BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HOÀNG THỊ NGỌC QUYÊN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TITAN VÀ NGUYÊN TỐ
ĐẤT HIẾM ĐẾN TÍNH CHẤT MÀI MÒN, ĐỘ DAI VA ĐẬP
CỦA GANG TRẮNG 13% CRÔM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
Mã số: 62520309
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Lê Thị Chiều
2. PGS. TS. Đinh Quảng Năng
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Lê Thị Chiều và GS.TS Đinh Quảng Năng,
những người Thày đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt
quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Đúc, Phòng thí nghiệm
Vật liệu Kim loại, các Bộ môn khác thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện
Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu đã
tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án.
Xin cảm ơn các Anh, Chị, Các bạn đồng nghiệp tại Viện Khoa học và Kỹ thuật
Vật liệu đặc biệt là Phòng thí nghiệm Công nghệ Vật liệu Kim loại và Phòng Thí
nghiệm Kim Tương của Bộ môn Vật liệu học- Xử lý nhiệt và Bề mặt, đã giúp đỡ tôi rất
Hoàng Thị Ngọc Quyên
i
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
i
Danh mục các bảng biểu và hình vẽ
V
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
X
Mở đầu
1
Chương 1: Cơ sở lý thuyết và tổng quan về gang trắng crôm
3
1. 1. Lịch sử phát triển của hệ vật liệu chịu mài mòn gang trắng crôm
3
1. 2. Tổ chức đúc của gang trắng crôm
4
1.2.1. Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C
4
1.2.2. Các loại cácbit trong gang trắng Crôm hợp kim với một số nguyên tố khác.
5
1.2.2.1. Phân loại cácbit
1.3.5.2. Tăng tốc độ nguội
21
1.3.5.3. Sự tạo mầm kết tinh
21
1.3.5.4. Sự biến tính
21
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của gang trắng Crôm.
22
1.4.1. Ảnh hưởng của sự phân bố các nguyên tố trong gang trắng crôm cao.
22
1.4.2. Ảnh hưởng của quá trình chế tạo
23
ii
1.4.3. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện gang crôm.
24
1.4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tổ chức pha nền
24
1.4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến hình thái cácbit:
24
1.4.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến độ cứng của hợp kim
24
1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của gang trắng crôm
25
1.5.1. Ảnh hưởng của hình thái, sự phân bố, kích thước các hạt cácbit đến quá trình
mòn trong điều kiện trượt có tải trọng của gang trắng crôm.
25
1.5.2. Ảnh hưởng của tổ chức pha nền tới sự hình thành vết nứt của gang trắng
crôm khi chịu tác động mài mòn và va đập đồng thời.
26
40
40
2.3.7. Nghiên cứu, đánh giá quá trình mài mòn
41
2.3.8. Nghiên cứu quá trình phá hủy mẫu do va đập
41
2.3.9. Xác định tổng hàm lượng cácbit cùng tinh
42
Chương 3: Nghiên cứu quá trình phá hủy của gang trắng 13% crôm khi làm việc
trong môi trường trượt và va đập tải trọng cao
43
3.1. Đặc điểm của hệ gang trắng 13% crôm
43
3.2 Quá trình mòn của gang trắng 13% crôm khi làm việc trong môi trường trượt có tải
45
iii
3.3. Quá trình phá hủy của GT 13% crôm khi làm việc trong môi trường va đập cao
48
3.3.1. Mô phỏng quá trình chịu lực của bi chế tạo từ gang trắng crôm
48
3.3.1.1. Bài toán mô phỏng
48
3.3.1.2 Kết quả của quá trình mô phỏng sự va đập của bi
