Trong công trình này trình bày những kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của xử lý cơ nhiệt đến tổ chức và tính chất của hợp kim CuNi9Sn3. Những kết quả nghiên cứu cho thấy khi biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt đã cho thấy sự xuất hiện của tổ chức dạng spinodal trong hợp kim nghiên cứu.
TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ẢNH HƯỞNG XỬ LÝ CƠ NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT HỢP KIM CuNi9Sn3 INFLUENCE OF THERMO-MECHANICAL TREATMENT ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF CuNi9Sn3 ALLOY SÀI MẠNH THẮNG1, NGUYỄN DƯƠNG NAM2*, HOÀNG THANH THỦY3 Viện Tên lửa, Viện Khoa học Công nghệ Quân Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Văn phòng Đảng ủy, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: namnd.khcs@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong cơng trình trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng xử lý nhiệt đến tổ chức tính chất hợp kim CuNi9Sn3 Những kết nghiên cứu cho thấy biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt cho thấy xuất tổ chức dạng spinodal hợp kim nghiên cứu Về mặt tính biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt 35oC 2h làm giá trị giới hạn bền kéo đạt tới 1000Mpa; độ dãn dài đạt tới 8% giá trị độ dẫn điện 14% IACS Từ khóa: Spinodal, độ dẫn điện, tổ chức, tính Abstract In this work, the results on the effect of thermo-mechanical treatment on the structure and properties of CuNi9Sn3 alloy are presented The results shows that the process of deformation combined with heat treatment causes the appearance of spinodal decomposition in the research alloy After deformation combined with aging at 350oC in hours, tensile strength of the CuNi9Sn3 alloy reaches up to 1000MPa, elongation reaches up to 10%, meanwhile conductivity value is 14% IACS Keywords: Spinodal, conductivity, microstructure, mechanical Mở đầu Hệ đồng Cu-Ni-Sn gọi hệ đồng spinodal có độ bền cao tương đương với đồng berili đánh giá hợp kim quan trọng công nghiệp Hệ hợp kim số nước nghiên cứu Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc,… nghiên cứu đưa vào ứng dụng mãnh mẽ ngành kỹ thuật điện, hàng không số ngành khác thay cho hợp kim đồng berili có giá thành cao, độc hại chế tạo sử dụng sức khỏe người Nhu cầu đồng độ bền cao nước lớn, việc nhập chế tạo đồng berili với giá thành cao lại khó khăn, việc 20 nghiên cứu, chế tạo loại hợp kim đồng độ bền cao có tính tương đương hợp kim đồng berili, giá thành hạ để thay đồng berili cấp thiết Hợp kim đồng độ bền cao Cu-Ni-Sn từ ngun tố thơng dụng có sẵn nước hồn tồn đáp ứng thay cho hệ đồng berili Hợp kim Cu-Ni-Sn hóa bền dựa kết hợp hai trình chuyển pha đặc trưng chuyển pha spinodal chuyển pha trật tự hóa xử lý nhiệt Chuyển pha spinodal hợp kim Cu-Ni-Sn trình phân rã dung dịch rắn đồng nguyên tố Cu-Ni-Sn, tạo nên cấu trúc modul giàu nghèo Sn có kích thước vài chục nanơmét phân bố liên tục đặn toàn