Ảnh hưởng của hàm lượng TiC tới tổ chức và cơ tính của vật liệu compozit Fe-TiC

Trong nghiên cứu này, Fe-TiC compozit được chế tạo theo phương pháp luyện kim bột. Hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết được thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng tới tổ chức và tính chất cơ học của compozit.

Effect of TiC contents on the microstructure and mechanical properties of Fe-TiC composites

HÀ BÁCH TỨ¹, HOÀNG ÁNH QUANG¹, NGUYỄN MINH ĐỨC², TRẦN VŨ DIỄM NGỌC^*2
1 Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, Số 66, Đường 3-2, Tích Lương, Thái Nguyên.
² Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội.
*Email: ngoc.tranvudiem@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 25/3/2018, Ngày duyệt đăng: 6/5/2018

TÓM TẮT:

Trong bài báo này, vật liệu Fe-TiC compozit nền sắt (Fe) cốt hạt TiC với hàm lượng (3÷7) % t.l. TiC được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Hỗn hợp bột TiC – Fe tạo thành sau khi nghiền với tốc độ 300 v/phút, thời gian 2 h được ép tạo hình với áp lực 400 MPa, mẫu tao thành được thiêu kết ở nhiệt độ (1200÷1300) ^oC trong 2 h. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến tổ chức và cơ tính của vật liệu sẽ được thảo luận trong nghiên cứu này. Kết quả cho thấy, với hàm lượng 5 % TiC, thiêu kết ở 1300 ^oC, độ xốp của Fe-TiC compozit đạt 11,18 %, với cơ tính tốt nhất là giới hạn bền 525 MPa, độ cứng 305 HV.

Từ khóa: Compozit nền sắt, TiC, luyện kim bột, cơ tính.

ABSTRACT:

In the present work, TiC reinforced iron metal matrix composite was fabricated by powder metallurgy method. The TiC contents were varied from 3 to 7 wt.%. The Fe and TiC powders were milled for 2 h and then pressed in stainless steel mold at pressure of 400 MPa and sintered at different temperature of (1200÷1300) ^oC for 2 h. Effect of TiC contents and sintering parameters on microstructure and mechanical properties of samples was investigat- ed. The results showed that the sample with 5 wt.% TiC content sintered at 1300 ^oC, has porosity of 11.18 %, and the best mechanical properties such as compression strength of 525 MPa, and hardness of 305 HV.

Keyword: Iron matrix composite, TiC, powder metallurgy, mechanical properties.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Vật liệu compozit nền kim loại cốt hạt ceramic có độ cứng, khả năng chịu mài mòn cao, chống rão ở nhiệt độ cao. Trong số các nền kim loại thì sắt được sử dụng nhiều làm vật liệu compozit nền sắt. Cacbit titan – TiC là vật liệu ceramic có độ cứng và tính ổn định nhiệt cao, TiC là một trong những lựa chọn tốt nhất làm vật liệu cốt cho compozit nền Fe. Sự tồn tại của các hạt cứng TiC phân bố đều trong nền Fe làm tăng khả năng chịu mài mòn, mođun đàn hồi, mođun xê dịch. Do đó, compozit Fe-TiC có thể được sử dụng trong các lĩnh vực môi trường làm việc khắc nghiệt, đòi hỏi vật liệu có cơ tính tốt, khả năng chống mài mòn cao và bền nhiệt, được sử dụng nhiều trong lĩnh vực như vật liệu kết cấu, khuôn ép, dụng cụ cắt gọt, đồ gá… [1-4].

Công nghệ chế tạo vật liệu compozit Fe-TiC có thể chia thành các phương pháp: tổng hợp pha rắn, đúc [5-7] và hoàn nguyên nhiệt kim [8]. Phương pháp tổng hợp pha rắn gồm phương pháp luyện kim bột, phản ứng tự lan truyền ở nhiệt độ cao, hợp kim hóa cơ học và hoàn nguyên nhiệt kim [1-4,9,10]. Phương pháp đúc có lợi thế là chi phí thấp, sản xuất quy mô lớn, có thể chế tạo các chi tiết lớn, hình dạng phức tạp, tuy nhiên, phương pháp đúc cần nấu luyện ở nhiệt độ cao, dễ bị thiên tích tổ chức và hạn chế khi hàm lượng và kích thược hạt cốt lớn [1,7,11]. Phương pháp luyện kim bột là phương pháp đơn giản, dễ dàng áp dụng để chế tạo compozit với hàm lượng cốt TiC cao, kích thước hạt ổn định, phân bố đều trong nền sắt và ít tiêu hao nguyên liệu, do đó phương pháp này được sử dụng phổ biến để chế tạo compozit nền kim loại.

