Nâng cao chất lượng thép mangan bằng phương pháp biến tính

MỤC LỤC
Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan
Mục lục

1

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các đồ thị
MỞ ĐẦU

4

Chƣơng 1- TỔNG QUAN

6

1.1. Thép Mangan cao và các biện pháp nâng cao chất lượng thép. .............

6

1.1.1 .Thép mangan cao ...........................................................................

6

1.1.2 .Các biện pháp nâng cao chất lượng thép. ......................................

14

1.1.2.1. .Vật liệu Composit nền thép đúc Mn13 siêu bền .....................

15

1.1.2.2. Biện pháp biến tính để nâng cao chất lượng thép mangan cao

16

1.1.2.3. .Biện pháp rót nhiệt độ thấp .....................................................

16

1.2. Cơ sở lý thuyết của biện pháp nâng cao chất lượng thép Mn cao bằng
phương pháp biến tính ............................................................................

18

1.2.1. Cơ sở lý thuyết về biến tính thép đúc ..........................................

18

1.2.2. Các lý thuyết giải thích quá trình biến tính ................................

21

1.2.3. Titan là nguyên tố biến tính trong thép........................................

22

1.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính .............................

26

1.2.5. Các phương pháp biến tính. .........................................................

28

1.3. Những quan điểm tăng bền của thép Mn cao sau va đập .......................

31

1.3. 1. Vài nét về ma sát và mài mòn .....................................................

31

1.3. 2. Khái niệm hóa bền biến dạng của thép Austenit Mn cao ............

35

1.3. 3. Biến dạng dẻo hay biến dạng trượt ..............................................

36

1.3. 4. Cơ chế tăng bền xô lệch mạng .....................................................

38

1.3.4.1. Theo lý thuyết cổ điển ......................................................

38

1


1.3.4.2. Theo lý thuyết hiện đại .....................................................

41

1.3. 5. Ảnh hưởng của carbide và độ cứng của một số pha carbide .......

42

1.4. Tình hình nghiên cứu thép Mn cao trong và ngoài nước và lí do chọn
đề tài nghiên cứu .....................................................................................

43

1.4.1. Tình hình nghiên cứu thép Mn cao trong nước

43

1.4.2. Tình hình nghiên cứu thép Mn cao ở nước ngoài

45

1.4.3. Hướng nghiên cứu và cách tiếp cận vấn đề

49

Chƣơng 2- THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
2.1. Đối tượng và mục đích nghiên cứu.(mô tả thành phần thép Mn13 và
chế độ nhiệt luyện) ..................................................................................
2.2. Điều kiện nghiên cứu. (mô tả thiết bị nấu và thành phần phối liệu ban
đầu, các điều kiện nấu, biến tính, mấu đúc thí nghiệm) ........................

51
51

52

2.3. Phương pháp nghiên cứu. .......................................................................

55

2.3.1 . Đánh giá tổ chức và cấu trúc thép ..............................................

55

2.3.2 . Xác định cấp hạt và đường kính trung bình hạt bằng phần mềm có 55
sẵn trên máy hiển vi quang học Axiovert 25.

2.3.3 . Đo độ mài mòn và hệ số ma sát trên máy TE 97 Friction and
56
Wear
2.3.4 . Xác định cơ tính
57
2.3.5 . Thí nghiệm hóa bền biến dạng bằng va đập thép Mn13.

58

Chƣơng 3- CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

59

3.1. Thành phần, tổ chức thép Mn13 trạng thái đúc của Công ty CKDA .....

59

3.2. Nhiệt luyện thép Mn13 ...........................................................................

61

3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến tính chất của thép Mn13 ............

63

3.4. Ảnh hưởng của % Ti đến tính chất của thép Mn13 ...............................................
69
3.5. Quá trình hóa bền trong thép Mn cao biến tính bằng Titan ....................................
76
3.5.1. Vai trò của Ti tan ................................................................... .....................
76
3.5.2. Góp phần làm sang tỏ cơ chế hóa bền biến dạng của thép Mn13

2

82

3.5.3. Khả năng chịu mài mòn va đập của thép Mn13 .................... .....................
88
Kết luận

92

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................
PHỤ LỤC ..............................................................................................................

3


MỞ ĐẦU
Thép hợp kim Mangan cao ( thép Hadfield) đã và đang được quan tâm
nhiều ở cả trong nước và thế giới. Các hướng nghiên cứu chính hiện nay là "
Biện pháp tăng bền cũng như cơ chế tăng bền của thép Mangan cao". Về biện
pháp tăng bền; có 3 giải pháp cơ bản nhằm cải thiện tính chất thép Mangan cao:
thứ nhất, hợp kim hóa biến tính; thứ hai, dùng thép Mn13 như vật liệu compozit
và thứ ba là rót nhiệt độ thấp. Trong nhiều năm qua, Công ty Cơ khí Đông Anh
đã dùng cả ba giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế cũng như kỹ thuật.
Mỗi giải pháp chỉ có thể ứng dụng cho một số chủng loại chi tiết nhất định.
Về giải pháp hợp kim hóa biến tính, trong những năm 80 của thế kỉ trước,
Công ty đã nấu thành công thép Mn13 cổ điển trong lò hồ quang dùng để đúc các
chi tiết chịu mài mòn trong việc đại tu máy kéo và trong công nghiệp xây dựng.
Những năm sau đó, tiếp tục dùng biện pháp hợp kim hóa thêm bằng các nguyên
tố Vanadi, Molipden, Crom. Trong hơn chục năm gần đây, Công ty đã chú ý đến
công nghệ biến tính để cải thiện tính năng làm việc của thép Mn13. Một điều rất
đáng nói là chất lượng thép Mn13 do Công ty sản xuất đã được thị trường Việt

Nam chấp nhận và chiếm lĩnh một tỉ phần không nhỏ (khoảng 70%) trên thị
trường. Tuy nhiên, công nghệ biến tính của Công ty mới chỉ dừng lại ở việc lựa
chọn chất biến tính và lượng sử dụng mà chưa có sự đánh giá cụ thể về hiệu quả
sử dụng của nó. Bởi vậy nhiều khi các cán bộ kỹ thuật vẫn còn lúng túng trong
công nghệ biến tính hợp kim.
Như chúng ta đã biết, đối với mỗi hợp kim, để đạt được các tính chất theo
yêu cầu, công nghệ biến tính phải nêu được 5 vấn đề sau đây:
-

Chất biến tính là gì?

-

Lượng dùng là bao nhiêu?

-

Nhiệt độ biến tính

-

Thời gian biến tính và

-

Phương pháp biến tính..

