Quá trình thiêu kết vật liệu compozit nền thép gió cốt hạt nano cácbit titan

   Tổ chức của vật liệu còn được quan sát trên ảnh SEM (hình 8) gồm 3 vùng tương phản. Pha màu xám chiếm tỷ trọng cao nhất có thành phần chủ yếu là sắt (72-80)% và là nền thép. Vùng màu trắng tích tụ trên biên hạt thép, là vùng cácbit nặng Me₆C [8], kích thước nhỏ mịn phân bố tương đối đều, hàm lượng cácbon chiếm tỷ trọng cao nhất (15,55-36,21%, vonfram (26,55-66%)%, sắt (19,75-28,63)% và các nguyên tố hợp kim. Vùng màu xám đen chính là vùng cacbit nhẹ MeC [8] giàu titan có hàm lượng titan chiếm tới (35-43)%, molipden và cacbon 12,69%.

Hình 8. ảnh SEM của mẫu compozit sau thiêu kết

   Kết quả phân tích nhiễu xạ rơnghen (hình 9) cho thấy trong mẫu sau thiêu kết vật liệu có thành phần chủ yếu là nền được tạo thành từ dung dịch rắn hòa tan dạng Fe-Cr, các loại cácbit nặng như sắt molipden (Fe₂M_oC), cácbit sắt vonfram (Fe₃W₃C). Cácbit titan xuất hiện ở dạng đơn TiC và cácbit phức với molipden. (MoxTiy)C. Như vậy, trong quá trình thiêu kết, một phần cácbit titan đơn đã kết hợp với molipden tạo thành cacbit phức titan-molipden. Cácbit phức titan – molipden có thể quan sát thấy trong mẫu từ nhiệt độ thiêu kết 1260°C cho thấy năng lượng tích lũy khi nghiền và việc sử dụng hạt nano TiC là động lực để tạo cácbit phức ngay ở nhiệt độ không cao. Khi tăng thời gian và nhiệt độ thiêu kết, cacbit titan tiếp tục hòa tan vào pha cacbit tạo cácbit phức nhẹ dọc theo biên hạt. Nhờ vậy liên kết nền cốt thông qua cácbit phức sẽ tốt hơn TiC riêng biệt không hòa tan và cơ tính của vật liệu được cải thiện [7].

Hình 10.  Sự thay đổi độ cứng của vật liệu compozit theo nhiệt độ thiêu kết

   Kết quả tính toán cũng cho thấy độ xốp của mẫu giảm theo nhiệt độ thiêu kết từ 18,36% xuống giá trị thấp nhất là 4,8% ở nhiệt độ thiêu kết 1320°C. ở nhiệt độ thiêu kết từ 1280°C thép gió có hiện tượng nóng chảy biên hạt (hình 10b,c) làm giảm đáng kể độ xốp. Khác với thép nền có tỷ trọng tăng và đạt đến giá trị gần như không đổi khi tăng nhiệt độ đến gần nhiệt độ nóng chảy của thép thì vật liệu compozit có cốt TiC lại có tỷ trọng giảm khi nhiệt độ vượt qua một nhiệt độ tới hạn do hiện tượng nứt tế vi dẫn đến phá hủy mẫu. Nhiệt độ này phụ thuộc vào thời gian nghiền (tức là kích thước hạt bột nền kim loại) và hàm lượng cốt. Kích thước bột nền càng nhỏ hiện tượng nứt vỡ và giảm tỷ trọng xảy ra ở nhiệt độ càng cao. Khi thời gian nghiền bột với 9% TiC là 10 giờ, kích thước hạt trung bình sau nghiền là 9,8μm, sự trương nở xảy ra ở nhiệt độ 1320°C.

   Đồ thị chỉ sự thay đổi độ cứng của vật liệu theo nhiệt độ thiêu kết hình 10 cũng cho thấy ở cùng nhiệt độ thiêu kết độ cứng vật liệu compozit đạt được cao hơn của bột thép gió nền ngay từ làm lượng nhỏ của TiC (3%). Thời gian nghiền tăng, kích thước hạt thép mịn làm tăng độ cứng của vật liệu và độ cứng cực đại của vật liệu đạt được ở nhiệt độ thiêu kết cao hơn. Tăng hàm lượng TiC trong mẫu làm tăng khả năng nứt vỡ trong mẫu, trong khi độ cứng của compozit lại tăng không đáng kể. Độ cứng của mẫu chứa 3% TiC lên tới 65,3 HRC so với mẫu chứa 9% TiC đạt 66HRC.

4. KẾT LUẬN

   Đã nghiên cứu bước đầu công nghệ chế tạo vật liệu compozit từ phoi thép gió phế liệu với TiC bằng phương pháp nghiền cơ học kết hợp với luyện kim bột. Sự đưa thêm bột nano TiC vào nền thép gió cho phép giảm nhiệt độ tạo cácbit phức, giảm nhiệt độ thiêu kết bột thép mà vẫn nâng cao được cơ tính của vật liệu compozit. Độ cứng cao đạt được do hạt nano cácbit phân tán đồng đều trong nền thép gió và sự tăng cường liên kết nền cốt nhờ sự tạo thành cácbit từ nhiệt độ thiêu kết thấp. Với một lượng TiC nhỏ (3%) độ cứng của vật liệu đạt được là 65,3 HRC.

[symple_box color=”gray” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. K.I Parashivamurthy, Review on TiC reinforced steel composite, Journal of materials science 36 (2001), p 4519-4530
2. C. Suryanarayana, Mechanical alloying and milling, Progress in material science 46 (2001), pages 1-184
3. Tzu – Piao Tang, Shih-Hsien Chang, Microstructure and mechanical properties of 440C-TiC composite steels produced through powder metallurgy processing, ISIJ International, Vol48 (2008), No10, p1473-1477
4. V.V. Dabhade, T.R.Rama Mohan, Dialtometric sintering study of titanium-titanium nitride nano/nanocompos- ite powder, Powder metallurgy, 2007, vol 50 No1, p33-38
5. Trần Quốc Lập, Phạm Ngọc Diệu Quỳnh, Huỳnh Xuân Khoa, Công nghệ tổng hợp cácbit titan từ oxit titan và muội than, Hội nghị khoa học lần thứ 20 trường ĐHBK HN-2006
6. Trần Quốc Lập, Nghiên cứu khả năng chế tạo dụng cụ từ phoi thép gió phế liệu và cacbit titan bằng phương pháp luyện kim bột – Luận văn Phó Tiến sỹ khoa học kỹ thuật (1996)
7. S.G.Cope , Nhiệt luyện thép gió, Phùng Văn Bình dịch, NXB Khoa học kỹ thuật, 1976
8. Z.Y.Liu, N.H.Loh, Mechanical alloying of TiC/M2 high speed steel compozit powders and sintering investi- gation, Materials Science and Engineering A311, 2001

[/symple_box][symple_clear_floats]