TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 Tinh luyện khử khí loại bỏ tạp chất phi kim sản xuất hợp kim nhôm Nguyễn Duy Thông Trần Thị Tuyết Nga Đinh Thị Hồng Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM (Bản nhận ngày 09 tháng 02 năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 27 tháng năm 2015) TĨM TẮT Trong nấu luyện nhơm hợp kim nhôm , nhôm lỏng phản ứng tức với O2, CO, CO2, phản ứng với nước hấp phụ, nước màng hydroxyt bề mặt liệu với nước mơi trường khí lị tạo oxyt nhôm hydro làm tăng hàm loại, thường lượng hydro vượt giới hạn hòa tan hydro nhôm rắn nhiều nên đông đặc hydro tiết biên giới hạt kết tinh sau tạo bọt khí hydro Vì vậy, tinh luyện khử khí cải thiện tính vật liệu lượng tạp chất Al2O3 hydro kim Từ khóa: Phương pháp tinh luyện; khử khí; tạp chất phi kim ĐẶT VẤN ĐỀ Đặc trưng chung hợp kim nhôm độ bền riêng cao tính cơng nghệ tốt nên sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực (ví dụ: hợp kim 7075 hệ Al-Zn-Mg-Cu có b=570MPa – dùng làm khung sườn cho ô tô, tàu, máy bay…) Tuy nhiên, q trình sản xuất nhơm hợp kim nhôm thường xuất tạp chất oxyt bọt khí – tạp oxyt chủ yếu Al2O3 khí chủ yếu hydro [1, 2] Nguồn tạp chất khí nhơm chủ yếu từ: “di truyền” từ liệu phản ứng nhơm với khí có oxy, H2O Bọt khí tạp chất Al2O3 chi tiết hợp kim nhôm nơi tập trung ứng suất có lực tác động – điều làm giảm đặc tính bền hợp kim Trong sản xuất vật liệu kim loại nói chung, việc loại bỏ tạp chất phi kim khí mức độ hợp lý phù hợp điều kiện thực tế nâng độ bền đến 20% tuổi thọ làm việc tăng đến lần [1] [2] Việc tinh luyện khử khí thường tiến hành vào cuối mẻ nấu trước kim loại lỏng vào khn đúc nhằm tránh rỗ khí giảm ảnh hưởng tạp chất Trong công nghệ, có nhiều phương pháp khử khí tạp, quan tâm tới vấn đề mơi trường phương pháp dùng khí trơ, tinh luyện siêu âm hay phương pháp lọc giải pháp đáng quan tâm cần xác lập thông số công nghệ tối ưu cho phương pháp TRANG 35 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 CƠ SỞ LÝ LUẬN Khí hợp kim nhôm chủ yếu hydro đến 80 % [1,2,3] chúng vào hợp kim nhôm từ nhiều nguồn khác – nguồn “di truyền “ từ nguyên vật liệu , từ mơi trường khí lị mà quan trọng từ ẩm theo phản ứng: H2O + 2Al = Al2O3 + H (1) Và H2O + 2Al = Al2O3 3H2 (2) Tại nhiệt độ 1000K phản ứng (1) bắt đầu áp suất riêng phần nước pha MPa Tùy theo tính chất khí bảo vệ màng oxyt, hàm lượng hydro lớp bề mặt kim loại lỏng (Sb – cm3/100g nhôm) phụ thuộc vào thành phần hợp kim sau: – áp suất riêng phần nước, Pa K – số cân bằng, cm3/(100g.Pa1/2) Phương pháp hấp phụ: Là trình xử lý kim loại lỏng khí, trợ dung lọc Tinh luyện khí: Khi thổi khí trơ (thường sử dụng nitơ argon) vào kim loại lỏng diễn hấp phụ khuếch tán khí khác hịa tan