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

Header Page 1 of 89.

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

Footer Page 1 of 89.


Header Page 2 of 89.

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. Lê Thị Chiều
2. PGS. TS. Đinh Quảng Năng

Footer Page 2 of 89.


Header Page 3 of 89.

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.

Footer Page 3 of 89.


Header Page 4 of 89.

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

Footer Page 4 of 89.


Header Page 5 of 89.

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
V
X

1
3
3
4
4
5
6
8
9

10
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
12
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

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
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.

22

1.4.2. Ảnh hưởng của quá trình chế tạo

23

Footer Page 5 of 89.


Header Page 6 of 89.

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
24

1.4.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến độ cứng của hợp kim
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 25
mòn trong điều kiện trượt có tải trọng của gang trắng crôm.
1.5.2. Ảnh hưởng của tổ chức pha nền tới sự hình thành vết nứt của gang trắng 26
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

2.3.2. Xác định thành phần pha
37
2.3.3 Xác định sự phân bố không gian của các nguyên tố hóa học (phương pháp 38
mapping)
2.3.4. Xác định độ cứng
39
2.3.4.1. Xác định độ cứng thô đại Rockwell

39
2.3.4.2. Xác định độ cứng tế vi
39
2.3.5. Nghiên cứu độ cùng tinh các mẫu nghiên cứu
40
2.3.6. Nghiên cứu tổ chức
40
41
2.3.7. Nghiên cứu, đánh giá quá trình mài mòn
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 43
trong môi trường trượt và va đập tải trọng cao
43
3.1. Đặc điểm của hệ gang trắng 13% crôm
3.2 Quá trình mòn của gang trắng 13% crôm khi làm việc trong môi trường trượt có tải 45

Footer Page 6 of 89.


Header Page 7 of 89.

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

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
4.1.5. Ảnh hưởng của titan đến độ chịu mòn

62
63
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 67
trắng crôm 13%
4.2.1. Sự kết tinh cùng tinh và sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong hệ 67
gang 13% crôm
67
4.2.1.1 Sự kết tinh cùng tinh của gang trắng 13% crôm
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 71
phần cùng tinh và cơ tính của gang trắng 13% crôm
4.2.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm tới tổ chức cùng tinh của 71
gang trắng 13% crôm
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

Footer Page 7 of 89.


Header Page 8 of 89.

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 87
13% crôm
5.1. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện tới tổ chức pha nền trong gang crôm nghiên 87
cứu
5.2 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến thể tích cácbit trong hệ hợp kim nghiên 89
cứu
90
5.3 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng hệ hợp kim nghiên cứu
5.4 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến khả năng chịu mòn của hệ gang 13% 91
crôm nghiên cứu
92
5.5 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ dai va đập của gang crôm 13%
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

Footer Page 8 of 89.

Header Page 9 of 89.

v

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
Hệ số tác động của nguyên tố hợp kim với Cácbon và titan
Các thông số mạng tương ứng giữa (110)TiC và (010)M7C3 [70]
Thành phần thể tích cácbit các mẫu đúc và nhiệt luyện tương ứng
Độ cứng thô đại, độ cứng tế vi nền của các mẫu đúc và nhiệt luyện tương ứng
Khối lượng hao mòn của các hợp kim nghiên cứu ở trạng thái đúc và nhiệt luyện
Độ dai va đập các hợp kim ở trạng thái đúc và nhiệt luyện tương ứng

Danh mục các hình và đồ thị

Hình 1.1:
Hình 1.2:
Hình 1.3:
Hình 1.4:
Hình 1.5:
Hình 1.6:
Hình 1.7:
Hình 1.8:
Hình 1.9:
Hình 1.10:
Hình 1.11:
Hình 1.12:
Hình 1.13:
Hình 1.14:
Hình 1.15:
Hình 1.16:
Hình 1.17:

Footer Page 9 of 89.

Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C
Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C của Jackson
Cấu trúc tinh thể NaCl
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


Header Page 10 of 89.

