Nghiên cứu xác lập công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm b96u 1 ứng dụng trong quân sự

Thông qua việc đánh giá các tổ chức, sự hình thành các tổ chức và cơ tính của hợp kim sau hóa già ở các chế độ khác nhau, từ đó tìm ra được thông số tối ưu cho quá trình nhiệt luyện hợp

Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Thị Vân Thanh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực của tôi, không vi phạm điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Kim Xuân Lộc

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Được sự phân công của Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thị Vân Thanh, kèm theo quyết định số 4982/QĐ-ĐHBK-SĐH ngày 17 tháng 12 năm 2015 của Hiệu trưởng trường Đại học Bách khoa Hà Nội về việc giao đề tài luận văn thạc

sĩ, tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu xác lập công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm

B96Ц-1 ứng dụng trong quân sự”

Trước hết tôi xin gửi đến cô giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thị Vân Thanh lời cảm ơn tự đáy lòng và sâu sắc nhất bởi sự hướng dẫn tận tình, chu đáo, sự giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn

Nhân đây, tôi tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ của các thầy, cô, các anh chị trong Bộ mônVật liệu học, Xử lý nhiệt và bề mặt- Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu - Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Xí nghiệp Cơ khí 59 đã tạo điều kiện giúp đỡ thiết bị, vật tư liên quan đến thử nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, thử nghiệm và viết báo cáo luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Kính mong nhận được sự đóng góp

ý kiến của các thầy và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC Trang

1.1 Hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu 4

1.2.2 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến hợp kim B96Ц-1 10

1.2.3 Ảnh hưởng của tạp chất đến hợp kim B96ц-1 11

2.1 Ủ đồng nhất hóa (đồng đều hóa thành phần) 11

2.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già 20

2.3.5 Ảnh hưởng của tổ chức sau hóa già đến đặc tính ăn mòn điện

hóa của hợp kim

21

2.3.6 Ảnh hưởng của thời gian hóa già tự nhiên 22

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.2 Mẫu thực nghiệm và quy trình công nghệ nhiệt luyện 26

2.3 Phương pháp nghiên cứu và thiết bị phân tích 33

2.3.3 Xác định các chỉ tiêu cơ tính: Độ bền, độ dẻo, độ cứng 36

3.1 Khảo sát mẫu hợp kim nhôm B96Ц-1 ở trạng thái cung cấp 40

3.2.1 Khảo sát công nghệ tôi hợp kim nhôm B96Ц-1 42

3.2.2 Khảo sát công nghệ hóa già hợp kim nhôm B96Ц-1 49

3.3 Công nghệ hóa già hai cấp hợp kim B96Ц-1 55

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian hóa già cấp thứ nhất và thứ hai đến

tổ chức và cơ tính của hợp kim sau hóa già hai cấp

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.5 Ảnh hưởng của thời gian di chuyển tới độ bền hợp kim nhôm

B96Ц-1 sau hóa già

16

hợp kim nhôm B96Ц-1

45

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của thời gian hóa già đến cơ tính của hợp kim nhôm

B96Ц-1

52

Bảng 3.7 Cơ tính của hợp kim nhôm B96Ц-1 khi hóa già 2 cấp với cấp 1 ở

180 0 C-2h và cấp 2 ở 120 0 C và thời gian giữ nhiệt thay đổi

59

4,5,7,9,11,13h đến cơ tính của hợp kim nhôm B96Ц-1

65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.15 Kính hiển vi điện tử quét Nova NanoSEM 450 FEI (Đại học

khoa học tự nhiên Hà Nội)

34

Hình 2.17 Thiết bị phân tích nhiễu xạ tia X PANalytical Xpert PRO – Hà

Lan (Viện Khoa học và công nghệ quân sự)

36

Hình 3.2 Ảnh tổ chức tế vi trên mặt cắt song song với phương cán của

mẫu thí nghiệm ở trạng thái cung cấp ở độ phóng đại (a) ×500 và

(b)×1000

42

Hình 3.3 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim sau khi tôi ở các nhiệt độ khác

nhau, giữ nhiệt trong 90 phút và hóa già ở 130 0 C trong 24 giờ

44

Hình 3.4 Đồ thị cơ tính tổng hợp của hợp kim nhôm B96Ц-1

với các nhiệt độ tôi 460 0 C, 470 0 C và 480 0 C

45

với thời gian giữ nhiệt khác nhau

46

gian giữ nhiệt khác nhau, hóa già 130 0 C-6h độ phóng với đại 1000 lần

(X1000)

47

Hình 3.8 Đồ thị biểu thị độ bền của hợp kim nhôm B96Ц-1 sau hóa già

ở các nhiệt độ khác nhau

50

Hình 3.9 Đồ thì biểu thị độ giãn dài của hợp kim nhôm B96Ц-1khi hóa

già ở các nhiệt độ khác nhau

50

Hình 3.10 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim sau hóa già ở các nhiệt độ khác

nhau, với cùng thời gian giữ nhiệt 6h, độ phóng với đại 1000 lần (X1000)

51

Hình 3.11 Đồ thì biểu thị độ bền của hợp kim nhôm B96Ц-1khi hóa già ở

các thời gian khác nhau

53

Hình 3.12 Ảnh tổ chức tế vi của hợp kim sau hóa già 130 oC với các thời

gian giữ nhiệt khác nhau, độ phóng với đại 1000 lần (X1000)

54

cấp hai 120 o C với các thời gian giữ nhiệt khác nhau, độ phóng với đại

1000 lần (X1000)

56

Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hợp kim nhôm B96Ц-1:

(a) Trạng thái trước khi nhiệt luyện

(b) Sau tôi 470 0 C - 90 phút

(c) Sau hóa già truyền thống 130 0 C – 24h

(d) Sau hóa già 2 cấp theo quy trình 1 (180 0 C-2h/120 0 C-4h)

58

Hình 3.16 Đồ thị biểu thị quan hệ giữa độ bền và thời gian hóa già

cấp 1 ở 180 0 C-2h và cấp 2 ở 120 0 C với thời giant hay đổi

60

cấp hai 120 o C với các thời gian giữ nhiệt khác nhau, độ phóng với đại

1000 lần (X1000)

61

Hình 3.19 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hợp kim nhôm B96Ц-1 sau hóa già

2 cấp quy trình loại 2 với các thời gian hoá già cấp 2 khác nhau

64

Hình 3.20 Đồ thị biểu thị quan hệ giữa độ bền và thời gian hóa già

cấp 1 ở 180 0 C-1h và cấp 2 ở 120 0 C với thời gian thay đổi

66

Hình 3.21 Đường cong phân cực của hợp kim B96Ц-1 sau nhiệt luyện:

(a) hóa già truyền thống 130 0 C – 24h

(b) hóa già hai cấp quy trình 1: 180 0 C - 2h/120 0 C - 4h69

(c) hóa già hai cấp quy trình 2: 180 0 C - 1h/120 0 C - 5h

MỞ ĐẦU

Đối với vật liệu kim loại, chúng ta không thể không nhắc tới nhôm và hợp kim nhôm Nhờ có tỷ trọng thấp (2,7g/cm3), độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao nên nhôm và hợp kim nhôm đang dần thay thế thép trong các lĩnh vực kết cấu, chi tiết máy, đóng tàu, quân sự,

