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 Ti 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2014 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ Các công trình đăng trên các tạp chí khoa học 1.
- Hoàng Thị Ngọc Quyên, Lê Thị Chiều, Đinh Quảng Năng (2011) “Ảnh hưởng của Titan và đất hiếm đến cấu trúc, độ mài mòn và độ dai va đập của gang trắng 13.
- Hoàng Thị Ngọc Quyên, Lê Thị Chiều, Đinh Quảng Năng và Phạm Mai Khánh (2013) “Ảnh hưởng của Ti đến cấu trúc cácbit M7C3 và hành vi mòn của gang trắng chứa 12 -13% crôm khi mài khô có tải trượt” Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật số 96 năm 2013.
- Hoàng Thị Ngọc Quyên, Lê Thị Chiều, Đinh Quảng Năng, Nguyễn Hồng Hải và Phạm Mai Khánh (2013) “Ảnh hưởng của đất hiếm đến cácbit M7C3 cùng tinh trong gang trắng crôm 13.
- Thư viện Quốc Gia 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Gang crôm cao là vật liệu chịu mài mòn cao, được ứng dụng rộng rãi trong các nghành khai thác khoáng sản, công nghiệp xi măng, công nghiệp luyện kim.
- Ở Việt Nam hệ gang crôm cao phát triển rất mạnh trong những năm gần đây.
- Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm nâng cao cơ tính của gang crôm.
- Chất lượng gang crôm do tổ chức gang quyết định Tổ chức gang crôm bao gồm hai thành phần chính: nền và cacbit phân bố trên nền.
- Cácbit trong gang crôm cao đóng vai trò chính trong quá trình chống lại va đập và mài mài mòn.
- Ở trạng thái đúc, các- bít trong gang ở dạng các tấm sơ cấp và cacbít nằm trong ô cùng tinh.
- Luận án thực hiện nghiên cứu tăng bền cho gang bằng cách đưa vào gang hệ gang crôm 13%Cr, các nguyên tố titan và đất hiếm, xác định hàm lượng hợp lý các nguyên tố đó nhằm làm nhỏ kích thước cacbit, và đặc biệt làm làm nhỏ gọn các ô cùng tinh trong gang, giảm thiểu nguy cơ xuất hiện lỗ co tế vi, dẫn tới nâng cao các chỉ tiêu cơ tính của gang, điều mà trong nước hiện nay chưa một nghiên cứu nào thực hiện.
- Mục đích của đề tài luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng Ti và đất hiếm tới các hình thái tổ chức của gang crôm cao nhằm thay đổi tổ chức, sự phân bố, giảm kích 2 thước hạt pha nền, pha cácbit M7C3, kích thước vùng cùng tinh.
- Xác định hàm lượng hợp lý của các nguyên tố đó với mục đích tăng các chỉ tiêu cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho gang crôm cao.
- Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án: -Xác định vai trò của Ti và đất hiếm trên phương diện làm tâm mầm dị thể cho hợp kim.
- Các oxyt đất hiếm có nhiệt độ nóng chảy cao, có thể là tâm dị thể cho các pha cácbit M7C3 và pha austenit sơ cấp.
- Nhờ đó tổ chức gang crôm khi có thêm đất hiếm trở nên nhỏ mịn đi rất nhiều.
- Phân tích quá trình phá hủy do bong tróc và mài mòn của gang 13% crôm, xác định các yếu tố ảnh hưởng và từ đó xác định được biện pháp giảm thiểu sự phá hủy và ngăn chặn quá trình đó.
- Luận án đã xác định được sự có mặt và phân bố của một số pha và phân tích ảnh hưởng của chúng đến cơ tính gang.
- -Xác định: hàm lượng Ti, đất hiếm có thể đưa lại các chỉ tiêu cơ tính cao nhất của gang crôm cao mà không làm ảnh hưởng nhiều đến giá thành sản phẩm.
- Phương pháp nghiên cứu.