50
3.3.2. Sự phát triển vết nứt và sự gãy vỡ, bong tróc của gang trắng 13% crôm
52
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của titan, các nguyên tố đất hiếm đến hệ gang
13% Cr
58
4.2.2.2 Ảnh hưởng của RE đến độ chịu mòn của gang trắng 13% crôm
74
4.2.2.3. Ảnh hưởng của RE đến độ dai va đập
75
4.3. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến sự phân bố, hình thái, kích thước cácbit
của gang trắng 13% crôm
76
4.3.1. Sự có mặt của Ti và RE trong các hợp kim nhóm 3
76
4.3.2. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến tổ chức gang crôm nhóm 3
79
4.3.3. Ảnh hưởng đồng thời của titan và đất hiếm đến thể tích cácbit cùng tinh
82
4.3.4. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến độ cứng của các hợp kim nhóm 3
82
iv
4.3.5. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến độ mài mòn
83
4.3.6. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến độ dai va đập
84
Chương 5: Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến tổ chức, cơ tính của hệ gang
13% crôm
87
5.1. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện tới tổ chức pha nền trong gang crôm nghiên
cứu
87
5.2 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến thể tích cácbit trong hệ hợp kim nghiên
cứu
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
1. Danh mục các bảng
Bảng 1.1 :
Các hằng số thông số mạng của cácbit Cr
7
C
3
Bảng 1.2
Các thông số đặc trưng của cácbit
Bảng 1.3:
So sánh các thông số bề mặt lỏng của hai hệ Fe-Cr-C giả ổn định
Bảng 1.4:
Nhiệt độ nóng chảy của các nguyên tố RE và REO
Bảng 1.5:
Năng lượng tự do của các phản ứng hóa học giữa các nguyên tố đất hiếm với
Oxy và lưu huỳnh
Bảng 1.6:
Mối quan hệ giữa các thông số mạng của Ce
2
O
2
S với ɣ -Fe
Bảng 1.7:
Hệ số lệch δ giữa các mặt xếp chặt của oxyt đất hiếm
Ce
2
Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C của Jackson
Hình 1.3:
Cấu trúc tinh thể NaCl
Hình 1.4:
Cấu trúc tinh thể của cementit
Hình 1.5:
Cấu trúc dạng chuỗi của tinh thể cementit
Hình 1.6:
Mối quan hệ giữa nguyên tử C và các nguyên tử kim loại bên cạnh C trong ô
mạng tinh thể Cr
23
C
6
Hình 1.7:
Hình thái của cácbit M
7
C
3
Hình 1.8:
6 hình thái của austenit nhánh cây tồn tại trong gang trắng
Hình 1.9:
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hình thái nhánh cây austenit
Hình 1.10:
Ảnh hưởng giữa hình thái nhánh cây và độ nứt, độ co ngót
Hình 1.11:
So sánh năng lượng tự do của quá trình tạo thành hai giai đoạn cùng tinh
Hình 1.12:
So sánh bề mặt lỏng của hai giản đồ pha hệ Fe-Cr-C giả ổn định
Hình 1.24:
Ảnh hưởng của Cr đến w(%Cr) theo các pha khác nhau trong gang trắng crôm,
w(C) = 2.0%
Hình 1.25:
Ảnh hưởng của C đến w(% Cr) theo các pha khác nhau trong gang trắng crôm,
w(Cr) = 15%
Hình 1.26:
Giản đồ pha hệ Fe –13%Cr-C –0,5% Ti
Hình 1.27:
Tỷ lệ khối lượng của các pha rắn trong hệ Fe-C-Cr-Ti
Hình 1.28:
Hình ảnh cấu trúc tinh thể của TiC và sự tương xứng của 2 mặt: (110)
TiC
và
cácbit M7C3
Hình 1.29:
Sự lớn lên của M
7
C
3
khi không có chất biến tính (I) và khi có chất biến tính (2)
Hình 1.30:
Mối quan hệ hình học tinh thể của oxyt Ce
2
O
2
S và cácbit M
7
C
3
a: mẫu đúc b: mẫu sau nhiệt luyện
Hình 3.5:
Hiển vi quang học chụp bề mặt các cácbit mòn của gang trắng 13% crôm
