Tài liệu Tóm tắt luận án nghiên cứu ảnh hưởng của ti và nguyên tố đất hiếm đến tính chất mài mòn, độ dai va đập của gang trắng 13% crôm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG THỊ NGỌC QUYÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA Ti VÀ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM ĐẾN TÍNH CHẤT MÀI MÒN, ĐỘ DAI VA ĐẬP CỦA GANG TRẮNG 13% CRÔM Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 62520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2014 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ Các công trình đăng trên các tạp chí khoa học 1. Hoàng Thị Ngọc Quyên, Lê Thị Chiều, Đinh Quảng Năng (2011) “Ảnh hưởng của Titan và đất hiếm đến cấu trúc, độ mài mòn và độ dai va đập của gang trắng 13%“, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại số 38 năm 2011, trang 24 -27. 2. Hoàng Thị Ngọc Quyên, Lê Thị Chiều, Đinh Quảng Năng và Phạm Mai Khánh (2013) “Ảnh hưởng của Ti đến cấu trúc cácbit M7C3 và hành vi mòn của gang trắng chứa 12 -13% crôm khi mài khô có tải trượt” Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật số 96 năm 2013. 3. Hoàng Thị Ngọc Quyên, Lê Thị Chiều, Đinh Quảng Năng, Nguyễn Hồng Hải và Phạm Mai Khánh (2013) “Ảnh hưởng của đất hiếm đến cácbit M7C3 cùng tinh trong gang trắng crôm 13%”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, năm 2013 Các công trình đăng trên các kỷ yếu hội nghị khoa học quốc gia và quốc tế 4. Lê Thị Chiều, Hoàng Thị Ngọc Quyên, Đinh Quảng Năng “Effects of heat treatment on chromium white cast iron (13% Cr) modified by mixture of Ti and Dong pao rare earth”, Proceeding 5th SEATUC Symposim – 2011, trang 474 -477. Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Lê Thị Chiều 2. GS.TS. Đinh Quảng Năng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sỹ cấp trường, họp tại : Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu –Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc Gia 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Gang crôm cao là vật liệu chịu mòn cao, được ứng dụng rộng rãi trong các nghành khai thác khoáng sản, công nghiệp xi măng, công nghiệp luyện kim. Ở Việt Nam hệ gang crôm cao phát triển rất mạnh trong những năm gần đây. Tuy nhiên các nhà sản xuất vẫn còn đang lúng túng vì sản phẩm có chất lượng thấp, mài mòn nhanh, nứt vỡ bong tróc nhiều, tuổi thọ làm việc thấp. Vì vậy việc tìm các biện pháp nâng cao chất lượng gang, đáp ứng các yêu cầu làm việc của vật liệu là rất cấp thiết. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao cơ tính của gang crôm. Riêng ở nước ta rất ít nghiên cứu về vật liệu này được công bố. Chất lượng gang crôm do tổ chức gang quyết định Tổ chức gang crôm bao gồm hai thành phần chính: nền và cacbit phân bố trên nền. Cácbit trong gang crôm cao đóng vai trò chính trong quá trình chống lại va đập và mài mòn. Ở trạng thái đúc, cácbít trong gang ở dạng các tấm sơ cấp và cacbít nằm trong khối cùng tinh. Khi hàm lượng crôm vượt quá 12%, cácbit trong gang là M7C3 dạng que hoặc dạng tấm, phân bố tương đối rời rạc, có độ cứng cao, là bộ phận chịu mài mòn trong gang. Tuy nhiên các tấm cacbit có tính giòn, khi chịu tác động va đập và mài mòn, chúng là nơi tập trung ứng suất, là nơi xuất hiện và lan truyền vết nứt từ cácbit này sang các cácbit khác nhất là tại các cacbit có kích thước lớn. Điều này làm hạn chế tính ứng dụng của vật liệu. Tổ chức cacbit nhỏ mịn, rời rạc sẽ tăng độ bền, ngăn cản sự lan truyền ứng suất, lan truyền vết nứt và giảm thiểu khả năng nứt vỡ vật liệu. Luận án thực hiện nghiên cứu tăng bền cho gang bằng cách đưa vào