Sự hình thành graphít cầu và sự chuyển biến sang dạng graphít giun (*)

Đã tiến hành quan sát hình thái học của bề mặt phân cách giữa pha lỏng và pha rắn của hợp kim Fe-C và Ni-C trong điều kiện đông đặc có hướng. Thí nghiệm đã thực hiện với 5 mẫu hợp kim Fe-C và 3 mẫu hợp kim Ni-C có lượng phần trăm S khác nhau. Các mẫu được làm nguội sao cho tốc độ đông đặc của các mẫu hợp kim Fe-C trong khoảng từ 0,5mm/h đến 12mm/h, tốc độ đông đặc của các mẫu hợp kim Ni-C là từ 2mm/h đến 150mm/h. Các mẫu được nhúng trong bể nước trong quá trình đông đặc và được quan sát tổ chức tế vi ở các vùng lỏng và vùng đông đặc.

Trong mẫu hợp kim Fe-C không thấy graphít cầu, nhưng với hợp kim Ni-C và Ni-C-Mg lại quan sát được nhiều hạt graphít cầu ở trước mặt phân cách giữa pha rắn/lỏng và trong vùng pha lỏng. Trong điều kiện đông đặc bình thường graphít của hợp kim Fe-C-Ce có dạng cầu, trong khi graphít trong điều kiện đông đặc có hướng lại có dạng gần với dạng tấm và hình dạng của nó thay đổi từ dạng thô sang dạng nhỏ mịn khi tốc độ đông đặc thay đổi trong khoảng từ 2mm/h đến 4mm/h. Hình dạng loại graphít mịn này có dạng giống hệt với graphít giun, do đó có thể nói rằng graphít giun có thể được hình thành do sự tiếp tục lớn lên của các graphít cầu do tác động của độ quá nguội. Thí nghiệm cũng xác nhận rằng đầu của graphít được bao bọc bởi một lớp ôstenit mỏng, hình dạng đúng như dạng đông đặc cùng tinh của gang graphít cầu.

Đối với hợp kim Ni-C-Mg đông đặc với tốc độ 150mm/h có sự tồn tại của graphít cầu trong pha rắn. Manhê trong hợp kim Ni-C đã tạo ra hiệu ứng nhấp nhô của bề mặt phân cách pha rắn/lỏng và từ đó gây ra sự gián đoạn của quá trình lớn lên để tạo ra graphít cầu, trái với quá trình lớn lên liên tục của sự hình thành graphít giun. Điều đó có nghĩa là graphít dạng cầu phải được kết tinh trực tiếp từ pha lỏng.

Cơ chế hình dạng graphít giun đã được quan sát thấy khi sử dụng phương pháp nhỏ giọt, ở đó một giọt nhỏ gang nóng chảy được nhỏ lên một tấm graphít sạch, sau đó được làm nguội với tốc độ khác nhau từ 1000K/phút đến 1K/phút trong môi trường khí He-3%H ₂. Đã tiến hành làm thí nghiệm với 6 mẫu với các loại vật liệu là Fe-C, Fe-C-Si và hợp kim Fe-C-Ce. Mẫu Fe-C-Ce được làm nguội với tốc độ 20K/ph hình dạng graphít chủ yếu có dạng cầu và một phần có dạng giun, nhưng ở tốc độ nguội 40K/ph thì phần graphít dạng giun được thay thế bằng cacbon tồn tại trong ledeburit. Hình dạng các vùng graphít dạng giun và graphít trong ledeburit là như nhau và giống như vùng pha lỏng còn dư lại. Điều đó có nghĩa là kim loại lỏng còn dư này đã tạo ra graphít dạng giun khi tốc độ nguội nhỏ hơn 20K/ph, nhưng nó sẽ chuyển biến thành ledeburit khi tốc độ nguội lớn hơn 40K/ph.

Việc bổ sung thêm Si vào trong hợp kim Fe-C làm tăng nhanh sự hình thành graphít giun. Ảnh hưởng của Ni là giống như của Si. Si và Ni là các nguyên tố graphít hóa và làm giảm lượng graphít trong quá trình đông đặc cùng tinh. Chiều dày của lớp ôstenit bao quanh graphít cầu sẽ trở nên dày hơn khi có thêm Si và Ni. Sự lớn lên của graphít cầu trong quá trình đông đặc cùng tinh được điều khiển bởi quá trình khuếch tán C qua lớp ôstenit bao bọc. Graphít giun có thể nhờ đó được tạo ra ở giai đoạn cuối của quá trình tạo graphít cầu bằng sự lớn lên liên tục của chính graphít cầu nhờ tác động của độ quá nguội lớn.

______________

* Tóm tắt báo cáo tại AFC-9, Hà Nội 10/2005