Luận án tiến sĩ: Nâng cao cơ tính gang cầu ADI bằng xử lý nhiệt nền ferit-ausferit - Trường ĐHBK Hà Nội

Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI (Austempered Ductile Iron) sở hữu tổ chức nền ausferit đặc trưng. Nền ausferit gồm các phiến ferit hình kim và austenit giàu cacbon. Cấu trúc này không chứa cacbit giòn như mactenxyt hay bainit thông thường. Nhờ vậy, vật liệu đạt độ bền rất cao và khả năng chống mài mòn xuất sắc. Quá trình sản xuất ADI truyền thống đòi hỏi gia nhiệt austenit hóa hoàn toàn. Sau đó chi tiết được tôi vào bể muối đẳng nhiệt. Tổ chức ausferit đơn pha tuy cứng nhưng thường có độ dai va đập ở mức vừa phải. Khi làm việc trong điều kiện va đập mạnh, chi tiết ADI truyền thống dễ xuất hiện vết nứt tế vi. Việc nghiên cứu cải tiến cấu trúc vi mô ADI trở thành trọng tâm kỹ thuật.

Xu hướng hiện đại tập trung vào phát triển gang cầu nền đa pha ferit-ausferit. Cấu trúc này tích hợp đồng thời nhiều pha kim loại trong một nền vi mô. Pha ferit thứ cấp đóng vai trò hấp thụ năng lượng va đập. Pha ausferit đảm bảo khả năng chịu tải trọng kéo và độ cứng cao. Sự phân bố xen kẽ giữa các pha giúp triệt tiêu sự phát triển vết nứt. Gang cầu nền đa pha khắc phục triệt để nhược điểm giòn của gang cầu tôi đẳng nhiệt thông thường. Công nghệ này cho phép tùy biến tỷ lệ pha theo yêu cầu làm việc cụ thể. Các viện nghiên cứu hàng đầu thế giới đang đẩy mạnh thử nghiệm tổ hợp pha này. Kết quả chứng minh tiềm năng to lớn của vật liệu trong cơ khí hiện đại.

Nền ferit-ausferit mang lại sự cân bằng hoàn hảo giữa độ bền và độ dẻo gang cầu. Độ bền kéo đạt mức trên 800 MPa đến 1000 MPa. Cùng lúc đó, độ giãn dài tương đối vẫn duy trì trên mức 8%. Độ dai va đập gang cầu tăng gấp đôi so với nền peclit hoặc ausferit nguyên bản. Cấu trúc hỗn hợp ngăn cản sự tích tụ ứng suất dư nguy hiểm. Khả năng dập tắt dao động và chống mỏi tiếp xúc được cải thiện đáng kể. Trọng lượng chi tiết đúc giảm đi nhiều so với kết cấu thép rèn tương đương. Chi phí sản xuất phôi đúc gang cầu nền đa pha thấp hơn đáng kể so với gia công thép. Đây là giải pháp vật liệu tối ưu cho các kết cấu chịu lực thay đổi liên tục.

Nung trong vùng ba pha ferit + austenit + graphit là bước khởi đầu quan trọng. Nhiệt độ austenit hóa không hoàn toàn thường nằm trong khoảng 800°C đến 840°C. Tại vùng nhiệt độ này, một phần nền kim loại chuyển thành pha austenit. Phần nền còn lại giữ nguyên cấu trúc ferit tự do hoặc ferit sơ cấp. Thời gian giữ nhiệt đủ để cacbon khuếch tán từ graphit vào austenit. Nồng độ cacbon trong austenit đạt mức bão hòa cần thiết. Sự phân bố ferit xen kẽ austenit được định hình ngay tại giai đoạn này. Kiểm soát chính xác nhiệt độ lò nung giúp ổn định tỷ lệ thể tích các pha. Giai đoạn ủ tới hạn tạo tiền đề cho quá trình tôi đẳng nhiệt tiếp theo.

Austempering gang cầu được thực hiện bằng cách làm nguội nhanh vào bể muối. Nhiệt độ tôi đẳng nhiệt thường dao động từ 280°C đến 380°C. Tốc độ làm nguội phải đủ lớn để tránh chuyển biến peclit không mong muốn. Tại nhiệt độ đẳng nhiệt, pha austenit chuyển biến thành ausferit. Cấu trúc ausferit gồm ferit hình kim và austenit giàu cacbon chưa chuyển biến. Nhiệt độ tôi thấp tạo ra ausferit mịn hạt với độ bền cao. Nhiệt độ tôi cao mang lại độ dẻo gang cầu và độ dai va đập tốt hơn. Thời gian giữ nhiệt trong bể muối cần được tính toán chuẩn xác. Kỹ thuật này giúp sản phẩm không bị nứt vỡ hoặc cong vênh do sốc nhiệt.