Hầu hết các lĩnh vực ứng dụng quan trọng của hợp kim nhôm ngày nay là trong kỹ thuật hàng không vũ trụ, tên lửa, lĩnh vực hạt nhân và vũ khí cũng như các kết cấu chế tạo máy yêu cầu độ bền cao Xu hướng chung trong phát triển các vật liệu này là tăng độ bền riêng (tỷ số giữa độ bền và khối lượng riêng) nhằm mục đích tăng hiệu suất sử dụng của vật liệu Các hợp kim nhôm thỏa mãn các điều kiện này thường được sử dụng bao gồm các hệ Al-Cu-Li-Mg và Al-Zn-Mg-Cu, trong đó, hệ hợp kim Al-Zn-Mg-Cu là hệ hợp kim có độ bền cao nhất trong các hợp kim nhôm Trong số các hợp kim nhôm độ bền cao trên cơ sở hệ 4 nguyên Al-Zn-Mg-Cu, các hợp kim dạng В96ц, bao gồm В96ц, В96ц-1, В96ц-3 là các hợp kim được hợp kim hóa cao nhất và có độ bền cao nhất trong các hợp kim nhôm biến dạng

Tại Việt Nam, hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao như: B93, B94, B95, B96, B96Ц-1, B96Ц-2 (tiêu chuẩn Nga) thuộc hệ hợp kim bốn nguyên Al-Zn-Mg-Cu mới chỉ được đưa vào sử dụng trong lĩnh vực quân sự để chế tạo các chi tiết cho súng, đạn, tên lửa Tuy nhiên, trong số đó chỉ có B95 là được sử dụng nhiều và có thể sản xuất được ở trong nước, còn lại các mác hợp kim nhôm thuộc hệ này ít được ứng dụng Đặc biệt, hợp kim B96Ц-1 có độ bền cao đang được đưa vào sử dụng ở một số chi tiết quan trọng trong chế tạo đạn để thay thế hợp kim nhôm B95

Hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao B96Ц-1 (tiêu chuẩn Nga) chỉ được sử dụng đặc biệt trong lĩnh vực quân sự ở Nga Do đó, hợp kim này không có mác tương đương theo tiêu chuẩn thông dụng trên thế giới như: tiêu chuẩn quốc tế (ISO), tiêu chuẩn Hiệp hội Nhôm Mỹ (AA), Tiêu chuẩn Nhật Bản (JIS), Tiêu chuẩn Trung Quốc (GB) Vì vậy, hợp kim nhôm B96Ц-1 hiện nay ở Việt Nam, mới chỉ được đưa vào nghiên cứu, chế tạo trong lĩnh vực quân sự Trước đây, vào khoảng

phòng đã giao nhiệm vụ cho một số đơn vị trong quân đội nghiên cứu chế tạo mác hợp kim này, tuy nhiên kết quả chưa được áp dụng trong thực tiễn sản xuất quy mô lớn tại các đơn vị

Năm 2015, tại Xí nghiệp Cơ khí 59, Nhà máy Z127, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng đã được Tổng cục CNQP giao nhiệm vụ chế tạo phôi tấm hợp kim nhôm B96Ц-1 để sử dụng cho gia công, chế tạo các chi tiết đạn phản lực Tuy nhiên,

chi tiết đạn phản lực sau nhiệt luyện (tôi + hóa già) có cơ tính không đồng đều (tỷ lệ

thành phẩm thấp) và đặc biệt là thời gian nhiệt luyện rất dài (chi phí điện năng sản xuất lớn), đây là nguyên nhân chính dẫn đến chi phí giá thành sản xuất lớn Do đó,

việc nghiên cứu, xác lập công nghệ nhiệt luyện hợp kim B96Ц-1 để tăng sự ổn định

cơ tính, giảm thiểu thời gian nhiệt luyện (tôi+hóa già) là một yêu cầu hết sức cấp thiết để có thể đưa hợp kim này vào ứng dụng phổ biến trong quân sự

Mục đích và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu xác lập công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm B96Ц-1 ứng dụng trong quân sự” được thực hiện là nhằm mục đích giải quyết tính cấp thiết

trên với những nội dung nghiên cứu sau:

1 Nghiên cứu, các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian đến nguyên công tôi

2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian đến nguyên công hóa già

3 Nghiên cứu công nghệ hóa già phân cấp để giảm thời gian nhiệt luyện Thông qua kết quả nghiên cứu để xác lập các thông số tối ưu Từ đó, xây dựng quy trình công nghệ đưa vào áp dụng sản xuất loạt lớn

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện (tôi, hóa già nhân tạo) trên hợp kim nhôm B96Ц-1 Thông qua việc đánh giá các tổ chức, sự hình thành các tổ chức và cơ tính của hợp kim sau hóa già ở các chế độ khác nhau, từ đó tìm ra được thông số tối ưu cho quá trình nhiệt luyện hợp kim nhôm B96Ц-1 để đưa vào sản xuất thực tiễn trong lĩnh vực quân sự

Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu trước đây của một số đơn vị trong quân đội, các tài liệu về hợp kim nhôm B96Ц-1 kết hợp với thực nghiệm tại đơn vị Xí nghiệp Cơ khí 59/Z127/TC CNQP, từ đó đánh giá tổ chức pha hóa bền, cơ tính mẫu

để đưa ra thông số tối ưu cho sản xuất thực tiễn

Kết cấu luận văn

Luận văn chia làm 5 phần:

Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chương 3: kết quả

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

I TỔNG QUAN VỀ HỢP KIM NHÔM HỆ Al-Zn-Mg-Cu

1.1 Hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu

Hợp kim nhôm biến dạng hệ AlZnMgCu đã được nghiên cứu từ nhưng năm

20 của thế kỷ XX Vào những năm 1923-1924 các nhà khoa học Xô Viết Zandderr

và Meixnher đã tạo ra hợp kim hệ AlZnMg, sau khi tôi và hóa già nhân tạo, hợp kim này có độ bền cao hơn hẳn hợp kim hệ duara Những năm tiếp theo, các nhà khoa học của Liên Xô cũ lại đề xuất, thử nghiệm bổ sung một số nguyên tố cho vào hợp kim AlZnMg và tạo ra hợp kim hệ bốn nguyên AlZnMgCu và được ứng dụng chính trong chế tạo vũ khí quân sự

1.1.1 Ký hiệu và thành phần hóa học

Các mác hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao Al-Zn-Mg-Cu ở Liên Xô ban đầu được ký hiệu bằng 3 ký tự: chữ B, số 9 và các số tiếp theo Hiện nay, cộng hòa Liên bang Nga dùng kí hiệu hợp hệ hợp kim này bằng 4 con số, bắt đầu bằng số 19… Còn ở Việt Nam hiện nay vẫn quen sử dụng kí hiệu của Liên Xô cũ

Thành phần hóa học của một số hợp kim hệ Al-Zn-Mg-Cu được thể hiện như trong bảng 1.1 [2] dưới đây

Bảng 1.1 Thành phần hóa học một số hợp kim hệ Al-Zn-Mg-Cu

B96Ц-1 7,0-9,0 2,3-3,0 2,0-2,6 - - 0,1-0,2 ≤ 0,5

1.1.2 Đặc tính chung

Đây là hợp kim nhôm hệ bốn nguyên có độ bền cao nhất trong số các hợp kim nhôm, phôi sau khi gia công nhiệt luyện (tôi + hóa già nhân tạo) có giới hạn bền trên 600MPa, độ cứng trên 170HB; có khả năng gia công biến dạng dẻo, nhiệt luyện hóa bền và gia công cắt gọt rất tốt

Độ bền trong trạng thái nhiệt luyện hóa bền được xác định cơ bản bằng thành phần của nguyên tố Zn và Mg, những nguyên tố hòa tan nhiều nhất trong nhôm (hòa tan của Zn trong nhôm đạt lớn nhất ở 82%, với Mg lớn nhất là 17.4% [1]) ở nhiệt độ cao và giảm mạnh khi làm nguội, có tác dụng hóa bền mạnh khi tôi và hóa già nhân tạo

Ngoài dung dịch rắn α, trong hệ hợp kim này còn có chứa các pha hóa bền như η (MgZn2), T (Al2Mg3Zn3), S (Al2CuMg) Trong đó thì pha η và T là pha hóa bền đóng vai trò chủ yếu còn pha S là pha hóa bền phụ [1]

