Nâng cao chất lượng thép mangan bằng phương pháp biến tính

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 

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các đồ thị

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

1.3.4.2 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 Chương 2- THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51 2.1 Đối tượng và mục đích nghiên cứu.(mô tả thành phần thép Mn13 và chế độ nhiệt luyện) 51

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) 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 sẵn trên máy hiển vi quang học Axiovert 25 55 2.3.3 Đo độ mài mòn và hệ số ma sát trên máy TE 97 Friction and Wear 56 2.3.4 Xác định cơ tính 57 2.3.5 Thí nghiệm hóa bền biến dạng bằng va đập thép Mn13 58 Chương 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 82

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

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:

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1 1 Thép mangan cao và các biện pháp nâng cao chất lượng 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

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

8

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

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]

F (FeMn) 3 C

Chart Title

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

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 hưởng 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

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

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

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

Hình 1.2

Tổ chức sau đúc của thép 13%Mn

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 (1100-

11500C) 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

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

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

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 »

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

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

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]

1 2 Cơ sở lý thuyết và các biện pháp nâng cao chất lượng thép Mn

cao bằng phương 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:

) (exp

) (exp

2 2 3

T f

V

T f

V

L m

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

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 tínhkhá mạnh nhận được khi đưa vào trong thép với lượng phần nghìn nguyên tố B, vài phần ngàn của

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

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

Hình 1.4 Cấu trúc ô mạng của TiC

Có nhiều phương pháp xác định độ sai khác về thông số mạng của hai pha, nhưng l í 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:

n

i uvw i

uvw s

hkl ( n ) hkl (

d

d cos d

= 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

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 (Dn a ) 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%

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

[La] + 3/2[S] = 1/2La2S3 G = -600 509 +149,9T

[La] + [S] +[O] = LaAlO3 G = -801 616 +128,8T

Các ôxit này có nhiệt độ nóng chảy rất cao, thường là trên 2500o

C, và có thông

số mạng rất tương đồng với thông số mạng của austenit

Bảng 1.4 Mối tương quan giữa các thông số mạng của oxit LaALO 3 với austenit

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính.[2] [3]

Hợp kim được biến tính Tùy thuộc vào hợp kim mà quyết định có biến

tính hay không, nếu biến tính thì dùng loại chất biến tính nào Thí dụ, nấu gang xám thường GX 15-32, GX 18-36 thì không cần biến tính, nhưng khi nấu gang xám GX 24-44 hoặc GX28-48 thì bắt buộc phải biến tính chống trắng Chất biến tính sẽ dùng là FeSi hoặc CaC2 hoặc phối hợp cả hai chất trên Gang hoặc thép hợp kim đều phải biến tính

Chất biến tính Chất biến tính có thể dùng ở dạng kim loại nguyên chất

hoặc ở dạng hợp kim trung gian Dùng hợp kim trung gian có nhiều ưu điểm hơn như: ít cháy hao, dễ sử dụng, hiệu quả biến tính tốt hơn…Thí dụ, khi biến tính nhôm silumin sau cùng tinh, nếu dùng hợp kim trung gian Al-Cu-P thì hiệu suất

sử dụng photpho sẽ tăng gấp hàng chục lần so với dùng photpho nguyên chất là chất biến tính

Cùng một mục đích biến tính, có thể dùng nhiều chất biến tính khác nhau Thí dụ, biến tính cầu hóa có thể dùng magiê, kim loại thuộc nhóm đất hiếm; biến tính làm nhỏ mịn hạt nhôm nền có thể dùng titan, bor hoặc zercon Việc sử dụng phối hợp nhiều nhiều chất biến tính đôi khi lại tỏ ra có hiệu quả hơn nhiều Thí

dụ, dùng hợp kim trung gian dạng Al-Ti-B để biến tính nhôm nền làm cho độ hạt nhỏ hơn khoảng 20-30% so với khi dùng hợp kim trung gian dạng Al-Ti Biến tính thép có thể dùng các nguyên tố đất hiếm; nhôm, titan, Sb, Sr…