Hàm lượng cacbon trong austenit ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định nhiệt của pha. Khi austenit hóa, cacbon hòa tan từ graphit cầu vào mạng tinh thể. Nếu hàm lượng cacbon quá thấp, ausferit dễ bị phân hủy thành mactenxyt khi làm nguội về nhiệt độ phòng. Nếu hàm lượng cacbon quá cao, thời gian chuyển biến đẳng nhiệt bị kéo dài quá mức. Lượng cacbon tối ưu trong austenit dao động quanh mức 1,8% đến 2,0%. Mức cacbon này giúp giữ lại lượng austenit giàu cacbon bền vững sau khi tôi. Pha austenit dẻo dai đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao cơ tính gang cầu. Việc phân tích định lượng cacbon được thực hiện qua nhiễu xạ tia X.

Ferit thứ cấp hình thành từ quá trình chuyển biến austenit trong vùng nhiệt độ trung gian. Khi nhiệt độ hạ từ vùng austenit hóa, các mầm ferit xuất hiện tại ranh giới hạt. Mầm ferit phát triển nhanh nhờ sự khuếch tán của nguyên tử cacbon về phía hạt graphit. Quá trình này tạo nên các dải ferit bao quanh quả cầu graphit hoặc len lỏi giữa các hạt. Ferit thứ cấp có độ tinh sạch cao và mạng tinh thể ít sai hỏng. Sự xuất hiện của ferit thứ cấp làm tăng tính mềm dẻo của toàn bộ khối kim loại. Cấu trúc ferit thứ cấp hoạt động như tấm đệm hấp thụ ứng suất. Động học chuyển biến này giúp kiểm soát kích thước hạt vi mô hiệu quả.

Phản ứng giai đoạn I là phản ứng chuyển pha cốt lõi tạo nên tổ chức ausferit. Phương trình phản ứng diễn ra: Austenit ban đầu chuyển thành Ferit dạng kim và Austenit giàu cacbon. Ferit hình kim kết tinh đẩy cacbon dư thừa sang pha austenit bên cạnh. Pha austenit giàu cacbon có hàm lượng cacbon cao không bị chuyển biến thành mactenxyt khi làm nguội. Lượng austenit này duy trì trạng thái dẻo dai ở nhiệt độ thường. Cấu trúc ausferit hình thành tạo nên độ bền và khả năng chống mài mòn vượt bậc. Tốc độ phản ứng giai đoạn I phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ bể muối tôi. Phản ứng cần đạt trạng thái bão hòa hoàn toàn trước khi chuyển sang giai đoạn gây hại.

Cửa sổ công nghệ là khoảng thời gian nằm giữa kết thúc giai đoạn I và bắt đầu giai đoạn II. Giữ nhiệt trong cửa sổ này đảm bảo cơ tính gang cầu đạt giá trị cực đại. Nếu thời gian tôi ngắn hơn giới hạn dưới, austenit chưa bão hòa cacbon sẽ biến thành mactenxyt giòn. Nếu thời gian tôi vượt quá giới hạn trên, cacbit thô sẽ kết tủa làm giảm độ dai. Cửa sổ công nghệ rộng tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Độ rộng của cửa sổ phụ thuộc vào thành phần silic, mangan và niken trong gang. Xác định chính xác cửa sổ công nghệ giúp ổn định chất lượng mác gang đúc. Đây là thông số sống còn trong kỹ thuật nhiệt luyện ADI.

Nâng cao độ bền gang cầu đạt được nhờ sự đóng góp của pha ausferit mịn hạt. Các phiến ferit siêu mịn cản trở sự trượt của các lệch mạng tinh thể. Pha austenit giàu cacbon chịu tải cao và có hiện tượng chuyển pha tăng bền khi biến dạng. Khi bề mặt chịu ma sát hoặc va đập, austenit cục bộ biến đổi thành mactenxyt cứng. Hiện tượng tự tăng bền bề mặt giúp chống mài mòn cực tốt. Giới hạn chảy của vật liệu đạt trên 650 MPa, chống biến dạng dẻo ngoài ý muốn. Độ cứng nền phân bố đều từ bề mặt vào sâu bên trong chi tiết. Nhờ vậy, gang cầu nền ferit-ausferit đáp ứng tốt các điều kiện ma sát khốc liệt.

