3. Mục đớch nghiờn cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiờn
1.1.1. Đồng thanh thiếc
Đồng thanh thiếc là hợp kim của đồng với thiếc. Ngoài cỏc nguyờn tố cơ bản này cũn cú cỏc nguyờn tố khỏc nhƣ phốt pho, kẽm, chỡ, ni ken, v.v.. Đồng thanh thiếc là một trong những hợp kim đƣợc tỡm ra và sử dụng sớm nhất. Tổ chức va tớnh chất của nú cũng đó đƣợc nghiờn cứu khỏ đầy đủ.
a) Thành phần và tổ chức của đồng thanh thiếc Giản đồ pha Cu-Sn đƣợc trỡnh bày trờn hỡnh :
Hỡnh 1.1: Giản đồ pha Cu-Sn
Hàm lƣợng thiờc dao động trong đồng thanh thụng dụng thƣờng dao động từ 3-14%. Một số hợp kim cú thể chứa tới 20%Sn. Trong vựng nồng độ này xuất hiờn cỏc pha sau đõy :
Dung dịch rắn
Trong điều kiện cõn bằng, pha hũa tan khoảng 13,5% Sn ở 7980C. Hạ nhiệt độ, độ hũa tan của Sn trong tăng lờn và đạt giỏ trị cực đại 15,8% ở 5860C. Thấp hơn nhiệt độ này, vựng co hẹp lại. Độ hũa tan của Sn trong ở nhiệt độ thƣờng hầu nhƣ khụng đỏng kể.
Pha
Pha là dung dịch rắn trờn cơ sở hợp chất điện tử Cu5Sn với nồng độ điện tử Ce = 3/2 . Pha này cú kiểu mạng lập phƣơng tõm khối và tạo ra do phản ứng bao tinh ở 7980C: L + = Ở 5860 C, bị phõn hủy cựng tớch: = [ + ] Pha
Pha là dung dịch rắn trờn cơ sở hợp chất điện tử Cu31Sn8 với nồng độ điện tử Ce = 21/13 . Mạng tinh thể của thuộc loại lập phƣơng phức tạp.
Ở 7980
C, phõn hủy cựng tớch theo phản ứng sau :
= [ + ]
Pha
Pha cũng là dung dịch rắn trờn cơ sở hợp chất điện tử Cu31Sn8 . Ở 3500C, trong điều kiện cõn bằng nú bị phõn hủy cựng tớch .
= [ + ]
Pha
Pha là dung dịch rắn trờn cơ sở hợp chất điện tử Cu3Sn với nồng độ điện tử Ce = 7/4 , kiểu mạng sỏu phƣơng xếp chặt.
Hệ số khuyếch tỏn của Sn trong Cu rất nhỏ, đặc biệt ở vựng nhiệt độ thấp. Do vậy, phản ứng phõn hủy cựng tớch pha ở 3500C hầu nhƣ khụng thể xảy ra.
Tổ chức của đồng thanh thiếc phụ thuộc rất mạnh vào chế độ gia cụng. Nếu xột ở trạng thỏi sau đỳc bỡnh thƣờng, tổ chức Cu-Sn sẽ tƣơng ứng với đƣờng gạch trờn giản đồ hỡnh .. , nghĩa là pha cú độ hũa tan khoảng 8% Sn và hầu nhƣ khụng phụ thuộc nhiệt độ.
Tổ chức ở trạng thỏi cõn bằng, tƣơng ứng với đƣờng đậm của giản đồ pha chỉ đạt đƣợc khi mẫu bị biến dạng mạnh, (mức độ biến dạng > 80%), kết hợp với ủ một thời gian dài.
Trƣờng hợp mẫu ủ sau đỳc hoặc đƣợc ủ kết tinh lại sau khi biến dạng với mức độ nhỏ (<80%), tổ chức đạt đƣợc cõn bằng ứng với đƣờng đậm của giản đồ chỉ ở vựng nhiệt độ cao hơn 5000C . Thấp hơn nhiệt độ này hầu nhƣ khụng xảy ra phõn hủy .
Nhƣ vậy, sau khi đỳc, tổ chức của đồng thanh với hàm lƣợng thiếc nhỏ hơn 8% sẽ gồm pha . Khi tẩm thực, dặc tớnh thiờn tớch nhỏnh cõy biểu hiện rất rừ : ở trung tõm hạt , trờn cỏc nhỏnh cõy sẽ giàu đồng ; thiếc tụ tập bờn ngoài và vựng giữa cỏc nhỏnh cõy.
