BIẾN TÍNH HỢP KIM NHÔM ĐÚC A356 BẰNG KIM LOẠI ĐẤT HIẾM (có bản vẽ)

Nhiệm vụ của luận văn yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu: - Tổng quan về kim loại đất hiếm và ứng dụng của kim loại đất hiếm trong luyện kim - Tổng quan về các nghiên cứu liên quan

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

BIẾN TÍNH HỢP KIM NHÔM ĐÚC A356

BẰNG KIM LOẠI ĐẤT HIẾM

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Nguyễn Đức Trường Sơn MSSV: V1203164 – Lớp: VL12KL

Trần Hữu Phú MSSV: V1202769 – Lớp: VL12KL Ngành: Kỹ thuật vật liệu Bộ môn: Kim loại và hợp kim

1 Tên đề tài:

BIẾN TÍNH HỢP KIM NHÔM ĐÚC A356 BẰNG KIM LOẠI ĐẤT HIẾM

2 Nhiệm vụ của luận văn (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

- Tổng quan về kim loại đất hiếm và ứng dụng của kim loại đất hiếm trong luyện kim

- Tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng của kim loại đất hiếm đến cấu trúc

và tính chất của hợp kim nhôm đúc

- Thực nghiệm thăm dò ảnh hưởng của kim loại đất hiếm đến kích thước hạt, kích thước tinh thể nhánh cây và độ cứng của hợp kim nhôm A356 trong khuôn mẫu hóa khí và khuôn kim loại

- Kết luận và đề xuất

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ luận văn:

5 Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà Phần hướng dẫn: Toàn phần

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn

TP HCM, ngày … tháng … năm 2017

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:

Người duyệt (chấm sơ bộ) :

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2017

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN

(Dành cho người hướng dẫn)

1 Họ và tên SV: Nguyễn Đức Trường Sơn MSSV: V1203164 –Lớp: VL12KL

Trần Hữu Phú MSSV: V1202769 – Lớp: VL12KL

Ngành (chuyên ngành): Kim loại và hợp kim

2 Đề tài:

3 Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà

4 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : 158 trang Số chương : 6 chương Số bảng số liệu : 10 bảng Số hình ảnh : 177 hình Số tài liệu tham khảo : tài liệu Phần mềm tính toán : ImageJ, Minitab Hiện vật (sản phẩm) : Các mẫu đúc 5 Tổng quát về của bản vẽ: Số bản vẽ: 0 bản vẽ 0 A0 Số bản vẽ vẽ tay:…0 Số bản vẽ trên máy tính: 0 bản vẽ 6 Nhận xét:

Trang 4

7 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ

8 Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội Đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu):

9 Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB):

10 Điểm (Thang điểm 10): /10

Ký tên (ghi rõ họ tên)

Trang 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2017

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN

(Dành cho người phản biện)

1 Họ và tên SV: Nguyễn Đức Trường Sơn MSSV: V1203164 –Lớp: VL12KL

Trần Hữu Phú MSSV: V1202769 – Lớp:

VL12KL

Ngành (chuyên ngành): Kim loại và hợp kim

2 Đề tài:

3 Họ tên người phản biện: Ths Lê Quốc Phong

4 Tổng quát về bản thuyết minh:

Số trang : 158 trang Số chương : 6 chương

Số bảng số liệu : 10 bảng Số hình ảnh : 177 hình

Số tài liệu tham khảo : tài liệu Phần mềm tính toán: ImageJ, Minitab Hiện vật (sản phẩm) : Các mẫu đúc

5 Tổng quát về của bản vẽ:

Số bản vẽ: 0 bản vẽ

Số bản vẽ vẽ tay:…0… Số bản vẽ trên máy tính: 0 bản vẽ

6 Nhận xét:

Trang 6

7 Đề nghị: Được bảo vệ Bổ sung thêm để bảo vệ Không được bảo vệ

8 Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội Đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu):

9 Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB):

10 Điểm (Thang điểm 10): /10

Ký tên (ghi rõ họ tên)

Trang 8

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ I

LỜI CẢM ƠN

Trong dấu chân hành trình của mỗi con người, bên cạnh những nỗ lực của cá nhân, thành công nào cũng luôn gắn liền với sự hỗ trợ và giúp đỡ từ những người bên cạnh dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp

Lời đầu tiên, chúng em xin phép gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà, người thầy hướng dẫn chính của chúng em trong luận văn này Xin cám ơn thầy vì sự tận tâm mà thầy đã dành cho nhóm em Thầy đã luôn theo sát mỗi bước đi, giúp nhóm định hướng và đáp ứng được các yêu cầu đối với một luận văn tốt nghiệp đại học cần có Bên cạnh đó, thầy vẫn luôn có mặt để hỗ trợ nhóm em trong suốt quá trình thực hiện, truyền cho chúng em những kinh nghiệm của thầy, từ những điều to lớn về mặt kiến thức cho đến những điều nhỏ nhặt như tiêu chuẩn trình bày luôn được thầy góp ý một cách đầy đủ nhất

Thứ hai, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến chú Trung, anh Thiện, anh Trí, là những người trực tiếp tài trợ về nguyên vật liệu và một số thiết bị cho chúng em, giúp nhóm

có thể tiết giảm được một khoảng chi phí khá lớn trong quá trình thực hiện luận văn Ngoài ra nhóm cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô ở bộ môn Kim loại và Hợp kim khoa Công nghệ vật liệu, đặc biệt là thầy Lê Quốc Phong, cô Lương Thị Quỳnh Anh, thầy Trần Văn Khải, đã hỗ trợ và hướng dẫn nhóm em trong quá trình sử dụng các thiết bị và phòng thí nghiệm Cảm ơn bạn bè và các em sinh viên nhóm nghiên cứu

đã phụ giúp mình trong quá trình làm thí nghiệm, dịch thuật tài liệu và viết luận văn Cuối cùng, lời cảm ơn đặc biệt nhất của nhóm muốn gửi đến gia đình, đặc biệt là

ba mẹ Cám ơn ba mẹ đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để tụi con có cơ hội học tập

và đi được đến ngày hôm nay Cám ơn những lời động viên của ba mẹ, sự tin tưởng và tôn trọng tuyệt đối của ba mẹ dành cho các quyết định của tụi con trong con đường lựa chọn tương lai của chính mình

Chúc thầy PGS TS Nguyễn Ngọc Hà, tập thể giảng viên, công viên chức trường Đại học Bách Khoa TP.CHM và bạn bè có thật nhiều sức khỏe và đạt được nhiều thành công trong sự nghiệp và cuộc sống

Trang 9

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ II

Chúc trường Đại học Bách Khoa TP.HCM sẽ không ngừng phát triển hơn nữa, đào tạo được nhiều thế hệ sinh viên ưu tú đóng góp cho quá trình phát triển của Đất nước

Trang 10

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ III

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những thập kỉ qua, việc sử dụng nguyên tố kim loại đất hiếm, đặc biệt là La, Ce,