4

Để giải quyết những vấn đề trên tác giả đã lựa chọn đề tài: " Nâng cao
chất lượng thép mangan bằng phương pháp biến tính".
Sau quá trình học tập và nghiên cứu, thực nghiệm bản luận văn đã hoàn
thành được mục tiêu đề ra, đó là a) tìm ra công nghệ biến tính thích hợp cho mác
thép Mn13 sản xuất tại Công ty Cơ khí Đông Anh và b) góp phần làm sáng tỏ cơ
chế hóa bền va đập của thép Mn13 sản xuất tại Công ty.
Để đạt được kết quả trên, ngoài sự cố gắng của bản thân tác giả xin chân
thành cảm ơn sự tạo điều kiện thuận lợi của Viện đào tạo sau đại học, Viện Khoa
học và Kỹ thuật vật liệu trường đại học Bách Khoa Hà Nội, cảm ơn sự giúp đỡ
của Công ty TNHH MTV cơ khí Đông Anh cũng như các đồng nghiệp và tác giả
đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Dũng đã trực tiếp hướng dẫn.
Kỹ thuật biến tính thép nói riêng và Khoa học vật liệu kim loại nói chung
là lĩnh vực khoa học rộng lớn. Trong khuôn khổ bản luận văn, tác giả rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp.

5


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1. 1. Thép mangan cao và các biện pháp nâng cao chất lƣợng thép.
1.1.1 Thép Mangan cao:
Từ năm 1878, nhà luyện kim người Anh tên là Robert Hadfield đã bắt tay
vào nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với
mangan. Ngay từ năm 1882 Hadfield đã nấu luyện thép với hàm lượng mangan
cao. Sau đó bốn năm, năm 1886, Hadfield đã ghi trong nhật ký công tác: " Tôi đã
bắt đầu những thí nghiệm này vì quan tâm đến việc sản xuất một loại thép vừa
cứng, đồng thời lại vừa dai. Các thí nghiệm đã dẫn đến một kết quả đáng chú ý,
rất quan trọng và đủ sức làm thay đổi các quan điểm hiện hành của các nhà
luyện kim đối với các hợp kim của sắt". Ông đã được cấp bằng phát minh đầu

tiên (năm 1883) về thép mangan. Sau đó, Ông tiếp tục nghiên cứu những vấn đề
liên quan với thép mangan. Năm 1883, các công trình nghiên cứu của Ông về
thép mangan và ứng dụng của thép mangan cao trong thực tiễn, về quá trình hòa
tan của mangan trong sắt, về công nghệ nhiệt luyện thép mangan cao cũng đã
được công bố. Sau đó, Ông tiếp tục hoàn thiện cả thiết bị lẫn công nghệ nấu, đúc
và nhiệt luyện thép mangan cao và bởi vậy ngày nay mác thép đặc biệt này đã
được gắn với tên tuổi của Ông. Ngày nay, đã có thêm rất nhiều công trình nghiên
cứu về thép Mangan cao nhằm đưa loại vật liệu đặc biệt này có những ứng dụng
rất hiệu quả trong công nghiệp. Đặc biệt là trong công nghiệp khai khoáng, công
nghiệp xi măng, đường sắt…Các chi tiết loại này là các chi tiết chịu mài mòn
dưới tác dụng va đập áp lực cao. Lý thuyết cổ điển cho rằng, cơ chế tăng bền chủ
yếu là do quá trình chuyển biến austenit thành Maxtenxit do sự trượt mạng dưới
tác động của lực va đập. Cơ chế này còn cho rằng, nếu các loại carbide tập trung
ở biên giới hạt sẽ có ảnh hưởng không tốt cho quá trình tăng bền của thép bởi vì,
carbide tập trung ở biên giới hạt tạo nên ứng suất gây phá hủy chi tiết. Bởi vậy,
trước đây người ta không sử dụng các nguyên tố tạo carbide mạnh như V,
Cr...trong thép mangan cao. Hơn nữa, theo quan điểm trên khi hàm lượng

6


mangan trong thép quá cao sẽ làm cho austenit trở nên ổn định hơn, khó hình
thành chuyển biến khi chịu va đập, vì vậy hàm lượng Mn tối đa chỉ là 13%.
Khi hòa tan trong dung dịch đặc, Mn mở rộng khu vực , hạ thấp điểm AC3,
làm các điểm cùng tinh và cùng tích dịch chuyển qua trái. Do Mn làm giảm nhiệt
độ chuyển biến , làm nhỏ mịn tổ chức khi kết tinh lần 2, bởi vậy Mn làm
tăng tính thấm tôi của thép. Mn làm tăng độ bền, giảm độ dẻo, tăng lượng peclit
trong thép. Đặc biệt, Mn làm tăng độ co trước peclit nên thép mangan hay bị nứt
nóng. Vết nứt nóng hình thành ở khoảng nhiệt độ kết tinh và sau khi kết tinh và
phân bố trên bề mặt hạt tinh thể nên bề mặt vết nứt thường bị oxy hóa và có màu

đen. Cơ chế hình thành nứt nóng trong vật đúc thép Mn có thể giải thích như sau.
Trong quá trình kết tinh, đầu tiên một lớp vỏ đông đặc trên bề mặt vật đúc được
hình thành. Do thép Mn có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, vùng kết tinh hai pha hẹp nên lớp
vỏ đông đặc phát triển rất nhanh và đủ bền, đủ dẻo. Khi nhiệt độ của vật đúc
hoặc chiều dày thành không đồng đều, sự chênh lệch nhiệt độ trên thiết diện vật
đúc quá lớn sẽ sinh ra ứng suất nhiệt trong vật đúc, lớp vỏ vừa hình thành sẽ bị
nứt dưới tác dụng của ứng suất đó. Thời điểm nguy hiểm nhất để tạo thành nứt
nóng là lúc mà tâm vật đúc đạt nhiệt độ bắt đầu co tuyến tính. [2]
Về cơ tính . Thép mangan cao có thành phần cơ bản như sau (%): (1,0-1,4)C;
(0,4-1,0)Si; (10-14)Mn; (0,08-0,12)P; (0,02-0,04)S. Tiêu biểu của loại thép này
là thép Hadfield có thành phần (%): 1,25C; 0,8Si; 13Mn; 0,1P và 0,02S. Một
điều quan trọng nhất khi lựa chọn thành phần là đảm bảo tỉ lệ Mn/C từ 7 đến10,
tốt nhất là 10. Thép hadfield có khả năng chống mài mòn rất cao trong điều kiện
va đập vì thép có tổ chức rất đặc biệt. Sau đúc thép hadfield có tổ chức
+(Fe,Mn)3C (hình 1.1). Trong đó (Fe,Mn)3C là pha cacbit hỗn hợp, nghĩa là,
mangan đã thay thế một số nguyên tử Fe trong xementit. Sau nhiệt luyện, thép
hadfield chỉ có pha austenit và không bị nhiễm từ. Tổ chức austenit của thép thu
được sau khi tôi ở 1000-11500C trong nước hoặc trong không khí với vật đúc
thành mỏng. Đặc điểm nổi bật của thép này là, austenit cacbon cao ở trên bề mặt

7


chi tiết khi chịu tải trọng va đập sẽ chuyển biến thành mactenxit có độ cứng cao
trong khi đó lõi vẫn giữ tổ chức austenit dẻo, dai. Do cơ chế tự biến cứng khi va
đập nói trên mà lớp bề mặt cứng luôn luôn tồn tại.

