Nghiên cứu nâng cao chất lượng gang cầu sử dụng trong chế tạo một số chi tiết của ô tô

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ
Só 06/2022

Nghiên cúu nâng cao chất lượng gang cầu
sử dụng trong chế tạo một số chi tiết của ô tô
■
■

PGS.TS. NGUYỄN DƯƠNG NAM

Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
ThS. HỒNG ANH TUẤN
Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng

TĨM TẲT: Trong cơng trình này trình bày ảnh hưởng
của một số thông số công nghệ đến nâng cao chất
lượng gang cầu sử dụng trong chế tạo một số chi tiết
của ô tô. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, hợp kim
hóa, xử lý nhiệt ảnh hưởng đến CO' tính của hợp kim.
Bài báo đã phân tích và xác định được ảnh hưởng
của các thông số này đến chất lượng hợp kim nghiên
cứu. Kết quả nghiên cứu đã xác định được chế độ xử
lý nhiệt hợp lý để nâng cao chất lượng của gang cầu
trong việc chế tạo một số chi tiết máy của ơ tơ.

TỪ KHĨA: Gang cầu, xủ lý nhiệt, hợp kim hóa, cơ tính.
ABSTRACT: In this work, the influence of some
technological parameters on improving the quality of
cast iron used in the manufacture of some automobile
parts is presented. The research results show that:
alloying, heat treatment affects the mechanical

properties of the alloy. The article analyzed and
determined the influence of these parameters on
the quality of the alloy studied. Research results have
determined a reasonable heat treatment regime to
improve the quality of cast iron in the manufacture of
some automobile machine parts.

KEYWORDS: Cast iron, heat treatment, alloying,
mechanical properties.

1. ĐẶTVẤNĐỂ
Gang cẩu là vật liệu đúc được dùng khá phổ biến để
chế tạo máy, xây dựng, ngành điện... Do gang cầu đã phối
hợp tốt giữa độ bển và tính dẻo dai, có tính đúc tốt, vì vậy
có hiệu quả kinh tế cao và trở thành vật liệu có thể thay
thế thép đúc, gang dẻo và gang xám trong điểu kiện nhất
định. Để nâng cao chất lượng gang cầu cần: biến tính cầu
hóa và graphit hóa, khống chế q trình đơng đặc. Một giải
pháp nữa để nâng cao chất lượng gang cầu là tiến hành
nhiệt luyện để chế tạo gang cầu với tổ chức mong muốn
bảo đảm cho gang có độ bển, độ dẻo phù hợp với các tính
chất và điểu kiện làm việc của chi tiết đúc. Việt Nam là một
đất nước đang phát triển, hiện có một số doanh nghiệp
đã và đang đấu tư vào lĩnh vực ô tô. Tuy nhiên, việc chủ
động nguyên liệu, nâng cao chất lượng các chi tiết trong

138

ô tô với mục tiêu tăng nội địa hóa sản phẩm là một yêu
cầu cấp thiết. Hiện nay, gang cầu đang được ứng dụng rất

rộng để chế tạo các chi tiết cơ khí, các chi tiết để sản xuất
ô tô, cụ thể như: trục khuỷu, tay biên, tay dẫn và bánh răng
có rất nhiều ưu điểm như đã phân tích ở trên. Để nâng cao
chất lượng gang cầu cẩn: biến tính cầu hóa và graphit hóa,
khống chế q trình đơng đặc. Một giải pháp nữa để nâng
cao chất lượng gang cầu là tiến hành nhiệt luyện để chế
tạo gang cầu với tổ chức mong muốn bảo đảm cho gang
có độ bền, độ dẻo phù hợp với các tính chất và điểu kiện
làm việc của chi tiết đúc [1 -6].
Trong cơng trình này sẽ phân tích ảnh hưởng của một
số nguyên tố hợp kim và chế độ xử lý nhiệt đến cơ tính của
gang cầu.
2. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN TỐ HỢP KIM

