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 luận án tiến sỹ

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: 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

nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của luận án này.
Tôi gửi lời biết ơn sâu sắc tới Công ty Đúc Thắng Lợi – Thành phố Nam Định đã
tận tình tài trợ và giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của
luận án.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè, gia đình và người thân đã
luôn ở bên, động viên và khích lệ tôi để tôi sớm hoàn thành luận án.













LỜI CAM ĐOAN


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
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
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

6
1.2.2.2. Tính chất cácbit trong hệ gang trắng crôm
8
1.2.2.3. Sự kết tinh của cácbit M
7
C
3
9
1.2.3 Austenit trong gang trắng Crôm
10
1.2.3.1. Hình thái Austenit
10
1.2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái của austenite sơ cấp
11
1.2.3.3. Ảnh hưởng của hình thái Austenit sơ cấp đến các khuyết tật của gang trắng
11
1.3 Sự đông đặc và kết tinh cùng tinh của gang trắng crôm cao
12
1.3.1. Nhiệt động học và động học của sự kết tinh của cùng tinh trong gang trắng
12
1.3.2. Phân tích sự đông đặc của hệ hợp kim Fe-Cr-C
12
1.3.3. Sự tiết ra cácbit cùng tinh
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
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

1.6. Ảnh hưởng của Titan đến gang trắng crôm.
27
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
2.3.2. Xác định thành phần pha
2.3.3 Xác định sự phân bố không gian của các nguyên tố hóa học (phương pháp
mapping)
2.3.4. Xác định độ cứng
2.3.4.1. Xác định độ cứng thô đại Rockwell
2.3.4.2. Xác định độ cứng tế vi
37
38

39
39
39
2.3.5. Nghiên cứu độ cùng tinh các mẫu nghiên cứu
2.3.6. Nghiên cứu tổ chức

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

4.1. Ảnh hưởng Ti
58
4.1.1. Sự tạo thành TiC từ gang lỏng và fero tiatan
58
4.1.2. Ảnh hưởng của titan đến tổ chức cácbit cùng tinh của gang trắng 13% crôm
60
4.1.3. Ảnh hưởng của Ti đến thể tích cacsbit cùng tinh của gang trắng 13% Cr
4.1.4. Ảnh hưởng của Titan đến độ cứng gang crôm
62
63
4.1.5. Ảnh hưởng của titan đến độ chịu mòn
64
4.1.6. Ảnh hưởng của Titan đến độ dai va đập của gang crôm 13%
66
4.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến tổ chức cùng tinh, cơ tính của gang
trắng crôm 13%
67
4.2.1. Sự kết tinh cùng tinh và sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong hệ
gang 13% crôm
67
4.2.1.1 Sự kết tinh cùng tinh của gang trắng 13% crôm
67
4.2.1.2 Sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong gang trắng crôm
68
4.2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến tổ chức cùng tinh, đến thành
phần cùng tinh và cơ tính của gang trắng 13% crôm
71
4.2.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm tới tổ chức cùng tinh của
gang trắng 13% crôm
71

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

89
5.3 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng hệ hợp kim nghiên cứu
90
5.4 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến khả năng chịu mòn của hệ gang 13%
crôm nghiên cứu
91
5.5 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ dai va đập của gang crôm 13%
92
Kết luận chung
95
Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án đã công bố
96
Tài liệu tham khảo
97















v

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

0
3
, Ce
2
0
2
S và pha ɣ-Fe.
Bảng 2.1:
Thành phần hóa học các mẫu nghiên cứu
Bảng 2.2:
Hệ số tác động của nguyên tố hợp kim với Cácbon và titan
Bảng 4.1:
Các thông số mạng tương ứng giữa (110)
TiC
và (010)
M7C3
[70]
Bảng 5.1:
Thành phần thể tích cácbit các mẫu đúc và nhiệt luyện tương ứng
Bảng 5.2:
Độ cứng thô đại, độ cứng tế vi nền của các mẫu đúc và nhiệt luyện tương ứng
Bảng 5.3:
Khối lượng hao mòn của các hợp kim nghiên cứu ở trạng thái đúc và nhiệt luyện
Bảng 5.4
Độ dai va đập các hợp kim ở trạng thái đúc và nhiệt luyện tương ứng