Hình 3.6:
Bề mặt mòn của các mẫu gang crôm nghiên cứu với sự phân bố cácbit mịn dần
Hình 3.7:
Hình ảnh mô phỏng quá trình thử nghiệm va đập bi nghiền
Hình 3.8:
Mô hình hình học của bài toán mô phỏng quá trình va đập của bi
Hình 3.9:
Sự phân bố ứng suất quá trình va đập bi nghiền
Hình 3.10:
Trường phân bố ứng suất của quá trình va đập bi nghiền
Hình 3.11:
Bề mặt các mẫu gang crôm khi chưa có tác động va đập
vii
Hình 3.12:
Hiển vi quang học (a), (X1000, tẩm thực sâu ), hiển vi điện tử thứ cấp (b) chụp bề
mặt mẫu 10 ở trạng thái đúc
Hình 3.13:
Bề mặt cácbit của gang trắng 13% crôm khi chịu va đập(các mẫu sau nhiệt
luyện, hiển vi quang học, X1000)
Hình 3.14:
Bề mặt cácbit bị phá hủy của gang crôm 13% khi chịu va đập (hiển vi quang học,
X1000)
Hình 3.15:
Bề mặt phá hủy 3 mẫu nhóm 3 (Ảnh hiển vi điện tử thứ cấp SEM)
Hình 4.1:
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu số 1 ở trạng thái đúc (mẫu có 0,21%Ti)
Độ dai va đập của các mẫu nhóm 1 ( các mẫu đúc và nhiệt luyện)
Hình 4.12:
Ảnh hiển vi điện tử mô tả sự kết tinh của gang crôm 13% : austenit sơ cấp và
cùng tinh M
7
C
3
Hình 4.13:
Sự phân bố cácbit M
7
C
3
cùng tinh hoàn chỉnh ở khi vực bên trong các nhánh cây
[6]
Hình 4.14:
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu số 4 ở trạng thái đúc
Hình 4.15:
Hiển vi quang học chỉ ra sự kết tinh của các cácbit M
7
C
3
cùng tinh, mẫu 6,
X1000
Hình 4.16:
EDS cácbit khu vực trung tâm cùng tinh (a), khu vực xa trung tâm (b) mẫu 6
Hình 4.17:
Cácbit M
7
C
Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu số 9
Hình 4.26:
Hình ảnh phân tích mapping mẫu số No.11
Hình 4.27:
Hình ảnh hiển vi điện tử thứ cấp mẫu số 10 (Mẫu có 0,23%Ti + 0,2%RE)
Hình 4.28:
Kết quả phân tích EDS nền austenit nhánh cây của mẫu No.10 (a) và No.11(b)
và No.12 (c) ( Tại vị trí ranh giới cácbit/nền)
Hình 4.29:
Mối quan hệ giữa mặt tinh thể của ɣ-Fe và oxyt đất hiếm LaAlO
3
Hình 4.30:
a):Hiển vi quang học chỉ ra sự có mặt TiC trên các mẫu M
7
C
3
, mẫu số 11
(b): Mối quan hệ giữa mặt tinh thể của TiC và M7C3
Hình 4.31:
Ảnh tổ chức tế vi của các 3 mẫu nhóm 4 ở trạng thái đúc, X500
Hình 4.32:
Ảnh tổ chức tế vi của các 3 mẫu nhóm 3 ở trạng thái nhiệt luyện sự tăng lên của
hàm lượng titan và đất hiếm, X500
Hình 4.33:
Thể tích cácbit cùng tinh trong các hợp kim nhóm 3
Hình 4.34:
Độ cứng thô đại của các hợp kim nhóm 3 theo sự tăng lên của Ti và RE
Hình 4.35:
Độ cứng tế vi (HV
ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các chữ viết tắt
Cr: Nguyên tố crôm
C: Nguyên tố cácbon
GTCr: Gang trắng crôm
RE: Nguyên tố đất hiếm
REO: Oxyt đất hiếm
EDS: Phổ phân tán tia X theo năng lượng(Energy Dispersive Spectroscopy
SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
XRD: Nhiễu xạ tia X
SC: Cácbit thứ cấp
Au: Austenit
M: Mactenxit
2. Các ký hiệu
bcc: Lập phương tâm khối
fcc: Lập phương tâm mặt
L: Pha lỏng
α: Pha ferit
ɣ: Pha austenit
: Hệ số chênh lệch giữa hai loại mạng tinh thể
ΔG: Năng lượng tự do (J/mol)
θ: Góc giữa hai mặt tinh thể
σ
xx
: Ứng suất cắt
σ
zz
1
MỞ ĐẦU
Gang crôm cao được biết tới như một vật liệu chịu mòn tốt và được ứng dụng rộng rãi
trong các nghành khai thác khoáng sản, nghành công nghiệp xi măng, công nghiệp luyện kim.
