Nghiên cứu ảnh hưởng của Ti và nguyên tố đất hiếm đến tính chất mài mòn, độ dai va đập của gang trắng 13% crôm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG THỊ NGỌC QUYÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TITAN VÀ NGUYÊN TỐ

ĐẤT HIẾM ĐẾN TÍNH CHẤT MÀI MÒN, ĐỘ DAI VA ĐẬP

CỦA GANG TRẮNG 13% CRÔM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG THỊ NGỌC QUYÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TITAN VÀ NGUYÊN TỐ

ĐẤT HIẾM ĐẾN TÍNH CHẤT MÀI MÒN, ĐỘ DAI VA ĐẬP

CỦA GANG TRẮNG 13% CRÔM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu

Mã số: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. Lê Thị Chiều

2. PGS. TS. Đinh Quảng Năng

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Lê Thị Chiều và GS.TS Đinh Quảng Năng,

những người Thày đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi trong suốt

quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Vật liệu và Công nghệ Đúc, Phòng thí nghiệm

Vật liệu Kim loại, các Bộ môn khác thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Viện

Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cám ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu đã

tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án.

Xin cảm ơn các Anh, Chị, Các bạn đồng nghiệp tại Viện Khoa học và Kỹ thuật

Vật liệu đặc biệt là Phòng thí nghiệm Công nghệ Vật liệu Kim loại và Phòng Thí

nghiệm Kim Tương của Bộ môn Vật liệu học- Xử lý nhiệt và Bề mặt, đã giúp đỡ tôi rất

nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của luận án này.

Tôi gửi lời biết ơn sâu sắc tới Công ty Đúc Thắng Lợi – Thành phố Nam Định đã

tận tình tài trợ và giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc hoàn thành phần thực nghiệm của

luận án.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè, gia đình và người thân đã

luôn ở bên, động viên và khích lệ tôi để tôi sớm hoàn thành luận án.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng

được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác.

TÁC GIẢ

Hoàng Thị Ngọc Quyên

i

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục i

Danh mục các bảng biểu và hình vẽ V

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt X

Mở đầu 1

Chương 1: Cơ sở lý thuyết và tổng quan về gang trắng crôm 3

1. 1. Lịch sử phát triển của hệ vật liệu chịu mài mòn gang trắng crôm 3

1. 2. Tổ chức đúc của gang trắng crôm 4

1.2.1. Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C 4

1.2.2. Các loại cácbit trong gang trắng Crôm hợp kim với một số nguyên tố khác. 5

1.2.2.1. Phân loại cácbit 6

1.2.2.2. Tính chất cácbit trong hệ gang trắng crôm 8

1.2.2.3. Sự kết tinh của cácbit M7C3 9

1.2.3 Austenit trong gang trắng Crôm 10

1.2.3.1. Hình thái Austenit 10

1.2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái của austenite sơ cấp 11

1.2.3.3. Ảnh hưởng của hình thái Austenit sơ cấp đến các khuyết tật của gang trắng 11

1.3 Sự đông đặc và kết tinh cùng tinh của gang trắng crôm cao 12

1.3.1. Nhiệt động học và động học của sự kết tinh của cùng tinh trong gang trắng 12

1.3.2. Phân tích sự đông đặc của hệ hợp kim Fe-Cr-C 12

1.3.3. Sự tiết ra cácbit cùng tinh 13

1.3.4. Sự tạo thành hạt cùng tinh 17

1.3.5. Sự biến đổi tổ chức cùng tinh của gang trắng crôm. 20

1.3.5.1. Điều chỉnh thành phần hóa học

21

1.3.5.2. Tăng tốc độ nguội 21

1.3.5.3. Sự tạo mầm kết tinh 21

1.3.5.4. Sự biến tính 21

1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của gang trắng Crôm. 22

1.4.1. Ảnh hưởng của sự phân bố các nguyên tố trong gang trắng crôm cao. 22

1.4.2. Ảnh hưởng của quá trình chế tạo 23

ii

1.4.3. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện gang crôm. 24

1.4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tổ chức pha nền 24

1.4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến hình thái cácbit: 24

1.4.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến độ cứng của hợp kim 24

1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của gang trắng crôm 25

1.5.1. Ảnh hưởng của hình thái, sự phân bố, kích thước các hạt cácbit đến quá trình

mòn trong điều kiện trượt có tải trọng của gang trắng crôm.