kim loại lỏng đặc biệt hydro với hydro tạp chất phi kim khác hấp phụ lên bề mặt Phương pháp lọc : Khi sử dụng vật liệu lọc nên dùng loại có khả thấm ướt tốt oxyt oxyt nhôm Khi kim loại chảy qua hạt lọc, tạp oxyt hấp phụ giữ lại chúng nhờ hydro giảm đáng kể (xem phản ứng 2) Tinh luyện trợ dung: Trợ dung có tác dụng bảo vệ khơng cho kim loại tương tác với mơi trường Nếu trợ dung có khả hịa tan hay hấp phụ oxyt hiệu loại tạp phi kim khử khí tăng Phương pháp không hấp phụ: Trị số K phụ thuộc vào nhiệt độ thành phần hợp kim – ví dụ 7200C với nhơm K=0.05; hợp kim Al-Cu-Mn có K=0.06; hợp kim hệ Al-Zn-Mg có K=0.08 [2] Tinh luyện siêu âm: Các dao động sóng siêu âm qua hợp kim lỏng làm đứt đoạn tính liên tục pha lỏng với tạo lỗ rỗng với độ chân khơng sâu, khí hịa tan Cũng 1000K, phản ứng nhôm với oxy: Al + O2 = Al2O3 diễn áp suất riêng lỏng vào lỗ rỗng tiếp tục lớn lên, kết tụ đến kích thước đảm bảo khí tách khỏi kim loại lỏng [2] phần bề mặt nhôm tạo màng Al2O3 với chiều dày đến 0,2m Theo phản ứng (2), việc loại bỏ hydro loại bỏ phần Al2O3 ngược lại – loại bỏ Al2O3 góp phần loại bỏ hyđro Trong tinh luyện hợp kim nhôm lỏng thường sử dụng hai phương pháp: hấp phụ không hấp phụ TRANG 36 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Hợp kim 7075 có thành phần (%): (5,1-6,1)Zn ; (2.1-2,9)Mg ; (1,2-2)Cu; (0,2-0,5)Mn; (0,15-0,28)Cr; (0,10,3)Ti + Zr Nội dung nghiên cứu: Xác lập công nghệ tối ưu so sánh hiệu phương pháp tinh luyện khử khí: tinh luyện trợ dung kết TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 hợp với thổi khí argon; tinh luyện lọc; tinh luyện siêu âm Phương pháp nghiên cứu: Hợp kim nhôm nấu lò điện trở, nồi graphit Phối liệu dùng nhôm, magie kẽm kim loại HKTG Al-Mn (7%Mn); Al-Cr (3%Cr); Al-Ti (4%Ti), Al-Zr (1,5% Zr) Trợ dung hệ: MgCl2-KCl-CaF Hạt lọc Ø12-15mm tạo từ samốt (40%) + sét (40%) + huỳnh thạch (20 %) nung 1000oC Nhiệt độ trình nấu, xử lý tinh luyện nhiệt độ rót trì 720oC Hình cốc lọc tạp chất 1- hạt lọc; 2- cốc rót; 3- lưới titan Thiết bị đo lường: Phân tích thành phần máy quang phổ phát xạ Spectrolab (Đức); đo độ cứng HB - máy Emcotest (Áo); đo độ bền - thiết bị Instron 300DX-F2-G1 (Mỹ); quan sát tổ chức tế vi - kính hiển vi quang học Olympus (Nhật Bản) Sau thông số công nghệ tối ưu q trình thực nghiệm Phương án 1: Khơng sử dụng trợ dung, không áp dụng phương pháp tinh luyện khử khí - ký hiệu mẫu M1 Phương án 2: Không sử dụng trợ dung, áp dụng phương pháp lọc Kim loại lỏng lọc tạp chất chảy qua cốc rót chứa hạt lọc (chiều cao lớp hạt lọc 120 mm sấy 300oC) - ký hiệu mẫu M2 Phương án 3: Không trợ dung, tinh luyện siêu âm Tần số sóng siêu âm 20KHz, cơng suất 1,2KW; dẫn sóng hợp kim titan Chế độ tinh luyện đưa sóng siêu âm vào