biến tính hợp kim nhôm đúc a356 bằng kim loại đất hiếm

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

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

SVTH: NGUYỄN ĐỨC TRƯỜNG SƠN V1203164 TRẦN HỮU PHÚ V1202769 LỚP: VL12KL

GVHD: PGS TS NGUYỄN NGỌC HÀ

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 thướctinh thể nhánh cây và độ cứng của hợp kim nhôm A356 trong khuôn mẫu hóa khí và khuôn kimloại

- 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:

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

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:

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

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

4 Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang : trang Số chương : 5 chương Số bảng số liệu : bảng Số hình ảnh : 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 A0 Số bản vẽ vẽ tay:…0 Số bản vẽ trên máy tính: 0 bản vẽ 6 Nhận xét:

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)

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

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:

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

3 Họ tên người phản biện: Ths Lê Quốc Phong

4 Tổng quát về bản thuyết minh:

Số trang : trang Số chương : chương

Số bảng số liệu : bảng Số hình ảnh : 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

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)

LỜI CẢM ƠN

Trong dấu chân hành trình của mỗi con người, bên cạnh những nỗ lực của cánhân, thành công nào cũng luôn gắn liền với sự hỗ trợ và giúp đỡ từ những người bêncạnh 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.TSNguyễn Ngọc Hà, người thầy hướng dẫn chính của chúng em trong luận văn này Xincám ơn thầy vì sự tận tâm mà thầy đã dành cho nhóm em Thầy đã luôn theo sát mỗibước đi, giúp nhóm định hướng và đáp ứng được các yêu cầu đối với một luận văn tốtnghiệp đại học cần có Bên cạnh đó, thầy vẫn luôn có mặt để hỗ trợ nhóm em trongsuốt quá trình thực hiện, truyền cho chúng em những kinh nghiệm của thầy, từ nhữngđiều to lớn về mặt kiến thức cho đến những điều nhỏ nhặt như tiêu chuẩn trình bàyluôn 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 nhữngngười 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 Hợpkim khoa Công nghệ vật liệu, đặc biệt là thầy Lê Quốc Phong, cô Lương Thị QuỳnhAnh, thầy Trần Văn Khải, đã hỗ trợ và hướng dẫn nhóm em trong quá trình sử dụngcác 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 vàtôn trọng tuyệt đối của ba mẹ dành cho các quyết định của tụi con trong con đường lựachọn tương lai của chính mình

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

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 Đấtnước.

Tp HCM, ngày 25 tháng 12 năm 2016

Trần Hữu Phú Nguyễn Đức Trường Sơn

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 rộngrãi Những kết quả nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc tế vi của hợp kim nhôm đã đượcbiến tính, tính chất cơ học và tính chất khác như tính dẫn điện và chống ăn mòn củahợp kim được cải thiện rất tốt Sự ảnh hưởng của nguyên tố kim loại đất hiếm tronghợp kim nhôm rất rõ ràng Kim loại đất hiếmrất nhạy với phản ứng hoá học, chúng cóthể 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 cóthể 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 rađược 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 cứutrước đây, sau đó so sánh và đánh giá bằng cách đúc thử nghiệm hợp kim nhôm A356trong khuôn kim loại và khuôn mẫu hoá khí Sau khi đúc thử nghiệm, tiến hành đánhgiá tổ chức tế vi và độ cứng của mẫu Từ đó so sánh và đánh giá hàm lượng nguyên tốđất hiếm tối ưu nhất để biến tính hợp kim nhôm A356

TÓM TẮT NỘI DUNG

Chương 1: Trình bày đại cương về kim loại đất hiếm(khái niệm về nguyên tố kimloại đất hiếm, lịch sử phát triển và ứng dụng của nguyên tố kim loại đất hiếm), các ứngdụng cơ bản của kim loại đất hiếm trong luyện kim và tình hình nghiên cứu và ứngdụng KLĐH trong luyện kim ở Việt Nam, đại cương về A356, đặt vấn đề và nêu rõnhiệm 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 hainguyên tố KLĐH Lanthanium và Cerium đến cấu trúc và tính chất của hợp kim nhômA356 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 kimnhôm bằng việc tinh luyện tinh thể nhánh cây, sự hòa tan La và Ce và dự đoán các hợpchất tạo thành của KLĐH bằng các giản đồ trạng thái, cơ chế của sự tinh luyện làmnhỏ 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 thiệuphần mềm phân tích kích thước hạt ImageJ và Minitab, nêu lên quy trình thí nghiệmchung, quy trình pha sơn nhúng mẫu, quy trình chế tạo hợp kim nhôm A356, quy trìnhnấu 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 tíchkích thước tinh thể nhánh cây, đo độ cứng, sau đó phân tích kết quả và đánh giá kếtquả 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 nghịtrong việc nghiên cứu sâu hơn về sự thay đổi các tính chất khác của hợp kim nhôm đúcA356 với sự có mặt của KLĐH

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

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

1.1.1 Khái niệm về nguyên tố kim loại đất hiếm

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

Hình 1.1 Quặng kim loại đất hiếmTính chất nguyên tử của nguyên tố KLĐH được giới thiệu trong bảng 1.1 Đây lànhững nguyên tố kim loại chuyển tiếp loại d (Sc và Y) là loại f (nhóm Lantan) Do đặctrưng cấu hình điện tử của nguyên tử, phần lớn các nguyên tố KLĐH có 2 nguyên tử ởtrạng thái 6s và 1 điện tử ở trạng thái 5d nên thông thường chúng đều có hóa trị 3 vàrất giống những kim loại thuộc nhóm IIIA Trong những nguyên tố đầu của dãy đất

hiếm có thể có sự tham gia của những điện tử vòng trong 4f tới 7 điện tử hoặc 14 điện

tử, khi đó việc chuyển điện tử từ f sang d đối với chúng là khó khăn Vì vậy cácnguyên tố có cấu hình điện tử trạng thái 4f ổn định hơn Sm, Eu và Yb có hóa trị 2.Cũng có những trường hợp người ta chia các nguyên tố KLĐH thành hai nhómnhỏ là nhóm con Ceri (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm) và nhóm con Ytexi (Y, Eu, Gd, Tb, Dy,

