3. Mục đớch nghiờn cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiờn
1.3.4. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian tới phõn hủy spinodal
1.3.4 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian tới phõn hủy spinodal trong hệ Cu-Ni-Sn Ni-Sn
Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian trong chuyển biến spinodal là núi tới quỏ trỡnh xử lý nhiệt hợp kim gồm :
- Ủ xử lý đồng đều húa tổ chức : nhiệt độ ủ hợp kim spinodal Cu- Ni-Sn trong khoảng 7000C -8500C để đồng đều húa tổ chức, khủ bỏ thiờn tớch từ quỏ trỡnh đỳc trƣớc đú. Nhiệt độ ủ tăng theo chiều tăng của hàm lƣợng nguyờn tố Ni. Thời gian ủ cần đủ lõu để cỏc nguyờn tố khuyếch tỏn đồng đều nhƣng khụng quỏ lõu làm to hạt.
- Tụi nhanh tới nhiệt độ thấp để giữ lại tổ chức đồng đều ở nhiệt độ phũng để giữ đƣợc tổ chức dung dịch rắn đồng nhất.
- Xử lý húa già tạo chuyển biến spinodal : Hợp kim đồng Spinodal Cu-Ni-n cú khoảng nhiệt độ xử lý từ 3000C -4500C. Mỗi hàm lƣợng hợp kim ứng với một nhiệt độ hợp lý. Chuyển biến spinodal rất nhạy với nhiệt độ này. Nhiệt độ xử lý tạo điều kiện cho cỏc nguyờn tố khuyếch tỏn tạo nhúm nguyờn tử. Cựng với thời gian giũ nhiệt, kớch thƣớc của cấu trỳc spinodal lớn lờn tới mức tới hạn. Cú một khoảng kớch thƣớc mà ở đú cấu trỳc spinodal tiết ra cú tỏc dụng tăng bền tối đa cho hợp kim. Thời gian xử lý ngắn hoặc quỏ lõu đề làm giảm cơ tớnh của hợp kim
Phạm vi của cỏc hỡnh thỏi là kết quả từ cỏc mụ hỡnh số phõn hủy spinodal đƣợc túm tắt trong hỡnh dƣới đõy.
Hỡnh 1.15: hỡnh thỏi của chuyển biến spinodal
Sự phõn tỏch tạo cấu trỳc spinodal đƣợc điều chỉnh bởi cỏc phƣơng trỡnh khuếch tỏn. Tựy theo thành phần và nhiệt độ xử lý mà hớnh thỏi cấu trỳc spinodal cú hỡnh dạng khỏc nhau.
1.3.5 Chuyển biến spinodal trong hợp kim cú hàm lƣợng nguyờn tố hợp kim cao
Nhƣ trờn đó phõn tớch, quỏ trỡnh phõn hủy spinodal phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ hợp kim. Điều gỡ sẽ xảy ra đối với cỏc hợp kim cú hàm lƣợng nguyờn tố hũa tan cao và nhất là lại đƣợc xử lý quỏ nhiệt?.Để làm sỏng tỏ điều đú, xin đƣợc trỡnh bày một số nghiờn cứu hợp kim Cu-15Ni-8Sn
Hợp kim Cu-15Ni-8Sn là một hợp kim hiện đại đang đƣợc quan tõm nghiờn cứu. Theo những khảo sỏt gần đõy, hợp kim này cú quỏ trỡnh phõn hủy spinodal xẩy ra sau khi xảy ra quỏ trỡnh trật tự húa. Bởi vỡ trật tự húa là quỏ trỡnh di chuyển của nguyờn tử ở trong ụ đơn vị, vỡ vậy về mặt nhiệt động học, quỏ trỡnh đú xảy ra nhanh hơn so với phõn hủy spinodal khi mà sự khuếch tỏn xảy ra trờn khu vực rộng hơn. (từ một vài nm đến 100nm).
