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

Mục đích của đề tài luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của Ti và các nguyên tố có trong đất hiếm tới các hình thái tổ chức của gang crôm cao nhằm thay đổi tổ chức, sự phân bố, giảm kích thư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

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

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

1.2.3 Austenit trong gang trắng Crôm 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

1.4.3 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện gang crôm 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

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)

2.3.6 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

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

3.3.1.2 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

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

4.2.1.2 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

4.3 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

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

91 5.5 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến độ dai va đập của gang crôm 13% 92

Danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án đã công bố 96

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Bảng 1.1 : Các hằng số thông số mạng của cácbit Cr 7 C 3

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 Ce 2 O 2 S với ɣ -Fe

Bảng 1.7: Hệ số lệch δ giữa các mặt xếp chặt của oxyt đất hiếm Ce 2 0 3 , Ce 2 0 2 S 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 Cr 23 C 6

Hình 1.7: Hình thái của cácbit M 7 C 3

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

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 (M 7 C 3 +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 M 7 C 3 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 Ce 2 O 2 S và cácbit M 7 C 3

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

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 M 7 C 3

Hình 4.13: Sự phân bố cácbit M 7 C 3 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 M 7 C 3 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 M 7 C 3 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 M 7 C 3 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

(X200, tẩm thực màu ăm mòn cácbit)

Hình 4.21: Cácbit M 7 C 3 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

Hình 4.22: Khối lượng hao mòn các mẫu đúc nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm lượng RE

Hình 4.23: Khối lượng hao mòn các mẫu nhiệt luyện nhóm 2 theo sự tăng lên của hàm

lượng RE

Hình 4.24: Độ dai va đập các mẫu nhóm 2

Hình 4.25: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu số 9

Hình 4.26: Hình ảnh phân tích mapping mẫu số No.11

Hình 4.27: Hình ảnh hiển vi điện tử thứ cấp mẫu số 10 (Mẫu có 0,23%Ti + 0,2%RE)

Hình 4.28: Kết quả phân tích EDS nền austenit nhánh cây của mẫu No.10 (a) và No.11(b)

và No.12 (c) ( Tại vị trí ranh giới cácbit/nền)

Hình 4.29: Mối quan hệ giữa mặt tinh thể của ɣ-Fe và oxyt đất hiếm LaAlO 3

Hình 4.30: a):Hiển vi quang học chỉ ra sự có mặt TiC trên các mẫu M 7 C 3 , mẫu số 11

(b): Mối quan hệ giữa mặt tinh thể của TiC và M7C3

Hình 4.31: Ảnh tổ chức tế vi của các 3 mẫu nhóm 4 ở trạng thái đúc, X500

Hình 4.32: Ảnh tổ chức tế vi của các 3 mẫu nhóm 3 ở trạng thái nhiệt luyện sự tăng lên của

hàm lượng titan và đất hiếm, X500

Hình 4.33: Thể tích cácbit cùng tinh trong các hợp kim nhóm 3

Hình 4.34: Độ cứng thô đại của các hợp kim nhóm 3 theo sự tăng lên của Ti và RE

Hình 4.35: Độ cứng tế vi (HV 100 ) của nền các mẫu nhóm 3

Hình 4.36: Bảng đồ thị đo khối lượng hao mòn với 3 mẫu ở trạng thái đúc với quãng

đường 2km dưới các tải khác nhau

Hình 4.37: Bảng đồ thị đo khối lượng hao mòn với 3 mẫu nhiệt luyện với quãng đường

2km dưới các tải khác nhau

Hình 4.38: Độ dai va đập các hợp kim nhóm 3 ở trạng thái đúc và nhiệt luyện

Hình 5.1: Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 1 (hình 5.1a) và nhóm 3(hình 5.1

b)

Hình 5.2: Hiển vi quang học chụp bề mặt các mẫu nhóm 3 sau nhiệt luyện (hình 4 a , sử

dụng dung dịch tẩm thực VILLA’S, hình 4 b, tẩm thực màu ăn mòn cácbit), X1000

Hình 5.3: Sự tiết cácbit thứ cấp của 3 mẫu đặc trưng cho 3 nhóm gang crôm 13% nghiên

cứu sau nhiệt luyện, X1000, tẩm thực ăn mòn cácbit

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục các chữ viết tắt

Cr: Nguyên tố crôm

C: Nguyên tố cácbon

GTCr: Gang trắng crôm

RE: Nguyên tố đất hiếm

REO: Oxyt đất hiếm

EDS: Phổ phân tán tia X theo năng lượng(Energy Dispersive Spectroscopy SEM: Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

MỞ ĐẦU

Gang crôm cao được biết tới như một vật liệu chịu mòn tốt và được ứng dụng rộng rãi trong các nghành khai thác khoáng sản, nghành công nghiệp xi măng, công nghiệp luyện kim Tính chịu mòn của hệ hợp kim này có được là do sự hiện diện của các cácbit cứng trên nền mềm austenit/mactenxit Với hàm lượng crôm thấp, gang trắng crom có cácbit M3C dạng lưới Khi hàm lượng crôm vượt quá 12% thì các cácbit M3C dạng lưới liên kết chuyển sang dạng cácbit M7C3 rời rạc có dạng que hoặc dạng tấm Các cácbit M7C3 có độ bền cao hơn hẳn các cácbit M3C, vì thế gang trắng với hàm lượng crôm vượt quá 12% có độ dai va đập, độ chịu mòn cao hơn hẳn so với gang có hàm lượng crôm thấp

Cácbit trong gang crôm cao đóng vai trò chính trong quá trình chống lại sự mài mòn Có rất nhiều nghiên cứu xoay quanh vấn đề làm thế nào để tăng cơ tính cho hệ gang crôm cao như: nghiên cứu quá trình kết tinh của gang crôm cao, nghiên cứu các cơ chế nứt vỡ, bong tróc khi chịu va đập và mài mòn, nghiên cứu thay đổi hình thái cácbit, nghiên cứu sự chuyển biến của pha nền khi nhiệt luyện

Sự hao mòn khối lượng do sự mài mòn gây ra chỉ đơn giản phụ thuộc vào khả năng chịu mài mòn của vật liệu, nhưng sự giảm khối lượng gây ra bởi bong tróc hoặc vỡ lại phụ thuộc chủ yếu vào độ dai va đập của vật liệu Thực tế là sự giảm khối lượng gây ra bởi bong tróc và

vỡ cao hơn nhiều so gây ra bởi sự mài mòn Vì vậy rất nhiều nhà vật liệu học đã tập trung nghiên cứu tăng độ dai va đập, tăng tuổi thọ làm việc loại vật liệu này

Hệ gang crôm cao ở Việt Nam phát triển rất mạnh trong những năm gần đây, ứng dụng nhiều trong các nghành khai thác xi măng và khoáng sản Tuy nhiên các nhà sản xuất vẫn còn đang lúng túng khi sản phẩm có chất lượng thấp, mài mòn nhanh, nứt vỡ bong tróc nhiều, tuổi thọ làm việc thấp Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của hệ gang crôm cao, đề tài của luận án được lựa chọn với tên gọi “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”

Mục đích của đề tài luận án:

Nghiên cứu ảnh hưởng của Ti và các nguyên tố có trong đất hiếm tới các hình thái tổ chức của gang crôm cao nhằm thay đổi tổ chức, sự phân bố, giảm kích thước hạt pha nền, pha cácbit M7C3, kích thước vùng cùng tinh với mục đích tăng cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho

hệ gang crôm 13%

Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án:

Làm sáng tỏ cơ chế phá hủy gang crôm cao và tác dụng của Ti và đất hiếm đến khả năng chống phá hủy của gang crôm Đặc điểm chung của gang crôm là cứng và giòn, độ dẻo dai thấp, vì vậy khi sử dụng gang crôm vào môi trường mòn và va đập cao thì gang có tuổi thọ làm việc không cao Việc đưa titan và các nguyên tố có trong đất hiếm vào gang làm tăng tính dẻo dai, tăng khả năng chịu mòn của gang Ttitan và đất hiếm dễ dàng đưa vào gang lỏng Khi được đưa vào gang crôm, Ti kết hợp với cacbon rất mạnh, tạo raTiC Trong quá trình kết tinh của gang, TiC là cácbit kết tinh đầu tiên, trước cácbit crôm, các cácbit sắt, bên cạnh đó TiC có thể làm tâm mầm cho các pha cácbit M7C3 Các nguyên tố đất hiếm có điểm chảy thấp, có ái lực mạnh với oxy, lưu huỳnh, vì thế trong gang lỏng chúng có tác dụng làm sạch oxy và lưu huỳnh, tạo ra các oxyt đất hiếm Các oxyt đất hiếm có nhiệt độ nóng chảy cao, làm 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