Nhiệt độ biến tính Mỗi chất biến tính và mỗi hợp kim được biến tính chỉ

có một khoảng nhiệt độ biến tính thích hợp Nhiệt độ biến tính phải đủ cao để tạo điều kiện cho chất biến tính hòa tan vào hợp kim lỏng và bù lại lượng nhiệt tổn hao để làm nóng chảy và nâng nhiệt chất biến tính lên bằng nhiệt độ rót đồng thời với lượng mất mát nhiệt trong thời gian biến tính Nhiệt độ biến tính cũng không qúa cao để hạn chế sự bay hơi của chất biến tính Thí dụ, biến tính cầu hóa, nhiệt độ gang lỏng khoảng 1450-15000C Biến tính nhôm sau cùng tinh ở nhiệt độ 750-8000

C Nhiệt độ biến tính gang xám chỉ khoảng 14000C

Lượng dùng chất biến tính: Lượng dùng chất biến tính phải đủ để chất

biến tính phát huy hết tác dụng Nếu dùng chất biến tính ít hơn giới hạn, mục đích biến tính sẽ không đạt yêu cầu Dùng quá nhiều so với giơí hạn, đôi khi sẽ gây ra tác dụng xấu Thí dụ, khi biến tính cầu hóa, lượng Mg phải đủ để tham gia

3 quá trình sau: Mg bay hơi, Mg tác dụng với lưu huỳnh và ôxy; Mg còn dư trong gang lỏng khoảng 0,04-0,06% Nếu biến tính thiếu, chỉ thu được gang giun hoặc gang xám graphit tấm vụn, nếu biến tính quá nhiều Mg thì gang sẽ rất dễ biến trắng Khi gang xám ban đầu có hàm lượng S <0,03% thì lượng dùng hợp kim trung gian FeSiMg5 chỉ khoảng 2,0-2,5%

Thời gian biến tính Thời gian biến tính cũng chỉ vừa đủ để chất biến tính

phát huy hết tác dụng Thời gian biến tính quá ngắn, chất bến tính chưa kịp phát huy tác dụng thì kim loại đã đông đặc, biến tính không có ý nghĩa nữa Thời gian biến tính quá dài, sẽ xuất hiện hiện tượng gọi là “nhòa” - fade- chất biến tính, có thể gây ra ảnh hưởng ngược lại: tổ chức kim loại thô to, cơ tính giảm nhiều Thí

dụ, khi biến tính nhôm, các aluminit (tác nhân tạo tâm mầm kết tinh) chỉ mất dưới 5 phút, thậm chí dưới 1 phút để hoà tan ở nhiệt độ 775  100C Mặt khác, các hạt TiAl3 hình cầu có đường kính 20m lại bị hoà tan trong thời gian từ vài giây cho đến 10 phút Bởi vậy, chỉ có thể giữ chất biến tính trong gầu biến tính với một khoảng thời gian nhất định và sau đó phải rót ngay Thời gian giữ biến tính với gang cầu khoảng 5-10 phút

Ảnh hưởng của các chất khử biến tính Khái niệm “khử biến tính” hoặc

“phản biến tính” chỉ xuất hiện đối với gang graphit hình cầu Trong thành phần kim loại nền đôi khi còn chứa cả những nguyên tố làm giảm tác dụng của chất biến tính, thí dụ, Ti, Bi, Pb, Sn, Sb, As…Có hai giải pháp, một là, phải hạn chế

sự có mặt của các nguyên tố này ngay từ khi sử dụng mẻ liệu, hai là, dùng thêm các nguyên tố có tên gọi “khôi phục biến tính” như La, Ce, Thori

- Cho chất biến tính trực tiếp trên dòng chảy kim loại Phương pháp này chỉ

áp dụng chi những chất biến tính có nhiệt độ nóng chảy thấp so với hợp kim nền

và cũng khó bị ôxy hoá Thí dụ, rắc bột FeSi lên dòng gang lỏng khi biến tính gang xám Phương pháp này có hiệu quả kém

