Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm

Nhờ những ứng dụng; khối lượng sản xuất khá nhiều nhưng hiện nay vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu về cơ chế chuyển biến pha; ứng dụng chuyển biến mactenxit và tìm ra quy trình xử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHUYỂN BIẾN MACTENXIT

TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHUYỂN BIẾN MACTENXIT

TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM

Ngành: Kỹ thuật vật liệu

Mã số: 9520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS PHẠM MAI KHÁNH

2 PGS TS TRẦN ĐỨC HUY

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Vật liệu “Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm” là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Các thông tin, kết quả được sử dụng trong luận án này hoàn toàn trung thực và chưa từng được

ai công bố trong các công trình nào khác Tất cả những sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc

Hà nội, Ngày 16 Tháng 12 Năm 2019

TM Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án

PGS.TS Phạm Mai Khánh Vũ Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy cô của tôi là PGS.TS Phạm Mai Khánh và PGS.TS Trần Đức Huy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi suốt quá trình thực hiện luận án

Những kết quả có được của luận án này là được sự giúp đỡ nhiệt tình, hết mình của các thầy hướng dẫn ( Đặc biệt là sự giúp đỡ quý báu của cố giáo sư Lê Thị Chiều trong giai đoạn đầu đầy khó khăn trong quá trình làm luận án) và nhóm nghiên cứu Tôi xin được chân thành cảm ơn các thầy cô và nhóm nghiên cứu về hợp kim đồng đã giúp đỡ hỗ trợ tôi trong suốt quá trình làm luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật liệu và công nghệ đúc – Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm Nghiên cứu sinh

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Khoa học và kỹ thuật Vật liệu – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã liên tục dạy tôi trong suốt quá trình học Đại học đến khi làm xong nghiên cứu sinh

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn của mình đến lãnh đạo Khoa Cơ Sở Cơ Bản , trường Đại học Hàng Hải Việt Nam và bộ môn Sức Bền Vật liệu đã hỗ trợ, tạo điều kiên tốt nhất cho tôi trong quá trình tôi làm nghiên cứu sinh

Tôi xin chân thành cảm ơn tới Viện Kỹ Thuật Hải Quân, Nhà máy đóng tàu X46, Chi cục đăng kiểm số 10_Hải Phòng đã tạo điều kiện để tôi được phân tích, thu thập số liệu thực tế phục vụ nghiên cứu trong suốt thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các phòng thí nghiệm, các viện nghiên cứu ở trong và ngoài trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của mình Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên giúp đỡ của gia đình, người thân, bạn

bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian qua

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Mục đích của luận án 1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 1

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: 2

Phương pháp nghiên cứu : 2

Nội dung bố cục luận án 2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM 3

1.1 Giới thiệu về hợp kim Cu-Al 3

1.2 Lịch sử ra đời hợp kim Cu-Al 5

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni 7

1.4 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 19

1.5 Vấn đề tồn tại và mục tiêu nghiên cứu luận án hướng tới 20

CHƯƠNG II CƠ SỞ VỀ HỢP KIM HÓA, XỬ LÝ NHIỆT CHUYỂN PHA VÀ TẠO TỔ CHỨC TRONG HỢP KIM Cu-Al-Fe VÀ Cu-Al-Fe-Ni 22

2.1 Vai trò và ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tính chất hợp kim đồng nhôm Cu-Al-Fe và Cu-Cu-Al-Fe-Ni 22

2.2 Đặc điểm về chuyển pha và tổ chức trong hệ hợp kim ba nguyên Fe và Cu-Al-Fe-Ni 25 2.3 Đặc điểm chuyển biến mactenxit trong hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni 31

2.4 Cơ sở hợp xử lý nhiệt hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni cho mục đích tăng cơ tính 36 2.5 Vai trò của chuyển biến mactenxit trong ứng dụng chịu mài mòn và hiệu ứng nhớ hình cho hợp kim đồng Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni 38

CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51

3.1 Nội dung nghiên cứu 51

3.2 Quá trình chuẩn bị mẫu nghiên cứu 51

3.3 Quá trình xử lý nhiệt 51

3.4 Các phương pháp nghiên cứu tổ chức và cấu trúc 52

3.5 Các phương pháp đánh giá cơ tính 55

3.6 Phương pháp nghiên cứu hiệu ứng nhớ hình 56

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VỀ CHUYỂN PHA TRONG HỆ HỢP KIM ĐỒNG CuAl9Fe4, CuAl9Fe4Ni2 VÀ VAI TRÒ CỦA CHUYỂN PHA MACTENXIT

TRONG HỢP KIM 58

4.1 Phân tích tổ chức hợp kim sau đúc 58

4.2 Phân tích tổ chức tế vi sau tôi 61

4.3 Phân tích tổ chức tế vi sau hóa già 68

4.4 Phân tích sự phân hủy tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4 khi thay đổi chế độ hóa già 76

4.5 Phân tích sự phân hủy tổ chức pha mactenxit hợp kim CuAl9Fe4Ni2 khi thay đổi chế độ hóa già 83

4.6 Phân tích chuyển pha hợp kim khi thực hiện biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt 88

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ ỨNG DỤNG HAI HỢP KIM CHO CHỊU MÀI MÒN VÀ HIỆU ỨNG NHỚ HÌNH 97

5.1 Kết quả mài mòn 97

5.2 Kết quả nhớ hình 105

5.3 Ứng dụng của hai mác hợp kim nghiên cứu trong thực tế 107

KẾT LUẬN CHUNG 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Mđ – Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit

Mk – Nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit

γ – pha điện tử Cu9Al4

β – Dung dich rắn Cu3Al

β’ – Pha mactenxit chuyển từ β thành β’

α – Dung dịch rắn của đồng trong hợp kim

Mn – nguyên tố Mangan

Ti – nguyên tố Titan

Ni – nguyên tố Niken

Fe – nguyên tố sắt

Fe(δ) – Pha liên kim Fe3Al

K1,2,3,4 : Các pha liên kim Niken-nhôm

FCC – mạng lập phương tâm mặt

BCC – mạng lập phương tâm khối

TEM – hiển vi điện tử truyền qua

SEM – hiển vi điện tử quét

FESEM – hiển vi điện tử quét phân giải cao

EDS – phương pháp vi phân tích nguyên tố

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.4: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe

Bảng 2.3: Thành phần các pha và thông số tinh thể của chúng trong hợp kim đồng

Bảng 2.4: Độ hòa tan của sắt trong các pha khác nhau thay đổi theo nhiệt độ

Bảng 5.2: Bảng độ hụt khối của mẫu

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1: Giản đồ Cu-Al (a) và ảnh hưởng của nhôm đến cơ tính (b) 3

Hình 1 2: Kiểu mạng lập phương tâm mặt của pha α 4

Hình 1 3: Kiểu mạng lập phương tâm khối với cấu trúc DO3 của pha β 4

Hình 1 4: Kiểu mạng lập phương phức tạp cP52 của hợp chất điện tử Cu9Al4 4

Hình 1 5: Những sản phẩm đầu tiên trong lịch sử chế tạo từ đồng thanh nhôm 5

Hình 1 7: Giới hạn bền, độ dãn dài và độ dai phá hủy của hợp kim đúc ở các nhiệt độ thử nghiệm 8

Hình 1 6: Độ cứng của hợp kim đúc với thành phần Al khác nhau 8

Hình 1 8: Mô tả các dạng của pha κ (hình a) và hình thái ; phân bố của pha κ ở tổ chức của BA1055 sau đúc (b) ; ảnh SEM (c)[10] 9

Hình 1 9: Giản đồ cân bằng pha [11] 10

Hình 1 10: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl11Fe5Ni6[11] 10

Hình 1 11: Sự hình thành pha của hợp kim Cu-Al-Fe-Ni theo nhiệt độ 10

Hình 1 12: Tổ chức tế vi của FSP NAB và sau xử lý nhiệt 11

Hình 1 13: Ảnh TEM (a) và (d) hợp kim FSP NAB và sau xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ (b) và (e) trong 02 giờ ; (c) và (f) trong 04 giờ [12] 12

Hình 1 14: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl9Fe4 13

Hình 1 15: Ảnh hiển vi điện tử chụp giai đoạn dầu của sự gia tăng tải theo hướng [110] 14

Hình 1 16: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe không đổi còn thành phần của Al thì thay đổi [16] 15

Hình 1 17: Tổ chức tế vi của các hợp kim với tỷ lệ Cu/Fe không đổi và thành phần Al thay đổi [16] 16

Hình 1 18: Độ cứng HV của hợp kim C95200 và C95300 khi không hóa già và hóa già ở các nhiệt độ khác nhau 17

Hình 1 19: (a) Hợp kim C95200 (b) C95300 xử lý nhiệt ở 9000C trong 30 phút tôi nước hóa già ở 3500C trong 120 phút và tôi nước 17

Hình 1 20: Độ cứng mài mòn của hợp kim C95200 và C95300 khi không hóa già và hóa già ở các nhiệt độ khác nhau dưới tác dụng tải 50N và tốc độ mài mòn 1m/s 17

Hình 1 21: Ảnh hưởng nhiệt độ hóa già đến hệ số ma sát dưới tác dụng tải 30N và tốc độ mài mòn 1m/s 18

Hình 1 22: Bề mặt mài mòn của hợp kim C95200 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500 18

Hình 1 23: Bề mặt mài mòn của hợp kim C95300 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500 18

Hình 1 24: Bề mặt mài mòn của hợp kim C95300 hóa già: (a) ở 2500C; (b) ở 3500C, x500 18

