Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu động học quá trình thiêu kết vật liệu compozit cốt nano TiC nền thép gió bằng phương pháp dãn nở nhiệt.
Kinetic characteristics of sintering process of high speed steel matrix composite reinforced by titanium carbide nanoparticles
Bùi Văn Mưu, Trần Quốc Lập, Phạm Ngọc Diệu Quỳnh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tóm tắt
Việc đưa thêm bột nano TiC vào làm giảm tính thiêu kết của bột thép gió cụ thể là sự tăng nhiệt độ bắt đầu co ngót, tăng năng lượng hoạt hóa, giảm độ co ngót và tốc độ co ngót. Nano TiC mở rộng cửa số thiêu kết của thép gió nhưng không ảnh hưởng đáng kể nhiệt độ chảy lỏng biên hạt, Sự phân bố đồng đều của cột hạt TiC trong nền thép tạo thành lưới cacbit bao quanh biên hạt làm giảm độ xốp và tăng cường cơ tính của sản phẩm.
Abstract
The article presents some research results of the sintering process of high speed steel composite reinforced by TiC nano particles using thermal diltometry. The addition of nano TiC lowers sinterability of high speed steel pow- der, showing increase of sintering onset temperature, rising activation energy of sintering, reducing shrinkage and shrinkage rate. Nano TiC extends sintering window of high speed steel, but does not affect solidus temperature of coposite when liquid phase appeared at boundary of particles. It resulted in better bonding of TiC particles into steel matrix, reduced material porousity and enhanced mechanical properties of the products.
1. MỞ ĐẦU
Thiêu kết là quá trình quan trọng có vai trò quyết định đến hình dạng, kích thước và tính chất của sản phẩm chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột. Trong quá trình thiêu kết mẫu bị co ngót và hóa bền do các cơ chế chuyển chất trong vật liệu như khuếch tán bề mặt, khuếch tán thể tích, chảy lỏng và chảy nhớt… Nghiên cứu các thông số động học giúp hiểu được cơ chế quá trình thiêu kết, cho phép đánh giá và định hướng phương thức thiêu kết để đẩy mạnh quá trình co ngót, hạ thấp nhiệt độ thiêu kết hay tăng cường kiểm soát cấu trúc trong quá trình thiêu kết. Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất ra cơ chế phù hợp với quá trình thiêu kết dựa trên thực nghiệm hay các mô hình thiêu kết [1-5], tuy nhiên vẫn có nhiều điều còn chưa rõ ràng đối với hệ vật liệu siêu mịn và vật liệu nano, đặc biệt với hệ thép gió – TiC.
Phương trình động học quá trình co ngót của Kingery được viết dưới dạng sau [6,7]: với y=ΔL/L0 – độ co ngót của vật, t- thời gian, r- tốc độ co ngót, Q-năng lượng hoạt hóa quá trình thiêu kết, R-hằng số khí, A0 -hằng số, T-nhiệt độ thiêu kết. Q được xác định theo độ nghiêng đường thẳng biểu diễn mối quan hệ “lnr – (1/T).
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên vật liệu
Bột TiC hình cầu, đường kính trung bình dTB=59 nm có hình dạng và thành phần các nguyên tố gồm Ti-76,81%, C-18,74%, Si-1,4%, Fe-1,43% (hình 1 và 2).
Hình 1. ảnh SEM nano TiC
Hình 2. Phổ EDX bột nano Ti
Hình 3. ảnh SEM bột thép gió
Hình 4. Đường cong DTA bột thép gió
Bột thép gió nhận được bằng phương pháp nghiền cơ học, kích thước trung bình của hạt bột dTB = 1,07μm, phân bổ kích thước hạt với 2 đỉnh D75=0,360μm, D90=2,68 μm, nhiệt độ nóng chảy T=1370°C (hình 3, 4), có thành phần hoá học nêu ở bảng 1.
| C | 1,25 | Fe | 76,49 |
| O | 6,49 | Cr | 3,93 |
| Co | 0,28 | Mo | 3,8 |
| V | 1,66 | W | 5,98 |
2.2. Chế tạo mẫu compozit
Hỗn hợp bột thép gió được trộn với (3-9)% TiC trong máy nghiền hành tinh, thời gian nghiền 2 giờ, tốc độ trộn 200 vòng/phút, tỷ lệ bi/bột là 10/1. Hỗn hợp sau nghiền được ép trong khuôn hình khối có kích thước (25x5x5) mm, lực ép 500 MPa được thiêu kết trong môi trường argon của dãn nở kế. Tốc độ nâng nhiệt 150o/phút. Nhiệt độ tối đa 1300°C.
2.3. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu
Thiết bị đo độ co ngót trong quá trình thiêu kết được sử dụng để nghiên cứu là dãn nở kế NETZSCH DIL 402 PC. Nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ kế Rơnghen SIEMENS D5000 và kính hiển vi điện tử quét FE-SEM HITACHI –S 4800 với độ phân giải cao.