Chart Title
1600

L

1400

Nhiet do, 0C



1000

L++(Fe,Mn)3C
+(Fe,Mn)3C

800
600

L+(Fe,Mn)3C

L+

1200



F (FeMn)3C

++(Fe,Mn)3C

400
200

++(Fe,Mn)3C

+(Fe,Mn)3C

0
0

1

2

3

4

5

6

Ham luong C, %

Hình 1.1 Giản đồ trạng thái Fe-Mn-C khi có 13%Mn

[2]

Photpho là nguyên tố đáng quan tâm khi đúc thép hadfield. Photpho có
trong thép do nó có sẵn trong feromangan (FeMn). Trong quá trình nấu và luyện
thép, khó có thể khử được photpho. Nếu tiến hành khử P thì Mn cũng sẽ bị oxy
hóa theo. Bởi vậy, hàm lượng P trong thép không ít hơn 0,08%. Mặc dù hàm

lượng C khá cao nhưng hàm lượng P < 0,12% cũng không làm giảm độ dẻo của
thép. Điều này có thể giải thích, ngược lại với thép cacbon thường, trong thép
Mn cao, photpho không phân bố dưới dạng cacbit ở biên giới hạt để gây ra tính
bở nóng mà nó hòa tan trong dung dịch đặc của hạt austenit bởi vậy nó không
làm giảm nhiều độ dẻo của thép. Khi P > 0,12% , photpho sẽ tạo thành photphit
phức tạp và nằm ở trên biên giới hạt, gây ra nhiều khuyết tật, thí dụ, tính giòn
không chỉ ở nhiệt độ thường mà ở cả nhiệt độ cao. [2]

8


Lưu huỳnh cũng có trong thép Mn13 ở trạng thái tự nhiên và thường nhỏ
hơn 0,02% do có Mn đã khử bớt một phần lưu huỳnh. Bởi vậy khi luyện thép
hadfield không cần thêm bất cứ một biện pháp khử S trong lò cũng như trong
gầu.
Thép hadfield có tính chất đặc biệt như sau: Giới hạn chảy S = 250-400
MPa; giới hạn bền B = 700-800 MPa; độ dãn dài  = 40-55% và độ co thắt  =
35-45%; độ dai va đập aK = 2000-3000 KJ/m2; HB = 180-220. Tuy có tính chất
đặc biệt như vậy nhưng thép rất mềm và có tính chịu mài mòn rất cao khi bị biến
cứng phân tán, chịu mài mòn cùng va đập dưới áp lực lớn vì trong quá trình va
đập, pha  sẽ tạo ra nhiều mặt trượt làm cho thép bị biến cứng, khi đó thép có thể
có độ cứng 450-500 HB. Như vậy, thép này chỉ có thể chịu mài mòn cứng (va
đập) mà không chịu được mài mòn mềm. Thí dụ nếu dùng thép này chế tạo vòi
phun cát, thổi cát, thép sẽ bị mòn rất nhanh. Có thể dùng thép hadfield để đúc các
chi tiết như răng gầu xúc, xích xe tăng, ghi tàu, hàm đập má...
Ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim hóa. [2]
Nguyên tố Crom. Crôm cũng như silic, làm co hẹp vùng  và vùng  biến mất
khi hàm lượng Cr trên 12,5%, lúc đó thép chỉ có tổ chức tòan ferit và không có
chuyển biến pha. Tuy nhiên khi có mặt C thì vùng  sẽ biến mất với điều kiện
hàm lượng crôm lớn hơn nhiều, thí dụ, C = 0,25% thì Cr = 23% nếu C = 0,4% thì

Cr = 30% tương ứng. Crom là nguyên tố tạo cacbit rất mạnh nhưng thường là
cacbit hỗn hợp dạng M23C6; M7C3 hoặc M3C. Các loại cacbit này có tác dụng
hóa bền khi tiết pha hoặc bản thân nó cũng làm tăng bền mòn cho vật liệu. Crom
còn làm tăng độ thấm tôi cho thép, hòa tan vào ferit và hóa bền nó nhưng lại
không làm ảnh hưởng đến độ dẻo của thép.
Nguyên tố Silic. Khi hòa tan trong hợp kim sắt, silic làm cho các điểm cùng tinh
C, cùng tích S và điểm E dịch chuyển về phía nồng độ cacbon thấp trên giản đồ
trạng thái Fe-C; giảm độ hoà tan của cacbon vào gang cả ở trạng thái lỏng và

9


trạng thái đặc. Silic nâng cao nhiệt độ chuyển biến cùng tinh và cùng tích, làm
cho đường cùng tinh, đường cùng tích trở thành khoảng chuyển biến cùng tinh,
cùng tích, điều này có ý nghiã rất quan trọng khi nhiệt luyện.Tăng hàm lượng Si
làm giảm nhiệt độ chảy và hệ số dẫn nhiệt của thép. Silic là nguyên tố không tạo
cacbit, nâng cao giới hạn chảy, kìm hãm sự thải bền khi ram với mức độ nhẹ, làm
giảm độ dai của thép. Khi hàm lượng Si >1,5%, thép kết tinh ở dạng 2 pha và
khoảng kết tinh tăng rất mạnh, độ chảy loãng thực tế của thép tăng mặc dù trong
thép có nhiều vật lẫn và màng SiO2. Với thép 0,4 %C, khi hàm lượng Si nhỏ
(<1,5%), cần phải rót ở nhiệt độ rất cao, 1620-1650 0C, nhưng khi hàm lượng Si
lên đến 18% thì nhiệt độ rót chỉ còn là 1270 0C. Nhiệt độ rót cao làm cho thép có
tổ chức hạt thô mà không thể nhiệt luyện để giảm độ hạt được. Độ hạt thô to chỉ
có lợi khi cần có tính chất lý học tốt nhưng lại bất lợi cho các tính chất hóa học.
Nguyên tố Vanadi. Đây là nguyên tố tạo cacabit mạnh và rất nhạy cảm với khả
năng hóa bền cơ học. Thí dụ, thép Mn13 có 1,2%C, hàm lượng V trong thép thay
đổi là 0%; 1% và 2% thì độ dai va đập là 148; 41 và 19 Nm, tương ứng. Nếu hàm
lượng C là 0,8% thì độ dai va đập sẽ tăng lên thành 154; 81 và 34 Nm, tương
ứng. Về cơ chế tác dụng, một số công trình cho rằng, vanadi có liên quan đến
chuyển biến song tinh trong quá trình biến dạng.

