Kết tinh (tiếng Anh: crystallization) là một quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo khiến hình thành một thể rắn mà trong đó các nguyên tử hoặc phân tử được tổ chức thành một cấu trúc gọi là tinh thể. Có nhiều cách hình thành tinh thể, chẳng hạn khi có sự kết tủa trong dung dịch, khi có sự đông đặc hoặc hiếm gặp hơn nữa là khi diễn ra sự lắng đọng trực tiếp của chất khí. Các thuộc tính của tinh thể phụ thuộc phần lớn vào những yếu tố như nhiệt độ, áp suất không khí và trong trường hợp tinh thể lỏng thì là thời gian chất lỏng bay hơi.
Kết tinh xảy ra theo hai bước chính. Bước đầu tiên là tạo mầm (nucleation), đó là sự xuất hiện của pha tinh thể từ một chất lỏng siêu lạnh hoặc một dung môi siêu bão hòa. Bước thứ hai là tăng trưởng tinh thể (crystal growth), đó là sự gia tăng kích thước của các hạt và tiến đến trạng thái tinh thể. Một đặc điểm quan trọng ở bước này là các hạt cấu kết lỏng lẻo tạo thành các lớp ở bề mặt tinh thể, lấp vào các lỗ hay vết nứt, v.v. Phần lớn các loại khoáng chất và hợp chất hữu cơ kết tinh một cách dễ dàng; các tinh thể thu được thường có chất lượng tốt, tức là hầu như không nhìn thấy tì vết. Tuy nhiên, các phân tử sinh học kích thước lớn hơn, chẳng hạn như protein, thường rất khó kết tinh. Tính dễ dàng kết tinh phụ thuộc nhiều vào cường độ của các lực nguyên tử (trường hợp chất khoáng), các lực liên phân tử (trường hợp là chất hữu cơ và sinh hóa) hoặc các lực nội phân tử (trường hợp các chất sinh hóa). Kết tinh cũng là một kỹ thuật hóa học để tách chất rắn với chất lỏng, theo đó sẽ chuyển khối lượng lớn chất tan từ dung dịch lỏng sang trạng thái tinh thể rắn nguyên chất. Quá trình này sẽ được thực hiện trong thiết bị kết tinh. Kết tinh có liên quan đến sự kết tủa, mặc dù kết quả cho ra không phải là ở dạng vô định hình hoặc hỗn loạn, mà là trạng thái tinh thể. Có hai loại kết tinh: loại thứ nhất là muối hình thành từ sự kết hợp của cation và anion, ví dụ muối natri axetat; loại thứ hai là loại trung hòa, chẳng hạn menthol.[1]
You're Reading a Free Preview 2.3. KHÁI NIỆM ĐỘ HẠT KHI KẾT TINH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG2.3.1. Khái niệm độ hạtQuá trình hình thành hạt:  Hình 2.6. Quá trình hình thành hạt Độ hạt kim loại sau kết tinh là kích thước trung bình của các hạt tinh thể trong thể tích kim loại rắn. Các hạt tạo ra có kích thước không đồng nhất, vì vậy phải lấy giá trị trung bình gọi là độ hạt. Để đơn giản, ta xác định độ hạt bằng cách đếm số hạt trên một đơn vị diện tích. 2.3.2. Ý nghĩa của độ hạtĐộ hạt quyết định cơ tính của vật liệu. Độ hạt càng nhỏ, cơ tính càng cao. Do đó trong sản xuất kim loại luôn mong muốn tạo được hạt nhỏ. 2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ hạtNói chung khi đúc, nếu không áp dụng các biện pháp đúc đặc biệt, hạt kim loại nhận được sẽ khá to, nhiều khi nhìn thấy bằng mắt thường được. Trong kỹ thuật đúc luôn có xu hướng tạo hạt nhỏ, vì hạt nhỏ cho cơ tính cao hơn, bền hơn và ít dòn hơn. Nhiều trường hợp vật đúc có hạt quá to không đem dùng được vì cho cơ tính thấp. Hai yếu tố quyết định kích thước hạt khi kết tinh là tốc độ tạo mầm và phát triển mầm, tức là tốc độ của hai quá trình cơ bản của sự kết tinh. Tốc độ tạo mầm càng lớn, tức trong một đơn vị thể tích và trong đơn vị thời gian số lượng mầm tạo ra càng lớn do đó kích thước hạt càng nhỏ. Trái lại, tốc độ phát triển mầm càng lớn thì những mầm sinh ra trước sẽ phát triển càng nhanh và tạo nên hạt lớn làm lấn át các mầm sinh ra sau và cuối cùng hạt có kích thước càng lớn. Bằng thực nghiệm, người ta tìm được mối quan hệ giữa tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển mầm
Trong đó: A:Độ hạt k: Hệ số thực nghiệm v: Tốc độ phát triển mầm N:Tốc độ tạo mầm. Như vậy, muốn thu được hạt nhỏ thì phải tăng tốc độ tạo mầm N và giảm tốc độ lớn lên của mầm v. 2.3.4.Biện pháp làm nhỏ hạt.