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

Eu, Gd, Tb, và Dy, đôi khi còn được gọi là nguyên tố kim loại đất hiếm trung gian.Việc phân chia này liên quan từ đặc trưng 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 hìnhđiện tửcủanguyêntử

Hóa trị

Bánkinhion 3+

nm

Bán kínhnguyên

tử nm

Tỷtrọngg/cm3

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 làlục giác xếp chặt, lục giác xếp chặt đặc biệt, lập phương diện tâm và mạng cấu trúctinh thể mặt thoi dạng α-Sm Như vậy, ngoài 3 dạng cấu trúc tinh thể thông thường củakim loại ( lập phương thể tâm, lập phương diện tâm và lục giác xếp chặt), nhómnguyên tố KLĐH còn có thêm 2 dạng cấu trúc mạng tinh thể khác là lục giác xếp chặtđặc biệt và mặt thoi

Cũng như các kim loại chuyển tiếp, kim loại nhóm Lantan và Actini đều có mộthoặc nhiều dạng thù hình Chuyển biến thù hình của các nguyên tố kim loại, thôngthường quan sát thấy xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng Nhưng trong nhómnguyên tố kim loại đất hiếm còn tồn tại dạng chuyển biến pha loại một, đưa đến làmbiến đổi cấu trúc mạng tinh thể ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng Chuyển biến từdạng tinh thể lục giác xít chặt sang cấu trúc tinh thể mặt thoi Tecbi và Dixprozi là mộtthí dụ Khi có động lực chuyển biến không phải là sự chuyển đổi động học mang tinhthể mà là sự biến đổi cấu trúc điện tử và cấu trúc từ Theo V.A.Finkel trong nhiềunghiên cứu vô cùng tỉ mỉ người ta đã xác định được sự tồn tại của ba dạng thù hình ởnhiệt độ thấp của Ceri, đó là α’ – Ce; α – Ce và β – Ce (ở nhiệt độ phòng là γ - Ce) Tuynhiên chuyển biến thù hình rất đặc trưng của hầu hết chuyển biến thù hình quan sátđược trong nhóm các nguyên tố KLĐH là chuyển biến từ γ – Ce có cấu trúc mạng tinhthể lập phương diện tâm sang β – Ce có cấu trúc mạng tinh thể lục giác xếp chặt khi hạnhiệt độ xuống từ -100C đến -430C Tác giả E M Xavitski và các cộng sự đã tiến hànhthí 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±30C và +168±40C tương ứng

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

Phần lớn các nguyên tố KLĐH đã được con người tìm thấy cách đây hơn 100năm nhưng thời gian dài không được ứng dụng vào thực tiễn chủ yếu là do việc khaithác và chế tác kim loại này rất khó khăn Chỉ từ những năm 1950 trở lại đây, nhờ ứngdụng những phương pháp công nghệ hiệu quả để tuyển và luyện một khối lượng lớn,đặc biệt chế tạo được KLĐH dạng tinh khiết, người ta mới tăng cường đầu tư nghiêncứu sâu các tính chất của nguyên tố KLĐH và mối tương tác hóa lý của chúng với cácnguyên tố khác Những kết quả này là cơ sở cho việc nghiên cứu ứng dụng nguyên tốKLĐH vào các lĩnh vực kinh tế quốc dân

Đúng như Viện sĩ B.M.Xaviaki đã từng đánh giá, các nhà khoa học và kỹ thuậtrất quan tâm đến các nguyên tố KLĐH bởi vì những kim loại này và cả những hợpchất 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 màkhông sử dụng nguyên tố KLĐH và các hợp chất của nó Nhiều nước trên thế giới nhưNga, Mỹ, Nhật, Trung Quốc… đều khẳng định việc đầu tư nghiên cứu ứng dụngnguyên tố KLĐH vào các ngành công nghiệp đã đạt được hiệu quả kinh tế và kỹ thuậtcao Vì vậy việc sản xuất và ứng dụng các chế phẩm vật liệu có chứa KLĐH trongcông nghiệp pháp triển rất nhanh Nước Mỹ là một ví dụ: Trước năm 1950, lượngnguyên liệu có chứa nguyên tố KLĐH sử dụng trong công nghiệp luyện kim ở Mỹkhông 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 dụngkhoảng 17800 – 19000 tấn sản phẩm nguyên liệu có chứa nguyên tố KLĐH nhưngthực 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 dụngkhoảng 40 – 50 ngàn tấn nguyên liệu có chứa nguyên tố KLĐH cho ngành côngnghiệp luyện kim [1]

Có thể kết luận sơ bộ việc ứng dụng nguyên tố KLĐH trong luyện kim chủ yếutheo hai hướng chính:

Hướng thứ nhất: là sử dụng nguyên tố KLĐH để tạo ra các sản phẩm vật liệu cómột số tính chất hóa lý đặc biệt mà những tính chất ấy không thể có được nếu không

sử dụng nguyên tố KLĐH

Thí dụ điển hình cho hướng ứng dụng này là sản xuất các chi tiết nam châm cóthành phần là nguyên tố KLĐH Mùa xuân năm 1966, tại Hội nghị Quốc tế về Vật liệu