Thành phần hóa học ảnh hưởng lớn tới chất lượng của
gang cẩu trước và sau khi xử lý nhiệt.
2.1. Ảnh hưởng của mangan [7]
Mn ảnh hưởng tới hình dáng của đường cong chữ c
khi nhiệt luyện. Đối với gang cầu ADI hợp kim bằng Mn
thì ở điểm kết thúc đường cong giai đoạn 1 đã xuất hiện
hai đường cong chữc riêng biệt. Mn trong gang thiên tích
rất mạnh. Nguyên tố này sẽ tập trung ở biên giới hạt tinh
thề hàm lượng Mn trên biên giới các hạt cùng tinh thường
cao hơn từ 3 - 4 lần, từ đó làm giảm tốc độ tạo mầm và tốc
độ phát triển mầm của chuyển biến tạo thành ferit banit,
đổng thời làm tàng thời gian của chuyển biến banit so
với gang không hợp kim bằng Mn. Kết quả là gang giòn
làm giảm độ dẻo, đặc biệt đối với vật đúc thành dày. Mn là
nguyên tố gây ảnh hưởng quan trọng tới sự hình thành tổ
chức của gang cầu ausferit. Khi tăng hàm lượng Mn, vùng

cửa sổ sẽ bị thu hẹp và sẽ bị biến mất khi đạt một giá trị xác
định như Hình 2.1:

Hình 2.1: Nguyên lý sự hình thành vùng cửa số khi giữ đẳng nhiệt
và tác động của Mn tới sự hình thành vùng của số


KHOA HỌC CƠNG NGHỆ
Só 06/2022
2.2. Ảnh hường của Molipden

- Mo là nguyên tố cacbit hóa mạnh khi %Mo > 0,2 0,3% và tăng tỷ lệ íerit trong nển (do tạo nhiểu cacbit nên
c trong nền ít đi dẫn đến tăng ferit). Khi %Mo đạt 0,1 - 0,3%
Mo làm mịn tổ chức peclit và tăng tỷ lệ peclit trong tổ chức
nển, qua đó làm tăng độ bển, độ cứng của gang. Nếu hàm
lượng Mo vượt quá 2%, tổ chức nền gang có thể xuất hiện
bainit. Mo làm tăng tính ổn định của austenit, là nguyên tố
đẩy đường "C" sang phải mạnh nhất và làm tăng độ thấm
tơi. Để có tổ chức khơng có cacbit, trong gang cầu hàm
lượng Mo được khống chế < 0,2%. Mo làm tăng rất mạnh
độ thấm tôi.
2.3. Ảnh hưởng của Đổng [8]
Cu làm tăng quá trình graphit hóa của tổ chức cùng
tinh và cản trở q trình graphit hóa của tổ chức cùng tích.
Cu có tác dụng làm mịn tổ chức peclit và tăng lượng peclit
trong nền gang. Khi hợp kim hóa bằng các nguyên tố Cu sẽ
-nở rộng vùng cửa sổ tạo ra tổ chức ausferit, thuận lợi cho
^uá trình chế tạo gang cẩu, mặt khác tăng tính ổn định của
.lustenit quá nguội. Nguyên tố Cu này ảnh hưởng đến co
Ìính của gang cẩu do làm nhỏ mịn, đồng đểu tổ chức nển

im loại, ngăn cản sự hình thành cacbit và làm tăng tính ổn
lịnh của austenit, có nghĩa là thuận lợi cho q trình giữ
đẳng nhiệt để tạo ra tổ chức ausferit có cơ tính tổng hợp
qao. Khi hàm lượng đóng trong gang tăng từ 0 - 0,5% thì
đọ bển kéo của gang tăng mạnh.