Trong thực tế, khi T tăng thì N tăng, v cũng tăng, nhưng do N tăng mạnh hơn v (hình 2.7) nên kết quả độ hạt sẽ giảm. Vì vậy muốn hạt nhỏ phải tăng độ quá nguội T, tức là tăng tốc độ làm nguội.Tuy nhiên biện pháp này chỉ áp dụng với những vật đúc đúc nhỏ và trung bình.
Ngoài ra còn có - Dùng dao động cơ học. - Dùng sóng siêu âm. 2.3.5. Cách xác định độ hạt trong thực tếXác định các bảng cấp hạt theo tiêu chuẩn: từ cấp (-3 12). Chỉ số càng tăng thì độ hạt càng nhỏ. Làm tiêu bản ở mức phóng đại 100 lần. Các mẫu thực tế tiến hành chụp ảnh với độ phóng đại 100 lần, rồi đem so với tiêu bản ta được cấp hạt thực tế. Các dạng hạt thường gặp: - Hạt đều trục: có tiết diện gần với hình tròn. - Hạt kéo dài: dạng tinh thể hình trụ. Cấp: (-3 0): hạt thô (1 8): hạt vừa (9 12): hạt mịn Phạm vi ứng dụng: + Hạt thô: Dùng trong công nghệ chế tạo phôi + Chi tiết máy thông thường dùng cỡ hạt từ 1 8 + Chi tiết máy yêu cầu đặc biệt dùng cỡ hạt từ 9 12 2.4. QUÁ TRÌNH KẾT TINH THỰC TẾ CỦA KIM LOẠI TRONG KHUÔN ĐÚC2.4.1. Cơ chế kết tinh nhánh cây- Cơ chế: quá trình kết tinh không xảy ra đều theo mọi phương mà nó phát triển theo một số phương ưu tiên nhất định, tạo thành dạng nhánh cây. Hình 2.8. Mô hình kết tinh nhánh cây - Nguyên nhân: sử dụng hai lý thuyết để giải thích + Hình 2.9. Giải thích cơ chế kết tinh nhánh cây theo lý thuyết tạp chất + Theo lý thuyết Građien nhiệt độ âm: Thành của khuôn đúc luôn tồn tại những nhấp nhô tế vi do đó tạo sai khác về độ quá nguội nên tạo phương ưu tiên kết tinh do đó tạo dạng nhánh cây. Hình 2.10. Giải thích cơ chế kết tinh nhánh cây theo lý thuyết Gradien nhiệt độ âm 2.4.2. Cấu tạo của thỏi đúc thực tế- Điều kiện khuôn và làm nguội: + Khuôn kim loại + Làm nguội trong không khí tĩnh để tạo ra độ quá nguội T ổn định. - Cấu tạo thỏi đúc: bao gồm 3 vùng Hình 2.11. Cấu tạo của thỏi đúc + Vùng 1: Là vùng tinh thể hạt nhỏ đẳng trục, sát với thành khuôn, do kết tinh với độ quá nguội T lớn, mặt khác do ảnh hưởng độ nhấp nhô của thành khuôn nên có tác dụng thúc đẩy tạo mầm ký sinh, N rất lớn vì vậy hạt nhỏ. Ngoài ra do ảnh hưởng độ nhấp nhô của thành khuôn nên mầm phát triển theo mọi phương một cách ngẫu nhiên vì vậy hạt có dạng đẳng trục. + Vùng 2: Là vùng trung gian gồm các hạt dài có trục vuông góc với thành khuôn. Vùng này kết tinh khi thành khuôn đã bị nóng lên, tốc độ nguội giảm, độ quá nguội T giảm, hạt có kích thước lớn và để kết tinh được kim loại lỏng phải giảm nhiệt độ bằng cách truyền nhiệt ra ngoài theo phương vuông góc với thành khuôn do đó mầm phát triển kéo dài theo phương truyền nhiệt nhưng có chiều ngược lại. + Vùng 3: Là vùng trung tâm, vùng này kết tinh với trường nhiệt độ đồng đều, tốc độ nguội giảm rất mạnh, vì vậy tạo hạt có kích thước lớn. Kim loại vùng này kết tinh không chịu ảnh hưởng của thành khuôn cũng như phương tản nhiệt nên có tính đẳng hướng vì vậy thu được dạng hạt đẳng trục với kích thước lớn 2.4.3. Khuyết tật của thỏi đúc- Khái niệm: Khuyết tật là các dạng tổ chức, cấu trúc không đúng theo yêu cầu của người sản xuất. - Các dạng khuyết tật của thỏi đúc là: Lõm co, rỗ co, rỗ khí và thiên tích. 2.4.3.1. Lõm co - Khái niệm: Lõm co là hiện tượng giảm thể tích của vật đúc so với thể tích kim loại lỏng ban đầu và được tập trung tại một vị trí. - Nguyên nhân: Do độ giãn nở nhiệt