-

- Cho chất biến tính vào gầu rót Có thể cho trực tiếp chất biến tính vào bề mặt kim loại lỏng trong thùng rót rồi dùng que khuấy đều hoặc đặt chất biến tính vào một chụp rồi nhấn sâu vào thùng rót đã có kim loại lỏng (hình 1.5) Hoặc nhồi chất biến tính vào một ống rỗng Khi biến tính, nhấn chìm dây biến tính này vào kim loại lỏng (hình 1.6)

Hình 1.5 Biến tính bằng chụp nhấn Hình 1.6 Biến tính bằng dây nhồi

Trong phương pháp biến tính bằng chụp nhấn, chụp nhấn vừa có tác dụng đưa chất biến tính vào thùng biến tính, vừa có tác dụng như là một que khuấy Xung quanh chụp nhấn , người ta khoan một số lỗ nhỏ để chất biến tính và kim loại tiếp xúc với nhau, tạo hiệu quả biến tính Thời gian giữ chụp trong thùng biến tính sẽ kết thúc khi thấy phản ứng biến tính đã dừng lại

Biến tính bằng dây nhồi thường

áp dụng chủ yếu cho biến tính cầu

hóa (hình 1.6) Người ta nhồi chất

biến tính vào một ống rỗng bằng thép

mỏng và cuôn lại thành cuộn thành

phẩm Thiết bị biến tính gồm một

động cơ nhả dây (1) và đồng hồ đo

chiều dài dây đang dùng (2) Lượng

chất biến tính được tính toán qua

chiều dài dây đã dùng

- Đặt chất biến tính vào đáy thùng rót, rồi rót kim loại vào thùng rót Phương pháp này có nhiều phiên bản Chất biến tính đặt trực tiếp trên đáy gầu (hình 1.7); đặt trong hốc biến tính Hốc biến tính có vách ngăn hoặc không có vách ngăn Phiên bản có hiệu quả hơn cả là thùng biến tính Tundish-cover

Thiết kế thùng biến tính cần lưu ý Chiều cao thùng thường lấy bằng 1,5-2 lần đường kính để đảm bảo đủ cột áp tĩnh khi

biến tính và tránh hiện tượng bắn té kim loại ra

khỏi gầu biến tính Thùng biến tính luôn được

nung nóng đỏ trước khi biến tính

Có thể chế tạo hố biến tính 5 trong hình

1.7 từ một thỏi graphit Vật liệu grahit sẽ làm

cho gầu dễ rót và không còn hiện tượng dính

Hình 1.9 Thùng biến tính autoclave

kim loại trong hốc biến tính

Chất biến tính đặt trong thùng biến tính trung gian có buồng phản ứng (hình 1.8) Nguyên lý của phương pháp này là, dòng kim loại lỏng khi đi qua bề mặt hốc biến tính trong buồng phản ứng, sẽ “lấy” đi một lượng chất biến tính Tiếp theo, xảy ra phản ứng giữa chất biến tính và kim loại, tạo ra hợp kim đã được biến tính ở trong buồng phản ứng, sau đó chảy xuống gầu chứa

Bản chất của phương pháp này được đặc trưng bởi một thông số được gọi là

hệ số hòa tan () của chất biến tính trong buồng phản ứng

t F

Rõ ràng, tốc độ rót và kích thước

buồng phản ứng là các thông số quyết định

đến chất lượng biến tính Trong công nghệ

này, quan hệ giữa chiều dày chất biến tính

trong buồng phản ứng và diện tích F có mối

quan hệ mật thiết Nếu F quá nhỏ, chiều dầy

quá lớn, chất biến tính sẽ không tan hết vào

dòng chảy kim loại Ngược lại, nếu F quá lớn

mà chiều dày lớp chất biến tính loại quá nhỏ,

chất biến tính tan rất nhanh vào kim loại ngay

từ những thời điểm rót đầu tiên, chất lượng

kim loại biến tính sẽ không đồng đều

- Bíên tính trong thùng biến tính có áp lực cao, thùng biến tính autoclave (hình 1.9)

