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

Hà Nội – 2014


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

Chuyên ngành:
Mã số:

Kỹ thuật Vật liệu
62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU


được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác.

TÁC GIẢ

Hoàng Thị Ngọc Quyên


i

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng biểu và hình vẽ
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Mở đầu
Chương 1: Cơ sở lý thuyết và tổng quan về gang trắng crôm
1. 1. Lịch sử phát triển của hệ vật liệu chịu mài mòn gang trắng crôm
1. 2. Tổ chức đúc của gang trắng crôm
1.2.1. Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C
1.2.2. Các loại cácbit trong gang trắng Crôm hợp kim với một số nguyên tố khác.
1.2.2.1. Phân loại cácbit
1.2.2.2. Tính chất cácbit trong hệ gang trắng crôm
1.2.2.3. Sự kết tinh của cácbit M7C3
1.2.3 Austenit trong gang trắng Crôm
1.2.3.1. Hình thái Austenit

i

13

1.3.4. Sự tạo thành hạt cùng tinh

17

1.3.5. Sự biến đổi tổ chức cùng tinh của gang trắng crôm.

20

1.3.5.1. Điều chỉnh thành phần hóa học

21

1.3.5.2. Tăng tốc độ nguội

21

1.3.5.3. Sự tạo mầm kết tinh

21
21

1.3.5.4. Sự biến tính
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.


crôm khi chịu tác động mài mòn và va đập đồng thời.
27
1.6. Ảnh hưởng của Titan đến gang trắng crôm.
1.7. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến gang trắng crôm

29

1.8. Các vấn đề cần hoàn thiện, phát triển và định hướng nghiên cứu của đề tài

33

Chương 2: Chế tạo mẫu và phương pháp nghiên cứu gang trắng 13% crôm

34

2.1. Chế tạo mẫu nghiên cứu

34

2.2. Nhiệt luyện mẫu nghiên cứu

36

2.3. Phương pháp nghiên cứu

37

2.3.1. Xác định thành phần hóa học

37



iii

3.3. Quá trình phá hủy của GT 13% crôm khi làm việc trong môi trường va đập cao
3.3.1. Mô phỏng quá trình chịu lực của bi chế tạo từ gang trắng crôm

48
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 58
13% Cr
58
4.1. Ảnh hưởng Ti
4.1.1. Sự tạo thành TiC từ gang lỏng và fero tiatan

58


74
4.2.2.2 Ảnh hưởng của RE đến độ chịu mòn của gang trắng 13% crôm
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 76
của gang trắng 13% crôm
76
4.3.1. Sự có mặt của Ti và RE trong các hợp kim nhóm 3
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

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
1.

Danh mục các bảng

Bảng 1.1 :
Bảng 1.2
Bảng 1.3:
Bảng 1.4:
Bảng 1.5:
Bảng 1.6:
Bảng 1.7:
Bảng 2.1:
Bảng 2.2:
Bảng 4.1:
Bảng 5.1:
Bảng 5.2:
Bảng 5.3:
Bảng 5.4
2.

Các hằng số thông số mạng của cácbit Cr7C3
Các thông số đặc trưng của cácbit
So sánh các thông số bề mặt lỏng của hai hệ Fe-Cr-C giả ổn định
Nhiệt độ nóng chảy của các nguyên tố RE và REO
Năng lượng tự do của các phản ứng hóa học giữa các nguyên tố đất hiếm với
Oxy và lưu huỳnh
Mối quan hệ giữa các thông số mạng của Ce2O2S với ɣ -Fe
Hệ số lệch δ giữa các mặt xếp chặt của oxyt đất hiếm Ce203 , Ce202S và pha ɣ-Fe.
Thành phần hóa học các mẫu nghiên cứu

Cấu trúc tinh thể của cementit
Cấu trúc dạng chuỗi của tinh thể cementit
Mối quan hệ giữa nguyên tử C và các nguyên tử kim loại bên cạnh C trong ô
mạng tinh thể Cr23C6
Hình thái của cácbit M7C3
6 hình thái của austenit nhánh cây tồn tại trong gang trắng
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hình thái nhánh cây austenit
Ảnh hưởng giữa hình thái nhánh cây và độ nứt, độ co ngót
So sánh năng lượng tự do của quá trình tạo thành hai giai đoạn cùng tinh
So sánh bề mặt lỏng của hai giản đồ pha hệ Fe-Cr-C giả ổn định
Mối quan hệ giữa hàm lượng Cr và C tới các vị trị trước cùng tinh, cùng tinh,
sau cùng tinh
Tổ chức ở trạng thái rắn của gang trắng crôm cao
Ảnh hưởng của C và Cr đến thể tích cácbit cùng tinh
Các loại cácbit cùng tinh trong gang crôm cao
Đường phân tích nhiệt DTA của gang crôm cao trước và sau cùng tinh


vi

Hình 1.18:
Hình 1.19:
Hình 1.20:
Hình 1.21:
Hình 1.22:
Hình 1.23:
Hình 1.24:
Hình 1.25:
Hình 1.26:
Hình 1.27:

Các thông số về kích thước của khối cùng tinh (mặt cắt ngang)
Ảnh hưởng của hàm lượng Crôm đến kích thước của các khối cùng tinh
Ảnh hưởng của Cr đến w(%Cr) theo các pha khác nhau trong gang trắng crôm,
w(C) = 2.0%
Ảnh hưởng của C đến w(% Cr) theo các pha khác nhau trong gang trắng crôm,
w(Cr) = 15%
Giản đồ pha hệ Fe –13%Cr-C –0,5% Ti
Tỷ lệ khối lượng của các pha rắn trong hệ Fe-C-Cr-Ti
Hình ảnh cấu trúc tinh thể của TiC và sự tương xứng của 2 mặt: (110)TiC và
cácbit M7C3
Sự lớn lên của M7C3 khi không có chất biến tính (I) và khi có chất biến tính (2)
Mối quan hệ hình học tinh thể của oxyt Ce2O2S và cácbit M7C3
Quy trình đúc mẫu cháy
Quá trình điền đầy kim loại vào khuôn đúc trong mẫu tự thiêu
Quy trình nhiệt luyện
Máy phân tích Rơnghen X’Pert Pro – Philip
Nguyên lý phát xạ tia X đặc trưng khi bắn phá (ion hóa) nguyên tử bởi điện tử
Thiết bị xác định độ cứng thô đại Mitutoyo
Máy đánh bóng Struers – Labopol 25
Máy hiển vi quang học Leica 4000
Thiết bị đo mài mòn Tribotech
Mẫu thử nghiệm và thiết bị thử va đập Chappy
Hình thái cácbit trong gang trắng 13% crôm
Phổ EDS các các vị trí khuyết tật: (a)- vị trí nền austenite, (b)-tại vị trí cácbit
chứa khuyết tật ( các vị trí phân tích đều trên cùng một mẫu)
Hình thái tổ chức hệ hợp kim nghiên cứu trước và sau nhiệt luyện
Hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mòn của gang 13% crôm (mẫu 11)
a: mẫu đúc
b: mẫu sau nhiệt luyện
Hiển vi quang học chụp bề mặt các cácbit mòn của gang trắng 13% crôm

Hình 4.14:
Hình 4.15:
Hình 4.16:
Hình 4.17:
Hình 4.18:
Hình 4.19:
Hình 4.20:

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
Bề mặt cácbit của gang trắng 13% crôm khi chịu va đập(các mẫu sau nhiệt
luyện, hiển vi quang học, X1000)
Bề mặt cácbit bị phá hủy của gang crôm 13% khi chịu va đập (hiển vi quang học,
X1000)
Bề mặt phá hủy 3 mẫu nhóm 3 (Ảnh hiển vi điện tử thứ cấp SEM)
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu số 1 ở trạng thái đúc (mẫu có 0,21%Ti)
Hiển vi điện tử, ảnh phân tích EDS (tại vị trí hạt nhỏ) ghi nhận sự xuất hiện các
hạt nhỏ màu đen trên nền là cácbit TiC của mẫu số 1 ( mẫu có 0,21% Ti )
Hiển vi quang học chụp bề mặt mẫu số No.1(0,23% Ti) và No.4 (1,02% Ti),
X 1000, tẩm thực mẫu ăn mòn cácbit, các mẫu đều ở trạng thái đúc
Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 1 theo chiều tăng lên của Ti
(Tăng dần từ 0,21% đến 1,02% ở mẫu 4), X200, tẩm thực màu ăn mòn cácbit,
các mẫu ở trạng thái đúc
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
Thể tích cácbit trong các hợp kim nhóm 1 theo sự tăng lên của hàm lượng Ti
Độ cứng thô đại các hợp kim nhóm 1 ứng với hàm lượng titan tăng từ 0,2% đến
1,02%; (1): mẫu đúc, (2): mẫu nhiệt luyện
Độ cứng tế vi pha nền các hợp kim nhóm 1 ứng với hàm lượng titan tăng từ 0,2%
đến 1,02%; (1): mẫu đúc, (2): mẫu nhiệt luyện