Nd, Y, Sc và hỗn hợp kim loại đất hiếm trong hợp kim nhôm đã được nghiên cứu rộng rãi Những kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc tế vi của hợp kim nhôm đã được biến tính, tính chất cơ học và tính chất khác như tính dẫn điện và chống ăn mòn của hợp kim được cải thiện rất tốt Sự ảnh hưởng của nguyên tố kim loại đất hiếm trong hợp kim nhôm rất rõ ràng Kim loại đất hiếm rất nhạy với phản ứng hoá học, chúng có thể phản ứng dễ dàng với khí, tạp chất và nền cơ bản trong hợp kim nhôm như khử khí

và xỉ Đồng thời, hợp chất đất hiếm mà có điểm nhiệt độ nóng chảy cao và ổn định có thể thay đổi cấu trúc và cải thiện tính chất của hợp kim nhôm

Nhận thấy được vấn đề, thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà đã phân công cho nhóm

em tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của kim loại đất hiếm (Hợp kim của Lathanium và Cerium) và từ đó thực hiện so sánh đánh giá để chọn ra được hàm lượng nguyên tố đất hiếm tác động tích cực nhất đến hợp kim nhôm

Các hàm lượng đất hiếm được xác định dựa trên các hàm lượng đã được nghiên cứu trước đây, sau đó so sánh và đánh giá bằng cách đúc thử nghiệm hợp kim nhôm A356 trong khuôn kim loại và khuôn mẫu hoá khí Sau khi đúc thử nghiệm, tiến hành đánh giá tổ chức tế vi và độ cứng của mẫu Từ đó so sánh và đánh giá hàm lượng nguyên tố đất hiếm tối ưu nhất để biến tính hợp kim nhôm A356

Trang 11

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ IV

TÓM TẮT NỘI DUNG

Chương 1: Trình bày đại cương về kim loại đất hiếm(khái niệm về nguyên tố kim loại đất hiếm, lịch sử phát triển và ứng dụng của nguyên tố kim loại đất hiếm), các ứng dụng cơ bản của kim loại đất hiếm trong luyện kim và tình hình nghiên cứu và ứng dụng KLĐH trong luyện kim ở Việt Nam, đại cương về A356, đặt vấn đề và nêu rõ nhiệm vụ và nội dung cơ bản của luận văn

Chương 2: Tổng quan về các nghiên cứu về ảnh hưởng của KLĐH đặc biệt là hai nguyên tố KLĐH Lanthanium và Cerium đến cấu trúc và tính chất của hợp kim nhôm A356 và các mác tương đương, từ đó đưa ra kết luận về ảnh hưởng của Lanthannium

và Cerium đến hợp kim nhôm A356 theo các nghiên cứu hiện có

Chương 3: Cơ sở lý thuyết giải thích cơ chế tác động của KLĐH tới hợp kim nhôm bằng việc tinh luyện tinh thể nhánh cây, sự hòa tan La và Ce và dự đoán các hợp chất tạo thành của KLĐH bằng các giản đồ trạng thái, cơ chế của sự tinh luyện làm nhỏ hạt, cơ chế của sự biến đổi hình thái, cơ chế khử khí của KLĐH

Chương 4: Nguyên phụ liệu, trang thiết bị dùng trong thực nghiệm, giới thiệu phần mềm phân tích kích thước hạt ImageJ và Minitab, nêu lên quy trình thí nghiệm chung, quy trình pha sơn nhúng mẫu, quy trình chế tạo hợp kim nhôm A356, quy trình nấu đúc, lựa chọn các thông số cho thí nghiệm, phương pháp đánh giá kích thước hạt, phương pháp đánh giá độ cứng

Chương 5: Phân tích và đánh giá kích thước hạt tại ba vị trí khác nhau, phân tích kích thước tinh thể nhánh cây, đo độ cứng, sau đó phân tích kết quả và đánh giá kết quả thu được, cuối cùng đưa ra kết luận và kiến nghị cho luận văn

Chương 6: Kết luận và kiến nghị Từ kết quả của các thí nghiệm trên ta rút ra kết luận

về sự ảnh hưởng của KLĐH đối với hợp kim đúc nhôm A356 Đồng thời, kiến nghị trong việc nghiên cứu sâu hơn về sự thay đổi các tính chất khác của hợp kim nhôm đúc A356 với sự có mặt của KLĐH

Trang 12

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ V

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Khái niệm về kim loại đất hiếm 1

Khái niệm về nguyên tố kim loại đất hiếm 1

1.1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng của nguyên tố kim loại đất hiếm 4

1.1.2 1.2 Ứng dụng của nguyên tố kim loại đất hiếm trong luyện kim 6

Tình hình nghiên cứu và ứng dụng kim loại đất hiếm trong luyện kim ở Việt 1.2.1 Nam 11

1.3 Đại cương về hợp kim nhôm A356 11

Sơ lược về nhôm và hợp kim nhôm đúc 11

1.3.1 Cơ tính và chế độ nhiệt luyện hợp kim nhôm A356 16

1.3.2 1.4 Đặt vấn đề 19

1.5 Nhiệm vụ và nội dung cơ bản luận văn 20

Nhiệm vụ 20

1.5.1 Nội dung nghiên cứu 20

1.5.2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI 21 CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 39

3.1 Sự tinh luyện tinh thể nhánh cây của kim loại đất hiếm 39

Hình thành và phát triển tinh thể nhánh cây 39

3.1.1 3.2 Sự hoà tan La và Ce vào hợp kim nhôm đúc 42

3.3 Tác dụng làm nhỏ hạt của nguyên tố kim loại đất hiếm 46

3.4 Cơ chế của sự biến đổi hình thái 47

3.5 Cơ chế khử khí của KLĐH 48

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM 49

Trang 13

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ VI

4.1 Mục tiêu và nội dung thực nghiệm 49 Mục tiêu quá trình thực nghiệm 494.1.1

Nội dung thực nghiệm 494.1.2

Phương pháp nghiên cứu và đánh giá 494.1.3

4.2 Nguyên phụ liệu dùng trong thí nghiệm 50 Cát làm khuôn 504.2.1

Mẫu xốp polystyren 514.2.2

Chất sơn mẫu 524.2.3

Kim loại đất hiếm 534.2.4

Trợ dung che phủ khi nấu luyện 534.2.5

Nhôm sạch 544.2.6

4.3 Trang thiết bị (Còn thiếu khuôn kim loại) (Khuôn làm bằng thép C20) 55 Khuôn ép mẫu 554.3.1

Lò điện trở 564.3.2

Thiết bị rung 564.3.3

Hòm khuôn 574.3.4

Thiết bị hút chân không 584.3.5

Một số trang thiết bị khác 584.3.6

Nhóm thiết bị dùng cho thí nghiệm soi kim tương 604.3.7

4.4 Phần mềm phân tích kích thước hạt: 61 Các phương pháp phân tích kích thước hạt 614.4.1

Phần mềm ImageJ và ứng dụng 624.4.2

4.5 Quy trình thí nghiệm chung 634.6 Quy trình pha sơn nhúng mẫu: 63

Trang 14

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ VII

4.7 Quy trình chế tạo hợp kim nhôm A356 65

4.8 Quy trình nấu đúc 65

4.9 Lựa chọn các thông số thí nghiệm: 66

Lựa chọn chiều dày sơn 66

4.9.1 Lựa chọn nhiệt độ rót, độ chân không, hướng rót kim loại 67

4.9.2 Lựa chọn tần số rung và biên độ rung 67

4.9.3 4.10 Lựa chọn thời gian giữ chân không, rung, và giữ vật đúc trong khuôn, lựa chọn %KLĐH đưa vào 67