Nguyên lý của phương pháp này là, áp suất riêng phần của chất biến tính khi bay hơi sẽ bị „nén‟ lại khi áp suất môi trường biến tính tăng lên và do đó, độ hòa tan của chất biến tính cũng được cải thiện Người ta chế tạo một thùng biến tính có thể điều chỉnh được áp suất của chất khí bên trong thùng, hay còn gọi là thùng autoclave

Gầu rót chứa kim loại lỏng được đặt trong một thùng kín có thể điều chỉnh được

áp suất khí bên trong thùng Chất biến tính được gá vào một chụp có thể dịch chuyển lên xuống nằm ở nắp chụp phía trên thùng áp lực

Sau khi gầu rót đã đủ kim loại lỏng, chuyển gầu rót vào trong thùng biến tính Đậy nắp Tăng áp lực bên trong thùng đến áp suất khoảng 1 -5 at Nhấn chụp có chứa Mg chìm sâu vào thùng rót Sau khoảng 4-5 phút, mở nắp thùng biến tính

cũng sẽ bị thay đổi

Về cơ chế mài mòn

Quá trình phá hủy bề mặt do mòn có thể do 4 cơ chế sau đây: cơ chế phá hủy do mỏi bề mặt; cơ chế bào mòn; cơ chế dính bám (hay tróc) và cơ chế phản ứng hóa học bề mặt (hình 1.10)

Các cơ chế mòn nói trên có thể xảy ra một cách riêng rẽ, lần lượt hoặc đồng thời

Cơ chế mỏi bề mặt (hình 1.0a) thể hiện thông qua trình tự xuất hiện nứt,

phát triển vết nứt, tách các hạt mài ra khỏi bề mặt, mang chúng ra khỏi vùng ma

sát nhờ chu kì tải trọng ở vùng cận bề mặt giữa hai vật ma sát

Do thay đổi tải trọng tuần hoàn trên các chi tiết, sinh ra các vết nứt tế vi

Các vết nứt này được phát triển từ bề mặt chi tiết vào kim loại gốc dẫn đến gãy

do mỏi

Nguyên nhân: trong quá trình sửa chữa không chú ý đến kết cấu tránh ứng

suất tập trung: góc lượn, hoặc trong lắp ghép do sai lệch tâm các ổ trục, tạo tải

trọng làm hỏng trục bạc

Biện pháp chống mỏi: tăng chất lượng bề mặt, mài hết các vết nứt, tránh

tập trung ứng suất, bảo đảm đồng tâm lắp ráp, chống tải phụ, hạn chế tải trọng

lớn đột ngột

Trong mòn kiểu bào mòn (hình 1.10b), ứng suất mỏi xuất hiện do hiện

tượng va đập liên tục và vết nứt xuất hiện trên vật bị mòn do bề mặt cứng, gồ ghề

của vật ma sát Bề mặt sẽ bị phá hủy dưới dạng phá huỷ bề mặt do tồn tại các hạt

Mỏi bề mặt

(Nứt mỏi, tách hạt

nhỏ.)

Bào mòn (cắt rời , nứt giòn.)

Dính bám Phản ứng mòn hóa học và tách

các lớp biên ngoài cùng đã biến đổi do ma sát

(a) (b) (c) (d)

cứng giữa hai bề mặt ma sát từ ngoài vào hoặc từ chi tiết tróc ra Dạng phá hoại: cào xước, cắt phoi tế vi

Mài mòn do dính bám (hay còn gọi là tróc) (hình 1.10c) là một dạng hư hỏng bề mặt, thể hiện ở sự hình thành và bong tách các mối liên kết cục bộ giữa hai bề mặt ma sát do biến dạng dẻo vì lực (không nhiệt)