Tính chịu mòn của hệ hợp kim này có được là do sự hiện diện của các cácbit cứng trên nền
mềm austenit/mactenxit. Với hàm lượng crôm thấp, gang trắng crom có cácbit M
3
C dạng lưới.
Khi hàm lượng crôm vượt quá 12% thì các cácbit M
3
C dạng lưới liên kết chuyển sang dạng
cácbit M
7
C
3
rời rạc có dạng que hoặc dạng tấm. Các cácbit M
7
C
3
có độ bền cao hơn hẳn các
cácbit M
3
C, vì thế gang trắng với hàm lượng crôm vượt quá 12% có độ dai va đập, độ chịu
mòn cao hơn hẳn so với gang có hàm lượng crôm thấp.
Cácbit trong gang crôm cao đóng vai trò chính trong quá trình chống lại sự mài mòn. Có
rất nhiều nghiên cứu xoay quanh vấn đề làm thế nào để tăng cơ tính cho hệ gang crôm cao
của gang, TiC là cácbit kết tinh đầu tiên, trước cácbit crôm, các cácbit sắt, bên cạnh đó TiC có
thể làm tâm mầm cho các pha cácbit M
7
C
3
. Các nguyên tố đất hiếm có điểm chảy thấp, có ái
lực mạnh với oxy, 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, làm tâm dị thể
cho các pha cácbit M
7
C
3
và pha austenit sơ cấp. Nhờ đó tổ chức gang crôm khi có thêm đất
hiếm trở nên nhỏ mịn đi rất nhiều.
2
Phương pháp nghiên cứu:
- Tập hợp tài liệu về gang hợp kim trong và ngoài nước
- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp tổng hợp, đánh giá phân tích,
phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm…
Nội dung và bố cục của luận án:
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án được trình bày trong 5 chương:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết và tổng quan về gang trắng crôm.
Chương 2: Chế tạo mẫu và phương pháp nghiên cứu gang trắng 13% crôm
Chương 3: Nghiên cứu quá trình phá hủy của gang trắng crôm khi làm việc trong môi trường
mài mòn và va đập tải trọng cao
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của titan, nguyên tố đất hiếm và hỗn hợp (titan + đất hiếm)
đến tổ chức, cơ tính của gang trắng 13% crôm.
Chương 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến tổ chức, cơ tính của hệ hợp
kim gang trắng 13% crôm
gang trắng crôm cao. Trong tổ chức ở trạng thái đúc của gang trắng crôm có một số lượng lớn
cácbit làm cho các gang này rất cứng nhưng giòn, rất khó gia công. Gang crôm cao có tính
chống mài mòn, độ dai va đập , tính chống ăn mòn tốt. Trong môi trường axit, gang có thành
phần crôm khoảng 28% có tính chống ăn mòn tốt hơn tính chống mài mòn của gang có thành
phần (Cr) = 15%. Khi tăng hàm lượng crôm và giảm hàm lượng cácbon, có thể tăng được khả
năng chống ăn mòn cho gang.
