I: Đông đặc ngoại sinh; II-V: Đông đặc hỗn hợp; V Đông đặc tự sinh
a, Tốc độ đông đặc 0,5cm/phút b, Tốc độ đông đặc 1cm/phút c, Tốc độ đông đặc 2cm/phút
Đư ờ n g k ín h c ủ a kh ối cù n g tin h (µm )
Hình 1.23: Ảnh hưởng của hàm lượng Crôm đến kích thước của các khối cùng tinh [43]
tấm rất giòn và độ bền thấp do ứng suất tập trung trên biên của các tấm cácbit và lan truyền nhanh dọc theo biên của nó.
Các biện pháp cải thiện cấu trúc cácbit của gang trắng như sau:
1.3.5.1 Điều chỉnh thành phần hóa học
Khi tăng hàm lượng các nguyên tố hợp kim sẽ làm thay đổi loại cácbit và làm thay đổi hình thái cácbit. Đối với hệ gang trắng Cr, loại cacbit có mối liên hệ chặt chẽ với hàm lượng Cr. Khi w(Cr) ≥ 10% và w(Cr)/w(C)＞4 thì cácbit cùng tinh thay đổi từ (Fe,Cr)3C dạng tấm sang Cr7C3 dạng que. Trong gang trắng crôm thấp vanadi có thể làm thay đổi hình dạng cacbit, khi w(V) = 4% thì cácbit đã ở dạng liên kết rời rạc, khi w(V) = 6% các bit dạng cầu bắt đầu được hình thành và khi w(V) = 8% hầu hết các cácbit đều ở dạng cầu [76].
W cũng có ảnh hửởng tương tự như Cr, W có thể làm thay đổi hình thái và sự phân bố của cácbit. Khi w(W)＜6% thì cácbit có dạng M3C và tồn tại theo kiểu mạng lưới hoặc là rời rạc, nhưng khi w(W) = 13% -15% thì cacbít phân bố rời rạc và cô lập, cácbit tồn tại ở dạng chủ yếu là M6C [56], khi w(W) trong khoảng 20%, cácbít tồn tại theo dạng M6C rời rạc ( hình thoi đa giác, que) [55].
Trong gang trắng thường, cấu trúc cùng tinh là ledeburit theo kiểu tổ ong. Khi hàm lượng w(Si) < 0.5% và tốc độ nguội lớn, cácbit dạng tổ ong dần trở nên không liên tục. Tuy nhiên ảnh hưởng của hàm lượng Si đến cấu trúc của gang trắng crôm cao là ngược lại, việc tăng hợp lý lượng Si có thể tăng mức độ rời rạc và cải thiện đáng kể độ dai phá hủy, bởi vì khi hàm lượng Si tăng lên từ 0,4% đến 1,4% định hướng tinh thể của cácbit cùng tinh có thể thay đổi, kết quả là một cấu trúc phân tán, rời rạc có thể hình thành. Thực tế đã khẳng định rằng đối với gang trắng có thành phần Cr từ 11% -13,5%, khi hàm lượng Si tăng trong khoảng 1,0 % - 2,2% thì khả năng chống lại nứt vỡ do va đập và mài mòn va đập cao hơn gang trắng có hàm lượng Cr là 15%.
Hình thái các hạt cácbit M7C3 trong gang crôm thấp cũng bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cácbon. Hàm lượng cácbon w(%C) trong khoảng 2,2% đến 2,6% là tốt cho sự cầu hóa các hạt cácbit khi biến tính bằng đất hiếm [76]
1.3.5.2. Tăng tốc độ nguội
Với sự tăng lên của tốc độ nguội, khối cùng tinh trở nên nhỏ hơn và cácbit cũng mịn hơn. Tuy nhiên tốc độ nguội không thể làm thay đổi được loại cácbit và cũng là rất khó để thay đổi hình thái hạt cácbit.
1.3.5.3. Sự tạo mầm kết tinh
Mục đích của việc tạo tâm mầm kết tinh của gang trắng là tạo ra tổ chức hạt nhỏ làm tăng độ dai và tăng độ chịu mòn. Việc tạo nhiều tâm mầm kết tinh trong gang trắng làm mịn cácbit, austenit sơ cấp và làm nhỏ khoảng cách giữa nhánh cây. Các nguyên tố tạo tâm mầm thường sử dụng cho gang trắng là V, Ti, RE và Al. Trong số đó các nguyên tố đất hiếm hoạt động như một tâm mầm cho austenit sơ cấp. Kết quả là làm tăng tâm mầm và làm nhỏ gọn austenit nhánh cây. TiC được coi là tác nhân tạo tâm mầm dị thể, làm tăng tốc độ tạo tâm mầm của austenit. Cả hai loại cácbit V và B cũng đều tạo tâm mầm rất tốt cho pha austenit.