Phương pháp nghiên cứu:

- Tập hợp tài liệu về gang hợp kim trong và ngoài nước

- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp tổng hợp, đánh giá phân tích, phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm…

Nội dung và bố cục của luận án:

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án được trình bày trong 5 chương:

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

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

Chương 3: Nghiên cứu quá trình phá hủy của gang trắng crôm khi làm việc trong môi trường

mài mòn và va đập tải trọng cao

Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của titan, nguyên tố đất hiếm và hỗn hợp (titan + đất hiếm)

đến tổ chức, cơ tính của gang trắng 13% crôm

Chương 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện đến tổ chức, cơ tính của hệ hợp

kim gang trắng 13% crôm

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ GANG

Gang trắng crôm hay còn gọi là hệ hợp kim Fe-Cr-C có thành phần crôm lên đến 40%

và thành phần cácbon có thể đến 4% Gang trắng có thành phần Cr lớn hơn 10% được gọi là gang trắng crôm cao Trong tổ chức ở trạng thái đúc của gang trắng crôm có một số lượng lớn cácbit làm cho các gang này rất cứng nhưng giòn, rất khó gia công Gang crôm cao có tính chống mài mòn, độ dai va đập , tính chống ăn mòn tốt Trong môi trường axit, gang có thành phần crôm khoảng 28% có tính chống ăn mòn tốt hơn tính chống mài mòn của gang có thành

phần (Cr) = 15% Khi tăng hàm lượng crôm và giảm hàm lượng cácbon, có thể tăng được khả

năng chống ăn mòn cho gang

Trong gang trắng crôm, crôm chỉ hoà tan trong sắt một lượng nhỏ, phần lớn còn lại kết hợp với cácbon tạo ra các loại cácbít có tính chất khác nhau tùy thuộc vào thành phần và hàm lượng Khi hàm lượng crôm nhỏ hơn 7% thì tạo ra cácbit M3Cliên kết dạng lưới, có độ bền thấp Hàm lượng crôm lớn hơn 11% thì tạo ra cácbit M7C3 hình thái thay đổi, phân bố rời rạc,

ít liên tục dẫn đến độ bền cao hơn gang có 7% crôm Cơ tính của loại vật liệu này đạt giá trị cao nhất khi hàm lượng crôm từ 12 -19% Hàm lượng crôm vượt quá 25%, hình thành cácbit sau cùng tinh có hình dạng hình kim thô to làm cơ tính của hợp kim giảm đi rõ rệt Tuy nhiên khi tăng hàm lượng crôm, khả năng chống ăn mòn và chống oxy hóa tăng Hầu hết gang côm được sử dụng nhiều hiện nay có hàm lượng crôm trong khoảng 11% - 23% và tỷ lệ Cr/C trong khoảng từ 4 – 8

Có rất nhiều nghiên cứu về gang trắng crôm cao trong hơn bốn thập kỷ qua Các nghiên cứu tập trung nhất là các vấn đề: hợp kim hóa gang trắng crôm với các nguyên tố như Ti, Mn,

Mg, Ni, Cu, Al, biến đổi tổ chức gang trắng bằng các nguyên tố đất hiếm, quá trình xử lý nhiệt, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đó tới tổ chức đông đặc, nghiên cứu số lượng, loại cácbit, sự thay đổi của nền….Tất cả các nghiên cứu đó đều có mục đích tìm hiểu sự thay đổi

tổ chức dẫn đến thay đổi tính chất, mà chủ yếu là cơ tính của vật liệu, nhất là khả năng tăng độ chịu mòn, ăn mòn, độ dai va đập Nhiều nghiên cứu đã được công bố và đã có những đóng góp đáng kể làm cải thiện đáng kể tính chống mài mòn và độ dai va đập, làm cho loại vật liệu này

có tuổi thọ rất cao khi làm việc trong môi trường cần tải trọng lớn và cần tính bền nhiệt, chống

ăn mòn

Từ những năm 1990 cho đến nay, nước ta đã sản xuất gang - thép hợp kim crôm, trong

đó vật liệu chống mài mòn và chống va đập tập trung chủ yếu vào hệ gang crôm, còn thép crôm chủ yếu phục vụ cho các sản phẩm chống ăn mòn

Viện Khoa học Vật liệu trực thuộc Viện Khoa học Việt Nam đã tiến hành hợp kim hoá với hợp kim hệ Fe-Cr-C với hàm lượng crôm khá cao thậm chí còn hợp kim hóa với một số nguyên tố hợp kim đắt tiền Công ty Cơ khí Đông Anh trong nhiều năm qua hàng năm xuất tới 6000-7000 tấn vật liệu chịu mài mòn từ gang trắng crôm cao với lượng crôm từ 13-26% Nhà máy Đúc Thắng Lợi cũng đã nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách đưa vào gang crôm một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim hóa và biến tính

Tuy là loại vật liệu được nghiên cứu và phát triển rất lâu nhưng hệ gang crôm này vẫn đang được quan tâm nghiên cứu tại rất nhiều phòng thí nghiệm và tại nhiều cơ sở sản xuất với mục đích tăng tuổi thọ làm việc và giảm thiểu lượng các nguyên tố hợp kim nhằm tiết kiệm nguồn nguyên liệu về kim loại Các hướng nghiên cứu hệ gang crôm tập trung chủ yếu vào nghiên cứu sản xuất để tăng tuổi thọ làm việc và giảm giá thành cho loại sản phẩm này

Tuy hệ gang 13% crôm còn chưa được quan tâm nhiều trên thế giới nhưng lại được quan tâm nhiều tại Việt Nam bởi đặc điểm kinh tế

Luận án tìm cách nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phá hủy gang crôm khi làm việc trong môi trường mài mòn và va đập, qua đó tìm kiếm các giải pháp nâng cao cơ tính của hệ gang crôm bằng cách sử dụng Ti và đất hiếm nhằm thay đổi tổ chức, sự phân bố cácbit, giảm kích thước các hạt cácbit để tăng tuổi thọ làm việc cho gang trắng crôm nói chung và cho

hệ gang 13% crôm nói riêng

1 2 Tổ chức đúc của gang trắng crôm

1.2.1 Giản đồ pha hệ Fe-Cr-C

Tác giả Thorpe và Chicco [60] năm 1985 đã biểu diễn vị trí đường rắn trên mặt lỏng góc

giàu sắt trên hình 1.1:

Tóm tắt sơ lược các phản ứng tại một số nhiệt độ khác nhau như sau:

- Điểm U1 trên giản đồ có phản ứng ứng xảy ra ở nhiệt độ 12890C với thành phần Crôm >

- Đường U1U2 trên giản đồ xảy ra trong khoảng nhiệt độ từ 1183 đến 12890C và với thành phần crôm khỏang 10% -30% là đường cùng tinh có phản ứng như sau:

L γ + M7C3 [1.3] Hầu hết các nhà nghiên cứu về gang trắng crôm đều sử dụng giản đồ pha của Jackson [74] (hình 1.2) Vùng ( + M7C3) bị đường cùng tinh cắt ra thành hai phần Phần bên trái đường cùng tinh là gang trắng crôm trước cùng tinh, phần bên phải là gang trắng crôm sau

cùng tinh

Trong gang trắng, crôm là một nguyên tố tạo cácbit mạnh, tỷ lệ giữa crôm với cacbon

(Cr/C) và hàm lượng cácbon sẽ quyết định đến sự hình thành loại cácbit, từ đó quyết định cơ tính của gang Khi tỷ lệ giữa Cr/C thấp (<3,5) dễ hình thành cacbit dạng M3C có độ cứng và

độ bền thấp do vậy gang có tính bền và tính chịu mài mòn kém Khi tỷ lệ giữa Cr/C > 10,2 dễ hình thành ra cácbit M23C6, cacbit này dễ phân huỷ trong quá trình nhiệt luyện Cácbit cho độ bền, cơ tính và mài mòn tương đối cao là cácbit M7C3.Vì vậy để đảm bảo gang có cơ tính tổng hợp cao người ta chọn gang có thành phần sao cho tỷ lệ Cr/C nằm trong khoảng 3,5-10,2 Khi tăng hàm lượng cacbon, độ cứng của gang tăng nhưng độ chịu nhiệt giảm Mặt khác khi tăng hàm lượng C thì nhiệt độ đường lỏng cũng giảm Ví dụ, nhiệt độ đường lỏng giảm xuống từ 14000C đến 13500C khi lượng cacbon tăng từ 1,5% đến 2% Hàm lượng cacbon trong gang trắng crôm thường trong khoảng 2,14 - 4,3%