nền, cản trở chuyển động lệch,… Chuyển pha spinodal tiền đề cho chuyển pha trật tự hóa Cấu trúc tạo hai chuyển pha làm thay đổi tính chất hợp kim theo hướng hóa bền hợp kim [1]-[4] Nhóm nhà nghiên cứu Nhật Bản Mahasaru Kato, Shoichi, Shigenori Okamine A Sato nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng lên phân rã spinodal hợp kim Cu-10Ni-6Sn, nghiên cứu hóa bền hóa già thơng qua hành vi lệch mạng hợp kim vào thập kỷ 80 kỷ 20 [5] Trong thập niên 90 số nhà nghiên cứu Trung Quốc nghiên cứu ảnh hưởng biến dạng nguội lên phân rã spinodal hợp kim Cu-9Ni-6Sn-0,3Ce cho thấy lượng biến dạng nguội làm tăng hóa học hệ thúc đẩy phân rã spinodal Hơn nữa, biến dạng dẻo tăng bền thêm cho vật liệu Zheng Shilie cộng sự, nghiên cứu q trình xảy hóa già hợp kim Cu-15Ni-8Sn chế tạo theo phương pháp hợp kim hóa học từ bột, kết nghiên cứu cho thấy hợp kim chế tạo theo cách hợp kim hóa học cho đường cong độ cứng thấp 30-50HV so với chế tạo theo phương pháp đúc nguội thơng thường Biến dạng trước hóa già làm cải thiện độ cứng so với không biến dạng [3], [6], [7] SỐ 65 (01-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY nguội thông thường [10] Các cơng trình nghiên cứu L.H Schwarts đồng nghiệp nghiên cứu hợp kim Cu-10Ni-6Sn (1979), sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ chọn vùng Xray TEM xác định phù hợp lý thuyết phân rã spinodal hợp kim, phân tích trạng thái phát triển trình từ trạng thái ban đầu phân rã tới trạng thái thơ hóa q trình trật tự hóa đặc trưng vật liệu trình Đã có nhiều nghiên cứu phụ thuộc vào nhiệt độ trường ứng suất hóa bền học phân rã spinodal cuối năm 70 đầu năm 80 kỷ 20 [5], [8], [9] L Deyong, R.Tremblay R Angers nghiên cứu cấu trúc tính chất học hợp kim Cu-Ni-Sn nguội nhanh Kết nghiên cứu cho thấy nguội nhanh tạo vật liệu đồng có lợi cho tăng bền Ngồi cịn nhận thấy cấu trúc có kích thước nhỏ khơng có biểu tích tụ Sn so với hợp kim đúc theo cách thông thường, có phân tụ nhỏ Sn dạng pha γ tiết biên hạt dạng xương cá nguội nhanh mức độ kết tụ giảm đáng kể Hóa già hóa bền phân rã spinodal tăng theo hàm lượng Sn Ni có hợp kim Hàm lượng hòa tan Sn dung dịch rắn chế tạo theo phương pháp nguội nhanh cao hẳn theo cách Xử lý nhiệt ảnh hưởng đến phân rã spinodal từ làm thay đổi tổ chức tính chất hợp kim Cu-Ni-Sn Trong cơng trình nghiên cứu này, trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng xử lý nhiệt đến tổ chức tính chất hợp kim CuNi9Sn3 Phương pháp nghiên cứu Các mác hợp kim đồng Cu-Ni-Sn nấu nhiệt độ khoảng 13500C, nguyên liệu nấu từ kim loại nguyên chất Cu, Ni, Sn Các kim loại có khoảng nhiệt độ nóng chảy chênh lớn để nấu mác hợp kim cần phải tuân thủ quy trình nấu thao tác nấu Hợp kim tiến hành cán biến dạng theo bước Bảng Sau cán mẫu tiến hành xử lý nhiệt hóa già 350oC khoảng thời gian khác Tóm tắt chế độ xử lý nhiệt mẫu thể Bảng Đánh giá tổ chức mẫu sau bước thí nghiệm tiến hành phân tích tổ chức tế vi kính hiển vi quang học Axiovert 100A