Molipđen
Molipđen có khối lượng riêng 10,32kg/dm3; nhiệt độ nóng chảy 26200C, nhiệt độ
sôi 47000C. Đây là nguyên tố có tác dụng tăng bền, tạo cacbit và peclit hoá rất
mạnh. Tác dụng peclit hoá của Mo chỉ phát huy khi hàm lượng của nó vượt
0,8%. Ngoài ra, Mo còn có tác dụng làm tăng độ thấm tôi cho thép, tạo điều kiện
thuận lợi cho quá trình nhiệt luyện. Molipden thường dùng làm nguyên tố hợp
kim trong các loại thép làm việc trong môi trường chịu nhiệt cao, bền nóng, chịu
axit và thép cắt gọt tốc độ cao.
Nguyên tố Niken. Niken có nhiệt độ nóng chảy 1453 oC; tỉ trọng 8,9 kg/cm3 là
nguyên tố làm tổ chức của thép kết tinh lần thứ nhất trở nên thô to nhưng nó lại

10


thuộc vào nhóm các nguyên tố làm mở rộng vùng dung dịch rắn , làm giảm
nhiệt độ chuyển biến , giảm tốc độ tôi tới hạn, làm nhỏ mịn hạt khi kết tinh
lần thứ hai. Niken không tạo cacbit nên nó chỉ ảnh hưởng đến tính chất của thép
thông qua dung dịch rắn trong ferit hoặc austenit. Khi hàm lượng Ni và C thích
hợp, vật đúc có thể có tổ chức máctenxit ngay cả khi nguội chậm. Thí dụ, thép
chứa Ni > 5% có tổ chức mactenxit ngay cả khi hàm lượng C = 0,05% và tôi
trong dòng không khí. Khi Ni > 20%, tổ chức vật đúc là mactenxit + austenit.
Niken còn làm tăng độ thấm tôi của thép cho nên đảm bảo cơ tính đồng đều trên
toàn bộ thiết diện vật đúc, thí dụ, thép chứa 2%Ni đã có tổ chức và tính chất đồng
đều trên thiết diện dày tới 200mm. Niken cùng với Fe- tạo thành hàng loạt dung
dịch rắn mà không tạo cacbit. Bởi vậy niken nâng cao độ bền và giảm một chút
độ dẻo của ferit.
Bảng 1.1 Ảnh hưởng của thành phần thép Mn cao đến cấu trúc và khả năng gia công cơ

TT

C

Thµnh phÇn , %
Mn
Ti

Cr

TÝnh chÊt tõ

TÝnh gia c«ng

1

0,79

17

-

-

kh«ng

Kh«ng gia c«ng ®-îc

2

0,34

20

-

-

kh«ng

Khã gia c«ng c¬

3

0,21

13

-

-

yÕu

4

0,51

18

0,55

-

kh«ng

kh«ng thÓ

5

0,49

13

0,50

-

kh«ng

kh«ng thÓ

6

0,35

15

0,50

-

kh«ng

cã thÓ

7

0,50

14

-

1,0

kh«ng

kh«ng thÓ

8

0,33

21

-

1,0

kh«ng

dÔ dµng

9

0,35

14

-

1,0

kh«ng

trung b×nh

rÊt khã

Kết cấu vật đúc và việc lựa chọn thành phần của thép hadfield
Trong vật đúc bằng thép hadfield, nếu hàm lượng C cao, giá trị Mn/C thấp, khi
làm nguội chậm sẽ tiết ra một lượng lớn cacbit làm cho thép trở nên giòn. Sau
khi nhiệt luyện, cacbit sẽ biến mất nhưng vẫn còn lại dấu vết mà về bản chất,

11


chính là những vết nứt tế vi giữa các tinh thể. Bởi vậy, trong quá trình kết tinh
lần 1, cần phải thu được cacbit mịn trong vật đúc thép hadfield. Khi làm nguội
chậm và hàm lượng cacbon rất cao (1,35-1,4%), cacbit rất thô và sẽ không hòa
tan hết vào trong austenit khi nung lên đến nhiệt độ khá cao để tôi (110011500C). Vật đúc sau khi tôi vẫn rất giòn và chịu mài mòn kém. Mặt khác, khi

nung đến nhiệt độ cao và giữ nhiệt trong thời gian dài, sẽ xảy ra hiện tượng thoát
cacbon trên bề mặt vật đúc. Nếu có hiện tượng thoát cacbon không đồng đều
trong thể tích vật đúc, thì vật đúc sẽ có những chỗ bị biến giòn cục bộ do có tạo
thành mactenxit.
Thép hadfield có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ (nhỏ
hơn thép cacbon 5 lần). Với những vật đúc
lớn khi làm nguội, trong tâm vật đúc bị nguội
chậm nên dễ tiết ra cacbit từ dung dịch rắn.
Bởi vậy, vật đúc lớn có hàm lượng C cao sẽ
không thể nhận được cấu trúc đồng đều trên
cùng một thiết diện. Kinh nghiệm cho hay,
khi hàm lượng C=1,0% trong thép hadfield thì

Hình 1.2
Tổ chức sau đúc của thép 13%Mn

chiều dày vật đúc không nên lớn hơn 120mm.
Về mặt kết cấu, chiều dày vật đúc càng lớn, kết cấu càng phức tạp thì nên dùng
hàm lượng C càng nhỏ và tỉ lệ Mn/C càng lớn. Khi chiều dày vật đúc trên
120mm chỉ nên sử dụng thép mangan cao nhưng cacbon thấp hoặc hợp kim hóa
thêm bằng Ni và các nguyên tố tạo cacbit khác. Tiêu biểu của các nguyên tố này
là Al. Khi cho thêm 1,0-1,5%Al vào thép có chiều dày 80-120mm và 3-5%Al
vào thép có chiều dày trên 120mm sẽ làm cho thép không có từ tính và có độ dẻo
khá cao ngay ở trạng thái đúc. Thép này có thể tôi được ở trong nước. Tuy nhiên,
khi thêm Al vào trong thép lại làm giảm tính chất cơ học và khó thu được vật đúc
đặc chắc do việc hình thành Al2O3.