Hình 3.2: Độ dẻo và độ dai va đập của gang ADI phụ thuộc vào nhiệt
độ chuyển biến đẳng nhiệt và nhiệt độ austenit hố [10]

Nhiệt độ tơi đẳng nhiệt phải cao hơn nhiệt độ chuyển
biến mactenxit. Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra khi làm
nguội với tốc độ lớn hơn tốc độ nguội tới hạn. Chuyển
biến cần độ quá nguội lớn và chỉ xảy ra khi đạt nhiệt độ
Ms (nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit) và kết thúc
ở nhiệt độ Mf (nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactenxit).
Nhiệt độ chuyển biến (thường trong khoảng nhiệt độ 250
- 400°C) càng cao thì độ bền kéo, độ cứng của gang càng
giảm nhưng độ dẻo, độ dai va đập của chúng lại tăng và
ngược lại được thể hiện rõ trên Hình 3.1 và Hình 3.2. Nhiệt
độ và thời gian giữ nhiệt tối ưu để đạt tổ chức ausferit
(vùng cửa sổ) sẽ phối hợp cho cơ tính tổng hợp cao nhất.

Hi/7/7 2.2: Ảnh huởng của hàm lượng đồng đến độ bền kéo của gang
cẩu xử lý nhiệt và không xử lý nhiệt [9]

2.4. Ảnh hưởng của Niken
Ni thúc đẩy q trình graphit hóa khi chuyển biến cùng
tinlị ngăn trở q trình graphit hóa khi chuyển biến cùng
tích làm nhỏ mịn tổ chức peclit và tăng tỷ lệ peclit trong
tổ chức nền. Là nguyên tố tăng tính ổn định của austenit,

có tac dụng mở rộng vùng austenit và chuyển dịch vể phía
kéo dài thời gian nguội. Lượng Ni cao sẽ cho tổ chức bainit
hoặc mactenxit ngay cả với vật đúc thành dày, làm tăng
hàm lượng austenit dư. Ni là ngun tố cản trở sựíerit hóa,
đóng thời có tác dụng ổn định peclit. Do đó, Ni được dùng
chủ ỳếu để điểu chỉnh tỷ lệ tổ chức F và p trong vật đúc.
Ni làrỴì giảm độ bền kéo nhưng làm tăng độ dẻo và độ dai.

Hình 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thịi gian tơi đẳng nhiệt tới
vùng của sổ của quá trình chế tạo gang cáu ausferit (austenit hóa
900°C trong 90 phút) [11]

Dựa trên hình trên cho thấy: Khi nhiệt độ giữ đẳng
nhiệt thấp hoặc cao, vùng "cửa sổ" bị thu hẹp lại.

3

3. NHIỆT Độ VÀ THỜI GIAN GIỮ ĐẲNG NHIỆT

Hai yếu tố quan trọng trong công nghệ sản xuất gang
cầu At>l là nhiệt độ và thời gian chuyển biến đẳng nhiệt.

Ị
TbOi «is*n chuvdn toitfn dans mW

Hình 3.4: Ảnh hưởng của thời gian giữ đẳng nhiệt tới độ bền và độ
dẻo của gang cầu ADI [10]

139

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ
Só 06/2022
Thời gian giữ đẳng nhiệt sẽ quyết định tổ chức và tỷ lệ
pha đạt được. Nếu tăng thời gian giữ đẳng nhiệt đến nhiệt
độ bắt đầu vùng của sổ quá trình khoảng 100 phút chuyển
biến tạo ausferit sẽ xảy ra hoàn toàn hơn, lượng mactenxit
tạo thành sẽ giảm dần, từ đó sẽ làm tăng độ dẻo và độ bển
kéo. Nếu kéo dài thời gian giữ đẳng nhiệt thêm nữa, lúc
này độ dẻo của gang sẽ giảm.Thời gian chuyển biến đẳng
nhiệt từ 5 -1.000 phút [12].
4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐỘ CỨNG

Thời giau tơi đãng nhiệt(phút)

Hình 4.1: Độ cúng của mẫu theo thời gian tôi đẳng nhiệt độ

Dựa vào kết quả đo độ cứng của mẫu trên Hình 4.1,
trong khoảng thời gian phản ứng của giai đoạn I (y -> db
+ yHC) từ 5 phút đến 120 phút, độ cứng cùa mẫu giảm khi
thời gian tôi đẳng nhiệt tăng. Nguyên nhân là do quá trình
chuyển biến pha làm giảm tỷ phẩn pha mactenxit. Mẫu
gang đạt độ cứng cao nhất khi tôi đẳng nhiệt 5 phút ứng
với tỷ phẩn pha mactenxit là cực đại. Trong vùng cửa sổ
quá trình từ 120 phút, khi tăng thời gian tơi đẳng nhiệt thì
độ cứng của mẫu cũng tăng theo. Tại vùng này không xảy
ra chuyển biến nhưng khi tàng thời gian tơi đẳng nhiệt thì
pha austenit sẽ ổn định, giàu cacbon hơn và độ cứng của
pha này sẽ tăng dẫn đến sự thay đổi độ cứng của mẫu.

5. KẾT LUẬN
Chế tạo gang cầu có tổ chức nền song pha ở chế độ xử
lý nhiệt: Austenít hóa 950°C giữ 2h, hạ xuống 820°C giữ 2h,
tôi đẳng nhiệt 360°C: 5-180 phút. Khi thời gian tôi đẳng
nhiệt tăng từ 5 -120 phút, lượng mactenxit tạo ra sẽ giảm
dẩn, đồng thời tỷ phần ausferit tăng lên, tổ chức ferit được
tiết ra tại vùng hai pha khơng có sự thay đổi và chuyển
biến. So với phương pháp chế tạo gang cầu truyền thống,
gang cẩu có tổ chức nền song pha có độ cứng thấp hơn, tổ
chức nền gồm có ferit và ausferit. Khi nhiệt độ nung trong
vùng nhiệt độ tới hạn tăng thì độ cứng của mactenxit cũng
tăng mạnh, ở cùng một nhiệt độ, khi thời gian giữ nhiệt
tăng thì độ cứng của mactenxit cũng tăng.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường
Đại học Hàng hải Việt Nam trong Đề tài mã số DT21 -22.27.

Tài liệu tham khảo
[1], DrKamlesh KumarSingh (2013), Effectofaustempering
process parameters on austempered ductile iron.
[2]. Engineered Casting Solution, Fall 2003, pp.26-29.
[3] Sandeep Kumar Sahoo, A study on the effect of
austempering temperature, time and copper addition on the

140

mechanical properties ofaustempered ductile iron.
[4] Alan p. Druschitz, Norman Dowling, William
Reynolds (2012), Effect of Chemistry on the Transformation
of Austenite to Martensite for Intercritically Austempered
Ductile Iron.

[5], A.Rimmer (2004), Giesserei Erfarung Saustauch 7+8
S.6-9.
[6] . Parejiya pavan (2014), Effect of austempering
behaviour of ductile iron.
[7] . M.Nili Ahmadabadi and S.Farjami (2003),
Transformation kinetics of unalloyed and high Mn
austempered ductile iron.
[8], Ranjit Kumar Panda (2011), Effect of copper on
austempering behavior of ductile iron.
[9], Anil Kumar and RSuresh (2012), Effect of copper on
the properties ofaustempered ductile iron (ADI).
[10], M. Kaczorowski, A.Krzynska(2007), Mechanical
properties and structure ofaustempered ductile iron - ADI.
[11] . Quách Tât Bát (2012), Nghiên cứu công nghệ chế
tạo gang câu ADI, Luận án Tiến sĩ.
[12] . J. Materials Ingineering and Performance (2001),
pp.441 -442.
Ngày nhận bài: 01/4/2022
Ngày chấp nhận đăng: 23/5/2022
Người phản biện:TS. Lê Thị Nhung
TS. Nguyễn Tiến Dũng