Nhiệt độ
Phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian xử lý khi húa già khi xử lý nhiệt hợp kim hủy spinodal:
Hỡnh 1.16: Giản đồ pha hợp kim Cu-15Ni-8Sn
Nhiệt độ để xảy ra quỏ trinh dung dịch rắn cú thể đƣợc xỏc định bằng giản đồ ba nguyờn hợp kim Cu-Ni-Sn và là cơ sở để xõy dựng giản đồ pha hai nguyờn nhƣ hinh…. Theo giản đồ trờn thỡ nhiệt độ tạo dung dịch rắn α/(α+γ) của hợp kim này là vào khoảng 8000C ở dƣới nhiệt độ này một trật tự húa DO3 pha (γ) đƣợc tiết ra từ nền α.
Nhiều nghiờn cứu đó đƣa ra mụ hỡnh tổ chức và tỡm hiểu cơ chế tăng bền của hợp kim Cu-Ni-Sn. Theo cỏc tỏc giả (Tờn tỏc giả) trong quỏ trỡnh xử lý nhiệt cú sỏu dạng pha đó đƣợc quan sỏt: Trờn biờn hạt và trong cỏc hạt dạng γ (DO3); dạng γ khụng liờn tục (dạng cột); cấu trỳc trật tự húa dạng DO22 (CuxNi1-x)3Sn; cấu trỳc trật tự húa dạng L12 (CuxNi1-x)3Sn; kiểu modun kết quả từ sự phõn hủy spinodal và pha δ hệ trực giao (dạng β-Cu3Ti) với a = 0.451, b = 0.538, c = 0.427nm. Cỏc cấu trỳc đƣợc quan sỏt trong cỏc hợp kim cú thành phần khỏc nhau. Trong cỏc hợp kim Cu- Ni-Sn đƣợc nghiờn cứu, sự tăng bền của hợp kim đều cú đúng gúp của quỏ trỡnh phõn hủy spinodal; Dấu hiệu của tổ chức spinodal đƣợc tỡm thấy trong dung dịch
khi tạo thành dung dịch rắn và spinodal đƣợc hỡnh thành trong quỏ trỡnh tụi. Miki và Ogino đó kết luận phõn hủy spinodal khụng làm tăng mạnh độ cứng cho cỏc hợp kim Cu-20Ni-8Sn và Cu-15Ni-8Sn. Trong cỏc hợp kim đú vai trũ chớnh của sự tăng bền là tổ chức liờn mạng giữa vựng spinodal và pha mới tạo ra.
Động học của chuyển biến trong hợp kim Cu-15Ni-8Sn cú thể đƣợc mụ tả theo dạng giản đồ chữ C nhƣ sau:
Hỡnh 1.17: Đồ thị TTT của hợp kim Cu-15Ni-8Sn
Ở cỏc nhiệt độ và thời gian khỏc nhau, sự hỡnh thành tổ chức của hợp kim sẽ khỏc nhau. Vựng spinodal đƣợc hỡnh thành trong khoàng thời gian và nhiệt độ khỏ nhỏ. Tăng nhiệt độ và thời gian lờn, sẽ là vựng L12 và DO22. Tiếp tục tăng nhiệt độ hoặc thời gian, ta cú vựng khụng liờn tục γ DO3 và cuối cựng là vựng biờn giới hạt và γ DO3. Điều này cũng đƣơc giải thớch bởi sự hỡnh thành pha và phụ thuộc đƣờng cong năng lƣợng tự do của cỏc pha vào thành phần nhƣ sau:
Nhiệt độ
Hỡnh 1.18: Đồ thị đƣờng cong năng lƣợng tự do và thành phần
1.3.6. Quy trỡnh xử lý nhiệt hợp kim Cu-Ni-Sn a. Tạo dung dịch rắn đồng nhất
Để thực hiện xử lý tăng bền bằng hiệu ứng spinodal, sau khi đỳc, cỏc hợp kim cần đƣợc nung, đồng nhất để cỏc nguyờn tố tăng bền đƣợc phõn bố đều trƣớc khi tạo dunng dịch rắn. Thời gian giữ nhiệt cú thể kộo dài. Cỏc hợp kim đồng – niken – thiếc thƣờng cú xu hƣớng phỏt triển rỗ xốp ở nhiệt độ cao do đú nhiệt độ đồng nhất tốt nhất là nung hợp kim tới 7250
C và giữ đủ lõu để cầu húa pha γ từ 3 tới 12 giờ. Sau đú tăng nhiệt độ đều dặn tới nhiệt độ xử lý dung dịch rắn để tụi.