gang hệ gang crôm 13%Cr, các nguyên tố titan và đất hiếm, xác định hàm lượng hợp lý các nguyên tố đó nhằm làm nhỏ kích thước cacbit, và đặc biệt làm làm nhỏ gọn các khối cùng tinh trong gang, giảm thiểu nguy cơ xuất hiện lỗ co tế vi, dẫn tới nâng cao các chỉ tiêu cơ tính của gang, điều mà trong nước hiện nay chưa một nghiên cứu nào thực hiện. Các kết quả nghiên cứu đã được áp dụng tại Công ty cổ phần Cơ khí Phú Sơn, Công ty Cơ khí Đúc Thắng Lợi. Mục đích của đề tài luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng Ti và đất hiếm tới các hình thái tổ chức 2 của gang crôm cao nhằm thay đổi tổ chức, sự phân bố, giảm kích thước hạt pha nền, pha cácbit M7C3, kích thước vùng cùng tinh. Xác định hàm lượng hợp lý của các nguyên tố đó với mục đích tăng các chỉ tiêu cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho gang crôm cao. Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án: -Xác định vai trò của Ti và đất hiếm trên phương diện làm tâm mầm dị thể cho hợp kim: + Ti kết hợp với cacbon tạo TiC tương đối mạnh trong gang lỏng. TiC là pha cácbit kết tinh đầu tiên, trước cácbit crôm, cácbit sắt. Vì thế TiC có thể làm tâm mầm cho các pha cácbit M7C3. + Các nguyên tố đất hiếm có điểm chảy thấp, có ái lực mạnh với oxi, lưu huỳnh, vì thế trong gang lỏng chúng có tác dụng làm sạch oxy và lưu huỳnh, tạo ra các oxyt đất hiếm. Các oxyt đất hiếm có nhiệt độ nóng chảy cao, có thể là tâm dị thể cho các pha cácbit M7C3 và pha austenit sơ cấp. Nhờ đó tổ chức gang crôm khi có thêm đất hiếm trở nên nhỏ mịn đi rất nhiều. - Phân tích quá trình phá hủy do bong tróc và mòn của gang 13% crôm, xác định các yếu tố ảnh hưởng và từ đó xác định được biện pháp giảm thiểu sự phá hủy và ngăn chặn quá trình đó. - Luận án đã xác định được sự có mặt và phân bố của một số pha và phân tích ảnh hưởng của chúng đến cơ tính gang. -Xác định: hàm lượng Ti, đất hiếm có thể đưa lại các chỉ tiêu cơ tính cao nhất của gang crôm cao mà không làm ảnh hưởng nhiều đến giá thành sản phẩm. Phương pháp nghiên cứu: - Tập hợp tài liệu về gang hợp kim trong và ngoài nước. - Sử dụng các thiết bị công nghệ: Lò nấu trung tần, kỹ thuật biến tính. - Sử dụng các phương pháp xác định khả năng chống mài mòn, va đập để xác định ảnh hưởng của Ti và đất hiếm đến cơ tính hợp kim - Sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại: EDX, SEM, MAPPING, Rơnghen để phân tích tổ chức. Những điểm mới của luận án: 1. Xác định khuyết tật đúc hình thành trong các tấm cácbit M7C3 thô chính là một trong những mầm mống nứt gây phá hủy vật liệu. 2. Ứng suất tại các tập trung biên cácbit/nền gây bong tróc cacbít 3 thậm chí gây biến dạng nền, pha nền có độ bền thấp làm giảm khả năng chống mòn. 3. Giải thích được mối liên quan giữa hình thành cùng tinh và sự hình thành austenit sơ cấp trong gang crôm 13%. 4. Giải thích vai trò của TiC và oxit đất hiếm đến sự hình thành và phân bố khối cùng tinh. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GANG TRẮNG CRÔM 1. 1 Lịch sử phát triển của hệ vật liệu chịu mòn gang trắng crôm Gang trắng hợp kim Crôm được phát hiện đầu tiên ở Châu Âu vào những năm 1970. 1. 