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 chothấy YCo3 là vật liệu nam châm đặc biệt với tính dị hướng tinh thể từ đơn trục cực kỳcao Những năm sau đó người ta đã xác lập được rất nhiều mác nam châm vĩnh cửutrên 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 namchâm vĩnh cửu: (SmCe)Co5, SmCo3, Sm(CoFeCu)2, hay (SmCe)(CoFeCu)5… Nhữngvật liệu từ cứng này thỏa mãn hàng loạt các yêu cầu như độ ổn định của tính chất từvới nhiệt độ rất cao, có lực kháng từ và năng lượng từ rất cao, đặc biệt là tính ổn địnhkhi phải chịu tác động cơ học hoặc hóa học, sử dụng các nam châm vĩnh cửu này chophép giảm trọng lượng tới 70% so với nam châm Fe – Co thông thường khi các tínhchất 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 chấtlượng 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 tinhpha lê và trong luyện kim

Trong công nghiệp thủy tinh, nếu như độ rực rỡ sắc màu của thủy tinh là dotương tác của các oxyt kim loại thì độ trong suốt của thủy tinh pha lê phụ thuộc phầnlớn vào công nghệ tinh luyện Những kết quả ứng dụng công nghệ xử lý bằng hỗn hợpoxit KLĐH trong sản xuất thủy tinh pha lê đã chứng minh cho nhận định này

Những nguyên tố KLĐH được ứng dụng phổ biến hơn cả là trong lĩnh vực luyệnkim, đặc biệt là luyện gang Trong sản xuất vật liệu gang độ bền cao, hiện nay trên thế

giới người ta sử dụng rộng rãi hợp kim trung gian Fe-Si-Mg-KLĐH xử lý gang lỏngthay thế hầu như hoàn toàn công nghệ biến tính bằng Mg kim loại vừa đảm bảo antoàn, hiểu quả vừa có thể ứng dụng được vào các phương pháp công nghệ luyện kimđặc biệt ví dụ như biến tính trong khuôn đúc Trong sản xuất thép, người ta sử dụngchủ yếu là loại hợp kim trung gian ferro silic chứa nguyên tố KLĐH để xử lý thép lỏngnâng cao chất lượng mẻ thép vì sản xuất hợp kim ferro KLĐH rất phức tạp và giáthành đắt [1]

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 tựnhư thép cacbon thấp và về cơ bản là một gang dẻo Kết quả phân tích cho thấygraphite dạng mảnh trong gang được chuyển đổi thành các dạng cầu Trong nhữngnăm 1940 người ta đã được phát hiện ra rằng graphit có dạng hình cầu có thể được sảnxuất thường xuyên trong các phòng thí nghiệm bằng việc thêm vào 0.02% Ce Cácnguyên tố đất hiếm làm sạch các nhân tố cản trở sự tăng trưởng của graphit cầu và cáchợp chất tạo thành của chúng sau đó cung cấp chất nền cho mầm graphite Tính chấtvật lý và tính đúc tốt của nó đã làm gang cầu trở thành vật liệu xây dựng được ưachuộng, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô Trong sản xuất gang cầu, đất hiếmđược thêm vào dạng hỗn hợp kim loại đất hiếm hoặc các quặng đất hiếm thô nhưngcác hỗn hợp kim loại đất hiếm có độ tinh khiết thấp chủ yếu là do các vấn đề về chi phísản 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 tốđất hiếm cho việc biến tính cầu hóa graphit trong gang, đe dọa cho việc tiếp tục sửdụng các hỗn hợp kim loại đất hiếm cho mục đích này (Falconnet 1988)

Hiện nay gang cầu được được biến tính cầu hóa bằng hỗn hợp chứa cả Mg, Ce vàcác nguyên tố đất hiếm khác Sau đó người ta còn cho biến tính lần hai bằng cácnguyên 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 quátrình làm việc Khi sử dụng các nguyên tố đất hiếm vào thép tạo với lưu huỳnh các hợpchất ổn định như KLĐH2S3 hoặc KLĐH2S2O Các hợp chất này có xu hướng để tạothành các tổ chức hình cầu hoặc bao lấy các tổ chức hình cầu mà không tập trung ởranh 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 lượngđất hiếm được tăng lên, MnS tạo ra bị thay thế bởi oxysulfides hoặc sulfide của đấthiếm Sự ổn định của các sulfide đất hiếm làm giảm bớt các tác động có hại của tạpMnS dạng dài về độ dẻo dai Bên cạnh những cải tiến về tính dẻo của thép, bổ sung đấthiếm 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 kháhiệu quả với hydro trong thép và lượng hydro còn lại trong thép cũng thấp hơn hàmlượng hydro đã khuếch tán vào kim loại lỏng.[2]

Đất hiếm được thêm vào thép ở dạng hỗn hợp KLĐH hay quặng đất hiếm (chứaKLĐH 30%), và các hợp kim trung gian như như Fe-Si-10 KLĐH, Mg-Fe-Si-0,1-0,2RKĐH Hiệu quả của các kim loại đất hiếm cho vào thép theo các dạng được sử dụngnêu trên là như nhau, và hàm lượng hỗn hợp KLĐH thường được thêm vào các hợpkim của kim loại màu là khoảng 0,1-0,2% Mặc dù được thêm vào với hàm lượng khánhỏ 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 ứngdụng rộng rãi Việc thực hành thêm đất hiếm để gia tăng độ cứng đã được xem xét bởiWauby (1978) Một vài kilogram hỗn hợp KLĐH đã được thêm vào mỗi tấn thép đặcbiệt được sử dụng trong các sản xuất của một đường ống dẫn dầu Alaska vì hỗn hợpKLĐH cải thiện cơ tính và tính chất của thép rất tốt trong điều kiện giá rét Bởi vì việc