Bảng tổng hợp các thông số thí nghiệm 68

4.10.1 4.11 Phương pháp đánh giá độ cứng 69

Nguyên lý đo độ cứng Brinell 70

4.11.1 4.12 Phương pháp đánh giá kích thước hạt 72

Các bước cơ bản đánh giá kích thước hạt và kich thước nhánh cây 72

4.12.1 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 76

5.1 Đúc thực nghiệm 76

5.2 Phân tích tổ chức của ảnh chụp tổ chức tế vi 77

5.3 Kết quả soi kim tương và phân tích hạt 79

Phương pháp đúc khuôn mẫu hoá khí (Ảnh chụp tại tâm) 79

5.3.1 Phương pháp đúc khuôn kim loại (ảnh chụp tâm) 84

5.3.2 Phương pháp đúc khuôn mẫu hoá khí (Ảnh chụp tại giữa tâm và biên) 90

5.3.3 Phương pháp đúc trong khuôn kim loai (Ảnh chụp tại giữa tâm và biên) 96

5.3.4 Phương pháp đúc khuôn mẫu hoá khí (Ảnh chụp tại biên) 102

5.3.5 Phương pháp đúc khuôn kim loại (Ảnh chụp tại biên) 108

5.3.6 Tinh thể nhánh cây (Ảnh chụp tại tâm) 113 5.3.7

Trang 15

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ VIII

5.4 Kết quả thực nghiệm 119

5.5 Kết quả đo độ cứng Brinell 121

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123

6.1 Kết luận 123

6.2 Kiến nghị 123

Trang 16

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ IX

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quặng kim loại đất hiếm 1Hình 1.2 Giản đồ pha Al – Si và các dạng tổ chức 12Hình 1.3 Ảnh hưởng của %Si tới cơ tính của Silumin 14Hình 1.4 Thay đổi cơ tính của Silumin đã biến tính 1 và chưa biến tính 2 phụ thuộc vào thành phần Silic trong khuôn cát, 3 đúc trong khuôn kim loại không biến tính [4] 15Hình 1.5 Tổ chức tế vi hợp kim Al – Si (a trước biến tình, b sau khi biến tính) [5] 16Hình 1.6 Pha liên kim β (Al5FeSi) có dạng tấm thô làm giảm đáng kể cơ tính 17Hình 1.7 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc độ 0.6 0C/s 18Hình 1.8 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với tốc độ 0.6 0C/s (quan sát vùng cùng tinh) 19Hình 1.9 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2o C/s [25] 19Hình 2.1 Ảnh hưởng của việc bổ sung Ce vào hợp kim AlSi17 trong nghiên cứu của Stanislav Kores [14] 25Hình 2.2 Cấu trúc tế vi của hợp kim AlSi17 (a) và hợp kim với 1% khối lượng Ce thêm vào (b)trong nghiên cứu của Stanislav Kores [14] 27Hình 2.3 Đường nguội và đường nguội khác nhau của hợp kim A380 với 0.01% Ce và đặc tính nhiệt độ đã được kí hiệu, theo nghiên cứu của M Voncina [11] 28Hình 2.4 Ảnh hưởng của việc bổ sung La và La+Sr vào chiều dài trung bình hạt Si trong hợp kim 356 ( ngôi sao đặc: hợp kim cơ sở chưa biến tính và ngôi sao rỗng: hợp kim cơ sở biến tính Sr) theo nguyên cứu của Emad M Elgallad [21] 36Hình 2.5 Ảnh hưởng của việc thêm Ce và Ce+Sr đến chiều dài trung bình hạt Si trong hợp kim 356 theo nguyên cứu của Emad M Elgallad [21] 36

Trang 17

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ X

Hình 2.6 Ảnh hưởng của La+Ce và La+Ce+Sr vào chiều dài trung bình hật Si trong

hợp kim 356 37

Hình 3.1 Tinh thể nhánh cây và nguyên nhân hình thành 39

Hình 3.2 Tác động của mức độ bổ sung Al-5Ti-0.25C-2RE và thời gian duy trì SDAS của A356[9] 40

Hình 3.3 Giản đồ trạng thái Si-Ce: 44

Hình 3.4 Giản đồ trạng thái Si-La 44

Hình 3.5 Giản đồ trạng thái Al-Ce 45

Hình 3.6 Giản đồ trạng thái Al-La 46

Hình 3.7 Cơ chế tác động của kim loại đất hiếm đến sự biến đổi thù hình của tinh thể 48

Hình 4.1 Các loại hình dạng hạt cát thạch anh 51

Hình 4.2 Hình dạng và kích thước mẫu xốp dùng trong thí nghiêm 52

Hình 4.3 Kim loại đất hiếm dùng trong nghiên cứu 53

Hình 4.4 Trợ dung che phủ nấu nhôm 54

Hình 4.5 Lò điện trở 56

Hình 4.6 Sơ đồ thiết bị rung trong công nghệ đúc mẫu hóa khí 56

Hình 4.7 Thiết bị rung (trái) và biến tần (phải) 57

Hình 4.8 Hòm khuôn 57

Hình 4.9 Thiết bị hút chân không 58

Hình 4.10 Ống pha sơn (trái) và Cân điện tử (phải) 58

Hình 4.11 Cân đồng hồ và mấy khấy 59

Hình 4.12 Cốc đo độ nhớt 59

Hình 4.13 Thiết bị sấy mẫu xốp sau khi sơn 59

Trang 18

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XI

Hình 4.14 Cưa kim loại (trái); máy mài thô (phải) 60

Hình 4.15 Máy đánh bóng (trái); kính hiển vi quang học 60

Hình 4.16 Máy đo độ cứng Brinell 61

Hình 4.17 Phần mềm ImageJ 62

Hình 4.18 Quy trình thí nghiệm chung 63

Hình 4.19 Sơn sau khi khấy và cách đo độ nhớt 64

Hình 4.20 Mẫu sau khi được nhúng sơn và sấy khô 65

Hình 4.21 Vết đo Brinell 70

Hình 4.22 Quy trình đo độ cứng Brinell 71

Hình 5.1 Mẫu đúc 76

Hình 5.2 Giản đồ trạng thái Al-Si với dường thẳng màu đỏ ứng với hợp kim nhôm A356 ( % Si 6.5 - 7% ) và vòng tròn thể hiện tổ chức kết tinh của hợp kim này 77