2. Danh mục các hình và đồ thị
Hình 1.1:
Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C
Hình 1.2:

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 1.13:
Mối quan hệ giữa hàm lượng Cr và C tới các vị trị trước cùng tinh, cùng tinh,
sau cùng tinh
Hình 1.14:
Tổ chức ở trạng thái rắn của gang trắng crôm cao
Hình 1.15:
Ảnh hưởng của C và Cr đến thể tích cácbit cùng tinh
Hình 1.16:
Các loại cácbit cùng tinh trong gang crôm cao
Hình 1.17:
Đường phân tích nhiệt DTA của gang crôm cao trước và sau cùng tinh
vi

Hình 1.18:
Ảnh hưởng của hàm lượng crôm đến sự không đồng nhất của cácbit cùng tinh
Hình 1.19:
Ảnh hưởng của Mo đến đường DTA của gang Crôm với w (Cr) = 20%
Hình 1.20:
Hình dạng của các khối cùng tinh (M
7
C
3
+austenite) của gang trắng trước cùng
tinh
Hình 1.21:
Cấu trúc một khối cùng tinh của gang trắng Crôm cao trước cùng tinh
Hình 1.22:
Các thông số về kích thước của khối cùng tinh (mặt cắt ngang)
Hình 1.23:
Ảnh hưởng của hàm lượng Crôm đến kích thước của các khối cùng tinh

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

Hình 2.1:
Quy trình đúc mẫu cháy
Hình 2.2:
Quá trình điền đầy kim loại vào khuôn đúc trong mẫu tự thiêu
Hình 2.3:
Quy trình nhiệt luyện
Hình 2.4:
Máy phân tích Rơnghen X’Pert Pro – Philip
Hình 2.5:
Nguyên lý phát xạ tia X đặc trưng khi bắn phá (ion hóa) nguyên tử bởi điện tử
Hình 2.6:
Thiết bị xác định độ cứng thô đại Mitutoyo
Hình 2.7:
Máy đánh bóng Struers – Labopol 25
Hình 2.8:
Máy hiển vi quang học Leica 4000
Hình 2.9
Thiết bị đo mài mòn Tribotech
Hình 2.10
Mẫu thử nghiệm và thiết bị thử va đập Chappy
Hình 3.1:
Hình thái cácbit trong gang trắng 13% crôm
Hình 3.2:
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 3.3:
Hình thái tổ chức hệ hợp kim nghiên cứu trước và sau nhiệt luyện
Hình 3.4:
Hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mòn của gang 13% crôm (mẫu 11)

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)

Hình 4.2:
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 )
Hình 4.3:
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
Hình 4.4:
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
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
Hình 4.6:
Thể tích cácbit trong các hợp kim nhóm 1 theo sự tăng lên của hàm lượng Ti
Hình 4.7:
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
Hình 4.8:
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 4.9:
Khối lượng hao mòn của 4 mẫu đúc nhóm 1 theo lượng tăng dần của titan (các
mẫu được mài trên cùng một chế độ: tốc độ trượt, khoảng cách trượt, cùng vật
liệu mài )
Hình 4.10:
Khối lượng hao mòn của 4 mẫu nhiệt luyện nhóm 1 theo lượng tăng dần titan,
(các mẫu được mài trên cùng một chế độ: tốc độ trượt, khoảng cách trượt, cùng
vật liệu mài )
Hình 4.11:

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

3
thô nằm xa trung tâm cùng tinh, mẫu sau đúc
Hình 4.18:
Phổ EDS tại vị trí pha nền của mẫu No.7, mẫu số 9
Hình 4.19:
Cácbit M
7
C
3
thô nằm xa trung tâm cùng tinh, mẫu sau đúc
Hình 4.20:
Ảnh hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 2 theo chiều tăng của đất hiếm
viii