- Sử dụng các phương pháp xác định khả năng chống mài mài mòn, va đập để xác định ảnh hưởng của Ti và đất hiếm đến cơ tính hợp kim - Sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại: EDX, SEM, MAPPING, Rơnghen để phân tích tổ chức.
- Xác định khuyết tật đúc hình thành trong các tấm cácbit M7C3 thô chính là một trong những mầm mống nứt gây phá hủy vật liệu.
- Giải thích được mối liên quan giữa hình thành cùng tinh và sự hình thành austenit sơ cấp trong gang crôm 13%.
- Giải thích vai trò của TiC và oxit đất hiếm đến sự hình thành và phân bố ô cùng tinh.
- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GANG TRẮNG CRÔM 1.
- 1 Lịch sử phát triển của hệ vật liệu chịu mài mòn gang trắng crôm Gang trắng hợp kim Crôm được phát hiện đầu tiên ở Châu Âu vào những năm 1970.
- 2 Tổ chức đúc của gang trắng crôm 1.2.1 Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C Trong gang trắng, Crôm là một nguyên tố tạo cácbit mạnh, tỷ lệ giữa Crôm với cacbon (Cr/C) và hàm lượng cácbon quyết định sự hình thành loại cácbit dẫn đến quyết định cơ tính của gang.
- Để đảm bảo gang có cơ tính tổng hợp cao, chọn gang có thành phần sao cho tỷ lệ Cr/C nằm trong khoảng Các loại cácbit trong gang trắng Crôm 1.2.2.1.
- Tính chất cácbit trong hệ gang trắng crôm Cácbit có độ cứng cao, có modul đàn hồi cao, có nhiệt độ nóng chảy cao và có tính giòn.
- 1.2.3 Austenit trong gang trắng Crôm 1.2.3.1 Hình thái Austenit Nhánh cây austenit trong gang trắng được chia thành hai loại.
- 1.2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái của austenite sơ cấp Sự tạo thành nhánh cây liên quan đến quá trình tạo mầm trong gang lỏng.
- Ảnh hưởng của hình thái Austenit sơ cấp đến các khuyết tật của gang trắng: Khi sự kết tinh chủ yếu do ngoại sinh, cấu trúc nhánh cây thô, thiên về dạng cột, có định hướng sẽ dẫn đến tạo ra kẽ nứt co ngót dọc theo đường biên hạt.
- 1.3 Sự đông đặc và kết tinh cùng tinh của gang trắng crôm cao 5 1.3.1 Nhiệt động học và động học của sự kết tinh của cùng tinh trong gang trắng Gang nóng chảy dù kết tinh theo hệ giả ổn định như cácbit + austenit hay kết tinh theo hệ ổn định như graphit + austenit cùng tinh đều phụ thuộc vào sự tạo ra tâm mầm và tốc độ phát triển của hai pha cácbon cao (Cácbit và graphit), và đều phụ thuộc vào điều kiện nhiệt động học và động học của quá trình.
- 1.3.2 Phân tích sự đông đặc của hệ hợp kim Fe-Cr-C Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C là công cụ để phân tích quá trình đông đặc của hệ gang trắng crôm cao.
- 1.3.3 Sự tiết ra cácbit cùng tinh Tổ chức trước cùng tinh của gang trắng crôm cao gồm nhánh cây austenit và cùng tinh austenit-cacbit.
- Càng xa đường cùng tinh, càng có nhiều austenit sơ cấp và càng ít tổ chức cùng tinh nằm giữa các nhánh cây austenit.
- Tổ chức cùng tinh của gang trắng crôm cao gồm cùng tinh (M7C3 + austenit), trong đó hình ảnh hai chiều của cácbit có dạng một bông hoa hồng.
- Sự tạo thành ô cùng tinh Trong gang crôm cao, khi làm nguội, từ trạng thái lỏng, các pha sơ cấp (ausnenit hoặc cácbit) được tiết ra.