Trong gang trắng crôm, crôm chỉ hoà tan trong sắt một lượng nhỏ, phần lớn còn lại kết
hợp với cácbon tạo ra các loại cácbít có tính chất khác nhau tùy thuộc vào thành phần và hàm
lượng. Khi hàm lượng crôm nhỏ hơn 7% thì tạo ra cácbit M
3
C
liên kết dạng lưới, có độ bền
thấp. Hàm lượng crôm lớn hơn 11% thì tạo ra cácbit M
7
C
3
hình thái thay đổi, phân bố rời rạc,
ít liên tục dẫn đến độ bền cao hơn gang có 7% crôm. Cơ tính của loại vật liệu này đạt giá trị
cao nhất khi hàm lượng crôm từ 12 -19%. Hàm lượng crôm vượt quá 25%, hình thành cácbit
sau cùng tinh có hình dạng hình kim thô to làm cơ tính của hợp kim giảm đi rõ rệt. Tuy nhiên
khi tăng hàm lượng crôm, khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa tăng. Hầu hết gang côm
được sử dụng nhiều hiện nay có hàm lượng crôm trong khoảng 11% - 23% và tỷ lệ Cr/C trong
khoảng từ 4 – 8.
Có rất nhiều nghiên cứu về gang trắng crôm cao trong hơn bốn thập kỷ qua. Các nghiên
cứu tập trung nhất là các vấn đề: hợp kim hóa gang trắng crôm với các nguyên tố như Ti, Mn,
Mg, Ni, Cu, Al, biến đổi tổ chức gang trắng bằng các nguyên tố đất hiếm, quá trình xử lý
nhiệt, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đó tới tổ chức đông đặc, nghiên cứu số lượng, loại
cácbit, sự thay đổi của nền….Tất cả các nghiên cứu đó đều có mục đích tìm hiểu sự thay đổi
tổ chức dẫn đến thay đổi tính chất, mà chủ yếu là cơ tính của vật liệu, nhất là khả năng tăng độ
giàu sắt trên hình 1.1:
Tóm tắt sơ lược các phản ứng tại một số nhiệt độ khác nhau như sau:
- Điểm U
1
trên giản đồ có phản ứng ứng xảy ra ở nhiệt độ 1289
0
C với thành phần Crôm >
30% , 3% C như sau:
L + α- Fe γ + M
7
C
3
[1.1]
- Điểm U
2
trên giản đồ (1183
0
C) có phản ứng với thành phần crôm <10%, %C>4%:
3
) bị đường cùng tinh cắt ra thành hai phần. Phần bên trái
đường cùng tinh là gang trắng crôm trước cùng tinh, phần bên phải là gang trắng crôm sau
cùng tinh.
Trong gang trắng, crôm là một nguyên tố tạo cácbit mạnh, tỷ lệ giữa crôm với cacbon
(Cr/C) và hàm lượng cácbon sẽ quyết định đến sự hình thành loại cácbit, từ đó quyết định cơ
tính của gang. Khi tỷ lệ giữa Cr/C thấp (<3,5) dễ hình thành cacbit dạng M
3
C có độ cứng và
độ bền thấp do vậy gang có tính bền và tính chịu mài mòn kém. Khi tỷ lệ giữa Cr/C > 10,2 dễ
hình thành ra cácbit M
23
C
6
, cacbit này dễ phân huỷ trong quá trình nhiệt luyện. Cácbit cho độ
bền, cơ tính và mài mòn tương đối cao là cácbit M
7
Cấu trúc mạng của chúng có thể là một trong các loại sau: mạng tâm mặt, mạng tâm
diện, mạng lục giác xếp chặt hoặc tổng hợp các loại mạng trên. Nếu lỗ trống trong mạng tinh
thể của nguyên tử đủ lớn để chứa nguyên tử cácbon thì một cấu trúc xếp chặt đơn giản được
tạo thành; tỷ lệ giữa bán kính của nguyên tử cácbon( r
C
) và bán kính nguyên tử kim loại cơ sở
(r
M
): r
C
/r
M
sẽ quyết định loại cácbit nào được tạo thành.