Hình 4.28:
Hình 4.29:
Hình 4.30:
Hình 4.31:
Hình 4.32:
Hình 4.33:
Hình 4.34:
Hình 4.35:
Hình 4.36:
Hình 4.37:
Hình 4.38:
Hình 5.1:
Hình 5.2:

Hình 5.3:

(X200, tẩm thực màu ăm mòn cácbit)
Cácbit M7C3 thô thay đổi khi tăng hàm lượng đất hiếm (từ 0,1% RE ở mẫu No.5
đến 0,8% RE ở mẫu No.8), X 1000, tẩm thực ăn mòn cácbit
Khối lượng hao mòn các mẫu đúc nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm lượng RE
Khối lượng hao mòn các mẫu nhiệt luyện nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm
lượng RE
Độ dai va đập các mẫu nhóm 2
Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu số 9
Hình ảnh phân tích mapping mẫu số No.11
Hình ảnh hiển vi điện tử thứ cấp mẫu số 10 (Mẫu có 0,23%Ti + 0,2%RE)
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)
Mối quan hệ giữa mặt tinh thể của ɣ-Fe và oxyt đất hiếm LaAlO3
a):Hiển vi quang học chỉ ra sự có mặt TiC trên các mẫu M7C3, mẫu số 11

Nguyên tố đất hiếm

RE:

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:

τxz:

Ứng suất cắt

HV:

Độ cứng Vicke (kg/mm2)

HRC:
rc:

Độ cứng Rockwell theo thang C
Bán kính nguyên tử đất hiếm

w(C): Hàm lượng cácbon
CE:

Cácbon đương lượng

Av:

Công va đập (J/mm2)

Ae:

Năng lượng biến dạng


x


cácbit M3C, 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
như: nghiên cứu quá trình kết tinh của gang crôm cao, nghiên cứu các cơ chế nứt vỡ, bong tróc
khi chịu va đập và mài mòn, nghiên cứu thay đổi hình thái cácbit, nghiên cứu sự chuyển biến
của pha nền khi nhiệt luyện.
Sự hao mòn khối lượng do sự mài mòn gây ra chỉ đơn giản phụ thuộc vào khả năng chịu
mài mòn của vật liệu, nhưng sự giảm khối lượng gây ra bởi bong tróc hoặc vỡ lại phụ thuộc
chủ yếu vào độ dai va đập của vật liệu. Thực tế là sự giảm khối lượng gây ra bởi bong tróc và
vỡ cao hơn nhiều so gây ra bởi sự mài mòn. Vì vậy rất nhiều nhà vật liệu học đã tập trung
nghiên cứu tăng độ dai va đập, tăng tuổi thọ làm việc loại vật liệu này.
Hệ gang crôm cao ở Việt Nam phát triển rất mạnh trong những năm gần đây, ứng dụng
nhiều trong các nghành khai thác xi măng và khoáng sản. Tuy nhiên các nhà sản xuất vẫn còn
đang lúng túng khi sản phẩm có chất lượng thấp, mài mòn nhanh, nứt vỡ bong tróc nhiều, tuổi
thọ làm việc thấp. Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của hệ gang crôm
cao, đề tài của luận án được lựa chọn với tên gọi “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”.
Mục đích của đề tài luận án:
Nghiên cứu ảnh hưởng của Ti và các nguyên tố có trong đất hiếm tới các hình thái tổ
chức 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 với mục đích tăng cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho
hệ gang crôm 13%.
Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án:
Làm sáng tỏ cơ chế phá hủy gang crôm cao và tác dụng của Ti và đất hiếm đến khả năng
chống phá hủy của gang crôm. Đặc điểm chung của gang crôm là cứng và giòn, độ dẻo dai
thấp, vì vậy khi sử dụng gang crôm vào môi trường mòn và va đập cao thì gang có tuổi thọ
làm việc không cao. Việc đưa titan và các nguyên tố có trong đất hiếm vào gang làm tăng tính
dẻo dai, tăng khả năng chịu mòn của gang. Ttitan và đất hiếm dễ dàng đưa vào gang lỏng. Khi
được đưa vào gang crôm, Ti kết hợp với cacbon rất mạnh, tạo raTiC. Trong quá trình kết tinh