(X200, tẩm thực màu ăm mòn cácbit)
Hình 4.21:
Cácbit M
7
C
3
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
Hình 4.22:
Khối lượng hao mòn các mẫu đúc nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm lượng RE
Hình 4.23:
Khối lượng hao mòn các mẫu nhiệt luyện nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm
lượng RE
Hình 4.24:
Độ dai va đập các mẫu nhóm 2
Hình 4.25:

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

100
) của nền các mẫu nhóm 3
Hình 4.36:
Bảng đồ thị đo khối lượng hao mòn với 3 mẫu ở trạng thái đúc với quãng
đường 2km dưới các tải khác nhau
Hình 4.37:
Bảng đồ thị đo khối lượng hao mòn với 3 mẫu nhiệt luyện với quãng đường
2km dưới các tải khác nhau
Hình 4.38:
Độ dai va đập các hợp kim nhóm 3 ở trạng thái đúc và nhiệt luyện.
Hình 5.1:
Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 1 (hình 5.1a) và nhóm 3(hình 5.1
b)
Hình 5.2:
Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 3 sau nhiệt luyện (hình 4. a , sử
dụng dung dịch tẩm thực VILLA’S, hình 4. b, tẩm thực màu ăn mòn cácbit),
X1000
Hình 5.3:
Sự tiết cácbit thứ cấp của 3 mẫu đặc trưng cho 3 nhóm gang crôm 13% nghiên
cứu sau nhiệt luyện, X1000, tẩm thực ăn mòn cácbit

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

: Ứng suất nén
τ
xz
: Ứng suất cắt
HV: Độ cứng Vicke (kg/mm
2
)
HRC: Độ cứng Rockwell theo thang C
r
c
: Bán kính nguyên tử đất hiếm
w(C): Hàm lượng cácbon
CE: Cácbon đương lượng
A
v
: Công va đập (J/mm
2
)
A
e
: Năng lượng biến dạng
x

A
w
: Động năng
D: Hệ số khuếch tán
Q: Năng lượng khuếch tán
ΔT: Độ quá nguội
T: Nhiệt độ

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

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 M
7
C
3
, 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

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

3

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
Gang trắng được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp khoáng sản, điện,
công nghiệp khai thác mỏ. Đặc biệt trong ngành công nghiệp xi măng, gang trắng là vật liệu
chịu mài mòn hầu như không thể thiếu được. Gang trắng được được dùng để chể tạo các tấm
lót trong máy nghiền xi măng, bi nghiền đá, bi nghiền clinke , nói chung là các chi tiết chịu
mài mòn, va đập cao. Vì vậy để đáp ứng yêu cầu làm việc đòi hỏi các chi tiết phải có độ
cứng, tính chống mài mòn, độ dai va đập tốt. Trong khi thép là vật liệu có độ dai cao nhưng
tính chống mài mòn thấp, thì gang trắng là loại vật liệu có tính chịu mài mòn tốt hơn rất nhiều.
Trong quá trình phát triển hệ gang trắng, sự phát hiện ra hệ gang trắng hợp kim crôm ở
Châu Âu vào những năm 1970 được coi là một điểm sáng nổi bật.
Gang trắng crôm hay còn gọi là hệ hợp kim Fe-Cr-C có thành phần crôm lên đến 40%
và thành phần cácbon có thể đến 4%. Gang trắng có thành phần Cr lớn hơn 10% được gọi là

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

chịu mòn, ăn mòn, độ dai va đập. Nhiều nghiên cứu đã được công bố và đã có những đóng góp
đáng kể làm cải thiện đáng kể tính chống mài mòn và độ dai va đập, làm cho loại vật liệu này
có tuổi thọ rất cao khi làm việc trong môi trường cần tải trọng lớn và cần tính bền nhiệt, chống
ăn mòn.
Từ những năm 1990 cho đến nay, nước ta đã sản xuất gang - thép hợp kim crôm, trong
đó vật liệu chống mài mòn và chống va đập tập trung chủ yếu vào hệ gang crôm, còn thép
crôm chủ yếu phục vụ cho các sản phẩm chống ăn mòn.
4