Nguyên nhân: do ảnh hưởng của tải trọng lớn (áp suất tiếp xúc cục bộ cao)

mà hai bề mặt bị biến dạng dẻo mạnh, bề mặt dính sát nhau ở khoảng cách ô tinh thể, nguyên tử bề mặt này khuyếch tán sang bề mặt khác và hình thành liên kết Nếu coi F1 là lực liên kết giữa các nguyên tử trong vật nền; F2 là lực liên kết giữa các nguyên tử trong vật ma sát và Flk là lực liên kết hình thành giữa hai vật trong quá trình ma sát

Điều kiện hình thành:

- Tốc độ tróc là lớn nhất

- Ma sát khô và giữa hai bề mặt không có lớp trung gian ngăn cách

- Vận tốc trượt nhỏ (v < 0,1m/s), đủ thời gian kịp cho các nguyên tử khuyếch tán

- Áp suất tiếp xúc p > [p], ứng với giới hạn chảy của vật liệu

Tróc loại 1 rất nhạy cảm với hai bề mặt có cùng loại vật liệu Tróc loại 1 chịu ảnh hưởng lớn của độ cứng bề mặt, độ cứng bề mặt tăng sẽ giảm tróc loại 1

Trong phản ứng mòn hóa học (hình 1.10d), hoạt tính do ma sát của vùng cận bề mặt chịu tải làm cho các nguyên tố của vật nền hoặc vật ma sát sẽ phản ứng hóa học với các nguyên tố trong chất bôi trơn hoặc môi trường làm việc Các sản phẩm của phản ứng thể hiện các thuộc tính khác biệt và sau khi đã đạt được một chiều dày nhất định, các sản phẩm này rất dễ bị vỡ ra do dòn và thậm chí chúng còn làm giảm cả tính ma sát, mài mòn

Ngoài kiểu và cơ chế mài mòn, hiện tượng mòn cũng cực kỳ thú vị đối với việc giải thích kết quả của mài mòn Độ mài mòn của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng cơ bản nhất lại là chất lượng bề mặt

Chất lượng bề mặt ma sát được thể hiện qua các yếu tố:

a- Hình học bề mặt: vĩ mô, vi mô và siêu vi mô:

+ Vĩ mô: phản ánh trên toàn bộ, phạm vi lớn: độ côn, độ ô van, dung sai chế tạo, những sai số này do dao động của hệ máy-dao-chi tiết trong quá trình gia công gây nên

+ Vi mô: phản ánh tình trạng bề mặt ở phạm vi kích thước tương đối bé

+ Siêu vi mô: là sai khác hình học trong phạm vi rất nhỏ do cấu trúc kim loại gây ra

b- Trạng thái ứng suất bề mặt: do tác dụng lực biến dạng dẻo nên trên bề mặt chi tiết luôn luôn có ứng suất dư (trong quá trình công nghệ và trong quá trình sử dụng) Trạng thái ứng suất thay đổi dễ gây ra nứt tế vi, hỏng do mỏi

c - Tính chất cơ lý hoá bề mặt:

+ Sau khi gia công chế tạo ở bước cuối cùng, người ta tiến hành tôi, thấm C,N, phun bi Do thao tác như vậy, nên bề mặt chi tiết có khả năng hấp thụ lớn, tính chất bề mặt khác với tính chất kim loại gốc Mặt khác, do thay đổi trạng thái kim loại bề mặt nên nó có năng lượng tự do lớn, dễ hấp phụ các nguyên tử môi trường tạo thành lớp ô xít hoặc lớp dung dịch rắn

+ Trong quá trình làm việc: do biến dạng dẻo, lực, vận tốc trượt lớp kim loại bề mặt bị biến dạng dẻo nhiều lần, đồng thời bản thân chúng có hoạt tính lớn nên dễ hình thành lớp màng dung dịch rắn hoặc có chuyển biến pha Như vậy, tính chất trên bề mặt chi tiết khác xa tính chất ở trong tâm Lớp biến dạng này có tác dụng bảo vệ chi tiết, quá trình hao mòn chỉ xảy ra trên bề mặt này

