I: Đông đặc ngoại sinh; II-V: Đông đặc hỗn hợp; V Đông đặc tự sinh
a, Dễ nứt b, Khó co ngót nứt
Hình 1.10 : Ảnh hưởng giữa hình thái nhánh cây và độ nứt, độ co ngót [17]
Ngoại sinh Tự sinh
Cấu trúc nhánh cây thiên về tạo ra khuyết tật kẽ nứt co ngót. Nhìn chung các rỗ co hoặc xốp giữa nhánh cây ở nhiệt độ kết tinh hình thành dễ dàng. Mạng nhánh cây ngăn cản dòng chất lỏng “nuôi” các khu vực đã đông đặc trước.
1.3. Quá trình đông đặc và kết tinh cùng tinh của gang trắng crôm cao cao
1.3.1. Nhiệt động học và động học của quá trình kết tinh cùng tinh trong gang trắng crôm trắng crôm
Gang nóng chảy dù kết tinh theo hệ giả ổn định như cácbit + austenit hay kết tinh theo hệ ổn định như graphit + austenit cùng tinh đều phụ thuộc vào sự tạo ra tâm mầm và tốc độ phát triển của hai pha cácbon cao (cácbit và graphit), và phụ thuộc vào điều kiện nhiệt động học và động học của quá trình.
Hình 1.11 so sánh năng lượng tự do của quá trình tạo thành hai pha cùng tinh. Hai đường chéo trong khu vực dưới của hình 1.11 biểu thị năng lượng tự do của hai pha cùng tinh tương ứng, GL là năng lượng tự do của gang lỏng khi làm nguội. Dễ dàng nhận thấy rằng gang lỏng có năng lượng tự do cao nhất và cùng tinh graphit –austenit có năng lượng tự do thấp nhất, vì vậy kết tinh cùng tinh của graphit –austenit từ gang lỏng phù hợp với điều kiện ổn định nhiệt động học.
Trong đó:
GL－Năng lượng tự do của gang lỏng khi được làm nguội
Gcm－Năng lượng tự do của cementite
Gr－Năng lượng tự do của austenite
Ggr－Năng lượng tự do của graphite
Hillert M. và Subba Rao V. V [34] khi nghiên cứu sự kết tinh của kim loại cho rằng so với sự tạo thành graphit, sự tạo thành cacbít cần ít nguyên tử cacbon phân tán hơn, do đó với tốc độ nguội nhanh, sự tạo thành cacbít - austenit có tốc độ phát triển nhanh hơn và vì thế điều kiện động học có lợi cho kết tinh cùng tinh cácbit –austenit hệ giả ổn định.
1.3.2 Phân tích sự đông đặc của hệ hợp kim Fe-Cr-C
Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C là công cụ để phân tích quá trình đông đặc của hệ gang trắng
crôm cao. Warren [64] đã phân tích lại hình chiếu bề mặt lỏng cho hệ Fe-Cr-C giả ổn định.
Hình 1.12 so sánh giản đồ pha của hai hệ. Các giá trị trong giản đồ được ghi lại trong bảng 1.3. Khác với hệ hai cấu tử Fe-C, hệ ba cấu tử Fe-Cr-C có độ bão hòa cácbon không chỉ phụ thuộc vào C mà còn phụ thuộc vào Cr. Ở điểm tới hạn u1 sự khác nhau về nhiệt độ trong hai giản đồ là 30C, nhưng sự khác nhau về hàm lượng Cr và C khá lớn, ở điểm u2 nhiệt độ khác nhau là 10C, hàm lượng Cr và C cũng có sự khác biệt nhất định. Theo vị trí của dòng u1u2e1 (thành phần cùng tinh) trong hình 1.13, mối quan hệ giữa hàm lượng Cr và C tới các vị trị của khu vực trước cùng tinh, cùng tinh, sau cùng tinh được biểu thị trong hình 1.13 với: khu vực 1 là cấu trúc hệ gang sau cùng tinh (cácbit sơ cấp + cùng tinh), khu vực 2: cấu trúc hệ gang cùng tinh, khu vực 3: cấu trúc hệ gang trước cùng tinh ( austenite sơ cấp + cùng tinh).
Bảng 1.3: So sánh các thông số bề mặt lỏng của hai hệ Fe-Cr-C giả ổn định [64]
Điểm cùng tinh Phản ứng Tác giả Thông số Nhiệt độ (0C) w(C) % w(Cr) % U1 L + αδ-Fe = γ-Fe + M7C3 Jacson [74] 1292 2,3 3,5 Warren [64] 1289 2,81 31,7 U2 L + M7C3 = γ-Fe + M3C Jacson [74] 1184 4,1 5 Warren [64] 1183 4,22 9,73
1.3.3 Sự tiết ra cácbit cùng tinh
Ching Ping Tong [18] nhận thấy rằng tổ chức trước cùng tinh của gang trắng crôm cao gồm tổ chức nhánh cây austenit và tổ chức cùng tinh austenit-cacbit. Càng xa đường cùng tinh, càng có nhiều austenit sơ cấp và càng ít tổ chức cùng tinh nằm giữa các nhánh cây austenit. Tổ chức cùng tinh (giữa cácbit M7C3 và austenite) có hình ảnh hai chiều có dạng một hình hoa thị. Tổ chức sau cùng tinh của gang trắng crôm cao bao gồm cácbit sơ cấp M7C3
Hình 1.12: So sánh bề mặt lỏng của hai giản đồ pha hệ Fe-Cr-C giả ổn
định [64]
Hình 1.13: Mối quan hệ giữa hàm lượng Cr và C tới các vị trị trước cùng tinh, cùng tinh,
sau cùng tinh [78]
1985 1970 1970
dạng que và tổ chức cùng tinh. Tổ chức ở trạng thái rắn của gang crôm cao trước cùng tinh, cùng tinh và sau cùng tinh được biểu thị trong hình 1.14.
Hàm lượng của cácbon và crôm có ảnh hưởng quan trọng đến tổng thể tích cácbit cùng tinh. Mối quan hệ ảnh hưởng này được Tenorio và các cộng sự [59] nghiên cứu dựa trên hệ Fe-Cr-C với thành phần Cr từ 1% đến 20% và hàm lượng C đến 4%; Ông nhận thấy rằng khi tăng hàm lượng Cr và hàm lượng C thì thể tích cácbit tăng tương ứng.
Ching Ping Tong [18] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cácbit cùng tinh khi tăng hàm lượng Cr và hàm lượng C. Đối với gang có cùng hàm lượng C và Cr thì khi tăng hàm lượng Si và Mo, cácbit cùng tinh cũng tăng nhẹ, trong khi đó Ni không ảnh hưởng đến lượng cácbit cùng tinh. Tuỳ thuộc vào hàm lượng của C, Cr và các nguyên tố khác mà các cácbit trong tổ chức cùng tinh có thể là M3C, M7C3 hoặc hỗn hợp M3C + M7C3, thậm chí có thể là pha cácbit phức hợp M3C + M7C3 + M2C như trong hình 1.15 và hình 1.16.