1.1.3 Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim

Đồng (Cu) là một trong những nguyên tố hợp kim chủ yếu của hệ hợp kim

nhôm bốn nguyên AlZnMgCu bên cạnh Zn và Mg Khi hòa tan trong nhôm thì nó tạo ra dung dịch rắn Al(Cu) và pha liên kim loại  (CuAl2), đây chính là một trong các pha hóa bền Còn trong hợp kim hệ AlZnMgCu, Cu kết hợp với Mg để tạo ra pha S (Al2CuMg) cũng là một pha hóa bền quan trọng sau tôi, hóa già

Với cùng hàm lượng Zn (6-7%), Mg thì khi tăng hàm lượng Cu lên đến 2%

sẽ dẫn tới tăng giới hạn bền, giới hạn mỏi, độ giãn dài tương đối [4]

Magiê (Mg) cũng giống như Zn và Cu là nguyên tố chính và tham gia vào

quá trình hoá bền hợp kim, làm tăng độ bền đồng thời làm giảm giới hạn bền mỏi Với 6-8%Zn, magiê làm tăng giới hạn bền, giảm độ dẻo của hợp kim Hàm lượng của Mg có thể dao động trong khoảng 1,5-3% tùy theo yêu cầu cơ tính cần đạt

Kẽm (Zn) cũng giống như Mg, Cu là nguyên tố hợp kim chính, nâng cao độ

thành dung dịch rắn Al(Zn) Trong hệ bốn nguyên AlZnMgCu, kẽm kết hợp với

Mg, Cu tạo ra các pha hóa bền như η(MgZn2), T(Al2Mg3Zn3)

Ngoài các nguyên tố chính trên, thì hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao bốn nguyên AlZnMgCu còn được hợp kim hóa thêm lượng nhỏ các nguyên tố kim loại chuyển tiếp (Mn, Cr, Zr, Sc, Ti…), chúng có ảnh hưởng đến tính chất, cấu trúc hợp kim và trạng thái khi gia công Nhìn chung thì các nguyên tố này có tác dụng hóa bền, đặc biệt là đối với phôi bán thành phẩm thông qua nguyên công ép (hiệu ứng ép), do chúng có hiệu ứng hóa bền tổ chức không bị kết tinh lại sau khi ép, ngăn cản

sự lớn lên của hạt; đồng thời làm tăng đáng kể độ bền chống ăn mòn, chống mỏi và tăng độ dai phá hủy Cơ chế tác động của các nguyên tố này có nhiều điểm giống nhau, đó là tạo với nhôm dung dịch rắn quá bão hòa khi kết tinh trong quá trình đúc

và tạo ra các pha liên kim loại phân tán (Al6Mn, CrAl7, AlTi5…), chúng là sản phẩm của sự phân hủy dung dịch rắn khi nung (ủ đồng nhất, biến dạng nóng, tôi) Quá trình hợp kim hóa lượng nhỏ các nguyên tố kim loại chuyển tiếp phụ thuộc vào yêu cầu chức năng làm việc của từng hợp kim [4]

1.1.4 Đặc điểm nhiệt luyện

Hợp kim nhôm không có chuyển biến thù hình, do đó nhiệt luyện hóa bền hợp kim nhôm dựa trên sự tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa và quá trình phân hóa

nó tiếp theo để hình thành các pha phân tán hóa bền Vì vậy, hợp kim nhôm biến dạng muốn hóa bền được bằng nhiệt luyện thì nguyên tố hợp kim khi cho vào hợp kim nhôm phải thỏa mãn các điều kiện sau:

Một là, có thể hòa tan trong nền kim loại nhôm với mức độ có hạn ở nhiệt độ

thường, để có thể tạo thành dung dịch rắn quá bão hòa khi làm nguội nhanh

Hai là, đi đôi với sự biến đổi của nhiệt độ, độ hòa tan của nó phải biến đổi

lớn, đồng thời độ hòa tan lớn nhất phải đủ lớn để có thể thu được dung dịch rắn có

độ quá bão hòa lớn khi tôi

Ba là, hàm lượng của nguyên tố hợp kim phải đầy đủ, để khi tôi có được

dung dịch rắn có mức độ quá bão hòa đầy đủ, bảo đảm cho hợp kim sau khi hóa già

có hiệu quả làm bền rõ rệt

Quay trở lại với hệ hợp kim bốn nguyên AlZnMgCu, chúng đều thuộc loại hợp kim hóa bền được bằng nhiệt luyện Trong công nghiệp quân sự thường tiến hành tôi ở 460480oC và làm nguội trong nước Trường hợp tôi các chi tiết lớn, nước phải đun lên 80100 oC để tránh hiện tượng nứt và biến dạng Làm nguội trong nước nóng còn có tác dụng tốt là làm giảm bớt xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất[1]

Các nghiên cứu cho thấy, ở điều kiện cân bằng hợp kim nhôm có tổ chức gồm dung dịch rắn và các pha liên kim loại phân bố trên nền dung dịch rắn đó, như pha η, S, T bản thân các hạt pha liên kim loại này được gọi là các pha hóa bền vì

có tác dụng cản trở chuyển động của lệch, tuy vậy hiệu ứng hóa bền không lớn Các sản phẩm trung gian trong quá trình tiết các pha này có hiệu ứng hóa bền mạnh hơn nhiều Đây là đặc điểm cần chú ý khi nhiệt luyện hợp kim nhôm Tùy theo mục đích, người ta có thể dùng các dạng nhiệt luyện khác nhau như: ủ đồng nhất, ủ mềm, tôi, hóa già

Bên cạnh chế độ hóa già nhân tạo một cấp, để nâng cao các cơ tính tổng hợp,

hệ hợp kim nhôm này có thể được hoá già nhiều cấp với nhiều quy trình khác nhau tùy mục đích ứng dụng Ví dụ, hoá già cấp thứ nhất ở 100120 oC, trong thời gian 310 giờ để tạo các pha hoá bền rất nhỏ mịn phân tán đồng đều Hoá già cấp thứ hai

ở 160170 oC, trong thời gian 1030 giờ để tạo thành và kết tụ các pha ổn định S và pha T [7]

1.2 Tổng quan về hợp kim nhôm B96Ц-1

1.2.1 Khái quát chung

Hợp kim В96ц được nghiên cứu phát triển từ năm 1956 bởi Viện nghiên cứu vật liệu hàng không LB Nga (VIAM) Trong hợp kim В96ц, một lượng nhỏ (0,1-

0,2)% Zr được thêm vào (thay thế các nguyên tố truyền thống Cr và Mn) giúp hợp kim có độ dẻo và độ dai phá hủy cao Khi so sánh với hợp kim B95, hợp kim В96ц

có giới hạn bền và giới hạn chảy cao hơn khoảng 20 và 30% tương ứng [8,9] Trên

cơ sở hợp kim В96ц, viện VIAM đã nghiên cứu và phát triển các hợp kim В96ц-1, В96ц-3 vào các năm 1968 và 1970 (sớm hơn các đồng nghiệp Mỹ, tương ứng với hợp kim 7049, 7055 được phát triển vào năm 1991) bằng cách giảm hàm lượng nguyên tố hợp kim magiê, điều đó cho phép tăng độ dẻo, cải thiện tính gia công biến dạng, và các tính chất công nghệ của hợp kim khi sản xuất các chi tiết có kích thước lớn, ứng dụng trong kỹ thuật hàng không [10]

Pha hóa bền cơ bản trong các hợp kim dạng В96Ц là pha (MgZn2), ngoài ra còn có pha T(Al2Mg3Zn3) Cu nằm trong dung dịch rắn và ở dạng pha trung gian S(Al2CuMg), gây ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính cũng như khả năng chống lại các dạng ăn mòn nguy hiểm (như ăn mòn ứng suất và ăn mòn phân lớp) Sự hình thành pha Al3Zr phân tán liên kết chặt chẽ với pha nền và có kích thước (10-35) nm đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao nhiệt độ kết tinh lại của các hợp kim này [8]