Sau khi ủ, tổ chức cỏc hợp kim này sẽ gồm cỏc hạt cú thành phần đồng nhất.
Nếu cỏc hợp kim này bị biến dạng và ủ kết tinh lại thỡ trong tổ chức pha
xuất hiện cỏc song tinh.
Cỏc đồng thanh chứa nhiều hơn 8% Sn sau đỳc cú tổ chức gồm dung dịch rắn
bị thiờn tớch nhỏnh cõy mạnh và cựng tớch [ + ].
Đồng thanh thiếc cú tớnh chảy loóng kộm do chặng nhiệt độ kết tinh lớn. Khi đỳc lƣợng co ngút tập trung nhỏ nhƣng rỗ xốp nhiều . Độ co kớch thƣớc sau đỳc của đồng thanh nhỏ. Do tớnh chất này, đồng thanh thiếc đuwocj ứng dụng nhiều để đỳc cỏc tỏc phẩm nghệ thuật vỡ ở đõy dũi hỏi rất cao sự điền đầy cỏc đƣờng nột.
Độ dẻo của đồng thanh thiếc sau đỳc nhỏ do tổ chức khụng đồng đều . Để nõng cao độ dẻo ngƣời ta ỏp dụng chế độ ử khoảng 700- 7500
C . Sau ủ đồng đều húa, những hợp kim chứa ớt hơn 14%Sn cú tổ chức một pha , cũn nhứng hợp kim với hàm lƣợng thiếc nhiều hơn 14% cú tổ chức hai pha + .
Vỡ pha giũn, cho nờn cỏc đồng thanh hai pha ở nhiệt độ thƣờng kộm dẻo . Ở nhiệt đọ cao, pha biến thành pha . So với pha , pha cú độ dẻo cao hơn. Chớnh vỡ vậy, trƣớc khi biến dạng nguội, cỏc đồng thanh thiếc hai pha thƣờng đƣợc tụi để giữ lại trạng thỏi hai pha +
1.1.2. Hợp kim đồng niken
Cỏc hợp kim của đồng với niken cú cơ tớnh, khả năng ổn định chống ăn mũn cao và những tớnh chất nhiệt điện quý giỏ đặc biệt. Chớnh vỡ vậy chỳng cú ý nghĩa rất lớn trong kỹ thuật.
Đặc điểm về tổ chức và tớnh chất của hợp kim hai cấu tử Cu-Ni
Đồng với niken tạo ra giản đồ pha hũa tan vụ hạn ở cả thể lỏng và thể rắn
Hỡnh 1.2: Giản đồ pha Cu-Ni
Ni ken khi hũa tan trong đồng gõy hiệu quả húa bền mạnh. ứng với nồng độ khoảng 30-35%Ni, pha cú độ bền, độ cứng , điện trở suất cực đại và hệ số nhiệt điện trở xấp xỉ bằng khụng.
Trong thực tế thƣờng dựng cỏc hợp kim với hàm lƣợng 30%Ni . Hợp kim với thành phần này cú tổ chức một pha, chịu gia cụng biến dạng núng và nguội đều tốt. Để nõng cao khả năng chống ăn mũn , cơ tớnh và cải thiện cỏc tớnh chất vật lý ( dẫn điện, dẫn nhiệt ) của hợp kim Cu-Ni , ngƣời ta thƣờng hợp kim húa thờm cỏc nguyờn tố nhƣ : Fe; Mn; Al; Zn; Pb.
1.1.3. Hợp kim đồng - niken - thiếc
Hợp kim đồng – niken – thiếc là hệ đồng 3 nguyờn. Dƣới đõy là mặt cắt hệ ba nguyờn Cu-Ni-Sn ở thể rắn:
Hỡnh 1.3: Mặt cắt đẳng nhiệt trạng thỏi rắn hệ ba nguyờn ở 5000C
Do đồng và niken hũa tan vụ hạn vào nhau do vậy trờn giản đồ pha thƣờng chỉ cú sự tạo pha giữa đồng và thiếc, niken và thiếc. Do vậy khi nghiờn cứu hệ hợp
N i Hỡnh 1.3a: Mặt cắt hệ Cu- Ni-Sn ở thể rắn C Ni Sn Hỡnh 1.3b: Mặt cắt hệ Cu- Ni-Sn ở 7000C. Hỡnh 1.3c : Mặt cắt đẳng nhiệt tại 5000C
kim này ngƣời ta thƣờng qui về hệ giản đồ hai pha cú một bền là thiếc cũn bờn kia là hỗn hợp đồng Niken với hàm lƣợng cố định.