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:
Hình 1.28:
Hình 1.29:
Hình 1.30:
Hình 2.1:
Hình 2.2:
Hình 2.3:
Hình 2.4:
Hình 2.5:
Hình 2.6:
Hình 2.7:
Hình 2.8:
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 3.1:
Hình 3.2:
Hình 3.3:
Hình 3.4:
Hình 3.5:
Hình 3.6:
Hình 3.7:
Hình 3.8:
Hình 3.9:
Hình 3.10:
Hình 3.11:
Footer Page 10 of 89.

vi

Ảnh hưởng của hàm lượng crôm đến sự không đồng nhất của cácbit cùng tinh
Ảnh hưởng của Mo đến đường DTA của gang Crôm với w (Cr) = 20%
Hình dạng của các khối cùng tinh (M7C3+austenite) của gang trắng trước cùng
tinh
Cấu trúc một khối cùng tinh của gang trắng Crôm cao trước cùng tinh
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
Bề mặt mòn của các mẫu gang crôm nghiên cứu với sự phân bố cácbit mịn dần
Hình ảnh mô phỏng quá trình thử nghiệm va đập bi nghiền
Mô hình hình học của bài toán mô phỏng quá trình va đập của bi
Sự phân bố ứng suất quá trình va đập bi nghiền
Trường phân bố ứng suất của quá trình va đập bi nghiền
Bề mặt các mẫu gang crôm khi chưa có tác động va đập


Header Page 11 of 89.

Hình 3.12:
Hình 3.13:
Hình 3.14:
Hình 3.15:
Hình 4.1:
Hình 4.2:
Hình 4.3:
Hình 4.4:

Hình 4.5:
Hình 4.6:
Hình 4.7:

Hình 4.8:
Hình 4.9:

Hình 4.10:

Hình 4.11:
Hình 4.12:
Hình 4.13:
Hình 4.14:
Hình 4.15:
Hình 4.16:
Hình 4.17:
Hình 4.18:
Hình 4.19:
Hình 4.20:
Footer Page 11 of 89.

vii

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
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 )
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 )
Độ dai va đập của các mẫu nhóm 1 ( các mẫu đúc và nhiệt luyện)
Ảnh hiển vi điện tử mô tả sự kết tinh của gang crôm 13% : austenit sơ cấp và
cùng tinh M7C3
Sự phân bố cácbit M7C3 cùng tinh hoàn chỉnh ở khi vực bên trong các nhánh cây
[6]
Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu số 4 ở trạng thái đúc
Hiển vi quang học chỉ ra sự kết tinh của các cácbit M7C3 cùng tinh, mẫu 6,
X1000
EDS cácbit khu vực trung tâm cùng tinh (a), khu vực xa trung tâm (b) mẫu 6
Cácbit M7C3 thô nằm xa trung tâm cùng tinh, mẫu sau đúc
Phổ EDS tại vị trí pha nền của mẫu No.7, mẫu số 9
Cácbit M7C3 thô nằm xa trung tâm cùng tinh, mẫu sau đúc
Ảnh hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 2 theo chiều tăng của đất hiếm

Header Page 12 of 89.

Hình 4.21:
Hình 4.22:
Hình 4.23:
Hình 4.24:
Hình 4.25:
Hình 4.26:
Hình 4.27:
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:

Footer Page 12 of 89.

viii

(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
(b): Mối quan hệ giữa mặt tinh thể của TiC và M7C3
Ảnh tổ chức tế vi của các 3 mẫu nhóm 4 ở trạng thái đúc, X500
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
Thể tích cácbit cùng tinh trong các hợp kim nhóm 3
Độ cứng thô đại của các hợp kim nhóm 3 theo sự tăng lên của Ti và RE
Độ cứng tế vi (HV100) của nền các mẫu nhóm 3
Bảng đồ thị đo khối lượng hao mòn với 3 mẫu ở trạng thái đúc với quãng
đường 2km dưới các tải khác nhau
Bảng đồ thị đo khối lượng hao mòn với 3 mẫu nhiệt luyện với quãng đường
2km dưới các tải khác nhau
Độ dai va đập các hợp kim nhóm 3 ở trạng thái đúc và nhiệt luyện.
Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 1 (hình 5.1a) và nhóm 3(hình 5.1
b)
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
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


Header Page 13 of 89.

