3. Mục đớch nghiờn cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiờn
3.2.7. Kết quả thử nghiệm độ dẫn điện
Bảng 3.17: thụng số mẫu đo độ dẫn điện
Stt Hợp kim Chế độ xử lý Chiều dài l, m Chiều rộng a, m Chiều dày b, m Diện tớch mặt cắt ngang S, m2 1 Cu-9Ni-6Sn Sau cỏn nguội, ủ
mềm
0.400 1.9 x10-3 0.8 x10-3 1.52 x10-6
2 Cu-9Ni-6Sn Sau cỏn nguội, ủ mềm
0.400 1.9 x10-3 0.8 x10-3 1.52 x10-6
3 Cu-9Ni-6Sn Sau cỏn nguội, ủ mềm
0.400 1.9 x10-3 0.8 x10-3 1.52 x10-6
4 Cu-9Ni-6Sn Sau cỏn nguội, ủ mềm Húa già
3500C, 1h,
0.400 1.9 x10-3 0.8 x10-3 1.52 x10-6
5 Cu-9Ni-6Sn Sau cỏn nguội, ủ mềm Húa già
3500C, 1h,
Bảng 3.18: Kết quả đo độ dẫn điện Mẫu Hợp kim Giỏ trị điện trở R, Giỏ trị độ dẫn, , .m Chuyển giỏ trị Simen, S Chuyển giỏ trị %IACS 1 Cu-9Ni-6Sn 0.064 0.2432 x10-6 4,111 x106 7.1 2 Cu-9Ni-6Sn 0.075 0.285 x10-6 3.508 x106 6.05 3 Cu-9Ni-6Sn 0.061 0.2318 x10-6 4.314 x106 7.43 4 Cu-9Ni-6Sn 0.054 0.2052 x10-6 4.873 x106 8.40 5 Cu-9Ni-6Sn 0.055 0.2090 x10-6 4.784 x106 8.24
Phõn tớch kết quả thử nghiệm độ dẫn điện cho thấy mẫu sau khi biến dạng và húa già giỏ trị độ dẫn điện là 8.4% IACS điều này hoàn toàn phự hợp với giỏ trị độ dẫn điện của vật liệu này.
Kết luận chung: Với cỏc kết quả thớ nghiệm về độ bền, giới hạn đàn hồi, độ dẫn điện, hệ số ma sỏt cho thấy sau khi xử lý nhiệt thớch hợp mỏc hợp kim Cu-9Ni- 6Sn hoàn toàn cú thể sử dụng vào một số tiếp điểm đũi hỏi độ bền cao và một số loại lũ xo, nhớp..
3.3. Hợp kim Cu-15Ni-8Sn 3.3.1. Thành phần húa học
Hỡnh 3.34: Giản đồ pha hệ (Cu-15Ni)-Sn Bảng 3.19: Thành phần húa học hợp kim Cu-15Ni-8Sn:
Cu Ni Sn Fe Khỏc
75.2 15.4 8.95 0.28 Cũn lại
Căn cứ trờn giản đồ pha và thành phần hợp kim chỳng tụi xõy dựng sơ đồ nhiệt luyện nhƣ sau :
3500C 8500C Nhiệt độ 3h Nguội trong nƣớc 2h Nguội trong khụng khớ
Hỡnh 3.35: Sơ đồ nhiệt luyện hợp kim Cu-15Ni-8Sn
3.3.2. Trạng thỏi đỳc
x50
x200 Hỡnh 3.36: Ảnh tổ chức tế vi hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau đỳc
Ảnh tổ chức cho thấy tổ chức sau đỳc bị thiờn tớch nhỏnh cõy mạnh mẽ. Nhỏnh cõy thụ to khụng chỉ trong hạt mà cũn xuyờn qua cỏc hạt với nhau. Biờn giới hạt khụng rừ do sự thiờn tớch nhỏnh cõy. Rừ ràng với hàm lƣợng hợp kim càng cao thỡ sự phần bố thành phần càng khụng đồng đều sau đỳc. Với hợp kim Cu-Ni-Sn việc tạo ra tổ chức đồng nhất là quan trọng nhất để đảm bảo xử lý cho hợp kim đạt độ bền và độ cứng cao cũng nhƣ cú thể xử lý cỏn biến dạng hay tạo hỡnh hợp kim đạt hiệu quả xử lý cao nhất.