2 Tổ chức đúc của gang trắng crôm 1.2.1 Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C Hình 1.2: Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C của Jackson [74] Trong gang trắng, Crôm là một nguyên tố tạo cácbit mạnh, tỷ lệ giữa Crôm với cacbon (Cr/C) và hàm lượng cácbon quyết định sự hình thành loại cácbit dẫn đến quyết định cơ tính của gang. Để đảm bảo gang có cơ tính tổng hợp cao, chọn gang có thành phần sao cho tỷ lệ Cr/C nằm trong khoảng 3,5-10,2 [74] 1.2.2 Các loại cácbit trong gang trắng Crôm 1.2.2.1. Phân loại - Cácbit MC: Cácbit có cấu trúc đơn giản xếp chặt - Cácbit M2C: Cácbit M2C có cấu trúc lục giác xếp chặt - Cácbit M3C: Các cácbit dạng xen kẽ cùng với cấu trúc hệ đa lục giác xếp chặt 4 - Cacbit M7C3: Cácbit có cấu trúc lục giác xếp chặt và cấu trúc khối trực thoi. Là cácbit có độ cứng cao, phân bố tương đối rời rạc. - Loại cácbit M23C6: Ô mạng tinh thể là khối gồm nhiều hình lập phương xếp chặt. 1.2.2.2. Tính chất cácbit trong hệ gang trắng crôm Cácbit có độ cứng cao, có modul đàn hồi cao, có nhiệt độ nóng chảy cao và có tính giòn. Cácbit mang đặc tính của kim loại, có độ dẫn nhiệt cao. Trong số các cácbit, loại cácbit MC có độ cứng cao nhất, tiếp theo là M7C3, M3C có độ cứng thấp nhất. 1.2.2.3. Sự kết tinh của cácbit M7C3 Khi thành phần crôm tăng dần đến > 10%Cr, cácbit tạo thành sẽ thay đổi từ M3C sang M7C3. Khi M7C3 có cấu trúc tinh thể là lục giác thì hình thái thu được là hình que, nếu cấu trúc tinh thể của M7C3 là khối trực thoi hay khối bát diện thì hình thái thu được sẽ là dạng tấm. 1.2.3 Austenit trong gang trắng Crôm 1.2.3.1 Hình thái Austenit Nhánh cây austenit trong gang trắng được chia thành hai loại: + Loại 1: nhánh cây dạng cột, dài. Loại cấu trúc này có định hướng rõ ràng, sắp xếp song song. Nhánh cây tạo ra hạt austenit thô, to. + Loại 2: Nhánh cây đều trục: Đây là loại nhánh cây được sắp xếp một cách ngẫu nhiên, không định hướng, tạo ra những hạt austenite nhỏ mịn, phân tán một cách ngẫu nhiên. 1.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái của austenite sơ cấp Sự tạo thành nhánh cây liên quan đến quá trình tạo mầm trong gang lỏng. 1.2.3.3. Ảnh hưởng của hình thái Austenit sơ cấp đến các khuyết tật của gang trắng: Khi sự kết tinh chủ yếu do ngoại sinh, cấu trúc nhánh cây thô, thiên về dạng cột, có định hướng sẽ dẫn đến tạo ra kẽ nứt co ngót dọc theo đường biên hạt. Ngược lại, kích thước hạt mịn làm giảm đáng kể khả năng tạo thành kẽ nứt co ngót. 1.3 Sự đông đặc và kết tinh cùng tinh của gang trắng crôm cao 1.3.1 Nhiệt động học và động học của sự kết tinh của cùng tinh trong gang trắng 5 Gang nóng chảy dù kết tinh theo hệ giả ổn định như cácbit + austenit hay kết tinh theo hệ ổn định như graphit + austenit cùng tinh đều phụ thuộc vào sự tạo ra tâm mầm và tốc độ phát triển của hai pha cácbon cao (Cácbit và graphit), và đều phụ thuộc vào điều kiện nhiệt động học và động học của quá trình. 1.3.2 Phân tích sự đông đặc của hệ hợp kim Fe-Cr-C Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C là công cụ để phân tích quá trình đông đặc của hệ gang trắng crôm cao. 1.3.3 Sự tiết ra cácbit cùng tinh Tổ chức trước cùng tinh của gang trắng crôm cao gồm nhánh cây austenit và cùng tinh austenit-cacbit. Càng xa đường cùng tinh, càng có nhiều austenit sơ cấp và càng ít tổ chức cùng tinh nằm giữa các nhánh cây austenit. Tổ chức cùng tinh của gang trắng crôm cao gồm cùng tinh (M7C3 + austenit), trong đó hình ảnh hai chiều của cácbit có dạng một bông hoa hồng. 3.4. Sự tạo thành khối cùng tinh Trong gang crôm cao, khi làm nguội, từ trạng thái lỏng, các pha sơ cấp (ausnenit hoặc cácbit) được tiết ra. Phản ứng cùng tinh được cân bằng bởi hệ ba cấu tử như sau: L←→ γ-F e + M7C3 Sản phẩm của phản ứng là các hạt cùng tinh bao gồm austenit cùng tinh (γ-Fe) và cácbit cùng tinh, tạo thành khối cùng tinh. Trong gang trắng trước cùng tinh, pha đầu tiên tiết ra là austenit. Các khối cùng tinh trong được tiết ra trong khoảng trống của các nhánh cây austenit. Pha M7C3 được tạo ra trong khoảng không giữa các