và cấu trúc tinh thể ở hai trạng thái lỏng và rắn là khác nhau. - Tác hại: Tạo phế phẩm vật đúc. - Khắc phục: Dùng các hệ thống bù, co ngót. Tùy thuộc vào bản chất kim loại mà độ co có thể lớn hoặc bé. Lõm co thường xuất hiện ở vùng kết sinh sau cùng phụ thuộc vào phương pháp làm nguội mà có các dạng lõm co khác nhau. Hình 2.12. Các dạng khuyết tật của thỏi đúc Hình a: Làm nguội mãnh liệt từ đáy khuôn còn các tường bên vẫn giữ ở nhiệt độ cao. Kết tinh xảy ra từ đáy lên phía trên, mức kim loại lỏng tụt dần và mặt trên cùng của thỏi đúc có dạng tương đối bằng phẳng. Hình b: Làm nguội mãnh liệt từ đáy và các tường bên. Kết tinh xảy ra từ ba phía và lõm co có dạng chảo Hình c: Làm nguội mãnh liệt từ các tường bên, còn mặt đáy vẫn giữ ở nhiệt độ cao. Vì kết tinh chỉ xảy ra từ bên hông nên lõm co có dạng phễu nhọn kéo dài về phía đáy khuôn. Hình d: Trong cả ba trường hợp kể trên sự tỏa nhiệt trên bề mặt không đáng kể, do đó lớp kim loại lỏng trên bề mặt kết tinh sau cùng. Trong một số trường hợp, ví dụ khi quạt gió lạnh ở phía trên khuôn hoặc tiết diện khuôn ở phần trên bé hơn nhiều so với các phần dưới vv...lõm co nằm kín trong thỏi đúc.
- Khái niệm: Rỗ co là hiện tượng mà lõm co đi vào bên trong vật đúc dưới dạng các lỗ nhỏ. Hình 2.12.e: Lõm co ngầm nếu phân tán sẽ tạo thành rỗ co. - Nguyên nhân: Khi kết tinh thể tích của kim loại lỏng giảm, nhưng vì một lý do nào đó phần kim loại lỏng còn lại không kịp tới bổ sung, làm các phần nhỏ bị co khuyết không được điền kín - Tác hại: Làm mất tính liên tục của vật liệu, làm giảm mật độ của vật đúc, giảm cơ tính vật đúc. - Khắc phục: Các thỏi đúc cho qua gia công áp lực để các rỗ co được liền lại 2.4.3.3. Rỗ khí - Khái niệm: Rỗ khí là hiện tượng tồn tại các bọt khí trong vật đúc (hình 2.12.e). - Nguyên nhân: Do sự hòa tan khí của kim loại lỏng. - Tác hại: Làm mất tính liên tục của vật đúc và tạo các vùng tập trung ứng suất, làm cho cơ tính của vật đúc giảm rất mạnh. - Khắc phục: Tăng cường quá trình thoát khí khi kết tinh bằng cách tạo ra sự lưu động của kim loại lỏng, phải khử khí trước khi rót kim loại vào khuôn và mẻ nấu phải được sấy khô trước khi nấu luyện.
- Khái niệm: Thiên tích là sự không đồng nhất về thành phần hóa học giữa các vùng trong vật đúc. Có hai loại thiên tích là thiên tích vùng và thiên tích hạt. Thiên tích vùng: là sự không đồng nhất về thành phần hóa học giữa các vùng của vật đúc. Thiên tích hạt: là sự không đồng nhất về thành phần hóa học trong nội bộ hạt kim loại. - Nguyên nhân: Do sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng và hệ số khuếch tán của các nguyên tố. - Tác hại: Tạo ra các vùng không đồng đều về cơ tính, làm giảm độ tin cậy của sản phẩm đặc biệt là các vật đúc có kích thước lớn. - Cách khắc phục: Lựa chọn hợp lý các nguyên tố khi tạo hợp kim. Với thiên tích hạt có thể ủ vật đúc để đồng đều hóa thành phần (ủ khuếch tán). Sử dụng các biện pháp công nghệ tạo sự đồng đều khi kết tinh để tránh thiên tích vùng. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Cấu tạo kim loại lỏng và điều kiện năng lượng của sự kết tinh Câu 2: Hai quá trình của sự kết tinh Câu 3: Quá trình kết tinh thực tế của kim loại trong thỏi đúc Каталог: sites -> sme.vimaru.edu.vn -> files tải về 4.71 Mb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