1.2.2 Các loại cácbit trong gang trắng crôm hợp kim với một số nguyên tố khác

Gang crôm có thể được hợp kim hóa bằng các nguyên tố có xu hướng tạo cácbit nhằm tăng cơ tính, độ bền, thậm chí có thể làm thay đổi cấu trúc và hình dạng cácbit crôm Các nguyên tố tạo cácbit là các nguyên tố như Fe, Mn, Cr, W, Pt, V, Nb, Ti… Xu hướng tạo thành cácbit có mối quan hệ với tình trạng thiếu điện tử của lớp vỏ d của nguyên tố Các nguyên tố

có lớp d chưa được điền đầy có khả năng tạo cácbit mạnh hơn và tạo ra các cácbit ổn định hơn Các nguyên tử của các nguyên tố kể trên có nhiều chỗ trống ở lớp điện tử d Khả năng tạo cácbit giảm dần theo thứ tự: Ti, Nb, Zr, V, Mo, W, Cr và Mn (Fe)

Mạng tinh thể của các loại cácbit có dạng cấu trúc xếp chặt, bao gồm mạng kim loại với nguyên tử các bon xen kẽ và thường khác xa với mạng tinh thể của kim loại cơ sở

Hình 1.2: Mặt lỏng của giản đồ pha Fe-Cr-C của Jackson [74]

Cấu trúc mạng của chúng có thể là một trong các loại sau: mạng tâm mặt, mạng tâm diện, mạng lục giác xếp chặt hoặc tổng hợp các loại mạng trên Nếu lỗ trống trong mạng tinh thể của nguyên tử đủ lớn để chứa nguyên tử cácbon thì một cấu trúc xếp chặt đơn giản được tạo thành; tỷ lệ giữa bán kính của nguyên tử cácbon( rC) và bán kính nguyên tử kim loại cơ sở (rM): rC/rM sẽ quyết định loại cácbit nào được tạo thành

1.2.2.1 Phân loại cácbit

- Cácbit MC

Cácbit có cấu trúc đơn giản xếp chặt: khi tỷ số rc/rM =0.59, nguyên tử cácbon được định

vị vào lỗ trống của mạng đơn giản tạo thành pha xen kẽ, pha xen kẽ mới tạo thành có mạng khác với mạng tinh thể kim loại ban đầu Các nguyên tố Mo, W, V, Ti, Nb và Zr đều thuộc về

loại kim loại này Các cácbit tạo thành bao gồm: WC, VC, TiC, NbC, ZrC Nếu kim loại M

trong cacbit dạng MC có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt đơn giản thì tất cả các lỗ trống được lấp đầy bởi nguyên tử cácbon vì tỷ số M : C = 1 : 1 Mạng tinh thể là kiểu mạng NaCl như hình 1.3:

Xung quanh một nguyên tử cacbon là 6 nguyên tử sắt tạo thành một khối tám mặt Tất

cả các trục của khối tám mặt này bị nghiêng một góc so với trục khác để tạo thành khối tinh thể sáu mặt thoi Vì mỗi khối tám mặt đều có một nguyên tử cácbon và mỗi một nguyên tử sắt phải chia giữa hai khối tám mặt, tỷ lệ nguyên tử của sắt và cácbon trong phân tử M3C là hoàn toàn chính xác Hình chiếu khối tám mặt của cementit là một hình thoi cấu trúc chuỗi (như hình 1.5) Khi quan sát toàn thể cấu trúc của cementit, các khối tám mặt có sự phân lớp rõ ràng, song song giữa các khối Trong mỗi tinh thể khối mặt thoi các nguyên tử Fe-C được kết nối bởi một liên kết cộng hóa trị, liên kết cộng hóa trị được thực hiện bởi các điện tử đồng hóa trị của 4 nguyên tử cácbon và điện tử ở lớp 3-d của nguyên tử sắt gần nhau ở đỉnh của khối mặt thoi

Hình 1.3 : Cấu trúc tinh thể NaCl

Hai nguyên tử sắt khác nằm trong khối mặt thoi bên cạnh, nơi mà các nguyên tử sắt nằm gần các nguyên tử cácbon Mối liên kết mạnh tạo ra lớp xen giữa Độ chênh lệch âm điện giữa Fe-C làm cho liên kết Fe-C bền vững Lực liên kết giữa Fe-C lớn gấp hai lần lực liên kết giữa Fe-Fe [16] Lớp xen giữa được kết nối bởi mối liên kết kim loại giữa các nguyên tử sắt là mối liên kết yếu dẫn đến tính dị hướng của cementit

Một nguyên tử thứ ba trong hệ hợp kim hai cấu tử Fe-C có thể làm thay đổi độ bền liên kết của Fe-C Các nguyên tử làm tăng mối liên kết Fe-C sẽ có cấu trúc ổn định hơn cementit Các nguyên tử làm giảm mối liên kết Fe-C sẽ là nguyên nhân gây nên sự phá vỡ dễ dàng mối quan hệ Fe-C, làm mất tính ổn định của của cementit và đẩy mạnh quá trình graphit hóa Một vài nguyên tố hòa tan hạn chế trong Fe3C và tạo thành cementite hợp kim Các nguyên tố có thể hòa tan trong Fe3C là Cr ≤ 28%, Mo ≤ 14%, W ≤ 2%, V ≤ 3% [65 ] Sự tạo thành cementit hợp kim (Fe, M)3C, có hóa trị cao, liên kết mạnh hơn và ổn định hơn [ 65]

- Cacbit M 7 C 3 :

Đại diện cho loại cácbit M7C3 là cácbit Cr7C3 với 56 nguyên tử Cr với 24 nguyên tử C và

Cr7C3 tồn tại ở 3 cấu trúc tinh thể: Lục giác xếp chặt, hệ trực thoi, khối bát diện với các thông

số mạng được trình bày trong bảng 1.1:

- Loại cácbit M 23 C 6 :

Bảng 1.1 : Các hằng số thông số mạng của cácbit Cr 7 C 3 [78]

Hình 1.5 : Cấu trúc dạng chuỗi của tinh thể cementit

Nguyên tử sắt Nguyên tử cácbon

Hình 1.4: Cấu trúc tinh thể của cementit

Loại cácbit M23C6 có ô mạng tinh thể là khối gồm nhiều hình lập phương xếp chặt với 92 nguyên tử Ô tinh thể được chia thành 8 khối lập phương nhỏ như hình 1.6:

1.2.2.2 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 Cacbit mang đặc tính của kim loại, có độ dẫn nhiệt cao Độ dẫn điện giảm khi giảm nhiệt độ Khi tạo thành cacbit, các điện tử cácbon điền vào lớp vỏ 3-d của nguyên tử kim loại làm cho cácbit có đặc tính như kim loại

Nhiệt độ nóng chảy cao và độ cứng cao là những đặc tính quan trọng của cacbit Điều

đó có được do cácbit được tạo thành bởi lực liên kết đồng hóa trị mạnh mẽ từ một điện tử lớp

p của nguyên tử cacbon và một điện tử lớp d của nguyên tử kim loại Chỗ trống không được lấp đầy ở lớp vỏ d càng nhiều thì liên kết đồng hóa trị càng mạnh, điểm chảy và độ cứng càng cao

Bảng 1.2 đưa ra các thông số đặc trưng cơ bản của một số cácbit Trong số các cácbit, loại cácbit MC có độ cứng cao nhất, tiếp theo là M7C3 còn M3C có độ cứng thấp nhất Ngoài

độ cứng cao, MC còn có khả năng chống oxy hóa cao, do đó trong điều kiện mài mòn dưới nhiệt độ cao thì cacbit MC cho giá trị cao nhất [66]

Bảng 1.2: Các thông số đặc trưng của cácbit [66]

Cacbit Loại mạng Thông số mạng

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa nguyên tử cácbon và các nguyên tử kim loại bên cạnh

nguyên tử cácbon trong ô mạng tinh thể Cr 23 C 6

Chú ý: nếu một cacbit hòa tan một nguyên tố khác, độ cứng của chúng sẽ thay đổi, ví dụ nếu nó hòa tan sắt: (Fe,Cr) 3 C: 840–1,100 HV; (Fe,Cr) 7 C 3 : 1,500–1,800 HV; (Fe,Cr) 23 C 6 : 1,140–1,500 HV

1.2.2.3 Sự kết tinh của cácbit M 7 C 3

Gang có thành phần crôm lớn hơn 10%, cácbit tạo thành chủ yếu là M7C3 Các công trình nghiên cứu ghi nhận sự phát triển của M7C3 M7C3 phát triển theo hai hình thái: hình que

và hình tấm Khi M7C3 có cấu trúc tinh thể là lục giác thì hình thái thu được sẽ là hình que, nếu cấu trúc tinh thể của M7C3 là khối trực thoi hay khối bát diện thì hình thái thu được sẽ là dạng tấm