Độ dẻo gang cầu thường là điểm yếu lớn nhất của các mác gang cầu độ bền cao. Tuy nhiên, sự xuất hiện của pha ferit tự do và ferit thứ cấp đã khắc phục điều này. Pha ferit mềm dẻo cho phép kim loại biến dạng cục bộ mà không nứt nẻ. Độ giãn dài tương đối đạt từ 8% đến 12%, cao gấp nhiều lần gang cầu peclit. Tỷ lệ co thắt tiết diện khi kéo đứt thể hiện tính dẻo dai rõ nét. Nhờ độ dẻo cao, chi tiết gang cầu có thể gia công cắt gọt thuận lợi hơn. Độ dẻo tốt cũng giảm thiểu rủi ro tập trung ứng suất tại các góc lượn kết cấu. Gang cầu đa pha mở rộng phạm vi ứng dụng trong các bộ phận chịu uốn.

Độ dai va đập gang cầu nền ferit-ausferit vượt trội so với các loại gang cầu truyền thống. Thử nghiệm va đập Charpy cho thấy năng lượng phá hủy tăng từ 50% đến 80%. Pha ferit thứ cấp hoạt động như các bẫy chặn vết nứt lan truyền nhanh. Khi vết nứt gặp vùng ferit dẻo, đỉnh vết nứt bị cùn đi và tiêu tán năng lượng. Đồng thời, các hạt graphit cầu tròn ngăn chặn sự phát triển của nứt tế vi. Vật liệu duy trì độ dai va đập tốt ngay cả ở nhiệt độ âm. Điều này giúp các bộ phận cơ khí hoạt động an toàn trong môi trường lạnh giá. Sự kết hợp độ dai và độ bền tạo nên cơ tính tổng hợp hoàn hảo.

Trong chế tạo máy, gang cầu ADI nền đa pha được dùng làm bánh răng và trục khuỷu. Bánh răng làm từ vật liệu này có khả năng chống mỏi tiếp xúc tuyệt vời. Bề mặt răng tự cứng lại trong quá trình làm việc do ma sát lăn và trượt. Khả năng giảm chấn của gang cầu giúp hộp số vận hành êm ái hơn hẳn thép. Trục khuỷu và tay biên động cơ đốt trong chịu tải trọng thay đổi rất tốt. Tuổi thọ làm việc của chi tiết tăng lên trong khi khối lượng cụm chi tiết giảm đáng kể. Quy trình đúc chính xác giúp giảm bớt lượng dư gia công cơ khí. Chi phí sản xuất hàng loạt nhờ đó giảm xuống rõ rệt.

Gang cầu nền ferit-ausferit chứng minh tiềm năng thay thế thép rèn trong nhiều cụm cơ cấu. Thép hợp kim đòi hỏi rèn dập và gia công cắt gọt tốn nhiều năng lượng. Ngược lại, gang cầu có tính đúc tuyệt vời, dễ điền đầy các hốc khuôn phức tạp. Độ bền mỏi và độ bền kéo của gang cầu đa pha tương đương thép hợp kim kết cấu. Khả năng chống mài mòn của nền ausferit thậm chí vượt trội hơn thép thấm cacbon. Chi phí vật tư ban đầu thấp hơn từ 20% đến 30% so với thép gia công. Các nhà sản xuất máy kéo, máy khai khoáng đang chuyển đổi dần sang vật liệu này. Đây là bước tiến quan trọng nâng cao sức cạnh tranh công nghiệp.

Để nâng cao chất lượng gang cầu nền ferit-ausferit, khâu đúc ban đầu cần được kiểm soát chặt chẽ. Độ cầu hóa của graphit phải đạt trên 85% với kích thước hạt mịn nhỏ. Hàm lượng tạp chất có hại như lưu huỳnh và phốt pho phải được khử triệt để. Quá trình biến tính trước khi rót khuôn quyết định số lượng quả cầu graphit trên một đơn vị diện tích. Hệ thống lò nhiệt luyện cần trang bị cảm biến điều khiển nhiệt độ tự động độ chính xác cao. Môi trường tôi đẳng nhiệt bằng muối thân thiện môi trường cần được nhân rộng. Tự động hóa chu trình nung và tôi giúp loại bỏ sai số con người. Định hướng này đảm bảo sự đồng đều cho sản phẩm thương mại.