Phân tích cấu trúc spinodal hợp kim thực phân tích FESEM, Xray phân tích nhiệt vi sai Bảng Thành phần nguyên tố hợp kim Cu Sn P Fe Ni 88,5 2,99 0,003 0,0126 8,27 Bảng Các bước trình biến dạng Lượng nén Chiều dày phôi cán, mm BD tổng Thứ tự Nhiệt độ cán, cán 0C Trước cán Sau cán h, mm , % , % 700 18 15,5 2,5 13,9 13,9 700 15,5 13,5 12,9 25 700 13,5 11,5 14,8 36,1 700 11,5 10 1,5 13 44,4 700 10 8,5 1,5 15 52,8 700 8,5 7,5 11,8 58,3 700 7,5 6,5 13,3 63,9 700 6,5 5,5 15,4 69,4 700 5,5 4,5 18,2 75 10 700 4,5 3,7 0,8 17,8 79,4 11 700 3,7 0,7 18,9 83,3 12 700 2,4 0,6 20 86,7 13 700 2,4 1,8 0,6 16,7 88,9 14 700 1,8 0,8 33,3 94,4 15 700 0,6 0,4 40,0 96,6 16 20 0,6 0,35 0,25 41,6 98,0 SỐ 65 01-2021) 21 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bảng Chế độ xử lý hợp kim CuNi9Sn3 Hợp kim chế độ xử lý Ký hiệu mẫu 7500C, cán nguội 40% tới độ dày 0,35mm 1-C Cu-9Ni-3Sn, 2-1 Cu-9Ni-3Sn, 7500C, cán nguội 40% tới độ dày 0,35mm, hóa già 3500C, 1giờ 2-1 Cu-9Ni-3Sn, 7500C, cán nguội 40% tới độ dày 0,35mm, hóa già 3500C, 1giờ 2-R1 Cu-9Ni-3Sn, tơi 7500C, cán nguội 40% tới độ dày 0,35mm, hóa già 3500C, 2-R2 Cu-9Ni-3Sn, 7500C, cán nguội 40% tới độ dày 0,35mm, hóa già 3500C, Ngồi ra, để đánh giá tính chất hợp kim thực phân tích tính, độ dẫn điện Về mẫu thử nghiệm giới hạn bền kéo, độ dãn dài thực máy kéo WP300 - Phịng thí nghiệm động lực học - Viện Tên lửa - Viện Khoa học Công nghệ quân Mẫu thử kéo chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 197-85 Thiết bị thử độ dẫn điện thực máy đo cầu RLC Leader Nhật Bản phép đo thực đo nhiệt độ môi trường Mẫu thử độ dẫn điện cắt với chiều dài 0,517m, chiều rộng 1,9x10-3m, chiều dày 0,3x10-3m Diện tích mặt cắt ngang 0,57x10-6m2 Kết bàn luận Hình Tổ chức hợp kim Cu-9Ni-3Sn sau cán nóng cán nguội 40% Tổ chức tế vi sau đúc thể Hình Hình Tổ chức đúc hợp kim Cu-9Ni-3Sn a) b) Hình Tổ chức hợp kim Cu-9Ni-3Sn sau đồng 7500C, thời gian giữ nhiệt 2h, nguội nước 22 Hình Tổ chức hợp kim Cu-9Ni-3Sn sau cán nóng cán nguội 40%, hóa già 3500C, 1h; a-x500; bx1000 SỐ 65 (01-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Tổ chức sau đúc cho thấy kích thước hạt sau đúc thơ, kích thước khoảng 200μm Tổ chức sau đúc có thiên tích thành phần gây trình kết tinh đúc Quá trình xử lý nhiệt đồng nhằm mục đích khử bỏ tượng thiên tích phơi đúc tạo tổ chức pha α, phân bố nguyên tố hợp kim đồng, sở đề nguyên tố hợp kim khuếch tán tạo tổ chức spinodal trình xử lý nhiệt phân rã spinodal Tổ chức tế vi hợp kim sau đồng hóa 7500C, thời gian giữ nhiệt 2h Hình Sau đồng hóa 7500C thời gian 2h hợp kim Cu-9Ni-3Sn, tổ chức đạt dung dịch rắn pha α Cu-Ni-Sn, kích thước hạt lớn sau đúc Ảnh tổ chức Hình cho thấy hạt khơng đều, biên giới đa cạnh, xuất vệt dạng tổ chức song tinh thường gặp với hợp kim đồng sau ủ Tổ chức sau cán hợp kim Cu-9Ni-3Sn có tổ chức hạt nhỏ mịn cỡ hạt khoảng 10-15m Cỡ hạt đạt thơng qua q trình điều chỉnh cỡ hạt cán ủ kết tinh lại sau bước cán vào giai đoạn ban đầu kết