Mặc dù đã được nghiên cứu từ gần 50 năm trước nhưng hiện nay hợp kim В96Ц-1 vẫn nhận được sự quan tâm nghiên cứu ngày càng tăng do có độ bền cao kết hợp với độ dai phá hủy, độ bền mỏi, tính dẻo dai và tính chống ăn mòn thích hợp [11,12,13] Các hướng nghiên cứu về dạng hợp kim này khá đa dạng, từ nghiên cứu các hợp kim Al-Zn-Mg-Cu-Zr cơ bản truyền thống đến các nghiên cứu theo hướng hợp kim hóa vi lượng các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, kim loại đất hiếm, các chất biến tính kích thước nano, các hợp chất liên kim loại, hoặc xử lý nhiệt hóa già hợp lý (hóa già một cấp hoặc phân cấp) hoặc kết hợp các công nghệ xử lý cơ nhiệt khác nhau [8,10,12-14,15]

Đối với hợp kim B96Ц-1 có độ bền ở nhiệt độ thường cao nhất Sau khi nhiệt luyện hóa bền, cơ tính của nó có thể đạt tới σb = 680Mpa; σ0.2=640Mpa Độ dẻo của B96ц so với B95 nhỏ hơn Nhược điểm của B96Ц-1 là nhạy cảm với tập trung ứng

suất và ăn mòn dưới tác dụng của tải trọng kéo Nó được dùng để gia công biến dạng nóng thành các thỏi, ống và vật dập

Thành phần hóa học và đặc điểm tổ chức của hợp kim B96Ц-1

Hợp kim nhôm В96ц-1 được quy định trong tiêu chuẩn ТУ 1-2-486-86 (tiêu chuẩn Nga), thành phần hóa học các nguyên tố được quy định theo bảng 1.2 Đây là một trong những hợp kim quan trọng của hệ Al-Zn-Mg-Cu được hợp kim hóa thêm khoảng (0,1-0,2)% Zr, hình thành với Al tạo pha Al3Zr phân tán trong tổ chức giúp hợp kim có độ dẻo và độ dai phá hủy cao [8,9] Hợp kim này mới chỉ được áp dụng trong quân sự để làm các chi tiết trong các loại tên lửa, anten, một số loại đạn… Đây là hợp kim rất khó nấu luyện trong sản xuất lô, loạt, số lượng lớn vì hàm lượng

Zn, Mg rất cao, đặc biệt là hàm lượng Zr rất nhỏ nhưng lại rất dễ bị oxi hóa, cháy hao trong quá trình nấu luyện và đúc thỏi

có Zr, Si, Fe có thể xuất hiện các pha Al3Zr, Mg2Si và pha liên kim giàu Fe (như pha Al7Cu2Fe) Trong đó pha  và T đóng vai trò chủ yếu còn pha S là pha hóa bền phụ Sở dĩ như vậy là vì hiệu quả hóa bền khi hóa già do Cu gây ra trong hệ hợp kim này rất nhỏ

Bảng 1.3 Các pha liên kim có thể có trong hợp kim B96Ц-1 [16]

Ngoài các nguyên tố chính là Zn, Mg, Cu thì trong hợp kim B96ц-1 còn chứa hàm lượng nhỏ Zirconi (Zr) và Titan (Ti) Chúng tạo thành các pha liên kim cực mịn ZrAl3, TiAl3 phân bố trong các hạt -Al và ngay trên biên hạt Trong quá trình phân hủy dung dịch rắn khi nung (ủ đồng đều, biến dạng nóng, tôi, …) các phần tử này trở thành các tâm mầm kết tinh tạo điều kiện cho việc tiết pha tăng bền

có chứa Mg và kẽm (MgZn2, Al2Zn3Mg3) trong lòng và trên biên các hạt 

Khi có mặt trong hợp kim B96ц-1, các nguyên tố kim loại Zr, Ti có ý nghĩa rất lớn trong vai trò là các trung tâm tạo mầm khi kết tinh, tạo tinh thể hạt nhỏ mịn,

có tác dụng hóa bền, gây hiệu ứng hóa bền tổ chức và nâng cao tính ổn định chống

ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất, làm biến đổi rất mạnh tổ chức, cả về sự phân bố các pha cũng như hình dạng biên giới hạt

Một mặt các nguyên tố Zr, Ti thúc đẩy quá trình tiết pha , T và S từ dung dịch rắn  ở trạng thái nhỏ mịn, phân tán Mặt khác chúng tạo nên hình dạng răng cưa và kéo dài biên giới tổng cộng của hạt  Với tổ chức đặc trưng này, cường độ ăn mòn bị giảm đi, tốc độ phát triển vết nứt ăn mòn theo biên giới hạt cũng bị cản trở [1]

1.2.3 Ảnh hưởng của tạp chất đến hợp kim B96ц-1

Các tạp chất chủ yếu là sắt và silic tạo ra các pha liên kim không hòa tan như

Al6FeCuZn, Al7Cu2FeZn, Mg2Si tiết ra khi vật đúc đông đặc ở dạng các hạt tinh thể thô đại Đó là những trung tâm tích tụ ứng suất gây nứt tế vi làm giảm độ dẻo và giới hạn bền và độ dẻo của hợp kim B96ц-1

Các vết nứt nóng có thể hình thành trên thỏi đúc B96ц-1 khi hợp kim chứa nhiều Fe và Si Tỷ lệ tạp chất Fe và Si trong hợp kim thường khống chế để sao cho Fe/Si>1 Khi cán nóng, cán nguội hoặc dập nguội hợp kim B96ц-1, nếu tạp chất Fe

và Si nhiều dẫn đến các tấm hợp kim dễ bị nứt ở mép, trong đó Si làm giảm tính dẻo của hợp kim lớn hơn so với Fe

II CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN HỢP KIM NHÔM

2.1 Ủ đồng nhất hóa (đồng đều hóa thành phần)

Ủ đồng nhất là nguyên công nghiệt luyện đầu tiên sau đúc Chế độ đồng đều hóa bao gồm nung nóng thỏi đúc lên nhiệt độ đồng đều hóa, giữ nhiệt một thời gian, sau đó làm nguội

Đây là một dạng ủ được sử dụng rộng rãi đối với các hợp kim nhôm biến dạng Các thỏi đúc có tổ chức không đồng nhất, thiên tích thành phần Sau khi ủ đồng đều hóa, làm cho tổ chức thỏi đúc trở nên đồng nhất hơn, nâng cao độ dẻo, điều này cho phép tăng cường sự gia công áp lực tiếp theo (ép, cán, dập) và giảm chi phí công nghệ

Sau khi đúc, các thỏi đúc thường có sự phân bố tổ chức cùng tinh không cân bằng xung quanh hạt Để tránh chảy vùng xung quanh hạt, người ta thường chọn nhiệt độ ủ đồng nhất hóa thấp hơn nhiệt độ cùng tinh và cao hơn nhiệt độ hòa tan hoàn toàn các nguyên tố hợp kim t1 < tđđ <tđặc [1]

Hình 1.1 Giản đồ chọn nhiệt độ đồng đều hóa

Trường hợp kích thước thỏi đúc lớn, người ta chọn phương án ủ đồng đều hóa ở nhiệt độ cao hơn nhằm rút ngắn thời gian Hiện tượng chảy biên giới chỉ gây oxy hóa một lớp mỏng trên bề mặt thỏi, có thể dùng gia công cơ khí để khử bỏ lớp này Đồng đều hóa ở nhiệt độ cao ngoài tác dụng rút ngắn thời gian còn cải thiện cơ tính thỏi đúc theo tiết diện ngang