1.2.2.1 Phân loại cácbit
- Cácbit MC
Cácbit có cấu trúc đơn giản xếp chặt: khi tỷ số r
c
/r
M
=0.59, nguyên tử cácbon được định
vị vào lỗ trống của mạng đơn giản tạo thành pha xen kẽ, pha xen kẽ mới tạo thành có mạng
khác với mạng tinh thể kim loại ban đầu. Các nguyên tố Mo, W, V, Ti, Nb và Zr đều thuộc về
loại kim loại này. Các cácbit tạo thành bao gồm: WC, VC, TiC, NbC, ZrC. Nếu kim loại M
trong cacbit dạng MC có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt đơn giản thì tất cả các lỗ trống
được lấp đầy bởi nguyên tử cácbon vì tỷ số M : C = 1 : 1. Mạng tinh thể là kiểu mạng NaCl
như hình 1.3:
Các cácbit của Cr, Fe, Mn thuộc về các cấu trúc xếp chặt như vậy. Trong hệ gang trắng không
có nguyên tố hợp kim, cácbit ở dạng cementit. Cấu trúc tinh thể của cementit là mạng trực
giao cùng thông số mạng a = 0.45144 nm, b = 0.50787 nm, c = 0.67287 nm [13]. Cấu trúc
mạng tinh thể của cementit được trình bầy trong hình 1.4.
Xung quanh một nguyên tử cacbon là 6 nguyên tử sắt tạo thành một khối tám mặt. Tất
cả các trục của khối tám mặt này bị nghiêng một góc so với trục khác để tạo thành khối tinh
thể sáu mặt thoi. Vì mỗi khối tám mặt đều có một nguyên tử cácbon và mỗi một nguyên tử sắt
phải chia giữa hai khối tám mặt, tỷ lệ nguyên tử của sắt và cácbon trong phân tử M
3
C là hoàn
toàn chính xác. Hình chiếu khối tám mặt của cementit là một hình thoi cấu trúc chuỗi (như
hình 1.5). Khi quan sát toàn thể cấu trúc của cementit, các khối tám mặt có sự phân lớp rõ
ràng, song song giữa các khối. Trong mỗi tinh thể khối mặt thoi các nguyên tử Fe-C được kết
nối bởi một liên kết cộng hóa trị, liên kết cộng hóa trị được thực hiện bởi các điện tử đồng hóa
trị của 4 nguyên tử cácbon và điện tử ở lớp 3-d của nguyên tử sắt gần nhau ở đỉnh của khối
mặt thoi.
Hình 1.3 : Cấu trúc tinh thể NaCl
7
7
C
3
với 56 nguyên tử Cr với 24 nguyên tử C và
Cr
7
C
3
tồn tại ở 3 cấu trúc tinh thể: Lục giác xếp chặt, hệ trực thoi, khối bát diện với các thông
số mạng được trình bày trong bảng 1.1:
Loại mạng tinh thể
Thông số mạng (nm)
Tỷ trọng (g•cm
-3
)
Lục giác
a = 0.688
b = 0.454
6.92
Tám mặt
a = 0.454
b = 0.688
c = 1.194
Trực thoi
a = 1.398; b = 0.452
- Loại cácbit M
23
C
6
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.
Cacbit mang đặc tính của kim loại, có độ dẫn nhiệt cao. Độ dẫn điện giảm khi giảm nhiệt độ.
Khi tạo thành cacbit, các điện tử cácbon điền vào lớp vỏ 3-d của nguyên tử kim loại làm cho
cácbit có đặc tính như kim loại.
Nhiệt độ nóng chảy cao và độ cứng cao là những đặc tính quan trọng của cacbit. Điều
đó có được do cácbit được tạo thành bởi lực liên kết đồng hóa trị mạnh mẽ từ một điện tử lớp
p của nguyên tử cacbon và một điện tử lớp d của nguyên tử kim loại. Chỗ trống không được
lấp đầy ở lớp vỏ d càng nhiều thì liên kết đồng hóa trị càng mạnh, điểm chảy và độ cứng càng
cao.