- Phản ứng cùng tinh được cân bằng bởi hệ ba cấu tử như sau: L←→ γ-F e + M7C3 Sản phẩm của phản ứng là các hạt cùng tinh bao gồm austenit cùng tinh (γ-Fe) và cácbit cùng tinh, tạo thành ô cùng tinh.
- Trong gang trắng trước cùng tinh, pha đầu tiên tiết ra là austenit.
- Các ô cùng tinh trong được tiết ra trong khoảng trống của các nhánh cây austenit.
- Cấu trúc một ô cùng tinh của gang trắng crôm trước cùng tinh được biểu thị trong hình 1.25 [76.
- Nền (γ-Fe) Cácbit M7C3 Hình 1.26: Các thông số về kích thước của ô cùng tinh Hình 1.25: Cấu trúc một ô cùng tinh của GTCr trước cùng tinh [[75Error! Reference source not 6 Kích thước của ô cùng tinh phản ảnh trực tiếp độ mịn của cácbit cùng tinh và ảnh hưởng đến kích thước hạt trong ranh giới của ô cùng tinh (xem hình 1.26).
- Các thông số chính để miêu tả ô cùng tinh bao gồm: kính thước của ô cùng tinh (A-A), khoảng trống của các khu vực ranh giới nơi các ô cùng tinh tồn tại (B-B) và khoảng cách giữa các vùng cácbit chiếm chỗ trong trung tâm của khối (C-C).
- 1.3.5 Sự biến đổi tổ chức cùng tinh của gang trắng crôm.
- Để tăng độ dai và tuổi thọ của gang trắng crôm người ta dùng các biện pháp kiểm soát quá trình đông đặc và biến đổi cấu trúc cùng tinh.
- Các phương pháp để cải thiện tổ chức cùng tinh cụ thể bao gồm.
- Làm mịn ô cùng tinh - Làm rời rạc các cácbit cùng tinh - Thay đổi hình thái cácbit (từ tấm sang hình sợi hoặc hình cầu) Các biện pháp cải thiện cấu trúc cácbit của gang trắng như sau.
- Điều chỉnh thành phần hóa học - Tăng tốc độ nguội - Tạo mầm kết tinh: Việc tạo nhiều tâm mầm kết tinh trong gang trắng làm nhỏ mịn cácbit và austenit sơ cấp và làm cho khoảng cách giữa nhánh cây nhỏ đi.
- Các nguyên tố tạo tâm mầm thường sử dụng cho gang trắng là V, Ti, RE và Al.
- Sự biến tính: Biến tính là quá trình xử lý bằng cách đưa thêm một lượng nhỏ các chất thích hợp vào gang lỏng để biến đổi hình thái cácbit.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của GTCr.
- 1.4.1 Ảnh hưởng của sự phân bố các nguyên tố trong GTCr.
- Crôm: Trong gang crôm cao, Cr tồn tại chủ yếu trong cácbit, một phần hòa tan trong austenite và một lượng rất nhỏ có trong các pha khác.
- Vanadi: Vanadi được đưa vào nhằm tạo ra các hạt cácbit VC nhỏ mịn và làm tâm mầm cho pha M7C3 làm cho các pha cùng tinh nhỏ mịn.
- Titan: Titan được đưa vào tạo ra TiC có tác dụng làm nhỏ mịn cấu trúc, tăng độ bền cho gang crôm.
- 1.4.2 Ảnh hưởng của quá trình chế tạo 7 Gang crôm có thể được nấu trong lò điện cảm ứng tường bazơ, lò hồ quang.
- Quá trình nấu cần tăng cường khuấy trộn để hòa tan crôm đồng đều.
- Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện gang crôm.
- 1.4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tổ chức pha nền Quá trình xử lý nhiệt hợp kim chủ yếu là làm thay đổi pha nền.
- Trong quá trình nung nóng và làm nguội gang crôm cao, austenit trong tổ chức sau đúc chuyển biến thành mactenxit.
- 1.4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến hình thái cácbit: Gang trắng với thành phần crôm thấp hơn 30% thì hình thái cácbit không có sự thay đổi về dạng chỉ có thể thay đổi về kích thước cácbit.