Thời gian giữ nhiệt khi ủ đồng nhất hóa phụ thuộc vào kích thước thỏi đúc và

độ lớn phần tử pha thứ hai Sự giữ nhiệt ở nhiệt độ đồng nhất hoá phải đảm bảo hoà tan hoàn toàn các hợp chất cùng tinh không cân bằng Al2Cu, MgZn2, được tạo ra

là kết quả của quá trình kết tinh không cân bằng Các hợp chất liên kim này nằm theo biên giới hạt ở dạng lớp vỏ bao giòn Thời gian giữ nhiệt càng dài, thì các hợp chất này càng thô

Trong quá trình nung nóng và giữ nhiệt ở nhiệt độ đồng nhất hoá xảy ra hai quá trình: quá trình thứ nhất dẫn tới sự hòa tan vào dung dịch rắn các nguyên tố hợp kim thông thường như Cu, Zn, Mg và làm đồng đều thành phần trong thỏi Quá trình thứ hai bao gồm sự tiết ra nguyên tố kim loại chuyển tiếp như Zr dạng các hợp chất liên kim loại Kết quả là tổ chức của thỏi đúc nhận được đồng nhất hơn Sở dĩ xảy ra quá trình thứ hai vì các kim loại chuyển tiếp có khả năng tạo dung dịch rắn quá bão hòa trong nhôm ngay từ khi kết tinh từ thể lỏng Các pha liên kim chứa kim loại chuyển tiếp nhỏ mịn, phân bố đồng đều có tác dụng nâng cao độ bền và nhiệt

độ kết tinh lại Khi làm nguội thỏi đúc, sự tiết ra Zr từ dung dịch rắn bị ngừng lại, nhưng trong khi đó sự tiết ra đồng, magiê, kẽm ở dạng các phần tử của các pha tương ứng tăng lên và được phân bố theo biên giới hạt của dung dịch rắn và bên trong chúng Đặc điểm phân bố lại này của các pha thứ hai đảm bảo độ dẻo của các thỏi đúc tăng cao hơn

Chế độ đồng nhất hóa các thỏi đúc được lựa chọn chính xác phải đảm bảo đủ

sự hòa tan hoàn toàn các hợp chất liên kim cùng tinh không cân bằng của đồng, magiê, kẽm, cũng như mức độ tối ưu của sự phân rã dung dịch rắn của các kim loại chuyển tiếp trong hợp kim Đồng nhất hóa nhiệt độ cao có thể được khuyến nghị chỉ trong trường hợp, khi độ dẻo là yêu cầu chính của chi tiết thành phẩm

Chế độ đồng nhất hóa thỏi đúc được lựa chọn đúng cho phép giảm đáng kể khuynh hướng với ăn mòn dưới ứng suất của một số hợp kim

Mục đích chính của ủ đồng nhất hoá là khắc phục hậu quả của thiên tích nhánh cây và hoà tan các cùng tinh không cân bằng gây giòn hợp kim, ngoài ra đồng nhất hoá để tiết ra các hạt phân tán của pha thứ hai của các kim loại chuyển tiếp Thông thường nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khi ủ đồng nhất được lựa chọn chủ yếu để đạt được mục đích thứ nhất

2.2 Tôi

Tôi hợp kim nhôm nhằm tạo nên dung dịch rắn quá bão hòa Dung dịch rắn quá bão hòa nhận được do khuếch tán tiết pha thứ hai bị ngăn cản do tốc độ nguội lớn [1]

Nhiệt độ tôi quyết định đến pha thứ hai có thể hòa tan với mức độ lớn nhất

trong dung dịch rắn hay không, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả hóa bền của hợp kim sau hóa già Nhiệt độ tôi quá thấp, sẽ không có hiệu quả làm bền tốt nhất còn khi nhiệt độ tôi quá cao làm cho tổ chức cùng tinh có điểm nóng chảy thấp sẽ bị nóng chảy (hay còn gọi là quá cháy) làm giảm cơ tính của hợp kim Do đó, việc chọn nhiệt độ tôi cần phải bảo đảm sao cho pha thứ hai được hòa tan đầy đủ trong dung

dịch rắn mà không xảy ra hiện tượng quá cháy hoặc các hiện tượng không có lợi khác Nguyên tắc chọn nhiệt độ tôi được thể hiện trên hình 1.2 là vùng gạch chéo

Hình 1.2 Nguyên tắc chọn nhiệt độ tôi cho hợp kim nhôm

Nhiệt độ tôi của hợp kim nhôm B96Ц-1 nằm trong khoảng 460-480 oC Tùy thuộc vào nhiệt độ hòa tan các pha liên kim trong tổ chức và mức độ bão hòa cần đạt được của dung dịch rắn Mức độ quá bão hòa của dung dịch rắn càng lớn thì hiệu quả hóa bền tiết pha càng tăng khi hóa già Ở nhiệt độ tôi, các pha η và S sẽ hòa tan vào dung dịch rắn; các pha chứa Fe không bị hòa tan trong quá trình tôi [17] Hình 1.3 là mặt cắt đẳng nhiệt tại 460oC của giản đồ pha Al-Mg-Zn-Cu với 6%Zn (hình1.3a) và đường giới hạn hòa tan của pha S (Al2CuMg/Al6CuMg4) của giản đồ pha Al-Zn-Mg-Cu với 6%Zn trong khoảng nhiệt độ từ 440-490ºC Trong khoảng nhiệt độ tôi 460-480 oC, trong hợp kim chỉ còn 2 pha là dung dịch rắn α và pha S Khi tăng nhiệt độ tôi, pha S sẽ hòa tan vào dung dịch rắn nhiều hơn

Hình 1.3 Giản đồ pha Al-Mg-Zn-Cu với Zn=6%,

(a) mặt cắt đẳng nhiệt tại nhiệt độ 460ºC , (b) Đường giới hạn hòa tan của pha S (Al2CuMg/Al6CuMg4)

trong khoảng nhiệt độ từ 440- 490ºC [18]

Thời gian giữ nhiệt ở nhiệt độ nung nhằm mục đích hòa tan các pha thứ hai

và dung dịch rắn α Thời gian này phụ thuộc vào độ lớn của pha thứ hai, hệ số khuếch tán của nguyên tố hợp kim trong nhôm và liên quan đến trạng thái của hợp kim trước khi tôi (như phương pháp gia công, mức độ biến dạng…)

Thời gian giữ nhiệt tùy thuộc vào các yếu tố: thời gian ngắn nhất cần thiết để pha thứ hai hòa tan đầy đủ ở nhiệt độ tôi, chiều dày và đường kính chi tiết Ngoài ra còn có liên quan tới trạng thái của hợp kim trước khi tôi (phương pháp gia công biến dạng, mức độ biến dạng, phương pháp nhiệt luyện…) Thời gian giữ nhiệt khi tôi hợp kim nhôm biến dạng nóng dài hơn so với biến dạng nguội vì chi tiết sau khi rèn, ép nóng chảy có tổ chức tương đối lớn, các hợp chất pha dư hòa tan chậm Do

đó, thời gian giữ nhiệt khi tôi không những phụ thuộc vào chiều dày của chi tiết mà còn phụ thuộc vào tổ chức ban đầu trước khi tôi để xác định Thời gian giữ nhiệt đối

với một số hợp kim được thể hiện ở bảng 1.4 dưới đây

Bảng 1.4 Thời gian giữ nhiệt khi tôi hợp kim nhôm biến dạng

Thời gian di chuyển cũng có ảnh hưởng nhất định đến hợp kim nhôm biến

dạng, đặc biệt là hệ hợp kim bốn nguyên AlZnMgCu Khoảng thời gian di chuyển chi tiết từ khi lấy ra khỏi lò nung đến khi cho vào làm nguội trong nước được gọi là thời gian di chuyển Thời gian di chuyển và tốc độ làm nguội khi tôi phải đảm bảo cho hợp kim khi tôi không tiết ra pha thứ hai trong dung dịch rắn vì pha thứ hai tiết

ra sẽ làm giảm hiệu quả làm bền và còn làm giảm tính chống ăn mòn của hợp kim

Do đó, trong sản xuất thực tế, phải tìm mọi mọi cách rút ngắn thời gian di chuyển (thường không quá 20 giây) Bảng 1.5 cho thấy ảnh hưởng của thời gian di chuyển khi tôi đối với hợp kim B96Ц-1