Hỡnh 1.4 : Giản đồ Ni-Sn
Từ giản đồ ta thấy Ni với Sn hầu nhƣ khụng hũa tan vào nhau ở nhiệt độ phũng. Tựy thành phần chỳng tạo ra cỏc pha nhƣ Ni3Sn ; Ni3Sn3; Ni3Sn4 . Đõy cũng là cỏc pha tăng bền cho hệ hợp kim.
Cỏc giản đồ trờn ta định hỡnh về tổ chức pha và khả năng hợp kim húa của hệ hợp kim Cu-Ni-Sn. Từ đú giải thớch đƣợc cỏc quỏ trỡnh lựa chọn vật liệu, cụng nghệ nấu luyện, xử lý nhiệt để tạo ra cỏc tớnh chất mong muốn cú ở vật liệu
1.2. Cỏc cơ chế tăng bền hợp kim đồng
Hợp kim đồng đƣợc tăng bền bằng xử lý nhiệt đƣợc chia ra hai loại: những hợp kim bị mềm đi khi đƣợc tụi ở nhiệt độ cao và tăng bền bằng cỏch xử lý nhiệt tiết pha ở nhiệt độ thấp hơn và cỏc hợp kim đƣợc tăng bền bằng cỏch tụi từ nhiệt độ cao thụng qua chuyển pha loại Mactenxit. Cỏc hợp kim đƣợc tăng bền trong phƣơng phỏp xử lý ở nhiệt độ thấp đến trung bỡnh từ dung dịch rắn đƣợc tụi bao gồm tiết pha tăng bền, chuyển biến spinodal tăng bền, và cỏc loại tăng bền trật tự húa. Cỏc hợp kim tụi tăng bền bao gồm hợp kim đồng - nhụm, hợp kim đồng niken- nhụm, và một vài hợp kim đồng kẽm đặc biệt. Thụng thƣờng cỏc hợp kim tăng bền bằng tụi đƣợc ram để nõng cao độ dẻo và độ dai, giảm độ cứng tƣơng tự nhƣ sử dụng cho cỏc loại thộp hợp kim.
1.2.1 Hợp kim đồng tăng bền ở nhiệt độ thấp.
Để so sỏnh, Bảng 1.1 liệt kờ cỏc vớ dụ về cỏc loại hợp kim tăng bền ở nhiệt độ thấp, cũng nhƣ xử lý nhiệt thụng thƣờng mức độ tớnh chất đạt đƣợc cho cỏc hợp kim này. Cỏc chi tiết đƣợc đƣa ra trong ba phần phụ bờn dƣới.
Bảng 1.1: Cỏc hợp kim đồng tăng bền ở nhiệt độ thấp.
Hợp kim Nhiệt độ xử lý dung dịch rắn, 0 C Xử lý húa già Độ cứng Độ dẫn điện %IACS Nhiệt độ 0 C Thời gian, h Tiết pha tăng bền
C17000,C17200, C17300 760-800 300-350 1-3 35-44HRC 22 C17500,C17600, 900-950 455-490 1-4 95-98HRB 48 C18200,C18400, C18500,C81500, 900-930 425-540 2-3 92-96HRB 80 C99400 885 482 1 170 17