25

1.5.2. Ảnh hưởng của tổ chức pha nền tới sự hình thành vết nứt của gang trắng

crôm khi chịu tác động mài mòn và va đập đồng thời.

26

1.6. Ảnh hưởng của Titan đến gang trắng crôm. 27

1.7. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến gang trắng crôm 29

1.8. Các vấn đề cần hoàn thiện, phát triển và định hướng nghiên cứu của đề tài 33

Chương 2: Chế tạo mẫu và phương pháp nghiên cứu gang trắng 13% crôm 34

2.1. Chế tạo mẫu nghiên cứu

34

2.2. Nhiệt luyện mẫu nghiên cứu

36

2.3. Phương pháp nghiên cứu

37

2.3.1. Xác định thành phần hóa học

37

2.3.2. Xác định thành phần pha

2.3.3 Xác định sự phân bố không gian của các nguyên tố hóa học (phương pháp

mapping)

2.3.4. Xác định độ cứng

2.3.4.1. Xác định độ cứng thô đại Rockwell

2.3.4.2. Xác định độ cứng tế vi

37

38

39

39

39

2.3.5. Nghiên cứu độ cùng tinh các mẫu nghiên cứu

2.3.6. Nghiên cứu tổ chức

40

40

2.3.7. Nghiên cứu, đánh giá quá trình mài mòn 41

2.3.8. Nghiên cứu quá trình phá hủy mẫu do va đập

41

2.3.9. Xác định tổng hàm lượng cácbit cùng tinh 42

Chương 3: Nghiên cứu quá trình phá hủy của gang trắng 13% crôm khi làm việc

trong môi trường trượt và va đập tải trọng cao

43

3.1. Đặc điểm của hệ gang trắng 13% crôm 43

3.2 Quá trình mòn của gang trắng 13% crôm khi làm việc trong môi trường trượt có tải

45

iii

3.3. Quá trình phá hủy của GT 13% crôm khi làm việc trong môi trường va đập cao 48

3.3.1. Mô phỏng quá trình chịu lực của bi chế tạo từ gang trắng crôm 48

3.3.1.1. Bài toán mô phỏng 48

3.3.1.2 Kết quả của quá trình mô phỏng sự va đập của bi 50

3.3.2. Sự phát triển vết nứt và sự gãy vỡ, bong tróc của gang trắng 13% crôm 52

Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của titan, các nguyên tố đất hiếm đến hệ gang

13% Cr

58

4.1. Ảnh hưởng Ti 58

4.1.1. Sự tạo thành TiC từ gang lỏng và fero tiatan 58

4.1.2. Ảnh hưởng của titan đến tổ chức cácbit cùng tinh của gang trắng 13% crôm 60

4.1.3. Ảnh hưởng của Ti đến thể tích cacsbit cùng tinh của gang trắng 13% Cr

4.1.4. Ảnh hưởng của Titan đến độ cứng gang crôm

62

63

4.1.5. Ảnh hưởng của titan đến độ chịu mòn 64

4.1.6. Ảnh hưởng của Titan đến độ dai va đập của gang crôm 13% 66

4.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến tổ chức cùng tinh, cơ tính của gang

trắng crôm 13%

67

4.2.1. Sự kết tinh cùng tinh và sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong hệ

gang 13% crôm

67

4.2.1.1 Sự kết tinh cùng tinh của gang trắng 13% crôm 67

4.2.1.2 Sự phân bố của các nguyên tố đất hiếm trong gang trắng crôm 68

4.2.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm đến tổ chức cùng tinh, đến thành

phần cùng tinh và cơ tính của gang trắng 13% crôm

71

4.2.2.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm tới tổ chức cùng tinh của

gang trắng 13% crôm

71

4.2.2.2 Ảnh hưởng của RE đến độ chịu mòn của gang trắng 13% crôm 74

4.2.2.3. Ảnh hưởng của RE đến độ dai va đập

75

4.3. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến sự phân bố, hình thái, kích thước cácbit

của gang trắng 13% crôm

76

4.3.1. Sự có mặt của Ti và RE trong các hợp kim nhóm 3 76

4.3.2. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến tổ chức gang crôm nhóm 3 79