tinh lại tạo hạt nhỏ Có thể nói tổ chức có khả tăng bền tăng độ giãn dài cho hợp kim Tuy nhiên, kỹ thuật SEM chưa khẳng định chắn cấu trúc hợp kim spinodal hay trật tự hóa Bằng kỹ thuật X-ray chứng minh: Các thông số: Điện cực Cu, xạ Kα1, bước sóng = 1,05406A0 d(111)= 2,087 A0 ; d(200) = 1,812 A0 ; d(220) = 1,279 A0 Với giá trị khoảng cách mặt d góc 2 nhiễu xạ xác định máy đo, từ tính thơng số mạng cho kiểu mạng lập phương Nhiễu xạ rơn ghen hợp kim Cu-9Ni-3Sn sau biến dạng cán nguội hóa già tăng bền 3500C thời gian 2h (Hình 6) Các vạch đồ thị tương ứng với vạch Cu ứng với mặt (111); (200) (220) cho kiểu mạng lập phương tâm mặt với số mạng Cu 3,61A0 Các vạch cho thấy hỗn hợp dung dịch rắn đồng Các vạch trùng với vạch chuẩn Cu, vạch có vị trí (200) lệch chút so với vạch chuẩn có nguyên nhân hợp kim hố (200) (111) (220) a b Hình Hợp kim Cu-9Ni-3Sn biến dạng, hóa già 350 0C, 2h Ảnh SEM hợp kim Cu-9Ni-3Sn sau đồng nhất, cán, hóa già 3500C- 2h Hình với độ phóng đại 100.000 150.000 lần cho thấy tổ chức nhỏ mịn Đây trường hợp đặc biệt hợp kim Hình Phân tích rơnghen hợp kim Cu-9Ni-3Sn, biến dạng hóa già 3500C, 2h Bảng Tính thơng số mạng hợp kim Cu-9Ni-3Sn, biến dạng hóa già 3500C, 2h TT HKL (1 1) (2 0) (2 0) Hợp kim Cu-9Ni-3Sn sau biến dạng cán tấm, hóa già 2h dhkl[A0] 2 (độ) Thông số mạng a[A0] 2,087 43,357 3,6078 1,812 50,3598 3,6240 1,279 74,1365 3,6175 Kiểu mạng lptm lptm lptm Bảng Tổng hợp kết nghiên cứu SỐ 65 01-2021) Mẫu Giới hạn bền, MPa Giới hạn đàn hồi, MPa Độ dãn dài, % 1-C 962 874 - 2-1 932 874 - 2-1 903 874 - 2-R1 991 874 10% 2-R2 1060 903 10% 23 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Phân tích nhiệt vi sai Bảng Kết phân tích độ dẫn điện Hợp kim Giá trị điện trở đo R, Giá trị độ dẫn , .m Giá trị simen, S/m %IACS Cu-9Ni-3Sn 0,114 0,1257x10-6 7,956 x106 13,72 Cu-9Ni-3Sn 0,117 0,129 x10-6 7,752 x106 13,33 Cu-9Ni-3Sn 0,113 0,1245 x10-6 8,03 x106 13,84 Cu-9Ni-3Sn 0,109 0,1201 x10-6 8,326 x106 13,84 Cu-9Ni-3Sn 0,111 0,1224 x10-6 8,167 x106 14,08 mạng bị biến dạng Khoảng cách thông số mạng tương đương thông số mạng Cu Về nhiệt động học ΔG < cho phân rã spinodal nhỏ, vấn đề phân rã spinodal chủ yếu động học khuếch tán thời điểm phân rã xẩy khó phát phân tích nhiệt Đối với chuyển pha trật tự hóa cần phân chuyển pha bậc chuyển pha bậc cao Chuyển pha bậc có bước nhảy lượng so với chuyển pha thơng thường lượng nhỏ Với chuyển pha trật tự hóa bậc cao q trình trật tự hóa xảy khơng có bước nhảy lượng phân tích nhiệt khó phát q trình 24 Kết phân tích nhiệt vi sai cho thấy hợp kim Cu-9Ni-3Sn sau cán (Hình 7) khơng phát chuyển pha xảy nung Các biến động đường lượng hiệu ứng q trình giải phóng lượng biến dạng gây 3.2 Phân tích tính chất Giá trị đo với hợp kim Cu-9Ni-3Sn qua cán nhiệt luyện có giới hạn bền kéo cao lên tới 900MPa, giới hạn đàn hồi đạt 874MPa Riêng với mẫu 2-R giới hạn bền kéo đạt tới 1060Mpa có độ giãn dài đạt tới 10% Hai mẫu ứng với trường hợp mẫu sau cán đưa hạt nhỏ