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
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:

Pha lỏng

α:

Pha ferit

ɣ:

Pha austenit
:

ΔG:

Hệ số chênh lệch giữa hai loại mạng tinh thể

Năng lượng tự do (J/mol)

θ:

Góc giữa hai mặt tinh thể

σxx:

Ứng suất cắt

σzz:

Ứng suất nén

τxz:

Ứng suất cắt

HV:

Độ cứng Vicke (kg/mm2)

HRC:

Độ cứng Rockwell theo thang C

rc:

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

Footer Page 13 of 89.


Header Page 14 of 89.

x

Aw:

Động năng

D:

Hệ số khuếch tán

Q:

Năng lượng khuếch tán

ΔT:

Độ quá nguội

T:

Nhiệt độ

Footer Page 14 of 89.


Header Page 15 of 89.

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 M3C dạng lưới.
Khi hàm lượng crôm vượt quá 12% thì các cácbit M3C dạng lưới liên kết chuyển sang dạng
cácbit M7C3 rời rạc có dạng que hoặc dạng tấm. Các cácbit M7C3 có độ bền cao hơn hẳn các
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
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 M7C3. 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 M7C3 và pha austenit sơ cấp. Nhờ đó tổ chức gang crôm khi có thêm đất
hiếm trở nên nhỏ mịn đi rất nhiều.
Footer Page 15 of 89.


Header Page 16 of 89.

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

Footer Page 16 of 89.


Header Page 17 of 89.

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 M3C liên kết dạng lưới, có độ bền
thấp. Hàm lượng crôm lớn hơn 11% thì tạo ra cácbit M7C3 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.
Footer Page 17 of 89.


Header Page 18 of 89.

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

Hàm lượng Crôm (% )

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:

Hàm lượng Cacbon (% )

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

Tóm tắt sơ lược các phản ứng tại một số nhiệt độ khác nhau như sau:
- Điểm U1 trên giản đồ có phản ứng ứng xảy ra ở nhiệt độ 12890C với thành phần Crôm >
30% , 3% C như sau:
L + α- Fe
γ + M7 C 3
[1.1]

0
- Điểm U2 trên giản đồ (1183 C) có phản ứng với thành phần crôm <10%, %C>4%:
L + M7 C 3
γ + M3 C
[1.2]
Footer Page 18 of 89.


Header Page 19 of 89.

5

Hàm lượng Crôm (% )

- Đường U1U2 trên giản đồ xảy ra trong khoảng nhiệt độ từ 1183 đến 12890C và với thành
phần crôm khỏang 10% -30% là đường cùng tinh có phản ứng như sau:
L
γ + M7C3
[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 ( + M7C3) 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.

Hàm lượng Cacbon (% )

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 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 M3C 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 M23C6, cacbit này dễ phân huỷ trong quá trình nhiệt luyện. Cácbit cho độ
bền, cơ tính và mài mòn tương đối cao là cácbit M7C3. 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 14000C đến 13500C 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.
Footer Page 19 of 89.


Header Page 20 of 89.

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( rC) và bán kính nguyên tử kim loại cơ sở

(rM): rC/rM 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 rc/rM =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:

Hình 1.3 : Cấu trúc tinh thể NaCl

- Cácbit M2C
Cácbit M2C có cấu trúc lục giác xếp chặt, các cácbit như W2C, Mo2C, V2C và Nb2C. Các
nguyên tử cácbon ở vào vị trí xen kẽ của khối tứ diện.
- Cácbit M3C
Các cácbit dạng xen kẽ cùng với cấu trúc hệ đa lục giác xếp chặt với tỷ số rc/rM > 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 M3C 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.
Footer Page 20 of 89.