Tăng bền bằng tiết pha spinodal
C71900 900-950 425-760 1-2 86HRC 4
C72800 815-845 350-360 4 32HRC -
1.2.2 Hợp kim đồng tiết pha tăng bền.
Hầu hết hợp kim đồng tiết pha tăng bền đƣợc sử dụng trong cỏc ứng dụng dẫn điện và nhiệt. Vỡ vậy, xử lý nhiệt phải đƣợc thiết kế để phỏt triển độ bền cơ học
và độ dẫn điện cần thiết. Độ cứng và độ bền phụ thuộc vào hiệu quả xử lý dung dịch rắn sau tụi và điều khiển quỏ trỡnh tiết pha (húa già). Cần lƣu ý rằng thuật ngữ húa già và sự già húa đƣợc sử dụng trong thực tiễn xử lý nhiệt để thay thế cho thuật ngữ tiết pha tăng bền hoặc spinodal tăng bền. Cỏc hợp kim đồng tăng bền bởi xử lý ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mụi trƣờng là húa già, nhƣ trƣờng hợp của một số hợp kim nhụm. Khi cỏc nguyờn tử bị phõn tỏch tiến hành thụng qua việc kết tụ, sự liền mạng, và chu kỳ tiết pha trong mạng hợp kim sau tụi, độ cứng tăng, đạt đến một đỉnh cao, và sau đú giảm dần theo thời gian. Độ dẫn điện tăng liờn tục với thời gian xử lý cho đến khi đạt đƣợc một giỏ trị tối đa, thụng thƣờng trong điều kiện tiết pha đầy đủ. Cỏc điều kiện tối ƣu thƣờng đƣợc lựa chọn từ sự xử lý tiết pha theo nhiệt độ và thời gian chỉ dựa trờn sự thay đổi tƣơng ứng của độ cứng. Gia cụng nguội trƣớc khi húa già tiết pha cú xu hƣớng cải thiện độ cứng xử lý nhiệt. Trong trƣờng hợp cỏc hợp kim rốn cú độ bền thấp nhƣ C18200 (đồng-crom) và C15000 (đồng- zirconi), xử lý nhiệt tạo độ cứng cú thể khụng đƣợc ƣu tiờn để đạt đƣợc tăng độ dẫn, với độ bền và độ cứng cuối cựng đƣợc nõng cao bằng gia cụng nguội.
Nếu trong quỏ trỡnh cỏn đó xảy ra tiết pha tăng bền, khụng cần thiết phải sử dụng tiếp cỏc qui trỡnh xử lý nhiệt tăng bền tiếp theo. Tuy nhiờn, nú cú thể đƣợc ủ giảm bớt ứng suất gõy ra trong quỏ trỡnh chế tạo, đặc biệt đối với cỏc chi tiết loại lũ xo- dầm cú mức độ tạo hỡnh cao và gia cụng phức tạp, cỏc hỡnh dạng đú cú yờu cầu khỏng tối đa để giữ ứng suất ở nhiệt độ nõng cao vừa phải.
1.2.3 Hợp kim đồng tăng bền theo cơ chế trật tự húa.
Một số hợp kim, thƣờng là những hợp kim gần nhƣ bóo hũa với một nguyờn tố hợp kim, khi đƣợc gia cụng nguội cao sau đú đƣợc ủ ở nhiệt độ tƣơng đối thấp, trong quỏ trỡnh phõn hủy pha α, trải qua phản ứng trật tự húa. Hợp kim đồng C61500, C63800, C68800, và C69000 là những vớ dụ của hợp kim đồng cú hiện tƣợng này. Hiện tƣợng tăng bền cú đƣợc nhờ sự xắp xếp trật tự húa của cỏc nguyờn tử hũa tan trong nền đồng, tạo cỏc lệch chuyển động xuyờn qua cỏc tinh thể.
Xử lý trật tự húa bằng cỏch ủ ở nhiệt độ thấp, tƣơng tự nhƣ xử lý khử ứng suất. Cú thể đú tăng giới hạn đàn hồi bằng cỏch giảm mật độ ứng suất trong mạng tinh thể, tại nơi tập trung của bỳi lệch mạng. Ủ hợp kim trật tự húa cải thiện tớnh chất của hợp kim đặc biệt là khử bỏ ứng suất .
Ủ trật tự húa đƣợc thực hiện trong thời gian tƣơng đối ngắn ở nhiệt độ tƣơng đối thấp, thƣờng trong khoảng 150-400°C. Do nhiệt độ thấp, khụng yờu cầu cú khớ đặc biệt bảo vệ. Tăng bền trật tự húa thƣờng xuyờn thực hiện sau khi cỏc bƣớc chế tạo cuối cựng để tận dụng đầy đủ cỏc khớa cạnh xử lý khử ứng suất, đặc biệt là ở cỏc vị trớ chịu ứng suất.