Trong nghiên cứu này, Fe-TiC compozit được chế tạo theo phương pháp luyện kim bột. Hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết được thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng tới tổ chức và tính chất cơ học của compozit.

2. THỰC NGHIỆM

Trong nghiên cứu này, bột Fe (độ tinh khiết 99,5 %; kích thước hạt trung bình 100 µm) và TiC (độ tinh khiết 99 %, kích thước hạt 2÷5 m) được sử dụng để chế tạo compozit Fe-TiC.

Quy trình chế tạo compozit Fe-TiC được lựa chọn như hình 1. Hỗn hợp bột Fe và TiC (3÷7 %tl) được nghiền 2 h trong môi trường haxan bằng máy nghiền hành tinh (Pulverisette – Đức) với tỉ lệ bi/bột là 5/1, tốc độ 300 vòng/phút. Hỗn hợp bột sau khi nghiền được ép tạo hình trong khuôn thép 15×80 mm dưới áp lực 400 MPa. Mẫu sau ép được thiêu kết trong lò điện trở với khí bảo vệ Ar ở (1200÷1300) ^oC trong 2 h tạo thành Fe-TiC com- pozit. Các pha tạo thành trong Fe-TiC compozit đã được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia rơnghen (D8 ADVANCE, Đức). Tổ chức tế vi và sự phân bố TiC trong compozit được quan sát trên hiển vi quang học (Axiovert40 MAT). Độ xốp tính toán theo cân tỷ trọng, độ cứng được kiểm tra bằng thiết bị Rockwell HR3200 (giá trị độ cứng HR được đổi sang Hv) và độ bền nén xác định trên thiết bị SM 50.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Độ xốp của compozit Fe-TiC khi hàm lượng TiC ở nhiệt độ thiêu kết khác nhau được biểu diễn trên hình 2, cho thấy độ xốp tăng khi hàm lượng TiC tăng, nguyên nhân do TiC là pha cứng nên khó đạt được mật độ cao khi ép, hơn nữa TiC nhỏ mịn cản trở sự khuếch tán của nền (Fe) khi thiêu kết. Sau khi ép và thiêu kết ở 1200 ^oC độ xốp vật liệu là (12,66÷17,42) %. Tăng nhiệt độ thiêu kết lên 1300 ^oC, khả năng khuếch tán của Fe tăng lên, độ xốp giảm còn (9,55 ÷13,98) %.

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) của vật liệu compozit cho trên hình 3 và hình 4. Phổ EDX cho thấy các hạt TiC màu sáng, nền Fe màu tối, cốt hạt TiC nằm phân tán trong nền Fe. Khi hàm lượng TiC tăng cụm cốt hạt TiC tăng. Với compozit có hàm lượng 5 %tl TiC, cho thấy sự phân bố các hạt TiC đồng đều trên nền Fe.

Kết quả phân tích nhiễu xạ rơnghen  của com- pozit Fe-TiC khi thiêu kết 1300 ^oC xem trên hình 5, kết quả XRD cho thấy compozit 3% TiC không có peak của TiC, điều này có thể giải thích do hàm lượng TiC quá nhỏ nên thiết bị không dò tìm ra được. Khi hàm lượng TiC tăng lên 5 và 7 %, compozit gồm hai pha Fe và TiC, không thấy xuất hiện các pha lạ hay oxit, chứng tỏ vật liệu đầu vào sạch, quá trình thiêu kết không tạo ra các phản ứng và không bị oxi hóa.

Hình 6 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết đến độ cứng của vật liệu TiC-Fe compozit. Khi hàm lượng Ti, C tăng thì độ cứng tăng, khi nhiệt độ thiêu kết tăng từ 1200 đến 1300 ^oC, độ cứng của compozit tăng không đáng kể. Độ cứng tăng từ 250 MPa lên 350 MPa khi vật liệu compozit có hàm lượng cốt TiC tăng từ 3-7 %t.l. và thiêu kết ở 1300 ^oC. Như vậy, cốt TiC làm tăng độ cứng đáng kể so với nền Fe (101 Hv). Kết quả nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu trước đây [2,10].

 

Hình 7 cho thấy ảnh hưởng của hàm lượng TiC và nhiệt độ thiêu kết tới độ bền nén của vật liệu. Độ bền nén tăng nhanh khi hàm lượng TiC tăng từ 3 đến 5 % và nhiệt độ thiêu kết tăng, do hạt cốt TiC đã ngăn chặn sự chuyển động của lệch trong nền Fe thông qua cơ chế hóa bền phân tán [12], điều này chứng tỏ nền Fe đã được hóa bền bởi các hạt TiC nhỏ mịn, phân bố đều. Khi vật liệu compozit với hàm lượng TiC tăng > 5 % do cốt hạt TiC lớn, xuất hiện các lỗ xốp và tạo vùng liên kết yếu giữa nền và cốt dẫn đến độ bền giảm [12]. Tăng nhiệt độ thiêu kết, thúc đẩy quá trình khuếch tán cũng làm độ bền tăng và đạt giá trị lớn nhất là 525 MPa ứng với hàm lượng 5 % TiC khi thiêu kết ở 1300 ^oC.