sử dụng KLĐH trong thép đường ống Alaska, làm cho nhu cầu sử dụng hỗn hợpKLĐH gia tăng nhanh chóng trong khoảng 1971-1978 Mặc dù thực tế là lượng tiêuthụ KLĐH là lớn trong ngành công nghiệp sắt thép, nhưng so với trọng tải của ngànhcông 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 khoảngnăm 1975 Kể từ đó thị trường sản phẩm đất hiếm chậm lại do lợi ích của canxi chokhử 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 làchống ăn mòn ở nhiệt độ cao Bắt đầu từ đó và cho đến khoảng năm 1975, các hợpkim 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 diệncủa Fe, Cr, Al, và Y trong nó Lanthanum cũng được sử dụng cho các hợp kim trên nềntản sắt ở nhiệt độ cao (Davies 1981) Một hợp kim với 200 ppm lanthanum kết hợpkhả 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 trongcác 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 thêmvào để tăng cường quá trình chống oxy hóa của các hợp kim này Yttrium là thànhphần có trong M-Cr-Al -Y (Fe-Cr-Al-Y, Ni-Cr-Al-Y, Co-Cr-Al-Y) của siêu hợp Sự ổnđịnh 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 oxitđặc khít bảo vệ hợp kim bên trong bởi vì yttrium đã ngăn chặn sự hình thành các lỗrỗng 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 kimcủa 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 từ200-400 ppm cho việc sản xuất tubin khí làm việc ở nhiệt độ cao trên cơ sở hợp kimCoban-Niken Minh họa như việc lanthanum làm tăng nhiệt độ hoạt động tốt của hợpkim trên cơ sở Niken Hastelloy-K từ khoảng 950°C đến 1.100°C Nếu không cóLanthanum, 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 độnhỏ (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 vòngđời của sản phẩm, từ 1.000 đến 10.000 h Việc thêm vào Xeri cho hợp kim Cu chịunhiệt độ cao dùng cho hàng không vũ trụ (Al-8Fe-4Ce) của Alcoa để tăng cường sứckhả năng chống oxy hóa của nó đã được coi như một tương lai mới đầu tiên cho việcứng dụng của xeri kim loại với quy mô công nghiệp Thông thường chỉ cần sử dụng íthơn 1% nguyên tố KLĐH để gia tăng 1 cách đáng kể khả năng chống oxi hóa của cácsiêu 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 cókhả năng tinh luyện làm nhỏ hạt, giảm kết tinh nhánh cây, tăng cơ tính và độ dẫnđiện… 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 vàPrytherch (1937) Sauerwald (1947) phát hiện ra phương pháp tinh luyện hạt đặc biệtcủa Zirconi- Magiê Murphy và Payne (1947) cho thấy, các chất phụ gia đất hiếm thìtương thích với Zirconi và cải thiện tính chất bằng cách kết hợp cả hai loại đất hiếm vàZirconi Đến nay, kẽm (Emley 1966) hoặc bạc cũng được cũng có thể dùng làm chấtphụ gia cho các hợp kim này

Ở nhiệt độ cao, so với các hợp kim magiê thường, hợp kim magiê có chứakhoảng 3% KLĐH và 1% Zr làm tăng độ bền mỏi (Kremers 1961) Cường độ cao hơnđáng kể ở mọi nhiệt độ thu được bằng cách sử dụng Di (Nd + Pr) ở vị trí của hỗn hợpcủa các KLĐH như thành phần hợp kim Các hợp kim Magiê thế hệ mới chứa đất hiếmriêng biệt Một trong hai hợp kim Magiê để sử dụng trong động cơ hiệu suất cao chomáy bay, tên lửa vũ trụ và vệ tinh, có thể như đúc, chứa 4% kim loại kẽm và 1% hỗnhợp các KLĐH và có thể được sử dụng trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao 160°C Cáchợp kim còn lại, trong đó có 5,5% Yttrium, 3,5% KLĐH khác, và 0,5% Zirconi, ổnđịnh ở nhiệt độ lên đến 280 ° C (theo Jackson và Christiansen 1993) Một hợp kimMg-Al-Zn-Nd có khả năng chống ăn mòn tốt trong một dung dịch muối chứa nước vàmột hợp kim Mg-Y Nd-Zr đã được chứng minh là có khả năng chống ăn mòn tốt, khảnăng 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 năngchống ăn mòn trong các hợp kim [2]

Việc cải thiện các hợp kim Mg-Y-Nd-Zr có sẵn, trọng lượng thấp hơn kháng rãocao hợp kim gồm Mg-Sc-Mg-Zr đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại TUClausthal, 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 kimTitan (Davies 1981) Hợp kim vi lượng của hợp kim Titan khác nhau với đất hiếmcũng 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 độmạnh ở nhiệt độ tới hạn cao, giảm việc gãy do ứng suất, và độ bền mỏi tăng Er hoặc Yđược 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 màkhông ảnh hưởng đến tính dẫn điện.Ví dụ, kháng oxy hóa tăng gần gấp đôi ở 600°Ckhi 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 vớichống ăn mòn và độ thấm đạt tiêu chuẩn với tấm thép mạ kẽm và độ dày của lớp phủbằng nhau và có thể so sánh việc mạ và khả năng hàn (Radtke và Herrschaft 1983) [2]

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

Ở Việt Nam, từ đầu những năm 1970, sau khi Phòng P70 Phân viên Luyện kimThái Nguyên được thành lập, việc đầu tư nguyên cứu khai thác quặng đất hiếm,nguyên cứu tuyển tách và ứng dụng nguyên tố KLĐH vào các lĩnh vực công nghiệp,đặc biệt là trong luyện kim đã được triển khai tương đối có hệ thống và ngày càng pháttriển Trong lĩnh vực luyện gang, cho đến nay, nhờ tình hiệu quả của phương pháp

công nghệ sử dụng hợp kim trung gian Mg-Si-KLĐH thay thế gần như hoàn toàn Mg

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

Một công trình nghiên cứu khoa học của GS.TSKH Phạm Phố thuộc Trường Đạihọc Bách Khoa Hà Nội vào năm 1973 [tạp chí mỏ - luyện kim N013 năm 1973] có thểđược coi là một trong những công trình nghiên cứu tổng quan lý thuyết và thựcnghiệm đầu tiên về ứng dụng nguyên tố KLĐH trong sản xuất thép hợp kim ở ViệtNam Cùng với Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội một số viện nghiên cứu luyện kimnhư Viện Luyện kim đen Bộ công nghiệp Viện công nghệ Bộ Quốc phòng, viện Khoahọc Vật liệu thuộc Viện Khoa học và công nghệ Quốc gia đã triển khai các đề tàinghiên cứu tổng quan lý thuyết và triển khai các đế tài nguyên cứu thực nghiệm thuộcchương trình nghiên cứu cấp Nhà nước từng bước đưa ra công nghệ sử dụng nguyên tốKLĐH 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 sửdụng hiệu quả và ứng dụng rộng rãi nguồn nguyên liệu nguyên tố KLĐH vào sản xuấtthép, 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

