I: Đông đặc ngoại sinh; II-V: Đông đặc hỗn hợp; V Đông đặc tự sinh
1- Trước cùng tinh 2 Sau cùng tinh
2- Sau cùng tinh
Hình 1.17: Đường phân tích nhiệt DTA của gang crôm cao trước và sau cùng tinh [50]
Nhi ệt đ ộ ( o C) Thời gian
Ching Ping Tong [18] khi nghiên cứu gang Crôm cao có hàm lượng Mo>1% cho rằng dễ dàng tạo ra Mo2C trong cùng tinh γ + Mo2C cùng với austenit. Cùng tinh này nằm giữa các cácbit Cr thô.
Hình 1.19 là giản đồ phân tích nhiệt DTA của gang trắng với thành phần Mo = 4,74%; có thể nhận thấy sự toả nhiệt xung quanh nhiệt độ 11500C, chỉ ra rằng cùng tinh (γ + Mo2C) được tạo thành. Khi hàm lượng Mo = 0,96% không có pha mới nào tạo thành.
1.3.4. Sự tạo thành hạt cùng tinh
Trong gang crôm cao, từ trạng thái lỏng, các pha sơ cấp (ausnenit hoặc cácbit) được tiết ra. Phản ứng cùng tinh được cân bằng bởi hệ ba cấu tử như sau:
L←→ γ-F e + M7C3 [1.4] Sản phẩm của phản ứng là các hạt cùng tinh bao gồm austenit cùng tinh (γ-Fe) và cácbit cùng tinh, như vậy chúng tạo thành khối cùng tinh.
Các nghiên cứu [40], [43], [44] đều chỉ ra cơ chế tạo ra các khối cùng tinh trong gang trắng crôm cao: các khối cùng tinh trong gang trắng crôm cao trước cùng tinh được tiết ra trong khoảng trống của các nhánh cây austenit (hình thái của chúng được biểu thị trong hình
S ự k h ôn g đ ồn g n h ất c ủa c á cb it c ù n g t in h
Hình 1.18: Ảnh hưởng của hàm lượng crôm đến sự không đồng nhất của cácbit cùng tinh [40]
Hình 1.19: Ảnh hưởng của Mo đến đường DTA của gang Crôm với w (Cr) = 20% [18]
Nhi ệt lư ợng t ỏa r a Nhiệt độ (0C)
1.20). Trong khu vực trung tâm của mỗi khối cùng tinh có các cácbit hình sợi mịn; các sợi cácbit đó tán rộng ra từ tâm như tấm vẩy cong (mặt tiết diện ngang nhìn như dải dài). Hình dáng của chúng tương tự như hình dáng graphit cùng tinh loại B trong gang xám. Cácbit M7C3
trong ô khối cùng tinh phát triển chậm theo hướng xuyên tâm nhưng phát triển nhanh theo hướng [0001] trong hệ tinh thể lục giác, tạo thành cácbit có dạng bó tấm hay bó que. Cuối cùng cácbit loại hình que hay hình tấm cùng với austenit hình thành ô cùng tinh dạng cột có đỉnh chóp hình cầu. Các cácbit cùng tinh phân bố không đồng đều trong nền austenit của gang trước cùng tinh.
Các khối cùng tinh trong gang trắng crôm được tạo thành một cách ngẫu nhiên do trong điều kiện cân bằng, nhánh cây austenit tiết ra trước và hoạt động như một tâm mầm cho sự tiết ra của khối cùng tinh. Hình dáng của khối cùng tinh trong gang crôm cao sau cùng tinh cũng giống như hình dáng khối cùng tinh của gang crôm trước cùng tinh và cùng tinh, chỉ khác trong gang crôm sau cùng tinh bên cạnh các cùng tinh còn có các cácbit sơ cấp có dạng lục giác. Cácbit M7C3 cùng tinh phát triển xung quanh các cácbit sơ cấp, tồn tại một mối liên hệ giữa chúng.
Cấu trúc một khối cùng tinh mẫu của
Cấu trúc một khối cùng tinh của gang trắng crôm trước cùng tinh được biểu thị như trong hình 1.21 [76].
Hình 1.20: Hình dạng của các khối cùng tinh (M7C3+austenite) của gang trắng trước cùng tinh [78]
(a) khối cùng tinh thô b, Những khối cùng tinh nhỏ mịn
Nền (γ-Fe)
Cácbit M7C3
Mối quan hệ giữa cácbit sơ cấp và cácbit cùng tinh trong khối cùng tinh trong gang trắng crôm cao khác với gang trắng thường. Ở khối cùng tinh trong gang trắng thường thì cementit Fe3C là pha tiết ra đầu tiên vì thế Fe3C phát triển một cách liên tục và được kết nối với nhau trong khối cùng tinh. Đối với gang trắng crôm cao trước cùng tinh, pha đầu tiên tiết ra là austenit và sau đó cùng tinh M7C3 được tạo ra trong khoảng không giữa các nhánh cây nơi được làm giàu bởi C và Cr. Austenit tiết ra trước cácbit, một cầu nối austenit được hình thành dễ dàng ở biên các cácbit như vậy cácbit cùng tinh phân bố một cách không liên tục.