1.3.5.4 Sự biến tính
Trong gang trắng, cacbit vốn có cấu trúc hình tấm, có xu hướng kết tinh định hướng và có tính dị hướng. Biến tính là quá trình xử lý bằng cách đưa thêm một lượng nhỏ các chất thích hợp (thường gọi là chất biến tính) vào gang lỏng để biến đổi hình thái cácbit. Sự thay đổi
hình thái cácbit nhờ sử dụng biến tính để tăng độ bền được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [ 7], [ 10], [33], [63], [72], [73].
Sử dụng các nguyên tố có trong đất hiếm để biến tính cấu trúc cácbit là một phương pháp rất hữu dụng. Các nguyên tố đất hiếm là những nguyên tố hoạt động bề mặt. Trong gang lỏng những nguyên tố này tập trung và trở nên giầu hơn tại khu vực mặt phân cách rắn-lỏng, làm tăng tốc độ nguội và ngăn cản tốc độ phát triển của ausenit. Khi các tinh thể austenit đầu tiên được tạo ra thì đó sẽ là cầu nối giữa đỉnh của các tấm cácbit và austenit. Các tinh thể nhánh cây của austenit kết nối với nhau làm cho các cácbit trở nên mất liên tục, và cácbit cũng thay đổi hình dạng từ tấm sang tấm mảnh hơn hoặc sang hình que (sợi). Ngoài ra sự ưu tiên hấp phụ của các nguyên tố đất hiếm trên các tinh thể cácbit làm ngăn cản sự phát triển của tinh thể cácbit.
Cácbit cùng tinh trong gang trắng crôm cao có dạng hình tấm cong, phân bố rời rạc (hoặc có dạng sợi khi làm nguội nhanh) có độ dai cao hơn so với cácbit M3C hình tấm với dạng lưới liên tục trong gang trắng thường. Tuy nhiên M7C3 ưu tiên phát triển theo hướng [0001], nên rất khó thay đổi hình thái tinh thể. Cácbit có kích thước chiều dài tinh thể lớn hơn kích thước bán kính tinh thể làm giảm mạnh độ dai. Một số kim loại như Al và đất hiếm có tác dụng ngăn cản sự phát triển của cácbit M7C3 [75].
Quá trình biến tính gang trắng crôm cao bằng K, Na cũng có thể thay đổi hình dạng M7C3 thành hạt mịn, phân tán, có cấu trúc cầu [29]; điều này là do các nguyên tố K, Na là những nguyên tố hoạt tính bề mặt: K, Na hấp thụ vào bề mặt tiếp xúc giữa cácbit và austenit và gây ra sự quá nguội trạng thái, tạo ra một cùng tinh phân tán, cácbit phát triển trong điều kiện khuếch tán hạn chế, do đó giảm tốc độ phát triển của các cácbit cùng tinh theo hướng ưu tiên là hướng [010]. Ngoài ra K, Na phản ứng mạnh với oxy và làm sạch oxy trong gang lỏng.
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của gang trắng crôm. crôm.
1.4.1. Ảnh hưởng của sự phân bố các nguyên tố trong gang trắng crôm cao.
Hầu hết các gang trắng (ngoại trừ gang trắng sản xuất ra gang dẻo) đều được kim hoá bằng các nguyên tố hợp kim với hàm lượng cao. Ngoài hàm lượng Cr lớn, trong gang trắng còn được hợp kim hóa một số nguyên tố như Mo, Ni, V, W ... Trong quá trình kết tinh các nguyên tố hợp kim phân bố trong các pha của gang theo những nguyên tắc khác nhau, không đồng đều,. Sự phân bố không đồng đều (sự phân chia vi mô) của các chúng trong các pha có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và làm thay đổi cơ tính gang sau khi kết tinh.
Có thể chia các nguyên tố hợp kim thành hai dạng: các nguyên tố tạo graphite và các nguyên tố tạo cacbit. Al, Ni, Si, Co là các nguyên tố tạo graphite, chủ yếu phân bố trong austenit sơ cấp và austenite cùng tinh nhưng hàm lượng của chúng trong austenit sơ cấp nhiều hơn. Hệ số phân bố SC/ γ-e[Cr]< 1, hàm lượng các nguyên tố đó trong xementit luôn thấp hơn hàm lượng trung bình của chúng trong gang. Các nguyên tố tạo cacbit như Cr, Mo, V, tồn tại chủ yếu trong các pha cácbit.