2. CƠ SỞ KHOA HỌC HÀN NHÔM VỚI THÉP 1 Mục đích
2.3.3. Bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn hybrid nhô m– thép
Hàn vật liệu khác chủng loại và đặc biệt là khác cả nhóm cấu trúc, luôn luôn là một vấn đề rất khó, yêu cầu đồng thời phải giải quyết triệt để rất nhiều vấn đề. Ở phần này chúng ta tập trung nghiên cứu về các ứng xử của vật liệu hàn với kim loại cơ bản khi tiến hành hàn nhôm AA1100 với thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG, trong đó tập trung nghiên cứu chủ yếu tại nơi hình thành các pha liên kim cứng và giòn (tại biên giới giữa tấm thép CCT38 và KLMH).
Qua nghiên cứu nhiều tài liệu tham khảo về chủ đề hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy cho thấy rằng, các tác giả chỉ nói đến sự hình thành các hợp chất liên kim (IMC) mà không thấy tác giả nào lý giải đầy đủ về bản chất và cơ chế hình thành liên kết hàn nhôm – thép ở trạng thái nóng chảy như đề tài luận án này đề cập. Vì thế mà tại đây tác giả luận án đưa ra 1 giả thuyết khoa học để lý giải về cơ chế hình thành liên kết hàn giữa nhôm
AA1100 với thép CCT38 bằng quá trình hàn TIG. Giả thuyết này được chứng minh trong các mục 5.6.2 và 5.9 của bản luận án này.
• Trong vũng hàn: do KLMH ở trạng thái nóng chảy, nghĩa là khuếch tán kim loại trong
vũng hàn là quá trình khuếch tán ở trạng thái lỏng. Do ở trạng thái lỏng (nhiệt độ cao) nên khoảng cách giữa các nguyên tử kim loại trong vũng hàn tăng lên, lực liên kết giữa các nguyên tử bị yếu đi rất nhiều vì vậy hoạt năng của quá trình khuếch tán sẽ nhỏ, trong khi hoạt năng của các nguyên tử kim loại đang ở mức cao và điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các nguyên tử kim loại trong vũng hàn khuếch tán một cách dễ dàng hơn so với ở trạng thái rắn, kết quả vùng khuếch tán là toàn bộ thể tích của vũng hàn [46]. Mặt khác, mặc dù thời gian ở trạng thái lỏng của KLMH rất ngắn, nhưng do thể tích của vũng hàn khá nhỏ nên mật độ phân bố của các nguyên tử kim loại trong KLMH sau khi kết tinh sẽ tương đối đồng đều.
• Tại vùng biên giới giữa tấm thép CCT38 và KLMH: Gi ả thuyết r ằng các nguyên tử Fe sẽ khuếch tán từ tấm thép CCT38 vào trong vũng hàn (khi còn ở trạng thái lỏng) và KLMH (khi đã kết tinh và nhiệt độ còn ở mức cao), trong khi đó, các nguyên tử Al sẽ khuếch tán theo chiều ngược lại từ vũng hàn và KLMH vào trong tấm thép CCT38. Ở phía vũng hàn, do kim loại ở trạng thái lỏng nên khả năng khuếch tán của các nguyên tử Fe từ tấm thép CCT38 vào trong vũng hàn sẽ dễ dàng hơn và chiều sâu khuếch tán của các nguyên tử Fe
trong KLMH sẽ lớn. Trong khi tấm thép CCT38 luôn ở trạng thái rắn nên khả năng khuếch
tán của các nguyên tử Al từ vũng hàn và KLMH vào trong tấm thép CCT38 sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với các nguyên tử Fe kể trên, do vậy mà chiều sâu khuếch tán của các
nguyên tử Al trong tấm thép CCT38 sẽ nhỏ (hình 2.8).
Nếu giả thuyết nêu trên là đúng thì khi hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy như đề tài luận án này, vùng khuếch tán sẽ lệch về phía KLMH và tổ chức liên kim (IMC) nhận được sẽ phát triển trong vùng KLMH, hướng từ tấm thép CCT38 về phía KLMH (Kết luận này cũng được chứng minh trong các mục 5.6.2 và 5.9 của luận án).
Hình 2.8 Sơ đồ khuếch tán nguyên tử và tiết pha mới tại vùng biên giới thép CCT38 – KLMH
Các quá trình thấm ướt của KLMH lên bề mặt tấm thép CCT38, khuếch tán kim loại và tiết pha liên kim IMC như thể hiện trên hình 2.8 ở trên đã diễn tả đầy đủ bản chất và cơ chế của quá trình hình thành liên kết kim loại giữa tấm thép và KLMH. Cũng chính nhờ 2 quá trình thấm ướt và khuếch tán kim loại này mà đã tạo ra sự liên kết kim loại liền mạng giữa KLMH và tấm thép CCT38.
Theo định luật Fick thứ 2 (Fick’s second law) về khuếch tán kim loại, chiều sâu khuếch tán hay bề rộng của vùng khuếch tán phụ thuộc vào từng loại kim loại cụ thể, phụ thuộc vào trạng thái hoạt tính (hoạt năng) của các nguyên tử kim loại đó, phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian kim loại lưu lại ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ càng cao thì khả năng khuếch tán càng mạnh dẫn đến chiều sâu khuếch tán càng lớn. Thời gian kim loại ở nhiệt độ cao càng lâu thì chiều sâu khuếch tán cũng càng lớn [7].
Hình 2.9 Hệ số khuếch tán vào nhôm của một số kim loại (nguồn: [43])
Theo tài liệu [43], hệ số khuếch tán vào nhôm của một số kim loại ở nhiệt độ cao được thể hiện trong hình 2.9, trong đó các nguyên tố Cr, Mn và Fe được liệt vào nhóm các nguyên tố khuếch tán chậm vào nhôm, còn các nguyên tố Cu, Ni, Si và Mg thuộc nhóm các nguyên tố khuếch tán nhanh vào nhôm. Hệ số khuếch tán là thông số quyết định lớn đến chiều sâu khuếch tán hay bề rộng của vùng khuếch tán. Theo giả thuyết nêu trên, trong trường hợp hàn nhôm với thép này, KLCB ở trạng thái rắn còn KLMH ở trạng thái lỏng,
do đó khả năng khuếch tán (của cùng một loại nguyên tử kim loại) trong KLCB sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với ở trong KLMH.
Hình 2.10 Khả năng hòa tan vào nhôm của một số kim loại (nguồn: [43])
Trên hình 2.10 thể hiện khả năng hòa tan (solubility) vào nhôm để tạo thành dung dịch đặc của một số kim loại ở các nhiệt độ khác nhau. Trong số đó, Zn và Mg là hai nguyên tố có khả năng hòa tan vào nhôm rất lớn, còn Fe là kim loại có khả năng hòa tan vào nhôm thấp nhất. Chúng ta thấy rằng dù ở nhiệt độ của nhôm lỏng (660oC) thì lượng hòa tan của các nguyên tử Fe trong nền Al tối đa cũng chỉ là 0,05%.
Như vậy, có thể suy ra rằng trong quá trình hàn nhôm với thép, nếu như lượng nguyên tử Fe (từ tấm thép CCT38) khuếch tán vào Al (KLMH) lớn hơn giới hạn hòa tan bão hòa (0,05%) kể trên thì sẽ xảy ra quá trình tích tụ Fe và kết tủa tạo ra các pha mới (điển hình là các hợp chất liên kim FexAly rất cứng và giòn). Do đó, để giảm khả năng hình thành cũng như chiều dày của lớp hợp chất liên kim khi hàn nhôm với thép, ta cần phải hạn chế sự khuếch tán của Fe vào trong KLMH bằng cách sử dụng năng lượng đường thấp, vũng hàn nhỏ và để mối hàn nguội nhanh.
Hình 2.11 Cấu trúc mạng tinh thể của liên kim AlFe3 và ôxit nhôm Al2O3 (nguồn: [9])
Như vậy có thể thấy rằng: khó khăn chính khi nối nhôm với thép bằng nhiệt (hàn) là
do khả năng hòa tan rất thấp của Fe vào Al để tạo thành dung dịch đặc, nên rất dễ hình thành các tổ chức liên kim cứng và giòn (FexAly) làm cho mối hàn dễ xuất hiện các vết nứt, làm giảm khả năng chịu tải (tĩnh và động) của kết cấu. Hơn nữa, hệ số dãn nở nhiệt rất khác nhau của chúng cũng tạo nên ứng suất dư đáng kể trong liên kết. Vấn đề nữa là nhiệt độ nóng chảy và hệ số dẫn nhiệt khác nhau của hai kim loại cơ bản này kèm theo nhiệt độ nóng chảy rất cao của lớp oxit nhôm trên bề mặt chi tiết hàn cũng dẫn đến các vấn đề rất khó khăn khi hàn.
Để nghiên cứu kỹ về khả năng hình thành các tổ chức kim loại và các pha liên kim khi hàn nhôm với thép, chúng ta cần phải xem xét các giản đồ pha của các kim loại có liên
trọng nhất. Ở phía bên tay trái của giản đồ, có thể nhìn thấy rằng độ hòa tan của Al trong Fe để tạo dung dịch đặc là trong khoảng 12 phần trăm, khi đó chưa xuất hiện các pha giòn. Khi mà lượng khuếch tán của Al vào trong nền Fe lớn hơn 12 % thì bắt đầu hình thành các pha liên kim cứng và giòn. Nghĩa là có thể hiểu rằng giới hạn hòa tan bão hòa của Al
trong nền Fe để hình thành dung dịch đặc là khoảng 12 %.
Hình 2.12 Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim 2 nguyên Fe-Al (nguồn: [47])
Đối với quá trình hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy như đề tài luận án này, do các nguyên nhân thời gian tồn tại của Al (KLMH) ở nhiệt độ cao rất ngắn và đặc biệt là Fe (tấm thép CCT38) luôn ở trạng thái rắn nên khả năng các nguyên tử Al khuếch tán vào trong nền Fe vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa là rất thấp. Nghĩa là rất khó có thể hình
thành các tổ chức liên kim IMC trong tấm thép CCT38 – điều này rất thuận lợi cho quá
trình hàn nhôm với thép. Tuy nhiên, nếu như sử dụng năng lượng đường quá lớn hoặc để hồ quang tác động trực tiếp vào bề mặt tấm thép làm cho tấm thép bị quá nhiệt hoặc thậm chí bị nóng chảy cục bộ thì các nguyên tử Al sẽ khuếch tán mạnh mẽ vào trong nền Fe, dẫn đến kết quả là sẽ hình thành nhiều tổ chức liên kim bất lợi ở ngay trong tấm thép.
Ngược lại ở phía bên tay phải của giản đồ trên hình 2.12 cho thấy rằng, độ hòa tan của sắt trong nền nhôm là gần như bằng 0 (theo tài liệu [43] thì độ hòa tan của Fe trong nền Al cực đại chỉ là 0,05%), kết quả là hình thành rất sớm một biên giới pha mới khi sắt khuếch tán vào trong nhôm. Theo giản đồ trạng thái trên hình 2.12, tùy thuộc vào hàm lượng Fe đã khuếch tán vào trong Al mà các pha Fe3Al, FeAl, FeAl2, Fe2Al5 hoặc FeAl3 được hình thành tương ứng.
Như vậy trong quá trình hàn nhôm với thép ở trạng thái nóng chảy, do Fe (thép CCT38) ở nhiệt độ cao và đặc biệt là Al (KLMH) ở trạng thái nóng chảy, trong khi độ hòa tan của Fe trong nền Al cực thấp, nên khả năng các nguyên tử Fe khuếch tán vào trong KLMH vượt quá giới hạn hòa tan bão hòa là rất cao. Nghĩa là rất dễ hình thành các tổ chức liên
kim IMC trong KLMH – gây ra khó khăn rất lớn cho quá trình hàn nhôm với thép. Tuy
mặt tấm thép hoặc sử dụng các biện pháp kỹ thuật để vũng hàn kết tinh nhanh thì sẽ giảm được đáng kể lượng Fe khuếch tán vào trong KLMH và nhờ đó sẽ hạn chế được chiều dày của lớp IMC hoặc thậm chí là ngăn ngừa được một phần sự hình thành của các tổ chức liên kim bất lợi đã nêu.
Từ những tính toán nhiệt động lực học hoặc mô phỏng số, có thể ước định được các pha liên kim IMC giàu nhôm nào sẽ được hình thành nhiều. Nói chung, những pha này có độ cứng cao và độ cứng gia tăng với việc tăng hàm lượng của Al trong tổ chức IMC. Theo tác giả B. P. Рябов trong tài liệu [60], độ cứng của các hợp chất liên kim giữa Fe và Al được cho trong bảng 2.6 dưới đây:
Bảng 2.6 Độ cứng tế vi của các pha liên kim giữa Fe và Al (nguồn: [60])
2.3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến việc hình thành liên kết hànhybrid nhôm – thép