Nhôm là kim loại nhóm III, số thứ tự 13 trong bản tuần hoàn Mendeleev Cấuhình điện tử của nhôm là : 1s22s22p63s2 3p1 Với khối lượng riêng bằng 2,7 g/cm3, sovới sắt, nhôm nhẹ hơn khoảng gần 3 lần Chỉ tiêu này rất quan trọng đối với các lĩnhvực, 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 tảibởi nó có tỉ bền cao, trọng lượng riêng nhỏ, khả năng dẫn nhiệt tốt (151 ÷ 163W/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 đơngiản thành phần chỉ gồm Al và Si Silumin phức tạp được hợp kim hoá thêm một sốnguyên tố khác như Cu, Mg, Mn… Giản đồ trạng thái Al-Si được trình bày trên hình1.2

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 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 năngchống ma sát Si là nguyên tố hợp kim cơ bản nó làm cho hợp kim có tính chảy loãngcao, tính đúc và tính rèn tốt Hệ số giãn nở nhiệt thấp của hợp kim Al-Si rất thích hợptrong công nghiệp sản xuất piston, bởi vì các hạt Si có độ cứng khá cao, rất tốt cho khảnăng 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 hưởngcủa 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 kimAl-Si

Các vật đúc từ hợp kim Al-Si-Mg đều được nhiệt luyện hóa bền Silumin có thêmmột lượng nhỏ Mg khoảng 0,3÷0,9% sẽ có khả năng nhiệt luyện vì Mg có tác dụngthúc đẩy quá trình hoà tan của Si vào nhôm Pha Mg2Al tiết ra ở dạng phân tán khi hóagià sẽ nâng cao cơ tính của chi tiết Sau nhiệt luyện, độ bền tăng khá nhiều (có thể gấpđôi) nhưng độ dẻo có giảm Dùng nhiều Mg thì độ dẻo kém Chẳng hạn như cácsilumin phức tạp ADC9, ADC14 (Aluminum Die Casting - JIS) có chứa 0,15% Mgdùng để chế tạo các chi tiết không qua biến tính và hóa già Độ bền, độ dẻo tương đốicao, 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 tớicác 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

Hình 1.3 Ảnh hưởng của %Si tới cơ tính của SiluminViệc lựa chọn hợp kim đúc để tiến hành thí nghiệm phải dựa trên quan điểm saocho phù hợp với công nghệ của phòng thí nghiệm và có tính chất tối ưu đảm bảo chothí 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, khảnăng gia công biến dạng) là yêu cầu quan trọng nhất để lựa chọn hợp kim cho thínghiệm Vai trò của tính công nghệ với họ hợp kim nhôm đúc được lựa chọn là đặcbiệt 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 hợpkim thí nghiệm, có %Si 5 đến 20%, các hợp kim này có tính đúc tốt nhất trong các hợpkim nhôm đúc Ngoài ra, còn có tổ chức sau đúc thô to, dạng gậy, tổ chức như vậykém bền kém dẻo Vì lý do đó ta dễ dàng sử dụng các nguyên tố đất hiếm để gia côngbiến 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 loạiđất hiếm vào hợp kim để biến tính còn phụ thuộc vào thành phần Silic có trong

Silumin Dựa vào sơ đồ 1.4 ta thấy biến tính các Silumin có thành phần nhỏ hơn 5% sẽkhông có ý nghĩa thực tế rõ rệt [4]

Hình 1.4 Thay đổi cơ tính của Silumin đã biến tính 1 và chưa biến tính 2 phụ thuộcvào thành phần Silic trong khuôn cát, 3 đúc trong khuôn kim loại không biến tính [4]

Từ những yêu cầu trên, thí nghiệm được lựa chọn dựa trên mác hợp kim nhômA356

Đánh giá ưu điểm của việc lựa chọn hợp kim A356:

Hợp kim có tính đúc tốt giúp cho việc thực hiện thí nghiệm dễ dàng ít khuyết tật

và phù hợp vói công nghệ hiện có của phòng thí nghiệm

Hợp kim có thành phần Si > 5% nên việc biến tính bằng nguyên tố KLĐH có ýnghĩa thực tế rõ rệt

Tổ chức tế vi của hợp kim đúc A356 không biến tính, có hình dạng thô to, dạnggậy dễ dàng so sánh với khi sử dụng nguyên tố KLĐH để biến tính

Hợp kim nhôm đúc A356 nói riêng là một trong những họ hợp kim được sử dụngrộng rãi nhất vì với sự có mặt của hàm lượng Si cao góp phần làm tăng lưu động tínhcủa hợp kim Đồng thời phản ứng giữa Si và các nguyên tố trong hợp kim tạo ra các

pha hoá bền Những ứng dụng điển hình gồm công nghiệp chếtạo otô (khung xe, hộp

sô, vỏ động cơ, vành xe, các linh kiện…), công nghiệp hàng không vũ trụ(máy bay,bộphận cánh lái tên lửa)…