Bảng 1.5 Ảnh hưởng của thời gian di chuyển khi tôi tới độ bền

hợp kim nhôm B96Ц-1 sau hóa già

Thời gian di chuyển

Độ bền σb

Môi trường làm nguội: Nước là môi trường làm nguội khi tôi hợp kim

nhôm, điều cần quan tâm là nhiệt độ của nước để tránh biến dạng Với những chi tiết lớn, dày thì cần phải tôi trong nước nóng (80-900C), còn lại đều được làm bằng nước nguội Đối với hợp kim nhôm hình dáng cố định thì nhiệt độ nước tôi không nên quá 300C, và nhiệt độ sau tôi không nên quá 400C

2.3 Hóa già

Hóa già là quá trình gia công nhiệt luyện các hợp kim sau khi tôi không có chuyển biến thù hình Mục đích của hóa già là để tăng độ bền cho hợp kim sau khi tôi, để có được cơ tính theo yêu cầu và khả năng chống ăn mòn đầy đủ

Hóa già là quá trình phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa, và quá trình phân hoá này xảy là do sự khuếch tán Vì vậy các yếu tố như nhiệt độ, thời gian hóa già, bản chất hợp kim, thành phần các nguyên tố cơ bản, tạp chất, trạng thái tổ chức và đặc tính biến dạng của chúng trước khi hóa già có vai trò rất lớn Chúng gây ảnh hưởng đến mức độ, hình thức phân hóa của dung dịch rắn, độ phân tán của các phần

tử tiết ra, hình dạng của chúng và các đặc tính tổ chức khác

2.3.1 Các giai đoạn phân hóa dung dịch rắn

Sau khi tôi hợp kim sẽ nhận được dung dịch rắn α quá bão hòa của các nguyên tố hợp kim Ở nhiệt độ thường tổ chức này không ổn định, có xu hướng phân hóa và quá trình tiết pha sẽ xảy ra Khi tăng nhiệt độ hóa già hoặc kéo dài thời gian giữ nhiệt, quá trình tiết pha sẽ xảy ra nhanh hơn Hình 1.4 là giản đồ nguội liên tục của hợp kim 7150 [17] (mác hợp kim này được ký hiệu theo tiêu chuẩn AA, thuộc hệ bốn nguyên AlZnMgCu)

Giản đồ cho thấy các pha tiết, thứ tự pha tiết, nhiệt độ tiết pha của hợp kim này Thứ tự tiết pha trong hợp kim này sẽ là: αquá bão hòa → α + GP(I,II) → α+η’→ α+ η

Sự hình thành tiết pha η-MgZn2 (pha hóa bền chính) này theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm Quá trình hình thành pha này bắt đầu từ việc hình thành vùng GP, là một vi thể tích của dung dịch rắn được làm giàu bởi nguyên tố hợp kim, các vùng này được hình thành trong khoảng nhiệt độ nhỏ hơn 120 ºC, liền mạng với pha dung dịch rắn

Khi nhiệt độ ổn định dẫn đến sự phân hóa các pha tiếp theo đó là các pha trung gian η’ có công thức gần giống với MgZn2 sẽ được phân hóa trong miền nhiệt

độ 120- 250 ºC, bán liền mạng với pha dung dịch rắn Cuối cùng để phân hóa về pha η ổn định thì nhiệt độ hóa già phải đạt được 150- 300 ºC Các pha η không liền mạng với pha dung dịch rắn Quá trình tiết pha η hình thành cả trong hạt và ở biên giới hạt Tuy nhiên, quá trình tiết ở biên giới hạt thường là dạng không liền mạng η

Sự khuếch tán ở biên hạt của Mg và Zn lớn hơn sự khuếch tán trong hạt nên các pha

η hình thành trên biên hạt luôn có kích thước lớn hơn [17]

2.3.2 Sự kết tụ của các phần tử tiết ra

Trong quá trình phân hóa, khi thành phần pha dung dịch rắn đạt tới cân bằng, khối lượng pha tiết ra không tăng lên nhưng trạng thái tồn tại của nó không ngừng biến đổi theo hướng tích tụ thành các khối lớn nhằm giảm năng lượng của hệ Biết rằng khi tồn tại ở dạng phân tán, năng lượng tự do của hệ sẽ rất lớn, lúc đó, nồng độ cân bằng của dung dịch rắn với các phần tử nhỏ này khá lớn Trường hợp các phần

tử tiết ra có kích thước lớn, năng lượng tự do sẽ nhỏ hơn Lúc ấy nồng độ cân bằng trên biên giới của các phần tử tiết ra với pha dung dịch rắn sẽ nhỏ hơn

Khi trong hệ thống tồn tại các phần tử có kích thước lớn nhỏ khác nhau sẽ hình thành gradient nồng độ, dưới tác dụng của gradien nồng độ này xảy ra quá trình khuếch tán san bằng nồng độ Do khuếch tán, nồng độ trên biên giới các phần

tử nhỏ giảm xuống Để duy trì cân bằng nồng độ các phần tử nhỏ phải hòa tan

Trong khi đó ở biên giới các phần tử lớn, nồng độ nâng lên cao hơn nên để duy trì cân bằng, các phần tử lớn tiếp tục phát triển để to ra

2.3.3 Sự biến đổi cơ tính khi hóa già

Trong quá trình hóa già, các phần tử tiết ra thay đổi, dẫn đến sự thay đổi tổ chức của hợp kim, nên cơ tính cũng sẽ thay đổi theo

Hiện tượng hóa bền xảy ra khi hóa già là kết quả của sự hãm lệch do các sản phẩm tạo ra trong quá trình phân hóa Hiện tượng hãm lệch chủ yếu là do các nguyên nhân: trường ứng suất đàn hồi xung quanh phần tử tiết ra, trạng thái lệch cắt qua ôm vòng xung quanh các phần tử pha hóa bền

Trường ứng suất đàn hồi sinh ra do sự khác nhau về kiểu mạng và thông số mạng của các phần tử hóa bền (GP, ή, η) so với pha mẹ Sự chênh lệch thể tích giữa hai pha nền cũng gây ảnh hưởng đến cường độ trường ứng suất đàn hồi Lệch muốn chuyển động cần phải có năng lượng lớn hơn năng lượng của trường ứng suất Ở trạng thái tổ chức gồm GP và pha trung gian giả ổn định η’, trường ứng suất đàn hồi lớn nhất do vậy hãm lệch xảy ra mạnh nhất

Một dạng lệch có thể xảy ra khi lệch cắt qua các phần tử tiết ra Lệch cắt qua mạng tinh thể của pha tiết ra sẽ làm thay đổi trật tự sắp xếp nguyên tử ở mặt trượt trong vùng cắt Kết quả các phần tử tiết ra bị biến dạng cùng với nền, sự chuyển động của lệch bị ngăn cản Khi tổ chức của pha tiết ra tại vùng của mặt cắt càng khác với tổ chức của nền thì hóa bền càng mạnh Khi lệch không cắt qua phần tử tiết ra nó có thể chuyển động bằng cách ôm vòng quanh các phần tử ấy Hãm lệch theo 2 cơ chế này thường xảy ra với các pha tiết ra đã tách mạng và trở thành độc lập với pha mẹ Đó chính là trạng thái pha ổn định η

