- 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
4.2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến tổ chức cùng tinh, thành phần cùng tinh và cơ tính của gang trắng 13% crôm
phần cùng tinh và cơ tính của gang trắng 13% crôm
4.2.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm tới tổ chức cùng tinh của gang trắng 13% crôm
Trong quá trình kết tinh của gang trắng crôm trước cùng tinh các nhánh cây austenit được tiết ra trước, sau đó cùng tinh ɣ +M7C3 tiết ra, điền vào khu vực giữa các nhánh cây austenit. Nếu kích thước austenit tiết ra đầu tiên lớn thì khoảng cách giữa các nhánh cây cũng lớn làm cho khi cùng tinh tiết ra và điền vào khoảng trống đó cũng lớn. Nếu các austenit nhánh cây sơ cấp tiết ra nhỏ mịn thì khối cùng tinh cũng trở nên nhỏ mịn theo. Kích thước của khối cùng tinh phản ảnh trực tiếp độ mịn của cácbit cùng tinh và ảnh hưởng đến kích thước hạt cácbit M7C3 tại mặt phân cách cùng tinh-nền. Mặt khác cácbit M7C3 trong khối cùng tinh phát triển chậm theo hướng xuyên tâm nhưng phát triển nhanh theo hướng [0001] vì vậy càng xa trung tâm cùng tinh các cácbit càng thô và dài.
Hình 4.19 là hình ảnh hiển vi quang học chụp tổ chức các hợp kim nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm lượng đất hiếm (chỉ ra trên bảng 2.2).
Hình 4.19: Ảnh hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 2 theo chiều tăng của đất hiếm (X200, tẩm thực màu ăm mòn cácbit)
Có thể nhận thấy khi hàm lượng đất hiếm thay đổi thì tổ chức cùng tinh trong các hợp kim cũng thay đổi. Từ tổ chức ban đầu (hợp kim No.5 khi có 0,1% đất hiếm) là các cácbit trong cùng tinh có hình dạng dài với đường kính khu vực cùng tinh lớn, mức độ tập trung cácbit cao. Khi đưa đất hiếm với hàm lượng 0,3% RE, tổ chức cùng tinh thay đổi: mức độ tập trung cácbit cùng tinh thấp hơn, tính liên tục cũng giảm. Khi hàm lượng đất hiếm tăng lên đến 0,8% (ở mẫu No.8) thì tổ chức cácbit trở nên nhỏ mịn, phân bố đồng đều hơn (hình 4.19).
Điều này cũng xảy ra tương tự trong các mẫu sau nhiệt luyện khi có sự tăng dần hàm lượng đất hiếm (hình 4.20).
Kích thước các ô cùng tinh giảm từ 50µm xuống 30 µm khi hàm lượng đất hiếm tăng từ 0,1 % đến 0,8%. Cũng theo chiều hướng đó các cácbit phân bố trong đó cũng dần trở nên nhỏ mịn hơn. Điều này có được do khi đưa các nguyên tố đất hiếm vào gang lỏng chúng đã có tác dụng làm thay đổi tổ chức: một tổ chức cùng tinh nhỏ mịn cùng với sự phân bố đều các cácbit nhỏ mịn trên toàn bề mặt mẫu.
Tác dụng đầu tiên của đất hiếm là chúng làm sạch oxy và lưu huỳnh trong gang lỏng do các nguyên tố đất hiếm có ái lực mạnh với oxy, lưu huỳnh tạo thành các oxyt đất hiếm như CeO2, La2O3, Ce2O3,..như vậy có nghĩa là chúng có tác dụng làm sạch các biên hạt do oxy và lưu huỳnh chiếm giữ, qua đó làm giảm tạp chất, giảm khả năng tập trung ứng suất tại các biên
Hình 4.20: Ảnh hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 2 sau nhiệt luyện theo chiều tăng của đất hiếm (X500, tẩm thực màu ăm mòn cácbit)
M5 M6
hạt và kết quả góp phần tăng được cơ tính cho hệ gang crôm cao này.