4.3.3. Ảnh hưởng đồng thời của titan và đất hiếm đến thể tích cácbit cùng tinh 82

4.3.4. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến độ cứng của các hợp kim nhóm 3

82

iv

4.3.5. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến độ mài mòn 83

4.3.6. Ảnh hưởng đồng thời của Ti và RE đến độ dai va đập

84

Chương 5: Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến tổ chức, cơ tính của hệ gang

13% crôm

87

5.1. Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện tới tổ chức pha nền trong gang crôm nghiên

cứu

87

5.2 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến thể tích cácbit trong hệ hợp kim nghiên

cứu

89

5.3 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ cứng hệ hợp kim nghiên cứu

90

5.4 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến khả năng chịu mòn của hệ gang 13%

crôm nghiên cứu

91

5.5 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ dai va đập của gang crôm 13% 92

Kết luận chung 95

Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án đã công bố

96

Tài liệu tham khảo

97

v

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1. Danh mục các bảng

Bảng 1.1 : Các hằng số thông số mạng của cácbit Cr7C3

Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của cácbit

Bảng 1.3: So sánh các thông số bề mặt lỏng của hai hệ Fe-Cr-C giả ổn định

Bảng 1.4: Nhiệt độ nóng chảy của các nguyên tố RE và REO

Bảng 1.5: Năng lượng tự do của các phản ứng hóa học giữa các nguyên tố đất hiếm với

Oxy và lưu huỳnh

Bảng 1.6: Mối quan hệ giữa các thông số mạng của Ce2O2S với ɣ -Fe

Bảng 1.7: Hệ số lệch δ giữa các mặt xếp chặt của oxyt đất hiếm Ce203 , Ce202S và pha ɣ-Fe.

Bảng 2.1: Thành phần hóa học các mẫu nghiên cứu

Bảng 2.2: Hệ số tác động của nguyên tố hợp kim với Cácbon và titan

Bảng 4.1: Các thông số mạng tương ứng giữa (110)TiC và (010)M7C3 [70]

Bảng 5.1: Thành phần thể tích cácbit các mẫu đúc và nhiệt luyện tương ứng

Bảng 5.2: Độ cứng thô đại, độ cứng tế vi nền của các mẫu đúc và nhiệt luyện tương ứng

Bảng 5.3: Khối lượng hao mòn của các hợp kim nghiên cứu ở trạng thái đúc và nhiệt luyện

Bảng 5.4 Độ dai va đập các hợp kim ở trạng thái đúc và nhiệt luyện tương ứng

2. Danh mục các hình và đồ thị

Hình 1.1: Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C

Hình 1.2: Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C của Jackson

Hình 1.3: Cấu trúc tinh thể NaCl

Hình 1.4: Cấu trúc tinh thể của cementit

Hình 1.5: Cấu trúc dạng chuỗi của tinh thể cementit

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa nguyên tử C và các nguyên tử kim loại bên cạnh C trong ô

mạng tinh thể Cr23C6

Hình 1.7: Hình thái của cácbit M7C3

Hình 1.8: 6 hình thái của austenit nhánh cây tồn tại trong gang trắng

Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hình thái nhánh cây austenit

Hình 1.10: Ảnh hưởng giữa hình thái nhánh cây và độ nứt, độ co ngót

Hình 1.11: So sánh năng lượng tự do của quá trình tạo thành hai giai đoạn cùng tinh

