TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.4.Sự hình thành graphit cầu trong gang
Graphit hình cầu được hình thành nhờ công đoạn biến tính gang lỏng bằng các nguyên tố cầu hóa graphit như: magie, kim loại đất hiếm, canxi và hợp kim trung gian của các kim loại trên.
Cơ chế biến tính cầu hóa dựa trên nguyên lí tác động của độ quá nguội, đặc tính hấp phụ và sức căng bề mặt của kim loại lỏng khi graphit kết tinh. Các yếu tố này có khả năng làm thay đổi hình thái học graphit, chuyển graphit hình tấm thành graphit hình cầu.
Cơ chế cầu hóa có thể tóm tắt nhƣ sau:
a) Khi biến tính, các nguyên tố cầu hóa sẽ bay hơi ở trạng thái nguyên tử, những nguyên tử này được hấp phụ lên bề mặt tinh thể graphit, trung hòa các tạp
lỏng, tăng cường tạo mầm kết tinh, làm hạn chế tốc độ phát triển của graphit theo hướng vuông góc với bề mặt lăng trụ, làm cho graphit phát triển thành hình cầu.
b) Quá trình biến tính đồng thời cũng là quá trình khử oxy và lưu huỳnh, khử khí, tinh luyện và làm tăng sức căng bề mặt gang lỏng cũng làm cho graphit kết tinh dạng cầu.
c) Biến tính làm thay đổi điều kiện tạo mầm graphit tức là làm tăng độ quá nguội, thay đổi nhiệt độ và thời gian kết tinh cùng tinh.
Hình 1.6.Mô hình sự thay đổi tốc độ phát triển các mặt tinh thể graphit khi hấp thụ các nguyên tử lạ theo Herphurth [43]. (vcs- tốc độ phát triển mặt cơ sở; vlt - tốc độ phát triển mặt lăng trụ).
Mỗi lý thuyết chỉ có thể giải thích một số hiện tượng khi biến tính cầu hóa mà không giải thích được tất cả các hiện tượng. Có lý thuyết cho rằng, khi biến tính, nguyên tố Mg bay hơi, các bọt khí Mg trong lòng gang lỏng đóng vai trò “khuôn” để các nguyên tử C khuếch tán vào khuôn đó, tạo thành graphit cầu. Nhưng lại có những thí nghiệm chứng minh được sự mâu thuẩn của giả thuyết trên.Thí dụ, có thể tạo được graphit hình cầu bằng chất biến tính không tạo bọt khí trong gang lỏng. Trong tất cả các giả thuyết, lý thuyết của Herfurth [43] có tính thuyết phục và chính xác hơn cả. Nội dung của lý thuyết này có thể tóm tắt như sau:
Tinh thể graphit sẽ phát triển với tốc độ theo hai hướng (hình 1.6), hướng cơ sở theo mặt cơ sở [0001] gọi là vcs và hướng bên cạnh theo mặt bên [1010] gọi là vlt. Khi biến tính, chất biến tính sẽ bị hấp phụ lên bề mặt của hạt graphit đang lớn lên. Tùy thuộc vào bản chất của chất biến tính mà nó được hấp phụ chọn lọc lên một trong những mặt tinh thể ưu tiên nhất định. Nếu chất biến tính được hấp phụ theo mặt cơ sở (vcs >> vlt), graphit sẽ phát triển theo chiều dọc và thành đơn tinh thể. Nếu chất biến tính được hấp phụ ở mặt bên, hạn chế tốc độ phát triển theo chiều cạnh(vcs < vtl), graphit lớn nhanh theo hướng vuông góc với mặt cơ sở và tạo thành tấm. Chỉ khi nào chất biến tính được hấp phụ ở cả hai mặt, cơ sở và mặt bên (vcs ≈ vlt), tốc độ phát triển theo hai hướng gần bằng nhau, hạt graphit sẽ có dạng hình cầu.
Graphit hình cầu là dạng thu gọn nhất, nền kim loại bị chia cắt ít nhất và không có những vị trí tập trung ứng suất, do vậy, cơ tính của nền gang cao cao hơn gang xám rất nhiều.