Điều quan trọng hơn, oxyt đất hiếm Ce2O3 hội tụ đủ yếu tố trở thành tâm mầm kết tinh: có nhiệt độ nóng chảy cao (19650C), sự chênh lệch các thông số mạng của Ce203 và nền austenit theo hướng [1210]Ce203//[010]ɣ-Fe là 7,7% (trong khoảng phù hợp để làm tâm mầm đã trình bày trong bảng 1.4), có nghĩa là Ce203 có thể làm tâm mầm kết tinh dị thể cho austenit nhánh cây và kết quả cho nền austenit nhỏ mịn. Một cấu trúc nhỏ mịn với mức độ phân tán đồng đều của các cácbit M7C3, góp phần tăng cơ tính cho loại vật liệu này.
Mặt khác các nguyên tố đất hiếm có độ hòa tan rất thấp trong gang lỏng; chúng phân chia các khu vực cùng tinh trong chất lỏng và ngăn cản cácbit thứ nhất phát triển xung quanh khu vực cùng tinh. Ngoài ra các nguyên tố có trong đất hiếm có điểm chảy thấp (như trong bảng 1.4), khi đưa đất hiếm vào gang lỏng, chúng có tác dụng làm giảm nhiệt độ đường lỏng và điều này sẽ giúp làm chậm sự phát triển các cácbit [22]. Sự có mặt của các nguyên tố RE ở mặt phân cách rắn/lỏng ở giai đoạn đầu tiên của quá trình kết tinh sẽ làm mịn các austenit nhánh cây, làm giảm khoảng cách nhánh cây, nơi các phản ứng cùng tinh xảy ra. Bên cạnh đó khi kết tinh, hợp chất của RE tách ra trước tinh thể austenit. Khi nguội đủ nhanh chúng tạo ra đa tinh thể thay vì đơn tinh thể và với điều kiện như vậy nhiều nhánh austenit liên kết với nhau, khi đó cácbit cùng tinh sẽ bị bao bọc bởi các nhánh cây austenit nhỏ mịn; như vậy sự phát triển của khối cùng tinh bị giới hạn bởi vỏ austenit, kết quả chúng ngăn cácbit cùng tinh lớn lên và đẩy mạnh sự phát triển theo hướng phân tán và làm mịn cấu trúc [71].
Bên cạnh đó, các nguyên tố đất hiếm là những nguyên tố có hoạt tính bề mặt rất tốt, khi đưa vào gang lỏng chúng ít hòa tan và khi các tinh thể M7C3 kết tinh chúng hấp phụ lên bề mặt các tinh thể M7C3 và ngăn cản các tinh thể này phát triển.
Hình 4.21 là hình ảnh hiển vi quang học thể hiện sự thay đổi kích thước các hạt cácbit M7C3 thô nằm xa trung tâm ô cùng tinh khi hàm lượng đất hiếm tăng lên. Với hàm lượng đất hiếm tăng 0,1% ở mẫu số 5 đến 0,8% ở mẫu 8, kích thước hạt cácbit M7C3 thô giảm từ 17µm xuống dưới 10 µm. Như vậy các nguyên tố có trong đất hiếm không chỉ có tác dụng trực tiếp làm nhỏ mịn các hạt austenit sơ cấp mà còn có tác dụng làm nhỏ mịn các hạt cácbit M7C3 nằm xa trung tâm cùng tinh.
Thay đổi hình thái của cácbit trong gang trắng là một biện pháp hiệu quả để cải thiện độ dai và độ bền của nó. Khi đưa đất hiếm vào hợp kim một cấu trúc cùng tinh nhỏ mịn, cácbit
Hình 4.21: Cácbit M7C3 thô thay đổi khi tăng hàm lượng đất hiếm (từ 0,1% RE ở mẫu No.5 đến 0,8% RE ở mẫu No.8), X 1000, tẩm thực ăn mòn cácbit
M7C3 thô
M7C3 thô
No.5 No.8
phân bố đồng đều, phân tán trên toàn bề mặt mẫu đã đạt được chắc chắn sẽ góp phần cải thiện độ mài mòn và độ dai va đập.
4.2.2.2. Ảnh hưởng của RE đến độ chịu mòn của gang trắng 13% crôm
Như đã đề cập ở trên, một trong các ứng dụng chính của loại hợp kim gang crôm cao là để chế tạo các vật liệu làm việc trong điều kiện mòn mãnh liệt. Luận án sử dụng phương pháp kiểm tra mòn “pin on disc”. Hình 4.22 và 4.23 biểu diễn mối quan hệ giữa khối lượng hao mòn của các hợp kim nhóm 3 ở trạng thái đúc và nhiệt luyện theo sự tăng lên của hàm lượng đất hiếm. Có thể thấy khối lượng hao mòn của hợp kim giảm theo sự tăng hàm lượng đất hiếm, hay nói cách khác, độ chịu mòn tăng khi tăng hàm lượng đất hiếm.