Header Page 21 of 89.

7

Nguyên tử sắt
Nguyên tử cácbon

Hình 1.4: Cấu trúc tinh thể của cementit

Hình 1.5 : Cấu trúc dạng chuỗi của tinh thể cementit

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 Fe3C và tạo thành cementite hợp kim. Các
nguyên tố có thể hòa tan trong Fe3C là Cr ≤ 28%, Mo ≤ 14%, W ≤ 2%, V ≤ 3% [65 ]. Sự tạo
thành cementit hợp kim (Fe, M)3C, có hóa trị cao, liên kết mạnh hơn và ổn định hơn [ 65].
- Cacbit M7C3:

Đại diện cho loại cácbit M7C3 là cácbit Cr7C3 với 56 nguyên tử Cr với 24 nguyên tử C và
Cr7C3 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:
Bảng 1.1 : Các hằng số thông số mạng của cácbit Cr7C3 [78]

Loại mạng tinh thể

Thông số mạng (nm)

Lục giác

a = 0.688
b = 0.454

Tám mặt

a = 0.454
b = 0.688
c = 1.194

Trực thoi

a = 1.398; b = 0.452

- Loại cácbit M23C6:

Footer Page 21 of 89.

Tỷ trọng (g•cm-3)

6.92


Header Page 22 of 89.

8

Loại cácbit M23C6 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:

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 Cr23C6

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 M7C3 còn M3C 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]

Loại mạng

Thông số mạng
nm

Điểm chảy

Độ cứng HV

Fe3C

Hình thoi

a = 0.4514
b = 0.5087
c = 0.6728

1650

860

Cr7C3

Lục giác

a = 0.688
b = 0.454

1780

2100

Cr23C6

Đa lập phương

a = 1.064

1520

1650

Mo2C

Lập phương

a = 0.30

2600

1500

Cacbit

Footer Page 22 of 89.


Header Page 23 of 89.

9

c/a = 0.158
W2C

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)3C: 840–1,100 HV; (Fe,Cr)7C3: 1,500–1,800 HV; (Fe,Cr)23C6: 1,140–1,500 HV.

1.2.2.3 Sự kết tinh của cácbit M7C3
Gang có thành phần crôm lớn hơn 10%, cácbit tạo thành chủ yếu là M7C3. Các công
trình nghiên cứu ghi nhận sự phát triển của M7C3. M7C3 phát triển theo hai hình thái: hình que
và hình tấm. Khi M7C3 có cấu trúc tinh thể là lục giác thì hình thái thu được sẽ 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.
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).

Cácbit sơ
cấp M7C3

Hình 1.7 : Hình thái của cácbit M7C3

Trong quá trình phát triển, cácbit sơ cấp M7C3 không chịu ảnh hưởng của austenite xung
quanh, thậm chí quá trình nguội nhanh cũng không gây ra hiện tượng song tinh, vì vậy M7C3
không phân nhánh và phát triển dọc theo hướng [0001]. Kích thước hạt của M 7C3 sơ cấp thô
hơn so với cácbit cùng tinh. Đặc điểm này của cácbit M7C3 khác xa với graphit tấm có lượng
phân nhánh lớn. Bề mặt tinh thể lục giác có dạng hình que của cácbit M7C3 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
Footer Page 23 of 89.

Header Page 24 of 89.

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 M7C3 sơ cấp thô, to. Kích thước của M7C3 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 M7C3 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 M7C3 liên quan với hàm lượng crôm. Sự tiết ra của
cácbit M7C3 sơ cấp ảnh huởng đến hình thái đông đặc. Với tốc độ nguội lớn, cácbit M7C3 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:

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 ]

Trong đó:
I: Đông đặc ngoại sinh
II đến V: Trạng thái đông đặc hỗn hợp (ban đầu ngoại sinh sau đó tự sinh)
Footer Page 24 of 89.


Header Page 25 of 89.

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:
Ngoại sinh

Tự sinh

Hướng nứt
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]

Footer Page 25 of 89.