- Gang có thành phần crôm >30% có sự chuyển biến từ cácbit M7C3 sang M23C6 trong quá trình nhiệt luyện.
- 1.4.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến độ cứng của hợp kim Làm nguội với tốc độ đủ lớn sẽ có chuyển biến không cân bằng thành mactenxit.
- Mactenxit làm tăng độ cứng cho gang crôm.
- 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của gang trắng crôm Để đảm bảo cơ tính tốt cho gang crôm, điều kiện đầu tiên và có thể là quan trọng nhất là: 1.
- Đảm bảo gang crôm là gang trước cùng tinh hoặc cùng tinh.
- Đảm bảo sự có mặt M7C3 trong gang cùng tinh và trước cùng tinh bởi cácbit M7C3 có độ cứng và độ bền cao.
- 1.5.1 Ảnh hưởng của hình thái, sự phân bố, kích thước hạt cácbit đến quá trình mài mòn trong điều kiện trượt có tải trọng của GTCr.
- Ảnh hưởng của tổ chức pha nền tới sự hình thành vết nứt của GTCr khi chịu tác động mài mài mòn và va đập đồng thời.
- 8 Tổ chức nền có ảnh hưởng đặc biệt đến các quá trình mài mòn của gang crôm.
- Pha nền trong hợp kim này có nhiệm vụ giữ chặt các hạt cácbit làm cho các hạt cácbit không bị bong tróc trong quá trình chịu tác động mài mài mòn, va đập.
- Tổ chức tốt nhất của pha nền mactenxit+cácbit nhỏ mịn và một lượng nhỏ austenit dư 1.6 Quá trình hợp kim hóa bằng Titan đến GTCr.
- 1.7 Biến tính GTCr cao bằng đất hiếm Các kim loại có trong đất hiếm có nhiệt độ nóng chảy thấp,bán kính nguyên tử lớn, rc = 0,182nm, có độ quá nguội rất lớn trong quá trình đông đặc.
- CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU GANG TRẮNG CRÔM 13% 2.1 Chế tạo mẫu nghiên cứu Tất cả các mẫu hợp kim được nấu trong lò điện cảm ứng trung tần cùng với các chế độ chọn trước.
- Các mẫu được chia thành 4 nhóm hợp kim theo mục đích nghiên cứu như sau.
- Các hợp kim nhóm 1: Các mẫu gang 13% crôm với 2,14% C và thành phần Ti theo chiều tăng từ 0,21% đến 1,02%, các mẫu được ký hiệu từ No.1 đến No.4 - Các kợp kim nhóm 2: các mẫu nhóm 2 được biến tính bằng RE với thành phần đất hiếm trong khoảng 0,1 đến 0,8%, các mẫu nhóm 2 được ký hiệu từ No.5 đến No.8 9 - Các hợp kim nhóm 3: Các mẫu được đưa thêm titan và RE( Ti từ 0,23 đến 0,66% và RE từ 0,2 đến 0,6.
- 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Xác định thành phần hóa học Thành phần hóa học của các mẫu nghiên cứu được phân tích bằng phương pháp quang phổ phát xạ trên máy ARL-3460 của hãng Fisons Thụy Sỹ.
- 2.3.5 Mức độ cùng tinh các mẫu nghiên cứu Gang trắng crôm có thể tồn tại ở dạng gang trước cùng tinh, cùng tinh và sau cùng tinh tùy thuộc vào mức độ cùng tinh.
- Mức độ cùng tinh = CE/4,3 2.3.6 Nghiên cứu tổ chức 10 Cấu trúc tế vi được quan sát và chụp trên kính hiển vi quang học (HVQH) Leica 4000 có độ phóng đại tối đa là 1000 lần với phần mềm phân tích IPwin32 và trên kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope.
- Thành phần pha của hợp kim nghiên cứu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray) trên máy X’Pert Pro – Philip.