Độ cứng sau đỳc : 110HB
x500 x200
Hỡnh 3.37: Ảnh tổ chức tế vi hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau tụi 8200C giữ nhiệt 3h
Sau khi ủ 3h ở 8200C tổ chức hợp kim hoàn toàn là tổ chức một pha đồng nhất. Tổ chức nhỏnh cõy đó đƣợc khử bỏ, tổ chức hạt đƣợc phõn bố lại và cú kớch thƣớc hạt bộ hơn so với tổ chức đỳc. Đõy là tổ chức phự hợp cho bƣớc húa già chuyển biến spinodal. tiếp theo
Độ cứng sau tụi : 98HB
3.3.4. Trạng thỏi húa già+Tổ chức tế vi +Tổ chức tế vi
x500
x200
Hỡnh 3.38: Ảnh tổ chức tế vi hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau tụi 8200C giữ nhiệt 3h, húa già 3500C trong 2h
Hợp kim Cu-15Ni-8Sn sau hũa già ở 3500C trong thời gian 2h so với trạng thỏi đỳc, tổ chức đó cú sự thay đổi. Tổ chức hoàn toàn đồng nhất một pha khụng cũn sỏng tối khỏc nhau do sự khụng đồng đều về thành phần và định hƣớng giữa cỏc thiờn tớch nhỏnh cõy bị khử bỏ.. Đõy là tổ chức đặc trƣng cho hợp kim khi xảy ra. chuyển biến spinodal.
Hỡnh3.39: Tổ chức tế vi hợp kim Cu-15Ni-8Sn húa già 4500C trong 3h
Khi thực hiện húa già ở thời gian dài hơn và nhiệt độ cao hơn cho thấy cú xuất hiện cỏc pha đen ở biờn giới hạt. Pha này đƣợc phỏng đoỏn là pha γ cú độ cứng thấp hơn so với pha nền điều này đƣợc minh chứng một cỏch khỏ rừ ràng ở cỏc phộp thớ nghiệm sau.
+ kết quả thử nghiệm cơ tớnh
Ảnh hƣởng của nhiệt độ hoa già đến cơ tớnh
Bảng 3.20: Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi húa già ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau
Nhiệt độ húa già 0C
Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Trung bỡnh
HV HRC HV HRC HV HRC HV HRC
250 256 23.3 257 23.5 249 22.1 254 22.6
350 314 31.5 324 32.6 317 31.8 318 32
400 277 26.7 259 23.8 247 21.8 261 24.1
450 258 23.6 247 21.8 257 23.5 254 23
500 201 11.2 207 12.6 194 9.5 201 11.1
Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi húa già ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau
254 276 318 261 254 201 0 100 200 300 400 250 300 350 400 450 500 Nhiệt độ C Đ ộ c ứn g H v
Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi húa già ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau
22.6 26.4 32 24.1 23 11.1 0 5 10 15 20 25 30 35 250 300 350 400 450 500 Nhiệt độ C Đ ộ c ứ n g H R C
Hỡnh 3.40: Sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn theo nhiệt độ xử lý
Nhận xột : Độ cứng sau húa già của hợp kim ở cỏc nhiệt độ 2500
C và 4500C là khỏ cao trờn 20HRC. Độ cứng đạt cao nhất ở khoảng nhiệt độ 3500
C là 32HRC, độ cứng này tƣơng đƣơng với độ cứng thộp C45 ở trạng thỏi nhiệt luyện húa tốt và nếu suy tƣơng đƣơng độ bền đạt tới 900MPa. Độ cứng này khỏ cao so với hệ đồng và cỏc hợp kim đồng núi chung. Theo chiều tăng nhiệt độ xử lý độ cứng tăng và khi qua khoảng 3500C độ cứng giảm dần. Qui luật tăng cứng tƣơng tự nhƣ với hợp kim Cu-9Ni-6Sn nhƣng độ cứng sau nhiệt luyện ở 3500C cao hơn so với hợp kim Cu- 9Ni-6Sn. Do hàm lƣợng thiếc cao hơn do vậy tổ chức spinodal tiết ra cú mật độ cao hơn giỳp tăng bền lờn hơn hai lần so với độ cứng sau đỳc và sau tụi. Hàm lƣợng hợp kim cao cũng cú tỏc dụng tạo pha tăng bền cho hợp kim cho đến khi tạo pha cú độ cứng thấp.
Bảng 3.21. Giỏ trị độ cứng của từng pha đo được Pha Độ cứng (HV) α 390 Ave Nền cứng 382 387 387 γ 238 Ave Hạt mềm 230 235 237
Cú thể thấy rằng độ cứng của pha α nền rất cao trung bỡnh 387 HV cao hơn nhiều so với nền α sau khi tụi. Điều này chứng tỏ rằng cú thể cú quỏ trỡnh phần húa Spinodal xảy ra trong nền, làm cho độ cứng của nền tăng mạnh. Ngoài ra pha γ cho độ cứng thấp hơn nhiều so với pha α.
Ảnh hƣởng của thời gian húa già
Đề tài thực hiện nhiệt luyện cỏc mẫu hợp kim Cu-15Ni-8Sn tại nhiệt độ 3500C theo cỏc khoảng thời gian khỏc nhau. Tiến hành đo độ cứng cỏc mẫu thu đƣợc kết quả nhƣ sau:
Mũi đõm
γ
α
Hỡnh 3.41. Ảnh vết đõm từng pha của hợp kim Cu15Ni8Sn Tụi 850oC-2,5h; húa già 450oC-2h
Bảng 3.22: Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi húa già ở cỏc thời gian khỏc nhau
Thời gian h
Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 Trung bỡnh
HV HRC HV HRC HV HRC HV HRC 0,5 303 30.1 297 29.3 309 30.8 228.5 30 1 299 29.6 292 28.7 301 29.8 223 29.4 1,5 348 35.3 331 33.4 320 32.2 333 33.6 2 287 28.1 294 29.0 285 27.8 289 28.3 2,5 294 29.0 298 29.5 304 30.2 299 29.6 3 336 34.0 338 34.2 334 33.7 336 34 3,5 348 35.3 314 31.5 356 36.2 339 34.3 4 267 25.1 290 28.5 270 25.6 275 26.4
Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi húa già theo thời gian
228.5223 333 289 299 336 339 275 0 100 200 300 400 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Thời gian, h Đ ộ c ứ n g H V
Độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn khi húa già theo thời gian
30 29.4 33.6 28.3 29.6 34 34.3 26.4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Thời gian, h Đ ộ c ứ n g H R C
Hỡnh 3.42: Sự thay đổi độ cứng hợp kim Cu-15Ni-8Sn theo thời gian xử lý Hợp kim Cu-15Ni-8Sn húa già ở 3500C khoảng 0,5h đó cho độ cứng cao 30HRC. Thời gian húa già 1,5h đạt độ cứng khoảng 34HRC. Đõy là độ cứng khỏ
cao phự hợp cho nhiều ứng dụng chịu mài mũn và độ đàn hồi cao của hợp kim đồng.
Theo thời gian húa già độ cứng tăng giảm theo khoảng thời gian húa già. Khoảng từ 2-3h độ cứng giảm đi nhƣng ở khoảng 3-3,5h độ cứng lại tăng lờn và sau đú giảm mạnh.
Húa già hai hợp kim Cu-15Ni-8Sn ; Cu-9Ni-6Sn ta thấy sự qui luật biến đổi độ cứng cú nhứng nột tƣơng đồng đú là cú vựng thăng giỏng độ cứng theo thời gian xử lý. Trờn cơ sở tổ chức spinodal và tổ chức tạo pha đều tăng bền cho hợp kim. Và quỏ trỡnh xử lý nhiệt này cú bƣớc chuyển đổi giữa hai dạng tổ chức này tạo lờn sự thăng giỏng về độ cứng cho vật liệu. Tổ chức spnodal cú ƣu điểm vƣợt trội về độ bền và độ đàn hồi so với tổ chức tạo pha khi sử dụng hợp kim đồng này.
Trờn cơ sở kết hợp giữa nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý để thu đƣợc cơ tớnh tốt thấy rằng nhiệt độ húa già ở 350-0C và thời gian húa già từ 1,5h-2h là phự hợp.
3.3.5. Phõn tớch ảnh SEM
c d
Hỡnh 3.43: Phõn tớch ảnh SEM trờn biờn và trong hạt mẫu húa già 4500C (2h) Ảnh SEM ở độ phúng đại thấp (hỡnh 3.43a) cho thấy cú hiện tƣợng tỏch pha điều này khỏ đỳng khi quan sỏt trờn ảnh tổ chức tế vi quang học độ phúng đại thấp (x500). Quan sỏt tổ chức trờn biờn (hỡnh 3.43b) nhận thấy pha vựng biờn giới hạt cú cấu trỳc theo lớp cũn bờn trong hạt cú cấu trỳc mịn phõn tỏn đều, biểu hiện rằng đú là cấu trỳc của phõn húa spinodal (hỡnh 3.43c; 3.43d).
Hỡnh 3.44: Phõn tớch ảnh SEM trờn biờn và trong hạt mẫu húa già 4500C (3h) Tăng thời gian húa già cho thấy kớch thƣớc pha thứ hai tăng lờn và trong hạt phõn húa dạng spinodal đó giảm đi khỏ nhiều so với chế độ trờn. Điều này cú thể giải thớch là do tăng thời gian húa già số lƣợng pha thứ hai tiết ra nhiều hơn. Điều này cú thể đƣợc minh chứng một cỏch rừ ràng hơn khi thực hiện phộp phõn tớch Xray và phõn tớch nhiệt vi sai đối với hệ hợp kim này. Khi tăng thời gian húa già
ngoài chuyển biến spinodal cũn xuất hiện dạng chuyển biến pha nhằm tăng bền cho vật liệu.
3.3.6. Phõn tớch Xray
Hỡnh 3.45: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu sau húa già 4500C (3h) Ảnh nhiễu xạ Xray cho thấy với thời gian húa già ở già 4500
C trong 3h, vị trớ cỏc peak lệch sang phải so với mẫu Cu-9Ni-6Sn.. Cú thể giải thớch là và ở chế độ này đó cú sự tiết Sn từ cấu trỳc spinodal ra khỏi dung dịch rắn của Cu(Ni) để hỡnh thành pha mới cú kiểu mạng riờng, kớch thƣớc nhỏ hơn mạng nền làm cho peak lệch đi so với vạch chuẩn. Ngoài ra ở vị trớ peak thứ nhất và peak thứ hai cũn cú hiện tƣợng tỏch peak, điều này cú thể phỏng đoỏn đõy là quỏ trỡnh tỏch peak tạo pha thứ hai. Tuy nhiờn do hạn chế của thiết bị nờn chƣa xỏc định đƣợc chớnh xỏc , chỉ cú thể phỏng đoỏn pha đú cú dạng cấu trỳc L12 và DO22
Hỡnh 3.46: Giản đồ nhiễu xạ Xray mẫu sau húa già 5000C (2h)
Tại nhiệt độ húa già 5000C đồ thị nhiễu xạ Xray cho thấy hợp kim cú cấu truc một pha, trờn peak ở vị trớ thứ nhất và thứ hai khụng cú hiện tƣợng tỏch peak nữa. Điều này cú thể phỏng đoỏn tại nhiệt độ 5000C trong hai giờ, đó xảy ra hết quỏ trỡnh tạo pha mới cú cấu trỳc dạng pha γ.. Trờn kớnh hiển vi quang học, pha đú cú màu đen. Đú là pha cú độ cứng thấp và điều này cũng lý giải hiện tƣợng giảm mạnh độ cứng khi húa già ở nhiệt độ lớn hơn 4500
C hoặc khi kộo dài thời gian húa già.
3.3.7. Phõn tớch ảnh hƣởng của ăn mũn
Thực hiện đỏnh giỏ khả năng chịu ăn mũn của vật liệu trong mụi trƣờng nƣớc muối tƣơng tự nhƣ mụi trƣờng nƣớc biển thu đƣợc kết quả phõn tớch nhƣ sau:
Bảng 3.23: Kết quả phõn tớch tốc độ ăn mũn sau tụi và húa già Stt Tờn mẫu Kết quả ICorostion (A) ICorostion (A/cm2) Rp (Ohm) Tốc độ ăn mũn (mm/năm) 1 M158-T 3.274x10-6 3.274x10-6 3.052x102 1.513x10-2 2 M158-R 5.199x10-6 5.199x10-6 5.853x101 2.402x10-2
Phõn tớch kết quả đo tốc độ ăn mũn của mẫu sau khi tụi và húa già nhận thấy rằng sau khi húa già, tốc độ ăn mũn tăng lờn 1.6 lần so với sau khi tụi. Điều này cú thể giải thớch là do sau khi húa già đó cú sự tiết ra cỏc pha. Chớnh cỏc pha tiết ra này đó tạo ra sự chờnh lệch điện thế giữa cỏc pha và nền; tạo nờn cỏc cặp vi pin gõy nờn hiện tƣợng ăn mũn của vật liệu sau khi húa già.
3.3.8. Phõn tớch nhi ệt vi sai
Thực hiện phõn tớch nhiệt tại phũng thớ nghiệm cụng nghệ vật liệu kim loại thu đƣợc kết quả nhƣ sau:
Quan sỏt giản đồ phõn tớch nhiệt nhận thấy tại cỏc vựng nhiệt độ từ khoảng 500C; 418-48200C; 750-8000C ghi nhận sự xuất hiện của cỏc peak thay đổi nhiệt động học. Điều này phự hợp với lý thuyết và cỏc kết quả thực nghiệm về sự chuyển biến nhiệt động học tại cỏc vựng nhiệt độ trờn.
Hỡnh 3.47: Đƣờng cong thế điện cực ăn mũn của mẫu sau khi tụi (a) và húa già (b)
Từ nhiệt độ dƣới 50 oC bắt đầu cú dấu hiệu chuyển biến, cú lẽ đõy là phõn hủy spinodal;. Trong khoảng 418oC đến 482 o
C hợp kim xuất hiện cấu trỳc dạng DO22 và L12 ( dấu hiệu trờn đƣờng phõn tớch nhiệt) . Đõy là dạng cấu trỳc đƣợc tạo ra khi Sn tiết ra khỏi vựng spinodal và chuẩn bị cho quỏ trỡnh hỡnh thành pha mới. Khi cấu trỳc hợp kim là 100% pha mới, độ cứng của hợp kim giảm đột ngột. Tại 750-8000C cú quỏ trỡnh tạo pha khụng liờn tục γ cú cấu trỳc kiểu DO3 [10,14 ]
Hỡnh 3.48 Giản đồ phõn tớch nhiệt vi sai mẫu Cu-15Ni-8Sn
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperature /°C -0.12 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 DTA /(uV/mg) 100.00 100.05 100.10 100.15 100.20 TG /% 755.0 °C 613.3 °C 626.7 °C 631.8 °C 636.3 °C 639.3 °C 417.6 °C 440.2 °C 448.2 °C 452.7 °C 755.0 °C 780.5 °C 783.5 °C [1] [1] exo Instrument: File: Project: Identity: Date/Time: Laboratory: Operator: NETZSCH STA 409 PC/PG Cu15Ni8Sn.ssv None CuNiSn 5/11/2011 10:36:03 AM CNVL KL Quyen Sample: Reference: Material: Correction File: Temp.Cal./Sens. Files: Range: Sample Car./TC: Cu15Ni8Sn, 1447.000 mg Al2O3,0.000 mg Metallic Tcalzero.tcx / Senszero.exx 30/5.00(K/min)/1000 DTA(/TG) HIGH RG 5 / S Mode/Type of Meas.: Segments: Crucible: Atmosphere: TG Corr./M.Range: DSC Corr./M.Range: Remark: DTA-TG / Sample 1/1
DTA/TG crucible Al2O3 Ar/50 / Ar/40 000/30000 mg 000/5000 àV
CHƢƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận
1. Vận dụng lý thuyết phõn húa spinodal căn cứ vào vựng chuyển biến