12

Tính đúc của thép hadfield [2]
Tăng hàm lượng Mn, khoảng đông của thép giảm đi và tính chảy loãng của thép
mangan tăng dần theo hàm lượng Mn và thép hadfield có độ chảy loãng tốt nhất
vì nó có đồng thời cả hàm lượng Mn lẫn hàm lượng C đều cao. Nhiệt độ nóng
chảy của thép hadfield là 13400C và khỏang kết tinh là 1000C. Mặc dù thép có độ
chảy loãng tốt nhưng vẫn cần rót nhanh để tránh hiện tượng oxy hóa Mn tạo
MnO vì oxyt MnO có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt, tạo các silicat phức
tạp, tăng khả năng tạo cháy cát trên bề mặt vật đúc.
Thép hadfield có độ co dài khoảng 2,8-3,0%. Độ co lớn, lõm co phát triển nhanh
ngay sau khi đông đặc là nguyên nhân gây ra nứt nóng và nứt nguội của thép
hadfield. Thể tích lõm co thép hadfield lớn hơn nhiều so với thép cacbon. Mặc dù
thép có hệ số co dài khá lớn nhưng không phải lúc nào thể tích lõm co cũng lớn.
Thép hadfield sẽ có thể tích lõm co nhỏ nếu tiến hành rót ở nhiệt độ thấp và bổ
sung kim loại lỏng nhiều lần qua đậu ngót ngay cả khi đậu ngót không lớn lắm.
Nhiệt độ rót thích hợp là 13200C. Cũng có thể khắc phục hiện tượng nứt trong
thép hadfield bằng cách điều chỉnh trường nhiệt độ trong khuôn và trong vật đúc.
Việc bố trí hệ thống rót, ngót chính là có tác dụng điều chỉnh này. Đậu ngót nên
đặt ở vị trí thuận lợi cho hướng đông. Đậu rót phải đặt ở những vị trí đảm bảo
cho trường nhiệt độ trong vật đúc tương đối đồng đều, có nghĩa là nên dẫn kim
loại lỏng vào nhiều vị trí, trên mỗi ránh dẫn nên có một đậu ngót để tránh tạo rỗ
co cục bộ. Sau khi rót nên dỡ khuôn sớm ở nhiệt độ 1250-13000C để tránh nứt
nóng, sau đó cho vào lò ủ để tránh nứt nguội.
Việc loại bỏ đậu ngót sau đúc cũng là vấn đề quan trọng với thép hadfield. Với
những vật đúc lớn và hình dáng phức tạp, chỉ nên cắt đậu ngót bằng ngọn lửa sau
khi đã nhiệt luyện khi thép đã đủ bền, đủ dẻo để khử ứng suất xuất hiện trong quá
trình cắt. Đặc biệt, khi cắt đậu ngót, sẽ có vùng chịu ảnh hưởng nhiệt mà nhiệt độ
lên đến 400-6000C. Trong trường hợp này, thép sẽ tiết ra cacbit, làm giảm độ
dẻo, độ chịu mòn của thép ngay cả ở trạng thái đã tôi thành austenit. Bởi vậy, chỉ

13

nên dùng đậu ngót bên sườn cho thép hadfield. Thêm nữa, vết cắt cũng phải cách
xa bề mặt vật đúc khoảng 15-20mm rồi sau đó làm sạch bằng cách mài. Nếu
không tuân theo những qui định trên thì rất dễ làm cho vật đúc bị nứt nguội sau
khi cắt đậu ngót.
Hàm lượng Mn cao làm cho tổ chức kết tinh lần một trở nên thô to, nhất là đối
với thép austenit bởi vì thép có độ dẫn nhiệt thấp, austenit kết tinh nhanh. Tổ
chức thô to và ở dạng xuyên tinh làm cho thép dễ bị nứt nóng và cả nứt nguội.
Khắc phục bằng cách rót ở nhiệt độ thấp; tăng tốc độ nguội bằng khuôn kim loại;
biến tính bằng Al hay Ti.

1.1.2 Các biện pháp nâng cao chất lƣợng thép Mn13
Thép mangan cao (một loại thép nổi tiếng là thép Hadfield) có tính chất
rất đặc biệt. Ở trạng thái đúc, thép có tổ chức ferit và một ít cacbit trên biên giới
hạt. Sau nhiệt luyện, thép chỉ có tổ chức một pha austenit. Trong quá trình va
đập, pha  sẽ tạo ra nhiều mặt trượt và cũng có thể chuyển thành mactenxit, làm
cho thép bị biến cứng, khi đó thép có thể có độ cứng rất cao, khoảng 450-500HB
và có khả năng chịu mài mòn tuyệt vời. Nhưng thép này chỉ có thể chịu mài mòn
cứng mà không chịu được mài mòn mềm. Bởi vậy, có thể dùng thép hatphin để
đúc các chi tiết như răng gầu xúc, xích xe tăng, ghi tàu, hàm đập má...
Quan điểm cổ điển và vẫn còn ảnh hưởng đến tận bây giờ, giải thích cơ chế
tăng bền của thép mangan cao là cơ chế chuyển biến mactenxit. Cơ chế này cho
rằng, tổ chức austenite với độ dai cao, độ cứng thấp và với mạng A1 rất nhạy
cảm với hóa bền biến dạng. Khi làm việc dưới tải trọng va đập, bề mặt chi tiết bị
biến cứng rất mạnh, năng lượng va đập làm cho austenit chuyển biến thành
Mactenxit có độ cứng cao, làm tăng mạnh độ cứng và tính chống mài mòn, trong
khi đó, phần lõi của chi tiết vần giữ nguyên tổ chức ban đầu, vẫn có độ dẻo dai
nhất định. Hiện tượng này gọi là « hóa bền biến dạng ».

14


Luồng quan điểm thứ hai giải thích cơ chế hóa bền của thép mangan cao là
cơ chế lệch và song tinh. Cơ chế tăng bền này cho rằng, trong quá trình biến
dạng, trong cấu trúc của vật liệu xuất hiện xô lệch, các khuyết tật mạng và có
thể xuất hiện song tinh. Cơ chế tăng bền chủ yếu là do kết quả của các hiện tượng
này. Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu vẫn đang tranh luận sôi nổi về cơ chế
này.
Tuy rằng, bản thân thép Mn13 đã có tính chất tuyệt vời như đã nói trên,
nhưng trong thực tế người ta vẫn không ngừng nghiên cứu nhằm cải thiện và
nâng cao các tính năng làm việc của thép Mn13. Những biện pháp đó có thể tóm
tắt như sau..
1.1.2.1. Vật liệu Composit nền thép đúc Mn13 siêu bền:
Gần đây người ta quan tâm đến việc phát triển composit nền thép, vật liệu
tăng cường là các hạt cacbit. Các hạt cacbit này được chế tạo thành các chi tiết có
hình dáng đặc biệt thí dụ, hình trụ, hình zic zắc... bằng phương pháp nấu luyện
hoặc luyện kim bột. Các vật này được cấy vào thân búa đập, thanh đập. Sự phối
hợp các hạt cácbít có độ cứng cao (TiC, Cr3C2; VC...) trên nền thép mangan
austenit có độ bền và dẻo dai cũng như tính chịu mài mòn tốt trong điều kiện có
va đập đã tạo ra vật liệu composit có độ cứng cao và tính chịu mài mòn cực tốt.
Búa răng siêu bền (hình1.3) được phát triển trên cơ sở búa bằng thép
mangan cao, song phần đầu đập được đúc lồng vào các răng siêu cứng bằng vật
liệu hợp kim cứng theo một công nghệ đúc đặc biệt. Búa răng siêu bền có ưu
điểm là độ dai va đập tốt, an toàn khi sử dụng, có khả năng chịu mài mòn và tuổi
thọ cực tốt, tuổi thọ của búa răng siêu bền lớn hơn búa man gan cao từ 50 –
100%. Búa răng siêu bền là sự lựa chọn tốt nhất cho các máy đập đá vôi có điều
kiện làm việc khắc nghiệt: Đá cứng và có hàm lượng SiO2 cao, độ mài mòn lớn.