Kết quả về độ bền nén của compozit hoàn toàn phù hợp với quan sát trên ảnh hiển vi điện tử quét (Hình  3),  với  hàm  lượng  5  %t.l.  TiC,  vật  liệu compozit thu được có hạt TiC phân bố đồng đều trên nền Fe nên độ bền cao, khi hàm lượng TiC lớn (7 %t.l.), thấy các hạt TiC sẽ tạo đám TiC thô, phân bố không đều, đây có thể là một trong nhiều nguyên nhân làm giảm độ bền của vật liệu [10,12]. Theo tác giả K. I. Parashivamurthy [10], Fe-TiC compozit có cốt hạt nhỏ mịn có độ bền cao hơn so với hạt cốt thô đại. Cốt hạt TiC thô đại làm giảm liên kết nền- cốt, gây ra giảm độ bền uốn, mođun đàn hồi [2].

4. KẾT LUẬN

Cơ tính của Fe-TiC compozit được nâng cao khi hóa bền phân tán bởi cốt hạt TiC. Với hàm lượng 5 %t.l. TiC, thiêu kết ở 1300 ^oC, cơ tính của compozit là tốt nhất: giới hạn bền nén 525 MPa; độ cứng: 305 Hv.

LỜI CÁM ƠN

Công trình nghiên cứu này được hỗ trợ từ Bộ Giáo dục và Đào tạo thông qua đề tài mã số B2016-BKA-23.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

1. K. Das, T. K. Bandyopadhyay, S. Das; A Review on the various synthesis routes of TiC reinforced ferrous based composites, Journal of Materials Science, 37, 2002, pp 3881 – 3892.
2. Srinivasa K, Prajwal S, K I Parashivamurthy, Rakshith N; Review on Fe-TiC Composites for Industries, International Research Journal of Engineering and Technology 3, 2016, pp 394-405.
3. N. Q. Tuan, H. X. Khoa, N. H. Viet, Y. H. Lee, B. H. Lee, J. S. Kim; Fabrication of Fe-TiC Composite by High- Energy Milling and Spark-Plasma Sintering, J. Kor. Powd. Met. Inst., 20, 2013, pp 338-344.
4. J.J. Park, S.M. Hong, M.K. Lee and C.K. Rhee; Effects of metal additions on refinement behavior of TiC par- ticles during a very high speed milling process. Powder Technol, 249, 2013, pp 126-133.
5. R. Mansour, S.Y. Maziar, R.R. Mohammad and S.R.T. Seyed; The effect of production method on Fe-TiC composite. Int. J. Min. Process, 94, 2010, pp 97-100.
6. A. Rajabi, M.J. Ghazali, A.R. Daud; Effect of second phase morphology on wear resistance of Fe-TiC com- posites, Jurnal Tribologi, 4, 2015, pp 1-9.
7. L. Zhong, Y. Xu, M. Hojamberdiev, J. Wang, J. Wang; In situ fabrication of titanium carbide particulates-rein- forced iron matrix composites, Materials and Design 32, 2011, pp 3790–3795.
8. T. K. Bandyopadhyay, K. Das; Synthesis and characterization of TiC-reinforced iron-based composites PartII on mechanical characterization, Journal of Materials Science 39, 2004, pp6503 – 6508.
9. J. M. Kim, J. S. Park, H. S. Yun; Microstructure and mechanical properties of TiC nanoparticle-reinforced iron- matrix composites, Strength of Materials, 46, 2014, pp 117-182.
10. K. I. Parashivamurthy, P. Sampathkumaran and S.Seetharamu; Tensile Fracture Behaviour of Fe-TiC Composite, Proceedings of International and INCCOM-6 Conference on Future Trends in composite materials and processing, Dec 2007, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur, India
11. K. I. Parashivamurthy, M. N. Chandrasekhraiah, P.Samathkumaran, and S. Seetharamu; Casting of TiC Reinforced Steel Matrix Composites, J Mathe, and Manuf. 21, 2006, pp 473-478.
12. M. Rahimian, N. Parvin, N. Ehsani; Investigation of particle size and amount of alumina on microstructure and mechanical properties of Al matrix composite made by powder metallurgy, Materials Science and Engineering, A 527, 2010, pp 1031–1038.