Hình 5.3 Ảnh chụp mẫu 9 đúc bằng phương pháp đúc mẫu hóa khí với tổ chức kết tinh là α + (α + Si) 78

Hình 5.4 Ảnh chụp mẫu 9 đúc bằng phương pháp đúc trong khuôn kim loại với tổ chức kết tinh là α + (α + Si) 78

Hình 5.5 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng imagej 79

Hình 5.6 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 79

Trang 19

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XII

Hình 5.29 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 86

Trang 20

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XIII

Trang 21

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XIV

Trang 22

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XV

Hình 5.82 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 103Hình 5.83 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 104Hình 5.84 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 104Hình 5.85 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 104Hình 5.86 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 105Hình 5.87 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 105Hình 5.88 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 105Hình 5.89 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 106Hình 5.90 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 106Hình 5.91 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 106Hình 5.92 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 107Hình 5.93 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 107Hình 5.94 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 107Hình 5.95 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 108Hình 5.96 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 108Hình 5.97 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 108Hình 5.98 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 109Hình 5.99 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 109Hình 5.100 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 109Hình 5.101 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 110Hình 5.102 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 110Hình 5.103 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 110Hình 5.104 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 111

Trang 23

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XVI

Hình 5.105 Ảnh soi kim tương 111Hình 5.106 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 111Hình 5.107 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 112Hình 5.108 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 112Hình 5.109 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 112Hình 5.110 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 113Hình 5.111 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 113Hình 5.112 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 113Hình 5.113 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 114Hình 5.114 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 114Hình 5.115 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 114Hình 5.116 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 114Hình 5.117 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 115Hình 5.118 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 115Hình 5.119 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 115Hình 5.120 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 116Hình 5.121 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 116Hình 5.122 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 116Hình 5.123 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 117Hình 5.124 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 117Hình 5.125 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 117Hình 5.126 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 117Hình 5.127 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 118

Trang 24

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XVII

Hình 5.128 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 118Hình 5.129 Ảnh soi kim tương và ảnh phân tích bằng ImageJ 118Hình 5.130 Kích thước hạt và biểu đồ phân bố kích thước hạt 118Hình 5.131 Biểu đồ kích thước hạt tại tâm, biên và giữa tâm - biên 119Hình 5.132 Biểu đồ tinh thể nhánh cây tại biên 120Hình 5.133 Kết quả đo độ cứng Brinell 121

Trang 25

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ XVIII

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất nguyên tử của KLĐH ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển [1] 2Bảng 1.2 Thành phần hợp kim A356 17Bảng 2.1 Đặc tính nhiệt đọ của sự đông đặc từ STA, theo nghiên cứu của M Voncina [11] 28Bảng 3.1 Thành phần La và Ce trong KLĐH để khảo sát sự biến tính hợp kim nhôm A356 43Bảng 4.1 Tóm tắc thiết bị dùng trong đúc mẫu hóa khí 55Bảng 4.2 Thiết bị dùng trong thí nghiệm soi kim tương 60Bảng 4.3 Thông số độ nhớt và thời gian nhúng: 66Bảng 4.4 Giá trị thành phần KLĐH và phương pháp đúc trong các thí nghiệm 68Bảng 4.5 Các thông số cố định 69Bảng 4.6 Các thang đo Brinell với hệ số L/D2 khác nhau 72

Trang 27

GVHD: PGS.TS NGUYỄN NGỌC HÀ TRANG 1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Khái niệm về kim loại đất hiếm

Khái niệm về nguyên tố kim loại đất hiếm

1.1.1.

KLĐH là những nguyên tố thuộc nhóm IIIA thuộc Bảng hệ thống tuần hoàn Menđêlêep gồm nhóm Lantan (từ Lantan có số thứ tự nguyên tử 57 đến Lutexi có số thứ tự nguyên tử 71) và hai nguyên tố Scandi (21) và Ytri (39) là hai nguyên tố có tính chất hóa kim loại giống các nguyên tố nhóm Lantan, thông thường trong tự nhiên chúng cũng tồn tại lẫn trong trong quặng đất hiếm

Hình 1.1 Quặng kim loại đất hiếm Tính chất nguyên tử của nguyên tố KLĐH được giới thiệu trong bảng 1.1 Đây là những nguyên tố kim loại chuyển tiếp loại d (Sc và Y) là loại f (nhóm Lantan) Do đặc trưng cấu hình điện tử của nguyên tử, phần lớn các nguyên tố KLĐH có 2 nguyên tử ở trạng thái 6s và 1 điện tử ở trạng thái 5d nên thông thường chúng đều có hóa trị 3 và

Trang 28

Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Ln) Việc phân chia này xuất phát từ sự biến đổi một số tính chất mang tính chu kì trong nhóm Lantan, liên quan đến đặc trƣng cấu hình điện tử của nguyên tố KLĐH Những nguyên tố thuộc nhóm con Ceri và nguyên tố Europy đôi khi còn đƣợc gọi là nguyên tố KLĐH nhẹ, còn nhóm Ytexi, trừ Europi, đôi khi còn đƣợc gọi là nguyên tố KLĐH nặng (mặc dù hoàn toàn không “nặng”) Các nguyên tố: Sm,

Eu, Gd, Tb, và Dy, đôi khi còn đƣợc gọi là nguyên tố kim loại đất hiếm trung gian Việc phân chia này liên quan từ đặc trƣng trạng thái hóa kim loại của các nguyên tố Bảng 1.1 Tính chất nguyên tử của KLĐH ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển[1]

Cấu hình điện tử của nguyên tử

Hóa trị

Bán kinh ion 3+

nm

Bán kính nguyên tử

nm

Tỷ trọng g/cm3

Trang 29

Ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển nhóm các nguyên tố KLĐH, trừ nguyên tố

Eu có cấu trúc tinh thể lập phương thể tâm, có 4 loại cấu trúc mang tinh thể kim loại là lục giác xếp chặt, lục giác xếp chặt đặc biệt, lập phương diện tâm và mạng cấu trúc tinh thể mặt thoi dạng α-Sm Như vậy, ngoài 3 dạng cấu trúc tinh thể thông thường của kim loại ( lập phương thể tâm, lập phương diện tâm và lục giác xếp chặt), nhóm nguyên tố KLĐH còn có thêm 2 dạng cấu trúc mạng tinh thể khác là lục giác xếp chặt đặc biệt và mặt thoi