Hầu hết các cacbít sơ cấp trong gang trắng crôm cao sau cùng tinh phát triển theo cấu trúc tinh thể lục giác xếp chặt Do tính dị hướng rất rõ của tinh thể lục giác, tinh thể cacbít sơ cấp phát triển chủ yếu theo hướng [0001], tạo thành một tinh thể lục giác có dạng hình que trong mặt cắt ngang ( được chỉ ra trên hình 1.7)

Trong quá trình phát triển, cácbit sơ cấp M7C3 không chịu ảnh hưởng của austenite xung quanh, thậm chí quá trình nguội nhanh cũng không gây ra hiện tượng song tinh, vì vậy M7C3không phân nhánh và phát triển dọc theo hướng [0001] Kích thước hạt của M7C3 sơ cấp thô hơn so với cácbit cùng tinh Đặc điểm này của cácbit M7C3 khác xa với graphit tấm có lượng phân nhánh lớn Bề mặt tinh thể lục giác có dạng hình que của cácbit M7C3 rất nhẵn, do vậy

sự phát triển của tinh thể này theo kiểu xuyên tâm như là tinh thể được bao bọc bởi bề mặt

Hình 1.7 : Hình thái của cácbit M 7 C 3

Cácbit sơ cấp M 7 C 3

của nó Khi chất lỏng kết tinh, tổ chức cùng tinh kèm theo một lượng nhỏ co ngót, do vậy những khuyết tật đúc thông thường được quan sát thấy bên trong đơn tinh thể lục giác, nhất là

ở cácbit M7C3 sơ cấp thô, to Kích thước của M7C3 dạng que phụ thuộc vào tốc độ nguội Với tốc độ nguội nhanh, cácbit sơ cấp phát triển thành những que mịn và khó để phân biệt với các cácbit cùng tinh xung quanh chúng Khi nguội chậm, cácbit M7C3 hình que thô được tạo thành Hình dạng của các cácbit này dễ dàng phân biệt được với các cácbit cùng tinh xung quanh Kích thước của các que tinh thể lục giác M7C3 liên quan với hàm lượng crôm Sự tiết ra của cácbit M7C3 sơ cấp ảnh huởng đến hình thái đông đặc Với tốc độ nguội lớn, cácbit M7C3 sơ cấp dạng que sẽ kết tinh một cách cô lập, kích thước lớn, không nối với nhau và xốp Gang trắng thường, gang trắng crôm thấp, gang trắng trước cùng tinh, tất cả sẽ kết tinh bắt đầu từ bề mặt, xuyên vào tâm theo kiểu điển hình của quá trình đông đặc dạng cột

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 hình thái:

+ Loại 1: nhánh cây dạng cột, dài Loại cấu trúc này có định hướng rõ ràng, sắp xếp song song Nhánh cây tạo ra hạt austenit thô, to

+ Loại 2: Nhánh cây đều trục: Đây là loại nhánh cây được sắp xếp một cách ngẫu nhiên, không định hướng, tạo ra những hạt austenite nhỏ mịn, phân tán một cách ngẫu nhiên Hình thái của austenite sơ cấp liên quan trực tiếp đến sự kết tinh của nó Gang trắng thường được kết tinh với chế độ tạo mầm ngoại sinh (ví dụ mầm tinh thể được hình thành và phát triển tại thành khuôn) Các tinh thể nhánh cây sơ cấp tạo thành chủ yếu theo cấu trúc định hướng Đối với gang trắng đông đặc trong điều kiện tự sinh (tạo và phát triển mầm tinh thể trong bể kim loại lỏng), tổ chức đông đặc có dạng loại hai (nhánh cây đều trục)

R Döpp [21] đã chia hình thái nhánh cây của gang trắng thành 6 loại phát triển nhánh cây austenit sơ cấp như trong hình 1.8:

Trong đó:

I: Đông đặc ngoại sinh

II đến V: Trạng thái đông đặc hỗn hợp (ban đầu ngoại sinh sau đó tự sinh)

I: Đông đặc ngoại sinh; II-V: Đông đặc hỗn hợp; VI: Đông đặc tự sinh

Hình 1.8: 6 hình thái của austenit nhánh cây tồn tại trong gang trắng [21 ]

VI: Trạng thái đông đặc tự sinh Gang trắng có hai hình thái chủ yếu loại I và loại II

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

Sự tạo thành nhánh cây có hình thái dạng cột liên quan đến quá trình tạo mầm trong gang lỏng Nếu gang lỏng tạo ra tâm mầm với mức độ thấp thì sự đông đặc của chúng chủ yếu xảy ra theo dạng ngoại sinh Nhiệt độ nung cao và thời gian giữ nhiệt lâu hơn trong lò nấu sẽ giảm mức độ tạo tâm mầm của chất lỏng, khuyến khích tạo ra nhánh cây dạng cột, thô như trong hình 1.9 Mầm kết tinh có ảnh hưởng rõ rệt đến hình thái nhánh cây của gang trắng Chen Jingju [17] đã chứng minh rằng trong các hợp kim Fe-Ti hoặc Fe-B quá trình tạo mầm nội sinh xảy ra dễ dàng hơn, tạo ra các hạt tinh thể nhánh cây đều trục nhỏ mịn

(a) 1,450ºC (b) 1,550ºC

Hình 1.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hình thái nhánh cây austenit [17]

1.2.3.3 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 định hướng, sẽ dẫn đến tạo ra kẽ nứt co ngót dọc theo đường biên hạt Điều này xảy ra do tạp chất xung quanh biên hạt làm suy yếu độ bền của đường biên tinh thể Ngược lại, kích thước hạt mịn làm giảm đáng kể độ nhạy cảm của tạo thành kẽ nứt co ngót Mối quan hệ giữa hình thái nhánh cây

và xu hướng tạo kẽ nứt co ngót được thể hiện trong hình 1.10:

a, Dễ nứt b, Khó co ngót nứt

Hình 1.10 : Ảnh hưởng giữa hình thái nhánh cây và độ nứt, độ co ngót [17]

Hướng nứt

Cấu trúc nhánh cây thiên về tạo ra khuyết tật kẽ nứt co ngót Nhìn chung các rỗ co hoặc xốp giữa nhánh cây ở nhiệt độ kết tinh hình thành dễ dàng Mạng nhánh cây ngăn cản dòng chất lỏng “nuôi” các khu vực đã đông đặc trước

1.3 Quá trình đông đặc và kết tinh cùng tinh của gang trắng crôm cao

1.3.1 Nhiệt động học và động học của quá trình kết tinh cùng tinh trong gang

trắng crôm

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 phụ thuộc vào điều kiện nhiệt động học và động học của quá trình

Hình 1.11 so sánh năng lượng tự do của quá trình tạo thành hai pha cùng tinh Hai đường chéo trong khu vực dưới của hình 1.11 biểu thị năng lượng tự do của hai pha cùng tinh tương ứng, GL là năng lượng tự do của gang lỏng khi làm nguội Dễ dàng nhận thấy rằng gang lỏng

có năng lượng tự do cao nhất và cùng tinh graphit –austenit có năng lượng tự do thấp nhất, vì vậy kết tinh cùng tinh của graphit –austenit từ gang lỏng phù hợp với điều kiện ổn định nhiệt động học

Trong đó:

GL－Năng lượng tự do của gang lỏng khi được làm nguội

Gcm－Năng lượng tự do của cementite

Gr－Năng lượng tự do của austenite

Ggr－Năng lượng tự do của graphite Hillert M và Subba Rao V V [34] khi nghiên cứu sự kết tinh của kim loại cho rằng so với sự tạo thành graphit, sự tạo thành cacbít cần ít nguyên tử cacbon phân tán hơn, do đó với tốc độ nguội nhanh, sự tạo thành cacbít - austenit có tốc độ phát triển nhanh hơn và vì thế điều

kiện động học có lợi cho kết tinh cùng tinh cácbit –austenit hệ giả ổn định

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

Hình 1.11: So sánh năng lượng tự do của quá trình tạo thành hai giai đoạn cùng tinh [78]

crôm cao Warren [64] đã phân tích lại hình chiếu bề mặt lỏng cho hệ Fe-Cr-C giả ổn định

Hình 1.12 so sánh giản đồ pha của hai hệ Các giá trị trong giản đồ được ghi lại trong bảng 1.3 Khác với hệ hai cấu tử Fe-C, hệ ba cấu tử Fe-Cr-C có độ bão hòa cácbon không chỉ phụ thuộc vào C mà còn phụ thuộc vào Cr Ở điểm tới hạn u1 sự khác nhau về nhiệt độ trong hai giản đồ là 30C, nhưng sự khác nhau về hàm lượng Cr và C khá lớn, ở điểm u2 nhiệt độ khác nhau là 10C, hàm lượng Cr và C cũng có sự khác biệt nhất định Theo vị trí của dòng

u1u2e1 (thành phần cùng tinh) trong hình 1.13, mối quan hệ giữa hàm lượng Cr và C tới các vị trị của khu vực trước cùng tinh, cùng tinh, sau cùng tinh được biểu thị trong hình 1.13 với: khu vực 1 là cấu trúc hệ gang sau cùng tinh (cácbit sơ cấp + cùng tinh), khu vực 2: cấu trúc hệ gang cùng tinh, khu vực 3: cấu trúc hệ gang trước cùng tinh ( austenite sơ cấp + cùng tinh)