b. Tụi hợp kim đồng Cu-Ni-Sn
Hợp kim cần đƣợc tụi ở tốc độ cao nhất cú thể từ nhiệt độ xử lý nhiệt để giữ đƣợc dung dịch rắn quỏ bóo hũa . Do hợp kim đồng tản nhiệ nhanh, nờn cần sự vận chuyển nhanh chúng từ lũ tới bể tụi. Sự chậm trễ gõy mất nhiệt trƣớc khi tụi cú thể dẫn đến tạo thành cỏc pha liờn kim γ trong hợp kim đồng-niken-thiếc, làm giảm hiệu quả của toàn bộ quỏ trỡnh xử lý nhiệt. Cỏc dung dịch tụi thụng thƣờng là nƣớc, phải đủ lạnh và đƣợc khuấy đồng đều đảm bảo duy trỡ tốc độ làm nguội nhanh xuống dƣới mức 200°C để chuyển biến spinodal khụng xảy ra quỏ sớm.
Năng lƣợng tự do
Dầu, khớ cú thể đƣợc sử dụng để tụi cỏc chi tiết nhỏ hay cỏc bộ phận rất mỏng, đƣợc chế tạo từ những hợp kim thấp thiếc (C72600 và C72700), nhƣng cũng nờn xem xột cẩn thận khi ỏp dụng những phƣơng phỏp này để bảo đảm đủ tốc độ nguội. Nờn sử dụng cả phƣơng phỏp thử nghiệm cơ tớnh và soi tổ chức tế vi để đỏnh giỏ tỏc dụng của tụi một cỏch toàn diện .
c. Húa già tăng bền hợp kim đồng Cu-Ni-Sn
Bảng 1.3 đƣa ra phƣơng phỏp xử lý húa già điển hỡnh và một số tớnh chất đạt đƣợc của một số hợp kim tăng bền bằng spinodal. Ảnh hƣởng của gia cụng nguội giữa tụi dung dịch rắn và cỏc bƣớc húa già đƣợc ỏp dụng cho cỏc hợp kim đồng- niken-thiếc.
Bảng 1.3: độ bền cơ bản và thời gian húa già cho cỏc hợp kim spinodal khỏc nhau
Hợp kim
Xử lý dung dịch và gia cụng nguội
Thời gian húa già (h) tại nhiệt
độ ( 0 C) Độ bền kộo MPa Giới hạn đàn hồi MPa Độ gión dài % Cu-4Ni-4Sn TD06(XH) ,5h tại 3500C 690-725 565-620 9 Cu-9Ni-6Sn TD 04(H) 1.5h tại 350 0C 860- 1035 760-895 8 Cu-9Ni-6Sn TD14(SS) 1.5h tại 3500C 1055- 1145 930-985 . . . Cu-10Ni- 8Sn- 0.2Nb TD 08(S) 3h tại 3500C 1240- 1380 1000- 1070 4
Cu-10Ni- 8Sn- 0.2Nb TD 14(SS) 1.5h tại 3500C 1240- 1380 1070- 1140 2.5 Cu-15Ni- 8Sn TD 14(SS) 1.5h tại 3500C 1140- 1380 1035- 1170 3
Cỏc hợp kim Cu-Ni-Sn đƣợc tăng bền bằng xử lý trong khoảng nhiệt độ khỏ hẹp 350-360°C . Cần cú sự kiểm soỏt cẩn thận nhiệt độ và thời gian để đạt đƣợc cỏc tớnh chất tối đa theo yờu cầu.
