- Oxyt đất hiếm tạo tâm mầm cho pha austenit( γFe)
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TITAN, CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM ĐẾN HỆ GANG 13% CRÔM
4.2.1. Sự kết tinh cùng tinh và sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong hệ gang 13% crôm
gang 13% crôm
4.2.1.1. Sự kết tinh cùng tinh của gang trắng 13% Crôm
Theo các tác giả Thorpe và Chicco [61], trong quá trình kết tinh gang crôm trước cùng tinh, pha đầu tiên tiết ra là austenit; khi nhiệt độ hạ xuống dưới 13000
C thì phản ứng cùng tinh giữa austenit và M7C3 mới xảy ra. Tổ chức cácbit cùng tinh trong gang trắng crôm cao bị ảnh hưởng mạnh của nguyển tố crôm, là nguyên tố tạo cácbit mạnh hơn Fe. Peace [ 46] chỉ ra rằng gang trắng với hàm lượng crôm >12% thì cácbit trong vùng cùng tinh tồn tại chủ yếu là cácbit M7C3, là loại cácbit có độ cứng khá cao.
Hình 4.12 mô tả sự kết tinh của gang trắng với thành phần 3% C + 13% Cr, tổ chức bao gồm các pha austenit sơ cấp và cùng tinh tạo nên bởi các pha austenit và cácbit M7C3. Austenit trong hệ gang trắng 13% Cr kết tinh theo dạng đẳng trục, có nghĩa các nhánh cây austenit được sắp xếp một cách ngẫu nhiên, không định hướng, tạo ra do những hạt austenit nhỏ mịn, phân tán.
Austenit
Hình 4.13: Sự phân bố cácbit M7C3 cùng tinh hoàn chỉnh ở khi vực bên trong các nhánh cây [6] Hình 4.12. Ảnh hiển vi điện tử mô tả sự kết tinh của GTCr 13% : austenit sơ cấp và cùng tinh M7C3
Cùng tinh M7C3 Austenit sơ cấp
Quá trình kết tinh cùng tinh tạo nên bởi các pha austenit –cácbit sẽ diễn ra sau và đi vào khu vực giữa các nhánh cây, vì thế với một mạng nhánh cây austenit nhỏ mịn và liên tục thì các pha cùng tinh không có cách gì khác, cũng trở nên nhỏ mịn và rời rạc. Như vậy có thể kết luận rằng hình thái, kích thước của các cácbit cùng tinh liên quan đến sự kết tinh austenit sơ cấp trong hệ gang trắng trước cùng tinh. Quá trình kết tinh của gang trắng 13% crôm nghiên cứu trong luận án cũng xảy ra tương tự giống quá trình kết tinh của gang trắng có thành phần crôm từ 14 -18% và cácbon từ 2 -3% trong nghiên cứu của A.Bedola Jacuinde và các cộng sự [6]. Trong đó tác giả đã đưa ra một ô cùng tinh gồm M7C3 hoàn chỉnh ở khu vực giữa nhánh cây austenit như hình 4.13. Trong đó bao gồm tổ chức giữa các austenit và cácbit cùng tinh M7C3 nằm phân bố trong giữa các nhánh cây austenit sơ cấp. Kích thước, sự phân bố cácbit trong khối cùng tinh này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các nhánh cây austeinit. Nếu các nhánh cây nhỏ mịn, có sự phân bố theo dạng liên tục thì tổ chức cùng tinh nhận được sẽ là tổ chức giữa các cácbit trong cùng tinh sẽ rời rạc và nhỏ mịn.
4.2.1.2 Sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong gang trắng crôm
Phổ nhiễu xạ tia X mẫu số 5 ở trạng thái đúc chỉ ra sự có mặt austenit ɣ và các hạt cácbit M7C3 trong thành phần các mẫu nghiên cứu nhóm 2 (hình 4.14).
Hình 4.15 là hình ảnh hiển vi quang học mô tả sự kết tinh của các cácbit cùng tinh của mẫu số 6 ở trạng thái đúc, mô tả sự kết tinh theo kiểu xuyên tâm của cácbit cùng tinh: ban đầu kết tinh trong tâm sau đó tỏa tròn ra ngoài. Cácbit gần tâm cùng tinh nhỏ mịn nhất, càng ra xa khu vực cùng tinh cácbit thô dần do các cácbit xa trung tâm tạo thành ở giai đoạn muộn hơn [27]. Hình dạng của một ô cùng tinh giống hình dạng của một bông hoa thị. Kích thước khối cùng tinh phản ánh độ mịn của cácbit cùng tinh. Kích thước của khối cùng tinh càng lớn, cácbit trong đó sẽ càng thô và điều này làm giảm độ dai va đập của gang crôm bởi ứng suất gây nên quá trình mài mòn và va đập chủ yếu tập trung tại nơi có sự tập trung cácbit cao, tại nơi cácbit có kích thước lớn, do vậy sự phá hủy sẽ diễn ra nhanh. Sự phân bố cácbit dạng lưới gây ra tính giòn cho vật liệu, làm giảm độ dai va đập của vật liệu.