Hình 1.12: So sánh bề mặt lỏng của hai giản đồ pha hệ Fe-Cr-C giả ổn định

Hình 1.13: Mối quan hệ giữa hàm lượng Cr và C tới các vị trị trước cùng tinh, cùng tinh,

sau cùng tinh

Hình 1.14: Tổ chức ở trạng thái rắn của gang trắng crôm cao

Hình 1.15: Ảnh hưởng của C và Cr đến thể tích cácbit cùng tinh

Hình 1.16: Các loại cácbit cùng tinh trong gang crôm cao

Hình 1.17: Đường phân tích nhiệt DTA của gang crôm cao trước và sau cùng tinh

vi

Hình 1.18: Ảnh hưởng của hàm lượng crôm đến sự không đồng nhất của cácbit cùng tinh

Hình 1.19: Ảnh hưởng của Mo đến đường DTA của gang Crôm với w (Cr) = 20%

Hình 1.20: Hình dạng của các khối cùng tinh (M7C3+austenite) của gang trắng trước cùng

tinh

Hình 1.21: Cấu trúc một khối cùng tinh của gang trắng Crôm cao trước cùng tinh

Hình 1.22: Các thông số về kích thước của khối cùng tinh (mặt cắt ngang)

Hình 1.23: Ảnh hưởng của hàm lượng Crôm đến kích thước của các khối cùng tinh

Hình 1.24: Ảnh hưởng của Cr đến w(%Cr) theo các pha khác nhau trong gang trắng crôm,

w(C) = 2.0%

Hình 1.25: Ảnh hưởng của C đến w(% Cr) theo các pha khác nhau trong gang trắng crôm,

w(Cr) = 15%

Hình 1.26: Giản đồ pha hệ Fe –13%Cr-C –0,5% Ti

Hình 1.27: Tỷ lệ khối lượng của các pha rắn trong hệ Fe-C-Cr-Ti

Hình 1.28: Hình ảnh cấu trúc tinh thể của TiC và sự tương xứng của 2 mặt: (110)TiC và

cácbit M7C3

Hình 1.29: Sự lớn lên của M7C3 khi không có chất biến tính (I) và khi có chất biến tính (2)

Hình 1.30: Mối quan hệ hình học tinh thể của oxyt Ce2O2S và cácbit M7C3

Hình 2.1: Quy trình đúc mẫu cháy

Hình 2.2: Quá trình điền đầy kim loại vào khuôn đúc trong mẫu tự thiêu

Hình 2.3: Quy trình nhiệt luyện

Hình 2.4: Máy phân tích Rơnghen X’Pert Pro – Philip

Hình 2.5: Nguyên lý phát xạ tia X đặc trưng khi bắn phá (ion hóa) nguyên tử bởi điện tử

Hình 2.6: Thiết bị xác định độ cứng thô đại Mitutoyo

Hình 2.7: Máy đánh bóng Struers – Labopol 25

Hình 2.8: Máy hiển vi quang học Leica 4000

Hình 2.9 Thiết bị đo mài mòn Tribotech

Hình 2.10 Mẫu thử nghiệm và thiết bị thử va đập Chappy

Hình 3.1: Hình thái cácbit trong gang trắng 13% crôm

Hình 3.2: Phổ EDS các các vị trí khuyết tật: (a)- vị trí nền austenite, (b)-tại vị trí cácbit

chứa khuyết tật ( các vị trí phân tích đều trên cùng một mẫu)

Hình 3.3: Hình thái tổ chức hệ hợp kim nghiên cứu trước và sau nhiệt luyện

Hình 3.4: Hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mòn của gang 13% crôm (mẫu 11)

a: mẫu đúc b: mẫu sau nhiệt luyện

Hình 3.5: Hiển vi quang học chụp bề mặt các cácbit mòn của gang trắng 13% crôm

Hình 3.6: Bề mặt mòn của các mẫu gang crôm nghiên cứu với sự phân bố cácbit mịn dần

Hình 3.7: Hình ảnh mô phỏng quá trình thử nghiệm va đập bi nghiền

Hình 3.8: Mô hình hình học của bài toán mô phỏng quá trình va đập của bi

Hình 3.9: Sự phân bố ứng suất quá trình va đập bi nghiền

Hình 3.10: Trường phân bố ứng suất của quá trình va đập bi nghiền

Hình 3.11: Bề mặt các mẫu gang crôm khi chưa có tác động va đập

vii

Hình 3.12: Hiển vi quang học (a), (X1000, tẩm thực sâu ), hiển vi điện tử thứ cấp (b) chụp bề

mặt mẫu 10 ở trạng thái đúc

Hình 3.13: Bề mặt cácbit của gang trắng 13% crôm khi chịu va đập(các mẫu sau nhiệt

luyện, hiển vi quang học, X1000)