Bảng 1.2 đưa ra các thông số đặc trưng cơ bản của một số cácbit. Trong số các cácbit,
loại cácbit MC có độ cứng cao nhất, tiếp theo là M
7
C
3
còn M
3
C có độ cứng thấp nhất. Ngoài
độ cứng cao, MC còn có khả năng chống oxy hóa cao, do đó trong điều kiện mài mòn dưới
nhiệt độ cao thì cacbit MC cho giá trị cao nhất [66].
Bảng 1.2: Các thông số đặc trưng của cácbit [66]
Cacbit
Loại mạng
Thông số mạng
nm
Điểm chảy
Độ cứng HV
Fe
3
a = 0.30
2600
1500
Hình 1.6: Mối quan hệ giữa nguyên tử cácbon và các nguyên tử kim loại bên cạnh
nguyên tử cácbon trong ô mạng tinh thể Cr
23
C
6
9
c/a = 0.158
W
2
C
Lập phương
a = 0.298
c/a = 0.1578
2750
2060
WC
bcc
a = 0.2901
2867
2400
VC
fcc
a = 0.4130
2830
2800
3
Gang có thành phần crôm lớn hơn 10%, cácbit tạo thành chủ yếu là M
7
C
3
. Các công
trình nghiên cứu ghi nhận sự phát triển của M
7
C
3
. M
7
C
3
phát triển theo hai hình thái: hình que
và hình tấm. Khi M
7
C
3
có cấu trúc tinh thể là lục giác thì hình thái thu được sẽ là hình que,
nếu cấu trúc tinh thể của M
7
C
3
là khối trực thoi hay khối bát diện thì hình thái thu được sẽ là
dạng tấm.
Hầu hết các cacbít sơ cấp trong gang trắng crôm cao sau cùng tinh phát triển theo cấu
trúc tinh thể lục giác xếp chặt. Do tính dị hướng rất rõ của tinh thể lục giác, tinh thể cacbít sơ
cấp phát triển chủ yếu theo hướng [0001], tạo thành một tinh thể lục giác có dạng hình que
3
sơ cấp thô
hơn so với cácbit cùng tinh. Đặc điểm này của cácbit M
7
C
3
khác xa với graphit tấm có lượng
phân nhánh lớn. Bề mặt tinh thể lục giác có dạng hình que của cácbit M
7
C
3
rất nhẵn, do vậy
sự phát triển của tinh thể này
theo kiểu xuyên tâm như là tinh thể được bao bọc bởi bề mặt
Hình 1.7 : Hình thái của cácbit M
7
C
3
Cácbit sơ
cấp M
7
C
3
10
của nó. Khi chất lỏng kết tinh, tổ chức cùng tinh kèm theo một lượng nhỏ co ngót, do vậy
những khuyết tật đúc thông thường được quan sát thấy bên trong đơn tinh thể lục giác, nhất là
ở cácbit M
trắng thường, gang trắng crôm thấp, gang trắng trước cùng tinh, tất cả sẽ kết tinh bắt đầu từ bề
mặt, xuyên vào tâm theo kiểu điển hình của quá trình đông đặc dạng cột.
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 hình thái:
+ 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.
Hình thái của austenite sơ cấp liên quan trực tiếp đến sự kết tinh của nó. Gang trắng
thường được kết tinh với chế độ tạo mầm ngoại sinh (ví dụ mầm tinh thể được hình thành và
phát triển tại thành khuôn). Các tinh thể nhánh cây sơ cấp tạo thành chủ yếu theo cấu trúc định
hướng. Đối với gang trắng đông đặc trong điều kiện tự sinh (tạo và phát triển mầm tinh thể
trong bể kim loại lỏng), tổ chức đông đặc có dạng loại hai (nhánh cây đều trục)
R. Döpp [21] đã chia hình thái nhánh cây của gang trắng thành 6 loại phát triển nhánh
cây austenit sơ cấp như trong hình 1.8:
a, Dễ nứt b, Khó co ngót nứt
Hình 1.10 : Ảnh hưởng giữa hình thái nhánh cây và độ nứt, độ co ngót [17]
Ngoại sinh
Tự sinh
Hướng nứt
Copyright: Tài liệu đại học ©