Cũng như các kim loại chuyển tiếp, kim loại nhóm Lantan và Actini đều có một hoặc nhiều dạng thù hình Chuyển biến thù hình của các nguyên tố kim loại, thông thường quan sát thấy xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng Nhưng trong nhóm nguyên tố kim loại đất hiếm còn tồn tại dạng chuyển biến pha loại một, đưa đến làm biến đổi cấu trúc mạng tinh thể ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng Chuyển biến từ dạng tinh thể lục giác xít chặt sang cấu trúc tinh thể mặt thoi Tecbi và Dixprozi là một thí dụ Khi có động lực chuyển biến không phải là sự chuyển đổi động học mang tinh thể mà là sự biến đổi cấu trúc điện tử và cấu trúc từ Theo V.A.Finkel trong nhiều nghiên cứu vô cùng tỉ mỉ người ta đã xác định được sự tồn tại của ba dạng thù hình ở nhiệt độ thấp của Ceri, đó là α’ – Ce; α – Ce và β – Ce (ở nhiệt độ phòng là γ - Ce)

Trang 30

Tuy nhiên chuyển biến thù hình rất đặc trưng của hầu hết chuyển biến thù hình quan sát được trong nhóm các nguyên tố KLĐH là chuyển biến từ γ – Ce có cấu trúc mạng tinh thể lập phương diện tâm sang β – Ce có cấu trúc mạng tinh thể lục giác xếp chặt khi hạ nhiệt độ xuống từ -100C đến -430

C Tác giả E M Xavitski và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm và xác định được khoảng nhiệt độ xảy ra chuyển biến thù hình γ-

>β và β->γ của Ceri là nhiệt độ: -23±30

Đúng như Viện sĩ B.M.Xaviaki đã từng đánh giá, các nhà khoa học và kỹ thuật rất quan tâm đến các nguyên tố KLĐH bởi vì những kim loại này và cả những hợp chất của nó với các nguyên tố khác tạo nên nguồn vật liệu vô tận có các tính chất hóa

lý đặc biệt Ngày nay, thật khó tìm được lĩnh vực hoạt động nào của con người mà không sử dụng nguyên tố KLĐH và các hợp chất của nó Nhiều nước trên thế giới như Nga, Mỹ, Nhật, Trung Quốc… đều khẳng định việc đầu tư nghiên cứu ứng dụng nguyên tố KLĐH vào các ngành công nghiệp đã đạt được hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao Vì vậy việc sản xuất và ứng dụng các chế phẩm vật liệu có chứa KLĐH trong công nghiệp pháp triển rất nhanh Nước Mỹ là một ví dụ: Trước năm 1950, lượng nguyên liệu có chứa nguyên tố KLĐH sử dụng trong công nghiệp luyện kim ở Mỹ không đáng kể cho đến năm 1968 đã sử dụng tới 6800 tấn và năm 1977 là 14500 tấn Đầu những năm 1960, người ta dự đoán năm 2000 ngành luyện kim ở Mỹ sẽ sử dụng khoảng 17800 – 19000 tấn sản phẩm nguyên liệu có chứa nguyên tố KLĐH nhưng thực tế con số đã tăng vượt gấp nhiều lần Các nước khác cũng tương tự Năm 2000, theo con số thống kê không chính thức, các nước phương tây (trừ Mỹ) đã sử dụng

Trang 31

từ Intermag ở Stuttgat ( Cộng hòa Liên bang Đức), K.J.Struat và G.Hoffer đã báo cáo

về kết quả đo kiểm tính dị hướng từ của hợp chất YCo3 và Y2Co17 Phát minh này cho thấy YCo3 là vật liệu nam châm đặc biệt với tính dị hướng tinh thể từ đơn trục cực kỳ cao Những năm sau đó người ta đã xác lập được rất nhiều mác nam châm vĩnh cửu trên cơ sở hợp kim KLĐH – Co, có công thức tổng quát là M (CoX)5, ở đây M – nguyên tố KLĐH; X có thể là Cu, Fe hoặc cả Cu và Fe, thí dụ như các hợp kim nam châm vĩnh cửu: (SmCe)Co5, SmCo3, Sm(CoFeCu)2, hay (SmCe)(CoFeCu)5… Những vật liệu từ cứng này thỏa mãn hàng loạt các yêu cầu như độ ổn định của tính chất từ với nhiệt độ rất cao, có lực kháng từ và năng lượng từ rất cao, đặc biệt là tính ổn định khi phải chịu tác động cơ học hoặc hóa học, sử dụng các nam châm vĩnh cửu này cho phép giảm trọng lượng tới 70% so với nam châm Fe – Co thông thường khi các tính chất từ là như nhau Ngày nay nam châm vĩnh cửu chế tạo từ hợp chất KLĐH với Co

có năng lượng từ cao được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và các ngành kinh

tế quốc dân khác [1]

Hướng thứ 2: Là sử dụng một lượng nhỏ nguyên tố KLĐH để làm tăng chất lượng sản phẩm, hạ giá thành các quy trình công nghệ và nâng cao năng lực sản xuất Thí dụ điển hình cho hướng này là ứng dụng nguyên tố KLĐH trong sản xuất thủy tinh pha lê và trong luyện kim

Trong công nghiệp thủy tinh, nếu như độ rực rỡ sắc màu của thủy tinh là do tương tác của các oxyt kim loại thì độ trong suốt của thủy tinh pha lê phụ thuộc phần

Trang 32

1.2 Ứng dụng của nguyên tố kim loại đất hiếm trong luyện kim

Gang cầu Các loại đất hiếm đóng vai trò hàng đầu trong việc phát hiện và phát

triển của gang cầu (Linebarger và McCluhan 1981) Gang cầu có tính chất tương tự như thép cacbon thấp và về cơ bản là một gang dẻo Kết quả phân tích cho thấy graphite dạng mảnh trong gang được chuyển đổi thành các dạng cầu Trong những năm 1940 người ta đã được phát hiện ra rằng graphit có dạng hình cầu có thể được sản xuất thường xuyên trong các phòng thí nghiệm bằng việc thêm vào 0.02% Ce Các nguyên tố đất hiếm làm sạch các nhân tố cản trở sự tăng trưởng của graphit cầu và các hợp chất tạo thành của chúng sau đó cung cấp chất nền cho mầm graphite Tính chất vật lý và tính đúc tốt của nó đã làm gang cầu trở thành vật liệu xây dựng được ưa chuộng, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô Trong sản xuất gang cầu, đất hiếm được thêm vào dạng hỗn hợp kim loại đất hiếm hoặc các quặng đất hiếm thô nhưng các hỗn hợp kim loại đất hiếm có độ tinh khiết thấp chủ yếu là do các vấn đề về chi phí sản xuất vào thời điểm này (Davies 1981).[2]

Sau đó kim loại Magie đã nổi lên như một đối thủ cạnh tranh với các nguyên tố đất hiếm cho việc biến tính cầu hóa graphit trong gang, đe dọa cho việc tiếp tục sử dụng các hỗn hợp kim loại đất hiếm cho mục đích này (Falconnet 1988)

Trang 33

Hiện nay gang cầu được được biến tính cầu hóa bằng hỗn hợp chứa cả Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm khác Sau đó người ta còn cho biến tính lần hai bằng các nguyên tố graphit hóa như FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang

Thép Các ảnh hưởng có hại của lưu huỳnh trên các tính chất cơ học của vật đúc

cũng được nghiên cứu Sắt sulfua hình thành và tập trung ở ranh giới giữa các tổ chứa sau khi kết tinh Tính chất cơ học của thép như vậy rất giòn và dễ bị phá vỡ trong quá trình làm việc Khi sử dụng các nguyên tố đất hiếm vào thép tạo với lưu huỳnh các hợp chất ổn định như KLĐH2S3 hoặc KLĐH2S2O Các hợp chất này có xu hướng để tạo thành các tổ chức hình cầu hoặc bao lấy các tổ chức hình cầu mà không tập trung ở ranh giới hạt, do đó nâng cao độ dẻo của thép lên rất nhiều (Luyckx 1981) Các sulfit

và oxysulfit rất ổn định ở khoảng nhiệt độ sản xuất thép và không giống như các MnS, chúng không biến dạng cũng không mọc dài ra trong điều kiện chế tạo Khi hàm lượng đất hiếm được tăng lên, MnS tạo ra bị thay thế bởi oxysulfides hoặc sulfide của đất hiếm Sự ổn định của các sulfide đất hiếm làm giảm bớt các tác động có hại của tạp MnS dạng dài về độ dẻo dai Bên cạnh những cải tiến về tính dẻo của thép, bổ sung đất hiếm cũng cải thiện khả năng bền mỏi, và một số tính chất cơ học khác của thép (Collins et al 1961, Linebarger và McCluhan 1981) Các loại đất hiếm phản ứng khá hiệu quả với hydro trong thép và lượng hydro còn lại trong thép cũng thấp hơn hàm lượng hydro đã khuếch tán vào kim loại lỏng.[2]

Đất hiếm được thêm vào thép ở dạng hỗn hợp KLĐH hay quặng đất hiếm (chứa KLĐH 30%), và các hợp kim trung gian như như Fe-Si-10 KLĐH, Mg-Fe-Si-0,1-0,2 RKĐH Hiệu quả của các kim loại đất hiếm cho vào thép theo các dạng được sử dụng nêu trên là như nhau, và hàm lượng hỗn hợp KLĐH thường được thêm vào các hợp kim của kim loại màu là khoảng 0,1-0,2% Mặc dù được thêm vào với hàm lượng khá nhỏ nhưng cũng ảnh hưởng biến tính rất đáng kể đến tính chất của gang cầu và thép Bắt đầu từ cuối những năm 1960, việc bổ sung KLĐH và sản xuất thép đã được ứng dụng rộng rãi Việc thực hành thêm đất hiếm để gia tăng độ cứng đã được xem xét bởi Wauby (1978) Một vài kilogram hỗn hợp KLĐH đã được thêm vào mỗi tấn thép đặc biệt được sử dụng trong các sản xuất của một đường ống dẫn dầu Alaska vì hỗn hợp KLĐH cải thiện cơ tính và tính chất của thép rất tốt trong điều kiện giá rét Bởi vì việc

Trang 34

sử dụng KLĐH trong thép đường ống Alaska, làm cho nhu cầu sử dụng hỗn hợp KLĐH gia tăng nhanh chóng trong khoảng 1971-1978 Mặc dù thực tế là lượng tiêu thụ KLĐH là lớn trong ngành công nghiệp sắt thép, nhưng so với trọng tải của ngành công nghiệp luyện thép thì các nguyên tố nhóm Lantan được sử dụng thực sự rất nhỏ (Haskin và Paster 1979) Việc sử dụng đất hiếm ở các dạng của quặng đất hiếm, hỗn hợp KLĐH trong thép bùng nổ nhanh chóng trong năm 1970 và đạt đỉnh điểm khoảng năm 1975 Kể từ đó thị trường sản phẩm đất hiếm chậm lại do lợi ích của canxi cho khử lưu huỳnh để thép sạch hơn (Falconnet 1988)

Siêu hợp kim Trong những năm 1960, các nhà nghiên cứu tại General Electric

phát hiện ra rằng thép không gỉ cho thêm vào nhôm và yttrium có khả năng đặc biệt là chống ăn mòn ở nhiệt độ cao Bắt đầu từ đó và cho đến khoảng năm 1975, các hợp kim đã được sản xuất nhưng ứng dụng hạn chế trong ngành công nghiệp hạt nhân (Davies 1981) Hợp kim này, được gọi là "hợp kim của Fe-Cr" để biểu thị sự hiện diện của Fe, Cr, Al, và Y trong nó Lanthanum cũng được sử dụng cho các hợp kim trên nền tản sắt ở nhiệt độ cao (Davies 1981) Một hợp kim với 200 ppm lanthanum kết hợp khả năng chống oxy hóa đến 1.100 ° C với độ dẻo tốt và dễ chế tạo [2]

Siêu hợp cơ bản là một tổ hợp của các hợp kim chịu nhiệt được sử dụng trong các động cơ tua bin khí, máy phát điện, vòi phun động cơ phản lực xả, tàu phản ứng

và, nói chung, như một loại vật liệu trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao dữ dội Một số nguyên tố đất hiếm được thêm để siêu hợp, các nguyên tố đất hiếm được thêm vào để tăng cường quá trình chống oxy hóa của các hợp kim này Yttrium là thành phần có trong M-Cr-Al -Y (Fe-Cr-Al-Y, Ni-Cr-Al-Y, Co-Cr-Al-Y) của siêu hợp Sự

ổn định của Al-Cr đã được tăng cường bởi các hoạt động của nguyên tố KLĐH Yttrium Các hợp kim, ngay cả khi áp dụng bằng cách lắng đọng hơi, hình thành một lớp oxit đặc khít bảo vệ hợp kim bên trong bởi vì yttrium đã ngăn chặn sự hình thành các lỗ rỗng tại bề mặt oxit / chất nền, do đó hiệu quả của việc chống oxi hóa là rất cao Lantanium và Cerium cũng đóng một vai trò tương tự trong các hợp chất siêu hợp kim của niken và coban Cerium được sử dụng với số lượng từ 100 đến 300 ppm trong một

số hợp kim niken để kiểm soát lưu huỳnh và oxy Ngoài ra Lantan được thêm vào từ 200-400 ppm cho việc sản xuất tubin khí làm việc ở nhiệt độ cao trên cơ sở hợp kim