Bảng 1.3: So sánh các thông số bề mặt lỏng của hai hệ Fe-Cr-C giả ổn định [64]

Điểm cùng tinh

Thông số Nhiệt độ

U1 L + αδ-Fe = γ-Fe +

M7C3

Jacson [74] 1292 2,3 3,5 Warren [64] 1289 2,81 31,7

U2 L + M7C3 = γ-Fe + M3C Jacson [74] 1184 4,1 5

Warren [64] 1183 4,22 9,73

1.3.3 Sự tiết ra cácbit cùng tinh

Ching Ping Tong [18] nhận thấy rằng tổ chức trước cùng tinh của gang trắng crôm cao gồm tổ chức nhánh cây austenit và tổ chức 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 (giữa cácbit M7C3 và austenite) có hình ảnh hai chiều có dạng một hình hoa thị Tổ chức sau cùng tinh của gang trắng crôm cao bao gồm cácbit sơ cấp M7C3

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

định [64]

Hình 1.13: Mối quan hệ giữa hàm lượng Cr và

C tới các vị trị trước cùng tinh, cùng tinh,

sau cùng tinh [78]

1985

1970

dạng que và tổ chức cùng tinh Tổ chức ở trạng thái rắn của gang crôm cao trước cùng tinh, cùng tinh và sau cùng tinh được biểu thị trong hình 1.14

Hàm lượng của cácbon và crôm có ảnh hưởng quan trọng đến tổng thể tích cácbit cùng tinh Mối quan hệ ảnh hưởng này được Tenorio và các cộng sự [59] nghiên cứu dựa trên hệ Fe-Cr-C với thành phần Cr từ 1% đến 20% và hàm lượng C đến 4%; Ông nhận thấy rằng khi tăng hàm lượng Cr và hàm lượng C thì thể tích cácbit tăng tương ứng

Ching Ping Tong [18] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cácbit cùng tinh khi tăng hàm lượng Cr và hàm lượng C Đối với gang có cùng hàm lượng C và Cr thì khi tăng hàm lượng Si và Mo, cácbit cùng tinh cũng tăng nhẹ, trong khi đó Ni không ảnh hưởng đến lượng cácbit cùng tinh Tuỳ thuộc vào hàm lượng của C, Cr và các nguyên tố khác mà các cácbit trong tổ chức cùng tinh có thể là M3C, M7C3 hoặc hỗn hợp M3C + M7C3, thậm chí có thể là pha cácbit phức hợp M3C + M7C3 + M2C như trong hình 1.15 và hình 1.16

b, Cùng tinh c, Sau cùng tinh

Hình 1.14: Tổ chức trạng thái rắn của gang trắng crôm[ 18]

a, trước cùng tinh

Kiểu loại, hình thái, tổng lượng cácbit cùng tinh ảnh hưởng quan trọng đến cơ tính, khả năng chống mài mòn, đặc biệt đến độ dai của vật liệu Cácbit cùng tinh được phân loại bởi

tổng hàm lượng cácbon Khi w(Cr) = 7%, w(C)＞2% hoặc w(Cr) = 10%, w(C)＞3% thì loại

cácbit cùng tinh thu được là M7C3 và M3C, còn với gang có thành phần w(Cr) =10%, 15%, 20% và w(C)＜3% , toàn bộ các bít cùng tinh là M7C3

Khi gang có thành phần w(Mo) ≥1% có cácbit cùng tinh Mo2C Các tác giả [50], [51] khi nghiên cứu hình thái và cấu trúc cácbit cùng tinh M7C3 nhận thấy rằng cácbit cùng tinh

M7C3và cácbit sơ cấp có hành vi phát triển khác nhau Trong điều kiện nguội chậm, cùng tinh

M7C3 có khuyết tật song tinh, dễ dàng phân nhánh và phát triển theo dạng tấm Khi nguội nhanh M7C3 phát triển thành dạng hình sợi với sắp xếp bất thường và ở mặt cắt ngang cho thấy cấu trúc là các bloc bao gồm nhiều hạt Hình 1.17 là đường phân tích nhiệt DTA của gang crôm cao trước và sau cùng tinh [50] Theo nghiên cứu, gang crôm cao sau cùng tinh có tốc độ phát triển cácbit cùng tinh M7C3 lớn hơn tốc độ phát triển cácbit M7C3 sơ cấp Hình dạng của

Hình 1.16: Các loại cácbit cùng tinh trong gang crôm cao [18]

cácbit cùng tinh liên quan chặt chẽ với thành phần hóa học của hợp kim Do các thành phần hóa học khác nhau, các hình dạng cácbit đạt được có thể là: hình que, tấm, san hô hoặc cầu

Ohide T cùng các cộng sự [44] khi nghiên cứu sự kết tinh của gang trắng crôm cao đều

nhận thấy rằng cácbit M7C3 dạng hình que nhỏ mịn hơn dạng hình tấm Cácbit cùng tinh trong gang crôm cao sau cùng tinh có dạng hình tấm mỏng và phát triển xung quanh các cácbit sơ cấp Các cácbit cùng tinh trong gang trước cùng tinh tồn tại trong khu vực giữa các tinh thể nhánh cây austenite sơ cấp và kết tinh cuối cùng Các cácbit tạo thành phân bố rời rạc và hầu như đều có dạng hình que hoặc hình tấm mỏng

Laird [37] cho rằng trong gang trắng có thể tồn tại cả hai hình thái cácbit (que, tấm) Sự khác biệt chỉ là tỷ lệ giữa hai loại cácbit đó mà thôi Durman [24] đã làm thí nghiệm tăng hàm lượng cácbon từ 0,78% đến 3,4%, đầu tiên cácbit cùng tinh phân bố rất mảnh giữa biên giới hạt austenit cùng tinh, sau đó cácbit cùng tinh này tạo thành mạng lưới không liên tục và tiếp theo, phát triển thành mạng lưới xung quanh các nhánh cây Kết thúc quá trình, tạo ra vùng tổ chức cùng tinh, trong đó các cacbit phát triển tán ra từ trung tâm Khi đó cácbit cùng tinh có dạng hình que với mặt cắt ngang là hình lục giác

Matsubara Y và các cộng sự của mình [40] trong một nghiên cứu về sự kết tinh cùng tinh của hệ gang trắng có thành phần crôm là 10% cho rằng gang trắng trước cùng tinh, cùng tinh, sau cùng tinh đều tồn tại hai loại cácbit là M3C và M7C3, có dạng hình tấm mỏng và hình que Khi làm lạnh nhanh thì cácbit M3C xuất hiện nhiều hơn Khi hàm lượng Cr > 10%, tất cả cácbit là M7C3 và khi hàm lượng Cr > 20% , tổng lượng cácbit dạng tấm mỏng từ từ giảm đi, tới khi hàm lượng Cr tăng đến 30 đến 40% thì hầu như cácbit chỉ có hình que Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến sự không đồng nhất của những hạt cácbit cùng tinh được trình bày trong hình 1.18 Với thành phần Cr khoảng 30% các hạt cácbit cùng tinh là đồng nhất và nhỏ mịn nhất

Mirjana FILIPOVIC [27] khi nghiên cứu sự thay đổi hình thái cũng như thể tích của cùng tinh M7C3 gang trắng crôm cao được hợp kim hóa bằng vanadi nhận định rằng, cùng với

sự tăng lên của hàm lượng vanadi thì tổ chức cùng tinh trở nên nhỏ mịn hơn, austenit cũng mịn hơn và phân chia chất lỏng giữa các nhánh cây thành những khu vực nhỏ mịn hơn, do đó thu hẹp không gian phát triển của các cácbit Hơn nữa pha liên kim C-V có thể trở thành tâm mầm

từ đó thúc đẩy quá trình làm nhỏ mịn hạt của vanadi

1- Trước cùng tinh 2- Sau cùng tinh

Hình 1.17: Đường phân tích nhiệt DTA của gang crôm cao trước và sau cùng tinh [50]

Ching Ping Tong [18] khi nghiên cứu gang Crôm cao có hàm lượng Mo>1% cho rằng dễ

dàng tạo ra Mo2C trong cùng tinh γ + Mo2C cùng với austenit Cùng tinh này nằm giữa các cácbit Cr thô