Sau khi xử lý nhiệt nếu chỉ đỏnh giỏ hợp kim qua cỏc giỏ trị độ cứng cú thể chƣa đủ bởi vỡ độ cứng cao cú thể đƣợc đạt đƣợc ở chớnh cỏc giai đoạn suy giảm độ đàn hồi trong quỏ trỡnh húa già. Hơn thế nữa, cú hợp kim cú độ bền kộo thay đổi từ 70-100Mpa mà khụng cú biểu hiện thay đổi đỏng kể về độ cứng.
d. Xử lý kết hợp biến dạng và xử lý tăng bền spinodal (Microduplexing) hợp kim đồng Cu-Ni-Sn
Microduplexing: Cỏc hợp kim spinodal đồng-niken-thiếc cú thể xử lý bằng cỏch sử dụng kết hợp gia cụng nguội và xử lý nhiệt đƣợc gọi là microduplexing. Cỏc hợp kim đƣợc gia cụng nguội ở mức độ đỏng kể ( mức độ biến dạng 40-60%) và xử lý dung dịch tại vựng dƣới đƣờng ranh giới một pha, thụng thƣờng là 725°C, sau đú đƣợc húa già ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tăng bền bằng spinodal, ở 425°C trong một thời gian dài. Nhiệt độ húa già cao hơn bỡnh thƣờng vỡ quỏ trỡnh biến dạng microduplex làm chuyển biến spinodal một cỏch đầy đủ diễn ra chậm hơn.
Kết quả của xử lý là sự hài hũa tớnh chất của độ bền cao và tăng độ dẻo lờn đỏng kể. Đƣờng cong trong hỡnh 1.18 chỉ ra ảnh hƣởng của xử lý microduplex so với xử lý spinodal thụng thƣờng tại 425°C
Hỡnh 1.19: Húa già với hợp kim Cu-15Ni-8Sn (C72900), xử lý dung dịch bờn dƣới biờn đơn pha (Microduplex) và ở trờn biờn một pha.A- xử lý trƣớc khi húa già, xử lý dung dịch rắn trờn biờn đơn pha ở 825°C trong 30 phỳt và tụi nƣớc; B (microduplexed)- xử lý dung dịch bờn dƣới đƣờng đơn pha tại 725°C trong 1 giờ và tụi nƣớc.
Ảnh hƣởng của kớch thƣớc hạt.
Kớch thƣớc hạt bỡnh thƣờng thu đƣợc đối với cỏc sản phẩm biến dạng nằm trong khoảng 0,010 đến 0,090 mm. Duy trỡ nhiệt độ xử lý dung dịch rắn thấp để giảm thiểu sự phỏt triển kớch thƣớc hạt, tuy nhiờn nhiệt độ cần đủ để đảm bảo xử lý nhiệt dung dịch rắn hoàn toàn trƣớc khi tụi. Kớch thƣớc hạt cực mịn (2 to 4 μm) cú thể đƣợc tạo ra khi xử lý microduplex cỏc hợp kim đồng-niken-thiếc bởi vỡ khi đú nhiệt độ xử lý dung dịch rắn thấp hơn nhiều và hiệu ứng tạo mầm tăng.
Chỉnh sửa dung sai: Cỏc hợp kim giữ đƣợc kớch thƣớc chớnh xỏc trong quỏ trỡnh xử lý nhiệt. Bởi vỡ cỏc hợp kim spinodal khụng phải trải qua thay đổi về tinh thể trong quỏ trỡnh xử lý tăng bền. Sự sai khỏc về mặt húa học trong phõn hủy spinodal khụng tạo ra pha thứ hai thƣờng là nguyờn nhõn gõy ra biến dạng trong suốt thời gian húa già.
Gión dài % Giới hạn đàn hồi 0.01 %, MPa Giới hạn đàn hồi 0.01 %ks i Húa già tại 4250C, h
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
Từ mục đớch nghiờn cứu của luận văn tỏc giả đi vào thực hiện nghiờn cứu trờn ba thành phần khỏc nhau. Cỏc mỏc đƣợc nghiờn cứu là Cu-9Ni-3Sn; Cu-9Ni- 6Sn; Cu-15Ni-8Sn. Cỏc mỏc nghiờn cứu đƣợc thực hiện theo sơ đồ sau:
ĐÚC PHễI CHẾ TẠO MẪU TễI BIẾN DẠNG + HểA GIÀ HểA GIÀ ĐO ĐỘ CỨNG TẾ VI CHỤP ẢNH TỔ CHỨC ĐỘ MÀI MềN. ĐỘ BỀN SEM, XRAY, EDX ĐỘ ĂN MềN KẾT LUẬN
Hỡnh 2.1: Quy trỡnh thớ nghiệm với cỏc mỏc hợp kim khỏc nhau