Trang 35

Coban-Niken Minh họa như việc lanthanum làm tăng nhiệt độ hoạt động tốt của hợp kim trên cơ sở Niken Hastelloy-K từ khoảng 950°C đến 1.100°C Nếu không có Lanthanum, những hợp kim hiện nay ít có khả năng chống oxy hóa theo thời gian dài,

vì Lanthanum đã trong một lớp oxit ràng buộc vững chắc Hỗn hợp KLĐH ở nồng độ nhỏ (0,03-0,05%) bổ sung vào hợp kim điện trở như Ni-Cr20 tạo ra sự hình thành các lớp oxit bề mặt dày đặc và dính chắc hơn, dẫn đến một sự gia tăng gấp mười lần vòng đời của sản phẩm, từ 1.000 đến 10.000 h Việc thêm vào Xeri cho hợp kim Cu chịu nhiệt độ cao dùng cho hàng không vũ trụ (Al-8Fe-4Ce) của Alcoa để tăng cường sức khả năng chống oxy hóa của nó đã được coi như một tương lai mới đầu tiên cho việc ứng dụng của xeri kim loại với quy mô công nghiệp Thông thường chỉ cần sử dụng ít hơn 1% nguyên tố KLĐH để gia tăng 1 cách đáng kể khả năng chống oxi hóa của các siêu hợp kim [2]

Hợp kim nhôm Các ứng dụng đặc biệt của KLĐH với hợp kim Al, đặc biệt là các

hợp kim Al đúc trên thế giới đã phát triển rất nhiều năm, người ta cho rằng KLĐH có khả năng tinh luyện làm nhỏ hạt, giảm kết tinh nhánh cây, tăng cơ tính và độ dẫn điện… Các nghiên cứu này sẽ được đề cập chi tiết trong các phần sau

Hợp kim Magiê Các tác dụng có lợi của việc bổ sung các nguyên tố đất hiếm cho

hợp kim Magie đã được phát hiện vào cuối những năm 1930 bởi Haughten và Prytherch (1937) Sauerwald (1947) phát hiện ra phương pháp tinh luyện hạt đặc biệt của Zirconi- Magiê Murphy và Payne (1947) cho thấy, các chất phụ gia đất hiếm thì tương thích với Zirconi và cải thiện tính chất bằng cách kết hợp cả hai loại đất hiếm và Zirconi Đến nay, kẽm (Emley 1966) hoặc bạc cũng được cũng có thể dùng làm chất phụ gia cho các hợp kim này

Ở nhiệt độ cao, so với các hợp kim magiê thường, hợp kim magiê có chứa khoảng 3% KLĐH và 1% Zr làm tăng độ bền mỏi (Kremers 1961) Cường độ cao hơn đáng kể ở mọi nhiệt độ thu được bằng cách sử dụng Di (Nd + Pr) ở vị trí của hỗn hợp của các KLĐH như thành phần hợp kim Các hợp kim Magiê thế hệ mới chứa đất hiếm riêng biệt Một trong hai hợp kim Magiê để sử dụng trong động cơ hiệu suất cao cho máy bay, tên lửa vũ trụ và vệ tinh, có thể như đúc, chứa 4% kim loại kẽm và 1% hỗn

Trang 36

hợp các KLĐH và có thể được sử dụng trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao 160°C Các hợp kim còn lại, trong đó có 5,5% Yttrium, 3,5% KLĐH khác, và 0,5% Zirconi, ổn định ở nhiệt độ lên đến 280 ° C (theo Jackson và Christiansen 1993) Một hợp kim Mg-Al-Zn-Nd có khả năng chống ăn mòn tốt trong một dung dịch muối chứa nước và một hợp kim Mg-Y Nd-Zr đã được chứng minh là có khả năng chống ăn mòn tốt, khả năng đúc (độ chảy loãng) tốt, và ổn định lên đến 300°C Tinh luyên hạt của đất hiếm, cải thiện sức mạnh, độ dẻo, độ dai, khả năng hàn, khả năng gia công, và khả năng chống ăn mòn trong các hợp kim [2]

Việc cải thiện các hợp kim Mg-Y-Nd-Zr có sẵn, trọng lượng thấp hơn kháng rão cao hợp kim gồm Mg-Sc-Mg-Zr đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại TU Clausthal, Đức (Hedrick, 2001)

Hợp kim Titan Hợp kim Titanium Yttrium, ở nồng độ khoảng 200 ppm, đã được

tìm thấy để cải thiện độ dẻo và dễ chế tạo hồ quang chân không tan chảy các hợp kim Titan (Davies 1981) Hợp kim vi lượng của hợp kim Titan khác nhau với đất hiếm cũng dẫn đến cải thiện cường độ, stressrupture, và khả năng chống oxy hóa

Cơ tính các hợp kim titan gia tăng nhanh chóng (khi thêm nguyên tố đất hiếm, đặc biệt là Y, Nd, Er, hoặc Ce dao động 1-2%) cho thấy những cải tiến cho cường độ mạnh ở nhiệt độ tới hạn cao, giảm việc gãy do ứng suất, và độ bền mỏi tăng Er hoặc

Y được coi là cho hiệu quả cao nhất (Mahajan và Rama Rao 1988)

Trong hợp kim đồng, việc bổ sung các KLĐH hoặc Yttrium để không có oxi hóa

và làm tăng khả năng dẫn điện (OFHC) đồng giúp tăng cường chống oxy hóa mà không ảnh hưởng đến tính dẫn điện.Ví dụ, kháng oxy hóa tăng gần gấp đôi ở 600°C khi 0,1% trọng lượng Y đã được bổ sung vào đồng [2]

Hợp kim kẽm Hợp kim Kẽm với nguyên tố KLĐH là một thành phần trong hợp

kim Galfan (Zn-5% Al-0,05% MM) được sử dụng trong mạ phòng tắm Hợp kim này, được phát triển bởi Tổ chức nghiên cứu chì-kẽm quốc tế, là hợp kim tốt nhất đối với chống ăn mòn và độ thấm đạt tiêu chuẩn với tấm thép mạ kẽm và độ dày của lớp phủ bằng nhau và có thể so sánh việc mạ và khả năng hàn (Radtke và Herrschaft 1983) [2]

Trang 37

để biến tính gang, người ta có thể sản xuất được những chi tiết cơ khí đúc bằng gang cầu có độ bền cao đạt gần tương đương với độ bền của thép, giá thành hạ Đã có rất nhiều nhà máy cơ khí ở Việt Nam triển khai ứng dụng phương pháp công nghệ này và thu được kết quả khả quan.[1]

Một công trình nghiên cứu khoa học của GS.TSKH Phạm Phố thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào năm 1973 [tạp chí mỏ - luyện kim N013 năm 1973] có thể được coi là một trong những công trình nghiên cứu tổng quan lý thuyết và thực nghiệm đầu tiên về ứng dụng nguyên tố KLĐH trong sản xuất thép hợp kim ở Việt Nam Cùng với Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội một số viện nghiên cứu luyện kim như Viện Luyện kim đen Bộ công nghiệp Viện công nghệ Bộ Quốc phòng, viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và công nghệ Quốc gia đã triển khai các đề tài nghiên cứu tổng quan lý thuyết và triển khai các đế tài nguyên cứu thực nghiệm thuộc chương trình nghiên cứu cấp Nhà nước từng bước đưa ra công nghệ sử dụng nguyên tố KLĐH vào xử lý thép lỏng nâng cao chất lượng nấu luyện các mẻ thép hợp kim Nhưng kết quả này là rất khả quan, tuy nhiên, mới chỉ là bước đầu Với mục đích sử dụng hiệu quả và ứng dụng rộng rãi nguồn nguyên liệu nguyên tố KLĐH vào sản xuất thép, đặc biệt là sản xuất thép hợp kim tạo phôi cho cơ khí, việc đầu tư nguyên cứu sâu

lý thuyết và công ngệ trong lĩnh vực này là cần thiết.[1]

1.3 Đại cương về hợp kim nhôm A356

Sơ lược về nhôm và hợp kim nhôm đúc

1.3.1.