Với hợp kim B96Ц-1, cơ tính tốt nhất của hợp kim sẽ đạt được khi trong hợp

kim tồn tại pha η’ và η nhỏ mịn phân tán đều trên nền dung dịch rắn [19] Vùng

GP, pha η’ và η được tạo mầm và phát triển ở các các nhiệt độ khác nhau, do đó, để tối ưu hóa về tính chất (độ bền, độ dẻo, tính ăn mòn, độ bền mỏi…) quá trình hóa già (nhiệt độ, thời gian) cần được điều chỉnh thích hợp

2.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hóa già

Hiệu quả làm bền của hợp kim có liên quan mật thiết với nhiệt độ và thời gian hóa già:

- Khi tăng nhiệt độ hóa già có thể thúc đẩy nhanh quá trình hóa già, nhưng

sẽ làm giảm hiệu quả hóa già và làm cho thời gian bắt đầu hóa mềm xảy

ra sớm hơn Nhiệt độ hóa già quá cao sẽ làm cho hợp kim hóa mềm do sự tích tụ của các pha tiết và sự hình thành pha tiết ổn định

- Nhiệt độ hóa già thấp có thể thu được hiệu quả hóa bền cao hơn, nhưng thời gian hóa già sẽ dài

Với một nhiệt độ hóa già nhất định phải phối hợp với một thời gian nhất định mới có được hiệu quả làm bền vừa ý

- Thời gian hóa già quá dài sẽ làm cho hợp kim bị hóa già quá mức, làm

giảm hiệu quả làm bền, thậm chí còn bị hóa mềm Ảnh hưởng này xảy ra khá rõ rệt khi nhiệt độ hóa già khá cao

- Thời gian hóa già quá ngắn sẽ làm cho hợp kim hóa già không đầy đủ,

cũng làm giảm hiệu quá hóa bền

Nhiệt độ và thời gian hóa già cũng có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chống

ăn mòn của hợp kim nhôm Vì khi hóa già tự nhiên hay hóa già ở nhiệt độ thấp hơn

1000C, trong hợp kim không xuất hiện pha hóa bền, do đó hợp kim sau khi hóa già

tự nhiên và hóa già ở nhiệt độ thấp sẽ có khả năng chống ăn mòn tinh giới cao Nhưng khi hóa già ở nhiệt độ cao thì lại có khả năng chống ăn mòn ứng suất của hợp kim

Đương nhiên, nhiệt độ và thời gian hóa già chủ yếu phụ thuộc vào thành phần và đặc tính của hợp kim Ví dụ một số hợp kim khi hóa già tự nhiên hầu như không có tác dụng làm bền hoặc cần phải thời gian hóa già rất dài như: B95, B96, B96Ц-1… Vì vậy khi quyết định dùng phương pháp hóa già tự nhiên hay nhân tạo thì cần phải xem xét một cách tổng thể về thành phần, đặc điểm, cơ tính và khả năng chống ăn mòn của hợp kim…

Về mặt cơ chế quá trình phân hủy dung dịch rắn quá bão hòa: Khi thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa Quá trình phân hóa này sẽ bị chi phối bởi hệ số khuếch tán và độ quá bão hòa của dung dịch rắn Khi tăng nhiệt độ hóa già, độ quá bão hòa giảm nhưng hệ số khuếch tán tăng Nếu giảm nhiệt độ hóa già quá trình xảy ra theo chiều ngược lại nghĩa là hệ số khuếch tán giảm đi trong khi độ quá bão hòa tăng Khi độ quá bão hòa của dung dịch rắn so với pha ổn định càng nhỏ thì các giai đoạn chuyển biến trung gian càng ít

Đối với hợp kim B96Ц-1 quá trình phân hóa xảy ra tại các mức nhiệt độ khác nhau như sau:

Khi hóa già ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ nhỏ hơn 120 oC

α quá bão hòa VGP ή η tích tụ

Khi tăng nhiệt độ hóa già các giai đoạn phân hóa có thể giảm đi

α quá bão hòa ή η tích tụ

Ở nhiệt độ cao hơn quá trình hóa già chỉ xảy ra hai giai đoạn

α quá bão hòa η tích tụ

2.3.5 Ảnh hưởng của tổ chức sau hóa già đến đặc tính ăn mòn điện hóa của hợp kim

Như đã biết nguyên nhân hợp kim thường bị ăn mòn điện hóa là do tổ chức hợp kim gồm nhiều pha với các thế điện cực chênh lệch nhau khi hoạt động trong cùng một môi trường sẽ tạo thành các vi pin Tùy thuộc vào hiệu số điện thế, số

lượng các vi pin này mà ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn

Trong hợp kim B96ц-1, sau hóa già, tổ chức gồm nền dung dịch rắn và các

pha liên kim là các pha chứa Mg, Cu, Zn, Fe Các pha liên kim có điện thế điện cực

khác nhau và khác với nền Các pha liên kim chứa Cu và Fe có điện thế điện cực dương hơn so với điện thế điện cực của nền dung dịch rắn; do đó, nền kim loại xung quanh sẽ bị ăn mòn Các pha giàu Mg có điện thế điện cực âm hơn nền, do đó, nó

có xu hướng bị hòa tan trong quá trình ăn mòn [20] Trong hợp kim B96ц-1, pha η

–MgZn2 tiết ra trên biên hạt bị ăn mòn rất mạnh do có thế điện cực âm hơn so với

nền, dẫn đến quá trình ăn mòn theo biên hạt xảy ra mạnh mẽ Hơn nữa, pha S (Al2CuMg, Al6CuMg4) chứa Cu có thế điện cực dương hơn nền, do đó, nền dung dịch rắn dung quanh sẽ bị ăn mòn, làm các hạt pha tiết này bong ra, dẫn đến quá trình ăn mòn lỗ có thể xảy ra Hiện tượng ăn mòn cục bộ như trên là nguyên nhân làm cho hợp kim này rất nhạy cảm với ăn mòn ứng suất

2.3.6 Ảnh hưởng của thời gian hóa già tự nhiên

Thời gian hóa già tự nhiên (tức thời gian dừng lại) trước khi hóa già nhân tạo

có ảnh hưởng nhất định đến cơ tính sau hóa già nhân tạo Hiện tượng này xảy ra rất

rõ đối với các hợp kim như: B95, B96Ц-1, AД33, AД31 Do đó, cần tránh bắt đầu hóa già nhân tạo trong khoảng thời gian có ảnh hưởng lớn nhất đới với cơ tính của hợp kim nhôm Khoảng thời gian dừng lại có ảnh hưởng lớn nhất đối với cơ tính của hợp kim sau khi hóa già nhân tạo cũng khác nhau tùy theo thành phần của hợp kim Thời gian thích hợp nhất để bắt đầu hóa già nhân tạo sau khi tôi của một số hợp kim nhôm được thể hiện ở bảng 1.6

Bảng 1.6 Thời gian thích hợp cho hóa già nhân tạo sau khi tôi

Thời gian bắt đầu hóa già

nhân tạo (sau khi mới tôi) -Trước 3h

-15h – 100h

-Trước 4h

2.4 Hóa già phân cấp hợp kim B96Ц-1

Hóa già cho B96Ц-1 thường được tiến hành ở nhiệt độ 120-130 oC trong 24h (chế độ hóa già truyền thống), độ bền có thể đạt được 600-650 MPa [21,22.VT] Tuy nhiên, với chế độ hóa già truyền thống, hợp kim này rất nhạy cảm với ăn mòn ứng suất Ở chế độ hóa già này, pha η được tiết ra dạng lưới liên tục bao quanh hạt, nên quá trình ăn mòn biên giới hạt xảy ra mạnh mẽ [17]