phút ngừng phút, sau đưa tiếp phút ngừng phút tiến hành rót khn - ký hiệu mẫu M3 Hình Sơ đồ thiết bị nấu chảy tinh luyện hợp kim nhôm siêu âm 1- chấn tử siêu âm; 2- dẫn sóng titan; 3kimloại lỏng; 4- lò điện trở ; 5- cấu điều chỉnh cự ly; 6- lò xo giữ thăng bằng; 7- nguồn siêu âm Phương án 4: Tinh luyện khử khí trợ dung kết hợp thổi khí argon, ống thổi hợp kim titan có khoan lỗ Ø2mm phần đầu ống thổi Đầu ống thổi cách đáy nồi khoảng 50 – 100 mm Áp suất dư: 15KPa; lưu lượng khí: 1,7l/phút ;thời gian thổi khí argon: phút; thời gian giữ kim loại sau thổi khí argon: phút ký hiệu mẫu M4 TRANG 37 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 Chế độ tôi: nung 414oC giữ nhiệt 6h + 470oC giữ nhiệt 6h Môi trường tơi nước Chế độ hóa già: 110oC (6h) + 170oC (6h) Sau mẫu kiểm tra đánh giá: tính (độ cứng, độ bền độ giãn dài tương đối) phân bố tạp chất kim loại Trong độ cứng vùng đo vùng gần biên mẫu (vùng kết tinh ban đầu); độ cứng vùng đo khoảng vùng vùng tâm mẫu (vùng kết tinh vùng 1); độ cứng vùng đo vùng tâm mẫu (vùng kết tinh sau cùng) Hình sơ đồ thiết bị nấu chảy, khử khí tinh luyện argon 1- bình argon; 2-van điều khiển áp; 3- áp kế; 4thiết bị đo lưu lượng; 5-van điều chinỉh lưu lượng; 6ống dẫn khí; 7- lị điện trở KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thành phần hợp kim nấu luyện nghiên cứu: 6.1% Zn; 2.9%Mg; 0.2%Mn; 0.18%Cr; 0.2 % Ti ; 0.1% Zr Hợp kim sau nấu luyện đúc khn kim loại nhiệt độ phịng xử lí nhiệt – gồm tơi hóa già (mẫu gia công theo TCVN197-85); cụ thể: Bảng kết tốt tỏng phương án khảo sát Ở phương án 2, nhiệt độ hạt lọc nhỏ 300oC chiều cao hạt lọc 160mm dễ xảy đơng đặc cốc rót Khi nhiệt độ hạt lọc cao 350oC chiều cao hạt lọc thấp 80mm độ cứng khơng vượt q 151HB Ở phương án 3, đưa sóng siêu âm lần 10 phút lần lần phút độ cứng thấp 150HB Trong phương án thời gian khử khí ngắn, độ cứng thấp giá trị tối ưu Thời gian thổi lâu độ cứng đạt 156HB Bảng Ảnh hưởng tinh luyện khử khí đến hợp kim 7075 sau tơi hóa già Cơ tính Độ cứng (HB) Giới hạn Độ dãn dài chảy σ0.2 tương đối (MPa) δ(%) Vùng Vùng Vùng Trung bình Giới hạn bền kéo σb (MPa) Không tinh luyện M1 154 147 130 144 494,19 184 1,20% Tinh luyên siêu âm M2 156 153 146 152 523,23 375,9 1,44% Tinh luyện lọc M3 156 154 148 153 534,74 513,92 2% Tinh luyên trợ dung sục khí argon M4 158 157 153 156 582,19 545,24 2,40% Mẫu TRANG 38 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 Đánh giá lượng tạp chất phân bố tạp theo ảnh kim tương Hình Mẫu M2-X20 tạp chất (màu đậm) mẫu tinh luyện siêu âm Hình Mẫu M1-X20 tạp chất (màu đậm) mẫu khơng xử lý tinh luyện Hình Mẫu M3-X20 tạp chất (màu đậm) mẫu tinh luyện hạt lọc TRANG 39 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 tương đối