Viện Khoa học Vật liệu trực thuộc Viện Khoa học Việt Nam đã tiến hành hợp kim hoá
với hợp kim hệ Fe-Cr-C với hàm lượng crôm khá cao thậm chí còn hợp kim hóa với một số
nguyên tố hợp kim đắt tiền. Công ty Cơ khí Đông Anh trong nhiều năm qua hàng năm xuất tới
6000-7000 tấn vật liệu chịu mài mòn từ gang trắng crôm cao với lượng crôm từ 13-26%. Nhà
máy Đúc Thắng Lợi cũng đã nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách đưa vào gang crôm một
lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim hóa và biến tính.
Tuy là loại vật liệu được nghiên cứu và phát triển rất lâu nhưng hệ gang crôm này vẫn
đang được quan tâm nghiên cứu tại rất nhiều phòng thí nghiệm và tại nhiều cơ sở sản xuất với
mục đích tăng tuổi thọ làm việc và giảm thiểu lượng các nguyên tố hợp kim nhằm tiết kiệm
nguồn nguyên liệu về kim loại. Các hướng nghiên cứu hệ gang crôm tập trung chủ yếu vào
nghiên cứu sản xuất để tăng tuổi thọ làm việc và giảm giá thành cho loại sản phẩm này.
Tuy hệ gang 13% crôm còn chưa được quan tâm nhiều trên thế giới nhưng lại được quan
tâm nhiều tại Việt Nam bởi đặc điểm kinh tế.
Luận án tìm cách nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phá hủy gang crôm khi
làm việc trong môi trường mài mòn và va đập, qua đó tìm kiếm các giải pháp nâng cao cơ tính
của hệ gang crôm bằng cách sử dụng Ti và đất hiếm nhằm thay đổi tổ chức, sự phân bố cácbit,
giảm kích thước các hạt cácbit để tăng tuổi thọ làm việc cho gang trắng crôm nói chung và cho
hệ gang 13% crôm nói riêng.
1. 2 Tổ chức đúc của gang trắng crôm
1.2.1 Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C
Tác giả Thorpe và Chicco [60] năm 1985 đã biểu diễn vị trí đường rắn trên mặt lỏng góc

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%:

L + M
7
C
3
γ + M
3
C

[1.2]
Hình 1.1: Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C [60]

Hàm lượng Crôm (% )
Hàm lượng Cacbon (% )
5

- Đường U
1
U2 trên giản đồ xảy ra trong khoảng nhiệt độ từ 1183 đến 1289
0
C và với thành
phần crôm khỏang 10% -30% là đường cùng tinh có phản ứng như sau:
L γ + M
7
C
3
[1.3]
Hầu hết các nhà nghiên cứu về gang trắng crôm đều sử dụng giản đồ pha của Jackson
[74] (hình 1.2). Vùng ( + M
7
C

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

C
3
.

Vì vậy để đảm bảo gang có cơ tính tổng
hợp cao người ta chọn gang có thành phần sao cho tỷ lệ Cr/C nằm trong khoảng 3,5-10,2.
Khi tăng hàm lượng cacbon, độ cứng của gang tăng nhưng độ chịu nhiệt giảm. Mặt khác
khi tăng hàm lượng C thì nhiệt độ đường lỏng cũng giảm. Ví dụ, nhiệt độ đường lỏng giảm
xuống từ 1400
0
C đến 1350
0
C khi lượng cacbon tăng từ 1,5% đến 2% . Hàm lượng cacbon
trong gang trắng crôm thường trong khoảng 2,14 - 4,3%.
1.2.2 Các loại cácbit trong gang trắng crôm hợp kim với một số nguyên tố khác.
Gang crôm có thể được hợp kim hóa bằng các nguyên tố có xu hướng tạo cácbit nhằm
tăng cơ tính, độ bền, thậm chí có thể làm thay đổi cấu trúc và hình dạng cácbit crôm. Các
nguyên tố tạo cácbit là các nguyên tố như Fe, Mn, Cr, W, Pt, V, Nb, Ti… Xu hướng tạo thành
cácbit có mối quan hệ với tình trạng thiếu điện tử của lớp vỏ d của nguyên tố. Các nguyên tố
có lớp d chưa được điền đầy có khả năng tạo cácbit mạnh hơn và tạo ra các cácbit ổn định hơn.
Các nguyên tử của các nguyên tố kể trên có nhiều chỗ trống ở lớp điện tử d. Khả năng tạo
cácbit giảm dần theo thứ tự: Ti, Nb, Zr, V, Mo, W, Cr và Mn (Fe).
Mạng tinh thể của các loại cácbit có dạng cấu trúc xếp chặt, bao gồm mạng kim loại với
nguyên tử các bon xen kẽ và thường khác xa với mạng tinh thể của kim loại cơ sở.

Hình 1.2: Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C của Jackson [74]
Hàm lượng Crôm (% )
Hàm lượng Cacbon (% )
6

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:

- Cácbit M
2
C
Cácbit M
2
C có cấu trúc lục giác xếp chặt, các cácbit như W
2
C, Mo
2
C, V
2
C và Nb
2
C. Các
nguyên tử cácbon ở vào vị trí xen kẽ của khối tứ diện.
- Cácbit M
3
C
Các cácbit dạng xen kẽ cùng với cấu trúc hệ đa lục giác xếp chặt với tỷ số r
c
/r
M
> 0.59.

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

Hai nguyên tử sắt khác nằm trong khối mặt thoi bên cạnh, nơi mà các nguyên tử sắt nằm
gần các nguyên tử cácbon. Mối liên kết mạnh tạo ra lớp xen giữa. Độ chênh lệch âm điện giữa
Fe-C làm cho liên kết Fe-C bền vững. Lực liên kết giữa Fe-C lớn gấp hai lần lực liên kết giữa
Fe-Fe [16]. Lớp xen giữa được kết nối bởi mối liên kết kim loại giữa các nguyên tử sắt là mối
liên kết yếu dẫn đến tính dị hướng của cementit.
Một nguyên tử thứ ba trong hệ hợp kim hai cấu tử Fe-C có thể làm thay đổi độ bền liên
kết của Fe-C. Các nguyên tử làm tăng mối liên kết Fe-C sẽ có cấu trúc ổn định hơn cementit.
Các nguyên tử làm giảm mối liên kết Fe-C sẽ là nguyên nhân gây nên sự phá vỡ dễ dàng mối
quan hệ Fe-C, làm mất tính ổn định của của cementit và đẩy mạnh quá trình graphit hóa.
Một vài nguyên tố hòa tan hạn chế trong Fe
3
C và tạo thành cementite hợp kim. Các
nguyên tố có thể hòa tan trong Fe
3
C là Cr ≤ 28%, Mo ≤ 14%, W ≤ 2%, V ≤ 3% [65 ]. Sự tạo
thành cementit hợp kim (Fe, M)
3
C, có hóa trị cao, liên kết mạnh hơn và ổn định hơn [ 65].
- Cacbit M
7
C
3
:
Đại diện cho loại cácbit M
7
C
3
là cácbit Cr

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

:
Bảng 1.1 : Các hằng số thông số mạng của cácbit Cr
7
C
3
[78]
Hình 1.5 : Cấu trúc dạng chuỗi của tinh thể cementit
Nguyên tử sắt
Nguyên tử cácbon
Hình 1.4: Cấu trúc tinh thể của cementit
8

Loại cácbit M
23
C
6
có ô mạng tinh thể là khối gồm nhiều hình lập phương xếp chặt với 92
nguyên tử. Ô tinh thể được chia thành 8 khối lập phương nhỏ như hình 1.6:

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

C
Hình thoi
a = 0.4514
b = 0.5087
c = 0.6728
1650
860
Cr
7
C
3

Lục giác
a = 0.688
b = 0.454
1780
2100
Cr
23
C
6

Đa lập phương
a = 1.064
1520
1650
Mo
2
C
Lập phương

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

NbC
fcc
a = 0.4458
3500
2400
TiC
fcc
a = 0.432
3150
3200
ZrC
fcc
a = 0.4687
3530
2890
Chú ý: nếu một cacbit hòa tan một nguyên tố khác, độ cứng của chúng sẽ thay đổi, ví dụ nếu nó hòa tan sắt:
(Fe,Cr)
3
C: 840–1,100 HV; (Fe,Cr)
7
C
3
: 1,500–1,800 HV; (Fe,Cr)
23
C
6
: 1,140–1,500 HV.
1.2.2.3 Sự kết tinh của cácbit M
7
C

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

trong mặt cắt ngang ( được chỉ ra trên hình 1.7).
















Trong quá trình phát triển, cácbit sơ cấp M
7
C
3
không chịu ảnh hưởng của austenite xung
quanh, thậm chí quá trình nguội nhanh cũng không gây ra hiện tượng song tinh, vì vậy M
7
C
3

không phân nhánh và phát triển dọc theo hướng [0001]. Kích thước hạt của M
7
C

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

7
C
3
sơ cấp thô, to. Kích thước của M
7
C
3
dạng que phụ thuộc vào tốc độ nguội. Với
tốc độ nguội nhanh, cácbit sơ cấp phát triển thành những que mịn và khó để phân biệt với các
cácbit cùng tinh xung quanh chúng. Khi nguội chậm, cácbit M
7
C
3
hình que thô được tạo thành.
Hình dạng của các cácbit này dễ dàng phân biệt được với các cácbit cùng tinh xung quanh.
Kích thước của các que tinh thể lục giác M
7
C
3
liên quan với hàm lượng crôm. Sự tiết ra của
cácbit M
7
C
3
sơ cấp ảnh huởng đến hình thái đông đặc. Với tốc độ nguội lớn, cácbit M
7
C
3
sơ
cấp dạng que sẽ kết tinh một cách cô lập, kích thước lớn, không nối với nhau và xốp. Gang

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:

Trong đó:
I: Đông đặc ngoại sinh
II đến V: Trạng thái đông đặc hỗn hợp (ban đầu ngoại sinh sau đó tự sinh)
I: Đông đặc ngoại sinh; II-V: Đông đặc hỗn hợp; VI: Đông đặc tự sinh

Hình 1.8: 6 hình thái của austenit nhánh cây tồn tại trong gang trắng [21 ]
11

VI: Trạng thái đông đặc tự sinh
Gang trắng có hai hình thái chủ yếu loại I và loại II.
1.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái của austenite sơ cấp
Sự tạo thành nhánh cây có hình thái dạng cột liên quan đến quá trình tạo mầm trong
gang lỏng. Nếu gang lỏng tạo ra tâm mầm với mức độ thấp thì sự đông đặc của chúng chủ yếu
xảy ra theo dạng ngoại sinh. Nhiệt độ nung cao và thời gian giữ nhiệt lâu hơn trong lò nấu sẽ
giảm mức độ tạo tâm mầm của chất lỏng, khuyến khích tạo ra nhánh cây dạng cột, thô như
trong hình 1.9. Mầm kết tinh có ảnh hưởng rõ rệt đến hình thái nhánh cây của gang trắng.
Chen Jingju [17] đã chứng minh rằng trong các hợp kim Fe-Ti hoặc Fe-B quá trình tạo mầm
nội sinh xảy ra dễ dàng hơn, tạo ra các hạt tinh thể nhánh cây đều trục nhỏ mịn.

(a) 1,450ºC (b) 1,550ºC
Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hình thái nhánh cây austenit [17]
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 định hướng, sẽ
dẫn đến tạo ra kẽ nứt co ngót dọc theo đường biên hạt. Điều này xảy ra do tạp chất xung
quanh biên hạt làm suy yếu độ bền của đường biên tinh thể. Ngược lại, kích thước hạt mịn làm
giảm đáng kể độ nhạy cảm của tạo thành kẽ nứt co ngót. Mối quan hệ giữa hình thái nhánh cây
và xu hướng tạo kẽ nứt co ngót được thể hiện trong hình 1.10:

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