1.3.2 Khái niệm về hóa bền biến dạng của thép austenite Mn cao:

Đối với các chi tiết làm việc trong điều kiện ma sát lớn và va đập mạnh và thậm chí ở nhiệt độ cao, như búa đập clanhke, xích máy xúc, xe tăng, thanh đập

xi măng, đường ray tàu hỏa, răng gầu xúc… công nghệ nhiệt luyện bề mặt dường như không thể giải quyết được các yêu cầu về kỹ thuật vì kết quả của công nghệ

bề mặt chỉ cho một lớp mỏng thỏa mãn yêu cầu làm việc, đặc biệt là tuổi đời làm việc của chúng quá ngắn Các loại chi tiết này cho đến thời điểm hiện tại vẫn phải chế tạo từ thép mangan cao Ở trạng thái đúc, thép có tổ chức austenit hoặc

có thêm một ít ferit, một lượng nhỏ cacbit trên biên giới hạt Sau nhiệt luyện, thép chỉ có duy nhất một pha austenuit Ở trạng thái này, thép có độ dai cao và đặc biệt là khả năng tự tăng mạnh độ cứng và độ bền bề mặt khi làm việc va đập Kết quả là, thép có khả năng chịu mài mòn rất tốt Ưu việt của thép này là ở chỗ, lớp chống mài mòn luôn luôn tồn tại trên bề mặt làm việc với một chiều dày nhất định, nó không bao giờ mất đi vì một khi bị mòn đi lớp tự biến cứng khác tiếp theo lại hình thành Nguyên lí này chỉ có ở thép Mn cao

Thép mangan cao là thép có hàm lượng Mn lớn (hơn 10% Mn) Mangan là



ổn định ở nhiệt độ thường) Với tổ chức austenite, thép có độ dai cao, độ cứng thấp, song khi làm việc dưới áp lực cao và bị va đập, austenite (với mạng A1 rất nhạy cảm với hóa bền biến dạng) bị biến dạng dẻo và biến cứng mạnh, austenite chuyển biến thành Mactenxit có độ cứng cao Tổ chức mactenxit làm cho độ bền

và độ cứng trên bề mặt chi tiết thép tăng rất mạnh, độ cứng có thể dạt 50-60 HRC Kết quả là, tính chống mài mòn của lớp bề mặt khá tốt, còn lõi vẫn giữ nguyên tổ chức ban đầu là dẻo dai Hiện tượng này của thép mangan cao được gọi là “hóa bền biến dạng”

Sau khi biến dạng dẻo, do mạng tinh thể bị xô lệch, quá trình lệch di chuyển nên cơ tính kim loại thay đổi rất mạnh theo chiều hướng như sau:

- Tăng độ cứng khá nhiều

- Độ bền tăng mạnh, song giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy tăng mạnh hơn Vật liệu có xu hướng biến cứng, hóa bền, nhưng độ dẻo và độ dai lại giảm nhiều, tức là vật liệu có xu hướng biến giòn

Về cơ chế hóa bền biến dạng hiện có hai quan điểm tăng bền là: a) tăng bền theo cơ chế chuyển biến từ austenit thành Mactensite; b) cơ chế tăng bền do

xô lệch mạng, song tinh và sự di chuyển của lệch Từ quan niệm mới trên, hiện nay các nhà khoa học cho rằng sự tăng bền còn có đóng góp của carbide hợp kim hóa

1.3.3 Biến dạng dẻo hay biến dạng trƣợt:

Dưới tác dụng của lực cơ học, tinh thể của một chất có thể bị biến dạng Sự biến dạng có thể còn duy trì sau khi ngoại lực đã ngưng tác dụng Tinh thể có thể

bị phá vỡ, cũng có thể một phần tinh thể chỉ bị dịch chuyển đối với phần còn lại

mà không bị tách rời, đó là biến dạng trượt của mạng tinh thể Nó cũng có thể là nguyên nhân tạo thành song tinh