Hình 1.19 là giản đồ phân tích nhiệt DTA của gang trắng với thành phần Mo = 4,74%;

có thể nhận thấy sự toả nhiệt xung quanh nhiệt độ 11500C, chỉ ra rằng cùng tinh (γ + Mo2C) được tạo thành Khi hàm lượng Mo = 0,96% không có pha mới nào tạo thành

1.3.4 Sự tạo thành hạt cùng tinh

Trong gang crôm cao, 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 [1.4]

Sản phẩm của phản ứng là các hạt cùng tinh bao gồm austenit cùng tinh (γ-Fe) và cácbit

cùng tinh, như vậy chúng tạo thành khối cùng tinh

Các nghiên cứu [40], [43], [44] đều chỉ ra cơ chế tạo ra các khối cùng tinh trong gang trắng crôm cao: các khối cùng tinh trong gang trắng crôm cao trước cùng tinh được tiết ra trong khoảng trống của các nhánh cây austenit (hình thái của chúng được biểu thị trong hình

Hình 1.18: Ảnh hưởng của hàm lượng crôm đến sự không đồng nhất của cácbit cùng tinh [40]

Hình 1.19: Ảnh hưởng của Mo đến đường DTA của gang Crôm với w (Cr) = 20% [18]

1.20) Trong khu vực trung tâm của mỗi khối cùng tinh có các cácbit hình sợi mịn; các sợi

cácbit đó tán rộng ra từ tâm như tấm vẩy cong (mặt tiết diện ngang nhìn như dải dài) Hình

dáng của chúng tương tự như hình dáng graphit cùng tinh loại B trong gang xám Cácbit M7C3

trong ô khối cùng tinh phát triển chậm theo hướng xuyên tâm nhưng phát triển nhanh theo

hướng [0001] trong hệ tinh thể lục giác, tạo thành cácbit có dạng bó tấm hay bó que Cuối

cùng cácbit loại hình que hay hình tấm cùng với austenit hình thành ô cùng tinh dạng cột có

đỉnh chóp hình cầu Các cácbit cùng tinh phân bố không đồng đều trong nền austenit của gang

trước cùng tinh

Các khối cùng tinh trong gang trắng crôm được tạo thành một cách ngẫu nhiên do trong điều kiện cân bằng, nhánh cây austenit tiết ra trước và hoạt động như một tâm mầm cho

sự tiết ra của khối cùng tinh Hình dáng của khối cùng tinh trong gang crôm cao sau cùng tinh

cũng giống như hình dáng khối cùng tinh của gang crôm trước cùng tinh và cùng tinh, chỉ

khác trong gang crôm sau cùng tinh bên cạnh các cùng tinh còn có các cácbit sơ cấp có dạng

lục giác Cácbit M7C3 cùng tinh phát triển xung quanh các cácbit sơ cấp, tồn tại một mối liên

hệ giữa chúng

Cấu trúc một khối cùng tinh mẫu của

Cấu trúc một khối cùng tinh của gang trắng crôm trước cùng tinh được biểu thị như

trong hình 1.21 [76]

Hình 1.20: Hình dạng của các khối cùng tinh (M 7 C 3 +austenite) của gang trắng trước cùng tinh [78]

(a) khối cùng tinh thô b, Những khối cùng tinh nhỏ mịn

Nền (γ-Fe)

Cácbit M 7 C 3

Hình 1.21: Cấu trúc một khối cùng tinh của gang trắng Crôm cao trước cùng tinh [78]

Mối quan hệ giữa cácbit sơ cấp và cácbit cùng tinh trong khối cùng tinh trong gang trắng crôm cao khác với gang trắng thường Ở khối cùng tinh trong gang trắng thường thì cementit

Fe3C là pha tiết ra đầu tiên vì thế Fe3C phát triển một cách liên tục và được kết nối với nhau trong khối cùng tinh Đối với gang trắng crôm cao trước cùng tinh, pha đầu tiên tiết ra là austenit và sau đó cùng tinh M7C3 được tạo ra trong khoảng không giữa các nhánh cây nơi được làm giàu bởi C và Cr Austenit tiết ra trước cácbit, một cầu nối austenit được hình thành

dễ dàng ở biên các cácbit như vậy cácbit cùng tinh phân bố một cách không liên tục

Powell [50] đã chứng minh rằng trong điều kiện nguội nhanh, cácbit cùng tinh M7C3 dễ dàng tạo song tinh do vậy tinh thể cácbit có các khía góc, điều này đã thúc đẩy cácbit cùng tinh có khả năng phân nhánh thành dạng sợi và làm gia tăng sự tạo tâm mầm cho pha austenit Powell cũng cho rằng nhờ tạo ra song tinh đó, M7C3 cùng tinh có thể làm tâm mầm cho cùng tinh (M7C3 + austenite) phát triển Kích thước của khối cùng tinh phản ảnh trực tiếp độ mịn của cácbit cùng tinh và ảnh hưởng đến kích thước hạt trong ranh giới của khối cùng tinh (xem hình 1.22)

Trong đó:

A-A: Kích thước của khối cùng tinh B-B: Khoảng trống khu vực ranh giới giữa các khối nơi cácbit cùng tinh tồn tại C-C: Kích thước vùng cácbit chiếm khu vực trung tâm của khối cùng tinh

Khi kích thước của các khối cùng tinh tăng, nhiệt ẩn tỏa ra của quá trình kết tinh cùng tinh tăng lên do vậy làm thô các hạt cácbit trong khu vực ranh giới Điều này ảnh hưởng đến

độ dai và khả năng chống mài mòn của gang trắng crôm cao Các thông số chính để miêu tả khối cùng tinh bao gồm: kính thước của khối cùng tinh, khoảng trống của các khu vực ranh giới nơi các khối cùng tinh tồn tại và khoảng cách giữa các vùng cácbit chiếm chỗ trong trung tâm của khối

Matsubara [40] đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của khối cùng tinh; ông cho rằng các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước khối cùng tinh là tốc độ nguội, hàm lượng

Cr, các nguyên tố hợp kim khác và tác nhân biến tính Trong số đó hàm lượng Cr có mối quan

hệ chặt chẽ với kích thước khối cùng tinh Hàm lượng Cr thấp, kích thước của khối cùng tinh

sẽ lớn hơn và ngược lại khi hàm lượng Cr tăng kích thước của khối cùng tinh sẽ nhỏ hơn Khi hàm lượng % Cr = 30% kích thước của các khối cùng tinh là nhỏ nhất, khi hàm lượng Cr > 30% các cácbit cùng tinh trở nên thô hơn Cùng với sự tăng lên của tốc độ đông đặc, ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến kích thước của khối cùng tinh đã dần dần bị suy yếu; điều này

Hình 1.22: Các thông số về kích thước của khối cùng tinh (mặt cắt ngang) [40]

thể hiện rõ trong hình 1.23 trong nghiên cứu [43] Ogi K, Matsubara và các cộng sự[43] cho rằng ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến kích thước của khối cùng tinh, tương ứng với ảnh hưởng của nó đến khoảng nhiệt độ kết tinh Đối với một hợp kim có khoảng nhiệt độ kết tinh lớn thì thời gian kết tinh dài làm kích thước của khối cùng tinh tăng Tương tự, khoảng nhiệt

độ kết tinh ảnh hưởng tới B-B (khoảng cách khu vực ranh giới giữa các khối nơi cácbit cùng tinh tồn tại) nhưng lại không ảnh hưởng tới C-C (vùng cácbit chiếm khu vực trung tâm của khối cùng tinh) Nguyên nhân là do khối cùng tinh ở vùng trung tâm tiết ra sớm nhất vì vậy

nó không có mối quan hệ nào với khoảng nhiệt độ kết tinh

Mo làm tăng đường kính của khối cùng tinh Tenorio [59] đã tìm thấy rằng đối với gang

có hàm lượng Cr =15% và có hàm lượng Mo tăng lên từ 0 tới 2,3% thì kích thước của khối cùng tinh tăng lên từ 38 μm tới 46 μm

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

Để tăng độ dai, tuổi thọ của gang trắng nói chung và gang trắng crôm nói riêng người ta dùng các biện pháp kiểm soát quá trình đông đặc và biến đổi cấu trúc cùng tinh Phương pháp khác là xử lý nhiệt để thay đổi cấu trúc nền và hình thái hạt cácbit Các phương pháp để cải thiện tổ chức cùng tinh cụ thể bao gồm:

- Làm mịn khối cùng tinh

- Làm rời rạc các cácbit cùng tinh

- Thay đổi hình thái cácbit (từ tấm sang hình sợi hoặc hình cầu) Thực chất của quá trình làm mịn cùng tinh là làm mịn cácbit cùng tinh, từ đó tăng hiệu suất làm việc cho gang trắng