Nhôm là kim loại nhóm III, số thứ tự 13 trong bản tuần hoàn Mendeleev Cấu hình điện tử của nhôm là : 1s22s22p63s2 3p1 Với khối lượng riêng bằng 2,7 g/cm3, so

Trang 38

với sắt, nhôm nhẹ hơn khoảng gần 3 lần Chỉ tiêu này rất quan trọng đối với các lĩnh vực, khi đòi hỏi sự giảm khối lượng của chi tiết và của cả hệ thống đến mức nhỏ nhất,

ví dụ, ngành hàng không, vũ trụ, hoặc các phương tiện giao thông vận tải

Hợp kim nhôm-silic còn gọi là silumin là họ hợp kim được dùng nhiều nhất,

chiếm khoảng 50% số hợp kim đúc được dùng trong công nghiệp giao thông vận tải bởi nó có tỉ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ, khả năng dẫn nhiệt tốt (151 ÷ 163 W/mK), giãn nở nhiệt nhỏ, chống ma sát tốt và chịu được nhiệt độ cao Các silumin được phân thành hai loại cơ bản silumin đơn giản và silumin phức tạp Silumin đơn giản thành phần chỉ gồm Al và Si Silumin phức tạp được hợp kim hoá thêm một số nguyên tố khác như Cu, Mg, Mn… Giản đồ trạng thái Al-Si được trình bày trên hình 1.2

Theo giản đồ trạng thái, ta thấy về tổ chức, silumin có các thành phần như sau: α: dung dich rắn, hoà tan ít silic

[α + cùng tinh (α + Si)]: hợp kim silumin trước cùng tinh

Cùng tinh (α + Si) gồm có những hạt Si hình kim trên nền α

Sau cùng tinh [Si(thô to) + cùng tinh (α + Si)]

Hình 1.2 Giản đồ pha Al – Si và các dạng tổ chức

Trang 39

Tinh thể Si thứ nhất (Si I) thô to kết tinh ở dạng khối đa diện chỉ xuất hiện khi

%Si > 12% Tinh thể Si rắn, giòn làm giảm cơ tính nhiều nhưng lại làm tăng khả năng chống ma sát Si là nguyên tố hợp kim cơ bản nó làm cho hợp kim có tính chảy loãng cao, tính đúc và tính rèn tốt Hệ số giãn nở nhiệt thấp của hợp kim Al-Si rất thích hợp trong công nghiệp sản xuất piston, bởi vì các hạt Si có độ cứng khá cao, rất tốt cho khả năng chịu mài mòn Lượng Si lớn nhất trong hợp kim đúc vào khoảng 20-24%, nhưng nếu chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột thì có thể lên tới 40-50% Ảnh hưởng của Si đến cơ tính của hợp kim được trình bày trên hình 1.3

Đưa thêm Mg (từ 0,3% đến 1%) cho phép cải thiện đáng kể cơ tính của hợp kim Al-Si

Các vật đúc từ hợp kim Al-Si-Mg đều được nhiệt luyện hóa bền Silumin có thêm một lượng nhỏ Mg khoảng 0,3÷0,9% sẽ có khả năng nhiệt luyện vì Mg có tác dụng thúc đẩy quá trình hoà tan của Si vào nhôm Pha Mg2Al tiết ra ở dạng phân tán khi hóa già sẽ nâng cao cơ tính của chi tiết Sau nhiệt luyện, độ bền tăng khá nhiều (có thể gấp đôi) nhưng độ dẻo có giảm Dùng nhiều Mg thì độ dẻo kém Chẳng hạn như các silumin phức tạp ADC9, ADC14 (Aluminum Die Casting - JIS) có chứa 0,15% Mg dùng để chế tạo các chi tiết không qua biến tính và hóa già Độ bền, độ dẻo tương đối cao, tính đúc tốt Magiê làm tăng độ bền rõ rệt, đặc biệt là sau khi nhiệt luyện nhưng

lại làm giảm tính đúc Trong trường hợp cho thêm đồng (từ 3%-5%) sự có mặt một

lượng nhỏ magiê sẽ cải thiện thêm khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện

Khả năng nhiệt luyện

Đối với hợp kim Al-Si, tác dụng khi nhiệt luyện không lớn lắm do bản thân Al và

Si không tạo thành những hợp chất có tác dụng tăng bền Vai trò này thường nhờ tới các chất khác như Mg…Khi được hợp kim hóa bằng Mg thì sẽ tạo thành hợp chất

Mg2Si là pha hóa bền Hợp kim AlSi cùng tinh hoặc gần cùng tinh có độ quá bão hòa

Si thấp nên hiệu quả hóa bền khi nhiệt luyện thấp, do đó ít khi nhiệt luyện

Trang 40

Hình 1.3 Ảnh hưởng của %Si tới cơ tính của Silumin Việc lựa chọn hợp kim đúc để tiến hành thí nghiệm phải dựa trên quan điểm sao cho phù hợp với công nghệ của phòng thí nghiệm và có tính chất tối ưu đảm bảo cho thí nghiệm đạt hiệu quả rõ rệt nhất, ít yếu tố gây ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm Trong các hợp kim nhôm đúc hiện nay, các tính chất công nghệ (tính đúc, khả năng gia công biến dạng) là yêu cầu quan trọng nhất để lựa chọn hợp kim cho thí nghiệm Vai trò của tính công nghệ với họ hợp kim nhôm đúc được lựa chọn là đặc biệt quan trọng Bởi vì tính đúc bao gồm độ chảy loãng, xu hướng đúc nóng, thiên tích

và rỗ co Do đó, ta lựa chọn hợp kim nhôm đúc là hợp kim Al – Si (Silumin) làm hợp kim thí nghiệm, có %Si 5 đến 20%, các hợp kim này có tính đúc tốt nhất trong các hợp kim nhôm đúc Ngoài ra, còn có tổ chức sau đúc thô to, dạng gậy, tổ chức như vậy kém bền kém dẻo Vì lý do đó ta dễ dàng sử dụng các nguyên tố đất hiếm để gia công biến tính, biến đổi tổ chức thô to đó

Tuy nhiên để thấy được hiệu quả một cách rõ rệt của việc đưa nguyên tố kim loại đất hiếm vào hợp kim để biến tính còn phụ thuộc vào thành phần Silic có trong

Định dạng
Số trang	153
Dung lượng	15,8 MB