Hình 3.14: Bề mặt cácbit bị phá hủy của gang crôm 13% khi chịu va đập (hiển vi quang học,

X1000)

Hình 3.15: Bề mặt phá hủy 3 mẫu nhóm 3 (Ảnh hiển vi điện tử thứ cấp SEM)

Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu số 1 ở trạng thái đúc (mẫu có 0,21%Ti)

Hình 4.2: Hiển vi điện tử, ảnh phân tích EDS (tại vị trí hạt nhỏ) ghi nhận sự xuất hiện các

hạt nhỏ màu đen trên nền là cácbit TiC của mẫu số 1 ( mẫu có 0,21% Ti )

Hình 4.3: Hiển vi quang học chụp bề mặt mẫu số No.1(0,23% Ti) và No.4 (1,02% Ti),

X 1000, tẩm thực mẫu ăn mòn cácbit, các mẫu đều ở trạng thái đúc

Hình 4.4: Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 1 theo chiều tăng lên của Ti

(Tăng dần từ 0,21% đến 1,02% ở mẫu 4), X200, tẩm thực màu ăn mòn cácbit,

các mẫu ở trạng thái đúc

Hình 4.5: Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 1 theo chiều tăng lên của Ti,

X500, tẩm thực màu ăn mòn cácbit, các mẫu đều sau nhiệt luyện

Hình 4.6: Thể tích cácbit trong các hợp kim nhóm 1 theo sự tăng lên của hàm lượng Ti

Hình 4.7: Độ cứng thô đại các hợp kim nhóm 1 ứng với hàm lượng titan tăng từ 0,2% đến

1,02%; (1): mẫu đúc, (2): mẫu nhiệt luyện

Hình 4.8: Độ cứng tế vi pha nền các hợp kim nhóm 1 ứng với hàm lượng titan tăng từ 0,2%

đến 1,02%; (1): mẫu đúc, (2): mẫu nhiệt luyện

Hình 4.9: Khối lượng hao mòn của 4 mẫu đúc nhóm 1 theo lượng tăng dần của titan (các

mẫu được mài trên cùng một chế độ: tốc độ trượt, khoảng cách trượt, cùng vật

liệu mài )

Hình 4.10: Khối lượng hao mòn của 4 mẫu nhiệt luyện nhóm 1 theo lượng tăng dần titan,

(các mẫu được mài trên cùng một chế độ: tốc độ trượt, khoảng cách trượt, cùng

vật liệu mài )

Hình 4.11: Độ dai va đập của các mẫu nhóm 1 ( các mẫu đúc và nhiệt luyện)

Hình 4.12: Ảnh hiển vi điện tử mô tả sự kết tinh của gang crôm 13% : austenit sơ cấp và

cùng tinh M7C3

Hình 4.13: Sự phân bố cácbit M7C3 cùng tinh hoàn chỉnh ở khi vực bên trong các nhánh cây

[6]

Hình 4.14: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu số 4 ở trạng thái đúc

Hình 4.15: Hiển vi quang học chỉ ra sự kết tinh của các cácbit M7C3 cùng tinh, mẫu 6,

X1000

Hình 4.16: EDS cácbit khu vực trung tâm cùng tinh (a), khu vực xa trung tâm (b) mẫu 6

Hình 4.17: Cácbit M7C3 thô nằm xa trung tâm cùng tinh, mẫu sau đúc

Hình 4.18: Phổ EDS tại vị trí pha nền của mẫu No.7, mẫu số 9

Hình 4.19: Cácbit M7C3 thô nằm xa trung tâm cùng tinh, mẫu sau đúc

Hình 4.20: Ảnh hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 2 theo chiều tăng của đất hiếm