Powell [50] đã chứng minh rằng trong điều kiện nguội nhanh, cácbit cùng tinh M7C3 dễ dàng tạo song tinh do vậy tinh thể cácbit có các khía góc, điều này đã thúc đẩy cácbit cùng tinh có khả năng phân nhánh thành dạng sợi và làm gia tăng sự tạo tâm mầm cho pha austenit. Powell cũng cho rằng nhờ tạo ra song tinh đó, M7C3 cùng tinh có thể làm tâm mầm cho cùng tinh (M7C3 + austenite) phát triển. Kích thước của khối cùng tinh phản ảnh trực tiếp độ mịn của cácbit cùng tinh và ảnh hưởng đến kích thước hạt trong ranh giới của khối cùng tinh (xem hình 1.22).
Trong đó:
A-A: Kích thước của khối cùng tinh
B-B: Khoảng trống khu vực ranh giới giữa các khối nơi cácbit cùng tinh tồn tại C-C: Kích thước vùng cácbit chiếm khu vực trung tâm của khối cùng tinh.
Khi kích thước của các khối cùng tinh tăng, nhiệt ẩn tỏa ra của quá trình kết tinh cùng tinh tăng lên do vậy làm thô các hạt cácbit trong khu vực ranh giới. Điều này ảnh hưởng đến độ dai và khả năng chống mài mòn của gang trắng crôm cao. Các thông số chính để miêu tả khối cùng tinh bao gồm: kính thước của khối cùng tinh, khoảng trống của các khu vực ranh giới nơi các khối cùng tinh tồn tại và khoảng cách giữa các vùng cácbit chiếm chỗ trong trung tâm của khối.
Matsubara [40] đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của khối cùng tinh; ông cho rằng các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước khối cùng tinh là tốc độ nguội, hàm lượng Cr, các nguyên tố hợp kim khác và tác nhân biến tính. Trong số đó hàm lượng Cr có mối quan hệ chặt chẽ với kích thước khối cùng tinh. Hàm lượng Cr thấp, kích thước của khối cùng tinh sẽ lớn hơn và ngược lại khi hàm lượng Cr tăng kích thước của khối cùng tinh sẽ nhỏ hơn. Khi hàm lượng % Cr = 30% kích thước của các khối cùng tinh là nhỏ nhất, khi hàm lượng Cr > 30% các cácbit cùng tinh trở nên thô hơn. Cùng với sự tăng lên của tốc độ đông đặc, ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến kích thước của khối cùng tinh đã dần dần bị suy yếu; điều này
thể hiện rõ trong hình 1.23 trong nghiên cứu [43]. Ogi K, Matsubara và các cộng sự[43] cho rằng ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến kích thước của khối cùng tinh, tương ứng với ảnh hưởng của nó đến khoảng nhiệt độ kết tinh. Đối với một hợp kim có khoảng nhiệt độ kết tinh lớn thì thời gian kết tinh dài làm kích thước của khối cùng tinh tăng. Tương tự, khoảng nhiệt độ kết tinh ảnh hưởng tới B-B (khoảng cách khu vực ranh giới giữa các khối nơi cácbit cùng tinh tồn tại) nhưng lại không ảnh hưởng tới C-C (vùng cácbit chiếm khu vực trung tâm của khối cùng tinh). Nguyên nhân là do khối cùng tinh ở vùng trung tâm tiết ra sớm nhất vì vậy nó không có mối quan hệ nào với khoảng nhiệt độ kết tinh.
Mo làm tăng đường kính của khối cùng tinh. Tenorio [59] đã tìm thấy rằng đối với gang có hàm lượng Cr =15% và có hàm lượng Mo tăng lên từ 0 tới 2,3% thì kích thước của khối cùng tinh tăng lên từ 38 μm tới 46 μm.
1.3.5 Sự biến đổi tổ chức cùng tinh của gang trắng crôm.
Để tăng độ dai, tuổi thọ của gang trắng nói chung và gang trắng crôm nói riêng người ta dùng các biện pháp kiểm soát quá trình đông đặc và biến đổi cấu trúc cùng tinh. Phương pháp khác là xử lý nhiệt để thay đổi cấu trúc nền và hình thái hạt cácbit. Các phương pháp để cải thiện tổ chức cùng tinh cụ thể bao gồm:
- Làm mịn khối cùng tinh
- Làm rời rạc các cácbit cùng tinh
- Thay đổi hình thái cácbit (từ tấm sang hình sợi hoặc hình cầu)
Thực chất của quá trình làm mịn cùng tinh là làm mịn cácbit cùng tinh, từ đó tăng hiệu suất làm việc cho gang trắng.
Các biện pháp làm mịn khối cùng tinh là tăng số lượng tâm mầm trong khối cùng tinh, tăng tốc độ nguội trong quá trình kết tinh, điều chỉnh thành phần hóa học và đưa thêm các tâm mầm dị thể (mầm kết tinh). Tất cả đều ảnh hưởng đến quá trình làm mịn khối cùng tinh. Thay đổi hình thái của cácbit trong gang trắng là một biện pháp rất hiệu quả để cải thiện độ dai và độ bền của gang trắng bởi vì, giống như graphit tấm thô trong gang xám, cácbit có dạng hình
Đư ờ n g k ín h c ủ a kh ối cù n g tin h (µm ) Đư ờ n g k ín h c ủ a kh ối cù n g tin h (µm )