Về bản chất, biến dạng trượt dẻo hay còn gọi là trượt của nguyên tử chất tan (solute-drag creep) xuất phát từ sự cản trở lệch trượt do chúng tương tác với nguyên tử chất tan Có hai cơ chế cạnh tranh trong chế độ này: lệch trượt và lệch

leo; yếu tố nào trong hai yếu tố trên mà chậm hơn sẽ là yếu tố khống chế quá trình

Hai khối của một tinh thể có thể trượt tương đối với nhau theo một mặt phẳng gọi là mặt trượt Mặt trượt thường song song với mặt mạng liên kết với nhau yếu nhất Sự trượt chỉ xảy ra theo một hướng nhất định trên mặt trượt, đó là hướng trượt Thông thường hướng này song song với những chuỗi nguyên tử liên kết với nhau chặt chẽ nhất

Kim loại thường dễ biến dạng trượt (tính dẻo) Trong những điều kiện như nhau, kim loại có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt (FCC) quy luật xếp cân lập phương sẽ dẻo hơn kim loại có cấu trúc kiểu mạng lập phương tâm khối (BCC) Bởi vì hiện tượng trượt giữa hai lớp cầu xếp khít xảy ra thường dễ hơn giữa hai lớp cầu xếp không khít

Mặt khác, những kim loại có cấu tạo kiểu xếp cầu lập phương thường cũng dẻo hơn những kim loại cấu tạo kiểu xếp cầu sáu phương Đó là do số trục chính (trục ba thẳng góc với các lớp cầu) trong khối cầu sáu phương chỉ có một

mà trong khối cầu lập phương là bốn Nói cách khác, kim loại lập phương tâm mặt có bốn hướng phân lớp dọc bốn trục của nó, do đó biến dạng trượt có thể xảy

ra dễ dàng vì hướng của lực trùng (hay gần trùng) với mặt có xác suất lớn hơn nhiều so với trường hợp sáu phương (có một hướng phân lớp)

Đường cong mô tả quan hệ ứng suất biến dạng (log() - log()) chia giản đồ

thành ba vùng có cơ chế biến dạng khác nhau Vùng I (tốc độ biến dạng < 10-5

diffusion) hoặc năng lượng khuếch tán dạng ống Vùng III là vùng có tốc độ

khuếch tán rất cao, trên 10-2

s-1, biến dạng xảy ra chủ yếu do hiện tượng leo của lệch, năng lượng hạt hoá quá trình tương tự như năng lượng quá trình tự khuếch tán

Do kết quả của biến dạng trượt, dưới tác dụng của một lực cơ học, tinh thể

có thể chuyển thành song tinh

1.3.4 Cơ chế tăng bền xô lệch mạng

1.3.4.1 Theo lý thuyết cổ điển

Thép austenite mangan cao với tổ chức nền austenite đồng nhất dưới tác dụng ứng suất pháp sẽ bị biến cứng Trong các nghiên cứu cổ điển cũng như từ trước những năm 90 thế kỷ trước đều chỉ ra rằng có sự chuyển biến từ Austenit (FCC) sang Mactenxit (BCT) trong quá trình biến dạng

Chuyển biến Mactenxit xảy ra trong quá trình hóa bền biến dạng có những đặc điểm cơ bản sau:

- Khác với chuyển biến mactenxit do nhiệt luyện, biến dạng dư trong điều kiện này là do ứng suất gây ra Trạng thái ban đầu và cuối của chuyển biến liên

hệ với nhau qua các quan hệ xác định về định hướng tinh thể

- Động lực của quá trình là năng lượng do biến dạng gây ra Kết quả là, do

sự chuyển động tập thể của các lệch không hoàn chỉnh mà một số lượng lớn nguyên tử sẽ chuyển dịch đi một khoảng cách nhỏ hơn hằng số mạng trong cùng

một khoảng thời gian (Military Transformations)