nhỏ nhất) Ngược lại, mẫu qua tinh luyện khử khí trợ dung sục khí argon cho độ cứng, độ bền với độ tin cậy (giới hạn chảy độ bền giãn dài tương đối) cao so với giải pháp công nghệ khảo sát Đạt điều do: bọt khí argon vừa hấp thụ khí hyđro hấp phụ tạp (Al2O3) (Al2O3.H2) trình bày phần sở lý thuyết – tạp có kích thước lớn sau lên khỏi kim loại, cịn trợ dung giúp cho q trình tạp khí thuận lợi q trình lên khí tạp khơng bị cản trở màng đặc bề mặt gương hợp kim lỏng.Cũng nhờ khử khí tạp chất tốt mà độ cứng mẫu đồng đều, độ cứng sai khác khoảng 5HB phương pháp khác khoảng 10HB Hiệu khử khí phương pháp siêu âm khơng thật tốt chúng cịn có tác dụng tốt tới q trình làm nhỏ tạp chất (xem hình 5) Hình Mẫu M4-X20 tạp chất (màu đậm) mẫu tinh luyện trợ dung + thổi khí argon Nhận xét thảo luận Trong q trình nấu nhơm xuất nhiều nhơm điểm tạp chất (xem hình 4) vấn đề chính: Các màng Al2O3.mH2O bề mặt nhôm chất vào nhôm lỏng vừa tăng Al2O3 vừa xuất phản ứng: Al2O3.mH2O +Al → (m+2) Al2O3.m Màng oxyt nhơm bề mặt hình thành phản ứng: Al + O2 + H2O = Al2O3.H2 đến trọng lượng đủ lớn chìm vào nhơm lỏng Kết bảng cho thấy mẫu không tinh luyện khử khí có độ cứng độ bền tính ổn định tính thấp (giới hạn chảy độ giãn dài TRANG 40 Sóng siêu âm tác dụng lên tạp kim loại lỏng làm cho tạp phần lỏng kế tạp có mức dao động khác nhờ tạo vùng rỗng có độ chân khơng sâu nên khí kim lỏng khuếch tán vào vùng rỗng lên đạt kích thước đủ lớn Phương pháp lọc đưa lại hiệu tương đối tốt nhờ “chia” nhỏ kim loại lỏng thành dòng nhỏ “trượt” hạt lọc, chúng thấm ướt tốt Al2O3 (nhờ vai trò CaF2, Al2O3 thành phần hạt lọc) nên Al2O3 Al2O3.H2 (nhất đám tạp lớn) giữ lại bề mặt hạt lọc (Lưu ý: dùng hạt lọc cốc rót phải trì dịng chảy đều, ổn định - chảy tầng) Để thấy rõ vai trò tinh luyện khử khí xem lại thay đổi độ cứng phần ngồi tâm vật đúc (khơng khử khí độ cứng chênh 24HB; khử khí trợ dung argon chênh 5HB) sai khác độ cứng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 tâm mẫu đúc phương pháp không khử khí với phương pháp tinh luyện khử khí trợ dung kết hợp thổi argon (chênh cỡ 23HB) Giải thích vấn đề có điều cần quan tâm: Vật đúc kết tinh từ vào tâm Khí hịa tan nhơm lỏng lớn khoảng 18 lần nhôm rắn nhiệt độ chưa có phương pháp khử khí giảm hàm lượng khí xuống thấp lượng khí hịa tan nhơm răn nhiệt độ Hai điều cho thấy kết tinh lượng khí q bão hịa nhơm rắn vào pha lỏng dễ hình thành bọt khí biên hạt pha rắn – lỏng (để lại lỗ rỗ tế vi); vào phía tâm lượng khí tăng mật độ lỗ rỗ tế vi lớn, điều làm cho độ cứng từ ngồi vào tâm có xu hướng giảm dần qua đo tính (độ cứng, độ bền, giới hạn chảy, độ dãn dài tương đối) ảnh tạp chất kim loại KẾT LUẬN Trong q trình nấu nhơm hợp kim nhơm khơng có giải pháp bảo vệ hữu