15

Hình 1.3 Sản phẩm búa răng siêu bền

Một giải pháp khác của vật liệu tổ hợp nền thép là, đưa hàm lượng các
nguyên tố cacbit trong thép Mn13 lên đến 10-20%. Sau nhiệt luyện, thép sẽ có tổ
chức nền là austenit và các hạt tăng cường là TiC nhỏ mịn được hình thành trong
thép theo quá trình in-situ [16].
1.1.2.2. Biện pháp biến tính để nâng cao chất lƣợng thép mangan cao:
Thép Mn cao có hàm lượng Mn cao làm cho tổ chức kết tinh lần một trở
nên thô to, nhất là đối với thép austenit bởi vì thép có độ dẫn nhiệt thấp, austenit
kết tinh nhanh. Tổ chức thô to và ở dạng xuyên tinh làm cho thép dễ bị nứt nóng
và cả nứt nguội.
Bằng việc sử dụng kỹ thuật biến tính, đưa vào kim loại lỏng một lượng nhỏ
các nguyên tố Ti, Al, V, RE và kết quả đạt được là cỡ hạt austenit đã giảm một
cách đáng kể và cơ tính của thép được cải thiện khá nhiều.
1.1.2.3. Biện pháp rót nhiệt độ thấp.
Thép hatphin có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ (nhỏ hơn thép cacbon 5 lần). Với
những vật đúc lớn khi làm nguội, trong tâm vật đúc nguội chậm nên dễ tiết ra
cacbit từ dung dịch rắn. Bởi vậy, vật đúc lớn có hàm lượng C cao sẽ không thể
nhận được cấu trúc đồng đều trên cùng một thiết diện. Kinh nghiệm cho hay, khi
hàm lượng C=1,0% trong thép hatphin thì chiều dày vật đúc không nên lớn hơn

16


120mm. Về mặt kết cấu, chiều dày vật đúc càng lớn, kết cấu càng phức tạp thì
nên dùng hàm lượng C càng nhỏ và tỉ lệ Mn/C càng lớn. Khi chiều dày vật đúc
trên 120mm chỉ nên sử dụng thép mangan cao nhưng cacbon thấp hoặc hợp kim
hóa thêm bằng Ni và các nguyên tố tạo cacbit khác.

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ rót đến cơ tính của thép Mn cao.[27]
Nhiệt độ rót; oC

Bền, MPa

Dãn dài, %

1450

393

4.32

1400

484

11.0

1380

511

18.0

1350

567

21.2

Hàm lượng Mn cao làm cho tổ chức kết tinh lần một trở nên thô to, nhất là
đối với thép austenit bởi vì thép có độ dẫn nhiệt thấp, austenit kết tinh nhanh. Tổ
chức thô to và ở dạng xuyên tinh làm cho thép dễ bị nứt nóng và cả nứt nguội.
Khắc phục bằng cách rót ở nhiệt độ thấp; tăng tốc độ nguội bằng khuôn kim loại;
biến tính bằng Al hay Ti.

17


1. 2. Cơ sở lý thuyết và các biện pháp nâng cao chất lƣợng thép Mn
cao bằng phƣơng pháp biến tính.
1.2.1 Cơ sở lý thuyết biến tính thép đúc.[2]
Biến tính là đưa vào kim loại lỏng một lượng các nguyên tố gọi là chất biến
tính nhằm làm thay đổi hình dạng kích của tinh thể sơ sinh, làm cho cơ tính và
tính chất của hợp kim thay đổi đáng kể nhưng không làm thay đổi thành phần của
hợp kim.
Tác dụng của chất biến tính lên tổ chức kim loại được cho là kết quả của
việc đưa vào hoặc tạo thành trong kim loại các hạt nhỏ mịn có độ phân tán cao
(đôi khi ở dạng keo) đóng vai trò như các tâm mầm kết tinh, hoặc do sự tích tụ
các nguyên tử tạp chất trên bề mặt của các tinh thể đang phát triển, do đó làm
giảm tốc độ lớn lên của các mặt tinh thể đó.
Hiệu quả tác động của chất biến tính không hòa tan trong kim loại lỏng có
quan hệ với sự giảm năng lượng tạo thành các mầm kết tinh, do các hạt của chất
biến tính không hòa tan đóng vai trò của các bề mặt biên giới pha có sẵn.[33]
Khi làm nguội kim loại lỏng đến nhiệt độ kết tinh, do tác dụng của độ quá
nguội mà các mầm tinh thể sẽ hình thành và phát triển. Các thông số cơ bản của
quá trình kết tinh là độ quá nguội T, sức căng bề mặt  giữa 2 pha lỏng-rắn, sự
thay đổi năng lượng tự do để hình thành mầm và kích thước tới hạn rth của mầm.
Tốc độ hình thành mầm (Vm) là số lượng mầm được hình thành trong một đơn vị

thể tích sau một đơn vị thời gian và tốc độ lớn lên của mầm (VL) phụ thuộc vào
sức căng bề mặt  và độ quá nguội T như sau:

Vm  f (exp
VL  f (exp

18

3
T 2

2
T

)

)


Như vậy, tăng mức độ quá nguội cũng có tác dụng như giảm sức căng bề
mặt (hay còn gọi là ứng suất biến pha) và ngược lại. Từ công thức mô tả tốc độ
đông đặc nói trên, nếu so sánh giữa tốc độ hình thành mầm với tốc độ phát triển
của mầm dễ dàng nhận thấy rằng, độ quá nguội có ảnh hưởng mạnh hơn đối với
tốc độ hình thành mầm tức là khi tăng độ quá nguội quá trình biến tính sẽ thu
được cấu trúc mịn hơn. Trong vật đúc thực, do chiều dày thành vật đúc khá lớn
cho nên không thể quá nguội toàn bộ chiều dày của vật đúc để đảm bảo cho toàn
bộ vật đúc có tổ chức nhỏ mịn. Chỉ có thể làm được điều này bằng biến tính nhân
tạo, tức là làm tăng số lượng mầm tinh thể ngoại lai.
Như đã trình bày ở trên, tăng độ quá nguội của kim loại lỏng đồng thời
cũng làm tăng tốc độ phát triển của mầm tinh thể. Như vậy có thể điều khiển quá