Hình 1 25: Ứng dụng hợp kim Cu-Al trong các chi tiết bánh răng và máy móc chính xác 19

Hình 1 26: Hợp kim ổ trượt làm việc trong môi trường nhiệt độ cao 19

Hình 2 1: Ảnh hưởng của nhôm, sắt, niken tới cơ tính trong đồng thanh nhôm 22

Hình 2 2: Tổ chức Cu-Al trạng thái ủ (a) và nguội nhanh (b) 23

Hình 2 3: Ảnh hưởng của mangan tới cơ tính trong đồng thanh nhôm 24

Hình 2 4: Ảnh hưởng của Mn và Ni đến tổ chức của Brong nhôm 25

Hình 2 5: Mặt cắt đứng hệ hợp kim 3 nguyên Cu-Al-Fe tại vị trí 3% và 5% Fe [27] 26

Hình 2 6: Ảnh hiển vi nghiên cứu tổ chức hợp kim đồng thanh nhôm (8,6%Al và 3,2%Fe) khi làm nguội liên tục từ 10000C: a) Tôi ở 10000C ; b) Tôi ở 9000C; c) Tôi ở 8600C; d) Tôi ở 8000C; e) Tôi ở 5500C 27

Hình 2 7: Tổ chức đúc của hợp kim đồng thanh nhôm (8,6%Al và 3,2%Fe) 27

Hình 2 8: Ảnh hưởng của các nhiệt độ nung khuôn khác nhau ban đầu tới tổ chức của hợp kim CuAl10Fe3: a) 4000C – có lớp áo khuôn graphit 0,01mm; b) 2800C- lớp áo khuôn graphit 0,01mm; c) 1500C- lớp áo khuôn graphit 0,01mm; d) Không nung trước- lớp áo khuôn graphit 0,1mm; e) Có tôi nước 29

Hình 2 9: Ảnh hưởng của các nhiệt độ nung khuôn tới tốc độ làm nguội và kích thước hạt: a) Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo khuôn graphit 0,01mm); b) Ảnh hưởng tới tốc độ nguội (áo khuôn graphit 0,1mm); c) Ảnh hưởng tới kích thước hạt (áo khuôn graphit 0,01mm); d) Ảnh hưởng tới kích thước hạt (0,1mm) 30

Hình 2 10: Mặt cắt đứng trong giản đồ trạng thái hệ hợp kim Cu-Al-Fe (tại 4% Fe) 31

Hình 2 11: Giản đồ pha Cu-Al được hợp kim hóa Fe 32

Hình 2 12: Các dạng chuyển biến mactenxit của hợp kim Cu-Al-Fe 33

Hình 2 13: Tổ chức tế vi của hai hệ hợp kim sau tôi 33

Hình 2 14: Tổ chức tế vi của hợp kim Cu-Al10-Fe4.8-Ni5-Mn1.5 sau tôi 34

Hình 2 15: Cấu trúc tinh thể Fe3Al với dạng DO3 34

Hình 2 16: Cấu trúc của pha FeAl 35

Hình 2 17: Cấu trúc của pha NiAl [38] 35

Hình 2 18: Brong nhôm C95400, đồng đều dung dịch rắn ở 9000C trong 02h, tôi nước, ram ở 6500C trong 02h và tôi nước Hạt α (mactenxit màu trắng) nhỏ hơn ở trạng thái đúc.[45] 39

Hình 2 19: Tổ chức Brong nhôm đúc trong khuôn kim loại Hợp kim với thành phần 5%Ni và 5%Fe (tương tự như C95500) Nguội nhanh, tổ chức Vit-man-tet (sáng) được nhìn thấy trên nền tổ chức mactenxit (màu tối)[45] 39

Hình 2 20: a) Ảnh hiển vi cho mẫu hợp kim được tôi từ 10200C ; b) Ảnh hiển vi điện tử 40

Hình 2 21: a) Phương pháp bản sao cacbon cho mẫu được tôi từ 10200C, cho thấy các pha tiết dạng khối hộp ; b) Thực hiện nhiễu xạ điện tử cho một lượng pha tiết lớn trong hình 2.21a, cho ra cấu trúc B2 41

Hình 2 22: a) Ảnh nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] thực hiện trên các tấm mactenxit (cấu trúc 9R); b) Phép nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [2 1 0], nhận được từ nhóm các tấm mactenxit song song ghép đôi 41

Hình 2 23: a) Ảnh TEM cho mẫu được tôi từ 8500C các pha mactenxit β’1 và γ’ b) Phép nhiễu xạ điện tử dọc theo phương [0 1 0] trên pha mactenxit β’1 42 Hình 2 24: Ảnh TEM của mẫu được tôi từ 10200C và ram tại 5000C trong 1 giờ cho thấy các pha tiết trên biên giới các tấm mactenxit và trên bề mặt của các pha tiết ra giàu sắt bên trong các tấm mactenxit 42

Hình 2 25: a) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường sáng ; b) Ảnh chụp pha β’-mactenxit theo trường tối, cho thấy các pha tiết giàu sắt.[53] 43

Hình 2 26: Một ví dụ về sự ảnh hưởng của các pha α, các pha mactenxit tới cơ tính (độ cứng)

trong các hợp kim hệ Cu-Al[52] 44

Hình 2 27: Đường cong dẻo cho brông nhôm α- biến dạng nguội 46

Hình 2 28: Dạng chuyển biến kiểu vòng dưới tác dụng ứng suất khi làm nguội và nung nóngT,chuyển biến từ trễ Ms, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Mactenxit; Mf, nhiệt độ kết thúc chuyển biến Mactenxit; As, nhiệt độ bắt đầu chuyển biến austenite; Af, nhiệt độ kết thúc chuyển biến austenite[56] 47

Hình 2 29: Phụ thuộc của biến dạng (ε) vào ứng suất (ζ) và nhiệt độ (T): 48

Hình 2 30: Mầm và sự phát triển mầm của tấm mactenxit γ’3 trên khuyết tật dưới ứng suất a) Khuyết tật trước mầm mactenxit; b) Mầm của mactenxit; [c-e] Phát triển của tấm; (f) nhiễu xạ của tấm γ’3 50

Hình 3 1: Sơ đồ nhiệt luyện 52

Hình 3 2: Hiển vi quang học Axiovert 100A chụp ảnh tổ chức 52

Hình 3 3: Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500 53

Hình 3 4: Máy hiển vi điện tử quét FESEM S4800 54

Hình 3 5: Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua 55

Hình 3 6: Thiết bị đo độ cứng tế vi 55

Hình 3 7: Thiết bị đo độ mài mòn Tribotech 55

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý thử hiệu ứng nhớ hình 56

Hình 4 1 :Tổ chức tế vi của hợp kim sau đúc 58

Hình 4 2: Tỷ phần pha κ của hợp kim CuAl9Fe4 59

Hình 4 3: Tỷ phần pha κ của hợp kim CuAl9Fe4Ni2 59

Hình 4 4: Tỷ phần pha alpha của hợp kim CuAl9Fe4Ni2 59

Hình 4 5: Phân tích XRD hợp kim sau đúc 60

Hình 4 6: Phân tích SEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4 sau đúc 61

Hình 4 7: Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim sau tôi 62

Hình 4 8: Phân tích XRD mẫu sau tôi 63

Hình 4 9: So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc và sau tôi hợp kim CuAl9Fe4 64

Hình 4 10: So sánh đồ thị XRD mẫu sau đúc và sau tôi hợp kim CuAl9Fe4Ni2 64

Hình 4 11: Phân tích tỷ phần pha liên kim mẫu sau tôi 65

Hình 4 12: Tỷ phần pha alpha mẫu CuAl9Fe4 sau tôi 65

Hình 4 13: Phân tích tỷ phần pha alpha mẫu sau tôi hợp kim CuAl9Fe4Ni2 66

Hình 4 14: Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim sau tôi 66

Hình 4 15: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau tôi 67

Hình 4 16: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4Ni2 sau tôi 68

Hình 4 17: Tổ chức tế vi của hai mẫu hợp kim sau hóa già ở 350oC trong 02h 69

Hình 4 18: Tỷ phần pha alpha và liên kim mẫu CuAl9Fe4 sau hóa già 70

Hình 4 19: Phân tích XRD mẫu sau hóa già 71 Hình 4 20: Phân tích SEM của hợp kim CuAl9Fe4 (a) và CuAl9Fe4Ni2 (b) sau hóa già 350 72

Hình 4 21: Phân tích EDS mẫu CuAl9Fe4 sau hóa già ở 350 C 73

Hình 4 22: Phân tích EDS mẫu sau hóa già ở 350oC 73

Hình 4 23: Ảnh TEM của hợp kim sau hóa già 350°C 74

Hình 4 24: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 350oC trong 02h 75

Hình 4 25: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già 76

Hình 4 26: Tỷ phần pha mẫu sau hóa già ở 550oC trong 02h 76

Hình 4 27: Phân tích XRD hợp kim khi hóa già ở 350oC và 550oC trong 02 giờ 77

Hình 4 28: Phân tích tổ chức tế vi bằng ảnh SEM 78

Hình 4 29: Phân tích EDS ở 350oC trong 02h 78

Hình 4 30: Phân tích EDS ở 450 trong 02h 79

Hình 4 31: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 550oC trong 02 giờ 80

Hình 4 32: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già ở 350oC các thời gian khác nhau 1; 2 và 3 giờ 80

Hình 4 33: Phân tích ảnh SEM mẫu sau hóa già ở 350oC các thời gian khác nhau 81

Hình 4 34: Phân tích ảnh TEM ở 350 trong 02h 82

Hình 4 35: Phân tích ảnh TEM mẫu CuAl9Fe4 sau xử lý nhiệt ở 350oC trong 03h 82

Hình 4 36: Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già 83

Hình 4 37: Kết quả XRD hợp kim CuAl9Fe4Ni2 sau tôi và hóa già 84

Hình 4 38: Tỷ phần pha alpha sau hóa già ở 550oC 84

Hình 4 39: Phân tích ảnh SEM mẫu sau hóa già 85

Hình 4 40: Phân tích EDS mẫu 350 – 2h 86

Hình 4 41: Phân tích tổ chức tế vi mẫu ở 350 nhưng thay đổi thời gian 87

Hình 4 42: Phân tích tổ chức tế vi mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 ở 350 oC trong 05 giờ 87

Hình 4 43: Phân tích SEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 xử lý nhiệt ở 350 oC nhưng thay đổi thời gian 88

Hình 4 44: Phân tích TEM mẫu hợp kim CuAl9Fe4Ni2 xử lý nhiệt ở 350 trong 02 giờ 88

Hình 4 45: (a, b, c) lần lượt là kết quả tổ chức của hợp kim CuAl9Fe4 ở các trạng thái sau cán, trước nhớ hình và sau nhớ hình 89

Hình 4 46: Tỷ phần pha alpha trước và sau nhớ hình 90

Hình 4 47: Phân tích XRD hợp kim CuAl9Fe4 trước và sau nhớ hình 91

Hình 4 48: (a, b) Kết quả TEM của hợp kim CuAl9Fe4 ở trạng thái trước và sau nhớ hình 92

Hình 4 49: Mẫu nung nóng ở 1173 o K, nguội trong nước nóng 93

Hình 4 50: Tổ chức tế vi mẫu sau biến dạng 93

Hình 4 51: Mẫu biến dạng 10% + nhiệt luyện 94

Hình 4 52: Mẫu sau nhớ hình 95

Hình 4 53: Phân tích XRD trước và sau khi nhớ hình hợp kim CuAl9Fe4Ni2 95

Hình 4 54: Tỷ phần pha alpha trước và sau nhớ hình 96

Hình 5 1: Giá trị độ cứng tại các chế độ xử lý khác nhau 97

Hình 5 2: Độ cứng mẫu khi xử lý ở các nhiệt độ khác nhau 97

Hình 5 3: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim CuAl9Fe4 khi thời gian hóa già thay đổi 99

Hình 5 4: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim CuAl9Fe4 khi nhiệt độ hóa già thay đổi 99

Hình 5 5: Tổ chức tế vi mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt 101

Hình 5 6: Đồ thị độ cứng của hợp kim ở các chế độ khác nhau 101

Hình 5 7: Đồ thị độ cứng của hợp kim ở các chế độ hóa già khác nhau 102

Hình 5 8: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim khi thời gian hóa già thay đổi 103

Hình 5 9: Biến thiên giá trị độ cứng của hợp kim khi nhiệt độ hóa già thay đổi 103

Hình 5 10: Tổ chức tế vi mẫu sau các chế độ xử lý nhiệt 105

Hình 5 11: Tổ chức hợp kim trước nhớ hình 106

Hình 5 12: Tổ chức hợp kim trước sau hình 106

Hình 5 13: Tổ chức hợp kim trước nhớ hình 107

Hình 5 14: Tổ chức hợp kim sau nhớ hình 107

Hình 5 15: Bố trí hệ trục chong chóng bôi trơn bằng nước biển 108

Hình 5 16: Áo trục và lớp bọc trục 108

Hình 5 17: Mối ghép bằng then 109

Hình 5 18: Quy trình chế tạo mối ghép then bằng hợp kim nhớ hình 110

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa thêm Fe và Ni đã được nghiên cứu và ứng dụng Họ hợp kim này được ứng dụng khá phổ biến trong chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn Nó có vai trò quan trọng trong công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực hàng hải và công nghiệp đóng tàu Những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã bước đầu tìm thấy và chứng minh được hiệu ứng nhớ hình của hệ hợp kim này Tuy nhiên, những ứng dụng của hiệu ứng nhớ hình là chưa nhiều

Đối với các nhà sản xuất trong nước đang còn nhiều vấn đề vướng mắc là chất lượng sản phẩm còn thấp, mài mòn nhanh, tuổi thọ làm việc thấp Các sản phẩm làm ra mới ở dạng đúc chưa có nhiều công trình nghiên cứu về xử lý nhiệt để nâng cao chất lượng cho chi tiết tạo từ hợp kim này

Đối với hệ hợp kim này khi xử lý nhiệt có chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa bền Nhờ những ứng dụng; khối lượng sản xuất khá nhiều nhưng hiện nay vẫn chưa có nhiều công trình nghiên cứu về cơ chế chuyển biến pha; ứng dụng chuyển biến mactenxit và tìm ra quy trình

xử lý nhiệt phù hợp cho các ứng dụng từ hệ hợp kim này

Trong luận án này tác giả nghiên cứu ứng dụng chuyển biến pha mactenxit và tiết pha hóa bền trong việc nâng cao khả năng chống mài mòn của hệ hợp kim đồng nhôm; cũng như ứng dụng chuyển biến pha mactenxit trong quá trình nhớ hình của hệ hợp kim Từ những phân tích về quá trình chuyển biến pha trong hệ hợp kim, luận án xây dựng quy trình xử lý nhiệt phù hợp với ứng dụng mài mòn và nhớ hình

Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của hợp kim đồng nhôm được hợp

kim hóa thêm Fe và Ni, đề tài của luận án được lựa chọn là:“Nghiên cứu ứng dụng chuyển biến

mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm”

Mục đích của luận án

Nghiên cứu quá trình chuyển biến, hình thành pha trong hệ hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa thêm Fe, Ni từ trạng thái sau đúc đến sau khi xử lý nhiệt Nghiên cứu áp dụng chuyển biến mactenxit ứng dụng trong hợp kim chịu mài mòn và nhớ hình Xây dựng chế độ công nghệ

xử lý nhiệt phù hợp cho mục tiêu cải thiện tính chống mài mòn và nhớ hình của hợp kim

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng: Nghiên cứu hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa: 9%Al; 4%Fe có và không

có hợp kim hóa 2%Ni

- Nghiên cứu ảnh hưởng quy trình xử lý nhiệt đến tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng nhôm khi được hợp kim hóa

- Thăm dò khả năng nhớ hình của hệ hợp kim

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Ý nghĩa khoa học

* Quá trình chuyển biến mactenxit trong hợp kim Cu-Al là quá trình phức tạp và đa dạng;

do vậy luận án đã góp phần làm rõ quá trình và khả năng ứng dụng chuyển pha mactenxit trong những điều kiện cụ thể

* Trên cơ sở phân tích quá trình trình hình thành và hòa tan pha liên kim đã làm rõ ảnh hưởng của những pha này đến tổ chức và cơ tính của hệ hợp kim

* Nhận diện được tổ chức mactenxit và các pha liên kim xuất hiện trong tổ chức của hệ hợp kim nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu :

Nghiên cứu dựa trên những công trình nghiên cứu đã được công bố từ các tài liệu ở trong

và ngoài nước

Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp thực nghiệm, đánh giá phân tích, phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm

Nội dung bố cục luận án

Luận án được chia làm 05 chương; mở đầu và kết luận chung:

Hình 1 1: Giản đồ Cu-Al (a) và ảnh hưởng của nhôm

đến cơ tính (b)

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM ĐỒNG NHÔM

1.1 Giới thiệu về hợp kim Cu-Al

Đồng thanh nhôm hay brông nhôm là các hợp kim trên cơ sở đồng với nguyên tố hợp kim chính là nhôm chiếm khoảng từ 4-14% Một lượng nhỏ hơn các nguyên tố Ni, Mn, Si, Fe… được

bổ sung tạo nên các loại đồng thanh nhôm khác nhau với các tính chất khác nhau để đáp ứng các yêu cầu đa dạng về độ bền, độ dẻo, độ cứng, tính ăn chống ăn mòn, mài mòn, từ tính… khi được gia công và xử lý nhiệt

Brông nhôm có ưu điểm hơn so với brông thiếc là giá thấp hơn, cơ tính và một số tính công nghệ cao hơn

Nhôm là nguyên tố hợp kim chính

trong đồng thanh nhôm Nó có mặt

trong hợp kim tạo ra các tổ chức, các

pha liên kim, trước tiên là với đồng như

Cu32Al19, AlCu3 hay với các nguyên

tố khác như Fe, Ni, Mn…nếu chúng có

hình thái và sự phân bố hợp lý sẽ có tác

dụng hóa bền cho hợp kim, đồng thời có

thể áp dụng việc xử lí nhiệt để cải thiện

hơn nữa cơ tính cho hợp kim Là

nguyên tố hợp kim chính, rõ ràng ảnh

hưởng của nhôm là rất lớn tới các tính

chất (độ bền, độ dẻo, tính chịu ăn mòn

và mài mòn…) của hợp kim

Có thể nhận thấy ảnh hưởng rõ

rệt của nhôm tới độ bền và độ dãn dài

của hợp kim qua hình 1.1 [2] Đối với hợp kim hai nguyên Cu-Al, độ dãn dài có thể đạt tới 75% ở 6-7% Al Với hàm lượng nhôm lớn hơn 8%, độ dãn dài sẽ giảm nhanh và xuống tới 0 tại 13% Al khi mà hợp kim đã trở nên giòn bởi sự chuyển biến trong tổ chức Qua hình 1.1, ta cũng có thể thấy được độ bền kéo của hợp kim 2 nguyên Cu-Al tăng đều cùng hàm lượng nhôm cho tới khoảng 10% Al sau đó, do sự chuyển biến trong tổ chức, độ bền này cũng bắt đầu giảm dần Người ta nhận định rằng, trong khoảng 8-11% Al sẽ kết hợp được tốt nhất các tính chất về độ cứng, độ bền độ bền mỏi, khả năng gia công…cho hợp kim đồng nhôm Có điểm đáng chú ý với hợp kim đồng thanh nhôm là tính chống ăn mòn luôn tới nhắc tới trong nhiều môi trường khác nhau do luôn có một lớp màng oxyt nhôm được hình thành trên bề mặt của hợp kim và lớp này nhanh chóng được tái hình thành nếu bị phá vỡ Tuy nhiên lớp oxyt này không phải không thể bị

ăn mòn vì chúng phụ thuộc vào cấu trúc, tổ chức của hợp kim phía trong lớp oxyt này

Các pha xuất hiện trong hợp kim đồng nhôm:

Pha α: là dung dịch rắn của nhôm ở trong đồng Pha này có kiểu mạng lập phương tâm mặt; giá trị độ cứng của pha nằm trong khoảng từ 200 đến 270HV Độ hòa tan của nhôm trong α tăng lên khi giảm nhiệt độ từ 7,4% ở 10350C đến 9,4% ở 5650

C Pha α có tính dẻo và khả năng chịu gia công áp lực tốt

Hình 1 2: Kiểu mạng lập phương tâm mặt của pha α

Pha β: là hợp chất điện tử Cu3Al với nồng độ điện tử là Ce=3/2 Ở 5650C xảy ra phân hóa cùng tích

Pha β có kiểu mạng lập phương tâm khối và có cấu trúc DO3 tương đối dẻo, có thể biến dạng được Pha này theo giản đồ pha chỉ tồn tại ở trên 565oC Khi làm nguội nhanh hợp kim thì pha này chuyển sang cấu trúc mactenxit (sẽ được trình bày kỹ trong mục 2.3)

Pha γ là dung dịch rắn trên cơ sở hợp chất điện tử Cu32Al19, có kiểu mạng lập phương phức tạp (cP52) ứng với nồng độ điện tử Ce=21/13 Pha γ cứng và rất giòn Giá trị độ cứng có thể đạt tới 570HV

Những hợp kim chưa ít hơn 7,45% Al có tổ chức một pha α Phụ thuộc vào tốc độ kết tinh, các brong nhôm chứa nhiều hơn 7,5%Al sẽ có tổ chức khác nhau Ví dụ tổ chức của hợp kim chứa 10,5%Al khi nguội chậm gồm α + [α+γ2] Khi tăng tốc độ nguội, độ phân tán tổ chức tăng lên Làm nguội với tốc độ đủ lớn, pha β có chuyển biến không khuếch tán kiểu mactenxit Thành phần của pha γ2 là Cu9Al14 và cấu trúc của nó có dạng lập phương

Với tốc độ nguội thực tế, khác với trạng thái cân bằng, cùng tích xuất hiện trong tổ chức của hợp kim với hàm lượng 68 %Al; Sự có mặt của cùng tích làm giảm mạnh độ dẻo của brông

nhôm Khi tăng hàm lượng nhôm đến 45% , cùng với độ bền, độ cứng cả độ dẻo cũng tăng, sau

đó độ dẻo giảm mạnh, còn độ bền tiếp tục tăng cho tới hàm lượng nhôm đạt tới 10l1% (Hình

1.1b) Brông một pha có độ dẻo tốt, thuộc loại brông biến dạng, có sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền (ζB= 400450 MPa) và độ dẻo (δ = 60%) Brông hai pha được sản xuất dưới dạng các bán

thành phẩm biến dạng, cũng được dùng để đúc hình Khi có mặt pha cùng tích, brông ít biến dạng nguội mà phải biến dạng nóng Brông hai pha có đặc trưng là độ bền cao (ζB= 600 MPa) và độ cứng cao (HB > 1000 MPa) Chúng có thể được hóa bền bằng nhiệt luyện Khi nguội nhanh (tôi) pha β không có chuyển biến cùng tích mà chuyển biến mactenxit

1.2 Lịch sử ra đời hợp kim Cu-Al

Hình 1 5: Những sản phẩm đầu tiên trong lịch sử chế tạo từ đồng thanh nhôm

Sự kết hợp giữa đồng và nhôm tạo ra hợp kim lần đầu tiên được tiến hành vào giữa những năm 1800 Khi đó, nó vẫn còn rất là đắt, tốn kém để đưa vào sản xuất và chính vì thế, nó trở thành một đề tài nghiên cứu cho nghành luyện kim và dừng lại ở đó hơn là đưa vào sản xuất và

sử dụng Những năm đầu thế kỷ 20 tại Mỹ, Mint đã đưa ra những đánh giá, xem xét tất cả các kim loại và hợp kim khác nhau để co thể thay thế cho các đồng xu bằng đồng trong lưu thông hàng hóa, tuy nhiên trong số đó ông không đưa ra một loại nào tên là “Aluminium Bronzes” cả vì cho rằng có thể chúng vẫn còn chứa một hàm lượng đồng lớn trong đó Trước đó vào năm 1865, tại một cuộc hội thảo hàng năm của học viên khoa học quốc gia, nhân viên thí nghiêm của U.S Mint (J.P Eckfeldt) đã tiến hành thí nghiệm đánh giá dùng hợp kim đồng thanh nhôm cho quá trình sản xuất đồng tiền Ông đã nhân định rằng đồng tiền bằng đồng thanh nhôm không được ổn lắm (mẫu đồng thanh nhôm dùng thí nghiệm của ông chứa chín phần Cu và một phần Al), và ông nhận thấy các đồng tiền này bị xỉn màu nhanh chóng (có một lưu ý rằng ông cũng đã xử lí nhiệt

và gia công tạo hình cho các đồng tiền trước đó và đây cũng có thể là nguyên nhân) Và sau này,

người ta đã cải thiện hợp kim hóa, cải tiến công nghệ, phương pháp để cho ra các thỏi hay đồng tiền bằng đồng thanh nhôm mà không bị xỉn hay mờ bề mặt như vậy nữa

Cũng vào những năm đầu thế kỷ 20, P.H.G Durville (Pháp) đã có sang chế (US 1007548A)

có liên quan tới việc tạo ra hợp kim đồng thanh nhôm mà có bổ sung một lượng mangan hợp lí để làm giảm đi lượng oxyt nhôm hình thành trong quá trình sản xuất hợp kim này Sáng chế này được thông qua năm 1910 và được chấp thuận năm 1911 Ông đề xuất cho 0.5-5% mangan vào hợp kim đồng thanh nhôm Việc này đã giải quyết được những vấn đề xảy ra trước đó với hợp kim này, nó loại bỏ các oxyt và rỗ khí (nguyên nhân có thể gây ra nứt và các ảnh hưởng xấu khác) trong kim loại Ngay sau đó, ông cũng đưa ra ý tưởng khác là rót nghiêng kim loại lỏng để tránh được các bọt khí, xỉ lẫn và rỗ khí Các sáng chế này đã dẫn lối cho con đường đưa đồng thanh nhôm vào sản xuất các đồng tiền xu Và đồng tiền xu bằng đồng thanh nhôm đầu tiên đã xuất hiện vào năm 1920 tại Pháp, sau đó tại Brazil năm 1922 rồi hàng loạt các quốc gia khác như Nga, Đức, Đan Mạch, Phần Lan…với nhiều mệnh giá khác nhau.[3]

Đó là về thời điểm phát triển ban đầu của đồng thanh nhôm và dần dần cho đến ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ (nấu luyện, hợp kim hóa, đúc, gia công tạo hình…) đã cho ra nhiều hợp kim đồng thanh nhôm khác nhau, đa dạng về thành phần và ứng dụng thì ngày một rộng rãi hơn : huy chương, vòng bi, bạc lót (ổ trục, thanh truyền…),bơm áp lực, van, đế xupap, bánh răng, dây đàn ghitar, các bộ phận chịu ăn mòn trong công nghiệp dầu, hóa chất, thực phẩm…, một số chi tiết trong tàu biển, hàng không…

Tính chất của đồng thanh nhôm đúc

Đồng thanh nhôm có khoảng đông hẹp, chảy loảng tốt, song co thể tích và co dài khá lớn nên dễ sinh rỗ co và nứt do cản co Nói chung đồng thanh nhôm khó đúc hơn đồng thanh thiếc Trong thành phần hợp kim có nhôm mà nhôm dễ bị oxy hóa tạo thành màng Al2O3 làm cho tính

in hình, rõ nét bị giảm đi Mặt khác trong quá trình nấu và rót không tinh luyện tốt Al2O3 dễ bị lẫn vào trong hợp kim làm giảm cơ tính rất mạnh Đồng thanh nhôm hút khí mạnh khi nấu nên dễ sinh rỗ khí Khi nguội chậm trong khuôn cát, đồng thanh nhôm có tổ chức hạt thô to, gây giòn và

để khắc phục tình trạng này, thường dùng mangan hoặc sắt để làm giảm kích thước hạt hợp kim Đồng thanh nhôm có thể đúc được bởi tất cả cá phương pháp đúc phổ biến như: đúc khuôn cát, đúc khuôn kim loại, đúc mẫu chảy, đúc ly tâm, đúc liên tục… Khó nấu đúc hơn đồng thanh thiếc nhưng đồng thanh nhôm đúc lại có cơ tính cao hơn hẳn Chúng có độ bền khá cao (một số loại có thể so sánh với thép cacbon trung bình); tính chống ăn mòn tốt trong môi trường nước biển và axit hữu cơ; chịu mài mòn cao (khi tạo được tổ chức (α+γ) trên nền mềm α thì đồng thanh nhôm

có tính chịu mài mòn tốt trong điều kiện áp lực cao); tính gia công tốt (có thể biến dạng nóng- nguội dễ dàng để tạo thành các phôi dạng thanh, tấm, phiến lá,…; khả năng chống sốc cơ và giảm chấn tốt; độ bền mỏi cao; hầu như không có từ tính và nhiễm từ; ngoài ra còn dùng cho các mục đích trang trí khác…Và có điểm đáng chú ý là đối với các hợp kim đồng thanh nhôm mà hàm lượng nhôm từ 9-10% trở lên có thể nhiệt luyện để tăng cơ tính khi mà đã có sự chuyển biến pha

khi nung nóng và làm nguội (sẽ được trình bày rõ hơn trong phần giản đồ trạng thái và tổ chức).[3][4][5][6]

Nhìn chung, so với đồng thanh thiếc, đồng thanh nhôm có nhiều ưu điểm hơn, đặc biệt là tiết kiệm được thiếc do thiếc đắt và hiếm Mặt khác đồng thanh nhôm ít bị thiên tích,sản phẩm đúc ít bị rỗ và khả năng điền đầy tốt hơn; cơ tính ở cả nhiệt độ cao và nhiệt độ thường đều cao hơn; chịu ăn mòn và mài mòn tốt hơn; nhiệt độ biến giòn thấp và không sinh ra tia lửa điện khi va đập mạnh Những hạn chế so với đồng thanh thiếc là co ngót nhiều hơn khi đúc, nhôm dễ bị oxy hóa tạo ra Al2O3, nếu không tinh luyện tốt, Al2O3 sẽ lẫn vào trong hợp kim và làm giảm cơ tính nhiều; khó hàn và bị hóa giòn do có bệnh tự ủ Tuy vậy trong công nghiệp, đồng thanh nhôm vẫn dần dần được thay thế cho đồng thanh thiếc do những ưu điểm vượt trội của nó [7], [8]

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni

Từ năm 1979, nhà luyện kim người Anh tên là N.N.Myuller and A.V.Agafonova[1] bắt tay vào nghiên cứu các hợp kim Cu-A1-Fe với 8-14% A1 và 13-40% Fe để xác định khả năng thay thế một phần của đồng bằng sắt trong các hợp kim BrAZh9-4(GOST 18175-72), quá trình nghiên cứu cho thấy các thuộc tính của hợp kim có thể thay đổi trong khoảng rộng bằng các xử lý nhiệt Điều đó đã góp phần giảm chi phí cho các chi tiết tạo bằng loại hợp kim này, làm cho việc chế tạo các hợp kim này ít tốn kém đi Hợp kim nghiên cứu có thành phần như sau :

Bảng 1.1: Thành phần mẫu hợp kim nghiên cứu [1]

Cấu trúc và độ cứng tế vi của pha đơn và độ cứng của hợp kim Cu-Al-Fe thay đổi trong suốt quá trình nhiệt luyện

Hình 1.6 cho thấy sự thay đổi độ cứng của mẫu sau xử lý nhiệt và mẫu đúc 3 liên quan đến thành phần Al với tỷ lệ Cu : Fe = 1.25 và 2.0 Nhôm làm tăng đáng kể khi tăng độ cứng với hơn 8% Tăng thành phần Fe cũng tương tự như Al nhưng ở mức độ thấp hơn

Hình 1.7 cho thấy thay đổi cơ tính của mẫu sau xử lý nhiệt và brong CuAl9Fe4 trong nhiệt

độ thử nghiệm

Kết quả cho thấy: Đến 4000C giới hạn bền của mẫu sau xử lý nhiệt 2 là cao hơn so với CuAl9Fe4 nhưng độ dãn dài là thấp hơn Khi nhiệt độ tăng trên 5000C độ bền tăng tương tự nhưng mẫu 2 sau xử lý nhiệt tăng độ dãn dài Độ dai va đập của mẫu sau xử lý nhiệt 2 ở khoảng

300 – 4000C là thấp hơn so với CuAl9Fe4 Khi nhiệt độ tăng giá trị độ dai va đập của hợp kim mẫu sau xử lý nhiệt 2 tăng đặc biệt là khoảng 5000C trong khi với hợp kim CuAl9Fe4 không tăng

ở 2000

C

Theo nghiên cứu của J Labanowski và T Olkowski ngưởi Ba Lan năm 2014[9] đã chỉ ra những kết quả nghiên cứu của mình về hợp kim CuAl10Fe5Ni5 ứng dụng cho chân vịt tàu thủy Bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét kết hợp với định lượng nhóm nghiên cứu đã xác định được hình dạng kích thước của các pha κ – là những pha giàu sắt ; những pha này ảnh hưởng đến cơ tính của hợp kim Với việc tăng số lượng các pha nhỏ mịn này sẽ tăng giới hạn bền kéo của vật đúc; trong khi nếu những pha này có sự kết tụ thành hình dạng lớn sẽ cải thiện tính dẻo Quá trình phân rã hay kết tụ của pha này phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học ; tỷ lệ Fe/Ni, tốc độ làm nguội và công nghệ đúc Pha κ này có 04 dạng tùy thuộc vào điều kiện khác nhau :

Hình 1 6: Độ cứng của hợp kim đúc với

thành phần Al khác nhau 1) Hợp kim với

sắt; 2) Hợp kim với Cu:Fe = 2.0; 3) hợp

kim với Cu:Fe = 1.25 [1]

Hình 1 7: Giới hạn bền, độ dãn dài và độ

dai phá hủy của hợp kim đúc ở các nhiệt

độ thử nghiệm O) Heat 2; •) Brong

CuAl9Fe4 [1]

- Dạng κI được hình thành từ trạng thái lỏng có hình dạng hoa hồng lớn ; chứa nhiều Fe thông thường tồn tại dưới dạng cấu trúc Fe3Al

- Dạng κII được hình thành từ pha β và cũng có dạng hoa hồng ; cấu trúc giống pha κI

Hình 1 6: Mô tả các dạng của pha κ (hình a) và hình thái ; phân bố của pha κ ở tổ chức của

BA1055 sau đúc (b) ; ảnh SEM (c)[9]

Kết quả nghiên cứu của B.P Pisarek (Ba Lan) [10] cũng công bố : về sự biến đổi các pha theo nhiệt độ của hệ hợp kim Cu-Al-Fe-Ni với việc bổ sung thêm các nguyên tố như Cr ; Mo hoặc W đã cho thấy về hình thái pha kết tinh ; thứ tự pha kết tinh vị trí tạo mầm

Hình 1 7: Giản đồ cân bằng pha [10]

Hình 1 8: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl11Fe5Ni6[10]

Hình 1 9: Sự chuyển pha của hợp kim Cu-Al-Fe-Ni trong quá trình làm nguội [11]

Theo các kết quả nghiên cứu của Yuting Lv, Liqiang Wang, Xiaoyan Xu and Weijie Lu [11] của Trung Quốc đã chỉ ra ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tổ chức và độ cứng tế vi của Brong Cu-Al hợp kim hóa thêm Ni và Fe Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi xử lý nhiệt ở 675oC tổ

chức tế vi của hợp kim NAB có mật độ lệch cao Khi ủ ở nhiệt độ trên cho thấy sự kết tinh lại không liên tục đã diễn ra Thành phần pha mactenxit giảm xuống và pha κ bắt đầu kết tụ Sau khi

ủ trong 02 giờ cả độ cứng tế vi trong các pha và sự khác nhau về độ cứng các pha và kim loại cơ bản là được giảm xuống nguyên nhân là do mật độ lệch và pha β’ giảm đi kèm với đó là quá trình kết tinh lại được hình thành Khi tăng thời gian ủ lên 04 giờ thì sự chênh lệch về độ cứng giữa các pha là gần như không còn nữa

Hình 1 10: Tổ chức tế vi của FSP NAB và sau xử lý nhiệt

a) Hợp kim FSPed NAB ; b) Ủ 2 giờ ; c) Ủ 4 giờ [11]

Các kết quả phân tích về ảnh TEM (hình 1.13) càng cho thấy sự thay đổi về tổ chức pha của hợp kim khi thay đổi thời gian ủ khác nhau

Hình 1 11: Ảnh TEM (a) và (d) hợp kim FSP NAB và sau xử lý nhiệt bằng phương pháp ủ (b) và

(e) trong 02 giờ ; (c) và (f) trong 04 giờ [11]

Theo như nghiên cứu của W.S Li và các cộng sự năm 2006 [12] cho thấy hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa thêm Fe, Mn và Ni có cho thấy sự hình thành của các pha liên kim kappa khi được xử lý nhiệt phù hợp Các kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra cấu trúc và giá trị độ cứng tế vi của hệ hợp kim nghiên cứu

Bảng 1.2 : Độ cứng tế vi của các pha nghiên cứu [13]

Lệch Hạt kết tinh lại

Pha β’

Nền α Pha κ

Như vậy, từ kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Trung Quốc cho thấy trong tổ chức của hợp kim khi xử lý nhiệt nếu có sự xuất hiện của pha γ2 và pha κ sẽ tăng được khả năng chống mài mòn của hệ hợp kim đặc biệt khi các pha này phân tán ở trong nền

Các kết quả nghiên cứu của J Hájek và các cộng sự năm 2016 [13] đã trình bày các kết quả nghiên cứu về sự chuyển biến pha của hợp kim đồng nhôm khi làm nguội với các tốc độ khác nhau (quá trình tôi) Trong nghiên cứu của mình, các tác giả đã trình bày sự biến đổi về hình thái của mactenxit trong các điều kiện nguội khác nhau; nguội trong nước, trong dầu, trong không khí

và trong lò Ngoài ra, khi tốc độ nguội giảm hình thái của pha α cũng thay đổi cụ thể: tốc độ nguội giảm thì kích thước của pha α tăng lên Trong các điều kiện làm nguội giảm dần thì tỷ lệ pha kappa từ I đến IV cũng tăng lên (hình 1.14)

a) Mẫu sau tôi trong nước c) Mẫu sau tôi trong dầu

b) Mẫu nguội trong không khí d) Mẫu nguội cùng lò

Hình 1 12: Tổ chức tế vi của hợp kim CuAl9Fe4 [14]

Theo như nghiên cứu của các tác giả J Hájek và các cộng sự [13] khi thay đổi chế độ xử lý nhiệt không ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn của hệ hợp kim (bảng 1.3)

Bảng 1.3: Tốc độ ăn mòn của hợp kim khi xử lý ở các chế độ khác nhau [14]

Chế độ xử lý nhiệt Nhiệt độ tôi

900 600 -185 250 12

Năm 1989, Nhóm tác giả J DUTKIEWlCZ (Ba Lan) V V Martynov (Liên Xô) U Messerschmidt (Đức) [14] đã phối hợp nghiên cứu cơ chế hình thành martensite trong hệ hợp kim Cu-AI-Fe, Kết quả nghiên cứu cho thấy Tinh thể được hình thành trong Mactenxit giả đàn hồi, biến dạng tăng hoặc giảm tùy thuộc vào động lực của sự chuyển đổi, điều này dẫn đến sự thay đổi cơ lý tính của tinh thể

Hình 1 13: Ảnh hiển vi điện tử chụp giai đoạn dầu của sự gia tăng tải theo hướng [110]

(a) Kim mactenxit trong nền pha (b) Hình ảnh nhiễu xạ điện tử (c) Bề mặt mactenxit ở độ phóng đại cao hơn [14]

- Năm 2011 Hai nhà kim loại học người Ấn độ là T.N.Raju và V.Sampath [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhôm và sắt đến nhiệt độ chuyển đổi của hợp kim nhớ hình Cu-

Al-Fe

Trong nghiên cứu của mình, các tác giả nhận thấy hiệu ứng nhớ hình của kim đồng nhận được nhiều sự quan tâm vì tính dẻo tốt, dễ sản xuất và chế tạo và có chi phí thấp Nghiên cứu ban đầu cho thấy độ dẻo và tính chất cơ học khác của các hợp kim nhớ hình Cu-Al có thể được cải thiện đáng kể bằng cách thêm các nguyên tố thứ ba như Ni, Mn và Fe

- Hợp kim nhớ hình Cu-Al-Ni có sự ổn định nhiệt tốt và nhiệt độ hoạt động cao, tuy nhiên ứng dụng thực tế của hợp kim này bị hạn chế vì khả năng gia công kém.[16]

- Hợp kim nhớ hình Cu-Al-Mn, có độ dẻo cao và khả năng gia công tốt, nhưng nhiệt độ hoạt động của chúng thấp [17]

- Để khắc phục tính dòn của hợp kim Al-Ni ta có thể bổ xung thêm Fe Có rất ít nghiên cứu về vai trò của việc bổ sung Fe để hợp kim Cu-Al hình thành hợp kim nhớ hình

Do đó các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của nhôm và sắt tới nhiệt độ chuyển biến Nội dung chủ yếu là: Tăng thành phần nhôm làm nhiệt độ chuyển biến giảm, trong khi việc bổ sung tăng hàm lượng Fe thì làm tăng nhiệt độ chuyển biến Kết quả thể hiện như sau:

Bảng 1.4: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe không đổi còn

thành phần của Al thì thay đổi [16]

S2 84.51 11.17 4.42 232 255 395 450

Hình 1 14: Biểu thị sự thay đổi nhiệt độ chuyển biến khi các hợp kim có tỷ lệ Cu/Fe không đổi

còn thành phần của Al thì thay đổi.[15]

Mặc dù kết quả nghiên cứu về lý thuyết của hợp kim này nhiệt độ chuyển biến mactenxit là khá cao nhưng thực nghiệm nhóm tác giả vẫn tiến hành làm nguội trong môi trường nước thông thường Các kết quả nghiên cứu về mặt thực nghiệm cho thấy trong tổ chức của hợp kim xuất hiện dạng tổ chức mactenxit như đã được phân tích ở dưới dây:

<8,5% chỉ có đơn pha rắn alpha (α) Nhưng khi thêm sắt vào từ 1 ~ 1,5%, điểm này dịch sang trái

và giảm xuống 8% làm cho pha thứ 2 beta (β) xuất hiện và làm tăng độ cứng

Để xác định vai trò của quá trình tôi, các mẫu được giữ ở nhiệt độ 900oC trong 30 phút và tôi trong nước ở 20oC Hóa già được tiến hành ở 4 nhiệt độ hóa già, 250; 300; 350 và 400oC trong

120 phút Sau mỗi chu kỳ hóa già độ cứng lại được đo lại

Giá trị của độ cứng của hợp kim C95200 và C95300 đạt cực đại sau khi hóa già ở nhiệt độ

350oC trong vòng 120 phút và hiện tượng quá hóa già xuất hiệt tại nhiệt độ cao hơn

Hình 1 16: Độ cứng HV của hợp kim C95200 và C95300 khi không hóa già và hóa già ở các

nhiệt độ khác nhau [19]

Nhưng lượng hụt khối khi chịu mài mòn của các hợp kim C95200 và C95300 cũng là cực đại tại nhiệt độ 350oC, có thể là do sự có mặt của các cấu trúc liên kim cứng mà xuất hiện sau quá trình xử lý nhiệt hóa già Cũng được xác định rằng lượng hụt khối do mài mòn tăng khi khoảng cách trượt và tải trọng tăng

ở 350 0 C trong 120 phút và tôi nước [19]

Độ hụt khối và hệ số ma sát của hợp kim C95200 cao hơn của hợp kim C95300 trong tất cả các điều kiện hóa già Hóa già ở 350o

C là quá trình xử lý nhiệt hợp lý nhật cho độ cứng lớn nhất (355 HV với hợp kim C95300 và 295 HV với hợp kim C95300) Nhưng hóa già ở 250oC là tốt nhất, đạt được tốc độ mài mòn nhỏ nhất Ảnh chụp của bề mặt mài mòn các hợp kim chỉ ra rằng tăng nhiệt độ hóa già (350o

C và 450oC) dẫn đến hụt khối mài mòn và hệ số ma sát tăng

Hình 1 18: Độ cứng mài mòn của hợp kim C95200 và C95300 khi không hóa già và hóa già ở

các nhiệt độ khác nhau dưới tác dụng tải 50N và tốc độ mài mòn 1m/s [19]

Hình 1 19: Ảnh hưởng nhiệt độ hóa già đến hệ số ma sát dưới tác dụng tải 30N và tốc độ mài

mòn 1m/s [19]

Từ các nghiên cứu ở ngoài nước cho thấy rằng việc nâng cao cơ tính của hợp kim trên cơ

sở Cu-Al bằng thay đổi thành phần hợp kim và chế độ xử lý nhiệt sẽ nâng cao được cơ tính của hợp kim; ngoài ra với một chế độ xử lý nhiệt và thành phần hợp lý có thể chế tạo được hợp kim nhớ hình [19][20][21]

1.4 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Đồng thanh nhôm được sử dụng rông rãi để chế tạo các chi tiết cho các ứng dụng có liên quan đến ma sát,có thể làm việc trong các môi trường mài mòn với áp suất cao như bạc lót, chi tiết trong bơm, chi tiết bánh răng trong các máy móc nhỏ có độ chính xác cao, thanh truyền,đế xupap,chi tiết trong tàu biển

Hình 1 23: Ứng dụng hợp kim Cu-Al trong các chi tiết bánh răng và máy móc chính xác

Trong lĩnh vực cơ khí, đất nước ta cần chủ động gia công chế tạo các chi tiết máy móc có tính chính xác cao, độ bền cứng đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật nhằm phục vụ cho cho các ngành công nghiệp, đóng tàu, kỹ nghệ, quốc phòng, làm vỏ đạn và chi tiết chịu mài mòn trong các máy

đo chính xác

Hình 1 24: Hợp kim ổ trượt làm việc trong môi trường nhiệt độ cao

Hiện nay có nhiều cơ sở sản xuất chi tiết hợp kim Cu-Al Mặc dù trong nước đã có những nghiên cứu về cơ chế tăng bền và ảnh hưởng của một số yếu tố đến tổ chức tính chất của hợp kim

này, tuy nhiên các nghiên cứu này chưa đầy đủ và chi tiết về quá trình xử lý nhiệt tạo chuyển biến mactenxit nhằm nâng cao chất lượng và đạt các chỉ tiêu cơ lý tính mong muốn

Viện Khoa học và công nghệ mỏ luyện kim có triển khai đề tài NCKH cấp bộ " Nghiên cứu công nghệ nấu luyện và đúc bằng phương pháp đúc ly tâm hợp kim đồng CuZn25Al6Mn3Fe3" Tuy nhiên, đề tài cũng mới chỉ dừng ở phương pháp nấu luyện và đúc chưa đi sâu vào nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim và quá trình xử lý nhiệt đến hệ này

Cũng tại Viện Khoa học và công nghệ mỏ luyện kim đã triển khai nấu đúc hợp kim

Cu-Al-Fe Tuy nhiên quy trình xử lý nhiệt nhằm nâng cao cơ tính và vai trò của nguyên tố hợp kim cũng như quá trình chuyển biến của hợp kim cũng chưa được nghiên cứu một cách cụ thể

Đề tài cấp Bộ Quốc Phòng năm 1998 của tác giả Nguyễn Khải Hoàn: “Nghiên cứu công nghệ nấu luyện hợp kim đồng Cunial dùng để chế tạo chổi trượt trong sửa chữa ra đa”

Đề tài cấp TCKT năm 1999 của tác giả Nguyễn Văn Hò: “Nghiên cứu công nghệ nấu thử tạo phôi đồng ƂpAЖ9-4 và thép lò xo 60C2 theo công nghệ Ucraina”

Nhóm nghiên cứu về hợp kim do cố GS.TS Lê Thị Chiều làm trưởng nhóm đã đề xuất những ý tưởng ban đầu về nghiên cứu hợp kim đồng và các ứng dụng của hệ này trong thực tiễn Tiếp tục những nghiên cứu của cố GS.TS Lê Thị Chiều; PGS TS Phạm Mai Khánh và TS Nguyễn Dương Nam tiếp tục nghiên cứu về hệ hợp kim đồng nhôm dựa trên chuyển biến mactenxit và quá trình tiết pha hóa bền cũng như nghiên cứu về ảnh hưởng của hợp kim hóa và

xử lý nhiệt đến tổ chức và cơ tính của hợp kim này Nhóm nghiên cứu đã bước đầu công bố các kết quả nghiên cứu của mình trên các tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều những nghiên cứu về hợp kim đồng hệ Cu-Al-Fe; tuy nhiên ở Việt Nam các nghiên cứu này chưa được tập trung nghiên cứu để làm rõ các cơ chế cũng như ảnh hưởng của các nguyên tố đến chất lượng của hợp kim Các nhà máy chưa có được những kết quả nghiên cứu cụ thể để đưa vào ứng dụng một cách hữu hiệu

Hợp kim Cu-Al được chế tạo sử dụng ở nước ta hiện nay chủ yếu cho các chi tiết đơn giản

và trạng thái đúc Điều này làm cho các chi tiết hợp kim không phát huy hết tác dụng của nó như chịu áp lực, ma sát, mài mòn và các tính công nghệ khác

Ngoài ra tính chất nhớ hình của hệ hệ hợp kim Cu-Al cũng chưa có những nghiên cứu cụ thể Vì vậy đề tài có tham vọng thăm dò khả năng nhớ hình để ứng dụng cho một số các chi tiết chốt hãm, chi tiết lắp ráp có độ dôi không cần then.vv

1.5 Vấn đề tồn tại và mục tiêu nghiên cứu luận án hướng tới

Từ các phân tích ở trên nhận thấy một số chi tiết như áo trục còn tồn tại một số vấn đề như sau:

Chưa thấy có những nghiên cứu cơ bản về ảnh hưởng của hợp kim hóa đến tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng thanh nhôm

Chưa có những nghiên cứu căn bản về ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tổ chức và cơ tính của hợp kim đồng thanh nhôm

Trong nước hiện chưa có nghiên cứu cơ bản về ứng dụng của chuyển biến mactenxit và tiết pha hóa bền đối với hệ hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa Fe và Ni trong trường hợp chịu mài mòn và nhớ hình

Như vậy, mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Nghiên cứu quá trình chuyển biến, hình

thành pha trong hệ hợp kim đồng nhôm được hợp kim hóa thêm Fe, Ni từ trạng thái sau đúc đến sau khi xử lý nhiệt Nghiên cứu áp dụng chuyển biến mactenxit ứng dụng trong hợp kim chịu mài mòn và nhớ hình Xây dựng chế độ công nghệ xử lý nhiệt phù hợp cho mục tiêu cải thiện tính chống mài mòn và nhớ hình của hợp kim

CHƯƠNG II CƠ SỞ VỀ HỢP KIM HÓA, XỬ LÝ NHIỆT CHUYỂN PHA VÀ

TẠO TỔ CHỨC TRONG HỢP KIM Cu-Al-Fe VÀ Cu-Al-Fe-Ni

Trong chương này, trình bày những nghiên cứu cơ bản về cơ sở lý thuyết hợp kim đồng cũng như quá trình chuyển biến pha của hệ hợp kim và chuyển biến mactenxit trong hệ hợp kim đồng nhôm khi được hợp kim hóa thêm các nguyên tố Fe và Ni Trình bày về ảnh hưởng của các nguyên tố đến tổ chức và cơ tính của hợp kim, khi được hợp kim hóa thêm Fe và Ni thì các pha liên kim hình thành và biến đổi như thế nào? Trình bày về quá trình xử lý nhiệt của hệ hợp kim đồng thanh nhôm khi được hợp kim hóa

2.1 Vai trò và ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến tính chất hợp kim đồng nhôm Cu-Al-Fe và Cu-Al-Fe-Ni

Nhược điểm của brông nhôm hai pha là ngoài độ co ngót lớn, chúng có khuynh hướng hòa tan nhiều khí và bị ôxy hóa khi nấu luyện, tạo ra tổ chức hạt tinh thể hình que thô, khó hàn vảy Những nhược điểm này khắc phục được nhờ hợp kim hóa brông nhôm bằng sắt, niken, mangan [22]

Sắt

Sắt hòa tan trong nhôm rất ít, khi tăng tăng hàm lượng sắt sẽ hình thành pha liên kim Fe3Al, nếu pha này nhỏ mịn, ở dạng cầu và phân bố đều trong tổ chức tế vi thì cơ tính của hợp kim sẽ được cải thiện Sắt là nguyên tố có tác dụng tốt trong đồng thanh nhôm vì sắt nâng cao nhiệt độ kết tinh lại, làm nhỏ hạt, tăng độ bền, độ cứng và tăng khả năng chịu mài mòn cho hợp kim (theo hình 2.1 ở trên, có thể nhận thấy phần nào ảnh hưởng của sự bổ sung sắt tới tính chất hợp kim về

độ bền và độ dãn dài Bổ sung khoảng 2% Fe, hợp kim sẽ có khuynh hướng tăng nhẹ độ bền kéo

và giảm độ giãn dài Trong khoảng 3-5% Fe, cả độ bền kéo và giới hạn chảy đều được cải thiện nhưng độ giãn dài thì giảm đi; tăng hàm lượng sắt lên hơn 7% sẽ tăng cả độ bền kéo và độ giãn

Hình 2 1: Ảnh hưởng của nhôm, sắt, niken tới cơ tính trong đồng thanh nhôm [23]

dài nhưng giới hạn chảy sẽ không có chuyển biến…) Hàm lượng sắt không nên vượt quá 4% Fe cũng ảnh hưởng không nhỏ trong quá trình xử lí nhiệt cho mẫu hợp kim này Pha liên kim của nó tiết ra xung quanh pha trên biên giới và cả bên trong pha β, ngăn cản quá trình phân hóa của pha của pha β, làm giảm tốc độ của phản ứng cùng tích β (α+γ2), chính vì thế mà pha γ2 nếu tạo ra sẽ được nhỏ mịn, phân tán đều trong tổ chức, khắc phục được hiện tượng tự ủ của đồng thanh nhôm, giúp nâng cao độ bền, độ cứng và qua đó cũng có thể cải thiện đáng kể tính chịu mài mòn cho hợp kim [2][1]

Pha α của brông nhôm có thể hòa tan đến 4% sắt, khi hàm lượng sắt lớn hơn tạo ra pha

Al3Fe Hợp kim hóa thêm bằng niken và mangan có thể làm xuất hiện hợp chất này với hàm lượng sắt thấp hơn Sắt có tác dụng biến tính đối với tổ chức của brông nhôm, nâng cao độ bền,

độ cứng và khả năng bôi trơn, giảm khuynh hướng hóa giòn của brông hai pha do làm chậm sự phân hủy cùng tích của pha β và chia nhỏ pha γ2 (được tạo do kết quả của sự phân hủy) Độ dẻo tốt nhất của brông nhôm-sắt (ví dụ với Cu-10%Al, 4% Fe-4) có được sau khi nhiệt luyện, do ngăn cản một phần hay toàn bộ chuyển biến cùng tích của pha β (thường hóa ở 6007000

C hoặc tôi từ 1050oC) Ram brông đã tôi ở 250300o

C pha β phân hủy, tạo thành cùng tích hạt nhỏ phân tán (α +ɣ2) và nâng cao độ cứng (HB = 175180).[23]

Niken

Hình 2 2: Tổ chức Cu-Al trạng thái ủ (a) và nguội nhanh (b) [23]

Niken hòa tan vô hạn trong đồng nhưng hòa tan rất ít trong nhôm Niken có tác dụng làm

co hẹp vùng α trên giản đồ trạng thái Cu-Al-Ni khi giảm nhiệt độ Điều này có nghĩa là đồng thanh nhôm có thể hóa bền bằng nhiệt luyện Niken có tác dụng cải thiện cơ tính của đồng thanh nhôm (có thể thấy phần nào qua hình 2.2), mặt khác, nó góp phần tăng khả năng chịu mài mòn, tăng khả năng chống ăn mòn và khả năng làm việc ở nhiệt độ dưới 00

C cho hợp kim Riêng Niken còn làm cho đồng chảy loãng tốt hơn, dễ đúc hơn.[24]

Niken cải thiện tính công nghệ và cơ tính của brông nhôm-sắt ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao Ngoài ra niken có tạo khả năng thu hẹp mạnh vùng dung dịch rắn α khi giảm nhiệt độ Điều

đó làm cho brông được hợp kim hóa bằng sắt và niken (Cu-10%Ni4%Fe) có khả năng hóa bền sau khi tôi và hóa già Ví dụ ở trạng thái ủ (mềm) Cu-10%Ni4%Fe có cơ tính như sau: ζB = 650

a)Tổ chức Cu-Al trạng thái ủ b)Tổ chức Cu-Al nguội nhanh

MPa; δ = 35%; HB = 140l60 MPa Sau khi tôi từ 1080o

C và hóa già ở 400oC trong 2 giờ độ cứng tăng lên đến HB = 400 MPa Brông nhôm-sắt chế tạo ra các chi tiết làm việc trong điều kiện chịu mài mòn nặng và ở nhiệt độ cao (400500oC) như: phần góc lượn của van, cần dẫn hướng van xả, các chi tiết máy bơm, tuabin, bánh răng Đối với hợp kim này có thể sử dụng mangan rẻ tiền thay thế niken, tạo ra brông nhôm-sắt-mangan (Cu-3% Mn 4%Fe) có cơ tính, tính chống ăn mòn cao và tính công nghệ tốt

Việc hợp kim hóa đến 5% Ni kết hợp với quá trình xử lý nhiệt phù hợp sẽ tạo nên các pha liên kim Ni3Al có độ cứng cao, phân tán đều ở trong nền Việc hình thành các pha này sẽ tăng khả năng chống mài mòn cho hợp kim Ngoài ra, việc đưa thêm Ni vào hợp kim sẽ tăng khả năng chống ăn mòn đặc biệt là ăn mòn trong môi trường nước biển [3]

Theo các kết quả nghiên cứu của J.A Wharton và các cộng sự [25] cho thấy sự ảnh hưởng của Ni đối với hợp kim đồng nhôm khi làm việc trong môi trường nước biển Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi cho thêm Ni sẽ tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim trong môi trường nước biển

Mangan

Hình 2 3: Ảnh hưởng của mangan tới cơ tính trong đồng thanh nhôm [24]

Mangan hòa tan nhiều trong đồng α, cải thiện tính chất công nghệ, đặc biệt là nâng cao khả năng chịu gia công áp lực ở cả trạng thái nóng lẫn trạng thái nguội, nâng cao ổn định tính chống

ăn mòn của đồng thanh nhôm Có thể quan sát trên hình 2.3 ở trên để thấy phần nào ảnh hưởng của mangan tới các tính chất của hợp kim Hình 2.3a và b hợp kim có thay đổi hàm lượng nhôm tròn khi hàm lượng mangan được giữ nguyên ở 12%; hình 2.3c có sự thay đổi của hàm lượng mangan và giữ nguyên hàm lượng nhôm ở 8% và khuynh hướng đối với độ bền kéo, độ giãn dài, giới hạn chảy ở cả 2 chế độ này là tương tự nhau; cũng từ hình 2.3d hợp kim Cu-Al (với 5% Fe

và Niken mỗi loại), nếu hợp kim nào có lượng mangan cao hơn sẽ có độ bền cao hơn cũng như

độ dẻo và độ dai va đập tốt hơn.[24]

Nghiên cứu của M Moradlou, N Arab, R Emadi, M Meratian [24] được trình bày về ảnh hưởng Mn và Ni đến mức độ mài mòn và cơ tính của hợp kim đồng thanh nhôm Nghiên cứu cho

Phần trăm mangan Phần trăm nhôm cân bằng =%Al +%Mn

thấy khi tăng hàm lượng nguyên tố hợp kim thì các pha tạo ra có kích thước nhỏ mịn do vậy tăng được khả năng chống mài mòn của hợp kim

Hình 2 4: Ảnh hưởng của Mn và Ni đến tổ chức của Brong nhôm [24]

Theo như nghiên cứu của nhóm tác giả cho thấy khi thay đổi hàm lượng Mn và Ni; xử lý nhiệt trong tổ chức hình thành nên các pha mactenxit β’, κ, α, và γ2 Các pha κ, α, và γ2 có kích thước nhỏ mịn phân tán đều trong nền của hợp kim nghiên cứu

2.2 Đặc điểm về chuyển pha và tổ chức trong hệ hợp kim ba nguyên Cu-Al-Fe

và Cu-Al-Fe-Ni

Nhắc tới đồng thanh nhôm, các hệ hợp kim 3 cấu tử sẽ bao gồm Cu-Al là 2 nguyên tố chính

và có sự bổ sung của một nguyên tố thứ 3, thường gặp nhất là sắt, niken, mangan, silic Cụ thể hơn về sự ảnh hưởng của sắt trong giản đồ pha, tổ chức đối với hệ hợp kim Cu-Al-Fe sẽ được đề cập trong phần này.[2]

Hình 2 5: Mặt cắt đứng hệ hợp kim 3 nguyên Cu-Al-Fe tại vị trí 3% và 5% Fe [26]

Bổ sung 3%-5% Fe sẽ gây ra một sự dịch chuyển nhỏ đối với giản đồ pha 2 nguyên Cu-Al Nhận thấy với 3% Fe cho vào sẽ làm mở rộng vùng 2 pha α-β với một hàm lượng Al cao hơn, điều này muốn nói đến sự tăng lên của độ bền kéo do ảnh hưởng của Fe Và trong trường hợp đối với hệ 2 nguyên ở trạng thái cân bằng, hàm lượng Al luôn xác định dù cho hợp kim có tổ chức một pha riêng rẽ α hay song pha α- β Hợp phần liên kim Fe(γ) được tiết ra trong cả hợp kim đơn pha và song pha miễn là hàm lượng Fe>1%

Một nghiên cứu về cấu trúc, tổ chức tế vi của hợp kim Cu-Al-Fe (8,6% Al và 3,2%Fe) đã được thực hiện bởi Hasan và cộng sự [27] Mẫu hợp kim được làm nguội liên tục từ 10000

C với tốc độ nguội 25-30K/phút (Hình 2.6)

Nhận xét:

+) Tại 10000C (hình 2.6a), tổ chức tế vi chỉ gồm pha β được chuyển biến thành tổ chức Mactensite khi nguội

+) Tại ≈9000C (hình 2.6b), tổ chức tế vi cho thấy có các hợp phần liên kim Fe(γ) (Fe3 Al )

đã được tiết ra trong cả pha β và trên biến giới của nó

+) Tại 8600C (hình 2.6c) tổ chức tế vi cho thấy pha α chứa các mầm có cả trên biên giới pha β và xung quanh hợp phần liên kim Fe(γ) phía trong pha β

+) Tại 8000C (hình 2.6d), tổ chức tế vi cho thấy pha α lớn lên nhưng lại bị cản trở bởi hợp phần liên kim Fe(γ) có trong pha β

+) Tại 5500C (hình 2.6e), tổ chức tế vi tương tự như tổ chức dạng đúc cho thấy hợp kim không bị biến chuyển gì ở nhiệt độ này

Ở đây thấy được tốc độ nguội không đủ chậm để tổ chức cùng tích α+γ2 được hình thành dưới nhiệt độ 5750

C

Hình 2 6: Ảnh hiển vi nghiên cứu tổ chức hợp kim đồng thanh nhôm (8,6%Al và 3,2%Fe) khi

làm nguội liên tục từ 1000 0 C: a) Tôi ở 1000 0 C ; b) Tôi ở 900 0 C; c) Tôi ở 860 0 C; d) Tôi ở 800 0 C;

e) Tôi ở 550 0 C [27]

Tổ chức tế vi của hợp kim đúc Cu-Al-Fe (8,6%Al và 3,2%Fe) trên được cho trong hình 2.7

Có thể nhận thấy rằng, ngoại trừ sự xuất hiện của pha tiết Fe(δ) (pha liên kim giàu sắt) thì các thành phần pha chính của hợp kim cũng xuất hiện giống như trong giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Cu-Al Sắt bổ sung vào trong hợp kim không ảnh hưởng tới sự xuất hiện của những pha chính này.[27]

Hình 2 7: Tổ chức đúc của hợp kim đồng thanh nhôm (8,6%Al và 3,2%Fe)

a) Độ phóng đại thấp cho thấy pha α hình thành nên biên giới xung quanh các hạt β (dạng hình

kim như tổ chức Widmanstatten) b) Độ phóng đại cao hơn cho thấy các pha liên kim tiết ra trên cả pha α và β [27]

Nhận thấy rõ hơn trong hình 2.7b, các vùng sáng là pha α (dung dịch rắn giàu đồng, kiểu mạng fcc); các vùng tối là pha β Mặc dù hàm lượng nhôm ở đây nhỏ hơn 9,5% nhưng do ảnh hưởng của tốc độ nguội đã dẫn tới việc vẫn duy trì được pha β nhưng ở một hình thái khác Pha β