1.2.4 Hợp kim đồng tăng bền bằng phõn hủy Spinodal.
Cỏc hợp kim cú chuyển biến spinodal đƣợc xử lý nhiệt tăng bền tƣơng tự nhƣ cỏc hợp kim tăng bền nhờ quỏ trỡnh tiết pha. Cấu trỳc nền spinodal dẻo, mềm đƣợc tạo ra bởi xử lý dung dịch quỏ bóo hũa tại nhiệt độ cao sau tụi. Cỏc vật liệu cú thể đƣợc gia cụng nguội hoặc đƣợc tạo hỡnh trong điều kiện này. Quỏ trớnh xử lý chuyển biến spinodal làm tăng độ cứng, độ bền của hợp kim xảy ra ở một nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ tụi đƣợc gọi là quỏ trỡnh húa già. Hợp kim đồng đƣợc tăng bền bằng chuyển biến spinodal- cơ bản là hợp kim đồng-niken với Crụm hoặc thiếc.. Cơ chế chuyển biến spinodal thực chất là sự phõn hủy húa học của tinh thể nền dung dịch rắn α nhỏ mịn (kớch thƣớc cỡ A0). Vỡ khụng cú thay đổi cấu trỳc tinh thể, hiệu ứng spinodal chỉ cú thể phỏt hiện với sự hỗ trợ của kớnh hiển vi điện tử. Trong thời gian xử lý, cỏc hợp kim tăng bền bằng spinodal giữ sự ổn định kớch thƣớc rất cao.
1.3. Húa bền kim Cu-Ni-Sn trờn cơ sở chuyển biến spinodal
1.3.1 Điều kiện để thực hiện phõn hủy spinodal trong hệ Cu-Ni-Sn Khỏi niệm chung Khỏi niệm chung
Chuyển biến spinodal là một chuyển biến khỏ đặc trƣng và hệ hợp kim Cu- Ni-Sn. Chớnh vỡ vậy hệ đồng này đƣợc gọi là đồng spinodal. Nhờ cú chuyển biến spinodal mà hệ hợp kim này cú thể điều chỉnh cỏc tớnh chất nhƣ độ bền, độ đàn hồi, độ dẻo, để cú thể đỏp ứng đƣợc cỏc yờu cầu cao về cơ tớnh, về tớnh cụng nghệ trong chế tạo. Hệ hợp kim Cu-Ni-Sn đƣợc sử dụng thay thế cho đồng berili ngày một nhiều hơn. Hệ đồng Cu-Ni-Sn là minh chứng về ý nghĩa của chuyển biến spinodal ứng dụng trong thực tế.
Hầu hết cỏc hợp kim trờn cơ sở đồng tăng bền bằng sự tăng bền dung dịch rắn, gia cụng nguội, tiết pha tăng bền, hoặc bởi kết hợp của cỏc cơ chế tăng bền này. Riờng hợp kim ba nguyờn Cu-Ni-Sn, độ bền cao đạt đƣợc nhờ quỏ trỡnh xử lý nhiệt đƣợc gọi là xử lý chuyển biến spinodal. Cỏc hợp kim đƣợc ứng dụng nhiều là Cu- 9Ni-6Sn và Cu-15Ni-8Sn.
Định nghĩa chuyển biến và đặc điểm tổ chức
Chuyển biến Spinodal là một cơ chế ở đú một dung dịch rắn của hai hay nhiều cấu tử cú thể chia ra cỏc vựng cơ bản khỏc nhau về thành phần húa học và cơ tớnh. Cơ chế chuyển biến này khỏc với chuyển pha cổ điển trong đú pha tỏch ra do phõn húa spinodal khú phỏt hiện hơn nhiều, xảy ra đồng thời và đồng nhất trờn toàn khối vật liệu, khụng chỉ tại cỏc vị trớ chuyển pha riờng biệt.
Chuyển biến Spinodal đƣợc quan tõm bởi hai lý do chớnh. Thứ nhất, nú là một trong vài chuyển pha ở thể rắn dựa trờn cơ sở lý thuyết hợp lý. Lý do cho điều này là tớnh đơn giản vốn cú của phản ứng. Do đú khụng cú rào cản nhiệt động học tới bờn trong phản ứng của vựng spinodal. Chuyển biến đƣợc xỏc định chỉ bằng khuyếch tỏn. Nhƣ vậy chuyển biến đƣợc xem xột hoàn toàn là vấn đề của khuyếch tỏn, nhiều đặc điểm của chuyển biến đƣợc mụ tả bằng cỏch giải bài toỏn gần đỳng hàm khuyếch tỏn tổng quỏt.
Thứ hai, lý thuyết về tạo mầm và phỏt triển mầm phải liờn quan tới dao động nhiệt và vấn đề khuyếch tỏn liờn quan tới sự phỏt triển của mầm là khú để giải thớch