệu Trên thế giới, gang cầu đã được phát triển ở mức độ rất cao, tạo ra được các loại gang cầu có tính năng tốt, người ta sử dụng các loại gang cầu để chế tạo các chi tiết máy quan trọng trong đó có hình dáng phức tạp như trục khuỷu, trục cam, bánh răng… Điển hình cho loại vật liệu đó là Gang cầu tôi đẳng nhiệt (ADI – Austempered Ductile Iron). Ở Việt Nam, gang cầu đã được nghiên cứu từ thập kỉ 70, nhưng do thiết bị công nghệ, cùng các thiết bị phụ trợ đồng bộ kèm theo không có hoặc không đủ cho nên các nghiên cứu chỉ mang tính lí thuyết mà ít có sự ứng dụng trong thực tế. Đến những năm gần đây, công nghiệp phát triển nên việc nghiên cứu được đầu tư mạnh, các đề tài nghiên cứu ứng dụng cho thực tế như: các chi tiết dân dụng nắp hố ga, ống nước hoặc các chi tiết cho lĩnh vực chế tạo động cơ như trục khuỷu, trục cam, và nhiều chi tiết khác… Đặc biệt là đề tài KC 05.02 do tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp chủ trì đã nghiên cứu thành công quy trình nhiệt luyện gang cầu tôi đẳng nhiệt cho việc chế tạo trục khuỷu 6 xi lanh cho động cơ tăng áp 240 mã lực. Theo các nghiên cứu của thế giới, vật liệu này là sự kết hợp của cơ tính tốt, tỉ lệ độ bền lớn, độ dẻo dai tốt, tính chống mòn và chống mỏi được nâng cao so với gang cầu truyền thống. Đạt được bằng phương pháp tôi đẳng nhiệt, sản phNm tạo ra có cơ tính vượt trội so với gang cầu truyền thống, nhôm đúc, một vài loại thép đúc và thép rèn. Về giá thành giảm được ít nhất 30% chi phí chế tạo so với thép do lượng dư gia công ít. Công nghệ nhiệt luyện tạo ra tổ chức tế vi, với ứng suất tổ chức thấp, ứng suất nhiệt thấp, ít biến dạng, ít phế phNm. Theo các nhà thiết kế, vật liệu này là sự kết hợp tốt nhất của giá cả thấp, cơ tính tốt, độ bền cao, dẻo dai tốt, chống mài mòn và độ bền mỏi tốt. Có được các chỉ tiêu cơ tính cao của ADI như vậy, trước hết phải nói đến cấu trúc nền kim loại. Các giá trị cơ tính của ADI phụ thuộc vào tổ chức Pherit hình kim với Austenit ổn định có nồng độ các bon cao. Austenit trong ADI đạt được bằng cách thực hiện quá trình giữ đẳng nhiệt. Khi nhiệt động học ổn định với lượng Austenit ổn định cao có thể chịu được lực kéo quá giới hạn. Sự biến đổi này làm cho ADI chống mòn tốt, độ cứng và chịu ứng suất cao. Bảng 1. So sánh cơ tính của thép, gang và gang cầu tôi đẳng nhiệt.[1] Độ bền chảy (MPa) Độ bền kéo (MPa) Giới hạn bền mỏi(MPa) Năng lượng va đập (J) Độ dãn dài (%) Độ cứng (HB) Thép 738 910 400 325 23.2 226 - 266 Gang cầu truyền thống 538 903 324 75 10.8 262 - 277 Gang cầu tôi đẳng nhiệt 827 1038 427 141 13.7 300 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Lựa chọn thành phần Có thể nói lựa chọn được thành phần gang cầu là một bước rất quan trọng để tạo ra được gang cầu sau đúc có các cơ tính đạt được theo tiêu chuNn JIS của Nhật hay tiêu chuNn ASTM của Mĩ. Tổ chức của gang cầu trước khi tôi phải giống như gang cầu truyền thống (hình 1). 83 Héi th¶o Khoa häc toµn quèc C«ng nghÖ vËt liÖu vµ bÒ mÆt - Th¸i Nguyªn 2008 Bảng 2. Thành phần hóa học của gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI %C 3,4 - 3,6 %Ni 1,0 - 1,5 %Si 2,0 - 2,3 %Cu ≤ 0,4 %Mn ≤ 0,3 %Cr ≤ 0,07 %S ≤ 0,015 %Mg ≤ 0,03 %P ≤ 0,04 %Ti ≤ 0,04 Hình 1. Tổ chức gang cầu sau đúc - Graphit: Ở dạng cầu. - Nền: là hỗn hợp của 2 pha Péclit và Pherit. Péclit có mầu sẫm, còn Pherit có màu trắng bao quanh các Graphit cầu. Gang cầu đúc phải đảm bảo: - Cầu hóa đạt : Lớn hơn 80% - Số lượng cầu : ≥ 100 hạt/mm2 Độ bền xấp xỉ 800 Mpa, độ cứng đạt được tương đương 220 HB, độ dẻo lớn hơn 2%, chỉ có đạt được yêu cầu về cơ tính như vậy thì quá trình tôi đẳng nhiệt mới đạt được cơ tính như mong muốn (tương đương theo tiêu chuNn của Nhật và Mĩ). Nhiệt luyện tiếp theo là bước quan trọng nhất của quá trình tạo ra ADI. 2.2. Phương pháp xây dựng giản đồ Thermo-Calc Chương trình Thermo-Calc được sử dụng để xây dựng giản đồ pha hai nguyên và đa nguyên trong điều kiện cân bằng, tạo cơ sở cho quá trình nghiên cứu sự hình thành của tổ chức của các hệ hợp kim khác nhau, ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến các hệ hợp kim khác nhau và ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến các quá trình chuyển pha trong vật liệu. 2.3. Phương pháp kiểm tra tổ chức tế vi Sử dụng kính hiển vi quang học để kiểm tra tổ chức của gang ADI trước và sau khi nhiệt luyện: - Graphit: kiểm tra kích thước, số lượng và mật độ phân bố. - Nền: kiểm tra sự có mặt của các pha và tỉ lệ các pha. 2.4. Phương pháp kiểm tra cơ tính 2.4.1. Kiểm tra độ cứng tế vi và độ cứng Brinen Trước khi kiểm tra mẫu phải chuNn bị mẫu (được cắt từ phôi đúc), mẫu được mài phẳng để kiểm tra độ cứng Brinen, còn để kiểm tra độ cứng tế vi mẫu cần phải được đánh bóng và tNm thực. 2.4.2. Kiểm tra độ bền kéo(σB), độ dãn dài(%) Mẫu thử kéo được cắt t ...