Các biện pháp làm mịn khối cùng tinh là tăng số lượng tâm mầm trong khối cùng tinh, tăng tốc độ nguội trong quá trình kết tinh, điều chỉnh thành phần hóa học và đưa thêm các tâm mầm dị thể (mầm kết tinh) Tất cả đều ảnh hưởng đến quá trình làm mịn khối cùng tinh Thay đổi hình thái của cácbit trong gang trắng là một biện pháp rất hiệu quả để cải thiện độ dai và

độ bền của gang trắng bởi vì, giống như graphit tấm thô trong gang xám, cácbit có dạng hình

Hình 1.23: Ảnh hưởng của hàm lượng Crôm đến kích thước của các khối cùng tinh [43]

△ Gang trước cùng tinh □ gang cùng tinh ○ Gang sau cùng tinh

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:

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

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

- 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 Các đặc tính phân bố của Cr ảnh thưởng đến sự ổn định của austenit và ảnh hưởng đến loại và lượng cácbit trong cùng thời điểm Chen Jingju và cộng sự [17] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến sự phân bố

Cr trong các pha khác nhau của gang trắng crôm với w(C) = 2.0% Kết quả cho thấy khi tăng

hàm lượng, Cr trong austenit sơ cấp, austenit cùng tinh và cácbit cùng tinh tăng tương ứng Cr

chủ yếu tập trung trong cácbit và cácbit cùng tinh, chiếm khoảng 40 - 70% khối lượng Lượng

Cr hòa tan trong austenit chỉ trong khoảng 10-20% Hệ số phân bố SC/ γ-e[Cr] =4 - 5 Tuy nhiên hàm lượng Cr phân bố trong austenit sơ cấp nhiều hơn austenit cùng tinh (hình 1.24) Với cùng hàm lượng Cr, khi hàm lượng cácbon tăng thì tổng lượng cácbit cũng tăng lên nhưng Cr trong cácbit cùng tinh giảm đáng kể và hàm lượng Cr trong austenit cùng tinh giảm nhẹ, thể hiện trong hình 1.25

- Vanadi: V phân bố nhiều trong cácbit cùng tinh và chỉ hòa tan một phần trong austenit , SC/

γ-e[V] = 10 Mục đích đưa Vanadi vào tạo ra các hạt cácbit VC nhỏ mịn và làm tâm mầm cho pha M7C3 làm cho các pha cùng tinh nhỏ mịn

- Titan: Cũng giống như Vanadi, titan được đưa vào có tác dụng làm nhỏ mịn cấu trúc, tăng

độ bền cho gang crôm

- Nickel: Ni hòa tan vô hạn vào austenit vì thế khi tăng hàm lượng Ni thì tổng lượng hòa tan

trong austenit cũng tăng lên và do vậy SC/ γ-e[Ni] = 0 Ni nâng cao hoạt độ của cácbon, vì vậy niken làm tốt cho quá trình oxy hóa cácbon, hạ thấp được sự hòa tan của oxy vào hệ Fe-Cr-C

- Molybden: Mo phân bố chủ yếu trên biên của khối cùng tinh Do vậy cácbit xung quanh

biên của khối cùng tinh trở nên thô [59] Mo phân bố trong austenit, cácbit và pha cao Mo Hàm lượng Mo phân bố cao nhất trong pha cao Mo, tiếp theo trong cácbit và phân bố ít nhất trong austenit SC/ γ-e[Mo] = 1 -2 Mo có khả năng loại trừ việc tạo ra peclit trong gang trắng crôm

- Vônfram: Tương tự như Mo, W tồn tại trong 3 pha tương ứng Tuy nhiên hàm lượng phân

bố trong austenit và cacbit là thấp, chủ yếu phân bố trong pha cao W (M6C) Mục đích đưa Mo

và W vào để cải thiện tính chất hợp kim phức hợp, giảm kích thước hạt, nâng cao độ bền vững khi ram, tăng độ thấm tôi

1.4.2 Ảnh hưởng của quá trình chế tạo

Gang crôm có thể được nấu trong lò điện cảm ứng tường axit, lò hồ quang Trong mẻ liệu có thể dùng hồi liệu để ổn định cấu trúc của gang Trong trường hợp dùng hồi liệu lượng cháy hao của crôm lấy như sau: Trong ferocrôm là 30%, trong hồi liệu cháy hao là 25%, lượng

Việc tăng crôm làm cho độ chảy loãng của gang giảm mạnh dẫn đến phải tăng nhiệt độ quá nhiệt khi rót lên khoảng 13600C -14000C Nhiệt độ rót quá cao sẽ làm tổ chức gang thô, to, giảm cơ tính Tốc độ rót phải nhanh để đảm bảo điền đầy tốt vì khoảng đông đặc của gang bị thu nhỏ nhiều

Gang crôm có độ dãn dài là 1,5 -1,7% , dễ hình thành ứng suất bên trong vật đúc nên khi đúc trong khuôn cát tươi sẽ hạn chế được hiện tượng nứt Quá trình nấu cần tăng cường khuấy trộn để hòa tan crôm đồng đều Trong quá trình đúc, Mn và Si có tác dụng khử oxy nhưng vẫn phải khử oxy tiếp bằng Al đặt ở đáy gầu rót

1.4.3 Ảnh hưởng của quá trình nhiệt luyện gang crôm

1.4.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến tổ chức pha nền

Xử lý nhiệt rất cần thiết đối với gang crôm Sự thay đổi trong quá trình xử lý nhiệt chính là sự thay đổi của pha nền hợp kim Khi nung nóng gang crôm cao ở dạng đúc để austenit hóa thì tổ chức pha nền trở thành austenit Trong quá trình làm nguội, tùy thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ làm nguội mà austenit này sẽ trở thành bainit, mactenxit, peclit hay austenit dư Các nhà nghiên cứu vật liệu học đã lý giải rằng lý do chính để xử lý nhiệt là làm biến đổi austenit thành mactenxit cộng với một phần cacbít phân tán trên nền mactenxit nhằm làm tăng độ cứng cho gang

1.4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến hình thái cácbit:

Tác giả Pearce và cộng sự [46] cho rằng khi nhiệt luyện hợp kim chứa hàm lượng crôm gần bằng 30%, có sự biến đổi cácbit cùng tinh M7C3 sang M23C6 Cũng theo tác giả Carpenter [60] bằng phương pháp nhiễu xạ tia X cũng đã chứng minh sự chuyển biến từ cácbit M7C3

sang M23C6 trong quá trình nhiệt luyện của hợp kim gang crôm cao chứa 30% crôm Còn với 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

4.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt luyện đến độ cứng của hợp kim

Đối với hệ gang crôm dùng để sản xuất các vật liệu chịu mòn, chịu va đập thì nhiệt luyện đóng vai trò thiết yếu trong việc tăng độ cứng của hệ Gang crôm ở trạng thái đúc có nền chủ yếu là austenit, lượng austenit này rất ổn định Vật liệu chịu mài mòn yêu cầu nền mactenxit

có độ cứng 60-64 HRC Vì vậy nên bắt buộc phải nhiệt luyện để austenit chuyển biến Khi nung nóng trên nhiệt độ chuyển biến, các nguyên tố hợp kim hòa tan vào austenite Gang austenit ở nhiệt độ cao nếu làm nguội chậm, sau một thời gian ngắn nó sẽ phân hủy ra cacbit thứ cấp Làm nguội với tốc độ đủ lớn sẽ có chuyển biến không cân bằng thành mactenxit Và chính mactenxit làm tăng độ cứng cho gang crôm Các nhà nghiên cứu vật liệu học đã nghiên cứu nhiều phương pháp để lựa chọn phương pháp nhiệt luyện tối ưu cho gang hợp kim crôm,

loại vật liệu có tính chịu mài mòn cao nhưng đòi hỏi phải có độ dai khi làm việc

Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đối với hợp kim crôm cao như đã được đề cập trong công trình nghiên cứu [68], các tác giả đã tiến hành austenit hóa tại nhiệt độ từ 9500C đến 11000

C Với nhiệt độ austenit hóa < 9500C độ cứng gang crôm đạt giá trị thấp hơn so với khi austenit hóa ở nhiệt độ 10500C; điều này là do cácbon và các nguyên tố hợp kim mới chỉ hòa tan một lượng nhỏ vào austenit Khi nhiệt độ tôi cao hơn, lượng cácbon và các nguyên tố hợp kim trong austenit tăng lên dẫn đến mactenxit hòa tan nhiều cácbon và các nguyên tố hợp kim hơn,

độ cứng tăng Với nhiệt độ austenit hóa vượt quá 10500C, đến 11000C, độ cứng của gang hợp kim cũng giảm Độ cứng có giá trị thấp này là do austenite được ổn định ở nhiệt độ cao nên

khi làm nguội, lượng austenite dư tăng lên Đồng thời nhiệt độ austenite hóa cao cũng làm kích thước hạt các pha tăng Các yếu tố đó đều dẫn đến giảm độ cứng