Hình 1.5 Tổ chức tế vi hợp kim Al – Si (a trước biến tình, b sau khi biến tính) [5]

1.3.2 Cơ tính và chế độ nhiệt luyện hợp kim nhôm A356

Hợp kim A356 thường được dùng chế tạo các chi tiết bơm hàng không, phụ tùngđường ống ngành hàng không, vỏ hộp tốc độ tự động, các bộ phận điều khiển, bộxylanh làm nguội bằng nước Hợp kim A356 cũng được dùng chế tạo các chi tiết đòihỏi tính đúc, tính hàn tốt, chịu áp lực, chịu ăn mòn, có thể chế tạo khuôn vĩnh cửu có

độ bền cao Hợp kim A356 có thành phần như trong bảng 1.2 [3]

Nhiệt độ chảy lỏng T l = 615o C, Nhiệt độ đông đặc T đ = 555o C,

Khối lượng riêng 2,685 g/cm3 tại nhiệt độ 20o C

Nhiệt dung riêng: 963 J/kg.k ở nhiệt độ 100o C

Hình 1.7 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội với

tốc độ 0.6 0C/s

Hình 1.8 Tổ chức dạng hạt và nhánh cây trong mẫu hợp kim A356 khi làm nguội vớitốc độ 0.6 0C/s (quan sát vùng cùng tinh)

Hình 1.9 Tổ chức tế vi của mẫu A356 khi làm nguội với tốc độ 0,2o C/s [25] Chế độ nhiệt luyện

Các silumin nói chung và hợp kim nhôm A356 được tôi trong khoảng 515oC đến

535oC và hóa già trong khoảng 150oC đến 180oC

1.4 Đặt vấn đề

Đất hiếm là loại khoáng sản được nhiều nước trên thế giới xếp vào loại khoángsản chiến lược, có giá trị đặc biệt không thể thay thế và đóng vai trò cực kỳ quantrọng trong các ngành công nghệ cao Do vậy, nhiều nước trên thế giới coi đất hiếm làvàng của thế kỷ 21 và cả thế kỷ 22 Các nhà khoa học gọi đất hiếm là những nguyên tốcủa tương lai Thị trường nguyên liệu khoáng đất hiếm là thị trường rất trẻ so với thịtrường các nguyên liệu khoáng khác Nó tăng trưởng mạnh mẽ vào cuối thế kỉ 20 vàthập niên đầu thế kỉ 21 Đặc điểm của thị trường nguyên liệu khoáng đất hiếm là giá cảhàng hóa kim loại hoặc oxit đất hiếm cùng khai thác trong mỏ rất khác nhau Thực tiễnbiến động thị trường đất hiếm trong hai thập kỉ qua (1990-2010) cho thấy việc khaithác quặng đất hiếm có hiệu quả kinh tế hay không, không chỉ phụ thuộc vào quy mô

mỏ, điều kiện thuận lợi trong khai thác, mà còn phụ thuộc rất lớn vào sự có mặt củaloại nguyên tố đất hiếm có trong quặng, giá cả của chúng và nhu cầu của thị trườngtheo thời gian.

Nước ta cũng được đánh giá có trữ lượng KLĐH lớn và có tiềm năng cao, do đókéo theo nhu cầu phát triển của xã hội để có được các nghiên cứu ứng dụng những tácđộng đặc biệt của KLĐH vào khoa học kĩ thuật, đặc biệt là trong các ngành luyện kim.Chính vì vậy vấn đề đặt ra hiện nay chúng ta nên nghiên cứu và khai thác hếttiềm năng ứng dụng của KLĐH vào việc biến tính hợp kim nhôm đúc

1.5 Nhiệm vụ và nội dung cơ bản luận văn

1.5.1 Nhiệm vụ

Mặc dù KLĐH có rất nhiều tác dụng biến tính đến hợp kim nhôm đúc tuy nhiêntrong luận văn này chỉ xét ảnh hưởng của KLĐH (chỉ gồm 2 thành phần là La và Ce)đến kích thước hạt, kích thước tinh thể nhánh cây và cơ tính (độ cứng)

1.5.2 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng của KLĐH đến cấu trúc vàtính chất của hợp kim nhôm A356 và các mác nhôm tương đương

Lựa chọn hàm lượng KLĐH để tiến hành biến tính hợp kim nhôm A356

Đúc thực nghiệm để xem xét ảnh hưởng của KLĐH đến hợp kim nhôm A356Tiến hành soi kim tương để đánh giá kích thước hạt ở các mẫu vật đúc ở thựcnghiệm trên, đồng thời đánh giá kích thước tinh thể nhánh cây

Phân tích kết quả và xác định ảnh hưởng của KLĐH đến hợp kim nhôm A356Đưa ra nhận xét và kết luận về ứng dụng KLĐH trong hợp kim nhôm A356

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI Nghiên cứu 1: Nghiên cứu được thực hiện bởi Zuoren Nie và các đồng nghiệp

năm 2002 về nghiên cứu đất hiếm trong nhôm Ảnh hưởng của đất hiếm trong hợp kimnhôm được miêu tả như sau [6]:

Thứ nhất, đất hiếm có thể làm giảm tác hại của hydro trong nhôm và hợp kim củanhôm thông qua việc nâng cao độ hoà tan thể rắn của nó và hình thành hydrit đất hiếm

Thứ năm, đất hiếm có thể thay đổi cấu trúc (như tinh luyện hạt, cải thiện sự địnhhướng hạt và sự phân bố pha thứ thích hợp) cũng như giới hạn chảy, tính dẻo, tính chất

cơ học, tính gia công, tính dẫn điện, độ dẫn nhiệt và tính chất quang học của hợp kim

Nghiên cứu 2: Nghiên cứu của Weiwei Wan cùng các cộng sự đã nghiên cứu tác

dụng nguyên tố đất hiếm trên vi cấu trúc và tính chất cơ học của hợp kim đúc Mg-Si năm 2006 Những cải tiến của vi cấu trúc và tính chất của hợp kim nhôm đúc có