trình dẫn nhiệt từ kim loại đã đông đặc ra bên ngoài bằng hai biện pháp:
a) Tạo nên một gradient nhiệt tương đối dốc trong vật đúc làm cho vùng 2 pha
thu hẹp lại, mầm tinh thể sẽ dịch chuyển từ thành khuôn vào tâm vật đúc. Rõ
ràng biện pháp này không thích hợp với vật đúc lớn vì rất khó có khả năng dẫn
một lượng nhiệt tương đối lớn qua lớp kim loại đã đông đặc. Trong thực tế sản
xuất hay dùng biện pháp tăng tốc độ làm nguội bên ngoài một cách đáng kể
nhằm đảm bảo tốc độ kết tinh lớn. Tuy nhiên trường hợp này do cấu trúc không
đồng nhất trong toàn bộ thiết diện vật đúc nên cơ tính của nó cũng không đồng
nhất. Tiết diện càng lớn, cấu trúc càng thô và tính chất của vật đúc càng không
đồng đều. Thông số cơ bản ảnh hưởng đến quá trình này chính là gradient nhiệt
độ trong pha lỏng chứ không phải là gradient nhiệt độ trong pha rắn, tuy rằng,
quá trình truyền nhiệt qua pha rắn là rất khó khăn. Bởi vậy thường dùng bột sắt
để làm giảm nhanh chóng nhiệt độ kim loại lỏng trước khi đông đặc, nhằm đẩy
nhanh tốc độ kết tinh.
b) Tạo ra gradient nhỏ nhất trong vật đúc. Điều này sẽ làm cho quá trình hình
thành và phát triển của tinh thể xảy ra trong toàn bộ thể tích vật đúc. Biện pháp
này có thể thực hiện nhờ việc đưa vào kim loại lỏng một lượng chất phụ gia thích

19


hợp, chúng sẽ bị hấp phụ lên bề mặt tinh thể đang kết tinh và do đó có tác dụng
làm giảm sức căng bề mặt của kim loại lỏng.Việc giảm sức căng bề mặt có tác
dụng giống như việc tăng độ quá nguội tinh thể, và chúng sẽ có tác dụng trực tiếp
đến quá trình kết tinh thông qua tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển của mầm.
Thông thường các nguyên tố làm giảm sức căng bề mặt là những nguyên tố có
cấu trúc mạng tương tự như cấu trúc mạng của kim loại cơ sở. Các chất phụ gia
này có thể hoà tan mà cũng có thể không hoà tan hoàn toàn vào kim loại lỏng.
Chúng đồng thời có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt nhưng cũng đồng thời
làm những tâm mầm kết tinh cho kim loại. [33]

Các ý tưởng rất đáng quan tâm về việc lựa chọn chất biến tính cho thép
được đưa ra bởi B.B. Guliaev, người đã đề nghị sử dụng bảng tuần hoàn hóa học
làm cơ sở lựa chọn chất biến tính. Ông đã khẳng định rằng vị trí của nguyên tố
biến tính đối với một hợp kim cho trước là hoàn toàn được xác định trong bảng
tuần hoàn hóa học. Trong phần lớn các trường hợp, các nguyên tố biến tính
tương ứng với các vị trí đầu tiên của mỗi chu kì, được đánh dấu bằng những
đường kép trên đường cong nhiệt độ nóng chảy. Ảnh hưởng biến tính của các
nguyên tố được tác giả liên hệ với cấu tạo của các lớp electron ngoài cùng của
nguyên tử.
Theo dữ liệu của B.B. Guliaev, việc cho thêm B, V và Ca không có khả
năng triệt tiêu sự kết tinh nhánh cây trong thép cacbon. Tuy nhiên, các kết quả thí
nghiệm của các tác giả khác đã không khẳng định kết luận trên. Khi nghiên cứu
ảnh hưởng của lượng nhỏ cho thêm B, V, Ti, Zr, Al đến các quá trình kết tinh lần
đầu của thép cacbon và quá trình kết tinh lại khi phân hủy đẳng nhiệt austenit L.I.
Kogan, V.E. Neimark, I.B. Piletskaia và R.I. Entin đã khẳng định rằng tác dụng
biến tính mạnh nhất gây triệt tiêu sự kết tinh nhánh cây và thay đổi kích thước
hạt austenit được thể hiện khi cho thêm B, V, Ti và Al, còn tác dụng không đáng
kể khi thêm Zr. Trong đó, hiệu quả tác dụng của B, V, Ti và Al là mạnh nhất
trong vùng nồng độ rất bé. Đặc biệt, tác dụng biến tính khá mạnh nhận được khi
đưa vào trong thép với lượng phần nghìn nguyên tố B, vài phần ngàn của

20


nguyên tố V và Ti. Lượng thêm của Al thể hiện tác động rõ rệt đến các quá trình
nêu trên với hàm lượng trong thép đến khoảng 0,02 - 0,03%.[33]
Thực chất, tác dụng biến tính có hai phương thức:


Quá trình biến tính tác động lên pha nền (inoculation,

refinement), thí dụ, biến tính làm nhỏ mịn hạt nhôm- bằng
titan, bor; biến tính graphit hóa cho gang bằng FeSi; biến tính
làm nhỏ mịn tổ chức thép đúc…



Quá trình biến tính tác động lên pha thứ hai (modification). Thí
dụ: biến tính graphit hoá, biến tính làm nhỏ mịn các hạt Si trong
hợp kim nhôm; biến tính sản xuất gang cầu, biến tính sản xuất
gang giun; biến tính làm nhỏ mịn các hạt cacbit trong gang,
thép.

1.2.2 Các lý thuyết giải thích quá trình biến tính:
Lý thuyết tạo tâm mầm kết tinh ngoại lai.
Lý thuyết này cho rằng, khi cho chất biến tính dạng tạo tâm mầm kết tinh
ngoại lai vào trong hợp kim lỏng, chất biến tính sẽ có tác dụng:
a/ Bản thân chất biến tính là những tâm mầm kết tinh do chúng đã thỏa mãn
các yêu cầu về thông số mạng để làm tâm mầm. Thí dụ, đất đèn CaC2 hoặc
ferosilic FeSi là chất biến tính graphit hóa trong gang.
b/ Nguyên tố biến tính sẽ tác dụng với một số nguyên tố có trong hợp kim
để tạo thành các hợp chất có tác dụng là những tâm mầm cho quá trình kết tinh.
Borit AlB hay titanit Al3Ti làm tâm mầm kết tinh cho các tinh thể -nhôm. TiC
đối với gang crom cao hoặc đối với thép Mn13…Một lượng rất nhỏ TiC, TiN
hoặc các nguyên tố đất hiếm Ce, Zr vào hợp kim nhôm hoặc các nguyên tố đất
hiếm vào thép lỏng đều có tác dụng tạo ra các hợp chất hoá học có điểm chảy cao
nhưng lại có thông số mạng gần giống với thông số mạng của kim loại đang kết
tinh, sẽ thúc đẩy quá trình hình thành mầm ngoại lai.