Khi tiến hành nhiệt luyện với mẫu gang 16,38% crôm, 2,77% C các tác giả Jun Wang, Ji Xiong và cộng sự [35] đã sử dụng phương pháp nhiệt luyện như sau: xử lý ở 10000C trong 0,5 giờ sau đó chia làm hai, một để nguội trong không khí cho đến nhiệt độ phòng, một làm lạnh sâu trong nitơ lỏng trong 03 giờ Các tác giả nhận thấy rằng với các mẫu khi được làm lạnh sâu (trong nitơ lỏng) có hàm lượng austenit dư ít hơn rất nhiều so với mẫu được làm nguội trong không khí vì thế độ cứng của mẫu làm lạnh sâu cũng cao hơn rất nhiều Điều này cũng được giải thích do austenit dư không ổn định ở nhiệt độ thấp trong mẫu đúc và được chuyển thành mactenxit trong quá trình làm lạnh

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

Gang trắng crôm với độ cứng cao là một loại vật liệu được sử dụng trong những trường hợp yêu cầu mức độ chịu mài mòn cao Tính chống mài mòn tuyệt vời của gang trắng crôm cao chủ yếu là do sự có mặt của cácbit sơ cấp cứng hoặc các cácbit cùng tinh trong cấu trúc Những cácbit này đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình phá hủy của gang hợp kim Với các chi tiết được chế tạo bằng gang hợp kim crôm làm việc trong môi trường mài mòn và

va đập với tải trọng cao thì đòi hỏi vật liệu phải vừa có tính chống mài mòn vừa có độ dai phá hủy cao

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 Bởi gang sau cùng tinh các cácbit thường lớn, giòn và có độ bền thấp

2 Điều kiện quan trọng thứ hai là đảm bảo sự có mặt M7C3 trong gang cùng tinh và trước cùng tinh bởi cácbit M7C3 được đặc trưng bởi tổ chức là những que mịn và tính chất cơ học cao (độ cứng và độ bền tương đối cao)

3 Bước tiếp theo là tìm cách để giảm kích thước hạt, tạo tâm mầm cho austenit sơ cấp nhỏ mịn và đảm bảo cácbit phân bố đều trong nền kim loại

Nói chung, các vật liệu cứng là những vật liệu có khả năng chịu mài mòn cao, nhưng khi

chịu tác động va đập và mài mòn đồng thời thì độ chịu va đập lại kém, vì vậy nhiều nhà nghiên cứu đã tìm cách cải thiện độ chịu mài mòn trong điều kiện va đập có tải trọng cao bằng cách biến tính cấu trúc cácbit Các đại lượng đặc trưng cho cấu trúc cácbit bao gồm kích thước hạt cácbit, sự phân bố các hạt cacbít, khoảng cách giữa các hạt cácbit, số lượng cácbit và hình dạng cacbit

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

Tổ chức gang trắng crôm bao gồm các pha cácbit và nền kim loại Trong điều kiện chịu tải trọng lớn, khi các vật liệu tiếp xúc, va đập và trượt lên nhau tạo ra các ứng suất bề mặt tiếp xúc, gây ra biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi Khi đó xảy ra quá trình mòn, bong tróc các hạt cácbit, bong tróc nền hay cả hai Mòn hoặc mất khối lượng trong suốt quá trình trượt được đánh giá bằng sự gãy vỡ và tách ra của các hạt cácbit Kết quả này đã được kiểm chứng trong nhiều nghiên cứu

Các gang trắng crôm có thành phần crôm trên 10%, tổ chức bao gồm chủ yếu của austenite và các cacbit M7C3 Hợp kim trước cùng tinh là các tinh thể austenite nhánh cây và cùng tinh Với hợp kim sau cùng tinh, thành phần là các cácbit sơ cấp M7C3 và cùng tinh Trong quá trình kết tinh cacbít cùng tinh xuất hiện vào cuối quá trình kết tinh

Szuder [57] đã mô tả cơ chế các quá trình mài mòn liên quan đến biến dạng lặp đi lặp lại Vật liệu bị biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo lặp đi lặp lại, kết quả là bị xước trên bề mặt và tạo thành rãnh Cacbít trong nền làm thay đổi sự phân bố ứng suất, tăng khả năng chống biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi do vậy cacbít làm giảm khả năng tạo rãnh xước Tuy nhiên các cacbít có độ bền nén thấp, không thể chống lại biến dạng gây ra ứng suất nén và ứng suất cắt của nền Trong thực tế, cacbít bị mòn một cách dễ dàng là các cacbít thô trên nền

Hanlon và các cộng sự [32] đã cho rằng khi giảm kích thước các hạt cácbit thì sẽ giảm

độ sâu biến dạng và giảm được sự phá hủy cácbít và kết quả cải thiện được độ chịu mòn Mối quan hệ giữa cấu trúc cácbit với độ chịu mòn đã được đề cập trong các công trình nghiên cứu [8], [9], [10] Đặc biệt trong công trình [10,] các tác giả Bedolla Jacuide, Rainforth

đã nhận định rằng trong quá trình trượt, hiện tượng mài mòn xảy ra là do sự gãy vỡ và sự tách

ra của các hạt cácbit Qua đó đã tìm được mối quan hệ gần như tuyến tính giữa độ sâu biến dạng, sự phá hủy cácbit và tốc độ mòn Ngoài ra đã thấy rằng độ sâu biến dạng là phù hợp nơi xuất hiện các hạt cacbít

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

Tổ chức nền có ảnh hưởng đặc biệt đến các quá trình mòn của gang crôm Tương quan giữa khối lượng hao mòn và độ cứng của nền sau khi mài mòn đã được Al-Rubaie và các cộng

sự [5] nghiên cứu và cho rằng trong gang trắng crôm cao, austenite biến cứng tạo thành

mactenxit đóng vai trò chính làm giảm tốc độ mòn

Pha nền trong hợp kim có nhiệm vụ giữ chặt các hạt cácbit làm cho các hạt cácbit không

bị bong tróc trong quá trình chịu tác động mài mòn, va đập Ảnh hưởng của tổ chức nền đến khả năng chịu mòn được thể hiện rõ rệt nhất ở thép Hadfiel hay còn gọi thép Mn cao Trong loại thép này khi có tác dụng va đập xảy ra quá trình chuyển biến từ cấu trúc austenit sang tổ chức mactenxit làm tăng khả năng chịu mòn

Các tác giả Garber, Levi và cộng sự [31] đã nghiên cứu ảnh hưởng của tổ chức nền tới

độ chịu mòn của gang trắng crôm từ 1,26% đến 29%; theo nghiên cứu này độ chịu mòn của gang hợp kim tăng tuyến tính với độ cứng tế vi của nền kim loại và để đạt được độ cứng cao nhất thì tổ chức nền kim loại tốt nhất là mactenxit

Đối với gang crôm cao, nền kim loại sau nhiệt luyện thường bao gồm mactenxit ram và một lượng austenit dư Khi gang làm việc chịu tác động mài mòn và va đập đồng thời thì sự phá hủy vật liệu sẽ là sự mòn, nứt theo phiến và gãy vỡ Sự hao mòn khối lượng do sự mài mòn gây ra chỉ đơn giản phụ thuộc vào khả năng chịu mòn của vật liệu, còn giảm khối lượng gây ra bởi bong tróc hoặc vỡ phụ thuộc chủ yếu vào độ dai va đập của vật liệu Thực tế cho thấy rằng giảm khối lượng do bong tróc và vỡ cao hơn nhiều so với mài mòn Đã có nhiều nghiên cứu về mối quan hệ giữa độ dai va đập và nền của vật liệu chịu mài mòn nhằm nâng cao cơ tính cho vật liệu Nền kim loại của gang trắng crôm bao gồm austenit dư và mactenxit Hiện vẫn còn ý kiến trái ngược về hiệu quả của việc giữ lại austenit, trong các điều kiện làm việc chịu tác động mài mòn và va đập

Vết nứt được hình thành do việc lặp đi lặp lại của biến dạng dẻo cục bộ Austenit dư liên quan đến sự phát sinh và phát triển các vết nứt Đối với gang martensite crôm cao khi chỉ

có một lượng nhỏ austenite dư trong nền, có thể được xem như mactenxit thuần túy vì tác động va đập lặp đi lặp lại gây ra biến dạng dẻo tương đối đồng đều, ít có xác suất hình thành vết nứt Tuy nhiên đối với gang trắng crôm cao, không được bỏ lượng qua austenite dư Do martensit và austenit có khả năng biến dạng dẻo khác nhau, khi chịu tác động lặp đi lặp lại,