nhánh cây austenit, tại các vị trí giàu C và Cr. Cấu trúc một khối cùng tinh của gang trắng crôm trước cùng tinh được biểu thị trong hình 1.25 [76]. . Nền (γ-Fe) Cácbit M7C3 Hình 1.25: Cấu trúc một khối cùng tinh của GTCr trước cùng tinh [[75Error! Reference source not Hình 1.26: Các thông số về kích thước của khối cùng tinh 6 Kích thước của khối cùng tinh phản ảnh trực tiếp độ mịn của cácbit cùng tinh và ảnh hưởng đến kích thước hạt trong ranh giới của khối cùng tinh (xem hình 1.26). Các thông số chính để miêu tả khối cùng tinh bao gồm: kính thước của khối cùng tinh (A-A), khoảng trống của các khu vực ranh giới nơi các khối cùng tinh tồn tại (B-B) và khoảng cách giữa các vùng cácbit chiếm chỗ trong trung tâm của khối (C-C). 1.3.5 Sự biến đổi tổ chức cùng tinh của gang trắng crôm. Để tăng độ dai và tuổi thọ của gang trắng crôm người ta dùng các biện pháp kiểm soát quá trình đông đặc và biến đổi cấu trúc cùng tinh. Các phương pháp để cải thiện tổ chức cùng tinh cụ thể bao gồm: - Làm mịn khối cùng tinh - Làm rời rạc các cácbit cùng tinh - Thay đổi hình thái cácbit (từ tấm sang hình sợi hoặc hình cầu) Các biện pháp cải thiện cấu trúc cácbit của gang trắng như sau: - Điều chỉnh thành phần hóa học - Tăng tốc độ nguội - Tạo mầm kết tinh: Việc tạo nhiều tâm mầm kết tinh trong gang trắng làm nhỏ mịn cácbit và austenit sơ cấp và làm cho khoảng cách giữa nhánh cây nhỏ đi. Các nguyên tố tạo tâm mầm thường sử dụng cho gang trắng là V, Ti, RE và Al. - Sự biến tính: Biến tính là quá trình xử lý bằng cách đưa thêm một lượng nhỏ các chất thích hợp vào gang lỏng để biến đổi hình thái cácbit. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của GTCr. 1.4.1 Ảnh hưởng của sự phân bố các nguyên tố trong GTCr. - Crôm: Trong gang crôm cao, Cr tồn tại chủ yếu trong cácbit, một phần hòa tan trong austenite và một lượng rất nhỏ có trong các pha khác. - Vanadi: Vanadi được đưa vào nhằm tạo ra các hạt cácbit VC nhỏ mịn và làm tâm mầm cho pha M7C3 làm cho các pha cùng tinh nhỏ mịn. - Titan: Titan được đưa vào tạo ra TiC có tác dụng làm nhỏ mịn cấu trúc, tăng độ bền cho gang crôm. 1.4.2 Ảnh hưởng của quá trình chế tạo 7 Gang crôm có thể được nấu trong lò điện cảm ứng tường axit, lò hồ quang. Trong mẻ liệu có thể dùng hồi liệu để ổn định cấu trúc của gang. Quá trình nấu cần tăng cường khuấy trộn để hòa tan crôm đồng đều. 1.4.3. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện gang crôm. 1.4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tổ chức pha nền Quá trình xử lý nhiệt hợp kim chủ yếu là làm thay đổi pha nền. Trong quá trình nung nóng và làm nguội gang crôm cao, austenit trong tổ chức sau đúc chuyển biến thành mactenxit. Tổ chức nhận được sau nhiệt luyện là mactenxit cùng với cacbít phân tán, có độ cứng cao. 1.4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến hình thái cácbit: Gang trắng với thành phần crôm thấp hơn 30% thì hình thái cácbit không có sự thay đổi về dạng chỉ có thể thay đổi về kích thước cácbit. Gang có thành phần crôm >30% có sự chuyển biến từ cácbit M7C3 sang M23C6 trong quá trình nhiệt luyện. 1.4.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến độ cứng của hợp kim Làm nguội với tốc độ đủ lớn sẽ có chuyển biến không cân bằng thành mactenxit. Mactenxit làm tăng độ cứng cho gang crôm. 