Hình 4.23: Khối lượng hao mòn các mẫu nhiệt luyện nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm lượng RE
KH Ố I LƯ Ợ NG H AO MÒ N (m g ) KH Ố I LƯ Ợ NG H AO MÒ N (m g )
Hành vi mòn của vật liệu phụ thuộc nhiều yếu tố và rất phức tạp. Cỡ hạt cácbit và sự phân bố của chúng ảnh hưởng mạnh đến khả năng chịu mòn. Trong điều kiện trượt khô, sự có mặt các hạt cácbit nhỏ, mịn, ít liên tục cải thiện hành vi mòn. Khi hạt cácbit nhỏ, lệch có thể vượt qua hoặc vòng quanh hạt, ứng suất có thể truyền lên nền mà không gây ra sự phá hủy lớn. Nhưng nếu các hạt cácbit lớn, mật độ tập trung cácbit lớn, ứng suất của quá trình sẽ tập trung và sẽ gây ra phá hủy giòn. Áp dụng nguyên lý đó để giải thích sự phá hủy mòn giảm dần từ mẫu 5 đến mẫu 8: Ở mẫu số 5 ứng với hàm lượng đất hiếm 0,1% RE cácbit phân bố theo dạng liên tục, mức độ tập trung cacbit cao, đường kính ô cùng tinh lớn, gây ra sự tập trung ứng suất cao, cácbit dễ bong tróc, vật liệu dễ bị phá hủy do mòn. Mẫu số 8 với hàm lượng đất hiếm là 0,8%, nhận được cácbit trong vùng cùng tinh nhỏ mịn, phân bố đồng đều và rời rạc, đường kính ô cùng tinh cũng đã được thu nhỏ đi rất nhiều. Vì thế, khi có lực tác động, ứng suất phân bố đồng đều, khả năng chống lại lực cắt tăng, khả năng bong tróc giảm nên sự phá hủy do mòn sẽ khó khăn hơn.
4.2.2.3. Ảnh hưởng của RE đến độ dai va đập
Các giá trị của độ dai va đập là bằng chứng rõ nhất về hiệu quả của việc thêm chất biến tính và chất tạo mầm. Độ dai va đập của các hợp kim nhóm 2 tăng lên từ 6 J.cm-2 ở mẫu chứa 0,1% RE đến 7,8J.cm-2
ở mẫu có 0,8% RE, tức là độ dai va đập đã tăng khoảng 30% ở mẫu có 0,8% RE ( hình 4.24) . Như vậy, các nguyên tố đất hiếm ảnh hưởng rõ rệt đến cơ tính của gang crôm cao. Như đã trình bày trong chương 3 về cơ chế phá hủy của gang 13% khi chịu va đập, con đường lan tuyền vết nứt là qua pha cácbit. Pha cácbit có kích thước nhỏ, lại nằm xa nhau, sự lan truyền vết nứt sẽ bị chậm lại. Mặt khác, kích thước pha nền nhỏ đi, lượng biên giới hạt tăng lên cũng giảm sự lan truyền vết nứt vì biên giới hạt như các bức tường vi mô cản trở sự lan truyền vết nứt, giảm khả năng nứt vỡ. Còn khi các cácbit ở dạng liên tục thì sự phát triển vết nứt sẽ nhanh và dễ gây ra phá hủy.
Kích thước của các ô cùng tinh cũng đóng vai trò quan trọng. Các hợp kim có hàm lượng cácbon cao, các ô cùng tinh có kích thước lớn, lại có kiểu liên kết dạng lưới thì khi chịu tác động mài mòn và va đập quá trình phá hủy sẽ xảy ra nhanh, ngược lại nếu kích thước các ô
Hình 4.24 : Độ dai va đập các mẫu nhóm 2 theo sự tăng lên của đất hiếm
Đ Ộ DA I VA Đ Ậ P ( J .c m -2 )
cùng tinh nhỏ, các phần tử các-bít trong đó phân bố rời rạc thì ứng suất sẽ phân bố đồng đều trên toàn bề mặt tiếp xúc va đập và kết quả sự phá hủy sẽ khó khăn.