hiệu ln đưa vào nhơm lượng khí tạp chất lớn làm giảm tính độ tin cậy vật liệu Hợp kim độ bền cao ảnh hưởng lớn nên cần áp dụng giải pháp tinh luyện khử khí – dùng phương pháp lọc dùng khí trơ Thổi khí Argon qua ống thổi nên khoan lỗ Ø1÷2mm phần đầu ống thổi, đầu ống thổi cách đáy lò 50-100mm áp suất dư khoảng 15KPa; thời gian thổi khoảng phút khoảng 7phút dừng trước rót để bọt khí khỏi nhơm lỏng cho hiệu khử khí tốt nên kết hợp với dùng trợ dung Lời cám ơn: Cơng trình sản phẩm đề tài B2009-20a-03TĐ Các tác giả biết ơn sâu sắc ban khoa học công nghệ - ĐHQG tp.HCM hỗ trợ tài chính, giúp đỡ tận tình PTN Kim loại hợp kim, PTN trọng điểm công nghệ vật liệu, PTN trọng điểm vật liệu Polime-composite TRANG 41 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol.18, No.K5 - 2015 Refining of degasifying and removing of non-metallic impurities during aluminium alloy production Nguyen Duy Thong Tran Thi Tuyet Nga Dinh Thi Hong Ho Chi Minh city University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT In melting aluminum and aluminum alloy, molten aluminum reacts readily with oxygen, cacbon monoxide and cacbon dioxide; it also reacts with adsorbed water, water present in hydrated oxide films on and hydrogen As a result, a higher level of hydrogen is retained in the metal In solid aluminum, hydrogen in excess of the solution limit can precipitate as H2 at grain boundaries Thus, refining and degasifying metal charges, water vapor in the atmosphere of the furnace to form oxides can be improved mechanical properties of material Keyword: purifying process; degasification; non-metallic impurities TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Г Б Стᴘᴏᴦᴀнᴏв, Выᴄᴏᴋᴏᴨᴩᴏчныᴇ ᴫᴎᴛᴇйныᴇ ᴀᴫɪᴏмᴎнᴎᴇвыᴇ ᴄᴨᴫᴀвы, Моᴄᴋвᴀ, “Мᴇтᴀᴫᴫʏᴘᴦᴎᴙ”, (1985) [2] B И Доϭᴀᴛᴋᴎн Плᴀвᴋᴀ ᴎ лᴎтьᴇ ᴀᴫɪᴏмᴎнᴎᴇвыx ᴄᴨᴫᴀвы, Моᴄᴋвᴀ, “Мᴇтᴀᴫᴫʏᴘᴦᴎᴙ”, (1983) TRANG 42 [3] I.J.Polmear Light alloy Arnold (1995) [4] Nguyễn Duy Thông tập thể đề tài: nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ nấu luyện đúc xử lý nhiệt hợp kim nhơm có độ bền cao AlZn5, 5Mg2, 5Cu1,5 ... tốt tới trình làm nhỏ tạp chất (xem hình 5) Hình Mẫu M4-X20 tạp chất (màu đậm) mẫu tinh luyện trợ dung + thổi khí argon Nhận xét thảo luận Trong trình nấu nhôm xuất nhiều nhôm điểm tạp chất (xem... loại bỏ phần Al2O3 ngược lại – loại bỏ Al2O3 góp phần loại bỏ hyđro Trong tinh luyện hợp kim nhôm lỏng thường sử dụng hai phương pháp: hấp phụ không hấp phụ TRANG 36 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG... TRANG 38 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K5- 2015 Đánh giá lượng tạp chất phân bố tạp theo ảnh kim tương Hình Mẫu M2-X20 tạp chất (màu đậm) mẫu tinh luyện siêu âm Hình Mẫu M1-X20 tạp chất (màu