Hóa già phân cấp (hóa già được tiến hành ở các nhiệt độ khác nhau) được nghiên cứu và áp dụng cho hệ hợp kim Al-Mg-Zn-Cu Hóa già phân cấp cho hệ hợp

kim này, thường được tiến hành 2, hoặc 3 cấp Trong mỗi quy trình, quá trình phân hóa dung dịch rắn xảy ra theo các cơ chế khác nhau nhằm điều chỉnh kích thước, thành phần, hình thái và phân bố của pha tiết trong quá trình hóa già Kết quả, cải thiện các nhược điểm của quá trình hóa già truyền thống (hóa già một cấp), như cải thiện độ bền, tính bền ăn mòn ứng suất, độ bền mỏi…

2.4.1 Hóa già hai cấp

Hóa già hai cấp được chia thành hai loại:

Hóa già hai cấp T 1 <T 2, trong đó T1 nhỏ hơn nhiệt độ hóa già truyền thống (hình 1.5) Khi hóa già cấp một ở nhiệt độ thấp, do mức độ quá bão hòa dung dịch rắn lớn, số tâm mầm tiết ra sẽ rất nhiều Nâng lên nhiệt độ hóa già cấp hai cao hơn, pha tiết ra có khả năng sinh mầm ký sinh không chỉ trên lệch, biên giới siêu hạt, khuyết tật xếp… mà cả trên các vùng GP tạo ra trong giai đoạn hóa già cấp một ở nhiệt độ thấp Như vậy, số lượng các pha tiết nhận được sẽ nhiều hơn, khoảng cách giữa các pha tiết nhỏ hơn so với chỉ hóa già một cấp Việc điều chỉnh nhiệt độ và thời gian ở hóa già cấp hai, sẽ tác động đến quá trình lớn lên và tích tụ của pha tiết

Nếu muốn cải thiện tính bền ăn mòn ứng suất, quá trình hóa già cấp hai cần đạt được trạng thái quá già, để sự tiết pha η ở biên hạt xảy ra đứt đoạn, không liên tục Do đó, cải thiện được độ bền ăn mòn ứng suất Tuy nhiên, độ bền có thể giảm

đi 10-15% so với hóa già truyền thống đối với hợp kim Al-Mg-Zn-Cu [17] Nếu muốn cải thiện độ bền, quá trình hóa già cấp hai cần điều chỉnh nhiệt độ và thời gian sao cho trong tổ chức đạt được trạng thái tồn tại của cả ή, η

Hóa già hai cấp với nhiệt độ T1>T2, trong đó T2 không lớn hơn nhiệt độ hóa già truyền thống (hình 1.6) áp dụng đối với các hợp kim đòi hỏi thời gian giữ nhiệt hóa già dài và mức độ hóa bền phụ thuộc vào số lượng pha tiết ra Khi hóa già cấp một ở nhiệt độ cao, kích thước pha tiết là khá lớn, khi tiếp tục hóa già cấp hai tiếp theo, quá trình phân hóa dung dịch rắn tiếp tục bằng cách lớn lên của các pha tiết ở cấp một So với hóa già một cấp trong thời gian dài ở nhiệt độ T2 thì quá trình tích

tụ lớn lên của các phần tử pha tiết trong hóa già hai cấp này nhanh hơn Do đó, rút ngắn được thời gian hóa già mà vẫn đảm bảo độ bền yêu cầu

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm

Nội dung tiến hành thực nghiệm được tóm tắt theo sơ đồ hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm

2.2 Mẫu thực nghiệm và quy trình công nghệ nhiệt luyện

2.2.1 Mẫu nghiên cứu

Mẫu nghiên cứu là hợp kim nhôm B96Ц-1ở trạng thái sau đúc, ủ đồng đều hóa, đùn ép và cán (trạng thái cung cấp) Các công nghệ: đúc, ủ đồng đều, đùn ép

và cán được thực hiện tại xí nghiệp X59/Z127 Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng (hình 2.3; 2.4; 2.5) Thành phần hóa học của mẫu được phân tích bằng Máy phân tích quang phổ Q4 TASMAN tại XNCK59/Z127 (hình 2.2);

Hình 2.2 Máy phân tích quang phổ Q4 TASMAN (Xí nghiệp X59/Z127)

Mẫu ở trạng thái cung cấp là dạng thanh có kích thước (DxRxC) là 120x50x4 mm3 (hình 2.3) Thanh hợp kim nhôm ban đầu được chế tạo thành mẫu thí nghiệm có kích thước (DxRxC) là 20x50x4 mm3 và mẫu thử kéo Mẫu thí nghiệm và mẫu thử kéo sẽ thực hiện theo cùng một quy trình nhiệt luyện (như nêu trong phần 2.2.2)

Hình 2.5 Mẫu nhôm B96ц-1 ở trạng thái cung cấp

Mẫu kim tương (mẫu phân tích tổ chức tế vi bằng hiển vi quang học và hiển

vi điện tử quét) và mẫu phân tích nhiễu xạ tia X được cắt ra từ mẫu thí nghiệm, có kích thước (DxRxC) lần lượt là 8x6x4 mm3 (hình 2.6a) và 18x10x4 mm3 (hình 2.6b)

(a) (b)

Hình 2.6 (a) Ảnh mẫu kim tương, (b) ảnh mẫu phân tích nhiễu xạ tia X

Mẫu thử kéo chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 ISO 6892-1:2009 Mẫu sau khi cắt được làm sạch bavia, có dạng tấm với hình dạng kích thước như hình 2.7 và bảng 2.1

Hình 2.7 Mẫu thử kéo trước khi nhiệt luyện Bảng 2.1 Kích thước mẫu thử kéo (TCVN 197-1:2014)

Hình 2.8 Mẫu đo ăn mòn điện hóa 2.2.2 Quy trình nhiệt luyện

2.2.2.1.Tôi

Quy trình tôi được thực hiện ở các nhiệt độ tôi 4600C, 4700C và 4800C với thời gian giữa nhiệt ở 30 phút, 90 phút và 120 phút, sau đó các mẫu này được hóa già ở 1300C -6h Mẫu được kiểm tra cơ tính và tổ chức tế vi và chọn ra được nhiệt

độ tôi tối ưu là 4700C

Sau khi chọn được nhiệt độ tôi là 4700C, tiến hành xác định thời gian giữ nhiệt tối ưu của quá trình tôi với cùng thông số hóa già 1300C-6h Thời gian giữ

nhiệt khi tôi được thay đổi từ 30 phút cho đến 180 phút và làm nguội trong nước theo quy trình nhiệt luyện hình 2.9

Hình 2.9 Quy trình khảo sát nhiệt độ, thời gian tôi

2.2.2.2 Hóa già truyền thống

Để xác định quy trình hóa già truyền thống, mẫu được tiến hành tôi ở 4700C, giữ nhiệt 90 phút

Để xác định nhiệt độ hóa già tối ưu, mẫu được thực hiện ở các nhiệt độ

1100C đến 1800C, cùng được giữ nhiệt trong 6h và làm nguội trong không khí Sau

đó căn cứ vào chỉ tiêu cơ tính, tổ chức tế vi, phân tích X-ray… và chọn ra được nhiệt độ hóa già tối ưu là 1300C

Để xác định thời gian hóa già tối ưu, mẫu giữ nguyên nhiệt độ hóa già là

1300C và thay đổi thời gian giữ nhiệt từ 4h cho đến 48h Trong đó từ 4h đến 20h thì

cứ 2h lại lấy mẫu ra; còn từ 20h đến 28h thì cứ 4h lại lấy mẫu ra và mẫu cuối cùng

là 48h Căn cứ vào kết quả kiểm tra cơ tính, tổ chức tế vi, phân tích X-ray, Sem…

và chọn ra được thời gian hóa già tối ưu là 24h

Quy trình thử nghiệm hóa già truyền thống được thể hiện ở hình 2.10