- Chuyển biến Mactenxit có kèm theo sự thay đổi cấu trúc mạng tinh thể Chuyển biến mactenxit là sự dịch chuyển toạ độ không khuếch tán của các nguyên tử từ cấu trúc có tính đối xứng cao (austenit) sang cấu trúc có tính đối xứng thấp hơn (mactenxit) khi có lực tác động Chuyển biến Martenxit xảy ra trong quá trình hóa bền biến dạng, thường tạo thành pha có đối xứng tinh thể thấp hơn không kèm theo thay đổi thành phần hóa học Cơ chế của sự biến đổi cấu trúc (hình 1.11) là sự chuyển biến theo thứ tự của ba quá trình sau đây:

- Trước hết biến dạng gây ra sự dãn dài của vật liệu

- Tiếp theo là các nguyên tử xê dịch (trượt hoặc đối tinh)

Quá trình xê dịch tập thể của nguyên tử khi chuyển pha được mô tả tương

tự như khi tạo thành đối tinh hoặc khuyết tập xếp, tức dựa vào chuyển động của các lệch không hoàn chỉnh

Chuyển pha từ Austenite kiểu mạng lập phương tâm mặt sang Martensite kiểu mạng sáu phương xếp chặt xảy ra nhờ xê dịch nguyên tử Do khuyết tật xếp trong mạng A1 có cấu trúc như mạng A3 nên bản thân khuyết tật đó là một tâm mầm kết tinh pha mới Khi chuyển pha, năng lượng khuyết tật xếp giảm đi, hai lệch không hoàn chỉnh Schockley có điều kiện trượt xa nhau và khuyết tật xếp

Vị trí của nguyên tử C là dấu x Để nhận được ô mạng mactenxit, ô mạng của

austenit sẽ bị nén lại khoảng 12% theo chiều trục c, và dãn rộng khoảng 12%

theo chiều trục a

Hình 1.11 Cơ chế chuyển biến austenit thành mactenxit

Hình 1.8 minh họa sự thay đổi cấu trúc từ Austenite sang Mactensite, ở đây dưới tác dụng của ngoại lực, cấu trúc lập phương tâm mặt FCC đã bị xô lệch

và dịch chuyển sang cấu trúc BCT Đây là nguyên nhân dẫn tới sự gia tăng độ cứng cũng như khả năng chống chịu mài mòn của thép Trên hình 1.8, vị trí các nguyên tử cacbon nằm ở chỗ đánh dấu x Do tác dụng của ngoại lực, ô mạng của austenit bị nén lại khoảng 12% theo chiều trục c và bị kéo dài ra cũng khoảng 12% theo chiều trục a Lúc đó, austenit đã chuyển thành mactenxit

Các nghiên cứu của Y.N.Dastur và W.C.Leslie [21] vào năm 1980 với các mẫu mangan 13% cũng đã chỉ ra rằng sau một thời gian làm việc liên tục dưới tải trọng và đập lớn, các mẫu búa đập bằng thép mangan cao đều bị biến cứng do hầu hết bề mặt đã bị chuyển biến thành Mactensite

Ứng dụng thực tế của chuyển biến Martensite thể hiện ở ba khía cạnh sau đây:

- Chuyển biến kèm theo biến dạng dẻo, gây xô lệch mạng làm cho pha mới (Martensite) trở thành một nhân tố hóa bền khá hiệu quả

- Chuyển biến có thể xảy ra dưới tải trọng bên ngoài Đây là cơ sở hóa bền của thép austensite mangan cao chứa nhiều Mn được sử dụng để chế tạo các chi tiết cần khả năng chịu tải trọng va đập đồng thời chịu mài mòn cao

- Chuyển biến có thể mang tính thuận nghịch, gây nên hiệu ứng nhớ hình

có tầm quan trọng đặc biệt trong kỹ thuật

Với cơ cấu tăng bền như thế này, các mẫu thường chỉ có hàm lượng mangan trong khoảng 13% Nếu hàm lượng Mn quá nhỏ, sẽ dẫn tới tổ chức Austensite không thuần nhất, khi biến dạng sẽ có chỗ có chuyển biến, chỗ không chuyển biến, làm cho chi tiết mòn nhanh hơn Nếu hàm lượng Mn quá cao, tổ chức Austensite rất ổn định, khó hình thành chuyển biến trong quá trình va đập