Al-Cu-độ bền cao đã được nghiên cứu Những ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm trên vicấu trúc và các tính chất cơ học của hợp kim đúc Al-Cu-Mg-Si cường độ cao đã đượcnghiên cứu Kết quả cho thấy việc bổ sung các nguyên tố đất hiếm có thể thay đổi vicấu trúc trong việc tinh luyện kích thước hạt của hợp kim và tinh luyện từ Si cùng tinhdạng tấm đến Si dạng hạt Với sự gia tăng của đất hiếm, độ bền kéo và độ giãn của hợpkim đầu tiên tăng và sau đó giảm xuống Các tính chất cơ học của hợp kim sẽ đạt giátrị cao nhất khi nồng độ của các nguyên tố đất hiếm là khoảng 0,7% [7]

Nghiên cứu 3: Nghiên cứu nhiều sự biến tính của các nguyên tố đất hiếm và P

cho hợp kim Al-Si sau cùng tinh của Ouyang Zhi-ying cùng các cộng sự vào năm

2007 Nghiên cứu tác dụng của các nguyên tố đất hiếm (KLĐH) về mặt hình thái vàkích thước của các pha Si trong hợp kim Al-Si sau cùng tinh được biến tính với P đãđược nghiên cứu Kết quả cho thấy việc bổ sung các nguyên tố La vào hợp kim Al-Sisau cùng tinh có thể tăng cường ảnh hưởng của các nguyên tố P về sự biến tính pha Sicùng tinh Trong sự biến tính nhiều của KLĐH-P, pha Si sơ cấp thì được biến tính vàhình dạng của các Si cùng tinh thì được thay đổi từ hình kim dài đến hình que ngắn.Hơn nữa, tỷ lệ tích tụ của pha Si sơ cấp thì được làm chậm lại rất nhiều Thậm chí việcnấu chảy được thực hiện trong 6 giờ, kích thước trung bình của pha Si sơ cấp thì vẫnhài lòng Các kết quả phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) chỉ ra rằng La thìnhiều ở bề mặt Al-Si hơn so với α-Al hoặc pha Si sơ cấp Các nồng độ La cao hơntrong bề mặt Al-Si, nhỏ hơn trong pha Si sơ cấp [8]

Nghiên cứu 4: Mehdi Hosseinifar và D V Malakhov đã nghiên cứu ảnh hưởng

của Ce và La trên vi cấu trúc và tính chất của một loạt hợp kim 6xxx nhôm vào năm

2008 [4] Sự gia tăng hàm lượng sắt trong nguồn nhôm thứ cấp đã dẫn đến sự gia tăng

số lượng của Fe-pha liên kim đông kết ở hợp kim nhôm Một trong những liên kim làβ-AlFeSi, vốn được xem là pha cốt yếu trong loạt các hợp kim 6xxx, giảm tính dẻocho hợp kim rèn, do đó, hạn chế sử dụng chúng trong ngành công nghiệp ô tô Đượcbiết, bổ sung lượng nhỏ của Sr ngăn chặn sự hình thành của pha β và tạo điều kiện cho

sự kết tủa của một liên kim ít bất lợi là α-AlFeSi trong các hợp kim đúc Đó là giá trịđiều tra xem liệu các yếu tố khác gây ra một hiệu ứng tương tự Cerium và Lanthanumnhư đại diện tốt nhất của các kim loại đất hiếm đang cố gắng như các yếu tố như vậy

Nó được tìm thấy rằng trong các hợp kim có chứa 0,1-0,2% của lanthanium, phần củacác hạt β là rỏ ràng ít hơn so với các hợp kim tham khảo Ngoài lợi thế này, các hạtnhỏ hơn nhiều được nhìn thấy trong các hợp kim với 0,2% La Mặc dù tương đồnggiữa La và Ce, các kim loại sau không đổi vi cấu cũng không đáng kể ảnh hưởng đếnkích thước hạt xử lý cơ nhiệt vừa phải làm vô hiệu các hiệu ứng có lợi của bổ sung Lanhỏ dẫn đến không có sự cải thiện trong các tính dẻo của hợp kim [9]

Nghiên cứu 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung Ce vào cấu trúc tế vi của

hợp kim AlSiMgCe được thực hiện bởi A Abu Seman và A Razak Daud vào năm

2008 Trong nghiên cứu này, tác động của việc thêm Ce vào cấu trúc tế vi và độ cứng

tế vi của hợp kim Al-12.5Si-4Mg đã đươc khảo sát Các thí nghiệm đã được tiến hànhtrên hợp kim Al-12.5Si-4Mg với nồng độ Ce trong hợp kim đã được thay đổi từ 0.5-3% Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung 0.5 đến 3% Ce đã dẫn đến sự hình thành pha

Al4Ce trong nền nhôm Độ cứng tế vi của hợp kim đúc gia tăng với sự gia tăng nồng

độ Ce như trong kết quả của sự tiết pha Xử lý nhiệt ở 2000C đẫn đến sự gia tăng độcứng tế vi của hợp kim đúc do phân nhóm Si và sự tiết ra pha Al-Ce [10]

Nghiên cứu 6: Yu-Chou Tsai và các cộng sự đã nghiên cứu hiệu quả của việc bổ

sung nguyên tố đât hiếm vào cấu trúc tế vi và tính chất cơ học của hợp kim A356 vàonăm 2009 Kết quả cho thấy hiệu quả biến tính của 1% La cũng tương tự như hiệu quảđạt được bằng cách biến tính với 0.02% Sr, nhưng hiệu quả điều chỉnh của Ce là thấphơn so với La và Sr [6] Hai loại liên kim giàu La hay Ce được tìm thấy trong nghiêncứu này: pha AlTiLa (Ce) Mg và AlSiLa (Ce) Mặc dù tính dẻo của hợp kim biến tínhbằng đất hiếm đều được tăng cường rất nhiều, không có tác dụng tích cực đối với ứngsuất kéo cuối cùng, điều đó có thể là do sự hình thành của pha AlTiLa(Ce)Mg đã đượcxem xét [11]