Kích thước của khối cùng tinh càng nhỏ thì cácbit cùng tinh nằm trong khối cùng tinh đó
Hình 4.14: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu số 5 ở trạng thái đúc
M M Fe-ɣ ɣ ɣ M M ɣ: Austenit M: M7C3 Góc 2θ CƯ Ờ NG Đ Ộ (S ố x un g /s )
sẽ càng mịn, sẽ hạn chế sự phá hủy khi làm việc.
Vấn đề được đặt ra là làm thế nào để giảm kích thước khối cùng tinh, phá vỡ sự liên kết lưới của các cácbit để giảm sự tập trung ứng suất khi làm việc cho gang crôm nhằm nâng cao tuổi thọ làm việc cho hệ hợp kim này.
Kết quả EDS phân tích cácbit cùng tinh tại các vị trị trung tâm và xa trung tâm (hình 4.16) cho thấy sự khác nhau cường độ các vạch, tức là cường độ xuất hiện của crôm, sắt: ở khu vực trung tâm. Hàm lượng tại đó Cr là 52%, Fe là 35% (phù hợp với Cr7C3 có nhiệt độ kết tinh cao hơn) còn với cácbit xa trung tâm cùng tinh có hàm lượng crôm 35%, Fe là 49%. Như vậy có thể kết luận cácbit cùng tinh kết tinh sớm nhất (tại vị trí trung tâm) có hàm lượng crôm cao hơn và có hàm lượng sắt thấp hơn so với các cácbit cùng tinh kết tinh sau. Điều này chứng tỏ các cácbit Cr7C3 sẽ được ưu tiên kết tinh trước trong các phản ứng cùng tinh.
Hình 4.17 phản ánh hình dáng cácbit M7C3 hình tấm thô nằm xa trung tâm cùng tinh ( cấu trúc tinh thể mạng lục giác xếp chặt). Do tính dị hướng rất rõ của tinh thể lục giác xếp chặt, tinh thể cacbít sơ cấp phát triển chủ yếu theo hướng [0001], phát triển chậm theo hướng
Hình 4.15 Hiển vi quang học chỉ ra sự kết tinh của các cácbit M7C3 cùng tinh, mẫu 6, X1000
Ô cùng tinh
Nền ɣ
Hình 4.16: EDS cácbit khu vực trung tâm cùng tinh (a), khu vực xa trung tâm (b) mẫu 6
Fe Cr Fe Cr C b, a, Góc 2θ CƯ Ờ NG Đ Ộ (S ố x u n g /s)
xuyên tâm, tạo thành cacbit dạng hình que với kích thước chiều dài lớn, kích thước chiều rộng nhỏ. Điều đó làm giảm độ dai của vật liệu.
Các nhiệm vụ cải thiện tổ chức cùng tinh: làm mịn khối cùng tinh tức là làm mịn cácbit cùng tinh và làm rời rạc các cácbit trong khối cùng tinh đó. Với một cấu trúc nhỏ mịn của ô cùng tinh, các cácbit phân bố rời rạc và đồng đều sẽ cải thiện được cơ tính cho hệ gang trắng crôm 13% nghiên cứu.
.
Phổ phân tích EDS nền austenit của mẫu No.6 (có 0,1% RE) và No.9 (có 0,8% RE) cho thấy sự có mặt của các nguyên tố đất hiếm như La, Ce, Nd và nguyên tố oxy trong thành phần. Điều này có nghĩa là các nguyên tố đất hiếm có mặt trong gang dưới dạng các oxyt đất hiếm (CeO2, La2O3, Ce2O3, Nd2O3..) (hình 4.18). Nguyên nhân của quá trình tạo các oxyt này là do các nguyên tố đất hiếm có ái lực mạnh mẽ với oxy (chỉ ra trong bảng 1.2) và tạo ra các oxyt đất hiếm theo một phản ứng khá mạnh
Hình 4.17 Cácbit M7C3 thô nằm xa trung tâm cùng tinh, mẫu sau đúc
M7C3 thô
Mức năng lượng (KeV)
Hình 4.18: Phổ EDS tại vị trí pha nền của mẫu No.7, mẫu số 9
Cư ờ ng đ ộ (s ố x un g / s)