21

Chất biến tính cũng có thể hòa tan vào trong kim loại lỏng, làm giảm công
tạo mầm, mầm được hình thành dễ dàng hơn, sẽ có nhiều mầm hơn được hình
thành trong một đơn vị thời gian.
Lý thuyết hấp phụ.
Khi cho chất biến tính, thường là chất hấp phụ vào trong hợp kim lỏng, chất
biến tính sẽ bị hấp phụ một cách có chọn lọc lên trên bề mặt tinh thể đang kết
tinh, tạo ra một lớp màng tích cực bao quanh các tinh thể đã hình thành, làm thay
đổi sức căng bề mặt giữa 2 pha rắn/lỏng và ngăn cản sự phát triển của các tinh
thể này. Việc tăng sức căng bề mặt giữa hai pha chính là làm thay đổi năng lượng
tự do (công) tạo mầm, giảm kích thước bán kính tới hạn, do đó, tốc độ tạo mầm
tăng và số lượng mầm sẽ tăng lên nhiều. Thí dụ, một lượng nhỏ Na (khoảng
0,01%) trong hợp kim silumin sẽ làm cho năng lượng hình thành tâm mầm Si
trong thành phần cùng tinh giảm đi và do đó, các tinh thể Si trong cùng tinh trở
nên rất nhỏ mịn. Magiê trong gang lỏng sẽ làm thay đổi sức căng bề mặt của
graphit đối với sắt, đồng thời hình thành các sunphit và ôxit làm tâm mầm cho
graphit hình thành và phát triển, tổ chức cuối cùng thu được là gang có graphit
hình cầu. Trong trường hợp này, bản thân chất biến tính không làm tâm mầm kết
tinh. Các nguyên tố đất hiếm cũng có tác dụng theo nguyên lí hấp phụ trong
trường hợp biến tính gang thép.[2]
1.2.3 Titan là nguyên tố biến tính trong thép.
Để hoạt động như một tâm mầm kết tinh, pha dị thể mới sinh trong quá
trình biến tính phải có sự tương đồng về thông số mạng và năng lượng hoạt hóa
với pha nền. Sự chênh lệch tương đối về thông số mạng giữa hai pha càng nhỏ
càng tốt. Khi sự chênh lệch này càng nhỏ, năng lượng bề mặt trên mặt phân cách
càng nhỏ, các nguyên tử của pha tạo mầm càng dễ dịch chuyển vào vùng kết tinh
theo một trật tự nhất định được qui định trước cho pha mới. Như vậy, độ sai lệch
về thông số mạng của hai pha, pha nền và pha của chất tạo mầm, là yếu tố đặc
biệt quan trọng trong việc xác định chất tạo mầm.

22


Có nhiều phương pháp xác định độ sai khác về thông số mạng của hai
pha, nhưng lí thuyết của Grong [30] cho sự hình dung phù hợp hơn cả. Theo
thuyết này, sự chênh lệch mạng () giữa hai pha, pha nền (s) và pha tạo mầm (n)
được tính toán như sau:


( hkl ) s
( hkl ) n

3

diuvw S . cos  diuvw n

i 1

3diuvw n



Trong đó: (hkl)s và (hkl)n là chỉ số mặt tinh thể của pha nền và của pha tinh thể
mới. [uvw]s , [uvw]n là chỉ số phương trong các mặt (hkl)s và (hkl)n ; d[uvw]s và
d[uvw]n là khoảng cách giữa hai nguyên tử theo các phương [uvw]s ; [uvw]n. ;  là
góc giữa hai phương [uvw]s ; [uvw]n. Nếu 
= 0  cos = 1; hai mặt nguyên tử pha nền
và pha mầm song song với nhau. Độ sai lệch
mạng được coi là sự sai lệch cuả các khoảng
cách giữa các nguyên tử .

Khi dùng titan làm chất biến tính trong thép,
titan dễ dàng phản ứng với oxy để tạo thành
TiO2 và cùng với cacbon tạo thành TiC.

Hình 1.4 Cấu trúc ô mạng của TiC

Cacbit TiC có cấu trúc FCC, mạng tinh thể
kiểu mạng NaCl (hình 1.4) với kích thước mặt (110) là a= 0,61 và c = 0,432 nm.
Độ dài liên kết (Dna) và số liên kết Ia của mạng TiC cho trên bảng 1.4. Trong
khi đó, austenit có cấu trúc mạng FCC với thông số mạng a = 0.3566 nm, nhưng
khoảng cách giữa các nguyên tử theo hướng [111] lại là 0,64 nm. Rõ ràng có sự
tương đồng về thông số mạng giữa hai pha, pha nền austenit và pha mầm TiC.
Các kết quả tính toán đều cho rằng, độ chênh lệch thông số mạng  theo các
phương nói trên đều nhỏ hơn 15%.

23


Bảng 1.3 Độ dài liên kết hóa trị và số liên kết của ô mạng TiC [31]

Khi cho các nguyên tố đất hiếm với vai trò là chất biến tính vào thép,
trước hết, chúng tác dụng với oxy và lưu huỳnh làm giảm hàm lượng oxy và lưu
huỳnh trong thép (vai trò tinh luyện khử khí). Hậu quả là sức căng bề mặt của
thép lỏng sẽ thay đổi cũng làm ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm khi kết tinh.
Sản phẩm của phản ứng là các loại oxit có khả năng làm tâm mầm kết tinh cho
thép (vai trò biến tính). Các phản ứng khử oxy trong thép xảy ra như sau:
[Ce] + 3/2[O] = 1/2Ce2 O3

G = -714 380 +186,1T

[La] + 3/2[O] = 1/2La2O3

G = -755822 + 197,86T

[Ce] + 3/2[S] = 1/2Ce2S3

G = -131 000 +223,1T
G = -600 509 +149,9T

[La] + 3/2[S] = 1/2La2S3

G = -801 616 +128,8T

[La] + [S] +[O] = LaAlO3

Các ôxit này có nhiệt độ nóng chảy rất cao, thường là trên 2500oC, và có thông
số mạng rất tương đồng với thông số mạng của austenit.

24


Bảng 1.4 Mối tương quan giữa các thông số mạng của oxit LaALO3 với austenit

(100)LaAlO3//(100)-Fe

(100)LaAlO3//(100)-Fe

(111)LaAlO3//(111)-Fe

[uvw]LaAlO3

[010]

[001]

[101]

[uvw]-Fe

[010]

[001]

[101]

0

0

0

dLaAlO3

4,842

4,842

2,720

d-Fe

3,701

3,701

2,617



3,81

3,81

3,9



Bảng 1.5. Mối tương quan giữa các thông số mạng của oxit Ce2O3 với austenit.

(0001)Ce2O3//(100)-Fe

(0001)Ce2O3//(110)-Fe

(0001)Ce2O3//(111)-Fe

[uvw]Ce2O3

[1210]

[1210]

[1210]

[uvw]-Fe

[010]

[001]

[101]



0

0

0

dCe2O3

4,842

4,842

2,720

d-Fe

3,701

3,701

2,617



3,81

3,81

3,9

25