Nghiên cứu 7: Nghiên cứu của A.R Daud cùng các cộng sự về tính ăn mòn của

hợp kim Al-12Si-4Mg với việc bổ sung Ce vào năm 2009 Mục đích của việc nghiêncứu này là để hiểu được ảnh hưởng của việc bổ sung Cerium đến tính chống ăn mòncủa hợp kim đúc Hợp kim Al-12Si-4Mg với lượng bổ sung Cerium 1-5% đã đượcchuẩn bị bằng cách sử dụng kỹ thuật đúc Một thử nghiệm ăn mòn trượt được thựchiện theo tải trọng áp dụng là 10N, 30N và 50N với tốc độ trượt cố định 1m/s sử dụngmột cấu hình “pin-on-disc” Các thử nghiệm ăn mòn được tiến hành trong điều kiệnkhô ở nhiệt độ phòng của ~25 ° C Phân tích chi tiết của vi cấu trúc, bề mặt bị mòn,thu thập các mảnh vụn và độ cứng tế vi đã được thực hiện để điều tra sự khác biệt giữacác hợp kim đúc với mức độ khác nhau của việc thêm Cerium Việc bổ sung 1-5%trọng lượng Cerium đã được tìm thấy để dẫn đến sự kết tủa của pha liên kim (Al-Ce),kết quả là một cấu trúc hình kim Tăng hàm lượng Cerium lên đến 2% khối lượng

được cải thiện cả sự chống ăn mòn và độ cứng tế vi của hợp kim đúc Tuy nhiên, bổsung hơn 2% trọng lượng xeri đã dẫn đến sự sụt giảm trong độ cứng tế vi, kết quả làmặc sức đề kháng thấp của hợp kim Hãm sự ăn mòn được phát hiện ở tất cả các tải,với tốc độ mài mòn cụ thể (K ') dao động từ 6,82x10-5 với 2% trọng lượng Ce tại tảithử nghiệm 50N đến 21,48×10-5mm3/Nm mà không có thêm Ce tại một tải đã thựcnghiệm 10N Dựa trên dãy K ', các hợp kim đúc trình bày các chế độ ăn mòn trungbình, và các cơ chế ăn mòn là một sự kết hợp của sự mài mòn và độ bám dính Hợpkim có chứa 2% trọng lượng Ce, với độ cứng cao nhất và giá trị nhỏ nhất K ', cho thấykhả năng chóng ăn mòn lớn nhất [12]

Nghiên cứu 8: Nghiên cứu của Yu-Chou Tsai và Sheng-Long Lee về hiệu quả

của việc bổ sung vi lượng Ce trên vi cấu trúc và tính chất cơ học của A356 0,35 Mg) hợp kim nhôm vào năm 2010 Mục đích của nghiên cứu này là xác định ảnhhưởng của các lượng khác nhau của Ce trên vi cấu trúc và tính chất cơ học của hợpkim A356 [8] Kết quả cho thấy hiệu quả biến tính trong vi cấu trúc và tính chất cơ họccủa hợp kim A356 được tăng cường rất nhiều bằng cách thêm 1%Ce Hai loại hợp chấtliên kim được tìm thấy trong các nghiên cứu, bao gồm pha Ce-23Al 22Si-và Al-17Ce-12Ti-2Si-2 Mg (trong % khối lượng) Hơn nữa, mặc dù độ dẻo của hợp kim được biếntính bởi Ce đều được cải thiện rất nhiều, không có tác động tích cực đến độ bền kéođiều đó có thể là do sự hình thành của một pha Al-17Ce-12Ti-2Si-2Mg Hơn nữa, kếtquả của phân tích nhiệt cho thấy rằng không có mối quan hệ trực tiếp giữa tăng nhiệt

(Al-7Si-độ cùng tinh và hình thái /sự biến tính đang được đánh giá [13]

Nghiên cứu 9: Stanislav Kores cùng các đồng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh

hưởng của việc bổ sung Ce vào hợp kim đúc AlSi17 năm 2010 Nghiên cứu sự ảnhhưởng của pha Si sơ cấp và Si cùng tinh về quá trình đông đặc của hợp kim Al-Sitrước cùng tinh với sự bổ sung của Ce đã được nghiên cứu [14] Kết quả cho thấy việc

bổ sung các Ce đã có một ảnh hưởng rất tích cực đến độ bền kéo của hợp kim Al-Si.Các hiệu quả biến tính của việc bổ sung Ce đến sự đông đặc của hợp kim AlSi17được hiển thị trên đường cong làm nguội trong hình 2.1 [14] Việc bổ sung 0,5% Ceảnh hưởng đến phân bố kích thước Si sơ cấp, và điều này có thể được nhìn thấy trêncác đường cong làm nguội mà không có sự quá nguội Thời gian đông đặc là ngắn hơn

so với các hợp kim AlSi17 tinh khiết Biểu đồ cho thấy các hợp kim với 4,5% Ce cónhiệt độ thấp hơn đường lỏng, dưới 600°C Đồng thời, thời gian đông đặc thì lâu hơn

so với các hợp kim tinh khiết Ý tưởng cho rằng thêm Ce hạt nhân hình thành vớilượng kết tủa Si sơ cấp đã được bác bỏ, vì nhiệt độ đường đường lỏng thấp hơn so vớicác hợp kim tinh khiết

Hình 2.10 Ảnh hưởng của việc bổ sung Ce vào hợp kim AlSi17 trong nghiên cứu của

Stanislav Kores [14]

Hình 2.11 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]