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của gang trắng crôm Để đảm bảo cơ tính tốt cho gang crôm, điều kiện đầu tiên và có thể là quan trọng nhất là: 1. Đảm bảo gang crôm là gang trước cùng tinh hoặc cùng tinh. 2. Đảm bảo sự có mặt M7C3 trong gang cùng tinh và trước cùng tinh bởi cácbit M7C3 có độ cứng và độ bền cao. 3. Giảm kích thước hạt, tạo tâm mầm cho austenit sơ cấp nhỏ mịn và đảm bảo cácbit phân bố đều trong nền kim loại. 1.5.1 Ảnh hưởng của hình thái, sự phân bố, kích thước hạt cácbit đến quá trình mòn trong điều kiện trượt có tải trọng của GTCr. Cacbít trong nền làm thay đổi sự phân bố ứng suất, tăng khả năng chống biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi do vậy cacbít làm giảm khả năng tạo rãnh xước. Các loại cacbít có độ bền nén thấp, không thể chống lại biến dạng gây ra do ứng suất nén và ứng suất cắt. 1.5.2. Ảnh hưởng của tổ chức pha nền tới sự hình thành vết nứt của GTCr khi chịu tác động mài mòn và va đập đồng thời. 8 Tổ chức nền có ảnh hưởng đặc biệt đến các quá trình mòn của gang crôm. Pha nền trong hợp kim này có nhiệm vụ giữ chặt các hạt cácbit làm cho các hạt cácbit không bị bong tróc trong quá trình chịu tác động mài mòn, va đập. Tổ chức tốt nhất của pha nền mactenxit+cácbit nhỏ mịn và một lượng nhỏ austenit dư 1.6 Quá trình hợp kim hóa bằng Titan đến GTCr. Khi được đưa vào gang crôm, Ti một phần tan trong austenit và một kết hợp với cacbon tạo TiC theo một phản ứng rất mạnh. TiC là cácbit kết tinh đầu tiên, trước khi cácbit crôm, các cácbit sắt kết tinh. TiC làm tâm mầm cho các pha cácbit M7C3. 1.7 Biến tính GTCr cao bằng đất hiếm Các kim loại có trong đất hiếm có nhiệt độ nóng chảy thấp,bán kính nguyên tử lớn, rc = 0,182nm, có độ quá nguội rất lớn trong quá trình đông đặc. Các nguyên tố đất hiếm RE cũng có thể được sử dụng như một chất khử oxy và khử lưu huỳnh do chúng dễ tạo các oxit RE và sulfide RE. Các oxyt RE có thể tác dụng làm tâm mầm cho pha austenit và cácbit M7C3. Các nguyên tố đất hiếm là những nguyên tố hoạt động bề mặt rất mạnh, độ hòa tan vào gang lỏng thấp nên khi các tinh thể cácbit M7C3 kết tinh, các nguyên tố đất hiếm hấp phụ ngay trên các bề mặt tinh thể cácbit M7C3 ngăn cản sự phát triển của tinh thể cácbit M7C3 đặc biệt theo hướng [0001]. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU GANG TRẮNG CRÔM 13% 2.1 Chế tạo mẫu nghiên cứu Tất cả các mẫu hợp kim được nấu trong lò điện cảm ứng trung tần cùng với các chế độ chọn trước. Nấu chảy các nguyên liệu theo thành phần phối liệu đến khoảng nhiệt độ 15000C ÷ 15500C thì chuẩn bị rót mẫu. Các mẫu được chia thành 4 nhóm hợp kim theo mục đích nghiên cứu như sau: - Các hợp kim nhóm 1: Các mẫu gang 13% crôm với 2,14% C và thành phần Ti theo chiều tăng từ 0,21% đến 1,02%, các mẫu được ký hiệu từ No.1 đến No.4 - Các kợp kim nhóm 2: các mẫu nhóm 2 được biến tính bằng RE với thành phần đất hiếm trong khoảng 0,1 đến 0,8%, các mẫu nhóm 2 được ký hiệu từ No.5 đến No.8 9 - Các hợp kim nhóm 3: Các mẫu được đưa thêm titan và RE( Ti từ 0,23 đến 0,66% và RE từ 0,2 đến 0,6%), các mẫu được ký hiệu từ No.9 đến No.11. 2.2. Nhiệt luyện các mẫu nghiên cứu Các mẫu đều nhiệt luyện cùng một chế độ: Tôi ở 10500C, ram ở 2500C. 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Xác định thành phần hóa học Thành phần hóa học của các mẫu nghiên cứu được phân tích bằng phương pháp quang phổ phát xạ trên máy ARL-3460 của hãng Fisons Thụy Sỹ. 2.3.2 Xác định thành phần pha Thành phần của từng pha được phân tích bằng phổ tán xạ tia X theo năng lượng (EDS) trên kính hiển vi điện tử quét (SEM). 2.3.3 Phương pháp xác định sự phân bố không gian của các nguyên tố hóa học (phương pháp mapping) Phương pháp phân tích mapping nguyên tố là một phương pháp phân tích sự phân bố của các nguyên tố, hình ảnh là một bản đồ hiển thị sự phân bố không gian của các nguyên tố trong một mẫu. Có hai kỹ thuật phân tích chủ yếu tùy thuộc vào việc phân tích năng lượng hay bước sóng của tia X đặc trưng phát ra từ mẫu. 2.3.4 Xác định độ cứng 2.3.4.1 Xác định độ cứng thô đại Rockwell Độ cứng thô đại của mẫu được xác định theo phương pháp Rockwell (HRC) trên máy ATKF 1000 của hãng Mitutoyo 2.3.4.2 Xác định độ cứng tế vi Phương pháp xác định độ cứng tế vi theo nguyên lý vicke với tải trọng nhỏ (từ vài gam cho đến vài trăm gam) với mũi đâm làm bằng kim cương. 2.3.5 Mức độ cùng tinh các mẫu nghiên cứu Gang trắng crôm có thể tồn tại ở dạng gang trước cùng tinh, cùng tinh và sau cùng tinh tùy thuộc vào mức độ cùng tinh. Mức độ cùng tinh = CE/4,3 10 2.3.6 Nghiên cứu tổ chức Cấu trúc tế vi được quan sát và chụp trên kính hiển vi quang học (HVQH) Leica 4000 có độ phóng đại tối đa là 1000 lần với phần mềm phân tích IPwin32 và trên kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope) . Thành phần pha của hợp kim nghiên cứu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray) trên máy X’Pert Pro – Philip. 2.3.7 Nghiên cứu, đánh giá quá trình mài mòn Độ mài mòn được xác định qua sự hao hụt khối lượng của các mẫu hình trụ có đường kính là 4mm, mài mòn trên giấy ráp cỡ hạt 240µm trên quãng đường 2000m, tốc độ quay 300 vòng/phút theo với các tải trọng khác nhau 12N, 20N. 2.3.8 Nghiên cứu quá trình phá hủy mẫu do va đập Các mẫu đo độ dai va đập được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM với khía chữ V trên máy CHAPPY. 2.3.9 Xác định tổng hàm lượng cácbit cùng tinh Tổng hàm lượng cácbit cùng tinh được phân tích trên phần mềm image Pro-Plus. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA GTCr TRONG MÔI TRƯỜNG MÀI MÒN VÀ VA ĐẬP CAO 3.1. Đặc điểm, tính chất của hệ gang crôm 13% Là gang trước cùng tinh nên khi kết tinh, austenit nhánh cây tiết ra đầu tiên, sau đó là cùng tinh austenit và M7C3; Các vùng cùng tinh này nằm giữa các nhánh cây và tạo nên khối cùng tinh. Nằm giữa các khối cùng tinh là các cácbit mịn, càng xa tâm khối thì cácbit trở nên thô hơn. Bên ngoài các khối cùng tinh là các cácbit M7C3 thô có dạng sợi dài. 3.2. Cơ chế mòn của GTCr 13% trong môi trường trượt Hình 3.3 là hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mòn có tải trọng của mẫu 11 trước và sau nhiệt luyện. Trong hình 3.3(a) các vết xước sâu, rộng, độ phá hủy bề bề mặt mẫu lớn còn ở hình 3.3(b) ứng với bề mặt mẫu sau nhiệt luyện tương ứng, các vết xước nông và nhạt hơn. Mức độ phá hủy bề mặt mẫu giảm đi rất nhiều so với mẫu trước nhiệt luyện. Như vậy chứng tỏ rằng ở trạng thái đúc nền là austenit có độ bền thấp, trong quá trình mài mòn có tải trọng lặp lại nhiều 11 lần, biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng, pha nền dễ dàng bị xô lệch, biến dạng, nền không giữ được pha cứng, dẫn đến bong tróc. Hình 3.3: Hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mòn của gang 13% crôm a: mẫu đúc b: mẫu sau nhiệt luyện 3.3. Quá trình phá hủy của gang trắng 13% crôm. 3.3.1. Mô phỏng quá trình chịu lực của viên bi chế tạo từ GTCr 3.3.1.1. Bài toán mô phỏng Bài toán mô phỏng quá trình va đập của hai viên bi gang crôm cao, đường kính 60 mm rơi từ độ cao 4,2 m. 3.1.1.2. Kết quả của quá trình mô phỏng sự va đập của bi Hình 3.9: Trường phân bố ứng suất của quá trình va đập bi Kết quả mô phỏng cho ở trung tâm của khu vực tiếp xúc giữa hai quả cầu, ứng suất cắt ở bề mặt là không đáng kể. Ứng suất lớn nhất xuất hiện bên dưới bề mặt. Khi ứng suất nhỏ, các pha trong hợp kim chỉ bị biến dạng đàn hồi. Khi ứng suất lớn dần, các pha có thể bị biến dạng dẻo. 12 3.1.2 Sự phát triển vết nứt và cơ chế gãy vỡ, bong tróc của GTCr Hình 3.11 là ảnh bề mặt mẫu ở trạng thái đúc sau khi va đập. Ứng suất tập trung tại biên cácbit/nền (như hình 3.11c). Hình 3.11: Hiển vi quang học (a,b,c) (X1000, tẩm thực sâu ), hiển vi điện tử thứ cấp (d) chụp bề mặt mẫu ở trạng thái đúc Hình 3. 12: Bề mặt cácbit của gang trắng 13% crôm khi chịu va đập (các mẫu sau nhiệt luyện, hiển vi quang học, X1000) 13 Hình 3.12 là hình ảnh hiển vi quang học bề mặt bị phá hủy sau khi va đập của các mẫu đã qua nhiệt luyện. Các vết nứt đều xuất hiện ở bề mặt các phần tử cácbit thô. Thậm chí cácbit thô còn bị cắt thành các miếng cácbit nhỏ. Ứng suất của quá trình va đập tập trung xung quanh các phần tử cácbit. Sự tập trung ứng suất dư lớn, các vết nứt bắt đầu hình thành và phát triển. Các khuyết tật được tạo ra tại các cácbit thô nằm xa trung tâm cùng tinh có thể coi là mầm mống của vết nứt. Khi chịu va đập lặp lại nhiều lần, tại các khuyết tật đó hình thành và tích tụ ứng suất do đó vết nứt được mở rộng (hình 3.13) và trở thành là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng phá hủy cácbit trong gang trắng crôm. Công thức biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất phá hủy (σg) và kích thước hạt cácbit (d) như sau: σg = σo + kgd-1/2 Như vậy khi kích thước hạt lớn, ứng suất gây ra quá trình phá hủy giảm tức là năng lượng cần để tạo ra vết nứt giảm, khi kích thước hạt nhỏ thì cần nhiều năng lượng để tạo ra vết nứt hay nói cách khác khi kích thước hạt nhỏ sự phá hủy sẽ khó khăn hơn. Hình 3.13: Bề mặt phá hủy gang crôm khi chịu va đập ( X1000) CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH HỢP KIM HÓA BẰNG TITAN VÀ BIẾN TÍNH BẰNG ĐẤT HIẾM VÀ HỖN HỢP TITAN VÀ ĐẤT HIẾM ĐẾN GTCr 13% 4.1 Ảnh hưởng của quá trình hợp kim hóa bằng Ti 4.1.1. Sự tạo thành TiC từ gang lỏng và fero titan [Ti] + [C] = TiC (s); ΔGoTiC = −165.836,4 (Jmol−1) tại 13000C 14 Giá trị của ΔGoTiC khá âm nên titan là một nguyên tố hình thành cácbit mạnh. TiC có nhiệt độ nóng chảy cao (3065oC) và có độ cứng rất cao (khoảng 3200HV) và có cấu trúc nhỏ mịn so với cấu trúc M7C3. Các hạt TiC có màu đen, xung quanh là vùng nghèo cácbon (vùng màu sang bao quanh hạt cácbit) do Ti lấy cácbon tại đó để tạo thành TiC. Hình 4.2 : Hiển vi điện tử, ảnh EDS ghi nhận sự xuất hiện các hạt nhỏ màu đen trên nền là cácbit TiC của mẫu số 1 ( mẫu có 0,21% Ti ) 4.1.2 Ảnh hưởng của Ti đến tổ chức cácbit cùng tinh của GTCr Khi của hàm lượng titan tăng từ 0,21% đến 1,02%, khoảng cách giữa các cácbit cùng tinh giảm dần từ 55 µm xuống còn khoảng 37 µm. Các nhánh cây austenit cũng nhỏ mịn hơn làm cho các khối cùng tinh cũng có kích thước giảm dần từ 50 µm xuỗng còn 30 µm (hình 4.5). Hình 4.5: Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 1 theo chiều tăng lên của Ti, X500, tẩm thực màu ăn mòn cácbit, các mẫu đều sau nhiệt luyện 15 4.1.2 Ảnh hưởng của titan đến thể tích cácbit cùng tinh của gang trắng 13% crôm Khi Ti tăng tăng từ 0,21% lên 1,02% , hàm lượng cácbit cùng tinh giảm từ 15,4 % xuống 14,2% tức là giảm khoảng gần 8% về thể tích cácbit cùng tinh, giảm nguy cơ tạo khuyết tật trong cácbit. 4.1.3 Ảnh hưởng của Titan đến độ cứng gang crôm Ti được đưa vào gang crôm có tác dụng làm tăng độ cứng tế vi của nền và độ cứng thô đại của mẫu. Titan đồng thời cải thiện độ cứng nền theo hai phương thức: hòa tan vào austenit và cải thiện độ cứng với tư cách là nguyên tử chất tan gây nên xô lệch mạng làm tăng độ cứng cho dung môi. Phương thức thứ hai là tạo TiC phân bố trong nền austenit góp phần tăng cứng cho nền. Độ cứng pha nền tăng từ 495Hv đến 570HV khi Ti tăng từ 0,21% đến 1,02% 4.1.4 Ảnh hưởng của Ti đến độ chịu mòn Theo sự tăng lên của hàm lượng titan, khối lượng hao mòn của các hợp kim giảm dần. Với một tổ chức pha nền có độ cứng cao, với các hạt cácbit nhỏ mịn phân bố đồng đều, khi chịu lực ứng suất sẽ phân bố đồng đều trên toàn bề mặt, khả năng chống biến dạng tốt hơn, như vậy quá trình phá hủy sẽ trở nên khó khăn hơn và kết quả là khả năng chịu mòn của hợp kim sẽ tăng lên. 4.1.5. Ảnh hưởng của Ti đến độ dai va đập của GTCr 13% Độ dai va đập không chỉ phụ thuộc vào tổ chức nền mà còn phụ thuộc nhiều vào thể tích cácbit, sự phân bố, hình thái, kích thước các hạt cácbit. Hợp kim No.1(ứng với hàm lượng titan là 0,21%) có độ dai va đập thấp, chỉ đạt 5,1J.cm-2 ở mẫu đúc. Mẫu số 4 ( ứng với thành phần titan là 1,02%) độ dai va đập tăng lên tăng khoảng 30% so với mẫu số 1 và đạt 7J.cm-2 ở mẫu đúc và đạt 8,1J.cm-2 ở mẫu nhiệt luyện. 4.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố RE đến tổ chức cùng tinh, cơ tính của gang trắng crôm 13% 4.2.1. Sự kết tinh cùng tinh và sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong hệ gang 13% crôm 4.2.1.1. Sự kết tinh cùng tinh của gang trắng 13% Crôm Trong quá trình kết tinh, cùng tinh tạo nên bởi các pha austenit – cácbit có nhiệt độ nóng chảy thấp sẽ kết tinh sau và đi vào khu vực giữa các nhánh cây austenit, vì thế với một mạng nhánh cây austenit 16 nhỏ mịn và liên tục thì các pha cùng tinh không có cách gì khác, cũng trở nên nhỏ mịn và rời rạc. Như vậy có thể kết luận rằng hình thái, kích thước của các cácbit cùng tinh liên quan đến sự kết tinh austenit sơ cấp trong hệ gang trắng trước cùng tinh (hình 4.12). Nền ɣ Ô cùng tinh Hình 4.12. Ảnh hiển vi điện tử mô tả sự kết tinh của GTCr : austenit sơ cấp và cùng tinh M7C3 Hình 4.15 Hiển vi quang học chỉ ra cácbit M7C3 trong vùng cùng tinh, X1000 Pha cácbit cùng tinh kết tinh theo kiểu xuyên tâm, tức là ban đầu kết tinh trong tâm sau đó tỏa tròn ra ngoài, vì vậy cácbit gần tâm cùng tinh là nhỏ mịn nhất, càng ra xa khu vực cùng tinh cácbit thô dần (hình 4.15). Kích thước khối cùng tinh phản ánh độ mịn của cácbit cùng tinh. 4.2.1.2 Sự phân bố của các nguyên tố RE trong gang crôm Phổ phân tích EDS nền austenit nhánh cây của mẫu No.6 (có 0,1% RE) và No.9(có 0,8% RE) cho thấy sự có mặt của các nguyên tố đất hiếm như La, Ce và nguyên tố oxy. Có nhận xét là các nguyên tố đất hiếm có mặt trong gang dưới dạng các oxyt đất hiếm (CeO2, La2O3, Ce2O3..). 4.2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến tổ chức cùng tinh, thành phần cùng tinh và cơ tính của các hợp kim nhóm 3 4.2.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm tới tổ chức cùng tinh của hợp kim nhóm 3 Khi hàm lượng đất hiếm tăng từ 0,1% lên đến 0,8% thì kích thước của ô cùng tinh từ 55 µm giảm dần xuống còn 30 µm (hình 4.19) 17 Hình 4.19: Ảnh hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 3 theo chiều tăng của đất hiếm Hình 4.21: Cácbit M7C3 thô thay đổi khi tăng hàm lượng đất hiếm (từ 0,1% đến 0,8%), X 1000, tẩm thực ăn mòn cácbit 4.2.2.2. Ảnh hưởng của RE đến độ chịu mòn hệ hợp kim nhóm 3 Theo chiều tăng dần của đất hiếm, độ chịu mòn của các hợp kim tăng tương ứng. Cỡ hạt cácbit và sự phân bố của chúng ảnh hưởng chính đến khả năng chịu mòn. Sự có mặt các hạt cácbit nhỏ, mịn, ít liên tục cải thiện hành vi mòn trong điều kiện trượt khô vì trong quá trình trựợt, một lớp mỏng trên bề mặt chịu ứng suất tiếp xúc cao bị biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi. Với tổ chức cácbit nhỏ, ứng suất có thể truyền lên nền mà không gây ra sư phá hủy lớn. Khi các hạt