- 2.3.7 Nghiên cứu, đánh giá quá trình mài mài mòn Độ mài mài mòn được xác định qua sự hao hụt khối lượng của các mẫu hình trụ có đường kính là 4mm, mài mài mòn trên giấy ráp cỡ hạt 240µm trên quãng đường 2000m, tốc độ quay 300 vòng/phút theo với các tải trọng khác nhau 12N, 20N.
- 2.3.8 Nghiên cứu quá trình phá hủy mẫu do va đập Các mẫu đo độ dai va đập được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM với khía chữ V trên máy CHAPPY.
- 2.3.9 Xác định tổng hàm lượng cácbit cùng tinh Tổng hàm lượng cácbit cùng tinh được phân tích trên phần mềm image Pro-Plus.
- CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA GTCr TRONG MÔI TRƯỜNG MÀI MÀI MÒN VÀ VA ĐẬP CAO 3.1.
- Đặc điểm, tính chất của hệ gang crôm 13% Là gang trước cùng tinh nên khi kết tinh, austenit nhánh cây tiết ra đầu tiên, sau đó là cùng tinh austenit và M7C3.
- Các vùng cùng tinh này nằm giữa các nhánh cây và tạo nên ô cùng tinh.
- Nằm giữa các ô cùng tinh là các cácbit mịn, càng xa tâm khối thì cácbit trở nên thô hơn.
- Bên ngoài các ô cùng tinh là các cácbit M7C3 thô có dạng sợi dài.
- Trong hình 3.3(a) các vết xước sâu, rộng, độ phá hủy bề bề mặt mẫu lớn còn ở hình 3.3(b) ứng với bề mặt mẫu sau nhiệt luyện tương ứng, các vết xước nông và nhạt hơn.
- Như vậy chứng tỏ rằng ở trạng thái đúc nền là austenit có độ bền thấp, trong quá trình mài mài mòn có tải trọng lặp lại nhiều lần, biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng, pha nền dễ dàng bị xô lệch, biến dạng, tồn tại sự chênh lệch biến dạng tại ranh giới pha nền/pha các-bit và khi ứng suất vượt quá giới hạn bền sẽ dẫn đến phá hủy tại 11 vị trí ranh giới này.
- Quá trình phá hủy của gang trắng 13% crôm.
- Mô phỏng quá trình chịu lực của viên bi chế tạo từ GTCr 3.3.1.1.
- Bài toán mô phỏng Bài toán mô phỏng quá trình va đập của hai viên bi gang crôm cao, đường kính 60 mm rơi từ độ cao 4,2 m.
- Kết quả của quá trình mô phỏng sự va đập của bi Hình 3.3: Hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mài mòn của gang 13% crôm a: mẫu đúc b: mẫu sau nhiệt luyện Hình 3.9: Sự phân bố ứng suất quá trình va đập bi nghiền 12 Kết quả mô phỏng cho ở trung tâm của khu vực tiếp xúc giữa hai quả cầu, ứng suất cắt ở bề mặt là không đáng kể.
- Ứng suất của quá trình va đập tập trung xung quanh các phần tử cácbit.
- Các khuyết tật được tạo ra tại các cácbit thô nằm xa trung tâm cùng tinh có thể coi là mầm mống của vết nứt.
- hiển vi điện tử thứ cấp (d) chụp bề mặt mẫu ở trạng thái đúc 13 nguyên nhân gây ra hiện tượng phá hủy cácbit trong gang trắng crôm.
- CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH HỢP KIM HÓA BẰNG TITAN VÀ BIẾN TÍNH BẰNG ĐẤT HIẾM VÀ HỖN HỢP TITAN VÀ ĐẤT HIẾM ĐẾN GTCr 13% 4.1 Ảnh hưởng của quá trình hợp kim hóa bằng Ti 4.1.1.
- 12: Bề mặt cácbit của gang trắng 13% crôm khi chịu va đập (các mẫu sau nhiệt luyện, hiển vi quang học, X1000) Hình 3.13: Bề mặt phá hủy gang crôm khi chịu va đập ( X1000)

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt